JP2003510583A - 広帯域幅リコイルレスマイクロアクチュエータ - Google Patents
広帯域幅リコイルレスマイクロアクチュエータInfo
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- G01Q70/04—Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors
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- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
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Abstract
(57)【要約】
表面修正装置または表面測定装置（ＡＦＭ）用のマイクロアクチュエータの帯域幅はマイクロアクチュエータ14を慣性平衡させてマイクロアクチュエータの動作で生じるモーメントに反作用することによりマイクロアクチュエータ14からその支持構造22に実質的な力が伝達されることを阻止することによって改善され、支持構造における共振の誘起を阻止する。実質的な力の伝達の阻止は、1)１次マイクロアクチュエータ234 とこの１次マイクロアクチュエータ234 に関して逆位相で反作用アクチュエータ236 とを含むマルチアクチュエータアセンブリ230 または2)マイクロアクチュエータの支持構造314 に取付けられた単一のマイクロアクチュエータ332 のいずれかを使用して達成され、それによりマイクロアクチュエータの動作中の支持構造にモーメントが伝達されることを阻止する。機器はまた機器の動作における僅かな初期不平衡の影響をさいしょうにするために高い内部制動を含むことが好ましい。
Description
【０００１】
本発明は、非常に微細な長さのスケールでオブジェクトの位置を設定すること
のできるマイクロアクチュエータに関する。特に、本発明は、サブナノメータの
精度でオブジェクトの位置を設定することのできるマイクロアクチュエータを使
用する装置に関する。本発明は、単一点ダイヤモンドターニングのような表面修
正用の走査プローブ顕微鏡のような表面測定用の分野で有用である。
のできるマイクロアクチュエータに関する。特に、本発明は、サブナノメータの
精度でオブジェクトの位置を設定することのできるマイクロアクチュエータを使
用する装置に関する。本発明は、単一点ダイヤモンドターニングのような表面修
正用の走査プローブ顕微鏡のような表面測定用の分野で有用である。
【０００２】
広範囲の装置で部品の小型化が進められており、プローブおよびツールのよう
なオブジェクトが急激に小さくなりつつあるスケールで正確かつ迅速に位置させ
る必要性が増加している。この傾向は表面修正装置では非常に重要である。その
理由は、装置が小型化されるにしたがって、高い正確度、安定度、および速度が
要求されるからである。例えば。ダイヤモンドターニング装置はサブナノメータ
の公差内で部品を加工できなければならない。この傾向は、プロフィルメータ、
およびサンプルのトポロジーその他の基体表面特性の測定を行う原子力顕微鏡（
ＡＦＭ）および磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を含む走査プローブ顕微鏡のような測定
装置においても同様に重要である。実際に、測定装置の正確度の要求では、製造
品質を確保し製造問題の診断を正確に行うために製造されるものよりも小さい分
解能ディメンションが迅速に得られなければならない。簡単に言えば、測定装置
は製造装置よりも高い分解能と正確度を有していなければならない。便宜上、以
下の説明はＡＦＭについて行われるが、本発明により提示され解決された問題は
、他の測定装置でも生じるものであり、広い範囲の表面修正装置およびその他の
微細加工装置で問題とされるものであることが理解されるであろう。
なオブジェクトが急激に小さくなりつつあるスケールで正確かつ迅速に位置させ
る必要性が増加している。この傾向は表面修正装置では非常に重要である。その
理由は、装置が小型化されるにしたがって、高い正確度、安定度、および速度が
要求されるからである。例えば。ダイヤモンドターニング装置はサブナノメータ
の公差内で部品を加工できなければならない。この傾向は、プロフィルメータ、
およびサンプルのトポロジーその他の基体表面特性の測定を行う原子力顕微鏡（
ＡＦＭ）および磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）を含む走査プローブ顕微鏡のような測定
装置においても同様に重要である。実際に、測定装置の正確度の要求では、製造
品質を確保し製造問題の診断を正確に行うために製造されるものよりも小さい分
解能ディメンションが迅速に得られなければならない。簡単に言えば、測定装置
は製造装置よりも高い分解能と正確度を有していなければならない。便宜上、以
下の説明はＡＦＭについて行われるが、本発明により提示され解決された問題は
、他の測定装置でも生じるものであり、広い範囲の表面修正装置およびその他の
微細加工装置で問題とされるものであることが理解されるであろう。
【０００３】
典型的なＡＦＭはフレキシブルなカンチレバーとそのカンチレバーの自由端に
取付けられたチップを含むプローブを備えている。プローブは走査ステージ上に
取付けられ、その走査ステージは典型的にサンプルと共通の支持構造上に取付け
られている。走査ステージはＸＹアクチュエータアセンブリおよびＺアクチュエ
ータを含んでいる。ＸＹアクチュエータアセンブリは走査のためにＸ−Ｙ平面で
移動するようにプローブを駆動する。ＺアクチュエータはＸＹアクチュエータア
センブリ上に取付けられてプローブを支持し、Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に
プローブを駆動する。
取付けられたチップを含むプローブを備えている。プローブは走査ステージ上に
取付けられ、その走査ステージは典型的にサンプルと共通の支持構造上に取付け
られている。走査ステージはＸＹアクチュエータアセンブリおよびＺアクチュエ
ータを含んでいる。ＸＹアクチュエータアセンブリは走査のためにＸ−Ｙ平面で
移動するようにプローブを駆動する。ＺアクチュエータはＸＹアクチュエータア
センブリ上に取付けられてプローブを支持し、Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に
プローブを駆動する。
【０００４】
ＡＦＭは接触モードおよびタップモードを含んでいる。接触モードではカンチ
レバーはサンプル表面と接触して置かれ、カンチレバーの偏向はチップがサンプ
ル表面を牽引されるとき監視される。タップモード（タップおよびタップモード
はＶeecoインスツルメント社の商標名である）では、カンチレバーはその共振周
波数またはその付近で機械的に振動され、そのためチップはサンプルの表面を反
復的に叩き、またはサンプルと相互作用してカンチレバーの振動の振幅を減少さ
せる。タップおよびタップモードに関しては米国特許第５，２６６，８０１号明
細書、同第５，４１２，９８０号明細書、および同第５，５１９，２１２号明細
書に記載されている。
レバーはサンプル表面と接触して置かれ、カンチレバーの偏向はチップがサンプ
ル表面を牽引されるとき監視される。タップモード（タップおよびタップモード
はＶeecoインスツルメント社の商標名である）では、カンチレバーはその共振周
波数またはその付近で機械的に振動され、そのためチップはサンプルの表面を反
復的に叩き、またはサンプルと相互作用してカンチレバーの振動の振幅を減少さ
せる。タップおよびタップモードに関しては米国特許第５，２６６，８０１号明
細書、同第５，４１２，９８０号明細書、および同第５，５１９，２１２号明細
書に記載されている。
【０００５】
任意の動作モードにおいて、プローブとサンプルとの間の相互作用は、センサ
によって検出可能なカンチレバーの偏向振動振幅、位相または周波数のようなプ
ローブ動作パラメータに対する識別可能な影響を誘起する。その結果としてセン
サにより発生された信号はＺアクチュエータに対するフィードバック制御信号と
して使用され、指定されたプローブ動作パラメータを一定に維持する。接触モー
ドでは指定されたパラメータは例えばカンチレバーの偏向である。タップモード
では、指定されたパラメータは例えば振動の振幅、位相または周波数である。フ
ィードバック信号はまた関心のある表面の特性の尺度を与える。例えば、タップ
モードでは、フィードバック信号はサンプル表面の高さまたは他のサンプル特性
を測定するためのプローブの振動の振幅を一定に維持するために使用される。
によって検出可能なカンチレバーの偏向振動振幅、位相または周波数のようなプ
ローブ動作パラメータに対する識別可能な影響を誘起する。その結果としてセン
サにより発生された信号はＺアクチュエータに対するフィードバック制御信号と
して使用され、指定されたプローブ動作パラメータを一定に維持する。接触モー
ドでは指定されたパラメータは例えばカンチレバーの偏向である。タップモード
では、指定されたパラメータは例えば振動の振幅、位相または周波数である。フ
ィードバック信号はまた関心のある表面の特性の尺度を与える。例えば、タップ
モードでは、フィードバック信号はサンプル表面の高さまたは他のサンプル特性
を測定するためのプローブの振動の振幅を一定に維持するために使用される。
【０００６】
ＡＦＭ動作中に、最大のデータ獲得レートはＺアクチュエータに対するフィー
ドバックループの帯域幅に大きく依存している。例えば、１キロヘルツの帯域幅
を有するフィードバックループにより制御されるＺアクチュエータは、毎秒１，
０００の表面振動に追従することができる。歴史的に見て、Ｚアクチュエータの
共振はフィードバックループの帯域幅における最大の制限ファクタであると普通
に考えられている。それ故、Ｚフィードバックループの帯域幅を増加させるため
の従来の努力はＺアクチュエータの共振周波数を増加させることに集中していた
。しかしながら、本発明者は、帯域幅はＺアクチュエータのフィードバック制御
中にＡＦＭの他の部品において誘起された共振運動によっても制限されることを
認識した。
ドバックループの帯域幅に大きく依存している。例えば、１キロヘルツの帯域幅
を有するフィードバックループにより制御されるＺアクチュエータは、毎秒１，
０００の表面振動に追従することができる。歴史的に見て、Ｚアクチュエータの
共振はフィードバックループの帯域幅における最大の制限ファクタであると普通
に考えられている。それ故、Ｚフィードバックループの帯域幅を増加させるため
の従来の努力はＺアクチュエータの共振周波数を増加させることに集中していた
。しかしながら、本発明者は、帯域幅はＺアクチュエータのフィードバック制御
中にＡＦＭの他の部品において誘起された共振運動によっても制限されることを
認識した。
【０００７】
典型的なＡＦＭはサンプル支持構造から走査ステージのための支持構造を通り
、走査ステージのＸＹアクチュエータアセンブリを通り、Ｚアクチュエータまで
延在する機械的ループを有している。ＡＦＭの帯域幅制限は典型的にＡＦＭの機
械的ループのサブコンポーネントの最低の誘起された自然周波数に等しい。それ
故、本発明者は、マイクロアクチュエータの支持構造において誘起された運動を
消去することが必要であることを認識した。しかしながら、従来、この必要性は
満足されていなかった。
、走査ステージのＸＹアクチュエータアセンブリを通り、Ｚアクチュエータまで
延在する機械的ループを有している。ＡＦＭの帯域幅制限は典型的にＡＦＭの機
械的ループのサブコンポーネントの最低の誘起された自然周波数に等しい。それ
故、本発明者は、マイクロアクチュエータの支持構造において誘起された運動を
消去することが必要であることを認識した。しかしながら、従来、この必要性は
満足されていなかった。
【０００８】
それ故、本発明の第１の主目的は、小さい部品を製造するための機械加工ツー
ルあるいはそのようなツールによって加工された部品を測定する測定装置のよう
な装置のマイクロアクチュエータの帯域幅を増加させる方法を提供することであ
る。 本発明の別の目的は、第１の主目的に合致し、簡単でしかも効率的な方法を提
供することである。
ルあるいはそのようなツールによって加工された部品を測定する測定装置のよう
な装置のマイクロアクチュエータの帯域幅を増加させる方法を提供することであ
る。 本発明の別の目的は、第１の主目的に合致し、簡単でしかも効率的な方法を提
供することである。
【０００９】
本発明の第１の特徴によれば、この目的は、マイクロアクチュエータからその
支持構造への実質上全ての力の伝達を阻止し、それによって支持構造中に誘起さ
れる共振を禁止することによって機器の帯域幅を増加させることによって達成さ
れる。
支持構造への実質上全ての力の伝達を阻止し、それによって支持構造中に誘起さ
れる共振を禁止することによって機器の帯域幅を増加させることによって達成さ
れる。
【００１０】
力の実質的な伝達の阻止は、１）主アクチュエータおよびこの主アクチュエー
タに関して本質的に位相の外れで動作する反作用アクチュエータを含むマルチア
クチュエータ、または２）アクチュエータの動作中にアクチュエータの支持構造
へのモーメントの転送を阻止するように支持構造に取付けられた単一のアクチュ
エータのいずれかを使用することによって達成される。両方の技術はマイクロア
クチュエータから支持構造への顕著なモーメントの転送を阻止する。
タに関して本質的に位相の外れで動作する反作用アクチュエータを含むマルチア
クチュエータ、または２）アクチュエータの動作中にアクチュエータの支持構造
へのモーメントの転送を阻止するように支持構造に取付けられた単一のアクチュ
エータのいずれかを使用することによって達成される。両方の技術はマイクロア
クチュエータから支持構造への顕著なモーメントの転送を阻止する。
【００１１】
本発明の別の目的は、第１の主目的に合致し、ピエゾ電気アクチュエータによ
り使用することのできる方法を提供することである。
り使用することのできる方法を提供することである。
【００１２】
本発明の別の特徴によれば、ピエゾ電気アクチュエータは反対側のマウントを
通ってその支持構造に取付けられ、その支持構造にモーメントを転送することな
く伸長および収縮するように構成されている。
通ってその支持構造に取付けられ、その支持構造にモーメントを転送することな
く伸長および収縮するように構成されている。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、第２の主目的に合致し、マイクロアクチュエータ
の支持構造に対するモーメントの転送を最小にしながら、可能な限りマイクロア
クチュエータの有効範囲を広く維持することである。
の支持構造に対するモーメントの転送を最小にしながら、可能な限りマイクロア
クチュエータの有効範囲を広く維持することである。
【００１４】
本発明の別の特徴によれば、この目的は、プローブまたはその他の移動された
オブジェクトを支持するマイクロアクチュエータの端部の変位振幅をマイクロア
クチュエータの反対側の端部の変位振幅よりも大きくするために、異なったステ
フネスを有する間隔を隔てた偏向可能なマウントによって支持構造にマイクロア
クチュエータを取付けることによって達成される。慣性の平衡は、アクチュエー
タのオブジェクト支持端部と共に運動する質量に対してマイクロアクチュエータ
の反対側の端部と共に運動する質量の重量を増加させて、式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ
2 を満足させるようにすることによって維持される。
オブジェクトを支持するマイクロアクチュエータの端部の変位振幅をマイクロア
クチュエータの反対側の端部の変位振幅よりも大きくするために、異なったステ
フネスを有する間隔を隔てた偏向可能なマウントによって支持構造にマイクロア
クチュエータを取付けることによって達成される。慣性の平衡は、アクチュエー
タのオブジェクト支持端部と共に運動する質量に対してマイクロアクチュエータ
の反対側の端部と共に運動する質量の重量を増加させて、式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ
2 を満足させるようにすることによって維持される。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、第１の主目的に合致し、わずかなアクチュエータ
の不平衡の影響を最小にする方法を提供することである。
の不平衡の影響を最小にする方法を提供することである。
【００１６】
本発明の別の特徴によれば、この目的は、アクチュエータの振動を、好ましく
はアクチュエータと接触するポリマーダンパーを使用することによって制動する
ことによって達成される。
はアクチュエータと接触するポリマーダンパーを使用することによって制動する
ことによって達成される。
【００１７】
本発明の第２の主目的は、マイクロアクチュエータの制御ループ中の改良され
た帯域幅を有する機器を提供することである。
た帯域幅を有する機器を提供することである。
【００１８】
この目的は、第１の主目的に関連して前述したように構成されたＺアクチュエ
ータを有するプローブベースの機器を提供することによって達成される。
ータを有するプローブベースの機器を提供することによって達成される。
【００１９】
本発明のこれら、およびその他の目的、特徴および利点は添付図面を参照にし
た以下の詳細な説明から当業者には明らかであろう。しかしながら、詳細な説明
および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、例示と
して示されたものであって本発明の技術的範囲を限定するものではないことを認
識すべきである。多くの変形および変更が本発明の技術的範囲を逸脱することな
く行われることが可能であり、そのような変形変更は本発明の技術的範囲に含ま
れるべきものである。
た以下の詳細な説明から当業者には明らかであろう。しかしながら、詳細な説明
および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、例示と
して示されたものであって本発明の技術的範囲を限定するものではないことを認
識すべきである。多くの変形および変更が本発明の技術的範囲を逸脱することな
く行われることが可能であり、そのような変形変更は本発明の技術的範囲に含ま
れるべきものである。
【００２０】
［セクション１．概要］
本発明によれば表面修正装置あるいは表面測定装置のような装置のマイクロア
クチュエータの周波数帯域幅は、マイクロアクチュエータの動作において発生す
るモーメントと反対の力によってマイクロアクチュエータからその支持構造への
力の伝達を阻止するためにマイクロアクチュエータを慣性平衡させ、それによっ
て支持構造中に誘起される共振を減少させることによって改善される。実質的な
力の阻止は、１）主マイクロアクチュエータおよびこの主マイクロアクチュエー
タに関して実質的に逆位相で動作する反対の作用のアクチュエータを含むマルチ
アクチュエータ、または２）マイクロアクチュエータの動作中にマイクロアクチ
ュエータの支持構造へのモーメントの転送を阻止するように支持構造に取付けら
れた単一のアクチュエータのいずれかを使用することによって達成される。機器
はまた機器の動作における何等かのわずかな不平衡が生じた場合にもその影響を
最小にするために高い内部制動を含むことが好ましい。
クチュエータの周波数帯域幅は、マイクロアクチュエータの動作において発生す
るモーメントと反対の力によってマイクロアクチュエータからその支持構造への
力の伝達を阻止するためにマイクロアクチュエータを慣性平衡させ、それによっ
て支持構造中に誘起される共振を減少させることによって改善される。実質的な
力の阻止は、１）主マイクロアクチュエータおよびこの主マイクロアクチュエー
タに関して実質的に逆位相で動作する反対の作用のアクチュエータを含むマルチ
アクチュエータ、または２）マイクロアクチュエータの動作中にマイクロアクチ
ュエータの支持構造へのモーメントの転送を阻止するように支持構造に取付けら
れた単一のアクチュエータのいずれかを使用することによって達成される。機器
はまた機器の動作における何等かのわずかな不平衡が生じた場合にもその影響を
最小にするために高い内部制動を含むことが好ましい。
【００２１】
［セクション２．システムの概要］
本発明は、迅速に高い正確度で表面の修正または表面の測定を行うような迅速
なマイクロ操作え要求される任意の装置に適用可能である。特に、本発明は、ト
ポグラフのような表面サンプル特性の測定を行い、あるいはダイヤモンドターニ
ング装置のような指定された機械加工機能を実行するために指定された動作パラ
メータを維持する装置に関する。これらの装置の例には、プロフィルメータ、磁
気力顕微鏡、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）、高速ツールサーボ装置、およびロボット
制御等が含まれる。したがって、便宜上本発明は主としてＡＦＭに対するＺアク
チュエータの制御に関連して説明されるが、その他の広い範囲の表面修正装置お
よび表面測定装置で使用されるマイクロアクチュエータにも同様に適用されるこ
とができることを認識すべきである。
なマイクロ操作え要求される任意の装置に適用可能である。特に、本発明は、ト
ポグラフのような表面サンプル特性の測定を行い、あるいはダイヤモンドターニ
ング装置のような指定された機械加工機能を実行するために指定された動作パラ
メータを維持する装置に関する。これらの装置の例には、プロフィルメータ、磁
気力顕微鏡、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）、高速ツールサーボ装置、およびロボット
制御等が含まれる。したがって、便宜上本発明は主としてＡＦＭに対するＺアク
チュエータの制御に関連して説明されるが、その他の広い範囲の表面修正装置お
よび表面測定装置で使用されるマイクロアクチュエータにも同様に適用されるこ
とができることを認識すべきである。
【００２２】
図１を参照すると、本発明が適用されるＡＦＭは断続的にサンプル4 を操作す
るプローブ2 またはその他のコンタクトを含み、あるいはそれと相互作用する手
段、またはタップモードのような技術が使用される。プローブ2 はチップ振動装
置6 によって通常プローブの共振周波数またはその近傍の周波数で駆動される。
プローブ2 は、１）振動装置6 に固定されたベースと自由端とを有するカンチレ
バー8 および２）カンチレバー8 の自由端に取付けられたチップ10を備えている
。電気信号はＡＦＭ制御／コンピュータ12の制御下にＡＣ信号源（図示せず）か
ら振動装置6 に供給され、プローブ2 を駆動して振幅Ａ0 の自由振動で振動する
（ＡＦＭはタップモードその他の振動モードで動作していると仮定する）。プロ
ーブ2 はまたコンピュータ12によって制御される適当なＸＹＺアクチュエータア
センブリ14を使用してサンプル4 に接近したり遠去かったりするように駆動され
ることができる。示されているようにサンプル4 の方向へプローブ2 を駆動する
ように構成されているのではなく、ＡＦＭはサンプル4 を可動Ｘ−Ｙステージ16
上に取付けるように構成され、それによりＸ−Ｙステージ16がプローブ2 に関し
てサンプル4 を移動させるために使用され、アクチュエータアセンブリ14が走査
運動を自由に行うようにすることもできる。プローブの運動は適当な変位センサ
18によって監視され、それは例えばレーザおよび光検出器またはその他の部品を
使用することができる。技術的に知られているように、センサ18からの信号は振
動の振幅、周波数、位相およびその他のパラメータを決定するために使用され、
それによりプローブとサンプルの相互作用が測定される。コンピュータ12はこの
測定値を使用してアクチュエータアセンブリ14を介して垂直のプローブ−サンプ
ル位置を制御してアクチュエータがＸ−Ｙ平面においてサンプル表面上をプロー
ブが横方向に走査するときプローブとサンプルの相互作用を一定に維持する。こ
のフィードバックモートにおいて、アクチュエータアセンブリ14のＺ部分（垂直
方向）に供給された電圧または信号は表面のトポロジーのような関心のある表面
特性を表している。走査位置の関数としてこの信号を記録することによって関心
のある表面特性を表す走査データを生成することができる。最後に適当なイメー
ジディスプレイ装置20がコンピュータ12に接続されて出力信号の人間に認識でき
るイメージ（ビデオ映像のような）を表示する。
るプローブ2 またはその他のコンタクトを含み、あるいはそれと相互作用する手
段、またはタップモードのような技術が使用される。プローブ2 はチップ振動装
置6 によって通常プローブの共振周波数またはその近傍の周波数で駆動される。
プローブ2 は、１）振動装置6 に固定されたベースと自由端とを有するカンチレ
バー8 および２）カンチレバー8 の自由端に取付けられたチップ10を備えている
。電気信号はＡＦＭ制御／コンピュータ12の制御下にＡＣ信号源（図示せず）か
ら振動装置6 に供給され、プローブ2 を駆動して振幅Ａ0 の自由振動で振動する
（ＡＦＭはタップモードその他の振動モードで動作していると仮定する）。プロ
ーブ2 はまたコンピュータ12によって制御される適当なＸＹＺアクチュエータア
センブリ14を使用してサンプル4 に接近したり遠去かったりするように駆動され
ることができる。示されているようにサンプル4 の方向へプローブ2 を駆動する
ように構成されているのではなく、ＡＦＭはサンプル4 を可動Ｘ−Ｙステージ16
上に取付けるように構成され、それによりＸ−Ｙステージ16がプローブ2 に関し
てサンプル4 を移動させるために使用され、アクチュエータアセンブリ14が走査
運動を自由に行うようにすることもできる。プローブの運動は適当な変位センサ
18によって監視され、それは例えばレーザおよび光検出器またはその他の部品を
使用することができる。技術的に知られているように、センサ18からの信号は振
動の振幅、周波数、位相およびその他のパラメータを決定するために使用され、
それによりプローブとサンプルの相互作用が測定される。コンピュータ12はこの
測定値を使用してアクチュエータアセンブリ14を介して垂直のプローブ−サンプ
ル位置を制御してアクチュエータがＸ−Ｙ平面においてサンプル表面上をプロー
ブが横方向に走査するときプローブとサンプルの相互作用を一定に維持する。こ
のフィードバックモートにおいて、アクチュエータアセンブリ14のＺ部分（垂直
方向）に供給された電圧または信号は表面のトポロジーのような関心のある表面
特性を表している。走査位置の関数としてこの信号を記録することによって関心
のある表面特性を表す走査データを生成することができる。最後に適当なイメー
ジディスプレイ装置20がコンピュータ12に接続されて出力信号の人間に認識でき
るイメージ（ビデオ映像のような）を表示する。
【００２３】
図２を参照すると、ＡＦＭの機械的部品は支持フレーム22と、ＸＹＺアクチュ
エータアセンブリ14と、プローブ2 とを備えている。支持フレーム22はほぼＣ形
であり、垂直脚24、ＸＹＺアクチュエータアセンブリ14を支持する上部水平脚26
、およびサンプル4 を支持する下部水平脚28を備えている。ＸＹＺアクチュエー
タアセンブリ14は電気的に動作されるアクチュエータでよく、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向で
プローブの正確に制御された変位を行わせる。図示されたアセンブリ14はピエゾ
電気アクチュエータ，この目的に対しては好ましくはピエゾ電気チューブアクチ
ュエータを使用する。これらのアクチュエータはＸＹアクチュエータアセンブリ
30と、例示的な装置のマイクロアクチュエータを含むＺアクチュエータアセンブ
リ32とを含んでいる。ＸＹアクチュエータアセンブリ30は支持フレーム22の上部
水平脚26に取付けられた上端と下端とを備えている。Ｚアクチュエータアセンブ
リ32はＸＹアクチュエータアセンブリ30の下端に取付けられた上端と、プローブ
2 を支持する下端とを有している。
エータアセンブリ14と、プローブ2 とを備えている。支持フレーム22はほぼＣ形
であり、垂直脚24、ＸＹＺアクチュエータアセンブリ14を支持する上部水平脚26
、およびサンプル4 を支持する下部水平脚28を備えている。ＸＹＺアクチュエー
タアセンブリ14は電気的に動作されるアクチュエータでよく、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向で
プローブの正確に制御された変位を行わせる。図示されたアセンブリ14はピエゾ
電気アクチュエータ，この目的に対しては好ましくはピエゾ電気チューブアクチ
ュエータを使用する。これらのアクチュエータはＸＹアクチュエータアセンブリ
30と、例示的な装置のマイクロアクチュエータを含むＺアクチュエータアセンブ
リ32とを含んでいる。ＸＹアクチュエータアセンブリ30は支持フレーム22の上部
水平脚26に取付けられた上端と下端とを備えている。Ｚアクチュエータアセンブ
リ32はＸＹアクチュエータアセンブリ30の下端に取付けられた上端と、プローブ
2 を支持する下端とを有している。
【００２４】
図２から明らかなように、機械的な“ループ”がＺアクチュエータアセンブリ
32からＸＹアクチュエータアセンブリ30へ、さらに支持フレーム22を通ってサン
プル4 へ延在している。本発明に適用可能ではない他のファクタを除外すると、
ＡＦＭの帯域幅の制限はこの機械的なループのサブコンポーネントの最低の自然
周波数に等しい。この事実を認識するとき、本発明は、Ｚアクチュエータアセン
ブリ32の動作中に、Ｚアクチュエータアセンブリ32のマイクロアクチュエータか
らＸＹアクチュエータアセンブリ30への力の転送を消去し、あるいは少なくとも
最小にする手段を含んでいる。この効果を得るために構成されたマイクロアクチ
ュエータのいくつかの限定的ではない実施形態について以下説明する。
32からＸＹアクチュエータアセンブリ30へ、さらに支持フレーム22を通ってサン
プル4 へ延在している。本発明に適用可能ではない他のファクタを除外すると、
ＡＦＭの帯域幅の制限はこの機械的なループのサブコンポーネントの最低の自然
周波数に等しい。この事実を認識するとき、本発明は、Ｚアクチュエータアセン
ブリ32の動作中に、Ｚアクチュエータアセンブリ32のマイクロアクチュエータか
らＸＹアクチュエータアセンブリ30への力の転送を消去し、あるいは少なくとも
最小にする手段を含んでいる。この効果を得るために構成されたマイクロアクチ
ュエータのいくつかの限定的ではない実施形態について以下説明する。
【００２５】
［セクション３．理論的２アクチュエータアセンブリ］
図３を参照すると、セクション１および２で記載された形式のＡＦＭは概略的
にモデル化されている。この装置で、支持フレーム122 は無限大の質量の剛固な
構造であると仮定し、ＸＹアクチュエータアセンブリ114 のＸＹアクチュエータ
アセンブリ130 はベースが剛固な構造122 に取付けられたカンチレバーとして示
されており、ＸＹアクチュエータアセンブリ114 のＺアクチュエータアセンブリ
132 はＡＦＭのマイクロアクチュエータとして作用する１次Ｚアクチュエータ13
4 と反作用Ｚアクチュエータ136 とを備え、それらはそれぞれカンチレバーの自
由端の下面および上面に取付けられている。プローブ2 は１次Ｚアクチュエータ
134 の伸長、収縮において垂直に移動するように１次Ｚアクチュエータ134 の底
面に取付けられている。したがって、機器が不規則なプロフィルを有するサンプ
ルの表面上で走査されるとき、付勢電流はフィードバック下で１次Ｚアクチュエ
ータ134 に供給され、表面の変化に応じてプローブ2 を上下させる。１次Ｚアク
チュエータ134 に供給された付勢電流は図３でほぼ正弦波の曲線Ｆ0 によって表
される。
にモデル化されている。この装置で、支持フレーム122 は無限大の質量の剛固な
構造であると仮定し、ＸＹアクチュエータアセンブリ114 のＸＹアクチュエータ
アセンブリ130 はベースが剛固な構造122 に取付けられたカンチレバーとして示
されており、ＸＹアクチュエータアセンブリ114 のＺアクチュエータアセンブリ
132 はＡＦＭのマイクロアクチュエータとして作用する１次Ｚアクチュエータ13
4 と反作用Ｚアクチュエータ136 とを備え、それらはそれぞれカンチレバーの自
由端の下面および上面に取付けられている。プローブ2 は１次Ｚアクチュエータ
134 の伸長、収縮において垂直に移動するように１次Ｚアクチュエータ134 の底
面に取付けられている。したがって、機器が不規則なプロフィルを有するサンプ
ルの表面上で走査されるとき、付勢電流はフィードバック下で１次Ｚアクチュエ
ータ134 に供給され、表面の変化に応じてプローブ2 を上下させる。１次Ｚアク
チュエータ134 に供給された付勢電流は図３でほぼ正弦波の曲線Ｆ0 によって表
される。
【００２６】
反作用Ｚアクチュエータ136 は１次Ｚアクチュエータ134 によってＸＹアクチ
ュエータアセンブリに与えられる力に反作用する力をＸＹアクチュエータアセン
ブリ114 に与えるように駆動される。図示された実施形態において１次Ｚアクチ
ュエータ134 に対する付勢電流はほぼ正弦波の曲線Ｆ0 にしたがい、反作用Ｚア
クチュエータ136 に対する付勢電流の曲線Ｆ0 ' は曲線Ｆ0 と同じ振幅および同
じ周波数であるが、曲線Ｆ0 に対して位相が１８０度シフトされている。その結
果、２つのＺアクチュエータ134 と136 は慣性が互いに平衡し、そのためＸＹア
クチュエータアセンブリ130 に作用する力は実質的に存在しない。したがってフ
ィードバック制御はＸＹアクチュエータアセンブリ130 中に共振を誘起すること
なく行われる。Ｆ0 とＦ0 ' の合計は可能な限りゼロに近くなければならない。
ュエータアセンブリに与えられる力に反作用する力をＸＹアクチュエータアセン
ブリ114 に与えるように駆動される。図示された実施形態において１次Ｚアクチ
ュエータ134 に対する付勢電流はほぼ正弦波の曲線Ｆ0 にしたがい、反作用Ｚア
クチュエータ136 に対する付勢電流の曲線Ｆ0 ' は曲線Ｆ0 と同じ振幅および同
じ周波数であるが、曲線Ｆ0 に対して位相が１８０度シフトされている。その結
果、２つのＺアクチュエータ134 と136 は慣性が互いに平衡し、そのためＸＹア
クチュエータアセンブリ130 に作用する力は実質的に存在しない。したがってフ
ィードバック制御はＸＹアクチュエータアセンブリ130 中に共振を誘起すること
なく行われる。Ｆ0 とＦ0 ' の合計は可能な限りゼロに近くなければならない。
【００２７】
［セクション４．実際の２アクチュエータアセンブリ］
図２および３の比較から、図３に示されたＺアクチュエータアセンブリ132 は
図２に示された形式のピエゾ電気チューブタイプのＸＹＺアクチュエータアセン
ブリにより容易に使用可能ではない。その理由はＸＹチューブアクチュエータア
センブリはその上に２個の反対に作用するＺアクチュエータの取付けに導くカン
チレバーではないからである。同じまたは類似の効果を得るためのさらに実用的
な装置が図４に示されている。図４において、ＸＹＺアクチュエータアセンブリ
214 のＸＹアクチュエータアセンブリ230 は空洞238 を有して構成され、その空
洞238 中にＺアクチュエータアセンブリ232 が配置されている。Ｚアクチュエー
タアセンブリ232 は機器のマイクロアクチュエータとして機能する第１の、また
は１次Ｚアクチュエータ234 と、第２の、反作用Ｚアクチュエータ236 と、中央
の交差ビーム240 と下部および上部の偏向可能なマウント242 および244 を備え
ている。交差ビーム240 は図３のＸＹアクチュエータアセンブリ130 のカンチレ
バー端部と同じように機能して、Ｚアクチュエータアセンブリの動作中に１次Ｚ
アクチュエータ234 （図３の134 と類似している）から反作用の力を受ける。１
次Ｚアクチュエータ234 の第１の端部は交差ビーム240 上に取付けられ、１次Ｚ
アクチュエータ234 の第２の端部は第１の偏向可能なマウント242 上に取付けら
れている。第１の偏向可能なマウント242 は１）比較的剛固な中央取り付け構造
体246 と、２）支持構造体246 の反対側から空洞238 の隣接周囲面に延在する１
対の横方向の両側のヒンジのセット248 および250 とを備えている。図示された
実施形態では、各ヒンジのセット248 と250 は１対の垂直に間隔を隔てた横方向
に延在するフレキシブルなヒンジを含み、それは剛固な取付け構造体246 および
ＸＹアクチュエータアセンブリ230 の支持構造と一体に形成され、２）空洞238
内の取付け構造体246 の垂直移動を可能にするために１次Ｚアクチュエータ234
の伸長、収縮において屈曲するように構成されている。プローブ2 は取付け構造
体246 の底面に設置され、それによって１次Ｚアクチュエータの付勢されたとき
取付け構造246 を垂直に移動させる。
図２に示された形式のピエゾ電気チューブタイプのＸＹＺアクチュエータアセン
ブリにより容易に使用可能ではない。その理由はＸＹチューブアクチュエータア
センブリはその上に２個の反対に作用するＺアクチュエータの取付けに導くカン
チレバーではないからである。同じまたは類似の効果を得るためのさらに実用的
な装置が図４に示されている。図４において、ＸＹＺアクチュエータアセンブリ
214 のＸＹアクチュエータアセンブリ230 は空洞238 を有して構成され、その空
洞238 中にＺアクチュエータアセンブリ232 が配置されている。Ｚアクチュエー
タアセンブリ232 は機器のマイクロアクチュエータとして機能する第１の、また
は１次Ｚアクチュエータ234 と、第２の、反作用Ｚアクチュエータ236 と、中央
の交差ビーム240 と下部および上部の偏向可能なマウント242 および244 を備え
ている。交差ビーム240 は図３のＸＹアクチュエータアセンブリ130 のカンチレ
バー端部と同じように機能して、Ｚアクチュエータアセンブリの動作中に１次Ｚ
アクチュエータ234 （図３の134 と類似している）から反作用の力を受ける。１
次Ｚアクチュエータ234 の第１の端部は交差ビーム240 上に取付けられ、１次Ｚ
アクチュエータ234 の第２の端部は第１の偏向可能なマウント242 上に取付けら
れている。第１の偏向可能なマウント242 は１）比較的剛固な中央取り付け構造
体246 と、２）支持構造体246 の反対側から空洞238 の隣接周囲面に延在する１
対の横方向の両側のヒンジのセット248 および250 とを備えている。図示された
実施形態では、各ヒンジのセット248 と250 は１対の垂直に間隔を隔てた横方向
に延在するフレキシブルなヒンジを含み、それは剛固な取付け構造体246 および
ＸＹアクチュエータアセンブリ230 の支持構造と一体に形成され、２）空洞238
内の取付け構造体246 の垂直移動を可能にするために１次Ｚアクチュエータ234
の伸長、収縮において屈曲するように構成されている。プローブ2 は取付け構造
体246 の底面に設置され、それによって１次Ｚアクチュエータの付勢されたとき
取付け構造246 を垂直に移動させる。
【００２８】
反作用Ｚアクチュエータ236 は１次Ｚアクチュエータ234 の鏡像を構成する。
その第１の端部はビーム240 の上面に接続され、第２の端部は偏向可能な上部マ
ウント244 に接続されている。偏向可能な上部マウント244 は偏向可能な下部マ
ウント242 と同様に、１）中央の、比較的剛性の取り付け構造252 と、２）１対
の垂直に間隔を隔てたフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横
方向の反対側のヒンジセット254 および256 とを含んでいる。
その第１の端部はビーム240 の上面に接続され、第２の端部は偏向可能な上部マ
ウント244 に接続されている。偏向可能な上部マウント244 は偏向可能な下部マ
ウント242 と同様に、１）中央の、比較的剛性の取り付け構造252 と、２）１対
の垂直に間隔を隔てたフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横
方向の反対側のヒンジセット254 および256 とを含んでいる。
【００２９】
１次Ｚアクチュエータ234 と、その対応する偏向可能なマウント242 と、およ
びプローブ2 の集合質量Ｍ1 は、反作用Ｚアクチュエータ236 と、その偏向可能
なマウント244 の集合質量Ｍ2 に等しい。同様に第１の偏向可能なマウント242
のヒンジセット248 および250 の集合スティフネスＫ1 は、第２の偏向可能なマ
ウント244 のヒンジセット254 および256 の集合スティフネスＫ2 に等しい。こ
の構成の結果として、大きさが等しく方向が反対の付勢電流が上記のセクション
３で説明したようにＺアクチュエータ234 および236 に供給されたとき、大きさ
が等しく方向が反対の力がビーム240 の反対側に作用する。ヒンジセット248 ，
250 ，254 および256 によってＸＹアクチュエータアセンブリ230 の残りの部分
に与えられた非常に小さい力は互いに打消されて消去される。その結果、第１の
実施形態と同様に、顕著な実質的な力はＸＹアクチュエータアセンブリ230 に作
用せず、顕著な共振は誘起されない。換言すれば、 Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 ここで、Ｍ1 は１次Ｚアクチュエータ234 と、その関連する偏向可能なマウン
ト242 と、およびプローブ2 の集合質量； Ｋ1 はヒンジセット248 および250 の集合スティフネス； Ｍ2 は反作用Ｚアクチュエータ236 とそれに関連する偏向可能なマウント244
との集合質量； Ｋ2 はヒンジセット254 および256 の集合スティフネスである。
びプローブ2 の集合質量Ｍ1 は、反作用Ｚアクチュエータ236 と、その偏向可能
なマウント244 の集合質量Ｍ2 に等しい。同様に第１の偏向可能なマウント242
のヒンジセット248 および250 の集合スティフネスＫ1 は、第２の偏向可能なマ
ウント244 のヒンジセット254 および256 の集合スティフネスＫ2 に等しい。こ
の構成の結果として、大きさが等しく方向が反対の付勢電流が上記のセクション
３で説明したようにＺアクチュエータ234 および236 に供給されたとき、大きさ
が等しく方向が反対の力がビーム240 の反対側に作用する。ヒンジセット248 ，
250 ，254 および256 によってＸＹアクチュエータアセンブリ230 の残りの部分
に与えられた非常に小さい力は互いに打消されて消去される。その結果、第１の
実施形態と同様に、顕著な実質的な力はＸＹアクチュエータアセンブリ230 に作
用せず、顕著な共振は誘起されない。換言すれば、 Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 ここで、Ｍ1 は１次Ｚアクチュエータ234 と、その関連する偏向可能なマウン
ト242 と、およびプローブ2 の集合質量； Ｋ1 はヒンジセット248 および250 の集合スティフネス； Ｍ2 は反作用Ｚアクチュエータ236 とそれに関連する偏向可能なマウント244
との集合質量； Ｋ2 はヒンジセット254 および256 の集合スティフネスである。
【００３０】
使用において、Ｚアクチュエータアセンブリ230 の両端の変位Ｚおよび速度Ｖ
はそれらの端部の質量およびスティフネスに直接比例する。すなわち、Ｍ1 Ｖ1
＝Ｍ2 Ｖ2 である。それ故、結果的に慣性のバランスはＸＹアクチュエータアセ
ンブリ230 に対する実質的な力の伝達の阻止によって得られる。
はそれらの端部の質量およびスティフネスに直接比例する。すなわち、Ｍ1 Ｖ1
＝Ｍ2 Ｖ2 である。それ故、結果的に慣性のバランスはＸＹアクチュエータアセ
ンブリ230 に対する実質的な力の伝達の阻止によって得られる。
【００３１】
この２個のアクチュエータの方法は顕著な有効な特徴を有する。例えば、１次
Ｚアクチュエータ234 の上端が剛性のビーム240 と接触していることにより運動
が阻止されていることにより、１次Ｚアクチュエータの運動の全範囲が取付け構
造体246 の運動に変換され、したがって、プローブ2 の対応する運動に変換され
る。それ故、１次Ｚアクチュエータの運動の全範囲が表面の高さの変化の追跡に
使用されることができ、それによって比較的大きい高さの変化を有する表面のプ
ロフィル計測のような測定を可能にする。第２に、偏向可能なマウントの質量ま
たはヒンジの特性の不整合は、１次Ｚアクチュエータ234 と反作用Ｚアクチュエ
ータ236 に対して異なった利得を与えることによって補償されることができ、所
望の力の平衡を得ることができる。
Ｚアクチュエータ234 の上端が剛性のビーム240 と接触していることにより運動
が阻止されていることにより、１次Ｚアクチュエータの運動の全範囲が取付け構
造体246 の運動に変換され、したがって、プローブ2 の対応する運動に変換され
る。それ故、１次Ｚアクチュエータの運動の全範囲が表面の高さの変化の追跡に
使用されることができ、それによって比較的大きい高さの変化を有する表面のプ
ロフィル計測のような測定を可能にする。第２に、偏向可能なマウントの質量ま
たはヒンジの特性の不整合は、１次Ｚアクチュエータ234 と反作用Ｚアクチュエ
ータ236 に対して異なった利得を与えることによって補償されることができ、所
望の力の平衡を得ることができる。
【００３２】
［セクション５．第１の単一アクチュエータアセンブリ］
図５を参照すると、ＸＹＺアクチュエータアセンブリ314 の一部が示されてお
り、それは図４を参照にして上述したような構成のＸＹアクチュエータアセンブ
リ330 および単一アクチュエータのＺアクチュエータアセンブリ332 を備えてい
る。Ｚアクチュエータアセンブリ332 は、１）機器のマイクロアクチュエータと
して機能する単一のＺアクチュエータ334 と、２）ＸＹアクチュエータアセンブ
リ330 中の空洞338 中にＺアクチュエータ334 を取付ける上部および下部の整合
された偏向可能なマウント342 および344 を具備している。図４の実施形態と同
様に、下部の偏向可能なマウント342 は１）剛固な中央の取付け構造体346 と、
２）２個の垂直に間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第
１および第２の横方向の両側のヒンジセット348 と350 を備えている。また、図
４の実施形態のように、上部の偏向可能なマウント344 は１）剛固な中央の取付
け構造体352 と、２）２個の垂直に間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジ
をそれぞれ含む第１および第２の横方向の両側のヒンジセット354 と356 を備え
ている。Ｚアクチュエータ334 の上端は上部の偏向可能なマウント344 の取付け
構造体352 の下側に向いた表面に固定され、Ｚアクチュエータ334 の下端は下部
の偏向可能なマウント342 の取付け構造体346 の上方を向いた表面に固定されて
いる。下部マウント342 のヒンジセット348 および350 の集合スティフネスＫ1
は、上部マウント344 のヒンジセット354 および356 の集合スティフネスＫ2 に
等しい。同様に、下部マウント342 およびアクチュエータ334 の下端部の集合質
量Ｍ1 （プローブ2 の比較的小さい無視できるような質量を含む）は、上部マウ
ント344 およびアクチュエータ334 の上端部の集合質量Ｍ2 に等しい。したがっ
て、式 Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 が満足される。
り、それは図４を参照にして上述したような構成のＸＹアクチュエータアセンブ
リ330 および単一アクチュエータのＺアクチュエータアセンブリ332 を備えてい
る。Ｚアクチュエータアセンブリ332 は、１）機器のマイクロアクチュエータと
して機能する単一のＺアクチュエータ334 と、２）ＸＹアクチュエータアセンブ
リ330 中の空洞338 中にＺアクチュエータ334 を取付ける上部および下部の整合
された偏向可能なマウント342 および344 を具備している。図４の実施形態と同
様に、下部の偏向可能なマウント342 は１）剛固な中央の取付け構造体346 と、
２）２個の垂直に間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第
１および第２の横方向の両側のヒンジセット348 と350 を備えている。また、図
４の実施形態のように、上部の偏向可能なマウント344 は１）剛固な中央の取付
け構造体352 と、２）２個の垂直に間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジ
をそれぞれ含む第１および第２の横方向の両側のヒンジセット354 と356 を備え
ている。Ｚアクチュエータ334 の上端は上部の偏向可能なマウント344 の取付け
構造体352 の下側に向いた表面に固定され、Ｚアクチュエータ334 の下端は下部
の偏向可能なマウント342 の取付け構造体346 の上方を向いた表面に固定されて
いる。下部マウント342 のヒンジセット348 および350 の集合スティフネスＫ1
は、上部マウント344 のヒンジセット354 および356 の集合スティフネスＫ2 に
等しい。同様に、下部マウント342 およびアクチュエータ334 の下端部の集合質
量Ｍ1 （プローブ2 の比較的小さい無視できるような質量を含む）は、上部マウ
ント344 およびアクチュエータ334 の上端部の集合質量Ｍ2 に等しい。したがっ
て、式 Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 が満足される。
【００３３】
使用において、Ｚアクチュエータ334 の上下端の変位速度Ｖ1 およびＶ2 は、
Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋであることによって大きさが等しく方向が反対である。その結
果、式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 が満足される。ＸＹアクチュエータアセンブリ330
に対する実質的な力の伝達はない。
Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋであることによって大きさが等しく方向が反対である。その結
果、式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 が満足される。ＸＹアクチュエータアセンブリ330
に対する実質的な力の伝達はない。
【００３４】
［セクション６．第２の単一アクチュエータアセンブリ］
本発明の別の実施形態では、Ｚアクチュエータアセンブリの質量中心は、質量
およびスティフネス一がＺアクチュエータアセンブリを慣性平衡させるように構
成されている場合には、ＸＹアクチュエータアセンブリに力を作用させることな
く運動できる。この効果を達成するように構成されたＸＹＺアクチュエータアセ
ンブリ414 は図６に示されている。アクチュエータアセンブリ414 は、１）図４
および５に関連して上述のように構成されたＸＹアクチュエータアセンブリ430
と、２）移動可能な質量中心を有する単一アクチュエータの慣性平衡されたＺア
クチュエータアセンブリ432 とを備えている。Ｚアクチュエータアセンブリ432
は、１）機器のマイクロアクチュエータとして機能する単一のＺアクチュエータ
アセンブリ434 と、２）ＸＹアクチュエータアセンブリ430 の空洞438 中にＺア
クチュエータアセンブリ434 を取付ける偏向可能な上部および下部マウント442
および444 とを備えている。図５の実施形態と同様に、偏向可能なマウント442
は１）剛固な中央の取付け構造体446 と、２）２個の垂直に間隔を隔てられてい
るヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横方向の両側のフレキシブルなヒンジ
のセット448 と450 を備えている。また、図５の実施形態のように、上部の偏向
可能なマウント444 は１）剛固な中央の取付け構造体452 と、２）２個の垂直に
間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横
方向の反対側のヒンジセット454 と456 を備えている。Ｚアクチュエータ434 の
上端は偏向可能な上部マウント444 の取付け構造体452 の下方に向いた表面に固
定され、Ｚアクチュエータ434 の下端は偏向可能な下部マウント442 の取付け構
造体446 の上方に向いた表面に固定されている。プローブ2 は下部マウント442
の取付け構造体446 の底面に固定されている。
およびスティフネス一がＺアクチュエータアセンブリを慣性平衡させるように構
成されている場合には、ＸＹアクチュエータアセンブリに力を作用させることな
く運動できる。この効果を達成するように構成されたＸＹＺアクチュエータアセ
ンブリ414 は図６に示されている。アクチュエータアセンブリ414 は、１）図４
および５に関連して上述のように構成されたＸＹアクチュエータアセンブリ430
と、２）移動可能な質量中心を有する単一アクチュエータの慣性平衡されたＺア
クチュエータアセンブリ432 とを備えている。Ｚアクチュエータアセンブリ432
は、１）機器のマイクロアクチュエータとして機能する単一のＺアクチュエータ
アセンブリ434 と、２）ＸＹアクチュエータアセンブリ430 の空洞438 中にＺア
クチュエータアセンブリ434 を取付ける偏向可能な上部および下部マウント442
および444 とを備えている。図５の実施形態と同様に、偏向可能なマウント442
は１）剛固な中央の取付け構造体446 と、２）２個の垂直に間隔を隔てられてい
るヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横方向の両側のフレキシブルなヒンジ
のセット448 と450 を備えている。また、図５の実施形態のように、上部の偏向
可能なマウント444 は１）剛固な中央の取付け構造体452 と、２）２個の垂直に
間隔を隔てられているフレキシブルなヒンジをそれぞれ含む第１および第２の横
方向の反対側のヒンジセット454 と456 を備えている。Ｚアクチュエータ434 の
上端は偏向可能な上部マウント444 の取付け構造体452 の下方に向いた表面に固
定され、Ｚアクチュエータ434 の下端は偏向可能な下部マウント442 の取付け構
造体446 の上方に向いた表面に固定されている。プローブ2 は下部マウント442
の取付け構造体446 の底面に固定されている。
【００３５】
この実施形態では、偏向可能な上部マウント444 のヒンジのセット454 および
456 は偏向可能な下部マウント442 のヒンジのセット448 および450 よりも堅牢
で、そのためスティフネスＫ1 はスティフネスＫ2 よりも小さい。この構成の結
果として、Ｚアクチュエータ434 の下端は、Ｚアクチュエータが付勢されたとき
上端よりも実質的に大きく移動する。実際問題として、Ｚアクチュエータの下端
の運動範囲、したがってプローブの運動範囲は、図５に示された等しいヒンジの
厚さを有するように構成された同じアクチュエータに比較したとき約５０％増加
する。それ故、典型的なピエゾ電気アクチュエータの有効範囲は約５ミクロンか
ら約７〜８ミクロンに増加する。
456 は偏向可能な下部マウント442 のヒンジのセット448 および450 よりも堅牢
で、そのためスティフネスＫ1 はスティフネスＫ2 よりも小さい。この構成の結
果として、Ｚアクチュエータ434 の下端は、Ｚアクチュエータが付勢されたとき
上端よりも実質的に大きく移動する。実際問題として、Ｚアクチュエータの下端
の運動範囲、したがってプローブの運動範囲は、図５に示された等しいヒンジの
厚さを有するように構成された同じアクチュエータに比較したとき約５０％増加
する。それ故、典型的なピエゾ電気アクチュエータの有効範囲は約５ミクロンか
ら約７〜８ミクロンに増加する。
【００３６】
モーメントを平衡させてＸＹアクチュエータサブアセンブリ430 に実質的な力
が伝達されるのを阻止するために、質量がＺアクチュエータ434 の上端と共に運
動する構造に付加されて、それによって、Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 およびＭ1 Ｖ1 ＝
Ｍ2 Ｖ2 とされなければならない。この質量は偏向可能な上部マウント444 の上
部または内部に取付けられる重錘458 の形態であることが好ましい。重錘458 の
質量はＡＦＭの動作中に質量が段階的に重錘458 に付加されたは除去されるとき
ＡＦＭの周波数応答特性を緊密に監視しながら決定され、経験的に同調されるこ
とができる。この技術は図７のＡ乃至Ｃに周波数応答特性のファミリーとしてグ
ラフで示されており、それらは周波数アナライザを使用してカンチレバーが表面
と相互作用するとき駆動周波数の変化に対する機器の応答を監視することによっ
て得ることができる。図７のＡは重錘458 が過大な質量を使用する結果として得
られた共振／反共振曲線500 を示している。図７のＣは重錘458 が過小な質量を
使用する結果として得られたの反共振／共振曲線504 を示している。図７のＢは
重錘458 が式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させるために必要な質量Ｍ2 を有する
曲線502 を示しており、その場合には共振は実質的に回避されている。
が伝達されるのを阻止するために、質量がＺアクチュエータ434 の上端と共に運
動する構造に付加されて、それによって、Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 およびＭ1 Ｖ1 ＝
Ｍ2 Ｖ2 とされなければならない。この質量は偏向可能な上部マウント444 の上
部または内部に取付けられる重錘458 の形態であることが好ましい。重錘458 の
質量はＡＦＭの動作中に質量が段階的に重錘458 に付加されたは除去されるとき
ＡＦＭの周波数応答特性を緊密に監視しながら決定され、経験的に同調されるこ
とができる。この技術は図７のＡ乃至Ｃに周波数応答特性のファミリーとしてグ
ラフで示されており、それらは周波数アナライザを使用してカンチレバーが表面
と相互作用するとき駆動周波数の変化に対する機器の応答を監視することによっ
て得ることができる。図７のＡは重錘458 が過大な質量を使用する結果として得
られた共振／反共振曲線500 を示している。図７のＣは重錘458 が過小な質量を
使用する結果として得られたの反共振／共振曲線504 を示している。図７のＢは
重錘458 が式 Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させるために必要な質量Ｍ2 を有する
曲線502 を示しており、その場合には共振は実質的に回避されている。
【００３７】
慣性平衡の結果的な損失により最も注意深く設計されたシステムであっても質
量またはスプリングの不整合が生じる可能性はある。機器の動作におけるこれら
の僅かな不整合による悪影響は、Ｚアクチュエータアセンブリ432 の上面および
下面と接触している制動材料を使用するアクチュエータアセンブリの振動の内部
制動により著しく減少させることができる。図示の実施形態では、この効果は、
ＲＴＶシリコーンのような比較的圧縮性のポリマー材料のような制動材料により
ＸＹアクチュエータアセンブリ460 中の空洞438 の残された空間を満たすことに
よって達成される。このような構成により、ＸＹアクチュエータアセンブリ430
の誘起された共振振動は、ピークの振幅が小さく、広い周波数範囲となる。リン
グダウン時間、すなわち最初の共振と振動の終わりとの間の時間の長さも非常に
減少させることができる。
量またはスプリングの不整合が生じる可能性はある。機器の動作におけるこれら
の僅かな不整合による悪影響は、Ｚアクチュエータアセンブリ432 の上面および
下面と接触している制動材料を使用するアクチュエータアセンブリの振動の内部
制動により著しく減少させることができる。図示の実施形態では、この効果は、
ＲＴＶシリコーンのような比較的圧縮性のポリマー材料のような制動材料により
ＸＹアクチュエータアセンブリ460 中の空洞438 の残された空間を満たすことに
よって達成される。このような構成により、ＸＹアクチュエータアセンブリ430
の誘起された共振振動は、ピークの振幅が小さく、広い周波数範囲となる。リン
グダウン時間、すなわち最初の共振と振動の終わりとの間の時間の長さも非常に
減少させることができる。
【００３８】
ポリマー材料の制動効果は、ＸＹアクチュエータアセンブリ430 の上端内およ
びＡＦＭフレーム（図示せず）中の空隙のような機械的ループ中の他の点に付加
的な制動材料を配置することによって最大にすることができる。したがって、機
器内のすべて構造の共振を軽減することができる。もちろん、制動材料はまた同
じ効果を得るために上記のセクション３乃至５に記載された他の実施形態に関連
して使用されることができる。
びＡＦＭフレーム（図示せず）中の空隙のような機械的ループ中の他の点に付加
的な制動材料を配置することによって最大にすることができる。したがって、機
器内のすべて構造の共振を軽減することができる。もちろん、制動材料はまた同
じ効果を得るために上記のセクション３乃至５に記載された他の実施形態に関連
して使用されることができる。
【００３９】
上記の各実施形態において、Ｚアクチュエータの応答時間は劇的に増加され、
しばしば１０対２０のような係数で増加される。Ｚフィードバックループ帯域幅
および対応する走査における増加において少なくとも幾らかの対応した増加が可
能である。この走査速度における劇的な増加は、研究室から工業的設定に拡張さ
れるために継続される測定の応用として高い走査速度に対する継続して増加して
いる要望に対して非常に有効である。同様の利点は表面修正装置およびその他の
マイクロアクチュエータ装置において得られる。
しばしば１０対２０のような係数で増加される。Ｚフィードバックループ帯域幅
および対応する走査における増加において少なくとも幾らかの対応した増加が可
能である。この走査速度における劇的な増加は、研究室から工業的設定に拡張さ
れるために継続される測定の応用として高い走査速度に対する継続して増加して
いる要望に対して非常に有効である。同様の利点は表面修正装置およびその他の
マイクロアクチュエータ装置において得られる。
【００４０】
多くの変更、変形が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることがで
きる。これらの変更のいくつかについては上述した。その他の変更の範囲は特許
請求の範囲の記載から明白である。
きる。これらの変更のいくつかについては上述した。その他の変更の範囲は特許
請求の範囲の記載から明白である。
【図１】
本発明の好ましい実施形態を含むＡＦＭの概略図。
【図２】
図１に示したものより簡略されていない図１のＡＦＭの構成部品の概略図。
【図３】
図１および２のＡＦＭのＺアクチュエータアセンブリからその支持構造への実
質的な力の転送を阻止するための理論的構造の概略図。
質的な力の転送を阻止するための理論的構造の概略図。
【図４】
図３の理論的構造の効果を達成するように構成されたマイクロアクチュエータ
を含むアクチュエータアセンブリの一部の第１の実施形態を示す断面図。
を含むアクチュエータアセンブリの一部の第１の実施形態を示す断面図。
【図５】
本発明の第２の実施形態により構成されたマイクロアクチュエータを含むアク
チュエータアセンブリの一部の断面図。
チュエータアセンブリの一部の断面図。
【図６】
本発明の第３の実施形態により構成されたマイクロアクチュエータを含むアク
チュエータアセンブリの一部の断面図。
チュエータアセンブリの一部の断面図。
【図７】
励起周波数の変化に対する種々のマイクロアクチュエータの質量の応答特性を
示す周波数応答曲線図。
示す周波数応答曲線図。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 41/09 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ
Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｚ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ
，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，
ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，
ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ
Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ
，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，
ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ
Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ
，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，
ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ
Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ
，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，
ＺＡ，ＺＷ
(72)発明者 クリーブランド、ジェイソン・ピー
アメリカ合衆国、カリフォルニア州
93001 ベンチュラ、ピアーポント・ブー
ルバード 2524
(72)発明者 グリッグ、デビッド
アメリカ合衆国、コネチカット州 06033
グラストンバリー、スプルース・レーン
69
Claims (35)
- 【請求項１】 （Ａ）マイクロアクチュエータが結合される支持構造に対し
てオブジェクトを移動するためにマイクロアクチュエータを付勢し、 （Ｂ）マイクロアクチュエータの付勢中、前記マイクロアクチュエータから前
記支持構造へのモーメント移動を少なくとも実質的に阻止する機器の動作方法。 - 【請求項２】 前記マイクロアクチュエータは、第１および第２の反対側の
端部を有するピエゾ電気アクチュエータを具備し、前記オブジェクトは付勢ステ
ップ中前記ピエゾ電気アクチュエータの第１の端部と共に移動し、前記阻止する
ステップは、付勢ステップ中前記ピエゾ電気アクチュエータが前記支持構造に実
質的に力を与えることなく前記オブジェクトを移動させるように前記支持構造に
前記ピエゾ電気アクチュエータを結合する請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記マイクロアクチュエータは、さらに、１）前記支持構造
上に前記ピエゾ電気アクチュエータの第１の端部を取付ける第１の偏向可能なマ
ウントと、２）前記支持構造上に前記ピエゾ電気アクチュエータの第２の端部を
取付ける第２の偏向可能なマウントとを備え、前記第１と第２のマウントは前記
ピエゾ電気アクチュエータの付勢において偏向される請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 前記阻止するステップにおいて、前記ピエゾ電気アクチュエ
ータから前記支持構造へのモーメントの移動を実質的に阻止する請求項２記載の
方法。 - 【請求項５】 前記ピエゾ電気アクチュエータの第１の端部の移動において
移動する全ての構造は第１の結合された質量Ｍ1 を有し、前記ピエゾ電気アクチ
ュエータの第２の端部の移動において移動する全ての構造は第２の結合された質
量Ｍ2 を有し、前記第１および第２のマウントはそれぞれスティフネスＫ1 およ
びＫ2 を有し、 Ｋ1 はＫ2 よりも小さく、 前記阻止するステップは式Ｍ1 Ｋ1 ＝Ｍ2 Ｋ2 を満足させる請求項４記載の方
法。 - 【請求項６】 ピエゾ電気アクチュエータの移動中に、前記ピエゾ電気アク
チュエータの前記第１および第２の端部はそれぞれ第１および第２の速度Ｖ1 お
よびＶ2 で移動し、 前記阻止するステップは式Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させる請求項５記載の方
法。 - 【請求項７】 さらに、前記変更に対する前記機器の周波数応答特性を監視
しながら質量Ｍ2 を変更することによって式Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させる質
量Ｍ2 の値を決定し、マイクロアクチュエータの励起周波数の少なくとも実質的
に全範囲に対して少なくとも実質的に共振および反共振が回避される請求項６記
載の方法。 - 【請求項８】 前記ピエゾ電気アクチュエータと接触する制動材料によって
前記ピエゾ電気アクチュエータの運動を制動する請求項６記載の方法。 - 【請求項９】 前記ピエゾ電気アクチュエータは付勢ステップ中前記支持構
造に力を作用させる第１のピエゾ電気アクチュエータを具備し、 前記アクチュエータアセンブリはさらに第２のピエゾ電気アクチュエータを具
備し、 前記阻止するステップは、前記支持構造に力を作用するように前記第１のピエ
ゾ電気アクチュエータの付勢中に前記第２のピエゾ電気アクチュエータを付勢し
、その力は、１）前記第１のピエゾ電気アクチュエータによって前記支持構造上
に与えられる力と同じ大きさであり、２）第１のピエゾ電気アクチュエータによ
って前記支持構造上に与えられる力と反対方向である請求項２記載の方法。 - 【請求項１０】 さらに、前記マイクロアクチュエータと接触する制動材料
によって前記マイクロアクチュエータの運動を制動する請求項１記載の方法。 - 【請求項１１】 前記制動材料はポリマー材料である請求項１０記載の方法
。 - 【請求項１２】 前記機器はプローブベースの測定装置を含み、さらに、 （Ａ）前記機器のプローブによりサンプルの表面を走査し、移動可能な素子は
前記プローブの１つを含み、前記サンプルは前記マイクロアクチュエータ上に設
置され、前記マイクロアクチュエータは前記支持構造上に取付けられ、 （Ｂ）前記プローブにおけるプローブ／サンプル相互作用の影響を監視し、 （Ｃ）監視ステップに応じてフィードバック制御下で前記マイクロアクチュエ
ータを付勢する請求項１記載の方法。 - 【請求項１３】 前記マイクロアクチュエータはサンプルに関する１つの軸
に沿って前記移動素子を変位させるＺアクチュエータを含み、 前記支持構造は前記軸に対して直交して延在する平面において前記移動素子を
移動させるＸＹアクチュエータアセンブリを具備し、さらに、前記ＸＹアクチュ
エータアセンブリと接触する制動材料を使用する前記ＸＹアクチュエータアセン
ブリの運動を制動する請求項１２記載の方法。 - 【請求項１４】 前記マイクロピエゾ電気アクチュエータは付勢ステップ中
に前記支持構造に力を作用させ、 前記阻止するステップは、付勢ステップ中に前記支持構造に力を作用させ、そ
の力は、１）前記マイクロアクチュエータによって前記支持構造上に与えられる
力と本質的に同じ大きさであり、２）前記マイクロアクチュエータによって前記
支持構造上に与えられる力と少なくとも本質的に反対方向である請求項１記載の
方法。 - 【請求項１５】 （Ａ）プローブによりサンプルの表面を走査し、移動可能
な素子は前記プローブの１つを含み、前記サンプルは支持構造上に取付けられた
アクチュエータアセンブリ上に配置され、前記アクチュエータアセンブリはその
上に前記移動可能な素子が支持され、ている第１の接続点と第２の接続点とを有
しているピエゾ電気アクチュエータを含み、 （Ｂ）前記プローブにおけるプローブ／サンプル相互作用の影響を監視し、 （Ｃ）監視ステップに応じてフィードバック制御下で前記ピエゾ電気アクチュ
エータを付勢し、 （Ｄ）ピエゾ電気アクチュエータの付勢中、前記アクチュエータアセンブリと
前記支持構造との間の相互作用を制御して前記ピエゾ電気アクチュエータから前
記支持構造上に実質上力が作用することを阻止し、それによって前記支持構造に
おける共振の誘導を禁止することによってプローブ帯域幅を増加させる方法。 - 【請求項１６】 （Ａ）プローブによりサンプルの表面を走査し、移動可能
な素子は前記プローブの１つを含み、前記サンプルは第１および第２の端部を有
するピエゾ電気アクチュエータの第１の端部上に支持され、前記ピエゾ電気アク
チュエータの第１の端部は第１の偏向可能なマウントを介して支持構造上に取付
けられ、前記ピエゾ電気アクチュエータの第２の端部は第２の偏向可能なマウン
トを介して前記支持構造上に取付けられ （Ｂ）前記プローブにおけるプローブ／サンプル相互作用の影響を監視し、 （Ｃ）監視ステップに応じてフィードバック制御下で前記ピエゾ電気アクチュ
エータを付勢し、少なくとも１つのプローブの動作パラメータを本質的に一定に
保持し、 付勢ステップ中、前記第１および第２のマウントは反対方向に偏向され、前記
ピエゾ電気アクチュエータは前記支持構造上に実質上に実質的に力を作用させる
ことなく拡張し、それによって前記支持構造における共振の誘導を禁止すること
によってプローブ帯域幅を増加させる方法。 - 【請求項１７】 前記ピエゾ電気アクチュエータの第１の端部の移動におい
て移動する全ての構造は第１の結合された質量Ｍ1 を有し、前記ピエゾ電気アク
チュエータの第２の端部の移動において移動する全ての構造は第２の結合された
質量Ｍ2 を有し、 ピエゾ電気アクチュエータの運動中、前記ピエゾ電気アクチュエータの前記第
１および第２の端部はそれぞれ第１および第２の速度Ｖ1 およびＶ2 で運動し、 前記阻止するステップにおいて、式Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させるように互
いに関して質量Ｍ1 およびＭ2 を設定する請求項１６記載の方法。 - 【請求項１８】 さらに、前記変更に対する前記機器の周波数応答特性を監
視しながら質量Ｍ2 を変更することによって式Ｍ1 Ｖ1 ＝Ｍ2 Ｖ2 を満足させる
質量Ｍ2 の値を決定し、質量Ｍ2 がピエゾ電気アクチュエータの励起周波数の全
範囲に対して少なくとも実質的に共振および反共振が回避されることを確実にし
ている請求項１７記載の方法。 - 【請求項１９】 （Ａ）アクチュエータ支持構造と、 （Ｂ）オブジェクトと、 （Ｃ）前記アクチュエータ支持構造上に支持され、前記オブジェクトを支持し
ているアクチュエータアセンブリとを具備し、 前記アクチュエータアセンブリは、前記マイクロアクチュエータの付勢された
とき前記マイクロアクチュエータによって前記アクチュエータ支持構造上に実質
上に実質的に力が作用しないように前記アクチュエータ支持構造と相互作用する
ように構成されたマイクロアクチュエータを具備している機器。 - 【請求項２０】 前記アクチュエータアセンブリはさらに前記アクチュエー
タ支持構造に前記マイクロアクチュエータを接続する偏向可能な取付け装置を具
備している請求項１９記載の機器。 - 【請求項２１】 前記マイクロアクチュエータは少なくとも第１および第２
の接続点を有するピエゾ電気アクチュエータを具備している請求項１９記載の機
器。 - 【請求項２２】 前記アクチュエータ支持構造はそこに形成された空洞を有
し、前記ピエゾ電気アクチュエータは少なくとも部分的にその空洞中に位置し、
前記アクチュエータアセンブリはさらに前記空洞の周囲表面に前記ピエゾ電気ア
クチュエータから延在している偏向可能なマウントを具備している請求項２１記
載の機器。 - 【請求項２３】 前記マウントは前記ピエゾ電気アクチュエータの第１の接
続点から前記空洞の前記周囲表面に延在する第１の偏向可能なマウントであり、
前記アクチュエータアセンブリはさらに前記ピエゾ電気アクチュエータの第２の
接続点から前記空洞の前記周囲表面に延在している第２の偏向可能なマウントを
具備している請求項２２記載の機器。 - 【請求項２４】 前記両方のマウントは本質的に同じスティフネスを有して
いる請求項２３記載の機器。 - 【請求項２５】 前記オブジェクトは前記第１のマウントに取付けられ、第
２のマウントは前記第１のマウントよりも堅牢であり、前記アクチュエータアセ
ンブリはさらに前記第２のマウント上に設けられて前記第２のマウントの質量Ｍ
2 と結合される付加的な質量を含み、この付加的な質量は前記第１のマウントと
前記オブジェクトの組合わせた質量Ｍ1 よりも著しく重く、それにより前記Ｍ2
に対する前記Ｍ1 の比は前記第２のマウントのスティフネスに対する前記第１の
マウントのスティフネスに実質的に等しくされている請求項２３記載の機器。 - 【請求項２６】 前記ピエゾ電気アクチュエータは第１の接続点と第２の接
続点とを有する第１のピエゾ電気アクチュエータであり、前記マウントは第１の
偏向可能なマウントであり、前記アクチュエータ支持構造はさらに前記空洞を横
切って延在し第１および第２の両端の端部を有する比較的剛性のビームを備え、
前記第１のピエゾ電気アクチュエータの第２の接続点は前記ビームの第１の側に
取付けられ、前記オブジェクトは前記第１のピエゾ電気アクチュエータの前記第
１の接続点上に取付けられ、前記アクチュエータアセンブリはさらに、１）前記
ビームの第２の側に取付けられた接続点を有する第２のピエゾ電気アクチュエー
タと、２）前記第２のピエゾ電気アクチュエータから前記空洞の前記周囲表面に
延在する第２の偏向可能なマウントとを具備している請求項２２記載の機器。 - 【請求項２７】 前記アクチュエータアセンブリはさらに、前記ピエゾ電気
アクチュエータと接触している前記空洞中に配置された制動材料を有している請
求項２１記載の機器。 - 【請求項２８】 前記アクチュエータアセンブリはさらに前記アクチュエー
タと接触している制動材料を有している請求項１９記載の機器。 - 【請求項２９】 前記制動材料はポリマー材料を含んでいる請求項２８記載
の機器。 - 【請求項３０】 前記オブジェクトはサンプルの特性を測定するプローブを
具備している請求項１９記載の機器。 - 【請求項３１】 前記マイクロアクチュエータは前記サンプルに関する軸に
沿って前記プローブを変位させるＺアクチュエータを具備し、前記アクチュエー
タ支持構造は前記軸に直交して延在し、その上に前記Ｚアクチュエータが取付け
られている平面において前記プローブを変位させるＸＹアクチュエータアセンブ
リを具備している請求項３０記載の機器。 - 【請求項３２】 さらに、前記ＸＹアクチュエータアセンブリと接触してい
るポリマーダンパーを具備している請求項３１記載の機器。 - 【請求項３３】 前記機器は走査プローブ顕微鏡である請求項３０記載の機
器。 - 【請求項３４】 （Ａ）空洞を形成されているアクチュエータ支持構造と、 （Ｂ）サンプル支持構造と、 （Ｃ）プローブと、 （Ｄ）前記プローブを支持し、少なくとも部分的に前記空洞内に配置されてい
るアクチュエータアセンブリとを具備し、 前記アクチュエータアセンブリは、 （１）プローブ／サンプル相互作用によるプローブ動作における変化に応答
してフィードバック制御下に前記プローブを変位させるように構成されているア
クチュエータと、 （２）前記アクチュエータから前記空洞の周囲表面に延在する偏向可能なマ
ウントとを備え、 前記アクチュエータアセンブリは、前記アクチュエータが付勢されたとき前記
アクチュエータアセンブリにより前記アクチュエータ支持構造に実質的に力が作
用しないように前記アクチュエータ支持構造および前記機器の残りの部分と相互
作用するように構成されている機器。 - 【請求項３５】 （Ａ）フレームと、 （Ｂ）前記フレームに取付けられたサンプル支持体と、 （Ｃ）プローブと、 （Ｄ）コンピュータと、 （Ｅ）前記プローブの動作を監視し、前記コンピュータに信号を送信するセン
サと、 （Ｆ）前記フレームに取付けられ、Ｘ−Ｙ平面で移動可能な自由端を有するＸ
Ｙアクチュエータと、 （Ｇ）前記ＸＹアクチュエータアセンブリの自由端に取付けられ、その上に移
動素子が取付けられているＺアクチュエータとを具備し、 前記移動素子は前記プローブおよびサンプル支持構造の１つを含み、前記Ｚア
クチュエータアセンブリは前記Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ方向において前記コンピ
ュータからのフィードバック制御下に前記移動素子を変位させるように構成され
ているＺアクチュエータを含み、それによって相対的なプローブ／サンプル運動
中指定されたプローブパラメータを一定に維持し、前記Ｚアクチュエータは、そ
れが付勢されたとき前記Ｚアクチュエータにより前記ＸＹアクチュエータアセン
ブリに実質的に力が作用しないように前記ＸＹアクチュエータアセンブリと相互
作用するように構成されている原子力顕微鏡。
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|---|---|---|---|
| US09/399,388 US6323483B1 (en) | 1999-09-20 | 1999-09-20 | High bandwidth recoiless microactuator |
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|---|---|---|---|
| JP2001525745A Pending JP2003510583A (ja) | 1999-09-20 | 2000-09-19 | 広帯域幅リコイルレスマイクロアクチュエータ |
Country Status (6)
| Country | Link |
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