JP2001133318A - 周波数分解センサ及びこのセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】測定精度の向上及び製造の容易化を図る。 【解決手段】振動源１１に応動して振動を発生する振動
源入力部１４と、この振動源入力部からの振動を一方向
に伝搬する振動伝搬部１５と、この振動伝搬部から延出
してその端部を自由端とし、かつ振動伝搬部の振動伝搬
方向に複数配設した、それぞれ異なる固有共振周波数を
有する複数の振動子２６と、この各振動子に形成した可
動電極２７及びこの可動電極に対向配置しアンカー部２
８に形成した固定電極２９の対からなる複数の静電容量
検出部とを設け、振動伝搬部に振動が伝搬したとき各振
動子は配列方向に振動し、この振動による各静電容量検
出部の静電容量検出出力によって周波数成分を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子に形成した
静電容量検出部からの出力によって周波数成分を検出す
る周波数分解センサ及びそのセンサの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】人間の聴覚機構は、外耳、中耳、内耳の
３つの部分からなっている。音は、耳の外から耳の外耳
道へと入り、鼓膜を震わせる。鼓膜からは、つち骨、き
ぬた骨、あぶみ骨という３つの耳小骨を通って音は増幅
され、前庭窓から蝸牛と呼ばれるかたつむりのような形
をした器官へと入る。この蝸牛は、中央に基底膜という
膜が有り、蝸牛を２つの階に分けている。音は、その音
の高さにより、この蝸牛内の基底膜のある特定の場所を
振動させ、そして基底膜上の有毛細胞によって音として
知覚される。蝸牛の入口付近では、高い音に反応し、蝸
牛の奥深くでは低い音に反応する。このように人間は、
入ってきた音を周波数分解し知覚している。

【０００３】このような人間の聴覚機構を模倣し、音を
周波数分解してその音の特徴をつかむ音響センサや音解
析装置が開発されている。先ず、ソフトウエア的に処理
する方法があり、この方法は、マイクロフォンで拾った
音を高速フーリエ変換やケプストラム解析で処理を行
い、周波数分解された音の特徴を得ていた。しかし、こ
の方法では周波数分解能を向上させようとすると長時間
のデータサンプリングが必要となり、時間分解能が低下
し、逆に時間分解能を向上させようとするとサンプリン
グ時間を短くする必要があり周波数分解能が低下すると
いう問題があった。

【０００４】この問題を回避するため、例えば、共振周
波数の異なる多数の振動子を並べて機械的に音を分解す
る方法が知られている。例えば、特開平１１−１６０１
４３号公報のものが知られている。これは、図１３に示
すように、半導体シリコン基板１にセンサ本体２と電極
３と検出回路４を形成している。そして、センサ本体２
は、長さが異なる複数の棒状の部分を有する共振部分
５、この共振部分５を共振の固定端側で保持する板状の
保持部分６、この保持部分の一方の端部に立設された短
寸棒状の伝搬部分７、この伝搬部分７に連なり空気中を
伝搬した音波を受ける板状の受波部分８とで構成してい
る。

【０００５】このような構成のセンサ本体は、半導体集
積回路技術またはマイクロマシン加工技術を用いて半導
体シリコン基板上に作製される。音波が受波部分８に伝
わるとその板状の受波部分８が振動し、音波を示すその
振動は伝搬部分７を経て保持部分６に伝搬し、これに保
持された共振部分５の棒状の各共振子９をその長さで決
まる特定の固有周波数にてその共振子が配列した面に対
して垂直に振動させる。

【０００６】共振部分５の各共振子の先端部の基板に向
いた下面とこの先端部の下面に対して対向する位置の半
導体シリコン基板１にそれぞれ電極３を形成し両電極間
でキャパシタを形成している。共振子がそれぞれの特定
の固有周波数にて振動すると、両電極間の距離が変動す
るのでキャパシタの容量が変化する。各電極３にはこの
ような容量変化を電圧信号に変換し、変換した電圧信号
を出力する検出回路４が接続されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た公報に記載された音響センサは、共振子９の先端部分
が一方の電極となっているので、電極面積が大きく取れ
ず、従って、検出容量が小さくなり測定精度が悪いとい
う問題があった。また、静電容量を大きくするために共
振子側の可動電極３と基板側の固定電極３との間隔を狭
くすると共振子９と基板側の固定電極３が接触し易くな
り振動に支障を来すという問題があった。

【０００８】また、共振子９の可動電極３に対向する基
板側の固定電極３を共振子の下に形成するという階層構
造の作製は半導体集積回路技術あるいはマイクロマシン
加工技術を用いても困難性が伴うという問題があった。

【０００９】そこで、請求項１乃至７記載の発明は、周
波数成分を検出するための静電容量を振動子の振動に支
障を来すこと無く大きくでき、従って、測定精度を向上
でき、しかも、製造が容易な周波数分解センサを提供す
る。請求項２及び３記載の発明は、さらに、より細かな
周波数分解ができる周波数分解センサを提供する。請求
項７記載の発明は、さらに、より小形化を図ることがで
きる周波数分解センサを提供する。請求項８記載の発明
は、測定精度の高い周波数分解センサを容易に製造でき
る周波数分解センサの製造方法を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
振動源に応動して振動を発生する振動源入力部と、この
振動源入力部からの振動を一方向に伝搬する振動伝搬部
と、この振動伝搬部から延出してその端部を自由端と
し、かつこの振動伝搬部の振動伝搬方向に複数配設し
た、それぞれ異なる固有共振周波数を有する複数の振動
子と、この各振動子に形成した可動電極及びこの可動電
極に対向配置し固定部に形成した固定電極からなる複数
の静電容量検出部とを設け、振動伝搬部に振動が伝搬し
たとき各振動子は配列方向に振動し、この振動による各
静電容量検出部の静電容量検出出力によって周波数成分
を検出する周波数分解センサにある。

【００１１】請求項２記載の発明は、振動源に応動して
振動を発生する振動源入力部と、この振動源入力部から
の振動を一方向に伝搬する振動伝搬部と、この振動伝搬
部から延出してその端部を自由端とし、かつこの振動伝
搬部の振動伝搬方向に複数、この振動伝搬部の両側の対
向する位置にそれぞれ配設した、それぞれ異なる固有共
振周波数を有する複数の振動子と、振動伝搬部の両側の
対向する位置の振動子を対とし、この対となる振動子の
一方に形成した可動電極及びこの可動電極に対向配置し
固定部に形成した固定電極からなる複数の静電容量検出
部と、対となる振動子の他方に形成した可動電極及びこ
の可動電極に対向配置し固定部に形成した固定電極から
なり、この可動電極と固定電極間に電圧が印加される複
数の周波数調整部とを設け、振動伝搬部に振動が伝搬し
たとき各振動子は配列方向に振動し、この振動による各
静電容量検出部の静電容量検出出力によって周波数成分
を検出し、かつ、各周波数調整部によりこの調整部の可
動電極を形成した振動子と対になる振動子の固有共振周
波数を可変する周波数分解センサにある。

【００１２】請求項３記載の発明は、振動源に応動して
振動を発生する振動源入力部と、この振動源入力部から
の振動を一方向に伝搬する振動伝搬部と、この振動伝搬
部から延出してその端部を自由端とし、かつこの振動伝
搬部の振動伝搬方向に複数配設した、それぞれ異なる固
有共振周波数を有する複数の振動子と、この各振動子に
それぞれ複数形成した可動電極及びこの可動電極に対抗
配置し固定部に形成した固定電極からなる複数の電極部
の中で、各振動子の任意の１つの電極部からなる静電容
量検出部と、各振動子の残りの１又は複数の電極部から
なり、この電極部の可動電極と固定電極間に電圧が印加
される周波数調整部とを設け、振動伝搬部に振動が伝搬
したとき各振動子は配列方向に振動し、この振動による
静電容量検出部の静電容量検出出力によって周波数成分
を検出し、かつ、周波数調整部により該当する振動子の
固有共振周波数を可変する周波数分解センサにある。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれか１記載の周波数分解センサにおいて、振動源入
力部は、振動伝搬部に取付けた可動電極と、この可動電
極に対向配置し固定部に形成した固定電極とからなり、
可動電極と固定電極間に振動源である振動電圧を入力し
て振動を発生させることにある。請求項５記載の発明
は、請求項１乃至３のいずれか１記載の周波数分解セン
サにおいて、振動源入力部は、音波や機械的振動を振動
源として受け振動を発生する受波部によって構成したこ
とにある。

【００１４】請求項６記載の発明は、請求項１乃至５の
いずれか１記載の周波数分解センサにおいて、静電容量
検出部は、振動子にこの振動子の振動方向に突出し、か
つ、所定の間隔を隔てて設けた複数の可動電極と、この
各可動電極間に配置された複数の固定電極からなり、前
記振動子の振動により前記各可動電極が前記各固定電極
に対して進退動作することにより静電容量変化を検出し
て出力することにある。請求項７記載の発明は、請求項
１乃至６のいずれか１記載の周波数分解センサにおい
て、振動子に重りとなる小片を付加したことにある。

【００１５】請求項８の発明は、振動源に応動して振動
を発生する振動源入力部と、この振動源入力部からの振
動を一方向に伝搬する振動伝搬部と、この振動伝搬部か
ら延出してその端部を自由端とし、かつこの振動伝搬部
の振動伝搬方向に複数配設した、それぞれ異なる固有共
振周波数を有する複数の振動子と、この各振動子に形成
した可動電極及びこの可動電極に対向配置し固定部に形
成した固定電極からなる複数の静電容量検出部とからな
る周波数分解センサを、基体の上に犠牲膜を形成し、そ
の上に部材膜を形成した基板を使用し、この基板の上に
マスク材料膜を形成した後、該マスク材料膜を、振動源
入力部、振動伝搬部、複数の振動子及び複数の静電容量
検出部の形状に加工する工程と、加工したマスク材料膜
の形状に従って部材膜をエッチングして除去する工程
と、マスク材料膜を除去するとともに犠牲膜を固定部を
除いて除去する工程と、マスク材料膜を除去した部材膜
の上に導電膜を形成する工程とにより製造する周波数分
解センサの製造方法にある。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。 （第１の実施の形態）図１は周波数分解センサを使用し
た周波数分解装置の全体構成を示す図で、１１は、音を
取込み、音響信号を電気信号に変換するマイクロホン１
２及びこのマイクロホン１２からの電気信号を増幅し交
流の振動電圧を出力する増幅器１３からなる振動源であ
る。

【００１７】１４は前記振動源１１に応動して振動を発
生する振動源入力部、１５はこの振動源入力部１４から
の振動を一方向に伝搬する長尺な棒状の振動伝搬部で、
前記振動源入力部１４は、表面に導電層を形成し固定さ
れたサスペンションアンカー部１６と、表面に導電層を
形成するとともに側面に櫛歯型の固定電極１７を形成し
固定されたアンカー部１８と、前記振動伝搬部１５の一
端を支持する第１のサスペンション部１９の側面にそれ
ぞれが前記固定電極１７の各歯部の間に位置するように
対向して形成された櫛歯型の可動電極２０によって構成
されている。

【００１８】前記第１のサスペンション部１９とは所定
の距離を隔てた位置に、表面に導電層を形成し固定され
たサスペンションアンカー部２１、表面に導電層を形成
するとともに側面に櫛歯型の固定電極２２を形成し固定
されたアンカー部２３、側面に前記固定電極２２と対向
配置した櫛歯型の可動電極２４を形成し、前記振動伝搬
部１５の他端を支持する第２のサスペンション部２５を
それぞれ形成している。

【００１９】前記振動伝搬部１５及び各サスペンション
部１９，２５はフリー状態にあり、前記第１のサスペン
ション部１９の一部が前記アンカー部１６に固定され、
前記前記第２のサスペンション部２５の一部が前記アン
カー部２１に固定されている。そして、前記駆動源１１
の増幅器１３からの振動電圧を前記アンカー部１８と１
６との間に印加するようにしている。

【００２０】すなわち、振動電圧が前記アンカー部１８
と１６との間に印加すると、アンカー部１８の固定電極
１７に対して第１のサスペンション部１９の可動電極２
０が進退動作を行い、これにより第１のサスペンション
部１９が前記振動伝搬部１５及び第２のサスペンション
部２５側に振動し、その一方向の振動を前記振動伝搬部
１５が第２のサスペンション部２５側に伝搬するように
なっている。

【００２１】前記振動伝搬部１５には、この振動伝搬部
１５からこの振動伝搬部１５の振動伝搬方向と直交する
方向に延出するとともにその端部を自由端とした、それ
ぞれ異なる固有共振周波数を有する複数の振動子２６を
振動伝搬部１５の振動伝搬方向に適当な間隔を隔てて複
数配設している。

【００２２】前記各振動子２６は振動伝搬部１５の振動
伝搬方向に配列した振動子が振動伝搬部１５の左右の同
じ位置に固定されて対を形成し、この左右の対となる振
動子の長さが等しく、振動伝搬部１５の振動伝搬方向に
配列した振動子の長さが異なっている。

【００２３】このように振動伝搬部１５に固定された各
振動子２６は、振動伝搬部１５が振動を伝搬した時、そ
の振動を受けて振動伝搬部１５の振動伝搬方向と同じ方
向、すなわち、各振動子２６の配列方向に振動するよう
になる。

【００２４】前記各振動子２６の他端には、図２に示す
ように、この振動子２６の振動方向の両側に突出して複
数の可動電極２７を所定の間隔を隔てて櫛歯状に形成し
ている。また、前記各振動子２６の他端近傍に表面に導
電層を形成した１対の固定されたアンカー部２８を配置
し、この各アンカー部２８に前記各可動電極２７間に位
置するように複数の固定電極２９を所定の間隔を隔てて
櫛歯状に形成している。そして、前記各可動電極２７と
各固定電極２９とで複数の静電容量検出部を構成してい
る。

【００２５】前記振動伝搬部１５の左側に延出した各振
動子２６の他端近傍に配置された１対のアンカー部２８
の導電層にワイヤボンディングによって配線３０を行
い、この配線３０を介して静電容量検出信号を増幅器３
１で増幅した後デジタル変換してコンピュータ３２に供
給している。

【００２６】また、前記振動伝搬部１５の右側に延出し
た各振動子２６の他端近傍に配置された１対のアンカー
部２８の導電層にワイヤボンディングによって配線３３
を行い、この配線３３を介して静電容量検出信号を増幅
器３４で増幅した後デジタル変換して前記コンピュータ
３２に供給している。

【００２７】前記コンピュータ３２は各静電容量検出信
号を取込み、この検出信号の変化からどの周波数成分が
どの位の大きさかなどを分析して周波数分解を行うよう
になっている。

【００２８】前記各アンカー部１６，１８，２１，２
３，２８、各固定電極１７，２２，２９、各可動電極２
０，２４，２７、振動伝搬部１５、各サスペンション部
１９，２５、各振動子２６は周波数分解センサを構成す
るが、この周波数分解センサは、半導体集積回路技術や
マイクロマシン加工技術を用いて半導体シリコン基体上
に形成することができる。例えば、シリコン基体上に犠
牲膜として酸化シリコン膜を形成し、その上に部材膜と
してシリコン膜を形成し、この部材膜を所定の形状に加
工後、犠牲膜の一部を除去することで周波数分解センサ
の各部を一括して形成することができる。

【００２９】図３は、図２に示す振動子２６、アンカー
部２８、可動電極２７及び固定電極２９からなる部分の
製造工程をＡ−Ａ線に沿った断面図で示したもので、
(a)に示すように、厚さが５００μｍのシリコン基体Ｓ
ｉの上に犠牲膜として厚さが２μｍの酸化シリコン膜Ｓ
ｉＯ_２を形成し、その上に部材膜として厚さが５０μｍ
のシリコン膜Ｓｉを形成したシリコン・オン・インシュ
レータ（以下、ＳＯＩと称する）ウエハを用意する。

【００３０】(b)はフォトリソグラフィー工程を示すも
ので、ＳＯＩウエハの両面にシプレイファーイースト社
のポジ型フォトレジスト（１４００−３１）ＰＲをスピ
ンコータで塗布し、１０分以上９０℃のホットプレート
上でプリベークを行う。そして、予め、各アンカー部１
６，１８，２１，２３，２８、各固定電極１７，２２，
２９、各可動電極２０，２４，２７、振動伝搬部１５、
各サスペンション部１９，２５、各振動子２６の形状が
形成された露光マスクを用い露光装置にて露光し、その
後、マイクロポジット社のディベロッパーＣＯＮＣとい
う現像液を用いて現像し、各アンカー部１６，１８，２
１，２３，２８、各固定電極１７，２２，２９、各可動
電極２０，２４，２７、振動伝搬部１５、各サスペンシ
ョン部１９，２５、各振動子２６の形状のフォトレジス
トＰＲを残す。

【００３１】フォトリソグラフィー工程が終了すると、
続いて、(c)のＩＣＰ−ＲＩＥによるシリコン膜のエッ
チング工程を行う。この工程では、ＩＣＰ−ＲＩＥに
て、フォトレジストの穴が開いた部分、すなわち、フォ
トレジストＰＲの無い部分のシリコン膜のエッチングを
行う。このエッチングでは略垂直に掘ることができ、シ
リコン膜の下の酸化シリコン膜でエッチングは止まる。

【００３２】ＩＣＰ−ＲＩＥによるシリコン膜のエッチ
ング工程が終了すると、続いて、(d)のフォトレジスト
ＰＲの除去工程を行う。この工程では、アセトンにて両
面のフォトレジストＰＲを除去する。表面のフォトレジ
ストが除去しきれない場合はＲＩＥで酸素プラズマによ
るアッシングを行い残ったフォトレジストを完全に除去
する。

【００３３】フォトレジストＰＲの除去工程が終了する
と、続いて、(e)の酸化シリコン膜の除去工程を行う。
この工程は、５０％の弗化水素酸溶液中に浸して酸化シ
リコン膜を除去する。このとき、弗化水素酸溶液による
エッチングにより、各固定電極１７，２２，２９、各可
動電極２０，２４，２７、振動伝搬部１５、各サスペン
ション部１９，２５、各振動子２６のように幅が４μｍ
〜１５μｍ程度の狭い部分の下部にある酸化シリコン膜
は完全に除去されるが、幅が１００μｍ以上ある各アン
カー部１６，１８，２１，２３，２８は端から十数μｍ
程度エッチングが進行するがそれ以外は酸化シリコン膜
は残る。これにより、各アンカー部１６，１８，２１，
２３，２８はシリコン基体上に固定される。そして、エ
ッチングが終了すると、水で洗浄し、その後、浸されて
いる液体を水からＩＰＡ（イソピロピルアルコール）に
置換し、ＣＯ_２超臨界乾燥装置にて乾燥させる。

【００３４】酸化シリコン膜の除去工程が終了すると、
続いて、(f)のクロムー金の蒸着工程行う。この工程で
は、クロムー金を全面に蒸着する。そして、蒸着終了後
にアンカー部１６，１７，２８に形成されたクロムー金
の導電層にワイヤーボンディングで配線を行う。

【００３５】この一連の工程により周波数分解センサを
製造することができ、各固定電極１７，２２，２９、各
可動電極２０，２４，２７、振動伝搬部１５、各サスペ
ンション部１９，２５、各振動子２６はそれぞれ厚さ５
０μｍのシリコン膜で形成されシリコン基体から酸化シ
リコン膜の厚さ２μｍだけ浮くことになる。

【００３６】このように、この周波数分解センサ製造工
程では、露光マスクを使用してのフォトリソグラフィー
工程が１回で全ての部材の成形ができる。すなわち、各
アンカー部１６，１８，２１，２３，２８、各固定電極
１７，２２，２９、各可動電極２０，２４，２７、振動
伝搬部１５、各サスペンション部１９，２５、各振動子
２６が１回のフォトリソグラフィー工程で成形できる。
このように、周波数分解センサを容易に製造することが
できる。

【００３７】そして、周波数分解センサを１回のフォト
リソグラフィー工程で成形できるので、何回もフォトリ
ソグラフィー工程を重ねて製作するものに比べて位置合
わせ等を行う必要がなく、精度の向上が図れる。また、
何回もフォトリソグラフィー工程やエッチング工程を繰
返すと不良製造が発生する確率が高くなり製造の歩留ま
りが悪くなるが、この点においても製造の歩留まりを高
めることができる。

【００３８】なお、ここでは基体としてシリコン基体を
使用し、このシリコン基体の上に犠牲膜として酸化シリ
コン膜を形成し、その上に部材膜としてシリコン膜を形
成したＳＯＩウエハを用いてセンサの製造を行ったが必
ずしもこれに限定するものではない。例えば、基体とし
ては、シリコンの他に、ゲルマニウム等の半導体やステ
ンレス、アルミニウム等の金属も使用できる。また、犠
牲膜としては、酸化シリコン膜の他に、シリコンナイト
ライド膜（Ｓi_３Ｎ_４）等も使用できる。また、部材膜
としては、シリコンの他に、銅やアルミニウム等も使用
できる。

【００３９】また、マスク材料としてフォトレジストを
使用したが必ずしもこれに限定するものではなく、酸化
シリコン膜、シリコンナイトライド膜、アルミニウム等
を使用してもよい。

【００４０】前記各振動子２６の長さは検出したい周波
数で異なり、ここでは、周波数を、例えば、１２４５Ｈ
ｚ〜１４０８０Ｈｚの範囲とし、下記の値を使用してＦ
ＥＭ（Finite Element Method、すなわち、有限要素
法）解析用のシミュレーションソフトを使用して算出し
た。

【００４１】すなわち、各振動子２６の厚さを５０μ
ｍ、各振動子２６の幅を５μｍ、各振動子２６間の間隔
を２００μｍ、振動伝搬部１５の幅を１５μｍ、各振動
子２６に形成した可動電極２７の１本の幅を４μｍ、長
さを５０μｍ、可動電極間の間隔を６μｍ、本数を１８
本とし、材料である半導体シリコンのヤング率が１３．
１×１０^１０Ｐａ、密度が２．３４×１０^３ｋｇ／ｍ^３
であったとすると、各振動子２６の長さは、１５３４μ
ｍ〜３６３μｍとなる。

【００４２】図４は振動子２６に形成した可動電極２７
と、アンカー部２８に形成した固定電極２９によって生
じる静電容量を説明するための図である。ここでは、振
動子２６の片側に突出した可動電極２７を４本、この各
可動電極２７間に挿入されて対向配置した固定電極２９
を３本とした場合について述べる。

【００４３】可動電極２７と固定電極２９が重なり合う
部分の長さをＯ、その厚さをＴ（シリコン膜の厚さに相
当）、可動電極２７と固定電極２９とのギャップをｇ、
固定電極２９の先端と振動子２６との距離をｄ_２、可動
電極２７の先端とアンカー部２８との距離をｄ_３、可動
電極２７の幅をｗ_３、固定電極２９の幅をｗ_２とする。

【００４４】１本の可動電極と１本の固定電極間の静電
容量Ｃ_１は、誘電率をεとすると、 Ｃ_１＝ε・Ｏ・Ｔ／ｇ …(1) となる。また、固定電極２９と振動子２６との間の静電
容量Ｃ_２は、 Ｃ_２＝ε・ｗ_２・Ｔ／ｄ_２ …(2) となる。また、可動電極２７とアンカー部２８との間の
静電容量Ｃ_３は、 Ｃ_３＝ε・ｗ_３・Ｔ／ｄ_３ …(3) となる。

【００４５】従って、可動電極２７が４本、固定電極２
９が３本であったとすると、合計の静電容量Ｃは、 Ｃ＝６Ｃ_１＋３Ｃ_２＋４Ｃ_３ ＝６ε・Ｏ・Ｔ／ｇ＋３ε・ｗ_２・Ｔ／ｄ_２＋４ε・ｗ_３・Ｔ／ｄ_３ …(4) となる。ここで、ｇ≪ｄ_２、ｄ_３及びＯがｗ_２及びｗ_３
に対して、Ｏ≫ｗ_２、ｗ _３となるように設定すると、Ｃ
_１≫Ｃ_２、Ｃ_３となり、 Ｃ＝６Ｃ_１＝６ε・Ｏ・Ｔ／ｇ …(5) となる。

【００４６】この周波数分解センサでは固定電極と可動
電極の重なり合う部分の長さＯは２０μｍから１００μ
ｍ程度まで大きくすることが可能であり、また、可動電
極と固定電極の数も振動子２６の長手方向に自在に増や
すことができるので、静電容量検出部の静電容量を大き
くできる。従って、静電容量検出部の測定感度を高める
ことができ、測定精度を向上できる。また、振動子２６
は可動電極の配列方向、すなわち、可動電極の突出方向
に振動するので、振動子の数を増やしても振動子の振動
に支障が生じることはない。

【００４７】次にこのような構成の周波数分解センサの
動作について述べる。音をマイクロホン１２にて入力
し、音響信号を電気信号に変換する。この変換された電
気信号を増幅器１３で増幅して交流の振動電圧として振
動源入力部１４に印加する。すなわち、振動電圧をサス
ペンションアンカー１６の１つと固定電極１７を形成し
たアンカー部１８との間に印加する。これにより、この
振動電圧は固定電極１７とサスペンション１９に形成し
た可動電極２０との間に印加することになる。

【００４８】固定電極１７と可動電極２０との間に生じ
る静電気力により振動電圧の大きさ及び極性に応じて振
動子２６の配列方向に延出した棒状の振動伝搬部１５が
その長手方向に水平振動する。すなわち、振動子２６の
配列方向に水平振動する。そして、この振動伝搬部１５
の振動により、各振動子２６が振動伝搬部１５に固定さ
れた一端を起点として、各振動子２６の配列方向に水平
振動する。

【００４９】各振動子２６はそれぞれ固有の共振周波数
を持つため、ある周波数の振動電圧が入力されたとき、
その周波数を共振周波数として持つ振動子やその共振周
波数に近い共振周波数を持つ振動子が共振現象により大
きく水平振動する。

【００５０】各振動子２６が水平振動するとこの振動子
の先端部に形成された可動電極２７がアンカー部２８に
形成された固定電極２９に対して進退動作を繰返し、可
動電極２７と固定電極２９が重なり合う部分の面積が振
動に応じて変化する。そして、可動電極２７と固定電極
２９が重なり合う部分の面積変化は共振現象により大き
く水平振動する振動子に形成された可動電極２７と固定
電極２９において特に大きくなる。この面積変化は可動
電極２７と固定電極２９とで構成される静電容量検出部
により上記(5)式に基づく静電容量の変化として検出さ
れる。

【００５１】各静電容量検出部からの静電容量の検出出
力は増幅器３１，３４で増幅された後デジタル信号に変
換されてコンピュータ３２に取込まれる。コンピュータ
３２は取込んだ各静電容量検出部に対応したデジタル信
号を処理してどの周波数成分がどれくらいの大きさであ
るかを判断して周波数分解し、その結果を例えばディス
プレイに表示する。

【００５２】なお、この実施の形態では振動伝搬部１５
の左右の同じ位置に固定した振動子２６は同じ長さ、す
なわち、同じ固有共振周波数を持つ対の振動子となって
いるので、左右の同じ位置に固定した振動子２６の静電
容量検出部からの静電容量の検出信号をコンピュータ３
２において合成して処理することができ、測定精度をよ
り高めることができる。

【００５３】なお、各振動子２６に形成した可動電極２
７の数及びアンカー部２８に形成した固定電極２９の数
はこの実施の形態のものに限定されるものでないのは勿
論である。また、サスペンション１９，２５に形成した
可動電極２０，２４及びアンカー部１８，２３に形成し
この可動電極２０，２４と対向配置する固定電極１７，
２２をそれぞれ櫛歯型としてが必ずしもこれに限定する
ものではなく、鋸歯型であってもよく、要は、可動電極
と固定電極が互いに突出部を挿入できる構成であればよ
い。

【００５４】（第２の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一部分には同一符号を付し、異なる部分につ
いて述べる。これは図５に示すように、振動伝搬部１５
の左側の各振動子２６の先端部近傍に配置したアンカー
部２８に直流電源４１から直流電圧を印加するように
し、各振動子２６に形成した可動電極２７とアンカー部
２８に形成した固定電極２９とで周波数調整部を構成し
ている。すなわち、第１の実施の形態における静電容量
検出部を周波数調整部に置き換えている。その他の構成
は第１の実施の形態と同様である。

【００５５】前記周波数調整部は、可動電極２７と固定
電極２９との間に直流電圧が印加されることで、振動子
２６には固定電極２９に吸引される力が作用する。この
ため、振動伝搬部１５の左側の各振動子２６はある程度
固定された状態となり振動が制限される。これは、振動
伝搬部１５の右側の各振動子２６から見れば固定端が増
えたことになり、右側の各振動子２６の固有共振周波数
がより高い周波数にシフトする。

【００５６】従って、振動伝搬部１５の左側の可動電極
２７と固定電極２９との間に直流電源４１から直流電圧
を印加することで、振動伝搬部１５の右側の各振動子２
６の固有共振周波数を可変することができる。従って、
直流電圧を印加しない場合と印加する場合とで振動伝搬
部１５の右側の各振動子２６の固有共振周波数をそれぞ
れ２段階に切替えることができ、より細かな周波数分解
ができる。

【００５７】なお、この実施の形態においても前述した
第１の実施の形態と同様の作用効果が得られるのは勿論
である。なお、この実施の形態では周波数調整部の可動
電極２７と固定電極２９との間に直流電圧を印加するよ
うにしたが必ずしもこれに限定するものではなく、交流
電圧を印加してもよい。

【００５８】（第３の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一部分には同一符号を付し、異なる部分につ
いて述べる。これは図６に示すように、振動伝搬部１５
の左右に設けた各振動子２６のうち、長さが比較的長い
振動子２６に複数の櫛歯状の可動電極２７を形成し、そ
の可動電極２７の近傍にアンカー部２８をそれぞれ配置
し、このアンカー部２８に可動電極２７と重なり合う固
定電極２９を形成している。すなわち、１つの振動子２
６に対して可動電極２７と固定電極２９からなる複数の
電極部を形成している。

【００５９】また、第１の実施の形態の増幅器３１、３
４に代えて直流電源と増幅器を備え、これを切替えて動
作させる複合機４２，４３，４４，４５を設けている。
そして各複合機４２〜４５から固定電極２９を形成した
各アンカー部２８に配線するとともにコンピュータ３２
に信号線を接続している。

【００６０】このような構成においては、コンピュータ
３２により各複合機４２〜４５を制御して、各振動子２
６に形成された可動電極２７の任意の１つとこれに対向
配置した固定電極２９を静電容量検出部として機能する
ように対応するアンカー部２８に増幅器を接続する。ま
た、各振動子２６における残りの可動電極２７とこれに
対向配置した固定電極２９を周波数調整部として機能す
るように各複合機４２〜４５は対応するアンカー部２８
に直流電源から直流電圧を選択的に印加させる制御を行
う。

【００６１】このような制御を行うことにより、固定電
極２９に直流電圧を印加することで振動子２６を吸引し
てその振動子の振動を制限できるが、その制限位置を振
動子２６上で変化させることができ、しかもその制限位
置の数を１あるいは複数に変化させることができる。ま
た、静電容量検出部として機能させる可動電極２７と固
定電極２９の位置も任意に変化させることができる。

【００６２】従って、各振動子２６の固有共振周波数を
さらに細かく変化させることができ、多様な周波数の周
波数分解センサとして機能させることができる。なお、
この実施の形態においても前述した第１の実施の形態と
同様の作用効果が得られるのは勿論である。

【００６３】なお、この実施の形態ではコンピュータ３
２により各複合機４２〜４５を制御して、１つの振動子
２６に形成された複数の電極部の中の選択した任意の１
つを静電容量検出部として機能するように駆動し、残り
を選択的に周波数調整部として機能するように駆動する
場合について述べたが、これは予め静電容量検出部とし
て機能する電極部及び周波数調整部として機能する電極
部を固定して駆動するようにしてもよい。

【００６４】（第４の実施の形態）なお、この実施の形
態は要部のみについて述べる。これは図７に示すよう
に、振動子２６の途中にそれぞれの辺の幅が５μｍ〜１
０μｍ程度となるように複数の穴を縦横に規則的に空け
た正方形状の小片４６を形成している。なお、複数の穴
を空けて各辺の幅が５μｍ〜１０μｍ程度となるように
したのは、このセンサの製造工程における弗化水素酸に
よる酸化シリコン膜の除去工程において、この小片４６
の下にある酸化シリコン膜を完全に除去するためであ
る。

【００６５】このようにすることで、小片４６は振動子
２６に対して一種の重りとなり、この小片４６により振
動子２６の固有共振周波数がより低い周波数にシフトす
る。このことは振動子２６の途中に小片４６を重りとし
て形成することで、同じ固有共振周波数をもつ振動子に
おいては、小片の無い振動子に比べて小片を形成した振
動子は長さを短くできることになる。

【００６６】従って、振動伝搬部１５に取付けた各振動
子２６に小片４６を形成することで、各振動子２６の長
さを短くでき、これにより周波数分解センサの全体をよ
り小形化することができる。なお、小片の形状はこの実
施の形態のものに限定するものでは無く、長方形状、三
角形状などであってもよい。

【００６７】（第５の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一部分には同一符号を付し、異なる部分につ
いて述べる。これは図８に示すように、振動源入力部を
音や機械振動を振動源として受け振動を発生する受波部
であるダイヤフラム５１を使用したもので、その他の構
成は前述した第２の実施の形態と同一である。前記ダイ
ヤフラム５１は厚さが２〜５０μｍの２ｍｍ角程度の大
きさで、各サスペンション部１９，２５に、その左右の
中心位置を振動伝搬部１５の軸に合わせ、かつ、その向
きが振動伝搬部１５の長手方向に向くようにして下端部
をエポキシ等の接着剤で接着固定している。

【００６８】このような構成においては、図９に断面図
を示すように、例えば、音をダイヤフラム５１が受ける
とその音響信号に基づいて振動を発生する。この振動は
サスペンション部１９に伝わり、これに連結している振
動伝搬部１５が図中矢印Ｂで示すように水平振動する。
そして、この振動は各振動子２６に伝達される。

【００６９】従って、このように、振動源入力部をダイ
ヤフラム５１で構成しても、前述した第２の実施の形態
と同様の作用効果が得られる。

【００７０】なお、振動源入力部をダイヤフラムとする
構成は、第２の実施の形態の構成にのみに適用されるも
のでは無く、第１の実施の形態や第３の実施の形態の構
成においても適用できるものである。

【００７１】前述した各実施の形態においては、周波数
分解センサとして、同じ長さの振動子２６を振動伝搬部
１５の左右の同じ位置に配列し、これを対として振動伝
搬部１５の振動伝搬方向に長さを異ならせて複数配列し
たものについて述べたが必ずしもこれに限定するもので
はない。

【００７２】例えば、図１０に示すように、各振動子２
６を振動伝搬部１５の片側にのみ配列したものであって
もよい。また、図１１に示すように、異なる長さの振動
子２６を振動伝搬部１５の左右の同じ位置に配列しても
よい。さらに、図１２に示すように、各振動子２６を振
動伝搬部１５の左右の異なる位置に互い違いになるよう
に取付けてもよい。このような振動子の配列は、周波数
分解センサの全体の大きさを小さくしたり、何らかの理
由で特殊な形状を取らざるを得ない場合に有効である。
さらに、これ以外にも各種の配列方法が可能である。

【００７３】なお、前述した各実施の形態では、振動子
に形成した可動電極及びアンカー部に形成しこの可動電
極と対向配置する固定電極をそれぞれ櫛歯形状としてが
必ずしもこれに限定するものではなく、鋸歯形状であっ
てもよく、要は、可動電極と固定電極が互いに突出部を
挿入できる構成であればよい。

【００７４】また、前述した各実施の形態では振動子を
振動伝搬部からこの振動伝搬部の振動伝搬方向と直交す
る方向に延出するようにしたが必ずしもこれに限定する
ものではなく、振動伝搬部から多少斜め方向に延出して
もよい。

【００７５】

【発明の効果】請求項１乃至７記載の発明によれば、周
波数成分を検出するための静電容量を振動子の振動に支
障を来すこと無く大きくでき、従って、測定精度を向上
でき、しかも、製造が容易な周波数分解センサを提供で
きる。また、請求項２及び３記載の発明によれば、さら
に、より細かな周波数分解ができる周波数分解センサを
提供できる。また、請求項７記載の発明によれば、さら
に、より小形化を図ることができる周波数分解センサを
提供できる。また、請求項８記載の発明によれば、測定
精度の高い周波数分解センサを容易に製造できる周波数
分解センサの製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す周波数分解装
置全体の構成を示す図。

【図２】同実施の形態における周波数分解センサの静電
容量検出部の構成を示す部分拡大図。

【図３】同実施の形態における振動子、アンカー部、可
動電極及び固定電極からなる部分の製造工程を説明する
ための断面図。

【図４】同実施の形態において振動子に形成した可動電
極と、アンカー部に形成した固定電極によって生じる静
電容量を説明するための図。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す周波数分解装
置全体の構成を示す図。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す周波数分解装
置全体の構成を示す図。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す要部の部分拡
大図。

【図８】本発明の第５の実施の形態を示す周波数分解装
置全体の構成を示す図。

【図９】同実施の形態の動作を説明するための要部断面
図。

【図１０】本発明の周波数分解センサの他の実施の形態
を示す図。

【図１１】本発明の周波数分解センサの他の実施の形態
を示す図。

【図１２】本発明の周波数分解センサの他の実施の形態
を示す図。

【図１３】従来例を示す図。

【符号の説明】

１１…振動源 １４…駆動源入力部 １５…振動伝搬部 １６，２１…サスペンションアンカー部 １８，２３…アンカー部 １９，２５…サスペンション部 ２６…振動子 ２７…可動電極 ２８…アンカー部 ２９…固定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 幸一 静岡県三島市南町６番78号 東芝テック株 式会社製品開発センター内 (72)発明者 年吉 洋 宮崎県延岡市塩浜町３丁目1792番地の５ (72)発明者 藤田 博之 東京都豊島区千川１−９−14 Ｆターム(参考） 2G064 AB01 BD05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動源に応動して振動を発生する振動源
   入力部と、この振動源入力部からの振動を一方向に伝搬
   する振動伝搬部と、この振動伝搬部から延出してその端
   部を自由端とし、かつこの振動伝搬部の振動伝搬方向に
   複数配設した、それぞれ異なる固有共振周波数を有する
   複数の振動子と、この各振動子に形成した可動電極及び
   この可動電極に対向配置し固定部に形成した固定電極か
   らなる複数の静電容量検出部とを設け、 前記振動伝搬部に振動が伝搬したとき前記各振動子は配
   列方向に振動し、この振動による前記各静電容量検出部
   の静電容量検出出力によって周波数成分を検出すること
   を特徴とする周波数分解センサ。
2. 【請求項２】 振動源に応動して振動を発生する振動源
   入力部と、この振動源入力部からの振動を一方向に伝搬
   する振動伝搬部と、この振動伝搬部から延出してその端
   部を自由端とし、かつこの振動伝搬部の振動伝搬方向に
   複数、この振動伝搬部の両側の対向する位置にそれぞれ
   配設した、それぞれ異なる固有共振周波数を有する複数
   の振動子と、前記振動伝搬部の両側の対向する位置の振
   動子を対とし、この対となる振動子の一方に形成した可
   動電極及びこの可動電極に対向配置し固定部に形成した
   固定電極からなる複数の静電容量検出部と、対となる振
   動子の他方に形成した可動電極及びこの可動電極に対向
   配置し固定部に形成した固定電極からなり、この可動電
   極と固定電極間に電圧が印加される複数の周波数調整部
   とを設け、 前記振動伝搬部に振動が伝搬したとき前記各振動子は配
   列方向に振動し、この振動による前記各静電容量検出部
   の静電容量検出出力によって周波数成分を検出し、か
   つ、前記各周波数調整部によりこの調整部の可動電極を
   形成した振動子と対になる振動子の固有共振周波数を可
   変することを特徴とする周波数分解センサ。
3. 【請求項３】 振動源に応動して振動を発生する振動源
   入力部と、この振動源入力部からの振動を一方向に伝搬
   する振動伝搬部と、この振動伝搬部から延出してその端
   部を自由端とし、かつこの振動伝搬部の振動伝搬方向に
   複数配設した、それぞれ異なる固有共振周波数を有する
   複数の振動子と、この各振動子にそれぞれ複数形成した
   可動電極及びこの可動電極に対抗配置し固定部に形成し
   た固定電極からなる複数の電極部の中で、前記各振動子
   の任意の１つの電極部からなる静電容量検出部と、前記
   各振動子の残りの１又は複数の電極部からなり、この電
   極部の可動電極と固定電極間に電圧が印加される周波数
   調整部とを設け、 前記振動伝搬部に振動が伝搬したとき前記各振動子は配
   列方向に振動し、この振動による静電容量検出部の静電
   容量検出出力によって周波数成分を検出し、かつ、周波
   数調整部により該当する振動子の固有共振周波数を可変
   することを特徴とする周波数分解センサ。
4. 【請求項４】 振動源入力部は、振動伝搬部に取付けた
   可動電極と、この可動電極に対向配置し固定部に形成し
   た固定電極とからなり、前記可動電極と固定電極間に振
   動源である振動電圧を入力して振動を発生させることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の周波数分
   解センサ。
5. 【請求項５】 振動源入力部は、音波や機械的振動を振
   動源として受け振動を発生する受波部によって構成した
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の周
   波数分解センサ。
6. 【請求項６】 静電容量検出部は、振動子にこの振動子
   の振動方向に突出し、かつ、所定の間隔を隔てて設けた
   複数の可動電極と、この各可動電極間に配置された複数
   の固定電極からなり、前記振動子の振動により前記各可
   動電極が前記各固定電極に対して進退動作することによ
   り静電容量変化を検出して出力することを特徴とする請
   求項１乃至５のいずれか１記載の周波数分解センサ。
7. 【請求項７】 振動子に重りとなる小片を付加したこと
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１記載の周波数
   分解センサ。
8. 【請求項８】 振動源に応動して振動を発生する振動源
   入力部と、この振動源入力部からの振動を一方向に伝搬
   する振動伝搬部と、この振動伝搬部から延出してその端
   部を自由端とし、かつこの振動伝搬部の振動伝搬方向に
   複数配設した、それぞれ異なる固有共振周波数を有する
   複数の振動子と、この各振動子に形成した可動電極及び
   この可動電極に対向配置し固定部に形成した固定電極か
   らなる複数の静電容量検出部とからなる周波数分解セン
   サを、 基体の上に犠牲膜を形成し、その上に部材膜を形成した
   基板を使用し、 この基板の上にマスク材料膜を形成した後、該マスク材
   料膜を、前記振動源入力部、振動伝搬部、複数の振動子
   及び複数の静電容量検出部の形状に加工する工程と、加
   工したマスク材料膜の形状に従って部材膜をエッチング
   して除去する工程と、マスク材料膜を除去するとともに
   犠牲膜を固定部を除いて除去する工程と、マスク材料膜
   を除去した部材膜の上に導電膜を形成する工程とにより
   製造することを特徴とする周波数分解センサの製造方
   法。