JPH0360365B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はタツチ信号検出回路、特に低周波ドリ
フト成分を含むプローブ信号を波形整形して検出
誤差の少ないタツチ信号を出力することのできる
改良されたタツチ信号検出回路に関するものであ
る。

［従来の技術］ 三次元座標測定機その他において、タツチ信号
プローブが被測定物に接触したときのタツチ信号
を正確に検出することが要望されている。

周知のごとく、座標測定機においては、プロー
ブが被測定物に接触したときの各軸スケールの座
標を読取記憶し、これに基づいて被測定物の各測
定点を求める構成から成り、このために、プロー
ブと被測定物との接触時に出力されるタツチ信号
にばらつきがあると、これがそのまま誤差となつ
て現れる。従つて、各種の測定条件あるいはプロ
ーブと被測定物との接触状態にかかわらず、ほぼ
一定の微小遅れにてタツチ信号が出力されなけれ
ばならない。

従来の一般的なタツチ信号プローブとしては、
被測定物との接触時に生じる触針の傾きあるいは
移動を用いて接点の接離を行わせ、接点から直接
電気的なオン・オフ信号を得ていたが、このよう
な接点方式によるタツチ信号プローブでは接点の
接触状態が不安定となりノイズを拾いいやすく、
また信号検出に方向性があることから必ずしも高
精度のタツチ信号検出ができないという欠点を有
していた。

近年において、タツチ信号プローブに従来の接
点の代りに他の電気的な検出素子を用いたプロー
ブが実用化されて、タツチ信号検出の信頼性を著
しく改善し、また高精度の検出作用を可能として
いる。

この種の検出素子としては、例えば圧電素子が
知られており、プローブの触針と被測定物との接
触時に生じる作用力を用いて圧電素子に圧縮力
（張力）を与え、このときに発生するピエド電圧
を用いてタツチ信号が得られる。

また、このような圧電素子のピエド効果を前記
圧縮力（張力）とは異なる剪断力による圧電効果
として利用する素子も最近になつて注目され、タ
ツチ信号プローブとしてはこのような剪断力にて
信号を得ることがその効率を改善するために著し
く有利であることが解明されてきた。

以上のように、近年においては、圧電素子その
他によつて高感度の信号検出が可能となつてきた
が、この種の素子はそれ自体高インピーダンス素
子であり、また検出回路にインピーダンス変換用
のプリアンプを必要とし、この結果、圧電素子及
びプリアンプから得られたプローブ信号には周囲
温度あるいはプリアンプ特性に基づく低周波ドリ
フト成分が含まれることとなり、その信号処理時
に触針の接触時における変化分絶対値を得るため
の波形整形処理が極めて困難であるという欠点が
あつた。また、前記低周波ドリフト成分を含むた
め、接触時の信号を検出するためにプローブ信号
と基準値とを比較する際に、その０レベルを決め
にくいという問題があり、検出信号に誤差成分を
含ませる原因となり、また多軸プローブ信号を組
合せる場合に絶対値出力を必要とする場合がある
が、このような場合には、前記０レベルの誤差が
無視できない検出精度の低下原因を為していた。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は上記従来の課題に鑑み為されたもので
あり、その目的は低周波ドリフトの影響を除去し
てプローブ信号に最適な基準値を与え、これによ
つて、プローブと被測定物との接触時における変
化分絶対値出力を検出し、これに基づいて高精度
のタツチ信号を検出可能な改良されたタツチ信号
検出回路を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、プロー
ブ信号に含まれている低周波ドリフト成分とプロ
ーブが非測定物に接触したときの変化分の立上が
りによる周波数成分には著しい相違があり、急峻
な立上がり周波数は低周波ドリフト成分に比して
十分に高い周波数を有することに着目し、基準値
としてプローブ信号自体を有効に用いることを特
徴とする。

このために、本発明においては、プローブ信号
はローパスフイルタ及びサンプルホールド回路に
よつて基準値に変換され、この基準値とプローブ
信号とが差演算されて接触時における変化分絶対
値が得られる。

前記ローパスフイルタは、低周波ドリフト成分
はそのまま通過させるが急峻な立上がりを有する
接触時の変化分には充分な遅れ特性を与えること
を特徴とし、この結果、プローブ信号と基準値と
の比較により容易にタツチ信号が検出可能であ
る。

前記差演算出力である変化分絶対値は所定のス
レツシヨルド値と比較されて変化分絶対値がスレ
ツシヨルド値を越えたときにタツチ信号として出
力される。そして、このタツチ信号はコントロー
ラにトリガ信号として与えられ、前記サンプルホ
ールド回路及びローパスフイルタがコントローラ
からの制御信号によつて制御され、更に詳細に
は、タツチ信号検出時にサンプルホールドがサン
プリング作用を行い、これと同時にローパスフイ
ルタはそのカツトオフ周波数が高域側に切替えら
れてプローブ信号の接触変化成分に対しても遅延
を与えることなくそのまま通過させる特性とな
り、これによつて、プローブが被測定物から離れ
た後における不要な信号発生を避けることができ
る。

［実施例］ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説
明する。

第３図には本発明が適用されるタツチ信号検出
回路を含む三次元座標測定機の概略的な構成が示
されており、XYZ軸に沿つて任意位置に移動自
在なプローブ１０には全方向に移動自在な触針１
２が設けられており、この触針１２を非測定物１
４に接触させてこのときのタツチ信号により各軸
のスケール座標が読取られる。

プローブ１０にはＸ軸圧電素子１６、Ｙ軸圧電
素子１８及びＺ軸圧電素子２０が順次積層して配
列されており、前記触針１２の移動が各圧電素子
１６〜２０によつて電気的に検出され、タツチ信
号検出回路２２に供給される。本実施例における
各圧電素子１６−２０はその剪断力によるピエゾ
圧電効果を用いており、この結果、良好な検出感
度を有するが、その一方において、触針１２の移
動に対し圧電効果が方向性を有し、一般に、圧電
素子の分極方向に沿つた剪断力には高感度の検出
特性を示すが、これと直交する方向に対してはそ
の検出感度が著しく低下する。

従つて、タツチ信号検出回路２２内において
は、それぞれ固有の検出方向に沿つて配列された
圧電素子１６〜２０の出力を合成して、全方向に
おける触針１２の移動をほぼ同様の遅れ特性で演
算する。

タツチ信号検出回路２２の出力であるタツチ信
号は座標読取り回路２４に供給され、プローブ１
０の各軸に沿つた位置を示すＸスケール２６、Ｙ
スケール２８、Ｚスケール３０の接触時における
座標値を読取り、これをレジスタ３２に記憶す
る。

そして、レジタス３２の出力はコンピユータ３
４に供給されて所定の演算に供されるとともに必
要に応じて表示器３６にて測定点座標を表示する
ことができる。

本発明においては、前記タツチ信号検出回路２
２において前記各圧電素子１６〜２０によつて得
られたプローブ信号を所望のタツチ信号に整形処
理しており、このタツチ信号検出回路の任意の一
軸に対する構成が第１図に示されている。

圧電素子、例えばＸ軸圧電素子１６は高感度高
インピーダンスのコンデンサ素子として考えるこ
とができ、その出力はプリアンプ４０によつてイ
ンピーダンス変換され、プローブ信号１００とし
て出力される。

従つて、このプローブ信号１００内には圧電素
子１６あるいはプリアンプ４０の特性に基づく低
周波ドリフト、一般的に1/100Hz程度のドリフト
成分が含まれており、従つて、固定基準値との差
演算を行い接触時の変化分出力を得ようとして
も、その０レベルが変動するために、変化分絶対
値出力としては大きな誤差を含むこととなる。

このために、本発明においては、プローブ信号
１００自体を用いて差演算の基準値を形成するこ
とを特徴とする。

以下に、第１図の実施例における構成を第２図
の各部波形図を参照しながらその作用とともに説
明する。

第２図のプローブ信号１００は時刻t₁において
プローブが被測定物に接触して急峻な立上がり特
性を示し、また、時刻t₄においてプローブが再び
被測定物から離れるので、その信号値が立下がる
特性を示す。

なお、図においては、プローブ信号１００に低
周波ドリフト成分が含まれることを判りやすく示
すために、信号１００には細かい変動成分が図示
されているが、実際上は、この変動成分は図示し
たものより十分に大きな波長で変化しており、こ
のような短い周期となることはない。

本発明において特徴的なことは、前記プローブ
信号１００がローパスフイルタ４２及びサンプル
ホールド回路４４を通つて基準値１０４に変換さ
れることであり、この基準値１０４と前記プロー
ブ信号１００とが差演算器４６によつて差演算さ
れ変化分絶対値１０６として出力される。

前記ローパスフイルタ４２には、低周波ドリフ
ト成分をそのまま通過させ、急峻な立上がりを有
する接触時の変化分については所定の遅延を与え
るために低域側のカツトオフ周波数が例えば１Hz
に設定され、このようなローパスフイルタ特性か
らすれば、出力１０２は第２図の鎖線１０２′で
示されるごとき出力となる。しかしながら、本発
明においては、このローパスフイルタ４２は前記
低域側のカツトオフ周波数ばかりでなく高域側の
カツトオフ周波数例えば1KHz程度の高域特性に
も切替え可能であり、このような高域カツトオフ
周波数ではローパスフイルタ４２は接触時の高周
波変化分に対しても何等遅延特性を与えることが
なく、単なる増幅度１の増幅器として働き、プロ
ーブ信号１００をそのまま出力することなる。

本発明においては、後述するごとく、プローブ
の接触開始時刻t₁からΔtだけ遅れた時刻t₂におい
てタツチ信号が出力されるとともに、この時ロー
パスフイルタ４２は高域側に切替えられ、この結
果、ローパスフイルタ出力１０２としては第２図
の実線で示されるごとく、時刻t₂以降はプローブ
信号１００と同一の波形となる。

サンプルホールド回路４４は通常の状態ではロ
ーパスフイルタ出力１０２をそのまま出力してお
り、プローブと被測定物とが接触しない状態で
は、この基準値１０４はプローブ信号１００と同
一であることから明らかである。

従つて、差演算器４６はこのようなプローブの
非接触時には何等信号を出力することなく、この
ことから低周波ドリフト成分があつてもこれによ
る０レベルの変動を確実に除去することが可能と
なる。

一方、プローブが被測定物に接触すると、前述
したように、この高周波変化成分はローパスフイ
ルタ４２によつて遅延が与えられ、この結果、サ
ンプルホールド回路４４の出力である基準値１０
４はその値がプローブ信号１００とは異なる値と
なる。従つて、差演算器４６からは変化分絶対値
１０６が出力される。そして、この変化分絶対値
１０６は次の比較器４８において、スレツシヨル
ド値Vthと比較されこのスレツシヨルド値Vthは
予め定められた一定値であつて、第２図に示され
るように変化分絶対値１０６がこのスレツシヨル
ド値Vthを越えたとき、すなわち接触開始t₁から
Δt経過後の時刻t₂においてタツチ信号１０８を出
力する。

前記ローパスフイルタ出力が仮想値１０２′で
あつた場合、差演算器４６の出力である変化分絶
対値１０６も第２図の鎖線で示される仮想値１０
６′となるが、実際は、前述したように、ローパ
スフイルタ４２の特性が切替えられ、また更に重
要なことは、サンプルホールド回路４４の基準値
１０４が時刻t₂においてサンプリング固定される
ため、時刻t₂以降においては変化分絶対値１０６
は実線で示されるごとき波形を示す。

この変化分絶対値１０６はプローブ１０の触針
１２が被測定物１４と接触し、このとき圧電素子
１６から得られる剪断力に基づくピエゾ電圧の絶
対値を示し、本発明においては、サンプルホール
ド回路４４のサンプリングにより、触針１２が被
測定物１４と接触している間、ほぼプローブ信号
１００に相似した波形となり、このことから、時
刻t₃すなわち前述した触針１２が被測定物１４か
ら離れる時刻t₄よりわずかにΔt′だけ直前の時刻t₃
にて再び前記スレツシヨルド値Vthを横切り、こ
の段階でタツチ信号１０８が０レベルに復帰す
る。

本発明においては、前記タツチ信号１０８が出
力された時刻t₂においてタツチ信号１０８はコン
トローラ５０にトリガ信号として供給され、コン
トローラ５０はこの時点でサンプルホールド回路
４４をサンプリング状態とし、これによつて、タ
ツチ信号１０８の立下がり変化分絶対値１０６の
波形によつてのみ依存させる。

また、時刻t₂においてコントローラ５０は同時
にローパスフイルタ４２の特性を高域側に切替
え、その出力１０６をプローブ信号１００とほぼ
同一にする。この特性切替えは、第２図のローパ
スフイルタ出力１０２から明らかなように、低域
特性のままではプローブの触針が被測定物から離
れたときにもローパスフイルタ出力１０２は十分
に長い遅延時間例えば数秒に及ぶ遅延時間をプロ
ーブ信号１００に与える場合があり、このような
場合には、前記時刻t₃より後において前記遅延さ
れたローパスフイルタ出力１０２によつて不要な
偽タツチ信号が出てしまうことがあり、このよう
な事態を防ぐために、ローパスフイルタ４２の特
性はサンプルホールドとともに高域側に切替えら
れる。

従つて、本発明によれば、前述した偽タツチ信
号が出力されることはない。

以上のようにして本発明によれば、差演算器４
６からは変化分絶対値１０６が出力され、これを
比較器４８によつて所望のスレツシヨルド値と比
較することによつてプローブ信号１００に含まれ
る低周波ドリフトを除去した極めて安定したタツ
チ信号１０８を得ることが可能となる。

前記タツチ信号１０８が消滅した時刻t₃以降に
おいて、コントローラ５０はローパスフイルタ４
２及びサンプルホールド回路４４にリセツト信号
を供給し、前者の特性を低域側に切替え、またサ
ンプルホールドを解除する。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、プロー
ブ信号に含まれる低周波成分をよ除去して高精度
のタツチ信号を検出することが可能となり、高精
度の測定作用を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタツチ信号検出回路の好
適な実施例を示す回路図、第２図は第１図の各部
波形図、第３図は本発明に係るタツチ信号検出回
路を三次元測定機に適用した状態の全体的な概略
説明図である。 １０……プローブ、１４……被測定物、１６，
１８，２０……圧電素子、２２……タツチ信号検
出回路、４０……プリアンプ、４２……ローパス
フイルタ、４４……サンプルホールド回路、４６
……差演算器、４８……比較器、５０……コント
ローラ、１００……プローブ信号、１０２……ロ
ーパスフイルタ出力、１０４……基準値、１０６
……変化分絶対値、１０８……タツチ信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 低周波ドリフト成分を含むプローブ信号を整
   形してプローブが非測定物に接触したときのタツ
   チ信号を出力するタツチ信号検出回路において、
   プローブ信号の低周波ドリフト成分を通過させま
   た接触時における急峻な変化分に対しては所定の
   遅れ特性を与えるローパスフイルタと、前記ロー
   パスフイルタの出力を所定タイミングでホールド
   するサンプルホールド回路と、前記プローブ信号
   とサンプルホールド出力とを差演算しサンプルホ
   ールド出力を基準値としてプローブ信号に含まれ
   る接触時の変化分を絶対値として出力する差演算
   器と、前記差演算器の変化分絶対値出力と予め定
   められたスレツシヨルド値とを比較して変化分絶
   対値がスレツシヨルド値を越えた時にタツチ信号
   を出力する比較器と、前記タツチ信号をトリガ入
   力として前記ローパスフイルタ及びサンプルホー
   ルド回路を制御するコントローラと、を含み、タ
   ツチ信号出力時にサンプルホールド回路のサンプ
   リングを行うとともにローパスフイルタのカツト
   オフ周波数を高域側に切替え、またタツチ信号検
   出後サンプルホールド回路のサンプリング解除及
   びローパスフイルタのカツトオフ周波数の低域側
   への復帰を制御して、プローブ信号に含まれる低
   周波ドリフト成分を除去して接触時の変化分絶対
   値に基づいたタツチ信号検出を行うことを特徴と
   するタツチ信号検出回路。