JPH10111143A - センサ信号の直流レベル変化検知回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流センサ信号の急激な直流レベル変動成分
を高精度に検知することができるセンサ信号の直流レベ
ル変化検知回路を提供する。 【解決手段】 タッチ信号プローブの正弦波状の検出出
力信号から振幅情報を検波抽出することにより、低周波
の状態変動成分Ｓ１と高周波のノイズ成分Ｓ２が重畳さ
れた直流センサ信号Ｓが得られる。この直流センサ信号
Ｓから急激な振幅変化点でトリガ信号を生成するため
に、直流センサ信号Ｓをロウパスフィルタ２１を通して
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）を作り、変換回路２２でこれに係
数ｋを乗算して基準信号ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）を生成し、比
較回路２３で得られた基準信号と直流センサ信号とを比
較して、急激な振幅変化点でトリガ信号を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、接触検出や圧力
検出を行うセンサ装置に用いられ、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検知回路に係り、
特に超音波タッチトリガプローブのように、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た直流セン
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
信号の直流レベル変化検知回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、特開平６−２２１８０６号公
報参照）。

【０００３】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、図５
に示すように、直流センサ信号Ｓを一定の基準電位ＶRE
F と比較して、タッチトリガ信号を生成している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の直流レベル変化検知回路では、誤検出が問題に
なる。図５に示すようにセンサ信号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、図５に示したように、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る最悪の状
態で誤信号が生成されるからである。高周波ノイズの振
幅が小さくほぼ一定であるとしても、基準電位ＶREF の
値によっては、低周波の状態変動成分の影響が無視でき
ず、誤検出の原因となる。この様な誤検出を防止するた
めに、例えば基準電位ＶREFを十分小さく設定すると、
タッチトリガ信号の立上り点が実際の振幅変化点からず
れて、大きな検出誤差となってしまう。同様の問題は、
接触センサに限らず、圧力センサ、加速度センサ等の直
流センサ信号を処理する場合にも存在する。

【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、直流センサ信号の急激な直流レベル変動成分を
高精度に検出することができるセンサ信号の直流レベル
変化検知回路を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、検出すべき
物理量の変化に基づく急激な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が重畳された直
流センサ信号から前記直流レベル変動成分のみ取り出す
直流レベル変化検知回路において、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
るロウパスフィルタと、このロウ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基準信号を生成する
変換手段と、この変換手段から得られた基準信号と前記
直流センサ信号とを比較して前記直流センサ信号から前
記直流レベル変動成分のみを取り出す比較手段とを備え
たことを特徴としている。

【０００７】この発明はまた、前記直流センサ信号が、
圧電素子により駆動されるタッチ信号プローブの正弦波
状の検出出力信号から振幅情報を検波抽出して得られた
ものであることを特徴とする。

【０００８】この発明によると、直流センサ信号をロウ
パスフィルタ（ＬＰＦ）に通すことにより、高周波のノ
イズ成分と検出すべき急激な直流レベル変動成分とが除
去され、低周波の状態変動成分のみを含む直流信号が得
られる。この状態変動成分を含む直流信号の振幅を一定
比率で振幅変換して基準信号として、この基準信号と直
流センサ信号との比較を行うことにより、検出すべき直
流センサ信号の急激な直流レベル変動成分を確実に検知
することができる。即ちこの発明においては、従来のよ
うな一定の基準電位に代わって、直流センサ信号に含ま
れる低周波の状態変動成分に追従した基準信号を作るこ
とにより、低周波の状態変動成分の影響を排除すること
ができ、高周波のノイズ成分の振幅変換の比率を適切に
設定するだけで、確実に直流レベル変化点を検出するこ
とができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１は、この発明の一実施例に係
る接触センサの構成を示す。スタイラス１は、先端に球
状の接触子３が、後端にバランサ４がそれぞれ設けられ
て、スタイラスホルダ２により軸方向の略中央部が保持
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、この圧電素
子５の加振電極６ａに駆動回路９から駆動信号が与えら
れ、検出電極６ｂに得られる機械−電気変換出力信号が
検知回路７により検知される。検知回路７の出力は駆動
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。

【００１０】検知回路７に得ら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変化する
正弦波状信号である。この検知回路７の検出出力信号を
振幅抽出回路８により検波して直流センサ信号Ｓを得
て、この直流センサ信号Ｓから接触検知回路１０によっ
て急減な直流レベル変化点で立ち上がるタッチトリガ信
号ＴＧを生成するようになっている。振幅抽出回路８は
具体的には例えば、全波整流回路とＬＰＦによって構成
される。

【００１１】直流センサ信号Ｓは、直流オフセット分に
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、かつ検出すべき被測定物との接触によって生じる急
激な直流レベル変動成分を含む。この様な直流センサ信
号Ｓから接触を検知してタッチトリガ信号ＴＧを生成す
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ＬＰＦ２１と、このＬＰＦ２１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と、この変換回路２２から得られる信号を基準信号
としてこれと直流センサ信号Ｓとを比較する比較回路２
３とから構成される。

【００１２】この実施例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。図３に示すよう
に、直流センサ信号Ｓは、直流オフセット分Ｓ０に低周
波の状態変動成分Ｓ１と高周波のノイズ成分Ｓ２が重畳
され、更に検出すべき急激な振幅変化点３１に含まれる
過渡的な直流レベル変動成分Ｓ３を有し、下記数１で表
される。状態変動成分Ｓ１は、温度変化や経時変化によ
る変動分である。

【００１３】

【数１】

【００１４】この直流センサ信号ＳをＬＰＦ２１に通す
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）となる。
この出力信号（Ｓ０＋Ｓ１）に変換回路２２で係数ｋ
（１より小さい正の値）を乗算すると、図３に示すよう
に、出力信号（Ｓ０＋Ｓ１）をΔＳだけ振幅変換した信
号ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）が得られる。この信号ｋ（Ｓ０＋Ｓ
１）を反転検出の基準信号として、直流センサ信号Ｓを
比較回路２３に入力すると、Ｓ＜ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）とな
る点（直流センサ信号Ｓが基準信号を横切る点）、即ち
振幅変化点３１において立ち上がるタッチトリガ信号Ｔ
Ｇが得られる。

【００１５】この実施例のセンサ信号処理においては、
係数ｋを適切に選択し、従って図３に示すΔＳを最適に
設定することにより、誤検出がなく高精度の接触検出が
可能となる。具体的に係数ｋの設定条件を説明すると次
のようになる。ＬＰＦ２１の出力信号（Ｓ０＋Ｓ１）
と、これに係数ｋを乗算した基準信号ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）
の差ΔＳは、下記数２となる。

【００１６】

【数２】

【００１７】係数ｋを１より小さい正の数として、誤検
出を防止するためには、このΔＳが、高周波のノイズ成
分Ｓ２の振幅より常に大きいこと、即ち下記数３を満た
すことが必要である。

【００１８】

【数３】

【００１９】上記数３をｋについて解くと、次の数４が
得られる。

【００２０】

【数４】

【００２１】直流オフセット分Ｓ０は一定（実施例の場
合正）であり、低周波の状態変動成分Ｓ１がこの直流オ
フセット分Ｓ０を基準として正側の最大値｜Ｓ１｜と負
側の最大値−｜Ｓ１｜の間で変動するものとすれば、数
３が常に成立するためには、下記数５を満たすように、
係数ｋを選択すればよい。

【００２２】

【数５】

【００２３】数５の条件は、ノイズ成分の影響を受けず
にタッチトリガ信号を生成する必要条件であるが、ｋが
小さければよい訳ではない。係数ｋを余り小さく設定す
ると、図３から明らかなようにタッチトリガ信号ＴＧが
検出すべき振幅変化点３１からずれるからである。従っ
て実際には、係数ｋは、数５の条件を満たす範囲ででき
る限り１に近い大きな値を選択すること、即ちΔＳを小
さく設定することが望ましい。図５により説明した従来
方式では、誤検出を防止するためには、基準電位ＶREF
は、直流センサ信号に含まれる高周波のノイズ成分と低
周波の状態変動成分を共に考慮しなければならない。こ
れに対してこの実施例では、図３から明らかなように、
低周波の状態変動成分を含んで基準信号を作るため、こ
の状態変動成分の影響を考慮する必要がないから、ΔＳ
を小さく設定することが可能である。

【００２４】実際の係数ｋの設定に当たっては、ある係
数ｋを与えて、タッチ信号プローブを被測定物に接触さ
せずにタッチトリガ信号が発生する場合には係数ｋが小
さすぎるという判断に基づいて、この様な誤動作がない
範囲でできる限り１に近い係数ｋを選択する。なお、数
３から明らかなように、ΔＳは一定ではなく、ゆっくり
した変動成分Ｓ１の影響を受けることが分かる。しか
し、Ｓ１が直流オフセット分Ｓ０に比べて十分小さいと
すれば、次の近似式数６が成り立ち、ΔＳはほぼ一定と
みなすことができる。

【００２５】

【数６】

【００２６】以上のようにこの実施例によれば、直流セ
ンサ信号から低周波の状態変動成分を残して高周波ノイ
ズを除去して、直流センサ信号の低周波の状態変動成分
に追従する基準信号を作り、これと直流センサ信号とを
比較することにより、高周波のノイズ成分や低周波の状
態変動成分の影響を受けることなく、直流センサ信号の
タッチ信号プローブの接触による過渡的な振幅変化点、
即ち急激な直流レベル変動成分を誤りなく検出すること
ができる。

【００２７】この発明は上記実施例に限られない。例え
ば実施例では、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、振幅を抽出した直流センサ信号から
接触検知を行う適用例を説明したが、周波数または位相
等を抽出した直流センサ信号を用いてその急激な直流レ
ベル変動成分から接触検知を行う場合、更に圧力センサ
や加速度センサ等、同様の直流センサ信号を入力処理す
る回路にこの発明を適用することができる。例えばセン
サ信号Ｓが実施例とは逆に、図４に示すように、検出タ
イミングで振幅が急減に増大するものである場合にも、
図２の回路において変換回路２２での係数ｋを選択する
ことにより、適用可能である。この場合、係数ｋは１よ
り大きい数として基準信号ｋ（Ｓ０＋Ｓ１）を作り、こ
の基準信号とセンサ信号の比較を行うことにより、同様
に直流レベル変動成分を検出することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によると、直
流センサ信号から低周波の状態変動成分を残して高周波
ノイズを除去して、振幅変換した状態変動成分を含む基
準信号を作り、これと直流センサ信号とを比較すること
により、直流センサ信号の急激な直流レベル変動成分を
誤りなく検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による接触センサの構成
を示す。

【図２】 同実施例の接触検知回路の構成を示す。

【図３】 同実施例の接触検知回路の動作を説明するた
めの図である

【図４】 他の実施例によるタッチトリガ信号生成の動
作を説明するための図である。

【図５】 従来のタッチトリガ信号生成の動作を説明す
るための図である。

【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…ＬＰＦ、２
２…変換回路、２３…比較回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出すべき物理量の変化に基づく急激な
   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
   ノイズ成分が重畳された直流センサ信号から前記直流レ
   ベル変動成分のみ取り出す直流レベル変化検知回路にお
   いて、 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ウパスフィルタと、 このロウパスフィルタの出力信号の振幅を一定比率で振
   幅変換して基準信号を生成する変換手段と、 この変換手段から得られた基準信号と前記直流センサ信
   号とを比較して前記直流センサ信号から前記直流レベル
   変動成分のみを取り出す比較手段とを備えたことを特徴
   とするセンサ信号の直流レベル変化検知回路。
2. 【請求項２】 前記直流センサ信号は、圧電素子により
   駆動されるタッチ信号プローブの正弦波状の検出出力信
   号から振幅情報を検波抽出して得られたものであること
   を特徴とする請求項１記載のセンサ信号の直流レベル変
   化検知回路。