(57)【要約】【課題】物理量センサー素子、及び、それを用いた物理量センサーを提供する。【解決手段】圧電体材料により一体に形成された物理量センサー素子１は、共通の基部２、振動梁１０Ａ、柱部１５Ａ、錘部１９Ａ、及び括れ部１７Ａにより構成される圧電センサー要素を備えている。一方の圧電センサー要素の振動梁１０Ａにおいて、振動梁１０Ａの３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃの両主面に対向させて設けられた第１電極としての励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂと、第２電極としての励振電極２６ａ，２６ｂとを、夫々異なる主面の基部２側および錘部１９Ａ側に第１引出電極２８ｃ，２９ｃ、または第２引出電極２８ｄ，２９ｄとして引き出され、各主面において、第１引出電極２８ｃ，２９ｃ、または第２引出電極２８ｄ，２９ｄ同士が、柱部１５Ａに設けた第１の接続配線２８ａまたは第２の接続配線２８ｂによって接続されている。【選択図】図２
2012093274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知軸方向へ加わる力に応じた電気信号を生成する圧電センサー要素が圧電体材料を加工することにより一体に形成された物理量センサー素子であって、
基部と、
前記基部の一端部から延びた振動梁と、
前記基部の一端部から前記振動梁と並行させて延びる柱部と、
前記振動梁及び前記柱部の先端側を連結し質量付加部として所定の質量を有して設けられた錘部と、
前記柱部の前記錘部との付け根近傍に前記柱部の延びる方向と直交する方向に切り込んで形成された括れ部と、を含み、
前記振動梁の対向する両主面の平面視で重なる位置には、第１電極と、前記第１電極とは電位が異なるとともに前記第１電極と非導通状態の第２電極とが、夫々対向させて設けられ、
前記対向する主面のうち一方の主面において、前記第１電極から前記基部、及び、前記錘部に各々引き出された第１引出電極同士が、前記柱部の前記一方の主面上に設けられた第１の接続配線により接続され、
前記対向する主面のうち他方の主面において、前記第２電極から前記基部、及び、前記錘部に各々引き出された第２引出電極同士が、前記柱部の前記他方の主面上に設けられた第２の接続配線により接続されていることを特徴とする物理量センサー素子。
【請求項２】
請求項１に記載の物理量センサー素子において、
前記第１の接続配線、及び、前記第２の接続配線が、前記括れ部を避けて形成されていることを特徴とする物理量センサー素子。
【請求項３】
請求項１に記載の物理量センサー素子において、
前記第１の接続配線、及び、前記第２の接続配線が、前記括れ部において前記両主面と直交する両側面に対向させて形成されていることを特徴とする物理量センサー素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の物理量センサー素子において、
前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする物理量センサー素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載された物理量センサー素子と、前記物理量センサー素子を収容するパッケージと、を少なくとも有することを特徴とする物理量センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体材料からなる物理量センサー素子、及び、それを用いた物理量センサーに関し、特に、シングルビーム型の振動梁を物理量検出部とした物理量センサー素子、及び、それを用いた物理量センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物理量センサー素子として圧電振動素子を使用した物理量センサー（例えば、加速度センサー）が知られている。圧電振動素子を用いた物理量センサーは、圧電振動素子に検出軸方向の力が作用すると、圧電振動素子の共振周波数が変化し、当該共振周波数の変化から物理量センサーに印加される加速度などの物理量を検出するように構成されている。例えば、特許文献１に、物理量センサー素子としての双音叉型振動素子と、その双音叉型振動素子を支持する支持基板と、双音叉型振動素子を駆動する励振回路と、を備えた物理量センサーが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の双音叉型振動素子は、一対の基部と、これらの基部間に連設された一対の振動梁（振動腕）と、を含む圧電体基板からなる応力感応部と、この圧電体基板の振動領域上に形成した励振電極と、を備えている。また、支持基板は、錘として機能する可動部と、固定部と可動部とが対向する側端縁間を連結して可動部を厚さ方向へ揺動させる蝶番部と、を備えている。
また、励振回路は、主振動腕を含む発振回路と、副振動腕の励振回路と、を備えている。発振回路は、主振動腕と、２つの反転演算増幅器と、が発振ループを形成し、反転演算増幅器の入出力間には出力レベルを制御する抵抗と容量とが接続されている。励振回路は、非反転演算増幅器の逆相入力と接地との間には抵抗が接続され、逆相入力と出力との間には抵抗が接続され、正相入力には発振回路の出力が供給される。励振回路の出力は副振動腕の一方の端子に接続され、他方の端子は接地されている。このような励振回路を用いることにより、主振動腕と副振動腕とは、同一の周波数、且つ、同相の同一振幅で振動する。このことにより、支持系への流出エネルギーが最小になり、双音叉型振動素子のＱ値が最大となる。その結果、双音叉型振動素子による物理量検出の精度が改善されることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、双音叉型振動素子からなる物理量センサーとしての３軸加速度センサーとともに、一対の基部と、この基部間に連接された振動梁とを含むシングルビーム型の３軸加速度センサー素子（圧電センサー要素）、及び、それを用いた加速度センサーが開示されている。ここで、双音叉型振動素子の電極構成についは各種の文献に開示されているが、シングルビーム振動素子の電極構成については、詳細な図面等の開示がなされていない。
圧電センサー要素としてシングルビーム型の振動素子を用いて構成される物理量センサー素子は、音叉型振動素子を用いる場合よりも、小型化及び高感度化を図るのに有利だという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５１１３６９８号明細書
【特許文献２】米国特許第６８２６９６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧電体材料からなる物理量センサー素子の圧電センサー要素として、小型化及び高感度化を図るのに有利な２次屈曲モードのシングルビーム振動素子を用いる場合、シングルビーム振動素子の振動腕に設ける励振電極は、長手方向に対し３つの部分に分割されるため、各部分の表面の各励振電極から延びる引出電極のすべてを、振動梁の一方の端部、又は両端に引き出すことは不可能であった。このため、引出電極を振動梁の一方の端部または両端部に引き出すための接続配線を形成した外部基板を別途用意する必要があるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例にかかる物理量センサー素子は、検知軸方向へ加わる力に応じた電気信号を生成する圧電センサー要素が圧電体材料を加工することにより一体に形成された物理量センサー素子であって、基部と、前記基部の一端部から延びた振動梁と、前記基部の一端部から前記振動梁と並行させて延びる柱部と、前記振動梁及び前記柱部の先端側を連結し質量付加部として所定の質量を有して設けられた錘部と、前記柱部の前記錘部との付け根近傍に前記柱部の延びる方向と直交する方向に切り込んで形成された括れ部と、を含み、前記振動梁の対向する両主面の平面視で重なる位置には、第１電極と、前記第１電極とは電位が異なるとともに前記第１電極と非導通状態の第２電極とが、夫々対向させて設けられ、前記対向する主面のうち一方の主面において、前記第１電極から前記基部、及び、前記錘部に各々引き出された第１引出電極同士が、前記柱部の前記一方の主面上に設けられた第１の接続配線により接続され、前記対向する主面のうち他方の主面において、前記第２電極から前記基部、及び、前記錘部に各々引き出された第２引出電極同士が、前記柱部の前記他方の主面上に設けられた第２の接続配線により接続されていることを特徴とする。
【０００９】
上記構成において、圧電センサー要素は、所謂シングルビーム振動素子であり、振動梁および柱部と錘部との付け根近傍に括れ部が設けられていることにより、先端に錘部を有する圧電センサー要素が物理量センサー素子の両主面の面内方向に振動し易くなる。
このような物理量センサー素子の構成において、圧電センサー要素に２次屈曲振動モードのシングルビーム振動素子を用いる場合は、シングルビーム振動素子の励振電極は、振動梁の長手方向に対し３つの部分に分割され、各部分の表面の各励振電極からシングルビーム振動素子の延びる引出電極同士を接続するためには、接続配線を有する外部基板が必要であった。
上記構成によれば、圧電センサー要素において、振動梁の３つに分割された部分の両主面に対向させて設けられた互いに電位の異なる第１電極と第２電極とが、夫々異なる主面の基部側および錘部側に第１引出電極（第１電極に対応）または第２引出電極（第２電極に対応）として引き出され、各主面において、第１引出電極及び第２引出電極同士が、柱部に設けた第１の接続配線または第２の接続配線により接続される。したがって、外部基板を用いることなく、振動梁に設けられた第１電極および第２電極夫々の基部側および錘部側の両端同士を物理量センサー素子内で接続することができるので、小型で感度の高いワンチップの物理量センサー素子を提供することができる。
【００１０】
〔適用例２〕上記適用例にかかる物理量センサー素子において、前記第１の接続配線、及び、前記第２の接続配線が、前記括れ部を避けて形成されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、第１の接続配線および第２の接続配線の夫々が柱部の両主面に設けられることによって、物理量センサー素子の面内振動に伴う圧電効果によって発生する電気信号が、第１の接続配線および第２の接続配線により授受され難い。これにより、第１の接続配線と第２の接続配線とが括れ部に掛かって形成された場合、即ち、括れ部の面内振動方向に対向する両側面に形成された場合に、第１の接続配線および第２の接続配線が物理量センサー素子の面内振動に伴う電気信号を授受することによって起こり得るノイズによる検出感度の劣化を抑制することができる。
【００１２】
〔適用例３〕上記適用例にかかる物理量センサー素子において、前記第１の接続配線、及び、前記第２の接続配線が、前記括れ部において前記両主面と直交する両側面に対向させて形成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、フォトリソグラフィーを用いた物理量センサー素子の製造工程において、括れ部の上記両側面は、物理量センサー素子の主面の上方からの露光光がほとんど照射されないことから、両主面の電極や配線のパターニングを選択的に行うことができるなど、製造し易くなるという効果がある。
また、面内振動方向と直交する方向の両側面に、第１の接続配線および第２の接続配線の電極膜が対向して形成されることから、括れ部近傍の面内振動の基点における不要な振動が抑制されるので、検出感度の安定化を図ることができる。
【００１４】
〔適用例４〕上記適用例にかかる物理量センサー素子において、前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、圧電振動片の材料として最も広く利用されている水晶を用いることにより、既存の圧電振動片の製造設備を利用して、優れた発振特性及び温度特性を有し、機械的強度の高い物理量センサー素子を低コストにて製造して提供することができる。
【００１６】
〔適用例５〕本適用例にかかる物理量センサーは、上記適用例に記載された物理量センサー素子と、前記物理量センサー素子を収容するパッケージと、を少なくとも有することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、センサー素子をパッケージ内に収容し、例えば気密に封止することによって、センサー素子の動作環境を安定させることができるので、加速度等の力の安定した検出が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は、本発明に係る物理量センサー素子の一実施形態を示す概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図２】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、上面側の電極配置を図１の右側斜め上方からみて説明する部分斜視図。
【図３】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、上面側の電極配置を図１の左側斜め上方からみて説明する部分斜視図。
【図４】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、下面側の電極配置を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図。
【図５】（ａ）は、物理量センサー素子をパッケージに収容した態様の物理量センサーの一実施形態を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。
【図６】物理量センサー素子の変形例１を示す概略平面図。
【図７】物理量センサー素子の変形例１の他のバリエーションを示す概略平面図。
【図８】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、上面側の電極配置の変形例を右側斜め上方からみて説明する部分斜視図。
【図９】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、上面側の電極配置の変形例を左側斜め上方からみて説明する部分斜視図。
【図１０】物理量センサー素子の一つの圧電センサー要素の電極配置のうち、下面側の電極配置の変形例を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の物理量センサー素子、及び、物理量センサーの一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（物理量センサー素子）
図１は、物理量センサー素子の一実施形態を説明するものであり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図１において、物理量センサー素子１は、基部２と、基部２の一端部の両端近傍から互いに並行させて延びる２つの振動梁１０Ａ，１０Ｂ、及び、各振動梁１０Ａ，１０Ｂの夫々に並行させて延びる柱部１５Ａ，１５Ｂと、振動梁１０Ａ及び柱部１５Ａの先端側を連結して設けられた錘部１９Ａと、振動梁１０Ｂ及び柱部１５Ｂの先端側を連結して設けられた錘部１９Ｂと、が、圧電体材料を加工することにより一体に形成されている。また、各柱部１５Ａ，１５Ｂの錘部１９Ａ，１９Ｂとの付け根近傍には、柱部１５Ａ，１５Ｂの延びる方向と直交する方向に切り込んで形成された括れ部１７Ａ，１７Ｂを有している。
【００２１】
本実施形態の物理量センサー素子１は、検知軸方向に加わる力に応じた電気信号を生成する振動梁１０Ａ，１０Ｂを有する２つの圧電センサー要素が、圧電体材料を加工することにより一体に形成されている。
具体的には、物理量センサー素子１の２つの圧電センサー要素のうちの一方の圧電センサー要素は、物理量センサー素子１を外部に接合したときの支持部となる基部２の一端部の一方の端の近傍から並行させて延びる柱部１５Ａ及び振動梁１０Ａと、柱部１５Ａ及び振動梁１０Ａの先端側を接続し質量付加部となるように所定の大きさ（質量）を有して設けられた錘部１９Ａと、柱部１５Ａの錘部１９Ａとの付け根近傍に、柱部１５Ａの延びる方向（長手方向）と直交する方向に切り込んで形成された括れ部１７Ａと、を含む。
また、物理量センサー素子１の他方の圧電センサー要素は、基部２の一端部の他方の端の近傍から並行させて延びる柱部１５Ｂ及び振動梁１０Ｂと、柱部１５Ｂ及び振動梁１０Ｂの先端側を接続し質量付加部となるように所定の大きさ（質量）を有して設けられた錘部１９Ｂと、柱部１５Ｂの錘部１９Ｂとの付け根近傍に、柱部１５Ｂの延びる方向（長手方向）と直交する方向に切り込んで形成された括れ部１７Ｂと、を含む。
【００２２】
上記のように、共通の基部２に２つの圧電センサー要素が一体に形成された物理量センサー素子１において、各圧電センサー要素を構成する振動梁１０Ａと振動梁１０Ｂ、柱部１５Ａと柱部１５Ｂ、錘部１９Ａと錘部１９Ｂ、及び、括れ部１７Ａと括れ部１７Ｂの夫々は、物理量センサー素子１の、基部２から振動梁１０Ａ，１０Ｂ及び柱部１５Ａ，１５Ｂが延びる方向（Ｙ方向）と平行な方向に引いた仮想の中心線に対して線対称の位置関係に配置されている。即ち、物理量センサー素子１の平面視の外形は、上記仮想の中心線に対して線対称の形状を呈している。このように、２つの圧電センサー要素を形状的にバランスよく備えていることにより、加速度などの物理量を２つの圧電センサー要素による差動出力に基づいて高感度で検出することができるとともに、共通の基部２に２つの圧電センサー要素の各部位がバランスよく配置されているので、安定した物理量の検出を可能としている。
【００２３】
物理量センサー素子１の基材となる圧電体材料としては、例えば、水晶を使用することができる。水晶は、物理量センサー素子１のような圧電振動片の材料として従来より最も広く使われている圧電体材料であり、優れた振動特性を有し機械的強度の高い物理量センサー素子１を既存の圧電振動片製造プロセスを用いて低コストにて製造することができるとともに、物理量センサー素子の小型化に伴う温度特性（周波数特性等の温度依存性）の低下を抑制することができるので、物理量センサー素子１の形成用材料として好ましい。
圧電体材料として水晶を用いた場合、上記した物理量センサー素子１の外形形状は、例えば、水晶ウェハーなどの水晶材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、あるいはドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
【００２４】
なお、本実施形態の物理量センサー素子１では、基部２が、各振動梁１０Ａ，１０Ｂ及び各柱部１５Ａ，１５Ｂの基部になっているとともに、一方の振動梁１０Ａと他方の振動梁１０Ｂとの間の領域、即ち、物理量センサー素子１の中央部に延ばされた延出部２ａを有している。換言すると、略矩形状の圧電体材料の基部の両端部近傍からＹ方向に沿って細長い２本ずつのスリットが形成され、これら２本のスリット間に、振動梁１０Ａと振動梁１０Ｂとが夫々形成されるとともに、Ｘ方向両端側のスリットと物理量センサー素子１の側面とにより各柱部１５Ａ，１５Ｂが形成され、さらに、内側のスリット、及び、その内側のスリット同士の基部２の反対側近傍を結ぶようにＸ方向に延びて形成されたスリットにより、錘部１９Ａ，１９Ｂと画定された略矩形状の基部２の延出部２ａが形成されている。
このように、基部２、錘部１９Ａ，１９Ｂ、及び、振動梁１０Ａ，１０Ｂの中央の領域を開口部とせずに、略平行な複数のスリットにより画定された基部２の延出部２ａを設けることにより、圧電体材料をエッチングして物理量センサー素子１を形成する際に、開口部によりエッチングが過度に促進されて起こる形状異常、例えば、振動梁１０Ａ，１０Ｂや錘部１９Ａ，１９Ｂの細りや侵食などの不具合を抑え、所望の形状を有した物理量センサー素子１を形成することができる。
なお、延出部２ａがない構成においても、局部的に過剰なエッチングが起こることによる不具合が物理量センサー素子の特性の許容範囲内に抑えられる場合には、基部２の延出部２ａがない構成としてもよい。
【００２５】
次に、物理量センサー素子１の電極配置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図２〜図４は、物理量センサー素子１の２つの圧電センサー要素のうちの一方の圧電センサー要素の電極配置を説明するものであり、図２は、上面側の電極配置を図１の右側斜め上方からみて説明する部分斜視図、図３は、上面側の電極配置を図１の左側斜め上方からみて説明する部分斜視図、図４は、下面側の電極配置を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図である。
図２〜図４において、物理量センサー素子１の２つの圧電センサー要素のうち、共通の基部２、振動梁１０Ａ、柱部１５Ａ、錘部１９Ａ、及び括れ部１７Ａにより構成される一方の圧電センサー要素は、基部２の上面の一方の端部寄りに形成した後述する第１電極に対応する第１パッド電極２３ａと、その第１パッド電極２３ａに隣接させて形成され第１パッド電極２３ａと実質的に直流回路として非導通状態に構成された後述する第２電極に対応する第２パッド電極２３ｂと、を備えている。
なお、これと同様に、基部２の他方の端部寄りには第１電極に対応する第１パッド電極２４ａが備えられ、その第１パッド電極２４ａと隣接する位置の上下面に形成され第１パッド電極２４ａと実質的に直流回路として非導通状態に構成された第２電極に対応する第２パッド電極２４ｂが備えられている（図１（ａ）を参照）。
【００２６】
振動梁１０Ａを含む一方の圧電センサー要素は、図２〜図４に示す励振電極及び検出電極の配置により、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に分けられる。Ａ領域の４つの面、即ち上下面及び両側面の励振電極を夫々２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄとする。同様に、Ｂ領域及びＣ領域の励振電極を夫々２６ａ〜２６ｄ及び２７ａ〜２７ｄとする。
Ａ領域の振動梁１０Ａの対向する両主面、即ち上面（図２及び図３を参照）及び下面（図４を参照）夫々の長手方向中央には、電位の同じ第１電極としての励振電極２５ａ及び励振電極２５ｂが平面視で重なる位置に設けられている。同様に、振動梁１０ＡのＢ領域の上面及び下面夫々の長手方向中央には、励振電極２５ａ，２５ｂとは電位の異なる第２電極としての励振電極２６ａ及び励振電極２６ｂが平面視で重なる位置に設けられ、Ｃ領域には、第１電極としての励振電極２７ａ及び励振電極２７ｂが平面視で重なる位置に設けられている。
【００２７】
基部２の上面の一方の端部寄りに形成した第１パッド電極２３ａと、その第１パッド電極２３ａと同一面である領域Ａの上面の励振電極２５ａとは接続されている。また、第１パッド電極２３ａと、領域Ａの下面の励振電極２５ｂとは、第１パッド電極２３ａから基部２の一端側に引き出され、さらに基部２の一端側の側面を経て基部２の下面側に引き出されて設けられた第１引出電極２９ｃを介して接続されている。
領域Ａの上面の励振電極２５ａは、領域Ｂの両側面に設けられた励振電極２６ｃ，２６ｄに引き出され、それらの励振電極２６ｃ，２６ｄを介して領域Ｃの下面の励振電極２７ｂに接続されている（図４を参照）。励振電極２７ｂは、錘部１９Ａに設けられた第１引出電極２８ｃに引き出されている。第１引出電極２８ｃは、錘部１９Ａの側面側に屈曲されてから、図３に示すように錘部１９Ａの側面を経て上面側に引き出され、領域Ｃの上面の励振電極２７ａに接続されている。
図２及び図３に示すように、基部２の上面の第１パッド電極２３と、錘部１９Ａの上面の第１引出電極２８ｃとは、柱部１５Ａの上面に設けられた第１の接続配線２８ａにより接続されている。本実施形態の第１の接続配線２８ａは、柱部１５Ａ及び錘部１９Ａの境界に形成された括れ部１７Ａを避けて設けられている。
以上、述べた電極や配線の構成により、第１パッド電極２３ａと、振動梁１０ＡのＡ領域及びＣ領域の上下面に設けられた励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂとが、電気的に接続される。
【００２８】
また、基部２の一方の端部において第１パッド電極２３ａよりも内側に並設された第２パッド電極２３ｂは、振動梁１０Ａの領域Ａの両側面に設けられた励振電極２５ｃ，２５ｄに引き出され、それらの励振電極２５ｃ，２５ｄが、図４に示すように、領域Ｂの下面の励振電極２６ｂに接続されている。また、第２パッド電極２３ｂと接続された励振電極２５ｃ，２５ｄのうち一方の励振電極２５ｃは、基部２の下面に設けられた第２引出電極２９ｄに引き出されている。
また、図２及び図３に示すように、振動梁１０ＡのＢ領域の上面に設けられた励振電極２６ａは、領域Ｃの両側面の励振電極２７ｃ，２７ｄに接続され、これらの励振電極２７ｃ，２７ｄのうち励振電極２７ｃは、図４に示すように、錘部１９Ａの下面に設けられた第２引出電極２８ｄに引き出されている。その第２引出電極２８ｄは、錘部１９Ａの側面側に屈曲されている。
図４に示すように、基部２の下面の第２引出電極２９ｄと、錘部１９Ａの下面の第２引出電極２８ｄとは、柱部１５Ａの下面に設けられた第２の接続配線２８ｂにより接続されている。本実施形態の第２の接続配線２８ｂは、柱部１５Ａ及び錘部１９Ａの境界に形成された括れ部１７Ａを避けて設けられている。
以上、述べた電極や配線の構成により、第２パッド電極２３ｂと、振動梁１０ＡのＢ領域の上下面に設けられた励振電極２６ａ，２６ｂとが、電気的に接続される。
【００２９】
上記の物理量センサー素子１の電極配置において、本発明の大きな特徴は、振動梁１０Ａの３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割された部分の両主面に対向させて設けられた互いに電位の異なる第１電極としての励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂと、第２電極としての励振電極２６ａ，２６ｂとが、夫々異なる主面の基部２側および錘部１９Ａ側に第１引出電極２８ｃ，２９ｃ、または、第２引出電極２８ｄ，２９ｄとして引き出され、各主面において、第１引出電極２８ｃ，２９ｃ、または、第２引出電極２８ｄ，２９ｄ同士が、柱部１５Ａに設けた第１の接続配線２８ａまたは第２の接続配線２８ｂによって接続されていることである。これにより、外部基板などを用いることなく、振動梁１０Ａに設けられた第１電極として励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂと、第２電極としての励振電極２６ａ，２６ｂとを、物理量センサー素子１内で接続することができるので、小型で感度の高いワンチップの物理量センサー素子１を提供することができる。
また、本実施形態では、第１の接続配線２８ａ、及び、第２の接続配線２８ｂが、柱部１５Ａの錘部１９Ａとの付け根近傍に設けられた括れ部１７Ａを避けて形成されている。これにより、物理量センサー素子１の面内振動に伴う圧電効果によって発生する電気信号が、第１の接続配線２８ａおよび第２の接続配線２８ｂにより授受され難い。例えば、第１の接続配線２８ａと第２の接続配線２８ｂとが括れ部１７Ａに掛かって形成された場合、即ち、括れ部１７Ａの面内振動方向に対向する両側面に第１の接続配線２８ａと第２の接続配線２８ｂとが形成された場合に、第１の接続配線２８ａおよび第２の接続配線２８ｂが物理量センサー素子１の面内振動に伴う電気信号を授受することによって起こり得るノイズによる検出感度の劣化を抑制する効果を奏する。
【００３０】
なお、図示はしないが、図１（ａ）に示す物理量センサー素子１の基部２の他方の端部寄りに設けられた第１パッド電極２４ａ、第２パッド電極２４ｂ、及び、その近傍の振動梁１０Ｂ、柱部１５Ｂ、錘部１９Ｂ、及び括れ部１７Ｂを含む他方の圧電センサー要素においても、上記した一方の圧電センサー要素と同様な電極構成の第１および第２電極としての励振電極やそこから引き出される第１および第２引出電極、あるいは第１および第２の接続配線などの電極や配線が形成されている。具体的には、上記した各圧電センサー要素の各種電極の配置は、物理量センサー素子１の振動梁１０Ａ，１０Ｂ及び柱部１５Ａ，１５Ｂの延びる方向（Ｙ方向）と平行な方向に引いた仮想の中心線に対して線対称の位置関係にて配置することができる。
【００３１】
これらの電極や配線は、水晶などの圧電体材料をエッチングすることにより物理量センサー素子１の外形を形成した後で、例えば、ニッケル（Ｎｉ）またはクロム（Ｃｒ）を下地層として、その上に、蒸着またはスパッタリングにより例えば金（Ａｕ）による電極層を成膜し、その後フォトリソグラフィーを用いてパターニングすることにより形成することができる。ここで、クロムは水晶との密着性が高く、また、金は、電気抵抗が低く酸化し難いことで知られている。
【００３２】
物理量センサー素子１の各圧電センサー要素の夫々は、いわゆるシングルビーム振動素子であり、第１電極としての励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂと、第２電極としての励振電極２６ａ，２６ｂとの間に交流電圧を印加することにより、領域Ａ、Ｂ間、及び領域Ｂ、Ｃ間を夫々節点とする二次屈曲振動が励振される。上記構成の物理量センサー素子１の電極配置によれば、物理量センサー素子１における圧電センサー要素の振動梁１０Ａ，１０Ｂの長手方向に対して３つの部分に分割されて設けられる励振電極、即ち、互いに電位の異なる第１電極及び第２電極と、その第１電極及び第２電極から振動梁の一方の端部または他方の端部、あるいは両方の端部に夫々延びる第１引出電極及び第２引出電極とが、各柱部１５Ａ，１５Ｂに設けられた第１の接続配線２８ａまたは第２の接続配線２８ｂにより接続されている。これにより、外部基板などを用いることなく物理量センサー素子１内で圧電センサー要素の電極同士の接続を完結することができるので、小型で感度の高い物理量センサー素子１を提供することができる。
【００３３】
（加速度センサー）
次に、上記物理量センサー素子１を用いた物理量センサーの一例について説明する。
例えば、物理量センサーとしての加速度センサーは、上記の物理量センサー素子１と、物理量センサー素子１の圧電センサー要素を励振する発振回路、発振回路の出力周波数をカウントするカウンター、及び、カウンターの信号を処理する演算回路を有する半導体回路素子（ＩＣチップ）と、を有している。
このように、水晶などの圧電体材料を加工することにより、基部２、振動梁１０Ａ，１０Ｂ、柱部１５Ａ，１５Ｂ、錘部１９Ａ，１９Ｂ、及び括れ部１７Ａ，１７Ｂからなる２つの圧電センサー要素（シングルビーム振動素子）が一体に形成された物理量センサー素子１と、上述した各機能を備えたＩＣチップとを有して構成された加速度センサーは、加速度検出感度が大幅に改善され、検出精度、再現性、温度特性、エージング等の優れた加速度センサーを実現することができる。
【００３４】
（センサーパッケージ）
次に、上述した加速度センサーのような物理量センサーにかかるセンサーパッケージについて説明する。図５（ａ）は、物理量センサー素子１をパッケージに収容したセンサーパッケージの一実施形態を上側からみた概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。なお、図５（ａ）では、センサーパッケージの内部の構造を説明する便宜上、パッケージ１３０の上部に接合されるリッド１４０（同図（ｂ）を参照）を取り外した状態を図示している。
図５において、センサーパッケージ１２０は、上記に説明した物理量センサー素子１と、この物理量センサー素子１を収容するパッケージ１３０と、パッケージ１３０上に接合される蓋体としてのリッド１４０と、を有している。
【００３５】
パッケージ１３０は、平板状の第１層基板１３１上に、矩形環状の第２層基板１３２及び第３層基板１３３がこの順に積層して構成されている。ここで、矩形環状の第２層基板１３２と第３層基板１３３との中央の開口部の大きさが異なっている（第２層基板１３２の開口部の方が第３層基板１３３の開口部よりも小さい）ことにより、パッケージ１３０には、上面側に開口した段差を有する凹部が形成されている。パッケージ１３０の材質としては、例えば、セラミック、ガラスなどを用いることができる。
パッケージ１３０の凹部内には、物理量センサー素子１の第１パッド電極２３ａ，２４ａ、及び第２パッド電極２３ｂ，２４ｂと対応して電気的に接続される複数の素子接続端子１３５が設けられている。本実施形態では、第２層基板１３２によってパッケージ１３０の凹部内に形成された段差上に素子接続端子１３５が設けられている。
また、パッケージ１３０の外底面となる第１層基板１３１の下側の面には、表面実装型の電子素子であるセンサーパッケージ１２０を外部基板に実装する際に用いる外部実装端子１３６が設けられている。このように、パッケージ１３０に設けられた上記の各種端子（１３５，１３６）は、対応する端子同士が、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により電気的に接続されている。
【００３６】
パッケージ１３０の凹部の凹底部分である第１層基板１３１上には、物理量センサー素子１が、接着剤などの接合部材９６により片持ち梁状態で接着・固定されている。具体的には、物理量センサー素子１の固定端としての基部２に接合部材９６を配置してパッケージ１３０の凹部の凹底部分に接合し、物理量センサー素子１の可動部である振動梁１０Ａ，１０Ｂ、柱部１５Ａ，１５Ｂ、及び錘部１９Ａ，１９Ｂがパッケージ１３０の凹部の凹底部分に接触しないように片持ち梁状態で固定することにより、前記可動部が、物理量センサー素子１に加速度などの力が加わった方向に揺動されることが可能になっている。
また、物理量センサー素子１の基部２の上側の面に夫々設けられた第１パッド電極２３ａ，２４ａ、及び第２パッド電極２３ｂ，２４ｂと、パッケージ１３０の対応する素子接続端子１３５とが、ボンディングワイヤー９９を介して電気的に接続されている。
【００３７】
図５（ｂ）に示すように、物理量センサー素子１が凹部内に収容されたパッケージ１３０の上端には、蓋体としてのリッド１４０が配置され、パッケージ１３０の開口部を封鎖している。リッド１４０の材質としては、例えば、４２アロイ（鉄にニッケルが４２％含有された合金）やコバール（鉄、ニッケル及びコバルトの合金）等の金属、セラミックス、あるいはガラスなどを用いることができる。例えば、金属からなるリッド１４０は、コバール合金などを矩形環状に型抜きして形成されたシールリング１３９を介してシーム溶接することによりパッケージ１３０と接合することができる。
【００３８】
以上、説明したセンサーパッケージ１２０によれば、上記に説明した物理量センサー素子１を用いた物理量センサーにおいて、物理量センサー素子を表面実装型の１つの電子部品として提供することができるので、物理量センサーの小型化や信頼性の向上を図ることができる。
なお、センサーパッケージには、物理量センサー素子１とともに、物理量センサー素子１を発振させる発振回路などを含む半導体回路素子（ＩＣチップ）を収容する構成としてもよい。このようにすれば、物理量センサーのさらなる小型化、およびワンチップ化を図ることができる。
【００３９】
上記実施形態で説明した物理量センサー素子は、以下の変形例として実施することも可能である。
【００４０】
（変形例１）
物理量センサー素子の基部、振動梁、柱部、錘部、及び括れ部の配置は、上記実施形態の物理量センサー素子１の延出部２ａを含む基部２、振動梁１０Ａ，１０Ｂ、柱部１５Ａ，１５Ｂ、錘部１９Ａ，１９Ｂ、及び括れ部１７Ａ，１７Ｂの配置に限らない。これら各部の配置を変更することによって、検出感度などの性能を向上させることが可能である。図６及び図７は、物理量センサー素子の構成のバリエーションを示す概略平面図である。なお、本変形例において、物理量センサー素子に設けられる各種電極や配線など構成は、上記実施形態の物理量センサー素子１と同様となるので、図示及び詳細な説明を省略する。
【００４１】
まず、図６において、物理量センサー素子の変形例の１つめのバリエーションである物理量センサー素子４１は、略矩形状の基部４２と、基部４２の一端部の中央近傍から延びる共通柱部５５、及び、共通柱部５５と所定の隙間を介した両隣に共柱基部５５と並行させて延びる振動梁５０Ａ，５０Ｂと、共通柱部５５及び一方の振動梁５０Ａの先端側を接続し所定の質量を有して設けられた錘部５９Ａと、共通柱部５５及び他方の振動梁５０Ｂの先端側を接続し所定の質量を有して設けられた錘部５９Ｂと、共通柱部５５の錘部５９Ａ及び錘部５９Ｂとの付け根近傍に、共通柱部５５の延びる方向（長手方向）と直交する方向に切り込んで形成された括れ部５７Ａ及び括れ部５７Ｂと、を含む。本変形例の物理量センサー素子４１は、基部４２の一端部の中央から延びる共通柱部５５を共通の柱部として、その両側に配置された振動梁５０Ａと振動梁５０Ｂ、錘部５９Ａと錘部５９Ｂ、及び、括れ部５７Ａと括れ部５７Ｂの夫々は、基部４２から共通柱部５５及び振動梁５０Ａ，５０Ｂが延びる方向と平行な方向の仮想の中心線に対して線対称の位置関係に配置され、物理量センサー素子４１の平面視の外形は、上記仮想の中心線に対して線対称の形状を呈している。
【００４２】
上記構成の物理量センサー素子４１では、基部４２の一端部の中央から延びる共通柱部５５を共通の柱部として、その両側に振動梁５０Ａ，５０Ｂを並行させて配置し、２つの圧電センサー要素（シングルビーム振動素子）を形成している。これにより、２つの圧電センサー要素を有する物理量センサー素子４１をより小型化することができる。また、水晶（圧電体材料）ウェハーの狭い範囲から近い位置関係にて２つの振動梁５０Ａ，５０Ｂを形成できるために、各振動梁５０Ａ，５０Ｂの結晶状態が揃いやすいので、より安定した検出精度を有する物理量センサー素子４１を提供することができる。
【００４３】
次に、図７において、物理量センサー素子の変形例の２つめのバリエーションである物理量センサー素子６１は、１つの基部６２に対して、２つずつの振動梁７０Ａ，７０Ｂ、柱部７５Ａ，７５Ｂ、錘部７９Ａ，７９Ｂ、及び括れ部７７Ａ，７７Ｂの配置が、上記実施形態の物理量センサー素子１（図１を参照）と反対の位置関係にて配置されている。詳述すると、物理量センサー素子６１は、略矩形状の基部６２と、その基部６２の一端部の両端から並行させて延びる振動梁７０Ａ及び振動梁７０Ｂと、各振動梁７０Ａ，７０Ｂの内側に並行させて延びる柱部７５Ａ及び柱部７５Ｂと、隣接する一方の柱部７５Ａ及び振動梁７０Ａの先端側を接続し所定の質量を有して設けられた錘部７９Ａと、その柱部７５Ａの錘部７９Ａとの付け根近傍に、柱部７５Ａの延びる方向（長手方向）と直交する方向に切り込んで形成された括れ部７７Ａと、隣接する他方の柱部７５Ｂ及び振動梁７０Ｂの先端側を接続し所定の質量を有して設けられた錘部７９Ｂと、を含む。
なお、本変形例の物理量センサー素子６１では、基部６２が、上記実施形態の物理量センサー素子１の基部２のように、基部の一端部から中央に延びる延出部２ａ（図１を参照）を有していない構成例を示している。
このような構成の物理量センサー素子６１によっても、上記実施形態の物理量センサー素子１と同様に１枚の水晶（圧電体材料）ウェハーを加工することにより一体に形成された２つの圧電センサー要素（シングルビーム振動素子）を備えた検出精度の高い物理量センサー素子６１として提供することができる。
【００４４】
（変形例２）
図８〜図１０は、物理量センサー素子１の一方の圧電センサー要素の電極配置の変形例を説明するものであり、図８は、上面側の電極配置を右側斜め上方からみて説明する部分斜視図、図９は、上面側の電極配置の変形例を左側斜め上方からみて説明する部分斜視図、図１０は、下面側の電極配置の変形例を上面側から透過させてみた状態を示す部分平面図である。なお、図８〜図１０に示す本変形例の圧電センサー要素の電極配置は、第１および第２の接続配線の括れ部における構成以外は上記実施形態と同一であるため、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図８〜図１０に示す物理量センサー素子の電極配置の変形例において、振動梁１０Ａの３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃの両主面に対向させて設けられた第１電極としての励振電極２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂと、第２電極としての励振電極２６ａ，２６ｂとが、夫々異なる主面の基部２側および錘部１９Ａ側に、第１引出電極２８ｃ，２９ｃまたは第２引出電極２８ｄ，２９ｄとして引き出されている。そして、各主面において、第１引出電極２８ｃ，２９ｃ、または第２引出電極２８ｄ，２９ｄ同士が、柱部１５Ａに設けた第１の接続配線１２８ａまたは第２の接続配線１２８ｂにより接続されている。
【００４６】
ここで、上記実施形態では、第１の接続配線２８ａ、及び、第２の接続配線２８ｂが、柱部１５Ａの錘部１９Ａとの付け根近傍に設けられた括れ部１７Ａを避けて形成されていた（図２〜図４を参照）のに対して、本変形例では、一方の主面（上面）に設けられた第１の接続配線１２８ａが括れ部１７Ａの上記主面と直交する側面に掛かって形成されるとともに、他方の主面に設けられた第２の接続配線１２８ｂが、柱部１５Ａの上記括れ部１７Ａの側面に掛かる第１の接続配線１２８ａと対向する側面に掛かって形成されている。
詳述すると、図９に示すように、柱部１５Ａの上面側に設けられ、基部２の上面の第１パッド電極２３ａと、錘部１９Ａの上面の第１引出電極２８ｃとを接続する第１の接続配線１２８ａは、括れ部１７Ａの振動梁１０Ａ側の側面１２８ｅに掛かって形成されている。
また、図１０に示すように、柱部１５Ａの下面側に設けられ、基部２の下面の第２引出電極２９ｄと、錘部１９Ａの下面の第２引出電極２８ｄとを接続する第２の接続配線１２８ｂは、図８に示すように、錘部１９Ａ側において、錘部１９Ａの側面を経て柱部１５Ａの上記括れ部１７Ａの側面１２８ｅと対向する側面１２８ｄに掛かるように形成されている。
【００４７】
上記変形例の電極配置によれば、フォトリソグラフィーを用いた物理量センサー素子の製造工程において、括れ部１７Ａの上記両側面は、物理量センサー素子の主面の上方からの露光光がほとんど照射されないことから、両主面の電極や配線のパターニングを選択的に行うことができるなど、製造し易いという効果を奏する。
また、柱部１５Ａおよび括れ部１７Ａにおいて、面内振動方向と直交する方向の両側面に第１の接続配線１２８ａおよび第２の接続配線１２８ｂの電極膜が対向して形成されることから、括れ部１７Ａ近傍の面内振動の基点における不要な振動が抑制され物理量センサー素子の検出感度の安定化を図ることができる。
【００４８】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００４９】
例えば、上記実施形態及び変形例では、共通の基部から延出された振動梁、柱部、錘部、及び括れ部からなる圧電センサー要素（シングルビーム振動素子）を２つ有する構成の物理量センサー素子１，４１，６１について説明した。これに限らず、上記実施形態及び変形例で説明した物理量センサー素子１，４１，６１各々の圧電センサー要素が１つのみの構成の物理量センサー素子であっても、外部の基板などを用いずに１チップの素子内で第１電極及び第２電極による回路配線を完結させた、より小型で検出感度の高い物理量センサー素子として提供することができる。
【００５０】
また、上記実施形態及び変形例の物理量センサー素子１，４１，６１において、振動梁１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ，５０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂ夫々の長手方向（図１の振動梁１０Ａ，１０ＢにおけるＹ方向）と直交する断面は矩形状でもよいが、励振電極の効果を上げるためには、音叉型圧電振動片の振動腕と同様にＨ型としてもよい。
【００５１】
また、上記実施形態及び変形例で説明した物理量センサー素子１，４１，６１は、水晶を用いて一体に形成した例を説明した。これに限らず、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、あるいはランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの薄膜圧電材料を積層させて構成された他の圧電体材料を用いて物理量センサー素子を形成することができる。
【００５２】
また、上記実施形態で説明した加速度センサーにかかるセンサーパッケージでは、物理量センサー素子１を、パッケージ１３０の凹部の凹底部分に接合部材９６を介して接合・固定するとともに、物理量センサー素子１とパッケージ１３０とをワイヤーボンディングにより電気的に接続する構成を説明した。これに限らず、例えば、物理量センサー素子１の第１パッド電極２３ａ，２４ａ及び第２パッド電極２３ｂ，２４ｂをパッケージ１３０の素子接続端子１３５側に向けて、バンプや半田あるいは導電性接着剤などの導電性の接合部材を介して電気的な接続を伴う接合をはかる所謂フェースダウン接合を用いる構成としてもよい。パッケージ１３０への物理量センサー素子１の接合にフェースダウン接合を用いた構成によれば、接合構造の低背化が図れるので、センサーパッケージ（物理量センサー）の薄型化に供すると共に、パッケージ１３０と物理量センサー素子との接続経路が短いので電気的な高速化を図られ、物理量センサーの高感度化に寄与できる。
【符号の説明】
【００５３】
１，４１，６１…物理量センサー素子、２，４２，６２…基部、２ａ…（基部の）延出部、１０Ａ，１０Ｂ，５０Ａ，５０Ｂ，７０Ａ，７０Ｂ…振動梁、１５Ａ，１５Ｂ，５５，７５Ａ，７５Ｂ…柱部、１７Ａ，１７Ｂ，５７Ａ，５７Ｂ，７７Ａ，７７Ｂ…括れ部、１９Ａ，１９Ｂ，５９Ａ，５９Ｂ，７９Ａ，７９Ｂ…錘部、２３ａ，２４ａ…第１パッド電極、２３ｂ，２４ｂ…第２パッド電極、２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂ…第１電極としての励振電極、２６ａ，２６ｂ…第２電極としての励振電極、２８ｃ，２９ｃ…第１引出電極、２８ｄ，２９ｄ…第２引出電極、２８ａ，１２８ｂ…第１の接続配線、２８ｂ，１２８ｂ…第２の接続配線、９６…接合部材、９９…ボンディングワイヤー、１２０…センサーパッケージ、１２８ｄ，１２８ｅ…（括れ部の）側面、１３０…パッケージ、１３１…第１層基板、１３２…第２層基板、１３３…第３層基板、１３５…素子接続端子、１３６…外部実装端子、１３９…シールリング、１４０…リッド。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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