JPH05164666A - 微小バネ測定機 - Google Patents
微小バネ測定機Info
- Publication number
- JPH05164666A JPH05164666A JP3328788A JP32878891A JPH05164666A JP H05164666 A JPH05164666 A JP H05164666A JP 3328788 A JP3328788 A JP 3328788A JP 32878891 A JP32878891 A JP 32878891A JP H05164666 A JPH05164666 A JP H05164666A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spring
- measured
- stage
- extremely small
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- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】微小バネの特性値測定に於いて、従来行われて
いた微小バネの固有振動数より算出したり、微小バネの
形状からコンピュータシュミレーションにより推定した
りして間接的に微小バネの特性値を求めるのではなく、
直接的にかつ精確に微小バネの特性値を求める。 【構成】上皿１６上にピン１４を立てた上皿天秤４と、
ピン１４先頂端に上側から任意力点を当接する被測定バ
ネα及び被測定バネαの保持端α１の上下変位を測定す
る隙間センサ１１をそれぞれ取付けた上下微動変位自在
な精密Ｚステージ８と、精密Ｚステージ８を前後左右微
動変位自在なＸＹ微動ステージ９と、被測定バネα上方
に対物レンズ２を臨ませた顕微鏡１を備えたことを特徴
とする。
いた微小バネの固有振動数より算出したり、微小バネの
形状からコンピュータシュミレーションにより推定した
りして間接的に微小バネの特性値を求めるのではなく、
直接的にかつ精確に微小バネの特性値を求める。 【構成】上皿１６上にピン１４を立てた上皿天秤４と、
ピン１４先頂端に上側から任意力点を当接する被測定バ
ネα及び被測定バネαの保持端α１の上下変位を測定す
る隙間センサ１１をそれぞれ取付けた上下微動変位自在
な精密Ｚステージ８と、精密Ｚステージ８を前後左右微
動変位自在なＸＹ微動ステージ９と、被測定バネα上方
に対物レンズ２を臨ませた顕微鏡１を備えたことを特徴
とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、精密機械，マイクロマ
シン等に使用される微小バネの強度や弾性定数等の特性
値を精密測定するのに供される微小バネ測定機に関す
る。
シン等に使用される微小バネの強度や弾性定数等の特性
値を精密測定するのに供される微小バネ測定機に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】この種、従来の微小バネの強度や弾性定
数等の特性値は、一般的にはその固有振動数を測定し、
当該測定値から算出する方法、或いは、微小バネの形状
から計算機シュミレーションにより推定する方法等から
求められていた。
数等の特性値は、一般的にはその固有振動数を測定し、
当該測定値から算出する方法、或いは、微小バネの形状
から計算機シュミレーションにより推定する方法等から
求められていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような従来の特性値を求める方法は、間接的であり、精
確な特性値を求めるには、実際の微小バネへの押圧力を
直接計測することが望ましい。亦、従来の微小バネの特
性値を求める方法に於いては、バネが非常に小さく、か
つ複雑な形状の時は、そのたわみをμｍオーダーで、
亦、負荷力をｍｇオーダーで同時に計測する手段はこれ
までになかった。こゝに於いて、本発明は、前記従来の
課題に鑑み、従来の様に間接的に微小バネの特性値を求
めるのではなく、直接的にかつ精確に微小バネの特性値
を求め得る微小バネ測定機を提供せんとするものであ
る。
ような従来の特性値を求める方法は、間接的であり、精
確な特性値を求めるには、実際の微小バネへの押圧力を
直接計測することが望ましい。亦、従来の微小バネの特
性値を求める方法に於いては、バネが非常に小さく、か
つ複雑な形状の時は、そのたわみをμｍオーダーで、
亦、負荷力をｍｇオーダーで同時に計測する手段はこれ
までになかった。こゝに於いて、本発明は、前記従来の
課題に鑑み、従来の様に間接的に微小バネの特性値を求
めるのではなく、直接的にかつ精確に微小バネの特性値
を求め得る微小バネ測定機を提供せんとするものであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次の新規な特徴的構成手段を採用することにより達
成される。即ち本発明の特徴は、上皿上にピンを立てた
上皿天秤と、当該ピン先頂端に上側から当接する被測定
バネおよび当該被測定バネの保持端の上下変位を測定す
る変位センサをそれぞれ取付けた上下微動変位自在な精
密Ｚステージと、当該Ｚステージを前後左右微動変位自
在なＸＹ微動ステージと、前記被測定バネ上方に対物レ
ンズを臨ませた顕微鏡を備えてなる微小バネ測定機であ
る。
明が次の新規な特徴的構成手段を採用することにより達
成される。即ち本発明の特徴は、上皿上にピンを立てた
上皿天秤と、当該ピン先頂端に上側から当接する被測定
バネおよび当該被測定バネの保持端の上下変位を測定す
る変位センサをそれぞれ取付けた上下微動変位自在な精
密Ｚステージと、当該Ｚステージを前後左右微動変位自
在なＸＹ微動ステージと、前記被測定バネ上方に対物レ
ンズを臨ませた顕微鏡を備えてなる微小バネ測定機であ
る。
【０００５】
【作用】本発明は前記のような手段を講じたので、計測
光学顕微鏡にて観察しつつ天秤の上皿上に直立したピン
先頂端に、Ｚステージに固定された微小バネの任意力点
を、前記Ｚステージを搭載する前後左右微動自在なＸＹ
微動ステージにて位置決め当接し、当該微小バネを前記
Ｚステージにて鉛直下方向に微動設定と同時に、前記Ｚ
ステージに取付けられた変位センサにて微小バネの保持
端の変位距離を測定しつつ、前記微小バネのピン先頂端
の任意力点にかかる前記微小バネの弾性復元力を前記電
子天秤にて計測する。
光学顕微鏡にて観察しつつ天秤の上皿上に直立したピン
先頂端に、Ｚステージに固定された微小バネの任意力点
を、前記Ｚステージを搭載する前後左右微動自在なＸＹ
微動ステージにて位置決め当接し、当該微小バネを前記
Ｚステージにて鉛直下方向に微動設定と同時に、前記Ｚ
ステージに取付けられた変位センサにて微小バネの保持
端の変位距離を測定しつつ、前記微小バネのピン先頂端
の任意力点にかかる前記微小バネの弾性復元力を前記電
子天秤にて計測する。
【０００６】
【実施例】本発明の実施例を図面につき詳説する。図１
は本実施例の微小バネ測定機の一部破断正面図、図２は
同・試験測定部一部破断拡大図、図３は測定原理説明
図、図４はピン拡大正面図、図５は同・ピン先端拡大正
面図である。
は本実施例の微小バネ測定機の一部破断正面図、図２は
同・試験測定部一部破断拡大図、図３は測定原理説明
図、図４はピン拡大正面図、図５は同・ピン先端拡大正
面図である。
【０００７】図中、Ｔは微小バネ測定機、１は計測光学
顕微鏡、２は対物レンズ、３は試験測定部、４は電子天
秤、５はハンドル５ａ，５ｂにより計測光学顕微鏡１を
前後左右に移動するステージ、６は振動吸収を行う空気
バネ式定盤、７はケースブロック、８は上下微動変位自
在な精密Ｚステージ、９は精密Ｚステージ８を前後左右
微動変位自在なＸＹ微動ステージ、１０は上下微動変位
自在なセンサ用小型Ｚステージ、１１は変位センサたる
隙間センサ、αは被測定物である微小バネ、１２は被測
定物固定板、１３は精密Ｚステージ８に一体固着された
Ｌ形被測定物ホルダー、１４はピン、１５はピンスタン
ド、１６は上皿、１７は被測定物ホルダー１３に貫設
し、ピン１４先頂端を挿入自在とするとともに跨渡した
微小バネαの保持両端α１を被測定物固定板１２で挾付
固定する微小バネ設定孔である。
顕微鏡、２は対物レンズ、３は試験測定部、４は電子天
秤、５はハンドル５ａ，５ｂにより計測光学顕微鏡１を
前後左右に移動するステージ、６は振動吸収を行う空気
バネ式定盤、７はケースブロック、８は上下微動変位自
在な精密Ｚステージ、９は精密Ｚステージ８を前後左右
微動変位自在なＸＹ微動ステージ、１０は上下微動変位
自在なセンサ用小型Ｚステージ、１１は変位センサたる
隙間センサ、αは被測定物である微小バネ、１２は被測
定物固定板、１３は精密Ｚステージ８に一体固着された
Ｌ形被測定物ホルダー、１４はピン、１５はピンスタン
ド、１６は上皿、１７は被測定物ホルダー１３に貫設
し、ピン１４先頂端を挿入自在とするとともに跨渡した
微小バネαの保持両端α１を被測定物固定板１２で挾付
固定する微小バネ設定孔である。
【０００８】本実施例に係る微小バネ測定機Ｔは、微小
バネαの下降変位に抗して任意指定力点に剛性の高いピ
ン１４先頂端を当圧し、その時の前記微小バネαの復元
力と変位距離を直接測定する手段を採っている。即ち、
前記微小バネα保持端を固定した被測定物ホルダー１３
を、図３（ａ）の状態より鉛直下方向に距離ｘ動かし
て、同図（ｂ）の状態にすると、前記微小バネα保持端
α１も鉛直下方向へ距離ｘ変位し、その時ピン１４に加
わる前記微小バネαの弾性復元力Ｆは、前記ピン１４を
直立する上皿１６より電子天秤４に加わるので、当該電
子天秤４にて前記復元力Ｆを測定する。
バネαの下降変位に抗して任意指定力点に剛性の高いピ
ン１４先頂端を当圧し、その時の前記微小バネαの復元
力と変位距離を直接測定する手段を採っている。即ち、
前記微小バネα保持端を固定した被測定物ホルダー１３
を、図３（ａ）の状態より鉛直下方向に距離ｘ動かし
て、同図（ｂ）の状態にすると、前記微小バネα保持端
α１も鉛直下方向へ距離ｘ変位し、その時ピン１４に加
わる前記微小バネαの弾性復元力Ｆは、前記ピン１４を
直立する上皿１６より電子天秤４に加わるので、当該電
子天秤４にて前記復元力Ｆを測定する。
【０００９】一方、前記被測定物ホルダー１３の押下げ
距離ｘは、当該被測定物ホルダー１３と前記上皿１６間
の押下げ前の距離Ｓ０より、押下げ後の距離Ｓ１を引い
たものに等しいので、この距離を隙間センサ１１で測定
する。図１，２に示す様、本実施例の微小バネ測定機Ｔ
の主な構成は、被測定物観察用の計測光学顕微鏡１、精
密上皿電子天秤４、精密隙間センサ１１、被測定物α押
下げ用精密Ｚステージ８及び被測定物駆動用ＸＹ微動ス
テージ９からなる。
距離ｘは、当該被測定物ホルダー１３と前記上皿１６間
の押下げ前の距離Ｓ０より、押下げ後の距離Ｓ１を引い
たものに等しいので、この距離を隙間センサ１１で測定
する。図１，２に示す様、本実施例の微小バネ測定機Ｔ
の主な構成は、被測定物観察用の計測光学顕微鏡１、精
密上皿電子天秤４、精密隙間センサ１１、被測定物α押
下げ用精密Ｚステージ８及び被測定物駆動用ＸＹ微動ス
テージ９からなる。
【００１０】前記計測光学顕微鏡１は、内部に前記電子
天秤４をかつ上面に精密Ｚステージ８とＸＹ微動ステー
ジ９からなる試験測定部３を装着した大型ケースブロッ
ク７が入り得る、懐の大きい、大型ステージ５搭載の計
測顕微鏡とする。亦、前記微小バネαの復元力Ｆ測定に
は現状で最高の精度が得られるデジタル式の上皿電子天
秤４を使用する。
天秤４をかつ上面に精密Ｚステージ８とＸＹ微動ステー
ジ９からなる試験測定部３を装着した大型ケースブロッ
ク７が入り得る、懐の大きい、大型ステージ５搭載の計
測顕微鏡とする。亦、前記微小バネαの復元力Ｆ測定に
は現状で最高の精度が得られるデジタル式の上皿電子天
秤４を使用する。
【００１１】前記精密Ｚステージ８は、μｍオーダーの
微小バネαの変位に十分対応し得る例えばピエゾ素子駆
動等を用いる。亦、前記変位センサ１１は非接触でサブ
ミクロン変位の測定が可能な静電型変位センサ若しくは
光学式変位センサを採用する。
微小バネαの変位に十分対応し得る例えばピエゾ素子駆
動等を用いる。亦、前記変位センサ１１は非接触でサブ
ミクロン変位の測定が可能な静電型変位センサ若しくは
光学式変位センサを採用する。
【００１２】構造的には、電子天秤４による測定への空
気擾乱の影響を出来るだけ避け、かつ振動に対する剛性
を高めるために、前記大型ケースブロック７に於いて
は、前記ピン１４上部が突出するとともに隙間センサ１
１が内外に亙り上下動作可能に天部に貫設する開口部分
β以外は、全てアルミケースブロック（但し、正面側に
は内部監視自在に透明明アクリル板を張設する）等で覆
う構造とする。
気擾乱の影響を出来るだけ避け、かつ振動に対する剛性
を高めるために、前記大型ケースブロック７に於いて
は、前記ピン１４上部が突出するとともに隙間センサ１
１が内外に亙り上下動作可能に天部に貫設する開口部分
β以外は、全てアルミケースブロック（但し、正面側に
は内部監視自在に透明明アクリル板を張設する）等で覆
う構造とする。
【００１３】前記計測光学顕微鏡１の観察用の対物レン
ズ２は、×１０〜×１００を用意し、高倍率用は被測定
物との作動距離を出来るだけ大きくするために長焦点型
を採用し、かつ前記当該光学顕微鏡１の視野には、クロ
スワイヤ等のマーカーにより、前記ピン１４先頂端と所
望の微小バネα測定点（力点）とが合せ易いよう工夫を
する。
ズ２は、×１０〜×１００を用意し、高倍率用は被測定
物との作動距離を出来るだけ大きくするために長焦点型
を採用し、かつ前記当該光学顕微鏡１の視野には、クロ
スワイヤ等のマーカーにより、前記ピン１４先頂端と所
望の微小バネα測定点（力点）とが合せ易いよう工夫を
する。
【００１４】本実施例の微小バネ測定機Ｔは、この様な
構造によって、変位動作及び当該変位動作距離測定は、
０．１μｍ以下の精度を有している。尚、前記ピン１４
先頂端には、剛性の高い例えばダイヤモンド，サファイ
ア等を用いる。図４，５に示す、当該ピン１４の形状，
寸法は一例を示すものであって、被測定物である微小バ
ネαの形状に応じて適宜変化させることは言うまでもな
い。
構造によって、変位動作及び当該変位動作距離測定は、
０．１μｍ以下の精度を有している。尚、前記ピン１４
先頂端には、剛性の高い例えばダイヤモンド，サファイ
ア等を用いる。図４，５に示す、当該ピン１４の形状，
寸法は一例を示すものであって、被測定物である微小バ
ネαの形状に応じて適宜変化させることは言うまでもな
い。
【００１５】本実施例の微小バネ測定機Ｔの仕様は、こ
の様な具体的実施態様を呈するので、次にその測定例を
説明する。前記図１に示した通り、微小バネαの力点に
かかる弾性復元力をＦ、当該微小バネαの被測定物ホル
ダー１３の固定部から前記力点までの距離をＬ、ヤング
率をＥとすると、復元力Ｆと力点での撓み量ｘとの関係
は、次式で表せる。
の様な具体的実施態様を呈するので、次にその測定例を
説明する。前記図１に示した通り、微小バネαの力点に
かかる弾性復元力をＦ、当該微小バネαの被測定物ホル
ダー１３の固定部から前記力点までの距離をＬ、ヤング
率をＥとすると、復元力Ｆと力点での撓み量ｘとの関係
は、次式で表せる。
【００１６】
【式１】 但し、Ｉは微小バネαの断面二次モーメントで、復元力
Ｆの加わる方向の厚さがｈ，断面矩形の時は、
Ｆの加わる方向の厚さがｈ，断面矩形の時は、
【式２】 となる。
【００１７】亦、前記（１）式のＦとｘの関係より、そ
の傾き
の傾き
【式３】 を梁のスティフネスと呼び、いわゆるバネ定数に相当す
る。この値を用いて、ヤング率Ｅは、次式で表される。
る。この値を用いて、ヤング率Ｅは、次式で表される。
【式４】
【００１８】図６は、幅ｂ＝１．０１ｍｍ，厚さｈ＝３
０μｍのステンレス片持ち梁に於いて、力点位置Ｌ＝
２．１２ｍｍ（サンプルＡ）である時の復元力Ｆ及び変
位距離ｘの測定結果を示すグラフ及び梁の取付状態簡略
正面図及び平面図、図７は同・力点位置Ｌ＝３．２０ｍ
ｍ（サンプルＢ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの
測定結果を示すグラフ及び取付状態簡略正面図及び平面
図である。尚、グラフ中の直線は最小二乗法による。
０μｍのステンレス片持ち梁に於いて、力点位置Ｌ＝
２．１２ｍｍ（サンプルＡ）である時の復元力Ｆ及び変
位距離ｘの測定結果を示すグラフ及び梁の取付状態簡略
正面図及び平面図、図７は同・力点位置Ｌ＝３．２０ｍ
ｍ（サンプルＢ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの
測定結果を示すグラフ及び取付状態簡略正面図及び平面
図である。尚、グラフ中の直線は最小二乗法による。
【００１９】この結果より、サンプルＡ，Ｂそれぞれの
スティフネスは、
スティフネスは、
【式５】 亦、これらの値よりそれぞれヤング率を求めると、
【式６】 となる。
【００２０】図８はベリリウム銅のダブル片持ち梁の復
元力Ｆ及び変位距離ｘの測定結果を示すグラフで及び取
付状態簡略正面図及び平面図である。この結果より、当
該ベリリウム銅のダブル片持ち梁のスティフネスは、
元力Ｆ及び変位距離ｘの測定結果を示すグラフで及び取
付状態簡略正面図及び平面図である。この結果より、当
該ベリリウム銅のダブル片持ち梁のスティフネスは、
【式７】 となる。
【００２１】以上、本発明を用いて微小バネαを測定
し、ｍｇオーダーでμｍオーダーの変位は勿論、サブｍ
ｇでサブμｍ変位オーダーのスティフネスを持つ微小バ
ネαが測定出来ることを示した。
し、ｍｇオーダーでμｍオーダーの変位は勿論、サブｍ
ｇでサブμｍ変位オーダーのスティフネスを持つ微小バ
ネαが測定出来ることを示した。
【００２２】
【発明の効果】かくして本発明によれば、従来直接測定
出来なかった精密メカニカル部品やマイクロマシン構成
する微小機械要素の一つである微小バネの“力−変位”
特性を精密に測定出来るようになり、ひいては、これら
のマイクロシステム設計の効率化、省力化や高機能化を
実現するという優れた効果を奏する。
出来なかった精密メカニカル部品やマイクロマシン構成
する微小機械要素の一つである微小バネの“力−変位”
特性を精密に測定出来るようになり、ひいては、これら
のマイクロシステム設計の効率化、省力化や高機能化を
実現するという優れた効果を奏する。
【図１】本案の実施例の微小バネ測定機の一部破断正面
図である。
図である。
【図２】同上、試験測定部一部破断拡大図である。
【図３】同上に於ける測定原理説明図である。
【図４】ピン拡大正面図である。
【図５】同上、ピン先頂端拡大正面図である。
【図６】幅ｂ＝１．０１ｍｍ，厚さｈ＝３０μｍのステ
ンレス片持ち梁に於いて、力点位置Ｌ＝２．１２ｍｍ
（サンプルＡ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの測
定結果を示すグラフ及び梁の取付状態簡略正面図及び平
面図である。
ンレス片持ち梁に於いて、力点位置Ｌ＝２．１２ｍｍ
（サンプルＡ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの測
定結果を示すグラフ及び梁の取付状態簡略正面図及び平
面図である。
【図７】同上、力点位置Ｌ＝３．２０ｍｍ（サンプル
Ｂ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの測定結果を示
すグラフ及び取付状態簡略正面図及び平面図である。
Ｂ）である時の復原力Ｆ及び変位距離ｘの測定結果を示
すグラフ及び取付状態簡略正面図及び平面図である。
【図８】ベリリウム銅のダブル片持ち梁の復原力Ｆ及び
変位距離ｘの測定結果を示すグラフで及び取付状態簡略
正面図及び平面図である。
変位距離ｘの測定結果を示すグラフで及び取付状態簡略
正面図及び平面図である。
Ａ…微小バネ測定機 １…計測光学顕微鏡 ２…対物レンズ ３…試験測定部 ４…電子天秤 ５…ステージ ５ａ，５ｂ…ハンドル ６…空気バネ式定盤 ７…ケースブロック ８…精密Ｚステージ ９…ＸＹ微動ステージ １０…センサヘッド用小型Ｚステージ １１…隙間センサ α…微小バネ α１…保持端 １２…被測定物固定板 １３…被測定物ホルダー １４…ピン １５…ピンスタンド １６…上皿 １７…微小バネ設定孔 β…開口部
Claims (1)
- 【請求項１】上皿上にピンを立てた上皿天秤と、当該ピ
ン先頂端に上側から任意力点を当接する被測定バネおよ
び当該被測定バネの保持端の上下変位を測定する変位セ
ンサをそれぞれ取付けた上下微動変位自在な精密Ｚステ
ージと、当該精密Ｚステージを前後左右微動変位自在な
ＸＹ微動ステージと、前記被測定バネ上方に対物レンズ
を臨ませた顕微鏡を備えたことを特徴とする微小バネ測
定機
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3328788A JPH05164666A (ja) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | 微小バネ測定機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3328788A JPH05164666A (ja) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | 微小バネ測定機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05164666A true JPH05164666A (ja) | 1993-06-29 |
Family
ID=18214124
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3328788A Pending JPH05164666A (ja) | 1991-12-12 | 1991-12-12 | 微小バネ測定機 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05164666A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014206390A (ja) * | 2013-04-10 | 2014-10-30 | 住友金属鉱山株式会社 | 長尺フィルムの巻き締りの評価方法および評価装置 |
-
1991
- 1991-12-12 JP JP3328788A patent/JPH05164666A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014206390A (ja) * | 2013-04-10 | 2014-10-30 | 住友金属鉱山株式会社 | 長尺フィルムの巻き締りの評価方法および評価装置 |
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