(57)【要約】      （修正有）【課題】コイル中に超磁歪素子を設置せず、効率良く磁化させ、出力変位を高精度に制御、出力変位を所定の領域にて効率よく、高精度で得る装置および方法を提供する。【解決手段】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と、電流値を制御し、超磁歪素子を連続的に伸縮させる超磁歪素子の伸縮制御装置と、超磁歪素子の自由端側を変位ゼロの位置まで予め変位させる予変位手段とを有する。予変位手段による変位の後に、目標とする微小変位を得るようにした微小変位制御装置、あるいは、超磁歪素子の固定端側および自由端側のそれぞれの磁力発生手段における電磁石の鉄心と、磁力発生手段の電流値を制御することにより、連続的に伸長させ、超磁歪素子の自由端側にある、電磁石の鉄心を兼ねた出力ロッドに出力させるようにした超磁歪素子の伸縮制御装置を備えた微小変位制御装置、およびそれらを用いた装置と方法。【選択図】図１６
2007143302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【特許文献１】特開２００５−１９２３６１号公報
【特許文献２】特開平１０−１７８０３２号公報
【特許文献３】特開２００１−１２４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【発明の効果】
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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）。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】微小変位制御装置の構成例を示す概略構成図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】初磁化曲線である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【符号の説明】
【００９１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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