JP2006214898A - 圧電デバイス及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型・薄型化の要請に応えつつ、圧電素子の位置決めを容易に実施する。
【解決手段】 所定の検出方向を有する圧電素子２がパッケージ３内に収容されてなる。複数のパッケージ３が圧電素子２の検出方向を互いに交差させて一体化されて設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電デバイス及び電子機器に関するものである。

従来より、圧電デバイスは、加速度検出器や角速度検出器、あるいはデジタルビデオや移動体通信機器等の様々な電子機器に用いられている。この種の圧電デバイスは、圧電素子をパッケージで収容した圧電モジュールがプリント配線基板等に実装された構成を有するものが多く用いられている。

そして、特許文献１及び特許文献２には、パッケージに収容された圧電素子に関する技術の一例が開示されている。
特開２００４−９６４０３号公報 特開平９−２７７２５号公報

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。
デジタルビデオやデジタルカメラでは２軸の検出軸が設定され、さらに角度検出を行う場合には３軸の検出軸が設定されるが、従来の圧電モジュールでは、１つの圧電素子が検出できる検出軸が１軸であるため、複数の圧電素子を設ける必要がある。

ところが、圧電デバイスにおける昨今の小型・薄型化により、検出軸が互いに異なる複数の圧電デバイスの実装スペースを確保することは困難である。
また、検出軸が異なるように圧電素子を複数設置する際には、各圧電素子の検出軸を精度よく位置決めする必要があることに加えて、複数の検出軸の相対位置関係も高精度に位置決めする必要があり、位置決め作業が相当煩雑になることが考えられる。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、小型・薄型化の要請に応えつつ、圧電素子の位置決めを容易に実施できる圧電デバイス、及びこの圧電デバイスを備えた電子機器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用している。
本発明の圧電デバイスは、所定の検出方向を有する圧電素子がパッケージ内に収容されてなる圧電デバイスであって、複数の前記パッケージが前記圧電素子の検出方向を互いに交差させて一体化されて設けられることを特徴とするものである。

従って、本発明の圧電デバイスでは、検出軸（検出方向）が異なる複数の圧電素子が予め一体化されたモジュールとなっているので、複数の圧電素子をそれぞれ個別に実装する場合と比較して、装置の大型化、厚型化を抑制することが可能になる。また、本発明では、パッケージを介して複数の圧電素子（検出方向）を、検出方向を互いに交差させて予め位置決めした状態で一体化することにより、２軸以上の複数軸で加速度や角速度等を検出することができるとともに、圧電素子を実装する際に要する位置決め作業を大幅に簡便化することができる。

検出方向が互いに交差するように配置した圧電素子としては、折り曲げられた可撓性基板に搭載する構成を好適に採用できる。
この構成では、例えば圧電素子が直交するように配置された場合でも、これらの端子に容易に接続して実装することが可能になる。

また、本発明では、複数の前記パッケージを一体的に保持するフレームを有する構成も好適である。
これにより、本発明では、圧電素子を収容するパッケージをフレームに装着して保持させることにより、検出方向が互いに交差するように、圧電素子を位置決めすることが可能になる。

また、複数のパッケージを一体化する方式としては、樹脂材で一体的に成型する構成や、接着剤で一体的に固定する構成も採用可能である。
パッケージとしては、セラミック、ガラス、金属または樹脂で形成する構成を好適に採用できる。
パッケージに設けられた実装用の接続端子表面としては、銅、金またはろう材で形成する構成を好適に採用できる。

そして、本発明の電子機器は、上記の圧電デバイスを備えることを特徴としている。
これにより、本発明では、２軸以上の複数軸で加速度や角速度等を検出することができるとともに、実装も簡便化されて製造が容易な電子機器を提供することができる。

以下、本発明の圧電デバイス及び電子機器の実施の形態を、図１ないし図７を参照して説明する。ここでは、２軸の検出方向を有する圧電デバイスについて説明する。また、本実施形態においては、圧電デバイスＤＶとして、角速度を検出するための角速度検出器（ジャイロセンサ）に適用した場合を例にして説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る圧電デバイスＤＶの断面図、図２は圧電素子２が組み込まれた圧電パッケージ３（図１中のパッケージの中、左右方向に延在するパッケージ３）の断面図、図３は圧電デバイスＤＶの一部を抽出した斜視図である。
図１に示すように、圧電デバイスＤＶは、圧電素子２がそれぞれ収容されたパッケージ３と、複数（ここでは２つ）のパッケージ３を保持するフレーム１とを備えている。本実施形態においては、圧電素子２として音叉型の圧電振動片が用いられている。

フレーム１は、例えばステンレス等の金属で形成されており、互いに略直交する方向（Ｘ方向及びＺ方向とする）に延在する略Ｌ字形状の２つの保持空間１ａを形成する。パッケージ３は、保持空間１ａにそれぞれ装着されることで、後述する圧電素子２の検出方向が直交（交差）するようにフレーム１に嵌合して保持される。

パッケージ３は、上端部が開口する箱状の本体部３Ａと、本体部３Ａの上端開口を閉塞するキャップ部３Ｂとを備えており、その内側に、圧電素子２を収容するための内部空間４が形成されている。パッケージ３を形成する材料としては、例えばセラミック、ガラス、金属、合成樹脂等、及びこれらの複合材が挙げられる。

圧電素子２はパッケージ３の内部空間４に収容されている。圧電素子２は、例えば水晶等の圧電材料で形成されている。そして、圧電素子２は、ＴＡＢテープ５を介してパッケージ３に実装されている。ＴＡＢテープ５もパッケージ３の内部空間４に収容されている。ＴＡＢテープ５は、ポリイミド樹脂等からなる絶縁テープ６と、その絶縁テープ６の下面６Ａに設けられた導電性を有する配線パターン８とを備えている。絶縁テープ６の中央部には開口部７が形成されている。したがって、絶縁テープ６は全体として環状に形成されており、その下面６Ａも環状に形成されている。また、配線パターン８は絶縁テープ６の周縁部から中央部に向かって延びるように形成されており、その中央部側の端部は開口部７に配置されている。その配線パターン８の中央部側（開口部７側）の端部は、絶縁テープ６の下面６Ａ側から上面側に向かって立ち上がるように形成されており、圧電素子２と電気的に接続される実装端子９を形成している。また、圧電素子２は配線パターン８の実装端子９に電気的に接続している。

図３に示すように、配線パターン８は、開口部７を挟んで、絶縁テープ６の＋Ｘ側及び−Ｘ側のそれぞれに互いに間隔をあけて複数ずつ（ここでは３つずつ、計６つ）設けられている。そして、各配線パターン８は開口部７の内側に向かって延びるように形成されており、開口部７の内側に配線パターン８に応じた複数の実装端子９が配置されている（図２参照）。

図３に示すように、圧電素子２は、基部１５と、その基部１５の一方側（＋Ｘ側）に延びる一対の励振用振動片１６と、基部１５の他方側（−Ｙ側）に延びる検出用振動片１７とを備えている。励振用振動片１６のそれぞれには、この励振用振動片１６を励振するための励振電極１８が設けられており、検出用振動片１７には、この検出用振動片１７から発生した電界を検出するための検出電極１９が設けられている。

また、パッケージ３の内側において、ＴＡＢテープ５の下面６Ａ側には制御ＩＣ１１が実装されている。この制御ＩＣ１１は、ワイヤボンディングによって本体部３Ａに接続されている。本体部３Ａには、その内部における両側部に段部３４が形成されており、この段部３４には、接続端子３５が形成されている。そして、圧電素子２は、配線パターン８の端部が段部３４上に配設され、この段部３４の接続端子３５に接続されることにより、本体部３Ａ内に配設されている。

この本体部３Ａは、圧電素子２を収納した状態にて、その上部の開口部分にキャップ部３Ｂが取り付けられ、このキャップ部３Ｂによって内部が密閉されている。
なお、本体部３Ａは、その裏面（−Ｚ側の面）に、パッケージ３を組み込む各種装置と電気的な接続を行うための接続端子としての電極１０を複数備えている。この電極１０の表面は、銅、金属、及びろう材等の材料で形成されている。

図１に示されるように、２つのパッケージ３は、電極１０がＬ字形状の外側（−Ｚ側、−Ｘ側）に向くようにそれぞれフレーム１に保持され、このフレーム１に倣ってＬ字状に折り曲げられたフレキシブル基板（可撓性基板）１２の一方の面１２Ａに形成された配線（図示せず）に電極１０が接続される。なお、フレキシブル基板１２の他方の面１２Ｂには、一方の面１２Ａの配線と接続された実装配線（図示せず）が形成されており、圧電デバイスＤＶが実装される回路基板等と実装配線にて接続される。

圧電素子２においては、励振電極１８に駆動電圧が印加されると、励振用振動片１６が、図３中、Ｙ軸方向にいわゆる音叉振動する。励振用振動片１６の振動（音叉振動）は検出用振動片１７に伝達され、励振用振動片１６の振動に伴って、検出用振動片１７もＹ軸方向に音叉振動する。そして、検出用振動片１７がＹ軸方向に振動した状態で、圧電素子２がθＸ方向に回転すると、すなわち、θＸ方向に角速度ωが作用すると、振動方向（Ｙ軸方向）と角速度ωとのベクトル積の方向に働くコリオリ力により、検出用振動片１７にはＺ軸方向への振動が発生する。なおこのとき、検出用振動片１７のそれぞれは、＋Ｚ方向と−Ｚ方向とに交互に振動するようになっている（ウォーク振動）。

この検出用振動片１７のＺ軸方向への振動もしくは変位により、検出用振動片１７内部に電界が生じる。検出用振動片１７内部に生じた電界は、検出電極１９によって検出される。検出電極１９の検出信号は、ＴＡＢテープ５の配線パターン８、接続端子３５、及び電極１０を介して圧電デバイスＤＶの外部に出力される。そして、圧電デバイＤＶの外部に設けられている処理装置（不図示）が、検出電極８の検出結果に基づいて、角速度ωを求めることができる。

そして、圧電素子２をパッケージ本体部３Ａ内に収納してパッケージ３とするには、まず、本体部３Ａ内に、制御ＩＣ１１をダイボンディングにより実装し、次いで、本体部３Ａ内に、圧電素子２を収納してＴＡＢテープ５の配線パターン８と段部３４の接続端子３５とを接続する。その後、本体部３Ａの開口部分にキャップ３Ｂを取り付け、内部と連通する図示しない孔から、本体部３Ａ内を真空引きあるいは窒素等の不活性ガスに置換する。このように製造されたパッケージ３は、折り曲げられる前のフレキシブル基板１２の一方の面１２Ａに電極１０において実装された後、フレキシブル基板１２を折り曲げながら各々のパッケージ３をフレーム１の保持空間１ａに装着して圧入保持させることにより、圧電デバイスＤＶが完成する。

このとき、一方のパッケージ３（図１中、下側でＸＹ平面に沿って配置されるパッケージ３）においては、例えば検出方向がθＸ方向の角速度を検出し、他方のパッケージ３（図１中、左側でＹＺ平面に沿って配置されるパッケージ３）においては、例えば検出方向がθＸ方向とは交差するθＺ方向の角速度を検出することができる。
そして、完成した圧電デバイスＤＶは、フレキシブル基板１２の他方の面１２Ｂにおいて所望の回路基板等に実装される。

以上のように、本実施形態の圧電デバイスＤＶでは、検出方向の異なる２つのパッケージ３が一体的にモジュール化されているので、各パッケージを個別に実装する場合と比較して装置の大型化、厚型化を抑制することが可能になる。また、本実施の形態では、圧電素子２の検出方向が交差するように、すなわち検出軸が２軸設定されるようにパッケージ３が一体化されているため、各圧電素子２の検出方向及び検出方向同士の相対関係も予め位置決めした状態とすることができ、圧電デバイスＤＶの位置決め作業を簡便化することが可能になるとともに、回路基板等への実装も一度で済むため製造効率の向上にも寄与できる。

また、本実施の形態では、フレーム１にパッケージ３を圧入保持させるという簡単な構成でパッケージ３を複数一体化させているので、一体化に要する作業が簡素化され、製造効率を向上させることができる。さらに、本実施の形態では、２つのパッケージ３を折り曲げたフレキシブル基板１２に搭載させるので、パッケージ３間を結ぶ電気配線を容易に構築することができる。

なお、上記実施形態では、２つのパッケージ３をフレキシブル基板１２に搭載した後で、パッケージ３をフレーム１に保持させる構成としたが、これに限定されるものではなく、フレーム１に圧入されて保持されたパッケージ３に対してフレキシブル基板１２を接続させる構成としてもよい。

（第２実施形態）
続いて、本発明の圧電デバイスＤＶの第２実施形態について図４を参照して説明する。
上記第１実施形態では、二つのパッケージ３をフレーム１で一体化する構成としたが、本実施形態では、モールド材を充填することにより一体化する。

すなわち、図４に示すように、二つのパッケージ３は、エポキシ樹脂等の非導電性材料樹脂で形成されたモールド材（樹脂材）２０によって、圧電素子２の検出方向を交差させる配置で一体的に成型（成形）されている。
本実施の形態では、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、パッケージ３間の空間がモールド材２０で充填されているため、操作性（把持性）が向上し、実装作業を容易化することが可能である。

（第３実施形態）
次に、本発明の圧電デバイスＤＶの第３実施形態について図５を参照して説明する。
上記第１及び第２実施形態では、圧電素子２を用いて２軸を検出する構成としたが、本実施形態では第１実施形態で示したフレーム１を用いて３軸を検出する構成としている。
図５に示すように、本実施形態のフレーム１は、ＸＺ平面に沿ってパッケージ３を保持する保持空間１ａを有しており、検出方向が互いに交差する３つのパッケージ３をそれぞれ圧入して保持する構成となっている。また、この構成では、フレキシブル基板１２は、ＸＹ平面に沿ったパッケージ３と接続される箇所から延出して形成される（図中、点線で示す）。

本実施の形態では、各パッケージを個別に実装する場合と比較して装置の大型化、厚型化を抑制しつつ、３軸の検出方向を設定する場合でも、各圧電素子２の検出方向及び検出方向同士の相対関係も予め位置決めした状態とすることができ、圧電デバイスＤＶの位置決め作業を簡便化することが可能になる。

（電子機器）
上記の圧電デバイスＤＶは、ジャイロセンサとして、例えば、デジタルカメラ、ＧＰＳ、ＰＤＡあるいは携帯電話等に組み込むことができる。
図６は、上記圧電デバイスＤＶを含む検出器（ジャイロセンサ）を備えた電子機器の一例を示す図であって、デジタルスチールカメラの概略構成を示す斜視図である。図６に示すようにこのデジタルスチルカメラ（電子機器）３００は、圧電デバイスＤＶをその筐体内部に配設したものである。

このような圧電デバイスＤＶを組み込んだ電子機器によれば、小型化・薄型化を実現できるとともに、生産性を向上させることが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、圧電素子２のパッケージ本体部３Ａへの実装における配線パターン８と接続端子３５との接続は、例えば、エポキシ系あるいはシリコン系などのＡｇペーストで接続してもよく、または加熱加圧や超音波振動により、配線パターン８をシングルポイントもしくはギャングボンディングしてもよい。
また、制御ＩＣ１１の実装の仕方としては、ワイヤボンディングによる実装に限らずフリップチップ実装でもよい。

また、上記実施形態では、フレーム１やモールド材２０により、複数のパッケージ３を一体化する構成を例示したが、これら以外にも、例えば図７に示すように、圧電素子２の検出方向が交差するように配置した二つのパッケージ３の接続面を接着剤２１で一体的に固定する構成としてもよい。
この構成でも、上記実施形態と同様の作用・効果が得られる。

第１実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。 圧電素子が組み込まれた圧電パッケージの断面図である。 圧電デバイスの一部を抽出した斜視図である。 第２実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。 第３実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。 電子機器の一例を示す斜視図である。 他の実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。

符号の説明

ＤＶ…圧電デバイス、 １…フレーム、 ２…圧電素子、 ３…パッケージ、 １０…電極（接続端子）、 １２…フレキシブル基板（可撓性基板）、 ２０…モールド材（樹脂材）、 ３００…デジタルスチルカメラ（電子機器）

Claims (8)

1. 所定の検出方向を有する圧電素子がパッケージ内に収容されてなる圧電デバイスであって、
   複数の前記パッケージが前記圧電素子の検出方向を互いに交差させて一体化されて設けられることを特徴とする圧電デバイス。
2. 請求項１記載の圧電デバイスにおいて、
   複数の前記圧電素子は、折り曲げられた可撓性基板に搭載されることを特徴とする圧電デバイス。
3. 請求項１または２記載の圧電デバイスにおいて、
   複数の前記パッケージを一体的に保持するフレームを有することを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１または２記載の圧電デバイスにおいて、
   複数の前記パッケージが樹脂材で一体的に成型されていることを特徴とする圧電デバイス。
5. 請求項１または２記載の圧電デバイスにおいて、
   複数の前記パッケージが接着剤で一体的に固定されていることを特徴とする圧電デバイス。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の圧電デバイスにおいて、
   前記パッケージは、セラミック、ガラス、金属または樹脂で形成されることを特徴とする圧電デバイス。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の圧電デバイスにおいて、
   前記パッケージに設けられた実装用の接続端子表面が銅、金またはろう材であることを特徴とする圧電デバイス。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の圧電デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
   

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