JPH0670565B2 - 表面形状測定方法および装置 - Google Patents
表面形状測定方法および装置Info
- Publication number
- JPH0670565B2 JPH0670565B2 JP23869888A JP23869888A JPH0670565B2 JP H0670565 B2 JPH0670565 B2 JP H0670565B2 JP 23869888 A JP23869888 A JP 23869888A JP 23869888 A JP23869888 A JP 23869888A JP H0670565 B2 JPH0670565 B2 JP H0670565B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stylus
- spring
- surface shape
- displacement
- measuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （１）発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、医学、生物学、化学、表面工学等の分野にお
ける微細な表面形状を観察する必要に際し、特に高さを
含む三次元の寸法をミクロンメートル以下の分解能で測
定するのに供せられる表面形状測定方法およびその実施
に直接使用する装置に関する。
ける微細な表面形状を観察する必要に際し、特に高さを
含む三次元の寸法をミクロンメートル以下の分解能で測
定するのに供せられる表面形状測定方法およびその実施
に直接使用する装置に関する。
［従来の技術］ 従来は、表面形状の一般的な観測手段として光学顕微鏡
や走査型電子顕微鏡があるが、高さを含む三次元の寸法
を測定するには不向きである。さらに、光学顕微鏡は光
の波長で分解能が制限されミクロンメートル以下の観測
は困難である。また電子顕微鏡での観測は真空中で行わ
なければならず、生体など水分を含む試料をそのまま測
定することは出来ない。
や走査型電子顕微鏡があるが、高さを含む三次元の寸法
を測定するには不向きである。さらに、光学顕微鏡は光
の波長で分解能が制限されミクロンメートル以下の観測
は困難である。また電子顕微鏡での観測は真空中で行わ
なければならず、生体など水分を含む試料をそのまま測
定することは出来ない。
高さを含む三次元の寸法を測定する最も一般的な測定器
は、触針を表面におしつけ、表面をなぞる従来の触針式
表面粗さ計である。これは触針の表面への押し付け荷重
は10ミリグラムオーダもしくはそれ以上であり、この荷
重に触針が耐えるためにはその先端半径はミクロンオー
ダにする必要がある。よってミクロン以下のピッチの微
細な凹凸は検出出来ない。さらにこの大きい荷重で表面
を損傷する危険もある。特に生物組織表面のように柔ら
かいものは測定不能である。
は、触針を表面におしつけ、表面をなぞる従来の触針式
表面粗さ計である。これは触針の表面への押し付け荷重
は10ミリグラムオーダもしくはそれ以上であり、この荷
重に触針が耐えるためにはその先端半径はミクロンオー
ダにする必要がある。よってミクロン以下のピッチの微
細な凹凸は検出出来ない。さらにこの大きい荷重で表面
を損傷する危険もある。特に生物組織表面のように柔ら
かいものは測定不能である。
最近、非接触で表面の凹凸を光で検出する光学式表面粗
さ計も用いられるようになった。これは表面を損傷する
危険はないが、光スポットの直径は１ミクロン以上であ
り、やはりミクロン以下の面分解能での測定には分解能
が不足である。
さ計も用いられるようになった。これは表面を損傷する
危険はないが、光スポットの直径は１ミクロン以上であ
り、やはりミクロン以下の面分解能での測定には分解能
が不足である。
さらに、鋭い針を表面にオングストロームオーダまで近
付け、その間に流れるトンネル電流を検出する走査型ト
ンネル顕微鏡が開発された。分解能は原子レベルまで期
待出来、空気中でも測定可能であるが、トンネル電流を
利用するかぎり表面は導体に限定されるという大きな欠
点がある。
付け、その間に流れるトンネル電流を検出する走査型ト
ンネル顕微鏡が開発された。分解能は原子レベルまで期
待出来、空気中でも測定可能であるが、トンネル電流を
利用するかぎり表面は導体に限定されるという大きな欠
点がある。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、前記従来の微細な表面形状の観測手段の欠点
に鑑み、あらゆる物質の表面に対して容易な操作かつ高
い分解能で三次元形状を測定するのに有効適切な表面形
状測定方法および装置を提供せんとするものである。
に鑑み、あらゆる物質の表面に対して容易な操作かつ高
い分解能で三次元形状を測定するのに有効適切な表面形
状測定方法および装置を提供せんとするものである。
（２）発明の構成 ［課題を解決するための手段］ 本発明は、触針を支持するばねと、当該ばねの変位を検
出する変位センサを備え、前記触針を測定面に接触摺動
させて表面形状を測定する装置において、前記測定面と
前記触針と前記支持ばねと前記変位センサの先端とを液
体中に浸漬せしめ、前記支持ばねの変位挙動の検出によ
り表面形状を測定するに当り、前記支持ばねに対し外乱
振動を遮断自在かつ粘性減衰を付与自在に液体中測定を
してミクロンメートル以下の精密測定を可能としてな
る。
出する変位センサを備え、前記触針を測定面に接触摺動
させて表面形状を測定する装置において、前記測定面と
前記触針と前記支持ばねと前記変位センサの先端とを液
体中に浸漬せしめ、前記支持ばねの変位挙動の検出によ
り表面形状を測定するに当り、前記支持ばねに対し外乱
振動を遮断自在かつ粘性減衰を付与自在に液体中測定を
してミクロンメートル以下の精密測定を可能としてな
る。
［実施例１］ 本発明装置の第１実施例を第１図につき説明する。
図中１は触針、２板ばねで、掃引吊杆３下端に基端を片
持ちし水平に突出してある。触針１は板ばね２の先端に
下向固定されている。4aは基板５上に載置した測定物４
の測定面で、触針１はこの上を接触摺動する。触針１の
先端半径はサブミクロンの分解能を得るためにもサブミ
クロンもしくはそれ以下に形成する。板ばね２はたわみ
やすいものとし、例えば長さ10mm、幅1mm、厚さ10μｍ
とすれば10μｇ／μｍ程度の剛性が得られる。また、フ
ォトリソグラフィによるエッチング技術を使いミリメー
トル以下の極く薄いバネを形成しそれを用いてもよい。
持ちし水平に突出してある。触針１は板ばね２の先端に
下向固定されている。4aは基板５上に載置した測定物４
の測定面で、触針１はこの上を接触摺動する。触針１の
先端半径はサブミクロンの分解能を得るためにもサブミ
クロンもしくはそれ以下に形成する。板ばね２はたわみ
やすいものとし、例えば長さ10mm、幅1mm、厚さ10μｍ
とすれば10μｇ／μｍ程度の剛性が得られる。また、フ
ォトリソグラフィによるエッチング技術を使いミリメー
トル以下の極く薄いバネを形成しそれを用いてもよい。
６は板ばね２の先端変位の挙動を検出するよう板ばね２
の先端部真上に先端７を臨ませた変位センサで、本実施
例では焦点誤差検出型の光ヘッドセンサを用いている。
８は容器であって、触針１、板ばね２、測定面4aおよび
光ヘッドセンサ６の先端７を浸漬する液体９で満たされ
ている。
の先端部真上に先端７を臨ませた変位センサで、本実施
例では焦点誤差検出型の光ヘッドセンサを用いている。
８は容器であって、触針１、板ばね２、測定面4aおよび
光ヘッドセンサ６の先端７を浸漬する液体９で満たされ
ている。
ここで本実施例に本発明方法を作用させるには、触針１
を測定面4aに接触させる。ここで生じる接触荷重は、板
ばね２の剛性が小さいため極めて小さな値、例えば触針
１と測定面4aとに作用するファンデルヴァールスカと同
程度の10μｇのオーダにできる。よって、接触による表
面の損傷を避けることができる。この状態で掃引吊杆３
の水平移動に伴い板ばね２と一体的に触針１を測定面４
に沿って走査する際、板ばね２は測定面4aの形状に応じ
て挙動変位しそれを掃引吊杆３の動きに同調追従して水
平移動する光ヘッドセンサ６で検出する。
を測定面4aに接触させる。ここで生じる接触荷重は、板
ばね２の剛性が小さいため極めて小さな値、例えば触針
１と測定面4aとに作用するファンデルヴァールスカと同
程度の10μｇのオーダにできる。よって、接触による表
面の損傷を避けることができる。この状態で掃引吊杆３
の水平移動に伴い板ばね２と一体的に触針１を測定面４
に沿って走査する際、板ばね２は測定面4aの形状に応じ
て挙動変位しそれを掃引吊杆３の動きに同調追従して水
平移動する光ヘッドセンサ６で検出する。
この場合、触針１は測定面4aに極めて小さい接触荷重で
接しているため、板ばね２は振動しやすい。特に空気中
では、音響等の空気振動で板ばね２は共振し、接触を不
安定にする危険が大きい。しかし本発明方法のように液
体９の中に浸漬した液体９中測定に当って、空気振動は
液体９で遮断され、しかも液体９の粘性で板ばね２の振
動に大きな減衰が生じるので共振は生じなくなる。よっ
て安定に接触摺動が行える。
接しているため、板ばね２は振動しやすい。特に空気中
では、音響等の空気振動で板ばね２は共振し、接触を不
安定にする危険が大きい。しかし本発明方法のように液
体９の中に浸漬した液体９中測定に当って、空気振動は
液体９で遮断され、しかも液体９の粘性で板ばね２の振
動に大きな減衰が生じるので共振は生じなくなる。よっ
て安定に接触摺動が行える。
光ヘッドセンサ６の先端７は、レンズもしくはレンズを
保護する透明体であるが、これが液体９中に浸漬されて
いるため、液表面で生じる表面波による乱反射や屈折率
変動の影響を受けず、良好な品質の変位検出が出来る。
即ち、高精度、高安定なばね変位の検出が可能となる。
保護する透明体であるが、これが液体９中に浸漬されて
いるため、液表面で生じる表面波による乱反射や屈折率
変動の影響を受けず、良好な品質の変位検出が出来る。
即ち、高精度、高安定なばね変位の検出が可能となる。
［実施例２］ 本発明装置の第２実施例を第２図につき説明する。
同図は、前記第１実施例において、触針１を支持するの
に平行ばね２′を用いた実施例である。平行ばね２′は
触針１が測定面4aを摺動したとき生じる摩擦力による曲
げモーメントに対する剛性が大きく、１枚の板ばねを使
用した場合より、曲げモーメントによるばねの変形が少
ない。よって摩擦力による変位検出誤差を小さく出来
る。
に平行ばね２′を用いた実施例である。平行ばね２′は
触針１が測定面4aを摺動したとき生じる摩擦力による曲
げモーメントに対する剛性が大きく、１枚の板ばねを使
用した場合より、曲げモーメントによるばねの変形が少
ない。よって摩擦力による変位検出誤差を小さく出来
る。
［実施例３］ 本発明装置の第３実施例を第３図につき説明する。
同図は、前記第１実施例における光ヘッドセンサ６に代
えて、板ばね２の変位検出に板ばね２先端直上に下端を
臨ませた導電プローブ10を使用した実施例である。この
場合、板ばね２には導電性材料を用いる。導電プローブ
10下端と板ばね２先端の間に電位を与え、極めて近く接
近させると両者の間にトンネル電流が流れる。この電流
は導電プローブ10と板ばね２の隙間に極めて敏感に変化
する。言い換えると一定のトンネル電流は一定の隙間に
対応する。よって、ピエゾ素子11でトンネル電流が一定
となるよう、導電プローブ10を板ばね２先端と直角対向
する方向に駆動してやると導電プローブ10下端は板ばね
２先端の変位にかかわらずつねに板ばね２と一定の隙間
を保つ。かくして板ばね２の上下挙動変位は導電プロー
ブ10の上下挙動変位、即ち、ピエゾ素子11の変位に等し
くなる。ピエゾ素子11の変位はピエゾ素子11に加えられ
る電圧で知ることが出来るから、これにより板ばね２の
上下挙動変位を測定出来る。使用する液体９が導電性を
持つ場合には、導電プローブ10のごく先端部を除き絶縁
被覆12を施してやることにより効果的なトンネル電流の
検出が可能になる。
えて、板ばね２の変位検出に板ばね２先端直上に下端を
臨ませた導電プローブ10を使用した実施例である。この
場合、板ばね２には導電性材料を用いる。導電プローブ
10下端と板ばね２先端の間に電位を与え、極めて近く接
近させると両者の間にトンネル電流が流れる。この電流
は導電プローブ10と板ばね２の隙間に極めて敏感に変化
する。言い換えると一定のトンネル電流は一定の隙間に
対応する。よって、ピエゾ素子11でトンネル電流が一定
となるよう、導電プローブ10を板ばね２先端と直角対向
する方向に駆動してやると導電プローブ10下端は板ばね
２先端の変位にかかわらずつねに板ばね２と一定の隙間
を保つ。かくして板ばね２の上下挙動変位は導電プロー
ブ10の上下挙動変位、即ち、ピエゾ素子11の変位に等し
くなる。ピエゾ素子11の変位はピエゾ素子11に加えられ
る電圧で知ることが出来るから、これにより板ばね２の
上下挙動変位を測定出来る。使用する液体９が導電性を
持つ場合には、導電プローブ10のごく先端部を除き絶縁
被覆12を施してやることにより効果的なトンネル電流の
検出が可能になる。
図中13は直流電源、14は抵抗、15は増幅器である。
（３）発明の効果 かくして本発明によれば、極めて微小な荷重で表面形状
を測定でき、従来装置では実現できなかった鋭い触針を
安定にかつ測定面の破壊の危険がなく使用できる。よっ
て高い分解能で三次元の表面形状を測定できる。
を測定でき、従来装置では実現できなかった鋭い触針を
安定にかつ測定面の破壊の危険がなく使用できる。よっ
て高い分解能で三次元の表面形状を測定できる。
さらに整理食塩水や水などの生体の生存可能なもの、タ
ンパク質やアミノ酸など水分を含む有機物の自然状態を
保存するものが使用可能であり、従来の観測手段では観
測出来なかったこれらの物質の自然状態での微細形状が
本発明では測定できる。また、周囲雰囲気で酸化や汚染
が起こり易い活性な表面も、不活性な液体、たとえばシ
リコン油などに浸漬すれば純粋な表面を測定出来る等優
れた効果を奏する。
ンパク質やアミノ酸など水分を含む有機物の自然状態を
保存するものが使用可能であり、従来の観測手段では観
測出来なかったこれらの物質の自然状態での微細形状が
本発明では測定できる。また、周囲雰囲気で酸化や汚染
が起こり易い活性な表面も、不活性な液体、たとえばシ
リコン油などに浸漬すれば純粋な表面を測定出来る等優
れた効果を奏する。
第１図は本発明装置の第１実施例を示す一部破断側面
図、第２図は同・第２実施例を示す一部破断側面図、第
３図は同・第３実施例を示す一部破断側面図である。 １……触針、２……板ばね ２′……平行ばね、４……測定物 4a……測定面、６……光ヘッドセンサ ７……光ヘッドセンサの先端 ８……容器、９……液体 10……導電プローブ、11……ピエゾ素子 12……絶縁被覆
図、第２図は同・第２実施例を示す一部破断側面図、第
３図は同・第３実施例を示す一部破断側面図である。 １……触針、２……板ばね ２′……平行ばね、４……測定物 4a……測定面、６……光ヘッドセンサ ７……光ヘッドセンサの先端 ８……容器、９……液体 10……導電プローブ、11……ピエゾ素子 12……絶縁被覆
Claims (2)
- 【請求項１】測定面に接触摺動する触針を支持したばね
の変位挙動の検出により表面形状を測定するに当り、前
記支持ばねに対し外乱振動を遮断自在かつ粘性減衰を付
与自在に液体中測定してミクロンメートル以下の精密測
定をすることを特徴とする表面形状測定方法 - 【請求項２】触針を支持したばねと、当該ばねの変位を
検出する変位センサを備え、前記触針を測定面に接触摺
動させて表面形状を測定する装置において、前記測定面
と前記触針と前記支持ばねと前記変位センサの先端とが
液体中に浸漬されていることを特徴とする表面形状測定
装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23869888A JPH0670565B2 (ja) | 1988-09-26 | 1988-09-26 | 表面形状測定方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23869888A JPH0670565B2 (ja) | 1988-09-26 | 1988-09-26 | 表面形状測定方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0287009A JPH0287009A (ja) | 1990-03-27 |
| JPH0670565B2 true JPH0670565B2 (ja) | 1994-09-07 |
Family
ID=17033968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23869888A Expired - Lifetime JPH0670565B2 (ja) | 1988-09-26 | 1988-09-26 | 表面形状測定方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0670565B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4013742C2 (de) * | 1990-04-28 | 1994-06-30 | Focus Mestechnik Gmbh & Co Kg | Abtastkopf für eine Maschine zum Ausmessen der Mikrooberflächenkontur von Werkstücken |
-
1988
- 1988-09-26 JP JP23869888A patent/JPH0670565B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0287009A (ja) | 1990-03-27 |
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