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特許7533193微小振動体の把持構造、慣性センサの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-05
(45)【発行日】2024-08-14
(54)【発明の名称】微小振動体の把持構造、慣性センサの製造方法
(51)【国際特許分類】
   G01C 19/5691 20120101AFI20240806BHJP
   B81B 3/00 20060101ALI20240806BHJP
   B81C 3/00 20060101ALI20240806BHJP
   H01L 29/84 20060101ALI20240806BHJP
【FI】
G01C19/5691
B81B3/00
B81C3/00
H01L29/84 Z
【請求項の数】 12
(21)【出願番号】P 2020208757
(22)【出願日】2020-12-16
(65)【公開番号】P2022095430
(43)【公開日】2022-06-28
【審査請求日】2023-05-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】明石 照久
(72)【発明者】
【氏名】船橋 博文
(72)【発明者】
【氏名】稲垣 優輝
【審査官】國田 正久
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第110749315(CN,A)
【文献】米国特許出願公開第2018/0188030(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2019/0094024(US,A1)
【文献】特開2012-042452(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01C 19/5691
B81B 3/00
B81C 3/00
H01L 29/84
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
環状曲面を備える曲面部(21)および前記曲面部から凹んだ凹部(22)を有する微小振動体(2)と、
棒状のロッド(61)および前記ロッドの先端に配置される接着部材(62)からなり、前記ロッドを主部とする支持部材(6)と、を備え、
前記支持部材は、前記接着部材を介して、前記凹部の内側における底面である接続面(22a)に接着されており、
前記ロッドは、前記微小振動体の搬送における把持部であり、前記ロッドのみ把持により前記微小振動体の搬送を可能とする、微小振動体の把持構造。
【請求項2】
前記支持部材は、前記ロッドが延設された方向を延設方向として、前記延設方向を軸とする径が前記凹部の内径よりも小さく、
前記ロッドは、前記延設方向の長さが前記凹部の深さよりも大きい、請求項1に記載の微小振動体の把持構造。
【請求項3】
前記ロッドが延設された方向を延設方向として、前記ロッドは、前記延設方向に沿って設けられた貫通孔(612)を有する筒形状である、請求項1または2に記載の微小振動体の把持構造。
【請求項4】
前記ロッドが延設された方向を延設方向として、前記ロッドは、前記延設方向を軸とする径が他の部分よりも小さいくびれ部(63)を備える、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の微小振動体の把持構造。
【請求項5】
前記ロッドが延設された方向を延設方向として、前記ロッドは、先端に他の部位よりも前記延設方向を軸とする径が大きい固着部(611)を備える、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の微小振動体の把持構造。
【請求項6】
前記固着部は、前記接着部材を介して前記微小振動体に接続される一面(611a)に溝部(611c)を備える、請求項5に記載の微小振動体の把持構造。
【請求項7】
前記ロッドは、前記微小振動体を構成する材料と同じ材料により構成されている、請求項1ないし6のいずれか1つに記載の微小振動体の把持構造。
【請求項8】
前記接着部材は、低融点ガラスである、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の微小振動体の把持構造。
【請求項9】
環状曲面を備える曲面部(21)および前記曲面部から凹んだ凹部(22)を有する微小振動体(2)と、実装基板(3)とを有してなり、前記微小振動体の前記凹部が前記実装基板のうち枠体状の実装部(51)の内側領域に搭載され、前記曲面部が中空状態である慣性センサ(1)の製造方法であって、
前記微小振動体を用意することと、
棒状のロッド(61)と、前記ロッドの先端に配置される接着部材(62)とを有する支持部材(6)を用意することと、
前記ロッドの前記先端を前記微小振動体の前記凹部に挿入し、前記接着部材を前記凹部の内側における底面である接続面(22a)に密着させることと、
前記接着部材を前記接続面に密着させた状態で、前記接着部材を溶融した後、再度固化することで、前記ロッドと前記微小振動体とを接続した把持構造(100)を構成することと、
前記把持構造を構成した後、前記把持構造のうち前記ロッドのみを把持して前記微小振動体を搬送し、前記微小振動体の表面に導電層(23)を成膜することと、
前記実装基板の前記実装部の内側領域に接合部材(52)を塗布することと、
前記把持構造のうち前記ロッドのみを把持して前記微小振動体を搬送し、前記微小振動体のうち前記凹部の外側における底面である実装面(22b)を前記接合部材に接触させることと、
前記実装基板を加熱して前記接合部材および前記接着部材を溶融させた後に、前記接合部材を固化させ、前記微小振動体と前記実装基板とを接合することと、
前記微小振動体と前記実装基板との接合後に、前記ロッドを前記微小振動体から取り外すことと、を含む慣性センサの製造方法。
【請求項10】
前記支持部材を用意することにおいては、前記接着部材として、前記導電層の成膜における成膜温度よりも融点が高い材料を用い、
前記導電層の成膜においては、前記ロッドを介して成膜装置に前記把持構造を固定し、前記微小振動体を中空状態とする、請求項9に記載の慣性センサの製造方法。
【請求項11】
前記接合部材を塗布することにおいては、前記接合部材として、前記接着部材よりも融点が高い材料を用いる、請求項9または10に記載の慣性センサの製造方法。
【請求項12】
前記支持部材を用意することにおいては、前記ロッドが延設された方向を延設方向として、前記延設方向を軸とする径が他の部位よりも小さいくびれ部(63)を有する前記ロッドを用い、
前記ロッドを前記微小振動体から取り外すことにおいては、前記接着部材を固化させた後、前記くびれ部で前記ロッドを折ることで、前記ロッドの一部を前記微小振動体の前記凹部に残し、前記ロッドの残部を前記微小振動体から取り外す、請求項9ないし11のいずれか1つに記載の慣性センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、微小振動体を備える慣性センサの製造に用いられる把持構造および慣性センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、車両の自動運転のシステム開発が進められており、この種のシステムでは、高精度の自己位置の推定技術が必要である。例えば、いわゆるレベル3の自動運転向けに、GNSS(Global Navigation Satellite Systemの略)とIMU(Inertial Measurement Unitの略)とを備える自己位置推定システムの開発が進められている。IMUは、例えば、3軸のジャイロセンサと3軸の加速度センサから構成される6軸の慣性力センサである。将来的に、いわゆるレベル4以上の自動運転を実現するためには、現状よりもさらに高感度のIMUが求められる。
【0003】
このような高感度のIMUを実現するためのジャイロセンサとしては、BRG(Bird-bath Resonator Gyroscopeの略)が有力視されている。BRGは、ワイングラスモードで振動する三次元曲面を有する微小振動体が実装基板に搭載されてなる(例えば特許文献1)。この微小振動体は、振動の状態を表すQ値が10以上に達するため、従来よりも高感度が見込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第2019/0094024A1号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この微小振動体は、例えば、数十μmの厚みの石英等で構成されるため、実装基板への搭載において傷を付けない取り扱いが求められる。微小振動体のベースとなる基材(例えば石英等)やその表面に形成される電極膜に傷が付いたり、電極膜が剥がれたりすると、Q値が低下し、ジャイロセンサの感度が低下してしまう。
【0006】
特許文献1に記載のBRGは、実装基板の一部として微小振動体の位置決め用の可動治具が形成されており、微小振動体を実装基板に載置し、可動治具により微小振動体の位置調整を行った後に、微小振動体が実装基板に接合されることで製造される。しかし、特許文献1では、微小振動体の位置決めを行う際の具体的な微小振動体の搬送方法については記載されておらず、微小振動体やその電極膜に傷が付くおそれがある。
【0007】
本発明は、上記の点に鑑み、この種の微小振動体を備える慣性センサにおいて、微小振動体を実装基板に搭載する際における微小振動体の傷付きを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の微小振動体の把持構造は、環状曲面を備える曲面部(21)および曲面部から凹んだ凹部(22)を有する微小振動体(2)と、棒状のロッド(61)およびロッドの先端に配置される接着部材(62)からなり、ロッドを主部とする支持部材(6)と、を備え、支持部材は、接着部材を介して、凹部の内側における底面である接続面(22a)に接着されており、ロッドは、微小振動体の搬送における把持部であり、ロッドのみ把持により微小振動体の搬送を可能とする。
【0009】
これにより、支持部材を介して微小振動体が接続された把持構造となり、微小振動体の曲面部を直接把持する必要がなくなり、微小振動体の搬送において微小振動体に傷を付けることが抑制できる。また、微小振動体に電極膜を成膜する場合であっても、微小振動体のうち電極膜が成膜される部分に触れることがないため、電極膜の剥がれを抑止し、振動特性の低下が抑制される。
【0010】
請求項9に記載の慣性センサの製造方法は、環状曲面を備える曲面部(21)および曲面部から凹んだ凹部(22)を有する微小振動体(2)と、実装基板(3)とを有してなり、微小振動体の凹部が実装基板のうち枠体状の実装部(51)の内側領域に搭載され、曲面部が中空状態である慣性センサ(1)の製造方法であって、微小振動体を用意することと、棒状のロッド(61)と、ロッドの先端に配置される接着部材(62)とを有する支持部材(6)を用意することと、ロッドの先端を微小振動体の凹部に挿入し、接着部材を凹部の内側における底面である接続面(22a)に密着させることと、接着部材を接続面に密着させた状態で、接着部材を溶融した後、再度固化することで、ロッドと微小振動体とを接続した把持構造(100)を構成することと、把持構造を構成した後、把持構造のうちロッドのみを把持して微小振動体を搬送し、微小振動体の表面に導電層(23)を成膜することと、実装基板の実装部の内側領域に接合部材(52)を塗布することと、把持構造のうちロッドのみを把持して微小振動体を搬送し、微小振動体のうち凹部の外側における底面である実装面(22b)を接合部材に接触させることと、実装基板を加熱して接合部材および接着部材を溶融させた後に、接合部材を固化させ、微小振動体と実装基板とを接合することと、微小振動体と実装基板との接合後に、ロッドを微小振動体から取り外すことと、を含む。
【0011】
これにより、微小振動体に支持部材を接続した把持構造を構成した後、把持構造のまま微小振動体を実装基板に搭載し、微小振動体と実装基板との接合後にロッドを微小振動体から取り外す慣性センサの製造方法となる。この製造方法では、把持構造を介して微小振動体の搬送、導電層の形成および実装基板への搭載を行い、これらの工程の後にロッドを取り外すため、一連の工程にて微小振動体を直接把持する必要がなくなり、微小振動体や導電層の傷付きを抑制できる。そのため、信頼性が高く、高感度の慣性センサを製造することが可能となる。
【0012】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】第1実施形態に係る慣性センサの一例を示す上面レイアウト図である。
図2】微小振動体を示す斜視図である。
図3図2のIII-III間の断面構成を示す断面図である。
図4A図2の微小振動体の形成工程のうち部材の用意工程を示す断面図である。
図4B図4Aに続く微小振動体の形成工程を示す断面図である。
図4C図4Bに続く微小振動体の形成工程を示す断面図である。
図5】微小振動体が搭載される前の実装基板を示す上面レイアウト図である。
図6図1のVI-VI間の断面構成を示す断面図である。
図7図1のVII-VII間の断面構成を示す断面図である。
図8A】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造を示す斜視図である。
図8B図8AのVIIIB-VIIIB間の断面構成を示す断面図である。
図9A】第1実施形態に係る慣性センサの製造工程のうち微小振動体の把持構造に用いるロッドの準備工程を示す断面図である。
図9B図9Aに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9C図9Bに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9D図9Cに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9E図9Dに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9F図9Eに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9G図9Fに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9H図9Gに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9I図9Hに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9J図9Iに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図9K図9Jに続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
図10】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第1の変形例を示す斜視図である。
図11】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第2の変形例を示す斜視図である。
図12】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第3の変形例を示す斜視図である。
図13】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第4の変形例を示す断面図である。
図14図13に示す第4の変形例に係るロッドの効果を説明するための説明図である。
図15A】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第5の変形例を示す断面図である。
図15B図15Aに示すロッドをXVBの方向から見た矢視図である。
図15C図15Aに示す第5の変形例に係るロッドの効果を説明するための説明図である。
図16A】第1実施形態に係る微小振動体の把持構造のうちロッドの第6の変形例を示す断面図である。
図16B図16Aに示すロッドをXVIBの方向から見た矢視図である。
図17】第2実施形態の微小振動体の把持構造を示す断面図である。
図18】慣性センサの製造工程のうち図9Kに示す工程に相当するものであって、第2実施形態の把持構造を用いた場合におけるロッドの分離工程を示す断面図である。
図19】第3実施形態の微小振動体の把持構造に係るロッドを示す斜視図である。
図20A】慣性センサの製造工程のうち図9Jに示す工程に相当するものであって、第3実施形態の把持構造を用いた場合の微小振動体の接合工程を示す断面図である。
図20B図20Aに続く慣性センサの製造工程であって、ロッドの一部を微小振動体から分離する工程の一例を示す断面図である。
図20C図20Aに続く慣性センサの製造工程であって、ロッドの一部を微小振動体から分離する工程の他の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0015】
(第1実施形態)
第1実施形態の慣性センサ1およびこれに用いられる微小振動体2の把持構造100について、図面を参照して説明する。
【0016】
以下、説明の便宜上、図1に示すように、紙面における左右方向に沿った方向を「x方向」と、同紙面上においてx方向に直交する方向を「y方向」と、xy平面に対する法線方向を「z方向」と、それぞれ称する。図2以降の図中のx、y、z方向は、図1のx、y、z方向にそれぞれ対応するものである。また、本明細書における「上」とは、図中のz方向に沿った方向であって、矢印側を意味し、「下」とは上の反対側を意味する。さらに、本明細書では、例えば図1等に示すように、z方向上側から慣性センサ1あるいはその一部を見た状態を「上面視」と称することがある。なお、図2では、構成を分かりやすくするため、図2に示す角度では見えない曲面部21および凹部22の一部の外郭を破線で示している。
【0017】
〔慣性センサ〕
本実施形態の慣性センサ1は、例えば、図1に示すように、微小振動体2と、実装基板3とを備え、微小振動体2の一部が実装基板3に接合されてなる。慣性センサ1は、ワイングラスモードで振動することが可能な微小振動体2と実装基板3のうち後述する複数の電極部53との間における静電容量の変化に基づき、慣性センサ1に印加された角速度を検出する構成となっている。慣性センサ1は、例えば、BRG構造のジャイロセンサであって、自動車等の車両に搭載される用途に適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも適用されうる。
【0018】
微小振動体2は、例えば、図2に示すように、略半球形の三次元曲面の外形を有する曲面部21と、環状曲面形状の曲面部21の頂点側から球の中心側に向かうように凹んだ凹部22とを備える。微小振動体2は、例えば図3に示すように、凹部22のうち内側底面が実装基板3に搭載される際に、後述する支持部材6が接続される接続面22aであり、凹部22のうち接続面22aとは反対側の外側底面が実装基板3に接合される実装面22bである。
【0019】
微小振動体2は、実装面22bの径が実装基板3のうち後述する枠体状の実装部51の内側領域の径よりも小さくなっており、実装基板3に搭載したときに、実装部51に当接しない形状となっている。微小振動体2は、例えば、慣性センサ1が駆動していない状態においてリム211と複数の電極部53との間隔が等間隔となるように、リム211が略円筒形状とされる。微小振動体2は、凹部22の実装面22b側が実装基板3に搭載されたとき、リム211を含む三次元曲面形状の部分が中空の状態となり、ワイングラスモードで振動することが可能となっている。微小振動体2は、曲面部21が椀状の三次元曲面を有し、その振動のQ値が例えば10以上となっている。
【0020】
微小振動体2は、例えば、石英、ガラス、シリコンやセラミック等の材料で構成されるが、三次元曲面形状とされた曲面部21および凹部22を形成でき、ワイングラスモードで振動することが可能なものであればよく、これらの材料に限定されない。微小振動体2は、その厚みが20μm~80μmといった具合の数十μmの薄肉構成となっている。微小振動体2は、例えば、実装基板3の厚み方向に沿った方向を高さ方向として、高さ方向の寸法が2.5mm、その径が5mmといったミリサイズの形状である。
【0021】
微小振動体2は、後述する支持部材6が接続面22aに接続され、図8A等に示す後述の把持構造100を構成した後に、その表面が一部を除いて導電層23により覆われた構成となる。導電層23は、例えば、限定するものではないが、下地側からCr(クロム)あるいはTi(チタン)と、Au(金)やPt(白金)等の任意の導電性材料との積層膜で構成され、電極膜として機能する。導電層23は、微小振動体2のうち実装面22b側の面を内側面とし、その反対面を外側面として、少なくとも内側面および外側面のうちリム211の部分に形成されており、実装面22bとリム211の外側とが同電位となる構成になっている。導電層23は、微小振動体2が把持構造100を構成した後に形成されるため、例えば図3に示すように、微小振動体2の接続面22aのうち少なくとも支持部材6が接続される部分には形成されない。
【0022】
微小振動体2の形状については、例えば、次のような工程により形成される。
【0023】
まず、例えば図4Aに示すように、石英板20、三次元曲面形状を形成するための型Mおよび型Mを冷却するための冷却体Cを用意する。型Mは、例えば、石英板20に三次元曲面形状を形成する際のスペースとなる凹部M1と、凹部M1の中心において、凹部M1の深さ方向に沿って延設され、加工時に石英板20の一部を支える支柱部M2とを備え、凹部M1の底面に貫通孔M11が形成されている。冷却体Cは、型Mが嵌め込まれる嵌め込み部C1と、嵌め込み部C1の底面に排気用の排気口C11とを備え、石英板20を加工する際に型Mを冷却する役割を果たす。石英板20は、型Mの凹部M1の全域を覆うように配置される。
【0024】
続けて、例えば図4Bに示すように、石英板20に向けてトーチTから火炎Fを吹きかけ、石英板20を溶融される。このとき、型Mの凹部M1は、図示しない真空機構により冷却体Cの排気口C11を通じて真空引きされている。これにより、石英板20のうち溶融した部分は、凹部M1の底面に向かって引き延ばされると共に、その中心周辺領域が支柱部M2により支えられた状態となる。その後、石英板20の加熱をやめて冷却することで、石英板20は、略半球形の三次元曲面形状とされた曲面部201と、曲面部201の中心近傍で凹んだ凹部202と、曲面部201の外周端に位置し、平坦形状とされた端部203とを有する形状となる。
【0025】
次いで、型Mの凹部M1を常圧に戻し、加工後の石英板20を取り外し、例えば図4Cに示すように、任意の硬化性樹脂材料によりなる封止材Eで石英板20を封止する。その後、例えば、封止材Eを端部203側の面から研磨およびCMP(Chemical Mechanical Polishingの略)を行い、封止材Eごと端部203を除去し、凹部202を残す。そして、加熱や薬液を用いた溶解等の任意の方法により、封止材Eをすべて除去し、石英板20を取り出す。
【0026】
なお、微小振動体2は、例えば、上記のような製造プロセスにより製造され、Z方向を回転軸として回転対称な略ハーフトロイダル形状とされるが、上記の方法に限定されるものではなく、他の公知の方法が採用されても構わない。
【0027】
微小振動体2は、後述する支持部材6が接続面22aに接続され、図8A等で後述する把持構造100を構成する。微小振動体2は、支持部材6が接続された把持構造100の状態で実装基板3に搭載されることで、基材部分やこれを覆う導電層23に傷が付くことが抑制される。この詳細については後述する。
【0028】
実装基板3は、例えば図5に示すように、下部基板4と、上部基板5とを備え、これらが接合された構成となっている。例えば、実装基板3は、絶縁材料のホウケイ酸ガラスにより構成された下部基板4に、半導体材料のSi(シリコン)により構成された上部基板5を陽極接合することで得られる。実装基板3は、微小振動体2が搭載される実装部51と、実装部51を囲むように互いに離隔して配置された複数の電極部53と、電極部53を囲むように互いに離隔して配置された複数の外枠部54とを備える。
【0029】
実装基板3は、例えば図5図6に示すように、環状の実装部51よりも外周側の位置に、実装部51を囲む環状のエッチング溝41が形成されている。これにより、微小振動体2が実装基板3に搭載されたとき、図6図7に示すように、微小振動体2のリム211を含む曲面部21が中空状態となる。実装基板3は、下部基板4のエッチング溝41を跨ぐブリッジ配線42を備え、実装部51と4つの外枠部54とが電気的に接続され、同電位となっている。ブリッジ配線42は、例えばAl(アルミニウム)等の導電性材料により構成されると共に、複数の電極部53の間を通過する配置とされ、複数の電極部53から電気的に独立している。なお、図6図7では、見易くするため、微小振動体2の導電層23を省略している。
【0030】
実装基板3は、例えば、環状の実装部51の内側領域にAuペースト等の接合部材52が塗布されており、接合部材52を介して微小振動体2が接合される。接合部材52は、Auペーストのほか、例えば、Ag(銀)、Cu(銅)等のナノ粒子を含む導電性ペーストであってもよいし、AuSn、AlGe、CuSn等の共晶はんだ材であってもよい。接合部材52は、本実施形態では、後述する接着部材62よりも融点が高い材料で構成すればよい。また、実装基板3は、ブリッジ配線42の一端が実装部51により、他端が外枠部54により、それぞれ覆われている。これにより、実装基板3は、微小振動体2が搭載されたとき、実装部51、ブリッジ配線42および外枠部54が微小振動体2と電気的に接続された状態となる。
【0031】
なお、図5では、実装基板3に4つのブリッジ配線42が形成された場合を代表例として示しているが、この例に限定されるものではなく、ブリッジ配線42の数や配置等については適宜変更されうる。
【0032】
実装基板3は、例えば図5図7に示すように、エッチング溝41の外周側の位置において、実装部51を囲むように互いに離れて配置された複数の電極部53を備える。複数の電極部53は、微小振動体2が搭載されたとき、微小振動体2のリム211と所定の距離を隔てた状態となり、それぞれが微小振動体2とキャパシタを形成する。複数の電極部53は、上面に電極膜531が形成されると共に、例えば、電極膜531に図示しないワイヤが接続され、図示しない外部の回路基板等と電気的に接続される。これにより、実装基板3は、複数の電極部53を介して、微小振動体2との間の静電容量を検出したり、微小振動体2との間に静電引力を生じさせ、微小振動体2をワイングラスモードで振動させたりすることが可能となっている。複数の電極部53は、例えば図1に示すように、上面視にて、内周側および外周側の辺がそれぞれ円弧状となっており、内周側および外周側の辺それぞれを繋げると、径の異なる断続的な円を描く状態となっている。言い換えると、複数の電極部53は、実装部51を囲む円環を所定間隔で均等に分割した構成となっている。
【0033】
なお、実装基板3の「内周側」とは、図5に示すような上面視において、実装部51の内側領域の中心側を意味し、「外周側」とは、内周側とは反対に位置する側を意味する。また、図1等には、実装基板3に16個の電極部53が互いに離れて環を描くように均等配置された例を示しているが、これに限定されるものではなく、電極部53の数や配置については微小振動体2の形状やサイズ等に応じて適宜変更されうる。
【0034】
実装基板3は、例えば図5に示すように、複数の電極部53の外周側において、外枠部54が複数の電極部53を取り囲むように配置されている。外枠部54は、例えば、上面視にて、内周側の辺が複数の電極部53の外周側の面に沿った円弧状となっている。外枠部54は、例えば図5図6に示すように、上面にAl等によりなる電極膜541を備えると共に、電極膜541に図示しないワイヤが接続され、図示しない外部の回路基板等と電気的に接続される。これにより、実装基板3は、電極膜541に接続される図示しない外部の電源等により、外枠部54を介して微小振動体2の電位を所望の値に制御することが可能となっている。
【0035】
なお、図5では、実装基板3の外枠部54の四隅それぞれに電極膜541が形成された場合を代表例として示しているが、この例に限定されるものではなく、電極膜541の数や配置等については適宜変更されうる。
【0036】
実装基板3は、例えば、次のような工程により製造されうる。
【0037】
まず、例えば、ホウケイ酸ガラスによりなる下部基板4を用意し、バッファードフッ酸を用いたウエットエッチングにより円環状のエッチング溝41を形成する。その後、エッチング溝41を跨ぐブリッジ配線42をAlのスパッタによる成膜を用いたリフトオフ法により形成する。なお、ブリッジ配線42の厚みは、例えば、0.1μm程度とされる。
【0038】
続けて、例えば、SiによりなるSi基板(後の上部基板5)を用意し、ホウケイ酸ガラスの下部基板4と陽極接合する。次にSi基板に後の実装部51、電極部53、外枠部54となる領域に区画する溝を公知のエッチング方法により形成する。
【0039】
そして、例えば、DRIE(Deep Reactive Ion Etchingの略)によりトレンチエッチングを行って、下部基板4を露出させ、実装部51、電極部53、外枠部54の各領域を分離させる。これにより、Si基板は、互いに離隔した実装部51、複数の電極部53、および外枠部54を備える上部基板5となる。
【0040】
最後に、例えば、複数の電極部53、および外枠部54の上面にスパッタ等により電極膜531、541を形成した後、実装部51の内側領域にディスペンサー等により接合部材52を塗布する。
【0041】
なお、図5等で示す1つの実装基板3は、例えば、ウエハに上記構造の複数の実装基板3となる領域を形成し、ダイシングカット等により個片化することにより得られる。すなわち、実装基板3の製造については、ウエハレベルでの対応が可能である。
【0042】
以上が、慣性センサ1の基本的な構成である。慣性センサ1は、駆動時には、複数の電極部53の一部と微小振動体2との間に静電引力を生じさせることで、微小振動体2をワイングラスモードで振動させる。慣性センサ1は、微小振動体2が振動状態のときに、外部からコリオリ力が印加されると、微小振動体2が変位してその振動モードの節の位置が変化する。慣性センサ1は、この振動モードの節の変化を微小振動体2と複数の電極部53との静電容量で検出することで、慣性センサ1に働く角速度の検出が可能となっている。
【0043】
慣性センサ1の製造においては、次に説明する把持構造100を構成することで、微小振動体2を実装基板3に搭載する際に、微小振動体2の傷付きを抑制しつつ、簡便に搭載することが可能である。
【0044】
〔微小振動体の把持構造〕
次に、慣性センサ1を製造する際に形成される微小振動体2の把持構造100について、図8A図8Bを参照して説明する。図8Aでは、構成を分かりやすくするため、図2と同様に、図8Aに示す角度では見えない曲面部21、凹部22および後述する支持部材6の一部の外郭を破線で示している。
【0045】
把持構造100は、例えば図8Aに示すように、微小振動体2の凹部22に支持部材6が挿入され、凹部22の底面で支持部材6が微小振動体2に接続されてなる。具体的には、把持構造100は、例えば図8Bに示すように、微小振動体2と、先端に接着部材62が配置された棒状のロッド61で構成された支持部材6とを備え、微小振動体2のうち凹部22の接続面22aに接着部材62を介してロッド61が接着されてなる。
【0046】
支持部材6は、微小振動体2を直接把持することなく、微小振動体2の搬送や導電層23の形成等の後工程を可能とするために用いられる部材である。支持部材6は、例えば、棒状のロッド61と、接着部材62とを備え、ロッド61の先端面に接着部材62が配置されている。
【0047】
ロッド61は、その長手方向、すなわち延設された方向を延設方向として、延設方向を軸とする径が凹部22の内径よりも小さく、かつ延設方向における長さが凹部22の深さよりも大きい。言い換えると、ロッド61は、凹部22のうち接続面22aとは接触しない状態で挿入され、その一部が微小振動体2の凹部22からはみ出した状態となる形状、寸法となっている。ロッド61は、例えば、円柱状とされるが、これに限定されるものではなく、四角柱状、多角柱状などの他の形状であってもよい。ロッド61は、例えば、石英、ガラス、シリコンやセラミック等の微小振動体2と同じ材料で構成されうるが、少なくとも接着部材62および接合部材52よりも融点が高い材料で構成されていればよく、微小振動体2とは異なる材料で構成されてもよい。ロッド61は、微小振動体2が実装基板3に接合された後、微小振動体2から取り外される。
【0048】
接着部材62は、微小振動体2とロッド61とを一時的に接着するための部材であり、本実施形態では、少なくとも接合部材52よりも低融点の材料で構成される。接着部材62は、例えば、接合部材52としてAuペースト等の350℃~400℃の温度で接合可能な材料を用いる場合には、220℃~300℃程度の温度で溶融する低融点ガラスで構成されうる。これは、接合部材52の溶融・固化により微小振動体2を実装基板3に接合され、微小振動体2が実装基板3に対して固定された状態を維持しつつ、接着部材62が溶融した状態とし、ロッド61を微小振動体2から取り外すことを可能にするためである。なお、接着部材62は、接合部材52の融点未満の温度で溶融し、かつ微小振動体2を実装基板3に搭載する前の後工程での温度では溶融しない材料が用いられていればよく、低融点ガラスに限定されるものではなく、材料については適宜変更されうる。
【0049】
以上が、本実施形態の把持構造100の基本的な構成である。この把持構造100を構成することで、支持部材6を把持し、微小振動体2の搬送や導電層23の形成等を行うことが可能となり、微小振動体2の傷付きや導電層23の剥離等を抑制することが容易となる。
【0050】
〔慣性センサの製造方法〕
次に、本実施形態の慣性センサ1の製造方法について、図9A図9Kを参照して説明するが、微小振動体2および実装基板3の製造については上記したため、ここでは、把持構造100の形成およびこれを用いた微小振動体2の実装について主に説明する。
【0051】
図9I図9Kでは、見易くするため、微小振動体2に形成される導電層23を省略している。
【0052】
まず、図9Aに示すように、棒状のロッド61を用意する。このロッド61の径や長さについては、微小振動体2の凹部22の内径および深さに応じて適宜変更される。
【0053】
続いて、例えば図9Bに示すように、接着部材62の材料621を溶融させて液状にし、器7に入れた状態にし、ロッド61の端面を材料621に接触させる。その後、ロッド61を器7から引き抜いて材料621を固化させることで、ロッド61の先端面に接着部材62が配置された支持部材6を形成することができる。
【0054】
また、例えば図9Dに示すように、上記の工程により形成された微小振動体2を用意し、加熱機構82を有する台座8の凸部81に微小振動体2のうち凹部22の実装面22bを載せ、微小振動体2を載置する。台座8は、上面81aが平坦面とされた凸部81を有しており、微小振動体2の凹部22が載置されたときに、リム211が他の部材と接触していない中空状態となる構成となっている。
【0055】
次いで、例えば図9Eに示すように、図示しない搬送機構等により支持部材6を凹部22に挿入し、接着部材62と凹部22の接続面22aに密着させる。このとき、台座8の凸部81は、接着部材62が溶融する温度(例えば300℃)となっており、接着部材62が溶融し、ロッド61に接触しつつも接続面22aに濡れ広がった状態となる。
【0056】
その後、例えば、台座8の加熱機構82をオフ状態とし、凸部81を接着部材62の融点未満の温度とし、接着部材62を固化させ、ロッド61と微小振動体2とを固着させる。この時点で、微小振動体2の把持構造100が形成されることとなる。そして、例えば図9Fに示すように、図示しない搬送機構等により支持部材6を引き上げ、把持構造100を台座8から回収する。
【0057】
続いて、例えば図9Gに示すように、成膜装置の成膜ステージ9にロッド61を固定し、微小振動体2が中空状態となるようにする。なお、ここでいう「中空状態」とは、微小振動体2がロッド61を介して固定され、ロッド61以外とは接触していない状態を意味する。また、成膜ステージ9は、例えば、把持構造100のロッド61を固定する固定部91を複数備え、固定部91が所定間隔で配置されており、複数の把持構造100を並べて設置することが可能な構成となっている。
【0058】
次いで、スパッタリング、蒸着、原子層堆積(ALD)や化学蒸着(CVD)等の任意の方法により、例えば図9Hに示すように、微小振動体2の表面に導電層23を形成する。例えば、スパッタリングの場合、成膜ステージ9に対向するように配置された図示しないバッキングプレートのターゲット材にAr(アルゴン)プラズマを発生させ、ターゲット材の粒子を微小振動体2に向けて飛び出させることで、導電層23を形成する。なお、図9Hでは、見易くするため、微小振動体2の表面にのみ導電層23が形成されている様子を示しているが、ロッド61や成膜ステージ9の表面にも導電層23と同じ導電膜が形成される。また、接着部材62が導電層23の形成時の成膜温度(例えば150℃)よりも融点が高い材料で構成されるため、把持構造100は、微小振動体2を支持した状態のまま、導電層23の形成が可能である。
【0059】
その後、例えば図9Iに示すように、実装基板3を実装ステージ10に吸着固定し、ピックアップ機構300により把持構造100を搬送する。ピックアップ機構300は、ロッド61を把持する把持部301を有し、図示しない搬送機構により把持構造100を任意の位置に移動させることが可能な構成となっている。また、微小振動体2の実装基板3に対する位置合わせについては、例えば、微小振動体2および実装基板3を撮像し、公知の画像処理技術によりエッジ検出により特徴点を抽出することで、相対位置を調整するといった方法で行うことができる。
【0060】
そして、図9Jに示すように、ピックアップ機構300により微小振動体2を移動させ、微小振動体2の実装面22bと実装基板3の接合部材52とを接触させ、微小振動体2を実装基板3側に押圧する。微小振動体2を実装基板3に搭載後、接合部材52および接着部材62が加熱され、接合部材52は、軟化または溶融した状態となる。また、接着部材62は、接合部材52よりも融点が低い材料で構成されるため、溶融した状態となる。
【0061】
なお、微小振動体2を実装基板3側に押圧する際に、必要に応じて、実装ステージ10を加熱して微小振動体2との接触前に接合部材52を軟化させておいてもよい。
【0062】
続いて、実装ステージ10を降温し、接着部材62の融点以上、かつ接合部材52の融点未満とすることで、接合部材52が固化し、かつ接着部材62が溶融した状態とする。そして、この状態において、例えば図9Kに示すように、ピックアップ機構300を退避させることで、ロッド61と微小振動体2とを分離させ、ロッド61を取り外すことができる。なお、接着部材62が溶融した状態でロッド61をピックアップ機構300で引き上げるため、接着部材62は、一部が微小振動体2に、残部がロッド61の先端に、それぞれ付着した状態となる。
【0063】
以上が、把持構造100を用いた慣性センサ1の基本的な製造工程である。把持構造100を構成し、ロッド61を介して微小振動体2の搬送等を行うことにより、微小振動体2を直接把持する必要がなくなり、微小振動体2や導電層23に傷が生じることを抑制できる。そのため、微小振動体2の振動特性を低下させることなく、信頼性が高く、高感度の慣性センサ1を簡便に製造することができる。
【0064】
なお、上記の方法により製造された慣性センサ1は、微小振動体2の凹部22に接着部材62の一部が残ったままとなるが、微小振動体2のうち振動子として機能する部位が主にリム211であるため、機能に支障はない。
【0065】
本実施形態によれば、微小振動体2を直接把持することなく、微小振動体2の搬送等が可能かつ容易な把持構造100となり、信頼性が高く、高感度の慣性センサ1を製造することができる。
【0066】
(第1実施形態の変形例)
把持構造100を構成する支持部材6は、例えば図10に示すように、ロッド61が先端に固着部611を有していてもよい。具体的には、ロッド61は、支柱部分が延設された方向を延設方向として、先端が支柱部分の延設方向を軸とする径よりも大きい寸法とされた固着部611を有する構成とされうる。これにより、微小振動体2と支持部材6との接着面積が大きくなり、支持部材6が微小振動体2に対して傾いた状態で固着されることが抑制される。
【0067】
固着部611は、平面サイズがロッド61の支柱部分よりも大きくなる形状であればよく、例えば、図10に示すように円盤状でもよいし、図11に示すように矩形板状でもよいし、図12に示すように略X字板状であってもよい。固着部611は、少なくとも微小振動体2の凹部22における内径よりも小さい平面寸法とされるが、ロッド61の延設方向を軸とする径よりも大きい寸法となればよく、その形状等については適宜変更されうる。つまり、支持部材6は、ロッド61のうち接着部材62が配置される側の先端の径が他の部位の径よりも大きい形状、言い換えると、フランジ形状を有する任意の形状とされうる。支持部材6は、固着部611を有する構成とすることで、支柱部分の径がより小さいロッド61とされることが可能となる。
【0068】
固着部611は、例えば図13に示すように、微小振動体2に接続される側の面を一面611aとし、その反対面を他面611bとして、一面611aの端部が他面611bの端部よりも内側とされることが好ましい。すなわち、固着部611は、断面視にて、一面611aと他面611bとを繋ぐ側面のうち一面611a側の一端が、角のない湾曲した形状とされることが好ましい。これは、固着部611を微小振動体2に挿入した際に、固着部611が微小振動体2の凹部22の内側底面である接続面22aと干渉し、支持部材6が微小振動体2に対して傾くことを抑制するためである。
【0069】
具体的には、例えば図14に示すように、微小振動体2の凹部22の内側は、断面視にて、接続面22aの端部が湾曲した形状となっている。固着部611の一面611aの端部が例えば断面視にて直角となる形状である場合、固着部611の一面611aの端部と接続面22aの端部の湾曲部分とが当接し、一面611aが接続面22aに対して傾き、支持部材6が傾いた状態となる可能性がある。
【0070】
しかし、固着部611の一面611aの端部が例えば図14に示すように接続面22aの端部に沿うような湾曲形状である場合、これらの端部同士の干渉、すなわち当接が抑制される。その結果、固着部611の一面611aが接続面22aに対して傾くことが抑止され、支持部材6が意図しない箇所で微小振動体2に接触することが抑制できる。
【0071】
なお、図13、14では、見やすくするため、接着部材62を省略している。これは、後述する図15A図16Bにおいても同様である。
【0072】
また、固着部611は、例えば図15Aに示すように、一面611aに溝部611cを有する構成にもされうる。これにより、支持部材6は、微小振動体2に固着する際に、溶融した接着部材62の余剰部分が溝部611cに流れ込む構造となる。その結果、一面611aと接続面22aとの間に過剰な接着部材62が介在することを抑止し、支持部材6が微小振動体2に対して傾くことを抑制する効果が得られる。溝部611cは、例えば、図15A中のXVB方向から支持部材6を見たとき、図15Bに示すように、2つの溝が直交する略X字状とされるが、この例に限定されるものではなく、形状やサイズ等については適宜変更されうる。
【0073】
また、支持部材6は、溝部611cを有することで、例えば図15Cに示すように、微小振動体2の凹部22の接続面22aに意図しない突起部221が生じている場合であっても、溝部611cがこれを跨ぐように配置されることができる。これにより、接続面22aに突起部221が存在しても、接続面22aのうち突起部221とは異なる部分と一面611aとが平行配置され、支持部材6が微小振動体2に対して傾くことを抑制する効果が得られる。
【0074】
支持部材6は、例えば図16Aに示すように、固着部611を有さず、接着部材62が配置される先端面61aに溝部61bを有する構成にもされうる。このような構成であっても、支持部材6は、溝部611cが形成された固着部611を有する構成の場合と同様に、接続面22aに突起部221が存在しても、微小振動体2に対して傾くことが抑制される効果が得られる。溝部61bは、例えば、図16A中のXVIB方向から支持部材6を見たとき、図16Bに示すように、先端面61aを二分割する直線状の溝とされるが、この例に限定されるものではなく、その形状やサイズ等については適宜変更されうる。
【0075】
本変形例によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる把持構造100となり、信頼性が高く、高感度の慣性センサ1を簡便に製造することができる。また、固着部611を有するロッド61とすることで、支持部材6の傾きが抑制される効果も得られる。さらに、固着部611に溝部611cを有する場合、またはロッド61が固着部611を有さず、先端面61aに溝部61bを有する場合には、凹部22の接続面22aに突起部221が存在しても支持部材6の傾きが抑制される効果が得られる。
【0076】
(第2実施形態)
第2実施形態の把持構造100について、図17図18を参照して説明する。図17図18では、構成を分かりやすくするため、ロッド61のうち外部から視認できない後述する貫通孔612の外郭を破線で示している。
【0077】
本実施形態の把持構造100は、例えば図17に示すように、支持部材6のロッド61がその延設方向に沿った貫通孔612を有する点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0078】
支持部材6は、本実施形態では、ロッド61がその延設方向に沿って設けられた貫通孔612を有する筒状となっている。貫通孔612は、例えば、圧縮した空気等の流体を外部に向けて吐出するために設けられる流体流路であり、微小振動体2を実装基板3に接合した後、微小振動体2からロッド61を取り外す際に用いられる。
【0079】
具体的には、貫通孔612は、例えば図18に示すように、微小振動体2を実装基板3に搭載され、かつ接着部材62が溶融している状態において、ピックアップ機構300に接続された図示しない圧縮空気の吐出装置から圧縮空気が導入される。その結果、空気圧によりロッド61と溶融した接着部材62とが分離し、ピックアップ機構300を退避させることで微小振動体2からロッド61を取り外すことができる。なお、この方法によりロッド61を取り外した場合においても、接着部材62は、一部が微小振動体2に、残部がロッド61の先端に、それぞれ付着した状態となる。
【0080】
なお、上記のように貫通孔612への圧縮流体の導入によりロッド61を微小振動体2から取り外す場合には、接着部材62は、接合部材52と同じ材料または同じ融点の材料であってもよい。
【0081】
本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様に、微小振動体2を直接把持することなく搬送が可能な把持構造100となり、信頼性が高く、高感度の慣性センサ1を製造することができる。また、圧縮流体を貫通孔612に導入して微小振動体2からロッド61を分離することで、再現性良く、ロッド61の分離工程を実行でき、慣性センサ1の量産性が向上する効果も得られる。
【0082】
(第3実施形態)
第3実施形態の把持構造100について、図19図20Cを参照して説明する。
【0083】
図20B図20Cは、それぞれ、上記第1実施形態にて示した慣性センサ1の製造工程のうち図9Kに示すロッド61の分離工程に相当する断面図である。
【0084】
本実施形態の把持構造100は、例えば図19に示すように、支持部材6のうちロッド61にくびれ部63が設けられている点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0085】
ロッド61は、本実施形態では、延設方向を軸とする径が他の部位よりも小さいくびれ部63を有している。くびれ部63は、微小振動体2と実装基板3との接合後に、ロッド61を微小振動体2から分離する際に、ロッド61を折る起点とするために設けられる部位である。
【0086】
具体的には、例えば図20Aに示すように、ピックアップ機構300により、くびれ部63を有するロッド61を把持し、接着部材62で接着された微小振動体2を搬送し、実装基板3に搭載する。続けて、実装基板3が吸着されている実装ステージ10を加熱し、降温することで接合部材52および接着部材62を一度溶融させ、再度固化し、微小振動体2と実装基板3とを接合した状態とする。その後、例えば図20Bに示すように、ロッド61の一端を把持したまま、ピックアップ機構300を斜めに傾けることでくびれ部63に応力を集中させ、くびれ部63を起点としてロッド61を折る。また、例えば図20Cに示すように、ピックアップ機構300を回転させ、把持したロッド61を捻じることで、くびれ部63に応力集中させ、ロッド61を折ってもよい。これにより、微小振動体2を実装基板3に接合後、ロッド61の一部を微小振動体2から分離することができる。
【0087】
なお、上記の把持構造100とすることで、慣性センサ1は、微小振動体2の凹部22にロッド61の残部が接着されたままの構成になるが、微小振動体2のうち振動子として機能する部位が主に曲面部21のリム211であるため、機能に支障はない。また、接着部材62は、本実施形態では、接合部材52と同じ材料または同じ融点の材料であってもよい。さらに、くびれ部63は、ロッド61の任意の位置に設けられるが、他の部材等との意図しない接触を防ぐ観点から、凹部22からはみ出さない位置に設けられることが好ましい。
【0088】
本実施形態によっても、微小振動体2を直接把持することなく搬送が可能な把持構造100となり、信頼性が高く、高感度の慣性センサ1を製造することができる。また、微小振動体2を実装基板3に接合後に、ロッド61の一部を容易に分離でき、再現性良く、ロッド61の分離工程を行うこと、ひいては慣性センサ1の量産性が向上する効果も得られる。
【0089】
(他の実施形態)
本発明は、実施例に準拠して記述されたが、本発明は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本発明の範疇や思想範囲に入るものである。
【0090】
例えば、支持部材6のロッド61は、上記第2、第3実施形態において、固着部611や溝部61bを有する構成であってもよいし、上記第3実施形態において、貫通孔612を有する構成であってもよい。なお、上記第3実施形態において、ロッド61に貫通孔612を設けた場合、貫通孔612に流体を導入する必要はなく、くびれ部63でロッド61を折ることが容易となる効果が得られる。
【符号の説明】
【0091】
1・・・慣性センサ、2・・・微小振動体、21・・・曲面部、22・・・凹部、
22a・・・接続面、22b・・・実装面、23・・・導電層、3・・・実装基板、
51・・・実装部、52・・・接合材料、6・・・支持部材、61・・・ロッド、
611・・・固着部、611a・・・一面、611c・・・溝部、612・・・貫通孔、
62・・・接着部材、63・・・くびれ部
図1
図2
図3
図4A
図4B
図4C
図5
図6
図7
図8A
図8B
図9A
図9B
図9C
図9D
図9E
図9F
図9G
図9H
図9I
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図9K
図10
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図15A
図15B
図15C
図16A
図16B
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図20A
図20B
図20C