JPH03128417A

JPH03128417A - 補間器

Info

Publication number: JPH03128417A
Application number: JP2165509A
Authority: JP
Inventors: Ian K Buehring; イアン・カール・ビュアリング
Original assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Current assignee: Rank Taylor Hobson Ltd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1991-05-31
Also published as: GB2233521A; CN1022508C; GB2233521B; US5063291A; EP0404598A3; GB9014116D0; CN1048921A; GB8914417D0; EP0404598A2

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、補間器および補間器を含む度量衡装置に関
するものである。

表面センサが表面特性たとえば粗さまたは形状を測定す
るためにワークピースの表面を横切る度量衡装置におい
ては、ワークピース支持および表面センサの間の相対的
な運動を検出するために手段が与えられてもよく、それ
により表面センサの出力は、必要とされる表面特性がそ
れから誘導される情報を与えるように表面上の規則的に
間隔を空けられた点においてサンプリングされてもよい
。

表面センサの出力をサンプリングするために使用されて
もよい直角信号をたとえば直角信号のゼロ交差点におい
て生ずる、様々な形状の運動検出器が知られている。そ
のような運動検出器の１つの例は、光学的格子および格
子から反ｑ・１される光の検出に応答して直角信号を生
ずる関連の変換器配置である。

しかしながら、そのような検出器についての聞届は、直
角信号の周波数は必要とされる分解能を与えるのに十分
に高くないかもしれないことである。分解能を補間によ
り増加させることは公知である。公知の補間器は比較器
のバンクを含み、それに対して様々な比例において直角
信号が供給され、それは互いに異なった位相を有する一
連の正弦波を出力する。しかしながら、そのような補間
器についての問題は、回路設計は相対的に複雑であり、
かつそれらはノイズの問題を被ることである。

米国特許４３５９６８８から直角信号（ｓｉｎＡおよび
ｃｏｓＡ）を受け、かつ２倍の周波数直角信号（ｓｉｎ
２Ａおよびｃｏｓ２Ａ）を出力するための周波数乗算回
路が知られている。そのような回路は、４倍の周波数信
号（Ｓ　ｉ　ｎ４Ａおよびｃｏｓ４Ａ）を発生するため
にカスケードにされることかできることが提案されてい
る。この回路は、三角恒等式２ｓ　１ｎＡｃｏｓＡ−ｓ
　１ｎ２Ａおよび（ｃｏｓＡ＋ｓ　１ｎＡ）（ｃｏｓＡ
−ｓｉｎＡ）−ｃｏｓ２Ａを使用する。この最初の恒等
式は、（ｃｏｓＡ−０）（２ｓ　１ｎＡ−０）＝ｓｉｎ
２Ａとして書き直され、かつ二倍の周波数信号が、人力
ａ１、ａ２、ｂｌおよびｂ２からＫ（ａｌ−ａ２）（ｂ
ｌ−ｂ２）の出力を発生する４つの人力の乗算器を使用
して発生される。この回路は、ｃ　ｏ　ｓ　２Ａを発生
する増幅器に４つの人ノＪを与える必要性により、かつ
乗算器の入力により必要とされる信号２ｓｉｎＡおよび
一５ｉｎＡを発生するために必要とされる付加的な回路
により複雑にされる。

１つの局面において、この発明は、入力の直角信号を受
けるだめの、かつ２倍のまたは４倍のまたは他の倍数の
入力周波数の出力信号を与えるためにその上に数学的な
演算を行なうように配置された、改良された補間器を提
供し、出力信号は直角であり、補間器は入力直角信号の
一方を二乗するが他方を二乗しない手段を含む。

好ましくは、補間器は、三角恒等式５ｉｎ２Ａ＝１／２
−　（ｃ　ｏ　ｓ　２Ａ）　／２およびｃｏｓ２Ａ−１
／２＋　（ｃｏｓ２Ａ）／２のうちの１つを使用する。

用語「１／２」により表わされるＤＣ構成要素は、フィ
ルタにより除去され、−（ＣＯＳ２Ａ）／２または＋（
ｃ　ｏ　ｓ　２Ａ）　／２を残すことができる。使用さ
れる他の三角恒等式は、都合よ（ｓ　ｉｎＡｃｏｓＡｍ
　（ｓ　１ｎ２Ａ）／２であり得る。これらの三角恒等
式は、２つの入力のただ簡単な乗算だけを必要とする。

付加的に、必要とされる唯一の入力は、５ｉｎＡおよび
ｃｏｓＡであり、そのためさらに進んだ入力信号を発生
するために余分の回路は必要とされない。

この発明は、さらに例によって、添付の図面の参照によ
り述べられる。

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ΔＰＩ定するための度量衡計器は、そのテクス
チャが７１１１３定されるべきである表面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。ベース
２に固定される垂直の柱８は、垂直に動かせるキャリッ
ジ１ｏを支持し、その上に水平の基準バー１２が装着さ
れる。さらに他のキャリッジ１４は、バー１２に沿った
水平の動きのために装着され、かつ針１つを支える針ア
ーム１８を有するトランスジューサ１６を支える。第１
図に図式的に示されたモータ２ｏは、基準バー１２に沿
ったそれの水平の動きを生ずるためにキャリッジ１４の
上に設けられ、がっさらに他のモータ２１が柱８の上下
のそれの垂直の動きを行なうためにキャリッジ１ｏの上
に設けられる。

装置の動作において、キャリッジ１ｏは、針１９が表面
６に係合するように垂直の位置に配置される。その後で
、モータ２ｏはキャリッジ１４が基準バー１２に沿って
水平に動くことを引き起こし、したがって針１９が測定
されるべき表面６を横切るように引き起こすように動作
される。

第１図における２２において概略的に示される一連の反
射のおよび非反射の帯を含む直線的な光学的格子は、基
準バー１２に関して固定され、光源２４からの光は、格
子２２がら反射され、キャリッジ１４の上に装着された
１対の光センサ２６および２７により検出される。代替
的には、格子は一連の透過性のおよび非透過性の帯によ
り形成され、センサ２６および２７が格子を介して透過
される光を検出するために配置されてもよい。基準スケ
ール（示されない）が、センサ２６および２７に相関し
て設けられてもよい。キャリッジが基準バー１２に沿っ
て動くとき、センサ２６および２７はライン２８および
３ｏの上にそれぞれに正弦状の電気信号を供給する。セ
ンサ２６および２７は、ライン２８および３０上の信号
が直角にあるように位置決めされる。これらの信号は、
それらの周波数が４倍にされることを引き起こす補間器
に与えられる。補間器３２は、ライン３４および３６上
に結果として生ずる信号を出力し、がつそれらをライン
３４および３６上の各々の信号における各ゼロ交差点に
応答してライン３９上にパルスを出力するゼロ交差検出
器３８へ供給する。

１つの商業的に入手可能なセンサ配置において、もし格
子２２が８ミクロンのピッチを有するならば、センサ２
６および２７からの信号は４ミクロンに対応する周期を
有する。次いで、基学バー１２に沿ったキャリッジ１４
の動きの０．２５ミクロンごとのためにパルスがライン
３つ上に現われる。

キャリッジ１４が基準バー１２に沿って動かされ、かつ
針１９がそれによってワークピース表面６を横切るよう
に引き起こされるとき、針１９は表面テクスチャの特徴
および表面６の形状に応答して実質的に垂直に動く。ト
ランスジューサ１６は、好ましくは誘導性のトランスジ
ューサであり、かつこの実質的に垂直の動きに応答して
、アナログ−ディジタル変換器４０によりディジタライ
ズされかつマイクロプロセッサ４２へ供給される出力信
号を発生し、マイクロプロセッサ４２は、ライン３９上
のパルスに応答してトランスジューサ１６からのディジ
タライズされた信号を基準バー１２に沿、ったキャリッ
ジ１４の動きの０，２５ミクロンの間隔においてサンプ
リングし、かつ結果として生ずる資料をメモリ４４にお
いてストアする。アナログ−ディジタル変換器４０およ
びそこからの信号出力の上にマイクロプロセッサ４２に
より行なわれる処理は、代理人の参照番号’ＪＰ−ｏ２
．　ｏ（、ら３　　によりこれとともに同時に出願され
、英国特許出願８９１４４１８．２および８９１４４１
９．０から優先権を主張する出願において述べられると
おりでもよい。同時に出願される出願は、それを引用す
ることによりここに援用される。装置は、モータ２０お
よび２１の制御を含む装置の一般的な全体の制御を行な
うために、がつ表面テクスチャおよび表面６の形状に関
する情報を与えるようにメモリ４４においてストアされ
た信号を処理するためにプログラムされるコンピュータ
４６を含む。キーボード４５は、コンピュータ４６に命
令を入力するために設けられる。表面特性を表わす信号
は、以下にその目的がさらに説明されるであろうローパ
スフィルタ４８を介して、陰極線管のようなデイスプレ
ィ装置４９およびワークピースの表面のトレースを製造
するために動作可能であってもよいプリンタ５ｏヘコン
ピユータ４６により出力される。デイスプレィ装置４９
およびプリンタ５ｏは、ディジタル入力信号を使用して
もよい。代替的には、それらのうちのどちらかまたは双
方がアナログ入力信号を使用してもよく、その場合には
、信号は第２図において示されるようにディジタル−ア
ナログ変換器４７を介して通過される。ディジタル−ア
ナログ変換器４７は、それに応じてアナログまたはディ
ジタルフィルタになるであろうフィルタ４８の前または
後に置かれてもよい。

第３図において示されるように、補間器３２は、ライン
２８上の信号を受ける第１のチャネル５２およびライン
３０上の信号を受ける第２のチャネル５４を含む。チャ
ネルは、フィルタ５６ａおよび５６ｂ、自動利得制御回
路５８ａおよび５８ｂ１乗算器６０ａおよび６０ｂを含
み、すべてが第１の段を形成する。第２の段６４は、フ
ィルタ６６ａおよび６６ｂ、増幅器６８ａおよび６８ｂ
１乗算器７０ａおよび７０ｂ１フイルタ７２ａおよび７
２ｂを含む。

すでに説明されたように、ライン２８および３０上の信
号は、正弦状でかっおよび直角である。

しかしながら、実際には各信号が、光学的センサ２６お
よび２７が格子２２を横切るときに、その長さに沿った
格子の反射率における変動のためにドリフトするであろ
うＤＣオフセット構成要素を含むであろう。また、格子
における誤差のために、ライン２８および３０上の信号
は、一般的には完全な直角ではないが、変化する位相の
誤差を含むであろう。こうして、もしライン２８および
３０上の信号がそれぞれにｖｌおよび■２であれば、ぞ
れのＤＣ手段およびＡＣ振幅電圧であり、又は横方向の
変位であり、Ａは格子波長であり、φは直角からの位相
誤差である。

フィルタ５６ａおよび５６ｂは、ハイパスフィルタであ
り、ＤＣドリフト構成要素■１およびＶ２をこれらの信
号から除去する。自動利得制御回路５８ａおよび５８ｂ
は、格子における誤差から発生する２つの信号の振幅に
おけるいずれの変動も解消する。乗算器６０ｂは、信号
ｖ３を発生するために自動利得制御回路により出力とし
て処理された信号を乗算し、ＣＯＳ（２■ｘ＋φ）Ａ　　　　　　　　　　　（３）十ｓ　　ｉ　　ｎ　　（４ｒＩｘ＋　φ）　　］　　　
　　　　　　（４）５ｉｎ（−φ）は、ｓｉｎの信号を
入力周波数の２倍にしておくようにフィルタ６６ｂによ
り除去される。

乗算器６０ａは、処理された信号を、それだけで信号ｖ
４を供給するように、自動利得制御回路５８ａにより出
力として乗算する。

三角恒等式を使用する。

ｓ　ｉ　ｎ２Ａ＝１７２−　（ｃ　ｏ　ｓ　２Ａ）　／
２フィルタ６６ａは、ＣＯＳの信号を入力周波数の２倍
にしておいて、等式７からＤＣ用語を除去する。

もし、補間器３２への入力が反転されれば、信号■１は
ライン３０上の入力であり、かつ信号■２はライン２８
上の入力であろう。この場合には、乗算器６０ｂからの
出力は、等式（３）および（４）におけるものと同一で
あろうが、乗算器６０ａからの出力は反転された位相ｃ
ｏｓ信号ｖ４′であろう。

三角恒等式を使用する。

ｃｏｓ２Ａ＝１／２＋（ｃｏｓ２Ａ）／２（６′） △ （７′　）この場合には、フィルタ６６ａは、ＣＯ８信号を入力周
波数の２倍にしておいて、等式７′からＤＣ用語を除去
する。

増幅器６８ａおよび６８ｂは、先行の回路における利得
の損失のために補償する。乗算器７０ａ１７０ｂおよび
フィルタ７２ａ、７２ｂは、上に述べられるような乗算
器６０ａ、６０ｂおよびフィルタ６６ａ、６６ｂと同様
の態様において働き、したがってフィルタ７２ａおよび
７２ｂは、入力周波数の４倍において、等式４の右側の
項から明らかであるような小さい変動位相誤差φを有す
る直角出力信号をライン３４および３６の上に供給する
。

第４図において位相の誤差の効果が例示され、その中で
波形Ａは補間器３２により出力される位相誤差φを有す
る直角波を例示する。検出される表面６が水平面に対し
て角度θにあることを仮定して描かれる波形Ｂは、実線
曲線８０において、位相誤差φがないときにはマイクロ
プロセッサ４２による出力となるトランスジューサ１６
からの信号の値を図示する。しかしながら、位相誤差を
鑑み、トランスジューサ１６からの正確な値よりもわず
かに低い信号の値が、第４図における８２ａ、８４ａお
よび８６ａで示されるようにマイクロプロセッサ４２に
より得られるように、ゼロ交差点８２．８４．８６その
他は、わずかに早く起こる。これは、第５図の曲線Ｃに
おいて例示され、かつ実際にはマイクロプロセッサ４２
による信号出力上の望まれない変調のように重ね合わせ
られるノイズ信号を発生する。第４図の検査により、ノ
イズ信号Ｃは第５図の曲線Ａの信号の２倍の周波数を何
することがわかる。フィルタ４８は、ノイズ構成要素Ｃ
をフィルタで除くために設けられるローパスフィルタで
ある。第５図および第６図の考察により、フィルタ４８
の効果が認められ、その中で第５図はあるフィルタ４８
により得らるトレースを示し、第６図はないフィルタ４
８により得られるトレースを示す。フィルタの作用は、
代替的にはマイクロプロセッサ４２および従来のディジ
タルフィルタ技術により与えられてもよい。

これらのトレースは、８ミクロンのピッチによる格子、
人力周波数の４倍において直角出力信号を製造する補間
器３２．０．５ｍｍ／ｓの速度で動作するキャリッジ１
４または１．７μｍ以下の表面波長に対応して３００ヘ
ルツ以上の周波数をフィルタで除くフィルタ４８または
均等物を利用する実験的な装置において得られるトレー
スの再生である。以上に述べられた配置において、直角
ノイズは約１キロヘルツの周波数であり、ＤＣオフセッ
トノイズは約５００ヘルツの周波数であり、その双ノｊ
かフィルタで除かれる。こうして、この発明に従って補
間器３２を利用することは、補間ノイズ構成要素を結果
として引き起こし、それは関心のある表面特性を表わす
信号の周波数より高い周波数であり、したがってそのよ
うなノイズ構成要素は、高分解能、第６図のノイズのト
レースよりは第５図において示されるきれいなトレース
を与えるように容易にフィルタで除かれることが認めら
れる。

この発明の範囲内で様々な修正が可能である。

たとえば、すべての応用において補間器の双方の段を含
むことは必要でない。たとえば、ただ入力信号の周波数
を２倍にすることだけが必要なところに、１個の段が含
まれることができる。代替的には、入力周波数のより高
い倍数を生ずることが望まれるところに、より多くの段
が含まれることができる。

けれども、第３図において、補間器の各チャネルは３個
のフィルタを含み、たとえばこれらのフィルタの１個ま
たは２個を除去するようにこの配置を修正し、なお有用
な効果を達成することができる。

この発明は、光学的格子と結合して使用されたときに特
に有利である、なぜならば、それはさもなくば光学的格
子により経済的に達成されることのできるものよりも実
質的により高い分解能を得ることを可能にさせるからで
あり、かつそのような格子に相関したドリフトおよび位
相の誤差を変えることの効果は容易に除去されるからで
ある。

しかしながら、この発明を他の装置、たとえば干渉計ま
たは回転エンコーダにより利用することもまた可能であ
る。

さらに、この発明は、表面テクスチャまたは形状をｉＵ
ｊ定する装置以外の装置にも応用されることができる。

たとえば、それは座標測定機械または機械工具において
、特に与えられた波長の信号をより細かい間隔に分解す
ることが必要とされるところで応用されることができる
。

ちょうどある応用において第３図の補間器回路から１個
またはより多くのフィルタが除去されることができるよ
うに、適当な状況において、自動利得制御回路および増
幅器を除去することもまた可能である。

図面においては、補間器は、アナログ回路により実現さ
れることが仮定されるが、それは代わりにディジタル的
に実現されることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明が実施されてもよい度量衡装置の図
である。第２図は、第１図の装置に含まれる電気回路の簡単にさ
れたブロック図である。第３図は、第１図および第２図の装置に組み入れられる
、この発明の好ましい実施例に従った補間器のブロック
図である。第４図は、この発明の好ましい実施例の動作を例示する
波形図である。第５図は、この発明を利用して得られてもよい表面テク
スチャのトレースを例示する。第６図は、この発明に好ましくは含まれるフィルタする
段が省略されるときに得られる表面テクスチャのトレー
スを例示する。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は基準バー、
１４はキャリッジ、１６はトランスジューサ、１８は針
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および２７は光センサ、２８
および３０はライン、３２は補間器、３４および３６は
ライン、３８はゼロ交差検出器、３つはライン、４０は
アナログ−ディジタル変換器、４２はマイクロプロセッ
サ、４４はメモリ、４５はキーボード、４６はコンピュ
ータ、４７はディジタル−アナログ変換器、４８はロー
パスフィルタ、４９はデイスプレィ装置、５０はプリン
タ、５２は第１のチャネル、５４は第２のチャネル、５
６ａおよび５６ｂはフィルタ、５８ａおよび５８ｂは自
動利得制御回路、６０ａおよび６０ｂは乗算器、６６ａ
および６６ｂはフィルタ、６８ａおよび６８ｂは乗算器
、７０ａおよび７０ｂは乗算器、７２ａおよび７２ｂは
フィルタである。図面の浄書（内容に変更なし）く手続補正書（ｊ５幻６゜補正の対象願書の４゜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の周波数の直角入力信号を受け、かつ第１の
周波数の倍数である第２の周波数の直角出力信号を発生
するための補間器（３２）であって、もし入力信号が直
角であれば入力周波数の２倍のかつ実質的に直角の第１
および第２の信号を発生するための手段を含み、発生する手段は、第１の信号を与えるために入力信号の
ただ一方だけを二乗するための手段（６０ａ）および第
２の信号を与えるために入力信号を一緒に乗算するため
の手段（６０ｂ）を含むことを特徴とする、補間器。
（２）第１の信号は三角恒等式ｓｉｎ＾２Ａ＝１／２−
（ｃｏｓ２Ａ）／２を使用して得られる、請求項１に記
載の補間器。
（３）第１の信号は三角恒等式ｃｏｓ＾２Ａ＝１／２＋
（ｃｏｓ２Ａ）／２を使用して得られる請求項１に記載
の補間器。
（４）第２の信号は三角恒等式ｓｉｎＡｃｏｓＡ＝（ｓ
ｉｎ２Ａ）／２を使用して得られる請求項１ないし３の
いずれにも記載の補間器。
（５）ＤＣドリフト構成要素を除去するためのハイパス
フィルタ手段（５６ａ、５６ｂ）を含む請求項１ないし
４のいずれにも記載の補間器。
（６）前記ハイパスフィルタ手段（５６ａ、６５ｂ）は
前記二乗することおよび前記乗算より前に前記入力信号
をフィルタするために配置される、請求項５に記載の補
間器。
（７）入力信号の周波数の４倍の直角の出力信号を与え
るために、前記第１および第２の信号の一方を二乗する
ための手段（７０ａ）および前記第１および第２の信号
を一緒に乗算するための手段（７０ｂ）を含む、いずれ
の先行の請求項にも従った補間器。
（８）前記第１および第２の信号をハイパスフィルタし
、そこからＤＣ構成要素を除くためのフィルタ手段（６
６ａ、６６ｂ）を含む、請求項７に記載の補間器。
（９）前記入力信号に関する利得の損失に対して補償す
るために、前記第１および第２の信号に与えられる前記
二乗することおよび前記乗算より前に、前記第１および
第２の信号を増幅するための手段（６８ａ、６８ｂ）を
含む、請求項７または８に記載の補間器。
（１０）そこからＤＣ構成要素を除くために前記出力信
号をハイパスフィルタするための手段（７２ａ、７２ｂ
）を含む、請求項７、８または９に記載の補間器。
（１１）前記入力信号の利得を制御するための自動利得
制御手段（５８ａ、５８ｂ）を含む、先行の請求項のい
ずれにも記載の補間器。
（１２）補間器（３２）により出力される信号を受ける
ゼロ交差検出器（３８）に関連する、先行の請求項のい
ずれにも記載の補間器。
（１３）光学的格子（２２）、前記格子および光センサ
手段の間の関連の動きに応答して直角信号を発生するた
めの光センサ手段（２６、２７）および光学的センサ手
段により発生される信号の周波数の倍数である周波数の
直角出力信号を発生するための先行の請求項のいずれに
も記載の補間器（３２）を含む、運動検出器。
（１４）表面センサ（１６、１８、１９）、前記センサ
がワークピース（４）の表面（６）を横切るようにさせ
るための手段（２０）および前記横切ることの間に表面
センサの出力をサンプリングするための手段を含む度量
衡装置であり、前記サンプリング手段は前記横切ること
に応答して第１の直角信号を発生するための位置検出器
（２２、２４、２６、２７）、第１の直角信号の周波数
の倍数である周波数のさらに他の直角信号を発生するた
めの請求項１ないし１２のいずれにも記載の補間器（３
２）および前記さらに他の直角信号の各々において予め
定められた状態に応答して前記サンプリングを行なうた
めの手段（４０、４２）を含む、装置。
（１５）前記位置検出器は、光学的格子（２２）および
光センサ手段（２６、２７）を含む、請求項１４に記載
の装置。
（１６）補間ノイズを除去するためにセンサから誘導さ
れる信号をローパスフィルタするための手段（４８）を
含む、請求項１４または１５に記載の装置。