JP2001141442A - Breakage preventing mechanism for fine shape measuring probe and method of controlling it - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To protect the fine tracer of a fine shape measuring instrument using the tracer from breakage. SOLUTION: A fine shape measuring instrument which measures the fine shape of an object 6 to be measured having a fine structure by moving a fine tracer 1 composed of a fine beam structure having a high aspect ratio relatively to the object 6 has an actuator which is expanded and contracted in the vertical direction in a tracer holder 2 and pulls up the tracer 1 simultaneously upon detecting that the tracer 1 comes into contact with the object 6. Therefore, the instrument can stably detect the contact, because the tracer 1 is prevented from being thrust in the object 6 and broken by buckling even when such a phenomenon occurs that a Z-stage 3 over-travels due to its inertia after receiving a stop instruction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[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に関す
るもので、微細触針を破損することを防止する技術に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional sub-millimeter shape of a mechanical part, such as measurement of the shape of the microstructure of a part for a micromachine and measurement of the inner surface shape of a fuel injection nozzle or an ink jet printer nozzle of an internal combustion engine.
The present invention relates to a micromachined shape measuring device used for measurement, and relates to a technique for preventing a fine stylus from being damaged.

【０００２】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, measurement of a minute shape by a contact type method has been disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-264214 and 8-0775.
A configuration typified by the one described in Japanese Patent No. 445 is known.

【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。[0003] Both of them have a structure in which a stylus or a probe can be inserted into a finely processed microstructure, which will be specifically described below.

【０００４】まず、図５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。First, FIG. 5 shows a configuration diagram of a first conventional example typified by Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-264214.

【０００５】図５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。In FIG. 5, 101 is a stylus, 102 is an actuator for vibrating the stylus 101 in the direction of the arrow in the figure,
Reference numeral 103 denotes a measurement object to which the stylus 101 approaches.

【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。Here, the measuring object 103 is mounted on a Z stage 104 movable in the Z direction and an X stage 105 movable in the X axis direction. The Z stage 104 has a Z axis driving mechanism 106 and the X stage 105 has Each is connected to the X-axis drive mechanism 107.

【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。Reference numeral 108 denotes a duty cycle measuring device, and the Z-axis driving mechanism 106, the X-axis driving mechanism 107 and the duty cycle measuring device 108 are controlled by a computer 109.

【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。In such a configuration, the actuator 102 vibrates the stylus 101 at a fixed position and at a fixed amplitude as shown by an arrow in the figure.

【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。In this state, the electrical conduction between the stylus 101 and the object 103 is detected by applying a DC voltage and observing a short-circuit current, and the ratio of the conduction time to the oscillation cycle is determined by the duty cycle measurement device 108. Will be detected.

【００１０】例えば、図６を参照すると、図６（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６（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。For example, referring to FIG. 6, when the stylus 101 vibrating as shown in FIG. 6A exceeds a certain displacement s, as shown in FIG. Electrical continuity between the measurement target surfaces 103 is ensured.

【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
７のような関係を呈する。The change in the relative distance between the stylus 101 and the measurement target surface of the measurement target 103 and the duty cycle have a relationship as shown in FIG.

【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。Therefore, the surface shape of the measuring object 103 can be detected by operating the Z-axis feed mechanism 105 while recording the duty cycle.

【００１３】なお、図７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。As can be seen from FIG. 7, the relationship between the two is not completely proportional, but the degree of proportionality can be increased by changing the vibration of the stylus 101 from a sine wave to a triangular wave. .

【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。If the unevenness of the measurement target surface of the measurement target 103 exceeds the amplitude of the stylus 101, the X-axis driving mechanism 1
The surface shape of the measurement target 103 can be measured by operating the 07 and repositioning the measurement target 103.

【００１５】次に、第２の従来例は、図５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。Next, a second conventional example is a first conventional example shown in FIG.
The microscope 242 and the stylus 234
The combination as described above improves usability as a measuring device.

【００１６】まず、図８において撮影部２４２と触針２
３４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***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の先端はは図９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。First, in FIG. 8, the photographing unit 242 and the stylus 2
34 is set in a coaxial positional relationship. That is, the stylus 234 exists at the approximate center of the image of the microscope 242. The image of the microscope 242 is guided to the image processing unit 244,
It is displayed on the display unit of the image processing unit 244. Then, while watching the image displayed on the display unit, the XY stage 226A
Is moved in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the fine hole 229 of the work 228 is positioned at the center of the image. Thereafter, the work 228 is moved upward by the Z stage 226B, so that the stylus 234 is inserted into the fine hole 229.
In this state, the contact between the stylus 234 and the fine hole surface 229A is performed in the same manner as in the first conventional example while the XY stage 226A is finely fed again.
The coordinates of 9A can be obtained. By correcting the diameter of the stylus 234 from the coordinate values thus obtained, the inner diameter of the minute hole 229 can be known. Incidentally, the tip of the stylus 234 is processed into a diamond shape as shown in FIG. 9 so that the inner diameter of the hole in the X and Y directions can be accurately measured.

【００１７】[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。The above two conventional examples have the following problems, although they have a possibility of being used for measurement of a processing shape such as a nozzle hole or a fine shape.

【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。In other words, the stylus commonly used for both is required to have a stable shape, and is therefore formed of a hard material. In general, the stage structure of the measuring device that moves the measurement object and the stylus relative to each other has a mass of several kg to several tens kg, so even if a movement stop signal is issued to the stage at the time of contact detection, it is several μm to several tens μm. Overtravel will occur. The beam structure of the stylus can absorb the displacement by bending the beam even if the tip is displaced in a direction orthogonal to the beam. However, when the tip is pushed in a direction parallel to the beam, there is no room for the beam to be deformed, so that there is a problem that the beam buckles or its life is significantly shortened.

【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。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a damage prevention mechanism capable of preventing damage to the stylus and shortening the life of the stylus irrespective of the contact direction between the stylus and the object to be measured, and a control method therefor. And

【００２０】[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、微細触針のホルダ内部にアクチュエ
ータを有し、前期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を特徴とした破損防止機構および制
御方法である。In order to solve such a problem, the present invention has an actuator inside a holder of a fine stylus, and when the fine stylus comes into contact with a measurement object in the axial direction, A damage prevention mechanism and a control method characterized in that a stylus is pulled up and escaped from contact so that a fine stylus does not buckle.

【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。More specifically, first, the fine stylus and the object to be measured move relative to each other by the stage of the measuring device. However, since the mass of the stage is large, the stage coasts even after the fine stylus detects the contact. Deform the fine stylus. Since the microscopic stylus has a beam structure with a high aspect ratio, it does not break even if it is deformed in the bending direction. However, if it is attempted to deform in the axial direction, it will bend or buckle, leading to breakage.

【００２２】ここで、微細触針のホルダ部分に微細触針
をその軸方向に変位させるようなアクチュエータを内蔵
し、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。Here, an actuator for displacing the fine stylus in its axial direction is built in the holder portion of the fine stylus, and further, the actuator is rapidly contracted by detecting the contact with the stylus, Gives controllable compliance to the fine stylus and prevents buckling and deformation.

【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おーバトラベ
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。The velocity vector of the relative movement between the fine stylus and the object to be measured may have a component in the axial direction of the fine stylus and a direction perpendicular to the axial direction. When the velocity vector in the axial direction is small, the overtravel amount in the axial direction after the detection of the contact is small, and there is no fear that the fine stylus buckles. Therefore, only when the axial speed is greater than a certain value, control is performed to pull back the fine stylus, otherwise, actuator control is performed to keep the fine stylus at a fixed position.

【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。As described above, even if the fine stylus comes into contact with the object to be measured from any direction, the fine stylus can secure an appropriate escape and prevent damage such as buckling or deformation.

【００２５】[0025]

【発明の実施の形態】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、微細触針の軸
方向に変位が可能なアクチュエータを微細触針のホルダ
内に有することにより、微細触針が接触時に破損するこ
とを防止することを特徴とする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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention according to claim 1 measures a fine shape by relatively moving a fine stylus having a cantilever structure and a measuring object having a fine shape, and detecting contact between the two. In the fine shape measuring device, the breakage is characterized by preventing the fine stylus from being broken at the time of contact by having an actuator capable of displacing the fine stylus in the axial direction in the holder of the fine stylus. Mechanism. With such a configuration, the fine stylus can be protected from damage at the time of contact.

【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。Here, it is preferable that the actuator is composed of a piezoelectric element because of its high-speed displacement characteristics.

【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。As described in claim 3, it is preferable that the actuator comprises a piezoelectric element and a displacement enlarging mechanism, because the stylus can escape a large displacement amount and the effect of preventing damage is higher.

【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。Further, as described in claim 4, it is preferable that the actuator has a displacement sensor for monitoring displacement, because displacement drift and displacement hysteresis peculiar to the actuator can be canceled.

【００２９】また、請求項５記載のように、上記微細触
針が接触を検知すると同時に、上記アクチューエタを予
め決められた変位量だけ縮めることが、微細触針を高速
に接触から逃がせることから望ましい。According to the present invention, the contraction of the actuator by a predetermined amount of displacement at the same time as the detection of the contact by the fine stylus allows the fine stylus to escape from the contact at a high speed. desirable.

【００３０】同様に、請求項６記載のように、上記微細
触針が接触を検知すると同時に、上記アクチュエータに
フィードバック制御をかけ、上記微細触針と上記測定対
象の接触状態が接触と非接触の中間状態になるように制
御することが、微細触針を接触から逃がせることと同時
に、測定対象が離れたときに初期位置に自動復帰できる
ことから望ましい。Similarly, at the same time as the fine stylus detects contact, feedback control is applied to the actuator at the same time that the contact state between the fine stylus and the object to be measured is contact or non-contact. It is desirable to perform control so that the fine stylus can be released from contact, and at the same time, it can automatically return to the initial position when the object to be measured is separated.

【００３１】さらに、請求項７記載のように、上記微細
触針と上記測定対象の相対移動速度ベクトルが、微細触
針の軸方向に速度成分をある一定量もつ時のみ上記破損
防止機構の制御を行い、それ以外の時は上記破損機構の
制御を行わないことが、微細触針に軸方向の変位が加わ
る可能性があるときだけ触針を逃がせることから望まし
い。Further, as described in claim 7, the control of the breakage prevention mechanism is performed only when the relative movement speed vector between the fine stylus and the object to be measured has a certain amount of speed component in the axial direction of the fine stylus. In other cases, it is desirable not to control the breakage mechanism because the stylus can be released only when there is a possibility that an axial displacement may be applied to the fine stylus.

【００３２】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。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【００３３】（実施の形態１）図１は、本実施の形態の
触針破損防止機構を取り付けた微小形状測定装置の構成
を示す。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a configuration of a minute shape measuring apparatus to which a stylus damage preventing mechanism according to the present embodiment is attached.

【００３４】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・
固定すると同時に、本実施例ではこの内部に触針破損防
止機構が内蔵される。６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、ベース５上に固
定される。測定対象６と微細触針１はＸＹステージ４お
よびＺステージ３により相対運動することができる。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fine stylus having a cantilever structure having a diameter of several tens μm and a length of several millimeters. Reference numeral 2 denotes a stylus holder which holds the fine stylus 1 in a replaceable state.
At the same time as fixing, in this embodiment, a stylus breakage prevention mechanism is incorporated therein. Reference numeral 6 denotes a measurement target, which has a fine shape such as a fine hole in a part thereof, and is fixed on the base 5. The measurement object 6 and the fine stylus 1 can move relative to each other by the XY stage 4 and the Z stage 3.

【００３５】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。First, the fine stylus 1 has a cantilever structure along the Z direction, and its tip has a projection such as a ball, an abacus or a hook. Has the ability to detect that it has contacted the object to be measured. In this embodiment, the stylus makes contact by changing the resonance state, as shown in P.504 “Resonance-type vibro-scan method using a piezoelectric sensor”, Proc. It is of the type to be detected. Needless to say, a fine stylus for detecting contact by electrical conduction, a stylus for detecting a reaction force due to contact, or a stylus for detecting a change in optical characteristics may be used. In general, the fine stylus 1 is made of a hard material such as a cemented carbide, glass, or ceramic, and has little friction and deformation and has high shape stability. On the other hand, excessive deformation may lead to breakage.

【００３６】ＸＹＺステージ３，４は微細触針１を測定
対象６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ＸＹＺステージ３，４の座標を読み取り停
止、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。ＸＹ
Ｚステージ３，４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。ＸＹＺステージや
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1000ミ
クロン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。The XYZ stages 3 and 4 move the fine stylus 1 relative to the object 6 to be measured. At the same time when the fine stylus 1 detects a contact, the coordinates of the XYZ stages 3 and 4 are stopped to read, and then retracted in the opposite direction. Perform the operation. By repeating this series of operations, the measurement of the fine shape is achieved. XY
The Z stages 3 and 4 are generally guided by an air slide or a ball guide, and are driven by a rotary motor and a ball screw or a linear motor. Since the XYZ stage and its driving unit have a constant mass (several kg to several tens of kg) and inertia, from the detection of the contact by the fine stylus 1 to the stop / retreat of the stage, the actual stage is several μm. Overtravel of several tens of μm occurs, and as a result, the tip of the fine stylus 1 is pushed into the object to be measured. Since the fine stylus 1 has a cantilever structure, it can absorb displacement by bending when pushed in the horizontal direction (XY), and is hardly damaged. By the way, if the cemented carbide cantilever is φ20μm and length is 1000μ, tip displacement is 100μm.
The degree does not lead to breakage.

【００３７】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。However, since the cantilever beam is buckled in the vertical (Z) direction, even if the fine stylus 1 is pushed at most several μm, buckling or bending occurs. Leads to

【００３８】図２は、微細触針１がＺ方向から接触した
ときに、微細触針１を上方に引き上げるための破損防止
機構の構造を表している。触針ホルダ２の一部を積層圧
電素子７が占めている。積層圧電素子７は１００Ｖ程度
の電圧で数μｍの変位を発生することができ、図中では
Ｚ方向に伸縮する。まず、積層圧電素子７を伸びた状態
に保持し、この後、微細触針１を測定対象６に上方から
接近・接触させる。接触と同時に積層圧電素子を高速に
縮ませることで微細触針１は引き上げられ、Ｚステージ
３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。FIG. 2 shows the structure of a breakage prevention mechanism for lifting the fine stylus 1 upward when the fine stylus 1 comes into contact from the Z direction. A part of the stylus holder 2 is occupied by the laminated piezoelectric element 7. The laminated piezoelectric element 7 can generate a displacement of several μm at a voltage of about 100 V, and expands and contracts in the Z direction in the drawing. First, the laminated piezoelectric element 7 is held in an extended state, and thereafter, the fine stylus 1 approaches and comes into contact with the measurement target 6 from above. The fine stylus 1 is pulled up by contracting the laminated piezoelectric element at a high speed simultaneously with the contact, and even if the Z stage 3 cannot be stopped due to inertia and continues to descend, the fine stylus 1
Is never pushed. That is, breakage of the fine stylus 1 due to buckling can be prevented.

【００３９】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、８はＸＹＺステージを制御するためのＮＣコ
ントローラであり、触針１からの接触信号を信号線１５
を介して受け取るとＸＹＺステージを即座に停止・退避
させる機能をもつ。９は測定全体をコントロールするメ
インＣＰＵであり、測定に必要なＸＹＺの動きを信号線
１１を介してＮＣコントローラ８に指令する役目を持っ
ている。１０は触針ホルダ２に内蔵される積層圧電素子
７を制御するコントローラで、触針１の接触信号を信号
線１５を介して受け取ると、即座に積層圧電素子７を制
御線１６を介して縮ませる役割をもっている。ところ
で、微細触針１と測定対象６の相対速度ベクトルは、メ
インＣＰＵ９の動作計画により変化する。Next, an overall configuration of the fine shape measuring apparatus and a control method for preventing damage will be described with reference to FIG. First, reference numeral 8 denotes an NC controller for controlling the XYZ stage, and transmits a contact signal from the stylus 1 to a signal line 15.
Has the function of immediately stopping and retreating the XYZ stage when received via the. Reference numeral 9 denotes a main CPU that controls the entire measurement, and has a role of instructing the NC controller 8 via a signal line 11 about XYZ movements necessary for the measurement. Reference numeral 10 denotes a controller for controlling the laminated piezoelectric element 7 built in the stylus holder 2. When a contact signal of the stylus 1 is received via the signal line 15, the laminated piezoelectric element 7 is immediately contracted via the control line 16. Have a role to play. Incidentally, the relative velocity vector between the fine stylus 1 and the measurement target 6 changes according to the operation plan of the main CPU 9.

【００４０】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、検出時に積層圧
電素子７を縮ませる必要はない。ここに、信号線１３ま
たは信号線１４は圧電素子コントローラ１０に対して、
いかなる時に積層圧電素子を縮ませる必要があるかを伝
達する役目をもっている。つまり、信号線１３は、メイ
ンＣＰＵ９の動作計画から、何時Ｚステージが下降する
予定なのかを圧電素子コントローラ１０に伝えている。
信号線１４は、ＮＣコントローラ８がＺステージをある
速度以上で下降させるタイミングを圧電素子コントロー
ラ１０に伝えている。もちろん、信号線１３、１４は、
どちらか一方でも構わない。The relative velocity vector has a horizontal component (XY component)
In the case of only contact, there is no pushing of the fine stylus in the Z direction at the time of contact, and there is no fear of breakage. Further, if the Z component of the relative velocity vector exists even if it is small (for example, 1 μm
/ S), the overtravel of the Z stage after the contact becomes negligibly small. In these cases, it is not necessary to shrink the laminated piezoelectric element 7 at the time of detection. Here, the signal line 13 or the signal line 14 is
It has the function of transmitting when the laminated piezoelectric element needs to be contracted. That is, the signal line 13 informs the piezoelectric element controller 10 when the Z stage is to be lowered from the operation plan of the main CPU 9.
The signal line 14 informs the piezoelectric element controller 10 of the timing at which the NC controller 8 lowers the Z stage at a certain speed or higher. Of course, the signal lines 13 and 14
It does not matter which one you use.

【００４１】また、積層圧電素子７は、他の高速移動が
可能なアクチュエータでも構わない。たとえば、ボイス
コイルモータ、リニアモータ、静電駆動アクチューエ
タ、磁歪素子、電歪素子などでも代用が可能である。The laminated piezoelectric element 7 may be another actuator capable of moving at high speed. For example, a voice coil motor, a linear motor, an electrostatic actuator, a magnetostrictive element, an electrostrictive element, or the like can be substituted.

【００４２】以上のような構成で、微細触針１が測定対
象６に接触した際、その接触方向に応じて、微細触針１
を上方へ逃がし、軸方向への押し込みによる破損を防止
することが可能となる。With the above configuration, when the fine stylus 1 comes into contact with the measuring object 6, the fine stylus 1
Can be released upward to prevent damage due to being pushed in the axial direction.

【００４３】（実施の形態２）実施の形態２は形態１と
同様の全体構成をもち、図１と図３は共通である。両者
の違いは図４に示す触針ホルダ２内の圧電素子７の配
置、および圧電素子コントローラ１０の制御アルゴリズ
ムである。図４において、圧電素子７の変位は、支点１
７、力点１９、作用点２０をもった梃子機構１８によっ
て拡大され、ガイド２２によってガイドされる微動ステ
ージ２１を変位させる。梃子機構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。ガイ
ド２２も同様に弾性ヒンジ等によって構成され、限られ
た変位量内で高い真直度をもつ。圧電素子７の変位は一
般に時間とともにドリフトしてしまため、そのドリフト
量をキャンセルするための変位センサ２３を内蔵する。
変位センサ２３の値で圧電素子７をフィードバック制御
することで、微動ステージ２１は高い位置決め精度を持
つことができる。(Embodiment 2) Embodiment 2 has the same overall configuration as Embodiment 1, and FIGS. 1 and 3 are common. The difference between the two is the arrangement of the piezoelectric element 7 in the stylus holder 2 and the control algorithm of the piezoelectric element controller 10 shown in FIG. In FIG. 4, the displacement of the piezoelectric element 7 is
7. The fine movement stage 21 which is enlarged by the lever mechanism 18 having the force point 19 and the action point 20 and is guided by the guide 22 is displaced. The lever mechanism is composed of an elastic hinge or the like, and enables displacement expansion without play. The guide 22 is also formed of an elastic hinge or the like, and has high straightness within a limited displacement. Since the displacement of the piezoelectric element 7 generally drifts with time, a displacement sensor 23 for canceling the drift amount is incorporated.
By performing feedback control of the piezoelectric element 7 based on the value of the displacement sensor 23, the fine movement stage 21 can have high positioning accuracy.

【００４４】このような、圧電素子７・梃子機構１８・
変位センサ２３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、圧電素子７単体
を制御するのと同じような手軽さをもって微動ステージ
２１を制御することができる。本実施例でも図３におい
て、圧電素子コントローラ１０の出力を図示しない微動
ステージコントローラに入力することで、微動ステージ
２１の位置を制御している。The piezoelectric element 7, the lever mechanism 18,
Many structures including the displacement sensor 23 are commercially available from PI Polytech Co., Ltd., and the fine movement stage 21 can be controlled with the same ease as controlling the piezoelectric element 7 alone. Also in this embodiment, in FIG. 3, the position of the fine movement stage 21 is controlled by inputting the output of the piezoelectric element controller 10 to a fine movement stage controller (not shown).

【００４５】さて、微動ステージ２１はあらかじめ、最
も下降した位置で待機している。微細触針１からの接触
信号は信号線１５を介して圧電素子コントローラ１０に
伝達されるが、この際、第一の実施形態とは異なり、微
動ステージ２１および微細触針１の位置を制御して、接
触と非接触の中間、つまり、両者の状態が交互に発生す
るようにする。つまり、接触状態になれば微細触針１を
わずかに引き上げ（たとえば０．１μｍ）、非接触状態
になれば微細触針１をわずかに引き下げる。この結果、
接触発生後のＺステージのオーバートラベルに対して、
微細触針１は付かず離れずの状態で測定対象６に追従す
る。さらに、Ｚステージが動きを反転し退避動作に入っ
た際は、触針１は再び測定対象６に追従しながら、微動
ステージ２１の変位限界である最下位置で停止する。こ
れは、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。The fine movement stage 21 is waiting at the most lowered position in advance. The contact signal from the fine stylus 1 is transmitted to the piezoelectric element controller 10 via the signal line 15. At this time, unlike the first embodiment, the position of the fine movement stage 21 and the fine stylus 1 is controlled. Thus, the state between contact and non-contact, that is, both states are alternately generated. In other words, the fine stylus 1 is slightly pulled up (for example, 0.1 μm) in the contact state, and slightly lowered in the non-contact state. As a result,
For overtravel of Z stage after contact occurs,
The fine stylus 1 follows the measurement target 6 in a state where it is not attached and does not separate. Further, when the Z stage reverses its movement and enters the evacuation operation, the stylus 1 stops at the lowest position, which is the displacement limit of the fine movement stage 21, while following the measurement target 6 again. This means that the stylus 1 has compliance with the control force against the pushing in the Z direction, and means that buckling does not occur even when the pushing in the Z direction.

【００４６】また、第一の実施形態に対する優位性とし
て、接触・Ｚステージ退避後にリセット動作が必要ない
ことが挙げられる。つまり、第一の実施形態では、縮ん
だ圧電素子７を再び伸ばした状態にリセットするコマン
ドを圧電素子コントローラ１０に出す必要があるのに対
し、第２の実施の形態では、Ｚステージ退避動作後に自
動で微動ステージ２１が最下位置まで回復する。An advantage over the first embodiment is that a reset operation is not required after the contact / Z stage retreat. That is, in the first embodiment, it is necessary to issue a command to reset the contracted piezoelectric element 7 to the expanded state again to the piezoelectric element controller 10, whereas in the second embodiment, after the Z stage retreat operation, The fine movement stage 21 automatically recovers to the lowermost position.

【００４７】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、触針ホルダ２内に格納するアクチュ
エータをＸＹＺ３軸方向に変位可能なものとすること
で、微細触針１にＸＹＺ３軸の制御的コンプライアンス
を与えることができる。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。By the above mechanism, the fine stylus 1 is
Is compliant in all directions, and breakage can be prevented. Further, by extending this embodiment to make the actuator stored in the stylus holder 2 displaceable in the XYZ three-axis directions, it is possible to provide the micro stylus 1 with XYZ three-axis controllable compliance. The three-axis piezoelectric actuator
For example, since it is commercialized by PI Polytech, it can be easily configured.

【００４８】ＸＹＺ３軸の制御的コンプライアンスのメ
リットとして、あらかじめメインＣＰＵ９より指示され
る微細触針１と測定対象６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６の表面位置
のずれを吸収することができる。The merit of the XYZ three-axis control compliance is that the fine stylus 1 is moved within the displacement range of the actuator when the contact is detected from the positional relationship between the fine stylus 1 and the measuring object 6 previously specified by the main CPU 9. You can escape freely. As a result, the measuring device and the fine stylus 1 with extremely large overtravel in all directions
In addition to the above, it is possible to prevent breakage in the case of combining and to absorb a deviation between the movement planning trajectory of the fine stylus 1 and the surface position of the measurement target 6 in the case of scanning measurement.

【００４９】[0049]

【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
の押し込みを触針ホルダ内に内蔵したアクチュエータに
よりキャンセルすることができる。As described above, according to the present invention, when a fine stylus having a cantilever structure comes into contact with an object to be measured, the stylus tip of the stylus due to the fact that the stage of the measuring device cannot be suddenly stopped is used. The axial push that easily leads to breakage of the fine stylus can be canceled by the actuator built in the stylus holder.

【００５０】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。According to this configuration, when the tip of the fine stylus is pushed in the horizontal direction, the beam structure is prevented from being broken by bending, and when pushed in the axial direction, the damage can be prevented by controlling the actuator. The advantageous effect that stable contact detection can be realized is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の一実施の形態による微細触針付き微細
形状測定装置の構成概略図FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fine shape measuring apparatus with a fine stylus according to an embodiment of the present invention.

【図２】本発明の一実施の形態による触針ホルダに内蔵
された圧電素子を示す構成概略図FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a piezoelectric element built in a stylus holder according to an embodiment of the present invention.

【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FIG. 3 is a control block diagram of the fine shape measuring apparatus according to one embodiment of the present invention;

【図４】本発明の一実施の形態による使用される触針ホ
ルダの構成概略図FIG. 4 is a schematic structural diagram of a stylus holder used according to an embodiment of the present invention.

【図５】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図FIG. 5 is a schematic diagram of a configuration of a conventional fine surface shape measuring apparatus.

【図６】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FIG. 6 is a principle diagram showing a state of a contact signal and a duty ratio by a conventional device.

【図７】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FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a position of a measurement target surface and a duty cycle by a conventional device.

【図８】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional fine surface shape measuring apparatus.

【図９】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FIG. 9 is a schematic diagram showing the shape of a stylus used in the fine surface shape measuring device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 微細触針 ２ 触針ホルダ ３ Ｚステージ ４ ＸＹステージ ５ ベース ６ 測定対象 ７ 積層圧電素子 ８ ＮＣコントローラ ９ メインＣＰＵ １０ 圧電素子コントローラ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fine stylus 2 Stylus holder 3 Z stage 4 XY stage 5 Base 6 Measurement object 7 Multilayer piezoelectric element 8 NC controller 9 Main CPU 10 Piezoelectric element controller

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、微細触針の軸方向に変位が可能なアクチュエー
タを微細触針のホルダ内に有することにより、微細触針
が接触時に破損することを防止することを特徴とする破
損防止機構。1. A fine shape measuring device for measuring a fine shape by relatively moving a fine stylus having a cantilever structure and a measuring object having a fine shape and detecting a contact between the two. A damage prevention mechanism characterized in that an actuator capable of being displaced in the axial direction is provided in a holder for a fine stylus, thereby preventing the fine stylus from being damaged at the time of contact. 【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記載の破損防止機構。2. The damage prevention mechanism according to claim 1, wherein the actuator comprises a piezoelectric element. 【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
破損防止機構。3. The damage prevention mechanism according to claim 1, wherein the actuator comprises a piezoelectric element and a displacement magnifying mechanism. 【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記載の破損防止
機構。4. The damage prevention mechanism according to claim 1, wherein said actuator has a displacement sensor for monitoring displacement. 【請求項５】 微細触針が接触を検知すると同時に、ア
クチュエータを予め決められた変位量だけ縮めることを
特徴とする請求項１記載の破損防止機構の制御方法。5. The control method for a damage prevention mechanism according to claim 1, wherein the fine stylus detects the contact and, at the same time, contracts the actuator by a predetermined displacement amount. 【請求項６】 微細触針が接触を検知すると同時に、ア
クチュエータにフィードバック制御をかけ、上記微細触
針と測定対象との接触状態が接触と非接触の中間状態に
なるように制御することを特徴とする請求項１記載の破
損防止機構の制御方法。6. The micro stylus detects contact and, at the same time, performs feedback control on the actuator to control the state of contact between the fine stylus and the object to be measured to be an intermediate state between contact and non-contact. The method for controlling a damage prevention mechanism according to claim 1. 【請求項７】 微細触針と測定対象の相対移動速度ベク
トルが、上記微細触針の軸方向に速度成分をある一定量
もつ時のみ、上記破損防止機構の制御を行い、それ以外
の時は上記破損機構の制御を行わないことを特徴とする
請求項１記載の破損防止機構の制御方法。7. The break prevention mechanism is controlled only when the relative movement speed vector between the fine stylus and the object to be measured has a certain amount of speed component in the axial direction of the fine stylus. 2. The control method for a damage prevention mechanism according to claim 1, wherein the control of the damage mechanism is not performed.