JP6198595B2 - 圧電センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器などに用いられる圧電センサ及びその製造方法に関する。

圧電センサの一種として角速度センサ、特に音叉型角速度センサが知られている。この音叉型角速度センサは、例えば全体が水晶Ｚ板から形成され、Ｙ軸方向に延びる二本の振動腕を有している。これらの振動腕に所定の駆動電圧を与えると、ＸＹ平面内で各腕が逆相で振動する。このときＹ軸周りの回転が加わると、ＸＹ面内の振動とＹ軸周りの回転とによるコリオリ力が生じ、Ｚ軸方向の振動が加わる。一般的な音叉型角速度センサは、このＺ軸方向の振動を検知し、所定の信号処理を経て角速度を検出する（例えば特許文献１参照）。しかしながら、水晶Ｚ板から形成された音叉型角速度センサの場合、Ｚ軸方向は、水晶の分極方向ではないため、小さな圧電効果しか生じない。したがって、Ｚ軸方向に振動しても、電気的に得られる信号が非常に小さく、これが問題となっていた。

一方、特許文献２には、複合型ジャイロからなる角速度センサが開示されている。この角速度センサは、上記問題を解決するため、駆動用の音叉振動子と検出用の音叉振動子とを分離し、かつ駆動用にはＺ板水晶を用い、検知用にはＸ板水晶を用いている。駆動用と検知用は結合子で結合され、駆動用で発生したコリオリ力が検知用に伝達され、駆動用のＺ軸方向に検知用が振動をする。検知用は、Ｘ板を用いているため、駆動用のＺ軸方向が分極方向になっており、従来と異なり圧電定数が大きく、大きな電気信号を得ることができる。

特開平１０−１５３４３３号公報（図６等） 特開平７−２６０４８９号公報（図１等） 特開２０１１−２１７０３９号公報（図４等）

しかしながら、特許文献２の角速度センサでは、次のような問題があった。

同じ構造の音叉振動子が二個必要であり、構成が複雑化かつ大型化していた。また、漏れ振動を生じないように、結合子を用いて音叉振動子同士を固定することが難しかった。すなわち、製造が困難であった。

そこで、本発明の目的は、大きな信号が得られる構造でありながら、構成が簡素かつ小型で、製造も容易な圧電センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る圧電センサは、支持部と、この支持部に設けられ、電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動する駆動部と、前記支持部に設けられ、前記第一の方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によって前記第一の方向と垂直かつ分極方向である第二の方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧を発生する検出部と、を備え、前記支持部は棒状であり、前記駆動部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕を有し、前記検出部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の検出腕を有し、前記駆動部は、前記二本の駆動腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、前記検出部は、前記駆動部によって前記支持部を介して付勢されて前記二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、この第一の方向の屈曲振動及び当該検出部の回転に起因する前記コリオリ力によって当該二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第二の方向に屈曲振動し、前記検出部は、前記第二の方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層及び第二層を含む、ものである。本発明に係る圧電センサの製造方法は、上記本発明に係る圧電センサを製造する方法である。

本発明によれば、検出腕がその分極方向の屈曲振動による電圧を発生することにより大きな信号が得られるとともに、支持部に駆動腕及び検出腕が設けられることにより、結合子を用いて音叉振動子同士を固定する場合に比べて、構成が簡素かつ小型で製造も容易である。

実施形態１の圧電センサを示す斜視図である。 図１の圧電センサの表面を示す平面図（その１）である。 図１の圧電センサの表面を示す平面図（その２）である。 図２におけるIV−IV線断面図である。 図２におけるＶ−Ｖ線断面図である。 図１の圧電センサの動作を説明するための概略図（その１）である。 実施形態１の製造方法における第一工程及び第二工程を示す平面図であり、図７［Ａ］は上側ウェハ、図７［Ｂ］は中間ウェハ、図７［Ｃ］は下側ウェハである。 実施形態１の製造方法における第三工程を示す斜視図である。 実施形態１の製造方法における第四工程を示し、図９［Ａ］は平面図、図９［Ｂ］は底面図である。 実施形態１の製造方法のその後の工程によって得られるパッケージ組立て後の圧電センサを示す斜視図である。 実施形態２の圧電センサを示す斜視図である。 図１１の圧電センサの表面を示す平面図（その１）である。 図１１の圧電センサの表面を示す平面図（その２）である。 図１２におけるXIV−XIV線断面図である。 図１５［Ａ］は実施形態１における検出腕の動作を示す断面図であり、図１５［Ｂ］は実施形態２における検出腕の動作を示す断面図である。 実施形態２における第二工程及び第三工程を示す平面図であり、図１６［Ａ１］は第二上側ウェハ、図１６［Ａ２］は第一上側ウェハである。 実施形態３の圧電センサの表面を示す平面図（その１）である。 実施形態３の圧電センサの表面を示す平面図（その２）である。 図１７の圧電センサの動作を説明するための概略図（その１）である。 図１の圧電センサの動作を説明するための概略図（その２）である。 図１７の圧電センサの動作を説明するための概略図（その２）である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、実施形態１の圧電センサを示す斜視図である。図２及び図３は、図１の圧電センサの表面を示す平面図である。図４は、図２におけるIV−IV線断面図である。図５は、図２におけるＶ−Ｖ線断面図である。以下、これらの図面に基づき、実施形態１の圧電センサを説明する。

各図において、水晶の結晶軸をＸ，Ｙ，Ｚで示し、三次元座標をｘ，ｙ，ｚで示す。特許請求の範囲に記載の「第一の方向に屈曲振動する」とは、第一の方向への屈曲とその逆方向への屈曲とを交互に繰り返すことをいう。「第二の方向に屈曲振動する」についても同様である。「分極方向」は圧電性及び逆圧電性が生じる方向（電気軸方向）であり、水晶の分極方向はＸ軸方向である。本実施形態１における「ｘ方向」及び「ｚ方向」は、それぞれ特許請求の範囲における「第一の方向」及び「第二の方向」の一例に相当する。本実施形態１における水晶片２１及び水晶片２２は、それぞれ特許請求の範囲における「第一の水晶片」及び「第二の水晶片」の一例に相当する。

まず、図１に基づき、本実施形態１の基本的な構成を説明する。図１では、わかりやすくするために、一部を切り欠いて示すとともに電極等を省略している。

本実施形態１の圧電センサ１は、少なくとも水晶片２１，２２からなり、支持部１０、駆動部（駆動腕１１ａ，１１ｂ）及び検出部（検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ）を備えている。駆動部（駆動腕１１ａ，１１ｂ）は、支持部１０に設けられ、電圧Ｖin（図４）によって分極方向であるｘ方向に屈曲振動する。検出部（検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ）は、支持部１０に設けられ、ｘ方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によってｘ方向と垂直かつ分極方向であるｚ方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧Ｖout（図５）を発生する。

支持部１０は、両端が固定された棒状である。駆動部（駆動腕１１ａ，１１ｂ）は、支持部１０の中央から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕１１ａ，１１ｂからなる。検出部（検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ）は、駆動部（駆動腕１１ａ，１１ｂ）を挟んで支持部１０に設けられた第一の検出部（検出腕１２ａ，１２ｂ）及び第二の検出部（検出腕１３ａ，１３ｂ）からなる。第一の検出部（検出腕１２ａ，１２ｂ）は支持部１０から互いに逆方向に延びる二本の検出腕１２ａ，１２ｂからなり、第二の検出部（検出腕１３ａ，１３ｂ）は支持部１０から互いに逆方向に延びる二本の検出腕１３ａ，１３ｂからなる。

駆動腕１１ａ，１１ｂは、互いに逆相になるようにｘ方向に屈曲振動する。検出腕１２ａ，１２ｂは、駆動腕１１ａ，１１ｂよって支持部１０を介して付勢されて、互いに逆相になるようにｘ方向に屈曲振動し、ｘ方向の屈曲振動（速度ｖ）及び検出腕１２ａ，１２ｂの回転（角速度Ω）に起因するコリオリ力Ｆｃによって互いに逆相になるようにｚ方向に屈曲振動する。検出腕１３ａ，１３ｂも、検出腕１２ａ，１２ｂと同様にｚ方向に屈曲振動する。

また、圧電センサ１は外枠１５を更に備えている。外枠１５は、支持部１０、駆動腕１１ａ，１１ｂ及び検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを囲むとともに、支持部１０に設けられている。そして、駆動腕１１ａ，１１ｂは、ｘ方向にＸ軸を有する水晶片２１からなる。検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなる。つまり、三次元座標のｘ，ｙ，ｚを、水晶片２１の結晶軸のＸ，Ｙ，Ｚに合せている。

外枠１５の四隅の内側には、それぞれ固定部１６が形成されている。各固定部１６は、それぞれ一つずつ合計四つのビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄを有する。支持部１０の両端はそれぞれ二つに分岐し、各先端がビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄの部分で固定部１６に接合される。外枠１５は、キャビティ１７を介して水晶片２１，２２を囲む。

次に、電極等を書き入れた図２乃至図５を加え、図１乃至図５に基づき圧電センサ１の詳細な構成を説明する。なお、わかりやすくするために、図２では配線を省略し、図３では配線を記入するとともに電極及び配線以外の符号を省略している。

駆動腕１１ａ，１１ｂは、それぞれ棒状かつ直方体状であり、棒状の支持部１０から互いに反対方向に延設されている。駆動腕１１ａ，１１ｂの長さ方向には、それぞれ溝部１４ａ，１４ｂが設けられている。溝部１４ａ，１４ｂは、駆動腕１１ａの表裏面に二本ずつ及び駆動腕１１ｂの表裏面に二本ずつ、支持部１０との境界部分から駆動腕１１ａ，１１ｂの先端に向って、駆動腕１１ａ，１１ｂの長さ方向と平行に所定の長さで設けられる。なお、溝部１４ａ，１４ｂは、表裏面のどちらか一方にのみ設けてもよく、あるいは一本も設けなくてもよい。

駆動腕１１ａには、水晶片２１を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極３１ａが設けられ、表裏面の溝部１４ａの内側に励振電極３１ｂが設けられる。同様に、駆動腕１１ｂには、水晶片２１を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極３１ｂが設けられ、表裏面の溝部１４ｂの内側に励振電極３１ａが設けられる。したがって、駆動腕１１ａにおいては両側面に設けられた励振電極３１ａと溝部１４ａ内に設けられた励振電極３１ｂとが異極同士となり、駆動腕１１ｂにおいては両側面に設けられた励振電極３１ｂと溝部１４ｂ内に設けられた励振電極３１ａとが異極同士となる。励振電極３１ａと励振電極３１ｂとの間には、交流の電圧Ｖinが印加される。

検出腕１２ａ，１２ｂは、それぞれ棒状かつ直方体状であり、棒状の支持部１０から互いに反対方向に延設されている。ただし、検出腕１２ａ，１２ｂは、支持部１０上において、駆動腕１１ａ，１１ｂから離れた位置に設けられている。

検出腕１２ａには、水晶片２２を挟んで対向する平面同士が同極となるように、表裏面に検出電極３１ｃが設けられ、両側面に検出電極３１ｄが設けられる。同様に、検出腕１２ｂには、水晶片２２を挟んで対向する平面同士が同極となるように、表裏面に検出電極３１ｄが設けられ、両側面に検出電極３１ｃが設けられる。したがって、検出腕１２ａにおいては表裏面に設けられた検出電極３１ｃと両側面に設けられた検出電極３１ｄとが異極同士となり、検出腕１２ｂにおいては表裏面に設けられた検出電極３１ｄと両側面に設けられた検出電極３１ｃとが異極同士となる。検出電極３１ｃと検出電極３１ｄとの間からは、交流の電圧Ｖoutが出力される。なお、駆動腕１１ａ，１１ｂと同様に、検出腕１２ａ，１２ｂの両側面に溝部を設け、それらの溝部の内側にそれぞれ検出電極３１ｃ，３１ｄを設けてもよい。

検出腕１３ａ，１３ｂも、検出腕１２ａ，１２ｂと同じ構造かつ同じ大きさである。検出腕１２ａ，１２ｂと検出腕１３ａ，１３ｂとは、支持部１０上において駆動腕１１ａ，１１ｂを中心に対称となる位置に設けられている。

支持部１０は、棒状かつ直方体状である。水晶片２１は、支持部１０と駆動腕１１ａ，１１ｂとが一体となって十字状をなしている。支持部１０の両端から延びた部分には、パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが設けられている。パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは、ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄに対応して設けられ、それぞれビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ内の導体を介して外部端子４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ（図１０）と電気的に接続される。なお、図面では支持部１０の両端が外枠１５から離れているが、支持部１０の両端を確実に固定するために、支持部１０の両端を外枠１５に固定してもよい。

図３に示すように、支持部１０、駆動腕１１ａ，１１ｂ及び検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの表裏面及び両側面において、電極が形成されていない領域には、電極同士を電気的に接続する配線３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが設けられている。配線３３ａはパッド電極３２ａと励振電極３１ａとを接続し、配線３３ｂはパッド電極３２ｂと励振電極３１ｂとを接続し、配線３３ｃはパッド電極３２ｃと検出電極３１ｃとを接続し、配線３３ｄはパッド電極３２ｄと検出電極３１ｄとを接続する。図３では結線関係のみを示すが、実際の配線３３ａ，…は、一定の線幅を有し、各面に接している。

なお、配線３３ａ，…の代わりにボンディングワイヤを用いて、電極同士を接続してもよい。ただし、配線３３ａ，…は電極と同時に形成できるので、配線３３ａ，…を用いた場合は製造工程を簡素化できる。

次に、図１乃至図５に図６を加えて、圧電センサ１の動作について説明する。

駆動腕１１ａ，１１ｂを振動させる場合、パッド電極３２ａ，３２ｂに交流の電圧Ｖinを印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、駆動腕１１ａの表裏の溝部１４ａに設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、駆動腕１１ａの両側面に設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このとき、駆動腕１１ｂの表裏の溝部１４ｂに設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、駆動腕１１ｂの両側面に設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、駆動腕１１ａに生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交流の電圧Ｖinで生じた電界によって、駆動腕１１ａ，１１ｂに伸縮現象が生じることにより、互いに逆相となる屈曲振動モードが得られる。

このとき、駆動腕１１ａ，１１ｂの振動は、支持部１０を介して検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂへ伝わる。この振動に支持部１０及び検出腕１２ａ，…が共振すると、検出腕１２ａ，…も振動する。支持部１０及び検出腕１２ａ，…が共振するか否かは、駆動腕１１ａ，１１ｂの振動周波数、支持部１０及び検出腕１２ａ，…の材質、構造及び寸法、支持部１０に対しての検出腕１２ａ，…の取り付け位置などによって決まる。検出腕１２ａ，…の振動モードには、図６［Ａ１］［Ａ２］に示すように駆動腕１１ａ，１１ｂに対して同相で振動する場合、図６［Ｂ１］［Ｂ２］に示すように駆動腕１１ａ，１１ｂに対して逆相で振動する場合などがある。

ここで、図１に示すように、屈曲振動によって±ｘ方向へ速度ｖで移動する質量ｍの検出腕１２ａ，１２ｂが、原点からｙ軸方向を見てｙ軸を中心に時計回りに角速度Ωで回転したとする。このとき、図６［Ａ１］及び図６［Ｂ２］に示すように、−ｘ方向へ速度ｖで移動する検出腕１２ａは−ｚ方向のコリオリ力Ｆｃ（Ｆｃ＝−２ｍΩ×ｖ）を受け、ｘ方向へ速度ｖで移動する検出腕１２ｂはｚ方向のコリオリ力Ｆｃを受ける。逆に、図６［Ａ２］及び図６［Ｂ１］に示すように、ｘ方向へ速度ｖで移動する検出腕１２ａはｚ方向のコリオリ力Ｆｃを受け、−ｘ方向へ速度ｖで移動する検出腕１２ｂは−ｚ方向のコリオリ力Ｆｃを受ける。したがって、検出腕１２ａ，１２ｂは、±ｚ方向のコリオリ力を受けてｚ方向にも互いに逆相で屈曲振動するとともに、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。なお、このときの検出腕１２ａ，１２ｂの先端は、±ｙ方向から見て楕円を描くようにつまり±ｘ方向かつ±ｚ方向に振動する。また、検出腕１２ａ，１２ｂがｚ方向に互いに逆相で屈曲振動することにより、検出腕１２ａ，１２ｂに加わる同じ±ｚ方向の加速度の影響は検出腕１２ａ，１２ｂ同士で相殺される。

検出腕１３ａ，１３ｂの動作も検出腕１２ａ，１２ｂの動作と同様である。検出腕１３ａ，１３ｂと検出腕１２ａ，１２ｂとは、駆動腕１１ａ，１１ｂを挟んで対称になるように支持部１０設けられているので、バランスよく振動する。

次に、圧電センサ１の効果について説明する。

検出腕１２ａ，…がその分極方向の屈曲振動による電圧を発生することにより大きな信号が得られるとともに、支持部１０に駆動腕１１ａ，１１ｂ及び検出腕１２ａ，…が設けられることにより、結合子を用いて音叉振動子同士を固定する場合に比べて、構成が簡素かつ小型で製造も容易である。

次に、図７乃至図９に基づき、圧電センサ１の製造方法の一例（以下「実施形態１の製造方法」という。）について説明する。

図７は実施形態１の製造方法における第一工程及び第二工程を示す平面図であり、図７［Ａ］は上側ウェハ、図７［Ｂ］は中間ウェハ、図７［Ｃ］は下側ウェハである。図８は、実施形態１の製造方法における第三工程を示す斜視図である。図９は実施形態１の製造方法における第四工程を示し、図９［Ａ］は平面図、図９［Ｂ］は底面図である。なお、圧電センサは、わかりやすくするために全ての図面で一個分のみを示すが、実際には一枚のウェハに多数個が形成され、最終工程で一個ずつに分離される。

本実施形態１の製造方法は、次の第一乃至第四工程を含む。以下の説明における水晶片２１，２２、外枠１５、固定部１６、キャビティ１７及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄは、図１及び図９に記載されている。なお、本実施形態１における中間ウェハ４１及び上側ウェハ４２は、特許請求の範囲における「第一のウェハ」及び「第二のウェハ」の一例に相当する。

第一工程（図７［Ｂ］）；中間ウェハ４１に、水晶片２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５１のパターンを形成する。

第二工程（図７［Ａ］）：上側ウェハ４２に、水晶片２２をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２のパターンを形成する。

第三工程（図８）：耐食膜５１，５５１が形成された中間ウェハ４１と耐食膜５２，５５２が形成された上側ウェハ４２とを、それぞれの厚み方向に貼り合せる。

第四工程（図９）：貼り合わされた中間ウェハ４１及び上側ウェハ４２に対しウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２及び外枠１５を形成する。

本実施形態１では、次の第五工程（図７［Ｃ］）を更に含む。第五工程（図７［Ｃ］）では、下側ウェハ４０に、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５０のパターンを形成する。そして、第三工程（図８）では、中間ウェハ４１の一方の面を上とし他方の面を下としたとき、中間ウェハ４１の上に上側ウェハ４２を貼り合せ、中間ウェハ４１の下に下側ウェハ４０を貼り合せる。第二工程（図７［Ａ］）で形成する耐食膜５５２のパターンには、固定部１６及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄをウェットエッチングで形成するための耐食膜のパターンも含まれる。

耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２は、拡散接合に用いられる接合膜を兼ねている。第三工程では、中間ウェハ４１と上側ウェハ４２とを耐食膜５１，５２，５５１，５５２を介して拡散接合により貼り合せ、中間ウェハ４１と下側ウェハ４０とを耐食膜５５１，５５０を介して拡散接合により貼り合せる。

第一乃至第五工程の順番は、第一、第二及び第五工程→第三工程→第四工程である。ただし、第一、第二及び第五工程は、どのような順番でもよく、同時でもよい。

次に、上記第一乃至第五工程について、更に詳しく説明する。

第一工程（図７［Ｂ］）について説明する。中間ウェハ４１は、Ｚ板と呼ばれる水晶ウェハである。耐食膜５１，５５１のパターンは、中間ウェハ４１の表裏で同じものを形成する。耐食膜５１のパターンと耐食膜５５１のパターンとは、電気的に絶縁するために、分離されている。耐食膜５１のパターンには、図示しないが、溝部１４ａ，１４ｂ（図４）を形成するためのエッチング抑制パターン（例えば特許文献３参照）を形成するためのパターンが含まれている。なお、水晶は、シリコンと酸素で構成される三方晶系の単結晶からなり、成長軸（光軸）をＺ軸とし、これと垂直に稜線を結ぶ三本の軸をＸ軸(電気軸)とし、これと直交する軸をＹ軸(機械軸)として表現される。それらの軸のウェットエッチング中のエッチング速度は、Ｚ＞Ｘ＞Ｙの順となる。

第二工程（図７［Ａ］）について説明する。上側ウェハ４２は、Ｘ板と呼ばれる水晶ウェハである。耐食膜５２、５５２のパターンは上側ウェハ４２の表裏で同じものを形成する。耐食膜５２のパターンと耐食膜５５２のパターンとは、電気的に絶縁するために、分離されている。

第五工程（図７［Ｃ］）について説明する。下側ウェハ４０も、中間ウェハ４１又は上側ウェハ４２と同じ水晶ウェハである。ただし、中間ウェハ４１でのエッチングの進行を表裏で均等にするために、下側ウェハ４０は上側ウェハ４２と同じＸ板を用いることが望ましい。同じ理由により、下側ウェハ４０は上側ウェハ４２よりも厚いＺ板を用いてもよい。なお、下側ウェハ４０は、圧電性が不要であるので、第三工程でエッチングされる材料であればよく、例えばガラス基板などを用いてもよい。耐食膜５５０のパターンは下側ウェハ４０の表裏で同じものを形成する。

第三工程（図８）について説明する。第三工程では、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０の貼り合せに、原子拡散接合法と呼ばれる拡散接合を用いる。この場合、耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２として例えばクロムを下地とした金を用い、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０に対して、所定のアライメントをした後、加熱しながら加圧することにより接合する。その結果、耐食膜５１と耐食膜５２とが接合され、耐食膜５１，５５１と耐食膜５５２とが接合され、耐食膜５５１と耐食膜５５０とが接合される。耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２のうち接合に用いられた部分の多くは、以後露出することが無いので、ウェットエッチングの耐食膜として用いられない。なお、ウェハの貼り合せ方法としては、拡散接合に代えて、接着剤や陽極酸化などの手法を用いることもできる。

第四工程（図９）について説明する。第四工程では、図８に示す上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０からなる積層体に対して、例えばバッファードフッ酸（ＨＦ＋ＮＨ４Ｆ）を用いてウェットエッチングを施す。これにより、耐食膜５１，５２，５５０，５５２で表裏を覆われていない部分の水晶ウェハが抜け落ち、図９に示すように水晶片２１，２２、外枠１５、固定部１６、キャビティ１７及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが形成される。外枠１５は、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０由来の三層構造からなり、素子搭載部材の枠部となる。中間ウェハ４１由来の水晶片２１は、上側ウェハ４２由来の固定部１６のみによって固定される。

また、第三工程（図８）と第四工程（図９）の間で、貼り合わされた上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０のうち、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方を研磨する工程を含めてもよい。更に、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方を消滅するまで研磨し、続いて中間ウェハ４１を研磨するようにしてもよい。この場合、その研磨された面に対して、必要に応じ、第四工程（図９）の前に耐食膜を成膜及びパターニングする。

次に、第四工程（図９）の後の工程について説明する。前述の図２乃至図５は、実施形態１の製造方法によって得られる電極形成後の圧電センサを示す。以下、図９及び図２乃至図５に基づき説明する。

第四工程の後に、露出している耐食膜５１，５２，５５０，５５２（図９）の全部又は一部をエッチングにより除去する。耐食膜の一部除去には、金属膜のパターニングを用いる。金属膜のパターニングとは、例えば、金属膜の全体を電着法やスプレー塗布などによりフォトレジスト膜で覆い、ステッパなどによりフォトレジスト膜を露光し、現像することによりフォトレジスト膜を部分的に残し、残ったフォトレジスト膜をマスクにして金属膜をエッチングにより除去することである。このとき、図９に示す平面及び底面以外の、側面のフォトレジスト膜の露光には、斜め露光などの手法を用いる。

例えば、パッド電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（図２）となる領域の耐食膜５１は、ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄとの導通を得るために残す必要がある。また、金のエッチングには例えばヨウ素とヨウ化カリウムの混合液を用い、クロムのエッチングには例えば硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液を用いる。

続いて、耐食膜５１，５２，５５０，５５２の全部又は一部が除去された水晶片２１，２２、外枠１５、固定部１６及びビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，…の全体に、電極となる金属膜（図示せず）をスパッタリングなどにより成膜する。金属膜は、例えばチタンの上にパラジウム又は金が設けられた二層構造である。その金属膜をパターニングすることにより、電極形成後の圧電センサ１（図２乃至図５）が得られる。

電極形成後の圧電センサ１は、その後の工程でパッケージが組み立てられる。図１０は、実施形態１の製造方法によって得られるパッケージ組立て後の圧電センサを示す斜視図である。以下、この図面に基づき説明する。

この工程では、電極形成後の圧電センサ１に対して、真空中又は不活性ガス雰囲気中で、下側ウェハ４０の下に素子搭載部材の基板部となる基板部ウェハ４３を貼り合せ、上側ウェハ４２の上に蓋部材となる蓋部材ウェハ４４を貼り合せる。これにより、圧電センサ１は、基板部ウェハ４３と蓋部材ウェハ４４とによって挟持され気密化される。

基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４は矩形平板状である。蓋部材ウェハ４４は、その内側にキャビティ用の凹部（図示せず）を有し、その四隅に外部端子４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄを有する。ビア孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄには、例えば銅などからなる埋込み電極（図示せず）が形成される。外部端子４５ａは、ビア孔２５ａの埋込み電極を介して、パッド電極３２ａ（図２）に電気的に接続される。同様に、外部端子４５ｂ，４５ｃ，４５ｄもそれぞれパッド電極３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ（図２）に電気的に接続される。なお、基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４の貼り合せ方法は上側ウェハ４２、中間ウェハ４１及び下側ウェハ４０を貼り合せた方法と異なっていてもよく、基板部ウェハ４３及び蓋部材ウェハ４４の材質もこれらのウェハと同じである必要はない。

最後に、蓋部材ウェハ４４、上側ウェハ４２、中間ウェハ４１、下側ウェハ４０及び基板部ウェハ４３からなる積層体を、ダイシンングなどの手法により一個ずつ分離することで、圧電センサ１が完成する。

次に、本実施形態１の製造方法の作用及び効果について説明する。

（１）水晶ウェハに水晶片及び外枠を形成した後、この水晶ウェハを他のウェハに貼り合せる場合は、強度が弱くなった水晶ウェハを貼り合せのためにハンドリングするので、水晶ウェハの損傷を招くことになる。これに対し、本実施形態１では、その発想を逆転させ、耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２が形成された中間ウェハ４１、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０を貼り合せた後に、これらの貼り合された中間ウェハ４１、上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０にウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２及び外枠１５を形成する。そのため、水晶片２１，２２と外枠１５とが一体的に形成された中間ウェハ４１を、貼り合せのためにハンドリングする必要がなくなり、これにより生産性及び歩留まりを向上できる。

（２）換言すると、水晶片２１や外枠１５が形成されて強度が低下した中間ウェハ４１を貼り合せる工程がない。そのため、水晶片２１，２２が形成される中間ウェハ４１を薄くしても、中間ウェハ４１の割れや反りが問題にならず、十分な強度を確保できる。したがって、水晶片２１，２２の厚みの薄い小型の圧電センサ１を実現できる。

（３）下側ウェハ４０を用いた場合は、中間ウェハ４１を上側ウェハ４２とともに表裏から挟んでエッチングできるので、中間ウェハ４１に形成される水晶片２１のエッチングの進行を表裏で均等化できるとともに、基板部ウェハ４３と水晶片２１との空間を確保できるので、基板部ウェハ４３の形状を平板などに単純化できる。

（４）耐食膜５１，５２，５５０，５５１，５５２が拡散接合に用いられる接合膜を兼ねる場合は、拡散接合に用いた接合膜をそのままウェットエッチングのマスクとして用いることができるので、製造工程を簡素化できる。

（５）貼り合せ後の中間ウェハ４１の強度が十分保たれていることから、貼り合せ後に上側ウェハ４２及び下側ウェハ４０の少なくとも一方、又は更に中間ウェハ４１も研磨することにより、圧電センサ１の厚みを薄くすることが可能である。

次に、図１１乃至図１４に基づき、実施形態２の圧電センサについて説明する。

図１１は、実施形態２の圧電センサを示す斜視図である。図１２及び図１３は、図１１の圧電センサの表面を示す平面図である。図１４は、図１２におけるXIII−XIII線断面図である。ただし、図１２では配線を省略し、図１３では配線を記入するとともに電極及び配線以外の符号を省略している。なお、本実施形態２における水晶片２２１及び水晶片２２２は、それぞれ特許請求の範囲における「第二の水晶片」及び「第三の水晶片」の一例に相当する。

本実施形態２の圧電センサ２は、検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの構造が実施形態１と異なる。検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂはｚ方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層及び第二層を含む。その第一層はｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２１からなり、その第二層は−ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２２からなる。

図１５［Ａ］は実施形態１における検出腕の動作を示す断面図であり、図１５［Ｂ］は実施形態２における検出腕の動作を示す断面図である。以下、この図面に基づき、実施形態１、２における検出腕の動作を説明する。

図１５［Ａ］に示すように、実施形態１における検出腕１２ａはｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなる。そのため、例えばｚ方向の屈曲に対して、水晶片２２の縮む側ではｚ方向に正電荷かつ−ｚ方向に負電荷が生じ、水晶片２２の伸びる側ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じる。したがって、ｚ方向に対向する一対の検出電極３１ｃが正電位となり、ｘ方向に対向する一対の検出電極３１ｄが負電位となるので、検出電極３１ｃ，３１ｄから電圧Ｖoutが取り出せる。ただし、このような分極は微視的な電気双極子が整列することで引き起こされているので、水晶片２２内で電荷が移動することはない。そのため、検出電極３１ｄでは、水晶片２２表面の線状に分布する負電荷しか利用できない。

これに対し、図１５［Ｂ］に示すように、本実施形態２における検出腕１２ａは、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２１と、−ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２２とが、ｚ方向に積層された構造からなる。そのため、例えばｚ方向の屈曲に対して、縮む側である水晶片２２２ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じ、伸びる側である水晶片２２１ではｚ方向に負電荷かつ−ｚ方向に正電荷が生じる。したがって、検出電極３１ｃが負電位となり、検出電極３１ｄが正電位となるので、ｚ方向に互いに対向する検出電極３１ｃ，３１ｄのみから電圧Ｖoutが取り出せる。しかも、検出電極３１ｃでは面状に分布する負電荷を利用でき、検出電極３１ｄでも面状に分布する正電荷を利用できる。

次に、圧電センサ２の効果について説明する。

検出腕１２ａ，…を構成する水晶片２２１，２２２がｚ方向の屈曲振動に対して常に同一方向の電界を発生することにより、ｚ方向に二枚の検出電極３１ｃ，３１ｄを配置するだけで電圧Ｖoutを取り出せるので、配線を簡素化できる。具体的には、本実施形態２では、実施形態１で必要であった、検出腕の両側面の検出電極が不要となる。

また、検出電極３１ｃ，３１ｄでは面状に分布する電荷を利用できるので、圧電センサ２の検出感度及び検出精度を向上できる。なぜなら、圧電センサ２が利用できる電荷量が大きいほど、その検出感度及び検出精度が向上するからである。なお、電圧Ｖoutは入力した電荷量をチャージアンプなどで電圧に変換したものとしてもよい。

次に、図１６及び図７乃至図９に基づき、圧電センサ２の製造方法の一例（以下「実施形態２の製造方法」という。）について説明する。

本実施形態２の製造方法は、図７乃至図９における上側ウェハ４２の代わりに第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２を用いる点のみが実施形態１と異なる。そこで、図７乃至図９を流用して、本実施形態２の製造方法を説明する。図１６は実施形態２の製造方法における第二工程及び第三工程を示す平面図であり、図１６［Ａ１］は第二上側ウェハ、図１６［Ａ２］は第一上側ウェハである。図７は実施形態２の製造方法における第一工程及び第六工程を示す平面図であり、図７［Ｂ］は中間ウェハ、図７［Ｃ］は下側ウェハである。図８は、実施形態２の製造方法における第四工程を示す斜視図である。図９は実施形態２の製造方法における第五工程を示し、図９［Ａ］は平面図、図９［Ｂ］は底面図である。

本実施形態２の製造方法は、次の第一乃至第五工程を含む。以下の説明における水晶片２１，２２１，２２２及び外枠１５は、図１１に記載されている。なお、本実施形態２における中間ウェハ４１、第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２は、それぞれ特許請求の範囲における「第一のウェハ」、「第二のウェハ」及び「第三のウェハ」の一例に相当する。

第一工程（図７［Ｂ］）：中間ウェハ４１に、水晶片２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５１のパターンを形成する。

第二工程（図１６［Ａ２］）：第一上側ウェハ４２１に、水晶片２２１をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２１、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２ａのパターンを形成する。

第三工程（図１６［Ａ１］）：第二上側ウェハ４２２に、水晶片２２２をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５２２、及び、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５２ｂのパターンを形成する。

第四工程（図８）：耐食膜５１，５５１が形成された中間ウェハ４１と耐食膜５２１，５５２ａが形成された第一上側ウェハ４２１とを、耐食膜５２１，５５２ａが形成された第一上側ウェハ４２１と耐食膜５２２，５５２ｂが形成された第二上側ウェハ４２２とを、それぞれの厚み方向に貼り合せる。

第五工程（図９）：貼り合わされた中間ウェハ４１、第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に対しウェットエッチングを施すことにより、水晶片２１，２２１，２２２及び外枠１５を形成する。

本実施形態２では、次の第六工程（図７［Ｃ］）を更に含む。第六工程（図７［Ｃ］）では、下側ウェハ４０に、外枠１５をウェットエッチングにより形成するための耐食膜５５０のパターンを形成する。第二工程（図１６［Ａ１］）及び第三工程（図１６［Ａ２］）で使用する第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２は、どちらもＸ板と呼ばれる水晶ウェハである。だだし、第四工程（図８）では、第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２のＸ軸が互いに逆になるように貼り合せる。

本実施形態２の製造方法は、図７乃至図１０において上側ウェハ４２が第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に置き換わり、水晶片２２が水晶片２２１，２２２に置き換わった点を除き、実施形態１の製造方法と同様である。

本実施形態２の製造方法によれば、実施形態１の製造方法における上側ウェハ４２を第一上側ウェハ４２１及び第二上側ウェハ４２２に置き換えるだけでよいので、実施形態１の製造方法とほぼ同じ工数で圧電センサ２を製造できる。

本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。

次に、図１、図１７及び図１８に基づき、実施形態３の圧電センサについて説明する。

図１７及び図１８は実施形態３の圧電センサの表面を示す平面図である。図１７では配線を省略し、図１８では配線を記入するとともに電極及び配線以外の符号を省略している。また、実施形態３の圧電センサの外観は図１の圧電センサと同様である。

本実施形態３の圧電センサの特徴を、図１に基づき説明する。駆動腕１１ａ，１１ｂは、互いに同相になるようにｘ方向に屈曲振動し、このｘ方向の屈曲振動（速度ｖ）及び駆動腕１１ａ，１１ｂの回転（角速度Ω）に起因するコリオリ力Ｆｃによってｚ方向に屈曲振動する。検出腕１２ａ，１２ｂは、駆動腕１１ａ，１１ｂよって支持部１０を介して付勢されて、互いに同相になるようにｚ方向に屈曲振動する。検出腕１３ａ，１３ｂも、検出腕１２ａ，１２ｂと同様にｚ方向に屈曲振動する。

図１７及び図１８に示すように、本実施形態３の圧電センサ３は、励振電極３１ａ，３１ｂ及び検出電極３１ｃ，３１ｄの配置が、実施形態１の圧電センサと異なる。

本実施形態３における駆動腕１１ａ，１１ｂの断面は、図４に示す実施形態１における駆動腕１１ａと同じである。つまり、駆動腕１１ａ，１１ｂには、それぞれ、水晶片２１を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極３１ａが設けられ、表裏面の溝部１４ａの内側に励振電極３１ｂが設けられる。したがって、駆動腕１１ａ，１１ｂにおいては、それぞれ、両側面に設けられた励振電極３１ａと溝部１４ａ内に設けられた励振電極３１ｂとが異極同士となる。そして、実施形態１と同様に、励振電極３１ａと励振電極３１ｂとの間には、交流の電圧Ｖinが印加される。

本実施形態３における検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの断面は、図５に示す実施形態１における検出腕１２ａと同じである。つまり、検出腕１２ａ，１２ｂには、それぞれ、水晶片２２を挟んで対向する平面同士が同極となるように、表裏面に検出電極３１ｃが設けられ、両側面に検出電極３１ｄが設けられる。したがって、検出腕１２ａ，１２ｂにおいては、それぞれ、表裏面に設けられた検出電極３１ｃと両側面に設けられた検出電極３１ｄとが異極同士となる。検出腕１３ａ，１３ｂも検出腕１２ａ，１２ｂと同じ構成である。そして、実施形態１と同様に、検出電極３１ｃと検出電極３１ｄとの間からは、交流の電圧Ｖoutが出力される。

本実施形態３の製造方法は、電極及び配線形成用のフォトマスクが異なる点を除き、実施形態１の製造方法と同様である。

次に、図１、図１７及び図１８に図１９を加えて、圧電センサ３の動作について説明する。

駆動腕１１ａ，１１ｂを振動させる場合、パッド電極３２ａ，３２ｂに交流の電圧Ｖinを印加する。この電圧Ｖinで生じた電界によって、駆動腕１１ａ，１１ｂに伸縮現象が生じることにより、互いに同相となる屈曲振動モードが得られる。

ここで、図１に示すように、屈曲振動によって±ｘ方向へ速度ｖで移動する質量ｍの駆動腕１１ａ，１１ｂが、原点からｙ軸方向を見てｙ軸を中心に時計回りに角速度Ωで回転したとする。このとき、図１９［Ａ］に示すように、ｘ方向へ速度ｖで移動する駆動腕１１ａ，１１ｂはｚ方向のコリオリ力Ｆｃ（Ｆｃ＝−２ｍΩ×ｖ）を受ける。また、図１９［Ｂ］に示すように、−ｘ方向へ速度ｖで移動する駆動腕１１ａ，１１ｂは−ｚ方向のコリオリ力Ｆｃを受ける。したがって、駆動腕１１ａ，１１ｂは、±ｚ方向のコリオリ力を受けてｚ方向にも互いに同相で屈曲振動する。なお、このときの駆動腕１１ａ，１１ｂの先端は、±ｙ方向から見て楕円を描くようにつまり±ｘ方向かつ±ｚ方向に振動する。

このとき、駆動腕１１ａ，１１ｂの±ｚ方向の振動は、支持部１０へ伝わる。この振動に支持部１０及び検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが共振すると、検出腕１２ａ，…もｚ方向に屈曲振動する。支持部１０及び検出腕１２ａ，…が共振するか否かは、駆動腕１１ａ，１１ｂの振動周波数、支持部１０及び検出腕１２ａ，…の材質、構造及び寸法、支持部１０に対しての検出腕１２ａ，…の取り付け位置などによって決まる。検出腕１２ａ，…は、ｚ方向に屈曲振動するとともに、ｚ方向にＸ軸を有する水晶片２２からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。

本実施形態３のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１、２のそれらと同様である。

次に、図２０に基づき、実施形態１の圧電センサについて補足する。ここでは、駆動腕と検出腕とが同相又は逆相で共振する理由について、詳しく言及する。

図２０［Ａ］に示す圧電センサ１では、支持部１０の両端が固定端１０１，１０５となっており、支持部１０と検出腕１２ａ，１２ｂとが接続点１０２で固定され、支持部１０と駆動腕１１ａ，１１ｂとが接続点１０３で固定され、支持部１０と検出腕１３ａ，１３ｂとが接続点１０４で固定されている。説明を簡潔にするために、支持部１０、駆動腕１１ａ，１１ｂ、検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂについて、それぞれの長さのみを考慮する。駆動腕１１ａ，１１ｂの長さはどちらもＬ１、検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂの長さは全てＬ２とする。固定端１０１から接続点１０２までの長さをＬ０１、接続点１０２から接続点１０３までの長さをＬ０２、接続点１０３から接続点１０４までの長さをＬ０３、接続点１０３から接続点１０４までの長さをＬ０４とする。

ここで、図２０［Ｂ］［Ｃ］に示すように、駆動腕１１ａ，１１ｂが振動して、支持部１０及び検出腕１２ａ，…が共振すると、定常波が発生する。図２０［Ｂ］は駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが同相で共振する場合を示し、図２０［Ｃ］は駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが逆相で共振する場合を示す。図２０［Ｂ］［Ｃ］では、位相が０［ｒａｄ］の時の変位を実線で示し、位相がπ［ｒａｄ］の時の変位を破線で示す。

駆動腕１１ａ，１１ｂが屈曲振動を始めると、駆動腕１１ａ，１１ｂの接続点１０３ではｚ軸を中心に時計回り及び反時計回りに交互かつ一定角度で回転（回動）する振動が発生する。この振動に支持部１０が共振し、検出腕１２ａ，…が最も大きく屈曲振動を始めるには、図示するように、検出腕１２ａ，…の接続点１０２，１０３が支持部１０における定常波の節に位置する必要がある。なぜなら、接続点１０２，１０４が支持部１０における定常波の腹に位置するならば、検出腕１２ａ，…が±ｙ方向に振動するだけであるので、検出腕１２ａ，…には屈曲振動が生じないからである。

駆動腕１１ａ，１１ｂ及び検出腕１２ａ，…の先端は自由端であり、支持部１０の両端は固定端１０１，１０５であるから、図２０［Ｂ］に示すように、駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが同相で共振する場合、次式が成り立つ。ただし、ｍ，ｎ，ｎ１，ｎ２は自然数、λは支持部１０の共振波長、λ１は駆動腕１１ａ，１１ｂの共振波長、λ２は検出腕１２ａ，…の共振波長である。なお、各共振波長は、振動モードや媒質の違いなどによって、必ずしも同じ値にはならない。

Ｌ１＝（ｎ１−１）λ１＋λ１／４
Ｌ２＝（ｎ２−１）λ２＋λ２／４
Ｌ０２＝Ｌ０３＝ｎλ
Ｌ０１＝Ｌ０４＝ｍλ／２

また、図２０［Ｃ］に示すように、駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが逆相で共振する場合、次式が成り立つ。

Ｌ１＝（ｎ１−１）λ１＋λ１／４
Ｌ２＝（ｎ２−１）λ２＋λ２／４
Ｌ０２＝Ｌ０３＝（ｎ−１）λ＋λ／２
Ｌ０１＝Ｌ０４＝ｍλ／２

図示する例では支持部１０の両端が固定端１０１，１０５となっているが、支持部１０の両端を自由端としてもよい。その場合は、支持部１０の両端が支持部１０における定常波の腹となることにより、
Ｌ０１＝Ｌ０４＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４
となる。また、支持部１０の両端の一方（例えばＬ０１側）を固定端とし他方（すなわちＬ０４側）を自由端としてもよい。その場合は、
Ｌ０１＝ｍλ／２
Ｌ０４＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４
となる。

支持部１０の両端の少なくとも一方（例えばＬ０４側）を自由端とした場合は、
Ｌ０４＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４
となることにより、上式にλ／４の項が含まれることから、共振周波数の整数倍（共振波長λの整数分の一）ごとに異なるＬ０４とする必要がある。つまり、Ｌ０４の部分がフィルタとして機能することにより、ただ一つの共振周波数で圧電センサ１を駆動できるので、圧電センサ１の動作を安定化できる。

一方、支持部１０の両端を固定端とした場合は、
Ｌ０１＝Ｌ０４＝ｍλ／２
となることにより、上式にλ／４の項が含まれないことから、共振周波数の整数倍（共振波長λの整数分の一）によらず同じＬ０１，Ｌ０４とすることができる。したがって、複数の共振周波数で圧電センサ１を駆動できるので、共振周波数の選択の幅を拡大できる。

以上の知見から、圧電センサ１について次の構成が導かれる。一対の駆動腕１１ａ，１１ｂは、支持部１０における定常波の節の位置（例えば接続点１０２，１０３，１０４）であれば、どこに設けてもよい。その数も任意である。同様に、一対の検出腕１２ａ，１２ｂは、支持部１０における定常波の節の位置（例えば接続点１０２，１０３，１０４）であれば、どこに設けてもよい。その数も任意である。支持部１０の両端は、両方とも固定端又は自由端としてもよく、一方を固定端及び他方を自由端としてもよい。以上、実施形態１の圧電センサ１について説明したが、実施形態２の圧電センサについても同様である。

次に、図２１に基づき、実施形態３の圧電センサについて補足する。ここでは、駆動腕と検出腕とが同相又は逆相で共振する理由について、詳しく言及する。

図２１［Ａ］に示す圧電センサ３でも、図２０［Ａ］に示す圧電センサ１と同様に、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ０１〜Ｌ０４が定義される。

ここで、前述したように駆動腕１１ａ，１１ｂが±ｚ方向に振動すると、図２１［Ｂ］［Ｃ］に示すように支持部１０及び検出腕１２ａ，…が共振して、定常波が発生する。図２０［Ｂ］は接続点１０３（駆動腕１１ａ，１１ｂ）と接続点１０２，１０４（検出腕１２ａ，…）とが同相で共振する場合を示し、図２１［Ｃ］は接続点１０３（駆動腕１１ａ，１１ｂ）と接続点１０２，１０４（検出腕１２ａ，…）とが逆相で共振する場合を示す。図２１［Ｂ］［Ｃ］では、位相が０［ｒａｄ］の時の変位を実線で示し、位相がπ［ｒａｄ］の時の変位を破線で示す。

駆動腕１１ａ，１１ｂが±ｚ方向に交互に振動し始めると、駆動腕１１ａ，１１ｂの接続点１０３でも±ｚ方向の振動が発生する。この振動に支持部１０が共振し、検出腕１２ａ，…が最も大きく屈曲振動を始めるには、図示するように、検出腕１２ａ，…の接続点１０２，１０３が支持部１０における定常波の腹に位置する必要がある。なぜなら、接続点１０２，１０４が支持部１０における定常波の節に位置するならば、検出腕１２ａ，…は±ｚ方向に振動しないからである。

駆動腕１１ａ，１１ｂ及び検出腕１２ａ，…の先端は自由端であり、支持部１０の両端は固定端１０１，１０５であるから、図２１［Ｂ］に示すように、駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが同相で共振する場合、次式が成り立つ。ただし、ｍ，ｎ，ｎ１，ｎ２は自然数、λは支持部１０の共振波長、λ１は駆動腕１１ａ，１１ｂの共振波長、λ２は検出腕１２ａ，…の共振波長である。なお、各共振波長は、振動モードや媒質の違いなどによって、必ずしも同じ値にはならない。

Ｌ１＝（ｎ１−１）λ１＋λ１／４
Ｌ２＝（ｎ２−１）λ２＋λ２／４
Ｌ０２＝Ｌ０３＝ｎλ
Ｌ０１＝Ｌ０４＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４

また、図２０［Ｃ］に示すように、駆動腕１１ａ，１１ｂと検出腕１２ａ，…とが逆相で共振する場合、次式が成り立つ。

Ｌ１＝（ｎ１−１）λ１＋λ１／４
Ｌ２＝（ｎ２−１）λ２＋λ２／４
Ｌ０２＝Ｌ０３＝（ｎ−１）λ＋λ／２
Ｌ０１＝Ｌ０４＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４

図示する例では支持部１０の両端が固定端１０１，１０５となっているが、支持部１０の両端を自由端としてもよい。その場合は、支持部１０の両端が支持部１０における定常波の腹となることにより、
Ｌ０１＝Ｌ０４＝ｍλ／２
となる。また、支持部１０の両端の一方（例えばＬ０１側）を固定端とし他方（すなわちＬ０４側）を自由端としてもよい。その場合は、
Ｌ０１＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４
Ｌ０４＝ｍλ／２
となる。

支持部１０の両端の少なくとも一方（例えばＬ０１側）を固定端とした場合は、
Ｌ０１＝（ｍ−１）λ／２＋λ／４
となることにより、上式にλ／４の項が含まれることから、共振周波数の整数倍（共振波長λの整数分の一）ごとに異なるＬ０１とする必要がある。つまり、Ｌ０１の部分がフィルタとして機能することにより、ただ一つの共振周波数で圧電センサ３を駆動できるので、圧電センサ３の動作を安定化できる。

一方、支持部１０の両端を自由端とした場合は、
Ｌ０１＝Ｌ０４＝ｍλ／２
となることにより、上式にλ／４の項が含まれないことから、共振周波数の整数倍（共振波長λの整数分の一）によらず同じＬ０１，Ｌ０４とすることができる。したがって、複数の共振周波数で圧電センサ３を駆動できるので、共振周波数の選択の幅を拡大できる。

以上の知見から、圧電センサ３について次の構成が導かれる。一対の駆動腕１１ａ，１１ｂは、支持部１０における定常波の腹の位置であれば、どこに設けてもよい。その数も任意である。同様に、一対の検出腕１２ａ，１２ｂは、支持部１０における定常波の腹の位置であれば、どこに設けてもよい。その数も任意である。支持部１０の両端は、両方とも固定端又は自由端としてもよく、一方を固定端及び他方を自由端としてもよい。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合せたものも含まれる。

例えば、各実施形態における検出電極３１ｃ，３１ｄに駆動用の電圧Ｖinを印加すると、検出腕１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが駆動腕として動作し、駆動腕１１ａ，１１ｂが検出腕として動作することにより、励振電極３１ａ，３１ｂから検出用の電圧Ｖoutを出力する圧電センサとなる。このような圧電センサも本発明に含まれる。

つまり、実施形態１、２において検出電極３１ｃ，３１ｄに電圧Ｖinを印加すると、検出腕１２ａ，１２ｂはｚ方向に互いに逆相で屈曲振動を始める。検出腕１３ａ，１３ｂについても同様である。これに伴い、支持部１０に固定されている駆動腕１１ａ，１１ｂも、ｚ方向に互いに逆相で屈曲振動を始める。このとき、駆動腕１１ａ，１１ｂが図１や図１１に示す角速度Ωで回転すると、±ｘ方向のコリオリ力Ｆｃが駆動腕１１ａ，１１ｂに加わる。したがって、駆動腕１１ａ，１１ｂは、±ｘ方向のコリオリ力を受けてｘ方向に互いに逆相で屈曲振動するとともに、ｘ方向にＸ軸を有する水晶片２１からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。

実施形態３においても、検出電極３１ｃ，３１ｄに電圧Ｖinを印加すると、検出腕１２ａ，１２ｂはｚ方向に互いに同相で屈曲振動を始める。検出腕１３ａ，１３ｂについても同様である。これに伴い、支持部１０に固定されている駆動腕１１ａ，１１ｂも、ｚ方向に互いに同相で屈曲振動を始める。このとき、駆動腕１１ａ，１１ｂが図１や図１１に示す角速度Ωで回転すると、±ｘ方向のコリオリ力Ｆｃが駆動腕１１ａ，１１ｂに加わる。したがって、駆動腕１１ａ，１１ｂは、±ｘ方向のコリオリ力を受けてｘ方向に互いに同相で屈曲振動するとともに、ｘ方向にＸ軸を有する水晶片２１からなるので、圧電効果による電圧Ｖoutを出力する。これにより、電圧Ｖoutの値から角速度Ωの値を求めることができる。

本発明は、水晶やセラミックスなどの圧電材料からなる圧電センサに利用可能である。

１，２，３ 圧電センサ
１０ 支持部
１０１，１０５ 固定端
１０２，１０３，１０４ 接続点
１１ａ，１１ｂ 駆動腕（駆動部）
１２ａ，１２ｂ 検出腕（第一の検出部）
１３ａ，１３ｂ 検出腕（第二の検出部）
１４ａ，１４ｂ 溝部
１５ 外枠
１６ 固定部
１７ キャビティ
２１ 水晶片（第一の水晶片）
２２ 水晶片（第二の水晶片）
２２１ 水晶片（第二の水晶片）
２２２ 水晶片（第三の水晶片）
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ ビア孔
３１ａ，３１ｂ 励振電極
３１ｃ，３１ｄ 検出電極
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ パッド電極
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 配線
４０ 下側ウェハ
４１ 中間ウェハ（第一のウェハ）
４２ 上側ウェハ（第二のウェハ）
４２１ 第一上側ウェハ（第二のウェハ）
４２２ 第二上側ウェハ（第三のウェハ）
４３ 基板部ウェハ
４４ 蓋部材ウェハ
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ 外部端子
５１，５２，５２１，５２２，５５０，５５１，５５２，５５２ａ，５５２ｂ 耐食膜

Claims (6)

1. 支持部と、
   この支持部に設けられ、電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動する駆動部と、
   前記支持部に設けられ、前記第一の方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によって前記第一の方向と垂直かつ分極方向である第二の方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧を発生する検出部と、
   を備え、
   前記支持部は棒状であり、
   前記駆動部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕を有し、
   前記検出部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の検出腕を有し、
   前記駆動部は、前記二本の駆動腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記駆動部によって前記支持部を介して付勢されて前記二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、この第一の方向の屈曲振動及び当該検出部の回転に起因する前記コリオリ力によって当該二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第二の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記第二の方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層及び第二層を含む、
   圧電センサ。
2. 支持部と、
   この支持部に設けられ、電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動する駆動部と、
   前記支持部に設けられ、前記第一の方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によって前記第一の方向と垂直かつ分極方向である第二の方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧を発生する検出部と、
   を備え、
   前記支持部は棒状であり、
   前記駆動部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕を有し、
   前記検出部は、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の検出腕を有し、
   前記駆動部は、前記二本の駆動腕が互いに同相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、この第一の方向の屈曲振動及び当該駆動部の回転に起因する前記コリオリ力によって前記第二の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記駆動部によって前記支持部を介して付勢されて前記二本の検出腕が互いに同相になるように前記第二の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記第二の方向に積層されるとともに互いに逆となる分極方向を有する第一層及び第二層を含む、
   圧電センサ。
3. 前記支持部、前記駆動部及び前記検出部を囲むとともに前記支持部に設けられた外枠を更に備え、
   前記駆動部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、
   前記第一層は、前記第二の方向にＸ軸及び−Ｘ軸のどちらか一方を有する第二の水晶片からなり、
   前記第二層は、前記第二の方向にＸ軸及び−Ｘ軸のどちらか他方を有する第三の水晶片からなる、
   請求項１又は２記載の圧電センサ。
4. 支持部と、
   この支持部に設けられ、電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動する駆動部と、
   前記支持部に設けられ、前記第一の方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によって前記第一の方向と垂直かつ分極方向である第二の方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧を発生する検出部と、
   前記支持部、前記駆動部及び前記検出部を囲むとともに前記支持部に設けられた外枠と、
   を備え、
   前記支持部は棒状であり、
   前記駆動部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕を有し、
   前記検出部は、前記第二の方向にＸ軸を有する第二の水晶片からなり、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の検出腕を有し、
   前記駆動部は、前記二本の駆動腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記駆動部によって前記支持部を介して付勢されて前記二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、この第一の方向の屈曲振動及び当該検出部の回転に起因する前記コリオリ力によって当該二本の検出腕が互いに逆相になるように前記第二の方向に屈曲振動する、
   圧電センサを製造する方法であって、
   第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
   第二のウェハに、前記第二の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
   前記耐食膜が形成された前記第一及び第二のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第三工程と、
   前記貼り合わされた前記第一及び第二のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一及び第二の水晶片及び前記外枠を形成する第四工程と、
   を含む圧電センサの製造方法。
5. 支持部と、
   この支持部に設けられ、電圧によって分極方向である第一の方向に屈曲振動する駆動部と、
   前記支持部に設けられ、前記第一の方向の屈曲振動に関係するコリオリ力によって前記第一の方向と垂直かつ分極方向である第二の方向に屈曲振動し、この屈曲振動によって電圧を発生する検出部と、
   前記支持部、前記駆動部及び前記検出部を囲むとともに前記支持部に設けられた外枠と、
   を備え、
   前記支持部は棒状であり、
   前記駆動部は、前記第一の方向にＸ軸を有する第一の水晶片からなり、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の駆動腕を有し、
   前記検出部は、前記第二の方向にＸ軸を有する第二の水晶片からなり、前記支持部から互いに逆方向に延びる二本の検出腕を有し、
   前記駆動部は、前記二本の駆動腕が互いに同相になるように前記第一の方向に屈曲振動し、この第一の方向の屈曲振動及び当該駆動部の回転に起因する前記コリオリ力によって前記第二の方向に屈曲振動し、
   前記検出部は、前記駆動部によって前記支持部を介して付勢されて前記二本の検出腕が互いに同相になるように前記第二の方向に屈曲振動する、
   圧電センサを製造する方法であって、
   第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
   第二のウェハに、前記第二の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
   前記耐食膜が形成された前記第一及び第二のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第三工程と、
   前記貼り合わされた前記第一及び第二のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一及び第二の水晶片及び前記外枠を形成する第四工程と、
   を含む圧電センサの製造方法。
6. 請求項３記載の圧電センサを製造する方法であって、
   第一のウェハに、前記第一の水晶片と前記外枠とをウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第一工程と、
   第二のウェハに、前記第二の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第二工程と、
   第三のウェハに、前記第三の水晶片と前記外枠とを前記ウェットエッチングにより形成するための耐食膜のパターンを形成する第三工程と、
   前記耐食膜が形成された前記第一、第二及び第三のウェハをそれぞれの厚み方向に貼り合せる第四工程と、
   前記貼り合わされた前記第一、第二及び第三のウェハに対し前記ウェットエッチングを施すことにより、前記第一、第二及び第三の水晶片及び前記外枠を形成する第五工程と、
   を含む圧電センサの製造方法。

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