JPH03115902A - 度量衡装置およびその校正の方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は度量衡装置に関しかつワークピースの表面特
性を測定するためのそのような装置に特に関連する。

従来的には、このような装置はワークピースの表面を横
切る針と、テクスチャまたは形状等の表面特性に応答す
る針の動きに依存して信号を発生するトランスジューサ
とを含む。表面特性の測定のためのごく最近の入手可能
な装置は、トランスジューサの比較的長い距離の動作を
必要とする、形状の測定とは別の動作においてのみ、高
い分解能を必要とする表面テクスチャを測定することが
可能である。これはワークピースの表面を検知するため
に配列されたごく最近の入手可能な装置が分解能に対し
て比較的距離の低い比率を有していることによる。表面
テクスチャと形状を同時に測定する能力がある装置は商
業的に入手可能ではあるがこれは分解能に関して必要と
される距離の高い比率を提供する干渉計のトランスジュ
ーサを採用し、かつこのようなトランスジューサが高価
格でありかつ、種々の光学エレメントおよびレーザを収
容する必要性により、装置はいくぶんかさばったものと
なる。

比較的低い価格のトランスジューサが入手可能であり、
特に誘導的に動作するトランスジューサが入手可能であ
る。これらトランスジューサはアナログの出力信号を発
生し、それは現代のコンビエータが基本となった装置に
おいて役立つために、デジタル形式へ変換されなければ
ならない。手頃な価格で入手可能な、現在のゲージ回路
は、１０ビット以上の分解能の、現在の高い精度のアナ
ログ・デジタル変換器の使用の理由にはならないであろ
う。これは同時に表面テクスチャと形状を測定すること
を可能にすることを必要とされる距離にわたって十分な
分解能を提供しない。

したがって、アナログ・デジタル変換器に直接接続され
かつ必要とされる距離と分解能を有するデジタル形式へ
トランスジューサの出力を変換し、それにより欠点を有
する現在のゲージ回路への必要性を除去することが可能
なトランスジューサを含む低価格の表面センサ装置への
必要性が存在する。さらに、その装置は表面センサの横
方向の種々の速度で動作することが可能であることが望
ましい。したがって、この必要性を満たすために、アナ
ログ・デジタル変換器が、その周波数がワークピースの
表面にわたってのセンサの横方向の速度およびワークピ
ースの表面特性に依存して変化し得るアナログ入力信号
を正確にデジタル化する能力を有することが必要である
。

可変な出力（この場合には信号の周波数）がＳ型誤差に
よる変位の距離に非直線的に関連するＧＢ／Ａ／２２０
７５１１からの電子ゲージが知られている。これは２次
修正方程式により訂正される。２次方程式の係数は試験
的に決定されると言われているが、これがどの様に行な
われるかについては示されていない。２次方程式の目的
はその距離を延長するというよりはむしろ、その通常の
０ 距離にわたってトランスジューサの精度を改善すること
にあるようである。ＧＢ／Ａ／２２０７５１１に示され
るトランスジューサは針と整列し、直線に移動する鉄心
を有する。このことが針と鉄心が回動点のまわりを回転
するトランスジューサに発生し得る、鉄心のカーブした
動きから生じる誤差を避け、したがってトランスジュー
サの誤差の訂正は比較的簡単である。しかしながら、鉄
心の整列配置の厚みがリングの内側表面等、制限された
アクセスでの表面を測定するためにトランスジューサを
使用することを妨げる。

この発明はこれらの問題を解決することに関する。

１つの局面では、この発明は表面特性を表すアナログ信
号を発生するためのトランスジューサと、トランスジュ
ーサからのアナログ信号を追跡するデジタル出力信号を
発生するために動作可能な追跡ループを含むアナログ・
デジタル変換手段と、追跡ループの非平坦周波数応答を
補償するための補償手段とを含む、度量衡装置のための
表面検知１ 装置を提供する。

もう１つの局面では、この発明は誘導的なトランスジュ
ーサ等の、比較的低価格なトランスジューサを使用して
改善された分解能対距離の比率（ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｒ
ａｎｇｅ　Ｉｎ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）をもたらす度
量衡装置を提供することを狙いとする。好ましくは、こ
れはその距離を強化するためにトランスジューサから発
生する信号に対する補償動作を達成するための手段によ
り達成される。

この発明は例によりさらに記載され、添付の図面を参照
する。

第１図および第２図を参照すると、表面テクスチャまた
は形状を測定するための度量衡装置がそのテクスチャが
測定されるべき表面６を有するワークピース４を支持す
るためのベース２を含む。

垂直の柱８はベース２に固定されその上に水平基準面バ
ー１２が装着される垂直に移動可能なキャリッジ１０を
支持する。さらなるキャリッジ１４がバー１２に沿って
の水平の動きのために装着されかつ針１９を保持する針
のアーム１８を有する１、２ トランスジューサ１６を保持する。キャリッジ１４上に
基準面バー１２に沿ってそこからの水平動作を行なうた
めの第１図に図示されるモータ２０が設けられかつさら
なるモータ２１がキャリッジ１０上にそこから柱８の上
下への垂直の動きを行なうために設けられる。

この装置の動作においては、キャリッジ１０は針１９が
表面６を係合するように垂直の位置に配列される。その
後、モータ２０は標準面１２に沿ってのキャリッジ１４
の水平な動きを引き起こしそれにより針１９が測定され
るべき表面６を横切ることを引き起こすように操作され
る。

第１図に２２で略図で示される、直線の光学格子は、一
連の反射性および非反射性の帯を含み、標準面１２に対
して固定されかつ光源２４からの光は格子２２から反射
しかつキャリッジ１４上に装着された１対の光センサ２
６．２７により検知される。代替的には、格子は一連の
透過性および非透過性の帯で形成されてもよく、センサ
２６．２７は格子を介して伝えられる光を検知するべく
３ 配列される。基準メモリ（図示されていない）はセンサ
２６．２７に関連して設けられてもよい。

キャリッジが基準面バー１２に沿って移動すると、セン
サ２６．２７が正弦状の電気信号をそれぞれ線２８およ
び３０上に与える。センサ２６および２７は線２８およ
び３０上の信号が直角になるように位置決めされる。こ
れら信号はそれらの周波数が４倍され−るようにする補
間器３２へ与えられる。これは本件と同時出願の代理人
番号旺−０２゜０ｂｂ２　　と英国特許出願優先権主張
番号第８９１４４１７．４号に記載される態様で行なわ
れ得る。

この本件との同時出願の出願がここに引用により援用さ
れる。補間器３２は線３４および３６上に結果として得
られる信号を出力しかつそれらを線３４および３６上の
信号の各々における各ゼロ交差点に応答して線３９上に
パルスを出力するゼロ交差検知器３８へ供給する。１つ
の商業的に入手可能なセンサの装置では、格子２２が８
ミクロンのピッチを有していれば、センサ２６．２７か
らの信号は４ミクロンに対応する期間を有する。パ４ ルスはそこで基準面バー１２に沿ってのキャリッジ１４
の動きの０．２５ミクロンごとに線３９上に現れる。

キャリッジ１４が基準面バー１２に沿って移動しかつ針
１９がそれによりワークピース表面６を横切ることにな
ると、針１９が表面６０表面テクスチャおよび形状の特
性に応答して実質的に垂直に移動する。トランスジュー
サ１６は誘導的トランスジューサでありかつこの実質的
に垂直な動きに応答して、アナログ・デジタル変換器４
０によりデジタル化され、かつ線３９上のパルスに応答
するマイクロプロセッサ４２へ与えられる出力信号を発
生し、基準面バー１２に沿ってのキャリッジ１４の動き
の０．２５ミクロンの間隔でトランスジューサ１６から
のデジタル化された信号をサンプルしかつ結果として得
られるサンプルをメモリ４４に記憶する。この装置はモ
ータ２０および２１の制御を含む、装置の包括的全体的
制御を行ない、かつ表面６の表面テクスチャおよび形状
に関する情報を提供するメモリ４４に記憶された信５ 号を処理するためにプログラムされたコンピュータ４６
を含む。キーボード４５がコンピュータ４６へ命令を入
力するために設けられる。表面特性を表す信号はコンピ
ュータ４６により不所望の高周波数雑音をフィルタ処理
してしまうローパスフィルタ４８を介して、ワークピー
スの表面のトレースを作り出すべく動作可能な陰極線管
等の、表示装置４９およびプリンタ５０へ出力される。

表示装置４９およびプリンタ５０はデジタル入力信号を
受信する。代替的には、それらのいずれかまたは双方が
第２図に示されるような光学デジタル・アナログ変換器
を介して与えられるアナログ入力信号を受信し得る。

第３図を参照すると、トランスジューサ１６が針のアー
ム１８の一方の端部に取付けられかつ、針１９がワーク
ピースの表面を横切るとき、針のアーム１８のもう一方
の端部での針１９の動きに応答して矢印５４により示さ
れるいずれかの方向へ移動可能な磁心５２を含む。磁心
５２に磁気的に連結されたコイル５６．５８は６０で中
央にタロ ツブされかつブリッジ回路の２つのアームを形成し、そ
の他の２つのアームは等価な抵抗器６２．６４により構
成される。基準発振器６５は基準発振Ｖｓｉｎｗｔをブ
リッジ回路へ与えかつその配列は鉄心５２が中心位置に
あるとき、コイル５６および５８のインピーダンスが等
しくかつ中央のタップ６０と抵抗器６２と６４の間のさ
らなる中央のタップ６６との間の電圧の差がゼロになる
ようにされる。鉄心５２は１つの方向に変位され、同相
正弦状電圧に’Ｖｓｉｎｗｔは鉄心が移動する距離に依
存する振幅ｋＶ（ｋは０と１の間）を有するタップ６０
と６６との間に現れる。鉄心５２が中央位置から反対方
向に移動するとき、逆の位相の異相電圧ｋＶｓ　ｉ　ｎ
ｗｔ　（ｋは０と−１の間）が、鉄心５２が移動した距
離に依存する振幅−に■でタップ６０と６６との間に現
れる。タップ６０と６６はゲージ信号ｋＶｓｉｎｗｔを
提供するためにアナログ・デジタル変換器４０の入力端
子７０．７２へ接続され、変換器４０はまたさらなる入
力端子７４．７６上で発振器６５からの基準７ 信号ｖｓｉｎｗｔを受けとる。回路４０はマイクロプロ
セッサ４２によりサンプルするためのタップ６０と６６
との間の電圧の振幅を表すデジタル信号φを出力する。

アナログ・デジタル変換器４０は好ましくは１５ビツト
までの、高い分解能の出力信号を提供するべく作動可能
で、かつ第４図に示されるとおりに組み立てられる。

第４図を参照すると、出力信号のデジタル値がアップ・
ダウンカウンタ１００に保持される。ゲージ信号に’Ｖ
ｓｉｎｗｔおよび基準信号Ｖｓｉｎｗｔはそれぞれバッ
ファ増幅器１０２．１０４へ入力され、かつそのバッフ
ァ値は高い精度のマルチプライヤ１０６へ与えられる。

マルチプライヤ１０６はまたカウンタ１００からのデジ
タル出力値φを受取りかつゲージ信号と基準信号にｃｏ
ｓφとｓｉｎφをそれぞれ乗算し、線１０８．１１０上
にｋＶｓ　ｉ　ｎｗｔ、ｃｏ　ｓφとＶｓｉｎｗｔ。

ｓｉｎφの出力をそれぞれ作り出すべく動作可能である
。線１０８．１１０上のこれら信号はそれ８ から誤差増幅器１１２で減算され誤差信号Ｖｅ−Ｖｓ　
ｉｎｗｔ　（ｋｃｏｓφ−５ｉｎφ）を作りだし、それ
は以下の通り表されることが可能で、Ｖｅ　　＝　　Ｖ
　Ｊζ５７′−ｓｉｎｗｔ、ｓｉｎ　（θ−のここでは
、Ｓｉｎθ　＝に／＆可である。

誤差信号Ｖｅは位相感応検知器１１４へ与えられ、そこ
でそれにバッファされた基準信号Ｖｓｉｎｗｔを乗算し
信号Ｖｐｓｄを作りだしそれは以下の式により求められ
、 Ｖｐｓｄ　　＝　　　Ｖ２２．ｓｉｎ２ｗｔ、ｓｉｎ　
　（θ−ｐｓ）それは以下により表されることが可能で
ある。

Ｖｐｓｄ　＝　Ｖ２９．５ｉｎ（θ−旺（１−ｃｏｓ２
ｗｔ）／２この信号はそれからフィルタ１１６によりフ
ィルタ処理され周波数２ｗでの交互の成分を取除き以下
の式により求められる検知器信号Ｖｄを残す。

Ｖｄ　−Ｖ２９５ｉｎ（θ−））／２゜９ 検知器信号Ｖｄは線１２０上の信号によりカウンタ１０
０の上下の方向を制御しかつ線１２２上にカウントパル
スを与える電圧制御発振器（■Ｃ０）１１８のための制
御電圧として使用される。

ＶＣ０１１８はＶｄがゼロより大きいとき、そこで出力
値φが増大され、かつＶｄがゼロより小さいとき、出力
値φが減少されるように配列されかつそのことにより回
路が、５ｉｎ（θ−φ）がゼロに近づくようにＶｄを最
小限にする傾向にある。

デジタル出力値φはカウンタ１００からラッチ１２４お
よびスリー・ステート出力バッファ１２６を介して得ら
れる。

第４図に示されるようなトラッキングＡＣアナログ・デ
ジタル変換装置は商業的に入手可能（たとえば米国マサ
チューセッツ州０２０６２、ノーウッド、私書箱９１０
６、ワン・テクノロジやウェイのアナログ・デバイス（
Ａｎａｌｏｇ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ）から入手可能な品番
ＡＰ１３０４変換器または品番２６５６変換器）が、ト
ラッキングループにおける利得が端子７０．７２に与え
ら０ れるゲージ信号の変調成分の周波数の関数として変化す
るという問題をかかえている。第５図はそのような回路
の典型的な伝達関数Ｈ（θ）＝φ／θを曲線Ａで示す。

表面テクスチャと形状の双方を測定することが可能な度
量衡の装置の要件を満たすために、アナログ・デジタル
変換回路の利得がゼロから約３００ヘルツまでの変調成
分の周波数の範囲に関してプラスまたはマイナス１％の
定値の範囲内にとどまることが大変望ましい。第５図に
見られるように、曲線Ａはこの要件を満たしておらずか
つしたがって、第５図は既知のトラッキングループタイ
プのＡＣアナログ・デジタル変換器がそれ自体、この発
明が特に関連するタイプの度量衡装置の表面センサの配
列における使用にまったく適していないことを示す。第
５図はまた曲線Ｂで、伝達関数Ｆ（θ）＝ψ／θである
ことを示しそれは、事実上理想的である。この発明の好
ましい実施例は曲線Ａの伝達関数を補償するための第３
図に３００で示される、補償手段を含む。

補償手段３００はトラッキング変換器４０からの１ デジタル出力を受けとるマイクロプロセッサ３０２とマ
イクロコンピュータ３０２に連結されたメモリ３０４と
を含む。

動作においては、マイクロコンピュータ３０２は入力と
してトラッキング変換器４０からの一連のデジタル出力
を読出し、これら入力値の予め定められた数をメモリ３
０４に記憶し、出力値ψを計算しかつ出力値の予め定め
られた数をメモリ３０４に記憶し、現在の出力値の計算
は現在および記憶された入力値ならびに記憶された出力
値に依存する。より詳細には、計算は以下の事に基づく
。

トラッキングＡＣアナログ・デジタル変換器の伝達関数
Ｈ（θ）＝φ／θは第６図に以下に認められるように表
される、 ここでは、Ｓはラプラス関数ｊｗであり、Ｔ１およびＴ
２は上記の変換器に関しては、それぞれ２ 典型的には２．４１２ｍ５および０．３４５ｍ５の時定
数であり、かつＫａは上記の変換器では典型的には４５
４８２１　ｓ−２の定数である。

変換器４０に関する所望される伝達関数Ｆ（θ）と補償
手段３００の組合せが、第５図に曲線Ｂで示され、以下
により表され得る、 ここでは、ｗｏか２π、３００ラジアン／Ｓ等の新しい
遮断角周波数であり、かつρが減衰因数（ｄａｍｐｉｎ
ｇ　　ｆａｃｔｏｒ）である。したがって、補償手段３
００に必要とされる伝達関数Ｇ（φ）は以下の通り求め
られ、 Ｇ（φ）−ψ／φ＝Ｆ（θ）／Ｈ（θ）であり、第７図
に略図で示される。

マイクロコンピュータ３０２とメモリ３０４による補償
伝達関数Ｇ（φ）の実現には連続的なラプラス表示を離
散表示へ変換する必要がある。これがたとえば、その形
状の離散モデルを得るため３ にＧ（φ）関数へ双線形変換技術を適用することにより
実行され、 ここでは、ψが補償手段からの出力を表し、ａｏ、ａＩ
、、、ａｎ、ｂｏｘ　Ｉｇ、、、ｂｎが定数であり、か
っＺＯＳＺ−’、Ｚ−２００，、Ｚｏがそれぞれ補償手
段の動作におけるサンプリングの瞬間である現在、終わ
りから２番目、終りから３番目１．１．終りからｎ番目
を示し、したがって２０φは補償手段への現在の入力を
表し、Ｚ−１φは補償手段への後ろから２番目の入力を
示し、ＺＯ中は補償手段からの現在の出力を表す。

上記のことがらと所望される伝達関数に関する定数の算
出に関しさらに説明するために、フォーサイス　Ｗによ
る１９８５年１月２３−３１のシュミレーション４４；
ｌｒデジタルフィルタ係数の計算のための新方法」を参
照する。ｚ’、ｚ−４ その他を別々の数学的構成要素として扱うことが可能で
かつそれらの上つき数字０　−１その他が累乗として扱
われ得ることに留意されたい。この事により０の累乗に
対するいかなる値も１に等しくなるのでＺＯは１に等し
くなるという結果になる。

上記の式は代替的には以下の方法で表現され得る。

ＺＯ中　”　　（”／ｂ□）　　ｃｃａｏ−２Ｏ，”　
　ａｘ−Ｚ−１ｆ５　　＋−−、−＋　　ａ　　−Ｚ−
ｎ９Ｓ］こうして補償手段３００からの現在の出力値Ｚ
Ｏψは現在の入力値ＺＯφ、最後のｎ入力値Ｚ−φから
Ｚ−０φおよび最後の出力値Ｚ−１ψから２−“ψの数
学的関数である。補償手段３００は、たとえば最後の５
つの入力および出力値程度の少ない数を使用しての帰納
法的フィルタ処理動作としてこの計算を達成するべく調
整され得る、すなわちｎ＝５である。しかしながら、代
替的に５ は、非帰納法的または有限インパルス応答技術が使用さ
れてもよく、かつその場合にはたとえば、最後の７９人
力および出力値が使用され得る。そのときに含まれる処
理の量に鑑みて、補償手段は好ましくは米国のモトロー
ラ社（Ｍｏｔｏｒｏｌａ　　Ｉｎｃ）から入手可能な装
置ＤＳＰ５６２００等の、有限インパルス応答（Ｆ　Ｉ
　Ｒ）デジタルフィルタ装置を使用して実現される。

ＦＩＲフィルタは第８図に略図で示される。現在の入力
値２０φはマイクロコンピュータ３０２からシフトレジ
スタ４００への入力であり、それは現在と最後の７９人
力値を記憶する。さらなるシフトレジ４０２が最後の７
９出力値を記憶する。

示されるように、記憶された入力値および出力値の各々
にそれぞれの係数ａ。ないしａ７９および−ｂ、ないし
−ｂ７９を乗算しかつその積が総和される。結果として
得られる総和は係数ｂｏで除算され現在の出力値２０ψ
を作りだしそれはそれからマイクロコンピュータ３０２
へ返されかつまたシフトレジスタ４０２へ入力される。

係数ａ。

６ ないしａ７９およびす。ないしｂ７９は装置の初期化の
間にマイクロコンピュータ３０２から下ろされる。

第５図では、曲線Ｃが実験回路内で得られる補償後の変
換器の結果として得られる利得を示す。

見られる通り、曲線Ｃは３００ヘルツに非常に接近した
地点までは±１％の制限の範囲にとどまる。

上記の通り、第４図に示されるようなアナログ・デジタ
ル変換装置は商業的に入手可能でありかつ高い安定した
動作を提供する。１５ビツトの出力に鑑みて、約３２０
００の距離対分解能比率までがそのような回路から入手
可能である。しかしながら、それに関して良好な線形性
を有する出力を提供するトランスジューサの変位の距離
は典型的には分解能比率に対してこの距離にマツチする
には小さすぎる。出力の線形性は使用されるトランスジ
ューサの厳密な性質に依存して変化する。

しかしながら、小さいサイズのトランスジューサはおそ
らく中心位置からいずれの方向へも０．１ｍｍの鉄心の
変位で０．１％の出力誤差をもつで７ あろうし、それはその通常の動作範囲であろうが、上記
の距離対分解能比率ではそれは中心位置から０．５ｍｍ
まで移動することが必要で、この変位では誤差はおそら
く５％まで上がっていたかもしれない。このようなトラ
ンスジューサはフルレンジにわたっての許容可能なレベ
ルの精度を有する高い距離対分解能比率を提供すること
ができない。

大幅な鉄心の変位を伴う非線形性はさまざまなファクタ
を介して生じ得る。典型的には、針１９の動きにより針
のアーム１８が針１９と鉄心５２との間の回動点のまわ
りを回動するようにされる。

鉄心５２の結果的なアーチ型の運動によりそれがコイル
５６．５８に関するその角度を、動く際に変化させるよ
うにされる。加えて、大幅な変位がそれとコイル５６．
５８との間の間隔状めを変化させるように横方向に鉄心
５２を移動させる。このように、大幅な変位により鉄心
５２とコイル５６．５８との間の連結における非線形の
変化が結果として得られかつこれら変化は２つのコイル
５６．５８にマツチする効果を及ぼさない。第３図８ に示されるコイル５６．５８の配列によりそれが差分ト
ランスジューサとして作動することを可能にし、そこで
は鉄心５２の動きが一方のコイルから失われかつ他方に
より得られるインダクタンスが結果として得られる。し
かしながら、大きな運動で鉄心５２はコイルの一方に大
変弱く連結されることになり、したがって２つのコイル
のインダクタンスにおける変化はもはや一致しない。針
１９のチップの有限な大きさからさらなる不正確さが生
じるかもしれない。この発明の好ましい局面は、デジタ
ル・アナログ変換器から入手可能な高い距離対分解能比
率が正確に使用されることを可能にするために、トラン
スジューサ１６が使用され得る変位の距離を延長するよ
うに、この非線形性を補償する。

この補償を実行するために、ここで装置４０の出力から
マイクロプロセッサ４２により得られかつメモリ４４に
記憶される２として表される信号に以下の計算を行なう
ことにより鉄心５２の真の変位を表す信号Ｚが得られる
べく（かつしたがっ９ てワークピースの表面の特性に応答する針のチップの真
の変位）を得るべくプログラムされる。

Ｚ＝Ａｚ＋Ｂｚ２＋Ｃｚ” この式では、Ａ、ＢおよびＣが校正定数である。

第９図に示されるように、校正動作において機械の動作
の前にこれらが計算され、針１９は位置５０２から中心
位置５０４を通って最終位置５０６へ校正ボール５００
の表面を横切るようにされ、この動きの間、針は動作の
距離全体にわたって移動するようにされる。

第９図から、針１９が回動点５０８のまわりの回動運動
のために装着されかつ、第５図における針１９の実線と
破線の位置の比較から認められるように、結果として２
方向（第９図に見られる垂直方向）への動きはＸ方向（
第９図に見られる水平方向）への少量の動きに伴われる
ことを留意されたい。マイクロプロセッサ４２は、トラ
ンスジューサの出力の２値がメモリ４４に記憶されるよ
うにするのに加え、そこに線３９上に発生するパルスを
カウントすることにより示されるような針０ のＸ位置を記憶するために効果的である。しかしながら
、５０８のまわりの針の回動に伴うＸ方向への針のチッ
プの動きにより、メモリ４４に最初に記憶されたこれら
Ｘ値は正確ではない。

過去には、このようなＸ位置の誤差が補償される場合に
は、針の横の速度または記録装置の動きの速度を調節す
ることにより行なわれた。これは完全に満足のいくもの
というわけではなく、かつ訂正されたＸ値を有する信号
を提供するためには働かない。示された実施例では、メ
モリ４４に記憶されるとＸ値が訂正される。コンピュー
タ４６は以下の計算を行なうことによりこれを達成し、
Ｘ＝ｘ＋Ｄ　ｚ　＋Ｅ　ｚ２ ここでは、Ｘは訂正されたＸ値である。

上の式では、ＤとＥがまた校正定数である。

定数Ａ、Ｂ、Ｃ，ＤおよびＥは上記の式では以下の反復
方法で第９図に示される校正動作の間に計算される。

ステップ１．第１に、針１９は知られた半径Ｒの校正ボ
ール５００を横切るようにされかつ針信１ 号ｚ　ｉ　　（ｉ＝１．　２・・・Ｎ）および対応する
Ｘ位置ｘｉのＮサンプルがとられかつ記憶される。

ステップ２．最初の位置５０２での値ｚ１、Ｘｌ、中心
位置５０４でのｚ　（Ｎ／２）　、ｘ　（Ｎ／２）およ
び最終的位置５０６でのｚＮ、ＳｘＮから、校正ボール
５００のおよその中心座標（ａ、ｂ）が決定される。

ステップ３゜校正定数の最初の値はそれからＡ＝１、Ｂ
＝０．Ｃ＝ＯＳＤ＝ＯＳＥ＝０となるべくとられる。

ステップ４．これらの校正定数をもってして、サンプル
の訂正された値Ｚｉ、Ｘｉが決定され、かつ一連の評価
値ＴＩが以下の通り計算される。

Ｚｉ＝Ａｚ　ｉ＋Ｂｚ　ｉ２＋Ｃｚ　ｆ３　　　　　ｉ
ｌないしＮ Ｘ１＝ｘｉ＋Ｄｚ　ｉ＋Ｅｚ　ｉ２　　　　ｉ＝１ない
しＮ Ｔｉ＝　［Ｒ２−（Ｘｉ−ａ）　２−　（Ｚｉ−ｂ）２
］／２　　　　　ｉ＝１ないしＮ ステップ５０校正定数ＡないしＥの増分ｄＡ。

２ ｄＢ、ｄＣ，ｄＤ、ｄＥ、ａおよびｂの増分ｄａとｄｂ
はそれぞれ差分測度（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　　ｍｅａ
ｓｕｒｅ）Ｆの２乗の総和を最小限にするように選択さ
れ、ここでは　　Ｆ２ΣＦｉ２ｉ＝１ないしＮでありか
つ、 Ｆ土　＝　Ｔ土　−（Ｘｌ−ａ）ｃｌａ　　−（Ｚｉ−
ｂ）ｄｂ−（Ｚｉ−ｂ）ｚｉｄＡ　　−（Ｚｉ−ｂ）　
　ｚ土２ｄＢ　　−（Ｚｉ−ｂ）ｚｉ３ｄＣ−（Ｘｉ−
ａ）ＺｉｃｌＤ　−（Ｘｉ−ａ）Ｚｉ　ｄＥである。

ステップ６、校正定数ならびにａおよびｂはそこで以下
のように増分される、 新（Ａ）＝旧（Ａ）十ｄＡ 新（ｂ）−旧（Ｂ）＋ｄＢ 新（Ｃ）＝旧（Ｃ）＋ｄＣ 新（Ｄ）＝旧（Ｄ）＋ｄＤ 新（Ｅ）＝旧（Ｅ）＋ｄＥ 新（ａ）＝旧（ａ）＋ｄａ 新（ｂ）＝旧（ｂ）＋ｄｂ ステップ７、それからなされた訂正の絶対値の３ 合計が予め定められた許容値ｔｏｌより小さいかどうか
が決定され、すなわち ａｂｓ　（ｄＡ）＋ａｂｓ　（ｄＢ）　十ａｂｓ　ｃａ
Ｃ）＋ａｂｓ　（ｄＤ）＋ａｂｓ　（ｄＥ）＜ｔｏ　ｌ
？である。

そうでない場合、そこで修正された校正定数新（Ａ）な
いし新（Ｅ）ならびに新（ａ）および新（ｂ）を使用し
て「４」ないし「７」のステップが反復されるが、そう
であれば校正定数は次の測定プロセスにおいて使用する
ためにメモリ４４内に（好ましくはその非揮発性の部分
に）記憶され、かつ校正動作は終了する。

上記の校正プロセスに種々の修正がなされ得ることは明
らかである。たとえば、ステップ「４」ないし「６」は
、ステップ「７」が初めてなされる前に連続して６回実
行されてもよく、かつまたたとえば２０回繰返しても許
容の範囲の訂正がもたらされない場合、校正プロセスは
終了されかつプロセスの非収束に関する警告メツセージ
が与えられてもよい。

４ 上記の校正技術はガウス・ニュートンアルゴリズムとギ
ブンス変換を採用するＱＤＲ分解アルゴリズムを使用す
る非線形最小二乗問題への解法を採用する。これに関し
て、マーセル・デツカ−社のケネディ、ウィリアムＪ・
二世、ジエントル、ジェームス・Ｅの「統計的計算Ｊ　
　（１９８０年）が参照される。しかしながら、他の標
準的な非線形最小二乗問題の解法技術が適用可能である
ことは明らかであろう。

実験的装置においてこの技術を使用し、約３２０００の
距離対分解能比率を与える、３７ｎｍの分解能を有する
１、１８ｍｍの距離が２００ｎｍの精度で達成された。

実験的装置は図面を参照して示された通り誘導的トラン
スジューサを含むので、これは当該技術の状態において
は実質的な改善を表す。

種々の他の修正がこの発明の範囲内で可能である。たと
えば、距離スイッチングが含まれてもよいしかつ所望さ
れれば、式Ｚ−Ａｚ＋Ｂｚ２＋Ｃ２３により表される補
償が選択された距離に従い５ 選択的に適用されてもよい。たとえば、ある距離では補
償なしに、またはＺ＝Ａｚ十Ｂｚ２により表されるよう
な、異なる形式の補償が適用されてもよい。

図面に示された好ましい実施例では針は回動運動のため
に装着され、その針が回動するとＸ方向へのその変位の
ための訂正が必要であるが、この発明はまたＸ方向への
直線の動きのために針が装着される配列に適用されても
よく、その場合にはＸ方向への動きのための訂正は不要
であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明が実施され得る度量衡装置の図であり
、 第２図は第１図の装置に含まれる電気回路の簡易ブロッ
ク図であり、 第３図は第２図の回路の部分をより詳細に示す図であり
、 第４図は第３図の回路の部分を詳細に示すブロック図で
あり、 第５図は第３図と第４図の回路の周波数応答を６ 示す図であり、 第６図は第４図の回路の伝達関数を示す図であり、 第７図は第３図の回路の伝達関数を示す図であり、 第８図は第３図の回路に関連するフィルタの動作を示す
略図であり、かつ、 第９図は装置の構成が理解され得るために、第１図の装
置に含まれる針の動きを示す図である。 図において、２はベース、４はワークピース、６は表面
、８は垂直の柱、１０はキャリッジ、１２は基準面バー
、１４はキャリッジ、１６はトランスジューサ、１８は
針のアーム、１９は針、２０はモータ、２１はモータ、
２２は格子、２４は光源、２６は光センサ、３２は補間
器、４０はアナログ・デジタル変換器、４２はマイクロ
プロセッサ、４４はメモリ、４６はコンピュータ、４８
０−バスフイルタ、４９は表示装置、５０はプリンタ、
５２は磁心、５６はコイル、５８はコイル、６２は抵抗
器、６４は抵抗器、６５は基準発振器、７ ６６はタップ、７０はにに端子、７２は入力端子、７４
は入力端子、７６は入力端子、１００はアップ・ダウン
カウンタ、１０２はバッファ増幅器、１０４はバッファ
増幅器、１１４は位相感応検知器、１１８は電圧制御発
振器、１２４はラッチ、１２６は出力バッファ、３００
は補償手段、３０２はマイクロプロセッサ、３０４はメ
モリ、４００はシフトレジスタ、４０２はシフトレジス
タ、５００は校正ボール、５０４は中心位置、５０６は
最終位置である。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）度量衡装置であって、 表面特性を表すアナログ電気信号を作り出すためのトラ
   ンスジューサ（１６）と、トランスジューサの信号をデ
   ジタル化するべく配列されたアナログ・デジタル変換器
   （４０）とを含み、 変換器（４０）が特定の周波数範囲にわたって非平坦の
   周波数応答を有し、かつ装置がさらに前記特定の範囲に
   わたっての非平坦の応答を補償するためにデジタル信号
   を処理するための手段（３００）を含むことを特徴とす
   る、装置。
2. （２）処理手段（３００）が変換器（４０）からの一連
   のサンプルを受けとりかつ一連の補償されたサンプルを
   出力するべく配列され、現在の出力サンプルが複数の受
   けとられたサンプルおよび複数の先行の出力サンプルか
   ら決定される、請求項１に記載の装置。
3. （３）処理手段（３００）がデジタルフィルタを含む、
   請求項２に記載の装置。
4. （４）変換器（４０）がトラッキングＡＣアナログ・デ
   ジタル変換器を含む、請求項１ないし３のいずれかに記
   載の装置。
5. （５）トランスジューサ（１６）がアナログ電気信号が
   トランスジューサにより検知された位置に実質的に線形
   に関連する通常の距離と、アナログ電気信号がトランス
   ジューサにより検知された位置に非線形に関連する通常
   距離を越えての延長された距離とを有する装置であって
   、 補償された信号が実質的にトランスジューサの通常およ
   び延長された距離にわたって検知された位置に実質的に
   線形に相関するように延長された距離にわたって非線形
   性を補償するためのアナログまたはデジタル信号を処理
   するための手段（４６）をさらに含む、先行の請求項の
   いずれかに記載の装置。
6. （６）表面特性を表す電気信号を作り出すためのトラン
   スジューサと、電気信号とトランスジューザにより検知
   された位置との間の関係における非線形性を補償するた
   めに電気信号を処理するための手段（４６）とを含む装
   置であって、トランスジューサ（１６）が、電気信号が
   トランスジューサにより検知された位置に実質的に線形
   に関連する通常の距離と、電気信号がトランスジューサ
   により検知された位置に非線形に関連する、通常の距離
   を越える延長された距離とを含み、かつ信号を処理する
   ための前記手段（４６）がそれを、補償された信号が通
   常および延長されたトランスジューサの距離にわたって
   検知された位置に実質的に線形に関連するよう延長され
   た距離にわたっての非線形性を補償するべく処理するこ
   とを特徴とする、度量衡装置。
7. （７）処理手段（４６）が補償された信号を作り出す上
   で信号と校正定数Ｂの平方を使用するべく動作可能な、
   請求項５または６に記載の装置。
8. （８）処理手段（４６）が補償された信号を作り出す上
   で信号と校正定数Ｃの立方を使用するべく動作可能な、
   請求項５ないし７のいずれかに記載の装置。
9. （９）トランスジューサに表面を横切らせるためのドラ
   イブ（２０）をさらに含む装置であって、 トランスジューサが、針が接触点から横方向にオフセッ
   トされる回動点（５０８）により装着される、表面（６
   ）に接触するための針（１９）を有し、 その装置がさらに、 横方向での回動点（５０８）の位置を表す横方向位置信
   号を提供する手段（２６ないし３８）と横方向の回動点
   の位置と針の回動による横方向の接触点の位置との間の
   差分における変化を補償するために横方向の位置信号を
   処理するための手段（４６）とを含む、請求項５ないし
   ７のいずれかに記載の装置。
10. （１０）トランスジューサが表面（６）に接触するため
    の針（１９）を含む装置であって、針に表面を横切らせ
    るためのドライブ（２０）と、針と表面の接触点の横方
    向の位置に従い横方向の位置信号を提供するための手段
    （２６ないし３８）とをさらに含み、横方向の接触の点
    の位置が表面（６）へ向かうまたはそれから離れる方向
    におけるその位置とともに変化しかつ装置が接触の点の
    位置における前記変化を補償するために横方向の位置信
    号を処理するための手段（４６）をさらに含む、請求項
    ５なしい８のいずれかに記載の装置。
11. （１１）表面特性を表す電気信号を発生するためのトラ
    ンスジューサ（１６）を含む度量衡装置であって、 トランスジューサが表面（６）に接触するための針（１
    ９）を含みかつその装置が針（１９）に表面（６）を横
    切らせるためのドライブ（２０）と、針と表面の接触の
    点の横方向の位置に従い横方向の位置信号を提供するた
    めの手段（２６ないし３８）をさらに含み、横方向での
    接触の点の位置が表面（６）に向かうまたはそれから離
    れる方向におけるその位置とともに変化し、 装置が接触の点の位置における前記変化を補償するため
    に横方向の位置信号を処理するための手段（４６）をさ
    らに含むことを特徴とする、装置。
12. （１２）針（１９）が接触の点から横方向にオフセット
    される回動点（５０８）により装着され、かつ表面（６
    ）に向かうまたはそれから離れる方向における位置との
    接触の点の横方向における位置における前記変化が接触
    の点の位置と針の回動による回動点（５０８）の位置と
    の間の横方向の距離における変化を含み、横方向の位置
    信号が回動点（５０８）の横方向における位置を表し、
    かつ処理手段が前記距離における変化を補償するために
    横方向の位置信号を処理する、請求項１０または１１に
    記載の装置。
13. （１３）処理手段（４６）が補償された横方向の位置信
    号を作り出す上でトランスジューサの信号と校正定数Ｄ
    とを使用するべく動作可能である、請求項９ないし１２
    のいずれかに記載の装置。
14. （１４）処理手段（４６）が補償された横方向の位置信
    号を作り出す上でトランスジューサの信号と校正定数Ｅ
    の２乗を使用するべく動作可能な、請求項９ないし１３
    のいずれかに記載の装置。
15. （１５）トランスジューサ（１６）が１対の対称なコイ
    ル（５６、５８）とコイルに相関して移動可能な鉄心（
    ５２）とを含み、コイルがブリッジ回路の２つのアーム
    として接続されている、先行の請求項のいずれかに記載
    の装置。
16. （１６）既知の形式の表面（５００）に対して横断を達
    成するステップと、横断の間に得られる一連の電気信号
    を記憶するステップと、そのまたは各校正定数のために
    最初の値を設定するステップと、かつそのまたは各訂正
    された校正定数を使用する補償処理された記憶された信
    号が完全に補償された信号を提供する装置により既知の
    形式の表面から期待される信号に等しくなる傾向にある
    ように、そのまたは各校正定数への訂正を決定するステ
    ップとを含む、請求項７、８、１３および１４のいずれ
    かに記載の装置の校正の方法。
17. （１７）訂正の決定ステップがそのまたは各校正定数へ
    の可変訂正を含む各記憶された信号のために差分測度を
    計算するステップと、差分測度の２乗の総和を最小限に
    する訂正の値を決定するために最小二乗の解法を使用す
    るステップとを含む、請求項１６に記載の方法。