WO2010021395A1

WO2010021395A1 - 加速度スイッチ

Info

Publication number: WO2010021395A1
Application number: PCT/JP2009/064687
Authority: WO
Inventors: 和男戸田
Original assignee: 日本Mems 株式会社
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2010-02-25
Also published as: JP2010048650A

Abstract

〔課題〕内側に空間を持つ質量体と、前記質量体を支える梁と、前記質量体の空間に対向電極を持つ加速度スイッチにおいて、無指向性を保って高感度を得るための、最適な梁の数を求める。　〔解決手段〕加速度スイッチ００３のシミュレーションを行うことにより、梁の数が１本の場合でも、平面方向にほぼ均一な感度を持つことが確認できた。梁の数が最も少ない場合が最も感度がよいため、無指向性を保って高感度を得るためには、梁の数が１本の場合が最適であると言える。

Description

加速度スイッチ

　本発明は、加速度スイッチに関する。

　意匠登録１３１００５３に示されるような質量体内部に対向電極を持つ、無指向性の加速度スイッチは、ノーマリーオフかつ無指向性のスイッチとして使用でき、また半導体製造の技術を使用し単結晶Ｓｉをベースに作成可能なため形状も小さくできるなどさまざまなメリットがある。

　この加速度スイッチは省電力用に、たとえば少容量のバッテリーしか持たないようなポータブルな機器に用いれば、人間の振動を検知しない時、すなわち使用しない時はシステムをオフにしておき、振動を検知したとき、すなわち使用する時は、自動的にシステムをオンして、無駄なバッテリーを使用しないようにすることなどができる。

　このように加速度による振動を感知して、システムのオン、オフを行うような場合は、どのような振動の方向にも感知することが望ましいため、無指向性であることが有利となる。このため意匠登録１３１００５３に示されるように、加速度により重り（質量体）の振動が偏らないように、複数の梁で重りを支えることが望ましい。

意匠登録１３１００５３

　しかしながら梁の数を多くすると、加速度による重りの動き、変位はより小さくなり、結果として感度を低下させる懸念が生ずる。また加速度スイッチを小型化しようとすると重り自体も小さくする必要がある。この場合も、当然重りが小さければ変位も小さくなり、さらに重りの変位を小さくするような、多くの梁で重りを支えることは不利となる。

　このため、加速度による変位の偏りが大きくならない限り、梁の数は少なくした方が高感度化や小型化をしやすくなる。しかしながら少ない数、たとえば１本の梁で支えようとすると本加速度スイッチの特徴の一つである平面方向に均一な感度（無指向性）を損ねる恐れが生じる。

　そこで、本発明の目的は、上記加速度スイッチにおいて、最適な梁の数を持つ加速度スイッチを求めることである。

　本発明は、重り中心に空間と、前記重りを支える螺旋状や円弧状等の梁と、さらにその空間内部に対向電極を持つ加速度スイッチにおいて、梁が１本であることを特徴とする、加速度スイッチである。

　本発明によれば、加速度による重りの動き、変位の偏りを極小にして、平面方向に比較的均一な感度を持つ、最も感度の良い加速度スイッチを得ることができる。

　以下、本発明を実施するための最良の一形態について図面を参照して説明する。
　加速度スイッチの構成と動作

　まず意匠文献にある加速度スイッチの構成と動作について説明する。
　図１は意匠登録１３１００５３に見られる質量体内部の空間に対向電極を持つ、無指向性加速度スイッチ００１の構成を説明する、上面側から見た図である。１０１は加速度スイッチ００１の周辺部（外枠）、１０２から１０５は重り１０６を支える梁。１０７は対向電極である。しかし梁が４本と多く複雑なため、詳細の説明は図１に代わって梁が１本の場合について、図２を用いて行う。

　図２は上述したように梁１本の場合の加速度スイッチ００２の上面側から見た図である。ただし実際にはこの上にキャップとなる層（第１基板）、およびこの下には支持層（第３基板）が存在する。図３は図２で示すＡ−Ａ´面で切った断面図であり、図２で省略されている層も含む。また図２は図３のＢ−Ｂ´面で切った図に相当する。図４は図２で省略した上部のキャップ層（第１基板）の上面図である。さらに図２同様に図４のＡ−Ａ´面で切った断面図も図３となる。

　図２~図４に示すように、加速度スイッチ００２は、上から、ガラスなどの絶縁材料を用いる第１基板（キャップ層）２０５、単結晶シリコンなどを用いる第２基板２０１（２０２、２０３、２０４も含む）、およびガラスなどの絶縁材料を用いる第３基板（支持層）２０６が積層されて構成される。第２基板の単結晶シリコンは電気的な導通を取るためたとえば低抵抗シリコンが使用される。また貫通電極２０７および２０８は金などの金属を埋め込むことにより形成され、加速度スイッチを外部と結びつけるための接点となる。また第１基板と第３基板は陽極接合などの方法により第２基板と接合される。

　ここで図５に示すように矢印方向に加速度が加わるとスイッチ全体は矢印方向に運動し、梁で支えられた質量体は運動しないため、質量体内部の空間にある対向電極２０４と質量体２０３が接触する。なお図５ではわかりやすくするため、質量周辺の梁や周辺部は省略されている。これにより電気的導通が対向電極２０４から質量体２０３、梁２０２、基板周辺部２０１、貫通電極２０７を通り外部接点とつながる。また対向電極２０４はもう一つの貫通電極２０８を通じて外部接点とつながる。

　これによりこの加速度スイッチを電子デバイスのスイッチとして使用すれば、振動を検知したときのみ電子デバイスを起動させ、振動を検知しないときは電子デバイスをオフの状態にすることにより、無駄なバッテリーの使用を制限することなどができる。

　ここで上述したように、重り中心に空間と、さらにその空間内部に対向電極を持つ加速度スイッチでは、平面方向に感度が均一であるためには、複数の梁で重りを支える方が偏りは少なくでき、無指向性のスイッチとして優良となる。しかしこの場合、梁の本数を多くすると重りの変位は小さくなり感度は低下する。そこで梁を１本でささえた場合の、重りの平面方向変位の偏りを検証し、１本梁の場合の使用の可否を検討する。１本の梁で重りを支えた場合でも重りの変位の平面方向での偏りが少なければ、１本梁の場合が最良となる。
重りを１本の梁で支えた場合の平面方向の変位

　ここではシミュレーションにより、Ｓｉ単結晶を構造体の材料として用い、１Ｇの加速度を重りのＺ軸方向およびＸ−Ｙ平面方向に同時に加えたときの変位を計算し、変位の偏りを検証する。これは加速度スイッチを水平に置き、さらに平面方向に加速度を加えたことに相当する。

　まずシミュレーションをする加速度スイッチの形状と条件につき、以下のように設定する。
計算に用いたスイッチ構造を図６に示す。図６は加速度スイッチ００３の上面図であり、Ｘ−Ｙ平面上にＸ軸、Ｙ軸の交点を（０、０）として描いた。図７は図６のＸ軸方向の断面図である。ここでは重りの変位に注目したため、中心の対向電極は省いてある。また図６は図２から図４で説明した加速度スイッチのように加速度スイッチの全体ではなく、シミュレーションに必要な可動部分を含む構造体部分のみを描いている。計算は重りの最大変位について行い、また梁の厚さを２０マイクロメーターおよび４０マイクロメーターの２種類の場合について計算した。シミュレーションのためのシミュレーターはコベンターを使用した。

　なお計算モデルは螺旋を描くのは手間がかかるため２つの円弧を繋いだ。円弧の左半分は下記の寸法で描き右半分は左半分の円弧の端の座標を繋ぐ円弧として描いた。ただし重り中心の空間は左右対称の真円とした。円弧の左半分の各寸法は下記の通りで、これらは図６および図７の表記の値である。また梁の幅、梁と外枠との間隔、梁と重り外形との間隔、梁の厚さおよび重りの厚さは左右とも同一である。
シミュレーションモデルの左半分の寸法。（構造体の厚みは左右共同じ。単位はマイクロメーター）
　重り内の半径（ａ）：　１００
　重り外形の半径（ｂ）：　５８５
　外枠の半径（ｃ）：　６３５
　梁の内側の半径（ｄ）：　６０５
　梁の外形の半径（ｅ）：　６１５
　梁の幅（ｆ）：　１０
　梁と外枠との間隔（ｇ）：　２０
　梁と重り外形との間隔（ｇ）：　２０
　梁の厚さ（ｈ）：　２０　および　４０
　重りの厚さ（ｉ）：　３５０

　またシミュレーションに使用したＳｉ単結晶の物性値は下記のとおりである。
　ヤング率　　：　１６５ＧＰａ
　ポアソン比　：　０．３０
　密度　　　　：　２５００Ｋｇ／立法メートル

　上記図６に示す形状でＺ軸およびＸ軸方向に１Ｇの加速度を加えた場合のシミュレーン結果は下記の通りである。
梁の厚さが２０マイクロメーターの場合の重りの変位。（単位はマイクロメーター）
　Ｘ方向の最大変位：２３．６７
　Ｙ方向の最大変位：　３．４２
梁の厚さが４０マイクロメーターの場合の重りの変位。（単位はマイクロメーター）
　Ｘ方向の最大変位：１２．１７
　Ｙ方向の最大変位：　１．８７

　また同様に上記に示す形状でＺ軸およびＹ軸方向に１Ｇの加速度を加えた結果は下記の通りである。
梁の厚さが２０マイクロメーターの場合の重りの変位。（単位はマイクロメーター）
　Ｙ方向の最大変位：２３．７０
　Ｘ方向の最大変位：　０．６５
梁の厚さが４０マイクロメーターの場合の重りの変位。（単位はマイクロメーター）
　Ｙ方向の最大変位：１２．０９
　Ｘ方向の最大変位：　０．３４

　上記結果より
　１）　Ｘ軸方向に加速度を加えた場合のＸ軸方向の最大変位とＹ軸方向に加速度を加えた場合のＹ軸方向の最大変位との差は２．５％程度であり、Ｘ、Ｙ方向にほぼ同等の変位を示す。
　２）　Ｘ軸方向に加速度を加えた場合、傾きとしてＹ方向へ変位する量（Ｙ方向の最大変位）は、Ｘ方向の最大変位の１４％程度（梁の厚さが２０マイクロメーターの場合）、および１５％程度（梁の厚さが４０マイクロメーターの場合）である。
　３）　Ｙ軸方向に加速度を加えた場合、傾きとしてＸ方向へ変異する量（Ｘ方向の最大変位）は、Ｙ方向の最大変位の２．７％程度（梁の厚さが２０マイクロメーターの場合）、および２．８％程度（梁の厚さが４０マイクロメーターの場合）である。

　上記１）から３）によりＸ方向とＹ方向の感度はほぼ同等であり、かつそれぞれ加速度が加えられた方向に重りが素直に変位し、傾いた方向に変位することもあまりない。したがって、たとえば人間の動きを振動で感知してポータブルな電子デバイスのＯＮ，ＯＦＦを行うような使い方としては十分に等方的な感度を持ち、偏った感度のために加速度の方向によっては感度が低いとか、感度を持たないなどの懸念はないといえる。
以上のことから高感度で等方的な感度をもたせるためには、１本梁の場合が最適であるといえる。なお梁は上記では一巻きとなっているが、二巻き、三巻き等の多重巻きでも良い。

本発明の参考文献の実施形態である加速度スイッチ００１の構成を説明する上面側から見た図である。本発明の参考文献の実施形態を単純化して説明するための加速度スイッチ００２の構成を説明する上面図である。またこの図は説明をわかりやすくするため断面図である図３をＢ−Ｂ´平面で切った図となっている。同加速度スイッチ００２の構成を説明するため図２のＡ−Ａ´面で切った断面図である。同加速度スイッチ００２のキャップ層（第１基板）の上面図である。同加速度スイッチ００２の動作を説明する図である。シミュレーションを行う加速度スイッチ００３の上面図である。同加速度スイッチ００３のＸ軸方向に切った断面図である。

００１　意匠文献にある無指向性の加速度スイッチ
１０１　加速度スイッチ００１の周辺部
１０２　加速度スイッチ００１の梁部分
１０３　加速度スイッチ００１の梁部分
１０４　加速度スイッチ００１の梁部分
１０５　加速度スイッチ００１の梁部分
１０６　加速度スイッチ００１の重り部分
１０７　加速度スイッチ００１の対向電極
００２　意匠文献にある無指向性の加速度スイッチを単純化した加速度スイッチ
２０１　加速度スイッチ００２の周辺部
２０２　加速度スイッチ００２の梁部分
２０３　加速度スイッチ００２の重り部分
２０４　加速度スイッチ００２の対向電極
２０５　加速度スイッチ００２の第１基板
２０６　加速度スイッチ００２の第３基盤
２０７　加速度スイッチ００２の貫通電極
２０８　加速度スイッチ００２の貫通電極
００３　シミュレーションに用いた加速度スイッチ
３０１　加速度スイッチ００３の周辺部
３０２　加速度スイッチ００３の梁部分
３０３　加速度スイッチ００３の重り部分

Claims

内側に空間を持つ質量体と、前記質量体を支え、かつ前記質量体を取り囲むように配置される、螺旋状、円弧状、多角形状または前記形状の組み合わせによる形状の梁と、前記質量体の前記空間に対向電極を持つ加速度スイッチにおいて、前記梁が１本で前記質量体を支えていることを特徴とする、
加速度スイッチ。
請求項１における加速度スイッチにおいて、シリコン単結晶を構造体の材料として用いることを特徴とする、
加速度スイッチ。