触針式段差計における変位センサ用差動トランス
【課題】
質量の小さいコアを用い、高い直線性と高い変位分解能が得られるようにした触針式段差計における変位センサ用差動トランスを提供する。
【解決手段】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、変位センサの磁性体コアは飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成され、円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルは飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドされる。
質量の小さいコアを用い、高い直線性と高い変位分解能が得られるようにした触針式段差計における変位センサ用差動トランスを提供する。
【解決手段】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、変位センサの磁性体コアは飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成され、円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルは飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスに関する
のである。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
この種の段差計として本発明者は、先に、特願２００５−１９９３３７において、表面形状測定用触針式段差計を提案した。この触針式段差計は、添付図面の図１〜図５に示すように、棒状の第１の支持部材１を有し、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図５）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【０００４】
また、第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。
【０００５】
また、第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図３に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図１に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【０００６】
また図１、図２及び図４において、１４は棒状の第２の支持部材でありその先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材１に第２の支持部材１４を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際に第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。
【０００７】
また、第１の支持部材１及び第２支持部材１４は慣性モーメントを小さくするために軽いカーボンで構成されている。一方、密度が高く質量が大きい第２支持部材１４における高透磁率部材１６及び第１の支持部材１におけるホルダー１２内の磁石１１は、支点まわりの慣性モーメントを小さくするために、支点の近くに配置している。
【０００８】
さらに図３に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。
【０００９】
上述のように第１の支持部材１におけるホルダー１２に埋め込まれた磁石１１は極性が逆になるように配置したことにより、磁気双極子が離れた場所に作る磁場が小さくなるので、差動トランス５、針圧発生装置８及び試料での磁場を小さくできる。また、この配置により磁石１１の下部では磁力線が第２の支持部材１４における高透磁率部材１６の中を通るので、その下方及び探針位置の試料での磁場が小さくなる。
【００１０】
図５には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【００１１】
このように構成した図示触針式表面形状測定器においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。
【００１２】
そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位を探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【００１３】
ところで、このような触針式段差計の変位センサには構造が簡単で安価な差動トランスが用いられる。差動トランスのコアが支点のまわりに回転運動し、コイルに対する変位が電圧として出力される。表面の凹凸への探針の追随性を良くするには支点まわりの慣性モーメントが小さいほどよい。従って、差動トランスのコアの質量は小さいほど良い。しかし、コアが小さいと差動トランスの出力は小さくなり、従って変位分解能も低下する。また、センサ出力の直線性は高い方がよい。これらを両立させるには、コアの形状、材料、コイルの形状、巻き方、巻き数、巻き線の径の他、計測方法等が関係してくる。触針式段差計の変位センサには、変位分解能０．５〜１ｎｍ、直線性０．３％程度（範囲±１５０μｍ）が要求される。コアは軽いほどよい。
【００１４】
支点と探針との間の距離をａ、支点とコアとの間の距離をｂとすると、探針での変位ノイズはセンサ自体のそれのａ／ｂ倍になる。探針での変位ノイズを例えば１ｎｍにしたいとき、センサ自体のノイズはｂ／ａｎｍに抑える必要がある。つまり、逆に言えば、センサ自体のノイズをさらに小さくできれば、コアを支点に近付けることができ、それにより、支点まわりのコアの慣性モーメントを小さくできるので、探針の表面形状への追随性が増すことになる。
【００１５】
差動トランスの一般的な用途では、必要とされる変位分解能は０．１μｍ程度であり、そのような性能のものが市販されているが、本発明が関わる触針式段差計の分野とは２桁以上異なり、それら市販されているものは本発明では使えない。また、コア質量も本分野におけるほどは問題にならないので、比較的大きい。例えば、新光電子（株）社製の最も小型のＡ０８−２のコアでも１．２ｇある。
【００１６】
他に高周波差動トランスも例えばエルゴジャパン（株）社から販売されている。エルゴジャパン（株）社のｗｅｂサイトによれば、１０ｎｍを安定して測れるとあるが、変位分解能は本発明が係る分野ではまだ１桁以上足りない。
【００１７】
表面形状測定では１秒間程度で探針が表面をなぞり、その間にあるステップの上段と下段での変位から段差を求めるようにされている。従って、センサの応答時間は数１０ミリ秒程度でよく、ミリ秒やそれ以上の応答性は必要ない。また、１秒程度で測定が終わり、その間での変化量だけが問題になるので、それより長い時間に渡る出力値の安定性は必要ない。
【００１８】
特許文献１には直線型可変差動トランス（ＬＶＤＴ）について記載されており、その段落〔０００５〕には「市販で入手できる最高のＬＶＤＴでも、１００Ｈｚ帯域幅、±５００ｎｍレンジで動作して、２．５ｎｍの空間分解能が限界である（ミネソタ州セントポール所在のＬｉｏｎ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎのＬｉｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ＡＢ−１）」と記載されているが、そのコア重量は不明であり、空間分解能も本発明に係る分野ではまだ足りない。
【００１９】
特許文献１に記載された発明では、差動トランスの１次コイルと強磁性体コアをコイル（空気コアと呼んでいる）に置換え、強磁性体コアに起因するバルクハウゼン雑音（磁壁の動きに起因する電気的雑音）を除去している。そして、１ｋＨｚの帯域幅で０．１９ｎｍの変位分解能を得ている。
【００２０】
しかし、空気コアには電流を流すためにリード線が必要であり、表面形状測定ではリード線がつながったまま、可動部が支点のまわりに動くこととなり、弱い力での測定ができないと認められる。本発明に係る分野に応用する場合には、０．０１ｍｇｆ程度の力での測定が要求されており、リード線がつながったままでは不可能と考えられる。また、特許文献１に記載された発明では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）への適用が述べられているが、ＡＦＭでの力はさらに何桁も小さいので不可能と考えられる。さらにコイル（空気コア）の慣性が大きいのでＡＦＭには実際上使えないと考えられる。
【００２１】
【特許文献１】特表２００４−５２３７３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従来の一般的な差動トランスの変位分解能は０．１μｍ、特別なものでも１０ｎｍや２．５ｎｍであり、コアの質量も大きい。そのため触針式段差計用としては質量の小さいコアを用いて、しかも変位分解能をさらに向上させる必要があり、同時に高い直線性も必要となる。また、特許文献１に記載されたような空気コアはリード線がつながっているので、触針式段差計にはそもそも使用できないという問題がある。
【００２３】
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決して質量の小さいコアを用い、高い直線性と高い変位分解能が得られるようにした触針式段差計における変位センサ用差動トランスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、
変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、
円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドした
ことを特徴としている。
【００２５】
飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料は好ましくはパーマロイＰＢであり得る。
【００２６】
また本発明の一実施形態によれば、シールドは、コイルの外周を覆う円筒体と、コイルボビンの端面を覆う二枚の穴あき円板とを備えている。
【００２７】
円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルは好ましくは三段型に構成され得る。
【００２８】
代わりに、円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルは二段型に構成してもよい。
【００２９】
円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルにおける２次コイルの抵抗値は１００Ω程度になるように構成され得る。
【００３０】
本発明の変位センサ用差動トランスにおいては、１次電圧は、バルクハウゼン雑音を増大させない程度に高く設定され得る。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、１次電圧はほぼ１．０Ｖ〜２Ｖの範囲に設定される。そして磁性体コアに巻かれるコイルが三段型である場合には１次電圧は好ましくはほぼ１．５Ｖ〜２Ｖの範囲に設定され得る。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、コイルは三段型であり、中段が１次コイルであり、上段及び下段が２次コイルであり、１次コイル及び２次コイルが直径０．０９ｍｍの銅線から成る。
【発明の効果】
【００３３】
本発明による触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいては、変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、磁性体コアに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料でシールドしているので、従来のもの（小型の市販品１．２ｇ）より非常に軽い（０．１４ｇ程度の）コアでも、帯域幅２３Ｈｚで変位分解能０．０８９ｎｍ、帯域幅ｌ００Ｈｚで変位分解能０．１６ｎｍが得られ、これは従来の最も高分解能の市販品の１６倍の性能であり、また帯域幅１０００Ｈｚで変位分解能０．３９ｎｍが得られ、これは従来の５倍の性能であり、非常に高い変位分解能が得られる。直線性は±７５μｍで０．００４２％、±１５０μｍで０．０１５％となり、要求される０．３％に比べ１桁から２桁高い直線性が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付図面の図６〜図１４を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、触針式段差計としては先に提案した図１〜図５に示す構成のものを使用する。
【００３５】
図６には本発明に従って構成した差動トランスの一実施形態を示す。図示された差動トランスは、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢ製の円筒形コア２０と、この円筒形コア２０を通す開口部を備え、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢ製のコイルボビン２１とを有し、このコイルボビン２１は、一体に形成された端部フランジ２２、２３と中間の二つのフランジ２４、２５とを備え、中段と中段を挟んで設けた上下段との三段に構成されている。中段には１次コイル２６が巻回され、上段及び下段には２次コイル２７、２８が巻回されている。１次コイル２６及び２次コイル２７、２８の外周は、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢから成るシールド２９によって、コイルボビンの開口部を除いて、コイル外寸に合わせてコイルを外から覆っている。シールド２９は図示実施形態ではコイルの外周を覆う円筒体２９ａと、コイルボビン２１の端面を覆う二枚の穴あき円板２９ｂとを備えている。
【００３６】
図示実施形態において、１次コイル及び２次コイルはそれぞれ直径０．０９ｍｍの銅線から成り、１次コイル２６は４５０巻回、２次コイル２７、２８はそれぞれ５７５巻回である。１次コイル２６の抵抗は４３Ω、１次コイル自体（シールド２９及びコア２０のない状態）のインダクタンスは２．４ｍＨであり、また５ｋＨｚでのインピーダンスは８６Ωである。２次コイル２７、２８の抵抗はそれぞれ５５Ω、各２次コイル自体（シールド２９及びコア２０のない状態）のインダクタンスは３．７ｍＨであり、また５ｋＨｚでのインピーダンスは１２８Ωである。なお、シールド及びコアがある状態ではインダクタンスは３割程度増す。
【００３７】
図７には、このように構成した図６に示す円筒形コア２０と、１次コイル２６及び２次コイル２７、２８とを備えた差動トランスにおける変位分解能の測定結果を示す。なお円筒形コア２０の質量は０．１４ｇである。横軸は１次電圧の実効値、縦軸は変位分解能である。１次コイル２６の励起周波数は５ｋＨｚで、１次電圧１．５９Ｖｒｍｓでの感度（変位に対する２次電圧の実効値の割合）は１９５Ｖ／ｍであった。感度は１次電圧に比例する。２次電圧は入力換算雑音４．５ｎＶ／Ｈｚ０．５（１ｋＨｚでの典型値）のロックインアンプで、「信号の実効値」×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」を計測したところ、変位に対して直線的に変化する。位相検波後のローパスフィルターのカットオフ周波数（−３ｄＢ）を２３Ｈｚと設定し、１秒間変位を測定し、その標準偏差を変位分解能としてプロットした結果を示している。
【００３８】
図７を考察すると、１次電圧１．５Ｖ以下では、変位分解能はロックインアンプ自体のノイズで制限されており、１次電圧を上げて感度を上げることで変位分解能が向上する。さらに１次電圧を上げると、感度増加分を上回るバルクハウゼン雑音の増加により、変位分解能はバルクハウゼン雑音に制限されることが分かる。この例では１次電圧１．５から２Ｖ程度のとき、変位分解能０．１５ｎｍ（周波数帯域約１〜２３Ｈｚ）の非常に高い分解能が得られた。
【００３９】
円筒形コア２０をパーマロイＰＣで構成した場合における感度はコアをパーマロイＰＢで構成した場合と同程度だったが、１次電圧１．０６Ｖでの変位分解能は０．２９ｎｍとパーマロイＰＢの場合よりノイズが大きくなった。これは磁場０付近でのパーマロイＰＣの透磁率が大きく、そこでの単位時間当たりの磁化の変化が大きく、そのために磁壁の動きが大きく、その結果としてバルクハウゼン雑音が大きくなっているためと思われる。励起周波数を上げるとバルクハウゼン雑音が増加することと同様のことである。
【００４０】
なお、円筒形コア２０の肉厚を０．５ｍｍにした場合には、感度は、肉厚０．２ｍｍのものより、３０％大きかった。感度は大きい方が有利であるが、コア質量の増加分ほど感度は増加しなかったので、円筒形コア２０を軽くする必要から肉厚０．２ｍｍを採用して評価した。
【００４１】
図８には、図７と同じコイル、コアでの２次電圧の「信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」の雑音密度の測定例を示す。この場合にはロックインアンプの前段に増幅率１００倍のプリアンプを入れている。そのプリアンプの入力換算雑音の典型値は１Ｈｚで１．２ｎＶ／Ｈｚ０．５、１０Ｈｚで０．６３ｎＶ／Ｈｚ０．５、１００Ｈｚで０．５２ｎＶ／Ｈｚ０．５、１０００Ｈｚで０．５ｎＶ／Ｈｚ０．５である。ロックインアンプの位相検波後のローパスフィルターのカットオフ周波数（―３ｄＢ）は２３２Ｈｚと設定している。４秒間、信号の時間変化を測定し、それをフーリエ変換して周波数特性を得ている。それを１００回行った平均である。
【００４２】
２次コイルの抵抗値（５５Ω×２＝１１０Ω）から熱雑音は１．３ｎＶ／Ｈｚ０．５と見積もられ、プリアンプのノイズと合わせると（０．５２＋１．３２）０．５＝１．４ｎＶ／Ｈｚ０．５（１００、１０００Ｈｚ）と見積もられる。図８ではグラフのフラット部の雑音は２．３ｎＶ／Ｈｚ０．５であり、この差については現時点では不明である。１次電圧を小さくしてもこのフラット部の雑音はそれ以下には下がらなかったので、バルクハウゼン雑音に起因するものではないと認められる。
【００４３】
図９には、１次電圧と「２次電圧の雑音密度」との関係例を示す。グラフ（イ）は１次電圧１．０６Ｖｒｍｓの場合、グラフ（ロ）は１次電圧１．５９Ｖｒｍｓの場合、またグラフ（ハ）は１次電圧２．１２Ｖｒｍｓの場合である。図９から分かるように１次電圧の増加に従い、低周波域で「２次電圧の雑音密度」が増大している。これがバルクハウゼン雑音に起因するものである。
【００４４】
図１０には、１次電圧と「位置の雑音密度」の関係例を示し、図９の「２次電圧の雑音密度」を各１次電圧での感度（Ｖ／ｍ）で割ったものである。図１０においてグラフ（イ）は１次電圧１．０６Ｖｒｍｓの場合、グラフ（ロ）は１次電圧１．５９Ｖｒｍｓの場合、またグラフ（ハ）は１次電圧２．１２Ｖｒｍｓの場合である。図１０から、１次電圧が１．５９Ｖｒｍｓのときに位置雑音が小さくなることが分かる。
【００４５】
図１１には見やすくするために、図１０における１次電圧が１．５９Ｖｒｍｓの場合の結果のみを示したものである。縦軸の値を２乗して横軸の周波数範囲で積分してルートをとると、その帯域幅での位置雑音つまり変位分解能が得られる。変位分解能（実効値）はそれぞれ、０．５〜２３Ｈｚでは０．０８９ｎｍ、０．５〜１００Ｈｚでは０．１６ｎｍ、０．５〜１０００Ｈｚでは０．３９ｎｍ（１００〜１０００Ｈｚで１．２ｅ−１１ｍ／Ｈｚ０．５として）となり、非常に高い変位分解能が得られた。
【００４６】
１００Ｈｚまでの帯域幅での分解能は市販品の１６倍、１０００Ｈｚまでの帯域幅での分解能は先行技術によるもの（特許文献１が強磁性体コアで評価した結果）の５倍の高性能である。このような高分解能かつ０．１４ｇの軽いコアの差動トランスが本発明により提供できるようになった。
【００４７】
図１２には、１次電圧１．５９Ｖｒｍｓ、カットオフ周波数２３Ｈｚで、「２次電圧の信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」／感度の時間変化を測定した例を示している。つまり、コアの変位を時間を追って測定した例である。１ミリ秒間隔で１秒間測定した結果で、このデータの標準偏差は０．０８９ｎｍであり、前述の変位分解能（帯域幅２３Ｈｚ）と一致している。なお、図１２の測定例ではロックインアンプのアンプレンジで決まる測定範囲設定が±６１５ｎｍであり、１６ビットで計測しているので表示分解能は０．０１９ｎｍとなっている。
【００４８】
ところで、上記では３段型のコイルの例を示したが、２段型でも例えば１次電圧１．０６Ｖｒｍｓで変位分解能０．２１ｎｍ（帯域幅２３Ｈｚ）と良好な結果が得られている。しかし、残留電圧（２次電圧の実効値の最小値）は０．７ｍＶと、３段型の０．３ｍＶより大きかった。ロックインアンプの位相検波前の交流アンプの増幅率の問題からは、残留電圧は小さい方が望ましい。残留電圧が大きいということは、「２次電圧の信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」は小さい値でも、２次電圧の信号の実効値が大きいということであり、交流アンプの増幅率を十分に上げられない。交流アンプの増幅率を上げると振り切れてしまうからである。
【００４９】
残留電圧は上下段コイルの巻き方の非対称性に起因していると考えられ、３段型の方が対称性よく巻かれていると考えられる。２段型では２次コイルの上に１次コイルを重ねて巻いており、重ねて巻くうちに巻き方が乱れて非対称性が大きくなると考えられる。３段型では、１次コイル、２次コイルの上段、２次コイルの下段がそれぞれ独立に巻かれるので、対称性が高いと思われる。この対称性は以下に説明するセンサ出力の直線性にも関係してくる。
【００５０】
図１３には、以上に示したのと同じく図６に示すコイル２６〜２８とパーマロイＰＢ製の円筒形コア２０とを用いて、感度のコア位置への依存性を測定した結果を示している。ピエゾアクチュエーターでコアを一定量動かし、そのときのセンサ出力をコア位置に対してプロットしたものである。コアが中心から４０μｍ以上の領域ではピエゾアクチュエーターでコアを２０μｍ、５０μｍ以下の領域では５μｍ動かした。縦軸は感度の最大値（フィットさせた曲線の最大値）で規格化している。図中の曲線は２次式でフィットさせた結果である、中心から１５０μｍのところで感度が０．２％低下していることが分かる。
【００５１】
図１３の曲線を積分する（位置０で出力０とする）と、位置対出力の関係が得られる。その関係に±１５０μｍの範囲内で直線でフィットさせ、その直線との差をプロットしたものを図１４に示している。図１３の横軸、図１４の縦軸、横軸においては、中心（信号と参照信号の位相差が９０度）から１ｍｍずれた位置（マイクロメーターで計測）での電圧出力から暫定的に算出した感度（Ｖ／ｍ）を用いて位置を算出している。その値は正確ではないが、上記の暫定的感度は中心付近での最大感度より３％程度小さいだけなので、直線性の算出にはほとんど影響しない。なお、参照信号の位相は変位１ｍｍで出力信号の位相に一致させた。
【００５２】
図１４から±１５０μｍの範囲での直線性は０．０１５％であり、直線性が非常に高いことが分かる。通常、触針式段差計で求められるのは０．３％であり、その２０倍の直線性である。センサコアと探針の支点からの距離の比が１:２である場合には、探針の測定範囲が±１５０μｍのとき、センサコアが動く範囲は±７５μｍである。そこで、±７５μｍでの直線性を上記と同様にして求めると０．００４２％となり、要求されるよりも２桁近い非常に高い直線性を持つことが分かる。
【００５３】
上記の実施形態の説明においては変位センサの磁性体コアを構成する飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料としてパーマロイＰＢを用いているが、当然、同様な磁気特性をもつ他の鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばａｌｌｅｇｈｅｎｃｙ ４７５０、ｒａｄｉｏ ｍｅｔａｌ、或いは４５％Ｎｉ−Ｆｅ合金であるｐｅｒｍｉｎｖａｒ、ｉｓｏｐｅｒｍなどを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明が適用される触針式表面形状測定器の構成の一例を示す概略図。
【図２】図１における触針式表面形状測定器の要部を下から見た概略線図。
【図３】図１における触針式表面形状測定器のホルダー部分の構成を示す拡大部分断面図。
【図４】図１における触針式表面形状測定器のホルダー部分の構成を示す拡大部分断面図。
【図５】図１における触針式表面形状測定器の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図６】本発明による差動トランスの一実施形態の要部の構造を示す断面図。
【図７】本発明に従って構成した差動トランスにおける変位分解能の測定例を示すグラフ。
【図８】本発明に従って構成した差動トランスにおける２次電圧の雑音密度の測定例を示すグラフ。
【図９】本発明に従って構成した差動トランスにおける種々の１次電圧と２次電圧の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１０】本発明に従って構成した差動トランスにおける種々の１次電圧と位置の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１１】本発明に従って構成した差動トランスにおける特定の１次電圧と位置の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１２】本発明に従って構成した差動トランスにおける変位の時間変化の例を示すグラフ。
【図１３】本発明に従って構成した差動トランスにおける感度の位置への依存性の例を示すグラフ。
【図１４】図１３に示す感度の位置への依存性の例に基づきフィットさせた直線との差を例示するグラフ。
【符号の説明】
【００５５】
２０：円筒形コア
２１：コイルボビン
２２：端部フランジ
２３：端部フランジ
２４：中間のフランジ
２５：中間のフランジ
２６：１次コイル
２７：２次コイル
２８：２次コイル
２９：シールド
２９ａ：円筒体
２９ｂ：穴あき円板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスに関する
のである。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
この種の段差計として本発明者は、先に、特願２００５−１９９３３７において、表面形状測定用触針式段差計を提案した。この触針式段差計は、添付図面の図１〜図５に示すように、棒状の第１の支持部材１を有し、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図５）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【０００４】
また、第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。
【０００５】
また、第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図３に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図１に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【０００６】
また図１、図２及び図４において、１４は棒状の第２の支持部材でありその先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材１に第２の支持部材１４を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際に第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。
【０００７】
また、第１の支持部材１及び第２支持部材１４は慣性モーメントを小さくするために軽いカーボンで構成されている。一方、密度が高く質量が大きい第２支持部材１４における高透磁率部材１６及び第１の支持部材１におけるホルダー１２内の磁石１１は、支点まわりの慣性モーメントを小さくするために、支点の近くに配置している。
【０００８】
さらに図３に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。
【０００９】
上述のように第１の支持部材１におけるホルダー１２に埋め込まれた磁石１１は極性が逆になるように配置したことにより、磁気双極子が離れた場所に作る磁場が小さくなるので、差動トランス５、針圧発生装置８及び試料での磁場を小さくできる。また、この配置により磁石１１の下部では磁力線が第２の支持部材１４における高透磁率部材１６の中を通るので、その下方及び探針位置の試料での磁場が小さくなる。
【００１０】
図５には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【００１１】
このように構成した図示触針式表面形状測定器においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。
【００１２】
そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位を探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【００１３】
ところで、このような触針式段差計の変位センサには構造が簡単で安価な差動トランスが用いられる。差動トランスのコアが支点のまわりに回転運動し、コイルに対する変位が電圧として出力される。表面の凹凸への探針の追随性を良くするには支点まわりの慣性モーメントが小さいほどよい。従って、差動トランスのコアの質量は小さいほど良い。しかし、コアが小さいと差動トランスの出力は小さくなり、従って変位分解能も低下する。また、センサ出力の直線性は高い方がよい。これらを両立させるには、コアの形状、材料、コイルの形状、巻き方、巻き数、巻き線の径の他、計測方法等が関係してくる。触針式段差計の変位センサには、変位分解能０．５〜１ｎｍ、直線性０．３％程度（範囲±１５０μｍ）が要求される。コアは軽いほどよい。
【００１４】
支点と探針との間の距離をａ、支点とコアとの間の距離をｂとすると、探針での変位ノイズはセンサ自体のそれのａ／ｂ倍になる。探針での変位ノイズを例えば１ｎｍにしたいとき、センサ自体のノイズはｂ／ａｎｍに抑える必要がある。つまり、逆に言えば、センサ自体のノイズをさらに小さくできれば、コアを支点に近付けることができ、それにより、支点まわりのコアの慣性モーメントを小さくできるので、探針の表面形状への追随性が増すことになる。
【００１５】
差動トランスの一般的な用途では、必要とされる変位分解能は０．１μｍ程度であり、そのような性能のものが市販されているが、本発明が関わる触針式段差計の分野とは２桁以上異なり、それら市販されているものは本発明では使えない。また、コア質量も本分野におけるほどは問題にならないので、比較的大きい。例えば、新光電子（株）社製の最も小型のＡ０８−２のコアでも１．２ｇある。
【００１６】
他に高周波差動トランスも例えばエルゴジャパン（株）社から販売されている。エルゴジャパン（株）社のｗｅｂサイトによれば、１０ｎｍを安定して測れるとあるが、変位分解能は本発明が係る分野ではまだ１桁以上足りない。
【００１７】
表面形状測定では１秒間程度で探針が表面をなぞり、その間にあるステップの上段と下段での変位から段差を求めるようにされている。従って、センサの応答時間は数１０ミリ秒程度でよく、ミリ秒やそれ以上の応答性は必要ない。また、１秒程度で測定が終わり、その間での変化量だけが問題になるので、それより長い時間に渡る出力値の安定性は必要ない。
【００１８】
特許文献１には直線型可変差動トランス（ＬＶＤＴ）について記載されており、その段落〔０００５〕には「市販で入手できる最高のＬＶＤＴでも、１００Ｈｚ帯域幅、±５００ｎｍレンジで動作して、２．５ｎｍの空間分解能が限界である（ミネソタ州セントポール所在のＬｉｏｎ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎのＬｉｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ ＡＢ−１）」と記載されているが、そのコア重量は不明であり、空間分解能も本発明に係る分野ではまだ足りない。
【００１９】
特許文献１に記載された発明では、差動トランスの１次コイルと強磁性体コアをコイル（空気コアと呼んでいる）に置換え、強磁性体コアに起因するバルクハウゼン雑音（磁壁の動きに起因する電気的雑音）を除去している。そして、１ｋＨｚの帯域幅で０．１９ｎｍの変位分解能を得ている。
【００２０】
しかし、空気コアには電流を流すためにリード線が必要であり、表面形状測定ではリード線がつながったまま、可動部が支点のまわりに動くこととなり、弱い力での測定ができないと認められる。本発明に係る分野に応用する場合には、０．０１ｍｇｆ程度の力での測定が要求されており、リード線がつながったままでは不可能と考えられる。また、特許文献１に記載された発明では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）への適用が述べられているが、ＡＦＭでの力はさらに何桁も小さいので不可能と考えられる。さらにコイル（空気コア）の慣性が大きいのでＡＦＭには実際上使えないと考えられる。
【００２１】
【特許文献１】特表２００４−５２３７３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
従来の一般的な差動トランスの変位分解能は０．１μｍ、特別なものでも１０ｎｍや２．５ｎｍであり、コアの質量も大きい。そのため触針式段差計用としては質量の小さいコアを用いて、しかも変位分解能をさらに向上させる必要があり、同時に高い直線性も必要となる。また、特許文献１に記載されたような空気コアはリード線がつながっているので、触針式段差計にはそもそも使用できないという問題がある。
【００２３】
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決して質量の小さいコアを用い、高い直線性と高い変位分解能が得られるようにした触針式段差計における変位センサ用差動トランスを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、
変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、
円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドした
ことを特徴としている。
【００２５】
飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料は好ましくはパーマロイＰＢであり得る。
【００２６】
また本発明の一実施形態によれば、シールドは、コイルの外周を覆う円筒体と、コイルボビンの端面を覆う二枚の穴あき円板とを備えている。
【００２７】
円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルは好ましくは三段型に構成され得る。
【００２８】
代わりに、円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルは二段型に構成してもよい。
【００２９】
円筒形の磁性体コアに巻かれるコイルにおける２次コイルの抵抗値は１００Ω程度になるように構成され得る。
【００３０】
本発明の変位センサ用差動トランスにおいては、１次電圧は、バルクハウゼン雑音を増大させない程度に高く設定され得る。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、１次電圧はほぼ１．０Ｖ〜２Ｖの範囲に設定される。そして磁性体コアに巻かれるコイルが三段型である場合には１次電圧は好ましくはほぼ１．５Ｖ〜２Ｖの範囲に設定され得る。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、コイルは三段型であり、中段が１次コイルであり、上段及び下段が２次コイルであり、１次コイル及び２次コイルが直径０．０９ｍｍの銅線から成る。
【発明の効果】
【００３３】
本発明による触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいては、変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、磁性体コアに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料でシールドしているので、従来のもの（小型の市販品１．２ｇ）より非常に軽い（０．１４ｇ程度の）コアでも、帯域幅２３Ｈｚで変位分解能０．０８９ｎｍ、帯域幅ｌ００Ｈｚで変位分解能０．１６ｎｍが得られ、これは従来の最も高分解能の市販品の１６倍の性能であり、また帯域幅１０００Ｈｚで変位分解能０．３９ｎｍが得られ、これは従来の５倍の性能であり、非常に高い変位分解能が得られる。直線性は±７５μｍで０．００４２％、±１５０μｍで０．０１５％となり、要求される０．３％に比べ１桁から２桁高い直線性が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付図面の図６〜図１４を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、触針式段差計としては先に提案した図１〜図５に示す構成のものを使用する。
【００３５】
図６には本発明に従って構成した差動トランスの一実施形態を示す。図示された差動トランスは、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢ製の円筒形コア２０と、この円筒形コア２０を通す開口部を備え、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢ製のコイルボビン２１とを有し、このコイルボビン２１は、一体に形成された端部フランジ２２、２３と中間の二つのフランジ２４、２５とを備え、中段と中段を挟んで設けた上下段との三段に構成されている。中段には１次コイル２６が巻回され、上段及び下段には２次コイル２７、２８が巻回されている。１次コイル２６及び２次コイル２７、２８の外周は、鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばパーマロイＰＢから成るシールド２９によって、コイルボビンの開口部を除いて、コイル外寸に合わせてコイルを外から覆っている。シールド２９は図示実施形態ではコイルの外周を覆う円筒体２９ａと、コイルボビン２１の端面を覆う二枚の穴あき円板２９ｂとを備えている。
【００３６】
図示実施形態において、１次コイル及び２次コイルはそれぞれ直径０．０９ｍｍの銅線から成り、１次コイル２６は４５０巻回、２次コイル２７、２８はそれぞれ５７５巻回である。１次コイル２６の抵抗は４３Ω、１次コイル自体（シールド２９及びコア２０のない状態）のインダクタンスは２．４ｍＨであり、また５ｋＨｚでのインピーダンスは８６Ωである。２次コイル２７、２８の抵抗はそれぞれ５５Ω、各２次コイル自体（シールド２９及びコア２０のない状態）のインダクタンスは３．７ｍＨであり、また５ｋＨｚでのインピーダンスは１２８Ωである。なお、シールド及びコアがある状態ではインダクタンスは３割程度増す。
【００３７】
図７には、このように構成した図６に示す円筒形コア２０と、１次コイル２６及び２次コイル２７、２８とを備えた差動トランスにおける変位分解能の測定結果を示す。なお円筒形コア２０の質量は０．１４ｇである。横軸は１次電圧の実効値、縦軸は変位分解能である。１次コイル２６の励起周波数は５ｋＨｚで、１次電圧１．５９Ｖｒｍｓでの感度（変位に対する２次電圧の実効値の割合）は１９５Ｖ／ｍであった。感度は１次電圧に比例する。２次電圧は入力換算雑音４．５ｎＶ／Ｈｚ０．５（１ｋＨｚでの典型値）のロックインアンプで、「信号の実効値」×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」を計測したところ、変位に対して直線的に変化する。位相検波後のローパスフィルターのカットオフ周波数（−３ｄＢ）を２３Ｈｚと設定し、１秒間変位を測定し、その標準偏差を変位分解能としてプロットした結果を示している。
【００３８】
図７を考察すると、１次電圧１．５Ｖ以下では、変位分解能はロックインアンプ自体のノイズで制限されており、１次電圧を上げて感度を上げることで変位分解能が向上する。さらに１次電圧を上げると、感度増加分を上回るバルクハウゼン雑音の増加により、変位分解能はバルクハウゼン雑音に制限されることが分かる。この例では１次電圧１．５から２Ｖ程度のとき、変位分解能０．１５ｎｍ（周波数帯域約１〜２３Ｈｚ）の非常に高い分解能が得られた。
【００３９】
円筒形コア２０をパーマロイＰＣで構成した場合における感度はコアをパーマロイＰＢで構成した場合と同程度だったが、１次電圧１．０６Ｖでの変位分解能は０．２９ｎｍとパーマロイＰＢの場合よりノイズが大きくなった。これは磁場０付近でのパーマロイＰＣの透磁率が大きく、そこでの単位時間当たりの磁化の変化が大きく、そのために磁壁の動きが大きく、その結果としてバルクハウゼン雑音が大きくなっているためと思われる。励起周波数を上げるとバルクハウゼン雑音が増加することと同様のことである。
【００４０】
なお、円筒形コア２０の肉厚を０．５ｍｍにした場合には、感度は、肉厚０．２ｍｍのものより、３０％大きかった。感度は大きい方が有利であるが、コア質量の増加分ほど感度は増加しなかったので、円筒形コア２０を軽くする必要から肉厚０．２ｍｍを採用して評価した。
【００４１】
図８には、図７と同じコイル、コアでの２次電圧の「信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」の雑音密度の測定例を示す。この場合にはロックインアンプの前段に増幅率１００倍のプリアンプを入れている。そのプリアンプの入力換算雑音の典型値は１Ｈｚで１．２ｎＶ／Ｈｚ０．５、１０Ｈｚで０．６３ｎＶ／Ｈｚ０．５、１００Ｈｚで０．５２ｎＶ／Ｈｚ０．５、１０００Ｈｚで０．５ｎＶ／Ｈｚ０．５である。ロックインアンプの位相検波後のローパスフィルターのカットオフ周波数（―３ｄＢ）は２３２Ｈｚと設定している。４秒間、信号の時間変化を測定し、それをフーリエ変換して周波数特性を得ている。それを１００回行った平均である。
【００４２】
２次コイルの抵抗値（５５Ω×２＝１１０Ω）から熱雑音は１．３ｎＶ／Ｈｚ０．５と見積もられ、プリアンプのノイズと合わせると（０．５２＋１．３２）０．５＝１．４ｎＶ／Ｈｚ０．５（１００、１０００Ｈｚ）と見積もられる。図８ではグラフのフラット部の雑音は２．３ｎＶ／Ｈｚ０．５であり、この差については現時点では不明である。１次電圧を小さくしてもこのフラット部の雑音はそれ以下には下がらなかったので、バルクハウゼン雑音に起因するものではないと認められる。
【００４３】
図９には、１次電圧と「２次電圧の雑音密度」との関係例を示す。グラフ（イ）は１次電圧１．０６Ｖｒｍｓの場合、グラフ（ロ）は１次電圧１．５９Ｖｒｍｓの場合、またグラフ（ハ）は１次電圧２．１２Ｖｒｍｓの場合である。図９から分かるように１次電圧の増加に従い、低周波域で「２次電圧の雑音密度」が増大している。これがバルクハウゼン雑音に起因するものである。
【００４４】
図１０には、１次電圧と「位置の雑音密度」の関係例を示し、図９の「２次電圧の雑音密度」を各１次電圧での感度（Ｖ／ｍ）で割ったものである。図１０においてグラフ（イ）は１次電圧１．０６Ｖｒｍｓの場合、グラフ（ロ）は１次電圧１．５９Ｖｒｍｓの場合、またグラフ（ハ）は１次電圧２．１２Ｖｒｍｓの場合である。図１０から、１次電圧が１．５９Ｖｒｍｓのときに位置雑音が小さくなることが分かる。
【００４５】
図１１には見やすくするために、図１０における１次電圧が１．５９Ｖｒｍｓの場合の結果のみを示したものである。縦軸の値を２乗して横軸の周波数範囲で積分してルートをとると、その帯域幅での位置雑音つまり変位分解能が得られる。変位分解能（実効値）はそれぞれ、０．５〜２３Ｈｚでは０．０８９ｎｍ、０．５〜１００Ｈｚでは０．１６ｎｍ、０．５〜１０００Ｈｚでは０．３９ｎｍ（１００〜１０００Ｈｚで１．２ｅ−１１ｍ／Ｈｚ０．５として）となり、非常に高い変位分解能が得られた。
【００４６】
１００Ｈｚまでの帯域幅での分解能は市販品の１６倍、１０００Ｈｚまでの帯域幅での分解能は先行技術によるもの（特許文献１が強磁性体コアで評価した結果）の５倍の高性能である。このような高分解能かつ０．１４ｇの軽いコアの差動トランスが本発明により提供できるようになった。
【００４７】
図１２には、１次電圧１．５９Ｖｒｍｓ、カットオフ周波数２３Ｈｚで、「２次電圧の信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」／感度の時間変化を測定した例を示している。つまり、コアの変位を時間を追って測定した例である。１ミリ秒間隔で１秒間測定した結果で、このデータの標準偏差は０．０８９ｎｍであり、前述の変位分解能（帯域幅２３Ｈｚ）と一致している。なお、図１２の測定例ではロックインアンプのアンプレンジで決まる測定範囲設定が±６１５ｎｍであり、１６ビットで計測しているので表示分解能は０．０１９ｎｍとなっている。
【００４８】
ところで、上記では３段型のコイルの例を示したが、２段型でも例えば１次電圧１．０６Ｖｒｍｓで変位分解能０．２１ｎｍ（帯域幅２３Ｈｚ）と良好な結果が得られている。しかし、残留電圧（２次電圧の実効値の最小値）は０．７ｍＶと、３段型の０．３ｍＶより大きかった。ロックインアンプの位相検波前の交流アンプの増幅率の問題からは、残留電圧は小さい方が望ましい。残留電圧が大きいということは、「２次電圧の信号の実効値×ｃｏｓ（参照信号との位相差）」は小さい値でも、２次電圧の信号の実効値が大きいということであり、交流アンプの増幅率を十分に上げられない。交流アンプの増幅率を上げると振り切れてしまうからである。
【００４９】
残留電圧は上下段コイルの巻き方の非対称性に起因していると考えられ、３段型の方が対称性よく巻かれていると考えられる。２段型では２次コイルの上に１次コイルを重ねて巻いており、重ねて巻くうちに巻き方が乱れて非対称性が大きくなると考えられる。３段型では、１次コイル、２次コイルの上段、２次コイルの下段がそれぞれ独立に巻かれるので、対称性が高いと思われる。この対称性は以下に説明するセンサ出力の直線性にも関係してくる。
【００５０】
図１３には、以上に示したのと同じく図６に示すコイル２６〜２８とパーマロイＰＢ製の円筒形コア２０とを用いて、感度のコア位置への依存性を測定した結果を示している。ピエゾアクチュエーターでコアを一定量動かし、そのときのセンサ出力をコア位置に対してプロットしたものである。コアが中心から４０μｍ以上の領域ではピエゾアクチュエーターでコアを２０μｍ、５０μｍ以下の領域では５μｍ動かした。縦軸は感度の最大値（フィットさせた曲線の最大値）で規格化している。図中の曲線は２次式でフィットさせた結果である、中心から１５０μｍのところで感度が０．２％低下していることが分かる。
【００５１】
図１３の曲線を積分する（位置０で出力０とする）と、位置対出力の関係が得られる。その関係に±１５０μｍの範囲内で直線でフィットさせ、その直線との差をプロットしたものを図１４に示している。図１３の横軸、図１４の縦軸、横軸においては、中心（信号と参照信号の位相差が９０度）から１ｍｍずれた位置（マイクロメーターで計測）での電圧出力から暫定的に算出した感度（Ｖ／ｍ）を用いて位置を算出している。その値は正確ではないが、上記の暫定的感度は中心付近での最大感度より３％程度小さいだけなので、直線性の算出にはほとんど影響しない。なお、参照信号の位相は変位１ｍｍで出力信号の位相に一致させた。
【００５２】
図１４から±１５０μｍの範囲での直線性は０．０１５％であり、直線性が非常に高いことが分かる。通常、触針式段差計で求められるのは０．３％であり、その２０倍の直線性である。センサコアと探針の支点からの距離の比が１:２である場合には、探針の測定範囲が±１５０μｍのとき、センサコアが動く範囲は±７５μｍである。そこで、±７５μｍでの直線性を上記と同様にして求めると０．００４２％となり、要求されるよりも２桁近い非常に高い直線性を持つことが分かる。
【００５３】
上記の実施形態の説明においては変位センサの磁性体コアを構成する飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料としてパーマロイＰＢを用いているが、当然、同様な磁気特性をもつ他の鉄・ニッケル合金の磁性材料、例えばａｌｌｅｇｈｅｎｃｙ ４７５０、ｒａｄｉｏ ｍｅｔａｌ、或いは４５％Ｎｉ−Ｆｅ合金であるｐｅｒｍｉｎｖａｒ、ｉｓｏｐｅｒｍなどを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明が適用される触針式表面形状測定器の構成の一例を示す概略図。
【図２】図１における触針式表面形状測定器の要部を下から見た概略線図。
【図３】図１における触針式表面形状測定器のホルダー部分の構成を示す拡大部分断面図。
【図４】図１における触針式表面形状測定器のホルダー部分の構成を示す拡大部分断面図。
【図５】図１における触針式表面形状測定器の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図６】本発明による差動トランスの一実施形態の要部の構造を示す断面図。
【図７】本発明に従って構成した差動トランスにおける変位分解能の測定例を示すグラフ。
【図８】本発明に従って構成した差動トランスにおける２次電圧の雑音密度の測定例を示すグラフ。
【図９】本発明に従って構成した差動トランスにおける種々の１次電圧と２次電圧の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１０】本発明に従って構成した差動トランスにおける種々の１次電圧と位置の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１１】本発明に従って構成した差動トランスにおける特定の１次電圧と位置の雑音密度の関係例を示すグラフ。
【図１２】本発明に従って構成した差動トランスにおける変位の時間変化の例を示すグラフ。
【図１３】本発明に従って構成した差動トランスにおける感度の位置への依存性の例を示すグラフ。
【図１４】図１３に示す感度の位置への依存性の例に基づきフィットさせた直線との差を例示するグラフ。
【符号の説明】
【００５５】
２０：円筒形コア
２１：コイルボビン
２２：端部フランジ
２３：端部フランジ
２４：中間のフランジ
２５：中間のフランジ
２６：１次コイル
２７：２次コイル
２８：２次コイル
２９：シールド
２９ａ：円筒体
２９ｂ：穴あき円板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、
変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、
円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドした
ことを特徴とする触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項２】
飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料がパーマロイＰＢであることを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項３】
シールドが、コイルの外周を覆う円筒体と、コイルボビンの端面を覆う二枚の穴あき円板とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項４】
コイルボビンに巻かれるコイルを三段型に構成したことを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項５】
コイルボビンに巻かれるコイルを二段型に構成したことを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項６】
コイルボビンに巻かれるコイルにおける２次コイルの抵抗値が１００Ω程度であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項７】
１次電圧が、バルクハウゼン雑音を増大させない程度に高く設定されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項８】
１次電圧がほぼ１．０Ｖ〜２Ｖの範囲に設定されることを特徴とする請求項７に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項９】
コイルボビンに巻かれるコイルが三段型である場合に、１次電圧がほぼ１．５Ｖ〜２Ｖの範囲に設定されることを特徴とする請求項７に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項１０】
コイルが三段型であり、中段が１次コイルであり、上段及び下段が２次コイルであり、１次コイル及び２次コイルが直径０．０９ｍｍの銅線から成ることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を設け、探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを設け、探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを支持体に取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計における変位センサ用差動トランスにおいて、
変位センサの磁性体コアを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料で円筒形に構成し、
円筒形の磁性体コアを通す開口部を備えたコイルボビンに巻かれるコイルを飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料のシールドでシールドした
ことを特徴とする触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項２】
飽和磁束密度の大きくしかも透磁率の小さい鉄・ニッケル合金の磁性材料がパーマロイＰＢであることを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項３】
シールドが、コイルの外周を覆う円筒体と、コイルボビンの端面を覆う二枚の穴あき円板とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項４】
コイルボビンに巻かれるコイルを三段型に構成したことを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項５】
コイルボビンに巻かれるコイルを二段型に構成したことを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項６】
コイルボビンに巻かれるコイルにおける２次コイルの抵抗値が１００Ω程度であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項７】
１次電圧が、バルクハウゼン雑音を増大させない程度に高く設定されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項８】
１次電圧がほぼ１．０Ｖ〜２Ｖの範囲に設定されることを特徴とする請求項７に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項９】
コイルボビンに巻かれるコイルが三段型である場合に、１次電圧がほぼ１．５Ｖ〜２Ｖの範囲に設定されることを特徴とする請求項７に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【請求項１０】
コイルが三段型であり、中段が１次コイルであり、上段及び下段が２次コイルであり、１次コイル及び２次コイルが直径０．０９ｍｍの銅線から成ることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の触針式段差計における変位センサ用差動トランス。
【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】
【公開番号】特開２００８−１２２２５４（Ｐ２００８−１２２２５４Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０７０６３（Ｐ２００６−３０７０６３）
【出願日】平成１８年１１月１３日（２００６．１１．１３）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１３日（２００６．１１．１３）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]