(57)【要約】座標測定装置用のプローブヘッド（９）が開示される。プローブヘッド（９）は、座標測定装置に固定できるプローブヘッドシャーシ（２９）と、プローブヘッドシャーシ（２９）に固定され、静止位置から移動することができ、加工物（１７）を検査するための触針（４７）を取り付けることのできる触針保持器（３９）と、プローブヘッドシャーシ（２９）に関して触針保持器（３９）の変位を測定するための変位測定システム（５５，５７）と、触針（４７）の先端（４９）を観測するための観測レンズ（６１）とを備えている。プローブヘッド（１）は、構成要素、触針保持器（３９）及びプローブヘッドシャーシ（２９）の少なくとも一つが、少なくとも一部が透明で観測レンズ（６１）の光線路中に配置された触針の延伸方向に対して横に移動する横の支持体（３９）を有している。
2004521339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標測定装置（１）用接触プローブであって、
該座標測定装置（１）に取り付けるようにされた接触プローブシャーシ（２９）と、
静止位置から変位可能に前記接触プローブシャーシ（２９）上に取り付けられ、加工物（１７）と接触するように検出針（４７）を取り付け可能な検出針用支持体（３９；９１）と、
前記接触プローブシャーシ（２９）に関して前記検出針用支持体（３９；９１）の変位を検出するための変位測定システム（５５，５７；１０１，１０３）と、
前記検出針（４７）の先端（４９）又は／及び該先端の周りの領域を点検するための、前記変位測定システム（５５，５７；１０１，１０３）から独立した点検光学系（６１）とを備え、
前記検出針用支持体（３９；９１）と接触プローブシャーシ（２９）の構成要素の少なくとも一つが、前記検出針（４７）の延伸方向に対して横方向に延伸し、少なくともその一部で光に対して透明で、前記検出光学系（６１）の光路（６９）中に配置された横の支持体（３９；９３）を備えていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の接触プローブであって、前記検出針（４７）は、前記検出針用支持体（３９；９１）上に取り付けられ、前記検出光学系の対物面（８３）が前記検出針（４７）の先端（４９）の領域に配置されていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項３】
請求項２に記載の接触プローブであって、前記横の支持体（３９；９３）と前記対物面（８３）との間の第一の距離Ｄ１と、前記横の支持体（３９；９３）と前記検出針（４７）の先端（４９）との間の第二の距離Ｄ２とが、０．５＜？Ｄ１／Ｄ２？＜２．０、望ましくは、０．７５＜？Ｄ１／Ｄ２？＜１．４、更に望ましくは０．８５＜？Ｄ１／Ｄ２？＜１．２の関係を満足することを特徴とする接触プローブ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記横の支持体（３９；９３）が、前記点検光学系（６１）の対物レンズ（７１；７７）と前記接触プローブ（４７）の先端（４９）との間に配置されていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記横の支持体（３９）が透明な材料、特に硝子でできていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記横の支持体（９３）が、前記点検光学系（６１ａ）へ光を通過させるための少なくとも一つの開口（９５）を備え、特に、複数の開口（９５ａ）が、前記検出針（４７ａ）の長軸（６２ａ）の周りに円周方向に配置されていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記検出針用支持体（４５；９１）又は／及び該検出針用支持体（４５；９１）と前記接触プローブシャーシ（２９）との間の接続領域（３９；９３）が、前記検出光学系（６１）の前記光線経路（６９）内に配置されていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記検出針（４７）が、前記検出光学系（６１）の主軸（６２）にほぼ沿って延伸していることを特徴とする接触プローブ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の接触プローブであって、前記横の支持体（９１）が、弾性的に変形可能であり、前記接触プローブシャーシ（８９）と前記検出針用支持体（９１）とを弾性的に結合することを特徴とする接触プローブ。
【請求項１０】
請求項９に記載の接触プローブであって、前記接触プローブシャーシ（８９）と前記検出針用支持体（９１）とが、一塊の材料（８７）、特に単結晶から一体的に作られていることを特徴とする接触プローブ。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の接触プローブであって、前記変位測定システム（１０１，１０３）が前記横の支持体（９３）の弾性的な変形を検出して、前記接触プローブシャーシ（８９）に関して前記検出針用支持体（９１）の変形を測定することを特徴とする接触プローブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の接触プローブであって、前記変位測定システムが少なくとも一つのひずみ検出器、特に、圧電材料又は／及び抵抗ひずみ計（１０１，１０３）を備え、前記横の支持体（９１）の弾性変形を検出することを特徴とする接触プローブ。
【請求項１３】
加工物取り付け台（１５）と請求項１〜１２の何れか１項に記載の接触プローブ（９）とを備えた座標測定装置であって、該接触プローブが前記加工物取り付け台（１５）に対して空間中を移動することができ、該加工物取り付け台（１５）に取り付けることのできる加工物（１７）に接触するようにされていることを特徴とする座標測定装置。
【請求項１４】
加工物（１７）に接触する方法であって、
前記検出針用支持体（３９；９１）に取り付けられた前記検出針（４７）を有する請求項１１に記載の座標測定装置（１）を設け、
前記加工物（１７）に対して前記接触プローブ（９）を空間中で、特に段階的に移動させ、前記検出針（４７）の前記先端（４９）が所望の位置で前記加工物（１７）に接触するようにし、
移動の間、点検光学系（２１，６１）を用いて前記加工物に対して前記検出針（４７）の前記先端（４９）の位置を使用者が点検できるようにし、
少なくとも一つの使用者の入力に基づいて前記加工物（１７）に対する前記接触プローブ（９）の移動路を変更する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工物に接触するための検出針を有する座標測定装置に関する。さらに、本発明は座標測定装置のための接触プローブに係り、この接触プローブは、検出針を支持し、検出針と加工物との間の接触を検出するために設けられる。さらに、本発明は、座標測定装置を用いて加工物に接触する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の座標測定装置は、それぞれ測定され接触される加工物を取り付けるための加工物取り付け台と、加工物取り付け台に対して空間的に移動できる接触プローブとを有している。検出針は、接触プローブに関して静止した位置で接触プローブ上に支持されている。そこで、接触プローブは、検出針の静止位置からのずれを検出する。加工物表面の座標を測定するために、接触プローブは、検出針の先端が加工物の表面に接触するようになるまで、加工物取り付け台に関して空間的に移動する。この目的で、検出針の先端は、検出端が静止位置からずれることにより、検出端が加工物に接触したことが接触プローブにより検出されるまで、加工物表面方向に移動する。加工物取り付け台に対する接触プローブの相対位置、したがって加工物表面の座標が、適当な座標システム中で測定される。加工物の表面位置の更なる座標を同様にして測定できる。
【０００３】
加工物表面の迅速な走査という観点から、検出端の加工物表面への接近は、接触プローブと加工物取り付け台との間の迅速な相対移動として実現されなければならない。しかし、このような接近は、また、接触プローブの加工物に対する移動が、加工物との接触時に必要なだけ迅速に停止できなかったときに、接触プローブと検出端の構成要素が破損しないように、慎重に行なわなければならない。
【０００４】
したがって、検出端は、使用者の点検の下に加工物に接近する。使用者は、検出端が加工物に接近するのを目で点検でき、接近速度を減少することができる。さらに、使用者は、現在接触しようとしている加工物の表面部分や、形状要素を目で見て選択もする。この目的で、従来の座標測定装置においては、使用者は目で直接に検出端と加工物とを点検する。
【０００５】
小型化した加工物と複雑な形状の加工物においては、ユーザが、検出端と加工物の表面とを直接点検するのはおそらく骨の折れることであり、あるいは点検できない場合すらあるであろう。
【０００６】
ＥＰ０６１４５１７Ｂ１に一つの座標測定装置が開示されている。この装置では、使用者は、検出端と加工物とを自由に目で点検しないが、検出端の周辺の領域の画像を提示するモニタを見る。モニタ画像を記録するために、この座標測定装置は、接触プローブの隣りに、対物レンズを備えたカメラを具備している。接触プローブとカメラとは互いに一線上に配列され、カメラが、検出端と、この検出端が接近する加工物の表面の領域との画像を提供するようにされている。
【０００７】
この従来の座標測定装置の構造は、ある種の用途には満足に適合できないことが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、検出端を点検するための点検光学系を備え、更に別の種類の用途に適した座標測定装置を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、この様な座標測定装置用の接触プローブを提供することである。更に別の本発明の目的は、検出端の信頼できる点検又は／及び接触プローブの更に大規模な小型化ができるタイプの接触プローブを提供することである。さらに、本発明の目的は、加工物に接触する対応する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のために、本発明は、接触プローブの構成要素のための支持構造を形成し、座標測定装置に固定的に取り付けられるようにした接触プローブシャーシを備えた接触プローブに由来する。接触プローブ上に、検出針用支持体が設けられ、この支持体上に、加工物に接触するために検出針を取り付けることができ、検出針は、検出プローブシャーシに関して静止位置から変位することができる。接触プローブシャーシに関して検出針用支持体の変位を検出するための変位測定システムが提供される。変位測定システムは、使用者が、加工物に対する検出針の先端の接近に加えて、検出針の先端又は／及び検出針端の先端の周囲の領域を点検することを可能にする。点検光学系はシャーシ上に追加的に取り付けられている。
【００１１】
本発明は、点検光学系と接触プローブとを上述した従来の座標測定装置中に並べて取り付けると、形状に関する制限が生じ、特に接触プローブと点検光学系から成るシステムの小型化が困難になるということの発見に基づいている。したがって、本発明は、点検光学系が接触プローブを「通して見える」ように、点検光学系を接触プローブ中に一体化するというアイデアに基づいている。
【００１２】
この目的で、点検光学系は、検出針の先端の周りの領域の像も得るように設計されている。点検光学系の対物面中に、ここでは画像領域が、加工物に接触するために検出端に設けられた接触体の直径より大きい直径を有する。望ましくは、ここでは、画像領域の直径は接触体の直径の多数倍である。特に、５倍以上、１０倍以上、更に望ましくは、接触体の直径の２０倍以上でさえある。
【００１３】
さらに、点検光学系は、加工物が検出針端の先端に接近するときに、加工物の高コントラスト画像を得るように設計されている。必要であれば、検出針の先端の周辺の領域中に加工物を照明するための照明もここでは提供され得る。加工物を点検光学系自身を通して照明することも可能である。
【００１４】
したがって、本発明に係る接触プローブは、横の支持体、すなわち、検出針の伸張方向に対して横方向に延伸する接触プローブの支持要素、が点検光学系の光路中にあることが特徴である。この横に延伸する支持要素は、特に検出針用支持体と座標測定装置との間の機械力の伝達線中、特に検出針用支持体とシャーシとの間の機械力の伝達線中に配置することができ、検出針用支持体、又は／及びシャーシ、又は／及びシャーシと検出針用支持体との間に設けられた他の構成要素の一部であってもよい。
【００１５】
横に延伸する支持構成要素が点検光学系の光路中に配置されるということは、ここでは、例えば、検出針端がその中に配置される点検光学系の焦点面と、点検光学系の入射レンズとの間の幾何光路の線がこの横に延伸する構成要素と交差することを意味する。したがって、この横の支持体は、原則として、少なくとも部分的に点検光学系の像平面を覆うことができる。それにもかかわらず、点検光学系を介して点検するための所望の可能性を保証するために、横の支持体は透明で、点検光学系の一部で少なくとも一部を照明する。
【００１６】
したがって、一方では検出針の先端、他方では先端の周辺の領域が、点検光学系を用いて点検できるように意図される。この目的のために、点検光学系は、検出針の長さに合わせられ、したがって、例えば、横の支持体と検出針の先端との間の距離に、検出針の先端が点検光学系の対物面の近傍に位置するように、合わせられる。特に、横の支持体と対物面との間の第１の距離Ｄ１の横の支持体と検出針の先端との第２の距離Ｄ２に対する比の量が、０．５〜２．０、望ましくは、０．７５〜１．４、更に望ましくは０．８５〜１．２であるときに、上記点検光学系の調節が当て嵌まる。
【００１７】
このことは、望ましくは、放射光束に対して透明な物質からできた横の支持体自身により達成される。この目的のために、横の支持体自身が硝子でできている場合が特に望ましい。
【００１８】
ここでの別の形態として、横の支持体に一つ又は複数の開口を設けることができることも望ましい。開口は、一方では、横の支持体の支持機能を維持し、他方では、放射光束が、点検光学系の対物面と入射レンズとの間の横の支持体を通過する十分な可能性を生成するようにされる。この目的で、横の支持体は、複数の物質片により形成され、その間に、光の通路のための空隙を設けることができる。横の支持体は、網又は格子として形成できる。横の支持体は、穴を空けた表面として形成でき、又は支持機能を提供するその構成要素は、光の通路のために十分に大きい表面を維持するだけ狭くすることができる。
【００１９】
点検光学系の光学主軸と、検出針の縦方向の軸とはほぼ一致することが好適である。したがって、使用者の加工物上の目視方向は、検出針の延伸方向に対応する。
【００２０】
望ましくは、検出針の脚が直接取り付けられる検出針用支持体の一部は、点検光学系の主軸上又はその近傍にあることが望ましい。その場合、この主軸中で見たときに、開口と透明体のそれぞれに十分な表面が検出針の脚の周辺に設けられ、検出端上で観察できる。
【００２１】
本発明の望ましい実施の形態によれば、横の支持体は弾性的に変形でき、シャーシの基体と検出針用支持体とを弾性的に結合する構成要素として形成される。この場合、横の支持体は、接触プローブシャーシに関して検出針用支持体の静止位置を定義し、この静止位置からのたわみに対する復元力を提供するために設けてもよい。
【００２２】
配列の小型化と、十分に定義された復元力とについては、横の支持体と、接触プローブシャーシと検出針用支持体との構成要素とが、一塊の材料から一体的に作成される。
【００２３】
一塊の材料は、例えばシリコンからできた単結晶であることが望ましい。構成要素の所望の形状を生成するためにエッチング技術を用いることが好適である。
【００２４】
たわみ測定システムは、横の支持体及び／又は接触プローブシャーシ又は検出針用支持体の弾性変形を検出するように設けることが望ましい。この目的のために、抵抗ひずみ計を設けるのが望ましい。抵抗ひずみ計は、横の支持体上の領域又は／及び接触プローブシャーシの領域又は／及び検出針用支持体の上の領域に設けられる。抵抗ひずみ計をこれらの構成要素と一体化することも可能である。
【００２５】
さらに、本発明は、上述した接触プローブを備えた座標測定装置を提供する。本発明は、さらに、加工物に接触する方法を提供する。この方法により、接触プローブ中に一体化した点検光学系を通して、使用者は、接触する検出針端と加工物とをそれぞれ点検できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は本発明に係る座標測定装置１を示す。座標測定装置１は、基部３及び基部３に取り付けられたスタンド５とを備えている。スタンド５上には、接触プローブ取り付け台７が、垂直方向（ｚ方向）に変位できるように装着されている。接触プローブ取り付け台７には、検出針１１が装着された接触プローブ９が担持されている。移動台１３が基部３上に設けられている。移動台１３上には、加工物取り付け台１５が、水平面上で変位できるように（ｘ方向、ｙ方向）担持されている。加工物取り付け台１５上に、座標測定装置１により測定される加工物１７が取り付けられている。この目的のために、使用者は、加工物１７の表面上の所望の位置に検出針１１の先端１９が接触するようになるまで接触プローブ９を移動させる。検出針の先端１９が加工物１７に接触するや否や、検出針１１はその接触プローブ上の静止位置からたわみ、このたわみが座標測定装置により検出される。その結果、座標測定装置は、加工物１７と検出針の先端１９との間の接触点のｘ、ｙ、ｚ座標を検出する。
【００２７】
検出針の先端１９が注意深く加工物１７の方に接近し、検出針１１が加工物１７に接近したときに破損されないように、使用者は、接近の間、又は接近の段階の間の停止時に、点検光学系２１を通して検出端１９を点検する。点検光学系２１の構成要素は、接触プローブ９の中に配置され、図１中には示されていない。図１中には、点検光学系のカメラ２５の他に、点検光学系の接眼レンズ２３が示されている。
【００２８】
図２と３は接触プローブ９を詳細に示す。接触プローブ９は、接触プローブシャーシ２７を備え、接触プローブシャーシ２７は、角形断面の鏡筒２９と、鏡筒２９の先端部３１に取り付けられた基板３３とを備えている。鏡筒２９の先端部３１の反対側の端部は、座標測定装置１の接触プローブ取り付け台７に固定的に取り付けられている。したがって、シャーシ２７もまた接触プローブ取り付け台７上に固定的に取り付けられている。
【００２９】
座標測定装置１が動作しているときは水平方向に配列される基板３３は、中央方形開口３５を備えている。中央方形開口３５の周壁は、鏡筒２９の内壁と間隔が設けられている。基板３３の上側３７上に、水平方向に変位できる状態で硝子板３９が置かれている。硝子板３９が基板３３に対して移動する際の摩擦抵抗を減少させるために、基板３３と硝子板３９との間に、開口３５の回りに環状に伸びる油膜４１が設けられている。
【００３０】
硝子板３９は、基板３３の中央静止位置で、鏡筒２９内にばね４３により保持される。各ばね４３は一端を鏡筒２９の隅で基板３３に固定され、他端を硝子板３９の対応する上隅に固定されている。
【００３１】
硝子板３９は、その静止位置から、ばね４３の復元力に抗して水平方向に移動できる。このとき、４個の止め具４５がこの水平方向の変位を制限する。これらの止め具４５は小さな塊として形成されている。これらの塊は、基板３３上に底面を静止し、側面が鏡筒２９の内壁に隣接している。止め具４５はそれぞれ鏡筒２９の内壁の中心を占める。
【００３２】
硝子板３９の中心において、硝子板３９の底面側から穴４５が設けられている。この穴４５に検出針４７の一端部、すなわち脚が接着されている。硝子板３９に固定されていない検出針４７の他端に、ルビー球４９が担持されている。ルビー球４９は、座標測定装置１の検出端を形成し、また、加工物１７に接触するために、加工物の表面に接触するようにされる。
【００３３】
接触プローブ９を加工物１７に対して相対的に動かすことにより、検出端４９が加工物の表面に横から接触すると、そこから押圧力が生じ、硝子板３９を、静止位置から、接触プローブ９のシャーシ２７に対して、ばね４３の作用に抗して、水平方向に変位させる。
【００３４】
硝子板３９の静止位置からの変位は測定システム５１により測定できる。測定システム５１は、２個の検出器支持体５３を有しており、この２個の検出器支持体５３は鏡筒２９の隣接する２個の側壁の中心部にそれぞれ固定され、硝子板３９を越えて水平方向に突出している。各検出器支持体５３は、光学検出器５５を底面側に担持し、光学検出器５５は、硝子板３９の表面上に僅かな距離を置いて配置されている。硝子板３９の上面側に、検出器５５の下の領域に標識線５７が、光学的に検出器５５により走査されるように、設けられている。硝子板３９の変位及びそれによる目盛線５７の変位は、検出器５５により検出され、対応する測定信号に変換される。この測定信号に基づき、座標測定装置１の中央制御装置が、硝子板３９の静止位置からの変位を数値により検出できる。
【００３５】
点検光学系２１は、接眼レンズ２３とカメラ２５（図１）の他に、鏡筒２９の内側に固定された移動可能な取り付け台６３を介してシャーシ２７上に取り付けられた対物レンズ６１を備えている。対物レンズ６１は、駆動システムによりシャーシ２７に対してｚ方向に移動可能である。駆動システムは、対物レンズ６１に固定され、駆動ピニオン６７に係合して外部から付勢される歯付きラック６５を有している。
【００３６】
対物レンズ６１は、接眼レンズ２３に面した射出レンズ６９と、先端４９に面し、鏡筒２９の内側で硝子板３９の上側に配置された入射レンズ７１とを備えている。駆動システム６５、６７は対物レンズ６１の対物平面８３の位置を調節して、現在用いられている検出針４７の長さとするように機能する。使用者は、対物平面８３が検出端４９の領域又はその幾分下に配置されるように、ｚ軸方向に対物レンズ６１の位置を調節する。
【００３７】
対物平面及び検出端４９は、それぞれ、対物レンズ６１により硝子板３９を通して観察される。ここで、検出針の部分、すなわち、図２に示した実施の形態では、全体の検出針４７と、硝子板４９に固定されたその脚４５とが、対物レンズ６１の光路中に配置されている。このことは次の事実からも明らかである。すなわち、光路の周辺光、すなわち、可能な限り中心から外れて対物レンズ６１の入射レンズ７１に入射する光線で、図２及び３においては参照番号６９で表される光線、が検出針４７と、ｘ−ｙ平面上の硝子板３９に検出針４７が取り付けられる位置４５とを取り囲むという事実からも明らかである。検出針４７の脚４５等の接触プローブ９の構造物とその非透明な構成要素とが、対物レンズ６１の光路中に配置され、対物レンズの入射光を部分的に遮断しているが、対物レンズ６１は、それにもかかわらず、対物レンズの対物面の画像を生成し、この画像を使用者は明瞭に見ることができる。
【００３８】
図２は、さらに、検出針端４９の周りの領域を照明する照明装置７０を図式的に示す。
【００３９】
全般的に見て、対物レンズ６１が、対物レンズの光路が支持構造を横切るように、シャーシ２７内に配置されているので、点検光学系を有する接触プローブのための小型の形状が提供される。この光路により横断される支持構造は、シャーシに関して静止位置から変位可能な、検出針のための支持体の機能を有する硝子板３９である。
【００４０】
本発明の変形例を以下に説明する。機能的に対応する構成要素には、図１〜３の参照番号を割り当て、区別するために追加の文字を補足する。説明のために、前述した全体の記述を参照する。
【００４１】
図４は、例えば図１に示したような座標測定装置に取り付けるのに適したシャーシ２７ａを有する接触プローブ９ａを示す。シャーシ２７ａは、更に別の構成要素の支持構造として、鏡筒２９ａを備えている。鏡筒２９ａは、内部に対物レンズ６１ａを有している。対物レンズ６１ａは、対物面８３ａに向いた入射側７７と入射側の反対側の出射側７９を備えている。出射側７９にはカメラ８１が直接接続されている。
【００４２】
対物面８３ａ中に、検出針４７ａの先端４９ａが配置されている。検出針４７ａは、反対側の端部４５ａで検出システム８５に固定されている。
【００４３】
検出システム８５は、また、鏡筒２９ａの前端部に間隔スリーブ８７を取り付けることにより、シャーシ２７ａ上に取り付けられている。間隔スリーブ８７は、検出システム８５のための環状取り付け台８９を担持し、検出針４７ａの延長方向が、対物レンズ６１ａの光軸６２ａとほぼ一致するように、対物レンズ６１ａの前に配置された検出システム８５を有する。
【００４４】
検出システム８５は図５および６に詳細に示される。
【００４５】
検出システム８５は、図５の描画面中の（１００）面を有するシリコン単結晶からできた本体８７を有する。シリコン本体８７の構造は、完全体をエッチングして作られる。
【００４６】
シリコン本体８７の外周は、方形枠部材８９により形成される。ここで説明する実施の形態においては、枠部材は、辺の長さｌが６ｍｍ、断面の厚さＤが０．５ｍｍの形状をしている。しかし、枠部材は、より大きい、あるいはより小さい寸法を取ることができる。
【００４７】
検出針用支持体９１が、４個の細片９３により枠８９中の中央に吊り下げられている。各細片９３は、（図５の平面図において）内側に延伸し、かつ、枠８９の辺の中心に置かれている。各保持細片９３の一方の側に開口９５が設けられ、対物面８３ａからの光線が、対物レンズ６１ａの入射側７７に通過できるようになっている。図５の描画面中で、各開口９５は、枠８９の２つの辺、２つの細片９３及び検出針用支持体９１により制限される。
【００４８】
図示した実施の形態においては、細片９３の厚さｄは、枠８９の断面の厚さＤに較べてかなり薄い３０μｍである。曲げ力が比較的小さい場合でも、細片９３は既に顕著な弾性変形可能性を示すものである。したがって、検出針用支持体９１は、そこから弾性的にたわむことができる静止位置に、枠８９中で細片９３により保持される。厚さｄとしても、より厚い値も、より薄い値も使用することができる。
【００４９】
検出針４７ａは、直径１ｍｍの脚９７を有する。脚９７は、検出針用支持体９１に接着され、脚９７の中に、厚さ０．２ｍｍ、長さ８ｍｍの軸９９が挿入されている。軸９９の端部には、直径０．３ｍｍのルビー球４９ａが担持されている。ここで、検出針４７ａの寸法も例としてのみ述べられており、同様に他の値を用いることができる。
【００５０】
各細片９３の検出端４９ａから離れる方向に面した一部に、ピエゾ抵抗器に基づいた２個の抵抗ひずみ計、すなわち、細片９３の近傍の枠８９の領域から枠８９の近傍の細片９３の領域に延びた抵抗器１０１と、検出針用支持体９１の近傍の細片９３の領域から細片９３の近傍の検出針用支持体９１の領域まで伸びた別の抵抗器１０３とが設けられている。図５および６には電気的接続は示されていない、これらの８個の抵抗ひずみ計１０１，１０３の全てを用いて、検出針用支持体９１の、図５および６に示す静止位置からのたわみが、やはり図示しない制御システムにより測定できる。この測定については、図７及び８からより詳細に推論できる。
【００５１】
図７は、軸９９の延伸方向に向いた先端４９ａに力Ｆが作用する状態を示している。図７から分かるように、この作用の結果、検出針用支持体９１の近傍の抵抗ひずみ計１０３が伸長し、枠８９の近傍の他方のひずみ計１０１が圧縮される。
【００５２】
図８は、軸９９の伸張方向に垂直な向きに先端４９ａに力Ｆ’が作用する状態を示している。この結果、枠の近傍の抵抗ひずみ計１０１と検出針用支持体の近傍の抵抗ひずみ計１０３の中で、一方が同時に圧縮され、他方が伸張される。ここでは、各細片９３の抵抗ひずみ計１０１，１０３の内、一方が圧縮され、他方が伸張される。
【００５３】
抵抗ひずみ計１０１，１０３から提供される測定信号を読み取り、また、この測定信号を評価することにより、検出端４９ａに作用する力が、量と方向の双方に関して、求められる。
【００５４】
その結果として、一方で、この検出器は、シャーシに関して変位できるように検出針４７ａを支持する機能を有し、他方で、シャーシに関して検出針用支持体９１のたわみを測定する機能を有している。この目的のために、検出器の構成要素９１と８９とは、保持細片９３を介して互いに弾性的に接続されている。構成要素９１は検出針に対して直接の支持体として作用し、枠８９は、接触プローブの残りのシャーシ２７ａに固定的に接続され、枠８９の機械的機能に関してはシャーシ２７ａに起因することができる。全ての細片９３が、検出針用支持体９１を、それぞれシャーシ２７ａと枠８９とに接続し、軸９９の伸張方向に対して横方向に伸びる横の支持体を形成するのに寄与する。この様に形成された横の支持体は、複数の開口９５を有し、その結果、横の支持体はその場所の光を透過するように設計され、対物レンズ６１ａを用いて検出端４９ａを点検でき、そこでは、横の支持体９３は先端４９ａと対物レンズ６１ａの入射側７７との間に配置される。
【００５５】
先端４９ａから離れる方向に面した側の細片９３上に抵抗ひずみ計を載置する代わりに、抵抗ひずみ計を先端４９ａの方に面する側に載置することも可能である。また、細片９３又はそれらに隣接する枠部分８９の領域に直接ドーピングすることにより、ひずみ検出器を設計することも可能である。格子が圧電効果を示すような濃度にシリコン中にドーパントが導入される。
【００５６】
図９は、図５および６に示した検出器システムの変形例を示す。図９のシリコン本体８７ｂは図５及び６に示すシリコン本体８５と、ここでは検出針保持器９１ｂが、８個の薄い保持片９３ｂにより検出システム８５ｂの枠部８９ｂ上に取り付けられている点で異なる。隣接する保持片９３ｂの各対の間に開口９５ｂが設けられ、対物レンズを用いて対物平面を点検するために光が通過できるようになっている。
【００５７】
図１０及び１１は、図５及び６に示した検出器システムの更に別の変形例を示す。ここで、測定ブリッジとしての検出器の設計を詳細に説明する。シリコンチップ８７ｃ中の開口９５ａは図１０中で破線によってのみ示されている。シリコンチップ８７ｃの中央には、検出端が固定されている。この検出端は図１０中には示されていない。
【００５８】
シリコンチップ８７ｃの辺に沿って、１６個の接触パッドと電気接続領域とがそれぞれ配置されている。シリコンチップの変形を測定するために、４個の完全測定ブリッジ１１１，１１２，１１３及び１１４が配置されている。これらの完全測定ブリッジの抵抗は、シリコンチップ８７ｃのシリコンへの局部的ドーピングにより、又は他の技術により形成される。完全測定ブリッジ１１１〜１１４は図１０中で図式的に表した配線により連結部１２０に接続されている。これらの配線も、ドーピング又は他の従来技術により設けられる。
【００５９】
測定ブリッジの一つ、すなわち測定ブリッジ１１３が図１１に詳細に示されている。この測定ブリッジは「−Ｙ」によって表される信号を得る機能を有する。この測定ブリッジは、４個の抵抗器Ｒ-Y1、Ｒ-Y2、Ｒ-Y3及びＲ-Y4を備え、抵抗器Ｒ-Y2及びＲ-Y3の間で接地され、抵抗器Ｒ-Y1及びＲ-Y4の間で動作電圧ＵBに接続されている。測定信号Ｕ-Yは、一方で抵抗器Ｒ-Y1及びＲ-Y2の間で取り出され、他方で抵抗器Ｒ-Y3及びＲ-Y4の間で取り出される。
【００６０】
その他の測定ブリッジ１１２，１１１及び１１４は、信号「＋Ｘ」、「＋Ｙ」及び「−Ｘ」を取り出すために対応して設けられ、これらのブリッジは対応する電圧信号Ｕ+X、Ｕ+Y及びＵ-Xを提供する。
【００６１】
測定ブリッジ１１１，１１２，１１３及び１１４から取り出される信号Ｕ+Y、Ｕ+X、Ｕ―Y及びＵ-Xと値ＹS、ＸS及びＺSが次の式から計算される
ＹS＝Ｕ+Y−Ｕ-Y
ＸS＝Ｕ+X−Ｕ-X
ＺS＝Ｕ+X＋Ｕ-X＋Ｕ+Y＋Ｕ-Y
信号ＹS、ＸS及びＺSは、それぞれｙ、ｘ及びｚ方向の検出端のたわみを表す。
【００６２】
以上に説明した実施の形態においては、たわみ測定システムは、検出針の支持体の静止位置からのたわみの程度を測定できる。特に、検出端を加工物表面に沿って、与えられた接触力で走査することができる。しかし、たわみ検出装置として、加工物表面の接触を表す条件と、加工物表面の非接触を表す他の条件との間で単に切り替えを行なう切り替え測定システムを用いることもできる。
【００６３】
測定システムを、検出針を静止位置の周りで振動するように保持し、共振回路が測定動作の間この様な振動を維持するような測定システムを設計することもできる。検出端の加工物表面に対する接近又は検出端の加工物表面に対する接触により、振動の減衰及びことによると振動周波数の遷移が生じ、これも検出できる。
【００６４】
前述した実施の形態のそれぞれにおいて、検出針は、点検光学形のほぼ光学軸上に延伸している。しかし、点検光学形の光学軸を、検出針の延伸方向に関して食い違いを持たせて配置し、又は２以上の延伸方向を有するゆがませた若しくは曲がった検出針を用いることも可能である。本発明の本質が何であるかは、点検光学系が、検出針の支持構造を「介して」検出針端を点検することである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
本発明の実施の形態は、図面に関して以下により詳細に説明される。
【図１】座標測定装置の図式的画像である。
【図２】図１の座標測定装置の接触プローブの図式的断面図である。
【図３】図２の接触プローブの画像であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った切片である。
【図４】図１の座標測定装置用の接触プローブの別の実施の形態である。
【図５】図４の接触プローブの構成要素の平面図における画像である。
【図６】図５の構成要素の図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。
【図７】取り付けられた検出針を有し、静止位置からたわんだ状態の図５及び６の構成要素の画像である。
【図８】静止位置から異なったたわみ状態にある図７に対応する画像である。
【図９】図５に示した構成要素の変形例である。
【図１０】図５に示した構成要素の別の変形例である。
【図１１】図１０の詳細図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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