日立金属、鉛フリー圧電薄膜を用いた3軸角速度センサを開発

日立金属は10月21日、ワコーと共同で、鉛フリー圧電薄膜を用いた3軸角速度センサを開発したと発表した。

圧電薄膜は、加えられた圧力を電圧に、また加えられた電圧を圧力に変換する圧電効果を持つ圧電体を薄く形成したもので、一般的にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のような鉛を含んだ材料が用いられており、自動車の姿勢検知やデジタルカメラの手振れ検知に利用される角速度センサ、インクジェットプリンタヘッドなど幅広い分野で用いられている。しかし、近年、環境保全の観点からさまざまな部品などで鉛フリー化が進められており、圧電薄膜にも鉛フリー化が求められていた。

これまで鉛フリーの材料を用いた圧電薄膜では、充分な圧電特性を満たすことが難しい、ならびに微細加工が難しいといった課題があったが、今回、両社は鉛フリーの圧電材料として、環境親和性に優れたニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)を用いて、PZT薄膜センサと同等レベルの角速度検知特性を実現したという。

今回の開発では、日立金属が圧電薄膜製膜からセンサ素子作製までの工程を担い、ワコーが素子設計およびセンサ特性評価を実施したとのこと。具体的には、日立金属が2010年(当時は日立電線)に実現した圧電特性100pm/V以上を持った鉛フリーKNN圧電薄膜技術に新たに開発した、「6インチサイズでの製膜技術」「薄膜微細加工技術」「電極形成技術」などの角速度センサ素子作製に必要となる各種要素技術を組み合わせることで、3軸角速度センサの開発を実現したという。

また、既存のPZT薄膜センサでは素子作製工程で260℃以上の温度が加わると脱分極が起こり、素子特性が劣化するという問題があったが、今回の鉛フリーKNN圧電薄膜センサでは、400℃の温度を加えても特性が劣化しないことを確認しており、はんだリフロー工程においても環境親和性の高いはんだ材料を選定することが可能になるとしている。

なお、日立金属では、10月28日から29日にかけて開催される国際学会「PiezoMEMS 2014 」にて、今回の成果の詳細を報告する予定だという。