特許 6404080 クロスキャパシタを用いた微小力および微小質量の測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6404080

(24)【登録日】2018年9月21日

(45)【発行日】2018年10月10日

(54)【発明の名称】クロスキャパシタを用いた微小力および微小質量の測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/08 20060101AFI20181001BHJP

   G01G 7/06 20060101ALI20181001BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/08

   G01G7/06

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-214167(P2014-214167)

(22)【出願日】2014年10月21日

(65)【公開番号】特開2016-80605(P2016-80605A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2017年9月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】藤井 賢一

(72)【発明者】

【氏名】小森 昌史

(72)【発明者】

【氏名】上田 和永

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１３３３２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２３３０７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−０９４８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２９９４２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／０８

Ｇ０１Ｌ ５／００

Ｇ０１Ｇ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、前記クロスキャパシタの対向する電極２組に電圧Ｕを印加する直流電源と、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺されるとともにその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記可動ガード電極の鉛直方向の位置の変化を測定する位置測定器と、前記電圧Ｕを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記位置測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前後の値が変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε_０を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
または、次式
ｍｇ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定装置または質量測定装置。

【請求項2】

鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、前記クロスキャパシタの対向する電極２組に電圧Ｕを印加する直流電源と、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺されるとともにその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記対向する電極間のキャパシタンスの変化を測定するキャパシタンス測定器と、前記電圧Ｕを制御する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記キャパシタンス測定器の測定信号の値が前記ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前後の値が変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε_０を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
または、次式
ｍｇ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定装置または質量測定装置。

【請求項3】

鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺された可動ガード電極であってその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記可動ガード電極の鉛直方向の位置の変化を測定する位置測定器と、クロスキャパシタの対向する電極２組に印加する電圧Ｕを制御する制御装置を用い、
前記位置測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前と後で変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε_０を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
または、次式
ｍｇ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定方法または質量測定方法。

【請求項4】

鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺された可動ガード電極であってその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記対向する電極間のキャパシタンスの変化を測定するキャパシタンス測定器と、クロスキャパシタの対向する電極２組に印加する電圧Ｕを制御する制御装置を用い、
前記キャパシタンス測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前と後で変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε_０を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
または、次式
ｍｇ＝(ε_０ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ^２
（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定方法または質量測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クロスキャパシタを用いて微小力を発生させる方法、およびその微小力と重力加速度の値から微小な質量を計測する方法に関し、また、当該方法を用いた測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

分銅による校正を必要としない微小力、微小質量の標準としては、静電容量Ｃのキャパシタの極板間に働く静電力を用いた、電圧天びん装置が知られている。これは、キャパシタに印加した電圧Ｕおよび、キャパシタの形状変化による静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚから、発生する静電力の大きさを算出し、荷重とつり合わせるものである。従来、この装置に使われるキャパシタは、図４に示す同軸二重円筒形が主流であった。この時に発生する力Ｆは以下のとおりである（非特許文献１、２参照）。
ｍｇ＝Ｆ＝(１／２)・(ｄＣ／ｄｚ)・Ｕ²
ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度である。なお、図中のバランス機構は内筒部分をｚ方向（鉛直方向）にのみ移動可能に支持するとともに風袋物の重量を相殺する機構を備えている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】J.R.Pratt, J.A.Kramar, D.B.Newell, D.T.Smith,「Review of SI traceable force metrology for instrumented indentation and atomic force microscopy」, Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 2129-2137

【非特許文献2】GANG HU,et al 「RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SMALL FORCE STANDARDS AT NIM」,Int. J. Mod. Phys. Conf. Sert. 24, 1360020 (2013)

【非特許文献3】A.M.Thompson, D.G.Lampard,「A new theorem in electrostatics and its application to calculable standards and capacitance」, Nature,177, p. 888(1956)

【非特許文献4】中村安弘、堂前篤志「ものづくり産業の国際競争を支援する電気標準−キャパシタンス標準の実現と計量トレーサビリティの確率−」,Synthesiology Vol.3 No.3 pp213-222(Aug.2010)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来の図４に示した同軸二重円筒形の測定装置では、同軸二重円筒形の電極の一方を力の発生方向に移動させて、その時の移動距離ｚと静電容量を測定する作業を繰り返して、静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚを校正することが必要となる。この静電容量の変化率の測定は、発生する力の大きさの不確かさの主要因になっていた。また、この手法で１[ｎＮ]を下回る微小な力を発生する場合には、１[Ｖ]以下の電圧が必要であり、この領域では印加電圧の不確かさが大きくなってしまうため、１[ｎＮ]を下回る微小力の発生、あるいは、０.１[μｇ]を下回る微小質量の測定には適していない。またシステムには、レーザー干渉計などによる移動距離測定装置と静電容量測定装置が必要であるため、装置の小型化を図る上でのボトルネックとなっていた。
したがって、本発明の解決しようとする課題は、静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚを校正することを必要としない微小力および微小質量の測定装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

これに対して、本願発明者はクロスキャパシタによって、微小な力を発生させることが可能であること、またその際に静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚの校正が不要になることを利用して新たな微小力および微小質量の測定装置を開発した。
図１に示す互いに平行に配置された４本の電極からなるクロスキャパシタでは、対向する電極に電圧をかけた時、蓄えられた静電エネルギーを減少させるように、ガード電極が深く挿入される方向に力が働く（図１の可動ガード電極が深く挿入される方向（鉛直上方向）に力が働き、力の大きさはクロスキャパシタの静電容量の移動方向の変位による変化率ｄＣ／ｄｚによって求められる）。その時の力を求めるために必要な静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚは、対向する２組の電極同士の単位長さあたりの静電容量の和に等しい。図１の上面図のように電極１、２、３、４を配置したクロスキャパシタの、対向する電極の単位長さあたりの静電容量の合計をＣ₁₃＋Ｃ₂₄とすると、その値は理論計算によって以下のように求めることができ（非特許文献３、４参照）、一定の値となる。
Ｃ₁₃＋Ｃ₂₄＝(２ε₀ｌｎ２)／π＝３.９０７０９８０９[ｐＦ／ｍ]
ここで、ε₀は電極間の誘電率であり、ｌｎは自然対数を表す記号で有り、全体を真空中においた場合には上式の最右辺の値となる。したがって、この値（理論計算で求まる一定の値）をそのまま校正不要な静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚとして用いることができる。

【0006】

そこで、本発明は、鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、前記クロスキャパシタの対向する電極２組に電圧Ｕを印加する直流電源と、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺されるとともにその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記可動ガード電極の鉛直方向の位置の変化を測定する位置測定器と、前記電圧Ｕを制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記位置測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前と後で値が変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε₀を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
または、次式
ｍｇ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定装置または質量測定装置である。
また、本発明は、鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、前記クロスキャパシタの対向する電極２組に電圧Ｕを印加する直流電源と、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺されるとともにその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記対向する電極間のキャパシタンスの変化を測定するキャパシタンス測定器と、前記電圧Ｕを制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記キャパシタンス測定器の測定信号の値が前記ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前後の値が変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε₀を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
または、次式
ｍｇ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²（ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度）
により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定装置または質量測定装置である。
また、本発明は、鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺された可動ガード電極であってその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記可動ガード電極の鉛直方向の位置の変化を測定する位置測定器と、クロスキャパシタの対向する電極２組に印加する電圧Ｕを制御する制御装置を用い、前記位置測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前と後で変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε₀を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
または、次式
ｍｇ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定方法または質量測定方法。
また、本発明は、鉛直に配置した４本の電極からなるクロスキャパシタと、バランス機構により鉛直方向にのみ移動可能に支持されかつ風袋物の重量を相殺された可動ガード電極であってその上部が前記クロスキャパシタ内に挿入されている可動ガード電極と、前記対向する電極間のキャパシタンスの変化を測定するキャパシタンス測定器と、クロスキャパシタの対向する電極２組に印加する電圧Ｕを制御する制御装置を用い、前記キャパシタンス測定器の測定信号の値が前記可動ガード電極に力Ｌまたは荷重ｍｇを掛ける前と後で変化しないように前記電圧Ｕを制御することにより、前記電圧Ｕで発生する静電力と前記力Ｌまたは荷重ｍｇを釣り合わせ、ε₀を前記対向する電極間の誘電率としたとき、次式
Ｌ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
または、次式
ｍｇ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
ここで、ｍは質量、ｇは重力加速度により力Ｌまたは質量ｍを算出することを特徴とする力測定方法または質量測定方法。

【発明の効果】

【0007】

本発明では、静電容量の変化率ｄＣ／ｄｚが理論計算により求まる一定の値となるので、従来の同軸二重円筒形法で必須だったｄＣ／ｄｚの校正が不必要となり、ｄＣ／ｄｚを測定する際の相対標準不確かさであった１０^-4〜１０^-3を３桁以上改善することができる。
また、本発明では、従来法に比べてｄＣ／ｄｚの値を２〜３桁小さくすることができる。このことによって、同電圧で発生する力も２〜３桁小さくなるため、特に１[ｎＮ]を下回るような微小な力を、より高精度に測定することができる。
加えて、従来法ではレーザー干渉計などによる移動距離測定装置と静電容量測定装置が必要であったが、本発明によっていずれか片方のみでシステムを構成することが可能になり、装置の小型化、低コスト化に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、クロスキャパシタを説明するための全体斜視図と上面図であり、全体斜視図において、互いに平行に配置された４本の電極とその中央に配置された固定ガード電極および可動ガード電極が示されており、両ガード電極の配置をわかりやすくするために手前の１本の電極の一部を破断して示した図である。また、上面図は、４本の電極１、２、３、４のうち対向する電極の単位長さあたりの静電容量Ｃ₁₃、Ｃ₂₄を説明した図である。

【図2】図２は、本発明の実施例１の上面図と側面図を示したものである。

【図3】図３は、本発明の実施例２の上面図と側面図を示したものである。

【図4】図４は、従来の同軸二重円筒形の測定装置を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0009】

（実施例１）
図２は本発明の一実施例である実施例１の上面図と側面図である。図２において、ａは互いに平行な４本の直円柱の電極１〜４を対向させたクロスキャパシタである。電極１と３の間の静電容量をＣ₁₃、電極２と４の間の静電容量をＣ₂₄とする。このとき対向する２電極間の単位長さあたりの静電容量の和は
Ｃ₁₃＋Ｃ₂₄＝(２ε₀ｌｎ２)／π＝３.９０７０９８０９[ｐＦ／ｍ]
である。ｂは固定ガード電極、ｃは可動ガード電極であり、可動ガード電極ｃはバランス機構ｅによって鉛直方向にのみ移動可能であり、バランス機構ｅは図示しない風袋物の重量を相殺する機構を有している。可動ガード電極ｃの鉛直方向の動きはレーザー測長器ｆによって観測されている。また、図中のハッチング部分は固定されている部分を示すためのものである。ここで荷重皿ｄに荷重Ｌ（力）をかけた時、可動ガード電極ｃを、荷重Ｌ（力）をかける前と同じ位置に保つように直流電源ｇによって電圧Ｕをクロスキャパシタａに印加する。この時、静電力により、可動ガード電極ｃには上向きの力Ｆが発生し、荷重Ｌ（力）と釣り合う。釣り合った時の荷重Ｌ（力）は、印加電圧をＵとした時、以下のように表すことができる。
Ｌ＝Ｆ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
また、この時の力Ｌが質量ｍの分銅に働く重力ｍｇである場合、
ｍｇ＝Ｆ＝(ε₀ｌｎ２)・(１／π)・Ｕ²
と表され、重力加速度ｇから質量ｍを求めることも可能である。
すなわち、実施例１の装置は、力Ｌの測定装置としても、質量ｍの測定装置としても用いることができる。
なお、レーザー測長器ｆは可動ガードｃの鉛直方向の位置の変化を非接触で測定できる位置測定器であればよく、レーザー測長器に限定されるものではない。

【0010】

（実施例２）
図３は本発明の他の実施例である実施例２の上面図と側面図である。図３の実施例２においては、図２（実施例１）のレーザー測長器ｆの代わりに、キャパシタンス測定器ｈを組み込んでいる点が異なる。実施例１において、可動ガード電極ｃの位置はレーザー測長器によって観測を行っていたが、本実施例２ではキャパシタンス測定器ｈによって観測を行う。クロスキャパシタは単位長さあたりの静電容量が既知（一定の値）であるため、固定及び可動ガード電極でガードされていない部分の全長さからなる静電容量の変化を観測することによって、間接的に変位も測定することができる。荷重をかけた時に、対向する２組の電極対の静電容量の合計が変化しないように、印加電圧Ｕを制御することによって、可動ガード電極の位置を常に一定に保つことができる。その他の原理、測定の手順は実施例１と同様である。

【産業上の利用可能性】

【0011】

本発明は力の測定や、質量の測定に利用でき、しかも従来の二重円筒形静電容量方式で必要としていたｄＣ／ｄｚの校正を必要とせず、微小力の測定や微小質量の測定が可能となる。

【符号の説明】

【0012】

ａ クロスキャパシタを校正する４つの電極（１〜４）
ｂ 固定ガード電極
ｃ 可動ガード電極
ｄ 荷重皿
ｅ バランス機構
ｆ レーザー測長器
ｇ 直流電源
ｈ キャパシタンス測定器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】