JP2007225528A - ２軸加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 量産性に優れた２軸加速度センサを提供する。
【解決手段】 自発分極方向と平行で、かつお互いが直交する様に設けられた２組の対向電極をもつ圧電素子４０を少なくとも１つ以上配置し、その自由端面に錘２０を連接する。錘２０に作用する慣性力で圧電体素子４０を剪断変形させ、２軸方向に加速度を分離して検出する。自発分極方向が板厚方向である板材への２．５次元加工と電極形成だけで加工できるセンサ構造としたため、量産性に優れる。圧電材料として点群４ｍｍまたは６ｍｍに分類される材料を用いることで、加速度検出方向の指向性を高める。
【選択図】 図５

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２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軸のみセンシングを行なう加速度センサでの対応が難しくなってきている。現行の２軸加速度センサは、既に実用化している１軸加速度センサを直角に配置しユニット化したものがほとんどである。

従来の２軸加速度センサの例を図６に示す。２軸加速度センサ１０’は、圧電体４１および４１’の分極方向が反平行（バイモルフ型）となるように貼り合わせたカンチレバー４６の、自由端側に錘２０を取り付け、検出可能方向の加速度が作用すると前記のカンチレバー４６が撓む構造となっている。

カンチレバー４６が中立面を境に、一方の圧電体４１には引っ張り応力が、他方の圧電体４１’には圧縮応力（あるいはその逆の組み合わせ）が作用するため、電極３０と３０’に異符号の圧電気が生じて加速度を電気信号として検出できる。

従来例１の２軸加速度センサ１０’では、この様な１軸加速度センサを検出方向が直交する様に２組設けてユニット化したものが知られていた（例えば、特許文献１参照。）。

一方、他の従来として一体型の２軸加速度センサ１０’を図７を用いて説明する。図７（ａ）に示した円柱状の圧電体４１の側面に複数の電極３０を形成し、隣り合う電極間で分極処理を行うことで、あたかも直交する２組のバイモルフ型カンチレバーを一体化したような分極状態を作ることができる。この場合、１つの圧電素子で２軸化に対応することができ、図７（ｂ）のような接続方法により差動増幅でＸ軸成分とＹ軸成分の加速度を検出することができる（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２４００４２号公報 特開平５−６６２３０号公報

しかし、１軸センサを組合わせた２軸加速度センサでは、それぞれの1軸センサを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、２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。

一体型の場合は、電極形成後に分極処理が必要となり製造工程が複雑となる上、内部歪の残留や分極の経時変化に伴う特性変化で圧電特性の対称性を確保することが難しく、高精度の測定が期待できないという課題を有していた。

さらに、電極が分極方向と垂直に位置するため、３３モード（ＸＹ平面Ｚ軸［円柱の高さ］方向）の振動と３１モード（ＸＹ面内［円柱の動径］方向）の振動双方を検出してしまうため、測定しようとする２軸と互いに垂直な方向の振動も検出してしまう。すなわち、正確に２軸（ＸＹ軸）成分の加速度のみを検出できないという課題を有していた。

前述の様な２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の低コスト２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、経時変化の少ない２軸加速度センサを提供することである。

本発明の第３の課題は、直交する２軸（ＸＹ）成分の加速度を純粋に検出できる２軸加速度センサを提供することである。即ち、計測する２軸と垂直方向（Ｚ軸方向）の加速度があっても原理的に検出されないセンサ構造を実現することにある。

本発明の第４の課題は、ノイズに強い２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、板厚方向に分極処理された圧電体板を素材として用い、ＮＣ加工機ないしダイシングソー等による一般的な２．５次加工工程と、マスク工程のいらない電極形成工程のみで圧電素子を製造できるセンサ構造とした。

次に、第２の課題を解決するために、キュリー温度（Ｔｃ）が高い圧電体を用い、さらに分極処理された圧電板を熱エージングして圧電特性の経時変化を抑制した。また、再分極処理不要な検出構造で、かつ、同一部分の圧電体を利用してＸ軸成分，Ｙ軸成分の圧電気を検出できる構造とした。

したがって、Ｘ軸，Ｙ軸の検出特性が揃う他、温度変化や若干の経時変化があった場合でも軸別に特性のバラツキが発生せず、容易に補正して使用することができる。

第４の課題を解決するために、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向ともに複数個のセンサユニットを直列・並列できる構造とすることで、出力電圧や表面電荷の増大を図れる様にした。また、２個のセンサユニットを接続した場合、各軸方向に直列接続された中間点の電極を接地し、差動増幅可能なセンサ構造することで、コモンモードノイズを除去することが可能となり、更にノイズに強い２軸加速度センサを提供することができる。

また本発明では、圧電体と、圧電体の自発分極方向と平行に、圧電体の側面に対向配置された第１の電極対と、圧電体の自発分極方向と平行かつ第１の電極対と直交する圧電体の対向する側面に対向配置された第２の電極対と、からなる圧電素子と、圧電素子の上面に配置された錘と、圧電素子の下面に配置され前記圧電素子を固定する基板と、を有する加速度センサとした。

本発明では、基板の上面にフィルムを配置する工程と、フィルムを介して、前記基板に複数の溝を形成し、複数の圧電体を形成する工程と、複数の溝の底面及び側面に導電層を形成する工程と、フィルムを除去する工程と、複数の溝が互いに交差する位置に形成された、複数の溝の底面及び側面の導電層を除去し、隣り合うまたは向かい合う複数の溝の側面に形成された導電層を電気的に分断する工程と、複数の溝の底面に形成された導電層を前記溝方向に除去し、隣り合う前記複数の溝の側面に形成された導電層を互いに電気的に分断する工程と、圧電体の上面に錘を設ける工程により加速度センサを製造した。

本発明によれば、量産性に優れた２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。

ここで、本発明の概要を図５（ａ）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５内の様に定める。圧電体４１は分極方向がＺ軸に平行な立方体とし、各稜線がＸＹＺ軸の何れかに平行であるものとする。また、圧電体の弾性定数は等方的なものとする。

ＺＹ面に平行な一対の面に第１対の電極３１ａおよび３１ｂ，ＺＸ面に平行な一対の面に第２対の電極３２ａおよび３２ｂを形成する。ただし、稜線で電極が短絡しない様にクリアランスを確保するものとする。この圧電素子４１のＺ軸正方向の上面に慣性力を受ける錘２０を接着し、底面を基板５０に接着すると本発明の２軸加速度センサ１４の基本構造が完成する。

本発明の特徴は、錘に働く並進運動の慣性力を剪断応力として検出することである。即ち、錘が受けた慣性力が圧電素子４１の上面に伝わり、圧電素子４１に作用する応力はＺ軸方向の主応力σｚと、Ｘ軸まわりの剪断応力σｙｚと、Ｙ軸まわりのσｚｘとして分解することができる。ただし、角加速度については考慮しないものとする。

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つである。

式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］が算出されるが、第１対の電極に現れる電束密度Ｄ１＝ｄ１５×σｚｘ，第２対の電極に現れる電束密度Ｄ２＝ｄ２４×σｙｚとなり、σｚによる圧電気は検出されないことが示される。無論、仮にσｘ，σｙ，σｘｙが作用した場合でも、０コンポーネントとの積になるため、第１対および第２対の電極の電束密度Ｄに影響を与えない。

つまり、１５，２４の厚み滑りモードの検出で、分極方向の垂直断面形状が正方形であれば、Ｘ軸方向の加速度とＹ軸方向の加速度の検出感度が等価になることが示される。したがって、図５（ａ）のような２軸加速度センサ１４を構成することで、前述の課題３を解決することができる。

さらに、図５（ｂ）に示す様な円柱形状の圧電体４１であっても、電極対が対称的に配置されていれば、同様の原理で加速度センサ１５を構成することができる。

なお、同様に国際記号で６ｍｍの点群に分類されるＺｎＳ，ＺｎＯ，ＡｌＮ（強誘電体ではない）等の材料も、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。

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、以下の実施例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４［ｍｍ］×９５［ｍｍ］角の圧電体板を用いた。

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ついては、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。もちろん、他のセラミックス材料，金属材料等でも問題はないが、後述する電極対端面との絶縁を考慮する必要がある。
（実施形態１）
図１は本発明の一実施例に係わる２軸加速度センサ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（図示せず）上面にドライフィルム６０を全面被覆後、φ２．０［ｍｍ］のエンドミルを装着したＮＣ加工機で、６［ｍｍ］ピッチ×深さ３．０［ｍｍ］の壁形成溝６１を格子状に形成することで、図１（ａ）に示す形状で圧電体４１の上部に圧電体ピラー４３が複数形成される。

次に、洗浄・乾燥工程の後、スパッタリング装置により、密着層としてＴｉを平面部膜厚で０．１[μｍ]、導電層としてＡｕを同じく平面部膜厚で０．３[μｍ]を連続積層する。電極形成された圧電体板を装置から取り出し、ドライフィルム６０のリフトオフを行なうと圧電ピラー４３のそれぞれに４つの側面電極３３と、側面電極３３と接続された溝底電極３４を形成することができる。

続いて、壁形成溝６１の格子点へ前記エンドミルで加工した溝の幅より大きいφ２．５[ｍｍ]エンドミルで３．２[ｍｍ]切り込み深さの電極分割孔６２を形成すると、図１（ｂ）に示す様に圧電ピラー４３のエッジが落とされ壁面電極３３の分割と溝底電極３４の分割を同時に行なうことができる。

続いて、ダイシングソーないしＮＣ加工機により図１（ｂ）内の点線で示した様に溝の底面で素子の分離を行なうと、２組の直交する電極対、電極３１ａと電極３１ｂ，電極３２ａと電極３２ｂが圧電素子４０の側面に露出し、図１（ｄ）の見取り図（上面図は図１（ｃ））に示した様な圧電素子４０が容易に製造できる。

最後に、基板５０に圧電体素子４０の側面電極を持たない端面を高硬度，高Ｔｇのエポキシ系接着剤（図示せず）で接着し硬化させた後、基板５０の反対側の自由端面に錘２０を同様に接着すると、図２（ａ）に示す２軸加速度センサ１１が完成する。

圧電体ピラー４３の自由端側稜線は切削加工によりチッピングしてしまうため、錘２０による電極の短絡は通常生じないが、これを確実に防止するため、自由端側稜線の面取り加工を加えたり、フィラー入りの接着剤を用いることも出来る。

密閉可能なリットの中に２軸加速度センサ１１を固定・実装し、更にシールドルーム内で低周波アンプを介してオシロスコープにより２軸加速度センサとしての動作を確認した。接続は図２（ｂ）に示す様に第１対の電極端子をＸ軸出力，第２対の電極端子をＹ軸出力とし、一定速度のオービタルシェイカーにセンサを固定して加速度の検出を確認した。
（実施形態２）
錘が複数の圧電素子に連接されている２軸加速度センサの実施例を説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明の実施例の２軸加速度センサーの斜視図であり、実施形態１の工程途中の図１（ｂ）において、隣接する縦横各２個の圧電体ピラー４３を切り離しすると、図３（ａ）に示す様な、縦２個×横２個圧電素子からなる圧電体素子ユニット４４が得られる。

以降、実施形態１と同様に基板５０に圧電素子ユニット４４を接着し、続いて錘２０を４個の圧電ピラー４３の自由端面に連接させると、図３（ｂ）に示す２軸加速度センサ１２が完成する。

図３（ｃ）は、圧電素子の配線を示す回路図である。各圧電体素子は溝底電極３４を介して隣接する圧電体素子の側面に互いに向かい合うＸ軸方向に電極３１ｂと電極３１ｃ，電極３１ｆと電極３１ｇが、Ｙ軸方向に電極３２ｂと電極３２ｃおよび電極３２ｆと電極３２ｇで直列接続する。外周部に露出しているＸ軸方向，Ｙ軸方向の電極を夫々の側で電極３２ａと電極３２ｅ、電極３1ｄと電極３1g、電極３２ｈと電極３２ｄ、電極３１ａと電極３１ｅを接続する電極ジャンパーする。

電極３１ａと電極３１ｅの接続点と、電極３１ｄと電極３１ｇの電気的接続点からＸ軸の出力端子、電極３２ａと電極３２ｅの接続点と電極３２ｄと電極３２ｈの電気的接続点からＹ軸の出力端子を形成することで、図３（ｃ）に示す回路が形成される。

実施形態１と同様にオービタルシェイカーによる同条件の評価を行なったところ、本実施形態２での出力信号は、前記実施形態１と比較して２倍以上の電圧出力が得られた。これは、圧電体素子の直並列接続の効果だけでなく、１ユニットあたりの錘２０の分担重量が増えたことが感度上昇につながる。
（実施形態３）
次に、圧電体素子４０を縦横各２個接続した差動増幅可能な２軸加速度センサの実施例を説明する。実施形態１の工程途中の図１（ｂ）において、壁面電極３３分割と溝底電極３４切断を目的とした電極分割孔１５を形成しない部分を設ける。図４（ａ）は本発明の実施例の製造工程を示す平面図である。図４（ａ）に示す様に、電極分割しない部分が中央となる様に圧電素子ユニット４４を切り出すと、図４（ｂ）に見取り図を示した圧電素子ユニット４４’が作製できる。

図４（ｃ）に加速度センサーの回路図を示す。各圧電素子は、圧電素子の内側で向かい合うＸ軸方向の電極３１ｂ，３１ｃ，３１ｆ，３１ｇと、Ｙ軸方向の電極の３２ｂ，３２ｃ，３２ｆ，３２ｇが接続された構造となる。これらの電極をＧＮＤにし、電極３２ａと電極３２ｅの電気的接続点と電極３２ｄと電極３２ｈの電気的接続点から第１の差動増幅器１０１に入力し、電極３１ａと電極３１ｅの電気的接続点と電極３１ｄと電極３１ｇの電気的接続点から第２の差動増幅器１０２に入力し、差動増幅器１０１からＸ軸の出力、差動増幅器１０２からＹ軸の出力を得る加速度検出が可能な２軸加速度センサーとなる。

実施形態１と同様に基板と錘の接着を行った後、リット内に固定・実装してシールドルーム内で同様の評価を行なった。定量はできなかったが、実施形態２の評価と比較してＳ／Ｎ比の改善が認められた。

なお、各実施形態では圧電体材料として点群４ｍｍのＰＺＴを代表として説明したが、前述の様にｄコンポーネントの独立性が等しい６ｍｍの材料を用いても全く同様の効果が得られることは明らかで、このことは原理的に証明されている。

本発明の実施形態１による加速度センサを説明する図である。 本発明の実施形態１による加速度センサを説明する図である。 本発明の実施形態２による加速度センサを説明する図である。 本発明の実施形態３による加速度センサの説明する図である。 本発明の概要を説明する図である。 従来例１を説明する図である。 従来例２を説明する図である。

符号の説明

１０、１０’、１１，１２ ２軸加速度センサ
２０ 錘
３０、３０’、３０” 電極
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・、３１ｈ 電極
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、・・、３２ｈ 電極
３３ 壁面電極
３４ 溝底電極
４０ 圧電素子
４１ 圧電体
４３ 圧電体ピラー
４４、４４’ 圧電素子ユニット
５０ 基板
６０ ドライフィルム
６１ 壁形成溝
６２ 電極分割孔

Claims (7)

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、前記圧電体の自発分極方向と平行かつ前記第１の電極対と直交する前記圧電体の対向する側面に対向配置された第２の電極対と、からなる圧電素子と、
   前記圧電素子の上面に接続された錘と、
   前記圧電素子の下面に接続され、前記圧電素子を固定する基板と、
   を有する加速度センサ。
2. 前記基板上に前記圧電素子を複数有し、
   前記錘が前記複数の圧電素子の上面請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記圧電体が、国際記号で４ｍｍまたは６ｍｍの点群に分類される結晶を主成分とする請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記第１の電極対および前記第２の電極対が、前記複数の圧電体のうち隣り合う圧電体の前記第１の電極対または前記第２の電極対と平行に複数配置され、かつ複数の前記圧電素子が直列に接続されている請求項２または３に記載の加速度センサ。
5. 前記圧電体が、厚さ方向に分極され、前記厚さ方向に溝を有する基板からなり、
   前記基板の上面に前記圧電体が、前記基板と一体で複数設けられている請求項４に記載の加速度センサ。
6. 圧電体板の厚み方向の一方の面に格子状の溝を形成し、
   前記溝の側面と底面に導電層を形成し、
   前記溝の交点の導電層を除去し、
   前記溝の底面の前記底面上の前記導電層を切断し、
   前記圧電体の上面に錘を機械的に接続する加速センサの製造方法。
7. 基板の上面にフィルムを配置する工程と、
   前記フィルムを介して、前記基板に複数の溝を形成し、複数の圧電体を形成する工程と、
   前記複数の溝の底面及び側面に導電層を形成する工程と、
   前記フィルムを除去する工程と、
   前記複数の溝が互いに交差する位置に形成された、前記複数の溝の底面及び側面の前記導電層を除去し、隣り合うまたは向かい合う前記複数の溝の側面に形成された導電層を電気的に分断する工程と、
   前記複数の溝の底面に形成された導電層を前記溝方向に除去し、隣り合う前記複数の溝の側面に形成された前記導電層を互いに電気的に分断する工程と、
   前記圧電体の上面に錘を設ける工程と、
   を有する加速度センサの製造方法。

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