(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力正弦波状信号の位相を補正して、前記入力正弦波状信号の基本周波数において互いに９０°位相が異り、基本周波数からのズレにより互いに逆方向に位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を生成する位相補正手段と、
この位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号を生成する第１及び第２の２乗正弦波信号生成手段と、
これらの２乗正弦波信号生成手段から得られる前記第１及び第２の２乗正弦波信号を加算する加算手段と、
この加算手段の出力信号から交流成分を除去して第１の中間直流出力を得る第１の平滑フィルタ手段と、
前記位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号を乗算する乗算手段と、
この乗算手段の出力信号から交流成分を除去して第２の中間直流出力を得る第２の平滑フィルタ手段と、
この第２の平滑フィルタ手段からの第２の中間直流出力を前記第１の平滑フィルタ手段からの第１の中間直流出力により除して、前記入力正弦波状信号の周波数変化に対応する最終直流出力を得る除算手段と
を備えたことを特徴とする周波数抽出装置。
【請求項２】
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の周波数変化を位相変化に変換して抽出する周波数抽出装置であって、
前記検出出力信号の位相を補正して、前記検出出力信号の基本周波数において互いに９０°位相が異り、基本周波数からのズレにより互いに逆方向に位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を生成する位相補正手段と、
この位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号を生成する第１及び第２の２乗正弦波信号生成手段と、
これらの２乗正弦波信号生成手段から得られる前記第１及び第２の２乗正弦波信号を加算する加算手段と、
この加算手段の出力信号から交流成分を除去して第１の中間直流出力を得る第１の平滑フィルタ手段と、
前記位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号を乗算する乗算手段と、
この乗算手段の出力信号から交流成分を除去して第２の中間直流出力を得る第２の平滑フィルタ手段と、
この第２の平滑フィルタ手段からの第２の中間直流出力を前記第１の平滑フィルタ手段からの第１の中間直流出力により除して、前記正弦波状の検出出力信号の周波数変化に対応する最終直流出力を得る除算手段と
を備えたことを特徴とする周波数抽出装置。
【請求項３】
前記位相補正手段は、
第１の演算増幅器を用いて構成され入力抵抗に直列に第１のコンデンサが挿入されて、Ａ・sin ωｔなる入力信号に対して、Ａ・sin （ωｔ＋α１）なる出力信号を生成する第１の増幅回路と、
第２の演算増幅回路を用いて構成され帰還抵抗に並列に第２のコンデンサが接続されて、Ａ・sin ωｔなる入力信号に対して、Ａ・cos （ωｔ＋α２）なる出力信号を生成する第２の増幅回路とから構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の周波数抽出装置。
【請求項４】
前記除算手段は、
前記第１の平滑フィルタ手段の出力と前記最終直流出力とを乗算する乗算手段と、
この乗算手段の出力と前記第２の平滑フィルタ手段の出力の差をとる差動増幅手段とから構成されている
ことを特徴とする請求項１，２又は３のいずれかに記載の周波数抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タッチ信号プローブの出力信号処理等に用いて好適な正弦波状信号の周波数変化を検出するための周波数抽出装置に関する。
【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検出機構には種々のものが提案されているが、そのひとつに、長いスタイラスを用いて高速応答性を発揮できるものとして、圧電素子を用いてスタイラスに振動を与える方式がある。
【０００３】
図５は、その様なタッチ信号プローブの構成を示している（例えば、特開平６−２２１８０６号公報参照）。スタイラス７１は、先端に球状の接触子７３が、後端にバランサ７４がそれぞれ設けられて、スタイラスホルダ７２により軸方向の略中央部が保持されている。スタイラス７１の略中央部にはスタイラス７１に振動を与える圧電素子７５が取り付けられ、この圧電素子７５の加振電極７５ａに駆動回路７８から駆動信号が与えられ、検出電極７５ｂに得られる機械−電気変換出力信号が検出回路７６により検出され、その検出出力を処理してスタイラス７１の接触を検出する信号処理回路７７が設けられる。検出回路７６の出力は駆動回路７８に正帰還され、この帰還制御により圧電素子８５は所定の共振周波数で共振状態で励振されるようになっている。
【０００４】
従って、圧電素子７５の検出電極７５ａに得られる検出信号は、正弦波状信号であって、接触子７３が被測定物に接触することによりその検出信号の振幅や周波数が変化する。その信号変化の一例を図６に示す。信号処理回路７７では例えば検出回路７６に得られる出力信号の周波数変化を検出することにより接触を検出する。図６のような正弦波状信号の周波数変化を振幅変化に関係なく検出する信号処理回路７７としては、よく知られた周波数変調波の復調回路、即ちＦＭ復調回路が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、通常のＦＭ復調回路は、振幅変化に無関係に周波数変化を検出するためには、自動利得調整（ＡＧＣ）回路を必要とし、タッチプローブの接触に伴う急峻な周波数変化を高速に検出することが難しいという問題があった。即ち図６に示すような正弦波状信号での振幅変化を伴う周波数変化を検出する場合、ＡＧＣ回路での時間遅れが原因となって、その周波数変化を正確に抽出することができず、高速応答性が得られなくなる。
【０００６】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、特にタッチ信号プローブの信号処理回路として有用な高速応答性に優れた周波数抽出装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る周波数抽出装置は、入力正弦波状信号の位相を補正して、前記入力正弦波状信号の基本周波数において互いに９０°位相が異り、基本周波数からのズレにより互いに逆方向に位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を生成する位相補正手段と、この位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号を生成する第１及び第２の２乗正弦波信号生成手段と、これらの２乗正弦波信号生成手段から得られる前記第１及び第２の２乗正弦波信号を加算する加算手段と、この加算手段の出力信号から交流成分を除去して第１の中間直流出力を得る第１の平滑フィルタ手段と、前記位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号を乗算する乗算手段と、この乗算手段の出力信号から交流成分を除去して第２の中間直流出力を得る第２の平滑フィルタ手段と、この第２の平滑フィルタ手段からの第２の中間直流出力を前記第１の平滑フィルタ手段からの第１の中間直流出力により除して、前記入力正弦波状信号の周波数変化に対応する最終直流出力を得る除算手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
この発明はまた、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の周波数変化を位相変化に変換して抽出する周波数抽出装置であって、前記検出出力信号の位相を補正して、前記検出出力信号の基本周波数において互いに９０°位相が異り、基本周波数からのズレにより互いに逆方向に位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を生成する位相補正手段と、この位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号を生成する第１及び第２の２乗正弦波信号生成手段と、これらの２乗正弦波信号生成手段から得られる前記第１及び第２の２乗正弦波信号を加算する加算手段と、この加算手段の出力信号から交流成分を除去して第１の中間直流出力を得る第１の平滑フィルタ手段と、前記位相補正手段から得られる前記第１及び第２の正弦波状信号を乗算する乗算手段と、この乗算手段の出力信号から交流成分を除去して第２の中間直流出力を得る第２の平滑フィルタ手段と、この第２の平滑フィルタ手段からの第２の中間直流出力を前記第１の平滑フィルタ手段からの第１の中間直流出力により除して、前記正弦波状の検出出力信号の周波数変化に対応する最終直流出力を得る除算手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
この発明において好ましくは、前記位相補正手段は、第１の演算増幅器を用いて構成され入力抵抗に直列に第１のコンデンサが挿入されて、Ａ・sin ωｔなる入力信号に対して、Ａ・sin （ωｔ＋α１）なる出力信号を生成する第１の増幅回路と、第２の演算増幅回路を用いて構成され帰還抵抗に並列に第２のコンデンサが接続されて、Ａ・sin ωｔなる入力信号に対して、Ａ・cos （ωｔ＋α２）なる出力信号を生成する第２の増幅回路とから構成される。
【００１０】
この発明において好ましくは、前記除算手段は、前記第１の平滑フィルタ手段の出力と前記最終直流出力とを乗算する乗算手段と、この乗算手段の出力と前記第２の平滑フィルタ手段の出力の差をとる差動増幅手段とから構成される。
【００１１】
この発明においては、入力正弦波状信号の位相を補正して、その基本周波数において互いに９０°位相が異り、基本周波数からのズレにより互いに逆方向に位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を生成し、これらの正弦波状信号をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号を生成し、これら第１及び第２の２乗正弦波信号を加算し、その加算出力から交流成分を除去する、という演算処理により、入力正弦波状信号の振幅成分に対応する第１の中間直流出力が得られる。
一方、前記第１及び第２の正弦波状信号を乗算し、その乗算出力から交流成分を除去することにより、入力正弦波信号の基本周波数が変化したときのその周波数変化に対応する第１及び第２の正弦波状信号での振幅及び位相変化の差に対応する第２の中間直流出力が得られる。そして、第１の中間直流出力により第２の中間直流出力を除することにより、入力正弦波状信号の周波数変化に対応する位相変化量のみを示す最終直流出力を得ることができる。
【００１２】
従って、入力正弦波状信号が例えば、圧電振動子により駆動されて得られる，振幅及び周波数に検出情報を含むタッチ信号プローブの正弦波状の検出出力信号である場合にも、振幅及び周波数が変化する過渡状態での周波数変化を、振幅変化に影響されることなく検出することが可能である。特に、この発明の周波数抽出装置をタッチ信号プローブの信号処理回路に適用すれば、ＡＧＣ回路を用いないから、高速の信号処理が可能となる。
【００１３】
特にこの発明において、位相補正手段を、第１の演算増幅器を用いて構成され入力抵抗に直列に第１のコンデンサが挿入された第１の増幅回路と、第２の演算増幅回路を用いて構成され帰還抵抗に並列に第２のコンデンサが接続された第２の増幅回路とから構成すれば、入力正弦波状信号の基本周波数において互いに９０°位相が異り、周波数が基本周波数からずれるに従って互いに逆方向に微小な位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号を得ることができる。即ち、第１及び第２の正弦波状信号は、入力正弦波状信号の周波数変化を位相変化に変換した信号となり、これらの信号を用いた演算によって、振幅変化の影響を受けることなく、周波数変化を抽出することが可能になる。
【００１４】
【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正弦波状信号の周波数抽出装置のブロック構成である。入力正弦波状信号Ｓは、例えば図５に示したタッチ信号プローブの検出出力信号であり、このときこの周波数抽出装置は図５の信号処理回路７７に含まれる。
【００１５】
この周波数抽出装置は、入力正弦波状信号Ｓの位相を補正して、互いに９０°位相が異なる第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２を生成する位相補正回路１と、この位相補正回路１から得られる第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２をそれぞれ２乗して第１及び第２の２乗正弦波信号Ｓ１2及びＳ２2を生成する第１及び第２の２乗正弦波信号生成回路２ａ及び２ｂと、これらの２乗正弦波信号生成回路２ａ及び２ｂから得られる第１及び第２の２乗正弦波信号Ｓ１2及びＳ２2を加算した出力Ｓ３を得る加算回路３と、この加算回路３の出力Ｓ３から交流成分を除去して第１の中間直流出力Ｓ４を得る第１の平滑フィルタ４とを有する。
【００１６】
位相補正回路１の具体例は後述するが、ここで得られる第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２は、入力正弦波状信号Ｓの基本周波数において互いに９０°位相が異り、且つ基本周波数からのズレにより互いに逆方向に微小な位相ズレを生じるものとする。即ちこの位相補正回路１では、入力正弦波状信号の検出すべき周波数変化が位相変化に変換される。
【００１７】
またこの周波数抽出装置は、位相補正回路１の出力である第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１，Ｓ２を乗算する乗算回路５と、この乗算回路５の出力Ｓ６から交流成分を除去して第２の中間直流出力Ｓ７を得る第２の平滑フィルタ６を有し、更にこの第２の平滑フィルタ６からの第２の中間直流出力Ｓ７を第１の平滑フィルタ４からの第１の中間直流出力Ｓ４により除して、入力正弦波状信号の周波数変化に対応する最終直流出力Ｓ５を得る除算回路７を有する。
除算回路７は、最終直流出力Ｓ５と第１の平滑フィルタ４からの第１の中間直流出力Ｓ４とを乗算する乗算回路７ａと、この乗算回路７ａの出力Ｓ８と第２の平滑フィルタ６からの第２の中間直流出力Ｓ７との差をとる高利得の差動増幅回路７ｂにより構成されている。
【００１８】
位相補正回路１の具体例を図２に示す。この位相補正回路１は、第１の演算増幅器ＯＰ１を用いて構成された第１の増幅回路１１と、第２の演算増幅器ＯＰ２を用いて構成された第２の増幅回路１２とから構成されている。第１の増幅回路１１では入力抵抗Ｒ１１に直列に第１のコンデンサＣ１が挿入され、第２の増幅回路１２では帰還抵抗Ｒ２２に並列に第２のコンデンサＣ２が接続されている。これらの増幅回路１１，１２により、入力正弦波状信号Ｓの基本周波数において互いに９０°位相が異なり、且つ基本周波数からのズレにより互いに逆方向に微小な位相ズレを生じる第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２が得られることになる。
【００１９】
二つの２乗正弦波生成回路２ａ，２ｂは通常のアナログ乗算回路により構成することができる。乗算回路５及び７ａも通常のアナログ乗算回路である。
加算回路３には、図３に示すような演算増幅器ＯＰ３を用いた通常の加算回路を用いることができ、また二つの平滑フィルタ４，６には、図４に示すような演算増幅器ＯＰ４を用いた通常のＬＰＦを用いることができる。
【００２０】
この実施例による周波数抽出の動作を次に説明する。例えば、入力正弦波状信号Ｓを、角周波数がω、振幅がＡの下記数１で表される信号とする。この入力正弦波状信号Ｓがタッチ信号プローブの検出出力である場合、前述のようにプローブの被測定物との接触により、入力正弦波状信号Ｓは振幅及び周波数が変化することになる。
【００２１】
【数１】
0003668326.tif 000002
【００２２】
位相補正回路１では、この入力正弦波状信号Ｓに対して、第１の増幅回路１１がα１だけ位相遅れをもたらし、第２の増幅回路１２がα２−９０°だけ位相進みをもたらす。即ち入力正弦波状信号Ｓから、位相差が９０°となる下記数２で表される第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２が生成される。
【００２３】
【数２】
0003668326.tif 000003
【００２４】
ここで、α１及びα２は、入力正弦波状信号Ｓが定常時の角周波数ω０（基本周波数）においては、α１＝α２＝α０であり、角周波数ωが高くなると、α１は位相が進む方向（負方向）に変化し、α２は位相が遅れる方向（正方向）に変化する位相ズレとなる。即ち、基本周波数ω０からずれることによって、α１≠α２となる。
【００２５】
これらの第１及び第２の正弦波状信号Ｓ１及びＳ２をそれぞれ、２乗正弦波信号生成回路２ａ，２ｂで２乗することにより、下記数３に示す第１及び第２の２乗正弦波状信号Ｓ１2及びＳ２2が得られる。
【００２６】
【数３】
0003668326.tif 000004
【００２７】
これらの２乗正弦波状信号Ｓ１2及びＳ２2を加算回路３で加算すると、その加算出力Ｓ３は、下記数４となる。
【００２８】
【数４】
0003668326.tif 000005
【００２９】
この加算出力Ｓ３から、第１の平滑フィルタ４により交流成分を除去すると、第１の中間直流出力Ｓ４として、Ｓ４＝Ａ2が得られる。即ち入力正弦波状信号Ｓの振幅情報が抽出されたことになる。但し、入力正弦波状信号Ｓが定常時の基本周波数である場合には、前述のようにα１＝α２であるから、数４から明らかなように、加算回路３の加算により既に交流成分は除去される。
【００３０】
一方、数２に示す二つの正弦波状信号Ｓ１，Ｓ２を乗算回路５で乗算すると、次の数５の乗算出力Ｓ６が得られる。
【００３１】
【数５】
0003668326.tif 000006
【００３２】
この乗算出力Ｓ６から、第２の平滑フィルタ６により交流成分を除去すると、振幅情報と、周波数情報が変換された位相情報とを含む数６の第２の中間直流出力Ｓ７が得られる。
【００３３】
【数６】
0003668326.tif 000007
【００３４】
そして、除算回路７により、数６の第２の中間直流出力Ｓ７を、第１の平滑フィルタ４により得られる第１の中間直流出力Ｓ４＝Ａ2で除すると、数７に示す最終直流出力Ｓ５が得られる。
【００３５】
【数７】
0003668326.tif 000008
【００３６】
除算回路７での処理を具体的に説明すれば、差動増幅回路７ｂにより、乗算回路７ａの乗算出力Ｓ８と中間直流出力Ｓ７の差分を十分大きな利得Ａｖで増幅することにより、下記数８の信号Ｓ５が得られる。
【００３７】
【数８】
0003668326.tif 000009
【００３８】
ここで得られた信号Ｓ５と中間直流出力Ｓ４を乗算回路７ａで乗算すると、次の数９の乗算出力Ｓ８が得られる。
【００３９】
【数９】
0003668326.tif 000010
【００４０】
これらの数８及び数９から、Ｓ８を消去すると、次の数１０が得られる。
【００４１】
【数１０】
0003668326.tif 000011
【００４２】
利得Ａｖが十分に大きいと、数１０は、次の数１１で近似できる。
【００４３】
【数１１】
0003668326.tif 000012
【００４４】
即ち、第２の中間直流出力Ｓ７を、第１の平滑フィルタ４により得られる第１の中間直流出力Ｓ４で除したことになり、先の数７に示す最終直流出力が得られることになる。数７に示す最終直流出力は、振幅情報が消去されて、入力正弦波状信号の周波数変化に対応して位相補正回路１での生じる正負の位相ズレに対応したものである。
【００４５】
以上のようにしてこの実施例によれば、入力正弦波状信号の検出すべき周波数変化を位相変化に変換して、周波数変化と共に振幅変化がある場合にもその振幅変化の影響を受けることなく、周波数変化を検出することが可能になる。この実施例によれば、ＡＧＣを用いることなく振幅変化の影響を除くことができ、優れた高速応答性が得られる。従って、特にタッチ信号プローブの検出出力処理に適用して大きな効果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、入力正弦波状信号の位相補正と演算及びフィルタ処理によって、入力正弦波信号に含まれる振幅情報に対応する第１の中間直流出力を出し、更に別の演算とフィルタ処理によって振幅情報と、検出すべき周波数情報に対応する位相情報とを含む第２の中間直流出力を出し、これらの第１，第２の中間直流出力の演算によって位相情報を抽出することができる。この発明によれば、従来のようにＡＧＣ回路を用いることなく、振幅変化の影響を除いて、振幅変化を伴う周波数変化を高速に抽出することができる。従って特に、入力正弦波状信号が圧電振動子により駆動されて周波数に検出情報を含むタッチ信号プローブの検出出力信号である場合に、高速応答性に優れた信号処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例に係る振幅抽出装置のブロック構成を示す。
【図２】  同実施例の位相補正回路の構成例を示す。
【図３】  同実施例の加算回路の構成例を示す。
【図４】  同実施例の平滑フィルタの構成例を示す。
【図５】  タッチ信号プローブとその検出系の構成を示す。
【図６】  タッチ信号プローブの検出信号例を示す。
【符号の説明】
１…位相補正回路、２ａ，２ｂ…２乗正弦波信号生成回路、３…加算回路、４…第１の平滑フィルタ、５…乗算回路、６…第２の平滑フィルタ、７…除算回路、７ａ…乗算回路、７ｂ…差動増幅回路、１１…第１の増幅回路、１２…第２の増幅回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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