JP3428803B2

JP3428803B2 - 加速度センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3428803B2
Application number: JP04936796A
Authority: JP
Inventors: 哲郎大土; 雅人杉本; 哲義小掠; 佳宏冨田; 修川崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 2003-07-22
Anticipated expiration: 2016-03-06
Also published as: JPH09243656A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度の測定及び
振動の検知等に用いられる加速度センサ及びその製造方
法に関する。さらに詳細には、小型で高性能な加速度セ
ンサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化が進み、ノート
型パソコン等の携帯用電子機器が普及してきた。これら
の電子機器の衝撃に対する信頼性を確保し向上させるた
めに、小型で表面実装可能な高性能加速度センサへの需
要が高まっている。

【０００３】例えば、高密度なハードディスクへの書き
込み動作中に衝撃が加わると、ヘッドの位置ずれが生
じ、データの書き込みエラーやヘッドの破損を引き起こ
す可能性がある。このため、ハードディスクに加わった
衝撃を検出し、書き込み動作を停止させたり、ヘッドを
安全な位置に退避させる技術が必要となる。

【０００４】また、自動車の衝突時の衝撃から搭乗者を
保護するためのエアバック装置の衝撃検知用加速度セン
サなどの需要も高まっている。

【０００５】従来、加速度センサとしては、圧電セラミ
ック等の圧電材料を用いたものが知られている。これら
の加速度センサは、圧電材料の電気−機械変換特性を利
用することによって、高い検出感度を実現することがで
きる。圧電型の加速度センサは、加速度や振動による力
を圧電効果により電圧に変換して出力する。

【０００６】このような加速度センサとしては、特開平
２−２４８０８６号公報に開示されているような片持ち
梁構造の矩形状バイモルフ型圧電振動子がある。バイモ
ルフ型圧電振動子は、電極を形成した圧電セラミックを
エポキシ樹脂等の接着剤により貼り合わせて形成され
る。片持ち梁構造は、バイモルフ型圧電振動子の一端を
導電性接着剤などによって固定部材に接着固定したもの
である。片持ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子は、そ
の共振周波数が低いために、比較的低い周波数成分を有
する加速度を測定するのに用いられる。また、高い周波
数領域の加速度を測定する場合には、その両端を接着剤
等によって固定部材に接着固定した両持ち梁構造のバイ
モルフ型圧電振動子が用いられる。圧電振動子の両端を
固定することにより、共振周波数を比較的高くすること
ができる。

【０００７】以上のような加速度センサは、いずれも圧
電セラミックの接着、圧電振動子の支持にエポキシ樹脂
等からなる接着剤を用いているが、圧電セラミックのヤ
ング率１５×１０^-12ｍ²／Ｎに比べてエポキシ樹脂の
ヤング率は２００×１０^-12ｍ²／Ｎと大きいため、加
速度が加わることによる圧電振動子の振動をエポキシ樹
脂が吸収し、感度を低下させる原因となる。また、接着
層を均一にして接着することは困難であるため、圧電振
動子の特性にばらつきが生じるといった問題点があっ
た。

【０００８】この問題を解決する方法の１つとして、接
着剤を用いることなく、圧電体と支持体及び圧電振動子
を収納する容器を直接接合技術によって接合する方法が
提案されている（特開平７−２６１２４０号公報）。

【０００９】加速度センサとしては、他にシリコンを用
いたものが知られている。シリコンは、機械的性質が良
好で、かつ、微細加工を施し易いといった優れた特性を
有している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
直接接合技術を用いた加速度センサは、加速度を検出す
る梁部が圧電体のみで構成されているために、十分な機
械的強度が得られず、大きな衝撃に耐えられずに破損し
てしまう虞れがあった。このため、上記のような直接接
合技術を用いた加速度センサは、測定可能な加速度の大
きさが制限されるといった問題点を有していた。

【００１１】圧電型の加速度センサにおいては、一般
に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる増幅器を
用いて電圧が検出される。図１４に示すように、加速度
センサは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートに
抵抗Ｒと並列に接続される。この回路を用いた場合、低
周波数側の測定範囲は、加速度センサの静電容量Ｃと抵
抗Ｒとによって決まるカットオフ周波数ｆ＝１／２πＲ
Ｃで規定される。このため、抵抗Ｒ又は加速度センサの
静電容量Ｃが大きいほど、低い周波数まで応答すること
が可能となる。加速度センサの静電容量Ｃは、材料が同
一の場合、圧電体の厚さが薄いほど大きくなる。低周波
数まで測定可能とするためには、圧電体の厚さを薄くす
ればよいが、圧電体の厚さが薄くなれば、それだけ機械
的強度が低下して割れ易くなると共に、工程上での取り
扱いも困難になる。

【００１２】これらの問題点を解決するために、「シ
ム」と呼ばれる弾性体に圧電体を接着して、圧電振動子
の機械的強度を高めるという方法が採られる。しかし、
接着剤を用いて圧電体とシムを接着すると、加速度が加
わることによる圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感
度を低下させる原因となる。また、接着層を均一にして
接着することは困難であるため、圧電振動子の特性にば
らつきが生じるといった問題点がある。

【００１３】また、矩形状のバイモルフ型圧電素子の感
度を安定させるためには、その共振周波数を安定にする
ことが必要である。この場合、圧電素子の固定状態を安
定なものとすることが必要であるが、実際には、機械的
にあるいは温度変化などによって発生する応力に起因し
て、金属等の支持部又は固定部材で支持又は固定してい
る部分にずれが生じる。例えば、接着剤を用いて固定す
る場合には、接着剤の塗布範囲によって固定位置が変わ
ってしまい、圧電振動子の共振周波数がばらついてしま
う。また、接着剤の温度変化によって固定状態が変動
し、安定な固定状態を実現することは困難である。

【００１４】また、圧電体のみで圧電振動子を構成した
場合には、圧電体自身が支持されることになり、支持部
付近では、加速度が加わった場合の変位を大きくとるこ
とができないため、高い感度が得られないといった問題
点がある。

【００１５】また、１つ１つの圧電振動子を別個に作製
して、容器に収納する場合には、製造工程上ハンドリン
グなどが困難となり、加速度センサの小型化が妨げられ
ると共に、量産性の低下を招くといった問題点がある。

【００１６】また、シリコンは機械的性質や加工性に優
れる反面、圧電性が小さい。このため、歪抵抗膜等を形
成するが、加速度に対する十分高い感度が得られないと
いった問題点がある。

【００１７】本発明は、従来技術における前記課題を解
決するためになされたものであり、対衝撃性に優れ、大
きな加速度に対しても測定可能で、広い周波数領域にわ
たって高感度を有し、しかも感度等の特性のばらつきの
極めて小さい小型の加速度センサを提供することを目的
とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る加速度センサの第１の構成は、シムに
圧電基板が直接接合されてなる圧電素子と、前記圧電素
子の主面に形成された電極とからなる圧電振動子と、前
記圧電振動子を支持する支持体とを備え、前記圧電素子
の前記支持体に支持されていない部分に前記電極が形成
されて、かつ、前記圧電基板と前記支持体が直接接合さ
れていることを特徴とする。

【００１９】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記圧電振動子が容器に収納され、前
記支持体が前記容器に直接接合されているのが好まし
い。

【００２０】また、本発明に係る加速度センサの第２の
構成は、シムに圧電基板が直接接合されてなる圧電素子
と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧
電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを備
え、かつ、前記シムに前記支持体が直接接合されている
と共に、前記シムの材料がシリコン及びガラスからなる
群から選ばれる１つであることを特徴とする。

【００２１】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成においては、前記圧電振動子が容器に収納され、前
記シムが前記容器に直接接合されているのが好ましい。

【００２２】また、前記本発明の加速度センサの第１又
は２の構成においては、前記シムの両面に前記圧電基板
が直接接合されているのが好ましい。

【００２３】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記シムの材料がシリコン及びガラス
からなる群から選ばれる１つであるのが好ましい。

【００２４】また、前記本発明の加速度センサの第１又
は２の構成においては、前記圧電基板の材料がニオブ酸
リチウム、タンタル酸リチウム及び水晶からなる群から
選ばれる１つであるのが好ましい。

【００２５】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記圧電振動子の一端が前記支持体に
支持されているのが好ましい。

【００２６】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記圧電振動子の両端が前記支持体に
支持されているのが好ましい。

【００２７】また、本発明に係る加速度センサの製造方
法は、シム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素
子の主面に形成された電極とからなる圧電振動子と、前
記圧電振動子を支持する支持体とを備えた加速度センサ
の製造方法であって、前記シムに前記圧電体を直接接合
することによって前記圧電素子を形成し、前記圧電素子
の前記支持体に支持されていない部分に前記電極を形成
し、かつ、前記圧電体に前記支持体を直接接合すること
を特徴とする。

【００２８】また、前記本発明方法の構成においては、
前記圧電体の材料がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチ
ウム及び水晶からなる群から選ばれる１つであるのが好
ましい。

【００２９】また、前記本発明方法の構成においては、
前記シムの材料がシリコン及びガラスからなる群から選
ばれる１つであるのが好ましい。

【００３０】また、前記本発明方法の構成においては、
前記シムの一部を前記支持体に直接接合することによ
り、前記圧電振動子を前記支持体に支持するのが好まし
い。

【００３１】また、前記本発明方法の構成においては、
前記圧電振動子を収納する容器をさらに備え、前記容器
に前記シムの一部を直接接合するのが好ましい。

【００３２】また、前記本発明方法の構成においては、
前記直接接合を、親水化処理を施した前記圧電基板の表
面と前記シムの表面とを接合させることにより行なうの
が好ましい。

【００３３】また、前記本発明方法の構成においては、
前記直接接合を、親水化処理を施した前記圧電基板の表
面と前記シムの表面とを接合させた後、前記圧電基板の
キュリー点以下の温度で熱処理することにより行なうの
が好ましい。

【００３４】

【００３５】

【００３６】

【００３７】前記本発明の加速度センサの第１の構成に
よれば、シムに圧電基板が直接接合されてなる圧電素子
と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧
電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを備
え、前記圧電素子の前記支持体に支持されていない部分
に前記電極が形成されて、かつ、前記圧電基板と前記支
持体が直接接合されていることを特徴とするものである
ので、以下の作用効果を奏することができる。すなわ
ち、接着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板を
シムに直接接合することによって圧電素子を形成するよ
うにしたので、従来のように圧電振動子の振動を接着剤
が吸収し、感度を低下させることはない。また、シムと
圧電基板の接合状態が均一となるので、特性にばらつき
が生じることもない。また、十分な機械的強度が得られ
るので、高い対衝撃性を有する加速度センサを実現する
ことができる。

【００３８】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成において、前記圧電振動子が容器に収納され、前記
支持体が前記容器に直接接合されているという好ましい
例によれば、圧電振動子の位置合わせを高精度に行うこ
とができる。その結果、梁部の長さや支持状態にばらつ
きが生じることはないので、安定性が高く、特性のばら
つきの極めて小さい加速度センサを実現することができ
る。

【００３９】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成によれば、シムに圧電基板が直接接合されてなる圧
電素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とから
なる圧電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体と
を備え、かつ、前記シムに前記支持体が直接接合されて
いると共に、前記シムの材料がシリコン及びガラスから
なる群から選ばれる１つであることを特徴とするもので
あるので、前記本発明の加速度センサの第１の構成と同
様の作用効果を奏することができる。また、圧電基板が
支持体に支持されていないため、支持部付近をも含めて
圧電素子の全域で変位が得られるので、高い感度を有す
る加速度センサを実現することができる。

【００４０】また、前記本発明の加速度センサの第２の
構成において、前記圧電振動子が容器に収納され、前記
シムが前記容器に直接接合されているという好ましい例
によれば、圧電振動子の位置合わせを高精度に行うこと
ができる。

【００４１】また、前記本発明の加速度センサの第１又
は２の構成において、前記シムの両面に前記圧電基板が
直接接合されているという好ましい例によれば、高性能
なバイモルフ型の圧電振動子を形成することができる。

【００４２】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記圧電振動子の一端が前記支持体に
支持されているという好ましい例によれば、片持ち梁構
造の加速度センサを実現することができる。

【００４３】また、前記本発明の加速度センサの第１の
構成においては、前記圧電振動子の両端が前記支持体に
支持されているという好ましい例によれば、両持ち梁構
造の加速度センサを実現することができる。そして、同
じ長さ、厚さの圧電振動子であっても、片持ち梁構造の
場合より共振周波数が高くなるので、さらに高い周波数
領域の加速度センサを実現することができる。

【００４４】また、前記本発明方法の構成によれば、シ
ム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の主面
に形成された電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振
動子を支持する支持体とを備えた加速度センサの製造方
法であって、前記シムに前記圧電体を直接接合すること
によって前記圧電素子を形成し、前記圧電素子の前記支
持体に支持されていない部分に前記電極を形成し、か
つ、前記圧電体に前記支持体を直接接合することを特徴
とするので、前記本発明の加速度センサの第１の構成と
同様の作用効果を奏することができる。

【００４５】

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態を用いて本発明
をさらに具体的に説明する。

【００４７】〈第１の実施の形態〉図１は本発明の第１
の実施の形態の圧電振動子を示す斜視図である。図１に
示すように、シリコン（Ｓｉ）からなるシム３０の両面
には、直接接合によってニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ
₃）からなる圧電基板２ａ、２ｂがそれぞれ形成されて
いる。また、圧電基板２ａ、２ｂの外側面には、電極３
ａ、３ｂがそれぞれ形成されている。以上により、バイ
モルフ型の圧電振動子１が構成されている。

【００４８】以下に、上記のような構成を有する圧電振
動子の製造方法の一例について説明する。

【００４９】図２は本発明の第１の実施の形態の圧電振
動子の製造方法における直接接合の各段階の基板界面状
態を示す説明図である。図２中、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃は基
板間の距離を示している。まず、圧電基板２ａ、２ｂで
あるＬｉＮｂＯ₃基板とシム３０であるＳｉ基板の接合
面を鏡面研磨した。次いで、これらの基板を、アンモニ
アと過酸化水素と水の混合液（アンモニア水：過酸化水
素水：水＝１：１：６（容量比））で洗浄し、親水化処
理を施した。図２（ａ）に示すように、この薬品で洗浄
された圧電基板２ａ、２ｂ（２ｂについては図示せず）
とシム３０の表面は−ＯＨ基で終端され、親水性になる
（接合前の状態）。

【００５０】次いで、図２（ｂ）に示すように、親水化
処理を施した２枚の圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２
ｂを、分極軸の向きが逆方向となるようにシム（Ｓｉ基
板）３０の両面に接合させた（Ｌ₁＞Ｌ₂）。これによ
り、脱水が起こり、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２
ｂとシム（Ｓｉ基板）３０の表面は−ＯＨ基で終端さ
れ、両基板は−ＯＨ重合や水素結合などの引力により引
き合って接合された。

【００５１】次いで、上記のようにして接合させた圧電
基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３
０に、２５０℃の温度で熱処理を施した。これにより、
図２（ｃ）に示すように、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２
ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０との間が酸素（Ｏ）を
介して共有結合した状態となり（Ｌ₂＞Ｌ₃）、圧電基
板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０
とが原子レベルで強固に直接接合された。すなわち、接
合の界面に中間層が存在しない結合状態が得られた。
尚、ＬｉＮｂＯ₃のキュリー点は１２１０℃であり、こ
れに近い温度履歴により特性が劣化するため、熱処理温
度はキュリー点以下であるのが望ましい。

【００５２】接合したいものの鏡面研磨された面同士を
表面処理して、接触させることにより、接着剤などの接
着層を介さずに界面間に直接生ずる接合を「直接接合」
と呼ぶ。一般的に、熱処理を施すことにより、分子間力
による接合から共有結合やイオン結合などの原子レベル
の強力な結合となる。ウェハ材料によっては、直接接合
の処理中に接合界面に酸化膜が形成されて、バッファ層
となる場合もある。ＬｉＮｂＯ₃とＳｉとの直接接合は
異種基板間の接合であり、同種基板間に比べて直接接合
させるのは困難であるが、表面に薄い酸化シリコン膜を
形成し、この酸化シリコン膜を介して直接接合を行うこ
ともできる。

【００５３】次いで、シム（Ｓｉ基板）３０に接合した
圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂの外側面に、真空
蒸着法を用いてクロム−金を蒸着し、電極３ａ、３ｂを
形成した（図１参照）。最後に、ダイシングソーを用い
て所定の大きさの短冊状に切断加工し、バイモルフ型の
圧電振動子１を作製した。

【００５４】バイモルフ型の圧電振動子１は、一端又は
両端を支持部材に支持させることにより、片持ち梁構造
又は両持ち梁構造とすることができる。

【００５５】図３に、本発明の第１の実施の形態の片持
ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子の断面図を示す。図
３に示すように、シム（Ｓｉ基板）３０の両面には、直
接接合によって圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂが
それぞれ形成されている。ここで、圧電基板（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）２ａと圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ｂは、分極軸
の向きが逆方向となるようにシム（Ｓｉ基板）３０の両
面に接合されている。この圧電素子の一端は、ＬｉＮｂ
Ｏ₃からなる支持体４ａ、４ｂに挟持された状態で固定
されている。ここで、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、
２ｂは、それぞれ支持体４ａ、４ｂに直接接合されてい
る。圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂの外側面に
は、支持体４ａ、４ｂに挟持されていない部分に電極３
ａ、３ｂがそれぞれ形成されている。以上により、片持
ち梁構造のバイモルフ型圧電振動子１が構成されてい
る。

【００５６】図４は本発明の第１の実施の形態の加速度
センサの一例を示す分解斜視図である。図４に示すよう
に、図３に示す構造を備えた片持ち梁構造の圧電振動子
１は、中央部にエッチングなどの方法によって陥没部が
形成されたＬｉＮｂＯ₃からなる容器１０ｂ内に収納さ
れ、支持体４ａ、４ｂ（図３参照）は容器１０ｂの内側
壁に直接接合されている。そして、容器１０ｂには、同
じくＬｉＮｂＯ₃からなる容器１０ａが接合されてい
る。容器１０ａ、１０ｂの両端面には、圧電振動子１か
らの出力信号を外部に取り出すための外部電極９ａ、９
ｂが形成されている。これにより、加速度センサ１００
が構成されている。

【００５７】図５は本発明の第１の実施の形態の加速度
センサの他の例を示す断面図である。図５に示すよう
に、図３に示す構造を備えた片持ち梁構造の圧電振動子
１は、上面と一側面が開口したＬｉＮｂＯ₃ からなる容
器１０ｄ内に収納され、支持体４ａ、４ｂは容器１０ｄ
の内側壁に直接接合されている。電極３ａ、３ｂには、
支持体４ａ、４ｂと容器１０ｄを這わせた状態で導電層
７ａ、７ｂが接続されており、導電層７ａ、７ｂの他端
部は容器１０ｄの端部に露出している。容器１０ｄに
は、同じくＬｉＮｂＯ₃ からなる容器１０ｄと同じ形状
の容器１０ｃが接合されている。容器１０ｃ、１０ｄの
外側面には外部電極９ｃ、９ｄが形成されており、外部
電極９ｃ、９ｄは導電層７ａ、７ｂにそれぞれ導通して
いる。これにより、圧電振動子１からの出力信号を外部
に取り出すことができるようにされている。以上によ
り、加速度センサ１００が構成されている。

【００５８】図５の加速度センサ１００において、上下
方向に加速度が生じた場合には、圧電振動子１が上下方
向に振動し、撓み振動が発生する。撓み振動が発生する
と、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂの一方は伸び
るように歪み、他方は縮むように歪む。ここで、圧電基
板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａと圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２
ｂは、分極軸が互いに逆方向となるようにシム（Ｓｉ基
板）３０の両面に接合されているので、電極２ａ、２ｂ
には同じ極性の電荷が発生する。従って、加速度の大き
さを反映した信号を得ることができる。

【００５９】図５に示す加速度センサは、シム（Ｓｉ基
板）３０の両面に圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂ
を接合することによって構成されているため、圧電基板
（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂの厚さを薄くすることがで
きる。これにより、大きな静電容量を得ることができる
ので、低周波数の加速度まで測定することが可能とな
る。また、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂを薄く
しても、シムを用いることなく圧電基板（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）を２枚直接接合したものに比べて対衝撃性が向上
するので、大きな加速度まで測定することが可能とな
る。

【００６０】圧電振動子１の長さ、厚さ及び幅とシム３
０の厚さは、測定対象となる加速度の周波数範囲を考慮
して決定される。測定する加速度の周波数が圧電振動子
１の共振周波数に近づくほど、加速度センサの感度は大
きくなる。測定周波数範囲において、加速度センサの感
度が周波数に大きく依存しないようにするためには、共
振周波数を測定周波数範囲から十分に離すことが必要で
ある。このためには、例えば、共振周波数が最高測定周
波数の２倍の周波数となるように、圧電振動子１を設計
すればよい。

【００６１】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２ａ、２
ｂをシム３０に強固に直接接合することによって圧電振
動子１を形成したので、特性のばらつきや振動の減衰な
どが無く、かつ、高い対衝撃性を有する加速度センサを
実現することができる。また、接着剤を用いることな
く、圧電振動子１を支持体４ａ、４ｂに直接接合するよ
うにしたので、圧電振動子１の位置合わせを高精度に行
うことができる。その結果、片持ち梁部の長さや支持状
態にばらつきがなく、しかも安定性が高く、特性のばら
つきの極めて小さい加速度センサを実現することができ
る。

【００６２】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
ａ、２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ずしも
この構成に限定されるものではなく、シム３０のいずれ
か一方の面に圧電基板２ａ（又は２ｂ）を接合してもよ
い。

【００６３】また、本実施の形態においては、圧電基板
２ａ、２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ ₃を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウムや水晶を用いてもよい。

【００６４】また、本実施の形態においては、電極３
ａ、３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。

【００６５】また、本実施の形態においては、容器１０
ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの材料としてＬｉＮｂＯ₃
を用いているが、必ずしもこれに限定されるものではな
く、例えば、ガラス、セラミックス又は樹脂などを用い
てもよい。

【００６６】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスなどを用いてもよ
い。

【００６７】また、本実施の形態においては、片持ち梁
の支持体４ａ、４ｂの容器１０ｂ（又は１０ｄ）内への
固定手段及び容器１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの固
定手段として直接接合を用いているが、必ずしもこの方
法に限定されるものではなく、接着剤を用いて固定して
も同様の特性を発揮させることができる。

【００６８】また、本実施の形態においては、圧電振動
子１を片持ち梁構造としているが、必ずしもこの構造に
限定されるものではなく、圧電振動子１の両端を支持体
に直接接合して両持ち梁構造としてもよく、圧電振動子
１の中心を支持体に直接接合して中心支持構造としても
よい。

【００６９】〈実施の形態２〉次に、図４、図５と同様
の片持ち梁構造を有する加速度センサ及びその製造方法
について説明する。図６、図７、図８は本発明の第２の
実施の形態の加速度センサの製造方法を示す工程図であ
る。

【００７０】まず、図６（ａ）に示すように、圧電基板
１２ａ、１２ｂとしてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ₃）基板を用い、フォトレジストパターンをマスキン
グ材としたサンドブラスト法により、片持ち梁部１１
ａ、１１ｂを形成した。

【００７１】また、図６（ｂ）に示すように、シム３１
としてシリコン（Ｓｉ）基板を用い、フォトレジストパ
ターンをマスキング材とした異方性エッチング法によ
り、片持ち梁部３２を形成した。

【００７２】次いで、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基
板（図６（ｂ））の両面に、片持ち梁部１１ａを形成し
た圧電基板１２ａと片持ち梁部１１ｂを形成した圧電基
板１２ｂをそれぞれ直接接合によって接合した。これに
より、バイモルフ型振動子が得られた。直接接合は、上
記したように親水化処理を施した後、加熱して行った。
この場合、２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂの分極軸の向
きが互いに逆方向となるように接合した。

【００７３】次いで、図７に示すように、片持ち梁部の
両面に、真空蒸着法によりクロム−金を蒸着して電極１
３ａ、１３ｂを形成した。これにより、片持ち梁構造の
バイモルフ型圧電振動子１５が得られた。圧電振動子１
５は、圧電基板１２ａ、１２ｂとシム３１の開口周辺を
支持体として支持されている。また、圧電基板１２ａの
電極１３ａと同じ側の面に、導電層１４ａを形成した。
この導電層１４ａは、電極１３ａに発生した電荷を外部
電極２０ａ（図８（ｂ）、（ｃ））に取り出すためのも
のである。さらに、圧電基板１２ｂの電極１３ｂと同じ
側の面に、片持ち梁部と圧電基板１２ｂの開口の反対側
（図の右側）に導通するように導電層１４ｂを形成し
た。

【００７４】次いで、図８（ａ）に示すように、別のＬ
ｉＮｂＯ₃基板に、フォトレジストパターンをマスキン
グ材としたサンドブラスト法を用いて、凹部１７を形成
し、容器１６ａ、１６ｂを作製した。また、この容器１
６ａ、１６ｂに、圧電基板１２ａ、１２ｂ上の導電層１
４ａ、１４ｂと電気的に接続するための貫通孔１８を同
時に形成した。

【００７５】次いで、図８（ｂ）に示すように、圧電振
動子１５が形成されている圧電基板１２ａ、１２ｂと容
器１６ａ、１６ｂを直接接合によって接合した。これに
より、圧電振動子１５を容器１６ａ、１６ｂ内に封じ込
めた。圧電基板（ＬｉＮｂＯ ₃）１２ａ、１２ｂと容器
（ＬｉＮｂＯ₃）１６ａ、１６ｂとの接合部分には、導
電層（クロム−金）１４ａ、１４ｂが形成されているた
め、圧電基板１２ａ、１２ｂと容器１６ａ、１６ｂを直
接接合するのは困難であるが、圧電基板１２ａ、１２ｂ
と容器１６ａ、１６ｂの接合面積を導電層１４ａ、１４
ｂの面積に比べて十分大きくとれば、強固に接合するこ
とができる。次いで、容器１６ａ、１６ｂの貫通孔１８
に、導電層１４ａ、１４ｂと電気的に接続されるように
導電性ペーストを流し込み、焼成してスルーフォール導
電部１９ａ、１９ｂを形成した。さらに、容器１６ａ、
１６ｂの上面に、スルーフォール導電部１９ａ、１９ｂ
と導通するように銀パラジウムを印刷し、外部電極２０
ａ、２０ｂを形成した。これにより、圧電振動子１５上
の電極１３ａ、１３ｂと外部電極２０ａ、２０ｂとが電
気的に接続された。

【００７６】次いで、図８（ｃ）に示すように、ダイシ
ングソーを用いて、基板を個々の加速度センサ１０１に
切断した。圧電振動子１５は、シム３１の両面に強固に
接合された２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂからなる片持
ち梁構造を有し、容器１６ａ、１６ｂに強固に接合され
ている。

【００７７】図８（ｃ）の加速度センサ１０１におい
て、上下方向に加速度が生じた場合には、圧電振動子１
５が上下に振動し、撓み振動が発生する。撓み振動が発
生すると、圧電基板１２ａ、１２ｂの一方は伸びるよう
に歪み、他方は縮むように歪む。ここで、圧電基板１２
ａ、１２ｂは、分極軸が互いに逆方向となるようにシム
３１の両面に接合されているので、電極１３ａ、１３ｂ
には同じ極性の電荷が発生する。これにより、加速度の
大きさを反映した信号を得ることができる。

【００７８】圧電振動子１５の長さ、厚さ、幅及びシム
３１の厚さは、測定対象となる加速度の周波数範囲を考
慮して決定される。測定する加速度の周波数が圧電振動
子１５の共振周波数に近づくほど、加速度センサ１０１
の感度は大きくなる。測定周波数範囲において、加速度
センサ１０１の感度が周波数に対して大きく依存しない
ためには、共振周波数を測定周波数範囲から十分に離す
ことが必要である。このためには、例えば、共振周波数
が最高測定周波数の２倍の周波数となるように圧電振動
子を設計すればよい。

【００７９】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤を用いることなく、圧電基板１２ａ、１２ｂがシム
３１に強固に直接接合されるので、機械的強度の強い圧
電振動子１５を有する加速度センサ１０１を実現するこ
とができ、工程上でも薄い圧電体を扱うことができる。
また、接着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板
１２ａ、１２ｂをシム３１に強固に直接接合することに
よって圧電振動子１５を形成したので、特性のばらつき
や振動の減衰などが無く、かつ、高い対衝撃性を有する
加速度センサ１０１を実現することができる。また、圧
電振動子１５が圧電基板からパターン形成されているた
め、形状と支持のばらつきが小さい。また、圧電振動子
１５が支持部と同時に形成され、接着剤を用いることな
く、支持部材に極めて安定に直接接合されているので、
支持状態のばらつきが少なく、位置合わせの精度が高
い。また、片持ち梁の長さにばらつきがないので、共振
周波数などの特性ばらつきが極めて小さく、かつ、振動
に対して高い感度を有する加速度センサを実現すること
ができる。また、圧電振動子１５と支持部材及び容器１
６ａ、１６ｂを同一の材料で形成することができるの
で、温度による歪みなどの影響を受けることがなく、安
定性に優れた加速度センサを実現することができる。ま
た、１枚の基板に多数の加速度センサを一度に作製し得
る量産性に優れた小型の加速度センサの製造方法を提供
することができる。

【００８０】尚、本実施の形態においては、圧電基板１
２ａ、１２ｂをシム３１の両面に接合しているが、必ず
しもこの構造に限定されるものではなく、シム３１のい
ずれか一方の面に圧電基板１２ａ（又は１２ｂ）を接合
してもよい。

【００８１】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ₃を用いている
が、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、
タンタル酸リチウムや水晶を用いてもよい。

【００８２】また、本実施の形態においては、容器１６
ａ、１６ｂの材料としてＬｉＮｂＯ ₃を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウム、水晶、シリコン、ガラスなどを用いて
もよい。最適には圧電振動子１５を構成する圧電基板１
２ａ、１２ｂと同じ材料がよく、好適には圧電振動子１
５の材料と熱膨張係数の近いものが望ましい。

【００８３】また、本実施の形態においては、電極１３
ａ、１３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必
ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、金、ク
ロム、銀又は合金材料を用いてもよい。

【００８４】また、本実施の形態においては、スルーフ
ォール導電部１９ａ、１９ｂの材料として導電性ペース
トを用いているが、必ずしもこれに限定されるものでは
なく、例えば、半田や銀鑞などを用いてもよい。

【００８５】また、本実施の形態においては、シム３１
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスなどを用いてもよ
い。

【００８６】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂ及びシム３１に片持ち梁部を形成した
後、これらを直接接合することによりバイモルフ型圧電
振動子１５を形成しているが、必ずしもこの順番に限定
されるものではなく、２枚の圧電基板１２ａ、１２ｂを
シム３１に直接接合した後、片持ち梁部を形成してもよ
い。

【００８７】また、本実施の形態においては、片持ち梁
部１１ａ、１１ｂ、３２を形成した後、電極１３ａ、１
３ｂを形成しているが、必ずしもこの順番に限定される
ものではなく、電極１３ａ、１３ｂを形成した後に、片
持ち梁部１１ａ、１１ｂ、３２を形成してもよい。

【００８８】また、本実施の形態においては、圧電基板
１２ａ、１２ｂへの片持ち梁部１１ａ、１１ｂの加工方
法や容器１６ａ、１６ｂへの貫通孔１８の加工方法とし
てサンドブラスト法を用いているが、必ずしもこの方法
に限定されるものではなく、例えば、ドライエッチン
グ、ウエットエッチング、レーザ加工、イオンビーム加
工、ダイシングやワイヤーソなどの機械加工、ウオータ
ージェット加工、放電加工などを用いてもよい。

【００８９】また、本実施の形態においては、電極１３
ａ、１３ｂの形成方法として真空蒸着法を用いている
が、必ずしもこの方法に限定されるものではなく、例え
ば、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相成膜法や、メッ
キ、印刷などの方法を用いてもよい。

【００９０】また、本実施の形態においては、シム３１
への片持ち梁部３２の加工方法としてエッチング法を用
いているが、必ずしもこの方法に限定されるものではな
く、例えば、ドライエッチング、レーザ加工、イオンビ
ーム加工、ダイシングやワイヤーソなどの機械加工、ウ
オータージェット加工、放電加工、サンドブラスト加工
などを用いてもよい。

【００９１】また、本実施の形態においては、外部電極
２０ａ、２０ｂを容器１６ａ、１６ｂの上面に設けてい
るが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、容
器１６ａ、１６ｂの側面あるいは側面と上面にまたがる
ように設けてもよい。

【００９２】また、本実施の形態においては、導電層１
４ａ、１４ｂと外部電極２０ａ、２０ｂとの接続を、容
器１６ａ、１６ｂに貫通孔１８を設けることにより行っ
ているが、必ずしもこの方法に限定されるものではな
く、容器１６ａ、１６ｂに切り欠き等を設けることによ
り行ってもよい。

【００９３】また、導電層１４ａ、１４ｂの存在によ
り、圧電振動子１５を形成する圧電基板１２ａ、１２ｂ
とシム３１、又は圧電振動子１５を形成する圧電基板１
２ａ、１２ｂと容器１６ａ、１６ｂが十分な強度を持っ
て接合されない場合には、接合面に酸化シリコン膜をバ
ッファ層として形成し、これを介して接合すれば、強い
接合強度を得ることができる。

【００９４】〈実施の形態３〉図９は本発明の第３の実
施の形態の加速度センサを示す分解斜視図である。図９
に示すように、ＬｉＮｂＯ₃からなる容器２７ｂには、
バイモルフ型の圧電振動子２１がその両端を支持された
状態で設けられている（両持ち梁構造）。バイモルフ型
の圧電振動子２１は、シム（Ｓｉ基板）３０の両面に圧
電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２２ａ、２２ｂが直接接合され
ることによって構成されている。そして、容器２７ｂに
は、同じくＬｉＮｂＯ₃からなる容器２７ａが直接接合
されている。また、容器２７ａ、２７ｂの外面には、そ
れぞれ外部電極２６ａ、２６ｂ（２６ｂは図示せず）が
形成されている。これにより、圧電振動子２１上の電極
２３ａ、２３ｂ（２３ｂは図示せず）に発生した電荷を
外部に取り出すことができるようにされている。以上に
より、加速度センサ２００が構成されている。

【００９５】本実施の形態の両持ち梁構造の加速度セン
サ２００も、上記第２の実施の形態と同様の方法によっ
て製造することができる。すなわち、図１０に示すよう
に、まず、２枚の圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２２ａ、２
２ｂとシム（Ｓｉ基板）３０に、両持ち梁部を形成し
て、圧電基板２２ａ、２２ｂをシム３０の両面に直接接
合することにより、バイモルフ型圧電素子を作製する。
次いで、両持ち梁部の上に電極２３ａ、２３ｂを形成
し、バイモルフ型の圧電振動子２１を作製する。次い
で、外部電極２６ａ、２６ｂ（図９）と電極２３ａ、２
３ｂを接続するための導電層２４ａ、２４ｂ（２４ｂは
図示せず）を形成する。この両持ち梁構造の圧電振動子
２１は、上記第２の実施の形態と同じく、基板上に同時
に多数形成して量産性を高めることができる。圧電振動
子２１を形成した圧電基板２２ａ、２２ｂに、上記第２
の実施の形態と同様の工程を用いて凹部と貫通孔を形成
したＬｉＮｂＯ₃基板を直接接合して、容器２７ａ、２
７ｂを形成する。最後に、外部電極２６ａ、２６ｂなど
を設け、加速度センサ２００を作製する。

【００９６】両持ち梁構造を用いた場合には、同じ長
さ、厚さの圧電振動子であっても、片持ち梁構造の場合
より共振周波数が高くなるので、さらに高い周波数範囲
まで測定可能となる。圧電振動子２１の長さ、厚さ、幅
及びシム３０の厚さは、測定対象となる加速度の周波数
範囲を考慮して決定される。測定する加速度の周波数が
圧電振動子２１の共振周波数に近づくほど、加速度セン
サ２００の感度は大きくなる。測定周波数範囲におい
て、加速度センサ２００の感度が周波数に大きく依存し
ないようにするためには、共振周波数を測定周波数範囲
から十分に離すことが必要である。このためには、例え
ば、共振周波数が最高測定周波数の２倍の周波数となる
ように圧電振動子を設計すればよい。

【００９７】本実施例の加速度センサ２００は、圧電基
板２２ａ、２２ｂをシム３０に直接接合することによっ
て構成されるため、圧電基板２２ａ、２２ｂであるＬｉ
ＮｂＯ₃の厚さを薄くすることが可能となる。その結
果、大きな静電容量を得ることができるので、低周波数
まで測定可能となる。ＬｉＮｂＯ₃を薄くしても、シム
を用いることなくＬｉＮｂＯ₃を２枚直接接合したもの
に比べて対衝撃性が向上し、大きな加速度まで測定する
ことが可能となる。

【００９８】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２２ａ、
２２ｂをシム３０に強固に直接接合させることによって
圧電振動子２１を形成したので、対衝撃性が高く、特性
のばらつきや振動の減衰などの無い加速度センサを実現
することができる。また、圧電振動子２１を容器２７
ａ、２７ｂに直接接合するようにしたので、圧電振動子
２１の位置合わせの精度が高く、両持ち梁部の長さや支
持状態がばらつくことはない。その結果、安定性が高
く、特性のばらつきが極めて小さい加速度センサを実現
することができる。

【００９９】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
２ａ、２２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ず
しもこの構成に限定されるものではなく、シム３０のい
ずれか一方の面に圧電基板２２ａ（又は２２ｂ）を接合
してもよい。

【０１００】また、本実施の形態においては、圧電基板
２２ａ、２２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ₃を用いている
が、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、
タンタル酸リチウムや水晶を用いてもよい。

【０１０１】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこれに限定
されるものではなく、例えば、ガラスを用いてもよい。

【０１０２】また、本実施の形態においては、容器２７
ａ、２７ｂの材料としてとしてＬｉＮｂＯ₃を用いてい
るが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例え
ば、タンタル酸リチウム、水晶、シリコン、ガラスなど
を用いてもよい。最適には圧電振動子２１を構成する圧
電基板２２ａ、２２ｂと同じ材料がよく、好適には圧電
振動子２１の材料と熱膨張係数の近いものが望ましい。

【０１０３】〈実施の形態４〉図１１は本発明の第４の
実施の形態の圧電振動子を示す断面図である。図１１に
示すように、支持体４ａ、４ｂには、ガラス基板からな
るシム３０の一端が挟持されている。ここで、支持体４
ａ、４ｂとシム３０とは直接接合されている。シム３０
の両面には、ＬｉＮｂＯ₃からなる２枚の圧電基板２
ａ、２ｂが直接接合によって形成されている。ここで、
圧電基板２ａ、２ｂは、シム３０の全面に直接接合せ
ず、支持体４ａ、４ｂとの間に若干の間隙を置いて接合
した。また、圧電基板２ａ、２ｂの外側面には、それぞ
れクロム−金からなる電極３ａ、３ｂが形成されてい
る。これにより、片持ち梁構造のバイモルフ型圧電振動
子１が構成されている。このように、本実施の形態の加
速度センサに用いる圧電振動子１は、シム３０の一部が
露出した構造となっている。尚、支持体４ａ、４ｂとし
ては、シム３０と熱膨張率の差が小さい材料が好まし
く、本実施の形態では、シム３０と同じガラスを用い
た。

【０１０４】図１１の加速度センサの圧電振動子１は、
図３に示した加速度センサの圧電振動子と異なり、圧電
基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂが支持されず、シム３
０が直接接合されることによって支持されている。加速
度センサの出力感度は、加速度によって圧電振動子１に
生じた撓み振動による変位を電荷に変換することによっ
て得られる。図３に示した圧電振動子の場合には、圧電
基板も支持されているので、大きな変位を得ることは困
難である。また、図３に示した圧電振動子の場合には、
支持端付近の変位の傾きがゼロに近く、支持端付近の変
位は小さくなる。一方、図１１に示した本実施の形態の
圧電振動子１は、シム３０のみが支持されているので、
同じ加速度に対して大きな変位が得られる。また、圧電
基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂは支持体４ａ、４ｂに
支持されていないため、長さ方向の全域で変位が得られ
る。従って、図１１の構造の圧電振動子１を用いた加速
度センサは高い感度を得ることができる。

【０１０５】図１１に示した加速度センサは、シム３０
に圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）２ａ、２ｂを接合するもの
であるため、ＬｉＮｂＯ₃の厚さを薄くすることが可能
となる。これにより、大きな静電容量を得ることができ
るので、低周波数まで測定可能となる。ＬｉＮｂＯ₃を
薄くしても、シムを用いることなくＬｉＮｂＯ₃を２枚
直接接合したものに比べて対衝撃性が向上し、大きな加
速度まで測定することが可能となる。

【０１０６】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤などの接着層を用いることなく、圧電基板２ａ、２
ｂをシム３０に強固に接合させることによって圧電振動
子１を構成したので、特性のばらつきや振動の減衰など
が無く、かつ、高い対衝撃性を有する加速度センサを実
現することができる。また、接着剤を用いることなく、
圧電振動子１が支持体４ａ、４ｂに直接接合されている
ので、圧電振動子１の位置合わせを高精度に行うことが
でき、片持ち梁部の長さや支持状態がばらつくことはな
い。その結果、安定で特性ばらつきが極めて小さく、し
かも高感度の加速度センサを実現することができる。

【０１０７】尚、本実施の形態においては、圧電基板２
ａ、２ｂをシム３０の両面に接合しているが、必ずしも
この構成に限定されるものではなく、シム３０のいずれ
か一方の面に圧電基板２ａ（又は２ｂ）を接合してもよ
い。

【０１０８】また、本実施の形態においては、圧電振動
子１の支持方法として片持ち梁構造を用いているが、必
ずしもこの構造に限定されるものではなく、圧電振動子
１の両端にシム３０を露出し、支持体４ａ、４ｂを直接
接合して両持ち梁構造としてもよく、圧電振動子１の中
心にシム３０を露出し、支持体４ａ、４ｂをシム３０に
直接接合して中心支持構造としてもよい。

【０１０９】また、本実施の形態においては、圧電基板
２ａ、２ｂの材料としてＬｉＮｂＯ ₃を用いているが、
必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、タン
タル酸リチウムや水晶を用いてもよい。

【０１１０】また、本実施の形態においては、シム３０
の材料としてガラスを用いているが、必ずしもこれに限
定されるものではなく、例えば、シリコンを用いてもよ
い。

【０１１１】また、本実施の形態においては、支持体４
ａ、４ｂの材料としてガラスを用いているが、必ずしも
これに限定されるものではなく、例えば、ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウム、水晶、シリコンなどを用い
てもよい。最適には圧電振動子１を構成するシム３０と
同じ材料がよく、好適には圧電振動子１の材料と熱膨張
係数の近いものが望ましい。

【０１１２】また、本実施の形態においては、電極３
ａ、３ｂの材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。

【０１１３】〈実施の形態５〉次に、図１１と同様の片
持ち梁構造を有する加速度センサ及びその製造方法につ
いて説明する。図１２は本発明の第５の実施の形態の加
速度センサの製造方法を示す工程図である。

【０１１４】まず、図１２（ａ）に示すように、シム３
１としてシリコン（Ｓｉ）基板を用い、フォトレジスト
パターンをマスキング材とした異方性エッチング法によ
って片持ち梁部１１を形成した。

【０１１５】次いで、図１２（ｂ）に示すように、シム
３１の片持ち梁部１１の片面に、ＬｉＮｂＯ₃からなる
圧電基板１２を直接接合によって接合し、圧電素子を作
製した。直接接合は、上記したように、親水化処理を施
した後、加熱して行った。図６と異なり、片持ち梁部１
１以外には、圧電基板１２は接合されていない。

【０１１６】次いで、図１２（ｃ）に示すように、片持
ち梁部１１の支持部付近に酸化珪素からなる絶縁膜３３
を形成し、絶縁膜３３上と圧電基板１２の主面に電極１
３を形成した。これにより、圧電振動子１５を作製し
た。次いで、圧電振動子１５に、上記第２の実施の形態
と同様の工程を用いて凹部と貫通孔を形成したガラス基
板を直接接合して、容器１６ａ、１６ｂを形成した。次
いで、容器１６ａ、１６ｂの貫通孔に、電極１３及び開
口の反対側（図の右側）のＳｉ基板と電気的に接続され
るように導電性ペーストを流し込み、焼成してスルーフ
ォール導電部１９ａ、１９ｂを形成した。さらに、容器
１６ａ、１６ｂの上面に、スルーフォール導電部１９
ａ、１９ｂと導通するように銀パラジウムを印刷し、外
部電極２０ａ、２０ｂを形成した。これにより、圧電振
動子１５上の電極１３と外部電極２０ａとが電気的に接
続され、開口の反対側（図の右側）のＳｉ基板と外部電
極２０ｂとが電気的に接続された。Ｓｉ基板からなるシ
ム３１は低抵抗であり、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）１２
の一方の面の電極を兼ねている。以上により、加速度セ
ンサ１０１が作製された。

【０１１７】図１２（ｃ）の加速度センサは、図１１と
同様に圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）１２が支持されず、シ
ム（Ｓｉ基板）３１のみが支持されているため、加速度
に対する変位が大きく、高い感度が得られる。

【０１１８】図１２（ｃ）に示した加速度センサは、シ
ムを用いることなくＬｉＮｂＯ₃基板を２枚直接接合し
て作製したものに比べて対衝撃性が向上し、大きな加速
度まで測定することができる。また、静電容量を大きく
とることができるので、低周波でも高い感度を得ること
ができる。

【０１１９】図１３は上記と同様の工程で作製し得る本
発明の第５の実施の形態の両持ち梁構造の圧電振動子を
示す斜視図である。シム３０の材料としてＳｉを用い、
Ｓｉ上に両持ち梁部を形成した。この両持ち梁部の片面
のみに、圧電基板（ＬｉＮｂＯ₃）１２を直接接合によ
って接合した。これにより、圧電基板１２は支持され
ず、シム３０のみが支持された両持ち梁構造の圧電素子
が得られた。また、圧電基板１２の上には電極２３が形
成されており、これにより圧電振動子２１が得られた。
この構造を用いることにより、高い周波数の加速度まで
高感度に検出することができ、かつ、対衝撃性に優れた
加速度センサが得られる。

【０１２０】以上のように、本実施の形態によれば、接
着剤を用いることなく、シム３０、３１に圧電基板１２
を強固に直接接合することによって圧電振動子１５、２
１を構成したので、機械的強度の強い圧電振動子１５、
２１を有し、しかも振動の減衰などが無い加速度センサ
を実現することができる。また、圧電振動子１５、２１
が圧電基板１２からパターン形成されているので、形状
と支持のばらつきが小さくなる。また、片持ち梁部が支
持部と同時に形成され、圧電基板１２が支持部材に接着
剤を用いることなく極めて安定に直接接合されているの
で、片持ち梁部の長さのばらつきが無くなると共に、支
持状態のばらつきが小さくなり、しかも片持ち梁部の位
置合わせを高精度に行うことができるようになる。その
結果、共振周波数などの特性ばらつきが極めて小さく、
かつ、振動に対して高い感度を有する加速度センサを実
現することができる。また、圧電振動子と支持部材及び
容器を同一の材料で作製することができるので、温度に
よる歪みなどの影響を受けることがなく、高感度で安定
性に優れた加速度センサを実現することができる。ま
た、１枚の基板に多数の加速度センサを一度に作製し得
る量産性に優れた加速度センサの製造方法を提供するこ
とができる。

【０１２１】尚、本実施の形態においては、圧電基板１
２の材料としてＬｉＮｂＯ₃を用いているが、必ずしも
これに限定されるものではなく、例えば、タンタル酸リ
チウムや水晶を用いてもよい。

【０１２２】また、本実施の形態においては、シム３
０、３１の材料としてＳｉを用いているが、必ずしもこ
れに限定されるものではなく、例えば、ガラスを用いて
もよい。

【０１２３】また、本実施の形態においては、電極１
３、２３の材料としてクロム−金を用いているが、必ず
しもこれに限定されるものではなく、例えば、金、クロ
ム、銀又は合金材料を用いてもよい。

【０１２４】また、本実施の形態においては、容器１６
ａ、１６ｂの材料としてガラスを用いているが、必ずし
もこれに限定されるものではなく、例えば、タンタル酸
リチウム、水晶、シリコンなどを用いてもよい。最適に
は圧電振動子１５を構成する圧電基板１２と同じ材料が
よく、好適には圧電振動子１５の材料と熱膨張係数の近
いものが望ましい。

【０１２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る加速
度センサの第１の構成によれば、シムに圧電体が直接接
合されてなる圧電素子と、前記圧電素子の主面に形成さ
れた電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振動子を支
持する支持体とを備えたものであるので、以下の作用を
奏することができる。すなわち、接着剤などの接着層を
用いることなく、圧電体をシムに直接接合することによ
って圧電素子を形成するようにしたので、従来のように
圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感度を低下させる
ことはない。また、シムと圧電体の接合状態が均一とな
るので、特性にばらつきが生じることもない。また、十
分な機械的強度が得られるので、高い対衝撃性を有する
加速度センサを実現することができる。

【０１２６】また、本発明に係る加速度センサの第２の
構成によれば、シム基板に形成された梁と、前記梁の少
なくとも一方の面に圧電基板が直接接合されてなる圧電
素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とからな
る圧電振動子と、前記圧電振動子を収納する容器とを備
え、前記圧電振動子と前記容器とが直接接合されている
ことを特徴とするので、圧電振動子の位置合わせを高精
度に行うことができるので、梁部の長さや支持状態にば
らつきが生じることはない。その結果、安定性が高く、
特性のばらつきの極めて小さい加速度センサを実現する
ことができる。また、本構成によれば、１枚の基板に多
数の加速度センサを一度に作製することが可能となるの
で、量産性に優れた加速度センサを実現することができ
る。

【０１２７】また、前記本発明方法の構成によれば、シ
ム及び圧電体からなる圧電素子と、前記圧電素子の主面
に形成された電極とからなる圧電振動子と、前記圧電振
動子を支持する支持体とを備えた加速度センサの製造方
法であって、シムに圧電体を直接接合することによって
圧電素子を形成することを特徴とするので、以下の作用
を奏することができる。すなわち、接着剤などの接着層
を用いることなく、圧電体をシムに直接接合することに
よって圧電素子を形成するようにしたので、従来のよう
に圧電振動子の振動を接着剤が吸収し、感度を低下させ
ることはない。また、シムと圧電体の接合状態が均一と
なるので、特性にばらつきが生じることもない。また、
十分な機械的強度が得られるので、高い対衝撃性を有す
る加速度センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の圧電振動子を示す
斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の圧電振動子の製造
方法における直接接合の各段階の基板界面状態を示す説
明図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の片持ち梁構造のバ
イモルフ型圧電振動子を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の加速度センサの一
例を示す分解斜視図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態の加速度センサの他
の例を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態の加速度センサの製
造方法を示す工程図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態の加速度センサを示
す分解斜視図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態の圧電振動子を示
す斜視図である。

【図１１】本発明の第４の実施の形態の圧電振動子を示
す断面図である。

【図１２】本発明の第５の実施の形態の加速度センサの
製造方法を示す工程図である。

【図１３】本発明の第５の実施の形態の両持ち梁構造の
圧電振動子を示す斜視図である。

【図１４】圧電型加速度センサに使用する回路図であ
る。

【符号の説明】１、１５、２１・・・圧電振動子２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ・・・圧電基板３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ、２３・・・電極４ａ、４ｂ・・・支持体７ａ、７ｂ、１４ａ、１４ｂ・・・導電層９ａ、９ｂ、２０ａ、２０ｂ、２６・・・外部電極１０ａ、１０ｂ、１６ａ、１６ｂ、２７ａ、２７ｂ・・
・容器１１、３２・・・片持ち梁部１７・・・凹部１８・・・貫通孔１９ａ、１９ｂ・・・スルーホール導電部３０、３１・・・シム３３・・・絶縁膜１００、１０１、２００・・・加速度センサ

フロントページの続き (72)発明者冨田佳宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川崎修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開平６−27134（ＪＰ，Ａ) 特開平８−18115（ＪＰ，Ａ) 特開平６−160425（ＪＰ，Ａ) 特開平５−80071（ＪＰ，Ａ) 特開平７−43226（ＪＰ，Ａ) 実開平６−74971（ＪＰ，Ｕ) 国際公開95／027215（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01P 15/09 H01L 29/84 H01L 41/08 H01L 41/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シムに圧電基板が直接接合されてなる圧
電素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とから
なる圧電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体と
を備え、前記圧電素子の前記支持体に支持されていない
部分に前記電極が形成されて、かつ、前記圧電基板と前
記支持体が直接接合されていることを特徴とする加速度
センサ。
【請求項２】前記圧電振動子が容器に収納され、前記
支持体が前記容器に直接接合されている請求項１に記載
の加速度センサ。
【請求項３】シムに圧電基板が直接接合されてなる圧
電素子と、前記圧電素子の主面に形成された電極とから
なる圧電振動子と、前記圧電振動子を支持する支持体と
を備え、かつ、前記シムに前記支持体が直接接合されて
いると共に、前記シムの材料がシリコン及びガラスから
なる群から選ばれる１つであることを特徴とする加速度
センサ。
【請求項４】前記圧電振動子が容器に収納され、前記
シムが前記容器に直接接合されている請求項３に記載の
加速度センサ。
【請求項５】前記シムの両面に前記圧電基板が直接接
合されている請求項１から４のいずれかに記載の加速度
センサ。
【請求項６】前記シムの材料がシリコン及びガラスか
らなる群から選ばれる１つである請求項１又は２に記載
の加速度センサ。
【請求項７】前記圧電基板の材料がニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれ
る１つである請求項１から５のいずれかに記載の加速度
センサ。
【請求項８】前記圧電振動子の一端が前記支持体に支
持されている請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項９】前記圧電振動子の両端が前記支持体に支
持されている請求項１又は２に記載の加速度センサ。
【請求項１０】シム及び圧電体からなる圧電素子と、
前記圧電素子の主面に形成された電極とからなる圧電振
動子と、前記圧電振動子を支持する支持体とを備えた加
速度センサの製造方法であって、前記シムに前記圧電体
を直接接合することによって前記圧電素子を形成し、前
記圧電素子の前記支持体に支持されていない部分に前記
電極を形成し、かつ、前記圧電体に前記支持体を直接接
合することを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項１１】前記圧電体の材料がニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム及び水晶からなる群から選ばれ
る１つである請求項１０に記載の加速度センサの製造方
法。
【請求項１２】前記シムの材料がシリコン及びガラス
からなる群から選ばれる１つである請求項１０に記載の
加速度センサの製造方法。
【請求項１３】前記シムの一部を前記支持体に直接接
合することにより、前記圧電振動子を前記支持体に支持
する請求項１０に記載の加速度センサの製造方法。
【請求項１４】前記圧電振動子を収納する容器をさら
に備え、前記容器に前記シムの一部を直接接合する請求
項１０に記載の加速度センサの製造方法。
【請求項１５】前記直接接合を、親水化処理を施した
前記圧電基板の表面と前記シムの表面とを接合させるこ
とにより行なう請求項１０に記載の加速度センサの製造
方法。
【請求項１６】前記直接接合を、親水化処理を施した
前記圧電基板の表面と前記シムの表面とを接合させた
後、前記圧電基板のキュリー点以下の温度で熱処理する
ことにより行なう請求項１０に記載の加速度センサの製
造方法。