JP4587466B2 - 圧電振動ジャイロおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動ジャイロに関し、特に、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に好適な圧電振動ジャイロおよびその製造方法に関する。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度を与えると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。電気的な信号を印加することで機械的な振動（駆動モード）を励起できる。また、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、コリオリ力の作用で検出モード（駆動振動と直交する方向の機械的な振動）が発生する。この検出モードの大きさは、出力電圧として電気的に検出できる。

図８は、音叉形圧電振動子の２種類の振動モードを示す斜視図である。駆動モードおよび検出モードは、どちらの振動モードに使用してもかまわない。検出された出力電圧は、駆動モードの大きさ及び角速度に比例するので、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと呼ぶ。

性能、生産性、形状および信頼性を改良するためにさまざまな構造の圧電振動ジャイロが研究開発されてきた（特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。圧電振動子の支持や入出力信号の配線接続方法に関する技術が特許文献１に開示されている。図２は、特許文献１の圧電振動ジャイロを斜視図である。この圧電ジャイロは、分極の向きが互いに逆向きの二つの水晶板を接合した柱状の圧電振動体１０、支持部１３、１４、１５、１６および枠体４０で構成される。圧電振動子と駆動検出用の回路が一体化して形成され、同一平面に支持と実装が行われ、組立工程が簡素化され、信頼性が高く、低背化に有利な構造の圧電振動ジャイロの提供を可能としている。

互いに直交する３軸の角速度を検出する角速度測定装置を備えた圧電振動ジャイロが特許文献２に開示されている。図３は、特許文献２の角度測定装置を斜視図である。一枚のセラミックスパッケージの実装基板上に３つの圧電振動子と電子回路および受動素子（コンデンサ、抵抗など）が一体化して固定され、同一平面に支持と実装が行われ、低背化に有利な構造の圧電振動ジャイロの提供を可能としている。

高さ方向に圧電振動子と集積回路を配置した圧電デバイスが特許文献３に開示されている。図４は、特許文献３の圧電デバイスの概略断面図である。圧電デバイス１００のパッケージ１０１の中央付近に内側底部に電極を設けた集積回路１０３を実装できる凹部１０２を形成し、圧電振動片３２に駆動電圧を印加する構成で、形状の小型化に有利な構造の圧電デバイスの提供を可能にしている。

特開２００３−１０６８４１号公報 特開２００２−２５７５４８号公報 特開２００３−１５８２０８号公報

小型で安価な圧電振動ジャイロは、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の手振れ検出用センサとして広く一般に利用されている。近年、携帯用デジタル機器の小型化、機能の高集積化が益々進められ、圧電振動ジャイロへの更なる小型化、特に低背化の要求が高まっている。

しかしながら、圧電振動ジャイロの小型化を図るために、圧電振動子の加工精度、組み立て精度のばらつきの相対的な増加に対する効率の良い補正手段を考える必要が生じている。これらのばらつきは、圧電振動子の駆動と検出モードの共振周波数差｛Δｆ＝（駆動モードの共振周波数−検出モードの共振周波数）と定義する｝に依存する。Δｆは、圧電振動ジャイロの感度の安定性に影響を与える。これまでは、圧電振動子を仮置きの状態で組み立てた後に、駆動モード（または検出モード）に電圧をかけて周波数を動かしながらΔｆに必要な周波数の調整量を決定し、機械的に圧電振動子を削って圧電振動子の加工精度および組み立て精度のばらつきを抑制しながら、所定の特性を確保してきた。

圧電振動子に電圧をかけ、センサからの出力値を確認しながら機械加工することで圧電振動子の調整をおこなうので、回路部品に圧電振動子を接続すると検出振動を励起できなくなる。そこで、回路部品より先に圧電振動子をパッケージに実装し、組み立て調整を行う工程であれば、回路部品に圧電振動子の出力値用端子を作製する工程を省くことができる。また、余分なスペースとなる端子を回路部品に形成する必要がないので、回路部品が小さくなり、製造コストを抑制できる。特許文献３のように圧電振動子と回路部品が高さ方向に重なって実装しないので、基板の面積が大きくなるが、低背化が行いやすい。しかし、基板の幅が小さいと圧電振動子の面外振動の影響を受けて、良好な圧電特性が得られないという問題がある。圧電振動子の短手方向の基板幅寸法を十分確保できると圧電振動を安定化できる。

上述した特許文献1では、柱状の圧電振動子のふし部分を支持するので、支持部分の加工が複雑になる。また、小型化の要求により、圧電振動子自体も小さくなる。圧電ジャイロは共振周波数が低いほど感度特性が高くなるので、現在の周波数を維持しながら小型化を行うには、より圧電振動子を細く加工する必要がある。圧電振動子の小型化には、電極形成および組み立て工程でのより精密な加工精度が要求されるという生産上の問題があった。

上述した特許文献２では、圧電振動子のアームの下に回路部品を実装する構造なので、回路部品実装後に圧電振動子の実装をしなければならないという量産性の制約の問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、小型低背化に有利な感度特性の安定した量産性に優れる音叉形の圧電振動ジャイロおよびその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、第１および第２のアームと前記アームを接続した基部が圧電単結晶にて一体化して形成され、前記第１、第２のアームおよび前記基部の少なくとも一面に駆動用と検出用の複数の電極を形成した音叉形圧電振動子を具備し、音叉振動モードおよび前記音叉振動モードと直交した面外振動モードの励振と検出に用いる音叉形の圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形圧電振動子、空間があるセラミックパッケージ、駆動検出用の回路部品とリッドで構成され、前記セラミックパッケージの内側の最も低い位置にある面である第１の面に回路部品を実装し、前記セラミックパッケージの前記第１の面に対し垂直な方向で前記回路部品と重ならない配置で前記第１の面よりも高い位置にある第２の面に前記音叉形圧電振動子の基部を設置した圧電振動ジャイロである。

第１の発明によれば、音叉形圧電振動子と空間があるセラミックパッケージと駆動検出用の回路部品とリッドで構成し、セラミックパッケージの第１の面に回路部品をパッケージ底面に対し垂直方向に重ならない配置で実装し、第１の面よりも高い位置にある第２の面に音叉形圧電振動子の基部を取り付けることで達成できる。

上記目的を達成するための第２の発明は、前記音叉形圧電振動子を前記セラミックパッケージの第２の面に取り付け、前記音叉形圧電振動子の駆動振動もしくは検出振動の少なくとも一方の振動を外部から電気的に励起するための端子が前記セラミックパッケージの内部または外部のいずれかに設置された圧電振動ジャイロである。

第２の発明によれば、音叉形圧電振動子をセラミックパッケージの第２の面に取り付けた状態で、音叉形圧電振動子の駆動振動もしくは検出振動の少なくとも一方の振動を外部から電気的に励起できる端子をセラミックパッケージの内部または外部のいずれかに設置することで達成できる。

上記目的を達成するための第３の発明は、第１および第２のアームと前記アームを接続した基部が圧電単結晶にて一体化して形成され、前記第１、第２のアームおよび前記基部の少なくとも一面に駆動用と検出用の複数の電極を形成した音叉形圧電振動子を具備し、音叉振動モードおよび前記音叉振動モードと直交した面外振動モードの励振と検出に用いる音叉形の圧電振動ジャイロの製造方法において、前記音叉形圧電振動子を前記セラミックパッケージの内側の最も低い位置にある面である第１の面よりも高い位置にある第２の面に取り付けた状態で、前記音叉形圧電振動子の駆動振動もしくは検出振動の少なくとも一方の振動を外部から電気的に励起するための端子を前記セラミックパッケージの内部または外部のいずれかに設置し、前記端子を使用し、前記音叉形圧電振動子の共振周波数を調整した後に、駆動検出用の回路を前記セラミックパッケージの前記第１の面に実装し、組み立てる工程を有する圧電振動ジャイロの製造方法である。

第３の発明によれば、音叉形圧電振動子をセラミックパッケージの第２の面に取り付けた状態で、端子を使用し、音叉形圧電振動子の共振周波数を調整した後に、駆動検出用の回路をセラミックパッケージの第１の面に実装し、組み立てることで達成できる。

本発明によれば、セラミックパッケージ内部で音叉形圧電振動子と回路部品を高さ方向に配置しないで横方向に配置したので低背化できる。回路部品を接続する前に圧電振動子の共振周波数の調整ができるので、回路部品に圧電振動子の出力端子を作製する必要がなくなり、回路部品の寸法の大型化を防ぐことができる。基板の面積が大きくなることで、圧電振動子の振動を安定化できる。また、音叉形圧電振動子を採用することで小型化ができる。さらに、セラミックパッケージ基板で固く支持できるので、落下時に圧電振動子が変位しにくく、蓋またはセラミックパッケージに衝突して圧電振動子が破損するのを防げる。圧電振動子のアームの下に十分な空間を設けるので、圧電振動子のアームとセラミックパッケージの第１の面が接触しないので、信頼性を向上できる。

その結果、小型低背化に有利な感度特性の安定した量産性に優れる音叉形の圧電振動ジャイロおよびその製造方法の提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子を以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示した斜視図である。図５は、本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示した平面図である。図６は、本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示したＡ−Ａ線による模式断面図である。

最初に、圧電振動ジャイロを構成する音叉形圧電振動子の作製工程について説明する。音叉形圧電振動子４は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、水晶などの圧電材料を利用できる。ここでは、高い圧電特性を持つニオブ酸リチウム単結晶を使用する。単結晶は、結晶方位により圧電特性が異なるので適切な結晶方位を選ぶ必要がある。結晶のＹ軸をＸ軸中心に１４０°回転させた方向を１４０Ｙと呼ぶと、音叉の幅方向は１４０Ｙの方向となる。ニオブ酸リチウムのウエハに、蒸着あるいはスパッタ装置を用いて、チタンＴｉまたはクロムＣｒを下地として金Ａｕ電極をフォトリソグラフィーの手法を利用して駆動および検出電極を形成する。その後、音叉形圧電振動子アーム４２、４３を形成するための穴あけ加工をウエハの状態で行う。ニオブ酸リチウムは、化学的に安定なので、エッチング法は加工方法として有効でない。そこで、サンドブラスト、超音波加工、レーザー加工などの機械加工を行い、ダイシングで音叉形の外形を切り出すことで圧電振動子を作製する。

次に、音叉形圧電振動子の実装工程について説明する。セラミックパッケージの第１の面１より高い位置にあるセラミックパッケージ第２の面２に音叉形圧電振動子基部４１を図１のように実装する。セラミックパッケージの第１の面１にある音叉形圧電振動子アーム４２，４３と高さ方向で重ならない領域に回路部品３を実装する。また、音叉形圧電振動子アーム４２，４３の下は、空間になり、落下などで音叉形圧電振動子４が大きく変形した場合でもセラミックパッケージの第１の面との衝突が起こらない。

また、回路部品３と音叉形圧電振動子基部４１を実装するための電極がセラミックパッケージの第１の面１とセラミックスパッケージの第２の面２上に形成される。その電極はＮｉめっき上にＡｕめっきが施されたものである。回路部品３と音叉形圧電振動子４は、フリップチップ実装またはワイアボンディングにて実装される。フリップチップ実装には、はんだバンプを使用して接続をおこなうＣ４工法および金バンプを基板上に形成して圧着または超音波をかけて接続をおこなうＧＧＩ（Gold to Gold Interconnection）工法がある。圧電振動ジャイロの使用時には、リフローで音叉形圧電振動子基部４１の表面実装をするので、熱の影響で支持部分が変動しない工法が必要になる。バンプは、メッキ法、ボール法、蒸着法およびワイヤーバンピング法のいずれかの方法を用いることができる。

ここでは、ウエハ片面に電極を形成した圧電振動子を採用し、低背化するためにフリップチップ実装を適用し、ワイヤーバンピング法で音叉形圧電振動子基部４１にある電極にバンプを形成する。音叉形圧電振動子４の電極があり、バンプが形成してある面をセラミックパッケージの第２の面２に向け、音叉形圧電振動子基部４１の電極とバンプを形成しない側を治具で持ちながら、超音波をかけて接合をおこなう。

次に、圧電振動子の調整工程について説明する。上述の方法で実装した音叉形圧電振動子４は、パッケージ開口部から見ると、ニオブ酸リチウム単結晶が表面となる。音叉形圧電振動子を励起できる端子５１，５２，５３，５５をパッケージ内部に形成する。検出プローブをパッケージ内部にいれ、外部出力の端子５１，５５を基準電位に落とし、端子５２，５３を駆動回路に接続する。端子５１，５５の電流値をモニターしながら共振周波数の調整状態を判断する。機械加工で音叉形圧電振動子４を切削し、駆動モードと検出モードの周波数の差Δｆがデバイスの要求する設計値になるように調整する。ここでは、切削面に電極がないので、広範囲に自由にさまざまな加工方法を用いて加工できる。ここでは、ミニターやレーザー加工方法を使用する。

次に、圧電振動ジャイロの封止工程について説明する。ニッケルＮｉ、金Ａｕめっきを施した蓋封止用電極６が図１のパッケージ開口部断面に形成される。コバールで作製された蓋の縁の部分に金スズ（ＡｕＳｎ）のろう材を接着したものを準備する。蓋を蓋封止用電極６の位置に合わせて載せ、乾燥空気または窒素雰囲気でパッケージ内部の空気を置換する。圧力をかけながら熱処理を行なうとＡｕＳｎろう材が溶けて気密封止される。はんだ、ガラス、電子ビームを用いる封止方法があるが、リフローで表面実装する際に再溶融しなければ、高い融点で使用できる工法が望ましい。ここでは、電子ビーム溶接法で封止しても問題はない。

本発明の実施例について、図面にて詳細に説明する。

図７は、本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロの概略を示した斜視図である。図９は、本発明の圧電振動ジャイロの概略を示した平面図（上側）と断面図（下側）である。図９（ａ）は、本発明の音叉形圧電振動子アーム４２，４３の下に回路部品３を配置した場合の例である（比較例）。図９（ｂ）は、本発明の音叉形圧電振動子アーム４２，４３の下に回路部品３を配置しないで横方向に配置した場合の例である。

音叉形圧電振動子を励起できる端子５１，５２，５３，５５をセラミックパッケージの外部に形成した（図７参照）。または、音叉形圧電振動子をセラミックパッケージの第２の面に取り付けた状態で、励起できる端子５１，５２，５３，５５をセラミックパッケージの内部に形成した（図１参照）。パッケージ内部に検出プローブを入れる必要がないので、簡素な治具を用いて圧電振動子の共振周波数の調整に必要な測定ができる。

図９（ａ）の回路部品が圧電振動子の下に実装されるタイプでは、工程的に圧電振動子より先に回路部品を実装する必要がある。その後に、圧電振動子の共振周波数の調整を行うので、圧電振動子作製のスペースに関する自由度が小さく、量産性に制約があるという工程上の問題があった。この構造では、実装面積を小さくできるが、低背化には制約があった。図９（ａ）の典型的な外形サイズは、４×６．６×１．４ｍｍであった。図９（ｂ）の回路部品が圧電振動子の下に実装されないタイプでは、回路部品が高さ方向に重ならないように配置した。この構造では、回路部品と圧電振動子を実装する前に圧電振動子の調整ができ、回路部品と圧電振動子が重ならない構造になっているので、量産性のある製造工程になり、回路部品の高さに相当する分（０．２〜０．５ｍｍ）を低背化できる。図９（ｂ）の典型的な外形サイズは、５×６．６×１．１ｍｍであった。圧電振動子の基板面積が、大きくなることで圧電振動子の振動を安定化できる。以上に示したように、本発明の実施例は、音叉形の圧電振動ジャイロ用圧電振動子を使用して小型低背化に有利な外形サイズを実現した。

更に、セラミックパッケージの第１の面および第２の面をもつ２段構造にすることで、圧電振動子をセラミックパッケージ基板で固く支持できる。その結果、落下時に圧電振動子が変位しにくいので、蓋またはセラミックパッケージに衝突して圧電振動子が破損するのを防げるようになった。また、圧電振動子のアームの下に十分な空間を設けるので、圧電振動子のアームとセラミックパッケージ基板の第１の面が接触しない構造となり、圧電振動子の脚がセラミックパッケージ基板に接触して圧電特性が劣化する現象がなくなった。

以上に示したように、本発明の実施例により小型低背化に有利な感度特性の安定した量産性に優れる音叉形の圧電振動ジャイロおよびその製造方法の提供が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示した斜視図。 従来例の圧電振動ジャイロの斜視図。 従来例の角度測定装置の斜視図。 従来例の圧電デバイスの概略断面図。 本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示した平面図。 本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示したＡ−Ａ線による模式断面図。 本発明の実施例に係る圧電振動ジャイロ用振動子の概略を示した斜視図。 本発明における圧電振動ジャイロの振動モードを示す斜視図。 本発明の圧電振動ジャイロの概略を示した平面図（上側）と断面図（下側）。図９（ａ）は本発明の音叉形圧電振動子アームの下に回路部品を配置した場合の例を示す図（比較例）、図９（ｂ）は本発明の音叉形圧電振動子アームの下に回路部品を配置しない場合の例を示す図。

符号の説明

１ セラミックパッケージの第１の面
２ セラミックパッケージの第２の面
３ 回路部品
４ 音叉形圧電振動子
４１ 音叉形圧電振動子基部
４２，４３ 音叉形圧電振動子アーム
５１，５２，５３，５５ 端子
６ 蓋封止用電極
７ セラミックパッケージ

Claims (3)

1. 第１および第２のアームと前記アームを接続した基部が圧電単結晶にて一体化して形成され、前記第１、第２のアームおよび前記基部の少なくとも一面に駆動用と検出用の複数の電極を形成した音叉形圧電振動子を具備し、音叉振動モードおよび前記音叉振動モードと直交した面外振動モードの励振と検出に用いる音叉形の圧電振動ジャイロにおいて、前記音叉形圧電振動子、空間があるセラミックパッケージ、駆動検出用の回路部品とリッドで構成され、前記セラミックパッケージの内側の最も低い位置にある面である第１の面に回路部品を実装し、前記セラミックパッケージの前記第１の面に対し垂直な方向で前記回路部品と重ならない配置で前記第１の面よりも高い位置にある第２の面に前記音叉形圧電振動子の基部を設置したことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
2. 前記音叉形圧電振動子を前記セラミックパッケージの第２の面に取り付け、前記音叉形圧電振動子の駆動振動もしくは検出振動の少なくとも一方の振動を外部から電気的に励起するための端子が前記セラミックパッケージの内部または外部のいずれかに設置されたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動ジャイロ。
3. 第１および第２のアームと前記アームを接続した基部が圧電単結晶にて一体化して形成され、前記第１、第２のアームおよび前記基部の少なくとも一面に駆動用と検出用の複数の電極を形成した音叉形圧電振動子を具備し、音叉振動モードおよび前記音叉振動モードと直交した面外振動モードの励振と検出に用いる音叉形の圧電振動ジャイロの製造方法において、前記音叉形圧電振動子の駆動振動もしくは検出振動の少なくとも一方の振動を外部から電気的に励起するための端子を前記セラミックパッケージの内部または外部のいずれかに設置し、前記音叉形圧電振動子を前記セラミックパッケージの内側の最も低い位置にある面である第１の面よりも高い位置にある第２の面に取り付けた状態で、前記端子を使用し、前記音叉形圧電振動子の共振周波数を調整した後に、駆動検出用の回路を前記セラミックパッケージの前記第１の面に実装し、組み立てる工程を有することを特徴とする圧電振動ジャイロの製造方法。

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