JP2007225527A - ３軸加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 量産性に優れた３軸加速度センサを提供する。
【解決手段】 基板に固定された圧電素子の自由端に加速度で慣性力を受けるを錘設けた加速度センサにおいて、基板と錘を圧電体の自発分極方向の延長線上に配置する。圧電素子は自発分極が一方向である単一部材の圧電体に３対の電極が形成され、そのうちの１対は自発分極方向に垂直で３３モードの圧電気を検出し、残りの２対は自発分極方向に平行で１５モードおよび２４モードの圧電気を検出することで、３軸方向の加速度を検出する。
また、点群４ｍｍ，６ｍｍ，３ｍおよびｍｍ２に属する圧電材料を用いることで、直交３成分の加速度を独立に測定することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、加速度により錘へ作用する力を検出し、電気信号として取り出す３軸加速度センサに係わる。

従来より、加速度センサはモバイルＰＣやゲーム機，自動車に搭載され、落下時のＨＤＤ保護や力学量のモニタ，衝突の検出，サスペンション制御のためのセンサとして広く用いられている。

なかでも、圧電体を用いた加速度センサは測定原理が単純で信頼性も高く、自動車エンジンのノッキングセンサなどのヘビーデューティ用途での応用実績もある。これらの加速度センサには各種構造が開示されているが、原理的には加速度の作用により慣性体となる錘に働く力を、可撓部を構成する圧電体、または可撓部に設けられた圧電体に発生する圧電気を検出するものである。

一方、車載機器や携帯機器向け加速度センサ市場での要求は、小型，多軸，高精度，低価格であり、１軸のみのセンシングを行なう加速度センサでは対応が難しくなってきている。現行の３軸加速度センサは、１軸加速度センサを複数配置しユニット化したものがほとんどである。

図１２に３軸加速度センサ１０の従来例１を示す。図中左にあるＸ軸方向の加速度を検出する部分を説明すると、分極方向が反平行（バイモルフ型）となるように圧電薄板を貼り合わせた圧電体カンチレバー６０の自由端側に錘２０を取り付け、慣性力による撓みを圧電気として信号出力できるような構造としている。

慣性力の作用により貼り合せ構造のカンチレバー６０が屈曲すると、接合部を中立面として一方に圧縮応力が、他方に引っ張り応力が作用して、３１モード（＝３２モード）として発生した異符号の圧電気を電気信号として検出し加速度を測定できるのである。

一方、この錘２０にＹ軸方向の加速度を受けてもカンチレバー６０の伸縮による変位は小さく、同様にＺ軸方向の加速度を受けても断面二次モーメントが大きく変位が生じにくい。従って、前述の構造にすることで１軸方向の加速度を選択的に計測することができるのである。このような１軸加速度センサ３個を、検出方向が夫々直交する様にユニット化して３軸加速度センサとしている。

しかし、このような３軸加速度センサでは、精度良く直角に設置することが困難な上、部品点数の増大による信頼性低下や、実装面積の増加という課題を有していた。また、３つのセンサを搭載することによる特性のバラツキや、複数の接着工程を含むが故の生産性の低さといった課題も有しており、高精度化、低価格化に対応困難であった。

一方、従来例２として一体型の３軸加速度センサも考案されているが、ＭＥＭＳ技術を必要とするような複雑な構造であり、大量生産と低コスト化には適していない（例えば、特許文献１参照。）。また、このような構造では加速度の直交成分への分離が難しく、寄生振動を相殺するための複雑な素子構造や感度補正のための信号処理が必要となるという課題を有している（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−２６７４４号公報 特開２０００−３３８１２９号公報

前述の様な３軸加速度センサが抱える課題に対処するために、本発明では以下の課題解決を図った。

本発明の第１の課題は、生産性に優れた単純構造で低コストの３軸加速度センサを提供することである。

本発明の第２の課題は、直交する３軸（ＸＹＺ）成分の加速度を圧電素子自体が独立に検出する３軸加速度センサを提供することである。

本発明では前述の第１の課題を解決するために、１個の素子において３軸方向の加速度を検出できる構造とした。即ち、分極方向の揃った圧電体の板材や丸棒といった基礎部材から加工される圧電素子１個で３軸方向の加速度を検出せしめるものである。

これは、自発分極方向の伸縮による３３モードの圧電気と、自発分極方向に垂直面内で直交する２軸の厚み滑り（１５モード，２４モード）の圧電気を検出することで実現される。

次に、第２の課題を解決するために、圧電体として国際記号で４ｍｍの点群に分類される圧電体材料を用い、加速度の直交成分を独立に検出できるものとした。

ここで、本発明の概要を図３を用いて説明する。なお、以下の説明を簡潔にするため、ＸＹＺ直交座標系を図３内の様に定める。圧電体は分極方向ＰｓがＺ軸に平行である立方体形状とし、各稜線がＸＹＺ軸の何れかに平行であるものとする。また、圧電体の弾性率は等方的で、変位は微小とし、圧電体の自重は無視する。

圧電素子４１は６面全てに電極が形成されており、Ｘ軸を法線ベクトルとする圧電体面に形成された電極を第１の電極対３１ａ（手前）および３１ｂ（裏面），Ｙ軸を法線ベクトルとする圧電体面に形成された電極を第２の電極対３２ａおよび３２ｂ，Ｚ軸を法線ベクトルとする圧電体面に形成された電極を第３の電極対３３ａ（錘との接合面）および３３ｂ（基板との接合面）とする。Ｚ軸正方向側の電極面（３３ａ）に錘２１が、Ｚ軸負方向側の電極面（３３ｂ）が基板５１に夫々固定されている。

加速度センサ１１に加速度α（角加速度成分は含まないものとする）が作用すると、錘２１には加速度αと相反する方向に慣性力Ｆが作用し、錘２１と圧電素子４１の接着面には主応力σ３（＝σｚｚ）とＸ軸まわりの剪断応力σ４（＝σｙｚ＝σｚｙ），Ｙ軸まわりの剪断応力σ５（＝σｚｘ＝σｘｚ）が作用する。

ところで、圧電材料として国際記号で４ｍｍの点群に分類される圧電体材料、例えばＰＺＴの圧電定数の独立コンポーネントは表１に示す様にｄ３１（＝ｄ３２），ｄ３３，ｄ１５（＝ｄ２４）の３つとなっている。

表１の行列式のｄコンポーネント［Ｃ／Ｎ］に応力σ［Ｎ／ｍ２］を掛けると電束密度Ｄ［Ｃ／ｍ２］が算出される。したがって、
第１の電極対に現れる電束密度Ｄ１＝ｄ１５×σ５＝ｄ２４×σ５，
第２の電極対に現れる電束密度Ｄ２＝ｄ２４×σ４＝ｄ１５×σ４，
第３の電極対に現れる電荷密度Ｄ３＝ｄ３３×σ３
となり、Ｘ軸成分，Ｙ軸成分，Ｚ軸成分が各々独立に検出できることが示される。

つまり、点群４ｍｍに属する圧電体を用い３３モード，１５モード，２４モードの圧電気を検出することで、課題２を解決することができる。

なお、前記点群４ｍｍと全く同じ圧電コンポーネント配列となる６ｍｍの点群に分類されるＺｎＳ，ＺｎＯ，ＡｌＮ等（何れも強誘電体ではない）の材料も、単結晶材料や配向材料（膜）を用いることで原理的に同様の効果が得られるため、本発明の圧電材料として用いることができる。

また、前述のような独立性が保たれる点群３ｍの圧電コンポーネントを表２に示す。点群３ｍに属する圧電体としてＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａ３があり同様の原理で本発明の圧電体材料として用いることができる。表２にｄコンポーネントを示す。

一方、点群ｍｍ２に属する圧電体としてＬｉＧａＯ２やＢａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５があり、３軸成分を独立して測定するという課題解決には対応できる。ただし、ｄ１５≠ｄ２４のためＸ軸方向とＹ軸方向の感度が異なるので、信号処理での感度補正が必要である。

従って、請求項５記載の点群６ｍｍと点群３ｍおよび点群ｍｍ２に属する圧電体を用いた場合でも、物理的に同様の原理で応用可能であることは明らかである。

本発明によれば、簡単な構造で量産性に優れた３軸加速度センサを低コストで提供することが可能となる。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

圧電材料としては国際記号で４ｍｍの点群に分類される、市販のＨＩＰ処理ＰＺＴ材を用いた。キュリー温度は約３００［℃］で、圧電定数ｄ１５（＝ｄ２４）が約８００［ｐＣ／Ｎ］，平均粒径約１［μｍ］で、厚み方向に分極処理された板厚５［ｍｍ］×９５［ｍｍ］角の圧電体板を用いた。

なお、大気中で１６０［℃］の温度で約１２［ｈ］の熱エージングを行い、経時変化の抑制を図った。

慣性力を受ける錘には、自動巻き腕時計の重錘として用いられている比重約１８［ｇ／ｃｍ３］のタングステン系焼結合金を用いた。第３の電極対の自由端側の配線を錘表面から取り出す目的で、錘に次亜リン酸系の無電解Ｎｉめっき１０［μｍ］を施し、その後置換金浴でストライク金めっきを行い接触抵抗低減を図った。もちろん、錘としてＰＺＴ自身や他のセラミックス材料，金属材料等でも問題はないが、電極接続に配慮する必要がある。
（実施形態１）
図１〜図３は請求項１に係わる３軸加速度センサ１１の製造方法を説明する図である。なお、説明のために自発分極Ｐｓの方向（出力電圧の符号が反転するだけなので正負はどちらでも良い）をＺ軸とし、紙面手前方向をＸ軸、紙面内右方向をＹ軸となる直交座標系を用いる。

圧電体板をダイシングソー等により５［ｍｍ］角の立方体形状の圧電体に切断した。次に、ＰＺＴ向けの無電解Ｎｉめっきプロセス（例えば、（株）ワールドメタルのＰＴシリーズなど）により圧電体全面にＮｉ−Ｂ系被膜を約３［μｍ］形成後、置換金めっきを施した。

次に、電極を分割するために圧電体の８箇所の角と稜線全てを０．５［ｍｍ］で面取りを行なうと図１の圧電素子４１が完成する。

基板５１にはＰＺＴと熱膨張率が近い市販のセラミックス基板（フォルステライト）を用い、その基板５１表面に電極端子５９をメタルマスクを用いた電子ビーム蒸着法により形成しておいた。配線は密着層としてＴｉを０．１［μｍ］，導電層としてＡｕを０．３［μｍ］が積層されたものである。

圧電素子４１の分極方向に垂直な面である第３の電極３３ａ，３３ｂの表面に、エポキシ系接着剤中に金めっきＮｉ微粒子を添加した異方性導電接着剤（図示せず）を薄く塗布し、図２に示すように基板５１の所定の位置に配置し、同様に圧電素子４１の自由端面（３３ａと同じ）に前述の金めっきを施した錘２１を配置し、基板５１と錘２１間に荷重を加えながら硬化させる。

最後に第１の電極３１ａとその対向面の電極３１ｂ（裏面のため図示せず）をＸ軸電極端子５９ｘと５９ｘ’へ，第２の電極３２ａとその対面の３２ｂをＹ軸電極端子５９ｙと５９ｙ’へそれぞれ金ペースト５８をポッティングして電極端子との接続を行なう。第３の電極３３ａ（自由端側）の接続は錘２１からボンディングワイヤー５７と金ペースト５８により基板上のＺ軸電極端子５９ｚへ接続すると、図３に示すような３軸加速度センサ１１が完成する。
（実施形態２）
図４〜図６は請求項２に係わる３軸加速度センサ１２の実施例を説明する図である。本実施形態では３組の電極対の片側の電極を圧電体表面で接続しコモン出力として取り出すことで、センサ内の配線を簡素化するものである。即ち、実施形態１の構成における錘２１と基板５１上のパターンの間を接続しているボンディングワイヤー５７を省略するものである。

実施形態１での圧電体の頂点と稜線のＣ面取り工程において、自由端面（第３の電極対３３ｃ）を構成する４っの頂点のうち任意の頂点（例えば、図４中のＡ）に連なる稜線３本のＣ面取りを行なわない。すると、第１の電極の３１ｄと第２の電極の３２ｄおよび第３の電極３３ｄが圧電体上で相互に接続され、図４（ａ）に示すような圧電素子４２が完成する。なお、Ｚ軸まわりに１８０度回転させた圧電素子４２を図４（ｂ）に示す。

以下、図５に示すように基板５２の所定の位置に圧電素子４２を、圧電素子４２上に錘２２を配置し前述の異方性導電接着剤を塗布して圧着，硬化をおこなう。

硬化完了後図６に示す様に、第１の電極３１ｃ（非コモン側）とＸ軸出力端子５９ｘ、第２の電極３２ｃ（非コモン側）とＹ軸出力端子５９ｙ、および図示されていないがコモン側の第１の電極３１ｄ（裏面）ないし第２の電極３２ｄ（側面）とコモン出力端子５６を金ペースト５８をポッティングして電気的に接続すると請求項２に係わる３軸加速度センサ１２が完成する。（なお、異方性導電接着剤で第３の電極３３cとＺ軸出力端子５９ｚは接続されている。）
（実施形態３）
実施形態１および２においては圧電体の形状を立方体として説明したが、請求項３記載の様に長さ方向に分極処理された圧電体円柱を用いても３軸加速度センサ１３を構成することができる。

図７〜図９は円柱圧電体を用いた場合の実施形態３を説明する図である。めっき用のマスキングテープ８０に４箇所の矩形開口部８１を形成し（図７（ａ））、円柱状の圧電体の側面に貼り付ける。ここで、対となる開口部８１が円柱の中心軸に対して対称となる様にしておく。

実施形態１と同様に無電解めっきを行いマスキングテープ８０を剥がすと図７（ｂ）に示す圧電素子４３が完成する。引き続き実施形態１と同様に異方性導電接着剤を塗布して基板５３の所定の位置に圧電素子４３を配置し、さらに錘２３を圧着して硬化させる。

第１の電極３１ｅおよび３１ｆをＸ軸電極５９ｘおよび５９ｘ’へ、第２の電極３２ｅおよび３２ｆをＹ軸電極５９ｙおよび５９ｙ’へ、錘２３からＺ軸電極端子５９ｚへ、何れもボンディングワイヤー５７と金ペースト５８による接続を行うと、図９に示す３軸加速度センサ１３が完成する。
（実施形態４）
請求項４記載の圧電素子を複数個配置した場合の実施形態４を、図１０〜図１１を用いて説明する。

実施形態２で完成した圧電素子４１を、一例として４個組み合わせた３軸加速度センサ１４を採り上げる。図１０に示す様に圧電素子４１の非面取り頂点（矢印で指示）を中心にむけて、固定端面に前述の異方性導電接着剤を塗布し、パターンが形成されている基板５４の所定の位置に配置し、自由端面から荷重を加えながら加熱硬化を行なう。

続いて、図示していないが４箇所の非面取り頂点の真下（基板側）の角を金ペースト５８をポッティングしてコモン電極５７に接続する。この基板５４ではコモン電極５６をグラウンドとして、Ｘ軸，Ｙ軸方向の加速度を差動増幅できる様な接続にしている。錘２４を４つの圧電素子４１の自由端面に接着剤で連接させる。

最後に、Ａｕペースト５８により各々の配線パターンと導通を確保すると、図１１に示す３軸加速度センサ１４が完成する。

この３軸加速度センサ１４は実施形態１の加速度センサ１１と比較して、単純な素子数増以上の信号出力増大効果があった。

なお、本発明の各実施形態では３軸加速度センサとして実施したが、当然の事ながら電極数を減らして２軸加速度センサや１軸加速度センサとしても利用可能であることは自明である。

また、直交成分の加速度を直接測定する必要が無い場合には、必ずしも第１の電極対と第２の電極対が直交する必要はない。さらに、電極が平行平板で形成できるならば、圧電体形状も六角柱や八角柱など任意の形状で構わないことは言うまでも無い。

本発明の実施形態１による圧電素子の図である。 本発明の実施形態１による３軸加速度センサの組図である。 本発明の実施形態１による３軸加速度センサの斜視図である。 本発明の実施形態２による圧電素子の図である。 本発明の実施形態２による３軸加速度センサの組図である。 本発明の実施形態２による３軸加速度センサの斜視図である。 本発明の実施形態３による圧電素子を説明する図である。 本発明の実施形態３による３軸加速度センサの組図である。 本発明の実施形態３による３軸加速度センサの斜視図である。 本発明の実施形態４による３軸加速度センサの組図である。 本発明の実施形態４による３軸加速度センサの斜視図である。 従来例１を説明する図である。

符号の説明

１０，１１，１２，１３，１４ ３軸加速度センサ
２０，２０’，２０”，２１，２２，２３，２４ 錘
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ 第１の電極
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ 第２の電極
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 第３の電極
４１，４２，４３，４４ 圧電素子
５１，５２，５３，５４ 基板
５６ コモン電極
５７ ボンディングワイヤー
５８ 金ペースト
５９ｘ，５９ｘ’ Ｘ軸出力端子
５９ｙ，５９ｙ’ Ｙ軸出力端子
５９ｚ，５９ｚ’ Ｚ軸出力端子
５９ 電極端子
６０，６０’，６０” カンチレバー
８０ マスキングテープ
８１ 開口部

Claims (5)

1. 圧電体と、前記圧電体の自発分極方向と平行に前記圧電体の側面に対向配置された第１の電極対と、前記第１の電極対と非平行かつ前記圧電体の自発分極方向と平行に前記圧電体の側面に対向配置された第２の電極対と、前記圧電体の自発分極方向と垂直に前記圧電体の側面に対向配置された第３の電極対から構成され前記錘に接続される圧電素子と、からなる圧電素子と、
   前記第３の電極対の一方の電極の上面に設けられ、加速度により慣性力が作用する錘と、
   前記第３の電極対の他方の電極の上面に設けられ、前記圧電素子を固定する基板と、
   を有する３軸加速度センサ。
2. 前記圧電素子において、前記第１の電極対と前記第２の電極対および前記第３の電極対のいずれかが、前記圧電体の表面で互いに電気的に接続されている請求項１に記載の３軸加速度センサ。
3. 前記圧電体が円柱形状でかつ分極方向と円柱の高さ方向が平行であって、前記第１の電極対および前記第２の電極対の夫々の電極が前記円柱の中心線に対して対称となるように配置されている請求項１記載の３軸加速度センサ。
4. 前記圧電素子を前記基板上に複数配置し、かつ前記圧電素子の自由端面が前記錘で連接されている請求項１記載の３軸加速度センサ。
5. 前記圧電体が、国際記号で点群４ｍｍ，６ｍｍ，３ｍｍまたは２ｍｍに分類される圧電材料を主成分としている請求項１記載の３軸加速度センサ。
   

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