(57)【要約】 【課題】  生産性に優れ、電磁シールドが可能で、わずかなデッドスペースで、振動子及び回路をパッケージングできる構造の圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】  音叉形振動子実装面１８及び回路実装面１７を有するセラミックパッケージ１６に、音叉形振動子１及び駆動検出用のＩＣ２０を実装し、メタルリッド１９にてケーシングした構造の圧電振動ジャイロであり、セラミックパッケージ１６にはケーシングの際、メタルリッド１９の縁に対応する位置に予めメタライジング処理された電極２２が設けられており、電極２２はグランドに接続され、メタルリッド１９の縁と電極２２とは半田にて電気的及び機械的に接合される。またメタルリッド１９の表面にはＡｕめっき処理が施されている。【選択図】  図１
2006010625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティを有するセラミックパッケージに振動子及び駆動検出用回路部品を実装し、メタルリッドにてケーシングした構造の圧電振動ジャイロにおいて、前記セラミックパッケージにはケーシングの際、前記メタルリッドの縁に対応する位置に予めメタライジング処理された電極が設けられており、前記電極はグランドに接続され、前記メタルリッドの縁と前記電極とは半田にて電気的及び機械的に接合されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ。
【請求項２】
前記メタルリッドの表面には、めっき処理が施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。
【請求項３】
キャビティを有し振動子及び駆動検出用回路部品が実装されたセラミックパッケージと、ケーシング用のメタルリッドとを備え、前記メタルリッドの縁に当たる前記セラミックパッケージ上の位置にはメタライジング処理された帯状電極が設けられ、前記帯状電極は前記メタルリッドの縁に半田にて電気的かつ機械的に接合されると共にグランドに電気的に接続された圧電振動ジャイロの製造方法において、多数個の前記キャビティが形成され分割後の個片が前記セラミックパッケージとなる積層セラミックシート上に前記帯状電極を形成し、前記帯状電極上に半田ペースト層を印刷により形成し熱処理にて溶融固体化させ半田パターンを形成する工程と、前記駆動検出用回路部品の実装の工程と、前記積層セラミックシートを分割して前記セラミックパッケージの個片を作製する工程と、前記振動子の実装の工程と、前記メタルリッドの縁を前記半田パターンに押圧しながら局所的に加熱し半田接合しケーシングする工程とを含むことを特徴とする圧電振動ジャイロの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電振動ジャイロ及びその製造方法に関し、特にカメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な圧電振動ジャイロ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、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）を励起させることができ、かつ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、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、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出される。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ため、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。振動ジャイロの中でも、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。
【０００３】
近年、小形で安価な圧電振動ジャイロの必要性が高まる中、振動子の小形低コスト化のみならず、パッケージングの小形化や低コスト化にも力が注がれるようになってきている。最近では電子部品の中でも小形化が急速に進んでいる水晶発振器の構造を参考にし、セラミックパッケージを利用した表面実装タイプの圧電振動ジャイロの提案もなされるようになった。例えば、図９に組み立て図で表された例は、特許文献１にて開示されている技術で、音叉形振動子９１の基部９２をキャビティ９４付きセラミックパッケージ９３内に施された台座９５に支持固定し、接合部９６にガラス板などを接合し気密封止することで、安価で小形かつ高品質を実現しうる構造を提案している。
【０００４】
回路部品を実装するガラスエポキシ基板、筐体を構成する部品や振動子を実装する台座等を複雑に組み合わせる構造と比較すると、構成部材としてキャビティ付きセラミックパッケージを利用した場合、部品点数を減らすことができ、振動子や回路部品の実装工数が削減できるため生産性が向上する他、振動子や回路を積層配置できるためデッドスペースが比較的少なくでき小形化が実現できる。更に、セラミックパッケージの利用は気密封止が可能となるため振動子の振動を安定化させることができ高精度化も実現できる。
【０００５】
気密封止の必要性については、例えば、特許文献２にて説明されている通り、空気中の水蒸気が振動子に結露したり、振動子が空気中の酸素により酸化・腐食したりして検出精度が低下することを防止するためである。図１０に断面図で表された例は、特許文献２記載の圧電振動ジャイロで、セラミック多層基板１０１とリッド１０２にて、１気圧の不活性ガスを閉じ込め、振動子１０３の振動を封止前後で一定とさせ、自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御などに用いられる振動ジャイロに必要な特性を満足させるレベルまで高精度化を実現させている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２３０７５８号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御などに用いられる振動ジャイロに必要な特性を満足させるためには、前述の気密封止は重要であるとされているが、例えば、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロに必要な特性を考えた場合、気密封止によって得られる極めて微小で周波数帯域の低い経時的な出力ドリフトの低減などは、実用上ほとんど意味がなく、オーバースペックと言える。つまり、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロとしては、手振れの周波数帯域と同等の周波数成分を有する音や電磁ノイズ等の外乱を防ぐ程度のパッケージングで構わず、気密性を重視した構造よりは小形で安価なものの方が望まれる。
【０００８】
しかしながら、セラミックパッケージは、特に水晶発振器のように極めて振動を安定にさせる必要のあるデバイスに広く利用されてきたため、気密性の高い封止方法がこれまで盛んに検討されてきたのに対し、手振れ防止装置等に用いられるジャイロに合った小形で安価なパッケージング方法があまり検討されて来なかったのが現状であった。
【０００９】
具体的には、例えば、代表的な封止方法としては、（１）Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏリングを用いるシーム溶接やＡｇやＡｕＳｎリングを用いる、ろう付けがあり、気密性の高い封止と電磁シールドとを可能とする反面、リングの取り付け加工費等コスト高となる欠点を有する。（２）フリットガラスを用いる方法もあるが、この場合リッド（蓋）はセラミックである必要があり若干製品寸法が大きくなってしまう。（３）エポキシ接着剤を用いたシーラー封止は、メタルリッドをグランドに落とす処置として部分的に導電接着剤を用いる等の工夫が必要で生産性が損なわれる。（４）半田を用いた封止は、真空度を必要とするデバイスには半田からのガスの発生があるため向かないものの、電磁シールド化、小形化には適している。しかしながら、生産性に優れる半田づけ方法がなく、リングを使用する前述のろう付け封止と比較し、さほどコストが下がらないのが現状であった。
【００１０】
従い、本発明は上記問題を解決でき、生産性に優れ、電磁シールドが可能で、わずかなデッドスペースで、振動子及び回路をパッケージングできる構造の圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供すること、すなわち、小形で安価な圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、個片分割前のシート状態のセラミックパッケージに予め帯状電極とその上の半田層を形成しておき、振動子及び回路実装後のケーシング工程を容易とすると同時に小形化を実現した。
【００１２】
すなわち、第一の発明の圧電振動ジャイロは、キャビティを有するセラミックパッケージに振動子及び駆動検出用回路部品を実装し、メタルリッドにてケーシングした構造の圧電振動ジャイロにおいて、前記セラミックパッケージにはケーシングの際、前記メタルリッドの縁に対応する位置に予めメタライジング処理された電極が設けられており、前記電極はグランドに接続され、前記メタルリッドの縁と前記電極とは半田にて電気的及び機械的に接合されたことを特徴とする。
【００１３】
第二の発明の圧電振動ジャイロは、第一の発明の圧電振動ジャイロにおいて、前記メタルリッドの表面は、めっき処理が施されていることを特徴とする。    
【００１４】
第三の発明の圧電振動ジャイロの製造方法は、キャビティを有し振動子及び駆動検出用回路部品が実装されたセラミックパッケージと、ケーシング用のメタルリッドとを備え、前記メタルリッドの縁に当たる前記セラミックパッケージ上の位置にはメタライジング処理された帯状電極が設けられ、前記帯状電極は前記メタルリッドの縁に半田にて電気的かつ機械的に接合されると共にグランドに電気的に接続された圧電振動ジャイロの製造方法において、多数個の前記キャビティが形成され分割後の個片が前記セラミックパッケージとなる積層セラミックシート上に前記帯状電極を形成し、前記帯状電極上に半田ペースト層を印刷により形成し熱処理にて溶融固体化させ半田パターンを形成する工程と、前記駆動検出用回路部品の実装の工程と、前記積層セラミックシートを分割して前記セラミックパッケージの個片を作製する工程と、前記振動子の実装の工程と、前記メタルリッドの縁を前記半田パターンに押圧しながら局所的に加熱し半田接合しケーシングする工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、キャビティ付きセラミックパッケージを利用することで、圧電振動ジャイロを構成するのに必要な部品点数を減らすことができ、振動子や回路部品の実装工数が削減できるため生産性が向上するだけでなく、振動子や回路を積層配置できるためデッドスペースが比較的少なくでき小形化が実現できる。また、ケーシングについては、比較的安価な半田を用いることと、セラミックパッケージの個片分割前のシート状態にて、半田を印刷にて一括形成するため、ろう材等のリングを形成する時のように多数の治具を必要とすることなく、生産性良くメタルリッドによるケーシングが可能になる。また電磁シールドも容易にできる。
【００１６】
上記発明ごとに説明すると、第一の発明によれば、リングによる、ろう付けの場合より小形化が可能になる。第二の発明によれば、メタルリッドの半田付けが容易となり生産性が向上する。第三の発明によれば、リングによる、ろう付けの場合より生産性を向上させることができる。
【００１７】
すなわち、本発明により、小形で安価な圧電振動ジャイロ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図２には、本発明の圧電振動ジャイロに使用する音叉形振動子の例を斜視図で示す。音叉形振動子１は、平行で左右対称に配置された２本のアーム３、４と基部２が圧電材料により一体的に形成されてなる。圧電材料には、リフロー実装時に加わる温度で圧電性が損なわれることの無いよう、耐熱性を考慮した材料ＬｉＮｂＯ３を用い、結晶のＸ軸を音叉の長手方向及び主面に対し垂直にとった。また、音叉の幅方向の電界に対する長手方向の伸縮の効率すなわち電気機械結合係数が最も大きくなるよう、図３に示すように結晶方位のＹ軸と音叉の長手方向がなす角度が５０°となるようなカット角を利用する構成にした。
【００２０】
また、図２において電極構成を更に説明する。アーム３の主面には、検出電極としての電極５、駆動電極としての電極６、基準電極としての電極７を、アーム４の主面には、検出電極としての電極８、駆動電極としての電極９、基準電極としての電極１０を、各々外側から順に形成する。また、電極５を基部２まで引き回し、その先端にはランド１１ａを形成する。同様に、電極６、７、８、９、１０を基部２まで引き回し、その先端にはランド１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを形成する。なお、電極７及び電極１０は同一のランド１３ａに接続し共通電極とした。
【００２１】
ここで、本発明による圧電振動ジャイロの基本的な動作原理を図４によって説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、音叉形振動子のアーム部の断面図を示す。図４（ａ）中の実線矢印が示す通り、アームの幅方向に対し、アーム内で逆向き、かつアーム３、４間でも逆向きの電界を印加すれば、音叉の外と内側において、長手方向に逆向きの伸縮が生じ、つまり図５（ａ）に示す音叉振動を励起させることができる。また、図５（ｂ）に示す面外振動が生じた時には、つまりは、アームの上下面において長手方向に逆向きの伸縮が生じた時には、図４（ｂ）中の実線矢印が示す通り、アームの幅方向に対し、アーム内で同じ向き、かつ左右アーム間で逆向きの電界が発生する。
【００２２】
従い、例えば図６に示す回路に接続すれば、圧電振動ジャイロを構成することが可能となる。同図が示すように電極７、１０を基準電位３０に接地、或いは仮想接地し、電極６、９には位相が１８０°異なる信号を、位相回路４１を介して入力することで、音叉振動を励起することができる。また、帰還抵抗４４、４５、及びオペアンプ４２、４３により構成された電流検出回路により、電極５、８で得られる電流を電圧に変換する。この信号を用い前述の音叉振動を安定に保つために、自励発振回路４７の出力を電極６、９ヘフィードバックさせる。また一方、電流検出回路で得られた電圧は、加算回路４６により音叉振動成分の信号を取り除き面外振動成分のみの信号を取り出すことができる。この信号を自励発振回路４７のタイミングにて同期検波回路４８で同期検波し、その後ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４９により整流することで、面外振動の大きさに比例した、すなわち加えられた角速度に比例した出力３１が得られることとなる。
【００２３】
次に、図２に示した音叉形振動子、及び図６で示した回路を内蔵した専用ＩＣのセラミックパッケージヘの実装方法を以下に説明する。
【００２４】
図１は、本発明における圧電振動ジャイロの一実施の形態の構成を表す組み立て図である。本発明の圧電振動ジャイロは、図２に示す音叉形振動子１、図６に示す回路を内蔵した専用ＩＣ２０、これらを実装するセラミックパッケージ１６、及びメタルリッド１９によって構成される。
【００２５】
音叉形振動子１には、図２を用いて説明した通り、基部２にランド１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを設けている。セラミックパッケージ１６はセラミックからなるグリーンシートを積層し焼成してできた多層基板であり、回路実装面１７とそれより高い位置にある音叉形振動子実装面１８を持つキャビティ構造を採る。なお、セラミックパッケージ上に形成された電極は、音叉形振動子実装面１８上に形成されたランド（図示省略）と回路実装用ランド群（図示省略）とが図６に示す回路構成となるようビアなどを利用し立体的に配線されている。
【００２６】
まず初めに、ＩＣ２０をセラミックパッケージ１６に実装する。実装面積や高さに関する小形化を考慮し、ワイヤーボンディングによる実装は行わず、フリップチップ実装を採用した。具体的な実装方法としては、半田を用いたものでもＡｕバンプを用いたものでも構わない。
【００２７】
次に、音叉形振動子の基部２の拡大斜視図を図７に示す通り、まず予め、ランド１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａに、それぞれＡｕのバンプ１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂを形成する。バンプは、めっき法、ボール法、蒸着法、ワイヤーバンピング法のいずれかの方法を用いることで形成できる。なお、音叉形振動子のアーム部の電極５〜１０及びランド１１ａ〜１５ａは、スパッタリングにより形成した下地がクロムの金電極であり、フォトリソグラフィを利用しパターニングしたものであるが、めっきや蒸着等の他の方法で形成したものでもかまわない。
【００２８】
次に、音叉形振動子の電極が形成されている主面をセラミックパッケージ側に向け、バンプ１１ｂ〜１５ｂが基板ランドにそれぞれ対応するよう接触位置決めする。なお、音叉形振動子実装面１８上には音叉形振動子のランド１１ａ〜１５ａに対応した位置にそれぞれ振動子実装用のランドが形成されている必要がある。こうした状態で、接触部において部分的に熱、圧力、超音波などを加えて金属接合し、音叉形振動子をセラミックパッケージと電気的かつ機械的に接続する。
【００２９】
最後に、メタルリッド１９を被せケーシングを行う。メタルリッドの材料は、導電性を有する金属であれば特に問題ないが、今回は絞り加工性を考え真鍮を選んだ。表面は半田付け性や強度や酸化のし難さを考えＮｉ下地のＡｕめっきを施した。ただし、Ｓｎなどの他のめっきを用いることもできる。
【００３０】
また、セラミックパッケージ１６には、メタルリッド１９の縁に対応する位置に予めメタライジング処理によりＮｉ下地のＡｕ電極（電極２２）を設ける。音叉形振動子１等に形成された電極等に飛び込む電磁ノイズは、後段の回路により増幅され出力を大きく乱すこととなるため、音叉形振動子１等に形成される電極に飛び込む電磁ノイズをシャットアウトする必要がある。この対策として電極２２はセラミックパッケージの内部を通りグランドに接続しておく。これによりメタルリッド１９を電極２２に半田付けした時、音叉形振動子１に覆いかぶさるよう電磁シールドをとることができ、外部電磁ノイズからの影響を大きく低減できる。
【００３１】
電極２２の形成方法について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、セラミックパッケージの個片分割前のシート状態を示す平面図である。シート２４はグリーンシートを４層積層し焼成したもので、キャビティを１段形成したものである。また、シート２４は１００ｍｍ角程度の大きさのもので、セラミックパッケージが多数個取りできるものである。図８（ｂ）は、シート２４の拡大斜視図である。シート２４は、後工程にて個片に分割しやすいよう予めハーフカット２５を入れている。またメタルリッド１９の縁に対応する位置に帯状の電極２２を形成し、電極２２はセラミックパッケージの内部を経由し接地できるよう配線してグランドに接続する。次に、図８（ｃ）に斜視図で示すように、電極２２上に半田ペースト層２３を印刷で形成する。印刷はメタルマスタを利用しペースト状の半田を所望の位置に形成できるようパターニングする。これにより一度に多数のセラミックパッケージに半田を形成できる。なお、半田は環境のことを考慮し鉛フリーのものを使用した。また、半田ペースト層２３は流動させる前に熱処理を加え、半田を溶融固体化させる。次に、ＩＣ２０をセラミックパッケージに実装する。更に、セラミックパッケージ１６を個片分割した後、音叉形振動子１をセラミックパッケージに実装する。最後に、メタルリッド１９を予め電極２２に形成された半田層に押圧しながら局所的に加熱し半田接合しケーシングする。なお、加熱及び加圧がメタルリッド１９の縁のみに加えることができるようアタッチメントの形状を加工したパルスヒート装置を用いることで、短時間で半田接合が可能となる。
【００３２】
なお、ＩＣ２０のセラミックパッケージへの実装、セラミックパッケージの個片分割、及び音叉形振動子のセラミックパッケージへの実装の順番は任意である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明における圧電振動ジャイロの一実施の形態の構成を表す組み立て図。
【図２】本発明の圧電振動ジャイロに使用する音叉形振動子の例を示す斜視図。
【図３】本発明に係る音叉形振動子に使用する結晶方位を示す図。
【図４】圧電振動ジャイロの基本的な動作原理を示し、図４（ａ）は音叉振動と電界を示すアーム部の断面図、図４（ｂ）は面外振動と電界を示すアーム部の断面図。
【図５】音叉振動と面外振動を示し、図５（ａ）は音叉振動を表す音叉形振動子の斜視図、図５（ｂ）は面外振動を表す音叉形振動子の斜視図。
【図６】音叉形振動子を接続する回路図の例。
【図７】音叉形振動子の基部の拡大斜視図。
【図８】本発明の圧電振動ジャイロの製造工程におけるセラミックパッケージの個片分割前のシート状態を示し、図８（ａ）はセラミックパッケージの個片分割前のシート状態を表す平面図、図８（ｂ）はセラミックパッケージの個片分割前のシートの拡大斜視図、図８（ｃ）は半田ペースト層を印刷で形成した状態の拡大斜視図。
【図９】従来例の圧電振動ジャイロの構成を表す組み立て図。
【図１０】他の従来例の圧電振動ジャイロの構成を表す断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１    音叉形振動子
２    基部
３、４    アーム
５、６、７、８、９、１０、２２    電極
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ    ランド
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ    バンプ
１６    セラミックパッケージ
１７    回路実装面
１８    音叉形振動子実装面
１９    メタルリッド
２０    ＩＣ
２３    半田ペースト層
２４    シート
２５    ハーフカット
３０    基準電位
３１    出力
４１    位相回路
４２，４３    オペアンプ
４４，４５    帰還抵抗
４６    加算回路
４７    自励発振回路
４８    同期検波回路
４９    ローパスフィルタ
【図１】
2006010625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006010625.tif 000011
【図１０】
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