JPH10325762A

JPH10325762A - 微小力評価装置

Info

Publication number: JPH10325762A
Application number: JP13355697A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Fukatsu; 恵輔深津; Takao Murakoshi; 尊雄村越; Michio Fukano; 道雄深野
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】微小力、特に０．１ｍｇｗ（≒１μＮ）以下
の力を正確に測定するための装置を提供することを目的
とする。【解決手段】微小力評価装置は、サンプルを支持する
サンプルホルダと、サンプルに作用する力を検出する検
出部と、検出部を支持するステージ装置と、サンプルの
位置を監視するモニタ装置と、サンプルの位置とサンプ
ルに作用する力の間の関係を評価する評価処理装置とを
有する。評価処理装置は検出部の出力とモニタ装置の出
力を入力してステージ装置に制御信号を供給する。それ
によって検出部に位置が変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は物体に作用する力を
測定し評価するための評価装置に関し、特に１μＮ以下
の微小力を精密に測定し評価するための微小力評価装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシニング技術が半導体
製造技術、医療等の広い分野にて利用されている。マイ
クロマシニング技術では、アクチュエータ等にて微小な
駆動力が使用される。

【０００３】従って、マイクロマシニング技術の開発に
伴い、微小力、特に０．１ｍｇｗ（≒１μＮ）以下の力
を正確に測定する必要性が高くなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、力又は応力を測
定するための装置としてロードセルが広く知られてい
る。ロードセルは弾性体の歪みを検出することによって
応力又は力を測定するように構成されており、微小力を
精密に測定することは困難であった。

【０００５】ロードセルの分解能は最高で、例えば、約
０．１ｍｇｗ（≒１μＮ）程度である。従って０．１ｍ
ｇｗ（≒１μＮ）以下の力を正確に測定することは困難
である。また、マイクロマシンのアクチュエータでは、
駆動力として静電力又は電磁力を用いる場合がある。従
来、このような非接触的な微小力を精密に測定するため
の適当な方法が無かった。

【０００６】本発明は、斯かる点に鑑み、微小力、特に
０．１ｍｇｗ（≒１μＮ）以下の力を正確に測定するた
めの装置を提供することを目的とする。

【０００７】本発明は、斯かる点に鑑み、静電力又は電
磁力に如き非接触的な微小力を精密に測定するための装
置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によると、微小力
評価装置は、検出部と、検出部を直交３軸方向の直線変
位及び直交３軸周りの回転変位が可能なように支持する
ステージ装置と、サンプルの位置を監視するモニタ装置
と、モニタ装置からの出力と検出部からの出力を入力し
てサンプルの位置とサンプルに作用する力の間の関係を
検出しステージ装置に検出部の位置を調整するための制
御信号を出力する評価処理装置とを有する。

【０００９】検出部は、サンプルを支持するサンプルホ
ルダと、サンプルに作用する力によって変位可能な振り
子と、振り子の変位を検出する変位検出装置と、振り子
を変位させる力を生成するトルカと、変位検出装置から
の信号に基づいて振り子の変位がゼロになるようにトル
カに命令信号を供給するフィードバック回路と、を有
し、トルカへの命令信号によってサンプルに作用する力
を測定するように構成されている。

【００１０】サンプルホルダは第１のサンプルを支持す
る第１のサンプルステージと第２のサンプルを支持する
第２のサンプルステージとを有し、振り子は２つのサン
プル間に作用する静電力又は電磁力を測定することがで
きる。

【００１１】第１のサンプルステージは振り子に装着さ
れ第２のサンプルステージはベース板に装着されたアー
ムに支持されている。

【００１２】また、検出部は、従来のサーボ型加速度計
の原理及び主要部を利用することができる。例えば、振
り子は撓み継ぎ手を介してフレームに片持ち支持されて
よい。トルカは、振り子に装着されたトルカコイルとフ
レームに装着された永久磁石及びポールピースとを含む
ように構成してよい。変位検出装置は振り子の一方の側
に設けられた発光素子と他方の側に設けられた受光素子
とを含むように構成してよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１を参照して本発明の微小力評
価装置の第１の例を説明する。本例によると、微小力評
価装置は、検出部１００と検出部１００の下側に装着さ
れた取り付け具１０４と取り付け具１０４を介して検出
部１００を支持するステージ１０５と評価処理装置３０
０とモニタ装置３０２とを有する。ステージ１０５の下
側にはベース板１０６が装着され、このベース板１０６
は振動遮断装置１０７を介してグランドに設置される。

【００１４】図示のように水平面に沿ってＸ軸及びＹ軸
（Ｙ軸は紙面に垂直）をとり、鉛直上方にＺ軸をとる。
ステージ１０５は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に沿った直線変位
とＸ、Ｙ、Ｚ軸周りの回転変位を生成するための機構を
有する。従って、ステージ１０５に装着された検出部１
００は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に沿った直線変位とＸ、Ｙ、
Ｚ軸周りの回転変位が可能である。

【００１５】検出部１００の上側にはＬ字型アーム９０
が装着され、Ｌ字型アーム９０の先端にはカウンタウェ
イト９１が装着されている。

【００１６】検出部１００の上側には更に第１のサンプ
ル２０１を支持する第１のサンプルステージ１０１と第
２のサンプル２０２を支持する第２のサンプルステージ
１０２とが配置されている。サンプルステージ１０１、
１０２は絶縁材より構成されている。２つのサンプル２
０１、２０２は、本例では互いに隔置されている。第２
のサンプルステージ１０２はＬ字型のアーム１０２Ａに
よって支持され、このアーム１０２Ａは、ベース板１０
６に装着されている。

【００１７】モニタ装置３０２は、２つのサンプル２０
１、２０２の位置を監視するように構成され、適当なビ
デオカメラ、ＩＲスコープ等の撮像装置及びディスプレ
イ装置を有してよい。評価処理装置３００は、モニタ装
置３０２より供給されたモニタ信号Ｍと検出部１００よ
り供給された微小力信号ＭＦを入力し、微小データ信号
ＤＧを外部に出力し、またステージコントロール信号Ｓ
Ｃをステージ１０５に出力する。評価処理装置３００を
含むフィードバック系については後に図３を参照して説
明する。

【００１８】図２を参照して説明する。本例では、２つ
のサンプル２０１、２０２の間に作用する静電力又は電
磁力を測定する。先ず図２Ａを参照して静電力を測定す
る場合について説明する。第１のサンプル２０１は金属
等の導電材より構成され、第２のサンプル２０２はガラ
ス等の非導導電材よりなる基板とそれに装着された電極
２０２Ａより構成される。電極２０２Ａは適当な形状を
有し、金属薄膜によって形成されてよい。

【００１９】第１のサンプル２０１と第２のサンプル２
０２の電極２０２Ａとによってコンデンサが構成され
る。コンデンサに電圧Ｖを付与すると、第１のサンプル
２０１と電極２０２Ａの間に静電吸引力が作用する。こ
の静電吸引力Ｆ_Zは次のように表される。

【００２０】

【数１】Ｆ_Z＝ＣＶ²／２δ ＝εＳＶ²／２δ²

【００２１】ここに、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖは
コンデンサに印加された電圧、δはコンデンサの間隙、
Ｓはコンデンサの面積、εは誘電率である。

【００２２】次に図２Ｂを参照して電磁力を測定する場
合について説明する。第１のサンプル２０１は金属等の
導電材より構成され、第２のサンプル２０２はガラス等
の非導導電材よりなる基板とそれに装着されたコイル２
０２Ａより構成される。

【００２３】第２のサンプル２０２に装着されたコイル
２０２Ａに交流電流Ｉ₁を流すと周期的に変化する磁場
が形成され、第１のサンプル２０１に渦電流Ｉ₂が発生
する。この渦電流Ｉ₂によって生成される磁場は、コイ
ル２０２Ａによって生成された磁場と位相が反対である
ため、２つの磁場は互いに反発し合う。この電磁反発力
Ｆ_Zはコイルの単位長さ当たり次のように表される。

【００２４】

【数２】Ｆ_Z＝（２Ｉ₁Ｉ₂／δ）×１０^-7〔Ｎ／ｍ〕

【００２５】ここに、δはコイル２０２Ａと第１のサン
プル２０１に生成される渦電流の間の距離である。

【００２６】図３を参照して本発明の評価処理装置３０
０の構成及び動作の例を説明する。本例の評価処理装置
３００は相対位置認識部３００−１とステージコントロ
ール部３００−２とデータ記憶部３００−３とを含む。
相対位置認識部３００−１はモニタ装置から出力された
モニタ信号Ｍを入力し、２つのサンプル２０１、２０２
の間の相対的位置関係を検出する。２つのサンプル２０
１、２０２の間の相対的位置関係の検出は、ビデオ信号
を処理して画像を認識する画像処理技術を使用してなさ
れてよい。

【００２７】相対位置認識部３００−１から出力された
相対的位置関係を指示する信号はステージコントロール
部３００−２に供給される。ステージコントロール部３
００−２は、位置設定信号と相対位置認識部３００−１
から出力された相対的位置関係指示信号とを入力し、ス
テージコントロール信号ＳＣを生成する。位置設定信号
は、２つのサンプル２０１、２０２の間の相対的位置関
係の設定値を有しており、予め評価処理装置３００内に
記憶又は保持されている。

【００２８】従って、ステージコントロール信号ＳＣ
は、２つのサンプル２０１、２０２の間の相対的位置関
係の設定値と現在値の間の偏差を示している。ステージ
コントロール信号ＳＣは、ステージ１０５に供給され
る。ステージ１０５はステージコントロール信号ＳＣに
基づいて、検出部１００の位置を調整する。上述のよう
に、ステージ１０５は検出部１００を直交３軸方向に直
線変位させ、直交３軸周りの回転変位させる。

【００２９】モニタ装置３０２、評価処理装置３００及
び検出部１００はフィードバックループを構成してお
り、このフィードバックループは２つのサンプル２０
１、２０２が所定の位置に設定され、ステージコントロ
ール信号ＳＣがゼロとなるように作用する。

【００３０】データ記憶部３００−３は、位置設定信号
と検出部１００から出力された微小力信号ＭＦを入力
し、それを記憶する。位置設定信号の様々な値に対する
微小力信号ＭＦの値がデータ群ＤＧとして形成され、出
力される。

【００３１】本例によると、評価処理装置３００によっ
て様々なデータが得られる。例えば、２つのサンプル２
０１、２０２間の相対的位置を調整しながら、検出部１
００から出力された微小力信号ＭＦを記録することによ
って、２つのサンプル２０１、２０２間に作用する力を
２つのサンプル２０１、２０２間の相対的位置の関数と
して測定することができる。

【００３２】例えば、２つのサンプル２０１、２０２の
間の距離と力の関係、２つのサンプル２０１、２０２の
間の平行度と力の関係等が得られる。更に、２つのサン
プル２０１、２０２の間の相対的位置が最適状態にある
ときの２つのサンプル２０１、２０２間に作用する力を
測定することができる。

【００３３】図４及び図５を参照して検出部１００の詳
細を説明する。本例の検出部１００は、サーボ型加速度
計の原理及び機構の一部が使用されている。尚、本例の
検出部１００に使用されるサーボ型加速度計の例とし
て、平成６年１２月２８日付にて本願出願人と同一の出
願人によって出願された特願平６−３２６９４１号に開
示されたものがある。詳細は同出願を参照されたい。

【００３４】検出部１００は、フレーム１０とフレーム
１０の取り付け部１０ａに取り付けられた撓み継ぎ手２
０と、撓み継ぎ手２０の他端に装着された棒状の振り子
３０とを有する。撓み継ぎ手２０は押さえ板１８を介し
てねじ１９によって取り付けられている。フレーム１０
の凹部１０ｅには、円板状の永久磁石３６及び円柱状の
ポールピース３８が装着されている。

【００３５】振り子３０には１端が開口された円筒状の
トルカボビン３２が装着され、斯かるトルカボビン３２
の外側円筒面にはトルカコイル３４が装着されている。
トルカボビン３２の円筒部は永久磁石３６及びポールピ
ース３８より隔置されている。

【００３６】フレーム１０は電磁軟鉄よりなり、ポール
ピース３８から永久磁石３６を介してフレーム１０まで
磁気回路を形成するべくヨーク（リターンパス）として
機能し、これらはトルカコイル３４と共働してトルカを
提供する。

【００３７】トルカボビン３２の他端にはＬ字型のアー
ム９０及び第１のステージ１０１が装着されている。Ｌ
字型のアーム９０の先端にはカウンターウェイト９１が
装着されている。第１のステージ１０１には第１のサン
プル２０１が装着されている。尚、トルカボビン３２の
円形端面に、Ｌ字型のアーム９０を取り付けるための突
起３２Ａが設けられてよい。

【００３８】振り子３０の先端部にはそれより隔置され
た発光素子４０Ａ及び受光素子４０Ｂとからなる変位検
出装置が配置されている。尚、図示されていないが、振
り子３０の先端部にてそれより隔置されて１対のストッ
パが配置されてよく、斯かるストッパによって振り子３
０の振幅が制限される。

【００３９】フレーム１０のフランジ部１０ｂには基準
面１０ｃが設けられており、また図５に示す如く孔１０
ｄが形成されている。斯かる基準面１０ｃを取り付け具
１０４（図１）の対応する基準面に装着し、孔１０ｄに
適当な締結具例えばねじを挿入することによって、検出
部１００は取り付け具１０４に固定される。

【００４０】振り子３０及び撓み継ぎ手２０は、フレー
ム１０の取り付け部１０ａにて片持ち支持されている。
撓み継ぎ手２０には適当な撓み部２０ａが形成され、そ
れによって振り子３０は撓み部２０ａを通る回転軸線Ｏ
−Ｏ周りに揺動することができる。振り子３０が揺動す
ると、それに装着された部品３２、３４、９０、９１、
１０１、２０１も揺動する。撓み継ぎ手２０の撓み部２
０ａは、例えば図５に示すように、撓み継ぎ手２０に矩
形の孔２０ｅを形成しその両側の２本の支柱部に薄肉部
を形成するように構成してよい。

【００４１】図６を参照して検出部１００の動作を説明
する。図６は検出部１００の主要部、即ち、撓み継ぎ手
２０と、撓み継ぎ手２０に装着された棒状の振り子３０
と、振り子３０に装着されたトルカボビン３２と、振り
子３０の先端に配置された変位検出装置４０Ａ、４０
Ｂ、４０Ｂとを示す。ここで、図示のように、振り子３
０の中心軸線に沿った方向をＸ軸とし、Ｘ軸に垂直にト
ルカボビン３２の中心軸線に沿ってＺ軸をとる。

【００４２】検出部１００の中心軸線、即ち、Ｚ軸に沿
って測定すべき力Ｆ_Zが作用すると、振り子３０は撓み
部２０ａを通る回転軸線Ｏ−Ｏ周りに回転し、その先端
部は微小変位する。発光素子４０Ａによって発光され受
光素子４０Ｂによって受光される光量が変化し、振り子
３０の先端の微小変位が検出される。

【００４３】こうして変位検出装置によって検出された
微小変位を指示する信号は、トルカコイル３４にフィー
ドバックされ、微小変位が零になるようにトルカコイル
３４に流れる電流が制御される。斯かる電流即ち拘束電
流は力Ｆ_Zに比例しているから、この拘束電流を検出す
ることによって力Ｆを計測することができる。

【００４４】また検出部１００に測定すべき力Ｆ_Zが作
用しても、振り子３０の変位は常にゼロに維持されるか
ら、長時間使用しても撓み部２０は塑性変形することが
なく、力Ｆ_Zを正確に測定することができる。

【００４５】再び図４を参照してカウンターウェイト９
１の機能を説明する。振り子３０にはトルカボビン３２
が装着され、トルカボビン３２にはトルカコイル３４、
第１のステージ１０１及び第１のサンプル２０１、Ｌ字
型アーム９０及びカウンターウェイト９１が装着されて
いる。従って、撓み継ぎ手２０は、振り子３０の自重及
び振り子３０に装着されたこれらの部品の重量によっ
て、回転軸線Ｏ−Ｏ周りの（図４にて右周りの）曲げモ
ーメントＭ_Cを受ける。

【００４６】それによって振り子３０は、第１のサンプ
ル２０１に測定すべき力Ｆ_Zが作用していない場合で
も、回転軸線Ｏ−Ｏ周りに回転変位し、それが誤差の原
因となる。

【００４７】カウンターウェイト９１は、振り子３０及
びそれに装着された部品の重量によって生ずる曲げモー
メントＭ_Cに対して反対方向の曲げモーメントＭ_Wを生
成するために設けられる。カウンターウェイト９１は、
回転軸線Ｏ−Ｏに対して振り子３０と反対側に、即ち、
Ｌ字型のアーム９０の先端に装着されている。

【００４８】振り子３０及びそれに装着された部品の重
量によって生ずる曲げモーメントＭ _Cとカウンターウェ
イト９１による曲げモーメントＭ_Wの大きさが等しいと
き、振り子３０の回転変位はゼロとなる。カウンターウ
ェイト９１による曲げモーメントＭ_Wの大きさの調整
は、カウンターウェイト９１の質量又はＬ字型のアーム
９０の長さを変化させることによってなされる。

【００４９】図７を参照して本発明による微小力評価装
置の第２の例を説明する。図示のように水平面に沿って
Ｘ軸及びＹ軸（Ｙ軸は紙面に垂直）をとり、鉛直上方に
Ｚ軸をとる。本例の微小力評価装置は図１に示した第１
の例と同様に、評価処理装置３００とモニタ装置３０２
と検出部１００等を有するが、評価処理装置３００及び
モニタ装置３０２は、図１に示した第１の例と同様なの
で省略する。検出部１００は、図４及び図５を参照して
説明した検出部１００と同一構造を有するが、本例の検
出部は図１の第１の例とは異なる方向に配置されてい
る。

【００５０】本例では、振り子３０の中心軸線が垂直方
向、即ち、Ｚ軸に沿って配置されるように、検出部１０
０が取り付け具１０４に装着される。こうして、取り付
け具１０４に装着された検出部１００は、図１の第１の
例と同様に、ステージ１０５に支持される。

【００５１】検出部１００にはＬ字型アーム９０が装着
され、Ｌ字型アーム９０の先端の水平部９０Ａには第１
のサンプルステージ１０１が装着され、第１のサンプル
ステージ１０１には第１のサンプル２０１が装着されて
いる。同様に、ベース板１０６に装着されたＬ字型のア
ーム１０２Ａに第２のサンプルステージ１０２が装着さ
れ、第２のサンプルステージ１０２に第２のサンプル２
０２が支持されている。第１のサンプル２０１と第２の
サンプル２０２は互いに隔置されている。

【００５２】本例では、振り子３０は撓み継ぎ手２０の
下側に配置されている。従って、振り子３０の自重によ
る回転軸線Ｏ−Ｏ周りの曲げモーメントはゼロであり、
振り子３０に装着された部品の重量による回転軸線Ｏ−
Ｏ周りの曲げモーメントは極めて小さい。従って、本例
では、カウンタウェイトを設ける必要がない。

【００５３】好ましくは、第１のサンプルステージ１０
１及びそれに装着された第１のサンプル２０１は、振り
子３０の中心軸線、即ち、Ｚ軸に沿って配置される。

【００５４】本例によると、第１のサンプル２０１と第
２のサンプル２０２の間に作用するＸ軸方向の力Ｆ_Xを
測定する。このＸ軸方向の力Ｆ_Xによって、振り子３０
は撓み部２０ａを通る回転軸線Ｏ−Ｏ周りに回転し、そ
の先端部は微小変位する。振り子３０の変位は変位検出
装置４０Ａ、４０Ｂによって検出される。

【００５５】変位検出装置によって検出された微小変位
を指示する信号は、トルカコイル３４にフィードバック
され、微小変位が零になるようにトルカコイル３４に流
れる電流が制御される。斯かる電流即ち拘束電流は力Ｆ
_Xに比例しているから、この拘束電流を検出することに
よって力Ｆ_Xを計測することができる。

【００５６】図８を参照して、２つのサンプル２０１、
２０２の間に生成されるＸ軸方向の力Ｆ_Xの例を説明す
る。図８は２つのサンプル２０１、２０２の部分拡大図
である。第１のサンプル２０１の上面、即ち、第２のサ
ンプル２０２に面した側の面に、Ｙ軸方向（紙面に垂
直）に延在する多数の互いに平行な突起状の電極部２０
１Ａを形成する。各電極部２０１ＡのＸ軸方向の幅をＤ
₁、Ｘ軸方向のピッチをｐ₁とする。

【００５７】同様に、第２のサンプル２０２の下面、即
ち、第１のサンプル２０１に面した側の面に、Ｙ軸方向
（紙面に垂直）に延在する多数の互いに平行な電極２０
２Ａを形成する。各電極２０２ＡのＸ軸方向の幅を
Ｄ₂、Ｘ軸方向のピッチをｐ₂とする。

【００５８】電極部２０１Ａの幅Ｄ₁と電極２０２Ａの
幅Ｄ₂は等しく、電極部２０１Ａのピッチｐ₁と電極２
０２Ａのピッチｐ₂は等しくてよい。しかしながら、各
電極部２０１Ａは、対応する電極２０２Ａに対して、Ｘ
軸方向の幅Ｄ₁（＝Ｄ₂＝Ｄ）の半分Ｄ／２だけ偏倚し
ている。従って、電極部２０１Ａと電極２０２Ａが互い
に重なる部分ＬはＸ軸方向の幅Ｄの半分Ｄ／２である。

【００５９】電極部２０１Ａと電極２０２Ａの重なる部
分Ｌによってコンデンサが構成される。こうして、第１
のサンプル２０１の電極部２０１Ａに対して第２のサン
プル２０２の電極２０２ＡをＸ軸方向にずらすことによ
って、両者間にＸ軸方向の静電力が生成される。即ち、
電極部２０１Ａと電極２０２Ａの間に電圧Ｖを印加する
と、第１のサンプル２０１はＸ軸方向の力Ｆ_Xを受け
る。

【００６０】

【数３】Ｆ_X＝ＣＶ²／２Ｌ＝εＳＶ²／２δＬ

【００６１】ここに、Ｃはコンデンサの静電容量、Ｖは
コンデンサに印加された電圧、δはコンデンサの間隙、
Ｓはコンデンサの面積、ＬはコンデンサのＸ軸方向の
幅、εは誘電率である。

【００６２】尚、電極部２０１Ａと電極２０２Ａの間に
電圧Ｖを印加すると、実際には、両者間にＸ軸方向の静
電力とＺ軸方向の静電力が生成される。しかしながら、
このＺ軸方向の静電力Ｆ_Zは本例の検出部１００によっ
て検出されない。

【００６３】上述のように、２つのサンプル２０１、２
０２は、振り子３０の中心軸線に沿って配置される。従
って電極部２０１Ａと電極２０２Ａによって生成される
Ｚ軸方向の静電力は、振り子３０の中心軸線に沿って作
用し、撓み部２０ａを通る回転軸線Ｏ−Ｏ周りのモーメ
ントを生成しない。従ってＺ軸方向の静電力力Ｆ_Zによ
って振り子３０は回転変位しない。

【００６４】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。

【００６５】以上、本発明の装置によって静電力又は電
磁力を測定する場合を説明したが、本発明の装置によっ
て静電力又は電磁力以外の力を測定することが可能であ
ることは当業者にとって理解されよう。本発明の装置に
よって静電力又は電磁力の如き非接触的な力（空間を伝
播する力）以外に接触的な力（物体間を伝播する力）も
測定可能である。

【００６６】

【発明の効果】本発明によると、モニタ装置と評価処理
装置を含むフィードバック回路によって検出部の位置を
調整し、それによってサンプルの相対的位置を調整する
ことができるから、サンプルに作用する力をサンプルの
相対的位置の関数として測定することができる利点を有
する。

【００６７】本発明によると、モニタ装置と評価処理装
置を含むフィードバック回路によって検出部の位置を調
整し、それによってサンプルの相対的位置を調整するこ
とができるから、サンプルが最適位置に配置されたとき
のサンプルに作用する力を測定することができる利点を
有する。

【００６８】本発明によると、２つのサンプルの間に作
用する力、例えば静電力、電磁力等を測定することがで
きる利点を有する。また、２つのサンプルの間に作用す
る任意の方向の力を測定することができる利点を有す
る。

【００６９】本発明によると、振り子、変位検出装置、
トルカ及びフィードバック回路を含む検出部は、従来の
サーボ型加速度計の原理及び主要部を利用することがで
きる利点を有する。

【００７０】本発明によると、微小力を測定するとき、
振り子の変位は常にゼロに維持されるから、長時間使用
しても、径年変化が無く正確に微小力を正確に測定する
ことができる利点を有する。

【００７１】本発明によると、微小力を検出するセンサ
部として、撓み継ぎ手を使用することができるから、製
造費及び材料費を安価にすることができる利点を有す
る。

【００７２】本発明によると、微小力を測定するとき、
振り子の変位は常にゼロに維持され、撓み継ぎ手の撓み
量は常にゼロに維持されるから、センサ部、即ち、撓み
継ぎ手の感度を十分大きくすることができるから、極め
て微小な力を正確に測定することができる利点を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微小力評価装置の第１の例を示す説明
図である。

【図２】本発明の微小力評価装置の第１の例によって測
定すべき微小力の生成方法を説明するための説明図であ
る。

【図３】本発明の微小力評価装置の評価処理装置の例を
示す説明図である。

【図４】本発明の微小力評価装置の検出部の断面構成の
例を示す説明図である。

【図５】本発明の微小力評価装置の検出部の平面構成の
例を示す説明図である。

【図６】本発明の微小力評価装置の検出部の原理を説明
するための説明図である。

【図７】本発明の微小力評価装置の第２の例の主要部を
示す説明図である。

【図８】本発明の微小力評価装置の第２の例によって測
定すべき微小力の生成方法を説明するための説明図であ
る。

【符号の説明】

１０フレーム１０ａ取り付け部１０ｂフランジ部１０ｃ基準面１０ｄ孔１０ｅ凹部１８押さえ板１９ねじ２０撓み継ぎ手２０ａ撓み部２０ｅ孔３０振り子３２トルカボビン３４トルカコイル３６永久磁石３８ポールピース４０Ａ発光素子４０Ｂ受光素子９０Ｌ字型アーム９１バランスウェイト１００検出部１０１、１０２サンプルステージ１０４取り付け具１０５ステージ１０６ベース板１０７振動遮断装置２０１、２０２サンプル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サンプルを支持するサンプルホルダと、
上記サンプルに作用する力によって変位可能な振り子
と、該振り子の変位を検出する変位検出装置と、上記振
り子を変位させる力を生成するトルカと、上記変位検出
装置からの信号に基づいて上記振り子の変位がゼロにな
るように上記トルカに命令信号を供給するフィードバッ
ク回路と、を有し、上記命令信号によって上記サンプル
に作用する力を検出するように構成された検出部と、上記検出部を直交３軸方向の直線変位及び直交３軸周り
の回転変位が可能なように支持するステージ装置と、上記サンプルの位置を監視するモニタ装置と、上記モニタ装置の出力と上記検出部の出力を入力して上
記サンプルの位置と上記サンプルに作用する力の間の関
係を評価し、上記ステージ装置に上記検出部の位置を調
整するための制御信号を出力する評価処理装置と、を有
する微小力評価装置。
【請求項２】請求項１記載の微小力評価装置におい
て、上記サンプルホルダは第１のサンプルを支持する第１の
サンプルステージと第２のサンプルを支持する第２のサ
ンプルステージとを有し、上記検出部は上記２つのサン
プル間に作用する静電力又は電磁力を測定するように構
成されていることを特徴とする微小力評価装置。
【請求項３】請求項２記載の微小力評価装置におい
て、上記第１のサンプルステージは上記振り子に装着され、
上記第２のサンプルステージはベース板に装着されたア
ームに支持されていることを特徴とする微小力評価装
置。
【請求項４】請求項２又は３記載の微小力評価装置に
おいて、上記振り子にＬ字形のアームが装着され、該Ｌ
字形のアームの端部にカウンタウエイトが装着され、該
カウンタウエイトによって上記第１のサンプルステー
ジ、上記Ｌ字形のアーム及び上記振り子の自重による上
記振り子の撓みをキャンセルすることができるように構
成されていることを特徴とする微小力評価装置。
【請求項５】請求項２記載の微小力評価装置におい
て、上記第１のサンプルステージはＬ字形のアームを介
して上記振り子に装着され、上記第１のサンプルステー
ジを上記Ｌ字形のアームの互いに直交する２つの面のい
ずれかに装着することによって、上記２つのサンプルの
間に作用する力の方向が上記２つの面のいずれかに沿っ
た場合でも測定可能であることを特徴とする微小力評価
装置。
【請求項６】請求項２記載の微小力評価装置におい
て、上記評価処理装置は、上記２つのサンプルの間の位
置関係を設定するために位置設定信号に基づいて上記ス
テージ装置に制御信号を出力するように構成されている
ことを特徴とする微小力評価装置。
【請求項７】請求項６記載の微小力評価装置におい
て、上記評価処理装置は、上記検出部からの出力及び上
記位置設定信号を記憶し、記憶されたデータを出力する
ように構成されていることを特徴とする微小力評価装
置。
【請求項８】請求項１、２、３、４、５、６又は７記
載の微小力評価装置において、上記振り子は撓み継ぎ手を介してフレームに片持ち支持
されていることを特徴とする微小力評価装置。
【請求項９】請求項１、２、３、４、５、６、７又は
８記載の微小力評価装置において、上記トルカは、上記振り子に装着されたトルカコイルと
フレームに装着された永久磁石及びポールピースとを含
むことを特徴とする微小力評価装置。