(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片持ちはり構造からなる微細触針と微細形状をもった測定対象を微細触針軸方向に相対運動させ、両者の接触を検出することにより微細形状を測定する微細形状測定装置において、
前記微細触針を前記測定対象から離脱する方向に変位させて前記微細触針の保護を行うアクチュエータと、
前記微細触針及びアクチュエータを前記測定対象に向けて前記微細触針軸方向に相対運動させるステージと、
前記微細触針と前記測定対象の接触を検知し、接触信号を出力する接触検知部と、
前記微細触針と前記測定対象の相対移動速度ベクトルを求める速度ベクトル算出器と、
前記微細触針と前記測定対象の相対移動速度ベクトルと、前記接触信号に応じて、前記微細触針と前記測定対象の接触を検知した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象から離脱する方向へ変位するかどうかを決定し、前記微細触針と前記測定対象の非接触を検出した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象へ接近させる方向へ変位する前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、微細触針軸方向の速度がある一定以上で、かつ前記接触信号が検出されたときは、急速に離脱する方向へ変位するように、アクチュエータを制御し、また、前記微細触針と前記測定対象の接近速度と離脱速度を所定の値に設定して、前記急速に離脱した後、前記微細触針が元の位置に戻ったときには、測定対象はすでに離れた場所にあるように、前記ステージ及び前記アクチュエータを制御することを特徴とする微細触針の破損防止機構。
【請求項２】
アクチュエータが圧電素子を用いてなることを特徴とする請求項１記載の微細触針の破損防止機構。
【請求項３】
アクチュエータが圧電素子ならびに変位拡大機構を用いてなることを特徴とする請求項１記載の微細触針の破損防止機構。
【請求項４】
アクチュエータが変位をモニタする変位センサを持つことを特徴とする請求項１記載の微細触針の破損防止機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微細触針の破損防止機構、特に、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やインクジェットプリンタノズルの内面形状測定といった、機械部品のサブミリオーダの３次元微細形状を、測定するために用いられる微細加工形状測定装置などにおいて、微細触針を破損することを防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微小形状の接触式による測定には、特開平５−２６４２１４号公報や特開平８−０７５４４５号公報に記載されたものに代表される構成が知られている。
【０００３】
両者とも微細加工された微細構造の内部に触針あるいはプローブが挿入できるようになっている構成を有するものであるが、以下具体的に説明する。
【０００４】
まず、図７に特開平５−２６４２１４号公報に代表される第１の従来例の構成図を示す。
【０００５】
図７において、１０１は触針、１０２は触針１０１を図中矢印方向に振動させるアクチュエータ、１０３は触針１０１が近接する測定対象である。
【０００６】
ここで、測定対象１０３はＺ方向に移動自在なＺステージ１０４及びＸ軸方向に移動自在なＸステージ１０５上に載置され、Ｚステージ１０４はＺ軸駆動機構１０６、Ｘステージ１０５はＸ軸駆動機構１０７に各々連絡されている。
【０００７】
更に、１０８はデューティサイクル測定装置であり、Ｚ軸駆動機構１０６、Ｘ軸駆動機構１０７及びデューティサイクル測定装置１０８は、コンピュータ１０９により制御されている。
【０００８】
このような構成において、アクチュエータ１０２は、触針１０１を一定位置で図中矢印の如く一定振幅で振動させる。
【０００９】
そして、この状態で、触針１０１と測定対象１０３の電気電導を、直流電圧を印加し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１０８により検出することになる。
【００１０】
例えば、図８を参照すると、図８（ａ）に示されるように振動する触針１０１がある変位ｓを越えると、図８（ｂ）に示されるように触針１０１と測定対象１０３の測定対象面の間で電気的導通が確保されることになる。
【００１１】
そして、触針１０１と測定対象１０３の測定対象面の相対距離の変化とデューティサイクルは、図９のような関係を呈する。
【００１２】
よって、デューティサイクルを記録しながらＺ軸送り機構１０５を動作させることにより測定対象１０３の表面形状を検出することができる。
【００１３】
なお、図９からわかるように、両者の関係は完全に比例はしていないが、触針１０１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も可能である。
【００１４】
また、測定対象１０３の測定対象面の凹凸が、触針１０１の振幅を上回る場合は、Ｘ軸駆動機構１０７を動作させ、測定対象１０３を再位置決めすることにより、測定対象１０３の表面形状を計測することも可能である。
【００１５】
次に、第２の従来例は、図７に示した第１の従来例を改良したもので、顕微鏡２４２と触針２３４の組み合わせにより、測定装置としての使い勝手を向上させたものである。
【００１６】
まず、図１０において撮影部２４２と触針２３４とは同軸の位置関係に設定されている。つまり、顕微鏡２４２の画像のほぼ中心部に触針２３４が存在する。顕微鏡２４２の画像は画像処理部２４４に導かれ、画像処理部２４４の表示部に表示される。そして、表示部に表示された画像を見ながら、ＸＹステージ２２６ＡをＸ軸方向やＹ軸方向に移動し、ワーク２２８の微細穴２２９を画像中央に位置決めする。その後にＺステージ２２６Ｂによりワーク２２８を上方に移動させることにより、触針２３４が微細穴２２９の内部に挿入される。この状態で、再度ＸＹステージ２２６Ａを微小送りしながら、触針２３４と微細穴表面２２９Ａの接触を、第一の従来例と同様な方法にて行うことで、微小穴表面２２９Ａの座標を求めることができる。このようにして求めた座標値から、触針２３４の直径を補正することで、微細穴２２９の内径を知ることができる。ちなみに、触針２３４の先端は図１１のようなひし形形状に加工されており、Ｘ、Ｙ方向の穴内径を正確に測定できるよう工夫されている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
以上の２つの従来例は、ノズル穴や微細形状等の加工形状測定に利用できる可能性を有するとはいえ、以下のような課題を有する。
【００１８】
つまり、両者で共通に用いられる触針は形状の安定性を求められるため、硬質材料により形成されている。一般的に測定対象と触針を相対運動させる測定装置のステージ構造は数ｋｇ〜数十ｋｇの質量をもっているため、接触検知時にステージに運動停止信号を出しても、数μm〜数十μmのオーバートラベル量が発生してしまう。触針の梁構造は先端が梁と直交する方向に変位させられても、梁が撓むことによりその変位を比較的に吸収することができる。ところが、梁に平行な方向に先端部が押し込まれた場合、梁が変形する余地がないため、梁が座屈してしまったり、寿命を著しく短くしてしまうという課題を有する。
【００１９】
本発明は、以上の課題を解決し、触針と測定対象の接触方向によらず、触針破損や寿命短縮を防止できるような破損防止機構およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、微細触針のホルダを微動アクチュエータに取り付け、前記微細触針がその軸方向に測定対象と接触する際、微細触針が座屈しないよう触針を引き上げて接触から逃がすこと、さらに、座屈の恐れがないときには接触から逃がさないことを特徴とする微細触針の破損防止機構である。
【００２１】
より具体的には、まず、微細触針と測定対象は測定装置のステージにより相対運動するが、ステージの質量が大きいため、微細触針が接触を検出したのちもステージは惰行し、微細触針を変形させる。微細触針はアスペクト比の高いはり構造であるため、撓み方向に変形しても破損には至らない。ところが、軸方向に変形させようとすると、曲がったり座屈したりして破損につながってしまう。
【００２２】
ここで、微細触針のホルダをその軸方向に変位させるようなアクチュエータに取り付け、さらに、触針が接触を検知すると同時に、そのアクチュエータを急速に縮めることにより、微細触針に制御的なコンプライアンスを与え、座屈・変形することを防止する。
【００２３】
また、微細触針と測定対象の相対運動の速度ベクトルは、場合によって微細触針の軸方向とこれに直交する方向の成分をもっている。軸方向の速度ベクトルが小さい場合、接触検出後の軸方向へのオーバトラベル量も小さいので、微細触針が座屈する心配はない。よって、軸方向速度がある値より大きい場合のみ、微細触針を引き戻すような制御をおこない、それ以外のときは、微細触針を一定位置に保つようなアクチュエータ制御をおこなう。
【００２４】
以上により、微細触針が測定対象にいかなる方向から接触しても、微細触針が適切な逃げを確保し、座屈・変形などの破損を防止することができる。
【００２５】
請求項１記載の本発明は、片持ちはり構造からなる微細触針と微細形状をもった測定対象を微細触針軸方向に相対運動させ、両者の接触を検出することにより微細形状を測定する微細形状測定装置において、前記微細触針を前記測定対象から離脱する方向に変位させて前記微細触針の保護を行うアクチュエータと、前記微細触針及びアクチュエータを前記測定対象に向けて前記微細触針軸方向に相対運動させるステージと、前記微細触針と前記測定対象の接触を検知し、接触信号を出力する接触検知部と、前記微細触針と前記測定対象の相対移動速度ベクトルを求める速度ベクトル算出器と、前記微細触針と前記測定対象の相対移動速度ベクトルと、前記接触信号に応じて、前記微細触針と前記測定対象の接触を検知した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象から離脱する方向へ変位するかどうかを決定し、前記微細触針と前記測定対象の非接触を検出した場合に、前記アクチュエータが前記微細触針を前記測定対象へ接近させる方向へ変位する前記アクチュエータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、微細触針軸方向の速度がある一定以上で、かつ前記接触信号が検出されたときは、急速に離脱する方向へ変位するように、アクチュエータを制御し、また、前記微細触針と前記測定対象の接近速度と離脱速度を所定の値に設定して、前記急速に離脱した後、前記微細触針が元の位置に戻ったときには、測定対象はすでに離れた場所にあるように、前記ステージ及び前記アクチュエータを制御することを特徴とする微細触針の破損防止機構である。このような構成により、微細触針を接触時の破損から守ることができる。
【００２６】
ここで、請求項２記載のように、上記アクチュエータが圧電素子から成ることが、その高速な変位特性から好ましい。
【００２７】
そして、請求項３記載のように、上記アクチュエータが圧電素子ならびに変位拡大機構からなることが、触針を大変位量逃がすことができ、より破損防止効果が高いことから好ましい。
【００２８】
さらに、請求項４記載のように、上記アクチュエータが変位をモニタする変位センサを持つことが、アクチュエータ特有の変位ドリフトや変位ヒステリシスをキャンセルできることから好ましい。
【００２９】
また、前記制御部は、下降速度（Ｚ方向の速度成分）がある一定以上で、かつ前記接触信号が検出されたときは、急速に上昇するように、アクチュエータを制御することが、微細触針を高速に接触から逃がすことができ、同時に微細触針が元位置へ自動復帰できることから望ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について、図を用いて詳細に説明をしていく。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態に係る微細触針の破損防止機構を取り付けた微細形状測定装置の構成を示す。
【００３２】
図１において、１は微細触針であり、直径数十μｍで長さ数ミリの片持ちはり構造を有する。２は触針ホルダであり、微細触針１を交換可能な状態で保持・固定し、微細触針１を軸方向に変位させる微動アクチュエータ１０に取り付けられている。３は測定対象であり、その一部に微細穴のような微細形状をもっており、サンプルホルダ４を介してＹステージ６、ベース９に固定される。測定対象３と微細触針１はＸステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７により相対運動することができる。
【００３３】
まず、微細触針１であるが、Ｚ方向に沿った片持ちはり構造を有し、その先端部がボール状、そろばん玉状、鉤型等の突起を有しており、先端部が測定対象に接触したことを検出する能力をもつ。この触針は本実施例においては、1999年度精密工学会春季大会学術講演会論文集P.５０４「圧電センサを用いた共振型バイブロスキャン法」に示されるような、共振状態の変化により接触を検出するタイプのものである。もちろん、接触を電気導通で検出するような微細触針や、接触による反力を検出するような触針、光学特性の変化を検出する触針を用いても一向にかまわない。一般に微細触針１は超硬合金やガラス、セラミック等の硬質材料から構成されており、摩擦や変形が少なく高い形状安定性をもっている。このことは反面、無理な変形は破損につながるおそれがある。
【００３４】
Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７は微細触針１を測定対象３に対して相対移動させ、微細触針１が接触を検出すると同時にＸステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７の座標を読み取りを行なうとともにただちに停止し、さらに反対方向に退避動作を行う。この一連の動作を繰り返すことで、微細形状の測定が達成される。Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７は一般にエアスライドやボールガイドによりガイドされ、回転モータとボールねじ、あるいはリニアモータにより駆動されている。そして、Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７やその駆動部は一定の質量（数ｋｇ〜数十ｋｇ）および慣性をもっているため、微細触針１が接触を検出してから、ステージが停止・退避するまで、実際には数μｍから数十μｍのオーバートラベルが発生し、この結果、微細触針１の先端部は測定対象に押し込まれる。微細触針１は片持ちはりの構造であるため、水平方向（ＸＹ）方向の押し込みに対しては撓みにより変位を吸収でき、破損することは少ない。ちなみに、φ２０μｍ、長さ1000μｍの超硬合金片持ちはりであれば、先端変位 100μｍ程度では折損にいたることはない。
【００３５】
ところが、垂直方向（Ｚ）方向の押し込みに対しては、片持ちはりの座屈方向となるため、微細触針１は高々数μｍの押し込みであっても、座屈や曲がりの発生につながってしまう。
【００３６】
図２は図１の微細触針１付近の拡大図である。前述のように触針ホルダ２は微細触針１を取り外し可能な形で保持する。触針ホルダ２と微細触針１の安定的な機械的結合および電気的接続のために触針基板１１が微細触針１に付属されている。触針ホルダ２は微動アクチュエータ１０に取り付けられ、微動アクチュエータ１０が微細触針１の破損防止に必要なＺ方向の退避動作を行なって微細触針１を保護する。微細触針１の左横に設けられた長焦点顕微鏡８は、微細触針１を測定対象３へ導く役目を持っている。焦点位置１２が微細触針１よりも下方に位置しているので、測定対象３を長焦点顕微鏡８で観察したのち、Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７をあらかじめ決められた特定量移動させることにより、安定して微細触針１を測定対象３に導くことができる。
【００３７】
つぎに、図３を用いて微細形状測定装置の全体構成と破損防止のための制御方法について説明する。まず、１９はＸステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７を制御するためのＮＣ制御回路（ＮＣコントローラ）であり、微細触針１からの接触信号１６を受け取るとＸステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７を即座に停止・退避させる機能をもつ。また、ＮＣ制御回路１９の内部には微細触針１と測定対象３の相対移動速度ベクトルを求める速度ベクトル算出器が備えられ、微細触針１と測定対象３の接近速度を知ることができる。制御コンピュータ２１は微細形状測定装置全体をコントロールするメインＣＰＵであり、測定に必要なＸＹＺの動きをＮＣ指令２０を介してＮＣ制御回路１９に指令する役目を持っている。破損防止制御回路１７は触針１からの信号を接触信号検出回路１３を介して検出すると、微動アクチュエータ制御回路１４に変位指令１５を発し、これに従って微動アクチュエータ１０が駆動され、微細触針１の退避動作が実現する。退避動作を行うかどうかはＮＣ制御回路１９からのＺＤＯＷＮ信号１８により決定される。
【００３８】
図４は、微細触針１がＺ方向から測定対象３に接触したときに、微細触針１を上方に引き上げるための破損防止機構に用いられる微動アクチュエータ１０の構造の一例を表している。この微動アクチュエータ１０は、アクチュエータ本体３６と、アクチュエータ本体３６に平行板ばね２５を介して連結されたテーブル部３５と、テーブル部３５に固定された触針ホルダ２と、触針ホルダ２に支持された微細触針１とを備えている。また、微動アクチュエータ１０は、テーブル部３５に微動動作を与える積層圧電素子２２と、この積層圧電素子２２の変位を拡大してテーブル部３５に伝える変位拡大機構２３とを有している。アクチュエータ本体３６は、下方に開口してテーブル部３５が収容される収容空間３７を有する断面がほぼ下向きのカップ形状をしている。テーブル部３５はこの収容空間３７内に収容されるとともに、アクチュエータ本体３６とテーブル部３５との間において横方向に延びて架け渡された平行板ばね２５によってアクチュエータ本体３６に連結支持されている。そして、触針ホルダ２は平行バネ２５により精密にガイドされるテーブル部３５に固定されている。
【００３９】
アクチュエータ本体３６の下端部分の所定の位置にはこのアクチュエータ本体の側壁から収容空間３７の内部へ向けて突出した受け台３８が設けられている。この受け台３８の上には積層圧電素子２２が固定設置されており、この積層圧電素子２２の上面には変位拡大機構２３の一端が接触している。また、変位拡大機構２３の他端はテーブル部３５の上面に当接している。変位拡大機構２３の中間部分の所定位置には支点部材３９が当接されており、当該変位拡大機構２３は、全体として、積層圧電素子２２が伸長すればテーブル部３５を押し下げ、逆に積層圧電素子２２が収縮（或いは短縮）すればテーブル部３５を平行板ばねの作用で元の変位位置へ復帰させることを許容する梃子構造体となっている。そして、この変位拡大機構２３は弾性ヒンジ等より構成され、ガタのない変位拡大が可能となっている。テーブル部３５は変位拡大機構２３を介して積層圧電素子２２によりＺ方向に駆動される。積層圧電素子２２は１００Ｖ程度の電圧で数μｍの変位を発生することができ、変位拡大機構２３の働きにより、テーブル部を数１０μm変位させることができる。なお、積層圧電素子２２の変位は一般に時間とともにドリフトしてしまうため、テーブル部３５の位置は変位センサ２４によりモニタされ、フィードバック制御により高い位置決め精度を確保している。
【００４０】
このような、積層圧電素子２２、変位拡大機構２３、変位センサ２４を組み合わせた構造はＰＩポリテック株式会社などから多く製品化されており、積層圧電素子２２単体を制御するのと同じような手軽さをもって微動アクチュエータ１０を制御することができる。
【００４１】
また、Ｚステージ７のオーバートラベル量が小さい場合、変位拡大機構２３は必ずしも必要なく、積層圧電素子２２だけでも折損防止の機能を果たすこともできる。また、他の高速移動が可能なアクチュエータでも微動アクチュエータ１０として利用可能である。たとえば、ボイスコイルモータ、リニアモータ、静電駆動アクチュエータ、磁歪素子、電歪素子などでも代用が可能である。
【００４２】
このとき、折損防止動作は次のように実現される。まず、微動アクチュエータ１０を伸びた状態に保持し、この後、微細触針１を測定対象３に一定速度以上で上方から接近・接触させる。接触と同時に微動アクチュエータ１０を高速に縮ませることで微細触針１は引き上げられ、Ｚステージ７が慣性のため停止できずに下降を続けても微細触針１は押し込まれることがない。つまり、座屈による微細触針１の破損を防止することができる。
【００４３】
相対速度ベクトルが水平成分（ＸＹ成分）のみの場合は、接触の際の微細触針のＺ方向への押し込みはなく、破損の恐れはない。また、相対速度ベクトルのＺ成分が仮に存在しても小さい場合（たとえば１μｍ／ｓ）、接触後のＺステージのオーバートラベルは無視できるほど小さくなる。これらの場合、検出時に微動アクチュエータ１０を縮ませる必要はない。図５に、ＺＤＯＷＮ信号がＮＣ制御回路１９に内蔵される速度ベクトル算出器により作製される様子を示す。Ｘステージ５、Ｙステージ６、およびＺステージ７の動きにより生成される微細触針１と測定対象３の相対移動速度ベクトルはＸ方向速度成分２６, Ｙ方向速度成分２７, Ｚ方向速度成分２８で表される。Ｘ、Ｙ方向速度成分はＺＤＯＷＮ信号生成には利用されない。
【００４４】
Ｚ方向速度成分２８においては、微細触針１が測定対象３に接近するようなしきい値速度２９が設定されており、Ｚ方向速度成分２８がこの値を下回る（このしきい値以上の速さで微細触針１が測定対象３に接近する）場合にＺＤＯＷＮ信号１８がオンとなる。ＺＤＯＷＮ信号がオンになっているときは、微細触針１が測定対象３に接触した際に座屈する恐れがあることを意味し、破損防止制御回路１７に微動アクチュエータ１０を制御するように指示する。また、ＺＤＯＷＮ信号の生成はＮＣ制御回路１９によるものでなくても、たとえば、制御コンピュータ２１が計測動作計画のなかで事前にＺＤＯＷＮ信号の生成タイミングを計算し、直接破損防止制御回路１７に指示してもよい。さらに、破損防止制御回路１７がＺステージ７の位置計測用のリニアエンコーダのパルスインターフェースをもち、Ｚステージ７の移動方向を自ら判断してＺＤＯＷＮ信号を生成してもよい。さらに、破損防止制御回路１７がＮＣ指令２０を直接取り込み、自らＺＤＯＷＮ信号を生成する方法も可能である。
【００４５】
図６は、破損防止制御回路１７が、微動アクチュエータ１０に変位指令１５を出力するための回路構成を示す。微細触針１からの接触信号はＴＲＩＧ信号１６を介して破損防止制御回路１７に伝達される。この際、微細触針１の上昇速度３０をプラス電圧とし、下降速度３１をマイナス電圧として設定しておく。ＴＲＩＧ信号１６はスイッチ３２を制御し、微細触針１の接触状態に応じて、いずれかの電圧を選択する。スイッチ３３はＮＣ制御回路１９からのＺＤＯＷＮ信号１８により制御され、上昇・下降速度を表す電圧３０・３１、または電圧３１のいずれかを選択する。スイッチ３３により選択された電圧は積分回路３４に入力され、その出力は変位指令１５となり、微動アクチュエータ制御回路に出力され、微動アクチュエータ１０がこの電圧に比例した変位を発生する。
【００４６】
以上の回路構成により、微細触針１は次のように制御される。まず、ＴＲＩＧ信号１６とＺＤＯＷＮ信号１８のいずれもＯＦＦの状態では積分回路３４は電圧３１によってマイナス下限まで飽和しており、微動アクチュエータ１０はあらかじめ、最も下降した位置で待機している。仮に、微細触針１がその軸方向に測定対象３に接近しているとすると、ＺＤＯＷＮ信号１８が入力され、積分回路３４へゼロ以外の電圧が入力される。その入力電圧はＴＲＩＧ信号１６により選択されるため、微細触針１に接触が検出されなければマイナスの電圧が入力されつづけるため、積分回路３４はマイナス下限まで飽和し、この結果、微動アクチュエータ１０は最も下降した位置にある。つぎに、微細触針１に接触信号が入力されると、上昇速度３０が入力され、積分回路３４の電圧出力は急速に増加する。この結果、微動アクチュエータ１０はＺステージの速度よりも高速に上昇し、Ｚステージ７が接触検出後に停止できずにオーバートラベルしても、微細触針１を測定対象３から引き離すことができる。接触状態が解消されると、電圧３１に切り換えられるのでふたたび積分回路の出力値は減少しはじめるが、上昇速度３０と下降速度３１を適当な値に設定しておくことにより、微細触針１が元の最下位置に戻るまでに、Ｚステージ７がオーバートラベルを解消し、反転退避動作（タッチバック動作）するだけの時間的余裕を与えることが可能となる。この結果、微細触針１が元の最下位置に戻ったときには、測定対象３はすでに離れた場所にある。以上の動作により、微細触針１がＺ方向の押し込みに対して制御の力によりコンプライアンスをもったことに相当し、Ｚ方向の押し込みに対しても座屈が発生しないことを意味する。また、本実施例はアナログ回路により、制御アルゴリズムを実現したが、本手法はデジタル回路・マイコン等によっても容易に実現可能である。
【００４７】
なお、スイッチ３３をスイッチ３２に一体化し、ＴＲＩＧ信号１６とＺＤＯＷＮ信号１８の論理積（ＡＮＤ）をスイッチ３２に与えても同一の効果が得られる。また、スイッチ３３の下側の端子を、グランド電位につなげても同一の効果が得られる。
【００４８】
以上の仕組みにより、微細触針１はＸＹＺの全方向の押し込みに対してコンプライアンスを持つようになり、破損を防止することができる。さらに、この実施例を拡張して、微動アクチュエータをＸＹＺの３軸方向に変位可能なものとすることで、微細触針１にＸＹＺの３軸の制御的コンプライアンスを与えることもできる。３軸の圧電アクチュエータは、たとえば、ＰＩポリテック社より製品化されているので、容易に構成可能である。
【００４９】
ＸＹＺの３軸の制御的コンプライアンスのメリットとして、あらかじめ制御コンピュータ２１より指示される微細触針１と測定対象３の位置関係より、接触を検出したときに微細触針１をアクチュエータの変位範囲内で自由に逃がすことができる。この結果、オーバートラベルがあらゆる方向に極めて大きい測定装置と微細触針１を組み合わせる場合の破損防止となる他、倣い計測の場合に微細触針１の運動計画軌跡と測定対象３の表面位置のずれを吸収することができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、片持ちはり構造を有する微細触針が測定対象に接触する際、測定装置のステージが急停止できないことによる触針先端の押し込みに対し、微細触針の破損につながりやすい軸方向の押し込みを微動アクチュエータによりキャンセルすることができる。
【００５１】
かかる構成によれば、微細触針の先端が水平方向に押し込まれた場合ははり構造の撓みにより破損を防止し、軸方向に押し込まれた場合はアクチュエータ制御により破損を防止でき、結果、安定した接触検出を実現できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る微細触針の破損防止機構を取り付けた微細形状測定装置の概略構成を示す正面図
【図２】本発明の一実施の形態による微細触針、長焦点顕微鏡付近の拡大構成概略図
【図３】本発明の一実施の形態による微細形状測定装置の制御ブロック図
【図４】本発明の一実施の形態による使用される微動アクチュエータの構成概略図
【図５】本発明の一実施の形態による下降状態判定の原理を表す図
【図６】本発明の一実施の形態による折損防止のための制御アルゴリズムを表す図
【図７】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図
【図８】従来の装置による接触信号とデューティ比の状態を表す原理図
【図９】従来の装置による測定対象面の位置とデューティサイクルの関係を表す図
【図１０】従来の微細表面形状測定装置の構成概略図
【図１１】同微細表面形状測定装置に用いられる触針の形状を表す概略図
【符号の説明】
１  微細触針
２  触針ホルダ
３  測定対象
５  Ｘステージ
６  Ｙステージ
７  Ｚステージ
８  長焦点顕微鏡
９  ベース
１０  微動アクチュエータ
１７  破損防止制御回路
１９  ＮＣ制御回路
２２  積層圧電素子
２３  拡大機構
２４  変位センサ
２５  平行板ばね
３５  テーブル部
３６  アクチュエータ本体
３７  収容空間
３８  受け台
３９  支点部材
【図１】
0004680415.tif 000002
【図２】
0004680415.tif 000003
【図３】
0004680415.tif 000004
【図４】
0004680415.tif 000005
【図５】
0004680415.tif 000006
【図６】
0004680415.tif 000007
【図７】
0004680415.tif 000008
【図８】
0004680415.tif 000009
【図９】
0004680415.tif 000010
【図１０】
0004680415.tif 000011
【図１１】
0004680415.tif 000012