JPH0434319A - 微小振動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、微小な振動を広帯域に亘って測定することが
可能な微小振動測定装置に関する。

（従来の技術） 例えば、従来の振動測定装置は、振動変位計と振動加速
度計とに大別される。このうち振動変位計としては、お
もり、ばね、および電磁誘導検出器等を利用するものが
あり、一般にこのタイプのものの特性は、例えば、帯域
が１〜２００Ｈｚであり、感度が数１１００ｎ以上であ
る。

（発明が解決しようとする課題） ところで、これらのうち振動変位計を例にとると、振動
変位計には、帯域が１〜２００Ｈｚと狭く、特に１　、
ｋ　Ｈｚ以下の成分を測定することができないという不
具合がある。また、感度が１００ｎｉ（０，１μｍ）程
度であり、例えば除振台の上でしばしば問題となるよう
な、これ以下の小さなレヘルの振動成分を測定すること
ができないという不具合がある。

本発明の目的とするところは、広い帯域に亘って、微小
な振動を高感度で測定することが可能な微小振動測定装
置を提供することにある。

［発明の構成〕 （課題を解決するための手段および作用）上記目的を達
成するために本発明は、外部振動を受けて振動する筐体
と、導電部を有し筐体に取付けられるとともに筐体の振
動を反映して導電部の位置を一定に保つ振動体と、導電
部に対して近接するとともに離間し筐体と一体に変位す
る探針と、この探針の位置を導電部に対して微調整する
位置調整体とを備え、探針と導電部との間のトンネル電
流を検出し、探針と導電部との相対変位に伴うトンネル
電流の変化を基にして振動測定を行うようにしたことに
ある。

こうすることによって本発明は、ＤＣ近傍から数ｋＨｚ
までに亘る広い帯域に亘って、数μｍ以下の微小な振動
をＯ，ｌｎｍ程度の超高感度で測定できるようにしたこ
とにある。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示すもので、図中１は微小
振動測定装置（以下、測定装置と称する）、２はこの測
定装置１の本体を示している。

上記本体２には、例えば気密的に形成された立方形で箱
状の筐体３が設けられている。そして、この筐体３はそ
の内部空間を、外部の音響振動や気流の流れ、および温
度変化等に対して遮断するようになっている。

また、筐体３には、筐体３の中に位置する探針４（後述
する）を一体に連結された探針送り機構部５が設けられ
ている。そして、この探針返り機構部５には粗動送り機
構部６と、筐体３の内側に位置する位置調整体としての
微動送り機構部７とが同軸的に設けられている。

このうち粗動送り機構部６は、分解能が０．　１〜１μ
ｍ程度のマイクロメータを応用したもので、上下方向、
即ち図中に示す直交座標の２方向に伸縮するようになっ
ている。そして、粗動送り機構部６は筐体３の天井部を
上下に貫通した状態で筐体３に一体に固定されており、
その上端部を筐体３の外側に、また、下端部を筐体３の
内側に位置させている。

また、上記微動送り機構部７は、単層型或いは積層型の
圧電（電歪）素子を用いたもので、上記探針４を細かく
位置決めするようになっている。

さらに、この微動送り機構部７は粗動送り機構部６の下
端部に一体に連結されている。そして、微動送り機構部
７は、その移動分解能を０．００１〜ｌｎｍに設定され
ており、さらに、その２方向の移動ストロークを０．５
〜５０μｍに設定されている。

上記探針（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｔｊｐ）　４は白金等
の導電性物質を加工してなるもので、その先端を鋭利に
尖らせている。そして、この探針４は、絶縁性のガラス
等からなる探針ホルダ８により保持されており、この探
針ホルダ８を介して、微動機構部７に一体に固定されて
いる。そして、探針４は、筐体３の外側から粗動機構部
６を操作されることにより２方向に大まかに変位し、さ
らに、微動機構部７が電歪する二とにより同じくｚ方向
に細かく変位するようになっている。

二こでは、探針４の先端は、電解研磨や電解エツチング
等により加工したものを用いている。

さらに、第１図中に９で示すのは、銅やばね鋼等を加工
してなる振動吸収体としての板ばねである。この板ばね
９は、筐体３の内部の下側に配置されており、探針４の
下方に位置している。そして、板ばね９は、その外枠１
０を筐体３に一体に固定されており、筐体３内で略水平
に保持されている。

また、板ばね９は、第２図中に示すようにその板面に、
例えば打抜かれてなるパターンを形成されている。つま
り、板ばね９は、矩形状の外枠１０と、この外枠１０の
内側中央部に位置し、後述する導電部としての錘１１を
保持した正方形状の錘保持部１２とを有している。さら
に、板ばね９は、外枠１０の各辺の内縁部と錘保持部１
２の各辺の外縁部との間に形成され、その中間の複数箇
所を略直角に折曲されてＸ方向とｙ方向とに延びる鉤状
の、４つのばね部１３・・・を有している。

上記＃１１１は、例えば導電性の材料からなるもので、
板ばね９の錘載置部１２に載置固定されている。そして
、錘１１はその真円状の上面を平坦に加工されており、
さらに、この上面の加工を、例えばフロートポリッシン
グ加工等により極めて高精度に行われている。そして、
錘１１はその上面を探針４に下側から対向させており、
その上面と探針４との間隔を、錘１１と探針４との間に
生じたトンネル電流を検出できる程度に保たれている。

また、この測定装置１には、第３図に示すような制御系
１４が設けられている。そして、この制御系１４は、探
針４と錘１１との間のトンネル電流を受ける電流電圧変
換器１５、対数増幅器１６、設定電圧源１７、作動増幅
器１８、積分器１９、および、微動機構部７へ出力する
高圧増幅器２０等を備えている。そして、制御系１４は
、検出したトンネル電流を基に探針４と錘１１との距離
をフィードバック制御し、測定装置１は、探針４と錘１
１との距離を常に一定に保つようになっている。

つまり、上述の測定装置１は、粗動機構部６１；より探
針４を２軸方向に変位させ、探針４の先端を錘１１の上
面に近付ける。そして、探針４と錘１１との間にトンネ
ル電流を検出した時点で探針４の粗動を止める。そして
、筐体３が静止した状態にあるときには、一定の値のト
ンネル電流を検出する。

また、測定装置１は、筐体３に外部振動を受けた場合に
は、筐体３を外部振動に応じて振動させる。そして、こ
の外部振動を粗動機構部６および微動機構部７を介して
探針４に伝え、探針４を筐体３と一体に変位させる。さ
らに、筐体３の振動を板ばね９の外枠に伝達し、筺体３
の振動に応じて板ばね９のばね部１３を例えば２方向に
弾性変形させる。そして、筐体３は振動し、板ばね９に
より錘１１の位置は慣性的に一定に保たれる。したかっ
て、探針４と錘保持部］３上に固定された錘１１との２
方向の相対変位はＺ振幅となる。

さらに、測定装置１は、探針４と錘１１との相対変位に
伴って変化したトンネル電流を、第３図中に示すように
制御系１４に入力し、電流電圧変換器１５でその電流値
に応じた電圧に変換する。

そして、この電圧を対数増幅器１６で増幅し、作動増幅
器１８に送る。

そして、測定装置１は、この作動増幅器１８により、対
数増幅器１６の出力電圧と、設定電圧源１７の出力電圧
との偏差を求め、この偏差に応じた電圧を積分器１９で
積分処理する。そして、積分処理された電圧を、探針４
と錘１１との相対変位量をあられす変位信号２１として
、図示しない表示装置等へ取出す。

また、測定装置１は、積分器１９からの積分電圧を高圧
増幅器２０に印加し、この高圧増幅器２０で増幅して微
動機構部７へ入力する。そして、高圧増幅器２０の出力
に応じて微動機構部７を電歪させ、探針４を錘１１に追
従させて、両部材４．１１の２方向の距離を、トンネル
電流の値が筐体３の振動前の値に一致するよう修正する
。

すなわち、この測定装置１では、探針４と錘１１との間
のトンネル電流を基に両部材４．１１の変位量を求めて
振動の測定を行っているので、広い帯域に亘って、微小
な振動を高感度でｍＪ定することができる。

つまり、この測定装置１では、探針４と錘１１との間の
相対変位量は、微動機後部７に印加される電圧を換算す
ることにより求められる。そして、例えば、微動機後部
７の圧電素子として０５μｍ／１ｋＶのもの、高圧増幅
器２ｏとしてＳ／Ｎ−１０−５のものを用いると、外部
振動に対して区別することが不可能な電気ノイズは、０
．５μｍｘ］、ｏｏ−５−５ｐとなり、逆にこれが振動
振幅の分解能となる。

しかし、一般に錘］１の表面には原子の凹凸か存在する
ため、この原子の凹凸の値である０、〕ｎｍ程度か、現
状の測定の限界となる。

また、測定装置１は制御系１４においてフィードバック
制御を行っているため、制御系１４の構成要素のうちの
最も帯域の狭いものによって測定帯域を決定される。そ
して、制御系１４の構成要素のうちの最も帯域の狭いも
のは、現状では高圧増幅器２０であり、高圧増幅器２０
の帯域は数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚである。このため、
測定装置１の測定帯域は、数ｋＨｚ　（微動機構部７へ
例えばｌｋＶを出力する場合）〜数１００ｋＨｚ（微動
機構部７へ例えば数１００Ｖを出力する場合）となる。

そして、これらのことから、ＤＣ近傍から数ｋＨｚまで
に亘って、０．１ｎｍオーダの振動を測定することが可
能になる。

また、この測定装置１は、従来の振動変位計や振動加速
度計等に比べて構成要素を少なく設定することができる
ため、小型で軽量なものとすることができる。

さらに、板ばね９にパターンを形成し、錘１１を載置し
た錘保持部１２をＸ方向およびＸ方向に延びるばね部１
３・・・で支えているので、板ばね９の２方向の剛性を
Ｘ方向およびＸ方向の剛性よりも大幅に小さく設定する
ことができる。そして、錘１１に関するＸ５ＹｓＺの３
方向の各ばね定数ｋｘＳｋ、、ｋ、の関係を、ｋ、／に
、＞１００、ｋ、／に、＞１００とすることができる。

したがって、この測定装置１では、錘１１の上記３方向
の固有振動数ω８、ω７、ω８の関係を、ω８／ω、〉
１０、ω、／ω８〉１０とすることができ、Ｘ方向、Ｘ
方向の振動の影響をほとんど受けることなく、２方向の
みの振動を検出して測定することができる。

なお、導電部としての錘１１の全体に導電性の材料を用
いる必要はなく、例えば、錘１１に絶縁性の材料を採用
し、この錘１１の上面を金などでコーティングして導電
部を形成するようにしてもよい。

また、錘１１に関するばね定数には、板ばね９に同一の
材料を用いた場合でも、板ばね９のパターンの変更に伴
って変化する。つまり、固有振動数ω、ばね定数に１お
よび錘の質量Ｍの関係、ω−ＪＴフ］Ｗ から、ばね定数ｋを変化させることにより、錘１１に関
する固有振動数ωを任意に設定することができる。

そして、本実施例では錘保持部１２を正方形状とし、ば
ね部１３・・・をＸ方向およびＸ方向に延びる鉤形とし
ているが、本発明はこれに限定されるものではなく、板
ばね９のパターンを、例えば第４図および第５図に示す
ように設定してもよい。

つまり、第４図に示す板ばね９は、錘保持部１２を真円
形状とし、ばね部１３・・・を、錘保持部１２の径方向
に延び互いに約９０度間隔で配置された直線状としてい
る。また、第５図に示す板ばね９は、錘保持部１２を正
方形状とし、ばね部１３・・・を錘保持部１２の側へ徐
々に広幅になるよう成形するとともに約９０度間隔で配
置している。

また、本実施例では、振動体として板ばね９を採用して
いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば、振動体としてコイルスプリングを採用してもよい。

また、振動体の材質には、金属の外に、ゴムなどの高分
子材料を採用してもよい。

さらに、前述の実施例では、１゛軸方向（Ｚ軸方向）の
みの振動を測定するようにしているが、探針４や探針送
り機構部５、および錘１１等を、体的に例えば２．３軸
方向に組合わせて複数方向の振動を同時に測定できるよ
うにしてもよい。

そして、複数方向の微小な振動を測定する装置として、
第６図に示すようなものが考えられる。

すなわち、この測定装置１ａは、１つの錘１１を筐体３
の中央部に、振動体としてのコイルスプリング２２・・
・により支持するとともに、複数の探針４．４を、錘１
１に複数方向から近接するよう配設している。

また、筐体３の内部に例えばＮ２ガスやＡｒガスなどの
不活性ガスを封入するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、外部振動を受けて振動す
る筐体と、導電部を有し筐体に取付けられるとともに筐
体の振動を反映して導電部の位置を慣性的に一定に保つ
振動体と、導電部に対して近接するとともに離間し筐体
と一体に変位する探針と、この探針の位置を導電部に対
して微調整する位置調整体とを備え、探針と導電部との
間のトンネル電流を検ａし、探針と導電部との相対変位
に伴うトンネル電流の変化を基にして振動測定を行うよ
うにしたものである。

したがって本発明は、ＤＣ近傍から数ｋＨｚまでに亘る
広い帯域に亘って、数μｍ以下の微小な振動を０．ｌｎ
ｍ程度の超高感度で測定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を概略的に示すもの
で、第１図は側断面図、第２図は板ばねの平面図、第３
図は制御系を示すブロック図、第４図〜第６図は変形例
を示すもので、第４図および第５図は板ばねを示す平面
図、第６図は複数方向の振動を測定できるようにしたも
のの側断面図である。 １・・・微小振動測定装置、３・・・筐体、４・・・探
針、７・・・微動機構部（位置調整体）　９・・・板ば
ね（振動体）、１１・・・錘（導電部）。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　外部振動を受けて振動する筐体と、導電部を有し上記
   筐体に取付けられるとともに上記筐体の振動を反映して
   上記導電部の位置を一定に保つ振動体と、上記導電部に
   対して近接するとともに離間し上記筐体と一体に変位す
   る探針と、この探針の位置を上記導電部に対して微調整
   する位置調整体とを備え、上記探針と上記導電部との間
   のトンネル電流を検出し、上記探針と上記導電部との相
   対変位に伴う上記トンネル電流の変化を基にして振動測
   定を行う微小振動測定装置。