(57)【要約】      （修正有）【課題】過剰な変位に耐える改良された能力を備えた接触プローブシステムを提供する。【解決手段】接触プローブは、スタイラス３０１と、センサと、２つの平行平面板とを含む。スタイラス３０１は接点を有する。センサは、平面形状を有し、固定部３０２ａを含み、平面板で形成され、蒸着された歪センサを有する少なくとも３つの薄壁部と、スタイラス３０１が取り付けられ、少なくとも３つの位置で薄壁部を介して固定部３０２ａと連繋された可動部３４０を有する。２つの平行平面板は、可動部と２つの平行平面板間の所定距離を維持すると共に、可動部の動きを可動範囲に制限するように、固定部の両側に連結され可動部を間に挟む。センサは、スタイラス３０１からの測定力に応じて変形する歪センサによって接触信号を出力する。【選択図】図３ａ
2016194503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接点を有するスタイラスと、
平面形状を有し、固定部を含むセンサであって、平面板で形成され、蒸着された歪センサを有する少なくとも３つの薄壁部と、スタイラスが取り付けられ、少なくとも３つの位置で前記薄壁部を介して前記固定部と連繋された可動部を有するものと、
前記可動部と２つの平行平面板間の所定距離を維持すると共に、前記可動部の動きを第１の可動範囲に制限するように、前記固定部の両側に連結され前記可動部を間に挟む２つの平行平面板と、を有し、
前記スタイラスからの測定力に応じて変形する歪センサによって前記センサが接触信号を出力するようにされている接触プローブ。
【請求項２】
請求項１の接触プローブであって、
前記センサと前記２つの平行平面板が可動モジュールを形成し、
該可動モジュールが、該可動モジュールとプローブモジュール間のキネマチックジョイントを形成すると共に、前記プローブモジュールと可動モジュールを連結するばね部材によってプローブモジュール上に着座され、
第１の可動範囲及び第２の可動範囲を超えようとした時、前記可動モジュールが前記キネマチックジョイントから離れ、全可動モジュールが変化するようにされている接触プローブ。
【請求項３】
請求項２の接触プローブであって、
前記キネマチックジョイントが６点着座機構を有する接触プローブ。
【請求項４】
請求項３の接触プローブであって、
前記プローブモジュールが、該プローブモジュールとプローブ主ボディ間の電気導体を持つ前記６点着座機構を形成し、前記歪センサからの接触信号を前記プローブ主ボディに伝える役割を行っている接触プローブ。
【請求項５】
請求項１の接触プローブであって、
請求項１による前記２つの平行平面板が前記センサの固定部の前後に連結され、前記平面板とセンサ間にギャップを与えるスペーサが用いられている接触プローブ。
【請求項６】
請求項１の接触プローブであって、
前記スタイラスの接点がワークに衝突した時、先ず、前記第１の可動範囲又は第２の可動範囲内を動く前記可動部によって前記センサの変形を吸収するようにされている接触プローブ。
【請求項７】
請求項６の接触プローブであって、
前記スタイラスの接点がワークに衝突した時、次いで、機械的ストップによって止められるまで、前記センサと共に動く前記２つの平行平面板によって、前記センサの変形を吸収するようにされている接触プローブ。
【請求項８】
請求項７の接触プローブであって、
前記スタイラスの接点がワークに衝突した時、３番目に、前記接触プローブを、該接触プローブを収容するハウジングに結合させる第１のキネマチックカプリングを解放させ、前記接触プローブが前記ハウジングから離れるのを許すことによって、前記センサの変形を吸収するようにされている接触プローブ。
【請求項９】
請求項８の接触プローブであって、
前記スタイラスの接点がワークに衝突した時、４番目に、前記スタイラスを前記接点プローブに結合させる第２のキネマチックカプリングを解放させ、前記スタイラスが前記接点プローブから離れるのを許すことによって、前記センサの変形を吸収するようにされている接触プローブ。
【請求項１０】
請求項１の接触プローブであって、
前記スタイラスの接点がワークに衝突した時、前記スタイラスを前記接点プローブに結合させるキネマチックカプリングを解放させ、前記スタイラスが前記接点プローブから離れるのを許すことによって、前記センサの変形を吸収するようにされている接触プローブ。
【請求項１１】
請求項１の接触プローブであって、
前記可動部と固定部間の所定距離が保持され、センサ面内の前記可動部の動きを３つの位置で第２の可動範囲に制限するようにされている接触プローブ。
【請求項１２】
請求項１１の接触プローブであって、
前記薄壁部が、前記センサの面内で前記可動部の動きを許すように形成されている接触プローブ。
【請求項１３】
請求項１２の接触プローブであって、
前記薄壁部が、少なくとも前記第２の可動範囲内で前記可動部の動きを許すように形成されている接触プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ワークの座標を測定する座標測定機中で、及び／又は、と共に使用するための接触プローブシステムの分野に関する。詳細には、本願は、過剰な変位に耐える改良された能力を備えた接触プローブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
接触プローブは、一般的な問題として、曲げ、あるいは、ねじり、引張り、及び圧縮に起因する問題に悩まされている。そのような接触プローブは、センサシステム及び接点付きスタイラスを含むことが知られている。センサシステムは、スタイラス上の接点が、いつワークに接触したかを感知する。センサシステムは、１以上の表面上の薄壁部に取付けられた歪みゲージを含むことができる。スタイラスの接点上に接続された可動体は、薄壁部によって支持され、スタイラス上の接点の変位は、薄壁部に取付けられた歪みゲージに伝えられる。スタイラス上の接点がワークに接触した時に生じる可動体の変位に基づき、歪みゲージが変形されたときに信号が出力される。
【０００３】
センサの可動体は、薄壁部以外に拘束されず、ワークに接触するスタイラス上の接点から過剰な変形を受けた時に、変形や破壊によって悩まされる。即ち、センサの薄壁部は弾性限界を有し、可動体から伝えられる過剰な変位を受けることができない。相対的に拘束されていない可動体から伝えられる過剰な変位の問題は、過剰な変位を受ける薄壁部が単一の共通表面の代わりに異なる表面上に取り付けられている時に悪くなる。
【０００４】
可動体の変位を拘束するストッパを設けて、変位発生時に薄壁部が弾性限界を超えないようにすることができる。あるいは、スタイラスが過剰な変位下に置かれた時に、スタイラスがセンサから分離することを許容するキネマチック接続を与えることができる。しかしながら、ストッパやキネマチック接続のような単一の公知の機構を用いても、接触プローブは、未だ、曲げ、あるいは、ねじり、引張り及び圧縮に悩まされることが知られている。
【０００５】
先行技術を示す図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄの記載は、オランダ特許出願番号ＮＬ１０１０８９４（特許文献１）の記載から導かれている。特許文献１中の従来の接触プローブは、測定対象と接触されるプローブ１と、座標測定機との接続を形成するプローブハウジングと、プローブをプローブハウジングに電気的に接続するブリッジ３と、プローブハウジングに対するプローブの変位を測定する測定システム４と、を含んでいる。
【０００６】
従来の接触プローブの上記構成要素は、図１Ａに上面図として示され、図１Ａの詳細の切欠きが図１Ｂ中に示され、要素の回路構成が図１Ｃに示され、要素の物理的配置が図１Ｄに示されている。
【０００７】
スタイラスとプローブチップ４は、中間ボディ５によって弾性ブリッジ３に接続されている。特許文献１より前の元の設計においては、中央プラットフォームを形成するためにスタイラスとプローブチップ４が中間ボディ５と可動ベース１に接続されている。スタイラスとプローブチップ４、中間ボディ５及び可動ベース１の中央プラットフォームは、該中央プラットフォームの動きをガイドする３つの弾性ロッド３に接続されている。
【０００８】
図１Ａにおいて、スタイラス及びプローブチップ４及び中間ボディ５は、相対的に剛体であり、測定感度を維持するために、弾性ブリッジ３の変形に対するこれらの構成要素の変形は小さくされている。ブリッジ３の弾性要素は、平面外の方向への平行移動及び回転を許容する。これらの回転は、プローブチップ４における疑似的な平行移動を生じる。ブリッジ３はプローブハウジング（図示省略）に対する全ての方向でのプローブチップ４の平行移動を可能とする。図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び１Ｄのブリッジ３は、図１Ａ中の３つの弾性要素でなる。ブリッジ３の弾性要素は、１つの面内に配置され、エッチング技術を用いてブリッジ３及びブリッジ上に歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４を製造するのを容易にしている。各細長い弾性要素３は、ほぼ、ブリッジ３のビームの最長側に平行な動きのみを規定する。
【０００９】
中間ボディ５の向き及び位置、従って、プローブチップ４の位置は、少なくとも全ての解放された自由度で測定できるようにブリッジ３の弾性要素上に設けられた歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によって読み出される。歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、該歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の領域で機械的な歪みに従属した電気抵抗を有する電気又は圧電センサである。
【００１０】
ブリッジ３において、図１Ｂに示すように、ブリッジ３の各弾性要素に、４つの歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４が固定されている。歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、更に、図１Ｃに示す完全なホイートストンブリッジに接続されている。ブリッジ３の細長い要素が、多くの場合、Ｓ字形状に曲がるので、図１Ｄに示すように、歪みゲージＲ１とＲ４の抵抗の変化は、歪みゲージＲ２とＲ３の抵抗の変化と逆になる。従って、エッチング過程を単純化するために、歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を上側にのみ有すれば充分である。
【００１１】
プローブチップ４の変位は、図１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに示されるように、ブリッジ３の各ビーム上の４つの歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４によって測定される。歪みゲージＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗の変化は、図１Ｃに示されるように、ホイートストンブリッジによって測定される。従って、従来のプローブシステムは、プローブチップ４の変位が３つの直交方向（３Ｄ）で測定できるよう実施される。
【００１２】
以上説明したように、プローブ１の可動体、弾性要素３及び中間ボディ５は拘束されておらず、従って、変位量によって、弾性要素３が弾性限界を超える時に問題が発生する。更に、可動体及びスタイラスは、接着剤などを用いて一体化されているが、これは、スタイラスを変化させるためにセンサ全体が変化することを要求する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本願の一面に従う従来の接触プローブの要素を示す図
【図１Ｂ】本願の一面に従う従来の接触プローブの要素を示す図
【図１Ｃ】本願の一面に従う従来の接触プローブの要素を示す図
【図１Ｄ】本願の一面に従う従来の接触プローブの要素を示す図
【図２】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す図
【図３ａ】本願の一面に従う接触プローブシステムの他の実施例を示す図
【図３ｂ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｃ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｄ１ａ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｄ１ｂ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｄ２ａ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｄ２ｂ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図３ｄ３】本願の一面に従うセンサの形態を示す図
【図３ｄ４】本願の一面に従うセンサの形態を示す図
【図３ｄ５】本願の一面に従うセンサの形態を示す図
【図３ｄ６】本願の一面に従うセンサの形態を示す図
【図３ｄ７】本願の一面に従うセンサの形態を示す図
【図３ｅ１】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す図
【図３ｅ２】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す図
【図３ｅ３】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す図
【図３ｅ４】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す図
【図４】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例のもう一つの一連の効果を示す図
【図５】本願の一面に従う接触プローブシステムの他の実施例を示す図
【図６】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例のもう一つの一連の効果を示す図
【図７】本願の一面に従う接触プローブシステムの他の実施例を示す図
【図８ａ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図８ｂ】本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例の要素を示す図
【図９】本願の一面に従う接触プローブシステムの他の実施例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上記に照らして、本願は、その様々な側面、実施形態及び／又は特定の様相又は下位の構成要素を通して、以下に別に記述するような一以上の利益を持たらすことを意図している。
【００１５】
ここに記載した方法は、図示した例であり、従って、任意の実施例の任意の特別な処理が、提示された順番で実施されることを要求したり又は示唆することを意図していない。「以後」「それから」「次に」というような文言は、処理の順番を限定することを意図しておらず、これらの文言は、代わりに、方法の記載を通して読者をガイドするのに用いられている。更に、例えば「一つ」又は「その」という文言を用いて、単数形で示されているクレームの要素は、その要素が単数であることに限定するように拘束されない。
【００１６】
ここで述べるように、接触プローブシステムは、高精度の座標測定機（ＣＭＭ）中で用いることができる。ここに記載した接触プローブシステムの設計は、幾つかの機能要素を含む。
【００１７】
図２は、接触プローブシステムの例のための準機械的なチップスタックを示す。図２において、チップ２０６は、より大きなチップモジュール（ハウジング）２０２中に固定されている。チップ２０６は、中央プラットフォーム、細長いロッド（ビーム）及び外周エッジを含む。チップ２０６は、シリコンチップであることができる。チップ２０６の中央プラットフォームは、スタイラスカプリング２０５に接続されている。チップ２０６の外周エッジは、チップモジュール２０２（ハウジング）に接続されている。チップ２０６の中央プラットフォーム及び外周エッジは、細長いロッド（ビーム）を介して接続されている。図２において、ピエゾ抵抗歪みゲージは、チップ２０６の細長いロッド（ビーム）上に示されている。
【００１８】
図２において、チップ２０６と該チップ２０６上の分離板間のギャップ距離は、スペーサ２０４を用いて正確に制御されている。図２中のスペーサ２０４は、プローブの動作中にチップ２０６と該チップ２０６上の分離板間のギャップを正確に制御する任意の機構の代表である。従って、スペーサは、ガラス球、膜、制御された厚みの接着剤、又は異なる要素の組合せのような分離機械要素であることができる。更に、スペーサ２０４は、チップ２０６中に一体化されたり、又は、正確に制御された高さを有する突起要素（例えばバンプ）の形でチップ２０６上の分離板であることができる。図２で、チップ２０６とチップモジュール２０２間のスペーサは、チップモジュール２０２中に一体化され、チップモジュール２０２は、従って、図２中のチップスタックの一部である。
【００１９】
更に図２において、接点を備えた接点付きスタイラス２０１は、スタイラスカプリング２０５に結合されている。スタイラスカプリング２０５は、チップ２０６の中央プラットフォームに磁気的に結合されている。
【００２０】
図３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄは、本願の一面に従う接触プローブシステムのもう一つの実施例を示す。図３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄにおいて、スタイラスモジュール３００は、接点付きスタイラス３０１を含み、これはスタイラスカプリング３０５にも結合されている。可動部３４０が、スタイラスカプリング３０５の上に設けられ、２つの固定部３０２ａ間に移動可能に挟まれている。２つの第１キネマチックジョイントが、チップモジュールハウジング３０２と固定部３０２ａ間に設けられ、チップモジュールハウジング３０２は、過剰な変位力を受けている時に、固定部３０２ａから分離可能とされている。第２キネマチックジョイントがスタイラスモジュール３００の頂部に設けられ、過大な変位力を受けたときに、スタイラスモジュール３００が取付けられたもう一つの物体から分離できるようにされている。
【００２１】
図３ａに見られるように、幾つかの機構が、スタイラス接点上の過大な量の圧力を連続的に解決することを可能にしている。この点に関して、可動部３４０は、最初に、両側の固定部３０２ａ間の可動範囲内で動くことができるが、上の単一板と、穴を有する下の単一板の間でも動くことができる。より複雑な設計では、２枚の下の板を左右に設けるようにして、複数の板を用いることができる。更に、板中に空間又は穴を設けることによって、スタイラスのための空間を作ることが出来る。更に、チップを底板として有するスタイラスモジュール（図２参照）を用いるように、板の代わりに他の機械的な要素を用いることができる。スタイラスモジュールが底の上の板としても用いられるときには、チップスタックの頂部の上に単純な板を用いることもできる。更に、スタイラスモジュールを底の上の板として用いるときは、スタイラスモジュールの頂部は平面のまま用いることができる。図２の例では、スペーサがスタイラスモジュールに一体化され、チップとスタイラスモジュール間の接続にガラス球を用いる必要が無い。
【００２２】
図３ａで、スタイラス３０１の接点がワークと衝突した時、可動部３４０を含むセンサの振れは、最初に、可動範囲内で動く可動部３４０によって吸収される。ここで説明したセンサの測定方法は、４つのピエゾ抵抗歪みゲージが各弾性要素（細長いロッド／ビーム）上に配設されるという点で従来と同じである。これらの抵抗歪みゲージは、蒸着されたシリコン上にアルミニウム配線を用いて接続され、ホイートストンブリッジの構成を形成するようにされる。ビームの変形は歪みゲージの変形を生じ、その結果、抵抗を変化させる。この抵抗の変化が、（ホイートストンブリッジ上の電圧として）測定される。
【００２３】
本願に従うセンサの設計において、細長いロッド及び中央プラットフォームは、一連のエッチング及び蒸着ステップで単一のシリコンウェハから作ることができる。シリコンウェハは、シリコン層の上の酸化シリコン層の上のシリコン層でなる絶縁体上シリコンウェハとして用いることができる。各層は、単一のピースを形成するように接着される。あるいは、純粋なシリコンウェハからセンサを製造することも可能である。いずれにしても、歪みゲージ及び電気配線は、シリコンピース上に蒸着される。
【００２４】
可動部３４０は、２番目に、センサと共に機械的ストップ（図３ａで頂上の水平断面として示されている）によって停止されるまで動くことができる。このようにして、スタイラス３０１の接点がワークと衝突した時に、可動部３４０を含むセンサの振れは、２番目に、機械的ストップによって停止されるまで、センサと共に動く両側及び／又は上下の２つの実質的に平行な平面板によって吸収される。センサの振れは、３番目に、係合を離れる１つ（又は両方）の第１キネマチックジョイントによって吸収される。このようにして、スタイラス３０１の接点がワークと衝突した時、可動部３４０を含むセンサの振れは、３番目に、接触プローブを収容するハウジング３０２から接点プローブ（可動モジュール３６０）のカプリングを分離させ、接点プローブ（可動モジュール３６０）がハウジング３０２から外れるのを許容する第１キネマチックカプリング３０４ｂ（２つが示され、１つに符号がつけられている）によって吸収される。更に、センサの振れは、４番目に、全スタイラスモジュール３００が、該スタイラスモジュール３００が取付けられた他の物体から離れるのを許容する第２キネマチックジョイントによって吸収される。或いは、又は、追加で、スタイラス３０１の接点がワークと衝突した時に、センサの振れは、第２キネマチックカプリングが離れ、スタイラス３０１が接点プローブ（可動モジュール３６０）から自由に外れることを許容することによって吸収される。
【００２５】
図３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄを順に見ると、接触プローブシステムの実施例のスタイラスモジュール３００の実施例の内側要素をより明瞭に示すように外側要素が剥がされている。図３ｂにおいて、可動モジュール３６０がチップモジュールハウジング３０２から分離されている。チップモジュールハウジング３０２から分離する際に、第１キネマチックジョイント３０４ｂが図のように離される。更に、圧力印加型導電ピン３５０が可動モジュール３６０から引き抜かれる。なお、チップと接触したままの導電ピンも用いることができる。
【００２６】
図３ｃにおいて、可動モジュール３６０が固定部３６４と可動部３６６に分解されて示されている。図３ｄは、図３ｄ１ａ、図３ｄ１ｂ、図３ｄ２ａ、図３ｄ２ｂを、図３ｄ３、図３ｄ４、図３ｄ５、図３ｄ６、及び、図３ｄ７を含む。図３ｄ１ａは、一つの実施形態における可動部３６６、薄壁部３３０及び固定部３６４の側面図を示す。図３ｄ１ｂは、他の実施形態における可動部３６６、薄壁部３３０及び固定部３６４の側面図を示す。図３ｄ１ａ及び３ｄ１ｂにおいて、感知素子（センサ）３３５は、薄壁部上に示されている。図３ｄ１ａの実施形態において、薄壁部３３０が固定部３６４と可動部３６６の間の中心を外れた高さ方向、上（又は下）に配設されているのに対し、図３ｄ１ｂの実施形態においては、薄壁部３３０は、固定部３６４と可動部３６６の間の中心、高さ方向中央又はその近くに配設されている。各図３ｄ１ａ及び３ｄ１ｂにおいて、感知素子３３５は、薄壁部３３０上に設けられている。
【００２７】
図３ｄ２ａ及び３ｄ２ｂは、追加の実施形態における可動部３６６、薄壁部３３０及び固定部３６４の上面図を示す。図から明らかなように、固定部３６４は、側面及び上面から見た時に可動部３６６を挟んでいると考えることができ、従って、実施形態における１つ又は両方の図で同一平面と考えられる。この意味において、固定部３６４の頂上レベルは、可動部３６６の頂上レベルと等しい（同じ平面）又は実質的に等しい（実質的に同じ平面）と考えることができ、固定部３６４の底部レベルは、可動部３６６の底部レベルと等しい（同じ平面）又は実質的に等しい（実質的に同じ平面）と考えることができる。固定部３６４と可動部３６６の等しい（同じ平面）の頂上及び底部レベルは、既定値（休止位置）でのみ等しかったり、あるいは、固定部３６４と可動部３６６が互いに固定されて動くときに等しく（同じ平面）に維持されることができる。
【００２８】
図３ｄ２ａにおいて、薄壁部は可動部３６６と固定部３６４間の複数の中心を外れた位置に与えられている。図３ｄ２ｂにおいて、薄壁部は可動部３６６と固定部３６４間の複数の中心位置に設けられている。
【００２９】
図３ｄ３は、本願の一面に従うセンサの構成を示している。図３ｄ３中のセンサは、例えば図３ｄ１ａ、３ｄ１ｂ、３ｄ２ａ及び３ｄ２ｂの実施形態と共に用いられる。図３ｄ３は、（小さな）ギャップが外側のエッジ（固定部）と中央プラットフォーム（可動部材）に示された詳細図である。この小さなギャップは、平面内の動きに対してセンサを保護するために使われる。
【００３０】
図３ｄ３の中央プラットフォームは、３本の細長いロッドを介してチップサポート（固定部）に接続されている。ロッドは、その長さ方向には固いが、曲げられたときにはそれに従う。このようにして、中央プラットフォームは、（面から外れて）垂直方向に自由に動き、Ｒｘ及びＲｙの回りに回転する。
【００３１】
Ｘ又はＹ方向の平行移動、又はＺ軸回りの回転（Ｒｚ）は、細長いロッドがその長さ方向（固い方向）に伸ばされる（変形される）ことを要求する。従って、これらの動きは、ずっと高い力を必要とする。更に、細長いロッドのストレスは、中央プラットフォーム上に特定の変位が強制された時に、ずっと高くなる。これがロッドを破壊させ、好ましくない。図３ｄ４、３ｄ５、３ｄ６及び３ｄ７に示される他の実施形態は、平面内の動きに対するチップの許容度を増すものであり、以下に説明する。これらの他の設計は、センサ面内で従順な細長いロッド（薄壁部）と同様に、センサ面内での機械的なストップに注目を与える。
【００３２】
図３ｄ４は、本願の一面に従うセンサの形態を示す。図３ｄ４において、中央プラットフォーム（可動部）は、３本の曲げられた細長いロッドを介してチップサポート（固定部）に接続されている。一本のロッドはその長手方向に固いが、２番目のロッド（最初のロッドに接続され曲げられた細長いロッド）の追加は、システム（曲げられた細長いロッド）をロッドの長手方向にも曲がり易くさせる。このようにして、中央プラットフォームは、任意の方向に（勿論限度内で）自由に動く。中央プラットフォームとチップサポート（外周エッジ）間の溝（チャンネル）は非常に狭く（例えば５０μｍ）されている。より柔軟な曲げられたロッドは、破壊される前に中央プラットフォームの少なくともこの量（５０μｍ）の動きを許容する。このようにして、溝（チャンネル）は、機械的ストップとして機能し、中央プラットフォームがＸＹ面内で動くときに、壊れやすい細長いロッドが壊れるのを保護する。
【００３３】
図３ｄ５は、本願の一面に従うセンサの形態を示す。この図３ｄ５の他の実施形態における図３ｄ３からの相違は、中央プラットフォームが、細長いロッドが（中央プラットフォームとの組合せで）細長いロッドの長手方向により曲がり易くなるように改良され、細長いロッドの長手方向の（小さな）動き（ＸＹ−平行移動及びＲｘ回転）を許容するようにされている点にある。
【００３４】
図３ｄ６は、本願の一面に従うセンサの形態を示す。細長いロッドではなくチップの異なる部分で中央プラットフォームが独立した機械的ストップを持つように改良されている点を除き、柔軟なチップ１又は柔軟なチップ２と同じである。この設計における機械的ストップは、発生が予期される力に合わせて最適化され得る。ロッドを囲む構造（又はロッド自体）が、チップ支持構造（外周エッジ）又は中央プラットフォームと接触しないように、ロッド周りのより広い溝を用いることによって、ロッドに対する損傷を防ぐことができる。
【００３５】
図３ｄ７は、本願の一面に従うセンサの形態を示す。図３ｄ７の実施形態は、全方向へのより改良された柔軟性を提供するカーブした細長いロッド（薄壁部）を含む。
【００３６】
図３ｅ１は、本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す。図３ｅ１において、センサとホルダ間の電気接続が導線を用いて行われたプローブの他の形態が示されている。更に、図３ｅ１においては、キネマチックマウントを介して、可動モジュールとプローブモジュール（ホルダ）間に与えられる与圧力が、別に与圧ばねによって与えられている。
【００３７】
図３ｅ１は、以下に説明する図３ｅ２、３ｅ３及び３ｅ４と同様に、図３ａの実施形態の変形であり、このタイプのプローブの異なる可能な形態を示す。図３ｅ１において、センサとの電気的接続は、（ばねで付勢された）導電ピンの使用を必要とせず、予圧力は、例えば図示したような与圧ばねを用いて、センサの電気的接続とは独立して与えられる。図３ｅ１においては、単一の与圧ばねが用いられているが、複数のばねを同様に用いることができることも理解される。更に、力を、中間体、例えばレバーを介して与えて、可動モジュール上の幾つかの位置に分配された力を与えることができる。
【００３８】
図３ｅ２は、本願の一面に従う接触プローブシステムのもう一つの実施例を示す。図３ｅ２において、センサとの電気的接続は、ＶＩＡ（垂直接続アクセス）を用いて行われる。これは、従来のＶＩＡ又はＴＳＶ（シリコンＶＩＡ経由）であってもよい。ＶＩＡはサンドイッチ構造中の平面板中に作り込むことができる。ＶＩＡは、（シリコン）センサチップ上の一方の側の接続が、例えば電気配線、可撓ケーブル又は他の電気的接続を用いてプローブ主ボディへの電気的接続点を与える。
【００３９】
図３ｅ３は、本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す。図３ｅ３においては、可動モジュールが（膜型）ばねをその両側に持つプローブの設計が示されている。この状況は、図８ａ及び８ｂの記載に関して以下で説明される。この（膜型）ばねは、センサの一部、平面板の一つ、例えばフレキシブルプリント回路基板の一部として製造され、又は、例えば可撓ケーブルとして独立した構成要素であることができる。
【００４０】
いずれにしても、図３ｅ３の（膜型）ばねは、可動モジュールとプローブハウジング間のキネマチックカプリング上に予圧力を提供する。（膜型）ばねは、図３ｅ４に示し、以下で説明するように、プローブハウジング又はプローブ主ボディの電気的な接続も与えることができる。
【００４１】
図３ｅ４は、本願の一面に従う接触プローブシステムの実施例を示す。図３ｅ４において、可動モジュールは、図３ｅ３と同様に、（膜型）ばねをその両側に有する。この場合、（膜型）ばねは、プローブハウジング又はプローブ主ボディへの電気的接続も与える。図３ｅ４においては、電気的接続を与えるばねで付勢された接触ピンが示されているが、同様に他の接続も可能である。
【００４２】
ばねで付勢された接触ピンが用いられると、図３ｅ４に示すように、これらは可動モジュールをプローブハウジング上にクランプするためにも用いることができる。あるいは可動モジュールを（膜型ばねを介して）プローブハウジングに固定するために、異なる機械的な接続が必要である。異なる機械的な接続は、例えば接着剤である。
【００４３】
更に、図３ｅ４において、可動モジュールは、（膜型）ばね中に支持され、キネマチックカプリングによっては支持されていない。この場合、（膜型）ばねの固さが、図８ａ及び８ｂと共に既に説明したように、測定感度に影響する。
【００４４】
従って、図３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ１ａ、３ｄ１ｂ、３ｄ２ａ、３ｄ２ｂ、３ｄ３、３ｄ４、３ｄ５、３ｄ６、３ｄ７、３ｅ１、３ｅ２、３ｅ３及び３ｅ４に示した様々な実施形態において、可動部３６６は、固定部３６４間で横方向に動くことを許容されている。どこかで説明したように、可動モジュールの可動部３６６は、上方及び下方の固定部間で上下に動くことができる。このようにして、可動モジュールの可動部３６６の複数の方向の変位が測定される。
【００４５】
可動部３６６が動くためのスペースは、可動部３６６と固定部３６４間で与えられ、薄壁部３３０が可動部３６６と固定部３６４間に与えられている。この開示の最初の部分から明らかなように、薄壁部３３０は、接点付きスタイラス３０１がワークと接触した時に変位を検出する要素を含む。
【００４６】
図４は、接点付きスタイラス３０１が測定対象と接触した時の可動部の動きを示す。接触していない状態では、平面状可動部は、固定部である２つの平面板から離れた状態にある（左図）。接点付きスタイラスが測定対象と接触すると、平面状可動部は方向を変え始め、移動範囲内で、最終的に上のサンドイッチ板４７５と下のサンドイッチ板４７０に接触して、動きが拘束される。これがいわゆる「測定範囲」である。接点からの拘束力がより強くなると、可動体部は上のサンドイッチ板４７５と下のサンドイッチ板４７０の２つの薄壁板を持ち上げ、全可動モジュールが左側の第１キネマチックジョイントから離れる。上記のように、これは薄壁部の弾性範囲内で発生するので、センサが破壊されることなく、ミリメーターのオーダーのオーバーシュートが可能である。
【００４７】
接触プローブシステムの可動部は、その間に所定の距離を維持するようにされた実質的に平行な固定部間に挟まれている。各可動部は、限定された可動範囲内で動くことができる。チップ３０６のようなセンサは、実質的に平面形状を有し、可動部に取付けられた固定部を含む。
【００４８】
図９は、ここに記載された接触プローブシステムの他の図を示し、センサチップ９０５は、上側サンドイッチ板９１０と下側サンドイッチ板９３０間に挟まれている。センサチップ９０５は、実質的に平面形状を有し、可動部に取付けられた固定部を含む。上側サンドイッチ板９１０と下側サンドイッチ板９３０は、センサチップ９０５の固定部の前後に接続された２つの実質的に平行な平面板である。薄壁部は、それぞれ１枚の平面板で形成され、可動部と固定部を少なくとも３つの位置でリンクさせている。歪センサは、薄壁部上に蒸着されている。センサチップ９０５は、スタイラスからの測定力に応じて変形する歪センサによる接触信号を出力する。
【００４９】
図９においては、上側サンドイッチ板９１０と下側サンドイッチ板９３０がスタイラス９５０が中心に位置する中心部の左側及び右側に示されている。しかしながら、上側サンドイッチ板９１０と下側サンドイッチ板９３０は、それぞれスタイラス９５０が中心に位置する中央部の周りに円形パターン又は他のパターンで与えられる連続板であることができる。上側サンドイッチ板９１０と下側サンドイッチ板９３０の外周エッジ及び内側エッジは、既定状態又は、板が互いに動いた時でも実質的に対称となることができる。
【００５０】
図９においては、センサチップ９０５、上側サンドイッチ板９１０及び下側サンドイッチ板９３０が可動モジュールを構成する接触プローブシステムが示されている。図９の可動モジュールは、プローブケーシングを有するキネマチックジョイント（６点着座機構）を構成し、プローブモジュールと可動モジュールを接続するためのばね部材によってプローブモジュール上に着座されている。可動範囲を超えるときは、可動モジュールは６点着座機構から離れ、全可動モジュールが変位する。あるいは、キネマチックジョイントは、可動モジュールとプローブケーシングの間というよりむしろ、可動モジュールとスタイラス自体の間に構成することができる。
【００５１】
以上のように、図９において、プローブモジュールは６点着座機構（キネマチックジョイント）９６０を構成している。６点着座機構は、プローブモジュールとプローブ主ボディ間の電気的導体も構成することができ、歪センサからプローブ主ボディへ接触信号を伝える役割を果たす。
【００５２】
図９において、上側及び下側サンドイッチ板９１０、９３０は、センサ固定部の前後に接続されていてもよい。更に、実質的に同じ直径を有する球（図９に図示せず）を、実質的な平面板とセンサの間にギャップを与えるのに用いることもできる。他のスペーサは、ガラス球のような接着剤中の球を含めて用いたり、接着剤が固まった後で取り除かれるスペーサを用いたり、膜の切り抜きに適合するようにされたスペーサを用いたり、サンドイッチ板の一部として製造されるスペーサを用いることができる。
【００５３】
これは、例えばＬ形状スタイラス５０１又は星状スタイラス（五方向スタイラス）がスタイラスチェンジに取付けられた図５及び６に示すような場合にも適用される。換言すると、Ｚ方向測定力がスタイラス５０１に働くと、可動モジュールは引き下げられる。そのような場合、可動部５４０は、スタイラスモジュールの下に取付けられた平面板と接触し、薄壁部の変形を妨げる。最終的に、第２キネマチックジョイントが、測定対象からの測定力によって動かされ、測定力が充分に大きくなると全スタイラスモジュールを変位させる。力がスタイラスを引き下げ（又は引き上げ）る一連の動きが図６に示されている。ここで、スタイラスモジュールが可動モジュールとスタイラスを分離するのを許容するよう、第２キネマチックジョイントは分解される。
【００５４】
もう一つの接触プローブシステムが図７に示されている。ここでは、可動部７４０がセンサを含み、可動モジュール全体と共に与えられ、プローブ主ボディ７１０に取付けられ、共有されている。スタイラスモジュールがプローブ主ボディ７１０に着座している時、可動部７２０は、スタイラスモジュールのスタイラスに接続され、永久磁石７３０の使用が採用可能な、そのような方法の一つである。この場合、センサからの出力信号をプローブ主ボディ７１０に伝える電気的伝達方法を考える必要が無く、構成は単純である。
【００５５】
図８ａは、接触プローブシステムの要素の追加図を示す。図８ａにおいて、ｘは変位、ｚは感度、ｋは、ばねのベース材料及び構造特性に依存する定数であるばね定数を表わす。感度ｚは変位ｘに比例する。力Ｆは２つのばね間で測定され、左の図において、２つのばねがそれぞれ各キャパシタと並列であり、右の図において、２つのばねはそれぞれキャパシタと並列であるが、２つの追加のばねが示されるように与えられる。右の図において、追加のばねはｋ２と符号付けされ、各図における最初の２つのばねはｋ１と符号付けされている。図８ａ中の右の図におけるばねｋ２のタンデム接続は、感度を下げ、測定範囲を広くするのを許容する。これは、感度と測定範囲をｋ２によって調整するのを可能とする。左の図において、感度は変位に比例する。
【００５６】
図８ｂは、接触プローブシステムの要素の追加図を示す。この点に関して、この開示で強調される点は壊れないことである。壊れないことに焦点を置くと、摩擦型キネマチックジョイントの代わりに所望のばね定数を持つ板を用いることができることは明らかである。そのような所望のばね定数を有する板は、外側に与えることができる。外側の板ばね可動範囲は、内側の測定範囲に取込むことができる。図８ｂにおいて、符号付けされた要素は、懸架部、薄壁部、可動部、平面板、電気信号線、及びランドなどを含む。各要素の関係は、一連の図８ｂ中に示されている。
【００５７】
以上説明したように、プローブシステムは破壊を避ける様々な機構を含む。そのような一つの機構は、キネマチックジョイント（摩擦型）であり、代わりに、所望のばね定数を有する板を外側に設けることができる。板ばねは、測定範囲内での動きを許容するためにも与えることができる。
【００５８】
可動モジュール内の薄壁部の弾性変形範囲は、必然的に２〜３０μｍと非常に小さい。外側の懸架部は、直列に接続されているので、薄壁部と懸架部のばね定数を規定することによって（センサ分解能は比例して低下するが）弾性変形範囲（即ち測定範囲）を広げることが可能であり、これは本願の最大の効果である。
【００５９】
従って、本願は、３Ｄプローブシステムの校正に適した測定方法と共に、座標測定機（ＣＭＭ）の３Ｄプローブシステムに関する。このプローブシステムは、同一平面内にある全ての弾性要素を用いたプローブハウジング上に弾性的に懸架されたプローブを含んでも良い。プローブの変位は、弾性要素に直接取り付けられた歪みゲージに基づく測定システムを用いて測定される。ブリッジと測定システムは、一連のリソグラフィ及びエッチングステップで一体的に製造されるか、又は、別々に製造し、その後組み立てることができる。プローブシステムは、精密測定を行うのに好適である。ここに記載したプローブシステムは、３つの直交する方向で２０ｎｍ以下の分解能を持つように実現することができる。動的及び静的な測定力は、通常使用において２〜３ミリニュートンに限定することもできる。更に、このプローブシステムを校正するために、ナノメートルの精度で３つの方向にプローブシステムを校正可能とする測定方法について述べる。
【００６０】
接触プローブシステムが、いくつかの実施形態を参照して説明されていたが、用いられた文言は、限定の文言というよりもむしろ、説明及び図示の為に用いられていると理解されたい。接触プローブシステムの側面の範囲及び精神を離れることなく、ここに記載され補正された添付クレームの範囲内で変化させることができる。接触プローブシステムが、特定の手段、材料及び実施形態を参照して説明されていたが、接触プローブシステムを開示された事項に限定する意図はなく、むしろ添付クレームの範囲内で接触プローブシステムは、全ての作用的に等価な構成、方法、使用まで拡張される。
【００６１】
この明細書は特定の標準やプロトコルを参照して、特定の実施形態に適用された構成要素と作用について記載しているが、この開示はそのような標準やプロトコルに限定されない。このような標準は、本質的に同じ作用を有する効率的な等価物によって周期的に置き換えられている。従って、同じ又は類似の作用を有する標準及びプロトコルによる置き換えは、その等価物と考えられる。
【００６２】
ここに記載した実施形態の図面は、様々な実施形態の構成の一般的な理解を与えるのを意図している。図面は、ここに記載した開示の全ての要素及び様相の完全な記載を与えるように意図されたものではない。開示を見た当業者にとって、多くの他の実施形態が自明であろう。この開示から他の実施形態を利用し、導き出して、この開示の範囲を離れる事無く構成上及び論理的な置き換え及び変化がなされるであろう。更に、図面は単に代表的なものであり、スケールではない。図面内のあるプロポーションは強調され、他のプロポーションは最小化されている。従って、開示及び図面は説明に過ぎず、限定と解釈されるべきでない。
【００６３】
「発明」という文言によって、ここで、個別的に及び／又は集合的に言及された開示の一以上の実施形態は、利便性の為に過ぎず、本願の範囲を特定の発明又は発明概念に自ら限定する意図はない。更に、特定の実施形態がここに図示され記載されているが、同じ又は類似の目的を達成するように設計された従属的な配置を、示された特定の実施形態に置き換えることができる。この開示は、様々な実施形態の全ての従属的な応用又は変形をカバーすることを意図している。上記実施形態の組合せ、及び、ここに特に記載していない他の実施形態との組合せは、明細書を見た当業者に明らかであろう。
【００６４】
ここに記載した接触プローブシステムは、２〜３μｍ又は数十μｍというこれまでの限界よりも大きなオーバーシュートを許容する。この接触プローブシステムは、弾性変形及び破壊の結果生じるこれまでの問題を解決し、低力衝突プローブの座標測定機（ＵＭＡＰを含む）によって共有されていた問題を解決し、その結果、許容されるオーバーシュートが２〜３ｍｍまで劇的に増加する。
【００６５】
ここに開示した実施形態では、スタイラスの取付け／取り外しは、６点着座のようなキネマチックジョイントの使用によって可能となる。
【００６６】
本願の一面によれば、接触プローブは、接点を有するスタイラスと、実質的に平面形状を有し、固定部とスタイラスが取付けられるセンサを含む。可動部は、それぞれ１枚の平面板で形成され、その上に蒸着された歪センサを有する薄壁部によって、少なくとも３つの位置で固定部と連繋されている。センサは、スタイラスからの測定力に応じて変形する歪センサによって接触信号を出力する２つの平行な実質的に平面板が固定部の両側に接続されている。可動部は、２つの平行な実質的に平面板によって挟まれ、可動部と２つの平行な実質的に平面板の間の所定距離を維持すると共に、可動部の動きを可動範囲に制限する。
【００６７】
本願のもう一つの面によれば、センサと２つの実質的な平面板が可動モジュールを構成している。可動モジュールは、該可動モジュールとプローブモジュール間のキネマチックジョイントを形成すると共に、プローブモジュールと可動モジュールを接続するばね部材によってプローブモジュール上に着座されている。可動範囲を超えようとした時、可動モジュールはキネマチックジョイントから離れ、全可動モジュールが変位する。
【００６８】
本願の更にもう一つの面によれば、キネマチックジョイントが６点着座機構を有する。
【００６９】
本願の更にもう一つの面によれば、プローブモジュールが、該プローブモジュールとプローブ主ボディ間の電気導体を持つ６点着座機構を形成し、歪センサからの接触信号をプローブ主ボディに伝える役割を行っている。
【００７０】
本願の更にもう一つの面によれば、２つの実質的な平面板がセンサの固定部の前後に接続され、実質的な平面板とセンサ間にギャップを与えるスペーサが用いられている。
【００７１】
本願の更にもう一つの面によれば、スタイラスの接点がワークに衝突した時、先ず、可動範囲内を動く可動部によってセンサの変形が最初に吸収される。
【００７２】
本願の更にもう一つの面によれば、スタイラスの接点がワークに衝突した時、機械的ストップによって止められるまで、センサと共に動く２つの平行な実質的に平面板によって、センサの変形が２番目に吸収される。
【００７３】
本願の更にもう一つの面によれば、スタイラスの接点がワークに衝突した時、接触プローブを収容するハウジングに接触プローブを結合させる第１のキネマチックカプリングを解放させ、接触プローブがハウジングから離れるのを許容することによって、センサの変形が３番目に吸収される。
【００７４】
本願の更にもう一つの面によれば、スタイラスの接点がワークに衝突した時、スタイラスを接点プローブに結合させる第２のキネマチックカプリングを解放させ、スタイラスが接点プローブから離れるのを許容することによって、センサの変形が４番目に吸収される。
【００７５】
本願の更にもう一つの面によれば、可動部と固定部間の所定距離が保持され、センサ面内の可動部の動きを３つの位置で第２の可動範囲に制限する。
【００７６】
本願の更にもう一つの面によれば、薄壁部が、センサの面内で可動部の動きを許容するように形成されている。
【００７７】
本願の更にもう一つの面によれば、薄壁部が、少なくとも第２の可動範囲内で可動部の動きを許容するように形成されている。
【００７８】
従って、ここに記載したように、可動モジュール内の薄壁部の弾性変形範囲は２〜３０μｍ内に維持される。外側に懸架部が直列接続されていれば、薄壁部及び懸架部のばね定数を規定することによって（センサ分解能はこれに比例して低下するが）、弾性変形範囲（即ち測定範囲）を広げることが可能である。しかしながら、ここに記載したように、一連の様相又は様相の組合せは、プローブチップがワークに接触したときの過剰な変位に対して連続的に耐えるように用いることができる。
【００７９】
開示の要約は、米国特許規則３７Ｃ.Ｆ.Ｒ.§１.７２(ｂ)条に適合するように与えられており、クレームの範囲又は意味を解釈したり限定するのには使われないという理解で提出している。更に、以上の詳細な説明、様々な様相は、開示を繋げる目的で、互いに組み合わされ、又は、単一の実施形態として記載されている。この開示は、各クレーム中に明示された様相よりも多くの様相を、クレームされた実施形態が必要とするという意図を反映するように解釈されるべきでない。むしろ、以下のクレームは、開示された実施形態のいずれの様相の全てよりも少ない発明的な主題を反映している。従って、以下のクレームは、各クレームがそれ自体に規定する別々のクレームされた主題を持って、発明の詳細な説明中に取込まれている。
【００８０】
開示された実施形態の先行する記載は、当業者が本願を実施したり利用するのを可能とするために与えられている。従って、開示された主題は例に過ぎず、限定するものではなく、添付されたクレームは、本願の真の精神及び範囲に入る、そのような全ての変形、増強及び他の実施形態をカバーすることを意図している。従って、法律によって許される最大限で、本願の範囲は、次のクレーム及びその等価物の最も広い許される解釈により決定されるべきであり、上記の詳細な説明によって制限されたり限定されるべきではない。
【図１Ａ】
2016194503.tif 000003
【図１Ｂ】
2016194503.tif 000004
【図１Ｃ】
2016194503.tif 000005
【図１Ｄ】
2016194503.tif 000006
【図３ｄ２ａ】
2016194503.tif 000007
【図３ｄ２ｂ】
2016194503.tif 000008
【図２】
2016194503.tif 000009
【図３ａ】
2016194503.tif 000010
【図３ｂ】
2016194503.tif 000011
【図３ｃ】
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【図３ｄ１ａ】
2016194503.tif 000013
【図３ｄ１ｂ】
2016194503.tif 000014
【図３ｄ３】
2016194503.tif 000015
【図３ｄ４】
2016194503.tif 000016
【図３ｄ５】
2016194503.tif 000017
【図３ｄ６】
2016194503.tif 000018
【図３ｄ７】
2016194503.tif 000019
【図３ｅ１】
2016194503.tif 000020
【図３ｅ２】
2016194503.tif 000021
【図３ｅ３】
2016194503.tif 000022
【図３ｅ４】
2016194503.tif 000023
【図４】
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【図５】
2016194503.tif 000025
【図６】
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【図７】
2016194503.tif 000027
【図８ａ】
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【図８ｂ】
2016194503.tif 000029
【図９】
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【外国語明細書】
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2016194503000002.pdf
2016194503000003.pdf
2016194503000004.pdf