JP5004223B2 - Vibration measuring apparatus and vibration measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、自動車、建築物、音響機器およびロボットなどのあらゆる構造体の共振振動、および地震波などの微弱振動の測定装置及び測定方法に関するものである。 The present invention relates to a measurement apparatus and a measurement method for resonance vibrations of various structures such as automobiles, buildings, acoustic devices, and robots, and weak vibrations such as seismic waves.
一般に構造体は、その構造および寸法に基づいた固有共振周波数を有しており、その固有振動数で持続的に振動することが可能である。この振動は、たとえば自動車などの運転者の快適さや、建築物の耐久性および音楽の音質に大きく影響する。そこで、構造体の細部に至る振動測定の重要性が高まっている。 Generally, a structure has a natural resonance frequency based on its structure and dimensions, and can vibrate continuously at its natural frequency. This vibration greatly affects the comfort of a driver such as an automobile, the durability of a building, and the sound quality of music. Therefore, the importance of measuring vibrations that reach the details of structures is increasing.
一方、現在、地震が発生した場合、その情報は各市町村に配置された地震計によって記録され、数分後には誰もがそれを確認できる状態にある。しかし、情報の伝達が地震発生の数分後となるため、一般市民は実際に災害が発生するまで危険を察知できず、パニック状態に陥る可能性がある。従来では、例えば特許文献１に開示されるように、弾性ばね構造に一定の質量の重りを接続した振動計が用いられていた。そして、共振周波数に相当する測定振動を検出するしくみであった。 On the other hand, when an earthquake occurs, the information is recorded by a seismometer arranged in each municipality, and after a few minutes, anyone can confirm it. However, since the transmission of information is a few minutes after the occurrence of the earthquake, the general public cannot perceive the danger until a disaster actually occurs and may panic. Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, for example, a vibrometer in which a weight of a certain mass is connected to an elastic spring structure has been used. And it was the mechanism which detects the measurement vibration corresponded to the resonant frequency.
本発明は、事前に電界あるいは磁界によって強制振動させているプローブを用いて、プローブ台の機械的振動スペクトルを測定できるものであり、従来の共振型の振動計が共振周波数近傍しか測定できないのに比較して、幅広い振動周波数帯を測定できることが特徴である。従来の共振型の振動計では、異なる周波数帯域からなる複数の合成振動を検出するには、異なる共振周波数を有する複数のプローブが必要となっていた。しかし、本発明では単一のプローブを用いて、幅広い周波数帯域の振動を連続に測定することが可能となる。一方、地震動のｐ波もしくはｓ波を検知する場合においては、本震ではなく、本震の数秒前に発生するエキソ振動、およびｐ波・ｓ波を検出することにより、素早い地震検出が可能となる。また、従来の振動計と比べて小型で安価な地震計を提供することができるため、地震計の設置数を従来よりも飛躍的に増加させることが可能となる。 The present invention can measure the mechanical vibration spectrum of the probe base using a probe that has been forced to vibrate in advance by an electric field or magnetic field, while a conventional resonance-type vibrometer can only measure near the resonance frequency. In comparison, it can measure a wide range of vibration frequencies. In a conventional resonance-type vibrometer, a plurality of probes having different resonance frequencies are required to detect a plurality of combined vibrations having different frequency bands. However, in the present invention, it is possible to continuously measure vibrations in a wide frequency band using a single probe. On the other hand, when detecting the p-wave or s-wave of seismic motion, it is possible to quickly detect an earthquake by detecting not the main shock but an exo-vibration generated several seconds before the main shock and a p-wave / s-wave. In addition, since a seismometer that is smaller and less expensive than the conventional vibration meter can be provided, the number of installed seismometers can be dramatically increased as compared with the conventional vibration meter.
本発明の要旨を説明する。 The gist of the present invention will be described.
一端をプローブ台に固定し他端を自由端とした片持ち梁構造のプローブ体と、このプローブ体に所定の一定電位をバイアスするバイアス部と、このバイアス部によって所定の一定電位にバイアスされた前記プローブ体を外部電界若しくは外部磁界によって振動させる振動部と、この振動部により前記プローブ体を振動させた状態で、外部から前記プローブ台に機械的振動が印加された際、この機械的振動を前記プローブ体の振動のうねりとして検出する振動検出部とから成ることを特徴とする振動測定装置に係るものである。 A probe body having a cantilever structure in which one end is fixed to the probe base and the other end is a free end, a bias unit for biasing a predetermined constant potential to the probe body, and the bias unit biased to a predetermined constant potential When the probe body is vibrated by an external electric field or an external magnetic field and mechanical vibration is applied from the outside to the probe base in a state where the probe body is vibrated by the vibration part, the mechanical vibration is reduced. The present invention relates to a vibration measuring apparatus comprising a vibration detecting unit that detects the undulation of the vibration of the probe body.
また、前記振動部として、一対の平行平板電極，対向する二つの電極若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数の電極、または、一対の平行平板コイル，対向する二つのコイル若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数のコイルを採用したことを特徴とする請求項１記載の振動測定装置に係るものである。 Further, as the vibrating portion, a pair of parallel plate electrodes, two opposing electrodes, or a plurality of electrodes installed on a three-dimensional orthogonal coordinate axis, or a pair of parallel plate coils, two opposing coils, or a three-dimensional The vibration measuring apparatus according to claim 1, wherein a plurality of coils installed on an orthogonal coordinate axis are employed.
また、前記プローブ体として、ＣｕやＡｌなどの導電性材料，ＳｉやＧｅなどの半導体材料，樹脂や酸化膜や窒化膜などの誘電材料若しくはＢａＴｉＯ３やＰＺＴなどの強磁性体からなるものを採用したことを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載の振動測定装置に係るものである。 The probe body is made of a conductive material such as Cu or Al, a semiconductor material such as Si or Ge, a dielectric material such as a resin, an oxide film or a nitride film, or a ferromagnetic material such as BaTiO 3 or PZT. The vibration measuring device according to any one of claims 1 and 2, wherein the vibration measuring device is provided.
また、前記振動検出部として、光学顕微鏡，差動増幅器若しくは光てこ方式により前記プローブ体の振動のうねりを測定して前記機械的振動を検出する振動検出部を採用したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動測定装置に係るものである。 The vibration detection unit adopts a vibration detection unit that detects the mechanical vibration by measuring the vibration undulation of the probe body using an optical microscope, a differential amplifier, or an optical lever method. This relates to the vibration measuring apparatus according to any one of 1 to 3.
また、前記プローブ体として、細線状のものを採用したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動測定装置に係るものである。 5. The vibration measuring apparatus according to claim 1, wherein the probe body is a thin wire.
また、前記プローブ体として、膜若しくは立体構造物を採用したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動測定装置に係るものである。 The vibration measuring apparatus according to claim 1, wherein a film or a three-dimensional structure is employed as the probe body.
また、一端をプローブ台に固定し他端を自由端とした片持ち梁構造のプローブ体を、所定の一定電位にバイアスして、外部電界若しくは外部磁界を用いて当該プローブ体をあらかじめ振動させておき、外部からプローブ台に機械的振動が印加された際、この機械的振動を当該プローブ体の振動のうねりとして検出することを特徴とする振動測定方法に係るものである。 In addition, a probe body having a cantilever structure in which one end is fixed to the probe base and the other end is a free end is biased to a predetermined constant potential, and the probe body is vibrated in advance using an external electric field or an external magnetic field. In addition, the present invention relates to a vibration measuring method characterized in that when mechanical vibration is applied to the probe base from the outside, this mechanical vibration is detected as the undulation of the vibration of the probe body.
また、前記プローブ体に印加する外部電界若しくは外部磁界の変動周波数を広範囲にわたってスキャンし、プローブ体の振動周波数の近傍の周波数のプローブ台の機械的振動を、前記プローブ体の振動のうねりとして増幅して検出することにより、単一のプローブ体で複数の機械的振動を検出し得るようにしたことを特徴とする請求項７記載の振動測定方法に係るものである。 In addition, the fluctuation frequency of the external electric field or external magnetic field applied to the probe body is scanned over a wide range, and the mechanical vibration of the probe base at a frequency near the vibration frequency of the probe body is amplified as the undulation of the vibration of the probe body. The vibration measuring method according to claim 7, wherein a plurality of mechanical vibrations can be detected with a single probe body.
また、前記プローブ体に、一対の平行平板電極，対向する二つの電極若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数の電極を用いて外部電界を印加するか、または、一対の平行平板コイル，対向する二つのコイル若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数のコイルを用いて外部磁界を印加することで、前記プローブ体をあらかじめ振動させておくことを特徴とする請求項７，８のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 Further, an external electric field is applied to the probe body using a pair of parallel plate electrodes, two opposing electrodes, or a plurality of electrodes installed on a three-dimensional orthogonal coordinate axis, or a pair of parallel plate coils, 9. The probe body according to claim 7, wherein the probe body is vibrated in advance by applying an external magnetic field using two opposing coils or a plurality of coils installed on a three-dimensional orthogonal coordinate axis. This relates to the vibration measurement method described in any one of the items.
また、前記プローブ体として、ＣｕやＡｌなどの導電性材料，ＳｉやＧｅなどの半導体材料，樹脂や酸化膜や窒化膜などの誘電材料若しくはＢａＴｉＯ３やＰＺＴなどの強磁性体からなるものを採用したことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 The probe body is made of a conductive material such as Cu or Al, a semiconductor material such as Si or Ge, a dielectric material such as a resin, an oxide film or a nitride film, or a ferromagnetic material such as BaTiO 3 or PZT. The vibration measuring method according to claim 7, wherein the vibration measuring method is performed.
また、前記プローブ体内に紫外線や可視光などの電磁波を伝搬させて、プローブ体の先端から放射された電磁波をフォトダイオードなどの受光素子で検出し、プローブ体の振動挙動を検出することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 Further, the present invention is characterized in that an electromagnetic wave such as ultraviolet light or visible light is propagated in the probe body, and the electromagnetic wave emitted from the tip of the probe body is detected by a light receiving element such as a photodiode to detect the vibration behavior of the probe body. The vibration measuring method according to any one of claims 7 to 10.
また、前記プローブ体の振動のうねりを、光学顕微鏡，差動増幅器若しくは光てこ方式を用いて測定することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 12. The vibration measuring method according to claim 7, wherein the undulation of the vibration of the probe body is measured using an optical microscope, a differential amplifier, or an optical lever system. It is.
また、前記プローブ体として、細線状のものを採用したことを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 The probe body according to any one of claims 7 to 12, wherein the probe body is a thin wire.
また、前記プローブ体として、膜若しくは立体構造物を採用したことを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 The vibration measuring method according to any one of claims 7 to 12, wherein a film or a three-dimensional structure is adopted as the probe body.
また、前記プローブ体の表面に水蒸気の結露を生じさせて、振動のスペクトル変化として、結露形態を検出することを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載の振動測定方法に係るものである。 15. The vibration measuring method according to claim 7, wherein water vapor condensation is generated on the surface of the probe body, and a dew form is detected as a spectrum change of vibration. Is.
本発明は、上述のように事前に外部電界あるいは外部磁界によって強制振動させているプローブ体を用いて、プローブ台の機械的振動のスペクトルを測定するものであり、従来の共振型の振動計が共振周波数近傍しか測定できないのに比較して、幅広い振動周波数帯を測定できる極めて画期的な振動測定装置及び振動測定方法となる。 The present invention measures the spectrum of the mechanical vibration of the probe base using the probe body that has been forcibly vibrated by an external electric field or external magnetic field in advance as described above. Compared to the fact that only the vicinity of the resonance frequency can be measured, the vibration measurement device and the vibration measurement method are extremely innovative and can measure a wide range of vibration frequencies.
好適と考える本発明の実施形態を簡単に説明する。 Embodiments of the present invention considered suitable are briefly described.
片持ち梁構造のプローブ体を用いて、予めプローブ体を外部電界あるいは外部磁界によりある周波数で振動させておくことで、プローブ台に加えられた機械的振動を、プローブ体の振動のうねり（鼓動の振動変化）として増幅し、検出することが可能となり、プローブ体の強制振動周波数を変化させれば、プローブ台の機械的振動周波数の検出範囲を変化させることが可能となる。従って、本発明によれば、単一のプローブ体で幅広い測定周波数の機械的振動検出が可能な振動測定装置を構成できる。 Using a probe body with a cantilever structure, the probe body is vibrated at a certain frequency by an external electric field or an external magnetic field in advance. The change in the detection range of the mechanical vibration frequency of the probe base can be changed by changing the forced vibration frequency of the probe body. Therefore, according to the present invention, it is possible to configure a vibration measuring device capable of detecting mechanical vibrations with a wide range of measurement frequencies with a single probe body.
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。 Specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施例は、一端をプローブ台に固定し他端を自由端とした片持ち梁構造のプローブ体を、所定の一定電位にバイアスして、外部電界若しくは外部磁界を用いて当該プローブ体をあらかじめ振動させておき、外部からプローブ台に機械的振動が印加された際、この機械的振動を当該プローブ体の振動のうねりとして検出するものである。 In this example, a probe body having a cantilever structure in which one end is fixed to a probe base and the other end is a free end is biased to a predetermined constant potential, and the probe body is previously mounted using an external electric field or an external magnetic field. It is made to vibrate, and when mechanical vibration is applied to the probe base from the outside, this mechanical vibration is detected as an undulation of the vibration of the probe body.
具体的には、本実施例は、プローブ体として銅細線から成る微細プローブ（以下、単に「プローブ３」という。）を採用し、プローブ台４の機械的振動を増幅し、観測するものである。振動の観測方法は以下のとおりである。 Specifically, the present embodiment employs a fine probe (hereinafter simply referred to as “probe 3”) as a probe body, and amplifies and observes mechanical vibration of the probe base 4. . The vibration observation method is as follows.
まず、銅細線の一端をアルミ製のプローブ台４に固定し、直径２４μｍ、長さ１０．７ｍｍの片持ち梁構造のプローブ３とした。さらに、プローブ３に対して十分大きいサイズの平行平板電極１・２を作製し、電極１・２間（両電極間の略中間位置）にプローブ３の先端（自由端）を挿入した（図１および図２参照）。 First, one end of a copper thin wire was fixed to an aluminum probe base 4 to form a cantilever probe 3 having a diameter of 24 μm and a length of 10.7 mm. Furthermore, parallel plate electrodes 1 and 2 having a sufficiently large size with respect to the probe 3 are produced, and the tip (free end) of the probe 3 is inserted between the electrodes 1 and 2 (substantially intermediate position between both electrodes) (FIG. 1). And FIG. 2).
ここで、プローブ３はプローブ台４を介して直流電源（バイアス部）と接続されている。また、平行平板電極１・２（振動部）の電極１には交流電源が接続され、電極２は接地されている。電極間距離は９０６μｍとした。また、プローブ台４はピエゾステージ５に連結されており、プローブ３に機械的振動を印加できるようにしている。図３は測定に用いたプローブ１の顕微鏡写真を示している。尚、図中符号６は、実体顕微鏡である。 Here, the probe 3 is connected to a DC power source (bias unit) via the probe base 4. An AC power supply is connected to the electrodes 1 of the parallel plate electrodes 1 and 2 (vibrating part), and the electrode 2 is grounded. The distance between the electrodes was 906 μm. The probe base 4 is connected to a piezo stage 5 so that mechanical vibration can be applied to the probe 3. FIG. 3 shows a photomicrograph of the probe 1 used for the measurement. Reference numeral 6 in the figure denotes a stereomicroscope.
次に、プローブ３に、Ｖｂ＝４０Ｖの電位を持たせた。また、平行平板電極１・２に電圧１４．１Ｖ、周波数９７ｋＨｚの交流電圧を加えた。平行平板電極１・２間に発生した交流電界により、プローブ３はクーロンの法則に従う電気力を受け、機械的に振動を始めた（図４）。この条件での機械的振動の振幅は約１．５ｍｍである。この際、外部電界の周波数は、信号発生器により連続的にスキャンさせて、測定する機械的振動の周波数を検索する。 Next, the probe 3 was given a potential of V b = 40V. Further, an AC voltage having a voltage of 14.1 V and a frequency of 97 kHz was applied to the parallel plate electrodes 1 and 2. Due to the alternating electric field generated between the parallel plate electrodes 1 and 2, the probe 3 receives an electric force according to Coulomb's law and mechanically starts to vibrate (FIG. 4). The amplitude of the mechanical vibration under this condition is about 1.5 mm. At this time, the frequency of the external electric field is continuously scanned by the signal generator, and the frequency of the mechanical vibration to be measured is searched.
次に、図４の状態において、さらに、ピエゾステージ５に電圧１４．１Ｖ、周波数９７ｋＨｚの交流電圧を印加し、プローブ台４に機械的振動を加えた。このとき、ピエゾステージ５による機械的振動により、プローブ３の振動の振幅がうねりとして増幅され、プローブ振動が連続的に鼓動した。図５（ａ）および（ｂ）は鼓動の様子を示しており、図５（ａ）は振幅が最大のとき、図５（ｂ）が最小のときの実体顕微鏡像である。 Next, in the state of FIG. 4, an AC voltage having a voltage of 14.1 V and a frequency of 97 kHz was further applied to the piezo stage 5, and mechanical vibration was applied to the probe base 4. At this time, due to the mechanical vibration by the piezo stage 5, the amplitude of the vibration of the probe 3 was amplified as a wave and the probe vibration continuously beat. FIGS. 5 (a) and 5 (b) show how the heart beats. FIG. 5 (a) is a stereoscopic microscope image when the amplitude is maximum and FIG. 5 (b) is minimum.
すなわち、上述のように、交流電界の周波数に近い周波数を持った機械的振動がプローブ台４に印加されると、図６に示すように、プローブ先端（自由端）の機械的振動が鼓動（うねり）として観測される。従って、振動検出部（光学顕微鏡や差動増幅器や光てこ方式を用いた検出装置等）によりこの鼓動の周期と振幅を測定し読み取ることで、プローブ台に印加された機械的振動の振幅および周波数を決定できる。この測定によって、プローブ台の振動周波数は、９７．１６６７Ｈｚであり、振動振幅は１６０μｍであることを確認した。 That is, as described above, when a mechanical vibration having a frequency close to the frequency of the AC electric field is applied to the probe base 4, the mechanical vibration of the probe tip (free end) is beaten as shown in FIG. Observed as swell). Therefore, the amplitude and frequency of the mechanical vibration applied to the probe base can be measured by measuring and reading the period and amplitude of this heartbeat with a vibration detection unit (such as an optical microscope, a differential amplifier, or a detection device using an optical lever system). Can be determined. By this measurement, it was confirmed that the vibration frequency of the probe base was 97.1667 Hz and the vibration amplitude was 160 μm.
本実施例は上述のように行うため、一本のプローブで幅広い帯域の周波数振動を検出することが可能となり、低コストで小型の微振動測定装置が作製可能となる。 Since this embodiment is performed as described above, it is possible to detect frequency vibrations in a wide band with a single probe, and it is possible to manufacture a small-sized microvibration measuring apparatus at low cost.
尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。 Note that the present invention is not limited to this embodiment, and the specific configuration of each component can be designed as appropriate.
例えば、本実施例においては、振動部として一対の平行平板電極を採用しているが、他の構成、例えば、対向する二つの電極若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数の電極を用いて外部電界を印加したり、一対の平行平板コイル，対向する二つのコイル若しくは３次元の直交座標軸上に設置された複数のコイルを用いて外部磁界を印加することで、前記プローブ体を振動させてもよい。 For example, in the present embodiment, a pair of parallel plate electrodes are employed as the vibration part, but other configurations, for example, two electrodes facing each other or a plurality of electrodes installed on a three-dimensional orthogonal coordinate axis are used. The probe body is vibrated by applying an external magnetic field using a pair of parallel plate coils, two opposing coils, or a plurality of coils installed on a three-dimensional orthogonal coordinate axis. May be.
具体的には、例えば図７に示すように電界が印加される部分を局所的にした先端先細り状の電極11・21や、図８に示すようにＸ軸方向とＹ軸方向の双方に振動させ得るよう、Ｘ軸電極21・22及びＹ軸電極31・32を備えることなどが考えられる。 Specifically, for example, as shown in FIG. 7, the tip tapered electrodes 11 and 21 in which the portion to which an electric field is applied are localized, and vibration in both the X-axis direction and the Y-axis direction as shown in FIG. It is conceivable that the X-axis electrodes 21 and 22 and the Y-axis electrodes 31 and 32 are provided.
また、本実施例においては、プローブ体として銅細線から成るものを採用しているが、Ａｌなどの他の導電性材料，ＳｉやＧｅなどの半導体材料，樹脂や酸化膜や窒化膜などの誘電材料若しくはＢａＴｉＯ３やＰＺＴなどの強磁性体からなるものを採用しても良い。 In this embodiment, the probe body is made of a thin copper wire, but other conductive materials such as Al, semiconductor materials such as Si and Ge, dielectrics such as resin, oxide film, and nitride film. it may be employed made of ferromagnetic material such as material or BaTiO 3 and PZT.
更に、図９に示すように、プローブの芯材料として、Ｓｉやガラスなどの光導波材料を用いることで、紫外線や可視光などの電磁波を伝搬させて、プローブ体の先端から放射された電磁波をフォトダイオードなどの受光素子で検出し、プローブ体の振動挙動を検出する例、即ち、プローブ先端から放射された光をフォトダイオードアレイで検出することで、プローブの振動を測定する例を示している。また、この場合、プローブの表面は金属等の導電材料で覆っている。 Furthermore, as shown in FIG. 9, by using an optical waveguide material such as Si or glass as the probe core material, electromagnetic waves such as ultraviolet rays and visible light are propagated, and electromagnetic waves emitted from the tip of the probe body are transmitted. An example of detecting the vibration behavior of the probe body by detecting with a light receiving element such as a photodiode, that is, an example of measuring the vibration of the probe by detecting light emitted from the probe tip with a photodiode array is shown. . In this case, the surface of the probe is covered with a conductive material such as metal.
以上の特性は、プローブに磁性体を用いることで、外部磁界を印加させることでも同様な効果が得られる。 The above characteristics can be obtained by applying an external magnetic field by using a magnetic material for the probe.
また、本プローブ表面に水蒸気などの結露を生じさせた場合、その振動スペクトルの変化によって、結露密度および液滴サイズ等の情報を、同時に検出することが可能である。 In addition, when condensation such as water vapor is generated on the probe surface, it is possible to simultaneously detect information such as the condensation density and the droplet size by changing the vibration spectrum.
更に、本発明は、プローブ体として立体構造物（例えば円筒形）や膜状のものを採用することで、構造体の様々な機械的微振動を検出することも可能である。例としては、建築物の微振動を検出・監視することに用いたり、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡のような、測定結果が微振動に大きく左右される測定装置の振動の監視等に用いたりすることができる。また、様々な構造体の共振特性を測定することも可能である。 Further, the present invention can detect various mechanical micro vibrations of the structure by adopting a three-dimensional structure (for example, a cylindrical shape) or a membrane as the probe body. For example, it can be used to detect and monitor fine vibrations of buildings, or to monitor vibrations of measuring devices such as electron microscopes and atomic force microscopes whose measurement results are greatly influenced by fine vibrations. can do. It is also possible to measure the resonance characteristics of various structures.
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