JP2007143302A - Minute displacement controller, device using the same and method - Google Patents

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JP2007143302A
JP2007143302A JP2005334062A JP2005334062A JP2007143302A JP 2007143302 A JP2007143302 A JP 2007143302A JP 2005334062 A JP2005334062 A JP 2005334062A JP 2005334062 A JP2005334062 A JP 2005334062A JP 2007143302 A JP2007143302 A JP 2007143302A
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giant magnetostrictive
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Shigeto Ogino
重人 荻野
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device that effectively performs magnetization without installing a super-magnetostrictive element, controls output displacement at high accuracy, and efficiently and accurately obtains the output displacement in a prescribed region, and a device and a method. <P>SOLUTION: The device comprises: a magnetic force generation means that generates magnetic forces at the fixed end side and the free end side of the super-magnetostrictive element; an expansion/contraction control device of the super-magnetostrictive element that controls a current value and continuously expands and contracts the super-magnetostrictive element; and a pre-displacement means that displaces the free end side of the super-magnetostrictive element to a position of zero displacement in advance. After the displacement by the pre-displacement means, the super-magnetostrictive element is successively expanded by controlling a current value of a minute displacement controller that is constituted so as to obtain target minute displacement, or a current value of an iron core of an electromagnet in each magnetic force generation means at the fixed end side and the free end side of the super-magnetostrictive element, and a current value of the magnetic force generation means. The minute displacement controller comprises the expansion/contraction control device of the super-magnetostrictive element so as to make an output rod also serving as the iron core of the electromagnet at the free end side of the super-magnetostrictive element perform an output. There are also disclosed the device using the controller and the method. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光学機器、精密加工機械、レーザー機器、計測器、その他微小かつ精密な変位や送りが必要な機器に用いて好適な超磁歪素子を用いた微小変位制御装置と方法およびそれを用いた装置と方法に関し、とくに、ベルコビッチ圧子等を用いて、例えば薄膜の一回の押し込み試験によって、絶対的な硬さ値はもとより、固有の物性（例えば、弾性率、クリープ特性、ヤング率）についての補足データを得るのに適した硬さ等の測定などに好適な、微小変位制御装置と方法およびそれを用いた装置と方法に関する。   The present invention relates to a minute displacement control apparatus and method using a giant magnetostrictive element suitable for use in optical equipment, precision processing machines, laser equipment, measuring instruments, and other equipment that requires minute and precise displacement and feed, and uses the same. In particular, using a Belkovic indenter, etc., for example, by a single indentation test of a thin film, not only the absolute hardness value but also the specific physical properties (for example, elastic modulus, creep property, Young's modulus) The present invention relates to a minute displacement control device and method suitable for measuring hardness and the like suitable for obtaining supplementary data, and a device and method using the same.

従来の、超磁歪素子を用いた測定装置やアクチュエータとしては、次のようなものが知られている。たとえば特許文献１に開示の超磁歪アクチュエータでは、ケーシング内に、円筒形の超磁歪素子、固定支持部材、可動支持部材、駆動用コイル、永久磁石、及び磁束検出手段を収容し、一端に開口部を有し、変位出力端部を突出させている。上記円筒形の超磁歪素子の軸方向の中心部に磁束検出手段が配されていて、これらの外側を取巻くように配置された筒状の駆動用コイルが設置されている。この磁束検出手段により磁束密度を検出し、この電気信号を積分して超磁歪素子内の磁束を検出するようになっている。   The following are known as conventional measuring apparatuses and actuators using giant magnetostrictive elements. For example, in the giant magnetostrictive actuator disclosed in Patent Document 1, a cylindrical giant magnetostrictive element, a fixed support member, a movable support member, a drive coil, a permanent magnet, and magnetic flux detection means are accommodated in a casing, and an opening is formed at one end. The displacement output end is projected. A magnetic flux detecting means is disposed at the axial center of the cylindrical super magnetostrictive element, and a cylindrical driving coil is disposed so as to surround the outside thereof. The magnetic flux density is detected by the magnetic flux detecting means, and the electric signal is integrated to detect the magnetic flux in the giant magnetostrictive element.

この超磁歪アクチュエータによれば、駆動用コイル内に設置された磁束検出手段により、簡易にヒステリシス補償ができ、簡易な構成の超磁歪アクチュエータとしている。   According to this giant magnetostrictive actuator, hysteresis compensation can be easily performed by the magnetic flux detection means installed in the drive coil, and the giant magnetostrictive actuator has a simple configuration.

また、超磁歪素子内部の磁束密度を検出するコイルが設置されたアクチュエータとして、次のようなものが知られている。たとえば特許文献２に開示のワイヤクランプ機構では、超磁歪素子に磁束を与える駆動コイルと、超磁歪素子の磁束密度を検出する検出コイルが設置されている。検出コイルによって、超磁歪素子の磁束密度の変化を電気信号として取り出すことができる。   Moreover, the following is known as an actuator provided with a coil for detecting the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element. For example, in the wire clamp mechanism disclosed in Patent Document 2, a drive coil that applies a magnetic flux to the giant magnetostrictive element and a detection coil that detects the magnetic flux density of the giant magnetostrictive element are installed. The change in the magnetic flux density of the giant magnetostrictive element can be taken out as an electric signal by the detection coil.

また、従来の硬さ試験機としては、例えば、荷重発生をコイルで行い、その力を伝達レバーにより測定圧子に伝え、試料へ圧子押し込みをはかり、この時の変位を静電容量型変位計で精密に計測するようにしている（たとえば、特許文献３）。   As a conventional hardness tester, for example, a load is generated by a coil, the force is transmitted to a measurement indenter by a transmission lever, the indenter is pushed into a sample, and the displacement at this time is measured by a capacitance displacement meter. Measurement is made precisely (for example, Patent Document 3).

また、従来の硬さ試験機における測定試料は、瞬間接着剤を用いて金属ブロックに固定され、これを、前後または左右に移動可能なステージにクランプするようにしている。   In addition, a measurement sample in a conventional hardness tester is fixed to a metal block using an instantaneous adhesive, and is clamped on a stage that can be moved back and forth or left and right.

また、静電容量型変位計は測定可能範囲が広くないので、測定開始前に圧子を測定試料に、例えば、20μｍ程まで接近させる必要がある。これは、肉眼での位置合わせは不可能であるので通常、顕微鏡を用いて行なう。測定試料を顕微鏡でのぞき、例えば、1000倍の倍率でピントを合わせると対物レンズは、試料から約20μｍまで接近した状態となる。1000倍の顕微鏡の対物レンズと圧子は同じ高さになるようにあらかじめ調整されていて、ステージに設置されている測定試料を対物レンズから圧子の方へ移動すると、圧子先端から測定試料までの距離が、例えば、約20μｍ程となり測定前準備は完了するようになっている。
特開２００５−１９２３６１号公報 特開平１０−１７８０３２号公報 特開２００１−１２４６８１号公報 Further, since the capacitance type displacement meter has a wide measurable range, it is necessary to bring the indenter close to the measurement sample, for example, about 20 μm before starting the measurement. This is usually done using a microscope because alignment with the naked eye is impossible. When the sample to be measured is viewed with a microscope, for example, when focusing is performed at a magnification of 1000 times, the objective lens is brought close to about 20 μm from the sample. The objective lens and indenter of the 1000x microscope are pre-adjusted to be the same height, and when the measurement sample placed on the stage is moved from the objective lens toward the indenter, the distance from the indenter tip to the measurement sample However, for example, it is about 20 μm, and preparation before measurement is completed.
JP-A-2005-192361 Japanese Patent Laid-Open No. 10-178032 JP 2001-124681 A

しかしながら、上記特許文献１に開示されているような超磁歪アクチュエータにおいては、超磁歪素子は比透磁率が１０程度と低いため、外部による磁力発生装置により強力な磁力を発生させないと、超磁歪素子を十分に磁化させることができず、伸縮量を大きくすることができない。このために、特許文献１のように、最も磁力の強いコイル中心部に超磁歪素子を配している。このことから、検出コイルを設置するにはスペース的にかなりの制約があり、設置したとしても駆動用コイルの内側に検出コイルを設置する状態となる。この状態では、駆動用コイルの内径が超磁歪素子の直径よりもかなり大きくなってしまうので、超磁歪素子の磁化の効率は、悪くなってしまう。また、検出コイルは、駆動用コイルの磁束の影響を受け、超磁歪素子内部の磁束密度を正確に検出することは不可能である。   However, in the giant magnetostrictive actuator disclosed in the above-mentioned Patent Document 1, the giant magnetostrictive element has a low relative permeability of about 10 and therefore, unless a strong magnetic force is generated by an external magnetic force generator, the giant magnetostrictive element Cannot be sufficiently magnetized, and the amount of expansion / contraction cannot be increased. For this reason, as in Patent Document 1, a giant magnetostrictive element is arranged at the center of the coil having the strongest magnetic force. For this reason, there is a considerable space limitation in installing the detection coil, and even if it is installed, the detection coil is installed inside the drive coil. In this state, since the inner diameter of the driving coil is considerably larger than the diameter of the giant magnetostrictive element, the efficiency of magnetization of the giant magnetostrictive element is deteriorated. Further, the detection coil is affected by the magnetic flux of the driving coil, and it is impossible to accurately detect the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element.

また、上記特許文献２に開示されているような超磁歪アクチュエータにおいては、駆動用コイルのすぐ隣に検出コイルが設置されている。超磁歪素子は透磁率が低いので、駆動用コイルにはかなりの電流を流さないと、超磁歪素子を十分に磁化することができない。そのために、検出コイルが駆動用コイルから発生する漏れ磁束を簡単に検出してしまっていた。また、駆動用コイルと検出コイルの長さ（巾）はそのままに、超磁歪素子を長くして、超磁歪素子の両端に駆動用コイルと検出コイルを設置しそれぞれの間隔を広くした場合でも、超磁歪素子の透磁率が低いので、検出コイルに磁束がたどり着く前に多くの磁束が途中で漏れ、駆動用コイルにリターンしてしまう。これらにより、超磁歪素子内部の磁束密度を正確に検出することは難しかった。   Moreover, in the giant magnetostrictive actuator as disclosed in Patent Document 2, a detection coil is installed immediately next to the drive coil. Since the giant magnetostrictive element has a low magnetic permeability, the giant magnetostrictive element cannot be sufficiently magnetized unless a considerable current is supplied to the driving coil. For this reason, the detection coil simply detects the leakage magnetic flux generated from the driving coil. In addition, even when the length (width) of the driving coil and the detection coil is left as it is, the giant magnetostrictive element is lengthened, the driving coil and the detection coil are installed at both ends of the giant magnetostrictive element, and the distance between them is widened. Since the magnetic permeability of the giant magnetostrictive element is low, a large amount of magnetic flux leaks in the middle before the magnetic flux reaches the detection coil and returns to the driving coil. For these reasons, it has been difficult to accurately detect the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element.

また、上記特許文献３に開示されているような硬さ試験機では、圧子の変位測定に静電容量型変位計を用いている。静電容量型変位計は、測定分解能が非常に高くナノオーダーの計測が可能になるものとして一般的であるが、非接触式なので振動に非常に弱く、高価である。また、荷重発生装置も非接触であり、力伝達レバーは微小荷重において、支点を中心として、非常に不安定な状態で釣り合っている。これらのことから、除振台に相当コストをかけないと、所定の精度を確保することが難しくなる。よって、装置全体として非常に大型・高価なものとなっていた。   Moreover, in the hardness tester as disclosed in Patent Document 3, a capacitance displacement meter is used for measuring the displacement of the indenter. Capacitance displacement meters are common in that the measurement resolution is very high and nano-order measurement is possible, but they are non-contact and very weak against vibration and expensive. Further, the load generating device is also non-contact, and the force transmission lever is balanced in a very unstable state around a fulcrum at a minute load. For these reasons, it is difficult to ensure a predetermined accuracy unless a substantial cost is applied to the vibration isolation table. Therefore, the entire apparatus is very large and expensive.

また、従来の硬さ試験機では、試料をブロックに接着する手間や、顕微鏡の測定試料と圧子との位置合わせに非常に手間がかかる。特に、顕微鏡の対物レンズと測定試料は、例えば、約20μmほどの距離しかないので、お互いが接触しないように細心の注意を払っての作業となるので、非常に時間がかかり、例えば、測定前準備は約３分程かかってしまっていた。   Moreover, in the conventional hardness tester, it takes much time to bond the sample to the block and to align the measurement sample of the microscope with the indenter. In particular, since the objective lens of the microscope and the measurement sample are only about 20 μm apart, for example, it takes a lot of time to avoid contact with each other. The preparation took about 3 minutes.

本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点、とくに、磁束検出手段を設置することの上記のような問題点に着目し、基本的に磁束検出手段は駆動用コイルの内部および近傍には設置せずに、効率良く超磁歪素子を磁化させ、微小変位制御装置の自由端側に出力される変位と磁束検出手段に出力される信号を相関付け、極めて高精度に超磁歪素子を伸縮制御し、かつ、その出力変位を所定の伸縮制御対象領域（たとえば、硬さ測定における被測定物に接触させた後の領域）にて効率よく発現させ、目標とする微小変位を高精度で得ることができるようにした装置および方法を提供することにある。   The object of the present invention is to pay attention to the above-mentioned problems in the prior art, particularly the above-mentioned problem of installing the magnetic flux detection means. Basically, the magnetic flux detection means is located in and near the drive coil. The magnetostrictive element is efficiently magnetized without being installed, and the displacement output to the free end of the micro displacement control device is correlated with the signal output to the magnetic flux detection means. Stretching control is performed, and the output displacement is efficiently expressed in a predetermined stretch control target area (for example, the area after contacting the object to be measured in hardness measurement), so that the target minute displacement can be accurately performed. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method that can be obtained.

また、本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点、とくに、静電容量型変位計等の非接触変位計、非接触荷重発生装置および、力伝達レバーを使用することの上記のような問題点に着目し、基本的に非接触変位計、非接触荷重発生装置および力伝達レバー等を使用せずに、微小変位制御装置の自由端側に出力される変位を用いて、極めて高精度に圧子押し込みを行い、それに伴う荷重を計測可能とした、硬さ測定装置および方法を提供することにある。   Further, the problem of the present invention is that the problems in the prior art as described above, in particular, the non-contact displacement meter such as a capacitance displacement meter, the non-contact load generating device, and the use of the force transmission lever described above. Using the displacement output to the free end side of the micro displacement control device without using a non-contact displacement meter, non-contact load generator, force transmission lever, etc. It is an object of the present invention to provide a hardness measuring apparatus and method capable of performing indenter pressing with high accuracy and measuring a load associated therewith.

さらに、本発明の課題は、試料設置ガイド等を用いることにより、試料設置にかかる時間の短縮を可能とすることにあり、例えば、顕微鏡および前後または左右に移動可能なステージを使用することの上記のような問題点に着目し、基本的に顕微鏡および前後または左右に移動可能なステージを使用せずに、試料設置ガイド等を用いてスピーディかつ正確に試料設置を行なうことを可能にした、微小変位制御装置と方法およびそれを用いた硬さ測定装置および方法を提供することにある。   Furthermore, an object of the present invention is to enable shortening of the time required for sample setting by using a sample setting guide or the like. For example, the above-described use of a microscope and a stage that can move back and forth or left and right With the above-mentioned problem, it is possible to perform sample setting speedily and accurately using a sample setting guide etc., basically without using a microscope and a stage that can move back and forth or left and right. Disclosed is a displacement control device and method, and a hardness measurement device and method using the same.

上記課題を解決するために、本発明に係る微小変位制御装置は、（Ａ）一端が固定され、他端が自由端の超磁歪素子に磁力を作用させることにより前記超磁歪素子を伸縮させて、その自由端の変位を出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置であって、非磁性体からなる両端板の間に（内側に）、棒状の超磁歪素子を配するとともに、超磁歪素子の固定端側および自由端側に電磁石による磁力発生手段を同軸線上に配し、該磁力発生手段の電流値を制御することにより、前記超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置と、（Ｂ）前記超磁歪素子の自由端側または該自由端と一体的に変位可能な該自由端とは別の被変位端を、実質的に前記超磁歪素子の自由端側の変位のゼロ点またはそれに相当する位置まで予め変位させる予変位手段とを有し、前記予変位手段による変位の後に、前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得るようにしたことを特徴とするものからなる。また、本発明に係る微小変位制御方法は、上記予変位手段による変位の後に、上記超磁歪素子の伸縮制御装置における超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得ることを特徴とする方法からなる。   In order to solve the above-described problems, the micro displacement control device according to the present invention is (A) extending and contracting the giant magnetostrictive element by applying a magnetic force to the giant magnetostrictive element having one end fixed and the other end free. A device for controlling expansion and contraction of a giant magnetostrictive element that outputs the displacement of its free end, wherein a rod-like giant magnetostrictive element is disposed (inside) between both end plates made of a non-magnetic material, and the giant magnetostrictive element By arranging magnetic force generating means by an electromagnet on the fixed end side and the free end side on the coaxial line and controlling the current value of the magnetic force generating means, the super magnetostrictive element is continuously expanded and contracted, and the displacement of the super magnetostrictive element is reduced. A super magnetostrictive element expansion / contraction control device configured to output to the free end side; and (B) a displaced end separate from the free end side of the super magnetostrictive element or the free end that can be displaced integrally with the free end. Substantially on the free end side of the giant magnetostrictive element. Pre-displacement means for pre-displacement to the zero point of the position or a position corresponding to it, and after the displacement by the pre-displacement means, a target minute displacement by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element It consists of what is characterized by having obtained. Further, the micro displacement control method according to the present invention provides a target micro displacement by a displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element in the super magnetostrictive element expansion / contraction control device after the displacement by the pre-displacement means. It consists of a method characterized by obtaining.

すなわち、基本的に超磁歪素子の両端からの電磁石による磁力の発生手段により超磁歪素子に作用させる磁力を制御し、超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に連続的な変位として出力させるようにしたものであるが、超磁歪素子の有効な変位可能量は一般にそれほど大きくはとれないので、微小変位を得るための目標制御範囲のゼロ点に至るまでは（たとえば、硬さ測定における被測定物に実質的に接触するまでは）、超磁歪素子に比べて比較的大きな変位が得られる予変位手段による変位によって、超磁歪素子の自由端自体または該自由端と一体的に変位可能な該自由端とは別の被変位端を予め移動させ、そのゼロ点から、超磁歪素子の伸縮により、目標とする高精度の微小変位を制御するようにしたものである。   That is, basically, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is controlled by the means for generating the magnetic force from both ends of the giant magnetostrictive element, the giant magnetostrictive element is continuously expanded and contracted, and the displacement is moved to the free end side of the giant magnetostrictive element. Although the effective displacement amount of the giant magnetostrictive element is generally not so large, until the zero point of the target control range for obtaining a small displacement is reached. For example, until substantially contacting the object to be measured in hardness measurement), the free end of the giant magnetostrictive element itself or the free end thereof is displaced by the displacement by the pre-displacement means that can obtain a relatively large displacement compared to the giant magnetostrictive element. The displacement end, which is different from the free end that can be displaced together, is moved in advance, and the target micro displacement is controlled from the zero point by expansion and contraction of the giant magnetostrictive element. Ah .

この微小変位制御装置には超磁歪素子内部の磁束密度を検出するための磁束検出手段を設置することができ、超磁歪素子の軸方向の中心部分に設置する。超磁歪素子は後述するように、ある領域においては、磁束密度に比例し伸縮するので、超磁歪素子の内部の磁束密度を正確に計測することができれば伸縮量を正確に把握することが可能となる。本装置は磁力発生用電磁石が超磁歪素子の両端に配置されているため、超磁歪素子の軸方向の中心部に磁束検出手段を設置することが可能となり、超磁歪素子を通る磁束を正確に計測することが可能となっている。また、十分に二つの電磁石から離れているので、電磁石からの漏れ磁束を検出することなく、超磁歪素子の内部の磁束密度のみを正確に計測することが可能となる。   This micro displacement control device can be provided with magnetic flux detection means for detecting the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element, and is installed at the central portion in the axial direction of the giant magnetostrictive element. As will be described later, since the giant magnetostrictive element expands and contracts in proportion to the magnetic flux density in a certain region, if the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element can be accurately measured, the amount of expansion and contraction can be accurately grasped. Become. In this device, since the magnetism generating electromagnets are arranged at both ends of the giant magnetostrictive element, it becomes possible to install a magnetic flux detecting means in the central portion of the giant magnetostrictive element in the axial direction, and the magnetic flux passing through the giant magnetostrictive element can be accurately measured. It is possible to measure. Further, since the two electromagnets are sufficiently separated from each other, it is possible to accurately measure only the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element without detecting leakage magnetic flux from the electromagnets.

ここで使用する両端板は非磁性体かつ熱伝導率の低い断熱板等が好ましい。このとき、超磁歪素子にかかる磁力を多くするために、超磁歪素子を電磁石になるべく近づける必要がある。このため、両端板に超磁歪素子と実質的に同径の止まり穴を、たとえば、自由端板および固定端板の厚さ１ｍｍ残すように超磁歪素子側から開け、超磁歪素子の端部を挿入する。これにより、磁力発生手段からの磁力を所定の位置関係の望ましい状態で超磁歪素子の両端に作用させることができ、かつ、非磁性体かつ熱伝導率の低い断熱板からなる端板とすることにより、磁力発生手段からの磁力のロスを抑え、電磁石からの発熱を遮断することができる。また、電磁石の鉄心と両端板の間には、超磁歪素子の自由端側に出力される変位よりも大きいギャップ、たとえば、０．１ｍｍ程度のギャップがあることが、好ましい。これにより、自由端側に出力される変位を確実に得ることができる。   The both end plates used here are preferably non-magnetic and heat insulating plates with low thermal conductivity. At this time, in order to increase the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element, it is necessary to bring the giant magnetostrictive element as close as possible to the electromagnet. For this reason, a blind hole having substantially the same diameter as the giant magnetostrictive element is opened on both end plates, for example, from the giant magnetostrictive element side so as to leave a thickness of 1 mm of the free end plate and the fixed end plate, and the end of the giant magnetostrictive element is opened. insert. Thereby, the magnetic force from the magnetic force generating means can be applied to both ends of the giant magnetostrictive element in a desired state of a predetermined positional relationship, and the end plate is made of a non-magnetic material and a heat insulating plate having low thermal conductivity. Thus, the loss of magnetic force from the magnetic force generation means can be suppressed and the heat generation from the electromagnet can be blocked. Moreover, it is preferable that there is a gap larger than the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element, for example, a gap of about 0.1 mm, between the iron core of the electromagnet and both end plates. Thereby, the displacement output to the free end side can be obtained reliably.

また、電磁石の鉄心から超磁歪素子までのギャップ部により多くの漏れ磁束が発生するが、このときの漏れ磁束は、２つの電磁石のすぐ側で発生しているため、すぐにそれぞれの電磁石のリターン側に吸収される。また、漏れ磁束にならず超磁歪素子の内部に入った磁束は、超磁歪素子両端より２つの電磁石が異極を向き合わせて磁束を発生しているので、超磁歪素子内部の磁束のとおりが良くなり、ほとんど漏れ磁束にならない。よって、超磁歪素子の長さ方向中心付近は、十分に離れているので電磁石の磁束の影響を受けにくく、かつ、この装置においての最大の漏れ磁束発生部であるギャップ部の漏れ磁束の影響もなく、また、超磁歪素子内部の漏れ磁束も少ないので、超磁歪素子内部の磁束密度を検出するのに最適である。   In addition, a large amount of leakage magnetic flux is generated in the gap from the iron core of the electromagnet to the giant magnetostrictive element. At this time, the leakage magnetic flux is generated on the immediate side of the two electromagnets. Absorbed to the side. In addition, the magnetic flux that has entered the inside of the giant magnetostrictive element instead of leaking magnetic flux is generated by the two electromagnets facing opposite poles from both ends of the giant magnetostrictive element. It becomes better and almost no leakage flux. Therefore, the vicinity of the center in the longitudinal direction of the giant magnetostrictive element is sufficiently separated from the influence of the magnetic flux of the electromagnet, and the influence of the leakage magnetic flux of the gap portion which is the largest leakage magnetic flux generating portion in this apparatus is also affected. In addition, since the leakage magnetic flux inside the giant magnetostrictive element is small, it is optimal for detecting the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element.

また、例えば図２に示すような形態をとることも可能である。本発明に係る微小変位制御装置は、一端が固定され、他端が自由端の超磁歪素子２に磁力を作用させることにより前記超磁歪素子２を伸長させて、その自由端の変位を出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置であって、超磁歪素子２の固定端側および自由端側に電磁石５による磁力発生手段を同軸線上に配し、それぞれの電磁石５の鉄心６、鉄心を兼ねた出力ロッド１１間に超磁歪素子２を配する。該磁力発生手段の電流値を制御することにより、前記超磁歪素子２を連続的に伸長させその変位を超磁歪素子２の自由端側にある、鉄心を兼ねている出力ロッド１１に伝え、出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置を用い、前記超磁歪素子２の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得るようにしたことを特徴とするものからなる。すなわち、基本的に超磁歪素子２の両端からの電磁石による磁力の発生手段により超磁歪素子に作用させる磁力を制御し、超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に連続的な変位として出力させるようにしたものである。また、この微小変位制御装置には超磁歪素子２内部の磁束密度を検出するための検出コイル１５を設置するのに最適な構成となっており、超磁歪素子２の軸方向の中心部分に設置することができる。超磁歪素子２は後述するある領域においては、磁束密度に比例し伸縮するので、超磁歪素子２の内部の磁束密度を正確に計測することができれば伸縮量を正確に把握することが可能となる。本装置は磁力発生用電磁石５が超磁歪素子２の両端に配置されているため、超磁歪素子２の軸方向の中心部に検出コイル１５を設置することが可能となり、超磁歪素子２を通る磁束を正確に計測することが可能となっている。また、十分に二つの電磁石５から離れているので、電磁石５からの漏れ磁束を検出することなく、超磁歪素子２の内部の磁束密度を正確に計測することが可能となる。   For example, it is possible to take a form as shown in FIG. The minute displacement control device according to the present invention causes the giant magnetostrictive element 2 to extend by applying a magnetic force to the giant magnetostrictive element 2 having one end fixed and the other end free, and outputs the displacement of the free end. A super magnetostrictive element expansion / contraction control device configured as described above, wherein magnetic force generating means by the electromagnet 5 are arranged on the coaxial line on the fixed end side and the free end side of the super magnetostrictive element 2, and the iron core 6 and iron core of each electromagnet 5 are connected. The giant magnetostrictive element 2 is disposed between the output rods 11 that also serve as the elements. By controlling the current value of the magnetic force generating means, the giant magnetostrictive element 2 is continuously extended, and the displacement is transmitted to the output rod 11 serving as an iron core on the free end side of the giant magnetostrictive element 2 for output. The above-described expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element is used to obtain a target minute displacement by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element 2. That is, basically, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is controlled by means for generating the magnetic force from the both ends of the giant magnetostrictive element 2, and the giant magnetostrictive element is continuously expanded and contracted so that the displacement is on the free end side of the giant magnetostrictive element. Is output as a continuous displacement. In addition, this micro displacement control device has an optimum configuration for installing a detection coil 15 for detecting the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 and is installed at the central portion of the giant magnetostrictive element 2 in the axial direction. can do. Since the giant magnetostrictive element 2 expands and contracts in proportion to the magnetic flux density in a certain region to be described later, if the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 can be accurately measured, the amount of expansion and contraction can be accurately grasped. . In this apparatus, since the electromagnet 5 for generating magnetic force is arranged at both ends of the giant magnetostrictive element 2, it is possible to install the detection coil 15 at the center of the giant magnetostrictive element 2 in the axial direction, and pass through the giant magnetostrictive element 2. Magnetic flux can be measured accurately. Further, since the two electromagnets 5 are sufficiently separated from each other, it is possible to accurately measure the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 without detecting the leakage magnetic flux from the electromagnet 5.

また、超磁歪素子は伸縮ヒステリシスが大きいが、超磁歪素子内部の磁束密度を正確に計測しフィードバックしさえすれば、ヒステリシスの問題なく伸縮制御することが可能となる。   The giant magnetostrictive element has a large expansion / contraction hysteresis. However, if the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element is accurately measured and fed back, the expansion / contraction can be controlled without a problem of hysteresis.

超磁歪素子の軸方向にバイアス磁力をかけるために、永久磁石を設置することもできる。バイアス磁力が無い場合、超磁歪素子に電磁石により磁力をかけていくと、初めは、磁束検出手段による超磁歪素子内部の磁束密度とこの装置の変位出力は比例しない。ある程度、磁力をかけると超磁歪素子内部の磁束密度とこの装置の変位出力は比例するようになる。超磁歪素子内部の磁束密度と変位量が比例する領域まであらかじめ電磁石または永久磁石によりバイアス磁力をかけておくと、超磁歪素子内部の磁束密度とこの装置の変位出力が比例した状態で制御を行うことが可能となる。   A permanent magnet can be installed in order to apply a bias magnetic force in the axial direction of the giant magnetostrictive element. When there is no bias magnetic force, when a magnetic force is applied to the giant magnetostrictive element by an electromagnet, initially, the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element by the magnetic flux detecting means is not proportional to the displacement output of this device. When a magnetic force is applied to some extent, the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element and the displacement output of this device become proportional. If a bias magnetic force is applied in advance to the region where the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element is proportional to the amount of displacement, control is performed with the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element and the displacement output of this device in proportion. It becomes possible.

電磁石によるバイアス磁界は、超磁歪素子の伸縮用の二つの電磁石により、超磁歪素子が伸縮するのと同方向の極性に、あらかじめ電磁石に通電させておく。   The bias magnetic field generated by the electromagnet is previously energized to the electromagnet by the two electromagnets for expansion / contraction of the giant magnetostrictive element in the same direction as the giant magnetostrictive element expands / contracts.

バイアス磁石の設置は、超磁歪素子の外側に軸方向に磁化された中空円柱形の永久磁石を設置してもよいし、超磁歪素子の両端に二つの円柱形の永久磁石を異極を向かい合わせに設置してもよい。また、それぞれの電磁石の鉄心の根本に二つの中空円柱形の永久磁石を異極を向かい合わせに設置して、それぞれの鉄心先端から超磁歪素子の両端にバイアス磁力がかかるようにしてもよい。要するに、超磁歪素子の軸方向で、かつ、２つのの電磁石と極性が同方向のバイアス磁力がかかるように設置すればよい。   The bias magnet may be installed by placing a hollow cylindrical permanent magnet magnetized in the axial direction outside the giant magnetostrictive element, or two cylindrical permanent magnets facing opposite poles at both ends of the giant magnetostrictive element. You may install together. Alternatively, two hollow cylindrical permanent magnets may be installed at the root of the iron core of each electromagnet so that the opposite poles face each other so that a bias magnetic force is applied from the tip of each iron core to both ends of the giant magnetostrictive element. In short, it may be installed so that a bias magnetic force is applied in the axial direction of the giant magnetostrictive element and in the same direction as the two electromagnets.

また、超磁歪素子を二分割し、その分割部分に磁力測定装置、例えば非磁性体からなるガイドに内包された、ホール素子を設置することもできる。これにより、超磁歪素子を通る磁束を正確に計測することが可能となり、正確に伸縮制御することが可能となる。   Alternatively, the giant magnetostrictive element can be divided into two parts, and a Hall element enclosed in a magnetic force measuring device, for example, a guide made of a non-magnetic material, can be installed in the divided part. As a result, the magnetic flux passing through the giant magnetostrictive element can be accurately measured, and the expansion and contraction can be accurately controlled.

また、超磁歪素子に設置されている検出コイルにインダクタンスメータを接続し、インダクタンスの変化をとらえることで、超磁歪素子の変位量と相関づけることも可能である。要するに、検出コイルの検出信号の変化を拾えれば、どのような手段を用いてもよい。   It is also possible to correlate with the displacement of the giant magnetostrictive element by connecting an inductance meter to the detection coil installed in the giant magnetostrictive element and capturing the change in inductance. In short, any means may be used as long as the change in the detection signal of the detection coil can be picked up.

電磁石二つを向かい合わせて超磁歪素子の両端から効率よく磁化させることにより、十分な伸縮量を得ている。極めて精密に超磁歪素子の伸縮制御を行うことが可能となっている。   A sufficient amount of expansion and contraction is obtained by efficiently magnetizing two electromagnets facing each other from both ends of the giant magnetostrictive element. It is possible to control the expansion and contraction of the giant magnetostrictive element with extremely high precision.

最も漏れ磁束が多くなるギャップ部に磁力発生手段である電磁石が配置されているので、漏れ磁束が多い中でも、より多くの磁束を超磁歪素子に伝えることができる。また、このときの漏れ磁束は、すぐにそれぞれの電磁石のリターン側へ吸収され、磁気回路としてはロスが少ない。   Since the electromagnet, which is a magnetic force generating means, is disposed in the gap portion where the leakage magnetic flux increases most, even when the leakage magnetic flux is large, more magnetic flux can be transmitted to the giant magnetostrictive element. Moreover, the leakage magnetic flux at this time is immediately absorbed by the return side of each electromagnet, and there is little loss as a magnetic circuit.

電磁石２つを対向させ、間に超磁歪素子を配する構成において、それぞれの電磁石の反超磁歪素子側の鉄心を磁気閉回路にするための電磁石端部保持板およびヨーク（板）を取り付けることが好ましい。これにより、超磁歪素子にかかる磁力の増大および電流値の低減をはかることができ、かつ、漏洩磁気を低減することが可能となる。このヨークは、超磁歪素子を備えた装置のフレームを兼ねることができる。   In a configuration in which two electromagnets are opposed to each other and a giant magnetostrictive element is disposed between them, an electromagnet end holding plate and a yoke (plate) for making the iron core of each electromagnet on the anti-giant magnetostrictive element side a magnetic closed circuit are attached. preferable. As a result, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element can be increased and the current value can be reduced, and the leakage magnetism can be reduced. This yoke can also serve as a frame of a device provided with a giant magnetostrictive element.

また、電磁石の鉄心、電磁石端部保持板、ヨーク（板）には電磁軟鉄（純鉄）を磁気焼鈍したものを用いることが好ましい。これにより、さらなる、超磁歪素子にかかる磁力の増大および電流値の低減をはかることができる。   Moreover, it is preferable to use what annealed electromagnetic soft iron (pure iron) for the iron core of an electromagnet, an electromagnet edge holding plate, and a yoke (plate). As a result, it is possible to further increase the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element and reduce the current value.

磁力発生手段による磁力の方向については、向かい合う電磁石が異なる極性になるようにそれぞれの電磁石に電流を流す。このとき、自由端、固定端ともにＳ、Ｎどちらの極性でもよく、要するにそれぞれが異なる極性でありさえすればよい。このことにより、超磁歪素子にかかる磁力を効率的なものにしている。   About the direction of the magnetic force by a magnetic force generation means, an electric current is sent through each electromagnet so that the opposing electromagnets may have different polarities. At this time, both the free end and the fixed end may have either S or N polarity, and it is only necessary that each has a different polarity. As a result, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element is made efficient.

電磁石のコイルの線径はジュール熱の発生を極力防ぐために、φ0.4ｍｍ以上であることが望ましい。また、このときのコイルの巻き数はそれぞれ６００回以上でかつ両コイルの巻き数が同じであることが好ましく、これにより超磁歪素子に十分な磁力を与えることが可能となる。   In order to prevent the generation of Joule heat as much as possible, the coil diameter of the electromagnet coil is preferably φ0.4 mm or more. Further, at this time, the number of turns of the coil is preferably 600 times or more, and the number of turns of both the coils is preferably the same, whereby a sufficient magnetic force can be applied to the giant magnetostrictive element.

電磁石のコイルに流す電流は超磁歪素子のそれぞれの端面をなるべく均等に磁化させる意味で、常に２つの電磁石には実質的に同じ値の電流を流すことが好ましい。   The current flowing through the coil of the electromagnet means that each end face of the giant magnetostrictive element is magnetized as evenly as possible, and it is preferable to always pass substantially the same value of current through the two electromagnets.

出力ロッドは超磁歪素子と同軸線上に配置されていることが好ましく、スライドガイド等の１方向のみの自由度を持つガイドにより、直線的に変位出力されることが好ましい。これらのことにより、超磁歪素子の変位量が、誤差を含むことなくダイレクトに出力され、高精度な変位出力を得ることが可能となる。   The output rod is preferably arranged coaxially with the giant magnetostrictive element, and is preferably linearly displaced by a guide having a degree of freedom in only one direction, such as a slide guide. As a result, the displacement amount of the giant magnetostrictive element is directly output without including an error, and a highly accurate displacement output can be obtained.

また、超磁歪素子の自由端側から超磁歪素子にプリストレスを与える手段が設けられていることが好ましい。たとえば、上記自由端板またはその取り付け部材を介してスプリング等の付勢手段によりプリストレスを与えることが可能である。このような付勢手段を設ければ、自由端側となる自由端板を超磁歪素子に押しつけておくことが可能になり、このことにより、超磁歪素子にはプリストレスが与えられてその伸縮の特性が改善され、かつ、装置全体の送り方向の剛性が向上し、より精密な制御が可能になる。   Further, it is preferable that a means for applying prestress to the giant magnetostrictive element from the free end side of the giant magnetostrictive element is provided. For example, prestress can be applied by biasing means such as a spring through the free end plate or its attachment member. If such an urging means is provided, it becomes possible to press the free end plate on the free end side against the giant magnetostrictive element. And the rigidity of the entire apparatus in the feeding direction is improved, and more precise control is possible.

このような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この微小変位制御装置を用いて、超微小硬さ測定装置を構成することができる。すなわち、本発明に係る硬さ等の測定装置は、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位を、被測定物への押し込み量とし、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の「押し込み量−荷重」特性と硬さ値等を得るようにしたことを特徴とするものからなる。   Such a micro displacement control device provided with the expansion / contraction control device for a giant magnetostrictive element according to the present invention can be applied to various devices that require fine and precise feeding and output, for example, using this micro displacement control device, An ultra-micro hardness measuring device can be configured. That is, the measurement device for hardness or the like according to the present invention is configured to transfer the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion / contraction control device of the giant magnetostrictive element in the minute displacement control apparatus as described above to the object to be measured. The amount of indentation is measured using a load measuring device, and the load corresponding to the amount of indentation is measured to obtain the "indentation amount-load" characteristics and hardness value of the object to be measured. Consists of.

例えば後述の図に示すように、この超微小硬さ測定装置における測定では、この装置の変位出力軸と同軸線上に荷重計測装置、例えば、圧電型ロードセルが設置されている。さらに圧電型ロードセルの上部に、例えば、ベルコビッチダイアモンド圧子が上向きに取り付けられている。この時の圧子と測定試料との接触は、圧電型ロードセルにより検知し、この時の圧子の位置をゼロ点とする。また、測定試料を設置する試料設置板とベルコビッチダイアモンド圧子の位置関係については、例えば、φ２ｍｍ程度の穴が開いた試料設置板をベルコビッチダイアモンド圧子の上部に設置する。このとき、試料設置板に開いた穴とベルコビッチダイアモンド圧子を同軸線上に配置し、ベルコビッチダイアモンド圧子先端が試料設置板よりわずかに引っ込んでいるように設置する。測定前の状態はこの装置の伸縮ストロークの最短状態となっている。試料設置板に測定試料面を下向きに置き、例えば、マイクロメータ等で固定する。次に、この装置に電流を流し超磁歪素子を伸長させると、試料設置板の穴よりベルコビッチダイアモンド圧子先端がでてきて、測定試料面に圧子を押し込む。この時の圧子の位置制御は、例えば、磁束検出手段によるフィードバック制御により一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を前記荷重計により連続して読みとる。これを、圧子戻り方向にも同様に行い、荷重が０になるまで行う。これにより、「押し込み量−荷重」特性のグラフが作成でき、連続特性曲線を求めることができるとともに、それぞれの測定点の硬さ値を求めることができる。この特性曲線は材質により異なるので、物性評価の比較検討および、ヤング率等の物性データを得ることが可能となる。   For example, as shown in the drawings described later, in the measurement by the ultra-small hardness measuring device, a load measuring device, for example, a piezoelectric load cell, is installed on the same axis as the displacement output shaft of the device. Further, for example, a Belkovic diamond indenter is attached upward on the piezoelectric load cell. The contact between the indenter and the measurement sample at this time is detected by a piezoelectric load cell, and the position of the indenter at this time is set as a zero point. As for the positional relationship between the sample setting plate on which the measurement sample is set and the Belkovic diamond indenter, for example, a sample setting plate with a hole of about φ2 mm is set on the upper part of the Belkovic diamond indenter. At this time, the hole opened in the sample setting plate and the Belkovic diamond indenter are arranged on the coaxial line so that the tip of the Berkovich diamond indenter is slightly retracted from the sample setting plate. The state before the measurement is the shortest state of the expansion / contraction stroke of this apparatus. Place the measurement sample surface downward on the sample mounting plate and fix it with, for example, a micrometer. Next, when a current is passed through the apparatus to extend the giant magnetostrictive element, the tip of the Belkovic diamond indenter comes out from the hole in the sample setting plate, and the indenter is pushed into the measurement sample surface. The position control of the indenter at this time is continuously performed, for example, at a constant speed by feedback control by the magnetic flux detection means, and the load at this time is continuously read by the load meter. This is similarly performed in the indenter return direction until the load becomes zero. Thereby, a graph of “push amount-load” characteristic can be created, a continuous characteristic curve can be obtained, and the hardness value of each measurement point can be obtained. Since this characteristic curve varies depending on the material, it becomes possible to obtain a comparative examination of physical property evaluation and physical property data such as Young's modulus.

試料設置板の高さの微調整機構として、図１５に示すように行なうことも可能である。例えば、試料設置板２１は、スライドガイド３２に連結されていて、付勢手段３１により上方に力がかけられている。この時の試料設置板２１と上向きに設置されているベルコビッチダイアモンド圧子２０の位置関係は、試料設置板２１の方が、例えば、2mm程高い位置にある。その状態の試料設置板２１に測定試料２５を測定面を下向きにして置き、例えば、マイクロメータ２３により、試料設置板２１とマイクロメータ２３の先端で測定試料２５を挟み込むようにする。その状態で、マイクロメータ２３により、測定試料２５を試料設置板２１と共に押し下げていき、ベルコビッチダイアモンド圧子２０の先端ぎりぎりになるようにする。その状態で試料設置完了となり、測定を開始する。   As a fine adjustment mechanism of the height of the sample mounting plate, it can be performed as shown in FIG. For example, the sample setting plate 21 is connected to the slide guide 32, and a force is applied upward by the biasing means 31. At this time, with respect to the positional relationship between the sample setting plate 21 and the Belkovic diamond indenter 20 set upward, the sample setting plate 21 is at a position higher by about 2 mm, for example. The measurement sample 25 is placed on the sample setting plate 21 in that state with the measurement surface facing downward, and the measurement sample 25 is sandwiched between the sample setting plate 21 and the tip of the micrometer 23 by, for example, the micrometer 23. In this state, the measurement sample 25 is pushed down together with the sample setting plate 21 by the micrometer 23 so that the tip of the Belkovic diamond indenter 20 is almost reached. In this state, the sample installation is completed and measurement is started.

また、この位置のスライドガイド３２を固定するか、または、試料設置板２１をビス等によりホルダ連結板２６等に固定しておけば、次回からの測定は、試料を置いて軽くマイクロメータ２３で押さえるだけてよくなり、スピーディに測定試料設置が完了する。   Further, if the slide guide 32 at this position is fixed, or if the sample setting plate 21 is fixed to the holder connecting plate 26 or the like with screws or the like, the next measurement is performed by placing the sample lightly with the micrometer 23. All you need to do is hold down, and the measurement sample installation is completed quickly.

また、例えば図１６に示すような形態をとることも可能である。この超微小硬さ測定装置４２における測定では、測定試料設置までは、図１５に示されている試料設置板の高さの微調整機構による試料設置と同じように行なう。その後、測定開始点（圧子と測定試料が接触する点）までは圧電アクチュエータ２７（つまり、本発明における予変位手段）の変位出力より圧子を上方に動かしていき、圧子と測定試料が接触した時を圧子押し込みのゼロ点とする。次に、圧子を測定試料に押し込む時は、超磁歪素子による微小変位制御装置にて行ない、この時の圧子の位置制御は、例えば、磁束検出手段によるフィードバック制御により一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を前記荷重計により連続して読みとる。これを、圧子戻り方向にも同様に行い、荷重が０になるまで行う。こうすることにより、圧子が測定試料に接触するまでの間に微小変位制御装置の変位出力を使うことがなくなり、全ての変位出力を圧子押し込みに使用できるので、設定圧子押し込み量が大きくとも測定可能となる。また、測定試料と圧子先端のクリアランスの設定も簡易なものとなる。   Further, for example, it is possible to take a form as shown in FIG. In the measurement by the ultra-small hardness measuring device 42, the measurement sample is set up in the same manner as the sample setting by the fine adjustment mechanism of the height of the sample setting plate shown in FIG. Thereafter, the indenter is moved upward from the displacement output of the piezoelectric actuator 27 (that is, the pre-displacement means in the present invention) until the measurement start point (the point where the indenter and the measurement sample come into contact). Is the zero point of indenter indentation. Next, when the indenter is pushed into the measurement sample, it is performed by a micro displacement control device using a giant magnetostrictive element. At this time, the position control of the indenter is continuously performed at a constant speed by feedback control by a magnetic flux detection means, for example. The load at this time is continuously read by the load meter. This is similarly performed in the indenter return direction until the load becomes zero. By doing this, the displacement output of the minute displacement control device is not used until the indenter contacts the measurement sample, and all displacement outputs can be used for indenter indentation, allowing measurement even when the set indenter indentation amount is large. It becomes. In addition, the clearance between the measurement sample and the indenter tip can be easily set.

また、例えば図１７に示すような形態をとることも可能である。この超微小硬さ測定装置４３における測定では、例えば、エアアクチュエータ、ステッピングモータ、リニアアクチュエータ等の粗調移動部３４の出力軸に、この微小変位制御装置１が下向きに設置されている。さらに、この装置の変位出力軸側に、例えば、ベルコビッチダイアモンド圧子２０が取り付けられている。また、ベルコビッチダイアモンド圧子２０と同軸線上で、かつ、対向して荷重計測装置例えば圧電型ロードセル２２、その上部に測定試料２５を設置する試料設置板２１が設置されている。測定前の状態はこの微小変位制御装置１の伸縮ストロークの最短状態となっている。試料設置板２１に測定試料２５の測定面を上向きに置き、例えば、板バネ等で固定する。はじめに、粗調移動部３４により、ベルコビッチダイアモンド圧子２０を測定試料２５のある程度まで接近させる。次に、この装置に電流を流し、超磁歪素子を伸長させ、測定試料面に圧子を押し込む。圧子と測定試料２５との最初の接触は、圧電型ロードセル２２により検知し、この時の圧子の位置を、圧子押し込みのゼロ点とする。また、圧子の位置制御は、例えば、一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を前記荷重計により連続して読みとり、同様に、圧子の戻り方向もこれを行なう。   Further, for example, it is possible to take a form as shown in FIG. In the measurement by the ultra micro hardness measuring device 43, for example, the micro displacement control device 1 is installed downward on the output shaft of the coarse adjustment moving unit 34 such as an air actuator, a stepping motor, or a linear actuator. Further, for example, a Belkovic diamond indenter 20 is attached to the displacement output shaft side of the apparatus. In addition, a load measuring device, for example, a piezoelectric load cell 22 is disposed on the same axis as the Belkovic diamond indenter 20, and a sample setting plate 21 for setting a measurement sample 25 is provided on the load measuring device. The state before the measurement is the shortest state of the expansion / contraction stroke of the minute displacement control device 1. The measurement surface of the measurement sample 25 is placed on the sample setting plate 21 and fixed with, for example, a leaf spring. First, the coarse adjustment moving unit 34 causes the Belkovic diamond indenter 20 to approach the measurement sample 25 to some extent. Next, an electric current is passed through this device, the giant magnetostrictive element is extended, and an indenter is pushed into the measurement sample surface. The first contact between the indenter and the measurement sample 25 is detected by the piezoelectric load cell 22, and the position of the indenter at this time is set as the zero point of the indenter push-in. Further, the position control of the indenter is continuously performed, for example, at a constant speed, and the load at this time is continuously read by the load meter, and similarly, the return direction of the indenter is also performed.

また、例えば図１８に示すような形態をとることも可能である。この超微小硬さ測定装置４４における測定では、例えば、エアアクチュエータ、ステッピングモータ、リニアアクチュエータ等の粗調移動部３４の出力軸に、この微小変位制御装置１が下向きに設置されている。また、この装置と対向して荷重計測装置、例えば、圧電型ロードセル２２が上向きに設置されていて、その上部にさらに、例えば、ベルコビッチダイアモンド圧子２０が上向きに取り付けられている。試料設置板の高さの微調整機構として、例えば、試料設置板２１は、ベース板３３に固定されているスライドガイド３２に連結されていて、付勢手段３１により上方に力がかけられている。この時の試料設置板２１と上向きに設置されているベルコビッチダイアモンド圧子２０の位置関係は、試料設置板２１の方が、例えば、2mm程高い位置にある。その状態の試料設置板２１に測定試料２５を測定面を下向きにして置き、微小変位制御装置１の先端と試料設置板２１で測定試料２５を挟み込むようにする。測定前の状態はこの装置の伸縮ストロークの最短状態となっている。はじめに、粗調移動部３４により、測定試料２５と試料設置板２１の両方を押し下げ、ベルコビッチダイアモンド圧子２０の先端にある程度まで接近させる。次に、この装置に電流を流し、超磁歪素子を伸長させ、測定試料２５を試料設置板２１と共に押し下げ、測定面に圧子を押し込む。圧子と測定試料２５との最初の接触は、圧電型ロードセル２２により検知し、この時の圧子の位置を、圧子押し込みのゼロ点とする。また、圧子の位置制御は、例えば、一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を前記荷重計により連続して読みとり、同様に、圧子の戻り方向もこれを行なう。   Further, for example, it is possible to take a form as shown in FIG. In the measurement by the ultra-small hardness measuring device 44, for example, the micro-displacement control device 1 is installed downward on the output shaft of the coarse adjustment moving unit 34 such as an air actuator, a stepping motor, or a linear actuator. Further, a load measuring device, for example, a piezoelectric load cell 22 is installed facing the device, and a Belkovic diamond indenter 20 is mounted upward on the upper portion of the load measuring device. As a fine adjustment mechanism for the height of the sample setting plate, for example, the sample setting plate 21 is connected to a slide guide 32 fixed to the base plate 33, and a force is applied upward by the biasing means 31. . At this time, with respect to the positional relationship between the sample setting plate 21 and the Belkovic diamond indenter 20 set upward, the sample setting plate 21 is at a position higher by about 2 mm, for example. The measurement sample 25 is placed on the sample setting plate 21 in this state with the measurement surface facing downward, and the measurement sample 25 is sandwiched between the tip of the minute displacement control device 1 and the sample setting plate 21. The state before the measurement is the shortest state of the expansion / contraction stroke of this apparatus. First, both of the measurement sample 25 and the sample setting plate 21 are pushed down by the coarse adjustment moving unit 34 and brought close to the tip of the Belkovic diamond indenter 20 to some extent. Next, an electric current is passed through the apparatus to extend the giant magnetostrictive element, the measurement sample 25 is pushed down together with the sample setting plate 21, and an indenter is pushed into the measurement surface. The first contact between the indenter and the measurement sample 25 is detected by the piezoelectric load cell 22, and the position of the indenter at this time is set as the zero point of the indenter push-in. Further, the position control of the indenter is continuously performed, for example, at a constant speed, and the load at this time is continuously read by the load meter, and similarly, the return direction of the indenter is also performed.

これらの超微小硬さ測定装置においては、超磁歪素子、出力ロッド、圧電型ロードセル、圧子が同軸線上に並んでおり、非接触部分がない。これらのことは、アッベの原理から見ても精度的に有利であり、かつ、耐振動性能的にも好影響である。   In these ultra-small hardness measuring devices, the giant magnetostrictive element, the output rod, the piezoelectric load cell, and the indenter are arranged on the coaxial line, and there is no non-contact portion. These are advantageous in terms of accuracy in terms of Abbe's principle, and also have a positive effect on vibration resistance.

これらの形態の超微小硬さ測定装置の別の押し込み方法として、圧子の位置制御を、例えば、磁束検出手段によるフィードバック制御により一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を前記荷重計により連続して読みとる。これを設定押し込み量まで行う。次に、例えば戻り方向の圧子押し込み量および荷重は計測せずに、圧子を素早く引き抜き、続いて同じ部位に二回目の押し込みを一回目の押し込み量と同量まで行い、その時の荷重を連続して読みとる（戻り方向の圧子押し込み量・荷重は計測せず）。これにより、「押し込み量−荷重」特性グラフにおいて、一回目は弾性・塑性変形の両方を含んだ曲線となるが、二回目は弾性変形のみの曲線を得ることができる。これにより、一回の押し込みで行き・戻り方向の両方を計測する前記方法と同等の測定曲線を得ることが可能となる。また、二回目の押し込みのタイミングをはかることにより、測定試料の弾性回復の時間関数を見ることも可能となる。   As another push-in method for the ultra-small hardness measuring device of these forms, the position control of the indenter is continuously performed at a constant speed by, for example, feedback control by the magnetic flux detection means, and the load at this time Is continuously read by the load cell. This is performed up to the set push-in amount. Next, for example, without measuring the indenter push-in amount and load in the return direction, quickly pull out the indenter, and then perform the second push on the same part up to the same amount as the first push-in, and continue the load at that time. (Reading indenter push-in amount and load in the return direction are not measured). Thereby, in the “push-in amount-load” characteristic graph, the first time becomes a curve including both elastic and plastic deformation, but the second time can obtain a curve of only elastic deformation. As a result, it is possible to obtain a measurement curve equivalent to the above method of measuring both the going and returning directions with a single push. Also, by measuring the timing of the second push, it is possible to see the time function of the elastic recovery of the measurement sample.

この微小変位制御装置においては、例えば、スプリング等の付勢手段によるプリストレスが約２０ｋｇｆかけられているので、超磁歪素子および系全体の剛性は非常に高い。一方、微小押し込み時（数μｍ以下）の最高荷重は数十グラム以下とごくわずかなので、押し込み時の装置の弾性変形は無視できる。よって、「測定試料に接触してからのこの装置による変位量」＝「圧子押し込み量」とみなすことができる。   In this minute displacement control device, for example, about 20 kgf of pre-stress by an urging means such as a spring is applied, so the rigidity of the giant magnetostrictive element and the entire system is very high. On the other hand, since the maximum load at the time of micro-indentation (several μm or less) is very small at several tens of grams or less, the elastic deformation of the device at the time of indentation can be ignored. Therefore, it can be regarded that “the amount of displacement by this device after contacting the measurement sample” = “the amount of indenter pushing”.

また、このような測定装置においては、変位を伴うことなく荷重計測が可能な荷重計測装置と組み合わせることが望ましい。そのためには、圧電型ロードセルが好適である。   Moreover, in such a measuring apparatus, it is desirable to combine with a load measuring apparatus capable of measuring a load without accompanying displacement. For this purpose, a piezoelectric load cell is suitable.

この微小変位制御装置により、ナノオーダーの押し込みが可能となるので、圧電型ロードセル等の微小荷重計測装置と併せて用いることにより、厚み数ミクロンオーダーの薄膜等の硬さ測定が可能となる。しかも、「押し込み量−荷重」特性の連続曲線が求まることにより、単に硬さだけにとどまらず、薄膜等のヤング率といった機械的性質を分析することも可能となる。   Since this minute displacement control device enables nano-order indentation, it can be used in combination with a minute load measuring device such as a piezoelectric load cell to measure the hardness of a thin film having a thickness of several microns. Moreover, by obtaining a continuous curve of the “push-in amount-load” characteristic, it is possible to analyze not only the hardness but also mechanical properties such as Young's modulus of a thin film or the like.

この圧子押し込みユニットに用いている微小変位制御装置は、超磁歪素子の物質としての伸縮を利用しているので、振動の影響をほとんど受けない。これにより、この超微小硬さ測定装置の除振台は、簡易なものでも問題はない。よって、測定装置全体として、高精度なものを安価に提供することが可能となる。   Since the minute displacement control device used in this indenter pushing unit uses expansion and contraction as a material of the giant magnetostrictive element, it is hardly affected by vibration. Thereby, even if the vibration isolator of this ultra micro hardness measuring apparatus is simple, there is no problem. Therefore, it is possible to provide a highly accurate device at a low cost as the whole measuring apparatus.

さらに、上記のような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を用いた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この微小変位制御装置を用いて、変位センサ校正装置を構成することができる。すなわち、本発明に係る変位センサの校正装置は、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位を磁束検出手段により読みとり、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力の校正あるいは性能の試験を行うようにしたことを特徴とするものからなる。   Further, the micro displacement control device using the super magnetostrictive element expansion / contraction control device according to the present invention as described above can be applied to various devices that require minute and precise feeding and output. By using it, a displacement sensor calibration device can be configured. That is, the displacement sensor calibration apparatus according to the present invention reads the displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element by the expansion and contraction control apparatus of the super magnetostrictive element in the micro displacement control apparatus as described above by the magnetic flux detection means, By contrasting with the output of the target displacement sensor, the output of the target displacement sensor is calibrated or the performance test is performed.

たとえば、ナノオーダーの分解能を持つような高精度変位センサの場合でも、測定出力のゼロ点・スパン調整（出力直線の傾き）はブロックゲージの厚みを変えて行っているのが現状である。しかし、このような高精度変位センサとなるとサブミクロンオーダーのばらつきがあるブロックゲージでは精度的に校正の信頼性に乏しい。そこで、例えばレーザー変位センサの場合、本発明に係る微小変位制御装置の変位出力部分に、レーザーを照射する。そして、この微小変位制御装置を用いて変位出力が直線になるように出力する。そして、レーザー変位センサの出力と対象し、直線の傾きが一致するようにレーザー変位センサのゼロ点・スパン調整（出力直線の傾き）を行う。   For example, even in the case of a high-precision displacement sensor having nano-order resolution, the zero point / span adjustment of the measurement output (inclination of the output straight line) is performed by changing the thickness of the block gauge. However, with such a high-precision displacement sensor, the accuracy of calibration is poor in a block gauge with sub-micron order variations. Therefore, for example, in the case of a laser displacement sensor, a laser is irradiated to the displacement output portion of the minute displacement control device according to the present invention. And it outputs so that a displacement output may become a straight line using this micro displacement control apparatus. Then, the output of the laser displacement sensor is targeted, and the zero point / span adjustment (inclination of the output straight line) of the laser displacement sensor is performed so that the straight line inclinations coincide.

また、この微小変位制御装置の変位出力部分に（変位出力方向と同方向に）センサを設置することも可能である。この構成では、実際の被測定物を使い校正することが可能となる。あらかじめセンサおよびこの装置の変位出力部分の軸合わせを行っておけば、より迅速かつ高精度の校正が可能となる。ここでいうセンサは、変位センサ、絶対測長センサ、ひずみゲージ等であり、接触、非接触を問わない。   It is also possible to install a sensor (in the same direction as the displacement output direction) in the displacement output portion of this minute displacement control device. With this configuration, it is possible to calibrate using an actual object to be measured. If the sensor and the displacement output portion of this apparatus are aligned in advance, calibration can be performed more quickly and with high accuracy. A sensor here is a displacement sensor, an absolute length sensor, a strain gauge, etc., and does not ask | require contact and non-contact.

また、この微小変位制御装置の磁束検出手段による信号をフィードバックし、微小変位制御装置への入力電流を制御することにより、ステップ状に駆動させることも可能である（図２１）。このステップを細かくすることにより、対象センサの分解能を知ることができる。また、同様にフィードバック制御により、微小変位制御装置を一定速度になるように変位出力させることにより、対象センサの線形性を調べることができる。これらのように、対象センサの性能試験を行うことが可能となる。   Further, it is also possible to drive in steps by feeding back a signal from the magnetic flux detection means of this minute displacement control device and controlling the input current to the minute displacement control device (FIG. 21). By making this step fine, the resolution of the target sensor can be known. Similarly, the linearity of the target sensor can be examined by causing the minute displacement control device to output a displacement at a constant speed by feedback control. As described above, the performance test of the target sensor can be performed.

さらに、上記のような本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を用いた微小変位制御装置は、各種微小かつ精密な送りや出力が必要な機器に適用でき、たとえば、この微小変位制御装置を用いて、位置決めステージを構成することができる。すなわち、本発明に係る位置決めステージは、上記のような微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うようにしたことを特徴とするものからなる。より具体的には、たとえば、図２２のように、微小変位制御装置が横置きに設置され、装置両端部にスライド手段が設けられている構造に構成でき、この微小変位制御装置の両側付近にある自由端連結板１４により連結された２つの出力板８と、ヨーク板１２により連結された両端にあるスライドハウジング９に、例えば、左右２つずつ設置された１方向のみ精密に摺動可能なスライドブッシュ１０を、スライドロッドを兼ねた、例えば、左右２つずつの出力ロッド１１により摺動可能に連結する。また、図２２では、前後２枚あるヨーク板１２の下端部は、自由端連結板１４の下端よりも下方に長くなっており、そのヨーク板１２の下端部のみが、位置決めステージを机等に設置した時に接触するようになっている。このようにヨーク板１２が位置決めステージの脚部を兼ねる構造とすることにより、上下２枚の自由端連結板１４のうち、下部の自由端連結板１４は机等の設置面に接触することなく左右にスライドすることが可能であり、また、上部の自由端連結板１４は位置決めステージのワーク等を設置するステージを兼ねることができる。このような構成とすれば、自由端連結板１４と出力板８は、左右のスライドブッシュ１０により確実にホールドされ超磁歪素子の伸縮方向以外のがたつきをなくすことができ、かつ、位置決めステージ上にワーク等を設置しても確実に支えることが可能となる。このように、スライドブッシュ等のわずかの追加のみで微小変位制御装置の構造体をそのまま生かした位置決めステージとすることができるので、非常に、無駄のないシンプルな構成とすることができる。もちろん、前記、微小変位制御装置にあらかじめスライドブッシュ等を追加して、このような位置決めステージと同様な構成としてもよい。このような構成とすれば、より、超磁歪素子の伸縮方向以外のがたつきが改善され、より、安定的な動作が可能となる。また、このとき、先の磁束検出手段等を設置した装置を用いれば、ヒステリシスの影響を受けることもなく精密に往復位置決め動作を行わせることが可能となる。さらに、この１方向ステージを９０°ずらして重ね合わせることにより、Ｘ・Ｙステージの構成も可能となる。もちろん、垂直方向のステージをさらに組み合わせＸ・Ｙ・Ｚステージとすることも可能であり、位置決め方向の組み合わせは任意に設定できる。   Further, the micro displacement control device using the super magnetostrictive element expansion / contraction control device according to the present invention as described above can be applied to various devices that require minute and precise feeding and output. By using it, a positioning stage can be configured. That is, in the positioning stage according to the present invention, the stage is positioned by the displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element by the super magnetostrictive element expansion / contraction control apparatus in the micro displacement control apparatus as described above. It consists of what is characterized by this. More specifically, for example, as shown in FIG. 22, the micro displacement control device can be installed horizontally, and a slide means is provided at both ends of the device. For example, two output plates 8 connected by a free end connecting plate 14 and slide housings 9 at both ends connected by a yoke plate 12 can slide precisely in only one direction, for example, two left and right. The slide bush 10 is slidably connected by, for example, two output rods 11 each serving as a slide rod. In FIG. 22, the lower end of the two yoke plates 12 at the front and rear are longer downward than the lower end of the free end connecting plate 14, and only the lower end of the yoke plate 12 is used as a desk for the positioning stage. It comes into contact when installed. Thus, by making the yoke plate 12 serve as the leg portion of the positioning stage, the lower free end connecting plate 14 of the upper and lower free end connecting plates 14 does not contact the installation surface of the desk or the like. It is possible to slide left and right, and the upper free end connecting plate 14 can also serve as a stage on which a workpiece or the like of a positioning stage is installed. With such a configuration, the free end connecting plate 14 and the output plate 8 are securely held by the left and right slide bushes 10 and can eliminate rattling other than the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element, and a positioning stage. Even if a workpiece or the like is installed on the top, it can be reliably supported. As described above, since the positioning stage can be made by utilizing the structure of the minute displacement control device as it is with a slight addition of a slide bush or the like, a very simple and simple configuration can be achieved. Of course, a slide bush or the like may be added in advance to the minute displacement control device, and the configuration similar to such a positioning stage may be used. With such a configuration, shakiness other than the expansion / contraction direction of the giant magnetostrictive element is improved, and more stable operation is possible. At this time, if a device provided with the magnetic flux detection means or the like is used, the reciprocating positioning operation can be performed accurately without being affected by hysteresis. Furthermore, the X / Y stage can be configured by superimposing the one-direction stage by shifting by 90 °. Of course, the vertical stage can be further combined into an X, Y, and Z stage, and the combination of positioning directions can be set arbitrarily.

同様に、本発明に係る方法においても、本発明に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置を用いて各所測定や位置決めを行うことができる。   Similarly, in the method according to the present invention, it is possible to perform measurement and positioning at various places using the micro displacement control device provided with the expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element according to the present invention.

すなわち、本発明に係る硬さ等の測定方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位によって被測定物への押し込み量を制御し、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の「押し込み量−荷重」特性および硬さ値を得ることを特徴とする方法からなる。   That is, the measurement method of hardness or the like according to the present invention uses the minute displacement control device as described above, and is measured by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element. A method of controlling an amount of indentation into an object, measuring a load corresponding to the amount of indentation using a load measuring device, and obtaining a “indentation amount-load” characteristic and a hardness value of the object to be measured. Consists of.

また、本発明に係る変位センサの校正方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位と、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力の校正あるいは性能の試験を行うことを特徴とする方法からなる。   Further, the displacement sensor calibration method according to the present invention uses the minute displacement control device as described above, the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element, and the target displacement. The method is characterized in that the output of the target displacement sensor is calibrated or the performance is tested by contrasting with the output of the sensor.

さらに、本発明に係る位置決めステージの制御方法は、上記のような微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うことを特徴とする方法からなる。   Furthermore, the positioning stage control method according to the present invention uses the above-described minute displacement control device, and the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element causes the stage to move. It consists of the method characterized by performing positioning.

上記のような本発明に係る微小変位制御装置と方法によれば、超磁歪素子の伸縮量を最大限引き出すことができ、かつ、磁束検出手段により正確に超磁歪素子の伸縮を制御することが可能になるので、超磁歪素子のヒステリシスの影響を全く受けず、その電磁石の電流値を制御することにより伸縮量をナノオーダーまで極めて高精度に制御することが可能になる。また、簡単な装置構成で部品点数も少ないので、安価に製作することができる。   According to the minute displacement control apparatus and method according to the present invention as described above, the expansion / contraction amount of the giant magnetostrictive element can be maximized, and the expansion / contraction of the giant magnetostrictive element can be accurately controlled by the magnetic flux detection means. Therefore, it is possible to control the amount of expansion and contraction to the nano order with extremely high accuracy by controlling the current value of the electromagnet without being affected by the hysteresis of the giant magnetostrictive element. Moreover, since the number of parts is small with a simple device configuration, it can be manufactured at low cost.

また、このような本発明に係る微小変位制御装置を利用した各種測定装置、校正装置、位置決め装置および方法によれば、所望の硬さ測定やセンサの校正、位置決め等を、極めて高精度でかつ容易に、しかも安価な装置にて行うことが可能となる。   Further, according to various measuring devices, calibration devices, positioning devices and methods using such a micro displacement control device according to the present invention, desired hardness measurement, sensor calibration, positioning, etc. can be performed with extremely high accuracy and It can be performed easily and with an inexpensive apparatus.

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置の基本構成を示している。図１に示した本発明に係る微小変位制御装置１における超磁歪素子２の伸縮制御装置は、一端が固定され他端が自由端となっている超磁歪素子２と二つの電磁石５を備えており、二つの電磁石５の電流値制御による磁力変化により超磁歪素子２を伸縮させて、その変位を自由端に出力させるようにしたものである。図１において、非磁性体よりなる自由端板４および固定端板３の間に（内側に）、棒状の超磁歪素子２を配するとともに、両端板の外側において、超磁歪素子２の固定端側および自由端側に電磁石５を同軸線上に配し、この電磁石５の電流値を制御することにより、前記超磁歪素子２を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子２の自由端側に出力させるようになっている。 Preferred embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a basic configuration of a minute displacement control device including a giant magnetostrictive element expansion / contraction control device according to an embodiment of the present invention. The expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element 2 in the minute displacement control device 1 according to the present invention shown in FIG. 1 includes the giant magnetostrictive element 2 having one end fixed and the other end being a free end, and two electromagnets 5. The giant magnetostrictive element 2 is expanded and contracted by a magnetic force change by controlling the current values of the two electromagnets 5 and the displacement is output to the free end. In FIG. 1, a rod-shaped giant magnetostrictive element 2 is arranged (inside) between a free end plate 4 and a fixed end plate 3 made of a non-magnetic material, and the fixed end of the giant magnetostrictive element 2 is outside the both end plates. The electromagnet 5 is arranged on the same line on the side and the free end side, and the current value of the electromagnet 5 is controlled, so that the super magnetostrictive element 2 is continuously expanded and contracted, and the displacement is moved to the free end side of the super magnetostrictive element 2. It is made to output.

電磁石５は磁性体である電磁石端部保持板１３とともにフレームを兼ねている磁性体のヨーク板１２に取り付けられ、磁気閉回路を構成している。これにより、超磁歪素子２にかかる磁力の増大および電流値の低減をはかることができ、かつ、漏洩磁気を低減することが可能となる。また、連結板１４は自由端板４と出力板８とを連結し、自由端板４の変位出力を出力ロッド１１に伝えている。このとき、出力ロッド１１は超磁歪素子２と同軸線上に配置され、軸方向のみの自由度を持つ、ヨーク板１２に固定されているスライドハウジング９内に嵌挿されたスライドブッシュ１０により、直線的に変位出力される。ヨーク板１２および連結板１４は、それぞれ２枚づつが向かい合った状態となっており、上方からみた場合、ヨーク板１２および連結板１４は、９０°ずれた位置関係にあり、４枚の板により正方形を形成している。   The electromagnet 5 is attached to a magnetic yoke plate 12 which also serves as a frame together with an electromagnet end holding plate 13 which is a magnetic material, and constitutes a magnetic closed circuit. As a result, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element 2 can be increased and the current value can be reduced, and the leakage magnetism can be reduced. The connecting plate 14 connects the free end plate 4 and the output plate 8, and transmits the displacement output of the free end plate 4 to the output rod 11. At this time, the output rod 11 is arranged on the same axis as the giant magnetostrictive element 2, and is linearly moved by a slide bush 10 fitted in a slide housing 9 fixed to the yoke plate 12 having a degree of freedom only in the axial direction. Displacement output. The yoke plate 12 and the connecting plate 14 are in a state where two each face each other. When viewed from above, the yoke plate 12 and the connecting plate 14 are in a positional relationship shifted by 90 °, and the four plates are used. A square is formed.

電磁石５による磁力の方向については、向かい合う電磁石５が異なる極性になるようにそれぞれのコイルに電流を流す。このことにより、超磁歪素子２にかかる磁力を効率的なものにしている。   About the direction of the magnetic force by the electromagnet 5, an electric current is sent through each coil so that the electromagnet 5 which opposes may become a different polarity. As a result, the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element 2 is made efficient.

また、超磁歪素子２の軸方向の中心部分に磁束検出用コイルを設けている。超磁歪素子２の内部のみの磁束密度を精度よく検出するため、検出コイル１５は両端の電磁石５からなるべく距離をとり、かつ、超磁歪素子２の外径（φ6mm）になるべく密着していなくてはならない。そこで、本装置は、線径φ0.03mm、内径φ6mm、外径φ6.45mm、巾2mm、巻き数300のコイルを用いている。   In addition, a magnetic flux detecting coil is provided in the axial center portion of the giant magnetostrictive element 2. In order to accurately detect the magnetic flux density only inside the giant magnetostrictive element 2, the detection coil 15 is as far as possible from the electromagnets 5 at both ends and is not in close contact with the outer diameter (φ6 mm) of the giant magnetostrictive element 2. Must not. Therefore, this apparatus uses a coil having a wire diameter of φ0.03 mm, an inner diameter of φ6 mm, an outer diameter of φ6.45 mm, a width of 2 mm, and a winding number of 300.

このような構成により、超磁歪素子２の変位量が、誤差を含むことなくダイレクトに出力され、電磁石５の二つの異極を向かい合わせて超磁歪素子２の両端から効率よく磁化させているので、十分な伸縮量を得ている。また、図２１のように、超磁歪素子の変位量を高感度に検出することが可能となるので、極めて精密に伸縮制御することが可能となっている。   With such a configuration, the displacement amount of the giant magnetostrictive element 2 is directly output without error, and the two different polarities of the electromagnet 5 are faced to efficiently magnetize from both ends of the giant magnetostrictive element 2. , Getting enough expansion and contraction. Further, as shown in FIG. 21, since the displacement amount of the giant magnetostrictive element can be detected with high sensitivity, it is possible to control the expansion and contraction extremely precisely.

出力板８には、圧縮バネ７による付勢手段が４個取り付けられている。また、出力板８にはバネを設置するための穴が開けられていて、バネの位置決めを簡単にしている。スライドハウジング９はヨーク板１２に固定されているので、スライドハウジング９と出力板８間に挟み込まれた圧縮バネ７の付勢力は自由端側の超磁歪素子２に伝わる。このような付勢手段を設ければ、自由端側となる自由端板４を超磁歪素子２に押しつけておくことが可能になり、このことにより、超磁歪素子２にはプリストレスが与えられてその伸縮の特性が改善され、かつ、系全体が圧縮されているので、送り方向の剛性が向上し、より精密な制御が可能になる。   Four biasing means by a compression spring 7 are attached to the output plate 8. The output plate 8 is provided with a hole for installing a spring, so that the spring is easily positioned. Since the slide housing 9 is fixed to the yoke plate 12, the urging force of the compression spring 7 sandwiched between the slide housing 9 and the output plate 8 is transmitted to the giant magnetostrictive element 2 on the free end side. If such an urging means is provided, it becomes possible to press the free end plate 4 on the free end side against the giant magnetostrictive element 2, whereby prestress is applied to the giant magnetostrictive element 2. Therefore, the expansion and contraction characteristics are improved, and the entire system is compressed, so that the rigidity in the feed direction is improved and more precise control is possible.

出力ロッド１１が固定されている出力板８には、熱伝導率の低い断熱板が用いられている。これにより、電磁石５の反超磁歪素子側の熱による影響を防いでいる。   For the output plate 8 to which the output rod 11 is fixed, a heat insulating plate having a low thermal conductivity is used. Thereby, the influence by the heat | fever on the anti- super magnetostrictive element side of the electromagnet 5 is prevented.

超磁歪素子２としては、本実施態様では、円柱形のエトリーマ社製"ETREMATERFENOL-D"が用いられている。サイズは、φ6mm×25mmである。   As the giant magnetostrictive element 2, in the present embodiment, a cylindrical “ETREMATERFENOL-D” manufactured by Etorima is used. The size is φ6mm × 25mm.

ここで使用する自由端板４および固定端板３は非磁性体かつ熱伝導率の低い断熱板を用いている。このとき、超磁歪素子２にかかる磁力を多くするために、超磁歪素子２を電磁石５になるべく近づける必要がある。そこで、自由端板４および固定端板３に超磁歪素子２と同径（φ6mm）の止まり穴を、自由端板４および固定端板３の厚さ１mm残して超磁歪素子２側から開け、超磁歪素子２を配している。これにより、電磁石５からの磁力を所定の位置関係の望ましい状態で超磁歪素子２の両端に作用させることができ、かつ、非磁性体かつ熱伝導率の低い断熱板からなる板とすることにより、電磁石５からの磁力のロスを抑え、電磁石５からの発熱を遮断することができる。また、それぞれの電磁石５の鉄心６と自由端板４および固定端板３は、0.1mm程度のギャップを設けている。これにより、自由端側の出力される変位を得ることができ、かつ、熱伝導対策にさらなる効果を発揮する。   The free end plate 4 and the fixed end plate 3 used here are non-magnetic and heat insulating plates having low thermal conductivity. At this time, in order to increase the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element 2, it is necessary to bring the giant magnetostrictive element 2 as close as possible to the electromagnet 5. Therefore, a blind hole having the same diameter (φ6 mm) as that of the giant magnetostrictive element 2 is formed in the free end plate 4 and the fixed end plate 3 from the giant magnetostrictive element 2 side while leaving the free end plate 4 and the fixed end plate 3 with a thickness of 1 mm. A giant magnetostrictive element 2 is provided. Thereby, the magnetic force from the electromagnet 5 can be applied to both ends of the giant magnetostrictive element 2 in a desired state of a predetermined positional relationship, and the plate is made of a heat insulating plate having a non-magnetic material and low thermal conductivity. The loss of magnetic force from the electromagnet 5 can be suppressed, and the heat generation from the electromagnet 5 can be blocked. Further, the iron core 6, the free end plate 4 and the fixed end plate 3 of each electromagnet 5 are provided with a gap of about 0.1 mm. Thereby, the displacement output to the free end side can be obtained, and a further effect can be exhibited in measures against heat conduction.

また、電磁石の鉄心６（φ6mm）、電磁石端部保持板１３、ヨーク板１２には、電磁軟鉄（純鉄）を磁気焼鈍したものを用いている。これにより、さらなる、超磁歪素子２にかかる磁力の増大および電流値の低減をはかることができる。   The electromagnet iron core 6 (φ6 mm), the electromagnet end holding plate 13 and the yoke plate 12 are magnetically annealed electromagnetic soft iron (pure iron). Thereby, it is possible to further increase the magnetic force applied to the giant magnetostrictive element 2 and reduce the current value.

電磁石５のコイルの線径はジュール熱の発生を極力防ぐために、φ１ｍｍのものを用いて、コイルの巻き数は約６００回である。これにより超磁歪素子２に十分な磁力を与えることが可能となる。   In order to prevent the generation of Joule heat as much as possible, the coil diameter of the electromagnet 5 is φ1 mm, and the number of turns of the coil is about 600 times. As a result, a sufficient magnetic force can be applied to the giant magnetostrictive element 2.

電磁石５のコイルに流す電流は超磁歪素子２のそれぞれの端面をなるべく均等に磁化させる意味で、常に２つの電磁石５には同じ電流値を流すように制御を行う。   The current flowing through the coil of the electromagnet 5 means that the end faces of the giant magnetostrictive element 2 are magnetized as evenly as possible, and the two electromagnets 5 are always controlled to flow the same current value.

超磁歪素子２は、後述する領域においては、磁束密度に比例し伸縮するので、超磁歪素子２の内部の磁束密度を正確に計測することができれば伸縮量を正確に把握することが可能となる。本装置は磁力発生用電磁石５が超磁歪素子２の両端に配置されているため、超磁歪素子２の軸方向の中心部に検出用コイル１５を設置することが可能となり、それぞれの電磁石５の影響を受けることなく、超磁歪素子２の内部の磁束密度を正確に計測することが可能となっている。   Since the giant magnetostrictive element 2 expands and contracts in proportion to the magnetic flux density in the region described later, if the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 can be accurately measured, the amount of expansion and contraction can be accurately grasped. . In this apparatus, since the electromagnets 5 for generating magnetic force are arranged at both ends of the giant magnetostrictive element 2, it becomes possible to install the detection coil 15 at the central portion in the axial direction of the giant magnetostrictive element 2. The magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 can be accurately measured without being affected.

また、超磁歪素子２は例えば図３に示すように伸縮ヒステリシスが大きいが、超磁歪素子２の内部の磁束密度を正確に計測しフィードバックしさえすれば、ヒステリシスの問題なく伸縮制御することが可能となる（図１９）。   The giant magnetostrictive element 2 has a large expansion / contraction hysteresis as shown in FIG. 3, for example. However, if the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 is accurately measured and fed back, the expansion / contraction can be controlled without any problem of hysteresis. (FIG. 19).

超磁歪素子２の軸方向にバイアス磁力をかけるために、円筒形の永久磁石１６の中心穴に鉄心６を入れて電磁石５の反超磁歪素子側に設置し、鉄心６の先端から超磁歪素子にバイアス磁力がかかるようになっている。このような配置とすることにより、先の電磁石５に電流を流してバイアス磁力をかけた場合と同じようにバイアス磁力がかかるため、電磁石５で超磁歪素子の伸縮制御を行なうときに、超磁歪素子の磁化がスムースに移行する。   In order to apply a bias magnetic force in the axial direction of the giant magnetostrictive element 2, the iron core 6 is inserted into the center hole of the cylindrical permanent magnet 16 and installed on the side opposite to the supermagnetostrictive element of the electromagnet 5. Bias magnetic force is applied. With this arrangement, a bias magnetic force is applied in the same manner as when a current is applied to the electromagnet 5 to apply a bias magnetic force. The magnetization of the element shifts smoothly.

バイアス磁力が無い場合、超磁歪素子２に電磁石５により磁力をかけていくと初めは、検出コイル１５による超磁歪素子２の内部の磁束密度とこの装置の変位出力は比例しない。ある程度磁力をかけると、超磁歪素子２の内部の磁束密度とこの装置の変位出力は比例するようになる（図４）。超磁歪素子２も強磁性体であるので、図５のような初磁化曲線のように磁化されると考えられる。初透磁率範囲では超磁歪素子２の内部の磁束密度とこの装置の変位出力は比例しないが、不可逆磁壁移動範囲においては比例するようになる。超磁歪素子２の内部の磁束密度と変位量が比例する領域まであらかじめ永久磁石１６によりバイアス磁界をかけておくと、超磁歪素子２の内部の磁束密度とこの装置の変位出力が比例した制御を行うことが可能となる（図６）。このときのバイアス磁力は、それぞれ約５００Ｇである。   When there is no bias magnetic force, when magnetic force is applied to the giant magnetostrictive element 2 by the electromagnet 5, initially, the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 by the detection coil 15 and the displacement output of this device are not proportional. When a certain amount of magnetic force is applied, the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 and the displacement output of this device become proportional (FIG. 4). Since the giant magnetostrictive element 2 is also a ferromagnetic material, it is considered that it is magnetized like the initial magnetization curve as shown in FIG. In the initial permeability range, the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 and the displacement output of this device are not proportional, but in the irreversible domain wall movement range. When a bias magnetic field is applied in advance to the region where the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 is proportional to the amount of displacement, control in which the magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element 2 is proportional to the displacement output of this device is performed. This can be done (FIG. 6). The bias magnetic force at this time is about 500G, respectively.

より高精度な伸縮制御を行なう場合、図５における回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸縮させずに、伸縮制御することが望ましい。図７は、静電容量型変位計に対する、検出コイル１５の静特性を表しているが、図７のように入力電流増加方向は初透磁率範囲を超えれば、静電容量型変位計との比較は線形となっている。しかし、図８のように、入力電流減少方向においては、やや曲線的な特性となっていて、入力電流増加方向と入力電流減少方向に若干のヒステリシスが見受けられる。このことから、厳密に高精度な伸縮制御を行うときは、回転磁化範囲まで超磁歪素子２を伸縮させず、不可逆磁壁移動範囲にて伸縮制御を行うことが望ましい。   When performing more precise expansion / contraction control, it is desirable to perform expansion / contraction control without expanding / contracting the giant magnetostrictive element to the rotational magnetization range in FIG. FIG. 7 shows the static characteristics of the detection coil 15 with respect to the capacitance displacement meter. If the direction of increase in input current exceeds the initial permeability range as shown in FIG. The comparison is linear. However, as shown in FIG. 8, the characteristic is somewhat curvilinear in the direction of decreasing input current, and some hysteresis is observed in the direction of increasing input current and the direction of decreasing input current. Therefore, when strictly controlling expansion / contraction with high accuracy, it is desirable to perform expansion / contraction control in the irreversible domain wall movement range without expanding / contracting the giant magnetostrictive element 2 to the rotational magnetization range.

バイアス磁界をかけ、回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸縮させずに伸縮制御を行った場合、図９、図１０に示すように、入力電流増加方向および入力電流減少方向ともに線形となり、フィードバックすることによりヒステリシスの無い高精度な伸縮制御が可能となる。なお、図４、図６〜図１１の静電容量型変位計の電圧値と変位量の換算は、1V＝2.5μmである。   When expansion / contraction control is performed without applying a bias magnetic field and expanding / contracting the giant magnetostrictive element to the rotational magnetization range, both the input current increasing direction and the input current decreasing direction are linear as shown in FIGS. Thus, high-precision expansion / contraction control without hysteresis becomes possible. In addition, conversion of the voltage value and displacement amount of the capacitive displacement meter of FIGS. 4 and 6 to 11 is 1V = 2.5 μm.

また、図２０のように超磁歪素子を連続して伸長させている状態から、縮み方向に制御を切り替えた場合、伸縮切り替えポイント付近では、わずかに、内部の磁束密度とこの装置の変位出力は一致しない。より厳密に高精度な伸縮制御を行う場合、補正により一致しない部分のみ対処してもよいし、図１１のように戻り曲線全体を補正してもよい。この場合、二次補正式を用いて、より精密な制御を可能としている。   Further, when the control is switched in the contraction direction from the state where the giant magnetostrictive element is continuously extended as shown in FIG. 20, the internal magnetic flux density and the displacement output of this device are slightly increased near the expansion / contraction switching point. It does not match. When more precise high-precision expansion / contraction control is performed, only the non-matching part may be dealt with by correction, or the entire return curve may be corrected as shown in FIG. In this case, more precise control is possible using a secondary correction formula.

また、補正等を行なわない場合では、目標の位置に向けて超磁歪素子を連続して伸長させ目標に到達した後、縮み方向へ制御を行ないたい時は、到達した目標点よりさらに、例えば１μｍ程、伸長させてから縮み方向への制御を開始する。縮み方向の検出コイル電圧の取り込み開始は（モニタ開始は）、先の伸長方向時の目標点の電圧と同じになった時点で行なう。この時点での超磁歪素子の伸縮量は、それぞれの信号には位相差はないので、先の伸長させて到達した目標点と同量となる。縮み方向から伸長方向への切り替え時も同様に行ない、内部の磁束密度とこの装置の変位出力が比例しない部分を、検出コイルによるモニタから外して制御を行なうようにすれば、内部の磁束密度とこの装置の変位出力が比例した部分のみにより制御を行なうことができるので、往復における精密な制御が可能となる（図２０）。   When correction or the like is not performed, when the giant magnetostrictive element is continuously extended toward the target position to reach the target and control is to be performed in the contraction direction, the target point further reaches, for example, 1 μm. After the expansion, the control in the contraction direction is started. The acquisition of the detection coil voltage in the contraction direction (start of monitoring) is performed when the voltage becomes the same as the voltage at the target point in the previous expansion direction. The expansion / contraction amount of the giant magnetostrictive element at this time is the same as the target point reached by the previous expansion because there is no phase difference between the signals. When switching from the contraction direction to the expansion direction, the same operation is performed, and if the control is performed by removing the part where the internal magnetic flux density is not proportional to the displacement output of this device from the monitor by the detection coil, the internal magnetic flux density Since the control can be performed only by the portion where the displacement output of this apparatus is proportional, precise control in the reciprocation is possible (FIG. 20).

図１２に超微小硬さ測定装置を示すように、この超微小硬さ測定装置４１における測定では、この装置の出力ロッド１１と同軸線上に圧電型ロードセル２２（たとえば、ＰＣＢ社製：２０９Ｃ１２型）が設置されている。さらに圧電型ロードセル２２の上部に、ベルコビッチダイアモンド圧子２０が上向きに取り付けられている。さらに、φ２ｍｍ程度の貫通穴が開いた試料設置板２１がベルコビッチダイアモンド圧子２０の上部に設置されており、該試料設置板２１は、表面平滑板３０上に設置された二対のブロックゲージ２９により図の上下方向に位置調整されている。このとき、試料設置板２１に開いた穴とベルコビッチダイアモンド圧子２０を同軸線上に配置し、ベルコビッチダイアモンド圧子２０先端が試料設置板２１よりわずかに引っ込んでいるように設置する。測定前の状態は微小変位制御装置１の伸縮ストロークの最短状態となっている。試料設置板２１に測定試料２５の測定面を下向きに置く。表面平滑板３０に連結ロッド２６により連結されたマイクロホルダ２４が設置されていて、該マイクロホルダ２４に設置されたマイクロメータ２３で固定する。次に、この装置に電流を流し超磁歪素子２を伸長させると、試料設置板２１の穴よりベルコビッチダイアモンド圧子２０先端がでてきて、測定試料面にベルコビッチダイアモンド圧子２０を押し込む。この時のベルコビッチダイアモンド圧子２０の位置制御は、検出コイル１５によるフィードバック制御により一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の位置データに対する荷重データを圧電型ロードセル２２により連続して読みとる。これを、所定の圧子押込量まで行なった後、次に、この装置の電流を減少させていき超磁歪素子２を縮ませ、ベルコビッチダイアモンド圧子２０を戻り方向に制御する。この時、同様に圧子の位置データに対する荷重データを連続して読みとり、荷重が０になるまで行う。   As shown in FIG. 12, in the measurement by the ultra-micro hardness measuring device 41, the piezoelectric load cell 22 (for example, manufactured by PCB: 209C12) is coaxially connected to the output rod 11 of this device. Type) is installed. Further, a Belkovic diamond indenter 20 is mounted upward on the piezoelectric load cell 22. Further, a sample installation plate 21 having a through hole of about φ2 mm is installed on top of the Belkovic diamond indenter 20, and the sample installation plate 21 is provided with two pairs of block gauges 29 installed on the surface smooth plate 30. Thus, the position is adjusted in the vertical direction in the figure. At this time, the hole opened in the sample setting plate 21 and the Belkovic diamond indenter 20 are arranged on the coaxial line so that the tip of the Belkovic diamond indenter 20 is slightly retracted from the sample setting plate 21. The state before the measurement is the shortest state of the expansion / contraction stroke of the minute displacement control device 1. The measurement surface of the measurement sample 25 is placed on the sample setting plate 21 downward. A micro holder 24 connected to the surface smooth plate 30 by a connecting rod 26 is installed, and is fixed by a micrometer 23 installed in the micro holder 24. Next, when a current is passed through the apparatus and the giant magnetostrictive element 2 is extended, the tip of the Berkovich diamond indenter 20 comes out from the hole of the sample setting plate 21, and the Berkovich diamond indenter 20 is pushed into the measurement sample surface. At this time, the position control of the Belkovic diamond indenter 20 is continuously performed so as to become a constant speed by feedback control by the detection coil 15, and load data for the position data at this time is continuously transmitted by the piezoelectric load cell 22. Read it. After this is performed up to a predetermined indenter push amount, the current of the device is reduced, the giant magnetostrictive element 2 is contracted, and the Belkovic diamond indenter 20 is controlled in the return direction. At this time, similarly, the load data for the position data of the indenter are continuously read until the load becomes zero.

これにより、図１３のように「押し込み量−荷重」特性のグラフが作成でき、連続特性曲線を求めることができる。圧子押し込み量、荷重のゼロ点を通る特性曲線は押し込み時の特性を示し、もう一方の特性曲線は圧子押し込み量減少時（戻り方向）の特性を示し、両者間にはヒステリシスがある。押し込み時の特性は「弾性成分＋塑性成分」両方の硬さをもつが、押し込み量減少時（戻り方向）の特性は「弾性成分」のみの硬さを表す。このように、弾性成分、塑性成分を分けることができるので、単に硬さ値だけにとどまらず、ヤング率等の様々な物性データを得ることが可能となる。   Thereby, a graph of “push amount-load” characteristic can be created as shown in FIG. 13, and a continuous characteristic curve can be obtained. The characteristic curve that passes through the zero point of the indenter indentation and load shows the characteristics at the time of indentation, the other characteristic curve shows the characteristics when the indenter indentation amount decreases (return direction), and there is hysteresis between the two. The characteristic at the time of indentation has hardness of both “elastic component + plastic component”, but the characteristic at the time of indentation reduction (return direction) represents the hardness of only “elastic component”. As described above, since the elastic component and the plastic component can be separated, it is possible to obtain various physical property data such as Young's modulus as well as the hardness value.

このような形態の超微小硬さ測定装置の別の押し込み方法として、ベルコビッチダイアモンド圧子２０の位置制御を、検出コイル１５によるフィードバック制御により一定速度になるように連続して行い、かつ、この時の荷重を圧電型ロードセル２２により連続して読みとる。これを設定押し込み量まで行う。次に、例えば戻り方向のベルコビッチダイアモンド圧子２０の押し込み量および荷重は計測せずに、ベルコビッチダイアモンド圧子２０を素早く引き抜き、続いて同じ部位に二回目の押し込みを一回目の押し込み量と同量まで行い、その時の荷重を連続して読みとる（戻り方向の圧子押し込み量・荷重は計測せず）。これにより、一回目は弾性・塑性変形の両方を含んだ曲線となるが、二回目は弾性変形のみの曲線を得ることができる（図１４）。これにより、一回の押し込みで行き・戻り方向の両方を計測する前記方法と同等の測定曲線を得ることが可能となる。また、二回目の押し込みのタイミングをはかることにより、測定試料の弾性回復の時間関数を見ることも可能となる。   As another push-in method of the ultra-small hardness measuring apparatus having such a configuration, the position control of the Belkovic diamond indenter 20 is continuously performed at a constant speed by feedback control by the detection coil 15, and this The load at the time is continuously read by the piezoelectric load cell 22. This is performed up to the set push-in amount. Next, for example, without measuring the pushing amount and load of the Belkovic diamond indenter 20 in the return direction, the Belkovic diamond indenter 20 is quickly pulled out, and then the second pushing into the same part is the same amount as the first pushing amount. And continuously read the load at that time (the indenter push-in amount and load in the return direction are not measured). Thereby, the first time becomes a curve including both elastic and plastic deformation, but the second time can obtain a curve of only elastic deformation (FIG. 14). As a result, it is possible to obtain a measurement curve equivalent to the above method of measuring both the going and returning directions with a single push. Also, by measuring the timing of the second push, it is possible to see the time function of the elastic recovery of the measurement sample.

この超微小硬さ測定装置においては、超磁歪素子、出力ロッド、圧電型ロードセル、圧子が同軸線上に並んでおり、非接触部分がない。これらのことは、アッベの原理から見ても精度的に有利であり、かつ、耐振動性能的にも好影響である。   In this microhardness measuring apparatus, the giant magnetostrictive element, the output rod, the piezoelectric load cell, and the indenter are arranged on the coaxial line, and there is no non-contact portion. These are advantageous in terms of accuracy in terms of Abbe's principle, and also have a positive effect on vibration resistance.

この装置は、圧縮バネの付勢手段によるプリストレスが約20kgfかけられているので、超磁歪素子および系全体の剛性は非常に高い。一方、微小押し込み時（数μｍ以下）の最高荷重は数十グラム以下とごくわずかなので、押し込み時のこの装置の弾性変形は無視できる。よって、「試料に接触してからのこの装置による変位量」＝「圧子押し込み量」とみなすことができる。   Since this apparatus is prestressed by about 20 kgf by the biasing means of the compression spring, the rigidity of the giant magnetostrictive element and the entire system is very high. On the other hand, since the maximum load at the time of micro-indentation (several μm or less) is only a few tens of grams or less, the elastic deformation of this device at the time of indentation can be ignored. Therefore, it can be regarded that “the amount of displacement by this device after contacting the sample” = “the amount of pressing the indenter”.

また、このような測定装置においては、変位を伴うことなく荷重計測が可能な荷重計測装置と組み合わせることが望ましい。そのためには、圧電型ロードセルが好適である。   Moreover, in such a measuring apparatus, it is desirable to combine with a load measuring apparatus capable of measuring a load without accompanying displacement. For this purpose, a piezoelectric load cell is suitable.

この超磁歪素子の伸縮制御装置によりナノオーダーの押し込みが可能となるので、圧電型ロードセル等の微小荷重計測装置と併せて用いることにより、厚み数ミクロンオーダーの薄膜等の硬さ測定が可能となる。しかも、「押し込み量−荷重」特性の連続曲線が求まることにより、単に硬さだけにとどまらず、薄膜等の弾性率（ヤング率等）といった機械的性質を分析することも可能となる。   This super magnetostrictive element expansion / contraction control device enables nano-order push-in, so it can be used in conjunction with a micro-load measuring device such as a piezoelectric load cell to measure the hardness of thin films with a thickness of several microns. . Moreover, by obtaining a continuous curve of the “push-in amount-load” characteristic, it is possible to analyze not only the hardness but also mechanical properties such as the elastic modulus (such as Young's modulus) of the thin film.

この圧子押し込みユニットに用いている超磁歪素子の伸縮制御装置は、超磁歪素子の物質としての伸縮を利用しているので、振動の影響をほとんど受けない。これにより、この超微小硬さ測定機の除振台は、簡易なものでも問題は無い。よって、高精度なものを安価に提供することが可能となる。   Since the expansion and contraction control device for the giant magnetostrictive element used in this indenter pushing unit uses the extension and contraction as the material of the giant magnetostrictive element, it is hardly affected by vibration. Thereby, even if the vibration isolator of this ultra-micro hardness measuring machine is simple, there is no problem. Therefore, it is possible to provide highly accurate products at low cost.

なお、上記伸縮量の測定（図３、図４、図６〜図１１、図１９、図２０）は、日本エー・ディー・イー株式会社、静電容量型変位計”マイクロセンス３４０１ＨＲ−０１”を用いて行い、検出コイルの磁束測定はLakeShore社製 480Fluxmeterを用いた。   In addition, the measurement of said expansion-contraction amount (FIG. 3, FIG. 4, FIG. 6-FIG. 11, FIG. 19, FIG. 20) is Japan AE Co., Ltd., electrostatic capacitance type displacement meter "Microsense 3401HR-01". 480Fluxmeter manufactured by LakeShore was used for magnetic flux measurement of the detection coil.

本発明に係る微小変位制御装置は、光学機器、精密加工機械、レーザー機器、計測器、その他微小かつ精密な変位や送りが必要なあらゆる分野の機器に適用でき、とくに、通常の方法では精度良く測定することが困難な薄膜等の硬さ測定や、ヤング率等の固有の物性の測定、微小変位センサの校正、微小位置決めステージ等に好適に適用できる。   The minute displacement control device according to the present invention can be applied to optical equipment, precision processing machines, laser equipment, measuring instruments, and other equipment in various fields that require minute and precise displacement and feeding. It can be suitably applied to the measurement of hardness of thin films that are difficult to measure, the measurement of specific physical properties such as Young's modulus, the calibration of micro displacement sensors, and the micro positioning stage.

微小変位制御装置の構成例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the structural example of a micro displacement control apparatus. 別の微小変位制御装置の構成例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the structural example of another micro displacement control apparatus. 超磁歪素子の伸縮量のヒステリシスの一例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows an example of the hysteresis of the expansion-contraction amount of a giant magnetostrictive element. バイアス磁界がない場合の超磁歪素子の変位量に対する超磁歪素子内部の磁束密度（検出コイル出力電圧）の特性図である。It is a characteristic view of the magnetic flux density (detection coil output voltage) inside the giant magnetostrictive element with respect to the displacement amount of the giant magnetostrictive element when there is no bias magnetic field. 初磁化曲線である。It is an initial magnetization curve. バイアス磁界がある場合の超磁歪素子の変位量に対する超磁歪素子内部の磁束密度（検出コイル出力電圧）の特性図である。It is a characteristic view of the magnetic flux density (detection coil output voltage) inside the giant magnetostrictive element with respect to the displacement amount of the giant magnetostrictive element when there is a bias magnetic field. 回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸長させたときの（入力電流増加方向の）特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram (in the direction of increasing input current) when a giant magnetostrictive element is extended to a rotational magnetization range. 回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸長させたときの（入力電流減少方向の）特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram (in the direction of decreasing input current) when the giant magnetostrictive element is extended to the rotational magnetization range. バイアス磁界ありで回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸長させないときの（入力電流増加方向の）特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram (in the direction of increasing input current) when the giant magnetostrictive element is not extended to the rotational magnetization range with a bias magnetic field. バイアス磁界ありで回転磁化範囲まで超磁歪素子を伸長させないときの（入力電流減少方向の）特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram (in the direction of decreasing input current) when the giant magnetostrictive element is not extended to the rotational magnetization range with a bias magnetic field. 戻り方向全体を二次式により補正した場合の超磁歪素子の変位量と超磁歪素子内部の磁束密度（検出コイル出力電圧）の特性図である。It is a characteristic view of the displacement amount of the giant magnetostrictive element and the magnetic flux density (detection coil output voltage) inside the giant magnetostrictive element when the entire return direction is corrected by a quadratic equation. 本発明の一実施態様に係る超微小硬さ測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ultra-micro hardness measuring apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本測定装置による「押し込み量−荷重」特性曲線の一例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows an example of the "push amount-load" characteristic curve by this measuring apparatus. 本測定装置の別の押し込み方法による「押し込み量−荷重」特性曲線の一例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows an example of the "push amount-load" characteristic curve by another pushing method of this measuring apparatus. 本発明の一実施態様に係る超微小硬さ測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ultra-micro hardness measuring apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施態様に係る超微小硬さ測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ultra-micro hardness measuring apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施態様に係る超微小硬さ測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ultra-micro hardness measuring apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施態様に係る超微小硬さ測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the ultra-micro hardness measuring apparatus which concerns on one embodiment of this invention. 微小変位制御装置をフィードバック制御した場合の変位出力特性図である。It is a displacement output characteristic figure at the time of performing feedback control of a minute displacement control device. 微小変位制御装置の伸び方向から戻り方向に切り替わる場合のモニタ制御区間図である。It is a monitor control section figure in the case of switching from the extension direction of a micro displacement control apparatus to a return direction. 微小変位制御装置を3nmステップ駆動した場合の検出コイルに得られた出力電圧特性図である。FIG. 6 is an output voltage characteristic diagram obtained in the detection coil when the minute displacement control device is driven in 3 nm steps. 本発明の一実施態様に係る位置決めステージの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the positioning stage which concerns on one embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 微小変位制御装置
２ 超磁歪素子
３ 固定端板
４ 自由端板
５ 電磁石
６ 鉄心
７ 圧縮バネ
８ 出力板
９ スライドハウジング
１０ スライドブッシュ
１１ 出力ロッド
１２ ヨーク板
１３ 電磁石端部保持板
１４ 自由端連結板
１５ 検出コイル
１６ 永久磁石
２０ ベルコビッチダイアモンド圧子
２１ 試料設置板
２２ 圧電型ロードセル
２３ マイクロメータ
２４ マイクロメータホルダ
２５ 測定試料
２６ ホルダ連結板
２７ 圧電アクチュエータ
２９ ブロックゲージ
３０ 表面平滑板
３１ 圧縮バネ
３２ スライドガイド
３３ ベース板
３４ 粗調移動部
４１ 超微小硬さ測定装置
４２ 超微小硬さ測定装置
４３ 超微小硬さ測定装置
４４ 超微小硬さ測定装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Minute displacement control apparatus 2 Giant magnetostrictive element 3 Fixed end plate 4 Free end plate 5 Electromagnet 6 Iron core 7 Compression spring 8 Output plate 9 Slide housing 10 Slide bush 11 Output rod 12 York plate 13 Electromagnet end holding plate 14 Free end connecting plate DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Detection coil 16 Permanent magnet 20 Belkovic diamond indenter 21 Sample installation board 22 Piezoelectric load cell 23 Micrometer 24 Micrometer holder 25 Measurement sample 26 Holder connection plate 27 Piezoelectric actuator 29 Block gauge 30 Surface smoothing plate 31 Compression spring 32 Slide guide 33 Base plate 34 Coarse adjustment moving part 41 Ultra micro hardness measurement device 42 Ultra micro hardness measurement device 43 Ultra micro hardness measurement device 44 Ultra micro hardness measurement device

Claims (22)

（Ａ）一端が固定され、他端が自由端の超磁歪素子に磁力を作用させることにより前記超磁歪素子を伸縮させて、その自由端の変位を出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置であって、非磁性体からなる両端板の間に、棒状の超磁歪素子を配するとともに、超磁歪素子の固定端側および自由端側に電磁石による磁力発生手段を同軸線上に配し、該磁力発生手段の電流値を制御することにより、前記超磁歪素子を連続的に伸縮させその変位を超磁歪素子の自由端側に出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置と、（Ｂ）前記超磁歪素子の自由端側または該自由端と一体的に変位可能な該自由端とは別の被変位端を、実質的に前記超磁歪素子の自由端側の変位のゼロ点またはそれに相当する位置まで予め変位させる予変位手段とを有し、前記予変位手段による変位の後に、前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得るようにしたことを特徴とする微小変位制御装置。   (A) Expansion / contraction control of a giant magnetostrictive element in which one end is fixed and the other end is a free end to expand and contract the giant magnetostrictive element to output the displacement of the free end. A rod-shaped giant magnetostrictive element is arranged between both end plates made of a non-magnetic material, and a magnetic force generating means by an electromagnet is arranged on the coaxial line on the fixed end side and the free end side of the giant magnetostrictive element. An expansion / contraction control device for the giant magnetostrictive element that continuously expands and contracts the giant magnetostrictive element by outputting the displacement to the free end side of the giant magnetostrictive element by controlling the current value of the generating means; The free end side of the giant magnetostrictive element or the displaced end different from the free end that can be displaced integrally with the free end substantially corresponds to the zero point of displacement on the free end side of the giant magnetostrictive element or its equivalent. Pre-displacement means for pre-displacement to a position And, after displacement by the predeforming position means, wherein the displacement output to the free end of the super magnetostrictive element, minute displacement control device being characterized in that to obtain a minute displacement of the target. 前記両端板が低熱伝導率の非磁性体からなる、請求項１の微小変位制御装置。   The minute displacement control device according to claim 1, wherein the both end plates are made of a nonmagnetic material having low thermal conductivity. 前記超磁歪素子の両端が、前記両端板に設けられた超磁歪素子と実質的に同径の止まり穴に挿入されている、請求項１または２の微小変位制御装置。   The minute displacement control device according to claim 1 or 2, wherein both ends of the giant magnetostrictive element are inserted into blind holes having substantially the same diameter as the giant magnetostrictive element provided on the both end plates. 前記超磁歪素子の自由端側において、電磁石の鉄心と端板の間に、前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位よりも大きいギャップが設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The gap larger than the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element is provided between the iron core of the electromagnet and the end plate on the free end side of the giant magnetostrictive element. The micro displacement control device described. 前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位が、自由端側の端板、該端板に連結された連結機構を介して、超磁歪素子と同軸線上に配置された出力ロッドに伝達される、請求項１〜４のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element is transmitted to the output rod disposed on the coaxial line with the giant magnetostrictive element via the end plate on the free end side and the connecting mechanism connected to the end plate. The micro displacement control device according to claim 1. 一端が固定され、他端が自由端の超磁歪素子に磁力を作用させることにより前記超磁歪素子を伸縮させて、その自由端の変位を出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置であって、前記超磁歪素子の固定端側および自由端側に電磁石による磁力発生手段を同軸線上に配し、それぞれの磁力発生手段における電磁石の鉄心と、電磁石の鉄心を兼ねた出力ロッドとの間に前記超磁歪素子を配するとともに、前記磁力発生手段の電流値を制御することにより、前記超磁歪素子を連続的に伸長させその変位を超磁歪素子の自由端側にある、前記電磁石の鉄心を兼ねた出力ロッドに伝え、出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置を用い、前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得るようにしたことを特徴とする微小変位制御装置。   A device for controlling expansion and contraction of a giant magnetostrictive element in which one end is fixed and the other end is freed by causing a magnetic force to act on the giant magnetostrictive element to expand and contract the giant magnetostrictive element and output the displacement of the free end. In addition, magnetic force generating means by an electromagnet is arranged on the coaxial line on the fixed end side and the free end side of the super magnetostrictive element, and between the electromagnet iron core in each magnetic force generating means and the output rod that also serves as the electromagnet iron core. By arranging the giant magnetostrictive element and controlling the current value of the magnetic force generating means, the giant magnetostrictive element is continuously stretched and the displacement thereof is placed on the free end side of the giant magnetostrictive element. A super-magnetostrictive element expansion / contraction control device that transmits to the output rod that also serves as an output is used to obtain a target minute displacement by the displacement output to the free end side of the super-magnetostrictive element. Minute displacement control apparatus according to. 前記同軸線上に配される両電磁石に対し、該両電磁石の反超磁歪素子側の鉄心を磁気閉回路にするためのヨークが設けられている、請求項１〜６のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement according to any one of claims 1 to 6, wherein a yoke for making the iron core on the side opposite to the super-magnetostrictive element of the two electromagnets into a magnetic closed circuit is provided for the two electromagnets arranged on the coaxial line. Control device. 電磁石の鉄心およびヨークに電磁軟鉄が用いられている、請求項１〜７のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement control device according to any one of claims 1 to 7, wherein electromagnetic soft iron is used for the iron core and yoke of the electromagnet. 両電磁石のコイルに実質的に同じ値の電流が流される、請求項１〜８のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The minute displacement control device according to any one of claims 1 to 8, wherein substantially the same current flows through the coils of both electromagnets. 前記超磁歪素子の自由端側から超磁歪素子にプリストレスを与える手段が設けられている、請求項１〜９のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement control device according to any one of claims 1 to 9, further comprising means for prestressing the giant magnetostrictive element from a free end side of the giant magnetostrictive element. 前記超磁歪素子の軸方向の中央部に、超磁歪素子の内部の磁束密度を計測可能な検出用コイルが設けられている、請求項１〜１０のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement control device according to claim 1, wherein a detection coil capable of measuring a magnetic flux density inside the giant magnetostrictive element is provided at a central portion in the axial direction of the giant magnetostrictive element. 前記超磁歪素子に対し、超磁歪素子の軸方向にバイアス磁力をかけることが可能な永久磁石が設けられている、請求項１〜１１のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement control device according to claim 1, wherein a permanent magnet capable of applying a bias magnetic force to the super magnetostrictive element in an axial direction of the super magnetostrictive element is provided. 前記超磁歪素子の伸縮方向と同方向の極性に前記電磁石によるバイアス磁界が発生するように、前記電磁石があらかじめ通電されている、請求項１〜１２のいずれかに記載の微小変位制御装置。   The micro displacement control device according to any one of claims 1 to 12, wherein the electromagnet is energized in advance so that a bias magnetic field is generated by the electromagnet with a polarity in the same direction as the expansion and contraction direction of the giant magnetostrictive element. 請求項１〜５、７〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置における予変位手段による変位の後に、超磁歪素子の伸縮制御装置における超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得ることを特徴とする微小変位制御方法。   After the displacement by the pre-displacement means in the micro displacement control device according to any one of claims 1 to 5 and 7 to 13, by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element in the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element, A micro displacement control method characterized by obtaining a target micro displacement. 請求項６〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置を用い、超磁歪素子の伸縮制御装置における超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、目標とする微小変位を得ることを特徴とする微小変位制御方法。   A micro displacement control device according to any one of claims 6 to 13, wherein a target micro displacement is obtained by displacement output to a free end side of the super magnetostrictive element in the expansion / contraction control device of the super magnetostrictive element. A micro displacement control method. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位を、被測定物への押し込み量とし、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の「押し込み量−荷重」特性および硬さ値を得るようにしたことを特徴とする硬さ等の測定装置。   The displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion / contraction control device of the giant magnetostrictive element in the minute displacement control apparatus according to any one of claims 1 to 13 is set as an indentation amount into the object to be measured, and load measurement An apparatus for measuring hardness or the like, characterized in that a load corresponding to the indentation amount is measured using an apparatus to obtain a “indentation amount-load” characteristic and a hardness value of an object to be measured. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位と、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力の校正あるいは性能の試験を行うようにしたことを特徴とする変位センサの校正装置。   By comparing the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion / contraction control device of the giant magnetostrictive element in the minute displacement control device according to any one of claims 1 to 13, and the output of the target displacement sensor. An apparatus for calibrating a displacement sensor, wherein the output of the target displacement sensor is calibrated or a performance test is performed. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置における超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うようにしたことを特徴とする位置決めステージ。   The stage is positioned by the displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element by the expansion / contraction control apparatus of the super magnetostrictive element in the micro displacement control apparatus according to any one of claims 1 to 13. A positioning stage. 微小変位制御装置が横置きに設置され、装置両端部にスライド手段が設けられている、請求項１８に記載の位置決めステージ。   The positioning stage according to claim 18, wherein the minute displacement control device is installed horizontally and slide means is provided at both ends of the device. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位によって被測定物への押し込み量を制御し、荷重計測装置を用いて、前記押し込み量に対応する荷重を計測し、被測定物の「押し込み量−荷重」特性および硬さ値を得ることを特徴とする、硬さ等の測定方法。   The amount of indentation into the object to be measured is controlled by the displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion and contraction control device of the giant magnetostrictive element using the micro displacement control apparatus according to any one of claims 1 to 13. Then, using a load measuring device, a load corresponding to the indentation amount is measured to obtain a “indentation amount-load” characteristic and a hardness value of the object to be measured. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位と、対象変位センサの出力とを対照することにより、該対象変位センサの出力の校正あるいは性能の試験を行うことを特徴とする、変位センサの校正方法。   The displacement output to the free end side of the giant magnetostrictive element by the expansion / contraction control device of the giant magnetostrictive element is compared with the output of the target displacement sensor using the minute displacement control device according to any one of claims 1 to 13. A calibration method for the displacement sensor, wherein the calibration of the output of the target displacement sensor or the performance test is performed. 請求項１〜１３のいずれかに記載の微小変位制御装置を用い、前記超磁歪素子の伸縮制御装置による前記超磁歪素子の自由端側に出力される変位により、ステージの位置決めを行うことを特徴とする、位置決めステージの制御方法。   The stage is positioned by the displacement output to the free end side of the super magnetostrictive element by the expansion / contraction control apparatus of the super magnetostrictive element using the micro displacement control apparatus according to claim 1. A method for controlling the positioning stage.
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