JP5382817B2

JP5382817B2 - 荷重測定装置

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Publication number: JP5382817B2
Application number: JP2010547404A
Authority: JP
Inventors: 泰成燈明; モハマドアブドゥスサラムアカンダ
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: US20110296929A1; JPWO2010084662A1; WO2010084662A1; US8887584B2

Description

本発明は、荷重測定装置に関する。

従来、マイクロやナノ領域における力の測定は、ピエゾ素子、ひずみゲージやピエゾ抵抗、静電容量や光学力センサのようなMEMS（Micro Electro Mechanical Systems；微小・電気機械システム）トランスデューサ（変換器）を用いて行われている。ピエゾ素子センサは、動的な力の検出に適しているが、構造上静的な力を検出することには適していない。これに対し、静電容量センサは、ピエゾ素子センサと比較して感度や安定性に優れている（例えば、特許文献１参照）。また、光学力センサは、その構成が大掛かりで高価であるが、現状において最も高感度な力の測定を実現できている。

従来のMEMSトランスデューサとして、カンチレバー（片持ち梁）とレーザ変位計とを有するものがある（例えば、特許文献２参照）。このMEMSトランスデューサは、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope；AFM）等で利用されており、カンチレバー先端に固定されたチップが測定対象物に接触するとカンチレバーがたわみ、そのたわみをレーザ変位計で検出し、検出した変位量に基づいて微小力を求めるよう構成されている。

特許第３２４０３９０号公報特開２００４−２０５３８１号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のような従来の測定装置では、測定範囲が固定されて変更できず、狭いという課題があった。また、特許文献２に記載のＭＥＭＳトランスデューサでは、カンチレバーのたわみが増すごとに、チップが測定対象物の表面に対して首振りの回転運動を起こすため、チップの変位量とチップに加わった力とが非線形関係になり、測定範囲の縮小や測定精度の低下が生じるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、測定範囲を拡げることができる高精度な荷重測定装置を提供することを目的としている。

本発明者等は、従来の測定装置での測定範囲が狭いという課題に対して、支持位置と荷重部（チップ）との距離を変更可能にすることにより、荷重部に加わる力に対する荷重部の変位量を調整可能にし、これにより、荷重部に加わる力の大きさに応じて、荷重部の変位量が、変位センサが測定可能な変位範囲内になるよう調整して、測定範囲を拡げることができることを見出した。また、本発明者等は、従来の測定装置での、チップの変位量とチップに加わった力とが非線形関係になり、測定範囲の縮小や測定精度の低下が生じるという課題に対して、支持位置と荷重部との距離に関係なく、荷重部の変位量と荷重部に加わった力とを常に線形関係に保つことにより、高精度に測定を行うことができることを見出した。こうして、本発明者等は、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る荷重測定装置は、細長く、一端に荷重部が設けられた梁部材と、前記梁部材の前記荷重部より他端側で前記梁部材を支持する支持部材と、前記荷重部の変位を測定可能に設けられた変位センサとを有し、前記梁部材は、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置された細長い１対の板状脚部と、前記荷重部側の各板状脚部の端部を連結する連結部とを有し、細長い板状の部材の両端部を中央部に対して同じ方向に垂直に折り曲げることにより、中央部が連結部を成し、折り曲げられた両端部が各板状脚部を成すよう形成され、前記支持部材による支持位置と前記荷重部との距離を変更可能に、各板状脚部の長さ方向に沿ってスライドするよう前記支持部材に支持されており、前記荷重部は針状のチップから成り、一方の板状脚部の表面から垂直に突出するよう前記梁部材の一端に固定され、前記変位センサは前記荷重部の突出方向の変位を測定可能であることを、特徴とする。

本発明に係る荷重測定装置は、以下のようにして使用される。まず、梁部材の一端の荷重部に測定対象物が接触して、各板状脚部の厚さ方向に力が加わると、梁部材の各板状脚部がたわんで、荷重部が各板状脚部の厚さ方向に移動する。このとき、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置された細長い１対の板状脚部の荷重部側の端部を連結部で連結しているため、荷重部での各板状脚部の表面が、変位前の各板状脚部の厚さ方向に対して垂直の状態を維持したまま荷重部が移動する。これにより、荷重部が測定対象物に対して回転運動を起こすのを防ぐことができ、荷重部の変位量と荷重部に加わった力とを線形関係に保つことができる。

次に、荷重部の変位を変位センサで検出し、検出した変位量に基づいて荷重部に加わった力を求める。このとき、荷重部の変位量と荷重部に加わった力とが線形関係であるため、非線形関係の場合と比べて、高精度で荷重部に加わった力を求めることができる。荷重部が測定対象物に対して回転運動を起こさないため、荷重部や各板状部材に対する変位センサの配置によっては、回転運動する場合に比べて、測定範囲を広く保つことができる。

本発明に係る荷重測定装置は、支持部材による支持位置と荷重部との距離を変更することにより、荷重部に加わる力に対する荷重部の変位量を調整することができる。このため、荷重部に加わる力の大きさに応じて、荷重部の変位量が、変位センサが測定可能な変位範囲内になるよう調整することができ、測定範囲を拡げることができる。また、剛性が異なる梁部材をあらかじめ複数準備しておき、各梁部材を適宜交換することにより、荷重部に加わる所定の大きさの力に対する荷重部の変位量を変えることができ、測定範囲をさらに拡げることができるとともに、測定範囲を柔軟に調整することができる。

梁部材が一枚の板状部材から成る場合、支持部材による支持位置と荷重部との距離を変更すると、その距離に応じた曲率で、力が加わった荷重部が測定対象物に対して回転運動を起こす。すなわち、支持部材による支持位置と荷重部との距離が短いほど、荷重部の回転運動の曲率が大きくなり、荷重部の変位量と荷重部に加わった力との非線形性が高くなって測定精度が低下する。これに対し、本発明に係る荷重測定装置は、梁部材が、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置された細長い１対の板状脚部の荷重部側の端部を連結部で連結しているため、支持部材による支持位置と荷重部との距離を変更しても、その距離に関係なく、荷重部での各板状脚部の表面が、変位前の各板状脚部の厚さ方向に対して常に垂直の状態を維持したまま荷重部が移動する。このため、支持部材による支持位置と荷重部との距離に関係なく、荷重部の変位量と荷重部に加わった力とを常に線形関係に保つことができ、高精度に測定を行うことができる。

梁部材が、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置された細長い１対の板状脚部の荷重部側の端部を連結部で連結しているため、各板状部材の幅方向にはたわみにくく、ねじれにくい。このため、荷重部に加わる力の内、各板状部材の厚さ方向の力を高精度で測定することができる。本発明に係る荷重測定装置は、梁部材を、一枚の細長い板状部材から容易に形成することができる。また、梁部材の支持部材による支持位置と荷重部との距離を調整しやすい。荷重部のチップの先端に加わる、各板状部材の厚さ方向の力を、より高精度に測定することができる。

本発明に係る荷重測定装置で、前記変位センサは静電容量センサから成り、測定可能な最大の力を１０μＮから０．１Ｎの範囲まで変更可能であり、人毛の曲げ試験に使用されることが好ましい。この場合、荷重部での各板状脚部の表面が、変位前の各板状脚部の厚さ方向に対して垂直の状態を維持したまま荷重部が移動するため、荷重部の変位を、各板状脚部の表面との距離の変化として静電容量センサで容易かつ高精度に測定することができる。このため、構成が大掛かりで高価なレーザを利用した変位計を使用しなくとも、十分な精度で測定を行うことができる。レーザを利用した変位計を使用する場合と比べ、簡単な構成で、小型かつ安価に製造することができる。また、装置全体を一体化するのも容易である。

本発明に係る荷重測定装置で、各板状脚部は細長い矩形状で、幅方向の中央部に長さ方向に沿って設けられた細長い穴から成るスロットを有し、前記梁部材は各板状脚部の連結部側の端部に、１対の円形のチップ固定部を有し、一方のチップ固定部の中央に貫通孔が形成されており、前記荷重部は前記貫通孔に貫通させて固定されていてもよい。この場合、スロットにより、梁部材の断面２次モーメントやばね定数を変更することなく、各板状脚部の幅を広くすることができる。これにより、梁部材の幅方向に対するねじり剛性を高くすることができるため、梁部材のねじりをさらに抑制することができる。また、スロットを設けることにより、梁部材の剛性を小さくすることができ、梁部材をたわみやすくして荷重に対する感度を高めることができる。スロットの長さや幅を変えることにより、任意の剛性を有する梁部材を形成することができる。

本発明に係る荷重測定装置で、前記梁部材は複数から成り、互いに剛性が異なっており、各梁部材の内、最も剛性が大きい梁部材を既存の荷重センサにより校正可能であり、校正された梁部材により前記変位センサを校正可能であり、さらに校正された梁部材および前記変位センサにより他の梁部材を校正可能であってもよい。この場合、各梁部材の荷重部の変位量と荷重部に加わった力とが線形関係であるため、孫校正となるものであっても、各梁部材および変位センサの校正を高精度で行うことができる。このため、剛性が小さく、既存の荷重センサでは校正できない梁部材であっても、高精度で校正することができる。

本発明に係る荷重測定装置は、前記板状脚部の幅方向から、変位前後の前記荷重部を撮影可能に設けられた撮影手段を有していてもよい。この場合、荷重部の変位を見ながら、測定を行うことができ、測定の実施状態の確認が容易である。このため、微細な材料の試験装置など、変位状態を確認しながら測定を行う装置に搭載して使用されると、特に効果的である。
本発明に係る荷重測定装置で、前記梁部材は厚さ１００μｍのステンレス薄板からエッチングにより抜き出した部材から形成されており、前記荷重部は直径２０μｍのタングステンワイヤの先端をＦＩＢ加工して成り、紫外光硬化性のポリエステル樹脂を用いて前記梁部材に固定されていてもよい。

本発明によれば、測定範囲を拡げることができる高精度な荷重測定装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の荷重測定装置を示す側面図である。図１に示す荷重測定装置の梁部材を形成する板状の部材を示す平面図である。（ａ）従来の荷重測定器の構造（一重はり構造カンチレバー）を示す側面図、（ｂ）図１に示す荷重測定装置の構造（二重はり構造カンチレバー）を示す側面図である。図３（ａ）に示す一重はり構造カンチレバーの（ａ）はりの長さ（Cantileverlength；L）と利用可能な変位範囲（Deflection range）との関係を示すグラフ、（ｂ）様々な長さ（L）のはりにおける、比静電容量（C／C_p）と変位（Deflection；δ_y,s）との関係を示すグラフである。図１に示す荷重測定装置の梁部材の校正方法を示すブロック図である。図５に示す校正方法の第一段階（step I）での、与えた変位（Piezo displacement）と梁部材の反力（Force）との関係を示すグラフである。図５に示す校正方法の第一段階（step I）での、カンチレバーの変位（Cantilever deflection）と静電容量センサの出力の変化（Change in CS output）との関係を示すグラフである。図５に示す校正方法の第二段階（step II）での、（ａ）与えた変位（Piezo displacement；δ_PZT）と静電容量センサの出力（CS output, ΔV）との関係を示すグラフ、（ｂ）Cant.-1およびCant.-2の変位（Deflection）と荷重（Force）との関係を示すグラフである。図１に示す荷重測定装置の梁部材であるCant.-1およびCant.-2の、検出最大変位（δ_y,d）が異なる２種類の静電容量センサを用いたときの、支持部材による支持位置と荷重部との距離（Length；L）と測定可能な最大の力（Maximum force；F_max）との関係を示すグラフである。図１に示す荷重測定装置の微小力測定実験に用いた振り子の（ａ）吊り下げ状態（Free hanging）を示す側面図、（ｂ）変位（δ）を与えたときの状態（Under loading）を示す側面図である。図１に示す荷重測定装置の、図１０に示す振り子を用いた微小力測定実験の結果の、力（Force；F）と変位（Displacement；δ）との関係を示すグラフである。図１に示す荷重測定装置の、人毛を用いた曲げ試験の結果の（ａ）梁部材の変位（δ）と荷重（F）との関係を示すグラフ、（ｂ）梁部材の変位（δ）とFL³/(3I)との関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１２は、本発明の実施の形態の荷重測定装置を示している。
図１および図２に示すように、荷重測定装置１０は、支持部材１１と梁部材１２と荷重部１３と変位センサ１４とを有している。

図１に示すように、支持部材１１は、ＸＹＺステージ（XYZ stage）２１とピエゾステージ（Piezo stage）２２と長さ調整ジグ（Length adjustable jig-fixture）２３とセンサホルダ（Sensor holder）２４とを有している。ＸＹＺステージ２１は、水平２軸（ＸＹ）方向および高さ（Ｚ）方向の位置を調整可能になっている。ピエゾステージ２２は、コンピュータ制御により、高い位置精度で水平２軸（ＸＹ）方向に微小移動可能になっている。ピエゾステージ２２は、ＸＹＺステージ２１の上に載置されている。

長さ調整ジグ２３は、Ｌ型の側面形状を成し、一方の腕部分２３ａがピエゾステージ２２より鉛直下方に垂れ下がるよう、他方の腕部分２３ｂをピエゾステージ２２の上に水平に載置して取り付けられている。センサホルダ２４は、長さ調整ジグ２３の他方の腕部分２３ｂの上に取り付けられている。センサホルダ２４は、長さ調整ジグ２３の一方の腕部分２３ａの方向に向かって水平に伸びている。

図２に示すように、梁部材（カンチレバー；Double-beam cantilever）１２は、ステンレス製の細長い板状の部材から形成されている。梁部材１２は、中央の矩形状の連結部２５と、その両端側の細長い１対の板状脚部２６とを有している。梁部材１２は、中央の連結部２５に対して、図２中の点線部で、その両端側の各板状脚部２６を同じ方向に垂直に折り曲げて形成されている。これにより、各板状脚部２６は、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置され、連結部２５は、各板状脚部２６の一端部を連結するよう構成されている。

梁部材１２は、各板状脚部２６の連結部２５側の端部に、１対の円形のチップ固定部２７を有している。梁部材１２は、一方のチップ固定部２７の中央に貫通孔２７ａが形成されている。梁部材１２は、各板状脚部２６の幅方向の中央部に、各板状脚部２６の長さ方向に沿って設けられた細長い穴から成るスロット（slot）２８を有している。なお、図２に示す具体的な一例では、梁部材１２は、厚さ100μm、80×50μmのステンレス薄板から、エッチングにより抜き出した部材から形成されている。また、連結部２５は、長さが約4mm、幅が2mmである。各板状脚部２６は、長さが約41mm、幅が2mmである。チップ固定部２７の径は2.5mm、貫通孔２７ａの径は1mmである。

図１に示すように、梁部材１２は、支持部材１１の長さ調整ジグ２３の一方の腕部分２３ａの下端部に、各板状脚部２６で取り付けられている。梁部材１２は、連結部２５を上にした状態で、各板状脚部２６が鉛直になるよう取り付けられている。また、梁部材１２は、各板状脚部２６の厚さ方向が、センサホルダ２４の伸び方向に沿うよう取り付けられている。梁部材１２は、長さ調整ジグ２３側の板状脚部２６と長さ調整ジグ２３との間、および、各板状脚部２６の間にそれぞれスペーサ２９（Spacers）を挟み、ナット３０（Nut-screw）により長さ調整ジグ２３に取り付けられている。梁部材１２は、ナット３０を緩めたり締めたりすることにより、各板状脚部２６の長さ方向に沿ってスライド可能に、支持部材１１に支持されている。

図１に示すように、荷重部（Loading Probe）１３は、針状のチップから成り、梁部材１２の上端の、チップ固定部２７の貫通孔２７ａに貫通させて固定されている。荷重部１３は、長さ調整ジグ２３とは反対側の板状脚部２６の表面から垂直に突出するよう、各チップ固定部２７の間に樹脂を充填して固定されている。荷重部１３は、例えば、直径20μmのタングステンワイヤの先端をFIB加工して成り、紫外光硬化性のポリエステル樹脂（Polyester resin）を用いて梁部材１２に固定されている。

なお、梁部材１２は、支持部材１１による支持位置、すなわちナット３０による固定位置と、荷重部１３との距離を変更可能に、支持部材１１に支持されている。また、梁部材１２は、荷重部１３よりも下端側で、支持部材１１に支持されている。

図１に示すように、変位センサ１４は、静電容量センサ（Capacitive sensor）から成り、支持部材１１のセンサホルダ２４の先端に取り付けられている。変位センサ１４は、長さ調整ジグ２３側の板状脚部２６の上端部の表面との間に隙間（Sensor gap）をあけて、その表面に対向するよう取り付けられ、その表面との距離の変化を測定可能になっている。これにより、変位センサ１４は、その表面とは反対側に取り付けられた荷重部１３の突出方向、すなわち各板状脚部２６の厚さ方向の変位を測定可能になっている。なお、変位センサ１４は、押し付け力、引き付け力のどちらか、または両方を測定するかで、梁部材１２との初期隙間をピエゾステージ２２により変更可能になっている。

次に、作用について説明する。
荷重測定装置１０は、以下のようにして使用される。まず、荷重部１３の先端に測定対象物が接触して、各板状脚部２６の厚さ方向に力が加わると、梁部材１２の各板状脚部２６がたわんで、荷重部１３が各板状脚部２６の厚さ方向に移動する。このとき、各板状脚部２６の荷重部１３側の端部を、樹脂を使用して連結部２５で剛に連結しているため、荷重部１３が、変位前の各板状脚部２６の厚さ方向に平行な状態を維持したまま移動する。これにより、荷重部１３が測定対象物に対して回転運動を起こすのを防ぐことができ、荷重部１３の変位量と荷重部１３に加わった力とを線形関係に保つことができる。また、荷重部１３と測定対象物の表面との間に摩擦が発生するのを防ぐこともできる。

次に、荷重部１３の変位を変位センサ１４で検出し、検出した変位量に基づいて荷重部１３に加わった力を求める。このとき、荷重部１３の変位量と荷重部１３に加わった力とが線形関係であるため、非線形関係の場合と比べて、高精度で荷重部１３に加わった力を求めることができる。荷重部１３が測定対象物に対して回転運動を起こさないため、回転運動する場合に比べて、測定範囲を広く保つことができる。

これらのことを、従来のAFM等で利用される荷重測定器と比較して検討を行う。従来の荷重測定器の構造（以下、「一重はり構造カンチレバー」と呼ぶ）を図３（ａ）に、本発明の実施の形態の荷重測定装置１０の構造（以下、「二重はり構造カンチレバー」と呼ぶ）を図３（ｂ）に示す。ここで、二重はり構造カンチレバーでは、連結部２５の側の自由端におけるはり支持部が剛（Rigid joint）であることが鍵である。

図３に示した直交座標系において、荷重Fはy方向に加わる。この場合、長さLの一重はり構造カンチレバーおよび二重はり構造カンチレバーのy方向の変位は、それぞれ（１）式および（２）式で与えられる。

従来の一重はり構造カンチレバーおよび二重はり構造カンチレバーの中立軸におけるたわみ角は、それぞれ（３）式および（４）式で与えられる。

（３）式より、従来の一重はり構造カンチレバーでは、自由端（x=0）における回転が最大で（θs = 1.5δy,s／L）となるのに対し、（４）式に示す二重はり構造カンチレバーではゼロであり、梁部材１２の先端付近に取り付けられる荷重部１３に回転運動を生じない。

従来の一重はり構造カンチレバーに取り付けたチップ（二重はり構造カンチレバーの荷重部１３に対応）の先端におけるx方向変位は、

である。（５）式より、δ_x,s／δ_y,sはl／Lの1.5倍である。通常、試験領域は非常に小さく、カンチレバー（二重はり構造カンチレバーの梁部材１２に対応）の先端のチップは、観察およびアクセス性の観点からそれなりの長さが要求される。しかしながら、チップの横方向の動きは、力観察点が変更することになるので避けたい。これに対し、二重はり構造カンチレバーの荷重部１３の先端におけるx方向変位はδ_y,d×10^-3のオーダであり、無視できる。

静電容量センサ（ＣＳ）には測定可能な隙間範囲が存在するが、一重はり構造カンチレバーがたわんだ場合にカンチレバー（Cantilever）とセンサとの並行度が保たれず、これにより、力測定範囲の減少と測定精度の低下とが生じる。静電容量センサの直径をdとした場合、一重はり構造カンチレバーの可能な変位(δ_m)は（６）式で与えられる。

一重はり構造カンチレバーの利用可能な変位範囲（Deflection range）(δ_m／δ_g)×100の例を、カンチレバーの長さ（Cantilever length）Lの関数として図４（ａ）に示す。ここではd=2.36と2.84mm、δ_g=25と50μmについて計算した。図４（ａ）に示すように、Lを小さくするほど、利用可能なセンサ範囲が小さくなることがわかる。一方、二重はり構造カンチレバーでは、利用可能なセンサ範囲は、Lに依らず常に100%である。

静電容量センサでは、センサと並行に配置した導体との間の静電容量変化を利用して隙間を測る。ここで、センサと導体との並行度が低下した場合、隙間と静電容量変化との比例関係がずれ、この非線形挙動は隙間測定誤差、すなわち力測定誤差につながる。二枚の導体を隔てた系における静電容量変化は、（７）式で近似できる。

図４（ｂ）に、理論的に求めた、一重はり構造カンチレバーのC／C_pと変位（Deflection）δ_y,sとの関係を示す。ここでは、R = 0.535mm、δ_g = 25μmを仮定した。図４（ｂ）に示すように、C／C_pは、δ_y,sが増加するほど、また、Lが小さくなるほど大きくなることがわかる。また、C／C_pがδ_y,sと比例関係にないところにおいては、隙間が誤って測定されることとなり、力測定精度が低下することがわかる。一方、二重はり構造カンチレバーでは、常に梁部材１２と静電容量センサとが並行に保たれるので、C／C_pは常に１であり、測定範囲に対する力測定精度の低下は生じない。

一重はり構造カンチレバーの場合、図４（ｂ）に示すように、カンチレバーの支持位置とチップとの距離、すなわちカンチレバーの長さＬを変更すると、その距離に応じた曲率で、力が加わったチップが測定対象物に対して回転運動を起こす。すなわち、カンチレバーの支持位置とチップとの距離が短いほど、チップの回転運動の曲率が大きくなり、チップの変位量とチップに加わった力との非線形性が高くなって測定精度が低下する。これに対し、二重はり構造カンチレバーでは、支持部材１１による支持位置と荷重部１３との距離を変更しても、その距離に関係なく、荷重部１３が、変位前の各板状脚部２６の厚さ方向に対して常に平行な状態を維持したまま移動する。このため、支持部材１１による支持位置と荷重部１３との距離に関係なく、荷重部１３の変位量と荷重部１３に加わった力とを常に線形関係に保つことができ、高精度に測定を行うことができる。

このように、荷重測定装置１０では、荷重部１３が、測定対象物に対して回転運動を起こさず、変位前の各板状脚部２６の厚さ方向に平行な状態を維持したまま移動するため、荷重部１３の変位を、各板状脚部２６の表面との距離の変化として静電容量センサで容易かつ高精度に測定することができる。このため、構成が大掛かりで高価なレーザを利用した変位計を使用しなくとも、十分な精度で測定を行うことができる。レーザを利用した変位計を使用する場合と比べ、簡単な構成で、小型かつ安価に製造することができる。また、装置全体を一体化するのも容易である。

荷重測定装置１０は、ナット３０を利用したシンプルなねじ機構により、支持部材１１による支持位置と荷重部１３との距離を容易かつ自在に変更することができる。このため、梁部材１２を交換することなく、荷重部１３に加わる力に対する荷重部１３の変位量を調整することができる。このため、荷重部１３に加わる力の大きさに応じて、荷重部１３の変位量が、変位センサ１４が測定可能な変位範囲内になるよう調整することができ、測定範囲を拡げることができる。

なお、剛性が異なる梁部材１２をあらかじめ複数準備しておき、各梁部材１２を適宜交換することにより、荷重部１３に加わる所定の大きさの力に対する荷重部１３の変位量を変えることができ、測定範囲をさらに拡げることができるとともに、測定範囲を柔軟に調整することができる。

荷重測定装置１０では、梁部材１２のスロット２８により、梁部材１２の断面２次モーメントやばね定数を変更することなく、各板状脚部２６の幅を広くすることができる。これにより、梁部材１２の幅方向に対するねじり剛性を高くすることができるため、梁部材１２のねじりをさらに抑制することができ、変位センサ１４の静電容量センサと板状脚部２６との間の並行度を保つことができる。このため、荷重部１３に加わる力を、高精度で測定することができる。また、スロット２８を設けることにより、梁部材１２の剛性を小さくすることができ、梁部材１２をたわみやすくして荷重に対する感度を高めることができる。穴の長さや幅を変えることにより、任意の剛性を有する梁部材１２を形成することができる。

なお、梁部材１２の剛性（stiffness）kは、（８）式で与えられる。（８）式より、kはLに依存するため、これを利用して所望のkを有する梁部材１２を容易に得ることができる。

なお、荷重測定装置１０は、板状脚部２６の幅方向から、変位前後の荷重部１３を撮影可能に設けられた撮影手段を有していてもよい。この場合、荷重部１３の変位を見ながら、測定を行うことができ、測定の実施状態の確認が容易である。このため、微細な材料の試験装置など、変位状態を確認しながら測定を行う装置に搭載して使用されると、特に効果的である。

変位センサ１４として、測定範囲が25μmおよび50μmの２種類の静電容量センサを用いた。出力電圧は、それぞれ0.4V/μmおよび0.2V/μmであった。この２種類の静電容量センサを交換することで、測定力範囲を変更できる。また、梁部材１２として、剛性（k値）が10μN/μmのカンチレバー（以下、「Cant.-1」と呼ぶ）、および1μN/μmのカンチレバー（以下、「Cant.-2」と呼ぶ）を作製した。ｋ値は、E=207GPaと仮定して（８）式より計算した。両カンチレバーの寸法詳細を、表１に示す。

図５に示すように、カンチレバーの校正は、二段階で行った。第一段階（step I）では、市販の荷重センサ（最小検出荷重は大）を用いて、kの大きなCant.-1のkを実測し、次いで、このCant.-1を用いて静電容量センサの校正を行う。第二段階（step II）では、校正したCant.-1を用いて、よりkの小さなCant.-2の校正を行う。

［Cant.-1の校正］
Cant.-1は、市販の荷重センサ（測定範囲20mN、精度0.025mN）を用いて校正した。ピエゾステージ２２によりカンチレバーの先端部に50μmまで1μmステップで強制変位（Piezo displacement）を与えたときに、静電容量センサで検出されたはりの反力（Force）を、図６に示す。50μmの変位に対して0.5mNの反力が生じたが、これは用いた静電容量センサの測定範囲の僅か2.5%である。得られたデータを最小二乗近似して得られた近似曲線の傾きは9.87μN/μmであった。ロードセルの剛性（stiffness）は167μN/μmであり、ロードセルの変形を考慮することでCant.-1の剛性はk₁ = 10.5μN/μmと求まった。

校正したCant.-1と静電容量センサ（測定範囲25μm）とを隙間を設けて配置した。ピエゾステージ２２によりCant.-1に強制変位を与えたときの、静電容量センサ出力の変化（Change in CS output）とカンチレバーの変位（Cantilever deflection）との関係を、図７に示す。実験データを最小二乗近似して、静電容量センサの感度はS_CP = 0.4V/μmと求まった。25μm範囲の静電容量センサとCant.-1とを組み合わせる場合、力測定感度は26.25μN/Vとなり、0〜10V静電容量センサ出力に対する力測定範囲は0〜262.5μNとなる。当然のことながら、Cant.-1と測定範囲が倍の50μm静電容量センサとを組み合わせた場合の力測定範囲は倍になる。

［Cant.-2の校正］
Cant.-2の校正には、先に校正したCant.-1を用いる。Cant.-2を固定し、ピエゾステージ２２に取り付けたCant.-1により先端部に負荷した。図８（ａ）に、ピエゾステージ２２の変位（Piezo displacement）δ_PZTと静電容量センサ出力（CS output, ΔV）との関係を示す。両者には良い線形関係が認められる。Cant.-1により先端部に負荷した力F、Cant.-1の変位δ₁、Cant.-2の変位δ₂は、それぞれ（９）〜（１１）式で与えられる。

実験結果から得られたCant.-1およびCant.-2の変位（Deflection）と荷重（Force）との関係を、図８（ｂ）に示す。両カンチレバーともに、良い線形関係が認められる。これより、Cant.-2のkは1.10μN/μmと求まった。表１に、両カンチレバーに対するkの予測値を示したが、実測値と予測値とはよく一致している。このように、各カンチレバーの荷重部１３の変位量と荷重部１３に加わった力とが線形関係であるため、各カンチレバーおよび静電容量センサの校正を高精度で行うことができる。このため、剛性が小さく、既存の荷重センサでは校正できないカンチレバーであっても、高精度で校正することができる。

25μm範囲の静電容量センサとCant.-2とを組み合わせる場合、力測定感度は2.75μN/Vとなり、0〜10V静電容量センサ出力に対する力測定範囲は0〜27.5μNとなる。もちろん、力の測定範囲は、二重カンチレバーのたわみを制御することで容易に変更できる。例えば、二重カンチレバーの長さを5.9mm（全長の1/5）にしたならば、（８）式よりkは137.5μN/μm (=1.10×5³)となり、測定範囲は125倍になる。また、力測定精度について、本実験配置とCant-2とで実現される最小計測力はおよそ100nNと推定される。

［測定範囲］
静電容量センサの検出最大変位をδ_y,dとした場合、測定可能な最大の力（Maximum force；F_max）は、（１２）式で求まる。

Cant.-1およびCant.-2を用いる場合のF_maxを、支持部材１１による支持位置と荷重部１３との距離（Length）Lの関数として、図９に示す。F_maxは、図９に示したLの範囲において10μNから0.1Nの範囲まで変動している。この場合、測定可能な力範囲は0〜F_maxとなるが、静電容量センサの最小検出変位に対する最小検出力は、F_maxが小さいほど小さく、力分解能が向上するため、対象の力範囲に対して適切なF_maxの下で、力センシングを行うのが望ましい。

図１０に示す小さな振り子を用いて、微小力測定に関する実験を行った。振り子は、金属製で、長さ66mm、幅1.5mm、厚さ100μmであり、薄いポリエチレンフィルム（Polyethylene thin film）で固定具に吊るされている。この振り子には重力が作用するが、その作用点（重心c.g）は振り子の中央である。実験にはCant.-2を用い、振り子上端からaの位置に、ピエゾステージ２２により1.0μmステップで強制変位を与えたときの反力を測定した。aは、5.8mm、10.3mm、19.8mmの3通りであり、a = 19.8mmでは逆向きの変位を与える行程についても計測を行った。

図１１に、実験により得られた、力（Force；F）と変位（Displacement；δ）との関係（F-δ関係）を示す。図１１に示すように、aが増加する程、反力は低下することが確認された。特に、a = 19.8mmの実験において、0〜3.5μN範囲の微小力を、精度よく検出できていることが確認された。また、逆向きの変位（Reverse）を与えた場合の測定結果が、順向き（Forward）のそれとよく一致しており、計測の再現性が極めて良いことも確認できた。

力（F）は、理論的に（１３）式で与えられる。

3つの場合(a = 5.8, 10.3 and 19.8mm)の、（１３）式による理論値も図１１に実線で示したが、実験値は理論値とよく一致している。

直径の異なる4本の人毛サンプルに対して、曲げ試験を行った。それぞれのサンプルは、光硬化樹脂によって、ニードルチップの先端に固定されている。各サンプルの（直径D、固定長さL）は、それぞれ（89.9μm、2078μm）、（52.4μm、1000μm）、（37.6μm、1000μm）、（52.9μm、900μm）である。実験にはCant.-1を用いた。得られた変位（δ）と荷重（F）との関係を、図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）に示すように、人毛サンプルの曲げ挙動は線形的であり、弾性的な挙動を示すことが確認された。

また、図１２（ｂ）に示すように、人毛の弾性率は、FL³/(3I)−δ関係の傾きで与えられる。ここで、I = πD⁴/64である。図１２（ｂ）に示すように、異なる4本の人毛の関係が一本の直線で近似でき、その弾性率が2.6±0.1GPaであることが確認された。

これまで、微小力を測定可能な荷重測定装置として、mNレンジやnNレンジの力の測定に適したものは存在していたが、その間のμNレンジの力の測定に適した高精度のものは存在していなかった。これに対し、本発明の実施の形態の荷重測定装置１０は、μNレンジの力を高精度かつ容易に測定することができ、μNレンジの力の測定に最も適した、これまでにない全く新しいタイプの測定装置である。

１０荷重測定装置
１１支持部材
１２梁部材
１３荷重部
１４変位センサ
２１ＸＹＺステージ
２２ピエゾステージ
２３長さ調整ジグ
２４センサホルダ
２５連結部
２６板状脚部
２７チップ固定部
２８スロット
２９スペーサ
３０ナット

Claims

細長く、一端に荷重部が設けられた梁部材と、
前記梁部材の前記荷重部より他端側で前記梁部材を支持する支持部材と、
前記荷重部の変位を測定可能に設けられた変位センサとを有し、
前記梁部材は、厚さ方向に間隔を開けて互いに平行に配置された細長い１対の板状脚部と、前記荷重部側の各板状脚部の端部を連結する連結部とを有し、細長い板状の部材の両端部を中央部に対して同じ方向に垂直に折り曲げることにより、中央部が連結部を成し、折り曲げられた両端部が各板状脚部を成すよう形成され、前記支持部材による支持位置と前記荷重部との距離を変更可能に、各板状脚部の長さ方向に沿ってスライドするよう前記支持部材に支持されており、
前記荷重部は針状のチップから成り、一方の板状脚部の表面から垂直に突出するよう前記梁部材の一端に固定され、
前記変位センサは前記荷重部の突出方向の変位を測定可能であることを、
特徴とする荷重測定装置。
前記変位センサは静電容量センサから成り、
測定可能な最大の力を１０μＮから０．１Ｎの範囲まで変更可能であり、人毛の曲げ試験に使用されることを、
特徴とする請求項１記載の荷重測定装置。
各板状脚部は細長い矩形状で、幅方向の中央部に長さ方向に沿って設けられた細長い穴から成るスロットを有し、
前記梁部材は各板状脚部の連結部側の端部に、１対の円形のチップ固定部を有し、一方のチップ固定部の中央に貫通孔が形成されており、
前記荷重部は前記貫通孔に貫通させて固定されていることを、
特徴とする請求項１または２記載の荷重測定装置。
前記梁部材は複数から成り、互いに剛性が異なっており、各梁部材の内、最も剛性が大きい梁部材を既存の荷重センサにより校正可能であり、校正された梁部材により前記変位センサを校正可能であり、さらに校正された梁部材および前記変位センサにより他の梁部材を校正可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載の荷重測定装置。
前記板状脚部の幅方向から、変位前後の前記荷重部を撮影可能に設けられた撮影手段を有することを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の荷重測定装置。
前記梁部材は厚さ１００μｍのステンレス薄板からエッチングにより抜き出した部材から形成されており、
前記荷重部は直径２０μｍのタングステンワイヤの先端をＦＩＢ加工して成り、紫外光硬化性のポリエステル樹脂を用いて前記梁部材に固定されていることを、
特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の荷重測定装置。