(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に浮いており基板垂直方向に変位可能な可動電極と、その可動電極に対向する位置関係で基板に固定された固定電極の組を少なくとも２組備え、
可動電極と固定電極の基板対向面が基板にほぼ平行な平坦状で、かつ、可動電極と固定電極の基板対向面の基板垂直方向の位置が可動電極の変位前においてはほぼ等しく、
可動電極の固定電極に対向する検出面と固定電極の可動電極に対向する検出面が、ほぼ基板垂直方向に伸び、
一方の組においては、固定電極の検出面の全体がほぼ平坦であり、可動電極の検出面は、基板と離反する側に位置するとともに固定電極の検出面との距離が長い第１平面部と、基板側に位置するとともに固定電極の検出面との距離が短い第２平面部で構成されており、
他方の組においては、可動電極の検出面の全体がほぼ平坦であり、固定電極の検出面は、基板と離反する側に位置するとともに可動電極の検出面との距離が長い第１平面部と、基板側に位置するとともに可動電極の検出面との距離が短い第２平面部で構成されていることを特徴する可動電極を有する装置。
【請求項２】
一方の組における可動電極の固定電極間の静電容量と、他方の組における可動電極の固定電極間の静電容量の差を算出する装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の可動電極を有する装置。
【請求項３】
可動電極と固定電極の検出面が、矩形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の可動電極を有する装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の可動電極を有する装置において、第１の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの可動電極と固定電極の対向面積と距離の比の総和（面積距離比の和）の減少率を第１減少率とし、他方の向きに変位させたときの前記減少率を第２減少率とし、第２の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの前記減少率を第３減少率とし、他方の向きに変位させたときの前記減少率を第４減少率としたときに、
第１減少率を第２減少率より大きく、第３減少率を第４減少率より小さく、第１減少率を第３減少率より大きく、第２減少率を第４減少率より小さくしたことを特徴とする装置。
【請求項５】
前記基板が、シリコン活性層と絶縁層とシリコン基板からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板のシリコン基板で形成されており、可動電極の固定電極が、そのＳＯＩ基板のシリコン活性層で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可動電極を有する装置。
【請求項６】
可動電極が絶縁層を介してシリコン基板に支持され、固定電極が絶縁層を介してシリコン基板に固定されていることを特徴とする請求項５の可動電極を有する装置。
【請求項７】
４本の辺部を有するマス部を備え、その４本の辺部は十字状に配置されており、
各辺部からは、基板に平行でかつ各辺部に垂直な向きに可動電極群が伸びており、
前記マス部と可動電極群は、前記十字状の中心を通って基板に垂直に伸びる軸の周りに９０度回転させたときに、回転前の形状に復帰する形状であり、
各可動電極と対向する位置に、固定電極が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可動電極を有する装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置と、この装置の可動電極に接続されているとともに、基板に平行な軸周りに回転可能な状態で基板上に浮いているミラー部を備えた可動ミラー装置。
【請求項９】
基板垂直方向にも基板平行方向にも変位可能な状態で基板上に浮いているマス部を備えている請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置と、この装置の各組の可動電極と固定電極の間に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、マス部の基板平行方向の振動検出用の電極を備えた振動型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置の製造方法であって、犠牲層と電極層が順に積層された積層基板の電極層を基板垂直方向の少なくとも２段階のエッチングによりパターニングして固定電極と可動電極を形成する工程と、可動電極と基板間の犠牲層をエッチングして除去する工程を有することを特徴とする可動電極を有する装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０の前記積層基板は、ＳＯＩ基板であることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動電極を有する装置に関する。このような装置としては、例えばセンサやアクチュエータが挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
基板垂直方向に作用する物理量を検知できるセンサの研究開発が進められている。基板垂直方向とは、基板面に垂直な方向を意味する。また、物理量としては、典型的には加速度、コリオリ力等の力学量が挙げられる。基板平行方向に作用する物理量に加えて、基板垂直方向に作用する物理量を検知したいという要請や、安定性等の観点から、物理量の作用する方向に対して垂直に基板を配置したいという要請等があるためである。
このようなセンサでは、基板垂直方向に作用する物理量の大きさだけでなく、その物理量が基板垂直方向のいずれの向きに作用しているかも検知したいという要請がある。なお、本明細書では、「方向」のうち一方又は他方を「向き」というものとする。例えば、基板垂直方向の一方の向き、他方の向きという使い方をする。
【０００３】
（第１の従来技術）  基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用しているかを検知するための構造として、基板垂直方向に変位可能な平板状のマス部の上面に可動電極を形成し、そのマス部の上方に固定電極を配置する構造がある。マスが固定電極側（基板垂直方向の一方の向き）に変位すると、可動電極と固定電極間の距離が小さくなるので、静電容量が増加する。マスが固定電極と反対側（基板垂直方向の他方の向き）に変位すると、可動電極と固定電極間の距離が大きくなるので、静電容量が減少する。このため、静電容量の変化幅が同じであっても、静電容量が増加しているか、減少しているかによって基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用しているかを検知できる。
【０００４】
しかしながら、この構造は、可動電極と固定電極が基板垂直方向に並べられた構造になっている。この構造を実現するためには、可動電極となる層と、犠牲層と、固定電極となる層の積層構造をまず形成した上に、複雑なエッチング工程が必要になるという問題がある。
【０００５】
（第２の従来技術）  このように固定電極と可動電極を別々の層で形成するのではなく、１つの層で形成しながらも、基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用しているかを検知しようとするセンサが、特許文献１に記載されている。図２４にこの公報に記載のセンサ１の断面図を示す。
図２４のセンサ１は、可動電極５と、固定電極６等を備えている。可動電極５は、基板２に支持された状態で基板垂直方向（ｚ軸方向）に変位可能である。固定電極６は、基板２に固定されている。このセンサ１は、可動電極５と固定電極６の間の静電容量の変化量から作用した物理量を検知するセンサである。
【０００６】
図２５に示すように、可動電極５が基板垂直方向の一方の向き（ｚ軸の正の向き）に変位すると、図２４の場合よりも可動電極５と固定電極６の対向面積が大きくなりＳ１となる。よって、静電容量は増加する。一方、図２６に示すように、可動電極５が基板垂直方向の他方の向き（ｚ軸の負の向き）に変位すると、図２４の場合よりも可動電極５と固定電極６の対向面積が小さくなりＳ２となる。よって、静電容量は減少する。このため、静電容量の変化量が同じであっても、その静電容量が増加しているか、減少しているかによって基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用しているかを検知できる。
【０００７】
（第３の従来技術）  また、固定電極又は可動電極の検出面を基板垂直方向に対して傾斜させることで、可動電極が基板垂直方向の一方の向きに変位したときは静電容量を増加させ、他方の向きに変位したときは静電容量を減少させるセンサも非特許文献１に示されている。
【０００８】
（第４の従来技術）  また、可動電極を含む可動部を、基板に垂直な向きに変位させることができるアクチュエータを実現したいという要請がある。このような要請に応えるアクチュエータが、特許文献２に記載されている。
【０００９】
特許文献２の静電アクチュエータは、基板から板状の固定電極群が間隔を置いて基板に垂直な向きに伸びている。これらの固定電極群に挟まれた位置に、基板から浮いた可動電極が配置されている。可動電極はマス部に接続されている。この静電アクチュエータは、固定電極と可動電極の間に所定の電圧を印加することで、可動電極とマス部（可動部）を基板に垂直な向きに変位させるものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−４９３５８号公報（その公報の図１参照）
【特許文献２】
特開平５−７６１８６号公報（その公報の図１と図２参照）
【非特許文献１】
Ｊ.H.ダニエル，D.F.ムーア（J.H.Daniel, D.F.Moore），センサとアクチュエータ（Sensors and Actuators），１９９９年，Ａ７３，ｐ．２０１−２０９
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第２の従来技術の図２４のセンサ１は、犠牲層が形成されていた部位８が階段状となっている。このように犠牲層を階段状にするには、面倒な製造プロセスが必要となる。
また、第３の従来技術のセンサのように、固定電極又は可動電極の検出面を基板垂直方向に対して傾斜させた構造にするには、高度な製造プロセスが要求される。
また、第４の従来技術のアクチュエータのように、基板から基板垂直方向に伸びる板状の固定電極群と、これらに挟まれた位置に基板から浮いた可動電極を形成するには、高度な製造プロセスが要求される。
【００１２】
本発明は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できながらも、有用性の高い可動電極を有する装置を実現することを１つの課題とする。
本発明は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できながらも、基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用したかを検知できるセンサを実現することを他の課題とする。
本発明は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できながらも、可動部を基板に垂直な向きに変位させることができるアクチュエータを実現することを他の課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段および効果】
本発明の可動電極を有する装置は、可動電極と固定電極の組を少なくとも２組備えている。
可動電極は、基板上に浮いており、基板垂直方向に変位可能である。固定電極は、可動電極に対向する位置関係で基板に固定されている。可動電極と固定電極の基板対向面は、基板にほぼ平行な平坦状である。また、可動電極と固定電極の基板対向面の基板垂直方向の位置は、可動電極の変位前にはほぼ等しい。さらに、可動電極の固定電極に対向する検出面と、固定電極の可動電極に対向する検出面は、ほぼ基板垂直方向にほぼ平坦に伸びている。
可動電極と固定電極の組合せで構成される一方の組においては、固定電極の検出面の全体をほぼ平坦とし、可動電極の検出面には、基板と離反する側に位置するとともに固定電極の検出面との距離が長い第１平面部と、基板側に位置するとともに固定電極の検出面との距離が短い第２平面部を形成する。他方の組においては、可動電極の検出面の全体をほぼ平坦とし、固定電極の検出面には、基板と離反する側に位置するとともに可動電極の検出面との距離が長い第１平面部と、基板側に位置するとともに可動電極の検出面との距離が短い第２平面部を形成する。
【００１４】
上記の装置は、簡単な製造プロセスで製造でき、基板垂直方向に作用した物理量の大きさのみならず、作用した物理量の向きをも検出することができる。
最初に可動電極を基板に接近させる向きの物理量が作用した場合を説明する。この場合、一方の組（以下では第１組とする）では可動電極と固定電極が対向する面積が減少し、静電容量が減少する。他方の組（以下では第２組とする）では、可動電極の方が固定電極よりも基板垂直方に長いので、可動電極と固定電極が対向する面積が減少せず、静電容量は減少しない。
次に、可動電極を基板に接近させる向きの物理量が作用した場合を説明する。この場合、第１組では固定電極の方が可動電極よりも基板垂直方に長いので、可動電極と固定電極が対向する面積が減少せず、静電容量が減少しない。第２組では、可動電極と固定電極が対向する面積が減少し、静電容量は減少する。
すなわち下記の関係が得られる。可動電極が上昇すると、第１組の静電容量が減少し、第２組の静電容量は減少しない。第１組の静電容量の減少量から可動電極の上昇量を検出することができる。可動電極が下降すると、第１組の静電容量は減少しないが、第２組の静電容量が減少する。第２組の静電容量の減少量から可動電極の下降量を検出することができる。後記するように、第１組の静電容量と第２組の静電容量の差を利用すると、可動電極の上昇量と下降量を検出することができる。この装置によると、基板垂直方向に作用した物理量の大きさのみならず、作用した物理量の向きをも検出することができる。
さらに本装置によると、固定電極よりも基板垂直方向の距離が短い可動電極と、固定電極よりも基板垂直方向の距離が長い可動電極を、一つの部材の両側面に形成することができる。可動電極によって変位量が異なる現象が生じても、検出結果に影響しないようにすることができる。
【００１５】
上記の装置は、可動電極を移動させるアクチュエータとして利用することもできる。基板垂直方向に伸びる距離が相違する対向面（センサに利用する場合は検出面）を有する可動電極と固定電極の間に電圧を印加すると、短い電極が長い電極の中央に向けて変位する。この結果、第１組の可動電極と固定電極の間に電圧を印加すると、可動電極に基板から遠ざける力が作用する。第２組の可動電極と固定電極の間に電圧を印加すると、可動電極に基板に近づける力が作用する。可動電極を基板に近づけたり遠ざけたりすることができるアクチュエータを実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の他の態様や本発明の好ましい態様を記載する。
一方の組における可動電極の固定電極間の静電容量と、他方の組における可動電極の固定電極間の静電容量の差を算出する装置を備えていることが好ましい。
【００２４】
両電極の検出面側方の側面はほぼ基板垂直方向に伸びていることが好ましい。
両電極の検出面は矩形状であることが好ましい。
これらの態様によると、製造プロセスをより簡単化できる。
【００２６】
第１の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの可動電極と固定電極の対向面積と距離の比の総和（面積距離比の和）の減少率を第１減少率とし、他方の向きに変位させたときのその減少率を第２減少率とし、第２の組で可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させたときの減少率を第３減少率とし、他方の向きに変位させたときのその減少率を第４減少率とした場合に、第１減少率を第２減少率より大きく、第３減少率を第４減少率より小さく、第１減少率を第３減少率より大きく、第２減少率を第４減少率より小さくすることが好ましい。
さらに、第１減少率と第４減少率をほぼ等しくすることが好ましい。また、第２減少率と第３減少率をほぼ等しくすることが好ましい。
【００２８】
この態様では、第１の組の両電極間の静電容量と第２の組の両電極間の静電容量の差をとった場合、可動電極が一方の向きに変位したときには静電容量の差が減少し、他方の向きに変位したときには静電容量の差が増加する。このため、基板垂直方向のいずれの向きに物理量が作用したかを検知するセンサを具現化できる。また、静電容量の差をとることで、作用した物理量の検知精度を向上させることができる。なお、静電容量の差をとることで、端部効果によって重畳された静電容量はほぼ相殺されることになる。
【００２９】
また、これらの態様によって、アクチュエータを具現化することもできる。第１の組の両電極間に所定の電圧を印加することで、可動電極を基板垂直方向の一方の向きに変位させることができ、第２の組の両電極間に所定の電圧を印加することで、可動電極を基板垂直方向の他方の向きに変位させることができる。即ち、これらの態様をアクチュエータに具現化すると、可動電極を基板垂直方向のいずれの向きにも変位させることができる。
【００３０】
シリコン活性層と絶縁層とシリコン基板からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用して装置を形成することが好ましい。この場合、可動電極と固定電極をシリコン活性層で形成する。可動電極は、絶縁層を介してシリコン基板に支持され、固定電極は、絶縁層を介してシリコン基板に固定されている。
先に述べた各態様は、ＳＯＩ基板を用いて形成するのに適した構造である。ＳＯＩ基板を用いることで、簡単な製造プロセスで効率的に、しかも、各種特性の良好な装置を実現できる。
【００３１】
４本の辺部を有するマス部を備え、その４本の辺部は十字状に配置されていることが好ましい。この場合、各辺部から、基板に平行でかつ各辺部に垂直な向きに可動電極群が伸びており、マス部と可動電極群は、前記した十字状の中心を通って基板に垂直に伸びる軸の周りに９０度回転させたときに回転前の形状に復帰する形状であることが好ましい。この場合、各可動電極と対向する位置に固定電極を配置する。
【００３２】
本態様によると、隣合う辺部によって区画される４箇所の四角形状の領域に可動電極群と固定電極群を配置できる。このため、コンパクトでありながら、非常に高感度なセンサや駆動力の大きいアクチュエータを実現できる。しかも、本態様によると、マス部（各辺部）と可動電極群が基準軸を中心とする概ね点対称的な構造に配置される。このため、マス部と可動電極を安定的に変位させることができる。
【００３４】
本発明によって可動ミラー装置を実現することができる。その可動ミラーは、本発明の可動電極を有する装置と、この装置の可動電極に接続されているとともに、基板に平行な軸周りに回転可能な状態で基板上に浮いているミラー部を備えている。
本発明のさらに他の態様の可動ミラー装置は、本発明の可動電極を有する装置と、基板に固定された固定部と、一端が固定部に接続され、基板上に浮いたビームと、ビームの他端に接続され、基板上に浮いているとともに、前記装置の可動電極に接続されたミラー部を備えている。
【００３５】
これらの態様によると、固定電極と可動電極の間に電圧を印加して、可動電極を基板に垂直な向きに変位させることで、ミラー部を基板に平行な軸周りに回転させることができる。
【００３６】
本発明によって振動型ジャイロスコープを実現することができる。この場合、本発明の装置であって、基板垂直方向にも基板平行方向にも変位可能な状態で基板上に浮いているマス部を備えている装置を用いる。この装置の各組の可動電極と固定電極の間に印加する電圧を制御する電圧制御手段と、マス部の基板平行方向の振動検出用の電極を設けると、振動型ジャイロスコープが実現できる。
上記の振動型ジャイロスコープでは、各組の固定電極と可動電極の間に印加する電圧を電圧制御手段で制御することで、マス部を基板垂直方向に励振させることができる。この状態で、基板に平行な軸の周りに回転角速度が加わると、マス部は基板平行方向に振動する。このマス部の振動を振動検出用の電極で検出することで、加わった回転角速度を検出できる。
【００３７】
本発明の可動電極を有する装置は、下記の製造方法で製造することができる。すなわち、犠牲層と電極層が順に積層された積層基板の電極層を基板垂直方向の少なくとも２段階のエッチングによりパターニングして固定電極と可動電極を形成する工程と、可動電極と基板間の犠牲層をエッチングして除去する工程を有する製造方法で製造することができる。本製造方法によると、製造プロセスを簡単化できる。前記積層基板は、ＳＯＩ基板であることが好ましい。本態様によると、より簡単な製造プロセスで効率的に、しかも、各種特性の良好な装置を製造できる。
【００３８】
【実施例】
（第１実施例の全体構成）  図１に、第１実施例の半導体物理量センサ１０１の平面図を示す。この半導体物理量センサ１０１は、可動電極ユニット１４２と、第１固定電極ユニット１２２と、第２固定電極ユニット１３４を備えている。可動電極ユニット１４２は、基板１２０に垂直な方向に変位可能な可動電極１４８を有する。可動電極１４８は、１４８ａ、１４８ｂによって構成されている。固定電極ユニット１２２、１３４は、基板１２０に固定されている。基板１２０はＳＯＩ基板のうちのシリコン基板で形成されている。可動電極ユニット１４２と固定電極ユニット１２２、１３４は、一部を除いてＳＯＩ基板のうちのシリコン活性層（単結晶シリコン）で形成されている。
【００３９】
なお、以下では、基板（基板面）１２０に垂直な方向（基板垂直方向）をｚ軸方向とする。基板１２０に平行な方向のうち１つの方向をｘ軸方向とする。基板１２０に平行な方向であって、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とする。各軸方向のうち、図１の矢印の向きを正の向きとする。
【００４０】
可動電極ユニット１４２は、固定部１４５と、マス部１４６と、バネ部１４７と、電極端子１４４と、可動電極１４８を備えている。固定部１４５は、符号１４５ａと１４５ｂに示す部位で構成されている。バネ部１４７は、符号１４７ａ、１４７ｂに示す部位で構成されている。可動電極１４８は、符号１４８ａ、１４８ｂに示す部位で構成されている。
固定部１４５とマス部１４６は、ｚ軸方向からみると長手方向がｙ軸方向に伸びる長方形状である。また、ｚ軸方向に所定の厚みを持った薄板状に形成されている。固定部１４５ａ、１４５ｂとマス部１４６の間にはそれぞれ、ｘ軸方向に伸びる中空の長方形状のバネ部１４７ａ、１４７ｂが設けられている。バネ部１４７ａ、１４７ｂのｚ軸方向の長さ（厚さ）を、ｙ軸方向の長さ（幅）よりも小さくすることが望ましい。これによると、マス部１４６をｚ軸方向に変位し易くすることができる。一方の固定部１４５ａの端部には、アルミニウム等を蒸着して形成した電極端子１４４が設けられている。
【００４１】
ｙ軸方向に伸びるマス部１４６の一方の側面（右側面）からは、４本の可動電極１４８がｘ軸の正の向きに伸びている。ｙ軸方向に伸びるマス部１４６の他方の側面（左側面）からも、４本の可動電極１４８がｘ軸の負の向きに伸びている。これらの可動電極１４８は、ｙ軸方向に等間隔に配置されている。可動電極１４８ａと１４８ｂは一体である。ｙ軸方向に伸びるマス部１４６に対して、可動電極１４８がほぼ線対称に配置されている。よって、マス部１４６及び可動電極１４８を安定的に変位させることができる。
固定部１４５ａ、１４５ｂは、図示しない絶縁層（シリコン酸化層）を介して基板１２０に固定されている。マス部１４６とバネ部１４７と可動電極１４８は、固定部１４５ａ、１４５ｂに支持された状態で、基板１２０上に浮いている。
【００４２】
固定電極ユニット１２２、１３４はそれぞれ、図示左側と右側に１つずつ配置されている。図示左側では、第１固定電極ユニット１２２が外側に、第２固定電極ユニット１３４が内側に配置されている。図示左側では反対に、第１固定電極ユニット１２２が内側に、第２固定電極ユニット１３４が外側に配置されている。第１固定電極ユニット１２２は、固定部１２６と、電極端子１２４と、４本の固定電極１３２を備えている。固定電極１３２は、符号１３２ａ、１３２ｂに示す部位で構成されている。第２固定電極ユニット１３４は、固定部１３８と、電極端子１３６と、４本の固定電極１４０を備えている。
固定電極ユニット１２２、１３４は、固定電極１３２、１３６の一部の領域を除いて、図示しない絶縁層（シリコン酸化層）を介して基板１２０に固定されている。
【００４３】
固定電極ユニット１２２、１３４は共に櫛歯状に形成されている。具体的には、左側の固定電極ユニット１２２、１３４ではそれぞれ、ｙ軸方向に伸びる固定部１２６、１３８から、ｘ軸の正の向きに４本の固定電極１３２、１４０が伸びている。これらの固定電極群１３２、１４０は、ｙ軸方向に等間隔に配置されている。但し、左側の第１固定電極ユニット１２２の下側の３本の固定電極１３２は、ｙ軸方向に伸びる外側の固定部１２６から連続して伸びていない。第２固定電極ユニット１３４の固定部１３８が存在するからである。下側の３本の固定電極１３２は、まず固定部１２６ａに連結されている。この固定部１２６ａは、接続部１２８を介して外側の固定部１２６に接続されている。この接続部１２８は、第２固定電極ユニット１３４の固定部１３８の上方をまたいでいる。この状態が図１のＡ−Ａ線断面図である図２に示されている。この接続部１２８はポリシリコンで形成され、低抵抗化が図られている。
【００４４】
上記した左側の固定電極ユニット１２２、１３４のｘ軸の正の向きに伸びる固定電極１３２、１４０は、マス部１４６からｘ軸の負の向きに伸びる可動電極１４８と噛み合っている。図１及び図１のＢ−Ｂ線断面図である図３に示すように（特に点線１０４で囲んだ領域に示すように）、図１では上側から下側に、図３では左側から右側に、固定電極（１３２ａ、１３２ｂ）、可動電極（１４８ａ、１４８ｂ）、固定電極１４０が順に並ぶ構造が繰返されている。
【００４５】
右側の固定電極ユニット１２２、１３４はそれぞれ、上記した左側の固定電極ユニット１３４、１２２を、ｙ軸方向に伸びるマス部１４６を軸として折返した位置に配置されている。この結果、図１の右側では、左側とは反対に、下側から上側に固定電極（１３２ａ、１３２ｂ）、可動電極（１４８ａ、１４８ｂ）、固定電極１４０が順に並ぶ構造が繰返されている。
【００４６】
第１固定電極ユニット１２２の電極端子１２２と、可動電極ユニット１４２の電極端子１４２は、第１静電容量検出回路１７２に接続されている。第１静電容量検出回路１７２は、固定電極１３２ａ、１３２ｂと可動電極１４８ａの間の静電容量を検出する。第２固定電極ユニット１３４の電極端子１３６と、可動電極ユニット１４２の電極端子１４２は、第２静電容量検出回路１７４に接続されている。第２静電容量検出回路１７４は、固定電極１４０と可動電極１４８ａ、１４８ｂの間の静電容量を検出する。
【００４７】
静電容量検出回路１７２，１７４は、制御装置（例えばコンピュータ）１７６に接続されている。制御装置１７６は、静電容量検出回路１７２、１７４で検出した静電容量Ｃ１及び／又はＣ２から、作用した物理量の大きさを算出する機能等を有する。制御装置１７６では、静電容量Ｃ１のみ又はＣ２のみからも作用した物理量の大きさを算出できる。また、制御装置１７６では、静電容量Ｃ１とＣ２の差を算出し、その差からも作用した物理量の大きさを算出できる。詳細は後述する。
【００４８】
可動電極ユニット１４２の電極端子１４４と、固定電極ユニット１２２、１３４の電極端子１２４、１３６は、図１の下側の領域にｘ軸方向に並べて配置されている。このため、静電容量検出回路１７２、１７４等との配線の接続が容易な構造となっている。
【００４９】
（第１実施例の細部構成）  図４に、図１のＢ−Ｂ線の断面図（図３参照）のうち、点線１０４で囲んだ領域の固定電極（１３２ａ、１３２ｂ）、１４０と、これらに挟まれた可動電極（１４８ａ、１４８ｂ）の断面図を変形した図を示す。図３と図４では各電極の縮尺が異なるが、基本的な構成は同様である。
【００５０】
図４に示すように、固定電極１３２と可動電極１４８と固定電極１４０のそれぞれの、基板１２０に対向する面（１３１ａ、１３１ｂ）、（１４７ａ、１４７ｂ）、１３９は、基板１２０に平行な平坦状である。また、これらの基板対向面のｚ軸方向の位置は、可動電極１４８の変位前においては等しい。
【００５１】
左側の固定電極１３２の検出面（１３３ａ、１３３ｂ）と、可動電極１４８の左側の検出面１４９ａ−１は、ｚ軸方向に伸びている。また、ｙ軸方向からみると矩形状である。さらに、これらの検出面の側方の側面はｚ軸方向に伸びている。図７に一例として、可動電極１４８ａの矩形状の検出面１４９ａ−１と、ｚ軸方向に伸びる側面１７０ａ、１７０ｂを示す。
図４に示すように、左側の固定電極１３２の検出面は段差が形成されている。固定電極１３２の検出面は、第１平面部１３３ａと第２平面部１３３ｂで構成されている。第１平面部１３３ａは、基板１２０と離反する側に位置するとともに可動電極１４８の検出面１４９ａ−１との距離が長い（Ｗ１は８．５μｍ）。第２平面部１３３ｂは、基板１２０側に位置するとともに可動電極１４８の検出面１４９ａ−１との距離が短い（Ｗ２は３μｍ）。一方、可動電極１４８の左側の検出面１４９ａ−１は、全体が平坦である。
【００５２】
右側の固定電極１４０の検出面１４１と、可動電極１４８の右側の検出面（１４９ａ−２、１４９ｂ）は、ｚ軸方向に伸びている。また、ｙ軸方向からみると矩形状である（上記図７参照）。さらに、これらの検出面の側方の側面はｚ軸方向に伸びている（上記図７参照）。
右側の固定電極１４０の検出面１４１は、全体が平坦である。一方、可動電極１４８の右側の検出面は段差が形成されている。可動電極１４８の右側の検出面は、第１平面部１４９ａ−２と第２平面部１４９ｂで構成されている。第１平面部１４９ａ−２は、基板１２０と離反する側に位置するとともに固定電極１４０の検出面１４１との距離が長い（Ｗ３は８．５μｍ）。第２平面部１４９ｂは、基板１２０側に位置するとともに固定電極１４０の検出面１４１との距離が短い（Ｗ４は３μｍ）。
このように、本実施例では、距離Ｗ２とＷ４、及び距離Ｗ１とＷ３が等しい。
【００５３】
また、上記したように、可動電極１４８は、左側の検出面１４９ａ−１を有する可動電極と、右側の検出面（１４９ａ−２、１４９ｂ）を有する可動電極が一体化されたものである。２つの可動電極を別個独立に変位させたとすると、その２つの可動電極が同じ物理量の作用によって変位しても、両可動電極の変位量にずれが生じるおそれがある。この結果、可動電極の変位量から作用している物理量を精度良く検出できないおそれがある。第１実施例のように、可動電極を一体化することで、２つの可動電極を別個独立に変位させないようにできる。この結果、同じ物理量が作用しているのに両可動電極の変位量にずれが生じるといった問題を回避できる。このため、可動電極の変位量から、作用している物理量を安定的に精度良く検出できる。
【００５４】
また、第１実施例では、可動電極１４８の左側の検出面１４９ａ−１と、右側の固定電極１４０の検出面１４１のｚ軸方向の長さはＴ１（１５μｍ）であり、等しい。また、左側の固定電極１３２ａの検出面（第１平面部）１３３ａと、可動電極１４８ａの右側の検出面（第１平面部）１４９ａ−２のｚ軸方向の長さはＴ２（７．５μｍ）であり、等しい。さらに、左側の固定電極１３２ｂの検出面（第２平面部）１３３ｂと、可動電極１４８ｂの右側の検出面（第２平面部）１４９ｂのｚ軸方向の長さはＴ３（７．５μｍ）であり、等しい。
このように本実施例では、Ｔ２とＴ３が等しい。言い換えると、Ｔ２とＴ３はＴ１の半分の長さである。なお、絶縁層１５４のｚ軸方向の長さＴ４は３μｍである。ＳＯＩ基板を用いた場合、Ｔ４は０．５〜３μｍ程度である。
【００５５】
（第１実施例の動作）  次に、第１実施例の半導体物理量センサ１０１の動作を図８と図９のグラフを参照しつつ、図５と図６を用いて説明する。図８は、可動電極と固定電極間の対抗面積と距離の比（面積距離比）の総和Ｄ１、Ｄ２及びその差ΔＤと、ｚ軸方向の変位の関係を模式的に示したグラフである。図９は、可動電極と固定電極間の静電容量Ｃ１、Ｃ２及びその差ΔＣと、ｚ軸方向の変位の関係をシミュレーションにより得たグラフである。なお、図８のグラフは、図９のグラフと数量関係が一致しているものではなく、説明の便宜のために用いる概念的なものである。
【００５６】
ここで、Ｄ１及びＣ１は、可動電極１４８と固定電極１３２間の面積距離比の総和及び静電容量を示す。Ｄ２及びＣ２は、可動電極１４８と固定電極１４０間の面積距離比の総和及び静電容量を示す。「面積距離比の総和」とは、例えば可動電極１４８と固定電極１３２間では、可動電極１４８と固定電極１３２ａ間の対向面積と距離の比と、可動電極１４８と固定電極１３２ｂ間の対向面積と距離の比の和である。なお、両電極間の静電容量は、周知のように基本的には面積距離比の総和が大きい程大きい。
【００５７】
図１に示すセンサ１０１のマス部１４６にｚ軸の正の向きの物理量（例えば加速度）が作用して、マス部１４６両端のバネ部１４７ａ、１４７ｂが伸びてマス部１４６が変位したとする。そして、そのマス部１４６から伸びる可動電極１４８が、図５に示すように、ｚ軸の正の向きにＺ１変位したとする。この結果、可動電極１４８の検出面１４９ａ−１と固定電極１３２ａの検出面（第１平面部）１３３ａの対向面積Ｓ１は変位前と同じであり、変化しない。しかし、可動電極１４８の検出面１４９ａ−１と固定電極１３２ｂの検出面（第２平面部）１３３ｂの対向面積Ｓ２は変位前より減少する。
【００５８】
このように可動電極１４８がｚ軸の正の向きに変位した場合、電極間の距離が長い可動電極１４８と固定電極１３２ａ間の対向面積Ｓ１は変化しない。一方、電極間の距離が短い可動電極１４８と固定電極１３２ｂ間の対向面積Ｓ２は減少する。よって、図８に模式的に示すように、可動電極１４８がｚ軸の正の向きに変位したときの可動電極１４８と固定電極１３２間の面積距離比の総和Ｄ１１の減少率（第１減少率）は大きい。
このため、図１０に模式的に示すような端部効果により重畳される静電容量Ｃ１ａ、Ｃ１ｂを考慮しても、図９に示すように、可動電極１４８が変位前の位置（ｚ軸方向の変位が０μｍ）からｚ軸の正の向きに変位したときは全体の静電容量Ｃ１は減少する。但し、図９に示すように、変位量が少ない範囲（ｚ軸方向の変位が０〜３μｍ程度の範囲）では、端部効果により重畳される静電容量の影響のため、一次関数的な減少よりは若干緩やかに減少している。
【００５９】
一方、図６に示すように、可動電極１４８がｚ軸の負の向きにＺ２変位したとする。この結果、可動電極１４８の検出面１４９ａ−１と固定電極１３２ａの検出面（第１平面部）１３３ａの対向面積Ｓ１は変位前より減少する。一方、可動電極１４８の検出面１４９ａ−１と固定電極１３２ｂの検出面（第２平面部）１３３ｂの対向面積Ｓ２は変位前と同じであり、変化しない。
【００６０】
このように可動電極１４８がｚ軸の負の向きに変位した場合、電極間の距離が長い可動電極１４８と固定電極１３２ａ間の対向面積Ｓ１は減少する。一方、電極間の距離が短い可動電極１４８と固定電極１３２ｂ間の対向面積Ｓ２は変化しない。よって、図８に模式的に示すように、可動電極１４８がｚ軸の負の向きに変位したときの可動電極１４８と固定電極１３２間の面積距離比の総和Ｄ１２の減少率（第２減少率）は、上記した第１減少率より小さい。
この結果、図９に示すように、可動電極１４８が変位前の位置（ｚ軸方向の変位が０μｍの位置）からｚ軸の負の向きに変位したときは、図１０に模式的に示すような端部効果により重畳される静電容量Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの影響によって、ある変位量内であれば静電容量Ｃ１は増加する。
【００６１】
但し、ｚ軸の負の向きにある変位量を超えて変位すると、端部効果により重畳されていた静電容量が徐々に減少する。また、対向面積の減少による静電容量の減少量が大きくなる。よって、静電容量Ｃ１は減少する。図９には、ｚ軸の負の向きの変位量は−２μｍの範囲までしか示されていない。しかし仮に、−２μｍの位置より負の向きに変位させたとすると、本実施例の構成では、−３μｍ前後の付近が静電容量Ｃ１の最大値となる。静電容量Ｃ１が最大となる位置よりもｚ軸の負の向きに変位すると、静電容量Ｃ１は減少する。図４の固定電極１３２ｂの第２平面部１３３ｂのｚ軸方向の長さ（７．５μｍ）の１／３〜１／２程度の位置で静電容量Ｃ１は最大となる。このように、静電容量Ｃ１が最大となる位置は、可動電極１４８の変位前の位置（ｚ軸方向の変位が０μｍの位置）からずれた位置となっている。
【００６２】
このため、本実施例では、可動電極１４８の変位量が約−３μｍから正方向の範囲であれば、可動電極１４８が変位前の位置からｚ軸の正の向きに変位したときは、変位前より静電容量Ｃ１が減少する。一方、ｚ軸の負の向きに変位したときは、変位前より静電容量Ｃ１が増加する。このため、可動電極１４８がｚ軸方向のいずれの向きに変位したかを検知できる。また、物理量が作用して、可動電極１４８がｚ軸方向の正の向きに変位すると概ね比例して静電容量Ｃ１も減少する。一方、ｚ軸の負の向きに変位すると概ね比例して静電容量Ｃ１が増加する。このため、そのｚ軸方向の変位量、即ち、作用した物理量もある程度精度良く検知できる。また、センサ１０１の感度は、静電容量の変化率、即ち、図９のグラフの傾きが大きい方が大きい。この変化率は、静電容量Ｃ１が最大となる位置からずれている方が大きくなる。よって、センサ１０１を、静電容量Ｃ１が最大となる位置からずれた位置で使用することで、センサ１０１を高感度な状態で使用できる。
【００６３】
一方、可動電極１４８と固定電極１４０間の面積距離比Ｄ２及び静電容量Ｃ２の変化は、上記した可動電極１４８と固定電極１３２間の面積距離比Ｄ１及び静電容量Ｃ１の変化と反対になる。即ち、上記した面積距離比Ｄ１及び静電容量Ｃ１の場合と同様に考えると、図８に示すように、可動電極１４８がｚ軸の正の向きに変位したときの面積距離比Ｄ２１の減少率（第３減少率）は、ｚ軸の負の向きに変位したときの面積距離比Ｄ２２の減少率（第４減少率）より小さい。また、前記した面積距離比Ｄ１１の減少率（第１減少率）は面積距離比Ｄ２１の減少率（第３減少率）より大きい。前記した面積距離比Ｄ１２の減少率（第２減少率）は面積距離比Ｄ２２の減少率（第４減少率）より小さい。第１減少率と第４減少率は等しい。第２減少率と第３減少率は等しい。
また、図９に示すように、可動電極１４８が変位前の位置からｚ軸の正の向きに変位すると、３μｍ前後の付近までは静電容量Ｃ２は増加する。可動電極１４８がさらにｚ軸の正の向きに変位すると、静電容量Ｃ２は減少する。可動電極１４８が変位前の位置からｚ軸の負の向きに変位すると、静電容量Ｃ２は減少する。
【００６４】
図９に示すように、上記した静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２は、可動電極１４８が変位前の位置からｚ軸の正の向きに変位したときは、変位前（ｚ軸方向の変位が０μｍ）に比較して減少する。一方、その差ΔＣは、可動電極１４８が変位前の位置からｚ軸の負の向きに変位したときは、変位前に比較して増加する。このため、その静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣが増加したか、減少したかによって、可動電極１４８がｚ軸方向のいずれの向きに変位したかを検知できる。また、物理量が作用して、可動電極１４８がｚ軸方向の正の向きに変位するとほぼ直線的に比例してその差ΔＣも減少する。また、ｚ軸の負の向きに変位するとほぼ直線的に比例してその差ΔＣが増加する。このように、直線性が非常に良好であり、そのｚ軸方向の変位量、即ち、作用した物理量を非常に高精度に検知できる。
なお、静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣをとることは、先に述べた制御装置（コンピュータ等）１７６や、公知のあらゆる差動手段、例えばオペアンプや他の差動回路等を用いて行えばよい。
【００６５】
このように、静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣをとると直線性が向上するのは、差をとることで、重畳されているノイズがほぼ相殺されるからである。また、静電容量Ｃ１のみによって作用する物理量を検知する場合には有用であった端部効果により重畳される静電容量がほぼ相殺されるためである。即ち、図９に示す静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣは、ノイズや端部効果による影響を考慮していない図８の面積距離比Ｄ１とＤ２の差ΔＤと概ね等しいものである。可動電極１４８がｚ軸のいずれかの向きに変位すると、面積距離比Ｄ１、Ｄ２は直線的に減少するので、そのＤ１とＤ２の差ΔＤも直線的に変化する。
【００６６】
本発明者らのシミュレーションによると、可動電極１４８のｚ軸方向の変位が±１μｍの範囲においては、図９に示す静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣの非直線性は０．０７％という非常に良好な結果が得られている。なお、非直線性とは、上記の場合でいえばｚ軸方向の変位が±１μｍの範囲での理想的な比例関係（理想的な直線）からのずれの割合をいう。
【００６７】
以上では、基本単位として、１組の電極間での静電容量Ｃ１、Ｃ２、あるいは２組の電極間での静電容量Ｃ１とＣ２の差ΔＣについて説明した。しかし、第１実施例の半導体物理量センサ１０１は、実際には、図１に示したような複数組の固定電極と可動電極間の静電容量Ｃ１、Ｃ２、あるいはΔＣを合計したものから物理量を検知する。従って、第１実施例の半導体物理量センサ１０１によると、物理量を非常に高感度に検知できる。
【００６８】
（第１実施例の製造方法）  次に、図４の固定電極１３２、１４０とこれらに挟まれた可動電極１４８の製造方法を図１１〜１３を参照して説明する。
まず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、図１１に示すように、シリコン基板１２０と、シリコン酸化層１５４と、シリコン活性層１５６が順に積層された積層基板である。
次に、図１２に示すように、レジストをマスクにして、シリコン基板１２０に垂直な方向に、シリコン活性層１５６の半分の深さまで、シリコン活性層１５６の所定領域を除去してパターニングする。この除去は、例えばドライエッチング（ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等）によって行えばよい。符号１５８に除去された領域が示されている。次に、図１３に示すように、レジストをマスクにして、シリコン基板１２０に垂直な方向に、一部の領域についてシリコン活性層１５６の半分の深さまで、例えばドライエッチングによってシリコン活性層１５６の所定領域を除去してパターニングする。また、図１２で除去した領域の下方についてはシリコン酸化層１５４に達するまで、例えばドライエッチングによってシリコン活性層１５６の所定領域を除去してパターニングする。符号１６０と１６２に除去された領域が示されている。このように、図１２の段階と図１３の段階の２段階のドライエッチングによって固定電極１３２、１４０と、可動電極１４８がパターニングされている。ＲＩＥ等のドライエッチングによると、シリコン基板１２０に垂直な方向への異方性エッチングが容易に行える。
次に、図１３の符号１６２に示す空間から、シリコン酸化層（犠牲層）１５４のうち、可動電極となり得る領域１４８とシリコン基板１２０の間の領域を、ＨＦ等によって犠牲層エッチングして除去する。この結果、図４に示すような半導体物理量センサ１０１が形成される。
【００６９】
本実施例では、可動電極１４８の基板対向面１４７と固定電極１３２、１４０の基板対向面１３１、１３９が、基板１２０にほぼ平行な平坦状である。また、両電極１４８、１３２、１４０の基板対向面１４７、１３１、１３９の基板垂直方向の位置が、可動電極１４８の変位前においてはほぼ等しい。よって、両電極１４８、１３２、１４０と基板１２０の間の空間、即ち、犠牲層が形成されていた空間を平坦状にできる。この結果、犠牲層を平坦状にできる。このため、先に述べた第２の従来技術のような、犠牲層を階段状に形成するための面倒な製造プロセスが不要である。また、第４の従来技術のような、基板から基板垂直方向に伸びる板状の固定電極群と、これらに挟まれた位置に基板から浮いた可動電極を形成するための高度な製造プロセスが不要である。
また、可動電極１４８の検出面１４９と、固定電極１３２、１４０の検出面１３３、１４１がほぼ基板垂直方向に伸びている。よって、第３の従来技術のような、電極の検出面を基板垂直方向に対して傾斜させるための高度な製造プロセスが不要である。
このように、本実施例は、従来に比較して簡単な製造プロセスで製造できる。
【００７０】
（第２実施例）  第２実施例は、以上で説明した第１実施例の構成を静電アクチュエータ１０１として使用するものである。但し、第２実施例では、図１の符号１７２，１７４に相当する部位は、電源装置とする。符号１７６に相当する部位は、電源装置１７２，１７４の制御装置とする。本実施例の構成では、図９に示すように、静電容量Ｃ１が最大となる位置は、可動電極１４８の変位前の位置からｚ軸の負の向きにずれた位置にある。静電容量Ｃ２が最大となる位置は、可動電極１４８の変位前の位置からｚ軸の正の向きにずれた位置にある。
【００７１】
この静電アクチュエータ１０１の動作を説明する。図１に示す可動電極ユニット１４２の電極端子１４４と、第１固定電極ユニット１２２の電極端子１２４の間に電源装置１７２によって電圧を印加する。すると、固定電極１３２と可動電極１４８の間に電圧が印加される。この結果、変位前の位置にある可動電極１４８には、静電容量Ｃ１が最大となる位置を向いた静電引力、即ち、ｚ軸の負の向きの静電引力が加わる。この結果、可動電極１４８は、ｚ軸の負の向きに変位する。
【００７２】
一方、第２固定電極ユニット１３４の電極端子１３６と、可動電極ユニット１４２の電極端子１４４の間に電源装置１７４によって電圧を印加する。すると、固定電極１４０と可動電極１４８の間に電圧が印加される。この結果、変位前の位置にある可動電極１４８には、静電容量Ｃ２が最大となる位置を向いた静電引力、即ち、ｚ軸の正の向きの静電引力が加わる。この結果、可動電極１４８は、ｚ軸の正の向きに変位する。
【００７３】
従って、制御装置１７６によって、電源装置１７２，１７４に印加する電圧を制御することで、可動部である可動電極１４８とマス部１４６を、ｚ軸方向（ｚ軸の正の向き又は負の向き）の任意の位置に変位させることができる。また、アクチュエータ１０１の駆動力（静電引力）は、静電容量の変化率、即ち、図９のグラフの傾きが大きい方が大きい。この変化率は、静電容量Ｃ１が最大となる位置からずれている方が大きくなる。よって、アクチュエータ１０１を、静電容量Ｃ１が最大となる位置からずれた位置で変位させるようにすることで、アクチュエータ１０１を高い駆動力で使用することができる。
【００７４】
図１４は、可動電極１４８のｚ軸方向の位置と、その位置で可動電極１４８に加わるｚ軸方向の静電引力の関係を示す。固定電極１３２と可動電極１４８の間に電圧（２．５Ｖ）を印加した場合のグラフがＡである。固定電極１４０と可動電極１４８の間に電圧（２．５Ｖ）を印加した場合のグラフがＢである。
固定電極１３２と可動電極１４８の間に電圧（２．５Ｖ）を印加した場合、グラフＡから、可動電極１４８が変位前の位置にあるときは、約−０．５μＦの力、即ち、ｚ軸の負の向きに０．５μＦの力が加わることがわかる。また、可動電極１４８がｚ軸の負の向きに移動するにつれて、静電引力の絶対値は徐々に減少することがわかる。固定電極１４０と可動電極１４８の間に電圧（２．５Ｖ）を印加した場合、グラフＢから、可動電極１４８が変位前の位置にあるときは、約＋０．５μＦの力、即ち、ｚ軸の正の向きに０．５μＦの力が加わることがわかる。また、可動電極１４８がｚ軸の正の向きに移動するにつれて、静電引力の絶対値は徐々に減少することがわかる。
【００７５】
（第３実施例）  第３実施例は、先に説明した第１実施例の構成を自己診断機能付き物理量センサ１０１として使用するものである。第３実施例では、図１の符号１７２は静電容量検出回路のままであり、符号１７４に相当する部位は電源装置とする。符号１７６に相当する部位は、静電容量検出回路１７２と電源装置１７４の制御装置とする。
【００７６】
このセンサ１０１では、自己診断時には、図１に示す第２固定電極ユニット１３４の電極端子１３６と、可動電極ユニット１４２の電極端子１４４の間に電源装置１７４によって所定の電圧を印加する。すると、第２実施例で説明したように、可動電極１４８は、変位前の位置からｚ軸の正の向きに変位する。このときの固定電極１４０と可動電極１４８の間の静電容量値を静電容量検出回路１７２で検出する。制御装置１７６は、検出した静電容量値を利用して可動電極１４８の変位量を算出する。算出した変位量が、予め想定していた変位量と異なる場合には、自己（センサ）に何らかの異常が存在することを検知できる。
【００７７】
（第４実施例の全体構成）  図１５に第４実施例の半導体物理量センサ２０１の平面図を示す。このセンサ２０１は、可動電極ユニット２３８と、第１固定電極ユニット２２２と、第２固定電極ユニット２２３と、第３固定電極ユニット２３０を備えている。可動電極ユニット２３８は、基板２２０に垂直な方向（ｚ軸方向）に変位可能な可動電極２４８ａ〜２４８ｄを有する。固定電極ユニット２２２、２２３、２３０は、基板２２０に固定されている。
【００７８】
可動電極ユニット２３８は、マス部２４４と、可動電極２４８と、バネ部２４５と、固定部２４６と、電極端子２４０で構成されている。
マス部２４４は、４本の辺部２４４ａ〜２４４ｄが十字状に配置されて構成されている。可動電極群２４８ａ〜２４８ｄは、各辺部２４４ａ〜２４４ｄから、基板２２０に平行で、各辺部２４４ａ〜２４４ｄに垂直な向きに伸びている。第２実施例では、十字状の４本の辺部２４４ａ〜２４４ｄの中心をｚ軸方向に伸びる軸を基準軸とする。各辺部２４４ａ〜２４４ｄの可動電極群２４８ａ〜２４８ｄは、一の辺部（例えば２４４ａ）を上記した基準軸回りに順次９０度回転させた位置で、回転後の一の辺部２４４ａから可動電極群２４８ａが伸びる向きに伸びている。言い換えると、マス部２４４の４本の辺部２４４ａ〜２４４ｄと可動電極群２４８ａ〜２４８ｄは、まんじ状（卍状）に配置されている。
【００７９】
各辺部２４４ａ〜２４４ｄの端部からは、それぞれ折曲げ状のバネ部２４５ａ〜２４５ｄが伸びている。各バネ部２４５ａ〜２４５ｄの端部（固定部）２４６ａ〜２４６ｄは、基板２２０に固定されている。
固定部２４６ａ〜２４６ｄは、図示しない絶縁層（シリコン酸化層）を介して基板２２０に固定されている。マス部２４４とバネ部２４５と可動電極群２４８は、固定部２４６ａ〜２４６ｄに支持された状態で、基板２２０上に浮いている。
マス部２４４の各辺部２４４ａ〜２４４ｄは十字状に配置されている。各辺部２４４ａ〜２４４ｄの端部に各バネ部２４５ａ〜２４５ｄが接続されている。これにより、ｚ軸方向へ変位し易くなっている。このため、各バネ部２４５ａ〜２４５ｄの厚さ（ｚ軸方向の長さ）を、幅より小さくすることは必ずしも要求されない。
【００８０】
第１固定電極ユニット２２２は、固定部２２６と固定電極２２８と電極端子２２４で構成されている。第２固定電極ユニット２２３は、固定部２２７と固定電極２２９と電極端子２２５で構成されている。第３固定電極ユニット２３０は、固定部２３４、２３５と固定電極２３６、２３７と電極端子２３２で構成されている。
第１固定電極ユニット２２２のｙ軸の正の向きに伸びる固定電極群２２８は、ｙ軸の負の向きに伸びる可動電極群２４８ａと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。第２固定電極ユニット２２３のｙ軸の負の向きに伸びる固定電極群２２９は、ｙ軸の正の向きに伸びる可動電極２４８ｃと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。
第３固定電極ユニット２３０は、固定部２３４、２３５を介して、ｘ軸の正の向き又は負の向きに伸びる固定電極群２３６、２３７の両方を供給している。各固定電極群２３６、２３７はそれぞれ、ｘ軸の負の向き又は正の向きに伸びる可動電極群２４８ｂ、２４８ｄと、検出面が対向するように噛合った状態で配置されている。
固定電極ユニット２２２、２２３、２３０は、固定電極２２８、２２９、（２３６、２３７）の一部の領域を除いて、図示しない絶縁層を介して基板２２０に固定されている。
【００８１】
第１固定電極ユニット２２２の電極端子２２４と、可動電極ユニット２３８の電極端子２４０は、第１静電容量検出回路２６２に接続されている。第２固定電極ユニット２２３の電極端子２２５と、可動電極ユニット２３８の電極端子２４０は、第２静電容量検出回路２６４に接続されている。第３固定電極ユニット２３０の電極端子２３２と、可動電極ユニット２３８の電極端子２４０は、第３静電容量検出回路２６６に接続されている。
【００８２】
静電容量検出回路２６２、２６４、２６６は、制御装置２６８に接続されている。制御装置２６８は、各静電容量検出回路（２６２、２６４）、２６６でそれぞれ検出した静電容量Ｃ３及び／又はＣ４から、作用した物理量の大きさを算出する機能等を有する。詳細は後述する。
【００８３】
第４実施例の構成によると、隣合う辺部（例えば２４４ａと２４４ｂ）によって区画される４箇所のほぼ正方形状の領域に、多数の可動電極群２４８と固定電極群２２８、２２９、（２３６、２３７）を配置できる。このため、コンパクトでありながら、非常に高感度な物理量センサを実現できる。しかも、第４実施例の構成によると、マス部２４４（各辺部２４４ａ〜２４４ｄ）と可動電極群２４８ａ〜２４８ｄが前記基準軸に対しほぼ点対称な構造に配置される。このため、マス部２４４と可動電極２４８を安定的に変位させることができ、安定した感度が得られる。
【００８４】
（第４実施例の細部構成）  図１６に、図１５のＣ−Ｃ線断面図を左側に、Ｄ−Ｄ線断面図を右側に並べて示す。図１６の左側には、固定電極２２８ａ、２２８ｂと、これらに挟まれた可動電極２４８ａが示されている。図１６の右側には、固定電極２３６ａ、２３６ｂと、これらに挟まれた可動電極２４８ｂが示されている。
図１６に示すように、固定電極２２８ａ、２２８ｂと可動電極２４８ａの基板２２０（図１５参照）に対向する面２２７ａ、２２７ｂ、２４７ａは、基板２２０に平行な平坦状である。また、これらの基板対向面２２７ａ、２２７ｂ、２４７ａのｚ軸方向の位置は、可動電極２４８ａの変位前においては等しい。
固定電極２２８ａ、２２８ｂと、可動電極２４８ａの検出面２２９ａ、２２９ｂ、２４９ａ−１、２４９ａ−２は、ｚ軸方向に伸びている。また、全体が平坦である。さらに、ｘ軸方向からみると矩形状である（第１実施例の図７参照）。
これらの検出面の側方の側面は、ｚ軸方向に伸びている（第１実施例の図７参照）。
【００８５】
可動電極２４８ａの検出面２４９ａ−１、２４９ａ−２のｚ軸方向の長さＴ６は１５μｍである。固定電極２２８ａ、２２８ｂの検出面２２９ａ、２２９ｂのｚ軸方向の長さＴ５は７．５μｍである。Ｔ５はＴ６の０．５倍である。
可動電極２４８ａの検出面２４９ａ−１と固定電極２２８ａの検出面２２９ａ間の距離Ｗ５は３μｍである。可動電極２４８ａの検出面２４９ａ−２と固定電極２２８ｂの検出面２２９ｂ間の距離も同じである。
【００８６】
固定電極２３６ａ、２３６ｂと可動電極２４８ｂについては、固定電極２３６ａ、２３６ｂの検出面のｚ軸方向の長さＴ７は１５μｍである。可動電極２４８ｂの検出面のｚ軸方向の長さＴ８は７．５μｍである。Ｔ８はＴ７の０．５倍である。これらの点を除いて、上記した固定電極２２８ａ、２２８ｂと、可動電極２４８ａの場合と同様の構成である。
【００８７】
実際には、可動電極２４８のみならず、固定電極２２８、２３６等にも両面に検出面が形成されている。両面に検出面が形成された可動電極２４８と固定電極２２８、２３６等が、検出面同士が対向するように交互に配置されている（図１５参照）。これにより、静電容量の合計量が大きく高感度であり、しかも、コンパクトな構造のセンサ２０１が実現されている。
【００８８】
（第４実施例の動作）  次に、第４実施例の半導体物理量センサ２０１の動作を説明する。なお、第４実施例の動作のうち、第１実施例と共通する説明は原則として省略する。
図１５に示すセンサ２０１のマス部２４４にｚ軸の正の向きの物理量（例えば加速度）が作用して、マス部２４４の端部の各バネ部２４５ａ〜２４５ｄが伸びてマス部２４４が変位したとする。そして、そのマス部２４４から伸びる可動電極２４８ａが、図１７に示すように、ｚ軸の正の向きにＺ３変位したとする。この結果、可動電極２４８の検出面２４９ａ−１と、固定電極２２８ａの検出面２２９ａの対向面積Ｓ３は、変位前より減少する。即ち、面積距離比の減少率は正の値である。
【００８９】
一方、図１８に示すように、可動電極２４８ａがｚ軸の負の向きにＺ４変位したとする。この結果、可動電極２４８の検出面２４９ａ−１と、固定電極２２８ａの検出面２２９ａの対向面積Ｓ４は、変位前と同じであり、変化しない。即ち、面積距離比の減少率は０である。
【００９０】
可動電極２４８ａがｚ軸の正の向きに変位したときは、端部効果による静電容量が重畳されても、静電容量は減少する。一方、可動電極２４８ａがｚ軸の負の向きに変位したときは、端部効果による静電容量が重畳されると、所定の変位量内であれば、静電容量は増加する。
【００９１】
このように、第４実施例の半導体物理量センサ２０１によると、静電容量の増加と減少によって、可動電極２４８ａがｚ軸方向のいずれの向きに変位したかを検知できる。また、物理量が作用して、可動電極２４８ａがｚ軸方向の正の向きに変位すると概ね比例して静電容量Ｃ３も減少する。ｚ軸の負の向きに変位すると概ね比例して静電容量Ｃ３が増加する。このため、そのｚ軸方向の変位量、即ち、作用した物理量もある程度精度良く検知できる。
【００９２】
一方、可動電極２４８ｂと固定電極２３６ａ間の面積距離比及び静電容量Ｃ４の変化は、上記した可動電極２４８ａと固定電極２２８ａ間の面積距離比及び静電容量Ｃ３の変化と反対になる。
【００９３】
上記したＣ３とＣ４の差ΔＣは、第１実施例の場合と同様に、可動電極２４８ａ、２４８ｂが変位前の位置からｚ軸の正の向きに変位したときは、変位前に比較して減少する。一方、その差ΔＣは、可動電極２４８ａ、２４８ｂが変位前の位置からｚ軸の負の向きに変位したときは、変位前に比較して増加する。このため、その静電容量Ｃ３とＣ４の差ΔＣが増加したか、減少したかによって、可動電極２４８ａ、２４８ｂがｚ軸方向のいずれの向きに変位したかを検知できる。また、物理量が作用して、可動電極２４８ａ、２４８ｂがｚ軸方向の正の向きに変位するとほぼ直線的に比例してその差ΔＣも減少する。ｚ軸の負の向きに変位するとほぼ直線的に比例してその差ΔＣが増加する。このように、直線性が非常に良好であり、そのｚ軸方向の変位量、即ち、作用した物理量を非常に高精度に検知できる。
【００９４】
本発明者らのシミュレーションによると、可動電極２４８のｚ軸方向の変位が±１μｍの範囲では、静電容量Ｃ３については非直線性が８．３％で、静電容量Ｃ３とＣ４の差ΔＣについては非直線性が０．７％という結果が得られている。
【００９５】
（第４実施例の製造方法）  次に、図１６の右側に示す２つの固定電極２３６ａ、２３６ｂと、これらに挟まれた可動電極２４８ｂを、２段階のエッチングによって形成する複数の方法を図１９〜２１を参照して説明する。
図１９〜２１中、符号２５０は、ＳＯＩ基板のシリコン活性層である。図１９〜２１では、ＳＯＩ基板のシリコン基板とシリコン酸化層の図示は省略されている。
【００９６】
第１の方法では、図１９に示すように、レジストをマスクにして、シリコン活性層２５０のうち符号２５２ａ、２５２ｂに示す領域をドライエッチング等によって除去する。その後、レジストをマスクにして、符号２５４ａ〜２５４ｃに示す領域をドライエッチング等によって除去する。
第２の方法では、図２０に示すように、レジストをマスクにして、シリコン活性層２５０のうち符号２５６ａに示す領域をドライエッチング等によって除去する。その後、レジストをマスクにして、符号２５８ａ、２５８ｂに示す領域をドライエッチング等によって除去する。
第３の方法では、図２１に示すように、レジストをマスクにして、シリコン活性層２５０のうち符号２６２ａ、２６２ｂの領域を、ドライエッチング等によって除去する。その後、レジストをマスクにして、符号２６０に示す領域をドライエッチングによって除去する。なお、符号２６０に示す領域を先に除去してもよい。
【００９７】
（第５実施例）  第５実施例は、以上で説明した第４実施例の構成を静電アクチュエータ２０１として使用するものである。但し、第５実施例では、図１５の符号２６２、２６４、２６６に相当する部位は、電源装置とする。符号２６８に相当する部位は、電源装置２６２、２６４、２６６の制御装置とする。本実施例の構成では、静電容量Ｃ３が最大となる位置は、可動電極２４８の変位前の位置からｚ軸の負の向きにずれた位置にある。静電容量Ｃ４が最大となる位置は、可動電極２４８の変位前の位置からｚ軸の正の向きにずれた位置にある。
【００９８】
この静電アクチュエータ２０１の動作を説明する。図１５に示す可動電極ユニット２３８の電極端子２４０と、第１及び第２固定電極ユニット２２２、２２３の電極端子２２４、２２５の間に電源装置２６２、２６４によって電圧を印加する。この結果、可動電極２４８は、ｚ軸の負の向きに変位する。
一方、第３固定電極ユニット２３０の電極端子２３２と、可動電極ユニット２３８の電極端子２４０の間に電源装置２６６によって電圧を印加する。この結果、可動電極２４８は、ｚ軸の正の向きに変位する。
従って、制御装置２６８によって、電源装置２６２、２６４、２６６に印加する電圧を制御することで、可動部である可動電極２４８とマス部２４４を、ｚ軸方向（ｚ軸の正の向き又は負の向き）の任意の位置に変位させることができる。
【００９９】
（第６実施例）  第６実施例は、先に説明した第４実施例の構成を自己診断機能付き物理量センサ２０１として使用するものである。第６実施例では、図５の符号２６２、２６４は静電容量検出回路のままであり、符号２６６に相当する部位は電源装置とする。符号２６８に相当する部位は、静電容量検出回路２６２、２６４と電源装置２６６の制御装置とする。
第６実施例のセンサ２０１によっても、第３実施例の自己診断機能付きセンサと同様に、自己（センサ）の異常を検出できる。
【０１００】
（第７実施例）  図２２は、第７実施例の可動光学ミラー装置の斜視図を示す。この可動光学ミラー装置では、２つの固定部３３４は、基板３２０に絶縁層３３２を介して固定されている。２つの固定部３３４にはそれぞれ、ビーム３３６の一端が接続されている。２本のビーム３３６の他端はそれぞれ、ミラー部（マス部）３３８の右側面と左側面に接続されている。このように、ミラー部３３８は、１直線上に伸びる２本のビーム３３６によって両側から支持された状態となっている。ミラー部３３８の側面（図示手前側の側面）の１つには、櫛歯状の第１可動電極３４０群と第２可動電極３４２群の一端が接続されている。
ビーム３３６と、ミラー部３３８と、可動電極３４０、３４２は、基板３２０上に浮いている。
【０１０１】
基板３２０には、絶縁層３２２を介して第１固定部３２４が固定されている。第１固定部３２４の側面の１つには、櫛歯状の第１固定電極３２６群の一端が接続されている。基板３２０には、絶縁層３２６を介して第２固定部３２８が固定されている。第２固定部３２８の側面の１つには、櫛歯状の第２固定電極３３０群の一端が接続されている。第１可動電極３４０群と第１固定電極３２６群は、噛合った位置に配置されている。第２可動電極３４２群と第２固定電極３３０群は、噛合った位置に配置されている。図２２のＥ−Ｅ線断面図は、図１６の左側の断面図に相当する。即ち、図２２の第１固定電極３２６と第１可動電極３４０は、図１６の固定電極２２８ａ、２２８ｂと可動電極２４８ａに相当する。図２２のＦ−Ｆ線断面図は、図１６の右側の断面図に相当する。即ち、図２２の第２固定電極３３０と第２可動電極３４２は、図１６の固定電極２３６ａ、２３６ｂと可動電極２４８ｂに相当する。
【０１０２】
第１可動電極３４０群と第１固定電極３２６群（固定部３２４）の間には、電源装置３５０が接続されている。第２可動電極３４２群と第２固定電極３３０群（固定部３２８）の間には、電源装置３５２が接続されている。電源装置３５０、３５２は、制御装置３５４に接続されている。
【０１０３】
この可動ミラー装置の動作を説明する。第１可動電極３４０と第１固定電極３２６の間に電源装置３５０によって電圧を印加する。すると、第１可動電極３４０群には、ｚ軸の負の向きの静電引力が加わる。これにより、ミラー部３３８は、ビーム３３６周りに、所定角度だけ下向きに回転する。一方、第２可動電極３４２と第２固定電極３３０の間に電源装置３５２によって電圧を印加する。すると、第２可動電極３４２群には、ｚ軸の正の向きの静電引力が加わる。これにより、ミラー部３３８は、ビーム３３６周りに、所定角度だけ上向きに回転する。
【０１０４】
従って、制御装置３５４によって、電源装置３５０、３５２に印加する電圧を制御することで、所定の角度範囲内であれば、ミラー部３３８をビーム３３６周りに任意の角度回転させることができる。
【０１０５】
（第８実施例）  図２３は、第８実施例の振動型ジャイロスコープの斜視図を示す。第８実施例は、第７実施例の構成に、さらに構成要素を付加した構成となっている。具体的には、基板３２０に絶縁層３３３を介して固定された２つの固定部３３５をさらに備えている。２つの固定部３３５にはそれぞれ、ビーム３３７の一端が接続されている。２本のビーム３３７の他端はそれぞれ、マス部３３８の右側面と左側面に接続されている。このように、マス部３３８は、１直線上に伸びる２本のビーム３３６と、さらにｙ軸方向に間隔を置いて１直線上に伸びる２本のビーム３３７によって両側から支持された状態となっている。
【０１０６】
マス部３３８の奥側の側面には、櫛歯状の第３可動電極３４４群の一端が接続されている。基板３２０には、図示しない絶縁層を介して第３固定部３４６が固定されている。第３固定部３４６の側面の１つには、櫛歯状の第３固定電極３４８群の一端が接続されている。第３可動電極３４４群と第３固定電極３４８群は、噛合った位置に配置されている。第３可動電極３４４群と第３固定電極３４８群のｚ軸方向の長さは等しい。第３可動電極３４４群と第３固定電極３４８群は、静電容量検出回路３５６に接続されている。静電容量検出回路３５６は、制御装置３５４に接続されている。
【０１０７】
この振動型ジャイロスコープの動作を説明する。第１可動電極３４０と第１固定電極３２６の間への電源装置３５０による電圧の印加と、第２可動電極３４２と第２固定電極３３０の間への電源装置３５２による電圧の印加を交互に切換えるように制御装置３５４で制御することで、マス部３３８をｚ軸方向に振動させる。このように、第８実施例は、第５実施例の構成を、振動型ジャイロスコープの励振構造に応用したものである。
【０１０８】
このようにマス部３３８をｚ軸方向に振動させた状態で、マス部３３８にｘ軸周りの回転角速度が加わるとする。すると、この回転角速度に応じて、コリオリ力によってｙ軸方向に振動が生じる。この振動が生じている状態における第３可動電極３４４と第３固定電極３４８の間の静電容量値を検出回路３５６によって検出する。制御装置３５４は、検出した静電容量値を利用して加わった回転角速度を算出する。
【０１０９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上記実施例では、可動電極と固定電極の検出面が矩形状の場合を例にして説明したが（図７参照）、これに限られないのは勿論である。例えば検出面は、一辺が基板に平行な三角形状（△形状）であってもよい。また、突形状（凸形状）であってもよい。
また、上記実施例では、可動電極と固定電極が単結晶シリコンで形成された半導体物理量センサを例にして説明したが、可動電極と固定電極が半導体で形成されている必要は必ずしもない。本発明は、基板上に犠牲層と電極層が積層された構造の基板を用いて、あるいは基板上に犠牲層と電極層を積層することで製造される装置等に広く適用することができる。
【０１１０】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施例の半導体物理量センサの平面図を示す。
【図２】  図１のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図３】  図１のＢ−Ｂ線断面図を示す。
【図４】  図１のＢ−Ｂ線の断面図のうち、点線で囲んだ領域の２つの固定電極と、これらに挟まれた可動電極の断面図を示す。
【図５】  図４の可動電極がｚ軸の正の向き（基板垂直方向の一方の向き）に変位した状態を示す。
【図６】  図４の可動電極がｚ軸の負の向き（基板垂直方向の他方の向き）に変位した状態を示す。
【図７】  図４の可動電極をｙ軸の負の向きからみた図を示す。
【図８】  可動電極と固定電極間の対抗面積と距離の比（面積距離比）の総和Ｄ１、Ｄ２及びその差ΔＤと、ｚ軸方向の変位の関係を模式的に示す。
【図９】  可動電極と固定電極間の静電容量Ｃ１、Ｃ２及びその差ΔＣと、ｚ軸方向の変位の関係を示す。
【図１０】  図４の可動電極と固定電極間の端部効果による静電容量を模式的に示す。
【図１１】  図４の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一部を示す（１）。
【図１２】  図４の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一部を示す（２）。
【図１３】  図４の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一部を示す（３）。
【図１４】  可動電極のｚ軸方向の位置と、その位置で可動電極に加わるｚ軸方向の静電引力の関係を示す。
【図１５】  第２実施例の半導体物理量センサの平面図を示す。
【図１６】  図１５のＣ−Ｃ線断面図を左側に、Ｄ−Ｄ線断面図を右側に並べて示す。
【図１７】  図１６の可動電極がｚ軸の正の向き（基板垂直方向の一方の向き）に変位した状態を示す。
【図１８】  図１７の可動電極がｚ軸の負の向き（基板垂直方向の他方の向き）に変位した状態を示す。
【図１９】  図１８のＤ−Ｄ線断面図の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一例を示す（１）。
【図２０】  図１６のＤ−Ｄ線断面図の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一例を示す（２）。
【図２１】  図１６のＤ−Ｄ線断面図の２つの固定電極とこれらに挟まれた可動電極の製造工程の一例を示す（３）。
【図２２】  第７実施例の可動光学ミラー装置の斜視図を示す。
【図２３】  第８実施例の振動型ジャイロスコープの斜視図を示す。
【図２４】  従来のセンサの断面図を示す。
【図２５】  図２４の可動電極がｚ軸の正の向き（基板垂直方向の一方の向き）に変位した状態を示す。
【図２６】  図２４の可動電極がｚ軸の負の向き（基板垂直方向の他方の向き）に変位した状態を示す。
【符号の説明】
１２０：基板
１３２、１４０：固定電極
１４８：可動電極
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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