形状測定プローブ
【課題】接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができ、測定面のうねりに追従でき、プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止できる形状測定プローブを提供する。
【解決手段】被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体１０と、下端に設けられた接触子１２ａと接触子から上方に鉛直に延びる円筒形中間軸１２ｂとその上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部１２ｃとを有するスタイラス１２と、プローブ本体の下端に取り付けられスタイラス１２を鉛直にのみ移動可能にガイドするスタイラスホルダ１４と、スタイラスホルダの上面と鍔部の下面の間に挟持され鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネ１６と、プローブ本体に取り付けられ鍔部上面の変位を検出する位置検出センサ１８（レーザーセンサ）とを備える。
【解決手段】被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体１０と、下端に設けられた接触子１２ａと接触子から上方に鉛直に延びる円筒形中間軸１２ｂとその上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部１２ｃとを有するスタイラス１２と、プローブ本体の下端に取り付けられスタイラス１２を鉛直にのみ移動可能にガイドするスタイラスホルダ１４と、スタイラスホルダの上面と鍔部の下面の間に挟持され鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネ１６と、プローブ本体に取り付けられ鍔部上面の変位を検出する位置検出センサ１８（レーザーセンサ）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触子の変位により被測定物の形状を測定する形状測定プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
形状測定プローブは、被測定物に接触する接触子を有し、接触子の変位により被測定物の形状を測定する装置である。
かかる形状測定プローブとして、従来から種々の構造のものが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
特許文献１は、被測定物および接触検知部の損傷を従来に比べて非常に小さくすることを目的とする。
そのため、このタッチ信号プローブは、図９に示すように、保持部材５１に相対移動可能に保持された可動部材５２をスタイラス５０側に付勢するコイルばね５３と、反付勢方向に移動させる励磁コイル５４、固定ヨーク５５、アーマチャ５６とを設ける。スタイラス５０が被測定物に接触すると信号処理部５７、駆動制御部５８により励磁コイル５５に電流が供給され、その磁気吸引力で可動部材５２は被測定物から離れる反付勢方向に移動して逃げ動作が行われる。これにより、接触検知部と被測定物とが接触している時間は非常に短くなり、接触による損傷が軽減されるものである。
なおこの図で、５９は制御装置、６０は駆動装置である。
【０００４】
特許文献２は、電気信号の減衰を防止すると共に、安定した電気信号を取り出し、さらに小形化することを目的とする。
そのため、この測定用プローブ６１は、図１０に示すように、導電性を有する金属であって、探針部６６とＶ溝（螺旋溝）６３により形成した螺旋バネ６５とを有するブロック６２からなり、Ｖ溝６３は、Ｖ溝の頂点６４が内側面６７上に存し、螺旋バネ６５は、探針部６６を中心としてＶ溝の頂点６４を介し螺旋状に接触している。探針部６６が被測定物に接触・加圧して被測定物の電気信号を取り出す際、加圧方向と平行な垂直面６８は、傾斜端部６９と離れることなく傾斜端部６９上を摺動し、垂直面６８のＦ方向の長さを螺旋バネ６５のストロークとしてその接触を維持する。また、取り出された被測定物の電気信号は、螺旋バネ６５を螺旋状に流れることなく、互いに接触する螺旋バネ６５を通って加圧方向に直接流れるものである。
【０００５】
特許文献３は、被測定物表面に対する負荷を小さくすることを目的とする。
そのため、この接触プローブは、図１１に示すように、被測定物表面に当接する接触部７１を先端に有する測定子７０と、測定子７０の変位を検出する検出センサと、測定子７０の軸方向とは略直交して配置された弾性体のプレートであって測定子７０の基端側を支持する支持プレート７２と、測定子７０を変位させるスタイラス変位手段７３とを備える。スタイラス変位手段７３は、支持プレート７２に応力を付与してそれぞれの点における支持プレート７２の弾性変形量を変化させるアクチュエータ７３〜７６を備えている。
なおこの図で、７７は反射ミラー、７８は照明光学系、７９は光センサである。
【０００６】
また、形状測定プローブと同様に、試料表面の形状を得る装置として、探針と試料に作用する原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。原子間力顕微鏡は、図１２に示すように、探針８１が片持ちバネ８２（カンチレバー）の先端に取り付けられており、カンチレバー８２のたわみは、半導体レーザー８３をカンチレバー背面に照射し、反射したレーザー光を位置センサ８４で検出するようになっている。また、カンチレバー８２および試料８５の位置変更は、圧電アクチュエータ８６の圧電効果による変形を利用して制御している。
なおこの図で、８７はＸＹ駆動回路、８８はフィードバック回路、８９は制御装置である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３３６９２１号公報、「タッチ信号プローブ」
【特許文献２】特開２００３−２４８０１８号公報、「測定用プローブ、及び該測定用プローブの製造方法」
【特許文献３】特開２００７−２０５９９８号公報、「接触プローブおよび形状測定装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のタッチ信号プローブは、スタイラス５０が被測定物に接触すると磁気吸引力で可動部材５２が被測定物から離れる反付勢方向に移動して逃げ動作が行われるので、接触子の変位により被測定物の形状を測定する形状測定プローブとして用いることはできない。
【０００９】
特許文献２の測定用プローブは、探針部６６が被測定物に接触・加圧して被測定物の電気信号を取り出すことはできるが、探針部の変位を検出できないため、形状測定プローブとして用いることはできない。
【００１０】
特許文献３の接触プローブは、測定子７０の基端側が支持プレート７２に固定されているので測定子７０の変位抵抗が大きく、かつ測定子が３次元的に変位するので軸方向成分の検出が困難であり、測定子の許容変位量が小さいのでプローブのオーバーランにより測定子や支持プレートが損傷しやすい問題点があった。
また、一般的に従来の形状測定プローブは、最小検出力が大きく（例えば５０ｍｇｆ以上）、測定子先端を鋭くすると面圧が高すぎて被測定物に傷を付けるため、面粗さ等の微細な形状測定はできなかった。
【００１１】
一方、原子間力顕微鏡は、カンチレバー８２の押し付け力が原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）であり、測定子８１の先端を鋭くしても面圧が低いため、被測定物８５に傷を付けず、面粗さ等の微細な形状測定はできる特徴がある。
しかし、原子間力顕微鏡は、カンチレバー８２の許容ストロークが小さい（例えば２０μｍ以下）ため、被測定物８５の表面の起伏（うねり）が大きいと測定できない問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、（１）接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができ、（２）接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、（３）プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止でき、（４）接触子等の可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性が高い形状測定プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体と、
下端が被測定物の上面に接触する接触子と、該接触子から上方に鉛直に延びる円筒形の中間軸と、該中間軸の上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部とを有するスタイラスと、
前記プローブ本体の下端に取り付けられ、前記スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するスタイラスホルダと、
該スタイラスホルダの上面と前記鍔部の下面の間に挟持され、前記鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネと、
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部上面の変位を検出する位置検出センサと、を備えたことを特徴とする形状測定プローブが提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記自重軽減バネは、前記スタイラスホルダの上面に接触する外周部と、前記スタイラスの中間軸を通す中心穴を有し前記鍔部の下面に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる。
【００１５】
また前記自重軽減バネは、前記内周部と外周部の間に設けられ、その間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心の螺旋形貫通溝を有する。
【００１６】
また前記自重軽減バネは、内周部が外周部と同一高さに位置するときに接触子に作用する下向きの力がスタイラスの自重より小さい所定の力となるように、内周部が外周部に対し、スタイラスの軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている。
【００１７】
また、前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部の上方に所定の間隔を隔てて位置するスタイラスストッパを有する。
【００１８】
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、さらに、前記プローブ本体と前記鍔部の上面の間に挟持され、前記鍔部を下方に付勢する円板状の位置復帰バネを備え、
該位置復帰バネは前記プローブ本体に固定された外周部と、前記鍔部上面の中心部に相当する中心穴を有し前記鍔部上面の外周部に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明の構成によれば、プローブ本体の下端に取り付けられたスタイラスホルダにより、スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するので、位置検出センサ（例えばレーザーセンサ）により鍔部上面の変位からスタイラスの軸方向変位を精密に測定することができる。
【００２０】
また、スタイラスホルダの上面とスタイラスの鍔部下面の間に挟持された円板状の自重軽減バネにより、スタイラスの鍔部を上方に付勢するので、接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができる。
特に、本発明の好ましい実施形態によれば、前記鍔部の下面に接触する内周部は、同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部で上方に付勢されているので、スタイラスを鉛直方向にスムースに移動することができる。
【００２１】
また、スタイラスはスタイラスホルダにより鉛直方向に移動可能に案内されており、スタイラスストッパに上面が接触するまで１ｍｍ（１０００μｍ）以上自由に上昇でき、かつスタイラスに作用する軸力は自重以上にはならないので、接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止できる。
【００２２】
また、可動部分は、スタイラスと自重軽減バネのみであり、スタイラスの自重は任意に小さくでき（例えば１００ｍｇｆ以下）、自重軽減バネの可動部分は細い螺旋形バネ部（例えば幅０．２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）からなるので、可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２４】
図１は、本発明による第１実施形態の形状測定プローブの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。なお、図１（Ａ）（Ｂ）は、一部を断面で示している。
【００２５】
この図において、本発明の形状測定プローブは、プローブ本体１０、スタイラス１２、スタイラスホルダ１４、自重軽減バネ１６および位置検出センサ１８を備える。
【００２６】
プローブ本体１０は、例えば３次元的に移動可能な移動ヘッド（図示せず）に固定され、スタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚを鉛直に保持しながら被測定物（図示せず）の上面に沿って移動可能に構成されている。プローブ本体１０の３次元座標上の位置は、面粗さ等の微細な形状測定の精度より十分高い精度（例えば、分解能：０．１μｍ以下）で検出できるようになっている。
位置検出センサ１８は、この例では反射式のレーザーセンサであり、プローブ本体１０に取り付けられ、スタイラス１２の上面の変位を非接触で検出するようになっている。
なお位置検出センサ１８はレーザーセンサに限定されず、スタイラス１２の上面の変位を高精度（例えば、分解能：０．１μｍ以下）で検出できる限りで、その他の位置検出センサであってもよい。
【００２７】
図２は、図１（Ａ）のＡ部拡大図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
この図に示すように、スタイラス１２は、接触子１２ａ、中間軸１２ｂおよび鍔部１２ｃを有する。
接触子１２ａは、スタイラス１２の下端に設けられ、先端（下端）がテーパー状に細く形成され、下端が被測定物の上面に接触するようになっている。さらにこの例では、先端（下端）に直径０．２５ｍｍのルビー球（図示せず）が取り付けられている。
なお本発明はこの構成に限定されず、面粗さ等の微細な形状測定の場合には、先端（下端）の形状を直径２〜４μｍ以下に設定するのがよい。
【００２８】
中間軸１２ｂは、円筒形の棒状部材であり、接触子１２ａの上端から上方に鉛直に延びる。
鍔部１２ｃは、中間軸１２ｂの上端に設けられ、中間軸より最大径が大きく形成されている。鍔部１２ｃは、この例では円柱形状であり、その上面１３ａとその下面１３ｂはスタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚに直交する平面に形成されている。
【００２９】
さらにこの例において、鍔部１２ｃの上面１３ａは、鏡面に仕上げられ、或いはＤＬＣ，金、銀等が蒸着され、位置検出センサ１８（この例では反射式のレーザーセンサ）からのレーザーの反射率を高めている。
【００３０】
図２において、スタイラスホルダ１４は、中心に貫通ガイド穴１４ａを有する接頭円錐形部材であり、プローブ本体１０の下端にボルト１５ａ等で取り付けられ、貫通ガイド穴１４ａの内面でスタイラス１２の中間軸１２ｂを鉛直方向に移動可能に案内している。
貫通ガイド穴１４ａと中間軸１２ｂの隙間は、スタイラス１２がスムースに上下動できる限りで、小さく設定するのがよい。また、貫通ガイド穴１４ａと中間軸１２ｂの摺動抵抗を低減するために、一方又は両方の表面に潤滑性のあるコーティングをするのがよい。
【００３１】
また、この例において、本発明の形状測定プローブは、さらにスタイラスストッパ２０を有する。スタイラスストッパ２０は、プローブ本体１０のスタイラスホルダ１４より上部に取り付けられ、その下面２０ａが、鍔部１２ｃの上面１３ａから上方に所定の間隔を隔てて位置する。この所定の間隔は、プローブのオーバーラン（例えば０．１〜０．２ｍｍよりも十分大きく、例えば１ｍｍ以上に、設定するのがよい。
スタイラスストッパ２０は、この例では、位置検出センサ１８（反射式のレーザーセンサ）のレーザー光が通過する接頭円錐形の開口２０ｂと、スタイラスストッパ２０をボルト１５ｂでプローブ本体１０に固定するためのボルト穴２０ｃとを有する。
【００３２】
図３は、図２（Ｂ）の分解図である。この図において、自重軽減バネ１６は円板状のバネであり、スタイラスホルダ１４の上面とスタイラス１２の鍔部下面１３ｂの間に挟持され、鍔部１２ｃを上方に付勢する。
【００３３】
図４は、図３のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
図４（Ａ）に示すように、自重軽減バネ１６は、外周部１６ａ、内周部１６ｂおよび螺旋形バネ部１６ｃからなる一体の平板である。
【００３４】
外周部１６ａは、リング状平板であり、この例ではスタイラスホルダ１４の上面とプローブ本体１０の下端との間に挟持されて、スタイラスホルダ１４の上面に常時接触する。この外周部１６ａには、ボルト１５ａが貫通する貫通穴１７ａと図示しない位置決めピンが貫通する貫通穴１７ｂが設けられている。
内周部１６ｂは、外周部１６ａの内側に位置するリング状平板であり、スタイラス１２の中間軸１２ｂを通す中心穴１６ｄを有し、スタイラス１２の鍔部下面１３ｂに内縁部が接触する。
螺旋形バネ部１６ｃは、３条以上（この例では３条）の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形部材からなり、それぞれの内端が内周部１６ｂに一体的に連結され、中間部分が螺旋状に外方に延び、それぞれの外端が外周部１６ａに一体的に連結されている。
【００３５】
図４（Ｂ）の例において、３条の同心の螺旋形バネ部１６ｃは、互いに１２０°ずつ周方向にずらされている。また、この図において、太い螺旋部分１９は、３条の同心の螺旋形バネ部１６ｃの間に設けられた貫通溝である。すなわち、自重軽減バネ１６は、内周部１６ｂと外周部１６ａの間にその間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形貫通溝１９を有し、その溝の間が螺旋形バネ部１６ｃとなっている。
【００３６】
上述した自重軽減バネ１６は、平滑な金属板の表面にフォトレジストを塗布し、３条以上の同心の螺旋形貫通溝１７に相当するフォトマスクを重ねて露光し現像して螺旋形貫通溝１７に相当する箇所のみにフォトレジストを残し、金属板の表面にＮｉ，Ａｕ等の金属をメッキし、これを金属板の表面から分離することにより、精密に製造することができる。以下、この製法を「メッキ製法」と呼ぶ。
なお、本発明はこの製法に限定されず、所定の厚さの金属板に、フォトエッチング等により３条以上の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形貫通溝１７を形成してもよい。
【００３７】
さらにこの例において、自重軽減バネ１６は、内周部１６ｃが外周部１６ａに対し、スタイラス１２の軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている。このフォーミングは、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する下向きの力がスタイラス１２の自重より小さい所定の力となるように設定されている。なお、このフォーミングの際に、焼きなまし、焼入れを実施するのが好ましい。
【００３８】
例えば、スタイラス１２の自重が１７０ｍｇｆである場合、内周部１６ｃを外周部１６ａに対し、スタイラス１２の軸方向上方にオフセットさせて熱処理し、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する上向きの力が１４０ｍｇｆとなるように設定する。
この設定により、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重とバネ力の差の３０ｍｇｆとなる。
【実施例１】
【００３９】
図５は、実際に製作した第１実施形態の自重軽減バネの特性図である。この図において横軸は変位、縦軸は軸方向力であり、（Ａ）は最大変位約７０μｍまで、（Ｂ）は最大変位約３．５ｍｍまでを示している。また、各図において、図中の○は実験データである。
なお、変位は、図１の装置に組み込んだ状態で、接触子１２ａが被測定物と接触していない位置を０（原点）としている。また、軸方向力とは、接触子１２ａに作用する軸方向上向きの力である。
この自重軽減バネ１６は、上述したメッキ製法により、厚さ０．０４９ｍｍのＮｉで製作したものである。またこの例において、螺旋形バネ部１６ｃの外径は１０ｍｍ、螺旋形バネ部１６ｃの幅は０．２ｍｍ、螺旋形貫通溝１７の幅は０．２ｍｍであった。
【００４０】
図５（Ａ）（Ｂ）から、軸方向力ｙ［ｇｆ］は変位ｘ［ｍｍ］に対し、変位が０から約３．５ｍｍまでの範囲において正確に比例しており、式（１）の関係がある。すなわち、この範囲で自重軽減バネのバネ定数ｋは正確に一定値０．２７６２であった。
ｙ＝０．２７６２ｘ＋０．０３０４・・・（１）
【００４１】
また図５（Ａ）において、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、自重軽減バネ１６の内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するとき（図１の装置に組み込んだ状態）において、接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重とバネ力の差の３０ｍｇｆである。
次いで、被測定物の上面に接触子１２ａが接触し、自由位置からスタイラス１２が上方に変位すると、位置検出センサ１８により鍔部上面１３ａの変位が検出される。このとき接触子１２ａに作用する下向きの力は、３０ｍｇｆから変位量に比例して増加し、例えば所望の最大変位が５０μｍの場合、軸方向力は約４４ｍｇｆとなる。
さらに、所望の最大変位（例えば５０μｍ）を超えても、位置検出センサ１８により鍔部上面１３ａの変位を検出することができる。
【００４２】
なお、図５（Ｂ）から、約５００μｍに変位において、軸方向力が自重（例えば１７０ｍｇｆ）を超えるため、それ以上の変位では、接触子１２ａに作用する下向きの力は自重のみとなる。従って、約５００μｍの変位を超えても、変位検出はできるが接触子１２ａには自重以上の力が作用しないことがわかる。
【００４３】
上述した本発明の構成によれば、プローブ本体１０の下端に取り付けられたスタイラスホルダ１４により、スタイラス１２を鉛直方向に移動可能に案内するので、位置検出センサ１８（例えばレーザーセンサ）により鍔部上面１３ａの変位からスタイラス１２の軸方向変位を精密に測定することができる。
【００４４】
また、スタイラスホルダ１４の上面とスタイラス１２の鍔部下面１３ｂの間に挟持された円板状の自重軽減バネ１６により、スタイラス１２の鍔部１２ｃを上方に付勢するので、接触子１２ａの押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができる。
特に、上記実施形態によれば、鍔部１２ｃの下面１３ｂに接触する内周部１６ｂは、同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部１６ｃで上方に付勢されているので、スタイラス１２を鉛直方向にスムースに移動することができる。
【００４５】
また、スタイラス１２はスタイラスホルダ１４により鉛直方向に移動可能に案内されており、スタイラスストッパ２０に上面が接触するまで１ｍｍ（１０００μｍ）以上自由に上昇でき、かつスタイラス１２に作用する軸力は自重以上にはならないので、接触子１２ａの許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止できる。
【００４６】
また、可動部分は、スタイラス１２と自重軽減バネ１６のみであり、スタイラス１２の自重は任意に小さくでき（例えば１００ｍｇｆ以下）、自重軽減バネ１６の可動部分は細い螺旋形バネ部１６ｃ（例えば幅０．２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）からなるので、可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性を高くできる。
【００４７】
図６は、本発明による第２実施形態の形状測定プローブの要部拡大図である。
この例において、本発明の形状測定プローブは、さらに、プローブ本体１０と鍔部上面１３ａの間に挟持され、鍔部１２ｃを下方に付勢する円板状の位置復帰バネ２２を備える。
この位置復帰バネ２２は、上述した自重軽減バネ１６と実質的に同一形状であり、外周部、内周部、および螺旋形バネ部からなる。
位置復帰バネ２２の外周部は、自重軽減バネ１６の外周部と実質的に同一形状であるが、この例では、スタイラスストッパ２０とプローブ本体１０の間に挟持されてプローブ本体１０に固定される。
位置復帰バネ２２の内周部は、自重軽減バネ１６の内周部と実質的に同一形状であるが、この例では、位置検出センサ１８による検出面に相当する中心穴を有し、鍔部上面１３ａに接触する。
位置復帰バネ２２の螺旋形バネ部は、自重軽減バネ１６の螺旋形バネ部と実質的に同一形状であるが、この例では、内周部が外周部に対し、スタイラス１２の軸方向下方にオフセットしてフォーミングされている。
また、この例において、自重軽減バネ１６の内周部１６ｃの軸方向上方へのオフセット量は、第１実施形態より大きく、スタイラス１２の自重を支持した状態で、鍔部１２ｃは自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持された状態となる。
なお、自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２のバネ定数とオフセット量は、同一でも異なっていてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４８】
上述した構成により、図６において、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、鍔部１２ｃが自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持されて釣り合っているので、接触子１２ａに作用する下向きの力は、皆無（ゼロ）である。
次いで、被測定物の上面に接触子１２ａが接触し、自由位置からスタイラス１２が上方に変位すると、位置検出センサ１８により鍔部上面の変位が検出される。このとき接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重軽減バネ１６の伸びと位置復帰バネ２２の縮みで決まる軸方向力となる。従って、自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２のバネ定数とオフセット量の設定により、所望の測定範囲（例えば、最大変位５０μｍ）において、軸方向力の最大値を３０ｍｇｆ以下に設定することができる。
さらに、所望の最大変位を超えても、位置検出センサ１８により鍔部上面の変位を検出することができる。
【００４９】
図６の第２実施形態の形状測定プローブは、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、鍔部１２ｃが自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持されているので、スタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚを鉛直以外の向き（水平または斜め）にしても同様に使用することができる。
なお、第２実施形態の形状測定プローブでは、変位が大きくなると位置復帰バネ２２の復帰力が大きくなるが、その分、応答特性も高めることができる。
その他の効果は、第１実施形態と同様である。
【実施例２】
【００５０】
図７は、第２実施形態の自重軽減バネの平面図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
この自重軽減バネ１６は、上述したメッキ製法により、厚さ０．０４８ｍｍのＮｉで製作したものである。またこの例において、螺旋形バネ部１６ｃの外径は１０ｍｍ、螺旋形バネ部１６ｃの幅は０．３ｍｍ、螺旋形貫通溝１７の幅は０．０５ｍｍであった。
その他の構成は、第１実施形態の自重軽減バネと同様である。
【００５１】
図８は、第２実施形態の自重軽減バネの特性図である。この図において横軸は変位、縦軸は軸方向力であり、（Ａ）は最大変位約５５μｍまで、（Ｂ）は最大変位約５．５ｍｍまでを示している。また、各図において、図中の○は実験データである。
なお、変位は、図１の装置に組み込んだ状態で、接触子１２ａが被測定物と接触していない位置を０（原点）としている。また、軸方向力とは、接触子１２ａに作用する軸方向上向きの力である。
図８（Ａ）（Ｂ）から、軸方向力ｙ［ｇｆ］は変位ｘ［ｍｍ］に対し、変位が０から約５．５ｍｍまでの範囲において正確に比例しており、式（１）の関係がある。すなわち、この範囲で自重軽減バネのバネ定数ｋは正確に一定値０．２１４９であった。
ｙ＝０．２１４９ｘ＋０．０３４３・・・（１）
その他の構成および効果は、第１実施形態と同様である。
【００５２】
なお、自重軽減バネ１６の構成は、上述した実施形態に限定されず、螺旋形バネ部の条数が３以上である限りで、螺旋形バネ部１６ｃの外径、螺旋形バネ部１６ｃの幅、および螺旋形貫通溝１７の幅を自由に設定することができる。
従って、この設定により自重軽減バネのバネ定数ｋを上述した実施形態より小さい値（例えば、０．１以下）に設定することができる。
また、変位ｘ［ｍｍ］が０のときの軸方向力ｙ［ｇｆ］は、上述した実施形態では、図１の装置に組み込んだ状態で、３０ｍｇｆを目標として製作したが、上述したフォーミングによりこの値を任意の値（例えば、０ｍｇｆ）に設定することもできる。
【００５３】
上述したように、本発明の形状測定プローブは、（１）接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができ、（２）接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、（３）プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止でき、（４）接触子等の可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性が高い、等の優れた効果が得られる。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による第１実施形態の形状測定プローブの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図２】図１（Ａ）のＡ部拡大図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図３】図２（Ｂ）の分解図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図５】第１実施形態の自重軽減バネの特性図である。
【図６】本発明による第２実施形態の形状測定プローブの要部拡大図である。
【図７】第２実施形態の自重軽減バネの平面図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図８】第２実施形態の自重軽減バネの特性図である。
【図９】特許文献１のタッチ信号プローブの模式図である。
【図１０】特許文献２の測定用プローブの模式図である。
【図１１】特許文献３の接触プローブの模式図である。
【図１２】原子間力顕微鏡の模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ プローブ本体、１２ スタイラス、
１２ａ 接触子、１２ｂ 中間軸、１２ｃ 鍔部、
１３ａ 上面、１３ｂ 下面、
１４ スタイラスホルダ、１４ａ 貫通ガイド穴、
１５ａ、１５ｂ ボルト、
１６ 自重軽減バネ、
１６ａ 外周部、１６ｂ 内周部、１６ｃ 螺旋形バネ部、
１７ａ，１７ｂ 貫通穴、
１８ 位置検出センサ（レーザーセンサ）、
１９ 螺旋形貫通溝、２０ スタイラスストッパ、
２０ａ 下面、２０ｂ 開口、２０ｃ ボルト穴、
２２ 位置復帰バネ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触子の変位により被測定物の形状を測定する形状測定プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
形状測定プローブは、被測定物に接触する接触子を有し、接触子の変位により被測定物の形状を測定する装置である。
かかる形状測定プローブとして、従来から種々の構造のものが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
特許文献１は、被測定物および接触検知部の損傷を従来に比べて非常に小さくすることを目的とする。
そのため、このタッチ信号プローブは、図９に示すように、保持部材５１に相対移動可能に保持された可動部材５２をスタイラス５０側に付勢するコイルばね５３と、反付勢方向に移動させる励磁コイル５４、固定ヨーク５５、アーマチャ５６とを設ける。スタイラス５０が被測定物に接触すると信号処理部５７、駆動制御部５８により励磁コイル５５に電流が供給され、その磁気吸引力で可動部材５２は被測定物から離れる反付勢方向に移動して逃げ動作が行われる。これにより、接触検知部と被測定物とが接触している時間は非常に短くなり、接触による損傷が軽減されるものである。
なおこの図で、５９は制御装置、６０は駆動装置である。
【０００４】
特許文献２は、電気信号の減衰を防止すると共に、安定した電気信号を取り出し、さらに小形化することを目的とする。
そのため、この測定用プローブ６１は、図１０に示すように、導電性を有する金属であって、探針部６６とＶ溝（螺旋溝）６３により形成した螺旋バネ６５とを有するブロック６２からなり、Ｖ溝６３は、Ｖ溝の頂点６４が内側面６７上に存し、螺旋バネ６５は、探針部６６を中心としてＶ溝の頂点６４を介し螺旋状に接触している。探針部６６が被測定物に接触・加圧して被測定物の電気信号を取り出す際、加圧方向と平行な垂直面６８は、傾斜端部６９と離れることなく傾斜端部６９上を摺動し、垂直面６８のＦ方向の長さを螺旋バネ６５のストロークとしてその接触を維持する。また、取り出された被測定物の電気信号は、螺旋バネ６５を螺旋状に流れることなく、互いに接触する螺旋バネ６５を通って加圧方向に直接流れるものである。
【０００５】
特許文献３は、被測定物表面に対する負荷を小さくすることを目的とする。
そのため、この接触プローブは、図１１に示すように、被測定物表面に当接する接触部７１を先端に有する測定子７０と、測定子７０の変位を検出する検出センサと、測定子７０の軸方向とは略直交して配置された弾性体のプレートであって測定子７０の基端側を支持する支持プレート７２と、測定子７０を変位させるスタイラス変位手段７３とを備える。スタイラス変位手段７３は、支持プレート７２に応力を付与してそれぞれの点における支持プレート７２の弾性変形量を変化させるアクチュエータ７３〜７６を備えている。
なおこの図で、７７は反射ミラー、７８は照明光学系、７９は光センサである。
【０００６】
また、形状測定プローブと同様に、試料表面の形状を得る装置として、探針と試料に作用する原子間力を検出する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。原子間力顕微鏡は、図１２に示すように、探針８１が片持ちバネ８２（カンチレバー）の先端に取り付けられており、カンチレバー８２のたわみは、半導体レーザー８３をカンチレバー背面に照射し、反射したレーザー光を位置センサ８４で検出するようになっている。また、カンチレバー８２および試料８５の位置変更は、圧電アクチュエータ８６の圧電効果による変形を利用して制御している。
なおこの図で、８７はＸＹ駆動回路、８８はフィードバック回路、８９は制御装置である。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３３６９２１号公報、「タッチ信号プローブ」
【特許文献２】特開２００３−２４８０１８号公報、「測定用プローブ、及び該測定用プローブの製造方法」
【特許文献３】特開２００７−２０５９９８号公報、「接触プローブおよび形状測定装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のタッチ信号プローブは、スタイラス５０が被測定物に接触すると磁気吸引力で可動部材５２が被測定物から離れる反付勢方向に移動して逃げ動作が行われるので、接触子の変位により被測定物の形状を測定する形状測定プローブとして用いることはできない。
【０００９】
特許文献２の測定用プローブは、探針部６６が被測定物に接触・加圧して被測定物の電気信号を取り出すことはできるが、探針部の変位を検出できないため、形状測定プローブとして用いることはできない。
【００１０】
特許文献３の接触プローブは、測定子７０の基端側が支持プレート７２に固定されているので測定子７０の変位抵抗が大きく、かつ測定子が３次元的に変位するので軸方向成分の検出が困難であり、測定子の許容変位量が小さいのでプローブのオーバーランにより測定子や支持プレートが損傷しやすい問題点があった。
また、一般的に従来の形状測定プローブは、最小検出力が大きく（例えば５０ｍｇｆ以上）、測定子先端を鋭くすると面圧が高すぎて被測定物に傷を付けるため、面粗さ等の微細な形状測定はできなかった。
【００１１】
一方、原子間力顕微鏡は、カンチレバー８２の押し付け力が原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）であり、測定子８１の先端を鋭くしても面圧が低いため、被測定物８５に傷を付けず、面粗さ等の微細な形状測定はできる特徴がある。
しかし、原子間力顕微鏡は、カンチレバー８２の許容ストロークが小さい（例えば２０μｍ以下）ため、被測定物８５の表面の起伏（うねり）が大きいと測定できない問題点があった。
【００１２】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、（１）接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができ、（２）接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、（３）プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止でき、（４）接触子等の可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性が高い形状測定プローブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体と、
下端が被測定物の上面に接触する接触子と、該接触子から上方に鉛直に延びる円筒形の中間軸と、該中間軸の上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部とを有するスタイラスと、
前記プローブ本体の下端に取り付けられ、前記スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するスタイラスホルダと、
該スタイラスホルダの上面と前記鍔部の下面の間に挟持され、前記鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネと、
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部上面の変位を検出する位置検出センサと、を備えたことを特徴とする形状測定プローブが提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記自重軽減バネは、前記スタイラスホルダの上面に接触する外周部と、前記スタイラスの中間軸を通す中心穴を有し前記鍔部の下面に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる。
【００１５】
また前記自重軽減バネは、前記内周部と外周部の間に設けられ、その間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心の螺旋形貫通溝を有する。
【００１６】
また前記自重軽減バネは、内周部が外周部と同一高さに位置するときに接触子に作用する下向きの力がスタイラスの自重より小さい所定の力となるように、内周部が外周部に対し、スタイラスの軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている。
【００１７】
また、前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部の上方に所定の間隔を隔てて位置するスタイラスストッパを有する。
【００１８】
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、さらに、前記プローブ本体と前記鍔部の上面の間に挟持され、前記鍔部を下方に付勢する円板状の位置復帰バネを備え、
該位置復帰バネは前記プローブ本体に固定された外周部と、前記鍔部上面の中心部に相当する中心穴を有し前記鍔部上面の外周部に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる。
【発明の効果】
【００１９】
上記本発明の構成によれば、プローブ本体の下端に取り付けられたスタイラスホルダにより、スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するので、位置検出センサ（例えばレーザーセンサ）により鍔部上面の変位からスタイラスの軸方向変位を精密に測定することができる。
【００２０】
また、スタイラスホルダの上面とスタイラスの鍔部下面の間に挟持された円板状の自重軽減バネにより、スタイラスの鍔部を上方に付勢するので、接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができる。
特に、本発明の好ましい実施形態によれば、前記鍔部の下面に接触する内周部は、同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部で上方に付勢されているので、スタイラスを鉛直方向にスムースに移動することができる。
【００２１】
また、スタイラスはスタイラスホルダにより鉛直方向に移動可能に案内されており、スタイラスストッパに上面が接触するまで１ｍｍ（１０００μｍ）以上自由に上昇でき、かつスタイラスに作用する軸力は自重以上にはならないので、接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止できる。
【００２２】
また、可動部分は、スタイラスと自重軽減バネのみであり、スタイラスの自重は任意に小さくでき（例えば１００ｍｇｆ以下）、自重軽減バネの可動部分は細い螺旋形バネ部（例えば幅０．２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）からなるので、可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性を高くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２４】
図１は、本発明による第１実施形態の形状測定プローブの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。なお、図１（Ａ）（Ｂ）は、一部を断面で示している。
【００２５】
この図において、本発明の形状測定プローブは、プローブ本体１０、スタイラス１２、スタイラスホルダ１４、自重軽減バネ１６および位置検出センサ１８を備える。
【００２６】
プローブ本体１０は、例えば３次元的に移動可能な移動ヘッド（図示せず）に固定され、スタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚを鉛直に保持しながら被測定物（図示せず）の上面に沿って移動可能に構成されている。プローブ本体１０の３次元座標上の位置は、面粗さ等の微細な形状測定の精度より十分高い精度（例えば、分解能：０．１μｍ以下）で検出できるようになっている。
位置検出センサ１８は、この例では反射式のレーザーセンサであり、プローブ本体１０に取り付けられ、スタイラス１２の上面の変位を非接触で検出するようになっている。
なお位置検出センサ１８はレーザーセンサに限定されず、スタイラス１２の上面の変位を高精度（例えば、分解能：０．１μｍ以下）で検出できる限りで、その他の位置検出センサであってもよい。
【００２７】
図２は、図１（Ａ）のＡ部拡大図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
この図に示すように、スタイラス１２は、接触子１２ａ、中間軸１２ｂおよび鍔部１２ｃを有する。
接触子１２ａは、スタイラス１２の下端に設けられ、先端（下端）がテーパー状に細く形成され、下端が被測定物の上面に接触するようになっている。さらにこの例では、先端（下端）に直径０．２５ｍｍのルビー球（図示せず）が取り付けられている。
なお本発明はこの構成に限定されず、面粗さ等の微細な形状測定の場合には、先端（下端）の形状を直径２〜４μｍ以下に設定するのがよい。
【００２８】
中間軸１２ｂは、円筒形の棒状部材であり、接触子１２ａの上端から上方に鉛直に延びる。
鍔部１２ｃは、中間軸１２ｂの上端に設けられ、中間軸より最大径が大きく形成されている。鍔部１２ｃは、この例では円柱形状であり、その上面１３ａとその下面１３ｂはスタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚに直交する平面に形成されている。
【００２９】
さらにこの例において、鍔部１２ｃの上面１３ａは、鏡面に仕上げられ、或いはＤＬＣ，金、銀等が蒸着され、位置検出センサ１８（この例では反射式のレーザーセンサ）からのレーザーの反射率を高めている。
【００３０】
図２において、スタイラスホルダ１４は、中心に貫通ガイド穴１４ａを有する接頭円錐形部材であり、プローブ本体１０の下端にボルト１５ａ等で取り付けられ、貫通ガイド穴１４ａの内面でスタイラス１２の中間軸１２ｂを鉛直方向に移動可能に案内している。
貫通ガイド穴１４ａと中間軸１２ｂの隙間は、スタイラス１２がスムースに上下動できる限りで、小さく設定するのがよい。また、貫通ガイド穴１４ａと中間軸１２ｂの摺動抵抗を低減するために、一方又は両方の表面に潤滑性のあるコーティングをするのがよい。
【００３１】
また、この例において、本発明の形状測定プローブは、さらにスタイラスストッパ２０を有する。スタイラスストッパ２０は、プローブ本体１０のスタイラスホルダ１４より上部に取り付けられ、その下面２０ａが、鍔部１２ｃの上面１３ａから上方に所定の間隔を隔てて位置する。この所定の間隔は、プローブのオーバーラン（例えば０．１〜０．２ｍｍよりも十分大きく、例えば１ｍｍ以上に、設定するのがよい。
スタイラスストッパ２０は、この例では、位置検出センサ１８（反射式のレーザーセンサ）のレーザー光が通過する接頭円錐形の開口２０ｂと、スタイラスストッパ２０をボルト１５ｂでプローブ本体１０に固定するためのボルト穴２０ｃとを有する。
【００３２】
図３は、図２（Ｂ）の分解図である。この図において、自重軽減バネ１６は円板状のバネであり、スタイラスホルダ１４の上面とスタイラス１２の鍔部下面１３ｂの間に挟持され、鍔部１２ｃを上方に付勢する。
【００３３】
図４は、図３のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
図４（Ａ）に示すように、自重軽減バネ１６は、外周部１６ａ、内周部１６ｂおよび螺旋形バネ部１６ｃからなる一体の平板である。
【００３４】
外周部１６ａは、リング状平板であり、この例ではスタイラスホルダ１４の上面とプローブ本体１０の下端との間に挟持されて、スタイラスホルダ１４の上面に常時接触する。この外周部１６ａには、ボルト１５ａが貫通する貫通穴１７ａと図示しない位置決めピンが貫通する貫通穴１７ｂが設けられている。
内周部１６ｂは、外周部１６ａの内側に位置するリング状平板であり、スタイラス１２の中間軸１２ｂを通す中心穴１６ｄを有し、スタイラス１２の鍔部下面１３ｂに内縁部が接触する。
螺旋形バネ部１６ｃは、３条以上（この例では３条）の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形部材からなり、それぞれの内端が内周部１６ｂに一体的に連結され、中間部分が螺旋状に外方に延び、それぞれの外端が外周部１６ａに一体的に連結されている。
【００３５】
図４（Ｂ）の例において、３条の同心の螺旋形バネ部１６ｃは、互いに１２０°ずつ周方向にずらされている。また、この図において、太い螺旋部分１９は、３条の同心の螺旋形バネ部１６ｃの間に設けられた貫通溝である。すなわち、自重軽減バネ１６は、内周部１６ｂと外周部１６ａの間にその間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形貫通溝１９を有し、その溝の間が螺旋形バネ部１６ｃとなっている。
【００３６】
上述した自重軽減バネ１６は、平滑な金属板の表面にフォトレジストを塗布し、３条以上の同心の螺旋形貫通溝１７に相当するフォトマスクを重ねて露光し現像して螺旋形貫通溝１７に相当する箇所のみにフォトレジストを残し、金属板の表面にＮｉ，Ａｕ等の金属をメッキし、これを金属板の表面から分離することにより、精密に製造することができる。以下、この製法を「メッキ製法」と呼ぶ。
なお、本発明はこの製法に限定されず、所定の厚さの金属板に、フォトエッチング等により３条以上の同心かつ周方向に等間隔の螺旋形貫通溝１７を形成してもよい。
【００３７】
さらにこの例において、自重軽減バネ１６は、内周部１６ｃが外周部１６ａに対し、スタイラス１２の軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている。このフォーミングは、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する下向きの力がスタイラス１２の自重より小さい所定の力となるように設定されている。なお、このフォーミングの際に、焼きなまし、焼入れを実施するのが好ましい。
【００３８】
例えば、スタイラス１２の自重が１７０ｍｇｆである場合、内周部１６ｃを外周部１６ａに対し、スタイラス１２の軸方向上方にオフセットさせて熱処理し、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する上向きの力が１４０ｍｇｆとなるように設定する。
この設定により、内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するときに、接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重とバネ力の差の３０ｍｇｆとなる。
【実施例１】
【００３９】
図５は、実際に製作した第１実施形態の自重軽減バネの特性図である。この図において横軸は変位、縦軸は軸方向力であり、（Ａ）は最大変位約７０μｍまで、（Ｂ）は最大変位約３．５ｍｍまでを示している。また、各図において、図中の○は実験データである。
なお、変位は、図１の装置に組み込んだ状態で、接触子１２ａが被測定物と接触していない位置を０（原点）としている。また、軸方向力とは、接触子１２ａに作用する軸方向上向きの力である。
この自重軽減バネ１６は、上述したメッキ製法により、厚さ０．０４９ｍｍのＮｉで製作したものである。またこの例において、螺旋形バネ部１６ｃの外径は１０ｍｍ、螺旋形バネ部１６ｃの幅は０．２ｍｍ、螺旋形貫通溝１７の幅は０．２ｍｍであった。
【００４０】
図５（Ａ）（Ｂ）から、軸方向力ｙ［ｇｆ］は変位ｘ［ｍｍ］に対し、変位が０から約３．５ｍｍまでの範囲において正確に比例しており、式（１）の関係がある。すなわち、この範囲で自重軽減バネのバネ定数ｋは正確に一定値０．２７６２であった。
ｙ＝０．２７６２ｘ＋０．０３０４・・・（１）
【００４１】
また図５（Ａ）において、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、自重軽減バネ１６の内周部１６ｃが外周部１６ａと同一高さに位置するとき（図１の装置に組み込んだ状態）において、接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重とバネ力の差の３０ｍｇｆである。
次いで、被測定物の上面に接触子１２ａが接触し、自由位置からスタイラス１２が上方に変位すると、位置検出センサ１８により鍔部上面１３ａの変位が検出される。このとき接触子１２ａに作用する下向きの力は、３０ｍｇｆから変位量に比例して増加し、例えば所望の最大変位が５０μｍの場合、軸方向力は約４４ｍｇｆとなる。
さらに、所望の最大変位（例えば５０μｍ）を超えても、位置検出センサ１８により鍔部上面１３ａの変位を検出することができる。
【００４２】
なお、図５（Ｂ）から、約５００μｍに変位において、軸方向力が自重（例えば１７０ｍｇｆ）を超えるため、それ以上の変位では、接触子１２ａに作用する下向きの力は自重のみとなる。従って、約５００μｍの変位を超えても、変位検出はできるが接触子１２ａには自重以上の力が作用しないことがわかる。
【００４３】
上述した本発明の構成によれば、プローブ本体１０の下端に取り付けられたスタイラスホルダ１４により、スタイラス１２を鉛直方向に移動可能に案内するので、位置検出センサ１８（例えばレーザーセンサ）により鍔部上面１３ａの変位からスタイラス１２の軸方向変位を精密に測定することができる。
【００４４】
また、スタイラスホルダ１４の上面とスタイラス１２の鍔部下面１３ｂの間に挟持された円板状の自重軽減バネ１６により、スタイラス１２の鍔部１２ｃを上方に付勢するので、接触子１２ａの押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができる。
特に、上記実施形態によれば、鍔部１２ｃの下面１３ｂに接触する内周部１６ｂは、同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部１６ｃで上方に付勢されているので、スタイラス１２を鉛直方向にスムースに移動することができる。
【００４５】
また、スタイラス１２はスタイラスホルダ１４により鉛直方向に移動可能に案内されており、スタイラスストッパ２０に上面が接触するまで１ｍｍ（１０００μｍ）以上自由に上昇でき、かつスタイラス１２に作用する軸力は自重以上にはならないので、接触子１２ａの許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止できる。
【００４６】
また、可動部分は、スタイラス１２と自重軽減バネ１６のみであり、スタイラス１２の自重は任意に小さくでき（例えば１００ｍｇｆ以下）、自重軽減バネ１６の可動部分は細い螺旋形バネ部１６ｃ（例えば幅０．２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）からなるので、可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性を高くできる。
【００４７】
図６は、本発明による第２実施形態の形状測定プローブの要部拡大図である。
この例において、本発明の形状測定プローブは、さらに、プローブ本体１０と鍔部上面１３ａの間に挟持され、鍔部１２ｃを下方に付勢する円板状の位置復帰バネ２２を備える。
この位置復帰バネ２２は、上述した自重軽減バネ１６と実質的に同一形状であり、外周部、内周部、および螺旋形バネ部からなる。
位置復帰バネ２２の外周部は、自重軽減バネ１６の外周部と実質的に同一形状であるが、この例では、スタイラスストッパ２０とプローブ本体１０の間に挟持されてプローブ本体１０に固定される。
位置復帰バネ２２の内周部は、自重軽減バネ１６の内周部と実質的に同一形状であるが、この例では、位置検出センサ１８による検出面に相当する中心穴を有し、鍔部上面１３ａに接触する。
位置復帰バネ２２の螺旋形バネ部は、自重軽減バネ１６の螺旋形バネ部と実質的に同一形状であるが、この例では、内周部が外周部に対し、スタイラス１２の軸方向下方にオフセットしてフォーミングされている。
また、この例において、自重軽減バネ１６の内周部１６ｃの軸方向上方へのオフセット量は、第１実施形態より大きく、スタイラス１２の自重を支持した状態で、鍔部１２ｃは自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持された状態となる。
なお、自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２のバネ定数とオフセット量は、同一でも異なっていてもよい。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４８】
上述した構成により、図６において、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、鍔部１２ｃが自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持されて釣り合っているので、接触子１２ａに作用する下向きの力は、皆無（ゼロ）である。
次いで、被測定物の上面に接触子１２ａが接触し、自由位置からスタイラス１２が上方に変位すると、位置検出センサ１８により鍔部上面の変位が検出される。このとき接触子１２ａに作用する下向きの力は、自重軽減バネ１６の伸びと位置復帰バネ２２の縮みで決まる軸方向力となる。従って、自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２のバネ定数とオフセット量の設定により、所望の測定範囲（例えば、最大変位５０μｍ）において、軸方向力の最大値を３０ｍｇｆ以下に設定することができる。
さらに、所望の最大変位を超えても、位置検出センサ１８により鍔部上面の変位を検出することができる。
【００４９】
図６の第２実施形態の形状測定プローブは、接触子１２ａが被測定物と接触しない自由位置において、鍔部１２ｃが自重軽減バネ１６と位置復帰バネ２２の間に挟持されているので、スタイラス１２の軸線Ｚ−Ｚを鉛直以外の向き（水平または斜め）にしても同様に使用することができる。
なお、第２実施形態の形状測定プローブでは、変位が大きくなると位置復帰バネ２２の復帰力が大きくなるが、その分、応答特性も高めることができる。
その他の効果は、第１実施形態と同様である。
【実施例２】
【００５０】
図７は、第２実施形態の自重軽減バネの平面図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
この自重軽減バネ１６は、上述したメッキ製法により、厚さ０．０４８ｍｍのＮｉで製作したものである。またこの例において、螺旋形バネ部１６ｃの外径は１０ｍｍ、螺旋形バネ部１６ｃの幅は０．３ｍｍ、螺旋形貫通溝１７の幅は０．０５ｍｍであった。
その他の構成は、第１実施形態の自重軽減バネと同様である。
【００５１】
図８は、第２実施形態の自重軽減バネの特性図である。この図において横軸は変位、縦軸は軸方向力であり、（Ａ）は最大変位約５５μｍまで、（Ｂ）は最大変位約５．５ｍｍまでを示している。また、各図において、図中の○は実験データである。
なお、変位は、図１の装置に組み込んだ状態で、接触子１２ａが被測定物と接触していない位置を０（原点）としている。また、軸方向力とは、接触子１２ａに作用する軸方向上向きの力である。
図８（Ａ）（Ｂ）から、軸方向力ｙ［ｇｆ］は変位ｘ［ｍｍ］に対し、変位が０から約５．５ｍｍまでの範囲において正確に比例しており、式（１）の関係がある。すなわち、この範囲で自重軽減バネのバネ定数ｋは正確に一定値０．２１４９であった。
ｙ＝０．２１４９ｘ＋０．０３４３・・・（１）
その他の構成および効果は、第１実施形態と同様である。
【００５２】
なお、自重軽減バネ１６の構成は、上述した実施形態に限定されず、螺旋形バネ部の条数が３以上である限りで、螺旋形バネ部１６ｃの外径、螺旋形バネ部１６ｃの幅、および螺旋形貫通溝１７の幅を自由に設定することができる。
従って、この設定により自重軽減バネのバネ定数ｋを上述した実施形態より小さい値（例えば、０．１以下）に設定することができる。
また、変位ｘ［ｍｍ］が０のときの軸方向力ｙ［ｇｆ］は、上述した実施形態では、図１の装置に組み込んだ状態で、３０ｍｇｆを目標として製作したが、上述したフォーミングによりこの値を任意の値（例えば、０ｍｇｆ）に設定することもできる。
【００５３】
上述したように、本発明の形状測定プローブは、（１）接触子の押し付け力を原子間力に相当する微小力（例えば３０ｍｇｆ以下）に設定でき、これにより被測定物の傷を防止し、面粗さ等の微細な形状測定ができ、（２）接触子の許容ストロークが大きく、測定面のうねりに追従でき、（３）プローブのオーバーランによる接触子等の損傷を防止でき、（４）接触子等の可動部分の重量が微小であり高速測定に対する追従性が高い、等の優れた効果が得られる。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による第１実施形態の形状測定プローブの正面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である。
【図２】図１（Ａ）のＡ部拡大図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図３】図２（Ｂ）の分解図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図５】第１実施形態の自重軽減バネの特性図である。
【図６】本発明による第２実施形態の形状測定プローブの要部拡大図である。
【図７】第２実施形態の自重軽減バネの平面図（Ａ）とその要部拡大図（Ｂ）である。
【図８】第２実施形態の自重軽減バネの特性図である。
【図９】特許文献１のタッチ信号プローブの模式図である。
【図１０】特許文献２の測定用プローブの模式図である。
【図１１】特許文献３の接触プローブの模式図である。
【図１２】原子間力顕微鏡の模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ プローブ本体、１２ スタイラス、
１２ａ 接触子、１２ｂ 中間軸、１２ｃ 鍔部、
１３ａ 上面、１３ｂ 下面、
１４ スタイラスホルダ、１４ａ 貫通ガイド穴、
１５ａ、１５ｂ ボルト、
１６ 自重軽減バネ、
１６ａ 外周部、１６ｂ 内周部、１６ｃ 螺旋形バネ部、
１７ａ，１７ｂ 貫通穴、
１８ 位置検出センサ（レーザーセンサ）、
１９ 螺旋形貫通溝、２０ スタイラスストッパ、
２０ａ 下面、２０ｂ 開口、２０ｃ ボルト穴、
２２ 位置復帰バネ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体と、
下端が被測定物の上面に接触する接触子と、該接触子から上方に鉛直に延びる円筒形の中間軸と、該中間軸の上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部とを有するスタイラスと、
前記プローブ本体の下端に取り付けられ、前記スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するスタイラスホルダと、
該スタイラスホルダの上面と前記鍔部の下面の間に挟持され、前記鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネと、
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部上面の変位を検出する位置検出センサと、を備えたことを特徴とする形状測定プローブ。
【請求項２】
前記自重軽減バネは、前記スタイラスホルダの上面に接触する外周部と、前記スタイラスの中間軸を通す中心穴を有し前記鍔部の下面に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項３】
前記自重軽減バネは、前記内周部と外周部の間に設けられ、その間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心の螺旋形貫通溝を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定プローブ。
【請求項４】
前記自重軽減バネは、内周部が外周部と同一高さに位置するときに接触子に作用する下向きの力がスタイラスの自重より小さい所定の力となるように、内周部が外周部に対し、スタイラスの軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項５】
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部の上方に所定の間隔を隔てて位置するスタイラスストッパを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項６】
さらに、前記プローブ本体と前記鍔部の上面の間に挟持され、前記鍔部を下方に付勢する円板状の位置復帰バネを備え、
該位置復帰バネは前記プローブ本体に固定された外周部と、前記鍔部上面の中心部に相当する中心穴を有し前記鍔部上面の外周部に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項１】
被測定物の上面に沿って移動可能なプローブ本体と、
下端が被測定物の上面に接触する接触子と、該接触子から上方に鉛直に延びる円筒形の中間軸と、該中間軸の上端に設けられ中間軸より最大径が大きい鍔部とを有するスタイラスと、
前記プローブ本体の下端に取り付けられ、前記スタイラスを鉛直方向に移動可能に案内するスタイラスホルダと、
該スタイラスホルダの上面と前記鍔部の下面の間に挟持され、前記鍔部を上方に付勢する円板状の自重軽減バネと、
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部上面の変位を検出する位置検出センサと、を備えたことを特徴とする形状測定プローブ。
【請求項２】
前記自重軽減バネは、前記スタイラスホルダの上面に接触する外周部と、前記スタイラスの中間軸を通す中心穴を有し前記鍔部の下面に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項３】
前記自重軽減バネは、前記内周部と外周部の間に設けられ、その間を螺旋状に外方に延びる３条以上の同心の螺旋形貫通溝を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定プローブ。
【請求項４】
前記自重軽減バネは、内周部が外周部と同一高さに位置するときに接触子に作用する下向きの力がスタイラスの自重より小さい所定の力となるように、内周部が外周部に対し、スタイラスの軸方向上方にオフセットしてフォーミングされている、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項５】
前記プローブ本体に取り付けられ、前記鍔部の上方に所定の間隔を隔てて位置するスタイラスストッパを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【請求項６】
さらに、前記プローブ本体と前記鍔部の上面の間に挟持され、前記鍔部を下方に付勢する円板状の位置復帰バネを備え、
該位置復帰バネは前記プローブ本体に固定された外周部と、前記鍔部上面の中心部に相当する中心穴を有し前記鍔部上面の外周部に接触する内周部と、内端が内周部に一体的に連結され螺旋状に外方に延び外端が外周部に一体的に連結された同心かつ周方向に等間隔の３条以上の螺旋形バネ部とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定プローブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１０７３４６（Ｐ２０１０−１０７３４６Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７９３９７（Ｐ２００８−２７９３９７）
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（５０１３４８９５５）株式会社アドバンストシステムズジャパン (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（５０１３４８９５５）株式会社アドバンストシステムズジャパン (56)
【Ｆターム（参考）】
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