JP2009276238A - センサ信号検知回路 - Google Patents

Abstract

【課題】誤検出の虞を少なくしたセンサ信号検出装置を提供する。
【解決手段】ローパスフィルタ２１は、高周波のノイズ成分Ｓ２及び直流レベル変動成分Ｓ３を遮断し、直流オフセット分Ｓ０及び低周波の状態変動成分Ｓ１を通過させる。変換回路２２は、信号Ｒ１＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）（Ｋは定数）を出力する。選択回路２３は、トリガ信号ＴＧに従い、信号Ｒ１（＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１））、又は変換回路２５から得られる信号Ｒ２のいずれか一方を基準信号Ｒとして選択する。比較回路２４は、信号Ｓと基準信号Ｒとを比較し、Ｓ＜Ｒとなったらトリガ信号ＴＧを立ち上げ、Ｓ＞Ｒとなったらトリガ信号ＴＧを立ち下げる。変換回路２５は、時刻ｔ１でトリガ信号ＴＧの立ち上がりを検知した場合、その時刻ｔ１での基準信号Ｒのサンプリング値Ｒｔ１を比較回路２４から取り込み、係数ｍを乗算した信号Ｒ２＝ｍ・Ｒｔ１を出力する。
【選択図】図２

Description

この発明は、センサ信号検知回路に関し、より詳しくは、直流センサ信号から急激な直流レベル変動成分を検知するセンサ信号検知回路に係る。

従来より、被測定物の形状や寸法の測定を行う測定機として、ハイトゲージ、三次元測定機、輪郭測定機等が知られている。これらのうち接触式の測定機では、被測定物との接触を検出するタッチ信号プローブが用いられる。タッチ信号プローブの接触センサ機構には種々のものがあるが、そのひとつに、超音波タッチトリガプローブがある。これは、圧電素子を用いてスタイラスに振動を与え、その振幅や周波数の変化をモニタする方式である（例えば、特許文献１参照）。

この圧電素子を用いた接触センサ方式では、圧電素子は正帰還制御によって共振状態で励振されて、圧電素子の検出電極から得られる検出出力信号は正弦波状信号となる。この正弦波状信号は、接触子が被測定物に接触することにより振幅や周波数が変化する。従って例えば振幅情報によって接触を検出するには、得られた正弦波状信号から振幅情報のみを検波抽出した直流センサ信号を得て、この直流センサ信号の接触による急激な直流レベル変動点でタッチトリガ信号を生成する振幅変化検知回路が用いられる。具体的には例えば、直流センサ信号Ｓを一定の基準電位ＶＲＥＦと比較して、タッチトリガ信号を生成している。

しかしながら、一定の基準電位ＶＲＥＦを利用した場合、誤検出が問題となる。すなわち、直流センサ信号Ｓは、多くの場合、直流オフセット分にうねり等によるゆっくりした振幅変化を示す低周波の状態変動成分と高周波のノイズ成分が重畳されている。従って、基準電位ＶＲＥＦの設定によっては、センサ信号Ｓの急激な直流レベル変化点で生成されるタッチトリガ信号と別に、低周波の状態変動成分と高周波ノイズとが重なり、これらが大きな検出誤差の原因となってしまう。

この問題の解決のため、上述の直流センサ信号と低周波の状態変動成分をローパスフィルタを用いて抽出し、この低周波の状態変動成分を含む直流センサ信号を振幅変換した信号を基準信号として用いる技術も、特許文献２により提案されている。

しかしながら、特許文献２の技術では、例えばタッチ信号プローブが被測定物に接触されたままの状態が継続された場合などにおいて、プローブが被測定物に接触され続けているにも拘わらず、プローブが被測定物から離れたと誤検出する虞があった。
特開平６−２２１８０６号公報 特開平１０−１１１１４３号公報

本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、誤検出の虞を少なくしたセンサ信号検出装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るセンサ信号検知回路は、検出すべき物理量の変化に基づく直流レベル変動成分に低周波の状態変動成分と高周波のノイズ成分とが重畳された直流センサ信号の変化を検出するセンサ信号検知回路において、基準信号及び前記直流センサ信号をサンプリングしてそれぞれ第１サンプリング信号及び第２サンプリング信号を得て、この第１サンプリング信号及び第２サンプリング信号を比較して比較信号を出力する比較部と、前記直流センサ信号を入力して前記高周波のノイズ成分と前記直流レベル変動成分を遮断して前記低周波の状態変動成分を通過させるローパスフィルタと、このローパスフィルタの出力信号の振幅を一定比率で振幅変換して第１基準信号を生成する第１基準信号生成部と、前記比較信号が出力された場合において、前記第１又は第２サンプリング信号に基づき第２基準信号を生成する第２基準信号生成部と、前記第１基準信号又は前記第２基準信号のいずれか一方を前記基準信号として選択して前記比較部回路に入力させる選択部と備えたことを特徴とする。

この発明によれば、誤検出の虞を少なくしたセンサ信号検出装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、この発明を適用された接触センサの構成例を示す。スタイラス１は、先端に球状の接触子３を有している。また、スタイラス１の後端にはスタイラス１の姿勢を維持するためのバランサ４が設けられている。また、スタイラス１はスタイラスホルダ２により軸方向の略中央部を保持されている。

スタイラス１の略中央部にはスタイラス１に振動を与える圧電素子５が取り付けられている。圧電素子５は、スタイラス１に振動を与えるための加振電極６ａと、接触子３の接触を検知するための検出電極６ｂを備えている。この加振電極６ａには、駆動回路９から駆動信号が与えられる。

検出電極６ｂにおいて得られる機械−電気変換出力信号は、検知回路７により検知される。検知回路７の出力信号は駆動回路９に正帰還され、この帰還制御により圧電素子５は所定の共振周波数で励振されるようになっている。

検知回路７から出力される検出出力信号は、接触子３が被測定物に接触することにより振幅が減少する正弦波状信号である。振幅抽出回路８は、この検知回路７の検出出力信号を検波して直流センサ信号Ｓを出力する。振幅抽出回路８は具体的には例えば、全波整流回路とローパスフィルタによって構成される。

接触検知回路１０は、この直流センサ信号Ｓから、接触子３の接触によって急減に減少する直流レベル変動成分Ｓ３の変化を検出して、トリガ信号ＴＧ（比較信号）を生成する。

次に、この接触検知回路１０の構成の詳細を図２を参照して説明する。接触検知回路１０は、図２に示すように、直流センサ信号Ｓを入力するローパスフィルタ２１と、このローパスフィルタ２１の出力信号に一定係数Ｋを乗算してレベルを変換する変換回路２２（第１基準信号生成部）とを備えている。

ローパスフィルタ２１に入力される直流センサ信号Ｓは、直流オフセット分Ｓ０と、低周波の状態変動成分Ｓ１（温度変化や経時変化による変動分）と、高周波のノイズ成分Ｓ２と、接触子３の接触により検出される信号成分である直流レベル変動成分Ｓ３を含んでいる（Ｓ＝Ｓ０＋Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３）。

ローパスフィルタ２１は、この直流センサ信号Ｓの各成分のうち、高周波のノイズ成分Ｓ２及び直流レベル変動成分Ｓ３を遮断し、直流オフセット分Ｓ０及び低周波の状態変動成分Ｓ１のみ（Ｓ０＋Ｓ１）を通過させる。変換回路２２は、この出力信号（Ｓ０＋Ｓ１）に係数Ｋ（１より小さい正の値）を乗算した信号Ｒ１＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）（第１基準信号）を出力する。この信号Ｒ１は、後述する基準信号Ｒとして選択的に用いられる。

なお、このＫの値は、高周波のノイズ成分Ｓ２の振幅の大きさを考慮して決定される。すなわちΔＳ＝（１−Ｋ）（Ｓ０＋Ｓ１）の大きさを、高周波のノイズ成分Ｓ２の最大振幅｜Ｓ２｜よりも大きくすることにより、高周波のノイズ成分Ｓ２に影響されることなく、高精度の接触検出が可能となる。ただし、係数Ｋを余り小さく設定すると、タッチトリガ信号ＴＧの発生時刻が、実際の接触子３の接触時刻と異なってきてしまうので、係数Ｋは、高周波のノイズ成分Ｓ２の影響を受けない範囲において可能な限り大きい値とするのが望ましい。

また、接触検知回路１０は、選択回路２３、比較回路２４、及び変換回路２５を備えている。

選択回路２３（選択部）は、トリガ信号ＴＧに従い、変換回路２２から得られる信号Ｒ１（＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１））、又は後述する変換回路２５から得られる信号Ｒ２のいずれか一方を基準信号Ｒとして選択する。具体的には、トリガ信号ＴＧが立ち上がっている間は、信号Ｒ２を基準信号Ｒとして選択し、トリガ信号ＴＧが立ち下がっている間は信号Ｒ１を基準信号Ｒとして選択する。信号Ｒ２は、後述するように固定の値である。

比較回路２４（比較部）は、直流センサ信号Ｓと基準信号Ｒとを所定のタイミングでそれぞれサンプリングして、第１サンプリング信号Ｓｓａｍｐ、第２サンプリング信号Ｒｓａｍｐを取得した後、このサンプリング信号を比較し、Ｓｓａｍｐ＜Ｒｓａｍｐとなった場合においてトリガ信号ＴＧを立ち上げ、逆にＳｓａｍｐ≧Ｒｓａｍｐとなった場合においてトリガ信号ＴＧを立ち下げる機能を有している。

変換回路２５（第２基準信号生成部）は、ある時刻ｔ１においてトリガ信号ＴＧの立ち上がりを検知した場合、その時刻ｔ１におけるサンプリング信号Ｓｓａｍｐ又はＲｓａｍｐのサンプリング値Ｒｔ１を比較回路２４から取り込んで、これに係数ｍを乗算した信号Ｒ２＝ｍ・Ｒｔ１（第２基準信号）を出力する。この信号Ｒ２は、選択的に基準信号Ｒとして用いられる。ここで、係数ｍは１よりも大きい定数であり、高周波のノイズ成分Ｓ２の振幅の大きさを考慮して決定される。すなわち、信号Ｒ２は固定値（一定値）である。

この実施の形態における接触検知回路１０の動作を図３を参照しながら説明する。ここでは、初期状態においてスタイラス１の接触子３は被測定物（図示せず）から離れており（非接触状態）、その後接触子３が被測定物に接触し、その接触状態がしばらく維持された後、再び接触子３が被測定物から離れる（非接触状態に移行する）場合を例にとって説明する。

この場合において、直流センサ信号Ｓがローパスフィルタ２１に入力されると、高周波のノイズ成分Ｓ２及び過渡的な直流レベル変動成分Ｓ３が遮断され、直流オフセット分Ｓ０と低周波の状態変動成分Ｓ１のみの信号（Ｓ０＋Ｓ１）がローパスフィルタ２１から出力される。変換回路２２は、この出力信号（Ｓ０＋Ｓ１）に係数Ｋを乗算し、信号Ｒ１＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）を出力する。

選択回路２３は、トリガ信号ＴＧが立ち下がっている間は、この信号Ｒ１を基準信号Ｒとして選択する。この基準信号Ｒ（＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１））が比較回路２４において直流センサ信号Ｓ（上述のように、いずれもサンプリング値）と比較される。時刻ｔ１においてＳ＜Ｒとなったことが検知された場合、比較回路２４はトリガ信号ＴＧを立ち上げる。

変換回路２５は、このトリガ信号ＴＧの立ち上がりを検知した場合に、比較回路２４に対し、その時刻ｔ１におけるサンプリング値Ｒｔ１を送信するよう要求する。比較回路２４は、この要求を受けて、自信が有するラッチ回路（図示せず）からそのサンプリング値Ｒｔ１を読み出して変換回路２５に向けて出力する。変換回路２５は、このサンプリング値Ｒｔ１に係数ｍを乗算して、信号Ｒ２＝ｍ・Ｒｔ１を生成する。

選択回路２３は、トリガ信号ＴＧが立ち上がった時刻ｔ１において、信号Ｒ１の代わりに信号Ｒ２を基準信号Ｒとして選択する。すなわち、基準信号Ｒが、時刻ｔ１を境にして、直流センサ信号Ｓ由来の変動値から、固定値に切り替わる。なお、基準信号Ｒを信号Ｒ１からＲ２に切り換えるタイミングは、時刻ｔ１ではなく、時刻ｔ１の後所定のタイムラグの後であってもよい。

その後暫くの間接触子３が被測定物に接触された状態が継続された後、時刻ｔ２において接触子３が被測定物から離れると、Ｒ＜Ｓとなったことが比較回路２４により検知され、トリガ信号ＴＧが立ち下がる。選択回路２３は、トリガ信号ＴＧが立ち下がった時刻ｔ２において、信号Ｒ２の代わりに信号Ｒ１を基準信号Ｒとして再度選択する。すなわち、基準信号Ｒが、時刻ｔ２を境にして、固定値から、直流センサ信号Ｓ由来の変動値に切り替わる。なお、基準信号Ｒを信号Ｒ２からＲ１に切り換えるタイミングは、時刻ｔ２ではなく、時刻ｔ２の後所定のタイムラグの後であってもよい。 このように、本実施の形態では、トリガ信号ＴＧの立ち上がり期間（接触子３が接触中のとき）は、基準信号Ｒとして上述の固定値である信号Ｒ２を用い、トリガ信号ＴＧの立ち下がり期間（接触子３が非接触のとき）は、基準信号Ｒとして、直流センサ信号Ｓ由来の変動成分Ｒ１を用いる。このように基準信号Ｒを切り替えることにより、固定値に基準信号Ｒを固定した場合、及び変動成分Ｒ１を基準信号Ｒとして使用し続ける場合に比べ、接触子３の接触・非接触を正確に判定することが可能になる。上記の図３に示した例では、接触子３が被測定物に非接触の状態から接触状態に移行した後、暫くの間接触状態が継続され、その後再び非接触状態に戻る場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではないことは言うまでもない。例えば、接触子３が接触状態から非接触状態に戻らず、接触状態が長期間維持されるような場合においても、本発明は適用可能である。

比較のため、基準信号Ｒを終始固定値ＶＲＥＦに固定した場合の問題点を説明する。

直流センサ信号Ｓは、上述のように、低周波の状態変動成分Ｓ１と、高周波のノイズ成分Ｓ２とを含んでいる。このため、図４に示すように、基準信号Ｒを固定値ＶＲＥＦとし、この値ＶＲＥＦが大きすぎた場合には、低周波の状態変動成分Ｓ１と高周波のノイズ成分Ｓ２とが重畳された最悪の状態において、信号Ｓが基準信号Ｒを下回ることが生じ得る（図４参照）。この場合、接触子３が被測定物に接触していないにも拘わらず接触したと誤検出されてしまう。

一方、基準信号Ｒとして、直流センサ信号Ｓ由来の変動成分Ｒ１＝Ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）を固定的に用いた場合、少なくとも状態変動成分Ｓ１の影響は受けないことになるので、図４のような誤検出は生じない。しかし、この場合には、図５に示すように、接触が検知された時刻ｔ１以降、接触子３が暫くの間被測定物に接触された状態が継続される場合において、変動成分Ｒ１が時刻ｔ３において直流センサ信号Ｓより小さくなることが起こり得る。この場合、接触子３が被測定物に接触され続けているにも拘わらず、トリガ信号ＴＧが立ち下がり誤検出が生じてしまう。

この点、本実施の形態では、接触子３が非接触の状態では変動成分Ｒ１に基づいて基準信号Ｒを生成するので図４のような問題はなく、一方接触子３が接触状態にある場合には一定値の基準信号Ｒを用いるので、図５の問題も生じない。従って、本実施の形態によれば、接触子３が暫くの間被測定物に接触された状態が継続されるような場合であっても、誤検出をすることなく正確な検出を行うことができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態において、各種回路２１〜２５は、ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）によりソフトウエア的に実現してもよい。

また、上記の実施の形態では、超音波タッチトリガプローブを用いた接触センサにおいて、直流センサ信号の振幅を抽出して接触検知を行う例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、直流センサ信号の周波数や位相を検出して、この周波数・位相の変化に基づいて接触を検知するものにも本発明を適用することが可能である。要は、センサ信号中に、低周波の状態変動成分が含まれるセンサであれば、本発明を適用することが可能である。

また、上記の例では接触センサを例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば圧力センサ、加速度センサ等にも適用することが可能である。

また、上記の実施の形態では、接触が検知された場合に、信号成分Ｓ３の振幅が減少する場合を説明したが、これとは逆に、接触が検知された場合に信号成分Ｓ３の振幅等が増加する場合（図６参照）にも、本発明を適用することができる。ただし、この場合には、上記の実施の形態とは逆に、Ｋは１より大きい数とする一方、ｍは１より小さい数とする。

また、上記の実施の形態では、変換回路２５においてサンプリング値Ｒｔ１に係数ｍを乗算して信号Ｒ２＝ｍ・Ｒｔ１を生成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加算（Ｒ２＝Ｒｔ１＋ｎ）、又は乗算及び加算（Ｒ２＝ｍ・Ｒｔ１＋ｎ）によって信号Ｒ２を生成してもよい。要するに、図３の場合には、信号Ｒ２がサンプリング値Ｒｔ１よりも大きい値となればよく、図６の場合には逆に信号Ｒ２がサンプリング値Ｒｔ１よりも小さい値となるようにすればよく、具体的な式には限定されるものではない。

この発明を適用された実施の形態に係る接触センサの構成例を示す。 図１に示す接触検知回路１０の構成例を示すブロック図である。 本実施の形態の動作を示すグラフである。 本発明の効果を説明するための比較例の動作を説明するグラフである。 本発明の効果を説明するための比較例の動作を説明するグラフである。 本発明の変形例を説明するグラフである。

符号の説明

１…スタイラス、２…ホルダ、３…接触子、４…バランサ、５…圧電素子、７…検知回路、８…振幅抽出回路、９…駆動回路、１０…接触検知回路、２１…ローパスフィルタ、２２、２５…変換回路、２３・・・選択回路、２４…比較回路。

Claims (3)

1. 検出すべき物理量の変化に基づく直流レベル変動成分に低周波の状態変動成分と高周波のノイズ成分とが重畳された直流センサ信号の変化を検出するセンサ信号検知回路において、
   基準信号及び前記直流センサ信号をサンプリングしてそれぞれ第１サンプリング信号及び第２サンプリング信号を得て、この第１サンプリング信号及び第２サンプリング信号を比較して比較信号を出力する比較部と、
   前記直流センサ信号を入力して前記高周波のノイズ成分と前記直流レベル変動成分を遮断して前記低周波の状態変動成分を通過させるローパスフィルタと、
   このローパスフィルタの出力信号の振幅を一定比率で振幅変換して第１基準信号を生成する第１基準信号生成部と、
   前記比較信号が出力された場合において、その比較信号が出力された時点での前記第１又は第２サンプリング信号に基づき一定値を有する第２基準信号を生成する第２基準信号生成部と、
   前記第１基準信号又は前記第２基準信号のいずれか一方を前記基準信号として選択して前記比較部に入力させる選択部と
   を備えたことを特徴とするセンサ信号検知回路。
2. 前記選択部は、前記基準信号として前記第１基準信号が選択されている場合において新たな前記第２基準信号が生成された場合において、前記第１基準信号に代えてこの新たな前記第２基準信号を選択し、
   この新たな前記第２基準信号と前記直流センサ信号との前記比較部における比較により新たに前記比較信号が出力された場合には、再度前記第１基準信号を前記基準信号として選択する
   ことを特徴とする請求項１記載のセンサ信号検知回路。
3. 前記第２基準信号は、前記比較信号が出力された時点での前記第１サンプリング信号に所定の係数を乗算及び／又は加算して得られる一定値である請求項１に記載のセンサ信号検知回路。
   

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