JP2008241287A - 圧力センサ用の感圧素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムを効率よく形成でき、感度よく圧力を測定できる圧力センサ用感圧素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】振動腕３４，３５の両端に基部３６，３７を有する圧電振動片３１と、両端の基部３６，３７の夫々が接合された台座部４４，４５を有すると共に、周縁部４２が固定されるようにした薄板状のダイヤフラム４０とを備えた圧力センサ用の感圧素子であって、ダイヤフラム４０は、全体外形が略長方形又は略正方形に形成されており、台座部４４，４５は、ダイヤフラム４０の中央部４０ｂを挟んだ両側に配置され、中央部４０ｂに向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ダイヤフラムに接合された圧電振動片を用いた感圧素子及びその製造方法に関する。

水晶振動片等の圧電振動片に応力を加えると周波数が変化することから、従来より、この圧電振動片の性質を利用した圧力センサが広く用いられている。
図１１は従来の圧力センサに用いられる感圧素子１であり、図１１（ａ）はその概略平面図、図１１（ｂ）はその概略断面図である（例えば、特許文献１参照）。なお、図１１（ａ）は上面を透過して図示している。
この図に示されるように、感圧素子１は、外部からの圧力Ｐ１，Ｐ２を受けて撓む２枚の水晶ダイヤフラム２，４を有している。そして、この２枚の水晶ダイヤフラム２，４は、凹状の開口部どうしを対向させるようにして接合され、これにより圧電振動片６を収容する内部空間Ｓが形成されている。また、この水晶ダイヤフラム２，４は、理想的な撓み動作を得ることができるように、全体が円形に形成されている。

圧電振動片６は、双音叉振動片であり、この双音叉振動片の長手方向の両端の基部６ａ，６ｂと、水晶ダイヤフラム２の内部空間Ｓに面した台座部７ａ，７ｂとが、接合固定されている。そして、圧電振動片６は、水晶ダイヤフラム２が最も撓む中央をまたぐように配置されている。このような状態で、水晶ダイヤフラム２が外部から圧力Ｐ１を受けて撓むと、台座部７ａ，７ｂを介して、圧電振動片６が効果的に伸張してストレスを受け、これにより圧電振動片６の周波数が変化して、圧力を感知することができる。

また、図１１の感圧素子１は、２枚の水晶ダイヤフラム２，４の中央部どうしを連結して、台座部７ａ，７ｂが設けられていない水晶ダイヤフラム４が受けた圧力Ｐ２を、水晶ダイヤフラム２に伝達するための力伝達用柱部８を有している。これにより、水晶ダイヤフラム４側で圧力Ｐ２を受けた場合、力伝達用柱部８、水晶ダイヤフラム２、及び台座部７ａ，７ｂを介して圧電振動片６が圧縮するようにストレスを受ける。このようにして、感圧素子１は正負の圧力を検出することができる。

特開２００４−１３２９１３号公開特許公報

ところが、図１１のような感圧素子１であると、水晶ダイヤフラム２，４の全体の外形が円形であるため、バッチ処理をしようとして、例えば図１２に示すように、１枚のウエハ９から複数の水晶ダイヤフラム２を形成しようとすると、図１２の平行斜線で示す部分が無駄になってしまう。即ち、水晶ウエハに複数の円形の水晶ダイヤフラム２，４を如何様に並べても切り代以外の破棄される部分が大量に発生してしまう。
また、水晶ウエハの状態から個別の水晶ダイヤフラム２，４に分離する方法としてカッタを使用した切断加工では円形に水晶ウエハを切断することが困難である。一方、エッチングにより円形に水晶ウエハを形成する方法もあるがエッチング加工は長い加工時間を必要とする。
このように、水晶ダイヤフラム２，４の円形状は、加工するうえでは非効率であり高い生産性を実現できるものではなかった。

この点、水晶ダイヤフラム２，４の全体外形を四角形状に形成すれば、このような無駄を省いて、１枚のウエハ９から複数の水晶ダイヤフラム２，４を効率よく形成することができる。しかし、水晶ダイヤフラム２，４の全体外形を四角形状にすると、全体外形が円形の場合に比べて、水晶ダイヤフラム２，４の外周から中心までの距離が単一の長さではないことで外部から受けた圧力に対して効果的に撓み難くなり、圧力を検出する感度が落ちてしまうという問題がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、ダイヤフラムを効率よく形成でき、かつ、感度よく圧力を測定できる圧力センサ用感圧素子、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、第１の発明にあっては、振動腕の両端に基部を有する圧電振動片と、前記両端の基部の夫々が接合された台座部を有すると共に、周縁部が固定されるようにした薄板状のダイヤフラムとを備えた圧力センサ用の感圧素子であって、前記ダイヤフラムは、全体外形が略長方形又は略正方形に形成されており、前記台座部は、前記ダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に配置され、前記中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成されている感圧素子により達成される。

第１の発明の構成によれば、感圧素子用のダイヤフラムは、圧電振動片の両端部にある基部の夫々が接合される台座部を有するため、このダイヤフラムが圧力を受けて撓むことで、台座部を介して圧電振動片が変形し、これにより周波数が変化して圧力を感知することができる。
また、このダイヤフラムは、その全体外形が略長方形又は略正方形に形成されているため、一枚のウエハから効率よく複数のダイヤフラムを形成することができる。
さらに、このように、円形のダイヤフラムと比較して理想的に撓むことが不得意な四角形状のダイヤフラムにした場合であっても、台座部は、ダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に配置され、中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向に沿った寸法を小さくするように形成されている。そうすると、ダイヤフラムは、中央部に向かうに従って撓み易くなるため、圧力を受けた場合、中央部に向かうほど変位量が大きくなる。したがって、中央部を挟んで両側に配置された台座部に基部が接合された圧電振動片は変形し易くなる。
かくして、本発明によれば、ダイヤフラムを効率よく形成でき、かつ、感度よく圧力を測定できる圧力センサ用感圧素子を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記両側の台座部は、互いに、前記中央部側の内側縁部が略平行であることを特徴とする。
この点、第１の発明では、中央部を挟んで両側に配置された台座部は、中央部に向かうに従って幅寸法が小さくなっている。このため、この所定の剛性を有する台座部の縁部がガイドとなって、ダイヤフラムは折り目をつけるかのように規制されながら撓むことになる。そして、第２の発明の構成では、両側の台座部は、互いに、中央部側の内側縁部が略平行であるため、ダイヤフラムが中央部を挟んで幅方向に捩れて撓まないように有効にガイドすることになる。したがって、圧電振動片は、幅方向に捩られることを有効に防止しながら、両側の台座部を結ぶ方向に沿ってストレスをかけられて、圧力の検出精度を高めることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の構成において、前記台座部の前記中央部側と反対側の外側縁部と、この外側縁部の近傍における前記ダイヤフラムの周縁部とは、略平行であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、台座部の中央部側と反対側の外側縁部と、この外側縁部の近傍におけるダイヤフラムの周縁部とは略平行である。したがって、ダイヤフラムは、外側縁部と周縁部との間で、捩れを有効に防止しながら滑らかに撓むため、感度を高めることができる。

第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記台座部の前記内側縁部は、前記圧電振動片の基部の前記内側縁部と対向した部分に対応する幅方向の寸法と、同等以上の寸法であることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、台座部の内側縁部は、圧電振動片の基部の内側縁部と対向した部分に対応する幅方向の寸法と、同等以上の寸法である。なお、ここにいう幅方向の寸法とは、外側縁部から内側縁部に向かう方向と直交する方向を意味する。したがって、圧電振動片の基部の内側縁部に対応する部分が、台座部の内側縁部に接合されず浮いてしまうような状態がなくなり、ダイヤフラムが撓んだ際、圧電振動片の幅方向の捩れを防止して、圧力の検出精度を高めることができる。

第５の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記ダイヤフラムの周縁部は前記圧電振動片を囲む枠状部と接合され、前記枠状部と前記圧電振動片の基部とは接続部を介して一体的に形成されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、ダイヤフラムの周縁部は圧電振動片を囲む枠状部と接合され、枠状部と圧電振動片の基部とは接続部を介して一体的に形成されているため、圧電振動片をウエハから個片化せず、複数の圧電振動片の外形が形成されているウエハと、複数のダイヤフラムの外形が形成されているウエハとを積層して、圧電振動片をダイヤフラムの台座部に接合することができ、生産性を高めることができる。

第６の発明は、第５の発明の構成において、前記接続部は、前記圧電振動片の両端の基部どうしを結ぶ方向に、厚み方向に貫通した貫通孔が設けられていることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、接続部は、圧電振動片の両端の基部どうしを結ぶ方向に、厚み方向に貫通した貫通孔が設けられているため、圧電振動片の両端の基部どうしを結ぶ方向の撓みを接続部が阻害してしまう事態を防止して、圧力の検出感度を高めることができる。

第７の発明は、第１ないし第６の発明のいずれかの構成において、前記ダイヤフラムは、前記中央部であって、前記台座部が配置された面と反対側の面に、剛性を高める剛性部が形成されていることを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、ダイヤフラムは、中央部に剛性を高める剛性部が形成されているため、この剛性部の領域では撓み難くなる。したがって、中央部と圧電振動片との接触を防止して、ストレスを受けて変化する圧電振動片の周波数をさらに変えてしまう恐れを有効に防止できる。また、この剛性部は台座部が配置された面と反対側の面に形成されているため、剛性部が凸部で形成されていた場合であっても、圧電振動片と剛性部とが接触してしまう恐れも防止できる。

第８の発明は、第１ないし第７の発明のいずれかの構成において、前記ダイヤフラムの周縁部は、可撓性を阻害する部分が配置されていない領域の厚みに比べて大きな厚みを有する枠状となっていることを特徴とする。
第８の発明の構成によれば、ダイヤフラムの周縁部は、可撓性を阻害する部分が配置されていない領域の厚みに比べて大きな厚みを有する枠状となっている。したがって、ダイヤフラムの周縁部の強度を向上させ、例えば、第６の発明のように圧電振動片を囲む枠状部とダイヤフラムの周縁部とが接合される場合、接合の際の応力でダイヤフラムが割れてしまう等の危険性を回避することができる。また、例えば、ダイヤフラムの周縁部と凹状の蓋体の開口端面とを接合して、該凹状の内側に圧電振動片を収容するような感圧素子を形成する場合は、蓋体の凹状を深く形成しなくても圧電振動片を収容することができ、蓋体の凹状を形成するエッチング時間を短縮して生産性を高めることができる。

また、上記目的は、第９の発明によれば、両端に基部を有する圧電振動片を枠状部で囲み、前記圧電振動片と前記枠状部とが接続されている枠付き振動子の形状を複数形成した振動子用ウエハと、前記圧電振動片の基部を接合する台座部を有し、周縁部を固定するようにした薄板状のダイヤフラムの形状を複数形成したダイヤフラム用ウエハとを、それぞれ別々に用意する準備工程と、前記台座部と前記基部、及び前記枠状部と前記周縁部を、それぞれ接合するようにして、前記ダイヤフラム用ウエハと前記振動子用ウエハとを接合する接合工程と、感圧素子毎となるように個片化するダイシング工程とを含んでおり、前記準備工程では、複数の前記枠付き振動子の形状を形成する際、前記枠付き振動子毎の全体外形を略長方形又は略正方形に形成し、複数の前記ダイヤフラムの形状を形成する際、各前記ダイヤフラムについて、その全体外形を略長方形又は略正方形に形成し、かつ、前記台座部を前記ダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に形成すると共に、前記中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成する圧力センサ用感圧素子の製造方法により達成される。

第９の発明の構成によれば、感圧素子の製造方法は、両端に基部を有する圧電振動片を囲む枠状部を有する枠付き振動子の形状を複数形成した振動子用ウエハと、圧電振動片の基部を接合する台座部を有し、周縁部を固定するようにした薄板状のダイヤフラムの形状を複数形成したダイヤフラム用ウエハとを、それぞれ別々に用意する準備工程と、台座部と基部、及び枠状部と周縁部を、それぞれ接合するようにして、ダイヤフラム用ウエハと振動子用ウエハとを接合する接合工程とを含んでいる。したがって、個片化した圧電振動片を複数のダイヤフラムの台座部に接合するような製造方法ではなく、振動子用ウエハとダイヤフラム用ウエハとを積層して、圧電振動片をダイヤフラムの台座部に接合することができ、生産性を高めることができる。
また、準備工程では、各枠付き振動子や各ダイヤフラムの全体外形を略長方形又は略正方形に形成しているため、ウエハから無駄なく複数の枠付き振動子及びダイヤフラムを形成することができる。
さらに、このように、円形のダイヤフラムと比較して理想的に撓むことが不得意な四角形状のダイヤフラムにした場合であっても、準備工程では、各ダイヤフラムについて、台座部をダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に形成すると共に、中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成する。したがって、ダイヤフラムは、第１の実施形態と同様に、中央部に向かうほど変位量が大きくなるため、中央部を挟んで両側に配置した台座部に基部を接合した圧電振動片は変形し易くなる。
かくして、本発明によれば、ダイヤフラムを効率よく形成でき、かつ、感度よく圧力を測定できる圧力センサ用感圧素子の製造方法を提供することができる。

図１ないし図５は、本発明の実施形態に係る圧力センサ用の感圧素子１０であって、図１は感圧素子１０の概略分解斜視図、図２は図１の各部品を積層してＡ−Ａ線の位置で切断した場合の概略断面図、図３はダイヤフラムの概略底面図、図４は図３のダイヤフラムが圧力を受けた場合におけるＢ−Ｂ線切断断面図、図５は図３のダイヤフラムが圧力を受けた場合におけるＣ−Ｃ線切断断面図である。
これらの図における圧力センサ用の感圧素子１０は、基台２０と、枠付き振動子３０と、ダイヤフラム４０とを有しており、図２に示すように、枠付き振動子３０の枠状部３２を基台２０とダイヤフラム４０とで挟んで、接着剤２５などの接合部材で接合する三層構造となっている。

基台２０は、枠付き振動子３０の圧電振動片３１の部分を収容する内部空間Ｓを密封するためのパッケージ或いはリッドとしての役割を有する。具体的には、基台２０は、図１及び図２に示すように、その内側に凹部２２が形成されており、この凹部２２の開口側の端面２４に、枠付き振動子３０の枠状部３２を介して、ダイヤフラム４０の周縁部４２が接合されることで、凹部２２の内側が密封された内部空間Ｓとなる。なお、この開口側の端面２４の幅Ｗ１、枠状部３２の幅Ｗ２、ダイヤフラム４０の周縁部４２の幅Ｗ３については、それぞれ対向する部分の幅が略同じとなっている。

このような基台２０は、ガラス、セラミック板、硬質プラスチック等の非導電性材料により形成することができ、例えばセラミックを利用する場合、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して、図示の形状とすることができる。本実施形態の場合、基台２０は、熱膨張係数などを考慮して、圧電振動片３０を囲む枠状部３２と同様の材料で例えば水晶にて形成されている。
そして、基台２０の主面外形は、水晶結晶軸のＸ軸方向に平行して延びる２本の辺と水晶結晶軸のＹ方向に平行して延びる２本の辺とからなる略四角形状（即ち、略長方形又は略正方形）である。
なお、図示されてはいないが、基台２０の外部に露出した面には電極端子が設けられており、この電極端子は図示しない導電パターンを介して、圧電振動片３１との間で信号の入出力を行うようになっている。

枠付き振動子３０は、枠状部３２、及びこの枠状部３２と接続された圧電振動片３１を有している。そして枠付き振動子３０は、圧電材料として例えば水晶をエッチングして形成されており、水晶以外にタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等を用いることができる。また、枠状部３２の外形は、Ｘ軸方向に平行して延びる２本の辺とＹ軸方向に平行して延びる２本の辺とからなる略四角形状である。
圧電振動片３１は、本実施形態の場合、加えられた力に対して周波数の変化が大きく、圧力を感度よく検出できる双音叉振動片とされている。すなわち、双音叉振動片は、屈曲
振動モードを有する振動片であって、図１に示すように、２つの音叉型振動片の自由端側の端面どうしを対向させて結合したような構造を有しており、互いに平行にＹ軸方向に長手方向が延びる二本の振動腕３４，３５と、この振動腕３４，３５の長手方向の両端に接続され、振動腕３４，３５と一列に並んだ２つの基部３６，３７とを有している。

振動腕３４，３５は、Ｙ軸方向に細長く、その表面に設けられた励振電極（図示せず）
により駆動電圧を印加されて屈曲振動する部分であり、この部分にＹ軸方向に伸張及び／又は圧縮するようにストレス或いはテンションがかかると、周波数が変化する部分である。従って、この周波数変化を検知することで圧力変化を感知することができる。
基部３６，３７は、圧電振動片３１をダイヤフラム４０に固定するための両端部であり、さらに、本実施形態の場合、振動腕３４，３５と外部との間で信号の入出力を行なうための中継となる電極（図示せず）を有する部分でもある。

台座部４４，４５側の表面には、上述の中継となる電極と導通する為の引出電極（図示せず）を有しており、この図示しない引出電極は、上述した基台２０に設けられた端子と電気的に接続されている。
また、基部３６，３７は、例えば２本の振動腕３４，３５の並び部分における長手方向（図１及び図３のＹ軸方向）と直交する幅方向（図１及び図３のＸ軸方向）の寸法に比べて、大きな幅方向の寸法を有しており、一方の基部３６と他方の基部３７は、振動腕３４，３５を間に挟んで、互いに略対称となっている。

枠状部３２は、基台２０の凹部２２と共に、圧電振動片３１を収容する内部空間Ｓを形成する部材であり、かつ、ダイヤフラム４０の周縁部４２と固定する部材である。
具体的には、枠状部３２は、少なくとも振動腕３４，３５との間に空間を有しており、圧電振動片３１の両端の基部３６，３７と、接続部３８を介して一体的に形成されている。すなわち、本実施形態の場合、枠状部３２と接続部３８と圧電振動片３１とは、１枚の水晶ウエハから、例えばフォトリソ加工技術を利用してエッチングにより形成されている。

そして、接続部３８は基部３６，３７よりも細い形状である。即ち、接続部３８は、基部３６，３７と台座部４４，４５とを接合した後は、振動腕３４，３５の撓みを阻害するものとなるので存在しない方が好ましく、このため本実施形態では、枠付き振動子３０とダイヤフラム４０とを接合する際に、基部３６，３７と台座部４４，４５とを位置合わせして接合できる程度に細く形成されている。
そして、接続部３８は、基部３６，３７どうしを結ぶ方向（Ｙ軸方向）、即ち、接続部３８と基部３６，３７とからなる部分と、枠状部３２のＸ軸方向に延びる枠辺との間には、厚み方向に貫通した貫通孔３８ａが設けられている。このように接続部３８を細く構成し、且つ貫通孔３８ａを設けた構成は、図２に示すように、外部からダイヤフラム４０に圧力Ｐが加わり、圧電振動片３１の振動腕が基部３６，３７どうしを結ぶ方向（Ｙ軸方向）へ接続部３８を撓み易くし、そのＹ軸方向の撓みを接続部３８が阻害してしまう事態を防止することができる。

尚、接続部３８は、各基部３６，３７の幅方向（即ち、図１の基部３６，３７どうしを結ぶＹ軸方向と直交するＸ軸方向）の両端３６ａ，３７ａから、それぞれ幅方向に沿って、互いに離間するように延びて形成された梁としている。
このような梁の構成により枠付き振動子３０の構成（剛性）がＹ軸方向に沿った中心線を境に左右対称となる。そしてこのような左右対称の構成により、圧電振動子３１の撓み量がＹ軸方向に沿った中心線を境に左右均等になるので圧電振動片３１に伝達された応力を２本の振動腕３４，３５に等しく分配することができる。
さらに、この接続部３８は、振動漏れを軽減するため、出来るだけ振動腕３４，３５から離れた位置に形成することが好ましく、図１に示すように、基部３６，３７の振動腕３４，３５側と反対側の端部３６ｂ，３７ｂにおける幅方向の両端３６ａ，３７ａに接続されている。

ダイヤフラム４０は、外部と内部空間Ｓとを仕切って、外部からの受けた圧力Ｐを圧電振動片３１に伝達する部材であり、微細な圧力Ｐを伝達できるように、全体的に薄板状あるいは膜状となっている。
このダイヤフラム４０は、その周縁部４２が、枠付き振動子３０の枠状部３２を介して、基台２０の開口側の端面２４と接合して固定されるようになっているため、枠状部３２の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する材料（本実施形態の場合は水晶）で形成されている。このようにして、ダイヤフラム４０は薄板状あるいは膜状であっても、接合の際の応力による割れなどを有効に防止している。なお、ダイヤフラム４０の周縁部４２と枠状部３２とを接合する接着剤２５には、例えば低融点ガラスなどのロウ材を用いることもできるが、本実施形態の場合、後述する台座部４４，４５と圧電振動片３１の基部３６，３７とを接合する際の接合材４９と同様の融点を有する金属材料を用いている。
また、ダイヤフラム４０の全体外形（主面外形）は、Ｘ軸方向に平行して延びる２本の辺とＹ軸方向に平行して延びる２本の辺とからなる略四角形状である。

さらに、ダイヤフラム４０の周縁部４２は、図２に示すように、可撓性を阻害する部分（後述する台座部４４，４５、及び剛性部５０）が配置されていない領域（可動部）の厚みＤ１に比べて大きな厚みＤ２を有する枠状となっている。したがって、ダイヤフラム４０の固定を目的とした周縁部４２の強度を向上させ、圧電振動片３１を囲む枠状部３２と接合する際の応力でダイヤフラム４０が割れてしまう等の危険性を、より効果的に回避できる。尚、例えば枠状部３２が存在しない圧電振動片３１を使用した場合では、周縁部４２を厚みの大きい枠状とすると共に、台座部４４，４５の厚さを周縁部４２の厚さより薄く構成することで、基台２０の凹部２２の深さを小さくしても、圧電振動片３１が凹部２２の底面に接触しないように収容することができ、例えば、基台２０の凹部２２を形成するエッチング時間を短縮して生産性を高めることもできる。

また、ダイヤフラム４０は、図２に示すように、内部空間Ｓに露出した面４０ａに、圧電振動片３１の両端の基部３６，３７の夫々が接合された台座部４４，４５を有している。この台座部４４，４５は、その表面に設けられた図示しない引出電極と、基部３６，３７の図示しない中継となる電極とを、半田等の導電性を発揮する接合材４９で電気的且つ機械的に接続することで、圧電振動片３１と接合されている。また、台座部４４，４５は、ダイヤフラム４０の台座部４４，４５以外の箇所が圧電振動片３１に接触しないような高さを有し、水晶ウエハを例えばフォトリソ加工技術を利用してエッチングにより形成されている。

そして、台座部４４，４５は、ダイヤフラム４０の中央部４０ｂを挟んだ両側に配置されている。すなわち、ダイヤフラム４０の最も変位量が大きい領域となる中央部４０ｂを間に挟んで２つの台座部４４，４５を配置し、この２つの台座部４４，４５の夫々に、圧電振動片３１の２つの基部３６，３７の夫々が接合されている。これにより、圧電振動片３１は、最も変位量が大きい中央部をまたぐように配置されることになるので、振動腕３４，３５に最も大きなストレスをかけて、圧力の検出感度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る感圧素子１０は以上のような様々な特徴を有しながら構成されており、さらに、感圧素子１０は、以下のような特有な構成を有している。
まず、ダイヤフラム４０は、図３に示すように、全体外形（主面形状）が略長方形又は略正方形に形成されている。すなわち、ダイヤフラム４０は、上述のように中央部４０ｂを最も変位量が大きい領域にし、かつ、圧力が加わった際、歪むことなく一定の曲率をもってきれいに撓むように、円形が理想とされているが、これを敢えて略四角形状にし、１枚のウエハから効率よく多数のダイヤフラム４０を形成できるようにしている。

なお、ここでは、長方形又は正方形ではなく略長方形又は略正方形としたのは、次の理由による。すなわち、ダイヤフラム４０は全体的に薄板状や膜状であるため、その厚みを外見上無視して、全体が略長方形又は略正方形であるとしている。また、本実施形態のダイヤフラムは水晶をウエットエッチングして形成することも可能であるため、水晶の異方性によりヒレが発生して、正確な長方形又は正方形に形成することが困難であるため、略長方形又は略正方形としている。したがって、例えば、厚みを有するものも、輪郭が複雑なものも、１枚のウエハから効率よく多数のダイヤフラム４０を形成できるように全体的に略長方形又は略正方形であれば、そのダイヤフラムは本発明に含まれる。
本実施形態のダイヤフラム４０は、細長い振動腕３４，３５を有する圧電振動片３１の形状に合わせて、１枚のウエハから効率よく多数個取りができるように、略長方形に形成されている。

次に、中央部４０ｂを挟んで両側に配置された２つの台座部４４，４５は、図１及び図３に示すように、夫々が中央部４０ｂに向かうに従って、周縁部４２からの距離Ｘ１，Ｘ２が大きくなっていく。即ち、台座部４４，４５の夫々は、中央部４０ｂに向かう従って、その向かう方向（図１及び図３のＹ軸方向）と直交する幅方向（図１及び図３のＸ軸方向）に沿った寸法を小さくなるように形成されている（つまり、底面視が略台形状に形成されている）。換言すれば、台座部４４，４５のＸ軸方向の幅は、ダイヤフラム４０（可動部）の中心側からＹ軸に沿ってダイヤフラム４０の外側に向かうに従い幅広になる構成を有すると共に、Ｙ軸方向に延びる周縁部４２の内周辺はＹ軸方向に平行である。
以下、台座部４４について詳細に説明するが、特段の言及がない限り、台座部４４と台座部４５とは同様の構成である。

台座部４４は、幅方向（図１及び図３のＸ軸方向）の縁部４４ｃ，４４ｄが、図３に示すように、外側（中央部４０ｂ側と反対側）の縁部（以下、「外側縁部」という）４４ａから、内側（中央部４０ｂ側）の縁部（以下「内側縁部」という）４４ｂに向かうに従って、ダイヤフラム４０の縁部４４ｃ，４４ｄの近傍における周縁部４２から除々に離れるように形成されている。
すなわち、台座部４４は、その主面上に広がる形状が直線状の４本の縁部４４ａ〜４４ｄを辺とした所謂、等脚台形であり、外側縁部４４ａを長辺とした下底と、内側縁部４４ｂを短辺とした上底とを有する構造であると共に、内側縁部４４ｂがＸ軸方向（振動腕３４，３５の延長方向と直交する方向）と平行であり、且つ外側縁部４４ａよりもダイヤフラム４０の中央よりに位置した構造である。

更に、内側縁部４４ｂの長さＷ５は、圧電振動片３１の２本の振動腕３４，３５の並び部分のＸ軸方向の幅寸法Ｗ４以上であることが望ましい。これは内側縁部４４ｂの長さＷ５が圧電振動片３１の振動腕３４，３５の並び部分の幅未満である場合、ダイヤフラム４０の撓みにより台座部４４が撓り易くなると共に、台座部４４が支点となり２本の振動腕３４，３５を開脚させるような応力を発生させてしまう。これに対して内側縁部４４ｂの長さＷ５を振動腕３４，３５の並び幅寸法Ｗ４以上とした場合では、少なくとも厚肉部である台座部４４は高い剛性があるので２本の振動腕３４，３５を開脚させるような応力伝達が発生し難い。従って、本発明では、内側縁部４４ｂを上述の長さＷ５とすることでダイヤフラム４０からの応力を効率良く振動腕３４，３５へ伝達することができる。
また、内側縁部４４ｂの延長方向を振動腕３４，３５の延長方向と直交させるのは、振動腕３４と内側縁部４４ｂまでの距離と、振動腕３５と内側縁部４４ｂまでの距離を等しくすることで振動腕３４，３５に等しく応力を伝達させる為である。これによってもダイヤフラム４０からの応力を効率良く振動腕３４，３５へ伝達することができる。

そして、圧電振動片３１の振動腕３４，３５のストレスを大きくするためには、図５に示すように、圧力Ｐが印加されたときに台座部４４（台座部４４の領域）のＹ軸方向の傾斜角度θ１を大きくする必要がある（圧力Ｐと内部空間Ｓの圧力差が０のときθ１＝０°）。この点、台座部４４はダイヤフラムの剛性を高めて一見してダイヤフラムの撓み動作を妨害するように見えるが、外側縁部４４ａに比べて内側縁部４４ｂに向かうほど剛性を低くしている。このため、図４に示すように、圧力がかかっていない状態に対する圧力Pを印加した状態の際の幅方向（Ｘ軸方向）の傾斜角度θ２，θ３を、内側縁部４４ｂに向かうほど大きくすることができ、この幅方向の角度θ２，θ３が加味されて、図５に示す長手方向（Ｙ軸方向）の傾斜角度θ１も大きくなり（圧力Ｐと内部空間Ｓの圧力差が０のときθ２＝θ３＝０°）、この台座部４４が設けられている領域でも変位量を大きくすることができる。また、台座部４４，４５の剛性がダイヤフラムの可動部よりも高いので、台座部４４，４５と可動部との境が折り代のように機能する。そして、これに加え台座部４４，４５の形状が等脚台形に例えられるようにダイヤフラムの中央からＹ軸に沿って外側へ向かってＸ軸方向の幅が広くなるような構成であるので、台座部４４，４５はダイヤフラムの撓み形状を理想的なものとなるよう制御する機能を有する。
従って、感圧素子１０は略四角形状であっても、ダイヤフラム４０は理想的な撓み動作を実現できるのである。

具体的には、台座部４４は、図３に示すように、略長方形のダイヤフラム４０の幅方向（Ｘ軸方向）の中央部に配置され、幅方向の中心線ＣＬ２を中心に略対称とされて、幅方向の一方の縁部４４ｃとその近傍の周縁部４２との距離Ｘ１、及び幅方向の他方の縁部４４ｄとその近傍の周縁部４２との距離Ｘ２の関係が同様となっている。これにより、台座部４４は、図４に示すように、幅方向Ｘについて、圧力がかかっていない状態に対する圧力がかかった状態の一方の縁部４４ｃ側の傾斜角度θ３と、圧力がかかっていない状態に対する圧力がかかった状態の他方の縁部４４ｄ側の傾斜角度θ２とが略等しくなるように規制するガイドとなる。

また、図３に示すように、中央部４０ｂを挟んだ両側の台座部４４，４５は、互いに、中央部４０ｂを挟んで略対称となっており、かつ、中央部４０ｂ側の内側縁部４４ｂ，４５ｂが互いに平行となっている。このため、台座部４４，４５は、ダイヤフラム４０が中央部４０ｂを挟んで幅方向Ｘに捩れて撓まないようにガイドすることになる。したがって、圧電振動片３１は、振動腕３４，３５の長手方向Ｙに沿って、幅方向Ｘに捩れずにきれいにストレスがかかって、圧力の検出精度を高めることができる。

さらに、台座部４４は、図３に示すように、中央部４０ｂ側と反対側の外側縁部４４ａと、この外側縁部４４ａの近傍におけるダイヤフラム４０の周縁部（図では長手方向Ｙの周縁部）４２とは、略平行である。したがって、長手方向Ｙにおける周縁部４２と外側縁部４４ａとの間におけるダイヤフラム４０の領域についても、圧力が加わった場合、捩れを有効に防止しながら滑らかに撓ませて、感度を高めることができる。
なお、本実施形態では、図３に示すように、外側縁部４４ａとその近傍の周縁部４２との距離Ｙ２に比べて、幅方向Ｘにおける縁部４４ｃとその近傍の周縁部４２との距離Ｘ１のうち、最も幅方向Ｘの寸法が小さい距離Ｘ１’が大きくなるように設定されている。

また、台座部４４の内側縁部４４ｂは、圧電振動片３１の基部３６の内側縁部４４ｂと対向した部分に対応する幅方向の寸法Ｗ５と、同等以上の寸法となっている。これにより、圧電振動片３１の基部３６の内側縁部４４ｂに対応する部分が、台座部４４の内側縁部４４ｂに接合されず浮いてしまうような状態がなくなり、ダイヤフラム４０が撓んだ際、圧電振動片３１の幅方向Ｘの捩れを防止して、圧力の検出精度を高めることができる。なお、台座部４４の内側縁部４４ｂは、図示する幅方向の寸法Ｗ５と同等であることがより好ましく、これにより、ダイヤフラム４０の撓みをより向上させることができる。

また、ダイヤフラム４０は、図１及び図２に示すように、中央部４０ｂであって、台座部４４，４５が配置された面４０ａと反対側の面（即ち、外部に露出した面）４０ｃに、剛性を高める剛性部５０が形成されている。したがって、ダイヤフラム４０は、剛性部５０の領域では撓み難くなるため、中央部４０ｂと振動腕３４，３５とが接触する恐れを有効に防止できる。
具体的には、剛性部５０は、少なくともダイヤフラム４０の台座部４４が設けられていない可撓性を有する領域の剛性よりも高ければよいが、本実施形態の場合、圧力を受けた中央部４０ｂの変位量が台座部４４の変位量より大きいと、振動腕３４，３５とダイヤフラム４０の中央部４０ｂとが接触する恐れが高まるため、剛性部５０は、中央部４０ｂの変位量を台座部４４における変位量に比べて小さくするように剛性を高めている。また、この剛性部５０は、ダイヤフラム４０の中央部４０ｂの一部を外部側に突出させるように厚みを大きくした凸部であるため、振動腕３４，３５と接触する恐れをさらに軽減している。

本発明の実施形態は以上のように構成されており、次にこの感圧素子１０を利用した圧力センサの製造方法について簡単に説明する。
図６は、圧力センサの製造方法の一例を示す工程図、図７及び図８は図６の圧力センサの製造工程うち感圧素子の製造工程を説明するための図である。なお、これらの図で示した符号が、図１ないし図５で示した符号と同じ場合は同様の構成である。
この製造方法では、３枚のウエハを積層して接合した後に個片化して、複数の感圧素子を同時に形成するバッチ処理を行なっている。

すなわち、先ず、図７（ａ）乃至図８（ｃ）に示すように、３枚のウエハを重ね合わせる前に、水晶ウエハ６０，６２，６４をそれぞれ別々に用意しておく（図６の準備工程）。
具体的には、図７（ａ）に示すように、水晶ウエハに複数のダイヤフラム４０の外形を周縁部４２同士が連結した状態であり、複数のダイヤフラム４０を縦横（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）の行列の状態で並べて形成したダイヤフラム用ウエハ６０を形成する（図６のＳＴ０−１）。このダイヤフラム４０は、図１ないし図５で既に説明したように、圧電振動片の基部を接合する台座部を有し、周縁部を固定するようにした薄板であり、このような形状をフォトリソグラフィー技術を用いてウエットエッチングで形成することで一括して複数のダイヤフラム４０の主要部を形成することができる。この際、各ダイヤフラム４０について、その全体外形を略長方形又は略正方形に形成し、かつ、図３に示すように、台座部４４，４５を各ダイヤフラム４０の中央部を挟んだ両側に形成すると共に、中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を除々に小さくするように形成する。また、図示していないが、このダイヤフラム用ウエハ６０の台座部４４，４５の表面等に電極をスパッタなどで形成しておく。

また、これとは別に、図７（ｂ）に示すように、水晶ウエハに複数の枠付き振動子３０の外形を枠状部３２同士が連結した状態であり、複数の枠付き振動子３０を縦横（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に行列の状態で並べて形成した後（図６のＳＴ０−２）、上述した図示しない励振電極や中継となる電極をスパッタなどで形成して（図６のＳＴ０−３）、振動子用ウエハ６２を完成させる。なお、この枠付き振動子３０は、図１ないし図５で既に説明したように、両端に基部を有する圧電振動片を枠状部で囲み、圧電振動片と枠状部とが接続されており、全体外形が略長方形又は略正方形である。このような形状はウエットエッチングで形成しており、複数の枠付き振動子３０の枠状部３２と上述した複数のダイヤフラム４０の周縁部４２、及び複数の基部３６，３７と複数のダイヤフラムの台座部４４，４５とが、それぞれ精密に一括して位置合わせできるようにフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。

また、これらとは別に、図８（ｃ）に示すように、水晶ウエハに複数の基台２０の外形を周側面同士が連結した状態であり、複数の基台２０を縦横（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）に行列の状態で並べて形成した基台用ウエハ６４を形成する（図のＳＴ０−４）。この基台２０は、図１および図２で既に説明したように、圧電振動片を収容する凹部を有している。このような形状はウエットエッチングで形成することで一括して複数の基台２０の凹部を形成することができる。そして、上述した複数の開口部側の端面２４と複数の枠付き振動子の枠状部３２とが精密に一括して位置合わせできるように、フォトリソグラフィー技術を用いて形成する。

そして、このような準備工程を経た後、図８（ｄ）に示すように、振動子用ウエハ６２をダイヤフラム用ウエハ６０と基台用ウエハ６４とで挟むように積層して、これらを接合する（図６のＳＴ１：接合工程）。この際、ダイヤフラム用ウエハ６０の各台座部４４，４５（図１参照）と振動子用ウエハ６２の各基部３６，３７（図１参照）とを半田等の接合材４９（図２参照）で接合する。また、振動子用ウエハ６２の各枠状部３２（図１参照）とダイヤフラム用ウエハ６０の各周縁部４２（図１参照）と基台２０の開口側の端面２４（図１参照）とを接合材４９（図２参照）と同様の融点を有する金属材料で接合する。

次いで、図８（ｄ）に示すように、感圧素子毎となるように、切断線ＵＴに沿って切断して個片化し（図６のＳＴ２：ダイシング工程）、圧電振動片の振動特性などを測定しておく（図６のＳＴ３：第１の測定）。この場合、複数の感圧素子が縦列にそれぞれ一列の状態で並んでいるのでダイシング工程で切断する際はカッタを直線的に移動させればよい。従って、このような製造方法は、切断工程が単純であるので生産性に優れる。
次いで、この感圧素子を、例えば圧力をダイヤフラムまで導く孔を有するケース内に、発振回路を備えた集積回路素子等のモジュール部品と共に組み込んで、圧力センサを組立てる（図６のＳＴ４：組立て）。
次いで、図６のＳＴ３で測定した結果などに基づいて、集積回路素子にデータを書き込んで（図６のＳＴ５：書き込み）、製品として仕様範囲内にあるか否かのチェックをして（図６のＳＴ６：第２の測定）、圧力センサを完成させる。

本発明の実施形態に係る感圧素子１０は以上のように構成されており、ダイヤフラム４０は、その全体外形が略長方形又は略正方形に形成されているため、一枚のウエハから効率よく複数のダイヤフラム４０を形成することができる。さらに、このように略長方形又は略正方形のダイヤフラム４０にした場合であっても、台座部４４，４５は、ダイヤフラム４０の中央部４０ｂを挟んだ両側に配置され、その夫々が中央部４０ｂに向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を除々に小さくするように形成されている。したがって、ダイヤフラム４０は、中央部４０ｂに向かうに従って撓み易くなるため、中央部４０ｂを挟んで両側に配置された台座部４４，４５に基部３６，３７が接合された圧電振動片３１は変形し易くなり、感度よく圧力を測定できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、例えば、台座部を底面側から見た形状の変形例である図９（ａ）（ｂ）に示すように、台座部４４は台形状に限られず、例えば、幅方向Ｘの縁部４４ｃ，４４ｄが曲面になっていてもよく、また、幅方向Ｘの寸法が途中から小さくなっていてもよい。

図１０は、本発明の上述した実施形態の変形例に係る圧力センサ用の感圧素子１２の概略分解斜視図である。
この図において、図１ないし図９の感圧素子１０と同一の構成には、共通する符号を付して重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
この感圧素子１２が、図１ないし図９の感圧素子１０と主に異なるのは、枠付き振動子を利用していない点である。

すなわち、圧電振動片３１の周囲には図１に示すような枠状部３２がなく、この個片化された圧電振動片３１の両端部の基部３６，３７が台座部４４，４５に接合されている。
また、台座部４４，４５を有するダイヤフラム４０については、その周縁部４２が他の領域よりも厚くなるような形状とはなっておらず、台座部４４，４５が設けられた領域以外の領域は平面状となっている。
また、基台２０については、ダイヤフラム４０が圧力を受けて撓んだ際、伸張した圧電振動片３１が接触しないような深さを有する凹部２２が設けられている。そして、この凹部２２の開口側の端面２４をダイヤフラム４０の周縁部４２に接合して、圧電振動片３１を収容する内部空間を形成しており、基台２０は蓋体としての機能を果たしている。

本実施形態に係る感圧素子１２は以上のように構成されており、個片化された圧電振動片３１を台座部４４，４５に接合する必要性から、図１ないし図９で説明した感圧素子１０のように製造を容易にすることができない一方、図１に示す圧電振動片３１と枠状部３２とをつなぐ接続部３８がないため、圧電振動片３１にかけるテンションを大きくして、圧力測定の感度を高めることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせ、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
例えば、従来図として説明した図１１の感圧素子１の特徴を利用してもよい。すなわち、図１１のダイヤフラム２，４の夫々の全体外形を略四角形状にし、かつ、中央部を挟んで両側に配置された台座部７ａ，７ｂの夫々が、中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成してもよい。これにより、２枚の水晶ダイヤフラム２，４の中央部どうしを連結する力伝達用柱部８を設けて、正負の圧力を検出できる感圧素子１についても、生産性を高めると共に、感度よく圧力を測定できる。

本発明の実施形態に係る圧力センサ用の感圧素子の概略分解斜視図。 図１の各部品を組み合わせてＡ−Ａ線の位置で切断した場合の概略断面図。 本発明の実施形態に係る感圧素子に用いられるダイヤフラムの概略底面図。 図３のダイヤフラムが圧力を受けた場合におけるＢ−Ｂ線切断断面図。 図３のダイヤフラムが圧力を受けた場合におけるＣ−Ｃ線切断断面図。 本発明の実施形態に係る圧力センサの製造方法の一例を示す工程図。 図６の圧力センサの製造工程のうち感圧素子の製造工程の説明図。 図６の圧力センサの製造工程のうち感圧素子の製造工程の説明図。 本発明の実施形態に係る台座部を底面側から見た形状の変形例。 本発明の実施形態の変形例に係る圧力センサ用の感圧素子の概略分解斜視図。 従来の圧力センサに用いられる感圧素子であり、図１１（ａ）は概略平面図、図１１（ｂ）は概略断面図。 従来のダイヤフラムをウエハに形成した概略平面図。

符号の説明

３０・・・枠付き振動子、３１・・・圧電振動片、３４，３５・・・振動腕、３６，３７・・・基部、４０・・・ダイヤフラム、４０ｂ・・・中央部、４２・・・周縁部、４４，４５・・・台座部

Claims (9)

1. 振動腕の両端に基部を有する圧電振動片と、前記両端の基部の夫々が接合された台座部を有すると共に、周縁部が固定されるようにした薄板状のダイヤフラムとを備えた圧力センサ用の感圧素子であって、
   前記ダイヤフラムは、全体外形が略長方形又は略正方形に形成されており、
   前記台座部は、前記ダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に配置され、前記中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成されている
   ことを特徴とする感圧素子。
2. 前記両側の台座部は、互いに、前記中央部側の内側縁部が略平行であることを特徴とする請求項１に記載の感圧素子。
3. 前記台座部の前記中央部側と反対側の外側縁部と、この外側縁部の近傍における前記ダイヤフラムの周縁部とは、略平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の感圧素子。
4. 前記台座部の前記内側縁部は、前記圧電振動片の基部の前記内側縁部と対向した部分に対応する幅方向の寸法と、同等以上の寸法であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の感圧素子。
5. 前記ダイヤフラムの周縁部は前記圧電振動片を囲む枠状部と接合され、前記枠状部と前記圧電振動片の基部とは接続部を介して一体的に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の感圧素子。
6. 前記接続部は、前記圧電振動片の両端の基部どうしを結ぶ方向に、厚み方向に貫通した貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の感圧素子。
7. 前記ダイヤフラムは、前記中央部であって、前記台座部が配置された面と反対側の面に、剛性を高める剛性部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の感圧素子。
8. 前記ダイヤフラムの周縁部は、可撓性を阻害する部分が配置されていない領域の厚みに比べて大きな厚みを有する枠状となっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の感圧素子。
9. 両端に基部を有する圧電振動片を枠状部で囲み、前記圧電振動片と前記枠状部とが接続されている枠付き振動子の形状を複数形成した振動子用ウエハと、前記圧電振動片の基部を接合する台座部を有し、周縁部を固定するようにした薄板状のダイヤフラムの形状を複数形成したダイヤフラム用ウエハとを、それぞれ別々に用意する準備工程と、
   前記台座部と前記基部、及び前記枠状部と前記周縁部を、それぞれ接合するようにして、前記ダイヤフラム用ウエハと前記振動子用ウエハとを接合する接合工程と、
   感圧素子毎となるように個片化するダイシング工程と
   を含んでおり、
   前記準備工程では、
   複数の前記枠付き振動子の形状を形成する際、前記枠付き振動子毎の全体外形を略長方形又は略正方形に形成し、
   複数の前記ダイヤフラムの形状を形成する際、各前記ダイヤフラムについて、その全体外形を略長方形又は略正方形に形成し、かつ、前記台座部を前記ダイヤフラムの中央部を挟んだ両側に形成すると共に、前記中央部に向かうに従って、その向かう方向と直交する幅方向の寸法を小さくするように形成する
   ことを特徴とする圧力センサ用感圧素子の製造方法。

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