JP2543162Y2 - 積分型高増幅度検出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、高分解能の検出装置、
特に増幅器を用いずに微小センサ出力を高レベル化して
処理する積分型高増幅度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の表面状態（粗さ、うねり、形状
等）を検出する表面性状測定機は、スタイラスを用いた
接触型センサ、あるいは光学式あるいは静電容量式の非
接触型センサを使用する。この種のセンサは出力レベル
が極端に低いため、高分解能とするためには相当の増幅
度が必要になる。一般にはこの増幅度を増幅器によって
実現し、増幅された信号を処理回路に入力する。

【０００３】図４は従来の高利得増幅型検出装置の一例
を示すブロック図で、１はセンサである。このセンサ１
は、例えばフルストローク0.5mm 程度の上下変動を電気
信号に変換するスタイラスを使用し、その変動幅の数10
00分の１程度の分解能を達成しようとするものである。
このため、微小なセンサ出力から極力ノイズ成分を除去
するよう後段回路が構成される。図示の例では、ブリッ
ジ回路２により同相成分の雑音を相殺できる回路構成と
している。３はこのための同期整流器、４はブリッジ回
路２および同期整流器３を同期して動作させる発振器で
ある。

【０００４】上述のブリッジ構成によって、ある程度雑
音成分を抑圧して信号成分を強調することができるが、
微小な変化を高分解能で検出する場合は、全く増幅度不
足となることが一般的である。５はこの増幅度を補う高
利得の増幅器である。増幅度に関すれば、同期整流器３
の出力はセンサ出力と大差ないので、このセンサ出力は
増幅器５で初めて本格的に増幅される。この増幅器５の
出力はアナログ信号であるので、これをサンプルホール
ド回路６に入力してサンプリングし、さらにＡＤ（アナ
ログ・デジタル）変換器７でデジタル信号に変換してか
らマイクロコンピュータ８に入力する。このマイクロコ
ンピュータ８は入力信号の時間的な振幅変化から物体表
面の性状を検出するが、性状の中で最も細かい変化を示
す粗さ検出においては、最も高い分解能を必要とする。
この分解能の切換は、増幅器５の増幅度を１０倍、１０
０倍のように切換えることで実現する。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】図４のように高利得増
幅器を用いる方式では、増幅器前段までの回路や増幅器
自体が発生する電子回路雑音（熱雑音や散弾雑音等）の
影響を無視できない。これらはセンサ出力と同時に増幅
されるため、所定の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を確保し
ようとすると増幅度に限界が生じ、このために高分解能
検出が妨害される。即ち、増幅後の雑音レベルをＡＤ変
換器７の最小分解能以下に抑える必要があり、このため
に高分解能のＡＤ変換器を使用することができない。こ
の点を信号処理によって改善する１つの方法は、平均化
によるスパイク状雑音の除去である。これはサンプルホ
ールド回路６において何回もサンプリングを繰り返し、
そのサンプリングデータをマイクロコンピュータ８で平
均化する方法である。ところが、この方法を効果的にす
るには、高速変換可能なＡＤ変換器を使用しなければな
らず、高価になる欠点がある。

【０００６】本考案は、微小なセンサ出力を積分するこ
とにより、信号対雑音比の低下要因となる電子回路雑音
を低減させ、高レベルのセンサ信号を得ることができる
ようにすることを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本考案では、微小出力を生じるセンサと、このセンサの
出力を一定の周期で繰り返し積分する積分器と、この積
分器のリセット直後に残留している積分出力値を初期値
として保持する初期値保持回路と、前記積分器の出力か
ら前記保持回路の出力を減算する減算回路と、この減算
回路の出力を前記センサの平均出力として処理する処理
器とを備えてなることを第１の特徴としている。 また、
本考案は、微小出力を生じるセンサと、このセンサの出
力を一定の周期で繰り返し積分する積分器と、この積分
器の出力が所定のレベルに達するまでの時間を検出する
積分時間検出回路と、この検出回路からの積分時間と前
記積分器の出力とを入力し、前記積分器への低レベル信
号入力時には前記積分器の出力を前記センサの平均出力
として処理し、前記積分器への高レベル信号入力時には
前記積分時間を参照して前記積分器の出力を前記センサ
の平均出力として処理する処理器とを備えてなることを
第２の特徴としている。

【０００８】

【作用】微小なセンサ出力を一定時間積分すると、その
積分出力は高レベルになる。従って、高分解能の検出動
作が可能になる。しかも、この高レベル化に際しては正
負の電子回路雑音が積分によってキャンセルされるの
で、電子回路雑音が増幅されることがなく、良好な信号
対雑音比で信号処理することができる。また、積分出力
の時間平均は、その時間内のセンサ出力の平均レベルと
なるので、これで処理器側の複雑な平均化処理およびサ
ンプルホールド回路を省略することができる。本考案の
第１の積分型高増幅度検出装置によれば、積分器の初期
化が不十分でも良いため、データサンプリングの高速化
を図ることができる。また、アナログ回路による積分で
は、積分器の初期化が不十分でも良いことから、急激な
コンデンサ放電を行わなくとも済む。このため、積分コ
ンデンサの劣化を防止でき、信頼性の高い検出装置とす
ることができる。 本考案の第２の積分型高増幅度検出装
置によれば、雑音に強く、ダイナミックレンジの広い検
出装置になる。また、低レベルの入力時のみＡＤ変換結
果を測定データとするため、ＡＤ変換器のダイナミック
レンジは狭くても良く、従って低価格のＡＤ変換器で済
む。なお、ＡＤ変換器を使用せず、積分時間だけから測
定データを得る方法もあるが、この方法に比べると本考
案の方法はデータ収集時間が短くて済むため、高速でデ
ータ収集する場合に適している。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本考案の実施例を説明
する。図１は、本考案を理解するための参考例を示すブ
ロック図である。同図において、１はセンサ、２はブリ
ッジ回路、３は同期整流器、４は発振器、７はＡＤ変換
器、８はマイクロコンピュータ、１０は積分器である。
本例の構成は、図４の増幅器５およびサンプルホールド
回路６の部分を省略し、代わりに積分器１０を用いたも
のである。この積分器１０は同期整流器３の出力を周期
的に積分する。即ち、一定時間毎にリセットしながら積
分を繰り返す。ＡＤ変換器７はこの積分出力（アナログ
値）を一定周期でデジタル値に変換し、マイクロコンピ
ュータ８に入力する。マイクロコンピュータ８は、ＡＤ
変換器７の出力を所定の積分時間で割り算するだけで、
センサ１の出力の平均値を求めることができる。

【００１０】本例の積分型高増幅度検出装置には以下の
ような利点がある。 a)特別な回路を使用しなくとも、検出装置の高分解能化
を実現できる。 b)検出器出力（同期整流器出力）を連続的に積分するた
め、短時間でデータサンプリングができる。 c)１回のデータサンプリングについて１回のＡＤ変換で
済むため、低速のＡＤ変換器で対処でき、検出装置を低
価格化できる。 d)ＡＤ変換時には、検出器出力の積分を停止させれば積
分値を保持できるため、データ保持に必要なサンプルホ
ールド回路を省略でき、検出装置を低価格化できる。

【００１１】図２は、本考案の第１の実施例を示すブロ
ック図である。本例は図１の構成に初期値データサンプ
ル値ホールド回路１１および減算回路１２を追加したも
のである。これは積分器１０の初期化を適切に行おうと
するためである。即ち、積分器１０は抵抗とコンデンサ
を組み合わせて構成され、更にリセット用にコンデンサ
の両端をショートするスイッチを使用する。そして、リ
セット時に前記のスイッチをオンにしてコンデンサの両
端をショートすると、一般的にはコンデンサの電荷は全
て放電されて積分出力はゼロになると考えられる。しか
しながら、実際にはコンデンサが内部抵抗やインダクタ
ンス成分を有するため、完全に積分出力をゼロにするよ
うなリセットは期待できない。また、このような時定数
があると放電に時間がかかるため、短いＡＤ変換周期に
対応して短時間内に低レベルまで放電することも難し
い。

【００１２】そこで、この実施例ではリセット時に残留
している積分出力を初期値としてホールド回路１１に記
憶し、減算回路１２では積分出力からこの初期値を減算
するようにする。このようにすれば、リセット時に積分
器１０内のコンデンサが完全に放電される必要は全くな
くなる。このような初期値データの保存は、初期化済積
分出力のＡＤ変換値（デジタル値）、あるいは上述した
ような初期化済積分出力（アナログ値）そのものに対し
て行う。このような第１の実施例によると、次のような
利点がある。a)積分器の初期化が不十分でも良いため、
データサンプリングの高速化を図ることができる。b)ア
ナログ回路による積分では、積分器の初期化が不十分で
も良いことから、急激なコンデンサ放電を行わなくとも
済む。このため、積分コンデンサの劣化を防止でき、信
頼性の高い検出装置とすることができる。

【００１３】図３は、本考案の第２の実施例を示すブロ
ックである。この実施例は図１の構成に、比較器１３お
よび計数器１４を加えたものである。比較器１３は積分
器１０の出力を予め設定された積分リミット値と比較
し、積分出力が積分リミット値に達すると一致信号を出
力する。計数器１４は比較器１３が一致信号を出力する
時間間隔を計数し、その計数値をマイクロコンピュータ
８に入力する。マイクロコンピュータ８はＡＤ変換器７
の出力（センサ出力の積分値）と計数器１４の出力（積
分時間）とを入力としてセンサ出力の平均値を算出す
る。この演算は積分値を積分時間で割るだけのものであ
るが、積分時間がセンサ出力のレベルに応じて変化する
（レベルが高いほど積分時間は短くなる）ため、積分器
の時定数の設定に気を使う必要がない。

【００１４】つまり、ダイナミックレンジを拡大するた
めに、積分時定数を大きく設定すると、小入力時に高レ
ベルになるまでに時間がかかり、微小な時間間隔でデー
タサンプリングを行うことができなくなる。逆に、積分
時定数を小さく設定すると、大入力時に飽和してしまう
ため、正確な平均値計算をすることができない問題があ
る。これに対し、この実施例のように積分時間を併用す
ると、積分時定数を中間的な値に設定しておくだけでダ
イナミックレンジを拡大することができ、しかも大入力
に対しても飽和時点の積分時間が判明しているため、正
確な平均値計算をすることができる。更に、この実施例
の構成によると、任意の校正データによって積分値およ
び積分時間の測定を行い、両データが一致するように時
間変換係数又は積分時間を調整する機能を付加すること
ができる。

【００１５】この第２の実施例によると次の利点があ
る。 a)雑音に強く、ダイナミックレンジの広い検出装置にな
る。 b)低レベルの入力時のみＡＤ変換結果を測定データとす
るため、ＡＤ変換器のダイナミックレンジは狭くても良
く、従って図１の検出装置に比べて低価格のＡＤ変換器
で済む。 c)ＡＤ変換器を使用せず、積分時間だけから測定データ
を得る方法もあるが、この方法に比べると本例の方法は
データ収集時間が短くて済むため、高速でデータ収集す
る場合に適している。

【００１６】

【考案の効果】以上述べたように本考案によれば、微小
なセンサ出力を対象として信号処理する装置において、
信号対雑音比の低下要因となる増幅器を用いることな
く、高レベルのセンサ信号を得ることができる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案を理解するための参考例を示すブロッ
ク図である。

【図２】 本考案の第１の実施例を示すブロック図であ
る。

【図３】 本考案の第２の実施例を示すブロック図であ
る。

【図４】 従来の高利得増幅型検出装置のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１…センサ、２…ブリッジ回路、３…同期整流器、４…
発振器、７…ＡＤ変換器、８…マイクロコンピュータ、
１０…積分器、１１…初期化データサンプル値ホールド
回路、１２…減算回路、１３…比較器、１４…計数器。

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 微小出力を生じるセンサと、 このセンサの出力を一定の周期で繰り返し積分する積分
   器と、 この積分器のリセット直後に残留している積分出力値を
   初期値として保持する初期値保持回路と、 前記積分器の出力から前記保持回路の出力を減算する減
   算回路と、 この減算回路の出力を前記センサの平均出力として処理
   する処理器とを備えてなることを特徴とする積分型高増
   幅度検出装置。
2. 【請求項２】 微小出力を生じるセンサと、 このセンサの出力を一定の周期で繰り返し積分する積分
   器と、 この積分器の出力が所定のレベルに達するまでの時間を
   検出する積分時間検出回路と、 この検出回路からの積分時間と前記積分器の出力とを入
   力し、前記積分器への低レベル信号入力時には前記積分
   器の出力を前記センサの平均出力として処理し、前記積
   分器への高レベル信号入力時には前記積分時間を参照し
   て前記積分器の出力を前記センサの平均出力として処理
   する処理器とを備えてなることを特徴とする積分型高増
   幅度検出装置。