JP4924873B2 - 圧電振動ジャイロモジュール及び圧電振動ジャイロセンサ - Google Patents

圧電振動ジャイロモジュール及び圧電振動ジャイロセンサ Download PDF

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本発明は、駆動用振動腕と検出用振動腕とを有する圧電振動ジャイロ素子をTABテープ等のフレキシブル基板に実装した圧電振動ジャイロモジュール、及びこれをパッケージに搭載した圧電振動ジャイロセンサに関する。
従来から角速度センサや回転センサとして圧電振動ジャイロが広く利用されている。圧電振動ジャイロには、様々な構造のものが開発・提案されている。例えば、中央の取付基部にサスペンション装置を介して結合されたフレームから一方の側に延出する1対の駆動用励振枝と、その反対側に延出する1対の検出用ピックアップ枝とを有する両側音叉型の回転速度センサが知られている(特許文献1を参照)。この回転速度センサは、XY平面内で振動する励振枝がY軸周りの回転を受けると、コリオリ力の作用で励振枝に垂直方向の振動が起こり、これが捻れとなってフレームを介して伝達されてピックアップ枝の主面に起こる垂直方向の振動をピックアップ高電極により検出して、Y軸周りの回転及び角速度等を求める。取付基部は、接着剤でハウジングの取付構造体に機械的に又は機械的かつ電気的に固定される。
また、中央基部から両側に延出する検出用振動アームと、該検出用振動アームと直交して中央基部から両側に延出する連結アーム及びそれに直交して両側に延出する駆動用振動アームとを有するダブルT字型の圧電振動ジャイロ素子が知られている(例えば、特許文献2を参照)。駆動用振動アームがXY平面内で屈曲振動する状態で、圧電振動ジャイロ素子がZ軸周りに回転すると、駆動用振動アームの長手方向に沿って発生するコリオリ力の作用で連結アームがXY平面内で屈曲振動し、これが中央基部を介して伝達されて検出用振動アームに起こるXY平面内での屈曲振動を検出電極が検出して、Z軸周りの回転及び角速度等を求める。圧電振動ジャイロ素子は、中央基部下面のバンプをポリイミド樹脂基板から斜め上方へ延出するリードの先端に接続することにより、該基板の上方に水平に支持される。このポリイミド樹脂基板は、パッケージ内に固定したICチップの上方に水平に配置され、中央基部上面の電極パッドとICチップの電極パッドとがボンディングワイヤにより電気的に接続される。
同様に圧電振動ジャイロ素子等の圧電素子を実装したポリイミド樹脂等のTABテープを備える圧電デバイスにおいて、TABテープとパッケージとの間に樹脂を設けて、そのダンパ効果によって圧電素子の振動によるTABテープの振動を抑制して検出精度の劣化を防止する構成が知られている(例えば、特許文献3を参照)。また、基板上にポリイミド樹脂等の枠体に設置し、該枠体に設けたボンディングワイヤの先端に振動子の端子部を接合することにより、振動子を基板から浮上した状態で支持し、その振動特性の変動を抑制できるようにした構造が知られている(例えば、特許文献4を参照)。
また、TABテープの銅箔からなるリード線に金めっきを施し、これに圧電素子の金バンプを直接接合した圧電デバイスが知られている(例えば、特許文献5を参照)。更にこの圧電デバイスは、TABテープの反対面に駆動用ICチップを実装することにより、TABテープの可撓性によって熱履歴に起因する応力を緩和することができる。
また、支持基板上に金バンプを重ね合わせて接続部を形成し、これと金などの金属からなるジャイロ振動片の電極膜とを共晶現象によって接合する圧電デバイスが知られている(例えば、特許文献6を参照)。接続部は、このように長くすることによって剛性を低くし、可撓性を有するように固着できるので、振動片に回転が加わったときに発生するコリオリ力が阻害されることなく伝搬し、振動片の検出変位を大きくして所望の検出感度を得ることができる。
更に、中央基部の中央に開口を設けかつその内側に撓曲可能な複数のブリッジで一体に結合した取付支持部を有し、連結アームの振動が検出用振動アームに効率良く伝達されるようにしたダブルT字型の圧電振動ジャイロ素子が知られている(例えば、特許文献7を参照)。この圧電振動ジャイロ素子は、取付支持部を接着剤で駆動用ICチップの上面に接着することにより固定され、かつ中央基部の電極と駆動用ICチップの電極パッドとがボンディングワイヤにより電気的に接続される。
特開平7−55479号公報 特開2003−166828号公報 特開2006−80738号公報 特開2003−294450号公報 特開2004−274263号公報 特開2005−308608号公報 特開2005−106481号公報
しかしながら、上述した従来技術のように圧電振動ジャイロ素子をフレキシブル基板から持ち上げたリードの先端に接合する支持構造では、リードの高さ分だけ全体の高さを低くすることが困難である。そのため、最近の電子機器の小型化・薄型化の要求に反して、圧電振動ジャイロセンサの薄型化・低背化が制限される、という問題がある。他方、圧電振動ジャイロ素子の支持構造を低くすると、落下等の衝撃により振動アームが振れて基板やパッケージと接触し、破損する虞がある。
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出感度を維持しつつ、その薄型・低背化を図ることができ、かつ落下等の衝撃による圧電振動ジャイロ素子の破損を防止し得る圧電振動ジャイロモジュール及びセンサを提供することにある。
本発明によれば、上記目的を達成するために、ベースフィルムの表面にリードを形成したフレキシブル基板と、中央基部から延出する駆動用振動アーム及び検出用振動アームを有する圧電振動ジャイロ素子とを備え、中央基部が、駆動用振動アーム及び検出用振動アームから引き出された電極と該電極上に形成された金属バンプとを有し、中央基部の金属バンプとそれに対応するフレキシブル基板のリードの金属接続部とを直接接合することにより、圧電振動ジャイロ素子をフレキシブル基板に実装した圧電振動ジャイロモジュールが提供される。
このように圧電振動ジャイロ素子とフレキシブル基板とを直接接続することにより、圧電振動ジャイロモジュールを従来よりも薄型化することができる。更に、上述した従来技術において圧電振動ジャイロ素子を持ち上げるリードの共振モードの影響を排除できるので、温度ドリフトの虞を解消することができる。特に圧電振動ジャイロ素子金属バンプ及びフレキシブル基板の金属接続部の双方を金で形成すると、金−金接合により直接接合でき、それにより低抵抗で良好な接合状態及び十分な接合強度が得られるので、圧電振動ジャイロ素子をフレキシブル基板に強固に固定することができる。
或る実施例では、フレキシブル基板が、柔軟性を有する接着層によってリードをベースフィルム表面に積層した3層タイプの構造を有する。これにより、落下等の衝撃で圧電振動ジャイロ素子の検出用振動アーム又は駆動用振動アームがフレキシブル基板表面の垂直方向に振れて該フレキシブル基板に衝突しても、その衝撃を吸収又は軽減して、破損を防止することができる。更に、接着層の柔軟性が発揮するダンパ効果によって、検出用振動アームの検出モードのQ値が低下することを抑制し、その検出感度を維持することができる。
別の実施例では、このような3層タイプのフレキシブル基板において、柔軟性を有する接着層を駆動用振動アーム及び検出用振動アームの下側の領域に残すように、リードを形成する。これにより、落下等の衝撃で圧電振動ジャイロ素子の検出用振動アーム又は駆動用振動アームがフレキシブル基板表面の垂直方向に振れて該フレキシブル基板に衝突しても、その衝撃を吸収又は軽減して、破損を防止することができる。
或る実施例では、中央基部とベースフィルムとの間を充填するように柔軟性及び/又は弾性を有する樹脂材料を設ける。これにより、使用時に駆動用振動アームの振動がフレキシブル基板に共振を生じさせても、それが検出用振動アームの振動に及ぼす影響を低減させて、検出モードのQ値が低下することを抑制することができる。
別の実施例では、フレキシブル基板が、駆動用振動アーム及び検出用振動アームの下側に柔軟性及び/又は弾性を有する樹脂材料のクッションを設ける。これにより、圧電振動ジャイロ素子の検出用振動アーム又は駆動用振動アームが落下等の衝撃でフレキシブル基板表面の垂直方向に振れることを抑制し、該フレキシブル基板との衝突による各アームの破損を防止することができる。
更に別の実施例では、フレキシブル基板が、駆動用振動アーム及び検出用振動アームの下側の領域に設けられた切り抜き部を有する。これにより、圧電振動ジャイロ素子の検出用振動アーム又は駆動用振動アームが、落下等の衝撃でフレキシブル基板表面の垂直方向に振れても、該フレキシブル基板に衝突する虞が無く、従ってその破損を確実に防止することができる。
また、或る実施例では、フレキシブル基板の圧電振動ジャイロ素子を実装した面と反対側の面に圧電振動ジャイロ素子の駆動用ICチップを実装し、圧電振動ジャイロモジュールの小型化、薄型化を図ることができる。
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電振動ジャイロモジュールをパッケージ内に、圧電振動ジャイロ素子を実装した領域を浮かせるように収容した圧電振動ジャイロセンサが提供される。本発明の圧電振動ジャイロモジュールを搭載することにより、センサ全体を薄型化できることに加えて、圧電振動ジャイロ素子を浮かせた状態で保持することによって、駆動用振動アームの振動が効率良く検出用振動アームに伝達され、センサの検出感度を良好に維持することができる。
以下に、本発明による圧電振動ジャイロモジュール及びセンサの好適実施例について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第1実施例を示している。本実施例の圧電振動ジャイロモジュール1は、圧電振動ジャイロ素子2とこれを片面に実装したフレキシブル基板3とを備える。圧電振動ジャイロ素子2は、図2に示すように所謂ダブルT字型で、中央基部4から図中上下両側へ延出する1対の検出用振動アーム5,5と、該中央基部から検出用振動アームと直交して図中左右両側へ延出する1対の連結アーム6,6と、各連結アームの先端からそれぞれ直交して図中上下両側へ延出する左右各1対の駆動用振動アーム7,7,8,8とを有する。
前記各検出用振動アーム及び駆動用振動アームには、その上下主面及び側面に検出電極及び駆動電極(図示せず)がそれぞれ形成されている。中央基部4の表面には、前記検出電極及び駆動電極から引き出された電極パッド9が設けられ、該電極パッドの上面にはそれぞれ金属バンプ10が形成されている。本実施例において、金属バンプ10は金で形成されているが、他の金属材料で形成することもできる。
フレキシブル基板3は、図3に示すように、概ね矩形のベースフィルム11の表面にリード12が所望のパターンに形成されている。ベースフィルム11は、例えばTABテープに使用されるポリイミド樹脂等のフィルム材料で形成される。リード12は、例えば銅箔等の導電性金属箔で形成される。本実施例において、リード12は、図1(B)に示すように、接着層13を介してベースフィルム11の表面に積層されている。接着層13には、エボキシ系、シリコン系、ウレタン系などの公知の様々な接着剤を用いることができる。別の実施例では、接着剤を用いないで、リード12をベースフィルム11表面に直接積層することができる。
各リード12は、その先端に圧電振動ジャイロ素子2の対応する電極パッド9と接続される接続部14を有する。本発明によれば、図1(B)に示すように、電極パッド9と接続部14とを直接接合する。本実施例の接続部14は、その表面に金めっきが施されている。従って、前記接続部と対応する電極パッド9とは、例えば加圧しつつ超音波振動により金−金接合で直接接合される。
これにより、圧電振動ジャイロモジュール1は、圧電振動ジャイロ素子をフレキシブル基板から持ち上げたリードの先端に接合する従来の支持構造よりも薄型にすることができる。更に、圧電振動ジャイロ素子を持ち上げるリードの共振モードの影響を排除できるので、上述した従来技術における温度ドリフトの虞を解消することができる。また、金−金接合は、低抵抗であるので良好な接合状態が得られ、かつ十分な接合強度を有するので、圧電振動ジャイロ素子2はフレキシブル基板3に強固に固定される。
図4は、図1の第1実施例の圧電振動ジャイロモジュール1の変形例を示している。この変形例は、フレキシブル基板3の接着層13を柔軟性を有する接着剤で形成しかつ通常の接着層よりも厚くした点において、図1の第1実施例と異なる。このような柔軟性を有する接着剤として、例えばシリコン系やウレタン系の接着剤を用いることができる。
これにより、圧電振動ジャイロ素子2の前記検出用振動アーム及び/又は駆動用振動アームが、落下等の衝撃でフレキシブル基板3表面の垂直方向に振れて該フレキシブル基板に衝突しても、その衝撃を吸収又は軽減して、破損を防止することができる。接着層13は、振動アームの振動を有効に吸収又は軽減し得るように、約15μm又はそれ以上の厚さにすることが好ましい。更に、中央基部4とベースフィルム11との間に設けた接着層13の柔軟性が発揮するダンパ効果によって、前記検出用振動アームの検出モードのQ値が低下することを抑制し、その検出感度を維持することができる。
図5(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第2実施例を示している。第2実施例の圧電振動ジャイロモジュール21は、第1実施例と同様に、図2の圧電振動ジャイロ素子2及び図3のフレキシブル基板3を備え、圧電振動ジャイロ素子の金属バンプ10とフレキシブル基板の接続部14とが金−金接合で直接接合されている。圧電振動ジャイロモジュール21は、中央基部4とフレキシブル基板3との間に柔軟性又は弾性を有する樹脂材料22を充填した点において、第1実施例と異なる。
樹脂材料22は、例えばシリコン系又はウレタン系の樹脂材料を使用し、図5(B)に示すように、電極パッド9と接続部14との接合部分全体を包むように設けることが好ましい。これにより、使用時に駆動用振動アームの振動がフレキシブル基板3に共振を生じさせても、それが前記検出用振動アームの振動に及ぼす影響を低減させて、検出モードのQ値が低下することを抑制することができる。また、第2実施例においても、図4の変形例と同様にフレキシブル基板3の接着層13を、柔軟性を有する接着剤で通常よりも厚く形成することができる。
図6(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第3実施例を示している。第3実施例の圧電振動ジャイロモジュール31は、第1実施例と同様に、圧電振動ジャイロ素子2とフレキシブル基板32とを備え、該フレキシブル基板はベースフィルム33の表面にリード34が接着層35を介して積層されている。リード34先端の接続部36には金めっきが施され、圧電振動ジャイロ素子2の金属バンプ10と金−金接合で直接接合されている。圧電振動ジャイロモジュール31は、フレキシブル基板32が駆動用振動アーム7,8、検出用振動アーム5及び連結アーム6の下側に柔軟性及び/又は弾性を有する樹脂材料のクッション37を設けた点において、第1実施例と異なる。
クッション37は、例えばシリコン系又はウレタン系の樹脂材料を使用し、図7に示すように、フレキシブル基板32の表面に接続部36の外側を囲むように設けることができる。これにより、圧電振動ジャイロ素子2の前記検出用振動アーム、連結アーム又は駆動用振動アームが落下等の衝撃でフレキシブル基板32表面の垂直方向に振れることを抑制し、該フレキシブル基板との衝突による前記各アームの破損を防止することができる。また、クッション37は、前記各アームの先端側にかつ/又は各アームの下側にのみ配置することができる。
図8(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第4実施例を示している。第4実施例の圧電振動ジャイロモジュール41は、第1実施例と同様に、圧電振動ジャイロ素子2とフレキシブル基板42とを備え、該フレキシブル基板はベースフィルム43の表面にリード44が接着層45を介して積層されている。図示していないが、リード44先端の接続部には金めっきが施され、圧電振動ジャイロ素子2の金属バンプ10と金−金接合で直接接合されている。圧電振動ジャイロモジュール41は、フレキシブル基板42が、ベースフィルム43表面にリード44を積層するための接着層45aを駆動用振動アーム7,8及び検出用振動アーム5の下側の領域に残存させた点において、第1実施例と異なる。
接着層45aは、図4の変形例と同様に、例えばシリコン系やウレタン系の柔軟性を有する接着剤を用いることができる。これにより、圧電振動ジャイロ素子2の前記検出用振動アーム及び/又は駆動用振動アームが、落下等の衝撃でフレキシブル基板42表面の垂直方向に振れて該フレキシブル基板に衝突しても、その衝撃を吸収又は軽減して、破損を防止することができる。接着層45aは、振動アームの衝突を有効に吸収又は軽減し得るように、15μm又はそれ以上の厚さにすることが好ましい。また、接着層45aは、例えばフレキシブル基板42表面に積層した銅箔をエッチングしてリード44をパターニングする際に、前記検出用振動アーム及び駆動用振動アームの下側の領域のみ接着剤が残存するように銅箔のエッチングを制御することにより形成される。
図9(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第5実施例を示している。第5実施例の圧電振動ジャイロモジュール51は、第1実施例と同様に、圧電振動ジャイロ素子2とフレキシブル基板52とを備え、該フレキシブル基板はベースフィルム53の表面にリード54が接着層55を介して積層されている。図示していないが、リード54先端の接続部には金めっきが施され、圧電振動ジャイロ素子2の金属バンプ10と金−金接合で直接接合されている。圧電振動ジャイロモジュール51は、フレキシブル基板52が、ベースフィルム53の駆動用振動アーム7,8及び検出用振動アーム5の下側の領域に切り抜き部56を設けた点において、第1実施例と異なる。これにより、圧電振動ジャイロ素子2の前記検出用振動アーム及び/又は駆動用振動アームが、落下等の衝撃でフレキシブル基板52表面の垂直方向に振れても、該フレキシブル基板に衝突する虞が無く、従ってその破損を確実に防止することができる。
図10(A)、(B)は、本発明による圧電振動ジャイロセンサの好適な実施例を示している。本実施例の圧電振動ジャイロセンサ61は、パッケージ62の内部に図1の圧電振動ジャイロモジュール1が実装されている。パッケージ62は、複数のセラミック薄板を積層した矩形箱型構造をなすべース63と、その上端にシールリング64を介して気密に接合された金属製の蓋65とを有する。べース63の内部には、長手方向の両端に段差63a,63bが形成されている。
圧電振動ジャイロモジュール1は、圧電振動ジャイロ素子2を下側にし、かつフレキシブル基板3の圧電振動ジャイロ素子2を実装した領域を浮かせるように、その長手方向両端をそれぞれべース63内部の段差63a、63bに載せる。段差63a、63bは、落下等の衝撃を受けた場合にも圧電振動ジャイロ素子2がべース63底部に接触しないような高さに設けることが望ましい。前記段差の上面には、フレキシブル基板3のリード12と接続するための電極(図示せず)が設けられている。これらの電極と対応するリード12とを、例えば導電性接着剤で接続することにより、圧電振動ジャイロモジュール1をべース63内に固定する。
このように圧電振動ジャイロ素子2を浮かせた状態で保持することにより、駆動用振動アーム7,8の振動が連結アーム6を介して効率良く検出用振動アーム5に伝達されるようにすることができる。これにより、圧電振動ジャイロモジュール1の検出感度を良好に維持することができる。また、圧電振動ジャイロ素子2を下側に配置したので、パッケージ62全体を薄型化しても、落下等の衝撃を受けた場合に蓋65に衝突して破損する虞がない。
図11(A)、(B)は、図9の圧電振動ジャイロセンサの変形例を示している。この変形例の圧電振動ジャイロセンサ71は、圧電振動ジャイロモジュール1に圧電振動ジャイロ素子2の駆動用ICチップ72が実装されている点において、図10の実施例と異なる。ICチップ72は、フレキシブル基板3の圧電振動ジャイロ素子2とは反対側の面に配置される。そのため、フレキシブル基板3には、両面にリードを設けかつそれらをスルーホールで接続した両面板を使用することが好ましい。
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、圧電振動ジャイロモジュールには、上記実施例のダブルT字型以外の圧電振動ジャイロ素子を実装することができる。また、フレキシブル基板には、上記実施例のもの以外に、従来使用されている様々な材質及び構造のものを用いることができる。
(A)図は本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第1実施例を示す平面図、(B)図はそのI−I線における部分拡大断面図。 図1の圧電振動ジャイロ素子の平面図。 図1のフレキシブル基板の平面図。 第1実施例の変形例を示す図1(B)と同様の部分拡大断面図。 (A)図は本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第2実施例を示す平面図、(B)図はそのV−V線における部分拡大断面図。 (A)図は本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第3実施例を示す平面図、(B)図はそのVI−VI線における部分拡大断面図。 図3のフレキシブル基板の平面図。 (A)図は本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第4実施例を示す平面図、(B)図はそのVIII−VIII線における部分拡大断面図。 (A)図は本発明による圧電振動ジャイロモジュールの第5実施例を示す平面図、(B)図はそのIX−IX線における部分拡大断面図。 (A)図は本発明による圧電振動ジャイロセンサの実施例を示す平面図、(B)図はその縦断面図。 (A)図は図10の変形例を示す平面図、(B)図はその縦断面図。
符号の説明
1,21,31,41,51…圧電振動ジャイロモジュール、2…圧電振動ジャイロ素子、3,32,42,52…フレキシブル基板、4…中央基部、5…検出用振動アーム、6…連結アーム、7,8…駆動用振動アーム、9…電極パッド、10…金属バンプ、11,33,43,53…ベースフィルム、12,34,44,54…リード、13,35,45,45a,55…接着層、14,36…接続部、22…樹脂材料、37…クッション、61,71…圧電振動ジャイロセンサ、62…パッケージ、63…べース、63a,63b…段差、64…シールリング、65…蓋、72…ICチップ。

Claims (6)

  1. ベースフィルムの表面にリードを形成したフレキシブル基板と、中央基部から延出する駆動用振動アーム及び検出用振動アームを有する圧電振動ジャイロ素子とを備え、
    前記中央基部が、前記駆動用振動アーム及び前記検出用振動アームから引き出された電極と前記電極上に形成された金属バンプとを有し、前記中央基部の前記金属バンプとそれに対応する前記フレキシブル基板の前記リードの金属接続部とを直接接合することにより、前記圧電振動ジャイロ素子を前記フレキシブル基板に実装し、
    前記フレキシブル基板が、柔軟性を有する接着層によって、かつ前記接着層を前記駆動用振動アーム及び前記検出用振動アームの下側の領域に残すように、前記リードを前記ベースフィルム表面に積層することにより、前記リードを形成したことを特徴とする圧電振動ジャイロモジュール。
  2. 前記中央基部と前記ベースフィルムとの間を充填するように柔軟性及び/又は弾性を有する樹脂材料を設けたことを特徴とする請求項に記載の圧電振動ジャイロモジュール。
  3. 前記フレキシブル基板が、前記駆動用振動アーム及び前記検出用振動アームの下側に柔軟性及び/又は弾性を有する樹脂材料のクッションを設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電振動ジャイロモジュール。
  4. 前記フレキシブル基板が、前記駆動用振動アーム及び前記検出用振動アームの下側の領域に切り抜き部を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電振動ジャイロモジュール。
  5. 前記フレキシブル基板の前記圧電振動ジャイロ素子を実装した面と反対側の面に、前記圧電振動ジャイロ素子の駆動用ICチップを実装したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の圧電振動ジャイロモジュール。
  6. 請求項1乃至のいずれかに記載の圧電振動ジャイロモジュールをパッケージ内に、前記圧電振動ジャイロ素子を実装した領域を浮かせるように収容することを特徴とする圧電振動ジャイロセンサ。
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