JPH10307001A - Method and device for measuring fine-surface shape - Google Patents
Method and device for measuring fine-surface shapeInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシン用
部品の微細構造の形状計測や内燃機関の燃料噴噴射ノズ
ルの内面形状測定といった、サブミリオーダの３次元形
状を測定するために用いられる表面形状測定技術に関す
るもので、特に、測定対象面に接触する触針を用いた接
触式の表面形状測定技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface shape measurement used for measuring a sub-millimeter three-dimensional shape, such as a shape measurement of a microstructure of a component for a micromachine or a shape measurement of an inner surface of a fuel injection nozzle of an internal combustion engine. More particularly, the present invention relates to a contact-type surface shape measurement technique using a stylus that comes into contact with a surface to be measured.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、微小形状の接触式による測定方法
は特開平５−２６４２１４号に記載されたものが知られ
ている。図３３に従来の微小表面形状測定装置の代表的
な構造を示す。図中、１００１は触針であり、アクチュ
エータ１００２は触針１００１を一定位置で一定振幅で
振動させる。触針１００１と測定対象物１００３との電
気導通を直流電圧をかけて短絡電流を見ることで検出
し、導通時間の振動周期に対する比率をデューティサイ
クル測定装置１００６により検出する。図３４に示すよ
うに、振動する触針がある変位ｓを越えると、触針と測
定対象面の間で電気的導通が確保される。このため、触
針と測定対象面１００３ａとの相対距離の変化とデュー
ティサイクルは、図３５のような関係を持っている。図
３５では両者の関係は完全に比例ではないが、触針１０
０１の振動をサイン波から三角波に変更することにより
比例の度合いを高めることが可能である。以上のことか
ら、デューティサイクルをコンピュータ１００７で処理
し、プリンタ１００８およびモニタ１００９で確認しな
がらＺ軸送り機構１００５を動作させてテーブル１００
４を移動させることにより、測定対象１００３の表面形
状を知ることができる。測定対象面１００３ａの凹凸が
触針１００１の振幅を上回る場合は、Ｘ軸駆動機構１０
１０によりテーブル１０１１を移動させて測定対象物１
００３を再位置決めすることにより、測定対象物１００
３の表面形状を計測することが可能である。2. Description of the Related Art Conventionally, a method for measuring a minute shape by a contact method is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-264214. FIG. 33 shows a typical structure of a conventional micro surface shape measuring apparatus. In the figure, reference numeral 1001 denotes a stylus, and an actuator 1002 vibrates the stylus 1001 at a certain position and at a certain amplitude. The electrical continuity between the stylus 1001 and the measuring object 1003 is detected by applying a DC voltage and observing a short circuit current, and the ratio of the conduction time to the oscillation cycle is detected by the duty cycle measuring device 1006. As shown in FIG. 34, when the vibrating stylus exceeds a certain displacement s, electrical conduction is secured between the stylus and the surface to be measured. For this reason, the change in the relative distance between the stylus and the measurement target surface 1003a and the duty cycle have a relationship as shown in FIG. In FIG. 35, the relationship between the two is not completely proportional,
By changing the vibration of 01 from a sine wave to a triangular wave, the degree of proportionality can be increased. Based on the above, the duty cycle is processed by the computer 1007, and the Z-axis feed mechanism 1005 is operated while the table 100
By moving 4, the surface shape of the measurement target 1003 can be known. When the unevenness of the measurement target surface 1003a exceeds the amplitude of the stylus 1001, the X-axis driving mechanism 10
The table 1011 is moved by 10 to measure the object 1
003 is repositioned so that the measurement object 100
The surface shape of No. 3 can be measured.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た微細表面形状測定装置においては、アクチュエータ１
００２単体で触針１００１を駆動しているため、つま
り、オープンループで触針１００１を駆動しているた
め、アクチュエータの特性（熱変形、ヒステリシス、ド
リフトなど）の影響により振動の状態（振幅や振動中
心）が不安定となり、計測精度を悪化させてしまう問題
点がある。また、アクチュエータ１００２の振幅よりも
大きな凹凸を計測する場合、Ｘ軸駆動機構１０１０を補
助として用いるため、Ｘ軸駆動機構１０１０の位置決め
精度が全体の計測精度を悪化させてしまう問題点があ
る。さらに、一般にＸ軸駆動機構１０１０の位置決め速
度は振動アクチュエータ１００２に比べて遅いため、計
測全体にかかる時間を長くしてしまう問題点もある。ま
た、触針１００１と測定対象物１００３との接触検出の
ために電圧を印加し電気導通を検出しており、測定対象
が電気導電体に限られるといった問題点もある。さら
に、微細穴形状の垂直断面以外に水平断面を調べたいと
きに、どのような位置決め機構が必要になり、さらにそ
れらをどのように協調して動かしたらよいのかについて
も方法論が示されていないといった問題点がある。However, in the above-mentioned fine surface profile measuring device, the actuator 1
Since the stylus 1001 is driven by the 002 alone, that is, the stylus 1001 is driven in an open loop, the vibration state (amplitude and vibration) is affected by the characteristics of the actuator (thermal deformation, hysteresis, drift, etc.). (Center) becomes unstable, resulting in a problem that measurement accuracy is deteriorated. Further, when measuring unevenness larger than the amplitude of the actuator 1002, the X-axis drive mechanism 1010 is used as an auxiliary, and thus there is a problem that the positioning accuracy of the X-axis drive mechanism 1010 deteriorates the overall measurement accuracy. Further, since the positioning speed of the X-axis drive mechanism 1010 is generally slower than that of the vibration actuator 1002, there is a problem that the time required for the entire measurement is lengthened. In addition, a voltage is applied to detect contact between the stylus 1001 and the measurement target 1003 to detect electrical continuity, and there is a problem that the measurement target is limited to an electric conductor. Furthermore, when examining a horizontal cross section other than the vertical cross section of the fine hole shape, what kind of positioning mechanism is required, and further, there is no methodology on how to move them cooperatively. There is a problem.
【０００４】本発明は、以上の問題点を解決し、高精度
を維持したまま導電体・絶縁体の微小表面形状を高速に
計測可能とする計測自由度の高い表面形状測定方法およ
びその装置を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems, and provides a surface shape measuring method and apparatus having a high degree of freedom in measurement, which enables high-speed measurement of minute surface shapes of conductors and insulators while maintaining high accuracy. The purpose is to provide.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、触針を振動させるためのアクチュエータの
不都合な特性を改善するために変位センサを用いたフィ
ードバック制御を実施する。また、触針の変位可能領域
を大きく取るために、アクチュエータとして圧電素子と
変位拡大機構とを組み合わせたり、ベンディングモード
で変位する圧電素子を使う。このようにして触針の位置
決め精度を高めながら同時に変位範囲を広げることで、
測定精度を高めながら、被測定物の凹凸量が大きいとき
でも、従来例におけるＸ軸駆動機構のような補助移動手
段を不要とした測定を可能とする。このことにより、Ｘ
軸駆動機構により発生する計測精度の低下や計測スピー
ドの低下を防ぐことができる。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve this problem, the present invention implements feedback control using a displacement sensor in order to improve disadvantageous characteristics of an actuator for vibrating a stylus. Further, in order to increase the area where the stylus can be displaced, a piezoelectric element and a displacement enlarging mechanism are combined as an actuator, or a piezoelectric element displaced in a bending mode is used. In this way, by increasing the positioning accuracy of the stylus and simultaneously expanding the displacement range,
Even if the amount of unevenness of the object to be measured is large, it is possible to perform measurement without using an auxiliary moving means such as an X-axis drive mechanism in the conventional example, while increasing the measurement accuracy. This allows X
It is possible to prevent a decrease in measurement accuracy and a decrease in measurement speed caused by the shaft drive mechanism.
【０００６】また、非導電体の測定対象に対しては、圧
電薄膜を周囲に形成した触針を使用し、触針の歪みに比
例した圧電薄膜電圧を検出することにより接触・非接触
を判定し、接触状態を一定に保つように触針を制御して
やることで、非導電体の形状測定を行うことができる。For a non-conductive object to be measured, contact / non-contact is determined by using a stylus having a piezoelectric thin film formed around it and detecting a piezoelectric thin film voltage proportional to the distortion of the stylus. However, by controlling the stylus so as to keep the contact state constant, it is possible to measure the shape of the non-conductor.
【０００７】さらに、触針とこれを駆動するアクチュエ
ータの両方を回転させる主軸を設けることにより、従来
は縦断面だけだった形状測定を横断面の測定も可能とす
ることができる。さらに主軸の回転角を、測定対象を搭
載したステージの位置と協調して制御することにより、
任意横断面形状の測定が可能となる。Furthermore, by providing a main shaft for rotating both the stylus and the actuator for driving the stylus, it is possible to measure the shape of a cross section instead of the conventional one, which is only a vertical cross section. Furthermore, by controlling the rotation angle of the spindle in coordination with the position of the stage on which the object to be measured is mounted,
Measurement of an arbitrary cross-sectional shape becomes possible.
【０００８】これにより、従来よりも計測精度が高く、
計測速度も速く、導電体・被導電体を問わず検出が可能
で、縦断面・横断面のいずれもが自動計測できるような
微細表面形状測定装置が得られる。As a result, the measurement accuracy is higher than before,
The measurement speed is fast, the detection can be performed regardless of the conductor or the conductor, and a fine surface shape measuring apparatus capable of automatically measuring both the longitudinal section and the transverse section can be obtained.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、触針を取り付けた微小変位が可能なアクチュエータ
の変位をモニタする変位センサを有し、この変位センサ
からの信号をもとにフィードバック制御により前記アク
チュエータを駆動することを特徴とする微細表面形状測
定方法であり、高精度を維持したまま導電体や絶縁体の
微細表面形状を高速に計測可能とする作用を有する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The invention according to claim 1 of the present invention has a displacement sensor for monitoring the displacement of an actuator to which a stylus is attached and capable of minute displacement, and based on a signal from this displacement sensor. And a method for measuring the fine surface shape of a conductor or an insulator at a high speed while maintaining high accuracy.
【００１０】本発明の請求項２に記載の発明は、微小変
位が可能なアクチュエータに取り付けられた触針を位置
決め位置を中心として微振動させ、その時の触針と測定
対象面との接触を検出して、その接触時間の触針の振動
周期に対する比率が常に一定となるように前記アクチュ
エータの位置決め位置を調整し、この位置決め位置を記
録しながら前記触針をある経路に沿って移動させること
により測定対象面の凹凸形状を求めることを特徴とする
微細表面形状測定方法であり、高精度を維持したまま導
電体や絶縁体の微細表面形状を高速に計測可能とする作
用を有する。According to a second aspect of the present invention, a stylus attached to an actuator capable of minute displacement is finely vibrated about a positioning position, and the contact between the stylus and the surface to be measured at that time is detected. Then, by adjusting the positioning position of the actuator so that the ratio of the contact time to the vibration cycle of the stylus is always constant, by moving the stylus along a certain path while recording this positioning position This is a method for measuring a fine surface shape, which is characterized by obtaining an uneven shape of a surface to be measured, and has an effect of enabling high-speed measurement of a fine surface shape of a conductor or an insulator while maintaining high accuracy.
【００１１】本発明の請求項３に記載の発明は、触針を
取り付けた微小変位が可能なアクチュエータの変位をモ
ニタする変位センサを有し、この変位センサからの信号
をもとにフィードバック制御により前記アクチュエータ
を駆動するとともに、前記微小変位が可能なアクチュエ
ータに取り付けられた触針を位置決め位置を中心として
微振動させ、その時の触針と測定対象面との接触を検出
して、その接触時間の触針の振動周期に対する比率が常
に一定となるように前記アクチュエータの位置決め位置
を調整し、この位置決め位置を記録しながら前記触針を
ある経路に沿って移動させることにより測定対象面の凹
凸形状を求めることを特徴とする微細表面形状測定方法
であり、高精度を維持したまま導電体や絶縁体の微細表
面形状を高速に計測可能とする作用を有する。According to a third aspect of the present invention, there is provided a displacement sensor for monitoring a displacement of an actuator to which a stylus is attached and capable of minute displacement, and a feedback control based on a signal from the displacement sensor. While driving the actuator, the stylus attached to the actuator capable of minute displacement is micro-vibrated around the positioning position, and the contact between the stylus and the surface to be measured at that time is detected, and the contact time is measured. Adjust the positioning position of the actuator so that the ratio to the vibration cycle of the stylus is always constant, and move the stylus along a certain path while recording this positioning position to reduce the uneven shape of the measurement target surface. This is a method for measuring the fine surface shape of a conductor, which is characterized by high-speed measurement of the fine surface shape of conductors and insulators while maintaining high accuracy. It has the effect of the possible.
【００１２】本発明の請求項４に記載の発明は、触針を
振動させるためのアクチュエータとして圧電素子を使用
するとともに、この圧電素子の変位をモニタする変位セ
ンサを備えた振動ヘッドと、前記振動ヘッドの圧電素子
を駆動する駆動回路と、前記触針と測定対象面との接触
を電気的導通により検出する導通検出回路と、前記振動
ヘッドの変位センサからの信号および導通検出回路から
の信号をもとに触針の振動中心と測定対象面の相対間隔
が常に一定であるように前記駆動回路をフィードバック
制御する手段とを備えた微細表面形状測定装置であり、
高精度を維持したまま導電体や絶縁体の微細表面形状を
高速に計測可能とする作用を有する。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a vibrating head which uses a piezoelectric element as an actuator for vibrating a stylus and includes a displacement sensor for monitoring the displacement of the piezoelectric element; A drive circuit that drives the piezoelectric element of the head, a conduction detection circuit that detects the contact between the stylus and the surface to be measured by electrical conduction, and a signal from the displacement sensor of the vibrating head and a signal from the conduction detection circuit. A fine surface shape measuring device comprising means for performing feedback control of the drive circuit so that the relative distance between the center of vibration of the stylus and the surface to be measured is always constant,
It has the function of enabling high-speed measurement of fine surface shapes of conductors and insulators while maintaining high accuracy.
【００１３】本発明の請求項５に記載の発明は、振動ヘ
ッドの圧電素子として、曲げモードで変形する圧電素子
単体または積層圧電素子と変形拡大機構の組み合わせを
用いることを特徴とする請求項４記載の微細表面形状測
定装置であり、圧電素子の変位可能長さを広くとること
により触針の測定可能領域をひろげ、凹凸量の大きい測
定対象物に対しても計測速度や計測精度を低下すること
なく測定が可能となる作用を有する。According to a fifth aspect of the present invention, as the piezoelectric element of the vibrating head, a single piezoelectric element that deforms in a bending mode or a combination of a laminated piezoelectric element and a deformation enlarging mechanism is used. The micro surface shape measuring device described in the above. The measurable area of the stylus is widened by increasing the displacement length of the piezoelectric element, and the measurement speed and measurement accuracy are reduced even for a measurement object having a large amount of unevenness. It has the effect of making measurement possible without the need.
【００１４】本発明の請求項６に記載の発明は、振動ヘ
ッドが、触針を保持する触針ホルダーと、前記触針ホル
ダーに固定されて前記触針ホルダーを変位させる円筒型
ＰＺＴ素子と、前記円筒型ＰＺＴ素子を一定の位置に固
定する固定板と、前記固定板に設けられた発光素子と、
前記発光素子からの光を通過させる微小孔を有するピン
ホールプレートと、前記微小孔を通過した光を受光する
受光素子とを備えた請求項４記載の微細表面形状測定装
置であり、小型で高性能の振動ヘッドを実現できるとい
う作用を有する。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a stylus holder for holding a stylus, a cylindrical PZT element fixed to the stylus holder to displace the stylus holder, A fixing plate for fixing the cylindrical PZT element at a fixed position, a light emitting element provided on the fixing plate,
5. The fine surface profile measuring device according to claim 4, further comprising: a pinhole plate having a fine hole through which light from the light emitting element passes, and a light receiving element receiving light passing through the minute hole. This has the function of realizing a high-performance vibration head.
【００１５】本発明の請求項７に記載の発明は、発光素
子が発光ダイオードであり、受光素子が４分割ホトダイ
オードである請求項６記載の微細表面形状測定装置であ
り、小型で高性能の振動ヘッドを実現できるという作用
を有する。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the fine surface profile measuring apparatus according to the sixth aspect, wherein the light emitting element is a light emitting diode and the light receiving element is a four-division photodiode. This has the effect of realizing a head.
【００１６】本発明の請求項８に記載の発明は、導通検
出回路が、微弱な交流電圧を発生する交流電源と、触針
と測定対象面との接触による短絡電流を検出する手段
と、触針までのリードと測定対象面との間に発生する浮
遊容量を防止するために前記リードに設けられたガード
シールドとを備えた請求項４記載の微細表面形状測定装
置であり、触針と測定対象物面の接触を電気的に検出す
る場合に発生しやすい金属表面の酸化や汚染による絶縁
膜の発生を防止するという作用を有する。According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a continuity detecting circuit comprising: an AC power supply for generating a weak AC voltage; a means for detecting a short-circuit current caused by contact between a stylus and a surface to be measured; 5. The fine surface profile measuring device according to claim 4, further comprising a guard shield provided on the lead for preventing a stray capacitance generated between the lead up to the needle and the surface to be measured. This has the effect of preventing the formation of an insulating film due to oxidation or contamination of the metal surface, which is likely to occur when the contact of the object surface is detected electrically.
【００１７】本発明の請求項９に記載の発明は、導通検
出回路が、触針と測定対象面との間に発生する浮遊容量
を防止するために前記触針に設けられたガードシールド
を備えた請求項８記載の微細表面形状測定装置であり、
触針と測定対象物面の接触を電気的に検出する場合に発
生しやすい金属表面の酸化や汚染による絶縁膜の発生を
防止するという作用を有する。According to a ninth aspect of the present invention, the conduction detecting circuit includes a guard shield provided on the stylus for preventing stray capacitance generated between the stylus and the surface to be measured. 9. The fine surface profile measuring device according to claim 8,
This has the effect of preventing the formation of an insulating film due to oxidation or contamination of the metal surface, which is likely to occur when the contact between the stylus and the surface of the object to be measured is electrically detected.
【００１８】本発明の請求項１０に記載の発明は、触針
を取り付けた微小変位が可能なアクチュエータと、前記
アクチュエータを駆動する駆動手段と、前記アクチュエ
ータの変位をモニタする変位センサと、前記変位センサ
からの信号をもとに前記アクチュエータをフィードバッ
ク制御するための信号を前記駆動手段へ送出する制御手
段とを備えた微細表面形状測定装置であり、アクチュエ
ータの特性を改善することで測定精度を高めながら、ア
クチュエータの変位範囲を広げることで触針の計測範囲
を大きくするという作用を有する。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an actuator to which a stylus is attached, which can be minutely displaced, a driving means for driving the actuator, a displacement sensor for monitoring the displacement of the actuator, Control means for sending a signal for feedback-controlling the actuator based on a signal from a sensor to the driving means, and improving measurement characteristics by improving characteristics of the actuator. However, it has the effect of increasing the measurement range of the stylus by expanding the displacement range of the actuator.
【００１９】本発明の請求項１１に記載の発明は、アク
チュエータとして、たとえば積層圧電素子と梃子のよう
な変形拡大機構の組み合わせを用いることにより、触針
の変位領域を広く確保することを特徴とする請求項１０
記載の微細表面形状測定装置であり、圧電素子の変位可
能長さを広くとることにより触針の測定可能領域をひろ
げ、凹凸量の大きい測定対象に対しても計測速度を低下
することなく測定が可能となるという作用を有する。An eleventh aspect of the present invention is characterized in that a large displacement area of a stylus is secured by using a combination of, for example, a laminated piezoelectric element and a deformation expanding mechanism such as a lever as an actuator. Claim 10
The fine surface profile measuring device described in the above.By increasing the displaceable length of the piezoelectric element, the measurable area of the stylus is widened, and measurement can be performed without reducing the measurement speed even for a measurement object with a large amount of unevenness. It has the effect that it becomes possible.
【００２０】本発明の請求項１２に記載の発明は、アク
チュエータとして、たとえばバイモルフ圧電素子を用い
ることにより、触針の変位領域を広く確保することを特
徴とする請求項１０記載の微細表面形状測定装置であ
り、圧電素子の変位可能長さを広くとることにより触針
の測定可能領域をひろげ、凹凸量の大きい測定対象に対
しても計測速度を低下することなく測定が可能となると
いう作用を有する。According to the twelfth aspect of the present invention, a wide displacement area of the stylus is secured by using, for example, a bimorph piezoelectric element as the actuator. This is a device that has a large measurable area of the stylus by increasing the displacement length of the piezoelectric element, and has the effect of making it possible to measure a measurement object with a large amount of unevenness without reducing the measurement speed. Have.
【００２１】本発明の請求項１３に記載の発明は、アク
チュエータとして、たとえば積層圧電素子とステッピン
グモータと送りねじにより駆動されるスライド機構の組
み合わせを用いることにより、触針の変位領域を広く確
保することを特徴とする請求項１０記載の微細表面形状
測定装置であり、スライド機構の変位可能長さを広くと
ることにより触針の測定可能領域をひろげ、凹凸量の大
きい測定対象に対しても計測速度を低下することなく測
定が可能となるという作用を有する。According to a thirteenth aspect of the present invention, a large displacement area of the stylus is secured by using, for example, a laminated piezoelectric element, a stepping motor, and a slide mechanism driven by a feed screw as the actuator. 11. The fine surface profile measuring device according to claim 10, wherein the measurable area of the stylus is widened by widening the displaceable length of the slide mechanism, and measurement is also performed on a measurement object having a large amount of unevenness. This has the effect that measurement can be performed without reducing the speed.
【００２２】本発明の請求項１４に記載の発明は、前記
電磁モータを位置決め制御しながら駆動する駆動手段
と、前記変位センサからの信号をもとに前記電磁モータ
をフィードバック制御するための信号を前記駆動手段へ
送出する制御手段とを備えた請求項１３記載の微細表面
形状測定装置であり、スライド機構の変位可能長さを広
くとることにより触針の測定可能領域をひろげ、凹凸量
の大きい測定対象に対しても計測速度を低下することな
く測定が可能となるという作用を有する。According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a driving means for driving the electromagnetic motor while performing positioning control, and a signal for feedback-controlling the electromagnetic motor based on a signal from the displacement sensor. 14. The fine surface shape measuring apparatus according to claim 13, further comprising a control unit for sending the signal to the driving unit, wherein the movable area of the stylus is widened by widening the displaceable length of the slide mechanism, and the amount of unevenness is large. This has the effect that measurement can be performed on the measurement object without reducing the measurement speed.
【００２３】本発明の請求項１５に記載の発明は、アク
チュエータとして、たとえば永久磁石と組み合わされた
ボイスコイル単体、あるいはボイスコイルと積層圧電素
子を組み合わせを用いることにより、触針の変位領域を
広く確保することを特徴とする請求項１０記載の微細表
面形状測定装置であり、ボイスコイルの変位可能長さを
広くとることにより触針の測定可能領域をひろげ、凹凸
量の大きい測定対象に対しても計測速度を低下すること
なく測定が可能となるという作用を有する。According to a fifteenth aspect of the present invention, the displacement area of the stylus is widened by using, for example, a single voice coil combined with a permanent magnet or a combination of a voice coil and a laminated piezoelectric element as an actuator. The micro-surface shape measuring apparatus according to claim 10, wherein the measurement area of the stylus is widened by increasing the displaceable length of the voice coil, and the measurement object having a large unevenness amount is provided. Also has the effect that measurement can be performed without lowering the measurement speed.
【００２４】本発明の請求項１６に記載の発明は、触針
と測定対象面の間に電圧を印加し、触針と測定対象面と
の接触を電気的導通により検出する導通検出手段を備え
た請求項１０から１５のいずれかに記載の微細表面形状
測定装置であり、導電体の測定対象に対して効果的に接
触を検出できるという作用を有する。According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided conduction detecting means for applying a voltage between the stylus and the surface to be measured and detecting the contact between the stylus and the surface to be measured by electrical conduction. The fine surface shape measuring device according to any one of claims 10 to 15, wherein the device has an effect of being able to effectively detect contact with a measurement target of a conductor.
【００２５】本発明の請求項１７に記載の発明は、触針
の周囲にたとえばＺｎＯやＰＺＴなどの圧電体薄膜を形
成して触針のたわみ量を電圧として検出することによ
り、触針と測定対象面との接触を検出する接触検出手段
を備えた請求項１０記載の微細表面形状測定装置であ
り、非導電体の測定対象に対して効果的に接触が検出で
きるという作用を有する。According to a seventeenth aspect of the present invention, a probe is formed by forming a piezoelectric thin film such as ZnO or PZT around the probe and detecting the amount of deflection of the probe as a voltage. 11. The fine surface profile measuring device according to claim 10, further comprising a contact detecting means for detecting a contact with a target surface, and has an effect that a contact can be effectively detected with respect to a non-conductor measuring object.
【００２６】本発明の請求項１８に記載の発明は、前記
圧電体薄膜を付着した触針のたわみ量の信号と所定の閾
値とを比較し、触針たわみ信号がこの閾値を上回る場合
は触針が測定対象面に接触していると判定し、下回った
場合は触針が測定対象面に接触していないと判定する信
号処理装置を有することを特徴とする請求項１７記載の
微細表面形状測定装置であり、前記圧電薄膜からの信号
を簡単な処理で接触検出信号に変換できるという作用を
有する。The invention according to claim 18 of the present invention compares the signal of the amount of deflection of the stylus to which the piezoelectric thin film is adhered with a predetermined threshold value, and if the deflection signal of the stylus exceeds this threshold value, 18. The fine surface shape according to claim 17, further comprising a signal processing device that determines that the needle is in contact with the surface to be measured, and determines that the stylus is not in contact with the surface to be measured when the needle falls below the surface. This is a measuring device, and has an effect that a signal from the piezoelectric thin film can be converted into a contact detection signal by simple processing.
【００２７】本発明の請求項１９に記載の発明は、前記
圧電体薄膜を付着した触針のたわみ量の信号と前記アク
チュエータの変位信号を統計的処理により比例係数を順
次計算し、両者に正の比例関係がある場合は触針が測定
対象面に接触していると判定し、両者に比例関係が見ら
れない場合は触針が測定対象面に接触していないと判定
する信号処理装置を有することを特徴とする請求項１７
記載の微細表面形状測定装置であり、前記圧電薄膜から
生じる信号がノイズに埋もれている場合や、信号ゲイン
や信号レベルが変化してしまう場合においても、正しく
接触、非接触を検出できるという作用を有する。According to a nineteenth aspect of the present invention, the signal of the amount of deflection of the stylus to which the piezoelectric thin film is adhered and the displacement signal of the actuator are sequentially calculated by a statistical process to calculate a proportional coefficient, and the two are positively corrected. If there is a proportional relationship, it is determined that the stylus is in contact with the surface to be measured, and if there is no proportional relationship between both, a signal processing device that determines that the stylus is not in contact with the surface to be measured 18. The method according to claim 17, wherein
The fine surface profile measuring device according to the above, wherein when the signal generated from the piezoelectric thin film is buried in noise, or even when the signal gain or the signal level changes, the effect of correctly detecting contact, non-contact. Have.
【００２８】本発明の請求項２０に記載の発明は、前記
接触検出手段の出力信号から触針の振動１周期に占める
接触時間の割合を測定するデューティ計測手段と、この
デューティ計測手段の出力信号から前記接触時間の触針
の振動周期に対する比率が常に一定となるように前記ア
クチュエータの位置決め位置を調整する制御手段とを備
えた請求項１６または１７に記載の微細表面形状測定装
置であり、アクチュエータの特性を改善することで測定
精度を高めながら、アクチュエータの変位範囲を広げる
ことで触針の計測範囲を大きくするという作用を有す
る。According to a twentieth aspect of the present invention, a duty measuring means for measuring a ratio of a contact time to one cycle of a stylus vibration from an output signal of the contact detecting means, and an output signal of the duty measuring means. 18. The fine surface profile measuring device according to claim 16, further comprising: control means for adjusting a positioning position of the actuator such that a ratio of the contact time to a vibration cycle of the stylus is always constant. Has the effect of increasing the measurement range of the stylus by increasing the displacement range of the actuator while improving the measurement accuracy by improving the characteristics of the probe.
【００２９】本発明の請求項２１に記載の発明は、触針
とそれを加振する前記アクチュエータを３６０度以上、
高い精度で回転させる主軸と、測定対象をＸＹＺの３自
由度で位置決めする位置決めステージとを有することを
特徴とする請求項１０から２０のいずれかに記載の微細
表面形状測定装置であり、触針の検出ポイントを順次回
転しながら、穴内面の全周囲を検出できるという作用を
有する。[0029] According to a twenty-first aspect of the present invention, the stylus and the actuator for vibrating the stylus are not less than 360 degrees.
The fine surface profile measuring device according to any one of claims 10 to 20, further comprising: a main shaft that rotates with high accuracy; and a positioning stage that positions the measurement target with three degrees of freedom of XYZ. Has the effect that the entire circumference of the inner surface of the hole can be detected while sequentially rotating the detection points of the above.
【００３０】本発明の請求項２２に記載の発明は、前記
主軸の先端に取り付けられた前記アクチュエータからケ
ーブルを外部に引き出すに際し、主軸と同時に同心円上
を回転するケーブル固定部を有し、前記主軸からケーブ
ル固定部までの間のケーブルをできるだけ主軸外周にそ
って引き回すことにより、主軸回転に伴いケーブル曲げ
が変化することによる不必要な外力が前記主軸に加わる
ことを防止することを特徴とする請求項２１記載の微細
表面形状測定装置であり、ケーブルの曲げに起因する主
軸の回転精度の低下を防止するという作用を有する。According to a twenty-second aspect of the present invention, when the cable is pulled out from the actuator attached to the tip of the main shaft, the cable fixing portion rotates concentrically with the main shaft at the same time. The cable between the cable and the cable fixing portion is routed as much as possible along the outer periphery of the main shaft to prevent unnecessary external force due to a change in cable bending accompanying rotation of the main shaft from being applied to the main shaft. Item 21. The fine surface shape measuring device according to Item 21, which has an effect of preventing a decrease in rotation accuracy of a main shaft due to bending of a cable.
【００３１】本発明の請求項２３に記載の発明は、触針
が測定対象の表面を検出しながら位置決めステージが移
動するに際し、直前に検出された測定対象面を平面で近
似し、その平面が直後に検出される測定対象面であると
いう仮定を立て、この仮定にしたがって位置決めステー
ジを移動し主軸の回転を制御することを特徴とする請求
項２１記載の微細表面形状測定装置であり、任意の横断
面形状に対して触針がその表面形状に自動追従しながら
形状を計測できるという作用を有する。According to a twenty-third aspect of the present invention, when the positioning stage moves while the stylus detects the surface of the object to be measured, the surface to be measured immediately before is approximated by a plane, and the plane is approximated. 22. The fine surface profile measuring apparatus according to claim 21, wherein the assumption is made that the surface is a measurement target surface detected immediately after, and the positioning stage is moved according to this assumption to control the rotation of the spindle. The stylus can measure the shape while automatically following the surface shape of the cross-sectional shape.
【００３２】本発明の請求項２４に記載の発明は、顕微
鏡と画像認識装置を有し、前記位置決めステージ上の固
定点と測定対象上の測定点を顕微鏡画面内で順次位置認
識することにより、測定点の位置決めステージ上の相対
位置を知り、その後自動で測定点を触針の直下に持って
くるように位置決めステージを移動することを特徴とす
る請求項２１記載の微細表面形状測定装置であり、顕微
鏡と位置決めステージによる座標管理が可能となり、微
細な測定対象に対して触針を正確に挿入できるという作
用を有する。According to a twenty-fourth aspect of the present invention, a microscope and an image recognition device are provided, and a fixed point on the positioning stage and a measurement point on a measurement target are sequentially recognized on a microscope screen by position recognition. 22. The fine surface shape measuring apparatus according to claim 21, wherein the relative position of the measurement point on the positioning stage is known, and then the positioning stage is automatically moved so as to bring the measurement point directly below the stylus. In addition, coordinate management by the microscope and the positioning stage can be performed, and the stylus can be accurately inserted into a minute measurement target.
【００３３】以下、本発明の実施の形態について、図面
を用いて説明する。 （実施の形態１）本発明では、触針の振動手段として圧
電素子を用いる。圧電素子を振動アクチュエータとして
用いる場合、１）圧電素子自身が振動により発熱し熱変
形を起こす、２）圧電素子のヒステリシスにより変位と
印加電圧が一対一に対応しない、３）素子の特性の初期
ばらつきや経時変化により振動振幅が一定せず、一定電
圧を印加して放置すると、初期変位の数％のドリフトが
発生するなどの問題がある。これを解決するには、変位
センサを組み込み、位置のフィードバックを施すことが
一般的である。本実施の形態では、圧電素子を曲げモー
ドで使うことにより大量変位を可能とし、さらに変位セ
ンサによるフィードバックで圧電素子の変位特性を改善
し、振動中心を任意の位置に変えながら微小振動を発生
できるような振動ヘッドを用いている。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. (Embodiment 1) In the present invention, a piezoelectric element is used as a vibration means of a stylus. When a piezoelectric element is used as a vibration actuator, 1) the piezoelectric element generates heat due to vibration to cause thermal deformation, 2) displacement and applied voltage do not correspond one-to-one due to hysteresis of the piezoelectric element, and 3) initial variation in element characteristics. If the vibration amplitude is not constant due to changes with time and a constant voltage is applied and left as it is, there is a problem that a drift of several% of the initial displacement occurs. To solve this, it is common to incorporate a displacement sensor and provide position feedback. In this embodiment, a large displacement can be achieved by using the piezoelectric element in a bending mode, and further, the displacement characteristics of the piezoelectric element can be improved by feedback from a displacement sensor, and a minute vibration can be generated while changing the vibration center to an arbitrary position. Such a vibrating head is used.
【００３４】図１は本実施の形態１に用いられる圧電素
子と変位センサから構成される振動ヘッドを示してい
る。図１において、１は触針、２は触針１を保持する触
針ホルダー、３は触針ホルダー２を変位させる円筒型Ｐ
ＺＴ素子、４は触針ホルダー２の変位をモニタするため
の変位センサおよび受光素子としての４分割ホトダイオ
ード、５は微小孔５ａを有するピンホールプレート、６
は発光素子としてのＬＥＤ、７は円筒型ＰＺＴ素子３を
一定の位置に固定する固定板である。FIG. 1 shows a vibration head including a piezoelectric element and a displacement sensor used in the first embodiment. In FIG. 1, 1 is a stylus, 2 is a stylus holder for holding the stylus 1, and 3 is a cylindrical type P for displacing the stylus holder 2.
ZT element, 4 is a displacement sensor for monitoring the displacement of the stylus holder 2, and a 4-division photodiode as a light receiving element, 5 is a pinhole plate having a minute hole 5a, 6
Is an LED as a light emitting element, and 7 is a fixing plate for fixing the cylindrical PZT element 3 at a fixed position.
【００３５】図２は円筒型ＰＺＴ素子３を示し、円筒の
内面に内側全面電極１０が、外面には４分割外側電極１
１が形成され、一方の端面を固定した状態で電圧Ｖx 、
Ｖyが加えられることにより、他方の端面はＸ、Ｙ方向
に数１０μｍ変位し（曲げモードの変位）、Ｚ方向に数
１００ｎｍの変位を発生する（縦方向の変位）。FIG. 2 shows a cylindrical PZT element 3, in which an inner whole electrode 10 is provided on the inner surface of the cylinder and a four-part outer electrode 1 is provided on the outer surface.
1 is formed, and the voltage Vx,
By applying Vy, the other end face is displaced by several tens of μm in the X and Y directions (bending mode displacement) and generates a displacement of several hundred nm in the Z direction (vertical displacement).
【００３６】次に、上記振動ヘッドの動作について説明
する。図１において、４分割ホトダイオード４は、ＬＥ
Ｄ６の光をピンホールプレート５の直径数１００μｍの
微小孔５ａを通して受光する。この結果、図３に示すよ
うに４分割ホトダイオード４上には、微小孔５ａの形状
を有する光スポット８が形成される。触針ホルダー２の
変位にしたがって、４分割ホトダイオード４も変位する
ので、光スポット８も４分割ホトダイオード４上を移動
することになる。数１０μｍ以内の変位であれば、変位
量とホトダイオード４の出力の間に次の関係が成立す
る。Ｐ１〜Ｐ４を４分割ホトダイオード４の出力とし、
Ｄｘ、Ｄｙを触針ホルダー２の変位とすると、 Ｄｘ＝ｋ・｛（Ｐ１＋Ｐ３−Ｐ２−Ｐ４）／（Ｐ１＋Ｐ
２＋Ｐ３＋Ｐ４）｝ Ｄｙ＝ｋ・｛（Ｐ３＋Ｐ４−Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ
２＋Ｐ３＋Ｐ４）｝ となる（ただし、ｋは比例定数）。このホトダイオード
４からの出力を円筒型ＰＺＴ素子にフィードバックする
ことにより、素子の特性に影響されにくい触針ホルダー
２の位置決めをすることができる。同時に、触針ホルダ
ー２に固定された触針１の先端にも安定した変位量が発
生する。Next, the operation of the vibrating head will be described. In FIG. 1, the four-division photodiode 4 is
The light of D6 is received through the fine hole 5a having a diameter of several hundred μm of the pinhole plate 5. As a result, a light spot 8 having the shape of the minute hole 5a is formed on the four-division photodiode 4 as shown in FIG. Since the four-division photodiode 4 is also displaced in accordance with the displacement of the stylus holder 2, the light spot 8 also moves on the four-division photodiode 4. If the displacement is within several tens of μm, the following relationship is established between the displacement amount and the output of the photodiode 4. P1 to P4 are the outputs of the four-division photodiode 4,
When Dx and Dy are the displacement of the stylus holder 2, Dx = kｘ (P1 + P3-P2-P4) / (P1 + P
2 + P3 + P4)｝ Dy = k ｛{(P3 + P4-P1-P2) / (P1 + P
2 + P3 + P4)｝ (where k is a proportional constant). By feeding back the output from the photodiode 4 to the cylindrical PZT element, it is possible to position the stylus holder 2 which is hardly affected by the characteristics of the element. At the same time, a stable displacement occurs at the tip of the stylus 1 fixed to the stylus holder 2.
【００３７】図１に示した振動ヘッドは、図４および図
５のような振動ヘッドによっても置き換え可能である。
図４ではピンホールプレート５を触針ホルダー２に取り
付け、４分割ホトダイオード４およびＬＥＤ６を固定板
７に取り付けている。円筒型ＰＺＴ素子３の変位により
移動するのはピンホールプレート５であるが、原理的に
は図１に示したものと何ら変わらない。図５において
は、図１の構成に対しレンズ９が追加されている。レン
ズ９の働きは、ピンホールプレート５の微小孔５ａの像
を４分割ホトダイオード４上に結像するためにあり、こ
れにより図１と同じ効果を得ることができる。さらに、
レンズ９に非点収差を持たせることにより、触針ホルダ
ー２のＺ方向の変位を４分割ホトダイオード４により検
出することも可能となる。この原理はＣＤプレーヤーの
読み出し光学系のフォーカシングに用いられるものと同
じである。The vibrating head shown in FIG. 1 can be replaced by a vibrating head as shown in FIGS.
In FIG. 4, the pinhole plate 5 is attached to the stylus holder 2, and the four-division photodiode 4 and the LED 6 are attached to the fixing plate 7. It is the pinhole plate 5 that moves due to the displacement of the cylindrical PZT element 3, but in principle it is not different from that shown in FIG. 5, a lens 9 is added to the configuration of FIG. The function of the lens 9 is to form an image of the minute hole 5a of the pinhole plate 5 on the four-division photodiode 4, whereby the same effect as in FIG. 1 can be obtained. further,
By making the lens 9 have astigmatism, the displacement of the stylus holder 2 in the Z direction can be detected by the four-division photodiode 4. This principle is the same as that used for focusing the readout optical system of the CD player.
【００３８】以上の振動ヘッドを使用した微細表面形状
測定装置の全体構成を図６に示し、振動ヘッドの制御回
路を図７に示す。図６において、微細表面形状測定装置
１１は、図１、図４、図５のいずれかに示した振動ヘッ
ド１２を有し、その下部には触針１が取り付けられてい
る。振動ヘッド１２は、駆動回路１３により駆動され、
その変位センサにより検出された変位は、変位センサア
ンプ１４により制御回路１５へ取り込まれる。触針１と
測定対象物１６の間の接触は、導通検出回路１７により
検出され、同じく制御回路１５へ取り込まれる。測定対
象物１６は、回転機構１８によりＺ軸回りに回転させら
れ、またＺ軸送り機構１９によりＺ方向へと移動させら
れる。これらの機構により、触針１は測定対象物１６の
測定面をくまなくスキャンすることが可能となる。FIG. 6 shows an overall configuration of a fine surface profile measuring apparatus using the above-mentioned vibrating head, and FIG. 7 shows a control circuit of the vibrating head. 6, the fine surface profile measuring device 11 has the vibration head 12 shown in any of FIGS. 1, 4, and 5, and the stylus 1 is attached to the lower part thereof. The vibrating head 12 is driven by a drive circuit 13,
The displacement detected by the displacement sensor is taken into the control circuit 15 by the displacement sensor amplifier 14. The contact between the stylus 1 and the measuring object 16 is detected by the continuity detecting circuit 17 and is also taken into the control circuit 15. The measurement object 16 is rotated around the Z axis by the rotation mechanism 18 and is moved in the Z direction by the Z axis feed mechanism 19. With these mechanisms, the stylus 1 can scan the entire measurement surface of the measurement target 16.
【００３９】図７において、駆動回路１３により駆動さ
れる振動ヘッド１２が変位すると、この変位が触針１と
測定対象物１６の接触を発生し、導通検出回路１７がこ
れを検出する。さらに、デューティ計測回路２４がデュ
ーティサイクルを算出する。振動ヘッド１２の変位は、
内側制御ループ２５を通って変位センサアンプ１４によ
り増幅され、ゲイン２２および補償器２３を通して駆動
回路１３にフィードバックされ、振動ヘッド１２の特性
を改善する。この結果、三角波発生回路２１の発生する
三角波形に従って、振動ヘッド１２が忠実に振動するこ
とになる。さらに外側制御ループ２９は、デューティサ
イクルが特定の値（たとえば５０％）となるように、デ
ューティ計測回路２４の出力と基準値２６との差を取
り、ＰＩ制御器２７およびゲイン２８を介してフィード
バックをかけ、触針１の振動中心と測定対象物面の相対
間隔が常に一定であるように自動制御する。この状態で
図６のＺ軸送り機構１９により測定対象物１６をＺ方向
に送りながら、ゲイン２８の出力を記録しつづければ
（振動中心位置に相当する信号）、測定対象物１６の縦
断面形状が求められ、また、回転機構１８を回転させれ
ば、測定対象物１６の横断面形状が求められることにな
る。In FIG. 7, when the vibration head 12 driven by the drive circuit 13 is displaced, the displacement causes the contact between the stylus 1 and the object 16 to be measured, and the conduction detection circuit 17 detects this. Further, the duty measurement circuit 24 calculates a duty cycle. The displacement of the vibration head 12 is
The signal is amplified by the displacement sensor amplifier 14 through the inner control loop 25 and fed back to the drive circuit 13 through the gain 22 and the compensator 23 to improve the characteristics of the vibrating head 12. As a result, the vibrating head 12 vibrates faithfully according to the triangular waveform generated by the triangular wave generating circuit 21. Further, the outer control loop 29 takes the difference between the output of the duty measurement circuit 24 and the reference value 26 so that the duty cycle becomes a specific value (for example, 50%), and feeds back the difference via the PI controller 27 and the gain 28. And automatic control is performed so that the relative distance between the center of vibration of the stylus 1 and the surface of the object to be measured is always constant. In this state, while continuously recording the output of the gain 28 (signal corresponding to the vibration center position) while feeding the object 16 in the Z direction by the Z-axis feed mechanism 19 in FIG. When the shape is determined and the rotation mechanism 18 is rotated, the cross-sectional shape of the measurement target 16 is determined.
【００４０】以上のように、本実施の形態１によれば、
内側制御ループ２５の働きによりＰＺＴ素子の好ましく
ない特性（熱変形によるドリフト、ヒステリシス、特性
ばらつき、特性経時変化）の計測精度にあたえる悪影響
を排除し、さらに外側制御ループ２９により測定対象物
面の凹凸が振動振幅（２μｍ）よりも大きい場合でも、
数十μｍの範囲で触針１が測定面に追従することを可能
にし、さらに従来用いられていたＸ軸駆動機構を不要と
し、これにより計測精度と計測時間を大幅に改善するこ
とが可能になる。As described above, according to the first embodiment,
The inner control loop 25 eliminates adverse effects on the measurement accuracy of undesired characteristics of the PZT element (drift, hysteresis, characteristic variation, and characteristic change with time) due to the action of the PZT element. Is larger than the vibration amplitude (2 μm),
Enables the stylus 1 to follow the measurement surface in the range of several tens of μm, and eliminates the need for the conventional X-axis drive mechanism, thereby greatly improving measurement accuracy and measurement time. Become.
【００４１】なお、振動ヘッド１２内の変位センサとし
ての４分割ホトダイオードは、ＸＹ２軸の入出力をもっ
ているため、実際の制御系においてはＸ軸のループとＹ
軸のループを別々に構成しているが、振動ヘッド１２の
振動の方向はＸ軸あるいはＹ軸方向のみに限定したもの
ではなく、３６０度あらゆる振動方向が実現可能であ
り、また、直線的な振動だけではなく円振動や楕円振動
も発生可能である。図６に示した装置による実際の測定
においては、１方向の振動が発生できれば十分である。Since the four-division photodiode as a displacement sensor in the vibrating head 12 has XY two-axis inputs and outputs, in an actual control system, the X-axis loop and the Y-axis
Although the axis loops are configured separately, the direction of vibration of the vibration head 12 is not limited to only the X-axis or Y-axis direction, and any 360-degree vibration direction can be realized. Not only vibration but also circular vibration and elliptical vibration can be generated. In the actual measurement by the apparatus shown in FIG. 6, it is sufficient if vibration in one direction can be generated.
【００４２】また、図２に示したＰＺＴ素子３の外面電
極１１の数は２でもよく、４分割ホトダイオード４の分
割数も２でもよい。この場合は、振動発生パターンは直
線振動だけとなるが、構成部品の簡略化ができるという
メリットがある。さらに、２枚の圧電素子板を貼り合わ
せたバイモルフ圧電素子を用いても、直線振動を発生す
ることができ、振動変位を市販の非接触変位センサ（例
えば三角測量型の光センサなど）により検出するように
すれば、手軽に振動ヘッドを構成することができる。The number of outer electrodes 11 of the PZT element 3 shown in FIG. 2 may be two, and the number of divisions of the four-division photodiode 4 may be two. In this case, the vibration generation pattern is only linear vibration, but there is an advantage that the components can be simplified. Further, even when a bimorph piezoelectric element in which two piezoelectric element plates are bonded is used, linear vibration can be generated, and the vibration displacement is detected by a commercially available non-contact displacement sensor (for example, a triangulation type optical sensor). By doing so, a vibrating head can be easily configured.
【００４３】（実施の形態２）図８は本発明の第２の実
施の形態における微細表面形状測定装置の構成を示して
いる。第１の実施の形態との違いは、回転機構１８とＺ
軸送り機構１９を振動ヘッド１２側に移動したことと、
測定対象物１６をＸＹステージ３０の上に取り付けた点
である。このような構成をとることにより、生産ライン
において測定対象物１６に穴加工をした直後に、ＸＹス
テージ３０により測定対象物１６を振動ヘッド１２直下
に移動させることができ、振動ヘッド１２が回転機構１
８とＺ軸送り機構１９の働きにより、加工直後の測定対
象物面１６を計測するインライン計測を行うことができ
る。なお、振動ヘッド１２の中心と回転機構１８の軸の
間の偏心量ｅは、加工形状（穴径）に併せてあらかじめ
適切な量に設定しておくことが望ましい。(Embodiment 2) FIG. 8 shows the configuration of a fine surface profile measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the rotation mechanism 18 and the Z
That the shaft feed mechanism 19 has been moved to the vibration head 12 side,
The point is that the measurement target 16 is mounted on the XY stage 30. With such a configuration, the measurement target 16 can be moved directly below the vibration head 12 by the XY stage 30 immediately after drilling the measurement target 16 in the production line, and the vibration head 12 is rotated by the rotating mechanism. 1
8 and the function of the Z-axis feed mechanism 19, it is possible to perform in-line measurement for measuring the measurement object surface 16 immediately after processing. It is desirable that the amount of eccentricity e between the center of the vibrating head 12 and the axis of the rotating mechanism 18 be set to an appropriate amount in advance according to the processing shape (hole diameter).
【００４４】（実施の形態３）実施の形態１および実施
の形態２における触針１と測定対象物１６の接触を検出
する導通検出回路１７は、直流電圧をかけて短絡電流を
見るというのが一般的な構成である。通常は図９（ａ）
に示すように、直流電圧３１に測定対象物１６をマイナ
ス（グランド）側に、触針１をプラス側に接続し、電流
検出抵抗３２を介してコンパレータ３３により短絡電流
を検出するような構成がとられる。この時、測定雰囲気
中には水蒸気が存在するため、測定対象物１６と触針１
の間にも水が存在し、電気分解作用によりマイナス側の
金属はイオン化する傾向がある。このため、同一箇所を
計測し続けた場合に、局所的に酸化物等が測定対象物１
６の表面上に形成されることがあり、安定した電気電導
が得られなくなることがある。これに対し、図９（ｂ）
に示すように、直流電源３４のマイナス側に触針１を接
続し、プラス側に測定対象物１６を接続してやると、測
定対象物１６表面の酸化は防げるが、触針１側に問題が
出る可能性がある。また、直流電圧を微小な触針１の先
端と測定対象物１６との間に印加することは、局所的に
大きな電界強度を発生させ、その結果、雰囲気中の塵や
埃を吸着して絶縁層を形成することもある。もちろん、
実際の計測では、測定対象物１６の表面を触針１がスキ
ャンするので、計測に不具合が起きることはまれである
が、触針１が何らかの原因で同一箇所にとどまった場合
に障害が起きる可能性が高い。(Embodiment 3) The continuity detecting circuit 17 for detecting contact between the stylus 1 and the object 16 in Embodiments 1 and 2 applies a DC voltage to check the short-circuit current. This is a general configuration. Normally, FIG.
As shown in (1), the measurement object 16 is connected to the negative (ground) side and the stylus 1 is connected to the positive side to the DC voltage 31, and the short circuit current is detected by the comparator 33 through the current detection resistor 32. Be taken. At this time, since there is water vapor in the measurement atmosphere, the measurement object 16 and the stylus 1
There is also water between them, and the metal on the negative side tends to be ionized by the electrolysis. For this reason, when the same location is continuously measured, oxides and the like are locally
6 may be formed on the surface, and stable electrical conductivity may not be obtained. On the other hand, FIG.
As shown in (1), when the stylus 1 is connected to the negative side of the DC power supply 34 and the measuring object 16 is connected to the positive side, oxidation of the surface of the measuring object 16 can be prevented, but a problem occurs on the stylus 1 side. there is a possibility. Also, applying a DC voltage between the tip of the minute stylus 1 and the measuring object 16 locally generates a large electric field strength, and as a result, adsorbs dust and dirt in the atmosphere to insulate it. A layer may be formed. of course,
In actual measurement, since the stylus 1 scans the surface of the measurement target 16, it is rare that a problem occurs in the measurement. However, if the stylus 1 stays at the same location for some reason, a failure may occur. High in nature.
【００４５】図１０は電気分解作用を防止するための交
流電圧を用い、さらに強度電界による静電吸着を防ぐた
めに電圧実効値を下げる導通検出回路１７の構成を示し
ている。交流電源４１からの電圧は、電流検出抵抗４２
を介して触針１に伝えられる。このとき、触針１までの
リード４３と測定対象物１６（グランド）との間には大
きな浮遊容量４４が発生しており、このままだと交流電
圧４１に対して浮遊容量４４のみで短絡状態となり、触
針１と測定対象物１６との接触による短絡が検出できな
い恐れがある。これを防止するため、バッファアンプ４
５とガードシールド４６によりリード４３とグランドと
の静電結合を防いでいる。短絡電流は、電流検出抵抗４
２の電圧を検波回路４７で検波することにより検出でき
る。検波回路４７は、一般に感度を高めることが容易な
ので、交流電圧４１の電圧実効値を十分微小電圧にする
ことが可能である。このような微小交流電圧を用いるこ
とにより、電解作用や静電吸着作用を最小限に抑えるこ
とができるが、検波回路４７やガードシールド４６など
の構成の複雑さが増すので、場合によっては交流電圧と
直流電圧を使いわけるか、または混合したような形で適
用することが望ましい。FIG. 10 shows a configuration of the conduction detecting circuit 17 which uses an AC voltage for preventing the electrolysis effect and further lowers the effective voltage value for preventing the electrostatic attraction due to the strong electric field. The voltage from the AC power supply 41 is
Through the stylus 1. At this time, a large stray capacitance 44 is generated between the lead 43 up to the stylus 1 and the measuring object 16 (ground). There is a possibility that a short circuit due to contact between the stylus 1 and the measurement target 16 may not be detected. To prevent this, buffer amplifier 4
5 and guard shield 46 prevent electrostatic coupling between lead 43 and ground. The short-circuit current is the current detection resistance 4
2 can be detected by detecting the voltage of the second voltage by the detection circuit 47. In general, the detection circuit 47 can easily increase the sensitivity, so that the effective voltage value of the AC voltage 41 can be made sufficiently small. By using such a small AC voltage, the electrolytic action and the electrostatic attraction action can be minimized. However, the complexity of the configuration of the detection circuit 47 and the guard shield 46 increases. It is desirable to apply the DC voltage in a different manner or in a mixed manner.
【００４６】（実施の形態４）図１１はガードシールド
４６をリード４３のみでなく、触針１上にも形成した例
を示す。断面円形の触針１の周囲には、絶縁層４８およ
びガードシールド４９が順に形成され、マイクロマシン
のプロセス技術により、最後に電極接続部１ａとその反
対側の円錐状に突出した電極先端部１ｂ上のガードシー
ルド４８および絶縁層４９が部分的に除去される。この
方法により、リード４３および触針１と測定対象物１６
との間の浮遊容量４４を極限まで減らすことができ、電
極先端部１ｂと測定対象物１６との間の静電容量５０だ
けを検出できることになり、走査型容量顕微鏡の原理を
用いて非接触な形状測定も可能となる（電子材料１９９
３年５月号、Ｐ．１１０〜１１４）。この場合、測定対
象物の表面状態（酸化や汚染）によらない表面検出が可
能になるため、接触・非接触いずれの形状測定において
も、測定の安定化に役立つ。(Embodiment 4) FIG. 11 shows an example in which a guard shield 46 is formed not only on the lead 43 but also on the stylus 1. An insulating layer 48 and a guard shield 49 are sequentially formed around the stylus 1 having a circular cross section, and are finally formed on the electrode connecting portion 1a and the conical-projecting electrode tip 1b on the opposite side by a micromachine process technique. Of the guard shield 48 and the insulating layer 49 are partially removed. According to this method, the lead 43 and the stylus 1 and the measurement object 16
Can be reduced to the utmost, and only the capacitance 50 between the electrode tip 1b and the measuring object 16 can be detected. It is possible to measure various shapes (Electronic Materials 199
May 3rd, p. 110-114). In this case, since the surface can be detected without depending on the surface state (oxidation or contamination) of the measurement object, it is useful for stabilizing the measurement in both contact and non-contact shape measurement.
【００４７】（実施の形態５）以上述べた実施の形態で
は、測定対象物１６として導体を想定してきたが、これ
らの手法を電気絶縁体の測定対象物面に適応する方法を
図１２に示す。振動ヘッド１２と触針１との間に小さな
圧電素子５１を設けることにより、触針１が測定対象物
１６に接触する際の衝撃あるいは接触圧力を検出するこ
とができる。検出用圧電素子５１からの出力は、プリア
ンプ５２を通して制御回路１５に導かれ、接触の瞬間ま
たは接触の期間が検出される。接触の瞬間が検出される
場合は、振動に対する接触タイミングの位相ずれが常に
一定になるように圧電素子５１を制御する（図７の外側
制御ループ２９）。また、接触の期間が検出される場合
は、振動の周期に対するデューティサイクルを算出し、
これが一定になるように圧電素子５１を制御する。な
お、検出用圧電素子５１は、触針のまわりにプロセス技
術により形成した圧電材料薄膜でもよい。また、触針１
の測定対象物１６への接触を、振動ヘッド１２内の変位
センサまたは新たに設けた別の変位センサにより検出し
ても、同じ効果が得られる。(Embodiment 5) In the embodiment described above, a conductor is assumed as the object 16 to be measured. A method of applying these techniques to the surface of the object to be measured of the electric insulator is shown in FIG. . By providing the small piezoelectric element 51 between the vibrating head 12 and the stylus 1, it is possible to detect an impact or a contact pressure when the stylus 1 contacts the measurement target 16. The output from the detecting piezoelectric element 51 is guided to the control circuit 15 through the preamplifier 52, and the moment of contact or the period of contact is detected. When the moment of contact is detected, the piezoelectric element 51 is controlled so that the phase shift of the contact timing with respect to vibration is always constant (outer control loop 29 in FIG. 7). If the period of contact is detected, the duty cycle for the period of the vibration is calculated,
The piezoelectric element 51 is controlled so that this becomes constant. Note that the detection piezoelectric element 51 may be a piezoelectric material thin film formed around the stylus by a process technique. Also, stylus 1
The same effect can be obtained even if the contact with the object 16 is detected by the displacement sensor in the vibration head 12 or another displacement sensor newly provided.
【００４８】（実施の形態６）本実施の形態６では、圧
電素子に梃子による変位拡大機構を組み合わせることに
より大量変位を可能とし、さらに変位センサによるフィ
ードバックで圧電素子の変位特性を改善し、振動中心を
任意の位置に変えながら微小振動を発生できるような振
動手段を用いている。(Embodiment 6) In Embodiment 6, a large displacement can be achieved by combining a displacement expansion mechanism using a lever with a piezoelectric element, and further, the displacement characteristics of the piezoelectric element are improved by feedback from a displacement sensor, and vibration is improved. Vibration means capable of generating a minute vibration while changing the center to an arbitrary position is used.
【００４９】図１３は本実施の形態における振動手段を
示している。図１３において、６１は触針、６２は触針
６１が固定されている可動ステージ、６３は可動ステー
ジ６２を収容する筐体、６４は可動ステージ６２を平行
移動するようにガイドする弾性ヒンジにより可動ステー
ジ６２と筐体６３に結合された平行ばね、６５は微小変
位を発生する圧電素子、６６は圧電素子６５の変位を拡
大するために圧電素子６５寄りに支点６６ａを有する梃
子、６７は拡大された変位を可動ステージ６２に伝える
連結部材である。また可動ステージ６２には、連結ロッ
ド６８を介して差動トランス６９のコア７０が取り付け
られている。変位センサである差動トランス６９は、交
流電源７１から高周波を流す一次コイル７２と、コア７
０の変位に応じて高周波を発生する二次コイル７３によ
り構成され、発生した高周波は、同期検波回路７４によ
り可動ステージ６２の変位信号に復調される。この変位
信号は、可動ステージ６２の変位指令信号と比較器７５
で比較され、ＰＩ制御器７６により低周波数成分が強調
されたのち、圧電素子駆動手段である高電圧アンプ７７
を介して再び圧電素子６５に戻される。FIG. 13 shows the vibration means in this embodiment. In FIG. 13, 61 is a stylus, 62 is a movable stage to which the stylus 61 is fixed, 63 is a housing for accommodating the movable stage 62, and 64 is a movable stage by an elastic hinge that guides the movable stage 62 to move in parallel. A parallel spring coupled to the stage 62 and the housing 63, 65 is a piezoelectric element for generating a small displacement, 66 is a lever having a fulcrum 66a near the piezoelectric element 65 for expanding the displacement of the piezoelectric element 65, and 67 is enlarged. This is a connecting member for transmitting the displacement to the movable stage 62. The core 70 of the differential transformer 69 is attached to the movable stage 62 via a connecting rod 68. A differential transformer 69 serving as a displacement sensor includes a primary coil 72 for flowing a high frequency from an AC power supply 71 and a core 7.
The secondary coil 73 generates a high frequency according to the displacement of 0. The generated high frequency is demodulated by the synchronous detection circuit 74 into a displacement signal of the movable stage 62. This displacement signal is obtained by comparing the displacement command signal of the movable stage 62 with the comparator 75.
After the low frequency component is emphasized by the PI controller 76, the high voltage amplifier 77 serving as the piezoelectric element driving means is compared.
Is returned to the piezoelectric element 65 again.
【００５０】このようなフィードバックループの存在に
より、圧電素子６５の熱膨張、ヒステリシス、ドリフト
をキャンセルすることができる。差動トランス６９は極
めて安定性が高いので、精度を要求される今回の構成に
は望ましいが、他の変位センサ、たとえば静電容量型ギ
ャップセンサや渦電流型ギャップセンサなども利用する
ことができる。また、ＰＩ制御器７６の比例ゲインと積
分ゲインは、可動ステージ６２が発振的な振る舞いをし
ないように調整する必要がある。一般的に、積分ゲイン
は、変位の定常誤差をキャンセルできるので、許される
範囲で大きくすることが望ましい。また、比例ゲイン
は、可動ステージ６２の応答性を改善するので、今回の
ように高速（１００Ｈｚ）で振動させるには、大きいこ
とが望ましい。The presence of such a feedback loop can cancel thermal expansion, hysteresis, and drift of the piezoelectric element 65. Since the differential transformer 69 has extremely high stability, it is desirable for this configuration requiring accuracy, but other displacement sensors such as a capacitance type gap sensor and an eddy current type gap sensor can also be used. . Further, the proportional gain and the integral gain of the PI controller 76 need to be adjusted so that the movable stage 62 does not behave like an oscillation. In general, it is desirable to increase the integral gain within an allowable range since the steady-state error of the displacement can be canceled. In addition, the proportional gain improves the responsiveness of the movable stage 62, and therefore it is desirable that the proportional gain be large in order to vibrate at a high speed (100 Hz) as in this case.
【００５１】図１４に別の振動手段の構成例を示す。図
１３との違いは、圧電素子にバイモルフ圧電素子７８を
使用した点である。バイモルフ圧電素子７８は、２枚の
圧電板を張り合わせ、その片側を伸長するように電圧を
かけ、他方に圧縮するように電圧をかけることで、両者
のバランスにより曲げモードで変位することを特徴とす
る。一般的には、図１３の圧電素子（積層圧電素子）６
５の１０倍以上の変位が達成可能であるが、発生力は弱
い。しかしながら、今回は極めて軽量の触針６１とコア
７０を動かすだけであるので、バイモルフ圧電素子７８
でも十分である。また、バイモルフ圧電素子７８を使っ
た場合、全体の構成が簡略化され、振動手段の低価格化
が可能である。FIG. 14 shows a configuration example of another vibration means. The difference from FIG. 13 is that a bimorph piezoelectric element 78 is used as the piezoelectric element. The bimorph piezoelectric element 78 is characterized in that two piezoelectric plates are adhered to each other, and a voltage is applied so as to extend one side and a voltage is applied so as to compress the other side. I do. Generally, the piezoelectric element (laminated piezoelectric element) 6 shown in FIG.
Displacements of 10 or more times 5 can be achieved, but the generated force is weak. However, this time, since only the very light stylus 61 and the core 70 are moved, the bimorph piezoelectric element 78 is used.
But enough. Further, when the bimorph piezoelectric element 78 is used, the overall configuration is simplified, and the cost of the vibration means can be reduced.
【００５２】図１５に別の振動手段の構成例を示す。図
１３との違いは、触針８１を取り付けた圧電素子８２の
変位能力の不足を、ステッピングモータ８５により送り
ねじ８４を介して駆動されるステージ８３により補う点
である。触針８１の変位量は、差動トランス６９を介し
て変位指令信号と比較器７５で比較される。その差をハ
イパスフィルタ８６、ＰＩ制御器７６および高電圧アン
プ７７を介して圧電素子８２にフィードバックされる。
同時に比較器７５の差信号は、Ｉ制御器８７を介して位
置決めコントローラ８８への位置指令となり、ステッピ
ングモータ８５が回転してステージ８３が位置決めされ
る。ハイパスフィルタ８６とＩ制御器８８の役割は、差
信号を周波数成分により圧電素子８２とステッピングモ
ータ８５に振り分けることである。高い周波数の細かい
動きは圧電素子８２に行わせ、低い周波数の大きい動き
はステージ８３に行わせるように、フィルタ８６、制御
器８７のゲインを調整することが必要である。FIG. 15 shows another structural example of the vibration means. The difference from FIG. 13 is that the insufficient displacement capability of the piezoelectric element 82 to which the stylus 81 is attached is compensated for by the stage 83 driven by the stepping motor 85 via the feed screw 84. The displacement amount of the stylus 81 is compared with a displacement command signal via a differential transformer 69 by a comparator 75. The difference is fed back to the piezoelectric element 82 via the high-pass filter 86, the PI controller 76, and the high-voltage amplifier 77.
At the same time, the difference signal of the comparator 75 becomes a position command to the positioning controller 88 via the I controller 87, and the stepping motor 85 rotates to position the stage 83. The role of the high pass filter 86 and the I controller 88 is to distribute the difference signal to the piezoelectric element 82 and the stepping motor 85 according to the frequency component. It is necessary to adjust the gain of the filter 86 and the controller 87 so that the piezoelectric element 82 performs fine movement at high frequency and the stage 83 performs large movement at low frequency.
【００５３】図１６に別の振動手段の構成例を示す。図
１３との違いは、触針９１を可動ステージ９２に取り付
け、この可動ステージ９２をボイスコイル９３に固定し
て触針９１を駆動していることである。ボイスコイル９
３は永久磁石９４と磁気回路９５により構成される磁気
ギャップに平行ばね９６を介して配置され、高電流アン
プ９８により電流が流されると、振動方向に変位を発生
する。ボイスコイル９３に取り付けられた可動ステージ
９２は平行板バネ２２により平行移動するようにガイド
される。可動ステージ９２の変位は、差動トランス６９
のコア７０により検出され、同期検波回路７４で検波さ
れた後、変位指令信号と比較器７５で比較され、その差
をＰＩＤ制御器９７から高電流アンプ９８を介してボイ
スコイル９３にフィードバックされる。ボイスコイル９
３によるモータは振動的になりやすいので、ＰＩＤ制御
器９７の微分ゲインによりダンピングを与えてやる必要
がある。FIG. 16 shows a configuration example of another vibration means. The difference from FIG. 13 is that the stylus 91 is attached to the movable stage 92, and the movable stage 92 is fixed to the voice coil 93 to drive the stylus 91. Voice coil 9
Numeral 3 is arranged in a magnetic gap formed by a permanent magnet 94 and a magnetic circuit 95 via a parallel spring 96, and when a current flows through a high current amplifier 98, a displacement is generated in the vibration direction. The movable stage 92 attached to the voice coil 93 is guided by the parallel leaf spring 22 to move in parallel. The displacement of the movable stage 92 is
After being detected by the core 70 and detected by the synchronous detection circuit 74, it is compared with the displacement command signal by the comparator 75, and the difference is fed back from the PID controller 97 to the voice coil 93 via the high current amplifier 98. . Voice coil 9
Since the motor according to No. 3 tends to vibrate, it is necessary to provide damping by the differential gain of the PID controller 97.
【００５４】次に、以上の振動手段の制御方式を図１７
に示す。図１７は主として図１３の振動手段の制御方式
を表すが、図１４〜図１６の振動手段を採用した場合で
もほぼ同じ構成で十分である。図１３の筐体６３内の装
置がアクチュエータ１０４に相当し、駆動回路１０３
（図１では高電圧アンプ７２）により駆動される。駆動
信号は、三角波発生回路１０１から三角波形を基礎とす
るＰＩ制御器１０２を通したフィードバック信号であ
る。変位センサ１０５は差動トランス６９と同期検波回
路７４の組み合わせを使用しているが、精度さえ十分で
あれば他のセンサでも代用可能である。フィードバック
回路は、アクチュエータ１０４の位置決めを正確にする
ためのマイナーループ１０６と、触針６１と被測定対象
の接触状態を一定に保つためのメジャーループ１１１と
を備えている。Next, the control method of the above vibration means is shown in FIG.
Shown in FIG. 17 mainly shows a control method of the vibrating means of FIG. 13, but substantially the same configuration is sufficient even when the vibrating means of FIGS. 14 to 16 are employed. The device in the housing 63 of FIG.
(High voltage amplifier 72 in FIG. 1). The drive signal is a feedback signal from the triangular wave generation circuit 101 through a PI controller 102 based on a triangular waveform. Although the displacement sensor 105 uses a combination of the differential transformer 69 and the synchronous detection circuit 74, other sensors can be used as long as the accuracy is sufficient. The feedback circuit includes a minor loop 106 for accurately positioning the actuator 104 and a major loop 111 for keeping the contact state between the stylus 61 and the object to be measured constant.
【００５５】メジャーループ１１１において、まず触針
６１と被測定対象との導通が導通検出回路１０７により
検出される。導通検出回路１０７は図３４と同じく電気
導通をみるものである。導通検出信号は、デューティ計
測回路１０８において振動１周期に占める接触時間の割
合に変換される。この割合（デューティ比）は指令値１
０９（たとえば５０％）と比較され、Ｉ制御器１１０を
介して、三角波発生回路１０１の信号に足し込まれる。
この結果がマイナーループ１０６の変位指令信号となる
が、微小な振動の振動中心を自在に変えながら接触状態
を一定に保ち、同時にアクチュエータ１０４の不都合な
特性による位置決め精度の悪化を防止する働きが図１７
に示す制御系で可能となる。そして、Ｉ制御器１１０の
出力を記録しながら被測定対象を移動することにより、
現在の被測定対象の表面の位置が計測できる。以上のよ
うなメジャーループ１１１の存在により、触針６１は常
に一定の接触を測定対象物と保つように位置制御され
る。In the major loop 111, first, conduction between the stylus 61 and the object to be measured is detected by the conduction detection circuit 107. The continuity detection circuit 107 checks the electrical continuity as in FIG. The continuity detection signal is converted by the duty measurement circuit 108 into a ratio of the contact time to one cycle of the vibration. This ratio (duty ratio) is the command value 1
09 (for example, 50%), and is added to the signal of the triangular wave generation circuit 101 via the I controller 110.
The result is a displacement command signal for the minor loop 106, which serves to keep the contact state constant while freely changing the vibration center of the minute vibration, and at the same time to prevent the deterioration of the positioning accuracy due to the unfavorable characteristics of the actuator 104. 17
The control system shown in FIG. Then, by moving the object to be measured while recording the output of the I controller 110,
The current position of the surface of the measured object can be measured. Due to the presence of the major loop 111 as described above, the position of the stylus 61 is controlled so as to always maintain a constant contact with the object to be measured.
【００５６】このような制御は測定対象物側を細かく動
かしてやることでも可能であるが、そのようにすると２
つの問題が発生する。１つは、測定対象物やこれを移動
するステージは一般的に重くなってしまうため動きが遅
くなってしまう点、２つ目は、メジャーループ１１１の
中に測定対象物を移動するステージが要素として入って
しまうために、計測精度がステージ精度に影響されてし
まう点である。１つ目の欠点は測定速度の低下につなが
り、２つ目の欠点は精度保証をするためには精度の高い
ステージを使わねばならないという制約を設けることに
なり、生産現場で任意のステージと組み合わせて使用す
るときに問題となる。Such control can be performed by finely moving the object to be measured.
Two problems occur. The first is that the object to be measured and the stage for moving the object are generally heavy and the movement is slow, and the second is that the stage for moving the object to be measured in the major loop 111 is an element. Measurement accuracy is affected by the stage accuracy. The first drawback is that the measurement speed is reduced. The second drawback is that a high-precision stage must be used in order to guarantee accuracy. It becomes a problem when used.
【００５７】図１８は上記したデューティ計測回路１０
８の構成を示したものである。デューティ比計測の基本
は、全周期に対する接触時間の比率をクロックパルスの
カウント結果からＣＰＵ２１２により求めることであ
る。クロック２０７は１００ｋＨｚ程度のものを用い、
これらはゲート２０９、２１５を通してカウンタ２１
０、２１６、２１８へ供給される。これによりゲートが
信号により開かれた間だけパルスがカウンタへ伝わりカ
ウントされる。カウンタの値は、リセットされる前にラ
ッチ２１１、２１７、２１９に読み込まれ、さらにこの
値はＣＰＵ２１２に取り込まれて比率計算される。カウ
ンタをリセットする信号は、三角波発生回路１０１から
得られる発生波形に同期した基準となるＳＹＮＣ信号２
０１を立ち上がり検出回路２０２に入力し、さらにディ
レイ２０３を通したものを利用する。このリセット信号
は、触針が被測定物からもっとも離れた時に発生するよ
うにディレイ２０３は調整されている。ゲート２１５
は、導通検出信号２０６がアクティブのときだけカウン
タ２１６が動作するため、デューティ比２１３はラッチ
２１７の値をラッチ２１９の値で割ったものである。次
に、ディレイ２０４とワンパルス発生回路２０５は、触
針が被測定物よりもっとも離れた瞬間から前後の１〜２
ミリ秒の間アクティブになるようなパルスを発生する。
このパルスの間に接触が検出されるとラッチ２１１にそ
の結果が求まるが、ラッチ２１７の値よりもラッチ２１
１の値が大きいときは、接触が主として触針が被測定物
を離れようとしたときに発生していることを意味し、こ
の結果、異常接触信号２１４が出力される。異常接触が
発生したときにそのまま図５に示した制御系を動作させ
つづけると触針の破損につながるので、全制御系を非常
停止させる必要がある。FIG. 18 shows the duty measuring circuit 10 described above.
8 shows the configuration of FIG. The basis of the duty ratio measurement is that the CPU 212 obtains the ratio of the contact time to the entire cycle from the count result of the clock pulse. The clock 207 uses about 100 kHz,
These are sent to the counter 21 through the gates 209 and 215.
0, 216, 218. Thus, the pulse is transmitted to the counter and counted only while the gate is opened by the signal. The counter value is read into the latches 211, 217, and 219 before being reset, and the value is taken into the CPU 212 to calculate the ratio. The signal for resetting the counter is a SYNC signal 2 serving as a reference synchronized with a generated waveform obtained from the triangular wave generating circuit 101.
01 is input to the rise detection circuit 202, and the signal passed through the delay 203 is used. The delay 203 is adjusted so that the reset signal is generated when the stylus is farthest from the object to be measured. Gate 215
Since the counter 216 operates only when the conduction detection signal 206 is active, the duty ratio 213 is obtained by dividing the value of the latch 217 by the value of the latch 219. Next, the delay 204 and the one-pulse generation circuit 205 are connected to each other from the moment when the stylus is farthest from the object to be measured.
Generates a pulse that is active for milliseconds.
If a contact is detected during this pulse, the result is obtained in the latch 211.
When the value of 1 is large, it means that the contact mainly occurs when the stylus tries to leave the object to be measured, and as a result, the abnormal contact signal 214 is output. If the control system shown in FIG. 5 continues to be operated as it is when abnormal contact occurs, the stylus may be damaged, so it is necessary to make an emergency stop of all the control systems.
【００５８】図１９は以上説明してきた振動手段を搭載
し、任意の被測定物の形状測定が可能な微細形状測定装
置の構成図である。触針３０１は触針ホルダ３０２を介
してアクチュエータ３０３に固定されている。アクチュ
エータ３０３は図１７に示した制御回路により制御され
ている。アクチュエータ３０３と触針３０１は、回転主
軸３０４により３６０度以上回転することができる。回
転主軸３０４は支持板３０５に固定されている。被測定
物３０６は、サンプルホルダ３０７を介してＺ軸ステー
ジ３０８に固定され、さらにＹ軸ステージ３０９、Ｘ軸
ステージ３１０と接続され、空間内で３自由度の正確な
位置決めが可能となっている。なお、被測定物の傾きを
補正するためのティルトステージをサンプルホルダ３０
７に付加してもよい。Ｘ軸ステージ３１０は、その短い
ストロークを補うためのＸ軸ガイドレール３１１上に載
せられており、両端で位置決め固定できるように位置決
めストッパ３１２、３１３が設けられている。Ｘ軸ステ
ージ３１０のストロークが十分長くとれる場合は、この
ようなＸ軸ガイドレール３１１は必要ない。被測定物３
０６は、Ｘ軸ガイドレール３１１の左端で顕微鏡３１４
の直下に移動し、フォーカスノブ３１５で焦点合わせが
行われ、ＴＶカメラ３１６により観察できる。顕微鏡３
１４およびＴＶカメラ３１６は、支持板３１７に取り付
けられている。装置全体は定盤３１８の上に載せられ、
床面からの振動を防止する目的で除振台３１９を設けて
いる。FIG. 19 is a block diagram of a fine shape measuring apparatus equipped with the vibration means described above and capable of measuring the shape of an arbitrary object to be measured. The stylus 301 is fixed to the actuator 303 via the stylus holder 302. The actuator 303 is controlled by the control circuit shown in FIG. The actuator 303 and the stylus 301 can rotate by 360 degrees or more by the rotating main shaft 304. The rotating spindle 304 is fixed to a support plate 305. The device under test 306 is fixed to a Z-axis stage 308 via a sample holder 307, and further connected to a Y-axis stage 309 and an X-axis stage 310, enabling accurate positioning with three degrees of freedom in space. . The tilt stage for correcting the tilt of the device under test is mounted on the sample holder 30.
7 may be added. The X-axis stage 310 is mounted on an X-axis guide rail 311 for supplementing its short stroke, and is provided with positioning stoppers 312 and 313 so that the positioning can be fixed at both ends. If the stroke of the X-axis stage 310 can be sufficiently long, such an X-axis guide rail 311 is not necessary. DUT 3
06 is a microscope 314 at the left end of the X-axis guide rail 311.
, Is focused by the focus knob 315, and can be observed by the TV camera 316. Microscope 3
14 and the TV camera 316 are attached to a support plate 317. The entire device is placed on the surface plate 318,
A vibration isolation table 319 is provided for the purpose of preventing vibration from the floor surface.
【００５９】図２０は回転主軸３０４の詳細図、図２１
はその下面図である。回転主軸３０４の回転精度（たと
えば真円度）は、全体の計測精度に大きく影響するの
で、できるだけ劣化しないよう工夫されている。極めて
高い精度に研削仕上げされた主軸スピンドル３２０は、
スラストベアリング３２１を介して予圧ばね３２２によ
り上方に引っ張られており、これを鋼球３２３が受けと
めて、上下方向の主軸スピンドル３２０の位置を固定し
ている。さらに、一対のＶ溝ブロック３２４が主軸スピ
ンドル３２０を保持することにより、主軸スピンドル３
２０は、回転の自由度のみを残して正確に拘束された状
態となる。Ｖ溝ブロック３２４は、弾性締結体３２５を
介して取付プレート３２６およびねじ３２７により２つ
が弾性的に結合され、全体としてＣ型の形状となり、予
圧ばね３２８によりＣ型を閉じるように力を加えてい
る。Ｖ溝ブロック３２４を２つ使用する理由は、主軸ス
ピンドル３２０の軸まわりに対称に４点で支えることに
より、回転にともない主軸スピンドル３２０にＶ溝ブロ
ック３２４から加わる外力の合計を極力小さくするため
である。Ｖ溝ブロック３２４と主軸スピンドル３２０の
間には、回転時の摩擦トルクを低減してスティックスリ
ップを無くす目的と、主軸スピンドル３２０およびＶ溝
ブロック３２４の双方が磨耗することを防止する目的
で、樹脂シート３２９が挟み込まれている。樹脂シート
３２９としては、潤滑性の高いフッ素系樹脂または高密
度ポリエチレン系樹脂（たとえばＮＴＮベアリー）など
が適している。Ｖ溝ブロック３２４は、主軸スピンドル
３２０のねじりに対する剛性を高めるために上下２つに
分離して、そのスパン長をかせぐこともできる。また、
２つのＶ溝ブロック３２４を弾性締結体３２５により結
合せず、左右両側から予圧ばねにより主軸スピンドル３
２０を挟み込むことも可能である。また、Ｖ溝ブロック
３２４を１つだけとし、他の手段（たとえばゴムローラ
など）により主軸スピンドル３２０をそのＶ溝ブロック
３２４に押し当てることも可能である。このような主軸
スピンドル３２０の精度を保証するために用いられるＶ
溝ブロック３２４は平面研削により加工し、主軸スピン
ドル３２０は円筒研削により加工すればよいので、比較
的製作が容易で、かつ、精度も高めることが可能であ
る。もちろん回転スピンドル３２０は、エアスピンドル
に置き換えることも可能である。エアスピンドルの方が
回転精度も高めやすく、また変動負荷に対する剛性も高
いが、エアスピンドルの場合は外部から圧縮空気の供給
が必要であること、また、価格が高価になるなどの欠点
がある。本実施の形態では、装置全体をコンパクトにま
とめる必要性と、主軸スピンドル３２０にかかる負荷が
小さく、また一定であることから円筒状の主軸スピンド
ル３２０をＶ溝ブロック３２４にて保持する構成を取っ
ている。FIG. 20 is a detailed view of the rotary spindle 304, and FIG.
Is a bottom view thereof. Since the rotation accuracy (for example, roundness) of the rotary spindle 304 greatly affects the overall measurement accuracy, it is designed so as not to deteriorate as much as possible. The spindle spindle 320, which has been ground to extremely high precision,
It is pulled upward by a preload spring 322 via a thrust bearing 321, which is received by a steel ball 323, and fixes the position of the main spindle 320 in the vertical direction. Further, the pair of V-groove blocks 324 holds the spindle spindle 320, so that the spindle spindle 3
20 is in a state of being accurately restrained while leaving only the degree of freedom of rotation. The two V-groove blocks 324 are elastically coupled by a mounting plate 326 and a screw 327 via an elastic fastening body 325 to form a C-shape as a whole. A preload spring 328 applies a force to close the C-shape. I have. The reason for using two V-groove blocks 324 is to minimize the total external force applied from the V-groove block 324 to the main spindle 320 due to rotation by supporting the spindle spindle 320 at four points symmetrically around the axis. is there. Between the V-groove block 324 and the main spindle 320, resin is used for the purpose of reducing the friction torque at the time of rotation to eliminate stick-slip and for the purpose of preventing both the main spindle 320 and the V-groove block 324 from being worn. The sheet 329 is sandwiched. As the resin sheet 329, a fluororesin having high lubricity or a high-density polyethylene resin (for example, NTN BEAREE) is suitable. The V-groove block 324 can be separated into two parts, upper and lower, to increase the rigidity of the spindle spindle 320 against torsion, and the span length can be increased. Also,
The two V-groove blocks 324 are not connected by the elastic fastening body 325, and the main spindle 3
It is also possible to sandwich 20. It is also possible to use only one V-groove block 324 and press the main spindle 320 against the V-groove block 324 by another means (for example, a rubber roller). V used to guarantee the accuracy of such a spindle spindle 320
Since the groove block 324 may be processed by surface grinding and the spindle spindle 320 may be processed by cylindrical grinding, it is relatively easy to manufacture and the accuracy can be increased. Of course, the rotary spindle 320 can be replaced with an air spindle. The air spindle has higher rotation accuracy and higher rigidity against a fluctuating load. However, the air spindle has drawbacks such as the need to supply compressed air from the outside and the increase in price. In the present embodiment, since the necessity of compacting the entire apparatus and the load applied to the spindle spindle 320 are small and constant, the configuration in which the cylindrical spindle spindle 320 is held by the V-groove block 324 is adopted. I have.
【００６０】主軸スピンドル３２０からは回転アーム３
３０が伸びており、回転アーム３３０は、回転ステージ
３３１と接触している。回転ステージ３３１は、主軸ス
ピンドル３２０と同心円上で回転するが、回転精度が悪
いため回転アーム３３０と回転ステージ３３１の間に
は、わざとがたつきを持たせて誤差が伝わらないように
し、また接触は埋め込まれた鋼球により点接触となるよ
うに工夫されている。このがたつきがあるために、正確
な主軸スピンドル３２０の回転角度を回転ステージ３３
１の回転角から知ることができないため、別に回転角度
センサ６３を設けることにより、主軸スピンドル３２０
の回転角度を直接計測している。また、主軸スピンドル
３２０に加わる外力を小さくする目的で、回転アーム３
３０はできるだけ長く、つまり回転中心からできるだけ
遠い位置で回転ステージ３３１と接触するように工夫し
ている。なぜなら、主軸スピンドル３２０に等しい回転
トルクを与えるにも、小さな力で済むからである。主軸
スピンドル３２０の先端には、アクチュエータ３０３
（振動手段）が取り付けられており、これからのケーブ
ル３３３の取り回しが悪いと、主軸スピンドル３２０が
回転する度にケーブルたわみによる変動負荷を受けて、
主軸スピンドル３２０の回転精度を劣化してしまう。そ
こで、ケーブル５９をわざと大きく取り回し、さらにこ
れを回転ステージ３３１にケーブルホルダ３３４で固定
している。ケーブルホルダ３３４とアクチュエータ３０
３の間の相対変位はほとんど無視できるため、回転に伴
うケーブル３３３のたわみ力の影響を除去することが可
能である。The rotating arm 3 is moved from the spindle spindle 320.
30 is extended, and the rotating arm 330 is in contact with the rotating stage 331. The rotary stage 331 rotates concentrically with the main spindle 320, but due to poor rotation accuracy, the rotary arm 330 and the rotary stage 331 are intentionally rattled to prevent an error from being transmitted. Is designed to be in point contact with the embedded steel ball. Due to this rattling, the rotation angle of the spindle spindle 320 can be precisely
Since the rotation angle cannot be known from the rotation angle of 1, the provision of the rotation angle sensor 63 allows the spindle spindle 320
The rotation angle of is measured directly. In order to reduce the external force applied to the spindle spindle 320, the rotating arm 3
30 is designed to be in contact with the rotating stage 331 at a position as long as possible, that is, as far as possible from the center of rotation. This is because a small force is required to apply the same rotational torque to the main spindle 320. An actuator 303 is provided at the tip of the spindle spindle 320.
(Vibration means) is attached, and if the handling of the cable 333 from now on is poor, a variable load due to the bending of the cable is applied every time the spindle 320 rotates,
The rotation accuracy of the spindle spindle 320 is degraded. Therefore, the cable 59 is intentionally largely routed, and is fixed to the rotary stage 331 with the cable holder 334. Cable holder 334 and actuator 30
Since the relative displacement between 3 is negligible, it is possible to eliminate the influence of the bending force of the cable 333 due to the rotation.
【００６１】再び図１９に戻り、アクチュエータ３０
３、回転主軸３０４、Ｚ軸ステージ３０８、Ｙ軸ステー
ジ３０９、Ｘ軸ステージ３１０をどのように動かして、
微細穴の内面形状を測定するかについて述べる。まず、
微細穴の縦断面を測定する場合であるが、回転主軸３０
４を調べたい断面の方向に角度合わせし、この状態でＺ
軸ステージ３０８を上方へ送り込みながら、触針３０１
の変位を記録すればよい。触針３０１は、被測定物３０
６と一定の接触を保つように制御されるが、断面形状が
大きく変動する場合はアクチュエータ３０３の変位範囲
を越える場合がある。この時はＹ軸ステージ３０９、Ｘ
軸ステージ３１０を動かして被測定物を再位置決めし
て、アクチュエータ３０３がその変位範囲の中間に戻る
ようにする。次に、微細穴の真円度測定（横断面測定）
であるが、回転主軸３０４の回転中心を被測定物３０６
の穴中心とほぼ一致させた状態で、触針３０１を穴側面
と接触させ、さらに回転主軸３０４を３６０度回転さ
せ、触針３０１の変位を記録すればよい。真円度測定で
は、Ｙ軸ステージ３０９、Ｘ軸ステージ３１０を動かさ
ないために、計測できる穴の最大直径は、アクチュエー
タ３０３の変位能力により制限される。また、測定可能
な最低の穴直径は、触針３０１の先端最大径により制限
される。回転主軸３０４と同時にＹ軸ステージ３０９と
Ｘ軸ステージ３１０を動かせば、任意の大きさの穴を計
測できるが、このような機能は以下にのべる任意横断面
形状計測で実現される。また、微細穴の円筒度の測定
は、以上述べた縦断面測定と横断面測定を組み合わせる
ことにより実現可能である。Returning to FIG. 19, the actuator 30
3. How to move the rotating spindle 304, the Z-axis stage 308, the Y-axis stage 309, and the X-axis stage 310,
Whether to measure the inner surface shape of the fine hole is described. First,
In the case of measuring the longitudinal section of the fine hole, the rotation spindle 30
4 is adjusted to the direction of the section to be examined, and in this state, Z
While sending the shaft stage 308 upward, the stylus 301
Should be recorded. The stylus 301 is
6 is maintained so as to keep a constant contact with the actuator 6. However, when the cross-sectional shape greatly changes, the displacement range of the actuator 303 may be exceeded. At this time, the Y-axis stage 309, X
The object to be measured is repositioned by moving the axis stage 310 so that the actuator 303 returns to the middle of the displacement range. Next, roundness measurement of fine holes (cross section measurement)
However, the rotation center of the rotating main shaft 304 is
In this state, the stylus 301 is brought into contact with the side surface of the hole, and the main spindle 304 is further rotated by 360 degrees to record the displacement of the stylus 301. In the roundness measurement, since the Y-axis stage 309 and the X-axis stage 310 are not moved, the maximum diameter of the hole that can be measured is limited by the displacement capability of the actuator 303. Further, the minimum measurable hole diameter is limited by the maximum diameter of the tip of the stylus 301. By moving the Y-axis stage 309 and the X-axis stage 310 at the same time as the rotation main shaft 304, a hole of an arbitrary size can be measured. Such a function is realized by an arbitrary cross-sectional shape measurement described below. In addition, the measurement of the cylindricity of the fine hole can be realized by combining the above-described vertical section measurement and horizontal section measurement.
【００６２】図２２は任意横断面形状計測の制御方式を
示したものである。図では触針３０１を上方から眺めて
いるが、触針３０１の先端の横断面形状は図示のように
涙型の形状となっている。これは接触点４０２を先端の
１点に限ることで、常に触針のどの場所が測定対象面４
０１に接触しているかを明らかにするためである。触針
３０１は、図示されないアクチュエータ３０３により１
次元的に変位されるが、その変位量を外側に向かってｗ
とする。回転主軸３０４の回転中心をＰc とし、また、
回転主軸３０４の回転角θが０の状態における基準方向
を表す単位ベクトルをｅx とする。アクチュエータ３０
３の変位方向はこのベクトルｅx に一致されており、ま
た触針３０１の接触点４０２の方向もベクトルｅx に一
致するように事前に調整されている。回転主軸３０４の
回転角θが０、アクチュエータ３０３の変位ｗが０、の
ときの接触点４０２の回転中心Ｐc からの位置をベクト
ルｒe であらわす。以上の条件のもとで接触点４０２の
座標Ｐm は次の式であらわされる。 Ｐm ＝Ｐc ＋Ｔ（θ）ｒe ＋ｗＴ（θ）ｅx ・・・（１） ただし、Ｔ（θ）は角度θの回転変換行列で、FIG. 22 shows a control method for arbitrary cross-sectional shape measurement. Although the stylus 301 is viewed from above in the figure, the cross-sectional shape of the tip of the stylus 301 has a tear-shaped shape as shown. This is because the contact point 402 is limited to one point at the tip, and the location of the stylus is always
This is to clarify whether the user is in contact with 01. The stylus 301 is moved 1 by an actuator 303 (not shown).
It is displaced dimensionally, but the amount of displacement is
And The rotation center of the rotary spindle 304 is P c, and
The unit vector rotation angle of the rotary spindle 304 theta represents the reference direction in the state of 0 and e x. Actuator 30
Direction of displacement of 3 is adjusted in advance so that this vector has been matched to the e x, also matches the direction of the contact point 402 of the stylus 301 to the vector e x. Rotation angle θ is 0 of the rotating spindle 304, represents the displacement w is 0 the actuator 303, the position from the rotation center P c of the contact point 402 when the vector r e. Coordinates P m of the contact point 402 under the above conditions is expressed by the following equation. In P m = P c + T ( θ) r e + wT (θ) e x ··· (1) , however, T (theta) is the angle theta rotational transformation matrix,
【数１】 ・・・（２） と表されるものである。つまり、Ｐc をＸ軸ステージ３
１０、Ｙ軸ステージ３０９の座標値より知り、また、回
転主軸３０４の回転角度θを回転角度センサ３３２から
知り、さらにアクチュエータ３０３の変位ｗを図１７の
Ｉ制御器１１０の出力から知れば、接触点４０２の座標
Ｐm を知ることができる。ここで、問題となるのは、ベ
クトルｒe を如何に事前に知るかということであるが、
この方法については後で述べる。(Equation 1) (2) That is, P c is set to the X-axis stage 3
10. If the coordinate value of the Y-axis stage 309 is known, the rotation angle θ of the rotary spindle 304 is known from the rotation angle sensor 332, and the displacement w of the actuator 303 is known from the output of the I controller 110 in FIG. it is possible to know the coordinates P m of the point 402. Here, become a problem, but is that either know how to advance the vector r e,
This method will be described later.
【００６３】次に、図２３を用いて任意の形状を持つ測
定対象面４０１にたいして触針３０１が如何にして接触
点４０２を正しく測定対象面４０１に向けながら追従し
つつ測定を行っていくかについて述べる。この追従はあ
る制御周期ｔc 毎に測定対象面４０１を平面近似して予
測測定対象面４０５を作っていくことで実現される。予
測測定対象面４０５は平面であるが、実際の測定結果は
触針３０１の制御のおかげで任意の測定対象面に追従で
きる。まず、１制御周期前の過去の接触点４０３を
Ｐm0、現在の接触点４０２をＰm としたとき、次の制御
周期の予測接触点Ｐm1は次の式によって表される。 Ｐm1＝Ｐm ＋（ｖm ｔc ）norm（Ｐm −Ｐm0） ・・・（３） 上式において、normとは与えられたベクトルから単位ベ
クトルを作る関数とし、また、ｖm は測定速度とする。
このようにして求まったＰm1で予測測定対象面４０５に
接触するためにＸ軸ステージ３１０、Ｙ軸ステージ３０
９、回転主軸３７を動かす必要があるが、これらの目標
値Ｐc1ならびにθ1 は次の式により与えられる。Next, using FIG. 23, how the stylus 301 performs measurement while following the contact point 402 correctly toward the measurement target surface 401 with respect to the measurement target surface 401 having an arbitrary shape will be described. State. The follow-up is realized the measurement object surface 401 at every certain control period t c by we make a prediction object surface 405 by planar approximation. The predicted measurement target surface 405 is a flat surface, but the actual measurement result can follow an arbitrary measurement target surface due to the control of the stylus 301. First, assuming that the past contact point 403 one control cycle before is P m0 and the current contact point 402 is P m , the predicted contact point P m1 of the next control cycle is represented by the following equation. In P m1 = P m + (v m t c) norm (P m -P m0) ··· (3) the above equation, a function of making the unit vector from the vector and norm given also, v m is Measurement speed.
X-axis stage 310 for contacting this way to predict the measurement target surface 405 at Motoma' was P m1, Y-axis stage 30
9. It is necessary to move the rotating main shaft 37, and these target values P c1 and θ 1 are given by the following equations.
【数２】 ・・・（４） 上式において、関数angle は第１のベクトルから計った
第２のベクトルまでの角度をあらわすものとする。(Equation 2) (4) In the above equation, the function angle represents the angle from the first vector to the second vector measured.
【数３】 ・・・（５） 上式において、ｗmax はアクチュエータ３０３の最大変
位量を表す。以上の制御方式は予測測定対象面４０５を
平面として扱っていたが、当然のことながら予測測定対
象面４０５を２次以上の曲面と考えて制御を行うことも
可能である。しかしながら、制御周期Ｔc を十分短くと
れば、あるいは計測速度ｖm を遅くすれば、ほとんどの
場合平面近似で十分である。(Equation 3) (5) In the above equation, w max represents the maximum displacement of the actuator 303. Although the control method described above treats the predicted measurement target surface 405 as a plane, it is needless to say that control can be performed by considering the predicted measurement target surface 405 as a second-order or higher curved surface. However, taking sufficiently short control period T c, or if slow measurement speed v m, is sufficient for most cases planar approximation.
【００６４】次に、図２４と図２５に、以上の任意横断
面形状測定の制御方式で測定できない対象物形状の例を
示す。図２４は測定対象面４０６が９０度以下のシャー
プな凹コーナがある場合、図２５は予測測定対象面４０
８が触針の最大径よりも狭い狭隘部がある場合である。
両方の場合とも、触針の進行方向４０７、４０９方向に
動きが阻害され、触針が折損するおそれがある。また、
図２５の場合、図１７に示した制御回路が触針３０１を
後退させようとするとかえって触針３０１を折損する結
果となる。よって、このような形状を含む可能性がある
場合の対策は、まず、図１７の制御回路は触針３０１の
接触状態に異常を検知した瞬間に（異常接触検出信号２
１４、図１８）、すべてのステージ３０８、３０９、３
１０および回転主軸３０４の動きを非常停止する機能を
持つこと、さらに、計測速度ｖmを十分低速に設定し、
異常時に触針３０１にかかる歪みを十分小さくしてやる
ことである。Next, FIGS. 24 and 25 show examples of object shapes that cannot be measured by the control method for arbitrary cross-sectional shape measurement described above. 24 shows a case where the measurement target surface 406 has a sharp concave corner of 90 degrees or less, and FIG.
Reference numeral 8 denotes a case where there is a narrow portion smaller than the maximum diameter of the stylus.
In both cases, the movement of the stylus in the traveling directions 407 and 409 is hindered, and the stylus may be broken. Also,
In the case of FIG. 25, if the control circuit shown in FIG. 17 tries to retreat the stylus 301, the result is that the stylus 301 is broken. Therefore, as a countermeasure when there is a possibility that such a shape is included, first, the control circuit in FIG.
14, FIG. 18), all stages 308, 309, 3
10 and to have the function of emergency stop the movement of the rotary spindle 304, further to set sufficiently low speed measurement velocity v m,
The purpose is to minimize the distortion applied to the stylus 301 in the event of an abnormality.
【００６５】次に、図２６を用いて、図２２で説明した
ベクトルｒe の求め方について説明する。ここでは校正
用に正確に仕上げられた半径Ｒcal の校正用丸穴４１０
を使用する。この丸穴４１０の内面を図２３で説明した
任意横断面形状測定方法により測定を行った時の、主軸
中心位置をＰc-realとする。他方、接触点４０２は半径
Ｒcal の円周上にあるという前提から求めた理想の主軸
中心位置をＰc-idealとする。ここに、Ｐc-ideal とＰ
c-realの位置ずれ量がベクトルｒe となる。ここで示し
たベクトルｒe を求める校正方式は、触針３０１の先端
を正確に回転主軸３７の回転中心に合わせるための作業
にも利用でき、また、測定にともなう触針３０１の磨耗
量をモニターする場合にも利用できる。Next, with reference to FIG. 26, will be described how to obtain the vector r e explained in FIG. 22. Here, a round hole 410 for calibration with a radius R cal that has been accurately finished for calibration.
Use When was measured by any cross-sectional shape measuring method described the inner surface of the round hole 410 in FIG. 23, the spindle center position to P c-real. On the other hand, the center position of the ideal main shaft determined on the assumption that the contact point 402 is on the circumference of the radius R cal is defined as P c-ideal . Where P c-ideal and P
positional deviation amount of c-real is vector r e. Calibration method, can also be used to work for adjusting the rotational center of accurately rotating the spindle 37 the tip of the stylus 301, also monitors the amount of wear of the stylus 301 due to measurement to obtain the vector r e shown here You can also use it.
【００６６】次に、図１９におけるサンプルホルダ３０
７に被測定物３０６を設置したときの、測定対象点の探
し方について、図２７を用いて説明する。測定対象点の
位置出しは、顕微鏡３１４とＴＶカメラ３１６を用いて
行う。Ｘ軸ガイドレール３１１により顕微鏡３１４の直
下に被測定物３０６およびＸＹＺステージ３０８、３０
９、３１０が移動される。この状態でフォーカスノブ３
１５により顕微鏡３１４の焦点を合わせ、位置出しブロ
ック３３５に設けた２つの校正用丸穴４１０をそれぞれ
顕微鏡３１４の視野の中心に来るようにステージを動か
し、ＸＹ軸ステージ３１０、３０９の座標を読み、（Ｘ
i1, Ｙi1）、（Ｘi2, Ｙi2）とする。さらに測定対象点
３３６を同様に顕微鏡視野の中心に持ってきて座標（Ｘ
is, Ｙis）を読みとる。つぎに、被測定物３０６および
ＸＹＺステージ３１０、３０９、３０８を回転主軸３０
４の直下に移動し、今度は触針３０１で校正用丸穴４１
０を測定することにより、その穴の中心の座標（Ｘv1,
Ｙv1）、（Ｘv2, Ｙv2）を読みとる。以上の結果を用い
て、測定対象点３３６が存在すると思われる座標
（Ｘvs, Ｙvs）は次の式により求まる。 Ｘim＝（Ｘi1＋Ｘi2）／２ ・・・（６） Ｙim＝（Ｙi1＋Ｙi2）／２ ・・・（７） Ｘvm＝（Ｘv1＋Ｘv2）／２ ・・・（８） Ｙvm＝（Ｙv1＋Ｙv2）／２ ・・・（９）Next, the sample holder 30 shown in FIG.
With reference to FIG. 27, a description will be given of a method of searching for a point to be measured when the object to be measured 306 is set in FIG. The position of the measurement target point is determined using the microscope 314 and the TV camera 316. The object to be measured 306 and the XYZ stages 308 and 30 are located directly below the microscope 314 by the X-axis guide rail 311.
9, 310 are moved. In this state, focus knob 3
The microscope 314 is focused by 15 and the stage is moved so that the two calibration round holes 410 provided in the positioning block 335 are respectively located at the center of the field of view of the microscope 314, and the coordinates of the XY axis stages 310 and 309 are read. (X
i1 , Yi1 ) and ( Xi2 , Yi2 ). Further, the measurement target point 336 is similarly brought to the center of the microscope field of view, and the coordinates (X
is , Y is ). Next, the DUT 306 and the XYZ stages 310, 309, 308 are moved to the rotating spindle 30.
4 and then move the stylus 301 to the round hole 41 for calibration.
By measuring 0, the coordinates of the center of the hole (X v1 ,
Y v1 ) and (X v2 , Y v2 ). Using the above results, the coordinates (X vs , Y vs ) at which the measurement target point 336 is considered to exist can be obtained by the following equation. X im = (X i1 + X i2 ) / 2 (6) Y im = (Y i1 + Y i2 ) / 2 (7) X vm = (X v1 + X v2 ) / 2 (8) ) Y vm = (Y v1 + Y v2 ) / 2 (9)
【数４】 ・・・（１０）(Equation 4) ... (10)
【数５】 ・・・（１１） 上式においてステージ座標（Ｘim, Ｙim）、（Ｘvm, Ｙ
vm）は２つの校正用丸穴４１０の中間点を表す。仮にＸ
軸ガイドレール３１１の位置決めストッパ３１２、３１
３による位置決め再現性が極めて高ければ、２座標（Ｘ
im, Ｙim）、（Ｘ vm, Ｙvm）の差は一定となるはずであ
る。しかしながら、現実には、位置決めストッパ３１
２、３１３の精度は１０μｍ程度のためばらつきが発生
する。また、上式においてθYAW はＸ軸ガイドレール３
１１の直進精度のヨーイングによるサンプルホルダ３０
７の回転を表している。以上のような補正式は、Ｘ軸ス
テージ３１０のストロークが短く、Ｘ軸ガイドレール３
１１を採用したために必要になってきたものであり、仮
にＸ軸ステージが回転主軸３０４の直下から顕微鏡３１
４の直下まで移動することが可能であれば、すべて統一
されたステージ座標系のもとで取り扱うことができるた
めこのような補正は必要がなくなる。(Equation 5)(11) In the above equation, the stage coordinates (Xim, Yim), (Xvm, Y
vm) Indicates an intermediate point between the two round holes for calibration 410. Suppose X
Positioning stoppers 312, 31 of shaft guide rail 311
If positioning reproducibility by 3 is extremely high, 2 coordinates (X
im, Yim), (X vm, Yvm) Should be constant
You. However, in reality, the positioning stopper 31
Variations occur because the accuracy of 2,313 is about 10μm
I do. In the above equation, θYAWIs the X-axis guide rail 3
11 sample holder 30 by straight-line precision yawing
7 represents the rotation. The correction equation described above is based on the X-axis
The stroke of the stage 310 is short and the X-axis guide rail 3
This is necessary because of the adoption of 11
The X-axis stage is moved from just below the rotating spindle 304 to the microscope 31.
If it is possible to move directly below 4, all unified
Can be handled under the specified stage coordinate system.
Such a correction is not necessary.
【００６７】（実施の形態７）次に、本発明の実施の形
態７について説明する。本実施の形態７は上記した実施
の形態６とほとんど同じであるが、唯一、触針の構造と
接触を検出する方式が異なる。そこで、図２８を用いて
触針の構造を、図２９を用いて触針の製作方法を、図３
０、３１を用いて接触を検出する回路のブロック図を、
図３２を用いて検出信号の発生の様子を説明する。以下
に述べていない事柄は実施の形態６と同じなので、実施
の形態６で用いた符号をそのまま使用する。まず、接触
検出の原理であるが、図２８において、触針５０１の先
端が被測定物５１０に振動の途中で接触すると接触力が
発生し、アクチュエータ５０９、触針５０１、図１９の
ＸＹＺステージ３０８、３０９、３１０といった力の流
れに沿ったあるいは構成部品がこの力を受ける。しかし
ながら、触針５０１の微細軸５０１ａの部分（直径５０
μｍ）がこの全体の力の経路のなかではもっとも弱い部
分であるため、この部分がたわむことで接触力を吸収す
ることになる。つまり、微細軸５０１ａのたわみを検出
することにより接触力を計測できることになる。今、触
針５０１の先端に接触力による変位δが発生するとき
に、圧電薄膜５０２に発生する最大歪みをεmax とする
と、εmax は微細軸５０１ａの根元で発生し、その大き
さは簡単な材料力学の計算より、Embodiment 7 Next, Embodiment 7 of the present invention will be described. The seventh embodiment is almost the same as the sixth embodiment, except for the structure of the stylus and the method of detecting contact. Therefore, the structure of the stylus will be described with reference to FIG. 28, and the method of manufacturing the stylus will be described with reference to FIG.
A block diagram of a circuit for detecting contact using 0 and 31 is shown in FIG.
The generation of the detection signal will be described with reference to FIG. The matters that are not described below are the same as those in the sixth embodiment, and thus the reference numerals used in the sixth embodiment are used as they are. First, the principle of contact detection is as follows. In FIG. 28, when the tip of the stylus 501 comes into contact with the measured object 510 during the vibration, a contact force is generated, and the actuator 509, the stylus 501, and the XYZ stage 308 in FIG. , 309, 310 along or along the force flow. However, the portion of the fine shaft 501a of the stylus 501 (the diameter 50
μm) is the weakest part of the entire force path, and this part bends to absorb the contact force. That is, the contact force can be measured by detecting the deflection of the fine shaft 501a. Now, when a displacement δ due to a contact force is generated at the tip of the stylus 501, and the maximum strain generated in the piezoelectric thin film 502 is ε max , ε max is generated at the base of the fine shaft 501a, and its size is simple. From the calculation of material mechanics,
【数６】 ・・・（１２） となる。ただし、ｄは微細軸５０１ａの直径とする。つ
まり微細軸５０１ａの根元付近に圧電薄膜５０２を形成
しておけば、効率的に圧電電圧を集められることにな
る。仮に、触針５０１の微細軸５０１ａ部分を直径５０
μｍ、長さ１０００μｍ、変位２μｍとして計算する
と、εmax ＝１．５×１０-4程度のひずみとなる。この
値は微細軸５０１ａの材質である超硬合金の弾性領域内
であり、また、圧電薄膜が安定してひずみを検出できる
範囲内である。ちなみに、この時の接触力は９２ｍｇｆ
となり、これより触針５０１の測定圧はこれ以下である
ことがわかる。圧電薄膜５０２からの出力を金属電極５
０３を通じて外部配線５０４により取り出し、プリアン
プ５０５を通すと、触針たわみ信号５０６が得られる。
プリアンプ５０５で注意すべきことは、圧電薄膜５０２
の誘電体容量は極めて小さいことから、今回のような１
００Hzといった低周波の信号を検出するために、プリア
ンプ５０５の入力インピーダンスはできるだけ高くする
必要がある。ちなみに、式（１２）を用いた試算では、
微細軸５０１ａの慣性力によるたわみは無視した。一般
的に、物体のサイズが小さくなると慣性力の影響は小さ
くなり、表面力やその他の力が支配的となる。今回の微
細軸５０１ａを２μｍの振幅の正弦波により振動させた
ときに、慣性力による軸のたわみを試算してみると、
８．８×１０-12 ｍとなり全く無視できることがわか
る。また、慣性力の影響が小さいことから微細軸５０１
ａの一次共振周波数も高くなり数十ｋＨｚとなるため、
今回のように１００Ｈｚで駆動する場合はまったく考え
る必要がない。(Equation 6) (12) Here, d is the diameter of the fine shaft 501a. That is, if the piezoelectric thin film 502 is formed near the base of the fine shaft 501a, the piezoelectric voltage can be efficiently collected. Suppose that the fine shaft 501a of the stylus 501 is
When calculated as μm, length 1000 μm, and displacement 2 μm, the strain becomes about ε max = 1.5 × 10 −4 . This value is within the elastic range of the cemented carbide, which is the material of the fine shaft 501a, and within the range in which the piezoelectric thin film can stably detect strain. By the way, the contact force at this time is 92 mgf
This shows that the measured pressure of the stylus 501 is lower than this. The output from the piezoelectric thin film 502 is applied to the metal electrode 5
When the signal is taken out by the external wiring 504 through the line 03 and passed through the preamplifier 505, a stylus deflection signal 506 is obtained.
What should be noted in the preamplifier 505 is that the piezoelectric thin film 502
Since the dielectric capacitance of this is very small,
In order to detect a low frequency signal such as 00 Hz, the input impedance of the preamplifier 505 needs to be as high as possible. By the way, in the trial calculation using equation (12),
The deflection due to the inertial force of the fine shaft 501a was ignored. In general, as the size of an object decreases, the influence of inertial force decreases, and surface force and other forces become dominant. When the fine shaft 501a is vibrated by a sine wave having an amplitude of 2 μm, the bending of the shaft due to inertial force is calculated as follows.
It is 8.8 × 10 −12 m, which means that it can be ignored. Further, since the influence of the inertial force is small, the fine shaft 501
Since the primary resonance frequency of a also increases to several tens of kHz,
When driving at 100 Hz as in this case, there is no need to consider at all.
【００６８】次に、図２９を用いて触針５０１を形成す
る方法について説明する。圧電薄膜５０２の製作方法
は、参考文献（K.R. Udayakumar, et.al: FERROELECTRI
C THINFILM ULTRASONIC MICROMOTORS, IEEE, 1991)に紹
介されているゾルゲル法を用いる。ゾルゲル法は、スパ
ッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法といった他の圧電薄膜製作手
法にくらべて極めて製造コストが安く、また、圧電材料
の組成変動が少なく安定して圧電薄膜が作れる方法であ
る。また、基板に微細な凹凸がある場合も、これを平滑
化する作用があり、今回の用途には最適である。まず、
基板となる超硬合金製の微細軸５０１ａは微細放電加工
により仕上げられる。はじめに（ａ）において、レジス
ト５１１を塗布した後にフォトリソグラフィをして圧電
薄膜をつける場所以外をマスクする。この段階で、仮に
微細放電加工条件が最適化されておらず、加工表面のあ
らさが無視できない場合、電界研磨などの方法で表面あ
らさを改善する。次に（ｂ）において、密着性を挙げる
ためのＴｉを２０ｎｍ程度、さらにＰＺＴ形成の下地と
なるＰｔを５００ｎｍ程度蒸着して下地層５１２を得
る。次にｃ）において、ゾルゲル液としてＰＺＴメトキ
シエタノール溶液を用い、この溶液の中に触針５０１を
回転しながらディップすることにより薄く溶液を塗布
し、約１００ｎｍ程度の厚みの膜を得た後、乾燥する。
この工程を５回程度繰り返し、最後に焼成することで５
００ｎｍ程度のＰＺＴ薄膜５１３（５０２）を得てい
る。ＰＺＴ薄膜は厚いほど圧電出力が大きくなるが，２
μｍを越えると微小なひび割れが材料中に発生してしま
うので注意が必要である。次に（ｄ）において、Ａｕで
金属電極５１４（５０３）を５００ｎｍ程度の厚みで蒸
着する。金属電極５１４は、触針５０１のたわみ量を知
ることが目的であるので、触針５０１の片側に１０〜２
０μｍの幅の帯としてフォトリソグラフィの手法をもっ
て形成する。次に（ｅ）において、金属電極５１４を導
電ペースト５１５および固定接着剤５１６により外部配
線５０４に接続する。次に、外部配線５０４と金属電極
５１４により圧電薄膜５１３に電圧をかけ、分極方向を
そろえるためのポーリングを行う。最後に、圧電薄膜５
１３で発生する電圧の大きさを計算する。まず、ＰＺＴ
の発生電圧Ｖpzt は薄膜厚さｔpzt を用いて次式で表さ
れる。Next, a method for forming the stylus 501 will be described with reference to FIG. The method of manufacturing the piezoelectric thin film 502 is described in a reference (KR Udayakumar, et.al: FERROELECTRI
The sol-gel method introduced in C THINFILM ULTRASONIC MICROMOTORS, IEEE, 1991) is used. The sol-gel method is a method in which the manufacturing cost is extremely low as compared with other piezoelectric thin film manufacturing methods such as a sputtering method, a vapor deposition method, and a CVD method, and a composition change of a piezoelectric material is small and a piezoelectric thin film can be manufactured stably. Further, even when the substrate has fine irregularities, it has an effect of smoothing the irregularities, which is optimal for the present application. First,
The fine shaft 501a made of a cemented carbide as a substrate is finished by fine electric discharge machining. First, in (a), after applying the resist 511, photolithography is performed to mask a portion other than a place where a piezoelectric thin film is to be formed. At this stage, if the micro-discharge machining conditions are not optimized and the roughness of the machined surface cannot be ignored, the surface roughness is improved by a method such as electric field polishing. Next, in (b), about 20 nm of Ti for improving the adhesion and about 500 nm of Pt as a base for PZT formation are deposited to obtain a base layer 512. Next, in c), a PZT methoxyethanol solution is used as the sol-gel solution, and the solution is applied thinly by dipping the solution while rotating the stylus 501 to obtain a film having a thickness of about 100 nm. dry.
This process is repeated about five times, and finally the
A PZT thin film 513 (502) of about 00 nm is obtained. The thicker the PZT thin film, the larger the piezoelectric output.
Attention should be paid to the fact that fine cracks occur in the material when the thickness exceeds μm. Next, in (d), a metal electrode 514 (503) is deposited with Au to a thickness of about 500 nm. Since the purpose of the metal electrode 514 is to know the amount of deflection of the stylus 501, 10 to 2
A band having a width of 0 μm is formed by photolithography. Next, in (e), the metal electrode 514 is connected to the external wiring 504 by the conductive paste 515 and the fixing adhesive 516. Next, a voltage is applied to the piezoelectric thin film 513 by the external wiring 504 and the metal electrode 514 to perform poling for aligning the polarization direction. Finally, the piezoelectric thin film 5
The magnitude of the voltage generated at 13 is calculated. First, PZT
The generation voltage V pzt expressed by the following equation, using the film thickness t pzt.
【数７】 ・・・（１３） ここに、εmax は最大ひずみ量で１．５×１０-4であっ
たこと、ゾルゲル法で形成されたＰＺＴ薄膜の圧電定数
ｄ31＝−８８×10-12 ｍ／Ｖであること、圧電薄膜の厚
さｔpzt ＝５００ｎｍであることより、Ｖpzt ＝０．７
５ボルトと計算され、プリアンプ５０５で十分に測定可
能な大きさであることがわかる。実際には、金属電極５
１４や導電ペースト５１５がひずみの小さい部分も覆っ
ているために平均化され、出力はこの値よりも小さくな
る。以上の触針の製造方法は超硬合金をベースにしたも
のであったが、触針をチタンのような材質に変えると、
（ｃ）の工程は水熱法で置き換えることも可能である。(Equation 7) (13) Here, ε max was 1.5 × 10 −4 as the maximum strain amount, and the piezoelectric constant d 31 of the PZT thin film formed by the sol-gel method was −31 × −88 × 10 −12 m /. V, and the thickness t pzt of the piezoelectric thin film is 500 nm, so that V pzt = 0.7
It is calculated to be 5 volts, and it is understood that the size can be sufficiently measured by the preamplifier 505. Actually, the metal electrode 5
14 and the conductive paste 515 are also averaged because they cover portions with small distortion, and the output is smaller than this value. Although the method of manufacturing the above stylus was based on a cemented carbide, when the stylus was changed to a material such as titanium,
The step (c) can be replaced by a hydrothermal method.
【００６９】図３０は非導電体検出用の接触検出回路５
０７の構成例を示す。触針たわみ信号５０６がある閾値
よりも大きくなれば接触が生じていると見なすことか
ら、コンパレータ６０２により接触の判定を行い、接触
検出信号６０３を出力する。ただし、圧電体の出力電圧
は接触によるひずみ以外にも焦電効果などにより変動し
てしまうため、これを取り除くために時定数を１０秒程
度に設定したクランプ回路６０１によりドリフト成分を
除去している。コンパレータ６０２の設定値としては、
触針５０１が被測定物とまったく接触していないときの
触針たわみ信号５０６のノイズレベルを計測し、ノイズ
の標準偏差の３倍程度にしてやることが望ましい。FIG. 30 shows a contact detection circuit 5 for non-conductor detection.
07 shows a configuration example. If the stylus deflection signal 506 becomes larger than a certain threshold value, it is considered that a contact has occurred. Therefore, the contact is determined by the comparator 602 and a contact detection signal 603 is output. However, since the output voltage of the piezoelectric body fluctuates due to a pyroelectric effect other than distortion due to contact, a drift component is removed by a clamp circuit 601 having a time constant set to about 10 seconds in order to remove this. . As the set value of the comparator 602,
It is desirable to measure the noise level of the probe deflection signal 506 when the probe 501 is not in contact with the object to be measured at all, and to make the noise level about three times the standard deviation of the noise.
【００７０】図３１に接触検出回路５０７の他の構成例
を示す。この方式は図３０の方式と比べると複雑である
が、触針たわみ信号５０６以外にアクチュエータ変位信
号５０８も使うため、検出状態の予期せぬ変化（たとえ
ば、被測定物が軟質材料になったなど）に対してもロバ
ストであるという特徴を持つ。この回路は触針たわみ信
号５０６がアクチュエータ変位信号５０８と比例して変
化するときを接触状態と判断し、触針たわみ信号５０６
がアクチュエータ変位信号５０８の変化にもかかわらず
変化しないときを非接触状態と判断する。両者の信号の
変化の仕方に相関があるかどうかを判定する部分が相関
計算器６１８である。まず、触針たわみ信号５０６およ
びアクチュエータ変位信号５０８は、それぞれＡ／Ｄ変
換器６１１、６１４により定期的にデジタル変換され、
ＦＩＦＯメモリ６１２、６１６に蓄えられる。ＦＩＦＯ
メモリ６１２、６１６を用意する理由は、相関計算器６
１８の計算時間が万が一サンプリング周期を越えてしま
ったときでも、データの欠落が起きないようにするため
である。また、両信号５０６、５０８に微妙な位相差が
生じている可能性があり、これを取り除くためにディレ
イ６１５を用意している。両信号のＦＩＦＯメモリ６１
２、６１６に蓄えられた最新の信号データを、相関計算
器６１８は自らのバッファ６１３、６１７に取り込み相
関演算を開始する。具体的には、触針たわみ信号５０６
とアクチュエータ変位信号５０８Ｄの間の回帰係数βを
求める。いま、バッファ６１３、６１７に取り込まれた
データをＳｉ、Ｄｉ、データ組数をｎとしたときに、回
帰係数βは、FIG. 31 shows another configuration example of the contact detection circuit 507. Although this method is more complicated than the method shown in FIG. 30, since the actuator displacement signal 508 is used in addition to the stylus deflection signal 506, an unexpected change in the detection state (for example, when the object to be measured becomes a soft material, etc.) ) Is also robust. This circuit determines that the contact state occurs when the stylus deflection signal 506 changes in proportion to the actuator displacement signal 508, and the stylus deflection signal 506
Is determined as a non-contact state when no change occurs despite the change in the actuator displacement signal 508. The part that determines whether or not there is a correlation between the two signal changes is the correlation calculator 618. First, the stylus deflection signal 506 and the actuator displacement signal 508 are periodically converted to digital signals by A / D converters 611 and 614, respectively.
Stored in FIFO memories 612 and 616. FIFO
The reason for preparing the memories 612 and 616 is that the correlation calculator 6
This is to prevent data loss even when the calculation time of 18 exceeds the sampling period. In addition, there is a possibility that a slight phase difference occurs between the two signals 506 and 508, and a delay 615 is provided to remove this. FIFO memory 61 for both signals
The correlation calculator 618 takes the latest signal data stored in 2, 616 into its own buffers 613, 617 and starts the correlation calculation. Specifically, the stylus deflection signal 506
And a regression coefficient β between the actuator displacement signal 508D and the actuator displacement signal 508D. Now, assuming that the data taken into the buffers 613 and 617 are Si and Di and the number of data sets is n, the regression coefficient β is
【数８】 と表される。この回帰係数βは、アクチュエータ変位信
号Ｄが変化したときに、どの程度触針たわみ信号Ｓが変
化したかを示すものであるから、触針５０１が被測定物
５１０に接触したかどうかを知ることができる。いま、
触針５０１が被測定物５１０にまったく接触していない
ときに求まる回帰係数βのノイズに起因する変動の標準
偏差をσB とすると、βの正規分布を仮定すれば非接触
時の回帰係数βは９９．７％の確率で３σB 以下の値を
取ることになる。よって、コンパレータ６１９によって
回帰係数βが３σB 以上の値をとったら接触というよう
に判断してやればよいことになる。次に、回帰係数βを
計算するための計算量について見積もりを行う。データ
の組数をｎとすると、βの計算のためには、式（１４）
〜（１６）から、およそ９ｎ回の加減乗除の演算が必要
になってくる。仮に、相関計算にｎ＝２０組のデータを
利用するとし、２０ＭＩＰＳのＤＳＰを使用したとする
と、一回の相関計算にはおよそ１０μＳが必要となる。
また、信号５０６、５０８が１０ｋＨｚでサンプリング
されるとすると、データは１００μＳおきに取り込まれ
ることになるので、新しいデータが取り込まれる度に相
関演算をすることが可能となり、１０Ｋｈｚ置きに新し
い相関係数が算出される。以上から、ディレイ６１５、
ＦＩＦＯメモリ６１２、６１６、バッファ６１３、６１
７、相関計算機６１８、コンパレータ６１９の機能をす
べて１つのＤＳＰ内のソフトウェアで実現することが可
能であることがわかる。このため、信号処理装置の構成
はきわめて単純となる。最後に、データ組数ｎの決定方
法であるが、触針ひずみ信号５０６のノイズレベルや信
号変動レベルによって加減することが必要である。一般
に、ｎが大きくなると接触検出信号６２０の遅れが目立
つようになるが、ノイズには強くなる。(Equation 8) It is expressed as Since the regression coefficient β indicates how much the stylus deflection signal S has changed when the actuator displacement signal D has changed, it is necessary to know whether the stylus 501 has contacted the object 510. Can be. Now
Assuming that the standard deviation of the variation caused by the noise of the regression coefficient β obtained when the stylus 501 is not in contact with the measured object 510 at all is σ B , assuming a normal distribution of β, the regression coefficient β at the time of non-contact Takes a value of 3σ B or less with a probability of 99.7%. Therefore, if the regression coefficient β takes a value equal to or larger than 3σ B by the comparator 619, it is only necessary to determine that contact has occurred. Next, the amount of calculation for calculating the regression coefficient β is estimated. Assuming that the number of data sets is n, for calculation of β, equation (14)
From (16), about 9n arithmetic operations of addition, subtraction, multiplication, and division are required. Assuming that n = 20 sets of data are used for the correlation calculation and a DSP of 20 MIPS is used, about 10 μS is required for one correlation calculation.
If the signals 506 and 508 are sampled at 10 kHz, the data is taken in every 100 μS, so that a correlation operation can be performed every time new data is taken, and a new correlation coefficient is set every 10 Khz. Is calculated. From the above, delay 615,
FIFO memories 612 and 616, buffers 613 and 61
7. It can be seen that the functions of the correlation calculator 618 and the comparator 619 can all be realized by software in one DSP. Therefore, the configuration of the signal processing device is extremely simple. Lastly, the method of determining the number of data sets n needs to be adjusted according to the noise level or signal fluctuation level of the stylus strain signal 506. In general, as n increases, the delay of the contact detection signal 620 becomes conspicuous, but becomes stronger against noise.
【００７１】図３２はアクチュエータ変位信号５０８と
触針ひずみ信号５０６から作り出される非導電体測定物
に対する接触検出信号６２０の様子を模式的に表したも
のである。触針ひずみ信号Ｓは接触が始まる瞬間および
離れる瞬間に振動的な振る舞いを示すが、ローパスフィ
ルタなどによるフィルタリングや相関計算により取り除
いたり、影響を最小限にすることが可能である。以上の
ようにして得られた接触検出信号６２０は、図１７にお
ける導通検出回路１０７に変わってデューティ計測回路
１０８に入力してやることにより、導体の被測定物を検
出する場合とまったく同じように非導電体の被測定物を
検出することが可能となる。FIG. 32 schematically shows a state of a contact detection signal 620 for a non-conductor measurement object generated from the actuator displacement signal 508 and the stylus strain signal 506. The stylus strain signal S exhibits an oscillating behavior at the moment when the contact starts and at the moment when the contact is separated, but it can be removed by filtering with a low-pass filter or the like or by correlation calculation, or the influence can be minimized. The contact detection signal 620 obtained as described above is input to the duty measurement circuit 108 instead of the conduction detection circuit 107 in FIG. It becomes possible to detect an object to be measured.
【００７２】[0072]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、触針を振
動させるためのアクチュエータの特性を改善するために
変位センサを用いたフィードバック制御を実施すること
で、圧電素子のもつ熱膨張、ヒステリシス、ドリフトと
いった不都合な特性を取り除くことができる。また、ア
クチュエータに変位拡大機能を用いたりベンディングモ
ードの圧電素子の変位を使ことにより、触針の変位を大
きく設定することでき、振動中心の位置を測定表面に追
従させることにより従来必要であったＸ軸駆動機構を不
要とし、計測精度の劣化要因を無くし計測速度を高める
ことができる。さらに、回転主軸、Ｘ軸ステージ、Ｙ軸
ステージを同時制御することにより、任意の横断面形状
の測定が可能になり、従来手動で計測することが必要で
あった複雑形状も自動的に計測することが可能となっ
た。また、従来は被測定物は電気導電体に限られていた
が、触針に圧電薄膜を設けることにより、触針ひずみ量
から接触状態を検出することが可能となり、本測定装置
が被測定物の材質を選ばない汎用の測定装置になるとい
う有利な効果が得られる。As described above, according to the present invention, by performing feedback control using a displacement sensor in order to improve the characteristics of an actuator for vibrating a stylus, the thermal expansion of a piezoelectric element can be reduced. Undesirable characteristics such as hysteresis and drift can be eliminated. In addition, the displacement of the stylus can be set to be large by using the displacement enlarging function for the actuator or using the displacement of the piezoelectric element in the bending mode, which was conventionally required by making the position of the vibration center follow the measurement surface. The X-axis drive mechanism is not required, and the measurement speed can be increased by eliminating the deterioration factor of the measurement accuracy. Furthermore, simultaneous control of the rotating spindle, the X-axis stage, and the Y-axis stage enables measurement of an arbitrary cross-sectional shape, and automatically measures a complicated shape that had to be measured manually in the past. It became possible. Conventionally, the object to be measured was limited to an electric conductor.However, by providing a stylus with a piezoelectric thin film, it is possible to detect a contact state from the amount of stylus strain, and the present measuring apparatus is used to measure the object to be measured. An advantageous effect that a general-purpose measuring device which does not select the material of the above can be obtained.
【図１】本発明の実施の形態１〜５に用いられる振動ヘ
ッドの一例を示す概略断面斜視図FIG. 1 is a schematic sectional perspective view showing an example of a vibration head used in Embodiments 1 to 5 of the present invention.
【図２】本発明の実施の形態１〜５に用いられる円筒型
ＰＺＴ素子を示す概略斜視図FIG. 2 is a schematic perspective view showing a cylindrical PZT element used in Embodiments 1 to 5 of the present invention.
【図３】本発明の実施の形態１〜５に用いられる振動ヘ
ッドの変位センサの原理図FIG. 3 is a principle diagram of a displacement sensor of a vibration head used in Embodiments 1 to 5 of the present invention.
【図４】本発明の実施の形態１〜５に用いられる振動ヘ
ッドの他の例を示す概略断面斜視図FIG. 4 is a schematic sectional perspective view showing another example of the vibration head used in the first to fifth embodiments of the present invention.
【図５】本発明の実施の形態１〜５に用いられる振動ヘ
ッドの他の例を示す概略断面斜視図FIG. 5 is a schematic sectional perspective view showing another example of the vibration head used in the first to fifth embodiments of the present invention.
【図６】本発明の実施の形態１における微細表面形状測
定装置の構成を示すブロック図FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a fine surface shape measuring device according to the first embodiment of the present invention.
【図７】本発明の実施の形態１におけるフィードバック
制御の一例を示すブロック図FIG. 7 is a block diagram illustrating an example of feedback control according to the first embodiment of the present invention.
【図８】本発明の実施の形態２における微細表面形状測
定装置の構成を示すブロック図FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a fine surface profile measuring device according to a second embodiment of the present invention.
【図９】本発明の実施の形態３における一般的な導通検
出回路例を示す回路図FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of a general conduction detection circuit according to a third embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の実施の形態３における導通検出回路
例を示す回路図FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of a conduction detection circuit according to a third embodiment of the present invention;
【図１１】本発明の実施の形態４における導通検出回路
例を示す回路図FIG. 11 is a circuit diagram showing an example of a conduction detection circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
【図１２】本発明の実施の形態５における微細表面形状
測定装置の構成を示す概略図FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a fine surface profile measuring device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図１３】本発明の実施の形態６における振動手段の一
例を示す概略図FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an example of a vibration unit according to the sixth embodiment of the present invention.
【図１４】本発明の実施の形態６における振動手段の他
の例を示す概略図FIG. 14 is a schematic view showing another example of the vibration means according to the sixth embodiment of the present invention.
【図１５】本発明の実施の形態６における振動手段の他
の例を示す概略図FIG. 15 is a schematic view showing another example of the vibration means according to the sixth embodiment of the present invention.
【図１６】本発明の実施の形態６における振動手段の他
の例を示す概略図FIG. 16 is a schematic view showing another example of the vibration means according to the sixth embodiment of the present invention.
【図１７】本発明の実施の形態６における制御方法の一
例を示すブロック図FIG. 17 is a block diagram illustrating an example of a control method according to the sixth embodiment of the present invention.
【図１８】本発明の実施の形態６におけるデューティ比
検出回路の一例を示すブロック図FIG. 18 is a block diagram illustrating an example of a duty ratio detection circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
【図１９】本発明の実施の形態６における微細表面形状
測定装置の構成を示す概略正面図FIG. 19 is a schematic front view showing a configuration of a fine surface profile measuring device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図２０】本発明の実施の形態６における微細表面形状
測定装置の回転主軸構成を示す概略正面図FIG. 20 is a schematic front view showing a configuration of a rotating spindle of a fine surface profile measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
【図２１】本発明の実施の形態６における微細表面形状
測定装置の回転主軸構成を示す概略下面図FIG. 21 is a schematic bottom view showing a configuration of a rotating spindle of a fine surface profile measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
【図２２】本発明の実施の形態６における触針の制御方
法の一例を示す模式図FIG. 22 is a schematic view illustrating an example of a method for controlling a stylus according to the sixth embodiment of the present invention.
【図２３】本発明の実施の形態６における触針の制御方
法の一例を示す模式図FIG. 23 is a schematic view illustrating an example of a method for controlling a stylus according to the sixth embodiment of the present invention.
【図２４】本発明の実施の形態６における触針の制御制
御方式が対応できない場合を示す模式図FIG. 24 is a schematic diagram showing a case where a stylus control and control method according to the sixth embodiment of the present invention cannot be applied;
【図２５】本発明の実施の形態６における触針の制御制
御方式が対応できない場合を示す模式図FIG. 25 is a schematic diagram showing a case where a control method of a stylus according to a sixth embodiment of the present invention cannot be applied;
【図２６】本発明の実施の形態６における触針の取り付
け位置を調整する手段を示す原理図FIG. 26 is a principle view showing a means for adjusting a mounting position of a stylus according to a sixth embodiment of the present invention.
【図２７】本発明の実施の形態６における顕微鏡による
測定対象点の位置出し方法を示す原理図FIG. 27 is a principle diagram showing a method for locating a measurement target point using a microscope according to the sixth embodiment of the present invention.
【図２８】本発明の実施の形態７における電気電導を使
わない触針を用いた振動手段の一例を示す概略図FIG. 28 is a schematic diagram showing an example of a vibrating means using a stylus not using electric conduction according to the seventh embodiment of the present invention.
【図２９】本発明の実施の形態７における電気電導を使
わない触針の製作方法を示す工程図FIG. 29 is a process chart showing a method of manufacturing a stylus without using electric conduction according to the seventh embodiment of the present invention.
【図３０】本発明の実施の形態７における電気電導を使
わない接触検出回路の一例を示すブロック図FIG. 30 is a block diagram illustrating an example of a contact detection circuit that does not use electric conduction according to the seventh embodiment of the present invention.
【図３１】本発明の実施の形態７における電気電導を使
わない接触検出回路の他の例を示すブロック図FIG. 31 is a block diagram showing another example of the contact detection circuit not using electric conduction according to the seventh embodiment of the present invention.
【図３２】本発明の実施の形態７における電気電導を使
わない接触検出における信号を表す模式図FIG. 32 is a schematic diagram showing signals in contact detection without using electric conduction according to the seventh embodiment of the present invention.
【図３３】従来の微細表面形状測定装置の構成を示す概
略図FIG. 33 is a schematic view showing a configuration of a conventional fine surface shape measuring apparatus.
【図３４】従来の微細表面形状測定装置の検出方式を示
す原理図FIG. 34 is a principle view showing a detection method of a conventional fine surface shape measuring apparatus.
【図３５】従来の微細表面形状測定装置の検出方式の理
論値と実験値を示す特性図FIG. 35 is a characteristic diagram showing theoretical values and experimental values of a detection method of a conventional fine surface shape measuring apparatus.
１ 触針 ２ 触針ホルダー ３ 円筒型ＰＺＴ素子 ４ ４分割ホトダイオード ５ ピンホールプレート ６ ＬＥＤ ７ 固定板 １１ 微細表面形状測定装置 １２ 振動ヘッド １３ 駆動回路 １４ 変位センサアンプ １５ 制御回路 １６ 測定対象物 １７ 導通検出回路 １８ 回転機構 １９ Ｚ軸送り機構 ６１、８１、９１、３０１、５０１ 触針 ６５、８２ 圧電素子 ６６ 梃子 ６９ 差動トランス（変位センサ） ７８ バイモルフ圧電素子 ８４ 送りねじ ８５ ステッピングモータ ９３ ボイスコイル １０４、３０３、５０９ アクチュエータ ３０４ 回転主軸 ３０８ Ｚ軸ステージ ３０９ Ｙ軸ステージ ３１０ Ｘ軸ステージ ３１４ 顕微鏡 ３１６ ＴＶカメラ ５０２ 圧電薄膜 REFERENCE SIGNS LIST 1 stylus 2 stylus holder 3 cylindrical PZT element 4 4-split photodiode 5 pinhole plate 6 LED 7 fixing plate 11 fine surface shape measuring device 12 vibrating head 13 drive circuit 14 displacement sensor amplifier 15 control circuit 16 measurement object 17 conduction Detection circuit 18 Rotating mechanism 19 Z-axis feed mechanism 61, 81, 91, 301, 501 Contact probe 65, 82 Piezoelectric element 66 Lever 69 Differential transformer (displacement sensor) 78 Bimorph piezoelectric element 84 Feed screw 85 Stepping motor 93 Voice coil 104 , 303, 509 Actuator 304 Rotating spindle 308 Z-axis stage 309 Y-axis stage 310 X-axis stage 314 Microscope 316 TV camera 502 Piezoelectric thin film
Claims (24)
チュエータの変位をモニタする変位センサを有し、この
変位センサからの信号をもとにフィードバック制御によ
り前記アクチュエータを駆動することを特徴とする微細
表面形状測定方法。1. A displacement sensor for monitoring a displacement of an actuator to which a stylus is attached and capable of minute displacement, wherein the actuator is driven by feedback control based on a signal from the displacement sensor. Micro surface shape measurement method.
付けられた触針を位置決め位置を中心として微振動さ
せ、その時の触針と測定対象面との接触を検出して、そ
の接触時間の触針の振動周期に対する比率が常に一定と
なるように前記アクチュエータの位置決め位置を調整
し、この位置決め位置を記録しながら前記触針をある経
路に沿って移動させることにより測定対象面の凹凸形状
を求めることを特徴とする微細表面形状測定方法。2. A stylus attached to an actuator capable of minute displacement is finely vibrated around a positioning position, a contact between the stylus and the surface to be measured at that time is detected, and a stylus of the stylus at the contact time is detected. Adjusting the positioning position of the actuator so that the ratio to the vibration cycle is always constant, and moving the stylus along a certain path while recording this positioning position to obtain the uneven shape of the measurement target surface. Characteristic fine surface shape measurement method.
チュエータの変位をモニタする変位センサを有し、この
変位センサからの信号をもとにフィードバック制御によ
り前記アクチュエータを駆動するとともに、前記微小変
位が可能なアクチュエータに取り付けられた触針を位置
決め位置を中心として微振動させ、その時の触針と測定
対象面との接触を検出して、その接触時間の触針の振動
周期に対する比率が常に一定となるように前記アクチュ
エータの位置決め位置を調整し、この位置決め位置を記
録しながら前記触針をある経路に沿って移動させること
により測定対象面の凹凸形状を求めることを特徴とする
微細表面形状測定方法。And a displacement sensor for monitoring a displacement of an actuator to which a stylus is attached and capable of minute displacement. The actuator is driven by feedback control based on a signal from the displacement sensor, and the minute displacement is controlled. Micro-vibration of the stylus attached to the actuator that is capable of moving around the positioning position is detected, and the contact between the stylus and the surface to be measured at that time is detected. Adjusting the positioning position of the actuator such that the stylus is moved along a certain path while recording the positioning position, thereby obtaining the uneven shape of the surface to be measured. Method.
として圧電素子を使用するとともに、この圧電素子の変
位をモニタする変位センサを備えた振動ヘッドと、前記
振動ヘッドの圧電素子を駆動する駆動回路と、前記触針
と測定対象面との接触を電気的導通により検出する導通
検出回路と、前記振動ヘッドの変位センサからの信号お
よび導通検出回路からの信号をもとに触針の振動中心と
測定対象面の相対間隔が常に一定であるように前記駆動
回路をフィードバック制御する手段とを備えた微細表面
形状測定装置。4. A vibrating head using a piezoelectric element as an actuator for vibrating a stylus and having a displacement sensor for monitoring the displacement of the piezoelectric element, and a driving circuit for driving the piezoelectric element of the vibrating head. A continuity detecting circuit for detecting contact between the stylus and the surface to be measured by electrical continuity, and measuring a vibration center of the stylus based on a signal from a displacement sensor of the vibrating head and a signal from the continuity detecting circuit. Means for feedback-controlling the drive circuit so that the relative distance between the target surfaces is always constant.
ドで変形する圧電素子単体または積層圧電素子と変形拡
大機構の組み合わせを用いることを特徴とする請求項４
記載の微細表面形状測定装置。5. A piezoelectric element of a vibrating head, wherein a single piezoelectric element that deforms in a bending mode or a combination of a laminated piezoelectric element and a deformation enlarging mechanism is used.
The fine surface profile measuring device according to the above.
ダーと、前記触針ホルダーに固定されて前記触針ホルダ
ーを変位させる円筒型ＰＺＴ素子と、前記円筒型ＰＺＴ
素子を一定の位置に固定する固定板と、前記固定板に設
けられた発光素子と、前記発光素子からの光を通過させ
る微小孔を有するピンホールプレートと、前記微小孔を
通過した光を受光する受光素子とを備えた請求項４記載
の微細表面形状測定装置。6. A stylus holder for holding a stylus, a vibrating head, a cylindrical PZT element fixed to the stylus holder and displacing the stylus holder, and the cylindrical PZT.
A fixing plate for fixing the element at a fixed position, a light emitting element provided on the fixing plate, a pinhole plate having a minute hole for passing light from the light emitting element, and receiving light passing through the minute hole 5. The fine surface profile measuring device according to claim 4, further comprising a light receiving element.
素子が４分割ホトダイオードである請求項６記載の微細
表面形状測定装置。7. The fine surface profile measuring device according to claim 6, wherein the light emitting element is a light emitting diode, and the light receiving element is a four-division photodiode.
する交流電源と、触針と測定対象面との接触による短絡
電流を検出する手段と、触針までのリードと測定対象面
との間に発生する浮遊容量を防止するために前記リード
に設けられたガードシールドとを備えた請求項４記載の
微細表面形状測定装置。8. A continuity detecting circuit, comprising: an AC power supply for generating a weak AC voltage; means for detecting a short-circuit current caused by contact between a stylus and a surface to be measured; 5. The fine surface profile measuring device according to claim 4, further comprising a guard shield provided on the lead for preventing a stray capacitance generated therebetween.
間に発生する浮遊容量を防止するために前記触針に設け
られたガードシールドを備えた請求項８記載の微細表面
形状測定装置。9. The fine surface profile measurement according to claim 8, wherein the continuity detecting circuit includes a guard shield provided on the stylus to prevent a stray capacitance generated between the stylus and the surface to be measured. apparatus.
クチュエータと、前記アクチュエータを駆動する駆動手
段と、前記アクチュエータの変位をモニタする変位セン
サと、前記変位センサからの信号をもとに前記アクチュ
エータをフィードバック制御するための信号を前記駆動
手段へ送出する制御手段とを備えた微細表面形状測定装
置。10. An actuator capable of minute displacement with a stylus attached thereto, driving means for driving the actuator, a displacement sensor for monitoring displacement of the actuator, and the actuator based on a signal from the displacement sensor. And a control unit for sending a signal for performing feedback control to the driving unit.
形拡大機構の組み合わせであり、触針の変位領域を広く
確保することを特徴とする請求項１０記載の微細表面形
状測定装置。11. The fine surface shape measuring device according to claim 10, wherein the actuator is a combination of a piezoelectric element and a deformation enlarging mechanism, and a wide displacement region of the stylus is secured.
変位する圧電素子であり、触針の変位領域を広く確保す
ることを特徴とする請求項１０記載の微細表面形状測定
装置。12. The fine surface profile measuring device according to claim 10, wherein the actuator is a piezoelectric element that displaces in a bending mode, and secures a wide displacement region of the stylus.
磁モータにより駆動される位置決めステージの組み合わ
せであり、触針の変位領域を広く確保することを特徴と
する請求項１０記載の微細表面形状測定装置。13. The fine surface shape measuring apparatus according to claim 10, wherein the actuator is a combination of a piezoelectric element and a positioning stage driven by an electromagnetic motor, and secures a wide displacement region of the stylus.
ら駆動する駆動手段と、前記変位センサからの信号をも
とに前記電磁モータをフィードバック制御するための信
号を前記駆動手段へ送出する制御手段とを備えた請求項
１３記載の微細表面形状測定装置。14. A driving unit for driving the electromagnetic motor while performing positioning control, and a control unit for sending a signal for feedback-controlling the electromagnetic motor based on a signal from the displacement sensor to the driving unit. 14. The fine surface profile measuring device according to claim 13, further comprising:
単体、あるいはボイスコイルと圧電素子の組み合わせで
あり、触針の変位領域を広く確保することを特徴とする
請求項１０記載の微細表面形状測定装置。15. The fine surface profile measuring device according to claim 10, wherein the actuator is a voice coil alone or a combination of a voice coil and a piezoelectric element, and a wide displacement area of the stylus is secured.
し、触針と測定対象面との接触を電気的導通により検出
する導通検出手段を備えた請求項１０から１５のいずれ
かに記載の微細表面形状測定装置。16. A continuity detecting means for applying a voltage between the stylus and the surface to be measured and detecting contact between the stylus and the surface to be measured by electrical continuity. The fine surface profile measuring device according to the above.
針のたわみ量を電圧として検出することにより、触針と
測定対象面との接触を検出する接触検出手段を備えた請
求項１０記載の微細表面形状測定装置。17. A contact detecting means for detecting contact between the stylus and the surface to be measured by forming a piezoelectric thin film around the stylus and detecting the amount of deflection of the stylus as a voltage. 11. The fine surface profile measuring device according to 10.
み量の信号と所定の閾値とを比較し、触針たわみ信号が
閾値を上回る時は触針が測定対象面に接触していると判
定し、下回る時は触針が測定対象面に接触していないと
判定する信号処理装置を有することを特徴とする請求項
１７記載の微細表面形状測定装置。18. A signal of the amount of deflection of the stylus to which the piezoelectric thin film has adhered is compared with a predetermined threshold value. 18. The fine surface profile measuring device according to claim 17, further comprising a signal processing device that determines, and when the distance is lower, determines that the stylus is not in contact with the surface to be measured.
み量の信号と前記アクチュエータの変位信号の統計的相
関を順次計算し、両者に相関がある場合は触針が測定対
象面に接触していると判定し、両者が無相関の場合は触
針が測定対象面に接触していないと判定する信号処理装
置を有することを特徴とする請求項１７記載の微細表面
形状測定装置。19. A statistical correlation between a signal of the amount of deflection of the stylus to which the piezoelectric thin film is attached and a displacement signal of the actuator is sequentially calculated, and when there is a correlation between the two, the stylus contacts the surface to be measured. 18. The fine surface shape measuring apparatus according to claim 17, further comprising a signal processing device that determines that the stylus does not touch the surface to be measured when both are uncorrelated.
の振動１周期に占める接触時間の割合を測定するデュー
ティ計測手段と、このデューティ計測手段の出力信号か
ら前記接触時間の触針の振動周期に対する比率が常に一
定となるように前記アクチュエータの位置決め位置を調
整する制御手段とを備えた請求項１６または１７に記載
の微細表面形状測定装置。20. A duty measuring means for measuring a ratio of a contact time to one cycle of vibration of a stylus from an output signal of the contact detecting means, and a vibration cycle of the stylus of the contact time based on an output signal of the duty measuring means. 18. The fine surface profile measuring device according to claim 16, further comprising: a control unit that adjusts a positioning position of the actuator so that a ratio with respect to the constant is always constant.
ータを３６０度以上回転させる主軸と、測定対象をＸＹ
Ｚの３自由度で位置決めする位置決めステージとを有す
ることを特徴とする請求項１０から２０のいずれかに記
載の微細表面形状測定装置。21. A stylus for rotating a stylus and the actuator for vibrating the stylus by 360 degrees or more, and an object to be measured is XY.
21. The fine surface profile measuring apparatus according to claim 10, further comprising: a positioning stage for positioning with three degrees of freedom of Z.
アクチュエータからケーブルを外部に引き出すに際し、
主軸と同時に同心円上を回転するケーブル固定部を有
し、前記主軸からケーブル固定部までの間のケーブルが
余裕をもって引き回されることにより、ケーブル曲げが
変化することによる不必要な外力が前記主軸に加わるの
を防止することを特徴とする請求項２１記載の微細表面
形状測定装置。22. When pulling out a cable from the actuator attached to the tip of the main shaft to the outside,
It has a cable fixing portion that rotates concentrically with the main shaft, and the cable between the main shaft and the cable fixing portion is routed with a margin, so that unnecessary external force due to a change in cable bending is generated by the main shaft. 22. The fine surface profile measuring device according to claim 21, wherein the fine surface profile measuring device is prevented from being added to the surface.
前記位置決めステージが移動するに際し、直前に検出さ
れた測定対象面を平面で近似し、その平面が直後に検出
される測定対象面と同一であるという仮定を立て、この
仮定にしたがって位置決めステージを移動し、主軸を回
転することを特徴とする請求項２１記載の微細表面形状
測定装置。23. When the positioning stage moves while the stylus detects the surface of the measurement target, the measurement target surface detected immediately before is approximated by a plane, and the plane is compared with the measurement target surface detected immediately after. 22. The fine surface profile measuring apparatus according to claim 21, wherein an assumption is made that the positions are the same, and the positioning stage is moved and the main shaft is rotated according to the assumption.
上の固定点と測定対象物上の測定点を顕微鏡画面内で位
置認識することにより、測定対象上の測定点を触針の直
下に持ってくるように位置決めステージを移動すること
を特徴とする請求項２１記載の微細表面形状測定装置。24. A microscope having a microscope, and by recognizing positions of a fixed point on the positioning stage and a measurement point on a measurement object in a microscope screen, the measurement point on the measurement object is held immediately below a stylus. 22. The fine surface profile measuring device according to claim 21, wherein the positioning stage is moved so as to move.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9179987A JPH10307001A (en) | 1997-03-07 | 1997-07-04 | Method and device for measuring fine-surface shape |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5368497 | 1997-03-07 | ||
| JP9-53684 | 1997-03-07 | ||
| JP9179987A JPH10307001A (en) | 1997-03-07 | 1997-07-04 | Method and device for measuring fine-surface shape |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10307001A true JPH10307001A (en) | 1998-11-17 |
Family
ID=26394395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9179987A Pending JPH10307001A (en) | 1997-03-07 | 1997-07-04 | Method and device for measuring fine-surface shape |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10307001A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6848315B2 (en) | 2001-02-14 | 2005-02-01 | Mitutoyo Corporation | Vibration detecting system of resilient body and vibrating contact detection probe |
| CN103279028A (en) * | 2013-05-21 | 2013-09-04 | 南京航空航天大学 | Driving control system for gas extruding suspension device and method thereof |
| CN114486227A (en) * | 2022-02-18 | 2022-05-13 | 中国民用航空飞行学院 | Nondestructive flaw detection device for aircraft engine blade |
| CN115308678A (en) * | 2022-10-10 | 2022-11-08 | 哈尔滨汇鑫仪器仪表有限责任公司 | Full-automatic function detection production line of intelligent electric energy meter |
-
1997
- 1997-07-04 JP JP9179987A patent/JPH10307001A/en active Pending
Cited By (5)
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| CN115308678B (en) * | 2022-10-10 | 2023-01-24 | 哈尔滨汇鑫仪器仪表有限责任公司 | Full-automatic function detection production line of intelligent electric energy meter |
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