(57)【要約】【課題】信号の伝送、遮断の切り替えを精度よく行うことができるスイッチ、スイッチの製造方法、力覚センサーおよびロボットを提供する。【解決手段】スイッチは、凹部を有する基部と、前記凹部の底部と対向し、前記基部に対して揺動軸まわりに揺動し、前記基部の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有している導電性の可動部と、前記底部に配置され、前記第１質量部と対向している駆動電極と、前記可動部と電気的に接続されている第１電極と、前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより前記可動部と接触または離間する第２電極と、を有し、前記基部の構成材料は、ガラスであり、前記底部は、エッチング処理面である。【選択図】図１
2020071940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する基部と、
前記凹部の底部と対向し、前記基部に対して揺動軸まわりに揺動し、前記基部の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有している導電性の可動部と、
前記底部に配置され、前記第１質量部と対向している駆動電極と、
前記可動部と電気的に接続されている第１電極と、
前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより前記可動部と接触または離間する第２電極と、を有し、
前記基部の構成材料は、ガラスであり、
前記底部は、エッチング処理面であることを特徴とするスイッチ。
【請求項２】
前記駆動電極と前記第１質量部との間に発生する静電引力によって前記第１質量部が前記駆動電極に接近するように前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動し、
前記第２電極が前記可動部と接触することにより前記第１電極と前記第２電極とが接触する請求項１に記載のスイッチ。
【請求項３】
前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより接触または離間する第３電極を有し、
前記可動部は、前記第２電極および前記第３電極と接触する部分を有し、
前記部分は、前記第１電極と絶縁されている請求項１に記載のスイッチ。
【請求項４】
前記駆動電極と前記第１質量部との間に発生する静電引力によって前記第１質量部が前記駆動電極に接近するように前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動し、
前記第２電極および前記第３電極が前記部分と接触することにより前記第２電極と前記第３電極とが接触する請求項３に記載のスイッチ。
【請求項５】
前記第１質量部は、前記第２質量部よりも前記揺動軸まわりの回転モーメントが大きい請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスイッチ。
【請求項６】
前記基部に固定されている固定部と、
前記固定部と前記可動部とを接続する梁部と、を有し、
前記固定部と前記基部とは、陽極接合されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスイッチ。
【請求項７】
前記第１質量部および前記第２質量部は、それぞれ、貫通孔を有している請求項１ないし６のいずれか１項に記載のスイッチ。
【請求項８】
構成材料がガラスである基板を準備し、エッチングにより前記基板に凹部を形成する工程と、
前記凹部に駆動電極、第１電極、および第２電極を形成する工程と、
前記凹部に対向するように、前記基板に導電性のデバイス基板を接合する工程と、
前記デバイス基板をエッチングすることにより、前記基板に対して揺動軸まわりに揺動可能であり、前記第１電極と電気的に接続されている可動部を形成する工程と、を含み、
前記可動部は、前記基板の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有し、
前記駆動電極および前記第２電極は、それぞれ、前記第１質量部と対向して配置されていることを特徴とするスイッチの製造方法。
【請求項９】
凹部を有する基部と、
前記凹部の底部と対向し、前記基部に対して揺動軸まわりに揺動し、前記基部の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有している導電性の可動部と、
前記底部に配置され、前記第１質量部と対向している駆動電極と、
前記可動部と電気的に接続されている第１電極と、
前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより前記可動部と接触または離間する第２電極と、を有し、
前記基部の構成材料は、ガラスであり、
前記底部は、エッチング処理面であるスイッチを備えることを特徴とする力覚センサー。
【請求項１０】
凹部を有する基部と、
前記凹部の底部と対向し、前記基部に対して揺動軸まわりに揺動し、前記基部の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有している導電性の可動部と、
前記底部に配置され、前記第１質量部と対向している駆動電極と、
前記可動部と電気的に接続されている第１電極と、
前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより前記可動部と接触または離間する第２電極と、を有し、
前記基部の構成材料は、ガラスであり、
前記底部は、エッチング処理面であるスイッチを備えることを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチ、スイッチの製造方法、力覚センサーおよびロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に記載されたＭＥＭＳ素子は、上側ガラス基板と、下側ガラス基板と、これらの間に挟まれたシリコン基板と、を有している。また、シリコン基板は、上下方向に平行移動する可動部を有し、可動部を上下方向に平行移動させることによって、信号の伝送、遮断を選択できるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のＭＥＭＳ素子では、可動部を上下方向に平行移動させる構成となっているため、可動部を自然状態すなわち原点に復帰させる力が弱い。したがって、信号の伝送、遮断の切り替えを精度よく行うことができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のスイッチは、凹部を有する基部と、
前記凹部の底部と対向し、前記基部に対して揺動軸まわりに揺動し、前記基部の平面視において、前記揺動軸に対して前記揺動軸に直交する方向の一方側に位置する第１質量部と、他方側に位置する第２質量部と、を有している導電性の可動部と、
前記底部に配置され、前記第１質量部と対向している駆動電極と、
前記可動部と電気的に接続されている第１電極と、
前記底部に配置され、前記可動部が前記揺動軸まわりに揺動することにより前記可動部と接触または離間する第２電極と、を有し、
前記基部の構成材料は、ガラスであり、
前記底部は、エッチング処理面であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスイッチを示す平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】ＯＮ状態のスイッチを示す断面図である。
【図４】ＯＦＦ状態のスイッチを示す断面図である。
【図５】図１に示すスイッチの製造工程を示すフローチャートである。
【図６】スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係るスイッチを示す断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る力覚センサーの回路系を示す図である。
【図１３】本発明の第４実施形態に係るロボットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明のスイッチ、スイッチの製造方法、力覚センサーおとびロボットを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【０００８】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るスイッチを示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。図３は、ＯＮ状態のスイッチを示す断面図である。図４は、ＯＦＦ状態のスイッチを示す断面図である。図５は、図１に示すスイッチの製造工程を示すフローチャートである。図６ないし図１０は、それぞれ、スイッチの製造方法を説明するための断面図である。
【０００９】
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」とも言う。また、各軸の矢印方向先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ軸方向プラス側を「上」とも言い、Ｚ軸方向マイナス側を「下」とも言う。また、本願明細書において、「直交」とは、９０°で交わっている場合の他、９０°から若干傾いた角度、例えば９０°±５°以内の範囲で交わっている場合も含むものである。
【００１０】
図１に示すスイッチ１は、例えば、電気配線の途中に配置され、電気信号の伝送／遮断を切り替えることのできるＭＥＭＳスイッチである。なお、以下では、電気信号を伝送する状態を「ＯＮ」とも言い、遮断する状態を「ＯＦＦ」とも言う。このようなスイッチ１は、基部としての基板２と、基板２上に配置され、基板２に対してシーソー揺動するスイッチ素子３と、基板２に接合され、スイッチ素子３を覆う蓋体５と、を有している。
【００１１】
≪基板≫
図２に示すように、基板２は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がり、Ｚ軸方向を厚さ方向とする板状をなしている。また、基板２は、上面側に開放する凹部２１を有している。また、Ｚ軸方向からの平面視で、凹部２１は、スイッチ素子３よりも大きく形成され、スイッチ素子３を内包している。凹部２１は、スイッチ素子３と基板２との接触を防止するための逃げ部として機能する。また、基板２は、凹部２１の底部２１１に設けられた突起状のマウント２２を有し、マウント２２の上面にスイッチ素子３が接合されている。さらに、図１に示すように、基板２は、上面側に開放する溝２５、２６、２７、２８、２９を有している。
【００１２】
このような基板２には、例えば、Ｎａ＋等のアルカリ金属イオンを含むガラス材料（例えば、パイレックスガラス（登録商標）、テンパックスガラス（登録商標）のような硼珪酸ガラス）で構成されたガラス基板が用いられる。すなわち、基板２の構成材料は、ガラスである。このように、基板２をガラス基板とすることにより、後述するように、スイッチ素子３と基板２とを陽極接合することによって強固に接合することができる。そのため、スイッチ素子３と基板２とを強固に接合することができる。さらに、陽極接合によれば、スイッチ素子３と基板２との間に接着剤等の接合部材が介在しないため、スイッチ素子３と凹部２１の底部２１１との間のギャップ管理をより精度よく行うことができる。また、透明な基板２が得られるため、基板２を介してスイッチ１の内部にあるスイッチ素子３を目視することができる。そのため、例えば、スイッチ素子３の異常を発見し易くなる。
【００１３】
特に、凹部２１は、エッチングにより形成されており、よって、底部２１１は、エッチング処理面で構成されている。このように、凹部２１をエッチングにより形成することにより、凹部２１を精度よく形成することができ、かつ、底部２１１をより平坦とすることができるため、スイッチ素子３と底部２１１との間のギャップ管理をより精度よく行うことができる。なお、エッチングとしては、特に限定されず、ウェットエッチングであってもよいし、ドライエッチングであってもよい。ウェットエッチングによれば、ドライエッチングと比較して加工時間が短くなるため、基板２の生産性が向上する。一方、ドライエッチングによれば、ウェットエッチングと比較して、精度のよい加工ができるため、スイッチ素子３と底部２１１との間のギャップ管理をさらに精度よく行うことができる。そのため、求められている精度や生産性を考慮してエッチング方法を選択すればよい。
【００１４】
図１および図２に示すように、凹部２１の底部２１１には、スイッチ素子３を揺動軸Ｊまわりに揺動させてＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替えるための第１駆動電極８１および第２駆動電極８２と、第１電極としてのコモン電極８３と、第２電極としての入力電極８４と、第３電極としての出力電極８５と、ストッパー電極８６と、が互いに離間して絶縁された状態で配置されている。コモン電極８３は、マウント２２上でスイッチ素子３と電気的に接続されている。また、第１駆動電極８１、入力電極８４および出力電極８５は、それぞれ、スイッチ素子３が有する後述する第１質量部３２１と対向して配置され、第２駆動電極８２は、スイッチ素子３が有する後述する第２質量部３２２と対向して配置されている。
【００１５】
また、溝２５、２６、２７、２８、２９には、配線７５、７６、７７、７８、７９が設けられている。また、これら配線７５〜７９の一端部は、それぞれ、蓋体５の外側に露出し、外部装置との電気的な接続を行う電極パッドとして機能する。また、配線７５は、第１駆動電極８１と電気的に接続され、配線７６は、第２駆動電極８２と電気的に接続され、配線７７は、コモン電極８３およびストッパー電極８６と電気的に接続され、配線７８は、入力電極８４と電気的に接続され、配線７９は、出力電極８５と電気的に接続されている。
【００１６】
≪蓋体≫
図２に示すように、蓋体５は、下面側に開放する凹部５１を有している。そして、蓋体５は、凹部５１内にスイッチ素子３を収納するようにして、基板２の上面に接合されている。そして、蓋体５および基板２によって、その内側にスイッチ素子３を収納する収納空間Ｓが形成されている。収納空間Ｓは、気密空間である。また、収納空間Ｓは、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されて、使用温度、例えば、−４０℃〜１２０℃の間で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。収納空間Ｓを大気圧とすることにより、粘性抵抗が増してダンピング効果が効果的に発揮され、スイッチ素子３の振動を速やかに収束させることができる。そのため、スイッチ素子３の応答性およびＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替え精度が向上する。ただし、収納空間Ｓの雰囲気としては、特に限定されず、例えば、負圧状態であってもよいし、陽圧状態であってもよい。
【００１７】
蓋体５としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。ただし、蓋体５としては、特に限定されず、例えば、ガラス基板やセラミックス基板を用いてもよい。また、基板２と蓋体５との接合方法としては、特に限定されず、基板２や蓋体５の材料によって適宜選択すればよく、例えば、陽極接合、プラズマ照射によって活性化させた接合面同士を接合させる活性化接合、ガラスフリット等の接合材による接合、基板２の上面および蓋体５の下面に成膜した金属膜同士を接合する拡散接合等を用いることができる。本実施形態では、低融点ガラスからなるガラスフリット５９を介して基板２と蓋体５とが接合されている。
【００１８】
≪スイッチ素子≫
図１に示すように、スイッチ素子３は、マウント２２に接合された固定部３１と、固定部３１に対して揺動軸Ｊまわりに揺動可能な可動部３２と、固定部３１と可動部３２とを接続する梁部３３と、を有している。このようなスイッチ素子３では、梁部３３によって揺動軸Ｊが形成され、梁部３３がその中心軸まわりに捩じり変形することにより、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動する。
【００１９】
スイッチ素子３は、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板をエッチングによってパターニングすることで形成することができる。エッチングとしては、特に限定されず、ウェットエッチングであってもよいし、ドライエッチングであってもよい。また、スイッチ素子３は、基板２の上面に陽極接合されている。これにより、スイッチ素子３と基板２とを強固に接合することができる。また、陽極接合によれば、スイッチ素子３と基板２との間に接着剤等の接合部材が介在しないため、スイッチ素子３と凹部２１の底部２１１とのギャップを精度よく管理することができる。ただし、スイッチ素子３の材料や、スイッチ素子３と基板２との接合方法は、特に限定されない。
【００２０】
可動部３２は、Ｘ方向に延びる長手形状をなしている。また、可動部３２は、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向プラス側に位置する第１質量部３２１と、揺動軸Ｊに対してＸ軸方向マイナス側に位置する第２質量部３２２と、を有している。つまり、第１質量部３２１と第２質量部３２２との間に揺動軸Ｊが位置している。また、第１質量部３２１は、第２質量部３２２よりもＸ軸方向に長く、質量が大きい。そのため、第１質量部３２１は、第２質量部３２２よりも揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが大きい。
【００２１】
また、第１質量部３２１には、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔３２１ａが形成されている。同様に、第２質量部３２２には、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔３２２ａが形成されている。このように、第１、第２質量部３２１、３２２に貫通孔３２１ａ、３２２ａを形成することにより、可動部３２の質量や粘性抵抗を容易に調整することができる。そのため、所望の揺動特性を有する可動部３２を容易に得ることができる。また、ウェットエッチングでスイッチ素子３を形成する場合、貫通孔３２１ａ、３２２ａを形成することによりエッチング液に基板が晒され易くなり、スイッチ素子３を精度よくかつ短時間で形成することができる。ただし、これに限定されず、例えば、貫通孔３２１ａおよび貫通孔３２２ａの少なくとも一方は、省略してもよい。また、本実施形態では、複数の貫通孔３２１ａが行列状に規則的に形成されているが、これに限定されず、不規則に形成されていてもよい。複数の貫通孔３２２ａについても同様である。
【００２２】
また、可動部３２は、第１質量部３２１と第２質量部３２２との間に形成された開口３２３を有し、この開口３２３内に固定部３１および梁部３３が配置されている。梁部３３は、Ｙ軸に沿って延在し、その中心軸が揺動軸Ｊとなっている。このように、第１質量部３２１と第２質量部３２２との間に固定部３１および梁部３３を配置することにより、スイッチ素子３の小型化を図ることができる。ただし、固定部３１や梁部３３の配置は、特に限定されず、例えば、可動部３２の外側に位置していてもよい。
【００２３】
また、可動部３２は、コモン電極８３を介してグランドに接続されている。また、図１および図２に示すように、第１駆動電極８１、入力電極８４および出力電極８５は、第１質量部３２１と対向して配置され、第２駆動電極８２は、第２質量部３２２と対向して配置されている。また、Ｚ軸方向からの平面視で、第１駆動電極８１は、入力電極８４および出力電極８５を間に挟んで一対設けられている。そして、これら一対の第１駆動電極８１の間で、入力電極８４および出力電極８５は、Ｙ軸方向に並んで配置されている。また、第２駆動電極８２およびストッパー電極８６は、第２質量部３２２と対向して配置されている。また、Ｚ軸方向からの平面視で、第２駆動電極８２は、ストッパー電極８６を間に挟んで一対設けられている。
【００２４】
可動部３２の説明に戻って、図２に示すように、第１質量部３２１の下面の入力電極８４および出力電極８５と対向する部分には絶縁層３５が設けられ、絶縁層３５の下面には導電層３６が設けられている。つまり、導電層３６は、絶縁層３５によってコモン電極８３と絶縁されている。なお、特に限定されないが、絶縁層３５の構成材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いることができ、導電層３６の構成材料としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の各種金属材料を用いることができる。
【００２５】
第１駆動電極８１に定電圧である第１駆動電圧Ｖ１を印加すると、第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間に静電引力が生じる。そして、図３に示すように、この静電引力によって、第１質量部３２１が第１駆動電極８１に接近するように、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動する。これにより、入力電極８４および出力電極８５が導電層３６と接触し、導電層３６を介して入力電極８４と出力電極８５とが電気的に接続されたＯＮ状態となる。そのため、ＯＮ状態では、入力電極８４に入力された信号が導電層３６を介して出力電極８５から出力される。
【００２６】
反対に、第２駆動電極８２に定電圧である第２駆動電圧Ｖ２を印加すると、第２質量部３２２と第２駆動電極８２との間に静電引力が生じる。そして、図４に示すように、この静電引力によって、第２質量部３２２が第２駆動電極８２に接近するように、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動する。これにより、入力電極８４および出力電極８５が導電層３６と離間し、入力電極８４と出力電極８５とが電気的に絶縁されたＯＦＦ状態となる。そのため、ＯＦＦ状態では、入力電極８４に入力された信号の出力電極８５からの出力が遮断される。
【００２７】
なお、第２駆動電極８２に第２駆動電圧Ｖ２を印加し、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えた後は、第２駆動電極８２への第２駆動電圧Ｖ２の印加を停止し、可動部３２を自然状態へ復帰させてもよい。これにより、電力消費が抑えられ、スイッチ１の省電力化を図ることができる。反対に、ＯＦＦ状態のときは常に第２駆動電極８２に第２駆動電圧Ｖ２を印加してもよい。これにより、静電引力によって可動部３２の姿勢を図４に示す姿勢に保つことができるため、例えば、スイッチ１が受ける衝撃（加速度や角速度）によって可動部３２が揺動し、意図せずにＯＮ状態となってしまうことを効果的に抑制することができる。そのため、誤作動が抑制され、より精度のよいスイッチ１となる。
【００２８】
また、第２駆動電極８２は、省略してもよく、この場合は、第１駆動電極８１への第１駆動電圧Ｖ１の印加を停止することにより、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることができる。
【００２９】
このように、可動部３２を揺動軸Ｊまわりに揺動させる構成によれば、捩じり変形した梁部３３の復元力を利用してＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替えるため、従来のような可動部３２を平行移動させてＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替える場合と比べて、可動部３２を変位させる力が強くなる。そのため、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えを精度よくかつ高い応答性で行うことができる。特に、スイッチ１では、梁部３３の復元力に加えて、第２駆動電極８２と第２質量部３２２との間の静電引力を利用し、可動部３２を強制的に揺動させることによりＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える。さらには、第２質量部３２２は、カウンターウェイトとしても機能する。そのため、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替える際に、可動部３２をより高速で揺動させることができるため、より高い応答性でＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えることができる。
【００３０】
前述したように、本実施形態では、第２質量部３２２に貫通孔３２２ａが形成されているが、第２質量部３２２から貫通孔３２２ａを省略してもよい。これにより、第２質量部３２２と第２駆動電極８２との対向面積が増え、その分、これらの間に形成される静電引力が大きくなる。そのため、より応答性の高いスイッチ１が得られる。また、貫通孔３２２ａを省略すると、第２質量部３２２の質量が増え、カウンターウェイトとしての機能が高まる。そのため、より応答性の高いスイッチ１が得られる。
【００３１】
また、前述したように、第１質量部３２１は、第２質量部３２２よりも揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが大きい。そのため、第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間に静電引力を発生させてＯＮ状態とする構成とすることにより、より小さい静電引力でＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えることができる。反対に、ＯＦＦ状態とするときの第２駆動電圧Ｖ２が大きくなるおそれがあるが、例えば、上述したように、ＯＦＦ状態とした後に第２駆動電圧Ｖ２の印加を停止する構成とすることにより、スイッチ１の省電力化を図ることができる。なお、これに限定されず、本実施形態とは逆に、第１質量部３２１が第２質量部３２２よりも揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが小さくてもよい。また、第１質量部３２１と第２質量部３２２の回転モーメントが等しくてもよい。
【００３２】
ここで、図２ないし図４に示すように、入力電極８４および出力電極８５は、それぞれ、第１駆動電極８１よりも上側すなわち可動部３２側に位置している。これにより、ＯＮ状態において、可動部３２と第１駆動電極８１との接触をより確実に抑制することができる。本実施形態では、底部２１１から突出する突起２１３が形成されており、この突起２１３上に入力電極８４および出力電極８５が配置されている。これにより、簡単な構成で、入力電極８４および出力電極８５を第１駆動電極８１よりも上側に配置することができる。
【００３３】
また、一対の第１駆動電極８１のうち、揺動軸Ｊから遠い第１駆動電極８１’は、揺動軸Ｊから近い第１駆動電極８１”よりも下側に位置している。これにより、可動部３２と第１駆動電極８１’とのギャップを十分に確保することができ、ＯＮ状態のときに可動部３２と第１駆動電極８１’とが接触することをより確実に抑制することができる。さらには、可動部３２と第１駆動電極８１”とのギャップを可動部３２と第１駆動電極８１’とのギャップよりも小さくすることにより、第１駆動電極８１と可動部３２との平均ギャップをより小さくすることができ、第１駆動電極８１と可動部３２との間に生じる静電引力をより大きくすることができる。これにより、スイッチ１の省電力化を図ることができる。本実施形態では、底部２１１が第１面２１１ａと、第１面２１１ａから凹没して第１面２１１ａよりも下側に位置する第２面２１１ｂと、を有し、第１面２１１ａに第１駆動電極８１”が配置され、第２面２１１ｂに第１駆動電極８１’が配置されている。
【００３４】
また、ストッパー電極８６は、第２駆動電極８２よりも上側すなわち可動部３２側に位置し、ＯＦＦ状態のときに第２質量部３２２と当接する。このようなストッパー電極８６により、ＯＦＦ状態において、可動部３２と第２駆動電極８２との接触をより確実に抑制することができる。本実施形態では、底部２１１から突出する突起２１４が形成されており、この突起２１４上にストッパー電極８６が配置されている。これにより、簡単な構成で、ストッパー電極８６を第２駆動電極８２よりも上側に配置することができる。前述したように、ストッパー電極８６は、配線７７およびコモン電極８３を介して可動部３２と電気的に接続されているため、可動部３２と同電位である。したがって、ストッパー電極８６と可動部３２との間に不要な静電引力が生じず、より精度よくスイッチ１を駆動させることができる。また、これらの間の静電引力によって、可動部３２がストッパー電極８６に張り付いてしまう「スティッキング」が抑制され、この点においても、より精度よくスイッチ１を駆動させることができる。
【００３５】
また、第１駆動電極８１および第２駆動電極８２は、それぞれ、絶縁膜８９で覆われている。言い換えると、第１駆動電極８１と第１質量部３２１との間および第２駆動電極８２と第２質量部３２２との間にそれぞれ絶縁膜８９が配置されている。これにより、絶縁膜８９がない場合と比べて、第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間に生じる静電引力および第２質量部３２２と第２駆動電極８２との間に生じる静電引力をそれぞれ大きくすることができる。そのため、省電力駆動が可能で、より高い応答性が得られるスイッチ１となる。
【００３６】
以上、スイッチ１の構成について説明した。このようなスイッチ１は、前述したように、凹部２１を有する基板２と、凹部２１の底部２１１と対向し、基板２に対して揺動軸Ｊまわりに揺動し、基板２の平面視において、揺動軸Ｊに対して揺動軸Ｊに直交するＸ軸方向の一方側に位置する第１質量部３２１と、他方側に位置する第２質量部３２２と、を有している導電性の可動部３２と、底部２１１に配置され、第１質量部３２１と対向している第１駆動電極８１と、可動部３２と電気的に接続されている第１電極としてのコモン電極８３と、底部２１１に配置され、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動することにより可動部３２と接触または離間する第２電極としての入力電極８４と、を有している。また、基板２の構成材料は、ガラスであり、凹部２１の底部２１１は、エッチング処理面である。このように、底部２１１をエッチング処理面とすることにより、底部２１１と可動部３２とのギャップを精度よく制御することができるため、スイッチ１をより高精度に形成することができる。そのため、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えを精度よく行うことができる。また、可動部３２を揺動軸Ｊまわりに揺動させる構成によれば、従来のような可動部３２を平行移動させてＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替える場合と比べて、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えを精度よくかつ高い応答性で行うことができる。
【００３７】
また、前述したように、スイッチ１は、底部２１１に配置され、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動することにより接触または離間する第３電極としての出力電極８５を有している。また、可動部３２は、入力電極８４および出力電極８５と接触する部分である導電層３６を有している。また、導電層３６は、コモン電極８３と絶縁されている。これにより、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動し、入力電極８４および出力電極８５が導電層３６と接触することにより、入力電極８４に入力された信号が導電層３６を介して出力電極８５から出力される構成とすることができる。そのため、スイッチ１の構成が簡単なものとなる。
【００３８】
また、前述したように、スイッチ１では、第１駆動電極８１と第１質量部３２１との間に発生する静電引力によって第１質量部３２１が第１駆動電極８１に接近するように可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動し、入力電極８４および出力電極８５が導電層３６と接触することにより入力電極８４と出力電極８５とが接触する。このような構成とすることにより、スイッチ１の構成が簡単なものとなる。
【００３９】
また、前述したように、第１質量部３２１は、第２質量部３２２よりも揺動軸Ｊまわりの回転モーメントが大きい。これにより、ＯＮ状態とするときに生じさせる第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間の静電引力をより小さくすることができる。そのため、スイッチ１の省電力駆動を図ることができる。
【００４０】
また、前述したように、スイッチ１は、基板２に固定されている固定部３１と、固定部３１と可動部３２とを接続する梁部３３と、を有し、固定部３１と基板２とは、陽極接合されている。これにより、固定部３１と基板２とをより強固に接合することができる。また、陽極接合によれば、固定部３１と基板２との間に接着剤等の接合部材が介在しないため、可動部３２と凹部２１の底部２１１とのギャップを精度よく管理することができる。
【００４１】
また、前述したように、第１質量部３２１は、貫通孔３２１ａを有し、第２質量部３２２は、貫通孔３２２ａを有している。これにより、可動部３２の質量や粘性抵抗を容易に調整することができる。そのため、所望の揺動特性を有する可動部３２を容易に得ることができる。また、ウェットエッチングで可動部３２を形成する場合、貫通孔３２１ａ、３２２ａを形成することによりエッチング液に基板が晒され易くなり、可動部３２を精度よくかつ短時間で形成することができる。
【００４２】
次に、スイッチ１の製造方法について説明する。スイッチ１の製造方法は、図５に示すように、基板２に凹部２１を形成する凹部形成工程と、凹部２１の底部２１１に第１、第２駆動電極８１、８２、コモン電極８３、入力電極８４、出力電極８５およびストッパー電極８６を形成する電極形成工程と、基板２の上面にデバイス基板３０を形成する基板接合工程と、デバイス基板３０からスイッチ素子３を形成するスイッチ素子形成工程と、基板２に蓋体５を接合する蓋体接合工程と、を含んでいる。
【００４３】
≪凹部形成工程≫
図６に示すように、ガラス材料で構成された基板２を準備し、上面側に開口する凹部２１を形成する。凹部２１の形成は、エッチングにより行われる。凹部２１をエッチングにより形成することにより、凹部２１の形状、特に深さを精度よく制御することができるため、後に形成されるスイッチ素子３と凹部２１の底部２１１とのギャップを精度よく管理することができる。なお、エッチングとしては、例えば、ウェットエッチングを用いてもよいし、ドライエッチングを用いてもよい。
【００４４】
≪電極形成工程≫
図７に示すように、凹部２１の底部２１１に第１、第２駆動電極８１、８２、コモン電極８３、入力電極８４、出力電極８５およびストッパー電極８６を形成する。これら電極の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、底部２１１に電極膜を成膜し、この電極膜をエッチングによりパターニングする方法が挙げられる。次に、第１、第２駆動電極８１、８２上に絶縁膜８９を形成する。
【００４５】
≪基板接合工程≫
図８に示すように、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドープされた導電性のシリコン基板で構成され、スイッチ素子３の母材となるデバイス基板３０を基板２の上面に陽極接合する。次に、必要に応じて、ＣＭＰ（化学機械研磨）によってデバイス基板３０を所定の厚みに薄肉化する。なお、デバイス基板３０には、予め絶縁層３５および導電層３６が形成されている。
【００４６】
≪スイッチ素子形成工程≫
図９に示すように、デバイス基板３０をエッチングによりパターニングすることによりスイッチ素子３を形成する。なお、エッチングとしては、例えば、ウェットエッチングを用いてもよいし、ドライエッチングを用いてもよい。
【００４７】
≪蓋体接合工程≫
図１０に示すように、蓋体５を準備し、ガラスフリット５９を介して、蓋体５を基板２の上面に接合する。以上により、スイッチ１が得られる。
【００４８】
このようなスイッチ１の製造方法は、構成材料がガラスである基板２を準備し、エッチングにより基板２に凹部２１を形成する工程と、凹部２１に、駆動電極としての第１、第２駆動電極８１、８２、第１電極としてのコモン電極８３および第２電極としての入力電極８４と、を形成する工程と、凹部２１と対向するように、基板２に導電性のデバイス基板３０を接合する工程と、デバイス基板３０をエッチングすることにより、基板２に対して揺動軸Ｊまわりに揺動可能であり、コモン電極８３と電気的に接続されている可動部３２を形成する工程と、を含んでいる。また、可動部３２は、基板２の平面視において、揺動軸Ｊに対して揺動軸Ｊに直交するＸ軸方向の一方側に位置する第１質量部３２１と、他方側に位置する第２質量部３２２と、を有している。また、第１駆動電極８１および入力電極８４は、それぞれ、第１質量部３２１と対向して配置されている。このように、凹部２１をエッチングにより形成することで、底部２１１と可動部３２とのギャップを精度よく制御することができるため、スイッチ１をより高精度に製造することができる。そのため、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えを精度よく行うことができるスイッチ１が得られる。また、可動部３２を揺動軸Ｊまわりに揺動させる構成によれば、従来のような可動部３２を平行移動させてＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替える場合と比べて、ＯＮ状態／ＯＦＦ状態の切り替えを精度よくかつ高い応答性で行うことができる。
【００４９】
＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の第２実施形態に係るスイッチを示す断面図である。なお、図１１は、図２中のＡ−Ａ線断面図に対応する。
【００５０】
本実施形態に係るスイッチ１は、主に、スイッチ素子３および電極の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態のスイッチ１と同様である。以下の説明では、第２実施形態のスイッチ１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１１では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
【００５１】
図１１に示すように、凹部２１には、スイッチ素子３を揺動軸Ｊまわりに揺動させてＯＮ状態／ＯＦＦ状態を切り替えるための第１駆動電極８１と、第１電極としてのコモン電極８３と、第２電極としての入力電極８４と、が互いに離間して絶縁された状態で配置されている。また、可動部３２から絶縁層３５および導電層３６が省略されている。
【００５２】
第１駆動電極８１に第１駆動電圧Ｖ１を印加すると、第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間に静電引力が生じる。そして、この静電引力によって、第１質量部３２１が第１駆動電極８１に接近するように、可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動する。これにより、入力電極８４が可動部３２と接触し、可動部３２を介して入力電極８４とコモン電極８３とが電気的に接続されたＯＮ状態となる。そのため、ＯＮ状態では、入力電極８４に入力された信号が可動部３２を介してコモン電極８３から出力される。
【００５３】
反対に、第１駆動電極８１への第１駆動電圧Ｖ１の印加を停止すると、第１質量部３２１と第１駆動電極８１との間の静電引力がなくなり、梁部３３の復元力によって可動部３２が速やかに自然状態に復帰する。これにより、可動部３２と入力電極８４とが離間したＯＦＦ状態となり、入力電極８４に入力された信号のコモン電極８３からの出力が遮断される。
【００５４】
ここで、可動部３２は、第１質量部３２１の下面であって、ＯＮ状態のときに入力電極８４と接触する部分に配置された電極３９を有している。電極３９は、可動部３２とオーミックコンタクトされた金属膜で形成されている。これにより、入力電極８４からコモン電極８３への信号の流れがよりスムーズなものとなる。電極３９の構成材料としては、特に限定されないが、本実施形態では、白金（Ｐｔ）を用いている。なお、電極３９を省略し、第１質量部３２１と入力電極８４とが直接接触する構成としてもよい。
【００５５】
以上のように、本実施形態のスイッチ１は、第１駆動電極８１と第１質量部３２１との間に発生する静電引力によって第１質量部３２１が第１駆動電極８１に接近するように可動部３２が揺動軸Ｊまわりに揺動する。そして、第２電極としての入力電極８４が可動部３２と接触することにより第１電極としてのコモン電極８３と入力電極８４とが接触する。このような構成とすることにより、スイッチ１の構成が簡単なものとなる。
【００５６】
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
【００５７】
＜第３実施形態＞
図１２は、本発明の第３実施形態に係る力覚センサーの回路系を示す図である。
【００５８】
図１２に示す力覚センサー１０００は、物理量に応じた電荷Ｑが発生する物理量検出部１１００と、物理量検出部１１００からの電荷Ｑが入力される増幅回路１２００と、増幅回路１２００の出力から物理量を検出する図示しない外力検出回路と、を有している。
【００５９】
物理量検出部１１００は、測定対象の物理量が加わると、その物理量に対応する電荷Ｑを発生する。このような物理量検出部１１００としては、特に限定されないが、水晶、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電体、ＰＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン)等の圧電性有機フィルムの圧電効果を利用した圧電体センサーであることが好ましい。これにより、圧電体センサーからの高インピーダンスの電荷信号を増幅回路１２００によって低インピーダンスの電圧信号に変換することができる。なお、上記のような圧電体センサーの中でも、特に、水晶を用いた圧電体センサーであることが好ましい。これは、水晶を用いた圧電体センサーが広いダイナミックレンジ、高い剛性、高い固有振動数、高い対荷重性等の優れた特性を有するためである。
【００６０】
増幅回路１２００は、演算増幅器１２１０（オペアンプ）と、キャパシタ１２２０（積分コンデンサ）と、スイッチング素子１２３０と、を有している。演算増幅器１２１０は、反転入力端１２１１、非反転入力端１２１２および出力端１２１３を有しており、反転入力端１２１１と非反転入力端１２１２との間の電位差を増幅し、この増幅電圧を出力端１２１３に出力する。反転入力端１２１１は、物理量検出部１１００と接続され、物理量検出部１１００からの電荷が反転入力端１２１１に流れ込むようになっている。一方、非反転入力端１２１２は、グランドに接続されている。また、反転入力端１２１１と出力端１２１３との間にはキャパシタ１２２０が並列接続されている。
【００６１】
このような増幅回路１２００では、物理量検出部１１００から出力される電荷がキャパシタ１２２０に充電され、キャパシタ１２２０の電圧すなわち電荷のキャパシタ１２２０による商値により求められた電圧が出力端１２１３から出力される。
【００６２】
ここで、通常、演算増幅器１２１０の反転入力端１２１１には漏れ電流があり、この漏れ電流がキャパシタ１２２０に充電される。そのため、力覚センサー１０００を長時間繰り返し作動させることにより、出力端１２１３の電圧が初期値から離れ変動してしまう「ドリフト」現象が生じ、ドリフトが生じたままで測定を開始すると、このドリフトが測定の誤差となってしまい受けた力を精度よく検知することができない。このようなドリフトをリセットするために、反転入力端１２１１と出力端１２１３との間にはキャパシタ１２２０と同様にスイッチング素子１２３０が並列接続されている。このスイッチング素子１２３０により、キャパシタ１２２０に充電されたドリフト分の電荷をゼロにリセットすることができる。
【００６３】
具体的には、スイッチング素子１２３０がオフの場合、物理量検出部１１００から出力された電荷は、キャパシタ１２２０に蓄えられ、物理量検出部１１００が受けた力に応じた大きさの電圧が出力端１２１３から出力される。一方、スイッチング素子１２３０がオンになった場合、キャパシタ１２２０の両端子間が短絡されるため、キャパシタ１２２０に蓄えられた電荷が放電される。これにより、キャパシタ１２２０に充電されたドリフト分の電荷をゼロにリセットすることができる。そして、このようなスイッチング素子１２３０として、例えば、前述した第１、第２実施形態の構成あるいは他の構成のスイッチ１を用いることができる。
【００６４】
以上のように、力覚センサー１０００は、スイッチ１を有している。そのため、前述したスイッチ１の効果を発揮することができ、信頼性の高い力覚センサー１０００となる。
【００６５】
＜第４実施形態＞
図１３は、本発明の第４実施形態に係るロボットの斜視図である。
【００６６】
図１３に示すロボット２０００は、例えば、精密機器等の工業製品を製造する製造工程で用いることのできるロボットである。ロボット２０００は、例えば、床や天井に固定されるベース２１００と、ベース２１００に回動自在に連結されたアーム２２００と、アーム２２００に回動自在に連結されたアーム２３００と、アーム２３００に回動自在に連結されたアーム２４００と、アーム２４００に回動自在に連結されたアーム２５００と、アーム２５００に回動自在に連結されたアーム２６００と、アーム２６００に回動自在に連結されたアーム２７００と、これらアーム２２００〜２７００の駆動を制御する制御装置２８００と、を有している。また、アーム２７００にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット２０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター２９００が装着される。
【００６７】
このようなロボット２０００には、エンドエフェクター２９００に加えられる外力を検出する力覚センサー１０００が設けられている。そして、力覚センサー１０００が検出する力を制御装置２８００にフィードバックすることにより、ロボット２０００は、より精密な作業を実行することができる。さらには、力覚センサー１０００が検出する力によって、ロボット２０００は、エンドエフェクター２９００の障害物への接触等を検知することができる。そのため、従来の位置制御では困難だった障害物回避動作、対象物損傷回避動作等を容易に行うことができ、ロボット２０００は、より安全に作業を実行することができる。
【００６８】
以上のように、ロボット２０００は、力覚センサー１０００を有している。そのため、ロボット２０００は、前述した力覚センサー１０００の効果を享受することができ、優れた信頼性を発揮することができる。
【００６９】
以上、本発明のスイッチ、スイッチの製造方法、力覚センサーおよびロボットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１…スイッチ、２…基板、２１…凹部、２１１…底部、２１１ａ…第１面、２１１ｂ…第２面、２１３、２１４…突起、２２…マウント、２５〜２９…溝、３…スイッチ素子、３０…デバイス基板、３１…固定部、３２…可動部、３２１…第１質量部、３２１ａ…貫通孔、３２２…第２質量部、３２２ａ…貫通孔、３２３…開口、３３…梁部、３５…絶縁層、３６…導電層、３９…電極、５…蓋体、５１…凹部、５９…ガラスフリット、７５〜７９…配線、８１、８１’、８１”…第１駆動電極、８２…第２駆動電極、８３…コモン電極、８４…入力電極、８５…出力電極、８６…ストッパー電極、８９…絶縁膜、１０００…力覚センサー、１１００…物理量検出部、１２００…増幅回路、１２１０…演算増幅器、１２１１…反転入力端、１２１２…非反転入力端、１２１３…出力端、１２２０…キャパシタ、１２３０…スイッチング素子、２０００…ロボット、２１００…ベース、２２００〜２７００…アーム、２８００…制御装置、２９００…エンドエフェクター、Ｊ…揺動軸、Ｑ…電荷、Ｓ…収納空間、Ｖ１…第１駆動電圧、Ｖ２…第２駆動電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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