(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成される支持要素と、
前記基板の上方に位置し、基板に対して平行に運動をする運動要素と、
前記運動要素を前記支持体に対して弾力的懸架するバネ要素と、
前記基板に対する前記運動要素の相対的運動を誘発させる駆動要素と、
前記駆動要素により運動要素が運動する時、これを支持する前記バネ要素が所定量弾性変形された時にバネ要素の反撥力を非線形的に増加させる反撥力変更要素と、
前記運動要素が運動して前記バネ要素が所定量弾性変形された時に前記反撥力変更要素が接触する静的要素とを具備し、
前記反撥力変更要素は前記バネ要素とこれに対応する基板に対して位置が固定された静的要素の間に設けられる所定大きさのストッパにより提供され、
前記ストッパは前記静的要素に向かって尖った形状を備え、前記バネ要素の中間部分の側面に配置する、ことを特徴とする非線形的復原力のバネを有するＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記ストッパは前記バネ要素が所定量弾性変形された時に前記バネ要素が接触するように前記バネ要素に対応する静的要素の一部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の非線形的復原力のバネを有するＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記ストッパは前記静的要素に対面する前記バネ要素の側面に設けられており、前記バネ要素が所定量弾性変形された時に前記静的要素に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の非線形的復原力のバネを有するＭＥＭＳ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非線形的復原力のバネを有するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＭＥＭＳ素子はウェーハの加工から得られ、基板上で運動する微少な運動要素及びこれを運動させる駆動要素を基板上に具備する。駆動要素は主に静電気により引力を生じる対向する二つの電極を有する。一般に運動要素には３つがある。例えば、一つは基板に対して平行に運動するものであり、他の一つは基板に対して垂直方向に運動するものであり、また一つは基板に対して所定の角度範囲内で回動するものである。
【０００３】
このような運動をするために運動要素の一部分に駆動電極を設け、これに対応する固定された位置に固定電極を設ける。一般にＭＥＭＳ構造物では両電極間の間隔が数μｍ範囲で調節されるために高精度の加工が要求される。このようなＭＥＭＳ素子の重要な欠陥のうち一つは運動要素が隣接する他の固定要素につくスティクション（Ｓｔｉｃｔｉｏｎ）に起因する。
【０００４】
図１は、上記のような欠陥に非常に敏感なＭＥＭＳ素子の一例としてＭＥＭＳ構造の従来マイクロスイッチング素子の概略的斜視図である。
【０００５】
図１に示したように、基板１の上方に運動ステージ２が位置し、ステージ２はその４つの角から延びるバネ３及びこれを支持するアンカー４により支持される。
【０００６】
上記ステージ２は両側の駆動電極２ａ、２ｂ及びこれらの間に介在される接点部２ｃを具備する。上記駆動電極２ａ、２ｂの下部には固定電極５ａ、５ｂが位置し、上記上記接点部２ｃの下部にはスイッチングのためのシグナルライン６ａ、６ｂが位置し、上記接点部２ｃの下部で上記シグナルライン６ａ、６ｂの内端部が所定間隔をおいて配置される。
【０００７】
上記のようなスイッチング素子は上記固定電極５ａ、５ｂと駆動電極２ａ、２ｂとの間の静電気力によりステージ２が上記基板１に垂直なＺ方向に動き、この時に上記ステージ２が基板１側に移動した時に上記接点部２ｃが上記両シグナルライン６ａ、６ｂに対して共に接触して両シグナルライン６ａ、６ｂ間の通電を許す。
【０００８】
図２は、上記のような構造の従来のスイッチング素子において、上記基板１の上方に位置するステージ２、ステージ２の４つの角から延びるバネ３及びこれを支持するアンカー４の平面的構造を示すものである。上記ステージ２及びバネ３は金属により一体的に形成される。
【０００９】
以上のような従来のスイッチング素子の欠点は、電極間の静電気力により上記ステージが動作する時に、上記ステージ２が基板１の表面に付着しやすいということである。これは上記ステージ２と基板１との間に湿気または異物が存在する場合に大部分生じる。このようなステージ２のスティクションは使用中だけでなく製造工程中にも現れる。
【００１０】
このようなスティクションを防止するために、従来には上記ステージの底面に突出部を設けたり、スティクション防止用薄膜を形成したりする。しかし、上記のようなマイクロスイッチの場合に上記ステージの底面でスイッチングが生じるために上記突出部が接触抵抗の増加を誘発する可能性がある。このようなマイクロスイッチのように電極が並んでいる構造において両電極間の電気力が非線形的に現れるが、初期間隔が１／３に減れば電気力がバネによる復原力に比べて非常に大きくなるため原位置への位置制御が不可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、運動要素のスティクションを効率よく防止でき、運動要素の位置復元を安定的に行えるように構成された非線形的復原力のバネを有するＭＥＭＳ素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明によれば、基板と、上記基板上に形成される支持要素と、上記支持要素により上記基板の上方に位置して基板上で運動をする運動要素と、上記運動要素を上記支持体に対して弾力的懸架するバネ要素と、上記基板に対する上記運動要素の相対的運動を誘発させる駆動要素と、上記駆動要素により運動要素が運動する時、これを支持する上記バネ要素が所定量弾性変形された時にバネ要素の反撥力を非線形的に増加させる反撥力変更要素とを具備するＭＥＭＳ素子が提供される。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、上記反撥力変更要素は上記バネとこれに対応する基板に対して位置が固定された静的要素の間に設けられる所定大きさのストッパにより提供される。
【００１４】
上記ストッパは上記バネが所定量弾性変形された時に上記バネの中間部分が接触するように上記バネ要素に対応する静的要素の一部分に設けられることがあり、あるいは、上記ストッパは上記静的要素に対面する上記バネの中間部分の一面に形成されてバネが所定量弾性変形された時に上記静的要素に接触するようにすることができる。
【００１５】
望ましくは、上記運動要素は上記基板の平面に対して垂直方向に運動する構造を有することが望ましく、上記静的要素としては上記バネ要素に対応する基板の一側表面が適用できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明によるマイクロスイッチング素子の望ましい実施形態を詳細に説明する。
図３は、本発明が適用されるＭＥＭＳ素子の一例であって、図１及び図２を参照して説明された従来のマイクロスイッチング素子を単純モデリングした図面であり、図４は本発明によるＭＥＭＳ素子を単純モデリングした図面である。
【００１７】
まず図３を参照すれば、単純モデリングされた従来のＭＥＭＳ素子は、基板１０上に支持要素２０が所定間隔をおいて位置し、上記両支持要素２０には、例えば上部電極としての運動要素３０がその両側のバネ要素４０により懸架される。上記運動要素３０の底面に対応する基板１０の上面には上記運動要素３０と共に駆動要素を構成する下部電極５２が設けられる。
【００１８】
図３に示された単純モデリング構造を図１及び図２に示された従来のマイクロスイッチング素子に対応させれば、運動要素３０はステージ２または駆動電極２ａ、支持要素２０はアンカー４、バネ要素４０は“Ｚ”字形バネ３、そして、下部電極５２は固定電極５ａ、５ｂに該当する。
【００１９】
図３に示されたＭＥＭＳ素子で上記運動要素３０と下部電極５２との間に所定電位の電圧（一般に３Ｖ）が印加されれば図４に示したように運動要素３０が基板１０の表面に密着し、運動要素３０を支持するバネ要素４０が“Ｓ”字形に大きく変形されている。ここで運動要素３０は非常に硬くて変形がないものと見なされる。
【００２０】
この時に、上下部電極間の一定の電圧下で上記運動要素は距離の自乗に反比例する力（静電引力）で基板に強く密着している。図５は運動要素の変位による静電引力Ｆs及びバネ反撥力Ｆrの関係を示すものである。
【００２１】
図５に示したように、変位が大きくなるほど静電引力Ｆsが急激に大きくなり、一方、バネ反撥力Ｆrは直線的に非常に緩慢に増加する。これを参考すれば、運動要素３０が基板１０に密着した時、これらの間の静電引力Ｆrがバネの反撥力Ｆrに比べて数十倍大きくなることが分かる。このように、バネ反撥力Ｆrに比べて非常に大きい静電引力Ｆrがあれば運動要素３０のスティクションが生じる恐れがある。
【００２２】
これに反して本発明は図６に示したように、上記バネ要素４０の底面にバネ要素の反撥力を非線形化するための反撥力変更要素としてのストッパ６０が位置する。このストッパ６０は静電引力により運動要素３０が基板１０に接近する時に図７に示したように運動要素３０に比べて先に基板１０の表面に接触する。ストッパ６０が基板１０に接触すれば結果的に上記バネ定数が急激に上昇してバネの反撥力が非線形化する。
【００２３】
図８は、図６及び図７に示したようなモデルの変位の変化による静電引力及びバネ反撥力の変化を示すものである。図８を参照すれば、静電引力Ｆsは図５でのように急上昇する。しかし、バネ反撥力Ｆr１、Ｆr２、Ｆr３は上記ストッパ６０が基板１０に接触した後に非常に著しく増加する。上記バネ反撥力Ｆr１、Ｆr２、Ｆr３はストッパ６０が基板１０に接触するまでは緩慢に直線的に増加し、ストッパ６０が基板１に接触した後には静電引力Ｆsよりは低いがこれと差が少ない値を維持するように急増する。図８でＦr１はストッパの高さが０.４２２μｍ、Ｆr２は０.３２２μｍ、そしてＦr３は０.２２２μｍの場合のバネ反撥力を表し、この時に共通の条件として、支持要素２０からストッパ６０までの距離ａがバネ要素４０の全長Ｌの０.８５倍の場合を示す。
【００２４】
図９を参照すればバネ要素の全長をＬ、支持要素から上記ストッパ６０までの距離をａ、ストッパ６０から基板１までの距離（図９ではバネ要素から分離されていると示されているが、これは説明の便宜のためのものである）をｄ、そしてストッパ６０が位置した部位での変位をδａ、バネ要素４０の最大変位をδ、力（静電引力）をＦとする時、次の数式（１）、及び数式（２）が成立する。
【００２５】
【数１】
0004230706.tif 000002
【００２６】
【数２】
0004230706.tif 000003
【００２７】
上記式でＥはヤング率であり、Ｉはバネの慣性モーメントである。数式（１）はストッパ６０が基板１に接触しなかった時の力を示し、数式（２）はストッパ６０が基板１に接触した時の力を示す。これを通じてストッパ６０が基板１に接触した後は非常に著しくバネ反撥力が増加することが分かる。したがって、運動要素３０が基板１に対して強い静電引力を受けているが、一方にバネ反撥力も非常に大きく作用するため、運動要素３０が基板１から容易に分離され、結果的にはスティクションのような問題が生じない。
【００２８】
上記ストッパ６０はバネ要素４０だけでなくこれに対応する基板１上に形成でき、そして上記運動要素３０が基板１の平面に対して垂直ではない平行方向に移動する場合においては上記バネ要素４０の非線形的反撥力を提供できるいずれかに位置固定された要素が必要である。
【００２９】
図１０は、上記のような本発明の概念が適用された本発明によるＭＥＭＳ素子の概略的斜視図である。図１０に示されたＭＥＭＳ素子は図１及び図２に示されたマイクロスイッチング素子に本発明の概念が適用された構造を有する。
【００３０】
図１０に示されたようにバネ３の中間部分の底面にストッパ６０が形成されている。上記ストッパ６０はバネ３の底面に形成され、正常な状態ではその下端部が基板１から離れている。その残りの部分は図１及び図２の説明と同じなのでその説明を略す。
【００３１】
一方、上記ストッパ６０は上記のようにバネ３の底面ではなくこれに対向する静的要素に形成できる。図１０では静的要素が基板１の表面になり、したがって上記バネ３の下部の基板１の上面に形成されることもある。
【００３２】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、上記のように上記ストッパ６０が静的要素、すなわち基板１の上面に形成された状態を示す概略的構成図である。
【００３３】
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して、基板１上に４つの支持要素４ａとしてのポストが形成され、これらの中央部分に運動要素３０が設けられる。運動要素３０は４つのバネ３ａにより支持される。そして上記バネ３ａの底面の基板１の上面には上記ストッパ６０ａが形成される。
【００３４】
図１２は前述したように、上記運動要素３０が基板１の平面に対向する方向に運動する構造の概略的構成を示すものである。
【００３５】
図１２を参照すれば、基板１上に４つの支持要素４ｂとしてのポストが形成され、これらの中央部分に運動要素３０ａが設けられる。運動要素３０ａは４つのバネ３ｂにより支持され、基板１の平面に平行に運動する。そして、上記運動要素３０ａの運動方向に上記バネ３ｂの対向する側には上述した静的要素７としての固定構造物が所定高さで形成される。そして静的要素７に対面するバネ３ｂの側面には上記ストッパ６０ａが形成される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のような本発明は、上記実施形態のマイクロスイッチング素子はもちろんマイクロ構造物を支持するバネを有し、以上のような非線形的反撥力が要求されるいかなるＭＥＭＳ素子にも適用可能である。
【００３７】
上記本発明によるＭＥＭＳ素子は、非線形的反撥力を有するバネ要素を利用して運動要素の位置制御をする場合に位置制御の範囲を広げられる。そして運動要素のスティクションが生じた場合に非線形的な反撥力を有するバネにより大きい復原力を得ることができ、工程中に生じうるスティクションを防止できる。このような本発明のＭＥＭＳ素子は従来のＭＥＭＳ素子に比べて信頼性が非常に高い。
【００３８】
本発明は図面に示された実施形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であればこれより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲に限って決まらねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の構造のバネが適用されたマイクロスイッチング素子の概略的斜視図である。
【図２】  図１に示された従来のマイクロスイッチング素子において、ステージとバネによる構造物の平面構造を示す図である。
【図３】  本発明が適用されるＭＥＭＳ素子の一例であって、図１及び図２を参照して説明された従来のマイクロスイッチング素子を単純モデリングした図面である。
【図４】  本発明によるＭＥＭＳ素子を単純モデリングした図面である。
【図５】  従来の構造のバネ要素を有するＭＥＭＳ素子において、運動要素の変位による静電引力Ｆs及びバネ反撥力Ｆrの関係を示す図である。
【図６】  本発明によるＭＥＭＳ素子のモデル構造の抜すい図である。
【図７】  図６に示されたＭＥＭＳ素子のモデルにおいて運動要素に加わる外力（静電引力）によりバネ要素が変形された状態を示す図である。
【図８】  本発明の概念が適用されたＭＥＭＳ素子において、運動要素の変位による静電引力Ｆs及びバネ反撥力Ｆr１、Ｆr２、Ｆr３の関係を示す図である。
【図９】  本発明の概念を説明するための図面である。
【図１０】  本発明の概念が適用されたＭＥＭＳ素子であって、本発明によるマイクロスイッチング素子の概略的斜視図である。
【図１１Ａ】  本発明の概念が適用されたＭＥＭＳ素子の他の実施形態を示す概略的平面図である。
【図１１Ｂ】  図１１Ａに示されたＭＥＭＳ素子の概略的断面図である。
【図１２】  本発明の概念が適用されたＭＥＭＳ素子のさらに他の実施形態を示す概略的平面図である。
【符号の説明】
１０  基板
２０  支持要素
３０  運動要素
４０  バネ要素
５２  下部電極（駆動要素）
６０  反発力変更要素
【図１】
0004230706.tif 000004
【図２】
0004230706.tif 000005
【図３】
0004230706.tif 000006
【図４】
0004230706.tif 000007
【図５】
0004230706.tif 000008
【図６】
0004230706.tif 000009
【図７】
0004230706.tif 000010
【図８】
0004230706.tif 000011
【図９】
0004230706.tif 000012
【図１０】
0004230706.tif 000013
【図１１Ａ】
0004230706.tif 000014
【図１１Ｂ】
0004230706.tif 000015
【図１２】
0004230706.tif 000016