KR100832185B1 - 압전 장치 및 전자기기 - Google Patents

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미네히로 이마무라
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 소정의 검출 방향을 갖는 압전 소자를 각각의 내부에 갖는 복수의 패키지를 구비한 압전 장치로서, 상기 복수의 패키지는 상기 각 압전 소자의 상기 검출 방향이 서로 교차하도록 서로 연결되어 있다.

Description

압전 장치 및 전자기기{PIEZOELECTRIC DEVICE AND ELECTRONIC APPARATUS}
도 1은 실시예 1에 따른 압전 장치의 단면도,
도 2는 압전 소자가 내장된 압전 패키지의 단면도,
도 3은 압전 장치의 일부의 사시도,
도 4는 실시예 2에 따른 압전 장치의 단면도,
도 5는 실시예 3에 따른 압전 장치의 단면도,
도 6은 전자기기의 일례를 나타내는 사시도,
도 7은 다른 실시예에 관한 압전 장치의 단면도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 프레임 2 : 압전 소자
3 : 압전 패키지 5 : TAB 테이프
6 : 절연 테이프 7 : 개구부
8 : 배선 패턴 9 : 실장 단자
10 : 전극 11 : 제어 IC
12 : 플렉서블 기판(가요성 기판) 16 : 여진용 진동편
17 : 검출용 진동편 18 : 여진 전극
19 : 검출 전극 100 : 압전 장치
본 발명은 압전 장치 및 전자기기에 관한 것이다.
종래부터, 압전 장치는 가속도 검출기나 각속도 검출기 또는 디지털 비디오나 이동체 통신 기기 등의 여러 가지 전자기기에 이용되고 있다. 이러한 종류의 압전 장치는 압전 소자를 패키지로 수용한 압전 모듈이 프린트 배선 기판 등에 실장된 구성을 갖는 것이 많이 이용되고 있다.
일본 공개 특허 공보 제2004-96403호 및 일본 공개 특허 공보 평9-27725호에는 패키지에 수용된 압전 소자에 관한 기술의 일례가 개시되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래 기술에는, 이하와 같은 문제가 존재한다. 디지털 비디오나 디지털 카메라에서는 2축의 검출 축이 설정되고, 또한 각도를 검출하는 경우에는 3축의 검출 축이 설정되지만, 종래의 압전 모듈에서는, 하나의 압전 소자를 검출할 수 있는 검출 축이 1축이기 때문에, 복수의 압전 소자를 마련할 필요가 있다.
그런데, 압전 장치에 있어서의 작금의 소형·박형화에 의해, 검출 축이 서로 다른 복수의 압전 장치의 실장 공간을 확보하는 것은 곤란하다.
또한, 검출 축이 다르도록 압전 소자를 복수 설치할 때는, 각 압전 소자의 검출 축을 정밀도 좋게 위치 결정해야 하는 것에 부가하여, 복수의 검출 축의 상대 위치 관계도 고정밀도로 위치 결정해야 하므로, 위치 결정 작업이 상당히 번잡하게 되는 것이 생각된다.
본 발명은 이상과 같은 점을 고려하여 이루어진 것으로, 소형·박형화의 요청에 응하면서, 압전 소자의 위치 결정을 용이하게 실시할 수 있는 압전 장치 및 이 압전 장치를 구비한 전자기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 채용하고 있다.
본 발명의 압전 장치는 소정의 검출 방향을 갖는 압전 소자를 각각의 내부에 갖는 복수의 패키지를 구비한 압전 장치로서, 상기 복수의 패키지는 상기 각 압전 소자의 상기 검출 방향이 서로 교차하도록, 상호 연결되어 있다.
따라서, 본 발명의 압전 장치에서는, 검출 축(검출 방향)이 다른 복수의 압전 소자가 미리 일체화된 모듈로 되어있으므로, 복수의 압전 소자를 각각 개별적으로 실장하는 경우와 비교하여, 장치의 대형화, 후형화를 억제할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는, 패키지를 통해 복수의 압전 소자(검출 방향)를, 검출 방향을 서로 교차시켜 미리 위치 결정한 상태로 일체화함으로써, 2축 이상의 복수 축으로 가속도나 각속도 등을 검출할 수 있음과 동시에, 압전 소자를 실장할 때에 필요한 위치 결정 작업을 대폭 간편화할 수 있다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 구부려진 가요성 기판을 갖고, 복수의 상기 패키지의 상기 압전 소자는 상기 가요성 기판에 탑재되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에서는, 예컨대, 압전 소자가 직교하도록 배치된 경우에도, 이들 단자에 용이하게 접속하여 실장하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 복수의 상기 패키지를 유지하는 프레임을 포함하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명에서는, 압전 소자를 수용하는 패키지를 프레임에 장착하여 유지시킴으로써, 검출 방향이 서로 교차하도록 압전 소자의 위치를 결정하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 복수의 상기 패키지를 고정하는 수지 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 복수의 상기 패키지를 고정하는 접착제를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 상기 패키지의 구성 재료는 세라믹, 유리, 금속 및 수지 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 장치에 있어서는, 상기 패키지는 접속 단자를 갖고, 상기 접속 단자의 표면의 구성 재료는 동, 금 및 납 재료 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 전자기기는 상기한 압전 장치를 구비하고 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 2축 이상의 복수 축으로 가속도나 각속도 등을 검출할 수 있음과 동시에, 실장도 간편하여 제조가 용이한 전자기기를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 압전 장치 및 전자기기의 실시예를, 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 여기서는, 2축의 검출 방향을 갖는 압전 장치에 대하여 설명한다. 또한, 본 실시예에 있어서는, 압전 장치(100)로서, 각속도를 검출하기 위한 각속도 검출기(자이로 센서)에 적용한 경우를 예로 들어 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 실시예 1에 따른 압전 장치(100)의 단면도, 도 2는 압전 소자(2)가 내장된 압전 패키지(3)(도 1의 패키지 중, 좌우 방향으로 연장하는 패키지(3))의 단면도, 도 3은 압전 장치(100)의 일부를 추출한 사시도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 압전 장치(100)는 압전 소자(2)가 각각 수용된 패키지(3)와, 복수(여기서는 두 개)의 패키지(3)를 유지하는 프레임(1)을 구비하고 있다. 본 실시예에 있어서는, 압전 소자(2)로서 음차형의 압전 진동편이 이용된다.
프레임(1)은, 예컨대, 스테인리스 등의 금속으로 형성되어 있고, 서로 대략 직교하는 방향(X 방향 및 Z 방향으로 함)으로 연장하는 대략 L자 형상의 두 개의 유지 공간(1a)을 형성한다. 패키지(3)는 유지 공간(1a)에 각각 장착됨으로써, 후술하는 압전 소자(2)의 검출 방향이 직교(교차)하도록 프레임(1)에 끼워 맞춰져 유지된다.
패키지(3)는 상단부가 개구하는 상자 형상의 본체부(3A)와, 본체부(3A)의 상단 개구를 폐쇄하는 캡부(3B)를 구비하고 있고, 그 안쪽에, 압전 소자(2)를 수용하기 위한 내부 공간(4)이 형성되어 있다. 패키지(3)를 형성하는 재료로는, 예컨대, 세라믹, 유리, 금속, 합성 수지 등 및 이들의 복합재를 들 수 있다.
압전 소자(2)는 패키지(3)의 내부 공간(4)에 수용되어 있다. 압전 소자(2)는, 예컨대, 수정 등의 압전 재료로 형성되어 있다. 그리고, 압전 소자(2)는 TAB 테이프(5)를 통해 패키지(3)에 실장되어 있다. TAB 테이프(5)도 패키지(3)의 내부 공간(4)에 수용되어 있다. TAB 테이프(5)는 폴리이미드 수지 등으로 이루어지는 절연 테이프(6)와, 그 절연 테이프(6)의 하면(6A)에 마련된 도전성을 갖는 배선 패턴(8)을 구비하고 있다. 절연 테이프(6)의 중앙부에는 개구부(7)가 형성되어 있다. 따라서, 절연 테이프(6)는 전체로서 환상(環狀)으로 형성되어 있고, 그 하면(6A)도 환상으로 형성되어 있다. 또한, 배선 패턴(8)은 절연 테이프(6)의 가장자리부로부터 중앙부를 향하여 연장하도록 형성되어 있고, 그 중앙부 쪽의 단부는 개구부(7)에 배치되어 있다. 그 배선 패턴(8)의 중앙부(개구부(7)) 쪽의 단부는 절연 테이프(6)의 하면(6A) 쪽으로부터 상면 쪽을 향하여 상승하도록 형성되어 있고, 압전 소자(2)와 전기적으로 접속되는 실장 단자(9)를 형성하고 있다. 또한, 압전 소자(2)는 배선 패턴(8)의 실장 단자(9)에 전기적으로 접속하고 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 배선 패턴(8)은 개구부(7)를 사이에 두고, 절연 테이프(6)의 +X 쪽 및 -X 쪽의 각각에 서로 간격을 두어 복수개씩(여기서는 세 개씩, 총 여섯 개) 마련된다. 그리고, 각 배선 패턴(8)은 개구부(7)의 안쪽을 향하여 연장하도록 형성되어 있고, 개구부(7)의 안쪽에 배선 패턴(8)에 따른 복수의 실장 단자(9)가 배치되어 있다(도 2 참조).
도 3에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(2)는 베이스부(15)와, 그 베이스부(15)의 한쪽(+X쪽)으로 연장하는 한 쌍의 여진용 진동편(16)과, 베이스부(15)의 다른쪽(-Y쪽)으로 연장하는 검출용 진동편(17)을 구비하고 있다. 여진용 진동편(16)의 각각에는 이 여진용 진동편(16)을 여진하기 위한 여진 전극(18)이 마련되어 있고, 검출용 진동편(17)에는, 이 검출용 진동편(17)으로부터 발생한 전계를 검출하기 위한 검출 전극(19)이 마련된다.
또한, 패키지(3)의 안쪽에서, TAB 테이프(5)의 하면(6A) 쪽에는 제어 IC(11)가 실장되어 있다. 이 제어 IC(11)는 와이어 본딩에 의해 본체부(3A)에 접속되어 있다. 본체부(3A)에는, 그 내부에서의 양 측부에 단부(段部)(34)가 형성되어 있고, 이 단부(34)에는, 접속 단자(35)가 형성되어 있다. 그리고, 압전 소자(2)는 배선 패턴(8)의 단부(端部)가 단부(34)상에 배치되고, 이 단부(34)의 접속 단자(35)에 접속되는 것에 의해, 본체부(3A) 내에 배치되어 있다.
이 본체부(3A)는 압전 소자(2)를 수납한 상태에서, 그 상부의 개구 부분에 캡부(3B)가 부착되고, 이 캡부(3B)에 의해 내부가 밀폐되어 있다.
또, 본체부(3A)는 그 이면(-Z쪽의 면)에, 패키지(3)를 내장한 각종 장치와 전기적인 접속을 하기 위한 접속 단자로서의 전극(10)을 복수 구비하고 있다. 이 전극(10)의 표면은 동, 금속 및 납 재료 등의 재료로 형성되어 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 두 개의 패키지(3)는 전극(10)이 L자 형상의 바깥쪽(-Z쪽, -X쪽)을 향하도록 각각 프레임(1)에 유지되고, 이 프레임(1)에 의해 L자 형상으로 구부려진 플렉서블 기판(가요성 기판)(12)의 한쪽 면(12A)에 형성된 배선(도시하지 않음)에 전극(10)이 접속된다. 또, 플렉서블 기판(12)의 다른쪽 면(12B)에는, 한쪽 면(12A)의 배선과 접속된 실장 배선(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 압전 장치(100)가 실장되는 회로 기판 등과 실장 배선에 의해 접속된다.
압전 소자(2)에 있어서는, 여진 전극(18)에 구동 전압이 인가되면, 여진용 진동편(16)이, 도 3 중 Y축 방향으로, 이른바, 음차 진동한다. 여진용 진동편(16)의 진동(음차 진동)은 검출용 진동편(17)에 전달되고, 여진용 진동편(16)의 진동에 따라, 검출용 진동편(17)도 Y축 방향으로 음차 진동한다. 그리고, 검출용 진동편(17)이 Y축 방향으로 진동한 상태에서, 압전 소자(2)가 θX 방향으로 회전하면, 즉, θX 방향으로 각속도 ω가 작용하면, 진동 방향(Y축 방향)과 각속도 ω가 벡터 곱 방향으로 작용하는 코리올리의 힘에 의해, 검출용 진동편(17)에는 Z축 방향으로의 진동이 발생한다. 또, 이 때, 검출용 진동편(17)의 각각은 +Z 방향과 -Z 방향으로 교대로 진동하게 되어 있다(포크 진동).
이 검출용 진동편(17)의 Z축 방향으로의 진동 또는 변위에 의해, 검출용 진동편(17) 내부에 전계가 발생한다. 검출용 진동편(17) 내부에 생긴 전계는 검출 전극(19)에 의해 검출된다. 검출 전극(19)의 검출 신호는 TAB 테이프(5)의 배선 패턴(8), 접속 단자(35) 및 전극(10)을 통해 압전 장치(100)의 외부로 출력된다. 그리고, 압전 장치(100)의 외부에 마련되어 있는 처리 장치(도시하지 않음)가 검출 전극(8)의 검출 결과에 근거하여, 각속도 ω를 구할 수 있다.
그리고, 압전 소자(2)를 패키지 본체부(3A) 내에 수납하여 패키지(3)로 하기 위해서는, 우선, 본체부(3A) 내에, 제어 IC(11)를 다이 본딩에 의해 실장하고, 이어서, 본체부(3A) 내에 압전 소자(2)를 수납하여 TAB 테이프(5)의 배선 패턴(8)과 단부(34)의 접속 단자(35)를 접속한다. 그 후, 본체부(3A)의 개구 부분에 캡(3B)을 부착하여, 내부와 연결되는 도시하지 않는 구멍으로부터, 본체부(3A) 내를 진공 흡인 또는 질소 등의 불활성 가스로 치환한다. 이와 같이 제조된 패키지(3)는 구부려지기 전의 플렉서블 기판(12)의 한쪽 면(12A)에 전극(10)에서 실장된 후, 플렉서블 기판(12)을 구부리면서 각각의 패키지(3)를 프레임(1)의 유지 공간(1a)에 장착하여 압입 유지시킴으로써, 압전 장치(100)가 완성된다.
이 때, 한쪽의 패키지(3)(도 1 중, 아래쪽으로 XY 평면을 따라 배치되는 패키지(3))에 있어서는, 예컨대, 검출 방향이 θX 방향의 각속도를 검출하고, 다른쪽의 패키지(3)(도 1 중, 왼쪽에서 YZ 평면에 따라 배치되는 패키지(3))에 있어서는, 예컨대, 검출 방향이 θX 방향과는 교차하는 θZ 방향의 각속도를 검출할 수 있다.
그리고, 완성된 압전 장치(100)는 플렉서블 기판(12)의 다른쪽 면(12B)에서 소망하는 회로 기판 등에 실장된다.
이상과 같이, 본 실시예의 압전 장치(100)에 있어서는, 검출 방향이 다른 두 개의 패키지(3)가 일체적으로 모듈화되어 있으므로, 각 패키지를 개별적으로 실장 하는 경우와 비교하여 장치의 대형화, 후형화를 억제하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 실시예에서는, 압전 소자(2)의 검출 방향이 교차하도록, 즉 검출 축이 2축 설정되도록 패키지(3)가 일체화되어 있기 때문에, 각 압전 소자(2)의 검출 방향 및 검출 방향끼리의 상대 관계도 미리 위치 결정한 상태로 할 수 있어, 압전 장치(100)의 위치 결정 작업을 간편화하는 것이 가능하게 되고, 또한 회로 기판 등에의 실장도 한번에 실시할 수 있기 때문에 제조 효율의 향상에도 기여할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 프레임(1)에 패키지(3)를 압입 유지시킨다고 하는 간단한 구성으로 패키지(3)를 복수 일체화시키고 있으므로, 일체화에 필요한 작업이 간소화되어, 제조 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 두 개의 패키지(3)를 구부린 플렉서블 기판(12)에 탑재시키므로, 패키지(3) 사이를 연결하는 전기 배선을 용이하게 구축할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는, 두 개의 패키지(3)를 플렉서블 기판(12)에 탑재한 후에, 패키지(3)를 프레임(1)에 유지시키는 구성으로 했지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 프레임(1)에 압입되어 유지된 패키지(3)에 대하여 플렉서블 기판(12)을 접속시키는 구성으로 하여도 좋다.
(실시예 2)
계속해서, 본 발명의 압전 장치(100)의 실시예 2에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
상기 실시예 1에서는, 두개의 패키지(3)를 프레임(1)으로 일체화하는 구성으 로 했지만, 본 실시예에서는, 몰드 재료를 충전함으로써 일체화한다.
즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 두개의 패키지(3)는 에폭시 등의 비도전성재료 수지로 형성된 몰드 재료(수지 재료)(20)에 의해, 압전 소자(2)의 검출 방향을 교차시키는 배치로 일체 성형(성형)되어 있다.
본 실시예에서는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 작용·효과를 얻을 수 있는 것에 부가하여, 패키지(3) 사이의 공간이 몰드 재료(20)로 충전되어 있기 때문에, 조작성(파지성)이 향상하고, 실장 작업을 용이하게 행할 수 있다.
(실시예 3)
다음에, 본 발명의 압전 장치(100)의 실시예 3에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.
상기 실시예 1, 2에서는, 압전 소자(2)를 이용하여 2축을 검출하는 구성으로 했지만, 본 실시예에서는 실시예 1에 나타낸 프레임(1)을 이용하여 3축을 검출하는 구성으로 하고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 프레임(1)은 XZ 평면을 따라 패키지(3)를 유지하는 유지 공간(1a)을 갖고 있고, 검출 방향이 서로 교차하는 세 개의 패키지(3)를 각각 압입하여 유지하는 구성으로 되어있다. 또한, 이 구성에서는, 플렉서블 기판(12)은 XY 평면에 따른 패키지(3)와 접속되는 개소로부터 연장하여 형성된다(도면 중 점선으로 나타냄).
본 실시예에서는, 각 패키지를 개별적으로 실장하는 경우와 비교하여 장치의 대형화, 후형화를 억제하면서, 3축의 검출 방향을 설정하는 경우에도, 각 압전 소자(2)의 검출 방향 및 검출 방향끼리의 상대 관계도 미리 위치 결정한 상태로 할 수 있어, 압전 장치(100)의 위치 결정 작업을 간편화하는 것이 가능하게 된다.
(전자기기)
상기한 압전 장치(100)는, 자이로 센서로서, 예컨대, 디지털 카메라, GPS, PDA 또는 휴대 전화 등에 내장될 수 있다.
도 6은 상기 압전 장치(100)를 포함하는 검출기(자이로 센서)를 구비한 전자기기의 일례를 나타내는 도면으로서, 디지털 스틸 카메라의 개략 구성을 나타내는 사시도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 이 디지털 스틸 카메라(전자기기)(300)는 압전 장치(100)를 그 하우징 내부에 배치한 것이다.
이러한 압전 장치(100)를 내장한 전자기기에 의하면, 소형화·박형화를 실현할 수 있음과 동시에, 생산성을 향상시키는 것이 가능하다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 관련 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 상술한 예에서 나타낸 각 구성 부재의 여러 가지 형상이나 조합 등은 일례로서, 본 발명의 주지로부터 일탈하지 않는 범위에서 설계 요구 등에 근거하여 여러 가지 변경이 가능하다.
예컨대, 압전 소자(2)의 패키지 본체부(3A)에의 실장에 있어서의 배선 패턴(8)과 접속 단자(35)의 접속은, 예컨대, 에폭시계 또는 실리콘계 등의 Ag 페이스트로 접속하더라도 좋고, 또한 가열 가압이나 초음파 진동에 의해, 배선 패턴(8)을 싱글 포인트 본딩(single point bonding) 또는 갱 본딩(gang bonding)하더라도 좋다.
또한, 제어 IC(11)의 실장의 방법으로는, 와이어 본딩에 의한 실장에 한하지 않고 플립 칩 실장이라도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 프레임(1)이나 몰드 재료(20)에 의해, 복수의 패키지(3)를 일체화하는 구성을 예시했지만, 이들 이외에도, 예컨대, 도 7에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(2)의 검출 방향이 교차하도록 배치한 두 개의 패키지(3)의 접속면을 접착제(21)로 일체적으로 고정하는 구성으로 하여도 좋다.
이 구성에서도, 상기 실시예와 마찬가지의 작용·효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 소형·박형화의 요청에 응하면서, 압전 소자의 위치 결정을 용이하게 실시할 수 있는 압전 장치 및 이 압전 장치를 구비한 전자기기를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 압전 장치로서,
    소정의 검출 방향을 갖는 압전 소자를 각각의 내부에 갖고, 또한 접속 단자로서의 전극을 각각의 외측에 갖는 복수의 패키지와,
    L자 형상으로 구부려진 가요성 기판
    을 갖고,
    상기 복수의 패키지는, 상기 각 압전 소자의 상기 검출 방향이 서로 교차하도록 서로 연결되고, 또한 상기 전극이 상기 L자 형상으로 구부려진 가요성 기판에 접속되도록 유지되며,
    상기 패키지의 상기 압전 소자는 상기 가요성 기판에 탑재되어 있는
    압전 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패키지를 유지하는 프레임을 더 포함하는 압전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패키지를 상호 고정하는 수지 재료를 더 포함하는 압전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패키지를 상호 고정하는 접착제를 더 포함하는 압전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지의 구성 재료는 세라믹, 유리, 금속 및 수지 중 어느 하나인 압전 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지는 접속 단자를 갖고,
    상기 접속 단자 표면의 구성 재료는 동, 금 및 납 재료 중 어느 하나인
    압전 장치.
  8. 청구항 1에 기재된 압전 장치를 구비하는 전자기기.
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