JP2006023266A - 水平方向基準力発生方法及び水平方向基準力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より微小な力を発生することができ、しかも引っ張り力、押力ともに発生させることができる水平方向基準力発生装置を得る。
【解決手段】振り子１１の錘１１Ａを安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用する。これにより、滑車のような摩擦が生ずるものがない分、より微小な力を発生することができる。また、床の水平方向の振動周波数を考慮に入れた釣り紐を十分に長くした第２の振り子１５に振り子１１を載置して床４０からの水平方向の振動の影響を受けないようにする。これにより、振り子１１の錘１１Ａの安定位置からの変位を高精度で制御することが可能となり、水平方向の微小基準力の大きさを精度良く制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気ディスク開発分野における摩擦力の測定、マイクロマシンの摩擦系の測定、自動車関連の摩擦係数の測定をはじめとする微小な力の検出や、新素材エレクトロニクスの開発に用いて好適な水平方向基準力発生方法及び水平方向基準力発生装置に関する。

従来、水平方向の基準量を得る方法として、図９に示すように、錘１と滑車２を使用し、錘１にかかる重力を滑車２にて９０度方向転換させて水平方向の基準力を発生させていた。

しかしながら、上述した従来の水平方向基準力発生方法においては、滑車２に発生する摩擦が原因で微小な力の発生には限界があるという問題がある。
また、滑車２は、引っ張り力は容易に発生できるが、押力の発生は困難であるという問題もある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、より微小な力を発生することができ、しかも引っ張り力、押力ともに発生させることができる水平方向基準力発生方法及び水平方向基準力発生装置を提供することを目的とする。

上記目的は下記方法又は構成により達成される。
（１） 振り子の錘を安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用し、該復元力を水平方向の基準力として発生する。

（２） 前記振り子をその釣り紐よりも十分長い釣り紐の第２の振り子上に載置することで前記振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑える。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の水平方向基準力発生方法を使用し、外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する力センサの出力を校正する力センサ校正方法であって、前記振り子は、その錘に加わる力が張力Ｔと重力Ｍｇであり、それらの合力ｄｆは、その釣り紐の長さをＬ、錘の安定した静止状態からの変位をｄｘとすると、ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌとなり、この合力ｄｆで前記力センサの出力を校正する。

（４） 上記（３）に記載の力センサ校正方法において、前記振り子の錘と前記力センサが非接続状態にある場合は、前記力センサを水平方向へ移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して押力を働かせ、前記振り子の錘と前記力センサが接続状態にある場合は、前記力センサを水平方向へ移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して引っ張り力を働かせて、それぞれの場合のいずれか１つにおける合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正する。

（５） 振り子と、前記振り子の錘が安定した静止状態にある位置と同位置に水平方向基準力を与えるための対象物を配置させるステージと、前記振り子の錘が安定した静止状態にある位置を基準に、前記ステージを微小な位置動かして前記錘から前記対象物に力を作用させるステージ駆動手段と、を具備する。

（６） 上記（５）に記載の水平方向基準力発生装置において、前記ステージ及びステージ駆動手段夫々を前記振り子の釣り紐よりも十分長い釣り紐で支えた平板部材上に載置して、前記振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑える振動防止手段を具備する。

（７） 上記（５）又は（６）に記載の水平方向基準力発生装置において、前記対象物は、外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する力センサであり、この力センサの出力を校正する力センサ校正手段を具備し、前記力センサ校正手段は、前記振り子の釣り紐の長さＬ並びに錘に加わる張力Ｔと重力Ｍｇ夫々をデータとして保持し、前記ステージ駆動手段が前記ステージを微小移動させたときの距離を前記錘の静止状態からの変位ｄｘとし、この変位ｄｘを用いて、ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌの計算式に従って合力ｄｆを算出し、算出した合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正する。

（８） 上記（７）に記載の水平方向基準力発生装置において、前記力センサ校正手段は、前記振り子の錘と前記力センサが非接続状態にある場合は、前記ステージを微小移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して押力を働かせ、前記振り子の錘と前記力センサが接続状態にある場合は、前記ステージを微小移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して引っ張り力を働かせて、それぞれの場合のいずれか１つにおける合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正する。

上記（１）に記載の水平方向基準力発生方法では、振り子の錘を安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用したので、滑車のような摩擦の原因になるものがない分、より微小な力の発生が可能となる。

上記（２）に記載の水平方向基準力発生方法では、振り子をその釣り紐よりも十分長い釣り紐を有する第２の振り子上に載置するので、振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑えることが可能となり、精度の高い水平方向基準力を発生させることができる。すなわち、床は低い周波数で水平方向に振動しており、振り子の錘は水平方向に静止するため、相対的に振り子の錘は振り子を支持する支持体（例えばステージ）に対して水平方向に振動することになる。このため、振り子の錘の安定位置からの変位を精度よく制御することは困難である。そこで、振り子の触れる周期は振り子の釣り紐の長さが長ければ長いほど長くなるという特性を利用し、床の水平方向の振動周波数を考慮した長さの釣り紐を持つ別の振り子を用意し、この振り子に先の振り子を載せることで近似的に水平方向に静止状態にすることが可能となる。因みに一般に振動を除く方法として、空気ばね、機械式ばねをテーブルと床との間に噛ませる方法が採られるが、低周波の振動を除く技術としては限界がある。その点、本発明は低周波の振動を十分に取り除くことができる。

上記（３）に記載の力センサ校正方法では、上記（１）又は（２）に記載の水平方向基準力発生方法を使用することで、力センサの出力を高精度で校正することが可能となる。

上記（４）に記載の力センサ校正方法では、引っ張り力、押力ともに発生させることができるので、それぞれの場合において力センサ出力の校正が可能となる。

上記（５）に記載の水平方向基準力発生装置では、振り子の錘を安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用したので、滑車のような摩擦の原因になるものがない分、より微小な力を発生させることができる。

上記（６）に記載の水平方向基準力発生装置では、振り子をその釣り紐よりも十分長い釣り紐で支えた平板部材上に載置するので、振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑えることが可能となり、精度の高い水平方向基準力を発生させることができる。

上記（７）に記載の水平方向基準力発生装置では、外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する力センサの出力を高精度で校正することが可能となる。

上記（８）に記載の水平方向基準力発生装置では、引っ張り力、押力ともに発生させることができるので、それぞれの場合において力センサ出力の校正が可能となる。

以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る水平方向基準力発生装置の構造を示す図である。また、図２及び図３は、本実施の形態に係る水平方向基準力発生装置のステージ駆動・センサ校正部１４の構成を示すブロック図である。また、図４〜図８は、本発明の水平方向の基準力を発生させる原理を説明するための図である。

なお、本発明の水平方向基準力発生装置は、主に、磁気ディスク開発分野における摩擦力の測定、マイクロマシンの摩擦系の測定又は自動車関連の摩擦係数の測定や、新素材エレクトロニクスの開発で使われる微小な力を検出するセンサの校正に用いて好適である。

まず、図１〜図３に示す本実施の形態に係る水平方向基準力発生装置の構造について説明し、次に図４〜図８を参照しながら本発明の水平方向基準力発生原理について説明する。

図１において、本実施の形態に係る水平方向基準力発生装置１０は、振り子１１と、振り子１１を水平方向に揺動自在に支持する支持部１２と、水平方向基準力を与えるための対象物である力センサ３０を取り外し可能に内包するステージ１３と、このステージ１３を振り子１１の錘１１Ａに対して９０度方向即ち水平方向に移動させるとともに、力センサ３０の出力を校正するステージ駆動・センサ校正部１４と、床４０の水平方向振動の振り子１１への影響を抑える第２の振り子１５とを備えて構成される。

振り子１１を支持する支持部１２は、長尺の支持部本体１２Ａと、この支持部本体１２Ａに対してその長さ方向に沿って移動可能な可動部１２Ｂとから構成される。この場合、可動部１２Ｂが支持部本体１２Ａの長さ方向に可動可能であることから、釣り紐の長さが異なる振り子を使用してもその錘の位置をステージ１３の力センサ位置に持ってくることが可能である。なお、可動部１２Ｂには、図示しない固定具が設けらており、この固定具によって可動部１２Ｂを所望の位置に固定することができる。支持部１２の支持部本体１２Ａは、その一方の端部がステージ駆動部１４に固定される。なお、この図では振り子１１の錘１１Ａの形状は球形であるが、その形状に限定はない。

第２の振り子（振動防止手段）１５は、ステージ駆動部１４を載置する平板状の振り子ベース（平板部材）１５Ａと、この振り子ベース１５Ａを水平方向に揺動自在に支持する４本の釣り紐（腕、この図では手前側の２本しか見えていないが、向こう側に２本ある）１５Ｂと、４本の釣り紐１５Ｂを取り付ける天板１５Ｃと、天板１５Ｃの両端を床４０から支持する４本の棒状の支持体（この図では手前側の２本しか見えていないが、向こう側に２本ある）１５Ｄとから構成される。この第２の振り子１５は、上述したように床４０の水平方向振動の振り子１１への影響を抑えるものであり、床４０の水平方向の振動周波数を考慮して釣り紐１５Ｂの長さを十分長くとっている。

そして、釣り紐１５Ｂの長さを十分長くとることで、振り子ベース１５Ａは近似的に水平方向に静止状態となる。このように本実施の形態では、微小力発生用の振り子１１と振り子ベース１５Ａの系に床４０からの水平方向の振動の影響を受けないようにして、振り子１１の錘１１Ａの水平位置を正確に制御できるようにしている。

ステージ駆動・センサ校正部１４は、ステージ１３を振り子１１の錘１１Ａに対して９０度方向即ち水平方向に移動させる。ステージ駆動・センサ校正部１４は、図２のブロック図に示すように、ステージコントローラ１４１と、センサアンプ１４２と、制御部１４３と、記録部１４４とを備えて構成される。制御部１４３は、所謂マイコンと呼ばれるコンピュータであり、それに内蔵されたメモリには制御部１４３を制御するためのプログラムの他、振り子１１の釣り紐１１Ｂの長さＬ、振り子１１の錘１１Ａに加わる張力Ｔ並び重力Ｍｇ等の各種データが記憶されている。

制御部１４３は、ステージコントローラ１４１を制御してステージ１３を微小移動させたときの距離を、振り子１１の錘１１Ａの静止状態からの変位ｄｘとし、この変位ｄｘを用いて、ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌの計算式（以下に示す式（１））に従って合力ｄｆを算出し、算出した合力ｄｆを基に力センサ３０の出力を校正する。そして、力センサ３の校正結果をデータ形式で記録部１４４に保存する。なお、言うまでないが、上記計算式はプログラムの形で制御部１４３内のメモリに記憶されている。

上記ステージコントローラ１４１と制御部１４３はステージ駆動手段を構成する。また、上記センサアンプ１４２と制御部１４３は力センサ校正手段を構成する。

力センサ３０は、外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力するものである。力センサ３０はステージ１３に内包された状態で振り子１１の錘１１Ａ側へ持って行かれ、錘１１Ａに当接した後、図３のブロック図に示すように錘１１Ａを押し出す。このとき、錘１１Ａからの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する。

この電気信号がステージ駆動・センサ校正部１４のセンサアンプ１４２に入力され、そこで所定レベルの振幅値に増幅されて制御部１４３に入力される。制御部１４３は、力センサ３０で振り子１１の錘１１Ａを静止状態からｄｘだけ変位させて、その間にセンサアンプ１４２の出力を記録部１４４に記録するとともに、錘１１Ａから力センサ３０に作用する合力ｄｆと力センサ３０の出力値との対比表を作成する。この対比表は、後にデータとして取り出してプリンタ（図示略）に出力するようにしても良いし、ステージ駆動・センサ校正部１４にディスプレイ（図示略）を設けて、その場で目視できるようにしても良い。

なお、データとして取り出す場合、記録部１４４に外部のコンピュータ（所謂パソコン、図示略）と接続可能なインタフェースを設けてパソコンから取り出す方法や、記録部１４４に外部メモリ（図示略）を接続できるインタフェースを設けて、外部インタフェースに記録させる方法などが考えられる。

次に、図４〜図８を参照しながら本発明の水平方向基準力の発生原理について説明する。
図４において、振り子は、重力以外特別な力が錘に加わらなければ、支点の鉛直線上に留まる。この安定位置から水平方向へ僅かにずらす。例えばｄｘだけ押し出すと、これを押し返そうとする力が発生する。逆に、手前にｄｘだけ引っ張ると、今度は引き返そうとする力が発生する。本発明はこの水平方向の力を利用する。

図５において、振り子の錘に加わる力は、張力Ｔ、重力Ｍｇの２つであり、その合力が本発明で活用する極小力ｄｆである。この合力ｄｆの大きさは、ｄｘの大きさが振り子の釣り紐の長さＬに対して十分小さければ、
ｄｆ＝Ｍｇ×ｓｉｎΘ
となり、ｓｉｎΘ＝ｄｘ／Ｌであるので、
ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌ …（１）
となる。

また、ｄｆの方向は水平方向と近似できる。すなわち、ｄｘ／Ｌが小さければ小さいほどｄｆの方向は水平に近づくことになる。したがって、発生力を微小にする振り子の錘の質量Ｍを小さく、振り子の釣り紐の長さＬと変位ｄｘの比ｄｘ／Ｌをできるだけ小さくすれば良い。

図６〜図８において、押力（又は引っ張り力）対象物（上記実施の形態の力センサ３０に相当）を高精度のステージに取り付け、振り子の錘に重力と張力のみが作用し、安定した静止状態の位置を基準にステージを微小な距離ｄｘ動かすことで振り子の錘を押し出す（又は引っ張る）。このとき、式（１）で得られる微小な押力（引っ張り力）が錘から押力対象物（引っ張り力対象物）に作用する。

図６は、錘に重力と張力のみが作用し、安定した静止状態のときの状態を示す図であり、この状態のときは錘から押力（又は引っ張り力）対象物に力は作用しない。
図７は、変位ｄｘ＞０のときの状態を示す図であり、このときは押力が発生する。
図８は、変位ｄｘ＜０のときの状態を示す図であり、このときは引っ張り力が発生する。

このように、本実施の形態の水平方向基準力発生装置１０によれば、振り子１１の錘１１Ａを安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用するようにしたので、滑車のような摩擦が生ずるものがない分、より微小な力を発生することができる。これにより、力センサ３０の出力を高精度で校正することが可能となる。

さらに、床の水平方向の振動周波数を考慮に入れた釣り紐を十分に長くした第２の振り子１５に振り子１１を載置して床４０からの水平方向の振動の影響を受けないようにしたので、振り子１１の錘１１Ａの安定位置からの変位を高精度で制御することが可能となり、水平方向の微小基準力の大きさを精度良く制御することができる。

なお、上記実施の形態では、水平方向の微小基準力として押力を発生するようにしたが、振り子１１の錘１１Ａと力センサ３０とを接続することで、図８に示すように、引っ張り力を発生させることができる。このように、振り子１１の錘１１Ａと力センサ３０を接続するか否かにより、押力と引っ張り力のいずれも容易に発生さることができる。

また、上記実施の形態では、ステージ１３を移動させる機能と、力センサ３０の出力を校正する機能を持つステージ駆動・センサ校正部１４を備えたが、これらの機能を別個にしても構わない。例えば、ステージ駆動部とセンサ校正部とし、センサ校正部を装置外として、それぞれに電波又は赤外線等の無線で通信可能な通信手段を設けてデータの送受信を行う。電波を使用する場合は、例えばブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）が好適である。また、センサ校正部は、その機能をプログラム化してコンピュータ（所謂パソコン）で実現することも可能であり、ブルートゥースのパソコンへの導入は極めて容易である。そして、無線を使用することで、装置外のセンサ校正部からの振動の影響をゼロにすることができ、また装置本体からセンサ校正部を除くことで装置のコストダウンが図れる。

磁気ディスク開発分野における摩擦力の測定、マイクロマシンの摩擦系の測定又は自動車関連の摩擦係数の測定や、新素材エレクトロニクスの開発で使われる微小な力を検出する用途への適用が可能である。

本発明の一実施の形態に係る水平方向基準力発生装置の構造を示す図 実施の形態に係る水平方向基準力発生装置のステージ駆動・センサ校正部の構成を示すブロック図 実施の形態に係る水平方向基準力発生装置のステージ駆動・センサ校正部の構成を示すブロック図 本発明の水平方向基準力の発生原理を説明するための図 本発明の水平方向基準力の発生原理を説明するための図 本発明の水平方向基準力の発生原理を説明するための図 本発明の水平方向基準力の発生原理を説明するための図 本発明の水平方向基準力の発生原理を説明するための図

符号の説明

１０ 水平方向基準力発生装置
１１ 振り子
１１Ａ 錘
１１Ｂ 釣り紐
１２ 支持部
１２Ａ 支持部本体
１２Ｂ 可動部
１３ ステージ
１４ ステージ駆動・センサ校正部
１５ 第２の振り子
１５Ａ 振り子ベース
１５Ｂ 釣り紐
１５Ｃ 天板
１５Ｄ 支持体
３０ 力センサ
４０ 床
１４１ ステージコントローラ
１４２ センサアンプ
１４３ 制御部
１４４ 記録部

Claims (8)

1. 振り子の錘を安定位置からずらすことにより生ずる微小な復元力を利用し、該復元力を水平方向の基準力として発生することを特徴とする水平方向基準力発生方法。
2. 前記振り子をその釣り紐よりも十分長い釣り紐の第２の振り子上に載置することで前記振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑えることを特徴とする請求項１に記載の水平方向基準力発生方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の水平方向基準力発生方法を使用し、
   外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する力センサの出力を校正する力センサ校正方法であって、
   前記振り子は、その錘に加わる力が張力Ｔと重力Ｍｇであり、それらの合力ｄｆは、その釣り紐の長さをＬ、錘の安定した静止状態からの変位をｄｘとすると、
   ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌ
   となり、この合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正することを特徴とする力センサ校正方法。
4. 前記振り子の錘と前記力センサが非接続状態にある場合は、前記力センサを水平方向へ移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して押力を働かせ、前記振り子の錘と前記力センサが接続状態にある場合は、前記力センサを水平方向へ移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して引っ張り力を働かせて、それぞれの場合のいずれか１つにおける合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正することを特徴とする請求項３に記載の力センサ校正方法。
5. 振り子と、
   前記振り子の錘が安定した静止状態にある位置と同位置に水平方向基準力を与えるための対象物を配置させるステージと、
   前記振り子の錘が安定した静止状態にある位置を基準に、前記ステージを微小な位置動かして前記錘から前記対象物に力を作用させるステージ駆動手段と、
   を具備することを特徴とする水平方向基準力発生装置。
6. 前記ステージ及びステージ駆動手段夫々を前記振り子の釣り紐よりも十分長い釣り紐で支えた平板部材上に載置して、前記振り子に対して床から水平方向に加わる振動を抑える振動防止手段を具備することを特徴とする請求項５に記載の水平方向基準力発生装置。
7. 前記対象物は、外部からの応力によって機械的な歪みを発生し、その歪みによる変位に応じた電気信号を出力する力センサであり、
   この力センサの出力を校正する力センサ校正手段を具備し、
   前記力センサ校正手段は、
   前記振り子の釣り紐の長さＬ並びに錘に加わる張力Ｔと重力Ｍｇ夫々をデータとして保持し、前記ステージ駆動手段が前記ステージを微小移動させたときの距離を前記錘の静止状態からの変位ｄｘとし、
   この変位ｄｘを用いて、ｄｆ＝Ｍｇ×ｄｘ／Ｌの計算式に従って合力ｄｆを算出し、算出した合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の水平方向基準力発生装置。
8. 前記力センサ校正手段は、前記振り子の錘と前記力センサが非接続状態にある場合は、前記ステージを微小移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して押力を働かせ、前記振り子の錘と前記力センサが接続状態にある場合は、前記ステージを微小移動させて前記振り子の錘から前記力センサに対して引っ張り力を働かせて、それぞれの場合のいずれか１つにおける合力ｄｆを基に前記力センサの出力を校正することを特徴とする請求項７に記載の水平方向基準力発生装置。

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