JP2002340544A

JP2002340544A - 微細触針の破損防止機構

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Publication number: JP2002340544A
Application number: JP2001149349A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 正樹山本; Masanori Arai; 雅典新井
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-11-27
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP4680415B2

Abstract

(57)【要約】【課題】触針と測定対象の接触方向によらず、触針破
損や寿命短縮を防止できるような破損防止機構およびそ
の制御方法を提供すること。【解決手段】微細触針のホルダを微動アクチュエータ
に取り付け、前記微細触針がその軸方向に測定対象と接
触する際、微細触針が座屈しないよう触針を引き上げて
接触から逃がすこと、さらに、座屈の恐れがないときに
は接触から逃がさないようにする。そして、微細触針の
ホルダをその軸方向に変位させるようなアクチュエータ
に取り付け、さらに、触針が接触を検知すると同時に、
そのアクチュエータを急速に縮めることにより、微細触
針に制御的なコンプライアンスを与え、座屈・変形する
ことを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微細触針の破損防止
機構、特に、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次元微細形状を、測定するために用いられ
る微細加工形状測定装置などにおいて、微細触針を破損
することを防止する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、微小形状の接触式による測定に
は、特開平５−２６４２１４号公報や特開平８−０７５
４４５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。

【０００３】両者とも微細加工された微細構造の内部に
触針あるいはプローブが挿入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。

【０００４】まず、図７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。

【０００５】図７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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】例えば、図８を参照すると、図８（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８（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。

【００１１】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
９のような関係を呈する。

【００１２】よって、デューティサイクルを記録しなが
らＺ軸送り機構１０５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。

【００１３】なお、図９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。

【００１４】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。

【００１５】次に、第２の従来例は、図７に示した第１
の従来例を改良したもので、顕微鏡２４２と触針２３４
の組み合わせにより、測定装置としての使い勝手を向上
させたものである。

【００１６】まず、図１０において撮影部２４２と触針
２３４とは同軸の位置関係に設定されている。つまり、
顕微鏡２４２の画像のほぼ中心部に触針２３４が存在す
る。顕微鏡２４２の画像は画像処理部２４４に導かれ、
画像処理部２４４の表示部に表示される。そして、表示
部に表示された画像を見ながら、ＸＹステージ２２６Ａ
をＸ軸方向やＹ軸方向に移動し、ワーク２２８の微細穴
２２９を画像中央に位置決めする。その後にＺステージ
２２６Ｂによりワーク２２８を上方に移動させることに
より、触針２３４が微細穴２２９の内部に挿入される。
この状態で、再度ＸＹステージ２２６Ａを微小送りしな
がら、触針２３４と微細穴表面２２９Ａの接触を、第一
の従来例と同様な方法にて行うことで、微小穴表面２２
９Ａの座標を求めることができる。このようにして求め
た座標値から、触針２３４の直径を補正することで、微
細穴２２９の内径を知ることができる。ちなみに、触針
２３４の先端は図１１のようなひし形形状に加工されて
おり、Ｘ、Ｙ方向の穴内径を正確に測定できるよう工夫
されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】以上の２つの従来例
は、ノズル穴や微細形状等の加工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。

【００１８】つまり、両者で共通に用いられる触針は形
状の安定性を求められるため、硬質材料により形成され
ている。一般的に測定対象と触針を相対運動させる測定
装置のステージ構造は数ｋｇ〜数十ｋｇの質量をもって
いるため、接触検知時にステージに運動停止信号を出し
ても、数μm〜数十μmのオーバートラベル量が発生して
しまう。触針の梁構造は先端が梁と直交する方向に変位
させられても、梁が撓むことによりその変位を比較的に
吸収することができる。ところが、梁に平行な方向に先
端部が押し込まれた場合、梁が変形する余地がないた
め、梁が座屈してしまったり、寿命を著しく短くしてし
まうという課題を有する。

【００１９】本発明は、以上の課題を解決し、触針と測
定対象の接触方向によらず、触針破損や寿命短縮を防止
できるような破損防止機構およびその制御方法を提供す
ることを目的とする。

【００２０】

【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、微細触針のホルダを微動アクチュエ
ータに取り付け、前記微細触針がその軸方向に測定対象
と接触する際、微細触針が座屈しないよう触針を引き上
げて接触から逃がすこと、さらに、座屈の恐れがないと
きには接触から逃がさないことを特徴とする微細触針の
破損防止機構である。

【００２１】より具体的には、まず、微細触針と測定対
象は測定装置のステージにより相対運動するが、ステー
ジの質量が大きいため、微細触針が接触を検出したのち
もステージは惰行し、微細触針を変形させる。微細触針
はアスペクト比の高い梁構造であるため、撓み方向に変
形しても破損には至らない。ところが、軸方向に変形さ
せようとすると、曲がったり座屈したりして破損につな
がってしまう。

【００２２】ここで、微細触針のホルダをその軸方向に
変位させるようなアクチュエータに取り付け、さらに、
触針が接触を検知すると同時に、そのアクチュエータを
急速に縮めることにより、微細触針に制御的なコンプラ
イアンスを与え、座屈・変形することを防止する。

【００２３】また、微細触針と測定対象の相対運動の速
度ベクトルは、場合によって微細触針の軸方向とこれに
直交する方向の成分をもっている。軸方向の速度ベクト
ルが小さい場合、接触検出後の軸方向へのオーバトラベ
ル量も小さいので、微細触針が座屈する心配はない。よ
って、軸方向速度がある値より大きい場合のみ、微細触
針を引き戻すような制御をおこない、それ以外のとき
は、微細触針を一定位置に保つようなアクチュエータ制
御をおこなう。

【００２４】以上により、微細触針が測定対象にいかな
る方向から接触しても、微細触針が適切な逃げを確保
し、座屈・変形などの破損を防止することができる。

【００２５】請求項１記載の本発明は、片持ち梁構造か
らなる微細触針と微細形状をもった測定対象を相対運動
させ、両者の接触を検出することにより微細形状を測定
する微細形状測定装置において、前記微細触針を前記測
定対象から離脱する方向に変位させて前記微細触針の保
護を行うアクチュエータと、前記微細触針と前記測定対
象の相対移動速度ベクトルを求める速度ベクトル算出器
を備え、前記速度ベクトル算出器において、前記微細触
針と前記測定対象の相対接近速度が一定値を下回る場合
は、前記アクチュエータによる保護動作を行わないこと
を特徴とする微細触針の破損防止機構である。このよう
な構成により、微細触針を接触時の破損から守ることが
できる。

【００２６】ここで、請求項２記載のように、上記アク
チュエータが圧電素子から成ることが、その高速な変位
特性から好ましい。

【００２７】そして、請求項３記載のように、上記アク
チュエータが圧電素子ならびに変位拡大機構からなるこ
とが、触針を大変位量逃がすことができ、より破損防止
効果が高いことから好ましい。

【００２８】さらに、請求項４記載のように、上記アク
チュエータが変位をモニタする変位センサを持つこと
が、アクチュエータ特有の変位ドリフトや変位ヒステリ
シスをキャンセルできることから好ましい。

【００２９】また、前記微細触針と前記測定対象の接触
を検知した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針
を前記測定対象から離脱する方向へ高速度で変位し、前
記微細触針と前記測定対象の非接触を検出した場合に、
前記アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象へ接
近させる方向へ低速度で変位することが、微細触針を高
速に接触から逃がすことができ、同時に微細触針が元位
置へ自動復帰できることから望ましい。

【００３０】

【発明の実施の形態】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をしていく。

【００３１】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態に係る微細触針の破損防止機構を取り付けた微細
形状測定装置の構成を示す。

【００３２】図１において、１は微細触針であり、直径
数十μｍで長さ数ミリの片持ち梁構造を有する。２は触
針ホルダであり、微細触針１を交換可能な状態で保持・
固定し、微細触針１を軸方向に変位させる微動アクチュ
エータ１０に取り付けられている。３は測定対象であ
り、その一部に微細穴のような微細形状をもっており、
サンプルホルダ４を介してＹステージ６、ベース９に固
定される。測定対象３と微細触針１はＸステージ５、Ｙ
ステージ６、およびＺステージ７により相対運動するこ
とができる。

【００３３】まず、微細触針１であるが、Ｚ方向に沿っ
た片持ち梁構造を有し、その先端部がボール状、そろば
ん玉状、鉤型等の突起を有しており、先端部が測定対象
に接触したことを検出する能力をもつ。この触針は本実
施例においては、1999年度精密工学会春季大会学術講演
会論文集P.５０４「圧電センサを用いた共振型バイブロ
スキャン法」に示されるような、共振状態の変化により
接触を検出するタイプのものである。もちろん、接触を
電気導通で検出するような微細触針や、接触による反力
を検出するような触針、光学特性の変化を検出する触針
を用いても一向にかまわない。一般に微細触針１は超硬
合金やガラス、セラミック等の硬質材料から構成されて
おり、摩擦や変形が少なく高い形状安定性をもってい
る。このことは反面、無理な変形は破損につながるおそ
れがある。

【００３４】Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺス
テージ７は微細触針１を測定対象３に対して相対移動さ
せ、微細触針１が接触を検出すると同時にＸステージ
５、Ｙステージ６、およびＺステージ７の座標を読み取
りを行なうとともにただちに停止し、さらに反対方向に
退避動作を行う。この一連の動作を繰り返すことで、微
細形状の測定が達成される。Ｘステージ５、Ｙステージ
６、およびＺステージ７は一般にエアスライドやボール
ガイドによりガイドされ、回転モータとボールねじ、あ
るいはリニアモータにより駆動されている。そして、Ｘ
ステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７やその
駆動部は一定の質量（数ｋｇ〜数十ｋｇ）および慣性を
もっているため、微細触針１が接触を検出してから、ス
テージが停止・退避するまで、実際には数μｍから数十
μｍのオーバートラベルが発生し、この結果、微細触針
１の先端部は測定対象に押し込まれる。微細触針１は片
持ち梁の構造であるため、水平方向（ＸＹ）方向の押し
込みに対しては撓みにより変位を吸収でき、破損するこ
とは少ない。ちなみに、φ２０μｍ、長さ1000μｍの超
硬合金片持ち梁であれば、先端変位 100μｍ程度では折
損にいたることはない。

【００３５】ところが、垂直方向（Ｚ）方向の押し込み
に対しては、片持ち梁の座屈方向となるため、微細触針
１は高々数μｍの押し込みであっても、座屈や曲がりの
発生につながってしまう。

【００３６】図２は図１の微細触針１付近の拡大図であ
る。前述のように触針ホルダ２は微細触針１を取り外し
可能な形で保持する。触針ホルダ２と微細触針１の安定
的な機械的結合および電気的接続のために触針基板１１
が微細触針１に付属されている。触針ホルダ２は微動ア
クチュエータ１０に取り付けられ、微動アクチュエータ
１０が微細触針１の破損防止に必要なＺ方向の退避動作
を行なって微細触針１を保護する。微細触針１の左横に
設けられた長焦点顕微鏡８は、微細触針１を測定対象３
へ導く役目を持っている。焦点位置１２が微細触針１よ
りも下方に位置しているので、測定対象３を長焦点顕微
鏡８で観察したのち、Ｘステージ５、Ｙステージ６、お
よびＺステージ７をあらかじめ決められた特定量移動さ
せることにより、安定して微細触針１を測定対象３に導
くことができる。

【００３７】つぎに、図３を用いて微細形状測定装置の
全体構成と破損防止のための制御方法について説明す
る。まず、１９はＸステージ５、Ｙステージ６、および
Ｚステージ７を制御するためのＮＣ制御回路（ＮＣコン
トローラ）であり、微細触針１からの接触信号１６を受
け取るとＸステージ５、Ｙステージ６、およびＺステー
ジ７を即座に停止・退避させる機能をもつ。また、ＮＣ
制御回路１９の内部には微細触針１と測定対象３の相対
移動速度ベクトルを求める速度ベクトル算出器が備えら
れ、微細触針１と測定対象３の接近速度を知ることがで
きる。制御コンピュータ２１は微細形状測定装置全体を
コントロールするメインＣＰＵであり、測定に必要なＸ
ＹＺの動きをＮＣ指令２０を介してＮＣ制御回路１９に
指令する役目を持っている。破損防止制御回路１７は触
針１からの信号を接触信号検出回路１３を介して検出す
ると、微動アクチュエータ制御回路１４に変位指令１５
を発し、これに従って微動アクチュエータ１０が駆動さ
れ、微細触針１の退避動作が実現する。退避動作を行う
かどうかはＮＣ制御回路１９からのＺＤＯＷＮ信号１８
により決定される。

【００３８】図４は、微細触針１がＺ方向から測定対象
３に接触したときに、微細触針１を上方に引き上げるた
めの破損防止機構に用いられる微動アクチュエータ１０
の構造の一例を表している。この微動アクチュエータ１
０は、アクチュエータ本体３６と、アクチュエータ本体
３６に平行板ばね２５を介して連結されたテーブル部３
５と、テーブル部３５に固定された触針ホルダ２と、触
針ホルダ２に支持された微細触針１とを備えている。ま
た、微動アクチュエータ１０は、テーブル部３５に微動
動作を与える積層圧電素子２２と、この積層圧電素子２
２の変位を拡大してテーブル部３５に伝える変位拡大機
構２３とを有している。アクチュエータ本体３６は、下
方に開口してテーブル部３５が収容される収容空間３７
を有する断面がほぼ下向きのカップ形状をしている。テ
ーブル部３５はこの収容空間３７内に収容されるととも
に、アクチュエータ本体３６とテーブル部３５との間に
おいて横方向に延びて架け渡された平行板ばね２５によ
ってアクチュエータ本体３６に連結支持されている。そ
して、触針ホルダ２は平行バネ２５により精密にガイド
されるテーブル部３５に固定されている。

【００３９】アクチュエータ本体３６の下端部分の所定
の位置にはこのアクチュエータ本体の側壁から収容空間
３７の内部へ向けて突出した受け台３８が設けられてい
る。この受け台３８の上には積層圧電素子２２が固定設
置されており、この積層圧電素子２２の上面には変位拡
大機構２３の一端が接触している。また、変位拡大機構
２３の他端はテーブル部３５の上面に当接している。変
位拡大機構２３の中間部分の所定位置には支点部材３９
が当接されており、当該変位拡大機構２３は、全体とし
て、積層圧電素子２２が伸長すればテーブル部３５を押
し下げ、逆に積層圧電素子２２が収縮（或いは短縮）す
ればテーブル部３５を平行板ばねの作用で元の変位位置
へ復帰させることを許容する梃子構造体となっている。
そして、この変位拡大機構２３は弾性ヒンジ等より構成
され、ガタのない変位拡大が可能となっている。テーブ
ル部３５は変位拡大機構２３を介して積層圧電素子２２
によりＺ方向に駆動される。積層圧電素子２２は１００
Ｖ程度の電圧で数μｍの変位を発生することができ、変
位拡大機構２３の働きにより、テーブル部を数１０μm
変位させることができる。なお、積層圧電素子２２の変
位は一般に時間とともにドリフトしてしまうため、テー
ブル部３５の位置は変位センサ２４によりモニタされ、
フィードバック制御により高い位置決め精度を確保して
いる。

【００４０】このような、積層圧電素子２２、変位拡大
機構２３、変位センサ２４を組み合わせた構造はＰＩポ
リテック株式会社などから多く製品化されており、積層
圧電素子２２単体を制御するのと同じような手軽さをも
って微動アクチュエータ１０を制御することができる。

【００４１】また、Ｚステージ７のオーバートラベル量
が小さい場合、変位拡大機構２３は必ずしも必要なく、
積層圧電素子２２だけでも折損防止の機能を果たすこと
もできる。また、他の高速移動が可能なアクチュエータ
でも微動アクチュエータ１０として利用可能である。た
とえば、ボイスコイルモータ、リニアモータ、静電駆動
アクチュエータ、磁歪素子、電歪素子などでも代用が可
能である。

【００４２】このとき、折損防止動作は次のように実現
される。まず、微動アクチュエータ１０を伸びた状態に
保持し、この後、微細触針１を測定対象３に一定速度以
上で上方から接近・接触させる。接触と同時に微動アク
チュエータ１０を高速に縮ませることで微細触針１は引
き上げられ、Ｚステージ７が慣性のため停止できずに下
降を続けても微細触針１は押し込まれることがない。つ
まり、座屈による微細触針１の破損を防止することがで
きる。

【００４３】相対速度ベクトルが水平成分（ＸＹ成分）
のみの場合は、接触の際の微細触針のＺ方向への押し込
みはなく、破損の恐れはない。また、相対速度ベクトル
のＺ成分が仮に存在しても小さい場合（たとえば１μｍ
／ｓ）、接触後のＺステージのオーバートラベルは無視
できるほど小さくなる。これらの場合、検出時に微動ア
クチュエータ１０を縮ませる必要はない。図５に、ＺＤ
ＯＷＮ信号がＮＣ制御回路１９に内蔵される速度ベクト
ル算出器により作製される様子を示す。Ｘステージ５、
Ｙステージ６、およびＺステージ７の動きにより生成さ
れる微細触針１と測定対象３の相対移動速度ベクトルは
Ｘ方向速度成分２６, Ｙ方向速度成分２７, Ｚ方向速度
成分２８で表される。Ｘ、Ｙ方向速度成分はＺＤＯＷＮ
信号生成には利用されない。

【００４４】Ｚ方向速度成分２８においては、微細触針
１が測定対象３に接近するようなしきい値速度２９が設
定されており、Ｚ方向速度成分２８がこの値を下回る
（このしきい値以上の早さで微細触針１が測定対象３に
接近する）場合にＺＤＯＷＮ信号１８がオンとなる。Ｚ
ＤＯＷＮ信号がオンになっているときは、微細触針１が
測定対象３に接触した際に座屈する恐れがあることを意
味し、破損防止制御回路１７に微動アクチュエータ１０
を制御するように指示する。また、ＺＤＯＷＮ信号の生
成はＮＣ制御回路１９によるものでなくても、たとえ
ば、制御コンピュータ２１が計測動作計画のなかで事前
にＺＤＯＷＮ信号の生成タイミングを計算し、直接破損
防止制御回路１７に指示してもよい。さらに、破損防止
制御回路１７がＺステージ７の位置計測用のリニアエン
コーダのパルスインターフェースをもち、Ｚステージ７
の移動方向を自ら判断してＺＤＯＷＮ信号を生成しても
よい。さらに、破損防止制御回路１７がＮＣ指令２０を
直接取り込み、自らＺＤＯＷＮ信号を生成する方法も可
能である。

【００４５】図６は、破損防止制御回路１７が、微動ア
クチュエータ１０に変位指令１５を出力するための回路
構成を示す。微細触針１からの接触信号はＴＲＩＧ信号
１６を介して破損防止制御回路１７に伝達される。この
際、微細触針１の上昇速度３０をプラス電圧とし、下降
速度３１をマイナス電圧として設定しておく。ＴＲＩＧ
信号１６はスイッチ３２を制御し、微細触針１の接触状
態に応じて、いずれかの電圧を選択する。スイッチ３３
はＮＣ制御回路１９からのＺＤＯＷＮ信号１８により制
御され、上昇・下降速度を表す電圧３０・３１、または
電圧３１のいずれかを選択する。スイッチ３３により選
択された電圧は積分回路３４に入力され、その出力は変
位指令１５となり、微動アクチュエータ制御回路に出力
され、微動アクチュエータ１０がこの電圧に比例した変
位を発生する。

【００４６】以上の回路構成により、微細触針１は次の
ように制御される。まず、ＴＲＩＧ信号１６とＺＤＯＷ
Ｎ信号１８のいずれもＯＦＦの状態では積分回路３４は
電圧３１によってマイナス下限まで飽和しており、微動
アクチュエータ１０はあらかじめ、最も下降した位置で
待機している。仮に、微細触針１がその軸方向に測定対
象３に接近しているとすると、ＺＤＯＷＮ信号１８が入
力され、積分回路３４へゼロ以外の電圧が入力される。
その入力電圧はＴＲＩＧ信号１６により選択されるた
め、微細触針１に接触が検出されなければマイナスの電
圧が入力されつづけるため、積分回路３４はマイナス下
限まで飽和し、この結果、微動アクチュエータ１０は最
も下降した位置にある。つぎに、微細触針１に接触信号
が入力されると、上昇速度３０が入力され、積分回路３
４の電圧出力は急速に増加する。この結果、微動アクチ
ュエータ１０はＺステージの速度よりも高速に上昇し、
Ｚステージ７が接触検出後に停止できずにオーバートラ
ベルしても、微細触針１を測定対象３から引き離すこと
ができる。接触状態が解消されると、電圧３１に切り換
えられるのでふたたび積分回路の出力値は減少しはじめ
るが、上昇速度３０と下降速度３１を適当な値に設定し
ておくことにより、微細触針１が元の最下位置に戻るま
でに、Ｚステージ７がオーバートラベルを解消し、反転
退避動作（タッチバック動作）するだけの時間的余裕を
与えることが可能となる。この結果、微細触針１が元の
最下位置に戻ったときには、測定対象３はすでに離れた
場所にある。以上の動作により、微細触針１がＺ方向の
押し込みに対して制御の力によりコンプライアンスをも
ったことに相当し、Ｚ方向の押し込みに対しても座屈が
発生しないことを意味する。また、本実施例はアナログ
回路により、制御アルゴリズムを実現したが、本手法は
デジタル回路・マイコン等によっても容易に実現可能で
ある。

【００４７】なお、スイッチ３３をスイッチ３２に一体
化し、ＴＲＩＧ信号１６とＺＤＯＷＮ信号１８の論理積
（ＡＮＤ）をスイッチ３２に与えても同一の効果が得ら
れる。また、スイッチ３３の下側の端子を、グランド電
位につなげても同一の効果が得られる。

【００４８】以上の仕組みにより、微細触針１はＸＹＺ
の全方向の押し込みに対してコンプライアンスを持つよ
うになり、破損を防止することができる。さらに、この
実施例を拡張して、微動アクチュエータをＸＹＺの３軸
方向に変位可能なものとすることで、微細触針１にＸＹ
Ｚの３軸の制御的コンプライアンスを与えることもでき
る。３軸の圧電アクチュエータは、たとえば、ＰＩポリ
テック社より製品化されているので、容易に構成可能で
ある。

【００４９】ＸＹＺの３軸の制御的コンプライアンスの
メリットとして、あらかじめ制御コンピュータ２１より
指示される微細触針１と測定対象３の位置関係より、接
触を検出したときに微細触針１をアクチュエータの変位
範囲内で自由に逃がすことができる。この結果、オーバ
ートラベルがあらゆる方向に極めて大きい測定装置と微
細触針１を組み合わせる場合の破損防止となる他、倣い
計測の場合に微細触針１の運動計画軌跡と測定対象３の
表面位置のずれを吸収することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、片持ち梁
構造を有する微細触針が測定対象に接触する際、測定装
置のステージが急停止できないことによる触針先端の押
し込みに対し、微細触針の破損につながりやすい軸方向
の押し込みを微動アクチュエータによりキャンセルする
ことができる。

【００５１】かかる構成によれば、微細触針の先端が水
平方向に押し込まれた場合は梁構造の撓みにより破損を
防止し、軸方向に押し込まれた場合はアクチュエータ制
御により破損を防止でき、結果、安定した接触検出を実
現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係る微細触針の破損防
止機構を取り付けた微細形状測定装置の概略構成を示す
正面図

【図２】本発明の一実施の形態による微細触針、長焦点
顕微鏡付近の拡大構成概略図

【図３】本発明の一実施の形態による微細形状測定装置
の制御ブロック図

【図４】本発明の一実施の形態による使用される微動ア
クチュエータの構成概略図

【図５】本発明の一実施の形態による下降状態判定の原
理を表す図

【図６】本発明の一実施の形態による折損防止のための
制御アルゴリズムを表す図

【図７】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図

【図８】従来の装置による接触信号とデューティ比の状
態を表す原理図

【図９】従来の装置による測定対象面の位置とデューテ
ィサイクルの関係を表す図

【図１０】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図

【図１１】同微細表面形状測定装置に用いられる触針の
形状を表す概略図

【符号の説明】

１微細触針２触針ホルダ３測定対象５Ｘステージ６Ｙステージ７Ｚステージ８長焦点顕微鏡９ベース１０微動アクチュエータ１７破損防止制御回路１９ＮＣ制御回路２２積層圧電素子２３拡大機構２４変位センサ２５平行板ばね３５テーブル部３６アクチュエータ本体３７収容空間３８受け台３９支点部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新井雅典神奈川県川崎市高津区坂戸１丁目20番１号株式会社ミツトヨ内Ｆターム(参考） 2F069 AA66 DD01 GG01 HH01 JJ19 LL01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】片持ち梁構造からなる微細触針と微細形
状をもった測定対象を相対運動させ、両者の接触を検出
することにより微細形状を測定する微細形状測定装置に
おいて、前記微細触針を前記測定対象から離脱する方向
に変位させて前記微細触針の保護を行うアクチュエータ
と、前記微細触針と前記測定対象の相対移動速度ベクト
ルを求める速度ベクトル算出器を備え、前記速度ベクト
ル算出器において、前記微細触針と前記測定対象の相対
接近速度が一定値を下回る場合は、前記アクチュエータ
の保護動作を行わないことを特徴とする微細触針の破損
防止機構。
【請求項２】アクチュエータが圧電素子を用いてなる
ことを特徴とする請求項１記載の微細触針の破損防止機
構。
【請求項３】アクチュエータが圧電素子ならびに変位
拡大機構を用いてなることを特徴とする請求項１記載の
微細触針の破損防止機構。
【請求項４】アクチュエータが変位をモニタする変位
センサを持つことを特徴とする請求項１記載の微細触針
の破損防止機構。
【請求項５】前記微細触針と前記測定対象の接触を検
知した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針を前
記測定対象から離脱する方向へ高速度で変位し、前記微
細触針と前記測定対象の非接触を検出した場合に、前記
アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象へ接近さ
せる方向へ低速度で変位することを特徴とする請求項１
記載の微細触針の破損防止機構。