JP6958533B2 - 振動式センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動式センサ装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示されているように、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、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。この特許文献１に開示された振動式センサ装置は、錘との間に所定圧に調整されたギャップを形成するためのダンピング部材を備えている。錘やバネ部が形成された検出基板は、錘やバネ部の周囲に設けられた固定部がダンピング部材に対して固定されることでダンピング部材と接続されている。特許文献１に開示された振動式センサ装置では、錘とバネ部を除く領域の全体が固定部とされており、固定部の全域がダンピング部材に固定されている。

特開２０１６−４８２２５号公報

しかしながら、錘やバネ部が形成された検出基板がダンピング部材等の基台に対して固定された振動式センサ装置では、検出基板と基台との線膨張係数の違いから、温度変化によって検出基板と基台との接合部に熱応力が発生する。また、何らかの原因によって基台に外力が印加された結果、応力が発生する場合もある。このような熱応力や外力による応力等に起因した歪は、バネ部等の振動子が組み込まれた支持部に伝達し、計測誤差の要因となる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、振動式センサ装置において、熱応力や外力による応力等に起因した歪が支持部に伝達されることを抑止し、本来有する高精度性能を最大限発揮可能とすることを目的とする。

第１の発明は、基台と、上記基台に少なくとも一部が固定されて支持された検出基板とを備える振動式センサ装置であって、上記検出基板が、移動方向が第１方向に設定されると共に上記第１方向にて上記基台から離間して配置された可動部と、上記第１方向と交差する交差面に沿った方向に延びると共に上記第１方向にて上記基台から離間して配置された単数あるいは複数の支持部からなる支持機構と、上記支持機構を介して上記可動部と接続されると共に上記第１方向にて上記基台から離間して配置された中間固定部と、上記基台に固定された実装部と上記中間固定部とを上記交差面に沿った一方向である第２方向にて接続すると共に上記第１方向にて上記基台から離間して配置された接続部と、少なくとも一部が上記支持部に組み込まれた振動子とを有し、上記交差面内で上記第２方向と直交する第３方向における上記接続部の最大寸法は、上記第３方向における上記支持機構の最大寸法よりも小さいという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記接続部の上記第１方向における厚さ寸法は、上記支持部の上記第１方向における厚さ寸法よりも大きいという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記中間固定部の上記第１方向における厚さ寸法が、上記支持部の上記第１方向における厚さ寸法よりも大きいという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記振動子が、上記第１方向と上記第２方向と交差する第３方向に振動するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記可動部、上記支持機構、上記中間固定部、上記接続部及び上記振動子が、シリコン材料を用いて一体形成されているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第５の発明において、上記振動子が、上記支持部が延びる方向に延びるように形成された梁状部材であり、少なくとも一部が上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という構成を採用する。

第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、上記検出基板が、温度を検出する温度検出用振動子を備えるという構成を採用する。

第８の発明は、上記第７の発明において、上記温度検出用振動子が、上記可動部、上記中間固定部及び上記接続部のいずれかに組み込まれているという構成を採用する。

第９の発明は、上記第１〜第８いずれかの発明において、上記基台が、予め規定されたギャップをもって上記可動部、上記中間固定部及び上記接続部に近接配置されたダンピング部材を備えるという構成を採用する。

第１０の発明は、上記第１〜第９いずれかの発明において、上記検出基板が、外部との導通を図るパッドを有し、上記基台が、上記パッドと電気的に接続された電極を有するパッケージを有するという構成を採用する。

第１１の発明は、上記第９の発明において、上記検出基板が、外部との導通を図るパッドを有し、上記基台が、上記パッドと電気的に接続された電極を有するパッケージを有し、上記ダンピング部材が、上記ダンピング部材の他の部位よりも上記検出基板と反対側に突出すると共に上記パッケージに固定された突出部を有するという構成を採用する。

第１２の発明は、上記第１１の発明において、上記ダンピング部材が、上記突出部を囲んで設けられた環状溝部を有するという構成を採用する。

第１３の発明は、上記第１〜第１２いずれかの発明において、上記振動子が、真空封止されているという構成を採用する。

第１４の発明は、上記第１２の発明において、上記振動子が、真空封止されており、上記振動子の封止圧と上記ギャップ内の圧力とが異なる圧力に設定されているという構成を採用する。

第１５の発明は、上記第１〜第１４いずれかの発明において、少なくとも１つの上記支持部には、上記第２方向に交差する方向に配列された複数の上記振動子の一部が組み込まれているという構成を採用する。

第１６の発明は、上記第１〜第１５いずれかの発明において、上記中間固定部が、上記交差面内において上記可動部の周囲を取り囲むように形成されているという構成を採用する。

第１７の発明は、上記第１〜第１６いずれかの発明において、上記実装部が、上記交差面内において上記中間固定部の周囲を取り囲むように形成され、上記実装部と接合され、上記可動部、上記支持機構、上記中間固定部、上記接続部及び上記振動子を封止する封止部を備えるという構成を採用する。

第１８の発明は、上記第１〜第１５いずれかの発明において、上記可動部が、上記交差面内において上記中間固定部の周囲を取り囲むように形成されているという構成を採用する。

第１９の発明は、上記第１〜第１８いずれかの発明において、上記振動子が組み込まれた支持部が、両端が上記可動部及び上記中間固定部にそれぞれ貼り合わされているという構成を採用する。

第２０の発明は、上記第１〜第１９いずれかの発明において、上記振動子が、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おり、上記第２方向に引っ張り応力が付与されているという構成を採用する。

本発明によれば、接続部、中間固定部、支持機構及び可動部が基台に対して離間した状態で配置され、接続部の実装部への接続方向（第２方向）と直交する第３方向での最大寸法が、支持機構の同方向における最大寸法よりも狭い。このため、振動式センサ装置において、熱応力や外力による応力等に起因した歪が支持部に伝達されることを抑止し、本来有する高精度性能を最大限発揮させることが可能となる。

本発明の第１実施形態による振動式センサ装置を示す図である。 図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面矢視図である。 図２中のＤ−Ｄ線に沿う断面矢視図である。 図３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５中のＦ−Ｆ線に沿う断面矢視図である。 図６中のＧ−Ｇ線に沿う断面矢視図である。 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２実施形態による振動式センサ装置の変形例を示す平面図である。 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の変形例を示す図である。 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。

以下、図面を参照して、本発明に係る振動式センサ装置の一実施形態について説明する。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の各実施形態の詳細について説明する。また、本発明の実施形態による振動式センサ装置は、躍度、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。

（概要）
本発明の実施形態では、接続部、中間固定部、支持機構及び可動部が基台に対して離間した状態で配置され、これらの部位のうち接続部のみが、基台に固定された実装部と直接的に接続されている。このため、熱応力や外力による応力等に起因した歪は、接続部を通じてのみ支持機構へ入力される。さらに、接続部の実装部への接続方向（第２方向）と直交する第３方向での最大寸法が、支持機構の同方向における最大寸法よりも狭いため、支持機構によって実装部と可動部とが直接接続される場合と比較して、歪の伝達経路の幅を小さくすることが可能となる。このため、熱応力や外力による応力等に起因した歪が、振動子が組み込まれた支持部に伝達されることを抑止することができる。

尚、例えば実装部と可動部とを支持部で直接接続している場合には、支持部の幅寸法（第３方向における寸法）を小さくする程に熱応力や外力による応力等に起因した歪が、支持部に伝達されることを抑止することができる。しかしながら、支持部の幅寸法が小さくなるほど、支持部の剛性が低下し、可動部の感度軸方向以外の移動を抑止できなくなり、可動部が感度軸方向と交差する交差面内において首振り運動をすることになる。このような交差面内における可動部の首振り運動は、計測誤差の要因となる。これに対して、本発明の実施形態によれば、接続部の実装部への接続方向（第２方向）と直交する第３方向での最大寸法が支持機構の同方向における最大寸法よりも狭い、すなわち支持機構の第３方向の最大寸法が接続部の同方向における最大寸法よりも広い。このため、支持機構の第３方向の最大寸法が接続部の同方向の最大寸法以下である場合と比較して、可動部の第３方向及び第２方向への移動、すなわち可動部の交差面内における移動を抑止することができる。つまり、本発明の実施形態によれば、可動部の移動を第１方向のみに許容し、第１方向と交差する交差面内での可動部の首振り運動を抑止することができる。したがって、本発明の実施形態によれば、加速度等に対する感度軸となる第１方向のみに可動部を移動可能とし、可動部の首振り運動による計測誤差が生じることを防止でき、振動子の計測性能を最大限に発揮させることができる。

よって、本発明の実施形態によれば、振動式センサ装置において、熱応力や外力による応力等に起因した歪が支持部に伝達されることを抑止し、本来有する高精度性能を最大限発揮させることが可能となる。

（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を示す図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＡ−Ａ線に沿う断面矢視図である。本実施形態の振動式センサ装置１は、振動式センサ装置１に作用する加速度を測定する装置であり、これらの図に示す通り、加速度検出基板１０（検出基板）とダンピング部材２０とパッケージ３０とを備えている。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、シリコン材料によって形成されたシリコン基板からなり、錘１１（可動部）、支持機構１２、中間固定部１３、接続部１４、実装フレーム１５（実装部）、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（パッド）が形成されている。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）に比例する歪が支持機構１２を構成するバネ部１２ａに生じ、このバネ部１２ａ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、シリコン材料からなる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１２ａによって中間固定部１３に接続される一方で、残りの端部は隙間Ｇ１をもって実装フレーム１５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。つまり、錘１１は、移動方向がＺ方向に設定されている。

支持機構１２は、本実施形態において単数のバネ部１２ａ（支持部）からなる。バネ部１２ａは、錘１１の一端部と中間固定部１３の一端部（図１に示す例では、＋Ｘ方向の端部）とに接続されている。このバネ部１２ａは、錘１１をダンピング部材２０に対してＺ方向に離間した状態で支持し、錘１１を中間固定部１３に対してＺ方向に相対的に移動可能としている。また、バネ部１２ａは、錘１１、中間固定部１３、接続部１４及び実装フレーム１５よりも厚さ寸法（Ｚ方向の寸法）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。つまり、バネ部１２ａは、Ｚ方向と交差する交差面であるＸＹ面に沿った方向の一方向であるＸ方向に延びるように形成されている。中間固定部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１２ａには歪が生ずる。尚、バネ部１２ａは、シリコン基板を加工して錘１１、中間固定部１３、接続部１４及び実装フレーム１５と一体形成されている。

中間固定部１３は、バネ部１２ａの一端部と接続部１４の一端部（図１に示す例では、＋Ｘ方向の端部）とに接続されて、バネ部１２ａをダンピング部材２０に対してＺ方向に離間した状態で支持する。つまり、中間固定部１３は、支持機構１２を介して錘１１と接続されている。また、中間固定部１３は、接続部１４によって支持されることで、ダンピング部材２０に対してＺ方向に離間して配置されている。この中間固定部１３は、錘１１、接続部１４及び実装フレーム１５と同一の厚さ寸法（Ｚ方向の寸法）とされており、バネ部１２ａの厚さ寸法よりも厚さ寸法が大きい。尚、中間固定部１３は、シリコン基板を加工して形成されている。

また、中間固定部１３の幅寸法（Ｙ方向の寸法）は、錘１１と同一とされており、バネ部１２ａの幅寸法（Ｙ方向の寸法）よりも大きい。中間固定部１３の幅寸法をバネ部１２ａの幅寸法（Ｙ方向の寸法）よりも大きくすることによって、中間固定部１３の幅寸法がバネ部１２ａの幅寸法と同一である場合と比較して中間固定部１３の剛性を高め、ＸＹ面内において中間固定部１３が撓むことを抑止できる。したがって、錘１１がＸＹ面内において移動することを抑止できる。

接続部１４は、中間固定部１３の一端部と実装フレーム１５とに接続されて、中間固定部１３をダンピング部材２０に対してＺ方向に離間した状態で支持する。この接続部１４は、ダンピング部材２０に固定された実装フレーム１５と中間固定部１３とをＸ方向に接続している。また、接続部１４は、実装フレーム１５に支持されることで、ダンピング部材２０に対してＺ方向に離間して配置されている。この接続部１４は、錘１１、中間固定部１３及び実装フレーム１５と同一の厚さ寸法（Ｚ方向の寸法）とされており、バネ部１２ａの厚さ寸法よりも厚さ寸法が大きい。このため、接続部１４の厚さ寸法が小さい場合と比較して接続部１４の剛性を高め、接続部１４を起点とした錘１１のＸＹ面内での首振り運動を抑制することができ、計測誤差をさらに抑制することが可能となる。尚、接続部１４は、シリコン基板を加工して形成されている。

また、接続部１４のＹ方向の寸法である幅寸法（最大寸法ｄ１）は、バネ部１２ａの幅寸法よりも小さい。本実施形態では、支持機構１２は単数のバネ部１２ａからなるため、支持機構１２の幅寸法（最大寸法ｄ２）はバネ部１２ａの幅寸法に等しい。つまり、本実施形態の振動式センサ装置１では、接続部１４の最大寸法ｄ１は、支持機構１２の最大寸法ｄ２よりも小さい。

尚、後述の実施形態で説明するように支持機構１２が複数のバネ部からなる場合も考えられる。この場合の支持機構１２の幅寸法は、支持機構１２を構成する全ての部位を含めた状態で、支持機構１２の＋Ｙ方向における最も端の位置から、支持機構１２の−Ｙ方向における最も端の位置までの離間距離（最大寸法）となる。このとき、接続部１４のＹ方向における最大寸法は、支持機構１２のＹ方向における最大寸法よりも小さい。後により詳細に説明するが、このように接続部１４のＹ方向における最大寸法を支持機構１２のＹ方向における最大寸法よりも小さくすることで、熱応力や外力による応力等に起因した歪が支持機構１２（バネ部１２ａ）に伝達されることを抑止することができる。

実装フレーム１５は、直接的あるいは間接的に錘１１、支持機構１２（バネ部１２ａ）、中間固定部１３及び接続部１４を支持する部材であり、シリコン基板を加工してＸＹ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。図１（ｂ）に示す通り、加速度検出基板１０において実装フレーム１５は、唯一、ダンピング部材２０に対して直接的に固定されている。つまり、加速度検出基板１０は、実装フレーム１５を除いた部位（錘１１、支持機構１２、中間固定部１３及び接続部１４）との間にギャップＧが形成されるように、実装フレーム１５のみでダンピング部材２０と当接されている。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１２ａ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１２ａ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１２ａ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や中間固定部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、例えば予め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ことができる。

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１２ａの共振周波数（高次モード含む）とが一致したとしても、加速度の計測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１２ａ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１２ａに吸収されることを防止し、これにより加速度の計測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１２ａ、中間固定部１３、接続部１４及び実装フレーム１５と一体形成されている。このように、錘１１、バネ部１２ａ、中間固定部１３、接続部１４及び実装フレーム１５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、実装フレーム１５に組み込まれている。尚、温度検出用振動子Ｒ２は、実装フレーム１５に限らず、錘１１、支持機構１２、中間固定部１３あるいは接続部１４に配置することも可能である。温度検出用振動子Ｒ２を錘１１、中間固定部１３あるいは接続部１４に配置することによって、熱応力や外力による応力等に起因した歪の影響を受けにくくすることができる。さらに、温度検出用振動子Ｒ２を中間固定部１３あるいは接続部１４に配置した場合には、加速度の影響も受けにくくすることができる。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。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に対応して実装フレーム１５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に対応して実装フレーム１５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。

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。尚、シールドは必ずしも設けられる必要はなく、この場合にはアルミパッドＰＤ０も設けられない。

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側において実装フレーム１５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の実装フレーム１５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。

パッケージ３０は、加速度検出基板１０及びダンピング部材２０を保護する部材であり、底部３１及び周壁３２によって囲まれた収容部３３に加速度検出基板１０及びダンピング部材２０を収容している。このパッケージ３０は、接着層Ｓを介して底部３１がダンピング部材２０に対して−Ｚ側から接合されている。このようなパッケージ３０は、例えば酸化アルミニウム等のセラミックスや、コバール等の金属によって形成されている。また、接着層Ｓの形成材料としては、導電性あるいは絶縁性の接着剤、低融点ガラス、または半田等を用いることができる。

また、パッケージ３０は、加速度検出基板１０のアルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２とワイヤＷを介して電気的に接続された電極Ｄ０〜Ｄ２を備えている。これらの電極Ｄ０〜Ｄ２は、周壁３２の＋Ｚ側の端面に設けられている。電極Ｄ０はアルミパッドＰＤ０と接続され、電極Ｄ１はアルミパッドＰＤ１と接続され、電極Ｄ２はアルミパッドＰＤ２と接続されている。また、パッケージ３０は、これらの電極Ｄ０〜Ｄ２と導通されると共に外部機器と接続するための不図示の端子部を複数備えている。

このパッケージ３０は、ダンピング部材２０と共に加速度検出基板１０を支持する基台として機能する。つまり、本実施形態においては、ダンピング部材２０及びパッケージ３０を含んで基台が構成され、加速度検出基板１０の一部が基台に固定されることで加速度検出基板１０が支持されている。尚、ダンピング部材２０あるいはパッケージ３０を備えない構成を採用することも可能である。例えば、ダンピング部材２０を備えない場合にはパッケージ３０のみが基台として機能し、パッケージ３０を備えない場合にはダンピング部材２０のみが基台として機能する。

〈加速度検出用振動子〉
図２〜４は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置１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２は、図１（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面矢視図であり、図３は、図２中のＤ−Ｄ線に沿う断面矢視図であり、図４は、図３中のＥ−Ｅ線に沿う断面矢視図である。

図２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４１上に、下部絶縁膜４２、電極４３（入力電極４３ａ及び出力電極４３ｂ）、上部絶縁膜４４、及びシェル４５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１２ａと実装フレーム１５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４１、入力電極４３ａ、出力電極４３ｂ、及びシェル４５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４１は、例えばシリコン基板である。下部絶縁膜４２及び上部絶縁膜４４は、例えばシリコン酸化膜であり、入力電極４３ａ及び出力電極４３ｂを電気的に絶縁するために形成される。シェル４５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４３ａ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４３ｂ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４３ａ及び出力電極４３ｂ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３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４に示す通り、下部絶縁膜４２及び上部絶縁膜４４を介して基板４１及びシェル４５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１２ａ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１２ａ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５〜７は、本発明の第１実施形態による振動式センサ装置１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５は、図１（ａ）中のＣ−Ｃ線に沿う断面矢視図であり、図６は、図５中のＦ−Ｆ線に沿う断面矢視図であり、図７は、図６中のＧ−Ｇ線に沿う断面矢視図である。

図５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４３（入力電極４３ａ及び出力電極４３ｂ）に代えて電極４６（入力電極４６ａ及び出力電極４６ｂ）が設けられており、基板４１上に、下部絶縁膜４２、電極４６（入力電極４６ａ及び出力電極４６ｂ）、上部絶縁膜４４、及びシェル４５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４１、入力電極４６ａ、出力電極４６ｂ、及びシェル４５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４６ａ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４６ｂ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４６ａ及び出力電極４６ｂは、入力電極４３ａ及び出力電極４３ｂ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６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７に示す通り、下部絶縁膜４２及び上部絶縁膜４４を介して基板４１及びシェル４５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。尚、本実施形態では温度検出用振動子Ｒ２の一端ｅ２１のみが固定された片持ち梁の状態としているが、温度検出用振動子Ｒ２の両端を固定することも可能である。例えば、中間固定部１３あるいは錘１１に温度検出用振動子Ｒ２を組み込む場合には、温度検出用振動子Ｒ２に振動式センサ装置１に作用する加速度や実装により発生する歪の影響を低減することが可能である。このため、例えば中間固定部１３あるいは錘１１に温度検出用振動子Ｒ２を組み込む場合には、温度検出用振動子Ｒ２の両端を固定した両持ち梁の状態としても良い。

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４６ｂ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、中間固定部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１２ａには、錘１１と中間固定部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１２ａ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、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１２ａは錘１１の変位によって−Ｚ方向に撓み、バネ部１２ａ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、錘１１を＋Ｚ方向に相対的に変位させる加速度（負の入力加速度）が振動式センサ装置１に作用すると、バネ部１２ａは錘１１の変位によって＋Ｚ方向に撓み、バネ部１２ａ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。

以上説明した本実施形態の振動式センサ装置１では、接続部１４、中間固定部１３、支持機構１２及び錘１１がダンピング部材２０に対して離間した状態で配置され、これらの部位のうち接続部１４のみが、ダンピング部材２０に固定された実装フレーム１５と直接的に接続されている。このため、熱応力や外力による応力等に起因した歪は、接続部１４を通じてのみ支持機構１２へ入力される。

具体的に、本実施形態の振動式センサ装置１が所定の基準温度と異なる温度に晒された場合には、加速度検出基板１０とダンピング部材２０との線膨張係数の違いに起因して実装フレーム１５とダンピング部材２０と境界部分に熱応力が発生する。また、同様に、ダンピング部材２０とパッケージ３０との境界部分にも熱応力が発生する。また、同様に、アルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２と実装フレーム１５との境界部分にも熱応力が発生する。これらの熱応力に起因して加速度検出基板１０の実装フレーム１５、ダンピング部材２０及びパッケージ３０に歪が生じる。また、アルミパッドＰＤ０〜ＰＤ２が熱応力によって塑性変形することで熱応力が緩和された場合にも、加速度検出基板１０の実装フレーム１５に歪が生じる。さらに、パッケージ３０に対して外力が印加された場合にもこの外力による応力が発生し、さらにはこの応力によって実装フレーム１５やダンピング部材２０に歪が生じる。このような歪は、接続部１４、中間固定部１３、支持機構１２及び錘１１がダンピング部材２０に対して離間した状態で配置されていることから、Ｚ方向から支持機構１２に入力されることはなく、Ｘ方向から接続部１４を通じてのみ支持機構１２に入力される。

ここで、本実施形態の振動式センサ装置１においては、接続部１４の実装フレーム１５への接続方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向での最大寸法ｄ１が、支持機構１２の同方向における最大寸法ｄ２よりも狭い。このため、支持機構１２によって実装部と錘１１とが直接接続される場合と比較して、歪の伝達経路の幅が小さくなっている。したがって、熱応力や外力による応力等に起因した歪が、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれたバネ部１２ａに伝達されることを抑止することができる。

尚、例えば実装部と錘１１とをバネ部１２ａで直接接続している場合には、バネ部１２ａの幅寸法（Ｙ方向における寸法）を小さくする程に熱応力や外力による応力等に起因した歪が、バネ部１２ａに伝達されることを抑止することができる。しかしながら、バネ部１２ａの幅寸法が小さくなるほど、バネ部１２ａの剛性が低下し、錘１１の感度軸方向（Ｚ方向）以外の移動を抑止できなくなり、錘１１が感度軸方向と交差する交差面（ＸＹ面）内において首振り運動をすることになる。このような交差面内における錘１１の首振り運動は、計測誤差の要因となる。

これに対して、本実施形態の振動式センサ装置１においては、接続部１４の実装フレーム１５への接続方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向での最大寸法ｄ１が支持機構１２の同方向における最大寸法ｄ２よりも狭い、すなわち支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ２が接続部１４の同方向における最大寸法ｄ１よりも広い。このため、支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ２が接続部１４の同方向の最大寸法ｄ１以下である場合と比較して、錘１１のＹ方向及びＸ方向への移動、すなわち錘１１の交差面内における移動を抑止することができる。つまり、本実施形態の振動式センサ装置１によれば、錘１１の移動をＺ方向のみに許容し、Ｚ方向と交差する交差面内での錘１１の首振り運動を抑止することができる。したがって、本実施形態の振動式センサ装置１によれば、加速度に対する感度軸となるＺ方向のみに錘１１を移動可能とし、錘１１の首振り運動による計測誤差が生じることを防止でき、加速度検出用振動子Ｒ１の計測性能を最大限に発揮させることができる。

（第２実施形態）
図８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）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＨ−Ｈ線に沿う断面矢視図である。尚、図８においては、図１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８では上記第１実施形態におけるパッケージ３０を省略して図示している。図８に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置２は、上記第１実施形態の支持機構１２が、バネ部１２ａの他に、第１吊部１２ｂ（支持部）と第２吊部１２ｃ（支持部）とを有している。つまり、本実施形態では、支持機構１２が、バネ部１２ａと、第１吊部１２ｂと、第２吊部１２ｃとを備えて構成されている。

第１吊部１２ｂは、Ｘ方向に延びて一端部（＋Ｘ方向の端部）が錘１１に接続され、残りの端部（−Ｘ方向の端部）が中間固定部１３に接続されており、バネ部１２ａに対して＋Ｙ方向に離間して配置されている。第２吊部１２ｃは、Ｘ方向に延びて一端部（＋Ｘ方向の端部）が錘１１に接続され、残りの端部（−Ｘ方向の端部）が中間固定部１３に接続されており、バネ部１２ａに対して−Ｙ方向に離間して配置されている。これらの第１吊部１２ｂ及び第２吊部１２ｃは、厚さ寸法（Ｚ方向の寸法）がバネ部１２ａと同一とされており、ダンピング部材２０からＺ方向にて離間して配置されている。また、第１吊部１２ｂ及び第２吊部１２ｃは、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれないため、Ｙ方向の幅寸法がバネ部１２ａよりも小さくされている。

このような支持機構１２では、Ｙ方向において、第１吊部１２ｂが最も＋Ｙ側に配置されており、第２吊部１２ｃが最も−Ｙ側に配置されている。このため、支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ３は、図８（ａ）に示す通り、第１吊部１２ｂの＋Ｙ側の端部から第２吊部１２ｃの−Ｙ側の端部までの離間寸法となる。この支持機構１２のＹ方向（接続部１４の実装フレーム１５への接続方向と直交する方向）における最大寸法ｄ３は、接続部１４のＹ方向における最大寸法ｄ１よりも広い。このため、支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ３が接続部１４の同方向の最大寸法ｄ１以下である場合と比較して、錘１１のＹ方向及びＸ方向への移動、すなわち錘１１のＺ方向と交差する交差面内における移動を抑止することができる。つまり、本実施形態の振動式センサ装置２によれば、振動式センサ装置１と同様に、錘１１の移動をＺ方向のみに許容し、Ｚ方向と交差する交差面内での錘１１の首振り運動を抑止することができる。したがって、本実施形態の振動式センサ装置１によれば、加速度に対する感度軸となるＺ方向のみに錘１１を移動可能とし、錘１１の首振り運動による計測誤差が生じることを防止でき、加速度検出用振動子Ｒ１の計測性能を最大限に発揮させることができる。

尚、本実施形態の振動式センサ装置２においても上記第１実施形態の振動式センサ装置１と同様に、接続部１４、中間固定部１３、支持機構１２及び錘１１がダンピング部材２０に対して離間した状態で配置され、これらの部位のうち接続部１４のみが、ダンピング部材２０に固定された実装フレーム１５と直接的に接続されている。このため、熱応力や外力による応力等に起因した歪は、接続部１４を通じてのみ支持機構１２へ入力される。また、接続部１４の実装フレーム１５への接続方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向での最大寸法ｄ１が、支持機構１２の同方向における最大寸法ｄ３よりも狭いため、熱応力や外力による応力等に起因した歪が、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれたバネ部１２ａに伝達されることを抑止することができる。

さらに、本実施形態の振動式センサ装置２においては、図８（ａ）に示す通り、錘１１が、バネ部１２ａと第１吊部１２ｂとの間に収容される第１突出部１１ａと、バネ部１２ａと第２吊部１２ｃとの間に収容される第２突出部１１ｂとを有している。第１突出部１１ａは、バネ部１２ａ、第１吊部１２ｂ及び中間固定部１３に対して隙間Ｇ３を有して配置されている。また、第２突出部１１ｂは、バネ部１２ａ、第２吊部１２ｃ及び中間固定部１３に対して隙間Ｇ４を有して配置されている。錘１１は、これらの隙間Ｇ３及び隙間Ｇ４を有して配置されることによって、Ｚ方向に移動可能とされている。

このように第１突出部１１ａ及び第２突出部１１ｂを設けることによって、第１突出部１１ａ及び第２突出部１１ｂを設けない場合と比較して、錘１１の質量を増大させることができる。このため、錘１１の慣性質量が増し、振動式センサ装置２にＺ方向に加速度が作用した場合のバネ部１２ａの撓み量を大きくすることができる。

尚、図８（ａ）に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置２におけるアルミパッドＰＤ１、ＰＤ２及び温度検出用振動子Ｒ２の配置位置は、実装フレーム１５上であるものの第１実施形態の振動式センサ装置１と変更されている。このように、アルミパッドＰＤ１、ＰＤ２及び温度検出用振動子Ｒ２の配置位置は、任意に変更可能である。また、本実施形態の振動式センサ装置２は、アルミパッドＰＤ０を備えていない。このように、シールドを備えずにアルミパッドＰＤ０を省略する構成を採用することも可能である。

図９は、本第２実施形態の振動式センサ装置２の変形例を示す平面図である。この図に示す通り、温度検出用振動子Ｒ２の配置位置を中間固定部１３に変更することも可能である。中間固定部１３は、接続部１４を介して実装フレーム１５に接続され、さらにダンピング部材２０からＺ方向にて離間して配置されているため、熱応力や外力による応力等に起因した歪の影響を受けにくい。さらに、中間固定部１３は、錘１１と比較して加速度の影響も受けにくい。このため、温度検出用振動子Ｒ２の配置位置を中間固定部１３に変更することで、温度検出用振動子Ｒ２への加速度の影響を抑えつつ、温度検出用振動子Ｒ２への熱応力や外力による応力等に起因した歪の影響を低減することが可能となる。

（第３実施形態）
図１０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図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿う断面矢視図である。尚、図８においては、図８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１０では上記第１実施形態におけるパッケージ３０を省略して図示している。図１０に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置３は、図８に示す振動式センサ装置２に被覆部材５０（封止部）を設けて、錘１１、支持機構１２、及び加速度検出用振動子Ｒ１等を封止したものである。

被覆部材５０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側において実装フレーム１５に接合されている。この被覆部材５０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１２ａが接触しないように、底面がエッチングされている。

また、被覆部材５０には、スルーホール５１が形成されている。スルーホール５１は、アルミパッドＰＤ１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、被覆部材５０の表面側から裏面側に至るように形成されている。尚、スルーホール５１の内壁にアルミパッドＰＤ１に接続された金属層を設け、さらに被覆部材５０の表面側に金属層に繋がる外部電極を形成するようにしても良い。

この被覆部材５０は、錘１１のダンピング部材２０と反対側にギャップＧ５を形成している。このギャップＧ５は、隙間Ｇ１等を通じてギャップＧと連通されている。また、被覆部材５０は、ギャップＧ５を封止しており、結果としてギャップＧ５に連通されたギャップＧも封止している。被覆部材５０がギャップＧ５をもって錘１１に近接配置されることで、ギャップＧ５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。したがって、本実施形態の振動式センサ装置３においては、錘１１のＺ方向の両側に対してダンパとして作用する空間が形成されており、錘１１の減衰効果をより高めることが可能となる。

また、本実施形態の振動式センサ装置３では、ギャップＧ及びギャップＧ５が封止されているため、ギャップＧ及びギャップＧ５内の気体の圧力を容易に調整することができ、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。

図１１は、本発明の第３実施形態による振動式センサ装置の変形例を示す図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＪ−Ｊ線に沿う断面矢視図である。図１１（ｂ）に示す通り、ギャップＧ５をスルーホール５１に連通させる構成を採用することも可能である。このような場合には、ギャップＧ及びギャップＧ５は封止されずに、例えば大気圧とされる。また、ギャップＧ５をスルーホール５１に連通させる場合には、被覆部材５０は、錘１１、支持機構１２、及び加速度検出用振動子Ｒ１等を覆い、錘１１、支持機構１２、及び加速度検出用振動子Ｒ１等を外部の異物から保護する保護部材として機能する。尚、ギャップＧ５をスルーホール５１に連通させた場合であっても、被覆部材５０がギャップＧ５をもって錘１１に近接配置されることで、ギャップＧ５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。

尚、図１０及び図１１に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置３は、温度検出用振動子Ｒ２を備えていない。このように、温度検出用振動子Ｒ２を備えない構成を採用するとも可能である。この場合には、合わせてアルミパッドＰＤ２も省略されることになる。

（第４実施形態）
図１２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図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＫ−Ｋ線に沿う断面矢視図である。尚、図１２においても、図１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１２でも上記第１実施形態におけるパッケージ３０を省略して図示している。図１２（ａ）に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置４は、支持機構１２がバネ部１２ａの他、第２バネ部１２ｄ（支持部）、第３バネ部１２ｅ（支持部）及び第４バネ部１２ｆ（支持部）を備えている。また、本実施形態の振動式センサ装置４では、中間固定部１３は、ＸＹ面にて錘１１を外側から囲うように配置された四角環状とされている。

バネ部１２ａと第２バネ部１２ｄとは、Ｙ方向に並べて設けられており、錘１１と中間固定部１３とを接続している。第２バネ部１２ｄには、第２加速度検出用振動子Ｒ３（振動子）が設けられている。尚、第２加速度検出用振動子Ｒ３の構造は、加速度検出用振動子Ｒ１と同様であることから説明を省略する。また、第３バネ部１２ｅと第４バネ部１２ｆとは、Ｘ方向に並べて設けられており、錘１１と中間固定部１３とを接続している。

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方向に延びる中間固定部１３の一部とに接続されている。これに対し、第２バネ部１２ｄ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方向に延びる中間固定部１３の一部とに接続されている。

また、第３バネ部１２ｅ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方向に延びる中間固定部１３の一部とに接続されている。これに対し、第４バネ部１２ｆ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方向に延びる中間固定部１３の一部とに接続されている。

上記の第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆ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。このように、本実施形態では、錘１１の四つの角がバネ部１２ａ、第２バネ部１２ｄ、第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆによってそれぞれ支持されることによって、錘１１が中間固定部１３に対してＺ方向に相対的に移動可能にされている。

第２バネ部１２ｄ、第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆは、バネ部１２ａとＺ方向における厚さ寸法が同一とされ、ダンピング部材２０からＺ方向にて離間して配置されている。

第２加速度検出用振動子Ｒ３は、第２バネ部１２ｄと錘１１との接続部付近に組み込まれている。尚、第２加速度検出用振動子Ｒ３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ＰＤ３が設けられている。

このような本実施形態の振動式センサ装置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、第２バネ部１２ｄ、第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆの全てが＋Ｚ方向に撓む。これにより、バネ部１２ａと中間固定部１３との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１には圧縮歪が加わる一方で、第２バネ部１２ｄと錘１１との接続部付近に組み込まれた第２加速度検出用振動子Ｒ３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、第２バネ部１２ｄ、第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆの全てが−Ｚ方向に撓む。これにより、バネ部１２ａと中間固定部１３との接続部付近に組み込まれた加速度検出用振動子Ｒ１には引っ張りが加わる一方で、第２バネ部１２ｄと錘１１との接続部付近に組み込まれた第２加速度検出用振動子Ｒ３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、加速度検出用振動子Ｒ１と第２加速度検出用振動子Ｒ３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、Ｙ方向に加速度検出用振動子Ｒ１と第２加速度検出用振動式Ｒ３が配列されている。このため、Ｙ方向における異なる２か所にて加速度を検出することができ、例えばこれらの計測結果の差分をとることにより、さらに正確に加速度を求めることが可能となる。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Ｒ１が設けられるバネ部１２ａと、第２加速度検出用振動子Ｒ３が設けられる第２バネ部１２ｄ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。

このような本実施形態の支持機構１２においては、Ｙ方向において、第３バネ部１２ｅの＋Ｙ側端部が最も＋Ｙ側に配置されており、第４バネ部１２ｆの−Ｙ側端部が最も−Ｙ側に配置されている。このため、支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ４は、図１２（ａ）に示す通り、第３バネ部１２ｅの＋Ｙ側端部から第４バネ部１２ｆの−Ｙ側端部までの離間寸法となる。この支持機構１２のＹ方向（接続部１４の実装フレーム１５への接続方向と直交する方向）における最大寸法ｄ４は、接続部１４のＹ方向における最大寸法ｄ１よりも広い。このため、支持機構１２のＹ方向の最大寸法ｄ４が接続部１４の同方向の最大寸法ｄ１以下である場合と比較して、錘１１のＹ方向及びＸ方向への移動、すなわち錘１１のＺ方向と交差する交差面内における移動を抑止することができる。つまり、本実施形態の振動式センサ装置５によれば、振動式センサ装置１と同様に、錘１１の移動をＺ方向のみに許容し、Ｚ方向と交差する交差面内での錘１１の首振り運動を抑止することができる。したがって、本実施形態の振動式センサ装置１によれば、加速度に対する感度軸となるＺ方向のみに錘１１を移動可能とし、錘１１の首振り運動による計測誤差が生じることを防止でき、加速度検出用振動子Ｒ１の計測性能を最大限に発揮させることができる。

尚、本実施形態の振動式センサ装置５においても上記第１実施形態の振動式センサ装置１と同様に、接続部１４、中間固定部１３、支持機構１２及び錘１１がダンピング部材２０に対して離間した状態で配置され、これらの部位のうち接続部１４のみが、ダンピング部材２０に固定された実装フレーム１５と直接的に接続されている。このため、熱応力や外力による応力等に起因した歪は、接続部１４を通じてのみ支持機構１２へ入力される。また、接続部１４の実装フレーム１５への接続方向（Ｘ方向）と直交するＹ方向での最大寸法ｄ１が、支持機構１２の同方向における最大寸法ｄ４よりも狭いため、熱応力や外力による応力等に起因した歪が、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれたバネ部１２ａ及び第２加速度検出用振動子Ｒ３が組み込まれた第２バネ部１２ｄに伝達されることを抑止することができる。

また、本実施形態の振動式センサ装置４では温度検出用振動子Ｒ２が錘１１に組み込まれている。錘１１に温度検出用振動子Ｒ２を組み込む場合には、加速度による影響を受けるものの、温度検出用振動子Ｒ２の設置可能な領域が広くなり、温度検出用振動子Ｒ２のレイアウトの自由度が向上する。

（第５実施形態）
図１３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図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＬ−Ｌ線に沿う断面矢視図である。尚、図１３においては、図１２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１３でも上記第１実施形態におけるパッケージ３０を省略して図示している。図１３に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置５は、錘１１と実装フレーム１５との位置関係を変えたものである。つまり、ＸＹ面内において実装フレーム１５の周囲を取り囲むように中間固定部１３を四角環状に形成し、さらにＸＹ面内において中間固定部１３の周囲を取り囲むように錘１１を四角環状に形成する。また、本実施形態の振動式センサ装置５では、図１２に示す振動式センサ装置４と同様に、バネ部１２ａ、第２バネ部１２ｄ、第３バネ部１２ｅ及び第４バネ部１２ｆ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、中間固定部１３の１つの角（中間固定部１３の中央部に対して＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、中間固定部１３の−Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる錘１１の一部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第２バネ部１２ｄは、中間固定部１３の１つの角（中間固定部１３の中央部に対して−Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、中間固定部１３の＋Ｘ側に位置していてＹ方向に延びる錘１１の一部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第３バネ部１２ｅは、中間固定部１３の１つの角（中間固定部１３の中央部に対して＋Ｘ方向及び−Ｙ方向に位置する角）と、中間固定部１３の＋Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる錘１１の一部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第４バネ部１２ｆは、中間固定部１３の１つの角（中間固定部１３の中央部に対して−Ｘ方向及び＋Ｙ方向に位置する角）と、中間固定部１３の−Ｙ側に位置していてＸ方向に延びる錘１１の一部とに接続されている。

このような本実施形態の振動式センサ装置５では、錘１１が加速度検出基板１０の最も外側に配置されている。このため、錘１１を容易にＸＹ面において外側に広げることが可能となり、大きな質量を有する錘１１を容易に採用することが可能となる。

（第６実施形態）
図１４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図であって、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＭ−Ｍ線に沿う断面矢視図である。尚、図１４においては、図１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１４に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置６では、ダンピング部材２０が、ダンピング部材２０の他の部位よりも加速度検出基板１０と反対側（−Ｚ側）に突出すると共にパッケージ３０に固定された突出部２１を有している。この突出部２１は、平面視においてダンピング部材２０の中央に配置されており、パッケージ３０の底部３１に固定されることにより、ダンピング部材２０の縁部をパッケージ３０に対してＺ方向に離間している。

このような本実施形態の振動式センサ装置６によれば、ダンピング部材２０の下面の全域がパッケージ３０に接合されている場合と比較して、ダンピング部材２０とパッケージ３０との接触面積を小さくすることができる。したがって、本実施形態の振動式センサ装置６によれば、ダンピング部材２０とパッケージ３０との境界部分に生じる熱応力を小さくすることが可能となる。

さらに、本実施形態の振動式センサ装置６においてダンピング部材２０は、突出部２１を囲んで設けられた環状溝部２２を有している。環状溝部２２は、ダンピング部材２０の底面側に設けられており、パッケージ３０側（−Ｚ側）から加速度検出基板１０側（＋Ｚ側）に向けて窪むように形成されている。このような環状溝部２２を設けることによって、環状溝部２２の内側では応力が伝達されないため、ダンピング部材２０とパッケージ３０との境界部分に生じる熱応力が加速度検出基板１０に伝達されることを抑止することができる。

（第７実施形態）
図１５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）が平面図であり、（ｂ）が（ａ）中のＮ−Ｎ線に沿う断面矢視図である。尚、図１５においては、図１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１５に示す通り、本実施形態の振動式センサ装置７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１２ｇ（支持部）を、錘１１及び中間固定部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。つまり、本実施形態において支持機構１２は単一のバネ基板１２ｇによって構成されている。バネ基板１２ｇは、図１に示すバネ部１２ａ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７によれば、より高い加工精度が要求される加速度検出用振動子Ｒ１が設けられた部位を他の部位と別に作製することができる。このため、寸法誤差が許容範囲の錘１１や中間固定部１３等が、加速度検出基板１０の加工不良によって使用できなくなることを抑止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、上記実施形態で示した支持機構１２が備えるバネ部の数は一例であり単数あるいは複数の任意の数に設定可能である。また、上記実施形態においては、加速度検出用振動子Ｒ１及び第２加速度検出用振動子Ｒ３に対して引っ張り応力が付与された構成について説明したが、加速度検出用振動子Ｒ１及び第２加速度検出用振動子Ｒ３に対して引っ張り応力を付与しない構成とすることも可能である。

また、例えば、接続部１４のＹ方向での最大寸法ｄ１が、支持機構１２の同方向における最大寸法（第１実施形態、第６実施形態及び第７実施形態における最大寸法ｄ２、第２実施形態及び第３実施形態における最大寸法ｄ３、並びに、第４実施形態及び第５実施形態における最大寸法ｄ４）以上であっても、接続部１４のＸ方向の寸法がＹ方向の寸法よりも十分に大きい場合には、僅かにでも熱応力や外力による応力等に起因した歪が、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれたバネ部１２ａに伝達されることを抑止することができる。

また、例えば、ダンピング部材２０が接続部１４に対して物理的に接合されている場合であっても、中間固定部１３がダンピング部材２０に対してＺ方向に離間していれば、僅かにでも熱応力や外力による応力等に起因した歪が、加速度検出用振動子Ｒ１が組み込まれたバネ部１２ａに伝達されることを抑止することができる。

１〜７……振動式センサ装置、１０……加速度検出基板（検出基板）、１１……錘（可動部）、１２……支持機構、１２ａ……バネ部（支持部）、１２ｂ……第１吊部（支持部）、１２ｃ……第２吊部（支持部）、１２ｄ……第２バネ部（支持部）、１２ｅ……第３バネ部（支持部）、１２ｆ……第４バネ部（支持部）、１２ｇ……バネ基板（支持部）、１３……中間固定部、１４……接続部、１５……実装フレーム（実装部）、２０……ダンピング部材（基台）、２１……突出部、２２……環状溝部、３０……パッケージ、５０……被覆部材（封止部）、Ｄ０〜Ｄ２……電極、Ｇ……ギャップ、ＰＤ０〜ＰＤ３……アルミパッド（パッド）、Ｒ１……加速度検出用振動子（振動子）、Ｒ２……温度検出用振動子、Ｒ３……第２加速度検出用振動子（振動子）

Claims (20)

1. 基台と、前記基台に少なくとも一部が固定されて支持された検出基板とを備える振動式センサ装置であって、
   前記検出基板は、
   移動方向が第１方向に設定されると共に前記第１方向にて前記基台から離間して配置された可動部と、
   前記第１方向と交差する交差面に沿った方向に延びると共に前記第１方向にて前記基台から離間して配置された、前記可動部を支持する単数あるいは複数の支持部からなる支持機構と、
   前記支持機構を介して前記可動部と接続されると共に前記第１方向にて前記基台から離間して配置された中間固定部と、
   前記基台に固定された実装部と前記中間固定部とを前記交差面に沿った一方向である第２方向にて接続すると共に前記第１方向にて前記基台から離間して配置された接続部と、
   少なくとも一部が前記支持部に組み込まれた振動子と
   を有し、
   前記交差面内で前記第２方向と直交する第３方向における前記接続部の最大寸法は、前記第３方向における前記支持機構の最大寸法よりも小さく、
   前記第３方向における前記支持機構の最大寸法は、前記支持機構の前記支持部のうち、前記可動部と前記中間固定部とを前記第２方向にて接続する支持部の前記第３方向における幅寸法又は離間寸法である、
   ことを特徴とする振動式センサ装置。
2. 前記接続部の前記第１方向における厚さ寸法は、前記支持部の前記第１方向における厚さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の振動式センサ装置。
3. 前記中間固定部の前記第１方向における厚さ寸法は、前記支持部の前記第１方向における厚さ寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の振動式センサ装置。
4. 前記振動子は、前記第１方向と前記第２方向と交差する第３方向に振動することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
5. 前記可動部、前記支持機構、前記中間固定部、前記接続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１〜４いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
6. 前記振動子は、前記支持部が延びる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５記載の振動式センサ装置。
7. 前記検出基板は、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１〜６いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
8. 前記温度検出用振動子は、前記可動部、前記中間固定部及び前記接続部のいずれかに組み込まれていることを特徴とする請求項７記載の振動式センサ装置。
9. 前記基台は、予め規定されたギャップをもって前記可動部、前記中間固定部及び前記接続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１〜８いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
10. 前記検出基板は、外部との導通を図るパッドを有し、
    前記基台は、前記パッドと電気的に接続された電極を有するパッケージを有する
    ことを特徴とする請求項１〜９いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
11. 前記検出基板は、外部との導通を図るパッドを有し、
    前記基台は、前記パッドと電気的に接続された電極を有するパッケージを有し、
    前記ダンピング部材は、前記ダンピング部材の他の部位よりも前記検出基板と反対側に突出すると共に前記パッケージに固定された突出部を有する
    ことを特徴とする請求項９記載の振動式センサ装置。
12. 前記ダンピング部材は、前記突出部を囲んで設けられた環状溝部を有す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１〜１２いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
14. 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１２記載の振動式センサ装置。
15. 少なくとも１つの前記支持部には、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一部が組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
16. 前記中間固定部は、前記交差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１〜１５いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
17. 前記実装部と接合され、前記可動部、前記支持機構、前記中間固定部、前記接続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１〜１６いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
18. 前記可動部は、前記交差面内において前記中間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１〜１５いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
19. 前記振動子が組み込まれた支持部は、両端が前記可動部及び前記中間固定部にそれぞれ貼り合わされていることを特徴とする請求項１〜１８いずれか一項に記載の振動式センサ装置。
20. 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おり、前記第２方向に引っ張り応力が付与されている請求項１〜１９いずれか一項に記載の振動式センサ装置。

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