JP4497893B2 - 振動子の支持構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動子の支持構造の製法に係るものである。

車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温とにさらされる。このような使用温度範囲は、通常は−４０℃−＋８５℃の範囲にわたっており、一層厳しい仕様では更に広い温度範囲にわたる場合もある。特に、振動子を圧電性単結晶によって形成した場合には、圧電性単結晶の有する温度特性の影響がある。本出願人は、特許文献１において、振動型ジャイロスコープの環境温度が変化した場合に、検出振動のＱ値の変動を抑制するために、振動子を支持部材へと接着する接着剤のｔａｎδを、使用温度範囲内において０．１以下とすることを開示した。また、前記文献において支持形態は、振動子に支持孔を形成するなどして支持部材と振動子の表面を前記接着剤層で接合する種々の形態が提案されており、平坦な接着剤層を形成するため予め成形用の型の中に、接着剤を充填することにより平板形状の接着剤層を形成する方法を開示した。
特開２００１−１２９５５号公報

また、特許文献２にも振動子の支持構造を開示している。この方法でも、振動子を支持部材上に接着剤で固定し、支持部材を容器の基部に固定している。
特開２００２−７１３５３号公報

最近、例えば携帯電話中に振動型ジャイロスコープを収容するといった用途が検討されており、振動子を小型化することが求められてきている。このため、振動子のうち支持部材と接触する接触面の面積も小さくなるので、従来のような支持孔を持つ振動子設計を行うことは難しく、また棒状の支持部材では容器への固定面の面積が小さいために垂直に固定することは難しく、振動子が傾きやすい。さらに予め成形用の型の中に、接着剤を充填する接着剤層の成形方法では密閉空間での硬化となるために硬化に時間がかかり、また硬化時に気泡が発生したりして、平板形状の接着層を迅速に成形することが難しい。振動子の傾きや接着層の形状がいびつで厚みにバラツキが大きい場合には、各振動型ジャイロスコープごとに、振動子の支持状態、そして振動状態が微妙に変化するので、振動子の性能にバラツキが発生する。このため、例えば振動型ジャイロスコープにおいては、各装置ごとにノイズや温度ドリフトが変化する。

本発明の課題は、一度に複数の支持構造を成形すると共に、振動子ごとの振動子中心と支持部材の接着する面の中心の位置ずれのバラツキを最小限とする製法を提供することである。

本発明は、振動子、振動子を支持するための支持部材、および振動子を支持部材へと接着する振動子接着層を備えている支持構造を製造する方法であって、
第一の突起と第二の突起とを備えている支持材料を用意し、第二の突起上に接着剤を配置し、支持材料上に振動子材料を載置し、この際振動子材料を第一の突起および接着剤に接触させ、次いで接着剤を硬化させて接着する。

本発明によれば、第一の突起と第二の突起とを備えている支持材料を用意し、第二の突起上に接着剤を配置し、支持材料上に振動子材料を位置決め載置し、この際振動子材料を第一の突起および接着剤に接触させる。従って、振動子材料は、支持材料に対して正確に位置決めされた状態で接着される。この結果、振動子ごとの振動子中心と支持部材の接着する面の中心の位置ずれのバラツキを最小限とすることができ、これによる振動子ごとの特性のバラツキを小さくできる。また、複数の振動子を有する振動子材料を支持材料に接着した後、振動子および支持材料を切断することで一度に複数の支持構造を成形することができる。

発明の実施の形態

好適な実施形態においては、振動子、この振動子を収容する容器、および前記振動子を支持するための支持部材を備えている支持構造であって、
支持部材が、前記容器の底部に対向する固定面が設けられた基部と、この基部から突出する突起とを備えており、基部の固定面が容器の底部に容器側接着層によって接着されており、振動子が支持部材の突起に振動子接着層によって接着されており、振動子の接着層との接触面が略平坦であり、支持部材の容器への固定面の面積が、支持部材の接着層への接触面の面積よりも大きく、支持部材の容器への固定面の面積が、振動子の対向面の面積よりも大きく、支持部材の容器への固定面の幅が、振動子の支持部材への対向面の幅よりも大きい。

本発明者は、支持部材の容器への取り付け状態が変動すると、振動子の振動状態の偏差が大きくなることを見いだした。また、このときに支持部材と振動子との間の接着層の厚さおよび形状が変化すると、振動子の振動状態の偏差が一層増幅される。第一の態様に係る支持構造では、振動子が小型化した場合にも、支持部材の容器への取り付け状態が安定する。これと共に、支持部材の接着面の形状を平坦とし、かつ支持部材の固定面と振動子の平坦な接触面との間において，接着層の厚さをほぼ均一化することができる。この結果、振動子の支持状態が安定し、振動状態のバラツキが抑制されるため、振動子ごとの特性のバラツキを小さくできる。

参考形態においては、振動子、振動子を支持するための支持部材、および振動子を支持部材へと接着する接着層を備えている支持構造を製造する方法であって、
固定用治具の吸着面に振動子を吸着し、支持部材と固定用治具との間に接着剤を介在させ、接着剤を硬化させることによって、振動子を支持部材へと接着する。

本態様によれば、固定用治具の吸着面に振動子を固定し、支持部材上に接着剤を配置し、この状態で振動子を支持部材上の接着剤へと接触させ、支持部材と振動子とを接着している。これによって、接着層の厚さおよび形状を限定でき、振動子ごとの接着層形状のバラツキを最小限とすることができるため、振動子ごとの特性のバラツキを小さくできる。

図１〜図５は、参考例である。振動子１の接着層５Ａとの接触面１ａが略平坦であり、支持部材４の容器１０への接合面積ＡＢが、支持部材４の接着面４ｃの面積ＡＪよりも大きい。この支持構造では、振動子が小型化した場合にも、支持部材４を容器１０に垂直に固定しやすい。また振動子１の接着面１ａの形状を平坦とし、かつ支持部材の接触面と振動子の平坦な接触面との間において，接着層５Ａの厚さをほぼ均一化することができる。

ここで、振動子１の接着層５Ａとの接触面１ａが略平坦であるとは、製造上の凹凸や誤差などは含まないことを意味する。本発明の観点からは、（支持部材４の容器１０への固定面４ｆの面積ＡＢ）／（支持部材４の接着面４ｃの面積ＡＪ）は、２以上であることが好ましく、４以上であることが更に好ましい。

また、支持部材４の接着面４ｃの形状は四角形などの多角形でも良いが円形であること更に好ましい。

本例においては、まず図１に示す固定用治具３を準備する。固定用治具３には、吸引穴３ｂおよび突起３ａが形成されており、吸引穴３ｂが突起３ａの吸着面３ｃに開口している。振動子１をマスク２５および位置決めピン２６によって固定治具３上に位置決めし、この吸着面３ｃに振動子１を接触させ、ポンプ２から空気を吸引して振動子１を吸着する。振動子１を吸着後、マスク２５および位置決めピン２６は固定治具３から外す。

一方、図２に示すように、別の固定用治具７を準備する。固定用治具７には、吸引穴７ａが形成されており、吸引穴７ａが吸着面７ｂに開口している。支持部材４をマスク２７および位置決めピン２８によって固定用治具７上に位置決めし、吸着面７ｂに支持部材４を接触させ、ポンプ２９を稼働させて支持部材４を吸着する。支持部材４は、幅広い基部４ａと、基部４ａから突出する突起４ｂとを備えている。４ｃは接着面であり、４ｄは側面である。接着面４ｃ上に、接着剤供給手段６から流動状態の接着剤組成物５を滴下する。ここで、支持部材４の形状は限定されないが、基部４ａは円筒形状であることが好ましい。さらに基部４ａの中心と突起４ｂの中心は一致することが好ましく、接着面４ｃの形状は円形であることが好ましい。また、流動状態の接着剤組成物５が基部４ａに流れ出さないようにするため、側面４ｄと接着面４ｃとのなす角が９０°以上、１３５°以下であることが好ましい。

次いで、図３に示すように、固定用治具７に取り付けた位置決めピン２８に合わせ固定治具３を組み合わせ、振動子１を接着剤５に接触させる。このとき、固定用治具３と７との間には空隙８が形成される。次いで接着剤５を硬化させる処理を行う。このとき、接着剤５内から発生するガスは空隙８内へと放出される。

この結果、図４に示す支持構造１８が得られる。支持構造１８においては、振動子１が支持部材４に対して接着層５Ａによって接着されている。次いで、支持構造１８を所定の容器に固定し、収容する。例えば、図５に示すように、容器１０の実装面１０ａ上に、接合層９を介して支持部材４の基部４ａを接合し、固定する。ここで図示しないワイヤーボンディングによって、容器上の電極を振動子上の電極と電気的に接続できる。容器１０の側壁１０ｂの末端面には封止材１２が固定されている。この上に、図示しない蓋を乗せ、パッケージ内空間１１を気密封止することができる。

また、固定用治具３の吸着面３ｃに振動子１を吸着し、支持部材４上に接着剤５を配置し、振動子１を支持部材４上の接着剤５へと接触させ、接着剤５を硬化させることによって、振動子１を支持部材４へと接着している。この際、振動子１の固定用治具３への吸着手段は特に限定されず、真空吸着、静電吸着等の公知の吸着方法を例示できる。

図６〜図９は、本発明に係るものである。
図６（ａ）に示すような支持材料１５を準備する。支持材料１５は、第一の突起１５ａと第二の突起１５ｂとを備えている。第二の突起１５ｂは、第一の突起１５ａよりも若干低く形成されている。第二の突起１５ｂ上に接着剤５を滴下し、配置する。次いで、図６（ｂ）に示すように、支持材料１５上に振動子材料１６を載置する。本例では、振動子材料１６には、連結枠１６ｂと貫通孔パターン１６ａとが設けられている。そして、連結枠１６ｂを第一の突起１５ａ上に載置し、振動子の部分１６ｃを第二の突起１５ｂ上に接着する。次いで、図７（ａ）に示すように、振動子材料１６を切断し、例えば二つの振動子１６Ａを残す。各振動子１６Ａは、それぞれ、接着層５Ａを介して第二の突起１５ｂ上に接着されている。次いで、図７（ｂ）に示すように、切断手段１９を用いて支持材料１５を所定箇所Ａで切断し、図９に示すような支持構造１８Ａを成形する。

次いで、例えば図８に示すような容器２０を準備する。容器２０は、底部２０ａと側壁２０ｃとを備えており、側壁２０ｃ上に封止部材２０ｄが設けられている。底部２０ａ上に接合剤２２を配置する。次いで、容器内空間２１に支持構造１８Ａを収容し、接合剤を硬化させる。この結果、図９に示すように、支持部材４の固定面４ｆを容器２０の実装面２０ｂに接合剤２３を介して固定する。次いで、ここで図示しないワイヤーボンディングによって、容器上の電極を振動子上の電極と電気的に接続できる。容器２０の封止材２０ｄ上に、図示しない蓋を乗せ、パッケージ内空間２１を気密封止することができる。

本例においては、振動子１６Ａの接着層との接触面１６ａが略平坦であり、支持部材４の容器２０への固定面４ｆの面積ＡＢが、支持部材４の接着面４ｃの面積ＡＪよりも大きい。

また、本例においては、支持部材の容器への接触面積ＡＢを振動子の面積ＡＶよりも大きくする。これによって、複数の振動子を有する振動子材料を支持材料に接着した後に振動子を割断、支持材料を切断することで支持構造１８Ａを成形することができ、各振動子の接着剤層の厚みをほぼ均一化することができる。これにより、振動子ごとの特性のバラツキを小さくできる。

この観点からは、（支持部材４の容器１０への固定面４ｆの面積ＡＢ）／（振動子の対向面の面積ＡＶ）は、１より大きいことが好ましく、支持部材４の容器１０への固定面の面積ＡＢは容器寸法によって決定されるので、（支持部材４の容器１０への固定面の面積ＡＢ）／（振動子の対向面の面積ＡＶ）は２以下であってよい。

また、本例では、図９に示すように、支持部材４の側面４ｅが容器２０の内壁面２０ｅと接触している。この結果、支持部材４の側面４ｅが容器内壁面２０ｅによって位置決めされるので、容器に対する位置精度が高くなり、ワイヤーボンディングの距離のバラツキが小さくでき、振動子ごとの特性のバラツキを小さくできる。

本発明において、接着剤の種類は限定されず、シリコーンＲＴＶゴム、シリコーンゲル、シリコーン樹脂、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムなどの合成ゴム、テフロン（登録商標）、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素樹脂、塩化ビニール、ナイロン、ポリエチレンなどがある。また、上記の各接着剤のタイプは特に限定されず、脱アルコール型、脱アセトン型、脱オキシム型、脱酢酸型、付加反応型であってよい。
接着剤の硬化方法は限定されず、２液混合による付加反応型接着剤、加熱による付加反応型接着剤、脱アルコール型接着剤を例示できる。

振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶が特に好ましい。

支持部材の基体への接合剤の材質は限定されないが、銀ペースト、導電性エポキシ樹脂、低融点半田、その他導電性の接着剤が好ましい。

支持部材の材質も限定されないが、ステンレス、導電性プラスチック、金属メッキ樹脂、その他導電性の材質が好ましい。支持部材の成形方法は限定されず、例えばエッチング、プレス加工、切削加工を例示できる。

支持部材４の好適な実施形態においては、接着面４ｃの形状は円形であることが好ましい。さらに基部４ａの中心と突起４ｂの中心は一致することが好ましく、基部４ａの形状は限定されないが四角形であることが望ましい。また、流動状態の接着剤組成物５が基部４ａに流れ出さないようにするため、側面４ｄと接着面４ｃとのなす角が９０°以上、１３５°以下であることが好ましい。

また、好適な実施形態においては、図１〜図９に示す例のように、支持部材と振動子とを接着する段階において、接着剤の周囲に空隙ないし空間が形成されるようにする。これによって、接着剤の硬化過程で発生するガスの放出を促進でき、硬化時間を短縮できる。

本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。

本発明は、いわゆる横置き型の振動型ジャイロスコープに対して、特に好適に適用できる。横置き型の振動型ジャイロスコープにおいては、振動子が、回転軸に対して略水平な所定面内に延びている。この場合に特に好ましくは、駆動振動アームと検出振動アームとの両方が、所定面に沿って屈曲振動する。

（参考例）
図１〜図５に示す振動型ジャイロスコープ用の支持構造を作製した。具体的には、厚さ０．１ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ２００オングストロームのクロム膜と、厚さ５０００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。

このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子の外形を形成した。スパッタ法により厚さ５００オングストロームのクロム膜と厚さ５００オングストロームの金膜を電極膜として形成した。ウエハーから振動子を折り取り、幅２．２ｍｍ、奥行き２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの平板状の振動子１を得た。振動子１は、図１０に示すように、中央部に凡そ０．４ｍｍ正方の固定部１ｂを有し、この固定部１ｂから複数の屈曲振動片が延びた形態をしている。

振動子１をメタルマスク２５と位置決めピン２６によって位置決めし、固定用治具３の吸着面３ｃに真空吸着した。一方、厚さ０．４ｍｍのＳＵＳ板をエッチング加工することにより、図２に示す支持部材４を成形した。支持部材４の基部４ａは、直径φ１．２ｍｍまたは２．４ｍｍとした。突起４ｂは直径φ０．３ｍｍまたは０．４ｍｍとした。この支持部材４をメタルマスク２７と位置決めピン２８によって位置決めし、真空吸着した。

図２に示すように、ＲＴＶシリコーンゴム組成物をディスペンサー６によってポッティングした。図３に示すようにして固定用治具を加圧し、接着剤を硬化させ、支持構造１８を得た。支持構造１８を容器に銀ペーストで固定した。銀ペーストの加熱温度は１５０℃とし、保持時間は１時間とした。アルミニウム製のワイヤーボンディングによって振動子を容器の端子に接続した。

（実施例）
図６〜図９に示す振動型ジャイロスコープ用の支持構造を作製した。具体的には、実施例１と同様のウエハーを作製した。また、図６（ａ）に示すＳＵＳ製の支持材料１５を用意した。図６（ａ）に示すように、ＲＴＶシリコーンゴム組成物をディスペンサー６によって突起１５ｂ上にポッティングした。支持材料上に振動子材料を乗せ、接着剤を硬化させた。次いでウエハー上の振動子連結部を折り取り連結枠１６ｂを取り除いた。次いで支持材料１５をダイシングし、基部４ａの大きさが２．５ｍｍ×２．５ｍｍの各支持部材４を成形した。ついで得られた支持構造１８Ａを容器２０に銀ペーストで固定した。銀ペーストの加熱温度は１５０℃とし、保持時間は１時間とした。アルミニウム製のワイヤーボンディングによって振動子を容器の端子に接続した。

固定用治具３に振動子１を吸着固定した状態を示す模式的断面図である。 支持部材４を固定用治具７に吸着固定した状態を示す模式的断面図である。 図１の固定用治具と図２の固定用治具とを合わせ、支持部材４上に振動子１を載置した状態を示す模式的断面図である。 支持構造１８を示す断面図である。 容器１０内に収容された支持構造１８を示す断面図である。 （ａ）は固定用治具１５を示す断面図であり、（ｂ）は、固定用治具１５上に振動子材料１６を接合した状態を示す断面図である。 （ａ）は、固定用治具１５上に接合された振動子１６Ａを示す断面図であり、（ｂ）は、固定用治具１５の切断を示す模式的断面図である。 容器２０を示す断面図である。 容器２０内に固定された支持構造１８Ａを示す断面図である。 振動子１の形態を示す平面図である。

１ 振動子 １ａ 接着面 ３、７ 固定用治具 ４ 支持部材 ４ａ 基部 ４ｂ 突起 ４ｃ 接触面 ４ｄ 支持部材の側面 ４ｅ 支持部材４の側面 ４ｆ 固定面 ５ 接着剤組成物 ５Ａ 接着層 ８ 空隙 ９ 接合層 １０、２０ 容器 １５ 支持材料 １５ａ 第一の突起 １５ｂ 第二の突起 １６ 振動子材料 １６Ａ 振動子 １８、１８Ａ 支持構造 ２０ｅ 容器２０の内壁面 ＡＢ 支持部材４の容器１０への固定面の面積 ＡＪ 支持部材４の接着面４ｃの面積 ＡＶ 振動子の対向面１６ｂの面積

Claims (4)

1. 振動子、この振動子を支持するための支持部材、および前記振動子を前記支持部材へと接着する振動子接着層を備えている支持構造を製造する方法であって、
   第一の突起と複数の第二の突起とを備えている支持材料を用意し、前記第二の突起上に接着剤を配置し、前記支持材料上に振動子材料を載置し、この際前記振動子材料を前記第一の突起および前記接着剤に接触させ、前記接着剤を硬化させることによって前記振動子材料を前記支持材料へと接着し、前記接着剤の硬化後に前記振動子材料を切断して複数の前記振動子を切り出し、次いで前記支持材料を切断して複数の前記支持部材を成形することを特徴とする、振動子の支持構造の製造方法。
2. 前記支持部材が、容器の底部に対向する固定面が設けられた基部と、この基部から突出する突起とを備えており、前記基部の前記固定面が前記容器の前記底部に容器側接着層によって接着されており、前記振動子が前記支持部材の前記突起に前記振動子接着層によって接着されており、前記振動子の前記振動子接着層との接触面が略平坦であり、前記支持部材の前記容器への固定面の面積が、前記支持部材の前記振動子接着層への接触面の面積よりも大きく、前記支持部材の前記容器への前記固定面の面積が、前記振動子の前記支持部材への対向面の面積よりも大きく、前記支持部材の前記容器への前記固定面の幅が、前記振動子の前記支持部材への対向面の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記支持部材の前記突起の側面と前記振動子接着層への接触面とのなす角が９０°以上、１３５°以下であることを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記支持部材の前記基部の側面が前記容器の内壁面と接触していることを特徴とする、請求項２または３記載の方法。
   

Images