接触式変位センサ
【課題】スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる接触式変位センサを提供する。
【解決手段】被測定物１００の変位を感知する接触式変位センサ１は、被測定物１００に対して進退可能に取り付けられる可動軸３と、可動軸３の先端に取り付けられ、被測定物１００の表面を走査されるスタイラス４と、スタイラス４と可動軸３との間に取り付けられる振動子５とを備え、振動子５は、振動子５のばね定数、振動子５とスタイラス４の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、振動子５と可動軸３の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、振動子５の等価質量、可動軸３の質量、及びスタイラス４の質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、スタイラス４は所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ可動軸３はほとんど振動しないことを特徴とする。
【解決手段】被測定物１００の変位を感知する接触式変位センサ１は、被測定物１００に対して進退可能に取り付けられる可動軸３と、可動軸３の先端に取り付けられ、被測定物１００の表面を走査されるスタイラス４と、スタイラス４と可動軸３との間に取り付けられる振動子５とを備え、振動子５は、振動子５のばね定数、振動子５とスタイラス４の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、振動子５と可動軸３の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、振動子５の等価質量、可動軸３の質量、及びスタイラス４の質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、スタイラス４は所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ可動軸３はほとんど振動しないことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定等に用いられる接触式変位センサ、より詳しくは、振動子を有するスタイラスが取り付けられて走査法で形状測定を行う接触式変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
接触式変位センサによる測定は、細いスタイラスを使用し、その先端と測定対象の測定面とを接触させ、測定面に追従させることによって形状を測定するものである。接触式変位センサによる形状測定は、外乱に強く、真空等の特別な条件を必要とせず、測定対象に油等が付着していても高い精度の測定が可能なため、産業分野において重要な手段となっている。また、接触式変位センサは光を使った顕微鏡等では、光が散乱してしまうことにより測定できないような急角度の傾斜を有する形状も測定できるといった特徴を持つ。
【０００３】
接触式変位センサを用いた測定法には点測定法と走査法がある。点測定法は、接触式変位センサをある測定点で測定対象に接触させ、その位置を測定した後、一度測定対象から離間させ、次の測定点に移動する方法である。点測定法による形状測定を行う装置としては、例えば特許文献１に記載の装置が知られている。
【特許文献１】特開２００７−３０９６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような点測定法の装置による測定は、測定時間が長いという問題がある。
これに対し、走査法は、接触式変位センサと測定対象とが接触したままその形状を測定する方法であるため、点測定法に比べ測定時間は短くなるものの、スタイラスと測定対象との間にスティックスリップ現象が発生するという問題がある。
【０００５】
特に、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような１００マイクロメートル（μｍ）ないし２００μｍのサイズの微細形状を測定する場合、先端が数十μｍの細く長いスタイラス軸が必要となり、さらに摩擦やスティックスリップの影響が大きくなる。
この問題点を解決するために、接触式変位センサの接触圧を大きくして測定する方法も考えられるが、測定対象をいためてしまったり、スタイラスの先端が曲がったりする等の問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる接触式変位センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被測定物の変位を感知する接触式変位センサであって、前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子とを備え、前記振動子は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明において、「ほとんど振動しない」とは、全く振動しない状態と、振動しているが、その振幅が、当該接触式変位センサの検出限界に鑑みて無視できる程度に小さい状態との両方を含む。
【０００９】
本発明の接触式変位センサによれば、振動子が好適周波数帯域内の周波数で振動されることによって、スタイラスが所定の振幅で軸線方向に振動され、被測定物の表面から断続的に離間される。一方、可動軸はほとんど振動しないので、接触式変位センサの検出値には影響を与えない。
【００１０】
前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をｋｉ、前記振動子の等価質量の１／２と前記可動軸の質量との和をｍｈ、前記振動子の等価質量の１／２と前記スタイラスの質量との和をｍｇ、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれｋｇ、ｃｇ、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれkh、ｃh、として、下記数１及び数２の数式にもとづいて、ξg及びξhの、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されてもよい。この場合、振動子の振動周波数ごとの推移を当該曲線によって容易に把握することができるので、容易かつ的確に好適周波数帯域を決定することができる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
前記振動子は、ピエゾ素子であってもよい。この場合、印加する電圧を任意に変調することによって、振動子の振動周波数を好適に制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の接触式変位センサによれば、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態について、図１から図１８を参照して説明する。図１は、本実施形態の接触式変位センサ（以下、単に「変位センサ」と称する。）１を示す図である。図１に示すように、変位センサ１は、被測定物１００の表面形状を測定するための変位センサであって、本体２と、本体２に対して摺動自在に取り付けられた可動軸３と、可動軸３の先端に取り付けられたスタイラス４と、スタイラス４と可動軸３との間に取り付けられた振動子５とを備えて構成されている。
【００１６】
本体２は、可動軸３の動きを変位量として内蔵のリニアエンコーダ（不図示）で読み取る公知の構成を有する。
可動軸３は、図示しないエアベアリングを介して本体２に進退可能に取り付けられており、スタイラス４で被測定物１００の走査をする際に、被測定物１００の表面形状に応じて進退する。可動軸３の測定圧は、エアベアリングによって、１ミリニュートン（ｍＮ）と低くなっているが、円滑に摺動可能となっていれば、他の機構によって本体２に取り付けられてもよい。
【００１７】
図２は、スタイラス４及び振動子５を示す拡大図である。スタイラス４は、先端を尖らせて形成されており、基端は振動子５に固定されている。振動子５は、スタイラス４及び可動軸３の軸線方向にある特定の周波数で振動可能なものであり、ピエゾ素子や磁歪素子、水晶振動子、マイクロ電子機械システム（Micro-electro-mechanical Systems：ＭＥＭＳ）等を好適に採用することができる。振動子５の基端には、スタイラス４及び振動子５を可動軸３に取り付けるためのホルダ６が取り付けられている。ホルダ６はネジ部６Ａを有し、ネジ部６Ａを可動軸３の図示しないネジ孔にねじ込むことによって、スタイラス４、振動子５、及び可動軸３が略同軸に一体に固定される。スタイラス４と振動子５、及び振動子５とホルダ６との固定には熱硬化性樹脂等からなる接着剤等を好適に使用することができる。
【００１８】
上記のように構成された変位センサ１を用いて被測定物１００の表面形状を測定する場合は、図１に示すように、被測定物１００をスピンドル１０１に取り付ける。そして、スピンドル１０１を回転させることによって被測定物１００を回転させた状態で、スタイラス４の先端で被測定物１００の表面を走査させ、被測定物１００の各回転角における可動軸３の変位量を本体２のリニアエンコーダで記録し、リニアエンコーダの記録値を再構成することで被測定物１００の表面形状が取得される。
【００１９】
このとき、スタイラス４の先端と被測定物１００の表面とを常に密着させて走査させると、スタイラス４と被測定物１００との間でスティックスリップ等が発生し、形状測定の精度が低下することがある。特に、被測定物１００の測定面が、例えば図３に示すように、波長λに対する振幅ｄの比が約２/３ないし１/２、最大斜度θ１が７０度ないし３０度の高アスペクト比の形状のような場合は、よりスティックスリップ等が発生しやすくなる。
【００２０】
そこで、スティックスリップ等の発生を低減するために、図４に示すように、振動子５をスタイラス４の軸線方向に振動させ、スタイラス４を被測定物１００の表面から断続的に離間させながら走査をさせる。このようにすることで、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状を測定する場合等であっても、摩擦やスティックスリップの影響を小さくすることができる。
【００２１】
しかし、このときに可動軸３に振動子５の振動が伝達してしまうと、図５に示すように可動軸３の変位量が当該振動によって変化するため、本体２のリニアエンコーダの検出値にノイズが加わってしまう。これを避けるためには、スタイラス４にだけ振動子５の振動が伝達される（すなわち、図４に示す状態となる）、あるいは、可動軸３に振動は伝達されるが、その際の可動軸３の振幅が、変位センサ１の検出限界に対して無視できる程度の値となるような所定の周波数帯域（以下、これを「好適周波数帯域」と称する。）に属する周波数で振動子５を振動させる必要がある。
【００２２】
好適周波数帯域を設定するための検討について説明する。まず、好適周波数帯域を設定するために、可動軸３、スタイラス４、及び振動子５を、図６に示すように２台の台車３Ａ及び４Ａがバネ５Ａで接続されたモデルとして考える。ここで、台車３Ａとバネ５Ａ、および台車４Ａとバネ５Ａは、それぞれ所定のばね定数、粘性係数を有して取り付けられているものとする。台車３Ａ、４Ａは、それぞれ可動軸３、スタイラス４に相当し、バネ５Ａは振動子５に相当する。したがって、以下の記載においては、台車３Ａ、４Ａをそれぞれ可動軸３、スタイラス４と、バネ５Ａを振動子５と置き換えて説明する。
【００２３】
ｍｇを振動子５の等価質量の１／２とスタイラス４の質量との和、ｍｈを振動子５の等価質量の１／２と可動軸３の質量との和とし、振動子５の中心点の前後でのばね定数をそれぞれｋｉとする。また、ξｇ、ξｈを、それぞれスタイラス４、可動軸３の移動量とし、振動子５の中心部をａ・ｓｉｎωｔだけ振動させたときを考える。このとき、振動子５の中心点からスタイラス４側の部分は、図７の等価回路で表わされる。
【００２４】
これを解くと、スタイラス４の移動量ξｇは、下記の数３のように表される。
【００２５】
【数３】
【００２６】
同様に、可動軸３の移動量ξｈは、下記の数４のように表される。
【００２７】
【数４】
【００２８】
上記数１及び数２の式を用いた好適周波数帯域のシミュレーションの一例を図８及び図９に示す。このシミュレーションでは、スタイラス４の質量を１ミリグラム（ｍｇ）、可動軸３の質量を３７グラム（ｇ）、振動子５のばね定数ｋｉを４．０×１０７Ｎ/ｍ、振動子５の等価質量を８ｍｇ、振動子５とスタイラス４の取り付け部におけるばね定数ｋｇと減衰比ζｇをそれぞれ３．０×１０5Ｎ／ｍ、０．３、振動子５と可動軸３の取り付け部におけるバネ定数ｋｈと減衰比ζｈをそれぞれ１×１０4Ｎ／ｍ、０．３として計算を行った。なお、減衰比ζｇとは、質量ｍｇ、ばね定数ｋｇ、粘性係数ｃｇから、数１の式で求められる（減衰比ζｈも数２の式で同様に求められる）。
【００２９】
図８は振動子５の振動周波数とスタイラス４の振幅との関係を示すグラフであり、図９は、振動子５の振動周波数と可動軸３の振幅との関係を示すグラフである。スタイラス４及び可動軸３の振幅は、振動子５の振幅との比率で示している。すなわち、振幅が０に近いほど振動子５の振動が伝達されていないことを示している。
【００３０】
図８のグラフを見ると、スタイラス４の振幅は、振動子５の振動周波数が２０キロヘルツ（ｋＨｚ）を過ぎたあたりで急激に上昇し、振動周波数が約３６ｋＨｚとなったときにピークを迎え、１００ｋＨｚあたりでは約０．３と、振動子５の振幅の１／３となっている。周波数帯域２０〜５０ｋＨｚの領域Ｒ１では、振動周波数が僅かに変化しただけでもスタイラス４の振幅が急激に変化する可能性があるため、振動子５の損傷等の可能性があり、振動子５の振動周波数としては適切ではない。したがって、領域Ｒ１のような帯域は、好適周波数帯域から除外されるのが好ましい。
【００３１】
一方、図９のグラフを見ると、可動軸３の振幅は、振動子５の振動周波数が８０ヘルツ（Ｈｚ）付近となったときにピークを迎えた後、０に収束しており、１ｋＨｚでは振幅約０．０５と振動子５の振幅の１／２０となり、振動子５の振動がほぼ伝わらない、あるいは仮に伝達されても変位センサ１の検出限界に対して無視できる程度に小さくなっていることがわかる。
【００３２】
再び図８に戻ると、振動子５の振動周波数が１ｋＨｚのときのスタイラス４の振幅は約１．０００であり、振動子５とほぼ同じ振幅で振動していることがわかる。
以上より、本シミュレーションにおけるおおよその好適周波数帯域は、例えば、１〜１５ｋＨｚ、及び５０〜１００ｋＨｚの範囲として設定することができる。
【００３３】
上述したシミュレーションの結果を検証するために、図１０に示す実験系で実験を行った。スタイラス４の質量、可動軸３の質量、振動子５のばね定数ｋｉ及び等価質量が上述のシミュレーションと同一に設定された変位センサ１Ａを準備し、スタイラス４の先端を剛体１０２に接触させた。そして、可動軸３の動きを、前方から最大サンプリング周波数１６０ｋＨｚのファイバセンサ１０３で測定した。
【００３４】
図１１は、図１０の実験系において、振動子５を１００Ｈｚで振動させたときのファイバセンサ１０３の出力と振動子５への入力電圧波形を示すグラフである。曲線Ｃ１は入力電圧波形を示しており、１００Ｈｚで約１０Ｖの電圧がかかっている。一方、ファイバセンサ１０３の出力は、曲線Ｃ２に示すように約１５０ナノメートル（ｎｍ）の振幅となっている。これは、振動子５の振動が可動軸３に伝達されて可動軸３が振動していることを示している。
【００３５】
図１２は、図１０の実験系において、振動子５を１ｋＨｚで振動させたときのファイバセンサ１０３の出力と振動子５への入力電圧波形を示すグラフである。曲線Ｃ３は入力電圧波形を示しており、１ｋＨｚで約１０Ｖの電圧がかかっている。一方、曲線Ｃ４で示すファイバセンサ１０３の出力は、変位センサ１Ａの検出限界に対してほぼ無視できる数ｎｍ程度の振幅となっており、振動子５の振動が可動軸３にほとんど伝わっていないことが確認された。
【００３６】
以上より、振動子５を１ｋＨｚの周波数で振動させたときは、可動軸３はほとんど振動しないため、本体２のリニアエンコーダで検出される変位センサ１Ａの検出値にはノイズは発生せず、スタイラス４だけが振動されている。すなわち、１ｋＨｚはこの条件下における好適周波数帯域に属する周波数であることが確認された。
【００３７】
次に、図１３及び図１４に、上記の入力電圧とファイバセンサ１０３の出力を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザを用いて解析した結果を示す。図１３の曲線Ｃ５はゲインを、図１４の曲線Ｃ６は位相を示している。
図１３及び図１４を見ると、シミュレーション結果と同様に、振動子５の振動周波数を１ｋＨｚとすると、ゲインが−４０デシベル（ｄＢ）以下となり、可動軸３にはほとんど伝達されていないことがわかる。また、その傾向は、周波数を増加するほど強くなることがわかる。
【００３８】
さらに、振動子５の振動とスタイラス４に発生する摩擦及びスティックスリップへの影響との関係を調べるために、実験を行った。図１５は、当該実験を行うための実験系を示す図である。
力センサ１０４を一軸自動ステージ１０５上に取り付け、スタイラス４と力センサ１０４を接触させる。このとき、図１５に示す力センサ１０４の感度方向と変位センサ１Ａの感度方向とがなす角度θ２は１１０度に設定されている。
【００３９】
この状態で、一軸自動ステージ１０５を図１５に矢印で示す方向に移動させ、力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力を測定することで、摩擦及びスティックスリップ等の変化を調べる。スティックスリップが起こらず、摩擦が一定であれば、一軸自動ステージ１０５を移動させても力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力は一定となる。反対にスティックスリップや摩擦の変動があれば力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力に変化が生じる。
【００４０】
図１６及び図１７は、図１５の実験系による実験結果を示すグラフであり、一軸自動ステージ１０５を矢印の方向に一往復させたときの力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力を示している。
図１６は振動子５を振動させずに実験した結果を示すグラフである。横軸はサンプリング時間、縦軸左側は変位センサ１Ａの出力、縦軸右側は力センサ１０４の出力である。曲線Ｃ７は変位センサ１Ａの出力、曲線Ｃ８は力センサ１０４の出力を示しているが、往路（図１５における左向きの動き）と復路（図１５における右向きの動き）で出力に違いが出ている。変位センサ１Ａ、力センサ１０４のどちらの出力も復路で大きく振動しているが、これはスティックスリップが発生しているためと考えられる。
【００４１】
図１７は、振動子５の振動周波数を８０ｋＨｚに設定して振動させたときの実験結果を示すグラフである。図１７に示すように、往路と復路における曲線Ｃ７、Ｃ８の形状の違いが、図１６の結果と比べて小さくなっていることがわかる。
以上の結果から、振動子５を好適周波数帯域に属する周波数で振動させることにより、スティックスリップ及び摩擦の発生を低減できることが確認された。
【００４２】
最後に、変位センサ１Ａを用いて、図３に示すような測定面の形状を有する被測定物を、図１に示すようにスピンドル１０１に取り付けて実際に測定した結果を図１８及び図１９に示す。
図１８は振動子５を振動させずに測定した結果を示すグラフである。横軸はスピンドル１０１の回転角、縦軸左側は変位センサ１Ａの出力、縦軸右側は測定を２回行ったときの繰り返し誤差を示している。曲線Ｃ９は変位センサ１Ａによって得られた被測定物の表面形状を示しており、曲線Ｃ１０は繰り返し誤差を示している。曲線Ｃ９の傾斜の急な場所で繰り返し誤差の値が大きくなっており、スティックスリップの影響により誤差が生じていることが推測できる。
【００４３】
図１９は、振動子５の振動周波数を１０ｋＨｚに設定して振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。図１８の実験結果に比べて繰り返し誤差が小さくなっており、傾斜の急な場所でも振動子５を振動させてスタイラス４を振動させることにより、スティックスリップの影響を小さくできていることが示された。
【００４４】
以上のように、本発明の変位センサ１及び１Ａによれば、振動子５が好適周波数帯域に属する周波数で振動されることにより、可動軸３をほとんど振動させずにスタイラス４のみを振動させることができる。その結果、本体２で検出される出力値にはノイズが含まれず、スタイラス４の先端は断続的に被測定物の表面から引き離されてスティックスリップ等の発生が好適に低減される。したがって、より精度の高い測定を短時間で行うことができる。
【００４５】
なお、好適周波数帯域は、スタイラス４の質量、可動軸３の質量、振動子５のばね定数ｋｉ及び等価質量等が変化することによって当然連動して変化するが、これらを適宜代入して図８及び図９に示すようなグラフを取得することによって、任意の設計パラメータを有する変位センサにおいても、同様に好適周波数帯域を決定することが可能である。
また、これらの計算をプログラム等を含む制御部に自動に行わせ、好適周波数帯域が制御部で自動的に決定され、当該好適周波数帯域に属する振動周波数で自動的に振動子が振動されるように変位センサが構成されてもよい。
【００４６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態においては、スタイラスの先端がとがっている例を説明したが、これに代えて、図２０に示す変形例のように、先端１４Ａが球状に形成されたスタイラス１４が用いられてもよい。あるいは半球状の先端であってもよい。このような形状の先端１４Ａは、ルビー球、ガラス球等を用いて好適に形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の接触式変位センサ及び被測定物を示す図である。
【図２】同接触式変位センサのスタイラス及び振動子を示す拡大図である。
【図３】被測定物の表面形状の一例を示す図である。
【図４】同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの同接触式変位センサのスタイラス及び可動軸の動きを示す図である。
【図５】同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの同スタイラス及び同可動軸の動きを示す図である。
【図６】図１に示したスタイラス及び可動軸のモデル図である。
【図７】図６に示したモデル図の中心点からスタイラス側の部分の等価回路を示す図である。
【図８】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を示すグラフである。
【図９】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を同シミュレーションにおける同振動子の振動周波数と同可動軸の振幅との関係を示すグラフである。
【図１０】同シミュレーションの結果を検証するための実験系を示す図である。
【図１１】同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。
【図１２】同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。
【図１３】入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。
【図１４】入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。
【図１５】同振動子と同スタイラスとの間の摩擦及びスティックスリップを検討するための実験系を示す図である。
【図１６】同実験系において、同振動子を振動させずに行った実験結果を示すグラフである。
【図１７】同実験系において、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて行った実験結果を示すグラフである。
【図１８】同接触式変位センサを用いて、同振動子を振動させずに被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図１９】同接触式変位センサを用いて、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図２０】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を本発明の一実施形態の接触式変位センサの変形例におけるスタイラスを示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１Ａ 接触式変位センサ
３ 可動軸
４、１４ スタイラス
５ 振動子
１００ 被測定物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定等に用いられる接触式変位センサ、より詳しくは、振動子を有するスタイラスが取り付けられて走査法で形状測定を行う接触式変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
接触式変位センサによる測定は、細いスタイラスを使用し、その先端と測定対象の測定面とを接触させ、測定面に追従させることによって形状を測定するものである。接触式変位センサによる形状測定は、外乱に強く、真空等の特別な条件を必要とせず、測定対象に油等が付着していても高い精度の測定が可能なため、産業分野において重要な手段となっている。また、接触式変位センサは光を使った顕微鏡等では、光が散乱してしまうことにより測定できないような急角度の傾斜を有する形状も測定できるといった特徴を持つ。
【０００３】
接触式変位センサを用いた測定法には点測定法と走査法がある。点測定法は、接触式変位センサをある測定点で測定対象に接触させ、その位置を測定した後、一度測定対象から離間させ、次の測定点に移動する方法である。点測定法による形状測定を行う装置としては、例えば特許文献１に記載の装置が知られている。
【特許文献１】特開２００７−３０９６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のような点測定法の装置による測定は、測定時間が長いという問題がある。
これに対し、走査法は、接触式変位センサと測定対象とが接触したままその形状を測定する方法であるため、点測定法に比べ測定時間は短くなるものの、スタイラスと測定対象との間にスティックスリップ現象が発生するという問題がある。
【０００５】
特に、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような１００マイクロメートル（μｍ）ないし２００μｍのサイズの微細形状を測定する場合、先端が数十μｍの細く長いスタイラス軸が必要となり、さらに摩擦やスティックスリップの影響が大きくなる。
この問題点を解決するために、接触式変位センサの接触圧を大きくして測定する方法も考えられるが、測定対象をいためてしまったり、スタイラスの先端が曲がったりする等の問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる接触式変位センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、被測定物の変位を感知する接触式変位センサであって、前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子とを備え、前記振動子は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明において、「ほとんど振動しない」とは、全く振動しない状態と、振動しているが、その振幅が、当該接触式変位センサの検出限界に鑑みて無視できる程度に小さい状態との両方を含む。
【０００９】
本発明の接触式変位センサによれば、振動子が好適周波数帯域内の周波数で振動されることによって、スタイラスが所定の振幅で軸線方向に振動され、被測定物の表面から断続的に離間される。一方、可動軸はほとんど振動しないので、接触式変位センサの検出値には影響を与えない。
【００１０】
前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をｋｉ、前記振動子の等価質量の１／２と前記可動軸の質量との和をｍｈ、前記振動子の等価質量の１／２と前記スタイラスの質量との和をｍｇ、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれｋｇ、ｃｇ、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれkh、ｃh、として、下記数１及び数２の数式にもとづいて、ξg及びξhの、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されてもよい。この場合、振動子の振動周波数ごとの推移を当該曲線によって容易に把握することができるので、容易かつ的確に好適周波数帯域を決定することができる。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
前記振動子は、ピエゾ素子であってもよい。この場合、印加する電圧を任意に変調することによって、振動子の振動周波数を好適に制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の接触式変位センサによれば、スタイラスと測定対象との間に生じる摩擦やスティックスリップの影響を低減して走査法により形状測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態について、図１から図１８を参照して説明する。図１は、本実施形態の接触式変位センサ（以下、単に「変位センサ」と称する。）１を示す図である。図１に示すように、変位センサ１は、被測定物１００の表面形状を測定するための変位センサであって、本体２と、本体２に対して摺動自在に取り付けられた可動軸３と、可動軸３の先端に取り付けられたスタイラス４と、スタイラス４と可動軸３との間に取り付けられた振動子５とを備えて構成されている。
【００１６】
本体２は、可動軸３の動きを変位量として内蔵のリニアエンコーダ（不図示）で読み取る公知の構成を有する。
可動軸３は、図示しないエアベアリングを介して本体２に進退可能に取り付けられており、スタイラス４で被測定物１００の走査をする際に、被測定物１００の表面形状に応じて進退する。可動軸３の測定圧は、エアベアリングによって、１ミリニュートン（ｍＮ）と低くなっているが、円滑に摺動可能となっていれば、他の機構によって本体２に取り付けられてもよい。
【００１７】
図２は、スタイラス４及び振動子５を示す拡大図である。スタイラス４は、先端を尖らせて形成されており、基端は振動子５に固定されている。振動子５は、スタイラス４及び可動軸３の軸線方向にある特定の周波数で振動可能なものであり、ピエゾ素子や磁歪素子、水晶振動子、マイクロ電子機械システム（Micro-electro-mechanical Systems：ＭＥＭＳ）等を好適に採用することができる。振動子５の基端には、スタイラス４及び振動子５を可動軸３に取り付けるためのホルダ６が取り付けられている。ホルダ６はネジ部６Ａを有し、ネジ部６Ａを可動軸３の図示しないネジ孔にねじ込むことによって、スタイラス４、振動子５、及び可動軸３が略同軸に一体に固定される。スタイラス４と振動子５、及び振動子５とホルダ６との固定には熱硬化性樹脂等からなる接着剤等を好適に使用することができる。
【００１８】
上記のように構成された変位センサ１を用いて被測定物１００の表面形状を測定する場合は、図１に示すように、被測定物１００をスピンドル１０１に取り付ける。そして、スピンドル１０１を回転させることによって被測定物１００を回転させた状態で、スタイラス４の先端で被測定物１００の表面を走査させ、被測定物１００の各回転角における可動軸３の変位量を本体２のリニアエンコーダで記録し、リニアエンコーダの記録値を再構成することで被測定物１００の表面形状が取得される。
【００１９】
このとき、スタイラス４の先端と被測定物１００の表面とを常に密着させて走査させると、スタイラス４と被測定物１００との間でスティックスリップ等が発生し、形状測定の精度が低下することがある。特に、被測定物１００の測定面が、例えば図３に示すように、波長λに対する振幅ｄの比が約２/３ないし１/２、最大斜度θ１が７０度ないし３０度の高アスペクト比の形状のような場合は、よりスティックスリップ等が発生しやすくなる。
【００２０】
そこで、スティックスリップ等の発生を低減するために、図４に示すように、振動子５をスタイラス４の軸線方向に振動させ、スタイラス４を被測定物１００の表面から断続的に離間させながら走査をさせる。このようにすることで、マイクロマシンを構成するマイクロパーツやマイクロレンズアレイのような微細形状を測定する場合等であっても、摩擦やスティックスリップの影響を小さくすることができる。
【００２１】
しかし、このときに可動軸３に振動子５の振動が伝達してしまうと、図５に示すように可動軸３の変位量が当該振動によって変化するため、本体２のリニアエンコーダの検出値にノイズが加わってしまう。これを避けるためには、スタイラス４にだけ振動子５の振動が伝達される（すなわち、図４に示す状態となる）、あるいは、可動軸３に振動は伝達されるが、その際の可動軸３の振幅が、変位センサ１の検出限界に対して無視できる程度の値となるような所定の周波数帯域（以下、これを「好適周波数帯域」と称する。）に属する周波数で振動子５を振動させる必要がある。
【００２２】
好適周波数帯域を設定するための検討について説明する。まず、好適周波数帯域を設定するために、可動軸３、スタイラス４、及び振動子５を、図６に示すように２台の台車３Ａ及び４Ａがバネ５Ａで接続されたモデルとして考える。ここで、台車３Ａとバネ５Ａ、および台車４Ａとバネ５Ａは、それぞれ所定のばね定数、粘性係数を有して取り付けられているものとする。台車３Ａ、４Ａは、それぞれ可動軸３、スタイラス４に相当し、バネ５Ａは振動子５に相当する。したがって、以下の記載においては、台車３Ａ、４Ａをそれぞれ可動軸３、スタイラス４と、バネ５Ａを振動子５と置き換えて説明する。
【００２３】
ｍｇを振動子５の等価質量の１／２とスタイラス４の質量との和、ｍｈを振動子５の等価質量の１／２と可動軸３の質量との和とし、振動子５の中心点の前後でのばね定数をそれぞれｋｉとする。また、ξｇ、ξｈを、それぞれスタイラス４、可動軸３の移動量とし、振動子５の中心部をａ・ｓｉｎωｔだけ振動させたときを考える。このとき、振動子５の中心点からスタイラス４側の部分は、図７の等価回路で表わされる。
【００２４】
これを解くと、スタイラス４の移動量ξｇは、下記の数３のように表される。
【００２５】
【数３】
【００２６】
同様に、可動軸３の移動量ξｈは、下記の数４のように表される。
【００２７】
【数４】
【００２８】
上記数１及び数２の式を用いた好適周波数帯域のシミュレーションの一例を図８及び図９に示す。このシミュレーションでは、スタイラス４の質量を１ミリグラム（ｍｇ）、可動軸３の質量を３７グラム（ｇ）、振動子５のばね定数ｋｉを４．０×１０７Ｎ/ｍ、振動子５の等価質量を８ｍｇ、振動子５とスタイラス４の取り付け部におけるばね定数ｋｇと減衰比ζｇをそれぞれ３．０×１０5Ｎ／ｍ、０．３、振動子５と可動軸３の取り付け部におけるバネ定数ｋｈと減衰比ζｈをそれぞれ１×１０4Ｎ／ｍ、０．３として計算を行った。なお、減衰比ζｇとは、質量ｍｇ、ばね定数ｋｇ、粘性係数ｃｇから、数１の式で求められる（減衰比ζｈも数２の式で同様に求められる）。
【００２９】
図８は振動子５の振動周波数とスタイラス４の振幅との関係を示すグラフであり、図９は、振動子５の振動周波数と可動軸３の振幅との関係を示すグラフである。スタイラス４及び可動軸３の振幅は、振動子５の振幅との比率で示している。すなわち、振幅が０に近いほど振動子５の振動が伝達されていないことを示している。
【００３０】
図８のグラフを見ると、スタイラス４の振幅は、振動子５の振動周波数が２０キロヘルツ（ｋＨｚ）を過ぎたあたりで急激に上昇し、振動周波数が約３６ｋＨｚとなったときにピークを迎え、１００ｋＨｚあたりでは約０．３と、振動子５の振幅の１／３となっている。周波数帯域２０〜５０ｋＨｚの領域Ｒ１では、振動周波数が僅かに変化しただけでもスタイラス４の振幅が急激に変化する可能性があるため、振動子５の損傷等の可能性があり、振動子５の振動周波数としては適切ではない。したがって、領域Ｒ１のような帯域は、好適周波数帯域から除外されるのが好ましい。
【００３１】
一方、図９のグラフを見ると、可動軸３の振幅は、振動子５の振動周波数が８０ヘルツ（Ｈｚ）付近となったときにピークを迎えた後、０に収束しており、１ｋＨｚでは振幅約０．０５と振動子５の振幅の１／２０となり、振動子５の振動がほぼ伝わらない、あるいは仮に伝達されても変位センサ１の検出限界に対して無視できる程度に小さくなっていることがわかる。
【００３２】
再び図８に戻ると、振動子５の振動周波数が１ｋＨｚのときのスタイラス４の振幅は約１．０００であり、振動子５とほぼ同じ振幅で振動していることがわかる。
以上より、本シミュレーションにおけるおおよその好適周波数帯域は、例えば、１〜１５ｋＨｚ、及び５０〜１００ｋＨｚの範囲として設定することができる。
【００３３】
上述したシミュレーションの結果を検証するために、図１０に示す実験系で実験を行った。スタイラス４の質量、可動軸３の質量、振動子５のばね定数ｋｉ及び等価質量が上述のシミュレーションと同一に設定された変位センサ１Ａを準備し、スタイラス４の先端を剛体１０２に接触させた。そして、可動軸３の動きを、前方から最大サンプリング周波数１６０ｋＨｚのファイバセンサ１０３で測定した。
【００３４】
図１１は、図１０の実験系において、振動子５を１００Ｈｚで振動させたときのファイバセンサ１０３の出力と振動子５への入力電圧波形を示すグラフである。曲線Ｃ１は入力電圧波形を示しており、１００Ｈｚで約１０Ｖの電圧がかかっている。一方、ファイバセンサ１０３の出力は、曲線Ｃ２に示すように約１５０ナノメートル（ｎｍ）の振幅となっている。これは、振動子５の振動が可動軸３に伝達されて可動軸３が振動していることを示している。
【００３５】
図１２は、図１０の実験系において、振動子５を１ｋＨｚで振動させたときのファイバセンサ１０３の出力と振動子５への入力電圧波形を示すグラフである。曲線Ｃ３は入力電圧波形を示しており、１ｋＨｚで約１０Ｖの電圧がかかっている。一方、曲線Ｃ４で示すファイバセンサ１０３の出力は、変位センサ１Ａの検出限界に対してほぼ無視できる数ｎｍ程度の振幅となっており、振動子５の振動が可動軸３にほとんど伝わっていないことが確認された。
【００３６】
以上より、振動子５を１ｋＨｚの周波数で振動させたときは、可動軸３はほとんど振動しないため、本体２のリニアエンコーダで検出される変位センサ１Ａの検出値にはノイズは発生せず、スタイラス４だけが振動されている。すなわち、１ｋＨｚはこの条件下における好適周波数帯域に属する周波数であることが確認された。
【００３７】
次に、図１３及び図１４に、上記の入力電圧とファイバセンサ１０３の出力を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザを用いて解析した結果を示す。図１３の曲線Ｃ５はゲインを、図１４の曲線Ｃ６は位相を示している。
図１３及び図１４を見ると、シミュレーション結果と同様に、振動子５の振動周波数を１ｋＨｚとすると、ゲインが−４０デシベル（ｄＢ）以下となり、可動軸３にはほとんど伝達されていないことがわかる。また、その傾向は、周波数を増加するほど強くなることがわかる。
【００３８】
さらに、振動子５の振動とスタイラス４に発生する摩擦及びスティックスリップへの影響との関係を調べるために、実験を行った。図１５は、当該実験を行うための実験系を示す図である。
力センサ１０４を一軸自動ステージ１０５上に取り付け、スタイラス４と力センサ１０４を接触させる。このとき、図１５に示す力センサ１０４の感度方向と変位センサ１Ａの感度方向とがなす角度θ２は１１０度に設定されている。
【００３９】
この状態で、一軸自動ステージ１０５を図１５に矢印で示す方向に移動させ、力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力を測定することで、摩擦及びスティックスリップ等の変化を調べる。スティックスリップが起こらず、摩擦が一定であれば、一軸自動ステージ１０５を移動させても力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力は一定となる。反対にスティックスリップや摩擦の変動があれば力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力に変化が生じる。
【００４０】
図１６及び図１７は、図１５の実験系による実験結果を示すグラフであり、一軸自動ステージ１０５を矢印の方向に一往復させたときの力センサ１０４及び変位センサ１Ａの出力を示している。
図１６は振動子５を振動させずに実験した結果を示すグラフである。横軸はサンプリング時間、縦軸左側は変位センサ１Ａの出力、縦軸右側は力センサ１０４の出力である。曲線Ｃ７は変位センサ１Ａの出力、曲線Ｃ８は力センサ１０４の出力を示しているが、往路（図１５における左向きの動き）と復路（図１５における右向きの動き）で出力に違いが出ている。変位センサ１Ａ、力センサ１０４のどちらの出力も復路で大きく振動しているが、これはスティックスリップが発生しているためと考えられる。
【００４１】
図１７は、振動子５の振動周波数を８０ｋＨｚに設定して振動させたときの実験結果を示すグラフである。図１７に示すように、往路と復路における曲線Ｃ７、Ｃ８の形状の違いが、図１６の結果と比べて小さくなっていることがわかる。
以上の結果から、振動子５を好適周波数帯域に属する周波数で振動させることにより、スティックスリップ及び摩擦の発生を低減できることが確認された。
【００４２】
最後に、変位センサ１Ａを用いて、図３に示すような測定面の形状を有する被測定物を、図１に示すようにスピンドル１０１に取り付けて実際に測定した結果を図１８及び図１９に示す。
図１８は振動子５を振動させずに測定した結果を示すグラフである。横軸はスピンドル１０１の回転角、縦軸左側は変位センサ１Ａの出力、縦軸右側は測定を２回行ったときの繰り返し誤差を示している。曲線Ｃ９は変位センサ１Ａによって得られた被測定物の表面形状を示しており、曲線Ｃ１０は繰り返し誤差を示している。曲線Ｃ９の傾斜の急な場所で繰り返し誤差の値が大きくなっており、スティックスリップの影響により誤差が生じていることが推測できる。
【００４３】
図１９は、振動子５の振動周波数を１０ｋＨｚに設定して振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。図１８の実験結果に比べて繰り返し誤差が小さくなっており、傾斜の急な場所でも振動子５を振動させてスタイラス４を振動させることにより、スティックスリップの影響を小さくできていることが示された。
【００４４】
以上のように、本発明の変位センサ１及び１Ａによれば、振動子５が好適周波数帯域に属する周波数で振動されることにより、可動軸３をほとんど振動させずにスタイラス４のみを振動させることができる。その結果、本体２で検出される出力値にはノイズが含まれず、スタイラス４の先端は断続的に被測定物の表面から引き離されてスティックスリップ等の発生が好適に低減される。したがって、より精度の高い測定を短時間で行うことができる。
【００４５】
なお、好適周波数帯域は、スタイラス４の質量、可動軸３の質量、振動子５のばね定数ｋｉ及び等価質量等が変化することによって当然連動して変化するが、これらを適宜代入して図８及び図９に示すようなグラフを取得することによって、任意の設計パラメータを有する変位センサにおいても、同様に好適周波数帯域を決定することが可能である。
また、これらの計算をプログラム等を含む制御部に自動に行わせ、好適周波数帯域が制御部で自動的に決定され、当該好適周波数帯域に属する振動周波数で自動的に振動子が振動されるように変位センサが構成されてもよい。
【００４６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態においては、スタイラスの先端がとがっている例を説明したが、これに代えて、図２０に示す変形例のように、先端１４Ａが球状に形成されたスタイラス１４が用いられてもよい。あるいは半球状の先端であってもよい。このような形状の先端１４Ａは、ルビー球、ガラス球等を用いて好適に形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の接触式変位センサ及び被測定物を示す図である。
【図２】同接触式変位センサのスタイラス及び振動子を示す拡大図である。
【図３】被測定物の表面形状の一例を示す図である。
【図４】同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの同接触式変位センサのスタイラス及び可動軸の動きを示す図である。
【図５】同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの同スタイラス及び同可動軸の動きを示す図である。
【図６】図１に示したスタイラス及び可動軸のモデル図である。
【図７】図６に示したモデル図の中心点からスタイラス側の部分の等価回路を示す図である。
【図８】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を示すグラフである。
【図９】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を同シミュレーションにおける同振動子の振動周波数と同可動軸の振幅との関係を示すグラフである。
【図１０】同シミュレーションの結果を検証するための実験系を示す図である。
【図１１】同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属さない周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。
【図１２】同実験系において、同振動子が好適周波数帯域に属する周波数で振動されたときの入力電圧とファイバセンサの出力との関係を示すグラフである。
【図１３】入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。
【図１４】入力電圧とファイバセンサの出力とを高速フーリエ変換によって解析した結果を示すグラフである。
【図１５】同振動子と同スタイラスとの間の摩擦及びスティックスリップを検討するための実験系を示す図である。
【図１６】同実験系において、同振動子を振動させずに行った実験結果を示すグラフである。
【図１７】同実験系において、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて行った実験結果を示すグラフである。
【図１８】同接触式変位センサを用いて、同振動子を振動させずに被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図１９】同接触式変位センサを用いて、同振動子を好適周波数帯域に属する周波数で振動させて被測定物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図２０】シミュレーションの一例における同振動子の振動周波数と同スタイラスの振幅との関係を本発明の一実施形態の接触式変位センサの変形例におけるスタイラスを示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１Ａ 接触式変位センサ
３ 可動軸
４、１４ スタイラス
５ 振動子
１００ 被測定物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面形状を測定するための接触式変位センサであって、
前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、
前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、
前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子と、
を備え、
前記振動子は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、
前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする接触式変位センサ。
【請求項２】
前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をｋｉ、前記振動子の等価質量の１／２と前記可動軸の質量との和をｍｈ、前記振動子の等価質量の１／２と前記スタイラスの質量との和をｍｇ、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれｋｇ、ｃｇ、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれkh、ｃh、として、
【数１】
及び
【数２】
の数式にもとづいて、前記ξg及び前記ξhの、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されることを特徴とする請求項1に記載の接触式変位センサ。
【請求項３】
前記振動子は、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触式変位センサ。
【請求項１】
被測定物の表面形状を測定するための接触式変位センサであって、
前記被測定物に対して進退可能に取り付けられる可動軸と、
前記可動軸の先端に取り付けられ、前記被測定物の表面を走査されるスタイラスと、
前記スタイラスと前記可動軸との間に取り付けられる振動子と、
を備え、
前記振動子は、前記振動子のばね定数、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数、前記振動子の等価質量、前記可動軸の質量、及び前記スタイラスの質量に基づいて決定される好適周波数帯域内の周波数で振動され、
前記スタイラスは所定の振幅で軸線方向に振動され、かつ前記可動軸はほとんど振動しないことを特徴とする接触式変位センサ。
【請求項２】
前記好適周波数帯域は、前記振動子の振動周波数をω、前記ばね定数をｋｉ、前記振動子の等価質量の１／２と前記可動軸の質量との和をｍｈ、前記振動子の等価質量の１／２と前記スタイラスの質量との和をｍｇ、前記振動子と前記スタイラスの取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれｋｇ、ｃｇ、前記振動子と前記可動軸の取り付け部におけるばね定数と粘性係数をそれぞれkh、ｃh、として、
【数１】
及び
【数２】
の数式にもとづいて、前記ξg及び前記ξhの、前記振動子の振動周波数ごとの推移に関する曲線を取得して決定されることを特徴とする請求項1に記載の接触式変位センサ。
【請求項３】
前記振動子は、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触式変位センサ。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１０−７１７９８（Ｐ２０１０−７１７９８Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３９５２５（Ｐ２００８−２３９５２５）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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