JP2008180557A - Stylus of contact displacement sensor, its manufacturing equipment, and contact displacement sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査型形状測定等に用いられる接触式変位センサのスタイラスに関し、特に、スタイラス軸先端にマイクロボールを取り付けたマイクロボールスタイラスに関する。 The present invention relates to a stylus of a contact-type displacement sensor used for scanning shape measurement or the like, and more particularly to a microball stylus in which a microball is attached to the tip of a stylus shaft.
接触式変位センサによる走査型測定は、細いスタイラス軸を使用し、その先端と測定面とを接触させ、測定面に追従させることによって形状を測定するものである。接触式変位センサによる形状測定は、外乱に強く、真空などの特別な条件でなく、測定対象に油などが付着していても高い精度の測定が可能なため、産業分野において重要な手段となっている。また、接触式変位センサは、光を使った顕微鏡等では、光が散乱してしまうことにより測定できないような急な傾斜を持つ形状も測定できるといった特徴を持つ。 Scanning measurement using a contact-type displacement sensor is to measure the shape by using a thin stylus shaft, bringing its tip into contact with the measurement surface and following the measurement surface. Shape measurement using a contact-type displacement sensor is an important means in the industrial field because it is resistant to external disturbances and is not subject to special conditions such as vacuum, and high-precision measurement is possible even when oil is attached to the measurement target. ing. Further, the contact displacement sensor has a feature that it can measure a shape having a steep inclination that cannot be measured by light scattering by a microscope or the like using light.
このような特徴をもつ接触式変位センサの形状測定精度を保証するために、スタイラス軸となるワイヤ先端に真球度の高いボールを取り付けたボールスタイラスが一般的に用いられている。通常、ボールスタイラスのボールとしては、ルビーの球が使用されている。ルビーの球は、その結晶性から、硬くて長寿命であるという特徴を有するものの、加工性に難があり、最小でも直径が数百μmとなっている。そのため、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような１００μmないし０．０２μmのサイズの微細形状を測定するには、大きすぎて適切でないという問題点がある。
この問題点を解決するために、金属ワイヤ先端に取り付けたガラス棒の先端を溶かして丸めることで、先端のガラスボールの直径が30μm程度となるスタイラスも開発されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしこの場合、ボールの真球度が低く、ボールの全接触面に対しては精度が保証されていないといった問題点がある。
In order to guarantee the shape measurement accuracy of the contact-type displacement sensor having such a feature, a ball stylus in which a ball having a high sphericity is attached to a wire tip serving as a stylus shaft is generally used. Normally, a ruby ball is used as a ball stylus ball. Ruby spheres are characterized by their crystallinity and are hard and have a long life, but they are difficult to work with and have a diameter of several hundreds μm at the minimum. Therefore, there is a problem that it is too large to measure a fine shape having a size of 100 μm to 0.02 μm such as a micro part or a micro lens array constituting a micro machine.
In order to solve this problem, a stylus has also been developed in which the tip of a glass rod attached to the tip of a metal wire is melted and rounded so that the diameter of the tip glass ball becomes about 30 μm (for example, Non-Patent Document 1). reference). However, in this case, there is a problem that the sphericity of the ball is low and accuracy is not guaranteed for all contact surfaces of the ball.
また、微細形状の高アスペクト比を持つ測定対象に対応するためには、ボールスタイラスの先端ボールのサイズを小さくするとともに、スタイラス軸を細長くする必要がある。しかし、これら従来のスタイラス軸に使用されているワイヤは、太さ２０μm程度が限界である。そのため、ボールの直径がそれより小さいものでは、ワイヤ先端の周縁部が測定対象に接触する恐れがあり、微細形状の高アスペクト比を持つ測定対象に適さないといった問題点がある。 Further, in order to cope with a measurement object having a fine shape and a high aspect ratio, it is necessary to reduce the size of the tip ball of the ball stylus and to make the stylus shaft elongated. However, the limit of the wire used for these conventional stylus shafts is about 20 μm. For this reason, when the ball diameter is smaller than that, there is a possibility that the peripheral portion of the tip of the wire may come into contact with the measurement object, which is not suitable for a measurement object having a fine aspect ratio and a high aspect ratio.
更に、ダイヤモンド結晶の先端部に曲率半径が2μm程度の丸み加工を施し、それを用いてスタイラスを実現したものもある（例えば、非特許文献２参照）。ダイヤモンドは、ルビー以上に加工性に難があり、真球度の高いボールを得ることが困難なので、極めて狭い範囲のみに丸み加工が施される。そのために測定に利用できるダイヤモンドの部位は限られ、測定対象の形状が限られるといった問題点がある。しかも、丸み加工が施された部分であっても真球度の確保が容易でない。これらの欠点をカバーするための工夫もあるが、それらは構成が複雑になる、あるいは複雑な校正システムを要するといった問題がある。 In addition, there is a case in which the tip of the diamond crystal is rounded with a radius of curvature of about 2 μm and a stylus is realized using the rounding (for example, see Non-Patent Document 2). Diamond is more difficult to process than ruby, and it is difficult to obtain a ball with a high sphericity, so rounding is performed only in a very narrow range. For this reason, there is a problem that the diamond parts that can be used for measurement are limited, and the shape of the object to be measured is limited. Moreover, it is not easy to ensure the sphericity even in the rounded portion. There are contrivances to cover these drawbacks, but they have a problem that the configuration becomes complicated or a complicated calibration system is required.
本発明は、このような従来の問題点を解消し、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状測定に適し、高い分解能を実現することができる接触式変位センサのスタイラス及びその製造装置並びに接触式変位センサの提供を目的とする。 The present invention eliminates such conventional problems, is suitable for fine shape measurement such as microparts and microlens arrays constituting a micromachine, and can realize a high resolution, and a stylus for a contact displacement sensor. An object is to provide a manufacturing apparatus and a contact-type displacement sensor.
本発明によれば、スタイラス軸の先端にボールを取り付けた接触式変位センサのスタイラスであって、前記スタイラス軸の先端部が先端に向かって細くなる錐状であって、前記ボールがガラス、カーボン、セラミックあるいは金属から成り、直径１００μmないし０．０２μmであることを特徴とする接触式変位センサのスタイラスが得られる。 According to the present invention, there is provided a stylus of a contact-type displacement sensor in which a ball is attached to the tip of a stylus shaft, wherein the tip of the stylus shaft has a conical shape that narrows toward the tip, and the ball is made of glass or carbon. A stylus for a contact displacement sensor is obtained, which is made of ceramic or metal and has a diameter of 100 μm to 0.02 μm.
本発明によれば、スタイラス軸の先端部が先端に向かって細くなる錐状であるので、錐状部の先端角を鋭角とすることにより、先端部を任意に細くかつ長い形状とすることができるとともに、スタイラス軸先端の径を任意に小さくできる。従って、測定対象に合わせてボール直径を小さくし、またスタイラス軸の先端部を細く長い形状とすることによりマイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状を測定することが可能である。しかもスタイラス軸先端の周縁部が測定対象に接触する恐れを解消して、高アスペクト比の微細形状も容易に測定することができる。スタイラス軸の先端部は円錐状が望ましい。スタイラス軸の材料としては、ガラス、カーボン、セラミックあるいはステンレス等の金属が、加工性の点で望ましい。 According to the present invention, the tip portion of the stylus shaft has a conical shape that narrows toward the tip. Therefore, the tip portion can be arbitrarily thin and long by making the tip angle of the cone portion an acute angle. In addition, the diameter of the tip of the stylus shaft can be arbitrarily reduced. Therefore, it is possible to measure micro shapes such as micro parts and micro lens arrays constituting a micro machine by reducing the ball diameter according to the object to be measured and making the tip of the stylus shaft thin and long. . In addition, the possibility of the peripheral edge of the tip of the stylus shaft coming into contact with the measurement object can be eliminated, and a fine shape with a high aspect ratio can be easily measured. The tip of the stylus shaft is preferably conical. As a material for the stylus shaft, glass, carbon, ceramic, stainless steel, or other metal is desirable in terms of workability.
ガラス、カーボン、セラミックあるいは金属からなる直径１００μmないし０．０２μmのボールは、対向させた２枚の平行研削板の間にガラス、カーボン、セラミックあるいはステンレス等金属の小片を配置し、これら２枚の平行研削板により繰り返し研削することによって製作でき、高い真球度が保証されたものにすることが可能である。例えば、ソーダライムガラスあるいはホウケイ酸塩ガラスのマイクロボールであれば、液晶のスペーサーなどに用いられており、容易に入手できる。高い真球度を持つマイクロボールを用いれば、簡素な構成で測定精度の保証が容易である。直径１００μm以下のボールであれば、ピッチ100μm以下のマイクロレンズアレイなどを高精度に測定することが可能であり、直径0.02μmのボールであれば、数十nm幅の配線が用いられているCPUなどの微細形状を高精度に計測することが可能である。 A ball of 100 μm to 0.02 μm in diameter made of glass, carbon, ceramic, or metal has a small piece of glass such as glass, carbon, ceramic, or stainless steel placed between two parallel grinding plates facing each other, and these two parallel grindings. It can be manufactured by repeatedly grinding with a plate, and a high sphericity can be guaranteed. For example, soda lime glass or borosilicate glass microballs are used as liquid crystal spacers and can be easily obtained. If a microball having a high sphericity is used, it is easy to guarantee measurement accuracy with a simple configuration. A microlens array with a pitch of 100 μm or less can be measured with high precision if the ball has a diameter of 100 μm or less, and if the ball has a diameter of 0.02 μm, a CPU using wiring with a width of several tens of nm is used. It is possible to measure a fine shape such as with high accuracy.
また、本発明は、前記スタイラス軸が、接着剤の充填が可能な中空のチューブであって、スタイラス軸先端の内径が前記ボールの直径より小さいことを特徴とする接触式変位センサのスタイラスを提供する。この場合、チューブ先端に充填した接着剤面にボールを吸着させることによりチューブ先端面にマイクロボールを正確に接着固定することができる。チューブ先端の中空部にボールの入り込む量が多ければ、それだけボールの接着面積が大きく取れ、大きな接触力に耐えるものとなる。接着剤は、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂等が、粘性が弱く、チューブ内に充填しやすいといった点で望ましい。 The present invention also provides a stylus for a contact displacement sensor, wherein the stylus shaft is a hollow tube that can be filled with an adhesive, and the inner diameter of the stylus shaft tip is smaller than the diameter of the ball. To do. In this case, the microball can be accurately bonded and fixed to the tube tip surface by adsorbing the ball to the adhesive surface filled in the tube tip. The greater the amount of the ball that enters the hollow part at the tip of the tube, the larger the adhesion area of the ball and the greater the contact force it can withstand. As the adhesive, a thermosetting resin, an ultraviolet curable resin or the like is desirable because it has a low viscosity and can be easily filled in the tube.
さらに、本発明は、前記スタイラス軸がガラスからなることを特徴とする接触式変位センサのスタイラスを提供する。この場合、ガラス棒あるいはガラスチューブに熱を与えて軟化させ、引っ張りを与えることで、先端サイズを任意に細くすることができる。ガラスチューブであれば細くする前と、細くした後の、内径と外径との比が変わらないといった特徴を持つので、スタイラス軸先端のサイズ設定が容易である。ガラス材は、ボロシリケイト、ホウ珪酸ガラスなどが、先端サイズを細くできる点で好ましい。 Furthermore, the present invention provides a stylus for a contact-type displacement sensor, wherein the stylus shaft is made of glass. In this case, the tip size can be arbitrarily reduced by applying heat to the glass rod or glass tube to soften it and pull it. Since the glass tube has a feature that the ratio of the inner diameter to the outer diameter does not change before and after being thinned, it is easy to set the size of the tip of the stylus shaft. As the glass material, borosilicate, borosilicate glass, or the like is preferable because the tip size can be reduced.
また、本発明によれば、これら接触式変位センサのスタイラスの製造装置であって、前記スタイラス軸を支持し、前記スタイラス軸の先端位置を制御可能な第１ＸＹＺステージと、前記ボールを載せ、前記ボールの位置を制御可能な第２ＸＹＺステージと、互いに光軸が交差し、前記ボールの中心位置及びその近傍部を観察する２つのＣＣＤカメラとを備えたことを特徴とする接触式変位センサのスタイラスの製造装置が得られる。 Further, according to the present invention, there is provided a stylus manufacturing apparatus for these contact-type displacement sensors, the first XYZ stage that supports the stylus shaft and can control the tip position of the stylus shaft, and the ball is placed thereon, A stylus for a contact-type displacement sensor comprising: a second XYZ stage capable of controlling the position of the ball; and two CCD cameras whose optical axes intersect with each other and observing the center position of the ball and its vicinity. The manufacturing apparatus is obtained.
第１ＸＹＺステージによりスタイラス軸を支持してスタイラス軸先端位置を制御するとともに、第２ＸＹＺステージにボールを載せてボール位置を制御することによって、スタイラス軸先端とボールとを接近させ、位置決めすることができる。しかも、スタイラス軸先端とボールとを位置決めする際、互いに光軸が交差する２台のCCDカメラによりその画像を見ながら２つのＸＹＺステージを操作することによって、スタイラス軸の中心とボールの中心との位置を正確に合わせることができる。２台のCCDカメラの光軸は、９０度の角度で交差することが、スタイラス軸の中心とボールの中心とのずれを正確に見ることができる点で望ましい。 The stylus shaft is supported by the first XYZ stage to control the tip position of the stylus shaft, and the ball position is controlled by placing the ball on the second XYZ stage, whereby the stylus shaft tip and the ball can be brought close to each other and positioned. . In addition, when positioning the tip of the stylus shaft and the ball, the two XYZ stages are operated while viewing the image with two CCD cameras whose optical axes intersect with each other, so that the center of the stylus shaft and the center of the ball are The position can be adjusted accurately. It is desirable that the optical axes of the two CCD cameras intersect at an angle of 90 degrees in order to accurately see the deviation between the center of the stylus axis and the center of the ball.
さらに本発明によれば、前記接触式変位センサのスタイラスを備えたことを特徴とする接触式変位センサが得られる。 Furthermore, according to the present invention, there is provided a contact type displacement sensor comprising the stylus of the contact type displacement sensor.
これら接触式変位センサのスタイラスを備えた接触式変位センサであれば、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状を測定することが可能である。しかも、高アスペクト比の微細形状も容易に測定することができる。 If it is a contact-type displacement sensor provided with the stylus of these contact-type displacement sensors, it is possible to measure a fine shape such as a micro part and a micro lens array constituting a micro machine. In addition, a fine shape with a high aspect ratio can be easily measured.
本発明によれば、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状測定に適し、高い分解能を実現することができる接触式変位センサのスタイラス及びその製造装置並びに接触式変位センサを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the stylus of the contact-type displacement sensor suitable for fine shape measurement like the micro parts and micro lens array which comprise a micro machine, and the high resolution, its manufacturing apparatus, and a contact-type displacement sensor are provided. can do.
以下、図面を参照にして、本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態の接触式変位センサのスタイラスは、スタイラス軸１と、マイクロボール２とを有している。スタイラス軸１は、直径Φ１の超鋼棒を加工して製作されたもので、長さL１の先頭部１ａが円錐状で、先頭部１ａの先端が直径Φ２の端面となっている。直径Φ２の端面には、マイクロボール２が接着固定されている。スタイラス軸１の中央部１ｂは長さL2、直径Φ１の超鋼棒であり、スタイラス軸１の後方端には、中央部１ｂと一体の超鋼棒を加工して長さL3のねじ１ｃが形成されており、このねじ１ｃを使って接触式変位センサ（図示せず）に取り付けることができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the stylus of the contact displacement sensor according to the embodiment of the present invention has a stylus shaft 1 and a microball 2. The stylus shaft 1 is manufactured by machining a super steel rod having a diameter of Φ1, and a leading portion 1a having a length L1 is conical, and a tip of the leading portion 1a is an end surface having a diameter of Φ2. The microball 2 is bonded and fixed to the end face of the diameter Φ2. The central portion 1b of the stylus shaft 1 is a super steel rod having a length L2 and a diameter Φ1, and a screw 1c having a length L3 is formed at the rear end of the stylus shaft 1 by machining a super steel rod integral with the central portion 1b. It is formed and can be attached to a contact displacement sensor (not shown) using the screw 1c.
マイクロボール２は、直径が１００μmないし５μmのガラスボールで、液晶のスペーサーなどに用いられているものである。マイクロボール２は、研削によって製作されており、２０nm程度の高い真球度を持っている。マイクロボール２のサイズに対して、スタイラス軸１の先端直径Φ２は、８０μmないし５μmが好ましい。 The microball 2 is a glass ball having a diameter of 100 μm to 5 μm and is used for a liquid crystal spacer or the like. The microball 2 is manufactured by grinding and has a high sphericity of about 20 nm. The tip diameter Φ2 of the stylus shaft 1 is preferably 80 μm to 5 μm with respect to the size of the microball 2.
図２に示すように、本発明の他の実施の形態の接触式変位センサのスタイラスは、スタイラス軸１１と、マイクロボール１２と、スタイラス軸１１を支持するホルダ１３とを有している。スタイラス軸１１は、外形Φ１２ａ、内形Φ１２ｂのガラスチューブを加工して製作したもので、図３に示すように、長さL１１の先頭部１１ａが中空の円錐状で、先頭部１１ａの先端直径が３０μmないし０．１μmである。先頭部１１ａの中空先端には接着剤１４が充填され、接着剤１４により先頭部１１ａの先端にマイクロボール１２が接着固定されている。スタイラス軸１１の基部１１ｂは、長さL１２、外形Φ１２ａ、内形Φ１２ｂのガラスチューブである。 As shown in FIG. 2, the stylus of the contact displacement sensor according to another embodiment of the present invention has a stylus shaft 11, a microball 12, and a holder 13 that supports the stylus shaft 11. The stylus shaft 11 is manufactured by processing a glass tube having an outer shape Φ12a and an inner shape Φ12b. As shown in FIG. 3, the leading end portion 11a having a length L11 has a hollow conical shape, and the tip diameter of the leading portion 11a. Is 30 μm to 0.1 μm. The hollow tip of the head portion 11 a is filled with an adhesive 14, and the microball 12 is bonded and fixed to the tip of the head portion 11 a by the adhesive 14. The base 11b of the stylus shaft 11 is a glass tube having a length L12, an outer shape Φ12a, and an inner shape Φ12b.
ホルダ１３は、直径Φ１３の超鋼棒を加工して製作されたもので、ホルダ１３の中心部１３ａが長さL１３、直径Φ１３の超鋼棒であり、中心部１３ａの前方端面の中心にはスタイラス軸１１の基部１１ｂが垂直に取り付けられている。ホルダ１３の後方端面には、中心部１３ａと一体の超鋼棒を加工して長さL１４のねじ１３ｂが形成されており、このねじ１３ｂを使って接触式変位センサ（図示せず）に取り付けることができる。マイクロボール１２は、直径が５０μmないし０．１μmのガラスボールである。接着剤１４は熱硬化性樹脂である。 The holder 13 is manufactured by machining a super steel rod having a diameter of Φ13. The center portion 13a of the holder 13 is a super steel rod having a length L13 and a diameter of Φ13, and the center of the front end surface of the center portion 13a is at the center. The base 11b of the stylus shaft 11 is attached vertically. On the rear end face of the holder 13, a super steel rod integrated with the central portion 13 a is processed to form a screw 13 b having a length L 14. The screw 13 b is used to attach to a contact displacement sensor (not shown). be able to. The microball 12 is a glass ball having a diameter of 50 μm to 0.1 μm. The adhesive 14 is a thermosetting resin.
続いて、中空のガラスチューブを用いたスタイラス軸１１の製造方法について説明する。図４は、スタイラス軸１１を製造するための装置の模式図で、ガラスチューブ１６の先端を細くして円錐状に加工するためのものである。電熱線１７には電源１８より電流が流れ、外形Φ１２ａ、内形Φ１２ｂのガラスチューブ１６には電熱線１７より熱が与えられる。ガラスチューブ１６は、上端が保持部材（図示せず）により固定され、電熱線１７により、熱を与えられながら軟化し、重り（図示せず）により下に引っ張りの力が与えられる。これにより、先端の細くなったスタイラス軸１１を製造できる。スタイラス軸１１は、先端角を１０度以下にすることが可能である。ガラスチューブ１６の先端角は、電源１８の電流量、及び重りの重さにより調節する。即ち、電流量を少なくし、重りを重くすることで、短く、先の細いガラスチューブが得られる。このような製造装置は、例えば、（株）成茂科学器械研究所より「プーラー」、モデル名「PC-10」として市販されている。 Then, the manufacturing method of the stylus axis | shaft 11 using a hollow glass tube is demonstrated. FIG. 4 is a schematic view of an apparatus for manufacturing the stylus shaft 11, and is for processing the tip of the glass tube 16 into a conical shape by thinning the tip. A current flows from the power source 18 to the heating wire 17, and heat is applied from the heating wire 17 to the glass tube 16 having the outer shape Φ 12 a and the inner shape Φ 12 b. The upper end of the glass tube 16 is fixed by a holding member (not shown), is softened while being heated by the heating wire 17, and a pulling force is given downward by a weight (not shown). Thereby, the stylus axis | shaft 11 with which the front-end | tip became thin can be manufactured. The stylus shaft 11 can have a tip angle of 10 degrees or less. The tip angle of the glass tube 16 is adjusted by the amount of current of the power source 18 and the weight of the weight. That is, a short and narrow glass tube can be obtained by reducing the amount of current and increasing the weight. Such a manufacturing apparatus is commercially available, for example, as “Pooler” and model name “PC-10” from Narimo Scientific Instruments Laboratory Co., Ltd.
次に、図１に示したスタイラスを組み立てる装置について、図５乃至図７を用いて説明する。図５乃至図７に示すように、本発明の実施の形態の接触式変位センサのスタイラスの製造装置は、スタイラス軸１の位置決めをするためのＸＹＺステージ９と、ＸＹＺステージ９に取り付けられたくの字型のアーム８と、マイクロボール２並びに接着剤の位置決めをするためのＸＹＺステージ３と、ＸＹＺステージ３の上に載せられたアルミ板４と、それぞれ光軸が９０度離れた位置に設置されたＣＣＤカメラ６，７とを有している。スタイラス軸１のねじ１ｃ側は、くの字型のアーム８に取り付けられており、ＸＹＺステージ９を手動操作することによって、スタイラス軸１の先端を任意の空間に移動することができる。マイクロボール２あるいは接着剤は、アルミ板４の上に載せられる。ＸＹＺステージ９とＸＹＺステージ３とを手動操作することによって、スタイラス軸１の先端とマイクロボール２あるいは接着剤との位置合わせができる。また、ＣＣＤカメラ６，７で、スタイラス軸１の先端、およびマイクロボール２あるいは接着剤の様子を見ることができる。ＣＣＤカメラ６およびＣＣＤカメラ７の画像を見ながらスタイラス軸１の先端とマイクロボール２あるいは接着剤との位置を合わせることによって、スタイラス軸１の先端の中心の位置とマイクロボール２の中心の位置とを正確に合わせることができる。 Next, an apparatus for assembling the stylus shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5 to FIG. 7, the stylus manufacturing apparatus for the contact-type displacement sensor according to the embodiment of the present invention is intended to position the stylus shaft 1 and to be attached to the XYZ stage 9. The character-shaped arm 8, the XYZ stage 3 for positioning the microball 2 and the adhesive, and the aluminum plate 4 placed on the XYZ stage 3 are installed at positions where the optical axes are 90 degrees apart from each other. CCD cameras 6 and 7. The screw 1c side of the stylus shaft 1 is attached to a dog-shaped arm 8, and the tip of the stylus shaft 1 can be moved to an arbitrary space by manually operating the XYZ stage 9. The microball 2 or the adhesive is placed on the aluminum plate 4. By manually operating the XYZ stage 9 and the XYZ stage 3, the tip of the stylus shaft 1 and the microball 2 or the adhesive can be aligned. In addition, the CCD cameras 6 and 7 can see the tip of the stylus shaft 1 and the state of the microball 2 or the adhesive. By aligning the position of the tip of the stylus shaft 1 with the microball 2 or the adhesive while viewing the images of the CCD camera 6 and the CCD camera 7, the position of the center of the tip of the stylus shaft 1 and the position of the center of the microball 2 are obtained. Can be adjusted accurately.
スタイラス軸１の先端にマイクロボール２を接着固定する方法は、まず、スタイラス軸１の先端に接着剤を付着させるために、アルミ板４の上に熱硬化性の接着剤を置く。熱硬化性の接着剤は、例えばエポキシ系等の樹脂でできており、常温では液状になっている。ＣＣＤカメラ６およびＣＣＤカメラ７の画像を見ながら、ＸＹＺステージ９を操作してスタイラス軸１の先端に接着剤を付着させる。次に、アルミ板４の上にマイクロボール２を乗せて、ＣＣＤカメラ６およびＣＣＤカメラ７の画像を見ながら、ＸＹＺステージ９とＸＹＺステージ３とを操作して、スタイラス軸１の先端とマイクロボール２との位置合わせを行う。位置を合わせた後、ＸＹＺステージ９を使って、スタイラス軸１をマイクロボール２に近づけていく。スタイラス軸１の先端に付着させた熱硬化性の接着剤にマイクロボール２が触れると、熱硬化性の接着剤の表面張力で、スタイラス軸１の先端にマイクロボール２が添付される。マイクロボール２が添付されたスタイラス軸１をヒーターの中に入れ、熱を与えて、接着剤を硬化させる。以上により、先端にマイクロボール２の付いたマイクロボールスタイラスが製作される。 In order to adhere and fix the microball 2 to the tip of the stylus shaft 1, first, a thermosetting adhesive is placed on the aluminum plate 4 in order to attach the adhesive to the tip of the stylus shaft 1. The thermosetting adhesive is made of, for example, an epoxy resin and is in a liquid state at room temperature. While viewing the images of the CCD camera 6 and the CCD camera 7, the XYZ stage 9 is operated to attach an adhesive to the tip of the stylus shaft 1. Next, the microball 2 is placed on the aluminum plate 4, and the XYZ stage 9 and the XYZ stage 3 are operated while viewing the images of the CCD camera 6 and the CCD camera 7, and the tip of the stylus shaft 1 and the microball Align with 2. After the alignment, the stylus shaft 1 is brought closer to the microball 2 using the XYZ stage 9. When the microball 2 comes into contact with the thermosetting adhesive attached to the tip of the stylus shaft 1, the microball 2 is attached to the tip of the stylus shaft 1 by the surface tension of the thermosetting adhesive. The stylus shaft 1 to which the microballs 2 are attached is placed in a heater and heat is applied to cure the adhesive. Thus, the microball stylus with the microball 2 at the tip is manufactured.
また、同じ装置を図２に示したスタイラスの組み立てに使うこともできる。スタイラス軸１１の先端にマイクロボール１２を接着固定する方法は、スタイラス軸１にマイクロボール２を接着固定する方法と同様に、まず、アーム８に図２で示したガラスチューブを用いたスタイラス軸１１を取り付ける。次に、アルミ板４の上に液状の熱硬化性の接着剤を置き、ＣＣＤカメラ６およびＣＣＤカメラ７の画像を見ながらＸＹＺステージ９を操作して、ガラスチューブを用いたスタイラス軸１１の先端に接着剤を付ける。このとき、接着剤は、表面張力により、図３に示す接着剤１４のように、中空のガラスチューブの中に充填される。続いて、アルミ板４の上にマイクロボール１２を載せて、ＣＣＤカメラ６およびＣＣＤカメラ７の画像を見ながら、ＸＹＺステージ９とＸＹＺステージ３とを操作して接着剤１４が充填されたスタイラス軸１１の先端とマイクロボール１２との位置合わせを行う。位置を合わせた後、ＸＹＺステージ９を使ってスタイラス軸１１をマイクロボール１２に近づけていく。スタイラス軸１１の先端にマイクロボール１２が触れると、ガラスチューブに充填されている熱硬化性の接着剤１４の表面張力で、スタイラス軸１１の先端にマイクロボール１２が添付される。マイクロボール１２が添付されたスタイラス軸１１をヒーターの中に入れ、熱を与えて、接着剤を硬化させる。以上により、スタイラス軸１１の先端にマイクロボール１２が接着固定される。ガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラスは、マイクロボール１２の上部がスタイラス軸１１の中に入り込むため、接着する面積が大きくなり、より大きな接触力に耐えることができる。 The same device can also be used to assemble the stylus shown in FIG. In the method of bonding and fixing the microball 12 to the tip of the stylus shaft 11, first, similarly to the method of bonding and fixing the microball 2 to the stylus shaft 1, first, the stylus shaft 11 using the glass tube shown in FIG. Install. Next, a liquid thermosetting adhesive is placed on the aluminum plate 4, and the XYZ stage 9 is operated while viewing the images of the CCD camera 6 and the CCD camera 7, and the tip of the stylus shaft 11 using a glass tube. Adhere the adhesive. At this time, the adhesive is filled into the hollow glass tube by the surface tension like the adhesive 14 shown in FIG. Subsequently, the microball 12 is placed on the aluminum plate 4 and the XYZ stage 9 and the XYZ stage 3 are operated while viewing the images of the CCD camera 6 and the CCD camera 7, and the stylus shaft filled with the adhesive 14 is used. The tip of 11 and the microball 12 are aligned. After the alignment, the stylus shaft 11 is moved closer to the microball 12 using the XYZ stage 9. When the microball 12 touches the tip of the stylus shaft 11, the microball 12 is attached to the tip of the stylus shaft 11 by the surface tension of the thermosetting adhesive 14 filled in the glass tube. The stylus shaft 11 to which the microballs 12 are attached is placed in a heater, and heat is applied to cure the adhesive. Thus, the microball 12 is bonded and fixed to the tip of the stylus shaft 11. In the microball stylus using a glass tube, since the upper part of the microball 12 enters the stylus shaft 11, the area to be bonded increases, and it can withstand a larger contact force.
次に、本発明の実施の形態の接触式変位センサについて説明する。図８に示すように、図２に示したものと同様なマイクロボールスタイラスを使用した接触式変位センサ２５で、接触式変位センサ２５のアーム部２５ａにはガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラス２４がホルダ２３を介して取り付けられている。接触式変位センサ２５は、アーム部２５aの動きを内蔵のリニアエンコーダで読み取るものであり、アーム部２５aを支えるためにエアベアリングを採用しており、１ｍＮ以下の低測定圧を実現している。マイクロボールスタイラス２４のスタイラス軸２１は、図９に示すように、先頭部２１ａが中空の円錐状で、先頭部２１ａの中空先端に接着剤によりマイクロボール２２が接着固定されたものである。 Next, the contact type displacement sensor according to the embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 8, a contact-type displacement sensor 25 using a microball stylus similar to that shown in FIG. 2, and a microball stylus 24 using a glass tube is provided on the arm portion 25a of the contact-type displacement sensor 25. It is attached via a holder 23. The contact-type displacement sensor 25 reads the movement of the arm portion 25a with a built-in linear encoder, employs an air bearing to support the arm portion 25a, and realizes a low measurement pressure of 1 mN or less. As shown in FIG. 9, the stylus shaft 21 of the microball stylus 24 has a head portion 21a having a hollow conical shape, and a microball 22 is bonded and fixed to the hollow tip of the head portion 21a with an adhesive.
図９に示すように、ギア３１は、波長λに対する振幅ｄの比が約２/３ないし１/２、最大斜度θ３が７０度ないし３０度の高アスペクト比の形状を持っている。図８および図９に示すように、接触式変位センサ２５のスタイラス軸２１は、ギア３１の歯形状を測定することができるように、ギア３１の回転面に沿ってその中心軸に垂直に接触している。ギア３１は、スピンドル３２に取り付けられており、スピンドル３２を回転させ、その時の回転角と、接触式変位センサ２５の出力とを取ることで、ギア３１の歯形状が測定できる。このような接触式変位センサ２５を用いると、マイクロボール２２の直径が５０μmないし２μmで、先頭部２１ａが円錐状であるので、スタイラス軸２１の先端円周部がギア３１に接触する恐れがなく、高アスペクト比の形状を持つギア３１の歯形状を正確に測定できる。 As shown in FIG. 9, the gear 31 has a high aspect ratio shape in which the ratio of the amplitude d to the wavelength λ is about 2/3 to 1/2, and the maximum inclination θ3 is 70 degrees to 30 degrees. As shown in FIGS. 8 and 9, the stylus shaft 21 of the contact-type displacement sensor 25 contacts the center axis of the gear 31 perpendicularly to the central axis so that the tooth shape of the gear 31 can be measured. is doing. The gear 31 is attached to the spindle 32, and the tooth shape of the gear 31 can be measured by rotating the spindle 32 and taking the rotation angle at that time and the output of the contact displacement sensor 25. When such a contact-type displacement sensor 25 is used, since the diameter of the microball 22 is 50 μm to 2 μm and the top portion 21 a is conical, there is no fear that the tip circumferential portion of the stylus shaft 21 contacts the gear 31. The tooth shape of the gear 31 having a high aspect ratio shape can be accurately measured.
以上の実施の形態において、マイクロボールにガラス球を用いたが、マイクロボールの材料は、ガラスに限られるものではなく、カーボン、セラミックあるいは金属であっても良い。これらの材料の小片を繰り返し研削することによって製作したマイクロボールは、真球度が２０ｎｍ以下の高い真球度を持つ。また、スタイラス軸に超鋼棒あるいはガラスチューブを用いたが、スタイラス軸の材料は、カーボン、セラミックあるいはステンレス等の金属であっても良い。特に、円錐状のカーボンナノチューブであるカーボンナノホーンを使ったスタイラス軸は、先端直径が数nmのものが得られる。従って、この先端に0.02μmのマイクロボールを接着し、微細なスタイラスとすることができる。
このようなマイクロボールスタイラスは、走査式の接触式変位センサだけでなく、タッチング式の接触式変位センサにも使用することができる。
In the above embodiments, glass spheres are used as the microballs, but the material of the microballs is not limited to glass, and may be carbon, ceramic, or metal. A microball manufactured by repeatedly grinding small pieces of these materials has a high sphericity of 20 nm or less. Further, although a super steel rod or a glass tube is used for the stylus shaft, the material of the stylus shaft may be a metal such as carbon, ceramic or stainless steel. In particular, a stylus shaft using a carbon nanohorn, which is a conical carbon nanotube, has a tip diameter of several nm. Therefore, a 0.02 μm microball can be adhered to the tip to make a fine stylus.
Such a microball stylus can be used not only for a scanning contact displacement sensor but also for a touching contact displacement sensor.
図１０は、図１に示したスタイラスの実施例の要部観察図であり、マイクロボールスタイラスをＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)で観察した画像である。この実施例において、マイクロボール４２は、直径が５０μmのマイクロガラス球を用いて製作したもので、スタイラス軸４１の先端にマイクロボール４２が熱硬化性の接着剤４４により接着されている。直径５０μmのマイクロボール４２は、ソーダライムガラスでできており、１gあたり約５.４×１０６個入っている。スタイラス軸４１は、先端径が約５０μm、先端角が約５０度の超鋼でできている。 FIG. 10 is an essential part observation view of the embodiment of the stylus shown in FIG. 1, and is an image obtained by observing the microball stylus with a scanning electron microscope (SEM). In this embodiment, the microball 42 is manufactured using a micro glass sphere having a diameter of 50 μm, and the microball 42 is bonded to the tip of the stylus shaft 41 with a thermosetting adhesive 44. The microballs 42 having a diameter of 50 μm are made of soda lime glass and contain about 5.4 × 10 6 pieces per 1 g. The stylus shaft 41 is made of super steel having a tip diameter of about 50 μm and a tip angle of about 50 degrees.
図１１は、図１に示したスタイラスの他の実施例の要部観察図であり、マイクロボールスタイラスをＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)で観察した画像である。マイクロボール５２は、直径が1０μmのマイクロガラス球を用いて製作したもので、図１０と同様に、スタイラス軸５１の先端にマイクロボール５２が熱硬化性の接着剤５４により接着されている。直径１０μmのマイクロガラス球は、ホウケイ酸塩ガラスでできており、１gあたり約１.８×１０９個入っている。スタイラス軸５１は、先端径が約２０μm、先端角が約５０度の超鋼でできている。 FIG. 11 is an essential part observation view of another embodiment of the stylus shown in FIG. 1, and is an image obtained by observing the microball stylus with a scanning electron microscope (SEM). The microball 52 is manufactured using a micro glass sphere having a diameter of 10 μm, and the microball 52 is bonded to the tip of the stylus shaft 51 with a thermosetting adhesive 54 as in FIG. Micro glass spheres with a diameter of 10 μm are made of borosilicate glass and contain about 1.8 × 10 9 gram per gram. The stylus shaft 51 is made of super steel having a tip diameter of about 20 μm and a tip angle of about 50 degrees.
図１２は、図２に示したスタイラスの実施例の要部観察図であり、マイクロボールスタイラスをＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)で観察した画像である。マイクロボール６２は、直径が５０μmのマイクロガラス球を用いて製作したもので、ガラスチューブを用いたスタイラス軸６１の先端にマイクロボール６２が熱硬化性の接着剤６４により接着されている。スタイラス軸６１は、先端径約５０μmのボロシリケイトでできたガラスチューブである。 FIG. 12 is an essential part observation view of the embodiment of the stylus shown in FIG. 2, and is an image obtained by observing the microball stylus with a scanning electron microscope (SEM). The microball 62 is manufactured using a micro glass sphere having a diameter of 50 μm, and the microball 62 is bonded to the tip of a stylus shaft 61 using a glass tube by a thermosetting adhesive 64. The stylus shaft 61 is a glass tube made of borosilicate having a tip diameter of about 50 μm.
図１３は、マイクロボールスタイラスの耐久性を調べるための実験装置の概略図である。実験装置は、図５に示した製造装置と同様、２台のＸＹＺステージ７３，７９を使用しており、ＸＹＺステージ７９には、くの字型のアーム７８が取り付けられている。アーム７８の先には、マイクロボールスタイラスのスタイラス軸４１あるいはスタイラス軸５１が取り付けられる。ＸＹＺステージ７３には、アルミ板７４を介してひずみセンサ７５が取り付けられており、ＸＹＺステージ７９を操作してひずみセンサ７５にスタイラス軸４１あるいはスタイラス軸５１を接触させることにより、スタイラス軸４１あるいはスタイラス軸５１の接触圧を検出できる。この実験の様子は、ＣＣＤカメラ７７で観察しながら行う。図１４は、この実験状況を説明するための説明図であり、マイクロボールスタイラスとひずみセンサ７５が接触する様子を表したものである。スタイラス軸４１あるいはスタイラス軸５１は、ひずみセンサ７５に対して３０度傾けた状態で押し付けられる。これは、実際の高アスペクト比の形状を測定する際のマイクロボールスタイラスと測定面との接触角を考慮した角度である。 FIG. 13 is a schematic diagram of an experimental apparatus for examining the durability of a microball stylus. As in the manufacturing apparatus shown in FIG. 5, the experimental apparatus uses two XYZ stages 73 and 79, and a KUZ-shaped arm 78 is attached to the XYZ stage 79. A microball stylus stylus shaft 41 or stylus shaft 51 is attached to the tip of the arm 78. A strain sensor 75 is attached to the XYZ stage 73 via an aluminum plate 74, and the stylus shaft 41 or the stylus shaft 51 or the stylus 51 is operated by operating the XYZ stage 79 to contact the strain sensor 75 with the stylus shaft 41 or the stylus shaft 51. The contact pressure of the shaft 51 can be detected. This experiment is performed while observing with the CCD camera 77. FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining this experimental situation, and shows how the microball stylus and the strain sensor 75 come into contact with each other. The stylus shaft 41 or the stylus shaft 51 is pressed in a state where it is inclined by 30 degrees with respect to the strain sensor 75. This is an angle that takes into account the contact angle between the microball stylus and the measurement surface when measuring an actual high aspect ratio shape.
図１５は、図１０に示したスタイラスの実施例の実験結果を示すグラフであり、直径５０μmのマイクロボール４２を接着したマイクロボールスタイラスを、図１４のように傾けた状態で、ひずみセンサ７５に接触させた時のひずみセンサ７５の出力を示すグラフである。曲線４５に示すようにマイクロボールスタイラスにかかる接触力を徐々に増やし、約４０ｍＮまでの接触力をマイクロボールスタイラスに与えたが、直径５０μmのマイクロガラス球４２はスタイラス軸４１から取れることはなかった。 FIG. 15 is a graph showing the experimental results of the embodiment of the stylus shown in FIG. 10. The microball stylus to which the microball 42 having a diameter of 50 μm is bonded is applied to the strain sensor 75 in a state tilted as shown in FIG. It is a graph which shows the output of the strain sensor 75 when making it contact. As shown by curve 45, the contact force applied to the microball stylus was gradually increased, and a contact force up to about 40 mN was applied to the microball stylus. However, the microglass sphere 42 having a diameter of 50 μm was not removed from the stylus shaft 41. .
図１６は、図１１に示したスタイラスの実施例の実験結果を示すグラフであり、直径１０μmのマイクロボール５２を接着したマイクロボールスタイラスを、図１４のように傾けた状態で、ひずみセンサ７５に接触させた時のひずみセンサ７５の出力を示すグラフである。曲線５５に示すようにマイクロボールスタイラスにかかる接触力を徐々に増やし、約6ｍＮまでの接触力をマイクロボールスタイラスに与えたが、直径１０μmのマイクロボール５２はスタイラス軸５１から取れることはなかった。 FIG. 16 is a graph showing the experimental results of the embodiment of the stylus shown in FIG. 11. The microball stylus to which the microball 52 having a diameter of 10 μm is bonded is inclined to the strain sensor 75 as shown in FIG. It is a graph which shows the output of the strain sensor 75 when making it contact. As shown by the curve 55, the contact force applied to the microball stylus was gradually increased to give a contact force of up to about 6 mN to the microball stylus. However, the microball 52 having a diameter of 10 μm was not removed from the stylus shaft 51.
次に、図１２に示したスタイラスの実施例の実験結果について説明する。この場合、実験装置は、図１３に示したものと同様の装置を用い、マイクロボールスタイラスのスタイラス軸４１あるいはスタイラス軸５１の代わりに、ガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラスのスタイラス軸６１を取り付ける。ＸＹＺステージ７９を操作してひずみセンサ７５にスタイラス軸６１を接触させる。図１７は、この実験状況を説明するための説明図であり、ガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラスのスタイラス軸６１とひずみセンサ７５の接触の様子を示したものである。ガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラスのスタイラス軸６１は、ひずみセンサ７５に対し、４５度傾けて接触させている。この実験では、ガラスチューブを用いたマイクロボールスタイラスのスタイラス軸６１に約１００ｍＮの接触圧をかけて、ＸＹＺステージ７９を操作して、左右に走査させた。直径５０μmのマイクロガラス球６２は、ガラスチューブを用いたスタイラス軸６１から取れることはなかった。 Next, experimental results of the embodiment of the stylus shown in FIG. 12 will be described. In this case, the experimental apparatus uses an apparatus similar to that shown in FIG. 13, and a stylus shaft 61 of a microball stylus using a glass tube is attached instead of the stylus shaft 41 or stylus shaft 51 of the microball stylus. The XYZ stage 79 is operated to bring the stylus shaft 61 into contact with the strain sensor 75. FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining this experimental situation, and shows a state of contact between the stylus shaft 61 of the microball stylus and the strain sensor 75 using a glass tube. A stylus shaft 61 of a microball stylus using a glass tube is brought into contact with the strain sensor 75 with an inclination of 45 degrees. In this experiment, a contact pressure of about 100 mN was applied to the stylus shaft 61 of a microball stylus using a glass tube, and the XYZ stage 79 was operated to scan left and right. The micro glass sphere 62 having a diameter of 50 μm was not removed from the stylus shaft 61 using a glass tube.
本発明に係る接触式変位センサのスタイラス及び接触式変位センサは、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイ等、１００μmないし０．０２μmのサイズの微細形状測定など、様々な微細形状測定分野に適用できる。 The stylus of the contact displacement sensor and the contact displacement sensor according to the present invention are applied to various fine shape measurement fields such as micro shape measurement of 100 μm to 0.02 μm, such as micro parts and micro lens arrays constituting a micro machine. it can.
１、１１、２１、４１、５１、６１ スタイラス軸
２、１２、２２、４２、５２、６２ マイクロボール
３、９、７３、７９ ＸＹＺステージ
４、７４ アルミ板
６、７、７７ ＣＣＤカメラ
８、７８ アーム
１４、４４、５４、６４ 接着剤
１６ ガラスチューブ
１７ 電熱線
１８ 電源
２５ 接触式変位センサ
３１ ギア
３２ スピンドル
７５ ひずみセンサ
1, 11, 21, 41, 51, 61 Stylus axis 2, 12, 22, 42, 52, 62 Microball 3, 9, 73, 79 XYZ stage 4, 74 Aluminum plate 6, 7, 77 CCD camera 8, 78 Arm 14, 44, 54, 64 Adhesive 16 Glass tube 17 Heating wire 18 Power supply 25 Contact type displacement sensor 31 Gear 32 Spindle 75 Strain sensor
Claims (5)
A contact displacement sensor comprising the stylus of the contact displacement sensor according to claim 1.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20091021 |
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| A521 | Written amendment |
Effective date: 20091022 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120710 |
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| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20121106 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |