JP2008526538A - 表面パターンを作るためのシステムと方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 開示されている表面パターン形成システム及び方法の幾つかの実施形態は、支持体に連結され、材料を基板上に付着させるようになっている表面パターン形成ツールと、制御器と、制御器に電気的に連結され、それによって制御される第１、第２、及び第３作動器と、を利用している。或る実施形態では、第１、第２、及び第３作動器は、基板を、表面パターン形成ツールに対してＸ、Ｙ、及びＺ方向それぞれに動かすように操作することができ、基板は、第１、第２、及び第３作動器によって、表面パターン形成ツールに対して異なる位置に動かすことができ、材料は、表面パターン形成ツールから基板の異なる位置それぞれに、所望の表面パターンを画定するために移すことができる。開示されている幾つかの実施形態の１つ又は複数の作動器は、圧電作動器である。
【選択図】 図６

Description

２００５年１月１０日出願の米国仮特許出願第６０／６４３，０８４号に対する優先権を請求し、その内容全体を参考文献としてここに援用する。更に、これは、２００１年８月１４日出願の米国特許出願第０９／９２９，８６５号の一部継続特許出願であり、その内容全体を参考文献としてここに援用し、２０００年８月１５日出願の米国仮特許出願第６０／２２５，４３４号に対する優先権を請求する。

材料、分子、細胞の間の結合性を測定することは、材料開発、半導体製作、生物分析、生物医学診断、及び薬品開発を含め、広範囲の業界にとって重要である。固体状態配列ベースの生物分析及び遺伝診断器具及び関連設備の出現に伴い、膨大な数の反応を、小型化した固体状態で、費用対効果に優れたやり方で篩い分けるための新しい方法が益々必要とされている。時期を定めるために好まれる方法は、既知の、蛍光標示分子が、既知の分子種と、分子配列内の特定のアドレスで相互作用するときの、光学特性、通常は蛍光の変化を監視することである。しかしながら、その様な方法は、分子配列を問い合わせるのに用いられる分子に、リポーターシステムを加えることによって、立体化学の拘束を強いることも多い。従って、精密機械リポーターを使って、分子結合事象に、無標示で直接問い合せることが有用なのは明白である。従って、これらの分子配列の作成のための、より高度で頑強な器具が必要とされている。

分子相互作用事象を直接検出するための１つの方法は、走査型探針顕微鏡である。走査型探針顕微鏡の１つの型式は、原子力顕微鏡（ＡＦＭ）である。ＡＦＭでは、鋭利な先端が、可撓性片持ち梁の端部に配置されており、試料表面上を走査する。走査の間、片持ち梁は、先端と試料の間の引力と反発力の正味和によって撓む。片持ち梁のばね定数が分かっていれば、片持ち梁の撓みから、正味相互作用力を正確に求めることができる。片持ち梁の撓みは、通常、集束レザービームを片持ち梁の背後から、「光学レバー」又は「ビーム偏向」機構を構成している分割フォトダイオード上に反射させることによって測定される。片持ち梁の撓みを検出するための別の方法としては、干渉分光法及び圧電ひずみ計がある。

最初のＡＦＭは、片持ち梁の垂直方向の変位だけを記録した。もっと最近の方法は、先端を共振させる段階と、過渡的な接触のみを許容する段階を含んでおり、或る例では、先端と試料の間に全く接触が無い。先端が試料表面を横断するときの、先端の変位又は共振の変化のプロットは、地勢画像を作成するのに用いられる。その様な画像は、材料、化学的及び生物学的試験片を含む多種多様な試料型式の三次元構造を表している。生物学的試験片の例には、ＤＮＡ、プロテイン、クロマチン、染色体、イオンチャネル、及び生きている細胞までも含まれる。

ＡＦＭは、その画像化能力に加えて、極めて細かい力測定を行うことができる。ＡＦＭは、マイクロニュートン（１０−６）からピコニュートン(１０−１２)の範囲の力を直接感知し、測定することができる。従って、ＡＦＭは、分子対の間、更には１つの分子内の力でも測定することができる。更に、ＡＦＭは、磁界、温度勾配、及び粘弾性の様な多種多様なこの他の力と現象を測定することができる。この能力は、例えば、特殊な面上に配置される複雑な関心事を局所化する場合に、力の場を試料表面にマップし、これらの場の位置と強さを高解像度で表すのに利用される。分子力の測定を行うには、ＡＦＭ探針は、関心事の分子によって機能化される。

ＡＦＭ内で使用するために中実の支持体上に分子配列を構築するのは、通常、或る工程によって行われるが、その工程は、原位置と原外位置の２つの一般的なクラスに分けられ、後者は、試料を付着面上に実際に配置する機械付着の段階を含んでいる。原位置合成法と装置は、シリコン又はガラスの表面に空間アドレスを画定するため、核酸又は短いペプチドの光化学合成を伴っている。これらの方法は、マスキングと合成処置のために用いられる光の波長に限定される。更に、この処置は、費用にも限定される。従って、迅速且つ効果的な方式で配列を作る、分子配列作成専用の装置が必要とされている。

後で表面への機械的付着が行われる原外位置法の例は、「浸ペン」法で示される。試料材料が前もって準備され、次に、試料を付着面上に置くのに、浸ペンが用いられる。浸ペン法は、浸ペンを制御するのに標準的なＡＦＭを利用するアルカンチオレート単分子層を使ったミクロン以下の分子の線又はスポットを描くのに用いられることが示されている。他の先行技術の器具は、試料材料が入っている溶液に浸けられるピンツールを利用する。ピンツールは、その上に一滴の溶液を保持し、それが、付着面上に置かれる。しかしながら、この方法は、極めて小さい付着領域を作ることができない。これまでは、ＡＦＭは、ミクロン以下の分子の線を描くか、又は分子のスポットを描くのに用いられてきた。しかしながら、ＡＦＭは、コンピューター制御、試料記録のための正確な光学的アクセス、及び先端の動きを制御するのに用いられるソフトウェアコードへの妨げの無いアクセスという状況にあるミクロン以下の精度の試料ステージの様な機構を欠いているので、配列を作るには最適ではない。更に、市販されているＡＦＭの構成は、膨大な数の異なる分子種の迅速な付着には馴染まない。最後に、ＡＦＭは、専用の試料付着器具としてではなく、複数のタスクに合わせて設計されており、従って、専用の配列器に必要な費用より高価である。専用の付着器具にはこの他の機構も必要であり、ＡＦＭには含まれていない。

ミクロン以下の付着領域を含む分子付着配列又は表面パターンを作るのに利用することのできる、市販の実用的な付着器具が必要とされている。この器具は、試料記録用の正確な光学機構を組み込んでもよいし、ユーザーが決めた配列パターンと大きさを作り出せるようにコンピューター制御を使って制御してもよい。この器具が高処理量フォーマットで自発的に作動することができれば、特に有用である。
米国仮特許出願第６０／６４３，０８４号 米国特許出願第０９／９２９，８６５号 米国仮特許出願第６０／２２５，４３４号 米国出願第０９／５７４，５１９号

本発明の或る実施形態は、分子配列を作成するための装置を提供しており、本装置は、ベースと、ベースに作動可能に接続されており、Ｚ軸に沿って選択的に位置決め可能なＺ制御器と、Ｚ制御器に取り外し可能且つ作動可能に接続されており、Ｚ制御器によってＺ軸に沿って選択的に位置決め可能な付着探針と、ベースに作動可能に接続されているＸ、Ｙ制御器であって、Ｘ、Ｙ制御器は、Ｘ軸とＹ軸に沿って選択的に位置決め可能であり、Ｘ、Ｙ制御器は、更に、そこに作動可能に取り付けられている付着基板を備えており、Ｘ、Ｙ制御器の運動は、付着基板を第１位置と第２位置の間で動かし、第２位置は付着探針に対して作動可能に位置決めされている、Ｘ、Ｙ制御器と、ベースに作動可能に接続されているＸ、Ｙ並進ステージであって、Ｘ、Ｙ並進ステージは、Ｘ軸とＹ軸に沿って選択的に位置決め可能であり、Ｘ、Ｙ並進ステージは、そこに作動可能に取り付けられている装填基板を更に備えており、Ｘ、Ｙ並進ステージの運動は、装填基板を第１位置と第２位置との間で動かし、第２位置は付着探針に対して作動可能に配置されており、第１位置はユーザーがアクセスできる位置にある、Ｘ、Ｙ並進ステージと、を備えている。

本発明の或る実施形態では、付着領域を作るための方法が提供されており、本方法は、（ａ）付着材料を更に含んでいる装填基板を得る段階と、（ｂ）付着材料を付着探針上に装填する段階と、（ｃ）所望量の付着材料を、付着探針から付着基板に移すことによって、付着基板上に付着領域を作る段階と、を含んでいる。

本発明の或る実施形態は、配列を作成するための装置を提供しており、本装置は、Ｚ制御器と、Ｚ制御器に作動可能に取り付けられており、先端を更に備えている付着探針と、Ｚ制御器に作動可能に取り付けられており、第１位置と第２位置の間を選択的に移動可能なＸ、Ｙ制御器と、Ｘ、Ｙ制御器に作動可能に取り付けられている付着基板と、備えており、Ｘ、Ｙ制御器が付着基板を第２位置へ動かすと、付着基板は、付着探針に対して作動可能に位置決めされる。

或る実施形態では、本発明は、分子配列を作成するための専用の器具であり、１ミクロン又はそれ以下の様な小さい付着領域を備えている。本発明を利用すると、配列器は、高価な試薬と試験材料の使用を制限し、更に、大規模な組み合わせ化学実験で空間を節約するのに役立つ。最後に、本発明の或る実施形態は、様々な付着材料が上に配置されている特注設計配列を容易に作ることができるので、膨大な数の試料を高処理量のフォーマットで試験することができる。

或る実施形態では、本発明は、試料が一時的に水和され、毛管ブリッジを形成する付着技法を利用している。毛管ブリッジは、付着材料を、装填基板から付着探針へ、そして付着探針から付着基板へ移し、付着領域を作る。１つ又は複数の付着領域が、配列を作る。本発明の装置が利用する毛管ブリッジ付着技法について、ここで更に説明するが、係属中の米国特許出願第０９／５７４，５１９号にも詳細に記載されているので、その教示全体を、参考文献としてここに援用する。

本発明の或る実施形態は、材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成するためのシステムを提供しており、本システムは、支持体と、支持体に連結されており、材料を基板上に付着させるようになっている表面パターン形成ツールと、制御器と、制御器に電気的に連結され、制御器によって制御され、基板を、表面パターン形成ツールに対してＸ、Ｙ、及びＺ方向それぞれに動かすように操作できる第１、第２、及び第３作動器と、を備えており、基板は、第１、第２、及び第３作動器によって、表面パターン形成ツールに対して異なる位置へ移動させることができ、材料は、表面パターン形成ツールから基板のそれぞれの異なる位置に、所望の表面パターンを画定するために移すことができる。

或る実施形態では、材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成するためのシステムが提供されており、本システムは、支持体と、支持体に連結されており、材料を基板上に付着させるようになっている表面パターン形成ツールと、制御器と、制御器に電気的に連結され、制御器によって制御され、基板を、表面パターン形成ツールに対してＸ及びＹ方向それぞれに動かすように操作できる第１及び第２圧電作動器と、を備えており、基板は、第１及び第２圧電作動器によって、表面パターン形成ツールに対して異なる位置へ動かすことができ、材料は、表面パターン形成ツールから基板のそれぞれの異なる位置に、所望の表面パターンを画定するために移すことができる。

或る実施形態では、材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成する方法が提供されており、本方法は、材料を表面パターン形成ツール上に装填する段階と、第１作動器を作動させて、基板を、表面パターン形成ツールに対してＸ方向に動かす段階と、第２作動器を作動させて、基板を、表面パターン形成ツールに対してＹ方向に動かす段階と、第３作動器を作動させて、基板を、表面パターン形成ツールに対してＺ方向に、表面パターン形成ツールに対して或る位置まで動かす段階と、材料を、表面パターン形成ツールから基板へ移す段階と、を含んでいる。

本発明のこの他の特徴と態様は、詳細な説明と添付図面を熟慮すれば明らかになるであろう。

本発明の実施形態について詳細に説明する前に、本発明は、その適用が、以下の説明に記載し又は図面に図示している構造の詳細及び構成要素の配置に限定されるものではないものと理解されたい。本発明は、別の実施形態であってもよく、様々な方法で実施又は実行することができる。更に、ここに用いている符号及び専門用語は、説明を目的としており、限定を課すものではないものと理解されたい。ここで用いている「含んでいる」「備えている」又は「有している」及びその変形は、そこに挙げる品目とそれらの等価物、並びに追加の品目を包含するという意味である。特に指定又は限定していなければ、「取り付けられている」「接続されている」「支持されている」「連結されている」という用語とその変形は、広い意味で用いており、直接的及び間接的両方の取り付け、接続、支持、連結を含んでいる。更に、「接続されている」と「連結されている」は、物理的又は機械的な接続又は連結に限定されない。更に、「前」「後」「上」「下」などの用語は、互いに関係している要素を説明するのに用いているに過ぎず、装置の特定の向きについて述べ、装置の必要な又は要求される向きを表示又は示唆し、或いは、ここに述べる本発明の用い方、取り付け方、表示の仕方、又は使用時の位置決めの仕方を指定するものではない。

本発明の或る実施形態による配列器及び配列器の作動方法を図１−５に示しており、付着領域で構成される配列は、高処理量フォーマットで作り出される。或る実施形態では、配列器は、自動的に制御されており、ユーザーが常に配列の形成を監視する必要性を回避している。配列器１０の構成要素について全般的に説明し、後で、各構成要素について更に具体的に説明する。

図１と図２に示す様に、本発明の或る実施形態による配列器１０は、付着探針１２、Ｘ、Ｙ制御器１４、Ｚ制御器１６、Ｘ，Ｙ並進ステージ１８、湿度制御器２０、制御コンピューター２２、及びベース２４を備えている。付着探針１２は、Ｚ制御器１６に作動可能に接続され、Ｚ制御器は、ベース２４に取り付けられている。Ｘ、Ｙ制御器１４も、Ｚ制御器１６の第１側で、ベース２４に取り付けられている。Ｘ，Ｙ並進ステージ１８は、更に、Ｚ制御器１６の第２側で、ベース２４に取り付けられている。湿度制御器２０と制御コンピューター２２は、付着探針１２、Ｘ、Ｙ制御器１４、及びＸ，Ｙ並進ステージ１８に対して作動可能に配置されるので、湿度制御器２０は、その各機能、即ち湿度制御を適切に実行することができる。コンピューター２２は、配列器１０の様々な構成要素の機能を制御する。理解頂ける様に、当業者が想起する数多くの配列及び設計は、Ｘ、Ｙ制御器１４、Ｚ制御器１６、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８などをベース２４に取り付けるのに用いることができる。構成要素の向きが異なっても、本発明の範囲は変わらない。更に、これらの構成要素は、ボルト、溶接、スナップ嵌めなどを含む数多くの異なる方法で取り付けることができる。

図３ａに示す様に、Ｘ、Ｙ制御器１４には、更に、付着基板２５が移動可能及び取り外し可能に取り付けられている。付着基板２５は、その上に本発明が材料を付着させる表面である。付着基板２５は、Ｘ、Ｙ制御器１４によって、Ｚ制御器１６の下の位置に動かされ、付着探針１２が降ろされ、付着材料を付着させる。付着基板２５は、スナップ、クリップ、隆起した輪郭、又は当業者には既知の他の方法を使ってＸ、Ｙ制御器１４に取り付けられる。配列器１０が材料を付着させる方法の詳細は、本実施形態の各部についての説明の後で良く理解頂けるであろう。更に別の実施形態では、１つの制御器が、付着探針１２の、Ｘ，Ｙ、Ｚ方向の運動を制御する。

本発明の装置で用いられる付着基板２５は、付着させる材料の性質次第で、様々な材料で形成される。その様な付着基板２５に関する更なる説明は、米国特許出願第０９／５７４，５１９号に見い出せるが、本発明の性質又は範囲を変更することなく、変更又は変化させることができる。

図３ｂに更に示す様に、Ｘ，Ｙ並進ステージ１８は、装填基板２７を更に含んでいる。装填基板２７は、付着材料が、付着探針１２上に載せられ、その後で配列器１０の付着基板２５上に置かれるまで、載せられている表面である。本発明の性質及び範囲を変更することなく、付着材料は、機械的付着、現場光化学合成、「インクジェット」印刷、及び電子駆動付着によるなど、正当な当業者には既知の方法で、装填基板２７上に配置してもよい。

図２に示す或る実施形態では、配列器１０は、更に、力フィードバックモニター５０と光学顕微鏡５２を備えている。力フィードバックモニター５０は、付着探針１２、Ｚ制御器１６、及び制御コンピューター２２に作動可能に接続されている。力フィードバックモニター５０は、付着基板２５と装填基板２７に対する付着探針１２の高さを制御するのを支援する。光学顕微鏡５２は、配列器１０の動作を観察するのに適した、ベース２４の下方の位置に、作動可能に取り付けられている。

図１−４に示す配列器１０の個別の構成要素のそれぞれについて、更に、ここで説明する。
ベース２４
図２を参照しながら、本発明の或る実施形態によるベース２４について、ここで説明する。図１−５の図示の実施形態のベース２４は、物理的に安定しており、配列器の個別部分を取り付ける様々な場所を提供している。本実施形態のベース２４は、鋼製の柱２６に支持された１２ｘ２４インチの光学プレートを使用している。光学プレートは、様々な型式の器具を組み上げるための標準的なプラットフォームである。

配列器１０に使用するのに適した１つの市販の光学プレート２４は、９２６２３−９６０７、カリフォルニア州アーバイン、Ｐ．Ｏ．ボックス１９６０７のNewport社から、製品番号ＳＡ１２として入手することができる。プレートは、１インチの中心に穿孔された１／４インチの穴を有している。配列器１０に良く適している鋼製の柱２６も、同じ製造元から製品番号ＳＰ１２として市販されている。

代替実施形態では、光学プレートは、光学テーブルの上面に配置されている。光学テーブルは、必要であれば、振動を最適に除去するため窒素ピストン上に浮かせてもよい。
制御器１４
図２と図３ａを参照しながら、本発明の或る実施形態によるＸ、Ｙ制御器１４について説明する。図２と図３ａに示す様に、Ｘ、Ｙ制御器１４は、ベース２４に作動可能に取り付けられている。或る実施形態では、Ｘ、Ｙ制御器１４は、極微小且つ反復運動可能なので、取り付けられている付着基板２５を、付着探針１２の真下に、反復可能に正確に位置決めすることができる。図２に示す様に、Ｘ、Ｙ制御器１４の作動端部は、Ｘ、Ｙ制御器１４が、付着基板２５を付着探針１２の真下にミクロンの精度で動かし、更に、付着基板２５を経路から出して、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８が装填基板２７を付着探針１２の下に動かすやり方で位置決めされる。

或るＸ、Ｙ制御器１４は、ピエゾ駆動インチワーム精密機械ステージである。インチワーム機構は、本発明の或る実施形態に望ましい極微細精度を維持しながら、十分な運動範囲を有している。その様なステージは、ＸＹ平面で約２０ｎｍの空間分解能を有し、更に、エンコーダーを利用して反復性を保証してもよい。ステージには、試料付着基板２５を保持するため当業者によって設計されるプレートが装着されている。有用なインチワームステージは、１４４５３−０７５５、ニューヨーク州フィッシャー、バーリーパーク、Ｐ．Ｏ．ボックスＥ、Burleigh Instrument から市販されている。

或る代替実施形態では、ピエゾ駆動可撓性ステージは、更に、Ｘ、Ｙ制御器１４としても利用される。ピエゾ駆動可撓性ステージは、インチワームステージと本質的に同じ精度を有している。更に別の実施形態では、イスラエルの NanoMotiou社から市販されている様な線形ピエゾラチェット機構が用いられている。図２は、Ｘ及びＹ方向に別々のモーターを備えているＸ、Ｙ制御器１４を示しているが、様々な別の設計を使用してもよい。
Ｘ、Ｙ並進ステージ１８
図２と図３ｂを参照しながら、本発明の或る実施形態による並進ステージ１８について更に説明する。Ｘ、Ｙ並進ステージ１８は、ベース２４に、Ｚ制御器１６と付着探針１２に対する或る位置に、それらと作動可能に相互作用するように作動可能に取り付けられている。本実施形態では、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８の作動端部には、１つ又は複数の付着材料が上に載せられている事前に構築された装填基板２７が装着されている。装填基板２７は、付着基板２５がＸ、Ｙ制御器１４に取り付けられているのと殆ど同じ方法でＸ、Ｙ並進ステージ１８に作動可能に取り付けられている。図２と図３ｂに示す様に、Ｘ、Ｙ並進ステージは、装填基板２７を、付着探針１２の真下の作動可能な位置に動かすことができるように配置されている。

或る実施形態では、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８は、同じ型式のＸ、Ｙ位置決め可能インチワーム又はピエゾ装置を、Ｘ、Ｙ制御器１４として利用している。別の実施形態では、付着材料が、装填基板上の、付着基板２５上に作られている領域よりも遙かに大きく従って容易にアクセスできる領域に配置されているので、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８は、その様な極微細な制御を必要としない。図２に示す様に、図１−５に図示の実施形態のＸ、Ｙ並進ステージ１８は、Ｘ、Ｙ制御器１４と殆ど同じ設計である。

別の実施形態では、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８は、装填基板２７を第１位置に載せ、次に付着探針１２の真下の第２位置に運ぶことができるような、或る運動範囲を有している。この様に、装填基板２７は、第１付着材料が付着探針１２上に装填された後、洗浄され、第２付着材料が再装填されるが、全て自動的に行われる。
Ｚ制御器１６
図２を参照しながら、本発明の或る実施形態によるＺ制御器１６について、ここに更に説明する。Ｚ制御器１６は、Ｘ、Ｙ制御器１４及びＸ、Ｙ並進ステージ１８と作動可能に相互作用することのできる位置で、ベース２４に作動可能に取り付けられる。Ｚ制御器１６は、垂直（Ｚ）方向に自由に動く。本発明のＺ制御器１６は、配列器１０が、反復可能で一定した付着領域を、高処理量フォーマットで実現できるように、Ｚ方向に２００ｎｍ以下の精度を有しているのが望ましい。更に、Ｚ制御器１６は、本発明が、配列上の各地点の間の空間、即ちピッチが１から２ミクロン又はそれ未満と小さい高密度配列を作ることができるように、１ミクロン以下の横方向反復性を有しているのが望ましい。

或る実施形態では、Ｚ制御器１６は、９２９６２３−９６０７、カリフォルニア州アーバイン、Ｐ．Ｏ．ボックス１９６０７のNewport社から、製品番号ＴＳＶ１５０として市販されている制御器でもよい。図１−５に示す実施形態では、Ｚ制御器１６は、Ｘ、Ｙ方向に相対的に静止したままであり、Ｘ、Ｙ制御器１４とＸ、Ｙ並進ステージ１８が、基板２５、２７を所定の位置に動かせるようになっている。別の実施形態では、Ｚ制御器１６は、本発明の性質と範囲を変更することなく、Ｘ、Ｙ可動性を有している。
付着探針１２
付着探針１２は、Ｚ制御器１６の端部に固定されており、図２では見えない。図２と図４を参照しながら、本発明の或る実施形態によるＺ制御器１６について、更に詳細に説明する。付着探針１２は、長さが１００から２００ミクロンであり、高さが略１−２０ミクロンの先端１３を有しているのが望ましい。先端１３は、約１０−５０ｎｍの曲率半径を有している。或る実施形態では、付着探針１２は、直径５−１０ミクロンの球が片持ち梁の端部に取り付けられているように修正されている。球体が、付着探針１２の装填と付着材料の付着を容易にするやり方については、上記関連特許出願に更に説明されている。更に、その様な探針１２の、Ｚ制御器１６への作動的取付については、当業者には周知であり、ここで説明する必要は無い。

市販されている付着探針１２を、配列器１０の付着探針１２として用いてもよい。その様な付着探針１２は、カリフォルニア州サンタバーバラ、ロビンヒルロード１１２の Digital Instruments/Veeco から市販されている標準的なシリコン窒化物ＡＦＭ探針でもよい。
湿度制御器２０
本発明の或る実施形態による湿度制御器２０を、図２と図５に示している。図２に示す様に、湿度制御器２０は、ベース２４に制御可能に取り付けられている。図５に示す様に、湿度制御器２０は、湿度供給源３０、ガス流れ監視及び制御装置３２（図１−４に示さず）、ガス供給源３８、第１ソレノイド弁４０、第２ソレノイド弁４２、及び相互接続配管４４を更に備えている。湿度供給源３０は、付着材料の装填及び付着の間に、付着探針１２周りの湿度を効果的且つ正確に制御するため作動可能に配置されている。監視システム３２は、湿度供給源３０と付着探針１２の間に配置され、コンピューター２２によって制御されている。ガス供給源３８は、配管４４によって、第１ソレノイド４０と湿度供給源３０に作動可能に接続されている。ガス供給源３８は、更に、配管４４によって湿度供給源３０を迂回して第２ソレノイド４２に接続されている。更に、図２に示す様に、配管４４は、ガスを探針１２へ送る。本発明の湿度制御器２０は、試料がサブミクロン及びナノメーター領域内で再現可能に付着できるようにしている。

或る実施形態では、湿度供給源３０は、プラスチック製カートリッジ内の濾紙又はスポンジの湿潤片を使用している。乾燥した、アルゴンの様な不活性ガスが、ガス供給源３８からカートリッジ内に導かれ、制御システムにより制御されるソレノイド弁４０を使用して正圧に維持されている。図５に示すように、ガスは、湿度制御器２０によって放出され、ソレノイド弁４０と湿度供給源３０を通り、監視及び制御装置３２を通過して付着探針１２の周りに流れ、付着材料の装填又は付着を効果的に行えるように探針１２周りの相対湿度を上げる。

図５に示す様に、第２ソレノイド４２も、ガスをガス供給源３８から引き出すが、プラスチック製カートリッジ３６の周りを通って監視及び制御装置３２に至る配管４４を通して、ガスを送ることができる。この様にして、乾燥したガスは、付着探針１２に届けられる。或る実施形態では、ソレノイド４２は、乾燥したガスを湿ったガスと混ぜ合わせて探針１２に達する前に所望の湿度レベルとなるように、コンピューター２２と監視装置３２によって制御されている。更に、付着材料が付着探針１２又は付着基板２５上に配置された後、乾燥ガスソレノイド４２は、乾燥したガスを付着探針１２に吹き付け、付着探針１２又は付着基板２５上の付着材料を乾かすのに用いられる。理解頂けるように、ソレノイド４０、４２からの出力は、様々な付着材料に対する反復性と最適付着条件を改良するために、監視システム３２に取り付けられている監視装置３２を通して送られる。数値が、各流量に割り当てられ、この数値の監視と変動が、所望の湿度レベルを実現する助けとなる。

別の実施形態では、試料を取り囲む相対湿度の精度と反復性が上がるように、更に高度な湿度生成器を使用している。或る実施形態では、乾燥した空気を付着探針１２に連続的に吹き付け、湿ったガスを吹き付ける間は暫時停止し、その後直ちに再開して、表面上の試料の拡散を最小化する。

或る実施形態では、一定の湿度環境は、試料の装填と付着に適している。その様な実施形態では、配列器は、付着探針１２、Ｘ、Ｙ制御器１４の作動端部、及び、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８又は器具全体を包む、プラスチック製チャンバ又は室を含んでいる。チャンバ又は室は、装填と付着のプログラムの間、所望の湿度のガスで満たされる。
制御コンピューター２２
図１と図２を参照しながら、本発明による制御コンピューター２２の或る実施形態について説明する。制御コンピューター２２は、ペンティアム、アスロン、又は、モニター、ハードドライブなどを含む標準的な作動環境を備えた他のコンピューターチップを使用している標準的なコンピューターである。図１−５に示す実施形態では、７８７５９−３５０４、テキサス州オースティン、モパックエキスプレスウェイ１１５００の National Instruments 社から、製品番号ＰＣＩ−６０２５ｅとして市販されている標準的なデータ取得コンピューターボードが用いられている。その様な取得ボードは、必要なデータをコンパイルし、湿度、付着探針１２の高さ、Ｚ制御器１６の相対位置、Ｘ、Ｙ制御器１４、及びＸ、Ｙ並進ステージ１８を制御し、更に、付着材料が付着基板２５上に配置される位置を監視する。標準的な又は特注のソフトウェアを制御コンピューター２２にロードして、データ取得ボードの作動を制御する。具体的な使用に合わせて特注仕様化可能なソフトウェアは、LabViewから入手することができる。

コンピューター制御器２２に加えて、ステッパモーター制御器カード（Mill-Shaf Technologies 社製のＡ−１００）を使用して、Ｘ、Ｙ制御器１４、Ｚ制御器１６、及びＸ、Ｙ並進ステージ１８の動作を制御してもよい。或る実施形態では、ステッパモーター制御器カードも、LabView（National Instruments）のソフトウエア又は当業者の書いた他のソフトウェアによって制御される。
力フィードバックモニター５０
本発明の或る実施形態による力フィードバックモニター５０について説明する。先に述べた様に、力フィードバックモニター５０は、Ｚ制御器１６と制御コンピューター２２に作動可能に取り付けられている。力フィードバックモニター５０は、制御コンピューター２２と一緒になって、付着探針１２と装填基板２７、又は付着探針１２と付着基板２５が接触するときを正確に認識することができる。付着探針１２と基板２５、２７の間の接触の正確な瞬間を知ることによって、装填基板２７から付着探針１２へ、及び、付着探針１２から付着基板２５へ、付着材料を正確に移せるようになる。制御コンピューター２２と連結されている力フィードバックモニター５０は、その様な結果を実現するため当業者に知られている。

別の実施形態では、力フィードバックモニター５０は、更に、又は代わりに、基板２５、２７と付着探針１２の初期関係を判定するのにも用いられる。
本発明の或る実施形態による配列器１０を使用すると、探針１２を、基板２５、２７と接触させ、その後、湿度制御器２０からの湿ったガスに曝される前に１ｍｍ又はそれ以上引き戻して毛管ブリッジを形成させ、而して付着材料を装填又は付着させることができるようになる。基板２５、２７の位置が付着探針１２に対して求められれば、制御コンピューター２２は、探針１２を、基板２５、２７の上方の所望のレベルに持っていくだけでよく、後の付着に備えて基板２５、２７の表面に接触させる必要はない。

上記プロセスに有用な様々な型式の力フィードバックモニター５０は、当業者には知られている。
或る実施形態に使用できる市販の力フィードバックモニター５０は、Digital Instruments 社から販売されている Dimension３１００シリーズの走査探針顕微鏡のＡＦＭヘッドである。別の力フィードバックモニターであっても、本発明の性質と範囲を変更すること無く、普通の当業者が用いることができる。図１−５に示す実施形態では、力フィードバックモニター５０の読み取りは、標準的なブレークアウトボックスを通して読み取られ、直接LabViewへ送られる。作動時、撓み値が、LabViewがＺ制御器１４を停止させる閾値として設定される。従って、一旦表面が「発見される」と、本発明の或る実施形態による配列器１０は、Ｚ制御器１４を同じ位置の２００ｎｍ以内で繰り返し動かすようにプログラムされる。この様に、付着探針１２は、各付着サイクルで接触が起きるまで速度を下げ慎重に計数する段階を必要とせず、迅速に表面に接近し表面から後退させることができる。
光学顕微鏡５２
図２を参照しながら、本発明の或る実施形態による光学顕微鏡５２について、更に説明する。図２に示す様に、光学顕微鏡５２は、光学プレートの真下に倒置状態で取り付けられている。光学顕微鏡５２は、ユーザーが、装填及び付着の段階を、付着探針１２の下方から見ることができるようにしている。その様な監視は、１０、２０、４０、及び６０倍の拡大選択肢を１０倍の接眼レンズと共に含んでいる標準的な顕微鏡の遠視光学部品の解像度限界内にある。或る実施形態では、その様な顕微鏡には、出力を制御コンピューター２２、個別のモニター、又は記録装置に映し出すためのカメラが備えられている。当業者には理解頂ける様に、光学顕微鏡５２は、本発明の性質と範囲を変更することなく、本発明の配列器１０から排除することができる。

付着領域は、使用されている光の波長より小さいが、２ミクロン程度の距離だけ離されており、それらの光学的特性によって別々に観察することができる。これは、個別のＤＮＡ分子とマノメータースケールのコロイド金属の様な波長以下の物体を、それぞれ、挿入された蛍光搬送又は反射光子から集められた光によって、遠視光学観察することと似ている。従って、光学監視は、本発明の実施形態による配列器１０によって行われる付着イベントを予備評価するための有用な方法である。
使用方法
図１−５に示している配列器１０の使用方法について説明する。Ｚ制御器１６は、付着探針１２を、装填基板２７と接触又はほぼ接触させるのに用いられる。接触力は、例えばLabView内の片持ち梁の撓み信号を、力フィードバックモニター５０を通して監視することによって調整される。次いで、湿ったガスの吹き付けを利用して、付着探針１２と装填基板２７の間に毛管ブリッジを作り出す。この毛管ブリッジは、或る量の付着材料を付着探針１２に移すことができる。その後、付着探針１２は、Ｚ制御器１６を使って引き戻される。装填基板２７は、Ｘ、Ｙ並進ステージ１８によって、付着探針１２の下の位置から外に動かされる。Ｘ、Ｙ制御器１４は、付着基板２５を、付着探針１２の真下の位置へ動かすことができる。付着探針１２は、次に、Ｚ制御器１２によって所定の位置に動かされ、湿度サイクルが繰り返されて、付着材料が付着基板２５に付着される。

理解頂けるように、上記の付着材料を付着させるプロセスは、付着探針１２が付着材料を十分使い果たす前に、何度も実行される。この様に、或る実施形態では、探針１２に１回だけ装填した後で、各アレイ毎に１つから数個の付着領域が作られる。新しい付着材料が付着される度に、付着探針１２は洗浄される。或る実施形態では、付着探針１２は、第２付着材料を装填する前に、ＵＶ又はオゾンを浴びせることによって洗浄される。

例として挙げる或る実施形態では、ＰＢＳ（緩衝食塩溶液）内の濃度約０．１ｍｇ／ｍｌのプロテインの試料を、微小液滴として清浄なガラスの表面に付着させ、付着材料／装填基板として働くように乾燥させる。付着ツールを乾燥した微小液滴に接触させ、湿度を制御して、プロテインが付着探針の先端１３に吸着されるようにする。このプロセスによって、１０から１００回の付着イベントに十分な材料が付着ツールに装填される。装填された付着探針１２は、ＰＢＳを、新たに準備された金又は金／アルカンチオレート面に付着させるのに用いられる。

付着探針１２を装填し、付着基板２５上に１つの領域を作る各サイクルの時間は、１分しか掛からない。更に、実際の付着イベントは比較的短いので、単一の供給源の材料で１つスポットを作るのと数個のスポットを作るのとの差は、長くても数秒である。従って、１００個の異なる分子種の１つ又は多くの１０ｘ１０分子配列を作るのに、或る実施形態では、約１時間４０分掛かる。別の実施形態では、このプロセスは、更に、本発明の性質及び範囲を変更することなく、同様の時間枠内で遙かに複雑（数百から数千の分子種）で、より多くの配列を構築できるように簡素化され、拡大されている。これらの全ての段階は、制御コンピューター２２を使用してLabViewによって調整される。

更に別の実施形態では、装填基板２７を、付着探針１２の真下の作動可能な位置に持っていくため、幾つかのＸ、Ｙ並進ステージ１８がある。この様に、複数の装填基板２７上の複数の付着材料にアクセスできれば、多様な配列を作ることができる。

或る別の実施形態では、光学顕微鏡５２は、試料を決められた物理的な場所に付着させるための登録マークを配置するのに用いられる。
更に、或る実施形態では、付着探針１２は、精密製作された溜めを使って簡単な流体供給で洗浄される。洗浄溶液（例えば、水）は、装置に供給され、表面張力によって適所に保持される突き出た泡を形成する。付着ツールは、泡の中で、付着探針１２の泡のピエゾ駆動振動によって洗浄される。

当業者には理解頂ける様に。スポットの大きさは、付着ツールの曲率半径、ツールと表面の疎水性／親水性、及び付着イベント中の湿度制御の関数である。本発明の或る実施形態では、適切なパラメーターが注意深く監視されているときには、直径２００ｎｍの範囲（ツールの半径は、或る実施形態では４０ｎｍ）のスポット寸法が再現可能である。付着領域に想定される試料の材料と目的に依っては、これより少し小さいスポットでも可能であるのは注目に値する。

図６−２１は、本発明の別の実施形態による配列器１００を示している。図６に示す様に、配列器１００は、支持体１０２と、第１カバー１０４と、第２カバー１０６と、印刷ツール１４６を含むプリントヘッド１０８（図９Ａ参照）と、第２カバー１０６によって保護されているＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０と、１つ又は複数の基板１１４を保持し、基板１１４がステージ１１２と共に運動できるように配置されているステージ１１２と、環境制御システム１１３と、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６と、画像化システム１１８と、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６、画像化システム１１８、第１カバー１０４、及びプリントヘッド１０８が連結されている取付プレート１２０（図８参照）と、を含んでいる。

制御器１２２（ここでは「制御コンピューター」と呼ばれることもある）は、プリントヘッド１０８、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０、環境制御システム１１３、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６、及び画像化システム１１８の内の少なくとも１つを制御するために配列器１００に接続されている。配列器１００のこれらの要素、アッセンブリ、及びシステムの内の１つ又はそれ以上を制御するのに、どの様な数の装置を用いてもよい。これに関し、その様な装置は、ソフトウェア又は他の命令を実行するように作動できるマイクロプロセッサーベースのシステムと他のシステムを含んでいることに注目されたい。しかしながら、その様な装置は、限定するわけではないが、１つ又は複数の信号を受け取り、それに従って制御出力を生成するようになっている半導体及び他の電子システムを含んいてもよく、必ずしもソフトウェア又は他の命令を実行する必要は無いことにも留意されたい。ここで用いる「制御器」又は「制御コンピューター」という用語は、その様な全ての装置を包含している。言い換えると、制御器１２２は、ソフトウェアベースの、及び／又はハードウェアベースの構成要素を含んでおり、配列器１００の制御は、ソフトウェアベースのコマンド、ハードウェアベースのコマンド、又はそれらの組み合わせによって実現される。

本明細書と特許請求の範囲で用いている「配列器」という用語は、限定するわけではないが、無作為又は非無作為方式の、任意の数の配列、文字、単語、記号、及び直線及び／又は曲線の他の図形などを含むパターン化された、或いはパターンの無い方式で、付着材料を基板上に付着させることができる装置を指すのに用いている。同じく本明細書と特許請求の範囲に用いている様々な形をした「パターン」及び「表面パターン」は、何れか特定の方式（例えば、配置、フォーマットなど）での材料の付着を指し又は示唆するだけでなく、限定するわけではないが、無作為又は非無作為に、任意の数の配列、文字、単語、記号、及び直線及び／又は曲線の他の図形などを含む何れかの方式で材料を付着させることを包含している。

本明細書と特許請求の範囲で用いている「付着材料」（本明細書及び特許請求項では単に「材料」と呼ばれることもある）という用語は、本発明の配列器１０又は１００によって表面又は基板上に付着される材料又は物質のことを指すのに用いている。付着材料には、有機材料、無機材料、及びそれらの組み合わせが含まれる。有機材料には、限定するわけではないが、細胞、細胞内小器官、細胞内抽出物、細胞抽出物、組織、核酸、ＰＣＲプライマー、ＤＮＡ、ＲＮＡ、プロテイン、抗体、脂質、アプタマー、炭素ナノチューブ、炭素ナノ粒子、生化学物質、代謝物質、細胞外マトリックス材料、又はそれらの組み合わせが含まれる。無機材料には、限定するわけではないが、食塩、接着剤、ナノ粒子、デンドリマー、触媒、溶剤、腐食液、コロイド金属、コロイドセラミック、シリカ粒子、金属、セラミック、ポリマー（例えば、モノマー及び／又はブロックコポリマーの様なコポリマー）又はそれらの組み合わせが含まれる。

図７は、支持体１０２の或る実施形態を示しており、支持体１０２はベース１２４を含んでいる。或る実施形態では、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ベース１２４に直接的又は間接的に連結され、支持されている。例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ベース１２４にボルト、ねじ、釘、又は締め具で取り付けることができ、重力又は磁力、あらゆる型式の摩擦係合、接着又は粘着結合材料によってベース１２４に連結することができ、ねじ込み又は圧入嵌合接続、又は相互係合要素、ピン又はスナップ嵌めによってベース１２４に連結することができ、或いは何らかの他の方法でベース２４に連結することができる。

図７に示す支持体１０２は、更に、アーム１２６を含んでいる。アーム１２６は、ベース１２４から垂直に上向きに伸びており、実質的に垂直に向いている面１２８を含んでいる。配列器１００の様々な構成要素（例えば、図６と図８に示すＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６）は、面１２８に連結されている。別の実施形態では、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６と他の配列器構成要素を、支持するために連結させる面を提供するために、１つ又は複数のアーム、プレート、又は他の要素が、ベース１２４（及び／又は配列器１００の他の部分）に対して所望の位置まで伸張している。

支持体１０２は、限定するわけではないが、花崗岩、他の石、金属（例えばアルミニウム、鋼、アンバー、チタンなど）、ポリマー（例えば、ナイロン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレンなど）、及びそれらの組み合わせの内の少なくとも１つを含む様々な材料で形成することができる。例えばポリマーを採用している或る実施形態では、ポリマーは、所望の構造的剛性と性能を提供するため、内部及び／又は外部支持体及び控え壁を含んでいてもよい。支持体１０２は、配列器１００を外部又は環境の振動から隔離するのに必要な構造に連結されているか、それを含んでいてもよい。例えば、支持体１０２は、先に述べた様な、ピストン上に浮遊していて振動が配列器１００へ伝達されるのを最小限に抑える光学テーブルを含んでいてもよい。

図８は、図６に示している配列器１００の部分的分解図であり、分かり易くするため幾つかの要素と機構を省略している。図８に示す様に、基板１１４は、ステージ１１２上に配置されている。基板１１４は、１つ又は複数の装填基板及び／又は１つ又は複数の付着基板を含むことができる。ステージ１１２上に配置される基板１１４の数は、少なくとも部分的には、実施される付着の型式、用いられる付着材料の型式、及びステージ１１２の作業領域によって変わる。単なる例としてであるが、或る実施形態では、ステージ１１２の作業領域は、約２００ｍｍｘ約２００ｍｍであり、別の実施形態では、作業領域は、約１００ｍｍｘ約１００ｍｍである。

用いられる基板１１４の型式は、少なくとも部分的には、用いられる印刷ツール１４６の型式、用いられる付着材料の型式、及び所望の表面パターンによって変化する。付着材料を付着させる基板１１４又はその一部分は、二次元（例えば、ガラススライドの表面）でも、三次元（例えば、ポリマーマトリックス）でもよい。また、基板１１４は、透明材料、半透明材料、不透明材料、又はその組み合わせを含め、様々なベース材料を含んでいてもよい。例えば、基板１１４は、限定するわけではないが、ガラス、水晶、ルビー、ダイヤモンド、プラスチック、エラストマー材料、セラミック、シリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、金属、シリコン、半導体材料、黒雲母、白雲母、又はそれらの組み合わせを含んでいてもよい。シリコンベースの材料は、少なくとも部分的にはできあがった表面パターンを画定するエッチングされたパターンを含んでいてもよい。

基板１１４は、ベース材料だけを含んでいてもよいし、基板１１４への付着材料の位置決め及び／又は結合を強化するため、ベース材料に塗布又は連結された表面処理又は被覆を含んでいてもよい。被覆又は表面処理には様々な化学薬品を用いることができる。用いられる被覆又は表面処理の型式は、少なくとも部分的には、用いられる付着材料の型式、所望の表面パターン、及び用いられる印刷ツール１４６の型式によって変わる。被覆又は表面処理には、限定するわけではないが、オリゴヌクレオチド、ポリ−１−リシン、アミノ−シラン、エポキシ−シラン、アルデヒド−シラン、ＮＨＳ−エステル、ペプチド、抗体（例えば、抗体ベースの捕捉分析）、ヒドロゲル、ポリマーマトリックス、金属（例えば、金、銀、プラチナ、チタン、ニッケル、又は何らかの他の適した金属）、ポリヂメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、工学構造（ＡＰＴＥＳ）処理のための高度な保護技術（例えば白雲母に）、ニトロセルロース（例えば、Whatman Schleicher ＆ Schuell BioScienceから入手可能で、適切なニトロセルロースポリマーで被覆されているガラススライドを含むＦＡＳＴ^TMスライドと、GenTel Biosurfaceから入手可能で、適切な超薄膜ニトロセルロースを含むＰＡＴＨ^TMスライド）、脂質、生体膜、細胞表面、及び、関心事の付着材料に適した他の被覆又は表面処理の内の少なくとも１つを含んでいてもよい。

基板１１４は、限定するわけではないが、１つ又は複数の締結具（例えば、クリップ、ピン、留め具、釘、ねじ、ボルト、鋲、磁石など）、接着又は粘着結合材料（例えば、３Ｍから入手可能な両面スコッチテープの様なテープ）、又はそれらの組み合わせを含む多数の異なる方法で、ステージ１１２に連結することができる。例えば、或る実施形態では、１つ又は複数の磁石が、（例えば、ステージ１１２の裏側に１つ又は複数の窪みを形成し、その窪みに磁石を収納することによって）ステージ１１２内に埋め込まれている。その様な場合、ステージ１１２上に配置されている基板１１４は、磁力によって基板１１４をステージ１１２に連結させることができるようにするため、鉄の底部被覆を含んでいてもよい。又、その様な実施形態では、磁石は、基板１１４を適切に位置決めできるようにするため、ステージ１１２に対して戦略的に配置することができる。或る実施形態では、磁石は、必要なときにだけ有効となるように磁性を制御するため、電磁石を含んでいる。１つ又は複数の基板１１４をステージ１１２に連結させるのに別の方法も可能であり、それらも本発明の精神及び範囲に含まれる。

これも図８に示す様に、或る実施形態では、画像化システム１１８及び／又はプリントヘッド１０８の後方部分１３０は、取付プレート１２０に連結されている。一例に過ぎないが、取付プレート１２０は、図８では、プリントヘッド１０８の後方部分１３０を取付プレート１２０に連結するためにボルト（図示せず）を受け入れる大きさに作られたボルト穴１３２を有している。取付プレート１２０のボルト穴１３２は、プリントヘッド１０８の後方部分１３０上の対応するボルト穴１３３と合うように位置と寸法が決められている（図１０参照）。しかしながら、プリントヘッド１０８は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０とベース１２４の間の接続に関連して先に述べた方法を含め、他のどの様な方法で取付プレート１２０に連結してもよいものと理解されたい。

或る実施形態では、画像化システム１１８は、光学顕微鏡及び／又はカメラ又は他の記録装置（図示せず）を含んでいる。本発明と共に使用することのできるカメラの一例は、７６８ｘ４９４画素解像度で、３倍までのデジタルズームアップを備えたＤＸＣ−ＬＳ１ １／４”ハイパーＨＡＤ ＣＣＤカラーリップスティックカメラ（ソニーから販売されている）と、Ｓビデオケーブルを介して出力される National Television Systems Committee（ＮＴＳＣ）である。必要であれば、モニター又は他のディスプレイ装置を顕微鏡、カメラ、及び／又は他の記録装置に連結して、画像をユーザーに表示することもできる。図８に示す様に、画像化システム１１８は、付着プロセスを画像化するために、プリントヘッド１０８の上方に配置することができる。画像化システム１１８は、プリントヘッド１０８の上方面１３８の穴１３６の中に入れることのできる寸法に作られた部分１３４を含んでいる。一例に過ぎないが、図８に示す実施形態では、部分１３４は、円筒形であり、穴１３６より小さい直径を有している。従って、部分１３４は、付着プロセスを適切に画像化するため、穴１３６に対して動かすことができる。例えば、或る実施形態では、画像化システム１１８を、画像化システム１１８の長手方向軸Ａ−Ａに関して軸回転させることができ、穴１３６に出入りさせることができ、穴１３６に対して左右及び前後、又はそれらの組み合わせで動かすことができる。

或る実施形態では、プリントヘッド１０８は、ハウジング１４０を含んでおり、ハウジングは、ハウジング１４０の開放部分１４４（例えば、図８に示す実施形態の開放前方部分１４４）を少なくとも部分的には覆う寸法に作られたカバー１４２を有している。図８に示す実施形態では、ハウジング１４０とカバー１４２は別々の部分であるが、或る実施形態（例えば、図９Ａ参照）では、ハウジング１４０は、カバー１４２と一体に形成されている。

図９Ａは、プリントヘッド１０８の或る実施形態を更に詳細に示している。プリントヘッド１０８は、或る実施形態では精密製作されている印刷ツール１４６（ここでは表面パターン形成ツール、略して「ＳＰＴ」とも呼ばれる）を含んでいる。ＳＰＴ１４６は、材料を、１つ又は複数の基板１１４上に付着させるのに用いられる。或る実施形態では、ＳＰＴ１４６は、材料を、１つ又は複数の基板１１４からＳＰＴ１４６上に装填する。ＳＰＴ１４６は、複数のＳＰＴ１４６を保持するように構成されている印刷ツールホルダー１４８に連結されている。印刷ツールホルダー１４８は、プリントヘッド１０８のハウジング１４０に連結されている。更に、印刷ツールホルダー１４８は、ＳＰＴ１４６が付着に備えて正しく配置されるように、ハウジング１４０に連結される寸法に作られており、或る場合には、ＳＰＴ１４６が、以下に述べる様に、レーザー又は他の型式の感知システム１５９によって検出されるよう正しく配置される。

印刷ツールホルダー１４８は、限定するわけではないが、１つ又は複数の締結具（例えば、１つ又は複数のボルト、ねじ、釘、留め具、クリップ、鋲、坊主釘、ピン、及びそれらの組み合わせなど）、磁力、重力、摩擦係合、接着又は粘着結合材料（例えば、３Ｍから入手可能な両面スコッチテープの様なテープ）、ねじ込み又は圧入嵌合接続、１つ又は複数の相互係合要素（例えば、スナップ嵌め）、又は、印刷ツールホルダー１４８をハウジング１４０に連結させるための何らかの他の適した方式を含む多種多様な方式で、ハウジング１４０に連結される。同様に、ＳＰＴ１４６は、限定するわけではないが、印刷ツールホルダー１４８とハウジング１４０の間の接続に関して上に述べた何れかの方式を含む多種多様な方式で、印刷ツールホルダー１４８に連結される。

或る実施形態では、プリントヘッド１０８は、更に、限定するわけではないが、力フィードバックシステム（例えば、電磁放射源と位置感知光検出器を含む光レバーシステム）、何らかの他の光感知システム、静電容量感知システム、抵抗感知システム、インダクタンス感知システム、コンダクタンス感知システム、圧力感知システム、及びそれらの組み合わせの内の少なくとも１つを含む１つ又は複数の感知システム１５９を含んでいる。光感知システムの例には、限定するわけではないが、材料付着（例えば、スポット及び／又は線の形成）の観察、パターン認識、マシンビジョン、複屈折、干渉分光法、及びそれらの組み合わせが含まれる。

一例に過ぎないが、図示の配列器１００は、光レバーシステム１６３を使用する力フィードバック感知システム１５９を有している（図９Ａと図１２Ａ参照）。光レバーシステム１６３は、電磁放射源と位置感知光検出器を含んでいる。光レバーシステム１６３の或る実施形態について、図９Ａに関連付けて以下に述べるが、この図と説明は、一例に過ぎず、光レバーシステム１６３は、ＳＰＴ１４６の位置を感知し、付着プロセスを制御するのに適していれば、どの様な電磁放射源及び放射感知検出器を含んでいてもよいものと理解されたい。例えば、電磁放射源は、限定するわけではないが、レーザー、超発光ダイオード（例えば、浜松レーザーグループ社から入手可能な超発光ダイオード）、及びそれらの組み合わせを含んでいてもよい。

プリントヘッド１０８は、更に、１つ又は複数の感知システム１５９の様々な部分を収納又は支持するのに必要な構成要素を含んでいる。例えば、図９Ａに示すプリントヘッド１０８は、レーザー１５２をハウジング１４０に連結させる寸法に作られたレーザー位置決め装置１５０を含んでいる。図９Ａに示すレーザー位置決め装置１５０は、レーザー１５２を受け入れる寸法に作られた穴１５６を画定するカラー１５４を含んでいる（但し、代わりに、レーザー１５２をハウジング１４０に対して所望の位置に保持するための他の適した構造を利用することもできる）。レーザー１５２は、必要などの様な形であってもよい。一例に過ぎないが、或る実施形態では、レーザー１５２はレーザーダイオードである。やはり一例に過ぎないが、或る実施形態では、レーザー１５２は、限定するわけではないが、７６３ｎｍ０．５−５ＭＷ赤色レーザー、６３３ｎｍ赤色ダイオードレーザー、及びそれらの組み合わせを含んでいる。

ハウジング１４０は、更に、レーザー位置決め装置１５０が組み立てられた状態のときにはカラー１５４に隣接して配置される第２穴１５７を含んでいる。第２穴１５７は、レーザー１５２がレーザー光線をハウジング１４０の内側に放出できるようにしている。或る実施形態では、レーザー１５２を、ハウジング１４０に対して所定の位置に保持するカラー１５４又は他の構造は、ハウジング１４０に永久的又は取り外し可能に取り付けられている別体の要素又は構造でなく、ハウジング１４０の一部である。

レーザー位置決め装置１５０は、レーザー１５２をプリントヘッド１０８に連結するのに用いられる静止構造構成要素である。代わりに、レーザー位置決め装置１５０は、制御可能で操作可能なユニットであってもよい。例えば、或る実施形態では、レーザー位置決め装置１５０は、局所的に手動で（例えば、図１２Ａに示すノブ１５１を位置決めすることによって）、局所制御器（図示せず）で、又は図６に示す制御器１２２で位置決めできるゴニオメーターを含んでいる。レーザー位置決め装置１５０とレーザー１５２は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０とベース１２４の間の接続に関連付けて先に述べた何れかの方式を含め、適していればどの様な方式で一体に連結してもよい。

プリントヘッド１０８は、更に、検出器１５８が連結されている検出器位置決め装置１５５を含んでいる。検出器位置決め装置１５５と検出器１５８は、ＳＰＴ１４６の位置に関するレーザー１４２からの様々な情報を検出するのに適したハウジング１４０の側に配置されている。検出器位置決め装置１５５と検出器１５８は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０とベース１２４の間の接続に関連付けて先に述べた方式を含め、どの様な方式で一体に連結してもよい。

図９Ａと図１２Ａに示す光レバーシステム１６３では、レーザー１５２（又は他の適した電磁放射源）は、ＳＰＴ１４６に向けられ、そこで反射され（例えば、片持ち梁の型式のＳＰＴ１４６が用いられている場合は、ＳＰＴ１４６の、取り付け点近くの後）、検出器１５８に入り又は回収される。光レバーシステム１６３の図示の実施形態では、検出器１５８は、２つの近接して配置されている光ダイオード１６５（他に、ここでは、分割光ダイオードの２つの半分１６５と呼ばれる）を含む分割光ダイオード検出器を含んでおり、その出力は、差動増幅器（図示せず）によって集められる。その結果、図示の検出器１５８は、分割光ダイオードの２つの半分１６５に対応する２つの外側の線１６７と、接地用の中心の線１６９の、３つの出力線を含んでいる。

レーザー／ビームの偏向経路は、最初は、分割光ダイオードの中心に向けられ、分割光ダイオードの２つの半分１６５それぞれが、全反射光の等分（即ち、半分）を受け取る。ＳＰＴ１４６が変位（例えば角度変位）すると、分割光ダイオードの片方の半分１６５が他方の半分１６５より多くの電磁放射を受け取るようになり、その結果、ＳＰＴ１４６の撓みに比例する出力信号（例えば、合計によって正規化される２つの半分の間の差値）が生じる。２つの型式の情報は、光レバーシステム１６３、即ち、合計と差から発生する。合計値は、検出器１５８に当たる電磁放射の総量であり、差値は、分割光ダイオードの２つの半分１６５の間の差で、それらの合計によって正規化したものである。合計及び／又は差値の急激な変化は、ＳＰＴ１４６の変位を示し、それは、ＳＰＴ１４６と、ＳＰＴ１４６が材料を装填し又は付着させる基板１１４の接触又は相互作用から生じる。

或る実施形態では、ＳＰＴ１４６の表面に生じる撓みは、反射ビームを、（図１２Ａに示すように見た場合）プリントヘッド１０８の内側の左側に沿って、前から後へ動かす。その様な実施形態では、３つの出力線１６７と１６９を、光線偏向経路に実質的に平行に維持し、ビームの偏向が、分割光ダイオードの２つの半分１６５の間の分割に実質的に垂直であることを保証し、検出器１５８の感度を最大にすることが重要である。

レーザー１５２、レーザー位置決め装置１５０、検出器位置決め装置１５５、及び検出器１５８（使用されている場合）は、ＳＰＴ１４６が基板１１４又は基板１１４上の材料と接触又は相互作用するときの、ＳＰＴ１４６の撓みを検出するために用いられる表面感知システム１５９の一部を形成している。或る実施形態では、制御器１２２は、レーザー１５２及び／又は検出器１５８の相対位置を制御する。更に、或る実施形態では、少なくとも部分的には制御器１２２が検出器１５８から受信する信号に基づいて、制御器１２２は、印刷ツールホルダー１４８の位置決めを制御し、ＳＰＴ１４６の、基板１１４に対する位置を変える。更に、或る実施形態では、少なくとも部分的には制御器１２２が検出器１５８から受信する信号に基づいて、制御器１２２は、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６を制御し、ＳＰＴ１４６の、基板１１４に対する位置を変える。更に、或る実施形態では、少なくとも部分的には制御器１２２が検出器１５８から受信する信号に基づいて、制御器１２２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ並進位置決めアッセンブリ１１０を制御し、ステージ１１２の位置を変え、従って、基板１１４の位置を制御し、ＳＰＴ１４６と基板１１４の間の相対位置を変える。

或る実施形態では、プリントヘッド１０８は、更に、ハウジング１４０の内部空間１６２への空気又はガスの入口を画定する１つ又は複数のノズル１６０を含んでいる。ノズル１６０は、ＳＰＴ１４６を取り巻き、又はＳＰＴ１４６に近接する所望の局所的付着環境を作るために、湿度供給源又は他の環境制御装置を、ハウジング１４０の内部空間１６２に流体接続させることができる。図９Ａに示す様に、ノズル１６０は、空気又はガスをＳＰＴ１４６の環境に送ることのできる配管１６１又は何らかの他の型式の導管に流体接続されている。環境制御システム１１３は、ノズル１６０を含んでいるか、又はこれに連結されている。

図９Ｂ−９Ｇは、環境制御システム１１３の或る実施形態の様々な部分を示している。環境制御は、表面パターン形成を成功裏に再現可能に行う上で重要である。周囲の室温と湿度は、限定するわけではないが、スポット寸法、線の太さ、精度、再現性、及び空間解像度の内の１つ又はそれ以上を含め、様々な表面パターンパラメーターに影響を与える。環境制御システム１１３は、外囲器３００と、図６に示す様に、温度センサー３０２及び湿度センサー３０３と、制御器１２２、又はその一部、又は別体の局所制御器が制御する制御フィードバックループを含んでいる。環境制御システム１１３は、２つのレベルの環境制御、即ち、広域（即ち、表面パターン形成プロセスに関係する配列器１００の一部を取り囲んでいるか、又は、ステージ１１２、基板１１４、プリントヘッド１０８、及び／又は画像化システム１１８を動かすことに関係する様々な構成要素を取り囲んでいる環境の制御）と、局所（即ち、ＳＰＴ１４６を取り囲んでいる環境の制御）の環境制御を含んでいる。局所環境制御は、ここでは、試料位置の環境（ＳＰＥ）の制御と呼ばれることもある。

外囲器３００は、配列器１００の一部を取り囲んでおり、直接的又は間接的に支持体１０２に連結されている。或る実施形態では、外囲器３００は、支持体１０２の一部を形成している。図６に示す実施形態では、外囲器３００は、支持体１０２、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６、画像化システム１１８、取付プレート１２０、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０、基板１１４、及びプリントヘッド１０８を取り囲んでいる。しかしながら、外囲器３００は、配列器１００の何れかの必要な部分を囲い込むのに用いることもできるものと理解されたい。外囲器３００は、環境制御性能を最適にするため密閉してもよい。外囲器３００は、限定するわけではないが、ガラス、プラスチック、セラミック、金属、複合材、又は、外囲器３００内に封入されている配列器１００の各部分を正確に環境制御することのできる何らかの他の適した材料を含む様々な材料で形成することができる。外囲器３００は、透明な材料、半透明な材料、不透明な材料、又はそれらの組み合わせで形成することができる。外囲器３００は、基板１１４、付着材料、ＳＰＴ１４６、画像化システム１１８、及び配列器１００の何らかの他の部分の初期設定のために、外囲器３００の内側にアクセスできるような寸法に作られたドア３０４を含んでいる。配列器１００が設定され、ドア３０４が閉じられた後で、外囲器３００内に封入された配列器１００の部分を操作するのは、外囲器３００内の広域環境を乱すことなく、任意の数のポート（例えば、絞りサイドポート、又は、外囲器３００内の環境の崩壊を最小にする何らかの他の適したポート）を介して行うことができる。環境の様々な態様は、限定するわけではないが、温度、圧力、湿度、音、光、及び、表面パターン形成プロセスに影響を与える何らかの他の環境パラメーターの内の少なくとも１つを含め、環境制御システム１１３を使って制御することができる。湿度が表面パターン形成に特に重要なことは、既に示した。その結果、温度と湿度は、ここに論じている主要環境パラメーターになる。

温度センサー３０２と湿度センサー３０３は、外囲器３００内の配列器１００の何れの部分に連結してもよい。例えば、温度センサー３０２と湿度センサー３０３は、図６に示す様に、支持体１０２に連結してもよい。温度センサー３０２と湿度センサー３０３からの出力電圧は、制御器１２２、又はその一部、又は局所制御器によって、温度及び相対湿度値に変換される。或る実施形態では、外囲器３００内の環境用の湿ったガスは、外囲器３００の内側からのガスを、湿度供給源３０６（図９Ｂ参照）に通し、それを外囲器３００に戻すことによって生成される。或る実施形態では、湿ったガスは、外囲器３００内からのガスを、湿度供給源３０６に通して再循環させる代わりに、又はそれに加えて、ガス供給源（例えば、窒素又はアルゴンのガスタンク）からのガスを、湿度供給源３０６に通して外囲器３００内に送ることによって生成される。

或る実施形態では、図９Ｂに示す様に、湿度供給源３０６は、二重脱イオン水が入ったフラスコ（「ｄｄｉＨ₂Ｏ泡立ちフラスコ」と呼ばれることもある）を含んでいる。外囲器３００内の相対湿度レベルは、約７５％以上に達することがある。制御器１２２は、温度センサー３０２と湿度センサー３０３を介して、外囲器３００内の温度と湿度を監視及び制御し、ポンプ、ガスタンク調整器、弁の開閉、又は、外囲器３００に出入りする湿ったガスの流れを制御するのに適したあらゆる他の動作を自動的に開始又は停止できるように作られている。図９Ｂに示す湿度供給源３０６は、入口３０８と、湿度供給源３０６の内側に配置されている拡散器３１０（例えば、空気石）と、出口３１２とを含んでいる。外囲器３００内からのガスは、湿度供給源３０６への入り口３０８を通って湿度供給源３０６へ入り、湿度供給源３０６の出口３１２から出て、図９Ｅに示す外囲器３００の背壁の湿ったガスの入口３２４へ送られる。

乾燥したガスは、乾燥ガス入口３２６を通して外囲器３００へと送られる。或る実施形態では、先に述べた様に、乾燥ガス入口３２６は、乾燥した不活性ガスと流体連通している。湿度センサー３０３からのフィードバックに基づいて、制御器１２２（又は局所制御器）は、外囲器３００内の湿度を監視し、乾燥した不活性ガスと流体連通している弁（例えば、ソレノイド弁）を開閉し、それぞれ、乾燥した不活性ガスの、外囲器３００への分注を開始又は停止する。湿った又は乾燥したガスの、外囲器３００への分注は、パルスモード、連続モード、又はその組み合わせで行うことができる。ユーザーは、用いるモードを、（例えば、グラフィカルユーザーインターフェースを介して）或る特定の用途に合わせて設定することができる。図９Ｅに示す様に、出口３２８は、外囲器３００の内側からの圧力を解放し、乾燥したガス、湿ったガス、又はそれらの組み合わせを、外囲器３００から送り出すのに使用することができる。

先に述べた様に、環境制御システム１１３は、更に、付着及び表面パターン形成条件を正確に制御するため、ＳＰＴ１４６を取り囲む局所環境（又は、全体を参照番号３１５で示している「試料点環境」）を制御する。図９Ａに関連付けて先に説明し、図９Ｃにも示している様に、プリントヘッド１０８は、１つ又は複数のノズル１６０を含んでいる。図９Ｃに示している実施形態では、プリントヘッド１０８は、第１ノズル１６０Ａと第２ノズル１６０Ｂを含んでいる。第１ノズル１６０Ａは、湿ったガスを試料点環境３１５へ送るのに用いられ、第２ノズル１６０Ｂは、乾燥したガスを試料点環境３１５へ送るのに用いられる。

第１ノズル１０６Ａは、ガス供給源３１７に流体連結されており、湿度供給源３１６（図９Ｄも参照）は、ガス供給源３１７と第１ノズル１６０Ａの間を流体連通している。ガス供給源３１７には、限定するわけではないが、空気、乾燥した不活性ガス（例えば、窒素又はアルゴンのガスタンク）、又はそれらの組み合わせを含む様々な適したガス供給源が含まれる。試料点環境３１５用の湿ったガスは、ガス供給源３１７からのガスを、試料点環境３１５へ送る前に、湿度供給源３１６を通すことによって生成される。或る実施形態では、図９Ｄに示す様に、湿度供給源３１６は、二重脱イオン化水が入っているフラスコ（「ｄｄｉＨ₂Ｏ泡立ちフラスコ」と呼ばれることもある）を含んでいる。図９Ｄに示す様に、湿度供給源３１６は、入口３１８と出口３２０を含んでおり、入口３１８は、ガス供給源３１７に流体連結されており、出口３２０は、第１ノズル１６０Ａに流体連結されている。或る実施形態では、湿度供給源３０６は、図９Ｄに示す様に、外囲器内に配置されている。

図９Ｃに示す様に、乾燥した空気又はガスは、第２ノズル１６０Ｂをガス供給源３１７に直接流体連結させることによって、試料点環境３１５に送ることができる。或る実施形態では、図９Ｃに示す様に、湿ったガス用に用いられるのと同じガス供給源３１７が、第２ノズル１６０Ｂに連結されている。或る実施形態では、別体のガス供給源が、第２ノズル１６０Ｂに連結されている。第１と第２ノズル１６０Ａと１６０Ｂは、図９Ｅに示す様に、外囲器３００の内側背壁の接続３２２Ａと３２２Ｂそれぞれを介して、ガス供給源３１７に接続されている。

制御器１２２は、環境制御システム１１３を含んでいるか、それに接続されている。一例に過ぎないが、制御器１２２の一部の或る実施形態を図９Ｆと図９Ｇに示している。図９Ｆに示す様に、制御器１２２の前方には、電力スイッチ３３０と、２つの流量制御弁３３２が設けられている。流量制御弁３３２は、試料点環境３１５でのガスの速度を制御する。第１流量制御弁３３２Ａは、試料点環境３１５へ流れる湿ったガスの速度を制御し、第２流量制御弁３３２Ｂは、試料点環境３１５へ流れる乾燥したガスの速度を制御する。その様な流量制御弁には、限定するわけではないが、ソレノイド弁を含む当技術では既知の様々な弁が含まれる。流量制御弁３３２は、図５に示し、先に説明したのと同様に、乾燥した及び湿ったガスの、試料点環境３１５への流れを制御する。或る実施形態では、速度値が、毎分０リットル（ＬＰＭ）から約０．５ＬＰＭである。或る実施形態では、湿った及び乾燥したガスの両方が、約０．１ＬＰＭの流量で試料点環境へ移動する。速度が上がると、用いられているＳＰＴ１４６の型式によっては、ＳＰＴ１４６を横切る空気の流れがＳＰＴ１４６を曲げ（例えば、ＳＰＴ１４６が片持ち梁型式のＳＰＴ１４６を含んでいる場合）、検出器１５８によって検出される信号を振動させる。湿った又は乾燥したガスの、試料点環境３１５への分注は、パルスモード、連続モード、又はそれらの組み合わせで行うことができる。ユーザーは、具体的な用途に合わせて、使用するモードを（例えば、グラフィカルユーザーインターフェースを介して）設定することができる。或る実施形態では、パルスは、ＳＰＴ１４６の局所環境を正確に制御するのに用いられる。或る実施形態では、連続又は優先モードは、試料点環境３１５へ送られる湿った及び乾燥したガスの内の一方又は両方に関して選択することができる。

図９Ｇに示している実施形態では、制御器１２２の背板には、ガス供給源３１７、湿度供給源３０６、外囲器３００、及び様々な他の構成要素へ出入りするための様々な接続部が設けられている。図９Ｇに示す様に、制御器１２２は、広域レベルと局所レベルの両方の湿度レベルを監視及び制御することができる。制御器１２２は、電力接続部３３４と、ファン３３６と、感知システム１５９用の複数のセンサー及びモーターの接続部３３８と、配列器１００の他の制御器構成要素、制御器１２２の他の構成要素、又は制御器１２２と協力して機能する局所制御器への接続部３４０と、他の構成要素に対応する接続部３４２と、制御器１２２が、配列器１００とＳＰＴ１４６の広域及び局所環境をそれぞれ監視及び制御できる様にするための環境制御システム１１３の接続部と、を含んでいる。

図示の実施形態に示している湿度供給源３０６と３１６は、それぞれ、先に述べたｄｄｉＨ₂Ｏ泡立ちフラスコを含んでいる。しかしながら、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な適した湿度供給源を用いてもよい。

或る実施形態では、配列器１０に関して先に述べた様に、ＳＰＴ１４６を取り囲む局所湿度を制御すると、１つ又は複数の装填及び付着プロセスを制御することができる。しかしながら、或る実施形態では、付着材料には緩衝溶液が含まれている。或る実施形態では、緩衝溶液は、乾燥しないか又は再水和させるのに湿ったガスを必要としないグリセロールと界面活性剤を含んでいる。例えば、或る実施形態では、付着させるプロテインは、約０．１ｍｇ／ｍＬの濃度のグリセロールを含んでいる溶液内に入っており、液滴（例えば微小液滴）として付着させることができる。この例では、グリセロールが入っている付着材料は付着状況下で乾燥しないので、湿ったガスは、試料点環境３１５で必要ない。別の実施形態では、別の界面活性剤を用いてもよい。

図１０−１２は、代替実施形態のプリントヘッド１０８の異なる斜視図を示している。図１０と図１１は、プリントヘッド１０８の実施形態の分解図を示しており、図１２Ａは、プリントヘッド１０８の或る実施形態の組み立て図を示している。具体的には、図１２Ａは、或る実施形態のプリントヘッド１０８に組み立てられている、ハウジング１４０、カバー１４２、画像化システム１１８、検出器１５８、位置決めノブ１５１を含むレーザー位置決め装置１５０、及びレーザー１５２を示している。

プリントヘッド１０８は、様々な材料又は材料を組み合わせて形成されている。或る実施形態では、プリントヘッド１０８の様々な構成要素は、限定するわけではないが、ハウジング１４０、カバー１４２、印刷ツールホルダー１４８、レーザー位置決め装置１５０、検出器位置決め装置１５５、及び／又はノズル１６０を含め、ポリマー（例えば、ナイロン、ＵＨＭＷなど）で形成されている。或る実施形態では、ポリマーで形成されているプリントヘッド１０８の幾つかの構成要素は、高速試作法を使って構築されている。高速試作法を使えば、従来型の機械加工又はモールド成形技法では実現するのが困難又は不可能であった複雑な構造、アンダーカット、又は内部構造を作ることができる。幾つかの型式の高速試作法は、液体又は粒状固体ポリマー材料を層毎に重合させ、三次元の構造を形成することを含んでいる。或る実施形態では、高速試作法によって形成された部品の各層は、厚さが数ミクロン以下である。

幾つかの型式のＳＰＴ１４６は、付着材料を付着させる基板１１４及び／又は用いられる付着材料の型式によっては、他の型式のＳＰＴを上回る優れた結果を生む。或る特定の用途に最も適するＳＰＴ１４６の型式は、実験的に求めることができる。本発明は、様々な型式のＳＰＴ１４６を含むことができ、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、どの様な適したＳＰＴ１４６でも使用することができる。

ＳＰＴ１４６は、片持ち梁型式のＳＰＴ、非片持ち梁型式のＳＰＴ、又はそれらの組み合わせでもよい。片持ち梁型式のＳＰＴは、後方装填付着ツール（例えば、図１２Ｂに示している様な羽根ペン型式の付着ツール１４６Ａ）、ナノピペット、又は前方装填付着ツール（例えば、先に説明し、図４に示している付着探針１２）、又はそれらの組み合わせを含んでいる。更に、非片持ち梁型式のＳＰＴは、限定するわけではないが、細穴、撓みシステム、及びそれらの組み合わせを含んでいる。

後方装填付着ツールを採用している実施形態では、ＳＰＴ１４６は、付着させる材料が入っているリザーバ又は供給源を含んでいるか、又はそれと流体連通している。例えば、図１２Ｂに示すように、ＳＰＴ１４６Ａは、ＳＰＴ１４６Ａの先端１４７と流体連通しているリザーバ１４５を含んでいる。ＳＰＴ１４６Ａには、付着材料をリザーバ１４５へ（例えばピペットを介して）移すことによって付着材料を装填することができ、ＳＰＴ１４６の材料特性によって、付着材料を、基板１１４上に付着させるために、ＳＰＴ１４６Ａの先端１４７へ移動させることができるようになっている。或る実施形態では、図１２Ｂに示す様に、ＳＰＴ１４６Ａは、更に、流体を、リザーバ１４５からＳＰＴ１４６Ａの先端１４７へ移動させることができるチャネル１４９を含んでいる。或る実施形態では、ＳＰＴ１４６Ａの表面特性は、付着材料の、ＳＰＴ１４６Ａの先端１４７への流体移動を支配している。前方装填付着ツールを採用している実施形態では、ＳＰＴ１４６は、材料を供給源（例えば、第１基板１１４又は基板１１４の第１部分）から装填し、その材料を目的地（例えば、第２基板１１４又は基板１１４の第２部分）で付着させる。

続いて図８を見ると、取付プレート１２０（先に述べた様に、図示の実施形態の画像化システム１１８、第１カバー１０４、及び／又はプリントヘッド１０８がこれに連結されている）は、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６に連結されている。具体的には、図示の実施形態では、取付プレート１２０は、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の可動プレート１６４に連結されている。可動プレート１６４は、上方位置１６６（図８に破線で示されている）と下方位置１６８（図８に実線で示されている）の間を連続的に動くことができる。可動プレート１６４を動かすために、数多くの異なる型式の作動器を用いることができる。可動プレート１６４は、図１３に示す作動器１７０の様な、当技術では既知の異なる様々な方法で動かすことができ、それについて説明する。

作動器１７０は、限定するわけではないが、約２００ｎｍから数ミクロンの増分で運動制御を行える、サーボモーター、ステッパモーターなどを含む数多くの異なる形を取ることができる。別の実施形態では、作動器は、より高い精度を実現することができ、限定するわけではないが、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０に関連して以下に説明する作動器の型式を含め、使用することもできる。図１３に示す実施形態では、作動器１７０は、カートリッジ１７４に連結されている（例えば、固定されているナット、ボス、壁、又は他の部品の）ねじ孔１７１の中にねじ込まれているボールねじ１７２に連結されており、それを回転させる。或る実施形態では、カートリッジ１７４は、線形運動ができるようにするレールシステム（図示せず）によって支持されている。

ボールねじ１７２を回転させると、ボールねじ１７２はねじ孔１７１内で回転し、カートリッジ１７４を実質的に直線状に動かす。可動プレート１６４は、カートリッジ１７４に連結されており、従って、カートリッジ１７４が動かされると、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６のベース１８０に対して動く。Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６のベース１８０は、図７に示している支持体１０２の実質的に垂直に向けられた面１２８に連結されているが、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６を取り付けるのに別の方法も考えられる。従って、カートリッジ１７４と可動プレート１６４が動かされると、図６と図８に示している取付プレート１２０（及び、取付プレート１２０に連結されている配列器１００の構成要素）も、ベース１８０と支持体１０２に対して動かされる。この要素の配置により、プリントヘッド１０８と画像化システム１１８を、ステージ１１２上に配置又は連結されている基板１１４に対して、迅速に位置決めすることができる。

図６、図８、図１３に示すＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６は、更に、第１カバー１８２と第２カバー１８４の様な１つ又は複数のカバーを含んでいてもよい。図示の実施形態では、第１カバー１８２は、組み立てられた状態では、作動器１７０を覆って装着され、ベース１８０に連結される。第１カバー１８２は、従って、作動器１７０、並びにＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の他の部分を覆い、保護する。第２カバー１８４は、カートリッジ１７４の少なくとも一部分を覆って装着され、ベース１８０に連結される。第２カバー１８４は、従って、カートリッジ１７４、ボールねじ１７２、及びＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の他の部分を覆い、保護する。

先に述べた様に、ステージ１１２は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０に連結されており、これによって動かすことができる。Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の１つの実施形態を、図１４−２１に示している。先ず図１４に示すように、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ステージ１１２を、Ｘ−Ｙ面内でＸ方向に動かすことのできるＸ部分２００と、ステージ１１２を、Ｘ−Ｙ面内でＸ方向に直角なＹ方向に動かすことのできるＹ部分２０２と、ステージ１１２の少なくとも一部分を、Ｘ−Ｙ面に向かって、及びＸ−Ｙ面から離れるようにＺ方向に動かすことのできるＺ部分２０４と、を含んでおり、Ｚ方向は、Ｘ方向とＹ方向の両方に垂直である。図１４−２１に示している実施形態では、Ｘ部分２００、Ｙ部分２０２、及びＺ部分２０４は、それぞれ独立した構成要素である。しかしながら、本発明の或る実施形態では、Ｘ部分２００、Ｙ部分２０２、及びＺ部分２０４の内の２つ又はそれ以上が、同じ部品で、又は一体に形成されている。

図１４に示す実施形態では、Ｘ部分２００は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の底にあり、Ｙ部分２０２は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の中間に、Ｘ部分２００の上に積み重ねられており、Ｚ部分２０４は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の上部に、Ｙ部分２０２の上に積み重ねられている。従って、図示の実施形態では、Ｘ部分２００は、支持体１０２のベース１２４（又は、必要であれば、下にある他の構造）に連結されており、Ｚ部分２０４は、ステージ１１２に連結されている。しかしながら、ステージ１１２のＸ、Ｙ、及びＺ方向の運動を、同じ精度及び再現性レベルで実現できるのであれば、Ｘ部分２００、Ｙ部分２０２、及びＺ部分２０４のどの様な配置も、本発明の精神及び範囲に含まれるものと理解されたい。この点で、Ｘ、Ｙ、Ｚ部分２００、２０２、２０４は、必ずしも、１つが他方に重なるように配置されていなくてもよいことに留意されたい。或る別の実施形態では、Ｘ、Ｙ、Ｚ部分２００、２０２、２０４の内の１つ又はそれ以上は、他の部分に対して横方向に配置されている（但し、ステージ１１２の所望の運動を提供するために、そこに連結されている）。

Ｘ部分２００とＹ部分２０２は、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０を構成している。或る実施形態では、ステージ１１２は、Ｚ方向には動かせないが、Ｘ−Ｙ面内で運動できるように、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０に連結されている。Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０については、図１５−１８に更に詳細に示す。

図１５−１８に示す様に、図示の実施形態では、Ｘ部分２００が図１５−１８に示す様にＸ方向に動くように向けられ、Ｙ部分２０２が、図１５−１８に示す様にＸ方向に実質的に垂直なＹ方向に動くように向けられていることを除いて、Ｘ部分２００は、Ｙ部分２０２と同じである。Ｘ部分２００は、第１プラットフォーム２１２と第２プラットフォーム２１４を含んでいる。同様に、Ｙ部分２０２は、第１プラットフォーム２１６と第２プラットフォーム２１８を含んでいる。第１プラットフォーム２１２、２１６は、それぞれＸ部分２００又はＹ部分２０２が連結されている面に対して固定されており、第２プラットフォーム２１４、２１８は、それぞれ、第１プラットフォーム２１２、２１６それぞれに対して移動可能である。

或る実施形態では、Ｘ部分２００の第１プラットフォーム２１２は、支持体１０２のベース１２４（又は他の下にある構造）に連結されており、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０（及びＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０）用の静止ベースを形成している。更に、或る実施形態では、Ｙ部分２０２の第１プラットフォーム２１６は、Ｘ部分２００の第２プラットフォーム２１４に連結されている。従って、Ｙ部分２０２の第１プラットフォーム２１６（及び第１プラットフォーム２１６に連結されている全ての要素）は、Ｘ部分２００の第２プラットフォーム２１４と共に、Ｘ部分２００の第１プラットフォーム２１２と、支持体１０２又は他の下にある構造のベース１２４に対してＸ方向に動かすことができる。更に、Ｙ部分２０２の第２プラットフォーム２１８（及び第２プラットフォーム２１８に連結されている全ての要素）は、Ｙ部分２０２の第１プラットフォーム２１６に対してＹ方向に動かすことができる。第２プラットフォーム２１８は、上面２２２を含んでおり、そこに様々な要素（例えば、Ｚ部分２０４、ステージ１１２、及びそこに連結されている全ての要素）を連結させることができる。

Ｘ方向の運動は、Ｘ部分２００によって制御され、Ｙ方向の運動は、Ｙ部分２０２によって制御されるので、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０は、Ｙ方向の運動とは独立して、Ｘ方向の運動を行うことができる。つまり、ステージ１１２上に配置されている基板１１４は、Ｘ方向とＹ方向に独立して動かすことができ、基板１１４は、Ｙ方向に動かすのと同時にＸ方向に動かすことができる。

第２プラットフォーム２１４と２１８は、それぞれ作動器２２０と２２４によって動かされる。作動器２２０、２２４は、互いに同じでも異なっていてもよく、第２プラットフォーム２１４、２１８を、正確で反復可能な方式で動かし、位置決めすることのできる多様な形を取ることができる。或る実施形態では、作動器２２０、２２４の一方又は両方が、その様に動いて約２０ｎｍ未満の空間解像度を実現することができ、中には約１ｎｍ未満を実現できるものもある。或る実施形態では、作動器２２０、２２４の一方又は両方は、約１ミクロン未満の空間解像度を再現することができ、中には約５００ｎｍ未満を再現できるものもある。或る実施形態では、作動器２２０、２２４の一方又は両方は、速度を約５ｍｍ／秒まで上昇させることができ、中には約７ｍｍ／秒まで上昇できるものもある。例えば、図示の実施形態では、作動器２２０と２２４は、それぞれ、ピエゾインチワーム作動器を含んでおり、その機構を図１９Ａ−図１９Ｃに示し、以下に説明する。別の例として、ここに開示している何れの他の作動器型式でも代わりに使用することができる。

別の実施形態では、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、現在市販されている多様な電動作動器を含め、上記精度を実現できる他の型式の作動器によって動かすことができる。例えば、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、どの様な他の型式の圧電作動器によってでも動かすことができる。本明細書と特許請求の範囲に用いている「ピエゾ作動器」又は「圧電作動器」という用語は、限定するわけではないが、ピエゾインチワーム作動器、ピエゾ撓みステージ又はナノ位置決め器、ピエゾラチェット装置、ピエゾ装置、ピエゾセラミック装置、ピエゾバイモルフスタック、圧電線形又は回転式スティックスリップ作動器、圧電スタック作動器、圧電せん断作動器、圧電管作動器など、及び／又は他の何れかの適した圧電駆動作動器又は機構を含め、あらゆる圧電駆動機構又は作動器を指すのに用いている。

或る実施形態では、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、圧電作動器以外の作動器又は機構によって駆動されている。一例を挙げると、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、電歪スタック作動器、電歪リング作動器、電歪エラストマーなどの様な電歪作動器に連結され、駆動される。別の例では、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、コイル及びロッドの磁歪作動器の様な磁歪作動器に連結され、駆動される。更に別の例では、プラットフォーム２１４、２１６の一方又は両方は、残留応力片持ち梁（ＲＳＣ）ＭＥＭＳ作動器、垂直熱ＭＥＭＳ作動器（ＶＴＡ）、スクラッチ駆動ＭＥＭＳ作動器（ＳＤＡ）、水平熱ＭＥＭＳ作動器（ＨＴＡ）などの様な精密電子機械システム（ＭＥＭＳ）作動器に連結され、駆動される。

図１５−１８に戻るが、図示の実施形態の各ピエゾ作動器２２０、２２４は、バー２２６、２２８をそれぞれ駆動することができる。各バー２２６、２２８は、フォロア２３０、２３２にそれぞれ連結されており、各フォロア２３０、２３２は、Ｘ及びＹ部分２００、２０２の各第２プラットフォーム２１４、２１８に連結されている。フォロア２３０、２３２とプラットフォーム２１２、２１４、２１６、２１８は、フォロア２３０、２３２とプラットフォーム２１２、２１４、２１６、２１８の間のこの関係が実現できれば、どの様な形状でもよい。図示の実施形態では、第１プラットフォーム２１２、２１６は、それぞれ、窪み２３４、２３６を含んでおり、第２プラットフォーム２１４、２１８は、それぞれ、突起２３８、２４０を含んでおり、第２プラットフォーム２１４又は２１８を第１プラットフォーム２１２又は２１６に対して動かす際に、突起は、各窪み２３４、２３６に嵌り込み、それに沿って動くようになっている。更に、図示の実施形態では、Ｘ部分２００とＹ部分２０２は、それぞれ、２つの窪み２３４、２３６と、２つの対応する突起２３８、２４０を含んでおり、各窪み２３４、２３６と各突起２３８、２４０は、ぐらつきを最小にし、安定性を高めるために段が付いている。別の実施形態では、（もし採用されていれば）任意の形状を有する任意の数の窪み２３４、２３６と突起２３８、２４０が、同一又は同様の機能を実現するために用いられている。バー２２６、２２８、フォロア２３０、２３２、窪み２３４、２３６、及び突起２３８、２４０の具体的な構造を、一例に過ぎないが、図１５−１８に示しており、Ｘ部分２００とＹ部分２０２の正確で反復可能な運動は、様々な他の構造体を使っても実現できるものと理解されたい。

図１９Ａ−１９Ｃは、図示の実施形態からの、Ｘ部分２００の作動器２２０の各部分を示している。Ｙ部分２０２の作動器２２４とその関係する要素は、同様の方式で機能する。作動器２２０は、バー２２６を保持し、バー２２６を、伸張及び／又は収縮させることによってＸ方向に沿って動かすことができる２つ又はそれ以上のクランプ要素２４４を使用することによって機能する。この工程を繰り返すことによって、バー２２６を、非常に高い精度でＸ方向に相当な距離、動かすことができる。図１９Ａ−１９Ｃの運動方向は、矢印２５０で示されている。或る実施形態では、クランプ要素２４４は、正確な運動と再現性のパラメーターを有する圧電材料で形成されている。従って、バー２２６は、一連のクランプ、運動、及び解除作用によって動かされる。或る実施形態では、バー２２６は、毎秒数ミリメーター程度の解像度を達成できる割りには、迅速に動かすことができる。

図１９Ａ−１９Ｃに図示している実施形態のクランプ要素２４４は、略円筒形であり、内径を小さくし（「閉じ」）てバー２２６の外周に嵌合させることによって、バー２２６の周囲にクランプさせることができる。図示の実施形態の作動において、第１クランプ要素２４６は、図１９Ａに示す様に、バー２２６の回りで閉じており、第２クランプ要素２４８は開いている。図１９Ｂに示す様に、次いで第１クランプ要素２４６が開き、第２クランプ要素２４８はバー２２６の回りで閉じる。次いで第２クランプ要素２４８は、図１９Ｂに示す様に、長さが伸び、成長するように向けられる。第２クランプ要素２４８が伸びると、第１クランプ要素２４６は開いたままなので、バー２２６を矢印２５０の方向に動かす。第２クランプ要素２４８がバー２２６を、図１９Ｃに示す或る距離２５２だけ動かした後で、第１クランプ要素２４６は、バー２２６の回りで閉じ、第２クランプ要素２４８は、開いて、図１９Ｃに示すその元の状態と位置に戻るように収縮するので、サイクルが繰り返される。サイクルは、無制限に繰り返され、通常は、バー２２６の真直度によってのみ制限される。このピエゾインチワーム機構は、運動の、ナノメーター規模の精度と再現性を提供する。各サイクル毎に、バー２２６は、距離２５２だけ動かすことができる。Ｘ部分２００の運動制御機構内にエンコーダー（例えば、光学エンコーダー、レーザー干渉計、又は何らかの他の適したエンコーダー）を組み込むことによって、運動の度合いを非常に正確に追跡することができ、バー２２６を、ナノメーター規模の解像度を有する元の座標に戻すことができる。

Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０の運動は、制御器１２２によって制御することもできるし、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０は、図１５に示す様に、１つ又は複数の局所制御器によって制御することもできる。例えば、或る実施形態では、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ１１０は、Ｘ−Ｙ制御器２５１によって制御されている。或る実施形態では、Ｘ部分２００は、Ｘ制御器２５３によって独立して制御されており、或る実施形態では、Ｙ部分２０２は、Ｙ制御器２５５によって独立して制御されている。

図２０は、図１４に示しているＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＺ部分２０４の或る実施形態を示している。Ｚ部分２０４は、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０に連結され、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０を形成しているので、Ｚ部分２０４は、ここでは、Ｚステージ位置決めアッセンブリ２０４と呼ばれることもある。図２０に示す様に、或る実施形態では、Ｚ部分２０４は、ベース２６０と、ベース２６０に対してＺ方向に上向き及び下向きに移動可能なプラットフォーム２６２を含んでいる。ベース２６０とプラットフォーム２６２は、プラットフォーム２６２がベース２６０に対してＺ方向に動かされるときに成長又は縮小する溝２６４によって分離されている。図１４に示す様に、Ｚ部分２０４のベース２６０は、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリ２１０に、具体的にはＹ部分２０２の第２プラットフォーム２１８に、連結されている。ステージ１１２は、プラットフォーム２６２に連結されており、それと共に移動可能である。図２０に示すＺ部分２０４は、複数の取付孔２６３を含んでいるが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０とベース１２４の間の接続に関連付けて先に述べた方式を含め、多種多様な方式で、Ｚ部分２０４をステージ１１２に連結できるものと理解されたい。

或る実施形態では、プラットフォーム２６２は、ステージ１１２と、ステージ１１２上に配置又は支持されている基板１１４を、約２０ｎｍ未満の空間解像度で動かせ、或る実施形態では、１０ｎｍ未満の空間解像度で動かせ、又或る実施形態では、約１ｎｍの空間解像度で動かせるように、正確且つ反復可能な様式でＺ方向に動かすことができる。或る実施形態では、プラットフォーム２６２は、ベース２６０に対して、約２００ミクロン未満の合計距離だけ、或る実施形態では、約１００ミクロン未満の合計距離だけ、又或る実施形態では、約５０ミクロン未満の合計距離だけ動かすことができる。或る実施形態では、プラットフォーム２６２は、反復性の全範囲が、約＋／−１００ｎｍ未満であり、或る実施形態では、約＋／−５０ｎｍ未満であり、又或る実施形態では、約＋／−２０ｎｍ未満である。或る実施形態では、この合計運動範囲、空間解像度、及び反復性を実現できるＺ部分２０４は、ピエゾ撓みナノ位置決め器（例えば、ＰＩから入手可能な製品番号Ｐ−７６２ＴＬの垂直ＰＺＴ撓みステージ）である。しかしながら、代わりに、同じ又は匹敵する空間解像度及び運動範囲を提供するのに、Ｘ及びＹ部分２００、２０２の作動器に関連付けて先に述べた作動器を含め、数多くの他の電動作動器を使用することもできる。

図２１は、図２０のＺ部分２０４の概略図で、Ｚ部分２０４に用いることのできる運動制御機構（即ち、ピエゾ撓み機構）の１つの実施形態を示している。或る実施形態では、撓み機構は、ヒンジ２６６とレバー２６８を含んでいる。或る実施形態では、ヒンジ２６６は、（例えば、金属又はポリマー部分を機械加工又はモールド成形することにより）１つの部品に形成することのできる可動ヒンジである。ヒンジ２６６とレバー２６８は、プラットフォーム２６２がベース２６０に対して動くことができるようにしている。

或る実施形態では、プラットフォーム２６２の運動は、プラットフォーム２６２の或る特定の位置に力を掛けるピエゾセラミック装置（例えば、ピエゾバイモルフスタック）を使って実現することができる。ピエゾセラミック装置は、ピエゾ膨張の関数として所望の運動の程度を得るため、Ｚ部分２０４内の様々な場所に取り付けることができる。ヒンジ２６６は、最小の材料劣化で屈曲を繰り返すことができる材料と寸法で形成される。複数のヒンジ２６６とレバー２６８は、Ｚ部分２０４内に用いられ、プラットフォーム２６２をＺ方向（図２１の矢印２７０参照）に動かすためＺ部分２０４全体に配置される。

Ｚ部分２０４、特にプラットフォーム２６２の運動は、制御器１２２によって制御される。しかしながら、或る実施形態では、Ｚ部分２０４は、制御器１２２に加えて、又は、代わりに、局所制御器２７２によって制御される。或る実施形態では、局所制御器２７２は、線形可変差動変換器（ＬＶＤＴ）又は他の位置監視装置を含んでおり、この装置は、プラットフォーム２６２の運動を監視及び制御するため変位フィードバック回路を含んでいる。この点で、ＬＶＤＴ又は他の位置監視装置は、その様な配列器装置の運動を監視及び制御するために、Ｘ部分２００、Ｙ部分２０２、及び／又はＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６に連結することもできる。

或る実施形態では、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６は、取付プレート１２０とＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の可動プレート１６４とをステージ１１２上に又はそれに支持されている基板１１４の比較的近くに動かすことによって、プリントヘッド１０８（及び、従って、ＳＰＴ１４６）を動かす役を担っている。その様な実施形態のＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６は、プリントヘッド１０８を大まかに動かす役を全体的に担っており、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０が実現するよりも大きい空間解像度を含んでいる。制御器１２２は、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の位置を動かし、制御するのに用いられる。プリントヘッド１０８が材料を付着させる（及び／又は、或る実施形態では、そこから装填する）基板１１４に近接して配置された後、制御器１２２は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０を制御して、ステージ１１２、従って基板１１４をＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に動かし、材料を基板１１４から装填させるか、又は材料をＳＰＴ１４６から基板１１４に付着させるのに用いられる。

或る実施形態では、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、基板１１４上に１つ又は複数のスポットの配列を付着させるため、繰り返し動かされる。この工程によって作られる配列は、少なくとも２つのスポットと、約２０ｎｍの様に小さい解像度で、且つそれぞれが或る実施形態では約２５０ｎｍから約２５ミクロンのスポットサイズ（但し、スポットの大きさは、それより小さくても大きくても可能である）となるように様々なパターン又は形状に付着された数千（又はそれ以上）ものスポットを含んでいる。

更に、或る実施形態では、ＳＰＴ１４６は、材料を線の形で付着させることができる。その様な実施形態では、線は、約２５０ｎｍから、或る実施形態での約５０ミクロンの太さを有している（但し、線は、それより太くても細くてもよい）。スポット、線、及びその組み合わせは、様々な設計又はパターンを基板１１４上に作るのに用いられる。

図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態では、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ステージ１１２（及びその上又はそれによって支持されている基板）を、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＸ及びＹ部分２００、２０２に連結されているピエゾ作動器２２０、２２４を使用することによって可能となっている比較的高い解像度で、Ｘ及びＹ方向に位置決めするようになっている。更に、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態では、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ステージ１１２をＺ方向に、Ｚ部分２０４のピエゾ撓みステージを使用することによって可能となる比較的高い解像度で位置決めするようになっている。この実施形態では、取付プレート１２０（及びＳＰＴ１４６と、そこに連結されている他の配列器構成要素）を動かし、位置決めするのに用いられるＺプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の作動器は、解像度位置決め能力が低い。Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６とＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０用の作動器型式の選択は、少なくとも部分的には、その様な構成要素の所望の運動の精度と所望の最大速度に基づいている。

例えば図６−９Ａと図１３−２１に関して、高速だが精度の劣る（場合によっては安価な）作動器を、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６を駆動するのに用い、低速だがが精度の高い（場合によっては、高価な）作動器を、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＸ、Ｙ、及び／又はＺ部分２００、２０２、２０４を駆動するのに用いることもできる。この様にすると、ＳＰＴ１４６とステージ１１２の相対位置は、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６の作動器によって相当に、比較的迅速に変えることができ、一方、ＳＰＴ１４６とステージ１１２の間のより正確な相対運動は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の作動器によって達成することができる。従って、ＳＰＴ１４６を、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０に連結されている作動器よりも高速の作動器に（例えば、プリントヘッド１０８を介して）連結し、動かせば、配列器１００を大まかに調整することができる。同様に、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０を、ＳＰＴ１４６に連結され、それを駆動する作動器より精度の高い（ただし、恐らくは遅い）１つ又は複数の作動器に連結し、動かせば、配列器１００を細かに調整することができる。

しかしながら、別の実施形態では、ステージ１１２とＳＰＴ１４６を動かして位置決めするのに異なる型式の作動器を用いることによって、その様な大まか且つ細かい調整が可能である。例えば、ＳＰＴ１４６も、或いは代わりにＳＰＴ１４６を、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２に関連付けて先に述べた何れかの電動作動器に連結してＺ方向に駆動させると、Ｚプリントヘッド位置決めアッセンブリ１１６を高い位置決め解像度にすることができる。別の例として、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２の一方又は両方を、ボールねじ線形作動器、サーボモーター、ステッパモーター、又は、各制御器又は制御器１２２に連結され制御される他の作動器に連結し、それぞれ、Ｘ及びＹ方向に駆動することもできる。この様にすれば、Ｘ及びＹ部分２００、２０２は、ＳＰＴ１４６に対する所望の位置への出入りがより迅速になるが、それでもなお、各ピエゾ作動器２２０、２２４により高い解像度で動かすことができる。

Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＸ、Ｙ、Ｚ部分１００、１０２、１０４を動かすのに用いられる何れの作動器も、比較的精度が低い作動器（例えば、ボールねじ線形作動器、サーボモーター、ステッパモーター）又は比較的精度が高い作動器（例えば、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２に関連付けて先に述べた電動作動器）と置き換え又はこれに補足することができる。しかしながら、ＳＰＴ１４６及び／又はＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ＳＰＴ１４６及び／又はＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の間のＸ、Ｙ、Ｚ方向それぞれの相対運動に関して述べた様に、比較的精度が高い少なくとも１つの作動器に連結され、駆動されるのが望ましい。更に、ＳＰＴ１４６及び／又はＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０は、ＳＰＴ１４６とＸ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０の間のＸ、Ｙ、Ｚ方向の内の少なくとも１つの方向での比較的速い運動に合わせて高速で動くことができる少なくとも１つの作動器（例えば、ボールねじ線形作動器、サーボモーター、ステッパ電動機など）を有していることが望ましい。

図６−９Ａと図１３−２１の実施形態で示すＳＰＴ１４６は、Ｚ方向に運動させるために連結され、一方、ステージ１１２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に運動させるために連結されているが、別の実施形態では、ＳＰＴ１４６は、Ｘ及び／又はＹ方向に運動させるために連結され、ステージ１１２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ全ての方向より少ない運動をさせるために連結されている。この点で、ＳＰＴ１４６又はステージ１１２の一方は静止しており（例えば、Ｚ方向には動けない）、その場合、これらの２つの配列器構成要素の内の他方は、図６−９Ａと図１３−２１に図示の実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２に関連付けて先に述べた比較的高精度の電動作動器の何れかによって運動させるために連結される。他の実施形態では、ＳＰＴ１４６とステージ１１２の両方が、その様な高精度の電動作動器に連結され、駆動される。

更に、或る実施形態では、ＳＰＴ１４６は、ここに述べた何れかの型式の作動器によってＸ方向に動かすことができる。或る実施形態では、その様な作動器は、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２に関連付けて先に述べた様な、比較的高い精度を有している。その様な場合、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＸ部分２００は、必要であれば静止していてもよく、或いは、必ずしも採用される必要は全くない。

同様に、或る実施形態では、ＳＰＴ１４６も、或いは代わりにＳＰＴ１４６は、ここに述べた何れかの型式の作動器によってＹ方向に動かすことができる。或る実施形態では、その様な作動器は、図６−９Ａと図１３−２１に示す実施形態のＸ及びＹ部分２００、２０２に関連付けて先に述べた様な、比較的高い精度を有している。その様な場合、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリ１１０のＹ部分２０２は、必要であれば静止していてもよく、或いは、必ずしも採用される必要は全くない。

ここで説明し、図示している様々な配列器の実施形態に関していえば、その様な実施形態の１つ又は複数の作動器は、他の作動器と独立して制御することができる。或る実施形態では、各作動器は、他の作動器とは独立して制御することができるので、ＳＰＴ１４６とステージ１１２の相対運動を相当な程度に制御することができる。

ここに述べた情報と例は、説明を目的としており、本発明の概念的文脈に含まれる派生物又は代替方法を排除する意図は無い。本発明の範囲から逸脱することなく、この実施形態に、様々な変更を加えることも考えられる。従って、本発明の範囲は、この実施形態に関する以上の説明ではなく、特許請求の範囲の内容によって定めるものとする。本発明の様々な特徴と態様については、特許請求の範囲で述べる。

本発明の一つの実施形態の様々な構成要素を示すブロック図である。 本発明の一つの実施形態の器具の正面図である。 図３Ａは、本発明の一つの実施形態のＸ、Ｙ制御器の斜視図である。

図３Ｂは、本発明の一つの実施形態のＸ、Ｙ並進ステージの斜視図である。
本発明の一つの実施形態の付着探針の斜視図である。 本発明の或る実施形態による湿度制御器の構成要素を示すブロック図である。 本発明の別の実施形態による配列器の斜視図である。 図６の配列器用の支持体である。 図６の配列器の部分分解図である。 図９Ａは、本発明の或る実施形態によるプリントヘッドの分解図である。

図９Ｂ―９Ｇは、本発明の一つの実施形態による環境制御システムの各種図面である。
本発明の別の実施形態によるプリントヘッドの分解図である。 図１０のプリントヘッドの代替分解図である。 図１２Ａは、本発明の別の実施形態によるプリントヘッドの組み立て図である。

図１２Ｂは、本発明の一つの実施形態による表面パターン形成ツールの斜視図である。
本発明の或る実施形態によるＺプリントヘッド位置決めアッセンブリの分解図である。 本発明の或る実施形態による、Ｘ−Ｙステージ位置決めアッセンブリとＺステージ位置決めアッセンブリを含む、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ位置決めアッセンブリの斜視図である。 図１４のＸ−Ｙステージ位置決めアッセンブリの斜視図である。 図１４のＸ−Ｙステージ位置決めアッセンブリの上面図である。 図１４のＸ−Ｙステージ位置決めアッセンブリの側面図である。 図１４のＸ−Ｙステージ位置決めアッセンブリのもう一方の側面図である。 図１９Ａ−Ｃは、本発明の或る実施形態による、図１４−１８のＸ−Ｙステージ位置決めアッセンブリの運動制御のための機構の概略図である。 図１４のＺステージ位置決めアッセンブリの斜視図である。 本発明の或る実施形態による、図１４と図２０のＺステージ位置決めアッセンブリの運動制御のための機構の概略図である。

Claims (20)

1. 材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成するためのシステムにおいて、
   支持体と、
   前記支持体に連結されており、前記材料を前記基板上に付着させるようになっている表面パターン形成ツールと、
   制御器と、
   前記制御器に電気的に連結され、それによって制御される第１、第２、及び第３作動器と、を備えており、
   前記第１、第２、及び第３作動器は、前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してそれぞれＸ、Ｙ、及びＺ方向に動かすように操作することができ、前記基板は、前記第１、第２、及び第３作動器によって、前記表面パターン形成ツールに対して異なる位置へ動かすことができ、材料は、前記表面パターン形成ツールから前記基板の異なる位置それぞれに、前記所望の表面パターンを画定するために移すことができる、システム。
2. 前記第１、第２、及び第３作動器の内の少なくとも１つは、圧電作動器である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１及び第２作動器は、圧電作動器である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記制御器と前記表面パターン形成ツールに連結されており、前記表面パターン形成ツールを前記基板に対して動かすように操作することができる第４作動器を更に備えている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第４作動器は、前記表面パターン形成ツールを、前記基板に対して前記Ｚ方向に動かすように操作することができる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第４作動器は、前記第１、第２、及び第３作動器とは独立して操作することができる、請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１、第２、及び第３作動器は、互いに対して独立して操作することができる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１作動器に連結されており、前記第１作動器によって、前記表面パターン形成ツールに対して動かすことができるプラットフォームを更に備えている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記第２作動器に連結されており、前記第２作動器によって、前記第１プラットフォームに対して動かすことができる第２プラットフォームを更に備えている、請求項８に記載のシステム。
10. 材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成するためのシステムにおいて、
    支持体と、
    前記支持体に連結されており、前記材料を前記基板上に付着させるようになっている表面パターン形成ツールと、
    制御器と、
    前記制御器に電気的に連結され、それによって制御される第１及び第２圧電作動器と、を備えており、
    前記第１及び第２圧電作動器は、前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してそれぞれＸ及びＹ方向に動かすように操作することができ、前記基板は、前記第１及び第２圧電作動器によって、前記表面パターン形成ツールに対して異なる位置へ動かすことができ、材料は、前記表面パターン形成ツールから前記基板の異なる位置それぞれに、前記所望の表面パターンを画定するために移すことができる、システム。
11. 前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してＺ方向に動かすように操作することができる第３圧電作動器を更に備えている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記制御器と前記表面パターン形成ツールに連結されており、前記表面パターン形成ツールを前記基板に対して動かすように操作することができる第３作動器を更に備えている、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記第３作動器は、前記表面パターン形成ツールを、前記基板に対してＺ方向に動かすように操作することができる、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第３作動器は、前記第１及び第２作動器とは独立して操作することができる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第１及び第２作動器は、互いに対して独立して操作することができる、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記第１作動器に連結されており、前記第１作動器によって、前記表面パターン形成ツールに対して動かすことができるプラットフォームを更に備えている、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記第２作動器に連結されており、前記第２作動器によって、前記第１プラットフォームに対して動かすことができる第２プラットフォームを更に備えている、請求項１６に記載のシステム。
18. 材料を基板上に付着させ、所望の表面パターンを作成する方法において、
    前記材料を表面パターン形成ツール上に装填する段階と、
    第１作動器を作動させて、前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してＸ方向に動かす段階と、
    第２作動器を作動させて、前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してＹ方向に動かす段階と、
    第３作動器を作動させて、前記基板を、前記表面パターン形成ツールに対してＺ方向に、前記表面パターン形成ツールに対して或る位置まで動かす段階と、
    前記材料を、前記表面パターン形成ツールから前記基板へ移す段階と、から成る方法。
19. 前記第１及び第２作動器の内の少なくとも一方は、圧電作動器である、請求項１８に記載の方法。
20. 第１プラットフォームと第２プラットフォームを、前記第１作動器を介して動かす段階と、
    前記第２プラットフォームを、前記第２作動器を介して動かし、前記第２プラットフォームを、前記第１プラットフォームと前記表面パターン形成ツールに対して動かす段階と、を更に備えている、請求項１８に記載の方法。

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