JP2019090638A - 切削工具切れ刃形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】先端径が２０ナノメートル以下の原子間力顕微鏡プローブを用いて、精密切削工具切れ刃形状を評価する際に、特別に高精度な標準試料等を用いることなく、自律的に工具エッジ形状と原子間力顕微鏡プローブ形状を分離して絶対測定を実現する技術を提供する。【解決手段】測定対象の精密切削工具切れ刃形状と、軟質金属表面にその形状が転写された反転エッジを同じ原子間力顕微鏡プローブで走査して、測定した二つのエッジ形状のデータの差動演算から、自律的に工具エッジ形状と原子間力顕微鏡プローブチップ形状を分離して測定する。工具エッジ形状とその反転形状を同じ環境で計測した結果の差動演算から、原子間力顕微鏡プローブチップと工具エッジ形状を分離して同時に求める絶対測定ができる。また、機械的電磁的環境外乱も差動演算で除去することができ、加工機上でもサブナノメートルの目標精度を実現することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド切削工具の切れ刃形状測定方法及び測定装置に係わる。更に詳しくは単結晶ダイヤモンドを用いた超精密切削加工工具の切れ刃形状を、原子間力顕微鏡を用いて測定する測定装置及び方法に係わるものである。具体的にはダイヤモンド切削工具の良好な形状転写性を利用して、ダイヤモンド切削工具のエッジ形状を原子間力顕微鏡で直接測定した結果と、前記ダイヤモンド切削工具の形状を軟質金属の表面に転写した反転エッジ形状を、前記ダイヤモンド切削工具形状を測定したと同一の原子間力顕微鏡プローブ測定した結果を基に、原子間力顕微鏡プローブの先端形状の影響を取り除いた形でのダイヤモンド切削工具のエッジ形状の測定を実現するダイヤモンド切削工具の切れ刃のエッジ形状の測定装置及び測定方法に関する。

超精密加工に使用される単結晶ダイヤモンド超精密切削加工工具には、工作物（ワーク）表面を平滑な鏡面に仕上げる高精度でかつ瑕疵のない鋭利なエッジを持つことが要求される。次世代の超精密切削加工工具（マイクロ工具）では、ピッチや幅が光波長に近い超微細形状の創生が必要であり、２０ｎｍ（ナノメートル）以下の丸み半径（鋭利さ）が求められる。この次世代マイクロ工具の高精度高能率製造と、その使用技術を確立させるために、超精密工具研磨機及び超精密旋盤など加工機上で工具エッジ形状をサブｎｍの精度で高速かつ正確に計測することが必要不可欠となっている。

従来、通常の工具のエッジ形状を測定するためには、光学顕微鏡あるいは光学顕微鏡を用いた投影機等が使用されていた。しかしながら、超精密工具研磨機及び超精密旋盤など加工機上で工具エッジ形状をサブｎｍの精度で高速かつ正確に計測するためには、前述の光学顕微鏡あるいは光学顕微鏡を用いた投影機法等では不十分であった。従って、このような問題点を解決するために、近年電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡あるいは原子間力顕微鏡などが使用されるようになって来ている（例えば非特許文献１、非特許文献２）。

走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＳＥＭと略記する）は広い視野と深い焦点深度を有しているため、超精密切削加工工具（マイクロ工具）の先端エッジの位置決めが容易である。しかしながら、ＳＥＭは基本的には、三次元（３Ｄ）のエッジ形状を二次元（２Ｄ）の投影を行なうものであって、エッジの鋭さや輪郭の精度を定量的に評価する目的には適していない。更に、電子顕微鏡あるいはＳＥＭを用いた手法は、非接触式の測定方法ではあるが、電子ビームによる工具刃先へのダメージを与える恐れがあり、また真空中で観察、測定することが必要であるため、加工機上での測定には対応できないという制約がある。

一方、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＡＦＭと略記する）を使用する場合は、ＡＦＭのプローブ（探針）の先端チップを計測対象（ワーク）の表面に沿って走査して形状を測定するものであるから、超精密切削加工工具（マイクロ工具）の三次元でのｎｍの精度での測定の能力を持つものであり、しかも非接触測定であって、真空も必要としないので、加工機上での測定に対応が可能である。

ここでいうＡＦＭとは、走査型プローブ顕微鏡の一種であり、カンチレバー先端に取り付けたプローブの先端チップをワーク表面の近く（数ｎｍ）まで近づけ、両者の間で働く原子間相互作用による力を検出し、一定の間隔（力）を保ってワーク表面を走査し、カンチレバーの上下方向への変位を計測することでワーク表面の形状を測定するものである。このＡＦＭによれば、プローブとワーク表面は非接触なのでワークを傷つけることもない。そして原子レベルの三次元分解能を持つため、ダイヤモンド切削工具のエッジ形状の三次元測定に応用する手法が多く提案されて来ている（例えば非特許文献２、３または４）。

しかしながら、従来型のＡＦＭを用いるこれらの公知例では、光学顕微鏡で観察しながら、手動でＡＦＭプローブ先端チップ（Ｔｉｐ）を工具エッジ（Ｅｄｇｅ）にアライメントするのに大変時間がかかり、マイクロ工具エッジの高速測定ができないという問題点が指摘されていた。更に、ＡＦＭのプローブ先端チップの半径と、工具のエッジ丸み半径がほぼ同じ大きさであるため、ＡＦＭはマイクロ工具エッジ形状を正確に表現する絶対測定ができないという問題点も指摘されていた。

このような問題点を解決するために、特許文献１では、新たにＡＦＭに組み込んだＴｉｐ−ｔｏ−Ｅｄｇｅアライメント用光プロ−ブの対物レンズによって絞られた微小光スポットを中心に、それぞれＡＦＭプローブ先端チップと工具エッジを自動的に合わせる方法が提案されており、非特許文献４には実際に当該手法を用いたマイクロ工具エッジ形状の高速測定結果が開示されている。しかしながら、ＡＦＭによる測定結果に含まれる半径が２０ｎｍ以下のＡＦＭチップおよびマイクロ工具のエッジの形状を分離する有効な手段がないため、この方法ではマイクロ工具のエッジ形状の絶対測定ができないことが指摘されている。

特開２００５−３０８６０５号公報

Ｄ．Ｋｒｕｌｅｗｉｃｈ Ｂｏｒｎ， Ｗ．Ａ．Ｇｏｏｄｍａｎ "Ａｎ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｓｕｒｖｅｙ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒs ｏｎ ｔｏｏｌ ｗｅａｒ ｉｎ ｄｉａｍｏｎｄ ｔｕｒｎｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｐｔｉｃｓ" Ｐｒｅｃ． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｖｏｌ．２５（２００１）， Ｎｏ．４， ｐ．２４７−２５７ Ｄ．Ａ．Ｌｕｃｃａ， Ｙ．Ｗ．Ｓｅｏ "Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｏｏｌ ｅｄｇｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｉｎ ｕｌｔｒａｐｒｅｓｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ" Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ， ４２−１（１９９３） ｐｐ．８３−８６ 小畠一志 「最近のダイヤモンド切削技術」精密工学会秋季大会シンポジウム資料集（２００４） ｐｐ．１−５ Ｗ．Ｇａｏ， Ｔ．Ａｓａｉ， Ｙ．Ａｒａｉ "Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｆａｓｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ３Ｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｉｃｒｏ−ｔｏｏｌｓ" Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ， ５８−１（２００９） ｐｐ．４５１−４５４

上述の如き問題点に鑑み、本発明者等は鋭意研究を行なった結果、先端径が２０ｎｍ以下のＡＦＭプローブを用いて精密ダイヤモンド切削工具の切れ刃形状を評価する際に、特別に高精度の標準試料を用いることなく、ダイヤモンド工具のエッジ形状とＡＦＭプローブ形状を分離して測定することで、エッジ形状の絶対測定が実現することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。具体的には、測定対象である精密ダイヤモンド切削工具の切れ刃形状と、軟質金属表面にその形状が転写された反転エッジ形状を、同じＡＦＭプローブで走査して、測定した二つのエッジ形状の差動演算から、自律的に工具エッジ形状とＡＦＭプローブチップ形状を分離して測定を行なう。

ＡＦＭ等プローブを用いる顕微鏡においては、解像度ならびに出力される構造データは、プローブのサイズと形状に影響を受ける。即ち、ＡＦＭプローブの先端の丸み部分が誤差の要因となることは知られていたが、精度がそれほど高くない場合は、この誤差は相対的に小さいため、無視できるレベルであった。しかしながら、精度が上がり、次世代のマイクロ工具に２０ｎｍ以下の丸み半径が求められるようになると、工具エッジ形状をサブｎｍの精度で測定することが必要となる。このような精度では上述の誤差は無視できなくなって来ている。この誤差をキャンセルすることを目的に、本発明はなされたものである。

本発明で行なうＡＦＭによる試料の観察は、カンチレバーの先端に取り付けたプローブを、ピエゾ素子により振動させながら、試料表面の近く（数ｎｍ）に近づけ、両者の間に働く原子間相互作用による力を検知し、一定の距離を保ってスキャンするのであるから非接触タイプである。即ち、試料表面の凹凸を計るものであり、三次元を計る場合には測定範囲が狭くなる。

本発明においては、ＡＦＭプローブと精密切削工具の先端の精密位置決めをするために光学式センサーを使用することができる。

即ち、上述の課題は、ＡＦＭのカンチレバープローブと、該カンチレバープローブにかかる荷重が一定になるようフィードバック制御を行なうプローブ制御部と、測定対象である精密切削工具の先端形状を転写するための軟質金属ワークと、該軟質金属ワークを、前記精密切削工具に対面する位置に保持する軟質金属ワーク保持ホルダーと、前記軟質金属ワークに前記精密切削工具を押し込む工具押込み機構と、前記軟質金属ワークを保持した軟質金属ワーク保持ホルダーと前記精密切削工具とを前記プローブ制御部に搭載するためのツールマウントと、該ツールマウントを搭載した工具押込み機構をＡＦＭカンチレバープローブに近接するための移動機構とを有することを特徴とする切削工具切れ刃形状測定装置、により解決できる。前記ＡＦＭカンチレバープローブの先端径は２０ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明の切削工具切れ刃形状測定装置は、ＡＦＭのカンチレバープローブと、精密切削工具を精密位置決めするための光学式センサーを有することができる。

また、本発明の切削工具切れ刃形状測定装置は、ＡＦＭのカンチレバープローブにかかる荷重を得るための光学式センサーを有することができる。

さらに、本発明の切削工具切れ刃形状測定装置は、ＡＦＭのカンチレバープローブにかかる荷重を得るためのひずみゲージセンサーを有することができる。

本発明の切削工具切れ刃形状測定装置は、以下に示す方法にて使用することが出来る。即ち、軟質金属ワーク保持ホルダーにより保持された軟質金属ワークに対して、精密切削工具を押込み、前記軟質金属ワーク表面に工具圧痕を形成した後、前記軟質金属ワークを、前記軟質金属ワーク保持ホルダーとともにツールマウントに搭載し、移動機構により前記ツールマウントに搭載した前記精密切削工具及び前記軟質金属ワークをＡＦＭカンチレバープローブに近接し、プローブ制御部により前記ＡＦＭカンチレバープローブを前記精密切削工具上で走査して得られた形状ｍ１と、前記プローブ制御部により前記ＡＦＭカンチレバープローブを前記軟質金属ワーク上に形成された前記工具圧痕で走査して得られた形状ｍ２から、前記ＡＦＭカンチレバープローブの先端形状の影響を取り除いた形で前記精密切削工具の形状を得ることができる。

本発明によれば、測定対象の精密切削工具の切れ刃の形状と、軟質金属ワーク表面にその形状が転写された反転エッジを、同じＡＦＭプローブで走査して測定した二つのエッジ形状のデータ差動演算から、自律的に工具エッジ形状とＡＦＭプローブチップを分離して測定することができる。従来、ＡＦＭプローブ先端の形状精度が測定の基準となっており、工具エッジ形状の測定結果の正確さはその基準に基づく相対測定である。それに対し、本発明の手法では、工具エッジ形状とその反転形状を同じ環境で計測した結果の差動演算からＡＦＭプローブチップと工具エッジ形状を分離して同時に求める絶対測定ができる。また、機械的電磁的環境外乱も差動演算で除去することができ、加工機上でもサブナノメートル（ｎｍ）の目標精度を実現することができる。

本発明で用いる光学系の概略図である。 ＡＦＭプローブ１先端の実形状、測定対象である精密切削工具３の実形状とＡＦＭプローブ走査により得られたＡＦＭプローブ１先端の測定形状と、ＡＦＭプローブ走査により得られた工具圧痕の測定形状との関連を示した説明図である。 精密切削工具の先端部分１１と工具圧痕１３をカンチレバープローブ先端部分１０で走査する状態を示す拡大説明図である。 本発明の工具押込み機構６の構成例を示した模式図である。

本発明を、図面をもって説明する。図１は、本発明で用いる光学測定系を説明する概略図である。この測定系は先端径が２０ｎｍ以下のＡＦＭカンチレバープローブ１と該ＡＦＭカンチレバープローブ１にかかる荷重が一定となるようにフィードバック制御を行なうプローブ制御部２と、測定対象である精密切削工具３の先端形状を転写するための軟質金属ワーク４と、該軟質金属ワーク４を前記精密切削工具３に対面する位置に保持する軟質金属ワーク保持ホルダー５と、前記軟質金属ワーク４に前記精密切削工具３を押込むための工具押込み機構６と、前記軟質金属ワーク４を保持した軟質金属ワーク保持ホルダー５と前記切削工具３とをプローブ制御部２に搭載するためのツールマウント７と、該ツールマウント７を搭載した工具押込み機構６を、前記ＡＦＭカンチレバープローブ１に近接するための移動機構８とからなる。

本測定系は、ワーク加工後に精密切削工具を取り外す必要がないように、図１に示すように加工機上に取り付けられる形態とすることが好ましい。また、プローブ制御部２については、なるべく位置決め精度が高く、かつ運動自由度の高いステージの適用が好ましく、例えば圧電アクチュエーターを駆動素子として用い、内蔵する位置センサーの出力をもとにＸＹＺ軸方向にフィードバックループ駆動される圧電ステージであることが好ましい。更に、ＡＦＭカンチレバープローブ‐測定対象位置決め光学式センサー９を具備していることが好ましい。

本発明の精密切削工具３の先端刃先形状の測定手順を、図２及び図３を用いて説明する。図２はＡＦＭカンチレバープローブ１の先端１０の実形状ａ１０、測定対象である精密切削工具３の先端１１の実形状ｔ１１と、ＡＦＭプローブ走査により得られたＡＦＭカンチレバープローブ１の先端１０の測定形状ｍ_１１２（破線１２でその軌跡を示す）と、ＡＦＭプローブ走査により得られた工具圧痕１３の測定形状ｍ_２１４（破線１４でその軌跡を示す）の関係を示したものである。そして図３はその要部を拡大した説明図である。まず、軟質金属ワーク保持ホルダー５により保持された軟質金属ワーク４に対して精密切削工具３を押込み、前記軟質金属ワーク４の表面に工具圧痕１３を形成する。この時、前記軟質金属ワーク４は前記精密切削工具３に対面する位置に保持し、工具押込み手段として工具押込み機構６を使用する。工具押込み機構には、後述するように工具とワークの接触箇所を検出するセンサーを搭載したものを適用することが好ましい。その後、前記軟質金属ワーク４を前記軟質金属ワーク保持ホルダー５とともにツールマウント７に搭載する。その後移動機構８により前記ツールマウント７に搭載した精密切削工具３及び軟質金属ワーク４を前記ＡＦＭカンチレバープローブ１に近接させる。プローブ制御部２を用いて精密切削工具３上で走査すると精密切削工具３の先端１１の測定形状ｍ_１１２（破線１２）が得られる。また、前記プローブ制御部２により前記ＡＦＭカンチレバープローブ１を前記軟質金属ワーク４上に形成された工具圧痕１３上を走査することにより工具圧痕１３の測定形状ｍ_２１４（破線１４）が得られる。

破線１２で示されるＡＦＭカンチレバープローブ１の先端１０の測定形状ｍ_１は、工具先端の形状関数ｔ_１に、ＡＦＭカンチレバープローブの形状ａ_１を加えたものであり、破線１４で示される工具圧痕１３の測定形状ｍ_２は、ＡＦＭカンチレバープローブの形状ａ_２より、工具圧痕１３の形状ｔ_２を減じたものである。かくしてＡＦＭカンチレバープローブ１の先端形状の影響を取り除いた形で、精密切削工具３の正確な形状を得ることができる。

この時、ＡＦＭカンチレバープローブ１の先端の実形状ａ１０、測定対象である精密切削工具３の実形状ｔ１１と、ＡＦＭプローブ走査で得られたＡＦＭカンチレバープローブ１の先端の測定形状ｍ_１１２と（破線１２）、ＡＦＭプローブ走査で得られた工具圧痕１３の測定形状ｍ_２１４（破線１４）は、それぞれ位置（ｘ，ｙ）の関数として表すことができ、以下の式が成り立つ。

ｍ_１（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）＋ｔ（ｘ，ｙ） （１）

ｍ_２（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）−ｔ（ｘ，ｙ） （２）

ダイヤモンド精密切削工具３は良好な形状転写性を有しているため、軟質金属ワーク表面に転写された工具圧痕１３の実形状は、精密切削工具３の実形状ｔを反転したものとなる。従って上述の２つの式から、以下の式を得ることができる。

ｔ（ｘ，ｙ）＝｛ｍ_１（ｘ，ｙ）−ｍ_２（ｘ，ｙ）｝／２ （３）

式（３）によれば、ＡＦＭカンチレバープローブ１の走査で得られたＡＦＭカンチレバープローブ１の先端の測定形状ｍ_１１２と工具圧痕１３の測定形状ｍ_２１４をもとに演算を行なうことで、ＡＦＭカンチレバープローブ１の先端の実形状ａ１０に影響されずに、精密切削工具３の実形状ｔ１１を得ることができることになる。なお、ここで述べた測定手順はあくまでも一例であり、その順番の一部が前後しても測定には差し支えないものである。

本発明になる切削工具切れ刃形状測定装置で使用する工具押込み機構６の構成例を、図４を用いて説明する。図４において、工具押込み機構６は、精密切削工具３と、ツールマウント７と、力センサー１５と、圧電アクチュエーター１６とこれらを封止する工具押込み機構筐体１８を必要部材として構成されている。精密切削工具３と、ツールマウント７と、力センサー１５と、圧電アクチュエーター１６と、静電容量型変位センサー１７はいずれも直列に配列されており、力センサー１５を用いることで精密切削工具３に対して圧電アクチュエーター１６の駆動軸方向にかかる応力を測定することができる。これにより、精密切削工具３を軟質金属ワーク４に押込む際、精密切削工具３を軟質金属ワーク４との接触が開始した点を精密に検出することが可能となる。また、精密工具３を押込み中に、内蔵の静電容量型変位センサー１７の出力変化を読み取ることで、軟質金属ワーク４への精密切削工具３の押込み量を精密に検出することができる。

なお、本発明における、ＡＦＭカンチレバープローブ１にかかる荷重の検出方法としては、ひずみゲージを用いる方法、光てこを用いる方法などが従来利用されており、本発明においてはいずれの方法も使用可能であり、特に限定を受けるものではない。

また、本発明の軟質金属ワーク４の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケルリン（ＮｉＰ）などダイヤモンド工具を用いた精密加工に用いられる材料が使用可能であり、その他の材質についても、精密加工工具押込みに対して良好な形状転写性が得られる材料であれば適用可能であり、特に限定を受けるものではない。

更に、プローブ制御部に使用する、プローブ走査機構に長ストロークを有する精密ステージを使用することで、本発明の工具形状測定装置は、大型の精密切削工具の形状測定にも適用可能である。

以下実施例に従い、本発明を具体的に説明するが、これにより、本発明が特に限定を受けるものではない。測定実験の手順は以下の通りとする。なお工具としてはダイヤモンド精密切削工具を用いるが、以下単に精密切削工具と略記することもある。また、ＡＦＭカンチレバープローブをＡＦＭプローブと略記することもある。
１．評価するＡＦＭプローブを用いて精密切削工具のエッジを走査し、形状の測定を行なう。
２．測定した工具エッジでインデンテーション試験（押込み量を変えての繰り返し押込実験）を行なう。
３．インデンテーション痕の形状を、前記ＡＦＭプローブを用いて走査し測定する。
４．得られた結果から、前記切削工具のエッジ形状とＡＦＭプローブの先端径を算出する。

使用する軟質材料としてアルミニウムを選定した。使用する精密切削工具として、半径２ｍｍの先端形状を持つダイヤモンド精密切削工具を用いることとした。装置としては図１で示す光学測定系装置を用いた。

前述のＡＦＭカンチレバープローブの形状ａの実測例として、ＡＦＭカチレバープローブの半径Ｒ_ｔｉｐを用いた。そして測定対象である精密切削工具３の先端部分１０の実形状ｔの実測例として精密切削工具の先端エッジの半径Ｒ_ｔｏｏｌを用いた。次いで工具圧痕（インデンテーション）１３の形状半径の測定をＡＦＭプローブにて行ない、測定結果をＲ_ｉｎｄで現わした。そして、ＡＦＭプローブ走査で得られたＡＦＭカンチレバープローブの先端の測定形状ｍ_１およびＡＦＭプローブ走査で得られた工具圧痕の測定形状ｍ_２いずれについても半径Ｒで現わすこととして実験を行なった。

測定を行なうＡＦＭプローブを用いて、使用する工具の先端エッジの半径形状を原子間力顕微鏡で測定した。測定値をＲ_{ｔｏｏｌ_m}で示す。Ｒ_{ｔｏｏｌ_m}は、前述の式（１）−（３）のｍ_１に相当する。

上述の工具（ダイヤモンド精密切削工具）を用いて、アルミニウム軟質金属ワーク表面に、該工具の駆動電圧を１０Ｖに設定してインデンテーション試験を行ない、インデンテーション痕の形状の（Ｒ_ｉｎｄ．）の測定を前述のＡＦＭプローブを用いて行なった。インデンテーションを行なう箇所３箇所をランダムに選び、各々のインデンテーション痕の形状の測定をＡＦＭプローブにて行なった。測定結果をＲ_{ｉｎｄ．１}、Ｒ_{ｉｎｄ．２}、Ｒ_{ｉｎｄ．３}とし、その平均値をＲ_ｉｎｄ．とした。Ｒ_ｉｎｄ．は、前述の式（１）−（３）のｍ_２に相当する。なお、この時の工具の移動距離は１．６７μｍであった。測定結果を表１に示す。

工具の駆動電圧を８Ｖに変更して同様なインデンテーション試験を行なった。なお、この時の工具の移動距離は１．３２μｍであった。測定結果を表２に示す。

工具の駆動電圧を６Ｖに変更して同様なインデンテーション試験を行なった。なお、この時の工具の移動距離は０．９７μｍであった。測定結果を表３に示す。

工具の駆動電圧を４Ｖに変更して同様なインデンテーション試験を行なった。なお、この時の工具の移動距離は０．６４μｍであった。測定結果を表４に示す。

上述の結果に基づいて、得られたＲ_{ｉｎｄ_m}（ＡＦＭプローブを用いて測定したインデンテーション痕の先端の径）とＲ_{ｔｏｏｌ_ｍ}（ＡＦＭプローブを用いて測定したダイヤモンド工具の形状）とからＲ_{ｔｏｏｌ_ｒ}（転写法により計算したダイヤモンド工具の形状）およびＲ_{ｔｉｐ_ｒ}（転写法により計算したＡＦＭプローブの先端の径）を求めた。Ｒ_{ｔｉｐ_ｒ}は、前述の式（１）−（３）のａに相当する。結果を表５に示す。

本発明の転写法によりダイヤモンド工具の先端形状を計算し求めることができた。そして、同じく計算し求めたＡＦＭプローブの先端の径（Ｒ_{ｔｉｐ_ｒ}）は、インデンテーションの押込み量を変えてもほとんど変わらず、１４ｎｍ程度であり、これは妥当な値である。これにより、本発明の測定方法の妥当性が証明された。

本発明によれば、標準試料などの外部基準を一切用いない切削工具切れ刃形状測定装置を得ることができる。即ち、外部基準では到達できないナノメートルエッジ形状を自律的に測定できるとともに、世界で初めてマイクロ工具のナノメートルエッジ形状をサブｎｍの絶対精度で計測することができ、次世代高精度マイクロ工具の製造および使用における精度管理が現状より一桁高いレベルで可能となったものであり、その工業的価値は極めて高いといえる。更に、ＡＦＭプローブの先端チップ形状のサブｎｍの絶対計測も同時に実現でき、ＡＦＭが必要なツールとされるナノテクノロジー、半導体製造、生体・バイオ工学など広い分野にとっても重要な意味を持ち、その科学的工学的波及効果が極めて大きい。

１ カンチレバープローブ ２ プローブ制御部 ３ 精密切削工具
４ 軟質金属ワーク ５ 軟質金属ワーク保持ホルダー
６ 工具押込機構 ７ ツールマウント ８ 移動機構
９ 光学式センサー １０ カンチレバープローブの先端部分
１１ 精密切削工具の先端部分
１２ カンチレバープローブの先端の測定形状 １３ 工具圧痕
１４ 工具圧痕の測定形状 １５ 力センサー
１６ 圧電アクチュエーター １７ 静電容量型変異センサー
１８ 工具押込機構筐体
ａ カンチレバープローブの実形状 ｔ 精密切削工具の実形状

Claims (6)

1. 原子間力顕微鏡のカンチレバープローブと、該カンチレバープローブにかかる荷重が一定になるようフィードバック制御を行なうプローブ制御部と、測定対象である精密切削工具の先端形状を転写するための軟質金属ワークと、該軟質金属ワークを、前記精密切削工具に対面する位置に保持する軟質金属ワーク保持ホルダーと、前記軟質金属ワークに前記精密切削工具を押し込む工具押込み機構と、前記軟質金属ワークを保持した軟質金属ワーク保持ホルダーと前記精密切削工具とを前記プローブ制御部に搭載するためのツールマウントと、該ツールマウントを搭載した工具押込み機構を原子間力顕微鏡プローブに近接するための移動機構とを有することを特徴とする切削工具切れ刃形状測定装置。
2. 原子間力顕微鏡のカンチレバープローブの先端径が２０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項第１項に記載の切削工具切れ刃形状測定装置。
3. 原子間力顕微鏡カンチレバープローブと精密切削工具を精密位置決めするための光学式センサーを有することを特徴とする請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の切削工具切れ刃形状測定装置。
4. 原子間力顕微鏡カンチレバープローブにかかる荷重を得るための光学式センサーを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の切削工具切れ刃形状測定装置。
5. 原子間力顕微鏡カンチレバープローブにかかる荷重を得るためのひずみゲージセンサーを有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の切削工具切れ刃形状測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５に記載の切削工具切れ刃形状測定装置において、軟質金属ワーク保持ホルダーにより保持された軟質金属ワークに対して、精密切削工具を押込み、前記軟質金属ワーク表面に工具圧痕を形成した後、前記軟質金属ワークを前記軟質金属ワーク保持ホルダーとともにツールマウントに搭載し、移動機構により前記ツールマウントに搭載した前記精密切削工具及び前記軟質金属ワークを原子間力顕微鏡カンチレバープローブに近接し、プローブ制御部により前記原子間力顕微鏡カンチレバープローブを前記精密切削工具上で走査して得られた形状ｍ_１と、前記プローブ制御部により前記原子間力顕微鏡カンチレバープローブを前記軟質金属ワーク上に形成された前記工具圧痕上で走査して得られた形状ｍ_２から、前記原子間力顕微鏡カンチレバープローブの先端形状の影響を取り除いた形で前記精密切削工具の形状を得ることを特徴とする切削工具切れ刃形状測定方法。

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