物理量検出器及び物理量検出器の製造方法
【課題】適度なダンピング効果が得られるようにして、圧力を所定の範囲に長期に亘って安定化させることができ、安価に製造可能な物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法を提供する。
【解決手段】物理量検出器は、静電容量センサ１００と、演算器２００とから構成される。静電容量センサ１００は、ヒンジ部１１ａにより変位可能に支持された可動部（可動電極）１２と、その可動部１２と対向する位置に配置された第１及び第２固定電極２２，２３とを有する。さらに、静電容量センサ１００が、活性ガスを吸着する吸着部（ゲッタ）１４と、可動電極１２、第１及び第２固定電極２２，３２、吸着部１４を所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部４を備える。
【解決手段】物理量検出器は、静電容量センサ１００と、演算器２００とから構成される。静電容量センサ１００は、ヒンジ部１１ａにより変位可能に支持された可動部（可動電極）１２と、その可動部１２と対向する位置に配置された第１及び第２固定電極２２，２３とを有する。さらに、静電容量センサ１００が、活性ガスを吸着する吸着部（ゲッタ）１４と、可動電極１２、第１及び第２固定電極２２，３２、吸着部１４を所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部４を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の測定に用いられる物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、静電容量型の物理量検出器には様々なものが提供されている。このような物理量検出器は、Ｓｉなどを用いて小さな可動機構部品を形成し、そのサイズがμｍオーダにおよぶ。そのため、空気抵抗の影響を受けることによる、特性低下の問題が生じる。
【０００３】
そこで、例えば、物理量検出器として特許文献１に記載された加速度センサが知られている。この特許文献１に記載の加速度センサは、主として、弾性部により変位自在に支持された可動電極を有するシリコン基板、このシリコン基板に対向する両面に設けられた固定電極を有する２枚の硝子基板（透光材）とから構成されている。シリコン基板には、弾性変形可能な部位、スペース及びその他部位が設けられている。そして、上記のようなシリコン基板に設けられた各部位及び硝子基板の固定電極は、シリコン基板と２枚の硝子基板により封止され、真空下におかれている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示の加速度センサ（物理量検出器）は、パッケージとして可動電極及び固定電極を中空の構造体で囲み、そこを減圧して空気の影響を低減している。
【特許文献１】特開２００４−１２３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、減圧した状態で封止したとしても、長期的にみると中空構造体の内壁からの放出ガスなどにより、圧力の変化が発生し、物理量検出器の特性が変化してしまう虞がある。
【０００６】
また、減圧させすぎると、空気によるダンピング効果が小さくなるため、制御の安定性に悪影響を及ぼし、その特性が低下してしまう虞がある。
【０００７】
また、減圧状態である圧力範囲に保った状態で封止するには、真空チャンバーを用いるため、その製造コスト高、及び商品のスループットの低下等の問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、適度なダンピング効果が得られるようにして、圧力を所定の範囲に長期に亘って安定化させ、かつ安価に製造可能な物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る物理量検出器は、弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器であって、活性ガスを吸着する吸着部と、前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
上記のような構成を有することにより、本発明に係る物理量検出器は、吸着部を備えているので、空気に含まれる活性ガスを吸着する。そして、前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を所定圧力であるＣｘＨｙ或いは希ガスの雰囲気中に封止する封止部を備えている。したがって、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスを封止しているため、ＣｘＨｙ或いは希ガスの特性により、適度なダンピングを発生させることができる。そして、所定量のＣｘＨｙ或いは希ガスのみを封止部に残存させることにより、封止部内を長期に亘って安定した圧力を維持することが可能である。また、物理量検出器を製作する際、予め所定量のＣｘＨｙ或いは希ガスを封止部内に入れておき、その他の活性ガスをゲッタ（吸着部）により減圧すればよいので、高価な真空チャンパを用いる必要なく、容易に所望の圧力に減圧させることができる。すなわち、安価な物理量検出器を提供することができる。
【００１１】
また、前記所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることが望ましい。
【００１２】
また、前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることが望ましい。
【００１３】
また、前記封止部は、ＣＡＮパッケージとしてもよく。ＣＡＮパッケージとすることにより、その機械強度を高くすることが可能となる。
【００１４】
また、前記封止部は、セラミックパッケージとしてもよい。セラミックパッケージとすることにより、封止部の小型化、及び表面実装が可能となる。
【００１５】
本発明に係る物理量検出器の製造方法は、弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器の製造方法であって、第１の所定圧力中において前記可動電極、前記固定電極、活性ガスを吸着する吸着部を活性ガス及びＣｘＨｙと共に封止部に封止する工程と、前記吸着部を作動させ、前記封止部内の前記活性ガスを当該吸着部に吸着させ、第２の所定圧力とする吸着工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の所定圧力は、気圧１０００Ｐａ以上であり、気圧１０００００Ｐａ未満であることが望ましい。また、前記第２の所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、適度なダンピング効果が得られ、圧力を所定の範囲に長期に亘って安定化させることができ、かつ安価に製造可能な物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態係る物理量測定器、及びその物理量測定器の製造方法について説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量測定器の概略図である。図１に示すように、第１実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００と、リードＬを介して静電容量センサ１００からの信号に基づき静電容量を演算する演算器２００とから構成されている。
【００２０】
静電容量センサ１００は、主として、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に接続された第１の硝子基板２と、シリコン基板１の下面に接続された第２の硝子基板３とから構成されている。
【００２１】
シリコン基板１は、その外周をシリコン製の枠部１１により構成されており、枠部１１にヒンジ部１１ａを介して、シリコン基板１の厚さ方向に変位自在に支持された可動部（可動電極）１２が設けられている。なお、可動部１２の厚みは、枠部１１の厚みよりも薄く形成されている。これら枠部１１、ヒンジ部１１ａ、可動部１２は、一体形成されている。また、シリコン基板１の長手方向の両側には、収容部１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けられている。
【００２２】
収容部１３ａ、１３ｂには、電極取出用のシリコン製の島１３ａａ，１３ｂａが設けられている。それら島１３ａａ，１３ｂａは、互いに、そして枠部１１に接触しないように隔離され配置されている。すなわち、他の島、及び枠部１１とは電気的に絶縁されている。
【００２３】
収容部１３ｃには、活性ガス（例えば、酸素、窒素、水素など）を吸着するゲッタ（吸着部）１４が設けられている。
【００２４】
第１の硝子基板２は、主に第１の硝子基板本体２１と、シリコン基板１の可動部１２と対向する第１の固定電極２２と、第１の固定電極２２から第１の硝子基板２の長手方向に延びる第１検出用電極２３とから構成されている。また、この第１の硝子基板２は、その厚み方向に形成された導電性を有する第１及び第２リード取付部２４，２５を有している。第１及び第２リード取付部２４，２５には、リードＬを介して演算器２００が接続されている。また、第１リード取付部２４は、第１検出用電極２３と接する位置に設けられており、第２リード取付部２５は、島１３ａａと接する位置に設けられている。
【００２５】
第２の硝子基板３は、主に第２の硝子基板本体３１と、シリコン基板１の可動部１２と対向する第２の固定電極３２と、第２の固定電極３２から第１の硝子基板２の長手方向、島１３ａａの底面に至るまで延びて形成された第２検出用電極３３とから構成されている。なお、図示を省略するが、リードＬ以外にもシリコン基板１にリードが接続されている。
【００２６】
すなわち、第１リード取付部２４のリードＬと図示しないシリコン基板１に接続されたリードからは、第１の固定電極２２の静電容量が検出され、第２リード取付部２５のリードＬからは、島１３ａａを介して第２の固定電極３２とシリコン基板１に接続されたリードの間の静電容量が検出される。
【００２７】
これら静電容量センサ１００を構成するシリコン基板１、第１の硝子基板２、及び第２の硝子基板３は、陽極接合されている。すなわち、可動部１２、第１の固定電極２２、及び第２の固定電極３２により封止された封止部４が構成されている。この封止部４は、気圧１Ｐａ〜気圧１０００Ｐａ（気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを示す）に保たれている。また、封止部４は、希ガス或いはＣｘＨｙにより満たされている。希ガスとは、例えば、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等である。
【００２８】
次に、以下に示す表１及び図２を参照して希ガス及びＣｘＨｙの特性を説明する。表１は、空気と希ガス（Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ）における、大気圧の平均自由行程（λ）と、粘性係数（μ）と、それらの比を比較したものである。図２は、大気及び希ガス中における可動部１２の質量に対する減衰比（気体特有の減衰係数／可動部１２のバネ定数）を示す図である。なお、平均自由行程とは、その気体分子が、運動を妨げられてから次に運動を妨げられるまでに進む距離の平均値を示すものである。すなわち、μ／λは減衰特性を示すパラメータとなっている。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１に示すように、大気圧の平均自由工程λは、空気で６．８×１０−８ｍ、Ａｒで７．１×１０−８ｍ、Ｋｒで５．４×１０−８ｍ、Ｘｅで４．０×１０−８ｍであり、希ガスにおいては、空気と同程度か小さい。また、粘性係数は、空気で１．８×１０−５Ｐａ・ｓ、Ａｒで２．３×１０−５Ｐａ・ｓ、Ｋｒで２．５×１０−５Ｐａ・ｓ、Ｘｅで２．３×１０−５Ｐａ・ｓであり、希ガスにおいては、空気よりも大きい。そして、μ／λは、空気で０．２６×１０３、Ａｒで０．３２×１０３、Ｋｒで０．４６×１０３、Ｘｅで０．５８×１０３となる。
【００３１】
また、図２に示すように、可動部１２の質量に対する減衰比は、希ガス（Ｎｅ，Ａｒ）が、常に空気よりも高い値となっている。
【００３２】
なお、図示は省略するが、ＣｘＨｙは、上記表１及び図２に示した希ガスと同様の空気に対する特性を有している。
【００３３】
すなわち、希ガス及びＣｘＨｙは、可動部１２の特性改善には適当である。なお、ＣｘＨｙ及び希ガスは、化学反応性が低いので、封止部４内に付着することはなく、気体の状態であり続けるので、長期に亘って圧力を維持することが可能である。
【００３４】
次に、上記の静電容量センサ１００の製造方法の一例について説明する。まず、希ガス（或いはＣｘＨｙ）が１％含まれる大気圧（約１０００００Ｐａ）において、シリコン基板１、第１の硝子基板２、及び第２の硝子基板３を陽極接合する。次に、透光材である第１の硝子基板２或いは第２の硝子基板３を介してゲッタ１４にＹＡＧレーザ（図示略）を照射する。この照射により、ゲッタ１４が加熱、活性化されて、そのゲッタ１４は、封止部４内の活性ガス（例えば、酸素、水素、窒素など）を吸着する。つまり、大気に含まれる９９％の活性ガスが吸着されることにより、１％の希ガス（或いはＣｘＨｙ）が残存することになり、その封止部４内は、１０００Ｐａの減圧状態となる。なお、上述した一例以外であってもよく、例えば、封止時の気圧を１０００Ｐａ〜１０００００Ｐａとし、ゲッタ１４により活性ガスを吸着して最終的に封止部４内を１Ｐａ〜１０００Ｐａとしてもよい。封止部４を真空（約１０００Ｐａ）において封止することにより、大気圧において封止する場合よりも高い真空度を得ることができる。
【００３５】
上記のように第１実施形態に係る物理量検出器及びその物理量検出器の製造方法によれば、高価な真空封止装置を用いることなく安価に製造可能であり、封止部４で封止された適度な減衰比を有する希ガス（或いはＣｘＨｙ）により、適度なダンピング効果を発生させることができる。また、封止部４内に希ガス（或いはＣｘＨｙ）のみが封止されているので、長期に亘って安定した圧力を保つことができる。
【００３６】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る物理量測定器の概略図である。なお、第２実施形態の物理量測定器において、第１実施形態と同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図３に示すように、第２実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００’と、演算器２００とから構成されている。
【００３８】
静電容量センサ１００’は、第１の硝子基板２’の形状、及び封止パッケージ５を備える点において第１実施形態の構成と異なる。
【００３９】
第１の硝子基板２’は、さらにその厚み方向に貫通した開口２６を有している。
【００４０】
封止パッケージ５は、ＣＡＮパッケージと呼ばれる金属パッケージである。封止パッケージ５は、第２の硝子基板３を載置する載置台５１と、載置台５１にその縁を接合した蓋５２と、蓋５２内側から載置台５１の下方に突出した２本の脚部５３とを有する。載置台５１の上方に突出した脚部５３には、リードＬを介して第１及び第２リード取付部２４，２５が接続されており、載置台５３の下方に突出した脚部５３には、リードＬを介して演算器２００が接続されている。
【００４１】
また、第２実施形態における静電容量センサ１００’において、載置台５１、及び蓋５２により、可動部１２、第１及び第２固定電極２２，３２を封止する封止部４’が構成されており、その内部は、気圧１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙを充填されている。なお、その封止方法は、はんだ、抵抗加熱圧着、及び圧入等である。
【００４２】
上記第２実施形態の構成とすることにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態の構成とすることにより、確実に真空封止することが可能となり、さらに、その機械的強度を高めることができる。
【００４３】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る物理量測定器の概略図である。なお、第３実施形態の物理量測定器において、第１及び第２実施形態と同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４４】
図４に示すように、第３実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００’’と、演算器２００とから構成されている。
【００４５】
静電容量センサ１００’’は、封止パッケージ５’の構成が、第２実施形態と異なる。
【００４６】
封止パッケージ５’は、セラミックパッケージである。封止パッケージ５’は、主に上方に開口を有して第２の硝子基板３を載置する筐体５４、及び筐体５４の開口を封止する蓋５５から構成されている。
【００４７】
筐体５４には、その側面両側に内側から外側へと貫通して形成された２つの電極５４ａが設けられている。また、筐体５４には、その底面下方に電極５４ａと電気的に接続されている電極５４ｂが設けられている。筐体５４内側の各々の電極５４ａには、リードＬを介して、第１及び第２リード取付部２４，２５が接続されており、筐体５４外側の各々の電極５４ａには、リードＬを介して演算器２００が接続されている。
【００４８】
また、第３実施形態における静電容量センサ１００’’において、筐体５４、及び蓋５５により、可動部１２、第１及び第２の固定電極２２，３２を封止する封止部４’’が構成されており、その内部は、気圧１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙを充填されている。
【００４９】
上記第３実施形態の構成とすることにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態の構成とすることにより、確実に真空封止することが可能となり、第２実施形態と比較して、小型化可能、表面実装可能であり、さらに安価に製造することができる。
【００５０】
上述したように本発明に係る物理量測定器の一実施形態を説明したが、上述した構成に限られるものではない。つまり、可動部１２及び固定電極３２が設けられた空間を封止し、その封止した空間の内部にゲッタ１４が設けられており、その空間が１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙで満たされていれば良い。ここで、封止した空間とは、例えば封止部４，４’，４’’等であり、ゲッタを載置する箇所は、第２の硝子基板３１上でなく、載置台５１上或いは筐体５４の内壁であってもよい。また、上記においてゲッタ１４は、ＹＡＧレーザなどで加熱する構成としたが、例えば、ヒータ等により加熱する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る物理量検出器の可動部１２の質量に対する大気或いは希ガス中における減衰比を説明する図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００，１００’，１００’’…静電容量センサ、２００…演算器、１…シリコン基板、２，２’…第１の硝子基板２、３…第２の硝子基板、１１…枠部、１１ａ…ヒンジ部、１２…可動部（可動電極）、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…収容部、１４…ゲッタ（吸着部）、２１…第１の硝子基板本体、２２…第１の固定電極２２、２３…第１検出用電極、２４，２５…第１及び第２リード取付部、２６…開口、３１…第２の硝子基板本体、３２…第２の固定電極、３３…第２検出用電極３３、４，４’，４’’…封止部、５，５’…封止パッケージ、５１…載置台、５２…蓋、５３…脚部、５４…筐体、５４ａ…電極、５４ｂ…電極、Ｌ…リード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量の測定に用いられる物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、静電容量型の物理量検出器には様々なものが提供されている。このような物理量検出器は、Ｓｉなどを用いて小さな可動機構部品を形成し、そのサイズがμｍオーダにおよぶ。そのため、空気抵抗の影響を受けることによる、特性低下の問題が生じる。
【０００３】
そこで、例えば、物理量検出器として特許文献１に記載された加速度センサが知られている。この特許文献１に記載の加速度センサは、主として、弾性部により変位自在に支持された可動電極を有するシリコン基板、このシリコン基板に対向する両面に設けられた固定電極を有する２枚の硝子基板（透光材）とから構成されている。シリコン基板には、弾性変形可能な部位、スペース及びその他部位が設けられている。そして、上記のようなシリコン基板に設けられた各部位及び硝子基板の固定電極は、シリコン基板と２枚の硝子基板により封止され、真空下におかれている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示の加速度センサ（物理量検出器）は、パッケージとして可動電極及び固定電極を中空の構造体で囲み、そこを減圧して空気の影響を低減している。
【特許文献１】特開２００４−１２３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、減圧した状態で封止したとしても、長期的にみると中空構造体の内壁からの放出ガスなどにより、圧力の変化が発生し、物理量検出器の特性が変化してしまう虞がある。
【０００６】
また、減圧させすぎると、空気によるダンピング効果が小さくなるため、制御の安定性に悪影響を及ぼし、その特性が低下してしまう虞がある。
【０００７】
また、減圧状態である圧力範囲に保った状態で封止するには、真空チャンバーを用いるため、その製造コスト高、及び商品のスループットの低下等の問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、適度なダンピング効果が得られるようにして、圧力を所定の範囲に長期に亘って安定化させ、かつ安価に製造可能な物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る物理量検出器は、弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器であって、活性ガスを吸着する吸着部と、前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
上記のような構成を有することにより、本発明に係る物理量検出器は、吸着部を備えているので、空気に含まれる活性ガスを吸着する。そして、前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を所定圧力であるＣｘＨｙ或いは希ガスの雰囲気中に封止する封止部を備えている。したがって、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスを封止しているため、ＣｘＨｙ或いは希ガスの特性により、適度なダンピングを発生させることができる。そして、所定量のＣｘＨｙ或いは希ガスのみを封止部に残存させることにより、封止部内を長期に亘って安定した圧力を維持することが可能である。また、物理量検出器を製作する際、予め所定量のＣｘＨｙ或いは希ガスを封止部内に入れておき、その他の活性ガスをゲッタ（吸着部）により減圧すればよいので、高価な真空チャンパを用いる必要なく、容易に所望の圧力に減圧させることができる。すなわち、安価な物理量検出器を提供することができる。
【００１１】
また、前記所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることが望ましい。
【００１２】
また、前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることが望ましい。
【００１３】
また、前記封止部は、ＣＡＮパッケージとしてもよく。ＣＡＮパッケージとすることにより、その機械強度を高くすることが可能となる。
【００１４】
また、前記封止部は、セラミックパッケージとしてもよい。セラミックパッケージとすることにより、封止部の小型化、及び表面実装が可能となる。
【００１５】
本発明に係る物理量検出器の製造方法は、弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器の製造方法であって、第１の所定圧力中において前記可動電極、前記固定電極、活性ガスを吸着する吸着部を活性ガス及びＣｘＨｙと共に封止部に封止する工程と、前記吸着部を作動させ、前記封止部内の前記活性ガスを当該吸着部に吸着させ、第２の所定圧力とする吸着工程とを含むことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第１の所定圧力は、気圧１０００Ｐａ以上であり、気圧１０００００Ｐａ未満であることが望ましい。また、前記第２の所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、適度なダンピング効果が得られ、圧力を所定の範囲に長期に亘って安定化させることができ、かつ安価に製造可能な物理量検出器、及びその物理量検出器の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態係る物理量測定器、及びその物理量測定器の製造方法について説明する。
【００１９】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量測定器の概略図である。図１に示すように、第１実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００と、リードＬを介して静電容量センサ１００からの信号に基づき静電容量を演算する演算器２００とから構成されている。
【００２０】
静電容量センサ１００は、主として、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に接続された第１の硝子基板２と、シリコン基板１の下面に接続された第２の硝子基板３とから構成されている。
【００２１】
シリコン基板１は、その外周をシリコン製の枠部１１により構成されており、枠部１１にヒンジ部１１ａを介して、シリコン基板１の厚さ方向に変位自在に支持された可動部（可動電極）１２が設けられている。なお、可動部１２の厚みは、枠部１１の厚みよりも薄く形成されている。これら枠部１１、ヒンジ部１１ａ、可動部１２は、一体形成されている。また、シリコン基板１の長手方向の両側には、収容部１３ａ、１３ｂ、１３ｃが設けられている。
【００２２】
収容部１３ａ、１３ｂには、電極取出用のシリコン製の島１３ａａ，１３ｂａが設けられている。それら島１３ａａ，１３ｂａは、互いに、そして枠部１１に接触しないように隔離され配置されている。すなわち、他の島、及び枠部１１とは電気的に絶縁されている。
【００２３】
収容部１３ｃには、活性ガス（例えば、酸素、窒素、水素など）を吸着するゲッタ（吸着部）１４が設けられている。
【００２４】
第１の硝子基板２は、主に第１の硝子基板本体２１と、シリコン基板１の可動部１２と対向する第１の固定電極２２と、第１の固定電極２２から第１の硝子基板２の長手方向に延びる第１検出用電極２３とから構成されている。また、この第１の硝子基板２は、その厚み方向に形成された導電性を有する第１及び第２リード取付部２４，２５を有している。第１及び第２リード取付部２４，２５には、リードＬを介して演算器２００が接続されている。また、第１リード取付部２４は、第１検出用電極２３と接する位置に設けられており、第２リード取付部２５は、島１３ａａと接する位置に設けられている。
【００２５】
第２の硝子基板３は、主に第２の硝子基板本体３１と、シリコン基板１の可動部１２と対向する第２の固定電極３２と、第２の固定電極３２から第１の硝子基板２の長手方向、島１３ａａの底面に至るまで延びて形成された第２検出用電極３３とから構成されている。なお、図示を省略するが、リードＬ以外にもシリコン基板１にリードが接続されている。
【００２６】
すなわち、第１リード取付部２４のリードＬと図示しないシリコン基板１に接続されたリードからは、第１の固定電極２２の静電容量が検出され、第２リード取付部２５のリードＬからは、島１３ａａを介して第２の固定電極３２とシリコン基板１に接続されたリードの間の静電容量が検出される。
【００２７】
これら静電容量センサ１００を構成するシリコン基板１、第１の硝子基板２、及び第２の硝子基板３は、陽極接合されている。すなわち、可動部１２、第１の固定電極２２、及び第２の固定電極３２により封止された封止部４が構成されている。この封止部４は、気圧１Ｐａ〜気圧１０００Ｐａ（気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを示す）に保たれている。また、封止部４は、希ガス或いはＣｘＨｙにより満たされている。希ガスとは、例えば、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等である。
【００２８】
次に、以下に示す表１及び図２を参照して希ガス及びＣｘＨｙの特性を説明する。表１は、空気と希ガス（Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ）における、大気圧の平均自由行程（λ）と、粘性係数（μ）と、それらの比を比較したものである。図２は、大気及び希ガス中における可動部１２の質量に対する減衰比（気体特有の減衰係数／可動部１２のバネ定数）を示す図である。なお、平均自由行程とは、その気体分子が、運動を妨げられてから次に運動を妨げられるまでに進む距離の平均値を示すものである。すなわち、μ／λは減衰特性を示すパラメータとなっている。
【００２９】
【表１】
【００３０】
表１に示すように、大気圧の平均自由工程λは、空気で６．８×１０−８ｍ、Ａｒで７．１×１０−８ｍ、Ｋｒで５．４×１０−８ｍ、Ｘｅで４．０×１０−８ｍであり、希ガスにおいては、空気と同程度か小さい。また、粘性係数は、空気で１．８×１０−５Ｐａ・ｓ、Ａｒで２．３×１０−５Ｐａ・ｓ、Ｋｒで２．５×１０−５Ｐａ・ｓ、Ｘｅで２．３×１０−５Ｐａ・ｓであり、希ガスにおいては、空気よりも大きい。そして、μ／λは、空気で０．２６×１０３、Ａｒで０．３２×１０３、Ｋｒで０．４６×１０３、Ｘｅで０．５８×１０３となる。
【００３１】
また、図２に示すように、可動部１２の質量に対する減衰比は、希ガス（Ｎｅ，Ａｒ）が、常に空気よりも高い値となっている。
【００３２】
なお、図示は省略するが、ＣｘＨｙは、上記表１及び図２に示した希ガスと同様の空気に対する特性を有している。
【００３３】
すなわち、希ガス及びＣｘＨｙは、可動部１２の特性改善には適当である。なお、ＣｘＨｙ及び希ガスは、化学反応性が低いので、封止部４内に付着することはなく、気体の状態であり続けるので、長期に亘って圧力を維持することが可能である。
【００３４】
次に、上記の静電容量センサ１００の製造方法の一例について説明する。まず、希ガス（或いはＣｘＨｙ）が１％含まれる大気圧（約１０００００Ｐａ）において、シリコン基板１、第１の硝子基板２、及び第２の硝子基板３を陽極接合する。次に、透光材である第１の硝子基板２或いは第２の硝子基板３を介してゲッタ１４にＹＡＧレーザ（図示略）を照射する。この照射により、ゲッタ１４が加熱、活性化されて、そのゲッタ１４は、封止部４内の活性ガス（例えば、酸素、水素、窒素など）を吸着する。つまり、大気に含まれる９９％の活性ガスが吸着されることにより、１％の希ガス（或いはＣｘＨｙ）が残存することになり、その封止部４内は、１０００Ｐａの減圧状態となる。なお、上述した一例以外であってもよく、例えば、封止時の気圧を１０００Ｐａ〜１０００００Ｐａとし、ゲッタ１４により活性ガスを吸着して最終的に封止部４内を１Ｐａ〜１０００Ｐａとしてもよい。封止部４を真空（約１０００Ｐａ）において封止することにより、大気圧において封止する場合よりも高い真空度を得ることができる。
【００３５】
上記のように第１実施形態に係る物理量検出器及びその物理量検出器の製造方法によれば、高価な真空封止装置を用いることなく安価に製造可能であり、封止部４で封止された適度な減衰比を有する希ガス（或いはＣｘＨｙ）により、適度なダンピング効果を発生させることができる。また、封止部４内に希ガス（或いはＣｘＨｙ）のみが封止されているので、長期に亘って安定した圧力を保つことができる。
【００３６】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る物理量測定器の概略図である。なお、第２実施形態の物理量測定器において、第１実施形態と同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３７】
図３に示すように、第２実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００’と、演算器２００とから構成されている。
【００３８】
静電容量センサ１００’は、第１の硝子基板２’の形状、及び封止パッケージ５を備える点において第１実施形態の構成と異なる。
【００３９】
第１の硝子基板２’は、さらにその厚み方向に貫通した開口２６を有している。
【００４０】
封止パッケージ５は、ＣＡＮパッケージと呼ばれる金属パッケージである。封止パッケージ５は、第２の硝子基板３を載置する載置台５１と、載置台５１にその縁を接合した蓋５２と、蓋５２内側から載置台５１の下方に突出した２本の脚部５３とを有する。載置台５１の上方に突出した脚部５３には、リードＬを介して第１及び第２リード取付部２４，２５が接続されており、載置台５３の下方に突出した脚部５３には、リードＬを介して演算器２００が接続されている。
【００４１】
また、第２実施形態における静電容量センサ１００’において、載置台５１、及び蓋５２により、可動部１２、第１及び第２固定電極２２，３２を封止する封止部４’が構成されており、その内部は、気圧１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙを充填されている。なお、その封止方法は、はんだ、抵抗加熱圧着、及び圧入等である。
【００４２】
上記第２実施形態の構成とすることにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態の構成とすることにより、確実に真空封止することが可能となり、さらに、その機械的強度を高めることができる。
【００４３】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る物理量測定器の構成を説明する。図４は、本発明の第３実施形態に係る物理量測定器の概略図である。なお、第３実施形態の物理量測定器において、第１及び第２実施形態と同一の構成には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４４】
図４に示すように、第３実施形態に係る物理量測定器は、静電容量センサ１００’’と、演算器２００とから構成されている。
【００４５】
静電容量センサ１００’’は、封止パッケージ５’の構成が、第２実施形態と異なる。
【００４６】
封止パッケージ５’は、セラミックパッケージである。封止パッケージ５’は、主に上方に開口を有して第２の硝子基板３を載置する筐体５４、及び筐体５４の開口を封止する蓋５５から構成されている。
【００４７】
筐体５４には、その側面両側に内側から外側へと貫通して形成された２つの電極５４ａが設けられている。また、筐体５４には、その底面下方に電極５４ａと電気的に接続されている電極５４ｂが設けられている。筐体５４内側の各々の電極５４ａには、リードＬを介して、第１及び第２リード取付部２４，２５が接続されており、筐体５４外側の各々の電極５４ａには、リードＬを介して演算器２００が接続されている。
【００４８】
また、第３実施形態における静電容量センサ１００’’において、筐体５４、及び蓋５５により、可動部１２、第１及び第２の固定電極２２，３２を封止する封止部４’’が構成されており、その内部は、気圧１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙを充填されている。
【００４９】
上記第３実施形態の構成とすることにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態の構成とすることにより、確実に真空封止することが可能となり、第２実施形態と比較して、小型化可能、表面実装可能であり、さらに安価に製造することができる。
【００５０】
上述したように本発明に係る物理量測定器の一実施形態を説明したが、上述した構成に限られるものではない。つまり、可動部１２及び固定電極３２が設けられた空間を封止し、その封止した空間の内部にゲッタ１４が設けられており、その空間が１〜１０００Ｐａの希ガス或いはＣｘＨｙで満たされていれば良い。ここで、封止した空間とは、例えば封止部４，４’，４’’等であり、ゲッタを載置する箇所は、第２の硝子基板３１上でなく、載置台５１上或いは筐体５４の内壁であってもよい。また、上記においてゲッタ１４は、ＹＡＧレーザなどで加熱する構成としたが、例えば、ヒータ等により加熱する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る物理量検出器の可動部１２の質量に対する大気或いは希ガス中における減衰比を説明する図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る物理量検出器の構成概略図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００，１００’，１００’’…静電容量センサ、２００…演算器、１…シリコン基板、２，２’…第１の硝子基板２、３…第２の硝子基板、１１…枠部、１１ａ…ヒンジ部、１２…可動部（可動電極）、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…収容部、１４…ゲッタ（吸着部）、２１…第１の硝子基板本体、２２…第１の固定電極２２、２３…第１検出用電極、２４，２５…第１及び第２リード取付部、２６…開口、３１…第２の硝子基板本体、３２…第２の固定電極、３３…第２検出用電極３３、４，４’，４’’…封止部、５，５’…封止パッケージ、５１…載置台、５２…蓋、５３…脚部、５４…筐体、５４ａ…電極、５４ｂ…電極、Ｌ…リード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器であって、
活性ガスを吸着する吸着部と、
前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部と
を備えることを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
前記所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項１記載の物理量検出器。
【請求項３】
前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１又は２記載の物理量検出器。
【請求項４】
前記封止部は、ＣＡＮパッケージであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理量検出器。
【請求項５】
前記封止部は、セラミックパッケージであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理量検出器。
【請求項６】
弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器の製造方法であって、
第１の所定圧力中において前記可動電極、前記固定電極、活性ガスを吸着する吸着部を活性ガス及びＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止部中に封止する工程と、
前記吸着部を作動させ、前記封止部内の前記活性ガスを当該吸着部に吸着させ、第２の所定圧力とする吸着工程と
を含むことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項７】
前記第１の所定圧力は、気圧１０００Ｐａ以上であり、気圧１０００００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項６記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項８】
前記第２の所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項６又は７記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項９】
前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項１】
弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器であって、
活性ガスを吸着する吸着部と、
前記可動電極、前記固定電極、及び前記吸着部を、所定圧力のＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止した封止部と
を備えることを特徴とする物理量検出器。
【請求項２】
前記所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項１記載の物理量検出器。
【請求項３】
前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１又は２記載の物理量検出器。
【請求項４】
前記封止部は、ＣＡＮパッケージであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理量検出器。
【請求項５】
前記封止部は、セラミックパッケージであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理量検出器。
【請求項６】
弾性部により変位可能に支持された可動電極と、当該可動電極と対向する位置に配置された固定電極とを有し、前記可動電極と前記固定電極とにより形成されるキャパシタの静電容量に基づいて被測定体の変位、速度、加速度の何れかの物理量を検出する物理量検出器の製造方法であって、
第１の所定圧力中において前記可動電極、前記固定電極、活性ガスを吸着する吸着部を活性ガス及びＣｘＨｙ或いは希ガスと共に封止部中に封止する工程と、
前記吸着部を作動させ、前記封止部内の前記活性ガスを当該吸着部に吸着させ、第２の所定圧力とする吸着工程と
を含むことを特徴とする物理量検出器の製造方法。
【請求項７】
前記第１の所定圧力は、気圧１０００Ｐａ以上であり、気圧１０００００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項６記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項８】
前記第２の所定圧力は、気圧１Ｐａ以上であり、気圧１０００Ｐａ未満であることを特徴とする請求項６又は７記載の物理量検出器の製造方法。
【請求項９】
前記希ガスは、Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項記載の物理量検出器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１１６４２３（Ｐ２００８−１１６４２３Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２５１３（Ｐ２００６−３０２５１３）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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