JP2007107990A - 加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 量産性に優れた出力電圧の高い加速度センサを提供する。
【解決手段】 自発分極方向と電極が平行となっている圧電素子を、各々の圧電素子の電極面が平行となるように少なくとも１つ以上配置する。圧電素子の自由端面に加速度で慣性力を受ける錘を連接し、圧電素子に剪断応力を作用させ圧電気を生じる構成とする。自発分極方向が板厚方向である板材に溝入れ加工を施し電極を形成することで、前記圧電素子を容易に複数形成でき、さらに圧電素子が直列接続されることで出力電圧を増大させる。また、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３

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り、圧電体での検出原理より３種類に大別される。

第１の手法は、圧電体の自発分極方向の伸縮を圧電気として検出する３３モードの加速度センサである。特許文献１に記載されているように自発分極方向と垂直に電極が形成され、慣性体となる錘が自発分極方向と平行に振動するものである。即ち、自発分極と同一（平行）方向の加速度が検出される。

第２の手法は、圧電体の自発分極方向と垂直な面内の伸縮を圧電気として検出する３１（＝３２）モードの加速度センサである。特許文献２に記載されるように片持ち梁を圧電体で形成し（通常バイモルフで構成される。）、曲げモーメントにより梁表裏に発生する応力状態（圧縮，引っ張り）を圧電気として検出するものである。この場合も、自発分極方向と垂直に電極が形成され、自発分極方向の加速度が間接的に検出される。

また、特許文献３に開示されるように、梁を構成する支持体上に圧電体を形成する場合もある。

第３の手法は、圧電体の厚みすべり振動を検出する１５（＝２４）モードの加速度センサである。本手法では特許文献４および特許文献５に示されるように圧電体の自発分極方向と平行な面に電極が形成されるのが特徴であり、電極面に錘が連接され、前述の２手法と同様に分極方向の加速度を検出するものである。
特開平０５−３３３０４５号公報 特開平１１−１８３５１０号公報 特開平１１−１０８９５１号公報 特開２００２−０２２７６１号公報 特開２００２−１６２４０８号公報

現在市販されている点群４ｍｍの圧電体材料、例えばＰＺＴの圧電定数の独立コンポーネントはｄ３１（＝ｄ３２），ｄ３３，ｄ１５（＝ｄ２４）の３つである。比較的大きなｄ定数をもつ低Ｑ材またはソフト材と呼ばれるＰＺＴにおいて、電気機械結合係数で最も高い値を示すのがｋ１５（＝ｋ２４）であり、ｄ１５（＝ｄ２４）を用いた１５（＝２４）モードで加速度を検出することは感度の向上という点で非常に有利である。従って、前述の第３の手法を用いて加速度を検出することが望ましい。

図６に第３の手法による、従来例の加速度センサの構成を示した。なお、説明の都合上、直交座標系のｕｖｗ軸を図６中に示したようにとる。自発分極方向をｖ軸方向とした圧電体４１の、分極方向に平行（ｕｖ平面に平行）な対向面に電極３０を形成して圧電素子４０が構成される。次に、圧電素子４０の片側の電極３０面を基板５０に接着し、他方の面を慣性力が作用する錘２０に接着すると加速度センサ１０’が完成する。

図６に示した加速度センサがｖ軸方向（正または負）に加速度αで運動した場合、質量ｍの錘２０生じるｍαの慣性力と釣り合う剪断応力が圧電素子４０のｕ軸まわりに発生し、ｄ１５（＝ｄ２４）による圧電気が生じて対向する電極３０の間に電圧が発生する。この電圧は加速度αにほぼ比例するため、加速度センサとして動作する。

ところが、従来例の加速度センサの構造では電極３０が形成された圧電素子４０を電気的な接続を行ないながら基板５０や錘２０に接着する必要があり、製造工程が煩雑になるという課題を有していた。

また、板状の圧電素子４０を用いる場合、静電容量が大きくなってしまい、出力電圧が小さくなるという課題も有していた。一方、出力電圧の増大を図るためにセンサ素子を複数設ける場合には、別途直列接続するための配線を行なう必要があり、センサ素子面積の増大や工数増をもたらし、製造コストと高密度実装の観点から実用性に乏しいものであった。

請求項１記載の発明は、前述の第３の手法である圧電体の厚みすべりモードでの検出を実現しつつ、基板や錘との接着が電極面を介さずに行なえるようにしたものである。即ち、加速度により慣性力が作用する錘と、圧電体と電極により構成され前記錘に接続される圧電素子とを有し、前記電極を前記圧電体の自発分極方向と平行に配置し、前記錘が前記圧電体の自発分極方向と垂直な面に連接させることで目的を達成した。

請求項２記載の発明は、圧電素子に曲げや伸縮モードの変形ではなく剪断応力による厚みすべりモードの変形を与える目的のものである。即ち、請求項１記載の錘を、複数の前記圧電素子に連接させることで実現した。

請求項３記載の発明は、測定方向の加速度を選択的に検出するためのものである。本発明の構造において、圧電体の自発分極方向を３軸（Ｚ軸）にとり、１軸（Ｘ軸）まわりと２軸（Ｙ軸）まわりの剪断応力に対する圧電コンポーネントがｄ１５＝ｄ２４でかつそれ以外のｄ１ｍ（ｍ＝１，２，３，４，６）とｄ２ｎ（ｎ＝１，２，３，５，６）が０であれば、電極面の法線方向の加速度のみを検出することが可能となる。即ち、請求項１および請求項２記載の圧電素子を構成する圧電体を、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材料で構成することで実現した。表１に４ｍｍまたは６ｍｍ圧電コンポーネントｄｉｊを示す。

請求項４記載の発明は、複数の圧電素子を容易に直列接続せしめる構造を実現するためるものである。即ち、請求項１から３記載の加速度センサであって、前記圧電素子がその電極面を互いに平行となる様に複数配置し、かつ素子を直列に接続することで目的を達成した。

請求項５記載の発明は、製造工程の簡素化と工数減を実現するものである。即ち、請求項４記載の加速度センサであって、板厚方向に分極された圧電体板に溝加工を施すことで前記圧電素子を複数配置させることで目的を達成した。

請求項６記載の発明は、更なる出力電圧の増大や差動出力での増幅を可能とするために直列接続された圧電体列を複数設ける目的のものである。即ち、請求項４および５記載の加速度センサであって、前記電極面の法線方向に前記溝より深い分割溝を複数形成することで、直列された圧電素子列を複数形成して実現した。

本発明によれば、簡便な工程で圧電素子を複数形成しかつ直列接続できるため、量産性に優れた高感度の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（５Ｄ系）を用いた。圧電定数ｄ１５（＝ｄ２４）が約８００ｐＣ／Ｎで、厚み方向に分極処理された板厚０．８ｍｍの圧電体板を用いた。無論、強誘電体ではないが圧電コンポーネントの独立性がまったく等しい点群６ｍｍに分類されるＺｎＳ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，ＡｌＮなどの圧電材料であっても、単結晶材料や配向材料（膜）を用いることで原理的には応用可能である。

さらに、加速度検出の指向性を重視しないならば、特に点群６ｍｍや４ｍｍの圧電体に拘る必要は無く、１５モードないし２４モードの厚み滑りで圧電気を生じる物質ならば何れの物質でも良い。

なお、本圧電体のキュリー温度は約３００℃であったが、後述の電極形成工程や接着工程において、プロセス温度は概ね１００℃以下に管理する必要がある。少なくとも、分極処理後のエージング温度を上回ってはならない。

慣性力を受ける錘については、熱歪の防止と密度の大きさ（約８，０００ｋｇ／ｍ３）の観点より、同一材料のＰＺＴを用いることとした。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、電極３０との絶縁を考慮する必要がある。

図１は実施例１に係わる加速度センサ１０の概略構成を示した図である。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、加速度の検出方向をＹ軸，紙面手前方向がＸ軸となる直交座標系を用いる。

厚み方向に分極された直方体形状の圧電体４１の自発分極方向に平行な１対の側面に電極３０を形成する。次に、非導電性の基板５０に分極方向と垂直な面を接着剤（図示せず）により固定し、反対側の面に剛体である錘２０を接着すると本発明の基本となる加速度センサ１０が構成される（図１（ａ）参照。）。

次に、この加速度センサ１０をＹ軸＋方向に加速度αで運動させると、質量ｍの錘２０には慣性力ｍαが働き、圧電体４１と錘２０の接合面に剪断応力が生じる。その結果、Ｘ軸まわりの剪断変形（厚み滑り）が生じて圧電気を生じる（図１（ｂ）参照。）。

ここで圧電体４１の外形寸法を厚みＷ／２（Ｚ軸方向），幅Ｗ（Ｙ軸方向）,奥行きＷ（Ｘ軸方向）として、従来例の図６と同一条件で比較すると、本実施例では従来例と比較して出力電圧が約２倍，圧電素子４０の静電容量が約０．２５倍，電荷量が０．５倍になることが明らかとなった。

前記実施例１においては圧電素子４０に対して錘２０が単独で連接しているため、基板５０で支持される片持ち梁の構成となっている。従って、正確には剪断変形だけではなく曲げモーメントも圧電素子４０に作用するため、加速度検出のリニアリティーを悪化させる恐れがある。

また、１ユニットの圧電素子４０の出力電圧は小さいものであるが、複数の圧電素子４０を直列接続できれば出力信号の増大を図ることができる。これらの課題を解決する実施例２を以下に説明する。

板厚方向に分極処理を施された圧電体プレート４２の所定の部分にドライフィルム１２をラミネートする。（図２（ａ）参照。）次に、ダイシングソーを用いて溝幅約１００μｍ，溝深さ約２００μｍの壁形成溝１４をＸ軸方向に形成し、Ｙ軸方向に２００μｍピッチで送りながら壁形成溝１４を複数形成すると図２（ｂ）の状態となる。

純水による流水超音波洗浄後に充分乾燥を行い、Ａｒガスによるスパッタリング法により密着層のＴｉを０．１μｍ（平坦部析出換算）成膜後、真空破壊することなく導電層のＡｕを０．３μｍ（平坦部析出換算）を連続成膜する。次いで、有機溶剤によりドライフルムを膨潤剥離して圧電素子４０の自由端面の金属をドライフィルム１２ごとリフトオフする。

この電極形成とリフトオフ工程により、複数の圧電素子４０の電極３０と、電極面が平行である隣接する圧電素子４０を直列接続するブリッジ電極３１および信号出力を取り出す電極端子３２を同時形成することができる。

リフトオフ工程後に外周４面に付きまわった電極材料を除去するため、再びダイシングソーにより外周４辺（側面）近傍を薄切すると、図２（ｃ）に示した圧電素子アレイ４３が完成する。なお、図２（ｃ）中に一点鎖線で示したＡ-Ａ’断面詳細の一部を図２（ｄ）に示した。

次に、錘２０に薄くエポキシ系の接着剤（図示せず）を塗布し、圧電素子アレイ４３の自由端壁に接着し硬化させる。完成した本実施例２による加速度センサ１０の構成図を図３（ｅ）に示し、図中のＢ‐Ｂ’断面図を図３（ｆ）に示す。このような構成とすることで、図３（ｇ）の回路図に示すような圧電素子４０を高密度に直列接続した圧電素子アレイ４３を作製することができ、出力電圧の高い高感度の加速度センサ１０が得られた。

なお、本実施例２では基板５０を設けずに圧電体プレート４２に支持機能を具備させたが、別途、基板材料に薄い圧電体プレート４２を貼り付けてから用いてもよい。

前記実施例２では、圧電素子４０を１列に直列接続した加速度センサを説明したが、実施例３では複数の圧電素子アレイ４３が形成された加速度センサについて説明する。

前記実施例２の工程の途中であり、図２（ｆ）に示した錘２０の接着前の圧電素子アレイ４３からの実施方法を図４および図５を用いて説明する。

図４（ａ）に実施例２の圧電素子アレイ４３とＸＹＺ直行座標系の関係を示した。壁形成溝１４と直行するＹ軸方向に、壁形成溝１４より切り込み量の大きい、即ち溝深さが深い電極切断溝１６を１溝以上形成すると、図４（ｂ）に示したようなＸ軸方向に圧電素子アレイ４３が複数形成された圧電素子アレイユニット４４が完成する。図４（ｂ）の正面図（−Ｘ軸方向）を図４（ｃ）に、側面図（Ｙ軸方向）を図４（ｄ）に示した。

前記実施例と同様に錘２０を接着すると、実施例３による加速度センサ１０（図５（ａ）参照）が完成する。なお、図５（ｅ）に一点鎖線で示したＢ‐Ｂ’断面図を図５（ｆ）に示してある。本実施例の加速度センサ１０の等価回路を図５（ｇ）に示した。

次に、複数の圧電アレイ４３を直列に接続すれば、例えば図５（ｇ）においてＢ１とＡ２，Ｂ２とＡ３，・・・・，Ｂｎ−１とＡｎを接続することで、Ａ１端子とＢｎ端子間には図３（ｇ）で示した圧電素子アレイ４３（１列）のときの約ｎ倍の出力電圧を取り出せる加速度センサが得られた。

また、例えばＡ２端子とＢ１端子を接続して接地し、Ａ１端子とＢ２端子間に発生する電圧を差動増幅することで、出力電圧が高いだけでなく同相ノイズが除去されたｓ／ｎの高い出力信号を取り出せる加速度センサが得られた。

本発明の実施例１による加速度センサを説明する図である。 本発明の実施例２による加速度センサを説明する図である。 図２に続き本発明の実施例２による加速度センサを説明する図である。 本発明の実施例３による加速度センサの構成を示す図である。 図４に続き実施例３による従来例を説明する図である。 従来例を説明する図である。

符号の説明

１０ 加速度センサ
１０’加速度センサ
１２ ドライフィルム
１４ 壁形成溝
１６ 電極切断溝
２０ 錘
３０ 電極
３１ ブリッジ電極
３２ 電極端子
４０ 圧電素子
４１ 圧電体
４２ 圧電体プレート
４３ 圧電素子アレイ
４４ 圧電素子アレイユニット
５０ 基板

Claims (6)

1. 加速度により慣性力が作用する錘と、
   圧電体と前記圧電体を挟持する一対の電極とから構成され、前記錘に接続される圧電素子と、を有し、
   前記電極が前記圧電体の自発分極方向と平行に配置され、
   前記錘が前記圧電体の自発分極方向と垂直な面に連接されている加速度センサ。
2. 前記錘が、複数の前記圧電素子に連接されている請求項１に記載の加速度センサ。
3. 前記圧電素子を構成する前記圧電体が、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している請求項１または２に記載の加速度センサ。
4. 前記圧電素子がその電極面を互いに平行となる様に複数配置されかつ素子が直列に接続されている請求項１から３のいずれか一項に記載の加速度センサ。
5. 板厚方向に分極された前記圧電体に溝加工を施すことで前記圧電素子が複数配置されている請求項４に記載の加速度センサ。
6. 前記電極面の法線方向に前記溝より深い分割溝を複数形成し、直列された圧電素子列が複数形成されている請求項４または５に記載の加速度センサ。

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