JP2000501842A - 多次元容量変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多次元容量変換システム（２０２）を含む高精度力伝達および／または（重量を含む）力および変位測定／指示装置（２００）。多次元容量変換システム（２０２）は力または運動を伝達、および／または力、重量、または位置を第１方向において検出する第１容量変換器（２０４）と、力または運動を伝達、および／または力、重量、または位置を第２方向において検出する第２容量変換器（２０６）を含む。多次元容量変換システム（２０２）はマイクロメカニカル試験システムに本来の作像を提供するために使われる。

Description

【発明の詳細な説明】 多次元容量変換器 関連特許出願 本特許出願は１９９３年１０月１日出願の米国特許出願第０８／１３１，４０ ５号の一部継続である１９９４年１０月２４日出願の特許出願第０８／３２７， ９７９号の一部継続である１９９４年１１月１４日出願の同時係属出願第０８／ ３３７，７４１号の一部継続である。上記の早期出願の開示は本特許明細書に完 全には含まれないのでこれらの出願は参考引例としてここに援用される。技術分野 本発明は高精度センサーシステムに関する。更に詳しくは、本発明は一つの多 板式容量システムを含む高精度力伝達および／または（重量を含む）力および変 位測定／指示変換器に関する。更に、本発明はそのような変換器を組み入れた装 置に関する。発明の背景 力、重量、および相対位置の精密測定のための多くの応用が従来から知られて いる。例えば、互いに相対的な孔、溝、または表面形状を精密に指示や製作する ための機械工場の工具には正確な位置や変位測定が要求される。電子部品の製造 では小さい部品の変位や位置の正確な測定は特に重要である。 そのような測定を遂行するための計器と共に微量で力や重量を正確に測定する ことはよく知られている。ひずみ計変換器類はそのような測定用の一つの工業認 識計器である。これらの計器類はサンプルの微小硬さ試験のような実験室におけ る分析で使われる。更に、微量の構成要素を高い分解能で測定する実験室の規模 は化学、生物学、薬物や医学分野ではよく知られている。 ひずみゲージ変換器において知られている分解能の限界は計測装置のノイズ比 率に対する信号である。ひずみゲージ変換器はわずか数ミリボルトの出力しか持 たない。ひずみゲージ変換器用の最小可能なノイズレベルはひずみゲージ抵抗素 子上に熱ノイズにより設定される。例えば、３５０オーム抵抗の商用ひずみゲー ジセンサー用に計算されたノイズは１ヘルツ帯域巾で２．４ｎＶである。 更に近年では、走査プローブ型顕微鏡の開発によって微細レベルでの力や位置 のより高い分解能測定の必要性が生まれた。１９８９年１０月発行の雑誌Ｓｃｉ ｅｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎの９８−１０５頁に記載の「走査プローブ型 顕微鏡」でウイックラマシング（Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ）により開示さ れたように、走査プローブ型顕微鏡類はたった一個の原子巾に過ぎないプローブ を使って非常に近接した範囲の表面を調べることができ、他の顕微鏡類が認知出 来ない規模の特徴や性質を解明する。 参考引例として本明細書に組み入れられたウイックラマシング（Ｗｉｃｋｒａ ｍａｓｉｎｇｈｅ）の開示は二種類の走査プローブ型顕微鏡を開示する。最初の 種類は走査トンネル顕微鏡で、他は原子力顕微鏡である。 原子力顕微鏡では、走査プローブ装置はラスター状に試料を包んだ金属箔上に 取り付けた極小鋭利なダイヤモンドのような微小チップを移動させる。測定機は 力、すなわち表面原子の電子雲を有するチップにおける電子雲の部分的重なりに より生じた反発力の輪郭を記録する。事実、蓄音機の針のようなチップはその試 料の表面を読む。金属箔はばねのように作用し、チップはその表面に押しつけら れたまま原子地形により押し上げられ押し下げられる。 走査トンネル顕微鏡はプローブと表面の間の間隙を横切る電子により原子規模 の地形を感知する。印加された電圧の変化に応じて寸法をわずかに変える圧電性 セラミックは、三次元的に走査トンネル顕微鏡のタングステンプローブを動かす 。電圧はチップに加えられ、電導または半電導する筈の表面に対してトンネル電 流が流れ始めるまで移動する。チップはそのときラスター状に前後に走査される 。トンネル電流は地形と共に変わろうとする。帰還機構は表面の起伏に従ってチ ップを上下に動かすことにより応答する。チップの運動は表面画像に変換される 。 走査トンネル顕微鏡を使うと、表面地形の測定は、もし表面からのチップの距 離が維持されないと不正確になるであろうことが認識される。このように、測定 サイクルにわたってチップによりサンプル上に加えられた力の測定によりチップ と表面の距離が維持されることが確認され、地形測定の正確さに対するクロスチ ェックを提供するであろう。 既に述べたように、ひずみゲージ変換器のような測定機はサンプルの微小硬度 試験に使われ、一方走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡は表面地形の測定や作像 方法として容認されている。もし結果を高分解能でただちに作像することが可能 なら微小押込み硬さ試験に実質的な利点があるだろう。走査トンネル顕微鏡や原 子力顕微鏡用の現在知られているチップや制御機構のために、これまでこれらの 計測機により表面地形を測定しかつ微小押込み硬さ試験を行うことが出来なかっ た。 これらの計測機に一般に使われているタングステン走査トンネル顕微鏡チップ は非常に細くかつ幾分低い押込み負荷で魚釣形状に反り返る傾向があるので押込 み後に作像がすこし疑わしい。原子力顕微鏡チップは、走査トンネル顕微鏡チッ プより硬いが、簡単に折れる華奢な片持ちばり上に取り付けられる。これだと原 子力顕微鏡を使って加えられうる力の量は大部分の押込みに必要な量よりずっと 小さく制限される。 代替方法としては走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡を押込み後作像能力 を与えるがかなりの装置コストや付加時間がかかる内蔵走査電子顕微鏡を使って 造る方法がある。また、走査電子顕微鏡は真空下で作動するだけであるから生物 試料のような湿気を含んだサンプルの観察は不可能である。 顕微鏡的尺度で材料の機械的性質の研究を行う場合、押込みと引っかき試験の 二つの手法がしばしば使われる。試験されている材料にダイヤモンドチップを押 圧する押込み試験は通常は材料の硬さを求めるために使われ、材料の弾性係数を 求めることから始まる。引っかき試験は基板上に付着されたフィルムや被膜の接 着力を求めるために使われる。引っかき試験はダイヤモンドチップをある種の層 間剥離や破損が起きる臨界荷重に達するまで荷重を増加しながらサンプル表面上 を引きずって行われる。 通常は押込みや引っかきは、この目的のために設計された一つの機械上で行わ れ、その結果は押込み寸法や層間剥離の面積を求めるために顕微鏡を使って解析 される。いくつかまたはそれ以上のマイクロメータの特徴寸法に対しては通常は 光学顕微鏡が使われる。 数個以下のマイクロメータの特徴に対しては、半導体の微小化が進みかつ例え ば磁気記憶ディスク上で使われる防護膜の厚みの減少と共にますます重要になる につれ、その面積は通常は走査電子顕微鏡作像により求められる。これはサンプ ルの作成、特に電気的絶縁体や走査電子顕微鏡上に作像する前に金やカーボンで 被覆する必要のあるサンプル作成に実質的な作業をもたらす。また、小さい押込 みや引っかきを見つけるだけでも些細なことではない。最小の押込みや引っかき に対しては、走査トンネル顕微鏡または原子力顕微鏡の原子レベルの分解能に要 求されることは引っかき巾や層間剥離の面積を正確に解明することである。研究 者の報告では押込みを別の微小押込み機上で作った後に原子力顕微鏡にその押込 みを位置づけるのに最大８時間を費やしている。 不確かな他の情報源としてはあるサンプルに生じ得る塑性流動や緩衝である。 もしこれが１時間あるいはそれ以下の期間にわたって起きると、別の押込み機で 作られた押込みがそれが顕微鏡上で検査される前に消滅するかもしれない。５０ オングストロームの範囲に作られた押込みは時には走査電子顕微鏡または原子力 顕微鏡の作像では見ることができなかった塑性変形を示した。可能性のある説明 としては実際には存在しない塑性変形を示す原因となる機械的履歴現象が押込み 機に存在することである。研究者が検出できない押込みが実際には存在したこと もまた可能性のある説明である。第３の可能性としては押込みが実際には存在し ないでサンプルが顕微鏡で観察できる前にある塑性流動現象により消滅させられ る場所にサンプルが緩衝効果を示したことである。 微小押込み硬さ試験や引っかき試験時に、もしその結果を高分解能力で直ちに 作像することが可能であるとすれば、明らかに実質的利点があるであろう。その ような能力は測定にかかる時間と費用との両方を削減し、更に結果についての不 確実性を削減するだろう。 マイクロメカニカル試験用のサンプルに押込みを形成する工程も限界がある。 走査トンネル顕微鏡のＺ軸ピエゾを使ってチップをサンプル材に運ぶことにより 力がサンプルに加えられる。この工程は顕微鏡制御システム下で作動する「リト グラフィスクリプト」を書くことにより制御される。これらのスクリプトは三軸 全てにおけるチップ動作を制御するために使うことができる。Ｚ、Ｘ、またはＹ 方向の同時動作は支持されないため、微小押込み試験の継続に必要な力傾斜路を 階段型傾斜路を使って近似しなければならない。 加えられうるその力の大きさはそれがＺ軸上のピエゾの動程と力センサーのば ね定数により決まるからその大きさはかなり制限される。より高い力はより高い ばね定数を持ったセンサーを使って達成できたが、解像度を下げ、必要とする最 小作像力を増すであろうし、作像中にサンプル摩耗の問題を起こす原因になるか もしれない。加えて、圧電アクチュエータのＺ軸上の動程はＸ軸Ｙ軸上でも同様 直線性と履歴現象効果に関しては補償されない。この結果リトグラフィスクリプ ト中の指令されたＺ軸上の動程とＺ軸方向のチップの実際の動程との間にはかな りの差があるため計量補正問題が生じる。 マイクロメカニカル試験では指令されたＺ軸方向の運動とチップの実際の運動 の間で高い分解能と直線性を維持しながらより高い最大力へ延びる範囲で制御さ れたサンプル材の押込みを提供する機構を有することで非常に利点がある。 ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）ら（米国特許第４，６９４，５８７号）はＧ力の変化 を検出しその変化に比例するディジタルカウント値を作るための容量加速度計を 組み込む車両性能解析機を開示している。センサーは力の加速の変化に反応する ビーム支持可動板の両対抗側上に配置された間隔をあけた一対の平行板からなる 容量変換器を含む。ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）らは、図３でビーム支持可動板が間 隔をあけた一対の平行板の間にアクセスされないように密封されていることを開 示している。このように、可動板には物理的にアクセスできないが、可動板は加 速中にＧ力を受けその力に直交して取り付けられた場合曲がりかつ変位する。ボ ーニン（Ｂｏｎｉｎ）ら（米国特許第４，６９４，６８７号）は参考引例として 本明細書に援用されている。発明の概要 本発明は第１実施形態において力、重量、または位置変換器を提供している。 第２実施形態では第１実施形態の変換器が微小押込み硬さ試験と、硬さ試験に続 いて直ちに作像できる表面作像用装置に組み入れられている。 先ず、本発明の第１実施形態に話を戻すと、力、重量、または位置変換器が与 えられている。装置の出力は重量、力、または測定されたサンプルの相対位置に 比例してＤＣ信号に変換してもよい。この変換は例えばボーニン（Ｂｏｎｉｎ） らにより米国特許第４，６９４，６８７号に一般に開示されているように達成し てもよい。 加えて、変換器は対象リモート上の力を装置から分けてもよいし、対象リモー トを変換器から望む方向に分けてもよい。 一つの好ましい実施形態では、変換器は高精度の力および変位の変換器である 。変換器は一対の容量変換器を含む。各容量変換器は分離した一枚の駆動板と分 離駆動板の間に位置する一枚の共有ピックアップ板を含む。更に、遠隔点とピッ クアップ板の間で力を伝達するための機構を備えている。 一つの好ましい実施形態では、駆動板に対するピックアップ板の相対位置は静 電作動を通して制御される。静電制御装置は選択的に電圧を駆動板の一つに加え ピックアップ板と駆動板の間に吸引力をを提供する。吸引力は伝達機構により遠 隔点を移動させるためにピックアップ板から離れた点へ伝達されるかまたは力を 遠隔点へ加える。静電制御装置は増幅装置へ連結された比較的高い電圧供給源を 含む。 変換器はまた駆動板に関係するピックアップ板の位置に釣り合ったピックアッ プ板から出力信号を監視するための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、 監視機構は出力信号検出装置／調整装置を含む。その機構は搬送信号を一対の駆 動板へ加えるための機構を含んでもよい。一つの実施形態では、搬送信号は駆動 板の一つに加えられた信号が他の駆動板に加えられた信号と１８０度離れた位相 のＡＣ電圧信号である。搬送信号の周波数は静電制御装置により加えられた電圧 の周波数に比例して高い。 監視機構は駆動板に関係するピックアップ板の変位を表す変換器出力信号を監 視するためにピックアップ板に連結される。その出力信号は変換器により遠隔に ある物体に加えられた力または運動を表してもよい。 他の実施形態では、変換器は適切なサスペンションシステムに取り付けられた 駆動板およびピックアップ板を有する多容量システムを使って、力がピックアッ プ板に加えられたときまたはピックアップ板が力または運動をピックアップ板か ら遠く離れた対象に加えたとき所望の相対運動を提供する。ピックアップ板の変 位を表して、駆動板に関連し、且つ検知力、重量又は変位に比例する出力信号を 提供するために、駆動信号を互いに１８０度位相を異にして５０ＫＨｚ程度で、 駆動板をＡＣ搬送信号で駆動しても良い。 出力信号は非常に高い入力インピーダンス（例えば１００ＭＯｈｍ−０．３ｐ Ｆ）のバッファーアンプを通過し、力または変位に比例するＤＣ信号を作るため に同期的に復調される。出力は変位の一方向に対して正で、反対方向に対して負 である。 本発明に従えばセンサー素子は一対の容量変換器を含み、各変換器は一つの分 離駆動板と一つの共有ピックアップ板を含む。一対の駆動板の一つは駆動板上に 中心を通って配置された孔を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間に位置し 各駆動板からは絶縁スペーサーにより隔てられている。このようにして、駆動板 は好ましい実施形態では一般にピックアップ板が間に取り付けられた間隔をあけ た対向導電表面を含む。ピックアップ板は一般には駆動板の間にばねにより宙に 浮かされた導電中央板であることが可能で、その中央板は各駆動板の導電面間で 偏向が可能である。 センサー素子は力を中央板から遠くにある点と中央板の間に伝達する方法を含 む。この方法はピックアップ板にそれと一致して動くように取り付けられたサン プルホルダーを含むことができる。代わりに、一つの駆動板の孔を通過しかつ中 央板と接触するどんなロッドや部材を使ってピックアップ板へ力を伝達してもよ い。出力は実際にはピックアップ板の位置に比例するが、センサーは線形力対変 位の関係を有するように構成されるため、出力は力を表すように簡単に較正され る。 他の実施形態では、サンプルホルダーは一つの駆動板で中央に配置された孔を 通過しピックアップ板の導電中央板の表面に接触しているステム部分を持つ受け 台である。中央板との接触はほぼ中央板の中心点にある。このようにして、受け 台は受け台に加えられた力を中央板へ伝達し、その結果として中央板が反る。受 け台ステムと駆動板の孔との間の空間を通って入ってくるごみや他の汚染物質を 予防するために一枚のダイヤフラムシールを含めることができる。 他の実施形態では、本発明による変換器は一対の容量変換器を含み、各変換器 は分離駆動板と共有ピックアップ板を含む。ピックアップ板は一対の駆動板の間 に可動的に取り付けられる。ピックアップ板は遠隔地点へ直接取り付け駆動板の 一つを通過しないでピックアップ板と遠隔地点の間に力や運動を伝達してもよい 。 開示された変換器は走査トンネル顕微鏡や原子力顕微鏡のような走査プローブ 顕微鏡類と共に特に有用である。しかしながら、変換器は微小測定に高分解能が 要求される重量、力、または変位を測定するためのいかなる用途に利用してもよ い。本発明の変換器は１００，０００から１までの分解能を持つ。変換器は１／ ２インチ平方（１．２７平方センチメートル）と深さ１／８インチ（０．３２セ ンチメートル）の寸法を持っているから既存の走査プローブ顕微鏡のサンプルホ ルダー範囲に取り付け可能である。顕微鏡の対象となるサンプルは変換器のトッ プに取り付けられる。これにより顕微鏡チップによりサンプルに加えられた力は 直接読み取られる。 本発明の変換器の信号対ノイズ比は既存のひずみゲージ変換器類に対して計算 されたそれよりはるかに高い。先に述べたように、ひずみゲージ変換器に対する 最小可能なノイズレベルはひずみゲージ素子の熱的ノイズにより設定される。対 照的に、本発明の容量変換器は変換器のインピーダンスにより制御されるノイズ レベルを持つ。これにより本発明の容量変換器の信号対ノイズ比はひずみゲージ のそれより１０倍以上が可能である。この信号対ノイズ比は５０ＫＨｚを超える 搬送信号を増加させることで更に増加させることが可能である。使用に適した分 解能は熱平衡により制限されるが、熱平衡はより安定した材料を使うことにより 改善することが可能であり基線のずれの自動修正も可能であると思われる。 一つの実施形態では、本発明のセンサー素子は従来のプリント回路エッチング 技法を使って容易に作れる第１及び第２の直列に接続された可変コンデンサから なる。更に特定すると、センサーは積み重ねた形状の５枚の基板からなる。 二つの最も外側の基板、すなわち第１及び第５基板の各々は金属被覆を施した 面を有する。最も外側の板の内側には金属面の部分はそれぞれ一個の異なった可 変コンデンサの第１の板（駆動板）からなる。第１基板は更に力をピックアップ 板へ（例えば、サンプルホルダーから）接触しない、すなわち孔や通路を通過す る際に接触して摩擦を起こすことのないように伝達するため受取手段用の貫通し た孔または通路を含む。ピックアップ板は以下に更に詳しく記述される。第５基 板は更に正反対にかつ金属面が内面上に孔または通路からエッチングが行われる 第１基板にある孔または通路の寸法に一致する領域を含む。これはセンサーの応 答の直線性を維持するために行われる。第１基板と第５基板の外側の金属被覆さ れた面は公知の方法でシールドとして作用する。 第１及び第５基板、すなわち外側基板はそれぞれ絶縁基板すなわち少なくとも 以下に記述する第３基板の中央板の大きさの開いた中央部分を有するフレームメ ンバーからなる第２及び第４基板と境を接する。 第３基板はこれらの二つの絶縁フレームメンバーの間に挟まれる。第３基板の 一部分は第１及び第４基板により定義される一対の可変コンデンサ用の共通第２ 板すなわちピックアップ板からなる。第３基板はばね状の部位により宙に浮いた 平らな中央板を含む。好ましい実施形態では、ばね状の部位は４個の比較的薄い Ｌ型ばねを含む。金属集団は５個の基板が共に挟まれているときフレームオープ ニング内で置き換え可能である。 中央板へ力を伝達する手段、例えばサンプルホルダーや受け台、は接触しない で第１及び第２基板に接触することなく通過し、他方接し、接触すなわち宙づり の金属集団に接触して手段を中心に近付ける。この方法で、サンプルホルダーや 受け台に加えられた力は宙づりの金属集団の変位に変換される。 上に略述した構造物にある各種の基板層への電気的接続は多層プリント配線組 立に共通した従来の板通し孔技法を使って作られた金属孔に差し込み貫通された 導電ピンにより作ることができる。 一対の駆動板へＡＣ搬送信号を加える手段が与えられる。高周波数発信機から のＡＣ信号は第１基板と第５基板すなわち変換器の二つの最外側の定常板に関連 したターミナルを横切って印加され中央置き換え板（ピックアップ板）は出力を 提供する。このようにして、中央可動板の反りの量に比例したプッシュプル信号 が作られ増幅され、そして出力信号を監視するための手段により同期的に復調さ れる。力、重量、または変位に比例したＤＣ電圧信号が作られる。 他の実施形態では、上記のセンサーも同時またはその直後の走査トンネル顕微 鏡や原子力顕微鏡作像能力でサンプルの超微小硬度を測定するための道具として 利用可能である。本発明のセンサーは実寸範囲３グラムを３０マイクログラムの 分解能で容易に提供できる。 本発明のセンサーが微小押込みや作像用の装置に利用されるとき、センサーは 現在は原子力顕微鏡に得られる偏向信号をレーザを反射する片持ちばりの光学セ ンサー出力から作るために利用される。更に、この第２実施形態で、サンプルは 力センサー上に取り付けられ、適切な圧子チップまたは他の堅い鋭利なチップが 走査トンネル顕微鏡圧電アクチュエータ上に取り付けられる。センサーからの出 力が制御ユニットへ送り返され、システムがより標準原子力顕微鏡に似たように 動作するように圧子チップまたはサンプルが導電性を有することは必要ないこと が分かっている。 サンプルは接触力をサンプルに影響しないように適当に低い値に特定すること により作像することが可能である。作像後、制御装置は変換器と共に使われチッ プをサンプルに押し込んで押込みを作り、他方変換器は押込み工程中に加えられ た負荷を読む。 第２の実施形態では、変換器はサンプルチップに押し込んで押込みを形成する 。これは電圧を駆動板の一つに加えピックアップ板と帯電駆動板の間に吸引力を 与えるために静電制御装置を使うことにより達成してもよい。サンプルはそのと き押込みの結果が別の押込み装置で行ったときのように時間刻みよりむしろ分刻 みで見ることができるように同じチップを使って再作像できる。 代わりに、変換器ピックアップ板を押込み機チップに直接または間接に接続し てもよい。この実施形態では、結果として生じたピックアップ板の運動は押込み を行うためにチップをサンプルに打ち込むために必要な力を生ずる。 更に本発明の他の実施形態は高精度多次元変換器を含む。多次元変換器は力や 運動を付与し、および／または駆動板に関連して第１方向に動くように取り付け られたピックアップ板を持つ第１方向に力、重量、または位置を検出するための 第１容量変換器を含む。第２容量変換器は力または運動を与えたりおよび／また は駆動板に関連して第２方向に動くように取り付けられたピックアップ板を持つ 第２方向に力、重量、または位置を検出するために含まれる。 第１容量変換器および第２容量変換器は各ピックアップ板からの対象遠隔と前 記ピックアップ板の間で力を伝達するための手段を含んでもよい。第１変換器お よび第２変換器は更に前記の相対位置に比例した出力信号を与えるために駆動板 に関連したピックアップ板の位置に応答する手段を含んでもよい。 変換器は更に各ピックアップ板を選択的に制御しピックアップ板を経由して遠 隔にある物体に力を選択的に与えるための手段を含んでもよい。ピックアップ板 により遠隔にある物体上に力を選択的に与えるための手段は静電作動を含んでも よい。各ピックアップ板を選択的に制御するための手段は各変換器に連結した静 電アクチュエータを持った制御装置を含んでもよい。 多次元変換器は更に力や運動を与えるためのおよび／または可動的に取り付け られたピックアップ板を持った第３方向に力、重量、または位置を検出するため の第３容量変換器を含んでもよい。更に、多次元変換器は力や運動を与えるため のおよび／または可動的に取り付けられたピックアップ板を持った第２方向に力 、重量、または位置を検出するための第２容量変換器を含んでもよい。 多次元変換器はマイクロメカニカル試験システムにおける使用を含む多くの用 途を持つ。一つの好ましい実施形態では、本発明は本発明による高精度多次元容 量変換器を含む走査プローブ顕微鏡装置を含む。本発明によれば、多次元変換器 はマイクロメカニカル試験システムに本来の作像を提供するために使ってもよい 。 本発明は更にサンプルにマイクロメカニカル試験を行う方法を含む。その方法 はサンプルを置く段階を含む。マイクロメカニカル試験は高精度、多次元容量変 換器を使って行われる。 その方法は更に多次元容量変換器を使ってあるべき場所にサンプルを作像する 段階を含む。多次元容量変換器を使ってマイクロメカニカル試験を行う段階は更 に力や運動を与えることおよび／または第１方向に力、重量、または位置を検出 すること；力や運動を与えたりおよび／または第２方向に力、重量、または位置 を検出することを含んでもよい。マイクロメカニカル試験を行う段階は更に力や 移動を与えおよび／または第３方向に力、重量、または位置を検出する段階を含 んでもよい。 これらのそして本発明を特徴づける新規性の各種の他の利点や特徴は本明細書 に添付され本発明の一部を形成する請求の範囲に詳細に指摘されている。しかし ながら、本発明、その利点、そしてその利用により得られた目的をより良く理解 するために、発明のさらなる部分を形成する図面、および本発明の図解そして記 述 された好ましい実施形態の説明事項が参照されるべきである。図面の簡単な説明 類似の参照符号がいくつかの図面にわたって本発明の好ましい実施形態の対応 する部品や素子を指示している図面において、 図１は本発明に従う容量変換器の分解図、 図２は力や運動を与える装置として本発明の変換器を組み込んだ略図、 図２Ａは図２に示した変換器の他の実施形態の略図、 図３は力や運動を与える装置と力、重量、または変位を測定する装置として本 発明の変換器を組み込んだ他の好ましい実施形態の略図、 図３Ａは本発明の変換器を組み込んだ図３に示した測定機の等価回路、 図４は本発明の変換器を組み込んだ硬度試験と表面作像のための装置の略図、 図５は力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、または変位を測 定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた略図、 図６は図５に示す多次元変換器の一つの構造的実施形態の平面図、 図７は図６に示す本発明の構造的実施形態の側面図、 図８は力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、および／または 変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の好ましい実施 形態の略図、 図９は図８に示す多次元容量変換器の一つの構造的実施形態の平面図、 図１０は図９に示す多次元変換器の構造的実施形態の側面図、 図１１Ａは力や運動を与える装置としておよび／または力、重量、および／ま たは変位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた更に他の略図 、 図１１Ｂは図１１Ａに示す本発明に従った多次元変換器の好ましい実施形態の 側面図、 図１１Ｃは力や運動を与える装置および／または力、重量、および／または変 位を測定する装置として本発明の多次元変換器を組み入れた他の略図、 図１１Ｄは図１１Ｃに示す本発明に従った多次元変換器の一つの構造的実施形 態、 図１２は本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システム の略図、 図１３Ａは本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システ ムの他の略図、 図１３Ｂは本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システ ムの他の略図、 図１４は本発明の多次元変換器を組み入れたマイクロメカニカル試験システム の別の取り付け構成を示す略図、 図１５は本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態、 図１６は本発明に従った多次元変換器の更に他の構造的実施形態の側面図、 図１７は図１６に示す本発明に従った多次元変換器の平面図。好ましい実施形態の詳細な説明 本発明の詳細の実施形態をここに記述する。しかしながら、開示された実施形 態は各種のシステムに実施してよい本発明の単なる代表例であることを理解する ことである。それゆえに、ここに開示された詳細は限定を設けるように解釈され るものではなく、むしろ請求の範囲に対する基本としてまた本発明をいろいろに 実行するために技術の習熟の一つを教えるための代表的な基本として解釈される べきものである。 本発明は一般に二つの実施形態を含む。第１の実施形態は力を与えたり変換器 から遠く離れた対象物を動かすことができる変換器に向けられ、それはまた力や 位置を示す装置や変換器であってもよい、そして第２の実施形態は高分解能力を 持った結果の微小押込み硬さ試験や引き続いて行われる表面作像用の装置に向け られる。第２の実施形態は、好ましい設計においては、第１の実施形態の変換器 の要素を利用する。力や位置を与えたり指示する装置や変換器は先ずこのように 記述される。変換器を利用する微小硬さ試験と引き続く表面作像用の装置が記述 され、変換器のみに関する開示がそのような変換器を利用する試験機に同等に応 用できることが認識される。 本発明の力（重量を含む）や位置を指示する装置や変換器は一般に三つの構成 部分を持つ。第１構成部分は多板式容量システムを含む変換器である。第２構成 部分は力を与えたり変換器から遠く離れた対象物を動かすために変換器を制御す るための手段である。第３の構成部分はＡＣ搬送信号を加えたり、変換器の出力 を監視するための手段を含み、好ましくは力、重量、または変位に比例して出力 を変換器からＤＣ信号へ変換する出力信号検出機／調整機を含んでもよい。 図１を参照すると、そこには本発明のセンサー素子２の構成部分の分解図が示 されている。機能的にはセンサー素子２は直列に接続されかつコンデンサー電圧 分周期を形成する二つの可変コンデンサーとして機能する。総合的なセンサー素 子２は共にサンドウィッチ状になった５個の基板層８、１０、１６、１４、１２ を含み変換器を形成する。センサー素子２はよく知られるプリント配線回路エッ チング技術を使って作られる。 第１基板層８と第５基板層１２は変換器の駆動板すなわち固定板を含み搬送信 号で駆動される。搬送信号は５０ＫＨｚのオーダのＡＣ信号で互いに１８０度位 相がずれたこれらの最外側の基板８と１２に対する信号である。 第１基板８と第５基板１２の外側のむき出しの表面は例えば銅などで金属被覆 されている。この金属層はＥＭＩノイズに対するシールドとして機能する。第１ 基板８と第５基板１２の内側面上には金属被覆パターン３０が与えられている。 この金属被覆されたパターンは各基板上に駆動板を形成する。第１基板８の内部 の面上の金属被覆は一般に第５基板１２上の金属被覆に対応する。図１に示され ているように、金属被覆パターン３０すなわち第５基板１２の内側の駆動板は一 般に長方形フレームパターン３１を含む。基板金属被覆されたパターン３１の周 囲に広がっているのは金属被覆されていない開口３２を定義するチャネルである 。金属被覆されていない開口３２の中央に配置されているものが導電材料の長方 形に金属被覆されたパターン３１で、導電ターミナル部分３４への導電リード３ ３を持っている。 第１基板８の内面上の金属被覆は二つの例外を持つ第５基板１２の内面の金属 被覆に似ている。第一の違いは各基板３４と３６のターミナル部分はセンサー素 子２を組立てるとき縦方向に一直線状になるというよりはむしろ互いに片寄る。 第二の違いは第１基板８の厚みを通って中心に配置された貫通孔２２が与えられ ていることである。貫通孔２２はサンプルホルダー２４または力を貫通孔を通っ て伝達するための手段を受け取るために中心に配置され、更に詳しくは以下に述 べる。 第５基板１２の内面は脱金属されまたは貫通孔２２に対応するエッチングが行 われた部分３８を含む。一般に貫通孔２２に対応する脱金属が行われまたはエッ チングが行われた部分３８を提供すると互いに鏡像になる層の内部の第１基板８ と第５基板１２の各々にの導電材の長方形の金属被覆されたパターン３０が与え られる。この提供は一対の容量変換器４と６からの線形応答を与えるために必要 である。 センサー素子２または第１基板８と第５基板１２の外側層は両側に銅の１／１ ６インチ（０．１５センチメートル）のガラスエポキシのような標準配線板材か ら製造できる。労働条件を減らすために、多数の外層基板を一度に製造してもよ い。例えば、６インチ（１５．２４センチメートル）のシート材を利用して約１ ／２インチ平方（１．２７平方センチメートル）の基板層を１００枚製造しても よい。第１基板８と第５基板１２の金属被覆部分３０に対するパターンを銅に最 初にエッチングを施してもよい。基板は多数のシート材内に個々のデバイスの周 囲に路線を施し、個々のデバイスと共に保持するために薄いタブ材だけを残して もよい。これらのタブによりデバイスは組立て後、ばらばらにすることができる 。 第２基板層１０と第４基板層１４はスペーサー層からなる。図にしめしたよう に、これらの層１０と１４は一般に長方形で一般に長方形の開口部をそれが完全 に基板を通って拡張するようにそこの中心に形成してもよい。スペーサー層、第 ２基板１０、および第４基板１４は絶縁体、すなわち絶縁被覆で覆われていなけ ればならない。絶縁体１０、１４を通る開口部は以下に述べる第３基板１６上の 中央板２０の寸法、および同じく以下に述べる関連した適当なサスペンションシ ステムに等しいか大きい。 第２基板１０と第４基板１４は両側を絶縁被覆したエッチングを施した金属か ら製造することができる。この絶縁被覆はエポキシまたはエナメル塗装のマグネ ットワイヤー上で使用する他の有機被覆であろうが、しかし最良の結果はスペー サーにアルミを使い酸化アルミの絶縁被覆を形成するためにそのアルミを陽極処 理することにより達成できると信じられる。 絶縁スペーサー、第２基板層１０、および第４基板層１４は使われたフォトレ ジスト化学薬品の種類により先ずエッチングを施し次に陽極処理を行うかまたは 陽極処理を先に行った後でエッチングを施すことができる。好ましい方法は両側 に薄い（０．０００１２インチ（０．０００３０センチメートル））陽極処理し た層と共に購入したアルミシート在庫品を使うことである。この陽極処理した層 センサー素子２の他の層を作るために使うことができる正の液体フォトレジスト と良く接着する。裸のアルミを使うと、レジストはエッチングされる端のところ で剥がれる傾向があり望ましい寸法を維持することが難しい。 エッチングの後、フォトレジストと元の陽極処理は取り去られ、部品は所望の 絶縁厚みに陽極処理される。０．０００５インチ（０．００１３センチメートル ）またはそれ以下の陽極処理厚みの層は必要な電気的絶縁性を与えるが、外側の 層のシールド、第１基板層８、第５基板層１２と以下に述べる中央板、第３基板 層１６の間のキャパシタンスを最小にするためにできるだけ陽極処理の厚みを大 きくすることが望ましい。 第３基板層１６は絶縁層、第２基板層１０、および第４基板層１４の間にサン ドウィッチ状に挟まれる。第３基板層１６は一対の変換器４、６に共通のピック アップ板を含む。中央板２０は適当なサスペンションシステム１８に取り付けら れ中央板２０すなわち第３基板層１６上のピックアップ板の所望の相対運動を提 供する。第３すなわち中央基板層１６はスリット１９のパターンで定義されたサ スペンションシステム１８により支持されたエッチングを施した金属層であるこ とが可能である。中央板２０はこのように固体部分すなわちサスペンションシス テム１８を取り巻くフレームワークにより宙づりされた塊である。第３基板層は 更に電気的接続用ターミナル１７を含む。中央板として使われる好ましい金属は ベリリウム銅合金である。 ４個のＬ型スリット１９のパターンは図に示されているが、他のパターンを利 用して中央板２０用に同じ種類のばね支持構造を与えてもよい。更に、効果的な ばね定数を変えることにより、中央で支持される塊すなわち中央板２０が、この 基板の材料の厚みやばね素子の寸法を変えることで達成してもよい。このように 、第３基板層１６の中央板２０上に加えられる単位力あたりの全動程範囲は設計 により変えてもよい。このように、全範囲を変えるセンサーを製造してもよい。 第５基板層８、１０、１６、１４、および１２はまとめて組立られ、第３基板 層１６の中央板２０は絶縁基板、第２基板層１０、および第４基板層１４に形成 された開口以内の中心に配置され、かくして中央板２０は第１基板層８と第５基 板層１２に関連して自由に偏向する。 層類は基板類の全周辺に挿入され外部基板類に半田付けされたピンでこれらを まとめてとめ、手でまとめて組立ててもよい。組立られたとき、各種の内部層ま たは基板類の間にある選択された電気的接続は米国特許第４，６９４，６８７に ボーニン（Ｂｏｎｉｎ）らにより開示されているように容易に与えられる。 中央板２０から遠く離れた点と中央板２０の間に力２４を伝達する手段が与え られる。この手段はサンプルホルダー２４を含み、サンプルの重量により作られ る力を第３基板層１６の中央板２０へ伝達し、力や運動を中央板２０からサンプ ルホルダー２４（または他の装置）へ伝達し押込みや他のマイクロメカニカル動 作を行う。サンプルホルダー２４すなわち中央板２０の貫通接続から遠隔にある 物体へといったように力や運動を中央板２０から遠く離れた対象物へ中央板２０ から伝達するための手段はこの明細書に後で詳しく記述される。 好ましい実施形態では、サンプルホルダー２４はサンプル支持面２６とステム 部分２８を含む受け台である。ステム部分２８は第１基板層８にある貫通孔２２ と第２基板層１０にある開口を通って延びている。ステム部分２８の底面２９は センサーを組立てるとき中心点２３で中央板２０の上面に接触する。ステム部分 ２８と貫通孔２２の壁の間の空間はダイヤフラムシールまたは汚物の侵入は防ぐ が受け台や力２４を伝達する他の手段の運動を阻止する他の封止手段により好ま しくは汚染物から封止される。 このように、機能的に、サンプルホルダー２４のサンプル支持面２６上にサン プルや他の手段により加えられた重量や力は第３基板層１６の中央板２０へ伝達 され、サンプルホルダー２４の面上に加えられた力と同程度に中央板２０に偏向 を生じさせる。このように、中央板２０は力の下に最も外側の基板類、第１基板 層８、および第５基板層１２の一つまたは他のものに向かってより近くあるいは 更に遠く離れて動く。無論、サンプルホルダー２４は動くあるいは力を加える要 素へ面２６上に「負荷」を位置付けることなく直接接続してもよい。むしろ、面 ２６はこの目的のために適用されたコネクターにより置き換えてもよい。 搬送信号を最も外側の板すなわち第１基板層８および第５基板層１２へ与える 手段が与えられる。この信号はＡＣ信号であることが可能である。このような手 段は５０ＫＨｚの交流信号を生産する発信機を含めてもよい。最も外側の板の各 々への信号は他の最も外側の板へ与えられた信号と１８０度位相が異なることが 好ましい。 手段はまたセンサー素子２からの出力を読み、中央板２０の力、重量、または 変位に比例した信号へ出力を変換するために与えられる。出力信号は一般に非常 に高い入力インピーダンスのバッファーアンプ（１００メガオーム−０．３ｐＦ ）を通過させられ、そのとき同期的に復調されＤＣ信号を作る。ＤＣ信号は中央 板２０の力、重量、または変位に比例する。その出力は変位の一方向に対しては 正、その逆方向に対しては負であるだろう。サンプルホルダー２４すなわち力を 伝達する手段は中央板２０に取り付けられるかあるいは接触しこのような中央板 ２０に同調して動くことが認められる。センサー２の出力は実際には中央板２０ に比例するが、センサーが線形の力対変位関係を持つから力（重量を含む）を表 すように簡単に較正できる。 サンプルホルダー２４すなわち力を伝達する手段は絶縁材から製造するかまた は絶縁材で被覆しなければならないことが分かる。更に、センサー素子２の感度 を下げるかもしれないどんな摩擦効果も避けるように貫通孔２２の内径とステム 部分２８の外径の隙間は十分でなければならない。 本発明の容量変換器の信号対ノイズ比は現在使われている金属ひずみゲージ変 換器のそれよりはるかに良い。ひずみゲージ変換器の最小ノイズレベルはひずみ ゲージ抵抗素子の熱的ノイズにより決定される。このノイズは抵抗値の平方根に 比例する。出力信号は入力信号に比例はするが、それは非常にわずかなものであ る。商業規模のひずみゲージ変換器から得られる典型的な値は５ミリボルトの実 寸で１７５オームの抵抗値である。 本発明の三枚式容量変換器は抵抗変換器のようにノイズを生成しないが、信号 はそれをアンプに接続しないで使われ、アンプは非常に高い入力抵抗を有し、そ れゆえにアンプはノイズを作る。このノイズの下限はアンプの効果的な入力イン ピーダンスにより決定される。容量変換器はアンプの入力インピーダンスに並行 し、アンプの入力インピーダンスは変換器のインピーダンスよりはるかに大きい （すなわちその出力は非常に非線形）であるから、効果的な入力インピーダンス 変換器のそれに等しい。 変換器のインピーダンスはキャパシタンスと動作周波数により決定される。動 作周波数が高ければ高いほど変換器のインピーダンスは低くなる（Ｘ₀＝１／６ ．２８ＦＣ）。キャパシタンスは層間の空きが０．００５インチ（０．００１３ センチメートル）の１／２インチ平方（１．２７平方センチメートル）の装置に 対しては約１０ｐＦである。動作周波数はアンプおよび関連回路の周波数応答に よ ってのみ制限を受け、どんな便利な値でも可能である。変換器の実出力信号は控 えめに取って１０ボルトの入力電圧に等しい。容量変換器の実出力は１０ボルト で、これはひずみゲージ変換器のそれの２，０００倍以上である（５ｍＶ）。イ ンピーダンス、そして従って生じたノイズは（かなり費用がかかるであろう非常 に高い周波数の場合を除き）容量変換器ではずっと大きくなるが、はるかに高い 固有の出力レベルのため容量変換器の信号対ノイズ比は有意義的にずっと良い。 以下の表は二つの変換器に対する信号対ノイズ比の関係を示す。 表１ Ｆｏｐ＝容量変換器の動作周波数 Ｃ＝変換器のキャパシタンス＝１０ｐＦ Ｘｃ＝変換器のインピーダンス＝１／（６．２８×Ｆｏｐ×Ｃ） Ｒ＝ひずみゲージの抵抗値＝１７５Ｏｈｍ ノイズはＲまたはＸｃの平方根に比例するから、ひずみゲージノイズに対する 容量変換器ノイズ比は（Ｘｃ／Ｒ）の平方根となり、容量対ひずみゲージのＳＮ Ｒの改善係数は２０００を（Ｘｃ／Ｒ）の平方根で割ったものである。 Ｆｏｐ Ｘｃ／Ｒ Ｘｃ／Ｒ ２０００／Ｘｃ／Ｒ の平方根 の平方根 １０ＫＨｚ １１，４００ １０７ １９ １００ＫＨｚ １，１４０ ３４ ５９ １ＭＨｚ １１４ １１ １９０ １０ＭＨｚ １１．４ ３．４ ５９０ １００ＭＨｚ １．１４ １．１ １９００ 容量変換器のＳＮＲ はひずみゲージのそれ より上の欄では係数分 だけ良い。 上の表より容易に分かるように、本発明の容量変換器は電子ノイズに関しては ひずみゲージよりはるかに優れている。 容量変換器またはセンサー素子２の出力は中心の集団部分２０すなわち電極の 変位に比例するから、物差しすなわち変位の測定に使う器具が製造されてもよい ことが分かる。サンプルホルダー２４すなわち力を伝達する手段が測定されるこ とになっている面に対して対象物を偏向しかつその実際の位置を変えるであろう 過剰の力を加えることなく信頼して力を加えられるように中央板２０を支持する サスペンションシステム１８に対して適当な剛性を選択することが先ず必要であ る。次に、絶縁スペーサー、第２基板層１０、および第４基板層１４が中央板を 十分にオフセットするために違った厚みに製造してもよい。これはデバイスの動 作範囲を変更するであろう。今までの実験結果では１０オングストロームより良 い分解能が得られている。 図２を参照して、本発明の変換器は一般に力または運動を与えるシステムとし て１００で示されている。システム１００では、制御装置１０２は変換器１０４ に連結される。変換器１０４は図１に示される多板容量変換器システムに似てい る筈である。変換器１０４は選択的に力や運動の出力を変換器１０４から遠く離 れた点に与えるために制御装置１０２に反応する、１０６に示されている。 図２に示すシステム１００の好ましい実施形態では、システム１００は静電気 制御装置１１２に電気的に連結されたデータ取得制御システム１１０を持つ制御 装置１０２を含む、１１４で示す。静電気制御装置１１２は電気的に変換器１０ ４に連結される、１１６で示される。 図１に示された多板容量変換器と同様、変換器１０４は駆動板１１８、駆動板 １２０、およびピックアップ板を持つ多板コンデンサーを含む。機械的に連結さ れたピックアップ板１２２は伝達手段１２４である。伝達手段１２４は中央板１ ２２と遠隔にある物体１０８の間に力または運動を伝達する。 動作中、静電気制御装置１１２は比較的高い電圧を変換器１０４の駆動板１１ ８および／または駆動板１２０へ加える。駆動板１１８と１２０は変換器１０４ 内に固定的に取り付けられ、ピックアップ板１２２は変換器１０４内に可動的に 取り付けられる。好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は比較的高い電 圧を駆動板１１８にかける。可動的に取り付けられたピックアップ板１２２と固 定した駆動板１１８の間の静電吸引力はピックアップ板１２２を引いて駆動板１ １８へより近付ける。ピックアップ板１２２が駆動板１１８へより近づくように 動かされると力伝達機構１２４は対応した力または運動を遠隔にある物体１０８ へ伝達する。 静電気制御装置１１２は手動または自動的にデータ取得制御システム１１０を 通して制御される。一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は駆動 板１１８へＤＣ電圧をかけるためのアンプに連結されたＤＣ電源装置を含む。駆 動板１１８にかけられた電圧はデータ取得制御システム１１０により選択的に変 更してもよい。静電気制御装置１１２により駆動板１１８へかけられた電圧が増 加するにつれピックアップ板１２２と駆動板１１８の間の静電吸引力は増加し、 ピックアップ板１２２は駆動板１１８へより近づくように引かれる。 一つの好ましい実施形態では、静電気制御装置１１２は最大ＤＣ電圧を６００ ボルトのピックアップ板１１８へかけるためアンプに連結されたＤＣ電源を含む 。この実施形態では、遠隔にある物体１０８へ力伝達機構１２４を通して伝達さ れた最大力は約１０ｍＮである。最大力１０ｍＮはほとんどの実際の試験装置に は十分であるが、実質的に力を増加させることは可能であることが認められてい る。一つの実施形態では、力は駆動板１１８とピックアップ板１２２の間のスペ ースを少なくし、変換器１０４の組立に異なる厚みのスペーサーを使うことによ り増加さる。 静電気制御装置１１２はピックアップ板１２２から遠く離れた対象の力や運動 を与えるために駆動板１１８または駆動板１２０の何れかに連結してもよいこと が認められている。代わりに、図２に示されるように、静電気制御装置１１２は 力を与えおよび／または位置決め装置として変換器を使うために比較的高い電圧 を駆動板１１８と駆動板１２０へ加えるため駆動板１１８と駆動板１２０に連結 してもよい。その上、単一コンデンサーシステムを静電気制御装置１１２が単一 駆動板１１８へ連結される場所に利用してもよい。多重コンデンサーシステムと 同様、静電気制御装置１１２が電圧を駆動板１１８へ加えるとき、ピックアップ 板１２２は駆動板１１８へ引かれ対応する力や運動を遠隔にある物体１０８へ伝 える力を伝達機構１２４へ伝達することになる。 加えて、図２はピックアップ板１２２と遠隔にある物体１０８の間に力と運動 を伝達するため力とピックアップ板１２２から駆動板１１８の中心に配置された 孔を通って遠隔にある物体１０８へ延びた力伝達機構１２４を示す。変換器１０ ４は本発明の範囲に留まる限り多くの異なった形状や形態を取ってもよいことが 認められている。力伝達機構１２４は駆動板１１８を通過しないで力や運動をピ ックアップ板１２２から遠隔にある物体１０８へ伝達してもよい、すなわちピッ クアップ板１２２と遠隔遠隔１０８の間に力や運動を与えるために対象１０８は ピックアップ板１２２に直接接触することが出来る。 図２Ａに示す本発明の他の実施形態において、ピックアップ板１２２は駆動板 １１８または駆動板１２０を通過しないで直接あるいは間接に遠隔にある物体１ ０８へ接続してもよい。この実施形態では、ピックアップ板１２２はピックアッ プ板１２２と遠隔にある物体１０８の間に力または運動を伝えることが出来る。 図２Ａに示す一つの実施形態では、ピックアップ板１２２はサンプルホルダー１ ２７上に置かれたサンプル１０８の押込みを行うためにチップ１２５を持った遠 隔にある物体１０８上に力を与えることが出来る。 静電作動により作られた力は以下のように計算できる。 F=KV² ここに力の単位はニュートン、ｋは力定数で単位はニュートンボルト平方、Ｖは ボルトである。力定数ｋの正確な値は遠隔にある物体１０８の重量で変化し得る 、その理由はこれは変換器１０４の板１１８、１２２、１２０間の内部のスペー シングを変えるからである。図２に示す実施形態では、力定数Ｋは試験重量を加 え、これらの重量の力を釣り合わせるために必要な電圧を決定することにより定 位置で変換器力対静電ポテンシャルを測定するような簡単なラボ試験を使って決 定してもよい。この方法で、ピックアップ板１２２は常に同じ位置にあり、それ ゆえに電場は加えられた電圧に比例する。 本発明の範囲内で変更は多板容量変換器１０４で行われシステムの性能を変更 または改善をしてもよいことが認められる。例えば、非導電スペーサーは駆動板 １１８、駆動板１２０、およびピックアップ板１２２の間に設けてもよいし、代 わりに変換器１０４はコロナ破壊のような現象を予防するため誘電流体で満たす こともできるであろう。もしコロナ放出が存在するなら、変換器１０４の内部の イオン化された空気は駆動板１１８、駆動板１２０、およびピックアップ板１２ ２の間の相対キャパシタンスを変えることもできるであろうし、変換器１０４に 対して間違った出力を生じる可能性があろう。 図３は本発明の他の実施形態を示す。図２に示すシステム１００に加え、発信 機１３０は駆動板１１８と１２０に関連するピックアップ板１２２の変位を計測 するために搬送信号を変換器１０４の多板容量システムへかけるために含まれ、 力、重量、または位置に比例する。一つの好ましい実施形態では、発信機１３０ は電気的に駆動板１１８と１２０へ連結される。発信機１３０はＡＣ搬送すなわ ち他の駆動板に与えられた信号と１８０度位相がずれた各駆動板へ加えられる高 い周波数信号を生産する。一般に、各駆動板に加えられた搬送周波数は静電制御 信号の周波数より高く二つの信号間に干渉は取り除かれる。 加えて、バッファーＢ１とＢ２は静電気制御装置１１２、変換器１０４の間お よび発信機１３０と変換器１０４の間に絶縁のためにそれぞれ設けられる。バッ ファーＢ１とＢ２により発信機１３０は静電気制御装置１１２の高電圧供給には 影響されないし静電気制御装置１１２は発信機１３０信号により影響を受けない 。一つの好ましい実施形態では、バッファーＢ１は一対の１メガオーム抵抗装置 でバッファーＢ２は一対の１，０００ピコファラッドコンデンサーを含む。 出力信号検出装置／調整装置１３２は搬送信号を駆動板１１８と１２０へ加え る発信機１３０から生じる変換器１０４の出力信号１３１を読むためピックアッ プ板１２２へ連結される。変換器１０４の出力信号１３１は感知された力、重量 、または変位を表すピックアップ板１２２の位置に比例する。 出力信号検出装置／調整装置１３２は出力信号１３１をピックアップ板１２２ からピックアップ板１２２に関して力、重量、または変位に比例した信号へ変換 する。一つの実施形態では、出力信号は非常に高い入力インピーダンス（１００ ＭΩ−０．３ｐＦ）のバッファーアンプを通し、それから同期的に復調されＤＣ 信号を作る。ＤＣ信号はピックアップ板１２２の力、重量、または変位に比例す る。加えて、入力信号１３３は制御装置１０２を使って駆動板１１８と１２０に 関連したピックアップ板１２２の位置を制御するとき出力信号検出装置／調整装 置１３２からデータ取得制御システム１１０へ与えられる。 図３Ａは図３に示す測定システムの等価回路ダイヤグラムで、発信機１３０と 多板容量変換器１０４を含む。図３Ａのノード１、２、３は図３の変換器１０４ のノード１、２、３に対応する。示されているように、変換器１０４は容量電圧 分割装置として各ノード１と２でノード３の電圧出力信号と１８０度位相が異な るＡＣ搬送信号を与える発信機１３０でモデル化される。ノード３における電圧 出力信号はノード１と３の間のキャパシタンスとノード２と３の間のキャパシタ ンスの比により決定される。 前に詳述したように、搬送信号を変換器１０４の駆動板１１８と１２０へ与え る発信機１３０により、出力信号検出装置／調整装置１３２は駆動板１１８と１ ２０に関連したピックアップ板１２２の位置に比例するピックアップ板１２２で 出力信号を監視する。それゆえに、静電気制御装置１１２は電圧を駆動板１１８ に加え力を遠隔にある物体１０８に与えるために駆動板１１８に向かってピック アップ板１２２を引き、遠隔にある物体１０８に与えられた力は以前に説明した ように加えた電圧に力定数を掛けた平方の比により決定してもよい。ピックアッ プ板１２２上の出力信号は直接ピックアップ板１２２の位置に比例する。 図４を参照すると、本発明の上記の変換器を組み入れて硬さ試験と面作像用の 装置の略図が示されている。この実施形態を使うとサンプルの表面地形の走査、 直ぐ後に微小押込み試験、続いて表面地形の第２の作像をすべて同じ装置の上で 行うことが可能である。一般に、図４の略図は本来の高分解能作像と微小押込み 試験を一つの装置で行うために修正されたディジタル装置から利用できるナノス コープＩＩＩのような商業走査トンネル顕微鏡を示す。 以前に述べたように、参考として走査トンネル顕微鏡は商業的に知られている 。本明細書に参考文献として組み入れられた１９８９年１０月号の雑誌Ｓｃｉｅ ｎｔｉｆｉｃ Ａｍｅｒｉｃａｎの９８−１０５頁にウィックラマシング（Ｗｉ ｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ）により開示された「走査プローブ顕微鏡」のように 、走査トンネル顕微鏡は図４に示されるいくつかの標準部品を含む。 走査トンネル顕微鏡を使うと、サンプル１は分析のためにサンプルプラットフ ォーム１５４上に置かれる。走査トンネル顕微鏡は原子尺度の地形をプローブ１ ５０とサンプル１５２の表面の間のギャップを横切って通じる電子の手段により 感知する。走査ヘッド１５８はその上にプローブを持っている。走査ヘッド１５ ８（図示の実施形態では３次元圧電作動ヘッド）は加えられた電圧の変化に応じ て３方向にプローブを動かすために利用される。圧電性セラミックが一般に利用 されるがその理由は圧電性セラミックは電圧のそのような変化に応じてわずかに 寸法を変え、かくしてプローブを３次元的に操作する。走査ヘッド１５８にかけ られた電圧は走査トンネル顕微鏡制御装置１６０により制御される。 使用中は電圧はプローブ１５０のチップに加えられトンネル電流が流れ始める まで導電または半導電されなければならないサンプル１５２の表面に向かって動 かされる。プローブ１５０のチップはそのとき水平動作を制御する圧電性セラミ ックへ電圧を変えることによりラスターパターン状に前後に走査する。トンネル 電流はサンプルの地形と共に変わる傾向があり、それゆえに帰還機構を与えその ようなトンネル電流を監視する電流出力信号１６６はそのような信号を走査トン ネル顕微鏡制御装置１６０へ送る。制御装置１６０はプローブ１５０のチップを 表面からの離れに続いて上下に動かすことにより反応する走査ヘッド１５８へ出 力を調整する。プローブ１５０の運動は表面のイメージに変換されイメージディ スプレイ１６２上に表示される。 走査トンネル顕微鏡を使うとプローブ１５０は一般にタングステンを使いチッ プは単一原子からなり巾は０．２ナノメータになるように精細に作る。 後に続く面の作像で微小押込み用の出願人の本発明の装置はいくつかの変形を 伴って上記の走査トンネル顕微鏡を利用する。変換器１５６は第１実施形態に記 述したように標準サンプルホルダーの代わりに走査トンネル顕微鏡ベース上に取 り付ける。サンプル１５２はそれからサンプルプラットフォーム１５４上に取り 付けられる。出力信号調整装置／検出装置１６４を変換器１５６へ接続し変換器 １５６からの出力信号を監視しプローブ１５０によりプラットフォーム１５４上 のサンプル１５２へ加えられた力に比例した信号へ変換する。出力信号調整装置 ／検出装置または変換器出力信号はそれからプローブ１５０の縦方向の位置すな わちＺ軸に沿った位置を表面作像中に走査トンネル顕微鏡制御装置１６０を通し てそのような信号を送ることによりプローブ１５０の縦方向の位置を制御するた めに利用してもよい。代わりに、出力信号調整装置／検出装置１６４からの出力 は微小押込みまたは微小硬さ試験中に加えられた力の測定のために監視できる。 これらの手順は以下に述べる。 上記の走査トンネル顕微鏡はまたタングステンプローブを微小押込み試験のた めにより堅いチップと置き換えることで変更される。好ましい実施形態では、ブ ルーダイヤのようなダイヤモンドチップが使われる。チップは導電性を持つ必要 はなく、または試験されるサンプルも導電性を持つ必要はないが、導電性ブルー ダイヤモンド走査トンネル顕微鏡チップは利用できることが認められる。これら は出願人の装置で試験できることはいうまでもなく、導電性サンプルの走査トン ネル顕微鏡作像用に使える。 動作中に出願人の第２実施形態の変換器１５６は押込み中、または引っかき中 に力を加え、押込み中、または引っかき中に加えた力を測定し、そして試験前後 に作像するために使われる。原子力顕微鏡型イメージは先ず走査トンネル顕微鏡 からそのトンネル電流出力信号１６６を断ち、次にそこへ出力信号調整装置／検 出装置１６４からの出力信号１６８を代用することにより得られる。走査トンネ ル顕微鏡の走査機能は出力信号調整装置／検出装置１６４の出力信号が一定のト ンネル電流よりはむしろプローブ１５０チップとサンプル１５２の間に一定力を 維持するためにＺ軸圧電セラミックを制御して正常の方法で動作される。代わり に、一定の高さのイメージはプローブ１５０チップＺ位置すなわち縦方向の高さ が一定に保たれている場所で得られ、そしてイメージは出力信号調整装置／検出 装置１６４の変換器１５６出力信号から直接に得られ、再び走査トンネル顕微鏡 制御装置１６０を通過しイメージディスプレイ１６２上に表面地形の表示が生じ る。 いったん表面のイメージが上記の手順を使って作られると制御装置は力センサ ーが押込み工程中に加えられた負荷の読み取りを与えてチップをサンプルに押し 込み押込みを作る。加えて、変換器１５６はサンプルをチップに押し込み押込み を作ることができる。特に好ましい実施形態では、静電気制御装置１７０は選択 的に電圧を変換器１５６へかけ、変換器１５６が力を与え押込みのためサンプル をチップ１５０に押し込むことができるように操作が可能である。代わりに、変 換器１５６はチップ１５０に接続してチップを押込みのためサンプルに押し込ん でもよい。 押込みのため変換器１５６により与えられる力は静電気制御装置１７０を手動 であるいはデータ取得制御システム１７２による静電気制御装置１７０の自動操 作により選択的に制御してもよい。データ取得制御システム１７２はマイクロプ ロセッサーまたは同様のロジックに基づいたシステム１７２を変換器１５６から 望ましい力をかける電圧を計算するために含んでもよい。加えて、出力信号調整 装置／検出装置１６４は電気的にデータ取得制御システム１７２に連結される。 データ取得制御システム１７２は押込みが発生するにつれサンプルの運動を補償 するため変換器１５６により加えられた力を調整するために使ってもよいがこれ は柔らかいサンプルに発生するものとして知られる。変換器１５６により加えら れた力はまた変換器１５６から受けた出力信号に基づいた出力信号調整装置／検 出装置１６４で変更してもよい。 押込み後、サンプルは押込みの結果がサンプルを動かしたり押込みがサンプル に行われた場所に点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みで見ることが できるように同じチップで再作像できる。更に第１の像、押込み、そして第２の 像がすべて単一の位置にサンプルで作られるから、第１の表面像と第２の表面像 が同じ表面積を持ち滑像痕段階の対応効果を示すことが確認される。 上記のシステムを使うと、導電性と非導電性サンプルの両方とも別の押込み作 像装置を使うときがあるように試験領域を設ける問題はないように機械的試験の 前後でサンプル位置を妨害することなく高い分解能で作像できる。スイッチを入 れて原子力顕微鏡から走査トンネル顕微鏡へ変えることにより同じサンプル表面 の原子力顕微鏡像と走査トンネル顕微鏡像を並べて比べることも可能である。こ れはときには原子力顕微鏡信号が一般にサンプル地形の正確な表現であるために 、他方 走査トンネル顕微鏡信号が導電性または表面の電子状態についてある情 報を与えるかもしれないので有用である。 本発明の微小押込み硬さ試験および／または表面作像用の装置はサンプルをそ こに取り付けるベースとそこに取り付けたプローブを持つ圧電ヘッドを表面地形 を測定するためにベースに取り付けたサンプルの動作の結合のために利用される 好ましい実施形態について述べられている。この実施形態ではプローブは圧電作 動ヘッドに取り付けられ、他方変換器はサンプルを取り付けるためベースに取り 付けられる。この配置を使うと走査ヘッドまたは圧電作動ヘッドはプローブを表 面寸法地形にわたってラスターパターン状に動かす。しかし、プローブ、変換器 、走査ヘッドの他の配置は本発明の範囲内では可能であることが認められる。出 願人の発明の取扱いの鍵は走査プローブ顕微鏡装置は表面地形を測定するためサ ンプルの表面の動作の組み合わせのために配置された走査ヘッドにプローブを組 み入れていることである。プローブはテストされるサンプルよりも硬さが大きく 、変換器はその表面に係合する場合、サンプルとプローブとの間の力を測定し易 い位置に設置し、力や測定の変位を押込みや他のマイクロメカニカル試験に供し ている。 前に述べたように、第１の好ましい実施形態では走査プローブ顕微鏡はサンプ ルを取り付けるベースとそこに取り付けられたプローブを持つ圧電作動ヘッドを 含む、変換器と共にベースに取り付けられサンプルはそこに留まっている。第２ の好ましい実施形態では変換器は固定面に取り付けられプローブは変換器に付け られている。サンプルは圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドを組み入れたサンプ ルホルダーに取り付けられている。この配置で、圧電作動ヘッドはプローブに対 してサンプルを動かし、プローブへ加えられた力は変換器を通して変換され力を 測定する。 第３の別の実施形態では、走査の対象の面を持つサンプルは本発明の装置を取 り付けてもよい大きいサンプルであってもよい。装置は圧電作動ヘッドすなわち 走査ヘッドに順に付けられる変換器に付けられたプローブを含む。この配置では 、プローブは大きいサンプルの面と係合するように置かれ変換器は接触の力を測 定するために再度利用され、他方走査ヘッドはプローブを作像のため面にわたっ て動かされる。 第４の別の実施形態では、プローブは固定面に付けられる。この配置によると 、サンプルと変換器は圧電作動ヘッドすなわち走査ヘッドに付けられる。かくし て、走査ヘッドはサンプルを固定プローブにわたって動かし、変換器はそのプロ ーブとサンプルの間の力を測定する。 図５は本発明の他の実施形態を示す。多次元変換器２０２を組み込んだ力また は運動を与えおよび／または検出するシステム２００は一般に示されている。多 次元変換器２０２はシステム２００が力や運動を遠隔にある物体または位置に与 え、および／または力や運動を多重方向に検出することを許可する。 図５に示す一つの好ましい実施形態では、多次元変換器２０２は２次元変換器 である。多次元変換器２０２は第１方向に力／運動を与えたり検出するために第 １またはＸ方向の変換器２０４、および第２方向に力／運動を検出または与える ために第２またはＺ方向変変換器２０６を含む。Ｘ方向の変換器２０４とＺ方向 変変換器２０６は以前にこの明細書に記載した容量変換器と同様のはずであり、 好ましい実施形態では多板変換器１０４（１０４ｘまたは１０４ｚと呼ぶ）で、 これは多板変換器１０４内に固定的に取り付けた一対の駆動板と駆動板に関連し て変換器１０４に可変的に取り付けた共通ピックアップ板を含む先に記載した容 量変換器と同様であるはずである。 システム２００は制御装置１０２、発信機１３０、多次元変換器２０２、およ び出力信号調整装置／検出装置１３２を含む。一般に制御装置１０２は力および ／または運動出力を多次元変変換器２０２から遠く離れた位置／対象へ与えるた めに多次元変換器２０２に連結される（例えば遠隔にある物体２１８に示してあ るように）。発信機１３０と出力信号調整装置／検出装置１３２は多次元変換器 ２０２により与えられおよび／または検出された力、重量、変位に比例した変換 器２０２出力を監視するために多次元変換器２０２に連結される。 制御装置１０２は２０８で示された静電制御装置１１２（ＥＣ）にそして２０ ９で示された出力信号調整装置／検出装置１３２に電気的に連結される。静電制 御装置１１２は２１０ｘと２１０ｚで示された多次元変換器２０２へ連結される 。 発信機１３０は２１２で示される多次元変換器２０２へ連結される。多次元変 換器２０２は出力信号調整装置／検出装置１３２へ電気的に連結される。とくに 、Ｘ方向変換器２０４は２１４で示される出力信号調整装置／検出装置１３２へ 、Ｚ方向変換器２０６は２１６で示される出力信号調整装置／検出装置１３２へ 連結される。同様に、多次元変換器２０２は２２０ｘと２２０ｚで示される（一 点鎖線）遠隔にある物体２１８へ機械的に連結される。 多次元変換器２０２は選択的に制御され別の大きさの運動／力を各方向に与え る。同様に、多次元変換器２０２は独立にｘとｚ方向に力や位置を感知する。 動作中には、静電制御装置１１２は選択的に比較的高い電圧を多次元変換器に 加える。一つの実施形態では、静電制御装置１１２は選択的に比較的高い電圧を ２１０ｘで示されるｘ方向変換器２０４の駆動板に加える。ｘ−方向変換器を可 動的に取り付けたピックアップ板と固定駆動板の間の静電吸引力はピックアップ 板を駆動板の方へ引っ張る。ピックアップ板が駆動板へより近く動かされると力 や運動の伝達機構は対応力や運動を装置リンク２２０ｘで示す遠隔にある物体２ １８へ伝達する。上記動作の結果遠隔にある物体２１８はｘ方向に動かされ遠隔 にある物体２１８にかかる力はｘ方向に持つようになる。 同様に、静電制御装置１１２はｘ方向変換器２０４に加わった電圧とは独立し て選択的に比較的高い電圧を２１０ｚで示すｚ方向変換器２０６の駆動板へ加え る。ｚ方向変換器２０６の可動的に取り付けられたピックアップ板と固定駆動板 の間の静電吸引力はピックアップ板を駆動板へより近く引っ張る。ピックアップ 板が駆動板へより近く動かされると、対応した力や運動は遠隔にある物体２１８ へ伝達される。遠隔にある物体２１８に与えられる結果の力や運動は２２０ｚに 示すｚ方向に向く。 この明細書で先に述べたように、静電制御装置１１２はデータ取得制御システ ム１１０を通して手動または自動的に制御してもよい。データ取得制御システム １１０は入力２０８で示される静電制御装置１１２により加えられた電圧を選択 的に変えるために出力信号調整装置／検出装置１３２からの出力信号２０９に応 答してもよい。代わりにまたは加えて、データ取得制御システム１１０は静電制 御装置１１２の出力２１０を独立に制御できる。データ取得制御システム１１０ は出力信号２０９を通して出力信号調整装置／検出装置１３２から受け取ったデ ータ点を記録するために使ってもよい。 発信機１３０は各方向に検出された力、重量、および／または位置に比例した 出力信号２１４と２１６を与えるため搬送信号を多次元変換器２０２に加える。 特に、発信機１３０はＡＣ搬送すなわち高い周波数信号をｘ方向変換器２０４に 与え、ｘ方向変換器２０４は出力信号２１４をｘ方向にｘ方向変換器２０４によ り検出された（または与えられた）力、重量、および／または位置に比例した出 力信号２１４を出力信号調整装置／検出装置１３２へ与える。同様に、発信機１ ３０はＡＣ搬送すなわち高い周波数信号をｚ方向変換器２０６に与え、ｚ方向変 換器２０６は出力信号２１６をｚ方向にｚ方向変換器２０６により検出された（ または与えられた）力、重量、および／または位置に比例した出力信号２１６を 出力信号調整装置／検出装置１３２へ与える。出力信号調整装置／検出装置１３ ２は信号２１４および／または信号２１６に対応してもよいデータ取得制御シス テム１１０へ信号２０９を与える。 多次元変換器２０２は力を遠隔にある物体に２方向に与えてもよい、および／ または代わりに２方向に力や位置を検出してもよい２次元変換器である。ｘ方向 変換器２０４とｚ方向変換器２０６は力、重量、位置を与えおよび／または検出 変換器として独立に使ってもよい。例えば、一つの好ましい実施形態において、 静電制御装置１１２は選択的に力や運動を遠隔にある物体２１８に与えるために ｚ方向変換器２０６へ電圧を印加するだけである。一つの実施形態において、そ の電圧は最大１０ｍＮの力を与えるための最大６００ボルトのＤＣ電圧である。 発信機１３０は遠隔にある物体２１８上の力を検出するために同期的に搬送信号 をｘ方向変換器２０４とｚ方向変換器２０６へ加える。ｚ方向変換器２０６は遠 隔にある物体２１８に与えられ、力や運動、そして引き続き検出されたｚ方向の 力を表す出力信号２１６を出力信号調整装置／検出装置１３２に与える。ｘ方向 変換器２０４は検出されたｘ方向の力を表す出力信号２１４を出力信号調整装置 ／検出装置１３２に与える。 図６と７を参照すると、２次元変換器として多次元変換器２０２の一つの好ま しい実施形態が一般には示される。図６は平面図、図７は多次元変換器２０２の 側面図である。多次元変換器２０２が機械的に遠隔にある物体２１８に連結され たものが示されている。 図６を参照すると、ｘ方向変換器２０４が一般に示されており、駆動板１１８ ｘ、駆動板１２０ｘ、およびピックアップ板１２２ｘを持った多板容量変換器１ ０４を含む。 ｘ方向変換器２０４は機械的に機械的リンク２２６を通じてｚ方向変換器２０ ６に連結される。同様に、ｚ方向変換器２０６は駆動板１１８ｚ、１２０ｚ、ピ ックアップ板１２２ｚを含む多板容量変換器１０４ｚを含む。多次元変換器２０ ２は力をｘ方向変換器２０４の選択的静電作動とｚ方向変換器２０６の静電作動 を通してｘ方向とｚ方向に独立に遠隔にある物体２１８に与えてもよい。同様に 、多次元変換器２０２は力および／または運動をｘ方向とｚ方向に検出してもよ い。加えて、第２のｘ方向変換器２０４’は機械的安定性のため含まれている。 図８を参照すると、本発明の更に他の実施形態が多次元変換器２０２を力また は運動を与え／検出するシステム２００内に含めて示されている。多次元変換器 ２０２は更に第３方向すなわちｙ方向に力や運動を与えおよび／または力や運動 を検出するための変換器２０５を含む。Ｙ方向変換器２０５は先にこの明細書に 記載の容量変換器と同様で、好ましい実施形態では、先に記載のように多板変換 器１０４（ラベルは１０４ｙ）を含む。 静電制御装置１１２は電気的にｙ方向変換器２０５（２１０ｙ）と連結される 。ｙ方向変換器２０５は機械的に出力信号調整装置／検出装置１３２（２１５） に連結される。更にｙ方向変換器２０５は機械的に遠隔にある物体２１８（２２ ０ｙ）に連結される。 多次元変換器２０２は力を遠隔にある物体２１８に３方向に与えることを可能 にし、および／または遠隔にある物体２１８の運動を３方向に与える。加えて、 発信機１３０は各それぞれの方向に検出された力、重量または位置に比例する出 力信号２１４、２１５、および２１６を出力信号調整装置／検出装置１３２に与 えるためにｘ方向変換器２０４、ｙ方向変換器２０５、およびｚ方向変換器２０ ６を含む多次元変換器２０２へ搬送信号２１２を与える。 図９と１０を参照すると、多次元変換器２０２の一つの好ましい構造的実施形 態を３次元変換器として一般に２３０に示される。多次元変換器２０２の好まし い構造的構成は図６と７に示す２次元変換器の構造的実施形態と同様であり、そ して更に第３方向すなわちｙ方向変換器２０５を含む。ｘ方向変換器２０４とｚ 方向変換器２０６と同様、ｙ方向変換器２０５は駆動板１１８、駆動板１２０、 およびピックアップ板１２２ｙを持つ多板容量変換器１０４ｙを含む。ｙ方向変 換器２０５は機械的リンク２２７を通じてｘ方向変換器２０４に機械的に連結さ れている。ｙ方向変換器２０５は多次元変換器２０２が第３方向すなわちｙ方向 に力と運動を検出または与えることを可能にする。 この実施形態では、第２のｘ方向変換器２０４’と第２のｙ方向変換器２０５ ’は機械的安定性のために含まれる。変換器２０４’と変換器２０５’は変換器 ２０４と変換器２０５と同様に機能する。 多次元変換器２０２は力／運動を与えおよび／または検出するためｘ方向、ｙ 方向、およびｚ方向に追加的変換器を含むことが認められる。例えば、図１１Ａ と１１Ｂは追加的第２すなわちｚ方向変換器２０７を含む２次元変換器としての 多次元変換器２０２を示す。示された実施形態では、発信機１３０（図示無し） はｘ方向変換器２０４、ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７（２１ ２）と連結される。制御装置１０２（図示無し）はｚ方向変換器２０７（２１０ ）と連結される。ｘ方向変換器２０４（２１４）、ｚ方向変換器２０６（２１６ ）、およびｚ方向変換器２０７（２１７）は電気的に出力信号調整装置／検出装 置１３２（図示無し）に連結される。ｘ方向変換器２０４（２２０ｘ）、ｚ方向 制御装置２０６（２２０ｚ）およびｚ方向変換器２０７（２２０ｚｚ）は機械的 に遠隔にある物体２１８へ連結される。 動作中は、ｘ方向変換器２０４はｘ方向の遠隔にある物体２１８上の横方向の 力または運動を感知し、検出された力を表す出力信号２１４を出力信号検出装置 ／調整装置１３２に与える。ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７は ｚ方向の遠隔にある物体２１８へ加えられた力を感知し、そして対応したｚ方向 の遠隔にある物体２１８上に検出された力を表す出力信号２１６と出力信号２１ ７を出力信検出装置／調整装置１３２に与える。加えて、ｚ方向変換器２０６、 およびｚ方向変換器２０７は静電気的に入力信号２１０ｚおよび入力信号２１０ ｚｚを通じて出力信号（２２０ｚおよび／または２２０ｚｚ）をｚ方向に遠隔に ある物体に対して加えるためにそれぞれ制御される、そして遠隔にある物体の変 位を表す出力信号２１６および／または出力信号２１７を出力信号検出装置／調 整装置１３２に与える。 本発明の更に他の実施形態は図１１Ｃと１１Ｄに示され、付加的ｚ方向変換器 ２０７を持つ多次元変換器２０２を含む。この実施形態では、ｘ方向変換器２０ ４、ｙ方向変換器２０５、ｚ方向変換器２０６、およびｚ方向変換器２０７はそ れぞれｘ方向，ｙ方向，ｚ方向の遠隔にある物体２１８上の力を感知検出する。 加えて、変換器２０２から変換器類２０４、２０５、２０６、２０７は選択的に 力や運動をそれぞれの方向に遠隔にある物体２１８に与える。 図１２を参照して、本発明の上記の多次元変換器２０２を組み込んで硬度試験 や表面作像用につかってもよいマイクロメカニカル試験機の略図が示される。こ の実施形態を使うと、本来の作像が可能となる。サンプルの表面地形の走査が行 われ、直ぐ後に所望のマイクロメカニカル試験が続き、その後に同じ装置を使っ て表面地形の第２の作像が続く。行われたマイクロメカニカル試験は押込み、引 っかき試験、または同様の手順を含むかもしれない。 引き続く表面作像を持つ微小押込み出願人の本発明の装置先に記載したいくつ かの変形例を伴う図４に示した走査プローブ顕微鏡を利用する。走査ヘッド１５ ８（好ましい実施形態では三次元圧電作動機が含まれるかもしれない）は固定位 置に取り付けられる。サンプルプラットホーム１５４は走査ヘッド１５８に連結 される。サンプル１５２はサンプルプラットフォーム１５４に位置づけられる。 多次元変換器２０２はサンプル１５２の上に位置づけられるプローブ１５０に連 結される。 一つの好ましい実施形態では、多次元変換器２０２は図１１Ａと１１Ｂに示さ れ先に記載した多次元変換器２０２と同様であるはずの２次元変換器である。多 次元変換器２０２はｘ方向変換器２０４を使ってｘ方向に、ｚ方向変換器２０６ および／またはｚ方向変換器２０７を使ってｚ方向に力を感知検出でき、遠隔に ある物体２１８（図ではプローブ１５０として示されている）にｚ方向変換器２ ０６および／またはｚ方向変換器２０７を使って力をｚ方向に与える。 使用の際は、サンプル１５２の表面はビデオディスプレイモニター１６２（１ ６１）に連結されたＳＰＭ制御装置１６０を使って先に述べたように作像される 。走査ヘッド１５８は先に述べた方法を使ってサンプル表面を作像するためにサ ンプル１５２を前後にラスターパターン状に動かす。 出願人の発明の多次元変換器２０２は押込みや引っかき、押込みや引っかき中 に加えた力の測定、そして試験の前後の作像のために使われる。いったんサンプ ル１５２の像が上記の手順を使って作られると、多次元変換器２０２はサンプル １５２の中にプローブ１５０のチップを押し込んで押込みを作るために使われる 。多次元変換器２０２は押込み工程中にチップのサンプルへの貫入を表す出力信 号２１７を出力信号検出装置／調整装置１３２へ与える。 好ましい実施形態で、押込みを行うため、制御装置１０２（静電制御装置１１ ２を含む）を操作し選択的に電圧を多次元変換器２０２（２１０）に加え静電作 動させプローブ１５０チップをサンプル１５２に押し込む。特に、押込みモード でｚ方向変換器２０７は対応の力をｚ方向にプローブ２１８へ伝送し静電気的に 作動しプローブ１５０チップをサンプル１５２へ押し込む。押込み中ｚ方向変換 器はチップのサンプルへの貫入と試験されるサンプル１５２の特性を表す出力信 号検出装置／調整装置１３２へ出力信号２１７を与える。 押込みのため多次元変換器２０２により与えられた力は選択的に静電制御装置 １１２を手動により制御するかまたはデータ取得制御システム１１０により静電 制御装置１１２を自動的に制御してもよい。データ取得制御システム１１０は変 換器２０２から所望の力を作るために加える電圧を計算するマイクロプロセッサ ーあるいは同様のロジックに基づいたシステム１１０を含んでもよい。代わりに または付加的にデータ取得制御システム１１０は出力信号検出装置／調整装置１ ３２から受け取ったデータを記録するために使用してもよい。 データ取得制御システム１１０は押込みが発生したときサンプルの運動を補償 するため多次元変換器２０２により加えられた力を調整するために用いてもよい 。それはより柔らかいサンプルに発生するものとして知られている。変換器２０ ２により与えられた力は変換器２０２から受け取った出力信号に基づいて出力信 号検出装置／調整装置１３２により変更してもよい。多次元変換器２０２は更に サンプル１５２上で横方向の力を測定するためｘ方向変換器２０４をを含む。（ ２１４で指示された出力）。 押込み後、押込み試験の結果サンプルを動かす必要がなくあるいは押込みがサ ンプルに作られた点を見つけることなく時間刻みよりむしろ分刻みでサンプル１ ５２の表面を見ることができるように同じチップで再作像できる。更に、第１の イメージ、押込み、次のイメージはすべて同じサンプルで単一位置に作られるか ら、第１の表面イメージと第２の表面イメージとは同じ面積を持ちかつ押込み段 階の対応効果を示すことが確認される。 作像モードでは、ｚ方向変換器はｚ方向の遠隔にある物体２１８（図１２のプ ローブ１５０）上の力を感知し検出し、出力信号２１７を検出された力を表す出 力信号検出装置／調整装置１３２へ与える。加えて、作像モードでは、ｚ方向変 換器２０６は走査ヘッド１５８を使う代わりに位置決め変換器として使ってもよ い。ｚ方向変換器２０６はｚ方向の位置決めの機能を引き継ぐ。ｚ方向変換器２ ０６は位置決め変換器として帰還ループで動作しサンプル１５２の表面に関連し てプローブ２１８のｚ方向に位置を維持する。（図１２にチップ１５０として示 す）。 図１３Ａを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試 験装置の更に他の実施形態が示される。一つの好ましい実施形態では、多次元変 換器２０２は先に記載されたように図１１Ｃと１１Ｄに示された多次元変換器と 同様である。表面作像中は、多次元変換器２０２が使われサンプル表面を作像す るためサンプル１５２の表面にわたってプローブ１５０のチップをラスターパタ ーンで前後に走査するために使われる。加えて、多次元変換器２０２はサンプル １５２において押込みまたは引っかきを行うことを含めてもよい所望のマイクロ メカニカル試験を行うためプローブ１５０のチップの制御に使われる。押込みの 後、サンプル１５２は押込みや引っかき試験の結果が試験後すぐに作像ができる ように同じチップで再び作像可能である。これらのモードの各々で、多次元変換 器２０２は力を動かし、位置づけ、与え、または力を多方向に感知／検出するた めに使われる。 図１３Ａに示すように、一つの好ましい実施形態では、出力信号検出装置／調 整装置１３２は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）に連結された同期復調装置を含む。 低域通過フィルタは多次元変換器２０２から受け取った出力信号２０３の調整用 にアンプに連結される。加えて、フロントパネルディスプレイ（ＦＰＤ）は出力 信号２１４、２１５、２１６、および２１７を表す出力ディスプレイを与えるた めにアンプへ連結してもよい。 図１３Ｂを参照すると、本発明の多次元変換器を使ったマイクロメカニカル試 験装置が示されており、それは図１３Ａに示すマイクロメカニカル試験装置と同 様である。この実施形態では、単独型システムがＳＰＭ制御装置１６０の以前の 機能を行う制御装置１０２で示されている。 本発明の変換器が自身のスキャナ（典型的には圧電走査装置）を持つ走査プロ ーブが使われていると、顕微鏡スキャナはサンプルをプローブから引っ込めるた めに使うことができ、変換器出力を定期的にゼロに設定できる。これには熱的ず れに対する補償が必要である。多次元変換器２０２が走査ヘッド（１５８）の機 能を行うと、ずれに対する定期的な補償を見込んでおくなんらかの手段が与えら れなければならない。一つの可能な方法はサンプルからプローブを引っ込めるた めにねじを回すステッパーモータを使うことであろうが、もし像が走査されてい るときにこの方法が行われた場合はX方向とY方向の位置ずれが起きるかもしれな いことが認められる。 一つの好ましい実施形態では、ずれに対する補償の手段は二つのｚ方向の変換 器（すなわちｚ方向変換器２０６とｚ方向変換器２０７）を使うことである。一 つのｚ方向変換器は位置づけ器具として使い、それは第２のｚ方向変換器からの 帰還信号に応答して一定の接触力を維持する。ずれに対する修正は第１のｚ方向 変換器をわずかに引っ込めることでいつでも行える、その結果第２のｚ方向変換 器に取り付けたチップはもうサンプルには接触せず、オフセット調整回路が出力 をゼロにリセットする。ｚ方向変換器は横方向の遊びが無いから、この手順はサ ンプルに対するプローブ（２１８）の位置を妨げずにいつでも、例え像を走査し ている最中でさえ行うことがてきる。 図１４を参照すると、別の取り付け構成は走査プローブ顕微鏡試験システムで サンプル１５２をテストするため多次元変換器２０２とプローブ１５０の間で使 ってもよいことが認められている。図示されているように、ボックス２４０は多 次元変換器２０２を含めてもよく、そしてボックス２４２は図１２に示されてい るものと同様な固定面であってもよい。代わりに、ボックス２４０は固定面であ ってもよく、そしてボックス２４２は多次元変換器２０２を含んでもよい。加え て、ボックス２４０またはボックス２４２はマイクロメカニカル試験手順中に各 種の動作を行うために走査プローブ型顕微鏡に機械的に連結された走査ヘッドを 含めてもよいことが認められている。 多次元変換器２０２は本発明の範囲にある限り別の構造的実施形態をもっても よいことも認められている。例えば、図１５ではｘ方向変換器２０４とｙ方向変 換器２０５を含めた２次元多次元変換器２０２が示されている。この実施形態で は、ｘ方向変換器２０４はｙ方向変換器２０５に共通の共通中央板１２２ｘｙを 有する駆動板１１８ｘと１２０ｘを有する容量変換器１０４ｘを含んでいる。Ｙ 方向変換器２０５容量変換器１０４ｘもまた駆動板１１８ｙと１２０ｙを含んで いる。中央板１２２ｘｙは駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２０ ｙ間に可動的に取り付けられている。機構２４４は中央板１２２ｘｙの運動のた めに中央板１２２ｘｙに連結される。多次元変換器２０２のこの構造的実施形態 に対する一つの応用はコンピュータマウスまたは「ジョイスティツク」である。 本発明の多次元変換器２０２の更に別の実施形態は図１６と１７に示されてい る。この実施形態では、中央板１２２ｘｙはサスペンションシステム２４６を使 って可動的に駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２０ｙの上方に取 り付けられる。機構２４４は駆動板１１８ｘ、１１８ｙ、１２０ｘ、および１２ ０ｙに関連する中央板１２２ｘｙにその運動のために連結される。多次元変換器 ２０２のこの構造的実施形態に対する一つの応用もコンピュータマウスまたは「 ジョイスティツク」である。 本発明は単一システムにおける本来の作像にナノーマイクロメカニカル試験と 高分解能を組み合わせた能力を与える。これは通常必要とするように別の押込み 装置で作った後その痕を従来のＡＦＭやＳＥＭに移し替えようと試みることによ り生じる努力、時間、不確かさを完全に払拭する。 ナノの尺度での押込みや硬度試験に加えて、本発明は困難な保護塗装やマイク ロメカニカル加工のような微小引っかき／引っかき試験、材料の摩耗試験に対し て使われる。困難な保護塗装のような材料の摩耗試験は繰り返して範囲を走査し 、いろいろな接触力での摩耗率の記録により評価できる。摩耗深さは外の領域と 周りの局所的面を作像するため測定後に走査寸法を増やすことにより測定できる 。この手順を使って摩耗深さを０．２ｎｍまで小さく測定することが可能である ことが分かっている。 本発明は眼鏡から磁気記録ディスクに至る項目に関する困難な塗装をテストす る場合に極めて有効である。追加用途はマイクロエレクトロニック集積回路用の 薄膜のマイクロメカニカル試験、コンデンサーとパッシベーション層を含む。集 積回路の特徴がますます複雑になり金属熔射層の数が増すにつれ、機械的効果は 熱膨脹係数や工程関連ストレスの不適当な組み合わせによりずっと重要になって いる。これらの構造のマイクロメカニカル試験は本発明を使ってデバイスの信頼 性に関して関係者が持つであろうストレスやありそうな影響を評価するために行 われる。摩耗や腐食抵抗を増すための切削工具や他の機械的構成部分の塗装は本 発明を使って評価できる。 本発明で、ナノメートル尺度の分解能での本来の作像は達成され、以前には可 能でなかった測定も可能となる。１００ｎｍまたはこれ以下の非常に小さい径の 押込みが本発明で作られ作像されている。以前には別の押込み機上で作ったこの 寸法の押込みを後で顕微鏡を使って位置付けることはほとんど不可能に近いであ ろう（１００ｎｍの形状はその作像のためには１μｍのオーダの走査寸法が必要 だろう）。もしサンプルを１００μｍの合計誤差（０．００４インチ）で再位置 付けできるとすると押込みが置かれる可能性のある１μｍの局所の数は１０，０ ００となる。もっと大きい押込みまたは他の形状でサンプル上に置かれて場所的 に助成しても、サンプルがいったん動かされるとこれらの小さい押込みは場所的 に信頼できない。 非常に小さい負荷で、安定ではないＧａＡｓと単結晶銅に押込みが作られ、短 時間のうちに元の平らな面へ戻ってしまう。検査のためにそれは押込みを顕微鏡 にずっと以前にその押込みは消滅してしまっているために、この種の作用を持つ 面は従来のマイクロ／ナノ押込みについて研究することは不可能だろう。 加えて、本発明の微細装置加工能力は軌道巾を調整するかまたは空気の支え面 を変えるように磁気記録ヘッドの実験的修正のために使うことができることが認 められている。他の用途はデバッグまたは不良解析のため信号を厳密に調べるこ とがてきるように変更した金属溶射層を集積回路に露出させることを含む。 もし作像が必要ない場合は、本発明を従来の微小押込み作成機として操作する ことが可能であり、装置は他のマイクロ／ナノ押込み作成機の費用のほんのわず かで負荷／変位曲線を提供する。 この文書で補った発明の新しい特性と長所は前の記述で明らかにされている。 しかしながら、この開示は何れにしても例証的であることが理解されるであろう 。変更は詳細に行われてもよい、特に部品の形態、寸法、および配置については この発明の範囲を超えない限りにおいて。この発明の範囲は無論言語で定義され 添付の請求の範囲はその言語で表現されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および／または検出力、重量あるいは位置を第１の方向に付与する第１ の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および／または検出力、重量あるいは位置を第２の方向に付与する第２ の容量変換器と、 を備える高精度多次元変換器。 ２．前記各第１及び第２変換器は、前記ピックアップ板から遠隔にある物体と 前記ピックアップ板との間に力を伝達する手段を含む請求項１に記載の変換器。 ３．前記駆動板に対する前記ピックアップ板の相対位置に応答して当該相対位 置に比例する出力信号を供給する手段を更に備える請求項２に記載の変換器。 ４．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段を更に備える請求項１に記 載の変換器。 ５．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、前記ピックアップ板を 介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する手段を更に含む請求項４に記 載の変換器。 ６．前記ピックアップ板を介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する 手段は、静電作動を含むこと請求項５に記載の変換器。 ７．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各変換器に結合された 静電アクチュエータを有する制御装置を含む請求項４に記載の変換器。 ８．移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力または運動および／ または検出力、重量あるいは位置を第３の方向に付与する第３の容量変換器を更 に備える請求項１に記載の変換器。 ９．駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力 または運動および／または検出力、重量あるいは位置を前記第２の方向に付与す る第４の容量変換器を更に備える請求項８に記載の変換器。 １０．駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力 や運動および／または検出力、重量あるいは位置を前記第２の方向に付与する第 ３の容量変換器を更に備える請求項１に記載の変換器。 １１．高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第１ の方向の力、重量あるいは位置を検出する第１の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第２ の方向の力、重量あるいは位置を検出する第２の容量変換器と、 前記各ピックアップ板を遠隔にある物体に結合する手段と、 前記検出された力、重量あるいは位置に比例する出力信号を発生する手段と 、 を備える高精度多次元変換器。 １２．前記各ピックアップ板の位置および／または各ピックアップ板が発生する 力を選択的に制御する手段を更に備える請求項１１に記載の変換器。 １３．前記位置および／または力を選択的に制御する手段は、静電作動を含む請 求項１２に記載の変換器。 １４．前記第２変換器と類似した第３の変換器を含み、前記第２の方向のドリフ トを補正する手段を更に備える請求項１２に記載の変換器。 １５．駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 ３の方向の力、重量あるいは位置を検出する第３の容量変換器を更に備える請求 項１１に記載の変換器。 １６．走査プローブ型顕微鏡装置における高精度多次元変換器であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および／または検出力、重量あるいは位置を第１の方向に付与する第１ の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力ま たは運動および／または検出力、重量あるいは位置を第２の方向に付与する第２ の容量変換器とを備える高精度多次元変換器。 １７．前記各第１及び第２変換器は、前記ピックアップ板から遠隔にある物体と 前記ピックアップ板との間に力を伝達する手段を含む請求項１６に記載の変換器 。 １８．前記駆動板に対する前記ピックアップ板の相対位置に応答して当該相対位 置に比例する出力信号を供給する手段を更に備える請求項１７に記載の変換器。 １９．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段を更に備える請求項１６に 記載の変換器。 ２０．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、前記ピックアップ板を 介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する手段を更に備える請求項１９ に記載の変換器。 ２１．前記ピックアップ板を介して前記遠隔にある物体に力を選択的に付与する 手段は、静電作動を含む請求項２０記載の変換器。 ２２．前記各ピックアップ板を選択的に制御する手段は、各変換器に結合された 静電アクチュエータを有する制御装置を含む請求項１９に記載の変換器。 ２３．移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力や運動および／また は検出力、重量あるいは位置を第３の方向に付与する第３の容量変換器を更に備 える請求項１６に記載の変換器。 ２４．移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、力または運動および／ または検出力、重量あるいは位置を前記第２の方向に付与する第３の容量変換器 を更に備える請求項１６に記載の変換器。 ２５．試料のマイクロメカニカル試験方法であって、 試料を載置する工程と、 高精度多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する工程と を備える械試験方法。 ２６．前記多次元容量変換器を用いて前記試料を所定の位置に作像する工程を更 に備える請求項２５に記載の方法。 ２７．前記多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する工程は 、 力または運動および／または検出力、重量あるいは位置を第１の方向に付与 する工程と、 力または運動および／または検出力、重量あるいは位置を第２の方向に付与 する工程と、 を更に備える請求項２５に記載の方法。 ２８．前記高精度多次元容量変換器を用いてマイクロメカニカル試験を遂行する 工程は、力または運動および／または検出力、重量あるいは位置を第３の方向に 付与する工程を更に備える請求項２７に記載の方法。 ２９．尖端に対して試料を相対移動させるための圧電走査装置を有する走査プロ ーブ型顕微鏡装置であって、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 １の方向の力、重量または位置を検出する第１の容量変換器と、 駆動板に対して相対移動可能に取り付けられたピックアップ板を有し、第 ２の方向の力、重量または位置を検出する第２の容量変換器と、 を有する多次元変換器を含む表面作像ならびに多軸力および／または変位測 定手段と、 前記各ピックアップ板を遠隔にある物体に結合する手段と、 検出された前記力、重量または位置に比例する出力信号を発生する手段と、 を備える走査プローブ型顕微鏡装置。 ３０．多軸力および／または変位を付与する手段を更に備える請求項２９に記載 の装置。 ３１．走査プローブ型顕微鏡装置であって、 多次元容量変換器と、 当該変換器に結合されて表面作像ならびに多軸力および／または変位測定を 行う手段と、 前記変換器に結合されて多軸力および／または変位を付与する手段と、 を備える走査プローブ型顕微鏡装置。 ３２．高解像度の表面作像をし、かつ、マイクロメカニカル特性試験を遂行する ための装置であって、 プローブと、 多次元変換器を含み、前記プローブと試料との間に相対運動を与える走査手 段と、 データ取得及び制御システムと静電制御装置とを含み、前記多次元変換器に 結合された制御装置と、 を備える装置。 ３３．前記制御装置に結合されたビデオディスプレイモニターと、前記制御装置 に結合された操作盤とを更に備える請求項３２に記載の装置。