JPWO2020080544A1 - Measuring device, parts for measuring device and arithmetic processing device for measuring device - Google Patents
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Abstract
計測装置の感度をより向上させる。そのために、二つの振動体の振幅を用いて、測定対象の物理量に相当する値を検出する計測装置において、二つの振動体のうちの一つとしての実在するカンチレバー(1B)と、カンチレバー(1B)に予め設定した変位方向の力を付与するアクチュエータ(22)と、カンチレバー(1B)の変位計(23)を含む振動変位検出部と、カンチレバー(1B)と仮想的に連成可能に結合されるカンチレバー(1A)を二つの振動体のうちの他の一つとして模擬すると共に、カンチレバー(1A)と振動変位検出部で検出したカンチレバー(1B)の振動変位とに基づきアクチュエータ(22)を駆動制御する連成制御処理を実行する演算処理装置と、を備える。Further improve the sensitivity of the measuring device. Therefore, in a measuring device that detects a value corresponding to a physical quantity to be measured by using the amplitudes of two vibrating bodies, an existing cantilever (1B) and a cantilever (1B) as one of the two vibrating bodies are used. ), An actuator (22) that applies a force in the displacement direction set in advance, a vibration displacement detection unit including a displacement meter (23) of the cantilever (1B), and the cantilever (1B) are virtually coupled to each other. The cantilever (1A) is simulated as the other one of the two vibrating bodies, and the actuator (22) is driven based on the cantilever (1A) and the vibration displacement of the cantilever (1B) detected by the vibration displacement detection unit. It is provided with an arithmetic processing device that executes a coupled control process to be controlled.
Description
本発明は、質量や弾性等をカンチレバー等の振動体の振動挙動から測定するための計測装置、計測装置用の部品及び計測装置用の演算処理装置に関する。 The present invention relates to a measuring device for measuring mass, elasticity, etc. from the vibration behavior of a vibrating body such as a cantilever, a component for the measuring device, and an arithmetic processing device for the measuring device.
従来、質量や弾性を計測する技術として、同一支持部材に同一形状の二つのカンチレバーを連成振動が可能なように設け、二つのカンチレバーの固有振動モードの形状から、カンチレバーに付加された測定対象物の微小質量を測定する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。二本のカンチレバーを連成させることで、一本のカンチレバーを用いた場合と比べて、微小な質量や弾性の変化を高感度に検出できるとされている。ここでいう連成とは、二本のカンチレバーの一部を非常に弱いばねで連結し、片方の変位が、もう一方の変位に影響を与えるようにされていることをいう。 Conventionally, as a technique for measuring mass and elasticity, two cantilever of the same shape are provided on the same support member so as to enable coupled vibration, and the measurement target added to the cantilever is based on the shape of the natural vibration mode of the two cantilever. A technique for measuring a minute mass of an object is disclosed (see, for example, Patent Document 1). By coupling two cantilever, it is said that minute changes in mass and elasticity can be detected with higher sensitivity than when one cantilever is used. Coupling here means that a part of two cantilever is connected by a very weak spring so that the displacement of one influences the displacement of the other.
上記従来技術においては、二つのカンチレバーの連成効果が低い方が感度が向上し、また、二つのカンチレバーの物理特性を近づけるほど感度が向上することが知られている。しかしながら、これら二つの条件を十分に満たすカンチレバーを作製することは、機械設計上、また、製作上、限界がある。そのため、より高感度を実現することは困難であった。
また、連成可能な二本のカンチレバーを製作することは、一本のカンチレバーを製作することと比べれば技術的難易度が高く、製作歩留まりの悪化、煩雑性の悪化、コスト上昇等のデメリットが生じていた。In the above-mentioned prior art, it is known that the lower the coupling effect of the two cantilever is, the higher the sensitivity is, and the closer the physical characteristics of the two cantilever are, the higher the sensitivity is. However, there is a limit in mechanical design and manufacturing to manufacture a cantilever that sufficiently satisfies these two conditions. Therefore, it has been difficult to achieve higher sensitivity.
In addition, manufacturing two cantilever that can be coupled is technically more difficult than manufacturing one cantilever, and has disadvantages such as deterioration of production yield, deterioration of complexity, and cost increase. It was happening.
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、感度がより高い計測装置、計測装置用の部品及び計測装置用の演算処理装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional unsolved problems, and an object of the present invention is to provide a measuring device having higher sensitivity, a component for the measuring device, and an arithmetic processing device for the measuring device. There is.
上記の課題を解決するため、本発明では、連成する二本のカンチレバーの内、一方を取り去る。そして、取り去ったカンチレバーの代わりに、カンチレバーが二本連成していた時に他方のカンチレバーに与えられるはずの力をリアルタイムに理論的に計算して、他方のカンチレバーに取り付けられたアクチュエータに与える。これによって、あたかも二本のカンチレバーが連成して振動しているかのように、他方のカンチレバーのみを振動させる。こうすることで、製作すべきカンチレバーは一本だけですみ、また、カンチレバーの物理特性を理想的に近づけることも可能になり、さらには連成効果を理想的に小さくすることも可能になるため、上記の課題を解決することが可能になる。 In order to solve the above problems, in the present invention, one of the two coupled cantilever levers is removed. Then, instead of the removed cantilever, the force that should be applied to the other cantilever when two cantilever are coupled is theoretically calculated in real time and applied to the actuator attached to the other cantilever. As a result, only the other cantilever is vibrated as if the two cantilever were vibrating in combination. By doing this, only one cantilever should be manufactured, and the physical characteristics of the cantilever can be ideally brought close to each other, and the coupling effect can be ideally reduced. , It becomes possible to solve the above problems.
すなわち、本発明の一態様によれば、二つの振動体の振幅を用いて、測定対象の物理量に相当する値を検出する計測装置であって、二つの振動体のうちの一つとしての実在する実振動体と、実振動体に予め設定した変位方向の力を付与するアクチュエータと、実振動体の振動変位を検出する振動変位検出部と、実振動体と仮想的に連成可能に結合される仮想振動体を二つの振動体のうちの他の一つとして模擬すると共に、仮想振動体と振動変位検出部で検出した実振動体の振動変位とに基づきアクチュエータを駆動制御する連成制御処理を実行する演算処理装置と、を備える計測装置が提供される。 That is, according to one aspect of the present invention, it is a measuring device that detects a value corresponding to a physical quantity to be measured by using the amplitudes of the two vibrating bodies, and is actually present as one of the two vibrating bodies. The actual vibrating body, the actuator that applies a force in the displacement direction set in advance to the actual vibrating body, and the vibration displacement detection unit that detects the vibration displacement of the actual vibrating body are virtually coupled with the actual vibrating body. The virtual vibrating body is simulated as the other one of the two vibrating bodies, and the actuator is driven and controlled based on the virtual vibrating body and the vibration displacement of the actual vibrating body detected by the vibration displacement detection unit. A measuring device including an arithmetic processing device that executes processing is provided.
また、本発明の他の態様によれば、上記態様の計測装置用の部品であって、実在する実振動体と、実振動体に予め設定した変位方向の力を付与するアクチュエータと、実振動体の振動変位を検出する振動変位検出部と、を備える計測装置用の部品が提供される。
さらに、本発明の他の態様によれば、上記態様の計測装置用の演算処理装置であって、実振動体の振動変位を用いて、実振動体と仮想的に連成可能に結合される仮想振動体を模擬すると共にアクチュエータを駆動制御する信号を生成する計測装置用の演算処理装置が提供される。Further, according to another aspect of the present invention, there are a component for the measuring device of the above aspect, an actual actual vibrating body, an actuator that applies a force in a preset displacement direction to the actual vibrating body, and an actual vibration. A component for a measuring device including a vibration displacement detecting unit for detecting a vibration displacement of a body is provided.
Further, according to another aspect of the present invention, the arithmetic processing device for the measuring device of the above aspect is virtually coupled to the real vibrating body by using the vibration displacement of the real vibrating body. An arithmetic processing device for a measuring device that simulates a virtual vibrating body and generates a signal for driving and controlling an actuator is provided.
本発明の一態様によれば、感度がより高い計測装置を容易に実現することができる。 According to one aspect of the present invention, a measuring device having higher sensitivity can be easily realized.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本実施形態では、計測装置により測定対象物の質量を測定する場合について説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
It should be noted that the following detailed description describes many specific specific configurations to provide a complete understanding of embodiments of the present invention. However, it is clear that other embodiments can be implemented without being limited to such specific specific configurations. In addition, the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means of solving the invention.
In this embodiment, a case where the mass of the object to be measured is measured by the measuring device will be described.
<従来技術の質量測定方法>
初めに、同等なバネ剛性と質量とをもち、同一支持部材に連成振動が可能なように設けられた二つの振動体(例えば、カンチレバー等)を有する振動部を用いた、質量測定方法を説明する。<Conventional mass measurement method>
First, a mass measurement method using a vibrating part having two vibrating bodies (for example, a cantilever) having the same spring rigidity and mass and being provided on the same support member so as to be capable of coupled vibration. explain.
まず、二つの振動体のうち、一方の振動体の振動速度(変位速度)に比例したフィードバック値を正帰還して二つの振動体に対して等しい加振入力を与える。これにより、二つの振動体に自励振動を発生させる。ここで、自励振動を発生させるために、フィードバックゲインを、予め設定した値から徐々に上げていく(または下げていく。)。そうすると、まず低次の固有振動モードのみで自励振動が発生する。このときの二つの振動体の振幅比が、厳密に低次の固有振動モードに対応する。
一方、測定対象物を二つの振動体のうちの一方に付加して、自励振動が発生したときの振幅比を測定する。そして、例えば、測定対象物を付加していないときの振幅比に対する、測定対象物を付加したときの振幅比の変化から、測定対象物の質量を計測する。First, of the two vibrating bodies, a feedback value proportional to the vibrating speed (displacement speed) of one vibrating body is positively fed back to give equal excitation inputs to the two vibrating bodies. As a result, self-excited vibration is generated in the two vibrating bodies. Here, in order to generate self-excited vibration, the feedback gain is gradually increased (or decreased) from a preset value. Then, first, self-excited vibration is generated only in the low-order natural vibration mode. The amplitude ratio of the two vibrating bodies at this time strictly corresponds to the low-order natural vibration mode.
On the other hand, the object to be measured is added to one of the two vibrating bodies, and the amplitude ratio when self-excited vibration occurs is measured. Then, for example, the mass of the object to be measured is measured from the change in the amplitude ratio when the object to be measured is added to the amplitude ratio when the object to be measured is not added.
図1(a)は、このような質量測定方法を用いて測定対象物の質量を計測する際の、振動部1の構成例を示す図である。
図1(a)に示すように、振動部1は、カンチレバー1Aと、カンチレバー1Bと、支持部材1Cと、オーバーハング部1Dとを含んで構成される。
カンチレバー1A及び1Bは、共に同じ材料及び形状で構成されており、支持部材1Cに一端が固定され他端が自由端となる片持ち梁の状態で支持部材1Cに並設(連成)されている。つまり、カンチレバー1A及び1Bは、同等なバネ剛性と質量とを有している。FIG. 1A is a diagram showing a configuration example of the vibrating
As shown in FIG. 1A, the vibrating
Both the
さらに、カンチレバー1A及び1Bの固定端側の根元部分は、支持部材1Cに突設形成されたオーバーハング部1Dによって接続されている。このオーバーハング部1Dは、カンチレバー1A及び1B間で相互に振動を伝える振動伝達部の役割を果たしており、このオーバーハング部1Dによって、カンチレバー1A及び1Bが連成振動する構造となっている。
図1(a)では、カンチレバー1Bに測定対象物を取り付け、カンチレバー1A及び1Bに外部から速度フィードバックとして変位を与えることで、カンチレバー1A及び1Bに自励振動を発生させる。Further, the root portions of the
In FIG. 1A, an object to be measured is attached to the
<本実施形態における質量測定方法>
本実施形態に係る計測装置は、このような質量測定方法を用いて測定対象物の質量を計測する際に、図1(b)に示すように、カンチレバー1A及びオーバーハング部1D(支持部材1Cを含む。)をデジタルシグナルプロセッサ(DSP)等で構成される演算処理装置上で仮想モデルとして実現する。<Mass measurement method in this embodiment>
The measuring device according to the present embodiment measures the mass of the object to be measured by using such a mass measuring method, as shown in FIG. 1B, the
〔等価モデル〕
図2は、本実施形態に係る計測装置に含まれる振動部1の力学系の等価モデルの一例を示す図である。
図2に示すように、振動部1を、連成された二つのカンチレバー1A及び1Bを考慮にいれた、「バネ−質量(マス)−ダンパ」系の等価モデル(以下、連成モデルともいう。)として考える。
図2に示す連成モデルでは、カンチレバー1Aは、支持部材1Cに一端が支持されたバネ定数kの第1バネa1と、支持部材1Cに一端が支持された減衰定数cの第1ダンパa2と、第1バネa1及び第1ダンパa2の他端に支持された質量mの第1物体a3とを備えたモデルとなる。[Equivalent model]
FIG. 2 is a diagram showing an example of an equivalent model of the dynamical system of the vibrating
As shown in FIG. 2, the vibrating
In the coupled model shown in FIG. 2, the
同様に、カンチレバー1Bは、図2に示すように、支持部材1Cに一端が支持されたバネ定数kの第2バネb1と、支持部材1Cに一端が支持された減衰定数cの第2ダンパb2と、第2バネ及び第2ダンパの他端に支持された質量mの第2物体b3とを備え、さらに、質量mの第2物体b3には、質量Δmの測定対象物が付加されたモデルとなる。つまり、カンチレバー1Aと1Bとはそれぞれ、同一のバネ定数kを有する第1バネa1又は第2バネb1と、同一の減衰定数cを有する第1ダンパa2又は第2ダンパb2と、同一の質量を有する第1物体a3及び第2物体b3とをそれぞれ備えたモデルとなる。
Similarly, as shown in FIG. 2, the
さらに、図2に示す連成モデルでは、図2に示すように、第1物体a3と第2物体b3とは、バネ定数kcの第3バネc1によって接続されている。このバネ定数kcの第3バネc1が、図1のオーバーハング部1Dに相当し、二つのカンチレバー1A及び1Bの連成効果を表している。
そして、本実施形態に係る計測装置は、図2中、破線で囲む部分が、仮想モデルとして模擬される。Further, in the coupled model shown in FIG. 2, as shown in FIG. 2, the first object a3 and the second object b3 are connected by a third spring c1 having a spring constant kc. The third spring c1 having the spring constant kc corresponds to the
Then, in the measuring device according to the present embodiment, the portion surrounded by the broken line in FIG. 2 is simulated as a virtual model.
ここで、図2に示す等価モデルにおいて、さらに外部からカンチレバー(仮想振動体)1A及びカンチレバー(実振動体)1Bの支持点に加振力Fを与える。このとき、システム(図2の連成モデル)の運動方程式は次式(1)及び(2)のようになる。なお、式(1)は、カンチレバー1Aを含む仮想モデルの運動方程式を示し、式(2)は実在のカンチレバー1Bの運動方程式を示す。
m・(d2x1/dt2)+c・(dx1/dt)
+(k+kc)・x1−kc・x2=F
…(1)
(m+Δm)・(d2x2/dt2)+c・(dx2/dt)
−kc・x1+(k+kc)・x2=F
…(2)Here, in the equivalent model shown in FIG. 2, an exciting force F is further applied to the support points of the cantilever (virtual vibrating body) 1A and the cantilever (real vibrating body) 1B from the outside. At this time, the equations of motion of the system (coupling model of FIG. 2) are as shown in the following equations (1) and (2). The equation (1) shows the equation of motion of the virtual model including the
m · (d 2 x1 / dt 2 ) + c · (dx1 / dt)
+ (K + kc) ・ x1-kc ・ x2 = F
… (1)
(m + Δm) · (d 2 x2 / dt 2 ) + c · (dx2 / dt)
-Kc · x1 + (k + kc) · x2 = F
… (2)
なお、(1)及び(2)式中の、x1はカンチレバー1Aの変位、dx1/dtはカンチレバー1Aの変位の一階微分値、d2x1/dt2はカンチレバー1Aの変位の二階微分値、x2はカンチレバー1Bの変位、dx2/dtはカンチレバー1Bの一階微分値、d2x2/dt2はカンチレバー1Bの二階微分値である。Incidentally, (1) and (2) in the formula, x1 is the displacement of the
ここで、自励発振が発生するようにカンチレバー1A及び1Bに与える外部からの加振力Fを、カンチレバー1Bの変位x2を用いて次式(3)のように与える。なお、(3)式中のbは、自励発振を発生させるために設定されるフィードバックゲインである。フィードバックゲインbは、実際の測定環境下において、自励発振が発生したときのフィードバックゲインの値に設定される。このフィードバックゲインbは、測定環境が変化しなければ更新する必要はなく、異なる測定環境下で測定を行うときに更新すればよい。
F=b・dx2/dt …(3)Here, the external excitation force F applied to the
F = b · dx2 / dt… (3)
(1)式及び(2)式は、(3)式を用いて次式(4)及び(5)に書き換えることができる。
m・(d2x1/dt2)+c・(dx1/dt)
+(k+kc)・x1−kc・x2=b・(dx2/dt)
…(4)
(m+Δm)・(d2x2/dt2)+c・(dx2/dt)
−kc・x1+(k+kc)・x2=b・(dx2/dt)
…(5)Equations (1) and (2) can be rewritten into the following equations (4) and (5) using the equation (3).
m · (d 2 x1 / dt 2 ) + c · (dx1 / dt)
+ (K + kc) · x1-kc · x2 = b · (dx2 / dt)
… (4)
(m + Δm) · (d 2 x2 / dt 2 ) + c · (dx2 / dt)
-Kc · x1 + (k + kc) · x2 = b · (dx2 / dt)
… (5)
(4)式及び(5)式は、次式(6)及び(7)に置き換えることができる。
m・(d2x1/dt2)+c・(dx1/dt)
+(k+kc)・x1−kc・x2−b・(dx2/dt)=0
…(6)
(m+Δm)・(d2x2/dt2)+c・(dx2/dt)
+k・x2=kc・(x1−x2)+b・(dx2/dt)
…(7)Equations (4) and (5) can be replaced with the following equations (6) and (7).
m · (d 2 x1 / dt 2 ) + c · (dx1 / dt)
+ (K + kc), x1-kc, x2-b, (dx2 / dt) = 0
… (6)
(m + Δm) · (d 2 x2 / dt 2 ) + c · (dx2 / dt)
+ K · x2 = kc · (x1-x2) + b · (dx2 / dt)
… (7)
本実施形態では、(6)式の運動方程式を、演算処理装置において四次のRunge−Kutta法を用いて仮想的に模擬する。また、(7)式中の右辺を、加振力Fとして実在のカンチレバー1Bに加える。
ここで、(6)式を、演算処理装置で仮想的に模擬するためには、状態変数Xを次式(8)として、式(6)を状態方程式に変換したのち、四次のRunge−Kutta法を用いてそれを解き、時刻tでの状態量(式(9))から単位ステップ時間後すなわち時刻t+hで状態量(式(10))を導出する。この時の仮想的なカンチレバー1Aの変位がx1(t+h)、速度がdx1(t+h)として求まる。In the present embodiment, the equation of motion of Eq. (6) is virtually simulated by using a quartic Runge-Kutta method in an arithmetic processing unit. Further, the right side in the equation (7) is applied to the
Here, in order to virtually simulate the equation (6) with the arithmetic processing device, the state variable X is set to the following equation (8), the equation (6) is converted into the equation of state, and then the fourth-order Runge- It is solved using the Kutta method, and the state quantity (equation (10)) is derived from the state quantity (equation (9)) at time t after the unit step time, that is, at time t + h. The displacement of the
なお、(9)式中のx1(t)及びdx1(t)/dtは、数値演算結果を利用する。また、x2(t)及びdx2(t)/dtは、実在のカンチレバー1Bの変位計測結果を利用する。
次に、(7)式の運動方程式、つまり、実在のカンチレバー1Bの運動方程式において、右辺の項を、加振力Fで表す。
つまり、運動方程式(7)は、加振力をFとすると、次式(11)で表される。
(m+Δm)・(d2x2/dt2)+c・(dx2/dt)
+k・x2=F
…(11)Note that x1 (t) and dx1 (t) / dt in the equation (9) use the numerical calculation results. Further, x2 (t) and dx2 (t) / dt utilize the displacement measurement result of the
Next, in the equation of motion of Eq. (7), that is, the equation of motion of the
That is, the equation of motion (7) is expressed by the following equation (11), where F is the exciting force.
(m + Δm) · (d 2 x2 / dt 2 ) + c · (dx2 / dt)
+ K · x2 = F
… (11)
そのため、(7)式を再現するために必要な加振力Fは、次式(12)で表される。
F=kc・(x1−x2)+b・(dx2/dt)
…(12)
つまり、(7)式を実現するために必要な加振力Fは、自励発振させるための速度フィードバック成分(線形速度フィードバック成分)と、連成効果を模擬するための変位フィードバック(線形変位フィードバック成分)との和となる。
以上から、連成カンチレバーの模擬に必要な演算とフィードバックすべき情報とがわかる。Therefore, the exciting force F required to reproduce the equation (7) is expressed by the following equation (12).
F = kc · (x1-x2) + b · (dx2 / dt)
… (12)
That is, the exciting force F required to realize the equation (7) is a velocity feedback component (linear velocity feedback component) for self-excited oscillation and a displacement feedback (linear displacement feedback) for simulating the coupled effect. It becomes the sum with the component).
From the above, it is possible to understand the calculation required for simulating the coupled cantilever and the information to be fed back.
〔等価モデルの検証例〕
次に、図2に示す仮想的な連成モデルの模擬方法が正しいかどうかを検証するために、マクロカンチレバーを用いて計測を行った。この計測は、図2に示す仮想的な連成モデルを模擬する図3〜図5に示す計測装置100で行った。計測装置100では、実在のカンチレバー1Bの固定端がピエゾアクチュエータと接合されたマクロカンチレバーの先端から10mmの位置に、測定対象物としての付加質量を取り付け、計測を行った。[Example of verification of equivalent model]
Next, in order to verify whether the simulation method of the virtual coupled model shown in FIG. 2 is correct, measurement was performed using a macro cantilever. This measurement was performed by the measuring
〔計測装置の構成〕
図3は、計測装置100の一例を示す概略構成図である。
計測装置100は、実在のカンチレバー1B、カンチレバー1Bの振幅を検出する変位計23及びカンチレバー1Bを振動させるアクチュエータを含む実振動体部11と、変位計23からの検出信号を用いて、仮想的なカンチレバー1Aの運動を模擬すると共にアクチュエータを制御するための連成制御処理を行う、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)等で構成される演算処理装置12と、演算処理装置12からの指令信号にしたがってアクチュエータ22を駆動する駆動回路13と、表示装置14とを含む。[Measuring device configuration]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an example of the measuring
The measuring
実振動体部11は、図4の上面図及び図5の正面図に示すように、実在のカンチレバー1Bと、カンチレバー1Bの一端を支持する支持部材21と、支持部材21を振動させるアクチュエータ22と、カンチレバー1Bの先端の変位を検出するレーザ変位センサ等を含む変位計(振動変位検出部)23と、を備える。なお、図4及び図5に記載の部分が計測装置用の部品に対応する。
支持部材21は、図5に示すように、細長い板状のカンチレバー1Bの一端を、カンチレバー1Bの幅方向が上下方向に垂直となるように支持する。
また、支持部材21は、カンチレバー1Bを保持する保持部21aと、保持部21aを、カンチレバー1Bの長手方向と直交する方向に摺動自在に支持する案内部21bを備える。保持部21aと案内部21bとは、直線ベアリング等を介して摺動自在に支持される。As shown in the top view of FIG. 4 and the front view of FIG. 5, the actual vibrating
As shown in FIG. 5, the
Further, the
アクチュエータ22は、例えば、1軸ピエゾアクチュエータ等を含んで構成され、伸縮する軸部22aと、軸部22aの一端を支持する支持部22bと、を備え、軸部22aの他端に保持部21aが固定される。軸部22aの伸縮方向と案内部21bにおける保持部21aの案内方向とは一致して配置され、アクチュエータ22が、駆動回路13からの駆動信号に応じて軸部22aを伸縮させることにより、保持部21aが案内部21bを案内として移動し、保持部21aによって保持されるカンチレバー1Bが移動する。その結果、アクチュエータ22が軸部22aの伸縮を交互に繰り返すように移動させることによって、保持部21aが振動し、その結果、カンチレバー1Bが振動するようになっている。
The
変位計23は、カンチレバー1Bの先端との間の距離を計測可能な位置に配置され、カンチレバー1Bの先端までの距離を計測する。変位計23で検出されたカンチレバー1Bの先端までの距離の変位を演算することによって、カンチレバー1Bの振幅を検出することができる。
The
〔計測装置のダイナミクスを示すブロック線図〕
図6は、計測装置100全体のダイナミクスの一例を示すブロック線図である。
ここで、DSP等で構成される演算処理装置12での計算上、有次元で説明されていた式(1)〜式(12)は無次元量に換算する必要がある。式(6)及び式(7)を無次元化すると、次式(13)及び(14)で表すことができる。
(d2x1*/dt*2)+γ・(dx1*/dt*)
+(1+kc*)・x1*−kc*・x2*
−β・(dx2*/dt*)=0
…(13)[Block diagram showing the dynamics of the measuring device]
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the dynamics of the
Here, it is necessary to convert the equations (1) to (12) described in the dimensional form into a dimensionless quantity in the calculation by the
(d 2 x1 * / dt * 2 ) + γ ・ (dx1 * / dt * )
+ (1 + kc * ) ・ x1 * -kc *・ x2 *
−β ・ (dx2 * / dt * ) = 0
… (13)
(1+δ)・(d2x2*/dt*2)
+γ・(dx2*/dt*)+x2*
=kc*・(x1*−x2*)+β・(dx2*/dt*)
…(14)
なお、式(14)中の、記号「*」は無次元量であることを表し、x1*、x2*は、それぞれx1、x2に対応する。また、t*=(k/m)1/2・t、γ=c/(m・k)1/2、kc*=kc/k、β=b/(m・k)1/2、δ=Δm/mである。(1 + δ) ・ (d 2 x2 * / dt * 2 )
+ Γ ・ (dx2 * / dt * ) + x2 *
= Kc *・ (x1 * −x2 * ) + β ・ (dx2 * / dt * )
… (14)
The symbol "*" in the equation (14) indicates a dimensionless quantity, and x1 * and x2 * correspond to x1 and x2, respectively. In addition, t * = (k / m) 1/2 · t, γ = c / (m · k) 1/2 , kc * = kc / k, β = b / (m · k) 1/2 , δ = Δm / m.
図6は、式(13)及び(14)をブロック線図で表したものである。
図6に示すように、カンチレバー1Bの変位x2は変位計23で検出され演算器31で変位計23のゲインG1が乗算された後、AD変換器(ADC)32でデジタル信号に変換され、演算処理装置12で処理される。すなわち、AD変換器32の出力は、演算器33でゲインG2が乗算された後、LPF(ローパスフィルタ)部34、微分器(振動速度検出部)35を経て、変位x2の一階微分値dx2*/dt*に変換されて乗算器36に入力され、乗算器36からβ・(dx2*/dt*)が出力される。変位x2*の一階微分値dx2*/dt*に速度フィードバックゲインβを乗算することで自励発振させるためのフィードバック成分を作り出す。このフィードバック成分は加算器37に入力される。FIG. 6 is a block diagram of equations (13) and (14).
As shown in FIG. 6, the displacement x2 of the
演算器33の出力x2*はさらに演算器38に入力されると共に、演算器39に直接又は微分器40を介して入力される。
演算器39は、演算器33の出力x2*及び微分器40の出力dx2*/dt*をもとに、Runge−Kutta法を用いて仮想のカンチレバー1Aの変位x1*を求める。変位x1*は、演算器39に入力され、演算器39から変位x1*と変位x2*との差分が出力される。この差分に、仮想のカンチレバー1Aと実在のカンチレバー1Bとを連成させるための変位フィードバックゲインkc*を、乗算器41で乗算することで、連成剛性を模擬するためのフィードバック成分を作り出す。このフィードバック成分は、加算器37に入力される。速度フィードバック成分としての乗算器36の出力β・(dx2*/dt*)と変位フィードバック成分としての乗算器41の出力kc・(x1*−x2*)は、加算器37で加算され、加振入力変位Δxとして出力される。加振入力変位Δxは、演算器42に入力されゲインG3が乗算された後、DA変換器(DAC)43を介してアクチュエータ22に出力される。つまり、DA変換器43の出力は、乗算器(フィードバック制御部)44でアクチュエータ22(ピエゾアクチュエータ)の圧電定数d33が乗算されて、カンチレバー1Bに加振入力変位Δxとして入力される。これにより、仮想的な振動体の連成効果を模擬したフィードバックループが構成される。
なお、ゲインG2、G3は、例えば、無次元量から有次元量に換算するための代表長さ及び代表時間に基づき設定される。The output x2 * of the
The arithmetic unit 39 obtains the displacement x1 * of the
The gains G2 and G3 are set based on, for example, a representative length and a representative time for converting a dimensionless quantity into a dimensional quantity.
〔検証実験に用いたカンチレバー1Bの特性〕
次に、計測装置100で用いた実在のカンチレバー1Bの特性を説明する。
カンチレバー1Bの材質は、C5191P(リン青銅板)である。カンチレバー1Bの形状は固定端からの長さが210[mm]、幅が15[mm]、厚さが0.3[mm]である。また、カンチレバー1Bの固有周波数f1は3.964Hz、無次元減衰係数γは1.770×10−3である。[Characteristics of
Next, the characteristics of the
The material of the
〔検証結果〕
以上の構成を有する計測装置100において、変位フィードバックゲインkc*を任意の値に設定することによって、仮想のカンチレバー1Aと実在のカンチレバー1Bとの連成剛性を、所望の値に設定することができているかの確認を行った。具体的には、仮想の連成剛性を模擬するための変位フィードバックゲインkc*を変化させたときの、実在のカンチレバー1Bの二次モード固有周波数f2の変化状況を利用して確認を行った。
図7(a)は、変位フィードバックゲインkc*として設定した値と、そのときの実在のカンチレバー1Bの二次モード固有周波数f2の測定値とを示す。なお、カンチレバー1Bの二次モード固有周波数f2は、例えば変位計23の検出値から検出されるカンチレバー1Bの自由振動の周波数分析から得ることができる。〔inspection result〕
In the
FIG. 7A shows a value set as the displacement feedback gain kc * and a measured value of the secondary mode natural frequency f2 of the
また、図7(b)に変位フィードバックゲインkc*として設定した設定値と、二次モード固有周波数f2から演算した連成剛性の実験値kce*との対応を示す。図7(b)において、横軸が変位フィードバックゲインkc*として設定した設定値、縦軸が連成剛性の実験値kce*である。連成剛性の実験値kce*は、次式(15)から算出した。なお、(15)式は、速度フィードバックゲインをβ=0として、(13)式及び(14)式から導いたものであり、速度フィードバックゲインをβ=0としたときの、連成剛性の実験値kce*は理論的には、(15)式で表すことができる。なお、(13)式及び(14)式中のδ及びγは、実在のカンチレバー1Bの特性を表す係数であって、ここでは、δ及びγは共に零としている。
kce*=(1/2)×{(f2/f1)2−1}
…(15)Further, FIG. 7B shows the correspondence between the set value set as the displacement feedback gain kc * and the experimental value kce * of the coupled stiffness calculated from the secondary mode natural frequency f2. In FIG. 7B, the horizontal axis is the set value set as the displacement feedback gain kc * , and the vertical axis is the experimental value kce * of the coupled rigidity. The experimental value kce * of the coupled rigidity was calculated from the following equation (15). Equation (15) is derived from equations (13) and (14) with the velocity feedback gain set to β = 0, and an experiment of coupled rigidity when the velocity feedback gain is set to β = 0. The value kce * can theoretically be expressed by Eq. (15). Note that δ and γ in the equations (13) and (14) are coefficients representing the characteristics of the
kce * = (1/2) × { (f2 / f1) 2 -1}
… (15)
図7(b)に示すように、変位フィードバックゲインkc*と、連成剛性の実験値kce*、つまり、変位フィードバックゲインkc*を与えた時の自由振動実験から得たカンチレバー1Bの固有周波数f1及びカンチレバー1Bの二次モード固有周波数f2を使い式(15)から求めた連成剛性の実験値kce*との関係は、傾き「1」の直線上にほぼ位置することが確認できた。つまり、変位フィードバックゲインkc*を調整することによって、所望の連成剛性の実験値kce*でカンチレバー1Bと接続された仮想のカンチレバー1Aを模擬できることが確認された。As shown in FIG. 7B, the intrinsic frequency f1 of the
図8は、計測装置100において、変位フィードバックゲインkc*がkc*=0.01であるとき(図8(a))及びkc*=0.005であるとき(図8(b))の、カンチレバー1Aと1Bとの振幅比及び質量比との関係を示したものである。
図8(a)及び(b)において、横軸は質量比、縦軸は振幅比(x1/x2)である。
図8(a)及び(b)から、振幅比は質量比の増加に伴い単調に減少していることがわかる。つまり、振幅比から質量計測を行うことができることが確認された。
また、図8(a)及び(b)から、変位フィードバックゲインkc*が小さい方が、質量比の変化に対する振幅比の変化量が大きいことがわかる。つまり、変位フィードバックゲインkc*を変化させることで、測定対象物の質量の計測感度を調整することができ、変位フィードバックゲインkc*が小さいほど、計測感度がより向上することが確認できた。FIG. 8 shows, in the
In FIGS. 8A and 8B, the horizontal axis is the mass ratio and the vertical axis is the amplitude ratio (x1 / x2).
From FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the amplitude ratio decreases monotonically as the mass ratio increases. That is, it was confirmed that the mass can be measured from the amplitude ratio.
Further, from FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the smaller the displacement feedback gain kc *, the larger the amount of change in the amplitude ratio with respect to the change in the mass ratio. In other words, by changing the displacement feedback gain kc *, it is possible to adjust the mass of the measuring sensitivity of the measuring object, the more the displacement feedback gain kc * is small, it was confirmed that the measurement sensitivity is further improved.
以上から、計測装置100の演算処理装置12により、図2に示す等価モデルを模擬することによって、連成結合された仮想のカンチレバー1Aと実在のカンチレバー1Bとを用いた、カンチレバー1Bに付加した測定対象物の質量計測を行うことができることがわかる。
また、計測装置100では、実在のカンチレバー1Bと仮想のカンチレバー1Aとの変位の差分に比例した変位フィードバックをカンチレバー1Bに与えるようにしたため、連成剛性を模擬することができる。また、変位フィードバックゲインkc*を調整することで、任意の連成剛性を模擬することができる。From the above, by simulating the equivalent model shown in FIG. 2 by the
Further, in the
そして、Runge−Kutta法を用いることで、連成結合されたカンチレバー1A及び1Bをリアルタイムで模擬することができる。そのため、測定対象物が取り付けられたカンチレバー1Bの振幅と、仮想のカンチレバー1Aの振幅との比から測定対象物の質量を測定することができる。
さらに連成剛性を任意に変化させることによって、測定対象物の質量の計測感度を調整することができる。また、連成剛性は任意に変化させることができ、すなわち、機械工作を行って実在の二つのカンチレバーを接続して連成接続する場合に比較して、連成剛性をより小さくすることができる。すなわち、より精度の高い計測装置100を実現することができる。Then, by using the Runge-Kutta method, the coupled
Further, the measurement sensitivity of the mass of the object to be measured can be adjusted by arbitrarily changing the coupled rigidity. Further, the coupled rigidity can be changed arbitrarily, that is, the coupled rigidity can be made smaller than the case where two existing cantilever are connected and connected by machining. .. That is, it is possible to realize a measuring
また、上述のように、カンチレバー1A及びオーバーハング部1Dを、演算処理装置12で仮想的に模擬しているため、既存の一つのカンチレバーを用いて、測定対象物の質量測定を行う計測装置において、図3に示す演算処理装置12、駆動回路13及び表示装置14を含む模擬装置100aを搭載するだけで、実現することができる。そのため、既存の計測装置において模擬装置100aを追加することによって、計測装置の精度を容易に向上させることができる。
Further, as described above, since the
<変形例>
〔1〕上記実施形態において、計測装置100を、自励発振の振幅をより小さく抑えることができるように構成してもよい。
すなわち、加振力をFとして、次式(16)で表される値を用いる。
F=kc・(x1−x2)+b・(dx2/dt)
+f(x,(dx/dt)) …(16)<Modification example>
[1] In the above embodiment, the measuring
That is, the exciting force is F, and the value represented by the following equation (16) is used.
F = kc · (x1-x2) + b · (dx2 / dt)
+ F (x, (dx / dt))… (16)
なお、(16)式中のf(x,(dx/dt))は、非線形速度フィードバック成分であり、その位相が、dx2/dtと反相または同相である必要がある。例えば、f(x,(dx/dt))を次式(17)に示すように設定し、(17)式中のbnを調整すれば、仮想のカンチレバー1A及び実在のカンチレバー1Bの振幅を小さく抑えることができる。その結果、カンチレバー1A、1Bの振動が発散することを抑制することができると共に、発散を抑制することができるため、線形モードを精度よく測定することができる。
In addition, f (x, (dx / dt)) in the equation (16) is a nonlinear velocity feedback component, and its phase needs to be anti-phase or in-phase with dx2 / dt. For example, if f (x, (dx / dt)) is set as shown in the following equation (17) and bn in the equation (17) is adjusted, the amplitudes of the
この場合、(1)式及び(2)式に示す運動方程式は、次式(18)及び(19)で表すことができる。
f(x,(dx/dt))=bn・(dx2/dt)3
…(17)
m・(d2x1/dt2)+c・(dx1/dt)
+(k+kc)・x1−kc・x2
=b・(dx2/dt)+bn・(dx2/dt)3
…(18)
(m+Δm)・(d2x2/dt2)+c・(dx2/dt)
−kc・x1+(k+kc)・x2
=b・(dx2/dt)+bn・(dx2/dt)3
…(19)In this case, the equations of motion shown in Eqs. (1) and (2) can be expressed by the following equations (18) and (19).
f (x, (dx / dt)) = bn · (dx2 / dt) 3
… (17)
m · (d 2 x1 / dt 2 ) + c · (dx1 / dt)
+ (K + kc) ・ x1-kc ・ x2
= B · (dx2 / dt) + bn · (dx2 / dt) 3
… (18)
(m + Δm) · (d 2 x2 / dt 2 ) + c · (dx2 / dt)
-Kc · x1 + (k + kc) · x2
= B · (dx2 / dt) + bn · (dx2 / dt) 3
… (19)
〔2〕上記実施形態では、仮想のカンチレバー1Aとして、実在のカンチレバー1Bと同一形状及び同一特性を有するカンチレバーを想定した場合について説明したが、これに限るものではない。仮想のカンチレバー1Aと実在のカンチレバー1Bとで固有周波数が同一であればよく、固有周波数が同一であれば、同一形状でなくともよい。カンチレバー1Aと1Bの固有周波数が一致する精度が高いほど、計測装置100における測定精度が高くなる。ここでいう同一とは、厳密に一致する場合のみならず、実質的に同一とみなせる程度の差(例えば、1%〜2%のずれ)がある場合も含む。測定可能な範囲で実際に測定することができたカンチレバー1Bの固有周波数を用いて、カンチレバー1Aと1Bの固有周波数とが同一となるように調整した場合に、両者の固有周波数の差が最小となる場合を含む。
[2] In the above embodiment, a case where a cantilever having the same shape and characteristics as the
〔3〕上記実施形態において、さらに、演算処理装置12で初期処理を実行するようにしてもよい。例えば、アクチュエータ22を駆動して実在のカンチレバー1Bのみを駆動し、自励発振するときの周波数を取得する。具体的には、カンチレバー1Bの振動状況を観察しつつ、フィードバックゲインを変化させ、振動し始めた時点の周波数、つまり共振周波数を取得する。これを固有周波数とし、この取得した固有周波数に基づく情報を、仮想のカンチレバー1Aの模擬に必要な情報として設定する。以後、設定した情報を用いて、カンチレバー1Aの模擬を行う。この初期処理は、例えば、一連の測定対象物に対する計測開始時、或いは、定期的等、予め設定したタイミングで行えばよい。なお、固有周波数とは、理論的な値であり、実際に共振した周波数が共振周波数である。粘性の影響が強く生じない限り、固有周波数とほぼ等しい共振周波数となる。
なお、初期処理として、フィードバックゲインbの設定を行う処理も含めて行うようにしてもよい。[3] In the above embodiment, the
The initial process may include a process for setting the feedback gain b.
〔4〕上記実施形態では、演算処理装置12において上記演算処理を行うようにした場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、上記演算処理を行うアナログ回路を構成し、このアナログ回路によって演算処理を行うようにしてもよい。つまり、カンチレバー1Bの長さが短くなると、カンチレバー1Bの振動周波数が高くなり、より高速演算が要求されるため、演算処理装置12として、より高性能なデジタルシグナルプロセッサ等を用いる必要があり、これはコストの増加につながる。この場合には、図3に示す演算処理装置12を、アナログ回路で構成することにより、高性能なデジタルシグナルプロセッサ等を用いることなく実現することができ、すなわちコストの増加を抑制することができる。
[4] In the above embodiment, the case where the
演算処理装置12の機能をアナログ回路で実現する場合、(1)式と同等の電気信号を出力するアナログ共振回路を組むことが好ましい。例えば、LCR回路でバネマスモデルを組むことで、あたかも、仮想のカンチレバー1Aの固定端に実在のカンチレバー1Bの変位信号が入力されたかのようにモデルを組むことができ、実在のカンチレバー1Bと連成結合された仮想のカンチレバー1Aをより高精度に実現することができる。
When the function of the
〔5〕上記実施形態においては、アクチュエータ22として一軸のピエゾアクチュエータを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、磁石等、カンチレバー1Bの固定端を、往復動させることができるアクチュエータであれば適用することができる。
また、上記実施形態において、カンチレバー1Bの先端側を振動させるようにしてもよい。例えば、磁石或いはピエゾアクチュエータ等、カンチレバー1Bの先端を振動させることができるアクチュエータであれば適用することができる。[5] In the above embodiment, the case where a uniaxial piezo actuator is used as the
For example, any actuator that can reciprocate the fixed end of the
Further, in the above embodiment, the tip end side of the
〔6〕上記実施形態においては、測定対象物の質量を計測するカンチレバー1Bに適用した場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、AFM(原子間力顕微鏡)等で用いられるプローブに適用し、実在のプローブと仮想のプローブとを連成結合した仮想モデルを模擬してもよい。
また、測定対象の物理量としては、質量に限るものではなく、表面形状、弾性率、粘弾性率、力の場のいずれかであってもよい。ここでいう、力の場とは、空間の電場、空間の磁場、万有引力の空間分布等を含む。[6] In the above embodiment, the case where the
For example, it may be applied to a probe used in an AFM (atomic force microscope) or the like to simulate a virtual model in which a real probe and a virtual probe are coupled.
The physical quantity to be measured is not limited to mass, but may be any of surface shape, elastic modulus, viscoelasticity, and force field. The force field here includes an electric field in space, a magnetic field in space, a spatial distribution of universal gravitation, and the like.
例えば、測定対象の電場を測定する場合、実在の二つのカンチレバーを用いて測定する方法にあっては、二つのカンチレバーが共に電場の影響を受ける可能性がある。
本実施形態における計測装置100では、一方のカンチレバー1Aは仮想のカンチレバーであるため、二つのカンチレバーを、一方のカンチレバーが電場の影響を受けない位置まで離して配置した場合と同等の状況を、仮想的に実現することができる。そのため、二つのカンチレバーが共に電場の影響を受けることを回避することができ、その分、計測精度を向上させることができる。
また、万有引力の空間分布を測定することにより、例えば、移動体の質量を検出することができる。つまり、地上では質量体の移動に伴い、万有引力の変化が生じるため、この万有引力の変化を検出することで、移動体の質量を検出することができる。For example, when measuring the electric field to be measured, in the method of measuring using two existing cantilever, both cantilever may be affected by the electric field.
In the
Further, by measuring the spatial distribution of universal gravitational force, for example, the mass of a moving body can be detected. That is, since the universal gravitational force changes with the movement of the mass on the ground, the mass of the moving body can be detected by detecting the change in the universal gravitational force.
〔7〕上記実施形態においては、変位計23として、レーザ変位計を用いた場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、静電容量変位センサ、エンコーダ、光学式変位計(例えば光てこ法を用いた変位センサ等)、ひずみゲージ等を用いることができる。また、渦電流を計測し、その変位量からカンチレバー1Bの変位を検出するようにしてもよく、要は、カンチレバー1Bの変位を検出することができればどのような手法で計測してもよい。
[7] In the above embodiment, the case where the laser displacement meter is used as the
〔8〕上記実施形態においては、振動体としてカンチレバーを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。振動体としてコイルバネを適用することも可能である。 [8] In the above embodiment, the case where the cantilever is used as the vibrating body has been described, but the present invention is not limited to this. It is also possible to apply a coil spring as a vibrating body.
〔9〕上記実施形態において、カンチレバー1Aと、オーバーハング部1Dとを演算処理装置12によって、仮想的に模擬する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、カンチレバー1Aとカンチレバー1Bとを実際に設け、これら実在のカンチレバー1Aとカンチレバー1Bとを、演算処理装置12によって仮想的に連成結合させるように構成してもよい。この場合には、例えば、カンチレバー1Aの振幅と、カンチレバー1Bの振幅とを検出し、これらをもとに、カンチレバー1Aとカンチレバー1Bとを仮想的に連成結合する等価モデルを利用して、カンチレバー1A及び1Bを駆動するアクチュエータを制御すればよい。
[9] In the above embodiment, the case where the
〔10〕上記実施形態において、さらに、カンチレバー1Aとカンチレバー1Bの間に、感度向上用のカンチレバーを複数設けてもよい。
[10] In the above embodiment, a plurality of cantilever levers for improving sensitivity may be further provided between the
図9は、仮想のカンチレバー1Aに相当する仮想のカンチレバーCL1と、実在のカンチレバー1Bに相当する実在のカンチレバーCLn(nはn≧3の整数)と、カンチレバーCL1とCLnとの間に存在する、感度向上用の1又は複数のカンチレバーCLi(iは2≦i≦n−1)とを有する振動部1を用いた、原子間力の測定方法を説明するための説明図である。実在のカンチレバーCLnに、測定対象の原子間力を作用させ、この原子間力を測定する。
図9において、仮想のカンチレバーCL1と実在のカンチレバーCLnとは、同一の固有周波数を有する。固有周波数を一致させる方法としては、仮想のカンチレバーCL1と感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1と実在のカンチレバーCLnとを同一の材料及び形状で構成し、同等のバネ剛性と質量とを有するように形成する方法や、バネ剛性と質量との比を一致させる方法等がある。FIG. 9 shows between the virtual cantilever CL1 corresponding to the
In FIG. 9, the virtual cantilever CL1 and the real cantilever CLn have the same natural frequency. As a method of matching the natural frequencies, the virtual cantilever CL1, the sensitivity improving cantilever CL2 to CLn-1, and the existing cantilever CLn are made of the same material and shape, and have the same spring rigidity and mass. There is a method of forming the cantilever, a method of matching the ratio of the spring rigidity and the mass, and the like.
感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1は、カンチレバーCL1及びカンチレバーCLnと同等に形成される。すなわち、支持部材1Cに一端が固定され他端が自由端となる片持ち梁の状態で、支持部材1Cに並設され、隣り合うカンチレバーの固定端側の根元部分は、支持部材1Cに形成されたオーバーハング部1Dによって接続され、仮想のカンチレバーCL1と感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1と実在のカンチレバーCLnとは連成振動する構造となっている。
感度向上用の仮想のカンチレバーCL2〜CLn−1は、仮想のカンチレバーCL1と同様に、演算処理装置上で仮想モデルとして実現される。仮想のカンチレバーCL1と実在のカンチレバーCLnとが同一の固有周波数を有していれば、感度向上用の仮想のカンチレバーCL2〜CLn−1の固有周波数は、仮想のカンチレバーCL1及び実在のカンチレバーCLnの固有周波数と同一でなくてもよい。The cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity are formed in the same manner as the cantilever CL1 and the cantilever CLn. That is, in the state of a cantilever beam in which one end is fixed to the
The virtual cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity is realized as a virtual model on the arithmetic processing unit in the same manner as the virtual cantilever CL1. If the virtual cantilever CL1 and the real cantilever CLn have the same specific frequency, the specific frequencies of the virtual cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity are unique to the virtual cantilever CL1 and the real cantilever CLn. It does not have to be the same as the frequency.
図10は、振動部1の力学系の等価モデル(連成モデル)の一例を示す図である。図10に示す連成モデルでは、仮想のカンチレバーCL1は、支持部材1Cに一端が支持されたバネ定数k1の第1バネK1と、第1バネK1の他端に支持された質量m1の第1物体M1とを備えたモデルとなる。
同様に、実在のカンチレバーCLnは、図10の右端の一点鎖線の枠内のカンチレバーとして示すように、支持部材1Cに一端が支持されたバネ定数knの第nバネKnと、第nバネKnの他端に支持された質量mnの第n物体Mnと、を備え、さらに、第nバネKnは、バネ定数knに、測定対象の原子間力に応じたバネ剛性Δkが付加されたモデルとなる。FIG. 10 is a diagram showing an example of an equivalent model (coupling model) of the dynamical system of the vibrating
Similarly, the actual cantilever CLn is the nth spring Kn of the spring constant kn whose one end is supported by the
感度向上用の仮想のカンチレバーCLi(2≦i≦n−1)は、支持部材1Cに一端が支持されたバネ定数kiの第iバネKiと、第iバネKiの他端に支持された質量miの第i物体Miとを備えたモデルとなる。
さらに、図10に示す連成モデルでは、第1物体M1と第2物体M2とはバネ定数kcのバネKc1によって接続され、同様に、隣り合う物体同士がバネ定数kcのバネによって接続され、実在のカンチレバーCLnに対応する第n物体Mnと感度向上用のカンチレバーCLn−1に対応する第(n−1)物体Mn−1とがバネ定数kcのバネKcn−1によって接続される。このバネ定数kcのバネKc1〜Kcn−1が、図9のオーバーハング部1Dに相当し、カンチレバーCL1〜CLnの連成効果を生じさせる。図10において、破線で囲む部分が仮想モデルとして模擬される。The virtual cantilever CLi (2 ≦ i ≦ n-1) for improving the sensitivity has a spring constant ki i-th spring Ki whose one end is supported by the
Further, in the coupled model shown in FIG. 10, the first object M1 and the second object M2 are connected by a spring Kc1 having a spring constant kc, and similarly, adjacent objects are connected to each other by a spring having a spring constant kc, and are actually present. The nth object Mn corresponding to the cantilever CLn and the (n-1) th object Mn-1 corresponding to the cantilever CLn-1 for improving sensitivity are connected by a spring Kcn-1 having a spring constant kc. The springs Kc1 to Kcn-1 having the spring constant kc correspond to the
このような振動部1を有する計測装置において、測定を行う場合には、支持部材1Cに支持されたカンチレバーのうち、実在のカンチレバーCLnに測定対象の例えば原子間力を作用させ、支持部材1Cに支持されたカンチレバーのうち端部に位置するカンチレバーであり且つ仮想のカンチレバーである、カンチレバーCL1に加振入力を与える。
ここで、非特許文献1及び非特許文献2には、レゾネータ(カンチレバー)を用いた計測装置において、多数のレゾネータを弱連成すると、レゾネータの数を増加させるほど、計測装置を高感度化することができることが記載されている。When measuring in a measuring device having such a vibrating
Here, in
非特許文献2に記載されているように、剛性が低下するとき(Δk<0)には、二次モードの振幅比を測定する。逆に、剛性が増加するとき(Δk>0)には、一次モードの振幅比を測定する。ここでは、図9に示す連成モデルについて剛性が低下するときを非特許文献1にしたがって説明する。
非特許文献1の式(13)から、n番目のカンチレバーCLnの無次元の剛性変化δ=Δk/k1に対する、二次モードにおける1番目のカンチレバーCL1とn番目のカンチレバーCLnとの振幅比an2(振幅比1からのずれ)の変化割合S2は、次式(20)(非特許文献1の式(13)に対応)で与えられる。なお、(20)式中の、αiは、αi=mi/m1(i=2、…、n)、δ=Δk/k1、κ=kc/k1、λpはn個のカンチレバーCL1〜CLnを有する振動部を備えた計測装置におけるp次の固有値である。As described in Non-Patent Document 2, when the rigidity decreases (Δk <0), the amplitude ratio of the secondary mode is measured. On the contrary, when the rigidity increases (Δk> 0), the amplitude ratio in the primary mode is measured. Here, the case where the rigidity of the coupled model shown in FIG. 9 decreases will be described according to
From the equation (13) of
弱連成カンチレバーが2つの場合、(20)式は、次式(21)で表すことができる。 When there are two weakly coupled cantilever, the equation (20) can be expressed by the following equation (21).
したがって、(20)式から、以下の条件を満足するときに、変化割合すなわち感度S2が大幅に向上することがわかる。
条件1 カンチレバーの数nをできるだけ多くする。つまり、感度向上用のカンチレバーを多数設ける。
条件2 αn=mn/m1をできるたけ小さくする。
条件3 感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1の各質量m2〜mn−1を、カンチレバーCL1の質量m1よりも大きくする。
条件4 カンチレバーCL2〜CLn−1の各バネ剛性すなわちバネ定数k2〜kn−1をカンチレバーCL1のバネ剛性すなわちバネ定数k1よりも大きくする。Therefore, from the equation (20), it can be seen that the rate of change, that is, the sensitivity S2 is significantly improved when the following conditions are satisfied.
Condition 2 αn = mn / m1 should be made as small as possible.
Condition 3 Each mass m2 to mn-1 of the cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity is made larger than the mass m1 of the cantilever CL1.
Condition 4 The spring rigidity of each cantilever CL2 to CLn-1, that is, the spring constant k2 to kn-1, is made larger than the spring rigidity of the cantilever CL1, that is, the spring constant k1.
以上から、図9及び図10に示すように、仮想のカンチレバーCL1と実在のカンチレバーCLnとの間に、感度向上用の仮想のカンチレバーCL2〜CLn−1を設け、連成振動させるカンチレバーCL1〜CLnの数を増やすことで、感度が向上することがわかる。 From the above, as shown in FIGS. 9 and 10, virtual cantilever CL2 to CLn-1 for improving sensitivity are provided between the virtual cantilever CL1 and the actual cantilever CLn, and the cantilever CL1 to CLn are vibrated in an coupled manner. It can be seen that the sensitivity is improved by increasing the number of.
そして、図9及び図10に示すように、本実施形態に係る振動部1では、仮想のカンチレバーCL1と感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1とを実在のカンチレバーではなく、仮想のカンチレバーとして実現している。そのため、複数のカンチレバーを実際に製造することは困難であったとしても、本実施形態に係る計測装置100では、実在のカンチレバーCLnを除く他のカンチレバーである仮想のカンチレバーCL1と感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn―1とを、仮想的に模擬しているため、実存のカンチレバーCLnのみを製造することで、容易に多数の感度向上用のカンチレバーと連成した高感度なカンチレバーを製作することができる。このことは、非特許文献1及び非特許文献2と本実施形態の最も異なる点である。すなわち、非特許文献1及び非特許文献2では多数の実存のカンチレバーを連成させることを想定しているため、技術的に製造が困難であるのに対して、本実施形態は、実存のカンチレバーは一本だけでよいため、技術的に製造が容易である。本実施形態では、仮想のカンチレバーCL1及び感度向上用の多数のカンチレバーCL2〜CLn−1を“模擬的に”作成しているものの、本発明では実存のカンチレバーが存在しており、さらに、連成を実行できる演算処理装置を実存のカンチレバーと組み合わせることで、既知の技術より優れた性能を実現するものであるから、抽象的概念には該当しない。
Then, as shown in FIGS. 9 and 10, in the vibrating
そして、本実施形態に係る振動部1では、感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1を実在のカンチレバーではなく、仮想のカンチレバーとして実現している。そのため、感度向上用のカンチレバーとして模擬する数を増加させることが容易であり、連成振動させるカンチレバーの数が多いときほど、より一層感度を向上させることができる。非特許文献1や非特許文献2に記載の技術では、感度向上のためのカンチレバーの数は、物理的なサイズや、強度、コストなどに制限されるため、際限なく増やすことはできない。
このように容易に感度を向上させることができるため、感度が低いため計測することのできなかった物理量であっても、上述のように感度を向上させることで計測することが可能となり、使い勝手を向上させることができ、汎用性を高めることができる。Then, in the vibrating
Since the sensitivity can be easily improved in this way, even a physical quantity that could not be measured due to low sensitivity can be measured by improving the sensitivity as described above, and is easy to use. It can be improved and versatility can be increased.
また、このように容易に感度を向上させることができるため、今まで計測することのできなかった軽量の物質等であっても容易に計測することができる。
また、条件2にあるように、αn=mn/m1をできるだけ小さくすることで、感度があがる。ここで、m1は、仮想のカンチレバーCL1が有する第1物体M1の質量であるため、本実施形態では、質量m1を仮想的に増加させるほど感度を向上させることができ、感度を容易に向上させることができる。非特許文献1や非特許文献2に記載の技術では、質量m1を増加させることは物理的なサイズや、強度、コストなどに制限されるため、限界がある。Moreover, since the sensitivity can be easily improved in this way, even a lightweight substance or the like that could not be measured until now can be easily measured.
Further, as in the condition 2, the sensitivity is increased by making αn = mn / m1 as small as possible. Here, since m1 is the mass of the first object M1 possessed by the virtual cantilever CL1, in the present embodiment, the sensitivity can be improved as the mass m1 is virtually increased, and the sensitivity is easily improved. be able to. In the techniques described in
なお、上記実施形態において、少なくとも、仮想のカンチレバーCL1と、実在のカンチレバーCLnとの固有周波数が一致していればよいが、好ましくは、感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1のバネ剛性が、カンチレバーCL1及びCLnのバネ剛性よりも高いことが好ましい。また、感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1は、感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1のバネ剛性が、カンチレバーCL1及びCLnのバネ剛性よりも高ければ、必ずしも、感度向上用のカンチレバーCL2〜CLn−1どうしは、同じ材料及び形状である必要はなく、バネ剛性及び質量が異なっていてもよい。 In the above embodiment, at least the natural frequencies of the virtual cantilever CL1 and the actual cantilever CLn need to be the same, but preferably, the spring rigidity of the cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity is increased. It is preferably higher than the spring rigidity of the cantilever CL1 and CLn. Further, the cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity does not necessarily have the cantilever CL2 to improve the sensitivity if the spring rigidity of the cantilever CL2 to CLn-1 for improving the sensitivity is higher than the spring rigidity of the cantilever CL1 and CLn. CLn-1s do not have to be the same material and shape, and may have different spring rigidity and mass.
なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。 It should be noted that the scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but also includes all embodiments that provide an effect equal to that of the object of the present invention. Moreover, the scope of the invention can be defined by any desired combination of specific features of all disclosed features.
1 振動部
1A カンチレバー(仮想振動体)
1B カンチレバー(実振動体)
1C 支持部材
1D オーバーハング部
11 実振動体部
12 演算処理装置
13 駆動回路
14 表示装置
21 支持部材
21a 保持部
21b 案内部
22 アクチュエータ
22a 軸部
22b 支持部
23 変位計
100 計測装置
100a 模擬装置
CL1 仮想のカンチレバー
CL2〜CLn−1 感度向上用のカンチレバー
CLn 実在のカンチレバー1 Vibrating
1B cantilever (actual vibrating body)
Claims (10)
前記二つの振動体のうちの一つとしての実在する実振動体と、
当該実振動体に予め設定した変位方向の力を付与するアクチュエータと、
前記実振動体の振動変位を検出する振動変位検出部と、
前記実振動体と仮想的に連成可能に結合される仮想振動体を前記二つの振動体のうちの他の一つとして模擬すると共に、当該仮想振動体と前記振動変位検出部で検出した前記実振動体の振動変位とに基づき前記アクチュエータを駆動制御する連成制御処理を実行する演算処理装置と、
を備えることを特徴とする計測装置。It is a measuring device that detects a value corresponding to a physical quantity to be measured by using the amplitudes of two vibrating bodies.
An actual real vibrating body as one of the two vibrating bodies and
An actuator that applies a force in a preset displacement direction to the actual vibrating body, and
A vibration displacement detection unit that detects the vibration displacement of the actual vibrating body,
The virtual vibrating body that is virtually coupled to the real vibrating body is simulated as the other one of the two vibrating bodies, and the virtual vibrating body and the vibration displacement detecting unit detect the above. An arithmetic processing device that executes coupled control processing that drives and controls the actuator based on the vibration displacement of the actual vibrating body, and
A measuring device characterized by being provided with.
前記実振動体の振動速度を検出する振動速度検出部と、
フィードバック制御信号により前記アクチュエータを駆動するフィードバック制御部と、
を備え、
前記フィードバック制御信号は、
前記振動変位検出部で検出した前記実振動体の振動変位と前記演算処理装置で模擬される前記仮想振動体の振動変位との差に基づく線形変位フィードバック成分と、前記振動速度検出部で検出した前記振動速度に基づく線形速度フィードバック成分とを含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の計測装置。The arithmetic processing unit
A vibration velocity detection unit that detects the vibration velocity of the actual vibrating body,
A feedback control unit that drives the actuator with a feedback control signal,
With
The feedback control signal is
A linear displacement feedback component based on the difference between the vibration displacement of the actual vibrating body detected by the vibration displacement detecting unit and the vibration displacement of the virtual vibrating body simulated by the arithmetic processing device, and detected by the vibration velocity detecting unit. The measuring device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a linear velocity feedback component based on the vibration velocity.
実在する実振動体と、
当該実振動体に予め設定した変位方向の力を付与するアクチュエータと、
前記実振動体の振動変位を検出する振動変位検出部と、
を備えることを特徴とする計測装置用の部品。The component for the measuring device according to any one of claims 1 to 8.
Real real vibrating body and
An actuator that applies a force in a preset displacement direction to the actual vibrating body, and
A vibration displacement detection unit that detects the vibration displacement of the actual vibrating body,
A component for a measuring device characterized by being provided with.
前記実振動体の振動変位を用いて、前記実振動体と仮想的に連成可能に結合される仮想振動体を模擬すると共に前記アクチュエータを駆動制御する信号を生成することを特徴とする計測装置用の演算処理装置。The arithmetic processing unit for the measuring device according to any one of claims 1 to 7.
A measuring device characterized in that the vibration displacement of the actual vibrating body is used to simulate a virtual vibrating body that is virtually coupled to the actual vibrating body and to generate a signal for driving and controlling the actuator. Arithmetic processing device for.
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