| 【発明の名称】 |
微細表面形状測定装置及び触針製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 正樹
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| 【要約】 |
【課題】測定対象物が導電体／非導電体のいかんに関わらず計測でき、表面の汚染やゴミに強く、触針摩耗による計測誤差が少ない機械部品の微小穴や微細溝の内面計測等に好適に用いられる微細表面形状測定装置を実現する。
【解決手段】本発明は、梁構造の触針１と、触針１をその共振周波数付近で振動させる振動手段３等と、触針１の歪みを検出する歪み検出手段２等と、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４８等と、触針１と測定対称面４６とを相対的に位置決めする移動手段４２等とを有し、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。 |
【特許請求の範囲】
【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】 振動手段が、触針を支持する圧電材料の部材を有する請求項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】 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】 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】 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１１】 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請求項１から１０のいずれかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項１２】 更に、触針と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する請求項１から１１のいずれかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項１３】 触針及び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する請求項１から１２のいずれかに記載の微細表面形状測定装置。
【請求項１４】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行程と、梁構造材料を梁構造に加工する行程と、梁構造の加工変質層を取り除く行程とからなることを特徴とする触針製造方法。
【請求項１５】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１４記載の触針製造方法。
【請求項１６】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１４記載の触針製造方法。
【請求項１７】前記梁構造材料を梁構造に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１４記載の触針製造方法。
【請求項１８】前記加工変質層を取り除く工程が砥粒加工であることを特徴とする請求項１４記載の触針製造方法。
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【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６−３２３８４５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１０１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。
【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。
【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。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。
【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ＡＦＭ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４０〜５０μｍ、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、ＸＹＺ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。
【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．３４５−３５０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。
【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２０５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。
【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。
【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。
【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、ＡＦＭ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。
【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、梁構造の触針と、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、触針と測定対称面とを相対的に位置決めする移動手段とを有し、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。
【００２１】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。
【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。
【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。
【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。
【００２５】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。
【００２６】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、請求項４記載のように、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あるいはＢＮ（窒化硼素）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、請求項５記載のように、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。
【００２９】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。
【００３０】また、請求項７記載のように、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。
【００３１】または、請求項８記載のように、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。
【００３２】また、請求項９記載のように、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。
【００３３】または、請求項１０記載のように、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。
【００３４】また、請求項１１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、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】そして、請求項１２記載のように、更に、触針と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する構成であってもよい。
【００３６】更に、請求項１３記載のように、触針及び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する構成であってもよい。
【００３７】請求項１４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行程と、梁構造材料を梁構造に加工する行程と、梁構造の加工変質層を取り除く行程とからなる触針製造方法により触針を製造することにより、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。
【００３８】請求項１５に記載の発明は、請求項１４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る。
【００３９】請求項１６に記載の発明は、請求項１４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。
【００４０】請求項１７に記載の発明は、請求項１４記載の触針製造方法において、前記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。
【００４１】請求項１８に記載の発明は、請求項１４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１ｂ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。
【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。
【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。
【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。
【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１０ｍｍ、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。
【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。
【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。
【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２ｍｍ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。
【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。
【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。
【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。
【００６０】図３において、３１は基体、３２は基体３１上に設けられたＸＹステージ、３３はＸＹステージ３２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。
【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ＷＥＤＧ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。
【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。
【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。
【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、４５はこれらのステージ４２〜４４を制御するメインＣＰＵ、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４７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。
【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４９を介してサブＣＰＵ５１に送出され、このサブＣＰＵ５１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。
【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。
【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。
【００７４】そして、直交検波器４９は、歪み信号のＶＣＯ５０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９０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。
【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。
【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。
【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ＣＰＵ５１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。
【００８１】そして、サブＣＰＵ５１からメインＣＰＵ４５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４２〜４４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５３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。
【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。
【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。
【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８２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４８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。
【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。
【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。
【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。
【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200μｍ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１ｄ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。
【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。
【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２７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１ａ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。
【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。
【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。
【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６１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。
【０１００】この圧電薄膜７１の製作方法は、例えば、FERROELECTRIC THIN FILM ULTRASONIC MICROMOTORS,IEEE,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. Proc. 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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【０１０６】
【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、この触針を支持する圧電素子を用いて触針をその共振周波数付近で振動させる。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、その接触の程度にしたがって触針の振幅と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板を設けて歪み信号を取り出し、振動状態が一定になるように触針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、触針をステージ及び回転テーブルにより測定対称に対して移動してやると、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。
【０１０７】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。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）１０月２９日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】岩橋 文雄 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１３４５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３０８１６４ |
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