JP4070891B2 - 加振形接触センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）等によって被測定物の表面形状を測定するのに好適な加振形接触センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
鋭利な先端を有する探針や触針を試料の表面にナノメートルオーダに近づけると、探針と試料との間に原子間力が働き、触針は試料面に引きつけられたり、逆に、斥力が作用することになる。この力はファンデルワールスの力として広く知られており、これらの引力や斥力が一定となるようにして触針を試料の表面に走査することにより、試料表面の凹凸を観察する顕微鏡がＡＦＭ（原子間力顕微鏡）である。
【０００３】
ＡＦＭでは、実際に引力あるいは斥力を直接検出することができないので、引力や斥力を変位に変換し、この変位を検出しながら変位が一定となるように走査される。従って、ＡＦＭは、効率よく力を変位に変換するために、ばね定数の小さなカンチレバーを使用し、このカンチレバーの先端に作用する力によりカンチレバーが撓むことを利用して測定を行うことが一般的である。
このように、カンチレバーの静的な変位を計測する方法を静的モードと称し、カンチレバーを積極的に振動させ、その共振振動数あるいは振幅が探針と試料間に依存して変化することを利用した動的モードと称する。
【０００４】
動的モードには、さらに、完全に試料と非接触状態で動作させる完全非接触モードと、振幅を比較的大きくとり、周期的にカンチレバーの先端を試料に接触させてその振幅変化をみる周期的接触モード（Cyclic Contact ModeあるいはTapping Mode）とがある。周期的接触モードは、他の方法に比べて表面の吸着層等の影響を最低限にでき、また、被測定物に対するダメージも小さいという特徴を有する。
この動的モードは、カンチレバーの形状でのみ実現されているのが現状である。この動的モードを実行するための加振形接触センサの従来例が図６に示されている。
【０００５】
図６において、加振形接触センサは、固定台５１と、この固定台５１に基端が固定され先端部が先細り状に形成された略板状のカンチレバー５２と、このカンチレバー５２の先端部下面にカンチレバー５２の平面と直交して取り付けられた接触部としての微少針５３と、カンチレバー５２を共振状態で振動させる図示しない加振手段と、微少針５３が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する図示しない検出手段とを備え、微少針５３が被測定物と接触することでカンチレバー５２が撓み、この撓みを検出して測定が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示される加振形接触センサでは、効率よく力を変位に変換するために、カンチレバー５２のばね定数を小さく、つまり、曲がりやすく設計するのが一般的である。また、応答性を上げるためにカンチレバー５２の固有振動数を100kHz以上に設計するのが一般的であるが、これを実現するには、カンチレバー５２を全長１mm以下と非常に微細に作る必要がある。
【０００７】
図７に示される通り、被測定物Ｗに微少針５３を接触させて矢印Ｐ方向に走査しながら測定する際に、カンチレバー５２の先端はＱで示される円弧運動をすることになり、これに伴って微少針５３の先端も円弧運動をすることになる。
そのため、微少針５３の先端と被測定物Ｗとの接触点は、被測定物Ｗの表面凹凸の大きさにより、走査方向の位置が異なり、図７中、誤差D1を生じることになる。このことは、ＡＦＭで観測される像が歪んで見えることを意味する。
さらに、カンチレバー５２は、その幅方向に均一に製作することは困難であり、このためカンチレバー５２の振動が図８の符号Ｒで示される通り、首振り状態となる。この首振りに伴って誤差D2を生じることになり、この点からも、ＡＦＭで観測される像が歪むことになる。
【０００８】
本発明の目的は、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる加振形接触センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状に形成された振動子を一軸方向に振動させるとともにこの振動子の先端に針状に形成された接触部を設けて前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明の加振形接触センサは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持される振動子本体とこの振動子本体の先端部に設けられ被測定物と接触する接触部とを有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備えた加振形接触センサであって、前記接触部は前記振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材であり、前記スタイラスホルダと前記振動子本体とは板状体から一体構造に形成されて同一平面上に位置するとともに、前記振動の軸を中心として前記板状体の面方向に略軸対称構造とされ、前記スタイラスホルダは、平面コ字型に形成された平板であり、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダの開口端部に、前記振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節を支持された平板であることを特徴とする。
【００１０】
この構成の本発明では、加振手段を作動させると、振動子は対称軸方向の支持点を振動の節とし、その両端を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。接触部である針状部材を被測定物の表面に当接させると、針状部材は振動子の振動方向に沿って設けられているため、針状部材及び振動子の振動が規制され、この振動の変化が検出手段で検出される。
そのため、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点が解消され、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００１１】
その上、スタイラスホルダと振動子とは、振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされ、かつ、振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節において振動子がスタイラスホルダで支持される構造であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。しかも、スタイラスホルダと振動子とを板状体から一体成形したから、支持点におけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサの共振特性と検出感度とを向上させることができる。
さらに、曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、高速応答が可能となる。しかも、振動子が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
【００１２】
ここで、本発明では、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダに支持された点から前記接触部が設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造が好ましい。
振動子本体がホーン形状を有することで、振動子の先端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、前記板状体はチタンから構成されることが好ましい。
板状体をチタンから構成することで、センサの耐食性を優れたものにできる。
また、前記加振手段及び前記検出手段の少なくとも一方は水熱合成法で成形された圧電材料膜を有することが好ましい。
水熱合成法によって加振手段や検出手段を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）で使用される加振形接触センサ１である。
図１は本実施形態にかかる加振形接触センサ１の斜視図であり、図２は加振形接触センサ１の回路構成図である。
【００１５】
これらの図において、加振形接触センサ１は、図示しないＡＦＭの本体に取り付けられたスタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられ被測定物と接触する接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５と、加振手段４を作動する加振回路６と、検出手段５を作動する検出回路７とを備えた構成である。
【００１６】
スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとはチタンからなる一枚の薄い板状体から一体構造に形成される。スタイラスホルダ２は平面コ字型に形成された平板とされ、振動子本体３Ｂは、その長手方向が振動方向とされ、かつ、スタイラスホルダ２の開口端部に支持点２Ａを介して振動の節となる中央部が支持された細長い平板とされる。これらの平板は同一平面上に配置される。スタイラスホルダ２及び振動子３は、振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされている。
スタイラスホルダ２の開口端側には取付孔２Ｂが２箇所形成されている。
【００１７】
振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２の開口部に配置された基端部が平面矩形状とされ、スタイラスホルダ２の開口部から突出した先端部が支持点２Ａから接触部３Ａに向かうに従って幅が細くなるホーン形状とされる。このホーン形状は、図１に示される通り、湾曲形状であてもよく、あるいは、直線状であってもよい。
接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端面において振動の軸方向に延びて設けられた針状部材であり、より具体的には、先端に従って径が細くなる円錐状の微少針である。この微少針はダイアモンドチップ等から構成される。
【００１８】
加振手段４は、振動子本体３Ｂの表面全面とスタイラスホルダ２の一部の表面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜４Ａと、この圧電材料膜４Ａの上面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた導電材料層４Ｂとを備えて構成されている。
加振手段４の導電材料層４Ｂは、金等からなるものであって加振用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間に電圧を印加し、圧電材料膜４Ａに電界を作用させて歪ませるものである。
【００１９】
検出手段５は、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２の裏面に設けられる点以外は加振手段４と同じ構造である。つまり、検出手段５は、振動子本体３Ｂの裏面全面とスタイラスホルダ２の一部の裏面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜５Ａと、この圧電材料膜５Ａの下面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた金等からなる導電材料層５Ｂとを備えて構成されている。
検出手段５の導電材料層５Ｂは、検出用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間にある圧電材料膜５Ａに生じる電圧の変化を検出するものである。
【００２０】
加振回路６は、加振手段４の導電材料層４Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、振動子３の中央を振動の節としてその長手方向（軸方向）に振動させるために導電材料層４Ｂに電流を供給する。
検出回路７は、検出手段５の導電材料層５Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、検出用電極として機能する導電材料層５Ｂで検出される振動子３の振動の変化を検出して接触部３Ａが被測定物に近接したことを検知して信号を発する構成である。
【００２１】
次に、本実施形態の加振形接触センサ１を製造する方法について、図３に基づいて説明する。
図３（Ａ）に示される通り、チタンからなる板状材をエッチングやワイヤカット等によってスタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを形成する。その後、図３（Ｂ）に示される通り、振動子本体３Ｂの表面全面及びスタイラスホルダ２の表面の一部に水熱合成法でＰＺＴから加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａを成形する。同様に、振動子本体３Ｂの裏面全面及びスタイラスホルダ２の裏面の一部に水熱合成法でＰＺＴから検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａを成形する。
【００２２】
さらに、その後、図３（Ｃ）に示される通り、加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａの上に蒸着等の方法で加振電極として機能する導電材料層４Ｂを成形する。同様に、検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａの上に蒸着等の方法で検出電極として機能する導電材料層５Ｂを成形する。
さらに、振動子本体３Ｂの先端面にダイアモンドチップ等からなる微少針を接触部３Ａとして接着固定し、加振手段４に加振回路６を接続し、検出手段５に検出回路７を接続する。
【００２３】
この構成の加振形接触センサ１を使用するためには、まず、加振回路６及び検出回路７を作動させる。すると、振動子３は、支持点２Ａを振動の節とし、その端部を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。
この状態で接触部３Ａを図４に示される通り、被測定物Ｗの表面に対して当接させると、接触部３Ａを構成する針状部材及び振動子本体３Ｂの矢印Ｐ方向の振動が規制され、この振動の変化が検出手段５で検出され、検出回路７を通じて発信される。
【００２４】
従って、本実施形態では、スタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられた接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５とを備えた加振形接触センサであって、接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成されているため、針状部材は常に振動子３の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点を解消して被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００２５】
しかも、スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされ、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子３をスタイラスホルダ２で支持した構成であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
その上、スタイラスホルダ２と振動子３とを板状体から一体構造としたから、支持点２Ａにおけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサ自体の共振特性と検出感度とを向上させることができる。
【００２６】
さらに、振動子３の曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、センサ自体の高速応答が可能となる。
しかも、振動子３が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
また、固有振動数を同じにした場合には縦振動が従来の横振動に比べて振動子３の寸法を大きくすることができるので、センサの製作が容易に行える。
【００２７】
さらに、本実施形態では加振形接触センサ１をＡＦＭに使用したから、この加振形接触センサ１によって被測定物の測定位置が誤差なく測定できることにより、ＡＦＭの像が歪むことがない。
また、本実施形態では、振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２に支持された点から接触部３Ａが設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造であるため、振動子３の端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
さらに、スタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを構成する板状体はチタンであるため、耐食性が良好となる。
【００２８】
また、加振手段４及び検出手段５の双方は水熱合成法で成形された圧電材料膜４Ａ，５Ａを有する構造であるため、水熱合成法によって加振手段４及び検出手段５を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
さらに、加振手段４と検出手段５とは振動子本体３Ｂの表裏面に対向するように設けられているため、この点からも、センサの小型化を実現することができるとともに、安価に製造することができる。
【００２９】
本実施形態の効果を確認するために加振形接触センサ１の周波数特性を測定した。測定した加振形接触センサ１の振動子３は、その厚さ寸法が0.1mmのものと、0.05mmのものとの２種類を用意した。これらの振動子３は、ともに、その長さ寸法が9.8mmであり、その幅寸法が1.0mmであり、その先端の幅は0.1mmであって、この振動子３の両面に合計の厚さが12μｍの圧電材料膜４Ａ，５Ａを設けた。
このように厚さ寸法の異なる２種類の加振形接触センサ１について、５Ｖの電流を印加し、レーザードップラー振動計を用いて振動振幅を測定した。その測定結果を図５に示す。
【００３０】
図５において、S1は振動子３の厚みが0.1mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は307.2kHz、共振時の振動振幅は27.7nm、共振のＱ値は452であった。S2は振動子３の厚みが0.05mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は286.6kHz、共振時の振動振幅は157nm、共振のＱ値は329であった。
これらは従来のものに比べ、共振周波数で2.7倍及び2.5倍、振動子本体３Ｂのホーン形状による振幅拡大前の振動振幅で5.2倍及び29倍、Ｑ値で0.74倍及び0.54倍である。
【００３１】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲であれば次に示す変形例を含むものである。
例えば、前記実施形態では、圧電材料膜４Ａ，５Ａを水熱合成法で成形したＰＺＴ薄膜としたが、本発明では、酸化亜鉛（ZnO）等の他の圧電材料を蒸着等の他の手段で成形するものであってもよい。仮に、水熱合成法を使用する場合であっても、圧電材料膜４Ａ，５Ａのいずれか一方を水熱合成法で成形するものでもよい。
さらに、圧電材料膜４Ａ，５Ａや電極を構成する導電材料層４Ｂ，５Ｂは、必ずしも軸対称形状とすることを要しない。
【００３２】
さらに、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２を構成する材質は、チタンである必要がなく、他の金属材料であってもよい。
また、振動子本体３Ｂの先端部はホーン形状でなくてもよく、例えば、平面矩形状であってもよい。
前記実施形態では、加振形接触センサ１はＡＦＭで使用された場合について説明したが、本発明では、加振形接触センサ１を 三次元測定機、あるいは、ハイトゲージ（一次元測定機）、二次元測定機、輪郭測定機等の測定機全般に適用することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
従って、本発明では、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持された振動子本体及び振動子本体の先端に設けられた接触部と振動子本体を有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備え、接触部は振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成され、かつ、スタイラスホルダと振動子本体とは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とし、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子をスタイラスホルダで支持した構成としたから、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができ、さらに、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加振形接触センサの斜視図である。
【図２】 前記加振形接触センサの回路構成図である。
【図３】（Ａ）から（Ｃ）は前記加振形接触センサを製造する方法を説明する斜視図である。
【図４】前記加振形接触センサが被測定物を測定する状態を示す概略正面図である。
【図５】前記加振形接触センサの効果を確認するために行った測定結果を示すグラフである。
【図６】従来例のカンチレバータイプの加振形接触センサを示す概略斜視図である。
【図７】従来例の問題点を説明するための側面図である。
【図８】従来例の問題点を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１ 加振形接触センサ
２ スタイラスホルダ
３ 振動子
３Ａ 接触部（針状部材）
３Ｂ 振動子本体
４ 加振手段
４Ａ 圧電材料膜
５ 検出手段
５Ａ 圧電材料膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）等によって被測定物の表面形状を測定するのに好適な加振形接触センサに関する。
【０００２】
【背景技術】
鋭利な先端を有する探針や触針を試料の表面にナノメートルオーダに近づけると、探針と試料との間に原子間力が働き、触針は試料面に引きつけられたり、逆に、斥力が作用することになる。この力はファンデルワールスの力として広く知られており、これらの引力や斥力が一定となるようにして触針を試料の表面に走査することにより、試料表面の凹凸を観察する顕微鏡がＡＦＭ（原子間力顕微鏡）である。
【０００３】
ＡＦＭでは、実際に引力あるいは斥力を直接検出することができないので、引力や斥力を変位に変換し、この変位を検出しながら変位が一定となるように走査される。従って、ＡＦＭは、効率よく力を変位に変換するために、ばね定数の小さなカンチレバーを使用し、このカンチレバーの先端に作用する力によりカンチレバーが撓むことを利用して測定を行うことが一般的である。
このように、カンチレバーの静的な変位を計測する方法を静的モードと称し、カンチレバーを積極的に振動させ、その共振振動数あるいは振幅が探針と試料間に依存して変化することを利用した動的モードと称する。
【０００４】
動的モードには、さらに、完全に試料と非接触状態で動作させる完全非接触モードと、振幅を比較的大きくとり、周期的にカンチレバーの先端を試料に接触させてその振幅変化をみる周期的接触モード（Cyclic Contact ModeあるいはTapping Mode）とがある。周期的接触モードは、他の方法に比べて表面の吸着層等の影響を最低限にでき、また、被測定物に対するダメージも小さいという特徴を有する。
この動的モードは、カンチレバーの形状でのみ実現されているのが現状である。この動的モードを実行するための加振形接触センサの従来例が図６に示されている。
【０００５】
図６において、加振形接触センサは、固定台５１と、この固定台５１に基端が固定され先端部が先細り状に形成された略板状のカンチレバー５２と、このカンチレバー５２の先端部下面にカンチレバー５２の平面と直交して取り付けられた接触部としての微少針５３と、カンチレバー５２を共振状態で振動させる図示しない加振手段と、微少針５３が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する図示しない検出手段とを備え、微少針５３が被測定物と接触することでカンチレバー５２が撓み、この撓みを検出して測定が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示される加振形接触センサでは、効率よく力を変位に変換するために、カンチレバー５２のばね定数を小さく、つまり、曲がりやすく設計するのが一般的である。また、応答性を上げるためにカンチレバー５２の固有振動数を100kHz以上に設計するのが一般的であるが、これを実現するには、カンチレバー５２を全長１mm以下と非常に微細に作る必要がある。
【０００７】
図７に示される通り、被測定物Ｗに微少針５３を接触させて矢印Ｐ方向に走査しながら測定する際に、カンチレバー５２の先端はＱで示される円弧運動をすることになり、これに伴って微少針５３の先端も円弧運動をすることになる。
そのため、微少針５３の先端と被測定物Ｗとの接触点は、被測定物Ｗの表面凹凸の大きさにより、走査方向の位置が異なり、図７中、誤差D1を生じることになる。このことは、ＡＦＭで観測される像が歪んで見えることを意味する。
さらに、カンチレバー５２は、その幅方向に均一に製作することは困難であり、このためカンチレバー５２の振動が図８の符号Ｒで示される通り、首振り状態となる。この首振りに伴って誤差D2を生じることになり、この点からも、ＡＦＭで観測される像が歪むことになる。
【０００８】
本発明の目的は、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる加振形接触センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状に形成された振動子を一軸方向に振動させるとともにこの振動子の先端に針状に形成された接触部を設けて前記目的を達成しようとするものである。
具体的には、本発明の加振形接触センサは、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持される振動子本体とこの振動子本体の先端部に設けられ被測定物と接触する接触部とを有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備えた加振形接触センサであって、前記接触部は前記振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材であり、前記スタイラスホルダと前記振動子本体とは板状体から一体構造に形成されて同一平面上に位置するとともに、前記振動の軸を中心として前記板状体の面方向に略軸対称構造とされ、前記スタイラスホルダは、平面コ字型に形成された平板であり、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダの開口端部に、前記振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節を支持された平板であることを特徴とする。
【００１０】
この構成の本発明では、加振手段を作動させると、振動子は対称軸方向の支持点を振動の節とし、その両端を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。接触部である針状部材を被測定物の表面に当接させると、針状部材は振動子の振動方向に沿って設けられているため、針状部材及び振動子の振動が規制され、この振動の変化が検出手段で検出される。
そのため、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点が解消され、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００１１】
その上、スタイラスホルダと振動子とは、振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされ、かつ、振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節において振動子がスタイラスホルダで支持される構造であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。しかも、スタイラスホルダと振動子とを板状体から一体成形したから、支持点におけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサの共振特性と検出感度とを向上させることができる。
さらに、曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、高速応答が可能となる。しかも、振動子が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
【００１２】
ここで、本発明では、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダに支持された点から前記接触部が設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造が好ましい。
振動子本体がホーン形状を有することで、振動子の先端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
【００１３】
さらに、前記板状体はチタンから構成されることが好ましい。
板状体をチタンから構成することで、センサの耐食性を優れたものにできる。
また、前記加振手段及び前記検出手段の少なくとも一方は水熱合成法で成形された圧電材料膜を有することが好ましい。
水熱合成法によって加振手段や検出手段を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）で使用される加振形接触センサ１である。
図１は本実施形態にかかる加振形接触センサ１の斜視図であり、図２は加振形接触センサ１の回路構成図である。
【００１５】
これらの図において、加振形接触センサ１は、図示しないＡＦＭの本体に取り付けられたスタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられ被測定物と接触する接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５と、加振手段４を作動する加振回路６と、検出手段５を作動する検出回路７とを備えた構成である。
【００１６】
スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとはチタンからなる一枚の薄い板状体から一体構造に形成される。スタイラスホルダ２は平面コ字型に形成された平板とされ、振動子本体３Ｂは、その長手方向が振動方向とされ、かつ、スタイラスホルダ２の開口端部に支持点２Ａを介して振動の節となる中央部が支持された細長い平板とされる。これらの平板は同一平面上に配置される。スタイラスホルダ２及び振動子３は、振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされている。
スタイラスホルダ２の開口端側には取付孔２Ｂが２箇所形成されている。
【００１７】
振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２の開口部に配置された基端部が平面矩形状とされ、スタイラスホルダ２の開口部から突出した先端部が支持点２Ａから接触部３Ａに向かうに従って幅が細くなるホーン形状とされる。このホーン形状は、図１に示される通り、湾曲形状であてもよく、あるいは、直線状であってもよい。
接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端面において振動の軸方向に延びて設けられた針状部材であり、より具体的には、先端に従って径が細くなる円錐状の微少針である。この微少針はダイアモンドチップ等から構成される。
【００１８】
加振手段４は、振動子本体３Ｂの表面全面とスタイラスホルダ２の一部の表面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜４Ａと、この圧電材料膜４Ａの上面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた導電材料層４Ｂとを備えて構成されている。
加振手段４の導電材料層４Ｂは、金等からなるものであって加振用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間に電圧を印加し、圧電材料膜４Ａに電界を作用させて歪ませるものである。
【００１９】
検出手段５は、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２の裏面に設けられる点以外は加振手段４と同じ構造である。つまり、検出手段５は、振動子本体３Ｂの裏面全面とスタイラスホルダ２の一部の裏面に設けられＰＺＴ薄膜から構成された圧電材料膜５Ａと、この圧電材料膜５Ａの下面のうち振動子本体３Ｂの基端側及びスタイラスホルダ２側に設けられた金等からなる導電材料層５Ｂとを備えて構成されている。
検出手段５の導電材料層５Ｂは、検出用電極として機能するものであり、振動子本体３Ｂとの間にある圧電材料膜５Ａに生じる電圧の変化を検出するものである。
【００２０】
加振回路６は、加振手段４の導電材料層４Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、振動子３の中央を振動の節としてその長手方向（軸方向）に振動させるために導電材料層４Ｂに電流を供給する。
検出回路７は、検出手段５の導電材料層５Ｂと振動子本体３Ｂとに電気的に接続され、検出用電極として機能する導電材料層５Ｂで検出される振動子３の振動の変化を検出して接触部３Ａが被測定物に近接したことを検知して信号を発する構成である。
【００２１】
次に、本実施形態の加振形接触センサ１を製造する方法について、図３に基づいて説明する。
図３（Ａ）に示される通り、チタンからなる板状材をエッチングやワイヤカット等によってスタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを形成する。その後、図３（Ｂ）に示される通り、振動子本体３Ｂの表面全面及びスタイラスホルダ２の表面の一部に水熱合成法でＰＺＴから加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａを成形する。同様に、振動子本体３Ｂの裏面全面及びスタイラスホルダ２の裏面の一部に水熱合成法でＰＺＴから検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａを成形する。
【００２２】
さらに、その後、図３（Ｃ）に示される通り、加振手段４を構成する圧電材料膜４Ａの上に蒸着等の方法で加振電極として機能する導電材料層４Ｂを成形する。同様に、検出手段５を構成する圧電材料膜５Ａの上に蒸着等の方法で検出電極として機能する導電材料層５Ｂを成形する。
さらに、振動子本体３Ｂの先端面にダイアモンドチップ等からなる微少針を接触部３Ａとして接着固定し、加振手段４に加振回路６を接続し、検出手段５に検出回路７を接続する。
【００２３】
この構成の加振形接触センサ１を使用するためには、まず、加振回路６及び検出回路７を作動させる。すると、振動子３は、支持点２Ａを振動の節とし、その端部を振動の腹として縦振動モードで共振状態となる。
この状態で接触部３Ａを図４に示される通り、被測定物Ｗの表面に対して当接させると、接触部３Ａを構成する針状部材及び振動子本体３Ｂの矢印Ｐ方向の振動が規制され、この振動の変化が検出手段５で検出され、検出回路７を通じて発信される。
【００２４】
従って、本実施形態では、スタイラスホルダ２と、このスタイラスホルダ２に支持される振動子本体３Ｂとこの振動子本体３Ｂの先端に設けられた接触部３Ａとを有する振動子３と、この振動子３を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段４と、接触部３Ａが被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段５とを備えた加振形接触センサであって、接触部３Ａは振動子本体３Ｂの先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成されているため、針状部材は常に振動子３の振動方向に振動していることになり、カンチレバータイプの従来例の欠点を解消して被測定物の測定位置を誤差なく測定することができる。
【００２５】
しかも、スタイラスホルダ２と振動子本体３Ｂとは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされ、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子３をスタイラスホルダ２で支持した構成であるため、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
その上、スタイラスホルダ２と振動子３とを板状体から一体構造としたから、支持点２Ａにおけるエネルギー損失を少なくすることができるので、この点からも、センサ自体の共振特性と検出感度とを向上させることができる。
【００２６】
さらに、振動子３の曲げの固有振動数より軸方向の固有振動数の方が容易に高く設計することができるので、センサ自体の高速応答が可能となる。
しかも、振動子３が一軸方向に振動されるため、空気抵抗が受けにくくなり、高いＱ値（共振状態の鋭さ）を実現して感度の高いセンサを提供できる。
また、固有振動数を同じにした場合には縦振動が従来の横振動に比べて振動子３の寸法を大きくすることができるので、センサの製作が容易に行える。
【００２７】
さらに、本実施形態では加振形接触センサ１をＡＦＭに使用したから、この加振形接触センサ１によって被測定物の測定位置が誤差なく測定できることにより、ＡＦＭの像が歪むことがない。
また、本実施形態では、振動子本体３Ｂは、スタイラスホルダ２に支持された点から接触部３Ａが設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造であるため、振動子３の端部で大きな振幅を得ることができることになり、検出感度を向上させることができる。
さらに、スタイラスホルダ２及び振動子本体３Ｂを構成する板状体はチタンであるため、耐食性が良好となる。
【００２８】
また、加振手段４及び検出手段５の双方は水熱合成法で成形された圧電材料膜４Ａ，５Ａを有する構造であるため、水熱合成法によって加振手段４及び検出手段５を薄く成形してセンサ自体の小型化を実現するとともに安価に製造することが可能となる。
さらに、加振手段４と検出手段５とは振動子本体３Ｂの表裏面に対向するように設けられているため、この点からも、センサの小型化を実現することができるとともに、安価に製造することができる。
【００２９】
本実施形態の効果を確認するために加振形接触センサ１の周波数特性を測定した。測定した加振形接触センサ１の振動子３は、その厚さ寸法が0.1mmのものと、0.05mmのものとの２種類を用意した。これらの振動子３は、ともに、その長さ寸法が9.8mmであり、その幅寸法が1.0mmであり、その先端の幅は0.1mmであって、この振動子３の両面に合計の厚さが12μｍの圧電材料膜４Ａ，５Ａを設けた。
このように厚さ寸法の異なる２種類の加振形接触センサ１について、５Ｖの電流を印加し、レーザードップラー振動計を用いて振動振幅を測定した。その測定結果を図５に示す。
【００３０】
図５において、S1は振動子３の厚みが0.1mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は307.2kHz、共振時の振動振幅は27.7nm、共振のＱ値は452であった。S2は振動子３の厚みが0.05mmの場合の周波数と振幅との関係を示すもので、この場合、共振周波数特性は286.6kHz、共振時の振動振幅は157nm、共振のＱ値は329であった。
これらは従来のものに比べ、共振周波数で2.7倍及び2.5倍、振動子本体３Ｂのホーン形状による振幅拡大前の振動振幅で5.2倍及び29倍、Ｑ値で0.74倍及び0.54倍である。
【００３１】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲であれば次に示す変形例を含むものである。
例えば、前記実施形態では、圧電材料膜４Ａ，５Ａを水熱合成法で成形したＰＺＴ薄膜としたが、本発明では、酸化亜鉛（ZnO）等の他の圧電材料を蒸着等の他の手段で成形するものであってもよい。仮に、水熱合成法を使用する場合であっても、圧電材料膜４Ａ，５Ａのいずれか一方を水熱合成法で成形するものでもよい。
さらに、圧電材料膜４Ａ，５Ａや電極を構成する導電材料層４Ｂ，５Ｂは、必ずしも軸対称形状とすることを要しない。
【００３２】
さらに、振動子本体３Ｂ及びスタイラスホルダ２を構成する材質は、チタンである必要がなく、他の金属材料であってもよい。
また、振動子本体３Ｂの先端部はホーン形状でなくてもよく、例えば、平面矩形状であってもよい。
前記実施形態では、加振形接触センサ１はＡＦＭで使用された場合について説明したが、本発明では、加振形接触センサ１を 三次元測定機、あるいは、ハイトゲージ（一次元測定機）、二次元測定機、輪郭測定機等の測定機全般に適用することも可能である。
【００３３】
【発明の効果】
従って、本発明では、スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持された振動子本体及び振動子本体の先端に設けられた接触部と振動子本体を有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備え、接触部は振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材から構成され、かつ、スタイラスホルダと振動子本体とは板状体から一体構造に形成されるとともに、前記振動の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とし、前記振動の軸方向における中央に生じる振動の節において振動子をスタイラスホルダで支持した構成としたから、針状部材は常に振動子の振動方向に振動していることになり、被測定物の測定位置を誤差なく測定することができ、さらに、外乱振動に対する安定性が向上して共振特性と検出感度とが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる加振形接触センサの斜視図である。
【図２】 前記加振形接触センサの回路構成図である。
【図３】（Ａ）から（Ｃ）は前記加振形接触センサを製造する方法を説明する斜視図である。
【図４】前記加振形接触センサが被測定物を測定する状態を示す概略正面図である。
【図５】前記加振形接触センサの効果を確認するために行った測定結果を示すグラフである。
【図６】従来例のカンチレバータイプの加振形接触センサを示す概略斜視図である。
【図７】従来例の問題点を説明するための側面図である。
【図８】従来例の問題点を説明するための正面図である。
【符号の説明】
１ 加振形接触センサ
２ スタイラスホルダ
３ 振動子
３Ａ 接触部（針状部材）
３Ｂ 振動子本体
４ 加振手段
４Ａ 圧電材料膜
５ 検出手段
５Ａ 圧電材料膜
Claims (4)
- スタイラスホルダと、このスタイラスホルダに支持される振動子本体とこの振動子本体の先端部に設けられ被測定物と接触する接触部とを有する振動子と、この振動子を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段と、前記接触部が被測定物と接触するに際して生じる振動の変化を検出する検出手段とを備えた加振形接触センサであって、
前記接触部は前記振動子本体の先端部において前記軸方向に延びて設けられた針状部材であり、
前記スタイラスホルダと前記振動子本体とは板状体から一体構造に形成されて同一平面上に位置するとともに、前記振動の軸を中心として前記板状体の面方向に略軸対称構造とされ、
前記スタイラスホルダは、平面コ字型に形成された平板であり、
前記振動子本体は、前記スタイラスホルダの開口端部に、前記振動の軸方向における中央付近に生じる振動の節を支持された平板である
ことを特徴とする加振形接触センサ。 - 請求項１に記載の加振形接触センサにおいて、前記振動子本体は、前記スタイラスホルダに支持された点から前記接触部が設けられた先端に向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有することを特徴とする加振形接触センサ。
- 請求項１又は２に記載の加振形接触センサにおいて、前記板状体はチタンから構成されることを特徴とする加振形接触センサ。
- 請求項１から３のいずれかに記載の加振形接触センサにおいて、前記加振手段及び前記検出手段の少なくとも一方は水熱合成法で成形された圧電材料膜を有することを特徴とする加振形接触センサ。
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