JP2002022446A - 外力検知センサ - Google Patents
外力検知センサInfo
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- H01L29/84—
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/082—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 外力検知センサの可動部を収容したキャビテ
ィを狭く構成するとエアダンピングの影響を受けるの
で、キャビティを広く構成するが、キャビティの天面２
０ａ及び底面２０ｂを高くし過ぎると、可動部が垂直方
向に移動する範囲が広がり、外力検知センサに外部から
衝撃力が加わったとき、可動部の可動櫛歯電極２１が固
定部の固定櫛歯電極３１，４１の上に乗上げた儘とな
り、外力検知センサが動作不能となる。 【解決手段】 固定櫛歯電極３１，４１からキャビティ
の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤを、可動櫛歯
電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の幅Ｗ１，Ｗ２，
Ｗ３、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の
高さｈ、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の
間の微少間隙ｇ１，ｇ２を要素として設定し、可動部が
梁の弾力により確実に静止時の位置に復帰するように構
成する。
ィを狭く構成するとエアダンピングの影響を受けるの
で、キャビティを広く構成するが、キャビティの天面２
０ａ及び底面２０ｂを高くし過ぎると、可動部が垂直方
向に移動する範囲が広がり、外力検知センサに外部から
衝撃力が加わったとき、可動部の可動櫛歯電極２１が固
定部の固定櫛歯電極３１，４１の上に乗上げた儘とな
り、外力検知センサが動作不能となる。 【解決手段】 固定櫛歯電極３１，４１からキャビティ
の天面２０ａ及び底面２０ｂまでの高さＤを、可動櫛歯
電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の幅Ｗ１，Ｗ２，
Ｗ３、可動櫛歯電極２１及び固定櫛歯電極３１，４１の
高さｈ、可動櫛歯電極２１と固定櫛歯電極３１，４１の
間の微少間隙ｇ１，ｇ２を要素として設定し、可動部が
梁の弾力により確実に静止時の位置に復帰するように構
成する。
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。
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。
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。
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１
１ａ，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１
３ａ，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
（登録商標）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。
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１
１ａ，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１
３ａ，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
（登録商標）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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電
極の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティ
の天面及び底面までの高さＤが次式を満足することであ
る。
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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電
極の高さをｈとするとき、固定櫛歯電極からキャビティ
の天面及び底面までの高さＤが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。
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、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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の
高さをｈとするとき、第１凹部及び第２凹部の高さＤが
次式を満足することである。
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、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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の
高さをｈとするとき、第１凹部及び第２凹部の高さＤが
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。
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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の高さをｈとする
とき、凹部及び空室部の高さＤが次式を満足することで
ある。
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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の高さをｈとする
とき、凹部及び空室部の高さＤが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。
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、可
動部からキャビティの天面及び底面までの高さは、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
と同じか又はそれよりも低く構成することである。
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、可
動部からキャビティの天面及び底面までの高さは、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
と同じか又はそれよりも低く構成することである。
【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。
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３
１，４１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。
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３
１，４１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２
０ａ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３１，４
１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３
５，４５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３
６，３７，３８，３９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。
０ａ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３１，４
１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３
５，４５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３
６，３７，３８，３９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３
１，４１の間に電圧を印加したときの静電容量の変化と
なる。
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３
１，４１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３
１，４１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。
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３
１，４１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ｇ
１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。
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ｇ
１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。
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。
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３
０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Ｄ
１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。
制限領域について説明する。可動櫛歯電極２１が直線３
０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Ｄ
１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。
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。
（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。
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５
８，５９が複数設けられる。
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５
８，５９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６
４，６５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。
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６
４，６５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７
２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。
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７
２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。
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６０，６
１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５
４、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。
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６０，６
１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５
４、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。
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＝４０
μｍ、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。
μｍ、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図である。
２０ キャビティ ２０ａ 天面 ２０ｂ 底面 ２１，５４，５５ 可動櫛歯電極 ２６，２７，２８，２９，３６，３７，３８，３９，４
６，４７，４８，４９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
６，４７，４８，４９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
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F105 BB04 BB15 CC04 CD03 CD05 CD13 4M112 AA02 BA07 CA24 CA26 CA36 DA03 DA18 EA02 EA13 GA01
Claims (4)
- 【請求項１】 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
櫛歯電極及び前記固定櫛歯電極の高さを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及び底面ま
での高さＤが次式を満足することを特徴とする外力検知
センサ。 【数１】 - 【請求項２】 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、前記可動櫛歯電極及び前記固定
櫛歯電極の高さをｈとするとき、前記第１凹部及び前記
第２凹部の高さＤが次式を満足することを特徴とする外
力検知センサ。 【数２】 - 【請求項３】 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、前記可動櫛歯電極及び前
記固定櫛歯電極の高さをｈとするとき、前記キャビティ
の天面及び底面までの高さＤが次式を満足することを特
徴とする外力検知センサ。 【数３】 - 【請求項４】 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、前記固定櫛歯電極から前記キャビティ
の天面及び底面までの高さは、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
い側の表面までと同じか又はそれよりも低く構成するこ
とを特徴とする外力検知センサ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000205324A JP3666370B2 (ja) | 2000-07-06 | 2000-07-06 | 外力検知センサ |
| US09/898,303 US6631642B2 (en) | 2000-07-06 | 2001-07-03 | External force detecting sensor |
| EP01116119A EP1170595A3 (en) | 2000-07-06 | 2001-07-03 | External force detecting sensor |
| KR10-2001-0040317A KR100391263B1 (ko) | 2000-07-06 | 2001-07-06 | 외력 검지 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000205324A JP3666370B2 (ja) | 2000-07-06 | 2000-07-06 | 外力検知センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002022446A true JP2002022446A (ja) | 2002-01-23 |
| JP3666370B2 JP3666370B2 (ja) | 2005-06-29 |
Family
ID=18702431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000205324A Expired - Lifetime JP3666370B2 (ja) | 2000-07-06 | 2000-07-06 | 外力検知センサ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6631642B2 (ja) |
| EP (1) | EP1170595A3 (ja) |
| JP (1) | JP3666370B2 (ja) |
| KR (1) | KR100391263B1 (ja) |
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