JP4680415B2 - Damage prevention mechanism for fine stylus - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mechanism for preventing damage to a fine stylus, and in particular, a three-dimensional fine shape of submillimeter order of mechanical parts such as measurement of the fine structure of a micromachine part and measurement of the internal shape of a fuel injection nozzle or an ink jet printer nozzle of an internal combustion engine. The present invention relates to a technique for preventing a fine stylus from being damaged in a microfabricated shape measuring apparatus used for measuring the stylus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, configurations represented by those described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-264214 and 8-0745445 are known for measurement by a contact method of a minute shape.
[0003]
Both have a configuration in which a stylus or a probe can be inserted into a finely processed microstructure, which will be described in detail below.
[0004]
First, FIG. 7 shows a configuration diagram of a first conventional example represented by Japanese Patent Laid-Open No. 5-264214.
[0005]
In FIG. 7, 101 is a stylus, 102 is an actuator that vibrates the stylus 101 in the direction of the arrow in the figure, and 103 is a measurement object to which the stylus 101 comes close.
[0006]
Here, the
[0007]
Further,
[0008]
In such a configuration, the
[0009]
In this state, the electrical conduction between the stylus 101 and the
[0010]
For example, referring to FIG. 8, when the stylus 101 that vibrates as shown in FIG. 8A exceeds a certain displacement s, the measurement of the stylus 101 and the
[0011]
The change in the relative distance between the stylus 101 and the measurement target surface of the
[0012]
Therefore, the surface shape of the
[0013]
As can be seen from FIG. 9, the relationship between the two is not completely proportional, but the degree of proportionality can be increased by changing the vibration of the stylus 101 from a sine wave to a triangular wave.
[0014]
Further, when the unevenness of the measurement target surface of the
[0015]
Next, the second conventional example is an improvement of the first conventional example shown in FIG. 7 and improves the usability as a measuring device by combining the
[0016]
First, in FIG. 10, the photographing
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Although the above two conventional examples have the possibility of being used for measurement of machining shapes such as nozzle holes and fine shapes, they have the following problems.
[0018]
In other words, the stylus commonly used in both is required to have shape stability, and thus is formed of a hard material. In general, the stage structure of a measuring device that relatively moves the measurement object and the stylus has a mass of several kilograms to several tens of kilograms. Overtravel will occur. Even if the tip of the stylus beam structure is displaced in a direction perpendicular to the beam, the displacement of the stylus can be relatively absorbed by the bending of the beam. However, when the tip is pushed in a direction parallel to the beam, there is no room for deformation of the beam, so that there is a problem that the beam is buckled or the life is remarkably shortened.
[0019]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a damage prevention mechanism and a control method therefor that can prevent stylus damage and shortening of life regardless of the contact direction between the stylus and a measurement object.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present invention attaches a holder of a fine stylus to a fine actuator, and prevents the fine stylus from buckling when the fine stylus contacts the measurement object in the axial direction thereof. This is a mechanism for preventing breakage of a fine stylus, which is characterized in that it is lifted up and released from contact, and when there is no risk of buckling, it is not released from contact.
[0021]
More specifically, first, the fine stylus and the object to be measured are moved relative to each other by the stage of the measuring device. However, since the stage has a large mass, the stage will coast after the contact of the fine stylus is detected. Deform. Fine stylus has high aspect ratio Needle Since it is a structure, it does not break even if it is deformed in the bending direction. However, if it is attempted to deform in the axial direction, it will be bent or buckled, leading to damage.
[0022]
Here, the holder of the fine stylus is attached to an actuator that displaces it in the axial direction, and at the same time, the stylus detects contact, and at the same time, the actuator is rapidly contracted to provide control compliance to the fine stylus. To prevent buckling and deformation.
[0023]
In addition, the velocity vector of the relative movement between the fine stylus and the measurement object has a component in a direction perpendicular to the axial direction of the fine stylus in some cases. When the velocity vector in the axial direction is small, the amount of overtravel in the axial direction after contact detection is also small, so there is no concern that the fine stylus will buckle. Therefore, only when the axial speed is greater than a certain value, control is performed to pull back the fine stylus, and otherwise, actuator control is performed to keep the fine stylus at a fixed position.
[0024]
As described above, even if the fine stylus comes into contact with the measurement target from any direction, the fine stylus can ensure proper escape and prevent damage such as buckling and deformation.
[0025]
In the first aspect of the present invention, a fine stylus having a cantilever structure and a measurement object having a fine shape are moved relative to each other in the direction of the fine stylus axis, and the fine shape is measured by detecting contact between the two. In the fine shape measuring apparatus, an actuator that protects the fine stylus by displacing the fine stylus in a direction away from the measurement object; A stage for relatively moving the fine stylus and the actuator toward the measurement object in the fine stylus axis direction; A contact detection unit that detects contact between the fine stylus and the measurement object and outputs a contact signal; a velocity vector calculator that calculates a relative movement speed vector of the fine stylus and the measurement object; and the fine stylus; When the contact between the fine stylus and the measurement target is detected in accordance with the relative movement speed vector of the measurement target and the contact signal, the actuator displaces the fine stylus in a direction away from the measurement target. A control unit that controls the actuator that is displaced in a direction in which the fine stylus approaches the measurement target when the non-contact between the fine stylus and the measurement target is detected. The controller is actuated so as to displace rapidly when the velocity in the direction of the fine stylus axis exceeds a certain level and when the contact signal is detected. Controlling the eta, and setting the approach speed and the detachment speed of the fine stylus and the measurement object to predetermined values, and when the fine stylus returns to the original position after the rapid detachment, Make sure that the measurement object is already at a distance Control the stage and the actuator This is a mechanism for preventing damage to a fine stylus. With such a configuration, the fine stylus can be protected from damage during contact.
[0026]
In this case, it is preferable that the actuator is made of a piezoelectric element because of its high-speed displacement characteristics.
[0027]
Further, as described in claim 3, it is preferable that the actuator comprises a piezoelectric element and a displacement magnifying mechanism because the stylus can escape a large amount of displacement and has a higher damage prevention effect.
[0028]
Furthermore, as described in claim 4, it is preferable that the actuator has a displacement sensor for monitoring displacement because displacement drift and displacement hysteresis peculiar to the actuator can be canceled.
[0029]
Also, The control unit controls the actuator so that the descending speed (speed component in the Z direction) is equal to or higher than a certain level and when the contact signal is detected, the actuator rapidly rises. This is desirable because the fine stylus can be released from contact at high speed, and at the same time, the fine stylus can automatically return to the original position.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration of a fine shape measuring apparatus equipped with a fine stylus breakage preventing mechanism according to an embodiment of the present invention.
[0032]
In FIG. 1, 1 is a fine stylus, cantilever with a diameter of several tens of micrometers and a length of several millimeters Needle It has a structure.
[0033]
First, the fine stylus 1 is cantilevered along the Z direction. Needle It has a structure, and its tip has a ball-shaped, abacus-ball, saddle-shaped projection, etc., and has the ability to detect that the tip is in contact with the measurement object. In this embodiment, this stylus is brought into contact with the change in the resonance state as shown in “Presentation of the 1999 Precision Engineering Spring Conference Academic Lecture” P.504 “Resonant Vibroscan Method Using Piezoelectric Sensor”. It is of the type to detect. Of course, a fine stylus that detects contact by electrical conduction, a stylus that detects a reaction force due to contact, or a stylus that detects a change in optical characteristics may be used. In general, the fine stylus 1 is made of a hard material such as cemented carbide, glass, ceramic, and has high shape stability with little friction and deformation. On the other hand, unreasonable deformation may lead to damage.
[0034]
The X stage 5, the Y stage 6, and the Z stage 7 move the fine stylus 1 relative to the measurement object 3, and when the fine stylus 1 detects contact, the X stage 5, the Y stage 6, and the Z stage 7 are simultaneously detected. The coordinates are read and stopped immediately, and the retraction operation is performed in the opposite direction. By repeating this series of operations, measurement of a fine shape is achieved. The X stage 5, Y stage 6, and Z stage 7 are generally guided by an air slide or a ball guide, and are driven by a rotary motor and a ball screw or a linear motor. Since the X stage 5, the Y stage 6, and the Z stage 7 and their driving parts have a constant mass (several kg to several tens kg) and inertia, the stage is not detected after the fine stylus 1 detects contact. Until the stop / retreat, overtravel of several μm to several tens of μm actually occurs, and as a result, the tip of the fine stylus 1 is pushed into the measurement object. Fine stylus 1 cantilevered Needle Because of this structure, the displacement in the horizontal (XY) direction can be absorbed by bending, and there is little damage. By the way, φ20μm, 1000μm long cemented carbide cantilever Needle If so, the tip displacement of 100 μm will not cause breakage.
[0035]
However, it cantilevered in the vertical (Z) direction. Needle Therefore, even if the fine stylus 1 is pushed in by several μm at most, it leads to the occurrence of buckling or bending.
[0036]
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the fine stylus 1 of FIG. As described above, the
[0037]
Next, the overall configuration of the fine shape measuring apparatus and a control method for preventing damage will be described with reference to FIG. First, 19 is an NC control circuit (NC controller) for controlling the X stage 5, the Y stage 6, and the Z stage 7. When the contact signal 16 from the fine stylus 1 is received, the X stage 5, Y stage 6. , And a function to immediately stop and retract the Z stage 7. The NC control circuit 19 is provided with a speed vector calculator for obtaining a relative movement speed vector between the fine stylus 1 and the measuring object 3 so that the approach speed between the fine stylus 1 and the measuring object 3 can be known. The control computer 21 is a main CPU that controls the entire fine shape measuring apparatus, and has a function of instructing the NC control circuit 19 via the NC command 20 of XYZ movements necessary for measurement. When the breakage prevention control circuit 17 detects a signal from the stylus 1 via the contact signal detection circuit 13, it issues a displacement command 15 to the fine movement actuator control circuit 14, and the fine movement actuator 10 is driven accordingly, and the fine stylus 1. Evacuation operation is realized. Whether or not to perform the evacuation operation is determined by the ZDOWN signal 18 from the NC control circuit 19.
[0038]
FIG. 4 shows an example of the structure of a fine movement actuator 10 used in a damage prevention mechanism for pulling up the fine stylus 1 upward when the fine stylus 1 contacts the measuring object 3 from the Z direction. The fine actuator 10 is supported by the actuator body 36, the table portion 35 connected to the actuator body 36 via the parallel leaf spring 25, the
[0039]
A pedestal 38 that protrudes from the side wall of the actuator body toward the inside of the accommodation space 37 is provided at a predetermined position of the lower end portion of the actuator body 36. The laminated piezoelectric element 22 is fixedly installed on the cradle 38, and one end of the displacement magnifying mechanism 23 is in contact with the upper surface of the laminated piezoelectric element 22. The other end of the displacement magnifying mechanism 23 is in contact with the upper surface of the table portion 35. A fulcrum member 39 is in contact with a predetermined position in an intermediate portion of the displacement magnifying mechanism 23. As a whole, the displacement magnifying mechanism 23 pushes down the table portion 35 when the laminated piezoelectric element 22 extends, and conversely, the laminated piezoelectric element. When the element 22 contracts (or shortens), the lever portion is configured to allow the table portion 35 to be returned to the original displacement position by the action of the parallel leaf spring. The displacement enlarging mechanism 23 is composed of an elastic hinge or the like, and can displace the displacement without play. The table portion 35 is driven in the Z direction by the laminated piezoelectric element 22 via the displacement magnifying mechanism 23. The laminated piezoelectric element 22 can generate a displacement of several μm at a voltage of about 100V, and the displacement magnifying mechanism 23 can displace the table part by several tens of μm. Since the displacement of the laminated piezoelectric element 22 generally drifts with time, the position of the table portion 35 is monitored by the displacement sensor 24 to ensure high positioning accuracy by feedback control.
[0040]
Such a structure in which the laminated piezoelectric element 22, the displacement magnifying mechanism 23, and the displacement sensor 24 are combined has been commercialized in many ways by PI Polytech Co., Ltd., and is as easy as controlling the laminated piezoelectric element 22 alone. The fine movement actuator 10 can be controlled.
[0041]
Further, when the amount of overtravel of the Z stage 7 is small, the displacement magnifying mechanism 23 is not always necessary, and the laminated piezoelectric element 22 alone can also serve to prevent breakage. Other actuators that can move at high speed can also be used as the fine movement actuator 10. For example, a voice coil motor, a linear motor, an electrostatic drive actuator, a magnetostrictive element, an electrostrictive element, or the like can be substituted.
[0042]
At this time, the breakage preventing operation is realized as follows. First, the fine movement actuator 10 is held in an extended state, and thereafter, the fine stylus 1 is brought close to and brought into contact with the measurement object 3 from above at a constant speed or higher. The fine stylus 1 is pulled up by contracting the fine actuator 10 at a high speed simultaneously with the contact, and the fine stylus 1 is not pushed in even if the Z stage 7 continues to descend without being stopped due to inertia. That is, damage to the fine stylus 1 due to buckling can be prevented.
[0043]
When the relative velocity vector is only the horizontal component (XY component), the fine stylus is not pushed in the Z direction at the time of contact and there is no fear of breakage. Further, if the Z component of the relative velocity vector is present even if it is small (for example, 1 μm / s), the overtravel of the Z stage after the contact is negligibly small. In these cases, it is not necessary to shrink the fine actuator 10 at the time of detection. FIG. 5 shows how the ZDOWN signal is generated by the speed vector calculator built in the NC control circuit 19. The relative movement speed vectors of the fine stylus 1 and the measurement object 3 generated by the movement of the X stage 5, the Y stage 6, and the Z stage 7 are an X direction speed component 26, a Y direction speed component 27, and a Z direction speed component 28. expressed. X- and Y-direction velocity components are not used for generating the ZDOWN signal.
[0044]
In the Z-direction velocity component 28, a threshold velocity 29 is set such that the fine stylus 1 approaches the measurement target 3, and the Z-direction velocity component 28 sets this value. Below (Above this threshold Speed When the fine stylus 1 approaches the measuring object 3), the ZDOWN signal 18 is turned on. When the ZDOWN signal is on, it means that the fine stylus 1 may buckle when it contacts the measuring object 3 and instructs the breakage prevention control circuit 17 to control the fine actuator 10. . Even if the ZDOWN signal is not generated by the NC control circuit 19, for example, the control computer 21 calculates the generation timing of the ZDOWN signal in advance in the measurement operation plan and directly instructs the damage prevention control circuit 17 to generate the ZDOWN signal. May be. Furthermore, the breakage prevention control circuit 17 may have a pulse interface of a linear encoder for measuring the position of the Z stage 7, and may determine the moving direction of the Z stage 7 and generate a ZDOWN signal. Furthermore, a method in which the damage prevention control circuit 17 directly takes in the NC command 20 and generates the ZDOWN signal by itself is also possible.
[0045]
FIG. 6 shows a circuit configuration for the breakage prevention control circuit 17 to output a displacement command 15 to the fine actuator 10. The contact signal from the fine stylus 1 is transmitted to the breakage prevention control circuit 17 via the TRIG signal 16. At this time, the rising speed 30 of the fine stylus 1 is set as a positive voltage, and the falling speed 31 is set as a negative voltage. The TRIG signal 16 controls the switch 32 and selects one of the voltages according to the contact state of the fine stylus 1. The switch 33 is controlled by the ZDOWN signal 18 from the NC control circuit 19 and selects either the voltage 30 or 31 indicating the ascending / descending speed or the voltage 31. The voltage selected by the switch 33 is input to the integrating
[0046]
With the above circuit configuration, the fine stylus 1 is controlled as follows. First, when both the TRIG signal 16 and the ZDOWN signal 18 are OFF, the integrating
[0047]
The same effect can be obtained even if the switch 33 is integrated with the switch 32 and the logical product (AND) of the TRIG signal 16 and the ZDOWN signal 18 is given to the switch 32. Further, the same effect can be obtained by connecting the lower terminal of the switch 33 to the ground potential.
[0048]
With the above mechanism, the fine stylus 1 becomes compliant with pushing in all directions of XYZ, and can be prevented from being damaged. Furthermore, this embodiment can be expanded to allow the fine actuator 1 to be displaced in the XYZ triaxial directions, so that the fine stylus 1 can be given XYZ triaxial control compliance. The triaxial piezoelectric actuator is commercially available from PI Polytech, for example, and can be easily configured.
[0049]
As an advantage of the XYZ three-axis control compliance, the fine stylus 1 is detected within the displacement range of the actuator when contact is detected from the positional relationship between the fine stylus 1 and the measurement object 3 instructed by the control computer 21 in advance. You can escape freely. As a result, in addition to preventing damage when the micro stylus 1 is combined with a measuring device with extremely large overtravel in any direction, the movement plan trajectory of the fine stylus 1 and the surface position of the measuring object 3 are shifted in the case of scanning measurement. Can be absorbed.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the cantilever is Needle When a fine stylus having a structure comes into contact with a measurement object, the pushing of the tip of the stylus caused by the fact that the stage of the measuring device cannot be stopped suddenly cancels the axial pushing that tends to damage the fine stylus with a fine actuator be able to.
[0051]
According to this configuration, when the tip of the fine stylus is pushed horizontally, Needle Damage is prevented by the bending of the structure, and when it is pushed in the axial direction, the damage can be prevented by controlling the actuator. As a result, an advantageous effect that stable contact detection can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing a schematic configuration of a fine shape measuring apparatus equipped with a fine stylus breakage preventing mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of an enlarged configuration near a fine stylus and a long focus microscope according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a control block diagram of a fine shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fine actuator used according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the principle of determination of a descent state according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a control algorithm for preventing breakage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a conventional fine surface shape measuring apparatus.
FIG. 8 is a principle diagram showing a state of a contact signal and a duty ratio by a conventional device.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the position of the surface to be measured by a conventional apparatus and the duty cycle.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a conventional fine surface shape measuring apparatus.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the shape of a stylus used in the same fine surface shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Fine stylus
2 Stylus holder
3 Measurement object
5 X stage
6 Y stage
7 Z stage
8 Long focus microscope
9 base
10 Fine actuator
17 Damage prevention control circuit
19 NC control circuit
22 Multilayer piezoelectric element
23 Enlarging mechanism
24 Displacement sensor
25 Parallel leaf spring
35 Table section
36 Actuator body
37 containment space
38 cradle
39 Supporting member
Claims (4)
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。In a fine shape measuring device that measures the fine shape by moving the measurement object with a fine stylus composed of a cantilever structure and the fine shape relative to each other in the fine stylus axis direction, and detecting the contact between them,
An actuator for protecting the fine stylus by displacing the fine stylus in a direction away from the measurement object;
A stage for relatively moving the fine stylus and the actuator toward the measurement object in the fine stylus axis direction;
A contact detection unit that detects contact between the fine stylus and the measurement object and outputs a contact signal;
A velocity vector calculator for obtaining a relative movement velocity vector of the fine stylus and the measurement object;
When the contact between the fine stylus and the measurement object is detected according to the relative movement speed vector of the fine stylus and the measurement object and the contact signal, the actuator removes the fine stylus from the measurement object. It is determined whether or not to displace in the direction of detachment, and when the non-contact between the fine stylus and the measurement object is detected, the actuator displaces the actuator in the direction in which the fine stylus approaches the measurement object. A control unit for controlling,
The controller controls the actuator so as to displace rapidly when the contact signal is detected when the velocity in the fine stylus axis direction is a certain level or more, and the fine touch When the approach speed and the separation speed of the needle and the measurement object are set to predetermined values, and when the fine stylus returns to the original position after the rapid separation, the measurement object seems to be already in a place away. And a mechanism for preventing breakage of a fine stylus which controls the stage and the actuator .
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