研究者詳細 - 清水　浩貴

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85153508115&origin=inward

3×3正方形配置センサユニットを用いた平面形状測定

時實拓紀, 野田樹生, 田丸雄摩, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2023S ( 0 ) 382 - 383 2023年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

9つの距離センサを縦横に3つずつ並べた正方形配置のセンサユニットを用い，これを工作機械上で走査することで取得したデータを接続して平面加工物の形状再現を行う手法について検討した．既に算出済みの形状値にステージの運動誤差を考慮して測定データを接続する際の重ね合わせ領域のデータ処理方法，及び測定データの接続経路を変更することによる形状再現精度を数値シミュレーションを用いて比較した結果を報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2023s.0_382

多点同時計測可能なカンチレバー式変位計デバイス

加倉誠勝, 小濱大輝, 田丸雄摩, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2023S ( 0 ) 436 - 437 2023年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

一本のカンチレバーに２ないし３の探針と,探針数以上のひずみ検出部を設けることで多点変位の同時計測が可能なカンチレバー式変位計を提案する.この変位計は多点法形状計測に応用できる一方,変位とひずみの関係が複雑になる問題がある.そこで有限要素法によるひずみ解析の結果に機械学習の回帰の手法を適用してひずみと変位の変換モデルの作成を行い,変位の測定が行えることを確認した.

DOI： 10.11522/pscjspe.2023s.0_436

第二次高調波共焦点プローブに関する研究

佐藤遼, 清水裕樹, 清水浩貴, 松隈啓, 高偉

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2023S ( 0 ) 412 - 413 2023年03月

記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

従来のコリメート光を用いたオートコリメータとは異なり，局所エリアにおける角度計測が可能な収束光を用いた新たな角度計測手法として，非線形光学結晶における第二次高調波発生原理を応用した共焦点プローブを提案する．提案原理に基づく数値シミュレーション解析を行うとともに，プロトタイプ光学系を構築し，角度測定範囲および測定分解能について検討を行い提案原理の実現可能性について検討を行った結果を報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2023s.0_412

Investigation of Angle Measurement Based on Direct Third Harmonic Generation in Centrosymmetric Crystals 査読有り国際誌

Li K., Lin J., Zhang Z., Sato R., Shimizu H., Matsukuma H., Gao W.

Applied Sciences (Switzerland) 13 ( 2 ) 2023年01月

記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）

This paper proposed angle measurement methods based on direct third harmonic generation (THG) in centrosymmetric crystals. The principles of the intensity-dependent and the wavelength-dependent angle measurement methods were illustrated. In this study, three prospective centrosymmetric crystals and two different phase-matching types were investigated in a wavelength range from 900 nm to 2500 nm. For the intensity-dependent method, a dispersion-less wavelength range was found from 1700 nm to 2000 nm for α-BBO and calcite. Compared with rutile, α-BBO and calcite had relatively better measurement performance based on the angle measurement sensitivity calculation. The wavelength-dependent method was considered in a dispersive range of around 1560 nm. The results suggested that α-BBO and calcite were also suitable for wavelength-dependent measurement. In addition, the effects of focusing parameters were considered in the simulation, and the optimized focal length (f = 100 mm) and the focused position (in the center of the crystal) were determined.

DOI： 10.3390/app13020996

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85146547144&origin=inward

Reduction of Crosstalk Errors in a Surface Encoder Having a Long Z-Directional Measuring Range 査読有り国際誌

Hong Y., Sato R., Shimizu Y., Matsukuma H., Shimizu H., Gao W.

Sensors 22 ( 23 ) 2022年12月

記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）

A modified two-axis surface encoder is proposed to separately measure both the in-plane displacement and the Z-directional out-of-plane displacement with minor crosstalk errors. The surface encoder is composed of a scale grating and a small-sized sensor head. In the modified surface encoder, the measurement laser beam from the sensor head is designed to be projected onto the scale grating at a right angle. For measurement of the X- and Y-directional in-plane scale displacement, the positive and negative first-order diffracted beams from the scale grating are superimposed on each other in the sensor head, producing interference signals. On the other hand, the Z-directional out-of-plane scale displacement is measured based on the principle of a Michelson-type interferometer. To avoid the influence of reflection from the middle area of the transparent grating, which causes periodic crosstalk errors in the previous research, a specially fabricated transparent grating with a hole in the middle is employed in the newly designed optical system. A prototype sensor head is constructed, and basic performances of the modified surface encoder are tested by experiments.

DOI： 10.3390/s22239563

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85143821669&origin=inward

A MEMS Device Integrating Multiple Cantilever Displacement Sensors to Evaluate Flat Machined Surfaces 査読有り国際誌

Shimizu Hiroki, Tamiya Koichi, Mizukami Shoichiro, Tamaru Yuuma

International Journal of Automation Technology ( 富士技術出版株式会社 ) 16 ( 5 ) 582 - 587 2022年09月

担当区分：筆頭著者,　責任著者記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）

Multi-point scanning measurement, which is effective in eliminating motion errors of the stage in on-machine profile measurement, requires multiple displacement sensors of equal pitch to measure displacements simultaneously. However, it is not easy to arrange small sensors with high alignment accuracy when applying the multi-point method at a narrow pitch. In addition, if many sensors can be arranged in parallel, improvement in measurement accuracy can be expected. Therefore, a new micro electro mechanical system (MEMS) device for straightness measurement, one that integrates 10 cantilever displacement sensors, has been proposed. This device can be expected to solve the problem involved in the multi-point method because of the characteristics of MEMS, as the semiconductor processing method can make mechanical structures with high accuracy and it can easily make the device with many identical structures. The device is designed to measure waviness less than 100 μm in height. Ten cantilevers of 11 mm length are fabricated in parallel with 1.8 mm pitch on a side of a base substrate 20 mm square. The strain induced by a displacement of the probe placed near the front edge of the cantilever is detected as a change in the resistance of the piezo resistor at the foot of the cantilever. In the fabrication process of this device, crystal anisotropic etching is performed for 12 hours to form probes 250 μm high. A new fabrication process is also proposed in which a protective process is added to prevent damage to the circuits already formed during the etching. A prototype is investigated, and it is found that the resistance value increases about 0.45% in proportion to the displacement of 100 μm. It is therefore confirmed that this device has the basic ability to detect displacement.

DOI： 10.20965/ijat.2022.p0582

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85137591308&origin=inward

Design and Prototyping of Biaxial Flexible Support Table for Fine Positioning Through Controlled Magnetic Attraction Forces 査読有り国際誌

Tamaru Yuuma, Kawata Kensuke, Shimizu Hiroki

International Journal of Automation Technology ( 富士技術出版株式会社 ) 16 ( 5 ) 588 - 597 2022年09月

担当区分：最終著者記述言語：英語掲載種別：研究論文（学術雑誌）

High-precision positioning can be obtained by reducing sliding friction and securing support rigidity. A prototype of a biaxial positioning table with non-contact drive by magnetic force and flexible mechanism support was developed to meet these requirements. The magnetic poles of a permanent magnet and an electromagnet were placed opposite to each other with an appropriate gap between them, and the attraction force between the two poles was used as the actuator for fine feed. The table was supported with a flexible mechanism composed of metal (A2017) beams with notches and elastic hinges assembled into a square frame shape. The permanent magnets were commercial neodymium magnets, and the electromagnets were self-made of S45C core bars. Two types of attraction force, maximum and minimum, were set depending on the number of neodymium magnets and the magnetic pole gap. The relationship between the applied current and attraction force for each type was calibrated using an electronic balance. Upon increasing and decreasing the applied current to the electromagnets, a linear relationship was shown between them. The relationship between the attraction force and the X- and Y-axes displacements was simulated by finite element analysis. Based on both results, the relationship between the applied current and displacement was estimated. The fine-feed experiment was conducted in both directions of the X- and Y-axes by applying current to electromagnets in a stepwise sequence. The displacements of total strokes in the long-stroke feed on applying the maximum attraction force were 340 μm and 315 μm for the X-axis and 160 μm and 133 μm for the Y-axis. These values are 2.0–2.8 times larger than the estimated displacement. Additionally, 3%–12% of the other axes interference occurred between the X- and Y-axes. In the high resolution feed applying the minimum attraction force, the displacement per step was 75 nm and 78 nm for the X-axis and 35 nm and 39 nm for the Y-axis. Cooperative feed with a combination of long stroke and high resolution was verified to be feasible.

DOI： 10.20965/ijat.2022.p0588

浮上力制御を利用したスクイーズ効果支持微動テーブルの開発（第6報）

田丸雄摩, 牛島智大, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2022A ( 0 ) 28 - 29 2022年08月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

摺動摩擦のないスクイーズ効果支持微動テーブルを提案している．加振面と被加振面の平行度調整が可能であることを特徴とする．前報では支持部底面角度が異なる3種類のテーブルに対して長ストローク微動特性を示した．今回，ステップ電圧を長ストロークの1/10に設定した小ステップ変位での応答を観察した．また，膜厚変化から幾何学的に推定した見積変位と実際の変位を比較評価した．

DOI： 10.11522/pscjspe.2022a.0_28

浮上力制御を利用したスクイーズ効果支持微動テーブルの開発（第5報）

田丸雄摩, 牛島智大, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2022S ( 0 ) 680 - 681 2022年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

摺動摩擦を排除したスクイーズ効果支持微動テーブルを提案している．今回，支持部底面角度が異なる3種類のテーブルに対して浮上変位が最大になるように加振面と被加振面の平行度調整をした上で長ストローク微動試験を行った．加振振幅を階段状に変化させてステップ応答を観察した．また微動変位を膜厚変化から幾何学的に推定することを試み，実際の微動変位と比較評価をした．

DOI： 10.11522/pscjspe.2022s.0_680

Feasibility study of multi-point two-dimensional profile measurement by 3-2-1 and 3×3 sensor layout 査読有り国際誌

Fujiwara R., Shimizu H.

Measurement: Sensors 18 2021年12月

担当区分：最終著者,　責任著者記述言語：英語掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）

New multi-point methods, the six-point method of 3-2-1 sensor layout and the nine-point method of 3 × 3 sensor layout, have been proposed as the two-dimensional profilometry for a machined flat surface. Monte Carlo simulations were carried out and properties of proposed methods were examined. As a result, it was shown that the six-point method, the minimum configuration that calculates the planar shape with only six displacement sensors, can obtain the equivalent result to that of the simple nine-point method. In the nine-point method with averaging, it was confirmed that the maximum and average values of the standard deviation of the reconstructed profile were reduced to 68% and 81%, respectively compared with simple nine-point method. The improved nine-point method that averages the pitching error to improve the data connection accuracy also proposed and this method reduced standard deviation, but effectiveness is limited.

DOI： 10.1016/j.measen.2021.100358

Kyutacar

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85119593693&origin=inward

A MEMS device for straightness measurement integrating 10 cantilever displacement sensors 査読有り国際誌

Shimizu H., Tamiya K., Mizukami S., Tamaru Y.

10th International Conference on Leading Edge Manufacturing Technologies in 21st Century, LEM 2021 409 - 411 2021年11月

担当区分：筆頭著者,　責任著者記述言語：英語掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）

JAPAN Kitakyushu, Fukuoka 2021年11月14日 - 2021年11月18日

A new device for straightness measurement which integrate 10 cantilever displacement sensors has been proposed. This device was designed to measure the waviness smaller than 100 µm in height. Ten cantilevers of 11mm length were fabricated in parallel with 1.8mm pitch in a side of the base substrate of 20 mm square. The strain, induced by a displacement of the probe placed near the front edge of the cantilever, is detected as a change in the resistance of the piezo resistor at the root of the cantilever. A prototype was investigated and it was found that the resistance value increases in proportion to the displacement of the probe. Hence, it was confirmed that this device has the basic ability of displacement detection.

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85124805233&origin=inward

Consideration of Biaxial Flexible Support Table for Fine Positioning Through Controlled Magnetic Attraction Forces 査読有り国際誌

Tamaru Y., Kawata K., Shimizu H.

10th International Conference on Leading Edge Manufacturing Technologies in 21st Century, LEM 2021 640 - 645 2021年11月

担当区分：最終著者記述言語：英語掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）

JAPAN Kitakyushu, Fukuoka 2021年11月14日 - 2021年11月18日

A prototype of a biaxial positioning table with flexible support and magnetic attraction force control was developed. Because rigidity is assured and sliding friction is eliminated, the kinematic accuracy is high, and high-precision positioning is achieved. The total displacement in the long-stroke feed was 340 µm and 160 µm (X-axis and Y-axis), and the step displacement in the high-resolution feed was 85 nm and 40 nm, respectively. Experiments were conducted with cooperative positioning, in which both long-stroke and high-resolution displacements were output continuously. As a result, the displacements were almost the same as those obtained when each output was obtained independently. It was confirmed that cooperative positioning is effective.

その他リンク： https://www.scopus.com/inward/record.uri?partnerID=HzOxMe3b&scp=85124790610&origin=inward

浮上力制御を利用したスクイーズ効果支持微動テーブルの開発（第4報）

田丸雄摩, 牛島智大, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2021A ( 0 ) 154 - 155 2021年09月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

摺動摩擦を排除したスクイーズ効果支持微動テーブルを提案している．テーブルは加振に励起されて揺動し，支持や微動性能に影響する．今回，支持部傾斜角度が異なる3種類のテーブルを製作し，さらに加工精度が各々異なるため加振面，被加振面の平行度を個別に調整した．したがって傾斜角度や平行度に依る揺動特性が表れる．水平，鉛直方向の振動振幅計測および周波数解析をもとに揺動を評価したので報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2021a.0_154

MEMS技術を応用した多点法走査形状測定用センサデバイスの開発（第9報）

田宮弘一, 田丸雄摩, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2021S ( 0 ) 629 - 630 2021年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

真直形状測定のための10点同時計測MEMSデバイスをシリコンバルクマイクロマシニング技術により製作した．前報より製作条件を変更することでプロセスの改善を図った．試作デバイスを評価するために各カンチレバー根元のピエゾ抵抗体を1辺とするブリッジ回路を組み，カンチレバー先端に変位を加えて出力電圧の変化を測定した．その結果，変位量に比例して出力電圧が減少し，デバイスが変位検出能を有していることを確認した．

DOI： 10.11522/pscjspe.2021s.0_629

浮上力制御を利用したスクイーズ効果支持微動テーブルの開発（第3報）

田丸雄摩, 東福修太朗, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2021S ( 0 ) 471 - 472 2021年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

摺動摩擦を排除したスクイーズ効果支持微動テーブルを提案している．効率よくスクイーズ効果を得るためには加振面，被加振面相互の平行度が鍵となる．従来の機構は平行度を加工精度に頼っており，組立の段階でずれが生じる可能性もある．そこで今回は加振機構にゴニオステージを設定し，加振面角度の調整を可能にした．これにより平行度の確保が容易になり支持性能向上を見込める．浮上性能を従来機構と比較評価したので報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2021s.0_471

磁気吸引力を利用した可撓支持微動テーブルの開発（第3報）

田丸雄摩, 河田謙介, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2020S ( 0 ) 270 - 271 2020年03月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（研究会，シンポジウム資料等）

永久磁石と電磁石を対にして磁気吸引力で駆動する微動テーブルを提案している．前報では2軸駆動の装置を開発し，X，Y各軸で長ストローク，高分解能微動連係での性能を発表した．今回，X，Y軸を交互に微動させるジグザグ送りでの位置決め試験を行った．微動に関わる永久磁石と電磁石間のみに吸引力を作用させる場合とすべてに吸引力を作用させる場合において微動ストロークや軸間干渉を比較評価したので報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2020s.0_270

High sensitivity MEMS displacement sensor device for planar shape measurement by deposition of piezoelectric materials 査読有り国際誌

K. Murayama, Y. Tamaru, H. Shimizu

Proceedings of 8th International Conference of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology ( Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology ) C13 2019年11月

Error Evaluation of Straightness Measurement Using a MEMS Device Integrating 10 Cantilever Displacement Sensors 査読有り

Hiroki Shimizu, Shoichiro Mizukami, Makoto Manabe, Yuuma Tamaru

Proceedings of the 14th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments D08 Paper ID:125 2019年09月

磁気吸引力を利用した可撓支持微動テーブルの開発（第2報）

田丸雄摩, 河田謙介, 清水浩貴

精密工学会学術講演会講演論文集 ( 公益社団法人精密工学会 ) 2019A ( 0 ) 351 - 352 2019年08月

担当区分：最終著者記述言語：日本語掲載種別：研究論文（その他学術会議資料等）

摺動摩擦を排除して高精度位置決めを達成するために永久磁石と電磁石を対にした磁気吸引力を利用する微動テーブルを提案している．前報では1軸の装置開発と性能について発表した．今回，1軸装置と同様に吸引力の較正や可撓機構の剛性見積を行って印加電流と変位の関係を予測し，新たに2軸駆動の装置を開発した．X，Y各軸の長ストロークと高分解能および2対の吸引力調整による両者連係での微動性能について報告する．

DOI： 10.11522/pscjspe.2019a.0_351