JP2013186108A - 物理量センサーモジュール及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】物理量の検出特性を向上させることが可能な物理量センサーモジュールの提供。
【解決手段】物理量センサーモジュール１は、第１接続端子１０１ｂを有する第１基板１０１と、樹脂スペーサー１０２を介して第１基板１０１に取り付けられた金属ブロック１０３と、サイドスルーホール１０４ａが設けられた第２基板１０４と、第２基板１０４に取り付けられ、配線パターン１０４ｂを介してサイドスルーホール１０４ａと電気的に接続されている物理量センサー２と、第１基板１０１に取り付けられ、少なくとも樹脂スペーサー１０２、金属ブロック１０３、第２基板１０４、物理量センサー２を覆うケース１０５と、を備え、第２基板１０４は、第１基板１０１に立設されると共に、サイドスルーホール１０４ａを介して第１接続端子１０１ｂと電気的に接続され、物理量センサー２は、導電性接着剤１０８を介して金属ブロック１０３に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサーモジュール、及びこの物理量センサーモジュールを備えた電子機器に関する。

従来、加速度や角速度などの物理量を検出する物理量センサーを備えた物理量センサーモジュールとして、検出部が形成された半導体基板を有するセンサーチップを複数備えたセンサーブロックであって、各センサーチップの半導体基板が、共通のベースブロックに電気的に接合されると共に、支持されていることを特徴とするセンサーブロックが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１２７６０７号公報

しかしながら、特許文献１には、センサーブロックの外部品（外部部材）への実装形態が、記載も示唆もされていない。
このままの形態で実装されるとすれば、センサーブロックは、周辺温度の変化がダイレクトに伝わることから、周辺温度の変化に伴って、センサーチップを支持するベースブロックや、センサーチップなどの温度が大きく変化する虞がある。
この結果、センサーブロックは、センサーチップを支持するガラス製のベースブロック、センサーチップを構成する半導体基板及びガラス基板の線膨張係数の違いに起因して発生する熱応力により、センサーチップに歪みが生じることから、物理量の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）が劣化する虞がある。

加えて、センサーブロックは、センサーチップのコンタクトホール（電極）と外部部材との電気的接続を、リード線を用いた空中配線で行う必要があることから、作業性が悪く、生産性の向上に関して課題がある。

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］本適用例にかかる物理量センサーモジュールは、主面に第１接続端子を有し、外部部材に取り付け可能な第１基板と、樹脂スペーサーを介して前記第１基板の前記主面側に取り付けられている金属ブロックと、端部に第２接続端子が設けられている第２基板と、前記第２基板に取り付けられ、前記第２基板に設けられている配線パターンを介して前記第２接続端子と接続されている物理量センサーと、前記第１基板の前記主面側に取り付けられ、少なくとも前記樹脂スペーサー、前記金属ブロック、前記第２基板、および前記物理量センサーを覆っているケースと、を備え、前記第２基板は、前記第１基板の前記主面側に立設されていると共に、前記第２接続端子を介して前記第１基板の前記第１接続端子と接続され、前記物理量センサーは、導電性接合部材を介して前記金属ブロックに接合されていることを特徴とする。

これによれば、物理量センサーモジュールは、第１基板と、樹脂スペーサーを介して第１基板に取り付けられた金属ブロックと、端部に第２接続端子が設けられた第２基板と、第２基板に取り付けられ、第２接続端子と電気的に接続されている物理量センサー（センサーチップに相当）と、第１基板に取り付けられ、上記各構成要素を覆うケースとを備えている。
そして、物理量センサーモジュールは、第２基板が第１基板に立設されると共に、第２接続端子を介して第１基板の第１接続端子と電気的に接続され、物理量センサーが導電性接合部材を介して金属ブロックに接合されている。

これにより、物理量センサーモジュールは、物理量センサーが、熱容量が大きく温度変化が比較的緩やかな金属ブロックに、比較的熱伝導率が高い導電性接合部材を介して接合されていること（物理量センサーと金属ブロックとが熱結合されている）、及び、第１基板からの接触による金属ブロックへの熱伝導が、比較的熱伝導率が低い樹脂スペーサーにより遅延（抑制）されること、並びに、物理量センサーの周辺の大気の対流や、外部からの放射熱（輻射熱）による物理量センサーへの熱伝導が、ケースに覆われていることで大幅に抑制されることによって、周辺温度の変化に伴う物理量センサーの温度変化を、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して格段に抑制することができる（換言すれば、温度変化をなだらかにすることができる）。
この結果、物理量センサーモジュールは、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して、物理量の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を向上させることができる。

加えて、物理量センサーモジュールは、物理量センサーが第２基板に取り付けられ、第２基板に設けられた配線パターンを介して第２接続端子と電気的に接続され、第２基板が第２接続端子を介して第１基板の第１接続端子と電気的に接続されていることから、第１基板と物理量センサーとの電気的接続に、従来技術（例えば、特許文献１）のような、空中配線が不要となる。
この結果、物理量センサーモジュールは、第１基板と物理量センサーとの電気的接続の作業性が良好となり、生産性を向上させることができる。

［適用例２］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記ケースは、樹脂製であることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、ケースが樹脂製であることから、例えば、金属製の場合よりもケースの熱伝導率が低く、物理量センサーの周辺の大気の対流や、外部からの放射熱（輻射熱）による物理量センサーへの熱伝導を殆ど遮断することができる。
この結果、物理量センサーモジュールは、周辺温度の変化に伴う物理量センサーの温度変化を更に抑制できることから、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して、物理量の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を更に向上させることができる。

［適用例３］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記配線パターンは、複数の折り返し部を備えていることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、第２基板の配線パターンが複数の折り返し部を備えていることから、第２接続端子から物理量センサーまでの配線パターンが長くなり、配線パターンによる物理量センサーへの熱伝導を抑制する（遅延させる）ことができる。

［適用例４］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記物理量センサーが取り付けられた前記第２基板を複数備え、各前記第２基板は、各前記物理量センサーの物理量検出軸が互いに交差するように、前記第１基板に立設されていることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、物理量センサーが取り付けられた複数の第２基板が、各物理量センサーの物理量検出軸が互いに交差するように、第１基板に立設されている。
これにより、本構成の物理量センサーモジュールは、１個で検出方向が異なる複数の検出軸を備えた物理量センサーモジュールを提供することができる。

［適用例５］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記物理量センサーを駆動する駆動回路を更に備え、前記駆動回路は、前記第２基板に設けられていることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、物理量センサーを駆動する駆動回路を更に備え、この駆動回路が第２基板に設けられていることから、例えば、駆動回路が第１基板に設けられている場合よりも小型化や、駆動信号に重畳されるノイズの低減を図ることが可能となると共に、第１基板から駆動回路への熱伝導を抑制することができる。

［適用例６］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記物理量センサーは、ベース部と、該ベース部に継ぎ手部を介して接続されている板状の可動部と、前記ベース部と前記可動部とに掛け渡されている物理量検出素子と、少なくとも上記構成要素を内部に収容し、前記第２基板に取り付けられているパッケージと、を備え、前記可動部は、第１主面及び第２主面の少なくとも一方に質量部が配置され、前記第１主面と交差する第１方向に加わる物理量に応じて、前記継ぎ手部を支点にして前記第１方向に変位可能に構成されていることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、物理量センサーの主要構成要素がパッケージの内部に収容されていることから、従来技術（例えば、特許文献１のような、センサーチップが露出している構成）と比較して、周辺温度の変化に伴う物理量センサーの温度変化を格段に抑制することができる。
この結果、物理量センサーモジュールは、物理量の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を、上記従来技術よりも向上させることができる。

加えて、物理量センサーモジュールは、物理量センサーが、可動部の第１主面及び第２主面の少なくとも一方に質量部が配置され、可動部が第１主面と交差する第１方向に加わる物理量に応じて、継ぎ手部を支点にして第１方向に変位可能に構成されていることから、物理量を感度及び精度よく検出することができる。

［適用例７］上記適用例にかかる物理量センサーモジュールにおいて、前記物理量検出素子は、前記ベース部と前記可動部とを結ぶ方向に沿って延びる少なくとも１つの振動梁を有する物理量検出部と、該物理量検出部の両端に接続されている一対の基部と、を備え、一方の前記基部が前記ベース部に固定され、他方の前記基部が前記可動部に固定されていることが好ましい。

これによれば、物理量センサーモジュールは、物理量センサーの物理量検出素子が、ベース部と可動部とを結ぶ方向に沿って延びる少なくとも１つの振動梁を有する物理量検出部と、物理量検出部の両端に接続された一対の基部と、を備え、一方の基部がベース部に固定され、他方の基部が可動部に固定されている。
これにより、物理量センサーモジュールは、例えば、加わる物理量による可動部の変位に応じて振動梁が伸縮し、この際に生じる引っ張り応力、圧縮応力による振動梁の振動周波数の変化を物理量に変換するという構成が可能となる。
物理量センサーの温度変化が抑制されることにより、本構成の物理量検出素子は、物理量の検出感度、検出精度などの検出特性において優れた性能を発揮することができる。

［適用例８］本適用例にかかる電子機器は、上記適用例のいずれかに記載の物理量センサーモジュールを備えていることを特徴とする。

これによれば、本構成の電子機器は、上記適用例のいずれかに記載の物理量センサーモジュールを備えていることから、上記適用例のいずれかに記載の効果が反映された電子機器を提供することができる。

物理量センサーモジュールの概略構成を示す模式斜視図。 図１の矢印Ａ方向または矢印Ｂ方向から見た模式要部側面図。 物理量センサーの概略構成を示す模式図であり、（ａ）はリッド（蓋体）側から見た模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線での模式断面図。 物理量センサーの動作について説明する模式断面図であり、（ａ）は可動部が紙面下方に変位した状態を示す模式断面図、（ｂ）は可動部が紙面上方に変位した状態を示す模式断面図。 （ａ）、（ｂ）は、樹脂スペーサーのバリエーションを示す模式斜視図。 物理量センサーモジュールを備えている電子機器の一例としての傾斜計を示す模式斜視図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態）
＜物理量センサーモジュール＞
最初に、物理量センサーモジュールについて説明する。
図１は、本実施形態の物理量センサーモジュールの概略構成を示す模式斜視図である。図２は、図１の矢印Ａ方向または矢印Ｂ方向から見た模式要部側面図である。なお、図１では、一部の部品を展開してある。また、以下の各図において、分かり易くするために各構成要素の寸法比率は、実際と異なる。

図１、図２に示すように、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１と、樹脂スペーサー１０２と、金属ブロック１０３と、２つの第２基板１０４と、２つの物理量センサー２と、ケース１０５と、を備えている。

第１基板１０１は、略矩形平板状に形成され、主面１０１ａに複数の第１接続端子１０１ｂを有している。また、第１基板１０１は、電子機器などの外部部材への取り付けに用いられる切り欠き状の取り付け部１０１ｃを複数（ここでは４箇所）備えている。
また、第１基板１０１には、外部部材との電気的接続用の外部接続端子１０１ｄが、両端部に複数設けられている。なお、外部接続端子１０１ｄと第１接続端子１０１ｂとは、図示しない配線パターンにより電気的に接続されている。

第１基板１０１には、例えば、ＦＲ−４（ガラス布入りエポキシ樹脂基板）などの、比較的熱伝導率が低いガラス繊維（熱伝導率：約１Ｗ／（ｍ・Ｋ））及びエポキシ樹脂（熱伝導率：約０．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ））などを主材料とした耐熱性、耐湿性、電気特性などに優れた基板が用いられている。
これにより、物理量センサーモジュール１は、外部部材からの接触による第１基板１０１全体への熱伝導が他の材料よりも遅延（抑制）されることになる。
なお、第１接続端子１０１ｂ及び外部接続端子１０１ｄは、例えば、銅箔にニッケル、金などの各被膜がメッキなどにより積層された金属膜からなる。

第１基板１０１の主面１０１ａ側の略中央部には、略矩形平板状の樹脂スペーサー１０２を介して、略直方体状の金属ブロック１０３が取り付けられている。
樹脂スペーサー１０２には、例えば、４フッ化エチレン（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂（熱伝導率：約０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）（熱伝導率：約０．２７Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ＬＣＰ（液晶ポリマー）（熱伝導率：約０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ））、ポリイミド（熱伝導率：約０．２９Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの比較的熱伝導率が低く、耐熱性、電気特性、寸法安定性などに優れた樹脂が用いられている。

金属ブロック１０３には、例えば、アルミニウム（熱伝導率：約２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ））や、銅（熱伝導率：約４００Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの比較的熱伝導率が高い金属が用いられている。金属ブロック１０３は、上記金属の棒材などから切削加工などで略直方体形状に形成されている。これにより、金属ブロック１０３は、板金加工などで加工した中空状のブロックと比較して熱容量を大きくすることができる。
樹脂スペーサー１０２は、例えば、エポキシ樹脂系、シリコーン樹脂（熱伝導率：約０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ））系、ポリイミド樹脂系などの比較的熱伝導率が低い接着剤を用いて、第１基板１０１の主面１０１ａの略中央部に接着固定されている。
金属ブロック１０３は、樹脂スペーサー１０２の上に、上述したエポキシ樹脂系、シリコーン樹脂系、ポリイミド樹脂系などの比較的熱伝導率が低い接着剤を用いて接着固定されている。

各第２基板１０４は、第１基板１０１よりも小さい略矩形平板状に形成され、一方の端部に第２接続端子としてのサイドスルーホール１０４ａが複数（ここでは４個）設けられている。
第２基板１０４には、第１基板１０１と同様に、例えば、ＦＲ−４などの比較的熱伝導率が低いガラス繊維及びエポキシ樹脂などを主材料とした耐熱性、耐湿性、電気特性などに優れた基板が用いられている。
第２基板１０４には、サイドスルーホール１０４ａと後述する物理量センサー２とを電気的に接続する配線パターン１０４ｂが設けられている。配線パターン１０４ｂは、複数の折り返し部１０４ｃを備えている。サイドスルーホール１０４ａ及び配線パターン１０４ｂは、例えば、銅箔にニッケル、金などの各被膜がメッキなどにより積層された金属膜からなる。なお、配線パターン１０４ｂは、電気的接続に支障がない程度に、極力細く形成されていることが、配線パターン１０４ｂによる熱伝導を抑制する上で好ましい。

第２基板１０４の主面１０４ｄ側には、例えば、加速度や角速度などの物理量を検出する物理量センサー２が取り付けられている。物理量センサー２は、第２基板１０４側に設けられた外部端子２７，２８が、ハンダなどにより配線パターン１０４ｂのランド部に取り付けられることによって、配線パターン１０４ｂと電気的に接続されている。
また、図２に示すように、第２基板１０４の主面１０４ｄ側には、物理量センサー２を駆動する駆動回路としての発信回路を内蔵するＩＣチップ１０６が、物理量センサー２の一方側の近傍に設けられている（取り付けられている）。
なお、第２基板１０４の主面１０４ｄ側には、物理量センサー２の周辺温度を検出する、例えば、サーミスターなどの温度検出素子１０７が、物理量センサー２の他方側の近傍に設けられている（取り付けられている）ことが好ましい。この場合、ＩＣチップ１０６は、温度検出素子１０７の検出した周辺温度に基づき物理量センサー２の温度特性を補正する温度補償回路を備えていることが好ましい。

本実施形態では、物理量センサー２を駆動するＩＣチップ１０６が第２基板１０４に設けられていることから、物理量センサー２は、配線パターン１０４ｂを介して、ＩＣチップ１０６を経由してサイドスルーホール１０４ａと電気的に接続されていることとなる。
ここでは、この形態でも、物理量センサー２は、配線パターン１０４ｂを介してサイドスルーホール１０４ａと電気的に接続されていると定義する。
なお、ＩＣチップ１０６が第２基板１０４に設けられていない場合には、物理量センサー２は、配線パターン１０４ｂを介して直接サイドスルーホール１０４ａと電気的に接続されていることとなる。

第２基板１０４は、第１基板１０１の主面１０１ａ側に立設される（直立状態で固定される）と共に、サイドスルーホール１０４ａを介してハンダなどにより第１基板１０１の第１接続端子１０１ｂと電気的に接続されている。
第２基板１０４に取り付けられている物理量センサー２は、銀（熱伝導率：約４２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの金属フィラーが混合されていることにより熱伝導率が高くなったエポキシ樹脂系、シリコーン樹脂系、ポリイミド樹脂系などの、導電性接合部材としての導電性接着剤１０８を用いて、金属ブロック１０３に接合されている（接着固定されている）。これにより、物理量センサー２は、金属ブロック１０３との熱結合が容易となる。

ここで、２つの第２基板１０４は、２つの物理量センサー２の物理量検出軸（ここでは、第２基板１０４の主面１０４ｄに略直交する軸とする）が互いに交差（ここでは略直交）するように、換言すれば、互いの主面１０４ｄの成す角度が略直角になるように第１基板１０１に立設されている。
これにより、２つの物理量センサー２は、金属ブロック１０３の互いに隣り合う側面（第１基板１０１の主面１０１ａとの成す角度が略直角な面）に接合されていることとなる。

ケース１０５は、１つの面が開口された箱状に形成され、少なくとも上述した樹脂スペーサー１０２、金属ブロック１０３、第２基板１０４、物理量センサー２、ＩＣチップ１０６、温度検出素子１０７を覆うように、開口側が第１基板１０１の主面１０１ａ側に取り付けられている。
ケース１０５には、例えば、４フッ化エチレン（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）などの比較的熱伝導率が低く、耐熱性、寸法安定性などに優れた樹脂を用いることが好ましい。
ケース１０５は、上述したエポキシ樹脂系、シリコーン樹脂系、ポリイミド樹脂系などの比較的熱伝導率が低い接着剤を用いた接着固定方法、または両面粘着テープなどを用いた粘着固定方法などにより第１基板１０１に取り付けられている。

ここで、物理量センサー２について詳述する。
図３は、物理量センサーの概略構成を示す模式図である。図３（ａ）は、リッド（蓋体）側から見た模式平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線での模式断面図である。なお、平面図では、リッドを省略してある。また、各配線は省略してある。

ここでは、物理量センサーの一例として加速度を検出する加速度センサーについて説明する。
図３に示すように、物理量センサー２は、平板状のベース部１０と、ベース部１０に継ぎ手部１１を介して接続された略矩形平板状の可動部１２と、ベース部１０と可動部１２とに掛け渡された物理量検出素子としての加速度検出素子１３と、少なくとも上記各構成要素を内部に収容し、第２基板１０４に取り付けられるパッケージ２０と、を備えている。

物理量センサー２は、平面視（図３（ａ））において、ベース部１０から可動部１２の両側に沿って延び、ベース部１０とによって可動部１２を囲む略矩形の枠状に形成されている平板状の支持部１４、を更に備えている。
可動部１２は、第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂの少なくとも一方（ここでは両方）に質量部（錘）１５が配置され、第１主面１２ａと交差する第１方向としてのＺ軸方向に加わる物理量としての加速度に応じて、継ぎ手部１１を支点にしてＺ軸方向に変位（回動）可能に構成されている。

ベース部１０、継ぎ手部１１、可動部１２、支持部１４は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて一体で略平板状に形成されている。なお、可動部１２と支持部１４との間には、両者を分割するスリット状の孔が設けられている。
ベース部１０、継ぎ手部１１、可動部１２、支持部１４の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。

継ぎ手部１１は、第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂからのハーフエッチングによって、ベース部１０と可動部１２とを区切るように、ベース部１０と可動部１２とを結ぶ方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に沿って有底の溝部１１ａが形成されている。
溝部１１ａにより、継ぎ手部１１のＹ軸方向に沿った断面形状（図３（ｂ）の形状）は、略Ｈ字状に形成されている。

質量部１５は、平面視（図３（ａ））において、一部（紙面左側）が支持部１４と重なるように形成され、凸部が接合材１６を介して第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂに接合されている（取り付けられている）。
質量部１５は、物理量センサー２の感度向上を図るべく平面サイズを極力大きくするために、可動部１２における継ぎ手部１１側とは反対側の自由端側から、加速度検出素子１３を避けて二股状で継ぎ手部１１近傍まで延び、平面視において、略Ｕ字状に形成されている。質量部１５には、例えば、銅及び銅合金などの金属に代表される比較的比重の大きい材料が用いられている。
接合材１６には、例えば、シリコーン樹脂系の接着剤が用いられている。

加速度検出素子１３は、ベース部１０と可動部１２とを結ぶ方向（Ｙ軸方向）に沿って延びる少なくとも１つ（ここでは２つ）の、Ｘ軸方向に屈曲振動をする振動梁１３ａ，１３ｂを有する物理量検出部としての加速度検出部１３ｃと、加速度検出部１３ｃの両端に接続された一対の基部１３ｄ，１３ｅと、を備えている。
加速度検出素子１３は、２つの振動梁１３ａ，１３ｂと一対の基部１３ｄ，１３ｅとで二組の音叉を構成することから、双音叉素子（双音叉型振動片）とも呼ばれている。
加速度検出素子１３は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出された水晶基板を用いて、加速度検出部１３ｃと基部１３ｄ，１３ｅとが一体で略平板状に形成されている。また、加速度検出素子１３の外形形状は、フォトリソグラフィー、エッチングなどの技術を用いて精度よく形成されている。

加速度検出素子１３は、一方の基部１３ｄが可動部１２の第１主面１２ａ側に、例えば、低融点ガラス、共晶接合可能な金／錫合金被膜などの接合部材１７を介して固定され、他方の基部１３ｅがベース部１０の主面１０ａ側（可動部１２の第１主面１２ａと同じ側）に接合部材１７を介して固定されている。

加速度検出素子１３は、振動梁１３ａ，１３ｂの図示しない励振電極（駆動電極）から基部１３ｅに引き出された引き出し電極１３ｆ，１３ｇが、例えば、金、アルミニウムなどからなる金属ワイヤー１８によって、ベース部１０の主面１０ａに設けられた接続端子１０ｂ，１０ｃと接続されている。
詳述すると、引き出し電極１３ｆは、接続端子１０ｂと接続され、引き出し電極１３ｇは、接続端子１０ｃと接続されている。
ベース部１０の接続端子１０ｂ，１０ｃは、図示しない配線によって支持部１４の外部接続端子１４ｅ，１４ｆと接続されている。詳述すると、接続端子１０ｂは、外部接続端子１４ｅと接続され、接続端子１０ｃは、外部接続端子１４ｆと接続されている。
なお、励振電極、引き出し電極１３ｆ，１３ｇ、接続端子１０ｂ，１０ｃ、外部接続端子１４ｅ，１４ｆは、例えば、クロムを下地層とし、その上に金が積層された金属膜となっている。

支持部１４は、パッケージ２０に固定される部分である複数（ここでは４箇所）の固定部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを４隅に有している。
なお、固定部１４ｂ，１４ｃは、ベース部１０に形成されていてもよい。

パッケージ２０は、平面形状が略矩形で凹部を有したパッケージベース２１と、パッケージベース２１の凹部を覆う平面形状が略矩形で平板状のリッド（蓋体）２２と、を有し、略直方体形状に形成されている。
パッケージベース２１には、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体などのセラミックス系の絶縁性材料や、水晶、ガラス、シリコンなどが用いられている。
リッド２２には、パッケージベース２１と同材料、または、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼などの金属が用いられている。

パッケージベース２１には、内底面（凹部の内側の底面）２３の外周部分から凹部の内壁に沿って突出した２箇所の段差部２３ａに、内部端子２４，２５が設けられている。
内部端子２４，２５は、支持部１４に設けられた外部接続端子１４ｅ，１４ｆと対向する位置（平面視において重なる位置）に設けられている。なお、外部接続端子１４ｅ，１４ｆは、支持部１４の固定部１４ｂ，１４ｃと平面視において重なる位置に設けられている。

パッケージベース２１の外底面（内底面２３の反対側の面、外側の底面）２６には、第２基板１０４に取り付けられる際に用いられる一対の外部端子２７，２８が形成されている。外部端子２７，２８は、図示しない内部配線によって内部端子２４，２５と接続されている。例えば、外部端子２７は、内部端子２４と接続され、外部端子２８は、内部端子２５と接続されている。
内部端子２４，２５及び外部端子２７，２８は、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属膜からなる。

パッケージベース２１には、凹部の底部にパッケージ２０の内部を封止する封止部２９が設けられている。
封止部２９は、パッケージベース２１に形成された、外底面２６側の孔径が内底面２３側の孔径より大きい段付きの貫通孔２９ａに、金／ゲルマニウム合金、ハンダなどからなる封止材２９ｂを投入し、加熱溶融後、固化させることでパッケージ２０の内部を気密に封止する構成となっている。

支持部１４の固定部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、接着剤３０を介して、パッケージベース２１の段差部２３ａに固定されている。
ここで、固定部１４ｂ，１４ｃが外部接続端子１４ｅ，１４ｆと内部端子２４，２５とを接続する部分であることから、接着剤３０には、例えば、金属フィラーなどの導電性物質が混合された導電性接着剤（例えば、シリコーン樹脂系導電性接着剤）が用いられている。なお、固定部１４ａ，１４ｄの固定には、金属フィラーなどの導電性物質を含まない接着剤（例えば、シリコーン樹脂系接着剤）を用いてもよい。

物理量センサー２は、外部接続端子１４ｅ，１４ｆがパッケージベース２１の内部端子２４，２５と接続された状態で、パッケージベース２１の凹部がリッド２２により覆われ、パッケージベース２１とリッド２２とがシームリング、低融点ガラス、接着剤などの接合部材２２ａで接合される。
物理量センサー２は、リッド２２の接合後、パッケージ２０の内部が減圧された状態（真空度の高い状態）で、封止部２９の貫通孔２９ａに封止材２９ｂが投入され、加熱溶融後、固化されることにより、パッケージ２０の内部が気密に封止される。
なお、パッケージ２０の内部は、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填されていてもよい。また、パッケージ２０は、パッケージベース２１及びリッド２２の両方に凹部を有していてもよい。

物理量センサー２は、外部端子２７，２８、内部端子２４，２５、外部接続端子１４ｅ，１４ｆ、接続端子１０ｂ，１０ｃなどを経由して加速度検出素子１３の励振電極に印加される駆動信号によって、加速度検出素子１３の振動梁１３ａ，１３ｂが所定の周波数で発振（共振）する。
そして、物理量センサー２は、加わる加速度に応じて変化する加速度検出素子１３の共振周波数を出力信号として出力する。

ここで、物理量センサー２の動作について説明する。
図４は、物理量センサーの動作について説明する模式断面図である。図４（ａ）は、可動部が紙面下方（−Ｚ方向）に変位した状態を示す模式断面図であり、図４（ｂ）は、可動部が紙面上方（＋Ｚ方向）に変位した状態を示す模式断面図である。

図４（ａ）に示すように、物理量センサー２は、Ｚ軸方向に加わる加速度＋αに応じた慣性力によって、可動部１２が、継ぎ手部１１を支点にして−Ｚ方向に変位した場合、加速度検出素子１３には、Ｙ軸方向に基部１３ｄと基部１３ｅとが互いに離れる方向の引っ張り力が加わり、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂに引っ張り応力が生じる。
これにより、物理量センサー２は、例えば、巻き上げられた弦楽器の弦のように、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂの振動周波数（以下、共振周波数ともいう）が高くなる方に変化する。

一方、図４（ｂ）に示すように、物理量センサー２は、Ｚ軸方向に加わる加速度−αに応じた慣性力によって、可動部１２が、継ぎ手部１１を支点にして＋Ｚ方向に変位した場合、加速度検出素子１３には、Ｙ軸方向に基部１３ｄと基部１３ｅとが互いに近づく方向の圧縮力が加わり、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂに圧縮応力が生じる。
これにより、物理量センサー２は、例えば、巻き戻された弦楽器の弦のように、加速度検出部１３ｃの振動梁１３ａ，１３ｂの共振周波数が低くなる方に変化する。

物理量センサー２は、この共振周波数の変化を検出している。Ｚ軸方向に加わる加速度（＋α、−α）は、この検出された共振周波数の変化の割合に応じて、ルックアップテーブルなどによって定められた数値に変換することで導出される。

ここで、図４（ａ）に示すように、物理量センサー２は、Ｚ軸方向に加わる加速度＋αが所定の大きさより大きい場合、可動部１２の第１主面１２ａに固定された質量部１５の、平面視において支持部１４と重なる部分が支持部１４に接触する。
これにより、物理量センサー２は、加速度＋αに応じて−Ｚ方向に変位する可動部１２の変位を、所定の範囲内に規制する。

一方、図４（ｂ）に示すように、物理量センサー２は、Ｚ軸方向に加わる加速度−αが所定の大きさより大きい場合、可動部１２の第２主面１２ｂに固定された質量部１５の、平面視において支持部１４と重なる部分が支持部１４に接触する。
これにより、物理量センサー２は、加速度−αに応じて＋Ｚ方向に変位する可動部１２の変位を、所定の範囲内に規制する。

上述したように、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１と、樹脂スペーサー１０２を介して第１基板１０１に取り付けられた金属ブロック１０３と、端部にサイドスルーホール１０４ａが設けられた第２基板１０４と、第２基板１０４に取り付けられ、サイドスルーホール１０４ａと電気的に接続されている物理量センサー２と、第１基板１０１に取り付けられ、上記各構成要素を覆うケース１０５とを備えている。
そして、物理量センサーモジュール１は、第２基板１０４が第１基板１０１上に立設されると共に、サイドスルーホール１０４ａを介して第１基板１０１の第１接続端子１０１ｂと電気的に接続され、物理量センサー２が導電性接着剤１０８を介して金属ブロック１０３に接合されている。

これにより、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２が、熱容量が大きく温度変化が比較的緩やかな金属ブロック１０３に、比較的熱伝導率が高い導電性接着剤１０８を介して接合されていること（物理量センサー２と金属ブロック１０３とが熱結合されている）、及び、第１基板１０１からの接触による金属ブロック１０３への熱伝導が、比較的熱伝導率が低い樹脂スペーサー１０２により遅延（抑制）されること、並びに、物理量センサー２の周辺の大気の対流や、外部からの放射熱（輻射熱）による物理量センサー２への熱伝導が、ケース１０５に覆われていることで大幅に抑制されることによって、周辺温度の変化に伴う物理量センサー２の温度変化を、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して格段に抑制することができる。
この結果、物理量センサーモジュール１は、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して、加速度の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を向上させることができる。

加えて、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２が第２基板１０４に取り付けられ、第２基板１０４に設けられた配線パターン１０４ｂを介して（ＩＣチップ１０６を経由して）サイドスルーホール１０４ａと電気的に接続され、第２基板１０４がサイドスルーホール１０４ａを介して第１基板１０１の第１接続端子１０１ｂと電気的に接続されている。
これにより、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１と物理量センサー２との電気的接続に、従来技術（例えば、特許文献１）のような、空中配線が不要となる。
この結果、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１と物理量センサー２との電気的接続の作業性が良好となり、生産性を向上させることができる。

また、物理量センサーモジュール１は、ケース１０５が樹脂製であることから、例えば、金属製の場合よりもケース１０５の熱伝導率が低く、物理量センサー２の周辺の大気の対流や、外部からの放射熱（輻射熱）による物理量センサー２への熱伝導を殆ど遮断することができる。
この結果、物理量センサーモジュール１は、周辺温度の変化に伴う物理量センサー２の温度変化を更に抑制できることから、従来技術（例えば、特許文献１）と比較して、加速度の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を更に向上させることができる。
なお、ケース１０５には、例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４など、金属の中では比較的熱伝導率が低いステンレス鋼（熱伝導率：約２０Ｗ／（ｍ・Ｋ））などを用いてもよい。

また、物理量センサーモジュール１は、第２基板１０４の配線パターン１０４ｂが複数の折り返し部１０４ｃを備えていることから、サイドスルーホール１０４ａから（ＩＣチップ１０６を経由した）物理量センサー２までの配線パターン１０４ｂが長くなり、配線パターン１０４ｂによる（ＩＣチップ１０６を経由した）物理量センサー２への熱伝導を抑制する（遅延させる）ことができる。

また、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２が取り付けられた２つの第２基板１０４が、２つの物理量センサー２の加速度検出軸が互いに略直交するように、第１基板１０１に立設されている。
これにより、本構成の物理量センサーモジュール１は、１個で検出方向が異なる２つの検出軸を備えた物理量センサーモジュールを提供することができる。

また、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２を駆動するＩＣチップ１０６を備え、このＩＣチップ１０６が第２基板１０４に設けられていることから、例えば、ＩＣチップ１０６が第１基板１０１に設けられている場合よりも小型化や、駆動信号に重畳されるノイズの低減を図ることが可能となると共に、第１基板１０１からＩＣチップ１０６への熱伝導を抑制することができる。

また、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２の主要構成要素がパッケージ２０の内部に収容されていることから、従来技術（例えば、特許文献１のような、センサーチップが露出している構成）と比較して、周辺温度の変化に伴う物理量センサー２の温度変化を格段に抑制することができる。
この結果、物理量センサーモジュール１は、加速度の検出感度、検出精度などの検出特性（特に温度特性）を、上記従来技術よりも向上させることができる。

加えて、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２が、可動部１２の第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂの両方に質量部１５が配置され、可動部１２が第１主面１２ａと交差するＺ軸方向に加わる加速度に応じて、継ぎ手部１１を支点にしてＺ軸方向に変位可能に構成されていることから、加速度を感度及び精度よく検出することができる。

また、物理量センサーモジュール１は、物理量センサー２の加速度検出素子１３が、ベース部１０と可動部１２とを結ぶ方向に沿って延びる２つの振動梁１３ａ，１３ｂを有する加速度検出部１３ｃと、加速度検出部１３ｃの両端に接続された一対の基部１３ｄ，１３ｅと、を備え、一方の基部１３ｄが可動部１２に固定され、他方の基部１３ｅがベース部１０に固定されている。
これにより、物理量センサーモジュール１は、例えば、加わる加速度による可動部１２の変位に応じて振動梁１３ａ，１３ｂが伸縮し、この際に生じる引っ張り応力、圧縮応力による振動梁１３ａ，１３ｂの振動周波数の変化を加速度に変換するという構成が可能となる。
物理量センサー２の温度変化が抑制されることにより、本構成の加速度検出素子１３は、加速度の検出感度、検出精度などの検出特性において優れた性能を発揮することができる。

なお、図５の樹脂スペーサーのバリエーションを示す模式斜視図に示すように、樹脂スペーサー１０２は、単純な平板状に限定されるものではなく、図５（ａ）に示すような、複数の貫通孔１０２ａを升目状に備えた形状や、図５（ｂ）に示すような、４隅に複数の脚部１０２ｂと段差部１０２ｃとが設けられ、全体が枠状に形成された形状でもよい。
これにより、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１と樹脂スペーサー１０２との接触面積、及び樹脂スペーサー１０２と金属ブロック１０３との接触面積が小さくなることから、第１基板１０１から金属ブロック１０３への熱伝導を更に抑制することができる。

なお、樹脂スペーサー１０２が図５（ｂ）のような形状の場合には、物理量センサーモジュール１は、第１基板１０１における、脚部１０２ｂに対応する位置に貫通孔を設け、この貫通孔に脚部１０２ｂを挿入し、貫通孔から突出した脚部１０２ｂの先端部を溶着（熱カシメ）することにより、樹脂スペーサー１０２を、接着剤を用いずに第１基板１０１に固定することが可能となる。

なお、上記実施形態において、物理量センサー２の駆動回路は、ＩＣチップ１０６に限定されるものではなく、インバーター、コンデンサー、抵抗などのディスクリート部品を組み合わせた構成であってもよい。また、物理量センサー２の駆動回路は、第１基板１０１に設けられていてもよい。
また、第２基板１０４の第２接続端子は、サイドスルーホール１０４ａに限定されるものではなく、第２基板１０４の主面１０４ｄの反対側の面の端部に設けられた通常の配線パターンのランド部であってもよい。

また、物理量センサー２のベース部１０、継ぎ手部１１、可動部１２、支持部１４の主材料は、水晶に限定されるものではなく、ガラス、またはシリコンなどの半導体材料であってもよい。
また、物理量センサー２の加速度検出素子１３の主材料は、水晶に限定されるものではなく、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体、またはシリコンなどの半導体材料であってもよい。
また、物理量センサー２は、上述した構成の加速度センサーに限定されるものではなく、物理量検出素子として角速度検出素子を備えた角速度センサー（ジャイロセンサー）、圧力検出素子を備えた圧力センサー、重量検出素子を備えた重量センサーなどでもよい。

＜電子機器＞
次に、上述した物理量センサーモジュール１を備えている電子機器について説明する。
図６は、物理量センサーモジュールを備えている電子機器の一例としての傾斜計を示す模式斜視図である。

図６に示すように、傾斜計５は、上述した物理量センサーモジュール１を、傾斜センサーモジュールとして備えている。
傾斜計５は、例えば、山の斜面、道路の法面、盛土の擁壁面などの被計測場所に設置される。傾斜計５は、外部からケーブル４０を介して電源が供給され、または電源を内蔵し、図示しない駆動回路によって物理量センサーモジュール１（傾斜センサーモジュール）に駆動信号が送られている。
そして、傾斜計５は、図示しない検出回路によって、物理量センサーモジュール１に加わる重力加速度に応じて変化する物理量センサー２の共振周波数から、傾斜計５の姿勢の変化（傾斜計５に対する重力加速度が加わる方向の変化）を検出し、それをルックアップテーブルなどによって角度に換算して、例えば、無線またはケーブル４０などで基地局にデータ転送する。
このように、傾斜計５は、検出特性（特に温度特性）に優れた物理量センサーモジュール１を備えていることから、被計測場所の日常の管理（保全）や異常の早期発見に貢献することができる。

上述した物理量センサーモジュール１は、上記傾斜計５に限らず、地震計、ナビゲーション装置、姿勢制御装置、ゲームコントローラー、携帯電話などの加速度センサー、角速度センサー、傾斜センサー、圧力センサー、重量センサーなどとして好適に用いることができ、いずれの場合にも上述した効果が反映された電子機器を提供することができる。

１…物理量センサーモジュール、２…物理量センサー、５…電子機器としての傾斜計、１０…ベース部、１０ａ…主面、１０ｂ，１０ｃ…接続端子、１１…継ぎ手部、１１ａ…溝部、１２…可動部、１２ａ…第１主面、１２ｂ…第２主面、１３…物理量検出素子としての加速度検出素子、１３ａ，１３ｂ…振動梁、１３ｃ…物理量検出部としての加速度検出部、１３ｄ，１３ｅ…基部、１３ｆ，１３ｇ…引き出し電極、１４…支持部、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…固定部、１４ｅ，１４ｆ…外部接続端子、１５…質量部、１６…接合材、１７…接合部材、１８…金属ワイヤー、２０…パッケージ、２１…パッケージベース、２２…リッド、２２ａ…接合部材、２３…内底面、２３ａ…段差部、２４，２５…内部端子、２６…外底面、２７，２８…外部端子、２９…封止部、２９ａ…貫通孔、２９ｂ…封止材、３０…接着剤、４０…ケーブル、１０１…第１基板、１０１ａ…主面、１０１ｂ…第１接続端子、１０１ｃ…取り付け部、１０１ｄ…外部接続端子、１０２…樹脂スペーサー、１０２ａ…貫通孔、１０２ｂ…脚部、１０２ｃ…段差部、１０３…金属ブロック、１０４…第２基板、１０４ａ…第２接続端子としてのサイドスルーホール、１０４ｂ…配線パターン、１０４ｃ…折り返し部、１０４ｄ…主面、１０５…ケース、１０６…駆動回路としてのＩＣチップ、１０７…温度検出素子、１０８…導電性接合部材としての導電性接着剤。

Claims (8)

1. 主面に第１接続端子を有し、外部部材に取り付け可能な第１基板と、
   樹脂スペーサーを介して前記第１基板の前記主面側に取り付けられている金属ブロックと、
   端部に第２接続端子が設けられている第２基板と、
   前記第２基板に取り付けられ、前記第２基板に設けられている配線パターンを介して前記第２接続端子と接続されている物理量センサーと、
   前記第１基板の前記主面側に取り付けられ、少なくとも前記樹脂スペーサー、前記金属ブロック、前記第２基板、および前記物理量センサーを覆っているケースと、
   を備え、
   前記第２基板は、前記第１基板の前記主面側に立設されていると共に、前記第２接続端子を介して前記第１基板の前記第１接続端子と接続され、
   前記物理量センサーは、導電性接合部材を介して前記金属ブロックに接合されていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
2. 請求項１に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記ケースは、樹脂製であることを特徴とする物理量センサーモジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記配線パターンは、複数の折り返し部を備えていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記物理量センサーが取り付けられた前記第２基板を複数備え、
   各前記第２基板は、各前記物理量センサーの物理量検出軸が互いに交差するように、前記第１基板に立設されていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記物理量センサーを駆動する駆動回路を更に備え、
   前記駆動回路は、前記第２基板に設けられていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記物理量センサーは、
   ベース部と、
   該ベース部に継ぎ手部を介して接続されている板状の可動部と、
   前記ベース部と前記可動部とに掛け渡されている物理量検出素子と、
   少なくとも上記構成要素を内部に収容し、前記第２基板に取り付けられているパッケージと、
   を備え、
   前記可動部は、第１主面及び第２主面の少なくとも一方に質量部が配置され、前記第１主面と交差する第１方向に加わる物理量に応じて、前記継ぎ手部を支点にして前記第１方向に変位可能に構成されていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
7. 請求項６に記載の物理量センサーモジュールにおいて、
   前記物理量検出素子は、前記ベース部と前記可動部とを結ぶ方向に沿って延びる少なくとも１つの振動梁を有する物理量検出部と、該物理量検出部の両端に接続されている一対の基部と、を備え、
   一方の前記基部が前記ベース部に固定され、他方の前記基部が前記可動部に固定されていることを特徴とする物理量センサーモジュール。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の物理量センサーモジュールを備えていることを特徴とする電子機器。

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