(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに対する間隔を変更可能な状態で前記ベースに配置される板状の可動部と、
少なくとも前記可動部と同一の素材で形成されかつ前記ベースに対する間隔を一定に保持した状態で前記ベースに配置される板状の固定部と、
前記可動部に形成される可動電極と、
前記固定部に形成される固定電極と、
前記ベースに形成されかつ前記可動電極と対向する第１ベース電極と、
前記ベースに形成されかつ前記固定電極と対向する第２ベース電極と、を備え、
前記可動部及び前記固定部のそれぞれは、前記ベースに保持される１枚の水晶板の一部を用いて形成され、
前記可動部は、前記水晶板の一部において片持ち支持された形状に形成される、センサ素子。
【請求項２】
ベースに対する間隔を変更可能な状態で前記ベースに配置される板状の可動部と、
少なくとも前記可動部と同一の素材で形成されかつ前記ベースに対する間隔を一定に保持した状態で前記ベースに配置される板状の固定部と、
前記可動部に形成される可動電極と、
前記固定部に形成される固定電極と、
前記ベースに形成されかつ前記可動電極と対向する第１ベース電極と、
前記ベースに形成されかつ前記固定電極と対向する第２ベース電極と、を備え、
前記可動部及び前記固定部の少なくとも一方は、複数形成され、
前記可動部が複数形成される場合、複数の前記可動部は、可動部分の長さ及び重さの少なくとも一方が互いに異なる、センサ素子。
【請求項３】
ベースに対する間隔を変更可能な状態で前記ベースに配置される板状の可動部と、少なくとも前記可動部と同一の素材で形成されかつ前記ベースに対する間隔を一定に保持した状態で前記ベースに配置される板状の固定部と、前記可動部に形成される可動電極と、前記固定部に形成される固定電極と、前記ベースに形成されかつ前記可動電極と対向する第１ベース電極と、前記ベースに形成されかつ前記固定電極と対向する第２ベース電極と、を備えるセンサ素子と、
前記センサ素子に電気的に接続される圧電振動子と、
前記圧電振動子を所定の周波数で振動させる発振回路と、
前記センサ素子の前記可動電極及び前記固定電極のいずれか一方を選択して前記圧電振動子に電気的に接続する選択部と、を備える物理センサ。
【請求項４】
前記圧電振動子は、前記センサ素子の前記可動部の一部に形成され、または、前記可動部と異なる場所に形成される、請求項３記載の物理センサ。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の物理センサを用いた外力検出方法であって、
前記センサ素子の前記第１ベース電極または前記可動電極からの出力値に対して、前記第２ベース電極または前記固定電極からの出力値を用いて補正することにより前記物理センサに作用する外力を検出する、外力検出方法。            
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子、物理センサ、及び外力検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度、圧力、重力などの外力を検出する外力検出装置として、底部に固定電極が形成された容器と、容器内部に片持ち支持されかつ表面に励振電極及び可動電極が設けられた水晶片（可動部）とを有するものが知られている（特許文献１参照）。水晶片を振動させた状態で外力検出装置に外力が作用すると、水晶片が撓んで可動電極の位置変化が生じ、固定電極と可動電極との間の静電容量が変化する。上記した外力検出装置では、このような外力に起因する静電容量の変化を周波数の変化として検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６８１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水晶片等は温度等の影響により経時変化してしまうため、上記した外力検出装置により検出される周波数には、これらの経時変化成分が含まれている。そのため、従来の外力検出装置では、このような周波数の経時変化成分がノイズとなり、高精度の測定が妨げられる原因となっている。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明では、検出される周波数において経時変化成分をノイズとして除去し、高精度な測定を行うことができるセンサ素子及び物理センサ並びに外力検出方法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】
本発明は、センサ素子であって、ベースに対する間隔を変更可能な状態でベースに配置される板状の可動部と、少なくとも可動部と同一の素材で形成されかつベースに対する間隔を一定に保持した状態でベースに配置される板状の固定部と、可動部に形成される可動電極と、固定部に形成される固定電極と、ベースに形成されかつ可動電極と対向する第１ベース電極と、ベースに形成されかつ固定電極と対向する第２ベース電極と、を備え、可動部及び固定部のそれぞれは、ベースに保持される１枚の水晶板の一部を用いて形成され、可動部は、水晶板の一部において片持ち支持された形状に形成される。
また、本発明は、センサ素子であって、ベースに対する間隔を変更可能な状態でベースに配置される板状の可動部と、少なくとも可動部と同一の素材で形成されかつベースに対する間隔を一定に保持した状態でベースに配置される板状の固定部と、可動部に形成される可動電極と、固定部に形成される固定電極と、ベースに形成されかつ可動電極と対向する第１ベース電極と、ベースに形成されかつ固定電極と対向する第２ベース電極と、を備え、可動部及び固定部の少なくとも一方は、複数形成され、可動部が複数形成される場合、複数の可動部は、可動部分の長さ及び重さの少なくとも一方が互いに異なる。
【０００７】
また、上記したセンサ素子に電気的に接続される圧電振動子と、圧電振動子を所定の周波数で振動させる発振回路と、センサ素子の可動電極及び固定電極のいずれか一方を選択して圧電振動子に電気的に接続する選択部と、を備える物理センサであってもよい。また、上記物理センサにおいて、圧電振動子は、センサ素子の可動部の一部に形成され、または、可動部と異なる場所に形成されてもよい。
【０００８】
また、本発明は、上記物理センサを用いた外力検出方法であって、センサ素子の第１ベース電極または可動電極からの出力値に対して、第２ベース電極または固定電極からの出力値を用いて補正することにより物理センサに作用する外力を検出する、外力検出方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、可動電極又は第１ベース電極から出力された周波数値から周波数の経時変化成分がノイズとして除去されるので、高精度な測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係るセンサ素子の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図２】図１のセンサ素子の要部を示す斜視図である。
【図３】図１のセンサ素子の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図４】図１のセンサ素子の要部を示す平面図である。
【図５】第２実施形態に係る物理センサの一例を示す概略構成図である。
【図６】図５の物理センサの等価回路を説明するためのブロック回路図である。
【図７】第３実施形態に係るセンサ素子の一例を示し、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部底面図、（ｃ）は断面図である。
【図８】第４実施形態に係るセンサ素子の一例の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、以下の実施形態を説明するため、図面においては一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。また、図面においてハッチングした部分は、特に説明する場合を除き、金属膜を表している。以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、センサ素子１００の表面に平行な平面をＸＺ平面とする。このＸＺ平面においてセンサ素子１００の長手方向をＸ方向と表記し、Ｘ方向に直交する方向をＺ方向と表記する。ＸＺ平面に直交する方向（センサ素子１００の厚さ方向）はＹ方向と表記する。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向のそれぞれは、図中の矢印の方向が＋方向であり、矢印の方向とは反対の方向が−方向であるものとして説明する。
【００１２】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るセンサ素子１００について、図面を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係るセンサ素子１００の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２は、図１のセンサ素子１００の要部を示す斜視図である。図３は、図１のセンサ素子１００の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４は、図１のセンサ素子１００の要部を示す平面図である。なお、図３（ｂ）では、金属膜に加えて断面についてもハッチングで表している。
【００１３】
図１に示すように、センサ素子１００は、板部１０と板部１０を搭載しかつ収容するパッケージ２０とを有している。パッケージ２０は、ベース２１とカバー２２とシールリング２３とを有している。なお、図１（ａ）では、カバー２２及びシールリング２３を透過して表している。
【００１４】
図２及び図３に示すように、板部１０は、Ｙ方向から見てＸ方向を長辺かつＺ方向を短辺とする略矩形状に形成されかつＹ方向を厚さ方向とする板状の部材である。板部１０は、パッケージ２０に収容可能な寸法に形成されており、板部１０としては、水晶の単結晶から切り出されたＺカットの水晶板が用いられる。水晶材は弾性係数が比較的高いため、板部１０の剛性が確保される。また、Ｚカットの水晶板は、ＡＴカットなどの他のカットの水晶板と比較して異方性の影響が少ないため、ウエットエッチングなどの手法を用いて、板部１０を所望の形状及び寸法に形成できる利点がある。
【００１５】
板部１０は、支持部１１と貫通部１２と可動部１３と固定部１４とを有している。支持部１１、可動部１３、及び固定部１４は、すべて同一の素材から形成されており、１枚の板状部材から形成されている。また、支持部１１、可動部１３、及び固定部１４のそれぞれの厚さ（Ｙ方向の長さ）はすべて同一に設定されている。
【００１６】
支持部１１は、例えば図３（ａ）に示すように、Ｙ方向から見て貫通部１２、可動部１３、及び固定部１４を囲む枠状の領域に形成されている。支持部１１は、可動部１３及び固定部１４と一体で形成されており、可動部１３及び固定部１４をベース２１に支持するために設けられている。支持部１１は、接着材１５ａ等を介してベース２１に搭載されている（図１参照）。
【００１７】
貫通部１２は、板部１０をＹ方向に貫通して形成され、＋Ｘ方向に沿って延び、Ｚ方向に折れ曲がり、さらに−Ｘ方向に延びるように形成されており、Ｙ方向から見て、板部１０の表面の略コの字状の領域に形成されている。板部１０の貫通部１２に囲まれた領域には可動部１３が形成される。
【００１８】
可動部１３は、Ｙ方向から見てＸ方向を長辺かつＺ方向を短辺とする略矩形状であってＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。可動部１３は、ベース２１に対向して配置されている。可動部１３の＋Ｘ側の端部並びに＋Ｚ側及び−Ｚ側の端部は、貫通部１２に沿って形成され、可動部１３の−Ｘ側の端部は支持部１１と一体となっている。このように、可動部１３は、−Ｘ側の端部を介して支持部１１に片持ち支持された形状となっている。そのため、可動部１３は撓む方向の弾性変形が容易となっており、かつ可動部１３とベース２１との間隔Ｄ１の変更が可能となっている。なお、可動部１３は、板部１０の一部において片持ち支持された形状に形成されることに限定されない。
【００１９】
固定部１４は、Ｙ方向から見てＸ方向を長辺かつＺ方向を短辺とする略矩形状であってＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。固定部１４は、支持部１１に固定されており、支持部１１の＋Ｘ側、−Ｘ側、及び＋Ｚ側の端部は支持部１１と一体となっている。固定部１４は、ベース２１に対向して配置され、ベース２１に対する間隔Ｄ２が一定に保持されている。
【００２０】
なお、板部１０は、上記した構成に限定されない。例えば、板部１０としては、水晶板に代えて、ガラス板や板状のシリコンなどが採用されてもよい。また、板部１０に支持部１１を設けるか否かは任意である。また、可動部１３及び固定部１４は、１枚の板部材から形成されかつ一体の構成であることに代えて、複数枚の板部材から形成されてもよく、互いに分離して形成されてもよい。この場合、板部１０において貫通部１２は設けられなくてもよい。また、支持部１１、可動部１３、及び固定部１４の一部または全ては、厚さが異なるように形成されてもよい。
【００２１】
可動部１３の裏面（−Ｙ側の面）１３ａには、可動電極１６が形成されている。可動電極１６は、ベース２１の底面２１ｄに形成された後述する第１ベース電極２４と対向するように設けられている。可動電極１６は、可動部１３の先端側（＋Ｘ側）の矩形状の領域に形成され、Ｙ方向から見て第１ベース電極２４と重なる領域に形成されている。
【００２２】
可動電極１６は、例えば導電性の金属膜である。この金属膜としては、例えば、ベース２１との密着性を高める下地層としてクロム（Ｃｒ）や、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、あるいはニッケルクロム（ＮｉＣｒ）や、ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）、ニッケルタングステン（ＮｉＷ）合金などが成膜され、この下地層の上に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの主電極層が成膜された２層構造が採用される。
【００２３】
固定部１４の裏面（−Ｙ側の面）１４ａには、固定電極１７が形成されている。固定電極１７は、ベース２１の底面２１ｄに形成された後述する第２ベース電極２５と対向するように設けられている。固定電極１７は、固定部１４の先端側（＋Ｘ側）の矩形状の領域に形成され、Ｙ方向から見て第２ベース電極２５と重なるように形成されている。固定電極１７は、可動電極１６と同一構成の金属膜である。
【００２４】
板部１０の裏面（−Ｙ側の面）１０ａには、第１引出電極１８及び第２引出電極１９が形成されている。第１引出電極１８及び第２引出電極１９は、それぞれＸ方向に延びる帯状の領域に形成されている。第１引出電極１８は、可動電極１６から−Ｘ方向に引き出され、板部１０の−Ｘ側の端部まで形成されている。第１引出電極１８は、可動電極１６と同一構成の金属膜であり、可動電極１６と一体で形成されている。また、第２引出電極１９は、固定電極１７から−Ｘ方向に引き出され、板部１０の−Ｘ側の端部まで形成されている。第２引出電極１９は、固定電極１７と同一構成の金属膜であり、固定電極１７と一体で形成されている。
【００２５】
なお、固定電極１７、可動電極１６、第１引出電極１８、及び第２引出電極１９については、上記した構成に限定されない。例えば、これらの電極１７等の一部又は全部は、板部１０の裏面１０ａに形成されることに代えて、板部１０の表面（＋Ｙ側の面）１０ｂに形成されてもよく、形状、大きさ、及び構成がそれぞれ異なってもよい。また、固定電極１７は、第１ベース電極２４と大きさや形状が異なってもよい。また、可動電極１６は、第２ベース電極２５と大きさや形状が異なってもよい。上記した変形事項については、後述する他の実施形態に係る可動電極４１６等についても同様に適用される。
【００２６】
図４に示すように、ベース２１は、Ｙ方向から見て、矩形状に形成されている。ベース２１の表面（＋Ｙ側の面）には、凹部２１ｂと凹部２１ｂを囲む接合面２１ｃとを有している。凹部２１ｂは、板部１０を収容しかつ可動部１３を可動させる空間として用いられる。接合面２１ｃは、シールリング２３を介してカバー２２と接合される部分であり、後述するカバー２２の接合面２２ａに対向して形成される。ベース２１には、例えば、安価かつ形成容易なセラミックが用いられるが、セラミックに代えて、ガラス、シリコン、樹脂、金属等が用いられてもよい。
【００２７】
ベース２１は、凹部２１ｂの底面２１ｄから＋Ｙ方向に突出する台部２１ｅ，２１ｆを有している。台部２１ｅ，２１ｆは、Ｙ方向から見て凹部２１ｂの底面の＋Ｘ側及び−Ｘ側の領域にそれぞれ形成されている。
【００２８】
ベース２１は、台部２１ｅの表面（＋Ｙ側の面）２１ｇ又は底面２１ｄと、ベース２１の裏面（−Ｙ側の面）２１ａとをＹ方向に貫通する、４つの貫通孔２１ｈ，２１ｉを有している（図１（ｂ）参照）。これら４つの貫通孔２１ｈ，２１ｉのそれぞれは、ベース２１の表面側から裏面２１ａにかけて口径が徐々に大きくなる略円錐台形状を有し、貫通孔２１ｈ，２１ｉの内部には後述する貫通電極２９が形成されている。
【００２９】
ベース２１の凹部２１ｂの底面２１ｄには第１ベース電極２４及び第２ベース電極２５が形成されている。第１ベース電極２４は、Ｙ方向から見て矩形状に形成され、可動電極１６に対向して形成されている（図３（ｂ）参照）。また、第２ベース電極２５は、Ｙ方向から見て矩形状に形成され、固定電極１７に対向して形成されている（図３（ｂ）参照）。第１ベース電極２４及び第２ベース電極２５は、Ｚ方向に並んで配置され、それぞれ同一の形状かつ大きさに形成されている。第１ベース電極２４及び第２ベース電極２５は、可動電極１６と同一構成の金属膜である。なお、第１ベース電極２４及び第２ベース電極２５の一方又は双方は、可動電極１６と異なる構成としてもよい。また、第１ベース電極２４及び第２ベース電極２５の形状、大きさ、互いの位置関係ついても、上記した構成に限定されるものではない。
【００３０】
凹部２１ｂの−Ｘ側の領域に設けられた台部２１ｅの表面（＋Ｙ側の面）２１ｇには、２つの矩形状の接続電極２６，２７が設けられ、それぞれＺ方向に並んで形成されている。これら２つの接続電極２６，２７は、それぞれ貫通孔２１ｈを含む領域に形成されており、貫通電極２９と電気的に接続されている。接続電極２６，２７は、例えば上記した第１ベース電極２４と同一の構成の金属膜である。また、凹部２１ｂの＋Ｘ側の領域に設けられた台部２１ｆの表面（＋Ｙ側の面）２１ｊには、ベース２１に板部１０を固定するための接着材１５ｃが配置される。
【００３１】
図１に戻り、ベース２１の裏面２１ａには、４つの角部に対応する領域のそれぞれに、矩形状の外部電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが形成されている。これら４つの外部電極２８ａ等のうち−Ｘ側かつ＋Ｚ側の外部電極２８ａ及び−Ｘ側かつ−Ｚ側の外部電極２８ｂは、それぞれ−Ｘ側の貫通孔２１ｈを含む領域に形成されている。また、−Ｘ側かつ＋Ｚ側の外部電極２８ｃ及び−Ｘ側かつ−Ｚ側の外部電極２８ｄは、それぞれ＋Ｘ側の貫通孔２１ｉを含む領域に形成されている。外部電極２８ａ等は、例えば上記した第１ベース電極２４と同一の構成の金属膜である。外部電極２８ａ等は、基板等への実装の際に実装端子として用いられる。
【００３２】
ベース２１の貫通孔２１ｈ，２１ｉのそれぞれには、貫通電極２９が形成されている。貫通電極２９は、例えば貫通孔２１ｈ等を銅（Ｃｕ）メッキ等により充填して形成される。−Ｘ側かつ＋Ｚ側の貫通電極２９は、＋Ｚ側の接続電極２６と−Ｘ側かつ＋Ｚ側の外部電極２８ａとを電気的に接続する。−Ｘ側かつ−Ｚ側の貫通電極２９は、−Ｚ側の接続電極２７と−Ｘ側かつ−Ｚ側の外部電極２８ｂとを電気的に接続する。＋Ｘ側かつ＋Ｚ側の貫通電極２９は、第１ベース電極２４と＋Ｘ側かつ＋Ｚ側の外部電極２８ｃとを電気的に接続する。＋Ｘ側かつ−Ｚ側の貫通電極２９は、第２ベース電極２５と＋Ｘ側かつ−Ｚ側の外部電極２８ｄとを電気的に接続する。なお、これらの電気的接続は、貫通電極２９に代えてベース２１の側面を切り欠いて設けたキャスタレーションを介して行う構成としてもよい。
【００３３】
なお、ベース２１は、上記構成に限定されず、例えば凹部２１ｂを有しない板状に形成されてもよい。また、ベース２１に台部２１ｅ等を設けるか否かは任意であり、台部２１ｅ等の構成や、表面に形成される接続電極２６等、外部電極２８ａ等、及び貫通電極２９の形状や大きさについても任意に設定可能である。
【００３４】
カバー２２は、例えばＹ方向から見て矩形状でありかつＹ方向を厚さ方向とする板状に形成されている。カバー３０としては、例えばニッケル（Ｎｉ）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）などの金属材料が用いられるが、金属材料に代えて、セラミック、ガラス、シリコン、樹脂等が用いられてもよい。カバー２２の裏面（−Ｙ側の表面）の周辺部分の領域には、ベース２１の接合面２１ｃに対向して形成された接合面２２ａを有している。接合面２２ａは、シールリング２３を介してベース２１の接合面２１ｃと接合される。
【００３５】
シールリング２３は、環状に形成され、ベース２１及びカバー２２の接合面２１ｃ，２２ａに接合される。これにより、ベース２１とカバー２２とを有するパッケージの内部にはキャビティー３０が形成される。キャビティー３０は、気密封止されており、真空雰囲気あるいはアルゴンや窒素などの不活性ガス雰囲気となっている。なお、ベース２１とカバー２２との接合は、シールリング２３を介して行うことに限定されず、例えば、ろう材、はんだ、各種接合材を介して接合されてもよく、接合材などを用いずに直接接合されてもよい。
【００３６】
板部１０の支持部１１と、ベース２１の台部２１ｅ，２１ｆとの間の３か所には、接着材１５ａ，１５ｂ，１５ｃが配置されている。板部１０は、接着材１５ａを介してベース２１に３点支持された状態で搭載されている。接着材１５ａ等は、それぞれ、接続電極２６，２７の表面及び＋Ｘ側の台部２１ｆの表面（＋Ｙ側の面）２１ｊに配置されている。接続電極２６等のそれぞれの表面に配置される接着材１５ａ，１５ｂとしては、例えば導電性接着材が用いられ、ポリイミド系導電性接着材や、金や銀のペーストなどが用いられる。接着材１５ａは、接続電極２６と第１引出電極１８とを電気的に接続する。これにより、外部電極２８ａと可動電極１６とが電気的に接続される。また、接着材１５ｂは、接続電極２７と第２引出電極１９とを電気的に接続する。これにより、外部電極２８ｂと固定電極１７とが電気的に接続される。＋Ｘ側の台部２１ｆの表面（＋Ｙ側の面）に配置される接着材１５ｃとしては、例えば上記した接着材１５ａ等と同一のものが採用される。
【００３７】
なお、板部１０は、ベース２１において３点から支持されることに限定されない。例えば、板部１０は、２点や４点以上から支持される構成としてもよい。
【００３８】
次に、センサ素子１００の製造方法の一例について説明する。まず、板部１０、ベース２１、カバー２２、及びシールリング２３が、それぞれ用意される。板部１０は、水晶板から個々の板部１０を取り出す多面取りにより形成される。まず、水晶板が用意される。水晶板は、水晶の単結晶からＺカットにより所定の厚さで切り出され、所望の厚さに調整される。次いで、フォトリソグラフィー法及びエッチングにより貫通部１２が形成される。続いて、メタルマスクを用いたスパッタリングや真空蒸着等により、水晶板の裏面の所定の領域に固定電極１７、可動電極１６、第１引出電極１８、及び第２引出電極１９がパターニングされる。最後に、水晶板がダイシングされて個々の板部１０が取り出される。なお、後述する実施形態に係る板部３１０等の製造方法についても上記した製造方法と同様である。
【００３９】
ベース２１は、まず、所定の厚さのグリーンシートが用意される。次に、プレス等により各シートの所定形状が抜かれる。続いて、各シートが積層された後、切断されて個別化され、さらに加熱されて焼成される。続いて、貫通孔２１ｈ等には、めっき等により貫通電極２９が形成される。また、ベース２１の表面（＋Ｙ側の面）及び裏面２１ａの所定の領域に、メタルマスクを介してスパッタ蒸着または真空蒸着等により、第１ベース電極２４、第２ベース電極２５、接続電極２６等、及び外部電極２８ａ等が形成される。
【００４０】
カバー２２は、先ず、所定の厚さに形成された板状の金属部材が用意される。続いて、この金属部材を所定の略矩形状に切断することにより、カバー２２が形成される。
【００４１】
続いて、接続電極２６，２７の表面及び＋Ｘ側の台部２１ｅの表面２１ｇに、接着材１５ａ等が塗布される。その後、第１引出電極１８及び第２引出電極１９と、接続電極２６等とを位置合わせした状態で、板部１０がベース２１に搭載される。続いて、真空雰囲気あるいは窒素などの不活性ガス雰囲気に形成されたチャンバー内で、カバー２２がシールリング２３とシーム溶接により接合される。これにより、板部１０がパッケージ２０のキャビティー３０内に気密封止された状態で収容され、センサ素子１００が完成する。
【００４２】
なお、センサ素子１００の構成及び製造方法は、上記したものに限定されず、例えば、Ｙ方向から見て枠状に形成された支持部１１の表面（＋Ｙ側の面）にカバー２２の接合面２２ａを接合し、かつ支持部１１の裏面（−Ｙ側の面）にベース２１の接合面２１ｃを接合させた構成としてもよい。この場合、カバー２２にキャビティー３０を形成する凹部が設けられてもよく、支持部１１の厚さを可動部１３及び固定部１４の厚さよりも厚く形成してもよい。この構成のセンサ素子は、板部１０、ベース２１、及びカバー２２のそれぞれを多面取りするウェハを重ねてダイシングにより個別化するウェハレベルパッケージングの手法を用いて製造されてもよい。
【００４３】
以上説明したセンサ素子１００によれば、所定の周波数で振動する圧電振動子等に接続され、可動部１３と第１ベース電極２４との静電容量の変化分を周波数変化として検出する場合において、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数値と、固定電極１７又は第２ベース電極２５から出力された周波数値との差分を出力させることができる。これにより、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数値の経時変化成分は、固定電極１７又は第２ベース電極２５から出力された周波数値の経時変化成分により相殺される。その結果、可動電極又は第１ベース電極から出力された周波数値から経時変化成分がノイズとして除去されるので、高精度な容量変化の測定を行うことができる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る物理センサ１について、図５を用いて説明する。以下の説明において、第１実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図５は、第２実施形態に係る物理センサ１の一例を示す概略構成図である。物理センサ１は、例えば重力、加速度、傾斜、変位等を測定し検出するセンサである。
【００４５】
図５に示すように、物理センサ１は、センサ素子１００と、圧電振動子４０と、発振回路５０と、選択部６０と、周波数検出部７０と、データ処理部８０とを有する。なお、物理センサ１が備えるセンサ素子１００は１つであり、図５では、センサ素子１００の可動部１３を含む断面図及び固定部１４を含む断面図の双方を併記している。
【００４６】
圧電振動子４０は、例えば水晶振動子であり、水晶振動片４１と、励振電極４２，４３と、基台４４と、容器４５とを有している。水晶振動片４１は、水晶から形成された板状部材であり、容器４５の内部において片持ち支持されている。励振電極４２，４３は、水晶振動片４１の表面及び裏面の所定の領域にそれぞれ形成されている。励振電極４２は、発振回路５０と電気的に接続されている。また、励振電極４３は、後述する選択部６０と電気的に接続されている。励振電極４２，４３としては、例えば導電性の金属膜である。容器４５は、水晶振動片４１を収容して気密封止している。基台４４は、容器４５の内部に設けられ、表面に水晶振動片４１の端部が接合されており、水晶振動片４１を片持ち支持している。容器４５は、例えば上記したパッケージ２０と同様の構成である。
【００４７】
発振回路５０は、圧電振動子４０を所定の周波数で発振させる回路である。発振回路５０を介して励振電極４２，４３に所定の電圧が印加されることにより、水晶振動片４１は所定の周波数で継続的に発振する。選択部６０は、可動電極１６及び固定電極１７のいずれか一方を選択して圧電振動子４０に電気的に接続させる機能を備える。選択部６０は、例えば２つのスイッチ部６１，６２を有し、各スイッチ部６１，６２が切り替え可能となっている。選択部６０が可動電極１６を選択して圧電振動子４０に電気的に接続させる場合、選択部６０は、励振電極４３と外部電極２８ａとを電気的に接続するともに、外部電極２８ｃと発振回路５０とを電気的に接続する。一方、選択部６０が固定電極１７を選択して圧電振動子４０に電気的に接続させる場合、選択部６０は、励振電極４３と外部電極２８ｂとを電気的に接続するともに、外部電極２８ｄと発振回路５０とを電気的に接続する。
【００４８】
周波数検出部７０は、発振回路５０を介して、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数と、固定電極１７又は第２ベース電極２５から出力された周波数とを検出する機能を有している。データ処理部８０は、例えばパーソナルコンピュータから形成され、周波数検出部７０から得られた周波数情報を基づいて、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数値と固定電極１７又は第２ベース電極２５からの出力された周波数値との差分を算出し、この差分値と加速度との関係から加速度を求める機能を有している。
【００４９】
続いて、物理センサ１を用いた外力測定の原理について、図６を用いて説明する。図６は、図５の物理センサ１の等価回路を説明するためのブロック回路図である。図６において、Ｌ１は水晶振動子４０の質量に対する直列インダクタンス、Ｃ１は直列容量、Ｒ１は直列抵抗、Ｃ０は電極間容量を含む実行並列容量、ＣＬは発振回路５０に負荷容量、Ｃｖは可動電極１６と第１ベース電極２４とにより形成される可変容量、Ｃ０は固定電極１７と第２ベース電極２５とにより形成される基準容量である。
【００５０】
国際規格ＩＥＣ  ６０１２２−１によれば、水晶発振回路の一般式は、次の（１）式のように表される。
ＦＬ＝Ｆｒ×（１＋ｘ）
ｘ＝（Ｃ１／２）×１／（Ｃ０＋ＣＬ）  ・・・（１）
ここで、ＦＬは水晶振動子に負荷が加わったときの発振周波数であり、Ｆｒは水晶振動子そのものの共振周波数である。
【００５１】
選択部６０が可動電極１６を選択して可動電極１６と圧電振動子４０とを電気的に接続させる場合、水晶振動片４１の負荷容量は、ＣＬにＣｖが加わったものであるから、（１）式のＣＬに代えて下記（２）式で表されるｙが代入される。
【００５２】
ｙ＝１／（１／Ｃｖ＋１／ＣＬ）・・・（２）
従って、可動部１３の撓みにより、可変容量ＣｖがＣｖ１からＣｖ２に変化したとすると、周波数の変化ΔＦＬは、下記（３）式で表される。
ΔＦＬ＝ＦＬ１−ＦＬ２＝Ａ×ＣＬ２×（Ｃｖ２−Ｃｖ１）／（Ｂ×Ｃ）・・・（３）
ここで、
Ａ＝Ｃ１×Ｆｒ／２
Ｂ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ１
Ｃ＝Ｃ０×ＣＬ＋（Ｃ０＋ＣＬ）×Ｃｖ２
である。
【００５３】
また、可動部１３に対して外力が加わっていない場合の可動電極１６と第１ベース電極２４との離間距離をｄ１とし、可動部１３に対して外力が加わったときの上記離間距離をｄ２とすると、下記（４）式が成り立つ。
Ｃｖ１＝Ｓ×ε／ｄ１
Ｃｖ２＝Ｓ×ε／ｄ２  ・・・（４）
ただしＳは可動電極１６と第１ベース電極２４との対向領域の面積、εは比誘電率である。
ｄ１は既知であることから、ΔＦＬとｄ２とが対応関係にあることが分かる。
【００５４】
また、選択部６０が固定電極１７を選択して固定電極１７と圧電振動子４０とを電気的に接続させる場合、水晶振動片４１の負荷容量はＣＬにＣｖ０が加わったものとなる。ここで、Ｃｖ０は固定電極１７と第２ベース電極２５とにより形成される容量である。
【００５５】
物理センサ１に重力や加速度等の外力が作用すると、可動部１３が撓み、主として先端部分がＹ方向に弾性変形し、容量Ｃｖ及び周波数が変化する。そして、可動部１３が撓んでいない状態で検出された周波数をＦＬ１、可動部１３に外力が作用して撓んだ状態で検出された周波数をＦＬ２とすると、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数値の変化分ＦＬ１−ＦＬ２は上記（３）式で表されるが、周波数ＦＬ２には経時変化成分が含まれている。そこで、周波数ＦＬ１を、可動部１３が撓んだ際の固定電極１７あるいは第２ベース電極２５から出力された周波数ＦＬ３に置き換えて周波数値の変化分を算出する。すなわち、可動部１３と固定部１４とは、同一素材かつ同一のキャビティー３０に収容されており、周波数ＦＬ２，周波数ＦＬ３の双方の周波数には、経時変化成分が含まれている。従って、周波数ＦＬ２と周波数ＦＬ３との差分値を求めることにより、この経時変化成分が相殺される。このように、第１ベース電極２４または可動電極１６からの出力値ＦＬ２に対して、第２ベース電極２５または固定電極１７からの出力値ＦＬ３を用いて補正することにより物理センサに作用する外力が検出される。
【００５６】
続いて、物理センサ１の動作の一例について説明する。
水晶振動子４０は発振回路５０を用いて所定の周波数で継続的に発振する。この周波数は、例えば３０ＭＨｚに設定される。選択部６０は、可動電極１６及び固定電極１７のいずれか一方を交互に選択して圧電振動子４０に電気的に接続させる。この選択部６０の上記選択の切り替えは、例えば所定時間間隔で自動的に行われるが、所望のタイミングで手動により切り替えを行うようにしてもよい。周波数検出部７０において、発振回路５０を介して周波数が常時モニタリングされる。
【００５７】
物理センサ１に外力が加わると、可動部１３の先端部分が撓んだ状態となる。その際、可動電極１６又は第１ベース電極２４から出力された周波数値と、固定電極１７又は第２ベース電極２５からの出力された周波数値とが周波数検出部７０において検出される。これらの周波数情報はデータ処理部８０に送信され、データ処理部８０において両周波数値の差分値が算出される。さらに、この差分値と外力との関係から外力が算出される。このようにして、物理センサ１に加わった外力が検出される。
【００５８】
このように、上記した物理センサ１の構成及び外力検出方法によれば、検出される周波数値において、経時変化成分がノイズとして除去されるので、高精度な外力の検出を行うことができる。
【００５９】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るセンサ素子３００について、図７を用いて説明する。以下の説明において、第１実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図７は、第３実施形態に係るセンサ素子３００の一例を示し、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部底面図、（ｃ）は断面図である。第３実施形態に係るセンサ素子３００は、主として板部３１０に設けられる電極の構成が、上記したセンサ素子１００のものと異なっている。
【００６０】
板部３１０は、上記した板部１０と同様の構成であるが、圧電材料から形成される。板部３１０としては、ＡＴカットの水晶材であるが、ＡＴカット以外のカットの水晶材や、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどが用いられてもよい。図７に示すように、板部３１０の表面（＋Ｙ側の面）には、励振電極３４２ａ，３４２ｂと引き回し電極３４４ａ，３４４ｂとが形成されている。励振電極３４２ａ，３４２ｂは、可動部１３及び固定部１４のそれぞれに設けられ、Ｙ方向から見て矩形状に形成されている。引き回し電極３４４ａ，３４４ｂは、励振電極３４２ａ，３４２ｂから−Ｘ方向に引き出され、支持部１１の−Ｘ側の側面１１ｃを介して支持部１１の裏面１１ａまで形成されている。励振電極３４２ａ，３４２ｂは、引き回し電極３４４ａ，３４４ｂ及び接着材１５ａ，１５ｂを介して、接続電極２６，２７に電気的に接続されている。
【００６１】
板部３１０の裏面（−Ｙ側の面）には、上記した引き回し電極３４４ａ，３４４ｂと励振電極３４３ａ，３４３ｂと引出電極３１８，３１９と可動電極１６と固定電極１７とが形成されている。励振電極３４３ａ，３４３ｂは、矩形状に形成されており、Ｙ方向から見て励振電極３４２ａ，３４２ｂと重なる領域に形成されている。引出電極３１８，３１９は、励振電極３４３ａ，３４３ｂから＋Ｘ方向に引き出され、可動電極１６又は固定電極１７まで形成されている。可動電極１６と励振電極３４３ａとは引出電極３１８を介して電気的に接続されている。また、固定電極１７と励振電極３４３ｂとは引出電極３１９を介して電気的に接続されている。上記した各電極は、例えば上記した可動電極１６と同様の導電性の金属膜の構成である。
【００６２】
本実施形態の板部３１０は、励振電極３４３ａ等に所定の電圧が印加されることにより、所定の周波数で発振する。すなわち、板部３１０は、圧電振動片としての機能を有している。そのため、センサ素子３００は、圧電振動子４０の機能を併せ持った構成となっている。従って、例えば、上記した物理センサ１において、このようなセンサ素子３００を用いれば、圧電振動子４０を搭載する必要がなくなる。そのため、物理センサ１を小型かつ軽量に形成できるという利点がある。
【００６３】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係るセンサ素子４００について、図８を用いて説明する。以下の説明において、第１実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図８は、第４実施形態に係るセンサ素子４００の一例の要部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図８（ｂ）では、金属膜及び断面をハッチングで表している。センサ素子４００は、主として板部及びベースの表面に設けられる電極の構成が、第１実施形態に係るセンサ素子１００のものと異なっている。
【００６４】
図８に示すように、センサ素子４００の板部４１０は、上記した可動部１３及び固定部１４の−Ｚ側においてさらに可動部４１３を有する構成となっている。板部４１０は、貫通部４１２と可動部１３，４１３と固定部１４と支持部４１１とを有する。板部４１０は、例えば１枚の水晶板材から形成されている。−Ｚ側の可動部４１３は、＋Ｚ側の可動部１３と比較すると、可動部分の長さ（Ｘ方向の長さ）が短く形成されている。そのため、可動部１３，４１３の可動部分の可動幅が互いに異なっている。また、可動部４１３は、可動部１３よりも薄く形成されている。このように、２つの可動部１３，４１３は、それぞれ長さ及び厚さが異なっており、互いの重さが異なっている。従って、可動電極１６と第１ベース電極２４との間に形成される静電容量と、可動電極４１６とベースの表面（＋Ｙ側の面）に設けられる不図示のベース電極との間に形成される静電容量とは、可変幅が異なっている。なお、−Ｚ側の可動部４１３は、＋Ｚ側の可動部１３よりも可動部分の長さが長く形成されてもよく、重く形成されてもよい。
【００６５】
−Ｚ側の可動部４１３の裏面（−Ｙ側の面）４１３ａには、矩形状の可動電極４１６が形成されている。可動電極４１６は、上記した不図示のベース電極に対向して形成される。また、−Ｚ側の可動部４１３の裏面４１３ａには、可動電極４１６の−Ｘ側の端部から板部４１０の−Ｘ側の端部まで引き出され、かつＹ方向から見て帯状の領域に形成された引出電極４１８が形成されている。引出電極４１８は、不図示の接着材、接続電極、貫通電極を介して、不図示の外部電極と電気的に接続される。
【００６６】
板部４１０は、１つの固定部１４と２つの可動部１３，４１３とを備えるが、この構成に限定されず、例えば、３つ以上の可動部１３等を備える構成としてもよい。この場合、複数の可動部１３等のそれぞれは、可動部分の長さ及び重さのいずれか一方又は双方が異なる構成としてもよい。また、板部に複数の可動部が設けられる場合、可動部の幅（Ｘ方向の長さ）、可動部の形状、あるいは可動部の表面に形成される金属膜量を、それぞれ異ならせてもよい。また、板部４１０は、複数の固定部１４を備える構成としてもよい。また、板部４１０は、可動部１３等及び固定部１４の双方をそれぞれ複数有する構成としてもよい。また、可動部１３等及び固定部１４は、１枚の板部材から形成されかつ一体の構成であることに代えて、複数枚の板部材から形成されてもよく、互いに分離して形成されてもよい。
【００６７】
このようなセンサ素子４００によれば、構成の異なる複数の可動部１３，４１３を備えるので、検出する周波数の測定帯域に応じて、所望の可動部を選択することができる。そのため、例えば自己共振周波数が周波数の測定帯域から外れる可動部を選択することにより、周波数の干渉を防止することができる。
【００６８】
以上、本発明のセンサ素子及び物理センサ並びに外力検出方法について説明したが、本発明は、上記した説明に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態の構成の一部は省略されてもよく、上記した実施形態の構成の一部と他の実施形態の構成の一部とを、置き換えてもよく組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
Ｄ１，Ｄ２…間隔
１…物理センサ
１３，４１３…可動部
１４，４１４…固定部
１６，４１６…可動電極
１７…固定電極
２１…ベース
２４…第１ベース電極
２５…第２ベース電極
４０…圧電振動子
５０…発振回路
６０…選択部
１００，３００，４００…センサ素子
【図１】
0006506615.tif 000002
【図２】
0006506615.tif 000003
【図３】
0006506615.tif 000004
【図４】
0006506615.tif 000005
【図５】
0006506615.tif 000006
【図６】
0006506615.tif 000007
【図７】
0006506615.tif 000008
【図８】
0006506615.tif 000009