(57)【要約】【課題】優れた導電性を発揮しつつも、ばね材のみを用いて形成されたカンチレバーと同等またはそれに近い曲げ特性を発揮することができるカンチレバーを提供する。【解決手段】本実施形態のカンチレバー１においては、内側層２の断面がカンチレバー１の曲げの中立軸Ｌと重なる位置または中立軸Ｌ付近の位置であって、内側層２の断面の重心軸Ｇをカンチレバー１の中立軸Ｌから引張応力発生側にシフトさせた位置に内側層２が積層されている。また、外側層３、４は、内側層２の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側から内側層２を挟むように積層されている。【選択図】図３
2011080835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造のカンチレバーの全体の重心軸を曲げの中立軸として、
断面が前記中立軸と重なる位置または前記中立軸付近の位置であって前記断面の重心軸を前記中立軸から引張応力発生側にシフトさせた位置に積層されている内側層と、
前記内側層に用いられる材料の耐力よりも高い耐力を有する材料を用いて形成されており、かつ、前記内側層の前記引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側から前記内側層を挟むように積層されている外側層と
を備えていることを特徴とするカンチレバー。
【請求項２】
前記内側層は、前記引張応力発生側において生じる最大引張ひずみが引張破断ひずみに到達するときに前記圧縮応力発生側において生じる最大圧縮ひずみが圧縮破断ひずみもしくは前記圧縮破断ひずみに近いひずみに到達する積層位置および厚さに設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー。
【請求項３】
前記内側層は、前記外側層に用いられる材料よりも導電性に優れた金属材料を用いて形成されており、
前記外側層は、前記内側層に用いられる材料よりも曲げ特性に優れた金属材料を用いて形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のカンチレバー。
【請求項４】
前記内側層の材料は、Ｃｕ金属またはＣｕを主成分とする合金であり、
前記外側層の材料は、Ｎｉ−Ｐ合金またはＮｉ−Ｐを主成分とする合金である
ことを特徴とする請求項３に記載のカンチレバー。
【請求項５】
前記内側層は、全体の厚さの１／７の厚さであり、
前記内側層の前記引張応力発生側に配置された前記外側層は、全体の厚さの２／７の厚さであり、
前記内側層の前記圧縮応力発生側に配置された前記外側層は、全体の厚さの４／７の厚さである
ことを特徴とする請求項４に記載のカンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバーに係り、特に、プローブカードに用いられるプローブピンなど、良好な曲げ特性および導電性が必要とされる導電性接触端子に好適に利用できるカンチレバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、例えばプローブカードに用いられるプローブピンや種々の接触子としてカンチレバーが用いられている。ここで、カンチレバーに対して、曲げ特性だけでなく、導電性などの曲げ特性以外の性能を求める場合、曲げ特性に優れたばね層と曲げ特性以外の性能に優れた他層とを積層させて得たカンチレバーが用いられる。
【０００３】
従来のカンチレバー１０１は、その一例として、図７に示すように、中間層１０２および外側層１０３、１０４を備えており、その一端が例えば基板１１０に固定されている。この従来のカンチレバー１０１は、プローブピンとして用いられているため、中間層１０２は導電性に優れた金属を用いて形成されており、外側層１０３、１０４は曲げ特性に優れた金属を用いて形成されていた。また、中間層１０２はカンチレバー１０１の中心に位置しており、外側層１０３、１０４は中間層１０２の外周を覆うように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３３７１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、導電性に優れた金属を用いて形成された中間層１０２は外側層１０３、１０４と比較して曲げ特性に乏しいため、積層構造の従来のカンチレバー１０１の曲げ特性は曲げ特性に優れた金属のみを用いて形成されたカンチレバーの曲げ特性と比較して大きく劣ってしまうという問題があった。
【０００６】
特に、上記問題については、従来のカンチレバー１０１をプローブピンとして用いる場合に顕著に現れる傾向にある。プローブピンは微細化の一途をたどりつつもその許容電流が年々高くなっていることから、プローブピンの開発者はプローブピンを微細化しつつもアンペアオーダーの電流を許容できる程度にその導電性を向上させたいと考えている。しかしながら、導電層となる中間層１０２は機械的特性に乏しいため、従来のカンチレバー１０１の厚みを変更せずに中間層１０２の厚みを単純に厚くすると、プローブピンの寸法が小さいためにその曲げ特性が大きく低下してしまう。これでは、プローブピンの狭ピッチ化および高ストローク化により発生する高応力にプローブピンとしての従来のカンチレバー１０１が耐えることができない。
【０００７】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、優れた導電性を発揮し、かつ、ばね材のみを用いて形成されたカンチレバーと同等またはそれに近い曲げ特性を発揮することができるカンチレバーを提供することを本発明の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述した目的を達成するため、本発明のカンチレバーは、その第１の態様として、多層構造のカンチレバーの全体の重心軸を曲げの中立軸として、その断面が中立軸と重なる位置または中立軸付近の位置であって断面の重心軸を中立軸から引張応力発生側にシフトさせた位置に積層されている内側層と、内側層に用いられる材料の耐力よりも高い耐力を有する材料を用いて形成されており、かつ、内側層の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側から内側層を挟むように積層されている外側層とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
本発明の第１の態様のカンチレバーによれば、カンチレバーに用いられる一般的な材料においてはそれに圧縮変形が生じたときのほうが引張変形が生じたときよりも塑性変形が生じやすいことに鑑み、外側層よりも塑性変形しやすい内側層に対して圧縮変形よりも引張変形が生じやすいようにその積層位置を引張応力発生側にシフトしているため、内側層の重心軸が中立軸に配置された従来のカンチレバーと比較して本発明のカンチレバーの破断応力および破断ひずみを大きくすることができる。
【００１０】
本発明の第２の態様のカンチレバーは、第１の態様のカンチレバーにおいて、内側層は、引張応力発生側において生じる最大引張ひずみが引張破断ひずみに到達するときに圧縮応力発生側において生じる最大圧縮ひずみが圧縮破断ひずみもしくは圧縮破断ひずみに近いひずみに到達する積層位置および厚さに設定されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明の第２の態様のカンチレバーによれば、内側層の引張破断および圧縮破断がほぼ同時に生じる積層位置および厚さに内側層を設定しているため、内側層の引張破断または圧縮破断のどちらか一方がその他方よりも早く生じることを防止し、結果として本発明のカンチレバーの破断応力および破断ひずみを大きくすることができる。
【００１２】
本発明の第３の態様のカンチレバーは、第１または第２の態様のカンチレバーにおいて、内側層は、外側層に用いられる材料よりも導電性に優れた金属材料を用いて形成されており、外側層は、内側層に用いられる材料よりも曲げ特性に優れた金属材料を用いて形成されていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の第３の態様のカンチレバーによれば、カンチレバーの導電性および曲げ特性がともに向上するので、本発明のカンチレバーをプローブピンなどの曲げを伴う導電性接触端子に用いることができる。
【００１４】
本発明の第４の態様のカンチレバーは、第３の態様のカンチレバーにおいて、内側層の材料はＣｕ金属またはＣｕを主成分とする合金であり、外側層の材料はＮｉ−Ｐ合金またはＮｉ−Ｐを主成分とする合金であることを特徴としている。
【００１５】
本発明の第４の態様のカンチレバーによれば、他の材料を用いる場合と比較して、導電性および曲げ特性ならびにコストパフォーマンスを向上させることができる。
【００１６】
本発明の第５の態様のカンチレバーは、第４の態様のカンチレバーにおいて、内側層は全体の厚さの１／７の厚さであり、内側層の引張応力発生側に配置された外側層は全体の厚さの２／７の厚さであり、内側層の圧縮応力発生側に配置された外側層は全体の厚さの４／７の厚さであることを特徴としている。
【００１７】
本発明の第５の態様のカンチレバーによれば、本発明のカンチレバーが外側層の材質のみを用いて形成されたカンチレバーと同等の曲げ特性を発揮することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のカンチレバーによれば、内側層の積層位置を中立軸上もしくは中立軸付近かつ引張応力発生側にシフトすることにより本発明のカンチレバーの断面構造を非対称構造にしたので、カンチレバーの破断応力および破断ひずみが大きくなる。その結果、本発明のカンチレバーについて、優れた導電性を発揮し、かつ、外側層の材質（ばね材）のみを用いて形成されたカンチレバーと同等またはそれに近い曲げ特性を発揮することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のカンチレバーの一実施形態を示すその長手方向に平行な断面図
【図２】本実施形態のカンチレバーにおいて発生する応力分布を示すその長手方向に直交するＸ−Ｘ矢視断面図（引張応力発生側を上方にして示している。）
【図３】本実施形態のカンチレバーにおいて内側層が中立軸に重なる一例を示すその長手方向に直交する断面図
【図４】本実施形態のカンチレバーにおいて内側層が中立軸に重ならずに中立軸の付近に配置される一例を示すその長手方向に直交する断面図
【図５】本実施形態のカンチレバーにおいて内側層のシフト方向をそれぞれ異ならせて得た試料ＡおよびＢの曲げ特性を示す応力−ひずみ線図
【図６】試料Ｃ乃至Ｆの曲げ特性を示す応力−ひずみ線図
【図７】従来のカンチレバーの一例を示すその長手方向に平行な断面図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のカンチレバーをその一実施形態により説明する。
【００２１】
本実施形態のカンチレバー１は、図１に示すように、内側層２および外側層３、４を備えており、その一端が例えば基板１０に固定されている。本実施形態のカンチレバー１の形成方法については、例えば各層をめっき形成するめっき形成法や中空形成された外側層３、４の中空部に内側層２を挿入する挿入法など、積層構造を採用する従来のカンチレバー１の形成方法を採用することができる。なお、カンチレバー１の断面形状については、長方形であってもよいし、他形状であってもよい。
【００２２】
また、本実施形態のカンチレバー１の曲げ方向Ｍは、図１に示すように、内側層２および外側層３、４の積層位置に基づいて所定の方向に定められている。したがって、本実施形態のカンチレバー１においては、上記の曲げ方向Ｍの他に、少なくとも、図１および図２に示すように、カンチレバー１の中立軸（または中立面）Ｌを基準としてその内部に生じる引張応力の発生側（以下、「引張応力発生側」という。）および圧縮応力の発生側（以下、「圧縮応力発生側」という。）が上記の曲げ方向Ｍに関連して所定の方向に決められている。
【００２３】
内側層２は、図３または図４に示すように、内側層２の断面がカンチレバー１の曲げの中立軸Ｌと重なる位置または中立軸Ｌ付近の位置に積層されている。また、この内側層２は、内側層２の断面の重心軸Ｇを中立軸Ｌから引張応力発生側にシフトさせた位置に積層されている。
【００２４】
なお、図３に示すように、内側層２の断面が中立軸Ｌと重なる場合、カンチレバー１が所定の方向に曲げられたときに内側層２に引張応力および圧縮応力が印加される。また、図４に示すように、内側層２の断面が中立軸Ｌと重ならずに内側層２が中立軸Ｌ付近に位置する場合、カンチレバー１が所定の方向に曲げられたときに内側層２に引張応力もしくは圧縮応力の一方の応力が印加される。そのため、内側層２に印加される引張応力および圧縮応力の値をいずれもバランスよく低下させたい場合、図３に示すように、内側層２の断面が中立軸Ｌと重なる位置に内側層２を積層することが好ましい。その一方、内側層２の材質の特性により内側層２が圧縮応力に対して極端に弱い特性を示す場合については、図４に示すように、内側層２の断面が中立軸Ｌと重ならずに内側層２が中立軸Ｌ付近に位置することが好ましい。
【００２５】
また、図３に示すように、内側層２の断面が中立軸Ｌと重なる位置に内側層２が積層されている場合、図２に示すように、内側層２における中立軸Ｌから引張応力発生側に最も離れた位置においては最も大きな引張ひずみσｔが発生する。それに対し、内側層２における中立軸Ｌから圧縮応力発生側に最も離れた位置においては最も大きな圧縮ひずみσｃが発生する。ここで、上記の２つの最大ひずみをそれぞれ最大引張ひずみσｔおよび最大圧縮ひずみσｃとすると、内側層２は、その最大引張ひずみσｔが引張破断ひずみに到達するとき、その最大圧縮ひずみσｃが圧縮破断ひずみもしくは圧縮破断ひずみに近いひずみに到達する位置にシフトされた積層位置および厚さに設定されていることが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態のカンチレバー１をプローブピンなどの導電性接触端子として用いる場合、内側層２は外側層３、４に用いられる材料よりも導電性に優れた金属材料を用いて形成されていることが好ましい。上記条件を満たす金属材料は多数考えられる。例えば、内側層２の材料としては、Ｃｕ金属またはＣｕを主成分とする合金であることが好ましい。
【００２７】
外側層３、４は、図１から図４に示すように、内側層２の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側から内側層２を挟むように積層されている。この外側層３、４は、内側層２に用いられる材料の耐力よりも高い耐力を有する材料を用いて形成されている。材料の耐力を基準とした理由は、本実施形態のカンチレバー１の内部に生じる応力がその中立軸から断面厚さ方向に遠ざかるほど高くなり、それに伴って、カンチレバー１が同じ曲げ状態においても中立軸からの位置、すなわちカンチレバー１内の積層位置によってその内部に生じるひずみ量が異なることから、材料のヤング率よりもその機械的限界を示す耐力が重要になるためである。
【００２８】
また、外側層３、４の構造としては、カンチレバー１の曲げ方向Ｍにおいて積層構造を採用していればよい。したがって、外側層３、４がカンチレバー１の曲げ方向Ｍにおいて内側層２の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側の別々の層からなるサンドイッチ構造であっても良いし、内側層２の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側の層が一体となった中空管構造であっても良い。
【００２９】
また、本実施形態のカンチレバー１をプローブピンなどの導電性接触端子として用いる場合、外側層３、４は、内側層２に用いられる材料よりも曲げ特性に優れた金属材料を用いて形成されていることが好ましい。上記条件を満たす金属材料は多数考えられる。例えば、外側層３、４の材料としては、Ｎｉ−Ｐ合金またはＮｉ−Ｐを主成分とする合金であることが好ましい。
【００３０】
なお、本実施形態のＣｕ金属とＮｉ−Ｐ合金の機械的特性について、Ｃｕ金属の耐力は約０．４ＧＰａ、Ｎｉ−Ｐ合金の耐力は約２．０ＧＰａである。一方、Ｃｕ金属のヤング率は約９０ＧＰａ、Ｎｉ−Ｐ合金の耐力は約１１０ＧＰａである。このように、耐力およびヤング率について比較すると、Ｎｉ−Ｐ合金がＣｕ金属よりも高い値を示す。
【００３１】
また、内側層２および外側層３、４の最適な厚さおよび積層位置は、内側層２および外側層３、４の材質などの種々の条件によって好適な条件が異なる。例えば、内側層２の材料がＣｕであり、外側層３、４の材料がＮｉ−Ｐである場合、図３に示すように、内側層２の厚さは全体の厚さの１／７の厚さであり、内側層２の引張応力発生側に配置された部分の外側層３、４は全体の厚さの２／７の厚さであり、内側層２の圧縮応力発生側に配置された部分の外側層３、４は全体の厚さの４／７の厚さであることが好ましい。上記厚さの条件を採用する場合、内側層２の断面が中立軸Ｌと重なる位置に内側層２が積層される。
【００３２】
次に、本実施形態のカンチレバー１の作用効果を説明する。
【００３３】
本実施形態のカンチレバー１においては、図３または図４に示すように、内側層２の断面がカンチレバー１の曲げの中立軸Ｌと重なる位置または中立軸Ｌ付近の位置であって、内側層２の断面の重心軸Ｇをカンチレバー１の中立軸Ｌから引張応力発生側にシフトさせた位置に内側層２が積層されている。また、外側層３、４は、内側層２の引張応力発生側および圧縮応力発生側の両側から内側層２を挟むように積層されている。一般的に、カンチレバー１に用いられる材料は、その材料に圧縮変形が生じたときがその材料に引張変形が生じたときよりも塑性変形が生じやすい。本実施形態のカンチレバー１においては上記性質を利用して、外側層３、４よりも塑性変形しやすい内側層２に対して圧縮変形よりも引張変形が生じやすいようにその積層位置を引張応力発生側にシフトしている。つまり、カンチレバー１の曲げ方向Ｍに対して内側層２および外側層３、４の積層位置が非対称になっているため、機械的強度が弱い内側層２の圧縮破断が早期に生じることを防止している。その結果、内側層２の重心軸Ｇが中立軸Ｌに配置された従来のカンチレバー１と比較して本実施形態のカンチレバー１の破断応力および破断ひずみを大きくすることができる。
【００３４】
上記の作用効果は、図５に示したばね特性を示す応力−ひずみ線図からも同様のことが言える。図５に示した試料ＡおよびＢは本実施形態のカンチレバー１と同様の内側層２および外側層３、４を積層させたものであって、内側層２の断面がカンチレバー１の曲げの中立軸Ｌと重なる位置または中立軸Ｌ付近の位置に内側層２が積層されている。しかし、試料ＡおよびＢの相違点として、試料Ａは内側層２を引張応力発生側にシフトさせており、試料Ｂは内側層２を圧縮応力発生側にシフトさせている。ここで、図５に示すように、ひずみ量が３％になるまでの試料ＡおよびＢの曲げ特性については、試料ＡおよびＢがいずれも内側層２および外側層３、４を備えるために同様の特性を示す。しかしながら、試料Ｂのひずみ量が３．５％付近において試料Ｂが破断するのに対し、試料Ａはそのひずみ量が５％付近になるまで破断しない。つまり、内側層２を引張応力発生側にシフトさせることによって、本実施形態のカンチレバー１の破断ひずみを大きくすることができる。
【００３５】
また、本実施形態のカンチレバー１においては、内側層２の最大引張ひずみσｔが引張破断ひずみに到達するときに、内側層２の最大圧縮ひずみσｃが圧縮破断ひずみもしくは圧縮破断ひずみに近いひずみに到達する積層位置および厚さに内側層２が設定されている。つまり、カンチレバー１を所定の曲げ方向Ｍに曲げた際、内側層２における引張応力発生側の部分または圧縮応力発生側の部分のいずれか一方の部分が先に破断を生じるのではなく、内側層２の引張破断および圧縮破断がほぼ同時に生じるようにしている。このため、内側層２の引張破断または圧縮破断のどちらか一方がその他方よりも早く生じることを防止し、結果として本実施形態のカンチレバー１の破断応力および破断ひずみを大きくすることができる。
【００３６】
また、本実施形態のカンチレバー１はプローブピンなどの導電性接触端子として用いることができる。一般的に、導電性に優れた金属材料は曲げ特性に優れた金属材料よりも破断応力および破断ひずみを早期に生じやすい。そのため、内側層２は外側層３、４に用いられる材料よりも導電性に優れた金属材料を用いて形成されており、外側層３、４が内側層２に用いられる材料よりも曲げ特性に優れた金属材料を用いて形成されていることが好ましい。これにより、カンチレバー１の導電性および曲げ特性がともに向上するので、本実施形態のカンチレバー１をプローブピンなどの曲げを伴う導電性接触端子に用いることができる。
【００３７】
ここで、内側層２の材料としてＣｕ金属またはＣｕを主成分とする合金が選択され、かつ、外側層３、４の材料としてＮｉ−Ｐ合金またはＮｉ−Ｐを主成分とする合金が選択された場合、他の材料を用いる場合と比較して、導電性および曲げ特性ならびにコストパフォーマンスを向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態のカンチレバー１において、内側層２の材料がＣｕであり、外側層３、４の材料がＮｉ−Ｐである場合、内側層２および外側層３、４の厚さの比は上記記載および図３に示すような値になっていることが好ましい。これにより、本実施形態のカンチレバー１が外側層３、４の材質のみを用いて形成されたカンチレバー１と同等の曲げ特性を発揮することができる。この作用効果の実証例を以下に示す。
【００３９】
図６は、試料Ｃ乃至Ｆの曲げ特性を応力−ひずみ線図により示している。試料Ｃは本実施形態のカンチレバー１であってＣｕの内側層２およびＮｉ−Ｐ（Ｐ濃度：１１ｗｔ％）の外側層３、４の厚さの比を圧縮応力発生側から引張応力発生側に向かってＮｉ−Ｐ：Ｃｕ：Ｎｉ−Ｐ＝４：１：２に設定したものである。試料Ｄは、本実施形態のカンチレバー１と同様の厚さを有するカンチレバー１であって外側層３、４の材料と同じＮｉ−Ｐ（Ｐ濃度：１１ｗｔ％）のみを用いて形成されたものである。試料Ｅは、本実施形態のカンチレバー１と同様の厚さを有するカンチレバー１であってＮｉ−Ｐ（Ｐ濃度：１１ｗｔ％）の下側ばね層およびＣｕの上側導電層の厚さの比を圧縮応力発生側から引張応力発生側に向かってＮｉ−Ｐ：Ｃｕ＝１２：５に設定したものである。そして、試料Ｆは、本実施形態のカンチレバー１と同様の厚さを有するカンチレバー１であって内側層２の材料と同じＣｕのみを用いて形成されたものである。この図６からも明らかな通り、本実施形態のカンチレバー１である試料Ｃにおいては、内側層２の積層位置を中立軸Ｌ付近かつ引張応力発生側にシフトさせているので、機械的特性が弱い内側層２に印加される応力を減少させることができる。その結果、本実施形態のカンチレバー１である試料Ｃは、試料ＥおよびＦの曲げ特性よりもはるかに優れた曲げ特性を得ることができるばかりでなく、Ｎｉ−Ｐ（ばね材）のみで形成された試料Ｄと同様の曲げ特性を得ることができる。
【００４０】
すなわち、本実施形態のカンチレバー１によれば、内側層２の積層位置を中立軸Ｌ上かつ引張応力発生側にシフトすることにより本実施形態のカンチレバー１の断面構造を非対称構造にしたので、カンチレバー１の破断応力および破断ひずみが大きくなる。その結果、本実施形態のカンチレバー１について、優れた導電性を発揮し、かつ、外側層３、４の材質（ばね材）のみを用いて形成されたカンチレバー１と同等またはそれに近い曲げ特性を発揮することができるという作用効果を奏する。
【００４１】
なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  カンチレバー
２  内側層
３  （内側層の引張応力発生側に積層された）外側層
４  （内側層の圧縮応力発生側に積層された）外側層
１０  基板
【図１】
2011080835.tif 000003
【図２】
2011080835.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011080835.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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