JPH045121B2 - - 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、特に座標測定機
等において各軸毎に指向性のある検出素子を含む
タツチ信号プローブを用いた場合にこれらのプロ
ーブ信号を合成して全方向に対する安定したタツ
チ信号を得るための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ゾ電圧
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ゾ効果を前記
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。

前述した剪断力によるピエゾ圧電効果を用いた
圧電素子によれば、第９図に示されるごとく圧電
素子の出力特性は指向性を有し、一般的には、そ
の分極方向に対して高感度の出力を行いこれと直
交方向に関しては低感度の特性を示す。

従つて、このような圧電素子の剪断力を利用す
る場合には、各軸毎に分極方向の異なる圧電素子
を配置し、これらの出力を合成することによつて
全方向に対してプローブの接触を検出可能な回路
としなければならない。

しかしながら、このような多軸出力の合成は従
来の単純な加算回路では、プローブ信号自体に極
性があるため、プローブの移動方向によつては正
負信号の加算によつて互いに打消し合い合成出力
が得られないという場合が生じていた。

従つて、このような極性を有する多軸出力合成
として二乗平方根回路によつて処理する考え方が
ある。

しかしながら、このような回路ではSN比の悪
い二乗回路を用いなければならず、周知のごと
く、一般的な二乗回路は処理電圧が低い場合には
その精度が著しく劣化し、外部ノイズの混入を生
じさせ、到底タツチ信号検出回路のごとき高精度
の信号処理を必要とする回路には適用が困難であ
つた。

［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、極性のある複数のプローブ信
号を合成してプローブのあらゆる方向の接触に対
しても安定した高精度のタツチ信号を得ることの
できる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、各プロ
ーブ信号を濾波した後サンプルホールドして基準
値を求め固定し、この基準値と各プローブ信号と
を比較して基準値に対する各プローブ信号の差の
絶対値を示す変化分絶対値信号を出力する変化分
絶対値検出回路と、変化分絶対値信号の合成値と
所定のしきい値を比較してタツチ信号として出力
すると共に、変化分絶対値検出回路における濾波
による遅延量を制御することにより前期基準値を
固定／解除する手段と、を有し、各変化分絶対値
信号を合成してプローブの全方向における接触に
対して安定したタツチ信号を検出することを特徴
とする。

従つて、本発明によれば、処理回路に従来のよ
うな低精度の二乗回路を必要とすることなく、高
精度のタツチ信号を提供可能である。

［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を被測定物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、レジスタ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XY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。

すなわち、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。

この点、本発明においては、プローブ信号１０
０自体を用いて差演算の基準値を形成して変化分
絶対値を得るときに同時に前記低周波ドリフト成
分も除去される利点がある。

本発明において特徴的なことは、前記プローブ
信号１００が変化分絶対値検出回路３８によつて
変化分絶対値１０６に信号変換されることであ
り、すなわち、前述し如くプローブ信号１００が
極性があり、単にこれらのプローブ信号１００を
加算したのみでは正負極性の信号加算によつて出
力が得られない場合でも、本発明においては、変
化分の絶対値が検出回路３８によつて取出され
る。

また、第１図の実施例においては、各軸から得
られる複数のプローブ信号はそれぞれが絶対値に
変換された後に、入力されたプローブ信号のうち
最大値のみがタツチ信号としてピツクアツプさ
れ、このために、図においてオア回路５２が設け
られている。

第１図において、Ｘ及びＹ軸の２軸のみが示さ
れているが、もちろん、必要に応じて第３図に示
した３軸すべての圧電素子の出力をオア回路で最
大値検出するこが好適である。

第１図において、Ｙ軸においてもＸ軸と同様の
変化分絶対値検出回路５４が設けられ、両軸のそ
れぞれの検出回路３８，５４の出力がオア回路５
２に供給されている。

第４図には第１図におけるXYそれぞれの軸に
対する各圧電素子１６，１８の指向特性が示さ
れ、前述したように、Ｘ圧電素子１６はその分極
方向がＸ軸方向にとられ、この結果、指向特性も
Ｘ軸に沿つて高感度となり、一方においてＹ圧電
素子１８はＹ軸に沿つた高感度指向特性を有す
る。

第１図の実施例においては、XY平面に沿つた
プローブの接触を両圧電素子１６，１８の絶対値
の大きい方を取出すことによつてタツチ信号と
し、これによつて、両軸方向に互いに補完した合
成タツチ信号が得られ、第４図の太い実線で示し
た合成特性から明らかなごとく、それぞれの単独
の圧電素子に比して十分に指向性が改善されてい
ることが理解される。

第１図において、Ｘ軸に関する変化分絶対値検
出回路３８の構成を以下に説明する。

図示した実施例においては、変化分絶対値はプ
ローブ信号１００とこのプローブ信号１００自体
に基づいた基準値との差演算によつて得られ、前
記オア回路５２に変化分絶対値１０６として出力
される。そして、この実施例においては、プロー
ブ信号１００に含まれる低周波ドリフト成分の除
去作用も同時に行われ、変化分絶対値１０６とし
ては極めて高品質の信号を得ることが可能とな
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。

実施例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
れ本発明の特徴である変化分絶対値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１
Hz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
実施例においては、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とな
る。

本実施例においては、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、この時の
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
一であることが明らかである。

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。

この変化分絶対値１０６はプローブ信号１００
の正負極性にかかわらず、このようなプローブ信
号１００に基づく基準値１０４との差演算により
常に絶対値を示す信号として出力され、これによ
つて、従来のような不安定な二乗回路を必要とす
ることなく簡単に絶対値変換が行なわれることが
理解される。

以上の絶対値変換はＸ軸について行なわれてい
るが、第１図においてＹ軸においても変化分絶対
値検出回路５４によつて同様の変化分絶対値１０
６Ｙが出力され、これら両変化分絶対値１０６，
１０６Ｙは前述したようにオア回路５２に供給さ
れ、第４図の特性で示されるように、いずれか大
きい方の値が合成信号１１０として出力される。

そして、この最大変化分絶対値である合成信号
１１０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で１０６（１０６Ｙより
大きい場合の合成信号）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、このと圧電素子１
６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、本実施例においては、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。

本実施例においては、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の立下がりを変化分絶対値１０
６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より後においえ前記遅延さ
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、本実施例によれば、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実施例によれば、差演算器
４６からは変化分絶対値１０６が出力され、更に
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指向性の改善
され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。

以上のようにして、第１図に示した実施例によ
れば、プローブ信号が絶対値に変換された後に複
数信号中の最大値が取出され個別のプローブ信号
における指向性を改善してプローブの全方向にお
ける接触を検出することができる。

第５図には本発明に係るタツチ信号検出回路の
第２実施例が示されており、第１図と同一部材に
は同一符号を付して説明を省略する。

第２実施例において特徴的なことは、XYのプ
ローブ信号１００が絶対値に変換された後、これ
ら両信号が加算器５６によつて単純加算されてい
ることであり、既に両入力は絶対値としてその極
性が除去されているので単純加算によつて第６図
に示すごとき合成特性を得ることができる。

第６図から明らかなように、加算された合成特
性は各Ｘ、Ｙ圧電素子１６，１８のそれぞれの指
向特性に比してその指向性が著しく改善されてい
ることが理解され、またその出力値自体も十分に
大きくすることができるので、検出感度の改善に
も寄与するところが大である。

前述した各実施例においては変化分絶対値を得
るためにローパスフイルタ、サンプルホールド回
路及び差演算器が用いられているが、本発明にお
いて、このようなプローブ信号の絶対値変化は他
の任意の回路構成で行うことができ、第７，８図
には他の絶対値変換回路の実施例が示されてい
る。

第７図は交流結合によつて直流分の極性を除去
する変化分絶対値検出回路５８を含み、例えばＸ
軸圧電素子１６のプローブ信号１００はコンデン
サ６０と抵抗６２そしてアンプ６４の交流結合回
路によつてその直流分が除去され、次に周知のオ
ペアンプと整流器との組合わせから成る絶対値回
路６５により絶対値変換を行うことが可能とな
る。

第８図はチヤージアンプを含む変化分絶対値検
出回路６６によつて絶対値変換をするものであ
り、圧電素子１６の出力を発生電荷信号とし、こ
の電荷をコンデンサ６８にチヤージし、このよう
にして発生したチヤージ分に比例した出力をアン
プ７０からハイパスフイルタ７２を介して出力す
るものであり、直流分を除去し絶対値検出回路７
３を経ることによつて絶対値変換を行うことが可
能である。

以上のように本発明によれば、指向性及び極性
のある異なる軸方向に対する複数のプローブ信号
をそれぞれ絶対値変換しこれらを合成処理するこ
とによつて極めて高感度のタツチ信号を検出可能
であり、前述したプローブ信号としては、実施例
において圧電素子の剪断力を利用した信号として
示しているが、このような他の任意の素子から得
られる指向性及び極性のあるプローブ信号に対し
ても本発明は適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、方向性
（指向性）がありかつ極性を有するプローブ信号
を少なくとも２個以上合成して全方位に対して安
定したタツチ信号を検出するために、プローブ信
号を一旦変化分絶対値信号に変換し、これを合成
するので、従来に比して処理回路での誤差の生じ
ない高精度のタツチ信号を得ることが可能とな
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、第４図は第１図の実施例における最大値
取出しによる合成特性図、第５図は本発明に係る
タツチ信号検出回路の好適な第２実施例を示す回
路図、第６図は第２実施例における加算作用によ
る合成特性図、第７，８図は本発明に係る他の変
化分絶対値検出回路の実施例を示す要部回路図、
第９図は剪断力を用いた圧電素子の特性図であ
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、３８，５４，５８，６６……変化分絶対
値検出回路、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、５２……オア回路、５６……加算
器、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、１１０…
…合成信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定物との接触により異なる軸方向に対応
   してタツチ信号プローブから検出される極性のあ
   る複数のプローブ信号を合成してタツチ信号を検
   出するタツチ信号検出回路において、各プローブ
   信号を濾波した後サンプルホールドして基準値を
   求め、この基準値と各プローブ信号とを比較して
   基準値に対する各プローブ信号の差の絶対値を示
   す変化分絶対値信号を出力する変化分絶対値検出
   回路と、 変化分絶対値信号の合成値と所定のしきい値と
   を比較してタツチ信号として出力するとともに、
   変化分絶対値検出回路における濾波による遅延量
   を制御することにより前記基準値を固定／解除す
   る手段と、を有し、各変化分絶対値信号を合成し
   てプローブの全方向における接触に対して安定し
   たタツチ信号を検出することを特徴とするタツチ
   信号検出回路。