JP2004053399A - Exciting type contact sensor, and manufacturing method therefor - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify structure to eliminate complicated assembling work, and to reduce a cost thereby. <P>SOLUTION: This exciting type contact sensor 1 is provided with a sensor main body 10, a piezoelectric material film 20, and an electrode film 3. The sensor main body 10 is constituted of a stylus holder 11, a stylus 12 and a contact part 13, and the members are constituted integrally of one sheet of metal member or the like. The structure of the contact sensor 1 is simplified thereby, and the complicated assembling work is eliminated to reduce the cost. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、三次元測定機などによって被測定物の微細な表面形状を測定する場合に用いられる加振型接触センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、精密機械加工または半導体製造分野での研究、開発および生産現場での検査において、被測定物の形状や寸法の測定を行う測定機として、三次元測定機、表面形状測定機や***測定機等が知られている。この場合、被測定物における微細形状の座標検出や位置検出を行うために、これら測定機には、被測定物との接触を検出する加振型接触センサが用いられる。
【０００３】
例えば、特開２００２−３９７３７号には、***測定機に用いられる加振型接触センサが開示されている。図８は、この加振型接触センサの概略構成を示す図である。図８において、１は加振型接触センサであり、この加振型接触センサ１は、スタイラスホルダ１１と、スタイラス１２と、圧電素子４０とを備えて構成されている。
【０００４】
スタイラスホルダ１１は、図示しない三次元測定機等の移動軸に取り付けるための固定部１１Ａと、この固定部１１Ａから平行に延びた一対の腕部１１Ｂと、これら腕部１１Ｂと略直交して一対の腕部１１Ｂの先端側を結合する結合部１１Ｃとを備えている。この結合部１１Ｃには、長手方向に沿って長孔１１Ｅが形成され、これにより、長孔１１Ｅの外周付近に細い棒状の平行な一対の圧電素子支持部１４が形成される。また、これら圧電素子支持部１４には、スタイラス１２の軸方向へ沿う溝部１４Ａが切り欠いて形成されている。
【０００５】
スタイラス１２は、略柱状に形成され、その先端側には被測定物と接触する接触部１３が設けられている。この接触部１３としては、ガラス球が接着等の手段によりスタイラス１２の先端に固定されたものである。
圧電素子４０は、バルク状に形成され、スタイラス１２を軸方向に共振状態で加振するとともに、接触部１３と被測定物との接触に際して生じるスタイラス１２の共振状態の変化を検出する。このため、一方の端面には、加振用電極３１と検出用電極３２とが分割して形成されている。
【０００６】
以上のような加振型接触センサ１を製造する際には、スタイラス１２の先端に接触部１３としてのガラス球を接着固定する。そして、スタイラスホルダ１１の圧電素子支持部１４に形成された溝部１４Ａに沿うように、スタイラス１２を接着固定し、さらに、この溝部１４Ａを跨いだ状態で圧電素子４０を圧電素子支持部１４に接着固定する。
このため、この加振型接触センサ１は、外乱振動に対して頑強であり、微弱な接触によるスタイラス１２の共振状態の変化を検出し、高感度の検出が可能となる。
【０００７】
また、特開２０００−６５７１６号には、微細形状測定機に用いられる加振型接触センサが開示されている。図９は、この加振型接触センサの概略構成を示す図である。図９に示すように、加振型接触センサ１では、スタイラスホルダ１１とスタイラス１２とは、チタンからなる一枚の板状体から一体的に構成される。また、スタイラス１２の先端部分には、被測定物と接触する接触部１３としてのダイヤモンドチップが接着固定されている。
【０００８】
そして、このスタイラス１２の表裏面の一部に水熱合成法により圧電素子である圧電材料膜２０を形成するとともに、この圧電材料膜２０上に加振用電極３１および検出用電極（図示省略）を設けている。このため、図８で説明した加振型接触センサ１と比較して、バルク状の圧電素子４０を用いずに、水熱合成法により圧電材料膜２０を一括して作成できるので、安価に製造することが可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８に示す加振型接触センサでは、スタイラスホルダ、スタイラス、および、接触部が別体で構成されており、これら部材を一体化するために複数の接着部分が必要となる。このため、加振型接触センサを製造する際に、組み立てが困難となり、低廉化を図ることが出来ない、という問題がある。
【００１０】
また、図９に示す加振型接触センサでは、スタイラスホルダとスタイラスとが一体に構成され、さらに圧電素子であるＰＺＴ膜を水熱合成法により複数の加振型接触センサに対して一括して作成できるので、この点では安価に製造することが可能となる。しかしながら、人手によりスタイラスの先端部分に接触部としてのダイヤモンドチップを接着固定しているため、煩雑な作業が生じ、低廉化が困難となる、という問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、構造を簡素化して煩雑な組立て作業を省略し、低廉化を図ることが出来る加振型接触センサを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに略中央部で支持され、軸方向に略対称構造をなす略柱状のスタイラスと、前記スタイラスの先端部に設けられ被測定物と接触する接触部と、このスタイラスを前記支持点近傍を振動の節として、軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部および前記被測定物の接触に際して生ずる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出するための検出手段とを備えた加振型接触センタにおいて、前記スタイラスホルダ、前記スタイラス、および、前記接触部が一体で構成していることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明によれば、スタイラスホルダ、スタイラス、および、接触部が一体で構成されているので、スタイラスホルダ、スタイラス、および、接触部の組立て作業が不要となる。したがって、加振型接触センサの構造が簡素化し、製造する際に、煩雑な組立て作業を省略し、安価に製造することが可能となる。
また、スタイラスホルダおよびスタイラスが一体に構成され、振動の節において、スタイラスがスタイラスホルダに支持される構造となっているので、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性および検出感度が向上する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の加振型接触センサにおいて、前記接触部は、先端が前記スタイラスの軸方向に先鋭化されていることを特徴とする。
このような構成では、接触部の先端部がスタイラスの軸方向に先鋭化されているので、スタイラスとは別体として針状の部材を設ける必要がなく、煩雑な組立て作業を省略し、さらなる製造コストの削減を図れる。また、種々の測定機に対応して、高分解能測定を実現できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の加振型接触センサにおいて、前記接触部は、先端がダイヤモンド薄膜で被覆されていることを特徴とする。
このような構成では、接触部の先端部がダイヤモンド薄膜で被覆されているので、接触部の先端部は、高硬度になり、例えば、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等による表面形状の測定に用いる場合に、接触部と被測定物との間での磨耗を回避できる。したがって、スタイラスの劣化を防止し、加振型接触センサの長寿命化を促進する。接触部が先鋭化されている場合に、特に接触部の強度補強に有効である。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに略中央部で支持され、軸方向に略対称構造をなす略柱状のスタイラスと、前記スタイラスの先端部に設けられ被測定物と接触する接触部と、前記スタイラスを前記支持点近傍を振動の節として、軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部および前記被測定物の接触に際して生ずる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出するための検出手段とを備えた加振型接触センサの製造方法において、１枚の金属部材から、前記スタイラスホルダ、前記スタイラス、および、前記接触部を一体加工し、前記接触部の先端を先鋭化加工し、前記スタイラスの表面に圧電材料膜および電極膜を積層して前記加振手段および前記検出手段を形成することを特徴とするものである。
本発明によれば、人手による煩雑な組立て作業が省略されるので、加振型接触センサの量産化が可能となり、低廉化を図ることが出来る。
特に微小な接触部が一体化できて、人手を介する必要がないことから、接触部の形状制度の高いセンサが容易に製造できる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の加振型接触センサの製造方法において、前記先鋭化加工は、エッチング処理により実施することを特徴とする。
本発明によれば、簡素な構造を有する装置で、接触部の先端部分の先鋭化加工を容易に実施できる。また、複数の部材に対して一括大量に先鋭化加工を実施することができるので、接触部形状ばらつきの少ない高品位センサが製造可能となり、且つ、低廉化を図ることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の加振型接触センサの製造方法において、前記接触部の先端にダイヤモンド薄膜を被覆することを特徴とする。
本発明によれば、接触部の先端にダイヤモンド薄膜を被覆するので、請求項３と同様の作用効果を享受する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る加振型接触センサの概略構成図である。
図１において、１は加振型接触センサであり、この加振型接触センサ１は、センサ本体１０と、圧電材料膜２０と、電極膜３０とを備えて構成されている。
【００２０】
センサ本体１０は、１枚のステンレス等の金属からなる板状体で構成される。このセンサ本体１０は、スタイラスホルダ１１と、スタイラス１２と、接触部１３とを備えている。
スタイラスホルダ１１は、図示しない微細形状測定機等の移動軸に取り付けるための固定部１１Ａと、この固定部１１Ａから平行に延びた一対の腕部１１Ｂと、これら腕部１１Ｂと略直交して一対の腕部１１Ｂの先端側を結合する結合部１１Ｃとを備えている。この結合部１１Ｃには、腕部１１Ｂと略直交して、平行に延びる一対のスタイラス支持部１１Ｄが形成されている。そして、この一対のスタイラス支持部１１Ｄでスタイラス１２が支持される構成となっている。
【００２１】
スタイラス１２は、断面略四角柱状に形成され、略中央部において、スタイラス支持部１１Ｄにより支持されている。このスタイラス１２は、電極膜３０から適当な周波数の電圧が印加されることにより、軸方向に共振周波数で共振振動する。この共振振動は、スタイラス１２の軸方向の略中央部分を節とし、両端を腹とするモードの振動である。すなわち、共振振動の節は、スタイラス支持部１１Ｄによる支持点の近傍に位置する。なお、このスタイラス１２の基端部１２Ａには、必要に応じて図示しないカウンタバランスが設けられる。このカウンタバランスは、振動の節が略中央部から外れないように機能するものであり、予めシミュレーション等により、スタイラス１２の長さが調整されていれば、基端部１２Ａにカウンタバランスを設ける必要はない。
【００２２】
接触部１３は、スタイラス１２の先端部１２Ｂに形成され、被測定物と接触する部分である。この接触部１３は、スタイラス１２の軸方向に先鋭化し、さらに、ダイヤモンド薄膜が被覆されている。このような構成により、例えば、ＡＦＭ等の微細形状測定機に用いた場合に、高分解能測定を実現するとともに、接触部１３の硬度を高め、磨耗や欠損などによる加振型接触センサ１の劣化を防止することが可能となる。
【００２３】
以上のようなセンサ本体１０の構成において、スタイラスホルダ１１とスタイラス１２とは、共振振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされている。このため、外乱振動に対する安定性が向上する。
【００２４】
圧電材料膜２０は、例えば、酸化亜鉛、または、ＰＺＴ膜等を採用することができる。この圧電材料膜２０は、スタイラス１２の略中央部分に形成され、電極膜３０から印加される電圧に応じて歪むものである。
【００２５】
電極膜３０は、図示しない加振回路または検出回路等と電気信号（電圧）を授受するものである。具体的に、この電極膜３０は、金蒸着等により形成されるものであり、圧電材料膜２０の上面に形成される加振用電極３１および検出用電極３２と、加振型接触センサ１を接地電位とするアース電極３３と、図示しない加振回路と検出回路、加振用電極３１と検出用電極３２のそれぞれを電気的に接続して中継する中継用電極３４とを備えて構成されている。
【００２６】
加振用電極３１は、外部の加振回路により出力され、中継用電極３４にて中継された所定の周波数の電圧をスタイラス１２との間に印加し、圧電材料膜２０に電界を作用させて歪ませる。また、検出用電極３２は、スタイラス１２との間にある圧電材料膜２０に生じる電圧の変化を検出し、中継用電極３４を介して、外部の検出回路に検出信号を出力する。
【００２７】
アース電極３３は、スタイラスホルダ１１の固定部１１Ａ上に形成され、センサ本体１０を通して圧電材料膜２０の裏面と電気的に接続している。また、このアース電極３３は、図示しない微細形状測定機等の移動軸にスタイラスホルダ１１の固定部１１Ａが取り付けられた際に、外部の接地電位と接続し、センサ本体１０の電位を外部の接地電位と同電位とする。このため、加振用電極３１、検出用電極３２、および、中継用電極３４のシールド効果を高め、外部からの電磁輻射によるこれら電極への影響を回避し、外部の加振回路および検出回路との電気信号（電圧）の授受を安定に実施できる。なお、このアース電極３３と外部の接地電位とをリード線等で接続するように構成してもよい。
【００２８】
中継用電極３４は、スタイラスホルダ１１の上面に形成され、加振回路と加振用電極３１とを中継する加振用中継配線３４Ａと、検出回路と検出用電極３２とを中継する検出用中継配線３４Ｂとを備えている。このため、スタイラスホルダ１１の一部を絶縁処理し、加振用中継配線３４Ａと検出用中継配線３４Ｂとが電気的に導通しないように構成している。
【００２９】
この中継用電極３４は、図示しない微細形状測定機等の移動軸にスタイラスホルダ１１の固定部１１Ａが取り付けられた際に、外部の加振回路および検出回路と電気的に接続するように構成している。そして、これら外部の加振回路および検出回路と電気信号（電圧）の授受を行い、スタイラスホルダ１１の一方の腕部１１Ｂに沿って結合部１１Ｃまで延びるように中継する。
【００３０】
なお、この中継用電極３４と外部の加振回路および検出回路とをリード線等で接続するように構成してもよい。また、この中継用電極３４は、図１に示すような構成に限らない。例えば、加振用中継配線３４Ａおよび検出用中継配線３４Ｂとをスタイラスホルダ１１のそれぞれの腕部１１Ｂに沿って別々に配線してもよく、その他の配線によって構成してもよい。
【００３１】
また、上述した加振用電極３１および検出用電極３２と中継用電極３４とは、それぞれ金線により電気的に接続している。
なお、本発明に係る加振手段は、上述した加振用電極３１と圧電材料膜２０とに相当し、本発明に係る検出手段は、上述した検出用電極３２と圧電材料膜２０とに相当する。
【００３２】
以上のような構成において、外部の加振回路から所定周波数の電圧が出力されると、中継用電極３４を介して、加振用電極３１からこの所定周波数の電圧がスタイラス１２との間に印加される。そして、スタイラス１２が軸方向に共振周波数で共振振動する。このスタイラス１２の振動は、直接、圧電材料膜２０に伝播し、この圧電材料膜２０もスタイラス１２と同周波数で振動する。この振動状態は、検出用電極３２にて検出し、検出信号を中継用電極３４を介して外部の検出回路に出力することで振動状態の変化を検出可能となっている。
【００３３】
次に、本発明に係る加振型接触センサ１を製造する方法について、図２ないし５を参照して説明する。
図２は、本発明に係る加振型接触センサ１の製造方法を説明するフローチャートである。
【００３４】
先ず、１枚のステンレス等の金属の板材から、図３に示すように、センサ本体１０の形状加工を実施する（ステップＳ１）。このような形状加工は、エッチング、または、ワイヤカット等の放電加工により実施できる。この際、スタイラス１２は、軸方向に略対称構造となり、かつ、その略中央部分がスタイラス支持部１１Ｄにより支持されるように加工する。ここで、板材の厚さは、０．０５〜０．３ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３５】
ステップＳ１の後、スタイラス１２の先端部１２Ｂ（図３）の先鋭化を実施する（ステップＳ２）。例えば、このスタイラス１２の先端部１２Ｂの先鋭化を実施する一例として、特開２０００−３５３９５号にプローブの先鋭化方法が開示されている。図４は、本発明に係る加振型接触センサ１をこの先鋭化方法に適用した具体例を示す図である。
【００３６】
図４において、１００は、先鋭化装置であり、この先鋭化装置１００は、ステンレス等の金属に対するエッチング液１１１および非エッチング液１１２を含む容器１１０と、装置全体を支持する支持具１２０と、容器１１０の液面に対して垂直方向に移動可能である粗動機構１３０と、この粗動機構１３０に固定され、容器１１０の液面に対して垂直方向に微動する微動機構１４０と、この微動機構１４０に固定され、センサ本体１０を固定する固定具１５０とを備えて構成されている。
ここで、非エッチング液１１２は、エッチング液１１１よりも比重が小さく、エッチング液１１１とは混合しない。このため、エッチング液１１１および非エッチング液１１２の少なくとも２液層となる。
【００３７】
この先鋭化装置１００を用いて、スタイラス１２の先端部１２Ｂの先鋭化をする際、センサ本体１０をスタイラス１２が下方に位置し、スタイラス１２の先端部１２Ｂが液面に対して垂直になるように固定具１５０に固定する。そして、粗動機構１３０を移動することで、スタイラス１２の先端部１２Ｂを容器１１０内に浸漬する。ここで、エッチング液１１１に浸漬したスタイラス１２の先端部１２Ｂは、エッチングが進行する。そして、このエッチングの進行に伴って、エッチング液１１１と非エッチング液１１２の界面におけるメニスカスが移動することで、先端部１２Ｂがスタイラス１２の軸方向に先鋭化される。また、微動機構１４０によって、センサ本体１０をエッチング中に微動することで、先端部１２Ｂのテーパ形状を任意に形成することができる。
【００３８】
ステップＳ２において、スタイラス１２の先端部１２Ｂを先鋭化した後、この先端部１２Ｂにダイヤモンド薄膜を被覆する（ステップＳ３）。例えば、ダイヤモンド薄膜の被覆を実施する一例として、特開平３−６５５９４号に有機溶液からダイヤモンド薄膜を合成する方法が開示されている。
【００３９】
すなわち、有機溶剤として、エタノール、アセトン、ベンゼン、トリクロロエチレン、または、酢酸メチール等を用いる。そして、この有機溶剤内にスタイラス１２の先端部１２Ｂを浸漬する。ここで、有機溶剤をその沸点近くまで加熱し、スタイラス１２に負の高電圧を加えるとともに、スタイラス１２に単位体積当たりｍＡ／ｃｍ２程度の電流を流して、ダイヤモンド薄膜を先端部１２Ｂに形成する。
以上のステップＳ２およびＳ３において、スタイラス１２の先端部１２Ｂにおける先鋭化およびダイヤモンド薄膜の被覆を実施することにより、接触部１３が形成されることになる。
【００４０】
ステップＳ３の後、スタイラス１２の略中央部分に圧電材料膜２０を形成する（ステップＳ４）。ここでは、圧電材料膜２０の形成方法の一例として、ゾルゲル法を説明する。
【００４１】
図５は、圧電材料膜２０の形成方法を説明する図である。
先ず、図５（Ａ）に示すように、特定の形状のパターンが施された撥水性のマスク２００をセンサ本体１０の上面に載置する。この際、マスク２００のパターンが、センサ本体１０におけるスタイラス１２の略中央部分に位置するように載置する。そして、このマスク２００の上方から、圧電材料のゲル膜２０Ａを載置する。
【００４２】
この後、図５（Ｂ）に示すように、ゲル膜２０Ａを室温で乾燥させて圧電材料膜２０とする。そして、図５（Ｃ）に示すように、マスク２００をセンサ本体１０から除去すると、マスク２００のパターンと同一形状の圧電材料膜２０がスタイラス１２の略中央部分に形成される。
【００４３】
ステップＳ４の後、センサ本体１０上に電極膜３０を形成する（ステップＳ５）。具体的に、抵抗加熱真空蒸着法、電子ビーム真空蒸着法、スパッタリング法等の成膜法により、ステップＳ４において、スタイラス１２の略中心部分に形成された圧電材料膜２０上に、金蒸着を実施して加振用電極３１および検出用電極３２を形成する。
【００４４】
また、スタイラスホルダ１１の固定部１１Ａ、腕部１１Ｂ、および、結合部１１Ｃの所定位置に酸化処理等の絶縁処理を施した後、加振用電極３１および検出用電極３２と同様な手法により、スタイラスホルダ１１の固定部１１Ａ、腕部１１Ｂ、および、結合部１１Ｃにわたって、中継用電極３４を形成する。この中継用電極３４としては、外部の加振回路と加振用電極３１、外部の検出回路と検出回路を中継するために、加振用電極３１および検出用電極３２に対応して、加振用中継配線３４Ａおよび検出用中継配線３４Ｂをそれぞれ形成する。
【００４５】
さらに、スタイラスホルダ１１の固定部１１Ａに、上記と同様な手法により、アース電極３３を形成する。
但し、この場合は、絶縁処理を施さず、アース電極３３が固定部１１Ａと導通するように形成する。
以上の加振用電極３１、検出用電極３２、中継用電極３４、および、アース電極３３は、同一手法を用いて形成することができるため、順序をおって形成することなく、一度の処理で形成することができる。
【００４６】
最後に、ステップＳ５において形成された加振用電極３１と加振用中継配線３４Ａ、検出用電極３２と検出用中継配線３４Ｂをそれぞれ金線３５で接続する、いわゆるワイヤボンディングを実施する（ステップＳ６）。
以上のような工程により、加振型接触センサ１が製造される。
【００４７】
上述のような本実施形態によれば、次のような効果がある。
（１）加振型接触センサ１のセンサ本体１０は、１枚のステンレス等の金属からなる板状体で構成され、このセンサ本体１０は、スタイラスホルダ１１、スタイラス１２、および、接触部１３を備えていることにより、加振型接触センサ１の構造が簡素化し、製造する際に、これら各部材を組み立てる煩雑な作業を省略し、安価に精度良く製造することができる。
【００４８】
（２）加振型接触センサ１では、圧電素子として圧電材料膜２０が形成されていることにより、加振型接触センサ１の小型化を促進する。また、この圧電材料膜２０の形成方法では、多数の加振型接触センサ１に一括大量に形成することができるので、加振型接触センサ１をさらに安価に品質ばらつき少なく製造することができる。
【００４９】
（３）スタイラスホルダ１１およびスタイラス１２が一体に構成し、振動の節において、スタイラス１２がスタイラスホルダ１１のスタイラス支持部１１Ｄに支持される構造となっていることにより、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性および検出感度を向上させることができる。
【００５０】
（４）接触部１３の先端部分がスタイラス１２の軸方向に先鋭化されているので、スタイラス１２と別体として針状の部材を設ける必要がなく、不要な部材を省略することで、煩雑な組立て作業を省略し、さらに、加振型接触センサ１を安価に精度良く製造することができる。
【００５１】
（５）接触部１３は、先端がダイヤモンド薄膜で被覆されていることにより、接触部１３の先鋭化された先端部の強度を補強することができる。したがって、例えば、ＡＦＭ等による表面形状の測定に用いる場合でも、接触部１３と被測定物との間での磨耗や欠損を回避することができる。このことにより、スタイラス１２の劣化を防止し、加振型接触センサ１の長寿命化を図ることができる。
【００５２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態における加振型接触センサ１の製造方法において、スタイラス１２の先端部分の先鋭化は、エッチングによる形成方法を説明したが、これに限らない。すなわち、機械加工、放電加工、または、その他の加工方法によりスタイラス１２の先端部分の先鋭化を実現してもよい。
【００５３】
また、スタイラス１２の先端部分におけるダイヤモンド薄膜の形成を、有機溶剤を用いた液相により形成する方法を説明したが、これに限らない。例えば、特開平５−３３０９８６号に開示されるマイクロ波によって生成されるプラズマを利用したスパッタリング法を採用できる。また、ダイヤモンド薄膜の製造方法として一般的に実施される熱フィラメントを用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、あるいは、マイクロ波プラズマを利用したＣＶＤ法等も採用できる。
【００５４】
また、ゾルゲル法による圧電材料膜２０の形成方法を説明したが、これに限らない。例えば、スクリーン印刷法、または、水熱合成法を採用できる。また、０．１μｍ程度のセラミック微粒子をエアロゾル化して、ノズルから高速のジェットとして吹き付けて成膜するガスデポジション法も採用できる。
【００５５】
前記実施形態では、加振用電極３１および検出用電極３２と中継用電極３４とをワイヤボンディングで接続する構成を説明したが、これに限らない。例えば、この電極膜３０をスタイラス支持部１１Ｄ上にも形成するように構成することで、ワイヤボンディングは不要となる。しかしながら、この場合、電極膜３０の形成を実施しやすくするためにスタイラス支持部１１Ｄの幅を広くすると、スタイラス１２の共振振動を拘束するおそれがある。
【００５６】
前記実施形態では、センサ本体１０は、ステンレス等の金属からなる板状体とする構成を説明したが、これに限らない。例えば、シリコン材料を基板としてもよい。この場合、純粋のシリコンは導電性が悪いので、表面導電性を向上する処理を施せばよい。
【００５７】
前記実施形態では、スタイラス１２の中央部分をスタイラスホルダ１１の結合部１１Ｃから延びる４つのスタイラス支持部１１Ｄで支持する構成を説明したが、これに限らない。例えば、図６に示すように、スタイラスホルダ１１の結合部１１Ｃから延びるにしたがって、幅が細くなる２つのスタイラス支持部１１Ｄで支持するように構成してもよい。
【００５８】
また、センサ本体１０を軸対称に構成せずに、図７に示すように、固定部１１Ａの一方の端部からのみ腕部１１Ｂを延ばした片持ち梁構造としてもよい。
具体的に、図７（Ａ）では、この腕部１１Ｂの先端側に位置する結合部１１Ｃから腕部１１Ｂと略直交する平行な一対のスタイラス支持部１１Ｄによりスタイラス１２を支持している。
【００５９】
また、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）を変形したものであり、結合部１１Ｃから腕部１１Ｂに略直交して延びるにしたがって、幅が細くなるスタイラス支持部１１Ｄによりスタイラス１２を支持している。
さらに、図７（Ｃ）は、図７（Ｂ）を変形したものであり、スタイラスホルダ１１によるスタイラス１２の支持を安定にするために、スタイラス１２の略中央部分の幅を広く形成し、この略中央部分とスタイラスホルダ１１とを接続している。
【００６０】
前記実施形態では、接触部１３は、先鋭化され、一様に断面積が小さくなる形状を説明したが、これに限らない。用いられる測定機の測定対象に応じて、この接触部１３のテーパ形状を任意に形成してもよい。このようにすることで、接触部１３と被測定物とが接触した際のスタイラス１２の振動の変化がより顕著となり、接触部１３と被測定物との接触をより高感度に検出できる。
さらに、接触部１３を先鋭化せず、例えば、図１０に示されるような、先端部が球状１３Ａ，１３Ｂ、その他の形状１３Ｃ、あるいは、スタイラス１２に対して片側突起１３Ｄを備える形状であっても良い。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、加振型接触センサの構造を簡素化して煩雑な組立て作業を省略し、低廉化を図ることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加振型接触センサの概要構成図である。
【図２】本発明に係る加振型接触センサの製造方法を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る加振型接触センサの製造方法を説明する図である。
【図４】本発明に係る加振型接触センサの製造方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る加振型接触センサの製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の変形例を示す拡大斜視図である。
【図７】本発明の変形例を示す拡大斜視図である。
【図８】従来例を示す図である。
【図９】従来例を示す図である。
【図１０】従来の接触部形状を示す図である。
【符号の説明】
１　加振型接触センサ
１１　スタイラスホルダ
１２　スタイラス
１３　接触部
３１　加振用電極（加振手段）
３２　検出用電極（検出手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibration-type contact sensor used for measuring a fine surface shape of an object to be measured by, for example, a coordinate measuring machine.
[0002]
[Background Art]
Conventionally, as a measuring machine that measures the shape and dimensions of the measured object in research, development and inspection at the production site in precision machining or semiconductor manufacturing field, it has been used as a three-dimensional measuring device, surface shape measuring device, small hole measuring device Machines and the like are known. In this case, in order to perform coordinate detection and position detection of the minute shape on the object to be measured, a vibratory contact sensor that detects contact with the object to be measured is used in these measuring machines.
[0003]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-39737 discloses a vibration-type contact sensor used for a small hole measuring machine. FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the vibration-type contact sensor. In FIG. 8, reference numeral 1 denotes a vibration-type contact sensor, and the vibration-type contact sensor 1 includes a stylus holder 11, a stylus 12, and a piezoelectric element 40.
[0004]
The stylus holder 11 has a fixing portion 11A for attaching to a moving shaft of a coordinate measuring machine (not shown), a pair of arms 11B extending in parallel from the fixing portion 11A, and a pair of arms 11B substantially orthogonal to the arms 11B. And a coupling portion 11C for coupling the distal end side of the arm portion 11B. A long hole 11E is formed in the coupling portion 11C along the longitudinal direction, and thereby a pair of thin rod-shaped parallel piezoelectric element supporting portions 14 are formed near the outer periphery of the long hole 11E. The piezoelectric element supporting portions 14 are formed by cutting out grooves 14A along the axial direction of the stylus 12.
[0005]
The stylus 12 is formed in a substantially columnar shape, and has a contact portion 13 provided at the tip end thereof for contacting the object to be measured. As the contact portion 13, a glass ball is fixed to the tip of the stylus 12 by means such as bonding.
The piezoelectric element 40 is formed in a bulk shape, vibrates the stylus 12 in a resonance state in the axial direction, and detects a change in the resonance state of the stylus 12 caused when the contact portion 13 contacts the device under test. For this reason, the excitation electrode 31 and the detection electrode 32 are formed separately on one end surface.
[0006]
When manufacturing the vibration-type contact sensor 1 as described above, a glass ball as the contact portion 13 is bonded and fixed to the tip of the stylus 12. Then, the stylus 12 is bonded and fixed along the groove 14A formed in the piezoelectric element support portion 14 of the stylus holder 11, and the piezoelectric element 40 is bonded to the piezoelectric element support portion 14 while straddling the groove 14A. Fix it.
For this reason, the vibration-type contact sensor 1 is robust against disturbance vibration, detects a change in the resonance state of the stylus 12 due to a weak contact, and enables highly sensitive detection.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-65716 discloses a vibration-type contact sensor used in a fine shape measuring instrument. FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the vibration-type contact sensor. As shown in FIG. 9, in the vibration-type contact sensor 1, the stylus holder 11 and the stylus 12 are integrally formed from a single plate-like body made of titanium. Further, a diamond tip as a contact portion 13 that comes into contact with an object to be measured is bonded and fixed to a tip portion of the stylus 12.
[0008]
Then, a piezoelectric material film 20 as a piezoelectric element is formed on a part of the front and back surfaces of the stylus 12 by a hydrothermal synthesis method, and a vibration electrode 31 and a detection electrode (not shown) are formed on the piezoelectric material film 20. Is provided. Therefore, as compared with the vibration-type contact sensor 1 described with reference to FIG. 8, the piezoelectric material film 20 can be collectively formed by the hydrothermal synthesis method without using the bulk-shaped piezoelectric element 40, so that the manufacturing can be performed at low cost. It is possible to do.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the vibration-type contact sensor shown in FIG. 8, the stylus holder, the stylus, and the contact portion are formed separately, and a plurality of adhesive parts are required to integrate these members. For this reason, when manufacturing a vibration-type contact sensor, there is a problem that assembling becomes difficult and cost reduction cannot be achieved.
[0010]
In the vibration-type contact sensor shown in FIG. 9, the stylus holder and the stylus are integrally formed, and the PZT film, which is a piezoelectric element, is collectively applied to a plurality of vibration-type contact sensors by hydrothermal synthesis. Since it can be made, it can be manufactured at a low cost in this respect. However, since the diamond tip as the contact portion is manually fixed to the tip of the stylus by adhesive, there is a problem that a complicated operation occurs and it is difficult to reduce the cost.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a vibration-type contact sensor capable of simplifying the structure, eliminating complicated assembling work, and reducing the cost.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided a stylus holder, a substantially columnar stylus which is supported by the stylus holder at a substantially central portion and has a substantially symmetrical structure in the axial direction, and an object to be measured provided at a tip end of the stylus. A contact portion to be contacted, vibrating means for causing the stylus to vibrate in a resonance state in the axial direction with the vicinity of the support point as a node of vibration, and a resonance state of the stylus generated at the time of contact between the contact portion and the object to be measured. In a vibratory contact center provided with a detecting means for detecting the contact from a change, the stylus holder, the stylus, and the contact portion are integrally formed.
[0013]
According to the present invention, since the stylus holder, the stylus, and the contact portion are integrally formed, the work of assembling the stylus holder, the stylus, and the contact portion becomes unnecessary. Therefore, the structure of the vibration-type contact sensor is simplified, and a complicated assembling operation can be omitted when manufacturing the sensor, and the sensor can be manufactured at low cost.
Further, since the stylus holder and the stylus are integrally formed and the stylus is supported by the stylus holder at the node of vibration, stability against disturbance vibration is improved, and resonance characteristics and detection sensitivity are improved.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the vibration-type contact sensor according to the first aspect, the tip of the contact portion is sharpened in the axial direction of the stylus.
In such a configuration, since the tip of the contact portion is sharpened in the axial direction of the stylus, there is no need to provide a needle-shaped member as a separate member from the stylus. Cost can be reduced. In addition, high-resolution measurement can be realized corresponding to various measuring instruments.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the vibration-type contact sensor according to the first aspect, the tip of the contact portion is coated with a diamond thin film.
In such a configuration, since the tip of the contact portion is covered with the diamond thin film, the tip of the contact portion has high hardness. For example, when the contact portion is used for measuring a surface shape by AFM (Atomic Force Microscopy) or the like. In addition, wear between the contact portion and the object to be measured can be avoided. Therefore, the stylus is prevented from deteriorating, and the life of the vibrating contact sensor is prolonged. When the contact portion is sharpened, it is particularly effective for reinforcing the strength of the contact portion.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a stylus holder, a substantially columnar stylus which is supported by the stylus holder at a substantially central portion and has a substantially symmetrical structure in an axial direction, and an object to be measured provided at a tip end of the stylus. A contact portion to be contacted, vibrating means for causing the stylus to vibrate in a resonance state in an axial direction with the vicinity of the support point as a node of vibration, and a resonance state of the stylus generated upon contact between the contact portion and the object to be measured. In a method for manufacturing a vibration-type contact sensor including a detection unit for detecting the contact from a change, the stylus holder, the stylus, and the contact portion are integrally formed from one metal member, The tip of the contact portion is sharpened, and a piezoelectric material film and an electrode film are laminated on the surface of the stylus to form the vibration means and the detection means. It is intended to.
According to the present invention, since a complicated assembling operation by hand is omitted, mass production of the vibration-type contact sensor becomes possible, and the cost can be reduced.
Particularly, since a minute contact portion can be integrated and there is no need for manual intervention, a sensor having a high accuracy in the shape of the contact portion can be easily manufactured.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a vibration-type contact sensor according to the fourth aspect, the sharpening is performed by etching.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the sharpening process of the front-end | tip part of a contact part can be easily implemented with the apparatus which has a simple structure. In addition, since sharpening can be performed on a plurality of members at once in a large amount, a high-quality sensor with small variation in the shape of the contact portion can be manufactured, and the cost can be reduced.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention, in the manufacturing method of the vibration-type contact sensor according to the fourth or fifth aspect, a tip of the contact portion is coated with a diamond thin film.
According to the present invention, the distal end of the contact portion is covered with the diamond thin film, so that the same operation and effect as in claim 3 can be obtained.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vibration-type contact sensor according to the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a vibration-type contact sensor, and the vibration-type contact sensor 1 includes a sensor main body 10, a piezoelectric material film 20, and an electrode film 30.
[0020]
The sensor main body 10 is formed of a single plate-shaped body made of metal such as stainless steel. The sensor main body 10 includes a stylus holder 11, a stylus 12, and a contact portion 13.
The stylus holder 11 includes a fixing portion 11A for attaching to a moving shaft of a not-shown fine shape measuring device, a pair of arms 11B extending in parallel from the fixing portion 11A, and a pair of arms 11B substantially orthogonal to the arms 11B. And a coupling portion 11C for coupling the distal end side of the arm portion 11B. A pair of stylus support portions 11D extending substantially parallel to and substantially perpendicular to the arm portions 11B is formed on the coupling portion 11C. The stylus 12 is supported by the pair of stylus supports 11D.
[0021]
The stylus 12 is formed in a substantially quadrangular prism shape in cross section, and is supported by a stylus support 11D at a substantially central portion. The stylus 12 resonates and vibrates in the axial direction at a resonance frequency when a voltage having an appropriate frequency is applied from the electrode film 30. This resonance vibration is a vibration of a mode in which a substantially central portion in the axial direction of the stylus 12 is a node and both ends are antinodes. That is, the node of the resonance vibration is located near the support point of the stylus support portion 11D. The base end 12A of the stylus 12 is provided with a counter balance (not shown) as necessary. This counter balance functions so that the node of vibration does not deviate from the substantially central portion. If the length of the stylus 12 is adjusted in advance by simulation or the like, it is necessary to provide a counter balance at the base end portion 12A. There is no.
[0022]
The contact portion 13 is a portion formed on the distal end portion 12B of the stylus 12 and is in contact with the object to be measured. The contact portion 13 is sharpened in the axial direction of the stylus 12, and is further coated with a diamond thin film. With such a configuration, for example, when used in a fine shape measuring device such as an AFM, high resolution measurement is realized, the hardness of the contact portion 13 is increased, and the deterioration of the vibration-type contact sensor 1 due to abrasion or loss is caused. Can be prevented.
[0023]
In the configuration of the sensor main body 10 as described above, the stylus holder 11 and the stylus 12 have a substantially axially symmetric structure with respect to the plane direction of the plate-like body about the axis of the resonance vibration. Therefore, stability against disturbance vibration is improved.
[0024]
As the piezoelectric material film 20, for example, a zinc oxide film, a PZT film, or the like can be adopted. The piezoelectric material film 20 is formed substantially at the center of the stylus 12 and is distorted according to the voltage applied from the electrode film 30.
[0025]
The electrode film 30 transmits and receives an electric signal (voltage) with a vibration circuit or a detection circuit (not shown). Specifically, the electrode film 30 is formed by gold deposition or the like, and the vibration electrode 31 and the detection electrode 32 formed on the upper surface of the piezoelectric material film 20 and the vibration contact sensor 1 are formed. A ground electrode 33 for setting a ground potential, a vibration circuit and a detection circuit (not shown), and a relay electrode 34 for electrically connecting and relaying each of the vibration electrode 31 and the detection electrode 32 are provided. I have.
[0026]
The excitation electrode 31 applies a voltage of a predetermined frequency, which is output by an external excitation circuit and is relayed by the relay electrode 34, to the stylus 12 to apply an electric field to the piezoelectric material film 20. Distort. Further, the detection electrode 32 detects a change in voltage generated in the piezoelectric material film 20 between the detection electrode 32 and the stylus 12 and outputs a detection signal to an external detection circuit via the relay electrode 34.
[0027]
The ground electrode 33 is formed on the fixing portion 11 </ b> A of the stylus holder 11, and is electrically connected to the back surface of the piezoelectric material film 20 through the sensor main body 10. The ground electrode 33 is connected to an external ground potential when the fixed portion 11A of the stylus holder 11 is attached to a moving shaft of a not-shown fine shape measuring instrument or the like, and connects the potential of the sensor body 10 to the external ground. The potential is the same as the potential. For this reason, the shielding effect of the vibration electrode 31, the detection electrode 32, and the relay electrode 34 is enhanced, the influence of external electromagnetic radiation on these electrodes is avoided, and an external vibration circuit and a detection circuit are provided. The transmission and reception of the electric signal (voltage) can be performed stably. The ground electrode 33 and an external ground potential may be connected by a lead wire or the like.
[0028]
The relay electrode 34 is formed on the upper surface of the stylus holder 11 and relays a vibration relay wiring 34A that relays between the vibration circuit and the vibration electrode 31 and a detection relay that relays the detection circuit and the detection electrode 32. And a wiring 34B. For this reason, a part of the stylus holder 11 is insulated so that the vibration relay wiring 34A and the detection relay wiring 34B are not electrically connected.
[0029]
The relay electrode 34 is configured to be electrically connected to an external vibration circuit and a detection circuit when the fixed portion 11A of the stylus holder 11 is attached to a moving shaft of a not-shown fine shape measuring device or the like. ing. Then, an electric signal (voltage) is transmitted / received to / from the external vibration circuit and the detection circuit, and the signal is relayed so as to extend to the coupling portion 11C along one arm portion 11B of the stylus holder 11.
[0030]
The relay electrode 34 may be connected to an external vibration circuit and a detection circuit by a lead wire or the like. The relay electrode 34 is not limited to the configuration as shown in FIG. For example, the vibration relay wiring 34A and the detection relay wiring 34B may be separately wired along the respective arm portions 11B of the stylus holder 11, or may be constituted by other wirings.
[0031]
Further, the above-described excitation electrode 31 and detection electrode 32 and the relay electrode 34 are electrically connected to each other by gold wires.
The vibration means according to the present invention corresponds to the above-described vibration electrode 31 and the piezoelectric material film 20, and the detection means according to the present invention corresponds to the above-described detection electrode 32 and the piezoelectric material film 20. I do.
[0032]
In the above configuration, when a voltage of a predetermined frequency is output from an external vibration circuit, the voltage of the predetermined frequency is applied from the vibration electrode 31 to the stylus 12 via the relay electrode 34. Is done. Then, the stylus 12 resonates and vibrates at the resonance frequency in the axial direction. The vibration of the stylus 12 propagates directly to the piezoelectric material film 20, and the piezoelectric material film 20 also vibrates at the same frequency as the stylus 12. This vibration state is detected by the detection electrode 32, and a change in the vibration state can be detected by outputting a detection signal to an external detection circuit via the relay electrode 34.
[0033]
Next, a method of manufacturing the vibration-type contact sensor 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the vibration-type contact sensor 1 according to the present invention.
[0034]
First, as shown in FIG. 3, a shape processing of the sensor main body 10 is performed from one metal plate material such as stainless steel (Step S1). Such shape processing can be performed by etching or electric discharge machining such as wire cutting. At this time, the stylus 12 is processed so as to have a substantially symmetrical structure in the axial direction, and a substantially central portion thereof is supported by the stylus support portion 11D. Here, the thickness of the plate material is preferably about 0.05 to 0.3 mm.
[0035]
After step S1, the tip 12B of the stylus 12 (FIG. 3) is sharpened (step S2). For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-35395 discloses a method of sharpening a probe as an example of sharpening the tip portion 12B of the stylus 12. FIG. 4 is a diagram showing a specific example in which the vibration-type contact sensor 1 according to the present invention is applied to this sharpening method.
[0036]
In FIG. 4, reference numeral 100 denotes a sharpening device. The sharpening device 100 includes a container 110 containing an etchant 111 and a non-etchant 112 for a metal such as stainless steel, a support 120 for supporting the entire device, and a container. A coarse movement mechanism 130 movable in a direction perpendicular to the liquid surface of the container 110; a fine movement mechanism 140 fixed to the coarse movement mechanism 130 and finely moving in a direction perpendicular to the liquid surface of the container 110; 140 and a fixture 150 for fixing the sensor body 10.
Here, the non-etching liquid 112 has a lower specific gravity than the etching liquid 111 and does not mix with the etching liquid 111. Therefore, at least two liquid layers of the etching liquid 111 and the non-etching liquid 112 are formed.
[0037]
When sharpening the tip 12B of the stylus 12 using the sharpening device 100, the stylus 12 is positioned below the sensor body 10 so that the tip 12B of the stylus 12 is perpendicular to the liquid surface. To the fixture 150. Then, the distal end portion 12B of the stylus 12 is immersed in the container 110 by moving the coarse movement mechanism 130. Here, the tip portion 12B of the stylus 12 immersed in the etching liquid 111 is etched. Then, as the etching progresses, the meniscus at the interface between the etching liquid 111 and the non-etching liquid 112 moves, so that the tip 12B is sharpened in the axial direction of the stylus 12. Further, by finely moving the sensor body 10 during the etching by the fine movement mechanism 140, the tapered shape of the distal end portion 12B can be arbitrarily formed.
[0038]
In step S2, after the tip 12B of the stylus 12 is sharpened, the tip 12B is coated with a diamond thin film (step S3). For example, as an example of coating a diamond thin film, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-65594 discloses a method of synthesizing a diamond thin film from an organic solution.
[0039]
That is, ethanol, acetone, benzene, trichloroethylene, methyl acetate, or the like is used as the organic solvent. Then, the tip 12B of the stylus 12 is immersed in the organic solvent. Here, the organic solvent is heated to near its boiling point, a negative high voltage is applied to the stylus 12, and a current of about mA / cm 2 per unit volume is applied to the stylus 12 to form a diamond thin film on the tip 12B.
In steps S2 and S3 described above, the contact portion 13 is formed by sharpening the tip portion 12B of the stylus 12 and coating the diamond thin film.
[0040]
After step S3, a piezoelectric material film 20 is formed at a substantially central portion of the stylus 12 (step S4). Here, a sol-gel method will be described as an example of a method for forming the piezoelectric material film 20.
[0041]
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of forming the piezoelectric material film 20.
First, as shown in FIG. 5A, a water-repellent mask 200 on which a pattern having a specific shape is applied is placed on the upper surface of the sensor main body 10. At this time, the mask 200 is placed such that the pattern of the mask 200 is located substantially at the center of the stylus 12 in the sensor body 10. Then, a gel film 20A made of a piezoelectric material is placed from above the mask 200.
[0042]
Thereafter, as shown in FIG. 5B, the gel film 20A is dried at room temperature to form the piezoelectric material film 20. Then, as shown in FIG. 5C, when the mask 200 is removed from the sensor main body 10, a piezoelectric material film 20 having the same shape as the pattern of the mask 200 is formed at a substantially central portion of the stylus 12.
[0043]
After step S4, the electrode film 30 is formed on the sensor main body 10 (step S5). Specifically, in step S4, gold deposition is performed on the piezoelectric material film 20 formed substantially at the center of the stylus 12 by a film forming method such as a resistance heating vacuum deposition method, an electron beam vacuum deposition method, or a sputtering method. Thus, the excitation electrode 31 and the detection electrode 32 are formed.
[0044]
In addition, after performing insulation treatment such as oxidation treatment at predetermined positions of the fixing part 11A, the arm part 11B, and the coupling part 11C of the stylus holder 11, by the same method as the excitation electrode 31 and the detection electrode 32, The relay electrode 34 is formed over the fixing portion 11A, the arm portion 11B, and the connecting portion 11C of the stylus holder 11. The relay electrodes 34 correspond to the vibration electrodes 31 and the detection electrodes 32 in order to relay the external vibration circuit and the vibration electrodes 31 and the external detection circuit and the detection circuit. The relay wiring 34A for detection and the relay wiring 34B for detection are respectively formed.
[0045]
Further, the ground electrode 33 is formed on the fixing portion 11A of the stylus holder 11 by the same method as described above.
However, in this case, the ground electrode 33 is formed so as to be electrically connected to the fixing portion 11A without performing the insulation treatment.
Since the above-described excitation electrode 31, detection electrode 32, relay electrode 34, and ground electrode 33 can be formed by the same method, they can be formed in a single process without being formed in order. Can be formed.
[0046]
Finally, so-called wire bonding is performed in which the excitation electrode 31 and the excitation relay wiring 34A, and the detection electrode 32 and the detection relay wiring 34B formed in step S5 are connected by gold wires 35 (step S6). ).
Through the steps described above, the vibration-type contact sensor 1 is manufactured.
[0047]
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The sensor body 10 of the vibration-type contact sensor 1 is formed of a single plate-shaped body made of metal such as stainless steel. The sensor body 10 includes a stylus holder 11, a stylus 12, and a contact portion 13. By providing the sensor, the structure of the vibration-type contact sensor 1 is simplified, and when manufacturing, the complicated operation of assembling these members can be omitted, and the sensor can be manufactured accurately at low cost.
[0048]
(2) In the vibration-type contact sensor 1, the piezoelectric material film 20 is formed as a piezoelectric element, thereby promoting the miniaturization of the vibration-type contact sensor 1. In addition, according to the method of forming the piezoelectric material film 20, a large number of vibration-type contact sensors 1 can be collectively formed on a large number of vibration-type contact sensors 1, so that the vibration-type contact sensors 1 can be manufactured more inexpensively and with less variation in quality.
[0049]
(3) Since the stylus holder 11 and the stylus 12 are integrally formed and the stylus 12 is supported by the stylus support portion 11D of the stylus holder 11 at a node of vibration, stability against disturbance vibration is improved. As a result, the resonance characteristics and the detection sensitivity can be improved.
[0050]
(4) Since the tip portion of the contact portion 13 is sharpened in the axial direction of the stylus 12, there is no need to provide a needle-shaped member as a separate member from the stylus 12, and the unnecessary member is omitted, which is complicated. The assembly operation can be omitted, and the vibration-type contact sensor 1 can be manufactured accurately at low cost.
[0051]
(5) Since the tip of the contact portion 13 is coated with the diamond thin film, the strength of the sharpened tip portion of the contact portion 13 can be reinforced. Therefore, for example, even when the surface shape is measured by AFM or the like, wear and loss between the contact portion 13 and the object to be measured can be avoided. Thereby, the stylus 12 can be prevented from being deteriorated, and the life of the vibration-type contact sensor 1 can be extended.
[0052]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, in the method of manufacturing the vibration-type contact sensor 1 according to the present embodiment, the sharpening of the tip of the stylus 12 is described by a method of forming by etching, but is not limited thereto. That is, the tip of the stylus 12 may be sharpened by machining, electric discharge machining, or another machining method.
[0053]
Further, the method of forming the diamond thin film at the tip of the stylus 12 by a liquid phase using an organic solvent has been described, but the method is not limited to this. For example, a sputtering method using plasma generated by a microwave disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-330986 can be adopted. Further, as a method for producing a diamond thin film, a chemical vapor deposition (CVD) method using a hot filament, a plasma CVD method, a CVD method using microwave plasma, or the like, which is generally performed, can also be adopted.
[0054]
Further, the method of forming the piezoelectric material film 20 by the sol-gel method has been described, but the method is not limited to this. For example, a screen printing method or a hydrothermal synthesis method can be adopted. Alternatively, a gas deposition method in which ceramic fine particles of about 0.1 μm are formed into an aerosol and sprayed from a nozzle as a high-speed jet to form a film can be employed.
[0055]
In the above embodiment, the configuration in which the vibration electrode 31 and the detection electrode 32 are connected to the relay electrode 34 by wire bonding has been described, but the present invention is not limited to this. For example, by forming the electrode film 30 on the stylus support portion 11D, wire bonding becomes unnecessary. However, in this case, if the width of the stylus support portion 11D is increased in order to facilitate the formation of the electrode film 30, the resonance vibration of the stylus 12 may be restricted.
[0056]
In the above-described embodiment, the configuration in which the sensor main body 10 is a plate-shaped body made of metal such as stainless steel has been described, but is not limited thereto. For example, a silicon material may be used as the substrate. In this case, since pure silicon has poor conductivity, a treatment for improving surface conductivity may be performed.
[0057]
In the above-described embodiment, the configuration in which the central portion of the stylus 12 is supported by the four stylus support portions 11D extending from the coupling portion 11C of the stylus holder 11 has been described, but the configuration is not limited thereto. For example, as shown in FIG. 6, the stylus holder 11 may be configured to be supported by two stylus supporting portions 11D whose width becomes narrower as extending from the coupling portion 11C.
[0058]
Alternatively, the sensor main body 10 may not be configured to be axially symmetric, and may have a cantilever structure in which the arm portion 11B extends only from one end of the fixing portion 11A as shown in FIG.
Specifically, in FIG. 7 (A), the stylus 12 is supported by a pair of parallel stylus supports 11D that are substantially perpendicular to the arm 11B from the joint 11C located at the distal end side of the arm 11B.
[0059]
FIG. 7 (B) is a modification of FIG. 7 (A). The stylus 12 is supported by the stylus support portion 11D which becomes narrower as it extends from the connecting portion 11C substantially perpendicular to the arm portion 11B. are doing.
FIG. 7C is a modification of FIG. 7B. In order to stably support the stylus 12 by the stylus holder 11, the width of the substantially central portion of the stylus 12 is increased. The substantially central portion and the stylus holder 11 are connected.
[0060]
In the above-described embodiment, the shape of the contact portion 13 is sharpened and the cross-sectional area is uniformly reduced. However, the shape is not limited to this. The tapered shape of the contact portion 13 may be arbitrarily formed according to the measurement target of the measuring instrument used. By doing so, the change in the vibration of the stylus 12 when the contact portion 13 comes into contact with the device under test becomes more remarkable, and the contact between the contact portion 13 and the device under test can be detected with higher sensitivity.
Further, the contact portion 13 is not sharpened, and for example, as shown in FIG. 10, the tip portion has a spherical shape 13A, 13B, another shape 13C, or a shape having a one-sided projection 13D with respect to the stylus 12. Is also good.
[0061]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structure of a vibration type contact sensor can be simplified, complicated assembly work can be omitted, and cost reduction can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vibration-type contact sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a vibration-type contact sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a method of manufacturing a vibration-type contact sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing a vibration-type contact sensor according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method of manufacturing the vibration-type contact sensor according to the present invention.
FIG. 6 is an enlarged perspective view showing a modification of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged perspective view showing a modification of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional example.
FIG. 9 is a diagram showing a conventional example.
FIG. 10 is a diagram showing a conventional contact portion shape.
[Explanation of symbols]
1 Excitation type contact sensor
11 Stylus holder
12 stylus
13 Contact part
31 Excitation electrode (excitation means)
32 Detection electrode (detection means)

Claims (6)

スタイラスホルダと、
このスタイラスホルダに略中央部で支持され、軸方向に略対称構造をなす略柱状のスタイラスと、
前記スタイラスの先端部に設けられ被測定物と接触する接触部と、
前記スタイラスを前記支持点近傍を振動の節として、軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、
前記接触部および前記被測定物の接触に際して生ずる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出するための検出手段とを備えた加振型接触センサにおいて、
前記スタイラスホルダ、前記スタイラス、および、前記接触部が一体で構成されていることを特徴とする加振型接触センサ。A stylus holder,
A substantially column-shaped stylus that is supported by the stylus holder at a substantially central portion and has a substantially symmetric structure in the axial direction;
A contact portion provided at the tip of the stylus and in contact with the object to be measured;
Vibration means for vibrating the stylus in the vicinity of the support point as a node of vibration, in a resonance state in the axial direction,
A vibration-type contact sensor comprising: a detecting unit for detecting the contact from a change in a resonance state of the stylus caused when the contact portion and the object to be measured come into contact with each other;
A vibration-type contact sensor, wherein the stylus holder, the stylus, and the contact portion are integrally formed. 請求項１に記載の加振型接触センサにおいて、
前記接触部は、先端が前記スタイラスの軸方向に先鋭化されていることを特徴とする加振型接触センサ。The vibration-type contact sensor according to claim 1,
A vibrating contact sensor, wherein the contact portion has a tip sharpened in the axial direction of the stylus. 請求項１または請求項２に記載の加振型接触センサにおいて、
前記接触部は、先端がダイヤモンド薄膜で被覆されていることを特徴とする加振型接触センサ。The vibration-type contact sensor according to claim 1 or 2,
A vibrating contact sensor, wherein the contact portion has a tip coated with a diamond thin film. スタイラスホルダと、
このスタイラスホルダに略中央部で支持され、軸方向に略対称構造をなす略柱状のスタイラスと、
前記スタイラスの先端部に設けられ被測定物と接触する接触部と、
前記スタイラスを前記支持点近傍を振動の節として、軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、
前記接触部および前記被測定物の接触に際して生ずる前記スタイラスの共振状態の変化から当該接触を検出するための検出手段とを備えた加振型接触センサの製造方法において、
１枚の金属部材から、前記スタイラスホルダ、前記スタイラス、および、前記接触部を一体加工し、
前記接触部の先端を先鋭化加工し、
前記スタイラスの表面に圧電材料膜および電極膜を積層して前記加振手段および前記検出手段を形成することを特徴とする加振型接触センサの製造方法。A stylus holder,
A substantially column-shaped stylus that is supported by the stylus holder at a substantially central portion and has a substantially symmetric structure in the axial direction;
A contact portion provided at the tip of the stylus and in contact with the object to be measured;
Vibration means for vibrating the stylus in the vicinity of the support point as a node of vibration, in a resonance state in the axial direction,
A method of manufacturing a vibration-type contact sensor, comprising: a contact unit and a detection unit for detecting the contact from a change in a resonance state of the stylus generated when the object to be measured contacts the device.
From a single metal member, the stylus holder, the stylus, and the contact portion are integrally processed,
The tip of the contact portion is sharpened,
A method for manufacturing a vibration-type contact sensor, comprising: laminating a piezoelectric material film and an electrode film on the surface of the stylus to form the vibration means and the detection means. 請求項４に記載の加振型接触センサの製造方法において、
前記先鋭化加工は、エッチング処理により実施することを特徴とする加振型接触センサの製造方法。The method for manufacturing a vibration-type contact sensor according to claim 4,
The method for manufacturing a vibration-type contact sensor, wherein the sharpening process is performed by an etching process. 請求項４または請求項５に記載の加振型接触センサの製造方法において、
前記接触部の先端にダイヤモンド薄膜を被覆することを特徴とする加振型接触センサの製造方法。The manufacturing method of the vibration-type contact sensor according to claim 4 or 5,
A method for manufacturing a vibration-type contact sensor, wherein a tip of the contact portion is coated with a diamond thin film.

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