JP2017067648A - 物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電極部のストレスマイグレーションを抑制し、高精度な物理量検出を行うことが可能な物理量センサを提供する。
【解決手段】圧電基板２に対して、伝播路を開口させつつＩＤＴ３および電極構造部４ａを囲む第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂを形成する。これにより、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加わる応力が緩和される。したがって、ＩＤＴ３や電極構造部４ａにストレスマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。よって、ストレスマイグレーションによるＩＤＴ３や電極構造部４ａの影響を抑制でき、より高精度な物理量検出を行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波素子を用いた物理量センサに関するものである。

従来より、弾性表面波（以下、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）という）素子を用いた物理量センサがある（例えば、特許文献１参照）。例えば、ＳＡＷ素子を用いた物理量センサは、圧電基板の上に、２つの櫛形の電極を組み合わせて構成されたストライプ状の電極（以下、ＩＤＴ（Inter Digital Transducer）という）と、ＩＤＴに対向配置されたストライプ状の反射器を備えた構成とされる。

このように構成される物理量センサでは、ＩＤＴの各電極に入力信号を入力し、そのときに圧電基板の表面に発生させられるＳＡＷが反射器で反射された反射波を受け取ったときにＩＤＴから出力される信号を出力信号として、印加された物理量を検出する。すなわち、物理量に基づく歪みによってＩＤＴと反射器との間の距離が変化すると、ＩＤＴが発した弾性波が反射波として戻ってくるまでに掛かる時間が変化することから、出力信号が発生させられる時間が変化する。このため、入力信号を入力してから出力信号が発生させられるまでの間の時間間隔である遅延時間に基づいて、発生している物理量を検出することができる。

特開２００９−２２２５８９号公報

しかしながら、上記した物理量センサでは、平板状の圧電基板の上に備えた電極部に応力が加わって歪みが発生し、それによりストレスマイグレーションが発生する。これにより、高精度な物理量検出が行えなくなる。

本発明は上記点に鑑みて、電極部のストレスマイグレーションを抑制し、高精度な物理量検出を行うことが可能な物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、少なくとも表面が圧電性材料で構成された圧電基板（２）と、圧電基板の表面上において、圧電基板の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると圧電基板の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、圧電基板に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、伝播路を通じて伝播された弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３）と、を有する弾性表面波素子（１）を備え、印加された物理量に応じて伝播路の長さが変化することに基づいて、入力信号と出力信号との間の時間間隔である遅延時間より物理量の検出を行う物理量センサであって、圧電基板に、伝播路を開口させつつ入力電極と出力電極を囲むトレンチ（２ａ）が形成されていることを特徴としている。

このように、圧電基板に対して、伝播路を開口させつつ入力電極と出力電極を囲むトレンチを形成するようにしている。このため、入力電極や出力電極に加わる応力が緩和される。したがって、入力電極や出力電極にストレスマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。よって、ストレスマイグレーションによる入力電極や出力電極の影響を抑制でき、より高精度な物理量検出を行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明では、圧電基板のうち入力電極および出力電極が形成された表面と反対側となる裏面において、入力電極と出力電極と対応する部分が凹んでおり、圧電基板のうち入力電極と出力電極と対応する部分がダイヤフラム構造とされていることを特徴としている。

このように、圧電基板のうち入力電極および出力電極と対応する部分をダイヤフラム構造としても、入力電極および出力電極に加わる応力を緩和することができる。これにより、請求項１と同様の効果を得ることができる。

請求項５に記載の発明では、圧電基板のうち入力電極および出力電極が形成された表面と反対側となる裏面において、伝播路よりも入力電極側と出力電極側が凹んでおり、圧電基板のうち伝播路よりも入力電極側と出力電極側の部分が伝播路と対応する部分よりも薄くされていることを特徴としている。

このように、圧電基板のうち伝播路よりも入力電極側と出力電極側の部分を伝播路と対応する部分よりも薄くした構造としても、入力電極および出力電極に加わる応力を緩和することができる。これにより、請求項１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの上面レイアウト図である。 図１のII−II断面図である。 本発明の第２実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの上面レイアウト図である。 図３のIV−IV断面図である。 本発明の第３実施形態にかかるＳＡＷ素子１を有する物理量センサの上面レイアウト図である。 図５のVI−VI断面図である。

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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１および図２を用いて説明する。まず、本実施形態のＳＡＷ素子１の構成について説明する。ここでは、トルク検出を行うトルクセンサにＳＡＷ素子１を適用する場合を例に挙げて説明するが、ＳＡＷ素子１を圧力センサなどの他の物理量を検出するセンサとして用いることもできる。

ＳＡＷ素子１は、図１および図２に示すように圧電基板２の表面上にＩＤＴ３と反射器４の少なくとも一部を構成する電極構造部４ａを備えた構成とされている。図２では、ＳＡＷ素子１の構成要素として圧電基板２やＩＤＴ３および反射器４のみを図示してあるが、ＳｉＯ₂、ＧｅＯ₂、ＢｅＦ₂等の温特抑制膜やＳｉＮ、ＡｌＮ等の防湿膜などでＩＤＴ３や電極構造部４ａを含めた圧電基板２の表面を被覆しても良い。その場合、温特抑制膜や防湿膜のうち電極構造部４ａの上に、電極構造部４ａの形状に対応する凸形状部が構成されることがあるが、それらの凸形状部も反射器４の一部を構成することとなる。

また、ＳＡＷ素子１は、外部の装置として、制御装置５に接続されており、この制御装置５によって制御されることでトルク検出を行っている。

圧電基板２は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）等の圧電性材料で形成された平板状の基板である。本実施形態では、圧電基板２に、第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂを形成してある。第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂは、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加えられる応力を緩和するための応力緩和トレンチである。圧電基板２のうち、ＩＤＴ３と電極構造部４ａとの間の部分を伝播路として、第１トレンチ２ａは、ＩＤＴ３のうちの伝播路側を開口させると共に伝播路以外の周囲を囲むように配置されている。また、第２トレンチ２ｂは、電極構造部４ａのうちの伝播路側を開口させると共に伝播路以外の周囲を囲むように配置されている。第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂの深さについては応力緩和効果が得られれば任意であり、例えば圧電基板２を貫通するように設けられていても良い。

ＩＤＴ３は、入力信号に基づいてＳＡＷを発生させる入力電極に相当するものである。ＩＤＴ３は、図１に示すように、対向する２つの櫛形電極３ａ、３ｂの各歯が互いに平行かつ交互に並ぶように配置されており、例えばアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの電極材料によって構成されている。各櫛形電極の歯は互いに平行に並べられ、本実施形態の場合は、ＩＤＴ３を構成する櫛形電極３ａ、３ｂの歯のピッチを例えばλ／２で一定としているが、各歯のピッチについては任意に設定可能である。なお、λは本実施形態において使用するＳＡＷの波長である。

各櫛形電極３ａ、３ｂはそれぞれ制御装置５と接続するための配線や端子に接続されており、これらを通じて制御装置５からの入力信号の入力や、制御装置５への出力信号の出力が為される。そして、制御装置５から入力信号が入力されることに基づき、ＩＤＴ３は、各櫛形電極３ａ、３ｂの間に発生する電位差および圧電基板２の圧電効果による励起によりＳＡＷを発生させ、伝播路および反射器４側に伝播させる。

反射器４は、ＩＤＴ３から伝播されるＳＡＷの伝播方向に対して垂直に延設された複数の突起状構造部によって構成されるもので、伝播されてきたＳＡＷを反射し、反射波を発生させてＩＤＴ３側に伝える。本実施形態では、ＩＤＴ３の櫛形電極３ａ、３ｂを構成する電極材料によって構成した電極構造部４ａによって反射器４を構成しており、温特抑制膜や防湿膜が形成される場合には、これらの表面に形成された凸形状部によっても反射器４の一部が構成される。

また、本実施形態では、反射器４は、複数の電極構造部４ａが等間隔に平行に並べられ、ＩＤＴ３の各櫛形電極３ａ、３ｂの歯と対向して配置されている。各電極構造部４ａのピッチは、例えばＩＤＴ３を構成する櫛形電極の歯のピッチと同じとされている。なお、櫛形電極３ａの各歯と櫛形電極３ｂの各歯の間の間隔は、上記したように、λ／２とされている。

制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路などで構成されるものであり、ＩＤＴ３に対して入力信号を入力すると共に、ＩＤＴ３の出力信号の基づいて物理量としてトルク検出を行う。具体的には、制御装置５は、ＩＤＴ３への入力信号、例えば各櫛形電極３ａ、３ｂの間にパルス状の電位差を発生させる信号を入力することで、圧電効果に基づいてＳＡＷを発生させる。これにより、反射器４から反射波が伝播され、その反射波に基づいて圧電効果によりＩＤＴ３の各櫛形電極３ａ、３ｂの間に電位差あるいは電荷が発生することから、制御装置５は、それを検出することで反射波が返って来たタイミングを検出する。そして、制御装置５は、ＳＡＷを発生させてから反射波が返って来るまでの間を遅延時間として、この遅延時間の測定を行う。印加されるトルクによってＩＤＴ３と反射器４との間の距離が変化し、この距離の変化によって遅延時間が変化することから、遅延時間を測定することで、トルクを検出することができる。

このような構造により、本実施形態にかかるＳＡＷ素子１が構成されている。このように構成されるＳＡＷ素子１は、例えば、図２に示すように、ガラスなどの応力が伝達されやすい硬い材料で構成された接合材１１を介して検出対象１２に貼り付けられ、検出対象１２に加わる物理量、例えばトルクや圧力などを検出するものとして用いられる。例えば、ＳＡＷ素子１は、車両のエンジンにおけるクランク軸を検出対象１２として、クランク軸に取り付けられることでトルクセンサとして用いられ、クランク軸に掛かるトルクに基づいて圧電基板２が変形することを利用して、トルク検出を行う。

つぎに、ＳＡＷ素子１の動作について説明する。

まず、制御装置５がＩＤＴ３の２つの櫛形電極３ａ、３ｂに対して入力信号を入力、例えば櫛形電極３ａ、３ｂ間に電位差を発生させると、櫛形電極３ａ、３ｂを通して圧電基板２に電位差が発生する。これにより、圧電基板２のうちＩＤＴ３が形成された部分の表面において、圧電効果によるＳＡＷが発生する。

そして、ＳＡＷは圧電基板２の表面のうちＩＤＴ３と反射器４との間の伝播路を通じて伝播され、反射器４に到達する。その後、反射器４で反射されて、反射波としてＩＤＴ３に返って来る。この反射波によって、圧電基板２のうちのＩＤＴ３が形成された部分の表面が変形し、これに基づいてＩＤＴ３の櫛形電極３ａ、３ｂ間に圧電効果による電位差が発生する。

この電位差が出力信号として制御装置５に出力され、制御装置５は、ＩＤＴ３に入力信号を入力してから、ＩＤＴ３より出力信号が出力されるまでの遅延時間を測定する。

ＳＡＷ素子１がこのような動作をしているときに、圧電基板２が検出対象１２に加わる物理量、例えばクランク軸に加わるトルクに基づいて歪むと、ＳＡＷの伝播路の長さが変化する。このため、ＳＡＷがＩＤＴ３から反射器４で反射してＩＤＴ３に戻ってくるまでの遅延時間が変化する。この遅延時間の測定結果に基づいて、制御装置５は、ＲＯＭ等の記憶領域に記憶された遅延時間とトルクとの関係をもとに、測定した遅延時間からトルクを検出する。

そして、このような物理量検出を行う際に、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに対しても応力が加わり得る。しかしながら、本実施形態では、圧電基板２に対して、応力緩和トレンチとして第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂを形成していることから、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加わる応力が緩和される。したがって、ＩＤＴ３や電極構造部４ａにストレスマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。

なお、このように構成される本実施形態のＳＡＷ素子１の製造方法については基本的にには従来と同様であり、第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂの形成工程を追加するのみで良い。第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂの形成工程については、例えばフォトエッチングによって行われる。この形成工程は、ＩＤＴ３および電極構造部４ａの形成工程の前後いずれに行っても良いし、温特抑制膜や防湿膜を形成した後に、これらを貫通しつつ圧電基板２に形成されるように行っても良い。

以上説明したように、本実施形態のＳＡＷ素子１では、圧電基板２に対して、伝播路を開口させつつＩＤＴ３および電極構造部４ａを囲む第１トレンチ２ａおよび第２トレンチ２ｂを形成するようにしている。このため、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加わる応力が緩和される。したがって、ＩＤＴ３や電極構造部４ａにストレスマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。よって、ストレスマイグレーションによるＩＤＴ３や電極構造部４ａの影響を抑制でき、より高精度な物理量検出を行うことが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して応力緩和構造を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３および図４を参照して、本実施形態にかかるＳＡＷ素子１について説明する。図３および図４に示すように、本実施形態のＳＡＷ素子１では、圧電基板２のうちＩＤＴ３や電極構造部４ａが形成された表面と反対側となる裏面側において、ＩＤＴ３と対応する部分および電極構造部４ａと対応する部分が凹んだ凹部２ｃ、２ｄを設けている。これにより、圧電基板２のうちＩＤＴ３や電極構造部４ａと対応する部分を、伝播路が形成される部分よりも薄くされたダイヤフラム構造とし、ダイヤフラムの上にＩＤＴ３や電極構造部４ａが形成されるようにしている。

このように、圧電基板２のうちＩＤＴ３や電極構造部４ａと対応する部分をダイヤフラム構造としても、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加わる応力を緩和することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態も、第１実施形態に対して応力緩和構造を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５および図６を参照して、本実施形態にかかるＳＡＷ素子１について説明する。図５および図６に示すように、本実施形態のＳＡＷ素子１では、圧電基板２の裏面のうち伝播路と対応する部分よりもＩＤＴ３側および電極構造部４ａ側の部分が凹まされた凹部２ｅ、２ｆとされている。つまり、圧電基板２のうち伝播路と対応する部分と比較して、それよりもＩＤＴ３側および電極構造部４ａ側の部分が薄くなるようにしている。そして、圧電基板２のうち伝播路と対応する部分が接合材１１を介して検出対象１２に接合されるようにし、ＩＤＴ３や電極構造部４ａが検出対象１２から浮かされた構造とされている。

このように、圧電基板２のうち伝播路と対応する部分と比較して、それよりもＩＤＴ３側や電極構造部４ａ側の部分が薄くなるようにしても、ＩＤＴ３や電極構造部４ａに加わる応力を緩和することができる。したがって、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、圧電基板２として、全部が圧電性材料で構成されたものを例に挙げて説明したが、少なくともＳＡＷが伝播される表面が圧電性材料で構成されていれば良い。

また、上記各実施形態で説明したＩＤＴ３や反射器４の上面レイアウトは一例であり、他のレイアウトであっても良い。すなわち、ＩＤＴ３については発生させたＳＡＷを一方向に向けて伝播できる構造であれば良く、反射器４についても、伝播してきたＳＡＷをＩＤＴ３側に向けて反射できる構造であれば良い。

また、上記各実施形態では、ＩＤＴ３から伝播されたＳＡＷを反射器４で反射させると共に、その反射波をＩＤＴ３に返し、反射してきたＳＡＷをＩＤＴ３で検知して、物理量に対応する出力を発生させる構成としている。これにより、ＩＤＴ３と反射器４との間によって構成される伝播路でＳＡＷを往復させることで遅延時間を長くでき、より物理量の検知精度を高めることが可能になる。また、１つのＩＤＴ３によって、入力信号に基づいてＳＡＷを発生させる入力電極とＳＡＷを検知して物理量に対応する遅延時間を含む出力信号を発生させる出力電極としての役割を果たすことが可能になる。しかしながら、この構造はＳＡＷ素子１の構成の一例を示したに過ぎない。例えば、反射器４を備えることなく、反射器４の部分に出力電極を備え、入力電極（ＩＤＴ３）から伝播路を通じて伝播されてきたＳＡＷを入力電極に対して伝播路と反対側に配置された出力電極によって検知する構成であっても良い。

１ ＳＡＷ素子
２ 圧電基板
２ａ 第１トレンチ
２ｂ 第２トレンチ
３ ＩＤＴ
４ 反射器
５ 制御装置

Claims (6)

1. 少なくとも表面が圧電性材料で構成された圧電基板（２）と、
   前記圧電基板の表面上において、前記圧電基板の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、前記２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると前記圧電基板の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、前記圧電基板に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、
   前記伝播路を通じて伝播された前記弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３）と、を有する弾性表面波素子（１）を備え、
   印加された物理量に応じて前記伝播路の長さが変化することに基づいて、前記入力信号と前記出力信号との間の時間間隔である遅延時間より前記物理量の検出を行う物理量センサであって、
   前記圧電基板に、前記伝播路を開口させつつ前記入力電極と前記出力電極を囲むトレンチ（２ａ）が形成されていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記伝播路を挟んで前記入力電極と反対側に反射器（４）が配置され、該反射器で反射された前記弾性表面波が前記伝播路を通じて前記入力電極に返され、前記入力電極を前記出力電極として前記弾性表面波を検知し、前記出力信号を発生させており、
   前記トレンチは、前記出力電極としても機能する前記入力電極を囲む第１トレンチ（２ａ）であり、
   さらに、前記圧電基板に、前記伝播路を開口させつつ前記反射器を囲む第２トレンチ（２ｂ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 少なくとも表面が圧電性材料で構成された圧電基板（２）と、
   前記圧電基板の表面上において、前記圧電基板の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、前記２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると前記圧電基板の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、前記圧電基板に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、
   前記伝播路を通じて伝播された前記弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３）と、を有する弾性表面波素子（１）を備え、
   印加された物理量に応じて前記伝播路の長さが変化することに基づいて、前記入力信号と前記出力信号との間の時間間隔である遅延時間より前記物理量の検出を行う物理量センサであって、
   前記圧電基板のうち前記入力電極および前記出力電極が形成された表面と反対側となる裏面において、前記入力電極と前記出力電極と対応する部分が凹んでおり、前記圧電基板のうち前記入力電極と前記出力電極と対応する部分がダイヤフラム構造とされていることを特徴とする物理量センサ。
4. 前記伝播路を挟んで前記入力電極と反対側に反射器（４）が配置され、該反射器で反射された前記弾性表面波が前記伝播路を通じて前記入力電極に返され、前記入力電極を前記出力電極として前記弾性表面波を検知し、前記出力信号を発生させており、
   前記圧電基板のうち前記出力電極としても機能する前記入力電極と対応する部分および前記反射器と対応する部分が前記ダイヤフラム構造とされていることを特徴とする請求項３に記載の物理量センサ。
5. 少なくとも表面が圧電性材料で構成された圧電基板（２）と、
   前記圧電基板の表面上において、前記圧電基板の表面内における一方向に延設された互いに平行な歯を有する２つの櫛形電極（３ａ、３ｂ）を、前記２つの櫛形電極それぞれの歯が交互に並ぶように対向して配置することにより構成され、入力信号が入力されると前記圧電基板の圧電効果に基づいて所定波長の弾性表面波を励起させ、前記圧電基板に備えられる伝播路に伝播させる入力電極（３）と、
   前記伝播路を通じて伝播された前記弾性表面波を検知し、出力信号を発生させる出力電極（３）と、を有する弾性表面波素子（１）を備え、
   印加された物理量に応じて前記伝播路の長さが変化することに基づいて、前記入力信号と前記出力信号との間の時間間隔である遅延時間より前記物理量の検出を行う物理量センサであって、
   前記圧電基板のうち前記入力電極および前記出力電極が形成された表面と反対側となる裏面において、前記伝播路よりも前記入力電極側と前記出力電極側が凹んでおり、前記圧電基板のうち前記伝播路よりも前記入力電極側と前記出力電極側の部分が前記伝播路と対応する部分よりも薄くされていることを特徴とする物理量センサ。
6. 前記伝播路を挟んで前記入力電極と反対側に反射器（４）が配置され、該反射器で反射された前記弾性表面波が前記伝播路を通じて前記入力電極に返され、前記入力電極を前記出力電極として前記弾性表面波を検知し、前記出力信号を発生させており、
   前記圧電基板のうち前記伝播路と対応する部分と比較して、前記伝播路よりも前記出力電極としても機能する前記入力電極側および前記反射器側の部分が薄くされていることを特徴とする請求項５に記載の物理量センサ。

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