JP2016048225A - 振動式センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも広いダイナミックレンジを有し、高い精度で加速度等を測定することが可能な振動式センサ装置を提供する。【解決手段】振動式センサ装置１は、移動方向がＺ方向に設定された錘１１と、Ｘ方向に延びて錘１１と固定フレーム１３とに接続されており、錘１１を固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能に支持するバネ部１２と、少なくとも一部がバネ部１２に組み込まれており、Ｘ方向に引っ張り応力が付与されていて、Ｙ方向に振動する加速度検出用振動子Ｒ１とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、振動式センサ装置に関する。

振動式センサ装置は、予め規定された重さを有する錘、錘を支持するバネ部、錘に対して近接配置されるダンピング部材、及びバネ部に組み込まれた振動子を備えており、例えば加速度に比例して生ずるバネ部の歪に起因する振動子の共振周波数の変化を検出することによって加速度を測定する装置である。尚、振動子の共振周波数（歪により変化した共振周波数を含む）の検出は、励振回路を用いて振動子を振動させ、その振動周波数を検出することにより行われる。

振動式センサ装置の固有周波数は、錘の重さとバネ部のバネ定数とによって決定される。また、振動式センサ装置の周波数特性の減衰特性は、錘とダンピング部材との間に形成されるギャップの大きさ及びギャップ内の圧力に応じて変化する。このため、ギャップの大きさやギャップ内の圧力を調整すれば、用途に応じた所望の周波数特性を有する振動式センサ装置を実現することができる。尚、上記のギャップは、錘に対してダンパとして作用する。

また、振動式センサ装置は、周波数特性がクリティカルダンピング（臨界制動）の特性となるようにギャップの大きさやギャップ内の圧力が調整される。これに対し、バネ部に組み込まれた振動子は、高いＱ値を実現するために真空封止される。つまり、振動式センサ装置では、錘の周囲の雰囲気の圧力と振動子の周囲の圧力とが異なる圧力となるように設計される。

このような振動式センサ装置において、バネ部の歪は、上述した固有周波数より低い周波数帯域では加速度に比例して生じ、上述した固有周波数付近の周波数帯域では速度に比例して生じ、上述した固有周波数より高い周波数帯域では変位に比例して生ずる。このため、上述した振動式センサ装置では、加速度のみならず、加加速度、速度、変位等を測定することが可能である。

尚、以下の特許文献１〜３及び非特許文献１には、上述した振動式センサ装置が備える振動子と同様の振動子が開示されている。また、以下の特許文献４には、振動ビームを利用した加速度計が開示されている。また、以下の特許文献５，６には、圧力の測定に用いられる振動式トランスデューサが開示されている。

特公平７−６８５２号公報 米国特許第５０９０２５４号明細書 特許第３２２３３５８号公報 特許第３５４４９７９号公報 特許第５１５８１６０号公報 特許第５４２９６９６号公報

D.W. Burns et al.，"Sealed-cavity resonant microbeam accelerometer"，Sensors and Actuators A，Vol. 53，1996，p.249-255

ところで、近年においては、測定精度の向上等の観点から、振動式センサ装置のダイナミックレンジを向上することが要求されている。振動式センサ装置のダイナミックレンジを向上させるには、バネ部の剛性を低くする（バネ部を柔らかくする）か、錘の重さを重くする（入力に対して変位を大きくする）ことにより入力加速度によるバネ部の歪みを生じ易くし、これにより振動子に加わる歪（引っ張り歪、圧縮歪）が大きくなるように設計変更すれば良いと考えられる。

しかしながら、振動子は、引っ張り歪が大きくなってもクリープ又は破壊が生じ難いが、圧縮歪が大きくなると座屈しやすくなる。例えば、振動子のクリープ又は破壊が生ずる引っ張り歪の値は、約千〜数万［ｐｐｍ］程度であるのに対し、振動子の座屈が生ずる圧縮歪の値（絶対値）は、おおよそ数十〜数百［ｐｐｍ］程度である。このように、振動子では、クリープ又は破壊が生ずる引っ張り歪の約１／１００〜１／１０００の圧縮歪が加わると座屈が生ずる。このため、振動子に引っ張り歪を生じさせる入力加速度（正の入力加速度）についてのダイナミックレンジは広げることができると考えられるものの、振動子に圧縮歪を生じさせる入力加速度（負の入力加速度）についてのダイナミックレンジは広げることが困難であるという問題があった。

また、振動式センサ装置のダイナミックレンジを向上させるために、バネ部の剛性を低くするか、錘を重くして振動子に加わる歪を大きくすると、振動子の共振周波数の変化量も大きくなる。すると、振動子の共振周波数とバネ部の共振周波数（高次モード含む）とが一致する状況が生じ得る。このような状況が生ずると、バネ部の撓み方向と振動子の振動方向とが一致しているときには、振動子のエネルギーがバネ部に吸収されてしまう。前述の通り、振動子の共振周波数の検出は、励振回路を用いて振動子を振動させ、その振動周波数を検出することにより行っているが、上述した状況が生ずると、振動子を振動させるためのエネルギーがバネ部に吸収されてしまい、その結果として加速度の測定精度が著しく悪化するという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも広いダイナミックレンジを有し、高い精度で加速度等を測定することが可能な振動式センサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第１発明に係る振動式センサ装置（１〜９）は、移動方向が第１方向（Ｚ方向）に設定された可動部（１１）と、前記第１方向と交差する第２方向（Ｘ方向）に延びて前記可動部と固定部（１３）とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部（１２、１２ａ、１２ｂ、６０）と、少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第２方向に引っ張り応力が付与されている振動子（Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２）とを備えることを特徴としている。
上記課題を解決するために、第２発明に係る振動式センサ装置（１〜９）は、移動方向が第１方向（Ｚ方向）に設定された可動部（１１）と、前記第１方向と交差する第２方向（Ｘ方向）に延びて前記可動部と固定部（１３）とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部（１２、１２ａ、１２ｂ、６０）と、少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第１，第２方向に交差する第３方向（Ｙ方向）に振動する振動子（Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２）とを備えることを特徴としている。
上記課題を解決するために、第２発明に係る振動式センサ装置（１〜９）は、移動方向が第１方向（Ｚ方向）に設定された可動部（１１）と、前記第１方向と交差する第２方向（Ｘ方向）に延びて前記可動部と固定部（１３）とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部（１２、１２ａ、１２ｂ、６０）と、少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第２方向に引っ張り応力が付与されていて、前記第１，第２方向に交差する第３方向（Ｙ方向）に振動する振動子（Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２）とを備えることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記可動部、前記固定部、前記支持部、及び前記振動子は、シリコン材料を用いて一体形成されていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、前記シリコン材料を用いて前記第２方向に延びるように形成された梁状部材であり、少なくとも一部が前記支持部の内部に形成された空間（ＳＰ１）に、両端（ｅ１１、ｅ１２）が固定された状態で配置されていることを特徴としている。
また、第１，第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、シリコン材料よりも原子半径の小さな不純物が拡散されていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部に組み込まれており、温度を検出する温度検出用振動子（Ｒ２）を備えることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、予め規定されたギャップ（Ｇ）をもって前記可動部に近接配置されたダンピング部材（２０）を備えることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、真空封止されていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が、真空封止されており、前記振動子の封止圧と前記ギャップ内の圧力とが異なる圧力に設定されていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子の少なくとも一部が組み込まれており、前記可動部と前記固定部とに接続される前記支持部を複数備えることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が組み込まれておらず、前記可動部と前記固定部とに接続される補助支持部（５１ａ、５１ｂ）を少なくとも１つ備えることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記支持部には、前記第２方向に交差する方向に配列された複数の前記振動子の少なくとも一部が組み込まれていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部が、前記第１方向に交差する面内において前記可動部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
ここで、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記固定部と接合され、前記可動部、前記支持部、及び前記振動子を封止する封止部（４０）を備えることを特徴としている。
或いは、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記可動部が、前記第１方向に交差する面内において前記固定部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
また、第１〜第３発明に係る振動式センサ装置は、前記振動子が組み込まれた支持部材が、両端が前記可動部及び前記固定部にそれぞれ張り合わされていることを特徴としている。

本発明によれば、固定部に対して可動部を第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部に、支持部の延びる方向である第２方向に引っ張り応力が付与されている振動子の一部を組み込むようにしているため、振動子の座屈が生じ難くなって振動式センサ装置のダイナミックレンジを広げることができるという効果がある。
また、本発明によれば、固定部に対して可動部を第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部に、第１方向と支持部の延びる方向である第２方向とに交差する第３方向に振動する振動子の一部を組み込むようにしており、振動子を振動させるエネルギーが支持部に吸収されないため、振動子の共振周波数が支持部の固有周波数と一致したとしても、高い精度で加速度を測定することができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による振動式センサ装置の平面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。 図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面矢視図である。 図３中のＤ−Ｄ線に沿う断面矢視図である。 図４中のＥ−Ｅ線に沿う断面矢視図である。 図１中のＣ−Ｃ線に沿う断面矢視図である。 図６中のＦ−Ｆ線に沿う断面矢視図である。 図７中のＧ−Ｇ線に沿う断面矢視図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子の特性の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子等の製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子等の製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子等の製造方法を示す工程図である。 本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子等の製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態による振動式センサ装置を示す図である。 本発明の第３実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。 本発明の第５実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。 本発明の第６実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。 本発明の第７実施形態による振動式センサ装置を示す図である。 本発明の第８実施形態による振動式センサ装置を示す図である。 本発明の第９実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による振動式センサ装置について詳細に説明する。尚、本発明の実施形態による振動式センサ装置は、加加速度、加速度、速度、変位等を測定することが可能であるが、以下では理解を容易にするために、加速度を測定するものとして説明する。また、以下では、図中に設定したＸＹＺ直交座標系（原点の位置は適宜変更する）を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。

〔第１実施形態〕
〈振動式センサ装置〉
図１は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置の平面図である。また、図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。これら図１，２に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置１は、加速度検出基板１０とダンピング部材２０とを備えており、振動式センサ装置１に作用する加速度を測定する。尚、振動式センサ装置１は、Ｚ方向の加速度の測定感度が最も高くなるように構成されている。

加速度検出基板１０は、錘１１（可動部）、バネ部１２（支持部）、固定フレーム１３（固定部）、加速度検出用振動子Ｒ１（振動子）、温度検出用振動子Ｒ２、及びアルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２が形成されたシリコン基板である。このような加速度検出基板１０は、振動式センサ装置１に作用する加速度（Ｚ方向の加速度）に比例する歪がバネ部１２に生じ、このバネ部１２に生じた歪によって加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数が変化するよう設計されている。尚、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数の変化から振動式センサ装置１に作用する加速度が求められる。

錘１１は、シリコン基板を加工して形成されており、予め規定された重さを有する。この錘１１は、一端部（図１に示す例では、−Ｘ方向の端部）がバネ部１２によって固定フレーム１３接続される一方で、残りの端部は一定の隙間Ｇ１をもって固定フレーム１３から離間している。これにより、錘１１は、振動式センサ装置１の測定感度が最も高い方向であるＺ方向（第１方向）に移動可能にされている。

バネ部１２は、錘１１の一端部と固定フレーム１３とに接続されて、錘１１を固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能に支持する。このバネ部１２は、錘１１及び固定フレーム１３よりも厚み（Ｚ方向の幅）が減じられており、Ｘ方向（第２方向）に延びるよう形成されている。固定フレーム１３に対して錘１１がＺ方向に相対的に変位することで、バネ部１２には歪が生ずる。尚、バネ部１２は、シリコン基板を加工して錘１１及び固定フレーム１３と一体形成されている。

固定フレーム１３は、バネ部１２を介して錘１１を支持する部材であり、シリコン基板を加工してＸＹ平面内において錘１１の周囲を取り囲むように四角環状に形成されている。この固定フレーム１３は、図２に示す通り、厚みが錘１１よりも僅かに厚くなるように形成されている。これは、錘１１とダンピング部材２０との間で予め規定されたギャップＧが形成されるようにするためである。尚、詳細は後述するが、錘１１とダンピング部材２０との間に形成されるギャップＧは、錘１１に対してダンパとして作用する。

加速度検出用振動子Ｒ１は、振動式センサ装置１に作用する加速度（Ｚ方向の加速度）を検出するために設けられており、バネ部１２に生じた歪が加わることで共振周波数が変化するよう設計されている。この加速度検出用振動子Ｒ１は、長手方向がＸ方向に沿うようにされており、加わる歪が極力大きくなる位置に配置される。尚、加速度検出用振動子Ｒ１は、バネ部１２に歪が生じた場合に、加わる歪が最大となる位置に配置されるのが望ましいが、少なくとも一部がバネ部１２に組み込まれていれば良い。このため、加速度検出用振動子Ｒ１は、錘１１や固定フレーム１３に一部が組み込まれていても良い。

この加速度検出用振動子Ｒ１は、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向（第３方向）に振動するよう設計されている。加速度検出用振動子Ｒ１にＸ方向の引っ張り応力を付与するのは、加速度検出用振動子Ｒ１に圧縮歪を生じさせる入力加速度（負の入力加速度）についてのダイナミックレンジを広げるためである。つまり、加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力を付与して座屈を生じ難くすることで、負の入力加速度についてのダイナミックレンジを広げるようにしている。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１に作用するＸ方向の引っ張り応力は、例えば加速度検出用振動子Ｒ１を構成する材料よりも原子半径の小さな不純物を、加速度検出用振動子Ｒ１に拡散することにより付与される。例えば、加速度検出用振動子Ｒ１がシリコンによって形成されている場合には、ホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）等の不純物を拡散することによって付与される。

また、加速度検出用振動子Ｒ１をＹ方向に振動させるのは、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数とバネ部１２の共振周波数（高次モード含む）とが一致したとしても、加速度の測定精度の悪化を防止するためである。つまり、加速度検出用振動子Ｒ１の振動方向をバネ部１２の振動方向であるＺ方向と直交するＹ方向に設定することで、加速度検出用振動子Ｒ１を振動させるエネルギーがバネ部１２に吸収されることを防止し、これにより加速度の測定精度の悪化を防止するようにしている。

加速度検出用振動子Ｒ１は、シリコン基板を加工して、上述した錘１１、バネ部１２、及び固定フレーム１３と一体形成されている。このように、錘１１、バネ部１２、及び固定フレーム１３に加えて加速度検出用振動子Ｒ１が、接着剤等を用いることなく一体形成されていることで、温度特性、ヒステリシス、長期安定性等を向上させることができる。また、加速度検出用振動子Ｒ１は、真空封止されている。尚、加速度検出用振動子Ｒ１の具体的な構成については後述する。

温度検出用振動子Ｒ２は、振動式センサ装置１の内部温度（加速度検出用振動子Ｒ１の温度にほぼ等しい温度）を測定するために設けられており、固定フレーム１３に組み込まれている。尚、温度検出用振動子Ｒ２は、固定フレーム１３に限らず、錘１１やバネ部１２に配置することも可能である。この温度検出用振動子Ｒ２の検出結果は、加速度検出用振動子Ｒ１の検出結果（共振周波数）を温度補正するために用いられる。このため、温度検出用振動子Ｒ２は、加速度検出用振動子Ｒ１に極力近い位置に配置されている。尚、温度検出用振動子Ｒ２の具体的な構成については後述する。

アルミパッドＰＤ１は、加速度検出用振動子Ｒ１と電気的に接続された電極であり、加速度検出用振動子Ｒ１に対応して固定フレーム１３上に形成される。このアルミパッドＰＤ１には、加速度検出用振動子Ｒ１を振動させるための励振信号が外部から供給されるとともに、加速度検出用振動子Ｒ１から検出信号（加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数と同じ周波数を有する信号）が出力される。

アルミパッドＰＤ２は、温度検出用振動子Ｒ２と電気的に接続された電極であり、温度検出用振動子Ｒ２に対応して固定フレーム１３上に形成される。このアルミパッドＰＤ２には、温度検出用振動子Ｒ２を振動させるための励振信号が外部から供給されるとともに、温度検出用振動子Ｒ２から検出信号（温度に応じた周波数を有する信号）が出力される。尚、アルミパッドＰＤ０は、ノイズの影響を防止するために設けられる電極（シールド用アルミパッド）であり、加速度検出用振動子Ｒ１及び温度検出用振動子Ｒ２に電気的に接続されていない部分が電気的に接続され、例えば接地電位に接続される。

ダンピング部材２０は、錘１１の振動特性を制御するために設けられる部材であり、予め規定されたギャップＧをもって錘１１に近接配置されている。具体的に、ダンピング部材２０は、加速度検出基板１０と熱膨張係数、弾性定数等が近い材料（例えば、シリコンやガラス等）を用いて形成されており、錘１１との間にギャップＧが形成されるように、加速度検出基板１０の−Ｚ側において固定フレーム１３に接合されている。

ダンピング部材２０がギャップＧをもって錘１１に近接配置されることで、ギャップＧは、スクイズフィルム効果により錘１１に対してダンパとして作用する。このダンパの効果は、ギャップＧの大きさ、及びギャップＧ内の気体の圧力を調整することにより調整することができる。このため、ギャップＧの大きさ、及びギャップＧ内の気体の圧力を調整すれば、錘１１の減衰係数を調整することができるため、錘１１の振動特性を所望の特性にすることができる。尚、錘１１の振動特性は、バターワース特性（最平坦特性）となるように調整されることが多い。また、ギャップＧ内の気体の圧力は、真空封止されている加速度検出用振動子Ｒ１の封止圧とは異なる圧力に設定されている。

ダンピング部材２０は、上述の通り、加速度検出基板１０と熱膨張係数、弾性定数等が近い材料を用いて形成され、加速度検出基板１０の固定フレーム１３に直接接合されているため、温度特性、ヒステリシス、長期安定性等を向上させることができる。尚、ダンピング部材２０は、振動式センサ装置１を不図示の筐体（パッケージ）に取り付けるための取り付け部材としても用いられる。

〈加速度検出用振動子〉
図３〜５は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子の断面図である。具体的に、図３は、図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面矢視図であり、図４は、図３中のＤ−Ｄ線に沿う断面矢視図であり、図５は、図４中のＥ−Ｅ線に沿う断面矢視図である。

図３に示す通り、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれる部位は、基板３１上に、下部絶縁膜３２、電極３３（入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂ）、上部絶縁膜３４、及びシェル３５が順に形成された構造である。尚、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれる部位は、バネ部１２と固定フレーム１３とが接続されている部分の表面側（＋Ｚ側）の部位である。加速度検出用振動子Ｒ１は、基板３１、入力電極３３ａ、出力電極３３ｂ、及びシェル３５等によって形成される真空室ＳＰ１内に配置されている。

基板３１は、例えばシリコン基板である。下部絶縁膜３２及び上部絶縁膜３４は、例えばシリコン酸化膜であり、入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂを電気的に絶縁するために形成される。シェル３５は、例えばポリシリコンによって形成されており、内部に加速度検出用振動子Ｒ１が配置された真空室ＳＰ１を封止するために設けられる。

入力電極３３ａは、加速度検出用振動子Ｒ１を振動させる励振信号が入力される電極であり、出力電極３３ｂは、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数と同じ周波数を有する信号を取り出すための電極である。これら入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂは、Ｙ方向に加速度検出用振動子Ｒ１を挟むように配置されている。

加速度検出用振動子Ｒ１は、図４に示す通り、Ｘ方向に延びるように形成された梁状部材であり、その両端ｅ１１，ｅ１２が、図５に示す通り、下部絶縁膜３２及び上部絶縁膜３４を介して基板３１及びシェル３５に固定されている。つまり、加速度検出用振動子Ｒ１は、少なくとも一部がバネ部１２の内部に形成された真空室ＳＰ１内に、引っ張り応力が付与されて両端ｅ１１，ｅ１２が固定された状態で配置されている。このため、バネ部１２がＺ方向に撓めば、加速度検出用振動子Ｒ１に歪（引っ張り歪、圧縮歪）が加わる。尚、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数は、引っ張り歪が加わると高くなり、圧縮歪が加わると低くなる。

〈温度検出用振動子〉
図６〜８は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる温度検出用振動子の断面図である。具体的に、図６は、図１中のＣ−Ｃ線に沿う断面矢視図であり、図７は、図６中のＦ−Ｆ線に沿う断面矢視図であり、図８は、図７中のＧ−Ｇ線に沿う断面矢視図である。

図６に示す通り、温度検出用振動子Ｒ２が組み込まれる部位は、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれる部位と同様の構造である。つまり、電極３３（入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂ）に代えて電極３６（入力電極３６ａ及び出力電極３６ｂ）が設けられており、基板３１上に、下部絶縁膜３２、電極３６（入力電極３６ａ及び出力電極３６ｂ）、上部絶縁膜３４、及びシェル３５が順に形成された構造である。温度検出用振動子Ｒ２は、基板３１、入力電極３６ａ、出力電極３６ｂ、及びシェル３５等によって形成される真空室ＳＰ２内に配置されている。

入力電極３６ａは、温度検出用振動子Ｒ２を振動させる励振信号が入力される電極であり、出力電極３６ｂは、温度検出用振動子Ｒ２の共振周波数と同じ周波数を有する信号を取り出すための電極である。これら入力電極３６ａ及び出力電極３６ｂは、入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂと同様に、Ｙ方向に温度検出用振動子Ｒ２を挟むように配置されている。尚、温度検出用振動子Ｒ２の配置方向は、他の方向を向いていても良い。

温度検出用振動子Ｒ２は、図７に示す通り、Ｘ方向に延びるように形成された梁状部材であり、その一端ｅ２１が、図８に示す通り、下部絶縁膜３２及び上部絶縁膜３４を介して基板３１及びシェル３５に固定されている。つまり、温度検出用振動子Ｒ２は、振動式センサ装置１に作用する加速度や実装により発生する歪の影響を受けないように、一端ｅ２１のみが固定された状態で真空室ＳＰ２内に配置されている。

このような温度検出用振動子Ｒ２は、振動式センサ装置１の内部温度（加速度検出用振動子Ｒ１の温度にほぼ等しい温度）に応じてヤング率が変化し共振周波数が変化する。このため、出力電極３６ｂから取り出される信号の周波数から、振動式センサ装置１の内部温度を求めることができる。尚、求められた振動式センサ装置１の内部温度は、加速度検出用振動子Ｒ１の検出結果（共振周波数）を温度補正するために用いられる。

〈振動式センサ装置の動作〉
次に、上述した振動式センサ装置１の動作について簡単に説明する。振動式センサ装置１にＺ方向の加速度が作用すると、錘１１は、固定フレーム１３に対して＋Ｚ方向又は−Ｚ方向に相対的に変位する。すると、バネ部１２には、錘１１と固定フレーム１３との相対的な変位量に応じた撓みが生じ、振動式センサ装置１に作用する加速度に比例する歪が生ずる。バネ部１２に生じた歪みは加速度検出用振動子Ｒ１に加わり、これにより加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数が変化する。

具体的に、固定フレーム１３に対して錘１１を−Ｚ方向に相対的に変位させる加速度（正の入力加速度）が振動式センサ装置１に作用すると、バネ部１２は錘１１の変位によって−Ｚ方向に撓み、バネ部１２の上面（＋Ｚ側の面）には引っ張り歪が生ずる。このような歪が加速度検出用振動子Ｒ１に加わると、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数は高くなる。

これに対し、固定フレーム１３に対して錘１１を＋Ｚ方向に相対的に変位させる加速度（不の入力加速度）が振動式センサ装置１に作用すると、バネ部１２は錘１１の変位によって＋Ｚ方向に撓み、バネ部１２の上面（＋Ｚ側の面）には圧縮歪が生ずる。このような歪が加速度検出用振動子Ｒ１に加わると、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数は低くなる。このような加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数の変化を検出することによって、振動式センサ装置１に作用する加速度が測定される。

図９は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子の特性の一例を示す図であって、（ａ）は入力加速度と歪との関係を示す図であり、（ｂ）は出力周波数の時間変化を示す図であり、（ｃ）は周波数特性の一例を示す図である。尚、図９（ａ）に示すグラフは、横軸に入力加速度をとり、縦軸に加速度検出用振動子Ｒ１に加わる歪をとってある。また、図９（ｂ）に示すグラフは、横軸に時間をとり、縦軸に出力電極３３ｂ（図３，４参照）から出力される信号の周波数（出力周波数）をとってある。また、図９（ｃ）に示すグラフは、横軸に出力周波数をとり、縦軸にその信号の振幅をとってある。

図９（ａ）の縦軸に示されているε_ｍａｘは、加速度検出用振動子Ｒ１のクリープ又は破壊が生ずる引っ張り歪の値を示しており、ε_ｍｉｎは、加速度検出用振動子Ｒ１の座屈が生ずる圧縮歪の値を示している。加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力が付与されていない場合（即ち、従来の場合）には、入力加速度が零のときには加速度検出用振動子Ｒ１に歪が生じないことから、入力加速度と歪との関係は図中の直線Ｌ１２で表される。この直線Ｌ１２を参照すると、許容される正の入力加速度は大きいが、許容される負の入力加速度が極めて小さいことが分かる。

これに対し、加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力が付与されている場合には、入力加速度が零のときであっても引っ張り歪が生ずることから、入力加速度と歪との関係は図中の直線Ｌ１１で表される。尚、図９（ａ）では、入力加速度が零のときの引っ張り歪の値をε_０としている。この直線Ｌ１１を参照すると、直線Ｌ１２に比べて、許容される正の入力加速度が小さいものの、許容される負の入力加速度がａ_ｍｉｎまで大きくなっていることが分かる。

ここで、加速度のセンシングでは、正負の入力加速度が等しく発生することが多いため、ダイナミックレンジは、一般的に、測定可能な正の入力加速度の最大値（絶対値）、或いは測定可能な負の入力加速度の最大値（絶対値）の何れか小さい方で定義される。図９（ａ）中の直線Ｌ１１は、直線Ｌ１２よりも測定可能な負の入力加速度の最大値が著しく大きくなっていることから、引っ張り応力が付与された加速度検出用振動子Ｒ１は、引っ張り応力が付与されていない従来のものよりも、著しくダイナミックレンジが広がっている。

図９（ｂ）の縦軸に示されているｆ_ｍｉｎは、座屈が生ずる圧縮歪（図９（ａ）中のε_ｍｉｎ）が加速度検出用振動子Ｒ１に加わった場合の出力周波数である。加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力が付与されておらず、ダイナミックレンジが狭い場合（即ち、従来の場合）には、出力周波数の時間変化は図中の曲線Ｌ２２で表される。この曲線Ｌ２２を参照すると、周波数ｆ_ｍｉｎよりも低い周波数の出力周波数は得られていないことから、振動式センサ装置１に大きな負の入力加速度が作用してしまうと、加速度を測定することができなくなることが分かる。

これに対し、加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力が付与されていてダイナミックレンジが広い場合には、出力周波数の時間変化は図中の曲線Ｌ２１で表される。この曲線Ｌ２１を参照すると、振動式センサ装置１に大きな負の入力加速度が作用したとしても、出力周波数が周波数ｆ_ｍｉｎを下回ることがないため、図９（ｂ）に示す通り、正弦波状に変化する出力周波数が得られることになる。これにより、振動式センサ装置１に作用する加速度を精度良く測定することができる。

また、図９（ｃ）の横軸に示されている周波数ｆ_ｅは、バネ部１２の固有周波数である。加速度検出用振動子Ｒ１の振動方向とバネ部１２の振動方向とが一致している場合（即ち、従来の場合）には、周波数特性は図中の曲線Ｌ３２で表される。この曲線Ｌ３２を参照すると、出力周波数（加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数）がバネ部１２の固有周波数ｆ_ｅと一致すると、振幅が低下してしまうことが分かる。

これに対し、加速度検出用振動子Ｒ１の振動方向とバネ部１２の振動方向とが異なる場合には、周波数特性は図中の直線Ｌ３１で表される。この直線Ｌ３１を参照すると、出力周波数（加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数）がバネ部１２の固有周波数ｆ_ｅと一致しても、振幅が低下していないことが分かる。これは、加速度検出用振動子Ｒ１の振動方向をバネ部１２の振動方向であるＺ方向と直交するＹ方向に設定しているため、加速度検出用振動子Ｒ１を振動させるエネルギーがバネ部１２に吸収されないからである。従って、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数がバネ部１２の固有周波数ｆ_ｅと一致したとしても高い精度で加速度を測定することができる。

〈振動式センサ装置の製造方法〉
図１０，１１は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置の製造方法を示す工程図である。図１０（ａ）に示す通り、振動式センサ装置１を製造するために、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１００が用意される。このＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１０１上に、ＢＯＸ層（Buried Oxide層：埋め込み酸化膜層）１０２、及び活性層１０３が順に積層された基板である。例えば、ＢＯＸ層１０２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）により形成され、活性層１０３は、単結晶シリコンにより形成される。尚、シリコン基板１０１は、図３，５，６，８に示す基板３１であり、ＢＯＸ層１０２は、下部絶縁膜３２（図３，５参照）として用いられる。また、加速度検出用振動子Ｒ１及び温度検出用振動子Ｒ２は、活性層１０３に形成される。

振動式センサ装置１の製造が開始されると、図１０（ｂ）に示す通り、まずＳＯＩ基板１００の表面側に、加速度検出用振動子Ｒ１及びこれに付随する構造（図２に示す電極３３、上部絶縁膜３４、シェル３５等）を形成する工程が行われる。尚、この工程では、加速度検出用振動子Ｒ１等とともに温度検出用振動子Ｒ２及びこれに付随する構造（図６に示す電極３６、上部絶縁膜３４、シェル３５等）も形成されるが、以下では、加速度検出用振動子Ｒ１等に着目して説明する。

図１２〜１５は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置に設けられる加速度検出用振動子等の製造方法を示す工程図である。加速度検出用振動子Ｒ１等の製造が開始されると、まず図１２（ａ）に示すＳＯＩ基板１００の表面をエッチングして、加速度検出用振動子Ｒ１及び電極３３（入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂ）等を形成する工程が行われる。

具体的には、図１２（ｂ）に示す通り、例えばＤｅｅｐＲＩＥ（深掘りＲＩＥ（Reactive Ion Etching））を用いて活性層１０３をエッチングし、図４に示す平面視形状を有する加速度検出用振動子Ｒ１、入力電極３３ａ、出力電極３３ｂ等を形成する工程が行われる。ここで、加速度検出用振動子Ｒ１は、図１２（ｂ）に示す通り、ＳＯＩ基板１００の積層方向における幅が、ＳＯＩ基板１００の面内方向における幅よりも大きくなるように形成される。これは、加速度検出用振動子Ｒ１が、ＳＯＩ基板１００の面内方向（図３中のＹ方向）に振動するようにするためである。

次に、図１２（ｃ）に示す通り、加速度検出用振動子Ｒ１に不純物ＩＭを拡散させる工程が行われる。具体的には、加速度検出用振動子Ｒ１を構成するシリコンよりも原子半径の小さな不純物ＩＭ（例えば、ホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）等）を、熱拡散法、或いはＰＢＦ（ポリボロンフィルム）を用いた拡散法によって加速度検出用振動子Ｒ１に拡散させる。尚、不純物ＩＭの拡散は、シリコンの固溶限近くの１０の２０乗［ａｔｏｍ／ｃｍ^２］程度まで行われる。尚、図１２（ｃ）に示す通り、不純物ＩＭは、入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂの表面にも拡散される。

ここで、速度検出用振動子Ｒ１に不純物ＩＭが拡散すると、速度検出用振動子Ｒ１を構成するシリコンよりも原子半径の小さな不純物がシリコンと置き換わるため、加速度検出用振動子Ｒ１は縮もうとする。しかしながら、加速度検出用振動子Ｒ１の両端は固定されているため、加速度検出用振動子Ｒ１には引っ張り応力が作用する。このようにして、加速度検出用振動子Ｒ１に引っ張り応力が付与される。

次いで、図１２（ｄ）に示す通り、加速度検出用振動子Ｒ１、入力電極３３ａ、及び出力電極３３ｂを覆う絶縁用の酸化膜１０４を形成する工程が行われる。この酸化膜１０４は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）やスパッタ等を用いて形成される。この酸化膜１０４は、上部絶縁膜３４（図３，５参照）として用いられる。尚、酸化膜１０４は、加速度検出用振動子Ｒ１と入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂとの間の溝にも埋め込まれる。

続いて、図１３（ａ）に示す通り、酸化膜１０４上に第１ポリシリコン層１０５を形成する工程が行われる。この第１ポリシリコン層１０５は、シェル３５の一部をなすものである。その後、図１３（ｂ）に示す通り、第１ポリシリコン層１０５の一部（加速度検出用振動子Ｒ１の上方部分）をエッチングする工程、図１３（ｃ）に示す通り、第１ポリシリコン層１０５を覆う酸化膜１０６をＣＶＤにより形成する工程、及び図１３（ｄ）に示す通り、加速度検出用振動子Ｒ１の上方部分が残るように、酸化膜１０６をパターニングする工程が順に行われる。

次に、図１４（ａ）に示す通り、第１ポリシリコン層１０５及び酸化膜１０６を覆う第２ポリシリコン層１０７を形成する工程が行われる。この第２ポリシリコン層１０７は、ＣＶＤを用いて形成されるが、その形成条件は、段差がある部分でも第２ポリシリコン層１０７の表面高さがより均一になる条件に設定される。次いで、図１４（ｂ）に示す通り、第２ポリシリコン層１０７の一部（酸化膜１０６の上方部分）を、第１ポリシリコン層１０５上に形成されている酸化膜１０６の高さ位置までエッチングする工程が行われる。このとき、次工程で酸化膜１０６のエッチングを行うため、第１ポリシリコン層１０５上に形成されている酸化膜１０６を完全に露出させることが重要である。

続いて、図１４（ｃ）に示す通り、酸化膜１０６と、加速度検出用振動子Ｒ１の周囲に形成されているＢＯＸ層１０２及び酸化膜１０４とをエッチングする工程が行われる。この工程が行われることで、図２に示す真空室ＳＰ１が形成され、加速度検出用振動子Ｒ１は、両端（図４，５に示す両端ｅ１１，ｅ１２）のみが固定され、側面が入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂ等から離間した状態になる。

続いて、図１４（ｄ）に示す通り、第１ポリシリコン層１０５及び第２ポリシリコン層１０７を覆うようにポリシリコン層１０８を形成して真空室ＳＰ１を封止する工程が行われる。この工程では、モノシランを用いて、第１ポリシリコン層１０５及び第２ポリシリコン層１０７上にポリシリコン層１０８をエピタキシャル成長させる処理が行われる。この処理が行われることにより、第１ポリシリコン層１０５、第２ポリシリコン層１０７、及びポリシリコン層１０８からなるシェル３５が形成される。

ここで、上記工程では、ポリシリコン層１０８を形成する際には水素ガスが生成されるため、真空室ＳＰ１内は水素ガスで満たされる。このため、上記工程が終了した後に、高温でアニールを行って、真空室ＳＰ１内の水素ガスを外部に放出する処理が行われる。このような処理を行うことで真空室ＳＰ１内を高い真空度にすることができ、その結果として加速度検出用振動子Ｒ１のＱ値を高めることができる。このようにして、外部回路を用いて共振周波数を容易に検出することができる加速度検出用振動子Ｒ１が形成される。

以上の工程が終了すると、図１５（ａ）に示す通り、シェル３５を部分的にエッチングして電極取出孔Ｈを形成する工程が行われる。この工程は、後の工程で入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂに接続される電極を形成するための前工程として行われる工程である。具体的には、酸化膜１０４をエッチングストップに用い、入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂの上方に形成されたシェル３５をなすポリシリコン層１０８、第２ポリシリコン層１０７、及び第１ポリシリコン層１０５を部分的にエッチングして電極取出孔Ｈを形成する処理が行われる。

尚、図１５（ａ）では、理解を容易にするために、加速度検出用振動子Ｒ１に近接する位置に電極取出孔Ｈを図示しているが、電極取出孔Ｈが形成される位置は、後工程でセンサを実装する際に便利な任意の位置に設定される。例えば、図１に示すアルミパッドＰＤ１が形成されている部分に電極取出孔Ｈを形成するようにしても良い。この位置に電極取出孔Ｈが形成される場合には、入力電極３３ａ及び出力電極３３ｂを、アルミパッドＰＤ１が形成されている部分の下方まで延びるように形成する必要がある。

続いて、図１５（ｂ）に示す通り、電極取出孔Ｈ内に露出している酸化膜１０４をエッチングする工程が行われ、その後に、電極取出孔Ｈ内に電極１０９を形成する工程が行われる。以上の図１２〜１５を用いて説明した工程が順に行われることによって、加速度検出用振動子Ｒ１及びこれに付随する構造（図２に示す電極３３、上部絶縁膜３４、シェル３５等）が形成される。

加速度検出用振動子Ｒ１等が形成されると、図１０（ｃ）に示す通り、図１に示す隙間Ｇ１の一部を形成する工程が行われる。具体的には、ドライエッチング、ウェットエッチング、イオンミリング、電界放電加工等により、シェル３５、酸化膜１０４（上部絶縁膜３４）、活性層１０３、及びＢＯＸ層１０２（下部絶縁膜３２）を貫通し、シリコン基板１０１の所定深さまでに至る溝を形成する処理が行われる。尚、シリコン基板１０１のエッチングは、溝の底の位置が図２に示すバネ部１２の底面位置よりも下方（バネ部１２の−Ｚ側における面の位置よりも−Ｚ側）となるまで行われる。

次に、図１０（ｄ）に示す通り、シリコン基板１０１の裏面側をエッチングする工程が行われる。この工程は、後に図２に示すギャップＧが形成されるようにするための工程である。このシリコン基板１０１のエッチングは、ギャップＧの大きさ（エッチング深さ）が、上記の隙間Ｇ１よりも大きめの寸法となるように行われる。尚、本工程でのエッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング等を用いることができる。

次いで、図１１（ａ）に示す通り、シリコン基板１０１の裏面側をエッチングして、錘１１、バネ部１２、固定フレーム１３、及び隙間Ｇ１を形成する工程が行われる。具体的には、シリコン基板１０１の裏面側に形成したレジストを、錘１１及び固定フレーム１３の平面視形状（図１参照）にパターニングし、バネ部１２になる部分の厚みが設計された厚みになるまでシリコン基板１０１の裏面側をエッチングする処理が行われる。

上述の通り、図１０（ｃ）を用いて説明した工程で、シリコン基板１０１の表面側には、底の位置が図２に示すバネ部１２の底面位置よりも下となる溝（隙間Ｇ１の一部）が形成されているため、バネ部１２の厚みが設計された厚みになるまでシリコン基板１０１の裏面側をエッチングすれば隙間Ｇ１が完全に形成されることになる。尚、本工程でのエッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング等を用いることができる。以上の工程によって、加速度検出基板１０が製造される。

最後に、図１１（ｂ）に示す通り、以上の工程を経て製造された加速度検出基板１０の裏面側（固定フレーム１３の裏面側）に、ダンピング部材２０を接合する工程が行われる。尚、ダンピング部材２０の接合法としては、温度特性やヒステリシス等の特性が向上するように、直接接合、金属拡散接合、陽極接合等の接合法（接着材を用いない接合法）を用いることができる。以上により、本実施形態の振動式センサ装置１が製造される。

以上の通り、本実施形態では、Ｘ方向に延びていて錘１１を固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能に支持するバネ部１２に、Ｘ方向に引っ張り応力が付与されていてＹ方向に振動する加速度検出用振動子Ｒ１の少なくとも一部を組み込むようにしている。これにより、振動式センサ装置１に負の入力加速度（加速度検出用振動子Ｒ１に圧縮歪を生じさせる入力加速度）が作用しても、加速度検出用振動子Ｒ１の座屈が生じ難くなり、振動式センサ装置１のダイナミックレンジを広げることができる。また、加速度検出用振動子Ｒ１の振動方向をバネ部１２の振動方向であるＺ方向と直交するＹ方向に設定しており、加速度検出用振動子Ｒ１を振動させるエネルギーがバネ部１２に吸収されないため、加速度検出用振動子Ｒ１の共振周波数がバネ部１２の固有周波数と一致したとしても高い精度で加速度を測定することができる。

〔第２実施形態〕
図１６は、本発明の第２実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＨ−Ｈ線に沿う断面矢視図である。尚、図１６においては、図１，２に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図１６に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置２は、図１に示す振動式センサ装置１に封止部材４０を設けて、錘１１、バネ部１２、及び加速度検出用振動子Ｒ１等を封止したものである。

封止部材４０は、ダンピング部材２０と同様に、加速度検出基板１０と熱膨張係数、弾性定数等が近い材料（例えば、シリコンやガラス等）を用いて形成されており、加速度検出基板１０の＋Ｚ側において固定フレーム１３に接合されている。この封止部材４０は、Ｚ方向に移動可能にされた錘１１、及び錘１１の変位によってＺ方向に撓むバネ部１２が接触しないように、底面がエッチングされている。

また、封止部材４０の−Ｘ側には、スルーホールＴＨ０〜ＴＨ２、及びアルミパッドＰＤ３〜ＰＤ５が形成されている。スルーホールＴＨ０〜ＴＨ２は、アルミパッドＰＤ０〜ＰＤ３が形成されている位置（平面視での位置）に対応する位置に、封止部材４０の表面側から裏面側に至るように形成されている。この、スルーホールＴＨ０〜ＴＨ２の内壁には、アルミニウム等からなる金属層がメッキ等によって形成されている。

アルミパッドＰＤ３〜ＰＤ５は、封止部材４０の表面（＋Ｚ側の面）に形成されており、スルーホールＴＨ０〜ＴＨ２にそれぞれ接続されている。このアルミパッドＰＤ３〜ＰＤ５は、スルーホールＴＨ０〜ＴＨ２を介してアルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２にそれぞれ接続され、封止部材４０によって封止されるアルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２の外部電極として用いられる。

以上の封止部材４０を設けると、錘１１、バネ部１２、及び加速度検出用振動子Ｒ１等とともにギャップＧが封止されることになる。このため、ギャップＧ内の気体の圧力を調整することにより、容易に錘１１の振動特性を所望の特性にすることができる。尚、本実施形態の振動式センサ装置２は、図１に示す振動式センサ装置１に封止部材４０を設けただけの構成であるため、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第３実施形態〕
図１７は、本発明の第３実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。尚、図１７においても、図１，２に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図１７に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置３は、錘１１と固定フレーム１３とを接続する２つのバネ部１２ａ，１２ｂをＺ方向に並べて設け、バネ部１２ａ，１２ｂに加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２をそれぞれ設けたものである。

バネ部１２ａは、図２に示すバネ部１２と同様に、錘１１の−Ｘ側において、錘１１の上端部（＋Ｚ側の端部）と固定フレーム１３の上端部とに接続されている。これに対し、バネ部１２ｂは、錘１１の−Ｘ側において、下端部（−Ｚ側の端部）と固定フレーム１３の下端部とに接続されている。つまり、錘１１は、固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能に、−Ｘ側における上端部及び下端部がバネ部１２ａ，１２ｂによってそれぞれ支持される。

加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、図１，２に示す加速度検出用振動子Ｒ１と同様のものであり、少なくとも一部がバネ部１２ａ，１２ｂにそれぞれ組み込まれている。但し、加速度検出用振動子Ｒ１１は、バネ部１２ａの上面側（＋Ｚ側の面）に組み込まれているのに対し、加速度検出用振動子Ｒ１２は、バネ部１２ｂの底面側（−Ｚ側の面）に組み込まれている。尚、本実施形態の振動式センサ装置３は、錘１１の下端部をバネ部１２ｂによって支持する必要があることから、錘１１の底面がエッチングされておらず、ダンピング部材２０の上面がエッチングされてギャップＧが形成されている。

次に、上記構成の振動式センサ装置３の動作について簡単に説明する。振動式センサ装置３に加速度が作用して錘１１が＋Ｚ方向に変位すると、バネ部１２ａ，１２ｂが＋Ｚ方向に撓み、これにより、加速度検出用振動子Ｒ１１には圧縮歪が加わる一方で、加速度検出用振動子Ｒ１２には引っ張り歪が加わる。これに対し、振動式センサ装置３に加速度が作用して錘１１が−Ｚ方向に変位すると、バネ部１２ａ，１２ｂが−Ｚ方向に撓み、これにより、加速度検出用振動子Ｒ１１には引っ張りが加わる一方で、加速度検出用振動子Ｒ１２には圧縮歪が加わる。

このように、本実施形態の振動式センサ装置３では、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２には、一方に加わった歪（圧縮歪、引っ張り歪）とは異なる歪（引っ張り歪、圧縮歪）が他方に加わることになる。このため、加速度検出用振動子Ｒ１１で検出される共振周波数と、加速度検出用振動子Ｒ１２で検出される共振周波数との差分を求めることにより、コモンモードノイズを除去することができる。また、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２に対して同様に加わる外乱（例えば、静圧や温度等）の影響を排除することもできる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置３も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第４実施形態〕
図１８は、本発明の第４実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図１８においても、図１，２に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図１８に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置４は、錘１１と固定フレーム１３とを接続する２つのバネ部１２ａ，１２ｂをＹ方向に並べて設けるとともに、錘１１と固定フレーム１３とを接続する２つの補助バネ部５１ａ，５１ｂ（補助支持部）をＸ方向に並べて設け、バネ部１２ａ，１２ｂに加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２をそれぞれ設けたものである。

バネ部１２ａは、Ｘ方向に延びるように形成されており、錘１１の１つの角（錘１１の中央部に対して＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、錘１１の−Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる固定フレーム１３とに接続されている。これに対し、バネ部１２ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されており、錘１１の１つの角（錘１１の中央部に対して−Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、錘１１の＋Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる固定フレーム１３とに接続されている。

また、補助バネ部５１ａは、Ｙ方向に延びるように形成されており、錘１１の１つの角（錘１１の中央部に対して＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、錘１１の＋Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる固定フレーム１３とに接続されている。これに対し、補助バネ部５１ｂは、Ｙ方向に延びるように形成されており、錘１１の１つの角（錘１１の中央部に対して−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、錘１１の−Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる固定フレーム１３とに接続されている。

上記の補助バネ部５１ａ，５１ｂは、錘１１の回転運動（Ｘ軸周りの回転運動、Ｙ軸周りの回転運動、及びＺ軸周りの回転運動）を抑えるために設けられる。このように、本実施形態では、錘１１の四つの角がバネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂによってそれぞれ支持されることによって、錘１１が固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能にされている。

加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、図１，２に示す加速度検出用振動子Ｒ１と同様のものであり、少なくとも一部がバネ部１２ａ，１２ｂの表面側（＋Ｚ側の面）にそれぞれ組み込まれている。図１８に示す例では、加速度検出用振動子Ｒ１１が、バネ部１２ａと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれており、加速度検出用振動子Ｒ１２が、バネ部１２ｂと錘１１との接続部付近に組み込まれている。尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２に対応して、アルミパッドＰＤ１（図１参照）と同様のアルミパッドＰＤ１１，ＰＤ１２がそれぞれ設けられている。

次に、上記構成の振動式センサ装置４の動作について簡単に説明する。振動式センサ装置４に加速度が作用して錘１１が＋Ｚ方向に変位すると、バネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂの全てが＋Ｚ方向に撓む。これにより、バネ部１２ａと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１１には圧縮歪が加わる一方で、バネ部１２ｂと錘１１との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１２には引っ張り歪が加わる。

これに対し、振動式センサ装置４に加速度が作用して錘１１が−Ｚ方向に変位すると、バネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂの全てが−Ｚ方向に撓む。これにより、バネ部１２ａと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１１には引っ張りが加わる一方で、バネ部１２ｂと錘１１との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１２には圧縮歪が加わる。

このように、本実施形態の振動式センサ装置４では、第３実施形態の振動式センサ装置３と同様に、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２には、一方に加わった歪（圧縮歪、引っ張り歪）とは異なる歪（引っ張り歪、圧縮歪）が他方に加わることになる。このため、コモンモードノイズの除去や、外乱（例えば、静圧や温度等）の影響を排除することができる。また、本実施形態の振動式センサ装置４では、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２が取り付けられるバネ部１２ａ，１２ｂを長くすることができるため、感度を上げることができる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置４も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第５実施形態〕
図１９は、本発明の第５実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図１９においては、図１，２，１８に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図１９に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置５は、錘１１と固定フレーム１３とを接続する２つのバネ部１２ａ，１２ｂをＸ方向に延びる直線上に設けるとともに、錘１１と固定フレーム１３とを接続する２つの補助バネ部５１ａ，５１ｂ（補助支持部）をＹ方向に延びる直線上に設け、バネ部１２ａ，１２ｂに加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２をそれぞれ設けたものである。

バネ部１２ａは、Ｘ方向に延びるように形成されており、錘１１の−Ｘ側の辺と錘１１の−Ｘ側に位置する固定フレーム１３とに接続されている。これに対し、バネ部１２ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されており、錘１１の＋Ｘ側の辺と錘１１の＋Ｘ側に位置する固定フレーム１３とに接続されている。また、補助バネ部５１ａは、Ｙ方向に延びるように形成されており、錘１１の＋Ｙ側の辺と錘１１の＋Ｙ側に位置する固定フレーム１３とに接続されている。これに対し、補助バネ部５１ｂは、Ｙ方向に延びるように形成されており、錘１１の−Ｙ側の辺と錘１１の−Ｙ側に位置する固定フレーム１３とに接続されている。このように、本実施形態では、錘１１の四辺がバネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂによってそれぞれ支持されることによって、錘１１が固定フレーム１３に対してＺ方向に相対的に移動可能にされている。

加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、図１，２に示す加速度検出用振動子Ｒ１と同様のものであり、少なくとも一部がバネ部１２ａ，１２ｂの表面側（＋Ｚ側の面）にそれぞれ組み込まれている。図１９に示す例では、図１８と同様に、加速度検出用振動子Ｒ１１が、バネ部１２ａと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれており、加速度検出用振動子Ｒ１２が、バネ部１２ｂと錘１１との接続部付近に組み込まれている。

本実施形態の振動式センサ装置５では、第４実施形態の振動式センサ装置４と同様に、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２には、一方に加わった歪（圧縮歪、引っ張り歪）とは異なる歪（引っ張り歪、圧縮歪）が他方に加わることになる。このため、コモンモードノイズの除去や、外乱（例えば、静圧や温度等）の影響を排除することができる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置５も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第６実施形態〕
図２０は、本発明の第６実施形態による振動式センサ装置を示す平面図である。尚、図２０においては、図１，２，１８，１９に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図２０に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置６は、図１に示す振動式センサ装置１において、錘１１を支持するバネ部１２に複数の加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２を設けたものである。具体的に、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、バネ部１２と固定フレーム１３との接続部付近に、バネ部１２が延びるＸ方向とは直交するＹ方向に配列されている。

本実施形態の振動式センサ装置６は、バネ部１２と固定フレーム１３との接続部付近に加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２が設けられているため、バネ部１２が＋Ｚ方向又は−Ｚ方向に撓むと、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２の双方に同じ歪が加わる。但し、バネ部１２にねじれ（Ｘ軸周りのねじれ）が生ずると、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２には、一方に加わった歪（圧縮歪、引っ張り歪）とは異なる歪（引っ張り歪、圧縮歪）が他方に加わることになる。このため、加速度検出用振動子Ｒ１１で検出される共振周波数と、加速度検出用振動子Ｒ１２で検出される共振周波数との和を求めることにより、バネ部１２のねじれによる影響を排除することができる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置６も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第７実施形態〕
図２１は、本発明の第７実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿う断面矢視図である。尚、図２１においては、図１８に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。また、図２１においては、図１８中に示したアルミパッドＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ２の図示を省略している。

図２１に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置７は、錘１１と固定フレーム１３との位置関係を変えたものである。つまり、ＸＹ面内において固定フレーム１３の周囲を取り囲むように錘１１を四角環状に形成し、図１８に示す振動式センサ装置４と同様に、バネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂによって錘１１を支持するようにしたものである。

具体的に、Ｘ方向に延びるように形成されたバネ部１２ａは、固定フレーム１３の１つの角（固定フレーム１３の中央部に対して＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、固定フレーム１３の−Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる錘１１とに接続されている。これに対し、Ｘ方向に延びるように形成されたバネ部１２ｂは、固定フレーム１３の１つの角（固定フレーム１３の中央部に対して−Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、固定フレーム１３の＋Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる錘１１とに接続されている。

また、Ｙ方向に延びるように形成された補助バネ部５１ａは、固定フレーム１３の１つの角（固定フレーム１３の中央部に対して＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、固定フレーム１３の＋Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる錘１１とに接続されている。これに対し、Ｙ方向に延びるように形成された補助バネ部５１ｂは、固定フレーム１３の１つの角（固定フレーム１３の中央部に対して−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、固定フレーム１３の−Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる錘１１とに接続されている。

加速度検出用振動子Ｒ１１は、バネ部１２ａと錘１１との接続部付近に組み込まれており、加速度検出用振動子Ｒ１２は、バネ部１２ｂと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれている。このため、本実施形態の振動式センサ装置７は、第４実施形態の振動式センサ装置４と同様に、コモンモードノイズの除去や、外乱（例えば、静圧や温度等）の影響を排除することができるとともに、感度を上げることができる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置７も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第８実施形態〕
図２２は、本発明の第８実施形態による振動式センサ装置を示す図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＪ−Ｊ線に沿う断面矢視図である。尚、図２２においては、図１９に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図２２に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置８は、図２１に示す振動式センサ装置７と同様に、錘１１と固定フレーム１３との位置関係を変えたものである。つまり、ＸＹ面内において固定フレーム１３の周囲を取り囲むように錘１１を四角環状に形成し、図１９に示す振動式センサ装置５と同様に、バネ部１２ａ，１２ｂ及び補助バネ部５１ａ，５１ｂによって錘１１を支持するようにしたものである。

具体的に、Ｘ方向に延びるように形成されたバネ部１２ａは、固定フレーム１３の−Ｘ側の辺と固定フレーム１３の−Ｘ側に位置する錘１１とに接続されている。これに対し、Ｘ方向に延びるように形成されたバネ部１２ｂは、固定フレーム１３の＋Ｘ側の辺と固定フレーム１３の＋Ｘ側に位置する錘１１とに接続されている。また、Ｙ方向に延びるように形成された補助バネ部５１ａは、固定フレーム１３の＋Ｙ側の辺と固定フレーム１３の＋Ｙ側に位置する錘１１とに接続されている。これに対し、Ｙ方向に延びるように形成された補助バネ部５１ｂは、固定フレーム１３の−Ｙ側の辺と固定フレーム１３の−Ｙ側に位置する錘１１とに接続されている。

加速度検出用振動子Ｒ１１は、バネ部１２ａと錘１１との接続部付近に組み込まれており、加速度検出用振動子Ｒ１２は、バネ部１２ｂと固定フレーム１３との接続部付近に組み込まれている。このため、本実施形態の振動式センサ装置８は、第７実施形態の振動式センサ装置７と同様に、コモンモードノイズの除去や、外乱（例えば、静圧や温度等）の影響を排除することができる。

尚、加速度検出用振動子Ｒ１１，Ｒ１２は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様に、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置８も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

〔第９実施形態〕
図２３は、本発明の第９実施形態による振動式センサ装置を示す断面図である。尚、図２３においては、図１，２に示す構成に相当する構成については同じ符号を付してある。図２３に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置９は、加速度検出用振動子Ｒ１が内部に組み込まれたバネ基板６０（支持部材）を、錘１１及び固定フレーム１３に貼り合わせることによって、錘１１をＺ方向に移動可能に支持したものである。バネ基板６０は、図１，２に示すバネ部１２と同程度の厚みを有し、例えばシリコンによって形成された基板である。

このような振動式センサ装置９において、バネ基板６０に形成された加速度検出用振動子Ｒ１は、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されており、Ｙ方向に振動するよう設計されている。このため、本実施形態の振動式センサ装置９も、第１実施形態と同様に、従来よりもダイナミックレンジを広げることができ、高い精度で加速度等を測定することができる。

以上、本発明の実施形態による振動式センサ装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、加速度検出用振動子Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ１２が、予めＸ方向に引っ張り応力が付与されていて、且つ、Ｙ方向に振動するよう設計されている場合を例に挙げて説明した。しかしながら、これら加速度検出用振動子Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ１２は、Ｘ方向に引っ張り応力が付与されているもののＹ方向以外の方向に振動するよう設計されていても良く、Ｙ方向に振動するもののＸ方向に引っ張り応力が付与されていないものであっても良い。

１〜９ 振動式センサ装置
１１ 錘
１２ バネ部
１２ａ，１２ｂ バネ部
１３ 固定フレーム
２０ ダンピング部材
４０ 封止部材
５１ａ，５１ｂ 補助バネ部
６０ バネ基板
ｅ１，ｅ２ 両端
Ｇ ギャップ
Ｒ１ 加速度検出用振動子
Ｒ２ 温度検出用振動子
Ｒ１１，Ｒ１２ 加速度検出用振動子
ＳＰ１ 真空室

Claims (17)

1. 移動方向が第１方向に設定された可動部と、
   前記第１方向と交差する第２方向に延びて前記可動部と固定部とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部と、
   少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第２方向に引っ張り応力が付与されている振動子と
   を備えることを特徴とする振動式センサ装置。
2. 移動方向が第１方向に設定された可動部と、
   前記第１方向と交差する第２方向に延びて前記可動部と固定部とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部と、
   少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第１，第２方向に交差する第３方向に振動する振動子と
   を備えることを特徴とする振動式センサ装置。
3. 移動方向が第１方向に設定された可動部と、
   前記第１方向と交差する第２方向に延びて前記可動部と固定部とに接続されており、前記可動部を前記固定部に対して前記第１方向に相対的に移動可能に支持する支持部と、
   少なくとも一部が前記支持部に組み込まれており、前記第２方向に引っ張り応力が付与されていて、前記第１，第２方向に交差する第３方向に振動する振動子と
   を備えることを特徴とする振動式センサ装置。
4. 前記可動部、前記固定部、前記支持部、及び前記振動子は、シリコン材料を用いて一体形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
5. 前記振動子は、前記シリコン材料を用いて前記第２方向に延びるように形成された梁状部材であり、少なくとも一部が前記支持部の内部に形成された空間に、両端が固定された状態で配置されていることを特徴とする請求項４記載の振動式センサ装置。
6. 前記振動子は、シリコン材料よりも原子半径の小さな不純物が拡散されていることを特徴とする請求項１又は請求項３記載の振動式センサ装置。
7. 前記固定部に組み込まれており、温度を検出する温度検出用振動子を備えることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
8. 予め規定されたギャップをもって前記可動部に近接配置されたダンピング部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
9. 前記振動子は、真空封止されていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
10. 前記振動子は、真空封止されており、
    前記振動子の封止圧と前記ギャップ内の圧力とが異なる圧力に設定されている
    ことを特徴とする請求項８記載の振動式センサ装置。
11. 前記振動子の少なくとも一部が組み込まれており、前記可動部と前記固定部とに接続される前記支持部を複数備えることを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
12. 前記振動子が組み込まれておらず、前記可動部と前記固定部とに接続される補助支持部を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１１記載の振動式センサ装置。
13. 前記支持部には、前記第２方向に交差する方向に配列された複数の前記振動子の少なくとも一部が組み込まれていることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
14. 前記固定部は、前記第１方向に交差する面内において前記可動部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
15. 前記固定部と接合され、前記可動部、前記支持部、及び前記振動子を封止する封止部を備えることを特徴とする請求項１４記載の振動式センサ装置。
16. 前記可動部は、前記第１方向に交差する面内において前記固定部の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の振動式センサ装置。
17. 前記振動子が組み込まれた支持部材は、両端が前記可動部及び前記固定部にそれぞれ張り合わされていることを特徴とする請求項１から請求項１６の何れか一項に記載の振動式センサ装置。

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