| Project/Area Number |
21K18162
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
水野 毅 埼玉大学, 理工学研究科, 名誉教授 (20134645)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高崎 正也 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10333486)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
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| Keywords | 力測定 / ゼロコンプライアンス / 原子間力顕微鏡 / 走査型顕微鏡 / 走査プローブ顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
ゼロコンプライアンス式力検出機構を利用した走査プローブ顕微鏡を開発する．ゼロコンプライアンス機構とは，大きさの等しい正のばねと負のばねを直列に接続して構成される支持機構である．このような支持機構でプローブを支持すると，プローブ先端に力が作用しても，その位置と姿勢を変えない状態で，二つのばねの接続点の変位から高感度の力検出が行える．本研究では，このような力検出機構を備えた走査プローブ顕微鏡を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）荷重支持機構を備えたゼロコンプライアンス式力測定装置の設計・製作 MEMS技術を利用して製作した１自由度ゼロコンプライアンス式微小力測定装置では，作用点も板ばねで支持して運動を１自由度に拘束していたが，その剛性が測定分解能にどのような影響を与えるかについては，検討されてこなかった．そのため，この影響を調べる実験装置を新たに設計・製作した．試作した装置では，検出点に相当する矩体をベースに相当するフレームから板ばねで支持し，その運動を１自由度の並進運動に拘束している．また，板ばねと並列に制御用直流電磁石（電磁アクチュエータ）を設置している．作用点に相当する矩体は，検出点から板ばねによって支持され，さらにベースからも荷重支持機構となる板ばねによって支持されている．また，作用点に力を与えるために，ボイスコイルモータ（VCM）が設置されている．このVCMも荷重支持機構として利用することができる．作用点及び検出点の変位は，光学式変位センサで検出している．
（２）パラメータ同定 試作した装置において，各矩体の質量，各ばねの剛性，電磁石の特性係数，ボイスコイルモータの推力定数を実験的に測定した．
（３）ゼロコンプライアンス特性の実現 作用点変位に関してはPID制御，検出点変位に関してはPD制御を施すことによってゼロコンプライアンス特性を実現し，作用点に加わる力と検出点変位が比例することを確認した．さらに，力測定の分解能を検出点変位測定の分解能との関係を調べた．
（４）３自由度ゼロコンプライアンス機構の設計 カンチレバーの先端の変位とMEMS技術を利用して検出することは難しいので，カンチレバーを用いない新たな３自由度ゼロコンプライアンス機構については，引き続き設計を進めている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
測定分解能が荷重支持機構の剛性とどのように関連するかという新たな課題が見つかったので，その課題を解決すべく，新たな実験装置を設計・製作し，その特性を調べた．そのため，当初の計画より，研究の進捗は遅れているが，この課題自体，学術的には興味深いものであり，かつ目標としている走査型顕微鏡を開発する上でも重要な意味を持ってくると判断し，上述したように研究を進めた．MEMS技術を利用したゼロコンプライアンス機構自体は，開発しており，さらに新たな３自由度ゼロコンプライアンス機構の設計も進んでいるので，やや遅れていると評価した
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）2023年度に開発した実験装置を用いて，荷重支持機構の剛性と力測定の分解能との関係を明確にする．
（２）３自由度ゼロコンプライアンス機構を製作し，これを利用した走査型顕微鏡を開発する．
（３）開発した走査型顕微鏡を用いて，物体表面の観測を行う，そして，観測結果を従来の装置で得られた結果と比較して，その違いが何を意味するかについて考察する．
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