JP4649564B2 - 毛細管力による微小力センサー、その評価法と評価装置 - Google Patents
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(1)対向して接触する2物体AとBの間に発生する微小力の評価法であって、1)A又はBを支持する所定のバネ定数のバネ状物質が存在すると想定し、AとBが脱離した際に発生する振動数と変位量と、AとBの質量に基づいてバネ定数を算出する、2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はB、C又は複数のC群同士の間の一部とが、脱離した際に発生する変位量に基づいて微小力を算出する、ことを特徴とする微小力の評価法。
(2)1)A又はBを支持する微小力F1で形成されたバネ定数k1のバネ状物質が存在すると想定し、AとBとが離脱した際に発生する振動数T1と変位量の最大値λmax1、A又はBの質量m1から、バネ定数k1=m1×(2π÷T1)2を算出する、2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はBを支持する微小力F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、C又は、複数のC群同士の間の一部とが、離脱した際に発生する変位量の最大値λmax2より、微小力F2=k1×λmax2を算出する、前記(1)に記載の微小力の評価法。
(3)1)AとBの間、又はA及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、A又はBを支持する微小力F3で形成されたバネ定数k3のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、液状物質とが離脱した際に発生する変位量の最大値λmax3から、バネ定数k3=F3÷λmax3を算出する、2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はBを支持する微小力F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、C又は、複数のC群同士の間の一部とが、離脱した際に発生する変位量の最大値λmax2より、微小力F2=k3×λmax2を算出する、前記(1)又は(2)に記載の微小力の評価法。
(4)対向して接触する2物体AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、AとBが離脱した際に発生する変位量より、AとBの間の液状物質の粘度を求める、前記(1)から(3)の何れかに記載の微小力の評価法。
(5)変位量の最大値λmax2を、測定可能範囲±10mm以下、及び/又は測定可能最大長に対するレーザ直線性±5%以下、及び/又は分解能10ミクロン以下、の、CCDレーザ式、又は正反射レーザ式、又は拡散反射型レーザ式、又は光ファイバー式の変位計により、評価する、前記(1)から(4)の何れかに記載の微小力の評価法。
(6)変位量の最大値λmax2を、水平及び/又は鉛直方向の固有振動数10Hz以下の除振台により、評価する、前記(1)から(5)の何れかに記載の微小力の評価法。
(7)物体Cが平均長さ3mm以下の粒状物質である、前記(1)から(6)の何れかに記載の微小力の評価法。
(8)微小力が、分子間力、静電気力、液架橋による毛細管力、磁力、物体Cが非弾性的に変化する際に発生する力の、何れかである、前記(1)から(7)の何れかに記載の微小力の評価法。
(9)物体A〜Cの存在する雰囲気が、真空中、大気中、任意のガス中、任意の液状物質中の、何れかである、前記(1)から(8)の何れかに記載の微小力の評価法。
(10)A及びB、及び/又はC間に存在させる液状物質が、10nN以下の微小力F3を評価できる表面張力γ又は粘度μを有し、不揮発性である、前記(1)から(9)の何れかに記載の微小力の評価法。
(11)物体Aが基板状物質、物体Bが棒状物質であり、AとBの間に粒状物質Cを存在させ、A又はBの一方を弾性的に支持する弾性支持手段と、AとBの相対位置を変化させる移動手段と、A〜Cを可視化する手段と、A又はBを支持する微小力F1で形成されたバネ定数k1のバネ状物質が、また、AとCの間に微小力F4で形成されたバネ定数k4のバネ状物質が存在すると想定し、AとBとが離脱した際に発生する変位量を直接測定する変位量の測定手段と、バネ定数k1を算出する手段と、AとC又は複数のC同士の一部が離脱した際に発生する変位量を直接測定する変位量の測定手段と、バネ定数k4を算出する手段と、A〜Cの振動を制振する手段、とを有することを特徴とする微小力センサー、又はその評価装置。
(12)前記弾性支持手段の一端が固定され、他端が棒状物質Bを支持し、前記移動手段が、固定端に対し前記基板状物質Aを相対的に移動させる手段である、前記(11)に記載の微小力センサー、又はその評価装置。
(13)前記の物体AとCが離脱した際に発生する変位量λの測定手段が、測定可能範囲±10mm以上、及び/又は測定可能最大長に対するレーザ直線性±5%以上、及び/又は分解能10ミクロン以上の、CCDレーザ式、又は正反射レーザ式、又は拡散反射型レーザ式、又は光ファイバー式の変位計により、評価する手段を有する、前記(11)又は(12)に記載の微小力センサー、又はその評価装置。
(14)水平及び/又は鉛直方向の固有振動数10Hz以下の除振台で評価する手段を有する、前記(11)から(13)の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
(15)前記棒状物質Bの材質が、超硬合金、ステンレス、アルミニウム、ダイヤモンドの何れかである、前記(11)から(14)の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
(16)前記基板状物質Aが移動ステージに取り付けられ、前記移動ステージがステッピングモーター又はサーボモーターの動作により移動する、前記(11)から(15)の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
(17)A〜Cを可視化する手段が、顕微鏡、CCDカメラ、デジタルカメラの何れかである、前記(11)から(16)の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
本発明は、以上の着想を実現すべく鋭意検討した結果構築されたものであって、その基本構成は、具体的に先願(特許文献7)との差異性を強調して明示すると、(1)対向して接触する2物体A又はBを支持する所定のバネ定数のバネ状物質が存在すると想定し、AとBが脱離した際に発生する振動数と変位量と、AとBの質量に基づいてバネ定数を算出する、(2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はB、C又は複数のC群同士の間の一部とが、脱離した際に発生する変位量に基づいて微小力を算出する、(3)更に、2物体AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、AとBが離脱した際に発生する変位量と、A又はB、C又は複数のC群同士の間の一部とが、脱離した際に発生する変位量に基づいて微小力を算出する、以上3点の手段を、同時に、又は連続的に、又は断続的に組み合わせること、を特徴とするものである。
k1=m1×(2π÷T1)2
により、バネ定数k1を算出する。
F1/λmax1=F2/λmax2(=k1=k2)
を、用いることにより構成される次の計算式、
F2=k1×λmax2
により、微小力F2を算出する。
k3=F3÷λmin3
ここで、F3は、
F3=γ×Lmin3
又は、
F3=(πRmin 2)×γ×(R31 ―1―Rmin ―1)+γ×Lmin3
又は、
F3=(πR32 2)×γ×sin2α×(R31 ―1―Rmin ―1)
+γ×(2πR32)×sinα×sin(α+θ)
但し、
Lmin3は、A又はBと、液状物質とが離脱した際の、液状物質の鉛直方向の最小長2Rminから算出した周囲長、
R31は、AとBの間の液状物質が、AとB互いの中心を結ぶ中心軸線に対し、内側に凸にくびれを形成した際、そのくびれ部分の曲率半径、
2R32は、A又はBの鉛直方向の最大長(A又はBが球の場合は直径)、
αは、AとBの間の液状物質が鉛直方向の最大長を示すA又はBの接触点に対し、その接触点と、A又はBとの中心を結ぶ直線を引き、その直線と、AとB互いの中心を結ぶ中心軸線とが、成す角度、
θは、AとBの間の液状物質が鉛直方向の最大長を示すA又はBの接触点に対し、その接触点から、AとBの間の液状物質に引いた接線と、その接触点から、A又はBに引いた接線が成す角度、
により、バネ定数k3を算出し、A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はBを支持する微小力F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、C又は、複数のC群同士の間の一部とが、離脱した際に発生する変位量の最大値λmax2とフックの法則より、F1=k1×λmax1とF3=k3×λmax3との両バネ系に成り立つ次の相似関係、即ち、
F1/λmax1=F3/λmax3(=k1=k3)
また、更には、F1=k1×λmax1とF2=k2×λmax2との両バネ系に成り立つ次の相似関係、即ち、
F1/λmax1=F2/λmax2(=k1=k2)
とを、用いることにより構成される次の計算式、
F2=k3×λmax2
により、微小力F2を算出する。
μ=128×λ×(V/t)÷{(4γ/2Rmin)×π×(2Rmin)4}
但し、
λは、AとBが離脱した際に発生する変位量、
2Rminは、AとBの間の液状物質の鉛直方向の最小長、
Vは、AとBの間の液状物質の体積、
tは、AとBとの相互運動(即ち、離脱)開始時から、離脱完了までの時間、
により、算出する手段、などが例示されるが、AとBが離脱した際に発生する変位量λを利用することが可能であれば良く、特に制限されるものではない。
Ls=(0.2×2)×0.0005=0.0002mm(0.2ミクロン)
であった。
Ls=(1×2)×0.0003=0.0006mm(0.6ミクロン)
となって、上記の汎用品より値が大きく、一見、低精度に思われる。しかし、実は、レーザ変位計における直線性は、原点付近が重要で、末端近傍は、原点程の高精度を要求しないことが分かっている。そこで、測定可能範囲の中心部±0.2mmの範囲と、それ以降±0.2〜10mmの範囲とを、切り替える信号処理アルゴリズムを採用することで、
Ls=(0.2×2)×0.0003≒0.0001mm(0.1ミクロン)
という、従来の倍の精度を達成することが可能となる。
[db値]=20log10ζ=20log10(χ/χo)
但し、χは対象物体の変位(又は速度、加速度)、χoは除振台の変位(又は速度、加速度)である。物体の振動数fと、固有振動数fnとの比f/fnを振動数比と言い、一般に、制振効果を得るためには、振動数比の√2以上でなければならず、また、この値が大きい程、振動伝達率が低く、即ち、防振効果が優れることを意味する。換言すれば、それ以上の物体の振動数fしか制振できないということで、従って、固有振動数fnを低くすることが重要で、物体の振動数fとのマージンが大きく、より優れた除振台となる。
1.従来の微小力のセンサー、その評価法と評価装置が持つ欠点、即ち、(1)粒子1個に働く付着力などの粉体特性の直接評価と、その付着・凝集・分散状態を評価装置内で再現すること、(2)粒子1個に働く付着力が1mN以下(好適には、10nN以下)で評価可能なこと、(3)評価必要時間(試料調製から測定値検出までに要する時間)が数10分以下で評価可能なこと、(4)数ミクロン以下の粒子1個に働く数μNレベル(好適には、10nN以下)の付着力の絶対値を担保する校正法、(5)極微量(例えば、液状物質1滴程度)の表面張力や粘度などを評価する方法、の全てを同時に解決できる。
2.先願(特許文献7)との差異性を強調して明示すると、付着力測定装置(PAF)法(特許文献7、非特許文献4、非特許文献6)の有する現状の6つの問題点、(1)AとBとが離脱した際に発生する変位量(及び振動数)の測定手段がなくA又はBを支持するバネ状物質のバネ定数k1の算出手段がない、(2)Aと、B又はCが離脱した際に発生する変位量の計測手段(変位計)の精度不足、(3)A〜Cなどの振動を制動する制振手段の欠落、(4)Bの材質の多様化と精度、及びそれらと試料とのバランス不足、(5)絶対値を保障する校正法(標準化法)や校正物質(標準物質)の欠如、(6)極微量、例えば、液状物質1滴程度の表面張力や粘度などを評価する方法の欠如、に対し、解決手段を提供し得る。
3.本発明が対象とする技術分野、即ち、粒子1個に働く付着力や微小力や、個々の粒子の集合体である粉体層(バルク粉体)に働く付着力や微小力を対象とする微小力センサー、その評価法と評価装置において、本発明の技術的位置付けを俯瞰した場合、従来の2種類の評価法が夫々個別に有していた長所、即ち、現実性に乏しいモデル系評価だが、精密評価が可能なミクロ評価法(顕微鏡法など)の持つ精度と、総花的指標しか所与できないが、物理量の数学的信頼性は高いマクロ評価法(剪断応力試験法、遠心法など)の持つ確度とを併せ持つ、言わばミクロとマクロの中間的なメゾスコピック領域に位置し、当該技術分野全般を対象とできるメタ視点を与え、同時に、絶対値を保障する校正法(標準化法)や校正物質(標準物質)、更には、極微量(例えば、液状物質1滴程度)の表面張力や粘度等を評価する方法を所与することが可能であって、言わば既往の評価法のミッシングリンク(Missing−link)を埋めるという、格別の効果が得られる。
k1=m1×(2π÷T1)2
より、バネ定数k1を算出した。
その結果、バネ定数k1は、約0.185N/mと、算出された。
F1/λmax1=F2/λmax2(=k1=k2)
を用いることにより、
F2=k1×λmax2=0.185(N/m)×0.19×10−6(m)
≒35(nN)
と算出された。
水平方向に対向して接触する2物体間AとBの間に、A及びB以外の任意の物体C(ガラスビーズ)をAとBの間に存在させ、AとBの間に表面張力γ(39mN/m)の液状物質(ヒマシ油)を存在させ、AとBが離脱した際に発生する変位量の最大値λmax3を測定した(表1)。
そして、更に、
k3=F3÷λmax3
ここで、F3は、
F3=γ×Lmin3
但し、
Lmin3は、A又はBと、液状物質とが離脱した際の、液状物質の鉛直方向の最小
長2Rminから算出した周囲長、
以上により、バネ定数k3を算出した(表1)。
F1/λmax1=F2/λmax2(=k1=k2)
を用いることにより、
F2=k1×λmax2=0.176(N/m)×0.19×10−6(m)
≒33(nN)
と算出された。
12 AとB以外の任意の物体C
13 対向して接触する物体B
14 AとBの間に微小力で形成されたバネ状物質
15 AとBの間の表面張力γの液状物質
41 水平方向に対向して接触する物体A
42 水平方向に対向して接触する物体B
43 AとBの間に微小力で形成されたバネ定数k1のバネ状物質
44 AとBが離脱した際に発生する微小力F0
51 AとB以外の任意の物体C
52 AとCの間の微小力F1
53 F1で形成されたバネ定数k1のバネ状物質
61 AとBの間の微小力F2
62 F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質
63 AとBの間の液状物質の鉛直方向の最小長2R2
64 2R2から算出した周囲長L2
65 AとBの間の液状物質が、AとB互いの中心を結ぶ中心軸線に対し、内側に凸にくびれを形成した際、そのくびれ部分の曲率半径R3
66 A又はBの鉛直方向の最大長(A又はBが球の場合は直径)2R4
67 AとBの間の液状物質が鉛直方向の最大長を示すA又はBの接触点に対し、その接触点と、A又はBとの中心を結ぶ直線を引き、その直線と、AとB互いの中心を結ぶ中心軸線とが成す角度α
68 AとBの間の液状物質が鉛直方向の最大長を示すA又はBの接触点に対し、その接触点から、AとBの間の液状物質に引いた接線と、その接触点から、A又はBに引いた接線が成す角度θ
71 AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、A又はBと液状物質とが離脱した際の変位
81 実施例2及び/又は実施例6で示した、基板状の物体Aと棒状の物体B間に試料(粒状物質、など)Cを存在させ、AとC間に微小力で形成されたバネが存在すると想定、AとC、又は複数のC同士の一部が離脱した点
82 実施例2及び/又は実施例6で示した、基板状の物体Aと棒状の物体B間に試料(粒状物質、など)Cを存在させ、AとC間に微小力で形成されたバネが存在すると想定、AとC、又は複数のC同士の一部が離脱した際に発生する変位量の最大値
Claims (17)
- 対向して接触する2物体AとBの間に発生する微小力の評価法であって、(1)A又はBを支持する所定のバネ定数のバネ状物質が存在すると想定し、AとBが脱離した際に発生する振動数と変位量と、AとBの質量に基づいてバネ定数を算出する、(2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はB、C又は複数のC群同士の間の一部とが、脱離した際に発生する変位量に基づいて微小力を算出する、ことを特徴とする微小力の評価法。
- (1)A又はBを支持する微小力F1で形成されたバネ定数k1のバネ状物質が存在すると想定し、AとBとが離脱した際に発生する振動数T1と変位量の最大値λmax1、A又はBの質量m1から、バネ定数k1=m1×(2π÷T1)2を算出する、(2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はBを支持する微小力F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、C又は、複数のC群同士の間の一部とが、離脱した際に発生する変位量の最大値λmax2より、微小力F2=k1×λmax2を算出する、請求項1に記載の微小力の評価法。
- (1)AとBの間、又はA及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、A又はBを支持する微小力F3で形成されたバネ定数k3のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、液状物質とが離脱した際に発生する変位量の最大値λmax3から、バネ定数k3=F3÷λmax3を算出する、(2)A及びB以外の任意の物体CをAとBの間に存在させ、A又はBを支持する微小力F2で形成されたバネ定数k2のバネ状物質が存在すると想定し、A又はBと、C又は、複数のC群同士の間の一部とが、離脱した際に発生する変位量の最大値λmax2より、微小力F2=k3×λmax2を算出する、請求項1又は2に記載の微小力の評価法。
- 対向して接触する2物体AとBの間に表面張力γの液状物質を存在させ、AとBが離脱した際に発生する変位量より、AとBの間の液状物質の粘度を求める、請求項1から3の何れかに記載の微小力の評価法。
- 変位量の最大値λmax2を、測定可能範囲±10mm以下、及び/又は測定可能最大長に対するレーザ直線性±5%以下、及び/又は分解能10ミクロン以下、の、CCDレーザ式、又は正反射レーザ式、又は拡散反射型レーザ式、又は光ファイバー式の変位計により、評価する、請求項1から4の何れかに記載の微小力の評価法。
- 変位量の最大値λmax2を、水平及び/又は鉛直方向の固有振動数10Hz以下の除振台により、評価する、請求項1から5の何れかに記載の微小力の評価法。
- 物体Cが平均長さ3mm以下の粒状物質である、請求項1から6の何れかに記載の微小力の評価法。
- 微小力が、分子間力、静電気力、液架橋による毛細管力、磁力、物体Cが非弾性的に変化する際に発生する力の、何れかである、請求項1から7の何れかに記載の微小力の評価法。
- 物体A〜Cの存在する雰囲気が、真空中、大気中、任意のガス中、任意の液状物質中の、何れかである、請求項1から8の何れかに記載の微小力の評価法。
- A及びB、及び/又はC間に存在させる液状物質が、10nN以下の微小力F3を評価できる表面張力γ又は粘度μを有し、不揮発性である、請求項1から9の何れかに記載の微小力の評価法。
- 物体Aが基板状物質、物体Bが棒状物質であり、AとBの間に粒状物質Cを存在させ、A又はBの一方を弾性的に支持する弾性支持手段と、AとBの相対位置を変化させる移動手段と、A〜Cを可視化する手段と、A又はBを支持する微小力F1で形成されたバネ定数k1のバネ状物質が、また、AとCの間に微小力F4で形成されたバネ定数k4のバネ状物質が存在すると想定し、AとBとが離脱した際に発生する変位量を直接測定する変位量の測定手段と、バネ定数k1を算出する手段と、AとC又は複数のC同士の一部が離脱した際に発生する変位量を直接測定する変位量の測定手段と、バネ定数k4を算出する手段と、A〜Cの振動を制振する手段、とを有することを特徴とする微小力センサー、又はその評価装置。
- 前記弾性支持手段の一端が固定され、他端が棒状物質Bを支持し、前記移動手段が、固定端に対し前記基板状物質Aを相対的に移動させる手段である、請求項11に記載の微小力センサー、又はその評価装置。
- 前記の物体AとCが離脱した際に発生する変位量λの測定手段が、測定可能範囲±10mm以上、及び/又は測定可能最大長に対するレーザ直線性±5%以上、及び/又は分解能10ミクロン以上の、CCDレーザ式、又は正反射レーザ式、又は拡散反射型レーザ式、又は光ファイバー式の変位計により、評価する手段を有する、請求項11又は12に記載の微小力センサー、又はその評価装置。
- 水平及び/又は鉛直方向の固有振動数10Hz以下の除振台で評価する手段を有する、請求項11から13の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
- 前記棒状物質Bの材質が、超硬合金、ステンレス、アルミニウム、ダイヤモンドの何れかである、請求項11から14の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
- 前記基板状物質Aが移動ステージに取り付けられ、前記移動ステージがステッピングモーター又はサーボモーターの動作により移動する、請求項11から15の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
- A〜Cを可視化する手段が、顕微鏡、CCDカメラ、デジタルカメラの何れかである、請求項11から16の何れかに記載の微小力センサー、又はその評価装置。
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