JP3666370B2 - 外力検知センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体微細加工技術などを用いて形成した外力検知センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、外力検知センサとして、加速度センサ及び角速度センサが知られている。これらの外力検知センサは可動部分を備えており、外力検知センサに加わる加速度又は角速度等の外力に応じて変位する可動部の動作を電気的に検出して加速度信号又は角速度信号を得るものである。例えば、特開平１０−１０４２６３号公報に記載されている圧電素子を用いた加速度センサは、図５に示されるように、中央部分に可動部１、即ち、支持部２に梁３で支えられた重り部４を有し、この支持部２には、上下から挟むように凹部５ａ，６ａを有する支持基板５及び蓋基板６を取付けると共に、中央部分には、支持基板５及び蓋基板６の凹部５ａ，６ａを用いてキャビティを形成して、可動部１の変位を可能に構成している。そして、梁３の部分には圧電素子７が設けられており、重り部４に加速度が加わって梁３に応力が生じると、圧電素子７は加速度信号を発生する。
【０００３】
しかし、支持基板５及び蓋基板６に設けた凹部５ａ，６ａが浅いと、重り部４とキャビティの天面６ｂ及び底面５ｂの間の間隙が狭くなり、重り部４が急速に変位したとき、キャビティ内に封入された気体の粘性によりエアダンピングの影響を受け、出力信号に大きな位相遅れが生じて応答性が悪くなる。このため、上述の加速度センサでは、エアダンピングの影響を除くために、支持基板５及び蓋基板６の凹部５ａ，６ａの深さを高く（深く）して、重り部４に於けるキャビティ内の上下の空間を広げ、加速度センサの応答性を改善している。
【０００４】
このエアダンピングの影響は、外力を静電的に検出する外力検知センサの場合でも同様である。図６及び図７を参照して、特開２０００−２２１７０号公報に記載の外力検知センサについて説明する。シリコン基板を加工することにより、２つの重り部８，９が梁１１ａ，１２ａにより支持部１１，１２に結合されて可動部１０を構成する。２つの重り部８，９には、それぞれ外側に向け複数本の板状の可動櫛歯電極８ａ，９ａが設けられ、また、重り部８，９に向い合った位置に固定部１３，１４が設けられ、この固定部１３，１４には重り部８，９の方向へ突出して複数の板状の固定櫛歯電極１３ａ，１４ａが設けられる。そして、これら可動部１０及び固定部１３，１４を取囲む如く枠部１５が設けられる。上述のように構成された機能素子は、パイレックスガラスを用いて作られた支持基板１８及び蓋基板１９で上下から挟むように支持され、また、支持基板１８及び蓋基板１９に設けた凹部１８ａ，１９ａにより内部にキャビティが形成され、可動部１０の変位を可能にする。支持基板１８の凹部１８ａの底面には、重り部８，９の下方に空隙を介して検出電極１６，１７が設けられる。
【０００５】
この構成の外力検知センサを角速度センサとして用いたときの動作を説明する。支持部１１，１２と固定部１３，１４の間に電圧を印加すると、可動櫛歯電極８ａ，９ａと固定櫛歯電極１３ａ、１４ａの間に働く静電力により、２つの重り部８，９は、互いに反対方向に振動する。このような振動の状態に於いて、外力検知センサに支持部１１，１２を結ぶ方向を軸として回転力が加わると、２つの重り部８，９は、垂直方向のコリオリ力を受け、例えば、一方の重り部８が下向きのコリオリ力を受けると他方の重り部９が上向きのコリオリ力を受け、静電力とコリオリ力で定まるベクトル方向に振動する。この振動により、２つの重り部８，９と２つの検出電極１６，１７の間の静電容量が差動的に変化し、２つの検出電極１６，１７の出力を電圧に変換して差動増幅器で差動増幅することにより角速度信号が得られる。
【０００６】
次に、加速度センサとして用いたときの動作を説明する。支持部１１，１２と固定部１３，１４及び検出電極１６，１７の間に直流電圧を印加した状態に於いて、重り部８，９に加速度が加わると、即ち、２つの固定電極を結ぶ方向のベクトル成分に対しては２つの固定部１３，１４から正反対の加速度信号、換言すれば、一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少する加速度信号が得られ、また、上下方向のベクトル成分に対しては検出電極１６，１７から加速度信号が得られる。即ち、２方向の加速度を検出することができる。
【０００７】
上述の外力検知センサでは、可動部１０が密閉されたキャビティ内で変位するため、加速度センサでは可動部１０の上下方向の変位時にエアダンピングの影響が大きく現れる。また、角速度センサのように、可動部１０を常時一定の振動周波数で駆動振動をするような場合には、可動部１０の駆動振動の機械的Ｑが低下するなど、可動部１０の動作に好ましくない影響を及ぼす。
【０００８】
更に、外力検知センサの作製の過程で、凹部１９ａを設けた蓋基板１９を可動部１０の上に被装するとき、高電圧を用いた陽極接合法により、枠部１５、支持部１１，１２及び固定部１３，１４と支持基板１８及び蓋基板１９を接合するが、強力な静電引力により可動部１０が支持基板１８の底面又は蓋基板１９の天面に引き寄せられて接合し、可動部１０が動作不能となる。従って、可動部１０を収容するキャビティを構成する支持基板１８及び蓋基板１９の凹部１８ａ，１９ａを深く形成するのが好ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、支持基板１８及び蓋基板１９の凹部１８ａ，１９ａを深くし過ぎると、可動部１０が垂直方向に移動する範囲が広がり、外力検知センサに外部から衝撃力等の外力が加わったとき、梁１１ａ，１２ａの弾力による自然復帰の限界を超えて可動部１０の可動櫛歯電極８ａ，９ａが固定櫛歯電極１３ａ，１４ａの上に乗上げ、又は、固定櫛歯電極１３ａ，１４ａを跳び越したままとなって、外力検知センサが動作不能となる。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、可動部が変位する限界を定めて確実な動作を確保した外力検知センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、機能素子を一方の表面側から支持する支持基板と、機能素子に他方の表面側から取付ける蓋基板とを備え、梁及び可動部を含む部分に可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１２】
【数４】
【００１３】
この構成により、キャビティに於ける固定櫛歯電極からの天面及び底面の高さは、可動部がキャビティ内の気体によるエアダンピングの影響を受けない高さとなり、また、外力検知センサに衝撃が加わり、可動部が跳躍し、その結果、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に落下しても、梁の弾力により、可動櫛歯電極は、確実に静止時の位置に復帰する。
【００１４】
また、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面長方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、可動部の変位を可能にする第１凹部を設けて機能素子を支持する支持基板と、第１凹部と反対側への可動部の変位を可能にする第２凹部を設けて機能素子を保護する蓋基板とを備え、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、第１凹部と第２凹部の夫々の高さＤはエアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１５】
【数５】
【００１６】
これにより、可動部が変位するキャビティは、支持基板に形成した第１凹部及び蓋基板に形成した第２凹部で構成され、これら第１凹部及び第２凹部の高さ（深さ）は、可動部の自然復帰を促進する限界値に設定される。従って、可動部が衝撃力を受けても、可動部は自然に元の位置に復帰し、外力検知センサの動作の継続が可能となる。
【００１７】
更に、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、機能素子を支持する支持基板と、機能素子に支持基板と反対側から取付ける蓋基板とを備え、機能素子及び支持基板並びに蓋基板の何れか２つを加工して梁及び可動部を含む部分にキャビティを形成し、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１８】
【数６】
【００１９】
キャビティは、可動部の変位を可能にする空間であるので、機能素子の加工のとき、機能素子自身に形成することが可能である。このため、機能素子を含めて支持基板及び蓋基板の何れかを加工することにより、可動部の上下に空間を形成する。この場合でも、可動部は十分に本来の機能を有し、且つ衝撃力により可動部がジャンプしても、支持基板及び蓋基板がストッパの働きをするので、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に乗り上げた儘となることはない。
【００２０】
更に、本発明の外力検知センサは、固定部及び支持部並びに該支持部に梁で連結された可動部を含む機能素子と、機能素子を支持する支持基板と、機能素子を保護する蓋基板とを備え、支持基板及び蓋基板を機能素子の両表面側から機能素子を挟む如く配設すると共に梁及び可動部を含む部分に可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、可動部に断面方形の可動櫛歯電極を設けると共に固定部には可動櫛歯電極に対し微少間隙を介して並置される断面方形の固定櫛歯電極を設け、微少間隙を介して隣接する可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の対向する側の対角に位置する角の頂点を通る直線に沿って可動櫛歯電極を移動し、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の対向しない側の表面が同一の平面上に位置するときの可動櫛歯電極に於ける固定櫛歯電極から遠い側の表面までを限界の高さとして、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保することである。
【００２１】
この発明によれば、どのような大きさの衝撃力が外力検知センサに加わっても、可動部は必ずキャビティの天面又は底面と衝突するので、これら天面又は底面がストッパとして働き、可動部が天面又は底面と衝突し、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に落下しても、可動櫛歯電極は確実に元の静止位置に引き戻される。従って、外力検知センサを継続して使用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る外力検知センサの基本構成を示す。機能素子に於いて、可動部と固定部が最も接近しているのは可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の部分であるので、説明を簡単にするため、キャビティ２０と、このキャビティ２０内に配置された後述する機能素子の可動櫛歯電極２１及び２つの固定櫛歯電極３１，４１のみを示している。外力検知センサの詳細については後述する。
【００２３】
図１に於いて、キャビティ２０は、天面２０ａ及び底面２０ｂと、左右の側面２０ｃ、２０ｄで仕切られる。キャビティ２０の中央には、１つの可動櫛歯電極２１が配置され、可動櫛歯電極２１の左右には、微少間隙ｇ１、ｇ２を介して２つの固定櫛歯電極３１，４１が配置されている。可動櫛歯電極２１は、断面長方形をなし、左可動表面２２、右可動表面２３、上可動表面２４及び下可動表面２５を備える。左可動表面２２及び右可動表面２３と上可動表面２４及び下可動表面２５が交わる４つの角２６，２７，２８，２９は、直角状に設定される。固定櫛歯電極３１，４１についても、同様に、断面長方形で、左固定表面３２，４２、右固定表面３３，４３、上固定表面３４，４４及び下固定表面３５，４５を備え、左固定表面３２及び右固定表面３３と上固定表面３４及び下固定表面３５が交わる４つの角３６，３７，３８，３９及び左固定表面４２及び右固定表面４３と上固定表面４４及び下固定表面４５が交わる４つの角４６，４７，４８，４９は、直角に設定される。そして、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の高さｈは、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１ともに同じ高さであり、可動櫛歯電極２１の幅Ｗ１に対し、固定櫛歯電極３１，４１はそれぞれ幅Ｗ２、幅Ｗ３である。
【００２４】
この構成は外力検知センサの静止時の状態を示しており、可動櫛歯電極２１に加速度又は角速度が加わったとき、可動櫛歯電極２１は、図面上の水平方向（Ｙ方向）、上下方向（Ｚ方向）、紙面に対する垂直方向（Ｘ方向）の何れの方向にも変位することが可能である。一方、固定櫛歯電極３１，４１は、定位置で固定されており、可動櫛歯電極２１の変位により、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の対向している表面の面積が変化し、また、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の対向する表面間の距離ｇ１、ｇ２が変化する。これらの変化が可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の間に電圧を印加したときの静電容量の変化となる。
【００２５】
このような条件下に於いて、機能素子の可動部が斜め上下方向から衝撃を受けると、可動部はキャビティ２０の内部で跳躍し、これに伴って可動櫛歯電極２１も大きくジャンプする。従って、固定櫛歯電極３１，４１の上固定表面３４，４４及び下固定表面３５，４５からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤが余りに大きいと、可動櫛歯電極２１が固定櫛歯電極３１，４１の上に乗り上げたり、固定櫛歯電極３１，４１を飛越し、梁の弾力により自然に元の静止位置に復帰することが不可能となる。これに対し、本発明に於いては、可動櫛歯電極２１がキャビティ２０の中で変位できる天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤを規制する。
【００２６】
先ず、可動櫛歯電極２１が変位できる範囲は、両側の固定櫛歯電極３１，４１により制限を受ける。即ち、可動櫛歯電極２１は直線的に変位するものと仮定すると、固定櫛歯電極３１，４１の上方に於いて、微少間隙ｇ１を介して隣接する可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１では、可動櫛歯電極２１は、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１の対向する側の微少間隙ｇ１を介した対角に位置する角の頂点２７と頂点３８を通る直線３０の右側領域で変位可能である。換言すれば、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１の奥行きを考えた場合には、可動櫛歯電極２１の左可動表面２２と下可動表面２５が形成する辺及び固定櫛歯電極３１の右固定表面３３と上固定表面３４が形成する辺を通る傾斜面の右側領域で変位可能である。この直線の傾きは、微少間隙ｇ１と可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１の高さｈで現され、ｈ／ｇ１となる。
【００２７】
同様に、微少間隙ｇ２を介して隣接する可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極４１に関しても、可動櫛歯電極２１は、可動櫛歯電極２１の右可動表面２３と下可動表面２５で形成する辺及び固定櫛歯電極４１の左固定表面４２と上固定表面４４で形成する辺を通る傾斜面の左側の領域で変位可能である。これを断面で見た場合には、微少間隙ｇ２を介して斜め（対角）に位置する可動櫛歯電極２１の角の頂点２９と固定櫛歯電極４１の角の頂点４６を通る直線４０の左側の領域となる。この直線の傾きは、微少間隙ｇ２と可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極４１の高さｈで現され、ｈ／ｇ２となる。
【００２８】
可動櫛歯電極２１の変位が制限を受ける範囲は、固定櫛歯電極３１，４１の下方に於いても上述同様であるので、その説明は省略する。
【００２９】
次に、可動櫛歯電極２１の上方及び下方の制限領域について説明する。可動櫛歯電極２１が直線３０に沿って上方に移動し、直線３０の起点となる可動櫛歯電極２１の角の頂点２７が直線３０の上に位置し、また、可動櫛歯電極２１の固定櫛歯電極４１と対向する右可動表面２３が固定櫛歯電極３１の可動櫛歯電極２１と対向しない側の左固定表面３２と同一の平面上に位置したときの可動櫛歯電極２１に於ける上可動表面２４の位置、換言すれば、固定櫛歯電極３１の上固定表面３４から変位した可動櫛歯電極２１ａの上可動表面２４ａまでの高さＤ１を、可動櫛歯電極２１が上方に変位できる限界として設定する。この限界の高さＤ１は、可動櫛歯電極２１の下方に於いても同じで、キャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂの高さをＤ１と同じ高さか又はＤ１よりも低く定めることにより、可動櫛歯電極２１は、キャビティ２０の左側の領域に於いて固定櫛歯電極３１の上に乗り上げた儘とならず、元の静止位置に復帰する。即ち、固定櫛歯電極３１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤ１は、可動櫛歯電極２１の幅をＷ１とし、固定櫛歯電極３１の幅をＷ２とすると、次式で定められる。
【００３０】
【数７】
【００３１】
また、キャビティ２０の右側領域に於いても、上述同様に、可動櫛歯電極２１の角の頂点２９が直線４０の上に位置し、また、可動櫛歯電極２１の左可動表面２２が固定櫛歯電極４１の右固定表面４３と同一の平面上に位置するとき、固定櫛歯電極４１の上固定表面４４から上方に変位した可動櫛歯電極２１ｂの上可動表面２４ａまでの高さＤ２が変位可能な限界となる。この限界の高さＤ２は、可動櫛歯電極２１の下方でも同じ高さに設定される。従って、固定櫛歯電極４１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤ２を、固定櫛歯電極４１の幅をＷ３として、次式のように設定すると、可動櫛歯電極２１がキャビティ２０の右側領域に於いて固定櫛歯電極４１に乗り上げた儘となることはない。
【００３２】
【数８】
【００３３】
微少間隙ｇ１が微少間隙ｇ２よりも小さい（ｇ１＜ｇ２）ときには、固定櫛歯電極３１，４１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さは、キャビティ２０の左側領域に於ける高さＤ１よりも右側領域に於ける高さＤ２が低くなる（Ｄ１＞Ｄ２）ので、キャビティ２０の左右領域共通の高さはＤ２に設定する。この構成により、可動櫛歯電極２１は、キャビティ２０の内部に於いて、エアダンピングの影響を受けることなく運動することができ、また、衝撃力を受けて躍動しても確実に元の静止位置に復帰する。
【００３４】
通常は、製造を容易にするため、微少間隙ｇは、同じ間隙（ｇ１＝ｇ２）に定められ、また、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の幅Ｗは、同じ幅（Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）に定められるので、キャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤは、次式を満足するように設定される。
【００３５】
【数９】
【００３６】
図２を用いて、外力検知センサの実施の形態を説明する。機能素子５０は、シリコン基板を加工して作られ、可動部５０ａと固定部６０，６１を含んで構成される。可動部５０ａは、枠状の支持部５１の中央部に、Ｌ字型の４本の梁５２で支持された重り部５３から構成される。可動部５０ａは、紙面に垂直の方向（Ｚ軸方向）に厚味を有し、梁５２は板状の梁である。重り部５３には、図面上の水平方向（Ｘ軸方向）両側に突出する板状の複数本の可動櫛歯電極５４，５５が図面上の上下方向（Ｙ軸方向）に等間隔で且つ１列に配設されている。また、重り部５３のＹ軸方向両側には、Ｙ軸方向へ延びた可動電極支持板５６，５７が植設され、この支持板５６，５７の両面側には板状の検出可動櫛歯電極５８，５９が複数設けられる。
【００３７】
重り部５３のＸ軸方向両側には、可動櫛歯電極５４，５５に対向して固定部６０，６１が配設される。固定部６０，６１には、板状の複数の固定櫛歯電極６２，６３が、可動櫛歯電極５４，５５と微少間隙を介して噛み合う如く、つまり、可動櫛歯電極５４，５５の電極面と固定櫛歯電極６２，６３の電極面が微少間隙ｇを介して向き合うように設けられる。また、重り部５３のＹ軸方向両側には、検出固定部６４，６５が設けられており、検出固定部６４，６５には、重り部５３の方向に伸長する２枚の固定電極支持板６６，６７が可動電極支持板５６，５７を間にして平行に植設される。固定電極支持板６６，６７には、固定櫛歯電極６２，６３と同様に、検出可動櫛歯電極５８，５９と微少間隙ｇを介して対向するように板状の検出固定櫛歯電極６８，６９が形成される。なお、固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５は、これらの周囲に設けられたスリットにより支持部５１から電気的に分離される。
【００３８】
上述の構成の機能素子５０は、図３に示すように、支持基板７０で支持されると共に蓋基板７１により保護される。ガラス材、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス材からなる支持基板７０及び蓋基板７１には、共に高さ（深さ）Ｄの凹部７２、７３が形成され、この凹部７２と７３を向い合せて機能素子５０を挟持することにより、機能素子５０の梁５２及び可動部を含む部分に十分な空間を有するキャビティを形成し、可動部の変位を確保している。機能素子５０は、厚みｈのシリコン基板を加工して作られ、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３は、高さｈで幅Ｗの断面長方形となり、対向する表面を広く形成している。また、機能素子５０の固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５は、例えば、支持基板７０に設けたビアホ−ル７４で外部と電気的に接続される。
【００３９】
上述の外力検知センサの動作を説明する。通常、支持部５１は接地されるので、固定部６０，６１と支持部５１の間に差動的に変化する交流電圧を印加すると、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３の間に静電力が働き、重り部５３はＸ軸の方向に一定の振幅で振動する。このとき、外力検知センサが重り部５３の中心を通るＺ軸の回りに回転力を受けると、Ｙ軸方向にコリオリ力が働き、重り部５３がＹ軸方向に変位して検出可動櫛歯電極５８，５９と検出固定櫛歯電極６８，６９の間の静電容量が変化する。即ち、検出固定櫛歯電極６８と６９から差動的に静電容量が変化する角速度信号が得られる。
【００４０】
このような可動部５０ａの動作のとき、又は、可動部５０ａが静止のとき、重り部５３に衝撃力が加わると、重り部５３は大きく跳躍する。例えば、図２に於いて、ＸＹ平面方向の衝撃力のベクトル成分に対しては、重り部５３の可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９が近接の固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９或いは固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５と衝突し、また、Ｚ軸方向のベクトル成分のときには、重り部５３が支持基板７０の底面７２又は蓋基板７１の天面７３と衝突の後、元の静止位置に復帰する。そして、重り部５３がＹＺ平面方向のベクトル成分を受けたときには、重り部５３が斜めの方向に上昇又は下降し、天面７３又は底面７２と衝突してそのまま落下しても、換言すれば、可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９が隣接の固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９の上に落下しても、可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９は、固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９を跳越えることなく、梁５２の弾力により元の静止位置に復帰する。
【００４１】
図４は外力検知センサの他の実施の形態を示す。支持基板７５には平坦な基板が用いられ、図３と同様に、ビアホ−ル７６が設けられる。機能素子７７の形成には、図３の場合よりも厚いシリコン基板が用いられ、支持基板７５を取り付ける裏面側からＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングにより深さＤの凹部７８が形成される。この凹部７８により、機能素子７７の梁５２及び可動部５０ａは、図３と同様に、厚みｈとなる。機能素子７７の平面形状は図２と同じ構成であり、また、蓋基板７１も同様である。ここに機能素子７７の凹部７８と蓋基板７１の凹部７３によりキャビティが形成される。
【００４２】
【実施例】
図３に於いて、機能素子５０の厚みｈ＝４０μｍ、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３の幅Ｗ＝３μｍ、可動櫛歯電極５４、５５と固定櫛歯電極６２、６３の間の間隙ｇ＝２μｍに設定すると、厚み４００μｍの支持基板７０及び蓋基板７１に形成する凹部７２，７３の深さＤは、１６０μｍとなる。即ち、固定櫛歯電極６２、６３からキャビティの天面及び底面までの高さの限界値は１６０μｍである。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の外力検知センサによれば、キャビティの天面及び底面はできるだけ高く形成されるにも拘わらず、その高さに限界値が設定されているので、可動部はキャビティ内の気体の粘性によるエアダンピングの影響を受けることなく動作することができ、また、外力検知センサの落下等に起因する衝撃力や外力検知センサを装着した機器に加わる打撃力等により可動部が跳躍しても、従来のように可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に乗上げて引掛かり動作不良となる虞はなく、可動部は梁の弾力により確実に元の静止位置に復帰することができる。
【００４４】
また、キャビティの天面及び底面は十分な高さとなるので、外力検知センサの制作時に於いて、主に、シリコンからなる機能素子とガラスからなる蓋基板の陽極接合工程で、可動部が静電引力により蓋基板に接合されて動作不能となることを防止することができる。
【００４５】
請求項２の外力検知センサによれば、支持基板及び蓋基板に設けた凹部の高さ（深さ）でキャビティの天面又は底面の限界の高さを実現できるので、支持基板及び蓋基板を同じ加工方法を用いて同一形状に作ることができ、外力検知センサの制作が容易になる。
【００４６】
請求項３の外力検知センサによれば、キャビティの一部は機能素子を加工することも含めて設計されるので、支持基板又は蓋基板に凹部を形成しなくても、可動部に加わる衝撃力に対応するキャビティを得ることができる。
【００４７】
請求項４の外力検知センサによれば、固定櫛歯電極からキャビティの天面及び底面までの高さは、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極を要素として決定するので、外力検知センサに強い衝撃力が加わっても、キャビティの天面及び底面をストッパとして働かせ、外力検知センサの機能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外力検知センサの基本構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る外力検知センサに於ける機能素子の構成を示す平面図である。
【図３】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘに於ける外力検知センサの構成を示す断面図である。
【図４】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘに於ける外力検知センサの他の構成を示す断面図である。
【図５】従来の加速度センサの構成を示す断面図である。
【図６】従来の外力検知センサの構成を示す断面図である。
【図７】図６の一点鎖線Ｙ−Ｙに於ける構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ キャビティ
２０ａ 天面
２０ｂ 底面
２１，５４，５５ 可動櫛歯電極
２６，２７，２８，２９，３６，３７，３８，３９，４６，４７，４８，４９
角の頂点
３０，４０ 直線
３１，４１，６２，６３ 固定櫛歯電極
５０ 機能を素子
５０ａ 可動部
５１ 支持部
５２ 梁
５３ 重り部
６０，６１ 固定部
７０，７５ 支持基板
７１ 蓋基板
７２，７３，７８ 凹部
Ｄ１，Ｄ２ 高さ
ｇ１，ｇ２ 微少間隙
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 櫛歯電極幅
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体微細加工技術などを用いて形成した外力検知センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、外力検知センサとして、加速度センサ及び角速度センサが知られている。これらの外力検知センサは可動部分を備えており、外力検知センサに加わる加速度又は角速度等の外力に応じて変位する可動部の動作を電気的に検出して加速度信号又は角速度信号を得るものである。例えば、特開平１０−１０４２６３号公報に記載されている圧電素子を用いた加速度センサは、図５に示されるように、中央部分に可動部１、即ち、支持部２に梁３で支えられた重り部４を有し、この支持部２には、上下から挟むように凹部５ａ，６ａを有する支持基板５及び蓋基板６を取付けると共に、中央部分には、支持基板５及び蓋基板６の凹部５ａ，６ａを用いてキャビティを形成して、可動部１の変位を可能に構成している。そして、梁３の部分には圧電素子７が設けられており、重り部４に加速度が加わって梁３に応力が生じると、圧電素子７は加速度信号を発生する。
【０００３】
しかし、支持基板５及び蓋基板６に設けた凹部５ａ，６ａが浅いと、重り部４とキャビティの天面６ｂ及び底面５ｂの間の間隙が狭くなり、重り部４が急速に変位したとき、キャビティ内に封入された気体の粘性によりエアダンピングの影響を受け、出力信号に大きな位相遅れが生じて応答性が悪くなる。このため、上述の加速度センサでは、エアダンピングの影響を除くために、支持基板５及び蓋基板６の凹部５ａ，６ａの深さを高く（深く）して、重り部４に於けるキャビティ内の上下の空間を広げ、加速度センサの応答性を改善している。
【０００４】
このエアダンピングの影響は、外力を静電的に検出する外力検知センサの場合でも同様である。図６及び図７を参照して、特開２０００−２２１７０号公報に記載の外力検知センサについて説明する。シリコン基板を加工することにより、２つの重り部８，９が梁１１ａ，１２ａにより支持部１１，１２に結合されて可動部１０を構成する。２つの重り部８，９には、それぞれ外側に向け複数本の板状の可動櫛歯電極８ａ，９ａが設けられ、また、重り部８，９に向い合った位置に固定部１３，１４が設けられ、この固定部１３，１４には重り部８，９の方向へ突出して複数の板状の固定櫛歯電極１３ａ，１４ａが設けられる。そして、これら可動部１０及び固定部１３，１４を取囲む如く枠部１５が設けられる。上述のように構成された機能素子は、パイレックスガラスを用いて作られた支持基板１８及び蓋基板１９で上下から挟むように支持され、また、支持基板１８及び蓋基板１９に設けた凹部１８ａ，１９ａにより内部にキャビティが形成され、可動部１０の変位を可能にする。支持基板１８の凹部１８ａの底面には、重り部８，９の下方に空隙を介して検出電極１６，１７が設けられる。
【０００５】
この構成の外力検知センサを角速度センサとして用いたときの動作を説明する。支持部１１，１２と固定部１３，１４の間に電圧を印加すると、可動櫛歯電極８ａ，９ａと固定櫛歯電極１３ａ、１４ａの間に働く静電力により、２つの重り部８，９は、互いに反対方向に振動する。このような振動の状態に於いて、外力検知センサに支持部１１，１２を結ぶ方向を軸として回転力が加わると、２つの重り部８，９は、垂直方向のコリオリ力を受け、例えば、一方の重り部８が下向きのコリオリ力を受けると他方の重り部９が上向きのコリオリ力を受け、静電力とコリオリ力で定まるベクトル方向に振動する。この振動により、２つの重り部８，９と２つの検出電極１６，１７の間の静電容量が差動的に変化し、２つの検出電極１６，１７の出力を電圧に変換して差動増幅器で差動増幅することにより角速度信号が得られる。
【０００６】
次に、加速度センサとして用いたときの動作を説明する。支持部１１，１２と固定部１３，１４及び検出電極１６，１７の間に直流電圧を印加した状態に於いて、重り部８，９に加速度が加わると、即ち、２つの固定電極を結ぶ方向のベクトル成分に対しては２つの固定部１３，１４から正反対の加速度信号、換言すれば、一方の静電容量が増加し、他方の静電容量が減少する加速度信号が得られ、また、上下方向のベクトル成分に対しては検出電極１６，１７から加速度信号が得られる。即ち、２方向の加速度を検出することができる。
【０００７】
上述の外力検知センサでは、可動部１０が密閉されたキャビティ内で変位するため、加速度センサでは可動部１０の上下方向の変位時にエアダンピングの影響が大きく現れる。また、角速度センサのように、可動部１０を常時一定の振動周波数で駆動振動をするような場合には、可動部１０の駆動振動の機械的Ｑが低下するなど、可動部１０の動作に好ましくない影響を及ぼす。
【０００８】
更に、外力検知センサの作製の過程で、凹部１９ａを設けた蓋基板１９を可動部１０の上に被装するとき、高電圧を用いた陽極接合法により、枠部１５、支持部１１，１２及び固定部１３，１４と支持基板１８及び蓋基板１９を接合するが、強力な静電引力により可動部１０が支持基板１８の底面又は蓋基板１９の天面に引き寄せられて接合し、可動部１０が動作不能となる。従って、可動部１０を収容するキャビティを構成する支持基板１８及び蓋基板１９の凹部１８ａ，１９ａを深く形成するのが好ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、支持基板１８及び蓋基板１９の凹部１８ａ，１９ａを深くし過ぎると、可動部１０が垂直方向に移動する範囲が広がり、外力検知センサに外部から衝撃力等の外力が加わったとき、梁１１ａ，１２ａの弾力による自然復帰の限界を超えて可動部１０の可動櫛歯電極８ａ，９ａが固定櫛歯電極１３ａ，１４ａの上に乗上げ、又は、固定櫛歯電極１３ａ，１４ａを跳び越したままとなって、外力検知センサが動作不能となる。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、可動部が変位する限界を定めて確実な動作を確保した外力検知センサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、機能素子を一方の表面側から支持する支持基板と、機能素子に他方の表面側から取付ける蓋基板とを備え、梁及び可動部を含む部分に可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１２】
【数４】
この構成により、キャビティに於ける固定櫛歯電極からの天面及び底面の高さは、可動部がキャビティ内の気体によるエアダンピングの影響を受けない高さとなり、また、外力検知センサに衝撃が加わり、可動部が跳躍し、その結果、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に落下しても、梁の弾力により、可動櫛歯電極は、確実に静止時の位置に復帰する。
【００１４】
また、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面長方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、可動部の変位を可能にする第１凹部を設けて機能素子を支持する支持基板と、第１凹部と反対側への可動部の変位を可能にする第２凹部を設けて機能素子を保護する蓋基板とを備え、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、第１凹部と第２凹部の夫々の高さＤはエアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１５】
【数５】
これにより、可動部が変位するキャビティは、支持基板に形成した第１凹部及び蓋基板に形成した第２凹部で構成され、これら第１凹部及び第２凹部の高さ（深さ）は、可動部の自然復帰を促進する限界値に設定される。従って、可動部が衝撃力を受けても、可動部は自然に元の位置に復帰し、外力検知センサの動作の継続が可能となる。
【００１７】
更に、本発明の外力検知センサは、支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、機能素子を支持する支持基板と、機能素子に支持基板と反対側から取付ける蓋基板とを備え、機能素子及び支持基板並びに蓋基板の何れか２つを加工して梁及び可動部を含む部分にキャビティを形成し、微少間隙をｇ、可動櫛歯電極の幅をＷ１、固定櫛歯電極の幅をＷ２、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することである。
【００１８】
【数６】
キャビティは、可動部の変位を可能にする空間であるので、機能素子の加工のとき、機能素子自身に形成することが可能である。このため、機能素子を含めて支持基板及び蓋基板の何れかを加工することにより、可動部の上下に空間を形成する。この場合でも、可動部は十分に本来の機能を有し、且つ衝撃力により可動部がジャンプしても、支持基板及び蓋基板がストッパの働きをするので、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に乗り上げた儘となることはない。
【００２０】
更に、本発明の外力検知センサは、固定部及び支持部並びに該支持部に梁で連結された可動部を含む機能素子と、機能素子を支持する支持基板と、機能素子を保護する蓋基板とを備え、支持基板及び蓋基板を機能素子の両表面側から機能素子を挟む如く配設すると共に梁及び可動部を含む部分に可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、可動部に断面方形の可動櫛歯電極を設けると共に固定部には可動櫛歯電極に対し微少間隙を介して並置される断面方形の固定櫛歯電極を設け、微少間隙を介して隣接する可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の対向する側の対角に位置する角の頂点を通る直線に沿って可動櫛歯電極を移動し、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極の対向しない側の表面が同一の平面上に位置するときの可動櫛歯電極に於ける固定櫛歯電極から遠い側の表面までを限界の高さとして、固定櫛歯電極からキャビティの天面までと固定櫛歯電極からキャビティの底面までの夫々の高さは、エアダンピングの影響をなくするために可動部が跳躍して可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保することである。
【００２１】
この発明によれば、どのような大きさの衝撃力が外力検知センサに加わっても、可動部は必ずキャビティの天面又は底面と衝突するので、これら天面又は底面がストッパとして働き、可動部が天面又は底面と衝突し、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極の上に落下しても、可動櫛歯電極は確実に元の静止位置に引き戻される。従って、外力検知センサを継続して使用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る外力検知センサの基本構成を示す。機能素子に於いて、可動部と固定部が最も接近しているのは可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の部分であるので、説明を簡単にするため、キャビティ２０と、このキャビティ２０内に配置された後述する機能素子の可動櫛歯電極２１及び２つの固定櫛歯電極３１，４１のみを示している。外力検知センサの詳細については後述する。
【００２３】
図１に於いて、キャビティ２０は、天面２０ａ及び底面２０ｂと、左右の側面２０ｃ、２０ｄで仕切られる。キャビティ２０の中央には、１つの可動櫛歯電極２１が配置され、可動櫛歯電極２１の左右には、微少間隙ｇ１、ｇ２を介して２つの固定櫛歯電極３１，４１が配置されている。可動櫛歯電極２１は、断面長方形をなし、左可動表面２２、右可動表面２３、上可動表面２４及び下可動表面２５を備える。左可動表面２２及び右可動表面２３と上可動表面２４及び下可動表面２５が交わる４つの角２６，２７，２８，２９は、直角状に設定される。固定櫛歯電極３１，４１についても、同様に、断面長方形で、左固定表面３２，４２、右固定表面３３，４３、上固定表面３４，４４及び下固定表面３５，４５を備え、左固定表面３２及び右固定表面３３と上固定表面３４及び下固定表面３５が交わる４つの角３６，３７，３８，３９及び左固定表面４２及び右固定表面４３と上固定表面４４及び下固定表面４５が交わる４つの角４６，４７，４８，４９は、直角に設定される。そして、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の高さｈは、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１ともに同じ高さであり、可動櫛歯電極２１の幅Ｗ１に対し、固定櫛歯電極３１，４１はそれぞれ幅Ｗ２、幅Ｗ３である。
【００２４】
この構成は外力検知センサの静止時の状態を示しており、可動櫛歯電極２１に加速度又は角速度が加わったとき、可動櫛歯電極２１は、図面上の水平方向（Ｙ方向）、上下方向（Ｚ方向）、紙面に対する垂直方向（Ｘ方向）の何れの方向にも変位することが可能である。一方、固定櫛歯電極３１，４１は、定位置で固定されており、可動櫛歯電極２１の変位により、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の対向している表面の面積が変化し、また、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の対向する表面間の距離ｇ１、ｇ２が変化する。これらの変化が可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の間に電圧を印加したときの静電容量の変化となる。
【００２５】
このような条件下に於いて、機能素子の可動部が斜め上下方向から衝撃を受けると、可動部はキャビティ２０の内部で跳躍し、これに伴って可動櫛歯電極２１も大きくジャンプする。従って、固定櫛歯電極３１，４１の上固定表面３４，４４及び下固定表面３５，４５からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤが余りに大きいと、可動櫛歯電極２１が固定櫛歯電極３１，４１の上に乗り上げたり、固定櫛歯電極３１，４１を飛越し、梁の弾力により自然に元の静止位置に復帰することが不可能となる。これに対し、本発明に於いては、可動櫛歯電極２１がキャビティ２０の中で変位できる天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤを規制する。
【００２６】
先ず、可動櫛歯電極２１が変位できる範囲は、両側の固定櫛歯電極３１，４１により制限を受ける。即ち、可動櫛歯電極２１は直線的に変位するものと仮定すると、固定櫛歯電極３１，４１の上方に於いて、微少間隙ｇ１を介して隣接する可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１では、可動櫛歯電極２１は、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１の対向する側の微少間隙ｇ１を介した対角に位置する角の頂点２７と頂点３８を通る直線３０の右側領域で変位可能である。換言すれば、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１の奥行きを考えた場合には、可動櫛歯電極２１の左可動表面２２と下可動表面２５が形成する辺及び固定櫛歯電極３１の右固定表面３３と上固定表面３４が形成する辺を通る傾斜面の右側領域で変位可能である。この直線の傾きは、微少間隙ｇ１と可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１の高さｈで現され、ｈ／ｇ１となる。
【００２７】
同様に、微少間隙ｇ２を介して隣接する可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極４１に関しても、可動櫛歯電極２１は、可動櫛歯電極２１の右可動表面２３と下可動表面２５で形成する辺及び固定櫛歯電極４１の左固定表面４２と上固定表面４４で形成する辺を通る傾斜面の左側の領域で変位可能である。これを断面で見た場合には、微少間隙ｇ２を介して斜め（対角）に位置する可動櫛歯電極２１の角の頂点２９と固定櫛歯電極４１の角の頂点４６を通る直線４０の左側の領域となる。この直線の傾きは、微少間隙ｇ２と可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極４１の高さｈで現され、ｈ／ｇ２となる。
【００２８】
可動櫛歯電極２１の変位が制限を受ける範囲は、固定櫛歯電極３１，４１の下方に於いても上述同様であるので、その説明は省略する。
【００２９】
次に、可動櫛歯電極２１の上方及び下方の制限領域について説明する。可動櫛歯電極２１が直線３０に沿って上方に移動し、直線３０の起点となる可動櫛歯電極２１の角の頂点２７が直線３０の上に位置し、また、可動櫛歯電極２１の固定櫛歯電極４１と対向する右可動表面２３が固定櫛歯電極３１の可動櫛歯電極２１と対向しない側の左固定表面３２と同一の平面上に位置したときの可動櫛歯電極２１に於ける上可動表面２４の位置、換言すれば、固定櫛歯電極３１の上固定表面３４から変位した可動櫛歯電極２１ａの上可動表面２４ａまでの高さＤ１を、可動櫛歯電極２１が上方に変位できる限界として設定する。この限界の高さＤ１は、可動櫛歯電極２１の下方に於いても同じで、キャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂの高さをＤ１と同じ高さか又はＤ１よりも低く定めることにより、可動櫛歯電極２１は、キャビティ２０の左側の領域に於いて固定櫛歯電極３１の上に乗り上げた儘とならず、元の静止位置に復帰する。即ち、固定櫛歯電極３１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤ１は、可動櫛歯電極２１の幅をＷ１とし、固定櫛歯電極３１の幅をＷ２とすると、次式で定められる。
【００３０】
【数７】
また、キャビティ２０の右側領域に於いても、上述同様に、可動櫛歯電極２１の角の頂点２９が直線４０の上に位置し、また、可動櫛歯電極２１の左可動表面２２が固定櫛歯電極４１の右固定表面４３と同一の平面上に位置するとき、固定櫛歯電極４１の上固定表面４４から上方に変位した可動櫛歯電極２１ｂの上可動表面２４ａまでの高さＤ２が変位可能な限界となる。この限界の高さＤ２は、可動櫛歯電極２１の下方でも同じ高さに設定される。従って、固定櫛歯電極４１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤ２を、固定櫛歯電極４１の幅をＷ３として、次式のように設定すると、可動櫛歯電極２１がキャビティ２０の右側領域に於いて固定櫛歯電極４１に乗り上げた儘となることはない。
【００３２】
【数８】
微少間隙ｇ１が微少間隙ｇ２よりも小さい（ｇ１＜ｇ２）ときには、固定櫛歯電極３１，４１からキャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さは、キャビティ２０の左側領域に於ける高さＤ１よりも右側領域に於ける高さＤ２が低くなる（Ｄ１＞Ｄ２）ので、キャビティ２０の左右領域共通の高さはＤ２に設定する。この構成により、可動櫛歯電極２１は、キャビティ２０の内部に於いて、エアダンピングの影響を受けることなく運動することができ、また、衝撃力を受けて躍動しても確実に元の静止位置に復帰する。
【００３４】
通常は、製造を容易にするため、微少間隙ｇは、同じ間隙（ｇ１＝ｇ２）に定められ、また、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の幅Ｗは、同じ幅（Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）に定められるので、キャビティ２０の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤは、次式を満足するように設定される。
【００３５】
【数９】
図２を用いて、外力検知センサの実施の形態を説明する。機能素子５０は、シリコン基板を加工して作られ、可動部５０ａと固定部６０，６１を含んで構成される。可動部５０ａは、枠状の支持部５１の中央部に、Ｌ字型の４本の梁５２で支持された重り部５３から構成される。可動部５０ａは、紙面に垂直の方向（Ｚ軸方向）に厚味を有し、梁５２は板状の梁である。重り部５３には、図面上の水平方向（Ｘ軸方向）両側に突出する板状の複数本の可動櫛歯電極５４，５５が図面上の上下方向（Ｙ軸方向）に等間隔で且つ１列に配設されている。また、重り部５３のＹ軸方向両側には、Ｙ軸方向へ延びた可動電極支持板５６，５７が植設され、この支持板５６，５７の両面側には板状の検出可動櫛歯電極５８，５９が複数設けられる。
【００３７】
重り部５３のＸ軸方向両側には、可動櫛歯電極５４，５５に対向して固定部６０，６１が配設される。固定部６０，６１には、板状の複数の固定櫛歯電極６２，６３が、可動櫛歯電極５４，５５と微少間隙を介して噛み合う如く、つまり、可動櫛歯電極５４，５５の電極面と固定櫛歯電極６２，６３の電極面が微少間隙ｇを介して向き合うように設けられる。また、重り部５３のＹ軸方向両側には、検出固定部６４，６５が設けられており、検出固定部６４，６５には、重り部５３の方向に伸長する２枚の固定電極支持板６６，６７が可動電極支持板５６，５７を間にして平行に植設される。固定電極支持板６６，６７には、固定櫛歯電極６２，６３と同様に、検出可動櫛歯電極５８，５９と微少間隙ｇを介して対向するように板状の検出固定櫛歯電極６８，６９が形成される。なお、固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５は、これらの周囲に設けられたスリットにより支持部５１から電気的に分離される。
【００３８】
上述の構成の機能素子５０は、図３に示すように、支持基板７０で支持されると共に蓋基板７１により保護される。ガラス材、例えば、パイレックス（登録商標）ガラス材からなる支持基板７０及び蓋基板７１には、共に高さ（深さ）Ｄの凹部７２、７３が形成され、この凹部７２と７３を向い合せて機能素子５０を挟持することにより、機能素子５０の梁５２及び可動部を含む部分に十分な空間を有するキャビティを形成し、可動部の変位を確保している。機能素子５０は、厚みｈのシリコン基板を加工して作られ、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３は、高さｈで幅Ｗの断面長方形となり、対向する表面を広く形成している。また、機能素子５０の固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５は、例えば、支持基板７０に設けたビアホ−ル７４で外部と電気的に接続される。
【００３９】
上述の外力検知センサの動作を説明する。通常、支持部５１は接地されるので、固定部６０，６１と支持部５１の間に差動的に変化する交流電圧を印加すると、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３の間に静電力が働き、重り部５３はＸ軸の方向に一定の振幅で振動する。このとき、外力検知センサが重り部５３の中心を通るＺ軸の回りに回転力を受けると、Ｙ軸方向にコリオリ力が働き、重り部５３がＹ軸方向に変位して検出可動櫛歯電極５８，５９と検出固定櫛歯電極６８，６９の間の静電容量が変化する。即ち、検出固定櫛歯電極６８と６９から差動的に静電容量が変化する角速度信号が得られる。
【００４０】
このような可動部５０ａの動作のとき、又は、可動部５０ａが静止のとき、重り部５３に衝撃力が加わると、重り部５３は大きく跳躍する。例えば、図２に於いて、ＸＹ平面方向の衝撃力のベクトル成分に対しては、重り部５３の可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９が近接の固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９或いは固定部６０，６１及び検出固定部６４，６５と衝突し、また、Ｚ軸方向のベクトル成分のときには、重り部５３が支持基板７０の底面７２又は蓋基板７１の天面７３と衝突の後、元の静止位置に復帰する。そして、重り部５３がＹＺ平面方向のベクトル成分を受けたときには、重り部５３が斜めの方向に上昇又は下降し、天面７３又は底面７２と衝突してそのまま落下しても、換言すれば、可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９が隣接の固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９の上に落下しても、可動櫛歯電極５４、５５及び検出可動櫛歯電極５８，５９は、固定櫛歯電極６２、６３及び検出固定櫛歯電極６８，６９を跳越えることなく、梁５２の弾力により元の静止位置に復帰する。
【００４１】
図４は外力検知センサの他の実施の形態を示す。支持基板７５には平坦な基板が用いられ、図３と同様に、ビアホ−ル７６が設けられる。機能素子７７の形成には、図３の場合よりも厚いシリコン基板が用いられ、支持基板７５を取り付ける裏面側からＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングにより深さＤの凹部７８が形成される。この凹部７８により、機能素子７７の梁５２及び可動部５０ａは、図３と同様に、厚みｈとなる。機能素子７７の平面形状は図２と同じ構成であり、また、蓋基板７１も同様である。ここに機能素子７７の凹部７８と蓋基板７１の凹部７３によりキャビティが形成される。
【００４２】
【実施例】
図３に於いて、機能素子５０の厚みｈ＝４０μｍ、可動櫛歯電極５４、５５及び固定櫛歯電極６２、６３の幅Ｗ＝３μｍ、可動櫛歯電極５４、５５と固定櫛歯電極６２、６３の間の間隙ｇ＝２μｍに設定すると、厚み４００μｍの支持基板７０及び蓋基板７１に形成する凹部７２，７３の深さＤは、１６０μｍとなる。即ち、固定櫛歯電極６２、６３からキャビティの天面及び底面までの高さの限界値は１６０μｍである。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の外力検知センサによれば、キャビティの天面及び底面はできるだけ高く形成されるにも拘わらず、その高さに限界値が設定されているので、可動部はキャビティ内の気体の粘性によるエアダンピングの影響を受けることなく動作することができ、また、外力検知センサの落下等に起因する衝撃力や外力検知センサを装着した機器に加わる打撃力等により可動部が跳躍しても、従来のように可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に乗上げて引掛かり動作不良となる虞はなく、可動部は梁の弾力により確実に元の静止位置に復帰することができる。
【００４４】
また、キャビティの天面及び底面は十分な高さとなるので、外力検知センサの制作時に於いて、主に、シリコンからなる機能素子とガラスからなる蓋基板の陽極接合工程で、可動部が静電引力により蓋基板に接合されて動作不能となることを防止することができる。
【００４５】
請求項２の外力検知センサによれば、支持基板及び蓋基板に設けた凹部の高さ（深さ）でキャビティの天面又は底面の限界の高さを実現できるので、支持基板及び蓋基板を同じ加工方法を用いて同一形状に作ることができ、外力検知センサの制作が容易になる。
【００４６】
請求項３の外力検知センサによれば、キャビティの一部は機能素子を加工することも含めて設計されるので、支持基板又は蓋基板に凹部を形成しなくても、可動部に加わる衝撃力に対応するキャビティを得ることができる。
【００４７】
請求項４の外力検知センサによれば、固定櫛歯電極からキャビティの天面及び底面までの高さは、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極を要素として決定するので、外力検知センサに強い衝撃力が加わっても、キャビティの天面及び底面をストッパとして働かせ、外力検知センサの機能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外力検知センサの基本構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係る外力検知センサに於ける機能素子の構成を示す平面図である。
【図３】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘに於ける外力検知センサの構成を示す断面図である。
【図４】図２の一点鎖線Ｘ−Ｘに於ける外力検知センサの他の構成を示す断面図である。
【図５】従来の加速度センサの構成を示す断面図である。
【図６】従来の外力検知センサの構成を示す断面図である。
【図７】図６の一点鎖線Ｙ−Ｙに於ける構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ キャビティ
２０ａ 天面
２０ｂ 底面
２１，５４，５５ 可動櫛歯電極
２６，２７，２８，２９，３６，３７，３８，３９，４６，４７，４８，４９
角の頂点
３０，４０ 直線
３１，４１，６２，６３ 固定櫛歯電極
５０ 機能を素子
５０ａ 可動部
５１ 支持部
５２ 梁
５３ 重り部
６０，６１ 固定部
７０，７５ 支持基板
７１ 蓋基板
７２，７３，７８ 凹部
Ｄ１，Ｄ２ 高さ
ｇ１，ｇ２ 微少間隙
Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 櫛歯電極幅
Claims (4)
- 支持部及び該支持部に梁で連結され断面方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに前記可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、前記機能素子を一方の表面側から支持する支持基板と、前記機能素子に他方の表面側から取付ける蓋基板とを備え、前記梁及び前記可動部を含む部分に前記可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、前記微少間隙をｇ、前記可動櫛歯電極の幅をＷ１、前記固定櫛歯電極の幅をＷ２、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、前記固定櫛歯電極から前記キャビティの天面までと前記固定櫛歯電極から前記キャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために前記可動部が跳躍して前記可動櫛歯電極が前記固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することを特徴とする外力検知センサ。
- 支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに前記可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面長方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、前記可動部の変位を可能にする第１凹部を設けて前記機能素子を支持する支持基板と、前記第１凹部と反対側への前記可動部の変位を可能にする第２凹部を設けて前記機能素子を保護する蓋基板とを備え、前記微少間隙をｇ、前記可動櫛歯電極の幅をＷ１、前記固定櫛歯電極の幅をＷ２、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、前記第１凹部と前記第２凹部の夫々の高さＤはエアダンピングの影響をなくするために前記可動部が跳躍して前記可動櫛歯電極が前記固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することを特徴とする外力検知センサ。
- 支持部及び該支持部に梁で連結され断面長方形の可動櫛歯電極を有する可動部並びに前記可動櫛歯電極と微少間隙を介して対向する断面長方形の固定櫛歯電極を有する固定部を含む機能素子と、前記機能素子を支持する支持基板と、前記機能素子に前記支持基板と反対側から取付ける蓋基板とを備え、前記機能素子及び前記支持基板並びに前記蓋基板の何れか２つを加工して前記梁及び前記可動部を含む部分にキャビティを形成し、前記微少間隙をｇ、前記可動櫛歯電極の幅をＷ１、前記固定櫛歯電極の幅をＷ２、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極の夫々の高さをｈとするとき、前記固定櫛歯電極から前記キャビティの天面までと前記固定櫛歯電極から前記キャビティの底面までの夫々の高さＤは、エアダンピングの影響をなくするために前記可動部が跳躍して前記可動櫛歯電極が前記固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保し且つ次式を満足することを特徴とする外力検知センサ。
- 固定部及び支持部並びに該支持部に梁で連結された可動部を含む機能素子と、前記機能素子を支持する支持基板と、前記機能素子を保護する蓋基板とを備え、前記支持基板及び前記蓋基板を前記機能素子の両表面側から前記機能素子を挟む如く配設すると共に前記梁及び前記可動部を含む部分に前記可動部の変位を可能にするキャビティを形成し、前記可動部に断面方形の可動櫛歯電極を設けると共に前記固定部には前記可動櫛歯電極に対し微少間隙を介して併設される断面方形の固定櫛歯電極を設け、前記微少間隙を介して隣接する前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極の対向する側の対角に位置する角の頂点を通る直線に沿って前記可動櫛歯電極を移動し、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極の対向しない側の表面が同一の平面上に位置するときの前記可動櫛歯電極に於ける前記固定櫛歯電極から遠い側の表面までを限界の高さとして、前記固定櫛歯電極から前記キャビティの天面までと前記固定櫛歯電極から前記キャビティの底面までの夫々の高さは、エアダンピングの影響をなくするために前記可動部が跳躍して前記可動櫛歯電極が前記固定櫛歯電極の上に乗り上げ可能な高さを確保する構成とすることを特徴とする外力検知センサ。
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