特許 6371337 多重化された位置信号を備える測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6371337

(24)【登録日】2018年7月20日

(45)【発行日】2018年8月8日

(54)【発明の名称】多重化された位置信号を備える測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 5/012 20060101AFI20180730BHJP

【ＦＩ】

   G01B5/012

【請求項の数】23

【外国語出願】

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2016-117466(P2016-117466)

(22)【出願日】2016年6月13日

(65)【公開番号】特開2017-111113(P2017-111113A)

(43)【公開日】2017年6月22日

【審査請求日】2017年6月22日

(31)【優先権主張番号】14/973,376

(32)【優先日】2015年12月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100080458

【弁理士】

【氏名又は名称】高矢 諭

(74)【代理人】

【識別番号】100076129

【弁理士】

【氏名又は名称】松山 圭佑

(74)【代理人】

【識別番号】100089015

【弁理士】

【氏名又は名称】牧野 剛博

(74)【代理人】

【識別番号】100144299

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 崇

(74)【代理人】

【識別番号】100150223

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 修三

(72)【発明者】

【氏名】スコット アレン ハーシラ

(72)【発明者】

【氏名】デイビッド ウィリアム セスコ

【審査官】 三好 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２９３９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０６−５０９４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３９４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５２８７９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９４／０１１７０２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ５／００− ５／３０

Ｇ０１Ｂ ２１／００−２１／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

座標測定装置で使用するための走査プローブであって、
前記走査プローブは、
スタイラスに堅固に結合されるように構成されたスタイラス結合部と、
軸方向に沿う該スタイラス結合部の軸方向運動と、回転中心回りの該スタイラス結合部の回転運動と、を可能にするように構成されたスタイラス運動機構と、
を備えるスタイラス懸架部と、
回転検出ビームを出力するように構成された制御可能な回転検出用光源と軸方向検出ビームを出力するように構成された制御可能な軸方向検出用光源とを備える光源構成体と、
複数スポット位置検出部と、
多重化信号処理及び制御回路と、
前記制御可能な回転検出用光源からの前記回転検出ビームを受けるように構成された回転検出ビーム経路と、
該回転検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向回転検出用光ビームを出力するように構成された回転検出デフレクタと、
を備える回転位置検出構成体と、
前記制御可能な軸方向検出用光源からの前記軸方向検出ビームを受けるように構成された軸方向検出ビーム経路と、
該軸方向検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向軸方向検出用光ビームを出力するように構成され、且つ前記軸方向運動に応答して前記軸方向に移動するように構成され、また、前記回転運動に応答して該軸方向に対する少なくとも一方向の横方向に移動するように構成された軸方向検出デフレクタと、
を備える軸方向位置検出構成体と、
を備えるスタイラス位置検出部と、
を備え、ここで、
前記複数スポット位置検出部は、前記可変偏向回転検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記回転中心回りの前記スタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力するように構成され、また、前記可変偏向軸方向検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記軸方向における前記スタイラス結合部の位置を示すＺ位置信号を出力するように構成されており、
前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化し、そして、前記Ｚ位置信号から前記Ｘ及びＹ位置信号を分離するために逆多重化することを行うように構成され、
前記スタイラス位置検出部は、前記Ｚ位置信号が、前記軸方向に対する横方向である少なくとも一つの方向における前記軸方向検出デフレクタの動きに実質的に応答しないように構成されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項2】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記複数スポット位置検出部は、前記可変偏向軸方向検出用光ビームによって成形される軸方向検出スポット又はラインの位置光検出器のＺ検知軸に沿う位置に応じた前記Ｚ位置信号を出力する前記位置光検出器を備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項3】

請求項２に記載の走査プローブであって、前記可変偏向軸方向検出用光ビームは、前記位置光検出器上の前記軸方向検出スポット又はラインを成形するために、前記軸方向検出デフレクタによって少なくとも部分的に集光され、前記軸方向に対する横方向である第１方向に沿う前記軸方向検出デフレクタの動きは、前記位置光検出器上の前記軸方向検出スポット又はラインの有効な位置を実質的に変更することなく、該軸方向検出スポット又はラインを変更することを特徴とする走査プローブ。

【請求項4】

請求項３に記載の走査プローブであって、前記軸方向検出デフレクタは、レンズを備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項5】

請求項３に記載の走査プローブであって、前記軸方向位置検出構成体は、更に、
前記可変偏向軸方向検出用光ビームが、前記位置光検出器上の前記軸方向検出スポットを成形するために、前記軸方向検出デフレクタにより少なくとも部分的に集光され、
前記Ｚ位置信号が、前記位置光検出器の前記Ｚ検知軸に沿う前記軸方向検出スポットの位置に応答し、そして、
前記軸方向に対する横方向である第２方向に沿う前記軸方向検出デフレクタの動きが、前記位置光検出器の前記Ｚ検知軸に直交する方向に沿う該位置光検出器上に成形された前記軸方向検出スポットの位置を変更させるように構成されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項6】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記軸方向検出デフレクタと前記回転検出デフレクタとは互いに堅固に結合されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項7】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記軸方向検出デフレクタと前記回転検出デフレクタとは前記スタイラス結合部に堅固に結合されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項8】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記走査プローブは、更に、ハウジングを備え、前記光源構成体と前記複数スポット位置検出部とは該ハウジングに堅固に結合されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項9】

請求項８に記載の走査プローブであって、前記Ｚ位置信号との組み合わせで前記Ｘ及びＹの位置信号は、前記ハウジングに対する前記スタイラス結合部の絶対的な３次元位置の決定を可能にすることを特徴とする走査プローブ。

【請求項10】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記複数スポット位置検出部は、前記可変偏向回転検出用光ビームによって成形される回転検出スポットの位置光検出器の第１軸に沿う位置に対応する前記Ｘ位置信号を出力するように構成され、そして、該回転検出スポットの該位置光検出器の第２軸に沿う位置に対応する前記Ｙ位置信号を出力するように構成されている前記位置光検出器を備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項11】

請求項１０に記載の走査プローブであって、
前記回転検出デフレクタは、前記回転運動に応答して移動するように前記スタイラス懸架部に結合され、また、前記軸方向検出デフレクタは前記軸方向運動に応答して前記軸方向に移動し、そして、
前記回転位置検出構成体は、名目上、前記回転中心回りの前記スタイラス結合部の回転がないときには、前記Ｘ及びＹ位置信号が前記軸方向に沿う前記回転検出デフレクタの動きに実質的に応答しないように構成されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項12】

請求項１０に記載の走査プローブであって、前記回転位置検出構成体は、前記可変偏向回転検出用光ビームが、前記位置光検出器上に前記回転検出スポットを成形するように、前記回転検出デフレクタによって少なくとも部分的に集光されるように構成されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項13】

請求項１２に記載の走査プローブであって、前記回転検出デフレクタは凹面ミラーを備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項14】

請求項１に記載の走査プローブであって、
前記回転検出デフレクタは、前記軸方向に沿って配向した光軸を有する凹面反射ミラーを備え、該軸方向に沿って延びる前記回転検出ビーム経路の一部に沿って配置され、前記回転運動がその光軸に対する横方向に前記回転検出デフレクタを移動させ、そして、
前記軸方向検出デフレクタは、前記軸方向に対する横方向に配向した光軸を有するレンズを備え、該横方向に沿って延びる前記軸方向検出ビーム経路の一部に沿って配置され、前記軸方向運動がその光軸に対する横方向に前記軸方向検出デフレクタを移動させることを特徴とする走査プローブ。

【請求項15】

請求項１４に記載の走査プローブであって、
前記複数スポット位置検出部は、表面平面を有する位置光検出器を備え、
前記回転位置検出構成体は、更に、該位置光検出器の該表面平面上の位置に対して、前記光軸に対する横方向に沿って前記可変偏向回転検出用光ビームを反射するように構成された反射面を備え、そして、
前記可変偏向軸方向検出用光ビームは、前記位置光検出器の前記表面平面上の位置に、前記軸方向検出デフレクタから伝達されることを特徴とする走査プローブ。

【請求項16】

請求項１５に記載の走査プローブであって、前記回転位置検出構成体は、更に、前記反射面と前記回転検出デフレクタとの間に延在する前記回転検出ビーム経路の一部に沿って配置された１／４波長板を備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項17】

請求項１４に記載の走査プローブであって、
前記複数スポット位置検出部は、表面平面を有する位置光検出器を備え、
前記スタイラス位置検出部は、更に、前記位置光検出器の前記表面平面上のそれぞれの位置に対して、前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームの両方を反射するように構成された反射面を備えることを特徴とする走査プローブ。

【請求項18】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記多重化信号処理及び制御回路は、
前記制御可能な回転検出用光源に結合された回転検出用ファンクションジェネレータと、
前記制御可能な軸方向検出用光源に結合された軸方向検出用ファンクションジェネレータと、そして、
前記複数スポット位置検出部に結合されたデマルチプレクサと、
を備え、
前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化するように、前記回転検出用ファンクションジェネレータと前記軸方向検出用ファンクションジェネレータとを制御するように構成され、そして、更に前記Ｚ位置信号から前記Ｘ及びＹ位置信号を分離するために前記デマルチプレクサを制御するように構成されていることを特徴とする走査プローブ。

【請求項19】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化するために周波数領域多重化を利用することを特徴とする走査プローブ。

【請求項20】

請求項１に記載の走査プローブであって、前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化するために時間領域多重化を利用することを特徴とする走査プローブ。

【請求項21】

スタイラスが取り付けられる走査プローブから受信された位置信号に基づいて、該スタイラスの接触部の３次元位置を決定するための方法であって、
前記方法は、
取り付けられた前記スタイラスの前記接触部が測定されているワークに接触するように、前記走査プローブが配置されることを決定し、
ここで、該走査プローブは、
前記スタイラスに堅固に結合されるように構成されたスタイラス結合部と、
軸方向に沿う該スタイラス結合部の軸方向運動と、回転中心回りの該スタイラス結合部の回転運動と、を可能にするように構成されたスタイラス運動機構と、
を備えるスタイラス懸架部と、
回転検出ビームを出力するように構成された制御可能な回転検出用光源と軸方向検出ビームを出力するように構成された制御可能な軸方向検出用光源とを備える光源構成体と、
複数スポット位置検出部と、
多重化信号処理及び制御回路と、
前記制御可能な回転検出用光源からの前記回転検出ビームを受けるように構成された回転検出ビーム経路と、
該回転検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向回転検出用光ビームを出力するように構成された回転検出デフレクタと、
を備える回転位置検出構成体と、
前記制御可能な軸方向検出用光源からの前記軸方向検出ビームを受けるように構成された軸方向位置検出ビーム経路と、
該軸方向検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向軸方向検出用光ビームを出力するように構成され、且つ前記軸方向運動に応答して前記軸方向に移動するように構成され、また、前記回転運動に応答して該軸方向に対する少なくとも一方向の横方向に移動するように構成された軸方向検出デフレクタと、
を備える軸方向位置検出構成体と、
を備えるスタイラス位置検出部と、
を備え、ここで、
前記複数スポット位置検出部は、前記可変偏向回転検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記回転中心回りの前記スタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力するように構成され、また、前記可変偏向軸方向検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記軸方向における前記スタイラス結合部の位置を示すＺ位置信号を出力するように構成されており、
前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化し、そして、前記Ｚ位置信号から前記Ｘ及びＹ位置信号を分離するために逆多重化することを行うように構成され、
前記スタイラス位置検出部は、前記Ｚ位置信号が、前記軸方向に対する横方向である少なくとも一つの方向における前記軸方向検出デフレクタの動きに実質的に応答しないように構成されており、
前記多重化信号処理及び制御回路から前記Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を受け、そして、
前記スタイラスの前記接触部の３次元位置を決定するために、前記Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を処理することを特徴とする方法。

【請求項22】

請求項２１に記載の方法であって、前記Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を処理することは、該Ｘ又はＹの位置信号の少なくとも一方から前記軸方向運動のクロスカップリングの成分を除去するために前記走査プローブの既知の三角法と組み合わせて前記Ｚ位置信号を利用することを含むことを特徴とする方法。

【請求項23】

スタイラスが取り付けられる走査プローブから受信された位置信号に基づいて、該スタイラスの接触部の３次元位置を決定するためのシステムであって、
前記システムは、
前記走査プローブからＸ及びＹ位置信号とＺ位置信号とを受信する受信部と、
ここで、該走査プローブは、
前記スタイラスに堅固に結合されるように構成されたスタイラス結合部と、
軸方向に沿う該スタイラス結合部の軸方向運動と、回転中心回りの該スタイラス結合部の回転運動と、を可能にするように構成されたスタイラス運動機構と、
を備えるスタイラス懸架部と、
回転検出ビームを出力するように構成された制御可能な回転検出用光源と軸方向検出ビームを出力するように構成された制御可能な軸方向検出用光源とを備える光源構成体と、
複数スポット位置検出部と、
多重化信号処理及び制御回路と、
前記制御可能な回転検出用光源からの前記回転検出ビームを受けるように構成された回転検出ビーム経路と、
該回転検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向回転検出用光ビームを出力するように構成された回転検出デフレクタと、
を備える回転位置検出構成体と、
前記軸方向検出用光源からの前記軸方向検出ビームを受けるように構成された軸方向検出ビーム経路と、
該軸方向検出ビーム経路に沿って配置され、前記スタイラス懸架部に結合され、前記複数スポット位置検出部に可変偏向軸方向検出用光ビームを出力するように構成され、且つ前記軸方向運動に応答して前記軸方向に移動するように構成され、また、前記回転運動に応答して該軸方向に対する少なくとも一方向の横方向に移動するように構成された軸方向検出デフレクタと、
を備える軸方向位置検出構成体と、
を備えるスタイラス位置検出部と、
を備え、ここで、
前記複数スポット位置検出部は、前記可変偏向回転検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記回転中心回りの前記スタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力するように構成され、また、前記可変偏向軸方向検出用光ビームを受け、それに応答するように、前記軸方向における前記スタイラス結合部の位置を示すＺ位置信号を出力するように構成されており、
前記多重化信号処理及び制御回路は、前記複数スポット位置検出部上の前記可変偏向回転検出用光ビームと前記可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化し、そして、前記Ｚ位置信号から前記Ｘ及びＹ位置信号を分離するために逆多重化することを行うように構成され、
前記スタイラス位置検出部は、前記Ｚ位置信号が、前記軸方向に対する横方向である少なくとも一つの方向における前記軸方向検出デフレクタの動きに実質的に応答しないように構成されており、
前記スタイラスの前記接触部の３次元位置を決定するために、前記Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を処理するための処理部と、を備えることを特徴とするシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、精密計測に関し、より詳細には、座標測定装置で使用されるプローブのセンシング構成体に関する。

【背景技術】

【0002】

座標測定装置（ＣＭＭ）は、検査ワークの測定を行うことができる。本明細書にその全体が参照として組み込まれる米国特許第８４３８７４６に記載の一例示的な従来技術のＣＭＭは、ワークを測定するためのプローブ、プローブを移動させる移動機構、及びその移動を制御するコントローラを備える。表面走査プローブを備えるＣＭＭは、本明細書にその全体が参照として組み込まれる米国特許第７６５２２７５に記載されている。そこに開示されているように、機械式接触プローブ又は光学的プローブは、ワークの表面を横切って走査することができる。

【0003】

機械式接触プローブを使用するＣＭＭは、また、本明細書にその全体が参照として組み込まれる米国特許第６９７１１８３（'１８３特許）にも記載されている。そこに開示されたプローブは、表面接触部を有するスタイラスと、軸方向運動機構と、回転運動機構と、を備える。軸方向運動機構は、その接触部が測定プローブの中心軸方向（Ｚ方向又は軸方向とも呼ぶ）に移動することを可能にする移動部材を備える。回転運動機構は、その接触部がＺ方向に垂直に移動することを可能にする回転部材を備える。軸方向運動機構は、回転運動機構内で入れ子にされている。その接触部の位置、及び／又は、ワークの表面の座標は、回転部材の変位と軸方向運動機構の移動部材の軸方向変位に基づいて決定される。

【0004】

'１８３特許に開示されているような運動機構、及び／もしくは、従来の変位検出器の配列は、比較的高価である、並びに／又は、機構、及び／もしくは、検出器の不完全性に起因する様々な「クロスカップリング」の誤差に影響を受けやすい。合理的に予想される機構、及び／又は、検出器に不完全さがあっても、様々な「クロスカップリング」の誤差を排除しながら比較的低価格となる変位検出器の配列を備えるプローブの比較的コンパクトなセンシング構成体が必要とされている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

この概要は、以下の詳細な説明で更に説明されるコンセプトの選択を簡略化された形で紹介するものである。この概要は、特許請求の範囲に記載された主題の主要な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲に記載された主題の範囲を決定する助けとして使用されることを意図するものでもない。

【0006】

３軸で応答可能な走査プローブが、座標測定装置（例えば、ＣＭＭ）で使用するために提供される。走査プローブは、スタイラス懸架部とスタイラス位置検出部とを備える。スタイラス懸架部は、スタイラスに堅固に結合されるように構成されたスタイラス結合部と、軸方向に沿うスタイラス結合部の軸方向運動、及び、回転中心回りのスタイラス結合部の回転運動を可能にするように構成されたスタイラス運動機構と、を備える。スタイラス位置検出部は、光源構成体、複数スポット位置検出部、多重化信号処理及び制御回路、回転位置検出構成体、及び、軸方向位置検出構成体を備える。様々な実施形態では、光源構成体は、回転検出ビームを提供するように構成された制御可能な回転検出用光源と、軸方向検出ビームを提供するように構成された制御可能な軸方向検出用光源と、を備える。

【0007】

様々な実施形態では、回転位置検出構成体は、回転検出ビーム経路と、回転検出デフレクタと、を備える。回転検出ビーム経路は、回転検出用光源から回転検出ビームを受けるように構成されている。回転検出デフレクタは、回転検出ビーム経路に沿って配置され、スタイラス懸架部に結合され、複数スポット位置検出部に可変偏向回転検出用光ビームを出力するように構成されている。

【0008】

様々な実施形態では、軸方向位置検出構成体は、軸方向検出ビーム経路と、軸方向検出デフレクタと、を備える。軸方向検出ビーム経路は、軸方向検出用光源から軸方向検出ビームを受けるように構成されている。軸方向検出デフレクタは、軸方向検出ビーム経路に沿って配置され、スタイラス懸架部に結合され、複数スポット位置検出部に可変偏向軸方向検出用光ビームを出力するように構成されている。軸方向検出デフレクタは、軸方向運動に応答して軸方向に移動するように構成され、また、回転運動に応答して軸方向に対する少なくとも１つの横方向に移動するように構成されている。

【0009】

様々な実施形態では、複数スポット位置検出部は、可変偏向回転検出用光ビームを受け、且つそれに応答するように、回転中心回りのスタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力するように構成されている。また、複数スポット位置検出部は、可変偏向軸方向検出用光ビームを受け、且つそれに応答するように、軸方向におけるスタイラス結合部の位置を示すＺ位置信号を出力するように構成されている。

【0010】

様々な実施形態では、多重化信号処理及び制御回路は、複数スポット位置検出部に可変偏向回転検出用光ビームと可変偏向軸方向検出用光ビームとを多重化し、且つＺ位置信号からＸとＹ位置信号を分離する逆多重化を提供するように構成されている。様々な実施形態では、スタイラス位置検出部は、Ｚ位置信号が軸方向に対する横方向である少なくとも１つの方向における軸方向検出デフレクタの動きに実質的に応答しないように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本明細書に開示されている走査プローブを用いたＣＭＭを備える測定システムの様々な典型的な要素を示す図である。

【図2】ＣＭＭに結合され、Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を出力する走査プローブの様々な要素を示すブロック図である。

【図3】スタイラスに結合されるスタイラス懸架部の第１実施形態の一部を示す図である。

【図4】走査プローブの本体ハウジング内に備えられる図３のスタイラス懸架部の一例の断面を示す図である。

【図5】スタイラス懸架部に結合するスタイラス位置検出部の第１実施形態を示す図である。

【図6】走査プローブの本体ハウジング内に結合される図５のスタイラス位置検出部を示す図である。

【図7】スタイラス位置検出部の第２実施形態を示す図である。

【図8】スタイラス位置検出部の第３実施形態を示す図である。

【図9】走査プローブに備えられたスタイラス懸架部の第２実施形態の断面を示す図である。

【図10】スタイラス懸架部で利用することができる曲げ要素の実施形態を示す図である。（軸方向運動を可能にする図１０Ａ、回転運動を可能にする図１０Ｂ）

【図11】走査プローブから受信した位置信号に基づいて、スタイラスの接触部の３次元位置を決定するための手順の一例を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、本明細書に開示されている走査プローブ３００を利用するＣＭＭ２００を備える測定システム１００の様々な典型的な要素を示す図である。測定システム１００は、操作ユニット１１０、ＣＭＭ２００の動きを制御するモーションコントローラ１１５、ホストコンピュータ１２０、及びＣＭＭ２００を備える。操作ユニット１１０は、モーションコントローラ１１５に接続され、ＣＭＭ ２００を手動で操作するためのジョイスティック１１１を備えることできる。ホストコンピュータ１２０は、モーションコントローラ１１５に結合され、ＣＭＭ２００を操作し、ワークＷの測定データを処理する。ホストコンピュータ１２０は、例えば、測定条件の入力のための入力手段１２５（例えば、キーボード、等）と、例えば、測定結果を出力するための出力手段１３０（例えば、ディスプレイ、プリンタ、等）と、を備える。

【0013】

ＣＭＭ２００は、定盤２１０に配置される駆動機構２２０と、駆動機構２２０に走査プローブ３００を取り付けるための取付部２２４と、を備える。駆動機構２２０は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸スライド機構２２２、２２１、及び２２３をそれぞれ備え、走査プローブ３００を３次元に移動させる。走査プローブ３００の端部に取り付けられたスタイラス３０６は、接触部３４８を備える。以下に詳細に説明されるように、スタイラス３０６は走査プローブ３００のスタイラス懸架部に取り付けられる。そのスタイラス懸架部は、接触部３４８がワークＷの表面の測定経路に沿って移動するときに、接触部３４８が自由に３方向の位置を変更することを許容している。

【0014】

図２は、ＣＭＭ２００に接続され、Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号を出力する走査プローブ３００の様々な要素を示すブロック図である。走査プローブ３００は、スタイラス懸架部３０７とスタイラス位置検出部３１１が組み込まれたプローブ本体３０２を備える。スタイラス懸架部３０７は、スタイラス結合部３４２と、スタイラス運動機構３０９と、を備える。スタイラス結合部３４２は堅固にスタイラス３０６に結合されている。図３及び４に関して以下でより詳細に説明されるように、スタイラス運動機構３０９は、軸方向に沿ってスタイラス結合部３４２と取り付けられたスタイラス３０６との軸方向運動を可能にする構成とされている。同時に、スタイラス運動機構３０９は、回転中心回りのスタイラス結合部３４２と取り付けられたスタイラス３０６の回転運動を可能に構成されている。

【0015】

図２に示すように、スタイラス位置検出部３１１は、光源構成体３１７、複数スポット位置検出部３２１、多重化信号処理及び制御回路３５０、回転位置検出構成体３１３、及び軸方向位置検出構成体３２５を備える。光源構成体３１７は、制御可能な回転検出用光源３１８Ａと、制御可能な軸方向検出用光源３１８Ｂと、を備える。多重化信号処理及び制御回路３５０は、回転検出用ファンクションジェネレータ３５４Ａ、軸方向検出用ファンクションジェネレータ３５４Ｂ、及びデマルチプレクサ３５６を備える。

【0016】

回転位置検出構成体３１３は、制御可能な回転検出用光源３１８Ａから回転検出用光ビームを受け、複数スポット位置検出部３２１に可変偏向回転検出用光ビームを出力する。軸方向位置検出構成体３２５は、制御可能な回転検出用光源３１８Ｂから軸方向検出用光ビームを受け、複数スポット位置検出部３２１に可変偏向軸方向検出用光ビームを出力する。回転検出用ファンクションジェネレータ３５４Ａと軸方向検出用ファンクションジェネレータ３５４Ｂとは、それぞれ、制御可能な回転検出用光源３１８Ａと制御可能な軸方向検出用光源３１８Ｂとを制御し、複数スポット位置検出部３２１に可変偏向回転検出用光ビームと可変偏向軸方向検出用光ビームを多重化する。

【0017】

複数スポット位置検出部３２１は、可変偏向回転検出用光ビームを受け、且つそれに対応して、回転中心回りのスタイラス結合部３４２の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力し、更に、軸方向におけるスタイラス結合部３４２の位置を示すＺ位置信号を出力する。デマルチプレクサ３５６は、複数スポット位置検出部３２１から多重化されたＸ、Ｙ及びＺ位置信号を受け、Ｚ位置信号からＸ及びＹ位置信号を分離するように逆多重化の動作を行う。様々な実施形態では、１以上の受信部（例えば、ＣＭＭ２００において、モーションコントローラ１１５、ホストコンピュータ１２０、等）は、デマルチプレクサ３５６からＸ、Ｙ、及びＺ位置信号を受信することができる。そして、１以上の関連する処理部は、接触部が測定されるワークＷの表面に沿って移動することで、スタイラス結合部３４２、及び／又は、取り付けられたスタイラス３０６の接触部の３次元位置を決定するように利用することができる。以下でより詳細に記載されるように、様々な実施形態では、Ｘ、Ｙ、及びＺ位置信号の処理は、ＸとＹ位置信号から軸方向運動のクロスカップリングの成分を除去するために走査プローブの既知の三角法と組み合わせてＺ位置信号を利用することを含むことができる。様々な実施形態では、走査プローブ３００の特定の部分（例えば、デマルチプレクサ３５６の部分、及び／又は、回転検出用ファンクションジェネレータ３５４Ａ及び軸方向検出用ファンクションジェネレータ３５４Ｂ）は、プローブ本体３０２（例えば、ＣＭＭ２００中に含まれる、モーションコントローラ１１５、ホストコンピュータ１２０、等）の外に含むことができる。

【0018】

単一の複数スポット位置検出部３２１（例えば、複数の位置光検出器を用いる実施形態とは対照的に単一の位置検出器に対応する）の使用は、当然に、様々な利点を有する。例えば、得られた構成は、よりコンパクト（例えば、ＸＹ光ビームの、より短い光路長を可能にする、プローブの全体のＺ高さをより低くする、等）にでき、より安価（光検出器のコストの低減、等）にすることができる。様々な実施形態では、このような構成のために必要とされる多重化信号処理及び制御回路３５０は、異なるタイプの多重化技術（例えば、周波数領域多重化、時間領域多重化、等）を利用することができる。位置検出器によって受信された複数の光ビームによる構成で多重化することを使用する測定技術の例は、米国特許第５５５２８８３と、「デジタル周波数ドメイン多重化を使用する高速マイクロスケール光学式トラッキング」（マクラクラン，Ｒ.Ａ.，リヴィエール，Ｃ.Ｎ.，計装と測定に関するＩＥＥＥトランザクション，第５８巻，第６号２００９年６月，１９９１−２００１頁）の記事に記載されており、これらのそれぞれは本明細書にその全体が参照として本明細書に組み込まれている。

【0019】

周波数領域多重化を利用する実施形態では、回転検出用ファンクションジェネレータ３５４Ａと軸方向検出用ファンクションジェネレータ３５４Ｂは、それぞれ、異なる周波数で、制御可能な回転検出用光源３１８Ａと制御可能な軸方向検出用光源３１８Ｂ（例えば、ＬＥＤを含む）とを駆動するために利用することができる。その結果、複数スポット位置検出部３２１（例えば、１つの位置光検出器を含む）に入射する可変偏向回転検出用光ビームと可変偏向軸方向検出用光ビームとは、２つの異なる周波数を有することができる。これに対応して、複数スポット位置検出部３２１からの出力は、２つの異なる周波数のＡＣ周波数変調で符号化することができる。信号を逆多重化するために、デマルチプレクサ３５６は、バンドパスフィルタ（例えば、２つの異なる周波数に対応する）、ハードウェア、及び／又は、ソフトウェア復調器、などのような要素を備えることができる。

【0020】

動作において、複数スポット位置検出部３２１に入射した光（例えば、回転検出スポット又は軸方向検出スポットの少なくとも１つに対応する）が位置を変更するときに、出力されるＡＣ振幅が変化する。様々な実施形態において、周波数領域多重化の利用は、１／Ｆドリフトを軽減することができる。いくつかの実施形態では、ダイナミックレンジの約２５％から５０％は、最小のＡＣ変調深度に割り当てられてもよい。いくつかの実施形態では、変調搬送波周波数が所望のセンサ位置信号を損ないにくくなるように、（例えば、回転検出用ファンクションジェネレータ３５４Ａからの）第１駆動周波数が、所望のセンサ帯域幅よりも、指定された量（例えば、特定の一実施形態では少なくとも１０倍大きい）より大きいことが望ましい。そのような実施形態では、第２駆動周波数のための周波数（例えば、軸方向検出用ファンクションジェネレータ３５４Ｂに対応する）は、所望のセンサ帯域幅とフィルタの極数に応じて、十分な分離を決定するためにシミュレートすることができる。より具体的には、第１及び第２駆動周波数は、それらが帯域通過フィルタを介して識別することができるように十分に分離することができる。一般的に、値は、所望の第２駆動周波数が少なくとも特定のマージン（例えば、一実施形態では、少なくともセンサ帯域幅の４倍に等しいマージン）によって第１駆動周波数よりも大きくなるように設定することができる。

【0021】

時間領域多重化を利用する実施形態では、制御可能な回転検出用光源３１８Ａが第１の時間期間の間オンとされ、そして複数スポット位置検出部３２１からの対応する出力が読み取られる。次に、制御可能な軸方向検出用光源３１８Ｂがオンとされ、そして複数スポット位置検出部３２１からの対応する出力が読み取られる第２の時間期間が続くこととなる。特定の実施形態において、そのような時間領域多重化の技術は、周波数領域多重化を利用する上述の技術よりも簡単であると考えることができる。しかしながら、そのような実施形態では、回転位置検出構成体３１３と軸方向位置検出構成体３２５とに対応する出力信号が同時に読み出されないことがあり、サンプル間の時間遅れが望ましくない測定結果を作成しないように、時間領域多重化のサイクルレートが十分速く作製されることが望ましい。特定の一実施形態では、約２．５ｋＨＺの位置スループットが実現され、所定量（例えば、４倍、１０倍、など）だけ大きい対応するサイクルレートが利用される。様々な実施形態では、オーバーサンプリング技術は、読み取りの平均化を実施可能とするために利用することができる。

【0022】

図３は、スタイラス４０６に結合されるスタイラス懸架部４０７を概略的／部分的に示す第１実施形態の一部を示す図である。図３において特定の番号が付与された要素４ＸＸは、図２において類似した番号が付与された対応する要素３ＸＸに対応し、及び／又は、図２において類似した番号が付与された対応する要素３ＸＸと同様の動作をし、そしてそのような類推によって理解されるが、理解されない場合は以下に説明される。類似する設計、及び／又は、機能を有する要素を示すために、このような番号付け方式を以下の図４−１１にも適用する。図３に示すように、スタイラス懸架部４０７は、スタイラス運動機構４０９と、スタイラス結合部４４２と、を備える。スタイラス結合部４４２は、ワークＷ（図示せず）の表面Ｓに接触する接触部４４８を有するスタイラス４０６に堅固に結合されるように構成されている。

【0023】

図４に関して以下でより詳細に記載されるように、接触部４４８が表面Ｓの形状に沿って３方向でその位置を変更することができるように、スタイラス運動機構４０９は、スタイラス結合部４４２と取り付けられたスタイラス４０６の軸方向運動及び回転運動を可能にするように構成されている。図示の目的のために、図３の紙面に垂直な方向及び水平な方向をそれぞれ、Ｚ方向及びＹ方向として定義し、紙面に垂直な方向をＸ方向と定義する。測定プローブ３００の中心軸Ｏ（軸方向Ｏ）の方向は、この図のＺ方向に一致する。

【0024】

図３において、スタイラス運動機構４０９の回転運動部は、回転部材４３６（また、回転部材ＲＰとして参照される）、曲げ要素４４０、及び回転部材４３６内に配置された移動部材４１２を備えるように図示されている。図４に関して以下でより詳細に説明するように、曲げ要素４４０は、回転中心ＲＣ回りの回転部材４３６の回転運動を可能にしている。図５に関して以下でより詳細に説明するように、スタイラス位置検出部（完全には示されていない）は、移動部材４１２の端部に取り付けられた回転検出デフレクタ４１６（例えば、凹面ミラー）を備えることができ、位置光検出器４２２を備える複数スポット位置検出部４２１に向かって光を反射する。したがって、位置光検出器４２２は、Ｘ及びＹ方向において、移動部材４１２の回転位置を検出することができる。回転検出デフレクタ４１６の凹面は、位置光検出器４２２によって検出される反射光に対して所望の「偏向関係」を提供するように成形することができる。そのような構成により様々な利点を有することができる（例えば、位置光検出器４２２の小型化を可能にする、長さの異なるより広い範囲のスタイラスを使用可能にする、など）。以下の近いものは、システムのさまざまな側面（例えば、傾斜感度など）を理解するために利用することができる。

【0025】

図３に示した構成例に関して、一実施形態では、回転検出デフレクタ４１６の凹面は半径Ｒを有することができ、回転検出デフレクタに入射する光ビームは、その偏向されない光軸の方向（例えば、図３で破線で示す光路ＬＰ）に沿ってコリメートすることができる。位置光検出器４２２は、回転検出デフレクタ４１６から光路長Ｌ＝Ｒ／２に配置することができる。なお、光路長Ｌは、回転検出デフレクタ４１６からの反射光ビーム（例えば、可変偏向回転検出用光ビーム）によって得られる焦点距離にほぼ等しくされている。そのような実施形態において、位置光検出器４２２上の回転検出スポット（例えば、回転検出デフレクタ４１６からの可変偏向回転検出用光ビームによって成形される）のヌル（ｎｕｌｌ）から離れてＸ方向に沿う移動又は変位ΔＸ_PSDには、Ｘ方向と平行な面で回転部材４３６の回転運動傾斜θ_Yによる２つの寄与度が含まれている（即ち、回転中心ＲＣでＹ軸と平行な軸回りの回転）。２つの寄与度は、次のように概算することができる。

【0026】

傾斜寄与度＝（Ｌ *θ_Y） （式１）
変換寄与度＝（Ｌ *θ_Y* Ｈ／Ｒ）＝（Ｌ *θ_Y* Ｈ／２Ｌ） （式２）

【0027】

ここで、Ｈは、回転検出デフレクタ４１６への回転中心ＲＣからの距離である。
傾斜寄与度は回転によるデフレクタ４１６の表面の傾斜変化によるものであり、変換寄与度はデフレクタ４１６の光軸からの距離の関数としてそのデフレクタの湾曲依存面の角度変化によるものである。そこで、次のように、式１及び２に示された寄与度を組み合わせる。

【0028】

ΔＸ_PSD＝Ｌθ_Y（１＋Ｈ／２Ｌ） （式３）

【0029】

回転運動傾斜成分θ_Yに関係するスタイラス４０６の接触部４４８のヌルから離れるＸ方向の移動又は変位ΔＸ_STYLUSは、次のように概算することができる。

【0030】

ΔＸ_STYLUS＝θ_Y*（ｈ_S＋ｌ_S） （式４）

【0031】

式３と４を組み合わせて、接触部４４８でＸ方向の変位との関係で、光検出器４２２のＸ方向のスポットの変位の割合は、次のように概算することができる。

【0032】

ΔＸ_PSD／ΔＸ_STYLUS＝（Ｌ＋（Ｈ／２））／（ｈ_S＋ｌ_S） （式５）

【0033】

Ｙ座標運動成分は、上述した表記に類似しており、本明細書で更に詳細に説明する必要はない。種々のスタイラスのためのスタイラスの長さｌ_Sは、ＸＹ検出点位置に基づいて、接触部４４８のＸＹ位置を決定するための等式（例えば、システムの三角法に関して）で利用することができる。

【0034】

図４は、走査プローブ４００のプローブ本体４０２の本体ハウジング４０８内に備えられる、図３に示されるスタイラス懸架部４０７として使用可能なスタイラス懸架部４０７'の断面の一例を示す部分概略図である。図４に示すように、スタイラス懸架部４０７'は、スタイラス運動機構４０９と、スタイラス４０６に結合されたスタイラス結合部４４２と、を備える。スタイラス運動機構４０９は、移動部材４１２、回転部材４３６、回転部材４３６の回転運動を可能に支持する本体ハウジング４０８に結合された曲げ要素４４０、及び移動部材４１２の軸方向運動を可能にするために、回転部材４３６に結合され、且つ移動部材４１２を支持する曲げ要素４１４及び４１５を備えることができる。走査プローブ４００は、図５を参照して、以下により詳細に説明される要素と動作を持つスタイラス位置検出部５１１を備えており、それがスタイラス運動機構４０９、及び／又は、スタイラス４０６の接触部４４８の位置、及び／又は、動きを決定する。

【0035】

曲げ要素（すなわち、第２曲げ要素として参照）４４０は、軸方向Ｏにおいて、１対の曲げ要素（すなわち、第１曲げ要素として参照）４１４及び４１５のそれぞれの面の間に配置することができる。例えば、曲げ要素４１４、４１５、及び４４０は、図１０Ａ及び１０Ｂに関して以下でより詳細に説明される。回転部材４３６は、第２曲げ要素４４０に対して形状の対称性を有しており、２つのリング部４３６Ａと、２つの接続部４３６Ｂと、１つの円筒部４３６Ｃと、を一体に備えることができる。第１曲げ要素４１４及び４１５の周辺部は、リング部４３６Ａに固定されている。接続部４３６Ｂは、中空中心を持つ円筒部４３６Ｃに接続するように、リング部４３６Ａの内側に延びている。第１曲げ要素４１４及び４１５は、第２曲げ要素４４０に関して対称な距離に配置することができるが、そのような実施形態は例示的にすぎず、これに限定されない。

【0036】

移動部材４１２を備える軸方向運動機構４１０は、回転部材４３６の内部に支持され、回転部材４３６及び軸方向運動機構４１０はともに、スタイラス運動機構４０９の一部である運動モジュールを構成する。軸方向運動機構４１０は、接触部４４８が軸方向Ｏに移動することを可能にしている。回転部材４３６を備える回転運動機構４３４は、スタイラス４０６の接触部４４８が回転中心ＲＣ回りの回転運動により、軸方向Ｏに対する横方向（例えば、ほぼ垂直方向）に移動することを可能にしている。

【0037】

移動部材４１２は、下部４１２Ａと、ロッド部４１２Ｂと、上部４１２Ｃと、を一体に備える。ブラケット４３７は、上部４１２Ｃに回転検出デフレクタ４１６（例えば、曲面ミラー）と軸方向検出デフレクタ４２６（例えば、レンズ）を堅固に取り付けるために利用されている。図５に示されるスタイラス位置検出部５１１に関して先に概説し、更に後述するように、回転検出デフレクタ４１６は回転位置検出構成体の一部として備えられており、軸方向検出デフレクタ４２６は軸方向位置検出構成体の一部として備えられている。ロッド部４１２Ｂは、１対の第１曲げ要素４１４及び４１５の間に配置されている。ロッド部４１２Ｂは、回転部材４３６内に収容されている。

【0038】

下部４１２Ａは、ロッド部４１２Ｂの下に成形され、スタイラス結合部４４２（例えば、フランジ部材）は、下部４１２Ａに取り付けられている。フランジ部４４４は、スタイラス４０６の取り付けのために設けられている。フランジ部４４４とスタイラス結合部４４２はともに、脱着可能な結合機構（例えば、既知のキネマティックジョイント又はキネマティックカップリング）を構成することができる。この結合機構は、（例えば、衝突でスタイラスを脱落させた場合や、意図的にスタイラスを変更した場合において）繰り返し位置決めを伴う種々のスタイラス４０６とスタイラス結合部４４２との間の取り付けと取り外しとを可能としている。

【0039】

図５は、プローブ体及びハウジングに対して移動する回転検出デフレクタ５１６と軸方向検出デフレクタ５２６とを備えるスタイラス位置検出部５１１の第１実施形態を示す図である。特に断らない限り、スタイラス位置検出部５１１の様々な他の要素は、プローブ体、及び／又は、ハウジングに対して固定することができる。図５で示すように、スタイラス位置検出部５１１は、光源構成体５１７、複数スポット位置検出部５２１、多重化信号処理及び制御回路５５０、回転位置検出構成体５１３、及び軸方向位置検出構成体５２５を備える。以下でより詳細に記載されるように、複数スポット位置検出部５２１は、多重化信号処理及び制御回路５５０に結合され、表面平面を有する位置光検出器５２２を備える。図５に示すように、光源構成体５１７は、制御可能な回転検出用光源５１８Ａ及び制御可能な軸方向検出用光源５１８Ｂ（例えば、ＬＥＤ光源）を備え、それぞれ、（例えば、コリメータレンズ５１８Ａ'と５１８Ｂ'を使用して）コリメート又はほとんどコリメートされた回転検出用光ビーム５１９Ａ及び軸方向検出用光ビーム５１９Ｂを出力可能に構成することができる。回転検出用光ビーム５１９Ａは回転位置検出構成体５１３に備えられている回転検出ビーム経路５２３に沿って導かれ、軸方向検出用光ビーム５１９Ｂは軸方向位置検出構成体５２５に備えられている軸方向検出ビーム経路５２９に沿って導かれる。

【0040】

回転位置検出構成体５１３は、回転検出ビーム経路５２３と回転検出デフレクタ５１６とを備える。図で示された実施形態では、回転検出用光ビーム５１９Ａは、光学部品５２０（例えば、偏光ビームスプリッタ）を通過し、それが反射される回転検出デフレクタ５１６への軸方向に沿う回転検出ビーム経路５２３に沿って進行する。回転検出デフレクタ５１６の動作は、一般的に、回転検出デフレクタ４１６、位置光検出器４２２、及び式１−５に対する前述の説明から類推して理解することができる。図に示すように、回転検出用光ビーム５１９Ａは、光学部品５２０の反射表面に向かって戻ってくるように可変偏向ビーム経路５２３'に沿って進行する可変偏向回転検出用光ビーム５１９Ａ'として凹状の回転検出デフレクタ５１６により反射される。光学部品の反射表面は、位置光検出器５２２の表面上の位置で回転検出スポットを成形するために、光軸方向に対する横方向に沿う可変偏向ビーム経路５２３'に沿って進む少なくとも可変偏向回転検出用光ビーム５１９Ａ'の一部を反射する。位置光検出器５２２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向それぞれに沿う回転検出スポット位置に関係する信号を出力する既知のタイプでよい。様々な実施形態では、このような信号は、回転中心回りのスタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号として指定することができる。より具体的には、位置光検出器５２２は、位置光検出器５２２の第１軸に沿う回転検出スポットの位置に対応するＸ位置信号を出力し、そして、位置光検出器５２２の第２軸に沿う回転検出スポットの位置に対応するＹ位置信号を出力するように構成されている。様々な実施形態では、回転位置検出構成体５１３は、名目上、回転中心回りのスタイラス結合部の回転がないときには、Ｘ及びＹ位置信号が軸方向に沿う回転検出デフレクタ５１６の動きに実質的に応答しないように構成される。

【0041】

光学部品５２０に関係して、１／４波長板５３３は、光学部品５２０と回転検出デフレクタ５１６との間の回転検出ビーム経路の一部に沿って配置することができる。１／４波長板５３３は、既知の方法に従って、光学部品５２０からの直線偏光を円偏光に変化させる。回転検出デフレクタ５１６から反射される可変偏向回転検出用光ビーム５１９Ａ'は、１／４波長板５３３を通過して戻り、光学部品５２０が位置光検出器５２２に向かう全て又は大部分の光を反射させることで生じる回転偏光で、再び直線偏光になる。このような偏光を行う構成は、反射光から光源５１８Ａを分離し、偏向を行わない構成に比べ、スタイラス位置検出のための消費電力効率を大幅に改善することができる。

【0042】

軸方向位置検出構成体５２５は、軸方向検出ビーム経路５２９と軸方向検出デフレクタ５２６とを備える。図で示された実施形態では、軸方向検出用光ビーム５１９Ｂは、軸方向検出ビーム経路５２９に沿って進行し、軸方向検出デフレクタ５２６に向かって進行するように反射要素５３１（例えば、ミラー）で反射される。軸方向検出デフレクタ５２６は、軸方向に対する横方向に配向する軸方向検出ビーム経路５２９の一部に沿って延びるその光軸に配置されている。そして、軸方向検出デフレクタ５２６は、位置光検出器５２２の表面平面上の位置で軸方向検出スポットを成形するために、可変偏向ビーム経路５２９'に沿って伝達した可変偏向軸方向検出用光ビーム５１９Ｂ'を導く。位置光検出器５２２は、Ｚ検知軸に沿う軸方向検出スポットの位置に関係する信号を出力する既知のタイプのものとすることができる。様々な実施形態では、Ｚ検知軸は、回転位置検出構成体５１３に関して先に参照された位置光検出器の第１軸又は第２軸のいずれかに対応することができる。先の説明に従えば、位置光検出器５２２は、軸方向位置検出構成体５２５からの軸方向検出スポットと回転位置検出構成体５１３からの回転検出スポットの両方をその表面に受光する。図２に関して先に述べたように、多重化信号処理及び制御回路５５０は、それぞれのＸ、Ｙ及びＺ位置信号を決定するためのスポットから得られる信号を区別するのに利用される。

【0043】

軸方向検出デフレクタ５２６は、スタイラス懸架部の移動部材（例えば、先に図４を参照して記載した移動部材４１２）に結合されている。一実施形態では、軸方向検出デフレクタ５２６と回転検出デフレクタ５１６はともに、移動部材４１２に結合されたブラケット５３７に取り付けられている。移動部材の軸方向運動は、その光軸に対する横方向である軸方向に沿って、且つ軸方向検出ビーム経路５２９に対する横方向（例えば、ほぼＺ軸方向に沿って）に軸方向検出デフレクタ５２６を移動させる。この移動により、入力された軸方向検出ビーム経路５２９に対する軸方向検出デフレクタ５２６が再配置される。軸方向検出デフレクタ５２６のレンズ形状は、デフレクタ５２６の光軸からの距離に応じて、伝達した可変偏向軸方向検出用光ビーム５１９Ｂ'及び対応する可変偏向ビーム経路５２９'を屈折又は偏光させる伝達光を生じさせる。このように、位置光検出器５２２上の得られる軸方向検出スポットの位置は、それが取り付けられている軸方向検出デフレクタ５２６及び移動部材の軸方向運動を示している。

【0044】

図５に示す構成に関して、軸方向検出デフレクタ５２６へ入力される軸方向検出用光ビーム５１９Ｂは、その偏向されていない光軸方向に沿ってコリメートすることができる。位置光検出器５２２は、軸方向検出デフレクタ５２６から出力される可変偏向軸方向検出用光ビーム５１９Ｂ'の焦点距離にほぼ等しい光路長で配置することができる。そのような実施形態では、スタイラスの接触部（例えば、図３に示される接触部４４８）におけるＺ方向の変位ΔＺ_STYLUSに対するＺ方向のスポットの変位ΔＺ_PSD（例えば、位置光検出器５２２のＺ検知軸に沿う軸方向検出スポットの変位に対応している）の比率は、以下のように概算することができる。

【0045】

【数1】

【0046】

様々な実施形態で、もし軸方向検出デフレクタ５２６が軸方向に対する横方向である少なくとも１つの方向に移動するならば、機械的な複雑さは回避される。例えば、図５に示すように、軸方向検出デフレクタ５２６と回転検出デフレクタ５１６の両方が３方向に移動する。しかしながら、本明細書に開示される原理に従えば、軸方向に対する横方向（すなわち、略Ｙ軸方向）となる、光軸方向にほぼ沿う軸方向検出デフレクタ５２６の動きは、位置光検出器５２２上の軸方向検出スポット又はラインの有効な位置を実質的に変更することなく、得られる軸方向検出スポット又はライン焦点の程度を変更することができる。このようにして、得られるＺ位置信号は、そのようなデフォーカスの動きに対して実質的に応答しない。加えて、スタイラスの小さなθ_Y回転によって生じるＸ軸方向にほぼ沿う軸方向検出デフレクタ５２６の期待される動きの範囲は、そのようなＸ軸への動きに実質的に応答しないＺ位置信号を生成し、実質的にＺ位置を変更することなく、「検知しない」Ｘ軸に沿う位置光検出器５２２上のＺ位置スポット（ラインではない）の有効な位置を変更することができる。しかし、軸方向検出デフレクタ５２６が比較的単純な円形レンズ（例えば、図５に示すように）であるとき、スタイラスの大きなθ_Ｙ回転によって生じる軸方向検出デフレクタの円弧状の動きは、スポットの望ましくない、及び／又は、応答しないＸ軸位置変化成分に加え、小さいＺ位置変化成分を含む位置光検出器５２２のＺ位置スポットの円弧運動を生成することができることに注目すべきである。較正又は補償は、信号処理に関係した残留Ｚ誤差の影響を低減する又は排除するために使用することができる。又は、２つの交差したシリンドリカルレンズの少なくとも１つを備える、より複雑な軸方向検出デフレクタは、スポットの望ましくない、及び／又は、応答しないＸ軸位置変化成分を光学的に低減するのに使用することができ、更には、以下でより詳細に概説されるように、円弧状の動きによる位置光検出器５２２上のＺ位置スポットの任意のマイナーな望ましくないＺ軸位置変化成分の修正を低減させ、及び／又は、簡略化させるために使用することができる。

【0047】

上述したように、その光軸に沿う（すなわち、ほぼ軸方向、及び／又は、Ｚ軸方向に沿う）回転検出デフレクタ５１６の動きで、位置光検出器５２２上の得られる軸方向検出スポットの焦点の程度を変更することができる。しかし、それは、得られるＺ位置信号において比較的重要でないかもしれない。様々な実施形態では、また、軸方向運動とＸとＹ位置信号との間でいくらかの比較的望ましくないクロスカップリングが存在するかもしれない。例えば、式３及び５は、Ｘ方向スポットの変位ΔＸ_PSD（例えば、位置光検出器５２２のＸ方向に沿う回転検出スポットの変位に対応）は、回転検出デフレクタ５１６と位置光検出器５２２との間の光路長Ｌに敏感であることを示している。同様の影響がＹ方向スポットの変位ΔＹ_PSD（例えば、位置光検出器５２２のＹ方向に沿う回転検出スポットの変位に対応）に注目される。図３に示されるように、光路長Ｌは軸方向運動に影響される。しかし、先に概説した原理によれば、軸方向又はＺ位置信号は、比較的正確であるので、式５でΔＸ_PSDから生じる信号に基づいたΔＸ_STYLUSの比較的正確な決定をするように、Ｌを補正するために使用可能とされている。より具体的には、様々な実施形態では、Ｚ位置信号は、Ｘ及びＹ位置信号から軸方向運動のクロスカップリングの成分を除去するために、走査プローブの既知の三角法と組み合わせて利用することができる。加えて、所望の場合に、既知のタイプのクロスカップリングの誤差を低減するためのキャリブレーション、及び／又は、反復/相互依存の位置座標決定方法は、更に、測定されたＸ、Ｙ及びＺ位置、又は変位値の精度を改善するために使用することができる。

【0048】

図６は、走査プローブの本体ハウジング６０８に結合される、図５のスタイラス位置検出部５１１の様々な部分を示す図である。上記で概説したように、軸方向検出デフレクタ５２６と回転検出デフレクタ５１６は両方とも、移動部材４１２と移動部材４１２が取り付けられたスタイラス結合部４４２（図示せず）とに結合されたブラケット５３７に堅固に取り付けられている。そうでなければ、図に示されている様々な要素は、本体ハウジング６０８に対して直接的又は間接的に固定（例えば、堅固に取り付け）することができる。様々な実施形態では、位置光検出器５２２上の回転検出スポットの位置及び軸方向検出スポットの位置により、多重化信号処理及び制御回路が、対応するＸ、Ｙ及びＺ位置信号を決定可能となる。Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号の決定は、回転検出デフレクタ５１６と軸方向検出デフレクタ５２６の位置決定を可能とする。これは、相応に、本体ハウジング６０８に対する移動部材４１２（と対応するスタイラス結合部４４２と取り付けられたスタイラス４０６と接触部４４８、図示せず）の絶対的な３次元位置を示している。

【0049】

光源５１８Ａ及び５１８Ｂの位置合わせは、システム全体のパフォーマンスに影響を与えることができる。光源５１８Ａ、５１８Ｂ及び／又はコリメータレンズ５１８'、５１８Ｂ'の適切な位置合わせを可能にするために、Ｚ位置管６４２、ＸＹ管６４３、及びホルダ／バッフル６４４を備えるアセンブリ６４１のような位置合わせアセンブリは、いくつかの実施形態に使用することができる。

【0050】

図７は、図５に関する先の説明と同様に理解されるスタイラス位置検出部７１１の第２実施形態を示す図である。図５の実施形態からの大きな差異は、光学部品７２０（例えば、偏光ビームスプリッタ）と１／４波長板７３３とを再配置していること、ミラー７４３と光学部品７４５（例えば、ビームスプリッタ）を追加していることを含む。このような変化は、図５の対応する回転検出デフレクタ５１６及び軸方向検出デフレクタ５２６よりもそれぞれ長い焦点距離を持つ回転検出デフレクタ７１６（例えば、凹面ミラー）及び軸方向検出デフレクタ７２６（例えば、レンズ）を一緒に使用することでなされる。図で示された実施形態では、回転検出デフレクタ７１６の焦点距離の増加率は、軸方向検出デフレクタ７２６の焦点距離の増加率よりも大きくされている。このような実施形態は、回転検出デフレクタ７１６によって提供される回転検出スポットの所望の動きの範囲、及び／又は、焦点感度を達成するために、及び/又は、移動部材４１２の対応する動きに対する光検出器７２２上の軸方向検出スポットの動きと比較して回転検出スポットの動きとの関係を調整するためにより多くの自由度を許容することができる。加えて、そのような実施形態は、様々な他の要素がよりコンパクトに配置される、より効率的、又は、より経済的である等にするように変更可能である。

【0051】

図８は、図５に関する先の説明と同様に理解されるスタイラス位置検出部８１１の第３実施形態を示す図である。図５の実施形態からの大きな差異は、位置光検出器８２２を再配置することと、ミラー８３９を加えていることを含む。そのような変更は、図５の対応する回転検出デフレクタ５１６及び軸方向検出デフレクタ５２６よりそれぞれ長い焦点距離を持つ回転検出デフレクタ８１６及び軸方向検出デフレクタ８２６を一緒に使用することでなされる。図８に示された実施形態は、このように対応して、回転検出デフレクタ８１６と軸方向検出デフレクタ８２６それぞれによって提供される回転検出スポット、及び／又は、軸方向検出スポットの所望の動きの範囲、及び／又は、焦点感度を達成するために、より多くの自由度を許容することができる。このような構成において、当然のことながら、位置光検出器８２１は、共通の回路基板に取り付けられた、又はそうでなければ多重信号処理及び制御回路の極近傍（例えば、プローブの上部近く）で接続されるように、光源８１８Ａ及び８１８Ｂに接近して配置することができる。加えて、そのような実施形態では、よりコンパクトに配置される、より効率的、又は、より経済的である等にするように、様々な他の要素が変更可能である。

【0052】

図５−８に示す変形例は、当然のことながら、本明細書に開示される原理に関連して概説した利点の多く又は全てを保持しながら、様々な光学素子及び関係する光路のさらなる再配置、及び／又は、調整の可能性を示すものである。例えば、先に示したように、軸方向検出デフレクタは、Ｚ位置光検出器（例えば、位置光検出器５２２）上に集光される焦点距離を有する２つの交差したシリンドリカルレンズの少なくとも１つを備えることができる。一実施形態では、そのシリンドリカルレンズの１つはスタイラスの撓みに応じて移動するように取り付けられ（例えば、ブラケット５３７に取り付けられ）、その焦点を合わせる能力がＹ−Ｚ平面内であるように調整される。他のシリンドリカルレンズは、Ｘ−Ｙ平面内のその焦点を合わせる能力で軸方向検出ビーム経路５２９に（例えば、誘導部５３５、又はそのマウントに）固定することができる。単純な円形レンズとは対照的に、このような構成のために、スタイラスのθ_Y回転によって生じる軸方向検出デフレクタの円弧状の動きは、理想的には、Ｚ位置光検出器上のスポットの重大な望ましくない、及び／又は、検知しないＸ軸位置変動成分を生成せず、その円弧状の動きによる位置光検出器５２２上のスポットの任意のマイナーな望ましくないＺ軸位置変動成分の低減、及び／又は、補正の簡略化をすることができる。別の例として、いくつかの実施形態では、回転検出デフレクタ、及び／又は、軸方向検出デフレクタは、より長い又はより短い焦点距離を有していてもよく、及び／又は、位置検出器に対応する光路がより長くてもより短くてもよい。いくつかの実施形態では、軸方向検出デフレクタと回転検出デフレクタとが取り付けられているブラケットの構成が変更されていてもよい。例えば、軸方向検出デフレクタが取り付けられた軸方向のアームの相対的な長さは増加していてもよいし減少していてもよい。そのような変更は、当然のことながら、それに対応して、回転運動に応答し軸方向検出デフレクタの移動量を変化させてもよい。他の実施形態では、光路は、軸方向検出デフレクタが透過型素子（例えば、レンズ）であるよりもむしろ反射型素子（例えば、凹面反射素子）であるように構成されていてもよい。更に、様々な実施形態では、光路に沿って様々な偏光子の界面で光エネルギー、及び／又は、信号強度の浪費を回避するように配向された偏光光源を使用することが望ましい。したがって、本明細書に開示される様々な実施形態は、単なる例示であり、限定するものではないことが理解される。

【0053】

図９は、走査プローブ９００のプローブ本体９０２の本体ハウジング９０８内に備えられた、図３に示すスタイラス懸架部４０７として使用可能なスタイラス懸架部９０７の第２実施形態の断面を示す部分概略図である。走査プローブ９００は、スタイラス懸架部９０７の第２実施形態がスタイラス懸架部４０７'の実施形態と異なる以外は、先に図４を参照して説明した走査プローブ４００と同様とすることができる。簡単に言えば、先に図４を参照して説明したように、スタイラス懸架部４０７'において、（軸方向への）移動部材４１２を備える軸方向運動機構４１０は、回転部材４３６の内部で入れ子にされ、又は支持されている。これとは対照的に、スタイラス懸架部９０７の本実施形態では、回転部材４３６'は、（軸方向への）移動部材４１２'を備える軸方向運動機構４１０'の内部で入れ子にされ、又は支持されている。

【0054】

図９に示すように、スタイラス懸架部９０７は、スタイラス運動機構９０９と、スタイラス４０６に結合されたスタイラス結合部４４２と、を備える。スタイラス運動機構９０９は、移動部材４１２'と、円盤状の曲げ要素４１４'及び４１５'（すなわち、第１曲げ要素として参照）と、を備える。ここで、曲げ要素４１４'及び４１５'は、移動部材４１２'を支持し、且つ、移動部材４１２'の軸方向運動を可能にするための本体ハウジング９０８に結合して、その内部に支持されている。移動部材４１２'の内側に支持されている要素は、回転部材４３６'を構成する回転運動機構４３４'と、回転部材４３６'の回転運動を可能に支持するための移動部材４１２'と結合した円盤状の曲げ要素４４０'（第２曲げ要素として参照）と、を備える。走査プローブ９００は、図５を参照して先に説明した要素及び動作を持つスタイラス位置検出部５１１を備えており、それがスタイラス運動機構９０９、及び／又は、スタイラス４０６の接触部４４８の位置、及び／又は、動きを決定する。

【0055】

第２曲げ要素４４０'は、軸方向Ｏにおける１対の第１曲げ要素４１４'及び４１５'のそれぞれの平面の間に配置することができる。回転部材４３６'は、第２曲げ要素４４０'に関して対称形状とすることができる。第１曲げ要素４１４'及び４１５'は、第２曲げ要素４４０'に関して対称な距離に配置することができる。しかしながら、このような実施形態は限定的な一例であり、これに限られない。

【0056】

回転部材４３６'を備える回転運動機構４３４'は、（軸方向への）移動部材４１２'の内部に支持されている。そして、移動部材４１２'と回転運動機構４３４'はともに、スタイラス運動機構９０９の一部である運動モジュールを構成している。軸方向運動機構４１０'は、スタイラス４０６の接触部４４８が軸方向Ｏに動くことを可能にしている。回転部材４３６'を備える回転運動機構４３４'は、回転中心ＲＣ回りの回転運動によって、接触部４４８が軸方向Ｏに対する横方向（例えば、ほぼ垂直方向）に移動することを可能にしている。

【0057】

回転部材４３６'は、下部と、第２曲げ要素４４０'に接続された中央ロッド部と、上部と、を一体的に備える。スタイラス結合部４４２（例えば、フランジ部材）は、回転部材４３６'の下部に取り付けられている。フランジ部４４４は、スタイラス４０６の取り付けのために設けられている。フランジ部４４４とスタイラス結合部４４２はともに、脱着可能な結合機構（例えば、既知タイプであるキネマティックジョイント又はキネマティックカップリング）を構成することができる。この結合機構は、（例えば、衝突でスタイラスを脱落させた場合や、意図的にスタイラスを変更した場合において）繰り返し位置決めを伴う種々のスタイラス４０６とスタイラス結合部４４２との間の取り付けと取り外しとを可能としている。

【0058】

ブラケット４３７は、回転部材４３６'の上部に回転検出デフレクタ４１６（例えば、曲面ミラー）と軸方向検出デフレクタ４２６（例えば、レンズ）を堅固に取り付けるために利用されている。図５に示したスタイラス位置検出部５１１に関して先に説明したように、回転検出デフレクタ４１６は回転位置検出構成体の一部として備えられており、軸方向検出デフレクタ４２６は軸方向位置検出構成体の一部として備えられている。

【0059】

スタイラス位置検出部５１１、及びここに開示された原理に従う他のスタイラス位置検出部は、本明細書に概説されたスタイラス懸架システムのタイプに併せて使用される場合には、特定の利点を有する。しかしながら、上記に基づいて、本明細書に開示された原理に従うスタイラス位置検出部は、当然に、このような懸架機構での使用に限定されない。より一般的には、位置検出デフレクタ（例えば、回転、及び／又は、軸方向検出デフレクタ）がある作業手法で強固にスタイラスに結合することができることで、所望の場合には、いくつかの完全な回転的又は直線的懸架システムを備えることが可能などんな互換性のあるタイプのスタイラス懸架システムが使用されてもよい。

【0060】

図１０Ａ及び１０Ｂは、軸方向運動及び回転運動を可能にするためのスタイラス懸架部に利用することができる、弾性変形可能な円盤状の曲げ要素１０１４及び１０４０のいくつかの具体的な実施形態を示す図である。他の実施形態では、当然に、他の材料が利用されてもよいが、曲げ要素の材料の一例としては、リン青銅である。一実施形態では、第１曲げ要素１０１４は、１対とされた第１曲げ要素と同一（例えば、曲げ要素４１４及び４１５と同様）とすることができ、他の実施形態では、１対の第１曲げ要素は互いに異なるようにされていてもよい。

【0061】

第１曲げ要素１０１４には、周辺部１０１４Ａ、接合部１０１４Ｂ、及び中央部１０１４Ｃを成形するように、周方向に１２０度だけ互いにオフセットされた３つの切り欠き部１０１４Ｄが設けられている。周辺部１０１４Ａは、対応する要素（例えば、回転部材４３６のリング部）に固定される最外周の部分である。接合部１０１４Ｂの反対側の端部はそれぞれ、周辺部１０１４Ａと中央部１０１４Ｃに結合されている。中央部１０１４Ｃは、対応する要素（例えば、移動部材４１２）に固定される部分である。軸方向（又はＺ方向）の取り付け要素（例えば、移動部材４１２）の変位により、中央部１０１４Ｃは曲げ要素１０１４の面に垂直（例えば、軸方向）に移動する。他の実施形態では、当然に、他の形状が、曲げ要素のために利用されてもよい。

【0062】

図１０Ｂの実施形態では、第２曲げ要素１０４０には、周方向に１８０度だけ互いにオフセットされた２つの円弧状の切欠部１０４０Ｅが設けられており、２つのヒンジ部１０４０Ｃがその間に成形されている。周方向に１８０度だけ互いにオフセットされた２つの円弧状の切欠部１０４０Ｆは、更に、切欠部１０４０Ｅの径方向内側に設けられ、２つのヒンジ部１０４０Ｄは、その間に成形されている。これにより、周辺部１０４０Ａ、接合部１０４０Ｇ、及び中央部１０４０Ｂが成形されている。周辺部１０４０Ａは、それぞれの要素（例えば、本体ハウジング４０８）に固定される部分である。中央部１０４０Ｂは、それぞれの要素（例えば、回転部材４３６の円筒部４３６Ｃの中央）に固定される部分である。切欠部１０４０Ｅ及び１０４０Ｆ、それで得られるヒンジは、９０度だけ互いにオフセットされている。このように、中央部１０４０Ｂは、回転中心ＲＣとして使用される第２曲げ要素１０４０の中心でこれらのヒンジにより傾動可能（回転可能）とされている。他の実施形態では、当然に、他の形状が曲げ要素の各々のために利用できる。

【0063】

図１１は、走査プローブから受信した位置信号に基づいて、スタイラスの接触部の３次元位置を決定するための手順１１００の実施形態の一例を示すフロー図である。ブロック１１１０において、スタイラス結合部によって取り付けられているスタイラスの接触部が測定されているワークの表面に接触するように、走査プローブが配置されることを決定する。ブロック１１２０において、Ｘ及びＹ位置信号とＺ位置信号とは、走査プローブの複数スポット位置検出部上の可変偏向回転検出用光ビーム及び可変偏向軸方向検出用光ビームを多重化するように構成されている多重化信号処理及び制御回路から受信される。

【0064】

複数スポット位置検出部は、可変偏向回転検出用光ビームを受け、それに応答するように、回転中心回りのスタイラス結合部の回転を示すＸ及びＹ位置信号を出力するように構成されている。また、複数スポット位置検出部は、可変偏向軸方向検出用光ビームを受け、それに応答するように、軸方向におけるスタイラス結合部の位置を示すＺ位置信号を出力するように構成されている。様々な実施形態では、多重化信号処理及び制御回路は、複数スポット位置検出部からの出力を受信し、Ｚ位置信号からのＸ及びＹ位置信号を分離するように構成されたデマルチプレクサを含む。ブロック１１３０では、Ｘ又はＹ位置信号の少なくとも１つから軸方向運動のクロスカップリングの成分を除去するために、走査プローブの既知の三角法と組み合わせてＺ位置信号を利用することを含み、Ｘ、Ｙ及びＺ位置信号が、スタイラスの接触部の３次元位置を決定するために処理される。

【0065】

本発明の好適な実施形態についての図示及び記載をしたが、機能の配列及び動作の手順の図示及び記載における多くの変更は、本開示に基づいて当業者には明らかであろう。様々な代替形態が、本明細書に開示された原理を実施するために使用されてもよい。加えて、上述の様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わされてもよい。本明細書において言及された米国特許及び米国特許出願の全ては、その全体が、参照として本明細書に組み込まれている。更に別の実施形態を提供するために、様々な特許及び出願の概念を使用することが必要な場合には、実施形態の態様を変更することができる。

【0066】

これら及び他の変更は、上記詳細な説明に照らして実施形態となされる。一般的には、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施形態に特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではなく、このような特許請求の範囲が権利を与えるような均等物の全範囲と共にすべての可能な実施形態を含むように解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】