(57)【要約】【課題】センシング素子全体の損失係数を小さくでき、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができるセンシング素子を提供する。【解決手段】センシング素子１０は、圧電体１２と、該圧電体１２の一主面に対向して設けられた振動板１４と、該振動板１４の一主面に対向して設けられた錘部１８と、圧電体１２に接して設けられた上部電極２０及び下部電極２２と、少なくとも振動板１４と錘部１８との間に設けられた接合層２４ｂとを有し、接合層２４ｂ及び振動板１４の損失係数が圧電体１２の損失係数以下である。【選択図】図１
2014020868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、
前記圧電体の一方の主面に対向して設けられた振動板と、
前記振動板の一方の主面に対向して設けられた錘部と、
前記圧電体に接して設けられた上部電極及び下部電極と、
少なくとも前記振動板と前記錘部との間に設けられた接合層とを有し、
前記接合層及び前記振動板の損失係数が前記圧電体の損失係数以下であることを特徴とするセンシング素子。
【請求項２】
請求項１記載のセンシング素子において、
前記接合層及び前記振動板の損失係数が１００×１０−４以下であることを特徴とするセンシング素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記接合層が無機材で構成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項４】
請求項３記載のセンシング素子において、
前記接合層が金属で構成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
前記振動板が無機材で構成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項６】
請求項５記載のセンシング素子において、
前記振動板が金属で構成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項７】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項８】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜と前記接合層を兼用する金属酸化膜との積層体で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属酸化膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項９】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１０】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて１つの焼成体として構成され、
前記焼成体と前記錘部との間に前記接合層を有し、
前記接合層が金属膜で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記接合層と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１１】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜で構成され、
前記接合層は、前記振動板側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１２】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて１つの焼成体として構成され、
前記接合層は、前記焼成体側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１３】
請求項１又は２記載のセンシング素子において、
前記振動板が金属膜で構成され、
前記錘部が金属以外の無機材で構成され、
前記接合層が、前記振動板と前記錘部との間に形成されたろう材であることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、
前記複数の電極は、前記錘部を駆動するための駆動用電極と、前記錘部の変位を検出するための検出用電極とを有することを特徴とするセンシング素子。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、
前記複数の電極は、前記錘部の変位を検出するための検出用電極のみを有することを特徴とするセンシング素子。
【請求項１６】
請求項１４又は１５記載のセンシング素子において、
前記下部電極は前記複数の電極の対向電極であって、共通電極であることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１７】
請求項１６記載のセンシング素子において、
前記振動板が前記下部電極を兼用していることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載のセンシング素子において、
前記圧電体の厚みと前記振動板の厚みは、前記圧電体と前記振動板とで構成される梁を曲げた際の材料力学上の中立軸が前記振動板側に位置するように規定されていることを特徴とするセンシング素子。
【請求項１９】
請求項１８記載のセンシング素子において、
前記中立軸が前記圧電体と前記振動板との境界部分に位置するときの前記振動板の厚みを基準厚みとしたとき、
前記振動板の厚みは前記基準厚み以上であることを特徴とするセンシング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば加速度センサや角速度センサとして用いて好適なセンシング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、例えば角速度センサとして、特許文献１に記載の角速度センサが知られている。この特許文献１記載の角速度センサは、ベース基板と、ベース基板に設置された台座と、台座上に設置され、環状溝を有する可撓性基板と、可撓性基板上に設置された圧電素子とを有する。可撓性基板は、外側に位置する固定部と、内側に位置する作用部と、固定部と作用部の間に位置する薄肉の可撓部とを一体に有する。作用部の下端には重錘体が設置される。圧電素子は、圧電体と下部電極と上部電極とを有する。そして、重錘体を、所定の自由度をもって移動可能となるように支持した状態で、重錘体の中心軸を中心としてＸＹ平面内で円軌道に沿って円運動させ、重錘体がＸ軸を通過する瞬間に、重錘体に対してＺ軸方向に作用するコリオリ力を検出することにより、Ｘ軸まわりの角速度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、複数の部材から構成される特許文献１のような従来のセンサは、各々の部材を一体化する場合に、部材同士を接合あるいは接着する必要があり、部材間に接合層が存在することとなる。接合層は、制振作用があり、固体表面の振動の振動エネルギーを熱エネルギーに変換することから、損失係数が大きく、そのため、振動エネルギーの減衰につながり、検出精度の低下をもたらす。また、センシング素子を共振させることが困難になったり、共振させるまでに時間がかかり、検出遅延の原因となる。
【０００５】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、センシング素子全体の損失係数を小さくでき、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができるセンシング素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］  本発明に係るセンシング素子は、圧電体と、前記圧電体の一方の主面に対向して設けられた振動板と、前記振動板の一方の主面に対向して設けられた錘部と、前記圧電体に接して設けられた上部電極及び下部電極と、少なくとも前記振動板と前記錘部との間に設けられた接合層とを有し、前記接合層及び前記振動板の損失係数が前記圧電体の損失係数以下であることを特徴とする。
【０００７】
［２］  本発明において、前記接合層及び前記振動板の損失係数が１００×１０−４以下であってもよい。
【０００８】
［３］  本発明において、前記接合層が無機材で構成されていてもよい。
【０００９】
［４］  この場合、前記接合層が金属で構成されていてもよい。
【００１０】
［５］  本発明において、前記振動板が無機材で構成されていてもよい。
【００１１】
［６］  この場合、前記振動板が金属で構成されていてもよい。
【００１２】
［７］  本発明において、前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１３】
［８］  本発明において、前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜と前記接合層を兼用する金属酸化膜との積層体で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属酸化膜と無機材との常温接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１４】
［９］  本発明において、前記振動板が前記下部電極及び前記接合層を兼用する金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記振動板と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１５】
［１０］  本発明において、前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて１つの焼成体として構成され、前記焼成体と前記錘部との間に前記接合層を有し、前記接合層が金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記接合層と前記錘部との境界部分に、前記金属膜と無機材との拡散接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１６】
［１１］  本発明において、前記振動板が前記下部電極を兼用する金属膜で構成され、前記接合層は、前記振動板側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１７】
［１２］  本発明において、前記圧電体、前記下部電極及び前記振動板が焼成一体化されて１つの焼成体として構成され、前記接合層は、前記焼成体側の金属膜と、前記錘部側の金属膜との共晶接合による接合領域が形成されていてもよい。
【００１８】
［１３］  本発明において、前記振動板が金属膜で構成され、前記錘部が金属以外の無機材で構成され、前記接合層が、前記振動板と前記錘部との間に形成されたろう材であってもよい。
【００１９】
［１４］  本発明において、少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、前記複数の電極は、前記錘部を駆動するための駆動用電極と、前記錘部の変位を検出するための検出用電極とを有するようにしてもよい。
【００２０】
［１５］  本発明において、少なくとも前記上部電極は複数の電極にて構成され、前記複数の電極は、前記錘部の変位を検出するための検出用電極のみを有するようにしてもよい。
【００２１】
［１６］  ［１４］又は［１５］において、前記下部電極は前記複数の電極の対向電極であって、共通電極であってもよい。
【００２２】
［１７］  この場合、前記振動板が前記下部電極を兼用してもよい。
【００２３】
［１８］  本発明において、前記圧電体の厚みと前記振動板の厚みは、前記圧電体と前記振動板とで構成される梁を曲げた際の材料力学上の中立軸が前記振動板側に位置するように規定されていてもよい。
【００２４】
［１９］  この場合、前記中立軸が前記圧電体と前記振動板との境界部分に位置するときの前記振動板の厚みを基準厚みとしたとき、前記振動板の厚みは前記基準厚み以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るセンシング素子によれば、センシング素子全体の損失係数を小さくでき、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１Ａは本実施の形態に係るセンシング素子を上面から示す図（平面図）であり、図１ＡにおけるＩＢ−ＩＢ線上の断面図である。
【図２】図２Ａは圧電体と振動板とで構成される梁を曲げた際の材料力学上の中立軸が振動板側に位置する場合の例を一部省略して示す断面図であり、図２Ｂは中立軸が圧電体と振動板との境界に位置する場合の例を一部省略して示す断面図である。
【図３】図３Ａは梁の中央部分に荷重をかけて梁を曲げた状態（撓ませた状態）を示す模式図であり、図３Ｂは梁の微小領域における変形と中立軸の位置を示す模式図であり、図３Ｃは中立面と対称面を説明するための図である。
【図４】圧電体の厚みに対する膜厚比（振動板の基準厚みｔｃ／圧電体の厚みｔａ）の変化を、振動板の材質に応じて示すグラフである。
【図５】第１の具体例に係るセンシング素子（第１センシング素子）を示す断面図である。
【図６】第１センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図７】第２の具体例に係るセンシング素子（第２センシング素子）を示す断面図である。
【図８】第２センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図９】第３の具体例に係るセンシング素子（第３センシング素子）を示す断面図である。
【図１０】第３センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図１１】第４の具体例に係るセンシング素子（第４センシング素子）を示す断面図である。
【図１２】第４センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図１３】第５の具体例に係るセンシング素子（第５センシング素子）を示す断面図である。
【図１４】第５センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図１５】第６の具体例に係るセンシング素子（第６センシング素子）を示す断面図である。
【図１６】第６センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図１７】第７の具体例に係るセンシング素子（第７センシング素子）を示す断面図である。
【図１８】第７センシング素子の製造方法を示す工程図である。
【図１９】図１９Ａは実施例１の検出感度を示すグラフであり、図１９Ｂは実施例２の検出感度を示すグラフである。
【図２０】図２０Ａは実施例３の検出感度を示すグラフであり、図２０Ｂは実施例４の検出感度を示すグラフである。
【図２１】図２１Ａは実施例５の検出感度を示すグラフであり、図２１Ｂは実施例６の検出感度を示すグラフであり、図２１Ｃは実施例７の検出感度を示すグラフである。
【図２２】図２２Ａは比較例１に係るセンシング素子を上面から示す図（平面図）であり、図２２Ｂは、図２２ＡにおけるＸＸＩＩＢ−ＸＸＩＩＢ線上の断面図である。
【図２３】比較例１の検出感度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係るセンシング素子の実施の形態例を図１Ａ〜図２３を参照しながら説明する。
【００２８】
本実施の形態に係るセンシング素子１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、圧電体１２と、該圧電体１２の一主面１２ａ（例えば下面）に対向して設けられた振動板１４と、振動板１４の一主面１４ａ（例えば下面）の外周部分に対向して設けられた支持部１６と、振動板１４の一主面１４ａの中央部分に対向して設けられた錘部１８と、圧電体１２に接して設けられた複数の上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ）及び下部電極２２と、下部電極２２と振動板１４との間に設けられた第１接合層２４ａと、振動板１４と支持部１６及び錘部１８との間に設けられた第２接合層２４ｂとを有する。
【００２９】
そして、第１接合層２４ａ、第２接合層２４ｂ及び振動板１４の各損失係数が圧電体の損失係数以下であり、好ましくは１００×１０−４以下である。
【００３０】
なお、図１Ａの例では、センシング素子１０を上面から見た平面形状を円形としているが、四角形状（正方形、長方形）、多角形状（六角形、八角形等）でもよい。また、支持部１６と錘部１８との間に形成される中空部２６（環状溝）は、図１Ａ及び図１Ｂの例では、圧電体１２の平面形状に合わせて円環状としているが、四角形の環状でもよいし、多角形の環状でもよい。
【００３１】
圧電体１２は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）等の圧電特性に優れた圧電セラミックスが好適に用いられる。なお、本実施の形態において、圧電体１２として、圧電材料もしくは電歪材料のいずれを用いても構わない。また、圧電体１２の気孔率は２０％以下であることが好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。気孔率が高すぎると十分な圧電／電歪特性を得ることが困難となるからである。なお、気孔率は、圧電体１２の断面を脱粒しないように鏡面研磨し、その断面をＳＥＭ等を用いて観察した場合の視野面積に対して気孔部分の面積が占める割合で規定した。
【００３２】
上部電極２０は、複数形成され、この例では、第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅが形成されている。上部電極２０は、スクリーン印刷法、スパッタ法等が好適に用いられる。圧電体１２の一主面１２ａに形成された下部電極２２は、第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅの共通の対向電極である。
【００３３】
上部電極２０の電極材としては、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）あるいはこれらの合金を用いることが好ましい。特に、ＰｄやＰｔといった高融点金属を用いた場合には、圧電体１２との同時焼成を容易に行うことができ、好ましい。その他、Ｃｕ（銅）やＮｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）等、種々の金属材料を電極及び電極リードとして用いることができる。
【００３４】
上部電極２０は、図１Ａに示すように、圧電体１２の中心軸２８（「＋」で示す）を中心とした円環状の第１上部電極２０ａと、第１上部電極２０ａの外周側に位置し、同じく圧電体１２の中心軸２８を中心とした円弧状（図の例では円環状を１／４にした円弧状）の第２上部電極２０ｂ〜第５上部電極２０ｅとを有する。この場合、圧電体１２の他主面１２ｂ（例えば上面）にＸＹ平面を定義したとき、第２上部電極２０ｂ及び第３上部電極２０ｃは、各円弧の長さ方向中心をＸ軸が横切るように配置され、第４上部電極２０ｄ及び第５上部電極２０ｅは、各円弧の長さ方向中心をＹ軸が横切るように配置される。
【００３５】
第１上部電極２０ａは、錘部１８の外周面の上方にかかるように形成され、第２上部電極２０ｂ〜第５上部電極２０ｅは、支持部１６の内周面の上方にかかるように形成される。
【００３６】
ここで、このセンシング素子１０による加速度の検出原理及び角速度の検出原理の概要について説明する。
【００３７】
先ず、加速度の検出について説明する。加速度の検出を行うには、センシング素子１０を振動させる必要はない。錘部１８の重心に作用するＸ軸方向の力ｆｘは、第３上部電極２０ｃに発生した電荷の量と第２上部電極２０ｂに発生した電荷の量との差を求めることによって得られる。同様に、錘部１８の重心に作用するＹ軸方向の力ｆｙは、第５上部電極２０ｅに発生した電荷と第４上部電極２０ｄに発生した電荷との差を求めることによって得られる。同様に、錘部１８の重心に作用するＺ軸方向の力ｆｚは、第１上部電極２０ａに発生した電荷の量により求めることができる。なお、錘部１８の重心に作用したＸ軸方向の力、Ｙ軸方向の力及びＺ軸方向の力としては、加速度に起因する力ｆｘ、ｆｙ及びｆｚも、角速度に起因するコリオリ力Ｆｘ、Ｆｙ及びＦｚも同等であり、瞬時に検出される力としては区別できない。
【００３８】
そして、加速度に起因した力ｆと加速度αとの間には、錘部１８の質量ｍに基づいて、ｆ＝ｍ・αの関係があるため、得られた力ｆｘ，ｆｙ，ｆｚに基づき、各軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚを検出することができる。
【００３９】
次に、角速度の検出原理について説明する。角速度の検出においては、センシング素子１０を振動させることが必要となる。従って、先ず、センシング素子１０への振動の付与について簡単に説明する。
【００４０】
下部電極２２と第３上部電極２０ｃとの間に交流電圧を印加すると共に、下部電極２２と第２上部電極２０ｂとの間に、交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加するようにすれば、錘部１８はＸ軸に沿って振動することになる。すなわち、上述した交流電圧の印加により、センシング素子１０に対してＸ軸方向の振動Ｓｘを与えることが可能になる。この振動Ｓｘの周波数は、与える交流電圧の周波数によって制御可能であり、この振動Ｓｘの振幅は、与える交流電圧の振幅値によって制御可能である。
【００４１】
同様に、下部電極２２と第５上部電極２０ｅとの間、及び下部電極２２と第４上部電極２０ｄとの間に、それぞれ互いに位相が逆転した交流電圧を供給することにより、錘部１８をＹ軸方向に振動させることができる。すなわち、上述した交流電圧の印加により、センシング素子１０に対してＹ軸方向の振動Ｓｙを与えることが可能になる。
【００４２】
同様に、下部電極２２と第１上部電極２０ａとの間に、交流電圧を印加すれば、錘部１８はＺ軸に沿って振動することになる。すなわち、センシング素子１０に対してＺ軸方向の振動Ｓｚを与えることが可能になる。
【００４３】
そして、センシング素子１０に対してＺ軸方向の振動Ｓｚを与えた状態で、Ｙ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｙを検出することで、関係式Ｆｙ＝２ｍ・ｖｚ・ωｘに基づいて、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを得ることができる。ここで、ｍは錘部１８の質量であり、ｖｚは錘部１８のＺ軸方向の瞬間速度である。そこで、第１上部電極２０ａと下部電極２２との間に交流電圧を印加して、錘部１８をＺ軸方向に励振した状態にし、このとき、第５上部電極２０ｅ及び第４上部電極２０ｄに発生する電荷の量からＹ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｙを得ることで、Ｘ軸まわりの角速度ωｘを演算により求めることができる。
【００４４】
同様に、センシング素子１０に対してＸ軸方向の振動Ｓｘを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出することで、関係式Ｆｚ＝２ｍ・ｖｘ・ωｙに基づいて、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを得ることができる。ｖｘは錘部１８のＸ軸方向の瞬間速度である。そこで、第３上部電極２０ｃと下部電極２２との間、及び第２上部電極２０ｂと下部電極２２との間に、それぞれ逆位相の交流電圧を印加して、錘部１８をＸ軸方向に励振した状態にし、このとき第１上部電極２０ａに発生する電荷の量からＺ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｚを得ることで、Ｙ軸まわりの角速度ωｙを演算により求めることができる。
【００４５】
同様に、センシング素子１０に対してＹ軸方向の振動Ｓｙを与えた状態で、Ｘ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｘを検出することで、関係式Ｆｘ＝２ｍ・ｖｙ・ωｚに基づいて、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを得ることができる。ここで、ｖｙは錘部１８のＹ軸方向の瞬間速度である。そこで、第５上部電極２０ｅと下部電極２２との間、及び第４上部電極２０ｄと下部電極２２との間に、それぞれ逆位相の交流電圧を印加して、錘部１８をＹ軸方向に励振した状態にし、このとき第３上部電極２０ｃ及び第２上部電極２０ｂに発生する電荷の量からＸ軸方向に作用したコリオリ力Ｆｘを得ることで、Ｚ軸まわりの角速度ωｚを演算により求めることができる。
【００４６】
特に、本実施の形態に係るセンシング素子１０は、第１接合層２４ａ、第２接合層２４ｂ及び振動板１４の各損失係数が圧電体の損失係数以下である。
【００４７】
一般に、部材間の接合層は、制振作用があり、固体表面の振動の振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、固体表面の振動を小さくする働きがある。この制振作用（特性）の評価指標の１つとして損失係数がある。損失係数は、弾性係数Ｅ’、損失弾性係数Ｅ’’の比（Ｅ’’／Ｅ’）で表される。損失係数が大きいほど振動エネルギーを熱エネルギーに変換するため、振動エネルギーの減衰につながり、センシング素子１０を共振させることが困難になったり、共振させるまでに時間がかかり、検出遅延の原因となる。
【００４８】
これに対して、本実施の形態では、上述したように、第１接合層２４ａ、第２接合層２４ｂ及び振動板１４の各損失係数が圧電体の損失係数以下である。下部電極２２は金属膜にて形成されることから、下部電極２２の損失係数も圧電体１２の損失係数以下である。すなわち、圧電体１２と錘部１８との間には、圧電体１２の損失係数以下の部材が介在している。従って、上部電極２０と下部電極２２間に印加された交流電圧に基づいて圧電体１２に発生した振動エネルギーは、下部電極２２、第１接合層２４ａ、振動板１４及び第２接合層２４ｂによってほとんど減衰することなく、効率よく錘部１８に伝達され、センシング素子１０を容易に共振させることができる。これは、コリオリ力の検出精度（角速度の検出精度）を向上させることができ、しかも、早期に角速度の検出を行うことができる。特に、第１接合層２４ａ、第２接合層２４ｂ及び振動板１４の各損失係数を１００×１０−４以下とすることで、圧電体１２に発生した振動をさらに効率よく錘部１８に伝えることができ、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。
【００４９】
さらに、本実施の形態においては、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、圧電体１２の厚みｔａと振動板１４の厚みｔｂは、圧電体１２と振動板１４とで構成される梁３２を曲げた際の材料力学上の中立軸３４が振動板１４側に位置するように規定されている。振動板１４側に位置するとは、圧電体１２のうち、圧電体１２の厚み方向中心部分から振動板１４にかけての部分、圧電体１２と振動板１４との境界部分、又は振動板１４に中立軸３４が位置することを示す。なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、振動板１４が金属で構成されて下部電極２２を兼用している。
【００５０】
ここで、中立軸３４について以下に説明する。先ず、図３Ａに示すように、横断面が左右対称の１つの梁３２の曲げ変形における該梁３２の微小領域３２ａでの曲げ変形を考える。図３Ｂに示すように、曲げモーメントＭによって微小領域３２ａはほぼ均一に円弧状に曲がるとする。微小領域３２ａのうち、曲げ変形の内側（凹部側）は圧縮応力により縮み、曲げ変形の外側（凸部側）は、引張応力により伸びている。この曲げ変形が弾性範囲内においては、円弧の中心Ｏからの距離によって線形的に圧縮から引張へと変化する（図３Ｃ参照）。このとき、梁３２の長手方向の垂直応力及びひずみがゼロとなる場所がある。微小領域３２ａの両端の仮想断面は静的な力の釣り合いにより回転しないから、このような場所から曲げ変形の内側（凹部側）の圧縮力と曲げ変形の外側（凹部側）の引張力は釣り合っているといえ、この場所を中立面３６（図３Ｃ参照）という。そして、前提として横断面は左右対称としていることから、中立面３６とその対称面３８の交差する線を中立軸３４という。図３Ｂに示すように、この中立軸３４を円弧とする曲率半径をＲ、円弧のなす角をｄθとしたとき、中立軸３４の長さＬＡＡは、
ＬＡＡ＝Ｒ・ｄθ
である。
【００５１】
そして、本実施の形態では、圧電体１２と振動板１４とで構成される梁３２において、中立軸３４が圧電体１２と振動板１４との境界部分に位置するときの振動板１４の厚みｔｂを基準厚みｔｃとしたとき、振動板１４の厚みｔｂは基準厚みｔｃ以上である。
【００５２】
具体的に、圧電体１２の厚みｔａとして好ましい範囲である１〜１００μｍに基づき、振動板１４の基準厚みｔｃと圧電体１２の厚みｔａとの比（ｔｃ／ｔａ）をシミュレーションで確認した結果を下記表１及び図４に示す。
【００５３】
【表１】
2014020868.tif 000003
【００５４】
振動板１４の構成材料を金（Ａｕ）とした場合は、図４の実線Ｌ１に示すように、圧電体１２の厚みｔａをｘ、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）をｙとしたとき、膜厚比は、ｙ＝−０．０００３９ｘ＋０．７９６８９に示す直線上に存在する。例えば圧電体１２の厚みｔａが１μｍのとき、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）は０．８０であり、圧電体１２の厚みｔａが１００μｍのとき、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）は０．７６である。このことから、振動板１４の厚みｔｂと圧電体１２の厚みｔａとの比（ｔｂ／ｔａ）は０．７６以上であればよい。もちろん、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）が０．８０以上であれば、圧電体１２の好ましい厚み範囲（１〜１００μｍ）にわたって適用可能となる。より厳密には、振動板１４の厚みｔｂは、ｘ（−０．０００３９ｘ＋０．７９６８９）μｍ以上にすればよい。
【００５５】
振動板１４の構成材料を銅（Ｃｕ）とした場合は、図４の実線Ｌ２に示すように、圧電体１２の厚みｔａをｘ、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）をｙとしたとき、膜厚比は、ｙ＝−０．０００４０ｘ＋０．６５５５７に示す直線上に存在する。例えば圧電体１２の厚みｔａが１μｍのとき、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）は０．６６であり、圧電体１２の厚みｔａが１００μｍのとき、膜厚比（ｔｃ／ｔａ）は０．６２である。このことから、振動板１４の厚みｔｂと圧電体１２の厚みｔａとの比（ｔｂ／ｔａ）は０．６２以上であればよい。もちろん、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）が０．６６以上であれば、圧電体１２の好ましい厚み範囲（１〜１００μｍ）にわたって適用可能となる。より厳密には、振動板１４の厚みｔｂは、ｘ（−０．０００４０ｘ＋０．６５５５７）μｍ以上にすればよい。
【００５６】
振動板１４の厚みｔｂの上限値は、錘部１８の質量や、圧電体１２と振動板１４とによる梁３２の剛性等に応じて設定することができ、例えば２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下を好ましく採用することができる。
【００５７】
上述のように、圧電体１２の厚みｔａと振動板１４の厚みｔｂを、圧電体１２と振動板１４とで構成される梁３２を曲げた際の材料力学上の中立軸３４が振動板１４側に位置するように規定することで、圧電体１２には、曲げ方向に応じて圧縮応力又は引張応力のいずれかが加わり、圧縮応力及び引張応力が混在することがなく、しかも、圧縮応力と引張応力とが打ち消し合うこともない。従って、例えば角速度の検出において、上部電極２０に印加される交流電圧の周波数及び振幅に応じた振動を忠実に錘部１８に与えることができ、これにより、センシング素子１０に作用したコリオリ力を精度よく得ることができ、角速度の検出精度を向上させることができる。また、圧縮応力又は引張応力が線形的に低下する部分に圧電体１２と振動板１４との境界が位置することになるため、振動板１４を金属膜（スパッタやめっき等による金属膜）にて構成しても、振動板１４が圧電体１２から剥離しにくくなり、別途接合のための層を介在させる必要がない。特に、図２Ｂに示すように、振動板１４の厚みｔｂを基準厚みｔｃにすることで、圧電体１２と振動板１４との境界に中立軸３４が位置することになるため、圧電体１２と振動板１４との境界における応力や歪がゼロとなり、振動板１４が圧電体１２から剥離することを確実に防止することができる。
【００５８】
次に、本実施の形態に係るセンシング素子１０の具体例について図５〜図１８を参照しながら説明する。
【００５９】
先ず、第１の具体例に係るセンシング素子（以下、第１センシング素子１０Ａと記す）は、図５に示すように、振動板１４が金属膜で構成され、支持部１６及び錘部１８がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。ここでは、振動板１４を構成する金属膜が、図１Ｂに示す下部電極２２を兼ねていることから、第１接合層２４ａの形成が不要となり、しかも、振動板１４を構成する金属膜が第２接合層２４ｂをも兼ねていることから、別途第２接合層２４ｂを形成する必要がない。振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分には、金属と無機材（例えばガラス）との常温接合による第１接合領域４０ａが形成されている。
【００６０】
具体的には、振動板１４は、例えば第１金属膜４２ａ及び第２金属膜４２ｂによる２層構造となっており、圧電体１２側の第１金属膜４２ａとして、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）又はＮｉ（ニッケル）等のスパッタ金属膜を使用し、支持部１６及び錘部１８側の第２金属膜４２ｂとして、第１金属膜４２ａと同様の金属による厚膜の第２スパッタ金属膜を使用することができる。あるいは、第１金属膜４２ａとして、上述した金属によるスパッタ金属膜を使用し、第２金属膜４２ｂとして、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の電解めっき層を使用することができる。あるいは、第１金属膜４２ａとして、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の無電解めっき層を使用し、第２金属膜４２ｂとして、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の電解めっき層を使用することができる。あるいは、第１金属膜４２ａとして、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の無電解めっき層を使用し、第２金属膜４２ｂとして、上述した金属のスパッタ金属膜を使用することができる。
【００６１】
第１センシング素子１０Ａの製造方法について図６を参照しながら説明する。先ず、図６のステップＳ１において、グリーンシートを成形した後、焼成をして圧電体１２を作製する。その後、ステップＳ２において、圧電体１２の一主面に、第１金属膜４２ａを形成する。例えばスパッタ法により、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ又はＮｉ等のスパッタ金属膜を形成する、あるいは無電解めっき法により、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の電解めっき層を形成する。
【００６２】
その後、ステップＳ３において、第１金属膜４２ａの一主面に第２金属膜４２ｂを形成する。例えばスパッタ法により、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ又はＮｉ等のスパッタ金属膜を形成する、あるいは電解めっき法により、Ａｕ、Ｃｕ又はＮｉ等の電解めっき層を形成する。これにより、圧電体１２の一主面に、金属膜による２層構造の振動板１４が形成される。
【００６３】
一方、ステップＳ４において、支持部１６及び錘部１８の構成材料である例えば円柱形のガラス板４４を準備する。その後、ステップＳ５において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製する。すなわち、ガラス板４４の一主面に環状の開口を有するマスクを取り付けた後、該一主面に向けて鋼材や砂等の微粒子を吹き付けて、ガラス板４４のうち、開口から露出する部分を一定深さまで除去することによって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製する。このガラス構成体４８は、外周に位置する支持部１６と、中央に位置する錘部１８とが、その間の連結部５０によって一体化された構成を有する。
【００６４】
ステップＳ６において、振動板１４の表面と、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）とをそれぞれ研磨処理して、振動板１４の端面とガラス構成体４８の端面の各ラフネスをＲＭＳ（二乗平均粗さ）で１ｎｍ以下にする。
【００６５】
ステップＳ７において、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面を活性化（例えばイオンビーム照射によるダングリングボンドの形成等）した後、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面とを密着させ、高真空（０．１〜１０−５Ｐａ）中で、且つ、常温で、さらに、荷重（例えば０．２〜１．０Ｎｍｍ−２）を加えることで、直接接合する。このとき、振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分に、第２金属膜４２ｂとガラス構成体４８との常温接合による第１接合領域４０ａが形成される。
【００６６】
その後、ステップＳ８において、例えばブラストエッチング（もしくは研磨）により、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング除去して、支持部１６と錘部１８を分離する。その後、図５に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ）を形成する。例えばスパッタ法により、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ又はＮｉ等のスパッタ金属膜を形成して上部電極２０とする。これによって、第１センシング素子１０Ａが完成する。
【００６７】
この第１センシング素子１０Ａにおいては、振動板１４自体が下部電極２２、第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを兼用しているため、別途第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを形成する必要がない。しかも、振動板１４と錘部１８との境界に存する第１接合領域４０ａは、第２金属膜４２ｂとガラス構成体４８との常温接合によるものであるから、実質的に第２金属膜４２ｂが接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。その結果、加速度や角速度の検出精度を向上させることができ、しかも、検出遅延をできるだけ短縮することができる。
【００６８】
次に、第２の具体例に係るセンシング素子（以下、第２センシング素子１０Ｂと記す）は、図７に示すように、振動板１４が金属と金属酸化物とで構成され、支持部１６及び錘部１８がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。この場合も、第１センシング素子１０Ａと同様に、振動板１４を構成する金属膜が、下部電極２２を兼ねている。振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分には、金属酸化物と無機材（例えばガラス）との常温接合による第２接合領域４０ｂが形成されている。
【００６９】
具体的には、振動板１４は、金属膜５２と金属酸化膜５４による２層構造（積層体）となっており、圧電体１２側の金属膜５２として、例えばＡｌ等の金属膜を使用することができ、支持部１６及び錘部１８側の金属酸化膜５４として、例えばＴｉＯ（酸化チタン）等の金属酸化膜を使用することができる。
【００７０】
第２センシング素子１０Ｂの製造方法について図８を参照しながら説明する。先ず、図８のステップＳ１０１において、圧電体１２を作製する。その後、ステップＳ１０２において、圧電体１２の一主面に、金属膜５２を形成する。例えばスパッタ法により、Ａｌ等のスパッタ金属膜を形成する。
【００７１】
その後、ステップＳ１０３において、金属膜５２の一主面に金属酸化膜５４を形成する。例えばスパッタ法により、ＴｉＯ等のスパッタ金属酸化膜を形成する。これにより、圧電体１２の一主面に、金属膜５２と金属酸化膜５４による２層構造の振動板１４が形成される。
【００７２】
ステップＳ１０４以降の工程は、上述した第１センシング素子１０Ａの製造方法におけるステップＳ４〜ステップＳ８とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ１０４において、例えば円柱形のガラス板４４を準備し、ステップＳ１０５において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製し、ステップＳ１０６において、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）とをそれぞれ研磨処理し、ステップＳ１０７において、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面とを対向密着させ、高真空（０．１〜１０−５Ｐａ）中で、且つ、常温で、さらに、荷重（例えば０．２〜１．０Ｎｍｍ−２）を加えることで、直接接合する。このとき、振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分に、金属酸化膜５４とガラス構成体４８との常温接合による第２接合領域４０ｂが形成される。
【００７３】
その後、ステップＳ１０８において、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング（ブラストもしくは研磨）除去して、支持部１６と錘部１８を分離する。その後、図７に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成して、第２センシング素子１０Ｂが完成する。
【００７４】
この第２センシング素子１０Ｂにおいても、振動板１４自体が下部電極２２、第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを兼用しているため、別途第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを形成する必要がない。しかも、振動板１４と錘部１８との境界に存する第２接合領域４０ｂは、金属酸化膜５４とガラス構成体４８との常温接合によるものであるから、実質的に金属酸化膜５４が接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【００７５】
次に、第３の具体例に係るセンシング素子（以下、第３センシング素子１０Ｃと記す）は、図９に示すように、上述した第１センシング素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分に、金属と無機材（例えばガラス）との拡散接合による第３接合領域４０ｃが形成されている点で異なる。振動板１４の構成は、第１センシング素子１０Ａと同じであるため、その重複説明を省略する。
【００７６】
第３センシング素子１０Ｃの製造方法について図１０を参照しながら説明する。先ず、図１０のステップＳ２０１〜ステップＳ２０６に示す工程は、上述した第１センシング素子１０Ａの製造方法におけるステップＳ１〜ステップＳ６に示す工程とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ２０１において、圧電体１２を作製し、ステップＳ２０２において、圧電体１２の一主面に第１金属膜４２ａを形成し、ステップＳ２０３において、第１金属膜４２ａの一主面に第２金属膜４２ｂを形成して、金属膜による２層構造の振動板１４を形成する。その後、ステップＳ２０４において、例えば円柱形のガラス板４４を準備し、ステップＳ２０５において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製し、ステップＳ２０６において、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）とをそれぞれ研磨処理する。
【００７７】
そして、ステップＳ２０７において、振動板１４の端面と、ガラス構成体４８の端面とを対向密着させ、最高温度４００℃の高温下で、さらに、荷重（例えば０．２〜３．０Ｎｍｍ−２）を加えることで、拡散接合する。振動板１４とガラス構成体４８（支持部１６及び錘部１８となる部分）とを密着させて荷重と熱を加えることにより、振動板１４とガラス構成体４８との接合面で原子の拡散が起こり接合される。このとき、振動板１４の第２金属膜４２ｂと支持部１６及び錘部１８の無機材との拡散接合による第３接合領域４０ｃが形成される。
【００７８】
その後、ステップＳ２０８に示すように、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング（ブラストもしくは研磨）除去して、支持部１６と錘部１８を分離し、さらに、図９に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成することで、第３センシング素子１０Ｃが完成する。
【００７９】
この第３センシング素子１０Ｃにおいても、振動板１４自体が下部電極２２、第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを兼用しているため、別途第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを形成する必要がない。しかも、振動板１４と錘部１８との境界に存する第３接合領域４０ｃは、第２金属膜４２ｂとガラス構成体４８との拡散接合によるものであるから、実質的に第２金属膜４２ｂが接合層として機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【００８０】
次に、第４の具体例に係るセンシング素子（以下、第４センシング素子１０Ｄと記す）は、図１１に示すように、圧電体１２と、下部電極２２を構成する第３金属膜４２ｃと、振動板１４を構成する金属酸化物とが焼成一体化されて１つの焼成体５６として構成されている。焼成体５６の一主面には接合層としての第４金属膜４２ｄが形成されている。また、支持部１６及び錘部１８がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。さらに、振動板１４と支持部１６及び錘部１８との境界部分には、第４金属膜４２ｄと無機材（例えばガラス）との拡散接合による第４接合領域４０ｄが形成されている。
【００８１】
１つの焼成体５６を構成する第３金属膜４２ｃとして、例えばＡｕ等の金属膜を使用することができ、同じく焼成体５６を構成する金属酸化物（振動板１４）として、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）等の金属酸化膜を使用することができ、焼成体５６の一主面に形成される第４金属膜４２ｄとして、例えばＡｕ等の金属膜を使用することができる。
【００８２】
第４センシング素子１０Ｄの製造方法について図１２を参照しながら説明する。先ず、図１２のステップＳ３０１に示すように、グリーンシートを成形して圧電成形体５８（焼成前の圧電体１２の前駆体）を作製する。ステップＳ３０２に示すように、振動板１４を構成するアルミナ製のグリーンシート６０の一主面に、下部電極２２を構成する第３金属膜４２ｃを形成する。例えばＰｔの有機金属化合物（レジネート）によるペーストを塗布する。その後、ステップＳ３０３において、第３金属膜４２ｃ上に圧電成形体５８を重ねて、高温（９００〜１６００℃）で焼成して、圧電体１２と、下部電極２２を構成する第３金属膜４２ｃと、振動板１４を構成する金属酸化物とが焼成一体化された１つの焼成体５６を作製する。その後、ステップＳ３０４において、焼成体５６の一主面に第４金属膜４２ｄを形成する。例えばスパッタ法により、Ａｕ等のスパッタ金属膜を形成する。
【００８３】
ステップＳ３０５〜ステップＳ３０７に示す工程は、上述した第３センシング素子１０Ｃの製造方法におけるステップＳ２０４〜ステップＳ２０６とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ３０５において、例えば円柱形のガラス板４４を準備し、ステップＳ３０６において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製し、ステップＳ３０７において、第４金属膜４２ｄの端面と、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）とをそれぞれ研磨処理する。
【００８４】
そして、ステップＳ３０８において、振動板１４の端面に形成された第４金属膜４２ｄと、ガラス構成体４８の端面とを対向密着させ、最高温度４００℃の高温下で、さらに、荷重（例えば０．２〜３．０Ｎｍｍ−２）を加えることで、拡散接合する。このとき、第４金属膜４２ｄと支持部１６及び錘部１８の無機材との拡散接合による第４接合領域４０ｄが形成される。
【００８５】
その後、ステップＳ３０９において、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング（ブラストもしくは研磨）除去して、支持部１６と錘部１８を分離し、さらに、図１１に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成することで、第４センシング素子１０Ｄが完成する。
【００８６】
この第４センシング素子１０Ｄにおいては、圧電体１２、下部電極２２及び振動板１４が１つの焼成体５６にて構成されているため、第１接合層２４ａの形成が不要となる。しかも、第４接合領域４０ｄは、振動板１４下の第４金属膜４２ｄとガラス構成体４８との拡散接合によるものであるから、実質的に第４金属膜４２ｄが第２接合層２４ｂとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【００８７】
次に、第５の具体例に係るセンシング素子（以下、第５センシング素子１０Ｅと記す）は、図１３に示すように、振動板１４が金属で構成され、支持部１６及び錘部１８がそれぞれ金属以外の無機材で構成されている。この場合も、第１センシング素子１０Ａと同様に、振動板１４を構成する金属膜が、下部電極２２を兼ねている。振動板１４と支持部１６及び錘部１８との間には、振動板１４の端面に形成された金属膜と、支持部１６及び錘部１８の端面に形成された金属膜との共晶接合による第５接合領域４０ｅが形成されている。
【００８８】
具体的には、振動板１４は、例えば第５金属膜４２ｅと第６金属膜４２ｆによる多層構造となっており、圧電体１２側の第５金属膜４２ｅとして、例えばＣｒ（圧電体側）／ＡｕあるいはＴｉ（圧電体側）／Ａｕの２層構造のスパッタ金属膜、又はＴｉＮ（窒化チタン：圧電体側）／Ｃｕ（中間層）／Ａｕの３層構造のスパッタ金属膜を使用し、支持部１６及び錘部１８側の第６金属膜４２ｆとして、例えばＣｕ又はＡｕのめっき層を使用することができる。
【００８９】
また、振動板１４の端面に形成される共晶接合のための第７金属膜４２ｇとして、例えばＡｕのスパッタ金属膜を使用し、支持部１６及び錘部１８の端面に形成される共晶接合のための第８金属膜４２ｈとして、例えばＣｒ（支持部側及び錘部側）／Ａｕの２層構造のスパッタ金属膜に、Ａｕ（スパッタ金属膜側）／Ｓｎ（スズ）の２層構造のめっき層を積層した多層構造の金属膜を使用することができる。
【００９０】
第５センシング素子１０Ｅの製造方法について図１４を参照しながら説明する。先ず、図１４のステップＳ４０１において、グリーンシートを成形した後、焼成をして圧電体１２を作製する。その後、ステップＳ４０２において、圧電体１２の一主面に、第５金属膜４２ｅを形成する。例えばＣｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、又はＴｉＮ／Ｃｕ／Ａｕのスパッタ金属膜を形成する。その後、ステップＳ４０３において、第５金属膜４２ｅの一主面に、第６金属膜４２ｆを形成する。例えば電解めっき法により、Ｃｕ又はＡｕ等の電解めっき層を形成する。これにより、圧電体１２の一主面に、第５金属膜４２ｅと第６金属膜４２ｆによる多層構造の振動板１４が形成される。
【００９１】
一方、ステップＳ４０４において、例えば円柱形のガラス板４４を準備した後、ステップＳ４０５において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製する。
【００９２】
その後、ステップＳ４０６において、振動板１４の端面に、第７金属膜４２ｇを形成し、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）に第８金属膜４２ｈを形成する。具体的には、振動板１４の端面に、例えばＡｕのスパッタ金属膜を形成し、ガラス構成体４８の端面に、例えばＣｒ／Ａｕのスパッタ金属膜を形成した後、該スパッタ金属膜上に、Ａｕ／Ｓｎのめっき層を積層する。
【００９３】
そして、ステップＳ４０７において、振動板１４の端面に形成された第７金属膜４２ｇと、ガラス構成体４８の端面に形成された第８金属膜４２ｈとを対向密着させ、最高温度３５０℃の高温下で、さらに、荷重（例えば０．２〜３．０Ｎｍｍ−２）を加えることで、共晶接合する。共晶接合は、金属の液化における共晶反応を利用した液相拡散接合である。すなわち、金属膜の融点以下の温度条件で、塑性変形ができるだけ生じない程度に加圧して、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する。このとき、第７金属膜４２ｇと第８金属膜４２ｈとの境界部分に、金属同士の共晶接合による第５接合領域４０ｅが形成される。
【００９４】
その後、ステップＳ４０８において、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング（ブラストもしくは研磨）除去して、支持部１６と錘部１８を分離する。その後、図１３に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成して、第５センシング素子１０Ｅが完成する。
【００９５】
この第５センシング素子１０Ｅにおいても、振動板１４の金属膜が下部電極２２を兼用しているため、第１接合層２４ａの形成が不要となる。しかも、第５接合領域４０ｅは、振動板１４下の第７金属膜４２ｇとガラス構成体４８上の第８金属膜４２ｈとの共晶接合によるものであるから、実質的に第７金属膜４２ｇ及び第８金属膜４２ｈが第２接合層２４ｂとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【００９６】
次に、第６の具体例に係るセンシング素子（以下、第６センシング素子１０Ｆと記す）は、図１５に示すように、第４センシング素子１０Ｄとほぼ同様の構成を有するが、振動板１４の端面に形成された第９金属膜４２ｉと、支持部１６及び錘部１８の端面に形成された第１０金属膜４２ｊとの共晶接合による第６接合領域４０ｆが形成されている点で異なる。
【００９７】
上述した第５センシング素子１０Ｅの場合と同様に、第９金属膜４２ｉとして、例えばＡｕのスパッタ金属膜を使用し、第１０金属膜４２ｊとして、例えばＣｒ／Ａｕの２層構造のスパッタ金属膜に、Ａｕ／Ｓｎの２層構造のめっき層を積層した多層構造の金属膜を使用することができる。
【００９８】
第６センシング素子１０Ｆの製造方法について図１６を参照しながら説明する。先ず、図１６のステップＳ５０１〜ステップＳ５０３に示す工程は、上述した第４センシング素子１０Ｄの製造方法におけるステップＳ３０１〜ステップＳ３０３とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ５０１において、グリーンシートを成形して圧電成形体５８を作製し、ステップＳ５０２において、振動板１４を構成するアルミナ製のグリーンシートの一主面に、下部電極２２を構成する第３金属膜４２ｃを形成し、ステップＳ５０３において、第３金属膜４２ｃ上に圧電成形体５８を重ねて、高温で焼成して、圧電体１２と、下部電極２２を構成する第３金属膜４２ｃと、振動板１４を構成する金属酸化物とが焼成一体化された１つの焼成体５６を作製する。
【００９９】
ステップＳ５０４〜ステップＳ５０８に示す工程は、上述した第５センシング素子１０Ｅの製造方法におけるステップＳ４０４〜ステップＳ４０８とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ５０４において、例えば円柱形のガラス板４４を準備し、ステップＳ５０５において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製し、ステップＳ５０６において、振動板１４の端面に、第９金属膜４２ｉを形成し、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）に第１０金属膜４２ｊを形成する。具体的には、振動板１４の端面に、例えばＡｕのスパッタ金属膜を形成し、ガラス構成体４８の端面に、例えばＣｒ／Ａｕのスパッタ金属膜を形成した後、該スパッタ金属膜上に、Ａｕ／Ｓｎのめっき層を積層する。
【０１００】
そして、ステップＳ５０７において、振動板１４の端面に形成された第９金属膜４２ｉと、ガラス構成体４８の端面に形成された第１０金属膜４２ｊとを対向密着させ、最高温度３５０℃の高温下で、さらに、荷重を加えることで、共晶接合する。このとき、第９金属膜４２ｉと第１０金属膜４２ｊとの境界部分に、金属同士の共晶接合による第６接合領域４０ｆが形成される。
【０１０１】
その後、ステップＳ５０８において、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング（ブラストもしくは研磨）除去して、支持部１６と錘部１８を分離する。その後、図１５に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成して、第６センシング素子１０Ｆが完成する。
【０１０２】
この第６センシング素子１０Ｆにおいては、圧電体１２、下部電極２２及び振動板１４が１つの焼成体５６にて構成されているため、第１接合層２４ａの形成が不要となる。しかも、第６接合領域４０ｆは、振動板１４下の第９金属膜４２ｉとガラス構成体４８上の第１０金属膜４２ｊとの共晶接合によるものであるから、実質的に第９金属膜４２ｉ及び第１０金属膜４２ｊが第２接合層２４ｂとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【０１０３】
次に、第７の具体例に係るセンシング素子（以下、第７センシング素子１０Ｇと記す）は、図１７に示すように、上述した第１センシング素子１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、振動板１４と支持部１６及び錘部１８とがろう材６４を介して接合されている点で異なる。
【０１０４】
振動板１４を構成する第１金属膜４２ａとして、Ａｕ又はＣｕ等のスパッタ金属膜を使用し、第２金属膜４２ｂとして、Ｃｕ又はＡｕ等の電解めっき層を使用することができる。また、ろう材として、例えば活性元素を含むろう材を使用してもよい。活性元素は、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｂｅ等の周期律表第２Ａ族、Ｃｅ等の第３Ａ族、Ｔｉ、Ｚｒ等の第４Ａ族、又は、Ｎｂ等の第５Ａ族、Ｂ、Ｓｉ等の第４Ｂ族に属する元素のうちの少なくとも１つを使用することができる。この第７センシング素子１０Ｇでは、ろう材として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉを使用した。
【０１０５】
第７センシング素子１０Ｇの製造方法について図１８を参照しながら説明する。先ず、図１８のステップＳ６０１〜ステップＳ６０３に示す工程は、上述した第１センシング素子１０Ａの製造方法におけるステップＳ１〜ステップＳ３とほぼ同じであるため、その重複説明を省略するが、ステップＳ６０１において、圧電体１２を作製し、ステップＳ６０２において、圧電体１２の一主面に第１金属膜４２ａを形成し、ステップＳ６０３において、第１金属膜４２ａの一主面に第２金属膜４２ｂを形成して、金属膜による２層構造の振動板１４を形成する。
【０１０６】
そして、ステップＳ６０４において、振動板１４の端面に、ろう材６４を形成する。
【０１０７】
その後、ステップＳ６０５において、例えば円柱形のガラス板４４を準備し、ステップＳ６０６において、ブラスト法によって、環状溝４６を有するガラス構成体４８を作製する。
【０１０８】
ステップＳ６０７において、振動板１４の端面に形成されたろう材６４と、ガラス構成体４８の端面（支持部１６及び錘部１８の端面）とを対向密着させ、最高温度８００℃の高温下で、さらに、荷重を加えることで、振動板１４と支持部１６及び錘部１８とをろう材６４を介して接合する。
【０１０９】
その後、ステップＳ６０８において、ガラス構成体４８の連結部５０をエッチング除去して、支持部１６と錘部１８を分離する。その後、図１７に示すように、圧電体１２の他主面１２ｂに上部電極２０（第１上部電極２０ａ〜第５上部電極２０ｅ：図１Ａ参照）を形成して、第７センシング素子１０Ｇが完成する。
【０１１０】
この第７センシング素子１０Ｇにおいては、振動板１４自体が下部電極２２、第１接合層２４ａを兼用しているため、第１接合層２４ａの形成が不要となる。しかも、ろう材６４が第２接合層２４ｂとして機能し、該接合層の損失係数は圧電体１２よりも低い。従って、圧電体１２に発生した振動をより効率よく錘部１８に伝えることができる。
【実施例】
【０１１１】
［第１実施例］
実施例１〜７及び比較例について、Ｘ軸方向の振動Ｓｘを与えた状態で、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚを検出する実験を行い、振動Ｓｘの周波数の違いによる検出感度の変化を確認した。
【０１１２】
（実施例１〜７）
実施例１に係るセンシング素子は、図５に示す第１センシング素子１０Ａと同様の構成を有し、実施例２に係るセンシング素子は、図７に示す第２センシング素子１０Ｂと同様の構成を有し、実施例３に係るセンシング素子は、図９に示す第３センシング素子１０Ｃと同様の構成を有する。また、実施例４に係るセンシング素子は、図１１に示す第４センシング素子１０Ｄと同様の構成を有し、実施例５に係るセンシング素子は、図１３に示す第５センシング素子１０Ｅと同様の構成を有し、実施例６に係るセンシング素子は、図１５に示す第６センシング素子１０Ｆと同様の構成を有し、実施例７に係るセンシング素子は、図１７に示す第７センシング素子１０Ｇと同様の構成を有する。
【０１１３】
実施例１〜７に係るセンシング素子は共に、圧電体１２の厚みｔａを２０μｍ、振動板１４の厚みｔｂを１６μｍにして、中立軸３４が振動板１４側に位置するように設定した。膜厚比（ｔｂ／ｔａ）は０．８である。
【０１１４】
そして、例えば図１Ａに示すように、第３上部電極２０ｃと下部電極２２との間、及び第２上部電極２０ｂと下部電極２２との間に、それぞれ交流電源を接続し、第１上部電極２０ａと下部電極２２間に電荷／電圧変換回路を接続した。電荷／電圧変換回路は、第１上部電極２０ａに発生する電荷量を、下部電極２２の電位を基準電位（例えば接地電位）としたときの電圧値、すなわち、コリオリ力Ｆｚの検出値に変換する回路である。
【０１１５】
そして、実施例１〜６に係るセンシング素子を、Ｙ軸を回転軸として一定の角速度で回転運動させる。角速度は予め設定された既知の値であり、従って、Ｚ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚもわかっている。この予め判明しているコリオリ力Ｆｚを基準値とする。この状態で、第３上部電極２０ｃと下部電極２２との間、及び第２上部電極２０ｂと下部電極２２との間に、それぞれ逆位相の交流電圧（周波数ｆａ、振幅Ａ）を印加して、錘部１８をＸ軸方向に励振した状態にし、このとき電荷／電圧変換回路から出力される電圧値からＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚ（測定値）を検出した。このときの検出感度を、下記式（１）に基づいて、測定値と基準値との比の対数を１０倍にして表した（デシベル表記）。
検出感度［ｄＢ］＝１０ｌｏｇ１０（測定値／基準値）      ……（１）
【０１１６】
上述と同様にして、交流電圧（周波数ｆｂ（＞ｆａ）、振幅Ａ）を印加した場合のコリオリ力Ｆｚ（測定値）を検出し、このときの検出感度を式（１）に基づいて求めた。
【０１１７】
振動Ｓｘの周波数ｆａ及びｆｂによる実施例１の検出感度の違いを図１９ＡのプロットＡ１及びＡ２に示す。同様に、実施例２の検出感度の違いを図１９ＢのプロットＢ１及びＢ２に示し、実施例３の検出感度の違いを図２０ＡのプロットＣ１及びＣ２に示し、実施例４の検出感度の違いを図２０ＢのプロットＤ１及びＤ２に示し、実施例５の検出感度の違いを図２１ＡのプロットＥ１及びＥ２に示し、実施例６の検出感度の違いを図２１ＢのプロットＦ１及びＦ２に示し、実施例７の検出感度の違いを図２１ＣのプロットＧ１及びＧ２に示す。
【０１１８】
図１９Ａ〜図２１Ｃからわかるように、実施例１は、周波数ｆａの振動を加えた場合の検出感度（以下、検出感度（周波数ｆａ）と記す）が−２．５［ｄＢ］であり、周波数ｆｂ（＞ｆａ）の振動を加えた場合の検出感度（以下、検出感度（周波数ｆｂ）と記す）が−３．０［ｄＢ］であった。実施例２は、検出感度（周波数ｆａ）が−２．７［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．２［ｄＢ］であった。実施例３は、検出感度（周波数ｆａ）が−２．５［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．０［ｄＢ］であった。実施例４は、検出感度（周波数ｆａ）が−２．８［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．３［ｄＢ］であった。実施例５は、検出感度（周波数ｆａ）が−２．５［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．０［ｄＢ］であった。実施例６は、検出感度（周波数ｆａ）が−２．９［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．４［ｄＢ］であった。実施例７は、検出感度（周波数ｆａ）が−３．０［ｄＢ］、検出感度（周波数ｆｂ）が−３．５［ｄＢ］であった。
【０１１９】
（比較例１）
比較例１に係るセンシング素子１００は、図２２Ａ及び図２２Ｂに示すように、図１Ａ及び図１Ｂに示す本実施の形態に係るセンシング素子１０と同様の構成を有するが、下部電極２２と振動板１４との接合を第１有機接着層１０２ａで行い、振動板１４と支持部１６及び錘部１８の接合を第２有機接着層１０２ｂで行った点で異なる。第１有機接着層１０２ａ及び第２有機接着層１０２ｂの損失係数は共に、圧電体１２の損失係数の約１０倍である。
【０１２０】
そして、比較例１においても、上述した実施例１〜７と同様に、周波数ｆａの振動を加えた場合のコリオリ力Ｆｚの検出感度と、周波数ｆａの振動を加えた場合のコリオリ力Ｆｚの検出感度を求めた。振動Ｓｘの周波数ｆａ及びｆｂによる比較例１の検出感度の違いを図２３のプロットＲ１及びＲ２に示す。周波数ｆａの振動を加えた場合の検出感度は−１０．０［ｄＢ］であり、周波数ｆｂの振動を加えた場合の検出感度は−３２．０［ｄＢ］であった。
【０１２１】
＜考察＞
図１９Ａ〜図２１Ｃ及び図２３の結果から、実施例１〜７は共に、高い検出感度を得ることができ、しかも、検出感度が振動Ｓｘの周波数にほとんど依存しないことがわかる。これは、第１接合層２４ａを省略した構成あるいは第１接合層２４ａ及び第２接合層２４ｂを省略した構成であることと、第２接合層２４ｂあるいは接合層として機能する層の損失係数が圧電体１２の損失係数以下であり、従って、センシング素子全体の損失係数が小さく、振動の周波数に関わらずセンシング素子を容易に共振できていることによるものと考えられる。従って、実施例１〜７は、比較例１と比してコリオリ力の検出精度（角速度の検出精度）が向上していることは明らかである。
【０１２２】
［第２実施例］
実施例１１〜１４について、圧電体１２の厚みｔａを一定（２０μｍ）にして、振動板１４の厚みｔｂを変化させた場合の検出感度の違いを確認した。実施例１１〜１４は、上述した実施例１（図５に示す第１センシング素子１０Ａ）と同様の構成を有する。
【０１２３】
（実施例１１）
実施例１１は、振動板１４の厚みｔｂを１０μｍにして、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）を０．５としたこと以外は、上述した実施例１と同様の構成を有する。
【０１２４】
（実施例１２）
実施例１２は、振動板１４の厚みｔｂを２０μｍにして、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）を１．０としたこと以外は、上述した実施例１と同様の構成を有する。
【０１２５】
（実施例１３、１４）
実施例１３及び１４は、振動板１４の厚みｔｂを３０μｍ及び４０μｍにして、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）を１．５及び２．０としたこと以外は、それぞれ上述した実施例１と同様の構成を有する。
【０１２６】
＜評価＞
上述した第１実施例と同様に、第３上部電極２０ｃと下部電極２２との間、及び第２上部電極２０ｂと下部電極２２の間に、それぞれ交流電源を接続し、第１上部電極２０ａと下部電極２２間に電荷／電圧変換回路を接続した。
【０１２７】
そして、上述した実施例１と同様に、実施例１１〜１４に係るセンシング素子を、Ｙ軸を回転軸として一定の角速度（既知）で回転運動させ、この状態で、第３上部電極２０ｃと下部電極２２との間、及び第２上部電極２０ｂと下部電極２２との間に、それぞれ逆位相の交流電圧（周波数ｆａ、振幅Ａ）を印加して、錘部１８をＸ軸方向に励振した状態にし、このとき電荷／電圧変換回路から出力される電圧値からＺ軸方向に作用するコリオリ力Ｆｚ（測定値）を検出し、このときの検出感度を上述した式（１）に基づいて求めた。
【０１２８】
実施例１１〜１４の内訳及び検出感度の結果を下記表２に示す。
【０１２９】
【表２】
2014020868.tif 000004
【０１３０】
＜考察＞
振動板１４の厚みｔｂが基準厚みｔｃ以上である実施例１２、１３及び１４は、それぞれ検出感度が−１．３９［ｄＢ］、−０．５６［ｄＢ］及び−１．１９［ｄＢ］と良好であった。特に、膜厚比（ｔｂ／ｔａ）が１．５である実施例１３は、検出感度が−０．５６［ｄＢ］であり、最も良好であった。一方、実施例１１は、−４．５４［ｄＢ］で、上述した第１実施例の比較例よりも良好であったが、実施例１２〜１４よりは検出感度が低くかった。これは、振動板１４の厚みｔｂが基準厚みｔｃよりも小さいことから、圧電体１２において圧縮応力と引張応力が混在し、また、圧縮応力と引張応力とが打ち消し合う部分もあるため、上部電極２０に印加される交流電圧の周波数及び振幅に応じた振動が忠実に錘部１８に伝達されなかったことによるものと考えられる。
【０１３１】
なお、本発明に係るセンシング素子は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【０１３２】
１０…センシング素子
１０Ａ〜１０Ｇ…第１センシング素子〜第７センシング素子
１２…圧電体                      １４…振動板
１６…支持部                      １８…錘部
２０…上部電極
２０ａ〜２０ｅ…第１上部電極〜第５上部電極
２２…下部電極                    ２４ａ…第１接合層
２４ｂ…第２接合層                ３２…梁
３４…中立軸                      ３６…中立面
４０ａ〜４０ｆ…第１接合領域〜第６接合領域
４２ａ〜４２ｊ…第１金属膜〜第１０金属膜
４８…ガラス構成体                ５２…金属膜
５４…金属酸化膜                  ５６…焼成体
【図１】
2014020868.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014020868.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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