JP2971610B2

JP2971610B2 - 力・加速度・磁気の検出装置およびその製造方法

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Publication number: JP2971610B2
Application number: JP3089570A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JPH04299227A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力検出装置、特に静電容
量の変化を利用して動作し、加速度や磁気の検出にも適
用しうる力検出装置、およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車産業や機械産業などでは、力、加
速度、磁気といった物理量を正確に検出できる検出装置
の需要が高まっている。特に、二次元あるいは三次元の
各成分ごとにこれらの物理量を検出しうる小型の装置が
望まれている。

【０００３】このような需要に応えるため、シリコンな
どの半導体基板にゲージ抵抗を形成し、外部から加わる
力に基づいて基板に生じる機械的な歪みを、ピエゾ抵抗
効果を利用して電気信号に変換する力検出装置が提案さ
れている。この力検出装置の検出部に、重錘体を取り付
ければ、重錘体に加わる加速度を力として検出する加速
度検出装置が実現でき、磁性体を取り付ければ、磁性体
に作用する磁気を力として検出する磁気検出装置が実現
できる。

【０００４】たとえば、特許協力条約に基づく国際出願
に係るＰＣＴ／ＪＰ８８／００３９５号明細書およびＰ
ＣＴ／ＪＰ８８／００９３０号明細書には、上述の原理
に基づく力検出装置、加速度検出装置、磁気検出装置が
開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般
に、ゲージ抵抗やピエゾ抵抗係数には温度依存性がある
ため、上述の各検出装置では、温度補償が必要になり、
製造コストが高くなるという問題がある。このような問
題を解決するため、特願平２−２７４２９９号明細書に
は、静電容量の変化を利用した新規な検出装置が提案さ
れており、また、特願平２−４１６１８８号明細書に
は、この新規な検出装置の製造方法が提案されている。
ただ、前掲明細書に開示された検出装置の構造では、感
度を高めることが困難であるという問題が存在してい
た。

【０００６】そこで本発明は、温度特性に優れ、しかも
高感度の測定を行い得る力検出装置およびその製造方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、力検出装置において、外部から作用する力を受け
る作用部と、装置筐体に固定される固定部と、この作用
部と固定部との間に形成され可撓性をもった可撓部と、
を有する可撓基板と、作用部に接合され、外部から作用
する力を作用部に伝達する作用体と、作用体との間に所
定間隔を保ちつつ、固定部を支持する台座と、台座を支
持する支持基板と、を設け、作用体の底面と、支持基板
の上面とが、所定間隔を保ちつつ対向するように構成
し、作用体の底面に変位電極を形成し、支持基板上面に
固定電極を形成し、かつ、変位電極または固定電極のい
ずれか一方、あるいは双方を、一方の電極形成面上で直
交する第１の軸および第２の軸について両軸の交点を原
点としたときに、各軸のそれぞれ正および負方向に配さ
れた互いに電気的に独立した４組の局在電極およびこの
４組の局在電極とは電気的に独立した５組目の局在電極
により構成し、この５組の局在電極とこれらに対向する
電極とによって、それぞれ５つのグループの容量素子を
形成し、５つのグループの容量素子のうち第１の軸上に
ある２つのグループに属する容量素子の静電容量の差に
よって、第１の軸方向成分の力を検出し、５つのグルー
プの容量素子のうち第２の軸上にある２つのグループに
属する容量素子の静電容量の差によって、第２の軸方向
成分の力を検出し、５つのグループの容量素子のうち第
５組目の局在電極を用いた容量素子の静電容量によっ
て、第１の軸および第２の軸の双方に直交する第３の軸
方向成分の力を検出するようにしたものである。 (2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る
検出装置において、作用体に作用する加速度に基づいて
発生する力を検出することにより、加速度の検出を行い
得るようにしたものである。 (3) 本発明の第３の態様は、上述の第１の態様に係る
検出装置において、作用体を磁性材料によって構成し、
この作用体に作用する磁力に基づいて発生する力を検出
することにより、磁気の検出を行い得るようにしたもの
である。 (4) 本発明の第４の態様は、外部から作用する力を受
ける作用部と、装置筐体に固定される固定部と、この作
用部と固定部との間に形成され可撓性をもった可撓部
と、を有する可撓基板と、作用部に接合され、外部から
作用する力を作用部に伝達する作用体と、作用体との間
に所定間隔を保ちつつ、固定部を支持する台座と、台座
を支持する支持基板と、を備え、作用体の底面と、支持
基板の上面とが、所定間隔を保ちつつ対向するように構
成され、作用体の底面に変位電極が形成され、支持基板
上面に固定電極が形成され、かつ、変位電極または固定
電極のいずれか一方、あるいは双方を、電気的に独立し
た複数の局在電極により構成し、互いに対向する電極に
より複数の容量素子を形成し、これら各容量素子の静電
容量の変化に基づいて、作用体に作用した力を多次元の
各成分ごとに検出するようにした検出装置を製造する方
法において、第１の基板に作用領域、可撓領域、固定領
域、をそれぞれ定義する段階と、可撓領域に可撓性をも
たせるために、第１の基板を部分的に除去する加工を行
う段階と、下面に変位電極が形成された第２の基板を用
意し、この第２の基板の上面を第１の基板の下面に部分
的に接合する段階と、第２の基板を分断することによ
り、上面が第１の基板の作用領域に接合され下面に変位
電極が形成されており第２の基板の一部分から構成され
る作用体と、上面が第１の基板の固定領域に接合されて
おり第２の基板の一部分から構成される台座と、を形成
する段階と、上面に固定電極が形成された第３の基板を
用意し、この第３の基板の上面を台座の下面に接合する
段階と、を行うようにしたものである。 (5) 本発明の第５の態様は、外部から作用する力を受
ける作用部と、装置筐体に固定される固定部と、この作
用部と固定部との間に形成され可撓性をもった可撓部
と、を有する可撓基板と、作用部に接合され、外部から
作用する力を作用部に伝達する作用体と、作用体との間
に所定間隔を保ちつつ、固定部を支持する台座と、台座
を支持する支持基板と、を備え、作用体の底面と、支持
基板の上面とが、所定間隔を保ちつつ対向するように構
成され、作用体の底面に変位電極が形成され、支持基板
上面に固定電極が形成され、かつ、変位電極または固定
電極のいずれか一方、あるいは双方を、電気的に独立し
た複数の局在電極により構成し、互いに対向する電極に
より複数の容量素子を形成し、これら各容量素子の静電
容量の変化に基づいて、作用体に作用した力を多次元の
各成分ごとに検出するようにした検出装置を製造する方
法において、第１の基板上に複数の単位領域を定義し、
各単位領域内において、作用領域、可撓領域、固定領
域、をそれぞれ定義する段階と、各可撓領域に可撓性を
もたせるために、第１の基板を部分的に除去する加工を
行う段階と、下面に各単位領域に対応して複数の変位電
極が形成された第２の基板を用意し、この第２の基板の
上面を第１の基板の下面に部分的に接合する段階と、第
２の基板を分断することにより、各単位領域ごとに、上
面が第１の基板の作用領域に接合され下面に変位電極が
形成されており第２の基板の一部分から構成される作用
体と、上面が第１の基板の固定領域に接合されており第
２の基板の一部分から構成される台座と、を形成する段
階と、上面に各単位領域に対応して複数の固定電極が形
成された第３の基板を用意し、この第３の基板の上面を
各台座の下面に接合する段階と、第１、第２、および第
３の基板を、各単位領域ごとに切り離し、それぞれ独立
した検出装置を形成する段階と、を行うようにしたもの
である。 (6) 本発明の第６の態様は、力検出装置において、外
部から作用する力を受ける作用部と、装置筐体に固定さ
れる固定部と、この作用部と固定部との間に形成され可
撓性をもった可撓部と、を有する可撓基板と、作用部に
接合され、外部から作用する力を作用部に伝達する作用
体と、作用体との間に所定間隔を保ちつつ、固定部を支
持する台座と、台座を支持する支持基板と、作用体の底
面と支持基板の上面との間に位置する圧電素子と、作用
体の底面と圧電素子との間に形成された変位電極と、支
持基板の上面と圧電素子との間に形成された固定電極
と、を設け、圧電素子が、作用体の変位に基づいて加え
られる圧力を電気信号に変換し、この電気信号を変位電
極および固定電極間の電圧値として出力する機能を果た
し、変位電極または固定電極のいずれか一方、あるいは
双方を、一方の電極形成面上で直交する第１の軸および
第２の軸について両軸の交点を原点としたときに、各軸
のそれぞれ正および負方向に配された互いに電気的に独
立した４組の局在電極およびこの４組の局在電極とは電
気的に独立した５組目の局在電極により構成し、この５
組の局在電極とこれらに対向する電極とによって、それ
ぞれ５つのグループの検出素子を形成し、５つのグルー
プの検出素子のうち第１の軸上にある２つのグループに
属する検出素子から出力される電圧値の差によって、第
１の軸方向成分の力を検出し、５つのグループの検出素
子のうち第２の軸上にある２つのグループに属する検出
素子から出力される電圧値の差によって、第２の軸方向
成分の力を検出し、５つのグループの検出素子のうち第
５組目の局在電極を用いた検出素子から出力される電圧
値によって、第１の軸および第２の軸の双方に直交する
第３の軸方向成分の力を検出するようにしたものであ
る。 (7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る
検出装置において、作用体に作用する加速度に基づいて
発生する力を検出することにより、加速度の検出を行い
得るようにしたものである。 (8) 本発明の第８の態様は、上述の第６の態様に係る
検出装置において、作用体を磁性材料によって構成し、
この作用体に作用する磁力に基づいて発生する力を検出
することにより、磁気の検出を行い得るようにしたもの
である。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【作用】(1) 本願第１の発明に係る力検出装置によ
れば、外部から作用体に作用した力が作用部へと伝達さ
れ、可撓基板が撓みを生じ、変位電極の位置が変化す
る。この位置変化は外部から作用した力に関係した量と
なるため、変位電極と固定電極との間の静電容量の変化
に基づいて、温度補償を行うことなしに作用した力が検
出できる。また、作用体は台座によって可撓基板から宙
吊りにされた状態となっている。したがって、可撓基板
に撓みが生じると、作用体は一塊となって変位し、この
作用体の底面に形成された変位電極には効率的に変位が
誘起されることになる。したがって、高感度の測定が期
待できる。また、作用体の一部に電極が形成されている
ため、効率的な構造になる。更に、変位電極と固定電極
との少なくとも一方が複数の局在電極により構成され、
複数の容量素子が形成されるため、多次元の力成分を独
立して検出することができる。より具体的には、各軸上
にそれぞれ一対の容量素子を形成し、合計で４グループ
の容量素子を形成することにより力の２軸方向成分を独
立して検出することができるようになり、更に、５グル
ープ目の容量素子を形成することにより、第３の軸方向
成分を独立して検出することができるようになる。 (2) 本願第２の発明に係る検出装置では、作用体とし
て、ある程度の重さをもった重錘体を用いている。この
ような重錘体は、加えられた加速度に基づいて力を発生
する機能を有する。上述のように、この重錘体は周囲を
台座によって囲まれ、宙吊りの状態となっているため、
装置筐体に加わった加速度を外部から作用した力として
検出することができる。 (3) 本願第３の発明に係る検出装置では、作用体とし
て磁性体を用いている。このような磁性体は、周囲の磁
界に基づいて力を発生する機能を有する。上述のよう
に、この磁性体は周囲を台座によって囲まれ、宙吊りの
状態となっているため、装置筐体の設置場所における磁
界を検出することが可能になる。 (4) 本願第４の発明に係る製造方法では、第１の基板
により可撓基板が、第２の基板により作用体および台座
が、第３の基板により支持基板が、それぞれ形成でき
る。このように、３枚の基板を互いに接続して上述の検
出装置を製造するようにしたため、より効率的な生産が
可能になる。 (5) 本願第５の発明に係る製造方法では、各基板に複
数の単位領域が定義され、後にこの単位領域ごとに切断
することにより、一巡の工程で複数の検出装置を同時に
製造することができる。したがって、現在の半導体装置
の製造プロセスのように、大量生産が可能になる。 (6) 本願第６の発明に係る検出装置では、変位電極と
固定電極との間の静電容量としてではなく、圧電素子が
発生する電圧として力が検出できる。 (7) 本願第７の発明に係る検出装置では、圧電素子と
重錘体とを用いることにより、圧電素子が発生する電圧
として加速度を検出できる。 (8) 本願第８の発明に係る検出装置では、圧電素子と
磁性体とを用いることにより、圧電素子が発生する電圧
として磁気を検出できる。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて詳
述する。ここで説明する実施例は、加速度検出装置とし
て本発明を実施したものである。装置の基本構造および原理はじめに、本発明による検出装置の基本構造およびその
原理を簡単に説明する。図１は、本発明の適用対象とな
る加速度検出装置の基本構造を示す側断面図である。こ
の検出装置の主たる構成要素は、固定基板１０、可撓基
板２０、作用体３０、そして装置筐体４０である。図２
に、固定基板１０の下面図を示す。図２の固定基板１０
をＸ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。固
定基板１０は、図示のとおり円盤状の基板であり、周囲
は装置筐体４０に固定されている。この下面には、同じ
く円盤状の固定電極１１が形成されている。一方、図３
に可撓基板２０の上面図を示す。図３の可撓基板２０を
Ｘ軸に沿って切断した断面が図１に示されている。可撓
基板２０も、図示のとおり円盤状の基板であり、周囲は
装置筐体４０に固定されている。この上面には、扇状の
変位電極２１〜２４および円盤状の変位電極２５が図の
ように形成されている。作用体３０は、その上面が図３
に破線で示されているように、円柱状をしており、可撓
基板２０の下面に接合されている。また、装置筐体４０
は、固定基板１０および可撓基板２０の周囲を固着支持
している。なお、固定電極１１を図３に示す変位電極２
１〜２５と同様に５枚に分離された電極で構成するよう
にしてもよい。この場合は、５個の完全に独立した容量
素子が構成される。また、固定電極を５枚、変位電極を
１枚の電極で構成してもかまわない。

【００２２】固定基板１０および可撓基板２０は、互い
に平行な位置に所定間隔をおいて配設されている。いず
れも円盤状の基板であるが、固定基板１０は剛性が高く
撓みを生じにくい基板であるのに対し、可撓基板２０は
可撓性をもち、力が加わると撓みを生じる基板となって
いる。いま、図１に示すように、作用体３０の重心に作
用点Ｐを定義し、この作用点Ｐを原点とするＸＹＺ三次
元座標系を図のように定義する。すなわち、図１の右方
向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面に対して垂直に紙面裏側
へ向かう方向にＹ軸、をそれぞれ定義する。ここで、こ
の検出装置全体をたとえば自動車に搭載したとすると、
自動車の走行に基づき作用体３０に加速度が加わること
になる。この加速度により、作用点Ｐに外力が作用す
る。作用点Ｐに力が作用していない状態では、図１に示
すように、固定電極１１と変位電極２１〜２５とは所定
間隔をおいて平行な状態を保っている。ところが、たと
えば、作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘが作用すると、この
力Ｆｘは可撓基板２０に対してモーメント力を生じさ
せ、図４に示すように、可撓基板２０に撓みが生じるこ
とになる。この撓みにより、変位電極２１と固定電極１
１との間隔は大きくなるが、変位電極２３と固定電極１
１との間隔は小さくなる。作用点Ｐに作用した力が逆向
きの−Ｆｘであったとすると、これと逆の関係の撓みが
生じることになる。このように力Ｆｘまたは−Ｆｘが作
用したとき、変位電極２１および２３に関する静電容量
に変化が表れることになり、これを検出することにより
力Ｆｘまたは−Ｆｘを検出することができる。このと
き、変位電極２２，２４，２５のそれぞれと固定電極１
１との間隔は、部分的に大きくなったり小さくなったり
するが、全体としては変化しないと考えてよい。一方、
Ｙ方向の力Ｆｙまたは−Ｆｙが作用した場合は、変位電
極２２と固定電極１１との間隔、および変位電極２４と
固定電極１１との間隔、についてのみ同様の変化が生じ
る。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合は、図５に
示すように、変位電極２５と固定電極１１との間隔が小
さくなり、逆向きの力−Ｆｚが作用した場合は、この間
隔は大きくなる。このとき、変位電極２１〜２４と固定
電極１１との間隔も、小さくあるいは大きくなるが、変
位電極２５に関する変化が最も顕著である。そこで、こ
の変位電極２５に関する静電容量の変化を検出すること
により力Ｆｚまたは−Ｆｚを検出することができる。

【００２３】一般に、容量素子の静電容量Ｃは、電極面
積をＳ、電極間隔をｄ、誘電率をεとすると、Ｃ＝εＳ／ｄで定まる。したがって、対向する電極間隔が接近すると
静電容量Ｃは大きくなり、遠ざかると静電容量Ｃは小さ
くなる。本発明の検出装置は、この原理を利用し、各電
極間の静電容量の変化を測定し、この測定値に基づいて
作用点Ｐに作用した外力、別言すれば作用した加速度を
検出するものである。すなわち、Ｘ軸方向の加速度は変
位電極２１，２３と固定電極１１との間の容量変化に基
づき、Ｙ軸方向の加速度は変位電極２２，２４と固定電
極１１との間の容量変化に基づき、Ｚ軸方向の加速度は
変位電極２５と固定電極１１との間の容量変化に基づ
き、それぞれ検出が行われる。本発明は、このような原
理に基づく検出装置の新規な構造およびその製造方法に
関するものである。なお、上述の基本原理についての詳
細および従来提案されている構造については、前掲の特
願平２−２７４２９９号明細書を参照されたい。本発明に係る新規な構造続いて、上述の原理に基づいた加速度検出装置の新規な
構造の一実施例を説明する。図６は、この新規な構造を
もった加速度検出装置の側断面図である。この装置は、
可撓基板５０、作用体６０、台座７０、支持基板８０、
の各構成要素からなる。可撓基板５０を図の矢印７−７
の方向に見た下面図を図７に示す。図７に示す可撓基板
５０を切断線６−６に沿って切断した断面が図６に示さ
れていることになる。この可撓基板５０の下面には、図
のような円環状の溝Ｇが掘られている。この実施例で
は、溝Ｇの壁面はやや傾斜をもったものとなっている
が、これは垂直な壁面としてもかまわない。重要な点
は、この溝Ｇの形成領域が可撓性をもつようになる点で
ある。なお、溝Ｇは必ずしも環状に形成する必要はな
く、ビーム構造にしても構わない。ここでは、この可撓
基板５０の溝Ｇの内側の領域を作用部５１と呼び、溝Ｇ
が形成された円環状の領域を可撓部５２と呼び、更にこ
の溝Ｇの外側の領域を固定部５３と呼ぶことにする。

【００２４】図８は、図６の検出装置の一部（作用体６
０、台座７０、支持基板８０）を、図の矢印８−８の方
向に見た上面図である。作用体６０の上面は、上面中央
部６１と上面周囲部６２とによって構成されており、上
面周囲部６２は上面中央部６１に比べてやや低くなるよ
うに段差が設けられている。上面にこのような段差があ
る点を除けば、作用体６０は直方体の形状をしたブロッ
クであり、その水平断面は正方形状をしている。実際に
は、この作用体６０の上面中央部６１の一部は、可撓基
板５０の作用部５１下面に接合されている。作用体６０
上面には、前述のように段差が設けられているので、図
６の断面図に示されているように、上面周囲部６２と可
撓基板５０下面との間には、この段差に相当するだけの
間隙部Ｓ１が形成されている。

【００２５】一方、台座７０は、この作用体６０の周囲
を取り囲むように設けられている。台座７０と作用体６
０との間には、図６あるいは図８に示されているよう
に、間隙部Ｓ２が設けられている。台座７０の上面は可
撓基板５０の固定部５３下面に接合されており、台座７
０の下面は支持基板８０の上面に接合されている。結
局、支持基板８０を床、台座７０を壁、可撓基板５０を
天井とするような部屋が形成され、この部屋の中で、作
用体６０が宙吊りの状態になっていることになる。しか
も、作用体６０の上面周囲部６２と可撓基板５０下面と
の間には間隙部Ｓ１が形成され、作用体６０の側面と台
座７０との間には間隙部Ｓ２が形成され、更に、作用体
６０の底面と支持基板８０との間には間隙部Ｓ３が形成
されており、これらの間隙部の範囲内で作用体６０は動
くことができる。実際、この装置では、作用体６０は重
量をもった物体であるから、重錘体としての機能を果た
し、たとえば、支持基板８０を自動車のボディーなどに
取り付ければ、自動車の加速度によって作用体６０は力
を受けることになる。このような力は、作用体６０から
作用部５１へと伝達され、可撓部５２に撓みが生じる。
その結果、作用体６０が一塊となって変位するのであ
る。

【００２６】このような加速度の作用を検出するため
に、いくつかの電極が設けられている。まず、作用体６
０の底面には、図６に示すように、変位電極Ｅ０が形成
されている。また、これに対向する支持基板８０の上面
には、固定電極Ｅ１〜Ｅ５が形成されている。この電極
の形成状態は、図９および図１０に明瞭に示されてい
る。図９は、作用体６０の底面図であり、円盤状の変位
電極Ｅ０が形成されている状態を示し、図１０は、支持
基板８０の上面図であり、５つの固定電極Ｅ１〜Ｅ５が
形成されている状態を示す。なお、支持基板８０の端部
には、ボンディングパッド８１が形成されている。この
ボンディングパッド８１は、それぞれ各固定電極Ｅ１〜
Ｅ５と電気的に接続されているが、図では、その電気的
配線は示してない。また、変位電極Ｅ０を固定電極Ｅ１
〜Ｅ５と同様に５つの独立した電極で構成してもかまわ
ない。

【００２７】なお、上述の構成において、各部の材質は
特定のものに限定されるものではない。たとえば、可撓
基板５０、作用体６０、台座７０、支持基板８０として
は、ガラス、セラミックなどの絶縁体や半導体を用いる
ことができる。なお、これらは必ずしも絶縁体である必
要はなく、各電極が電気的に短絡してしまうようなこと
がなければ、金属を用いてもかまわない。また、各電極
の材質も特定のものに限定されるものではなく、導電性
を有するものであれば、どのような材質のものを用いて
もかまわない。たとえば、作用体６０自身を金属で形成
すれば、その底面に別個の変位電極Ｅ０を形成する必要
はなくなり、作用体６０の底面それ自身を変位電極Ｅ０
として用いることができる。また、作用体６０や支持基
板８０を半導体で形成すれば、高濃度に不純物を拡散し
た領域を電極として用いることもできる。

【００２８】以上の説明から、図６に示す加速度検出装
置の構造が理解できたであろう。そして、この加速度検
出装置は、図１に示した基本構造をもった検出装置と同
様の原理に基づいて動作することが理解できよう。すな
わち、作用体６０の底面に形成した変位電極Ｅ０と、支
持基板８０上面に形成した固定電極Ｅ１〜Ｅ５と、の間
に生じる静電容量の変化に基づいて、作用体６０に作用
した力（加速度）を検出することができる。しかも、こ
のような構造は、実用上、いくつかの利点を有する。ま
ず、作用体６０が周囲を囲まれた部屋の中に位置する状
態となるため、外部からの風などによる影響を受けにく
く、外乱のない正確な測定値が得られる。また、過度の
加速度が加わった場合であっても、作用体６０の変位は
周囲の間隙部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の幅によって制限され、
この間隙部の幅を越えて変位することがない。このよう
に、作用体６０の変位を制限できることは、可撓基板５
０の可撓部５２が損傷を受けるのを防ぐ意味で有効であ
る。特に、可撓基板５０を半導体基板で構成した場合、
過度の加速度が加わり作用体６０が大きく変位すると、
可撓部５２にクラックが生じるなどの損傷が発生するお
それがあるが、作用体６０の変位が制限できれば、この
ような損傷の発生を抑えることができる。

【００２９】本発明に係る新規な構造のもう一つの大き
な利点は、検出感度を高めることができる点である。た
とえば、図１１に示すような別な構造を考えてみよう。
この構造は、図１に示す基本構造により近いものであ
り、可撓基板５０の上面に変位電極Ｅ１〜Ｅ５を形成
し、その上部に固定基板８５を取り付け、その下面に固
定電極Ｅ０を形成したものである。しかしながら、この
ような構造は図６に示す本発明の構造に比べて検出感度
は低下せざるを得ない。なぜなら、作用体６０が変位し
た状態を考えると、変位電極Ｅ５はかなり効率良く変位
することができるが、変位電極Ｅ１〜Ｅ４の変位は十分
とはいえない。たとえば、図１１における変位電極Ｅ１
について考えると、図の右方（可撓基板５０の中心に近
い部分）はある程度大きく変位しうるが、図の左方（可
撓基板５０の周囲に近い部分）は固定部５３が変位しな
いため、大きく変位することはできない。このような問
題を解決するため、たとえば、図１２に示すような構造
も考えられる。この構造は、作用部５１の上面に中間部
８６を介して変位基板８７を取り付けたものである。こ
のような構造にすれば、作用体６０が変位すると、変位
基板８７が一塊となって変位するため、変位基板Ｅ１〜
Ｅ５のいずれについても十分な変位を確保することがで
きる。しかしながら、このような構造は非常に複雑であ
り、大量生産には不適当なものである。図６に示す本発
明による構造は、大量生産に適した比較的単純な構造で
あり、しかも、変位電極を十分に変位させることがで
き、感度の高い測定が可能になる。また、もともと必要
な作用体に電極を構成できるため、非常に効率的な構造
となる。本発明による検出装置の製造方法上述のように、図６に示す本発明による新規な構造をも
った加速度検出装置は、比較的構造が単純で、大量生産
に向くものである。そこで、この加速度検出装置の製造
方法の一実施例を以下に述べる。ここに述べる製造方法
は、３枚の基板を接合することにより図６に示す構造を
得る点に特徴がある。すなわち、第１の基板により可撓
基板５０を形成し、第２の基板により作用体６０および
台座７０を形成し、第３の基板により支持基板８０を形
成するものである。ここでは、第１〜第３の基板とし
て、いずれも半導体基板を用いた例を示すが、前述のよ
うに、ガラスやセラミック、あるいは金属の基板を用い
てもかまわない。

【００３０】半導体基板の加工プロセスは、一般にウエ
ハ単位で行われる。すなわち、図１３に示すように、１
枚の半導体ウエハ９０上に複数の単位領域９１を定義
し、すべての単位領域に同一の加工を施して複数の素子
を同時に形成し、最後に、各単位領域９１ごとに切断し
て半導体ペレットとするという方法が採られる。したが
って、ここに示す加速度検出装置の製造方法も、第１〜
第３の基板として第１〜第３の半導体ウエハを用意し、
それぞれに単位領域を定義して全く同一の加工を施し、
最後に各単位領域ごとに切断して複数の加速度検出装置
を得るという方法を採るのが好ましい。以下の説明は、
説明の便宜上、１単位領域についての加工を代表にとっ
て述べることにするが、実際には、複数の単位領域につ
いて同一の加工が同時に進行することになる。

【００３１】まず、図１４に示すように、第１の基板１
００、第２の基板２００、第３の基板３００を用意す
る。この実施例では、いずれも半導体ウエハからなる基
板である。そして、第１の基板１００の下面には、円環
状の溝Ｇを掘り、肉厚の薄い部分（可撓部５２となる部
分）を形成する。これは、機械切削でもよいし、所定の
パターンのマスクを用いたエッチングを用いてもよい。
なお、溝Ｇは必ずしも円環状である必要はなく、たとえ
ば、方環状の溝にしてもよい。機械切削の場合には、む
しろ方環状の方が加工が容易である。また、上述の実施
例では、溝Ｇによって環状のダイヤフラムが形成されて
いるが、必ずしも環状にする必要はなく、ビーム構造に
しても良い。一方、第２の基板２００の上面には、段差
をもった上面周囲部６２を形成するために、浅い溝Ｇ１
を掘り、その周囲に深い溝Ｇ２を掘る。深い溝Ｇ２は、
作用体６０の側面を形成するためのものである。また、
第２の基板２００の下面には、正方形の領域に浅い溝Ｇ
３を掘り、その周囲に溝Ｇ４を掘る。溝Ｇ３は、作用体
６０の底面を形成するためのものである。これらの溝は
化学的エッチングや機械切削により形成できる。溝Ｇ３
が形成できたら、ここに変位電極Ｅ０を形成しておく。
一方、第３の基板３００の上面には、固定電極Ｅ１〜Ｅ
５を形成する。本実施例では、いずれの基板も半導体基
板であるから、これら各電極はすべて基板内に不純物を
注入することにより形成できる。更に、基板３００の上
面にアルミニウムなどの金属層によりボンディングパッ
ド８１を形成しておく。なお、第３の基板３００に固定
電極Ｅ１〜Ｅ５およびボンディングパッド８１を形成す
る場合には、これらの間の配線パターンも同時に形成し
ておくとよい。更に、検出に必要な電子回路を第３の基
板３００上に形成することも可能である。静電容量の変
化を検出するには、容量値を電圧値に変換するためのＣ
／Ｖ変換回路や、容量値を周波数値に変換するためのＣ
／ｆ変換回路が必要になるが、このような電子回路を予
め第３の基板３００上に形成してしまえば、後に外付け
の回路を用意する必要がなくなる。

【００３２】こうして３枚の基板が用意できたら、ま
ず、第１の基板１００の下面に第２の基板２００の上面
を接合する。両接合面のうち、溝が形成されていない部
分が互いに接することになり、この互いに接する部分だ
けが接合されることになる。この接合は、たとえば接着
剤を用いてもよいし、接合面に酸化膜を形成した後に陽
極接合(Anodic bounding) を行うようにしてもよい。あ
るいはウエハ同士を直接接合するダイレクトボンディン
グを行ってもよい。そのあと、図１４の矢印Ａで示す位
置にダイシングブレードをもってきて、溝Ｇ２の底部に
達するようにスリットを入れれば、図１５に示すよう
に、第２の基板２００が、作用体６０と、台座７０にな
る部分と、に分離される。この分離は化学的エッチング
により行ってもよい。

【００３３】最後に、第３の基板３００の上面を第２の
基板２００の下面に接合する。このとき、変位電極Ｅ０
に対して必要な配線を行うようにする。そして、図１５
の矢印Ｂで示す位置にダイシングブレードをもってき
て、溝Ｇ４の底部に達するようにスリットを入れれば、
ボンディングパッド８１が外部に露出することになる。
このあと、図１５の矢印Ｃで示す位置にダイシングブレ
ードをもってきて、第３の基板３００を切断すれば、図
６に示す加速度検出装置が得られる。ダイシングブレー
ドによる切断のかわりに、化学的エッチングによる分断
を行ってもよい。

【００３４】なお、図１５に示す例では、作用体６０の
下面に電極Ｅ０が形成されているが、基板２００として
不純物を高濃度に含んだ半導体基板を用いれば、あえて
電極Ｅ０を形成する必要はなく、作用体６０の下面自身
が電極として機能する。なお、この場合、基板１００お
よび２００も半導体基板であるため、作用体６０は、基
板１００および台座７０を介して基板３００と導通状態
となってしまう。そこで、基板２００と基板３００との
間に、酸化膜などの絶縁層を形成するとよい。また、上
述の実施例では、各電極Ｅ０，Ｅ１〜Ｅ５を不純物拡散
層によって形成したが、基板上に絶縁層を形成し、その
上にアルミニウムなどの金属層を形成し、この金属層を
電極としてもかまわない。

【００３５】以上本発明を図示する実施例に基づいて説
明したが、本発明はこの実施例のみに限定されるもので
はなく、この他にも種々の態様で実施可能である。たと
えば、上述の実施例では、作用体６０の底面に１枚の変
位電極Ｅ０を形成し、支持基板８０の上面に５枚の固定
電極Ｅ１〜Ｅ５を形成したが、電極の枚数を逆にしても
かまわない。また、対向させる電極は、１枚の電極と５
枚の電極とにする必要はなく、電極の枚数および形状は
任意に変えることができよう。更に、作用体６０や台座
７０の形状は、上述の実施例のものに限定されるもので
はなく、適宜変更しうるものである。たとえば、上述の
実施例では、台座７０が作用体６０の四方全部を取り囲
んだものとなっているが、二方だけを取り囲むようなも
のにしてもよい。また、上述の実施例は、加速度検出装
置についてのものであるが、作用体６０として磁性体を
用いれば、磁気に基づく力の検出が可能になるため、磁
気検出装置として利用することができるし、外部からの
力を作用体６０に伝達するような要素（たとえば、スタ
イラス）を設けておけば、力検出装置として利用するこ
とができる。

【００３６】以下に、更に別ないくつかの実施例を掲げ
ておく。図１６に示す実施例は、図６に示した実施例に
対して、作用体６０と台座７０との位置関係を逆にした
ものである。すなわち、図６の実施例では、台座７０が
作用体６０の周囲を取り囲む構造となっているのに対
し、図１６の実施例では、作用体６０が台座７０の周囲
を取り囲む構造となっている。作用体６０の底面の所定
箇所には、複数の変位電極ＥＥ１が形成されており、支
持基板８０にはこれに対向する位置に複数の固定電極Ｅ
Ｅ２が形成されており、対向する電極間の静電容量の変
化から、作用体６０に作用した加速度を検出できる。こ
のような構造は、図６に示す構造に比べ、作用体６０の
体積を大きくすることができるため、感度向上を図るこ
とができる。図１７に示す実施例は、図６に示す実施
例における変位電極と固定電極との間に、圧電素子３５
を挟み込んだものである。圧電素子３５の上面には複数
の変位電極ＥＥ３が、下面にはこれに対向する複数の変
位電極ＥＥ４が、それぞれ形成されている。この実施例
の動作は、図６に示す実施例の動作とほぼ同じである
が、対向する電極間の静電容量を検出する代わりに、対
向する電極間の電圧を検出する点が異なる。対向する電
極間の距離によって、圧電素子３５の受ける圧力が変化
し、電極間に発生する電圧が変化するという性質を利用
し、電極間距離を電気信号として検出するものである。

【００３７】図１８に示す実施例は、図６に示す実施例
に更に付加的な電極を設けたものである。すなわち、可
撓基板５０の上方に図のような補助基板５５を接合し、
この補助基板５５の下面に固定電極ＥＥ７を、これに対
向するように、可撓基板５０の上面に変位電極ＥＥ８を
設けている。なお、作用体６０の下面に複数の変位電極
ＥＥ５が、支持基板８０の上面に複数の固定電極ＥＥ６
が、それぞれ設けられている点は、図６の実施例と同様
である（図６の実施例では、複数の変位電極ＥＥ５では
なく単一の変位電極Ｅ０となっているが、本質的な相違
はない）。このような構成にしておけば、図の上下方向
に作用した加速度を検出するときに、電極ＥＥ５とＥＥ
６との組み合わせからなる容量素子の容量値と、電極Ｅ
Ｅ７とＥＥ８との組み合わせからなる容量素子の容量値
と、の差に基づいて検出値を得ることができるため、温
度などの干渉要素の影響を相殺した精度良い検出が可能
になる。

【００３８】

【発明の効果】以上のとおり本発明による検出装置は、
独特な構造をもった静電容量素子または圧電素子を利用
した検出装置であるため、温度特性に優れ、しかも高感
度の測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加速度検出装置の基本構造を示す
側断面図である。

【図２】図１に示す検出装置の固定基板１０の下面図で
ある。図２の固定基板１０をＸ軸に沿って切断した断面
が図１に示されている。

【図３】図１に示す検出装置の可撓基板２０の上面図で
ある。図３の可撓基板２０をＸ軸に沿って切断した断面
が図１に示されている。

【図４】図１に示す検出装置の作用点ＰにＸ軸方向の力
Ｆｘが作用したときの、検出装置の撓み状態を示す側断
面図である。

【図５】図１に示す検出装置の作用点ＰにＺ軸方向の力
Ｆｚが作用したときの、検出装置の撓み状態を示す側断
面図である。

【図６】本発明の一実施例に係る加速度検出装置の構造
を示す側断面図である。

【図７】図６に示す加速度検出装置における可撓基板５
０の下面図である。

【図８】図６に示す加速度検出装置の一部分を矢印８−
８の方向から見た状態を示す上面図である。

【図９】図６に示す加速度検出装置における作用体６０
の下面図である。

【図１０】図６に示す加速度検出装置における支持基板
８０の上面図である。

【図１１】本発明に係る加速度検出装置と比較するため
の別な構造をもった検出装置の側断面図である。

【図１２】本発明に係る加速度検出装置と比較するため
のまた別な構造をもった検出装置の側断面図である。

【図１３】図６に示す加速度検出装置を製造するために
用いる半導体ウエハ９０を示す平面図である。

【図１４】図６に示す加速度検出装置の製造方法の一工
程を示すための側断面図である。

【図１５】図６に示す加速度検出装置の製造方法の別な
一工程を示すための側断面図である。

【図１６】図６に示す加速度検出装置において、作用体
と台座との位置関係を逆にした実施例の側断面図であ
る。

【図１７】図６に示す加速度検出装置において、圧電素
子を用いるようにした実施例の側断面図である。

【図１８】図６に示す加速度検出装置において、更に付
加的な電極を設けた実施例の側断面図である。

【符号の説明】

１０…固定基板１１…固定電極２０…可撓基板２１〜２５…変位電極３０…作用体３５…圧電素子４０…装置筐体５０…可撓基板５１…作用部５２…可撓部５３…固定部５５…補助基板６０…作用体６１…上面中央部６２…上面周囲部７０…台座８０…支持基板８１…ボンディングパッド８５…固定基板８６…中間部８７…変位基板９０…半導体ウエハ９１…単位領域Ｅ０…変位電極Ｅ１〜Ｅ５…固定電極ＥＥ１〜ＥＥ８…変位電極または固定電極Ｇ，Ｇ１〜Ｇ４…溝Ｓ１〜Ｓ３…間隙部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01L 5/16 G01L 1/14 G01P 15/00 G01P 15/125 G01R 33/038

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外部から作用する力を受ける作用部と、
装置筐体に固定される固定部と、この作用部と固定部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、前記作用部に接合され、外部から作用する力を前記作用
部に伝達する作用体と、前記作用体との間に所定間隔を保ちつつ、前記固定部を
支持する台座と、前記台座を支持する支持基板と、を備え、前記作用体の底面と、前記支持基板の上面と
が、所定間隔を保ちつつ対向するように構成され、前記作用体の底面に変位電極が形成され、前記支持基板
上面に固定電極が形成され、かつ、前記変位電極または
前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方を、一方の
電極形成面上で直交する第１の軸および第２の軸につい
て両軸の交点を原点としたときに、各軸のそれぞれ正お
よび負方向に配された互いに電気的に独立した４組の局
在電極およびこの４組の局在電極とは電気的に独立した
５組目の局在電極により構成し、この５組の局在電極と
これらに対向する電極とによって、それぞれ５つのグル
ープの容量素子を形成し、前記５つのグループの容量素子のうち前記第１の軸上に
ある２つのグループに属する容量素子の静電容量の差に
よって、前記第１の軸方向成分の力を検出し、前記５つのグループの容量素子のうち前記第２の軸上に
ある２つのグループに属する容量素子の静電容量の差に
よって、前記第２の軸方向成分の力を検出し、前記５つのグループの容量素子のうち前記第５組目の局
在電極を用いた容量素子の静電容量によって、前記第１
の軸および前記第２の軸の双方に直交する第３の軸方向
成分の力を検出するようにしたことを特徴とする力検出
装置。
【請求項２】請求項１に記載の検出装置において、作
用体に作用する加速度に基づいて発生する力を検出する
ことにより、加速度の検出を行い得るようにしたことを
特徴とする加速度検出装置。
【請求項３】請求項１に記載の検出装置において、作
用体を磁性材料によって構成し、この作用体に作用する
磁力に基づいて発生する力を検出することにより、磁気
の検出を行い得るようにしたことを特徴とする磁気検出
装置。
【請求項４】外部から作用する力を受ける作用部と、
装置筐体に固定される固定部と、この作用部と固定部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、前記作用部に接合され、外部から作用する力を前記作用
部に伝達する作用体と、前記作用体との間に所定間隔を保ちつつ、前記固定部を
支持する台座と、前記台座を支持する支持基板と、を備え、前記作用体の底面と、前記支持基板の上面と
が、所定間隔を保ちつつ対向するように構成され、前記作用体の底面に変位電極が形成され、前記支持基板
上面に固定電極が形成され、かつ、前記変位電極または
前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方を、電気的
に独立した複数の局在電極により構成し、互いに対向す
る電極により複数の容量素子を形成し、これら各容量素
子の静電容量の変化に基づいて、前記作用体に作用した
力を多次元の各成分ごとに検出するようにした検出装置
を製造する方法であって、第１の基板に作用領域、可撓領域、固定領域、をそれぞ
れ定義する段階と、前記可撓領域に可撓性をもたせるために、前記第１の基
板を部分的に除去する加工を行う段階と、下面に変位電極が形成された第２の基板を用意し、この
第２の基板の上面を前記第１の基板の下面に部分的に接
合する段階と、前記第２の基板を分断することにより、上面が前記第１
の基板の前記作用領域に接合され下面に前記変位電極が
形成されており前記第２の基板の一部分から構成される
作用体と、上面が前記第１の基板の前記固定領域に接合
されており前記第２の基板の一部分から構成される台座
と、を形成する段階と、上面に固定電極が形成された第３の基板を用意し、この
第３の基板の上面を前記台座の下面に接合する段階と、を有することを特徴とする検出装置の製造方法。
【請求項５】外部から作用する力を受ける作用部と、
装置筐体に固定される固定部と、この作用部と固定部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、前記作用部に接合され、外部から作用する力を前記作用
部に伝達する作用体と、前記作用体との間に所定間隔を保ちつつ、前記固定部を
支持する台座と、前記台座を支持する支持基板と、を備え、前記作用体の底面と、前記支持基板の上面と
が、所定間隔を保ちつつ対向するように構成され、前記作用体の底面に変位電極が形成され、前記支持基板
上面に固定電極が形成され、かつ、前記変位電極または
前記固定電極のいずれか一方、あるいは双方を、電気的
に独立した複数の局在電極により構成し、互いに対向す
る電極により複数の容量素子を形成し、これら各容量素
子の静電容量の変化に基づいて、前記作用体に作用した
力を多次元の各成分ごとに検出するようにした検出装置
を製造する方法であって、第１の基板上に複数の単位領域を定義し、各単位領域内
において、作用領域、可撓領域、固定領域、をそれぞれ
定義する段階と、前記各可撓領域に可撓性をもたせるために、前記第１の
基板を部分的に除去する加工を行う段階と、下面に前記各単位領域に対応して複数の変位電極が形成
された第２の基板を用意し、この第２の基板の上面を前
記第１の基板の下面に部分的に接合する段階と、前記第２の基板を分断することにより、各単位領域ごと
に、上面が前記第１の基板の前記作用領域に接合され下
面に前記変位電極が形成されており前記第２の基板の一
部分から構成される作用体と、上面が前記第１の基板の
前記固定領域に接合されており前記第２の基板の一部分
から構成される台座と、を形成する段階と、上面に前記各単位領域に対応して複数の固定電極が形成
された第３の基板を用意し、この第３の基板の上面を前
記各台座の下面に接合する段階と、前記第１、第２、および第３の基板を、各単位領域ごと
に切り離し、それぞれ独立した検出装置を形成する段階
と、を有することを特徴とする検出装置の製造方法。
【請求項６】外部から作用する力を受ける作用部と、
装置筐体に固定される固定部と、この作用部と固定部と
の間に形成され可撓性をもった可撓部と、を有する可撓
基板と、前記作用部に接合され、外部から作用する力を前記作用
部に伝達する作用体と、前記作用体との間に所定間隔を保ちつつ、前記固定部を
支持する台座と、前記台座を支持する支持基板と、前記作用体の底面と前記支持基板の上面との間に位置す
る圧電素子と、前記作用体の底面と前記圧電素子との間に形成された変
位電極と、前記支持基板の上面と前記圧電素子との間に形成された
固定電極と、を備え、前記圧電素子は、前記作用体の変位に基づいて加えられ
る圧力を電気信号に変換し、この電気信号を前記変位電
極および前記固定電極間の電圧値として出力する機能を
有し、前記変位電極または前記固定電極のいずれか一方、ある
いは双方を、一方の電極形成面上で直交する第１の軸お
よび第２の軸について両軸の交点を原点としたときに、
各軸のそれぞれ正および負方向に配された互いに電気的
に独立した４組の局在電極およびこの４組の局在電極と
は電気的に独立した５組目の局在電極により構成し、こ
の５組の局在電極とこれらに対向する電極とによって、
それぞれ５つのグループの検出素子を形成し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第１の軸上に
ある２つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値の差によって、前記第１の軸方向成分の力を検出
し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第２の軸上に
ある２つのグループに属する検出素子から出力される電
圧値の差によって、前記第２の軸方向成分の力を検出
し、前記５つのグループの検出素子のうち前記第５組目の局
在電極を用いた検出素子から出力される電圧値によっ
て、前記第１の軸および前記第２の軸の双方に直交する
第３の軸方向成分の力を検出するようにしたことを特徴
とする力検出装置。
【請求項７】請求項６に記載の検出装置において、作
用体に作用する加速度に基づいて発生する力を検出する
ことにより、加速度の検出を行い得るようにしたことを
特徴とする加速度検出装置。
【請求項８】請求項６に記載の検出装置において、作
用体を磁性材料によって構成し、この作用体に作用する
磁力に基づいて発生する力を検出することにより、磁気
の検出を行い得るようにしたことを特徴とする磁気検出
装置。