JP2008032451A - Variable capacitance pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した検出体(ダイヤフラム)を有する容量変化型圧力センサの改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a capacitance change type pressure sensor having a detection body (diaphragm) formed to be thin so as to be deformed in accordance with a received pressure.
血圧計などの医療機器や、自動車のタイヤ空気圧モニタリングシステムなどの工業用の計器として多用されている容量変化型圧力センサは、他の方式、すなわちピエゾ抵抗型圧力センサなどと比較すると、微圧の測定においても高い感度を有し、測定時の消費電力が小さい等といった多くの利点を有している。
このような容量変化型圧力センサは、一方の電極が形成され、圧力に応じて変形するダイヤフラムと、他方の電極が形成された基体とをある程度の隙間をあけて誘電体膜を介在させるように対向させた構造を有している。そして、変形によるダイヤフラム側と基体側との間の静電容量の変化から圧力を検出するものである。
Capacitance-change pressure sensors, which are widely used as medical instruments such as blood pressure monitors and industrial instruments such as automobile tire pressure monitoring systems, are less sensitive than other methods, that is, piezoresistive pressure sensors. It has many advantages such as high sensitivity in measurement and low power consumption during measurement.
In such a capacitance change type pressure sensor, a dielectric film is interposed with a certain gap between a diaphragm on which one electrode is formed and deformed according to pressure, and a base on which the other electrode is formed. It has an opposing structure. And a pressure is detected from the change of the electrostatic capacitance between the diaphragm side and base | substrate side by deformation | transformation.
具体的には、従来の容量変化型圧力センサ(タッチ式圧力センサ)(以下、「圧力センサ」という)は、例えば、図6に示すように構成されている(特許文献1、図1(b)参照)。
図6は圧力センサの概略断面図であり、図において、該圧力センサ1は、変形領域としての導電性を有するダイヤフラム2と、厚みの薄い変形領域であるダイヤフラム2をその周囲で枠状に支持する支持部3とを有するシリコン構造体を有している。
このシリコン構造体を、電極4と該電極4を覆う誘電体膜5を形成した基体6の上に、隙間7を設けて接合している。
Specifically, a conventional capacitance change type pressure sensor (touch type pressure sensor) (hereinafter referred to as “pressure sensor”) is configured as shown in FIG. 6, for example (
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor. In the figure, the
The silicon structure is bonded to a
圧力センサ1は以上のように構成されており、図示しない引出し電極を介して通電されることにより、気密空間である隙間7および誘電体膜5を介して対向されている変形領域2との間の容量値変化に基づいて、該変形領域2に加えられた圧力を検出することができる。
すなわち、変形領域2に圧力が加わると、該変形領域2は、下方に凸となるように変形する。そして、変形領域2の下面が誘電体膜5に押し付けられて接触する。
The
That is, when pressure is applied to the
この構造では、加えられる圧力が大きいと、変形領域2と誘電体膜5との接触面積が大きくなり、加えられる圧力がそれより小さいと、接触面積は小さくなる。そして、接触面積が大きい方が静電容量は大きくなることから、圧力の作用した際の静電容量値を計測することで、当該圧力の大きさを計測することができるものである。
In this structure, when the applied pressure is large, the contact area between the
しかしながら、従来の圧力センサ1においては、以下のような不都合がある。
図7は図6の圧力センサ1を簡略に図示したものであり、図7(a)に示すように、シリコン製の支持部3と、基体6とは、例えば、加熱融着や無機接着剤などを用いて接合されている。
ここで、支持部3を構成するシリコンと、基体6を構成するガラスや硬質プラスチックなどは熱膨張の際の膨張係数が相違する。
However, the
FIG. 7 shows the
Here, the silicon constituting the
例えば、環境温度が高くなると、基体6側の膨張率が大きい場合には、図7(b)に示すように、基体6に反りが発生し、このために、シリコン構造体の変形領域2に引っ張り応力が作用し、弾力性が変化して、変形領域2が硬くなり、応力感度が悪くなる。
また、シリコン構造体の変形領域2に引っ張り応力が作用し、耐圧能力が低下して、破損しやすくなるという問題がある。
すなわち、圧力が作用した際の変形領域2の変形が小さくなることから、容量変化が鈍くなり、図8に示すように、応力変化に対する感度が低下してしまう。
また、変形領域2に基体6の反りによる応力が伝えられことによって、応力に起因した耐圧能力の低下が生じ、破損しやすくなる欠点がある。
For example, when the environmental temperature is high, when the expansion coefficient on the
Further, there is a problem that tensile stress acts on the
That is, since the deformation of the
In addition, since the stress due to the warp of the
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、熱環境が変化しても良好な感度を保ち、破損しやすくなることを防止できる容量変化型圧力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and has an object to provide a capacitance change type pressure sensor capable of maintaining good sensitivity even when the thermal environment changes and preventing the sensor from being easily damaged. To do.
上記第1の目的は、第1の発明にあっては、誘電体材料でなる基体と、受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した変形領域と、該変形領域と一体でその周囲を囲むようにされ、前記基体に対して固定される厚みの大きな支持部とを備える検出体と、 該検出体の前記変形領域の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面の前記基体側に形成された第1の電極と、前記第1の電極と所定の間隔を置いて前記対向面の前記変形面側に形成した第2の電極と、前記第1の電極と第2の電極の間に介在されるようにして、前記第1の電極の表面側に形成された誘電体膜とを含んでおり、前記変形領域を囲むようにして、前記支持部に形成された有底の溝を備える容量変化型圧力センサにより、達成される。 In the first invention, the first object is to form a base body made of a dielectric material, a deformation area formed so as to be deformed according to the pressure received, and a deformation area formed integrally with the deformation area. A detection body including a support portion having a large thickness that is surrounded by the base body and fixed to the base; a deformation surface of the deformation area of the detection body; and a facing surface where the base faces each other. A first electrode formed on the substrate side; a second electrode formed on the deformed surface side of the opposing surface at a predetermined interval from the first electrode; the first electrode and the second electrode; A dielectric film formed on the surface side of the first electrode so as to be interposed between the electrodes, and a bottomed bottom formed on the support portion so as to surround the deformation region This is achieved by a capacitive change pressure sensor with a groove.
第1の発明の構成によれば、前記検出体の変形領域が圧力を受けると、該変形領域が下方に凸となるように変形し、その変形面が前記基体の上面に接触する。その接触面積に応じて、第1の電極と第2の電極の間に絶縁体としての基体が介在されて、その面積分だけ第1の電極と第2の電極の対向面積が増大する。このため、容量値Cが増大し、この容量値変化を検出することにより、前記変形領域に加えられた圧力を検出することができる。
この場合、周囲の温度環境が変化して、前記基体と前記支持部の材料の相違に起因する熱膨張率の相違によって、前記基体に反りが生じ、これに固定されている前記支持部が引っ張られても、該支持部には、前記変形領域を囲むようにして、有底の溝が形成されているので、この溝部が変形することにより、基体の反りによる応力が吸収されるから、前記変形領域に伝えられる応力は極端に低減される。したがって、応力により前記変形領域の弾性が変化するということがほとんど無く、圧力に対する感度が低下することなく、良好な感度を維持することができる。
また、前記変形領域に基体の反りによる応力が伝えられることがほとんどなく、そのような応力に起因した耐圧能力の低下がないから、破損しやすくなってしまうことがない。
According to the configuration of the first invention, when the deformation region of the detection body receives pressure, the deformation region is deformed so as to protrude downward, and the deformation surface comes into contact with the upper surface of the base. In accordance with the contact area, a base body as an insulator is interposed between the first electrode and the second electrode, and the opposing area of the first electrode and the second electrode is increased by that area. For this reason, the capacitance value C increases, and the pressure applied to the deformation region can be detected by detecting this capacitance value change.
In this case, the ambient temperature environment changes, and the substrate is warped due to the difference in thermal expansion coefficient due to the difference in material between the substrate and the support, and the support fixed to the substrate is pulled. However, since the bottomed groove is formed in the support portion so as to surround the deformation region, the deformation due to the warpage of the base is absorbed by the deformation of the groove portion. The stress transmitted to is extremely reduced. Accordingly, the elasticity of the deformation region hardly changes due to stress, and good sensitivity can be maintained without lowering the sensitivity to pressure.
In addition, stress due to the warp of the substrate is hardly transmitted to the deformation region, and the pressure resistance capability is not reduced due to such stress, so that it is not easily damaged.
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記有底の溝は、前記支持部の表面および/または裏面に設けられていることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、前記有底の溝は、前記支持部の表裏にそれぞれ設けられていれば、基体側の変形を受けて、一方の溝部が拡がり、他方の溝部の間隔が狭くなるように作用することで、適切に変形できるので、該溝部で基体側からの応力がより確実に吸収される。
According to a second invention, in the configuration of the first invention, the bottomed groove is provided on a front surface and / or a back surface of the support portion.
According to the configuration of the second invention, if the bottomed grooves are respectively provided on the front and back sides of the support part, one groove part is expanded due to deformation on the base side, and the distance between the other groove parts is increased. Since it can be appropriately deformed by acting so as to be narrow, the stress from the substrate side is more reliably absorbed by the groove.
第3の発明は、第2の発明の構成において、前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置が近接して形成されていることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、溝同士間の材料厚みが小さくなり、変形がしやすくなる。
According to a third invention, in the configuration of the second invention, the inner edge position and the outer edge position of each groove on the front and back sides are formed close to each other.
According to the structure of 3rd invention, the material thickness between grooves becomes small and it becomes easy to deform | transform.
第4の発明は、第3の発明の構成において、前記検出体が水晶により形成されており、かつ前記表裏の各溝の内縁位置と外縁位置がほぼ一致する箇所に形成されていることを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、表裏の各溝をウエットエッチングで形成すると、水晶のエッチング異方性により、表側と裏側とからのエッチングが重なることがなく、適切な材料厚みを実現できる。
According to a fourth aspect of the invention, in the configuration of the third aspect of the invention, the detection body is formed of quartz and is formed at a location where the inner edge position and the outer edge position of each groove on the front and back sides substantially coincide. And
According to the configuration of the fourth aspect of the invention, when the front and back grooves are formed by wet etching, the etching from the front side and the back side does not overlap due to the etching anisotropy of quartz, and an appropriate material thickness can be realized.
第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明の構成において、前記有底の溝の深さ寸法が、前記支持部の厚み寸法の半分以上の大きさを備えることを特徴とする。
第5の発明の構成によれば、基体側の応力を受けて十分に変形できるので、より変形領域に応力を伝えない構造とすることができる。
According to a fifth invention, in the configuration of any one of the first to fourth inventions, a depth dimension of the bottomed groove is more than half of a thickness dimension of the support portion.
According to the configuration of the fifth aspect of the present invention, the structure can be sufficiently deformed by receiving the stress on the substrate side, so that a structure that does not transmit stress to the deformation region can be obtained.
図1は、本発明の実施形態に係る容量変化型圧力センサの概略断面図である。
図において、容量変化型圧力センサ(以下、「圧力センサ」という)30は、比較的厚みのある板状の基体32の上に検出体41を接合した構造である。
図示の構造では、検出体41は基体32の上で露出されているが、該検出体41を図示しない中空の収容容器としてのパッケージ等に気密に収容するようにしてもよい。
また、図2は検出体41を示す図であり、図2(a)は概略平面図、図2(b)は図2(a)のB−B線概略断面図、図2(c)は概略底面図、図3は基体32を示す図であり、図3(a)は概略平面図、図3(b)は図3(a)のC−C線概略断面図、図3(c)は基体32の底面図である。
これらの図を適宜参照しながら、圧力センサ30の構成を説明する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a capacitance change type pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
In the figure, a capacitance change type pressure sensor (hereinafter referred to as “pressure sensor”) 30 has a structure in which a
In the illustrated structure, the
2 is a diagram showing the
The configuration of the
基体32は、誘電体材料でなり、例えば、ガラス、セラミック板、硬質プラスチック、シリコンなどにより形成することができ、ガラスやシリコンを用いる場合、それらのウエハを加工する工程から作ることができる。
あるいは、基体32をセラミックで形成する場合には、例えば、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して、図示の形状とすることができる。基体32の厚み寸法は例えば200μm程度である。
検出体41は、好ましくはウエハ材料での加工が可能なものが選択され、例えば、シリコンや水晶材料から形成することができる。本実施形態では、特に水晶を用いた場合で説明する。
The
Alternatively, when the
The
すなわち、検出体41は、例えば水晶から形成されており、図2から理解されるように、全体として正方形もしくは矩形の水晶板を加工して得られる。
具体的には、検出体41は、厚みすべり振動モードもしくは厚み縦振動モードを有するATカット水晶板でなる水晶ウエハを用いて、該水晶板のほぼ中央部分を、図2に示すように、例えば矩形に薄板に形成する。つまり、例えば該水晶板の表面と裏面から、それぞれ中央領域について、矩形にハーフエッチングし、図2に示す変形領域42を形成する。この変形領域42の下面が変形面49である。変形領域42は、後述するように圧力を受けて変形する領域である。
That is, the
Specifically, the
なお、この場合のエッチングは、例えばフッ酸溶液によるウエットエッチングが利用できる。また、表面のエッチング量(深さ)は例えば84μm程度、裏面のエッチング量(深さ)は例えば6μm程度とすることができる。
この変形領域42の形成と同時に、該変形領域42の周囲を囲むように、支持部43が形成される。支持部43は、水晶材料が、上記エッチング工程でエッチングされずに、材料厚みの寸法が大きい状態で残されることで形成される領域である。支持部43は、基体32に対して接合されるのに利用される。
In this case, for example, wet etching using a hydrofluoric acid solution can be used as the etching. Moreover, the etching amount (depth) of the front surface can be set to, for example, about 84 μm, and the etching amount (depth) of the back surface can be set to, for example, about 6 μm.
Simultaneously with the formation of the
また、これと同時に変形領域42から側方にずれた箇所に貫通孔45を穿設している。貫通孔45は変形領域42のハーフエッチングと同時に表裏からそれぞれエッチングし、変形領域の完成後に、該貫通孔45の箇所だけエッチングを続行するようにして形成することができる。
そして、検出体41は、図1に符号S1で示す気密空間を形成するように、例えば大気圧中で、基体32に接合される。この接合は、基体32の材料と、検出体41の材料とがそれぞれウエハの状態において、行われるようにしてもよい。検出体41の厚みは例えば、100μm程度である。
At the same time, a through
And the
変形領域42の周囲に位置する支持部43には、基体32の反りに起因して検出体41に伝えられる応力を吸収するための有底の溝(以下、「溝」と表現する)が形成されている。溝は変形領域を囲むように形成されるものである。
この実施形態では、溝は2つ設けられており、図1において検出体41の表面側から設けた第1の溝54と、それよりも内側で、検出体41の裏面から設けた第2の溝55であり、これらの溝は、例えば、厚み方向に沿って溝幅が小さくされている。
また、第1の溝54と第2の溝55は上述したエッチング工程を利用して形成される。これら第1の溝54と第2の溝55は、近すぎて一体にならない限りにおいて、互いに接近していることが好ましい。
この実施形態では、第1の溝54の内縁位置54aと第2の溝55の外縁位置55bとが、図1の位置P上で一致するように形成されている。
製造の際に、このように位置決めする、水晶のエッチング異方性により、所定方向のエッチングスピードが遅れることから、第1の溝54と第2の溝55とが連通せず、しかも適切に接近して形成される。
これらの溝の機能は後で詳しく説明する。
A bottomed groove (hereinafter referred to as a “groove”) for absorbing stress transmitted to the
In this embodiment, two grooves are provided. The
Further, the
In this embodiment, the inner edge position 54a of the
Since the etching speed in a predetermined direction is delayed due to the etching anisotropy of the quartz crystal positioned in this way during the manufacturing, the
The function of these grooves will be described in detail later.
この実施形態では、例えば、図3に示されているように、検出体41の変形面49の対向面である基体32の上面には、第1の電極44が形成されている。そして、図2に示すように、変形面49に第2の電極46が形成されている。
図1および図2に示すように、第1の電極44は、基体32の上面に設けた下地層48の上に形成されている。第1の電極44の膜厚は、例えば1500オングストローム程度である。第2の電極46の膜厚は、例えば2000オングストローム程度である。
すなわち、例えば基体32が水晶で、第1の電極44を例えば金(Au)により形成する場合には、基体32の表面に下地層48を形成することが好ましく、これにより、基体32に対する金の付着を良くし、あるいはメッキにより金を成膜することも可能となる。
また、第1の電極44がアルミニウム(Al)もしくはその合金である場合には、基体32の表面に直接、スパッタリングや蒸着などにより該第1の電極44を成膜できるので、下地層48は不要である。
In this embodiment, for example, as shown in FIG. 3, the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
That is, for example, when the
Further, when the
電極の構成についてさらに説明する。
図2(c)に示すように、検出体41の裏面51の外周に沿ってその縁部には、導電部37が形成されている。この導電部37は基体32と検出体41を接合する役割を果たす
。
つまり、導電部37の金属と、基体32のガラスとの間で陽極接合することにより、検出体41と基体32とが接合されている。
また、導電部37は、図1に示すように、固定電極である第1の電極44から一体に延びる引出し電極44a(下地電極)と接続されて、第1の電極44と電気的に接続されている。なお、図2(a)では図示していないが、導電部37は検出体41の表面52側に引き回されて駆動電圧を供給するためのボンディングワイヤW2が接続されている。
The configuration of the electrode will be further described.
As shown in FIG. 2C, a
That is, the
Further, as shown in FIG. 1, the
図1および図2(c)に示すように、貫通孔45には導電材料が充填されるなどして、導電スルーホールとされており、可動電極である第2の電極46から延びる引出し電極46aと接続され、さらに該導電材料により、図2(a)に示すように貫通孔45の表面側の孔周辺に形成した電極パッド46bと接続されている。この電極パット46bには駆動用の電圧を供給するためのボンディングワイヤW1が接続されている。
さらに検出体41の対向する端縁には、図2(a)や図2(c)に示すように、電極パッド48a,46bが形成されており、これら電極パッド48a,46bは、検出体41の変形による容量変化を検出できる実装端子として利用できるようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2C, the through-
Further, as shown in FIGS. 2A and 2C,
本実施形態の圧力センサ30は以上のように構成されており、以下のように動作することができる。
圧力センサ30を例えば大気中に配置する。この状態では、気密空間S1の気圧は大気圧なので外部の気圧とつり合っており、検出体41の変形領域42は変形しない。
ここで、圧力変化がある場合には、その圧力変化を変形領域42が受けると、第1の電極44と第2の電極46間の容量値が変化し、該容量変化に基づいて、その圧力を検出することができる。
The
For example, the
Here, when there is a pressure change, when the
すなわち、変形領域42が受ける圧力に応じて、該変形領域42が下方に凸となるように変形し、変形面49が基体32の上面に接触すると、接触面積に応じて、第1の電極44と第2の電極46の間に絶縁体としての基体32が介在されて、その面積分だけ第1の電極44と第2の電極46の対向面積が増大する。そして、第1の電極44と第2の電極46の対向面積が増大すると、容量値Cが増大する。
この容量値変化を検出することにより、変形領域42に加えられた圧力を検出することができるものである。
That is, when the
By detecting this change in capacitance value, the pressure applied to the
さらに、図4を参照して、本実施形態の作用原理を説明する。
図4(a)は、加速度センサの基体32と、これに接合された検出体41の基部43の状態を示す概略図である。
この状態から、周囲の温度環境が変化して、図4(b)のように、基体32と支持部43の材料の相違に起因する熱膨張率の相違によって、該基体32の周縁部がやや上方に反る状態となる。
このため、基体32に固定されている支持部43が引っ張られる。すなわち、変形による応力が支持部43に伝えられる。
しかしながら、該支持部43には、変形領域42を囲むようにして、第1の溝54と第2の溝55が形成されているので図4(c)に示すように、この溝が変形することにより、基体の反りによる応力が吸収される。
Furthermore, the operation principle of this embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4A is a schematic diagram showing the state of the
From this state, the ambient temperature environment changes, and as shown in FIG. 4B, the peripheral portion of the
For this reason, the
However, since the
すなわち、図4(c)において、基体32側の変形を受けて、裏面に開く第2の溝55は溝幅が拡がるように機能し、表面に開口した他方の溝部である第2の溝55は、溝幅が小さくなるように、すなわち、間隔が狭くなるように作用することで、適切に変形できるので、これら溝部で基体側からの応力がより確実に吸収される。
このため、温度環境が変化しても、検出体41の変形領域42に伝えられる応力は極端に低減される。したがって、応力により変形領域42の弾性が変化するということがほとんど無く、圧力に対する感度が低下することなく、良好な感度を維持することができる。
また、変形領域42に基体32の反りによる応力が伝えられることがほとんどなく、そのような応力に起因した耐圧能力の低下がないから、検出体41が破損しやすくなってしまうという従来の弊害もない。
図5は、圧力に対する本実施形態の圧力センサ30の圧力−容量値特性を示す図である。
さきに説明した図8と対照すると理解されるように、圧力−応力感度は著しく向上している。
That is, in FIG. 4C, the
For this reason, even if a temperature environment changes, the stress transmitted to the deformation | transformation area |
Further, since the stress due to the warp of the
FIG. 5 is a diagram showing a pressure-capacitance value characteristic of the
As can be seen in contrast to FIG. 8 described above, the pressure-stress sensitivity is significantly improved.
本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
上述の実施形態では、検出体41は矩形のものとして説明されているが、正方形でも円形などでもよい。また、その変形面49を矩形のものとして説明しているが、これを円形や正方形としてもよい。
基体32を構成する基板は、単層のものとして説明されているが、複数層設けてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. The configurations of the embodiment and the modified examples can be combined or omitted as appropriate, and can be combined with other configurations not shown.
In the above-described embodiment, the
The substrate constituting the
22・・・誘電体膜、30・・・(容量変化型)圧力センサ、32・・・基体、41・・・検出体、42・・・変形領域、44・・・第1の電極、46・・・第2の電極、54・・・第1の溝、55・・・第2の溝 22 ... Dielectric film, 30 ... (Capacitance change type) pressure sensor, 32 ... Base, 41 ... Detector, 42 ... Deformation region, 44 ... First electrode, 46 ... Second electrode, 54 ... First groove, 55 ... Second groove
Claims (5)
受ける圧力に応じて変形するように厚みを薄くして形成した変形領域と、該変形領域と一体でその周囲を囲むようにされ、前記基体に対して固定される厚みの大きな支持部とを備える検出体と、
該検出体の前記変形領域の変形面と、前記基体とが互いに対向する対向面の前記基体側に形成された第1の電極と、
前記第1の電極と所定の間隔を置いて前記対向面の前記変形面側に形成した第2の電極と、
前記第1の電極と第2の電極の間に介在されるようにして、前記第1の電極の表面側に形成された誘電体膜と
を含んでおり、
前記変形領域を囲むようにして、前記支持部に形成された有底の溝を備える
ことを特徴とする容量変化型圧力センサ。 A substrate made of a dielectric material;
A deformation region formed by reducing the thickness so as to be deformed according to the pressure received, and a thick support portion which is integrally formed with the deformation region and surrounds the periphery thereof and is fixed to the base body. A detection object;
A first electrode formed on the base side of a facing surface where the deformation surface of the deformation area of the detection body and the base face each other;
A second electrode formed on the deformation surface side of the facing surface at a predetermined interval from the first electrode;
A dielectric film formed on the surface side of the first electrode so as to be interposed between the first electrode and the second electrode,
A capacitance change pressure sensor comprising a bottomed groove formed in the support portion so as to surround the deformation region.
5. The capacitance change type pressure sensor according to claim 1, wherein a depth dimension of the bottomed groove is more than half of a thickness dimension of the support portion. 6.
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