JP4333883B2 - モーションセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加速度、傾斜、角速度等の検出に用いられるモーションセンサ及びその製造方法に関する。

モーションセンサは、加速度、角速度、傾斜などを検出するセンサで、用途としては、自動車の衝突検出、ＨＤＤ落下検出、ゲーム機など様々ある。その方式としては、ピエゾ抵抗型、静電容量型、圧電型があり、小型のもので製品化されているのは、ＭＥＭＳ技術を用いて製作可能なピエゾ抵抗型と静電容量型である。
ピエゾ抵抗型、静電容量型は、加速度に対してそれぞれ、抵抗値変化、静電容量変化として信号を出力する。そのため、抵抗値または静電容量を電圧に変換する回路が必要となる。一方、圧電型は、加速度に対して電圧で信号を出力するため、電圧変換回路が不要である。

従来、この種の圧電型の角速度センサとして、励振兼コリオリの力検出用の圧電セラミックスに複数の電極パターンが形成され、その圧電セラミックスが、梁である金属板に接着剤にて貼り付けられた構成の２軸の角速度センサがある（例えば、特許文献１参照）。また、梁の中央部に錘を取り付けることにより、感度を向上させたものもある（例えば、特許文献２参照）。さらに、錘を周回運動させることにより、３軸の角速度センサを検出できるようにしたものもある（例えば、特許文献３参照）。そのほかに、梁と圧電膜を兼用させ、更に錘を圧電膜の上下対象に配置して、Ｓ／Ｎを改善させたものもある（例えば、特許文献４参照）。
特開平８−１６６２４３号公報 特開平８−２０１０６７号公報 特許第３５８５９８０号公報 特開２００１−１２４５６２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、圧電膜がセラミックスで構成されているので、衝撃等で大きな変形が発生すると割れるという課題を有していた。また、圧電膜の感度が低いという課題もあった。また、圧電セラミックスの微細加工や位置合わせ・組立ての精度を上げることは困難であり、これを行なう場合には、工程が複雑になったり高価な装置が必要であった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、構造が簡単で、製造工程が少なく、低コスト化が容易で、しかも耐衝撃性が高いモーションセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のモーションセンサの製造方法は、平板状の基板にその表面から窪む凹部を形成する第１工程と、前記基板の表面及び凹部内にわたって犠牲層を成膜する第２工程と、前記基板の表面が露出するように、当該表面上の前記犠牲層を研削及び研磨のうち少なくとも一方により除去することで、前記凹部内の前記犠牲層が前記基板の表面と共に同一平面をなす第３工程と、前記基板の表面及び前記犠牲層上にわたって、基端部が前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨む梁を導電性材料により形成する第４工程と、前記凹部内の前記犠牲層を除去する第５工程と、蒸着重合法により、前記梁の上及び前記基板の上にわたって、有機圧電材料からなる圧電膜を成膜する第６工程と、蒸着法により、前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に金属材料からなる電極を成膜する第７工程とを順番に実施し、前記第４工程において、前記梁の基端部がＶ字状に分岐して二つの分岐端部として形成され、前記第５工程と前記第６工程との間に、一方の分岐端部をマスクで保護し、前記第７工程後に、前記マスクを除去して前記一方の分岐端部を露出させることを特徴とする。
すなわち、圧電膜に有機材料を用いることで、耐衝撃性に非常に優れたセンサを製作することができる。

そして、前記第４工程と前記第５工程との間に、前記梁の先端部上に錘を形成することがさらに好ましい。

また、本発明のモーションセンサは、表面から窪む凹部が形成された基板と、基端部が前記凹部の周辺に位置する前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨ませられることで、前記基板に片持ち状態に支持された梁と、当該梁に設けられた錘とを備え、前記梁が導電性材料からなり、前記梁の上及び前記基板の上にわたって有機圧電材料からなる圧電膜が形成され、前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に電極が形成され、前記梁の基端部がＶ字状に分岐され、一方の分岐端部では前記梁が外方に露出し、他方の分岐端部における前記梁の上面には前記圧電膜及び前記電極が重ねて形成されていることを特徴とする。
すなわち、圧電膜に有機材料を用いることで、耐衝撃性に非常に優れたセンサを製作することができる。また、梁を片持ち状態に支持することにより、１軸加速度を検出することができる。

また、前記有機圧電材料がポリ尿素であるとよく、蒸着重合法と呼ばれる完全ドライプロセスで製作可能であり、薄膜化、膜厚制御、任意形状への成膜が容易になり、現在のピエゾ抵抗型や静電容量型のセンサと同等のサイズのセンサを製作できる可能性がある。
さらに、前記錘は前記梁の先端部上に固着されていてもよい。

本発明のモーションセンサは、有機圧電膜を用いたことにより耐衝撃性が高く、これをポリ尿素を含む構成とすると、蒸着重合法と呼ばれる完全ドライプロセスで製作可能になり、薄膜化、膜厚制御、任意形状への成膜が容易になる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１実施形態のモーションセンサ構造）
この実施形態のモーションセンサ１は、３軸加速度検出装置に用いられるものであり、図１及び図２に示すように、基板２と、その基板２に支持された平板状の梁３と、この梁３の中央部に設けられた錘４と、梁３の上面のほぼ全面に形成された圧電膜５と、この圧電膜５の上に形成された４個の電極６Ａ〜６Ｄとを備える構成とされている。
前記基板２は、例えば硼珪酸ガラスにより、正方形の枠状に形成され、中央部に開口部７が形成されている。
前記梁３は、基板２の外形と同じ正方形の厚さが例えば５μｍの板状に形成され、基板２の上面に、その開口部７を覆うように固着されている。この梁３の材料としては、Ｎｉが用いられるが、Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のＮｉ合金でも良い。

前記錘４は、梁３の上面に固着された上部錘４Ａと、梁３の下面に固着された下部錘４Ｂとからなり、これら両錘４Ａ、４Ｂが梁３の中央部を上下に挟持するように配置されている。この場合、上部錘４Ａと下部錘４Ｂとで質量が異なるように設定されており、例えば、これら両錘４Ａ、４Ｂを合わせた重心Ｇが梁２の中心から下方にずれて配置されるようになっている。その上部錘４Ａは、例えば前記梁３と同じ材料であるＮｉやＮｉＦｅ等のＮｉ合金が用いられ、下部錘４Ｂは、例えば前記基板２と同じ材料である硼珪酸ガラスが用いられる。なお、上部錘４Ａは平面視が正方形に形成されており、その中心を基準に図１に示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とする。

前記圧電膜５は、ポリ尿素からなる有機圧電膜であり、例えば１μｍ程度の厚さに形成されている。
前記電極６Ａ〜６Ｄは、梁３の上面における錘４Ａの回りに該錘４Ａを中心とする点対称に４個形成されている。この場合、各電極６Ａ〜６Ｄは、ほぼ方形に形成されるとともに、錘４を介して２個ずつが対峙するようにかつ正方形の梁３のＸ軸及びＹ軸上に並んで配置されている。この電極６Ａ〜６Ｄは、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、ＡｌＳｉ等の導電材料により、圧電膜５の上面に例えば１０００Åの厚さでそれぞれ形成されている。

（第１実施形態のモーションセンサの製造方法）
次に、このように構成したモーションセンサ１の製造方法について説明する。
図３から図１７は、その製造方法を工程順に示す断面図である。
まず図３に示すように基板２を用意する。
次に図４に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて第１のレジスト１１からなる所望のパターンを形成する。

次に図５に示すように、前記第１のレジスト１１をマスクにして、前記基板２をエッチングすることにより開口部７となる凹部１２と下部錘４Ｂとなる凸部１３を形成する。例えば、ＣＦ_４ガスを用いて反応性イオンエッチングを用いて前記基板２に異方的にエッチングを行う。例えば２００μｍの深さまでエッチングするが、エッチングの深さ方向に幅が狭くなるようにエッチングする。
次に図６に示すように、前記第１のレジスト１１を有機溶媒で除去する。

次に図７に示すように、基板２の上面に前記凹部１２及び凸部１３の表面も含めて第１のメッキシード層１４を成膜する。例えば前記第１のメッキシード層１４として、Ｃｕをスパッタ法にて３０００Å成膜する。
次に図８に示すように、犠牲層１５を前記第１のメッキシード層１４上に成膜する。前記犠牲層１５として例えば、Ｃｕを厚さ３００μｍ電解メッキを用いて成膜する。
次に図９に示すように、研削、研磨のうち少なくとも一方を用いて、基板２上の前記犠牲層１５及び前記第１のメッキシード層１４を除去し、前記基板２の表面を露出させる。

次に図１０に示すように、表面に露出している前記基板２及び前記犠牲層１５の上に梁３となる第２のメッキシード層（以下では梁と同じ符号３とする）を成膜する。この第２のメッキシード層３は、例えば、Ｎｉをスパッタ法を用いて５μｍ成膜する。Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のＮｉ合金でも良い。
次に図１１に示すように、前記基板２の裏面から研削、研磨の少なくとも一方を行い、前記第１のメッキシード層１４（又は犠牲層１５）を露出する。この工程により、前記凸部１３は下部錘４Ｂとして形成される。
そして、図１２に示すように、第２のメッキシード層３の上にフォトリソグラフィー技術で前記凸部１３の上方に空間を形成するように第２のレジスト１６からなる所望のパターンを形成する。

次に図１３に示すように、前記第２のレジスト１６をマスクにして、前記梁３（第２のメッキシード層）上に上部錘４Ａを形成する。例えば、Ｎｉを電界メッキ法にて５０μｍ成膜する。Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のＮｉ合金を用いても良い。
次に図１４に示すように、前記第２のレジスト１６を有機溶剤で除去する。
次に図１５に示すように、前記梁３及び上部錘４Ａの上に圧電膜５の層を成膜する。この圧電膜５の層としては、例えば蒸着重合法を用いて、ポリ尿素を１μｍの厚さを成膜する。
このようにしてポリ尿素による圧電膜５の層を形成した後、図１６に示すように、前記圧電膜５の層の上に電極の層１７を成膜する。この電極の層１７としては、例えば、Ａｌを蒸着法にて１０００Å成膜する。Ａｌの代わりに、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、ＡｌＳｉ等を用いても良い。

次に図１７に示すように、電極の層１７の上にフォトリソグラフィー技術で第３のレジスト１８からなる所望のパターンを形成する。
次に、この第３のレジスト１８をマスクにして露出した電極の層１７を除去することにより、図１８に示すように、前記電極６Ａ〜６Ｄを複数、この場合は４個のパターンに分離し、最後に、前記犠牲膜１５、第１のメッキシード層１４及び第３のレジスト１８を除去すると、下部錘４Ｂが梁３（第２のメッキシード層）の中央に形成される。なお、図１では省略したが、この図１８では圧電膜５は上部錘４Ａの表面にも形成されている。
この状態で、電界と温度をかけて前記圧電膜５を分極させる。例えば、前記電極６Ａ〜６Ｄに引き出し配線１９を導電ペースト２０等を用いて接続し、前記引き出し配線１９を用いて、前記圧電膜５に電圧を８０Ｖ印加するとともに、例えば１８０℃まで加熱することにより、分極化して圧電膜５となる。
このように本実施形態のモーションセンサであると、静電容量型に比べて、浮き電極構造を必要としないため、ＭＥＭＳプロセスが簡素かつ低コストなものとなる。

なお、前記梁は、Ｎｉ等の導電性材料を用いて形成することにより、圧電膜に対する下側電極として機能させたが、この梁をポリイミド樹脂等の絶縁材料を用いて形成してもよく、その場合には、梁の上に導電性材料からなる電極層を形成して、その上に圧電膜を形成すればよい。また、基板をエッチングする際に下部錘の部分をテーパー形状にせず、ストレートに形成してもよい。
さらに、この錘として、上部錘と下部錘とを梁の上下に配設した構成としたが、下部錘だけを設ける構成でもよい。

（ポリ尿素圧電膜の成膜方法）
この一連の製造工程中におけるポリ尿素からなる圧電膜の層を成膜する方法について詳細に説明すると、このポリ尿素の成膜には蒸着重合法を用いる。芳香族ジアミン（４，４´−ジアミノジフェニルエーテル（ＯＤＡ））と芳香族ジイソシアナート（４，４´ジフェニルメタンジイソシアナート（ＭＤＩ））を真空中でそれぞれ加熱して蒸発させ、基板上に蒸着させる。
［化１］にＯＤＡとＭＤＩの縮重合反応を示す。蒸着直後のポリ尿素はオリゴマーと呼ばれる同種の分子が数個〜数十個結合した重合体である。この時に電界を印加した状態で加熱すると約８０℃からオリゴマー同士が重合反応を起こし１００℃で数分加熱するとほぼ重合が終わり高分子膜となり、配向が固定され圧電性が発現する。

図１９にポリ尿素及び電極の蒸着のための装置を示す。この例の蒸着装置２１では、ポリ尿素の成膜と電極の蒸着を一貫して行うため、ポリ尿素蒸着槽２２と電極蒸着槽２３とを備えた２槽式蒸着装置とされている。
ポリ尿素蒸着槽２２において、ＯＤＡとＭＤＩとそれぞれ加熱、蒸発させ、上方に配置した基板２上に蒸着する。ポリ尿素を良好な圧電膜とするためにはモル比１：１でＯＤＡとＭＤＩを供給する必要があることが確認されている。ここで用いる蒸着装置２１においては、ＯＤＡ及びＭＤＩの加熱温度はそれぞれ６２℃、１２２℃とすることで、モル比１：１でＯＤＡとＭＤＩを供給できることが確認されている。基板２の温度は、基板２上部に設置したペルチェ素子２４により１５〜１８℃に制御されている。
一方、電極蒸着槽２３では、電子ビームを用いてＡｌ電極を蒸着する。

ポリ尿素及びＡｌ電極の形状は基板２下部に設置したマスク２５，２６により制御されている。また、蒸着速度はＵＬＶＡＣ社製水晶発振式成膜コントローラ（ＣＲＴＭ−１０００）でモニターした。ポリ尿素の蒸着速度は２〜３Å／ｓ、Ａｌ電極は５〜１０Å／ｓである。基板は搬入されてから取り出されるまで、それぞれの蒸着槽２２、２３を真空を保ったまま移動でき、Ａｌ電極の蒸着とポリ尿素膜の蒸着を一貫して行うことができる。
なお、図１９において、符号２７は蒸着金属の量を計測する水晶発振子マイクロバランス（Ｑｕａｒｔｚ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）、符号２８は基板を搬送するベルトコンベア、符号２９は搬出入室、符号３０は各蒸着槽及び搬出入室を区画するためのシャッターを示す。

ＰＶＤＦなどの圧電性有機材料は、ウェットプロセスで作製されるため、形状制御が困難であるとともに、バッチプロセス化が困難などの問題があるが、ポリ尿素は、圧電性の有機材料のひとつであり、蒸着重合法と呼ばれる完全ドライプロセスで作製される。従って、薄膜化、膜厚制御、任意形状への成膜が容易になり、現在のピエゾ抵抗型や静電容量型のセンサと同等のサイズのセンサを製作できる可能性がある。
また、感度も高く、例えば、ポリ尿素の圧電定数ｇ２８０×１０^−３［Ｖｍ／Ｎ］は、セラミックス圧電膜ＰＺＴ−４の圧電定数ｇに比べて、１桁以上大きなものとなる。

（加速度の検出原理）
このように構成したモーションセンサ１において、梁３は、中央部に開口部７を有する基板２に支持されているので、いわゆる両持ち状態に支持されることになり、梁３の中央部を上下に変位させるようにして撓むことができる。
この梁３が下方に向けて凸となるように撓む場合、図２０（ａ）にモデル化して示したように梁３の上面の圧電膜５には圧縮応力が作用する。この圧縮応力による圧電膜５上面の電極６の出力を＋とする。一方、梁３が上方に向けて凸となるように撓む場合には、図２０（ｂ）に示すように梁３の上面の圧電膜５には引っ張り応力が作用する。この引っ張り応力による圧電膜５上面の電極６の出力を−（マイナス）とする。

このような梁３の変形により３軸加速度を検出する原理について説明する。
図１に示すモーションセンサ１において、梁３の錘４を中心とするＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を図のように規定する。
まず、図１のＸ方向に加速度が加わった場合、上下の錘４Ａ、４Ｂの質量の相違により重心Ｇが梁３の中心よりも下方に配置されているため、梁３は図２１（ａ）に示すように変形する。すなわち、錘４の重心位置ＧはＸ方向に対して反対の−（マイナス）方向に移動し、このＸ方向に沿って錘４の両側に配置される圧電膜５の一方の部分（Ｘ方向に対して＋側の部分）には圧縮応力が働き、その部分に形成されている電極６Ａには＋の電荷が生じ、出力電圧は＋となり、錘４に対して圧電膜５の他方の部分（Ｘ方向に対して−（マイナス）側の部分）には引っ張り応力が働き、その部分の上の電極６Ｃには−（マイナス）の電荷が生じ、出力電圧は−（マイナス）となる。なお、Ｙ方向に沿う錘４の両側の部分には応力が働かず、その上の両電極６Ｂ，６Ｄの出力電圧は０となる。各電極６Ａ〜６Ｄの出力電圧を図２１（ｂ）に示す。

一方、Ｙ方向に加速度が加わった場合は、そのＹ方向に沿って錘４の両側に配置される圧電膜５の一方の部分に圧縮応力、他方の部分に引っ張り応力、Ｘ方向に沿って錘４の両側に配置される部分には応力が働かず、したがって、各電極６Ａ〜６Ｄの出力電圧は、順に、０、＋、０、−となる。
また、Ｚ方向に加速度が加わった場合は、Ｚ軸の＋方向の加速度の場合は、図２２（ａ）に示すように、錘４がＺ軸の−（マイナス）方向に移動して梁３が下方に向けて凸となるように撓むことにより、その梁３の上の圧電膜５には圧縮応力が働き、その上の各電極６Ａ〜６Ｄには＋の電荷が生じ、出力電圧は図２２（ｂ）に示すように全て＋となる。Ｚ軸の−（マイナス）方向の加速度の場合は、各出力電圧は全て−（マイナス）となる。
このように梁３の変形の方向と大きさを検出することにより、３軸の加速度を検出することができる。

（３軸加速度検出装置）
図２３には、３軸加速度を検出するための加速度検出装置を示す。
この加速度検出装置３１は、図１に示すモーションセンサ１において、Ｘ軸に沿う電極６Ａ，６Ｃ間の差動回路３２を有するＸ軸加速度検知部３３と、Ｙ軸に沿う電極６Ｂ，６Ｄ間の差動回路３４を有するＹ軸加速度検知部３５と、すべての電極６Ａ〜６Ｄの加算回路３６を有するＺ軸加速度検知部３７とを備えた構成とされ、各軸の加速度を独立して検出することができるようになっている。すなわち、これら差動回路３２，３４、加算回路３６、各加速度検知部３３，３５，３７により出力検知手段３８が構成される。
図２４は、この加速度検出装置３１において各軸の加速度による電極６A〜６Dの出力電圧を示しており、表中の「±」は上段が各軸の＋方向に加速度が作用した場合、下段が−（マイナス）方向に作用した場合を示している。
このように、この加速度検出装置は、各電極の出力電圧から加速度の３軸の向き、大きさを的確に検出することができる。

（第２実施形態のモーションセンサ構造）
図２５及び図２６は、第２実施形態のモーションセンサを示している。以下、前記第１実施形態の構成要素と同じ部分には同一符号を付して説明を簡略化する。
この実施形態のモーションセンサ４１は、１軸加速度検出装置に用いられるものである。このモーションセンサ４１においては、基板４２と、その基板４２に支持された梁４３と、梁４３の上面に形成された絶縁膜４８と、この絶縁膜４８の上に形成された下側電極４９と、この下側電極４９の上に形成された圧電膜４４と、この圧電膜４４の上に形成された電極４５とを備える構成とされている。前記３軸加速度検出用の場合は梁３は両持ち状態に支持されていたのに対して、この１軸加速度検出用の場合は、梁４３は基板４２に片持ち状態に設けられている。
すなわち、基板４２は、図示例の場合は、枠体部４６の一つの辺に、中央の開口部４７に延びるように前記梁４３が一体に形成され、その梁４３の上にポリイミドのフィルムからなる絶縁膜４８を介して下側電極４９が形成され、この下側電極４９の上にポリ尿素からなる有機圧電膜４４が形成され、この有機圧電膜４４の上面に上側の電極４５が形成されている。
また、図２６に示すように、梁４３は下側電極４９よりも突出していることにより、その突出端部４３ａが錘として機能するようになっており、この錘４３ａによって梁４３が上下に動くことにより、梁４３の基端部に歪が発生し、その基端部付近に大面積で設けられた圧電膜４４によってその歪を容易に検出することができるものである。
この例のように、錘は梁の上又は下に設けてもよいし、梁の延長上に設ける構成としてもよい。

（第２実施形態のモーションセンサの製造方法）
このモーションセンサ４１を製造する場合は、ポリイミドのフィルム４８上に電極４９、圧電膜４４、電極４５を積層した後、そのポリイミドのフィルム４８を基板４２に貼り付けることにより製造される。
すなわち、厚さ２５μmのポリイミドのフィルム４８に下部Ａｌ電極４９を０．１μmの厚さで蒸着する。その上にポリ尿素の圧電膜４４を３．５μmの厚さで形成し、上部Ａｌ電極４５を１μmの厚さで蒸着する。ポリ尿素が圧電膜４４として機能する範囲は上部電極４５と下部電極４９とが重なる範囲である。製作した素子５０をバネ性を持つベリリウム銅からなる片持ちの梁４３の固定部付近に接着し加速度センサとする。

ポリ尿素の圧電膜の分極にはエレクトレット法を適用した。図２７に分極装置５１のモデル例を示す。製作した素子５０を絶縁用タイル５２の上に設置し、Al電極４９、４５間に８０Ｖ／μmの直流電圧を印加した。高圧直流電源５３にはＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製ＨＩＧＨ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥＭＥＴＥＲ（４３３９Ａ）を使用した。また、タイル５２に熱電対５４を設置して、温度コントローラ５５によって分極処理時の温度を制御した。ポリ尿素の耐熱温度（２００℃）とポリイミドの耐熱温度（４００℃）とを考慮し、分極温度は１８０℃とし１０分間保持する。

（第２実施形態のモーションセンサの動作検証）
このモーションセンサ４１に加速度を付与すると、梁４３の変形とともに圧電膜４４が変形するので、この変形により電極４５，４９から電圧が出力される。その動作検証のために、以下のような実験を行った。
１軸加速度検出用モーションセンサ４１を図２８に示す測定装置６１に固定し、衝撃を与えて衝撃加速度を印加した。
この測定装置６１では、ジグ６２の間にモーションセンサ４１を挟み、ＥＭＩＣ社製加振器（５１２−Ｄ／Ａ）６３にＮＦ社製発振器（ＷＦ１９６６）６４を用いて正弦波を入力し、ポリテック社製レーザドップラ振動計（ＣＬＶ１０００）６５を用いてセンサジグ６２の振動速度を測定し、測定した値から振動加速度を算出する。印加する振動加速度が１ｇ（９．８m／ｓ²)で一定となるように、発振器６４及びアンプ６６の出力を調整した。符号６７はオシロスコープを示す。

図２９に衝撃加速度をＺ軸方向に印加した時のモーションセンサ４１の出力電圧を示す。図中Ａが印加した衝撃加速度を示す。この衝撃に対して電圧が出力されており、加速度が検出できていることが分かる。
図３０には、この図２９に示された減衰振動のＦＦＴ解析結果を示す。ＦＦＴ解析は、図２９に示す時間波形の０．０３〜０．０３１ｓの範囲に適用した。機械的共振周波数は約３２０Ｈｚであった。
図３１にモーションセンサ４１の周波数特性を示す。共振周波数は３１３Ｈｚであり、図３０のＦＦＴ解析結果からの得られた共振周波数とほぼ一致している。また非共振周波数での出力電圧は約１０ｍＶ／ｇであった。

（第３実施形態のモーションセンサ構造）
図３２及び図３３は第３実施形態のモーションセンサを示している。
この実施形態のモーションセンサ７１も、１軸加速度検出用であり、基板７２と、その基板７２に片持ち状態に支持された導電性材料からなる梁７３と、この梁７３に設けられた錘７４と、梁７３の上面に形成された圧電膜７５と、この圧電膜７５の上に形成された電極７６とを備える構成とされている。

具体的には、基板７２は平板状に形成され、その周辺部を枠状に残して、中央部に凹部７７が形成されており、その基板７２の辺の一部に、メッキシード層７８を有する梁７３の基端部が固着され、該梁７３の先端部は凹部７７の上方に臨ませられている。そして、この梁７３の先端部上に錘７４が固着されているとともに、少なくとも梁７３の上面にポリ尿素からなる有機圧電膜７５が形成され、有機圧電膜７５の上面に電極７６が形成されている。
この場合、梁７３は、その基端部がＶ字状に分岐されており、その分岐端部７３ａ，７３ｂの一方では梁７３が露出され、この露出状態の梁７３の分岐端部７３ａと、他方の分岐端部７３ｂにおける梁７３の上面の電極７６とがそれぞれ外部の検出回路に接続される。
すなわち、この例では、梁７３が導電性材料からなり、この梁７３及びメッキシード層７８が圧電膜７５に対する下側電極を兼ねた構成とされている。

（第３実施形態のモーションセンサの製造方法）
図３４に示すように、例えばガラスセラミックスからなる基板７２に凹部７７を形成する。
次に、図３５に示すように、第１のメッキシード層８１を成膜する。この第１のメッキシード層８１として、例えばＣｕをスパッタ法にて３０００Å成膜する。また、前記第１のメッキシード層８１を成膜する前に密着層として、Ｃｒを５００Aを成膜しても良い。
次に、図３６に示すように、犠牲層８２を前記第１のメッキシード層８１上に成膜する。前記犠牲層８２として、例えばＣｕを厚さ３００μｍで電解メッキを用いて成膜する。
次に図３７及び図３８に示すように、研削、研磨のうち少なくとも一方を用いて、基板７２上の前記犠牲層８２及び前記第１のメッキシード層８１を除去し、前記基板７２の表面を露出させる。

次に図３９に示すように、第２のメッキシード層８３を前記基板７２、前記犠牲層８２及び前記第１のメッキシード層８１上に成膜する。この第２のメッキシード層８３としては、例えばＮｉをスパッタ法を用いて５μｍ成膜する。Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のＮｉ合金でも良い。
次に図４０に示すように、前記基板７２上に第１のレジスト８４を所望のパターンで形成する。
次に図４１に示すように、前記第１のレジスト８４をマスクにして、梁７３を第２のメッキシード層８３上にメッキする。この梁７３としては、例えばＮｉを電界メッキ法にて５０μｍ成膜する。Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のNi合金を用いても良い。この梁７３は図４２に示すように、基端部がＶ字状に分岐して、二つの分岐端部７３ａ，７３ｂが形成されている。

そして図４３に示すように、前記第１のレジスト８４を有機溶剤で除去する。
次に図４４に示すように、フォトリソグラフィー技術で第２のレジスト８５を梁７３の先端部を除く所望のパターンに形成する。
そして図４５及び図４６に示すように、前記第２のレジスト８５をマスクにして、前記梁７３上に錘７４をメッキする。この錘７４としては、例えばＮｉを電界メッキ法にて５０μｍ成膜する。Ｎｉの他に、ＮｉＦｅ等のＮｉ合金を用いても良い。
次に図４７に示すように、前記第２のレジスト８５を有機溶剤で除去する。
尚、図４４から図４７の錘７４を形成する工程を省略しても良い。
次に図４８及び図４９に示すように、前記梁７３及び前記錘７４をマスクにして、不要な第２のメッキシード層８３を除去することにより、梁７３の下側に形成されるメッキシード層７８とする。
次に図５０及び図５１に示すように、前記犠牲膜８２及び第１のメッキシード層８１をウエットエッチングで除去すると、梁７３が片持ち状態に支持された構成となる。
尚、梁７３の片持ち状態が維持されるのであれば、梁７３の下方の部分で基板７２の一部（下部）を切断しても良く、図５０の鎖線で示す位置でダイサー等で切断することも可能である。

次に図５２及び図５３に示すように、梁７３の根元の分岐端部７３ａ，７３ｂの一方７３ａをマスク８４で保護した後、圧電膜７５を前記梁７３及び錘７４の上に成膜する。この圧電膜７５としては、例えば蒸着重合法により、ポリ尿素を１μｍの厚さで成膜する。このとき、梁７３や錘７４の上だけでなく、他の基板７２の上にも圧電膜７５が成膜される。
次に図５４及び図５５に示すように、前記圧電膜７５上に前記電極７６を成膜する。この電極７６としては、例えばＡｌを蒸着法にて１０００Å成膜する。Ａｌの代わりに、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、ＡｌＳｉ等を用いても良い。
そして、前記マスク８４を除去すると図３２及び図３３に示すように梁７３の一方の分岐端部７３ａが露出する。この露出した分岐端部７３ａと他方の分岐端部７３ｂの上の電極７６との間に、電界と温度をかけて前記圧電膜７５を分極させる。例えば、前記分岐端部７３ａと電極７６とに引き出し配線１９を導電ペースト２０（いずれも図３２，図３３参照）等を用いて接続し、前記圧電膜７５に電圧を８０V印加するとともに、１８０℃まで加熱することにより、圧電膜７５を分極する。

このようにして製造されたモーションセンサ７１は、フォトリソグラフィー等の工程が不要であるため、コストダウンを図ることができる。また、梁７３に対して有機圧電膜７５と電極７６とが自己整合的に位置合わせされ、位置ずれが発生しない。さらに、梁７３を片持ち状態に形成した後は、ドライプロセスであり、ウェットプロセス特有の水流による梁の変形や毛細管現象による接着（スティッキング）がないため、梁の変形による不良が少ないというメリットがある。
また、この工程を用いると、梁を先端部から見たときに、電極の幅が最も大きく、次いで有機圧電膜の幅、梁の幅の順となり、電極幅＞有機圧電膜の幅＞梁の幅の関係が成立することになる。

（回転速度検出装置）
速度Ｖで運動する質量Ｍの物体が角速度Ωで回転すると、速度Ｖと垂直の方向にコリオリの力Ｆｃが働く。フーコーの振り子は、振動している振り子に外部から回転を与えると、振り子は円を描きながら振れ出すが、これは振り子の振動方向に垂直な「コリオリの力」が働くからである。このコリオリの力Ｆｃは、Ｆｃ＝２ＭＶ・Ωで与えられる。
このコリオリの力を利用した回転速度検出装置が図５６である。
この回転速度検出装置９１は、図１及び図２に示した第１の実施形態のモーションセンサ１が用いられ、その４個の電極６Ａ〜６Ｄのうち、例えばＸ軸に沿って並ぶ二つの電極６Ａ，６Ｃの間に励振電圧印加手段として交流電源９２が接続され、他の二つの電極６Ｂ，６Ｄの間に、出力検知手段９３が接続され、この出力検知手段９３には差動回路９４と回転速度検出部９５とが備えられている。

この回転速度検出装置９１において、電極６Ａ，６Ｃ間に、図５７（ｂ）に入力Ｓ，Ｔで示したように交流電圧を入力すると、錘４の両側で圧電膜５が凹凸を逆にしながら図５７（ａ）に実線と鎖線で示したように交互に変形することにより、錘４を図５６の実線矢印Ａで示すようにＸ軸方向に振動させる。このとき、錘４にＺ軸周りの回転速度Ωｚが働くと、コリオリの力（Ｆｃ＝２Ｍ・Ｖ・Ω） により、破線矢印Ｂで示すようにＹ軸方向に振動が発生する。この振動に伴う電極６Ｂ，６Ｄの出力を差動で検出することにより、このコリオリの力を測定でき、結果として回転速度Ωｚが検出されるのである。
励振のための電極と検出のための電極をＸ軸、Ｙ軸逆にして用いても、同様にコリオリの力を測定でき、Ｚ軸周りの回転速度を検出することができる。

（２方向傾斜角検出装置）
図５８は傾斜角検出装置の実施形態を示している。
この傾斜角検出装置１０１に用いられるモーションセンサ１０２は、４個の電極１０３Ａ〜１０３ＤがいずれもＸ軸に沿って配置されており、錘４の両側に２個ずつ配置されている。そして、その外側の電極１０３Ａ，１０３Ｄ間に励振電圧印加手段として交流電源９２が接続され、内側の電極１０３Ｂ，１０３Ｃ間に、出力検知手段１０４として、差動回路１０５を介して傾斜角検出部１０６が接続されている。

この傾斜角検出装置１０１において、対向する2つの電極１０３Ａ，１０３Ｄに交流電圧を印加して生じる振動は、錘（上部錘及び下部錘）４の回転慣性と、この錘４が固着されている梁３の弾性とにより発生する。このとき、基板２にX軸方向に傾きを与えると、図５９に示すように、振動中心の軸ＨがX軸方向にθだけ傾くことになる。この軸Ｈの傾きにより前記梁３にバイアス応力がかかり、梁３、圧電膜５及び電極１０３Ａ，１０３Ｄの弾性が変化して図６０に示すように共振周波数が例えばＥからＦに変化する。この共振周波数の変化、つまり前記振動中心の軸Ｈの傾斜角θを検出用電極１０３Ｂ，１０３Ｃ間の差動から求めるのである。
なお、図６１に示す傾斜角検出装置１０７のようにＹ軸に沿って電極１０３Ａ〜１０３Ｄを並べて配置することにより、Ｙ軸方向の傾斜角を検出することができる。

（圧力検出装置）
図６２は圧力検出装置の実施形態を示している。
この圧力検出装置１１１は、検出部を除き図５６の回転速度検出装置と同様な構成とされている。すなわち、モーションセンサは図１及び図２のものと同じモーションセンサ１が用いられており、錘４を介して対向する２個の電極６Ａ，６Ｃ間に励振電圧印加手段として交流電源９２が接続され、他の２個の電極６Ｂ，６Ｄ間に出力検知手段１１２が接続され、この出力検知手段１１２は、差動回路９３を介して圧力検出部１１３が接続された構成とされている。

この圧力検出装置１１１において、交流電圧を印加して梁３に振動を生じさせた状態としておき、その状態で上部錘４Ａを触ると、共振電流が図６３の例えばＥからＪに減少したり共振周波数がＥからＦに変化するので、その変化を検出用の電極６Ｂ，６Ｄの出力の差動から求めることにより、錘４に接触した物体の圧力を検出することができる。
この場合、図６４に示す圧力検出装置１１５のように、このモーションセンサ１１６は、錘４とその周りの４個の電極６Ａ〜６Ｄとのユニットをアレイ状に複数配置した構成とすることにより、圧力の大きさや向きだけでなく、分布も検出することができる。この図６４中、励振電圧印加手段、出力検知手段の部分は図示を省略する。

（触覚制御装置）
また、図６２及び図６４の圧力検出装置１１１，１１５において、振動している錘４を触る場合、静止している錘４を触るときとは異なった「手触り感」がある。この手触り感は、振動の周波数の変化と入力電圧の強度とにより、変化させることができる。
図６５は、そのような触覚制御装置の実施形態を示しており、この触覚制御装置１２１は、図６２等と同じモーションセンサ１を用い、錘４を介して対向する２個の電極６Ａ，６Ｃ間に励振用の交流電源９２が接続され、他の２個の電極６Ｂ，６Ｄ間に、出力検知手段１１２として、差動回路９３を介して圧力検出部１１３が接続され、この圧力検出部１１３と交流電源９２との間に、検出結果に基づき入力を制御する制御部１２２が設けられた構成とされている。
この場合も、図６４の圧力検出装置１１５と同様に、錘４とその周りの４個の電極６Ａ〜６Ｄとのユニットをアレイ状に複数配置したモーションセンサ１１６を用いることにより、点字ディスプレイ状の触覚制御装置を構成することができる。
また、Ｘ軸、Ｙ軸の２つの振動を組み合わせて、上部錘４Ａ先端に楕円振動軌跡となるような振動を生じさせると、その錘４に触った指に「送られる」感じを与えることができる。

本発明は前記各実施形態の構造等に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、基板の材料としては、硼珪酸ガラスを用いたが、硼珪酸ガラスの代わりに、結晶化ガラス、石英、アルミナ、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、ガラスセラミックス、ジルコニア、水晶、サファイヤ等の絶縁材料、金属、合金等の導体、Ｓｉ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、等の半導体材料を用いても良い。
また、有機圧電膜をポリ尿素によって構成しているが、ポリ尿素の代わりに、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電高分子やＡｌＮやＺｎＯ等の圧電セラミックスを用いることを除外するものではなく、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）＝ＶＤＦ（フッ化ビニリデン）とＴｒＦＥ（三フッ化エチレン）の共重合体、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）＝ＶＤＦ（フッ化ビニリデン）とＴｅＦＥ（四フッ化エチレン）の共重合体、Ｐ（ＶＤＣＮ／ ＶＡｃ）＝ＶＤＣＮ（シアン化ビニリデン）とＶＡｃ酢酸ビニルの交互共重合体の少なくともいずれかを含むものとしてもよい。

以上のように、本発明にかかるモーションセンサは、小型化、低コスト化及び耐衝撃性向上が可能となるので、車両、楽器、携帯電話、ゲーム機器、リモコン等の姿勢や動き検出などの用途に有用である。

本発明の第１の実施形態のモーションセンサを示す斜視図である。 図１のＸ軸に沿う断面図である。 図１のモーションセンサの製造方法を図３から図１８までに順に示しており、基板の断面図である。 基板にレジストを形成した状態を示す断面図である。 図４の状態から基板をエッチングした状態を示す断面図である。 図５の状態からレジストを除去した状態を示す断面図である。 図６の状態から第１のメッキシード層を形成した状態を示す断面図である。 図７の状態から犠牲層を形成した状態を示す断面図である。 図８の状態から犠牲層及びメッキシード層の上部を除去した状態を示す断面図である。 図９の状態から第２のメッキシード層を形成した状態を示す断面図である。 図１０の状態から基板の一部を除去した状態を示す断面図である。 図１１の状態からレジストを形成した状態を示す断面図である。 図１２の状態から上部錘を形成した状態を示す断面図である。 図１３の状態からレジストを除去した状態を示す断面図である。 図１４の状態から圧電膜を形成した状態を示す断面図である。 図１５の状態から電極の層を形成した状態を示す断面図である。 図１６の状態からレジストを形成した状態を示す断面図である。 図１７の状態から電極を形成し、レジストを除去した状態を示す断面図である。 圧電膜及び電極の蒸着装置を示すモデル図である。 梁の変形と圧電膜の応力との関係を示す断面図である。 錘にＸ方向の加速度が作用した状態を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が各電極の出力を示す表である。 錘にＺ方向の加速度が作用した状態を示しており、（ａ）が断面図、（ｂ）が各電極の出力を示す表である。 ３軸加速度検出装置を示すブロック図である。 図２３の各電極の出力を示す表である。 本発明の第２実施形態のモーションセンサを示す側面図である。 図２５の平面図である。 分極装置のモデル図である。 図２５のモーションセンサの動作検証に用いた測定装置のモデル図である。 図２５のモーションセンサの出力波形図である。 図２９の振動のＦＦＴ分析図である。 図２５のモーションセンサの周波数特性図である。 本発明の第３実施形態のモーションセンサを示す断面図である。 図３２の平面図である。 図３２のモーションセンサの製造方法を図３４から図５５までに順に示しており、基板に凹部を形成した状態の断面図である。 図３４の状態から第１のメッキシード層を形成した状態を示す断面図である。 図３５の状態から犠牲層を形成した状態を示す断面図である。 図３６の状態から犠牲層の上部を除去した状態を示す断面図である。 図３７の平面図である。 図３７の状態から第２のメッキシード層を形成した状態を示す断面図である。 図３９の状態からレジストを形成した状態を示す断面図である。 図４０の状態から梁を形成した状態を示す断面図である。 図４１の平面図である。 図４１の状態からレジストを除去した状態を示す断面図である。 図４３の状態からレジストを形成した状態を示す断面図である。 図４４の状態から錘を形成した状態を示す断面図である。 図４５の平面図である。 図４５の状態からレジストを除去した状態を示す断面図である。 図４７の状態から第２のメッキシード層の一部をエッチングで除去した状態を示す断面図である。 図４８の平面図である。 図４８の状態から犠牲層及び第１のメッキシード層を除去した状態を示す断面図である。 図５０の平面図である。 図５０の状態から圧電膜を形成した状態を示す断面図である。 図５２の平面図である。 図５２の状態から電極を形成した状態を示す断面図である。 図５４の平面図である。 本発明を利用した回転速度検出装置の実施形態を示すモデル図である。 図５６における入力と梁の振動状態とを示すもので、（ａ）が断面図、（ｂ）が入力関係図である。 本発明を利用した傾斜角検出装置の実施形態を示すモデル図である。 図５８における錘の傾斜角を示す断面図である。 図５８の傾斜角検出装置における振動周波数の変化を示すグラフである。 傾斜角検出装置の他の例を示すモデル図である。 本発明を利用した圧力検出装置の実施形態を示すモデル図である。 図６２の圧力検出装置における振動周波数の変化を示すグラフである。 圧力検出装置の他の例を示すモデル図である。 本発明を利用した触覚制御装置の実施形態を示すモデル図である。

符号の説明

１…モーションセンサ、２…基板、３…梁、４…錘、４Ａ…上部錘、４Ｂ…下部錘、５…圧電膜、６Ａ〜６Ｄ…電極、７…開口部、Ｇ…重心、３１…加速度検出装置、３２…差動回路、３３…Ｘ軸加速度検知部、３４…差動回路、３５…Ｙ軸加速度検知部、３６…加算回路、３７…Ｚ軸加速度検知部、４１…モーションセンサ、４２…基板、４３…梁、４３ａ…錘、４４…圧電膜、４５…電極、４７…開口部、４８…絶縁膜、４９…下側電極、７１…モーションセンサ、７２…基板、７３…梁、７４…錘、７５…圧電膜、７６…電極、７７…凹部、７８…メッキシード層、９１…回転速度検出装置、９２…交流電源（励振電圧印加手段）、９３…出力検知手段、９４…差動回路、９５…回転速度検出部、１０１…傾斜角検出装置、１０２…モーションセンサ、１０３Ａ〜１０３Ｄ…電極、１０４…出力検知手段、１０５…差動回路、１０６…傾斜角検出部、１０７…傾斜角検出装置、１１１…圧力検出装置、１１２…出力検知手段、１１３…圧力検出部、１１５…圧力検出装置、１１６…モーションセンサ、１２１…触覚制御装置、１２２…制御部

Claims (5)

1. 平板状の基板にその表面から窪む凹部を形成する第１工程と、
   前記基板の表面及び凹部内にわたって犠牲層を成膜する第２工程と、
   前記基板の表面が露出するように、当該表面上の前記犠牲層を研削及び研磨のうち少なくとも一方により除去することで、前記凹部内の前記犠牲層が前記基板の表面と共に同一平面をなす第３工程と、
   前記基板の表面及び前記犠牲層上にわたって、基端部が前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨む梁を導電性材料により形成する第４工程と、
   前記凹部内の前記犠牲層を除去する第５工程と、
   蒸着重合法により、前記梁の上及び前記基板の上にわたって、有機圧電材料からなる圧電膜を成膜する第６工程と、
   蒸着法により、前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に金属材料からなる電極を成膜する第７工程とを順番に実施し、
   前記第４工程において、前記梁の基端部がＶ字状に分岐して二つの分岐端部として形成され、
   前記第５工程と前記第６工程との間に、一方の分岐端部をマスクで保護し、
   前記第７工程後に、前記マスクを除去して前記一方の分岐端部を露出させることを特徴とするモーションセンサの製造方法。
2. 前記第４工程と前記第５工程との間に、前記梁の先端部上に錘を形成することを特徴とする請求項１に記載のモーションセンサの製造方法。
3. 表面から窪む凹部が形成された基板と、基端部が前記凹部の周辺に位置する前記基板の表面に固着されると共に先端部が前記凹部の上方に臨ませられることで、前記基板に片持ち状態に支持された梁と、当該梁に設けられた錘とを備え、
   前記梁が導電性材料からなり、
   前記梁の上及び前記基板の上にわたって有機圧電材料からなる圧電膜が形成され、
   前記梁の上面に形成された前記圧電膜上に電極が形成され、
   前記梁の基端部がＶ字状に分岐され、
   一方の分岐端部では前記梁が外方に露出し、
   他方の分岐端部における前記梁の上面には前記圧電膜及び前記電極が重ねて形成されていることを特徴とするモーションセンサ。
4. 前記有機圧電材料がポリ尿素であることを特徴とする請求項３に記載のモーションセンサ。
5. 前記錘が前記梁の先端部上に固着されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモーションセンサ。

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