JP2005043239A - Micro-displacement control device, and device and method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学機器、精密加工機械、レーザー機器、計測器、その他微小かつ精密な変位や送りが必要な機器に用いて好適な超磁歪素子を用いた微小変位制御装置に関し、とくに、ビッカース圧子等を用いて、例えば薄膜の一回の押し込み試験によって、絶対的な硬さ値はもとより、固有の物性(例えば、弾性率、クリープ特性、ヤング率)についての補足データを得るのに適した硬さ等の測定などに好適な、微小変位制御装置およびそれを用いた装置と方法に関する。 The present invention relates to a micro displacement control apparatus using a giant magnetostrictive element suitable for use in optical equipment, precision processing machines, laser equipment, measuring instruments, and other equipment that requires minute and precise displacement and feed, and in particular, a Vickers indenter. For example, by a single indentation test of a thin film, the hardness is suitable for obtaining supplementary data on specific physical properties (for example, elastic modulus, creep property, Young's modulus) as well as absolute hardness values. The present invention relates to a micro-displacement control device suitable for measuring the thickness and the like, and an apparatus and method using the same.
従来の微小変位制御による硬さ試験機は、例えば、荷重発生をコイルで行い、その力を測定圧子に伝え、試料へ圧子押し込みをはかり、この時の変位を静電容量型変位計で精密に計測するようにしている(たとえば、特許文献1)。この方式は、荷重発生部分をオープンループにて行う方式である。 A conventional hardness tester using micro displacement control, for example, generates a load with a coil, transmits the force to a measurement indenter, pushes the indenter into the sample, and precisely measures the displacement at this time with a capacitance displacement meter. Measurement is performed (for example, Patent Document 1). This method is a method in which the load generation portion is performed in an open loop.
また、超磁歪素子を用いた測定装置やアクチュエータとしては、次のようなものが知られている。たとえば特許文献2に開示の超磁歪アクチュエータでは、ケーシング内に、円筒形の永久磁石と、その中心軸に沿って配された超磁歪ロッドと、これらの上端同士及び下端同士を連結して閉磁路を形成する上下一対のヨークを備えている。超磁歪ロッドに磁気バイアスをかけるため、永久磁石とヨークで囲まれた空間内には、超磁歪ロッドを中心にコイルを巻回して形成された電磁石が配されている。また、超磁歪ロッドにプリストレスをかけるためのスプリングがケーシングとヨークの間に配されている。
The following are known as measuring devices and actuators using giant magnetostrictive elements. For example, in the giant magnetostrictive actuator disclosed in
この超磁歪アクチュエータによれば、超磁歪ロッドに対して、永久磁石によりヨークを介して磁気バイアスを作用させると共に、スプリングによりプリストレスを作用させた状態で電磁石に電流を供給することにより、その磁力の大きさに応じて超磁歪ロッドが伸縮され、超磁歪ロッドの先端に設けたプッシュロッドが移動されてその変位が機械的動力として取り出される。すなわち、この超磁歪ロッドの伸縮に伴う変位は、基本的に、電磁石の電流により制御される。 According to this giant magnetostrictive actuator, a magnetic bias is applied to the giant magnetostrictive rod through a yoke by a permanent magnet, and a current is supplied to the electromagnet in a state where a prestress is applied by a spring. The giant magnetostrictive rod is expanded and contracted according to the size of the rod, the push rod provided at the tip of the giant magnetostrictive rod is moved, and the displacement is taken out as mechanical power. That is, the displacement accompanying expansion and contraction of the giant magnetostrictive rod is basically controlled by the current of the electromagnet.
このような超磁歪アクチュエータとは別に、特許文献3には、超磁歪素子と永久磁石を用いたバルブ開閉機構が開示されており、超磁歪素子に磁力がかかった時はバルブ閉、磁力がかからない時はバルブ開というようにON−OFFスイッチとして用いられる態様が示されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示されているような硬さ試験機では、圧子の変位測定に静電容量型変位計を用いている。静電容量型変位計は、測定分解能が非常に高くナノオーダーの計測が可能になるので一般的である。しかし、非接触式なので振動に非常に弱く、除振台に相当コストをかけないと、所定の精度を確保することが難しくなる。よって、装置全体として非常に高価なものとなっていた。
However, the hardness tester disclosed in
また、上記特許文献2に開示されているような超磁歪アクチュエータにおいては、永久磁石による磁気バイアスにより電磁石への供給電流を減少させることができるものの、超磁歪ロッドの十分な伸縮を得るためにはまだ多くの電流の供給を必要としている。そのため、以下のような問題が生じる。
(1)ジュール熱が発生することにより電磁石の抵抗値が増加し、初期供給電流が次第に降下し、当初の電磁石の磁力とは値が異なってしまうこととなる。結果として、超磁歪ロッドの変位量に変化をきたし、その分、位置決め分解能は低くなる。
(2)電磁石によるジュール熱の影響で超磁歪ロッドが伸びてしまい、やはり制御精度が低下してしまう。
(3)永久磁石による磁気バイアスと電磁石による磁力とで打ち消し合うことを積極的に利用しているが、逆磁力により永久磁石に磁気ストレスがかかり、短期間で永久磁石の磁力に変化をきたし正確な制御が不能となるおそれがある。
(4)超磁歪ロッドを伸びた状態で保持しようとした場合、電流が流れたままとなり短時間でジュール熱が発生してしまう。
とくにこれら(1)〜(4)の問題点により精密な制御が難しかった。
Further, in the giant magnetostrictive actuator as disclosed in
(1) When Joule heat is generated, the resistance value of the electromagnet increases, the initial supply current gradually decreases, and the value differs from the initial magnetic force of the electromagnet. As a result, the displacement amount of the giant magnetostrictive rod is changed, and the positioning resolution is lowered accordingly.
(2) The giant magnetostrictive rod is extended due to the influence of Joule heat by the electromagnet, and the control accuracy is also lowered.
(3) Although positively utilizing the cancellation of the magnetic bias by the permanent magnet and the magnetic force by the electromagnet, the permanent magnet is subjected to magnetic stress due to the reverse magnetic force, and the magnetic force of the permanent magnet is changed in a short period of time. May be impossible to control properly.
(4) When the giant magnetostrictive rod is held in an extended state, the current flows and Joule heat is generated in a short time.
In particular, precise control was difficult due to the problems (1) to (4).
上記のような従来技術における問題点に着目し、本発明の課題は、基本的に電磁石を使用せずに、極めて高精度に伸縮量、それに伴う変位を制御可能な超磁歪素子の伸縮制御装置を構成し、それを用いて目標とする微小変位を高精度で得ることができるようにした微小変位制御装置を提供することにある。 Paying attention to the problems in the prior art as described above, the object of the present invention is basically an expansion / contraction control device for a giant magnetostrictive element capable of controlling the amount of expansion / contraction and the displacement accompanying it without using an electromagnet. It is intended to provide a minute displacement control apparatus that can obtain a target minute displacement with high accuracy using the above.
また、本発明の課題は、そのような微小変位制御装置を用いることにより、各種の測定や高精度位置決めを可能とすることにあり、例えば、静電容量型変位計等の非接触変位計を使用することの上記のような問題点に着目し、基本的に非接触変位計を使用せずに、超磁歪素子の伸縮制御装置を用いて極めて高精度に圧子押し込みを行い、それに伴う荷重を計測可能とした、硬さ測定装置および方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to enable various types of measurement and high-accuracy positioning by using such a minute displacement control device. For example, a non-contact displacement meter such as a capacitance displacement meter can be used. Paying attention to the above-mentioned problems of use, basically, without using a non-contact displacement meter, push the indenter with extremely high accuracy using the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element, and the load accompanying it An object of the present invention is to provide a hardness measuring apparatus and method which can be measured.
上記課題を解決するために、本発明に係る微小変位制御装置は、一端が固定され、他端が自由端の超磁歪素子に磁力を作用させることにより前記超磁歪素子を伸縮させて、その自由端の変位を出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置であって、非磁性体からなるブロック内に、棒状の超磁歪素子を配するとともに、超磁歪素子の固定端側に永久磁石のみによる磁力の発生手段を配し、該磁力発生手段の移動手段により該磁力発生手段と前記超磁歪素子との相対位置関係を連続的に制御することにより、前記超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置を用い、前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得るようにしたことを特徴とするものからなる。すなわち、基本的に永久磁石のみによる磁力の発生手段により超磁歪素子に作用させる磁力を制御し、超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に連続的な変位として出力させるようにしたものである。 In order to solve the above-mentioned problems, a micro displacement control device according to the present invention has a free end that expands and contracts the giant magnetostrictive element by applying a magnetic force to the giant magnetostrictive element having one end fixed and the other end free. A device for controlling expansion and contraction of a giant magnetostrictive element that outputs end displacement, wherein a rod-like giant magnetostrictive element is arranged in a non-magnetic block, and only a permanent magnet is provided on the fixed end side of the giant magnetostrictive element. By arranging the magnetic force generating means by the above, and continuously controlling the relative positional relationship between the magnetic force generating means and the super magnetostrictive element by the moving means of the magnetic force generating means, the super magnetostrictive element is continuously expanded and contracted. Using a giant magnetostrictive element expansion / contraction control device that outputs the displacement to the free end side of the giant magnetostrictive element, so as to obtain a target minute displacement by the displacement outputted to the free end side of the giant magnetostrictive element. Characterized by Consisting of those. That is, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is basically controlled by means of magnetic force generation using only permanent magnets, and the giant magnetostrictive element is continuously expanded and contracted so that the displacement is continuously displaced toward the free end side of the giant magnetostrictive element. It is made to output.
ここで使用する永久磁石の形状は、円柱形、円筒形、異磁極を向かい合わせた対向平板形、同磁極を向かい合わせた対向平板形、中空の円筒形、立方形等、形状は特に問わない。超磁歪素子は磁力の極性には関係なく伸縮するので、これらの永久磁石のN極またはS極を超磁歪素子に向けるか、または、両方を超磁歪素子に向けてもよい。 The shape of the permanent magnet used here is not particularly limited, such as a columnar shape, a cylindrical shape, an opposed flat plate shape facing different magnetic poles, an opposed flat plate shape facing the same magnetic poles, a hollow cylindrical shape, a cubic shape, etc. . Since the giant magnetostrictive element expands and contracts regardless of the polarity of the magnetic force, the N pole or S pole of these permanent magnets may be directed to the giant magnetostrictive element, or both may be directed to the giant magnetostrictive element.
さらに、磁力発生手段による磁力の方向についても、超磁歪素子の伸縮方向と平行な方向、垂直な方向のいずれも可能であり、さらに斜め方向も可能である。要は、磁力発生手段と超磁歪素子との相対位置関係を連続的に制御でき、それによって超磁歪素子を連続的に伸縮させることができればよい。 Furthermore, the direction of the magnetic force generated by the magnetic force generation means can be either a direction parallel to the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element or a direction perpendicular thereto, and an oblique direction is also possible. In short, it is only necessary that the relative positional relationship between the magnetic force generating means and the giant magnetostrictive element can be continuously controlled, and thereby the giant magnetostrictive element can be continuously expanded and contracted.
超磁歪素子と永久磁石(磁力発生手段)の相対位置関係は、たとえばマイクロメータ、ステッピングモータ等を使用して精度よく制御することが可能であり、相対位置関係を正確に制御することにより、超磁歪素子にかかる磁力を変化させ、正確に所望量伸縮させることが可能になる。 The relative positional relationship between the giant magnetostrictive element and the permanent magnet (magnetic force generating means) can be accurately controlled using, for example, a micrometer, a stepping motor, etc., and by controlling the relative positional relationship accurately, By changing the magnetic force applied to the magnetostrictive element, it is possible to accurately expand and contract the desired amount.
永久磁石の減磁は年間約0.1%といわれているので、長期間安定した磁力を超磁歪素子にかけることができる。また、永久磁石による磁力のみにより超磁歪素子を伸縮させるので、ジュール熱の発生等は全くなく、所定の制御を正確に行うことができる。 Since the demagnetization of the permanent magnet is said to be about 0.1% per year, a stable magnetic force can be applied to the giant magnetostrictive element for a long time. Further, since the giant magnetostrictive element is expanded and contracted only by the magnetic force of the permanent magnet, there is no Joule heat generation and the predetermined control can be performed accurately.
また、本装置においては、基本的に永久磁石1個により超磁歪素子にかかる磁力を変化させればよいので、逆磁力による磁気ストレスは発生せず、永久磁石の減磁を抑制することもできる。 Further, in this apparatus, basically, it is only necessary to change the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element by one permanent magnet, so that no magnetic stress due to the reverse magnetic force is generated, and demagnetization of the permanent magnet can be suppressed. .
また、本装置において、超磁歪素子を伸びた状態で保持しようとする場合には、永久磁石の磁力のみで伸びているので、ジュール熱の発生等の問題を伴うことなく、安定して、確実にかつ正確に所定状態に保持することが可能である。 In this device, when the giant magnetostrictive element is held in an extended state, it is extended only by the magnetic force of the permanent magnet, so that it is stable and reliable without causing problems such as the generation of Joule heat. In addition, it is possible to accurately and accurately maintain the predetermined state.
また、本装置においては、ブロック中に超磁歪素子が内包されているので、外部温度変化等による影響を抑制することが可能であり、とくにブロックに低熱伝導率の非磁性体を用いることにより、外部温度変化等による影響を一層確実に回避できるようになる。 In addition, in this device, since the magnetostrictive element is included in the block, it is possible to suppress the influence due to external temperature change, etc., especially by using a non-magnetic material with low thermal conductivity in the block, It is possible to more reliably avoid the influence due to external temperature changes and the like.
また、超磁歪素子にかかる磁力は、超磁歪素子と永久磁石の相対位置関係により決定するが、このとき相対位置関係の変化に対し超磁歪素子にかかる磁力の変化は非常に少ないので、移動手段による相対位置関係の変更により、磁力の設定を極めて細やかに制御することができ、結果として装置の位置決め分解能(超磁歪素子の自由端側の変位出力分解能)を非常に高くすることができる。 The magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is determined by the relative positional relationship between the giant magnetostrictive element and the permanent magnet. At this time, the change in the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is very small with respect to the change in the relative positional relationship. By changing the relative positional relationship, the setting of the magnetic force can be controlled very finely. As a result, the positioning resolution of the apparatus (displacement output resolution on the free end side of the giant magnetostrictive element) can be made extremely high.
さらに、減磁の極めて少ない永久磁石により磁力が与えられ、その超磁歪素子に作用する磁力を、移動手段による相対位置関係の変更のみによって制御するので、非常に高い再現性が得られる。したがって、たとえば、永久磁石の基準点よりの送り量を制御すれば、オープンループによる位置決めも可能となる。 Further, since a magnetic force is given by a permanent magnet with extremely little demagnetization, and the magnetic force acting on the super magnetostrictive element is controlled only by changing the relative positional relationship by the moving means, very high reproducibility can be obtained. Therefore, for example, if the feed amount from the reference point of the permanent magnet is controlled, positioning by an open loop is also possible.
このような本発明に係る微小変位制御装置においては、磁力発生手段、とくにその永久磁石を、超磁歪素子の軸線上に配置することが好ましいが、軸線上から外れた位置でも、超磁歪素子に作用させる磁力の変更制御は可能である。超磁歪素子に作用させる磁力を連続的に変化させることができればよい。 In such a micro displacement control device according to the present invention, it is preferable to arrange the magnetic force generating means, particularly the permanent magnet, on the axis of the giant magnetostrictive element. It is possible to change the applied magnetic force. It is only necessary that the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element can be continuously changed.
また、移動手段としては、磁力発生手段を超磁歪素子の伸縮方向と平行な方向に移動させる手段から構成することもできるし、超磁歪素子の伸縮方向と垂直な方向に移動させる手段から構成することもできる。また、移動手段は、磁力発生手段を単に直線状に移動させる手段に構成することもできるし、磁力発生手段を回転移動させる手段から構成することもできる。後者の場合、たとえば、回転板に永久磁石を設け、その回転板をステッピングモータ等の回転角を制御可能な手段により回転制御することにより、磁力発生手段と超磁歪素子との相対位置関係を精度よく制御することが可能となる。つまり、回転角のみで超磁歪素子の伸縮を制御することができるようになる。また、回転板を高速回転することにより、超磁歪素子の伸縮速度を速くすることもできる。 Further, the moving means can be constituted by means for moving the magnetic force generating means in a direction parallel to the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element, or can be constituted by means for moving in a direction perpendicular to the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element. You can also. The moving means can be configured as a means for simply moving the magnetic force generating means in a straight line, or can be configured as a means for rotating the magnetic force generating means. In the latter case, for example, a permanent magnet is provided on the rotating plate, and the rotating plate is rotationally controlled by a means capable of controlling the rotation angle such as a stepping motor, so that the relative positional relationship between the magnetic force generating means and the giant magnetostrictive element is accurately determined. It becomes possible to control well. That is, the expansion / contraction of the giant magnetostrictive element can be controlled only by the rotation angle. Moreover, the expansion / contraction speed of the giant magnetostrictive element can be increased by rotating the rotating plate at a high speed.
超磁歪素子の自由端側には、超磁歪素子の伸縮とともに変位する、磁性体からなるプッシュロッドが設けられていることが好ましい。超磁歪素子の透磁率は低いので、固定端側の永久磁石近傍は磁化量が高いが、自由端側に行くに従い磁化量は低下する。そこで、自由端側の超磁歪素子に接触するように磁性体からなるプッシュロッドを設け、さらに磁力発生手段からの部品配列を透磁率の低い方から高い方へと配列することにより、磁化量の改善をはかることができる。 On the free end side of the giant magnetostrictive element, it is preferable to provide a push rod made of a magnetic material that is displaced as the giant magnetostrictive element expands and contracts. Since the magnetic permeability of the giant magnetostrictive element is low, the amount of magnetization is high in the vicinity of the permanent magnet on the fixed end side, but the amount of magnetization decreases toward the free end side. Therefore, by providing a push rod made of a magnetic material so as to come into contact with the giant magnetostrictive element on the free end side, and further by arranging the component arrangement from the magnetic force generating means from the one with the lower magnetic permeability to the higher one, Improvements can be made.
このプッシュロッド側と磁力発生手段側とが磁性体からなるヨークで接続され、この間に磁気閉回路が構成されている形態を採ることもできる。これにより、さらなる磁気特性の改善および漏洩磁気の低減をはかることができる。 It is also possible to adopt a form in which the push rod side and the magnetic force generating means side are connected by a yoke made of a magnetic material and a magnetic closed circuit is formed between them. As a result, the magnetic characteristics can be further improved and the leakage magnetism can be reduced.
また、前記ブロック内には、プッシュロッドと連結され、プッシュロッドを超磁歪素子の伸縮方向に案内する、少なくとも1つのスライドガイドが設けられていることが好ましい。スライドガイドは、たとえば、超磁歪素子周りに、円周方向に3つ配することができる。このような構造とすれば、可動部の送り方向以外のがたつきを無くし、出力効率を改善することができる。 Moreover, it is preferable that at least one slide guide connected to the push rod and guiding the push rod in the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element is provided in the block. For example, three slide guides can be arranged in the circumferential direction around the giant magnetostrictive element. With such a structure, it is possible to eliminate shakiness other than the moving direction of the movable part and to improve output efficiency.
また、超磁歪素子の自由端側から超磁歪素子にプリストレスを与える手段が設けられていることが好ましい。たとえば、上記プッシュロッドまたはその取り付け部材を介してスプリング等の付勢手段によりプリストレスを与えることが可能である。このような付勢手段を設ければ、自由端側となるプッシュロッド端部を超磁歪素子に押しつけておくことが可能になり、このことにより、超磁歪素子にはプリストレスが与えられてその伸縮の特性が改善され、かつ、送り方向のがたつきも排除されて、より精密な制御が可能になる。 Further, it is preferable that a means for applying prestress to the giant magnetostrictive element from the free end side of the giant magnetostrictive element is provided. For example, prestress can be applied by biasing means such as a spring through the push rod or its mounting member. If such an urging means is provided, it becomes possible to press the end of the push rod on the free end side against the giant magnetostrictive element. The expansion / contraction characteristics are improved and the play in the feed direction is eliminated, thereby enabling more precise control.
また、前記ブロックには、超磁歪素子の固定端に連結され、該固定端と前記磁力発生手段との間に介在する、非磁性体からなる蓋体が設けられていることが好ましい。たとえば、1mm厚程度の蓋体を介在させておくことにより、磁力発生手段からの磁力を所定の相対位置関係の望ましい状態で超磁歪素子の固定端側に作用させることができ、かつ、非磁性体からなる蓋体とすることにより、磁力発生手段からの磁力のロスを抑えることができる。 Further, the block is preferably provided with a lid made of a non-magnetic material that is connected to a fixed end of the giant magnetostrictive element and is interposed between the fixed end and the magnetic force generating means. For example, by interposing a lid having a thickness of about 1 mm, the magnetic force from the magnetic force generating means can be applied to the fixed end side of the giant magnetostrictive element in a desired state of a predetermined relative positional relationship, and nonmagnetic By using a lid made of a body, loss of magnetic force from the magnetic force generating means can be suppressed.
また、このブロックは、前述したように、低熱伝導性の非磁性体から構成することが好ましい。超磁歪素子はブロックに内包されており、外部温度変化による熱膨張の影響は少ないが、より外部温度環境が厳しいとき低熱伝導性のブロックを用いることにより、耐温度変化特性を高めることができる。 Further, as described above, this block is preferably made of a non-magnetic material having low thermal conductivity. The giant magnetostrictive element is included in the block, and is less affected by thermal expansion due to external temperature change. However, when the external temperature environment is severe, the use of the low thermal conductivity block can improve the temperature change resistance characteristic.
また、このブロックには、加熱手段や冷却手段、あるいはその両方を設けることもできる。このような温度制御手段を設けておくことにより、たとえば、外部温度環境が常温に比べ極端に低い場合、ヒーター等によりブロックを暖め、超磁歪素子を常温状態にすることが可能となる。また、外部温度環境が常温に比べ極端に高い場合、冷却水等によりブロックを冷却し、超磁歪素子を常温状態にすることが可能となる。これにより、望ましい条件下で安定した制御が可能となる。 The block can be provided with heating means, cooling means, or both. By providing such temperature control means, for example, when the external temperature environment is extremely low compared to normal temperature, the block can be warmed by a heater or the like, and the super magnetostrictive element can be brought to normal temperature. Further, when the external temperature environment is extremely higher than the normal temperature, it is possible to cool the block with cooling water or the like to bring the giant magnetostrictive element to the normal temperature state. This enables stable control under desirable conditions.
また、超磁歪素子の自由端側にある磁性体からなるプッシュロッドの反超磁歪素子側に、磁力測定装置、例えばホール素子を設けることもできる。超磁歪素子の永久磁石による磁化量に比例して、プッシュロッドも磁化されるので、超磁歪素子の磁化量をホール素子でモニタリングすることが可能となる。超磁歪素子はヒステリシスを持つが、これは、残留磁化によるもので、超磁歪素子の磁化量がモニタリングできていれば、ヒステリシスを考慮することなく精密に伸縮制御することが可能となる。つまり、超磁歪素子の磁化量がそのまま伸縮量に比例する。 In addition, a magnetic force measuring device, for example, a Hall element can be provided on the anti-super magnetostrictive element side of the push rod made of a magnetic material on the free end side of the super magnetostrictive element. Since the push rod is also magnetized in proportion to the magnetization amount of the permanent magnet of the giant magnetostrictive element, the magnetization amount of the giant magnetostrictive element can be monitored by the Hall element. The giant magnetostrictive element has hysteresis, but this is due to residual magnetization. If the amount of magnetization of the giant magnetostrictive element can be monitored, the expansion and contraction can be precisely controlled without considering the hysteresis. That is, the amount of magnetization of the giant magnetostrictive element is directly proportional to the amount of expansion / contraction.
このような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この超磁歪素子の伸縮制御装置を用いて、超微小硬さ測定装置を構成することができる。すなわち、本発明に係る硬さ等の測定装置は、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位を、被測定物への押し込み量とし、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の押し込み量−荷重特性と硬さ値を得るようにしたことを特徴とするものからなる。 The micro displacement control device provided with the expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element according to the present invention can be applied to various devices that require minute and precise feed and output. By using it, an ultra-micro hardness measuring device can be configured. That is, the measurement device for hardness or the like according to the present invention is configured to transfer the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion / contraction control device of the giant magnetostrictive element in the minute displacement control apparatus as described above to the object to be measured. And a load measuring device is used to measure the load corresponding to the indentation amount to obtain the indentation amount-load characteristic and hardness value of the object to be measured.
例えば後述の図に示すように、この超微小硬さ測定装置における測定では、門型フレームとベース盤が連結され、そのベース盤上に例えば電子天秤が載せられている。さらに粗調的に移動可能な手段がその電子天秤に載せられている。この装置は門型上面板に出力部分を下向きに固定されている。この装置の出力部分に、例えばビッカースダイアモンド圧子を取り付け、測定試料を移動可能な粗調部分に取り付ける。この装置の伸縮ストロークの最短位置に超磁歪素子を伸縮させる。次に、固定可能な粗調移動部にて測定資料に圧子が接触するまで移動させ固定する。このときの接触確認は電子天秤等の値をみて行う。次に、本装置により正確に圧子を所定量押し込む。そのときの荷重を電子天秤等で読みとる。さらに、上記押し込み量にプラスして所定量押し込む。このときの荷重を電子天秤等で読みとる。これを、最終押し込み量まで繰り返す。さらに、最終押し込み量に到達したあと、押し込みを所定量減少させ、そのときの荷重を計測する。さらに、この減少量を順次マイナスして、荷重計測を行う。これを圧子押し込みの開始点まで行う。これにより、「微小押し込み量−荷重」特性のグラフが作成でき、連続特性曲線を求めることができるとともに、それぞれの測定点の硬さ値を求めることができる。この特性曲線は材質により異なるので、物性評価の比較検討が可能となる。 For example, as shown in the drawings described later, in the measurement with this ultra-small hardness measuring apparatus, a portal frame and a base board are connected, and an electronic balance, for example, is placed on the base board. Furthermore, a means capable of coarse movement is placed on the electronic balance. In this device, the output portion is fixed downward on the portal top plate. For example, a Vickers diamond indenter is attached to the output part of this apparatus, and the measurement sample is attached to a movable coarsely adjusted part. The giant magnetostrictive element is expanded and contracted at the shortest position of the expansion and contraction stroke of this apparatus. Next, it is moved and fixed until the indenter comes into contact with the measurement material by the fixable coarse adjustment moving unit. The contact confirmation at this time is performed by checking the value of an electronic balance or the like. Next, a predetermined amount of the indenter is accurately pushed by this apparatus. Read the load at that time with an electronic balance. Further, a predetermined amount is pushed in addition to the pushing amount. Read the load at this time with an electronic balance. This is repeated until the final pushing amount. Further, after reaching the final push-in amount, the push-in is reduced by a predetermined amount, and the load at that time is measured. Further, the load is measured by sequentially subtracting the decrease amount. This is performed up to the starting point of indenter pushing. As a result, a graph of the “minute push amount—load” characteristic can be created, a continuous characteristic curve can be obtained, and the hardness value of each measurement point can be obtained. Since this characteristic curve varies depending on the material, it is possible to compare and evaluate physical properties.
このような測定装置においては、変位を伴うことなく荷重計測が可能な荷重計測装置と組み合わせることが望ましい。そのためには、電子天秤、圧電素子等の荷重計測装置が好適である。押し込み量はオープンループにより決定するので、荷重計測に変位が伴うと、別途補正作業が必要となる。 In such a measuring apparatus, it is desirable to combine with a load measuring apparatus capable of measuring a load without any displacement. For this purpose, a load measuring device such as an electronic balance or a piezoelectric element is suitable. Since the push-in amount is determined by an open loop, if the load measurement is accompanied by a displacement, a separate correction work is required.
上記超磁歪素子の伸縮制御装置によりナノオーダーの押し込みが可能となるので、電子天秤等の微小荷重計測装置と併せて用いることにより、厚み数ミクロンオーダーの薄膜等の硬さ測定が可能となる。しかも、「押し込み量−荷重」特性の連続曲線が求まることにより、単に硬さだけにとどまらず、薄膜等の弾性率、ヤング率といった機械的性質を分析することも可能となる。さらに、装置の押し込みおよび荷重計測の自動化を図り、押し込み量、荷重を同時に連続計測することも可能である。これにより、より詳細な測定が可能となる。 Since the above-mentioned expansion and contraction control device for the giant magnetostrictive element can be pushed in on the nano order, it can be used in combination with a micro load measuring device such as an electronic balance to measure the hardness of a thin film having a thickness of several microns. Moreover, by obtaining a continuous curve of the “push-in amount-load” characteristic, it is possible to analyze not only the hardness but also mechanical properties such as elastic modulus and Young's modulus of a thin film. Furthermore, it is possible to automate the pushing-in of the device and the load measurement, and to continuously measure the pushing amount and the load at the same time. Thereby, more detailed measurement is possible.
この圧子押し込みユニットに用いている微小変位制御装置は、超磁歪素子の物質としての伸縮を利用しているので、振動の影響を全く受けない。これにより、この超微小硬さ測定装置の除振台は、簡易なものでも問題は無い。よって、測定装置全体として、高精度なものを安価に提供することが可能となる。 Since the micro displacement control device used in this indenter pushing unit uses expansion and contraction as a material of the giant magnetostrictive element, it is not affected by vibration at all. Thereby, even if the vibration isolator of this ultra micro hardness measuring apparatus is simple, there is no problem. Therefore, it becomes possible to provide a highly accurate device at a low cost as the whole measuring apparatus.
さらに、上記のような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を用いた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この微小変位制御装置を用いて、変位センサ校正装置を構成することができる。すなわち、本発明に係る変位センサの校正装置は、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位と、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力を校正するようにしたことを特徴とするものからなる。多くの場合、変位センサは測定変位の範囲内の任意の2〜3点を入力し、校正する。 Further, the micro displacement control device using the super magnetostrictive element expansion / contraction control device according to the present invention as described above can be applied to various devices that require minute and precise feeding and output. By using it, a displacement sensor calibration device can be configured. That is, the displacement sensor calibration apparatus according to the present invention includes the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element in the minute displacement control apparatus as described above, and the output of the target displacement sensor. By contrasting with the above, the output of the target displacement sensor is calibrated. In many cases, the displacement sensor inputs and calibrates any two or three points within the measured displacement range.
たとえば、ナノオーダーの分解能を持つような高精度変位センサの場合でも、測定出力のゼロ点・スパン調整(出力直線の傾き)はブロックゲージの厚みを変えて行っているのが現状である。しかし、このような高精度変位センサとなるとサブミクロンオーダーのばらつきがあるブロックゲージでは精度的に校正の信頼性に乏しい。そこで、例えばレーザー変位センサの場合、本発明に係る微小変位制御装置の出力部分に、レーザーを照射する。そして、この微小変位制御装置を用いて任意の点に正確に出力部分を移動させる。その変位点データをセンサデータ処理装置に記録する。これを繰り返すことにより、高精度変位センサを正確に校正することが可能となる。また、この微小変位制御装置の出力部分に(出力方向と同方向に)センサを設置することも可能である。この構成では、実際の被測定物を使い校正することが可能となる。あらかじめセンサおよびこの装置の出力部分の軸合わせを行っておけば、より迅速かつ高精度の校正が可能となる。ここでいうセンサは、変位センサ、絶対測長センサ、ひずみゲージ等であり、接触、非接触を問わない。 For example, even in the case of a high-precision displacement sensor having nano-order resolution, the zero point / span adjustment of the measurement output (inclination of the output straight line) is performed by changing the thickness of the block gauge. However, with such a high-precision displacement sensor, the accuracy of calibration is poor in a block gauge with sub-micron order variations. Therefore, for example, in the case of a laser displacement sensor, a laser is irradiated to the output portion of the minute displacement control device according to the present invention. Then, the output portion is accurately moved to an arbitrary point using this minute displacement control device. The displacement point data is recorded in the sensor data processing device. By repeating this, it is possible to accurately calibrate the high-precision displacement sensor. It is also possible to install a sensor (in the same direction as the output direction) at the output portion of the minute displacement control device. With this configuration, it is possible to calibrate using an actual object to be measured. If the sensor and the output portion of this apparatus are aligned in advance, it is possible to calibrate more quickly and accurately. A sensor here is a displacement sensor, an absolute length sensor, a strain gauge, etc., and does not ask | require contact and non-contact.
さらに、上記のような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を用いた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この微小変位制御装置を用いて、位置決めステージを構成することができる。すなわち、本発明に係る位置決めステージは、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うようにしたことを特徴とするものからなる。より具体的には、たとえば、この微小変位制御装置の出力部分と1方向のみ精密に摺動可能なスライドガイドを連結する。また、このとき、先のホール素子等を設置した装置を用いれば、ヒステリシスの影響を受けることもなく精密に往復位置決め動作を行わせることが可能となる。さらに、この1方向ステージを90°ずらして重ね合わせることにより、X・Yステージの構成も可能となる。もちろん、垂直方向のステージをさらに組み合わせX・Y・Zステージとすることも可能であり、位置決め方向の組み合わせは任意に設定できる。 Further, the micro displacement control device using the super magnetostrictive element expansion / contraction control device according to the present invention as described above can be applied to various devices that require minute and precise feeding and output. By using it, a positioning stage can be configured. That is, in the positioning stage according to the present invention, the stage is positioned by the displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element by the super magnetostrictive element expansion / contraction control apparatus in the micro displacement control apparatus as described above. It consists of what is characterized by this. More specifically, for example, an output portion of the minute displacement control device is connected to a slide guide that can slide precisely in only one direction. At this time, if a device in which the Hall element or the like is installed is used, the reciprocating positioning operation can be performed accurately without being affected by hysteresis. Furthermore, the X / Y stage can be configured by superimposing the one-direction stage by shifting by 90 °. Of course, the vertical stage can be further combined into an X, Y, and Z stage, and the combination of positioning directions can be set arbitrarily.
同様に、本発明に係る方法においても、本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置を用いて各所測定や位置決めを行うことができる。 Similarly, in the method according to the present invention, it is possible to perform measurement and positioning at various places using the micro displacement control device provided with the expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element according to the present invention.
すなわち、本発明に係る硬さ等の測定方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位によって被測定物への押し込み量を制御し、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の押し込み量−荷重特性および硬さ値を得ることを特徴とする方法からなる。 That is, the measurement method of hardness or the like according to the present invention uses the minute displacement control device as described above, and is measured by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element. It consists of a method characterized by controlling the amount of indentation into an object, measuring the load corresponding to the amount of indentation using a load measuring device, and obtaining the amount of indentation-load characteristics and hardness value of the object to be measured. .
また、本発明に係る変位センサの校正方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位と、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力を校正することを特徴とする方法からなる。 Further, the displacement sensor calibration method according to the present invention uses the minute displacement control device as described above, the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element, and the target displacement. The method comprises calibrating the output of the target displacement sensor by contrasting with the output of the sensor.
さらに、本発明に係る位置決めステージの制御方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うことを特徴とする方法からなる。 Furthermore, the positioning stage control method according to the present invention uses the above-described minute displacement control device, and the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element causes the stage to move. It consists of the method characterized by performing positioning.
上記のような本発明に係る微小変位制御装置によれば、超磁歪素子の伸縮量を永久磁石1個のみで最大限引き出すことができ、かつ、その相対位置関係を制御することにより伸縮量をナノオーダーまで極めて高精度に制御することが可能になる。また、目標とする所定の伸縮量を確実に何度でも再現することが可能となり、保持力にも優れる。さらに、簡単な装置構成で部品点数も少ないので、安価に製作することができる。 According to the minute displacement control device according to the present invention as described above, the expansion / contraction amount of the giant magnetostrictive element can be maximized with only one permanent magnet, and the expansion / contraction amount is controlled by controlling the relative positional relationship. It becomes possible to control with extremely high precision down to the nano order. In addition, the target predetermined expansion / contraction amount can be reliably reproduced any number of times, and the holding force is excellent. Furthermore, since the number of parts is small with a simple device configuration, it can be manufactured at low cost.
また、このような本発明に係る微小変位制御装置を利用した各種測定装置、校正装置、位置決め装置および方法によれば、所望の硬さ測定やセンサの校正、位置決め等を、極めて高精度でかつ容易に、しかも安価な装置にて行うことが可能となる。 Further, according to various measuring devices, calibration devices, positioning devices and methods using such a micro displacement control device according to the present invention, desired hardness measurement, sensor calibration, positioning, etc. can be performed with extremely high accuracy and It can be performed easily and with an inexpensive apparatus.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施態様に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置を示しており、図2、図3は別の実施態様に係る微小変位制御装置をそれぞれ示している。これら図に示した本発明に係る微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置は、一端が固定され他端が自由端となっている超磁歪素子と永久磁石の連続相対位置関係の変化による磁力変化により超磁歪素子を伸縮させて、その変位を自由端に出力させるようにしたものである。図において、非磁性体よりなるブロック1内に、棒状の超磁歪素子2と、それと同軸または直交に配された、マイクロメータ3a・ステッピングモータユニット3b(図3における3はマイクロメータまたはステッピングモータユニット)または円形カム17からなる移動手段により、その先端部に設けられた円柱形の永久磁石4が移動され、超磁歪素子2との相対位置関係が制御される。マイクロメータ3aまたはステッピングモータユニット3bは磁性体のシャフトホルダー14に保持されており、該シャフトホルダー14を介して、移動手段側と、超磁歪素子2が内包されたブロック1側とが、ベース5によって連結されている。マイクロメータ3aまたはステッピングモータユニット3bのシャフト部は、磁性体から構成されており、後述の磁気閉回路を構成可能となっている。
Preferred embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a micro displacement control device provided with an expansion / contraction control device for a giant magnetostrictive element according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 respectively show the micro displacement control device according to another embodiment. ing. The expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element in the micro displacement control device according to the present invention shown in these figures is based on the change in the continuous relative positional relationship between the giant magnetostrictive element having one end fixed and the other end being a free end and the permanent magnet. The giant magnetostrictive element is expanded and contracted by a change in magnetic force, and the displacement is output to the free end. In the figure, a rod-shaped giant
超磁歪素子2としては、本実施態様では、円柱形のエトリーマ社製"ETREMATERFENOL-D"が用いられており、永久磁石4としては、希土類磁石の中でも磁力が強力なネオジム磁石が用いられている。
As the giant
ステンレス、アルミ合金等の非磁性体からなるブロック1は、同一円周上に穴が3つ開いていて、さらにその3つの穴の中心部に超磁歪素子2を挿入するための貫通穴が開いている。この中心穴の一方にステンレス、アルミ合金等の非磁性体により製作されたフランジ状の蓋体6がねじ止めされている。このフランジ状の蓋体6で超磁歪素子2を受け止めることにより超磁歪素子2の固定端が構成され、かつ、蓋体6が非磁性体から製作されていることにより、磁力のロスを極力抑え、永久磁石4の磁力を超磁歪素子2に与えることが可能となっている。
The
自由端側の可動部は、3本の非磁性体からなるシャフト7と、超磁歪素子2の自由端側に連結されたプッシュロッド8を連結する磁性体のプレート9により構成され、磁性体からなるプッシュロッド8の端部にはR加工が施されて、超磁歪素子2への当たりを均一なものにしている。また、3本のシャフト7の端部にはねじ加工が施されており、ビス等によりプレート9に固定されている。
The movable part on the free end side is constituted by a
図1に示した装置では、シャフトホルダー14にマイクロメータ3aを設置し先端に永久磁石4を磁力により固定する。これにより、永久磁石4の位置をミクロンオーダーで移動させることが可能となる。図2に示した装置では、シャフトホルダー14にステッピングモータユニット3bを設置し先端の回転板12の表面に永久磁石4を磁力により固定する。これにより、ステッピングモータユニット3bによる回転角制御により、永久磁石4の回転位置を精度よく制御することが可能となる。図3に示した装置では、シャフトホルダー14にステッピングモータユニット3を設置し、これと連結した円形カム17による回転角制御により、円形カム17に係合するカムベアリング13を介して、永久磁石4の位置をスライドガイド16上にて精度よく制御することが可能となる。例えば、ヒステリシスを補正した形状とすることにより、ヒステリシスを考慮することなく高精度な制御が容易に行えるようになる。さらに、例えば、サイン出力を連続して得たい場合、カム形状を装置の出力が最終的にサイン出力になるようにし、ステッピングモータユニット3を連続回転させることにより可能となる。また、永久磁石の動作が比例直線となる円形カムを用いた場合でも、ステッピングモータユニット3の回転スピードを制御することにより、任意波形を得ることが可能となる。
In the apparatus shown in FIG. 1, the
ブロック1と自由端側の可動部を組み合わせ、超磁歪素子2の自由端側の伸縮に追従させた出力を得ることを可能としている。このとき、ブロック1の同一円周上の穴3ヶ所にそれぞれシャフト7をスライドガイド15とともに挿入し、可動部の送り方向以外のがたつきを無くしており、さらにシャフト端に付勢手段としてのスプリング10を配することにより超磁歪素子2にプリストレスをかけるようにしている。このとき自由端側となるプッシュロッド8の端部は、超磁歪素子2に押しつけられており、超磁歪素子2の伸縮特性が改善され、かつ、送り方向のがたつきも排除されて、より精密な制御が可能となっている。
By combining the
非磁性体のプレートをベース5とし、これにブロック1とシャフトホルダー14をねじ止めにより設置し、たとえば図1の装置では、超磁歪素子2と同軸線上に超磁歪素子2と永久磁石4との相対位置関係を構成する。これにより、超磁歪素子2とマイクロメータ3の先端に固定された永久磁石4の相対位置関係をミクロンオーダーで連続的に制御することが可能となる。
A non-magnetic plate is used as a
また、永久磁石4の磁力は、ブロック1とベース5が非磁性体のため、磁性体の超磁歪素子2に直接かけることが可能となり、超磁歪素子2の連続伸縮制御における出力を大きなものにしている。また、超磁歪素子2の透磁率は低いので、固定端側の永久磁石4の近傍は磁化量が高いが、自由端側に行くに従い磁化量は低下する。そこで、自由端側の超磁歪素子2に接触しているプッシュロッド8に磁性体を用い、磁力発生手段からの部品配列を透磁率の低い方から高い方へと配列することにより(後述の図8)、磁化量の改善をはかることができる。
Further, the magnetic force of the
実際、φ12mm×長さ10mmのネオジム永久磁石4により、非磁性体のプッシュロッドと磁性体のプッシュロッド8の変位量の比較を行ったところ、図4に示すように、最大伸縮量として非磁性体の場合が12μmのところ、磁性体の場合には17μmとなり大幅に増大できた。また、磁性体のプッシュロッド8に磁性体よりなるヨーク11(図1、図2)を接続し、磁気閉回路を構成してもよい。この場合、図4に示すように、さらに伸縮量を増大させることができる。また、蓋体6に磁性体である鉄を用いた場合、超磁歪素子の伸縮量は極端に減少させることができた。また、蓋体6に磁性体である鉄を用いた場合、超磁歪素子の伸縮量は1μm以下と極端に減少した。これらのことから、磁力発生手段からの部品配列を、透磁率の低い方から高い方へと配列することが最適であることがわかる。
Actually, when a displacement amount of the non-magnetic push rod and the
次いで、上記磁性体プッシュロッドの条件でかつ、上記磁気回路を開いた条件(磁気回路開)にて、φ14mm×長さ10mmのネオジム永久磁石4をマイクロメータ3aの先端に固定しマイクロメータ3aの読み値25.000mm〜0mmまで超磁歪素子2との相対位置関係を変化させてみると、図5に示すように、約19μmの変位が生じ、かつ、使用したマイクロメータ3aの動作により0.01μmを制御することが可能であった。また、マイクロメータ3aの読み値25.000mm〜0mmの間で任意の位置に固定すると、装置の出力も固定され変化を認めることは無かった。
Next, under the condition of the magnetic material push rod and the condition of opening the magnetic circuit (magnetic circuit open), a neodymium
また、図5には、寸法の異なる各種のネオジム永久磁石を用いた結果、および、φ12mm×長さ4mmのフェライト永久磁石を用いた結果を併せて示した。この結果、フェライト永久磁石に比べ、ネオジム永久磁石を用いる方が、はるかに優れた伸縮、変位特性が得られることが分かる。
FIG. 5 also shows the results of using various types of neodymium permanent magnets with different dimensions and the results of using ferrite permanent magnets of φ12 mm ×
さらに、図6には、ネオジム永久磁石を超磁歪素子2の伸縮方向に対し垂直方向に移動させた場合の、超磁歪素子2の伸縮量の一例を示した。この場合、永久磁石が近接するにしたがい超磁歪素子2は縮む。このような垂直方向への移動は、直線状の移動でも可能であるが、図2に示したような回転方式の移動でも、疑似的に達成可能である。図6に示すように、より小さな変位を制御できることが分かる。したがって、より微小な出力変位を得たい場合に好適である。
FIG. 6 shows an example of the amount of expansion / contraction of the giant
なお、本発明において、永久磁石の移動に伴う超磁歪素子2の伸縮量は、多かれ少なかれ、伸び方向と縮み方向との間にヒステリシスを持つ。たとえば、図7に示すようなヒステリシスを持つ。しかしながら、このようにヒステリシスがある場合にあっても、そのヒステリシス特性を事前に把握しておきさえすれば、測定や出力の際の精度に問題が生じることはない。
In the present invention, the amount of expansion / contraction of the giant
さらに、ホール素子等の磁力測定装置をプッシュロッド8の反超磁歪素子側に設置した場合、プッシュロッド8の磁化量が何ガウスであるかを読みとるだけで、そのときの伸縮量を把握することが可能であり、ヒステリシスを考慮する必要は無くなる。
Furthermore, when a magnetic force measuring device such as a Hall element is installed on the anti-super magnetostrictive element side of the
また、図8に例示するように、磁性体からなるプッシュロッドから磁力発生手段(永久磁石)までの部品配列が、磁力発生手段側から、(比)透磁率が低い方から高い方へと順に行われることにより、磁化量の改善をはかることができる。 In addition, as illustrated in FIG. 8, the component arrangement from the push rod made of a magnetic material to the magnetic force generation means (permanent magnet) is in order from the magnetic force generation means side to the higher (relative) magnetic permeability. As a result, the amount of magnetization can be improved.
図9は、本発明の一実施態様に係る硬さ測定装置としての超微小硬さ測定機を示しており、図9に示した超微小硬さ測定機においては、図9に示すように、門型フレーム31と防振ゴム29上に設けたベース盤28が連結され、そのベース盤28上に電子天秤27(たとえば、メトラー・トレド(株)製、PG2002−S)が載せられている。さらに粗調的に移動可能なZ軸ステージ26がその電子天秤27に載せられている。永久磁石22、マイクロメータ23、装置固定ベース24を備えた微小変位制御装置21は門型フレーム31の上面板に出力部分を下向きにして固定されている。この装置21の出力部分にビッカースダイアモンド圧子30を取り付け、測定試料25をZ軸ステージ26に取り付ける。装置21の伸縮ストロークの最短位置にて超磁歪素子を伸縮させる。次に、固定可能なZ軸ステージ26にて測定試料に圧子30が接触するまで移動させ固定する。このときの接触確認は電子天秤27の値をみて行う。次に、装置21により正確に圧子30を所定量押し込む。そのときの荷重を電子天秤27で読みとる。さらに、上記押し込み量にプラスして所定量押し込む。このときの荷重を電子天秤27で読みとる。これを、最終押し込み量まで繰り返す。さらに、最終押し込み量に到達したあと、押し込みを所定量減少させ、そのときの荷重を計測する。さらに、上記減少量をマイナスして、荷重計測を順次行う。これを圧子押し込みの開始点まで繰り返して行う。これにより、「押し込み量−荷重」特性のグラフが、たとえば図10に示すように作成でき、連続特性曲線として求めることができるとともに、それぞれの測定点の硬さ値を求めることができる。この曲線は図10に示すように材質により異なるので、物性の比較検討が可能となる。
FIG. 9 shows an ultra micro hardness measuring machine as a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In the ultra micro hardness measuring machine shown in FIG. 9, as shown in FIG. The base frame 28 provided on the gate frame 31 and the
この測定機においては、変位を伴うこと無く荷重計測が可能な荷重計測装置と組み合わせることが望ましい。電子天秤、圧電素子等の荷重計測装置が好適である。押し込み量はオープンループにより決定するので、もし荷重計測に変位が伴うと、別途補正作業が必要となる。 In this measuring machine, it is desirable to combine with a load measuring device capable of measuring a load without accompanying displacement. A load measuring device such as an electronic balance or a piezoelectric element is suitable. Since the push-in amount is determined by an open loop, if the load measurement is accompanied by displacement, a separate correction work is required.
また、超磁歪素子および系にかかる荷重による弾性変形については、高精度測長機で、荷重無し、荷重100gで伸縮特性を比較したところ変化を認めることは無かった。 In addition, regarding the elastic deformation due to the load applied to the giant magnetostrictive element and the system, no change was observed when the expansion and contraction characteristics were compared with a high-precision length measuring machine with no load and a load of 100 g.
この超磁歪素子の伸縮制御装置によりナノオーダーの押し込みが可能となるので、電子天秤等の微小荷重計測装置と併せて用いることにより、厚み数ミクロンオーダーの薄膜等の硬さ測定が可能となる。しかも、「押し込み量−荷重」特性の連続曲線が求まることにより、単に硬さだけにとどまらず、薄膜等の弾性率、ヤング率といった機械的性質を分析することも可能となる。 Since the expansion and contraction control device for the giant magnetostrictive element can be pushed in on the nano order, it can be used in combination with a micro load measuring device such as an electronic balance to measure the hardness of a thin film having a thickness of several microns. Moreover, by obtaining a continuous curve of the “push-in amount-load” characteristic, it is possible to analyze not only the hardness but also mechanical properties such as elastic modulus and Young's modulus of a thin film.
また、図10において、圧子押し込み量および荷重のゼロ点を通る特性曲線は押し込み時の特性を示し、もう一方の特性曲線は押し込み量減少時(戻り方向)の特性を示し、両者間にはヒステリシスがある。この図10にに示した測定結果から、次のようなことが分かる。
・同じ押し込み深さでも物質によって最大荷重に差がある。
・押し込み方向と戻り方向にヒステリシスがある。
・ヒステリシスの幅は物質により異なる。
・ヒステリシスが大きいということは、塑性変形分が多く弾性変形分が少ないことを表している。
・セラミックは塑性変形しづらく、硬い。
・銅は塑性変形分が多く、セラミックに比べ柔らかい。
・この曲線を見れば一目瞭然で物質の特性が把握できる。
・弾性変形、塑性変形を分けて評価することができる。
・弾性、塑性を分けて評価することができないと、例えばビッカース等による硬さ測定では、ゴムはとても硬い物質となってしまう。
・押し込み量を少なくすることにより、薄膜等の評価が可能になる。
・各測定点で硬さ値を求めることができる。
In FIG. 10, the characteristic curve that passes through the zero point of the indenter indentation and the load shows the characteristics at the time of indentation, and the other characteristic curve shows the characteristics at the time of indentation decrease (return direction). There is. The following can be understood from the measurement result shown in FIG.
-There is a difference in the maximum load depending on the substance even at the same indentation depth.
-There is hysteresis in the push-in direction and return direction.
・ The width of hysteresis varies depending on the substance.
-A large hysteresis means that the amount of plastic deformation is large and the amount of elastic deformation is small.
・ Ceramic is hard to plastically deform and is hard.
-Copper has much plastic deformation and is softer than ceramic.
・ If you look at this curve, you can understand the characteristics of the substance at a glance.
・ Evaluation can be made separately for elastic deformation and plastic deformation.
-If the elasticity and plasticity cannot be evaluated separately, rubber will be a very hard substance, for example, in hardness measurement by Vickers.
・ Thin film can be evaluated by reducing the push-in amount.
・ The hardness value can be obtained at each measurement point.
また、微小変位制御装置の押し込みおよび荷重計測の自動化を図り、同時に連続計測することも可能である。これにより、より詳細な測定が可能となる。 Further, it is possible to automate the push-in of the minute displacement control device and the load measurement, and simultaneously perform continuous measurement. Thereby, more detailed measurement is possible.
この圧子押し込みユニットに用いている超磁歪素子の伸縮制御装置は、超磁歪素子の物質としての伸縮を利用しているので、振動の影響を全く受けない。これにより、この超微小硬さ測定機の除振台は、簡易なものでも問題は無い。よって、高精度なものを安価に提供することが可能となる。 The expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element used in this indenter pushing unit uses the extension / contraction as a material of the giant magnetostrictive element, and is not affected by vibration at all. Thereby, even if the vibration isolator of this ultra-micro hardness measuring machine is simple, there is no problem. Therefore, it is possible to provide highly accurate products at low cost.
なお、上記伸縮量の測定(図4〜図7)は、(株)ミツトヨ製、輪郭形状測定機”SV−C624”およびOKM社(独)高精度測長機 ULM OPAL1000を用いて行った。 The measurement of the amount of expansion and contraction (FIGS. 4 to 7) was carried out using Mitutoyo Corporation, contour shape measuring instrument “SV-C624” and OKM (Germany) high-precision measuring instrument ULM OPAL1000.
本発明に係る微小変位制御装置は、光学機器、精密加工機械、レーザー機器、計測器、その他微小かつ精密な変位や送りが必要なあらゆる分野の機器に適用でき、とくに、通常の方法では精度良く測定することが困難な薄膜等の硬さ測定や、弾性率、クリープ特性、ヤング率等の固有の物性の測定、微小変位センサの校正、微小位置決めステージ等に好適に適用できる。 The minute displacement control device according to the present invention can be applied to optical equipment, precision processing machines, laser equipment, measuring instruments, and other equipment in various fields that require minute and precise displacement and feeding. It can be suitably applied to hardness measurement of thin films that are difficult to measure, measurement of specific physical properties such as elastic modulus, creep characteristics, Young's modulus, calibration of a micro displacement sensor, micro positioning stage, and the like.
1 ブロック
2 超磁歪素子
3 マイクロメータまたはステッピングモータユニット
3a マイクロメータ
3b ステッピングモータユニット
4 永久磁石
5 ベース
6 蓋体
7 シャフト
8 プッシュロッド
9 プレート
10 スプリング
11 ヨーク
12 回転板
13 カムベアリング
14 シャフトホルダー
15 スライドガイド
16 スライドガイド
17 円形カム
21微小変位制御装置
22永久磁石
23マイクロメータ
24装置固定ベース
25測定試料
26Z軸ステージ
27電子天秤
28ベース盤
29防振ゴム
30圧子
31門型フレーム
1
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| JP2014074598A (en) * | 2012-10-02 | 2014-04-24 | Okayama Univ | Material characteristic evaluation device |
| CN109596083A (en) * | 2018-11-07 | 2019-04-09 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Guiding tool for field calibration linear movement pick-up |
| JP2020501168A (en) * | 2016-11-29 | 2020-01-16 | ヘルムート・フィッシャー・ゲーエムベーハー・インスティテュート・フューア・エレクトロニク・ウント・メステクニク | Measuring device, measuring arrangement and method for determining a measuring signal while moving an indenter into a specimen surface |
| CN113426148A (en) * | 2021-07-12 | 2021-09-24 | 连云港市第一人民医院 | Molecular distiller for extracting and separating chemical components of traditional Chinese medicine |
| CN119735274A (en) * | 2025-01-14 | 2025-04-01 | 山东科技大学 | A multi-mode monopolar variable diameter magnetized water device and its use method |
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007143302A (en) * | 2005-11-18 | 2007-06-07 | Saitama Prefecture | Minute displacement controller, device using the same and method |
| JP2014074598A (en) * | 2012-10-02 | 2014-04-24 | Okayama Univ | Material characteristic evaluation device |
| JP2020501168A (en) * | 2016-11-29 | 2020-01-16 | ヘルムート・フィッシャー・ゲーエムベーハー・インスティテュート・フューア・エレクトロニク・ウント・メステクニク | Measuring device, measuring arrangement and method for determining a measuring signal while moving an indenter into a specimen surface |
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| CN109596083A (en) * | 2018-11-07 | 2019-04-09 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | Guiding tool for field calibration linear movement pick-up |
| CN113426148A (en) * | 2021-07-12 | 2021-09-24 | 连云港市第一人民医院 | Molecular distiller for extracting and separating chemical components of traditional Chinese medicine |
| CN119735274A (en) * | 2025-01-14 | 2025-04-01 | 山东科技大学 | A multi-mode monopolar variable diameter magnetized water device and its use method |
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