JP2002107140A

JP2002107140A - 微細表面形状測定装置および触針製造方法

Info

Publication number: JP2002107140A
Application number: JP2000303372A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】機械部品のサブミリオーダの３次元形状を測
定するために用いられる微細表面形状測定装置におい
て、高硬度で加工形状の自由度が高い触針を用いて、安
定した微細表面形状測定を行うことを目的とする。【解決手段】先端に微細突起部１ａを有する片持ち梁
構造の触針１ｂを接着固定した水晶振動子９を駆動回路
２５により共振周波数付近で振動させて触針の先端に伝
え、微細突起部１ａが振動により測定対象面に接触する
と水晶振動子の振動振幅と振動位相が変化して電極１０
ｂから圧電電荷を検出し、振動信号の状態が一定になる
ように微動ステージ２１を振動方向に位置決めして、ス
テージ１７により測定対象１６を移動すると、触針先端
１ａは測定対象面１６ａの凹凸形状に沿って動き、その
形状を安定して測定することができる。

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射ノズル
やインクジェットプリンタノズルの内面形状測定といっ
た、機械部品のサブミリオーダの３次元形状を測定する
ために用いられる微細表面形状測定装置に関するもの
で、特に、測定対象面に接触する触針を用いた接触式の
微細表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小形状の接触式による測定に
は、特開平５−２６４２１４号公報や特開平９−８９９
１１号公報に記載されたものに代表される構成が知られ
ている。両者とも微細な梁構造をもった触針により、測
定対象の表面形状を測定できるようになっている構成を
有するものであるが、以下、具体的に説明する。

【０００３】まず、図８に特開平５−２６４２１４号公
報に代表される第１の従来例の構成図を示す。

【０００４】図８において、１０１は触針、１０２は触
針１０１を図中矢印方向に振動させるアクチュエータ、
１０３は触針１０１が近接する測定対象である。

【０００５】ここで、測定対象１０３はＺ方向に移動自
在なＺステージ１０４及びＸ軸方向に移動自在なＸステ
ージ１０５上に載置され、Ｚステージ１０４はＺ軸駆動
機構１０６、Ｘステージ１０５はＸ軸駆動機構１０７に
各々連絡されている。

【０００６】更に、１０８はデューティサイクル測定装
置であり、Ｚ軸駆動機構１０６、Ｘ軸駆動機構１０７及
びデューティサイクル測定装置１０８は、コンピュータ
１０９により制御されている。

【０００７】このような構成において、アクチュエータ
１０２は、触針１０１を一定位置で図中矢印の如く一定
振幅で振動させる。

【０００８】そして、この状態で、触針１０１と測定対
象１０３の電気電導を、直流電圧を印加して短絡電流を
見ることで検出し、導通時間の振動周期に対する比率を
デューティサイクル測定装置１０８により検出すること
になる。

【０００９】例えば、図９を参照すると、図９（ａ）に
示されるように振動する触針１０１がある変位ｓを越え
ると、図９（ｂ）に示されるように触針１０１と測定対
象１０３の測定対象面の間で電気的導通が確保されるこ
とになる。

【００１０】そして、触針１０１と測定対象１０３の測
定対象面の相対距離の変化とデューティサイクルは、図
１０のような関係を呈する。

【００１１】よって、デューティサイクルを記録しなが
らＺ軸駆動機構１０６を動作させることにより、測定対
象１０３の表面形状を検出することができる。

【００１２】なお、図１０からわかるように、両者の関
係は完全に比例はしていないが、触針１０１の振動をサ
イン波から三角波に変更することにより、比例の度合い
を高めることも可能である。

【００１３】また、測定対象１０３の測定対象面の凹凸
が、触針１０１の振幅を上回る場合は、Ｘ軸駆動機構１
０７を動作させ、測定対象１０３を再位置決めすること
により、測定対象１０３の表面形状を計測することも可
能である。

【００１４】次に、第２の従来例は、ＡＦＭ（走査型原
子間力顕微鏡）技術の急速な発展により、微細形状測定
への適用の可能性が開けてきたものである。

【００１５】つまり、従来のＡＦＭが触針に働く原子間
力を検出するために大がかりな光学系を必要としていた
のに対して、近年では、特開平９−８９９１１号公報に
見られるような、極めて簡素化されたＡＦＭプローブが
開発されてきている。

【００１６】図１１及び図１２に、第２の従来例の構成
図を示す。図１１において、２０１は先端２０１ａを尖
らせた光ファイバ、２０２は音叉型の構造をもつ水晶振
動子、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃは水晶振動子上に
設けられた電極、２０４は圧電アクチュエータである。
光ファイバは長さｐ＝0.8〜1mm先端が飛び出すように水
晶振動子の側面２０２ａに接着固定されている。

【００１７】光ファイバの先端２０１ａは引っ張り技術
を用いて細く尖らされている。光ファイバ２０１を触針
として利用する理由は、表面形状を測定すると同時に表
面の光学的な特性も測定するためである（NSOM = Near-
field Scanning Optical Microscopy）。水晶振動子２
０２はディザ（微小振動）を与えるための圧電アクチュ
エータ２０４に固定されている。

【００１８】ディザにより水晶振動子がその共振点付近
で微小振動すると、その振動が光ファイバ２０１に伝わ
る。光ファイバの先端２０１ａが測定対象面に接近して
相互に微小力をおよぼすほどになると、水晶振動子の共
振状態に変化がおきる。水晶振動子の共振状態は電極２
０３ａ、２０３ｂより圧電電荷としてモニタされる。

【００１９】図１２において、２０９は圧電アクチュエ
ータを駆動する駆動回路、２１０は水晶振動子からの信
号を処理するロックイン検出器、２１１はコンピュー
タ、２１２は測定試料、２１３，２１４，２１５はＸＹ
Ｚステージである。２０１は光ファイバ、２０５はファ
イバ結合器、２０６はレーザ光源、２０７ａ、２０７ｂ
は集光光学系、２０８は光子増幅器である。この構成に
より、試料２１２の表面形状を測定するＡＦＭモード
と、表面の光学的特性を測定するＮＳＯＭモードの双方
の測定が行える。

【００２０】まず、ＡＦＭモードでは、水晶振動子２０
２からの振動信号はロックイン検出器２１０によってデ
ィザ信号２１６と比較され、水晶振動子の共振状態のわ
ずかな変化を検出する（位相変化や振幅変化のいずれか
を利用）。

【００２１】この変化はコンピュータ２１１に出力さ
れ、コンピュータはこの変化が一定となるようにステー
ジＺ２１３を制御する。このとき、同時にステージＸＹ
２１４，２１５をスキャンしてやると、試料２１２の表
面形状に従ってＺステージ２１３が動くので、この動き
を記録することにより表面形状を求めることができる。

【００２２】つぎにＮＳＯＭモードであるが、ＡＦＭ測
定を行っている最中に、レーザ光源２０６の光をファイ
バ結合器２０５を通してファイバ２０１に導き、先端２
０１ａの微小開口から放出する。すると、試料２１２の
微小領域のみに光子が到達し、表面状態に応じて散乱光
２１７が発生する。これを集光光学系２０７により光子
増幅器２０８に導く。ステージＸＹ２１４，２１５のス
キャンと同時に光子増幅器２０８の信号を記録すること
により、試料表面の光学像をえることができる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】以上の２つの従来例
は、ノズル穴や微細溝形状等の形状測定に利用できる可
能性を有するとはいえ、以下のような課題を有する。

【００２４】まず、特開平５−２６４２１４号公報に代
表される前者では、接触状態の検出が触針１０１と測定
対象１０３の電気導通に頼っているため、まず、非導電
体の計測ができない。

【００２５】更に、測定対象１０３が導体であったとし
ても、表面に酸化膜やほこりの堆積がある場合には、正
確な測定が妨げられるという課題もある。

【００２６】次に、特開平９−８９９１１号公報に代表
される後者では、導体、非導体に関わらず、微細形状の
内部を測定することが可能となる可能性がある。

【００２７】しかしながら、ＳＰＭの通常の計測対象で
ある半導体表面などの平面サンプルと異なり、数十μｍ
の微細なギャップを有する高アスペクトな部品を測定し
なければならない。光ファイバのプローブでは太すぎて
ギャップ等に挿入できないだけでなく、引っ張り技術に
より成形された先端形状は単純すぎて自由度の高い測定
ができないという課題を有する。

【００２８】本発明は、以上の課題を解決し、機械部品
の微小表面形状計測を可能とするような表面形状測定装
置およびその触針製造方法を提供することを目的とす
る。

【００２９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、梁構造を有する触針が水晶振動子に
固定され、水晶振動子が自らの共振周波数で振動し、振
動状態検出手段により共振状態の変化を検出することに
より前記触針の測定対象面との接触状態を検出する手段
と、接触の状態が一定になるように前記触針を水晶振動
子の振動方向に位置決めする位置決め手段と、前記触針
と測定対称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。

【００３０】より具体的には、まず、微細放電加工によ
り加工された先端に形状測定用の微細突起部を有する超
硬合金製の片持ち梁構造の触針を用い、この触針を水晶
振動子の先端に接着固定し、水晶振動子をその共振周波
数付近で振動させる。

【００３１】ここで、触針の先端の微細突起部が振動に
より測定対象面に接触すると、その接触の程度に対応し
て水晶振動子の振動エネルギが散逸され、水晶振動子の
振幅や振動位相は変化する。

【００３２】そこで、水晶振動子の電極より振動に比例
して発生する圧電電荷を検出し電気信号に変換した後、
その振幅及び位相の一方又は双方が一定になるように触
針をその振動方向にサーボ位置決めする。

【００３３】この状態において、測定対称面に対して触
針を相対的に位置決め移動してやると、触針は測定対象
面の凹凸形状に沿って動くことになり、その形状を測定
することができる。

【００３４】つまり、測定対象が導電性であるか否かを
問わず、かつ、その表面の酸化膜やゴミ、ほこりの影響
を受けない、高耐摩耗性、高形状安定性、高耐食性を有
する触針材料を使った、先端形状が測定に適した形に加
工された触針を用いた、きわめて安定した測定が可能な
微細表面形状測定装置が実現される。

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
梁構造を有する触針が水晶振動子に固定され、水晶振動
子が自らの共振周波数で振動し、振動状態検出手段によ
り共振状態の変化を検出することにより前記触針の測定
対象面との接触状態を検出する手段と、接触の状態が一
定になるように前記触針を水晶振動子の振動方向に位置
決めする位置決め手段と、前記触針と測定対称面とを相
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。

【００３６】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。

【００３７】ここで、請求項２記載のように、触針は、
先端に形状測定用の微細突起部を有する硬度の高い導電
体よりなることが、精度の高い測定が可能となる点から
好ましい。

【００３８】そして、請求項３記載のように、触針は、
超硬合金製であることが、その高耐磨耗性、高形状安定
性、高耐食性故に、機械部品等の形状計測を実環境で安
定して行えるため好ましい。

【００３９】そして、請求項４記載のように、触針は、
その一部または全体がダイヤモンド焼結体あるいはＢＮ
焼結体（窒化硼素）であることが、その高耐磨耗性、高
形状安定性を高める上で役立ち、機械部品等の形状計測
を実環境で安定して行えるため好ましい。

【００４０】さらに、請求項５のように、触針は、微細
放電加工により加工されることが、形状自由度の高い触
針形状を実現する上で好ましい。

【００４１】更に、請求項６記載のように、触針は、微
細放電加工による加工変質層を除去するために砥粒加工
されることが、形状安定性の高い触針形状を実現する上
で好ましい。

【００４２】また、請求項７記載のように、水晶振動子
に一定周波数の駆動信号を印加し、水晶振動子の振動に
より発生する圧電電荷を電圧信号に変換し、この信号を
モニタすることによって接触状態を検出することが、測
定対象の電気伝導度に影響されない安定した測定を実現
する上で好ましい。

【００４３】または、請求項８記載のように、水晶振動
子が常に共振状態になるように駆動信号の周波数を制御
し、その周波数の変化により接触状態を検出すること
が、より高感度な接触検出を実現するために好ましい。

【００４４】また、請求項９記載のように、位置決め手
段が、圧電アクチュエータを有し、触針の変位量は、振
動状態の位相・振幅、あるいは共振周波数が一定になる
ように制御されることが、触針の迅速かつなめらかなフ
ィードバック制御を可能にし、安定な形状計測を実現で
きる点で好ましい。

【００４５】また、請求項１０記載のように、触針を水
晶振動子に固定するにあたり、触針用部材の一部分に切
り欠きを設けておき、触針用部材全体をハンドリングす
ることで触針を正確に水晶振動子に対して位置決めし、
固定作業を行った後に前記切り欠き部から触針部材を破
断することにより、触針だけを水晶振動子上に残すこと
が、性能の安定した歩留まりの高い触針と水晶振動子の
組立を可能とする点で好ましい。

【００４６】また、請求項１１記載のように、触針の水
晶振動子への固定方法が局部的に適用された接着剤であ
ることが、簡便で低コストの接合を実現する点で好まし
い。

【００４７】または、請求項１２記載のように、触針の
水晶振動子への固定方法がレーザ、放電プラズマ等によ
る熱的溶着であることが、安定して高強度の接合を実現
する点で好ましい。

【００４８】また、請求項１３記載のように、触針用部
材がハンドリングのために精密ステージに固定され、顕
微鏡下で水晶振動子と位置合わせされることが、精度の
高い触針と水晶振動子の位置合わせを実現する上で好ま
しい。

【００４９】また、請求項１４記載のように、触針用部
材に対し、梁構造である触針と分離用の切り欠き構造を
加工する工程が微細放電加工であることが、微細な形状
を安定して加工する点で好ましい。

【００５０】そして、触針は、微細放電加工による加工
変質層を、砥粒加工を用いて取り除くことが、加工変質
層を取り除き、形状安定性の高い触針形状を得ることが
できる点で好ましい。

【００５１】以下、本発明の各実施の形態について、図
を用いて詳細に説明していく。

【００５２】（実施の形態）図１は、本実施の形態によ
る触針の加工の形態を示す。

【００５３】図１において、１は触針を加工するための
φ３００μｍ程度の円筒状の部材であり、先端に突起部
１ａを持つような片持ち梁１ｂの形状の根元に、未加工
の錘部１ｃがあり、さらに加工部分１ｅがある。

【００５４】加工部分１ｅの一部に切り欠き１ｄが加工
されている。触針部材１は回転軸３７を中心に図示しな
い放電加工液中で高精度に回転する。触針部材１と対向
する形で走行ワイヤ２がワイヤガイド３の上を密着しな
がら走っている。走行ワイヤ２と触針部材１はコンデン
サ６、電流制限抵抗７、加工電源８からなる放電回路を
介して電圧が印加されており、微小ギャップを隔ててお
互いの間で放電が発生する。

【００５５】放電の結果、双方に電食が発生するが、走
行ワイヤ２は次々に新しい部分が送りこまれるため、走
行ワイヤの形状（一般にＲ＝５０μｍ）が触針部材１に
転写される。ワイヤガイド３の切りこみ量４を調整しな
がら、方向５に移動させることにより、図１にしめすよ
うな触針形状がNC加工できる。

【００５６】さて、この触針部材１は、超硬合金からな
るものである。ここで用いられる超硬合金は、常温にお
いて非常に高い硬度、耐磨耗性、高弾性率、耐食性を有
しており、その高硬度、高弾性率、高耐食性、高摩耗性
から形状測定用触針としては最適である。

【００５７】しかし、反面その加工は硬度の高さから極
めて難しいが、微細放電加工によれば極めて容易に加工
できる。さらに、超硬合金は焼結材料であることから、
製造時に塑性加工を受けておらず、内部応力が小さいた
め微細加工に適している。

【００５８】もちろん、超硬合金以外の部材でも同様な
触針を製作することが可能である。たとえば、超硬合金
と同様に工具材料として多用される工具鋼やサーメット
なども使用可能であるし、ステンレス綱やタングステン
などの金属材料も利用可能である。ただし、これらの材
料を使用した場合、超硬合金を利用する場合に比較し
て、耐摩耗性・耐食性が犠牲になり、安定な形状測定を
妨げる要因となる。

【００５９】図２は、触針部材と水晶振動子を組み立て
る工程を示す説明図である。

【００６０】まず、図２（イ）において、９は水晶振動
子、９ａは水晶振動子の腕である。１０ａ、１０ｂは電
極パターンである。９は時計用に用いられる一般的な音
叉型のものである。電極パターン１０ａ，１０ｂは実際
には水晶振動子の側面にまでわたりお互いに入組んだ構
造をもっており、機械振動と電気信号が効果的に結合す
るように工夫されているが、ここでは、簡略的に図示し
ている。

【００６１】図２（ロ）において、触針部材１は先端１
ａと片持ち梁１ｂが無い形状に加工されており、錘１ｃ
があらかじめ接着剤３８が塗布された水晶振動子の腕９
ａ先端側面に対して方向１１より押し当てられ、接着固
定される。接着剤３８にはシアノアクリレート系の物を
もちい、また、断面寸法230μｍ×370μｍの水晶振動子
の腕９ａと直径300μｍの錘１ｃとのアライメント用に
は顕微鏡と触針部材１を搭載位置決めできるような図示
しない微動ステージを用いる。また、加工部分１ｅを長
めにとることにより、接着剤が錘１ｃ以外の部分に広が
ることを防ぐことができる。

【００６２】接着剤３８硬化の後、図示しない微動ステ
ージを用いて、触針部材１を方向１１と逆方向に移動さ
せると、切り欠き部１ｄに応力が集中することにより破
断し、図２（ハ）に示すように錘１ｃ部のみ水晶振動子
の腕９ａ上に残される。なお、切り欠き部分１ｄの直径
は一般的に40μｍ程度としている。切り欠き部が太すぎ
ると切り欠き部が破断する前に接着がとれてしまう。ま
た、切り欠き部が細すぎると、触針部材１のハンドリン
グの際のわずかな振動により、過大な応力を受けて自ら
破損してしまう。

【００６３】つづいて、図２（ニ）において、今度は先
端１ａ、片持ち梁１ｂ部をもつ触針部材１を再び図示し
ない微動ステージを用いて方向１２より、接着剤３８を
塗布した水晶振動子の腕９ａに押し当てる。接着剤の硬
化を待って、触針部材を方向１２と逆の方向に移動させ
ることで、切り欠き部１ｄが破断し、図２(ホ)に示すよ
うに触針と水晶振動子の組立が完了する。

【００６４】図３は錘１ｃ、片持ち梁１ｂおよび水晶振
動子９の組立過程において、どのように水晶振動子９の
周波数特性が変化するかをインピーダンスメータを用い
て測定したものである。まず、何も接着されていない水
晶振動子９のみの状態でのインピーダンスの周波数特性
を図３（イ）のグラフ１３に示す。開封しない状態の水
晶振動子の共振周波数は32.768ｋＨｚであるが、開封後
は空気による粘性抵抗等の影響をうけ、32.757ｋＨｚ付
近に低下する（共振点１３ａ）。

【００６５】さらに、水晶振動子の腕９ａの片側に錘１
ｃが接着された状態（図２ハ）での周波数特性は図３
（ロ）のグラフ１４に示すように、わずかに反共振ピー
ク１４ｂが残るのみで、ほとんど共振しなくなる。これ
は、水晶振動子９の左右のバランスが崩れることによ
り、振動エネルギが支持部を通して外部に散逸しやすく
なり、共振しにくくなることによる。

【００６６】つぎに、水晶振動子の腕９ａの両側に触針
１ｃが取りつけられた状態（図２ホ）での周波数特性は
図３（ハ）のグラフ１５に示すように、ふたたび反共振
ピーク１５ｂが明確に見えるようになり、共振による接
触検出の感度が高まった状態が回復する。この時の共振
点１５ａは21.112ｋＨｚ付近である。

【００６７】なお、錘１ｃを水晶振動子の腕９ａの両側
に取りつけたときの周波数変化は次の式により理論的に
も計算できる。今、水晶振動子の腕９ａの長さをl＝300
0μｍ、断面積をA＝230×370μｍ，水晶のヤング率をE
＝78.7Gpa、密度をρ＝2650kg/m3とすると、水晶振動子
の共振周波数は次の式で近似できる。

【００６８】

【数１】

【００６９】この周波数は前述のように約32.7ｋHzとな
る。さらに、質量ｍの錘１ｃがこの先端に取り付けられ
たときの周波数は次式で表され、錘１ｃの共振周波数に
対する影響を事前に見積もることができる。

【００７０】

【数２】

【００７１】図４は片持ち梁１ｂ、錘１ｃを取りつけた
水晶振動子９を用いた形状測定装置の構成をしめす。２
３はプリアンプ、２４はロックイン検出器、２５は駆動
回路、２６はコンピュータ、２２は微動ステージコント
ローラ、２１は微動ステージ、１６は測定試料、１７は
Ｚステージ、１８，１９はＸＹステージ、２０はステー
ジコントローラである。

【００７２】まず、水晶振動子９の電極１０ａにはコン
ピュータ２６により水晶振動子９の共振周波数で、数ｍ
V〜数十ｍVの振幅に設定されたサイン波を発生する駆動
回路２５が接続されており、水晶振動子９は共振状態で
振動する。電極１０ｂにはプリアンプ２３を介してロッ
クイン検出器２４が接続され、水晶振動子の圧電電荷を
電気信号に変換した後に、振動振幅や駆動信号に対する
位相差が検出される。

【００７３】触針１ｂが測定試料１６の微小穴１６ａの
内面と接触すると、接触点を介して、水晶振動子の振動
エネルギが散逸する。この結果、水晶振動子の振動振幅
が小さくなったり、あるいは位相が遅れる現象が発生す
る。

【００７４】測定に際しては、まず、ＸＹＺステージ１
７，１８，１９を用いて触針１ｂを微小穴１６ａ内部に
導入する。つづいて、ＸＹステージ１８，１９を動か
し、水晶振動子の振動状態が変化したら直ちにＸＹステ
ージ１８，１９を停止する。この状態は触針先端１ａが
微小穴１６ａ内面に接触した瞬間であるから、ここで、
コンピュータ２６が水晶振動子９の振幅や位相が一定に
なるように、微動ステージ２１の位置を制御してやる。

【００７５】この結果、触針先端１ａは常に微細穴１６
ａ表面と一定状態で接触することになり、ここでＺステ
ージ１７をスキャンし、微動ステージ２１の位置を記録
してやると、穴内面のＺ方向にそった断面形状が記録で
きることになる。ここで、微動ステージ２１は微細な動
きを実現するために、ＰＺＴアクチュエータやボイスコ
イルモータを内蔵したものが使用可能である。

【００７６】図５はＸＹステージを動かして触針先端１
ａを微細穴内面１６ａに接触させる前後の、水晶振動子
９の振動状態を表す信号の振幅（図イ）と位相（図ロ）
の時間変化を示したものである。グラフ２７において、
２７ａで接触が発生したのち振幅は急激に低下する。

【００７７】ステージが完全停止した後、反転移動し、
２７ｂにおいて接触が解除され、振幅は再び回復する。
この回復期において、水晶振動子９の共振のＱが２００
０近くあるため、振幅の回復の時定数は約100ms程度と
遅い。

【００７８】グラフ２８は位相の変化を表すが、２８ａ
で接触発生後、急激に位相遅れが発生、２８ｂで接触が
解かれると、回復する。一般に位相信号は振幅信号より
応答が速いため、接触検出には位相信号の方が適してい
る。

【００７９】図５のように、接触により共振状態が変化
する理由は、接触の前後で水晶振動子の周波数特性が変
化するためである。いま、図６イは直径50μｍ、長さ12
00μｍの片持ち梁１ｂを取りつけた水晶振動子９の周波
数特性の接触前後での変化をあらわす。

【００８０】接触直前の周波数特性は２９であらわさ
れ、共振は２９ａ付近である。水晶振動子９はこの周波
数の駆動信号を駆動回路２５より与えられている。周波
数特性は接触が間欠的に始まるやいなや３０のような特
性に変化する。共振ピークは完全に消え去り、接触によ
り振動エネルギの損失が大きくなっていることをしめし
ている。これが、接触時に水晶振動子９からの振動振幅
が減少する理由である。

【００８１】さらに、接触がすすんで完全接触状態とな
ると、周波数特性は３１に示すような状態に変わり、あ
らたな共振ピーク３１ａが発生する。２９ａから３１ａ
までの周波数変化は1164Ｈｚにも達する。

【００８２】また、図６ロは、直径25μｍ、長さ1200μ
ｍの片持ち梁１ｂを取りつけた水晶振動子９の周波数特
性の接触前後での変化をあらわす。接触直前の周波数特
性は３２であらわされ、共振は３２ａ付近である。水晶
振動子９はこの周波数の駆動信号を駆動回路２５より与
えられている。

【００８３】周波数特性は接触が間欠的に始まるやいな
や３３のような特性に変化する。共振のＱは大幅に低下
し、これと同時に水晶振動子９の振動振幅も減少する。
さらに、接触がすすんで完全接触状態となると、周波数
特性は３４に示すような状態に変わり、あらたな共振ピ
ーク３４ａが発生する。３２ａから３４ａまでの周波数
変化は−４６Ｈｚになる。このように、片持ち梁１ｂの
サイズの違いによりことなる特性をしめす。

【００８４】以上の現象は、つぎのように説明できる。
まず、接触の直前は触針１ｂは片持ち梁として水晶振動
子の腕９ａによって励振されている。つづいて、接触後
の触針１ｂは先端１ａが測定試料１６ａによって拘束さ
れるため、先端ピン固定の梁として振動することにな
る。接触前後の共振周波数の違いは、片持ち梁１ｂの振
動形態の違いによる、水晶振動子９への影響が異なるた
めに発生する。

【００８５】ここで、片持ち梁１ｂを一様梁とみなし、
理論解析をおこなう。外力のかからない梁の振動方程式
の一般解は次式である。

【００８６】

【数３】

【００８７】片持ち梁である場合と、先端固定梁である
場合の境界条件の違いは、定数Ｃ１〜Ｃ４の値の違いと
なって現れる。ここで、片持ち梁１ｂが水晶振動子の腕
９ａに及ぼす内力は、梁のたわみφを３回微分したもの
に比例するから、次式で表すことができる。

【００８８】

【数４】

【００８９】ここで、力FWCは水晶振動子の歯の先端振
幅に比例して働く力であるので、水晶振動子先端に追加
されるバネ負荷と考えることができる。そのバネ定数
は、水晶振動子の腕９ａの振幅を単位長さとしたときの
力FWCである。

【００９０】今、水晶振動子の腕９ａ自身のバネ定数FC
Rは次式より求まる。

【００９１】

【数５】

【００９２】ここで、ヤング率E=7.87×1010Pa、Izは断
面2次モーメント（矩形断面230μｍ×370μｍ）、l=300
0μｍは水晶振動子の歯の長さであり、FCR＝8490N/mと
なる。

【００９３】以上より、水晶振動子の先端に片持ち梁１
ｂが追加された結果、水晶振動子の腕９ａのバネ定数FC
R に新しいバネ定数FWCが加わり、水晶振動子のバネ定
数がFCR +FWCに変化したと考えられる。これにより、片
持ち梁がない場合の共振周波数をf1として、片持ち梁追
加後の周波数ｆ2は、次式となる。

【００９４】

【数６】

【００９５】片持ち梁１ｂが自由振動するときの水晶振
動子共振周波数をf2Fとし（接触前に相当）、触針が先
端固定振動するときの水晶振動子共振周波数をf2Cとす
ると（接触後に相当）、接触による周波数変化はf2C -f
2Fと求められる。こうして求められる周波数変化量を触
針の直径に対してプロットしてやると、図７の結果が得
られる。

【００９６】ここに、図６で用いた直径５０μｍ、２５
μｍの触針の接触による周波数変化データを重ね合わせ
ると、データ点３９、４０となり、理論値と傾向が一致
することがわかる。なお、直径３５μｍで共振周波数変
化量が発散しているが、これはこの直径で片持ち梁１ｂ
の共振周波数と水晶振動子９の共振周波数が一致するこ
とを示している。この状態では触針先端１ａは必要以上
に大きく振れまわるため、形状測定の目的には適合しな
い。つまり、図７の理論解析を事前におこなうことによ
り、必要とされる触針形状の最適化をおこなうことがで
きるという効果をもつ。

【００９７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、微細放電
加工により加工された、先端に形状測定用の微細突起部
を有する超硬合金製の片持ち梁構造の触針を用い、この
触針を接着固定した水晶振動子をその共振周波数付近で
振動させる。水晶振動子の振動は触針の先端に伝えら
れ、微細突起部が振動により測定対象面に接触すると、
その接触の程度にしたがって水晶振動子の振動エネルギ
が失われ、振動振幅と振動位相は変化する。そこで、水
晶振動子上の電極から振動の状態を表す圧電電荷を検出
し、これを電圧信号へと変換したのち、振動信号の状態
が一定になるように触針と水晶振動子の一体構造をアク
チュエータにより振動方向にサーボ位置決めする。この
状態で、触針をステージにより測定対象に対して相対移
動してやると、触針は測定対象面の凹凸形状に沿って動
くことになり、その形状を測定することができる。

【００９８】かかる構成によれば、高硬度・高形状安定
性・高耐食性をもつ、加工形状の自由度が高い触針を用
いて、測定対象が導電性／非導電性のいかんを問わず、
その表面の酸化膜やゴミ、ほこりの影響を受けない、よ
り安定した測定が可能である微細表面形状測定装置を構
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】本発明の一実施の形態による、触針形状と加工
方法を示す構成概念図

【図２】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子の組立工程を表す製造プロセス図

【図３】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子の組立工程の各段階における水晶振動子の振動の変化
を示す特性図

【図４】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子を用いた微細表面形状測定装置の構成概念図

【図５】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子の接触による振幅・位相信号変化を示す特性図

【図６】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子の接触による周波数特性の変化を示す特性図

【図７】本発明の一実施の形態による、触針と水晶振動
子の接触による共振周波数変化の理論値と実験値を示す
特性図

【図８】従来の微細表面形状測定装置の構成概念図

【図９】従来の微細表面形状測定装置の検出原理を示す
特性図

【図１０】従来例による測定対象面の相対距離の変化と
デューティサイクルの関係を示す特性図

【図１１】従来の微細表面形状測定装置のファイバ・水
晶振動子センサユニットの構成概念図

【図１２】従来のファイバ・水晶振動子センサユニット
を用いた微細形状測定装置の構成概念図

【符号の説明】

１触針１ａ触針先端１ｂ片持ち梁１ｃ錘２走行ワイヤ３ワイヤガイド８放電加工電源９水晶振動子９ａ水晶振動子の腕１０電極２１微動ステージ１６測定試料１７Ｚステージ１８Ｘステージ１９Ｙステージ２３プリアンプ２４ロックイン検出回路２５駆動信号発生回路２６コンピュータ３８接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｂ 21/00 Ｇ０１Ｂ 21/00 ＰＦターム(参考） 2F063 AA41 AA43 BA25 BA30 BD06 BD12 CA30 CA31 CA40 DA02 DB04 DD02 DD03 EA16 EB02 EB05 EB23 EB27 EC09 HA00 HA10 LA04 LA05 LA11 2F069 AA62 AA66 BB38 BB40 DD06 DD13 DD26 DD30 GG01 GG06 GG07 GG19 GG51 GG62 HH30 JJ06 JJ25 KK01 LL03 LL06 LL10 MM02 MM04 MM13 MM24 MM32 MM34 RR03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】梁構造を有する触針が水晶振動子に固定
され、水晶振動子が自らの共振周波数で振動し、振動状
態検出手段により共振状態の変化を検出することにより
前記触針の測定対象面との接触状態を検出する手段と、
接触の状態が一定になるように前記触針を水晶振動子の
振動方向に位置決めする位置決め手段と、前記触針と測
定対称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。
【請求項２】触針は、先端に形状測定用の微細突起部
を有する硬度の高い導電体よりなる請求項１記載の微細
表面形状測定装置。
【請求項３】触針は、超硬合金製である請求項１また
は２記載の微細表面形状測定装置。
【請求項４】触針は、その一部または全体がダイヤモ
ンド焼結体あるいはＢＮ焼結体である請求項１または２
記載の微細表面形状測定装置。
【請求項５】触針は、微細放電加工により加工された
請求項１から４のいずれかに記載の微細表面形状測定装
置。
【請求項６】触針は、微細放電加工による加工変質層
を、砥粒加工を用いて取り除いた請求項１から５記載の
微細表面形状測定装置。
【請求項７】水晶振動子に一定周波数の駆動信号を印
加し、水晶振動子の振動により発生する圧電電荷を電圧
信号に変換し、この信号をモニタすることによって接触
状態を検出することを特徴とする請求項１から６のいず
れかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項８】水晶振動子が常に共振状態になるように
駆動信号の周波数を制御し、その周波数の変化により接
触状態を検出することを特徴とする請求項１から６のい
ずれかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項９】位置決め手段が、圧電アクチュエータを
有し、触針の変位量は、振動状態の位相・振幅、あるい
は共振周波数が一定になるように制御される請求項１か
ら８のいずれかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項１０】触針を水晶振動子に固定するにあた
り、触針用部材の一部分に切り欠きを設けておき、触針
用部材全体をハンドリングすることで触針を正確に水晶
振動子に対して位置決めし、固定作業を行った後に前記
切り欠き部から触針部材を破断することにより、触針だ
けを水晶振動子上に残すことを特徴とする触針と水晶振
動子の組立製作方法。
【請求項１１】触針の水晶振動子への固定方法が局部
的に適用された接着剤であることを特徴とする請求項１
０記載の組立製作方法。
【請求項１２】触針の水晶振動子への固定方法がレー
ザ、放電プラズマ等による熱的溶着であることを特徴と
する請求項１０記載の組立製作方法。
【請求項１３】触針用部材がハンドリングのために精
密ステージに固定され、顕微鏡下で水晶振動子と位置合
わせされることを特徴とする請求項１０から１２のいず
れかに記載の組立製作方法。
【請求項１４】触針用部材に対し、梁構造である触針
と分離用の切り欠き構造を加工する工程が微細放電加工
であることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか
に記載の組立製造方法。
【請求項１５】触針は、微細放電加工による加工変質
層を、砥粒加工を用いて取り除くことを特徴とする請求
項１０から１４のいずれかに記載の組立製造方法。