非調和振動による表面吸着粒子の移送
森永研究室
1.

木村沙織

背景・目的
近年、情報技術の発展により様々なものの微細化が進んでいる。微細化が進むにつれて、今までは影響のなかったような微細な異物が故 障や不具合の原因となり得る。
例として半導体製造装置、デジタルカメラ

図 1 単振り子(左図)と振動波形(右図)を挙げる。半導体製造装置では半導体チップの回路を焼き付けるためのウェーハ上にまた、図２(左)のような二つの単振り子が微細な異物が存在することで、正確な回路最下点で衝突する場合を考えると、波形はが焼き付かない等の問題が起こる。また、デ図２(右)となる。振動周期は図１の場合のジタルカメラではレンズ交換時にホコリが二倍になり、二つの振動子は逆相となって進入し、カメラのピントが合わない、ゴミが動く。

映り込む等の不具合が起こる。そこで、デジタルカメラにはホコリ除去機能が内蔵されており、ホコリを微細な振動によって弾き飛ばして除去するという仕組みがある。
先行研究ではノコギリ波による粒子の移送について研究されており、変位が急なと図２ 二つの単振り子の衝突（左図）とそ

きは粒子は基板の動きについていけずにその振動波形（右図）の場に留まり、変位が穏やかなときは基板と共に移動するため、移送が可能たということが分かっている。そこで、本研究では衝突の際の衝撃を使った移送の方法を考えた。

2.2 電流が磁場から受ける力本研究では、振動させる手段としてハードディスクのボイスコイルモータを用いた。
コイルに流れる電流、磁石による磁場、それ2.

実験概要によって作用する力はそれぞれ垂直の関係

2.1 振り子の振動波形にある。本研究で用いたボイスコイルモー

単振り子は振れ角θが十分に小さいとき、タは、磁石の部分が上下左右で反対になっsinθ≒θ が成り立ち、この運動を単振動まており、電流の向きが変わることで力の向たは調和振動とみなすことができる。よっきが変わり、それによりコイルが左右に振てこのときの振動波形は図 1 のような正弦れる。

波となる。

3.2 実験手順(1) 実験装置の組み立て
図 4 のように、アンプに振動子 A のコイ
図３ ボイスコイルモータ

ル、ファンクションジェネレータ、 オシロスコープをそれぞれつなげた。また、振動子の上方にカメラを設置し、振動子を照らす

2.3 共振現象
共振現象とは、外部から物体に固有振動ように LED ストロボスコープ設置した。
(2) 共振周波数の測定数と同じ周波数を与えると、振幅が大きくファンクションジェネレータを用いて、ななり、強い振動が起こることである。

振動子 A の共振周波数を測定し、振動子 B二つの振動子において共振周波数をｆとの共振周波数も同じ値になるように調整しすると、与える周波数がｆのときは励起さた。ここで得た共振周波数の二倍の値を振れる振動が同相になるため、波形は図１の動子 A に与えたときに、互いに衝突するよようになり、二つの振動子は接触した状態うにした。

で振動する。また、与える周波数が２ｆのと(3) 表面吸着粒子の移送

きは励起される振動が逆相になるため、二粉末状の粒子はあまり動かなかったため、つの振動子は衝突しながら振動し、波形はもう少し大きい物を用いて振動子Ｂ（真鋳）

図２（右）のようになる。の上に載せ、衝突によってどう動くかを観

このとき、二つの振動子を周波数２ｆで逆相となって衝突させるために、それぞれ察した。
(4) 二つの振動子の振動波形の振り子が最下点で衝突する必要がある。

二つの振動子の衝突に関して、振動波形

そこで本研究ではコイルに流す電流のオフを観察するため横からストロボスコープでセットを変化させることによって、衝突の照らし、上方からカメラで動画を撮影した。

位置を調整することができる。

その後、画像処理を行い、衝突による振動波形をグラフにした。

3.

実験方法

3.1 実験装置

4.

結果・考察

4.1 共振周波数の測定
振動子 A の共振周波数は 18.0 Hz となった。これより振動子 B の共振周波数が 18.0Hz になるように棒の長さを調整した。次に、ファンクションジェネレータの周波数を共振周波数の二倍である 36.0 Hz に設定し、コイルに流れる電流のオフセットを変えて
図 4 実験系全体図

二つの振動子が衝突するように調節した。

4.2 表面吸着粒子の移送

これらは摩擦係数の違いにより、摩擦のまず初めに表面吸着粒子として粉末状の少ないワッシャーの方がスムーズに速く進研磨剤を用いて観察を行ったところ、振動むが、ゴム足の方は摩擦が大きく滑りが悪子 B（真鍮）上に山型に乗せると次第にそいのでワッシャーに比べて衝突に合わせての山は崩れて散らばっていくが、そのあと小刻みに進むことが観察できた。

粒子が移送される様子は観察できなかった。

また、表 1，2 の観察結果より 35.0 Hz のそこで、粉末上でないもう少し大きく、動きときが最も物体の移送がされやすいことがが観察しやすい物として、平ワッシャー（外分かった。さらにオフセットの値は 0.2~0.4

径 16 mm）とゴム足（直径 8 mm）を用いV のときがスムーズに動くことが多く、そた。これらは振動子 B（真鋳）の上に乗せる

れより小さい値では振動子同士の距離が離と、衝突の衝撃を受けて振動子 A（コイル）れてしまい振動しづらくなることが分かっの方に引き寄せられるように移動した。

た。反対に 0.5 V より大きい値にすると振動子同士が近づきすぎてしまい衝突をしな移送についての評価基準を以下のようにくなった。よって、周波数が 35.0 Hz でオ定め、観察結果を表 1，2 にまとめた。

フセットを 0.2~0.3 V に設定しているとき◎：一方向にまっすぐ一定の速さで動く。

が最も表面吸着粒子が移送されやすいこと○：一直線または一定の速さではないが、一が分かった。

方向に進む。

これについて、最も移送されやすい周波△：動くが方向が一定でない、または、一方数が共振周波数の二倍である 36.0 Hz では

向に進むがかなり速度が遅い。

なく 35.0 Hz となった理由は、ワッシャー

×：動かない。 －：振動しない。

やゴム足を乗せることによる共振周波数のずれと考えた。何も載せていない場合の共表1

ワッシャー

振周波数が 18.0 Hz になるように調整した
ため、物を載せることによって振動子の質量が重くなり、共振周波数が下がる。それにより、移送されやすい周波数が 36.0 Hz より小さくなったと考えられる。

表2ゴム足

4.3 二つの振動子の振動波形
表面吸着粒子の移送の観察結果より、共振周波数を二倍した 36.0 Hz のときよりも35.0 Hz のときの方が粒子の移送がされやすいことが分かった。したがって、36.0 Hzと 35.0 Hz のときの動画を撮影し、画像処理により得られた二つの振動子の座標を表にまとめ、グラフにした。このとき、振動波ことによって元の速さに戻ると考えた。

形のグラフに関して振動子 A が y 軸負方向に、振動子 B が y 軸正方向になるようにし、得られた測定結果において衝突時の y 座標5.

結論が 0 になるようにした。つまり、振動子 A

本研究を通して、二つの振動子に共振周波は座標が一番大きい値になるとき、振動子数の 2 倍の周波数を与えることによって衝B は座標が一番小さい値になるときを y＝0

突が起こり、それによる衝撃で振動子上のにそろえた。

物体を移送することができた。しかし、反省点として共振を上手く活用することができず、粒子を移送することができなかった。
二つの振動子の衝突において、図２（右）のようなグラフにならなかったのは振動子の金属部分の反発係数が低いことが原因であり、共振を活かすにはもっと反発係数に関する理解が必要であったと感じた。そして、高い反発係数を実現し、共振を効率よく利

図５36.0 Hz のときの振動波形用できれば、今回測定で用いた物体よりもさらに小さい物体や、粉末状の粒子の移送

上の図は 36.0 Hz のときの振動波形であも可能になると考える。

る。35.0 Hz のときの振動波形も同様の波形をしており、特別な差はなかったためここには載せなかったが、図５を見て次のこと6.

が分かった。(1)振動子 A の方が変位の大き[1] 原田晃、吉武裕：強い非対称性を有するい波形であること。(2)振動子 B は図２のよ梁 の 衝 突 振 動 ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 (Cうな振動波形となっているが、振動子 A は編)79 巻 798 号(2013－2)

衝突直後に波形がなだらかになり、その後[2] 原田晃、吉武裕、萩野弘章：二本の梁のまた元に戻るような形になっている。これ

衝突振動，日本機械学会論文集(C 編)，76

らについて考えると、(1)に関しては振動子

巻 763 号(2010－3)

A が直接外部からの力を受けて振動するた[3] 板橋貫人、桑原猛、出澤義人、他五名（早め大きい波形になり、振動子 B は振動子 A大理工）：羽ばたきモータのセンサレス角度との衝突により振動するため振動子 A ほど検 出の高精度化，応用物理学会春季学術講大きい波形は得られないと考えた。また(2)

演会(2014-3)に関しては、振動子 B は振動子 A との衝突により連続して振動することができ、 振動子 A は衝突によって一時的にエネルギーを失い速度が落ちるが、外部から力を受ける

参考文献