JP2001183257A - プローブの検査方法及び装置 - Google Patents

プローブの検査方法及び装置

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JP2001183257A
JP2001183257A JP37346699A JP37346699A JP2001183257A JP 2001183257 A JP2001183257 A JP 2001183257A JP 37346699 A JP37346699 A JP 37346699A JP 37346699 A JP37346699 A JP 37346699A JP 2001183257 A JP2001183257 A JP 2001183257A
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Atsushi Tominaga
淳 富永
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Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単且つ確実にプローブの破損検出を可能と
した検査方法及び装置を提供する。 【解決手段】 発振器11とその出力により駆動される
アクチュエータ4により、プローブユニット2に保持さ
れたカンチレバー1に振動を与える。加振周波数は、カ
ンチレバー1の予測される固有振動数より低い状態から
次第に上げるように、制御回路10により制御される。
カンチレバー1の振動振幅は振動振幅検出器2により検
出し、データラッチ回路8に転送保持する。加振周波数
を上げて検出される振動振幅値を、比較器9によりメモ
リ8に保持された基準値と比較する。加振周波数がカン
チレバー1の固有振動数を越えると、検出される振動振
幅値が低下し、比較器9の出力が反転することから、1
ステップ前の加振周波数を固有振動数として検出する。
破損のないカンチレバーについて予め測定された固有振
動数との偏位があるレベルを超えたときに、破損ありと
判定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、カンチレバー等
の極細長針のプローブの破損検査の方法及び装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】物体表面の形状測定には、カンチレバー
型のプローブが一般に用いられる。これらのプローブに
は、例えば微細な穴の内径を測定する場合に用いられる
極細のものがある。更に測定すべき穴が深い場合には、
プローブは極細で且つ長いものとなる。この様な極細長
針のプローブは当然脆く、破損しやすい。極細長針のプ
ローブの問題として、破損しやすいことに加え、中途で
の破損に気づかずに測定に使用してしまうことが挙げら
れる。この場合には、誤測定の原因となる可能性があ
る。
【0003】極細長針のプローブの破損対策として、プ
ローブ構造の剛性を高めることも考えられるが、これは
反面、プローブの感度を低下させるため問題がある。従
って、プローブの使用に際しては、それが破損していな
いことを確認する作業を行うことが好ましい。しかし、
極細長針のプローブの場合、目視検査では破損の発見が
難しく、確実に破損検出を行うには、顕微鏡やCCDカ
メラ等による観測を必要とする。このため、確認作業に
は煩雑な手間と時間がかかる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、簡単且つ
確実にプローブの破損検出を可能とした検査方法及び装
置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明に係るプローブ
の検査方法は、プローブに加振周波数を順次変化させな
がら振動を与えるステップと、各加振周波数の振動が与
えられたときの前記プローブの振動振幅を検出するステ
ップと、検出される前記振動振幅と加振周波数の相関関
係に基づいて前記プローブの固有振動数を検出するステ
ップと、前記固有振動数の正規の値からの偏位によりプ
ローブの破損を判定するステップとを有することを特徴
とする。
【0006】この発明に係るプローブの検査装置は、プ
ローブに振動を与えるための、加振周波数可変の加振装
置と、前記プローブの振動振幅を検出する振動振幅検出
器と、前記加振装置の加振周波数をステップ的に上昇さ
せ、前記振動振幅検出器から出力される振動振幅値と加
振周波数の相関関係に基づいて前記プローブの固有振動
数を検出する固有振動数検出手段と、この固有振動数検
出手段により検出された固有振動数の正規の値からの偏
位により前記プローブの破損を判定する破損判定手段と
を有することを特徴とする。
【0007】この発明に係るプローブの検査装置は、よ
り具体的には、プローブに振動を与えるための、加振周
波数可変の加振装置と、前記プローブの振動振幅を検出
する振動振幅検出器と、前記加振装置の加振周波数をス
テップ的に可変したときに前記振動振幅検出器から順次
出力される振動振幅値を記憶保持するデータ保持回路
と、前記振動振幅検出器から順次出力される振動振幅値
を前記データ保持回路に保持された1ステップ前の振動
振幅値と比較する比較回路と、この比較回路が前記振動
振幅検出器から出力される振動振幅値が前記データ保持
回路に保持された1ステップ前の振動振幅値より低下し
たことを検出したときに、その1ステップ前の加振周波
数を前記プローブの固有振動数と判定する固有振動数検
出手段と、この固有振動数検出手段により検出された固
有振動数の正規の値からの偏位により前記プローブの破
損を判定する破損判定手段とを有することを特徴とす
る。
【0008】この発明は、極細長針のプローブの固有振
動数がその長さに依存することを利用している。以下、
プローブとしてカンチレバー型の場合を説明すると、一
般に、片持カンチレバーの第1次固有振動数frは、次
式で表される。
【0009】
【数1】 fr=(1/2π)(k/m)1/2 =1.03tv/2πL2
【0010】数1において、kはバネ定数、mはカンチ
レバーの質量、tはカンチレバーの厚み、Lはカンチレ
バーの長さ、vはカンチレバー内の長さ方向の音速であ
る。音速vは、カンチレバー材料のヤング率をE、密度
をρとして、v=(E/ρ) 1/2と表される。数1か
ら、カンチレバーの固有振動数は、厚みtに比例し、長
さLの2乗の反比例することがわかる。
【0011】一方、カンチレバーの中途に折れ破損箇所
があった場合には、その破損箇所までの長さで固有振動
数が決まるために、固有振動数が高くなる。従って基準
のカンチレバーの固有振動数を予め測定しておけば、検
査すべきカンチレバーの固有振動数を測定してその基準
値からの偏位を求めることにより、破損を判定すること
ができる。検査装置は、加振周波数可変の加振装置や振
動振幅検出器、比較回路等を備えて構成され、自動的な
プローブ破損の有無の判定に供することが可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図1は、この発明の一実施例によ
るカンチレバー検査装置の構成を示している。カンチレ
バー1は、片持形式でプローブユニット2に保持され
る。カンチレバー1に振動を与えるために、周波数可変
の発振器11とその出力を増幅する増幅器5が設けら
れ、増幅器5の出力により駆動される加振アクチュエー
タ4がプローブユニット2に取り付けられている。加振
アクチュエータ4は、圧電素子、静電容量式アクチュエ
ータ、ボイスコイル等、空間的に単振動を与えられるも
のであればよい。発振器11の周波数は、制御回路10
からの制御により周波数がステップ的に可変できる。こ
れにより、カンチレバー1の一端即ち、プローブユニッ
ト2に保持された側の端部に、例えば長手方向に加振周
波数を設定した振動が与えられるようになっている。
【0013】また、プローブユニット2には、カンチレ
バー1の振動振幅を検出する振動振幅検出装置3が取り
付けられている。この振動振幅検出装置3は、アクチュ
エータ4により加振されたカンチレバー1のプローブユ
ニット2の振動振幅を検出するもので、光学的検出器、
磁気的検出器等、その形式はいかなるものでもよい。振
動振幅検出装置4の出力である振動振幅値は増幅器6を
介して、A/Dコンバータ7に入力され、ディジタルデ
ータに変換される。ディジタルデータに変換された振動
振幅値は、転送ゲートTG1を介して、データラッチ回
路8に転送保持される。データラッチ回路8は例えば2
段構成とされ、加振周波数毎に順次検出される振動振幅
値の連続する2ステップ分が順次シフトされながら保持
されるものとする。
【0014】順次検出される振動振幅値はまた、転送ゲ
ートTG2を介して比較器9の信号入力端子にも送られ
る。そして振動振幅値データが転送ゲートTG2を介し
て比較器9に送られるとき、同時に、比較器9の基準値
入力端子には、データラッチ回路8に保持されている1
ステップ前の振動振幅値が転送ゲートTG3を介して供
給されるようになっている。これらのデータ転送は制御
回路10により制御される。
【0015】この様な検査装置構成として、破損検査に
先立って、基準となる破損のないカンチレバーについて
その固有振動数の測定を行う。その測定動作は次のよう
になる。制御回路10は、カンチレバー1について予測
される固有振動数より低いある加振周波数から、順次ス
テップ的に加振周波数を上げてカンチレバー1に振動を
与えるべく、発振器11に制御信号を送る。振動振幅検
出器3により検出された振動振幅値は、データラッチ回
路8に順次2ステップずつ格納保持される。そして比較
器9においては、現在の振動振幅値(現在値)がデータ
ラッチ回路8において1段遅延された1ステップ前の振
動振幅値(基準値)と比較される。この様な動作が、周
波数を上げながら、且つデータラッチ回路8への振動振
幅値を順次更新しながら、繰り返される。
【0016】図3(a)(b)は、固有振動数測定の原
理を、検出される振動振幅と加振周波数の関係として示
している。前述のように、カンチレバーの固有振動数f
0は、その長さL0に依存する。加振周波数がカンチレ
バー1の固有振動数f0以下の場合、検出される振動振
幅値は、それより前に検出されてデータラッチ回路8に
保持される振動振幅値と基本的に変わらないか、又はそ
れより大きくなる。この間、比較器9の出力は例えば、
“L”のまま変わらない。加振周波数がカンチレバー1
の固有振動数f0になると、カンチレバー1はいわゆる
共振状態となり、大きなピークの振動振幅値が得られ
る。従って、加振周波数が固有振動数f0を超えると、
比較器9に入力される振動振幅値が1ステップ前のデー
タラッチ回路8に保持された振動振幅値より低くなり、
比較器9の出力は反転して“H”出力となる。そこでこ
の実施例では、比較器9の出力反転が検出された加振周
波数より1ステップ前の加振周波数をカンチレバー1の
固有振動数として検出する。
【0017】以上のように破損のないカンチレバーにつ
いて固有振動数が求められたら、これを基準の固有振動
数として例えば制御回路10内に保持し、以下、次のよ
うにして同種のカンチレバーについて破損検査が行われ
る。なお、ビーム長の異なる種々のSiカンチレバーに
ついて固有振動数を計算と実測により求めた結果を、参
考まで示すと図2のようになる。このデータを参照し
て、制御回路10に基準の固有振動数として保持するの
は、上述した実測値を計算値と照合した上で最適な値を
選ぶことができる。
【0018】検査手順は、基本的に先に説明した固有振
動数測定の動作と同じである。即ち、加振周波数を予想
される固有振動数より小さいところからステップ的に増
大させ、各加振周波数での振動振幅値を検出し、これを
順次更新しながら2ステップずつデータラッチ回路8に
保持すると共に、比較器9では現在値を1ステップ前の
振動振幅値と比較する。そして、比較器9の出力が反転
したときに、その1ステップ前の加振周波数を固有振動
数として検出する。
【0019】図4(a)(b)に示すように、もし、カ
ンチレバーに折れ破損があると、加振周波数が予測され
る固有振動数f0になっても比較器9の出力は反転せ
ず、例えば加振周波数f(>f0)を越えて初めて比較
器9の出力が反転する。図4(a)のようにカンチレバ
ーに折れ破損があると、その破損個所が実質的に端部と
なり、カンチレバーの実効的な長さが変わる。この結
果、カンチレバーは長さLで決まる固有振動数fを持つ
ことになり、図4(b)に示すように、加振周波数がf
0を越えても、検出される振動振幅値が減少しない。
【0020】従って、カンチレバーについて固有振動数
fを測定し、これを破損のない基準のカンチレバーの基
準の固有振動数f0と比較することによって、破損の有
無を判定することができる。具体的には、制御回路10
において、比較器9の出力に基づいて、測定される固有
振動数fの基準となる固有振動数f0からの偏位を算出
し、有意な偏位がある時に破損あり、として外部表示器
第や上位コントローラへ判定結果を送ればよい。なお実
施例の場合には、1次モードの共振のみ検出しているの
で、上記偏位はゼロ又は正に限られる。
【0021】図1に説明した検査システムは、カンチレ
バーを取り付ける測定機と一体に構成して、測定開始前
に自動的に検査測定を実行するようなシステム構成とす
ることもできる。これにより、測定前のカンチレバー
を、顕微鏡観察等により検査する手間が省け、破損のあ
るカンチレバーを用いて誤った測定データを取得する事
態を簡単且つ確実に防止することが可能になる。
【0022】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、固
有振動数を測定することにより、プローブの破損を簡単
且つ確実に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例によるカンチレバー検査装
置の構成を示す図である。
【図2】 カンチレバーの固有振動数とビーム長の関係
を示す図である。
【図3】 破損のないカンチレバーの場合の加振周波数
と検出される振動振幅の関係を示す図である。
【図4】 破損のあるカンチレバーの場合の加振周波数
と検出される振動振幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
1…カンチレバー、2…プローブユニット、3…振動振
幅検出器、4…加振アクチュエータ、5,6…増幅器、
7…A/Dコンバータ、8…データラッチ回路、9…比
較器、10…制御回路、11…発振器。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プローブに加振周波数を順次変化させな
    がら振動を与えるステップと、 各加振周波数の振動が与えられたときの前記プローブの
    振動振幅を検出するステップと、 検出される前記振動振幅と加振周波数の相関関係に基づ
    いて前記プローブの固有振動数を検出するステップと、 前記固有振動数の正規の値からの偏位によりプローブの
    破損を判定するステップとを有することを特徴とするプ
    ローブの検査方法。
  2. 【請求項2】 プローブに振動を与えるための、加振周
    波数可変の加振装置と、 前記プローブの振動振幅を検出する振動振幅検出器と、 前記加振装置の加振周波数をステップ的に上昇させ、前
    記振動振幅検出器から出力される振動振幅値と加振周波
    数の相関関係に基づいて前記プローブの固有振動数を検
    出する固有振動数検出手段と、 この固有振動数検出手段により検出された固有振動数の
    正規の値からの偏位により前記プローブの破損を判定す
    る破損判定手段とを有することを特徴とするプローブの
    検査装置。
  3. 【請求項3】 プローブに振動を与えるための、加振周
    波数可変の加振装置と、 前記プローブの振動振幅を検出する振動振幅検出器と、 前記加振装置の加振周波数をステップ的に可変したとき
    に前記振動振幅検出器から順次出力される振動振幅値を
    記憶保持するデータ保持回路と、 前記振動振幅検出器から順次出力される振動振幅値を前
    記データ保持回路に保持された1ステップ前の振動振幅
    値と比較する比較回路と、 この比較回路が前記振動振幅検出器から出力される振動
    振幅値が前記データ保持回路に保持された1ステップ前
    の振動振幅値より低下したことを検出したときに、その
    1ステップ前の加振周波数を前記プローブの固有振動数
    と判定する固有振動数検出手段と、 この固有振動数検出手段により検出された固有振動数の
    正規の値からの偏位により前記プローブの破損を判定す
    る破損判定手段とを有することを特徴とするプローブの
    検査装置。
  4. 【請求項4】 前記加振装置は、プローブの一端を片持
    形式で保持するプローブユニットに取り付けられたアク
    チュエータと、このアクチュエータに駆動信号を送るた
    めの、前記制御回路により周波数が可変制御される発振
    器とを有することを特徴とする請求項3記載のプローブ
    の検査装置。
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