(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さＬ、可変の幅ｗ（ｘ）、可変の厚さｔ（ｘ）であり、
断面二次モーメントＩ（０≦ｘ≦ｌ１）を有し、ｘ＝０において第１の末端部（ＤＥ）を有し、長さがｌ１である第１の縦区画（ＬＳ１）と、
一定の断面二次モーメントＩ（ｌ１＜ｘ≦ｌ１＋ｌ２）を有し、前記第１の縦区画（ＬＳ１）に付着しており、長さがｌ２である第２の縦区画（ＬＳ２）と、
断面二次モーメントＩ（ｌ１＋ｌ２＜ｘ≦ｌ１＋ｌ２＋ｌ３）を有し、前記第２の縦区画（ＬＳ２）に付着しており、ｘ＝Ｌにおいて第２の末端部（ＤＥ）を有し、長さがｌ３である第３の縦区画（ＬＳ３）とを備え、
前記第１の縦区画（ＬＳ１）の断面二次モーメントは、ｘ＝０からｘ＝ｌ１において単調減少し、
前記第３の縦区画（ＬＳ３）の断面二次モーメントは、ｘ＝ｌ１＋ｌ２からｘ＝ｌ１＋ｌ２＋ｌ３において単調増加し、
ｘは該弾性装置の縦軸に沿った位置を示し、
ｌ１＋ｌ２＋ｌ３＝Ｌであり、ｘ、ｌ１、ｌ２、ｌ３、Ｌ、ｗおよびｔは０より大きい実数である弾性装置（ＲＤ）において、
前記弾性装置は、前記長さＬの全長にわたって曲線である曲線軌道をたどり、前記ｘは、前記曲線軌道上の位置を示す、ことを特徴とする弾性装置。
【請求項２】
前記第１の縦区画（ＬＳ１）の断面二次モーメントは、ｘ＝０からｘ＝ｌ１において単調減少する、または、
前記第３の縦区画（ＬＳ３）の断面二次モーメントは、ｘ＝ｌ１＋ｌ２からｘ＝ｌ１＋ｌ２＋ｌ３において単調増加する、
ことを特徴とする請求項１に記載の弾性装置。
【請求項３】
全ての縦の位置ｘにおける断面（ＣＳ）は、断面積ａ（ｘ）＝ｗ（ｘ）×ｔ（ｘ）の長方形であることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性装置。
【請求項４】
前記厚さｔ（ｘ）は、該装置全体にわたって一定であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項５】
断面二次モーメントＩ（ｘ）は、前記第１の縦区画（ＬＳ１）におけるｘの増加に伴い直線的に減少し、前記第３の縦区画（ＬＳ３）では直線的に増加することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項６】
アンカー要素（ＡＥ）と固く結合する末端部（ＤＥ）を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の弾性装置（ＲＤ）。
【請求項７】
該装置はＭＥＭＳデバイス（ＭＤ）の一部であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項８】
前記ＭＥＭＳデバイス（ＭＤ）の可動要素（ＭＥ）と結合する末端部（ＤＥ）を備えることを特徴とする請求項７に記載の弾性装置。
【請求項９】
前記第１の縦区画（ＬＳ１）および前記第３の縦区画（ＬＳ３）において、前記幅ｗ（ｘ）は、１５μｍから６０μｍまで変動することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項１０】
前記第２の縦区画（ＬＳ２）の長さｌ２は、０であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項１１】
該装置の前記幅ｗ（ｘ）は、０≦ｘ≦Ｌの間において、０．４×ｗｍａｘと１．０×ｗｍａｘとの間を変動し、前記ｗｍａｘは前記幅ｗ（ｘ）の最大値であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項１２】
該装置の縦区画（ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３）は、金属、無機絶縁体、セラミック、Ａｌ合金またはプラスチックのいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項１３】
ＭＥＭＳデバイス（ＭＤ）において使用され、可動要素（ＭＥ）のサスペンション要素（ＳＥ）と、固定された外付けのアンカー要素（ＡＥ）とを連結することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の弾性装置。
【請求項１４】
四つの請求項１３に記載の弾性装置（ＲＤ）によって、二つの固定された外付けのアンカー要素（ＡＥ）の間を可撓性を有するように懸吊されている長方形の可動要素（ＭＥ）を備え、
前記可動要素（ＭＥ）の二つの対向する側面のそれぞれには、前記弾性装置（ＲＤ）のうちの二つが、各々、前記弾性装置（ＲＤ）の末端部（ＤＥ）のうちの一つにおいて、一つの前記アンカー要素（ＡＥ）の二つの側面の一方と結合し、
前記弾性装置（ＲＤ）のそれぞれの他方の末端部は、各々、前記可動要素（ＭＥ）のサスペンション要素（ＳＥ）と結合することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
二つの請求項１３に記載の弾性装置（ＲＤ）によって、二つの固定された外付けのアンカー要素（ＡＥ）の間を可撓性を有するように懸吊されている、台形状の可動要素（ＭＥ）を備え、
前記可動要素（ＭＥ）の二つの対向する非平行の側面のそれぞれには、二つの前記弾性装置（ＲＤ）のうちの一つが、前記弾性装置（ＲＤ）の末端部（ＤＥ）のうちの一つにおいて、前記可動要素（ＭＥ）の非平行の側面のそれぞれにあるサスペンション要素（ＳＥ）と結合し、
それぞれの前記弾性装置（ＲＤ）の他方の末端部は、前記アンカー要素（ＡＥ）のそれぞれの一つと結合することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＭＥＭＳデバイスに適用できる、垂直に動く弾性装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の弾性装置（例えば、一定の断面を有するばね）、または、ＭＥＭＳデバイスに使用されているばね要素は、これらの装置等の限定された小さい領域に高い応力がかかるおそれがある。その結果、このような高い応力がかかった領域は、後の故障の起点の位置となることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、最大応力値を減らすように改良された幾何学的な形状を有し、例えば、一般的な塑性変形、疲労、または、機械的な過大ひずみにより故障しがちな傾向を減らす弾性装置が必要になる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、断面二次モーメントＩ（０≦ｘ≦ｌ１）を有し、ｘ＝０において第１の末端部を有する長さｌ１の第１の縦区画と、一定の断面二次モーメントＩ（ｌ１＜ｘ≦ｌ１＋ｌ２）を有し、第１の縦区画に付着している長さｌ２の第２の縦区画と、断面二次モーメントＩ（ｌ１＋ｌ２＜ｘ≦ｌ１＋ｌ２＋ｌ３）を有し、第２の縦区画に付着しており、ｘ＝Ｌにおいて第２の末端部を有する長さｌ３の第３の縦区画とを備え、第１の縦区画の断面二次モーメントはｘ＝０からｘ＝ｌ１において単調減少し、第３の縦区画の断面二次モーメントはｘ＝ｌ１＋ｌ２からｘ＝ｌ１＋ｌ２＋ｌ３において単調増加する、長さがＬ、可変の幅ｗ（ｘ）、可変の厚さｔ（ｘ）の弾性装置を提供する。ここで、ｘは弾性装置の縦軸に沿った位置を示し、ｌ１＋ｌ２＋ｌ３は弾性装置の合計の長さＬに等しく、さらに、ｘ、ｌ１、ｌ２、ｌ３、Ｌ、ｗおよびｔは０より大きい実数である。弾性装置は直線の構造に限定されず、曲線の道すなわち軌道をたどりうるということを説明する。ここで、ｘは軌道に沿った線上の位置を示す。
【０００５】
ｘ軸に沿った直線のはりの断面二次モーメントＩＸは、
【数１】
0005616641.tif 000002
として定義される。ここで、ｄＡは微小面積要素を意味し、ｙはｘ軸から要素ｄＡへの垂直距離を意味する。曲線軌道に沿った弾性装置のそれぞれの短い部分は、局所的に直線のはりの部分として近似することができる。垂直に動く弾性装置のキンクの生じやすさは、直接的にこのような装置の幾何学的な細部によるものではなく、断面二次モーメントＩのみによるものである。そのため、弾性装置の幾何学的な細部はある程度自由にデザインできるが、一方、所望の断面二次モーメントの値は制限される。
【０００６】
ここで、単調減少／単調増加という表現は、第１の縦区画または第３の縦区画において、それぞれの断面二次モーメントが一定となる部分を含んでもよいことを意味する。
【０００７】
好ましい形態においては、第１の縦区画および第３の縦区画のうちの少なくとも一つにおける断面二次モーメントが、それぞれの縦区画において、厳密に、単調減少／単調増加する。
【０００８】
さらに、それぞれの区画において、単調減少／単調増加している部分、および、厳密に単調減少／単調増加している部分を組み合わせることも可能である。
【０００９】
本発明の他の好ましい形態においては、弾性装置の断面が、全ての縦の位置ｘにおいて、略長方形である。断面積は、幅ｗおよび厚さｔの積となる。そのような形状の装置の場合、断面二次モーメントを所望の値にするための、幅ｗおよび厚さｔの比率の計算を簡単にすることができる。さらに正確にいうと、断面二次モーメントは、
【数２】
0005616641.tif 000003
である。
【００１０】
さらに、弾性装置の端部における局所的な高応力領域を避けるために、弾性装置は面取りされた側端部を備えることが好ましい。
【００１１】
さらに好ましくは、弾性装置の厚さｔをデバイス全体にわたって一定に保つ。断面の形状が一定ならば、装置の幅ｗが唯一調整できるパラメーターとなる。厚さを一定にすると、製造工程が簡単になるため、特にＭＥＭＳデバイスの場合において好ましい。
【００１２】
さらに好ましくは、断面二次モーメントが、第１の縦区画において直線的に減少し、第３の縦区画において直線的に増加する。キンクの生じやすさは、有効レバーの長さに比例し、断面二次モーメントに反比例しているので、このような弾性装置のキンクの生じやすさは、縦軸にわたってほぼ一定を保ち、ほとんど一定の応力値となる。
【００１３】
他の好ましい形態においては、弾性装置が一方の末端部において、アンカー要素と固く結合している。このような弾性装置は、ＭＥＭＳデバイスの一部となりうる。
【００１４】
弾性装置をＭＥＭＳデバイスの一部とした場合、好ましくは、一方の末端部は可動要素と結合する。もう一方の末端部はアンカー要素と結合しうる。弾性装置が一定の厚さであっても、そうでなくても、第１の縦区画および第３の縦区画において、幅ｗは最大幅の２５％から１００％の間で変化しうる。好ましい実際の形態では、第１の縦区画および第３の縦区画において、幅ｗは１５から６０μｍの間で変化しうる。その他の好ましい形態では、第１の縦区画および第３の縦区画において、幅は２０から４０μｍに変化しうる。第２の縦区画の長さを０にすることも可能である。その場合、第１の縦区画および第３の縦区画をお互い直接的に付着させる。他の好ましい形態では、弾性装置の幅は、装置の全体の長さにわたって最大幅の４０％以下に及ぶことはない。
【００１５】
弾性装置は金属、特にアルミニウム合金、無機誘電体またはセラミックから構成されうる。また、プラスチックからも構成されうる。
【００１６】
特に好ましくは、ＭＥＭＳデバイスにおいて使用される弾性装置は、可動要素のサスペンション要素と、ＭＥＭＳデバイスの固定された外付けのアンカー要素とを連結する。可動要素は、略長方形または台形状でよく、長方形または台形状の膜でよく、さらに、角や側端部は尖っていても面取りされていても構わない。
【００１７】
好ましい形態では、このような弾性装置の四つがＭＥＭＳデバイスに使用される。該ＭＥＭＳデバイスは略長方形の可動要素を備え、四つの弾性装置によって二つの固定された外付けのアンカー要素の間で可撓性を有するように懸吊されている。該可動要素の二つの対向する側面のそれぞれには、弾性装置のうちの二つが、各々、該弾性装置の末端部のうちの一つにおいて、一つのアンカー要素の二つの側面の一方と結合している。弾性装置のそれぞれの他方の末端部は、可動要素のそれぞれのサスペンション要素と結合している。弾性装置は、必ずしも直線軌道に沿っている必要はない。軌道上のそれぞれの場所において、断面二次モーメントの条件を満たしている限り、任意の形状の軌道もとりうる。したがって、横の応力がかからない状態であっても、すなわち該装置が待機状態にあっても、弾性装置は曲線構造／形状をとりうる。
【００１８】
他の好ましい形態は、二つの弾性装置によって、二つの外付けのアンカー要素と可撓性を有するように結合している台形状の可動要素を備えるＭＥＭＳデバイスに関する。可動要素の二つの対向する非平行の側面のそれぞれには、弾性装置のうちの一つが、その末端部のうちの一つにおいて、それぞれのアンカー要素と結合している。一方、それぞれの弾性装置の他方の末端部は、可動要素のサスペンション要素と結合している。
【００１９】
可動要素のサスペンション要素は、弾性装置を可動要素に固定するための特有の手段によって実現することができる。それとは別に、サスペンション要素という表現は、弾性装置が固定される場所である可動要素の一部分のことも示しうる。
【００２０】
以下に示す詳細な説明およびそれに伴う図面から、本発明は充分理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１、第２および第３の縦区画を備える弾性装置の図である。
【図２】弾性装置の上面図である。
【図３】第１および第３の縦区画のみを備える弾性装置の上面図を示す。
【図４】第１および第３の縦区画を備え、それぞれ厚さが非直線的に増加または減少している弾性装置の断面図である。
【図５】面取りされた側端部を有する弾性装置の断面図である。
【図６】アンカー要素と可動要素のサスペンション要素との間を連結する四つの弾性装置の図である。
【図７】可動要素をアンカー要素に連結している四つの曲線軌道を有する弾性装置の図である。
【図８】二つの弾性装置によって懸吊されている台形状の可動要素を有するＭＥＭＳデバイスの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、第１の縦区画ＬＳ１、幅および厚さが一定である第２の縦区画ＬＳ２、および、第３の縦区画ＬＳ３を有する、長さがＬである弾性装置ＲＤの図である。第１の縦区画ＬＳ１の始まり、および、第３の縦区画ＬＳ３の終わりは、弾性装置ＲＤの末端部ＤＥと示している。第１の縦区画ＬＳ１の幅ｗは厳密に単調減少しており、その一方で、第３の縦区画の幅は厳密に単調増加している。厚さｔは、全体の長さＬにわたって一定である。
【００２３】
図２は、長さｌ１の第１の縦区画ＬＳ１と、長さｌ２で一定の幅ｗの第２の縦区画ＬＳ２と、長さｌ３の第３の縦区画ＬＳ３とを備える弾性装置の上面図である。弾性装置の全体の長さＬは、第１、第２および第３の縦区画の長さの合計であるｌ１＋ｌ２＋ｌ３と等しい。この実施の形態においては、第１の縦区画ＬＳ１の幅は、位置ｘが増加するにつれて直線的に減少しており、第３の縦区画ＬＳ３の幅は、位置ｘが増加するにつれて直線的に増加している。
【００２４】
図３は、第１の縦区画ＬＳ１および第３の縦区画ＬＳ３のみを備える弾性装置の図であり、すなわち、第２の縦区画ＬＳ２の長さが０である。図２と同様に、幅ｗは、縦区画ＬＳ１においては直線的に減少しており、縦区画ＬＳ３においては直線的に増加している。また、弾性装置の全体の長さは、第１の縦区画ＬＳ１および第３の縦区画ＬＳ３の長さの合計ｌ１＋ｌ３と等しい。
【００２５】
以下の図面においては、弾性装置はｘ方向に向かって延び、幅はｙ方向に向かって延び、厚さはｚ方向に向かって延びるデカルト座標系を前提としている。
【００２６】
図４は、弾性装置のｘ軸と平行に切断した断面図である。該弾性装置は、ｘが増加するにつれて厚さｔが非直線的に減少している第１の縦区画ＬＳ１と、ｘが増加するにつれて厚さｔが非直線的に増加している第３の縦区画ＬＳ３とを備える。
【００２７】
図５は、ｙｚ平面に平行な断面を示す弾性装置の断面図である。該断面は、面取りされた側端部ＣＬＥを持つ略長方形で、厚さはｔ、幅はｗである。点線は完全な長方形を示している。一方、連続した曲線は完全な長方形から逸脱していることを示しており、すなわち、面取りされた側端部を有する形状であることを示している。技術に熟練した者がその断面を長方形の断面とみなしうるほど、その逸脱を充分に小さくしてもさしつかえない。
【００２８】
図６は、ＭＥＭＳデバイスの一部になりうる構造を示す図である。該ＭＥＭＳデバイスは、二つのアンカー要素ＡＥと、可動要素ＭＥと、四つのサスペンション要素ＳＥとを備える。可動要素ＭＥは膜Ｍであってもよい。四つのサスペンション要素ＳＥのうちの二つは、可動要素ＭＥの一方の側面に固定されており、他の二つは可動要素ＭＥの反対の側面に固定されている。四つの弾性装置ＲＤは、サスペンション要素ＳＥをアンカー要素ＡＥに連結している。可動要素ＭＥの対向する側面のそれぞれには、二つの弾性装置ＲＤが、それらの末端部ＤＥの一つにおいて、二つのサスペンション要素のうちの一つと結合しており、他方の末端部（ＤＥ）は共通の一つのアンカー要素と結合している。弾性装置の末端部は、ｚ方向に平行に（または、平行でかつ方向が正反対に）位置がずれるので、可動要素はｚ方向の正の方もしくは負の方に向かって移動しうるか、または、傾きうる。すなわち、可動要素の一方の端がｚ軸の負の方向へ動き、可動要素の他方の端がｚ軸の正の方向に動く。類推して、可動要素ＭＥはｚ方向に向かって伸長しながら振動もしうる。
【００２９】
図７は、直線ではなく、それぞれ曲線の軌道ＴＲに沿った四つの弾性装置ＲＤを有している、図６の構造の変形例の図である。弾性装置ＲＤの一つの末端部ＤＥは、二つのアンカー要素ＡＥのうちの一つと結合しており、一方、弾性装置ＲＤの他方の末端部ＤＥは、サスペンション要素ＳＥにおいて可動要素ＭＥと結合している。図７には、四つの弾性装置ＲＤが示されている。しかし、当該図中では、便宜上簡易にするため、弾性装置ＲＤの一つの典型例のみ表記している。サスペンション要素ＳＥは、弾性装置ＲＤの一方の末端部ＤＥに、または、末端部ＤＥが可動要素ＭＥに固定されている場所にも形成されうる。このような場合、可動要素および弾性装置は、一つの部品として、および／または、一つの共通の生産工程において製造される。特に、弾性装置と可動要素との間の連結の高い応力を考慮し、特別な要件を満たさなければならない場合には、弾性装置と可動要素との間の連結箇所に、特別な実施手段が適用されうる。これは、例えば、可動要素ＭＥの厚さ、または、弾性装置の末端部ＤＥにおける厚さを、特有に変更することによって可能である。
【００３０】
図８は、曲線軌道ＴＲを有する二つの弾性装置ＲＤが、台形状の可動要素ＭＥの非平行な側面を二つのアンカー要素ＡＥに連結する、他の実施の形態の図である。図８を図７と比較すると、図８では弾性装置は可動要素の縁に直接固定されているが、図７では弾性装置は可動要素の縁に直接固定されておらず、固定箇所と可動要素ＭＥの縁との間にギャップＧＰを残しているということがわかる。両方の構造のいずれにおいても、これら二つの形状を選ぶことができる。ギャップＧＰの大きさは、可動要素それぞれの、変形やねじれの形状によって異なる。可動要素をアンカー要素に連結する弾性装置を備えるＭＥＭＳデバイスを設計する場合、このギャップの大きさは、技術者にもう一つの自由度を与える。技術者は、例えば、結果として、サスペンション要素において、すなわち、弾性装置が可動要素に固定されている領域において、トルクの値に影響を与えるという機会をもつことになる。
【００３１】
本発明は、応力の最大値が小さい、垂直に動く弾性装置に関する。基本的概念は、弾性装置の幾何学的な細部の詳細によるものではない。さらに、本発明は、実施の形態またはそれに伴う図面によって制限されない。本発明から逸脱することなく、代替する実施の形態もまた可能である。
【符号の説明】
【００３２】
ＡＥ  アンカー要素
ＣＬＥ  面取りされた側端部
ＣＳ  断面
ＤＥ  末端部
ＧＰ  ギャップ
Ｌ  ＲＤの長さ
ＬＥ  側端部
ＬＳ１  第１の縦区画
ＬＳ２  第２の縦区画
ＬＳ３  第３の縦区画
Ｍ  膜
ＭＤ  ＭＥＭＳデバイス
ＭＥ  可動要素
ＲＤ  弾性装置
ＳＥ  サスペンション要素
ｔ  ＲＤの厚さ
ＴＲ  軌道
ｗ  ＲＤの幅
【図１】
0005616641.tif 000004
【図２】
0005616641.tif 000005
【図３】
0005616641.tif 000006
【図４】
0005616641.tif 000007
【図５】
0005616641.tif 000008
【図６】
0005616641.tif 000009
【図７】
0005616641.tif 000010
【図８】
0005616641.tif 000011