JP4070891B2

JP4070891B2 - Excitation contact sensor

Info

Publication number: JP4070891B2
Application number: JP24035198A
Authority: JP
Inventors: 俊郎樋口; 実黒澤
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: JP2000065716A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）等によって被測定物の表面形状を測定するのに好適な加振形接触センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
鋭利な先端を有する探針や触針を試料の表面にナノメートルオーダに近づけると、探針と試料との間に原子間力が働き、触針は試料面に引きつけられたり、逆に、斥力が作用することになる。この力はファンデルワールスの力として広く知られており、これらの引力や斥力が一定となるようにして触針を試料の表面に走査することにより、試料表面の凹凸を観察する顕微鏡がＡＦＭ（原子間力顕微鏡）である。
【０００３】
ＡＦＭでは、実際に引力あるいは斥力を直接検出することができないので、引力や斥力を変位に変換し、この変位を検出しながら変位が一定となるように走査される。従って、ＡＦＭは、効率よく力を変位に変換するために、ばね定数の小さなカンチレバーを使用し、このカンチレバーの先端に作用する力によりカンチレバーが撓むことを利用して測定を行うことが一般的である。
このように、カンチレバーの静的な変位を計測する方法を静的モードと称し、カンチレバーを積極的に振動させ、その共振振動数あるいは振幅が探針と試料間に依存して変化することを利用した動的モードと称する。
【０００４】
動的モードには、さらに、完全に試料と非接触状態で動作させる完全非接触モードと、振幅を比較的大きくとり、周期的にカンチレバーの先端を試料に接触させてその振幅変化をみる周期的接触モード（Cyclic Contact ModeあるいはTapping Mode）とがある。周期的接触モードは、他の方法に比べて表面の吸着層等の影響を最低限にでき、また、被測定物に対するダメージも小さいという特徴を有する。
この動的モードは、カンチレバーの形状でのみ実現されているのが現状である。この動的モードを実行するための加振形接触センサの従来例が図６に示されている。
【０００５】
図６において、加振形接触センサは、固定台５１と、この固定台５１に基端が固定され先端部が先細り状に形成された略板状のカンチレバー５２と、このカンチレバー５２の先端部下面にカンチレバー５２の平面と直交して取り付けられた接触部としての微少針５３と、カンチレバー５２を共振状態で振動させる図示しない加振手段と、微少針５３が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する図示しない検出手段とを備え、微少針５３が被測定物と接触することでカンチレバー５２が撓み、この撓みを検出して測定が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示される加振形接触センサでは、効率よく力を変位に変換するために、カンチレバー５２のばね定数を小さく、つまり、曲がりやすく設計するのが一般的である。また、応答性を上げるためにカンチレバー５２の固有振動数を100kHz以上に設計するのが一般的であるが、これを実現するには、カンチレバー５２を全長１mm以下と非常に微細に作る必要がある。
【０００７】
図７に示される通り、被測定物Ｗに微少針５３を接触させて矢印Ｐ方向に走査しながら測定する際に、カンチレバー５２の先端はＱで示される円弧運動をすることになり、これに伴って微少針５３の先端も円弧運動をすることになる。
そのため、微少針５３の先端と被測定物Ｗとの接触点は、被測定物Ｗの表面凹凸の大きさにより、走査方向の位置が異なり、図７中、誤差D1を生じることになる。このことは、ＡＦＭで観測される像が歪んで見えることを意味する。
さらに、カンチレバー５２は、その幅方向に均一に製作することは困難であり、このためカンチレバー５２の振動が図８の符号Ｒで示される通り、首振り状態となる。この首振りに伴って誤差D2を生じることになり、この点からも、ＡＦＭで観測される像が歪むことになる。
【０００８】
本発明の目的は、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる加振形接触センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状に形成された振動子を一軸方向に振動させるとともにこの振動子の先端に針状に形成された接触部を設けて前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明の加振形接触センサは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持される振動子本体とこの振動子本体の先端部に設けられ被測定物と接触する接触部とを有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備えた加振形接触センサであって、前記接触部は前記振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材であり、前記スタイラスホルダと前記振動子本体とは板状体から一体構造に形成されて同一平面上に位置するとともに、前記振動の軸を中心として前記板状体の面方向に略軸対称構造とされ、前記スタイラスホルダは、平面コ字型に形成された平板であり、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダの開口端部に、前記振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節を支持された平板であることを特徴とする。
【００１０】
この構成の本発明では、加振手段を作動させると、振動子は対称軸方向の支持点を振動の節とし、その両端を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。接触部である針状部材を被測定物の表面に当接させると、針状部材は振動子の振動方向に沿って設けられているため、針状部材及び振動子の振動が規制され、この振動の変化が検出手段で検出される。
そのため、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点が解消され、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００１１】
その上、スタイラスホルダと振動子とは、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、かつ、振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節において振動子がスタイラスホルダで支持される構造であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。しかも、スタイラスホルダと振動子とを板状体から一体成形したから、支持点におけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサの共振特性と検出感度とを向上させることができる。
さらに、曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、高速応答が可能となる。しかも、振動子が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
【００１２】
ここで、本発明では、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダに支持された点から前記接触部が設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造が好ましい。
振動子本体がホーン形状を有することで、振動子の先端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、前記板状体はチタンから構成されることが好ましい。
板状体をチタンから構成することで、センサの耐食性を優れたものにできる。
また、前記加振手段及び前記検出手段の少なくとも一方は水熱合成法で成形された圧電材料膜を有することが好ましい。
水熱合成法によって加振手段や検出手段を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）で使用される加振形接触センサ１である。
図１は本実施形態にかかる加振形接触センサ１の斜視図であり、図２は加振形接触センサ１の回路構成図である。
【００１５】
これらの図において、加振形接触センサ１は、図示しないＡＦＭの本体に取り付けられたスタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられ被測定物と接触する接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５と、加振手段４を作動する加振回路６と、検出手段５を作動する検出回路７とを備えた構成である。
【００１６】
スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとはチタンからなる一枚の薄い板状体から一体構造に形成される。スタイラスホルダ２は平面コ字型に形成された平板とされ、振動子本体３Ｂは、その長手方向が振動方向とされ、かつ、スタイラスホルダ２の開口端部に支持点２Ａを介して振動の節となる中央部が支持された細長い平板とされる。これらの平板は同一平面上に配置される。スタイラスホルダ２及び振動子３は、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。
スタイラスホルダ２の開口端側には取付孔２Ｂが２箇所形成されている。
【００１７】
振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２の開口部に配置された基端部が平面矩形状とされ、スタイラスホルダ２の開口部から突出した先端部が支持点２Ａから接触部３Ａに向かうに従って幅が細くなるホーン形状とされる。このホーン形状は、図１に示される通り、湾曲形状であてもよく、あるいは、直線状であってもよい。
接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端面において振動の軸方向に延びて設けられた針状部材であり、より具体的には、先端に従って径が細くなる円錐状の微少針である。この微少針はダイアモンドチップ等から構成される。
【００１８】
加振手段４は、振動子本体３Ｂの表面全面とスタイラスホルダ２の一部の表面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜４Ａと、この圧電材料膜４Ａの上面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた導電材料層４Ｂとを備えて構成されている。
加振手段４の導電材料層４Ｂは、金等からなるものであって加振用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間に電圧を印加し、圧電材料膜４Ａに電界を作用させて歪ませるものである。
【００１９】
検出手段５は、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２の裏面に設けられる点以外は加振手段４と同じ構造である。つまり、検出手段５は、振動子本体３Ｂの裏面全面とスタイラスホルダ２の一部の裏面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜５Ａと、この圧電材料膜５Ａの下面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた金等からなる導電材料層５Ｂとを備えて構成されている。
検出手段５の導電材料層５Ｂは、検出用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間にある圧電材料膜５Ａに生じる電圧の変化を検出するものである。
【００２０】
加振回路６は、加振手段４の導電材料層４Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、振動子３の中央を振動の節としてその長手方向（軸方向）に振動させるために導電材料層４Ｂに電流を供給する。
検出回路７は、検出手段５の導電材料層５Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、検出用電極として機能する導電材料層５Ｂで検出される振動子３の振動の変化を検出して接触部３Ａが被測定物に近接したことを検知して信号を発する構成である。
【００２１】
次に、本実施形態の加振形接触センサ１を製造する方法について、図３に基づいて説明する。
図３（Ａ）に示される通り、チタンからなる板状材をエッチングやワイヤカット等によってスタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを形成する。その後、図３（Ｂ）に示される通り、振動子本体３Ｂの表面全面及びスタイラスホルダ２の表面の一部に水熱合成法でＰＺＴから加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａを成形する。同様に、振動子本体３Ｂの裏面全面及びスタイラスホルダ２の裏面の一部に水熱合成法でＰＺＴから検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａを成形する。
【００２２】
さらに、その後、図３（Ｃ）に示される通り、加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａの上に蒸着等の方法で加振電極として機能する導電材料層４Ｂを成形する。同様に、検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａの上に蒸着等の方法で検出電極として機能する導電材料層５Ｂを成形する。
さらに、振動子本体３Ｂの先端面にダイアモンドチップ等からなる微少針を接触部３Ａとして接着固定し、加振手段４に加振回路６を接続し、検出手段５に検出回路７を接続する。
【００２３】
この構成の加振形接触センサ１を使用するためには、まず、加振回路６及び検出回路７を作動させる。すると、振動子３は、支持点２Ａを振動の節とし、その端部を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。
この状態で接触部３Ａを図４に示される通り、被測定物Ｗの表面に対して当接させると、接触部３Ａを構成する針状部材及び振動子本体３Ｂの矢印Ｐ方向の振動が規制され、この振動の変化が検出手段５で検出され、検出回路７を通じて発信される。
【００２４】
従って、本実施形態では、スタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられた接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５とを備えた加振形接触センサであって、接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成されているため、針状部材は常に振動子３の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点を解消して被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００２５】
しかも、スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記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、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子３をスタイラスホルダ２で支持した構成であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
その上、スタイラスホルダ２と振動子３とを板状体から一体構造としたから、支持点２Ａにおけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサ自体の共振特性と検出感度とを向上させることができる。
【００２６】
さらに、振動子３の曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、センサ自体の高速応答が可能となる。
しかも、振動子３が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
また、固有振動数を同じにした場合には縦振動が従来の横振動に比べて振動子３の寸法を大きくすることができるので、センサの製作が容易に行える。
【００２７】
さらに、本実施形態では加振形接触センサ１をＡＦＭに使用したから、この加振形接触センサ１によって被測定物の測定位置が誤差なく測定できることにより、ＡＦＭの像が歪むことがない。
また、本実施形態では、振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２に支持された点から接触部３Ａが設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造であるため、振動子３の端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
さらに、スタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを構成する板状体はチタンであるため、耐食性が良好となる。
【００２８】
また、加振手段４及び検出手段５の双方は水熱合成法で成形された圧電材料膜４Ａ，５Ａを有する構造であるため、水熱合成法によって加振手段４及び検出手段５を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
さらに、加振手段４と検出手段５とは振動子本体３Ｂの表裏面に対向するように設けられているため、この点からも、センサの小型化を実現することができるとともに、安価に製造することができる。
【００２９】
本実施形態の効果を確認するために加振形接触センサ１の周波数特性を測定した。測定した加振形接触センサ１の振動子３は、その厚さ寸法が0.1mmのものと、0.05mmのものとの２種類を用意した。これらの振動子３は、ともに、その長さ寸法が9.8mmであり、その幅寸法が1.0mmであり、その先端の幅は0.1mmであって、この振動子３の両面に合計の厚さが12μｍの圧電材料膜４Ａ，５Ａを設けた。
このように厚さ寸法の異なる２種類の加振形接触センサ１について、５Ｖの電流を印加し、レーザードップラー振動計を用いて振動振幅を測定した。その測定結果を図５に示す。
【００３０】
図５において、S1は振動子３の厚みが0.1mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は307.2kHz、共振時の振動振幅は27.7nm、共振のＱ値は452であった。S2は振動子３の厚みが0.05mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は286.6kHz、共振時の振動振幅は157nm、共振のＱ値は329であった。
これらは従来のものに比べ、共振周波数で2.7倍及び2.5倍、振動子本体３Ｂのホーン形状による振幅拡大前の振動振幅で5.2倍及び29倍、Ｑ値で0.74倍及び0.54倍である。
【００３１】
なお、本発明は前述の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あれば次に示す変形例を含むものである。
例えば、前記実施形態では、圧電材料膜４Ａ，５Ａを水熱合成法で成形したＰＺＴ薄膜としたが、本発明では、酸化亜鉛（ZnO）等の他の圧電材料を蒸着等の他の手段で成形するものであってもよい。仮に、水熱合成法を使用する場合であっても、圧電材料膜４Ａ，５Ａのいずれか一方を水熱合成法で成形するものでもよい。
さらに、圧電材料膜４Ａ，５Ａや電極を構成する導電材料層４Ｂ，５Ｂは、必ずしも軸対称形状とすることを要しない。
【００３２】
さらに、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２を構成する材質は、チタンである必要がなく、他の金属材料であってもよい。
また、振動子本体３Ｂの先端部はホーン形状でなくてもよく、例えば、平面矩形状であってもよい。
前記実施形態では、加振形接触センサ１はＡＦＭで使用された場合について説明したが、本発明では、加振形接触センサ１を三次元測定機、あるいは、ハイトゲージ（一次元測定機）、二次元測定機、輪郭測定機等の測定機全般に適用することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
従って、本発明では、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持された振動子本体及び振動子本体の先端に設けられた接触部と振動子本体を有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備え、接触部は振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成され、かつ、スタイラスホルダと振動子本体とは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記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し、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子をスタイラスホルダで支持した構成としたから、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができ、さらに、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加振形接触センサの斜視図である。
【図２】前記加振形接触センサの回路構成図である。
【図３】（Ａ）から（Ｃ）は前記加振形接触センサを製造する方法を説明する斜視図である。
【図４】前記加振形接触センサが被測定物を測定する状態を示す概略正面図である。
【図５】前記加振形接触センサの効果を確認するために行った測定結果を示すグラフである。
【図６】従来例のカンチレバータイプの加振形接触センサを示す概略斜視図である。
【図７】従来例の問題点を説明するための側面図である。
【図８】従来例の問題点を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１加振形接触センサ
２スタイラスホルダ
３振動子
３Ａ接触部（針状部材）
３Ｂ振動子本体
４加振手段
４Ａ圧電材料膜
５検出手段
５Ａ圧電材料膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an excitation-type contact sensor suitable for measuring the surface shape of an object to be measured using, for example, an AFM (Atomic Force Microscope).
[0002]
[Background]
When a probe or stylus with a sharp tip is brought close to the nanometer order on the surface of the sample, an atomic force acts between the probe and the sample, and the stylus is attracted to the sample surface. Will act. This force is widely known as the van der Waals force. A microscope that observes the unevenness of the sample surface by scanning the stylus on the surface of the sample so that the attractive force and repulsive force are constant is used by the AFM ( Atomic force microscope).
[0003]
Since the AFM cannot actually detect attraction or repulsion directly, the AFM is scanned so that the displacement is constant while detecting the displacement. Therefore, AFM generally uses a cantilever with a small spring constant in order to efficiently convert force into displacement, and performs measurement using the bending of the cantilever by the force acting on the tip of the cantilever. It is.
This method of measuring the static displacement of the cantilever is called the static mode, and it utilizes the fact that the cantilever is vibrated actively and its resonant frequency or amplitude changes depending on the probe and sample. Called the dynamic mode.
[0004]
In the dynamic mode, there is also a complete non-contact mode that operates completely in a non-contact state with the sample, and a cyclic mode in which the amplitude is relatively large and the tip of the cantilever is periodically brought into contact with the sample to observe the amplitude change. There is a contact mode (Cyclic Contact Mode or Tapping Mode). The periodic contact mode is characterized in that the influence of the adsorption layer on the surface can be minimized as compared with other methods, and the damage to the object to be measured is small.
At present, this dynamic mode is realized only in the shape of a cantilever. FIG. 6 shows a conventional example of an excitation type contact sensor for executing this dynamic mode.
[0005]
In FIG. 6, the vibration type contact sensor includes a fixed base 51, a substantially plate-shaped cantilever 52 whose base end is fixed to the fixed base 51, and a distal end portion is formed in a tapered shape, and a lower surface of the distal end portion of the cantilever 52. A microneedle 53 as a contact portion attached perpendicularly to the plane of the cantilever 52, a vibration means (not shown) that vibrates the cantilever 52 in a resonance state, and vibration generated when the microneedle 53 contacts the object to be measured. A detecting means (not shown) for detecting a change is provided, and the cantilever 52 is bent when the minute needle 53 comes into contact with the object to be measured, and measurement is performed by detecting this bending.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
6 is generally designed so that the spring constant of the cantilever 52 is made small, that is, bends easily in order to efficiently convert force into displacement. In order to improve the response, it is common to design the natural frequency of the cantilever 52 to be 100 kHz or more, but in order to realize this, it is necessary to make the cantilever 52 very fine with a total length of 1 mm or less. .
[0007]
As shown in FIG. 7, when the measurement is performed while bringing the minute needle 53 into contact with the workpiece W and scanning in the direction of the arrow P, the tip of the cantilever 52 performs an arc motion indicated by Q. Along with this, the tip of the minute needle 53 also makes an arc motion.
Therefore, the contact point between the tip of the minute needle 53 and the object W to be measured differs in the position in the scanning direction depending on the size of the surface unevenness of the object W to be measured, and an error D1 is generated in FIG. This means that the image observed with the AFM appears distorted.
Further, it is difficult to manufacture the cantilever 52 uniformly in the width direction. Therefore, the vibration of the cantilever 52 is swung as indicated by reference numeral R in FIG. An error D2 is generated along with this swing, and the image observed by the AFM is also distorted from this point.
[0008]
An object of the present invention is to provide a vibrating contact sensor that can measure the measurement position of an object to be measured without error.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention intends to achieve the above object by vibrating a plate-like vibrator in a uniaxial direction and providing a needle-like contact portion at the tip of the vibrator.
Specifically, the vibration-type contact sensor of the present invention includes a stylus holder, a vibrator main body supported by the stylus holder, and a contact portion provided at the tip of the vibrator main body and in contact with an object to be measured. A vibratory contact comprising: a vibrator having a vibrator; a vibration means for vibrating the vibrator in a uniaxial direction in a resonance state; and a detection means for detecting a change in vibration generated when the contact portion comes into contact with the object to be measured. In the sensor, the contact portion is a needle-like member provided to extend in the axial direction at the distal end portion of the vibrator body, and the stylus holder and the vibrator body are integrally formed from a plate-like body. has been the rewritable coplanar, wherein is substantially axisymmetric structure in the surface direction of the plate-like member around the axis of vibration, the stylus holder is a flat plate formed in a flat U-shape, The vibrator body is Wherein the open end of the stylus holder, characterized in that the node of vibration occurring near the center in the axial direction of the vibration is a flat plate supported.
[0010]
In the present invention having this configuration, when the excitation means is operated, the vibrator is in a resonance state in the longitudinal vibration mode with the support points in the direction of the symmetry axis as vibration nodes and both ends thereof as antinodes of vibration. When the needle-like member, which is the contact portion, is brought into contact with the surface of the object to be measured, the needle-like member is provided along the vibration direction of the vibrator. A change in vibration is detected by the detection means.
For this reason, the needle-like member always vibrates in the vibration direction of the vibrator, the disadvantage of the conventional cantilever type can be solved, and the measurement position of the object to be measured can be measured without error.
[0011]
In addition, the stylus holder and the vibrator have a substantially axisymmetric structure in the plane direction of the plate-like body with the vibration axis as the center, and the vibrator has a stylus at a vibration node generated near the center in the vibration axial direction. Since the structure is supported by the holder, stability against disturbance vibration is improved, and resonance characteristics and detection sensitivity are improved. In addition, since the stylus holder and the vibrator are integrally formed from the plate-like body, energy loss at the support point can be reduced. From this point as well, the resonance characteristics and detection sensitivity of the sensor can be improved. .
Furthermore, since the natural frequency in the axial direction can be designed to be higher than the natural frequency of bending, high-speed response is possible. In addition, since the vibrator is vibrated in a uniaxial direction, it is difficult to receive air resistance, and a high Q value (resonance state sharpness) can be realized to provide a highly sensitive sensor.
[0012]
Here, in the present invention, it is preferable that the vibrator main body has a horn shape in which a width becomes narrower from a point supported by the stylus holder toward a tip provided with the contact portion.
Since the vibrator body has a horn shape, a large amplitude can be obtained at the tip of the vibrator, and detection sensitivity can be improved.
[0013]
Furthermore, it is preferable that the plate-like body is made of titanium.
By constituting the plate-like body from titanium, the sensor can have excellent corrosion resistance.
Moreover, it is preferable that at least one of the vibration means and the detection means has a piezoelectric material film formed by a hydrothermal synthesis method.
By virtue of the hydrothermal synthesis method, the vibration means and the detection means can be thinly formed to reduce the size of the sensor itself and to manufacture it at low cost.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present embodiment is an excitation type contact sensor 1 used in an AFM (Atomic Force Microscope).
FIG. 1 is a perspective view of a vibrating contact sensor 1 according to the present embodiment, and FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the vibrating contact sensor 1.
[0015]
In these drawings, the vibration contact sensor 1 is provided at the stylus holder 2 attached to the AFM main body (not shown), the vibrator main body 3B supported by the stylus holder 2, and the tip of the vibrator main body 3B. A vibrator 3 having a contact portion 3A that comes into contact with the object to be measured, a vibration means 4 that vibrates the vibrator 3 in a uniaxial direction in a resonance state, and vibration generated when the contact portion 3A comes into contact with the object to be measured. This configuration includes a detection means 5 that detects a change, an excitation circuit 6 that operates the excitation means 4, and a detection circuit 7 that operates the detection means 5.
[0016]
The stylus holder 2 and the vibrator body 3B are integrally formed from a single thin plate-like body made of titanium. The stylus holder 2 is a flat U-shaped flat plate, and the vibrator body 3B has a longitudinal direction as a vibration direction, and a vibration node is connected to the opening end of the stylus holder 2 via a support point 2A. It is set as the elongate flat plate by which the center part which becomes is supported. These flat plates are arranged on the same plane. The stylus holder 2 and the vibrator 3 have a substantially axisymmetric structure in the plane direction of the plate-like body around the vibration axis.
Two attachment holes 2 </ b> B are formed on the opening end side of the stylus holder 2.
[0017]
The vibrator main body 3B has a base rectangular shape disposed at the opening of the stylus holder 2 and has a flat rectangular shape, and the tip protruding from the opening of the stylus holder 2 has a width as it goes from the support point 2A toward the contact portion 3A. The horn shape becomes thinner. The horn shape may be a curved shape or a straight shape as shown in FIG.
The contact portion 3A is a needle-like member provided on the distal end surface of the vibrator main body 3B so as to extend in the vibration axial direction, and more specifically, a conical microneedle having a diameter that decreases with the distal end. This fine needle is composed of a diamond tip or the like.
[0018]
The vibration means 4 is provided on the entire surface of the vibrator main body 3B and a part of the surface of the stylus holder 2, and the piezoelectric material film 4A composed of a PZT thin film, and the vibrator main body 3B out of the upper surface of the piezoelectric material film 4A. And a conductive material layer 4B provided on the stylus holder 2 side.
The conductive material layer 4B of the vibration means 4 is made of gold or the like and functions as a vibration electrode. A voltage is applied between the vibrator body 3B and an electric field is applied to the piezoelectric material film 4A. It is distorted by acting.
[0019]
The detection means 5 has the same structure as the vibration means 4 except that the detection means 5 is provided on the back surfaces of the vibrator body 3B and the stylus holder 2. That is, the detecting means 5 includes a piezoelectric material film 5A formed of a PZT thin film provided on the entire back surface of the vibrator body 3B and a part of the back surface of the stylus holder 2, and the vibrator body of the lower surface of the piezoelectric material film 5A. And a conductive material layer 5B made of gold or the like provided on the base end side of 3B and the stylus holder 2 side.
The conductive material layer 5B of the detection means 5 functions as a detection electrode, and detects a change in voltage generated in the piezoelectric material film 5A between the vibrator body 3B.
[0020]
The vibration circuit 6 is electrically connected to the conductive material layer 4B of the vibration means 4 and the vibrator body 3B, and vibrates in the longitudinal direction (axial direction) using the center of the vibrator 3 as a vibration node. A current is supplied to the conductive material layer 4B.
The detection circuit 7 is electrically connected to the conductive material layer 5B of the detection means 5 and the vibrator body 3B, and detects a change in vibration of the vibrator 3 detected by the conductive material layer 5B functioning as a detection electrode. The contact portion 3A detects the proximity of the object to be measured and emits a signal.
[0021]
Next, a method for manufacturing the vibration-type contact sensor 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 3A, the stylus holder 2 and the vibrator main body 3B are formed by etching, wire cutting, or the like on a plate-like material made of titanium. Thereafter, as shown in FIG. 3B, a piezoelectric material film 4A constituting the vibration means 4 is formed from PZT on the entire surface of the vibrator body 3B and a part of the surface of the stylus holder 2 by hydrothermal synthesis. . Similarly, a piezoelectric material film 5A constituting the detection means 5 is formed from PZT on the entire back surface of the vibrator body 3B and a part of the back surface of the stylus holder 2 by hydrothermal synthesis.
[0022]
Further, thereafter, as shown in FIG. 3C, a conductive material layer 4B functioning as an excitation electrode is formed on the piezoelectric material film 4A constituting the excitation means 4 by a method such as vapor deposition. Similarly, a conductive material layer 5B that functions as a detection electrode is formed on the piezoelectric material film 5A constituting the detection means 5 by a method such as vapor deposition.
Further, a microneedle made of a diamond tip or the like is bonded and fixed to the tip surface of the vibrator body 3B as a contact portion 3A, the vibration circuit 6 is connected to the vibration means 4, and the detection circuit 7 is connected to the detection means 5.
[0023]
In order to use the vibration contact sensor 1 having this configuration, first, the vibration circuit 6 and the detection circuit 7 are operated. Then, the vibrator 3 is in a resonance state in the longitudinal vibration mode with the support point 2A as a vibration node and its end as a vibration antinode.
In this state, as shown in FIG. 4, when the contact portion 3A is brought into contact with the surface of the workpiece W, vibrations in the direction of arrow P of the needle-shaped member and the vibrator main body 3B constituting the contact portion 3A are restricted. This change in vibration is detected by the detection means 5 and transmitted through the detection circuit 7.
[0024]
Therefore, in the present embodiment, the vibrator 3 including the stylus holder 2, the vibrator main body 3B supported by the stylus holder 2, and the contact portion 3A provided at the tip of the vibrator main body 3B, and the vibrator 3 is an excitation-type contact sensor including an excitation unit 4 that vibrates 3 in a uniaxial direction in a resonance state, and a detection unit 5 that detects a change in vibration that occurs when the contact portion 3A comes into contact with an object to be measured. Since the contact portion 3A is composed of a needle-like member that extends in the axial direction at the tip of the vibrator body 3B, the needle-like member always vibrates in the vibration direction of the vibrator 3. The measurement position of the object to be measured can be measured without error by eliminating the disadvantages of the conventional cantilever type.
[0025]
Moreover, the stylus holder 2 and the vibrator body 3B are integrally formed from a plate-like body, and have a substantially axisymmetric structure in the plane direction of the plate-like body around the vibration axis. Since the vibrator 3 is supported by the stylus holder 2 at the vibration node generated at the center of the shaft, the stability against disturbance vibration is improved and the resonance characteristics and detection sensitivity are improved.
In addition, since the stylus holder 2 and the vibrator 3 are integrally formed from a plate-like body, energy loss at the support point 2A can be reduced. From this point also, the resonance characteristics and detection sensitivity of the sensor itself can be reduced. Can be improved.
[0026]
Furthermore, since the natural frequency in the axial direction can be easily designed to be higher than the natural frequency of bending of the vibrator 3, the sensor itself can respond at high speed.
In addition, since the vibrator 3 is vibrated in the uniaxial direction, it is difficult to receive air resistance, and a high Q value (resonance state sharpness) can be realized to provide a highly sensitive sensor.
Further, when the natural frequency is the same, the longitudinal vibration can increase the size of the vibrator 3 as compared with the conventional lateral vibration, so that the sensor can be easily manufactured.
[0027]
Further, in the present embodiment, the vibration type contact sensor 1 is used for the AFM, so that the measurement position of the object to be measured can be measured without any error by the vibration type contact sensor 1, so that the image of the AFM is not distorted.
Further, in the present embodiment, the vibrator body 3B has a horn shape that becomes narrower from the point supported by the stylus holder 2 toward the tip provided with the contact portion 3A. A large amplitude can be obtained at the end, and the detection sensitivity can be improved.
Furthermore, since the plate-like body constituting the stylus holder 2 and the vibrator main body 3B is titanium, the corrosion resistance is good.
[0028]
Since both the vibration means 4 and the detection means 5 have the piezoelectric material films 4A and 5A formed by the hydrothermal synthesis method, the vibration means 4 and the detection means 5 are thinly formed by the hydrothermal synthesis method. Thus, the sensor itself can be reduced in size and manufactured at low cost.
Further, since the vibration means 4 and the detection means 5 are provided so as to face the front and back surfaces of the vibrator body 3B, it is possible to reduce the size of the sensor and to manufacture the sensor at a low cost. can do.
[0029]
In order to confirm the effect of this embodiment, the frequency characteristic of the vibration type contact sensor 1 was measured. Two types of vibrators 3 of the vibration-type contact sensor 1 thus measured were prepared, one having a thickness of 0.1 mm and one having a thickness of 0.05 mm. Both of these vibrators 3 have a length dimension of 9.8 mm, a width dimension of 1.0 mm, a tip width of 0.1 mm, and a total thickness on both sides of the vibrator 3. Were provided with piezoelectric material films 4A and 5A of 12 μm.
As described above, with respect to the two types of vibrating contact sensors 1 having different thickness dimensions, a current of 5 V was applied, and the vibration amplitude was measured using a laser Doppler vibrometer. The measurement results are shown in FIG.
[0030]
In FIG. 5, S1 indicates the relationship between the frequency and amplitude when the thickness of the vibrator 3 is 0.1 mm. In this case, the resonance frequency characteristic is 307.2 kHz, the vibration amplitude at resonance is 27.7 nm, and the resonance Q The value was 452. S2 shows the relationship between the frequency and amplitude when the thickness of the vibrator 3 is 0.05 mm. In this case, the resonance frequency characteristic is 286.6 kHz, the vibration amplitude at resonance is 157 nm, and the resonance Q value is 329. It was.
These are 2.7 times and 2.5 times the resonance frequency, 5.2 times and 29 times the vibration amplitude before the amplitude expansion due to the horn shape of the vibrator body 3B, and 0.74 times and 0.54 times the Q value compared to the conventional one.
[0031]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, If the range which can achieve the objective of this invention is included, the modification shown next is included.
For example, in the above embodiment, the piezoelectric material films 4A and 5A are PZT thin films formed by hydrothermal synthesis. However, in the present invention, other piezoelectric materials such as zinc oxide (ZnO) are deposited by other means such as vapor deposition. You may shape | mold. Even if the hydrothermal synthesis method is used, one of the piezoelectric material films 4A and 5A may be formed by the hydrothermal synthesis method.
Further, the piezoelectric material films 4A and 5A and the conductive material layers 4B and 5B constituting the electrodes are not necessarily required to have an axially symmetric shape.
[0032]
Furthermore, the material constituting the vibrator main body 3B and the stylus holder 2 does not need to be titanium, and may be another metal material.
Further, the distal end portion of the vibrator main body 3B may not be a horn shape, and may be a planar rectangular shape, for example.
In the above-described embodiment, the vibration contact sensor 1 is used in AFM. However, in the present invention, the vibration contact sensor 1 is a three-dimensional measuring machine, a height gauge (one-dimensional measuring machine), two It is also possible to apply to general measuring machines such as a dimension measuring machine and a contour measuring machine.
[0033]
【The invention's effect】
Therefore, in the present invention, the stylus holder, the vibrator main body supported by the stylus holder, the vibrator provided with the contact portion provided at the tip of the vibrator main body and the vibrator main body, and the vibrator resonates in the uniaxial direction. And a detecting means for detecting a change in vibration that occurs when the contact portion comes into contact with the object to be measured. The contact portion is provided to extend in the axial direction at the tip of the vibrator body. And the stylus holder and the vibrator main body are integrally formed from a plate-like body, and have a substantially axisymmetric structure in the plane direction of the plate-like body around the vibration axis, Since the vibrator is supported by the stylus holder at the vibration node generated in the center in the vibration axial direction, the needle-like member always vibrates in the vibration direction of the vibrator, and the measurement target It can be the measurement positions measured without error, further improved stability against disturbance vibration is enhanced and the resonance characteristics and the detection sensitivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an excitation-type contact sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of the vibration-type contact sensor.
FIGS. 3A to 3C are perspective views for explaining a method of manufacturing the vibration contact sensor.
FIG. 4 is a schematic front view showing a state in which the vibrating contact sensor measures an object to be measured.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement performed to confirm the effect of the vibration-type contact sensor.
FIG. 6 is a schematic perspective view showing a conventional cantilever type vibration contact sensor.
FIG. 7 is a side view for explaining a problem of a conventional example.
FIG. 8 is a front view for explaining a problem of a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Excitation type contact sensor 2 Stylus holder 3 Vibrator 3A Contact part (needle-shaped member)
3B Vibrator body 4 Excitation means 4A Piezoelectric material film 5 Detection means 5A Piezoelectric material film

Claims

スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持される振動子本体とこの振動子本体の先端部に設けられ被測定物と接触する接触部とを有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備えた加振形接触センサであって、
前記接触部は前記振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材であり、
前記スタイラスホルダと前記振動子本体とは板状体から一体構造に形成されて同一平面上に位置するとともに、前記振動の軸を中心として前記板状体の面方向に略軸対称構造とされ、
前記スタイラスホルダは、平面コ字型に形成された平板であり、
前記振動子本体は、前記スタイラスホルダの開口端部に、前記振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節を支持された平板である
ことを特徴とする加振形接触センサ。A vibrator having a stylus holder, a vibrator main body supported by the stylus holder, a contact portion provided at a distal end portion of the vibrator main body and in contact with an object to be measured, and the vibrator in a resonance state in a uniaxial direction. A vibration-type contact sensor comprising vibration means for vibrating and detection means for detecting a change in vibration that occurs when the contact portion comes into contact with the object to be measured ,
A needle-shaped member which is provided to extend in the axial direction in the front SL contact tip portion of the vibrator body,
Before SL The rewritable coplanar integrally formed structure of a plate-like body and the stylus holder and the vibrator body, a substantially axisymmetric structure in the surface direction of the plate-like member around the axis of the vibration It is,
The stylus holder is a flat plate formed in a planar U-shape,
The vibrator main body is a flat plate in which an opening end of the stylus holder is supported by a vibration node generated near the center in the vibration axial direction.
An excitation-type contact sensor characterized by that.

請求項１に記載の加振形接触センサにおいて、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダに支持された点から前記接触部が設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有することを特徴とする加振形接触センサ。2. The vibration-type contact sensor according to claim 1, wherein the vibrator body has a horn shape whose width becomes narrower from a point supported by the stylus holder toward a tip provided with the contact portion. Excitation type contact sensor.

請求項１又は２に記載の加振形接触センサにおいて、前記板状体はチタンから構成されることを特徴とする加振形接触センサ。3. The vibration contact sensor according to claim 1 or 2, wherein the plate-like body is made of titanium.

請求項１から３のいずれかに記載の加振形接触センサにおいて、前記加振手段及び前記検出手段の少なくとも一方は水熱合成法で成形された圧電材料膜を有することを特徴とする加振形接触センサ。4. The vibration contact sensor according to claim 1, wherein at least one of the vibration means and the detection means includes a piezoelectric material film formed by a hydrothermal synthesis method. Contact sensor.