JP5912338B2 - Force measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、外力を測定する力測定装置に関し、微小な力でも精確に測定できるようにしたものである。 The present invention relates to a force measuring device that measures an external force, and is capable of accurately measuring even a minute force.
微小な力を検出する装置として、試料と探針の原子間に働く力を検出し、それを基に試料の表面形状の画像を得る原子間顕微鏡が知られている（例えば、下記特許文献１）。
この装置は、図２６に示すように、一端に固定点を有するカンチレバー８００と、カンチレバー８００の他端に固定された探針８０１と、探針８０１の位置の変位を検出するセンサ８０２とを有している。作用点の探針８０１に試料８０３を近付けると、探針８０１に原子間力が作用し、カンチレバー８００に支持された探針８０１の位置が変位する。この変位がセンサ８０２で検出され、センサ８０２の出力から、あるいは、センサ８０２の検出量がゼロになるように試料８０３の高さを変えるアクチュエータ（不図示）の駆動電流から、探針８０１に作用する原子間力が測定される。
As an apparatus for detecting a minute force, an atomic microscope that detects a force acting between atoms of a sample and a probe and obtains an image of the surface shape of the sample based on the force is known (for example, Patent Document 1 below). ).
As shown in FIG. 26, this apparatus has a cantilever 800 having a fixed point at one end, a probe 801 fixed to the other end of the cantilever 800, and a sensor 802 that detects displacement of the position of the probe 801. doing. When the sample 803 is brought close to the probe 801 at the point of action, an atomic force acts on the probe 801 and the position of the probe 801 supported by the cantilever 800 is displaced. This displacement is detected by the sensor 802 and acts on the probe 801 from the output of the sensor 802 or from the drive current of an actuator (not shown) that changes the height of the sample 803 so that the detection amount of the sensor 802 becomes zero. The atomic force to be measured is measured.
しかし、原子間顕微鏡では、探針に作用する微小力で試料と探針との間隔が変化するため、試料と探針との間隔を一定に保ち、同一測定状態のもとで外力を測定することができない。あるいは、センサの検出量がゼロになるように試料の高さを変えるアクチュエータの駆動電流から原子間力を測定する装置では、駆動電流に含まれるノイズ（雑音）のため感度の高い測定が困難である。
また、３次元空間における力の方向及び大きさは、同一平面上に無い３方向の分力を測定し、その３分力を合成して求めることができるが、原子間顕微鏡では、１次元の力しか測定することができない。
However, in the atomic microscope, the distance between the sample and the probe changes due to the micro force acting on the probe, so the external force is measured under the same measurement condition while keeping the distance between the sample and the probe constant. I can't. Alternatively, a device that measures atomic force from the drive current of an actuator that changes the height of the sample so that the sensor detection level is zero makes it difficult to measure with high sensitivity due to noise contained in the drive current. is there.
The direction and magnitude of the force in the three-dimensional space can be obtained by measuring the component forces in three directions not on the same plane and synthesizing the three component forces. Only force can be measured.
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、測定対象物との間隔を一定に保って、作用する力を高精度に測定することができ、また、その力の３分力を測定することができる力測定装置を提供することを目的としている。 The present invention was devised in view of such circumstances, and can maintain a constant distance from the object to be measured to measure the acting force with high accuracy. It aims at providing the force measuring device which can be measured.
本発明は、固定点と、変位を検出する検出点と、力が作用する作用点とを有し、前記作用点に作用する力を検出点の変位に変換して検出する力測定装置であって、固定点と検出点との間を支持する第１の支持機構と、検出点と作用点との間を支持する第２の支持機構と、検出点の変位を検出する検出手段と、を有し、第１の支持機構と第２の支持機構とが検出点で接続され、第１の支持機構及び第２の支持機構の一方が、アクチュエータを備える能動型支持機構であり、他方が、受動型支持機構、または、アクチュエータを備える能動型支持機構であり、作用点の位置が変位しないようにアクチュエータの制御が行われ、作用点の位置が変位しない状態での検出点の変位が検出手段により検出されることを特徴とする。
この力測定装置では、作用点が力を受けても変位しないため、測定対象物との間隔を一定に保って測定対象物から受ける力を測定することができる。
The present invention is a force measurement device that has a fixed point, a detection point for detecting displacement, and an action point at which a force acts, and converts the force acting on the action point into a displacement of the detection point and detects it. A first support mechanism for supporting between the fixed point and the detection point, a second support mechanism for supporting between the detection point and the action point, and detection means for detecting the displacement of the detection point. And the first support mechanism and the second support mechanism are connected at the detection point, and one of the first support mechanism and the second support mechanism is an active support mechanism including an actuator, and the other is passive support mechanism or, is an active type supporting mechanism comprising an actuator, control is performed of the actuator such that the position of the working point is not displaced, the displacement detection means of the detection point in a state where the position of the working point is not displaced It is detected by these.
In this force measuring device, since the action point is not displaced even if it receives a force, the force received from the measuring object can be measured while maintaining a constant distance from the measuring object.
また、本発明の力測定装置では、アクチュエータとして、電磁石、静電アクチュエータ、ボイスコイルモータ、圧電アクチュエータ、リニアモータあるいは磁歪アクチュエータを用いることができる。 In the force measuring device of the present invention, an electromagnet, an electrostatic actuator, a voice coil motor, a piezoelectric actuator, a linear motor, or a magnetostrictive actuator can be used as the actuator.
また、本発明の力測定装置では、第１の支持機構及び第２の支持機構の一方が能動型支持機構で他方が受動型支持機構であるとき、能動型支持機構が、受動型支持機構の剛性と大きさが等しく符号が反対の剛性を持つように、アクチュエータの制御が行われる。
こうした剛性制御により、作用点の位置を一定に保つことができる。
In the force measuring device of the present invention, when one of the first support mechanism and the second support mechanism is an active support mechanism and the other is a passive support mechanism, the active support mechanism is the passive support mechanism. The actuator is controlled so that the rigidity is equal to the rigidity and the sign is opposite.
By such rigidity control, the position of the action point can be kept constant.
また、本発明の力測定装置では、第１の支持機構及び第２の支持機構の一方が能動型支持機構で他方が受動型支持機構であるとき、受動型支持機構の変位を検出し、能動型支持機構が受動型支持機構の変位を相殺するように、アクチュエータの制御を行っても良い。
こうした変位相殺制御によっても、作用点の位置を一定に保つことができる。この場合、能動型支持機構は、静的には剛性制御のときと同じ動作をする。
In the force measuring device of the present invention, when one of the first support mechanism and the second support mechanism is an active support mechanism and the other is a passive support mechanism, the displacement of the passive support mechanism is detected and the active support mechanism is detected. The actuator may be controlled so that the mold support mechanism cancels out the displacement of the passive support mechanism.
Such displacement cancellation control can also keep the position of the action point constant. In this case, the active support mechanism statically performs the same operation as in the rigidity control.
また、本発明の力測定装置では、第１の支持機構及び第２の支持機構の一方が能動型支持機構で他方が受動型支持機構であるとき、作用点の固定点に対する変位を検出し、能動型支持機構を変位させて、作用点の固定点に対する変位がゼロとなるようにアクチュエータの制御を行っても良い。
この制御は、作用点変位に関する積分補償を含む制御であり、能動型支持機構は、静的には剛性制御のときと同じ動作をする。
In the force measuring device of the present invention, when one of the first support mechanism and the second support mechanism is an active support mechanism and the other is a passive support mechanism, the displacement of the working point with respect to the fixed point is detected, The active support mechanism may be displaced to control the actuator so that the displacement of the action point relative to the fixed point becomes zero.
This control is control including integral compensation for the displacement of the action point, and the active support mechanism performs the same operation statically as in the rigidity control.
また、本発明の力測定装置では、検出点を、作用点に作用する力の３分力により個別に変位する３つの分散された検出点で構成し、第１の支持機構を、固定点と３つの検出点のそれぞれとの間を支持する３つの支持機構で構成し、第２の支持機構を、３つの検出点のそれぞれと作用点との間を支持する３つの支持機構で構成する。
この装置では、３つの分散された検出点により、作用点に作用する力の３分力を測定することができる。
In the force measuring device of the present invention, the detection point is constituted by three dispersed detection points that are individually displaced by the three component forces acting on the action point, and the first support mechanism is defined as a fixed point. Three support mechanisms that support each of the three detection points are configured, and the second support mechanism is configured by three support mechanisms that support each of the three detection points and the action point.
In this apparatus, the three component forces of the force acting on the action point can be measured by three dispersed detection points.
また、本発明の力測定装置では、さらに、固定点を３つの分離した固定点で構成し、
第１の支持機構を構成する３つの支持機構が、３つの固定点のそれぞれと３つの検出点のそれぞれとの間を支持し、その３つの支持機構のそれぞれの中心線が第２の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれの中心線の延長線上に在るように構成することが望ましい。
第２の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれと第１の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれとを一直線上に配置することで、３つの検出点は、それらの直線上で変位することになり、検出点の変位の測定が容易になる。
Moreover, in the force measuring device of the present invention, the fixed point is further constituted by three separate fixed points,
Three support mechanisms constituting the first support mechanism support between each of the three fixed points and each of the three detection points, and the respective center lines of the three support mechanisms are the second support mechanisms. It is desirable that the three support mechanisms constituting the lie be on the extension of the center line of each of the three support mechanisms.
By arranging each of the three support mechanisms that constitute the second support mechanism and each of the three support mechanisms that constitute the first support mechanism on a straight line, the three detection points are on the straight lines. Therefore, the displacement of the detection point can be easily measured.
また、本発明の力測定装置では、検出点を、作用点に作用する力の３分力により傾きを変える一体型検出部で構成し、第１の支持機構を、固定点と一体型検出部の３箇所との間をそれぞれ支持する３つの支持機構で構成し、第２の支持機構を、一体型検出部の３箇所と作用点との間をそれぞれ支持する３つの支持機構で構成しても良い。
この装置では、作用点との間が３つの支持機構で支持された一体型検出部の上下の移動量や傾きから、作用点に作用する力の３分力を測定することができる。
Further, in the force measuring device of the present invention, the detection point is constituted by an integral detection unit that changes the inclination by the three component force acting on the action point, and the first support mechanism is configured by the fixed point and the integral detection unit. The three support mechanisms that support each of the three locations are configured, and the second support mechanism is configured with three support mechanisms that respectively support the three locations of the integrated detection unit and the action point. Also good.
In this apparatus, it is possible to measure the three component forces acting on the action point from the vertical movement amount and inclination of the integrated detection unit supported by the three support mechanisms between the action points.
また、本発明の力測定装置では、さらに、固定点を３つの分離した固定点で構成し、第１の支持機構を構成する３つの支持機構が、３つの固定点のそれぞれと一体型検出部の３箇所との間をそれぞれ支持し、３つの支持機構のそれぞれの中心線が第２の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれの中心線の延長線上に在るように構成しても良い。
第２の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれと第１の支持機構を構成する３つの支持機構のそれぞれとを一直線上に配置することで、一体型検出部の３箇所は、それらの直線上で変位することになり、検出点の変位の測定が容易になる。
Further, in the force measuring device of the present invention, the fixed point is constituted by three separate fixed points, and the three support mechanisms constituting the first support mechanism are integrated with each of the three fixed points. The center lines of the three support mechanisms may be on extensions of the center lines of the three support mechanisms constituting the second support mechanism. good.
By arranging each of the three support mechanisms constituting the second support mechanism and each of the three support mechanisms constituting the first support mechanism in a straight line, the three locations of the integrated detection unit are It will be displaced on a straight line, and it becomes easy to measure the displacement of the detection point.
本発明の力測定装置は、作用点に力を受けても作用点の位置が変化しないため、測定対象物との間隔を一定に保って外力を測定することができ、高精度の測定が可能である。作用点に作用する力が変化する場合でも、測定対象物との間隔を一定に保つことで、高精度の動的な計測が可能である。
また、本発明の力測定装置は、作用する力の３分力を測定することができ、この３分力から３次元空間での力の方向及び大きさを求めることができる。
The force measuring device of the present invention does not change the position of the action point even if it receives a force at the action point, so it can measure the external force while keeping the distance from the measurement object constant, and can measure with high accuracy It is. Even when the force acting on the action point changes, high-precision dynamic measurement is possible by keeping the distance from the measurement object constant.
Moreover, the force measuring device of the present invention can measure the three component forces of the acting force, and can determine the direction and magnitude of the force in the three-dimensional space from the three component forces.
図１（ａ）は、本発明の基本原理を説明するための力測定装置を示している。この装置は、変位を検出する検出点２０と固定点１０との間が第１の支持機構４０で支持され、力が作用する作用点３０と検出点２０との間が第２の支持機構５０で支持されている。第１の支持機構４０と第２の支持機構５０とは検出点２０で直列に接続されており、第１の支持機構４０の中心線の延長線上に第２の支持機構５０の中心線が存在する。
図１（ｂ）に示すように、作用点３０に作用する力をＦ、検出点２０の変位をｘ、作用点３０の変位をｙとする。
FIG. 1A shows a force measuring device for explaining the basic principle of the present invention. In this apparatus, a first support mechanism 40 is supported between a detection point 20 for detecting displacement and a fixed point 10, and a second support mechanism 50 is provided between an action point 30 at which a force acts and the detection point 20. It is supported by. The first support mechanism 40 and the second support mechanism 50 are connected in series at the detection point 20, and the center line of the second support mechanism 50 exists on the extended line of the center line of the first support mechanism 40. To do.
As shown in FIG. 1B, the force acting on the action point 30 is F, the displacement of the detection point 20 is x, and the displacement of the action point 30 is y.
また、第１の支持機構４０のばね定数をｋ1、第２の支持機構５０のばね定数をｋ2とすると、第１の支持機構４０と第２の支持機構５０とが直列接続された支持機構は、一つのばねとして動作し、そのばね定数ｋcは、次の（数１）で与えられる。
ｋc＝ｋ1ｋ2／（ｋ1＋ｋ2） （数１）
ここで、仮にばね定数が負のばね（以下では「負のばね」と略す）が実現できたとして、
ｋ1＝−ｋ2 （数２）
という関係を満たすようにすれば，次式（数３）のように無限大の剛性が得られる。
｜ｋc｜＝∞ （数３）
この場合、作用点３０に力Ｆが作用しても、作用点３０は変位しない。一方、検出点２０の変位ｘは、次式（数４）を満足する。
ｘ＝Ｆ／ｋ1＝−Ｆ／ｋ2 （数４）
従って、ばね定数の大きさを予め測っておけば、検出点２０の変位から、作用点３０に働く力を測定することができる。
これが、本発明の基本原理である。
本発明による測定装置では、剛性の大きさ（｜ｋ1｜＝｜ｋ2｜）を小さく設定することによって、力の検出感度を高くすることができるので、微小力の測定に適している。
Further, when the spring constant of the first support mechanism 40 is k 1 and the spring constant of the second support mechanism 50 is k 2 , the first support mechanism 40 and the second support mechanism 50 are connected in series. The mechanism operates as one spring, and its spring constant k c is given by the following (Equation 1).
k c = k 1 k 2 / (k 1 + k 2 ) (Equation 1)
Here, if a spring having a negative spring constant (hereinafter abbreviated as “negative spring”) is realized,
k 1 = −k 2 (Equation 2)
If the relationship is satisfied, infinite rigidity can be obtained as in the following equation (Equation 3).
| K c | = ∞ (Equation 3)
In this case, even if the force F acts on the action point 30, the action point 30 is not displaced. On the other hand, the displacement x of the detection point 20 satisfies the following equation (Equation 4).
x = F / k 1 = −F / k 2 (Equation 4)
Therefore, if the magnitude of the spring constant is measured in advance, the force acting on the action point 30 can be measured from the displacement of the detection point 20.
This is the basic principle of the present invention.
The measuring apparatus according to the present invention is suitable for measuring a micro force because the force detection sensitivity can be increased by setting the stiffness (| k 1 | = | k 2 |) small.
図２は、第１の支持機構４０と第２の支持機構５０とが直列接続された合成ばねの変位の様子を示している。図２（ａ）は、作用点３０に作用するする力Ｆが０の場合を示し、図２（ｂ）は、第１の支持機構４０が正のばね（ｋ1＞０）で、第２の支持機構５０が負のばね（ｋ2＝−ｋ1＜０）の場合に作用点３０に力Ｆ（＞０）が作用した状態を示し、また、図２（ｃ）は、第１の支持機構４０が負のばね（ｋ1＝−ｋ2＜０）で、第２の支持機構５０が正のばね（ｋ2＞０）の場合に作用点３０に力Ｆ（＞０）が作用した状態を示している。 FIG. 2 shows the displacement of the composite spring in which the first support mechanism 40 and the second support mechanism 50 are connected in series. FIG. 2A shows a case where the force F acting on the action point 30 is 0, and FIG. 2B shows that the first support mechanism 40 is a positive spring (k 1 > 0) and the second FIG. 2C shows a state in which a force F (> 0) is applied to the action point 30 when the support mechanism 50 is a negative spring (k 2 = −k 1 <0). When the support mechanism 40 is a negative spring (k 1 = −k 2 <0) and the second support mechanism 50 is a positive spring (k 2 > 0), a force F (> 0) acts on the action point 30. Shows the state.
このように、本発明の力測定装置では、
（Ａ）第１の支持機構４０が正のばねで、第２の支持機構５０が負のばねの場合
（Ｂ）第１の支持機構４０が負のばねで、第２の支持機構５０が正のばねの場合
の二通りが存在し、検出点２０の変位は、（Ａ）と（Ｂ）とで逆になる。
しかし、基本原理の説明では「負のばね」を仮定したが、実際には、単純に負のばねを用いると、系全体が不安定になる。
Thus, in the force measuring device of the present invention,
(A) When the first support mechanism 40 is a positive spring and the second support mechanism 50 is a negative spring. (B) The first support mechanism 40 is a negative spring and the second support mechanism 50 is a positive spring. There are two types of springs, and the displacement of the detection point 20 is reversed between (A) and (B).
However, in the explanation of the basic principle, a “negative spring” is assumed. However, in practice, if a negative spring is simply used, the entire system becomes unstable.
そのため、本発明の力測定装置では、安定な系で上述した動作が行えるように、少なくとも一つの支持機構を、アクチュエータを備える能動型支持機構で構成する。即ち、
（ａ）第１の支持機構４０を能動型支持機構とし、第２の支持機構５０を非能動型支持機構（受動型支持機構）とする。
（ｂ）第１の支持機構４０を受動型支持機構とし、第２の支持機構５０を能動型支持機構とする。
（ｃ）第１の支持機構４０及び第２の支持機構５０を能動型支持機構とする。
のいずれかである。
ここで留意すべきは、能動型支持機構が負のばねとは限らない点である。後述するように、能動型支持機構が正のばねで、受動型支持機構が負のばねの場合もある。
なお、前記（ｃ）の形態は、装置が複雑となりコストの面で問題があり、さらには一つの支持機構は受動型支持機構と等価な働きをするように制御されることになるため、以下では（ａ）及び（ｂ）について言及する。
Therefore, in the force measuring device of the present invention, at least one support mechanism is configured by an active support mechanism including an actuator so that the above-described operation can be performed in a stable system. That is,
(A) The first support mechanism 40 is an active support mechanism, and the second support mechanism 50 is an inactive support mechanism (passive support mechanism).
(B) The first support mechanism 40 is a passive support mechanism, and the second support mechanism 50 is an active support mechanism.
(C) The first support mechanism 40 and the second support mechanism 50 are active support mechanisms.
One of them.
It should be noted here that the active support mechanism is not necessarily a negative spring. As will be described later, the active support mechanism may be a positive spring and the passive support mechanism may be a negative spring.
The form (c) has a problem in terms of cost due to the complexity of the apparatus, and further, one support mechanism is controlled so as to function equivalent to a passive support mechanism. Then, (a) and (b) are mentioned.
能動型支持機構を構成するアクチュエータには、次のようなものが使用できる。
（イ）電磁石
（ロ）静電アクチュエータ
（ハ）ボイスコイルモータ
（ニ）圧電アクチュエータ（バイモルフ型を含む）
（ホ）リニアモータ
（ヘ）磁歪アクチュエータ
The following can be used for the actuator constituting the active support mechanism.
(B) Electromagnet (b) Electrostatic actuator (c) Voice coil motor (d) Piezoelectric actuator (including bimorph type)
(E) Linear motor (f) Magnetostrictive actuator
また、作用点３０に力が働いても、この点が（定常的には）変位しないというゼロコンプライアンスを達成するために、次に示す（１）（２）（３）の制御方法を利用する。
（１）剛性制御（Ｐ制御、ゼロパワー制御などを含む）
能動型支持機構が、受動型支持機構の剛性と大きさが等しく符号が反対の剛性を持つように、アクチュエータを制御する。
図３は、剛性制御を行う制御系のブロック図を示している。この制御系は、検出点２０の変位（ｘ）を検出するセンサ６１と、作用点３０の変位（ｙ）を検出するセンサ６２と、センサ６１、６２の検出信号から制御信号を生成するコントローラ７１と、制御信号を増幅して能動型支持機構４１のアクチュエータの駆動信号を生成する増幅器６３とを備え、コントローラ７１は、センサ６２の出力信号の安定化を図る安定化補償器７１２と、センサ６１の出力信号と大きさが等しく符号が反対の信号を生成する剛性制御器７１１とを有し、安定化補償器７１２の出力信号（ｙ）と剛性制御器７１１の出力信号（−ｘ）とを加え合わせた信号（ｙ−ｘ）が制御信号として出力される。
Also, in order to achieve zero compliance that this point does not (steadily) displace even if a force is applied to the action point 30, the following control methods (1), (2), and (3) are used. .
(1) Rigidity control (including P control, zero power control, etc.)
The active support mechanism controls the actuator so that the stiffness and size of the passive support mechanism are equal and opposite in sign.
FIG. 3 is a block diagram of a control system that performs rigidity control. This control system includes a sensor 61 that detects the displacement (x) of the detection point 20, a sensor 62 that detects the displacement (y) of the action point 30, and a controller 71 that generates a control signal from the detection signals of the sensors 61 and 62. And an amplifier 63 that amplifies the control signal and generates a drive signal for the actuator of the active support mechanism 41. The controller 71 includes a stabilization compensator 712 that stabilizes the output signal of the sensor 62, and a sensor 61. A stiffness controller 711 that generates a signal that is equal in magnitude and opposite in sign to the output signal of, and outputs the output signal (y) of the stabilization compensator 712 and the output signal (−x) of the stiffness controller 711. The added signal (y-x) is output as a control signal.
（２）変位相殺制御
受動型支持機構の変位を検出し、能動型支持機構が受動型支持機構の変位を相殺するように、アクチュエータを制御する。
図４は、変位相殺制御を行う制御系のブロック図を示している。この制御系のコントローラ７２は、センサ６２の出力信号（ｙ）からセンサ６１の出力信号（ｘ）を差し引いた信号（ｙ−ｘ）を出力する変位相殺制御器７２１を有し、この信号が制御信号として増幅器６３に送られる。
この場合、能動型支持機構４１のアクチュエータは、剛性制御のときと同じ動作を行う。
(2) Displacement cancellation control The displacement of the passive support mechanism is detected, and the actuator is controlled so that the active support mechanism cancels the displacement of the passive support mechanism.
FIG. 4 is a block diagram of a control system that performs displacement cancellation control. The controller 72 of the control system has a displacement cancellation controller 721 that outputs a signal (yx) obtained by subtracting the output signal (x) of the sensor 61 from the output signal (y) of the sensor 62. It is sent to the amplifier 63 as a signal.
In this case, the actuator of the active support mechanism 41 performs the same operation as in the rigidity control.
（３）作用点変位に関する積分補償を含む制御
作用点３０の固定点１０に対する変位を検出し、この変位がゼロとなるように能動型支持機構４１を変位させる。
図５は、この制御を行う制御系のブロック図を示している。この制御系のコントローラ７３は、センサ６２の出力信号（ｙ）を積分して作用点３０の固定点１０に対する変位を求める積分要素が含まれたＰＩＤ補償器７３１を備え、作用点３０の変位の目標値をゼロとして制御信号を生成するＰＩＤ補償器７３１の出力が増幅器６３に送られる。
この場合も、能動型支持機構４１のアクチュエータは、剛性制御のときと同じ動作を行う。
(3) Control including integral compensation relating to displacement of the operating point The displacement of the operating point 30 relative to the fixed point 10 is detected, and the active support mechanism 41 is displaced so that this displacement becomes zero.
FIG. 5 shows a block diagram of a control system for performing this control. The controller 73 of this control system includes a PID compensator 731 that includes an integration element that integrates the output signal (y) of the sensor 62 to obtain the displacement of the working point 30 with respect to the fixed point 10. The output of the PID compensator 731 that generates a control signal with the target value as zero is sent to the amplifier 63.
Also in this case, the actuator of the active support mechanism 41 performs the same operation as in the rigidity control.
（実施例１）
本発明の実施例１として、前記（ａ）（イ）（３）に該当する装置、即ち、第１の支持機構４０が能動型支持機構であって、第２の支持機構５０が受動型支持機構であり、アクチュエータが電磁石であり、作用点変位に関する積分補償を含む制御を行う力測定装置について説明する。
この装置は、図６（ａ）に示すように、電磁石１００と、永久磁石１０１と、強磁性体１０２とを備えており、永久磁石１０１が検出点、強磁性体１０２が作用点となる。
この装置では、永久磁石１０１に電磁石１００からの吸引力が働き、強磁性体１０２に永久磁石１０１の磁力による吸引力が働いている。
Example 1
As Example 1 of the present invention, the device corresponding to the above (a), (b), and (3), that is, the first support mechanism 40 is an active support mechanism, and the second support mechanism 50 is a passive support. A force measuring device that is a mechanism, an actuator is an electromagnet, and performs control including integral compensation related to displacement at the operating point will be described.
As shown in FIG. 6A, this apparatus includes an electromagnet 100, a permanent magnet 101, and a ferromagnetic body 102. The permanent magnet 101 serves as a detection point and the ferromagnetic body 102 serves as an action point.
In this apparatus, the attractive force from the electromagnet 100 is acting on the permanent magnet 101, and the attractive force due to the magnetic force of the permanent magnet 101 is acting on the ferromagnetic material 102.
図６（ｂ）は、この装置の制御系を示しており、コントローラ７３は、永久磁石１０１の変位を用いて永久磁石１０１の変位をＰＤ制御するＰＤ補償器７３２と、強磁性体１０２の変位を用いて、強磁性体１０２が変位しないようにＰＩＤ制御するＰＩＤ補償器７３１とを備えている。
この場合、強磁性体１０２に下向きの外力を加えると、ＰＩＤ制御されている強磁性体１０２は定常的には変位せず、定常的外力と釣り合わせるために、永久磁石１０１が強磁性体１０２とのギャップを縮める向き（下方）に変位する。この変位により電磁石１００と永久磁石１０１とのギャップが拡がるので、電磁石１００と永久磁石１０１との間を支持する第１の支持機構４０（能動型支持機構）は、正のばねと看做すことができ、永久磁石１０１と強磁性体１０２との間を支持する第２の支持機構５１は、負のばねと看做すことができる。即ち、前記（Ａ）の形態である。
FIG. 6B shows a control system of this apparatus. The controller 73 uses a displacement of the permanent magnet 101 to PD-control the displacement of the permanent magnet 101, and the displacement of the ferromagnetic material 102. And a PID compensator 731 for performing PID control so that the ferromagnetic body 102 is not displaced.
In this case, when a downward external force is applied to the ferromagnetic body 102, the PID-controlled ferromagnetic body 102 does not steadily displace, and the permanent magnet 101 causes the ferromagnetic body 102 to balance with the steady external force. It is displaced in the direction (downward) to narrow the gap. This gap widens the gap between the electromagnet 100 and the permanent magnet 101. Therefore, the first support mechanism 40 (active support mechanism) that supports the electromagnet 100 and the permanent magnet 101 is regarded as a positive spring. The second support mechanism 51 that supports between the permanent magnet 101 and the ferromagnetic body 102 can be regarded as a negative spring. That is, it is the form (A).
図７は、この装置の制御系のブロック線図を示している。
図６の装置の平衡点付近の運動方程式は次式（数５）（数６）のようになる。
The equation of motion near the equilibrium point of the apparatus shown in FIG. 6 is expressed by the following equations (Equation 5) and (Equation 6).
（数５）（数６）をラプラス変換すると、次式（数８）（数９）が得られる。
また、制御入力iは次式（数１０）のように表される。
Further, the control input i is expressed as the following equation (Equation 10).
（数８）〜（数１０）から、強磁性体１０２に作用する外力Ｆ（ｔ）と永久磁石１０１の変位ｘとの関係は次式（数１１）のようになる。
この制御系において、次のように表される一定の外力Ｆ0が作用したときの応答を考える。
図８は、この力測定装置の特性測定用に製作した実験装置を示している。
この装置の最上部には電磁石１００が設置されている。電磁石１００は、十分な吸引力を確保するため線径０．５ｍｍで巻数８８０回のコイルを用いた。永久磁石１０１は、電磁石１００に対向する鉄板１０５と一体化され、永久磁石１０１の動きを１自由度に拘束するための板ばね１０７に支持されている。また、強磁性体１０２は、図９に示すように、錘８０５を付加することによって質量が可変できる構造を有している。
永久磁石１０１の変位は、板ばね１０７に貼り付けた歪ゲージ６１１により測定している。強磁性体１０２は、上下に設置したリミッタ１０６の間で浮上可能であり、強磁性体１０２の変位は、強磁性体１０２の下部に設置した渦電流センサ６２１で測定している。
また、コントローラ７３には、ＤＳＰをコアとするデジタルコントローラを使用した。
この装置の電磁石特性係数ｋiや永久磁石特性係数ｋs2、永久磁石１０１の等価質量ｍ1は、実験的に求めることができる。
FIG. 8 shows an experimental apparatus manufactured for measuring the characteristics of this force measuring apparatus.
An electromagnet 100 is installed at the top of the apparatus. As the electromagnet 100, a coil having a wire diameter of 0.5 mm and a winding number of 880 turns was used in order to ensure a sufficient attractive force. The permanent magnet 101 is integrated with an iron plate 105 facing the electromagnet 100 and is supported by a leaf spring 107 for restraining the movement of the permanent magnet 101 in one degree of freedom. Further, as shown in FIG. 9, the ferromagnetic material 102 has a structure in which the mass can be varied by adding a weight 805.
The displacement of the permanent magnet 101 is measured by a strain gauge 611 attached to the leaf spring 107. The ferromagnetic body 102 can float between the limiters 106 installed above and below, and the displacement of the ferromagnetic body 102 is measured by an eddy current sensor 621 installed below the ferromagnetic body 102.
The controller 73 is a digital controller having a DSP as a core.
The electromagnet characteristic coefficient k i , permanent magnet characteristic coefficient k s2 , and equivalent mass m 1 of the permanent magnet 101 of this apparatus can be obtained experimentally.
図１０は、強磁性体１０２に加わる静的な外力（横軸）に対する強磁性体１０２及び永久磁石１０１の変位（縦軸）を示している。なお、縦軸は、下向きの変位が負となる方向に取られている。ここでは、永久磁石１０１を“Ｆｌｏａｔｏｒ１”、強磁性体１０２を“Ｆｌｏａｔｏｒ２”と表している。静的な外力は、強磁性体１０２に錘８０５を付加することにより与えている。
実験では、まず強磁性体１０２に全ての錘を付加し、９５１ｍＮの外力が掛かった状態から開始し、２４．５ｍＮずつ外力を減らしながら６７８ｍＮまで測定を行った。強磁性体１０２に外力が掛かっても強磁性体１０２は変位せず、永久磁石１０１が変位している（下向きの力が作用すると、下向きに変位している）ことが確認できる。このことから、強磁性体１０２に働く外力を永久磁石１０１の変位を用いて非接触で計測できる。永久磁石特性係数ｋs2は永久磁石１０１からの距離の二乗に反比例して変化してしまうが、図１０の測定範囲の限りでは永久磁石１０１は線形的に変位しているので、ｋs2は定数と見なすことができる。
次に、この状態から再び２４．５ｍＮずつ外力を増やして、９５１ｍＮになるまで測定を行った。図から、このとき外力の増加・減少で永久磁石１０１の変位はわずかに異なっているが、これは磁気ヒステリシスの影響によるものと考えられる。
FIG. 10 shows the displacement (vertical axis) of the ferromagnetic body 102 and the permanent magnet 101 with respect to a static external force (horizontal axis) applied to the ferromagnetic body 102. The vertical axis is taken in the direction in which the downward displacement is negative. Here, the permanent magnet 101 is represented as “Floator 1”, and the ferromagnetic material 102 is represented as “Floator 2”. Static external force is given by adding a weight 805 to the ferromagnetic material 102.
In the experiment, all weights were first added to the ferromagnetic material 102, and the test was started from a state where an external force of 951 mN was applied, and the measurement was performed up to 678 mN while reducing the external force by 24.5 mN. It can be confirmed that even when an external force is applied to the ferromagnetic body 102, the ferromagnetic body 102 is not displaced, and the permanent magnet 101 is displaced (when a downward force is applied, it is displaced downward). From this, the external force acting on the ferromagnetic body 102 can be measured in a non-contact manner using the displacement of the permanent magnet 101. The permanent magnet characteristic coefficient k s2 changes in inverse proportion to the square of the distance from the permanent magnet 101. However, since the permanent magnet 101 is linearly displaced within the measurement range of FIG. 10, k s2 is a constant. Can be considered.
Next, the external force was increased again by 24.5 mN from this state, and the measurement was performed until it reached 951 mN. From the figure, the displacement of the permanent magnet 101 is slightly different due to the increase / decrease of the external force at this time, which is considered to be due to the influence of magnetic hysteresis.
図１１は、強磁性体１０２に０．０２５ｇの錘を付加していったときの外力と強磁性体１０２の変位との関係を示している。図１１から、強磁性体１０２の位置は一定に保たれていることが確認できる。
図１２は、このときの外力と永久磁石１０１の変位との関係を示している。図１２から、永久磁石１０１の変位は、外力に対し、比例的に変化していることが分かる。
FIG. 11 shows the relationship between the external force and the displacement of the ferromagnetic body 102 when a 0.025 g weight is added to the ferromagnetic body 102. From FIG. 11, it can be confirmed that the position of the ferromagnetic material 102 is kept constant.
FIG. 12 shows the relationship between the external force and the displacement of the permanent magnet 101 at this time. From FIG. 12, it can be seen that the displacement of the permanent magnet 101 changes in proportion to the external force.
また、図１３は、このときの外力と電磁石１００の励磁電流との関係を示している。図１３から明らかなように、励磁電流の大きさは、外力に対し比例的に変化しているとは言い難い。この主な原因は、励磁電流の検出信号には雑音の影響が大きく現れ、測定値のばらつきが大きくなってしまうからである。
この結果から、外力を変位に変換して測定する本発明の力測定装置は、従来のサーボ機構を利用した測定と比較して、高い分解能を実現できることが明らかである。
FIG. 13 shows the relationship between the external force and the exciting current of the electromagnet 100 at this time. As is apparent from FIG. 13, it is difficult to say that the magnitude of the exciting current changes in proportion to the external force. This is mainly because the influence of noise appears greatly in the detection signal of the excitation current, resulting in a large variation in measured values.
From this result, it is clear that the force measuring device of the present invention that measures by converting an external force into a displacement can realize a higher resolution than the measurement using a conventional servo mechanism.
なお、図６の力測定装置では、前記（１）剛性制御、または（２）変位相殺制御を適用して電磁石１００を制御することも可能である。例えば（１）剛性制御を適用する場合は、第１の支持機構４０の剛性を、負の剛性を持つ第２の支持機構５０の剛性と絶対値が等しく、符号が反対となるように設定する。また、（２）変位相殺制御を適用する場合は、検出点と作用点との間隔の変化を相殺するように能動型支持機構である第１の支持機構４０を動作させる。 In the force measuring device of FIG. 6, it is also possible to control the electromagnet 100 by applying the (1) rigidity control or (2) displacement canceling control. For example, when (1) rigidity control is applied, the rigidity of the first support mechanism 40 is set so that the absolute value is equal to the rigidity of the second support mechanism 50 having negative rigidity and the sign is opposite. . Further, (2) when the displacement cancellation control is applied, the first support mechanism 40 that is an active support mechanism is operated so as to cancel the change in the interval between the detection point and the action point.
（実施例２）
図１４は、前記（ａ）（イ）（３）に該当する装置であって、前記（Ｂ）の形態、即ち、第１の支持機構４０の能動型支持機構が負のばねで、第２の支持機構５０が正のばねから成る力測定装置を示している。
この装置は、電磁石１００と、電磁石１００からの吸引力が働く強磁性体（または永久磁石）１０３と、強磁性体（または永久磁石）１０３との間がばね１０５で接続された球体１０４とを備えており、強磁性体（または永久磁石）１０３が検出点、球体１０４が作用点となる。
この装置では、球体１０４に下向きの外力を加えると、第２の支持機構５０であるばね１０５が伸びる（ｋ2＞０）。これに対し、電磁石１００と強磁性体（または永久磁石）１０３との間隔は積分補償の働きで狭くなる（ｋ1＜０）。
(Example 2)
FIG. 14 shows a device corresponding to (a), (b), and (3), in the form (B), that is, the active support mechanism of the first support mechanism 40 is a negative spring. 1 shows a force measuring device in which the support mechanism 50 is a positive spring.
This apparatus includes an electromagnet 100, a ferromagnetic body (or permanent magnet) 103 on which an attractive force from the electromagnet 100 works, and a sphere 104 in which the ferromagnetic body (or permanent magnet) 103 is connected by a spring 105. The ferromagnet (or permanent magnet) 103 is a detection point and the sphere 104 is an action point.
In this device, when a downward external force is applied to the sphere 104, the spring 105 as the second support mechanism 50 is extended (k 2 > 0). On the other hand, the distance between the electromagnet 100 and the ferromagnetic body (or permanent magnet) 103 is narrowed by the function of integral compensation (k 1 <0).
（実施例３）
図１５は、前記（Ｂ）（ａ）（ロ）に該当する装置、即ち、第１の支持機構４０が負のばねから成る能動型支持機構であり、アクチュエータに静電アクチュエータが使用された力測定装置を示している。
この装置は、静電アクチュエータの固定側電極１１０、１１１に対向する可動側電極１１２が、正のばね１１３を介して球体１１４に接続されており、可動側電極１１２が検出点、球体１１４が作用点となる。
静電アクチュエータは、固定側電極１１０、１１１と可動側電極１１２との間の静電力で、球体１１４が接続された可動側電極１１２を静電浮上させており、固定側電極１１０、１１１に印加する電圧が変わると、静電力が変化して固定側電極１１０、１１１と可動側電極１１２とのギャップが変わる。
(Example 3)
FIG. 15 shows an apparatus corresponding to the above (B), (a), and (b), that is, an active support mechanism in which the first support mechanism 40 is a negative spring, and a force using an electrostatic actuator as the actuator. 1 shows a measuring device.
In this device, a movable electrode 112 facing the fixed electrodes 110 and 111 of the electrostatic actuator is connected to a sphere 114 via a positive spring 113, and the movable electrode 112 acts as a detection point and the sphere 114 acts. It becomes a point.
The electrostatic actuator electrostatically levitates the movable side electrode 112 to which the sphere 114 is connected by an electrostatic force between the fixed side electrodes 110 and 111 and the movable side electrode 112, and is applied to the fixed side electrodes 110 and 111. When the applied voltage changes, the electrostatic force changes and the gap between the fixed electrodes 110 and 111 and the movable electrode 112 changes.
この装置では、球体１１４に下向きの外力を加えると、第２の支持機構であるばね１１３が伸びる（ｋ2＞０）。これに対し、静電アクチュエータの固定側電極１１０、１１１には、コントローラの制御で、球体１１４を変位させないように設定された電圧が印加され、可動側電極１１２と固定側電極１１０、１１１側とのギャップが狭くなる（ｋ1＜０）。
制御系として、（１）剛体制御を適用する場合は、静電浮上により、ばね１１３の剛性と大きさが等しくなる負の剛性を実現する。また、（２）変位相殺制御を適用する場合は、ばね１１３の伸縮を検出し、その変位を相殺するように浮上位置を制御する。また、（３）作用点変位に関する積分補償を含む制御を適用する場合は、球体１１４の固定側電極１１０、１１１（固定点）に対する変位を検出して、それがゼロとなるように浮上位置を制御する。
In this device, when a downward external force is applied to the sphere 114, the spring 113 as the second support mechanism is extended (k 2 > 0). On the other hand, a voltage set so as not to displace the sphere 114 under the control of the controller is applied to the fixed side electrodes 110 and 111 of the electrostatic actuator, and the movable side electrode 112 and the fixed side electrodes 110 and 111 side The gap becomes narrower (k 1 <0).
As the control system, (1) when rigid body control is applied, a negative stiffness that equals the stiffness of the spring 113 is realized by electrostatic levitation. When (2) displacement cancellation control is applied, the expansion and contraction of the spring 113 is detected, and the flying position is controlled so as to cancel the displacement. Further, (3) when applying control including integral compensation regarding the displacement of the operating point, the displacement of the sphere 114 with respect to the fixed side electrodes 110 and 111 (fixed points) is detected, and the flying position is set so that it becomes zero. Control.
図１６は、図１５の装置をマイクロ化するときの構造を示している。第１の支持機構４０及び第２の支持機構５０は、いずれも一体化されたエデンばね機構となっており、第１の支持機構４０の中に静電アクチュエータの電極１１０、１１１が形成されている。
このような機構は、ワイヤーカット放電加工を利用すれば、小型のものが簡単に製作することができる。
FIG. 16 shows a structure when the apparatus of FIG. 15 is micronized. The first support mechanism 40 and the second support mechanism 50 are both integrated Eden spring mechanisms, and electrodes 110 and 111 of electrostatic actuators are formed in the first support mechanism 40. Yes.
Such a mechanism can be easily manufactured by using wire cut electric discharge machining.
（実施例４）
図１７は、前記（Ａ）（ｂ）（ロ）に該当する装置、即ち、第１の支持機構４０が正のばねで、第２の支持機構５０が能動型支持機構から成る負のばねであり、アクチュエータに静電アクチュエータが使用された力測定装置を示している。
この装置は、静電浮上用の電極１２３、１２４が、固定点からばね１２１で支持されたプレート１２２（検出点）に固定され、作用点の球体１２５が静電力により静電浮上している。
この装置では、球体１２５に下向きの外力を加えると、第２の支持機構の静電アクチュエータが球体１２５との静電力を強めて電極１２３、１２４と球体１２５とのギャップを狭める（ｋ2＜０）。そのため、ばね１２１が伸びる（ｋ1＞０）。
Example 4
FIG. 17 shows a device corresponding to the above (A), (b), and (b), that is, the first support mechanism 40 is a positive spring and the second support mechanism 50 is a negative spring composed of an active support mechanism. A force measuring device using an electrostatic actuator as the actuator is shown.
In this device, electrostatic levitation electrodes 123 and 124 are fixed to a plate 122 (detection point) supported by a spring 121 from a fixed point, and a sphere 125 at an action point is electrostatically levitated by an electrostatic force.
In this apparatus, when a downward external force is applied to the sphere 125, the electrostatic actuator of the second support mechanism increases the electrostatic force with the sphere 125 and narrows the gap between the electrodes 123 and 124 and the sphere 125 (k 2 <0 ). Therefore, the spring 121 extends (k 1 > 0).
制御系として、（１）剛体制御を適用する場合は、静電浮上により、ばね１２１の剛性と大きさが等しくなる負の剛性を実現する。（２）変位相殺制御を適用する場合は、ばね１２１の伸縮を検出し、その変位を相殺するように浮上位置を制御する。また、（３）作用点変位に関する積分補償を含む制御を適用する場合は、球体１２５の固定点に対する変位を検出し、それがゼロとなるように浮上位置を制御する。 As the control system, (1) when rigid body control is applied, a negative stiffness that is equal to the stiffness of the spring 121 is realized by electrostatic levitation. (2) When applying displacement cancellation control, the expansion and contraction of the spring 121 is detected, and the flying position is controlled so as to cancel the displacement. Further, (3) when applying control including integral compensation regarding the displacement of the action point, the displacement of the sphere 125 with respect to the fixed point is detected, and the flying position is controlled so that it becomes zero.
（実施例５）
実施例５では、作用点に働く力の３分力を測定する力測定装置について説明する。
図１８（３次元図形）、図１９（側方から見た図）は、この装置の一例を模式的に示している。この装置は、作用点３０に働く力の３分力を検出する３つの検出点２１、２２、２３を有し、作用点３０と各検出点２１、２２、２３との間を支持する３つの第２の支持機構５０１、５０２、５０３を備えている。そして、第２の支持機構５０１、５０２、５０３の延長線が交差する固定板６００の位置に３つの固定点１１、１２、１３が設定され、３つの固定点１１、１２、１３と３つの検出点２１、２２、２３との間を支持する３つの第１の支持機構４０１、４０２、４０３を備えている。
従って、この装置では、第１の支持機構４０１の中心線が、第２の支持機構５０１の中心線の延長線上に在り、第１の支持機構４０２の中心線が、第２の支持機構５０２の中心線の延長線上に在り、第１の支持機構４０３の中心線が、第２の支持機構５０３の中心線の延長線上に在る。
なお、３つの検出点２１、２２、２３は分散しており、３つの第２の支持機構５０１、５０２、５０３は、１平面に含まれない。
(Example 5)
In the fifth embodiment, a force measuring device that measures three component forces acting on an action point will be described.
FIG. 18 (three-dimensional figure) and FIG. 19 (view from the side) schematically show an example of this apparatus. This device has three detection points 21, 22, and 23 that detect a three-component force acting on the action point 30, and supports three points between the action point 30 and each of the detection points 21, 22, and 23. Second support mechanisms 501, 502, and 503 are provided. Then, three fixed points 11, 12, 13 are set at the position of the fixed plate 600 where the extended lines of the second support mechanisms 501, 502, 503 intersect, and the three fixed points 11, 12, 13, and three detections are set. Three first support mechanisms 401, 402, and 403 that support the points 21, 22, and 23 are provided.
Therefore, in this apparatus, the center line of the first support mechanism 401 is on an extension line of the center line of the second support mechanism 501, and the center line of the first support mechanism 402 is the second support mechanism 502. The center line of the first support mechanism 403 is on the extension of the center line of the second support mechanism 503.
Note that the three detection points 21, 22, and 23 are dispersed, and the three second support mechanisms 501, 502, and 503 are not included in one plane.
３分力を検出する第１の系は、固定点１１、第１の支持機構４０１、検出点２１、第２の支持機構５０１、作用点３０によって構成され、第２の系は、固定点１２、第１の支持機構４０２、検出点２２、第２の支持機構５０２、作用点３０によって構成され、第３の系は、固定点１３、第１の支持機構４０３、検出点２３、第２の支持機構５０３、作用点３０によって構成される。
各系の第１の支持機構４０１、４０２、４０３及び第２の支持機構５０１、５０２、５０３の少なくとも一方はアクチュエータを備える能動型支持機構であり、アクチュエータとして、（イ）電磁石、（ロ）静電アクチュエータ、（ハ）ボイスコイルモータ、（ニ）圧電アクチュエータ、（ホ）リニアモータ、（ヘ）磁歪アクチュエータのいずれかが使用され、アクチュエータは、前述する（１）剛性制御、（２）変位相殺制御、または（３）作用点変位に関する積分補償を含む制御、によって制御される。
The first system for detecting the three component forces includes a fixed point 11, a first support mechanism 401, a detection point 21, a second support mechanism 501, and an action point 30, and the second system is a fixed point 12. The first support mechanism 402, the detection point 22, the second support mechanism 502, and the action point 30, and the third system is the fixed point 13, the first support mechanism 403, the detection point 23, the second point The support mechanism 503 and the action point 30 are configured.
At least one of the first support mechanisms 401, 402, 403 and the second support mechanisms 501, 502, 503 of each system is an active support mechanism including an actuator, and (a) an electromagnet, (b) a static Any one of an electric actuator, (c) a voice coil motor, (d) a piezoelectric actuator, (e) a linear motor, and (f) a magnetostrictive actuator is used. Controlled by (3) control or (3) control including integral compensation for the displacement at the working point.
つまり、各系の構成は、（実施例１）〜（実施例４）で説明した１次元の力を検出するための構成と同じであり、測定の際に、作用点３０は変位せずに、３つの検出点２１、２２、２３の変位から、作用点３０に作用する力の３分力が測定される。
このとき、３つの検出点２１、２２、２３の変位の方向は、各系の直線方向に沿っているから、各検出点２１、２２、２３の変位が測定し易い。
作用点３０に作用する力の３次元空間での大きさ及び方向は、測定された３分力を合成することにより得られる。
That is, the configuration of each system is the same as the configuration for detecting the one-dimensional force described in (Example 1) to (Example 4), and the action point 30 is not displaced during measurement. From the displacement of the three detection points 21, 22, 23, three component forces of the force acting on the action point 30 are measured.
At this time, since the directions of displacement of the three detection points 21, 22, and 23 are along the linear direction of each system, the displacement of each of the detection points 21, 22, and 23 is easy to measure.
The magnitude and direction of the force acting on the action point 30 in the three-dimensional space can be obtained by combining the measured three component forces.
（実施例６）
図２０（３次元図形）、図２１（側方から見た図）は、実施例５の変形例を示している。この装置では、３つの固定点１１、１２、１３を固定板６００の１点の近傍に設定し、この３つの固定点１１、１２、１３と３つの検出点２１、２２、２３との間を３つの第１の支持機構４０１、４０２、４０３で支持している。その他の構成は、実施例５と変わりがない。
この装置の３分力を検出する各系は、くの字状を呈しており、そのため、装置の全体形状を小型化できる利点がある。
(Example 6)
FIG. 20 (three-dimensional figure) and FIG. 21 (side view) show a modification of the fifth embodiment. In this apparatus, three fixed points 11, 12, 13 are set in the vicinity of one point of the fixed plate 600, and between these three fixed points 11, 12, 13 and the three detection points 21, 22, 23 are set. It is supported by three first support mechanisms 401, 402, 403. Other configurations are the same as those in the fifth embodiment.
Each system for detecting the three component forces of this device has a U-shape, and therefore there is an advantage that the overall shape of the device can be reduced.
（実施例７）
図２２（３次元図形）、図２３（側方から見た図）は、実施例５の他の変形例を示している。この装置では、３分力を検出する３つの検出点が、一枚のプレート６０１上の３箇所に設定されており、一体化されている。その他の構成は、実施例５と変わりがない。
この装置では、プレート６０１上の３箇所の検出点が同じように変位すると、プレート６０１が上下方向に平行移動し、３箇所の検出点の変位に違いがあると、プレート６０１が傾く。
このプレート６０１の動きを検出することで、作用点３０に作用する力の３分力を測定することができる。
(Example 7)
FIG. 22 (three-dimensional figure) and FIG. 23 (view from the side) show another modification of the fifth embodiment. In this apparatus, three detection points for detecting three component forces are set at three locations on one plate 601 and integrated. Other configurations are the same as those in the fifth embodiment.
In this apparatus, when the three detection points on the plate 601 are displaced in the same manner, the plate 601 is translated in the vertical direction, and when there is a difference in the displacement of the three detection points, the plate 601 is inclined.
By detecting the movement of the plate 601, it is possible to measure the three component forces of the force acting on the action point 30.
（実施例８）
図２４（３次元図形）、図２５（側方から見た図）は、実施例７の変形例を示している。この装置では、実施例６（図２０、図２１）と同様に、３つの固定点１１、１２、１３を固定板６００の１点の近傍に設定している。その他の構成は、実施例７と変わりがない。
(Example 8)
FIG. 24 (three-dimensional figure) and FIG. 25 (view from the side) show a modification of the seventh embodiment. In this apparatus, as in the sixth embodiment (FIGS. 20 and 21), the three fixing points 11, 12, and 13 are set in the vicinity of one point of the fixing plate 600. Other configurations are the same as those in the seventh embodiment.
本発明の力測定装置は、高精度の測定が可能であり、高精度微小力測定装置や原子間力顕微鏡、超精密組立などに広く利用することができる。 The force measuring device of the present invention can measure with high accuracy, and can be widely used for high accuracy micro force measuring device, atomic force microscope, ultra-precision assembly and the like.
１０ 固定点
１１ 固定点
１２ 固定点
１３ 固定点
２０ 検出点
２１ 検出点
２２ 検出点
２３ 検出点
３０ 作用点
４０ 第１の支持機構
４１ 能動型支持機構
５０ 第２の支持機構
５１ 受動型支持機構
６１ センサ
６２ センサ
６３ 増幅器
７１ コントローラ
７２ コントローラ
７３ コントローラ
１００ 電磁石
１０１ 永久磁石
１０２ 強磁性体
１０３ 強磁性体（または永久磁石）
１０４ 球体
１０５ 鉄板
１０６ リミッタ
１０７ 板ばね
１１０ 固定側電極
１１１ 固定側電極
１１２ 可動側電極
１１４ 球体
１２１ ばね
１２２ プレート
１２３ 電極
１２４ 電極
１２５ 球体
４０１ 第１の支持機構
４０２ 第１の支持機構
４０３ 第１の支持機構
５０１ 第２の支持機構
５０２ 第２の支持機構
５０３ 第２の支持機構
６００ 固定板
６０１ プレート
６１１ 歪ゲージ
６２１ 渦電流センサ
７１１ 剛性制御器
７１２ 安定化補償器
７２１ 変位相殺制御器
７３１ ＰＩＤ補償器
７３２ ＰＤ補償器
８００ カンチレバー
８０１ 探針
８０２ センサ
８０３ 試料
８０５ 錘
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fixed point 11 Fixed point 12 Fixed point 13 Fixed point 20 Detection point 21 Detection point 22 Detection point 23 Detection point 30 Action point 40 First support mechanism 41 Active support mechanism 50 Second support mechanism 51 Passive support mechanism 61 Sensor 62 Sensor 63 Amplifier 71 Controller 72 Controller 73 Controller 100 Electromagnet 101 Permanent magnet 102 Ferromagnetic material 103 Ferromagnetic material (or permanent magnet)
104 spherical body 105 iron plate 106 limiter 107 leaf spring 110 fixed side electrode 111 fixed side electrode 112 movable side electrode 114 sphere 121 spring 122 plate 123 electrode 124 electrode 125 sphere 401 first support mechanism 402 first support mechanism 403 first support Mechanism 501 Second support mechanism 502 Second support mechanism 503 Second support mechanism 600 Fixed plate 601 Plate 611 Strain gauge 621 Eddy current sensor 711 Stiffness controller 712 Stabilization compensator 721 Displacement cancellation controller 731 PID compensator 732 PD compensator 800 cantilever 801 probe 802 sensor 803 sample 805 weight
Claims (14)
前記固定点と前記検出点との間を支持する第１の支持機構と、
前記検出点と前記作用点との間を支持する第２の支持機構と、
前記検出点の変位を検出する検出手段と、
を有し、
前記第１の支持機構と前記第２の支持機構とが前記検出点で接続され、
前記第１の支持機構及び第２の支持機構の一方が、アクチュエータを備える能動型支持機構であり、他方が、受動型支持機構、または、アクチュエータを備える能動型支持機構であり、
前記作用点の位置が変位しないように前記アクチュエータの制御が行われ、前記作用点の位置が変位しない状態での前記検出点の変位が前記検出手段により検出されることを特徴とする力測定装置。
A force measuring device having a fixed point, a detection point for detecting displacement, and an action point on which a force acts, and detecting the force acting on the action point by converting it into a displacement of the detection point,
A first support mechanism for supporting between the fixed point and the detection point;
A second support mechanism for supporting between the detection point and the action point;
Detecting means for detecting displacement of the detection point;
Have
The first support mechanism and the second support mechanism are connected at the detection point,
One of the first support mechanism and the second support mechanism is an active support mechanism including an actuator, and the other is a passive support mechanism or an active support mechanism including an actuator .
The force measurement device is characterized in that the actuator is controlled so that the position of the action point is not displaced, and the displacement of the detection point in a state where the position of the action point is not displaced is detected by the detection means. .
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