(57)【要約】【課題】測定感度が高く、かつ、電極の形成が容易な物理量センサーを低供すること。【解決手段】本発明にかかる物理量センサー１００は、基体１０と、基体１０に両端が支持され、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じる梁２０と、梁２０を厚み方向に挟み、梁２０の中央領域を避けて、梁２０の上面および下面に形成された上部電極３２および下部電極３４と、を含み、基体１０は、基体１０に加えられた外力によって厚み方向に撓むような可撓性を有し、梁２０は、上部電極３２および下部電極３４に駆動信号が印加されたときに生じる厚みすべり振動によって屈曲振動を生じる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
前記基体に両端が支持され、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じる梁と、
前記梁を厚み方向に挟み、前記梁の中央領域を避けて、前記梁の上面および下面に形成された上部電極および下部電極と、
を含み、
前記基体は、前記基体に加えられた外力によって前記厚み方向に撓むような可撓性を有し、
前記梁は、前記上部電極および前記下部電極に駆動信号が印加されたときに生じる厚みすべり振動によって屈曲振動を生じる、物理量センサー。
【請求項２】
請求項１において、
前記基体は、周囲を枠部が取り囲んだ開口部を有するフレーム状の形状であり、
前記梁は、前記基体の前記枠部に両端が支持され、前記開口部の内側で架橋している、物理量センサー。
【請求項３】
請求項２において、
前記基体は、前記枠部の前記梁と並行する部分に前記厚み方向に切り欠いて構成したくびれ部を有する、物理量センサー。
【請求項４】
請求項１において、
前記基体は、上面に少なくとも２つの突部を有する平板状の形状であり、
前記梁は、２つの前記突部に両端が支持され、前記２つの突部の間で架橋している、物理量センサー。
【請求項５】
請求項４において、
前記基体は、前記梁の両端を支持する２つの前記突部の間に、前記梁と交差する方向に延びる形状のくびれ部を有する、物理量センサー。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
さらに、前記梁の根本から突出して前記梁に並行して前記梁の中央領域側へ延びるカウンタービームを有し、
前記カウンタービームは、前記梁の前記屈曲振動における質量の変位を相殺するように変位する、物理量センサー。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
前記梁の前記厚みすべり振動の周波数が物理量を検出するための信号である、物理量センサー。
【請求項８】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
前記梁の前記屈曲振動または前記厚みすべり振動の周波数の変化を検出する検出部と、
を有する、物理量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量センサーおよび物理量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度、圧力、温度等の物理量を水晶振動片によって検知する各種の物理量センサーが知られている。たとえば、加速度センサーは、自動車、航空機、ロケット、および各種プラントの異常振動監視装置など広範な分野で使用されている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、２本の梁がフレームに懸架された振動部を有する加速度センサー素子が開示されている。同公報に記載された加速度センサー素子は、双音叉構造すなわち２個の音叉型振動片の自由端同士を互いに接続した構造を採っている。該２本の梁は、両端がフレームに支持され中央領域に振動質量を有する形状となっている。同公報の加速度センサー素子は、フレームおよび梁をＺカットの水晶基板をエッチングして形成されるため、梁に圧電性を有している。この梁は、表面に形成された電極によって電圧が印加されることにより振動できる。また同時に、梁の振動は、該電極に生じる電圧によって検出されることができる。
【０００４】
同公報の加速度センサー素子は、梁を励振させた状態で、外力等が加わってフレームが変形したとき、梁の両端に引張力あるいは圧縮力が生じるようになっている。加速度センサー素子は、加えられた加速度（力）の大きさに比例して梁の振動数が変化するため、該振動数の変化量を検出することによって力の大きさを測定することができる。
【０００５】
このような梁の振動を利用した物理量センサーは、データ処理が容易であるとともに測定精度、測定感度、再現性、温度特性等に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６３２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、物理量センサーは、一層の小型化、高感度化が求められている。したがって物理量センサーの振動部には、より薄く細い梁が形成されるようになってきた。これにより梁に形成される電極も非常に小さくなってきている。そのため、特に、梁の側面（厚み方向に平行な面）に電極を形成することが困難になってきている。
【０００８】
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、測定感度が高く、かつ、電極の形成が容易な物理量センサーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。
【００１０】
［適用例１］
基体と、
前記基体に両端が支持され、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じる梁と、
前記梁を厚み方向に挟み、前記梁の中央領域を避けて、前記梁の上面および下面に形成された上部電極および下部電極と、
を含み、
前記基体は、前記基体に加えられた外力によって前記厚み方向に撓むような可撓性を有し、
前記梁は、前記上部電極および前記下部電極に駆動信号が印加されたときに生じる厚みすべり振動によって屈曲振動を生じる、物理量センサー。
【００１１】
このような物理量センサーは、測定感度が高く、かつ、梁の上面および下面に電極を有するため、電極の形成が容易である。
【００１２】
［適用例２］
適用例１において、
前記基体は、周囲を枠部が取り囲んだ開口部を有するフレーム状の形状であり、
前記梁は、前記基体の前記枠部に両端が支持され、前記開口部の内側で架橋している、物理量センサー。
【００１３】
このような物理量センサーは、適用例１の特徴を有するとともに、さらに堅牢性が良好で実装性にも優れている。
【００１４】
［適用例３］
適用例２において、
前記基体は、前記枠部の前記梁と並行する部分に前記厚み方向に切り欠いて構成したくびれ部を有する、物理量センサー。
【００１５】
このような物理量センサーは適用例２の特徴を有するとともに、より測定感度が高い。
【００１６】
［適用例４］
適用例１において、
前記基体は、上面に少なくとも２つの突部を有する平板状の形状であり、
前記梁は、２つの前記突部に両端が支持され、前記２つの突部の間で架橋している、物理量センサー。
【００１７】
このような物理量センサーは、適用例１の特徴を有するとともに、さらに堅牢性が良好で実装性にも優れている。
【００１８】
［適用例５］
適用例４において、
前記基体は、前記梁の両端を支持する２つの前記突部の間に、前記梁と交差する方向に延びる形状のくびれ部を有する、物理量センサー。
【００１９】
このような物理量センサーは適用例４の特徴を有するとともに、より測定感度が高い。
【００２０】
［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれか一項において、
さらに、前記梁の根本から突出して前記梁に並行して前記梁の中央領域側へ延びるカウンタービームを有し、
前記カウンタービームは、前記梁の前記屈曲振動における質量の変位を相殺するように変位する、物理量センサー。
【００２１】
このような物理量センサーは、上述の特徴を有するとともに、振動漏れがより小さい。
【００２２】
［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれか一項において、
前記梁の前記厚みすべり振動の周波数が物理量を検出するための信号である、物理量センサー。
【００２３】
このような物理量センサーは、上述の特徴を有するとともに、さらに測定感度が高い。
【００２４】
［適用例８］
適用例１ないし適用例８のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
前記梁の前記屈曲振動または前記厚みすべり振動の周波数の変化を検出する検出部と、
を有する、物理量測定装置。
【００２５】
このような物理量測定装置は、少なくとも、測定感度が高く、かつ、電極の形成が容易である物理量センサーを備えており、物理量を高感度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態にかかる物理量センサー１００を模式的に示す上面図。
【図２】実施形態にかかる物理量センサー１００を模式的に示す下面図。
【図３】実施形態にかかる物理量センサー１００を模式的に示す断面図。
【図４】実施形態にかかる物理量センサーの梁２０の挙動を模式的に示す断面図。
【図５】実施形態にかかる物理量センサーの動作を模式的に示す断面図。
【図６】実施形態にかかる物理量センサーの動作を模式的に示す断面図。
【図７】物理量センサーのインピーダンス曲線の模式図。
【図８】実施形態にかかる物理量センサーの等価回路の模式図。
【図９】実施形態にかかる物理量センサー２００を模式的に示す上面図。
【図１０】実施形態にかかる物理量センサー２００を模式的に示す断面図。
【図１１】実施形態にかかる物理量センサー３００を模式的に示す上面図。
【図１２】実施形態にかかる物理量センサー３００を模式的に示す断面図。
【図１３】実施形態にかかる物理量センサー４００を模式的に示す上面図。
【図１４】実施形態にかかる物理量センサー４００を模式的に示す断面図。
【図１５】実施形態にかかる物理量測定装置１０００を模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の例を説明するものである。
【００２８】
１．第１実施形態
１．１．物理量センサー
図１および図２は、本実施形態にかかる物理量センサー１００を模式的に示す上面図および下面図である。図３は、本実施形態にかかる物理量センサー１００を模式的に示す断面図である。図１および図２のＡ−Ａ線の断面は、図３に相当する。なお、図１〜図３のそれぞれ右側には、説明の便宜上、方向を示す矢印を描いてある。図４は、梁２０の挙動を模式的に示す断面図である。
【００２９】
本実施形態の物理量センサー１００は、基体１０と、梁２０と、上部電極３２および下部電極３４と、を含む。
【００３０】
基体１０は、物理量センサー１００を支持する支持体としての機能を有する。基体１０は、±Ｙ方向に加えられた外力によって厚み方向（±Ｙ方向）に撓むような可撓性を有する。本実施形態では基体１０は、開口部１２および枠部１４を有したフレーム状（額縁状）の形状を有する。基体１０（枠部１４）の平面的な外形は、図示の例では矩形であるがこれに限定されない。枠部１４は、図３に示すように、厚みの異なる部位を有していてもよい。図３の例では、枠部１４は、厚みｔ１を有する外周部１４ａ、厚みｔ１よりも薄い厚みｔ２を有する薄肉部１４ｂ、および外周部１４ａと薄肉部１４ｂとの間に形成された傾斜部１４ｃを有している。枠部１４は、薄肉部１４ｂおよび傾斜部１４ｃを有さなくてもよく、その場合は、外周部１４ａの内周と、開口部１２の外周とが一致する。図示の例では、枠部１４は、薄肉部１４ｂを有しており、薄肉部１４ｂの内周が開口部１２の外周に一致している。また、枠部１４には、図示しない重りが形成されていてもよい。枠部１４に重りを形成すると、基体１０の撓み量を調節することができ、たとえば、物理量センサー１００の測定感度を高めることができる。
【００３１】
基体１０における開口部１２が形成される位置は、後述する梁３０に枠部１４の変形が伝達できる限りにおいて任意である。開口部１２が形成される位置を適宜選択すれば、たとえば、枠部１４の質量の配置の調整を行うことができ、物理量センサー１００の測定感度を高めることができる。図示の例では、開口部１２は、基体１０の中心から＋Ｚ方向にやや偏った位置に形成されている。また、開口部１２の位置を選んで、たとえば、枠部１４に電極パッドの形成領域を設けたり、物理量センサー１００を支持するための領域を設けたりしてもよい。開口部１２の平面形状は任意である。図示の例では開口部１２は矩形となっている。
【００３２】
基体１０の材質は、たとえば、水晶、シリコン、各種の金属等の無機材料、ポリイミド等の有機材料とすることができる。本実施形態では、基体１０は、梁２０と一体的に形成される。そのため、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべりを生じるものを用いる。このような性質を有しうる材料としては、たとえば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電性を有する材料が挙げられる。
【００３３】
たとえば、基体１０および梁２０の材料として水晶基板を選択する場合、厚み方向が、水晶の結晶軸のＸ軸またはＹ軸の成分を含むようにする。したがって、基体１０を形成するための基板としては、ＡＴカットの水晶基板（以下これをＡＴ板と称することがある）や、ＢＴカットの水晶基板（以下これをＢＴ板と称することがある）、法線方向が水晶の結晶軸のＹ軸となっている水晶基板（以下これをＹ板と称することがある）などを例示することができる。基体１０に、ＡＴ板、ＢＴ板、またはＹ板を選択すれば、厚み方向に電圧信号を印加することにより、より容易に厚みすべり振動を発生させることができる。本実施形態では、以下、基体１０の材料として、水晶のＹ板を選択した場合について例示する。これにともない各図には、基体１０の法線方向上向きが＋Ｙ方向となるように矢印が描かれている。
【００３４】
本実施形態では、梁２０は、基体１０に両端が支持され、基体１０の開口部１２内に架橋するように形成される。本明細書では、梁２０の延びている方向を±Ｚ方向とする。梁２０は、±Ｚ方向に直交する±Ｙ方向（基体１０の厚み方向）の成分を有して屈曲振動することができる。また、本明細書では、±Ｙ方向および±Ｚ方向に直交する方向を±Ｘ方向と称する。また本明細書では、梁２０の２つの支持端付近は、根本領域と称することがある。
【００３５】
梁２０は、物理量センサー１００の振動部として機能する。梁２０は、柱状の形状を有することができ、たとえば、梁２０をＸＹ平面で切った断面の形状は、多角形、四角形等とすることができる。本実施形態では、梁２０は、基体１０に一体的に形成される。したがって、基体１０の材質は、基体１０の材質と同様である。そのため、梁２０は、厚み方向に電界が印加されたときに厚みすべり歪みを生じることができる。梁２０が形成される平面的な位置は、開口部１２内であれば任意であり、たとえば、枠部１４が力を受けて撓んだときに、梁２０の長手方向の引張または圧縮の応力が生じるように配置することができる。梁２０の平面的な配置は、図示の例では、開口部１２の中心を通り、枠部１４が梁２０の延びる方向（±Ｚ方向）に対して線対称となっている。このようにすれば、梁２０に加わる応力の±Ｘ方向の成分を小さくすることができる。
【００３６】
本実施形態では、梁２０の厚みは、基体１０の枠部１４の外周部１４ａの厚みよりも小さい。梁２０の厚みが、外周部１４ａの厚みと同じであると、枠部１４が屈曲したときに、梁２０の長手方向に引張または圧縮の応力が発生しにくい場合がある。図３の例では、梁２０は、基体１０の枠部１４の薄肉部１４ｂの厚みｔ２と同じ厚みを有している。基体１０の厚み方向（±Ｙ方向）において、梁２０が接続する位置は、基体１０の厚み方向の中央からみて、基体１０の上面または下面側に偏って設けられる。梁２０が、基体１０の厚み方向の中央に関して厚み方向に対称的に設けられると、枠部１４が屈曲したときに、梁２０の長手方向に引張または圧縮の応力が発生しにくい場合がある。図３の例では、梁２０は、基体１０の厚み方向において、上面側に偏って設けられ、かつ、枠部１４（基体１０）の上面と、梁２０の上面とは一致している。このようにすれば、物理量センサー１００を製造するときに、基体１０のエッチングを下面側からのみとすることができる。
【００３７】
なお、梁２０は、溝および貫通孔などを有していてもよい。溝および貫通孔は、たとえば、梁２０内の質量の分布の調整や、梁２０に印加される電界の方向を調節するために設けることができる。また、梁２０には、たとえば中央領域に付加質量となる部材を設けることもできる。このような部材を設け、該部材の質量を調整することによって梁２０の振動の周波数を調整することができる。
【００３８】
上部電極３２および下部電極３４は、梁２０の中央領域を避けて、梁２０の上面および下面に形成される。上部電極３２および下部電極３４は、対になって、梁２０を厚み方向（±Ｙ方向）に挟んで形成される。上部電極３２および下部電極３４は、梁２０の根本領域から、中央領域に向かって延設される。上部電極３２および下部電極３４は、梁２０の一方の端から延出しものが、他方の端から延出したものと接触しないように形成される。
【００３９】
上部電極３２および下部電極３４の機能としては、梁２０を励振させる機能、および梁２０の振動を検出する機能を挙げることができる。上部電極３２および下部電極３４は、図示しない外部回路に電気的に接続されることができる。上部電極３２および下部電極３４の材質としては、ＣｒおよびＡｕなどの導電性の金属が挙げられ、これらＣｒ層およびＡｕ層の積層構造とすることもできる。
【００４０】
上部電極３２は、梁２０の上面に形成される。下部電極３４は、梁２０の下面に形成される。また、上部電極３２および下部電極３４は、それぞれ配線４０に電気的に接続される。本明細書では、同電位となる電極（３２，３４）および配線４０には、同一の補助符号（ａ、ｂ）を付して表す。
【００４１】
図１〜図３に示す例では、２対の上部電極３２および下部電極３４の組が、梁２０を介して対向して設けられている。図３に示すように、対向する一対の上部電極３２および下部電極３４は、互いに異なる電位となることができる。これにより、梁２０に厚み方向（±Ｙ方向）の電圧信号（電界）を印加することができる。図示の例では、上部電極３２ａと下部電極３４ｂとが、および、上部電極３２ｂと下部電極３４ａとが、それぞれ梁２０の２つの根本領域で対向して配置されている。
【００４２】
次に、図１〜図３を用いて各電極に接続される配線４０の一例について説明する。上部電極３２ａは、梁２０の一方の根本領域で配線４０ａに接続している。配線４０ａは、基体１０（枠部１４）の上面で引き回され、基体１０の下面側に延びている。基体１０の下面側に延ばされた配線４０ａは、基体１０の下面で引き回されて梁２０の他方の根本領域で下部電極３４ａに接続している。同様に、上部電極３２ｂは、梁２０の他方の根本領域で配線４０ｂに接続している。配線４０ｂは、基体１０の上面で引き回され、基体１０の下面側に延びている。基体１０の下面側に延ばされた配線４０ｂは、基体１０の下面で引き回されて梁２０の一方の根本領域で下部電極３４ｂに接続している。配線４０ａおよび配線４０ｂは、互いに電気的に離間されており、互いに異なる電位を有することができる。上記は一例であって、配線４０ａおよび配線４０ｂの引き回しの経路は任意である。また、任意の位置で配線４０ａおよび配線４０ｂに接続する外部接続用のパッド４２が形成されてもよい。図示の例では、基体１０の上面側にパッド４２ａおよびパッド４２ｂが形成されている。
【００４３】
上記例示したような電極および配線の構成を採ると、梁２０に印加される電界を、梁２０の一方の根本領域と他方の根本領域とで、互いに逆方向とすることが容易となる。そして、たとえばパッドおよび配線を介して、各電極に交流電界を印加すれば、梁２０の両端付近で位相が逆になる厚みすべり振動を生じさせることができる。
【００４４】
次に、図４を用いて、梁２０の屈曲および厚みすべりの関係について説明する。図４は、梁２０の両端付近で、互いに逆の位相の厚みすべりが生じている状態を示している。図中実線は、該厚みすべりによって梁２０が屈曲している状態を描いたものである。厚みすべりが生じた状態とは、図中破線で模式的に示すように、梁２０を構成する物質の±Ｚ方向の変位量が、±Ｙ方向（厚み方向）の位置に関して分布を生じている状態を指している。このような厚みすべりによって、梁２０の上面側および下面側で、大きさまたは方向の異なる変位を発生させることができ、梁２０を±Ｙ方向へ屈曲させることができる。
【００４５】
このような厚みすべりの方向および梁２０の屈曲の方向は、各電極に印加する電界を逆にすることで、容易に逆転することができるため、各電極に交流電界を印加すれば、梁２０に、厚みすべり振動に基づく屈曲振動を生じさせることができる。
【００４６】
１．２．物理量センサーの動作
図５および図６は、本実施形態にかかる物理量センサー１００の挙動を模式的に示す断面図である。図５および図６では、物理量センサー１００の基体１０の枠部１４の一部が基台５０に接着剤５２で固定されている状態を示している。図では、物理量センサー１００は、左側（−Ｚ方向側）の枠部１４が固定され、右側（＋Ｚ方向）に向かって片持ち梁状に保持された状態となっている。また、図５および図６では、各電極は省略して描かれている。
【００４７】
図５は、物理量センサー１００に対して、＋Ｙ方向の加速度、または−Ｙ方向の力が印加されたときの状態を示している。図６は、物理量センサー１００に対して、−Ｙ方向の加速度、または＋Ｙ方向の力が印加されたときの状態を示している。
【００４８】
図５の鎖線で示すように、＋Ｙ方向の加速度または−Ｙ方向の力が加えられた物理量センサー１００は、片持ち梁の固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が−Ｙ方向に撓む。すると、前述したように梁２０は、物理量センサー１００の上面側に偏った位置に形成されているため、梁２０は、矢印方向に伸張される。梁２０は、伸張されると屈曲振動の共振周波数が高くなる。このときの梁２０の共振周波数の変化をたとえば基準周波数と比較することによって＋Ｙ方向の加速度または−Ｙ方向の力の大きさを知ることができる。
【００４９】
一方、図６の鎖線で示すように、−Ｙ方向の加速度または＋Ｙ方向の力が加えられた物理量センサー１００は、片持ち梁の固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が＋Ｙ方向に撓む。すると梁２０は、矢印方向に縮められる。梁２０は、縮められると屈曲振動の共振周波数が低くなる。このときの梁２０の共振周波数の変化をたとえば基準周波数と比較することによって、−Ｙ方向の加速度または＋Ｙ方向の力の大きさを知ることができる。
【００５０】
なお、図５および図６のいずれの場合においても、共振周波数と基準周波数との差と、加速度または力の大きさとの相関を予め算出し、得られたデータをテーブル化しておけば、より容易に加速度または力の大きさを測定することができる。なお、図５および図６の例では、物理量センサー１００は、基台５０に対して下面側が固定されているが、上面側が固定された場合も上記と同様である。
【００５１】
以上のように物理量センサー１００は、加速度、力等の物理量が加えられた際に、物理量センサー１００が±Ｙ方向に撓み、梁２０の共振周波数が変化する。そのため、共振周波数の変化から、物理量センサー１００に加わった物理量をただちに把握することができる。
【００５２】
次に物理量センサー１００の共振周波数の変化を検出する方法について説明する。図７は、物理量センサー１００のインピーダンス曲線を概略的に示すグラフである。同グラフは、縦軸にＣ．Ｉ．値（クリスタル・インピーダンス）、横軸に周波数をとったものである。図８は、物理量センサー１００の簡略化した等価回路および共振周波数の変化を検出する構成の一例を示す図である。
【００５３】
物理量センサー１００の梁２０は、振動モードごとに複数の共振周波数を有する。たとえば、図７に示すように、ｋＨｚの範囲の周波数領域に、屈曲モードの共振周波数（ｆ１、ｆ２）を有し、ＭＨｚの範囲の周波数領域に、厚みすべりモードの共振周波数（ｆ３、ｆ４）を有する。また、両モードの共振周波数はそれぞれ一つには限られず、図示のように、各周波数領域でＣ．Ｉ．値の小さい（効率の高い）共振周波数（ｆ１、ｆ４）と、Ｃ．Ｉ．値の大きい（効率の低い）共振周波数（ｆ２、ｆ３）とが存在する。図示の例では、ｆ１〜ｆ４の共振周波数を描いているが、共振周波数の数や順序は、梁２０の微細な形状などによりランダムに生じることが一般的である。また各共振周波数は、温度等の環境の変化がないかぎり、一定の値となり、各梁２０（物理量センサー１００）が有する特性値としての性格を有する。
【００５４】
物理量センサー１００が、図７に示したようなインピーダンス曲線を有する場合、図８に示すような等価回路を考えることができる。図８において、Ｃ０は、上部電極３２と下部電極３４の間の静電容量を示す。図８には、図７に示した共振周波数（ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４）に対応する等価回路を並列に描いてあり、各等価回路の抵抗ｒ１〜ｒ４の大きさが、各共振周波数におけるＣ．Ｉ．値であると考えることができる。したがって、ここでは抵抗ｒ１およびｒ４は、抵抗ｒ２およびｒ３よりも小さい値を有するものと考える。
【００５５】
物理量センサー１００による加速度や力などの検出は、一例として、図８に示すように、低周波用ＯＳＣ回路および周波数カウンターを用いて行うことができる。低周波用ＯＳＣ回路は、物理量センサー１００を効率のよい共振周波数ｆ１で駆動する。共振周波数ｆ１で駆動された状態では梁２０は、屈曲振動している。そして、物理量センサー１００が加速度や力を受けると屈曲振動の共振周波数ｆ１が変化する。この変化を周波数カウンターで検出して物理量センサー１００が受けた加速度や力などを知ることができる。
【００５６】
一方、物理量センサー１００による温度などの検出は、一例として、図８に示すように、高周波用ＯＳＣ回路および周波数カウンターを用いて行うことができる。高周波用ＯＳＣ回路は、物理量センサー１００を効率のよい共振周波数ｆ４で駆動する。共振周波数ｆ４で駆動された状態では梁２０は、厚みすべり振動している。そして、物理量センサー１００の温度が変化すると厚みすべり振動の共振周波数ｆ４が変化する。この変化を周波数カウンターで検出して物理量センサー１００の温度（物理量）を知ることができる。
【００５７】
なお、図８の例では、物理量センサー１００に接続される低周波用ＯＳＣ回路と高周波用ＯＳＣ回路は、スイッチによって切り替えているが、上述の機能を有する限り、自由な回路構成が可能である。
【００５８】
図８のような回路構成を採ると、測定対象となる物理量、すなわち、力学的な量（加速度または力）と、温度と、を簡単に切り替えることができる。そのため、たとえば、１つの物理量センサー１００によって複数種の物理量を検出することが可能である。
【００５９】
また、物理量センサー１００によって測定される温度は、物理量センサー１００自体の温度であり、測定された温度を用いて、物理量センサー１００自体の校正を行うことができる。すなわち、物理量センサー１００自体の温度を測定し、当該温度を用いて物理量センサー１００によって測定される加速度や力などの値を補正することができる。これにより物理量センサー１００の測定精度をさらに高めることができる。
【００６０】
以上説明した本実施形態の物理量センサー１００は、両端が支持された１本の梁２０を有するため測定感度が高い。その上、本実施形態の物理量センサー１００は、梁２０の上面および下面にそれぞれ上部電極３２および下部電極３４を有し、梁２０の側面に電極を形成する必要がないため、製造が容易である。
【００６１】
１．３．変形例
図９は、本実施形態の変形例にかかる物理量センサー２００の上面図である。図１０は、本実施形態の変形例にかかる物理量センサー２００を模式的に示す断面図である。図９のＢ−Ｂ線の断面は、図１０に相当する。図１１は、本実施形態の他の変形例にかかる物理量センサー３００の上面図である。図１２は、本実施形態の他の変形例にかかる物理量センサー３００を模式的に示す断面図である。図１１のＣ−Ｃ線の断面は、図１２に相当する。
【００６２】
変形例にかかる物理量センサー２００は、基体１０と、梁２０と、上部電極３２および下部電極３４と、を含む。物理量センサー２００は、基体１０の形状が異なる以外は、上述の物理量センサー１００と同様であるため、基体１０以外の部材については、物理量センサー１００と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６３】
物理量センサー２００の基体１０の材質、平面的な外形形状、開口部１２等は、物理量センサー１００と同様である。図９および図１０に示すように、物理量センサー２００は、基体１０の枠部１４のうち、梁２０に並行して延びている部位に、厚み方向に切り欠かれた構成のくびれ部１６が形成されている。くびれ部１６では、基体１０の厚みは他の部位よりも小さくなっている。そのため、くびれ部１６を有することによって、基体１０の±Ｙ方向への撓みをより発生させやすくすることができる。これにより、物理量センサー２００の加速度または力に対する測定感度を高めることができる。
【００６４】
くびれ部１６が設けられる位置は、基体１０の撓みが±Ｘ方向の成分を含まないようにするために、梁２０に対して対称的な位置に設けられることが好ましい。また、くびれ部１６は、基体１０の撓みを大きくするために、物理量センサー２００の固定端側に近いほうに設けられることが好ましい。
【００６５】
くびれ部１６の形状は、図示の例では、基体１０の上面および下面から厚み方向に切り欠いているがこれに限定されない。たとえば、くびれ部１６は、基体１０の上面または下面の片側から切り欠かれて設けられてもよい。梁２０が、基体１０の厚み方向において上面側に偏って設けられている場合には、くびれ部１６は、基体１０の上面側から切り欠かれて設けられることがより好ましい。このようにすれば、基体１０の撓みによる梁２０の圧縮または伸張の作用をさらに高めることができる。なお、くびれ部１６を横断するように配線４０を設けることができる。
【００６６】
図１１および図１２は、他の変形例にかかる物理量センサー３００を模式的に示す図である。他の変形例にかかる物理量センサー３００は、基体１０と、梁２０と、上部電極３２および下部電極３４と、を含む。物理量センサー３００は、カウンタービーム２２を有する以外は、上述の物理量センサー１００と同様であるため、カウンタービーム２２以外の部材については、物理量センサー１００と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６７】
カウンタービーム２２は、梁２０の根本から突出して梁２０に並行して梁２０の中央領域側へ延びるように設けられる。図示の例では、カウンタービーム２２は、基体１０と連続する形状で梁２０の根本から突出しているが、基体１０に連続せずに、梁２０の側面から突出していてもよい（図示せず）。カウンタービーム２２は、片持ち梁状の形状を有することが好ましい。カウンタービーム２２が、梁２０と同様の両持ち梁状に設けられると、物理量センサー３００に加速度または力が加わった際に、梁２０に生じる圧縮または伸張の応力が小さくなってしまうことがある。また、カウンタービーム２２は、偶数本設けられることが好ましい。このようにすれば、物理量センサー３００のＺ方向周りに生じる回転のモーメントを抑制することができる。カウンタービーム２２は、梁２０に対して対称的に設けられることが好ましい。図１１に示す例では、片持ち梁状のカウンタービーム２２が、梁２０に沿って、かつ梁２０に関して対称的に４本設けられている。カウンタービーム２２は、梁２０の質量の変位を相殺できるような質量を有することが好ましい。カウンタービーム２２には、図示しない重りや配線が設けられてもよい。
【００６８】
カウンタービーム２２の機能の一つとしては、梁２０が±Ｙ方向に屈曲振動する際の質量の変位を相殺することが挙げられる。カウンタービーム２２は、いずれも、±Ｙ方向に変位の成分を有して振動することができる。図１２に矢印で示すように、カウンタービーム２２は、梁２０とは互いに逆方向に変位して振動する。そのため、梁２０が屈曲振動するとき、±Ｙ方向への質量の変位が互いに相殺されて物理量センサー３００全体の質量の±Ｙ方向の変位成分を小さくすることができる。すなわち、カウンタービーム２２を有すると、物理量センサー３００の振動漏れを減少させることができる。
【００６９】
以上例示した変形例は、組み合わせが可能であり、また、本実施形態のみならず、他の実施形態に対しても自由に適用することができる。
【００７０】
２．第２実施形態
２．１．物理量センサー
図１３は、本実施形態にかかる物理量センサー４００を模式的に示す上面図である。図４は、本実施形態にかかる物理量センサー４００を模式的に示す断面図である。図１３のＤ−Ｄ線の断面は、図１４に相当する。
【００７１】
本実施形態の物理量センサー４００は、基体６０と、梁２０と、上部電極３２および下部電極３４と、を含む。物理量センサー４００は、基体６０の形状および梁２０が設けられる態様が異なる以外は、第１実施形態の物理量センサー１００と同様であるため、基体６０および梁２０以外の部材については、物理量センサー１００と同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００７２】
本実施形態の物理量センサー４００の基体６０は、ＸＺ平面に展開される平板状の形状を有する。基体６０は、加えられた外力によって厚み方向（±Ｙ方向）に撓むような可撓性を有する。基体６０の材質としては、たとえば、水晶、シリコン、各種の金属等の無機材料、ポリイミド等の有機材料を挙げることができる。本実施形態では、梁２０は、基体６０と別体で形成されたあと、基体６０に接合されることができる。したがって、基体６０の材質と、梁２０の材質とは異なっていてもよい。
【００７３】
基体６０の平面的な外形は、図示の例では矩形であるがこれに限定されない。基体６０には、図示しない重りが形成されていてもよい。基体６０に重りを形成すると、基体６０の撓み量を調節することができ、たとえば、物理量センサー３００の測定感度を高めることができる。
【００７４】
基体６０は、上面に少なくとも２つの突部６２を有する。突部６２の機能の一つとしては、梁２０の両端を２つの突部６２によって支持して、梁２０を２つの突部６２の間で架橋させることが挙げられる。突部６２の形状は、梁２０を基体１０の上面に接触しないように支持できるかぎり任意である。突部６２の形状は、たとえば、直方体とすることができる。図１３および図１４の例では、基体６０は上面に段差状に形成された２つの突部６２が形成されている。
【００７５】
本実施形態では、梁２０は、基体６０の突部６２に両端が支持され、基体６０の上面から離間されて架橋している。また、基体６０の上で梁２０が形成される平面的な位置は、第１実施形態と同様に任意であり、たとえば、基体６０が力を受けて撓んだときに、梁２０の長手方向の引張または圧縮の応力が生じるように配置することができる。梁２０の平面的な配置は、図示の例では、基体６０の±Ｘ方向の中心を通り、±Ｚ方向に梁２０の長手方向が沿うように設けられている。梁２０は、基体６０に接着剤等によって固定されることができる。また、梁２０の両端には、図示のような、基体６０に固定するための基部２４が形成されていてもよい。さらに、基部２４の厚みは、梁２０の厚みよりも大きくてもよい。
【００７６】
なお、図１３および図１４の例では、基体６０は、梁２０の両端を支持する２つの突部６２の間に、梁２０と交差する方向（±Ｘ方向）に延びる形状のくびれ部６４を有している。くびれ部６４は、第１実施形態の変形例で述べたくびれ部１６と実質的に同様であり、同様の効果を有することができる。
【００７７】
梁２０は、物理量センサー４００の振動部として機能することができる。梁２０の形状、材質等の詳細については、第１実施形態と同様である。
【００７８】
２．２．物理量センサーの動作
物理量センサー４００の動作等は、実質的に第１実施形態で述べたと同様である。すなわち、片持ち梁状に固定された物理量センサー４００に対して、加速度または力が印加されると、固定端を基準として、片持ち梁の自由端側が撓む。すると梁２０は、物理量センサー４００の上面よりも上方に形成されているため、梁２０には、伸張または圧縮の応力が発生する。これにより加速度または力を加えられたときに生ずる共振周波数と基準周波数との差とから加速度の大きさを測定することができる。
【００７９】
物理量センサー４００は、加速度、力等の物理量が加えられた際に、物理量センサー４００が±Ｙ方向に撓み、梁２０の共振周波数が変化する。そのため、共振周波数の変化から、物理量センサー４００に加わった物理量をただちに把握することができる。
【００８０】
以上説明した本実施形態の物理量センサー４００は、両端が支持された１本の梁２０を有するため測定感度が高い。その上、本実施形態の物理量センサー１００は、梁２０の上面および下面にそれぞれ上部電極３２および下部電極３４を有し、梁２０の側面に電極を形成する必要がないため、製造が容易である。
【００８１】
３．物理量測定装置
本発明にかかる物理量測定装置は、検出部と、上述した実施形態の物理量センサーのいずれか１つを有している。図１５は、物理量測定装置の一例である物理量測定装置１０００を模式的に示す断面図である。
【００８２】
物理量測定装置１０００は、図１５に示すように、たとえば、パッケージベース５１０およびリッド５２０からなるパッケージ５００内に、物理量センサー１００と、検出部６００とが封止されたものとすることができる。
【００８３】
パッケージベース５１０は、物理量センサー１００を収容することができる容器状の形状を有する。パッケージベース５１０の平面的な形状、および容器としての深さ等は、任意である。パッケージベース５１０の上部は、物理量センサー１００をパッケージベース５１０の内部に入れることができる程度の開口を有している。パッケージベース５１０の開口は、リッド５２０によって気密封止されることができる。パッケージベース５１０の材質は、セラミック、ガラス等の無機材料であることができる。
【００８４】
リッド５２０は、パッケージベース５１０の上部の開口を封止する平板形状を有する。リッド５２０の平面形状は、パッケージベース５１０の開口を封止できるかぎり任意である。リッド５２０の材質としては、セラミック、ガラス、金属等が挙げられる。パッケージベース５１０とリッド５２０との接着は、たとえば、プラズマ溶接、シーム溶接、超音波接合、または接着剤等を用いて行われることができる。パッケージベース５１０およびリッド５２０によって形成されるパッケージ５００内のキャビティー（空間）は、物理量センサー１００を片持ち梁状に保持するための空間となる。また、キャビティーは、密閉されることができるため、物理量センサー１００を減圧空間や不活性ガス雰囲気に設置することができる。
【００８５】
物理量センサー１００は、図示のように、たとえば接着剤５３０を用いて、パッケージベース５２０内の底面に片持ち梁状に固定されることができる。また物理量センサー１００は、例示した配置の他、物理量測定装置１０００の測定対象である加速度または力の方向に対応するように、パッケージ５００内で自由に配置されることができる。
【００８６】
検出部６００は、物理量センサー１００を駆動し、梁２０の屈曲振動または厚みすべり振動の共振周波数の変化を検出することができる。検出部６００は、たとえば、第１実施形態で述べた回路構成を有するＩＣチップで構成することができる。検出部６００は、パッケージ５００内で、ボンディングワイヤー７００等を介して物理量センサー１００の配線４０に電気的に接続されることができる。また、パッケージベース５２０にスルーホールを設けて、パッケージ５００内の配線等と、パッケージベース５２０の下面の外部電極７１０とを接続することができる。外部電極７１０は、物理量測定装置１０００の外部端子として機能することができる。
【００８７】
以上例示したような物理量測定装置１０００は、物理量センサー１００を含んでいるため、加速度、力、温度等の物理量を高感度に測定することができる。
【００８８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８９】
１０，６０…基体、１２…開口部、１４…枠部、１４ａ…外周部、１４ｂ…薄肉部、
１４ｃ…傾斜部、１６，６４…くびれ部、２０…梁、２２…カウンタービーム、
２４…基部、３２，３２ａ，３２ｂ…上部電極、３４，３４ａ，３４ｂ…下部電極、
４０ａ，４０ｂ…配線、４２，４２ａ，４２ｂ…パッド、５０…基台、
５２，５３０…接着剤、６２…突部、
１００，２００，３００，４００…物理量センサー、５００…パッケージ、
５１０…パッケージベース、５２０…リッド、６００…検出部、
７００…ボンディングワイヤー、７１０…外部電極、１０００…物理量測定装置
【図１】
2010203932.tif 000003
【図２】
2010203932.tif 000004
【図３】
2010203932.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010203932.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010203932.tif 000009
【図８】
2010203932.tif 000010
【図９】
2010203932.tif 000011
【図１０】
2010203932.tif 000012
【図１１】
2010203932.tif 000013
【図１２】
2010203932.tif 000014
【図１３】
2010203932.tif 000015
【図１４】
2010203932.tif 000016
【図１５】
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