振動は止めずにあえて揺らす！　ナノの世界の「新・除振装置」

ナノレベルの操作に振動は大敵

私たちの身の回りでは、人の歩行や機械の作動といったさまざまな原因による振動が生じています。体に感じないような微かな振動でも、ナノレベルの操作を行う精密機器にとっては大問題です。そうした機器の一つが、微細な探針が試料から受ける原子間力によりナノレベルでの観察が可能な「原子間力顕微鏡（AFM）」です。AFMの使用には床からの振動を取り除く除振装置が欠かせません。既存の除振装置は空気ばねでテーブルごとAFMを浮かせて、床からの振動が伝わらないようにする仕組みです。重さが数十から数百キログラムあり、実験室に設置して使うことが前提です。そこで持ち運びができるようなコンパクトな除振装置の開発が進められています。

振動を与えて振動を打ち消す

開発中の小型の除振装置には、機械工学と電子工学を組み合わせたメカトロニクスの視点からまったく新しい機構が使われています。つまり、床から試料に伝わる振動と正反対の同じ振動を探針に与えて打ち消すという方法で、これにより相対的に振動をほぼゼロにすることに成功しました。試料の振動に合わせて探針を動かす「アクチュエータ」には、高校の物理でも学ぶフレミングの法則を使うこともあります。

ロボットに装着してナノスケールの加工も

この新しい小型の除振装置が実用化されれば、野外でのAFMの使用が可能になるほか、工場の製造ラインにも持ち込めます。AFMの探針をロボットの手先に装着すれば、工場の製品をナノスケールで計測したり、製品の表面をナノスケールで加工して殺菌力や防水性などの機能性を持たせたりすることも可能です。
もっとも、ロボットの手先にこのような超精密モーションシステムを作る場合、ロボットから探針へ伝わる振動も取り除く必要があります。これに関しては、ロボットと探針の間の可動部分がばねと同じ動きをしているため、同じ大きさの「負のばね定数」を持つばねを組み合わせて、振動を打ち消す方法が研究されています。

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先生情報 / 大学情報

福井大学工学部機械・システム工学科教授伊藤慎吾先生

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メカトロニクス、制御・システム工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

どんなことにも興味を持って取り組んでほしいです。私たちのやっているメカトロニクスは機械と電気をうまく組み合わせていくものですが、例えば３Dプリンタを作る場合なら光や化学反応を使うこともあるでしょう。このように、システムには化学や物理などいろいろな科学現象を取り入れることができます。機械工学系に進みたいと考えているとしても、機械だけでなく幅広い分野に興味を持って、いろいろな知識を学んでおいてほしいです。

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本学は教育学部、医学部（医学科、看護学科）、工学部、国際地域学部の4学部からなる国立大学です。「創造力、実践力」をキーワードに、本学で学んだ学生が生涯にわたって創造力や指導力を発揮できるよう、学びの力となる学問の基礎及び方法の習得をめざします。先端研究に支えられた教育内容と、不断の省察による教育技術によって、学生がそれぞれの個性に目覚め、社会に貢献できる実践的知識と技術を習得して卒業する事を目標とします。就職率は複数学部を有する国立大学で11年連続ナンバー１の実績があります。（H19-29年度）