3.2 水晶の加工法

 水晶の加工法には、大きく分けて3つの方法がある。「機械加工」「ウェットエッチング」「ドライエッチング」の3種類である。現状、量産技術としては、機械加工とウェットエッチングが主に用いられている。ここでは3つの加工法について概要を説明する。

3.2.1 機械加工 ⁵⁾

 最も基本的な加工方法が機械加工である。機械加工は、図7に示すようなワイヤーソーでの切断や、ラッピングマシンでの研磨などがそれにあたる。また、数mmサイズの振動子に個片化するのも機械加工が主な手段であり、何段階もの機械加工を施すことによって、仕上がり精度が数μmのバラツキの少ない振動子が実現できている。
 厚みすべり振動を用いるATカットの振動子では、振動効率を上げるために、単純な平板ではなく、平板の中央部が厚く、周囲にいくにしたがって徐々に板厚が薄くなるような、べべルやコンベックス（図8）と呼ばれる曲面加工を行うこともある。これらの曲面加工は、所望の曲面をもつ円筒形あるいは球状の加工機の中に、個片の水晶素子とともに研磨剤を入れ、回転させることで加工機の曲面を水晶素子に転写する。
 これらの機械加工は水晶特有のものではなく、他の結晶の加工と共通している。

3.2.2 ウェットエッチング ²⁾

 ウェットエッチングとは、エッチング液（エッチャントともいう）に浸すことで、水晶を加工する方法である。水晶だけでなく、シリコン(Si)などでも広く利用されている加工法の一つで、機械加工やドライエッチングに比べ、大量かつ高速に加工することができるのが大きな特徴である。水晶のエッチング液には、フッ化水素酸水溶液や重フッ化水素アンモニウム水溶液、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液（バッファードフッ酸）などが用いられる。
 水晶のウェットエッチングでは、異方性のため結晶面によってエッチング速度が異なり、ウェットエッチング後の形状を矩形や円形など単純な形状にすることや、エッチング加工面を垂直にすることは難しい。フォトマスクの形状、エッチャント温度やエッチング時間などを組み合わせることで、意図する形状に近づけることはできる。振動子やセンサーとしての特性に影響を与えないような素子設計が重要となる。

3.2.3 ドライエッチング ²⁾

 ドライエッチングとは、シリコンなどの半導体部品の製造に多く用いられている方法で、外形加工など深堀りを行うのは、反応性イオンエッチング(RIE: Reactive Ion Etching)法を用いて加工を行うことが多い。水晶やガラスなどの素材も、この技術によって加工することができる。
 ドライエッチングは、ウェットエッチングのデメリットである結晶の異方性によるエッチングレートの違いを気にせず加工できることから、より設計者の意図する形状に加工しやすい。しかし、エッチングレートがウェットエッチングに比べ遅く、加工にはプラズマが必要であり、加工装置の制約上、プラズマを発生させる領域が限られているため大量に加工できないのが欠点である。水晶製品の量産技術として使われることは現状少ない。

4 水晶を用いるセンサー

 水晶をセンサーとして用いる場合は、水晶を振動させ、その振動周波数で検出する方式が用いられることが多い。水晶を用いる優位点は以下のとおりである。

 ・圧電性を有しているため、振動を励振させやすい
 ・温度に対する振動周波数の安定性が高く、Q値(共振先鋭度)も高いため、誤差が少ない
 ・単結晶で物質的に安定しており、経時変化に強い

 前述のとおり、水晶振動子はその振動周波数が安定であるため、誤差の少ない高精度なセンサーとして構成しやすい。また、周波数検出方式は高い分解能で計測でき、デジタル変換が容易であり、高精度のセンサーに向いている。

4.1 水晶を用いるセンサーの種類 ⁶⁾

 水晶を用いた主なセンサーの素子形状や振動形態、検出方式などを表1に示す。振動形態は厚みすべり振動と屈曲振動のいずれかであり、検出方式の多くが周波数検出であることが分かる。ここでは、温度センサー、圧力センサー、力覚センサーについて述べるが、QCM、ジャイロセンサー、加速度センサーは、ここの別の記事を参照願いたい。

4.1.1 温度センサー

 温度センサーには、多くの種類があり、測定できる温度範囲や測定精度に違いがある。熱膨張を利用する水銀温度計、異なる金属接合部で発生するゼーベック効果を利用する熱電対、セラミックや高分子材料などの温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタや白金測温抵抗体などもある。
 水晶温度センサーは古くから用いられており、Yカットの厚みすべり振動や、1次の温度係数を高くした音さ振動子のタイプもある。周波数検出方式のため、高分解能の温度センサーとして利用されてきた。水晶温度センサーの分解能は、高いもので0.0001℃のものも製品化されていたが、最近では見られなくなった。

4.1.2 圧力センサー

 圧力センサーには、ダイヤフラム構造の表面が圧力を受けることで生じる歪みや変形をピエゾ抵抗や静電容量で検出するもの、またベローズやブルドン管など、圧力による機械的な変形量を計測するものがある。
 水晶を用いた圧力センサーは、ベローズの機械的な変形を利用したもので、圧力によって生じた変形を双音さ振動子の軸方向に加えることで、振動周波数の変化として測定する方式である。非常に高精度で高い分解能があり、ダムの水位計などに利用されている。また、気圧計としても利用されており、数cmの高さによる気圧の違いを計測できる性能をもっている。

4.1.3 力覚センサー

 力覚センサーとは、力やモーメントの大きさや向きを計測するセンサーである。これは人間の触覚と同じように、物体にかかる力を計測することで、微妙な力加減や制御を機械的に再現することができる。検出原理により、光学式、歪ゲージ式、静電容量式や圧電式などがある。水晶の力覚センサーは、圧電式に該当する。
 これまでの他のセンサーとは異なり、振動させて使うものでもなく、周波数検出方式でもない。計測したい力を水晶に加えることで圧電効果によって発生した電荷を検出することで、その力の大きさを測定する。微小な力であっても圧電効果によって電荷は発生するので、広いダイナミックレンジの力を検知することができる。

5 おわりに

 本稿では、水晶と水晶を用いたセンサーについて説明してきた。まず、水晶の結晶異方性や圧電性、人工水晶の製造方法や加工方法について紹介した。次に、水晶を用いた各種センサーについて、水晶が使われることでの特徴などについても紹介してきたが、概要的な説明になってしまったので、詳しくは各種文献等を参照願いたい。
 今後も、水晶の特性を活かした、小型で高感度かつ高精度なセンサーが人々の生活をよりよくしていくことだろう。環境にやさしく、持続可能な社会に水晶が役立つことを心から願っている。

【著者紹介】
佐藤　健二（さとう　けんじ）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部

3.　ジャイロセンサーの重要特性

 ジャイロセンサーには様々な特性があり、アプリケーションに応じて適切なセンサーを選択する必要がある。以下にポイントとなる重要特性についてまとめる。

3.1　アラン分散

 静止時の出力値(バイアス出力)を評価する指標としてアラン分散がある ¹⁾。測定は、静止状態で長時間センサー出力を計測することで行い、アラン分散σ(τ)は、測定時間の間隔τとその時間内のセンサー出力平均値の分散から式(3.1)の様に求める。

 図3-1はアラン分散σ(τ)と測定時間間隔τの関係を示す概念であり、ここでは詳細説明を割愛するが、1枚のグラフでセンサー出力のノイズ成分や時間変動分を表すことができる。バスタブ曲線を描き、縦軸の値が小さいほど優れたセンサーである。τ^－1/2 の領域は角度ランダムウォーク(ARW: Angle Random Walk)と呼ばれホワイトノイズを表し、τ⁰の領域(σの最下点)はバイアス安定性(BI: Bias Instability)と呼ばれ、フリッカノイズ(1/fノイズ)と密接な関係がある。

3.2　バイアス出力温度特性

 温度によるバイアス出力の変化を示す指標である。本特性が安定していると、環境温度の変化に影響されず、僅かな回転運動を検出できる。例えば、カーナビゲーション等のジャイロセンサーの角速度出力を時間積分する用途では、温度による出力変化が大きいと時間経過とともに測定誤差が積算され、車両が走行している向きを正確に測定できない。

3.3　耐衝撃・振動特性

 振動や衝撃により加速度が加わった際のバイアス出力の変化を示す指標である。本特性が優れていると、外部から振動や衝撃を受けた際の影響を抑え、正確に角速度を測定できる。例えばジャイロセンサーが車両に搭載され、走行中に路上からの振動が伝わった場合、本特性が悪いと、センサー出力にノイズが発生し誤測定の原因となる。

4.　ダブルT型水晶ジャイロの動作原理と特長

 水晶が持つ圧電効果を応用した振動ジャイロとして、Kikuchi ²⁾ はT型振動子を組み合わせたダブルT型構造を考案し、高精度かつ信頼性の高いジャイロセンサーを実現した。人が感じられない程の僅かな運動を検出できることや、振動・衝撃に対して影響を受けにくいといった特長をもち、カメラの手ブレ補正やカーナビゲーション、車載安全など、様々なアプリケーションに搭載されてきた。本章では動作原理と特長について説明する。

4.1　ダブルT型水晶ジャイロの動作原理

 Ｔ型振動子とは、固定部からＴ字型の振動子が平面内に伸びた図4-1の様な屈曲振動子を言う。このＴ型振動子には、Ｔ字の両端が同方向に動く図4-2(a)の振動モードが存在し、これを駆動振動モードとして用いると、この振動子に面内の回転角速度(紙面垂直の回転軸)が加えられた場合、振動方向と直角をなす方向にコリオリの力が働くので、Ｔ型振動子の基部(図4-1のBase部)が屈曲する。すると、図4-2(b)の振動モードが励振され、この振動を検出することによって、振動ジャイロが構成できる。

 図4-3に示す様にダブルＴ型構造は、２つのＴ型振動アーム、２つの検出共振アームと中央の連結部からなっている。２つのＴ型振動アームは中央連結部から突き出し、更に、その対称軸線上に２つの検出共振アームを突き出した構造である。その駆動振動モードは、図4-3(a)に示す様に両方のＴ型振動アームが同位相で広がったり縮んだりする屈曲振動モードである。この振動子に、紙面垂直の軸に回転が加えられた場合、振動方向と直角にコリオリの力が発生するため、図4-3(b)に示す様な検出振動モードが励振される。
 ダブルT型構造は、回転時にコリオリ力が2つのT型振動アームに発生し、その力を効率良く検出共振アームに伝えることができるため、感度の高い構造となっている。また、２つのＴ型振動アームの対称軸線上に検出共振アームが配置されているため、検出共振アームは、駆動振動モードでは振動せず、静止時の出力が安定する理想的な構造となっている。

 実際の製品では、フォトリソグラフィを用いた水晶加工技術を駆使して小型化したセンサーチップ(図4-4)が使用され、重心を中央連結部1か所で支持している。このセンサーチップの振動アーム断面は三次元的に加工され、振動子の電界印加効率は格段に向上し、アームが細く小型になっても、インピーダンスが低減され、低電圧駆動が実現されている。またアームの先端にシュモクザメのような「ハンマーヘッド」を付けて、小型化しつつ感度を高めている。

4.2　ダブルT型水晶ジャイロの特長

 以下に本章で説明してきたダブルT型水晶ジャイロの特長を挙げる。
 ① 出力のノイズや時間変動が小さい
 ② 温度による出力の変化が小さい
 ③ 振動・衝撃による出力の変動が小さい
 ④ 経時変化が小さく、特性ばらつきが小さい

 ダブルT型水晶ジャイロはその動作原理や構造から、高感度で高いS/N比が得られるため、低ノイズで高安定な特長をもつ。図4-5にアラン分散のグラフを示す。最新製品のバイアス安定性は1゜/hを下回り、ARWは0.065゜/√hを実現している。

 図4-6はダブルT型水晶ジャイロのバイアス出力温度特性をシリコン製の容量型MEMSジャイロと比較したグラフである。ダブルT型構造は、母材に用いている水晶の物性が安定であることや、支持系からの応力を受けにくい構造的な特徴を持っていることから安定した出力が得られている。また、センサーチップを中央連結部１点のみで支持する構造は熱応力を伝えにくく、補正が困難となる温度昇温時、降温時の出力差(ヒステリシス特性)も小さく抑えることができる。

 振動・衝撃の耐性に関しては、様々な評価方法が存在するが、ここでは落下衝撃試験の結果を示す。図4-7はダブルT型水晶ジャイロとシリコン製の容量型MEMSジャイロを並べ、400Gで落下させた時の衝撃応答を調べたものである。シリコンMEMSジャイロは衝撃の影響により、出力が大きく変動しているのに対し、ダブルT型水晶ジャイロの変動は僅かである。ダブルT型構造は、直線加速度を受けると2本の検出共振アームから同相信号が出力され、差動回路により信号をキャンセルできること、また、センサーチップの重心を中央連結部1か所で支持されていることにより、振動や衝撃の影響が軽減されている。

 また、ダブルT型水晶ジャイロは単結晶圧電体の水晶を用いているため、材料の劣化が小さく、特性の経時変化が小さい。更に、圧電性を利用することによりシンプルな構造で駆動・検出ができることや、フォトリソグラフィを用いて加工精度が高められることで特性ばらつきを抑えられるという特長をもつ。

おわりに

  ジャイロセンサーはこれまで様々なアプリケーションに用いられ、安全・安心で快適な社会の実現に寄与してきた。今後も小型で安価な振動ジャイロは、精度の向上によって応用範囲は広がっていくと考えている。特に近い将来、本格的な実用化が期待される自動運転技術には、高精度な自己位置推定技術が要求され、衛星測位システム(GNSS: Global Navigation Satellite Systems)と慣性センサーを組み合わせた手法は必須技術になると予測している ^3,4)。ジャイロセンサーはこの統合システムにおいて、GNSSが苦手とするトンネル下や高層ビル、街路樹間の走行における相対的な位置推定の役割を担う。ジャイロセンサーのバイアス(若しくはオフセット)やドリフトは位置推定に大きな影響を及ぼすため、精度の高いものが望まれる。本稿で紹介した水晶ダブルT型ジャイロセンサーは精度が高いだけでなく、安全性の面でも車載用として多くの搭載実績があり、自動運転を実現する重要デバイスとして期待している。

【著者紹介】
押尾　政宏（おしお　まさひろ）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部　課長

３． 水晶加速度センサーのアプリケーション例

 開発初期のターゲットアプリケーションは、地震観測^[2]でした。人が感じる事が出来ない極微小な振動から、巨大地震が発生する非常に大きな振動まで計測する必要がある地震観測は、水晶加速度センサーの特徴である低ノイズで広い計測ダイナミックレンジが活かせると考えたからです。同時期に2011年３月に東日本大震災、2012年12月に中央自動車道の笹子トンネル事故、日本では国民の安全な生活を脅かす大きな災害や事故が発生し、社会インフラの老朽化が社会課題として広く認識されるようになりました。この課題を解決するために人に変わってセンサーを活用して社会インフラの点検や監視を実施して、効率的に安全性を高める技術が注目されました。特に構造物の微小な動きから健全性を診断する技術が盛んに開発されていました。しかし、橋やビル、トンネルなどのインフラ構造物は巨大で質量も重いため、発生する振動は微小で低周波となります。一般的に0.1Hz～数10Hz程度の周波数で、発生する加速度も非常に小さいため、高感度のセンサーが必要となります。高感度のセンサーとして、サーボ型が地震観測などに使われていました。しかし、耐久性や価格に課題があり、橋などの安全監視に適用することは困難でした。そこで、サーボ型センサーに匹敵する高感度特性と高い耐衝撃性を両立する水晶加速度センサー M-A352/M-A552を開発しました。更にデジタル出力で低消費電力なため、システム構成がシンプルで安定に稼働する監視システムの実現にも貢献しました。これによって、インフラ構造物の安全監視に高感度センサーの適用を可能にしました。
 その後、計測周波数範囲を1,000Hzまで拡大したM-A342/M-A542を開発し^[3]、大型回転機器へ適用アプリケーションを拡大しました。近年、地球温暖化により想定外の大雨や洪水が頻発する現代、治水に関わる河川やダムの水門を安全に管理することは、地域住民の安心・安全な生活に必要不可欠なものになっています。本センサーは、国の管理指針^[4]に基づき水門やダムのゲートを開閉するモーターなどの振動を計測し、状態の把握と適切なメンテンナスを実現します。図５に、水晶加速度センサーの計測範囲と適合アプリケーションを示します。

４． まとめ

 本稿では、水晶加速度センサーの動作原理と特徴を中心として、適用アプリケーションの概要についても紹介しました。水晶を素材とする独自の素子構造と独自の周波数カウント技術により、低ノイズで広い検出レンジを有し、高感度なのにデジタル３軸で使いやすいセンサーを実現しました。今後も、社会課題を起点としてセンサー開発とアプリケーション開発を同時に進めながら、水晶加速度センサーが安心・安全で持続可能な社会インフラや産業インフラの実現に貢献しつづけるデバイスとなることを期待しています。

【著者紹介】
中仙道　和之（なかせんどう　かずゆき）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部　課長

4　アロマビット製e-Nose型ニオイセンサ

アロマビット社は創業時よりe-Nose型ニオイセンサに特化して開発及び製品化を進めている。弊社では上記のトランスデューサのうち最も歴史が長く、電子部品としても成熟している水晶振動子と将来の超小型化・低価格化を視野に入れたFET・CMOSの二種類に着目し、これらをニオイセンサとして有効に利用するための感応膜開発および測定されるパターンデータの解析と匂い判定技術を中心に技術開発を行っている。
図-３にアロマビットで開発、販売している水晶振動子型およびCMOS型のセンサモジュール製品の写真を示す。図に示したように、水晶振動子型はセンサ表面に吸着した分子の重量の測定、CMOS型は吸着により生じる感応膜上の電気的変化を測定するという意味で、それぞれ体重計と体組成計のような概念的な違いがあるが、いずれも異なる感応膜に対するニオイ分子の親和性の違いを読み取りパターン化するという点では同じ原理のセンサである。

水晶振動子型ニオイセンサ用の吸着膜は創業時より先行して開発していたこともあり、現在は４０膜をお客様にご提供している。４０膜すべてを搭載した匂い分析装置 Aroma Coder V2 も上市している。（図-４）

このAroma Coderを用いて様々なニオイ物質を測定し、レーダーチャートの形で表現した結果を図-５に示す。相違がわかりやすくなるように選抜した２８膜としているが、アンモニアとアミン、アセトアルデヒドとプロピオンアルデヒドが一定の類似性を示すことから、Aroma Coderを用いた匂いのパターン化が一定の有用性がることがわかる。
また、これらの物質を例に取ると、アンモニアやトリメチルアミンなどの高極性物質においてはCMOS型ニオイセンサでも十分な感度を有する感応膜の開発に成功しているが、酢酸エチルやトルエンなどの低極性物質に関しては今のところ水晶振動子型のセンサ向けの吸着膜が進んでおり、現状では水晶振動子型センサが一歩選考しているという状況である。
ただしCMOS型の感応膜の開発も順調に進んでおり、膜の種類という視点ではここ２年ほどで両方とも同程度の感応膜のラインナップが準備できると考えている。

5　最後に

これまで述べてきたようにe-Nose型ニオイセンサはその仕組が最初に提唱されてから既に６０年にもなる古い概念のセンサである。また、水晶振動子デバイスも大変歴史が長く成熟した技術であり、こうした完成度の高い２つの技術を組み合わせることでデジタル化の困難であった嗅覚という感覚をデータ化できる可能性を持つセンサである。
２１世紀に入ってからこのようなアプローチでいくつものスタートアップが製品化・事業化を目指して開発を進めてきたが、近年のビッグデータ解析技術や人工知能技術の発展に伴って多次元で表現される匂いパターンデータをAIの助けを借りて用意に利用できる環境が整ってきた。この環境下で上記のように完成度の高いe-Nose型ニオイセンサ技術と組み合わせることで様々な社会的なニーズに答えることができる可能性が飛躍的にましていると考えている。
弊社においても、このような匂いのパターン化・デジタル化の技術に対して期待されている用途分野は業界を問わず多岐にわたっている。図-６にはそれらのうち、弊社が把握しているいくつかの産業界における用途の例を示す。
これらの他にも、匂いのデジタル表示、健康管理や病気検知など無数の応用が期待されている。

【著者紹介】
橋詰　賢一（はしづめ　けんいち）
株式会社アロマビット 最高技術責任者