JP4935128B2

JP4935128B2 - 角速度センサの製造方法

Info

Publication number: JP4935128B2
Application number: JP2006070603A
Authority: JP
Inventors: 真二郎上田; 耕一郎中島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-03-15
Also published as: JP2007248189A

Description

本発明は、デジタルスチルカメラの手ブレ防止システム等の電子機器や、自動車のナビゲーションシステム等の車両システムに利用可能な角速度センサの製造方法に関するものである。

角速度センサの振動素子の特性の検査方法として、一回の検査で一つの振動素子の特性を検査する方法は知られている（特許文献１参照）。

また、検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子を有する角速度センサも知られている（特許文献２参照）。
特開２０００−７４６７４号公報実開平５−９２６３５号公報（実願平４−６４８１９号のマイクロフィルム）

従来の角速度センサの振動素子は、一回の検知工程で一つの振動素子の特性しか検知することができず、生産性の向上の阻害要因となっていた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、生産性を向上させることができる角速度センサの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、シート状のシート基板から、基板に取り付けられた検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子と、前記基板に実装され、かつ前記振動素子と電気的に接続されたＩＣとを有する一個の角速度センサを複数個製造する角速度センサの製造方法において、前記シート基板上に前記振動素子および前記ＩＣを複数個設けた後、前記シート基板に角速度を印加する際の回転軸の方向を、前記２個の振動素子のいずれの検知軸に対しても４５°の方向にした角速度を印加することにより複数個の角速度センサの特性を検知する検知工程と、前記複数個の角速度センサの特性のばらつきを低減させるために前記複数個の角速度センサの特性を調整する調整工程とを行い、その後、前記シート基板を分割して前記複数個の角速度センサを一個毎に分離する分割工程を行うようにしたため、個片に分割してから検知工程と調整工程を行うものに比べて生産性を向上させることができるとともに、検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子を取り付けて角速度センサを構成し、かつ検知工程においてシート基板に角速度を印加する際の回転軸の方向を、前記２個の振動素子のいずれの検知軸に対しても４５°の方向にしたため、２軸の振動素子の特性の検知を一度に行うことができることとなり、生産性の向上が図れるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサの製造方法は、シート状のシート基板から、基板に取り付けられた検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子と、前記基板に実装され、かつ前記振動素子と電気的に接続されたＩＣとを有する一個の角速度センサを複数個製造する角速度センサの製造方法において、前記シート基板上に前記振動素子および前記ＩＣを複数個設けた後、前記シート基板に角速度を印加する際の回転軸の方向を、前記２個の振動素子のいずれの検知軸に対しても４５°の方向にした角速度を印加することにより複数個の角速度センサの特性を検知する検知工程と、前記複数個の角速度センサの特性のばらつきを低減させるために前記複数個の角速度センサの特性を調整する調整工程とを行い、その後、前記シート基板を分割して前記複数個の角速度センサを一個毎に分離する分割工程を行うようにしたため、個片に分割してから検知工程と調整工程を行うものに比べて生産性を向上させることができるとともに、検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子を取り付けて角速度センサを構成し、かつ検知工程においてシート基板に角速度を印加する際の回転軸の方向を、前記２個の振動素子のいずれの検知軸に対しても４５°の方向にしたため、２軸の振動素子の特性の検知を一度に行うことができることとなり、生産性の向上が図れるという優れた効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの破断斜視図、図２は同角速度センサの分解斜視図、図３は同角速度センサの平面図、図４は図３の縦断面図、図５は図３の横断面図である。

図１〜図５において、１はセラミックを積層して焼成することにより構成された基板、２は基板１に設けられた凹部である。３は基板１の凹部２に実装されたＩＣ、４は基板１に実装された第１の振動素子で、この第１の振動素子４は一部で振動する２本の脚部４ａとこの２本の脚部４ａを固定する基台４ｂとにより音叉形状に構成されている。５は基板１に実装され、かつ前記第１の振動素子４に対して方向が９０°交差して配置されている第２の振動素子で、この第２の振動素子５は一部で振動する２本の脚部５ａとこの２本の脚部５ａを固定する基台５ｂとにより音叉形状に構成されている。そして前記第１の振動素子４および第２の振動素子５と前記ＩＣ３とは電気的に接続されているため、ＩＣからは第１の振動素子４および第２の振動素子５へ駆動信号が送られ、かつ第１の振動素子４および第２の振動素子５からの検知信号は前記ＩＣ３へ送られ、そしてＩＣ３では所定の信号処理が行われる。６は基板１に取り付けられたチップ部品で、このチップ部品６は前記ＩＣ３とともに電気回路を構成するものである。７は前記凹部２、ＩＣ３、第１の振動素子４、第２の振動素子５、チップ部品６を覆うケースで、このケース７は前記基板１に取り付けられるものである。

８は凹部２の一部を構成し、かつ前記ＩＣ３が実装される空間からなるＩＣ実装部、９は凹部２の一部と連なり、かつ前記ＩＣ実装部８と隣接している注入部で、この注入部９は後述するＩＣ用接着剤を注入する際のノズルが入り込むための空間を構成するものである。１０は凹部２の一部と連なる第１の溜まり部で、この第１の溜まり部１０は前記ＩＣ実装部８よりも深さが浅くなっている。１１は凹部２の一部と連なる第２の溜まり部で、この第２の溜まり部１１も前記第１の溜まり部１０と同様、前記ＩＣ実装部８よりも深さが浅くなっている。そして前記第１の溜まり部１０は第１の振動素子４の下方に位置し、かつ第２の溜まり部１１は第２の振動素子５の下方に位置しているものである。

１２は基板１に形成された素子電極で、この素子電極１２は第１の振動素子４および第２の振動素子５と電気的に接続されるものである。１３は基板１に形成された部品電極で、この部品電極１３はチップ部品６と電気的に接続されるものである。１４は基板１に形成された電極間溝、１５は第１の振動素子４および第２の振動素子５と基板１上の素子電極１２とを電気的に接続するためのワイヤーボンディングにおけるワイヤーである。１６は基板１上に形成された位置決めマークで、この位置決めマーク１６は製造工程における位置決めやマーカーの役割を果たすものである。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、以下にその製造方法を説明する。

図６〜図１２はいずれも本発明の一実施の形態における角速度センサの製造方法を説明する図であり、図６は本発明の一実施の形態における角速度センサのシート基板を示す平面図、図７は同角速度センサにおけるＩＣ実装工程の平面図、図８は同角速度センサにおけるＩＣ用接着剤注入工程の縦断面図、図９は同角速度センサにおける部品用接着剤塗布工程の平面図、図１０は同角速度センサにおける部品配置工程の平面図、図１１は同角速度センサにおける検知工程の平面図、図１２は同角速度センサの製造工程を示すフロー図である。

図６において、２０はセラミックを積層して焼成することにより構成されたシート状のシート基板で、このシート基板２０には複数の個片の基板１に分割するための分割溝２１が複数設けられている。

図７は同角速度センサにおけるＩＣ実装工程の平面図を示したもので、この図７では、分かり易く説明するために、シート基板２０の全体を示すのではなく、一個の角速度センサを形成する部分のみを示している。これは図８〜図１０においても同様である。

図７においては、シート基板２０に形成された凹部２の一部に連なるＩＣ実装部８にＩＣ３を実装している。この場合、ＩＣ３の電極部（図示せず）にバンプ電極（図示せず）を形成しておき、これを基板１に形成された電極（図示せず）に押し当てて超音波溶着によりバンプ電極を溶融させて実装するフェイスダウン方式を採用している。

図８は同角速度センサにおけるＩＣ用接着剤注入工程の縦断面図を示したもので、この図８において、２２はノズルで、このノズル２２は凹部２の一部と連なる注入部９に入り込んでいるものである。２３はノズル２２から出されたＩＣ用接着剤で、このＩＣ用接着剤２３は注入部９からＩＣ３とＩＣ実装部８の底面との間に入り込むものである。このＩＣ用接着剤２３としては、いわゆるアンダーフィル剤を用いることができ、具体的にはエポキシ系などの熱硬化性樹脂を用いることができる。

図９は同角速度センサにおける部品用接着剤塗布工程の平面図を示したもので、この図９において、２４はシート基板２０における第１の振動素子４を取り付ける部分および第２の振動素子５を取り付ける部分のそれぞれに塗布される素子用接着剤で、この素子用接着剤２４にはエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いることができる。２５は部品電極１３上に塗布される部品用接着剤で、この部品用接着剤２５にはＡｇと樹脂とをペースト状にした導電性熱硬化樹脂を用いることができる。

図１０は同角速度センサにおける部品配置工程の平面図を示したもので、この部品配置工程は第１の振動素子４および第２の振動素子５をそれぞれ素子用接着剤２４を介在させてシート基板２０に配置するとともに、チップ部品６を部品用接着剤２５を介在させながら部品電極１３上に配置するものである。

そしてこの部品配置工程で第１の振動素子４、第２の振動素子５およびチップ部品６をシート基板２０上に配置した後に、シート基板２０を加熱し、ＩＣ用接着剤２３、素子用接着剤２４および部品用接着剤２５を熱硬化させる熱硬化工程を行う。このときの温度は、ＩＣ用接着剤２３、素子用接着剤２４および部品用接着剤２５が硬化する温度以上にすればよく、その温度プロファイルはこれらの接着剤の成分にもよるが、多くの場合は１５０℃で１時間３０分〜２時間程度にすればよい。

その後、第１の振動素子４および第２の振動素子５と、シート基板２０上の素子電極１２とを電気的に接続するために、ワイヤー１５を用いて両者をワイヤーボンディングで接続する。

以上の工程を経て、シート基板２０上に実装された電気部品に所定の電気的接続が行われる。

図１１は同角速度センサにおける検知工程の平面図を示したもので、この図１１において、２６は回転軸であり、シート基板２０はこの回転軸２６を中心に回転することにより角速度が印加される。そしてこの回転軸２６は第１の振動素子４の検知軸に対して４５°の方向にし、かつ第２の振動素子５の検知軸に対しても４５°の方向にしている。ここで、第１の振動素子４の検知軸は図１１において紙面の上下方向であり、かつ第２の振動素子５の検知軸は紙面の左右方向であるため、回転軸２６は紙面で４５°の方向である。この方向で角速度を印加すると、第１の振動素子４および第２の振動素子５においてそれぞれの検知軸が回転軸２６と平行な場合に比べて、角速度によって生じる出力値はいずれも２の平方根の逆数倍に減少するため、この出力値を２の平方根倍すれば、振動素子の検知軸と回転軸２６とが平行である場合の出力を求めることができ、一度の角速度の印加で２軸の角速度センサの特性の検知を行うことができるものである。

上記検知工程では、シート基板２０上に実装されている第１の振動素子４および第２の振動素子５の特性を測定し、その特性データをメモリなどの記憶手段（図示せず）に格納する。

検知工程の次は、検知工程で得られた第１の振動素子４および第２の振動素子５の特性データに応じて、これらの特性が所定の範囲に収まるように調整する調整工程を行う。この調整工程では、特に、出力値の０点を調整するもので、具体的にはチップ部品６の中にチップ抵抗器を使用して、このチップ抵抗器の抵抗体をレーザでトリミングすることにより、この抵抗値を変化させる方法がとられる。

上記調整工程の次は、ケース７をシート基板２０に取り付けるケース取り付け工程を行い、その後、シート基板２０を複数の分割溝２１に沿って個片に分割する分割工程を行うことにより、一個の角速度センサを得ることができる。このようにして、２軸の角速度センサを得ることができるものである。

上記した本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、ＩＣ３をフェイスダウンにより実装するとともに、ＩＣ３上に第１の振動素子４と第２の振動素子５の一部が位置するように構成しているため、角速度センサの小型化を図ることができる。すなわち、ＩＣ３上に第１の振動素子４と第２の振動素子５の一部を位置させることにより、基板１の面積を減少させることができ、また、ＩＣ３をフェイスダウンにより実装することによりワイヤーボンディングによるワイヤーやリード端子がＩＣ３上に位置することがないため、第１の振動素子４と第２の振動素子５をＩＣ３上に配置させることが可能となるものである。特に、検知軸を９０°交差させた振動素子を２個備えた角速度センサの場合には、ＩＣの縦方向と横方向を振動素子が横切る構成となり、そのため、ワイヤーボンディング等でＩＣを実装する構成の場合には、これら２個の振動素子の少なくともいずれかの振動素子とワイヤーボンディング等が干渉するおそれがあるが、本発明の一実施の形態における角速度センサはフェイスダウン実装を行っているため、このようなことが生じず、小型化が可能となるものである。

また、第１の振動素子４の脚部４ａおよび第２の振動素子５の脚部５ａを凹部２の上部に配置するように構成しているため、脚部４ａおよび脚部５ａの下方は空間となり、これにより、振動する脚部４ａおよび脚部５ａが基板１と接触することはなくなるため、第１の振動素子４および第２の振動素子５を支持固定する基板１上のエリアを突出させる必要はなくなり、これにより、角速度センサの厚みを薄くすることができるものである。

そしてまた、基板１の凹部２を、ＩＣ３が実装されるためのＩＣ実装部８と、このＩＣ実装部８と繋がり、かつＩＣ用接着剤２３を注入するノズル２２が入り込むための注入部９とで構成しているため、ＩＣ用接着剤２３を確実にＩＣ実装部８とＩＣ３との間に注ぎ込むことができ、これにより、ＩＣ３の接着を確実に行うことができる。すなわち、注入部９がない場合には、凹部２の内壁面とＩＣ３との間にＩＣ用接着剤２３を注入することになるため、凹部２とＩＣ３との間にＩＣ用接着剤２３を注ぎ込むことは難しくなるが、本発明の一実施の形態における角速度センサの場合にはこのような現象は生じないものである。

さらに、基板１の凹部２に、ＩＣ実装部８および注入部９の深さよりも浅く、かつＩＣ実装部８と直接繋がらずに注入部９と直接繋がって形成される第１の溜まり部１０を形成しているため、注入部９から基板１の上面までの沿面距離が増えることになり、これにより、ＩＣ用接着剤２３が凹部２から基板１上へ溢れ難くなるものである。また、第１の溜まり部１０は注入部９より浅い構成としているため、この第１の溜まり部１０の底面の基板部分に電気配線を行うことができるものである。

さらにまた、前記第１の溜まり部１０および第２の溜まり部１１は、基板１の凹部２の中で最も第１の振動素子４および第２の振動素子５の実装部に近い部分に形成しているため、第１の振動素子４および第２の振動素子５の実装部までの沿面距離は増加することになり、これにより、第１の振動素子４および第２の振動素子５にＩＣ用接着剤２３が接触するのを防止できるため、第１の振動素子４および第２の振動素子５の振動に対する悪影響を排除することができる。

また、シート状のシート基板２０の状態で、シート基板２０に角速度を印加することにより複数個の角速度センサの特性を検知する検知工程と、前記複数個の角速度センサの特性のばらつきを低減させるために前記複数個の角速度センサの特性を調整する調整工程とを行い、その後分割工程を行うようにしているため、個片に分割してから検知工程と調整工程を行うものに比べて生産性を向上させることができるものである。

そしてまた、調整工程の後、分割工程を行う前に、シート基板２０に第１の振動素子４および第２の振動素子５を覆うケース７を一個の角速度センサ毎に取り付ける工程を付加しているため、シート基板２０を個片の基板１に分割する際に生じるおそれのあるバリ等が第１の振動素子４および第２の振動素子５に接触するのもこのケース７により確実に防止することができ、その結果、分割工程においては第１の振動素子４および第２の振動素子５を確実に保護することができるものである。また、ケース７はＩＣ３も覆う構成としているため、分割工程においてＩＣ３を保護することができるものである。

さらに、ケース７と基板１との間に隙間が形成されるようにケース７と基板１の一部のみを接着剤で固定しているため、ケース７により、第１の振動素子４および第２の振動素子５を保護することができる。また、ケース７の内部は密封されていないため、製造工程を簡単にすることができる。ここで、角速度センサについては、振動素子が収納された空間を真空にしたり、あるいはヘリウム等の分子量の少ない気体を前記空間に充填すると、０点シフトが少なくなる等の長所があるが、シート基板２０とケース７との間を隙間なく封止する必要があり、また、本当に密封されているのか、それとも密封されていないかを検査する工程も必要となる等、製造工程が複雑になるものである。しかし、角速度センサを手ブレ検知装置に用いる場合などのように、０点シフトが問題にならない場合もあり、この場合には、ケース７を密封する必要がないため、密封しないことによる製造工程の簡略化等の長所を享受することができるものである。

さらにまた、第１の振動素子４および第２の振動素子５を接着する素子用接着剤２４と、ＩＣ３を接着するＩＣ用接着剤２３は、いずれも熱硬化性樹脂を用い、かつチップ部品６の接着に用いる部品用接着剤２５は導電性熱硬化樹脂を用いているため、熱硬化性樹脂と導電性熱硬化樹脂の硬化を同一工程で行うことができ、これにより、生産効率の向上を図ることができるものである。このように、導電性熱硬化樹脂を用いる場合には、はんだ等の導電性金属接着剤のように表面張力が大きくないため、導電性熱硬化樹脂が基板１上に形成された部品電極１３からはみ出してしまう可能性があり、チップ部品６の一方の電極側の導電性熱硬化樹脂と他方の電極側の導電性熱硬化樹脂とが接触すると短絡が生じてしまう。このため、本発明の一実施の形態においては、対向する部品電極１３間に電極間溝１４を形成することにより、一対の部品電極１３間の沿面距離を長くして、短絡の防止を図っている。

なお、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、検知軸を互いに９０°交差させる２個の振動素子を用いているが、一個の振動素子を用いたものであってもよいものである。

また、シート基板２０から、複数個の角速度センサを得る製造方法になっているが、シート基板２０を用いずに最初から一個の角速度センサを得る製造方法にしてもよいものである。

そしてまた、チップ部品６の接着に用いる部品用接着剤２５には、上記した導電性熱硬化樹脂ではなく、はんだ等の導電性金属接着剤を用いてもよいものである。この場合、所定温度の環境下で前記素子用接着剤２４とＩＣ用接着剤２３として用いられる熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程の後に、この熱硬化工程と連続して熱硬化工程より高い温度で導電性金属接着剤を溶融させるリフロー工程を付加することによって行うことができる。例えば、熱硬化工程では１５０℃で３０分〜２時間程度の温度プロファイルで熱硬化性樹脂を硬化させ、その後、続けて２６０°で５分のリフロー工程を行うようにするものである。

このように導電性金属接着剤を用いたリフロー工程は実績もあり、信頼性が高いが、熱硬化性樹脂は、比較的低温で長時間の温度プロファイルにより硬化させるものであるのに対し、導電性金属接着剤は比較的高温で短時間の温度プロファイルで溶融、接着させるものであるため、これら種類の異なる接着剤を用いて接着を行うことは困難なものである。すなわち、熱硬化性樹脂に適切な温度プロファイルでは導電性金属接着剤は溶融しないため、チップ部品６を接着することはできず、一方、導電性金属接着剤に適切な温度プロファイルでは熱硬化性樹脂の硬化前に基板１等の温度が高温になってしまい、そして高温になることによる基板１等の反りの影響で、ＩＣ３、第１の振動素子４および第２の振動素子５が正常に接着できない可能性がある。しかしながら、前述した独自の温度プロファイルで加熱を行うようにすれば、熱硬化性樹脂による接着と導電性金属接着剤による接着とを両立させ、かつこれらにより正常な接着を行うことができるものである。なお、導電性金属接着剤を使用する場合には、電極間溝１４は形成しなくてもよいものである。

本発明に係る角速度センサの製造方法は、シート基板上に振動素子およびＩＣを複数個設けた後、前記シート基板に角速度を印加することにより複数個の角速度センサの特性を検知する検知工程と、前記複数個の角速度センサの特性のばらつきを低減させるために前記複数個の角速度センサの特性を調整する調整工程とを行い、その後、前記シート基板を分割して前記複数個の角速度センサを一個毎に分離する分割工程を行うようにしたことにより、角速度センサの生産性を向上させることができるという効果を有するものであり、そしてこの製造方法により得られた角速度センサは電子機器や車両に適用して有用なものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの破断斜視図同角速度センサの分解斜視図同角速度センサの平面図図３の縦断面図図３の横断面図本発明の一実施の形態における角速度センサのシート基板を示す平面図同角速度センサにおけるＩＣ実装工程の平面図同角速度センサにおけるＩＣ用接着剤注入工程の縦断面図同角速度センサにおける部品用接着剤塗布工程の平面図同角速度センサにおける部品配置工程の平面図同角速度センサにおける検知工程の平面図同角速度センサの製造工程を示すフロー図

１基板
２凹部
３ＩＣ
４第１の振動素子
４ａ脚部
４ｂ基台
５第２の振動素子
５ａ脚部
５ｂ基台
６チップ部品
７ケース
８ＩＣ実装部
９注入部
１０第１の溜まり部
１１第２の溜まり部
１２素子電極
１３部品電極
１４電極間溝
１５ワイヤー
１６位置決めマーク
２０シート基板
２１分割溝
２２ノズル
２３ＩＣ用接着剤
２４素子用接着剤
２５部品用接着剤
２６回転軸

Claims

シート状のシート基板から、基板に取り付けられた検知軸を互いに９０°交差させた２個の振動素子と、前記基板に実装され、かつ前記振動素子と電気的に接続されたＩＣとを有する一個の角速度センサを複数個製造する角速度センサの製造方法において、前記シート基板上に前記振動素子および前記ＩＣを複数個設けた後、前記シート基板に角速度を印加する際の回転軸の方向を、前記２個の振動素子のいずれの検知軸に対しても４５°の方向にした角速度を印加することにより複数個の角速度センサの特性を検知する検知工程と、前記複数個の角速度センサの特性のばらつきを低減させるために前記複数個の角速度センサの特性を調整する調整工程とを行い、その後、前記シート基板を分割して前記複数個の角速度センサを一個毎に分離する分割工程を行うようにした角速度センサの製造方法。