JP2022528431A - 物体に作用する力を測定するための装置 - Google Patents

物体に作用する力を測定するための装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、物体によってプローブに及ぼされる接触力を測定するための装置に関し、装置は、レバーと、物体に接触するための前記プローブとを備える。レバーは、結合手段によって本体に旋回可能に結合される。装置は、本体に結合された固定フレームを備える。本体は、物体に対して移動して、プローブを物体に接触させて、例えば、前記レバーを回転させるトルクのように、旋回軸の周りで本体に対して前記レバーを旋回させる力を発生させるように設計されている。装置は、旋回時に、本体に対するレバーの変位を測定するためのセンサを備える。結合手段は、制御剛性手段、例えば、弾性要素を備え、その結果、プローブが物体に接触すると、レバーの変位は、プローブが物体に及ぼす力に比例する。このような制御剛性手段は、測定された力の精度および感度が制御されるように調節可能である。本発明は、さらに、本発明による装置を使用する方法にも関する。【選択図】図１

Description

本発明は、プローブが物体に及ぼす接触力を測定するための装置に関する。本発明は、前記装置を使用する方法にも関する。
プローブと物体との間の接触（自動プローブ着床とも呼ばれる）を制御するために、特に半導体材料または生物学的材料の操作を目的として、ロボットシステムを使用する様々なアプローチが報告されている。
開発された最初のアプローチは、既知の機械的マクロスケール技術から適応された。非特許文献１では、著者らは、プローブの先端に近接して配置した力センサに近接センサを組み合わせた。非特許文献２では、試料に接触したプローブの３Ｄ撓みを測定するために、撓み機構を作製した。しかしながら、これらの技術は、より良い精度を必要とする先進的なマイクロ操作およびナノ操作には適応していなかった。
電気的接触に基づく別の方法も開発された。この方法は、プローブと試料上の着床点との間に電位差を必要とする。プローブが試料に接触し、良好なオーム接触が確立されると、試料とプローブ針との間に電流が流れ始める。安定した電流が検出されると、プローブは停止される。
これらの方法では、プローブと試料との間の機械的または電気的接触を、そのパラメータを評価することなく得ることだけが可能になる。これらの方法は、効率的でロバストな自動化プロービングシステムを設計するときに重要な特徴となっている接触メンテナンスであるプローブ着床の第二のフェーズを処置しない。
力制御に基づく自動化されたプローブ着床の解決策は、必ずしも連続的な力測定を提供するセンサを備える必要はない。興味深い代替策は、一定力機構（ＣＦＭ）である。例えば、非特許文献３では、著者らは、作業空間にわたって一定の力／変位特性を維持するたわみベースのマイクログリッパを提示している。プローブ着床の場合、このような機構の使用は、たとえアームが下降し続けても、接触力があるレベルを超えないことを保証する。このような解法の利点は、システムが変位センサを必要とせず、その挙動は機構の機械的パラメータによってのみ調整されることである。しかしながら、ＣＦＭは、いくつかの弱点を有し、第一に、力の特性評価が必要とされる用途には適しておらず、第二に、ＣＦＭも接触検出を可能にしない。
あるいは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の開発は、マイクロ／ナノスケール操作における力測定に特に関連している。これらの顕微鏡では、表面上で超高感度プローブをスライドさせ、試料のトポロジー画像を作成することによって、試料をラインごとに走査する。非特許文献４では、ＡＦＭからの圧電抵抗カンチレバーは、力のフィードバックを伴う閉ループで制御されるプローブとして使用されている。しかしながら、ＡＦＭ専用のプローブに基づく用途は、例えば、電気的または機械的プローブに使用される標準的なプローブ針と直接の互換性がない。
マイクロ／ナノアプリケーションにおける力センサのもう一つの膨大なグループは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）である。これらの機構は、通常、マニピュレータのアームの先端に配置される。これらは、一体型プローブ針、コンプライアントフレーム、感知部品、およびオプションとして、プローブの微細な移動を可能にするアクチュエータから構成されている。非特許文献５には、機構は、単一のナノメートル精度での変位測定を可能にする容量性センサが含まれている。さらに、コンデンサのプレート間の静電気力を使用してプローブを作動させるために、同じ構造が使用される。ＭＥＭＳは、精度、感度および力の範囲に関して非常に満足な結果を与えるが、ユーザは、ＭＥＭＳ内に集積されたプローブ針によって制限される。この制限は、マルチスケールの用途の場合、あるいはプローブが損傷または汚染した場合に、大きな欠点となる。さらに、ＭＥＭＳによって提供される測定範囲は、機構のサイズによって厳密に制限されることが多く、このため、ナノプローブからマイクロプローブに切り替える間に問題となることがある。
サブミリニュートン力測定に使用される別のセンサ群は、光学ベースの溶液である。光干渉法は、非常に精密な変位測定を要求する用途に広く使用されている。原理的には、光ファイバを通って輸送された光ビームは、測定された物体から反射して、干渉計に戻り、さらなる分析が行われる。比較的小さな寸法の光ファイバは、この解決策を非常にコンパクトにし、その結果、この解決策は、薄い針構造に使用され得る。光学的方法は、信号対雑音比（ＳＮＲ）および環境要因に対する不感性、例えば、真空または電場に対する不感性に関して、上述したセンサより優れている。一方、それらは、感度の高いシグナルコンディショナと、電気的接続よりも可撓性の低いカスタムプローブ針に一体化された光ファイバとを必要とする。
Ｙ．Ｆ． Ｌｉ．， "Ａ ｓｅｎｓｏｒ－ｂａｓｅｄ ｒｏｂｏｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ"， Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１５，１２８-１３６，１９９６ Ｐ．Ｈ．Ｊ． Ｓｃｈｅｌｌｅｋｅｎｓ ｅｔ ａｌ．， "Ａ ｓｉｌｉｃｏｎ－ｅｔｃｈｅｄ ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ ３－Ｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｂｅｌｏｗ ０．１ ｕｍ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，５０，１５１９-１５２３，２００１ Ｑ． Ｘｕ． ｅｔ ａｌ．， "Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐａｓｓｉｖｅ－ｔｙｐｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｏｒｃｅ ＭＥＭＳ ｍｉｃｒｏｇｒｉｐｐｅｒ"，１－６，２０１８ Ｈ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ａｓ ａ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ"，１，０９，２０００ Ｓ． Ｍｕｎｔｗｙｌｅｒ ｅｔ．ａｌ， "Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｔｗｏ－ａｘｉｓ ｍｉｃｒｏ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓａｍｐｌｅｓ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９，５，１２２３-１２３３，２０１０
全体的に、サブミリニュートン力測定のためのマイクロ／ナノ応用に関して言えば、既存の技術は、特定の針の使用を必要とするため、あるいは特定用途に限定された複雑な器具の取り扱いを含むため、満足すべき解決策を提供しない。
したがって、特定の針を必要とするのではなく、使用および製造がより容易であり、適応可能であり、従来のプローブ針と互換性のある装置が必要とされている。
上記の問題は、本発明による装置および方法によって解決される。
本発明は、プローブが物体に及ぼす接触力を測定するための装置に関し、この装置は、
・レバーおよび前記プローブであって、前記プローブは、レバーに固定され、物体に接触するように設計され、レバーは、結合手段によって本体に旋回可能に結合される、レバーおよびプローブと、
・物体に結合された固定フレームであって、固定フレームは物体に対して不動である、固定フレームと、
・物体に対して移動して、プローブを物体に接触させて、接触力を発生させるように設計された、前記本体であって、前記接触力は、それによって、旋回軸の周りでレバーを本体に対して旋回させる、本体と、
・旋回時に、本体に対する前記レバーの変位を測定するためのセンサと、
を備え、
装置は、結合手段が、好ましくはその回転中に旋回軸の周りのレバーの回転剛性を制御するように、換言すれば、調整するように適合された制御剛性手段を備え、プローブが物体に接触すると、センサによって測定されたレバーの変位は、プローブが物体に及ぼす力に比例する、換言すれば、プローブと物体との間の前記接触力に比例することを特徴とする。
本発明の装置は、レバーに取り付けられ、物体に接触するように設計されたプローブを備える。レバーは、プローブと物体との間の接触力に比例する変位を増幅することのできる増幅レバーである。プローブが物体に接触すると、物体とプローブとの間に、接触力と呼ばれる力が生成される。接触力は、旋回軸を中心として本体に対して、レバーを旋回させるためのトルクを付与する。本発明によって、物体に既知の正確な力を加えることが可能になる。
プローブと接触すると、レバーは旋回軸を中心に旋回し、この旋回がセンサによって測定される。言い換えると、物体とプローブとの間の接触がレバーの旋回運動をトリガする。センサは、レバーのピボットによって誘起される変位を測定することを可能にする。したがって、装置は、物体とプローブとの間の接触力を検出し、定量化するように、接触力を変位に変換することを可能にする。
装置は、その旋回中にレバーの剛性を制御するための制御剛性手段を備える。制御剛性手段は、レバーの回転剛性を最小化することを目的とし、その結果、プローブと物体とが接触すると、レバーの旋回とセンサによって測定される変位との間の相関が改善される。剛性を制御することにより、精度と感度が向上した装置が提供される。機構の剛性が減少すると、所与の力による変位が増加し、このことにより、我々の装置の感度が向上する。有利なことに、装置は、ノイズの影響を受けにくくなる。
また、制御剛性手段は、制御剛性手段を備えない装置と比較して、修正可能な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供する。好ましくは、前記信号対雑音比は、改善される。
有利なことに、制御剛性手段は、旋回中に剛性ゼロでレバーの旋回を達成するために配置される。本発明において、「ゼロ剛性」とは、数ｎＮ／ｍ未満の範囲、例えば５ｎＮ／ｍ未満の剛性を意味する。
公知解決とは対照的に、本発明による装置は、ミリメートルからマイクロメートルまたはナノメートルの寸法、生体試料、半導体素子、ウェーハ、時計ムーブメントの構成要素などのマイクロメカニクス部品、生物学的材料などの様々な物体に適応可能である。
一実施形態によると、制御剛性手段は、少なくとも１つのアクチュエータと、少なくとも１つの弾性要素とを備え、前記アクチュエータは、前記弾性要素の剛性を制御し、言い換えると、前記弾性要素の剛性を制御する。したがって、レバーの回転剛性は、アクチュエータを操作することによって調整することができる。
一実施形態によれば、制御剛性手段は、少なくとも１つのモジュールを備え、各モジュールは、少なくとも１つのアクチュエータおよび少なくとも１つの弾性要素を備える。モジュールは、一方では本体に、他方ではレバーに結合される。装置が２つ以上のモジュールを備える場合、各モジュールは、レバーの個別の部分を作動させるように配置することができる。各モジュールは、レバーの回転剛性の調整に寄与する。
例えば、制御剛性手段が２つ以上のモジュールを備える場合、各モジュールを独立して設定することができ、それによって、装置の剛性設定範囲が拡大され、より正確な設定が可能にする。
一実施形態では、アクチュエータは、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、櫛状駆動アクチュエータ、電磁熱アクチュエータ、磁気弾性アクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、機械アクチュエータ、及びこれらの組み合わせの中から選択される。
一実施形態によれば、弾性要素は、バネ、プリロードバネ（ｐｒｅ－ｌｏａｄｅｄ ｓｐｒｉｎｇ）、板バネ、ブレード、およびそれらの組み合わせの中から選択される。
一実施形態によると、レバーは、その質量中心が旋回軸上に存在するように、静的に平衡される、取られている。言い換えると、レバーの質量中心は、レバーが重力または線形加速度に反応しないように、旋回軸上に存在する。
一実施形態によると、力は、ナノニュートンの範囲内にある。これは、例えば、電気的接触の特性評価、ナノ構造の特性評価、生物学的材料または化学化合物の分析に適用することができる。
一実施形態によると、本体は、固定フレームに対して、例えば、重力方向に延在する軸に沿って平行移動するように、本体を固定フレームに対して移動させるための第二のアクチュエータによって、固定フレームに対して作動される。したがって、固定フレームは、物体に対する前記固定フレームの位置を調整するために、本体に対して移動可能である。
一実施形態によれば、装置は、固定フレームに対する本体の位置を示すための第二のセンサをさらに備える。
一実施形態では、センサは、レバー上の第一のマークと本体上の第二のマークとを備え、第二のマークに対する第一のマークの位置は、本体に対するレバーの相対位置を示し、その結果、プローブが物体に接触すると、主レバーは旋回軸の周りに旋回し、前記旋回運動は、第二のマークに対するレバーの第一のマークの変位を引き起こし、前記変位は、プローブによって物体に及ぼされる接触力に比例する。有利なことに、第一のマークと第二のマークとの間の変位をモニタリングすることは、画像処理技術を介して達成することができる。
一実施形態によれば、センサは、光学センサ、静電センサ、ボイスコイルセンサ、電熱センサ、電磁センサ、圧電センサ、およびそれらの組み合わせの中から選択される。
一実施形態では、弾性要素は、２つ以上の安定状態を有する弾性要素、好ましくは双安定弾性要素を備える。このような弾性要素は、接触力が所定の閾値を超えると、少なくとも第一の位置から第二の位置（すなわち、少なくとも２つの安定位置）に切り替わるように設計される。これらの弾性要素によって、壊れやすい物体を保護することが可能になる。
一実施形態によれば、装置は、ロードセルである。
一実施形態によると、装置は、少なくとも部分的に導電性材料または半導電性材料で構成される。
一実施形態によれば、装置は、微細加工技術に適合する材料、例えば、シリコンまたは溶融シリカ、例えば、ガラスから作製される。
また、本発明は、プローブによって物体に及ぼされる接触力を測定する方法にも関し、この方法は、
・ｉ）本発明による装置を提供するステップと、
・ｉｉ）プローブを物体と接触させて接触力を生成するように、物体に対して本体を移動させ、それによって前記接触力が旋回軸の周りで前記レバーを本体に対して旋回させるステップと、
・ｉｉｉ）レバーの旋回によって引き起こされるセンサの変位を測定するステップと、
・ｉｖ）センサによって測定された変位に基づいて、プローブが物体に及ぼす接触力を決定するステップと、
を含む。
この方法では、装置は受動モードにあり、これは装置が受動的であり、試料に力を及ぼさないことを意味する。換言すれば、レバーの偏向振幅は、プローブと物体との間の接触力と相関する。
有利なことに、クレームされた装置によって、また、センサがレバーの変位を示すときに、プローブと物体との間の接触を検出することが可能になる。
本発明は、さらに、プローブと物体との間の接触力を維持するための方法にも関し、この方法は、
・ｉ）本発明による装置を提供するステップであって、制御剛性手段が少なくともアクチュエータおよび少なくとも弾性要素を備え、アクチュエータが弾性要素の剛性を制御する、ステップと。
・ｉｉ）プローブを物体に接触させて接触力を生成するように物体に対して本体を移動させ、これにより、前記接触力は、レバーを本体に対して旋回軸の周りで旋回させる、ステップと、
・ｉｉｉ）プローブが物体に接触しているとき、結合手段のアクチュエータを作動させて、接触力に対抗する平衡力を作り出し、それによって、プローブと物体との間の接触を維持する、ステップと、
を含む。
これらの方法の特定の利点は、本発明の装置の利点と同様であるので、ここでは繰り返さない。
この方法は、プローブと物体との間の接触を維持する問題に対処する。そのために、装置は、能動モードにあり、すなわち、作動手段のアクチュエータは、レバーを作動させて、接触力の平衡をとる。この方法は、例えば、プローブと壊れやすい物体との間の接触を維持する場合に、特に有利である。
一実施形態では、弾性要素が複数の安定状態を有し、プローブに発せられる接触力が閾値を超えた場合に、弾性要素が少なくとも第一の安定位置から第二の安定位置に切り替わるように配置され、プローブと物体との接触力が閾値を超えた場合に、弾性要素が第一の安定位置から第二の安定位置に切り替わるように、レバーがプローブと物体との間の接触を維持して平衡をとるように作用する。接触力は、プローブと物体との間の接触力の最大値に対応する閾値によって制限される。制御剛性手段は、物体に応じて閾値を調整するように調節することができる。物体とプローブとの間の接触が様々な安定状態の間に維持されるので、２つ以上の安定状態を有する弾性要素が有利である。多安定弾性要素、すなわち、多安定旋回の利点は、プローブと測定されるべき物体の両方の過負荷保護である。
一実施形態によれば、制御剛性手段は、アクチュエータが作動して前記平衡力を発生させたときに、結合手段の剛性を調整するために配置され、レバーの決定された移動にわたって、プローブと物体との間に一定の接触力を維持するようになっている。この実施形態では、制御剛性は、物体とプローブとの間の一定の力を保証するために、平衡力を接触力に適合させるために配置される。
一実施形態では、本方法は、ステップｉｉ）の前に、制御剛性手段を動作させて、決定された剛性を設定するステップを含む。
装置について説明した実施形態は、必要な変更を加えて本発明による方法にも適用され、その逆も同様である。
本発明のさらなる特定の利点および特徴は、添付の図面を参照する本発明の少なくとも１つの実施形態の以下の非限定的な説明から、より明確になる。
本発明による装置の第一の実施形態を示す。 本発明による装置の第二の実施形態を示す。 本発明による装置の第三の実施形態を示す。
本発明の詳細な説明は、実施形態の任意の特徴を、有利な方法で異なる実施形態の任意の他の特徴と組み合わせることができるので、非限定的な方法で本発明を例示することを意図している。
図１～図３は、本発明による装置１００，２００，３００の様々な実施形態を表す。
まず、各実施形態を詳細に説明する前に、装置１００，２００，３００の一般的な説明を提供する。
装置１００，２００，３００は、その上に固定されたプローブ１０２．２０２．３０２を有するレバー１０１，２０１，３０１を備え、前記プローブは、物体１０３．２０３．３０３に接触し、接触力と呼ばれる力をその物体に及ぼすように設計されている。レバー１０１、２０２、３０１は、本体１０４、２０４、３０４に旋回可能に結合され、前記本体は、固定フレーム１０５、２０５、３０５に結合されている。本体１０４、２０４、３０４およびレバー１０１、２０２、３０１は、固定フレーム１０５、２０５、３０５に対して移動可能であり、一方、前記固定フレームは、物体１０３、２０３、３０３に対して不動である。
本体１０４，２０４，３０４は、物体１０３，２０３，３０３に対して移動するように設計され、プローブ１０２，２０２，３０２を前記物体と接触させる。プローブ１０２、２０２、３０２が物体１０３、２０３、３０３に接触すると、レバー１０１、２０２、３０１は、本体１０４、２０４、３０４に対して旋回軸Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を中心として旋回する。レバー１０１、２０２、３０１の変位は、センサ１０６、２０６、３０６によって測定され、前記変位によって、プローブ１０２、２０２、３０２が物体１０３、２０３、３０３に及ぼす接触力を計算することが可能になる。本体１０４、２０４、３０４に対するレバー１０１、２０２、３０１の旋回は、結合手段１０７、２０７、３０７によって保証される。結合手段１０７、２０７、３０７は、旋回中のレバー１０１、２０２、３０１の剛性を制御するための制御剛性手段１０８、２０８、３０８をさらに備える。剛性手段は、モジュールで構成することができ、各モジュールは、レバーの剛性、言い換えると、レバーの全体的な剛性に寄与する。
図１に表わされる実施形態では、結合手段１０７の制御剛性手段１０８は、２つのモジュール１０９から構成され、その２つは、レバー１０１の中央部を本体１０４と結合する第一のモジュール１０９ａと、レバー１０１の遠位部、すなわちプローブ１０２の近傍を本体１０４と結合する第二のモジュール１０９ｂである。
第一のモジュール１０９ａは、弾性要素として作用するプリロードバネ１１０と、２つのスライド１１１、１１２（またはスライドブロック）とを備え、前記バネ１１０の各端部は、１つのスライド１１１、１１２に取り付けられ、バネ１１０は、スライド１１１、１１２間の距離を調整するように設計される。前記スライド１１１の一方は本体１０４に取り付けられ、他方はリンクアーム１１３を介してレバー１０１に取り付けられ、バネ１１０の圧縮／減圧がレバー１０１と本体１０４との間の距離を調節する。各スライド１１１、１１２は、本体１０４上に固定されたアクチュエータ１１４によって作動される。スライド１１１は、圧電アクチュエータ１１５によって作動されるのに対し、スライド１１２は、ねじ１１６によって作動される。レバーの回転剛性は、第一のモジュール１０９ａのアクチュエータ１１４を設定することによって調整することができる。
第一のモジュール１０９ａは、第一のモジュール１０９ａの剛性を示す剛性センサ１１７をさらに備える。
第二のモジュール１０９ｂは、レバーおよび本体１０４の両方に取り付けられたフィンガ１１８を備え、
・フィンガ１１８は、螺旋バネ１１９を介して旋回軸Ｐ１の旋回点上でレバー１０１に結合され、螺旋バネの先端は前記フィンガ上及び前記レバー上にそれぞれ固定され、
・フィンガ１１８は、本体１０４のガイド１２１に受け入れられるピン１２０を備え、モジュール１０９ｂは、ガイド１２０内のフィンガのピンの変位を作動させるために本体１０４内に螺合されるネジ１２２を備える。
ネジ１２２の作動は、ガイド１２１内のピン１２０の変位を駆動し、螺旋バネをチャージまたはディスチャージ（ｃｈａｒｇｅ ｏｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）させて、第二のモジュール１０９ｂの剛性を変調させる。
装置１００のセンサ１０６は、レバー１０１上の第一のマーク１２３と、本体１０４上の第二のマーク１２４とを備え、第二のマーク１２４に対する第一のマーク１２３の位置は、本体１０４に対するレバー１０１の相対位置を示す。例えば、第一のマーク１２３が第二のマーク１２４と位置合わせされるとき、プローブ１０２は物体１０３に力を及ぼさない。プローブ１０２が物体１０３に接触すると、レバー１０１の枢動によって、第二のマーク１２４に対する第一のマーク１２３のシフトまたは変位が誘発される。
第一の実施形態では、装置１００は、固定フレーム１０５に対して本体１０４を作動させるための第二のアクチュエータ１２５、例えば、圧電アクチュエータをさらに備える。装置１００は、固定フレーム１０５に対する本体１０４の位置を示すための第二のセンサ１２６をさらに備える。本実施形態では、第二のセンサ１２６は、センサ１０６と同様である。
装置１００は、２つのモード、すなわち、受動モードおよび能動モードで動作することができる。
受動モードでは、本体１０４は、結合手段１０７によって移動されて、プローブ１０２を物体１０３に接触させ、接触力を生成する。例えば、第二のアクチュエータ１２６は、物体に対して（および固定フレーム１０５に対して）本体を動かすように作動される。この変位は、第二のセンサ１２７上に示される。プローブ１０２と物体１０３との間の接触は、旋回軸Ｐ１の旋回点を中心としてレバー１０１の旋回を駆動し、前記旋回は、プローブ１０２と物体１０３との間の接触力に比例する第二のマーク１２５に対する第一のマーク１２４の変位を誘発する。
能動モードでは、結合手段１０７は、レバー１０１を平衡力で作動させて接触力を打ち消すように配置される。例えば、この実施形態では、結合手段１０７は、平衡力でレバー１０１を作動させるための追加のアクチュエータ１２７をさらに備える。あるいは、第一および／または第二のモジュールを形成するアクチュエータを使用することもできる。
装置１００は、レバー１０１の変位運動を制限するために、２つのストッパ１２８、１２９をさらに備える。この特徴は、図２および図３に示す実施形態にも存在する。
図２は、第二の実施形態による装置２００を表す。第一の実施形態による装置１００について既に説明した第二の実施形態による装置２００の特徴は、以下では繰り返さない。
図１に表わす装置１００と図２の１つとの間の主な相違は、結合手段２０９の第二のモジュール２０９ｂに関するものである。第二のモジュールは、
・本体２０４からレバー２０１に向かって延びる突出部２３０であって、前記突出部は、螺旋バネを備えた旋回点Ｐ２上でレバー２０１に取り付けられる、突出部２３０と、
・プリロードバネ２３１であって、その先端がそれぞれレバー２０１と、本体に結合されたベース２３２に取り付けられ、前記ベースは、本体に対して移動可能であり、ネジによって作動されて、前記プリロードバネ２３１をチャージまたはディスチャージさせる、プリロードバネ２３１と、
を備える。
第二のモジュール２０９ｂの剛性は、第二のモジュール２０９ｂのネジ２２２を作動させることによって調整することができる。
プローブ１０２と物体１０３との間の接触により、レバー１０１は、旋回軸Ｐ１を中心として旋回する。
装置２００は、第一の実施形態による装置１００と同様に、能動モードまたは受動モードのいずれかで動作することができる。
プローブ２０２と物体２０３との間の接触により、レバー２０１は、旋回点Ｐ２を中心としてピボットする。
図３は、第三の実施形態による装置３００を表す。（第一または第二の実施形態による）装置１００または２００について既に説明した（第三の実施形態による）装置３００の特徴は、以下では繰り返さない。
装置３００の制御剛性手段３０８は、第一のモジュール３０９ａおよび第二のモジュール３０９ｂを備える。
第一のモジュール３０９ａは、スライド３１１を備え、スライド３１１は、
・２つのブレード３３３を介して本体３０４と、
・２つの他のブレード３３３を介するリンクアーム３１３であって、前記リンクアーム３１３が前記レバーに接続されている、リンクアームと、
に取り付けられている。
第一のモジュール３０９ａは、アクチュエータ３１４と、ブレードの負荷をチャージ／ディスチャージするためのネジ３１６とをさらに備え、それによって第一のモジュール３０９ａの剛性を変調する。
第二のモジュール３０９ｂも、第一のモジュール３０９ａと同様に、ブレードの結合に基づいている。第二のモジュール３０９ｂは、ブレード３３４によって本体３０４とレバー３０１との間に懸架されたベース３３２を備え、ベースは、
・交差ブレード３３５を有する旋回点Ｐ３上のレバー３０１と、
・２つのブレード３３４によって本体３０４に、
取り付けられている。
第二のモジュール３０９ｂは、本体３０４にネジ込まれたネジ３２２をさらに備えるが、このネジは、ベース３３２を変位させるためであり、したがって、ブレード３３４、３３５の負荷をチャージまたはディスチャージさせ、それによって、第二のモジュール３０９ｂの剛性を調整させるためのものである。
装置３００では、本体３０４は、固定フレーム３０５に対する本体３０４の位置決めを容易にするために、追加のブレード３３６を有する固定フレームに結合される。多数の実施形態に関連して実施形態を説明したが、多くの代替形態、修正形態、および変形形態が、当業者には明白であろうこと、または明白であることは明らかである。したがって、本開示は、本開示の範囲内にあるすべてのそのような代替形態、修正形態、相当形態および変形形態を包むことを意図している。これは、例えば、特に、使用可能な異なる装置に関する場合である。
１００ 第一の実施形態による装置
１０１ レバー
１０２ プローブ
１０３ 物体
１０４ 本体
１０５ 固定フレーム
１０６ センサ
１０７ 結合手段
１０８ 制御剛性手段
１０９ａ 結合手段の第一のモジュール
１０９ｂ 結合手段の第二のモジュール
１１０ プリロードバネ
１１１ 第一のモジュールのスライド
１１２ 第一のモジュールのスライド
１１３ 第一のモジュールのリンク
１１４ 第一のモジュールのアクチュエータ
１１５ 第一のモジュールの圧電アクチュエータ
１１６ 第一のモジュールのネジ
１１７ 第一のモジュールの剛性センサ
１１８ 第二のモジュールのフィンガ
１１９ 第二のモジュールの螺旋バネ
１２０ フィンガのピン
１２１ ピンのガイド
１２２ 第二のモジュールのネジ
１２３ センサの第一のマーク
１２４ センサの第二のマーク
１２５ 第二のアクチュエータ
１２６ 第二のセンサ
１２７ 追加のアクチュエータ
１２８ ストッパ
１２９ ストッパ
２００ 第二の実施形態による装置
２０１ レバー
２０２ プローブ
２０３ 物体
２０４ 本体
２０５ 固定フレーム
２０６ センサ
２０７ 結合手段
２０８ 制御剛性手段
２０９ａ 結合手段の第一のモジュール
２０９ｂ 結合手段の第二のモジュール
２１０ 第一のモジュールのプリロードバネ
２１１ 第一のモジュールのスライド
２１２ 第一のモジュールのスライド
２１３ 第一のモジュールのリンク
２１４ 第一のモジュールのアクチュエータ
２１５ 第一のモジュールの圧電アクチュエータ
２１６ 第一のモジュールのネジ
２１７ 第一のモジュールの剛性センサ
２１９ 第二のモジュールの螺旋バネ
２２２ 第二のモジュールのネジ
２２３ 第一のマーク
２２４ 第二のマーク
２２５ 第二のアクチュエータ
２２６ 第二のセンサ
２２７ 追加のアクチュエータ
２２８ ストッパ
２２９ ストッパ
２３０ 第二のモジュールの突出
２３１ 第二のモジュールのプリロードバネ
２３２ 第二のモジュールのベース
３００ 第三の実施形態による装置
３０１ レバー
３０２ プローブ
３０３ 物体
３０４ 本体
３０５ 固定フレーム
３０６ センサ
３０７ 結合手段
３０８ 制御剛性手段
３０９ａ 結合手段の第一のモジュール
３０９ｂ 結合手段の第二のモジュール
３１１ 第一のモジュールのスライド
３１３ 第一のモジュールのリンクアーム
３１４ 第一のモジュールのアクチュエータ
３１６ 第一のモジュールのネジ
３１７ 第一のモジュールの剛性センサ
３２２ 第二のモジュールのネジ
３２３ センサの第一のマーク
３２４ センサの第二のマーク
３２５ 第二のアクチュエータ
３２６ 第二のセンサ
３２７ 追加のアクチュエータ
３２８ ストッパ
３２９ ストッパ
３３２ 第二のモジュールのベース
３３３ 第一のモジュールのブレード
３３４ 第二のモジュールのブレード
３３５ 第二のモジュールの交差ブレード
３３６ 追加のブレード

Claims (15)

  1. プローブによって物体（１０３，２０３，３０３）に加えられる接触力を測定するための装置（１００，２００，３００）であって、前記装置（１００，２００，３００）は、
    ・レバー（１０１、２０１、３０１）および前記プローブ（１０２、２０２、３０２）であって、前記プローブ（１０２、２０２、３０２）は、レバー（１０１、２０１、３０１）に固定され、前記物体（１０３、２０３、３０３）に接触するように設計され、
    ・前記レバー（１０１、２０１、３０１）は、結合手段（１０７、２０７、３０７）によって本体（１０４、２０４、３０４）に旋回可能に結合される、レバー（１０１、２０１、３０１）およびプローブ（１０２、２０２、３０２）と、
    ・前記本体（１０４，２０４，３０４）に結合された固定フレーム（１０５，２０５，３０５）であって、前記固定フレーム（１０５，２０５，３０５）は前記物体（１０３，２０３，３０３）に対して不動である、固定フレームと、
    ・前記物体（１０３，２０３，３０３）に対して移動して、前記プローブ（１０２、２０２、３０２）を前記物体（１０３，２０３，３０３）に接触させて、接触力を発生させるように設計された、前記本体（１０４、２０４、３０４）であって、前記接触力は、それによって、旋回軸（Ｐ１）の周りで前記レバー（１０１，２０１，３０１）を前記本体（１０４，２０４，３０４）に対して旋回させる、本体（１０４、２０４、３０４）と、
    ・旋回時に、前記本体（１０４、２０４、３０４）に対する前記レバー（１０１、２０１、３０１）の変位を測定するためのセンサ（１０６、２０６、３０６）と、
    を備え、
    前記装置（１００，２００，３００）は、前記結合手段（１０７．２０７．３０７）が、前記旋回軸（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の周りのレバー（１０１、２０１、３０２）の回転剛性を調整するように適合された制御剛性手段（１０８，２０８，３０８）を備え、前記プローブ（１０２、２０２、３０２）が前記物体（１０３、２０３、３０３）に接触すると、前記センサ（１０６、２０６、３０６）によって測定された前記レバー（１０１、２０１、３０１）の変位は、前記プローブ（１０２、２０２、３０２）と前記物体（１０３、２０３、３０３）との間の前記接触力に比例することを特徴とする、装置（１００、２００、３００）。
  2. 前記制御剛性手段（１０８．２０８．３０８）は、少なくとも１つのアクチュエータ（１１４、２１４、３１４）と、少なくとも１つの弾性要素（１１０、２１０、３１０）とを備え、前記アクチュエータ（１１４、２１４、３１４）は、前記弾性要素（１１０、２１０、３１０）の剛性を修正する、請求項１に記載の装置（１００、２００、３００）。
  3. 前記アクチュエータ（１１４，２１４，３１４）は、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、櫛状駆動アクチュエータ、電磁熱アクチュエータ、磁気弾性アクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、機械アクチュエータ、及びこれらの組み合わせの中から選択される、請求項２に記載の装置（１００，２００，３００）。
  4. 前記弾性要素（１１０，２１０，３１０）は、バネ、プリロードバネ、板バネ、ブレード、およびそれらの組み合わせの中から選択される、請求項２または３に記載の装置（１００，２００，３００）。
  5. 前記接触力がナノニュートン範囲にある、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）。
  6. 前記レバー（１０１、２０１、３０１）は、その質量中心が旋回軸上に存在するように、静的に平衡される、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置（１００、２００、３００）。
  7. 前記本体（１０４．２０４．３０４）は、前記固定フレーム（１０５．２０５．３０５）に対して前記本体（１０４，２０４，３０４）を移動させるための第二のアクチュエータによって前記固定フレーム（１０５，２０５，３０５）に対して作動される、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）。
  8. 弾性要素（１１０，２１０，３１０）は、２つ以上の安定状態、好ましくは双安定弾性要素を有する少なくとも１つの弾性要素を含む、請求項２～７のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）。
  9. 前記装置（１００，２００，３００）がロードセルである、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）。
  10. 物体（１０３，２０３，３０３）にプローブ（１０２，２０２，３０２）が及ぼす接触力を測定する方法であって、
    ・ｉ）請求項１～９のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）を提供するステップと、
    ・ｉｉ）前記プローブ（１０２、２０２、３０２）を前記物体（１０３、２０３、３０３）と接触させて接触力を生成するように、前記物体（１０３、２０３、３０３）に対して本体（１０４、２０４、３０４）を移動させ、それによって前記接触力が旋回軸（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の周りで前記レバー（１０１、２０１、３０１）を前記本体（１０４、２０４、３０４）に対して旋回させるステップと、
    ・ｉｉｉ）前記レバー（１０１、２０１、３０１）の旋回によって引き起こされる前記センサ（１０６、２０６、３０６）の前記変位を測定するステップと、
    ・ｉｖ）前記センサ（１０６、２０６、３０６）によって測定された変位に基づいて、前記プローブ（１０２、２０２、３０２）が前記物体（１０３、２０３、３０３）に及ぼす接触力を決定するステップと、
    を含む、方法。
  11. 前記方法が、
    ・ステップｉｉ）の前に、前記制御剛性手段（１０８、２０８、３０８）を操作して、前記レバー（１０１、２０１、３０１）の決定された回転剛性を設定するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. プローブ（１０２、２０２、３０２）と物体（１０３、２０３、３０３）との間の接触力を維持する方法であって、
    ・ｉ）請求項１～９のいずれか一項に記載の装置（１００，２００，３００）を提供するステップであって、前記制御剛性手段（１０８、２０８、３０８）が、少なくともアクチュエータ（１１４、２１４、３１４）および少なくとも弾性要素（１１０、２１０、３１０）を備え、前記アクチュエータ（１１４，２１４，３１４）が前記弾性要素（１１０，２１０，３１０）の剛性を制御する、ステップと。
    ・ｉｉ）前記プローブ（１０２、２０２、３０２）を前記物体（１０３、２０３、３０３）に接触させて接触力を生成するように前記物体（１０２、２０２、３０２）に対して前記本体（１０４、２０４、３０４）を移動させ、これにより、前記接触力は、前記レバー（１０１，２０１，３０１）を前記本体（１０４，２０４，３０４）に対して旋回軸（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の周りで旋回させる、ステップと、
    ・ｉｉｉ）前記プローブ（１０２，２０２，３０２）が前記物体（１０３，２０３，３０３）に接触しているとき、前記結合手段（１０７，２０７，３０７）の前記アクチュエータ（１１４、２１４、３１４）を作動させて、前記接触力に対抗する平衡力を作り出し、それによって、前記プローブ（１０２，２０２，３０２）と前記物体（１０３、２０３、３０３）との間の接触を維持する、ステップと、
    を含む、方法。
  13. 前記弾性要素（１１０，２１０，３１０）が複数の安定状態を有し、前記プローブ（１０２，２０２，３０２）に発せられる接触力が閾値を超えた場合に、前記弾性要素（１１０，２１０，３１０）が少なくとも第一の安定位置から第二の安定位置に切り替わるように配置され、前記プローブ（１０２，２０２，３０２）と前記物体（１０３，２０３，３０３）との接触力が閾値を超えた場合に、前記弾性要素（１１０，２１０，３１０）が前記第一の安定位置から前記第二の安定位置に切り替わるように、前記レバー（１０１，２０１，３０１）が前記プローブ（１０２，２０２，３０２）と前記物体（１０３，２０３，３０３）との間の接触を維持して平衡をとるように作用する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記制御剛性手段（１０６．２０６．３０６）は、前記アクチュエータ（１１４，２１４，３１４）が作動して前記平衡力を発生させたときに前記結合手段（１０７．２０７．３０７）の剛性を調整するために配置され、前記レバー（１０１，２０１，３０１）の決定された移動にわたって、前記プローブ（１０２，２０２，３０２）と前記物体（１０３，２０３，３０３）との間に一定の接触力を維持するようになっている、請求項１２または１３に記載の方法。
  15. 前記方法が、
    ・ステップｉｉ）の前に、前記制御剛性手段（１０８、２０８、３０８）を操作して、前記レバー（１０１、２０１、３０１）の決定された回転剛性を設定するステップ
    を含む、請求項１２～１４のいずれか一項に記載の方法。
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