JP2008096318A - 振動センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】感度の温度特性の優れた振動センサおよびその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、ベース部とベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子(10)と、音叉型振動子(10)を実装する実装部(20)と、括れ部(48)を有し、音叉型振動子(10)を実装部(20)に実装させる支持部(40)と、を具備する振動センサおよびその製造方法である。本発明によれば、支持部に設けられた括れ部が音叉型振動子と実装部との熱膨張係数の差に起因した応力を緩和する。よって、感度の温度特性の優れた振動センサおよびその製造方法を提供することができる。
【選択図】図6
【解決手段】本発明は、ベース部とベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子(10)と、音叉型振動子(10)を実装する実装部(20)と、括れ部(48)を有し、音叉型振動子(10)を実装部(20)に実装させる支持部(40)と、を具備する振動センサおよびその製造方法である。本発明によれば、支持部に設けられた括れ部が音叉型振動子と実装部との熱膨張係数の差に起因した応力を緩和する。よって、感度の温度特性の優れた振動センサおよびその製造方法を提供することができる。
【選択図】図6
Description
本発明は振動センサおよびその製造方法に関し、特に音叉型振動子を有する振動センサおよびその製造方法に関する。
音叉型振動子を有する加速度センサや角速度センサ等の振動センサは、音叉型振動子の振動を検知することにより、加速度や角速度を検知するセンサである。例えば、角速度センサは、カーナビゲーションシステムやデジタルカメラの手振れ防止等に用いられている。特許文献1には水晶からなる音叉型振動子を基板やパッケージ等の実装部に1つの支持部で実装する場合が開示されている。支持部としては例えばバンプを用いることが開示されている。
特開2005−49306号公報
振動センサを高感度化するためには、音叉型振動子を実装部に実装する際の実装方法が重要である。特許文献1においては、はんだ、導電性接着剤またはバンプを用い一箇所で音叉型振動子を実装している。しかしながら、このような実装方法では、振動センサの感度の温度特性を改善することが難しいことがわかった。本発明は、上記課題に鑑み、感度の温度特性の優れた振動センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子と、前記音叉型振動子を実装する実装部と、括れ部を有し、前記音叉型振動子を前記実装部に実装させる支持部と、を具備することを特徴とする振動センサである。本発明によれば、支持部に設けられた括れ部が音叉型振動子と実装部との熱膨張係数の差に起因した応力を緩和する。よって、感度の温度特性の優れた振動センサを提供することができる。
上記構成において、前記支持部は積層された複数のバンプである構成とすることができる。この構成によれば、簡単に括れ部を有する支持部を形成することができる。
前記複数のバンプは積層された径の異なるバンプである構成とすることができる。この構成によれば、バンプを積層する際に大きいバンプ上に小さいバンプを積層することができる。よって、積層したバンプを安定に形成することができる。
上記構成において、複数の前記支持部を有する構成とすることができる。この構成によれば、ノードが上下方向に振動し難い。よって、高感度な音叉型振動子を実現することができる。
上記構成において、前記支持部は前記音叉型振動子と前記実装部とを電気的に接続する構成とすることができる。この構成によれば、音叉型振動子と実装部とを接続するボンディングワイヤの本数を削減することができる。
上記構成において、前記支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線上に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、面垂直振動モードのツイスト振動を妨げることなく、かつノードの上下運動を抑制することができる。
上記構成において、前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、音叉型振動子の振動の対称性を確保することができる。
上記構成において、前記音叉型振動子と前記実装部との間に設けられた樹脂部を具備する構成とすることができる。この構成によれば、樹脂部が音叉型振動子の実装部への実装を補強することができる。
上記構成において、前記支持部の高さは、前記樹脂部が含有するフィラーの径より大きい構成とすることができる。この構成によれば、フィラーが音叉型振動子と実装部とを固定してしまい、音叉型振動子の振動を妨げることを抑制することができる。
本発明は、ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子の前記ベース部および実装部の少なくとも一方にバンプを形成する工程と、前記バンプが複数積層するように前記音叉型振動子を前記実装部に実装する工程と、を有することを特徴とする振動センサの製造方法である。本発明によれば、簡単に括れ部を有する支持部を形成することができる。
上記構成にいて、前記バンプを形成する工程は、後に形成されたバンプの径が前に形成されたバンプの径より小さくなるように複数のバンプを積層する工程である構成とすることができる。この構成によれば、バンプを容易に積層することができる。
本発明によれば、感度の温度特性の優れた振動センサおよびその製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
実施例1は、2つの音叉型振動子をパッケージ上に実装した角速度センサの例である。図1は実施例1に係る角速度センサの斜視図であり、図2は音叉型振動子10の斜視図である。図1を参照に、2本のアーム部を有する音叉型振動子10aおよび10bがキャビティタイプのパッケージ30のそれぞれ実装部20aおよび20bに固着され実装されている。実装部20aおよび20bにはボンディングパッド22aおよび22bが設けられている。音叉型振動子10aおよび10bの電極並びに音叉型振動子10aおよび10bとパッド22aおよび22bとを接続するボンディングワイヤは図示していない。音叉型振動子10aおよび10bは互いに直交しており、それぞれ各長手方向(アーム部の方向)を検知軸1および検知軸2とし、検知軸1および検知軸2を中心とした角速度を検知する。パッケージ30には例えば基板に電子部品が実装された制御回路52が実装されている。制御回路52は、音叉型振動子10aおよび10bを制御する回路であり、音叉型振動子10aおよび10bに駆動信号を供給し、音叉型振動子10aおよび10bより検出信号が入力する。パッケージ30にはキャップ(図示せず)により蓋がされる。
図2を参照に、音叉型振動子10はベース部13とベース部13から延びる2本(複数)のアーム部11および12を有する。音叉型振動子10は例えばLiNbO3(ニオブ酸リチウム)またはLiTaO3(タンタル酸リチウム)等の圧電性材料より形成されている。例えばLiNbO3またはLiTaO3を用いる場合は、130°から140°Y板を用いることにより、高k23電気機械結合係数を得ることができる。音叉型振動子10の表面にはAu(金)、Al(アルミニウム)またはCu(銅)等の金属膜を用いた電極パターン(不図示)が形成されている。
図3(a)は音叉型振動子10の表側の電極パターンの例を示し、図3(b)は裏側の電極パターンの例を示す。アーム部11には検出電極11a、11b、11cが設けられている。検出電極11aと11bとは電極11dで接続されている。検出電極11aには引き出し電極11fが設けられている。電極11cは、引き出し電極11eに接続されている。同様に、アーム部12には、検出電極12a、12b、12cが設けられている。検出電極12aと12bとは電極12dで接続されている。検出電極12aには引き出し電極12fが設けられている。検出電極12cは、引き出し電極12eに接続されている。音叉型振動子10の表面には駆動電極14aが設けられ、引き出し電極14bに接続されている。同様に、裏面には駆動電極15aが設けられ、引き出し電極15bに接続されている。
図4(a)および図4(b)は音叉型振動子10の駆動モードと検出モードを説明するための図である。図4(a)を参照に、音叉型振動子10の駆動電極(図3(a)および図3(b)参照)に駆動信号を印加することによりアーム部11および12が互いに開閉するような振動モードを発生させる。この振動はアーム部11および12方向の面に平行な振動であり、これを面内振動モードという。また、面内振動モードの振動方向の面を面内振動面という。ここで検知軸に対し角速度が加わると、コリオリ力により図4(b)のようなアーム部11および12が前後に振動する振動モードが現れる。この振動はアーム部11および12方向の面に垂直なツイスト振動であり、これを面垂直振動モードという。検出電極(図3(a)および図3(b)参照)がこの振動モードを検出することにより検知軸を中心とした角速度を検知することができる。駆動に用いる振動モードを駆動モード、検知に用いる振動モードを検出モードという。各振動モードにおいて、振動しない領域をノードという。図3(a)においては、音叉型振動子10の対称面がノードAとなる。図3(b)においては、音叉型振動子10の中心軸がノードBとなる。
図5は、音叉型振動子10を裏面よりみた図である。ベース部13のノード線R1はノードAとノードBの共通のノード(すなわちノードB)を、面S1(後述するように支持部が設けられる面)に投影した線である。
図6(a)は、実装部20の上視図、図6(b)は音叉型振動子10を実装した実装部20の上視図、図6(c)は図6(b)のA−A断面図である。図6(a)を参照に、実装部20は、例えば、セラミックからなり、音叉型振動子10からのボンディングワイヤ34を接続するボンディングパッド22を有するワイヤパッド部28、音叉型振動子10を支持する振動子支持部27および本体部26からなる。振動子支持部27には、支持部40である金バンプを用い音叉型振動子10を接続するパッド25が設けられている。パッド25は音叉型振動子10の真下から外側にかけて延在し、パッド25間にはパッド25が形成されていないため凹部24となっている。パッド22および25は、例えば金メッキ法を用い形成される。
図6(b)を参照に、引き出し電極11e,11f、12e、12f、14bおよび15bとボンディングパッド22とがボンディングワイヤ34で接続されている。ボンディングパッド22は制御回路52と接続されている。なお、引き出し電極14b、15bのパターンは図3(a)および図3(b)とは一部異なっている。図6(c)を参照に、ワイヤパッド部28の上面は、音叉型振動子10からのボンディングを容易に行うため、音叉型振動子10と略同じ高さを有している。振動子支持部27の上面に対し、本体部26の上面は低く形成されている。パッド25上には例えば金バンプである支持部40を用い音叉型振動子10がフリップチップ実装されている。支持部40を覆うように、支持部40による実装を補強するための樹脂部36が設けられている。樹脂部36は例えばシリコン樹脂やエポキシ樹脂からなる接着剤である。図7は支持部40の数を3個とした場合の音叉型振動子10の裏面の図である。ノード線R1上に支持部40を3個設けている。
図8(a)から図9(b)の模式図を用い、実施例1に係る角速度センサの音叉型振動子10を実装部20に実装する方法の一例を説明する。図8(a)を参照に、LiNbO3からなる音叉型振動子10のベース部の電極パッド14にAuスタッドバンプ41を形成する。バンプ41は径が約100μmであり、高さが約60μmである。図8(b)を参照に、バンプ41上にAuスタッドバンプ42を形成する。バンプ42はバンプ41より径が小さく、約80μmである。これにより、バンプが積層し括れ部48を有する支持部40が形成される。図8(c)を参照に、メッキ法により形成されたAuパッド25を有しセラミックからなる実装部20をフリップチップボンダのステージ(不図示)上に載せる。図8(d)を参照に、図8(d)を参照に、アルミニウム(Al)を主成分とするフィラー38を含有する熱硬化エポキシ樹脂からなる樹脂材37を実装部20上に塗布する。
図9(a)を参照に、音叉型振動子10をフリップチップボンダのツール(不図示)で吸着し、支持部40を実装部20のパッド25に位置合わせする。図9(b)を参照に、フリップチップ接合する。熱硬化樹脂を硬化させ樹脂部36を形成する。
図10を参照に、比較例1として、直径が約100μm、高さが約60μmのAuスタッドバンプが1段からなる支持部40aを有する角速度センサを作製した。その他の構成は実施例1の図9(b)と同じである。
図11は、図8(a)から図9(b)の方法で作製した実施例1および図10で示した比較例1の温度に対する音叉型振動子10の検出電極のインピーダンスZyを示した図である。45℃以下においては、実施例1および比較例1のインピーダンスZyはほぼ同じである。65℃以上では、比較例1のインピーダンスZyは急激に大きくなるのに対し、実施例1のインピーダンスZyはほぼ一定である。90℃においては、実施例1のインピーダンスZyは約3.3kΩに対し、比較例1のインピーダンスZyは約5kΩと非常に大きくなってしまう。
振動センサの感度は共振先鋭度Qが大きくなれば大きくなる。Qは、
Q=1/(4πZC(fa−fr))
で表される。ここで、Zは共振周波数でのインピーダンス、Cは直列容量、faは反共振周波数、frは共振周波数である。上式より、Zが小さくなればQが大きくなり高感度となることがわかる。よって、比較例1は高温において検出電極の感度が低くなってしまう。
Q=1/(4πZC(fa−fr))
で表される。ここで、Zは共振周波数でのインピーダンス、Cは直列容量、faは反共振周波数、frは共振周波数である。上式より、Zが小さくなればQが大きくなり高感度となることがわかる。よって、比較例1は高温において検出電極の感度が低くなってしまう。
図4(a)を参照に、面内振動モード(実施例1では駆動モード)においては、アーム部11、12の振動が主であり、面垂直振動モード(実施例1では検出モード)に比べベース部13は振動しない。よって、ベース部13を支持する方法によるインピーダンスの変化は大きくない。一方、面垂直振動モードにおいては、アーム部11、12がツイスト振動するため、ベース部13もツイスト振動する。よって、ベース部13の支持方法によって、インピーダンスが大きく変化する。
音叉型振動子10は圧電性材料であり誘電体のためインピーダンスは非常に大きいが共振周波数においては音叉型振動子10が振動し、インピーダンスが小さくなる。しかしながら、音叉型振動子10の振動が妨げられるとインピーダンスは大きくなってしまう。比較例1においては、音叉型振動子10と実装部20との熱膨張係数の差に起因し、インピーダンスが大きくなったものと考えられる。一方、実施例1においては、支持部40に設けられたバンプ41と42との間の括れ部48が音叉型振動子10と実装部20との熱膨張係数の差に起因した応力を緩和する。このため、インピーダンスの増大を抑制できる。
また、支持部40を積層された複数のバンプで形成することが好ましい。これにより、積層されたバンプ41と42との間に括れ部48を有する支持部40を簡単に形成することができる。さらに、比較例1のように1段のバンプで支持部40を形成した場合に比べ、音叉型振動子10と実装部40との間隔を広くすることができる。これにより、樹脂部36を粘度の高い樹脂やフィラー径の大きな樹脂を用いても気泡等のボイドを抑制し、樹脂を均一に塗布することができる。
また、複数のバンプ41、42は径の異なるバンプを有することが好ましい。これにより、バンプを積層する際に大きいバンプ41上に小さいバンプ42を積層することができる。よって、積層したバンプを安定に形成することができる。
さらに、支持部40は音叉型振動子10と実装部20とを電気的に接続することができる。これにより、ボンディングワイヤ34の本数を削減することができる。しかしながら、支持部40は電気的な接続を目的とせず機械的な接続だけを目的としてもよい。
さらに、音叉型振動子10と実装部20との間に樹脂部36を設けることが好ましい。これにより、音叉型振動子10の実装部20への実装を補強することができる。この場合、支持部40の高さは、樹脂部36内のフィラー38の径より大きいことが好ましい。支持部40がフィラー38の径より低いと、フィラー38が音叉型振動子10と実装部20とを固定してしまい、音叉型振動子10の振動を妨げてしまう。また、例えば金属フィラーを用いる場合、音叉型振動子10と実装部20との間を接続し、電気的に短絡してしまう。支持部40の高さがフィラー38の径の平均値より大きいことにより、これらを抑制することができる。さらに、支持部40の高さは最大のフィラー38の径より大きいことが好ましい。
さらに、樹脂部36の音叉型振動子10のノードBに垂直な断面形状が、ノードBを含み音叉型振動子10の面内振動面に垂直な面に対し略対称であることが好ましい。これにより、音叉型振動子10から実装部20への振動の漏れの増大を抑制しつつ外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
バンプ41、42はAu以外に、半田、銅(Cu)、アルミニウム(Al)を用いることができる。また、スタッドバンプ以外に例えばメッキ法により形成することもできる。
実施例2は、音叉型振動子10に支持部40を設ける位置を変えた例である。図12(a)のように、支持部40は1個でもよい。しかしながら、図12(a)のように、ノード線R1に形成された1個の支持部40で音叉型振動子10を保持する場合、支持部40を支点にノードBが上下方向に振動し易くなる。これにより、インピーダンスが高くなる。一方、図7のように、複数の支持部32で音叉型振動子10を保持する場合、ノードBが上下方向に振動し難い。よって、インピーダンスを抑制することができる。
また、図7および図12(a)のように、支持部40はノード線R1上に設けられることが好ましい。これにより、面垂直振動モードのツイスト振動を妨げることなく、かつノードBの上下運動を抑制することができる。支持部40を複数設けた場合、支持部40間の距離を短くすることもできるが、ノードBの上下運動を抑制するためには、支持部40の間隔は長い方が好ましい。
図12(b)および図12(c)は、耐衝撃性の向上のため、ノード線R1以外に支持部40を設けた例である。音叉型振動子10の振動の対称性を確保するためには、図12(b)および図12(c)のように、支持部40はノード線R1に対し略対称に設けられていることが好ましい。また、ノードBの上下運動を抑制するためには、複数の支持部40は少なくともノード線R1方向の異なる位置に設けられることが好ましい。
実施例3は、支持部40のバンプの形成方法、個数を変えた例である。図13(a)を参照に、バンプ41を音叉型振動子10にバンプ43を実装部20に形成する。図13(b)を参照に、バンプ41と43とを結合し支持部40bを形成することもできる。
図14(a)を参照に、バンプ41上に、バンプ41と同じ大きさのバンプ42aを形成する。図14(b)を参照に、バンプ41と42aとを結合し支持部40cを形成することもできる。
図15(a)を参照に、バンプ41および42aを積層し音叉型振動子10に形成する。また、バンプ43および44aを積層し実装部20に形成する。図15(b)を参照に、バンプ42aと44aとを結合し支持部40dを形成することもできる。
図16(a)を参照に、バンプ41および42aを積層し音叉型振動子10に形成する。また、バンプ43を実装部20に形成する。図16(b)を参照に、バンプ42aと43とを結合し支持部40eを形成することもできる。
図17(a)を参照に、バンプ41とバンプ41より小さいバンプ42とを積層し音叉型振動子10に形成する。また、バンプ43とバンプ43より小さいバンプ44とを積層し実装部20に形成する。図17(b)を参照に、バンプ42と44とを結合し支持部40fを形成することもできる。
図8(b)、図13(a)、図14(a)、15(a)、図16(a)および図17(a)のように、音叉型振動子10のベース部および実装部20の少なくとも一方にバンプを形成する。その後、図9(b)、図13(b)、図14(b)、図15(b)、図16(b)および図17(b)のように、バンプが複数積層するように音叉型振動子10を実装部20に実装する。このような工程により、簡単に括れ部48を有する支持部40を形成することができる。
また。複数のバンプが積層するように複数のバンプを形成する際に、図9(a)および図17(a)のように、後に形成されたバンプの径が前に形成されたバンプの径より小さくなるように複数のバンプを積層することが好ましい。これにより、バンプを容易に積層することができる。
積層するバンプの個数は図15(b)、図16(b)および図17(b)のように3個以上でも良い。つまり、支持部40に設けられる括れ部48の個数は複数であっても良い。
実施例1から実施例3において、音叉型振動子10として2本のアーム部11、12を有する例を説明したがアーム部は複数設けられていれば良い。ノードとして、面内振動モードと面垂直振動モードの共通のノードBを例に説明したが、各振動モードのノードの少なくとも一方のノードであればよく、共通のノードであることがより好ましい。実装部20はパッケージ30の音叉型振動子10を実装する部分を例に説明した。実装部20は音叉型振動子10を実装する機能を有していれば良く、実装基板の音叉型振動子10を実装する部分、またはパッケージや実装基板とは別の部材であってもよい。支持部40は主に音叉型振動子10を保持する機能を有し、樹脂部36は耐衝撃性を確保する機能を有している。よって、樹脂部36は支持部40よりは柔らかい材料であることが好ましい。振動センサとして2つの音叉型振動子10を有する角速度センサを例に説明したが、音叉型振動子10の数は2つに限られない。また、角速度センサには限られず加速度センサ等であってもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10、10a、10b 音叉型振動子
11、12 アーム部
13 ベース部
20 実装部
22 パッド
25 パッド
26 本体部
27 振動子支持部
28 ワイヤパッド部
30 パッケージ
34 ボンディングワイヤ
40 樹脂部
41、42、43、44 バンプ
48 括れ部
52 制御回路
11、12 アーム部
13 ベース部
20 実装部
22 パッド
25 パッド
26 本体部
27 振動子支持部
28 ワイヤパッド部
30 パッケージ
34 ボンディングワイヤ
40 樹脂部
41、42、43、44 バンプ
48 括れ部
52 制御回路
Claims (11)
- ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子と、
前記音叉型振動子を実装する実装部と、
括れ部を有し、前記音叉型振動子を前記実装部に実装させる支持部と、を具備することを特徴とする振動センサ。 - 前記支持部は積層された複数のバンプであることを特徴とする請求項1記載の振動センサ。
- 前記複数のバンプは積層された径の異なるバンプであることを特徴とする請求項2記載の振動センサ。
- 複数の前記支持部を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項記載の振動センサ。
- 前記支持部は前記音叉型振動子と前記実装部とを電気的に接続することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項記載の振動センサ。
- 前記支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線上に設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の振動センサ。
- 前記複数の支持部は前記音叉型振動子のノードを支持部が設けられる面に投影したノード線に対し略対称に設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項記載の振動センサ。
- 前記音叉型振動子と前記実装部との間に設けられた樹脂部を具備することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項記載の振動センサ。
- 前記支持部の高さは、前記樹脂部が含有するフィラーの径より大きいことを特徴とする請求項8記載の振動センサ。
- ベース部と該ベース部から延びる複数のアーム部とを有する音叉型振動子の前記ベース部および実装部の少なくとも一方にバンプを形成する工程と、
前記バンプが複数積層するように前記音叉型振動子を前記実装部に実装する工程と、を有することを特徴とする振動センサの製造方法。 - 前記バンプを形成する工程は、後に形成されたバンプの径が前に形成されたバンプの径より小さくなるように複数のバンプを積層する工程であることを特徴とする請求項10記載の振動センサの製造方法。
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