JP2005201790A

JP2005201790A - 接触式変位測定器

Info

Publication number: JP2005201790A
Application number: JP2004009012A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Fujii; 賢太郎藤井; Yohei Masukuchi; 陽平桝口
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】温度センサ無しで温度特性に関する誤差を実用上除去する。
【解決手段】接触式変位測定ヘッドから出力されるsin波の検波タイミングは雰囲気温度によって振幅と位相が変化する。検波タイミングを意図的に遅らせると（位相φ＞０）、温度変化による位相の遅れΔθが正の特性を有する測定ヘッドでは、増加分が減少分よりも大きく、プラス方向に計測誤差が出るが、実験により、望ましい位相φを設定すると、この計測誤差が実質的にゼロになる。
【選択図】図４

Description

本発明は接触式変位測定器に関する。

対象物の表面に接触子を当てて対象物の表面性状を測定するのに接触式変位測定器が用いられる（特許文献１〜３参照）。この接触式変位測定器は、原理的には、物理的変位を電気量に変換するものであり、機械的な構成として、軸方向に変位可能な接触子に連動する差動トランスのコアを有し、このコアが接触子の変位に対応して変位することにより、接触子の変位に対応した大きさの信号がコイルから出力されることを利用している。

図１を参照して、差動トランス１の一次コイル２と二次コイル３には、発振回路４の矩形波に基づく逆位相のsin波が供給され、可動コア５の位置に対応したsin波が差動トランス１から出力される。この出力信号は、スイッチ６によって半周期分の検波範囲の信号が検波回路７に取り込まれて、接触子の変位量が計測される。すなわち、スイッチ６は検波タイミングを規定するものであり、このスイッチ６は、発振回路４の矩形信号に事実上同期したタイミングでオン/オフ制御して、検波範囲以外の波形を排除して検波範囲内の波形だけを検波回路７に入力する。図２は、コア５の移動に伴う差動トランス１の出力波形の変化を示す。検波回路７では、検波範囲の波形を平準化して平均値をＡＤコンバータでサンプリングする。

差動トランス１などは、一般的には、「接触式変位測定ヘッド」と呼ばれる測定機器１０に組み込まれ、また、発振回路４や検波回路７などは「アンプ」などと呼ばれる機器１１に組み込まれて、これらの機器１０、１１によって接触式変位測定器が構成され、接触式変位測定ヘッド１０とアンプ１１とは配線１２〜１４を介して接続される。

図３は、各信号のタイムチャートを示す。同図に示す波形は、上から順に、(1)発振回路４の周期性信号つまり矩形波、(2)配線１２を通じたアンプ出力波形（他方の配線１３を通じたアンプ出力波形は図示を省略してある）、(3)接触式変位測定ヘッド１０の出力波形、(4)検波回路７に入る直前の波形、(5)検波タイミングつまりスイッチ６に対するＯＮ／ＯＦＦ制御信号を示す。

この図３の(2)波形に見られる遅れ時間ｔ_１は、アンプ１０の送信回路での遅れである。(3)波形に見られる遅れ時間ｔ_２は、接触式変位測定ヘッド１０での遅れである。(4)波形に見られる遅れ時間ｔ_３は、アンプ１１での受信回路での遅れである。遅れ時間ｔ１〜ｔ３は接触式変位測定ヘッド１０及びアンプ１１の回路構成に伴う遅れであり、アンプ１０の出力、接触式変位測定ヘッド１０の出力、スイッチ６をＯＮする検波タイミングの各々は発振回路４の周期性信号（矩形波）によって規定されることから、遅れ時間ｔ１〜ｔ３を無視すれば、アンプ１０の出力、接触式変位測定ヘッド１０の出力、スイッチ６をＯＮする検波タイミングは、事実上、同期している。なお、図１は、遅れ時間ｔ１〜ｔ３を無視したときの従来の回路の概要を示すものであるが、実際の回路には、発振回路４とスイッチ６との間に遅延回路が設けられて、この遅延回路によって上述した遅れ時間ｔ１〜ｔ３を加味したタイミングでスイッチ６のオン／オフ制御が行われるようになっている。

ところで、接触式変位測定ヘッド１０が設置される環境の温度によって、接触式変位測定ヘッド１０の出力波形の振幅と位相が変化して、これが計測誤差となることが知られており、このため、温度特性による計測誤差を回避するのに、温度センサで雰囲気温度を検知して、検波タイミングなどを補正する手段が必要となっていた。
特開平６−７４７０５号公報特開平７−３１８３０３号公報特開平８−２７８１０４号公報

本発明の目的は、温度センサ無しで温度特性に関する誤差を実用上除去できる接触式変位測定器を提供することにある。

本発明は、検波タイミングを意図的に変位させることで温度特性による計測誤差を事実上除去できるのでは、との仮説に基づいて本発明を案出するに至ったものである。

すなわち、本発明にあっては、上述した技術的課題を達成するために、
対象物に接触することにより変位する接触子を有し、該接触子の変位を電気量に変換した後に検波回路で計測する接触式変位測定器において、
前記検波回路に取り込む検波タイミングを規定するスイッチと、
前記検波タイミングを制御する検波タイミング制御手段とを有し、
該検波タイミング制御手段は、雰囲気温度に関連した計測誤差を補償することのできる所定の正又は負のオフセットタイミングで前記スイッチを制御することを特徴とする。

本発明の好ましい実施例を説明する前に、本発明の理解を深めるために、本発明の課題解決のための基本的なアプローチを説明する。

下記の式は、０°＋φ〜１８０°＋φを検波範囲とし、温度変化による位相の遅れをΔθとすると、検波結果の温度特性（計測誤差の傾向）は次の式１で表すことができる。

上記式１をΔθ及びφの正負によって整理すると次の通りになる。
Δθ（正） Δθ（負）
φ（正）＋ −
φ（負） − ＋

上記の表に関し、図４、図５を参照して具体的な波形を説明する。これら図４、図５に実線で示す波形を基準として、雰囲気温度の影響で、破線で示すように波形が遅れる（Δθ＞０）を例示してある。

図４は、検波タイミングを遅らせた場合（位相φ＞０）を例示しており、この図４から分かるように、増加分が減少分よりも大きく、従ってプラス方向に計測誤差が出ることになる。

図５は、検波タイミングを進めた場合（位相φ＜０）を例示しており、この図５から分かるように、減少分が増加分よりも大きく、従ってマイナス方向に計測誤差が出ることになる。

以上の結果によれば、オフセット検波タイミング（位相φ）の設定によって、雰囲気温度の影響に伴う計測誤差を任意の方向にすることが可能であり、また、オフセット検波タイミング（位相φ）を選定することで、雰囲気温度の影響を調整することも可能であることが分かる。

例えば、Δθ（正）の特定を有する測定ヘッドでは、雰囲気温度の影響により波形の振幅が増大（正）する場合には、φを負に設定し、逆に、雰囲気温度の影響により波形の振幅が減少（負）する場合には、φを正に設定すればよい。この関係を下記の表に示す。

Δθ（正） Δθ（負）
振幅（正） φ＜０ φ＞０
振幅（負） φ＞０ φ＜０

図６〜図８は、タイプＡ、タイプＢ、タイプＣの３種類の接触式変位測定ヘッドを用意し、これらを１０℃、２５℃、４０℃の雰囲気温度の下で、検波タイミングをずらして（位相φを付与）その温度特性を調べた実験結果を示し、図６はタイプＡに関する温度特性であり、図７はタイプＢに関する温度特性であり、図７はタイプＣに関する温度特性である。

図６〜図８の実験結果から、タイプＡであれば位相φ＝約−８°、タイプＢであれば位相φ＝約７°、タイプＣであれば位相φ＝約１７°に設定すれば、雰囲気温度１０〜４０℃の実用範囲で、温度変化に伴う計測誤差をほぼゼロにすることができることを示している。

図９は、実施例の接触式変位測定器の具体的な構成を示す。ここに、図９に示す要素には、図１を参照した従来の接触式変位測定器と同様の要素には同一の参照符号を付してあり、また、ポイントＡ〜Ｈでの波形を図１０に示してある。

実施例の接触式変位測定器１００は、物理的に分離したアンプ１０１と、接触式変位測定ヘッド１０２とを有し、アンプ１０１はタイプの異なる測定ヘッド１０２に対応するように構成されている。

発振回路（タイマ）を含むＣＰＵ４は、タイマ出力により４０kHzのＰＷＭの矩形波（図１０の（Ａ）を参照）を出力する。第１トグル２０は、４０kHzを分収して２０kHzのDuty５０％の矩形波を生成して、これを出力する（（図１０の（Ａ）を参照））。第１フィルタ２１はＬＰＦで構成され、第１トグル２０から供給された矩形波からsin波を生成して出力し、アンプ１０１から配線１２及び１３を通じて逆位相のsin波を測定ヘッド１０２に供給する。図１０の（Ｃ）は配線１２を通じて測定ヘッド１０２の一次コイル２に供給するsin波を示す。

測定ヘッド１０２の出力は配線１４を通じてアンプ１０１に取り込まれるが、測定ヘッド１０２の種類によって測定ヘッド１０２の出力波形の振幅が異なるため、測定ヘッド別のゲイン選択回路２３によって、ゲインの切換が行われる。このゲインの切換は、ＣＰＵ４から４chの制御によって１６段階のゲイン切換が可能である。

検波範囲を規定するアナログスイッチ６は、第２トグル２４の出力信号によって制御される。第２トグル２４は、ＰＷＭ制御により第１トグル２０の出力よりも遅延した矩形波を出力する。

図１０の（Ｅ）は検波直前つまりアナログスイッチ６に入力される波形を示し、（Ｆ）は第２トグル２４が出力する矩形波つまりアナログスイッチ６のＯＮ/ＯＦＦタイミングを示す。アナログスイッチ６の出力（図１０の（Ｇ））は、検波回路７に入力され、第２フィルタ２５で平滑化（図１０の（Ｈ））した後、１６bitのＡＤコンバータ２６で２０kHzで波形に同期してサンプリングが行われる。

接触式変位測定ヘッド１０２は、例えばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ３０を有し、このメモリ３０は、当該測定ヘッド１０２での遅れ時間ｔ_２、温度特性に関連した遅れ時間ｔ_０が記憶されている。

また、アンプ１０１は、例えばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ３１を有し、このメモリ３１には、アンプの送信回路での遅れ時間ｔ_１、アンプ受信回路での遅れ時間ｔ_３などが記憶されている。

接触式変位測定ヘッド１０２をアンプ１０１に接続すると、アンプ１０１は、接触式変位測定ヘッド１０２のメモリ３０のデータを取り込んで、第２トグル２４の遅延時間を設定して、第２トグル２４と共同してスイッチ６のＯＮ/ＯＦＦタイミングつまり検波タイミングを制御する。

この第２トグル２４の遅延時間には、アンプ１０１の送信回路での遅れ時間ｔ_１、接続された測定ヘッド１０２での遅れ時間ｔ_２などの他に、温度特性に関するオフセット検波タイミング（時間ｔ_０：この時間ｔ_０は正の場合と負の場合とが有る）を含む。

温度特性に関するオフセット検波タイミングの時間ｔ_０は、前述したように、実験により接触式変位測定ヘッド１０２のタイプ毎に最適な所定の位相φに基づいて決定すればよい。

以上、実施例の接触式変位測定器１００を説明したが、アンプ１０１が特定の接触式変位測定ヘッド１０２だけの専用器の場合には、アンプ１０１のメモリ３１に所定の位相φを記憶させておいて、このφに基づく正又は負の遅延時間ｔ_０を加味した検波タイミングを設定することができる。

また、アンプ１０１のメモリ３１に、アンプ１０１に適用可能な各種の接触式変位測定ヘッド１０２の温度特性に関する位相φ又は遅延時間ｔ_０を全て記憶させておき、アンプ１０１に接続する接触式変位測定ヘッド１０２のタイプをユーザが指定することで、これに対応するφ又はｔ_０を設定するようにしてもよい。

また、アンプ１０１に、温度特性に関する検波タイミングの遅延時間ｔ_０として予め所定値を設定しておき、接続する接触式変位測定ヘッド１０２毎に補正して、最適な遅延時間ｔ_０となるようにしてもよい。

従来の接触式変位測定器を単純化して示す全体構成図。コアの変動に伴う差動トランスの出力波形の変化を示す図。従来の接触式変位測定器の検波タイミングを説明するためのタイミングチャート。本発明の理論的なアプローチを具体的に検波タイミングをプラス方向にオフセットした例で説明するための波形図。本発明の理論的なアプローチを具体的に検波タイミングをマイナス方向にオフセットした例で説明するための波形図。タイプＡの接触式変位測定ヘッドの温度特性の実験結果。タイプＢの接触式変位測定ヘッドの温度特性の実験結果。タイプＣの接触式変位測定ヘッドの温度特性の実験結果。実施例の接触式変位測定器の全体構成図。図９に図示のポイントＡ〜Ｈの波形。

符号の説明

１００接触式変位測定器
１０１アンプ
１０２接触式変位測定ヘッド
１差動トランス
２一次コイル
３二次コイル
４ＣＰＵ（発振回路を含む）
５可動コア
６スイッチ
２４第２トグル

Claims

対象物に接触することにより変位する接触子を有し、該接触子の変位を電気量に変換した後に検波回路で計測する接触式変位測定器において、
前記検波回路に取り込む検波タイミングを規定するスイッチと、
前記検波タイミングを制御する検波タイミング制御手段とを有し、
該検波タイミング制御手段は、雰囲気温度に関連した計測誤差を補償することのできる所定の正又は負のオフセットタイミングで前記スイッチを制御することを特徴とする接触式変位測定器。
対象物に接触することにより変位する接触子と、該接触子に連動して変位するコアを有する差動トランスとを含む接触式変位測定ヘッドと、
発振回路の周期性信号に基づいて前記接触式変位測定ヘッドの前記差動トランスの第１、第２のコイルに逆位相のsin波を供給すると共に、前記接触式変位測定ヘッドの前記差動トランスが出力するsin波を受け取って、受け取ったsin波をスイッチによって規定される検波タイミングで検波することにより前記接触子の変位量を計測するアンプとを有する接触式変位測定器において、
前記検波タイミングが、前記発振回路の周期性信号に基づいたタイミングに、前記接触式変位測定ヘッドの雰囲気温度に関連した計測誤差を補償することのできる所定の正又は負のオフセットタイミングを加えたタイミングに設定されていることを特徴とする接触式変位測定器。
前記アンプが種類の異なる複数の接触式変位測定ヘッドに対応可能であり、
前記アンプには、各々の種類の接触式変位測定ヘッドに対応した前記所定の正又は負のオフセットタイミングに関連したデータを記憶したメモリが設けられて、該メモリから読み込んだデータに基づいて、前記アンプに接続した前記接触式変位測定ヘッドに対応した前記所定の正又は負のオフセットタイミングが設定される、請求項２に記載の接触式変位測定器。
前記アンプが種類の異なる複数の接触式変位測定ヘッドに対応可能であり、
前記接触式変位測定ヘッドには、該接触式変位測定ヘッドに対応した前記所定の正又は負のオフセットタイミングに関連したデータを記憶したメモリが設けられて、前記アンプと前記接触式変位測定ヘッドを接続したときに、前記接触式変位測定ヘッドの前記メモリから読み込んだデータに基づいて、前記アンプに接続した前記接触式変位測定ヘッドに対応した前記所定の正又は負のオフセットタイミングが設定される、請求項２に記載の接触式変位測定器。