JP2000097691A

JP2000097691A - 微細表面形状測定装置

Info

Publication number: JP2000097691A
Application number: JP26912998A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】機械部品の微小穴や微細溝の内面計測などに
おいて、測定対象物が導電体／非導電体に関わらず計測
でき、表面の汚染やゴミに強く、高精度かつ測定自由度
の高い微細表面形状測定装置を実現することを目的とす
る。【解決手段】触針１をその共振周波数付近で振動さ
せ、触針１上に設けられた圧電材料１９により共振状態
を検出し、直交検波回路により触針１と測定対象１３の
接触を検出する。Ｘ、Ｙ、Ｚ、θステージを動かし、触
針１と測定対象１３を適当に相対移動させ、各ステージ
の位置を連続的に記録することにより、触針１がなぞっ
た測定対象面の３次元座標を求めることができる。本発
明によれば、測定対象が導電性／非導電性を問わず、表
面の酸化膜やゴミ、ほこりの影響を受けない、高精度で
自由度の高い、微細表面形状の３次元測定が可能な微細
表面形状測定装置を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシン用
部品の微細構造の形状計測や内燃機関の燃料噴噴射ノズ
ルの内面形状測定といった、サブミリオーダの３次元形
状を測定するために用いられる表面形状測定技術に関す
るもので、特に、測定対象面に接触する触針を用いた接
触式の表面形状測定技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小形状の接触式による測定方法
は、特開平８−７５４４５号公報に記載されたものが知
られている。図９に従来の微小穴形状測定装置の構造を
示す。図中、１０３４は触針であり、１０２９は測定対
象１０２８に加工された微小穴である。測定対象１０２
８はＺおよびチルトステージ１０２６Ｂ、Ｘ−Ｙステー
ジ１０２６Ａに載せられており、移動制御部１０２７に
より触針１０３４に対して相対移動できる。触針１０３
４は加振部１０３０により振動される。

【０００３】振動する触針１０３４が微小穴内面１０２
９Ａに接触した時の触針先端部１０３４Ａの様子を図１
０に示す。触針１０３４と測定対象１０２８の間には電
圧１０３６Ａが印加されており、触針１０３４が断続的
に微小穴内面１０２９Ａに接触するに従って断続的に電
流がながれ、タッチ検出回路１０３６により接触が検知
される。図１１に示すように、触針１０３４が微小穴内
面１０２９Ａに近づくにつれて、振動の周期に対する接
触時間の割合（デューティ比）は大きくなるので、デュ
ーティ比から触針１０３４と微小穴内面１０２９Ａとの
相対距離を知ることができる。

【０００４】次に、触針先端１０３４Ａの水平断面形状
は図１２に示すように正方形となっており、４つの頂点
が検出点となる。このため、円形の微小穴内面１０２９
Ａに対して、ａ’，ｂ’，ｃ’の３点に対して触針１０
３４Ａを接触させ、あらかじめ調べておいた触針先端１
０３４Ａの形状データを用いることで、座標（Ｘａ，Ｙ
ａ，Ｚａ）（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）
を知ることができる。この３座標から簡単な演算により
穴の内径を知ることが可能となる。

【０００５】上記した微小穴形状測定装置においては、
触針１０３４と測定対象１０２８との接触を電気導通で
検知するため、測定対象が非導電体であったり、表面が
酸化膜で覆われていたりした場合、測定が不可能であっ
たり、測定精度が低下したりする。また、触針先端１０
３４Ａにゴミが付着したような場合も電気導通がなくな
り、測定が不可能となる課題がある。さらに、安定して
触針１０３４と測定対象１０２８の導通を確保するため
にはある程度の接触圧が必要となり、振動振幅を大きく
とる必要がある（２μｍ程度）。この結果、触針や測定
対象の摩耗、損傷のおそれがあるという課題がある。

【０００６】また、図１２に示したように丸穴の形状を
３点の座標から推定するため、測定可能な形状パラメー
タに限界がある。つまり、計測可能なパラメータは内径
にとどまり、真円度や円筒度の測定が不可能である。ま
た、円以外の異形穴に対しては測定可能な寸法にさらに
大きな制約があるという課題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た微小穴形状測定装置においては、触針１０３４と測定
対象１０２８との接触を電気導通で検知するため、測定
対象が非導電体であったり、表面が酸化膜で覆われてい
たりした場合、測定が不可能であるという課題を有して
いた。

【０００８】本発明は、以上の問題点を解決し、高精度
を維持したまま導電体・絶縁体の微小表面形状を高速に
計測可能とする計測自由度の高い表面形状測定装置を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、触針を共振状態で振動させ、接触・非接触
を共振状態の変化から検出する。触針全体がまず加振さ
れ、触針の先端部分の共振状態を触針上に設けた歪み検
出センサにより検出する。加振信号と振動検出信号を比
較すると、接触状態を極めて高感度で検出することが可
能となる（とくに両信号の位相差が感度高い）。このよ
うに、接触状態の検出は触針と測定対象間の導通・非導
通に関わらず可能であるため、測定対象が非導電体であ
ったり、酸化膜に覆われていても計測が可能となる。ま
た、接触検出が高感度であることを利用して、触針の接
触圧を従来より低くすることが可能で、この結果、触針
の摩耗や測定対象の損傷を少なくすることができる。

【００１０】さらに、上記触針を高精度の回転テーブル
（θステージ）に搭載することにより、３６０度あらゆ
る方向の検出を可能とする。図１２に示した従来例では
３点の計測が可能なだけで、穴全体の断面形状の測定は
不可能であった。これに対し、本発明は、穴の全周を測
定可能であり、真円度や円筒度を容易に求めることがで
きる。また、顕微鏡であらかじめ穴の概略形状を調べて
おけば、いかなる任意形状の穴に対しても、回転テーブ
ルを用いることにより断面形状の測定が可能である。

【００１１】これにより、従来よりも計測精度が高く、
導電体・被導電体・酸化膜を問わず検出が可能で、微細
穴だけでなく測定対象面形状を自由度高く計測できるよ
うな微細表面形状測定装置が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、梁構造を有する触針と、前記触針をその共振周波数
付近で振動させる振動手段と、前記触針の歪みを検出す
る歪み検出手段と、検出される歪みの状態が一定になる
ように前記触針をその振動方向に位置決めする位置決め
手段と、前記触針と測定対象面とを相対的に位置決めす
る移動手段とを備え、前記測定対象面の形状を測定する
微細表面形状測定装置である。

【００１３】このような構成により、測定対象が導電／
非導電性のいかんに関わらず、かつその表面の酸化膜や
ゴミ、ほこりの影響を受けずに形状の測定が行えるとい
う作用を有する。また、触針の接触圧を低く抑えること
ができ、触針・測定対象の双方に摩耗や損傷を与えにく
い形状測定が行える。

【００１４】請求項２記載に記載の発明は、請求項１記
載の微細表面形状測定装置において、前記触針の振動方
向を３６０度回転できる回転手段を有することにより、
任意の形状の測定対象面に対して触針の振動方向を垂直
にすることが出来るという作用を有する。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
微細表面形状測定装置において、前記触針の振動状態よ
り触針と測定対象面との接触状態を検出し、接触状態が
常に一定であるように前記位置決め手段を制御すること
により、触針が一定の接触状態で測定対象面に接触しつ
づけることが保証され、触針の折損を防ぎ、また測定対
象面の座標を触針座標に関連づけることができるという
作用を有する。

【００１６】請求項４に記載の発明は、請求項１記載の
微細表面形状測定装置において、前記触針と前記測定対
象面の接触状態を常に一定に保ちながら、前記移動手段
と回転手段を動かし、動作中の移動手段、回転手段、位
置決め手段の位置を記録することで、触針が接触した測
定対象面の３次元座標を算出することができ、これによ
り測定対象面の形状を点・線・面のいずれの形態でも検
知することができるという作用を有する。

【００１７】請求項５に記載の発明は、梁構造を有する
触針と、前記触針をその共振周波数付近で振動させる振
動手段と、前記触針の歪みを検出する歪み検出手段と、
検出される歪みの状態が一定になるように触針と測定対
象面とを相対的に位置決めする移動手段とを備え、前記
測定対象面の形状を測定する微細表面形状測定装置であ
る。

【００１８】このような構成により、測定対象が導電／
非導電性のいかんに関わらず、かつその表面の酸化膜や
ゴミ、ほこりの影響を受けない形状の測定が行えるとい
う作用を有する。また、触針の接触圧を低く抑えること
ができ、触針・測定対象の双方に摩耗や損傷を与えにく
い形状測定が行える。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項５記載の微
細表面形状測定装置において、前記触針の振動方向を３
６０度回転できる回転手段を有することにより、任意の
形状の測定対象面に対して触針の振動方向を垂直にする
ことができるという作用を有する。

【００２０】請求項７に記載の発明は、請求項５記載の
微細表面形状測定装置において、前記触針の振動状態よ
り触針と測定対象面との接触状態を検出し、接触状態が
常に一定であるように前記移動手段を制御することで、
触針が一定の接触状態で測定対象面に接触しつづけるこ
とが保証され、触針の折損を防ぎ、また測定対象面の座
標を触針座標に関連づけることができるという作用を有
する。

【００２１】請求項８に記載の発明は、請求項５記載の
微細表面形状測定装置において、前記触針と前記測定対
象の接触状態を常に一定に保ちながら、前記移動手段と
回転手段を動かし、動作中の移動手段、回転手段、位置
決め手段の位置を記録することで、触針が接触した測定
対象面の３次元座標を算出することができ、これにより
測定対象の形状を点・線・面のいずれの形態でも検知す
ることができるという作用を有する。

【００２２】以下、本発明の実施の形態について、図を
用いて詳細に説明する。（実施の形態１）図１に、本発明の実施の形態１におけ
る微細表面形状測定装置の構成図を示し以下に説明す
る。

【００２３】図１において、１は触針であり、Ｗステー
ジ２に取り付けられている。Ｗステージ２は、３６０度
水平回転するエアベアリングから成るθステージ３に固
定される。θステージ３および顕微鏡４は門型フレーム
５に固定されている。除振台６および石定盤７の上には
エアスライドからなるＸステージ９、Ｙステージ８が積
み重なり、さらにその上にＺステージ１０、αβチルト
ステージ１１が構成され、この上に測定対象１３が搭載
される。Ｘステージ９、Ｙステージ８、Ｚステージ１
０、θステージ３にはエンコーダが内蔵され、それぞれ
の現在位置は移動制御部１４内のカウンタでモニタされ
ている。αβステージはオープンループ制御であり、測
定対象１３の傾きを始めに修正した後は固定される。顕
微鏡４は測定対象１３の測定箇所の概略の位置を調べる
ために用いる。顕微鏡４で観察された後、測定対象１３
は高さ検査器１２の下を通過して触針１の下に移動す
る。高さ検査器１２の目的は、測定対象１３の高さが一
定以上で、触針１と接触する恐れがある場合にステージ
を非常停止することである。

【００２４】図２は、触針１の拡大図および触針制御部
１５の内部構成図である。触針１の梁部分１ａ上には圧
電材料１９が設けられていて、梁部分１ａの振動状態を
検出する。

【００２５】触針１の根元部分１ｂは、圧電素子１８に
固定されている。ＶＣＯ２３により発生する２ｋＨｚ〜
２００ｋＨｚの発振信号は、高圧アンプ２１により増幅
され、圧電素子１８に印加される。ＶＣＯ２３の周波数
は、梁部分１ａの共振周波数近くに設定されており、そ
の結果、圧電素子１８の振動は増幅されて、触針１の先
端には振動２７（振幅100nm程度）が発生する。梁部分
１ａの振動状態は、圧電材料１９で信号に変換され、プ
リアンプ２０を介して直交検波回路２２に入力される。
直交検波回路２２では、触針１への入力（ＶＣＯ２３出
力）と出力（圧電材料１９出力）の振幅変動、位相変動
が高精度で検出される。

【００２６】図３は、触針１と測定対象１３が接触した
ときの信号状態を表す。非接触時には触針１の共振を妨
げる要因はなく、触針１への入力信号と出力信号の位相
おくれは一定の値を示す。これに対して、触針１が測定
対象１３と接触したときは、共振状態が乱れ、位相おく
れや振幅に変動がおきる。

【００２７】図２に戻って、Ｗステージ２の制御につい
て説明する。一般的には位相情報がより正確に検出可能
であるため、位相おくれが一定になるようにローカルＣ
ＰＵ２４はＷステージ２の位置を制御する。Ｗステージ
２は、微小な移動分解能と高速応答性が要求され、積層
圧電素子の変位を弾性ヒンジ機構により拡大するタイプ
のものが利用できる。Ｗステージの最大移動量は１００
μｍである。さらに、Ｗステージ２にはステージ位置を
正確にモニタするセンサが内蔵され、センサ回路２５を
介してＷステージ２の位置をローカルＣＰＵ２４に知ら
せている。

【００２８】従って、触針制御部１５の働きにより触針
１は常に一定の接触状態で測定対象１３の表面に押し付
けられ、同時に触針１の位置はＷステージ２内部の位置
センサにより正確にモニタされる。

【００２９】以上のように、触針１と測定対象面の接触
状態を常に一定に保ちながら、Ｗステージ２とθステー
ジ３を動かし、動作中のＷステージ２、θステージ３、
ステージＸＹＺθの刻々と変化する位置情報を触針制御
部１５及び移動制御部１４から得て、制御計算機１７に
記憶することで、触針が接触した測定対象表面の３次元
座標を計算することができる。

【００３０】図４は、測定対象１３の表面の座標を知る
方法を示している。θステージ３の回転中心をＰｃと
し、触針の先端形状は簡易的に１Ｃ、１Ｃ’のような二
等辺三角形であらわす。二等辺三角形の頂点が触針１の
検出点となり、振動の方向はこの頂点からの中線方向で
ある。検出点は通常、回転中心Ｐｃとは一致せず、その
偏心量をベクトルｒで表す。図中では、θステージが触
針の振動方向を測定対象面に垂直にするためθだけ回転
し、Ｗステージ２が変位量ｗだけ移動した結果、測定点
１ｄが測定対象に接触している様子を表している。この
時の測定対象面の点の座標Ｐｗは次式で表される。

【００３１】

【数１】

【００３２】ただし、x,y,z,w,θはそれぞれのステージ
位置、T(θ)はＺ軸周りの回転変換行列、ｅxはＸ方向の
単位ベクトルを表す。

【００３３】ステージＸＹＺθが移動する期間中、ＸＹ
ＺθＷの座標値を記録しつづけることにより、（数１）
から測定対象１３の表面の３次元座標を知ることができ
る。この座標は一点づつ、あるいは連続して線としての
座標、さらに二次元的に触針を走らすことにより面の座
標を求めることが可能である。

【００３４】ここで、触針１を測定対象１３上の測定箇
所でどのようにスキャンするかが問題となるが、制御計
算機１７上に取り込まれた顕微鏡４の画像をもとに、ユ
ーザが指示することにより行っている。

【００３５】次に、図５において、（数１）における定
数ベクトルｒの求め方を示す。まず、厚さｂの既知なブ
ロックゲージ２９を測定対象１３として用意する。ブロ
ックゲージの両面には相対する位置にノッチ３０、３１
が加工されている。このブロックゲージ２９の両面に触
針１ｃを走査し、（数１）においてベクトルｒをゼロと
して計算して側面測定結果３２、３３を得る。側面測定
結果３２、３３はベクトルｒが正しくないため、ブロッ
クゲージ２９の両面とはかけ離れている。しかしなが
ら、測定結果３２、３３の間隔はベクトルｒのＸ成分ｒ
ｘを反映し、ノッチ位置のずれはベクトルｒのＹ成分ｒ
ｙを反映し、簡単な計算によりベクトルｒを求めること
ができる。

【００３６】

【数２】

【００３７】なお、圧電材料１９は、ＰＺＴの薄片また
は薄膜からなり、また半導体Ｓｉなどの歪み抵抗素子で
代用することもできる。図６に、触針部の拡大図を示
し、以下に説明する。

【００３８】図６は、梁部分１ａの振動状態を検出する
ためにＳｉ歪み抵抗素子を用いた場合の触針１及び触針
制御部１５の構成図である。梁部分１ａを半導体Ｓｉに
より製作することで、梁部分１ａの表面又は全体を歪み
抵抗素子４１とすることができる。振動信号が歪み抵抗
素子４１とバランス抵抗４０の接続点に現れる以外は、
圧電材料１９を歪み検出に用いた場合と同じである。

【００３９】（実施の形態２）図７に、本発明の実施の
形態２における微細表面形状測定装置の構成図を示し説
明する。実施の形態１に比べると、装置を小型化、簡素
化することにより現場での使用を可能とするように工夫
されている。

【００４０】まず、触針１は、直接θステージ３に固定
される。さらにθステージ３はＺステージ１０により上
下に駆動される。ベース３４上にはＸステージ９、Ｙス
テージ８が積み重ねられ、測定対象１３を搭載する。
Ｘ、Ｙ、Ｚ、θステージはパルスモータ駆動され、移動
制御部１４により制御される。測定対象１３の傾きを制
御するαβステージは必要に応じてＸＹステージ８、９
上に搭載する。なお、顕微鏡４は本体に対して斜めに取
り付けられ、触針１と測定対象１３を同時に観察するこ
とにより、触針１の測定箇所への移動を行う。

【００４１】図８は、触針１の拡大図、および触針制御
部１５の内部構成図、さらに移動制御部の構成図を示し
ている。

【００４２】以下、実施の形態１と比してＷステージ２
が無い実施の形態２の装置構成において、如何にして触
針１と測定対象１３の接触を一定に制御するかを説明す
る。図３において説明した同様の原理によって、ローカ
ルＣＰＵ２４は触針１の接触状態を検出する。この接触
状態に応じてＸＹステージ８、９を動かす必要があるた
め、ローカルＣＰＵ２４はＸＹステージ８、９に対して
指令パルスを発生する。この指令パルスは移動制御部１
４内部のパルス指令加算器３８によって、移動制御部１
４のパルス発生部３６の指令パルスと加算される。指令
パルスはドライバ３５を介して、ステージ８、９のパル
スモータを駆動する。同時に指令パルスはカウンタ３７
に積算されステージ８、９の位置を保持する。ここで、
θステージ３の位置により触針１の振動方向は変化する
ため、ローカルＣＰＵが接触状態を一定に保つためにＸ
Ｙステージ８、９を動かす方向も変わる必要がある。そ
のため、ローカルＣＰＵはメインＣＰＵからθステージ
の現在位置を必要に応じて通知される。

【００４３】以上のような簡易な構成で実施の形態２に
おいても実施の形態１と同様な計測を行うことができる
という利点がある。

【００４４】以上、説明したように本発明は、触針を共
振状態で振動させ、測定対象面との接触・非接触を共振
状態の変化から検出することにより、測定対象が非導電
体であったり、酸化膜に覆われていても計測が可能であ
る。また、高感度な接触検出を利用して触針の接触圧を
低く抑えることができ、測定対象や触針の摩耗・損傷を
抑えることができる。

【００４５】さらに、上記触針を高精度の回転テーブル
（θステージ）に搭載することにより、触針の振動方向
を回転させ、３６０度あらゆる方向の測定対象面検出を
可能とする。触針と測定対象面の接触状態をつねに一定
に保つように触針の位置を制御してやりながら、触針と
測定対象を相対移動することにより、触針先端が測定対
象面を正確になぞることがでる。この時のステージ座標
を連続記録し、座標計算を施すことにより、測定対象面
の座標を点、線、面の形で求めることができ、自由度の
高い形状測定が可能となる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、触針を共
振状態で振動させ、測定対象面との接触・非接触を共振
状態の変化から検出することにより、計測精度が高く、
導電体・被導電体・酸化膜を問わず検出が可能で、縦断
面・横断面のいずれもが自由度高く計測できるような微
細表面形状測定装置が構成できるという有利な効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の微細表面形状測定装置
の構成図

【図２】触針と触針制御部の構成図

【図３】触針の測定対象面検出方式を表す原理図

【図４】測定対象面の座標を算出する方法を表す原理図

【図５】触針先端のθステージ回転中心からの芯ずれ量
を求める方法を表す原理図

【図６】触針に歪み抵抗素子を用いた場合の構成図

【図７】本発明の実施の形態２の微細表面形状測定装置
の構成図

【図８】触針と触針制御部と移動制御部の構成図

【図９】従来の微細表面形状測定装置の構成図

【図１０】触針の接触する様子を示す図

【図１１】触針と微小穴内面との相対距離を説明する図

【図１２】触針先端の形状を説明する図

【符号の説明】

１触針１ａ梁部分１ｂ根本部分１ｃ触針の先端形状１ｄ測定点２Ｗステージ３ θステージ４顕微鏡５門型フレーム６除振台７石定盤８Ｙステージ９Ｘステージ１０Ｚステージ１１ αβステージ１２高さ検査器１３測定対象１４移動制御部１５触針制御部１６カメラ制御部１７制御計算機１８圧電素子（ＰＺＴ）１９圧電材料２０プリアンプ２１高圧アンプ２２直交検波回路２３ＶＣＯ２４ローカルＣＰＵ２５センサ回路２９ブロックゲージ３０左ノッチ３１右ノッチ３４ベース３５ドライバ３６パルス発生器３７カウンタ３８パルス指令加算器４０バランス抵抗４１歪み抵抗素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象面の形状を測定する装置におい
て、梁構造を有する触針と、前記触針をその共振周波数
付近で振動させる振動手段と、前記触針の歪みを検出す
る歪み検出手段と、検出される歪みの状態が一定になる
ように前記触針をその振動方向に位置決めする位置決め
手段と、前記触針と測定対象面とを相対的に位置決めす
る移動手段とを備えたことを特徴とする微細表面形状測
定装置。
【請求項２】前記触針の振動方向を３６０度回転でき
る回転手段を有することを特徴とする請求項１記載の微
細表面測定装置。
【請求項３】位置決め手段は、触針の振動状態より触
針と測定対象面との接触状態を検出し、接触状態が常に
一定であるように制御することを特徴とする請求項１記
載の微細表面形状測定装置。
【請求項４】前記触針と前記測定対象面の接触状態を
常に一定に保ちながら、前記移動手段と回転手段を動か
し、動作中の移動手段、回転手段、位置決め手段の刻々
と変化する位置を記録することで、触針が接触した測定
対象表面の３次元座標を知ることを特徴とする請求項１
記載の微細表面形状測定装置。
【請求項５】測定対象面の形状を測定する装置のおい
て、梁構造を有する触針と、前記触針をその共振周波数
付近で振動させる振動手段と、前記触針の歪みを検出す
る歪み検出手段と、検出される歪みの状態が一定になる
ように触針と測定対象面とを相対的に位置決めする移動
手段とを備えたことを特徴とする微細表面形状測定装
置。
【請求項６】前記触針の振動方向を３６０度回転でき
る回転手段を有することを特徴とする請求項５記載の微
細表面形状測定装置。
【請求項７】移動手段は、触針の振動状態より触針と
測定対象面との接触状態を検出し、接触状態が常に一定
であるように制御することを特徴とする請求項５記載の
微細表面形状測定装置。
【請求項８】前記触針と前記測定対象の接触状態を常
に一定に保ちながら、前記移動手段と回転手段を動か
し、動作中の移動手段、回転手段の位置を記録すること
で、触針が接触した測定対象面の３次元座標を知ること
を特徴とする請求項５記載の微細表面形状測定装置。