(57)【要約】【課題】  小型化が可能で、高分解能で、安価な力センサを提供する。【解決手段】  絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板１１と、可撓性基板の両端を支持する支持部１２ａ、１２ｂを備えた固定部材１２と、可撓性基板１１の支持部間に設けられたプローブホルダー１６とプローブ１７とを備え、プローブ１７に荷重を付加したときに、可撓性基板１１上の歪みが生じる部位に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する４つの歪みゲージ１３ａ〜１３ｄと、該歪みゲージによりプローブに加わった力を測定するとともに、前記プローブホルダーが移動する範囲を制限するようにプローブホルダーの一部をカバー１８で覆った。【選択図】      図１
2008215934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板と、該可撓性基板の両端を支持する支持部を備えた固定部材と、前記可撓性基板の前記支持部間に設けられたプローブとを備え、前記プローブに荷重を付加したときに、前記可撓性基板上の歪みが生じる部位に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する少なくとも１の歪みゲージと、を有し、該歪みゲージによりプローブに加わった力を測定するとともに、前記プローブが移動する範囲を制限するようにプローブの一部を前記固定部材で覆ったことを特徴とする力センサ。
【請求項２】
絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板と、該可撓性基板上に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する少なくとも１つの歪みゲージと、前記可撓性基板の一方の端部に取り付けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに支持されたプローブと、前記可撓性基板の他方の端部から前記少なくとも１つの歪みゲージの近傍までを支持し、荷重を検出する方向以外の方向に対して剛性が大きい固定部材と、該固定部材に支持され、前記プローブホルダーの移動範囲を制限するためにプローブホルダーとの間に所定の隙間を有する保護部材と、を有することを特徴とする力センサ。
【請求項３】
前記プローブホルダー及び固定部材が中空の円柱であって、該円柱の側面に設けられた切欠溝に前記可撓性基板が嵌合されていることを特徴とする請求項２に記載の力センサ。
【請求項４】
前記歪みゲージが４個設けられ、２個は共に歪みが正又は負で、他の２個は歪みが前記２個と逆符号又は０となるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の力センサ。
【請求項５】
絶縁性のセラミックスからなる十字型の可撓性基板と、該可撓性基板の各腕上の歪みが生じる部位に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する４つの歪みゲージと、前記十字型の可撓性基板の各腕の先端を保持する固定部材と、前記十字型の可撓性基板の中央に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに支持されたプローブと、を有し、前記プローブに加わる荷重を前記４つの歪みゲージの和信号及び／または差信号を測定することによって、前記プローブにかかる荷重を互いに垂直な３方向の分力に分解することを特徴とする力センサ。
【請求項６】
前記プローブ及び前記プローブホルダーが導体であって、前記可撓性基板に前記保持部と電気的に接続された導体が形成され、前記プローブからの電気信号を出力するための端子を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力センサ。
【請求項７】
前記可撓性基板が、ジルコニアのセラミックスからなり、前記可撓性基板に薄膜状に形成された歪みゲージがＣｒ−Ｎの薄膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力センサ。
【請求項８】
前記歪みゲージによるブリッジ出力を増幅するためのアンプが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかの力センサ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記プローブと前記測定対象物、との荷重が所望の値になると前記移動手段が停止することを特徴とする荷重検出装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記移動手段によって前記プローブが前記測定対象物に当接して受ける荷重が所望の値を保持するように制御することを特徴とする荷重検出装置。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれかに記載の力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記移動手段が位置検出手段を備えており、検出位置が所望の値になると、その位置を保持するように前記制御手段が前記駆動手段を制御することを特徴とする荷重検出装置。
【請求項１２】
前記移動手段が積層型圧電アクチュエータと平行ヒンジバネから成る微動ステージであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の荷重検出装置。
【請求項１３】
可撓性基板と、前記可撓性基板の一方の端部に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに装着されたプローブと、前記可撓性基板の他端部に設けられた固定部材と、前記可撓性基板に貼り合わされた圧電素子と、前記可撓性基板に設けられ前記プローブの荷重による可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージと、前記圧電素子に電圧を印加することによって生じる前記可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージとを有することを特徴とする荷重検出装置
【請求項１４】
請求項１から８のいずれかに記載の力センサと移動手段とを備え、前記プローブが測定対象物から受ける荷重が所望の値を保持するように、前記移動手段を走査し、そのときのプローブの位置を測定することにより前記測定対象物、の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１５】
前記移動手段が積層型圧電アクチュエータと平行ヒンジバネから成る微動ステージであることを特徴とする請求項１４に記載の形状測定装置。
【請求項１６】
可撓性基板と、前記可撓性基板の一方の端部に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに装着されたプローブと、前記可撓性基板の他端部に設けられた固定部材と、前記可撓性基板に貼り合わされた圧電素子と、前記可撓性基板に設けられ前記プローブの荷重による可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージと、前記圧電素子に電圧を印加することによって生じる前記可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージとを有することを特徴とする形状測定装置。
【請求項１７】
前記力センサの剛性及び前記プローブの剛性と前記力センサが前記測定対象物から受ける接触荷重により、前記力センサ及び前記プローブの変形量を補正することにより、前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする請求項１４から１６のいずれかに記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に半導体製造分野における電気測定、故障解析等におけるプローブの接触検出、及び超精密加工時等における形状測定、及びバイオテクノロジー等におけるマニピュレーション等の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の一例として三次元測定機の構成を図１６に示す。三次元測定機８０は、プローブ８１がＸＹＺ方向の三次元変位計８２を備えたＸＹＺステージ８３に取り付けられている。ＸＹＺステージ８３は制御・駆動部８４、ＰＣ８５及び操作部８６によってプローブ８１をＸＹＺ方向に移動させることができる。手動或いはモータでＸＹＺステージ８３を操作してプローブ８１が測定対象物８８に押し付けられたときのＸＹＺ方向の変位を三次元変位計８２によって測定し表示器８７に表示させることによって、測定対象物８８の形状を測定する。三次元変位計８２としては、通常、ガラススケールが使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、超精密加工の加工精度は数十ｎｍレベルに達しているのに対して、図１６に示す加工物の形状測定装置の測定精度は、サブμｍ程度であり、より高精度に測定することへの要求が高まっている。また、ガラススケールを用いた場合は、測定装置も大きくなる。そのため、加工物の大型化による測定範囲の増加、複雑形状化による測定ポイント数の増加によって測定時間が長時間化しており、測定時間の短縮に対する要求も高まっている。
【０００４】
また、従来の形状測定装置はプローブを手動或いはモータで測定対象物に押しつける方式のため、プローブが測定対象物に接触するときの荷重を一定にすることが困難である。そのため、プローブや測定器本体の剛性による変形量が測定者や測定毎に異なったり、測定形状の傾斜角が大きい場合には荷重が変動してしまうために測定誤差が大きくなるという問題があった。この問題を解決するために、形状測定時の接触力を高精度、高分解能に測定することができる力センサが求められていた。またプローブや力センサやそれを移動させる手段の構造が複雑化することによって装置の価格が高価になるという問題があった。更に測定時間の短縮についてはプローブを高速に移動する必要があるが、プローブが大型で重量が大きいと高速に移動することが困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明はこれらの問題点を鑑みてなされたものであり、小型化が可能で、高分解能で、安価な力センサを提供することを第１の目的としている。
【０００６】
また半導体などの１つのデバイス単体の電気測定や故障解析を行う場合、プローブを大きな荷重でデバイスの電極に押しつけるとプローブが変形するという問題があった。またプローブを電極に位置制御で接触させた場合振動などの外乱によってプローブが電極と離れてしまうという問題があった。本発明はこれら問題を鑑みてなされたものであり、本発明による荷重検出装置を用いることにより、プローブと電極がより安定した接触状態で測定できる荷重検出装置を提供することを第２の目的としている。
【０００７】
また本発明による力センサを用いた荷重検出装置を用いて、高精度で測定できる形状測定装置を提供することを第３の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記第１の目的を達成するために本発明の力センサは、絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板と、該可撓性基板の両端を支持する支持部を備えた固定部材と、前記可撓性基板の前記支持部間に設けられたプローブとを備え、前記プローブに荷重を付加したときに、前記可撓性基板上の歪みが生じる部位に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する少なくとも１の歪みゲージと、を有し、該歪みゲージによりプローブに加わった力を測定するとともに、前記プローブが移動する範囲を制限するようにプローブの一部を前記固定部材で覆ったことを特徴としている。
【０００９】
または、絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板と、該可撓性基板上に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する少なくとも１つの歪みゲージと、前記可撓性基板の一方の端部に取り付けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに支持されたプローブと、前記可撓性基板の他方の端部から前記少なくとも１つの歪みゲージの近傍までを支持し、荷重を検出する方向以外の方向に対して剛性が大きい固定部材と、該固定部材に支持され、前記プローブホルダーの移動範囲を制限するためにプローブホルダーとの間に所定の隙間を有する保護部材と、を有することを特徴としている。
【００１０】
前記プローブホルダー及び固定部材が中空の円柱であって、該円柱の側面に設けられた切欠溝に前記可撓性基板が嵌合されている構成としたり、前記歪みゲージが４個設けられ、２個は共に歪みが正又は負で、他の２個は歪みが前記２個と逆符号又は０となるように配置されている構成としたりすることができる。
【００１１】
また、別の構成として、絶縁性のセラミックスからなる十字型の可撓性基板と、該可撓性基板の各腕上の歪みが生じる部位に薄膜状に形成され、可撓性基板の歪みにより電気抵抗値が変化する４つの歪みゲージと、前記十字型の可撓性基板の各腕の先端を保持する固定部材と、前記十字型の可撓性基板の中央に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに支持されたプローブと、を有し、前記プローブに加わる荷重を前記４つの歪みゲージの和信号及び／または差信号を測定することによって、前記プローブにかかる荷重を互いに垂直な３方向の分力に分解することを特徴としている。
【００１２】
前記プローブ及び前記プローブホルダーが導体であって、前記可撓性基板に前記保持部と電気的に接続された導体が形成され、前記プローブからの電気信号を出力するための端子を備えた構成としてもよい。また、前記可撓性基板が、ジルコニアのセラミックからなり、前記可撓性基板に薄膜状に形成された歪みゲージがＣｒ−Ｎの薄膜である構成とすることができる。また、前記歪みゲージによるブリッジ出力を増幅するためのアンプが設けられている構成としてもよい。
【００１３】
上記第２の目的を達成するために本発明の荷重検出装置は、上記のいずれかの力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記プローブと前記測定対象物、との荷重が所望の値になると前記移動手段が停止する構成を特徴としている。
【００１４】
又は、上記いずれかに記載の力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記移動手段によって前記プローブが前記測定対象物に当接して受ける荷重が所望の値を保持するように制御する構成を特徴としている。
【００１５】
又は、上記いずれかに記載の力センサが、駆動手段と制御手段を備えた移動手段に搭載され、前記移動手段により前記力センサに装着されたプローブが測定対象物、と対向するように移動し、前記移動手段が位置検出手段を備えており、検出位置が所望の値になると、その位置を保持するように前記制御手段が前記駆動手段を制御する構成を特徴としている。
【００１６】
前記移動手段が積層型圧電アクチュエータと平行ヒンジバネから成る微動ステージである構成とすることができる。
【００１７】
又は、可撓性基板と、前記可撓性基板の一方の端部に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに装着されたプローブと、前記可撓性基板の他端部に設けられた固定部材と、前記可撓性基板に貼り合わされた圧電素子と、前記可撓性基板に設けられ前記プローブの荷重による可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージと、前記圧電素子に電圧を印加することによって生じる前記可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージとを有することを特徴としている。
【００１８】
上記第３の目的を達成するために本発明の形状測定装置は、上記いずれかに記載の力センサと移動手段とを備え、前記プローブが測定対象物から受ける荷重が所望の値を保持するように、前記移動手段を走査し、そのときのプローブの位置を測定することにより前記測定対象物、の形状を測定することを特徴としている。
【００１９】
前記移動手段が積層型圧電アクチュエータと平行ヒンジバネから成る微動ステージである構成とすることができる。
【００２０】
または、可撓性基板と、前記可撓性基板の一方の端部に設けられたプローブホルダーと、該プローブホルダーに装着されたプローブと、前記可撓性基板の他端部に設けられた固定部材と、前記可撓性基板に貼り合わされた圧電素子と、前記可撓性基板に設けられ前記プローブの荷重による可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージと、前記圧電素子に電圧を印加することによって生じる前記可撓性基板の屈曲変位を検知する少なくとも１の歪みゲージとを有することを特徴としている。
【００２１】
前記力センサの剛性及び前記プローブの剛性と前記力センサが前記測定対象物から受ける接触荷重により、前記力センサ及び前記プローブの変形量を補正することにより、前記測定対象物の形状を測定する
【発明の効果】
【００２２】
本発明による力センサは、絶縁性のセラミックスからなる可撓性基板と薄膜状に形成された歪みゲージを使用しているので、力センサを小型化にすることができ、かつ、安価に製造できる。また、歪みゲージが可撓性基板にスパッタリング等で形成されたＣｒ−Ｎの薄膜である構成とすることで、ｎｍオーダーの変位で生じる微小な力を検知可能となり、高分解能を有する力センサを得ることができる。プローブの移動範囲を制限するようにしているので、プローブを交換する際に、可撓性基板を破損することを効果的に防止できる、等の効果を奏する。
【００２３】
本発明の荷重検出装置は、また、小型、軽量にできるため高速にプローブを移動させることが可能である。また、プローブが測定対象物を押圧する力が所定の値になったら、その位置を確保したり、一定の押圧力を保持したりすることができるので、測定中に振動などの外乱を受けても、振動に追従して一定の押圧力を保持でき、振動の影響を受けることなく正確な測定ができる。また本発明による荷重検出装置は、一定の荷重での計測が可能なため、測定者や測定毎による測定ばらつきが少ない。
【００２４】
また、上記力センサや荷重検出装置を用いることで、高分解能で、安定した形状測定ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施例による力センサ１０の斜視図である。力センサ１０には可撓性基板１１が設けられているが、これは、ジルコニア等の絶縁性のセラミックス製でかつ、適当な可撓性を有するものである。可撓性基板１１の両端は固定部材１２の支持部１２ａ、１２ｂにより支持されていて、上面にはＣｒ−Ｎ薄膜からなる歪みゲージ１３ａ〜１３ｄがスパッタリング等により直接形成されている。歪みゲージ１３ａ〜１３ｄは、細い線を蛇行させた形状で、スパッタリング等による薄膜なので、強度はほぼ０に近く、歪みゲージ自身が可撓性基板１１を補強することがないようになっている。また、スパッタリングによる薄膜なので接着剤が介在することがなく接着層による感度の吸収、ばらつき、クリープを抑えることができ安定性の良い歪みゲージを得ることができる。また断面積の小さいため抵抗の高い抵抗線となりブリッジ電圧を大きくすることによって感度のよい歪みゲージを得ることができる。支持部１２ａ、１２ｂはアーム状で、Ｘ方向に自由度があるようにＸ方向の剛性は小さい。また、固定部材１２が可撓性基板１１の変形と共に変形しないように、固定部材１２には補強部１２ｃが設けられている。可撓性基板１１の略中央にはプローブホルダー１６が接合されており、その先端にはプローブ１７が取り付けられている。プローブ１７に荷重が加わると可撓性基板１１が撓むことにより、可撓性基板１１上には歪みが生じる。プローブ１７に＋Ｚ方向の荷重が加わると可撓性基板１１には支持部１２ａ、１２ｂに近い部位に負の歪み（縮み）、プローブホルダー１６に近い部位に正の歪み（伸び）が生じる。歪みの大きさは、負の歪みでは支持部１２ａ１２ｂに近いほど大きく、また正の歪みではプローブホルダー１６に近いほど大きい。従って歪みゲージ１３ａ〜１３ｄを形成する部位は、なるべく感度を大きくする必要から歪みゲージ１３ａは支持部１２ａに近い部位に、歪みゲージ１３ｄは支持部１２ｂに近い部位に、歪みゲージ１３ｂ、１３ｃはプローブホルダー１６の両側に近い部位に、それぞれ形成することが望ましい。
【００２６】
図２は、歪みゲージ１３ａ〜１３ｄをブリッジ接続した図である。歪みゲージ１３ａ〜１３ｄは、可撓性基板１１が撓むと、蛇行している線が伸縮し、電気抵抗値が変化するものである。そこで、図２に示すようにブリッジ接続し、歪みゲージ１３ａ〜１３ｄの正負の歪みによる抵抗変化の差動をとることによって出力電圧を大きくなるように接続されている。入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutの関係は、歪みゲージ１３ａ〜１３ｄが形成された可撓性基板１１上に生じる歪みをε１〜ε４、ゲージ率ｋ、ゲージアンプの増幅率Ｇとして次の式（１）で示される。ただし、ε１は歪みゲージ１３ｂの歪み、ε２は歪みゲージ１３ａの歪み、ε３は歪みゲージ１３ｄの歪み、ε４は歪みゲージ１３ｃの歪みを表す。また、ε１、ε４は正の歪みで、ε２、ε３は負の歪みとする。
【００２７】
Ｖout  = Ｖin｛ｋ(ε１−ε２−ε３＋ε４)｝Ｇ／４     式(１) 
式（１）から分かるように、負の歪みの符号が負なので、Ｖoutは、ε１〜ε４の絶対値を加えた値に比例することになる。すなわち、歪みゲージを正負の歪みを生じるところに２つずつ設けることで、力センサの感度を向上させることができる。
【００２８】
このような構成の力センサ１０は小型化が容易で、かつ、ｎｍオーダーの変位による接触荷重が１０μＮと、非常に軽量な力を高分解能で検知することが可能となる。また、接触力が非常に小さいので、測定対象物の表面を傷つけることがない。
【００２９】
図３（ａ）は、図１に示す力センサの全体を斜め下方から見た斜視図で、（ｂ）は力センサの拡大した下面図である。図４は図３のＡ−Ａ断面の要部を示す拡大断面図である。力センサ１０の固定部材１２と支持部１２ａ、１２ｂとは、その外側全体をカバー１８で覆われている。カバー１８は、固定部材１２の上面と密着し、支持部１２ａ、１２ｂとは離反しているが、固定部材１２と一体のものである。カバー１８には、底部に孔１８ａがあり、この孔１８ａをプローブホルダー１６が貫通している。プローブホルダー１６と孔１８ａとの間には、ｘ方向に片側ｄ１の隙間があり、ｙ方向には片側ｄ２の隙間がある。また、プローブホルダー１６には、可撓性基板１１より下方に、ｘ方向に延びる板状の凸部１６ａが、片側２枚ずつ間隔を空けて設けられ、これらの間にカバー１８の孔１８ａの縁部が入るようになっている。したがって、孔１８ａの縁と上下の凸部１６ａとの間には、ｚ方向に片側ｄ３の隙間が確保されている。このような構成により、プローブホルダー１６は、隙間ｄ１、ｄ２、ｄ３の範囲内で孔１８ａ内をｘ、ｙ、ｚ方向に移動できるようになっている。ｄ１〜ｄ３を適当に決めることで、プローブ１７を交換する場合などプローブホルダー１６に大きな荷重が加わった場合でも、プローブホルダー１６がＸＹＺ方向に動く範囲を制限して、可撓性基板１１などの力センサ１０を破損することを防ぐことができる。なお、プローブホルダー１６の動く範囲を制限するのに代えて、孔１８ａなどによって、プローブ１７そのものの移動範囲を制限してもよい。
【００３０】
本実施例の具体的例として、可撓性基板１１の形状は４×３０×０.０５ｍｍのジルコニア基板で、Ｃｒ−Ｎ薄膜による蛇行した線をスパッタリング法などの手段によって成膜することで歪みゲージ１３ａ〜１３ｄを形成している。ゲージ率は６、ブリッジ電圧１０Ｖ、ゲージアンプのゲインを１６００倍とすることによって。１ｇ重の荷重に対して１０Ｖの出力が得られている。
【００３１】
図５は、本発明の第２の実施例の力センサ２０を示す斜視図である。プリアンプ（又はゲージアンプ）２１に中空円筒状の固定部材２２が取り付けられている。固定部材２２の中空部には、切欠溝２２ａが対向して２本形成されており、ここにジルコニア等のセラミックス製で絶縁性で、かつ、可撓性のある可撓性基板２３がはめ込まれている。可撓性基板２３は、固定部材２２の先端から外側に突出しており、突出した先端に固定部材２２と同様の形状をしたプローブホルダー２４があり、これに対向して形成された切欠溝２４ａ内に可撓性基板２３がはめ込まれている。固定部材２２の先端には、円筒形状の保護部材２５が取り付けられており、保護部材２５は、プローブホルダー２４の一部を覆っているが、プローブホルダー２４の保護部材２５から突出した部分にプローブ１７が取り付けられている。プローブホルダー２４の外径は保護部材２５の内径より小さく、片側ｄの隙間が設けられている。
【００３２】
可撓性基板２３は、固定部材２２とプローブホルダー２４との間にどちらにも覆われていない部分があり、この部分の表面には図６（ａ）に示すように歪みゲージ１３ａ〜１３ｄが設けられている。これらの歪みゲージ１３ａ〜１３ｄは、第１の実施例と同じで、Ｃｒ−Ｎ薄膜からなる線をスパッタリングにより形成したものである。歪みゲージ１３ａ〜１３ｄは、保護部材２５に覆われている。図６（ｂ）に示すように、可撓性基板２３の裏面にはほぼ全面に導体２６が形成されているが、この導体２６は、スパッタリング等で形成された薄膜などであるから、可撓性基板２３を補強することがない。
【００３３】
歪みゲージ１３ａ、１３ｂは歪みの感度がＸ方向に、歪みゲージ１３ｃ、１３ｄはＹ方向にあるように形成され、図７に示すように、互いにブリッジ接続されて、力センサ２０に隣接されたプリアンプ２１に接続されている。歪みゲージ１３ａ〜１３ｄによる抵抗変化は極めて小さく、歪みゲージセンサ信号ケーブルの引き回しにより、周囲の電気的ノイズの影響を受けやすい。そこでプリアンプ２１を歪みゲージ１３ａ〜１３ｄの近傍に設置して、増幅後の信号を引き回すことによって、ノイズの影響を低減することができる。歪みゲージ１３ｃ、１３ｄを可撓性基板２３の裏面に設ければ、歪みゲージ１３ａ、１３ｂと歪みゲージ１３ｃ、１３ｄは正負逆方向の歪みを受けることになるので、感度を上げることができる。
【００３４】
プローブ１７が測定対象物１９と対向するように移動して接触し、荷重が加わり、Ｚ方向に変位すると、この変位は可撓性基板２３に伝達される。固定部材２２とプローブホルダー２４は可撓性基板２３に比べて充分に大きな剛性を有しているので、プローブ１７に荷重が加わった場合、可撓性基板２３の歪みゲージ１３ａ、１３ｂが形成された部位が最も大きく屈曲することになり、歪みゲージの感度を高めることが可能である。プローブ１７のＺ方向の変位は、可撓性基板２３の曲げとなり、Ｘ方向の変位となる。したがって、歪みゲージ１３ａ、１３ｂによりこの変位が検知され、歪みゲージ１３ｃ、１３ｄは変位を検知しない無感の状態となる。歪みゲージ１３ａ〜１３ｄを図７に示すようにブリッジ接続し、歪みゲージ１３ａ、１３ｂの変位量を検出することで、プローブ１７に加わった荷重を測定することができる。
【００３５】
なお、図５の実施例では、歪みゲージ１３ａ〜１３ｄを全て可撓性基板２３の一方の面に形成したが、歪みゲージ１３ａ、１３ｂを表側に、歪みゲージ１３ｃ、１３ｄを裏側に形成し、全ての歪みゲージの感度をＸ方向に揃えると、一方が伸びで、他方が縮みとなって、さらに感度と分解能を上げることができる。
【００３６】
プローブ交換時などに、プローブ１７に大きな荷重が加わると、可撓性基板２３の変位が大きくなって可撓性基板２３を破損するおそれがある。これに対し、本発明では保護部材２５を設け、プローブホルダー２４の動ける範囲を片側ｄの隙間の範囲内に制限しているので可撓性基板２３を破損することを防ぐことができる。また力センサ２０は円筒状の形状をしているため、構造が単純で量産性に富み、小型軽量に構成することが可能である。
【００３７】
プローブホルダー２４及びプローブ１７は金属で構成され、導体２６上に接続された端子２９によって、プローブ１７と電気的に接触した測定対象物１９の電気特性を端子２９から測定することが可能である。
【００３８】
図８は、本発明の第３の実施例による力センサ３０の図で、（ａ）は斜視図で、（ｂ）は可撓性基板３１の縮小した平面図である。この力センサ３０は、プローブ１７に加わったＸＹＺ方向の力を分力して測定することができるものである。
【００３９】
力センサ３０は、十字型をした可撓性基板３１を有し、十字の各腕上に歪みゲージ１３ａ〜１３ｄが形成されている。可撓性基板３１と歪みゲージ１３ａ〜１３ｄは、図１に示す可撓性基板１１と同じ素材と方法により形成されている。力センサ３０には、十字型をした固定部材３２があり、この固定部材３２の４つの腕の先端から垂下された支持部３２ａ〜３２ｄに十字型の可撓性基板３１の４つの腕の先端部を接合している。各支持部３２ａ〜３２ｄは、薄く形成され、可撓性基板３１が撓む場合の抵抗とならないように、撓み方向の剛性が小さくなるようにしている。固定部材３２の上には、固定部材３２の剛性を上げるための補強部３２ｅが固定されている。また十字型の可撓性基板３１の中央部にはプローブホルダー１６が設けられこのプローブホルダー１６には、プローブ１７が装着されている。
【００４０】
プローブ１７にＸ方向の荷重が加わると歪みゲージ１３ｂ及び１３ｄの歪みは零、歪みゲージ１３ａは正の歪み、歪みゲージ１３ｃは負の歪みが生じる。またプローブ１７にＹ方向の荷重が加わると歪みゲージ１３ｄは負の歪み、歪みゲージ１３ｂは正の歪み、歪みゲージ１３ａ及び１３ｃの歪みは零となる。またプローブ１７にＺ方向の荷重が加わった場合、歪みゲージ１３ａ〜１３ｄには正の歪みが生じる。従って歪みゲージ１３ａ〜１３ｄの歪みの和信号及び差信号を出力することによって、プローブ１７に加わったＸＹＺ方向の力を分力して測定することが可能となり３軸の力センサを実現することができる。
【００４１】
図９は、本発明の第４実施例で、移動手段としての微動ステージ４１を備えた力センサ４０を示す斜視図である。この微動ステージ付き力センサ４０は、力センサ１０を図１０に示す微動ステージ４１に搭載したものである。微動ステージ４１は、図１０に示すようにアルミニウムなどの直方体の金属ブロックにワイヤーカットなどで表裏を貫通したスリット４１ａを図のように形成し、四隅に複数のスリット４１ａが近接した状態の平行ヒンジバネ４２を形成したものである。微動ステージ４１のスリット４１ａの外側に形成された固定部４３と、スリット４１ａの内側に形成された移動部４４とは、これら４つの平行ヒンジバネ４２により互いに連結されており、バックラッシュのないガイド機構の働きをしている。固定部４３と移動部４４の間には積層型圧電アクチュエータ４５が組み込まれている。積層型圧電アクチュエータ４５は、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、隣り合う圧電セラミックスには互いに逆向きとなる電界が内部電極によって印加されるように、内部電極が一層おきに外部電極に接続された構造を有する。
【００４２】
積層型圧電アクチュエータ４５に電圧を印加することによって積層型圧電アクチュエータ４５が伸縮し、平行ヒンジバネ４２の弾性力に抗して移動部４４を固定部４３に対してｎｍレベルの分解能で変位させることができる。また、積層型圧電アクチュエータ４５に印加される電圧により、伸縮量が決まるので、移動部４４を所望の量だけ移動することも可能となる。
【００４３】
力センサ１０は、微動ステージ４１の移動部４４に、カバー１８乃至固定部材１２を固定している。したがって、微動ステージ４１は力センサ１０を移動させる移動手段ということになる。また、積層型圧電アクチュエータ４５と平行ヒンジバネ４２とで移動手段の駆動手段を構成している。
【００４４】
積層型圧電アクチュエータ４５は図１１に示すようにドライバ４６、Ｄ/Ａコンバータ４７を介してＰＣ４８に接続されている。力センサ１０のブリッジ出力はプリアンプ（ゲージアンプ）２１、Ａ/Ｄコンバータ４９を介してＰＣ４８に接続されている。ＰＣ４８からの指令により微動ステージ４１の積層型圧電アクチュエータ４５に電圧を印加して、プローブ１７を下降させることにより、プローブ１７を測定対象物１９に接触させることができる。そして、接触したときの荷重を力センサ１０によって検出し、検出された荷重をＡ/Ｄコンバータ４９を介してＰＣ４８に取り込む。ＰＣ４８は、力センサ１０で検出した荷重が設定された値になったら、その位置で微動ステージ４１を停止させる。積層型圧電アクチュエータ４５に印加する電圧を保持することで、微動ステージ４１はその位置を保持することができる。或いは、逆に、検出荷重が設定された荷重を維持するように積層型圧電アクチュエータ４５にサーボ電圧を印加することによって、プローブ１７と測定対象物１９が常に所望の接触圧を保持するように制御することが可能となる。以上の構成から、ゲージアンプ２１、Ａ/Ｄコンバータ４９、ドライバ４６、Ｄ/Ａコンバータ４７、及びＰＣ４８で、移動手段の制御手段を構成している。
【００４５】
すなわち、この微動ステージ付き力センサ４０は、力センサとして使用できるだけでなく、一定の接触圧（荷重）を保持する荷重検出装置として使用することができる。
【００４６】
なお搭載される力センサ１０は第２の実施例で述べた力センサ２０や第３の実施例で述べた力センサ３０であってよい。
【００４７】
本発明による微動ステージ付き力センサ４０を用いることによって、例えばプローブ１７を測定対象物１９上に押し当てて電気特性を測定する場合、一定荷重で接触することができるので、確実な接触状態を維持して安定した測定が可能となる。また本発明による微動ステージ付き力センサ４０を用いることによって、例えば非常に柔らかい測定対象物をクランプする場合においても、測定対象物を最適な荷重でクランプすることが可能であるので、測定対象物を破損させることなくクランプさせることが可能である。
【００４８】
図１２（ａ）は、本発明の第５実施例の微動ステージ付き力センサ５０を示す斜視図で（ｂ）は力センサ１０を取り外した状態を示す斜視図である。移動手段としての微動ステージ５１は、図９、図１０に示す微動ステージ４１に、変位センサプローブ５２を内蔵させたものである。微動ステージ４１と共通する構成には微動ステージ４１と同じ番号を付して、説明は省略する。力センサ１０は、微動ステージ５１の移動部４４に固定される。変位センサプローブ５２の一端は固定部４３に固定され、他端は移動部４４に接触している。また、変位センサプローブ５２は、原理的には図１に示す力センサ１０と同じ構造で、図示しないが弾性変形する部材と、これに設けられた４つの歪みゲージを有し、これら４つの歪みゲージをブリッジ接続している。固定部４３に対して移動部４４が移動すると、移動部４４の位置を変位センサプローブ５２が検出するので、変位センサプローブ５２は、移動部４４の位置検出手段となる。
【００４９】
図１３は、第５の実施例のブロック図である。図１１の第４実施例のブロック図と共通する構成には同じ符号を付し、説明を省略する。変位センサプローブ５２は、変位センサアンプ５３と接続され、測定変位をＡ/Ｄコンバータ５４を介してＰＣ４８に取り込むことによって微動ステージ５１の移動部４４の変位量を測定することができる。その他は、図１１で説明したのと同様である。またＰＣ４８からの指令により積層型圧電アクチュエータ４５に電圧を印加して、プローブ１７を下降させることにより、プローブ１７が測定対象物１９に接触したときの荷重を力センサ１０によって検出し、検出された荷重をゲージアンプ２１とＡ/Ｄコンバータ４９を介してＰＣ４８に取り込むことによって、検出荷重が設定された任意の値になった位置で微動ステージ付き力センサ５０を停止させることができることも第２の実施例で述べたと同様である。微動ステージ付き力センサ５０が停止した位置を図１３に示す変位センサプローブ５２及び変位センサアンプ５３によって測定し、微動ステージ５１の変位が一定になるようにドライバ４６にサーボ電圧を印加することによって、プローブ１７は測定対象物１９を一定の距離を押し込んだ状態で保持することが可能である。また、移動手段としての微動ステージ４１を測定対象物１９に対して走査し、そのときのプローブ１７の位置を変位センサプローブ５２で測定することで、形状測定装置として使用することが可能である。
【００５０】
以上の構成から明らかなように、ゲージアンプ２１、Ａ/Ｄコンバータ４９、ドライバ４６、Ｄ/Ａコンバータ４７、ＰＣ４８、変位センサアンプ５３及びＡ/Ｄコンバータ５４で、移動手段の制御手段を構成している。
【００５１】
なお搭載される力センサは第２の実施例で述べた力センサ２０や第３の実施例で述べた力センサ３０であってももちろん構わない。
【００５２】
図１４は、本発明の第６の実施例の微動ステージ付き力センサ６０の斜視図である。ここでは、３つの微動ステージ４１をＸＹＺ軸方向に組合せ、これに力センサ１０を取り付けた構成にしている。Ｘ軸用微動ステージが４１Ｘ、Ｙ軸用微動ステージが４１Ｙ、Ｚ軸用微動ステージが４１Ｚである。
【００５３】
力センサ１０がＺ軸用微動ステージ４１Ｚの移動部４４に固定され、Ｚ軸用微動ステージ４１Ｚの固定部４３は、Ｘ軸用微動ステージ４１Ｘの移動部４４に固定され、Ｘ軸用微動ステージ４１Ｘの固定部４３は、Ｙ軸用微動ステージ４１の移動部４４に固定されている。このような構成により、力センサ１０を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向にそれぞれｎｍの分解能で微小な量だけ移動することができる。その他は、第５の実施例で述べたと同様である。
【００５４】
また、プローブ１７と測定対象物１９との間にかかる荷重が設定された所望の値になるように、Ｚ軸微動ステージ４１Ｚの積層型圧電アクチュエータ４５にサーボ電圧を印加して、プローブ１７と測定対象物１９にかかる荷重を一定に維持し、Ｘ軸用微動ステージ４１Ｘ、Ｙ軸用微動ステージ４１Ｙによって測定対象物１９を走査させることによって、プローブ１７を所望の接触荷重で測定対象物１９の表面をなぞることができる。このときのＺ軸用微動ステージ４１Ｚの変位を変位センサプローブ５２によって測定することによって、測定対象物１９の表面形状を測定することができる。接触荷重が大きい場合には表面形状測定の誤差が大きくなるが、本発明による力センサは接触荷重を１０μＮと非常に微小に設定できるため、精度良く表面形状を測定することができ、また測定対象物１９の表面を傷つけることなく測定することが可能である。また更に高精度に表面形状を測定するためには、力センサ１０の可撓性基板１１自身の剛性による変形が無視できなくなるが、本発明による力センサ１０は弾性体のみで構成されているため、本発明による荷重一定制御を行うことにより力センサ１０の荷重と変形量は線形関係で且つ略一定になるので、容易に補正することが可能である。
【００５５】
図１４において、搭載される力センサ１０に代えて第３の実施例で述べた力センサ３０を用いることによって、ＸＹＺ方向に対して所望の荷重でなぞることができるため、ＸＹＺ軸用微動ステージ４１Ｘ、４１Ｙ、４１ＺのＸＹＺ方向の変位を測定することによって任意の三次元形状を測定することが可能となる。
【００５６】
図１５は、本発明の第７実施例を示す図である。この第７実施例による微動ステージ付き力センサ７０は図１に示す可撓性基板１１と同様の絶縁性の可撓性基板７１を有し、基端を固定部材７２に固定され、先端にプローブホルダー１６とプローブ１７が装着されている。可撓性基板７１の表面には、圧電素子７３が形成され、圧電素子７３の裏面側には、変位検出用の歪みゲージ７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄが形成されている。また、可撓性基板７１のプローブホルダー１６近くには、表側に歪みゲージ１３ａ、１３ｂが、裏側に歪みゲージ１３ｃ、１３ｄがそれぞれ形成されて、これらはブリッジ接続されている。
【００５７】
プローブ１７が測定対象物１９に圧接して力を受け、Ｚ方向に変位すると、可撓性基板７１は、先端がＺ方向に変位するが、歪みゲージ１３ａ、１３ｂと、歪みゲージ１３ｃ、１３ｄとは、可撓性基板７１の表裏にあるので、一方が伸びの歪みを検知したとき、他方は縮みの歪みを検知することになり、これらを図７に示すようにブリッジ接続することで、プローブ１７に加わった力を高精度に検出することができる。
【００５８】
また、可撓性基板７１の上面には、圧電素子７３が設けられおり、圧電素子７３に電圧を印加すると可撓性基板７１の長手方向に伸縮するため、可撓性基板７１は屈曲し、プローブ１７をＺ方向に移動させる。歪みゲージ７４ａ、７４ｂは、可撓性基板７１の長さ方向（図１５の左右方向）の伸縮を検知し、歪みゲージ７４ｃ、７４ｄ、可撓性基板７１の幅方向の伸縮を検知するが、長さ方向の伸縮は無感となる。そこで、これら４つの歪みゲージを図７に示すようにブリッジ接続することによって、プローブ１７がＺ方向に移動したときの移動量を検出することができる。また、圧電素子７３に電圧を印加することによりプローブ１７がＺ方向に変位するが、この変位量を変位検出用歪みゲージ７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄによって測定することが可能である。従って圧電素子７３に印加する電圧を調整することで、プローブ１７を所望の位置に移動することができる。
【００５９】
この図１５に示す構成は、図９に示す実施例に比べて更に単純な構成となり、Ｚ方向に移動可能な移動手段を一体で併せ持った力センサを実現することが可能であるため、小型、軽量、低コストに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施例による力センサの要部を示す斜視図である。
【図２】図１の４つの歪みゲージをブリッジ接続した状態を示す図である。
【図３】（ａ）は、図１に示す力センサの全体を斜め下方から見た斜視図で、（ｂ）は（ａ）のＢから見た図で、力センサの拡大した下面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面の要部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例の力センサを示す斜視図である。
【図６】（ａ）は第２の実施例の可撓性基板に形成された歪みゲージの図で、（ｂ）は可撓性基板の裏面に形成された導体を示す図である。
【図７】図６の４つの歪みゲージのブリッジ接続を示す図である。
【図８】（ａ）本発明による第３の実施例の力センサの構成を示す斜視図で、（ｂ）が可撓性基板と歪みゲージの配置を示す図である。
【図９】本発明の第４実施例で、移動手段としての微動ステージを備えた力センサを示す斜視図である。
【図１０】微動ステージの構造を示す斜視図である。
【図１１】第４の実施例のブロック図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第５実施例の微動ステージ付き力センサを示す斜視図で（ｂ）は力センサを取り外した状態を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第５の実施例のブロック図である。
【図１４】本発明による第６の実施例の微動ステージ付き力センサを示す斜視図である。
【図１５】本発明による第７の実施例を示す図である。
【図１６】従来の三次元測定機を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
ｄ、ｄ１〜ｄ３  隙間
１０、２０、３０  力センサ
１１、２３  可撓性基板
１２  固定部材
１２ａ、１２ｂ  支持部
１２ｃ  補強部
１３ａ〜１３ｄ  歪みゲージ
１６ａ  凸部
１６、２４  プローブホルダー
１７  プローブ
１８  カバー（固定部材）
１８ａ  孔
１９  測定対象物
２１  プリアンプ（またはゲージアンプ）
２２  固定部材
２３  可撓性基板
２２ａ、２４ａ  切欠溝
２５  保護部材
２６  導体
２９    端子
３１  十字型の可撓性基板
３２  固定部材
３２ａ〜３２ｄ  支持部
３２ｅ  補強部
４０、５０、６０、７０  微動ステージ付き力センサ
４１、４１Ｘ、４１Ｙ、４１Ｚ  微動ステージ
４１ａ  スリット
４２  平行ヒンジバネ
４３  固定部
４４  移動部
４５  積層型圧電アクチュエータ
４６  ドライバ
４７  Ｄ／Ａコンバータ
４８  ＰＣ
４９、５４  Ａ／Ｄコンバータ
５１  微動ステージ
５２  変位センサプローブ
５３  変位センサアンプ
７１  可撓性基板
７２  固定部材
７３  圧電素子
７４ａ〜７４ｄ  変位検出用歪みゲージ
【図１】
2008215934.tif 000003
【図２】
2008215934.tif 000004
【図３】
2008215934.tif 000005
【図４】
2008215934.tif 000006
【図５】
2008215934.tif 000007
【図６】
2008215934.tif 000008
【図７】
2008215934.tif 000009
【図８】
2008215934.tif 000010
【図９】
2008215934.tif 000011
【図１０】
2008215934.tif 000012
【図１１】
2008215934.tif 000013
【図１２】
2008215934.tif 000014
【図１３】
2008215934.tif 000015
【図１４】
2008215934.tif 000016
【図１５】
2008215934.tif 000017
【図１６】
2008215934.tif 000018