JP3309816B2 - 微細表面形状測定装置及び触針製造方法 - Google Patents
微細表面形状測定装置及び触針製造方法Info
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe
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- B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
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Description
【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及び触針製造方法に関する。
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及び触針製造方法に関する。
【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６−３２３
８４５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。
は、特開平５−２６４２１４号公報や特開平６−３２３
８４５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。
【０００３】まず、図１５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。図１５
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１０
１が近接する測定対象である。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。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１０
６、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。
公報に代表される第１の従来例の構成図を示す。図１５
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１０
１が近接する測定対象である。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。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１０
６、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。
【０００４】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。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。
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。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。
【０００５】例えば、図１６を参照すると、図１６
（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１６（ｂ）に示されるように触針１０
１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。そして、触針１０１と測定対象１
０３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１７のような関係を呈する。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。
（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１６（ｂ）に示されるように触針１０
１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。そして、触針１０１と測定対象１
０３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１７のような関係を呈する。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。
【０００６】なお、図１７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。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１０７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。
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。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１０７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。
【０００７】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。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６−３２３８４５号公報に見られるような、機械
部品の微細形状にも適用可能な極めて簡素化されたＡＦ
Ｍプローブが開発されてきている。
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。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６−３２３８４５号公報に見られるような、機械
部品の微細形状にも適用可能な極めて簡素化されたＡＦ
Ｍプローブが開発されてきている。
【０００８】図１８及び図１９に、第２の従来例の構成
図を示す。図１８において、２０１はプローブであり、
ＳｉＯ２等の長さ２００〜３００ μｍ、幅４０〜５０
μｍ、厚さ1.8μｍの弾性薄膜により形成され、その先
端に ＺｎＯウィスカ等のチップ２０１ａが接着されて
設けられている。
図を示す。図１８において、２０１はプローブであり、
ＳｉＯ２等の長さ２００〜３００ μｍ、幅４０〜５０
μｍ、厚さ1.8μｍの弾性薄膜により形成され、その先
端に ＺｎＯウィスカ等のチップ２０１ａが接着されて
設けられている。
【０００９】そして、プローブ２０１の表面には、電極
２０２ａ、２０２ｃにサンドイッチされたＺｎＯの圧電
薄膜２０２ｂが形成されており、かかるプローブ２０１
がシリコンウエハ２０３上に設けられている。かかるプ
ローブ２０１が用いられる具体的構成図である図１９に
おいて、基体２０４にＺ軸移動機構２０５を介して試料
２０６が載置されている。一方で、基体２０４には、Ｘ
ＹＺ圧電走査体２０７及び圧電板２０８を介して、プロ
ーブ２０１が図示するように取り付けられている。
２０２ａ、２０２ｃにサンドイッチされたＺｎＯの圧電
薄膜２０２ｂが形成されており、かかるプローブ２０１
がシリコンウエハ２０３上に設けられている。かかるプ
ローブ２０１が用いられる具体的構成図である図１９に
おいて、基体２０４にＺ軸移動機構２０５を介して試料
２０６が載置されている。一方で、基体２０４には、Ｘ
ＹＺ圧電走査体２０７及び圧電板２０８を介して、プロ
ーブ２０１が図示するように取り付けられている。
【００１０】このような構成において、プローブ２０１
は、圧電板２０８により共振状態に励振される。そし
て、試料２０５とプローブ２０１のチップ２０１ａと
が、原子間力を及ぼし合う程度に接近すると、プローブ
２０１の振動状態が影響を受け、圧電薄膜２０２ｂで検
出される歪み信号は、振幅や位相が変化するが、この変
化を一定に保つように、ＸＹＺ圧電走査体２０７をＺ方
向に制御することにより、試料２０６の表面形状を検出
するものである。
は、圧電板２０８により共振状態に励振される。そし
て、試料２０５とプローブ２０１のチップ２０１ａと
が、原子間力を及ぼし合う程度に接近すると、プローブ
２０１の振動状態が影響を受け、圧電薄膜２０２ｂで検
出される歪み信号は、振幅や位相が変化するが、この変
化を一定に保つように、ＸＹＺ圧電走査体２０７をＺ方
向に制御することにより、試料２０６の表面形状を検出
するものである。
【００１１】ここで、ＡＦＭの検出モードには、精密工
学会誌Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．３，１９９６，ｐｐ．３４
５−３５０にて紹介されているように、接触モード（タ
ッピングモード）と非接触モードの計測形態がある。こ
の非接触モードは、試料表面へのダメージが少ないため
好ましい計測モードではあるが、試料表面の水などの吸
着層の影響を受けやすいため、真空中での測定に使われ
る。
学会誌Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．３，１９９６，ｐｐ．３４
５−３５０にて紹介されているように、接触モード（タ
ッピングモード）と非接触モードの計測形態がある。こ
の非接触モードは、試料表面へのダメージが少ないため
好ましい計測モードではあるが、試料表面の水などの吸
着層の影響を受けやすいため、真空中での測定に使われ
る。
【００１２】他方、タッピングモードは、このような欠
点がないので、大気中のＡＦＭ測定で一般的であって、
機械部品の微細形状測定にも適用できる可能性がある。
図２０に、タッピングモードにおける接触検出原理を示
す。
点がないので、大気中のＡＦＭ測定で一般的であって、
機械部品の微細形状測定にも適用できる可能性がある。
図２０に、タッピングモードにおける接触検出原理を示
す。
【００１３】図２０（ａ）の状態では、プローブ２０１
の励振波形２１０に対して、位相が９０度遅れた触針の
歪み波形２１１が、圧電薄膜２０２ｂより得られる。そ
して、図２０（ｂ）において、チップ２０１ａと測定対
象２０６との接触が始まると、プローブ２０１の振動が
制限され歪み波形２１１の振幅が変化し、測定対象２０
５の形状が測定できる。なお、図示しないが、振幅だけ
でなく位相の変化によっても接触を検出することが可能
である。
の励振波形２１０に対して、位相が９０度遅れた触針の
歪み波形２１１が、圧電薄膜２０２ｂより得られる。そ
して、図２０（ｂ）において、チップ２０１ａと測定対
象２０６との接触が始まると、プローブ２０１の振動が
制限され歪み波形２１１の振幅が変化し、測定対象２０
５の形状が測定できる。なお、図示しないが、振幅だけ
でなく位相の変化によっても接触を検出することが可能
である。
【００１４】
【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。
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。
【００１５】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。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。
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。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。
【００１６】次に、特開平６−３２３８４５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。
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。
【００１７】しかしながら、ＡＦＭの通常の計測対象で
ある半導体表面や真空プロセス試料とは異なり、部品に
油や汚れが多く付着しやものを測定対象とするため、Ａ
ＦＭのプローブ２０１を汚染して測定不能としたり、更
には、硬度の高い部品を計測することでプローブ２０１
を磨耗したり、凹凸の大きな測定対象を計測することで
触針を折損したりする等の課題を有する。
ある半導体表面や真空プロセス試料とは異なり、部品に
油や汚れが多く付着しやものを測定対象とするため、Ａ
ＦＭのプローブ２０１を汚染して測定不能としたり、更
には、硬度の高い部品を計測することでプローブ２０１
を磨耗したり、凹凸の大きな測定対象を計測することで
触針を折損したりする等の課題を有する。
【００１８】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。
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。
【００１９】
【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と、触針をその
共振周波数付近で振動させる振動手段と、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
になるように触針をその振動方向に位置決めする位置決
め手段と、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、更に、触針と測定対象面との間に電
圧を印加し、触針と測定対象面との間の電流量を検出す
ることにより測定対象面の電気的特性を検出し、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。
るために本発明は、梁構造を有する触針と、触針をその
共振周波数付近で振動させる振動手段と、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
になるように触針をその振動方向に位置決めする位置決
め手段と、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、更に、触針と測定対象面との間に電
圧を印加し、触針と測定対象面との間の電流量を検出す
ることにより測定対象面の電気的特性を検出し、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。
【００２０】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、この触針を支持
する部材に圧電セラミックを用いて触針をその共振周波
数付近で振動させる。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
に対応して触針の振幅や振動位相は変化する。そこで、
触針上にその歪みを検出する圧電セラミックを設けて歪
み信号を取り出し、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。
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、この触針を支持
する部材に圧電セラミックを用いて触針をその共振周波
数付近で振動させる。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
に対応して触針の振幅や振動位相は変化する。そこで、
触針上にその歪みを検出する圧電セラミックを設けて歪
み信号を取り出し、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。
【００２１】この状態において、測定対象面に対して触
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。
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。
【００２２】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。
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。
【００２３】
【発明の実施の形態】請求項１記載の本発明は、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、更に、前記触針と前記測定対象面との間に電
圧を印加し、前記触針と前記測定対象面との間の電流量
を検出することにより前記測定対象面の電気的特性を検
出し、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。また、請求項２記載の本発明は、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、前記触針及び前記測定対象面は磁性体で構成
され、更に前記触針は捲回されたコイルを有し、前記触
針の振動により変調された磁束密度が検出されることに
より前記測定対象面の磁気特性を検出し、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。
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、更に、前記触針と前記測定対象面との間に電
圧を印加し、前記触針と前記測定対象面との間の電流量
を検出することにより前記測定対象面の電気的特性を検
出し、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。また、請求項２記載の本発明は、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、前記触針及び前記測定対象面は磁性体で構成
され、更に前記触針は捲回されたコイルを有し、前記触
針の振動により変調された磁束密度が検出されることに
より前記測定対象面の磁気特性を検出し、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。
【００２４】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。
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。
【００２５】ここで、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。
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。
【００２６】そして、触針は、超硬合金製であること
が、その高耐摩耗性、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。
が、その高耐摩耗性、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。
【００２７】そして、触針は、その一部あるいは全体
が、超硬合金より高硬度であるダイヤモンド焼結体ある
いはＢＮ（窒化硼素）焼結体であることが、その高耐摩
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。
が、超硬合金より高硬度であるダイヤモンド焼結体ある
いはＢＮ（窒化硼素）焼結体であることが、その高耐摩
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。
【００２８】更に、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。
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。
【００２９】更に、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。
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。
【００３０】また、振動手段が、触針を支持する圧電材
料の部材を有することが、触針を安定的に振動させ得る
点で好ましい。
料の部材を有することが、触針を安定的に振動させ得る
点で好ましい。
【００３１】または、振動手段が、触針上に設けられた
圧電材料の部材を有する構成であってもよく、触針部分
の構成を単純化する。
圧電材料の部材を有する構成であってもよく、触針部分
の構成を単純化する。
【００３２】また、歪み検出手段が、触針上に設けられ
た圧電材料の部材を有する構成が、振動による歪み最大
の場所で触針の振動状態を計測することにより、その振
動状態を高精度で計測することが可能となる点で好まし
い。
た圧電材料の部材を有する構成が、振動による歪み最大
の場所で触針の振動状態を計測することにより、その振
動状態を高精度で計測することが可能となる点で好まし
い。
【００３３】または、歪み検出手段が、触針上に設けら
れた歪みゲージを有する構成であってもかまわない。
れた歪みゲージを有する構成であってもかまわない。
【００３４】また、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、歪み検出手段からの信号と
振動手段からの駆動信号を比較し、位相の変化及び／又
は振幅の変化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位置制御を可能
にし、安定な形状計測を実現できる点で好ましい。
タを有し、触針の変位量は、歪み検出手段からの信号と
振動手段からの駆動信号を比較し、位相の変化及び／又
は振幅の変化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位置制御を可能
にし、安定な形状計測を実現できる点で好ましい。
【００３５】
【００３６】
【００３７】請求項３に記載の発明は、板状の梁構造材
料を用い、これに歪み検出手段を付加する工程と、前記
梁構造材料を回転しながら微細放電加工により前記梁構
造材料を梁構造に加工する工程と、梁構造の加工変質層
を取り除く工程と、を有することを特徴とする触針製造
方法であり、製造効率を向上し、触針の製造コストを低
減することができる。また、梁構造材料を梁構造に加工
する工程が微細放電加工するもので、形状の自由度の高
い触針形状を実現できる。 ここで、請求項４記載のよう
に、梁構造材料は、超硬合金製であるか、または、請求
項５記載のように、梁構造材料は、その一部あるいは全
体が、超硬合金より高硬度であるダイヤモンド焼結体あ
るいはＢＮ（窒化硼素）焼結体であることが、その高耐
摩耗性、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。
料を用い、これに歪み検出手段を付加する工程と、前記
梁構造材料を回転しながら微細放電加工により前記梁構
造材料を梁構造に加工する工程と、梁構造の加工変質層
を取り除く工程と、を有することを特徴とする触針製造
方法であり、製造効率を向上し、触針の製造コストを低
減することができる。また、梁構造材料を梁構造に加工
する工程が微細放電加工するもので、形状の自由度の高
い触針形状を実現できる。 ここで、請求項４記載のよう
に、梁構造材料は、超硬合金製であるか、または、請求
項５記載のように、梁構造材料は、その一部あるいは全
体が、超硬合金より高硬度であるダイヤモンド焼結体あ
るいはＢＮ（窒化硼素）焼結体であることが、その高耐
摩耗性、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。
【００３８】請求項６に記載の発明は、請求項３記載の
触針製造方法において、前記歪み検出手段を付加する工
程が、圧電材料部材の接合と、接合後の圧電部材の形状
加工とするものである。
触針製造方法において、前記歪み検出手段を付加する工
程が、圧電材料部材の接合と、接合後の圧電部材の形状
加工とするものである。
【００３９】請求項７に記載の発明は、請求項３記載の
触針製造方法において、前記歪み検出手段を付加する工
程が、圧電材料の薄膜形成と、形成中あるいは形成後の
圧電部材の形状加工とするものである。
触針製造方法において、前記歪み検出手段を付加する工
程が、圧電材料の薄膜形成と、形成中あるいは形成後の
圧電部材の形状加工とするものである。
【００４０】
【００４１】請求項８に記載の発明は、請求項３記載の
触針製造方法において、前記加工変質層を取り除く工程
があて板と遊離砥粒を用いた砥粒加工とするもので、形
状安定性の高い触針形状を実現できる。
触針製造方法において、前記加工変質層を取り除く工程
があて板と遊離砥粒を用いた砥粒加工とするもので、形
状安定性の高い触針形状を実現できる。
【００４２】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。 （実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１におけ
る触針部の構成図（側面図）を示す。図１において、１
は触針であり、先端に突起部１ａを持つような段付き片
持ち梁の形状に加工されており、先端から突起部１ａ、
梁部１ｂ及び根本部１ｃを有する。２は触針１の梁部１
ｂから根本部１ｃの上部に設けられた圧電板、３は触針
１の根本部１ｃの下部に設けられた圧電素子で、触針１
は圧電素子３を介して支持台４上に設けられている。
を用いて詳細に説明をしていく。 （実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１におけ
る触針部の構成図（側面図）を示す。図１において、１
は触針であり、先端に突起部１ａを持つような段付き片
持ち梁の形状に加工されており、先端から突起部１ａ、
梁部１ｂ及び根本部１ｃを有する。２は触針１の梁部１
ｂから根本部１ｃの上部に設けられた圧電板、３は触針
１の根本部１ｃの下部に設けられた圧電素子で、触針１
は圧電素子３を介して支持台４上に設けられている。
【００４３】ここで、この圧電板２の歪み状態は、プリ
アンプ５を介して検出され、支持台４上に固定された圧
電素子３は、高圧アンプ６により駆動され、触針１を振
動方向７に励振するものである。その振動周波数は、触
針１の梁部分１ｂの共振周波数にほぼ一致させられてお
り、梁部分１ｂの振動は、圧電板２により検出されるこ
とになる。
アンプ５を介して検出され、支持台４上に固定された圧
電素子３は、高圧アンプ６により駆動され、触針１を振
動方向７に励振するものである。その振動周波数は、触
針１の梁部分１ｂの共振周波数にほぼ一致させられてお
り、梁部分１ｂの振動は、圧電板２により検出されるこ
とになる。
【００４４】このような構成において、触針１の先端部
分１ａが測定対象の測定対象面に接近し、周期的な接触
が始まると、振動の振幅が減少したり、振動の位相が変
化したりすることにより、測定対象面の形状を検出でき
る。この検出原理はＡＦＭのタッピングモードと同様で
ある。
分１ａが測定対象の測定対象面に接近し、周期的な接触
が始まると、振動の振幅が減少したり、振動の位相が変
化したりすることにより、測定対象面の形状を検出でき
る。この検出原理はＡＦＭのタッピングモードと同様で
ある。
【００４５】さて、この触針１は、圧電素子３により効
果的に共振状態に励振されるように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。
果的に共振状態に励振されるように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。
【００４６】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。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。
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。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。
【００４７】図２は、微細放電加工を用いて触針１を製
作する具体的プロセスを示す説明図である。まず、図２
（ａ）において、触針１の材料となる材料薄板１’は、
超硬合金を研削加工により厚さ２００μｍ、長さ１０ｍ
ｍ、幅２ｍｍに仕上げたものである。
作する具体的プロセスを示す説明図である。まず、図２
（ａ）において、触針１の材料となる材料薄板１’は、
超硬合金を研削加工により厚さ２００μｍ、長さ１０ｍ
ｍ、幅２ｍｍに仕上げたものである。
【００４８】一方で、圧電板２となる材料薄板２’は、
ＰＺＴをグリーンシートより２０〜３０μｍの厚さに焼
結して作製したもので、触針１の材料薄板１’とほぼ同
じ面積であって、その両面には不図示の銀電極が形成さ
れている。そして、圧電板２の材料薄板２’を導電性の
接着材にて、触針１の材料薄板１’の上に接着固定して
いる。
ＰＺＴをグリーンシートより２０〜３０μｍの厚さに焼
結して作製したもので、触針１の材料薄板１’とほぼ同
じ面積であって、その両面には不図示の銀電極が形成さ
れている。そして、圧電板２の材料薄板２’を導電性の
接着材にて、触針１の材料薄板１’の上に接着固定して
いる。
【００４９】次に、図２（ｂ）において、圧電板２の材
料薄板２’だけを幅５０μｍにダイシングマシンにより
加工する。具体的には、切断砥石の切り込み量を微妙に
調整することにより、超硬合金の板を残して上部の圧電
板２の材料薄板２’のみを削り取る。ここで、超硬合金
の板の加工に先だって圧電板２を成形する必要がある理
由は、次の微細放電加工では非導電体である圧電板２を
加工できないためである。
料薄板２’だけを幅５０μｍにダイシングマシンにより
加工する。具体的には、切断砥石の切り込み量を微妙に
調整することにより、超硬合金の板を残して上部の圧電
板２の材料薄板２’のみを削り取る。ここで、超硬合金
の板の加工に先だって圧電板２を成形する必要がある理
由は、次の微細放電加工では非導電体である圧電板２を
加工できないためである。
【００５０】次に、図２（ｃ）に示されるように、触針
１の材料薄板１’を微細放電加工により加工し、先端の
突起部１ａと梁部１ｂを形成する。ここで、突起部１ａ
は、微細放電加工により鋭利な形状に加工したもので、
先端の曲率半径は１μｍ程度とした。
１の材料薄板１’を微細放電加工により加工し、先端の
突起部１ａと梁部１ｂを形成する。ここで、突起部１ａ
は、微細放電加工により鋭利な形状に加工したもので、
先端の曲率半径は１μｍ程度とした。
【００５１】なお、図２（ｄ）は、形成された触針部の
左側面図であり、図２（ｅ）は微細放電加工された触針
１の上面図である。また、梁部１ｂは、微細形状の内部
に導入しやすいようにできるだけ細い幅７０μｍに仕上
げ、根元部１ｃは、取り付けの容易さを考えて、幅２ｍ
ｍに仕上げた。
左側面図であり、図２（ｅ）は微細放電加工された触針
１の上面図である。また、梁部１ｂは、微細形状の内部
に導入しやすいようにできるだけ細い幅７０μｍに仕上
げ、根元部１ｃは、取り付けの容易さを考えて、幅２ｍ
ｍに仕上げた。
【００５２】そして、梁部１ｂの厚みが５０μｍである
のに対し、根元部１ｃの厚みは５００μｍとなってお
り、両者の曲げ剛性は、３桁の違いを持たせた。これに
より、梁部１ｂは片持ち梁と見なせるようになる。ちな
みに、片持ち梁の曲げ振動の共振周波数は以下の式で求
められる。
のに対し、根元部１ｃの厚みは５００μｍとなってお
り、両者の曲げ剛性は、３桁の違いを持たせた。これに
より、梁部１ｂは片持ち梁と見なせるようになる。ちな
みに、片持ち梁の曲げ振動の共振周波数は以下の式で求
められる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
【数２】
【００５５】
【数３】
【００５６】ここで、ａnは振動の次数により変化する
係数、Ｉは梁部１ｂの断面２次モーメント、ｍlは梁部
１ｂの単位長さの質量を表す。この結果、梁部１ｂの１
次共振周波数は、梁部の幅ｂと厚さｈと長さｌ、梁材料
のヤング率Ｅおよび密度ρを用いて、次のように簡略化
される。
係数、Ｉは梁部１ｂの断面２次モーメント、ｍlは梁部
１ｂの単位長さの質量を表す。この結果、梁部１ｂの１
次共振周波数は、梁部の幅ｂと厚さｈと長さｌ、梁材料
のヤング率Ｅおよび密度ρを用いて、次のように簡略化
される。
【００５７】
【数４】
【００５８】触針１全体が超硬合金から出来ていると
し、そのヤング率6.4×102 Gpaと密度ρ1.4×103 kg/m3
を用い、さらに梁部１ｂの長さを１．５ｍｍとすれば、
一次共振周波数は２４ｋＨｚとなる。
し、そのヤング率6.4×102 Gpaと密度ρ1.4×103 kg/m3
を用い、さらに梁部１ｂの長さを１．５ｍｍとすれば、
一次共振周波数は２４ｋＨｚとなる。
【００５９】図３を用いて、図２を用いて説明した加工
プロセスを実行するための微細放電加工装置の構成につ
いて具体的に説明する。図３は、微細放電加工機ＭＧ−
ＥＤ７２（松下電器産業（株）製）をベースにした加工
装置の構成を示す。
プロセスを実行するための微細放電加工装置の構成につ
いて具体的に説明する。図３は、微細放電加工機ＭＧ−
ＥＤ７２（松下電器産業（株）製）をベースにした加工
装置の構成を示す。
【００６０】図３において、３１は基体、３２は基体３
１上に設けられたＸＹステージ、３３はＸＹステージ３
２上に設けられ、加工液をためるための加工槽であり、
この加工槽３３には、支持台３４を介してワイヤガイド
３５が設置されている。そして、このワイヤガイド３５
の先端には、直径１００μｍの真鍮ワイヤ３６が掛けら
れており、触針１の材料薄板１’を加工する電極の働き
をする。
１上に設けられたＸＹステージ、３３はＸＹステージ３
２上に設けられ、加工液をためるための加工槽であり、
この加工槽３３には、支持台３４を介してワイヤガイド
３５が設置されている。そして、このワイヤガイド３５
の先端には、直径１００μｍの真鍮ワイヤ３６が掛けら
れており、触針１の材料薄板１’を加工する電極の働き
をする。
【００６１】一方で、圧電板２の材料薄板２’の加工の
済んだ状態の触針１の材料薄板１’は、基体３１に設け
られたＺステージ３７及びＺステージ３７に連結された
回転テーブル３８を介して、加工槽３３の加工液中に、
加工される部分がワイヤ３６と近接するように配置さ
れ、材料薄板１’とワイヤガイド３５に取り付けられた
ワイヤ３６との間には、電源３９が接続されている。
済んだ状態の触針１の材料薄板１’は、基体３１に設け
られたＺステージ３７及びＺステージ３７に連結された
回転テーブル３８を介して、加工槽３３の加工液中に、
加工される部分がワイヤ３６と近接するように配置さ
れ、材料薄板１’とワイヤガイド３５に取り付けられた
ワイヤ３６との間には、電源３９が接続されている。
【００６２】このような構成において、放電加工は、電
源３９により電圧を印加することにより進行するが、同
時にワイヤ３６も放電により摩耗するので紙面に垂直な
方向に常に新しいワイヤが供給されるような仕組みにな
っており、サブμｍの加工精度が可能ないわゆるＷＥＤ
Ｇ法で行われる。
源３９により電圧を印加することにより進行するが、同
時にワイヤ３６も放電により摩耗するので紙面に垂直な
方向に常に新しいワイヤが供給されるような仕組みにな
っており、サブμｍの加工精度が可能ないわゆるＷＥＤ
Ｇ法で行われる。
【００６３】そして、回転テーブル３８が加工の進行に
応じて正確に材料薄板１’の角度だしを行い、ＸＹステ
ージ３２及びＺステージ３７が放電加工の進行に応じて
協調して位置決めすることにより、前述した図２（ｃ）
〜（ｅ）に示したような複雑な形状の軸加工が、完全自
動で行えることになる。
応じて正確に材料薄板１’の角度だしを行い、ＸＹステ
ージ３２及びＺステージ３７が放電加工の進行に応じて
協調して位置決めすることにより、前述した図２（ｃ）
〜（ｅ）に示したような複雑な形状の軸加工が、完全自
動で行えることになる。
【００６４】ここで、放電加工は放電時の熱により材料
を除去していく加工法であるため、微細放電加工といえ
ども、加工後の加工変質層の存在はまぬがれない。超硬
合金を加工した場合、主材料であるＷＣ粉末は融点が高
く、結合層のＣｏ金属は融点は低いため、加工表面は結
合相が抜けた状態となっていて、ＷＣ粉末が容易にこぼ
れおちる状態になっている。このため、超硬合金製の触
針１をそのまま測定に使用すると、測定中に先端の形状
が変化し測定誤差を生む恐れがある。
を除去していく加工法であるため、微細放電加工といえ
ども、加工後の加工変質層の存在はまぬがれない。超硬
合金を加工した場合、主材料であるＷＣ粉末は融点が高
く、結合層のＣｏ金属は融点は低いため、加工表面は結
合相が抜けた状態となっていて、ＷＣ粉末が容易にこぼ
れおちる状態になっている。このため、超硬合金製の触
針１をそのまま測定に使用すると、測定中に先端の形状
が変化し測定誤差を生む恐れがある。
【００６５】そこで、加工変質層を効果的に除去するた
めに、図４に示すように砥粒をふくむスラリー２１をか
け流しながら、触針１を金属製のあて板に接触させ砥粒
加工する。振動発生器２３は、あて板２２と触針１の相
対運動を発生するために、振動数５０Hz、振幅５μｍ程
度の振動を任意の方向に発生できる。あて板２２には錫
や銅などの軟質系材料を使用する。また、図示しない触
針１の位置決め機構は、触針１とあて板２２の接触を直
流電圧２４と抵抗２６に流れる電流を電流計２５により
読みとることにより、触針１のあて板に対する位置決め
を行う。
めに、図４に示すように砥粒をふくむスラリー２１をか
け流しながら、触針１を金属製のあて板に接触させ砥粒
加工する。振動発生器２３は、あて板２２と触針１の相
対運動を発生するために、振動数５０Hz、振幅５μｍ程
度の振動を任意の方向に発生できる。あて板２２には錫
や銅などの軟質系材料を使用する。また、図示しない触
針１の位置決め機構は、触針１とあて板２２の接触を直
流電圧２４と抵抗２６に流れる電流を電流計２５により
読みとることにより、触針１のあて板に対する位置決め
を行う。
【００６６】さて、このように作製した触針１を用いた
形状測定について、具体的に説明する。図５は、触針１
を用いた微細表面形状測定装置の全体構成を示す。図５
において、４１は基体、４２〜４４は各々基体４１上に
設けられたＸステージ、Ｙステージ及びＺステージ、４
５はこれらのステージ４２〜４４を制御するメインＣＰ
Ｕ、４６はこれらのステージ４２〜４４上に載置され３
次元的に相対移動可能な測定対象である。
形状測定について、具体的に説明する。図５は、触針１
を用いた微細表面形状測定装置の全体構成を示す。図５
において、４１は基体、４２〜４４は各々基体４１上に
設けられたＸステージ、Ｙステージ及びＺステージ、４
５はこれらのステージ４２〜４４を制御するメインＣＰ
Ｕ、４６はこれらのステージ４２〜４４上に載置され３
次元的に相対移動可能な測定対象である。
【００６７】ここで、これらのステージ４２〜４４の位
置決め精度が直接的に形状計測誤差につながるため、本
実施の形態ではリニアスケールを内蔵させ位置を管理し
ている。一方、基体４１の上方側には、回転テーブル４
７が設けられ、メインＣＰＵ４５により制御される。
置決め精度が直接的に形状計測誤差につながるため、本
実施の形態ではリニアスケールを内蔵させ位置を管理し
ている。一方、基体４１の上方側には、回転テーブル４
７が設けられ、メインＣＰＵ４５により制御される。
【００６８】そして、この回転テーブル４７にはアクチ
ュエータ４８が取り付けられ、このアクチュエータ４８
に、支持台４及び圧電素子３を介し、かつ圧電板２が設
けられた触針１が取り付けられている。このアクチュエ
ータ４８の可動方向は、圧電素子３の振動方向と同じ方
向７であり、アクチュエータ４８は、１／１００μｍオ
ーダの正確な位置決め動作と、可動範囲１００μｍ近い
広いダイナミックレンジを持つものであり、本実施の形
態では圧電素子と変位拡大機構を併せ持つ構成を有して
いる。そして、このアクチュエータ４８は、回転テーブ
ル４７に取り付けられているため、触針１の振動方向７
は、３６０度旋回することができる。
ュエータ４８が取り付けられ、このアクチュエータ４８
に、支持台４及び圧電素子３を介し、かつ圧電板２が設
けられた触針１が取り付けられている。このアクチュエ
ータ４８の可動方向は、圧電素子３の振動方向と同じ方
向７であり、アクチュエータ４８は、１／１００μｍオ
ーダの正確な位置決め動作と、可動範囲１００μｍ近い
広いダイナミックレンジを持つものであり、本実施の形
態では圧電素子と変位拡大機構を併せ持つ構成を有して
いる。そして、このアクチュエータ４８は、回転テーブ
ル４７に取り付けられているため、触針１の振動方向７
は、３６０度旋回することができる。
【００６９】なお、この回転テーブル４７は、その回転
の真円度が形状計測誤差として加算されるので、高精度
のエアベアリングを使用している。ここで、圧電板２の
歪み状態を示す信号は、プリアンプ５及び直交検波器４
９を介してサブＣＰＵ５１に送出され、このサブＣＰＵ
５１はＶＣＯ５０及び高圧アンプ５を介して圧電素子３
を振動させる。
の真円度が形状計測誤差として加算されるので、高精度
のエアベアリングを使用している。ここで、圧電板２の
歪み状態を示す信号は、プリアンプ５及び直交検波器４
９を介してサブＣＰＵ５１に送出され、このサブＣＰＵ
５１はＶＣＯ５０及び高圧アンプ５を介して圧電素子３
を振動させる。
【００７０】なお、サブＣＰＵ５１は、アクチュエータ
４８を制御するとともに、メインＣＰＵ４５にも信号を
送出し、またＶＣＯ５０からの信号は直交検波器４９へ
も送出される。
４８を制御するとともに、メインＣＰＵ４５にも信号を
送出し、またＶＣＯ５０からの信号は直交検波器４９へ
も送出される。
【００７１】更に、微細形状測定においては、触針１を
測定対象４６の測定ポイントに移動させることが、肉眼
では困難になるため、顕微鏡５４を設けてアライメント
に役立てており、Ｘステージ４２により測定対象４６を
顕微鏡５４の視野下に移動し、顕微鏡画面上で測定ポイ
ントの座標計測を行い、この座標値を用いて測定ポイン
トを正確に触針１の直下に移動できるようにしている。
測定対象４６の測定ポイントに移動させることが、肉眼
では困難になるため、顕微鏡５４を設けてアライメント
に役立てており、Ｘステージ４２により測定対象４６を
顕微鏡５４の視野下に移動し、顕微鏡画面上で測定ポイ
ントの座標計測を行い、この座標値を用いて測定ポイン
トを正確に触針１の直下に移動できるようにしている。
【００７２】以上のような構成において、本実施の形態
における微細表面形状測定装置の動作を説明する。
における微細表面形状測定装置の動作を説明する。
【００７３】まず、サブＣＰＵ５１からの指令電圧に基
づいて、一定周波数の信号をＶＣＯ５０が発生する。つ
いで、この信号は、高電圧アンプ６を介して圧電素子３
に与えられ、方向７に振動が発生する。ついで、この振
動は、触針１に伝えられ、触針１の振動は、圧電板２か
らの歪み信号として、プリアンプ５を介して直交検波器
４９に入力される。
づいて、一定周波数の信号をＶＣＯ５０が発生する。つ
いで、この信号は、高電圧アンプ６を介して圧電素子３
に与えられ、方向７に振動が発生する。ついで、この振
動は、触針１に伝えられ、触針１の振動は、圧電板２か
らの歪み信号として、プリアンプ５を介して直交検波器
４９に入力される。
【００７４】そして、直交検波器４９は、歪み信号のＶ
ＣＯ５０の出力に対する位相ずれと振幅を計測し、これ
をサブＣＰＵ５１に入力する。ここで、ＶＣＯ５０の出
力周波数は、触針１が共振状態となるように、つまりプ
リアンプ５の出力がＶＣＯ５０の出力に対して位相差９
０度になるように設定されており、本実施の形態では、
２５ｋＨｚ付近に設定した。ここで、ＶＣＯ５０への指
令電圧の変化が、触針１の接触状態を表すことになる。
ＣＯ５０の出力に対する位相ずれと振幅を計測し、これ
をサブＣＰＵ５１に入力する。ここで、ＶＣＯ５０の出
力周波数は、触針１が共振状態となるように、つまりプ
リアンプ５の出力がＶＣＯ５０の出力に対して位相差９
０度になるように設定されており、本実施の形態では、
２５ｋＨｚ付近に設定した。ここで、ＶＣＯ５０への指
令電圧の変化が、触針１の接触状態を表すことになる。
【００７５】あるいは、ＶＣＯ５０の出力周波数を、触
針１が共振状態となる近辺に設定し、プリアンプ５の出
力とＶＣＯ５０の出力の位相関係、あるいは振幅比をサ
ブＣＰＵが記録しても構わない。この場合、振動の位相
・振幅変化が触針１の接触状態を表すことになる。
針１が共振状態となる近辺に設定し、プリアンプ５の出
力とＶＣＯ５０の出力の位相関係、あるいは振幅比をサ
ブＣＰＵが記録しても構わない。この場合、振動の位相
・振幅変化が触針１の接触状態を表すことになる。
【００７６】また、触針１の先端の振幅は、１００ｎｍ
程度である。ここで、触針１は片持ち梁と考えられるの
で、先端の振幅から触針１の接触圧力が予想できる。片
持ち梁が先端で静的にδたわむために先端に加える力ｆ
は次式であらわされる。
程度である。ここで、触針１は片持ち梁と考えられるの
で、先端の振幅から触針１の接触圧力が予想できる。片
持ち梁が先端で静的にδたわむために先端に加える力ｆ
は次式であらわされる。
【００７７】
【数５】
【００７８】材料を超硬合金、触針梁部１ｂの長さを
１．５ｍｍ、厚さを５０μｍ、幅を７０μｍとした場
合、たわみ１００ｎｍでの力ｆは約３ｍｇとなる。この
程度の微小接触圧のもとでは、測定対象の表面に水の膜
が存在している場合、その表面張力により測定に誤差を
生じやすい。よって、図示しないが測定対象に乾燥空気
を吹きかける構造を必要に応じて用意し、測定対象の表
面の水分を蒸発させるようにしている。
１．５ｍｍ、厚さを５０μｍ、幅を７０μｍとした場
合、たわみ１００ｎｍでの力ｆは約３ｍｇとなる。この
程度の微小接触圧のもとでは、測定対象の表面に水の膜
が存在している場合、その表面張力により測定に誤差を
生じやすい。よって、図示しないが測定対象に乾燥空気
を吹きかける構造を必要に応じて用意し、測定対象の表
面の水分を蒸発させるようにしている。
【００７９】このような状態でステージ４２〜４４の移
動により、触針１が測定対象４６と接触状態となったと
きに、触針１の振動状態は共振状態からわずかにずれ、
このずれは直交検波回路４９の出力となってサブＣＰＵ
５１に伝えられる。
動により、触針１が測定対象４６と接触状態となったと
きに、触針１の振動状態は共振状態からわずかにずれ、
このずれは直交検波回路４９の出力となってサブＣＰＵ
５１に伝えられる。
【００８０】すると、サブＣＰＵ５１は、このずれを補
正するようにアクチュエータ４８を制御するため、触針
１は常に測定対象４６の表面をなぞるような動作をし、
ステージ４２〜４４の動きに、回転テーブル４７によっ
て回転させられるアクチュエータ４８の動きを重ね合わ
せたものが、測定対象４６の形状を表すこととなる。
正するようにアクチュエータ４８を制御するため、触針
１は常に測定対象４６の表面をなぞるような動作をし、
ステージ４２〜４４の動きに、回転テーブル４７によっ
て回転させられるアクチュエータ４８の動きを重ね合わ
せたものが、測定対象４６の形状を表すこととなる。
【００８１】そして、サブＣＰＵ５１からメインＣＰＵ
４５には、アクチュエータ４８の位置に対応した信号が
送出され、また、メインＣＰＵ４５はステージ４２〜４
４及び回転テーブル４７の位置を全て管理しているの
で、メインＣＰＵ上で測定結果を計算し表示することが
可能となる。
４５には、アクチュエータ４８の位置に対応した信号が
送出され、また、メインＣＰＵ４５はステージ４２〜４
４及び回転テーブル４７の位置を全て管理しているの
で、メインＣＰＵ上で測定結果を計算し表示することが
可能となる。
【００８２】なお、図示する直流電圧５２及び電流計５
３は、形状測定には必ずしも必須の構成要素ではない
が、以上の形状測定と同時に電流計５３の値を記録する
ことにより、測定対象の表面の電気的状態、例えば局所
酸化、汚れの状態、導電状態の局所変化等、を知ること
ができる。
３は、形状測定には必ずしも必須の構成要素ではない
が、以上の形状測定と同時に電流計５３の値を記録する
ことにより、測定対象の表面の電気的状態、例えば局所
酸化、汚れの状態、導電状態の局所変化等、を知ること
ができる。
【００８３】その具体例としては、金属部品中に非導電
体の析出物がある場合、あるいは砥粒加工中に砥粒がワ
ーク中にめり込んでしまった場合、金属表面に部分的に
酸化膜が生成している場合、等にその存在を検出するこ
とが挙げられる。
体の析出物がある場合、あるいは砥粒加工中に砥粒がワ
ーク中にめり込んでしまった場合、金属表面に部分的に
酸化膜が生成している場合、等にその存在を検出するこ
とが挙げられる。
【００８４】更に、このような電気特性の同時計測と同
様な考え方から、磁気特性の同時測定も可能となる。例
えば、測定対象４６が磁性体で形成されている場合を考
えると、測定対象４６と強磁性体の触針１の間に磁気回
路が形成されるが、触針１の根元部分１ｃにコイルを巻
いておけば、触針１の振動により変調された磁束密度が
計測できるため、表面の磁気特性を検出することができ
る。逆に、触針１が強磁性体であると測定に支障をきた
すような場合は、超硬合金の結合相材料を工夫すること
により、非磁性の触針を得ることも可能である。
様な考え方から、磁気特性の同時測定も可能となる。例
えば、測定対象４６が磁性体で形成されている場合を考
えると、測定対象４６と強磁性体の触針１の間に磁気回
路が形成されるが、触針１の根元部分１ｃにコイルを巻
いておけば、触針１の振動により変調された磁束密度が
計測できるため、表面の磁気特性を検出することができ
る。逆に、触針１が強磁性体であると測定に支障をきた
すような場合は、超硬合金の結合相材料を工夫すること
により、非磁性の触針を得ることも可能である。
【００８５】次に、触針の本微細表面形状測定装置への
取り付け方法に関して図６を用いて説明する。本微細表
面形状測定装置では触針が機械的片持ち梁であるため、
強度の関係上、触針の太さに比して長さを無制限に長く
することはできない。このため、微細な孔を測定するた
めの触針は細く短く設計され、また、深い場所を測定す
るための触針は太く長く設計されなければならない。よ
って、測定対象に応じて触針を頻繁に交換する必要が発
生し、触針をできるだけ簡単に取り付け、取り外しでき
ることが重要である。
取り付け方法に関して図６を用いて説明する。本微細表
面形状測定装置では触針が機械的片持ち梁であるため、
強度の関係上、触針の太さに比して長さを無制限に長く
することはできない。このため、微細な孔を測定するた
めの触針は細く短く設計され、また、深い場所を測定す
るための触針は太く長く設計されなければならない。よ
って、測定対象に応じて触針を頻繁に交換する必要が発
生し、触針をできるだけ簡単に取り付け、取り外しでき
ることが重要である。
【００８６】図６では、支持台４はセラミックの平板と
なっており、この上に電極８０、８１、８２を形成して
いる。電極８０はそのまま圧電素子３の図示しない下部
電極と接続され、圧電素子３を駆動する電圧を供給す
る。電極８１はグランド電位を与え、圧電素子３の図示
しない上部電極と触針１をグランド電位に保つ。電極８
２は圧電板２に接続され、歪み検出信号をとりだす。ソ
ケット８５は微細表面形状測定装置のアクチュエータ４
８に挿入側を下向きに固定されており、触針１を取り付
けるときは、支持台４をソケット８５の相対する穴に挿
入固定する。この時、電極８０、８１、８２は受け側電
極８３と接触し微細表面形状測定装置の他の電気系と接
続される。ソケット８５は図示しないロック機構により
支持台４を硬固に保持できるような仕組みになってい
る。
なっており、この上に電極８０、８１、８２を形成して
いる。電極８０はそのまま圧電素子３の図示しない下部
電極と接続され、圧電素子３を駆動する電圧を供給す
る。電極８１はグランド電位を与え、圧電素子３の図示
しない上部電極と触針１をグランド電位に保つ。電極８
２は圧電板２に接続され、歪み検出信号をとりだす。ソ
ケット８５は微細表面形状測定装置のアクチュエータ４
８に挿入側を下向きに固定されており、触針１を取り付
けるときは、支持台４をソケット８５の相対する穴に挿
入固定する。この時、電極８０、８１、８２は受け側電
極８３と接触し微細表面形状測定装置の他の電気系と接
続される。ソケット８５は図示しないロック機構により
支持台４を硬固に保持できるような仕組みになってい
る。
【００８７】（実施の形態２）本発明の実施の形態２
は、触針の他の製造方法について説明する。
は、触針の他の製造方法について説明する。
【００８８】第一の実施形態で示した触針製作プロセス
では個々の触針に対して、圧電材料の接着、圧電材料の
加工、触針の加工という加工工程を踏まねば成らず、触
針の製作コストを高めている。以下に示す加工工程はこ
の問題点を解決するためのものである。
では個々の触針に対して、圧電材料の接着、圧電材料の
加工、触針の加工という加工工程を踏まねば成らず、触
針の製作コストを高めている。以下に示す加工工程はこ
の問題点を解決するためのものである。
【００８９】まず、図７（ａ）では、研削仕上げされた
厚さ0.2mm、大きさ20mm四方の触針材料１’’を用意す
る。これに対してほぼ同じ大きさの圧電板材料２’を導
電接着剤により張り合わせる。圧電材料２’の両面には
図示しない銀電極が形成されている。この張り合わせた
材料をサンドブラスト加工により図７（ｂ）に示すよう
に加工し、複数の圧電板２を触針材料１’’上に形成す
る。ここで、サンドブラスト加工は砥粒を空気圧力で加
速するため、加工中に加工対象である圧電板２に対して
も風圧がかかる。このため、アスペクト比を低く保ち風
圧による圧電板２の脱落を防ぐために、圧電板２の最小
パターン寸法は200μｍとなっている。
厚さ0.2mm、大きさ20mm四方の触針材料１’’を用意す
る。これに対してほぼ同じ大きさの圧電板材料２’を導
電接着剤により張り合わせる。圧電材料２’の両面には
図示しない銀電極が形成されている。この張り合わせた
材料をサンドブラスト加工により図７（ｂ）に示すよう
に加工し、複数の圧電板２を触針材料１’’上に形成す
る。ここで、サンドブラスト加工は砥粒を空気圧力で加
速するため、加工中に加工対象である圧電板２に対して
も風圧がかかる。このため、アスペクト比を低く保ち風
圧による圧電板２の脱落を防ぐために、圧電板２の最小
パターン寸法は200μｍとなっている。
【００９０】次に、図７（ｃ）は図７（ｂ）の触針材料
１’’を上方より見た図で、触針材料１’’をワイヤカ
ット放電加工により複数の触針材料１’に切り分けた様
子を表している。それぞれの触針材料１’には圧電板２
が１つずつ付着している。
１’’を上方より見た図で、触針材料１’’をワイヤカ
ット放電加工により複数の触針材料１’に切り分けた様
子を表している。それぞれの触針材料１’には圧電板２
が１つずつ付着している。
【００９１】これから後の工程は、図２で示した工程と
同じで、微細放電加工により１本１本触針を仕上げてい
く。ただし、ダイシングによって加工された圧電板２と
異なり、サンドブラスト加工された圧電板２は、幅が20
0μｍと広い。このため、図７（ｄ）に示すように、触
針１は梁部１ｂの中に幅の広い部分１ｄをもつ形となっ
ている。数式４に示したように、触針の共振周波数を決
定する触針１の寸法パラメータは長さｌと厚さｈであ
り、幅ｂは無関係である。これより、触針１が幅広部１
ｄをもつ形状となっても性能は変化しない。
同じで、微細放電加工により１本１本触針を仕上げてい
く。ただし、ダイシングによって加工された圧電板２と
異なり、サンドブラスト加工された圧電板２は、幅が20
0μｍと広い。このため、図７（ｄ）に示すように、触
針１は梁部１ｂの中に幅の広い部分１ｄをもつ形となっ
ている。数式４に示したように、触針の共振周波数を決
定する触針１の寸法パラメータは長さｌと厚さｈであ
り、幅ｂは無関係である。これより、触針１が幅広部１
ｄをもつ形状となっても性能は変化しない。
【００９２】以上のように、接着工程、サンドブラスト
加工、ワイヤカット放電加工を一括して行うことができ
るため、一度に１０本から２０本の触針をバッチ処理す
ることができ、製造効率を向上できる。ただし、図７
（ｃ）から図７（ｄ）の間は微細放電加工で触針１本１
本加工する必要がある。反面このことは、ユーザの多種
多様な測定ニーズに応えた他品種少量の触針形状を作る
ことが可能となるメリットを持っている。
加工、ワイヤカット放電加工を一括して行うことができ
るため、一度に１０本から２０本の触針をバッチ処理す
ることができ、製造効率を向上できる。ただし、図７
（ｃ）から図７（ｄ）の間は微細放電加工で触針１本１
本加工する必要がある。反面このことは、ユーザの多種
多様な測定ニーズに応えた他品種少量の触針形状を作る
ことが可能となるメリットを持っている。
【００９３】（実施の形態３）本発明の実施の形態３で
は、触針部の他の構成例について種々説明する。
は、触針部の他の構成例について種々説明する。
【００９４】図８（ａ）は、他の構成の触針１の、触針
材料１’を示す側面図、及び図８（ｂ）は、その材料を
用いて作られる触針１の側面図である。この触針材料
１’は超硬合金２７の上に焼結ダイヤモンド層２８を焼
き固めた物である。焼結ダイヤモンド２８は超硬合金２
７同様、コバルトを結合相とした焼結材料であるため、
放電加工が可能である。これより、図２または図７に示
した方法により触針１を加工することができる。図８
（ｂ）に示すように加工された触針１は突起部１ａが焼
結ダイヤモンドにより構成される。この結果、突起部１
ａの耐摩耗性が超硬合金の時より飛躍的に向上し、触針
寿命を大幅にのばすことができる。なお、焼結ダイヤモ
ンドの代わりに金属結合相を用いた焼結ＢＮを用いるこ
とも可能である。また、図８では梁部１ｂは超硬合金で
構成されるが、この部分も焼結ダイヤモンドで置き換え
ることもできる。ただし、この場合は梁部１ｂの耐衝撃
性が低下するため、触針を細くしたい時は適さない。
材料１’を示す側面図、及び図８（ｂ）は、その材料を
用いて作られる触針１の側面図である。この触針材料
１’は超硬合金２７の上に焼結ダイヤモンド層２８を焼
き固めた物である。焼結ダイヤモンド２８は超硬合金２
７同様、コバルトを結合相とした焼結材料であるため、
放電加工が可能である。これより、図２または図７に示
した方法により触針１を加工することができる。図８
（ｂ）に示すように加工された触針１は突起部１ａが焼
結ダイヤモンドにより構成される。この結果、突起部１
ａの耐摩耗性が超硬合金の時より飛躍的に向上し、触針
寿命を大幅にのばすことができる。なお、焼結ダイヤモ
ンドの代わりに金属結合相を用いた焼結ＢＮを用いるこ
とも可能である。また、図８では梁部１ｂは超硬合金で
構成されるが、この部分も焼結ダイヤモンドで置き換え
ることもできる。ただし、この場合は梁部１ｂの耐衝撃
性が低下するため、触針を細くしたい時は適さない。
【００９５】図９（ａ）は、他の構成の触針１の側面
図、及び図９（ｂ）は、その触針１の上面図である。こ
の構成では、触針１の裏面に第２の圧電板５１を接着す
ることにより圧電素子３の代用とすることができ、圧電
素子３を省略することができる。もちろん、第２の圧電
板５１は、裏面に限らず、圧電板２の両脇に配置するこ
とも可能である。
図、及び図９（ｂ）は、その触針１の上面図である。こ
の構成では、触針１の裏面に第２の圧電板５１を接着す
ることにより圧電素子３の代用とすることができ、圧電
素子３を省略することができる。もちろん、第２の圧電
板５１は、裏面に限らず、圧電板２の両脇に配置するこ
とも可能である。
【００９６】このような構成を採用することにより、圧
電素子３を計測ループからはずすことができ、圧電素子
３の形状ドリフトや熱変形による計測誤差を防止するこ
とができる。
電素子３を計測ループからはずすことができ、圧電素子
３の形状ドリフトや熱変形による計測誤差を防止するこ
とができる。
【００９７】さらに圧電素子３に起因する計測誤差を防
止するための他の手法として、図１０に示すように、圧
電板２自身を触針１の励振に使う方法も考えられる。こ
の構成では圧電板２をインピーダンスメータに接続し、
触針１を励振動しながら接触状態をインピーダンスの変
化として読みとる。しかしながら、この方法は圧電板２
を小型化、薄膜化したときに接触検出の感度が落ちると
いう問題があり、適用は圧電板２が１ｍｍ2 以上の面積
を持つ場合に限られる。
止するための他の手法として、図１０に示すように、圧
電板２自身を触針１の励振に使う方法も考えられる。こ
の構成では圧電板２をインピーダンスメータに接続し、
触針１を励振動しながら接触状態をインピーダンスの変
化として読みとる。しかしながら、この方法は圧電板２
を小型化、薄膜化したときに接触検出の感度が落ちると
いう問題があり、適用は圧電板２が１ｍｍ2 以上の面積
を持つ場合に限られる。
【００９８】次に、図１１（ａ）は、他の構成の触針１
の側面図、及び図１１（ｂ）は、その触針１の上面図で
ある。この構成では、圧電板２の代わりに歪みゲージ６
１を接着して設けたものであり、その機能は同様であ
る。
の側面図、及び図１１（ｂ）は、その触針１の上面図で
ある。この構成では、圧電板２の代わりに歪みゲージ６
１を接着して設けたものであり、その機能は同様であ
る。
【００９９】なお、この歪みゲージ６１は、金属式のも
のでも半導体式のものでも使用可能である。そして、図
１２（ａ）は、他の構成の触針１の側面図、及び図１２
（ｂ）は、その触針１の上面図である。この構成では、
触針１の片側に圧電薄膜７１を形成したものであり、そ
の機能は同様である。
のでも半導体式のものでも使用可能である。そして、図
１２（ａ）は、他の構成の触針１の側面図、及び図１２
（ｂ）は、その触針１の上面図である。この構成では、
触針１の片側に圧電薄膜７１を形成したものであり、そ
の機能は同様である。
【０１００】この圧電薄膜７１の製作方法は、例えば、
FERROELECTRIC THIN FILM ULTRASONIC MICROMOTORS,IEE
E,1991(K.R.Udayakumar,et.al)に紹介されているゾルゲ
ル法や、T. KAMADA et. al. Mat. Res. Soc. Syp. Pro
c. Vol. 433. p377(1996)に紹介されているスパッタ法
などを用いることができる。
FERROELECTRIC THIN FILM ULTRASONIC MICROMOTORS,IEE
E,1991(K.R.Udayakumar,et.al)に紹介されているゾルゲ
ル法や、T. KAMADA et. al. Mat. Res. Soc. Syp. Pro
c. Vol. 433. p377(1996)に紹介されているスパッタ法
などを用いることができる。
【０１０１】具体的には、ラップ仕上げにより表面荒さ
を向上させた超硬合金製の触針１上にＰｔ／Ｔｉ層を形
成し、その上に圧電薄膜７１を形成する。そして、圧電
薄膜６２を必要な部分を残してエッチングした後、更に
その上に歪みを検出する歪み検出電極７２を形成する。
を向上させた超硬合金製の触針１上にＰｔ／Ｔｉ層を形
成し、その上に圧電薄膜７１を形成する。そして、圧電
薄膜６２を必要な部分を残してエッチングした後、更に
その上に歪みを検出する歪み検出電極７２を形成する。
【０１０２】このような圧電薄膜７１の厚さは、高々１
〜３μｍであるため、バルクの圧電板２を用いる場合に
対して幾つかの利点がある。まず、触針１の厚さに比し
て十分に薄いため、双方の熱膨張率の違いによって引き
起こされるバイモルフ効果による触針の曲がりを防ぐこ
とができる。さらに、エッチングによりパターン形成を
行うため、圧電薄膜７１を１０μｍ程度まで微細化する
ことができ、触針のさらなる微細化に有効である。ま
た、バルクの圧電板２を用いる場合に必要であった導電
接着剤が不要になるため振動にたいする内部減衰が減
り、触針の共振におけるＱ値が高まり、触針の接触検出
感度が高まるという効果もある。
〜３μｍであるため、バルクの圧電板２を用いる場合に
対して幾つかの利点がある。まず、触針１の厚さに比し
て十分に薄いため、双方の熱膨張率の違いによって引き
起こされるバイモルフ効果による触針の曲がりを防ぐこ
とができる。さらに、エッチングによりパターン形成を
行うため、圧電薄膜７１を１０μｍ程度まで微細化する
ことができ、触針のさらなる微細化に有効である。ま
た、バルクの圧電板２を用いる場合に必要であった導電
接着剤が不要になるため振動にたいする内部減衰が減
り、触針の共振におけるＱ値が高まり、触針の接触検出
感度が高まるという効果もある。
【０１０３】さらに、図１３において、圧電薄膜６２上
の歪み検出部を２つに分けた構成をしめす。図１２
（ａ）は触針１の左側面図を表し、図１２（ｂ）は触針
の平面図を表す。図１２（ａ）において、触針１は振動
方向７で振動しており、検出方向７３からの接触を想定
している。ここで、検出方向７４から接触が発生した場
合でも、共振状態の変化が起きるため接触検出できるも
のの、検出方向７３と検出方向７４の区別ができなかっ
た。これに対し、歪み検出電極を７２ａ、７２ｂと分割
することにより、梁部１ｂのねじれ状態を検出し、これ
により検出方向７３、７４を区別しようとするものであ
る。次に、図１４において、２つの検出方向７３、７４
を区別するための別の構成例を示す。圧電素子３には従
来の上下電極７５の他に左右電極７６が設けられてい
る。上下電極には発信器７８より方向７３に触針１を共
振させる周波数ｆ１が供給される。また、左右電極に
は、検出方向７４に触針１を共振させる周波数ｆ２が供
給される。ここで、梁部１ｂは２つの方向７３、７４へ
の共振周波数が異なるように厚みと幅が設計されてい
る。
の歪み検出部を２つに分けた構成をしめす。図１２
（ａ）は触針１の左側面図を表し、図１２（ｂ）は触針
の平面図を表す。図１２（ａ）において、触針１は振動
方向７で振動しており、検出方向７３からの接触を想定
している。ここで、検出方向７４から接触が発生した場
合でも、共振状態の変化が起きるため接触検出できるも
のの、検出方向７３と検出方向７４の区別ができなかっ
た。これに対し、歪み検出電極を７２ａ、７２ｂと分割
することにより、梁部１ｂのねじれ状態を検出し、これ
により検出方向７３、７４を区別しようとするものであ
る。次に、図１４において、２つの検出方向７３、７４
を区別するための別の構成例を示す。圧電素子３には従
来の上下電極７５の他に左右電極７６が設けられてい
る。上下電極には発信器７８より方向７３に触針１を共
振させる周波数ｆ１が供給される。また、左右電極に
は、検出方向７４に触針１を共振させる周波数ｆ２が供
給される。ここで、梁部１ｂは２つの方向７３、７４へ
の共振周波数が異なるように厚みと幅が設計されてい
る。
【０１０４】この結果、圧電板２で検出される歪み検出
信号は２つの周波数分離可能な歪み検出信号を含むこと
になり、２台の図示しない直交検波回路４９を用いて、
２つの方向７３、７４からの接触状態を独立に検出する
ことができる。さらに、本構成例より容易に類推できる
ことであるが、立方体形状の圧電素子３の残された２面
に電極を設け、ここに励振電圧ｆ３を印加することによ
り、梁部１ｂを方向７９に振動させることができ、これ
により方向７９からの接触も独立に検出できるようにな
る。
信号は２つの周波数分離可能な歪み検出信号を含むこと
になり、２台の図示しない直交検波回路４９を用いて、
２つの方向７３、７４からの接触状態を独立に検出する
ことができる。さらに、本構成例より容易に類推できる
ことであるが、立方体形状の圧電素子３の残された２面
に電極を設け、ここに励振電圧ｆ３を印加することによ
り、梁部１ｂを方向７９に振動させることができ、これ
により方向７９からの接触も独立に検出できるようにな
る。
【０１０５】以上のような触針は、実施の形態１で説明
した微細表面形状測定装置に適用され、測定対象の形状
を測定することができるものである。
した微細表面形状測定装置に適用され、測定対象の形状
を測定することができるものである。
【０１０６】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高硬度・
高形状安定性・高耐食性をもつ触針を用いて、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。
高形状安定性・高耐食性をもつ触針を用いて、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。
【０１０７】また、本発明による触針製造方法によれ
ば、製造効率を向上することができ、触針の製造コスト
を低減することができるという有利な効果が得られる。
ば、製造効率を向上することができ、触針の製造コスト
を低減することができるという有利な効果が得られる。
【図１】本発明の実施の形態１の触針の構成図
【図２】同触針の製造プロセス図
【図３】同触針の製造に用いられる微細放電加工装置の
構成図
構成図
【図４】同触針の製造に用いられる砥粒加工装置の構成
図
図
【図５】同触針を用いた微細表面形状測定装置を示す構
成図
成図
【図６】同触針の微細表面形状装置への取り付け方法を
示す構成図
示す構成図
【図７】本発明の実施の形態２の触針の他の製造方法を
表す図
表す図
【図８】本発明の実施の形態３の触針の他の構成を表す
図
図
【図９】同触針の他の構成を表す図
【図１０】同触針の他の構成を表す図
【図１１】同触針の他の構成を表す図
【図１２】同触針の他の構成を表す図
【図１３】同触針の他の構成を表す図
【図１４】同触針の他の構成を表す図
【図１５】従来の微細表面形状測定装置の構成図
【図１６】同微細表面形状測定装置の検出方式を示す原
理図
理図
【図１７】同微細表面形状測定装置の検出方式の理論値
と実験値を示す図
と実験値を示す図
【図１８】同微細表面形状測定装置に使われる触針の斜
視図
視図
【図１９】同微細表面形状測定装置の構成図
【図２０】同微細表面形状測定装置の検出方式の原理図
１ 触針 ２ 圧電板 ３ 圧電素子 ４ 支持台 ５ プリアンプ ６ 高電圧アンプ ７ 振動方向 ２８ 焼結ダイヤモンド ３１ 基体 ３２ ＸＹステージ ３３ 加工槽 ３４ 支持台 ３５ ワイヤガイド ３６ ワイヤ ３７ Ｚステージ ３８ 回転テーブル ３９ 電源 ４１ 基体 ４２ Ｘステージ ４３ Ｙステージ ４４ Ｚステージ ４５ メインＣＰＵ ４６ 測定対象 ４７ 回転テーブル ４８ アクチュエータ ４９ 直交検波器 ５０ ＶＣＯ ５１ サブＣＰＵ ５２ 直流電圧 ５３ 電流計 ５４ 顕微鏡 ６０ 圧電板 ６１ 歪みゲージ ６２ 圧電薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−264214（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−270434（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−75902（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−229746（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−311208（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−285512（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−156626（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−295781（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−48702（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 7/00 - 7/34 G12B 21/00 - 21/32 B23H 1/00 - 11/00
Claims (8)
- 【請求項１】 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、更に、前記触針と前記
測定対象面との間に電圧を印加し、前記触針と前記測定
対象面との間の電流量を検出することにより前記測定対
象面の電気的特性を検出し、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】 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、前記触針及び前記測定
対象面は磁性体で構成され、更に前記触針は捲回された
コイルを有し、前記触針の振動により変調された磁束密
度が検出されることにより前記測定対象面の磁気特性を
検出し、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３】 板状の梁構造材料を用い、これに歪み検
出手段を付加する工程と、前記梁構造材料を回転しなが
ら微細放電加工により前記梁構造材料を梁構造に加工す
る工程と、梁構造の加工変質層を取り除く工程と、を有
することを特徴とする触針製造方法。 - 【請求項４】 梁構造材料は、超硬合金製である請求項
３記載の触針製造方法。 - 【請求項５】 梁構造材料は、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３記
載の触針製造方法。 - 【請求項６】 前記歪み検出手段を付加する工程が、圧
電材料部材の接合と、接合後の圧電部材の形状加工であ
ることを特徴とする請求項３記載の触針製造方法。 - 【請求項７】 前記歪み検出手段を付加する工程が、圧
電材料の薄膜形成と、形成中あるいは形成後の圧電部材
の形状加工であることを特徴とする請求項３記載の触針
製造方法。 - 【請求項８】 前記加工変質層を取り除く工程があて板
と遊離砥粒を用いた砥粒加工であることを特徴とする請
求項３記載の触針製造方法。
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