JP2019515260A - 座標測定プローブ本体 - Google Patents

Abstract

座標測定プローブ本体は、上側搭載部と、コンプライアント要素搭載フレームと、それらの間の軸方向延在部とを含む堅性プローブ本体構造を含む。スタイラス懸吊部は、コンプライアント要素搭載フレームから移動要素を懸吊するコンプライアント要素を含む。移動要素の変位を感知する変位感知配列は、それぞれの変位信号を出力する変位センサを含む。変位信号を受信する回路基板アセンブリは、可撓性回路構成要素と相互接続される３つの構成要素搭載部を有し、軸方向延在部の周囲に位置する。種々の実施形態では、コンプライアント要素の全てが、回路基板アセンブリの遠位側面上に位置する。

Description

（関連出願への相互参照）
本願は、２０１６年４月２１日に出願された仮出願第６２／３２５，７６３号の利益を主張し、これにより、その開示全体は、本明細書に参照によって援用される。

（背景）
ある座標の測定システム、例えば、座標測定機（ＣＭＭ）等の１次元または３次元測定システムは、タッチプローブのスタイラスがワークピースに接触するときを検出するように構成されるタッチプローブを使用してワークピースの測定値を得る。Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，５２６，５７６号（参照によって、全体が本明細書に援用される）に説明される例示的先行技術ＣＭＭは、ワークピースに接触するタッチプローブと、タッチプローブを移動させるための複数の駆動部を備える移動機構と、タッチプローブ本体もしくはヘッド内またはタッチプローブ本体もしくはヘッドからの処理信号に関する特徴を含む関連電子システムとを含む。

タッチプローブは、種々のタイプの高感度変位センサを使用し、タッチプローブスタイラスがワークピースに接触したことのインジケーションのためのタッチプローブスタイラスの偏りを感知する。タッチプローブにおいて、タッチプローブスタイラスの最も小さい偏りが、最も小さい可能な接触力から感知されることが、望ましい。

例示的タッチプローブが、ＭｃＭｕｒｔｒｙの米国特許第５，７５５，０３８号（参照によって、全体が本明細書に援用される）に開示される。ＭｃＭｕｒｔｒｙは、遠位スタイラスモジュールに解放可能に係合するタッチプローブ本体または感知モジュールを有するタッチプローブを開示する。最も深く理解されるように、ＭｃＭｕｒｔｒｙは、中心の弾性的に支持される移動負荷部材を囲繞する堅性支持構造を備える３つの柱状物の間に軸方向に延在する、弾性的に支持される移動負荷部材を有するプローブ本体を開示する。特定用途向け集積回路（「ＡＳＩＣ」）信号プロセッサを含むプリント回路基板は、堅性支持構造上の弾性的に支持される負荷部材の周囲に搭載される。弾性的に支持される移動負荷部材は、実質的に、その中心軸に沿った感知モジュールの長さ全体に沿って延在し、弾性振動板への堅性支持構造の上端近傍に接続される。３つのコンプライアント支柱は、移動負荷部材を堅性支持構造の下側端部に接続する。支柱はそれぞれ、堅性支持構造に対する負荷部材の移動に応答するトリガ信号を生成するＡＳＩＣ信号プロセッサに接続される歪ゲージを含む。加工、組み立て、および修理するためにより経済的である高精度タッチプローブ本体のための構成が、望ましい。

米国特許第５，５２６，５７６号明細書 米国特許第５，７５５，０３８号明細書

（概要）
本概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される、一連の概念を簡略化された形態において導入するために提供される。本概要は、請求される主題の重要な特徴を識別することを意図するものではなく、請求される主題の範囲の決定における補助として使用されることを意図するものでもない。

従来技術のタッチプローブ本体構成は、上記に示されたプローブ本体構成を含み、困難な組立、完全組立に先行するサブシステムの不十分または困難な試験、困難な組立後試験および／またはプログラミング、ならびに困難な組立後修理を含む、種々の望ましくない側面を有すると決定された。例えば、スタイラスを支持する移動要素を懸吊するコンプライアント要素は、脆性でありかつ容易に損傷される。その上に搭載され得る歪ゲージもまた、脆性であり、歪ゲージアセンブリは、低収率動作である。上記に示されたもの等の先行技術プローブ本体構成は、完全または略完全な組立に先行する、経済的なサブシステムおよびサブシステム検証を促進しない。その結果、収率は低く、アセンブリの完成は、複雑かつ高価で、修理は、高価または非現実的であり得る。これらの問題の改善解決策を妨害する１つの要素は、同様の高精度測定器（例えば、ミクロンまたはサブミクロンレベルの再現性）を同様の小型構成（例えば、直径１２〜１５ｍｍのオーダーで、または、およそヒトの「小指」サイズ）で達成する代替構成を提供することが、困難であると証明されたことである。これらの問題に対する改善解決策をもたらすこと困難は、電子的構成要素およびプローブ本体自体内で実施される信号処理を増加させることが所望されるとき、さらに増加される。

タッチプローブ本体内に現在要求される性能レベルおよび小型化は、そのようなデバイス内で組み合わせられる全ての要素間のトレードオフを余儀なくさせる（構造剛度の低減が、正確度を低下させる振動に起因する偏りを可能にし、剛度の増加が、電子的構成要素および要求される移動要素のための空間を低減させる材料を追加する等）。前述の全てのものは、サブアセンブリおよび／またはサブアセンブリ試験および／または修理のために便利である特徴の追加を複雑にする。

従来技術と対照的に、上記に概説された問題を解決する特徴の一意の組み合わせを含むタッチプローブ本体のための構成が、本明細書に開示される。１つの実施形態では、プローブ本体は、プローブ本体軸の方向に沿って比較的により大きな長さ寸法と、プローブ本体軸を横断する方向に沿って比較的により短い横断面寸法とを有し得る。プローブ本体は、上側搭載部と、プローブ本体軸の方向に沿って延在する軸方向延在部と、コンプライアント要素搭載フレームとを備える堅性プローブ本体構造と、スタイラスに結合する移動要素と、コンプライアント要素搭載フレームから移動要素を懸吊するように配列されるコンプライアント要素の構成とを含むスタイラス懸吊部と、コンプライアント要素搭載フレームおよび堅性プローブ本体構造のうちの少なくとも１つに対する移動要素の変位を感知するように配列される変位感知構成であって、変位感知構成は、それぞれの変位信号を出力する少なくとも１つの変位センサを備える、変位感知構成と、プローブ本体軸の方向に沿って延在する略平面状の部分である少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部を備える回路基板アセンブリとを備え得る。種々の実施形態では、コンプライアント要素搭載フレームから移動要素を懸吊するように配列されるコンプライアント要素は、回路基板アセンブリの遠位端に対して遠位に位置するコンプライアント要素搭載フレームの取付部に取り付けられ、回路基板アセンブリの少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、堅性プローブ本体構造の軸方向延在部の周囲に、かつ上側搭載部とコンプライアント要素搭載フレームの取付部との間に配列される。

いくつかの実施形態では、少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素と電気的に相互接続され、これにより、第１、第２、および第３の構成要素搭載部ならびに少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素が、折曲可能な回路基板アセンブリを形成する。いくつかの実施形態では、折曲可能な回路基板アセンブリは、フィールドプログラマブルゲートアレイを備え、少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素の暴露端部は、フィールドプログラマブルゲートアレイへのプログラム可能なアクセスを提供するように構成される接続要素を備える。

いくつかの実施形態では、コンプライアント要素搭載フレームから移動要素を懸吊するコンプライアント要素の全て、およびコンプライアント要素搭載フレームの取付部は、回路基板アセンブリの遠位端に対して遠位に位置する。いくつかの実施形態では、コンプライアント素搭載フレームは、堅性プローブ本体構造の残部に堅性的にかつ解放可能に（例えば、孔内の柱によって）結合され、これにより、移動要素、コンプライアント要素搭載フレームから移動要素を懸吊するコンプライアント要素の全て、変位感知構成、およびコンプライアント要素搭載フレームが、堅性プローブ本体構造の残部から分離可能である懸吊モジュールを形成する。いくつかの実施形態では、可撓性回路コネクタは、少なくとも１つの変位センサに作用可能に接続され、対合するコネクタにおいて回路基板アセンブリに解放可能に係合するように変位感知構成から延在する。

いくつかの実施形態では、コンプライアント要素の構成は、中心領域を第１の平面状要素の周辺領域に接続する、第１の平面状要素に形成される第１の撓曲構成と、中心領域と、第２の平面状要素の周辺領域とを接続する、第２の平面状要素に形成される第２の撓曲構成とを含み、第１および第２の平面状要素の中心領域は、移動要素に結合され、第１および第２の平面状要素の周辺領域は、コンプライアント要素搭載フレームの取付部に結合される。

いくつかの実施形態では、回路基板アセンブリの少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、３つの構成要素搭載基板から成り、軸方向延在部は、３つの面を画定し、３つの構成要素搭載基板はそれぞれ、３つの面のそれぞれの面の上に重なるようにサイズ決定される。堅性プローブ本体構造の軸方向延在部は、その中心軸に沿って位置するモノリシック要素であり得る。第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、略三角形の横断面を有する構造を形成するように、可撓に接続され、かつ折り曲げ可能であり得る。

本発明の前述の側面および不随する利点の多くのものは、添付図面と併せて参照されるとき、以下の詳細説明を参照することによって、それがより深く理解されるにつれて、より容易に理解される。

図１は、本発明の実施形態との併用に好適な、先行技術座標測定機を図示する。 図２は、想像線で示される筐体を伴う、本発明による、座標測定プローブ本体の実施形態の斜視図である。 図３は、図２に示される座標測定プローブ本体の部分的分解図である。 図４は、図２に示される座標測定プローブ本体の横断面図であり、概略的に図示されるスタイラスモジュールを想像線で示している。 図５は、図２、図３、および図４に示される移動要素アセンブリの分解図であり、堅性プローブ構造の一部であるコンプライアント要素搭載フレームと、その中に組み立てられる、関連付けられる要素とを含む。 図６は、図２、図３、および図４に示される座標測定プローブ本体の回路基板アセンブリ構成の斜視図である。 図７は、図６に示される回路基板アセンブリ構成内に含まれ得るような、電子的システムの１つの実装の種々の要素を示すブロック図である。

本発明の種々の側面のより深い理解を補助するために、例証的実施形が、説明される。本明細書に説明される方法および装置は、例示的実施形態として意図され、制限的に解釈されないことが意図される。同様の添字を伴う参照番号（例えば、１ＸＸおよび３ＸＸ）は、文脈または説明によって別様に示されない限り、種々の図内の類似要素を識別し得る。

座標測定機（ＣＭＭ）は、例えば、Ｕｓｕｉの米国特許出願公開第２０１１／０１９２０４４号（参照によって、全体が本明細書に援用される）において当該技術分野で公知である。公知のＣＭＭの典型的配列が、図１に概略的に図示され、タッチプローブ２００’を使用するＣＭＭ１００’を含む測定システム１００を示す。タッチプローブ２００’は、本明細書に開示されるもの等の構成を有する新規のプローブ本体２００を含み得る。測定システム１００は、オペレーティングユニット１０と、ＣＭＭ１００’の移動を制御する運動コントローラ１５と、ホストコンピュータ２０と、ＣＭＭ１００’とを含む。オペレーティングユニット１０は、運動コントローラ１５に結合され、ＣＭＭ１００’を手動で動作させるための１つまたは複数の操作レバー１１を含み得る。ホストコンピュータ２０は、運動コントローラ１５に結合され、公知の方法に従って、ＣＭＭ１００’を動作させ、ワークピースＷに関する測定データを処理する。ホストコンピュータ２０は、例えば、測定条件を入力するための入力手段２５（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３０（例えば、ディスプレイ、プリンタ等）とを含む。

ＣＭＭ１００’は、表面板１１０の上に位置する駆動機構１２０と、タッチプローブ２００’を駆動機構１２０に取り付けるための取付部１２４とを含む。駆動機構１２０は、タッチプローブ２００’を３次元に移動させるための、Ｘ軸摺動機構１２２と、Ｙ軸摺動機構１２１と、Ｚ軸摺動機構１２３とを含む。タッチプローブ２００’に取り付けられるスタイラス１６４は、接触部１６５を含む。下記により詳述されるように、スタイラスモジュール１６０は、スタイラス１６４をタッチプローブ本体２００のスタイラス懸吊部に取り付け、その接触部１６５がワークピースＷの表面に接触するときにスタイラス１６４が偏り、これにより、所望されるようなトリガ接触信号を産出することを可能にする。多くの商業的に利用可能なＣＭＭの特性および動作は、概して、当該技術分野で公知であり、したがって、本明細書ではさらに詳細には説明されない。

タッチプローブ２００’に関して、これは、スタイラス１６４の偏りに対する一般的な機械的剛度および信号感度等の特性を有する３次元触覚プローブシステムを提供し、この特性は、プローブシステムによって測定される実際の座標を適切に反映するために、信頼すべきものとして頼りにされ得る。そのような３次元触覚プローブシステムは、サブミクロンレベルの再現性を伴い、かつ低いプローブ力を使用して、３次元の高精度触覚測定を可能にし得る。経済的な高処理能力のために、概して、ＣＭＭ１００’の全ての動作（例えば、運動および感知）を高速で実施することが、望ましくあり得る。高速接触検出器の例示的実施形態が、Ｂｒｉｅｇｅｌ ｅｔ ａｌ．の米国特許出願公開第２０１５／０３２３３００号（参照によって、全体が本明細書に援用される）に開示される。

例えば、時間あたり何千もの接触における表面の検出等の高速動作は、座標測定プローブ本体２００とホストコンピュータシステム２０との間の大量のデータの両方向伝送を要求し得ることが、理解される。いくつかの場合では、データ伝送要件は、そのような測定値が得られ得る速度を制限し得る。タッチプローブ２００’によって生成されるデータの少なくとも一部が、プローブ本体２００で処理され、コンピュータシステム２０に伝送されなければならないデータの量を低減させる場合、有益である。しかしながら、高速動作の間、座標測定プローブ本体２００は、非常に迅速に加速される。これらの高い加速は、信号処理電子機器の増加された質量と、増加される電子機器に適応するプローブ本体２００内の材料除去と関連付けられる、低減される構造剛度との組み合わせで、他の望ましい特性（例えば、十分な機械的剛度、経済的な組立、および以前に概説された他の望ましい特性）を保持しながら、より包括的な信号処理システムをＣＭＭの「統合された」プローブ本体２００に統合する能力を以前は制限していた。これらの問題を克服する特徴の組み合わせを含み、特定の利点を提供する実施形態が、以下に説明される。

図２、図３、および図４は、統合された座標測定プローブ本体２００の実施形態を示す。図２は、統合された座標測定プローブ本体２００の実施形態の斜視図であり、筐体３０１内に配置される回路基板アセンブリ構成４００および移動要素アセンブリ３００を明らかにするために筐体３０１が想像線で示される。図３は、図２に示された座標測定プローブ本体２００の部分的分解図であり、図４は、図２に示された座標測定プローブ本体２００の横断面図であり、また、概略的に図示されるスタイラスモジュール３６０を想像線で示す。

本実施形態内のプローブ本体２００は、筐体３０１と、統合された座標測定プローブ本体２００をＣＭＭ（ここでは図示していないため、例えば、図１に示されるＣＭＭを参照）等の測定システムに接続するために構成される接続アセンブリ３０２と、堅性プローブ本体構造３１０と、回路基板アセンブリ構成４００と、移動要素アセンブリ３００（コンプライアント要素搭載フレーム３２０と、スタイラス懸吊部３４０と、コンプライアント要素搭載フレーム３２０内に搭載される変位感知構成３５０とを備える）とを含み、全ては、下記により詳細に説明される。

堅性プローブ本体構造３１０は、上側搭載部３０２’と軸方向に沿って延在するボア３３１を有する軸方向延在部３３０とを含む主部材３１０’を含む。コンプライアント要素搭載フレーム３２０は、堅性プローブ本体構造３１０に継合され、かつ堅性プローブ本体構造３１０の付加的部分を形成する。コンプライアント要素搭載フレーム３２０は、中心部３２０Ａと、上側部３２０Ｂと、下側部３２０Ｃとを含み、本実施形態では、これらは、ねじ３２９によってともに挟着される。上側部３２０Ｂは、軸方向延在部３３０への堅性な取付のために、ボア３３１内の公知の手段によって挟着、螺着、または別様に除去可能に締結される柱部３２６を含む。以前に概説されたように、種々のコンプライアントおよび／または移動要素ならびに関連付けられる感知要素が、図４および図５を参照して下記にさらに詳細に説明されるように、コンプライアント要素搭載フレーム３２０の内側に組み立てられ、移動要素アセンブリ３００を形成する。移動要素アセンブリ３００は、容易に組み立てられ、ユニットとして試験され、プローブ本体２００内で容易に取り替えられる。

本実施形態では、軸方向延在部３３０は、三角形の横断面を有する軸部材３３２を含み、三角形の横断面は、概して、軸方向延在部３３０の面の上に重なるように整合された構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃを伴う回路基板アセンブリ構成４００（図６）を受け取るようにサイズ決定される。３つの構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃが、本実施形態に示されるが、回路基板アセンブリ構成は、代替として、より多くのまたはより少ない構成要素搭載部を備えてもよい。例えば、ある実施形態では、第４の構成要素搭載部が、含まれ、軸部材は、長方形または正方形の横断面を有してもよい。いくつかの実施形態では、プローブ本体２００が、組み立てられるとき、回路基板アセンブリ構成４００は、上側搭載部３０２’とコンプライアント要素搭載フレーム３２０の上側部分３２０Ｂとの間で筐体３０１内にしっかりと配置され、支持される。図５を参照して詳細に説明されるように、移動要素アセンブリ３００は、コンプライアント要素搭載フレーム３２０のその周辺領域近傍の取付部（例えば、図示される移動要素アセンブリ３００の主本体の円周のすぐ内側）に取り付けられる（例えば、挟着される）コンプライアント要素３４１を含む。種々の実施形態では、回路基板アセンブリ構成４００は、堅性プローブ本体構造３１０の堅性な部分にのみ係合する。移動アセンブリ、第１および第２のコンプライアント要素３４１Ａ、３４１Ｂ、ならびにそれらの対応する取付部分は全て、回路基板アセンブリ構成４００から遠位に配置される。したがって、図示された実施形態は、要素の特に有利な組み合わせを教示し、ここで、プローブ本体２００の構造要素が経済的でありかつ高い堅性を有しと、コンプライアント要素３４１Ａ、３４１Ｂと、回路基板アセンブリ構成４００とが、プローブ本体２００内で容易に組み立てられかつアクセス可能である場所に配列される。

図示された実施形態は、例示的にすぎない。例えば、種々の代替実施形態では、軸部材３３２は、上側搭載部３０２’とは別個の要素として形成され、例えば、上側部分３２０Ｂと一体的に形成されてもよく、そのため、柱部３２６の必要性がなく、上側搭載部３０２’が、軸部材３３２の近位端に螺合または別様に固定されてもよい。図示された実施形態では、図３および図４に最も良く示されるように、接続アセンブリ３０２は、プローブ本体２００およびその回路をＣＭＭ１００’に堅性的に接続するために、インターロックカラー３０４と、概略的に図示された電気的接続部３０３とを含む。接続アセンブリ３０２は、環状筐体キャップ部３０５において筐体３０１に接続する。種々の実施形態では、上側搭載部３０２’は、公知の方法によって筐体キャップ部３０５に取り付けられてもよい、またはそれらは、融合されかつ／または区別不可能であってもよい。

図５は、図２、図３、および図４に示される移動要素アセンブリ３００の一実施形態の分解図であり、本実施形態では、コンプライアント要素搭載フレーム部３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃと、スタイラス懸吊部３４０と、変位感知構成３５０とを含む。プローブ本体２００は、図４内の断面図に組み立てられた状態で示される。

コンプライアント要素搭載フレーム３２０は、堅性プローブ本体構造３１０全体の一部を形成する、堅性なフレームである。図示された実施形態では、コンプライアント要素搭載フレーム３２０は、中心部３２０Ａと、上側部３２０Ｂと、下側部３２０Ｃとを含み、本実施形態では、これらは、ねじ３２９によってともに挟着される。第１のコンプライアント要素３４１Ａは、それによって、中心３２０Ａと上側部３２０Ｂとの間に挟着され、中心３２０Ａおよび上側部３２０Ｂは、第１のコンプライアント要素３４１Ａの周辺領域３４１ＰＲに対応する中心部３２０Ａおよび上側部３２０の外部周囲において挟着が生じるように構成される表面レリーフＲＥＬを有する。同様に、第２のコンプライアント要素３４１Ｂは、中心部３２０Ａと下側部３２０Ｃとの間に挟着され、中心部３２０Ａおよび下側部３２０Ｃはまた、第２のコンプライアント要素３４１Ｂの周辺領域３４１ＰＲに対応する中心部３２０Ａおよび下側部３２０Ｃの外部周囲において挟着が生じるように構成される表面レリーフＲＥＬを有する。表面レリーフＲＥＬは、第１および第２のコンプライアント要素３４１Ａ、３４１Ｂの中心領域３４１ＣＲならびにそれらの撓曲部３４６Ａ、３４６Ｂが、プローブ本体２００の軸方向に沿って自由に偏ることができるように構成される。中心部３２０Ａの下側面上の表面レリーフＲＥＬはまた、変位感知構成３５０および関連付けられる接続要素に対するクリアランスを提供する。

スタイラス懸吊部３４０は、コンプライアント要素搭載フレーム３２０から移動アセンブリ３４３を懸吊するように配列される撓曲部３４６Ａ、３４６Ｂを含む、コンプライアント要素３４１Ａ、３４１Ｂの構成を備える。移動アセンブリ３４３は、ピン３４３Ｐと、第１の挟着リング３４３Ａ、第２の挟着リング３４３Ｂ、および第３の挟着リング３４３Ｃと、置換可能なスタイラスモジュール３６０に結合されるスタイラス捕捉要素３４３Ｄとを備える。ピン３４３Ｐは、略平面状かつ平行なコンプライアント要素３４１Ａおよび３４１Ｂの偏り可能な中心領域３４１ＣＲの中心開口３４２Ａ、３４２Ｂを通って延在する。第１および第２の挟着リング３４３Ａおよび３４３Ｂは、ピン３４３Ｐの上に圧接または別様に締結もしくは接合され、かつコンプライアント要素３４１Ａの偏り可能な中心領域３４１ＣＲに挟着または接合される。同様に、第２および第３の挟着リング３４３Ｂおよび３４３Ｃは、ピン３４３Ｐの上に圧接または別様に締結され、かつコンプライアント要素３４１Ｂの偏り可能な中心領域３４１ＣＲに挟着または接合される。スタイラス捕捉要素３４３Ｄは、ピン３４３Ｐの遠位端上に圧接または別様に締結される。スタイラス捕捉要素３４３Ｄは、公知の技術を使用して、置換可能なスタイラスモジュール３６０（図４に想像線で示される）に係合するように構成される。例えば、図４に最も良く示されるように、スタイラス捕捉要素３４３Ｄは、磁石３４３Ｍと、運動学的搭載特徴とを含み、磁石３４３Ｍおよび運動学的搭載特徴は、置換可能なスタイラスモジュール３６０上の磁石３６６および対合する運動学的搭載配列３６８とに対合し、これにより、それが、磁力を克服することによって脱着かつ交換される。しかしながら、磁石および安定した対合する運動学的搭載配列の結果として、動作の間、移動アセンブリ３４３（および下記に説明される、関連付けられる変位感知構成３５０）は、反復可能かつ安定した様式で、置換可能なスタイラスモジュール３６０に固定され、スタイラス３６４の接触部３６５が測定されるべき表面に接触するとき、変位に反応し、接触信号を産出する。

図４および図５に示される変位感知構成３５０および関連付けられるコンプライアント要素３４１Ｂの本例示的実装において、撓曲部３４６Ｂはそれぞれ、それに接合される、対応する歪ゲージタイプ変位センサ３５２を有し、その歪みおよび／またはスタイラス３６４に呼応する変位またはその運動を検出し、対応する変位信号を産出する。変位センサ３５２が、可撓性導体コネクタ３５４（図５に最も良く示される）内に含まれる個々の伝導性トレース（図示せず）を通して回路基板アセンブリ構成４００と信号通信することが、理解される。例えば、可撓性導体コネクタ３５４のリング形状センサコネクタ部３５３は、コンプライアント要素３４１Ｂの非移動部に接合されてもよく、コンプライアント要素３４１Ｂの偏り可能な中心領域３４１ＣＲに対してクリアランスを提供してもよい。センサコネクタ部３５３上の個々の伝導性トレース（図示せず）と変位センサ３５２との間のワイヤ接合は、コンプライアント要素３４１Ｂの偏りを妨げないようにコンプライアントであってもよい。４つの変位センサ３５２が示されるが、より多くのまたはより少ない変位センサ３５２が、使用され得、特定の用途において利点を有し得る。

図６は、図２、図３、および図４に示されるような、複数の平面状の構成要素搭載部を含む回路基板アセンブリ構成４００の１つの実施形態の斜視図である。本実施形態では、回路基板アセンブリ４００は、例えば、第１の構成要素搭載部４０２Ａと、第２の構成要素搭載部４０２Ｂと、第３の構成要素搭載部４０２Ｃとを含む。製造および組立を容易にするために、構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、および４０２Ｃは、略平面状であってもよい。３つの構成要素搭載部が、示されるが、種々の実施形態では、より多くのまたはより少ない構成要素搭載部が含まれ得ることが、理解される。

構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、および４０２Ｃは、可撓性回路部材４０３に物理的かつ電子的に接続される。したがって、回路基板アセンブリ４００は、折曲可能であってもよい。構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、および４０２Ｃは、可撓性回路部材４０３の一方また両方の側面上に搭載表面を有してもよい（両方の側面が示される）。例えば、いくつかの実施形態における構成要素搭載部４０２Ａ、４０２Ｂ、および４０２Ｃは、構成要素を搭載するための外部堅性層と、共有可撓性中心層とを伴う、積層多層回路基板を備える。図６は、構成４００の特定の特徴を示すために、折り曲げられていない回路基板アセンブリ構成４００を図示する。特定の実施形態では、構成要素搭載部４０２Ｃの１つは、可撓性導体コネクタ３５４（図４）と接続するように構成されるコネクタ４０５を含み、変位感知構成３５０の変位センサ３５２からの信号を受信する。

いくつかの実施形態では、構成４００の特徴は、潜在的に破壊的なデジタル信号から敏感なアナログ信号を分離するために有利である構成要素設置およびルーティングを可能にする。当業者は、回路基板アセンブリ構成４００を主にアナログなドメインと主にデジタルなドメインとに分離することが、クロストークおよび干渉を最小限にさせ得ることを理解する。例えば、第３の構成要素搭載部４０２Ｃは、主に、変位感知構成３５０からアナログ信号を受信し、かつ／または、所望される場合、これらのアナログ信号および他のアナログ信号を生成し、かつ／または、増幅し、かつ／または、フィルタリングするように構成されてもよい。第２の構成要素搭載部４０２Ｂは、電力入力と、調整構成要素とを含んでもよく、また、可撓性回路部材４０３を通して第３の構成要素搭載部４０２Ｃからの処理済信号を受信してもよく、かつさらに、（例えば、デジタル信号の特定の所望されるセットを提供するための）信号を処理してもよい。デジタル信号は、次いで、付加的な処理および分析のために、可撓性回路部材４０３を通して、第２の構成要素搭載部４０２Ｂから第１の構成要素搭載部４０２Ａに伝送されてもよい。しかしながら、種々の搭載部上の本構成要素レイアウトは、例示的にすぎず、制限するものではない。

本実施形態では、可撓性回路部材４０３の１つの端部は、回路基板アセンブリ構成４００が、試験および／または再プログラミングシステム（図示せず）に接続されることを可能にするための複数の接触部または接続要素（図示せず）を含む、撓曲タブまたはコネクタ４０４を備える。例えば、これは、プローブ本体２００内のコストまたは体積における実質的な量の不利益なく、取付に先行する回路基板アセンブリ構成４００の試験を大幅に単純化し、加えて、試験のより包括的なセットまたは接続点がアクセスされることを可能にする。そのうえ、前述の説明から、座標測定プローブ本体２００が、ある部分またはモジュールが取り替えまたは修理され得、かつ本実施形態では、回路基板アセンブリ構成４００へのアクセスを提供するために容易に取り外され得ることが理解される。本側面は、座標測定プローブ本体２００が、必要性または機会に従って容易に試験されアップグレードされることを可能にする。プローブ本体２００は、回路基板アセンブリ構成４００を取り替えることによって、または、いくつかの実施形態では、撓曲タブまたはコネクタ４０４を通して電子機器（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイを含んでもよい）への接続を介して回路基板アセンブリ構成４００を再プログラミングすることによってアップデートされてもよい。

図７は、図６に示される回路基板アセンブリ構成４００内に含まれ得るタッチプローブ回路８００の１つの実装の種々の要素を示すブロック図である。発明者らは、この小型プローブ本体２００の構成が、対応する構成要素が、（例えば、１２〜１５ｍｍの小型の直径の）回路基板アセンブリ構成４００に組み立てられ、例えば、経済的な非カスタム構成要素を使用して、以下の説明に対応する、先例のない範囲のプローブ内の信号処理動作を提供することを可能にすることを見出した。タッチプローブ回路８００は、下記に比較的に簡単に説明される。付加的詳細は、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第６２／２７１，０８２号（参照によって、全体が本明細書に援用される）に見出され得る。

図７に示される実装では、タッチプローブ回路８００は、複数の変位センサ８５２−１〜８５２−４を有するセンサアセンブリ８５２と、複数の個々のオフセット補償コントローラ部８３０−１〜８３０−４を備えるオフセット補償コントローラ８３０と、複数の差動増幅器ＤＡ１〜ＤＡ４とを備える。同様の「Ｘ」または「−Ｘ」の呼称（例えば、Ｘ＝１等）を伴う種々の要素が、図に示される接続によって含意されるように協働することにより、個々のタッチプローブ回路「チャネル」を形成し、「チャネル」はそれぞれ、下記に「チャネルＸ＝１」に関して説明されるものと同様の様式で動作し得ることが、理解される。

動作時、変位センサ８５２−１は、スタイラス（例えば、スタイラス３６４）の変位に応答するセンサ信号Ｓ１を出力するように構成される。オフセット補償コントローラ部８３０−１は、（例えば、いくつかの実施形態では、オフセット補償コントローラ８３０および／またはオフセット補償コントローラ部８３０−１の一部であると見なされるＤ／Ａコンバータ８３５を通して）変動オフセット補償信号ＯＣ１を出力するように構成される。オフセット補償コントローラ部８３０−１からの変動オフセット補償信号ＯＣ１は、下記により詳細に説明されるように、変位センサ８５２−１によって出力された休止状態信号成分内の変動を補償するために使用される。差動増幅器ＤＡ１は、オフセット補償コントローラ部８３０−１および変位センサ信号Ｓ１からのオフセット補償信号ＯＣ１を入力するために接続され、入力信号間の差異を増幅させる。増幅された差異は、オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１として、（例えば、Ａ／Ｄコンバータ８４５を通して）差動増幅器ＤＡ１から出力される。

オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１は、下記により詳細に説明されるように、Ａ／Ｄコンバータ８４５を通してトリガ信号決定処理回路９５０に出力され、タッチプローブに対するタッチトリガ信号（例えば、信号９７５Ｔ）の決定に寄与し得る。オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１はまた、Ａ／Ｄコンバータ８４５を通して出力され、オフセット補償コントローラ部８３０−１が出力するオフセット補償信号の調節において使用するために、オフセット補償コントローラ部８３０−１に入力される。特に、オフセット補償コントローラ部８３０−１は、オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１を入力し、入力に応答して、（例えば、Ｄ／Ａコンバータ８３５を通して）ローパスフィルタリングオフセット補償信号ＯＣ１を生成するフィードバックループを提供するように構成され、ローパスフィルタリングオフセット補償信号ＯＣ１は、休止状態信号成分に起因する変位センサ信号Ｓ１内のオフセットを補償するための差動増幅器ＤＡ１への入力である。このタイプのフィードバックループを使用して差動増幅器ＤＡ１においてローパスフィルタリングオフセット補償信号ＯＣ１を生成および適用することは、変位センサ信号内のワークピース接触信号成分（単数または複数）のより迅速な変化を隔離するために、変位センサ信号内の休止状態信号ドリフト成分（単数または複数）のより低速な変化を補償する種々の公知の先行技術の方法と比較して、利点を有する。

タッチプローブ回路８００は、概して、アナログ回路またはデジタル回路のいずれか一方、またはその組み合わせにおいて実装されてもよい。種々の部分的または完全アナログ回路の実装において、Ｄ／Ａコンバータ８３５および／またはＡ／Ｄコンバータ８４５は、省略されてもよい。しかしながら、種々の実装では、オフセット補償コントローラ８３０および／またはオフセット補償コントローラ部８３０−１のデジタル回路実装は、利点を有し得る。そのような実装では、タッチプローブ回路８００は、次いで、有利には、Ａ／Ｄコンバータ８４５および／またはＤ／Ａコンバータ８３５を備え得る。種々の実装では、Ａ／Ｄコンバータ８４５および／またはＤ／Ａコンバータ８３５は、並列コンバータチャネルを通して複数のチャネルを並行して変換してもよい、または他の実装では、関連付けられる処理時間が、特定の実装において許容可能である場合、それらは、連続変換のための種々のチャネルを多重化してもよい。

種々の実装では、Ａ／Ｄコンバータ８４５は、公称でＭビットの分解能で動作し得る。差動増幅器ＤＡ１は、オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１をＡ／Ｄコンバータ８４５に出力するように構成されるアナログ増幅器を備えてもよく、Ａ／Ｄコンバータ８４５は、オフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１を、トリガ信号決定処理回路９５０への出力であり、かつ、オフセット補償信号ＯＣ１の調節において使用するためのオフセット補償コントローラ部８３０−１への入力でもある対応するデジタルオフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１に変換するように構成される。種々の実装では、オフセット補償コントローラ部８３０−１は、公称でＮビットの分解能で動作するＤ／Ａコンバータ８３５を備えてもよく、オフセット補償コントローラ部８３０−１は、デジタルオフセット補償変位信号ＯＣＤＳ１を入力しかつＤ／Ａコンバータ８３５への入力であるローパスフィルタリングデジタルオフセット補償信号ＯＣ１の値を決定するように構成されるデジタル回路を備え、Ｄ／Ａコンバータ８３５は、ローパスフィルタリングデジタルオフセット補償信号ＯＣ１を、アナログ差動増幅器ＤＡ１への入力である対応するローパスフィルタリングアナログオフセット補償信号ＯＣ１に変換するように構成される。種々の実装では、Ｎが、Ｍより少なくとも８ビット大きい場合、有利であり得る。これは、以前に示されたように、タッチプローブ内の種々のタイプの変位センサおよび／またはそれらの実装に対して、変位センサによって出力される休止状態信号成分内の変動（例えば、種々の種類のセンサ信号「ドリフト」）が、多くの場合、スタイラス偏りの許容量に起因する変位センサ信号内の変動を超過し得るため、有利であり得る。これは、ローパスフィルタリングアナログオフセット補償信号ＯＣ１が、大きい値であり得ることを意味する。対照的に、差動増幅器ＤＡ１によって提供される処理は、その出力からローパスフィルタリングアナログオフセット補償信号ＯＣ１の大きい値を除去し、比較的により小さい値の信号オフセット補償（アナログ）変位信号ＯＣＤＳ１（スタイラス偏りの許容量に起因する変位センサ信号）のみを出力する。結果として、Ｄ／Ａコンバータ８３５およびＡ／Ｄコンバータ８４５からの信号出力内に比較可能な信号分解能を提供するために、ＮがＭより少なくとも８ビット大きい場合、種々の実装において最も経済的かつ有利であり得る。

トリガ信号決定処理回路９５０は、タッチプローブ設計の当業者に公知である原理に従って実装されてもよい。したがって、それは、本明細書では１つの例示的実装において簡単に説明されるのみである。図７に示されるように、タッチトリガ信号切替閾値と比較される組み合わせ信号を提供するために、複数の変位センサ信号を組み合わせることが望ましくあり得る。したがって、図７に示されるように、トリガ信号決定処理回路９５０は、４つの個々のオフセット補償デジタル変位信号ＯＣＤＳ１〜ＯＳＤＳ４を入力し、トリガ閾値処理回路９５２に提供される組み合わせ変位信号を決定する信号組み合わせ処理部９５１を含む。トリガ閾値処理回路９５２は、組み合わせ変位信号と比較される切替閾値値を定義する。組み合わせ変位信号が、切替閾値値を超過するとき、トリガ閾値処理回路９５２は、スタイラスがワークピースに接触したことを示すタッチトリガ信号９７５Ｔを出力する。タッチトリガ信号９７５Ｔは、ホストシステムの現在の測定値が、スタイラスの現在の座標およびスタイラスが接触しているワークピース表面の測定座標を示すために記録されることができるように、例えば、Ｉ／Ｏ回路９７０を通してＣＭＭホストシステムまたは同等物に通信する。種々の実施形態では、Ｉ／Ｏ回路９７０はまた、ホストシステムとトリガ信号決定処理回路９５０および／またはタッチプローブ回路８００の種々の要素との間で他の制御信号および／またはパラメータ９７５を伝達してもよい。トリガ閾値処理回路９５２は、定義された切替閾値に関連するヒステリシスを実装する、公知のタイプのヒステリシス回路９５３を含み、スタイラスが、ワークピース表面にごく僅かに接触している／接触していないときに、タッチトリガ信号９７５Ｔがオンおよびオフにディザイングすることを防止してもよい。

トリガ信号決定処理回路９５０は、オフセット補償コントローラ割込信号生成回路９５４をさらに含んでもよく、オフセット補償コントローラ割込信号生成回路９５４は、トリガ閾値処理回路９５２からのタッチトリガ信号９７５Ｔまたは関連する信号を受信し、かつ、その作用に割り込みまたは凍結させるためにオフセット補償コントローラ８３０に割込信号９５４Ｓを送信し得る。これは、オフセット補償コントローラ８３０が、変位センサ信号内の持続されるワークピース接触信号要素に起因する変位センサ信号変動（単数または複数）を補償するように動作しないことを確実にするが、その動作は、不適切な動作である。

トリガ信号決定処理回路９５０の例示的動作の前述の概説は、タッチプローブ設計の現在利用可能な種々の関連材料の調査および適用に基づいてさらに理解かつ実装され得る。例えば、信号組み合わせ処理ならびに切替閾値定義の方法を含む、１つの例示的トリガ信号決定処理回路および方法が、米国特許第７，７９２，６５４号（参照によって、全体が本明細書に援用される）に説明される。

例証的実施形態が、図示および説明されているが、種々の変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、なされ得ることが、理解される。
排他的所有権または特許権が請求される本発明の実施形態は、以下のように定義される。

Claims (20)

1. プローブ本体軸の方向に沿って比較的により大きい長さ寸法と、前記プローブ本体軸を横断する方向に沿って比較的により小さい横断面寸法とを有する座標測定プローブ本体のための構成であって、前記座標測定プローブ本体は、
   上側搭載部と、前記プローブ本体軸の方向に沿って延在する軸方向延在部と、コンプライアント要素搭載フレームとを備える堅性プローブ本体構造と、
   スタイラス懸吊部であって、スタイラスに結合する移動要素と、前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊するように配列されるコンプライアント要素の構成とを備えるスタイラス懸吊部と、
   前記コンプライアント要素搭載フレームおよび前記堅性プローブ本体構造のうちの少なくとも１つに対する前記移動要素の変位を感知するように配列される変位感知構成であって、前記変位感知構成は、それぞれの変位信号を出力する少なくとも１つの変位センサを備える、変位感知構成と、
   略平面状の部分であり、かつ前記プローブ本体軸の方向に沿って延在する、少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部を備える回路基板アセンブリと
   を備え、前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊するように配列される前記コンプライアント要素の構成は、前記回路基板アセンブリの遠位端に対して遠位に位置する、前記コンプライアント要素搭載フレームの取付部に取り付けられ、
   前記回路基板アセンブリの前記少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部の周囲に、かつ前記上側搭載部と前記コンプライアント要素搭載フレームの前記取付部との間に配列される、構成。
2. 前記少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素と電気的に相互接続され、これにより、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部ならびに前記少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素が、折曲可能な回路基板アセンブリを形成する、請求項１に記載の構成。
3. 前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部のうちの１つは、その上に搭載されるフィールドプログラマブルゲートアレイをさらに備え、さらに、前記少なくとも１つの可撓性コネクタ構成要素の端部は、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部を越えて延在し、前記フィールドプログラマブルゲートアレイへのプログラム可能なアクセスを提供するように構成される接続要素を備える、請求項２に記載の構成。
4. 前記少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、多層回路基板の堅性層を備え、それらは、可撓性回路部材を含む共有可撓性層と電気的に相互接続される、請求項１に記載の構成。
5. 前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊する前記コンプライアント要素の全て、および前記コンプライアント要素搭載フレームの前記取付部は、前記回路基板アセンブリの前記遠位端に対して遠位に位置する、請求項１に記載の構成。
6. 前記コンプライアント要素搭載フレームは、前記堅性プローブ本体構造の残部に堅性的にかつ解放可能に結合され、これにより、前記移動要素、前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊する前記コンプライアント要素の全て、前記変位感知構成、および前記コンプライアント要素搭載フレームが、前記堅性プローブ本体構造の前記残部から分離可能である懸吊モジュールを形成する、請求項５に記載の構成。
7. 前記コンプライアント要素搭載フレームは、柱部を含み、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部は、前記柱部を受け取るように構成されるボアを含む、請求項５に記載の構成。
8. 前記少なくとも１つの変位センサに作用可能に接続され、前記変位感知構成から延在し、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部のうちの１つの上の対合するコネクタにおいて前記回路基板アセンブリに解放可能に係合する可撓性回路コネクタをさらに備える、請求項７に記載の構成。
9. 前記コンプライアント要素搭載フレームは、柱部を含み、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部は、前記柱部に螺着される、請求項５に記載の構成。
10. 前記コンプライアント要素の構成は、
    第１の平面状要素に形成された第１の撓曲構成であって、前記第１の撓曲構成は、前記第１の平面状要素の中心領域を前記第１の平面状要素の周辺領域に接続する、第１の撓曲構成と、
    第２の平面状要素に形成された第２の撓曲構成であって、前記第２の撓曲構成は、前記第２の平面状要素の中心領域と、前記第２の平面状要素の周辺領域とを接続する、第２の撓曲構成と
    を含み、前記第１および第２の平面状要素の前記中心領域は、前記移動要素に結合され、前記第１および第２の平面状要素の前記周辺領域は、前記コンプライアント要素搭載フレームの前記取付部に結合される、請求項１に記載の構成。
11. 前記第１の構成要素搭載部は、アナログ信号を処理するアナログ構成要素を備え、前記第３の構成要素搭載部は、デジタル信号処理構成要素のみを備える、請求項１に記載の構成。
12. 前記回路基板アセンブリの前記少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、３つの構成要素搭載基板から成り、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部は、３つの面を画定し、前記３つの構成要素搭載基板はそれぞれ、前記３つの面のうちのそれぞれの面の上に重なるようにサイズ決定される、請求項１に記載の構成。
13. 前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部は、前記座標測定プローブ本体軸に沿って位置するモノリシック要素である、請求項１に記載の構成。
14. 前記回路基板アセンブリは、前記回路基板アセンブリが、略三角形の横断面を有する構造を形成するように折曲可能であるように、前記可撓性コネクタ構成要素と相互接続された前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部から成り、さらに、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部は、略三角形の横断面を有する、請求項２に記載の構成。
15. 前記少なくとも第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、第１、第２、第３、および第４の構成要素搭載部を備え、前記第１、第２、第３、および第４の構成要素搭載部は、略平面状の部分であり、かつ前記プローブ本体軸の方向に沿って比較的により長く、前記プローブ本体軸を横断する方向に沿って比較的により細い、請求項１に記載の構成。
16. 座標測定プローブ本体であって、
    搭載部と、プローブ本体軸に沿って延在する軸方向延在部と、コンプライアント要素搭載フレームとを備える堅性プローブ本体構造と、
    スタイラスに結合する移動要素と、前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊するように構成される複数のコンプライアント要素とを備えるスタイラス懸吊アセンブリと、
    前記コンプライアント要素搭載フレームおよび前記堅性プローブ本体構造のうちの少なくとも１つに対する前記移動要素の変位を感知するように配列される変位感知アセンブリであって、前記変位感知構成は、それぞれの変位信号を出力する変位センサを備える、変位感知アセンブリと、
    前記プローブ本体軸の方向に沿って延在する第１、第２、および第３の構成要素搭載部を備える回路基板アセンブリと
    を備え、前記複数のコンプライアント要素は、前記回路基板アセンブリの遠位端に対して遠位に位置する前記コンプライアント要素搭載フレームの取付部に取り付けられ、
    前記回路基板アセンブリの前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、前記堅性プローブ本体構造の前記軸方向延在部の周囲に、かつ前記上側搭載部と前記コンプライアント要素搭載フレームの前記取付部との間に配列される、座標測定プローブ本体。
17. 前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、可撓性コネクタ構成要素と電気的に相互接続され、これにより、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部ならびに前記可撓性コネクタ構成要素が、折曲可能な回路基板アセンブリを形成する、請求項１６に記載の座標測定プローブ本体。
18. フィールドプログラマブルゲートアレイは、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部のうちの１つの上に搭載され、さらに、前記可撓性コネクタ構成要素の端部は、前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部を越えて延在し、前記フィールドプログラマブルゲートアレイへのプログラム可能なアクセスを提供するように構成される接続要素を備える、請求１７に記載の座標測定プローブ本体。
19. 前記第１、第２、および第３の構成要素搭載部は、可撓性回路部材を含む共有可撓性層と電気的に相互接続される多層回路基板を備える、請求項１６に記載の座標測定プローブ本体。
20. 前記コンプライアント要素搭載フレームから前記移動要素を懸吊する前記コンプライアント要素の全て、および前記コンプライアント要素搭載フレームの前記取付部は、前記回路基板アセンブリの前記遠位端に対して遠位に位置する、請求項１６に記載の座標測定プローブ本体。

Images