(57)【要約】【課題】３脚型の振動ビームを採用し、小型化、高感度化を実現することのできる加速度検出素子を提供することを目的とする。【解決手段】力の加えられる方向を検出軸として、前記検出軸に沿って感圧部１２と錘１６とを配置し、感圧部１２の一方の端部は枠部２２に、他方の端部は錘１６にそれぞれ接続されており、感圧部１２は、前記検出軸に平行に、並列に配列された３つの振動ビーム１４（１４ａ〜１４ｃ）によって構成され、３つの振動ビーム１４を含む面に対して直交する方向に屈曲振動することを特徴とする。また、感圧部１２における前記一方の端部と枠部との間に一方の基部を、前記他方の端部と錘１６との間に他方の基部をそれぞれ備え、前記一方の基部および前記他方の基部は、３つの振動ビーム１４を連結し、枠部２２または錘１６との接続を狭幅された括れ部により成すようにしても良い。【選択図】図１
2011085453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力の加えられる方向を検出軸として、前記検出軸に沿って感圧部と錘とを配置し、
前記感圧部の一方の端部は固定部に、他方の端部は錘にそれぞれ接続されており、
前記感圧部は、前記検出軸に平行に、並列に配列された３つの振動ビームによって構成され、
前記３つの振動ビームを含む面に対して直交する方向に屈曲振動をすることを特徴とする加速検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の加速度検出素子であって、
前記感圧部における前記一方の端部と固定部との間に一方の基部を、
前記他方の端部と前記錘との間に他方の基部をそれぞれ備え、
前記一方の基部および前記他方の基部は、３つの前記振動ビームを連結し、前記固定部または前記錘との接続を狭幅された括れ部により成すことを特徴とする加速度検出素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の加速度検出素子であって、
３つの前記振動ビームには、前記一方の端部から前記振動ビームの中心側に向けて設けられる一方の端部側領域と、前記他方の端部から前記振動ビームの中心側に向けて設けられる他方の端部側領域とにそれぞれ励振電極を設け、
前記一方の端部側領域に設けられる前記励振電極と、前記他方の端部側領域に設けられる前記励振電極とを電気的に接続する接続電極を備え、
前記励振電極は、下部電極と、前記下部電極の上層に形成される圧電膜、および前記圧電膜の上層に形成されて前記下部電極と逆極性の電圧が印加される上部電極とから成ることを特徴とする加速度検出素子。
【請求項４】
請求項３に記載の加速度検出素子であって、
前記励振電極を構成する前記圧電膜と前記上部電極との間に、絶縁膜を設けたことを特徴とする加速度検出素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の加速度検出素子であって、
前記固定部は、前記感圧部および前記錘を囲う枠状を成し、
前記錘と前記固定部を接続する支持梁を有することを特徴とする加速度検出素子。
【請求項６】
請求項５に記載の加速度検出素子であって、
前記支持梁は前記検出軸に沿った方向に設けられることを特徴とする加速度検出素子。
【請求項７】
請求項５に記載の加速度検出素子であって、
前記支持梁は検出軸と交差する方向に設けられることを特徴とする加速度検出素子。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の加速度検出素子であって、
枠状の前記固定部の表裏面を挟み込む蓋体を有することを特徴とする加速度検出素子。
【請求項９】
請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の加速度検出素子であって、
前記固定部には、前記錘の過振動を抑制するストッパーを設けたことを特徴とする加速度検出素子。
【請求項１０】
請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の加速度検出素子であって、
枠状の前記固定部に対して、前記固定部の中心を基点として点対称な配置関係となるように、２つの前記感圧部と２つの前記錘を備えたことを特徴とする加速度検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化、高精度化に有利な加速度検出素子の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高感度な加速度検出素子として、基板材料に圧電部材を用いた構造において、２本の振動ビームを有する、いわゆる双音叉型振動子からなる感圧部を備えるものが知られている。
【０００３】
双音叉型の振動部を備える加速度検出素子として、例えば特許文献１に開示されているものを挙げることができる（図１８参照）。図１８に示すような加速度検出素子１は、感圧部２と錘３、および枠部４とを備えた構造を基本としている。感圧部２は、２本の振動ビームを有する双音叉型振動子を成し、２本の振動ビームはそれぞれ、一方の基部５から他方の基部６に向かって伸びており、互いに平行状態を保つように構成されている。このような感圧部２は、一方の基部５に接続された錘３を中心として放射状に複数（図１８の例では４つ）配置され、それぞれ他方の基部６を介して枠部４に接続されている。
【０００４】
双音叉型振動子は、その感圧部である前記２つの振動ビームに引張り応力（伸張応力）あるいは圧縮応力が印加されると、その共振周波数が印加される応力にほぼ比例して変化するという特性を有している。
【０００５】
このような加速度検出素子１において感圧部２を構成する振動ビームの基本形態は角柱状とされており、角柱の表裏面および両側面に配された励振電極（不図示）に電圧を印加されることにより、感圧部２の中心軸（不図示）を中心として線対称に開閉するように屈曲振動を生じさせる。
【０００６】
このような構成の感圧部２では、振動ビームが延設される長手方向に対して引張力、あるいは圧縮力を印加すると、その力に応じて感圧部（２つの振動ビーム）に引張り応力（伸張応力）あるいは圧縮応力が内部応力として生じることにより、振動数（共振周波数）が変化するという特性を持つ。このため、加速度検出素子１に対して加速度が加えられた際、錘３に生ずる慣性力が感圧部２に対して引張力、あるいは圧縮力として作用することで感圧部２に生ずる共振周波数の変化を電気的に測定し、信号変換部にて共振周波数から加速度に変換することにより、加速度を検出することが可能となる。
【０００７】
このような加速度検出素子は、小型化を目的として開発されてきたため、小型化・薄型化への対応に適している。しかし近年は、加速度検出装置の更なる小型化に伴う加速度検出素子の小型化の要求のみならず、加速度に対する検出感度をより高感度にしたいという要求も高まってきている。具体的な要求例としては、検出軸の数を１とした場合に、素子サイズを２ｍｍ角以下、検出感度（周波数変化量）を１５０ｐｐｍ／１Ｇ以上とするといったものである。
【０００８】
検出感度は、振動ビームに対する外力の影響の反映の如何によって定まることより、検出感度を上げるためには振動ビームの断面２次モーメントを小さくし、曲げ易さを向上させれば良いと考えられる。このことは、片持ち梁に軸力が加わった場合の梁の横振動の固有値をωｎとした場合の一般式より検証することができる。
【数１】
2011085453.tif 000003
ここで、ξは振動次数により決まる係数であり、１次の係数の場合１．８７５とすることができる。また、ｌは梁の長さであり、Ａは梁の断面積、ρは構成材料の密度、ＥＩは曲げ剛性、Ｐは軸力である。
【０００９】
そうすると、振動ビームに軸力（加速度）が加えられた場合に変化する項は、
【数２】
2011085453.tif 000004
であるため、この項が大きくなるような振動ビームの形状を考えれば良い。数式２の各構成要素を検討すると、分母を構成する項を小さくすることにより数式２の項を大きくすることができることが解る。そして具体的には、振動ビームの断面２次モーメントＩが小さくなる構造とすれば良い。矩形断面における断面２次モーメントＩは、数式３で表すことができる。
【数３】
2011085453.tif 000005
ここで、ｂは幅、ｈは厚みをそれぞれ表す。なお、感圧部が双音叉型振動子の場合、振動ビームは幅方向に屈曲するため、断面２次モーメントは、
【数４】
2011085453.tif 000006
となる。このことより、断面２次モーメントＩを小さくするためには、屈曲方向の値である幅ｂや厚みｈを極めて小さくする必要がある。しかし、電極形成上の問題などから、幅ｂや厚みｈを小さくするのには限界があり、振動ビームの側面にも電極を有するような双音叉型振動子は断面２次モーメントＩを極めて小さくすることが出来ない。
【００１０】
このような観点から、高感度を得ることができる検出素子として、３本の振動ビームを有する三脚型の振動片に注目した（特許文献２、３）。三脚型の振動片の基本的構造を開示している特許文献２では主に、振動ビームの側面に励振電極を配する構成が示されており、このような構成により振動ビームを平面（主面）方向に屈曲させることができる旨が記載されているが、振動ビームの側面に電極を形成しなければならないため振動ビームを厚みｈを薄く（小さく）することができない。そして特許文献３には、励振電極を振動ビームの両主面に配置し、側面には配置しない構成が開示されており、このような素子をジャイロセンサーとして用いる旨が記載されている。三脚型の振動片では振動ビームは主面側へ屈曲するため、断面２次モーメントＩは数式２で表すことができる。そして、特許文献３に開示されているように、振動ビームの側面に電極を形成しない形態であれば、その厚みを極めて薄くすることも可能となる。
更に、特許文献４には、振動ビームの一方の主面のみに励振電極を形成し、周波数温度特性やＱ値を改善させた振動片の構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−２０６１４１号公報
【特許文献２】特開昭５８−１１１５１５号公報
【特許文献３】特開平７−８３６７１号公報
【特許文献４】特開２００９−５０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献４に開示されている振動片は確かに、厚みｈを小さくすることができるので、振動ビームの断面２次モーメントＩを小さくすることが可能となり、三脚型振動子を用いた加速度検出素子であれば小型で高感度な加速度検出素子とすることができると考えられる。
【００１３】
しかし、特許文献２〜４に開示された振動片はあくまで振動ビームの一方の端部を開放させて自由振動を生じさせる構成である。このためいずれの文献に開示された振動片に対しても、軸力を付加させることはできない。
そこで本発明では、３脚型の振動ビームを採用し、小型化、高感度化を実現することのできる加速度検出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】
【００１４】
本発明は上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］力の加えられる方向を検出軸として、前記検出軸に沿って感圧部と錘とを配置し、前記感圧部の一方の端部は固定部に、他方の端部は錘にそれぞれ接続されており、前記感圧部は、前記検出軸に平行に、並列に配列された３つの振動ビームによって構成され、前記３つの振動ビームを含む面に対して直交する方向に屈曲振動をすることを特徴とする加速検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、高い加速度検出感度を維持したまま、素子の小型化を図ることができる。
【００１５】
［適用例２］適用例１に記載の加速度検出素子であって、前記感圧部における前記一方の端部と固定部との間に一方の基部を、前記他方の端部と前記錘との間に他方の基部をそれぞれ備え、前記一方の基部および前記他方の基部は、３つの前記振動ビームを連結し、前記固定部または前記錘との接続を狭幅された括れ部により成すことを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、感圧部からの振動漏れを抑制することができる。
【００１６】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の加速度検出素子であって、３つの前記振動ビームには、前記一方の端部から前記振動ビームの中心側に向けて設けられる一方の端部側領域と、前記他方の端部から前記振動ビームの中心側に向けて設けられる他方の端部側領域とにそれぞれ励振電極を設け、前記一方の端部側領域に設けられる前記励振電極と、前記他方の端部側領域に設けられる前記励振電極とを電気的に接続する接続電極を備え、前記励振電極は、下部電極と、前記下部電極の上層に形成される圧電膜、および前記圧電膜の上層に形成されて前記下部電極と逆極性の電圧が印加される上部電極とから成ることを特徴とする加速度検出素子。
【００１７】
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、励振電極を振動ビームの一方の主面のみに形成すれば足りることとなり、振動ビームの肉厚を極端に薄くすることが可能となる。よって、加速度検出感度を維持したまま、素子の小型化を図ることが可能となる。
【００１８】
［適用例４］適用例３に記載の加速度検出素子であって、前記励振電極を構成する前記圧電膜と前記上部電極との間に、絶縁膜を設けたことを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、下部電極と上部電極との間の短絡を効果的に抑制することができる。
【００１９】
［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１例に記載の加速度検出素子であって、前記固定部は、前記感圧部および前記錘を囲う枠状を成し、前記錘と前記固定部を接続する支持梁を有することを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、錘や感圧部を構成する振動ビームが、厚み方向の重力加速度で撓むことを抑制することができる。
【００２０】
［適用例６］適用例５に記載の加速度検出素子であって、前記支持梁は前記検出軸に沿った方向に設けられることを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、錘や感圧部を構成する振動ビームが、厚み方向の重力加速度で撓むことを抑制することができる。また、支持梁を１本とすることができるため、高い加速度検出感度を維持することができる。
【００２１】
［適用例７］適用例５に記載の加速度検出素子であって、前記支持梁は検出軸と交差する方向に設けられることを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、錘や感圧部を構成する振動ビームが、厚み方向の重力加速度で撓むことを抑制することができる。また、錘が検出軸と交差する方向に揺動することを抑制することができるため、他軸感度を下げることができ、加速度検出素子として良好な特性を得ることができる。
【００２２】
［適用例８］適用例５乃至適用例７のいずれか１例に記載の加速度検出素子であって、枠状の前記固定部の表裏面を挟み込む蓋体を有することを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、厚み方向の衝撃に対する耐性を高めることができる。
【００２３】
［適用例９］適用例５乃至適用例８のいずれか１例に記載の加速度検出素子であって、前記固定部には、前記錘の過振動を抑制するストッパーを設けたことを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、加速度検出素子に対して過剰な力が加えられた場合であっても、感圧部等の破損を防止することができる。
【００２４】
［適用例１０］適用例５乃至適用例９のいずれか１例に記載の加速度検出素子であって、枠状の前記固定部に対して、前記固定部の中心を基点として点対称な配置関係となるように、２つの前記感圧部と２つの前記錘を備えたことを特徴とする加速度検出素子。
このような特徴を有する加速度検出素子によれば、加速度を差動検出することができるため、検出感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施形態に係る加速度検出素子の構成を示す図である。
【図２】感圧部における振動ビームの断面構成を示す図である。
【図３】素子基板からの形状形成工程の様子を示す図である。
【図４】第１の下部電極の形態を示す図である。
【図５】第２の下部電極の形態を示す図である。
【図６】圧電膜の形態を示す図である。
【図７】第１の上部電極の形態を示す図である。
【図８】第２の上部電極の形態を示す図である。
【図９】圧電膜と上部電極との間に絶縁膜を形成した振動ビームの断面構成を示す図である。
【図１０】第１の実施形態に係る加速度検出素子を用いて加速度を差動検出する場合の配置形態を示す図である。
【図１１】加速度を差動検出するための素子形態例を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係る加速度検出素子の構成を示す図である。
【図１３】第３の実施形態に係る加速度検出素子の構成を示す図である。
【図１４】第４の実施形態に係る加速度検出素子の構成を示す図である。
【図１５】加速度検出素子の表裏面に蓋体を接合した第１の例を示す図である。
【図１６】加速度検出素子の表裏面に蓋体を接合した第２の例を示す図である。
【図１７】加速度検出素子の表裏面に蓋体を接合した第３の例を示す図である。
【図１８】従来の加速度検出素子の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の加速度検出素子に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１を参照して本発明の加速度検出素子に係る第１の実施形態について説明する。なお、図１において、図１（Ａ）は加速度検出素子の平面図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。また、図１は、加速度検出素子を直交座標系に展開した場合において、幅方向をＸ軸、長さ方向をＹ軸、厚み方向をＺ軸とし、平面図においては図中右側を＋Ｘ方向、左側を−Ｘ方向、上側を＋Ｙ方向、下側を−Ｙ方向、紙面手前側を＋Ｚ方向、奥側を−Ｚ方向とする。
【００２７】
本実施形態に係る加速度検出素子１０は、素子本体１８と枠部２２とを基本として構成されている。素子本体１８は、感圧部１２と錘１６から成る。感圧部１２は、加速度検出素子１０に加えられた力（加速度）を検出する役割を担う。感圧部１２は、力の検出方向、すなわち力の加えられる方向（以下、軸力方向と称す）を検出軸として、この検出軸に平行に、並列に延設された３本（３つ）の振動ビーム１４（１４ａ〜１４ｃ）により構成されている。振動ビーム１４の両端はそれぞれ、一方の端部が固定部としての役割を担う枠部２２に接続され、他方の端部が錘１６に接続されている。各振動ビーム１４の間には、それぞれ間隙が設けられており、互いに非接触な状態とされている。
【００２８】
錘１６は、加速度検出素子１０に加えられた力によって生ずる慣性力により、感圧部１２に対して引張りや圧縮の力を加える役割を担う。引張りの力を加えられた感圧部１２には内部に引張り応力が生じることになるので、共振周波数が高くなり、圧縮の力を加えられた場合には内部に圧縮応力が生じることになるので、共振周波数が低くなる。このため、共振周波数の変化量を信号変換部にて加速度検出素子１０に加えられた力、すなわち加速度に変換することで、加速度の検出が可能となるのである。
【００２９】
錘１６は上述したように、感圧部１２の前記他方の端部に接続されている。このため錘１６も、感圧部１２の延線上、すなわち検出軸に沿って配置されることとなる。錘１６における感圧部１２が連結された側とは反対側に位置する端部、すなわち他方の端部には、詳細を後述する枠部２２と錘１６とを接続する支持梁２０が設けられている。
【００３０】
本実施形態における支持梁２０は検出軸に沿って設けられ、枠部２２と錘１６とを接続する。支持梁２０は、錘１６や感圧部１２が厚み方向の重力加速度で厚み方向へ撓まないようにするための役割を担う一方で、錘１６が受ける慣性力の伝達を妨げることとなる部材である。このため支持梁２０は、その断面積を小さくし、錘１６の作用によって生ずる慣性力の伝達、感圧部１２における軸力方向の伸びや縮みを妨げない構成とすることが望ましい。
【００３１】
枠部２２は、感圧部１２と錘１６を固定する固定部としての役割を担う。よって枠部２２は、感圧部１２と錘１６を囲う枠状であれば良く、その形状については特に限定するものでは無いが、本実施形態では対を成す横梁と縦梁により構成される矩形状としている。
【００３２】
このような形態とする素子本体１８と枠部２２は、水晶や、ガラス、シリコンなどを素子基板５０（図３（Ａ）参照）として構成すれば良く、形状の形成にはフォトリソグラフィ技法とウエットエッチング技法、或はサンドブラスト法とを併用して用いれば良い。なお、素子基板５０として水晶を採用する場合には、Ｘカット、ＡＴカット、及びＺカットなどと呼ばれるカット角で切り出された基板を用いると良い。
【００３３】
形状形成された素子基板５０には、励振電極２６（２６ａａ〜２６ｃｂ：図４、図５参照），４０（４０ａａ〜４０ｃｂ：図７、図８参照）が形成される。励振電極２６，４０は、３本の振動ビーム１４のうち、中央の振動ビーム１４ｂと両端の振動ビーム１４ａ，１４ｃとに印加される電圧の電位が逆極性となるように引き回されて形成されている。励振電極２６，４０は、各振動ビーム１４の一方の主面に形成される。また、振動ビーム１４を長手方向に直列に約１／３ずつの領域に分割したうちの、振動ビーム１４の一方の端部側領域と他方の端部側領域に励振電極２６（２６ａａ，２６ａｂ（２６ｂａ〜２６ｃｂ）：図４、図５参照），４０（４０ａａ，４０ａｂ（４０ｂａ〜４０ｃｂ）：図７、図８参照）は形成され、中央の領域には前記２つの励振電極２６（２６ａａ，２６ａｂ（２６ｂａ〜２６ｃｂ））と、４０（４０ａａ，４０ａｂ（４０ｂａ〜４０ｃｂ））とを電気的に接続するための接続電極２８（２８ａ〜２８ｃ：図４、図５参照），４２（４２ａ〜４２ｃ：図７、図８参照）が形成されている。
【００３４】
励振電極２６，４０は図２に断面構造を示すように、下部電極２４（第１の下部電極２４ａ、第２の下部電極２４ｂ）と上部電極３８（第１の上部電極３８ａ、第２の上部電極３８ｂ）、および下部電極２４と上部電極３８との間に配された圧電膜３６（３６ａａ〜３６ｃｂ）とを基本として構成され、下部電極２４と上部電極３８にはそれぞれ逆極性の電位の電圧が印加される。下部電極２４の形態を図４、図５に示し、上部電極の形態を図７、図８に示す。
【００３５】
下部電極２４は、中央の振動ビーム１４ｂに配した励振電極２６ｂａに接続された引出し電極３０ａを枠部２２を介して図中左側（−Ｘ方向）へ延設する第１の下部電極２４ａと、振動ビーム１４ａ，１４ｃ各々の両端に配した励振電極２６ａａ，２６ｃａに接続された引出し電極３０ｂを枠部２２を介して図中右側（＋Ｘ方向）へ延設する第２の下部電極２４ｂとを有する。上述したように、第１の下部電極２４ａと第２の下部電極２４ｂとにはそれぞれ逆極性の電位の電圧が印加されることとなる。このため、延設された引出し電極３０ａ，３０ｂのうち、図４中破線で示す電極の重複部分については、上下する金属膜間に絶縁膜３２を配置し、両者の短絡を防止する。
【００３６】
上部電極３８は、中央の振動ビーム１４ｂに配した励振電極４０ｂａに接続された引出し電極４４ａを枠部２２を介して図中右側（＋Ｘ方向）へ延設する第１の上部電極３８ａと、両端の振動ビーム１４ａ，１４ｃに配した励振電極４０ａａ，４０ｃａに接続された引出し電極４４ｂを枠部２２を介して図中左側（−Ｘ方向）へ延設する第２の上部電極３８ｂとを有する。ここで上部電極３８においても、逆極性の電圧を印加する引出し電極４４ａ，４４ｂの重複部分（図７中破線で示す部分）については、上下する金属膜間に絶縁膜４８を配し、両者の短絡を防止する。また、図５に示すように、極性の異なる上部電極３８と下部電極２４の引出し電極３０ｂ，４４ｂ間にも絶縁膜３４を形成することとする。このような構成とすることで、中央の振動ビーム１４ｂに配された第１の下部電極２４ａと、両端の振動ビーム１４ａ，１４ｃに配された第２の上部電極３８ｂとの間には、同電位の電圧が印加されることとなる。また、両端の振動ビーム１４ａ，１４ｃに配された第２の下部電極２４ｂと、中央の振動ビーム１４ｂに配された第１の上部電極３８ａとの間にも、同電位の電圧が印加されることとなる。なお、枠部２２へ延設された引出し電極４４ａ，４４ｂは、枠部２２の側壁を介して反対側の主面（裏面）側へ延設され、実装端子４６ａ，４６ｂを構成する。
【００３７】
上部電極３８と下部電極２４との間に配される圧電膜３６は、図６に示すように、振動ビーム１４に配した励振電極形成部分に形成する。このような構成とすることにより、下部電極２４における励振電極２６と、上部電極３８における励振電極４０との短絡を防止することができ、圧電膜３６の圧電効果により、振動ビーム１４の主面方向（３本の振動ビームを含む面に対して直交する方向）における屈曲を得ることができる。
【００３８】
下部電極２４および上部電極３８のそれぞれにおいて、各振動ビーム１４の一方の端部側領域に形成された励振電極２６ａａ〜２６ｃａ，３６ａａ〜３６ｃａと他方の端部側領域に形成された励振電極２６ａｂ〜２６ｃｂ，３６ａｂ〜３６ｃｂとを接続する接続電極２８，４２は、各振動ビーム１４における主面の側方へ寄せて配置すると良い。本実施形態においては、下部電極２４における接続電極２８を振動ビーム１４の主面左側（−Ｘ方向側）へ配置し、上部電極３８における接続電極４２を振動ビーム１４の主面右側（＋Ｘ方向側）へ配置する構成としている。このような構成とすることにより、圧電膜３６を配さない振動ビーム１４の中央領域において、上部電極２４と下部電極３８の短絡を防ぐことができるからである。
【００３９】
上記のような構成の上部電極３８および下部電極２４は、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉなどの金属材料で構成すると良い。なお、素子基板５０や圧電膜３６、および絶縁膜３２，３４，４８，４９（図９参照）との密着性を向上させるために、ＡｕやＡｌ、およびＴｉなどの金属膜の下地層として、Ｃｒ膜を介在させても良い。また、圧電膜３６としては例えば、ＺｎＯやＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３、およびＫＮｂＯ３などを構成材料とすることができ、特にＺｎＯやＡｌＮを採用することが望ましい。また、絶縁膜３２，３４，４８，４９としては、ＳｉＯ２やＳｉ２Ｎ３などを挙げることができる。
【００４０】
このような構成の加速度検出素子１０では、振動ビーム１４に形成した励振電極２６，４０に対して電圧を印加すると、振動ビーム１４がＸ軸方向へと屈曲するように励振させることができる。このため、振動ビーム１４の側面に電極を形成する必要が無い。よって、数式５で示される曲げ方向に対する断面２次モーメントＩに大きく影響を与える厚み方向の寸法ｈを極端に小さくした場合であっても、励振電極２６，４０の形成が困難となることが無い。
【数５】
2011085453.tif 000007
【００４１】
このように、厚み方向の寸法ｈを極端に小さくし、振動ビーム１４の断面２次モーメントを小さくすることにより、高いＱ値を得ることができる。よって、加速度検出感度を維持したまま、素子の小型化を図ることができる。
【００４２】
このような構成の加速度検出素子１０は、次のような工程により製造される。まず、水晶基板またはシリコン基板などの素子基板５０を用意し、素子基板５０の表裏全面に耐食膜５２を形成する。耐食膜５２は例えば、Ｃｒ膜を下地として、その上にＡｕ膜を形成することにより構成すれば良い。また、耐食膜５２の形成方法としては、スパッタや蒸着によれば良い。耐食膜５２を形成した素子基板５０に対して、耐食膜５２を覆うレジスト膜５４を形成する。本実施形態に係る加速度検出素子１０の場合、感圧部１２と錘１６、枠部２２、および支持梁２０の厚み調整を行うため、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程といった、２段階のエッチングを行うこととなる。第１のエッチング工程では薄肉とする感圧部形成範囲と支持梁形成範囲、および枠部２２と錘１６の間等の貫通部分を開口部としてレジスト膜５４をパターニングする。その後、パターニングされたレジスト膜５４をマスクとして耐食膜５２をエッチングする（図３（Ａ）参照）。
【００４３】
次に、レジスト膜５４と耐食膜５２をマスクとして素子基板５０をエッチングし、エッチング範囲における素子基板５０の厚みを調整する（図３（Ｂ）参照）。厚み調整のためのエッチング工程（第１のエッチング工程）を終了した後、耐食膜とレジスト膜を剥離し（図３（Ｃ）参照）、厚み調整後の素子基板５０に対して新たな耐食膜５２とレジスト膜５４を形成し、第２のエッチング工程へと移行する（図３（Ｄ）参照）。第２のエッチング工程では、加速度検出素子１０の外形形状を形成するため、レジスト膜５４は感圧部１２、錘１６、枠部２２、および支持梁２０の各外形形状に沿ってパターニングされる。レジスト膜５４のパターニングが終了すると、パターニングされたレジスト膜５４をマスクとして耐食膜５２と素子基板５０のエッチングを行い、加速度検出素子１０の外形形状を得る。第２のエッチング工程を終了した後、マスクとして用いたレジスト膜５４と耐食膜５２を剥離する（図３（Ｅ）参照）。
【００４４】
次に、外形が形成された素子基板５０の表面に電極を形成する。電極の形成は、下部電極形成工程と、圧電膜形成工程、および上部電極形成工程を基本として成される。本実施形態に係る加速度検出素子１０は、電位を異ならせる励振電極からの引出し電極が枠部２２にて重複する構成としているため、下部電極形成工程と上部電極形成工程とはそれぞれ３つの工程として処理される。
【００４５】
まず、下部電極形成工程は、第１の下部電極形成工程、絶縁膜形成工程、および第２の下部電極形成工程を有する。第１の下部電極形成工程は、Ｃｒ膜を下地としてその上にＡｕ膜を構成した第１の下部電極形成膜を基板表面全体に形成する。形成された第１の下部電極形成膜の上面にレジスト膜を形成し、これを所定の形状にパターニングした後、パターニングされたレジスト膜をマスクとしてエッチングを行い、図４に示す第１の下部電極２４ａを形成する。
【００４６】
次に、引出し電極３０ａ，３０ｂの重複部分となる箇所に絶縁膜３２を形成する絶縁膜形成工程を行う（図４参照）。絶縁膜３２の形成は、クロムマスクなどを用いたスパッタや蒸着などにより成膜することで形状形成を行うようにすれば良い。
【００４７】
引出し電極３０ａ，３０ｂの重複部分に絶縁膜３２を形成した後、素子基板５０の表面にマスクを形成または配置し、スパッタや蒸着により金属膜材料を成膜することで、図５に示すような第２の下部電極２４ｂを形成する第２の下部電極形成工程を行う。ここでマスクとは、レジスト膜などで形成するフォトマスクであっても、金属板で形成するクロムマスクであっても良い。
【００４８】
下部電極膜２４を形成した後、上部電極３８における引出し電極４４ａ，４４ｂとの重複部分に絶縁膜３４を形成する（図５参照）。絶縁膜４５を形成後、下部電極２４の励振電極形成部分に圧電膜３６を形成する。圧電膜３６の形成も上述したように、マスクを用いたスパッタや蒸着、または全面成膜後のエッチングによるパターン形成といった手段によれば良い（圧電膜形成工程）。
【００４９】
絶縁膜３４、および圧電膜３６を形成した後、第１の上部電極形成工程、絶縁膜形成工程、および第２の上部電極形成工程から成る上部電極形成工程を行う。まず、第１の上部電極形成工程として、図７に示す形態の第１の上部電極３８ａを形成する。なお、第１の上部電極３８ａの形成手段としては、上述した第２の下部電極２４ｂの形成手段と同じで良い。第１の上部電極３８ａを形成後、引出し電極４４ａと引出し電極４４ｂの重複部分に絶縁膜４８を形成する（絶縁膜形成工程）。絶縁膜形成工程終了後、図８に示す形態の第２の上部電極３８ｂを形成する（第２の上部電極形成工程）。
【００５０】
このようにして製造される加速度検出素子１０によれば、面積が広い主面側のみに励振電極２６，４０を形成する３本型振動子を採用したことより、振動ビーム１４の断面２次モーメントを下げることが可能となり、高感度化、すなわち高いＱ値を得ることを実現することができた。また、高いＱ値を得るための振動ビーム１４の加工方向を、励振電極２６，４０の形成に関与しない厚み方向としたことにより、その厚みを極薄化することが可能となる。このため、高いＱ値を維持しながら、加速度検出素子１０を小型化することも可能となる。
【００５１】
上記実施形態では、振動ビーム１４に形成する励振電極２６，４０は、下部電極２４、圧電膜３６、および上部電極３８を積層させることにより構成する旨記載した。しかしながら励振電極２６，４０を形成する場合、図９に示すように、圧電膜３６と上部電極３８との間に絶縁膜４９を介在させても良い。このような構成とすることにより、下部電極２４と上部電極３８との間の短絡を効果的に防止することができる。なお、第２の下部電極２４ｂにおける引出し電極３０ｂと、第１の上部電極３８ａにおける引出し電極４４との間には、上記実施形態においても絶縁膜３４を形成しているため、励振電極４０を形成する際に絶縁膜４９を形成する場合であっても、成膜工程が増えることは無い。
【００５２】
上記のような構成の加速度検出素子は図１０に示すように、２つの加速度検出素子１０を点対称に配置して加速度の検出を行うようにすることで、加速度の検出感度を向上させることが可能となる。具体的な配置形態としてはまず、２つの加速度検出素子１０の検出軸が平行となるように素子本体１８を配置する。次に、２つの加速度検出素子１０における素子本体１８の錘１６と感圧部１２との位置関係が逆向きとなるように配置すれば良い。
【００５３】
２つの加速度検出素子１０をこのような配置形態で配置することによれば、加速度が印加された際に錘１６に作用する慣性力により感圧部１２に付与される力は、一方の加速度検出素子１０における感圧部１２には引張り力として作用し、他方の加速度検出素子１０における感圧部１２には圧縮力として作用することとなる。このため、２つの加速度検出素子１０に印加された加速度は、差動検出されることとなり、加速度検出感度が約２倍となる。
【００５４】
また、上記のような作動型の検出形態を採る場合に、加速度検出素子の配置スペースを小型化したい場合には、図１１に示すような形態とすることもできる。図１１に示す加速度検出素子１０ａは、１つの枠部２２に２つの素子本体１８を配置したものである。図１１に示す例において２つの素子本体１８は、検出軸を平行とし、枠部２２の中心を基点として、感圧部１２と枠部２２とが点対象な位置となるように配置する。このような配置関係とすることにより、図１０に示す、２つの加速度検出素子１０を点対称に配置した場合と、実質的に同じ感度を得ることができる。
【００５５】
ここで、本例で示す加速度検出素子１０ａは、２つの錘１６間に連結部２１を設け、２つの錘１６が一体物として動作する構成とした。このような構成とすることにより、錘１６の質量が２倍となり、加速度の印加によって生ずる慣性力を高めることが可能となる。このため、図１０に示した、配置形態により加速度を差動検出する例に比べ、加速度の検出感度を向上させることができる。なお本例においては、連結部の形態をクランク状（鉤形）としている。
【００５６】
次に、本発明の加速度検出素子に係る第２の実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、本実施形態に係る加速度検出素子１０ｂの殆どの構成は、上述した第１の実施形態に示した加速度検出素子１０と同様である。このため、その構成を同一とする箇所には図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。
【００５７】
本実施形態に係る加速度検出素子１０ｂは、感圧部１２を構成する振動ビーム１４の両端部に、３本の振動ビーム１４を連結する基部１７（一方の基部１７ａ，他方の基部１７ｂ）を設けた点を特徴とする。上述した第１の実施形態では、振動ビーム１４は枠部２２と錘１６に対して直接接続される旨記載した。これに対して本実施形態に係る加速度検出素子１０ｂでは、振動ビーム１４の一方の端部に一方の基部１７ａを備え、他方の端部に他方の基部１７ｂを備える構成とした。そして、一方の基部１７ａと枠部２２との接続部と、他方の基部１７ｂと錘１６との接続部にはそれぞれ、主面方向の幅を狭めて狭幅化した括れ部１９ａ，１９ｂを設けるようにした。
【００５８】
このような構成としたことにより、感圧部１２からの振動漏れを抑制することができ、高感度な加速度検出素子とすることができる。なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る加速度検出素子１０と同様である。
【００５９】
次に、本発明の加速度検出素子に係る第３の実施形態について、図１３を参照して説明する。なお、本実施形態に係る加速度検出素子１０ｃも、その殆どの構成は、上述した第１の実施形態に係る加速度検出素子１０と同様である。このため、その構成を同一とする箇所には図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。
【００６０】
本実施形態に係る加速度検出素子１０ｃは、錘１６を支持する支持梁２０（２０ａ〜２０ｃ）を３点に設けた事を特徴とする。第１の実施形態において支持梁２０は、検出軸の延長線上に１点のみ設ける構成としていた。これに対して本実施形態に係る加速度検出素子１０ｃは、矩形に形成した錘１６の一辺に感圧部１２を構成する振動ビーム１４を備え、その他の３辺に、枠部２２へと延設された支持梁２０を設ける構成としている。
【００６１】
このような構成とすることによれば、検出軸に対して直交する方向にも支持梁２０ｂ，２０ｃを延設して錘１６を支持する構造となる。このため、検出軸に対して、錘１６が横方向に振れられる虞が少なくなる。よって、他軸感度が弱くなり、加速度検出素子として、良好な特性を得ることができる。なお、支持梁２０の長さの長短については特に限定するものでは無い。よって、加速度検出素子１０ｃの小型化を図りたい場合には、支持梁２０の長さをそれぞれ短くすれば良い。この場合、少なくとも対向位置に配置された支持梁２０ｂと支持梁２０ｃは、その長さを一致させることが望ましい。張力の違いによる回転方向の力を生じさせないためである。その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る加速度検出素子１０と同様である。
【００６２】
次に、本発明の加速度検出素子に係る第４の実施形態について、図１４を参照して説明する。なお、本実施形態に係る加速度検出素子１０ｄも、その殆どの構成は、上述した第１の実施形態に係る加速度検出素子１０と同様である。このため、その構成を同一とする箇所には図面に同一符号を付して、詳細な説明は省略することとする。
【００６３】
本実施形態に係る加速度検出素子１０ｄは、錘１６から枠部２２へと延設する支持梁２０を、検出軸に直交する位置に配置される２つ（支持梁２０ｂと支持梁２０ｃ）のみとした。このような構成とすることで、検出軸の軸方向へ延設された支持梁による検出軸方向の力の抑制が無くなるため、検出感度の向上を図ることができる。また、支持梁２０ｂ，２０ｃを検出軸に対して直交する方向に設けているため、他軸感度が弱くなり、良好な特性を得ることができる。
【００６４】
また、本実施形態に係る加速度検出素子１０ｄは、枠部２２と、感圧部１２および錘１６との隙間部分に、錘１６の質量を増大させるための延設部１６ａを設ける構成とした。このような構成とすることにより、限られたスペースの中で振動ビーム１４の長さを長くすることにより、錘１６の占有スペースが減った場合であっても、所望する感度を得るための質量（慣性力）を確保することができるようになる。
【００６５】
また、本実施形態に係る加速度検出素子１０ｄは、検出軸上における枠部２２と錘１６との間に、凸部２３（２３ａ〜２３ｃ）を設け、これを慣性力を受ける錘１６のストッパーとしている。これは加速度を印加された際に錘１６に生ずる慣性力が大きかった場合に、感圧部１２が過剰な力により破壊されることを防止するための要素である。検出軸方向の加速度を１Ｇとした場合に、素子本体１８の歪み量、すなわち錘１６の移動量は、僅かに０．００１５μｍ程度である。このため、凸部２３と錘１６との間の隙間については、０．００１５μｍ以上、望ましくは０．１μｍ程度とすると良い。このような構成とすることにより、加速度検出素子１０ｄが過剰な力を受けた場合であっても、感圧部１２が破損する前に錘１６が凸部２３へ衝突し、感圧部１２の破損を防止することができる。なお、その他の構成、作用、効果については、上述した第１の実施形態に係る加速度検出素子１０と同様である。
【００６６】
また、上記のような構成の加速度検出素子は、図１５〜図１７に示すような蓋体により挟持される構成としても良い。このような構成とすることにより、断面２次モーメントを低下させた振動ビーム１４や支持梁２０により支持される錘１６の、厚み方向の揺動を抑制することができる。このため、厚み方向の衝撃による破損に対する耐性を高めることが可能となる。なお、図１５〜図１７においては、加速度検出素子の例として、第１の実施形態に係る加速度検出素子１０を示すこととする。
【００６７】
図１５に示す例の蓋体６０，６２は、素子本体１８と対向する部分に凹部６４，６６を形成している。このような構成とすることにより、厚み方向へ屈曲する振動ビーム１４の屈曲幅を確保しつつ、錘１６の揺動を抑制することができる。なお蓋体６０，６２は、加速度検出素子１０の枠部２２に接合する構成とすれば良い。
【００６８】
また、図１６に示す例の蓋体６０ａ，６２ａは、素子本体１８の裏面側に設ける蓋体６２ａを平板状とし、表面側に設ける蓋体６０ａについては、屈曲振動を行う感圧部１２と対向する部分にのみ凹部６４を設ける構成としている。このような構成とすることにより、振動ビーム１４の屈曲幅を確保しつつ、錘１６の揺動を確実に抑えることが可能となる。
【００６９】
さらに、図１７に示す例の蓋体６０ｂ，６２ｂは、錘１６の表裏面の一部のみを覆うものである。このような構成の蓋体６０ｂ，６２ｂでは、錘１６が蓋体６０ｂ，６２ｂに触れた際の摺動抵抗を少なくすることができる。よって、厚み方向への衝撃に対する耐性を向上させつつ、加速度の検出感度を高く保つことができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０………加速度検出素子、１２………感圧部、１４（１４ａ〜１４ｃ）………振動ビーム、１６………錘、１８………素子本体、２０………支持梁、２２………枠部、２４ａ………第１の下部電極、２４ｂ………第２の下部電極、２６（２６ａａ〜２６ｃｂ）………励振電極、２８（２８ａ〜２８ｃ）………接続電極、３０（３０ａ，３０ｂ）………引出し電極、３２………絶縁膜、３４………絶縁膜、３６（３６ａａ〜３６ｃｂ）………圧電膜、３８ａ………第１の上部電極、３８ｂ………第２の上部電極、４０（４０ａａ〜４０ｃｂ）………励振電極、４２（４２ａ〜４２ｃ）………接続電極、４４（４４ａ，４４ｂ）………引出し電極、４６（４６ａ，４６ｂ）………実装端子、４８………絶縁膜、４９………絶縁膜。
【図１】
2011085453.tif 000008
【図２】
2011085453.tif 000009
【図３】
2011085453.tif 000010
【図４】
2011085453.tif 000011
【図５】
2011085453.tif 000012
【図６】
2011085453.tif 000013
【図７】
2011085453.tif 000014
【図８】
2011085453.tif 000015
【図９】
2011085453.tif 000016
【図１０】
2011085453.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
2011085453.tif 000019
【図１３】
2011085453.tif 000020
【図１４】
2011085453.tif 000021
【図１５】
2011085453.tif 000022
【図１６】
2011085453.tif 000023
【図１７】
2011085453.tif 000024
【図１８】
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