(57)【要約】【課題】簡易な構成で外力または加速度を感度良く検知することを目的とする。【解決手段】外力検知センサ１は、複数の固定櫛歯部１２ａを有する固定電極１０と、固定櫛歯部１２ａ間に挿入された可動櫛歯部２０ａを複数有する可動電極２０とを有する櫛歯電極２と、可動電極２０を固定電極１０に対する静電力により所定の共振周波数で振動させるために固定電極１０と可動電極２０とに接続される電源３と、可動電極２０を振動させたときの固定電極１０と可動電極２０との間の電気特性の変化に基づいて外力を検知する検知部４と、を備え、隣り合う固定櫛歯部１２ａ及びその間に挿入された可動櫛歯部２０ａについて、一方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔が、他方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔と異なる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固定櫛歯部を有する固定電極と、前記固定櫛歯部間に挿入された可動櫛歯部を複数有する可動電極とを含む櫛歯電極と、
前記可動電極を前記固定電極に対する静電力により所定の共振周波数で振動させるために前記固定電極と前記可動電極とに接続される電源と、
前記可動電極を振動させたときの前記固定電極と前記可動電極との間の電気特性の変化に基づいて外力または加速度を検知する検知手段と、
を備え、
隣り合う前記固定櫛歯部及びその間に挿入された前記可動櫛歯部について、一方の固定櫛歯部と該可動櫛歯部との間隔が、他方の固定櫛歯部と該可動櫛歯部との間隔と異なる、
検知センサ。
【請求項２】
前記電源が、前記可動電極を前記可動櫛歯部の配列方向に振動させる共振周波数の電力を与える、
請求項１に記載の検知センサ。
【請求項３】
前記電源が、前記可動電極を前記可動櫛歯部の延伸方向に振動させる共振周波数の電力を与える、
請求項１に記載の検知センサ。
【請求項４】
前記電源が、前記所定の周波数を、前記可動櫛歯部の配列方向に振動させる第１の共振周波数と前記可動櫛歯部の延伸方向に振動させる第２の共振周波数との間で切り替えることで前記可動電極の振動方向を変更し、
前記可動電極が、前記第１の共振周波数では前記可動櫛歯部の配列方向に振動し、前記第２の共振周波数では前記可動櫛歯部の延伸方向に振動する、
請求項１に記載の検知センサ。
【請求項５】
前記電源が、前記可動電極を前記可動櫛歯部の配列方向に振動させる第１の共振周波数と、前記可動電極を前記可動櫛歯部の延伸方向に振動させる第２の共振周波数とを重畳した信号を発生する、
請求項１に記載の検知センサ。
【請求項６】
前記固定櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向における該固定櫛歯部の長さと、前記可動櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向における該可動櫛歯部の長さとが異なり、
前記電源が、前記可動電極を前記可動櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向に振動させる共振周波数の電力を与える、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の検知センサ。
【請求項７】
前記電源が、前記共振周波数となる信号に直流バイアス信号を重畳して発生する、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の検知センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力または加速度を検知する検知センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
外力または加速度を検知するセンサとして、例えば加速度センサや変位センサが挙げられる。このうち、加速度センサに関しては、可動マスの静的な変位を容量変化あるいは歪み抵抗方式で検知する手法が一般的である。例えば、下記特許文献１には、静電容量の変化により変位を検知する加速度センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２０６４５７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、静電アクチュエータにより静電容量変化を検知する場合には感度を向上させるための工夫が必要であり、歪み抵抗方式は装置の複雑化を招きやすい。【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で外力または加速度を感度良く検知することが可能な検知センサ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】
【０００６】
本発明の検知センサは、複数の固定櫛歯部を有する固定電極と、固定櫛歯部間に挿入された可動櫛歯部を複数有する可動電極とを含む櫛歯電極と、可動電極を固定電極に対する静電力により所定の共振周波数で振動させるために固定電極と可動電極とに接続される電源と、可動電極を振動させたときの固定電極と可動電極との間の電気特性の変化に基づいて外力または加速度を検知する検知手段と、を備え、隣り合う固定櫛歯部及びその間に挿入された可動櫛歯部について、一方の固定櫛歯部と該可動櫛歯部との間隔が、他方の固定櫛歯部と該可動櫛歯部との間隔と異なる。【０００７】
このような検知センサによれば、隣り合う固定櫛歯部とその間に挿入された可動櫛歯部について固定櫛歯部と可動櫛歯部との間隔が左右で異なるので、所定の共振周波数の静電力で可動電極を振動させると、外力が加えられたときに、固定電極と可動電極との間の電気特性が大きく変化する。したがって、この変化を検知することで外力または加速度を感度良く検知できる。また、装置の構成も簡単になる。【０００８】
本発明の検知センサでは、電源が、可動電極を可動櫛歯部の配列方向に振動させる共振周波数の電力を与えることが好ましい。【０００９】
この場合、可動櫛歯部の配列方向に可動電極が振動するので、その配列方向に加えられた外力または加速度を特に感度良く検知できる。【００１０】
本発明の検知センサでは、電源が、可動電極を可動櫛歯部の延伸方向に振動させる共振周波数の電力を与えることが好ましい。【００１１】
この場合、可動櫛歯部の延伸方向に可動電極が振動するので、その延伸方向に加えられた外力または加速度を特に感度良く検知できる。【００１２】
本発明の検知センサでは、電源が、所定の周波数を、可動櫛歯部の配列方向に振動させる第１の共振周波数と可動櫛歯部の延伸方向に振動させる第２の共振周波数との間で切り替えることで可動電極の振動方向を変更し、可動電極が、第１の共振周波数では可動櫛歯部の配列方向に振動し、第２の共振周波数では可動櫛歯部の延伸方向に振動することが好ましい。【００１３】
この場合、可動櫛歯部の配列方向に可動電極が振動した場合にはその配列方向に加えられた外力または加速度を特に感度良く検知でき、可動櫛歯部の延伸方向に可動電極が振動した場合にはその延伸方向に加えられた外力または加速度を特に感度良く検知できる。そして、電源が共振周波数を切り替えることで可動電極の振動方向が変更されるので、検知したい外力または加速度の方向に応じて共振周波数を切り替えるだけで、外力または加速度を高感度に検知できる。【００１４】
本発明の検知センサでは、電源が、可動電極を可動櫛歯部の配列方向に振動させる第１の共振周波数と、可動電極を可動櫛歯部の延伸方向に振動させる第２の共振周波数とを重畳した信号を発生することが好ましい。【００１５】
この場合、可動電極を可動櫛歯部の配列方向に共振周波数で振動させ、可動電極を可動櫛歯部の延伸方向に共振周波数で振動させる。この場合、可動櫛歯部の配列方向と延伸方向とでは外力または加速度によって変化する共振周波数が各々異なるので、周波数切替を行わなくても、各方向の外力または加速度を別個に高感度に検知できる。【００１６】
本発明の検知センサでは、固定櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向における該固定櫛歯部の長さと、可動櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向における該可動櫛歯部の長さとが異なり、電源が、可動電極を可動櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向に振動させる共振周波数の電力を与えることが好ましい。【００１７】
この場合、固定櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向（高さ方向）における該固定櫛歯部の長さと、可動櫛歯部の延伸方向及び配列方向と直交する方向（高さ方向）における該可動櫛歯部の長さとが異なるので、所定の共振周波数で可動電極を振動させたときの、固定電極と可動電極との間の電気特性を取得することで、高さ方向についても外力または加速度を検知できる。【００１８】
本発明の検知センサでは、電源が、共振周波数となる信号に直流バイアス信号を重畳して発生することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
このような検知センサによれば、固定櫛歯部と可動櫛歯部との間隔を左右で異ならせることで、可動電極に共振周波数の静電力を与えた際の固定電極と可動電極との間の電気特性の変化により外力または加速度を検知できる。その結果、簡易な構成で外力または加速度を感度良く検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る外力検知センサの全体構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は可動電極の振動の様子を示す写真である。
【図３】アドミタンスと周波数との関係を示すグラフである。
【図４】共振周波数と直流バイアスとの関係を示すグラフである。
【図５】アドミタンスカーブの解析値と実測値との比較を示すグラフである。
【図６】共振周波数の直流バイアス依存性に関する、解析値と実測値との比較を示すグラフである。
【図７】共振周波数と電圧感度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、本発明に係る検知センサを外力検知センサに適用する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
図１は実施形態に係る外力検知センサの全体構成を模式的に示す斜視図である。図２（ａ）〜（ｃ）は可動電極の振動の様子を示す写真である。図３はアドミタンスと周波数との関係を示すグラフである。図４は共振点と直流バイアスとの関係を示すグラフである。図５はアドミタンスカーブの解析値と実測値との比較を示すグラフである。図６は、共振点の直流バイアス依存性に関する、解析値と実測値との比較を示すグラフである。図７は共振点と電圧感度との関係を示すグラフである。
【００２３】
外力検知センサ１は、櫛歯電極２、電源３及び検知部（検知手段）４を備えている。櫛歯電極２は、固定電極１０及び可動電極２０を有している。
【００２４】
固定電極１０は、下部シリコン層１１と、上部シリコン層１２と、これら上下のシリコン層に挟まれた絶縁層１３とを含んで構成されている。上部シリコン層１２は、凸状に突き出た固定櫛歯部１２ａを複数有している。
【００２５】
可動電極２０はシリコンにより形成されており、弾性支持部２１により支持されている。可動電極２０は凸状に突き出た可動櫛歯部２０ａを複数有している。可動櫛歯部２０ａは、隣り合う固定櫛歯部１２ａの間に挿入されるように配置されている。すなわち、固定電極１０の固定櫛歯部１２ａと可動電極２０の可動櫛歯部２０ａとは、一定の隙間をおいて噛み合うように配置されている。その結果、固定電極１０（上部シリコン層１２）と可動電極２０とは対向している。
【００２６】
隣り合う固定櫛歯部１２ａ及びその間に挿入された可動櫛歯部２０ａについてみると、一方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔（図１におけるＹ１）は、他方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔（図１におけるＹ２）とは異なっている。
【００２７】
電源３は、固定電極１０に対して可動電極２０を振動させるための装置であり、交流電源３１、直流電源３２及び抵抗部３３を含んで構成されている。電源３は、固定電極１０と可動電極２０とに接続されている。直流電源３２によりバイアス電圧が固定電極１０と可動電極２０との間に印加され、交流電源３１により交流電圧が重畳して印加されることで、固定電極１０に対して可動電極２０が振動する。電源３は、所定の共振周波数の静電力で可動電極２０を特定の方向に振動させる。
【００２８】
電源３による可動電極２０の振動の様子を図２に示す。図２（ａ）は可動電極２０がまだ振動していない状態の写真である。図２（ｂ）は、或る特定の共振周波数（第２周波数）が与えられたことで可動櫛歯部２０ａ（可動電極２０）がＸ方向に振動している状態の写真である。図２（ｃ）は、第２周波数とは異なる特定の共振周波数（第１の共振周波数）が与えられたことで可動櫛歯部２０ａ（可動電極２０）がＹ方向に振動している状態の写真である。ここで、Ｘ方向とは、固定櫛歯部１２ａ及び可動櫛歯部２０ａの延伸方向であり、Ｙ方向とは、固定櫛歯部１２ａ及び可動櫛歯部２０ａの配列方向である。このように、電源３は共振周波数を切り替えることで可動電極２０の振動方向を変更する。
【００２９】
電源３は、可動電極２０をＹ方向に振動させる第１の共振周波数と、可動電極２０をＸ方向に振動させる第２の共振周波数とが重畳した信号の静電力で可動電極２０を振動させてもよい。この場合、可動電極２０は対角線方向に振動する。
【００３０】
検知部４は、可動電極２０を所定の共振周波数で振動させたときの固定電極１０と可動電極２０との間の電気特性の変化に基づいて外力を検知する部分である。なお、図１では、検知部４は固定電極１０及び可動電極２０と接続されているが、抵抗部３３の両端に接続されてもよいし、電源３の両端に接続されてもよい。また、電源３と検知部４とを直列に接続してもよい。
【００３１】
ここで、検知部４による外力検知の原理を説明する。Ｘ方向及びＹ方向を上述のように決めた場合には、直流電圧Ｅ及び交流電圧ｅの印加によって振動する外力検知センサ１のラグラジアンは下記式（１）で示される。
【数１】
2009148156.tif 000003
【００３２】
ここで、Ｘ，Ｙは、直流電圧Ｅの印加による、可動櫛歯部２０ａのＸ，Ｙ方向への変位量である。ｘ，ｙは、交流電圧ｅの印加による、可動櫛歯部２０ａのＸ，Ｙ方向への変位量である。ｖｘ，ｖｙは、それぞれＸ方向、Ｙ方向への移動速度である。ｍは可動電極２０の質量である。ｋｘ，ｋｙは、それぞれ可動電極２０を支える弾性支持部２１のＸ方向、Ｙ方向のばね定数である。Ｃ（ｘ，ｙ）は、固定電極１０と可動電極２０との間の静電容量であり、Ｃｐは下部シリコン層１１と上部シリコン層１２との間の浮遊容量である。また、Ｑ０，ｑは、それぞれ直流電圧、交流電圧の印加による電荷量を示す値である。
【００３３】
固定櫛歯部１２ａ及び可動櫛歯部２０ａの本数（櫛歯の本数）をｎ、各櫛歯部の高さ（図１における上下方向の長さ）をｂとすると、静電容量Ｃ（ｘ，ｙ）は下記式（２）で示される。なお、ε０は真空の誘電率である。また、Ｘ０はＸ方向に沿った固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの初期間隔（振動がないときの間隔）である。更に、Ｙ１は、隣り合う固定櫛歯部１２ａ及びその間に挿入された可動櫛歯部２０ａにおける一方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの初期間隔であり、Ｙ２は他方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの初期間隔である。
【数２】
2009148156.tif 000004
【００３４】
また、系のエネルギー散逸関数Ｆは、電流ｉ及び速度ｖｘ，ｖｙの関数として次式（３）で与えられる。なお、ｒｆ，Ｒは、それぞれ機械抵抗、電気抵抗である。
【数３】
2009148156.tif 000005
【００３５】
機械座標系（Ｘ方向及びＹ方向）、及び電気座標系についてのラグランジュ運動方程式は、上記式（１）、（２）を用いて次のように表される。ここで、ｆｘ，ｆｙは、それぞれ外力のＸ成分、Ｙ成分である。
【数４】
2009148156.tif 000006
【数５】
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【数６】
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【００３６】
上記ラグランジュ運動方程式（４）〜（６）を計算すると、外力検知センサ１の動作を表す下記運動方程式（７）〜（９）が得られる。なお、式（９）におけるＥ０は直流バイアスである。
【数７】
2009148156.tif 000009
【数８】
2009148156.tif 000010
【数９】
2009148156.tif 000011
【００３７】
ここで、変位ｘ，ｙ及び交流電圧ｅが充分小さいと仮定して角周波数ωでの定常状態を考えると、上記式（７）〜（９）をテイラー展開してその１次項をとることにより、次の連立式（１０）が得られる。
【数１０】
2009148156.tif 000012
【００３８】
ここで、Ｃ０はｅ＝０での静電容量であり、次式（１１）で与えられる。
【数１１】
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【００３９】
また、Ｄ，Ｂ，Ｇ，Ｃｙ”はそれぞれ下記式（１２）〜（１５）で与えられる。Ｄ，ＢはそれぞれＸ方向、Ｙ方向の電気機械結合係数であり、ＧはＸ方向−Ｙ方向の機械振動の相互作用係数である。
【数１２】
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【数１３】
2009148156.tif 000015
【数１４】
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【数１５】
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【００４０】
式（１１）〜（１５）中のＸ，Ｙは、上述したように、直流電圧Ｅの印加による、可動櫛歯部２０ａのＸ，Ｙ方向への変位量であるが、これは、式（７）〜（９）のテイラー展開の０次項として得られる下記連立方程式（１６）、（１７）から導くことができる。
【数１６】
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【数１７】
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【００４１】
上記式（１０）においてｆｘ＝ｆｙ＝０とした場合（外力を０とした場合）の、電気系からみたアドミタンスカーブＬａを図３に示す。図３のグラフの縦軸、横軸は、それぞれアドミタンス（Ｓ）、周波数（Ｈｚ）である。図３のアドミタンスカーブＬａは、各パラメータを以下のように設定したときの解析結果である。
【００４２】
可動電極２０の質量ｍ＝１．９×１０−６（Ｋｇ）
Ｘ方向ばね定数ｋｘ＝１１１（Ｎ／ｍ）
Ｙ方向ばね定数ｋｙ＝５１（Ｎ／ｍ）
櫛歯の本数ｎ＝１０７０（本）
Ｘ方向における固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの重なりＸ１＝１０（ｕｍ）
隣り合う固定櫛歯部１２ａ及びその間に挿入された可動櫛歯部２０ａに関する、Ｙ方向における一方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔Ｙ１＝２．５（ｕｍ）
隣り合う固定櫛歯部１２ａ及びその間に挿入された可動櫛歯部２０ａに関する、Ｙ方向における他方の固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔Ｙ２＝３．０（ｕｍ）
Ｘ方向の機械抵抗ｒｘ＝４．０×１０−５（Ｎｓ／ｍ）
Ｙ方向の機械抵抗ｒｙ＝１．０×１０−６（Ｎｓ／ｍ）
浮遊容量Ｃｐ＝４．６５（ｐＦ）
直流バイアスＥ０＝３Ｖ
【００４３】
図３に示すように、櫛歯電極２は二つの共振点（共振周波数）Ｒ１及びＲ２を持っている。ここで、Ｒ１は可動電極２０がＹ方向に振動する共振点（第１の共振周波数、以下では「Ｙ方向の共振点」ともいう）であり、Ｒ２は可動電極２０がＸ方向に振動する共振点（第２の共振周波数、以下では「Ｘ方向の共振点」ともいう）である。上記式（１０）〜（１４）においてＹ１＝Ｙ２且つＹ＝０とすると、Ｂ及びＧが０となり、Ｘ，Ｙ両方向の機械結合及びＹ方向の電気機械結合は生じないことになる。このことから、Ｙ方向の共振の発生は、Ｙ１とＹ２とが異なることにより励起するといえる。
【００４４】
したがって、所定の共振周波数で可動電極２０を可動櫛歯部２０ａの延伸方向（Ｘ方向）又は可動櫛歯部２０ａの配列方向（Ｙ方向）に振動させ、アドミタンスの変化を計測することで外力を検知できる。このために、検知部４は、アドミタンスを検知して位相の変化を測定するインピーダンスアナライザと、上記理論を適用した演算プログラムが組み込まれた演算装置を備えている。検知部４は、検知されたアドミタンスを演算装置に入力することで、外力の方向を算出し、算出結果を表示装置や他の演算装置（共に図示せず）に出力する。
【００４５】
ところで、図３に示したＹ方向の共振点は直流バイアスＥ０に依存する。この依存関係を図４に示す。図４のグラフの左縦軸、右縦軸及び横軸は、それぞれＸ方向の共振周波数（Ｈｚ）、Ｙ方向の共振周波数（Ｈｚ）、直流バイアス（Ｖ）である。また、グラフ内の破線ＬｘはＸ方向の共振点の推移を示し、実線ＬｙはＹ方向の共振点の推移を示している。Ｙ方向の共振点は直流バイアスＥ０の減少と共に増大する傾向にあり、Ｅ０＝０、すなわちＹ方向のばね−質量系で決まる自由共振周波数に漸近している。一方、Ｘ方向の共振点には顕著な直流バイアス依存性は認められない。
【００４６】
Ｙ方向の直流バイアス依存性は、平行平板アクチュエータの特性に類似している。平行平板アクチュエータでは、二つの平行平板が引き合う力は平板間の間隔が小さくなると増大するため、電気系からみたイミタンスの共振周波数は直流バイアスを大きくすると小さくなることが知られている。櫛歯電極２のＹ方向の共振点も、これと同様の原理により、直流バイアスの増加と共に減少していくと考えられる。一方、Ｘ方向の共振点が直流バイアスにより変化しないのは、Ｘ方向の変位に対して固定電極１０及び可動電極２０の引き合う力が変化しないためである。
【００４７】
このように、Ｘ方向の共振周波数は直流バイアスにほとんど依存しないが、Ｙ方向の共振周波数は直流バイアスに依存する。したがって、直流バイアスを変化させることにより、Ｘ方向とＹ方向とで共振周波数を一致させたり、Ｘ及びＹ方向の共振周波数について一方を他方の定数倍にしたりすることができる。Ｘ及びＹ方向の共振周波数を同一または定数倍の関係にすれば、振動の軌道は楕円もしくはリサージュ図形状の定軌道となる。従来の一次元の往復運動を利用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサは、往復運動であるが故に可動電極の速度がゼロになる点があり外力の検知に不正確さを生じることがあった。これに対しこの実施形態を採用すれば、可動電極２０は常に運動しているので速度がゼロになる点が無く、よって効果的に外力を検知できる。この実施形態は、特にＭＥＭＳセンサをジャイロセンサとして用いたときに効果的である。
【００４８】
図５，６は、図３，４で示す解析結果に、解析と同様の条件で行った実験結果を重ね合わせたグラフである。図５に関して、実線Ｌａは図３と同じアドミタンスカーブであり、白抜き四角印Ｐａはアドミタンスの実測値である。また、図６に関して、破線Ｌｘ及び実線Ｌｙは図４と同じ共振点推移を示し、黒塗り四角印ＰｘはＸ方向の共振点の実測値であり、白抜き四角印ＰｙはＹ方向の共振点の実測値である。図５，６に示すように、アドミタンスカーブ、及びＸ，Ｙ方向の共振点の直流バイアス依存性に関する実験結果は、解析結果と非常に良く一致している。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、隣り合う固定櫛歯部１２ａとその間に挿入された可動櫛歯部２０ａについて固定櫛歯部１２ａと可動櫛歯部２０ａとの間隔が左右で異なるので、所定の共振周波数で可動電極２０を振動させると、外力が加えられたときに固定電極１０と可動電極２０との間の電気特性（アドミタンス）が大きく変化する。したがって、この変化を検知することで外力を感度良く検知できる。また、外力検知センサ１の構成も簡単になる。
【００５０】
また、外力検知センサ１は、可動櫛歯部２０ａの配列方向（Ｙ方向）に可動電極２０が振動した場合にはその配列方向に加えられた外力を特に感度良く検知でき、可動櫛歯部２０ａの延伸方向（Ｘ方向）に可動電極２０が振動した場合にはその延伸方向に加えられた外力を特に感度良く検知できる。
【００５１】
このことを図７のグラフで示す。このグラフの縦軸及び横軸はそれぞれ電圧感度（Ｖ／Ｎ）、周波数（Ｈｚ）である。グラフ中の菱形印Ｍｘは可動櫛歯部２０ａの延伸方向（Ｘ方向）に外力が加えられた場合の電圧感度（インピーダンスアナライザの出力電圧値）を示し、正方形印Ｍｙは可動櫛歯部２０ａの配列方向（Ｙ方向）に外力が加えられた場合の電圧感度を示す。破線Ａｘで囲んだエリアは、可動電極２０がＸ方向に振動する共振点（Ｘ方向の共振点）付近を示し、破線Ａｙで囲んだエリアは、可動電極２０がＹ方向に振動する共振点（Ｙ方向の共振点）付近を示している。なお、直流バイアスＥ０は５Ｖである。
【００５２】
図７から明らかなように、外力検知センサ１は、Ｘ方向及びＹ方向の共振点において、Ｘ方向及びＹ方向の外力を感度良く検知することができる。特に、外力検知センサ１は、Ｙ方向の共振点付近ＡｙではＹ方向に加えられた外力を非常に感度良く検知でき、Ｘ方向の共振点付近ＡｘにおいてＸ方向に加えられた外力を非常に感度良く検知できる。したがって、電源３の共振周波数の切替により、検知したい外力の方向を高感度に検知できる。また、可動電極２０をＹ方向に振動させる第１の共振周波数と、可動電極２０をＸ方向に振動させる第２の共振周波数とを重畳した静電力で可動電極２０を振動させた場合には、電源３による周波数切替をすることなく、Ｘ方向又はＹ方向に加えられた外力を高感度に検知できる。
【００５３】
Ｘ方向とＹ方向とで共振周波数を少しだけずらしてＸ方向の共振運動を発生させた場合には、Ｙ方向の変位があると急激にＹ方向の振幅が大きくなる。これを利用すれば、Ｙ方向の検知感度が高いセンサを実現できる。
【００５４】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００５５】
上記実施形態では、外力検知センサ１は、Ｘ方向及びＹ方向（二次元空間）における外力を検知したが、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向（三次元空間）における外力を検知してもよい。ここで、Ｚ方向とは、固定櫛歯部（又は可動櫛歯部）の延伸方向及び配列方向と直交する方向である。この場合には、隣り合う固定櫛歯部及びその間に挿入された可動櫛歯部について、一方の固定櫛歯部と可動櫛歯部との間隔と、他方の固定櫛歯部と可動櫛歯部との間隔とを異ならせると共に、Ｚ方向において固定櫛歯部と可動櫛歯部とで長さを異ならせる。そして、Ｘ方向及びＹ方向の共振点と異なる共振周波数（第３の共振周波数）で可動電極をＺ方向に振動させることで、Ｘ，Ｙ方向の外力を感度良く検知すると共に、Ｚ方向の外力を特に感度良く検知することが可能になる。
【００５６】
上記実施形態では本発明に係る検知センサを外力検知センサに適用したが、加速度を検知するセンサに本発明を適用してもよい。
【００５７】
本発明に係る検知センサの可動電極にプローブを付けて、プローブからの外力を検知する接触センサを実現することも可能である。このような接触センサは、例えば原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）のプローブとして用いることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…外力検知センサ、２…櫛歯電極、３…電源、４…検知部（検知手段）、１０…固定電極、１２ａ…固定櫛歯部、２０…可動電極、２０ａ…可動櫛歯部。
【図１】
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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２】
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【国際調査報告】
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