JP2009511893A - 微小移動の測定用の装置および方法 - Google Patents
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Abstract
微小移動測定装置は、その移動が測定される検体(107)に連結されるプローブの先端または平板などの第1の要素を有する。第2の要素(104)は、第1の要素に隣接して配置され、第1の要素と第2の要素との間の空隙(108)を形成する。検体および第1の要素が測定要素から徐々に離れると、空隙のサイズが大きくなり、第2の要素は繰り返し上方に移動し、空隙を元のサイズまで回復する。これらの反復される、測定要素(104)のわずかな量子化された移動はカウントされ、検体(107)がどれくらい移動したかを示すために用いられる。他の実施形態においては、第1の要素は徐々に第2の要素に近づくように移動してもよく、その場合、第2の要素は繰り返し離れるように移動する。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
微小移動または線形変位を高精度で測定するための従来の装置およびトランスデューサが、干渉分光法、キャパシタンスまたは量子トンネル効果を利用する分野で知られている。
X線干渉計は、現在のところ、ピコメートルスケールという最高の感度を提供している。
しかし、これらの干渉計は、非常に大きく、扱いにくく、高価である。
したがって、これらの干渉計は、複雑かつ厳密な機械の設置と部品構成を必要としているため、多くの状況や利用分野に用いるには実用性に欠ける。
しかし、これらの干渉計は、非常に大きく、扱いにくく、高価である。
したがって、これらの干渉計は、複雑かつ厳密な機械の設置と部品構成を必要としているため、多くの状況や利用分野に用いるには実用性に欠ける。
容量性の微小移動測定装置は、微小移動によってコンデンサのプレート間の離間距離が変わり、この結果生じるキャパシタンスの変化を利用して動作する。
このキャパシタンスの変化が検出されて、プレートの変位量の計算に使用される。
一般に、容量性の微小移動測定装置の感度が上がるほど、測定可能な測定レンジが狭くなることがわかっている。
このキャパシタンスの変化が検出されて、プレートの変位量の計算に使用される。
一般に、容量性の微小移動測定装置の感度が上がるほど、測定可能な測定レンジが狭くなることがわかっている。
ソビエト発明者証947 626号明細書は、1mmのオーダーの比較的広い測定レンジにわたる、サブミクロンスケールの微小移動測定装置を開示している。
この装置は、微小移動が発生したときの一対の接点間の物理的接触および電気的接触の損失の検出を行ない、接点を一緒に押し戻し、物理的接触および電気的接触を復元するスプリングを使用している。
この装置では、接点を一緒に押し戻すスプリングによって、接点に弾性微小ひずみおよび微小変形が生じたり、接点に電気的腐食が発生して、その形状が変わり、測定の測定精度および安定性が低下しかねない。
この装置は、微小移動が発生したときの一対の接点間の物理的接触および電気的接触の損失の検出を行ない、接点を一緒に押し戻し、物理的接触および電気的接触を復元するスプリングを使用している。
この装置では、接点を一緒に押し戻すスプリングによって、接点に弾性微小ひずみおよび微小変形が生じたり、接点に電気的腐食が発生して、その形状が変わり、測定の測定精度および安定性が低下しかねない。
走査トンネル顕微鏡(STM)などの量子トンネル装置には、測定レンジが数ナノメータのオーダーであり、狭いという欠点がある。
このレンジは、圧電材料を利用して、STMプローブの先端を移動させることによって拡げることができる。
しかし、微小移動をこのように測定するためには、極めて高い精度で正確に制御可能な圧電材料が必要となる。
STMに関連する別の問題に、その大きさ、複雑さおよびコストがあり、特定の状況や利用分野では、これらを事実上使用することができない。
このレンジは、圧電材料を利用して、STMプローブの先端を移動させることによって拡げることができる。
しかし、微小移動をこのように測定するためには、極めて高い精度で正確に制御可能な圧電材料が必要となる。
STMに関連する別の問題に、その大きさ、複雑さおよびコストがあり、特定の状況や利用分野では、これらを事実上使用することができない。
本発明に最も近い先行技術は、国際公開第02/42800号明細書である。
同文献は、微小移動を受けている被検物によって生じる、界磁電子放出電流の遮断を検出して動作する微小移動測定装置を開示している。
微小移動後に、界磁電子放出電流を復旧させるように、固定電磁石と引張り電磁石を利用して、先端同士を十分に接近させる。
同文献は、微小移動を受けている被検物によって生じる、界磁電子放出電流の遮断を検出して動作する微小移動測定装置を開示している。
微小移動後に、界磁電子放出電流を復旧させるように、固定電磁石と引張り電磁石を利用して、先端同士を十分に接近させる。
本発明は、その最も広い形態として、独立請求項の特徴部分に記載されているその特徴によって特徴づけられる。
本発明に係る装置は、線形および角度の両方について、非常に高精度かつ高感度の微小移動測定を提供する。
本発明に従って製造された装置は、大気圧センサなどの圧力センサ、超低周波センサ、ソリトン波センサ、剪断波センサ、圧力波センサ、地震活動センサ、盗難警報機、温度センサ、湿度センサ、重力センサ、加速度計、力センサ、電界センサ、磁界センサ、重力波センサなど、膨大な数の分野に用途があることが予想されるが、これらに限定されない。
移動検出を微小駆動装置と併用すると、可能な利用分野の数は更に増える。
移動範レンジが数ナノメートルの現在利用可能なアクチュエータは滑ることが多いため、このような移動を別個の装置によってモニタすることが必要となる。
アクチュエータと測定システムの組み合わせの考えられる利用分野には、以下のようなものがある。
ライフサイエンス、医学および生物学の分野では、走査顕微鏡、パッチクランプ、遺伝子操作、細胞穿通、微小投薬がある。
半導体およびマイクロエレクトロニクスの分野では、ナノ計測、ウェハおよびマスクの位置決め/位置合わせ、微少寸法測定、マイクロリソグラフィ、検査システム、振動防除がある。
光学、フォトニクス、光ファイバ計測および測定技術の分野では、光ファイバの位置合せおよびスイッチング、像安定化、適応光学、走査顕微鏡、オートフォーカスシステム、干渉分光法、適応および能動光学、レーザチューニング、ミラーの位置決めがある。
精密機械および機械工学の分野では、ファストツールサーボ、非円仕上げ(ボーリング、ドリリング、ターニング)振動防除、スマートストラクチャ/ストラクチャ変形、摩耗補正、ニードル弁の駆動、マイクロポンプ、押出加工装置のナイフエッジ制御、微小彫刻システムがある。
移動範レンジが数ナノメートルの現在利用可能なアクチュエータは滑ることが多いため、このような移動を別個の装置によってモニタすることが必要となる。
アクチュエータと測定システムの組み合わせの考えられる利用分野には、以下のようなものがある。
ライフサイエンス、医学および生物学の分野では、走査顕微鏡、パッチクランプ、遺伝子操作、細胞穿通、微小投薬がある。
半導体およびマイクロエレクトロニクスの分野では、ナノ計測、ウェハおよびマスクの位置決め/位置合わせ、微少寸法測定、マイクロリソグラフィ、検査システム、振動防除がある。
光学、フォトニクス、光ファイバ計測および測定技術の分野では、光ファイバの位置合せおよびスイッチング、像安定化、適応光学、走査顕微鏡、オートフォーカスシステム、干渉分光法、適応および能動光学、レーザチューニング、ミラーの位置決めがある。
精密機械および機械工学の分野では、ファストツールサーボ、非円仕上げ(ボーリング、ドリリング、ターニング)振動防除、スマートストラクチャ/ストラクチャ変形、摩耗補正、ニードル弁の駆動、マイクロポンプ、押出加工装置のナイフエッジ制御、微小彫刻システムがある。
本発明は、多くの方法で実行することができ、ここに、複数の特定の実施形態を、図面を参照して例として記載する。
図1は、本発明に係る微小移動測定装置の第1実施形態に使用している測定回路100の模式図である。
図に概略的に示すように、この装置は、縦に位置合わせされた可動の測定要素104と感受要素105を備える。これらの要素は、測定要素104の測定先端102が、感受要素105の感受先端103の近くに配置されるように、接近して配置されている。
測定先端と感受先端は、狭い空隙108をあけて離間されており、この空隙は、数ナノメートル、より好ましくは、数オングストロームのオーダーなどである。
シグナルプロセッサ101が、測定先端に動作電圧を印加し、この結果、(空隙108が十分に小さな場合)空隙を通って、感受先端103、アース110へと電流が流れる。電流が流れる空隙108の大きさは、明らかなように、先端102に印加される動作電圧によって決まり、空隙が広すぎる場合には電流は全く流れない。
測定先端と感受先端は、狭い空隙108をあけて離間されており、この空隙は、数ナノメートル、より好ましくは、数オングストロームのオーダーなどである。
シグナルプロセッサ101が、測定先端に動作電圧を印加し、この結果、(空隙108が十分に小さな場合)空隙を通って、感受先端103、アース110へと電流が流れる。電流が流れる空隙108の大きさは、明らかなように、先端102に印加される動作電圧によって決まり、空隙が広すぎる場合には電流は全く流れない。
印加される動作電圧の大きさは、特定の利用分野に応じて、実験によって選択されうるが、一般に、ミリボルトの範囲(例えば50mV)など、1V未満の弱い電圧を印加することが最も好ましい。
この電圧は、金(Au)の先端の沸騰(0.9V)、融解(0.43V)および軟化(0.08V)を引き起こす電圧よりも低い(Kholm R., Electrical contacts, Moscow, 1961参照)。
このため、このような低電圧を用いることにより、電気的接点の沸騰/融解および軟化と、その形状の変化によって、先端の歪みが低減し、その結果生じる測定誤差が低減される。
高い電圧を使用する場合には、どのような場合でも、先端間に電子の急激な増加が生じないように、電圧を十分に低くするように注意する必要がある。この理由は、これにより先端から原子が引き剥がされて、先端の形状が歪んでしまい、空隙の大きさの精度が変わってしまうと共に、空隙を流れる電流が不必要に変動および急増してしまう可能性があるからである。
先端は、好ましくは、開口角度60°〜180°の円錐形である。
これにより、先端から良好に熱が放出されると共に、その形状の安定性が向上し、先端の性能の信頼性が高くなる。
この電圧は、金(Au)の先端の沸騰(0.9V)、融解(0.43V)および軟化(0.08V)を引き起こす電圧よりも低い(Kholm R., Electrical contacts, Moscow, 1961参照)。
このため、このような低電圧を用いることにより、電気的接点の沸騰/融解および軟化と、その形状の変化によって、先端の歪みが低減し、その結果生じる測定誤差が低減される。
高い電圧を使用する場合には、どのような場合でも、先端間に電子の急激な増加が生じないように、電圧を十分に低くするように注意する必要がある。この理由は、これにより先端から原子が引き剥がされて、先端の形状が歪んでしまい、空隙の大きさの精度が変わってしまうと共に、空隙を流れる電流が不必要に変動および急増してしまう可能性があるからである。
先端は、好ましくは、開口角度60°〜180°の円錐形である。
これにより、先端から良好に熱が放出されると共に、その形状の安定性が向上し、先端の性能の信頼性が高くなる。
関連している物理学の理論は正確には解明されていないものの、極めて短い間隔を流れる電流は、量子トンネルのみによって生ずるわけではない(実際、量子トンネルも起こる)と考えられている。
通常、量子トンネル装置は、数ナノメートルのオーダーの間隔を使用しているが、本装置では、その10分の1、すなわち数オングストロームの空隙を利用している。
好ましくは、空隙108は、10Å未満であり、例えば約5Å、2Åまたは1Åなどである。
1Å未満の空隙を使用することも可能である。
本発明の実施形態において、空隙を流れる電流は、電界電子放出(FEE)電流と呼ばれる。
通常、量子トンネル装置は、数ナノメートルのオーダーの間隔を使用しているが、本装置では、その10分の1、すなわち数オングストロームの空隙を利用している。
好ましくは、空隙108は、10Å未満であり、例えば約5Å、2Åまたは1Åなどである。
1Å未満の空隙を使用することも可能である。
本発明の実施形態において、空隙を流れる電流は、電界電子放出(FEE)電流と呼ばれる。
感受要素105の遠端には、薄い可撓膜106が取り付けられており、これは、通常円形であり、その円周の周囲で、固定膜マウント111によって取り付けられている。
感受先端103からみて膜の遠い側の感受要素105の端に、被検物107が固定または当接されている。
この装置の目的は、被検物107のごく僅かな移動を検出および測定することにある。
感受先端103からみて膜の遠い側の感受要素105の端に、被検物107が固定または当接されている。
この装置の目的は、被検物107のごく僅かな移動を検出および測定することにある。
下記で更に詳細に後述するように、図2〜図7を参照すると、本発明は、その各種実施形態において、被検物107が図1の矢印112の方向に移動したときの、シグナルプロセッサ101からグラウンド110に流れる電流の遮断を検出して、微小移動を測定する。
被検物が矢印の方向に移動すると、感受要素105も付随して移動し、これにより、空隙108の大きさが広がる。
ある時点で、空隙の大きさが広がりすぎて電流が流れなくなり、この電流の遮断または停止がシグナルプロセッサ101によって検出される。
この時点で、測定要素104が縦に移動して、空隙の大きさが再び縮まる。
(先端同士が実際に接触するよりも先に)所定の臨界間隔に達すると、電流が再び流れ始め、測定要素104がその位置に固定される。
この過程が繰り返され、測定要素104が被検物107に付随して徐々に、しかしステップ式に移動される。
シグナルプロセッサがこのステップをカウントし、このステップ数を距離に変換する。
この距離が、被検物107が移動した距離を表す値とみなされる。
被検物が矢印の方向に移動すると、感受要素105も付随して移動し、これにより、空隙108の大きさが広がる。
ある時点で、空隙の大きさが広がりすぎて電流が流れなくなり、この電流の遮断または停止がシグナルプロセッサ101によって検出される。
この時点で、測定要素104が縦に移動して、空隙の大きさが再び縮まる。
(先端同士が実際に接触するよりも先に)所定の臨界間隔に達すると、電流が再び流れ始め、測定要素104がその位置に固定される。
この過程が繰り返され、測定要素104が被検物107に付随して徐々に、しかしステップ式に移動される。
シグナルプロセッサがこのステップをカウントし、このステップ数を距離に変換する。
この距離が、被検物107が移動した距離を表す値とみなされる。
図2は、本発明に係る微小移動測定装置の第1実施形態200の模式図である。
この装置は、シグナルプロセッサ201、測定先端202、感受先端203、可動測定要素204、感受要素205、可撓膜206、および微小移動を測定する被検物207を備えた、上記に詳述した測定回路を備える。
この装置は、シグナルプロセッサ201、測定先端202、感受先端203、可動測定要素204、感受要素205、可撓膜206、および微小移動を測定する被検物207を備えた、上記に詳述した測定回路を備える。
また、この装置は、固定電磁石208、押出し電磁石209、およびガイド部材210も備える。
測定要素204は、ガイド部材210に収納されており、ガイド部材210は、測定要素が、ガイド部材の長軸方向に自由に移動できるようにするが、横への移動を禁止する。
測定要素204の基端は、測定要素がガイド部材の長軸方向に自由移動できるようにする測定要素支持部(図示せず)に連結されうる。
測定要素204は、ガイド部材210に収納されており、ガイド部材210は、測定要素が、ガイド部材の長軸方向に自由に移動できるようにするが、横への移動を禁止する。
測定要素204の基端は、測定要素がガイド部材の長軸方向に自由移動できるようにする測定要素支持部(図示せず)に連結されうる。
シグナルプロセッサ201が、固定電磁石208に電気的に接続されている。
この実施形態では、測定要素204は、シグナルプロセッサ201から励磁電流が印加されて励磁され、固定電磁石の周りに磁界が生成されたときに、固定電磁石に向かい、ガイド部材の長手方向に直交する方向に、固定電磁石が測定要素を引き寄せることを可能にする磁性材料部分211を更に有する。
これにより、測定要素がガイド部材に押される。
この力と、測定要素とガイド部材と間の摩擦の結果、測定要素が、任意の選択された定位置に保持されうる。
測定要素の固定手段として電磁石を使用することによって、円滑かつ制御可能なクランプ力を加えることができる。
この実施形態では、測定要素204は、シグナルプロセッサ201から励磁電流が印加されて励磁され、固定電磁石の周りに磁界が生成されたときに、固定電磁石に向かい、ガイド部材の長手方向に直交する方向に、固定電磁石が測定要素を引き寄せることを可能にする磁性材料部分211を更に有する。
これにより、測定要素がガイド部材に押される。
この力と、測定要素とガイド部材と間の摩擦の結果、測定要素が、任意の選択された定位置に保持されうる。
測定要素の固定手段として電磁石を使用することによって、円滑かつ制御可能なクランプ力を加えることができる。
シグナルプロセッサ201は、押出し電磁石209にも電気的に接続されている。
測定要素の先端では、測定要素にカラー212が取り付けられている。
このカラーは、シグナルプロセッサによって励磁され、押出し電磁石の周りに磁界が生成されたときに、押出し電磁石が、ガイド部材の長軸方向に、カラーおよび測定要素を感受要素に対して押し、測定先端と感受先端と間の先端離間距離213を縮めることを可能にする磁性材料を有する。
測定要素の先端では、測定要素にカラー212が取り付けられている。
このカラーは、シグナルプロセッサによって励磁され、押出し電磁石の周りに磁界が生成されたときに、押出し電磁石が、ガイド部材の長軸方向に、カラーおよび測定要素を感受要素に対して押し、測定先端と感受先端と間の先端離間距離213を縮めることを可能にする磁性材料を有する。
空隙213の大きさは、通常、非常に狭いため、測定先端202および感受先端203が、塵粒子や、腐食を生じさせうる雰囲気中で汚染物質または酸素などの、好ましくない外部の影響から保護されていることが望ましい。
このため、図2の実施形態では、装置の全ての可動部品が、適切な不活性ガス(ヘリウムなど)を含む気密性チャンバ214内に収納されている。
気密性チャンバ214内の不活性ガスは、感受先端と測定先端のコールドウェルドを防ぐと共に、先端同士が万が一接触した場合の衝撃を弱める。
また、不活性ガスは、測定先端および感受先端の作用面(FEEが発生する先端の端の領域)に、FEE電流特性を変えるおそれのある膜が形成されるのを防ぐ。
図2の実施形態では、可撓膜206は、チャンバの1面を画定している。
図示されていないが、測定要素204に固定した別の可撓膜を設けて、これにより、固定電磁石208および/または押出し電磁石209をチャンバの外に配置できるようにすることも可能である。
当然、シグナルプロセッサ201を、図2に示すようなチャンバの外ではなく、チャンバの中に配置することも可能である。
このため、図2の実施形態では、装置の全ての可動部品が、適切な不活性ガス(ヘリウムなど)を含む気密性チャンバ214内に収納されている。
気密性チャンバ214内の不活性ガスは、感受先端と測定先端のコールドウェルドを防ぐと共に、先端同士が万が一接触した場合の衝撃を弱める。
また、不活性ガスは、測定先端および感受先端の作用面(FEEが発生する先端の端の領域)に、FEE電流特性を変えるおそれのある膜が形成されるのを防ぐ。
図2の実施形態では、可撓膜206は、チャンバの1面を画定している。
図示されていないが、測定要素204に固定した別の可撓膜を設けて、これにより、固定電磁石208および/または押出し電磁石209をチャンバの外に配置できるようにすることも可能である。
当然、シグナルプロセッサ201を、図2に示すようなチャンバの外ではなく、チャンバの中に配置することも可能である。
初期状態では、シグナルプロセッサ201は、固定電磁石208に励磁電流を印加して、固定電磁石208を励磁し、固定電磁石208によって測定要素204を定位置に保持させている。
シグナルプロセッサ201は、同時に測定先端202にも動作電圧を供給する。
空隙213が十分に小さいと仮定すると、測定先端と感受先端と間にFEE電流が発生する。
このため、電流(シグナルプロセッサによって検出可能)が、シグナルプロセッサ201から測定先端202、感受先端203、アース217へと、測定回路を流れる。
装置は、被検物207の微小移動が発生するまで、この安定状態にとどまっている。
シグナルプロセッサ201は、同時に測定先端202にも動作電圧を供給する。
空隙213が十分に小さいと仮定すると、測定先端と感受先端と間にFEE電流が発生する。
このため、電流(シグナルプロセッサによって検出可能)が、シグナルプロセッサ201から測定先端202、感受先端203、アース217へと、測定回路を流れる。
装置は、被検物207の微小移動が発生するまで、この安定状態にとどまっている。
測定可能な微小移動が発生する(例えば、被検物207が収縮したり、または測定要素から離れる方向に移動する)と、被検物に連結されている感受要素も、測定要素から離れる微小移動を受ける。
この結果、測定先端と感受先端と間の離間距離が広がり、FEE電流が遮断される。
シグナルプロセッサは、この電流の遮断を検出し、固定電磁石208への励磁電流の印加を中断して、代わりに押出し電磁石209に励磁電流を印加する。
この結果、測定先端と感受先端と間の離間距離が広がり、FEE電流が遮断される。
シグナルプロセッサは、この電流の遮断を検出し、固定電磁石208への励磁電流の印加を中断して、代わりに押出し電磁石209に励磁電流を印加する。
測定要素204の励磁の中断と、押出し電磁石209の励磁が同時に行われると、測定要素が、空隙213を縮める方向に長手方向に移動される。
この移動は、FEE電流が再び流れ始めるまで十分に短くなるまで続く。
シグナルジェネレータ201は、予め設定されたしきい値レベルを越える電流を検出すると直ちに、押出し電磁石209への励磁電流の印加を自動的に中断して、同時に、固定電磁石208に励磁電流を再び印加する。
前述のように、この状態の変化は、測定先端と感受先端が実際に物理的に接触する前に起こる。
この移動は、FEE電流が再び流れ始めるまで十分に短くなるまで続く。
シグナルジェネレータ201は、予め設定されたしきい値レベルを越える電流を検出すると直ちに、押出し電磁石209への励磁電流の印加を自動的に中断して、同時に、固定電磁石208に励磁電流を再び印加する。
前述のように、この状態の変化は、測定先端と感受先端が実際に物理的に接触する前に起こる。
固定電磁石と押出し電磁石の状態を、交互に励磁状態と非励磁状態とするこの過程により、測定要素が固定されている固定モードと、測定要素が感受要素205の方向に押される自由モードとの間で、装置が繰り返し切り替わることが可能となる。
いずれのモードにおいても、被検物207が、矢印216の方向に緩慢かつ徐々に移動し続けうることが理解されよう。
いずれのモードにおいても、被検物207が、矢印216の方向に緩慢かつ徐々に移動し続けうることが理解されよう。
被検物の微小移動によって発生する遮断と電流の復旧とを繰り返し、安定状態間を遷移させることにより、測定回路を通って流れている電流に、立ち下がりパルスと立ち上がりパルスが生ずる。
これらはシグナルプロセッサ201によって検出され、記録および/または表示のため、LCDまたはコンピュータディスプレイなどのインジケータ215に出力される。
これらはシグナルプロセッサ201によって検出され、記録および/または表示のため、LCDまたはコンピュータディスプレイなどのインジケータ215に出力される。
各パルスは、測定要素の1つの移動に対応する微小移動の量子化を表している。
試作装置で行った試験の結果、1つのパルスが、感受要素のわずか0.5Åの移動に等しいことがあることが示された。
微小移動の大きさまたは記録された実際の物理変位は、固定電磁石、押出し電磁石および電流の結合ヒステリシスによって決まる。
試作装置で行った試験の結果、1つのパルスが、感受要素のわずか0.5Åの移動に等しいことがあることが示された。
微小移動の大きさまたは記録された実際の物理変位は、固定電磁石、押出し電磁石および電流の結合ヒステリシスによって決まる。
本発明の実施形態に係る装置によって得られる利点は、引張り電磁石ベースの先行技術の装置とは異なり、最大ダイナミックレンジを得るために、引張り電磁石が膜に取り付けられており、本発明に係る実施形態の膜は、そこに取り付けられている電磁石によって邪魔されない点にある。
このため、膜の慣性が増加せず、装置の感度と微細な力を検出する能力が低下しない。
更に、本発明の実施形態に係る装置の測定精度は、引張り電磁石を使用する装置によって得られる測定精度よりも改善されている。これは、膜に取り付けられた引張り電磁石が励磁されて、測定先端が感受先端に近づけられると、測定先端が感受先端の方向に移動するだけではなく、感受要素のように、引張り電磁石が膜に取り付けられているため、引張り電磁石自体のほか、膜と感受要素も、測定先端の方向に移動するからである。
したがって、このような装置で測定される、感受要素に向かう方向の測定要素の変位量が、被検物によって測定要素から離れる方向に受ける変位量とは等しくなくなる。
このような問題は、本発明に係る実施形態では起こらない。
このため、膜の慣性が増加せず、装置の感度と微細な力を検出する能力が低下しない。
更に、本発明の実施形態に係る装置の測定精度は、引張り電磁石を使用する装置によって得られる測定精度よりも改善されている。これは、膜に取り付けられた引張り電磁石が励磁されて、測定先端が感受先端に近づけられると、測定先端が感受先端の方向に移動するだけではなく、感受要素のように、引張り電磁石が膜に取り付けられているため、引張り電磁石自体のほか、膜と感受要素も、測定先端の方向に移動するからである。
したがって、このような装置で測定される、感受要素に向かう方向の測定要素の変位量が、被検物によって測定要素から離れる方向に受ける変位量とは等しくなくなる。
このような問題は、本発明に係る実施形態では起こらない。
本発明による測定装置を適切に位置合せおよび位置決めすることにより、さまざまな方向の微小移動の測定が可能となる。
直径に沿って反対方向に配置された2つの装置を使用することによって、選択された軸に沿った被検物の正変位と負変位の両方の微小移動の測定が提供される。
測定装置を適切に位置合せおよび位置決めすることによって、微小移動のさまざまな成分を測定できるようになり、これにより、角度微小移動の計算が可能になると共に、磁界、電界、および重力場などの場の勾配の計算が可能となり、装置をグラジオメータとして機能させることができる。
3対の微小移動測定装置を適切に構成することによって、三次元の微小移動を測定することもできる。
対のそれぞれの装置は、対の他方の装置と、直径に沿って反対方向に位置合わせされており、それぞれの装置の対は、残りの2対の位置合せ軸と軸直交に位置合わせされている。
直径に沿って反対方向に配置された2つの装置を使用することによって、選択された軸に沿った被検物の正変位と負変位の両方の微小移動の測定が提供される。
測定装置を適切に位置合せおよび位置決めすることによって、微小移動のさまざまな成分を測定できるようになり、これにより、角度微小移動の計算が可能になると共に、磁界、電界、および重力場などの場の勾配の計算が可能となり、装置をグラジオメータとして機能させることができる。
3対の微小移動測定装置を適切に構成することによって、三次元の微小移動を測定することもできる。
対のそれぞれの装置は、対の他方の装置と、直径に沿って反対方向に位置合わせされており、それぞれの装置の対は、残りの2対の位置合せ軸と軸直交に位置合わせされている。
本発明に係る、双方向測定を提供する微小移動測定装置の第2実施形態300が図3に示される。
この実施形態は、特に空気圧の変化の測定に適しており、測定回路(図示せず)、可撓膜302に取り付けられた第1の感受要素301、第1のガイド部材304に収納され、第1の固定電磁石305によって固定可能な第1の測定要素303を備えているという点では、上記と同様の微小移動測定装置を備えている。
第1の測定要素は、感受要素の先端にある感受先端306と、測定要素の先端にある測定先端307とが近づく(procximal)ように、感受要素の近くに配置されている。
第1の押出し電磁石308は、磁性材料で形成され、測定要素の先端に取り付けられたカラー309および測定要素を、感受要素の方向に押すように配置されている。このアセンブリは、ライン320を介して排気された気密性チャンバ310内に収納されている。
この実施形態は、特に空気圧の変化の測定に適しており、測定回路(図示せず)、可撓膜302に取り付けられた第1の感受要素301、第1のガイド部材304に収納され、第1の固定電磁石305によって固定可能な第1の測定要素303を備えているという点では、上記と同様の微小移動測定装置を備えている。
第1の測定要素は、感受要素の先端にある感受先端306と、測定要素の先端にある測定先端307とが近づく(procximal)ように、感受要素の近くに配置されている。
第1の押出し電磁石308は、磁性材料で形成され、測定要素の先端に取り付けられたカラー309および測定要素を、感受要素の方向に押すように配置されている。このアセンブリは、ライン320を介して排気された気密性チャンバ310内に収納されている。
第2実施形態は、膜の反対側に取り付けられた第2の感受要素311を更に備える。
第2のガイド部材312は、第2の測定要素313を収納しており、第2の測定要素313は、第2の感受要素の近くに、かつ感受要素の長手方向に沿って位置合わせされている。
第2の測定要素を第2の感受要素の方向に移動させることが可能な第2の押出し電磁石314が更に設けられている。
測定要素を固定するための第2の固定電磁石315が設けられている。
第2のガイド部材312は、第2の測定要素313を収納しており、第2の測定要素313は、第2の感受要素の近くに、かつ感受要素の長手方向に沿って位置合わせされている。
第2の測定要素を第2の感受要素の方向に移動させることが可能な第2の押出し電磁石314が更に設けられている。
測定要素を固定するための第2の固定電磁石315が設けられている。
矢印322に示すように、可撓膜302の外側は大気圧に曝露されている。
大気圧がわずかに変化すると、膜302が撓曲し、これによって、図に示すように(要素301,311から構成される)ロッドが左または右のいずれかに移動される。
ロッドが左に移動すると、その方向の微小移動が、右側の装置によって検出および測定される。ロッドが右に移動すると、その方向の微小移動 が、チャンバ310内にある左側の装置によって検出および測定される。
あらかじめ定義されたゼロ位置からのある方向または別の方向の全体的な移動を示すために、必要に応じて、個々の装置からのそれぞれの出力が結合されうる。
これは、一方の装置がカウントしたパルス数から、他方の装置がカウントしたパルス数を減算することによって、容易に行うことができる。
大気圧がわずかに変化すると、膜302が撓曲し、これによって、図に示すように(要素301,311から構成される)ロッドが左または右のいずれかに移動される。
ロッドが左に移動すると、その方向の微小移動が、右側の装置によって検出および測定される。ロッドが右に移動すると、その方向の微小移動 が、チャンバ310内にある左側の装置によって検出および測定される。
あらかじめ定義されたゼロ位置からのある方向または別の方向の全体的な移動を示すために、必要に応じて、個々の装置からのそれぞれの出力が結合されうる。
これは、一方の装置がカウントしたパルス数から、他方の装置がカウントしたパルス数を減算することによって、容易に行うことができる。
別の構成(図示せず)では、図3の右側の装置も、粉塵、腐食などから測定先端と感受先端を保護するために、気密性ハウジング内に収容されてもよい。
気圧の変化によって、2つの装置間に差動効果が確実に生ずるように、右側のハウジングには適切な不活性ガスが充填されているが、左側の装置は真空に保たれていてもよい。
気圧の変化によって、2つの装置間に差動効果が確実に生ずるように、右側のハウジングには適切な不活性ガスが充填されているが、左側の装置は真空に保たれていてもよい。
図4は、本発明に係る、この場合も双方向の測定を提供する微小移動測定装置400の第3実施形態を示す。
第3実施形態の装置に関しても同様に、2つの測定要素401、2つの固定電磁石402、2つの押出し電磁石403、および2つのガイド部材404が設けられている。
しかし、この実施形態では、第1の感受要素405が第1の膜406に取り付けられており、第2の感受要素407が第2の膜408に取り付けられている。
これらの膜は、フレーム409に取り付けられており、微小移動を測定する被検物411が取り付けられているコネクティングロッド410と、中心線上で一緒に連結されている。
第3実施形態の装置に関しても同様に、2つの測定要素401、2つの固定電磁石402、2つの押出し電磁石403、および2つのガイド部材404が設けられている。
しかし、この実施形態では、第1の感受要素405が第1の膜406に取り付けられており、第2の感受要素407が第2の膜408に取り付けられている。
これらの膜は、フレーム409に取り付けられており、微小移動を測定する被検物411が取り付けられているコネクティングロッド410と、中心線上で一緒に連結されている。
動作時には、図に示すように、被検物411が左または右に移動すると、この移動が、右側のユニットまたは左側のユニットによって、それぞれ検出および測定される。
実際の実施形態では、測定ユニットの一方または両方が気密性ハウジング(図示せず)によって保護されていることが望ましい。
第3実施形態も同様に、必要であれば、2つの別個の出力が結合されてもよい。
第3実施形態も同様に、必要であれば、2つの別個の出力が結合されてもよい。
本発明に係る微小移動測定装置500の第4実施形態を図5に示す。
この実施形態では、更に別の代替の固定機構を示している。
この例では、測定要素501の長手方向軸が、地面の長手方向軸と平行になるように位置合わせされ、重力が、測定要素の長手方向軸と直交する方向に作用するように、装置が向きを設定されている。
この設定では、重力が固定電磁石の役割を果たすため、固定電磁石が不要である。
重力が測定要素をガイド部材502に付勢し、この結果生じた摩擦によって、測定要素が、ガイド部材の長手方向に移動できなくなる。
この実施形態では、更に別の代替の固定機構を示している。
この例では、測定要素501の長手方向軸が、地面の長手方向軸と平行になるように位置合わせされ、重力が、測定要素の長手方向軸と直交する方向に作用するように、装置が向きを設定されている。
この設定では、重力が固定電磁石の役割を果たすため、固定電磁石が不要である。
重力が測定要素をガイド部材502に付勢し、この結果生じた摩擦によって、測定要素が、ガイド部材の長手方向に移動できなくなる。
本発明に係る微小移動測定装置600の第5実施形態を図6に示す。
この実施形態では、押出し電磁石が省略されている。測定要素601の長手方向軸が、地面と直交するように位置合わせされ、重力が、測定要素の長手方向軸と平行な方向に作用するように、装置が向きを設定されている。
この設定では、重力が、測定要素を感受要素602の方向に押す固定電磁石の役割を果たすため、押出し電磁石が不要である。
簡単にいうと、重力が、測定要素を、ガイド部材603の長手方向に押す。
測定要素がガイド部材から抜け落ちないように、ガイド部材に沿った測定要素の移動を制限する、測定要素に取り付けられたピン604など、適切な構成が設けられうる。
この実施形態では、押出し電磁石が省略されている。測定要素601の長手方向軸が、地面と直交するように位置合わせされ、重力が、測定要素の長手方向軸と平行な方向に作用するように、装置が向きを設定されている。
この設定では、重力が、測定要素を感受要素602の方向に押す固定電磁石の役割を果たすため、押出し電磁石が不要である。
簡単にいうと、重力が、測定要素を、ガイド部材603の長手方向に押す。
測定要素がガイド部材から抜け落ちないように、ガイド部材に沿った測定要素の移動を制限する、測定要素に取り付けられたピン604など、適切な構成が設けられうる。
感受先端606と測定先端607との間を電流が流れることができる程度に、測定要素が感受要素に十分接近しているときに、測定要素を固定させるために、固定電磁石605が適切に励磁される。
本発明に係る微小移動測定装置700の第6実施形態を図7に示す。
押出し電磁石706の第1の組と、押出し電磁石701の第2の組とがある。
この追加の電磁石701は、励磁されると、押出し電磁石706が励磁されたときに及ぼす力と対向する方向に、測定要素に力を及ぼすように配置されている。
例えば、第1の電磁石706はカラー708の上に配置され、第2の電磁石701はカラーの下に配置されうる。
このため、測定要素702の双方向の縦の移動が、1つの測定要素702のみを使用して可能となる。
押出し電磁石706の第1の組と、押出し電磁石701の第2の組とがある。
この追加の電磁石701は、励磁されると、押出し電磁石706が励磁されたときに及ぼす力と対向する方向に、測定要素に力を及ぼすように配置されている。
例えば、第1の電磁石706はカラー708の上に配置され、第2の電磁石701はカラーの下に配置されうる。
このため、測定要素702の双方向の縦の移動が、1つの測定要素702のみを使用して可能となる。
被検物703が矢印704の方向に移動して、空隙705が先端離間距離まで広がり、FEE電流が流れなくなるか、または下限しきい値以下まで下がると、FEE電流が復旧するかまたは下限しきい値を越える値になるまで、押出し電磁石706が励磁されて、測定要素702が感受要素707の方向に押される。
この時点で、押出し電磁石706への励磁電流の印加が止まり、測定要素が固定される。
被検物703が矢印708の方向に移動して、空隙705が縮まり、FEE電流が上限しきい値以下を越えると、先端同士が実際に物理的に接触する前に、FEE電流が上限しきい値以下に下がるまで、押出し電磁石701が励磁されて、測定要素702が感受要素707から離れる方向に押される。
この時点で、押出し電磁石701への励磁電流の印加が止まり、測定要素が固定される。
この時点で、押出し電磁石706への励磁電流の印加が止まり、測定要素が固定される。
被検物703が矢印708の方向に移動して、空隙705が縮まり、FEE電流が上限しきい値以下を越えると、先端同士が実際に物理的に接触する前に、FEE電流が上限しきい値以下に下がるまで、押出し電磁石701が励磁されて、測定要素702が感受要素707から離れる方向に押される。
この時点で、押出し電磁石701への励磁電流の印加が止まり、測定要素が固定される。
別の実施形態では、両方の電磁石が測定要素702を引っ張るように配置されてもよい。
電磁石701が、方向704の微小移動に対して、測定要素702をこの方向に引っ張りうる。
同様に、電磁石706が、方向708の微小移動に対して、測定要素702をこの方向に引っ張りうる。
電磁石701が、方向704の微小移動に対して、測定要素702をこの方向に引っ張りうる。
同様に、電磁石706が、方向708の微小移動に対して、測定要素702をこの方向に引っ張りうる。
更に別の代替実施形態では、矢印704の方向の微小移動の場合には、電磁石701の一方が測定要素を引っ張るように配置され、もう一方の電磁石706が、測定要素を押すように配置されうる。
矢印708の方向の微小移動の場合には、電磁石701が測定要素を方向708に押し、電磁石706が引っ張るように、電磁石706,701を流れる励磁電流が反転されうる。
矢印708の方向の微小移動の場合には、電磁石701が測定要素を方向708に押し、電磁石706が引っ張るように、電磁石706,701を流れる励磁電流が反転されうる。
本発明に係る微小移動測定装置の第7実施形態では、測定要素を縦に移動させる電磁石が一組しかない。
このような装置の構成は、図2に示したものと同様であり、電磁石209が押出し電磁石と引張り電磁石の両方として機能するように配置されている。
このことは、励磁電流を反転させることによって行うことができる。
このような装置の構成は、図2に示したものと同様であり、電磁石209が押出し電磁石と引張り電磁石の両方として機能するように配置されている。
このことは、励磁電流を反転させることによって行うことができる。
別の実施形態では、重力によって測定要素への下向きの力が与えられて、電磁石209によって測定要素への上向きの力が提供されうる。
電磁石209の位置が、磁性カラー212の上にある(図2に示すように)か、または磁性カラー212の下にある(図示せず)かによって、このような電磁石209は、それぞれ引張り電磁石のみ、または押出し電磁石のみを必要とする。
装置が180°回転した場合には、励磁電流を適切に変える必要があることは、明らかに、当業者であれば認めるであろう。
電磁石209の位置が、磁性カラー212の上にある(図2に示すように)か、または磁性カラー212の下にある(図示せず)かによって、このような電磁石209は、それぞれ引張り電磁石のみ、または押出し電磁石のみを必要とする。
装置が180°回転した場合には、励磁電流を適切に変える必要があることは、明らかに、当業者であれば認めるであろう。
上記の実施形態は、測定要素の2方向の移動を制御し、しきい値を越えるFEE電流の変化を検出することが可能であり、フィードバックループの設定を可能にする。
このようなフィードバックループは、FEE電流がしきい値FEE電流値を上回るか、下回って変動したときに、先端離間距離をそれぞれ広げるか、縮めるように設定することができる。
フィードバックループによって、1つの測定要素のみを使用して、微小移動を双方向で検出および測定することが可能となる。
このようなフィードバックループは、FEE電流がしきい値FEE電流値を上回るか、下回って変動したときに、先端離間距離をそれぞれ広げるか、縮めるように設定することができる。
フィードバックループによって、1つの測定要素のみを使用して、微小移動を双方向で検出および測定することが可能となる。
それぞれの実施形態に採用することが可能な、上記に記載した固定モード/自由モードの代替の動作モードとして、アナログ測定モードがある。
この動作モードでは、固定/自由動作モードのステップ化または量子化された測定に替えて、変位のアナログ測定が行われる。
固定/自由動作モードと同様に、測定先端と感受先端が、FEE電流が発生するように十分に近づけられ、その後測定要素が固定される。
しかし、微小移動が発生したときに、測定要素を開放して、測定要素を感受要素の方向に移動させるのではなく、シグナルプロセッサは、FEE電流特性(電流の値など)の変化を検出および記録するだけである。
電流特性の変化は、微小移動による、先端離間距離の変化に対応している。
この動作モードは、上限および下限のFEE電流しきい値に達していなくても微小移動が検出および記録されるため、振幅の極めて小さな微小移動および波を検出および測定するのに特に有用である。
また、高い周波数の振幅の微小移動および波も、測定および検出することができる。
この動作モードでは、固定/自由動作モードのステップ化または量子化された測定に替えて、変位のアナログ測定が行われる。
固定/自由動作モードと同様に、測定先端と感受先端が、FEE電流が発生するように十分に近づけられ、その後測定要素が固定される。
しかし、微小移動が発生したときに、測定要素を開放して、測定要素を感受要素の方向に移動させるのではなく、シグナルプロセッサは、FEE電流特性(電流の値など)の変化を検出および記録するだけである。
電流特性の変化は、微小移動による、先端離間距離の変化に対応している。
この動作モードは、上限および下限のFEE電流しきい値に達していなくても微小移動が検出および記録されるため、振幅の極めて小さな微小移動および波を検出および測定するのに特に有用である。
また、高い周波数の振幅の微小移動および波も、測定および検出することができる。
先に述べた実施形態の全てにおいて、固定電磁石の代わりに、代替のクランプ構成を使用することができる。
高いレベルの制御が可能であるため電磁クランプが好ましいが、圧電クランプなどの代替クランプの使用も可能である。
高いレベルの制御が可能であるため電磁クランプが好ましいが、圧電クランプなどの代替クランプの使用も可能である。
記載した実施形態の全てにおいて、電流の検出および/または測定の前に、回路内で電流をフィルタおよび/またはスムージングするための適切なフィルタ(図示せず)が設けられてもよい。
このようなフィルタは、電気フィルタまたは電子フィルタなどである。
別の実施形態では、不要な信号が、機械的手段によってフィルタされてもよい。
例えば、各種部品の質量と膜の機械的特性を適切に選択することによって、高い周波数の振動または他の急激な移動をフィルタ除去して、被検物の緩慢な分析によってのみ発見できる(underlying)移動のみをシステムに測定させることが可能となる。
膜をもたず、その代わりに、感受要素を被検物と直接連通させている実施形態も可能である。
別の実施形態では、膜の代わりに、ひもまたは共振子を使用することができる。
このようなフィルタは、電気フィルタまたは電子フィルタなどである。
別の実施形態では、不要な信号が、機械的手段によってフィルタされてもよい。
例えば、各種部品の質量と膜の機械的特性を適切に選択することによって、高い周波数の振動または他の急激な移動をフィルタ除去して、被検物の緩慢な分析によってのみ発見できる(underlying)移動のみをシステムに測定させることが可能となる。
膜をもたず、その代わりに、感受要素を被検物と直接連通させている実施形態も可能である。
別の実施形態では、膜の代わりに、ひもまたは共振子を使用することができる。
記載した実施形態の最大感度および精度を更に改善するために、装置または少なくとも装置の動作部(装置、例えば気密性ハウジング内にある部品など)を低温(絶対温度80K(−193.15℃)など)に保持することが好ましい。
例えば液体窒素または液体ヘリウムに浸して、装置を低温に保持すると、ショットキー雑音、結晶格子振動および熱変動が低減する。
例えば液体窒素または液体ヘリウムに浸して、装置を低温に保持すると、ショットキー雑音、結晶格子振動および熱変動が低減する。
本発明による装置は、多くの異なる分野で有用な用途があると考えられ、その一部について以下に記載する。
図8Aは、基質810中の横波または剪断波を測定するために使用中の装置を示す。
通常、基質は地面であり、この場合、図8Aに示す構成は、地震によって発生する剪断波の検出に使用されうる。
図に示した構成では、測定装置816は、それ自体が、スパイク814によって基質810にしっかり固定されている反応質量812に連結されている。
安定させるために必要な場合、反応質量に連結されたスプリング818を設けてもよい。
通常、基質は地面であり、この場合、図8Aに示す構成は、地震によって発生する剪断波の検出に使用されうる。
図に示した構成では、測定装置816は、それ自体が、スパイク814によって基質810にしっかり固定されている反応質量812に連結されている。
安定させるために必要な場合、反応質量に連結されたスプリング818を設けてもよい。
基質810内の垂直波または圧力波を測定するための類似する構成が、図8Bに示されており、この図では、図8Aに用いたのと同じ参照番号を使用している。
図8A,8Bの装置は、特に自然および工学技術におけるソリトン、クリープ、および動的なインフラプロセスを検出および記録するのに適している。
この例には、(例えば、嵐)、ハリケーン、竜巻、地震、火山噴火、地滑り、津波の予測のための)気象学の気圧の傾向、地質学および海洋学におけるソリトンの記録;建築物、建物、ブリッジ、ダム、トンネル、橋でのソリトンおよびクリープの測定;精密工学部品(例えばジェットタービン翼)のほか、容器からの液体および気体の漏れ(例えば宇宙船からのガス漏れ)の検出などがある。
図8A,8Bの装置は、特に自然および工学技術におけるソリトン、クリープ、および動的なインフラプロセスを検出および記録するのに適している。
この例には、(例えば、嵐)、ハリケーン、竜巻、地震、火山噴火、地滑り、津波の予測のための)気象学の気圧の傾向、地質学および海洋学におけるソリトンの記録;建築物、建物、ブリッジ、ダム、トンネル、橋でのソリトンおよびクリープの測定;精密工学部品(例えばジェットタービン翼)のほか、容器からの液体および気体の漏れ(例えば宇宙船からのガス漏れ)の検出などがある。
図8Cは、熱放射を測定するために使用される装置を示す。
この構成では、熱反応部材820が、入射放射822のレベルに応じて、膨張または収縮する。
部材820の一端の移動は固定面824によって制限されており、このため部材の反対側の端が移動する。
この移動は通常の方法(装置816)で検出することができ、このため、温度センサとして機能する。
同様の構成を、湿度または水分を検出するために使用することができ、この場合、部材820が水蒸気に反応する(すなわち、周囲空気の水蒸気量に応じて膨張または収縮する)。
この構成では、熱反応部材820が、入射放射822のレベルに応じて、膨張または収縮する。
部材820の一端の移動は固定面824によって制限されており、このため部材の反対側の端が移動する。
この移動は通常の方法(装置816)で検出することができ、このため、温度センサとして機能する。
同様の構成を、湿度または水分を検出するために使用することができ、この場合、部材820が水蒸気に反応する(すなわち、周囲空気の水蒸気量に応じて膨張または収縮する)。
図8Dは、装置が磁界の測定に使用される構成を示す。
測定装置816が、スプリング付きの捧磁石826に連結されている。
外部磁界が存在すると、磁石が振れ、この振れが装置816によって測定される。
測定装置816が、スプリング付きの捧磁石826に連結されている。
外部磁界が存在すると、磁石が振れ、この振れが装置816によって測定される。
最後に、図8Eは、加速度計として機能するように配置された装置を示す。
この構成では、ハウジング824が提供されており、その内部には、反応質量812と、ハウジングに連結されたスプリング818がある。
反応質量812は、微小移動測定装置816とも更に連結されている。
ハウジングが矢印830の方向に加速されると、反応質量がハウジング内で後ろに移動し、スプリング818を縮める。
この移動が、装置816(ハウジングに固定されてもよい)によって検出される。
図に示した構成では、スプリングを縮めるように作用する力は加速度に比例しており、反応質量812の振れも加速度に比例している。
このため、発生した移動量を求めるだけで、加速度を直接測定することができる。
更に、反応質量812の質量がわかっている場合には、この装置を、反応質量812に伝達される力を検出および測定するために使用することができる。
この構成では、ハウジング824が提供されており、その内部には、反応質量812と、ハウジングに連結されたスプリング818がある。
反応質量812は、微小移動測定装置816とも更に連結されている。
ハウジングが矢印830の方向に加速されると、反応質量がハウジング内で後ろに移動し、スプリング818を縮める。
この移動が、装置816(ハウジングに固定されてもよい)によって検出される。
図に示した構成では、スプリングを縮めるように作用する力は加速度に比例しており、反応質量812の振れも加速度に比例している。
このため、発生した移動量を求めるだけで、加速度を直接測定することができる。
更に、反応質量812の質量がわかっている場合には、この装置を、反応質量812に伝達される力を検出および測定するために使用することができる。
次に、各種の高度な実施形態について記載する。
これらの実施形態において、前述の実施形態の第1の要素(例えば感受要素)105,205の代わりに、平坦な金のプレートを用いると簡便であることがわかっている。
現時点の最良の実施形態では、第2の要素(例えば測定要素)またはピンも金で形成されているが、白金(Pt)などの他のピン材料も有効であると予想される。
ピン/プレートの相互作用の正確な物理的な理論は未だ詳細に研究されていないが、先端が比較的尖っているピンを提供することによって、性能を改善できると考えられる。
しかし、先端を原子レベルまで鋭利にする必要はなく、電流が流れることができる点がピンとプレートとの間に複数存在する場合であっても、装置が完全に満足のいくように動作することが実際にはわかっている。
換言すれば、ピン先が、原子レベルからみて比較的鈍い場合であっても、装置が機能することが明らかである。実際の実施形態では、ピンの先端が原子レベルでは十分に鈍く、複数のトンネルが発生することが予想される。
これらの実施形態において、前述の実施形態の第1の要素(例えば感受要素)105,205の代わりに、平坦な金のプレートを用いると簡便であることがわかっている。
現時点の最良の実施形態では、第2の要素(例えば測定要素)またはピンも金で形成されているが、白金(Pt)などの他のピン材料も有効であると予想される。
ピン/プレートの相互作用の正確な物理的な理論は未だ詳細に研究されていないが、先端が比較的尖っているピンを提供することによって、性能を改善できると考えられる。
しかし、先端を原子レベルまで鋭利にする必要はなく、電流が流れることができる点がピンとプレートとの間に複数存在する場合であっても、装置が完全に満足のいくように動作することが実際にはわかっている。
換言すれば、ピン先が、原子レベルからみて比較的鈍い場合であっても、装置が機能することが明らかである。実際の実施形態では、ピンの先端が原子レベルでは十分に鈍く、複数のトンネルが発生することが予想される。
一部の実施形態では、円柱状のガイド部材210(例えば図2を参照)内での移動のためにピンが取り付けられうる。
しかし、改良した実施形態(図9に示す)では、2枚の円形の支持ディスク902,903での縦の移動のために、ピン906が取り付けられる。
各ディスクは中央の角穴904を有しており、ピン906は、縁の2つ908,910に接するように配置されている。
ディスク902,903は、それ自体が金で形成されており、好ましくは、ピンと縁908,910との接触面積を小さくするために細い。
支持部の厚みは、システムに望まれる物理的特性に従って選択されうる。
支持部の厚さが0.7mmの試作機で試験を実施し、厚みをおそらく0.1mmまで低減させることで性能を向上させることができると考えられる。
しかし、改良した実施形態(図9に示す)では、2枚の円形の支持ディスク902,903での縦の移動のために、ピン906が取り付けられる。
各ディスクは中央の角穴904を有しており、ピン906は、縁の2つ908,910に接するように配置されている。
ディスク902,903は、それ自体が金で形成されており、好ましくは、ピンと縁908,910との接触面積を小さくするために細い。
支持部の厚みは、システムに望まれる物理的特性に従って選択されうる。
支持部の厚さが0.7mmの試作機で試験を実施し、厚みをおそらく0.1mmまで低減させることで性能を向上させることができると考えられる。
ピンと支持部との間の摩擦が、装置全体の性能に果たす役割については、現時点で完全には解明されていないが、簡単な実験を実施することで、支持部の最適な厚みをかなり迅速に決定することができると考えられる。
同様に、簡単な実験によって、ピン/支持部の材料の好ましい組合せを決定することが可能であると思われ、これには、例えば、金/金、白金/白金、白金/金、金/白金または他の材料の何らかの組合せがある。
同様に、簡単な実験によって、ピン/支持部の材料の好ましい組合せを決定することが可能であると思われ、これには、例えば、金/金、白金/白金、白金/金、金/白金または他の材料の何らかの組合せがある。
ピンを移動させる方法はさまざま存在し、その一法が、前述したような電磁コイルまたは複数のコイルである。
しかし、他のタイプのアクチュエータも同様に想定され、これには、静電アクチュエータおよび/またはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)アクチュエータ等の圧電アクチュエータなどがある。
しかし、他のタイプのアクチュエータも同様に想定され、これには、静電アクチュエータおよび/またはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)アクチュエータ等の圧電アクチュエータなどがある。
駆動に電磁コイルが使用される場合の、特に簡便な構成の1つが図10に示される。
ここで、ピン1012は、その周りに軟鉄のコアまたはカラー1014を有する。
ピンとコアの両方は、コイル1010内にほぼ収容されており、コイルが作用されると、ピン1012がプレート1016から離れる方向に引っ張られるように、コアが配置されている。
ここで、ピン1012は、その周りに軟鉄のコアまたはカラー1014を有する。
ピンとコアの両方は、コイル1010内にほぼ収容されており、コイルが作用されると、ピン1012がプレート1016から離れる方向に引っ張られるように、コアが配置されている。
図11に示す代替実施形態では、コア1114が、プレート1116から離れて、ピン1112の遠端に配置されている。
この構成では、コイル1110が作用されると、ピンがプレートの方向に駆動される。
この構成では、コイル1110が作用されると、ピンがプレートの方向に駆動される。
更に別の代替の構成では、コア1014,1114が磁化されてもよい。
このような場合、ピンの移動方向は、コイルに印加される電圧の極性に応じて決まる。
適切な切換回路を備えることにより、ピンをプレートに引きつける第1の方向またはピンをプレートから離す第2の方向に、コイルを選択的に励磁することができる。
このような場合、ピンの移動方向は、コイルに印加される電圧の極性に応じて決まる。
適切な切換回路を備えることにより、ピンをプレートに引きつける第1の方向またはピンをプレートから離す第2の方向に、コイルを選択的に励磁することができる。
図12〜図15は、2つのピンを使用して双方向動作を提供する各種の実施形態を示す。
図12はプルオン構成を示しており、第1のコイル1202と第2のコイル1204を使用して、第1のピン1206と第2のピン1208を、可撓性の金属膜1212に取り付けられた中央板1210の方向に引っ張っている。
この構成では、コイルは、ピンに取り付けられた、コアまたはワッシャ1214,1216にそれぞれ作用する。
この構成では、コイルは、ピンに取り付けられた、コアまたはワッシャ1214,1216にそれぞれ作用する。
図13はプッシュオン構成を示しており、コイル1302,1304は、励磁されると、コア1306,1308をそれぞれ引きつけ、ピンを中央板1310の方向に押す。
図14は、プル−プル構成を示しており、第1のコイル1402を作用させると、コア1406が引きつけられて、ピンがプレート1408から離す方向に引っ張られる。
第2のコイル1404を作用させると、コア1406が引きつけられて、ピンがプレートの方向に引っ張られる。
第2のコイル1404を作用させると、コア1406が引きつけられて、ピンがプレートの方向に引っ張られる。
膜1501に取り付けられた1つのコイル1502を利用する代替のプルオン構成を図15に示す。
コイルが作用されると、コイル1504,1506が中央板1508の方向に引っ張られる。
コイルが作用されると、コイル1504,1506が中央板1508の方向に引っ張られる。
当然、図12〜図15のどの実施形態も、必要に応じて、図9に示す取り付け構成および/または該当する場合には図10,11のコイル構成を使用することができることが理解されよう。
図16は、ピンとプレートとの間を流れる電流が距離によって変化する様子を概略的に示す。
単純な1コイル構成(例えばプッシュオン法)では、制御電子機器が、コイルがオン/オフされる1つの電流限界しきい値Irefを定義しうる。
より複雑な構成(図示せず)も想定され、その場合、2つの別個の電流限界が保持される。
プッシュオン法では、1つの限界は、ピンがプレートの方向に押されたときに、ピンが係止される点であり、第2の限界は、プレートの移動によって距離が徐々に開いたときに、ピンが開放される点である。
プルオフ法では、第1の限界は、ピンとプレートとの間の距離が十分に狭くなったときにピンが開放される点であり、第2の限界は、ピンがプレートから十分離れたときにピンが係止される点である。
単純な1コイル構成(例えばプッシュオン法)では、制御電子機器が、コイルがオン/オフされる1つの電流限界しきい値Irefを定義しうる。
より複雑な構成(図示せず)も想定され、その場合、2つの別個の電流限界が保持される。
プッシュオン法では、1つの限界は、ピンがプレートの方向に押されたときに、ピンが係止される点であり、第2の限界は、プレートの移動によって距離が徐々に開いたときに、ピンが開放される点である。
プルオフ法では、第1の限界は、ピンとプレートとの間の距離が十分に狭くなったときにピンが開放される点であり、第2の限界は、ピンがプレートから十分離れたときにピンが係止される点である。
例えば2つのコイルが使用される場合に、双方向の実施形態の動作を容易にするために、2つの電流限界が保持されてもよい。
図17は、例えば、電流が第2のしきい値を越えている場合に第1のコイルが作用されるプル−プル法を示す。
第1のしきい値と第2のしきい値との間では、両方のコイルがオフになる。
図17は、例えば、電流が第2のしきい値を越えている場合に第1のコイルが作用されるプル−プル法を示す。
第1のしきい値と第2のしきい値との間では、両方のコイルがオフになる。
1つ以上の電流しきい値を適切に選択することによって、ピンの端とプレートとの間に従来の接触が決して起こらないモードにおいて、装置を動作させることができる。
特に、直接の物理的接触によって、ピンまたはプレートのいずれかが損傷を受けるか、あるいは、装置の動作が実質的に影響を受ける程度に分子構造が変わる場合には、直接接触が望ましくない利用分野がある。
しかし、予想外にも、ピンとプレートとの間の物理的接触が、たとえ強い物理的接触であっても、装置が小さな移動を分析できる能力に大きな影響を与えないようであると、実際にはわかっている。
特に、直接の物理的接触によって、ピンまたはプレートのいずれかが損傷を受けるか、あるいは、装置の動作が実質的に影響を受ける程度に分子構造が変わる場合には、直接接触が望ましくない利用分野がある。
しかし、予想外にも、ピンとプレートとの間の物理的接触が、たとえ強い物理的接触であっても、装置が小さな移動を分析できる能力に大きな影響を与えないようであると、実際にはわかっている。
ピンが電磁コイルなどのアクチュエータによってプレートの方向に押されているかまたは引っ張られている実施形態では、ピンの移動を、さまざまな方法で係止させることができる。
ピンと支持部との間の摩擦を使用する方法、クランプ構成を使用する方法があり、ピンの先端とプレートとの間に発生する電界効果を利用する別の方法も可能である。
同様に、ピンが押されているか、またはプレートから離れる方向に引っ張られている場合、摩擦によって、または何らかのクランプ構成によって、ピンを係止させることができる。
ピンと支持部との間の摩擦を使用する方法、クランプ構成を使用する方法があり、ピンの先端とプレートとの間に発生する電界効果を利用する別の方法も可能である。
同様に、ピンが押されているか、またはプレートから離れる方向に引っ張られている場合、摩擦によって、または何らかのクランプ構成によって、ピンを係止させることができる。
図18は、1つの特定の実施形態における、比較器およびコイルドライバ回路を示す。
ピン上の電圧が、1802で測定されて、比較器1804に印加され、その出力が、コイル1808を駆動するコイルドライバ回路1806に印加される。
分析のため、コイルの駆動によって、LED1810、スピーカ1812、およびパルスカウンタ1814も駆動される。
要求されるヒステリシスのレベルは、抵抗1816によって設定され、この値は、必要に応じて、ユーザーが選択可能および/または調節可能であってもよい。
ピン駆動スイッチ1818が設けられており、その動作は制御回路をバイパスし、単にコイルを励磁させて、ピンをプレートと係合させる。
ピン上の電圧が、1802で測定されて、比較器1804に印加され、その出力が、コイル1808を駆動するコイルドライバ回路1806に印加される。
分析のため、コイルの駆動によって、LED1810、スピーカ1812、およびパルスカウンタ1814も駆動される。
要求されるヒステリシスのレベルは、抵抗1816によって設定され、この値は、必要に応じて、ユーザーが選択可能および/または調節可能であってもよい。
ピン駆動スイッチ1818が設けられており、その動作は制御回路をバイパスし、単にコイルを励磁させて、ピンをプレートと係合させる。
図19は、ピンとプレートとの間に電圧/電流を印加して、これを測定するための回路を示す。
洗浄スイッチ1902が設けられており、水/不純物を除去するためにピンに1Vの電位を印加するためのものである。
洗浄スイッチ1902が設けられており、水/不純物を除去するためにピンに1Vの電位を印加するためのものである。
図20は、ピンとプレートが離間している場合の電流および電圧を示し、図21は、これらが、例えば1nm間隔のように接近している場合の電流および電圧を示す。
図22は、装置の一方向の形態のより詳細な実施形態を示す。
この装置は、円筒形のハウジング2202を有し、その内部には、可動ピン2204と、コイルばねダイアフラム2208に取り付けられた別個の可動の金プレート2206を保持しているスライドインアセンブリが取り付けられている。
ハウジング2202に対してプレート2206が移動すると、これが、アセンブリ2210を介してロッド2212に伝達される。
電磁コイル2214がピン2204を取り囲んでおり、ピンを取り囲んでいる軟鉄心2215の位置に応じて、プレート2206に接近するかこれから離れるピンの移動を制御している。
この装置は、円筒形のハウジング2202を有し、その内部には、可動ピン2204と、コイルばねダイアフラム2208に取り付けられた別個の可動の金プレート2206を保持しているスライドインアセンブリが取り付けられている。
ハウジング2202に対してプレート2206が移動すると、これが、アセンブリ2210を介してロッド2212に伝達される。
電磁コイル2214がピン2204を取り囲んでおり、ピンを取り囲んでいる軟鉄心2215の位置に応じて、プレート2206に接近するかこれから離れるピンの移動を制御している。
装置の双方向の形態が、図23に示される。
ここでは、長い中央ピン2302が、第1の金のプレート2304と第2の金のプレート2306との間に延在しており、これらのプレートはコイルばね2308に一緒に取り付けられている。
ここでは、長い中央ピン2302が、第1の金のプレート2304と第2の金のプレート2306との間に延在しており、これらのプレートはコイルばね2308に一緒に取り付けられている。
縦の移動のためにピン2302が取り付けられており、ある方向への移動が第1のコイル2310によって、別の方向への移動が第2のコイル2312によって制御されている。
試験用の試作機において、最初、ピンに洗浄パルスを印加すると、装置の動作が改善することがわかっている。
また、測定を行う前にピンを働かせる(exercised)と、動作がより安定することが、実際にはわかっている。
また、測定を行う前にピンを働かせる(exercised)と、動作がより安定することが、実際にはわかっている。
記載した実施形態のどの特徴も、他の実施形態の、併用可能な任意の特徴と共に用いることができることが理解されよう。
同様に、記載した特定の装置または変形例のいずれも、図8A〜図8Eに示すさまざまな用途のいずれとも併用することができる。
同様に、記載した特定の装置または変形例のいずれも、図8A〜図8Eに示すさまざまな用途のいずれとも併用することができる。
Claims (52)
- 微小移動装置であって、
(a)第1の可動要素と、
(b)両端に動作電圧が印加される空隙によって前記第1の可動要素と離間されている第2の可動要素と、
(c)前記微小移動装置が第1の状態の場合に、前記第2の可動要素を、前記第1の可動要素に近づけるか、または前記第1の可動要素から離すように移動させるアクチュエータと、
(d)前記微小移動装置が第2の状態の場合に、前記第2の可動要素の位置を固定する固定装置と、
(e)前記空隙を流れる電流を検出し、前記電流が第1のしきい値に達した場合に、前記微小移動装置を前記第1の状態から前記第2の状態に自動的に切り替え、前記電流が第2のしきい値に達したときに、前記微小移動装置を前記第2の状態から前記第1の状態に戻す切替コントローラと、
(f)状態変化をカウントするためのカウンタと、を有する微小移動装置。 - 前記第2の可動要素は測定要素であり、前記カウンタが前記測定要素の量子化された移動をカウントする、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記第2の可動要素は外部部材に連結され、前記外部部材の制御された微小移動を生じさせるアクチュエータとして動作する、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは電磁石である、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは静電アクチュエータである、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記第1の可動要素が、前記第2の可動要素と対向する平坦面を有する、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第2の可動要素が、前記第1の可動要素と対向する鋭利な端部を有するピンである、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第2の可動要素は、摩擦支持部によって長手方向への移動に対して支持されるピンである、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記摩擦支持部は、前記ピンが接する第1および第2のV字型の溝を備える、請求項9に記載の微小移動装置。
- 前記摩擦支持部は、開口を有する第1および第2の支持プレートを備え、
前記ピンが前記開口の内部に接触する、請求項9に記載の微小移動装置。 - 開口は円形である、請求項10に記載の微小移動装置。
- 開口の縁が、前記ピンが接する対のV字型支持溝を形成する、請求項10に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素に近づけるように移動させる、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素から離すように移動させる、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素に近づけるか、またはこれから離すように移動させるように選択的に制御可能である、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第2の可動要素の移動は、摩擦によって停止する、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記第2の可動要素の移動は、制御可能な固定装置によって停止する、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記制御可能な固定装置は圧電クランプである、請求項18に記載の微小移動装置。
- 前記制御可能な固定装置は電磁クランプである、請求項18に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは電磁コイルであり、この電磁コイルは、作動時に、前記第2の可動要素に固定されるコアに対して力を加える、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記コアは前記電磁コイルの内部に位置する、請求項21に記載の微小移動装置。
- 前記コアは磁化されている、請求項22に記載の微小移動装置。
- 前記電磁コイルは、第1の方向に前記第2の可動要素を移動させるための第1の極性および第2の方向に前記第2の可動要素を移動させるための第2の極性において、選択的に動作可能である、請求項23に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータは、前記第2の可動要素を第1の方向に移動させる第1のアクチュエータおよび前記第2の可動要素を第2の方向に移動させる第2のアクチュエータを備える、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータが、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素の方向に引っ張るように作動する、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータが、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素の方向に押すように作動する、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータが、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素から離れるように引っ張る、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記アクチュエータが、前記第2の可動要素を前記第1の可動要素から離れるように押す、請求項1に記載の微小移動装置。
- 前記切替コントローラが、前記第1の可動要素と前記第2の可動要素との間に洗浄電圧を印加するための洗浄モードを有する、請求項1乃至29のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記洗浄電圧が、およそ1ボルトまたはそれ以上である、請求項30に記載の微小移動装置。
- 前記第1のしきい値が、前記第2のしきい値と同じであるか、または任意のコントローラのヒステリシスによってのみ異なる、請求項1乃至31のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第1のしきい値および前記第2のしきい値が異なる、請求項1乃至31のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第1の可動要素は、可撓膜、共振子、またはスプリングに対しての移動のために固定されている、請求項1乃至33のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- アクチュエータは、可撓膜、共振子、またはスプリングに取り付けられ、かつ可撓膜、共振子、またはスプリングとともに移動する、請求項34に記載の微小移動装置。
- アクチュエータは、可撓膜、共振子、またはスプリングから離間して取り付けられ、前記可撓膜、共振子、またはスプリングとともに移動しない、請求項1乃至33のいずれか1項に記載の微小移動装置。
- 前記第1の可動要素と前記第2の可動要素との間の空隙が、複数のハウジング壁を有する気密性ハウジングの内部に配置され、前記複数のハウジング壁のうちの一つが、前記可撓膜、共振子、またはスプリングによって画定される、請求項34に記載の微小移動装置。
- 前記気密性ハウジングが、不活性ガスで充填されている、請求項37に記載の微小移動装置。
- 前記気密性ハウジングが、絶対温度80Kに保持される、請求項37または請求項38に記載の微小移動装置。
- 請求項1に記載の装置および前記第1の可動要素に固定される圧力感受可撓膜を備える圧力センサ。
- 請求項1に記載の装置および反応質量を固体に固定するための固定手段を備え、前記反応質量は前記第1の可動要素と連結するか、またはそれを形成する一部である、固体波センサ。
- 前記固定手段がスパイクである、請求項41に記載のセンサ。
- 請求項41または請求項42に記載のセンサを含む地震動検出器。
- 請求項1に記載の装置を備える熱放射検出器であって、
前記第1の可動要素は、受け取った放射の影響下で膨張する放射感受部材と連結するか、またはそれを形成する一部である、熱放射検出器。 - 請求項1に記載の装置を備える湿度検出器であって、
前記第1の可動要素は、周囲空気の水蒸気の影響下で膨張する水蒸気感受部材と連結するか、またはそれを形成する一部である、湿度検出器。 - 請求項1に記載の装置を備える磁界検出器であって、
前記第1の可動要素は、磁性部材と連結するか、またはそれを形成する一部であり、前記磁性部材は、磁界の影響下で歪むかまたは移動するように配置されている、磁界検出器。 - 請求項1に記載の装置を備える加速度計であって、
前記第1の可動要素は、内部質量部材と連結するか、またはそれを形成する一部である、加速度計。 - ハウジングを備える請求項47に記載の加速度計であって、
測定要素は、前記第2の状態において、前記ハウジングに対する移動に対して固定され、前記内部質量部材は、前記ハウジングが加速されている場合、前記ハウジングに対して移動することができる、加速度計。 - 微小移動装置であって、
(a)その移動が測定される感受要素と、
(b)前記感受要素に対して移動可能であり、その両端に電圧が印加される空隙によって前記感受要素と離間されている測定要素と、
(c)前記測定要素の位置を制御可能に固定するための固定部と、
(d)前記固定部を制御し、かつ前記固定部が開放される第1の状態と、前記測定要素が前記固定部によって固定される第2の状態とを切り換え可能なコントローラと、を有し、
前記第1の状態では、前記空隙に電界放出電流が発生するまで、前記測定要素が前記感受要素に接近し、その後、前記コントローラが前記第2の状態に切り替わり、
前記第2の状態では、前記電界放出電流が遮断されるまで、前記感受要素が前記測定要素から離間され、その後、前記コントローラが前記第1の状態に戻り、
前記測定要素を前記感受要素の方向に押すために付勢装置が配置されている微小移動測定装置。 - 微小移動装置であって、
(a)その移動が測定される感受要素と、
(b)前記感受要素に対して移動可能であり、その両端に電圧が印加される空隙によって前記感受要素と離間されている測定要素と、
(c)前記測定要素の位置を制御可能に固定するための固定部と、
(d)前記固定部を制御し、かつ前記固定部が開放される第1の状態と、前記測定要素が前記固定部によって固定される第2の状態とを切換可能なコントローラと、を有し、
前記第1の状態では、前記空隙に電界放出電流が発生するまで、前記測定要素が前記感受要素に接近し、その後、前記コントローラが前記第2の状態に切り替わり、
前記第2の状態では、前記電界放出電流が遮断されるまで、前記感受要素が前記測定要素から離間され、その後、前記コントローラが前記第1の状態に戻り、
前記第1の状態において、前記測定要素が、重力の影響下で前記感受要素の方向に落下するように、前記測定要素が前記感受要素の上に配置されている微小移動測定装置。 - (a)請求項1乃至39のいずれか1項に記載され、第1の方向に移動するように配置されている第1の装置と、
(b)請求項1乃至39のいずれか1項に記載され、第2の逆の方向に移動するように配置されている第2の装置とを備える、双方向微小移動装置。 - 第1の装置の第1の可動要素は、第2の装置の第1の可動要素と連結または共有する、請求項51に記載の双方向微小移動装置。
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