微細構造体の接着力推定方法および接着力推定装置
【課題】微細構造体の接点に働く接着力を精度よく推定することができる接着力推定方法および接着力推定装置を提供する。
【解決手段】推定装置１７０は、接触部１１４が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量量に基づいて接着力を推定する。これにより、実際の微細構造体１を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体１の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【解決手段】推定装置１７０は、接触部１１４が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量量に基づいて接着力を推定する。これにより、実際の微細構造体１を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体１の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触部を備えた微細構造体において、接触した接点に作用する接着力を推定する推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を用いてエッチング等を行うことにより、シリコンなどの半導体基板やガラスなどの絶縁体基板の上に立体的な微細加工を行うＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術が脚光を浴びている。このＭＥＭＳ技術を利用した微細構造体は、各種センサ分野、医療分野、無線通信分野など、様々な分野で利用されるようになりつつある。例えば、ＭＥＭＳ技術により作製された微細なスイッチ構造を有するＭＥＭＳスイッチは、高周波スイッチとして用いられており、優れた特性を有することが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
上述したＭＥＭＳスイッチは、基板上に配設された固定電極と、基板に対して移動可能とされた可動電極と、この可動電極と連動する接点電極とを備えており、静電引力等により可動電極を変位させて接点電極を固定電極に接触または離間させることにより、電気的なスイッチ動作を実現するものである。このＭＥＭＳスイッチのように、構成要素間の接触動作を伴う微細構造体では、接点電極と固定電極の接触時にその接点に接着力が働き、接点電極と固定電極とが接着してしまい、それらを離間させられなくなることがあった。
【０００４】
このため、接触動作を伴う微細構造体は、接点電極と固定電極とを引き離す離間力が、それらの間の接点に働く接着力より大きくなるよう設計がされている。これにより、接点電極と固定電極とが接着して、それらを離間させられなくなるのを防いでいる。
【０００５】
その設計の際には、微細構造体の使用条件における接着力を定量的に推定する必要があるが、その推定手法としては、圧電素子やばねと錘を組み合わせた系などを用いて接点電極を模した構造を作成し、これを試料に接触させて、この試料に設けられた力センサにより、その接点にかかる押し付ける力や接着力の大きさを計測することが知られている（例えば、非特許文献２、３参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G.M.Rebeiz and J.Ｂ.Muldavin, “RF MEMS switches and switch circuits", IEEE Microwave Magazine, Vol.2, No.4, pp.59-70, Dec.2001.
【非特許文献２】J.Schimkat, "CONTACT MATERIALS FOR MICRORELAYS", Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems, pp.190-194, Jan.1998.
【非特許文献３】A.Kobayashi, S.Takano, and T.Kubono, "Measuring equipment and measurements of adhesive force Between gold electrical contacts", IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part A, Vol.21, Issue 1, pp.46-53, Mar.1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接点に働く接着力は、接点の製造プロセス、接点表面の微細形状、接点を押し付ける力の大きさ、接点を通過する電流の大きさ、接点周辺の雰囲気などの実際の微小構造体の状態によって、その値が大きく変化する。したがって、従来のような接点電極を模した構造を用いることにより接着力を計測する方法では、実際の微細構造体と同じ状態で接着力を計測することが困難であった。このため、実際の微細構造体の接点における接着力を精度よく推定できないという課題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、微細構造体の接点に働く接着力を精度よく推定することができる接着力推定方法および接着力推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る接着力推定方法は、第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、第１の部材と第２の部材との接点に作用する接着力を推定する方法であって、第２の部材に対して働く第１の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する第１の取得ステップと、この第１の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間を検出する第１の検出ステップと、この第１の検出ステップにより検出された第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、第１の駆動力と、第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する第１の算出ステップと、この第１の算出ステップにより算出された第１の駆動力と復元力との差分の絶対値を接着力として推定する推定ステップとを有することを特徴とするものである。
【００１０】
上記接着力推定方法において第２の部材に対して働く第２の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が第１の部材と離間した状態から当該第１の部材に接触するまでに変化する物理量を取得する第２の取得ステップと、この第２の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材に接触する瞬間を検出する第２の検出ステップと、この第２の取得ステップにより検出された第２の部材が第１の部材に接触する瞬間における、第２の駆動力を算出する第２の算出ステップと、この第２の算出ステップにより算出された第２の駆動力に基づいて、微細構造体の構造パラメータを抽出する抽出ステップとをさらに備え、推定ステップは、構造パラメータを用いて、接着力を推定するようにしてもよい。
【００１１】
ここで、上記第２の部材の変形に伴って間隔が変化し、容量が形成される一対の電極を備え、物理量は、容量からなるようにしてもよい。
また、第２の部材は、一対の電極間に引加される電圧により発生する静電引力により変形するようにしてもよい。
このような場合、第１の算出ステップは、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、一対の電極に印加される電圧の値に基づいて第１の駆動力を算出するようにしてもよい。
【００１２】
また、物理量は、導電性を有する第１の部材と第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく、電圧降下値からなるようにしてもよい。
【００１３】
また、物理量は、導電性を有する第１の部材と第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく、電流値からなるようにしてもよい。
【００１４】
また、第２の部材は、第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ第１の部材と対向配置された接触部とからなり、抽出ステップは、第２の駆動力とばね部のばね定数とに基づいてばね部の実効的な変位量を抽出するようにしてもよい。
【００１５】
また、第２の部材は、第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ第１の部材と対向配置された接触部とからなり、抽出ステップは、第２の駆動力とばね部の変位量とに基づいてばね部の実効的なばね定数を抽出するようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る接着力推定装置は、第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、第１の部材と第２の部材との接点に作用する接着力を推定する装置であって、第２の部材に対して働く第１の駆動力が弱まることにより、当該第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する取得部と、この取得部により取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間を検出する検出部と、この検出部により検出された第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、第１の駆動力と、第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する算出部と、この算出部により算出された第１の駆動力と復元力との差分の絶対値を接着力として推定する推定部とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに変化する物理量を取得し、この物理量に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の構成を模式的に示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】図３は、推定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の動作を模式的に示す側面図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における接着力算出動作を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と容量の変化を説明するための図である。
【図７】図７は、図４の符号ａで示す微小範囲の拡大図である。
【図８】図８は、復元力の算出方法を説明するための図である。
【図９】図９は、接着力の算出方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的に示す側面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的示す側面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電圧降下の変化を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電流の変化を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的示す側面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す微罪構造体の平面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１９】図１９は、第２の実施の形態に係る微細構造体における推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における接着力算出動作を説明する図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と容量の変化を説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における反りを説明する図である。
【図２３】図２３は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における設計上の変位量を説明する図である。
【図２４】図２４は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における実効的な変位量を説明する図である。
【図２５】図２５は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電圧降下の変化を説明するための図である。
【図２６】図２６は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電流の変化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。
【００２１】
＜微細構造体の構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係る微細構造体１は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設された可動梁１１０の梁部１１３端部と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の可動梁１１０と接点部材１２０との間に配置され駆動電圧が印加される平板状の第１の駆動電極１３０と、可動梁１１０の後述する梁部１１３の下面に配設され第１の駆動電極１３０と対向し駆動電圧が印加される平板状の第２の駆動電極１４０と、基板１００上の第１の駆動電極１３０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、可動梁１１０の後述する梁部１１３の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０と電気的に接続された推定装置１７０とを備えている。
【００２２】
基板１００は、表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン等の半導体やガラス等の絶縁体から構成される。
【００２３】
可動梁１１０は、基板１００上に配設された基部１１１と、この基部１１１から鉛直上方に突出した棒状の支持部１１２と、この支持部１１２の上端に一端が接続され、水平方向に延在する棒状の梁部１１３と、この梁部１１３の他端から鉛直下方に突出し接点部材１２０と対向配置された棒状の接触部１１４とを備えている。このような可動梁１１０は、例えば、シリコン等の半導体、ガラス等の絶縁体、金属等の導電体などから構成される。
【００２４】
接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０は、金属等の導電性を有する材料から構成される。この第１，第２の状態検出電極１５０，１６０の間には、容量が形成される。
【００２５】
推定装置１７０は、図３に示すように、第１，第２の駆動電極１３０，１４０に対して駆動電圧を印加する駆動電圧印加部１７１と、第１，第２の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出する容量検出部１７２と、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加されている駆動電圧の値や容量検出部１７２により検出された容量の値などを記憶する記憶部１７３と、推定部１７４とを備えている。
【００２６】
推定部１７４は、接着力の算出に必要なデータを取得するデータ取得部１７４ａと、このデータ取得部１７４により取得されたデータを用いて、接触部１１４と接点部材１２０との接触または離間した瞬間を検出する検出部１７４ｂと、この検出部１７４ｂの検出結果に基づいて後述する駆動力および復元力を算出する駆動復元力算出部１７４ｃと、この駆動復元力算出部１７４ｃの算出結果に基づいて後述する接着力を算出する接着力算出部１７４ｄとを備えている。
【００２７】
このような推定装置１７０は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ／Ｆ装置と、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）またはＦＥＤ（Field Emission Display）等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した駆動電圧印加部１７１、容量検出部１７２、検出部１７３、記憶部１７３および推定部１７４が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。
【００２８】
＜微細構造体の動作＞
推定装置１７０の駆動電圧印加部１７１により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とにそれぞれ駆動電圧を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力（駆動力）によって第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とが互いに引き寄せられる。その駆動力が可動梁１１０の形状を保とうとする力よりも大きくなると、可動梁１１０の梁部１１３が変形し、その端部が基板１００の側に引き寄せられる。第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間の電位差がさらに大きくなるようにそれらに駆動電圧を印加すると、梁部１１３はさらに撓んでその端部が基板１００の側に引き寄せられ、ついには図４に示すように、接触部１１４の下端部が接点部材１２０に接触することとなる。
【００２９】
接触部１１４の下端部が接点部材１２０に接触した状態において、接触部１１４と接点部材１２０との接点には、駆動力に基づく接触部１１４を接点部材１２０の方に押しつける向きに働く押圧力と、接触部１１４を接点部材１２０の方に引き寄せる接着力と、可動梁１１０の変形を元に戻す向きに作用する復元力とが働いており、駆動力に基づく押圧力と接着力との合力が、復元力よりも大きくなっている。
【００３０】
この状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極との間の電位差が小さくなるように駆動電圧を変化させると、接触部１１４と接点部材１２０との接点には、接着力が働いているために、駆動力に基づく押圧力が少し弱くなるだけでは、接触部１１４は接点部材１２０から離間しない。すなわち、復元力に対する押圧力の差分が接着力よりも大きくなる、言い換えると、押圧力と接着力との合力が復元力より小さくならないと、接触部１１４は接点部材１２０から離間しない。そこで、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極との間の電位差が小さくなるように駆動電圧を変化させ、復元力に対する押圧力の差分が接着力よりも大きくなると、梁部１１３が基板１００から離間する方向に移動して、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。さらに、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間の電位差を小さくすると、可動梁１１０は、さらに元の状態に戻るように変形してゆき、ついには図１に示すように、元の状態に戻ることとなる。
【００３１】
＜接着力算出動作＞
次に、本実施の形態に係る微細構造体１の接着力の算出動作について図５を参照して説明する。
【００３２】
まず、推定部１７４のデータ取得部１７４ａは、駆動電圧印加部１７１により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに駆動電圧を印加し、可動梁１１０の接触部１１４の下端部を接点部材１２０に接触させる（ステップＳ１）。
【００３３】
次に、データ取得部１７４ａは、接触部１１４が接点部材１２０から離間する瞬間を検出するために、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０の間に働く静電引力による駆動力が徐々に弱くなるよう、それらに印加する駆動電圧を変化させる（ステップＳ２）。これにより、駆動力が所定の値を下回ると、可動梁１１０の変形を元に戻す向きに作用する復元力により、梁部１１３が基板１００から離間する方向に移動し、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。このとき、容量検出部１７２は、第１の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出しており、この検出された値は記憶部１７３に記憶される。この記憶部１７３は、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加されている駆動電圧の値も記憶している。
【００３４】
次に、推定部１７４の検出部１７４ｂは、記憶部１７３に記憶された容量の値に基づいて、次のように接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間を検出する（ステップＳ３）。すなわち、図６に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触している間は、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔は変化しないので、第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加する駆動電圧の値を変えても、それらの間の容量も変化しない。ところが、さらに駆動電圧を第１，第２の駆動電極１３０，１４０間の電位差が小さくなるよう変化させることにより駆動力に基づく押圧力が弱くなり、接触部１１４が接点部材１２０から離間していくと、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔も広がっていくので、容量の値も変化する。したがって、容量が不連続に変化した瞬間が、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間であると検出することができる。このように、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０と第２の容量検出電極１６０との間の容量のデータを取得することにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間を容易に検出することができる。
【００３５】
次に、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間が検出されると、推定部１７４の駆動復元力算出部１７４ｃは、その瞬間における駆動電圧の値に基づいて、その離間した瞬間における駆動力の大きさと可動梁１１０の変形を復元させる向きに働く復元力の大きさとを算出する（ステップＳ４）。この具体的な手法について以下に説明する。なお、本実施の形態では、重力の値は無視するものとする。
【００３６】
まず、駆動力（静電引力）の算出方法について、図４およびこの図４の符号ａで示す微小範囲を拡大した図７を参照して説明する。
【００３７】
図４に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触しているとき、可動梁１１０は変形しているので、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔も場所によって異なる。そこで、図１０に示すような微小範囲における静電引力を算出し、これを第１の状態検出電極１５０および第２の状態検出電極１６０全体の面積に適用することにより、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間に働く駆動力を算出することができる。
【００３８】
具体的には、電極間の誘電率をε、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間に第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加した駆動電圧をＶoff、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇとすると、図７に示す微小面積領域ｄｓに働く静電引力ｄＦeは、下式（１）から算出することができる。ここで、駆動電圧Ｖoffについては、記憶部１７３から取得することができる。また、間隔ｇについては、設計値や実測値などから取得することができる。
【００３９】
ｄＦe＝ε・ｄｓ・Ｖoff2／２ｇ2 ・・・（１）
【００４０】
したがって、下式（２）に示すように、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１３０とが見込む面積Ｓについて上式（１）を積分することにより、本実施の形態に係る微細構造体１全体に働く駆動力Ｆeの大きさを算出することができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
次に、復元力の算出方法について、図８を参照して説明する。
【００４３】
本実施の形態では、可動梁１１０は、片持ち梁構造を有するので、接触部１１４における復元力Ｆkは、可動梁１１０のヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩ、支点となる支持部１１２から接触部１１４までの距離をＬ、接触部１１４におけるたわみ量をδとすると、下式（３）から求めることができる。なお、たわみ量δについては、設計値や実測値などから取得することができる。
【００４４】
Ｆk＝３δＥＩ／Ｌ ・・・（３）
【００４５】
なお、微細構造体１が多数の部材で構成されたり、幅や厚みに分布を持つ複雑な形状をしている場合は、有限要素法を用いた数値解析により近似的に復元力を求めることが有効である。
【００４６】
次に、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間における駆動力と復元力が算出されると、接着力算出部１７４ｄは、接触部１１４と接点部材１２０との接点に働く接着力を算出する（ステップＳ５）。この接着力の算出方法について、図９を参照して説明する。なお、本実施の形態では、重力の値は無視するものとする。
【００４７】
図９に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触している間、その接点には、接触部１１４を接点部材１２０から離間させる向きに働く復元力（符号α）、静電引力（駆動力）（符号β）に基づく接触部１１４を接点部材１２０に押しつける方向に働く押圧力、および、接触部１１４を接点部材１２０の方に引き寄せる接着力（符号γ）が働いている。押圧力と接着力の大きさの和が復元力の大きさを上回っている間は、接触部１１４が接点部材１２０から離間せず、それらが接触している状態が維持される。接触部１１４が接点部材１２０から離間する瞬間は、接触部１１４を接点部材１２０に接触させる向きに働く力と離間させる向きに働く力が等しくなる瞬間であるから、このとき、押圧力と接着力の大きさの和が復元力の大きさと等しくなる。そこで、本実施の形態では、下式（４）に示すように、離間の瞬間における復元力Ｆkの大きさから押圧力Ｆeの大きさを差し引くことにより、接着力の大きさを算出することができる。
【００４８】
接着力の大きさ ＝ ｜Ｆk−Ｆe｜ ・・・（４）
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、接触部１１４が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量値に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体１を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体１の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、駆動力が基板に対して垂直な方向に作用する場合を例に説明したが、駆動力が働く向きはこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。
【００５１】
例えば、図１０に示す微細構造体２のように駆動力が基板に対して水平な方向に作用するようにしてもよい。この微細構造体２の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００５２】
微細構造体２は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設され基板上から鉛直上方に突出した棒状の形状を有し、上端部が梁部１１３の開放端と水平方向に対向配置された接点部材２２０と、基板１００上の支持部１１２と接点部材２２０との間に配置され、鉛直上方に突出した棒状の第１の駆動電極１３０と、梁部１１３の下面から鉛直下方に突出した棒状の形状を有し、支持部１１２と第１の駆動電極２３０との間に配設された第２の駆動電極２４０と、基板１００上の第１の駆動電極２３０と接点部材２２０との間に配設され、鉛直上方に突出した棒状の第１の状態検出電極２５０と、梁部１１３の下面から鉛直下方に突出した棒状の形状を有し、第１の駆動電極２３０と第１の状態検出電極２５０と間に配設された第２の状態検出電極２６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。このような微細構造体２は、第１の駆動電極２３０と第２の駆動電極２４０とに駆動電力を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によって第１の駆動電極２３０と第２の駆動電力２４０とが互いに引き寄せられ、図１１に示すように、梁部１１３が水平方向に移動する。このような構成を採っても、上述した微細構造体１の場合と同等の作用効果を得ることができる。
【００５３】
また、本実施の形態において、駆動力が働いていないときには接点が形成されず、駆動力が働いたときに接点が形成される場合を例に構造を有する微細構造体１を例に説明したが、例えば、図１２，図１３に示す微細構造体３のように、駆動力が働いていないときに接点が形成され、駆動力が働いたときに接点が形成されないような構成を有するようにしてもよい。この微細構造体３の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００５４】
微細構造体３は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設され接触部１１４と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の基部３１１の隣に配設され鉛直上方に突出した棒状の支持部３３１，この支持部３３１の上端から水平方向に延在する梁部３３２を備えた駆動電極支持部３３０と、梁部３３２の下面に配設された平板状の第１の駆動電極１３０と、梁部３１３の上面に配設され第１の駆動電極１３０と対向する平板状の第２の駆動電極１４０と、基板１００上の支持部３３１と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、梁部３１３の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。
【００５５】
このような微細構造体３は、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに駆動電力を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によって第１の駆動電極１３０と第２の駆動電力１４０とが互いに引き寄せられ、図１３に示すように、梁部３１３が上方に移動し、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。このような構成を採っても、上述した微細構造体１の場合と同等の作用効果を得ることができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、微細構造体１を変形させる駆動力として静電引力を用いた場合を例に説明したが、駆動力は静電引力に限定されず、例えば、磁力や圧電効果などに各種駆動力を用いることができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、接触部１１４が接点部材１２０から離間したことを、容量の変化に基づいて検出する場合を例に説明したが、離間したことを検出する手法は容量の変化に限定されず、各種手法を適宜自由に用いることができる。
【００５８】
例えば、接触部１１４と接点部材１２０の接点を光学顕微鏡などで直接観察し、離間の瞬間を検出するようにしてもよい。
【００５９】
また、接触部１１４と接点部材１２０とを導電性を有する部材から構成し、これらの間の電圧降下やそれらの間を流れる電流を測定することにより、より容易に接触部１１４が接点部材１２０から離れる瞬間を検出することができる。
【００６０】
電圧降下を測定する場合、図１４に示すように、接触部１１４と接点部材１２０との間には一定の値の電流を流しておく。このような状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の間の電位差を低下させてそれらの間に働く駆動力を低下させることにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間すると、その瞬間接触部１１４と接点部材１２０との間が絶縁され、それらの間の電圧降下は急激に増大する。このように、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間には、電圧降下の値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。この離間した瞬間が検出されると、この情報を用いて上述したステップＳ４の処理が行われる。
【００６１】
また、電流を検出する場合、図１５に示すように、接触部１１４と接点部材１２０との間の電圧値を一定の状態としておく。このような状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の間の電位差を低下させてそれらの間に働く駆動力を低下させることにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間すると、その瞬間接触部１１４と接点部材１２０との間が絶縁、それらの間を流れる電流値はゼロに近づく。このように、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間には、電流値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。この離間した瞬間が検出されると、この情報を用いて上述したステップＳ４の処理が行われる。
【００６２】
また、本実施の形態のように第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０とを備える場合、これらの電圧を印加して静電引力を作用させ、これを駆動力として微細構造体１を変形させることができる。このようにした場合、第１，第２の駆動電極１３０，１４０が不要となるため、製造容易性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、梁部が片持ち梁構造を有する場合を例に説明したが、梁部の構造は片持ち梁構造に限定されず、例えば、両持ち梁構造など適宜自由に設定することができる。両持ち梁構造を適用する場合には、上式（３）に示した片持ち梁の関係式の変わりに両持ち梁の関係式を用いればよい。
【００６４】
また、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０を接点部材１２０と第１の駆動電極１３０との間に、第２の状態検出電極１６０を接触部１４０と第２の駆動電極１４０との間にそれぞれ設ける場合を例に説明したが、接触部１１４と接点部材１２０、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１３０および第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０がそれぞれ対向配置されていれば、これらの部材を配設する位置は適宜自由に設定することができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、可動梁１１０の支持部１１２と梁部１１３とを直接に連結する場合を例に説明したが、それらを可撓性を有するばね部を介して連結するようにしてもよい。例えば、図１６，図１７に示す微細構造体４のような構成を採るようにしてもよい。この微細構造体４の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００６６】
微細構造体４は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁４１０と、基板１００上に配設された可動梁４１０の端部と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の可動梁４１０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の駆動電極１３０と、可動梁４１０の後述するマス部４１４の下面に配設され第１の駆動電極１３０と対向する平板状の第２の駆動電極１４０と、基板４１００上の第１の駆動電極１３０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、可動梁４１０の後述するマス部４１４の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。ここで、可動梁４１０は、基板１００上に配設された基部４１１と、この基部４１１から鉛直上方に突出した棒状の支持部４１２と、この支持部４１２の上端に一端が接続され、水平方向に延在する可撓性を有するつづら折り形状のばね部４１３と、このばね部４１３の他端に一端が接続され、水平方向に延在する平板状のマス部４１４と、このマス部４１４の他端から鉛直下方に突出し接点部材１２０と対向配置された棒状の接触部４１５とを備えている。
【００６７】
このような構成を有する微細構造体４では、駆動力および復元力の算出をより容易に行うことができる。この原理について、以下に説明する。
【００６８】
微細構造体４において、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０に駆動電圧を印加し、これらの間に電位差を生じさせて静電引力（駆動力）を働かせると、ばね部４１３を有するので、図１８に示すように、マス部４１４が基板１００と平行を保った状態で変位する。このため、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔は、どの場所でも等しくなる。したがって、電極間の誘電率をε、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加した電圧をＶoff、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇ、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の面積をＳとすると、駆動力Ｆeは下式（５）により算出することができる。
【００６９】
Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖoff2／２ｇ2 ・・・（５）
【００７０】
また、復元力Ｆkは、下式（６）に示すように、ばね部４１３のばね定数Ｋと変位量Δｄの積として近似することができる。
【００７１】
Ｆk＝ｋ・Δｄ ・・・（６）
【００７２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態における推定装置１７０の推定部１７４にさらにパラメータ抽出部１７４ｅを設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７３】
図１９に示すように、推定装置１７０は、駆動電圧印加部１７１と、容量検出部１７２と、記憶部１７３と、推定部１７４とを備えている。この推定部１７４は、データ取得部１７４ａと、検出部１７４ｂと、駆動復元力算出部１７４ｃと、接着力算出部１７４ｄと、バネ部４１３の実効的なばね定数や変位量等の微細構造体の実効的な構造パラメータを抽出するパラメータ抽出部１７４ｅを備えている。
【００７４】
微細な構造体によっては、その構造体の残留応力によって構造が反るなど、設計値と実効値との誤差の大きい構造パラメータを有する場合がある。このとき、接点に働く接着力を設計上の構造パラメータで算出すると、算出誤差が大きくなってしまう。そこで、本実施の形態では、接点において接触する瞬間の力のつりあいに着目し、設計値と実効値との誤差を補正した上で接着力を算出する。この接着力算出動作について、図１６〜図１８を参照して説明した微細構造体４に適用した場合を例に、図２０を参照して以下に説明する。なお、以下において、上述した第１の実施の形態で説明した動作を同等の動作については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。
【００７５】
＜接着力算出動作＞
まず、推定部１７４のデータ取得部１７４ａは、駆動電圧印加部１７１により、第１，第２の駆動電極１３０，１４０の間に働く静電引力による駆動力が徐々に強くなるよう、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに印加する駆動電圧を変化させ、接触部４１５の下端を接点部材１２０に接触させる（ステップＳ１１）。このとき、容量検出部１７２は、第１の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出しており、この検出された値は記憶部１７３に記憶される。
【００７６】
次に、推定部１７４の検出部１７４ｂは、記憶部１７３に記憶された容量の値に基づいて、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間を検出する（ステップＳ１２）。図２１に示すように、接触部４１５が接点部材１２０と離間している間は、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔が徐々に狭まっていくので、容量は増大していく。接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔が殆ど変化しないので、容量の値も変化しない。すなわち、容量が不連続に変化した瞬間が、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間であると検出することができる。このように、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０と第２の容量検出電極１６０との間の容量のデータを取得することにより、接触部１１４が接点部材１２０に接触した瞬間を容易に検出することができる。
【００７７】
次に、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間が検出されると、推定部１７４の駆動復元力算出部１７４ｃは、その離間した瞬間における駆動力の大きさを算出する（ステップＳ１３）。
【００７８】
図１８に示したように、微細構造体４では、マス部４１４が基板１００と平行な状態で変位するため、接触部４１５と接点部材１２０とが接触したときの第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔は、どの場所でも等しくｇとなる。このため、駆動力Ｆeは上式（５）により算出することができる。
なお、図１に示す微細構造体１のように、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の距離が場所によって異なる場合には、図５を参照して説明したステップＳ４のように、微小面積での駆動力を積分する形で求めればよい。
【００７９】
次に、駆動力を算出すると、パラメータ抽出部１７４ｅは、微細構造体の構造パラメータを抽出する（ステップＳ１４）。
【００８０】
図２１に示すように、微細な構造体においては、構造体の残留応力などによって反りが発生することがある。このような場合、図２２に示すように、設計上の変位量ΔＤ1と、図２３に示す実効的な変位量ΔＤ2とが異なる。このような場合に、上述した図５を参照して説明したステップＳ４において、離間の瞬間における復元力の算出に設計上の変位量ΔＤ1を用いると、接点における接着力の算出精度が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、パラメータ抽出部１７４ｅにより実効的な構造パラメータを抽出し、これを用いて上記ステップＳ４における駆動力と復元力の算出を行うことにより、接着力の算出精度の低下を防ぐことができる。実効的な構造パラメータの算出手法の詳細については、以下に説明する。
【００８１】
≪作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に非線形な関係にある系の場合≫
図１６，図１７に示す微細構造体４のように、第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間に働く静電引力を用いて微細構造体４を変形させ、この変形に伴って第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間隔が変化するような微細構造体において、静電引力の大きさは、第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間隔に対して非線形に変化する。このような系では、微細構造体の変形が所定の量を超えると、復元力と静電引力とのつりあいが成り立たず、急激に微細構造体が変形し、接触部４１５が接点部材１２０と接触する「プルイン」という現象が起きることがある。この「プルイン」は、静電引力を駆動力とする系に限らず、作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に非線形な関係にある系で生じる可能性があるものである。以下に、プルインが生じる場合と生じない場合それぞれについて、実効的な構造パラメータを抽出する方法を説明する。
【００８２】
（第１のプルイン発生の判別手法）
第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加される駆動電圧がゼロの場合において、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇ0とすると、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加される駆動電圧を漸進的に増加させていったときの実効的な変位量Δｄが、下式（７）を満たすとき、プルインが生じる。
【００８３】
Δｄ＞ｇ0／３ ・・・（７）
【００８４】
ここで、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０駆動電極との間に印加される駆動電圧がＶonのときに、接触部４１５が接点部材１２０に接触したとする。
まず、プルインが生じたと仮定し、ばね部のばね定数をＫとすると、下式（８）により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０と間に印加させる駆動電圧がゼロのときのそれらの間隔ｇ0を求めることができる。
【００８５】
ｇ0＝（２７ε・Ｓ・Ｖon2／８Ｋ）1/3 ・・・（８）
【００８６】
次に、実際にプルインが起こっているかを確認する。接触部４１５が接点部材１２０に接触しているとき、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔ｇに対して上式（８）から算出したｇ0が、下式（９）を満たす場合にはプルインが生じており、下式（９）満たさない場合にはプルインが生じていないこととなる。
【００８７】
ｇ0＞３ｇ／２ ・・・（９）
【００８８】
｛プルインが生じている場合｝
プルインが生じている場合、実効的な変位量ΔＤ2は上式（８）で求めたｇ0を用いて、下式（１０）により算出する求めることができる。
【００８９】
ΔＤ2＝ｇ0−ｇ ・・・（１０）
【００９０】
｛プルインが生じていない場合｝
プルインが生じていない場合、接触の瞬間においても駆動力Ｆeと復元力Ｆkとのつりあいが成り立つので、駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。すなわち、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2となる。したがって、実効的な変位量ΔＤ2は、実測したばね部４１３のばね定数ｋと、上述した復元力Ｆkとを用いて、下式（１１）より求めることができる。
【００９１】
ΔＤ2＝Ｆk／ｋ ・・・（１１）
【００９２】
≪作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に線形な関係にある系の場合≫
例えば櫛歯電極を用いて発生させる静電引力など、作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離と線形な関係にある系では、プルインが生じないので、接触の瞬間においても復元力と駆動力とのつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる。接触の瞬間における駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。したがって、復元力Ｆkの大きさは、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2となる。この場合、実効的な変位量ΔＤ2は、上述したように求めた接触の瞬間における復元力Ｆkの大きさ、実測したばね部のばね定数Ｋを用いて、下式（１２）により求めることができる。
【００９３】
ΔＤ2＝Ｆk／Ｋ ・・・（１２）
【００９４】
この式（１２）を用いて求めた実効的な変位量ΔＤ2を、ステップＳ４における離間の瞬間の復元力の算出に用いることで、接点における接着力の算出精度を向上させることができる。
【００９５】
また、微細構造体４をシリコンなどの反りが発生しにくい材料で作製した場合、設計上の変位量ΔＤ1をもとに、実効的なばね定数Ｋを容易に算出することができる。以下に、実効的な構造パラメータを抽出する方法について説明する。
【００９６】
≪作用する駆動力の大きさが構造体との距離に非線形な関係にある系≫
上述したように作用する駆動力の大きさが構造体との距離に非線形な関係にある系ではプルインが生じる可能性がある。そこで、以下に、プルインが生じる場合と生じない場合それぞれについて、実効的な構造パラメータを抽出する方法を説明する。
【００９７】
（第２のプルイン発生の判別手法）
設計上の変位量ΔＤ1が、下式（１３）を満たしていればプルインが生じており、下式（１３）満たしていなければプルインが生じていない。
【００９８】
ΔＤ1＞ｇ／２ ・・・（１３）
【００９９】
｛プルインが生じている場合｝
この場合、実効的なばね定数Ｋは、下式（１４）から求めることができる。
【０１００】
Ｋ＝２７ε・Ｓ・Ｖon2／８（ｇ＋ΔＤ1）3 ・・・（１４）
【０１０１】
｛プルインが生じていない場合｝
この場合、接触の瞬間においても駆動力Ｆeと復元力Ｆkとのつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる。すなわち、駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められ、復元力Ｆkの大きさは、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。実効的なばね定数Ｋは、設計上の変位量ΔＤ1を用いて、下式（１５）から求めることができる。
【０１０２】
Ｋ＝Ｆk／ΔＤ1 ・・・（１５）
【０１０３】
≪作用する駆動力の大きさが構造体との距離と線形な関係にある系≫
例えば櫛歯電極を用いて発生させる静電引力など、作用する駆動力の大きさが構造体との距離と線形な関係にある系ではプルインが生じないため、接触の瞬間においても駆動力と復元力のつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる（Ｆk＝Ｆe）。接触の瞬間における駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。したがって、その駆動力の値に基づいて、接触の瞬間における復元力の大きさを求めることができる。この場合、実効的なばね定数Ｋは、上述したように求めた接触の瞬間における復元力Ｆkの大きさ、設計上の変位量ΔＤ1を用いて、下式（１６）により求めることができる。
【０１０４】
Ｋ＝Ｆk／ΔＤ1 ・・・（１６）
【０１０５】
この式（１６）を用いて求めた実効的なばね定数Ｋを、ステップＳ４の式（６）において、離間の瞬間における復元力の算出に用いることで、接点における接着力の算出精度を向上させることができる。
【０１０６】
微細構造体の構造パラメータが抽出されると、推定装置１７０は、その構造体パラメータを用いて、第１の実施の形態で説明したステップＳ１〜Ｓ５の処理を行う。
【０１０７】
このように、本実施の形態によれば、接触部４１５が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量量に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体４を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体４の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【０１０８】
また、上述したように、微細な構造体によっては、作製プロセス中の応力によって構造が反るなど、設計値と実効値との誤差の大きい構造パラメータがある。このとき、接点に働く接着力を設計上の構造パラメータで算出すると、算出誤差が大きくなってしまう。しかしながら、本実施の形態によれば、接点が接触する瞬間の力のつりあいに着目することで、実効的な構造パラメータを抽出できるため、接着力の算出精度を向上することができる。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、接触部４１５が接点部材１２０に接触したことを、容量の変化に基づいて検出する場合を例に説明したが、接触したことを検出する手法は容量の変化に限定されず、各種手法を適宜自由に用いることができる。
【０１１０】
例えば、接触部４１５と接点部材１２０の接点を光学顕微鏡などで直接観察し、接触の瞬間を検出するようにしてもよい。
【０１１１】
また、接触部４１５と接点部材１２０とを導電性を有する部材から構成し、これらの間の電圧降下やそれらの間を流れる電流を測定することにより、より容易に接触部４１５が接点部材１２０に接触する瞬間を検出することができる。
【０１１２】
電圧降下を測定する場合、図２５に示すように、接触部４１５と接点部材１２０との間には一定の値の電流を流しておく。このような状態から、駆動力を上げさせ接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、接触部４１５と接点部材１２０との間が導通した瞬間、それらの間の電圧降下が低下する。このように、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間には、電圧降下の値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。
【０１１３】
また、電流を検出する場合、図２６に示すように、接触部４１５と接点部材１２０との間の電圧値を一定の状態としておく。このような状態から、駆動力を上げさせて接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、接触部４１５と接点部材１２０との間が導通した瞬間、それらの間を流れる電流値が増大する。このように、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間には、電流値が不連続に変化するため、より容易に接触した瞬間を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、ＭＥＭＳスイッチなど機械的な接触動作を伴う微小な構造体に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１〜４…微細構造体、１００…基板、１１０…可動梁、１１１…基部、１１２…支持部、１１３…梁部、１１４…接触部、１２０，２２０…接点部材、１３０，２３０…第１の駆動電極、１４０，２４０…第２の駆動電極、１５０，２５０…第１の状態検出電極、１６０，２６０…第２の状態検出電極、１７０…推定装置、１７１…駆動電圧印加部、１７２…容量検出部、１７３…記憶部、１７４…推定部、１７４ａ…データ取得部、１７４ｂ…検出部、１７４ｃ…駆動復元力算出部、１７４ｄ…接着力算出部、１７５ｅ…パラメータ抽出部、３３０…駆動電極支持部、３３１…支持部、３３２…梁部、４１０…可動梁、４１１…基部、４１２…支持部、４１３…ばね部、４１４…マス部、４１５…接触部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触部を備えた微細構造体において、接触した接点に作用する接着力を推定する推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を用いてエッチング等を行うことにより、シリコンなどの半導体基板やガラスなどの絶縁体基板の上に立体的な微細加工を行うＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術が脚光を浴びている。このＭＥＭＳ技術を利用した微細構造体は、各種センサ分野、医療分野、無線通信分野など、様々な分野で利用されるようになりつつある。例えば、ＭＥＭＳ技術により作製された微細なスイッチ構造を有するＭＥＭＳスイッチは、高周波スイッチとして用いられており、優れた特性を有することが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
上述したＭＥＭＳスイッチは、基板上に配設された固定電極と、基板に対して移動可能とされた可動電極と、この可動電極と連動する接点電極とを備えており、静電引力等により可動電極を変位させて接点電極を固定電極に接触または離間させることにより、電気的なスイッチ動作を実現するものである。このＭＥＭＳスイッチのように、構成要素間の接触動作を伴う微細構造体では、接点電極と固定電極の接触時にその接点に接着力が働き、接点電極と固定電極とが接着してしまい、それらを離間させられなくなることがあった。
【０００４】
このため、接触動作を伴う微細構造体は、接点電極と固定電極とを引き離す離間力が、それらの間の接点に働く接着力より大きくなるよう設計がされている。これにより、接点電極と固定電極とが接着して、それらを離間させられなくなるのを防いでいる。
【０００５】
その設計の際には、微細構造体の使用条件における接着力を定量的に推定する必要があるが、その推定手法としては、圧電素子やばねと錘を組み合わせた系などを用いて接点電極を模した構造を作成し、これを試料に接触させて、この試料に設けられた力センサにより、その接点にかかる押し付ける力や接着力の大きさを計測することが知られている（例えば、非特許文献２、３参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】G.M.Rebeiz and J.Ｂ.Muldavin, “RF MEMS switches and switch circuits", IEEE Microwave Magazine, Vol.2, No.4, pp.59-70, Dec.2001.
【非特許文献２】J.Schimkat, "CONTACT MATERIALS FOR MICRORELAYS", Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems, pp.190-194, Jan.1998.
【非特許文献３】A.Kobayashi, S.Takano, and T.Kubono, "Measuring equipment and measurements of adhesive force Between gold electrical contacts", IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology, Part A, Vol.21, Issue 1, pp.46-53, Mar.1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、接点に働く接着力は、接点の製造プロセス、接点表面の微細形状、接点を押し付ける力の大きさ、接点を通過する電流の大きさ、接点周辺の雰囲気などの実際の微小構造体の状態によって、その値が大きく変化する。したがって、従来のような接点電極を模した構造を用いることにより接着力を計測する方法では、実際の微細構造体と同じ状態で接着力を計測することが困難であった。このため、実際の微細構造体の接点における接着力を精度よく推定できないという課題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、微細構造体の接点に働く接着力を精度よく推定することができる接着力推定方法および接着力推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る接着力推定方法は、第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、第１の部材と第２の部材との接点に作用する接着力を推定する方法であって、第２の部材に対して働く第１の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する第１の取得ステップと、この第１の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間を検出する第１の検出ステップと、この第１の検出ステップにより検出された第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、第１の駆動力と、第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する第１の算出ステップと、この第１の算出ステップにより算出された第１の駆動力と復元力との差分の絶対値を接着力として推定する推定ステップとを有することを特徴とするものである。
【００１０】
上記接着力推定方法において第２の部材に対して働く第２の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が第１の部材と離間した状態から当該第１の部材に接触するまでに変化する物理量を取得する第２の取得ステップと、この第２の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材に接触する瞬間を検出する第２の検出ステップと、この第２の取得ステップにより検出された第２の部材が第１の部材に接触する瞬間における、第２の駆動力を算出する第２の算出ステップと、この第２の算出ステップにより算出された第２の駆動力に基づいて、微細構造体の構造パラメータを抽出する抽出ステップとをさらに備え、推定ステップは、構造パラメータを用いて、接着力を推定するようにしてもよい。
【００１１】
ここで、上記第２の部材の変形に伴って間隔が変化し、容量が形成される一対の電極を備え、物理量は、容量からなるようにしてもよい。
また、第２の部材は、一対の電極間に引加される電圧により発生する静電引力により変形するようにしてもよい。
このような場合、第１の算出ステップは、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、一対の電極に印加される電圧の値に基づいて第１の駆動力を算出するようにしてもよい。
【００１２】
また、物理量は、導電性を有する第１の部材と第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく、電圧降下値からなるようにしてもよい。
【００１３】
また、物理量は、導電性を有する第１の部材と第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく、電流値からなるようにしてもよい。
【００１４】
また、第２の部材は、第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ第１の部材と対向配置された接触部とからなり、抽出ステップは、第２の駆動力とばね部のばね定数とに基づいてばね部の実効的な変位量を抽出するようにしてもよい。
【００１５】
また、第２の部材は、第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ第１の部材と対向配置された接触部とからなり、抽出ステップは、第２の駆動力とばね部の変位量とに基づいてばね部の実効的なばね定数を抽出するようにしてもよい。
【００１６】
また、本発明に係る接着力推定装置は、第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、第１の部材と第２の部材との接点に作用する接着力を推定する装置であって、第２の部材に対して働く第１の駆動力が弱まることにより、当該第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する取得部と、この取得部により取得された物理量に基づいて、第２の部材が第１の部材から離間した瞬間を検出する検出部と、この検出部により検出された第２の部材が第１の部材から離間した瞬間における、第１の駆動力と、第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する算出部と、この算出部により算出された第１の駆動力と復元力との差分の絶対値を接着力として推定する推定部とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第２の部材が第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに変化する物理量を取得し、この物理量に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の構成を模式的に示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】図３は、推定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の動作を模式的に示す側面図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における接着力算出動作を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と容量の変化を説明するための図である。
【図７】図７は、図４の符号ａで示す微小範囲の拡大図である。
【図８】図８は、復元力の算出方法を説明するための図である。
【図９】図９は、接着力の算出方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的に示す側面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的示す側面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電圧降下の変化を説明するための図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電流の変化を説明するための図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１の実施の形態に係る微細構造体の変形例を模式的示す側面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す微罪構造体の平面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す微細構造体の動作を説明するための図である。
【図１９】図１９は、第２の実施の形態に係る微細構造体における推定装置の構成を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における接着力算出動作を説明する図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と容量の変化を説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における反りを説明する図である。
【図２３】図２３は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における設計上の変位量を説明する図である。
【図２４】図２４は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における実効的な変位量を説明する図である。
【図２５】図２５は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電圧降下の変化を説明するための図である。
【図２６】図２６は、本発明の第２の実施の形態に係る微細構造体における駆動力と電流の変化を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る第１の実施の形態について説明する。
【００２１】
＜微細構造体の構成＞
図１，図２に示すように、本実施の形態に係る微細構造体１は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設された可動梁１１０の梁部１１３端部と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の可動梁１１０と接点部材１２０との間に配置され駆動電圧が印加される平板状の第１の駆動電極１３０と、可動梁１１０の後述する梁部１１３の下面に配設され第１の駆動電極１３０と対向し駆動電圧が印加される平板状の第２の駆動電極１４０と、基板１００上の第１の駆動電極１３０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、可動梁１１０の後述する梁部１１３の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０と電気的に接続された推定装置１７０とを備えている。
【００２２】
基板１００は、表面にシリコン酸化膜などの絶縁膜を形成したシリコン等の半導体やガラス等の絶縁体から構成される。
【００２３】
可動梁１１０は、基板１００上に配設された基部１１１と、この基部１１１から鉛直上方に突出した棒状の支持部１１２と、この支持部１１２の上端に一端が接続され、水平方向に延在する棒状の梁部１１３と、この梁部１１３の他端から鉛直下方に突出し接点部材１２０と対向配置された棒状の接触部１１４とを備えている。このような可動梁１１０は、例えば、シリコン等の半導体、ガラス等の絶縁体、金属等の導電体などから構成される。
【００２４】
接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０は、金属等の導電性を有する材料から構成される。この第１，第２の状態検出電極１５０，１６０の間には、容量が形成される。
【００２５】
推定装置１７０は、図３に示すように、第１，第２の駆動電極１３０，１４０に対して駆動電圧を印加する駆動電圧印加部１７１と、第１，第２の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出する容量検出部１７２と、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加されている駆動電圧の値や容量検出部１７２により検出された容量の値などを記憶する記憶部１７３と、推定部１７４とを備えている。
【００２６】
推定部１７４は、接着力の算出に必要なデータを取得するデータ取得部１７４ａと、このデータ取得部１７４により取得されたデータを用いて、接触部１１４と接点部材１２０との接触または離間した瞬間を検出する検出部１７４ｂと、この検出部１７４ｂの検出結果に基づいて後述する駆動力および復元力を算出する駆動復元力算出部１７４ｃと、この駆動復元力算出部１７４ｃの算出結果に基づいて後述する接着力を算出する接着力算出部１７４ｄとを備えている。
【００２７】
このような推定装置１７０は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ／Ｆ装置と、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）またはＦＥＤ（Field Emission Display）等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した駆動電圧印加部１７１、容量検出部１７２、検出部１７３、記憶部１７３および推定部１７４が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。
【００２８】
＜微細構造体の動作＞
推定装置１７０の駆動電圧印加部１７１により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とにそれぞれ駆動電圧を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力（駆動力）によって第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とが互いに引き寄せられる。その駆動力が可動梁１１０の形状を保とうとする力よりも大きくなると、可動梁１１０の梁部１１３が変形し、その端部が基板１００の側に引き寄せられる。第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間の電位差がさらに大きくなるようにそれらに駆動電圧を印加すると、梁部１１３はさらに撓んでその端部が基板１００の側に引き寄せられ、ついには図４に示すように、接触部１１４の下端部が接点部材１２０に接触することとなる。
【００２９】
接触部１１４の下端部が接点部材１２０に接触した状態において、接触部１１４と接点部材１２０との接点には、駆動力に基づく接触部１１４を接点部材１２０の方に押しつける向きに働く押圧力と、接触部１１４を接点部材１２０の方に引き寄せる接着力と、可動梁１１０の変形を元に戻す向きに作用する復元力とが働いており、駆動力に基づく押圧力と接着力との合力が、復元力よりも大きくなっている。
【００３０】
この状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極との間の電位差が小さくなるように駆動電圧を変化させると、接触部１１４と接点部材１２０との接点には、接着力が働いているために、駆動力に基づく押圧力が少し弱くなるだけでは、接触部１１４は接点部材１２０から離間しない。すなわち、復元力に対する押圧力の差分が接着力よりも大きくなる、言い換えると、押圧力と接着力との合力が復元力より小さくならないと、接触部１１４は接点部材１２０から離間しない。そこで、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極との間の電位差が小さくなるように駆動電圧を変化させ、復元力に対する押圧力の差分が接着力よりも大きくなると、梁部１１３が基板１００から離間する方向に移動して、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。さらに、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間の電位差を小さくすると、可動梁１１０は、さらに元の状態に戻るように変形してゆき、ついには図１に示すように、元の状態に戻ることとなる。
【００３１】
＜接着力算出動作＞
次に、本実施の形態に係る微細構造体１の接着力の算出動作について図５を参照して説明する。
【００３２】
まず、推定部１７４のデータ取得部１７４ａは、駆動電圧印加部１７１により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに駆動電圧を印加し、可動梁１１０の接触部１１４の下端部を接点部材１２０に接触させる（ステップＳ１）。
【００３３】
次に、データ取得部１７４ａは、接触部１１４が接点部材１２０から離間する瞬間を検出するために、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０の間に働く静電引力による駆動力が徐々に弱くなるよう、それらに印加する駆動電圧を変化させる（ステップＳ２）。これにより、駆動力が所定の値を下回ると、可動梁１１０の変形を元に戻す向きに作用する復元力により、梁部１１３が基板１００から離間する方向に移動し、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。このとき、容量検出部１７２は、第１の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出しており、この検出された値は記憶部１７３に記憶される。この記憶部１７３は、駆動電圧印加部１７１により第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加されている駆動電圧の値も記憶している。
【００３４】
次に、推定部１７４の検出部１７４ｂは、記憶部１７３に記憶された容量の値に基づいて、次のように接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間を検出する（ステップＳ３）。すなわち、図６に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触している間は、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔は変化しないので、第１，第２の駆動電極１３０，１４０に印加する駆動電圧の値を変えても、それらの間の容量も変化しない。ところが、さらに駆動電圧を第１，第２の駆動電極１３０，１４０間の電位差が小さくなるよう変化させることにより駆動力に基づく押圧力が弱くなり、接触部１１４が接点部材１２０から離間していくと、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔も広がっていくので、容量の値も変化する。したがって、容量が不連続に変化した瞬間が、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間であると検出することができる。このように、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０と第２の容量検出電極１６０との間の容量のデータを取得することにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間を容易に検出することができる。
【００３５】
次に、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間が検出されると、推定部１７４の駆動復元力算出部１７４ｃは、その瞬間における駆動電圧の値に基づいて、その離間した瞬間における駆動力の大きさと可動梁１１０の変形を復元させる向きに働く復元力の大きさとを算出する（ステップＳ４）。この具体的な手法について以下に説明する。なお、本実施の形態では、重力の値は無視するものとする。
【００３６】
まず、駆動力（静電引力）の算出方法について、図４およびこの図４の符号ａで示す微小範囲を拡大した図７を参照して説明する。
【００３７】
図４に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触しているとき、可動梁１１０は変形しているので、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔も場所によって異なる。そこで、図１０に示すような微小範囲における静電引力を算出し、これを第１の状態検出電極１５０および第２の状態検出電極１６０全体の面積に適用することにより、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間に働く駆動力を算出することができる。
【００３８】
具体的には、電極間の誘電率をε、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間に第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加した駆動電圧をＶoff、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇとすると、図７に示す微小面積領域ｄｓに働く静電引力ｄＦeは、下式（１）から算出することができる。ここで、駆動電圧Ｖoffについては、記憶部１７３から取得することができる。また、間隔ｇについては、設計値や実測値などから取得することができる。
【００３９】
ｄＦe＝ε・ｄｓ・Ｖoff2／２ｇ2 ・・・（１）
【００４０】
したがって、下式（２）に示すように、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１３０とが見込む面積Ｓについて上式（１）を積分することにより、本実施の形態に係る微細構造体１全体に働く駆動力Ｆeの大きさを算出することができる。
【００４１】
【数１】
【００４２】
次に、復元力の算出方法について、図８を参照して説明する。
【００４３】
本実施の形態では、可動梁１１０は、片持ち梁構造を有するので、接触部１１４における復元力Ｆkは、可動梁１１０のヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩ、支点となる支持部１１２から接触部１１４までの距離をＬ、接触部１１４におけるたわみ量をδとすると、下式（３）から求めることができる。なお、たわみ量δについては、設計値や実測値などから取得することができる。
【００４４】
Ｆk＝３δＥＩ／Ｌ ・・・（３）
【００４５】
なお、微細構造体１が多数の部材で構成されたり、幅や厚みに分布を持つ複雑な形状をしている場合は、有限要素法を用いた数値解析により近似的に復元力を求めることが有効である。
【００４６】
次に、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間における駆動力と復元力が算出されると、接着力算出部１７４ｄは、接触部１１４と接点部材１２０との接点に働く接着力を算出する（ステップＳ５）。この接着力の算出方法について、図９を参照して説明する。なお、本実施の形態では、重力の値は無視するものとする。
【００４７】
図９に示すように、接触部１１４が接点部材１２０に接触している間、その接点には、接触部１１４を接点部材１２０から離間させる向きに働く復元力（符号α）、静電引力（駆動力）（符号β）に基づく接触部１１４を接点部材１２０に押しつける方向に働く押圧力、および、接触部１１４を接点部材１２０の方に引き寄せる接着力（符号γ）が働いている。押圧力と接着力の大きさの和が復元力の大きさを上回っている間は、接触部１１４が接点部材１２０から離間せず、それらが接触している状態が維持される。接触部１１４が接点部材１２０から離間する瞬間は、接触部１１４を接点部材１２０に接触させる向きに働く力と離間させる向きに働く力が等しくなる瞬間であるから、このとき、押圧力と接着力の大きさの和が復元力の大きさと等しくなる。そこで、本実施の形態では、下式（４）に示すように、離間の瞬間における復元力Ｆkの大きさから押圧力Ｆeの大きさを差し引くことにより、接着力の大きさを算出することができる。
【００４８】
接着力の大きさ ＝ ｜Ｆk−Ｆe｜ ・・・（４）
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、接触部１１４が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量値に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体１を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体１の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、駆動力が基板に対して垂直な方向に作用する場合を例に説明したが、駆動力が働く向きはこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。
【００５１】
例えば、図１０に示す微細構造体２のように駆動力が基板に対して水平な方向に作用するようにしてもよい。この微細構造体２の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００５２】
微細構造体２は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設され基板上から鉛直上方に突出した棒状の形状を有し、上端部が梁部１１３の開放端と水平方向に対向配置された接点部材２２０と、基板１００上の支持部１１２と接点部材２２０との間に配置され、鉛直上方に突出した棒状の第１の駆動電極１３０と、梁部１１３の下面から鉛直下方に突出した棒状の形状を有し、支持部１１２と第１の駆動電極２３０との間に配設された第２の駆動電極２４０と、基板１００上の第１の駆動電極２３０と接点部材２２０との間に配設され、鉛直上方に突出した棒状の第１の状態検出電極２５０と、梁部１１３の下面から鉛直下方に突出した棒状の形状を有し、第１の駆動電極２３０と第１の状態検出電極２５０と間に配設された第２の状態検出電極２６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。このような微細構造体２は、第１の駆動電極２３０と第２の駆動電極２４０とに駆動電力を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によって第１の駆動電極２３０と第２の駆動電力２４０とが互いに引き寄せられ、図１１に示すように、梁部１１３が水平方向に移動する。このような構成を採っても、上述した微細構造体１の場合と同等の作用効果を得ることができる。
【００５３】
また、本実施の形態において、駆動力が働いていないときには接点が形成されず、駆動力が働いたときに接点が形成される場合を例に構造を有する微細構造体１を例に説明したが、例えば、図１２，図１３に示す微細構造体３のように、駆動力が働いていないときに接点が形成され、駆動力が働いたときに接点が形成されないような構成を有するようにしてもよい。この微細構造体３の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００５４】
微細構造体３は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁１１０と、基板１００上に配設され接触部１１４と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の基部３１１の隣に配設され鉛直上方に突出した棒状の支持部３３１，この支持部３３１の上端から水平方向に延在する梁部３３２を備えた駆動電極支持部３３０と、梁部３３２の下面に配設された平板状の第１の駆動電極１３０と、梁部３１３の上面に配設され第１の駆動電極１３０と対向する平板状の第２の駆動電極１４０と、基板１００上の支持部３３１と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、梁部３１３の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。
【００５５】
このような微細構造体３は、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに駆動電力を印加すると、それらの間に電位差が生じ、この電位差に基づく静電引力によって第１の駆動電極１３０と第２の駆動電力１４０とが互いに引き寄せられ、図１３に示すように、梁部３１３が上方に移動し、接触部１１４が接点部材１２０から離間する。このような構成を採っても、上述した微細構造体１の場合と同等の作用効果を得ることができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、微細構造体１を変形させる駆動力として静電引力を用いた場合を例に説明したが、駆動力は静電引力に限定されず、例えば、磁力や圧電効果などに各種駆動力を用いることができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、接触部１１４が接点部材１２０から離間したことを、容量の変化に基づいて検出する場合を例に説明したが、離間したことを検出する手法は容量の変化に限定されず、各種手法を適宜自由に用いることができる。
【００５８】
例えば、接触部１１４と接点部材１２０の接点を光学顕微鏡などで直接観察し、離間の瞬間を検出するようにしてもよい。
【００５９】
また、接触部１１４と接点部材１２０とを導電性を有する部材から構成し、これらの間の電圧降下やそれらの間を流れる電流を測定することにより、より容易に接触部１１４が接点部材１２０から離れる瞬間を検出することができる。
【００６０】
電圧降下を測定する場合、図１４に示すように、接触部１１４と接点部材１２０との間には一定の値の電流を流しておく。このような状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の間の電位差を低下させてそれらの間に働く駆動力を低下させることにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間すると、その瞬間接触部１１４と接点部材１２０との間が絶縁され、それらの間の電圧降下は急激に増大する。このように、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間には、電圧降下の値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。この離間した瞬間が検出されると、この情報を用いて上述したステップＳ４の処理が行われる。
【００６１】
また、電流を検出する場合、図１５に示すように、接触部１１４と接点部材１２０との間の電圧値を一定の状態としておく。このような状態から、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の間の電位差を低下させてそれらの間に働く駆動力を低下させることにより、接触部１１４が接点部材１２０から離間すると、その瞬間接触部１１４と接点部材１２０との間が絶縁、それらの間を流れる電流値はゼロに近づく。このように、接触部１１４が接点部材１２０から離間した瞬間には、電流値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。この離間した瞬間が検出されると、この情報を用いて上述したステップＳ４の処理が行われる。
【００６２】
また、本実施の形態のように第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０とを備える場合、これらの電圧を印加して静電引力を作用させ、これを駆動力として微細構造体１を変形させることができる。このようにした場合、第１，第２の駆動電極１３０，１４０が不要となるため、製造容易性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、梁部が片持ち梁構造を有する場合を例に説明したが、梁部の構造は片持ち梁構造に限定されず、例えば、両持ち梁構造など適宜自由に設定することができる。両持ち梁構造を適用する場合には、上式（３）に示した片持ち梁の関係式の変わりに両持ち梁の関係式を用いればよい。
【００６４】
また、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０を接点部材１２０と第１の駆動電極１３０との間に、第２の状態検出電極１６０を接触部１４０と第２の駆動電極１４０との間にそれぞれ設ける場合を例に説明したが、接触部１１４と接点部材１２０、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１３０および第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０がそれぞれ対向配置されていれば、これらの部材を配設する位置は適宜自由に設定することができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、可動梁１１０の支持部１１２と梁部１１３とを直接に連結する場合を例に説明したが、それらを可撓性を有するばね部を介して連結するようにしてもよい。例えば、図１６，図１７に示す微細構造体４のような構成を採るようにしてもよい。この微細構造体４の構成の詳細について以下に説明する。なお、以下において、上述した微細構造体１と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して説明を行う。
【００６６】
微細構造体４は、基板１００と、この基板上に配設された片持ち梁構造を有する可動梁４１０と、基板１００上に配設された可動梁４１０の端部と対向配置された接点部材１２０と、基板１００上の可動梁４１０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の駆動電極１３０と、可動梁４１０の後述するマス部４１４の下面に配設され第１の駆動電極１３０と対向する平板状の第２の駆動電極１４０と、基板４１００上の第１の駆動電極１３０と接点部材１２０との間に配置された平板状の第１の状態検出電極１５０と、可動梁４１０の後述するマス部４１４の下面に配設され第１の状態検出電極１５０と対向する平板状の第２の状態検出電極１６０と、接点部材１２０、第１，第２の駆動電極１３０，１４０および第１，第２の状態検出電極１５０，１６０と、推定装置１７０に対応する図示しない推定装置とを備えている。ここで、可動梁４１０は、基板１００上に配設された基部４１１と、この基部４１１から鉛直上方に突出した棒状の支持部４１２と、この支持部４１２の上端に一端が接続され、水平方向に延在する可撓性を有するつづら折り形状のばね部４１３と、このばね部４１３の他端に一端が接続され、水平方向に延在する平板状のマス部４１４と、このマス部４１４の他端から鉛直下方に突出し接点部材１２０と対向配置された棒状の接触部４１５とを備えている。
【００６７】
このような構成を有する微細構造体４では、駆動力および復元力の算出をより容易に行うことができる。この原理について、以下に説明する。
【００６８】
微細構造体４において、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０に駆動電圧を印加し、これらの間に電位差を生じさせて静電引力（駆動力）を働かせると、ばね部４１３を有するので、図１８に示すように、マス部４１４が基板１００と平行を保った状態で変位する。このため、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔は、どの場所でも等しくなる。したがって、電極間の誘電率をε、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加した電圧をＶoff、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇ、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の面積をＳとすると、駆動力Ｆeは下式（５）により算出することができる。
【００６９】
Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖoff2／２ｇ2 ・・・（５）
【００７０】
また、復元力Ｆkは、下式（６）に示すように、ばね部４１３のばね定数Ｋと変位量Δｄの積として近似することができる。
【００７１】
Ｆk＝ｋ・Δｄ ・・・（６）
【００７２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態における推定装置１７０の推定部１７４にさらにパラメータ抽出部１７４ｅを設けたものである。したがって、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７３】
図１９に示すように、推定装置１７０は、駆動電圧印加部１７１と、容量検出部１７２と、記憶部１７３と、推定部１７４とを備えている。この推定部１７４は、データ取得部１７４ａと、検出部１７４ｂと、駆動復元力算出部１７４ｃと、接着力算出部１７４ｄと、バネ部４１３の実効的なばね定数や変位量等の微細構造体の実効的な構造パラメータを抽出するパラメータ抽出部１７４ｅを備えている。
【００７４】
微細な構造体によっては、その構造体の残留応力によって構造が反るなど、設計値と実効値との誤差の大きい構造パラメータを有する場合がある。このとき、接点に働く接着力を設計上の構造パラメータで算出すると、算出誤差が大きくなってしまう。そこで、本実施の形態では、接点において接触する瞬間の力のつりあいに着目し、設計値と実効値との誤差を補正した上で接着力を算出する。この接着力算出動作について、図１６〜図１８を参照して説明した微細構造体４に適用した場合を例に、図２０を参照して以下に説明する。なお、以下において、上述した第１の実施の形態で説明した動作を同等の動作については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。
【００７５】
＜接着力算出動作＞
まず、推定部１７４のデータ取得部１７４ａは、駆動電圧印加部１７１により、第１，第２の駆動電極１３０，１４０の間に働く静電引力による駆動力が徐々に強くなるよう、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０とに印加する駆動電圧を変化させ、接触部４１５の下端を接点部材１２０に接触させる（ステップＳ１１）。このとき、容量検出部１７２は、第１の状態検出電極１５０，１６０の間の容量の値を検出しており、この検出された値は記憶部１７３に記憶される。
【００７６】
次に、推定部１７４の検出部１７４ｂは、記憶部１７３に記憶された容量の値に基づいて、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間を検出する（ステップＳ１２）。図２１に示すように、接触部４１５が接点部材１２０と離間している間は、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔が徐々に狭まっていくので、容量は増大していく。接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、第１の状態検出電極１５０と第２の状態検出電極１６０との間隔が殆ど変化しないので、容量の値も変化しない。すなわち、容量が不連続に変化した瞬間が、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間であると検出することができる。このように、本実施の形態では、第１の状態検出電極１５０と第２の容量検出電極１６０との間の容量のデータを取得することにより、接触部１１４が接点部材１２０に接触した瞬間を容易に検出することができる。
【００７７】
次に、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間が検出されると、推定部１７４の駆動復元力算出部１７４ｃは、その離間した瞬間における駆動力の大きさを算出する（ステップＳ１３）。
【００７８】
図１８に示したように、微細構造体４では、マス部４１４が基板１００と平行な状態で変位するため、接触部４１５と接点部材１２０とが接触したときの第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔は、どの場所でも等しくｇとなる。このため、駆動力Ｆeは上式（５）により算出することができる。
なお、図１に示す微細構造体１のように、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０の距離が場所によって異なる場合には、図５を参照して説明したステップＳ４のように、微小面積での駆動力を積分する形で求めればよい。
【００７９】
次に、駆動力を算出すると、パラメータ抽出部１７４ｅは、微細構造体の構造パラメータを抽出する（ステップＳ１４）。
【００８０】
図２１に示すように、微細な構造体においては、構造体の残留応力などによって反りが発生することがある。このような場合、図２２に示すように、設計上の変位量ΔＤ1と、図２３に示す実効的な変位量ΔＤ2とが異なる。このような場合に、上述した図５を参照して説明したステップＳ４において、離間の瞬間における復元力の算出に設計上の変位量ΔＤ1を用いると、接点における接着力の算出精度が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、パラメータ抽出部１７４ｅにより実効的な構造パラメータを抽出し、これを用いて上記ステップＳ４における駆動力と復元力の算出を行うことにより、接着力の算出精度の低下を防ぐことができる。実効的な構造パラメータの算出手法の詳細については、以下に説明する。
【００８１】
≪作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に非線形な関係にある系の場合≫
図１６，図１７に示す微細構造体４のように、第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間に働く静電引力を用いて微細構造体４を変形させ、この変形に伴って第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間隔が変化するような微細構造体において、静電引力の大きさは、第１，第２の駆動電極１３０，１４０との間隔に対して非線形に変化する。このような系では、微細構造体の変形が所定の量を超えると、復元力と静電引力とのつりあいが成り立たず、急激に微細構造体が変形し、接触部４１５が接点部材１２０と接触する「プルイン」という現象が起きることがある。この「プルイン」は、静電引力を駆動力とする系に限らず、作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に非線形な関係にある系で生じる可能性があるものである。以下に、プルインが生じる場合と生じない場合それぞれについて、実効的な構造パラメータを抽出する方法を説明する。
【００８２】
（第１のプルイン発生の判別手法）
第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加される駆動電圧がゼロの場合において、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔をｇ0とすると、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間に印加される駆動電圧を漸進的に増加させていったときの実効的な変位量Δｄが、下式（７）を満たすとき、プルインが生じる。
【００８３】
Δｄ＞ｇ0／３ ・・・（７）
【００８４】
ここで、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０駆動電極との間に印加される駆動電圧がＶonのときに、接触部４１５が接点部材１２０に接触したとする。
まず、プルインが生じたと仮定し、ばね部のばね定数をＫとすると、下式（８）により、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０と間に印加させる駆動電圧がゼロのときのそれらの間隔ｇ0を求めることができる。
【００８５】
ｇ0＝（２７ε・Ｓ・Ｖon2／８Ｋ）1/3 ・・・（８）
【００８６】
次に、実際にプルインが起こっているかを確認する。接触部４１５が接点部材１２０に接触しているとき、第１の駆動電極１３０と第２の駆動電極１４０との間隔ｇに対して上式（８）から算出したｇ0が、下式（９）を満たす場合にはプルインが生じており、下式（９）満たさない場合にはプルインが生じていないこととなる。
【００８７】
ｇ0＞３ｇ／２ ・・・（９）
【００８８】
｛プルインが生じている場合｝
プルインが生じている場合、実効的な変位量ΔＤ2は上式（８）で求めたｇ0を用いて、下式（１０）により算出する求めることができる。
【００８９】
ΔＤ2＝ｇ0−ｇ ・・・（１０）
【００９０】
｛プルインが生じていない場合｝
プルインが生じていない場合、接触の瞬間においても駆動力Ｆeと復元力Ｆkとのつりあいが成り立つので、駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。すなわち、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2となる。したがって、実効的な変位量ΔＤ2は、実測したばね部４１３のばね定数ｋと、上述した復元力Ｆkとを用いて、下式（１１）より求めることができる。
【００９１】
ΔＤ2＝Ｆk／ｋ ・・・（１１）
【００９２】
≪作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離に線形な関係にある系の場合≫
例えば櫛歯電極を用いて発生させる静電引力など、作用する駆動力の大きさが微細構造体との距離と線形な関係にある系では、プルインが生じないので、接触の瞬間においても復元力と駆動力とのつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる。接触の瞬間における駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。したがって、復元力Ｆkの大きさは、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2となる。この場合、実効的な変位量ΔＤ2は、上述したように求めた接触の瞬間における復元力Ｆkの大きさ、実測したばね部のばね定数Ｋを用いて、下式（１２）により求めることができる。
【００９３】
ΔＤ2＝Ｆk／Ｋ ・・・（１２）
【００９４】
この式（１２）を用いて求めた実効的な変位量ΔＤ2を、ステップＳ４における離間の瞬間の復元力の算出に用いることで、接点における接着力の算出精度を向上させることができる。
【００９５】
また、微細構造体４をシリコンなどの反りが発生しにくい材料で作製した場合、設計上の変位量ΔＤ1をもとに、実効的なばね定数Ｋを容易に算出することができる。以下に、実効的な構造パラメータを抽出する方法について説明する。
【００９６】
≪作用する駆動力の大きさが構造体との距離に非線形な関係にある系≫
上述したように作用する駆動力の大きさが構造体との距離に非線形な関係にある系ではプルインが生じる可能性がある。そこで、以下に、プルインが生じる場合と生じない場合それぞれについて、実効的な構造パラメータを抽出する方法を説明する。
【００９７】
（第２のプルイン発生の判別手法）
設計上の変位量ΔＤ1が、下式（１３）を満たしていればプルインが生じており、下式（１３）満たしていなければプルインが生じていない。
【００９８】
ΔＤ1＞ｇ／２ ・・・（１３）
【００９９】
｛プルインが生じている場合｝
この場合、実効的なばね定数Ｋは、下式（１４）から求めることができる。
【０１００】
Ｋ＝２７ε・Ｓ・Ｖon2／８（ｇ＋ΔＤ1）3 ・・・（１４）
【０１０１】
｛プルインが生じていない場合｝
この場合、接触の瞬間においても駆動力Ｆeと復元力Ｆkとのつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる。すなわち、駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められ、復元力Ｆkの大きさは、Ｆk＝Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。実効的なばね定数Ｋは、設計上の変位量ΔＤ1を用いて、下式（１５）から求めることができる。
【０１０２】
Ｋ＝Ｆk／ΔＤ1 ・・・（１５）
【０１０３】
≪作用する駆動力の大きさが構造体との距離と線形な関係にある系≫
例えば櫛歯電極を用いて発生させる静電引力など、作用する駆動力の大きさが構造体との距離と線形な関係にある系ではプルインが生じないため、接触の瞬間においても駆動力と復元力のつりあいが成り立ち、復元力の大きさは、駆動力の大きさと等しくなる（Ｆk＝Ｆe）。接触の瞬間における駆動力Ｆeの大きさは、Ｆe＝ε・Ｓ・Ｖon2／２ｇ2として求められる。したがって、その駆動力の値に基づいて、接触の瞬間における復元力の大きさを求めることができる。この場合、実効的なばね定数Ｋは、上述したように求めた接触の瞬間における復元力Ｆkの大きさ、設計上の変位量ΔＤ1を用いて、下式（１６）により求めることができる。
【０１０４】
Ｋ＝Ｆk／ΔＤ1 ・・・（１６）
【０１０５】
この式（１６）を用いて求めた実効的なばね定数Ｋを、ステップＳ４の式（６）において、離間の瞬間における復元力の算出に用いることで、接点における接着力の算出精度を向上させることができる。
【０１０６】
微細構造体の構造パラメータが抽出されると、推定装置１７０は、その構造体パラメータを用いて、第１の実施の形態で説明したステップＳ１〜Ｓ５の処理を行う。
【０１０７】
このように、本実施の形態によれば、接触部４１５が接点部材１２０に接触した状態から接点部材１２０から離間するまでに変化する容量を取得し、この容量量に基づいて接着力を推定することにより、実際の微細構造体４を同じ状態で接着力を推定することができるので、結果として、微細構造体４の接点に働く接着力を精度良く推定することができる。
【０１０８】
また、上述したように、微細な構造体によっては、作製プロセス中の応力によって構造が反るなど、設計値と実効値との誤差の大きい構造パラメータがある。このとき、接点に働く接着力を設計上の構造パラメータで算出すると、算出誤差が大きくなってしまう。しかしながら、本実施の形態によれば、接点が接触する瞬間の力のつりあいに着目することで、実効的な構造パラメータを抽出できるため、接着力の算出精度を向上することができる。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、接触部４１５が接点部材１２０に接触したことを、容量の変化に基づいて検出する場合を例に説明したが、接触したことを検出する手法は容量の変化に限定されず、各種手法を適宜自由に用いることができる。
【０１１０】
例えば、接触部４１５と接点部材１２０の接点を光学顕微鏡などで直接観察し、接触の瞬間を検出するようにしてもよい。
【０１１１】
また、接触部４１５と接点部材１２０とを導電性を有する部材から構成し、これらの間の電圧降下やそれらの間を流れる電流を測定することにより、より容易に接触部４１５が接点部材１２０に接触する瞬間を検出することができる。
【０１１２】
電圧降下を測定する場合、図２５に示すように、接触部４１５と接点部材１２０との間には一定の値の電流を流しておく。このような状態から、駆動力を上げさせ接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、接触部４１５と接点部材１２０との間が導通した瞬間、それらの間の電圧降下が低下する。このように、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間には、電圧降下の値が不連続に変化するため、より容易に離間した瞬間を検出することができる。
【０１１３】
また、電流を検出する場合、図２６に示すように、接触部４１５と接点部材１２０との間の電圧値を一定の状態としておく。このような状態から、駆動力を上げさせて接触部４１５が接点部材１２０に接触すると、接触部４１５と接点部材１２０との間が導通した瞬間、それらの間を流れる電流値が増大する。このように、接触部４１５が接点部材１２０に接触した瞬間には、電流値が不連続に変化するため、より容易に接触した瞬間を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、ＭＥＭＳスイッチなど機械的な接触動作を伴う微小な構造体に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１〜４…微細構造体、１００…基板、１１０…可動梁、１１１…基部、１１２…支持部、１１３…梁部、１１４…接触部、１２０，２２０…接点部材、１３０，２３０…第１の駆動電極、１４０，２４０…第２の駆動電極、１５０，２５０…第１の状態検出電極、１６０，２６０…第２の状態検出電極、１７０…推定装置、１７１…駆動電圧印加部、１７２…容量検出部、１７３…記憶部、１７４…推定部、１７４ａ…データ取得部、１７４ｂ…検出部、１７４ｃ…駆動復元力算出部、１７４ｄ…接着力算出部、１７５ｅ…パラメータ抽出部、３３０…駆動電極支持部、３３１…支持部、３３２…梁部、４１０…可動梁、４１１…基部、４１２…支持部、４１３…ばね部、４１４…マス部、４１５…接触部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が前記第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、前記第１の部材と前記第２の部材との接点に作用する接着力を推定する方法であって、
前記第２の部材に対して働く第１の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する第１の取得ステップと、
この第１の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間を検出する第１の検出ステップと、
この第１の検出ステップにより検出された前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記第１の駆動力と、前記第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する第１の算出ステップと、
この第１の算出ステップにより算出された前記第１の駆動力と前記復元力との差分の絶対値を前記接着力として推定する推定ステップと
を有することを特徴とする接着力推定方法。
【請求項２】
前記第２の部材に対して働く第２の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が前記第１の部材と離間した状態から当該第１の部材に接触するまでに変化する物理量を取得する第２の取得ステップと、
この第２の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材に接触する瞬間を検出する第２の検出ステップと、
この第２の取得ステップにより検出された前記第２の部材が前記第１の部材に接触する瞬間における、前記第２の駆動力を算出する第２の算出ステップと、
この第２の算出ステップにより算出された前記第２の駆動力に基づいて、前記微細構造体の構造パラメータを抽出する抽出ステップと
をさらに備え、
前記推定ステップは、前記構造パラメータを用いて、前記接着力を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の接着力推定方法。
【請求項３】
前記第２の部材の変形に伴って間隔が変化し、容量を形成する一対の電極を備え、
前記物理量は、前記電極によって形成される容量である
ことを特徴とする請求項１または２記載の接着力推定方法。
【請求項４】
前記第２の部材は、前記一対の電極間に引加される電圧により発生する静電引力により変形する
ことを特徴とする請求項３記載の接着力推定方法。
【請求項５】
前記第１の算出ステップは、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記一対の電極に印加される電圧の値に基づいて前記第１の駆動力を算出する
ことを特徴とする請求項３または４記載の接着力推定方法。
【請求項６】
前記物理量は、導電性を有する前記第１の部材と前記第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく電圧降下値からなる
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項７】
前記物理量は、導電性を有する前記第１の部材と前記第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく電流値からなる
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項８】
前記第２の部材は、前記第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ前記第１の部材と対向配置された接触部とからなり、
前記抽出ステップは、前記第２の駆動力と前記ばね部のばね定数とに基づいて前記ばね部の実効的な変位量を抽出する
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項９】
前記第２の部材は、前記第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ前記第１の部材と対向配置された接触部とからなり、
前記抽出ステップは、前記第２の駆動力と前記ばね部の変位量とに基づいて前記ばね部の実効的なばね定数を抽出する
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項１０】
第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が前記第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、前記第１の部材と前記第２の部材との接点に作用する接着力を推定する装置であって、
前記第２の部材に対して働く第１の駆動力が弱まることにより、当該第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する取得部と、
この取得部により取得された前記物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間を検出する検出部と、
この検出部により検出された前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記第１の駆動力と、前記第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する算出部と、
この算出部により算出された前記第１の駆動力と前記復元力との差分の絶対値を前記接着力として推定する推定部と
を備えたことを特徴とする接着力推定装置。
【請求項１】
第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が前記第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、前記第１の部材と前記第２の部材との接点に作用する接着力を推定する方法であって、
前記第２の部材に対して働く第１の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する第１の取得ステップと、
この第１の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間を検出する第１の検出ステップと、
この第１の検出ステップにより検出された前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記第１の駆動力と、前記第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する第１の算出ステップと、
この第１の算出ステップにより算出された前記第１の駆動力と前記復元力との差分の絶対値を前記接着力として推定する推定ステップと
を有することを特徴とする接着力推定方法。
【請求項２】
前記第２の部材に対して働く第２の駆動力が変化することにより、当該第２の部材が前記第１の部材と離間した状態から当該第１の部材に接触するまでに変化する物理量を取得する第２の取得ステップと、
この第２の取得ステップにより取得された物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材に接触する瞬間を検出する第２の検出ステップと、
この第２の取得ステップにより検出された前記第２の部材が前記第１の部材に接触する瞬間における、前記第２の駆動力を算出する第２の算出ステップと、
この第２の算出ステップにより算出された前記第２の駆動力に基づいて、前記微細構造体の構造パラメータを抽出する抽出ステップと
をさらに備え、
前記推定ステップは、前記構造パラメータを用いて、前記接着力を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の接着力推定方法。
【請求項３】
前記第２の部材の変形に伴って間隔が変化し、容量を形成する一対の電極を備え、
前記物理量は、前記電極によって形成される容量である
ことを特徴とする請求項１または２記載の接着力推定方法。
【請求項４】
前記第２の部材は、前記一対の電極間に引加される電圧により発生する静電引力により変形する
ことを特徴とする請求項３記載の接着力推定方法。
【請求項５】
前記第１の算出ステップは、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記一対の電極に印加される電圧の値に基づいて前記第１の駆動力を算出する
ことを特徴とする請求項３または４記載の接着力推定方法。
【請求項６】
前記物理量は、導電性を有する前記第１の部材と前記第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく電圧降下値からなる
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項７】
前記物理量は、導電性を有する前記第１の部材と前記第２の部材の接触部に流した電気信号に基づく電流値からなる
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項８】
前記第２の部材は、前記第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ前記第１の部材と対向配置された接触部とからなり、
前記抽出ステップは、前記第２の駆動力と前記ばね部のばね定数とに基づいて前記ばね部の実効的な変位量を抽出する
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項９】
前記第２の部材は、前記第１の部材が配設された基板上から突出した柱状の支持部と、この支持部の上端に一端が接続され水平方向に延在する可堯性を有するばね部と、このばね部の他端が接続された平板状のマス部と、このマス部に設けられ前記第１の部材と対向配置された接触部とからなり、
前記抽出ステップは、前記第２の駆動力と前記ばね部の変位量とに基づいて前記ばね部の実効的なばね定数を抽出する
ことを特徴とする請求項２記載の接着力推定方法。
【請求項１０】
第１の部材と、外部から働く駆動力によって変形することにより少なくとも一部が前記第１の部材に接触可能とされた第２の部材とを備え、この第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から離間した状態へ遷移する離間動作が行われる微細構造体における、前記第１の部材と前記第２の部材との接点に作用する接着力を推定する装置であって、
前記第２の部材に対して働く第１の駆動力が弱まることにより、当該第２の部材が前記第１の部材に接触した状態から当該第１の部材から離間するまでに当該第２の部材の変形に伴って変化する物理量を取得する取得部と、
この取得部により取得された前記物理量に基づいて、前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間を検出する検出部と、
この検出部により検出された前記第２の部材が前記第１の部材から離間した瞬間における、前記第１の駆動力と、前記第２の部材の変形を復元させる向きに働く復元力とを算出する算出部と、
この算出部により算出された前記第１の駆動力と前記復元力との差分の絶対値を前記接着力として推定する推定部と
を備えたことを特徴とする接着力推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１１−４７８６９（Ｐ２０１１−４７８６９Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９８１６５（Ｐ２００９−１９８１６５）
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２８日（２００９．８．２８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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