(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標測定システムで使用されるタッチプローブにおいて、タッチトリガ信号の決定に寄与する信号を出力するタッチプローブ回路であって、
前記タッチプローブに取り付けられたスタイラスの変位に応答するセンサ信号を出力するように構成された変位センサと、
前記変位センサによって出力される静止状態の信号の成分の変化を補償するために使用される可変のオフセット補償信号を提供するように構成されたオフセット補償制御部と、
前記オフセット補償信号と前記センサ信号を入力し、それらの入力された信号の間の差を増幅し、前記タッチプローブのためのタッチトリガ信号の決定に寄与するトリガ信号決定処理回路に出力されるとともに、前記オフセット補償信号の調整に使用するために前記オフセット補償制御部にも入力されるオフセット補償された変位信号として、増幅された前記差を出力するように接続された差分増幅器と、を備え、
前記オフセット補償制御部は、前記オフセット補償された変位信号を入力し、その入力に応答し、前記静止状態の信号の成分による前記センサ信号のオフセットを補償する前記差分増幅器に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号を生成するフィードバックループを提供するように構成されている
ことを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２】
請求項１において、
前記タッチプローブ回路は、公称Ｍビット分機能で動作するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）を備え、
前記差分増幅器は、前記オフセット補償された変位信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力するように構成されたアナログ増幅器を備え、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記オフセット補償された変位信号を、前記トリガ信号決定処理回路に出力されるとともに、前記オフセット補償信号の調整に使用される前記オフセット補償制御部にも入力される対応するデジタルオフセット補償された変位信号に変換するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項３】
請求項２において、
前記オフセット補償制御部は、公称Ｎビット分解能で動作するデジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）を備え、
前記オフセット補償制御部は、前記デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、前記Ｄ／Ａ変換器に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル回路を備え、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を、前記差分増幅器に入力される対応するアナログオフセット補償信号に変換するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項４】
請求項３において、
ＮはＭより少なくとも２ビット大きいことを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項５】
請求項４において、
Ｍは少なくとも１２であることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項６】
請求項３において、
Ｍは少なくとも１４であり、Ｎは少なくともＭと同じであることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項７】
請求項３において、
前記オフセット補償制御部は、前記デジタルオフセット補償された変位信号を第１のサンプルレートで入力し、前記ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を前記第１のサンプルレートよりも少なくとも１０倍遅い第２のサンプルレートで出力するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項８】
請求項７において、
前記第２のサンプルレートは、前記第１のサンプルレートよりも少なくとも１００倍遅いことを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項９】
請求項７において、
前記第１のサンプルレートは、少なくとも５０ＫＨｚであることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１０】
請求項３において、
前記オフセット補償制御部は、
前記デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、ローパスフィルタデジタル出力信号を出力するように構成されたデジタルローパスフィルタ構成体と、
前記ローパスフィルタデジタル出力信号を入力し、前記Ｄ／Ａ変換器に入力される前記ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル補正フィードバックコントローラと、を備えることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記デジタル補正フィードバックコントローラは、前記ローパスフィルタデジタル出力信号の変化に応答して比例積分コントローラとして動作するように構成されることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１２】
請求項１において、
前記差分増幅器は、第１の遮断周波数を有する相対的に高い帯域幅を提供するように構成され、前記オフセット補償制御部は、第２の遮断周波数を有する相対的に低い帯域幅に対応して前記ローパスフィルタされたオフセット補償信号を生成するように構成され、前記第２の遮断周波数は、前記第１の遮断周波数よりも少なくとも１０００倍低いことを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記第２の遮断周波数は、前記第１の遮断周波数よりも少なくとも５０００倍低いことを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記第１の遮断周波数は少なくとも５０００Ｈｚであり、前記第２の遮断周波数は最大で５Ｈｚであることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記第２の遮断周波数は、少なくとも０．１Ｈｚであることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１６】
請求項１２において、
前記オフセット補償制御部は、
前記オフセット補償された変位信号を入力し、前記第２の遮断周波数を有するローパスフィルタ出力信号を出力するように構成されたローパスフィルタ構成体と、
前記ローパスフィルタ出力信号を入力し、前記差分増幅器に生成されて入力される前記ローパスフィルタされたオフセット補償信号のレベルを決定するように構成された補正フィードバックコントローラと、を備えることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記補正フィードバックコントローラは、前記ローパスフィルタ出力信号の変化に応答して比例積分コントローラとして動作するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１８】
請求項１２において、
前記タッチプローブ回路は、公称Ｍビット分解能で動作するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）を備え、
前記差分増幅器は、前記オフセット補償された変位信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力するように構成されたアナログ増幅器を備え、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記オフセット補償された変位信号を、前記トリガ信号決定処理回路に出力するとともに、前記オフセット補償信号の調整に使用するために前記オフセット補償制御部にも入力される対応するデジタルオフセット補償された変位信号に変換するように構成され、
前記オフセット補償制御部は、公称Ｎビット分解能で動作するデジタル／ アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）を備え、そして、
前記オフセット補償制御部は、前記デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、前記第２の遮断周波数を有し、前記Ｄ／Ａ変換器に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル回路を備え、前記Ｄ／Ａ変換器は、前記ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を、前記第２の遮断周波数を有し、前記差分増幅器に入力される対応するアナログローパスフィルタされたオフセット補償信号に変換するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項１９】
請求項１において、
前記オフセット補償制御部は、前記トリガ信号決定処理回路が、ワークピースに接触している前記スタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力している間に、前記差分増幅器に入力される前記ローパスフィルタされたオフセット補償信号を実質的に一定に保持するようにさらに構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２０】
請求項１９において、
前記オフセット補償制御部は、前記トリガ信号決定処理回路が、ワークピースに接触している前記スタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力したときに提供される割込み信号を受信するように構成され、前記差分増幅器に入力される前記ローパスフィルタされたオフセット補償信号を実質的に一定に保持するように、前記割込み信号に応答することを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２１】
請求項１において、
前記タッチプローブ回路は、前記タッチプローブのハウジングに組み込まれ、前記トリガ信号決定処理回路の少なくとも一部は、前記タッチプローブの前記ハウジングの外側に配置されることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２２】
請求項１において、
前記タッチプローブ回路は、前記タッチプローブのハウジングに組み込まれ、前記トリガ信号決定処理回路の少なくとも一部は、前記タッチプローブの前記ハウジングの内部に配置されることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２３】
請求項２２において、
複数の変位センサに対応する複数の前記タッチプローブ回路が前記タッチプローブのハウジングに組み込まれ、前記トリガ信号決定処理回路が前記タッチプローブの前記ハウジングの内部に配置され、前記タッチプローブは、ワークピースに接触している前記スタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力するように構成されていることを特徴とするタッチプローブ回路。
【請求項２４】
請求項１において、
前記変位センサは、前記タッチプローブ内のスタイラス懸架構成体に使用される屈曲要素に取り付けられたシリコン歪みゲージを備えることを特徴とするタッチプローブ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、精密計量に関し、より詳細には、座標測定システムで使用されるタッチプローブで使用するための回路構成体に関する。
【背景技術】
【０００２】
座標測定システム、即ち、座標測定装置（ＣＭＭ）などの１次元又は３次元測定システムは、タッチプローブのスタイラスがワークピースに接触したときに、座標測定ゲージの読み取りをトリガするタッチプローブを使用することによって、検査されたワークピースの測定値を得ることができる。その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５,５２６,５７６号（'５７６特許）に記載されている１つの例示的な従来技術のＣＭＭは、ワークピースに接触するためのタッチプローブと、タッチプローブを移動させるためのマルチ駆動を備える移動機構と、タッチプローブヘッド内又はタッチプローブヘッドから信号を処理することに関連する機能を含む関連した電子システムと、を備える。
【０００３】
タッチプローブは、タッチプローブのスタイラスがワークピースに接触したことを示すために、タッチプローブのスタイラスの偏向を検出する様々なタイプの高感度変位センサを使用している。タッチプローブの１つの問題は、可能な限り最小の偏向は、可能な限り最小の信号変化から検出されなければならないことである。しかしながら、スタイラスがワークピースに接触していないとき、すなわち、スタイラス及び／又はタッチプローブが（スタイラスがワークピースに積極的に接触している状態とは対照的に）静止状態にあるときでさえ、変位センサ信号は、数多くの理由でドリフト又は変化し得る。例えば、センサ信号は、センサ、関連する回路、又は周囲の構造に対する温度又は湿気の影響の変化により、あるいは、タッチプローブの向きの変化により（例えば、スタイラス又はその懸架機構に対する重力作用により）、あるいは、（例えば、スタイラスが表面によって偏向され、次いで静止状態に戻される場合などの）機械的なヒステリシス効果により、あるいは、振動効果などにより、静止状態でドリフト又は変化し得る。このようなセンサ信号のドリフト又は変化が、ワークピースへの接触によって開始されるスタイラスの偏向を示す所望の小さな信号変化を識別することと混同しないこと、及び／又は干渉しないことを確実にするための測定がなされる必要がある。
【０００４】
ワークピースへの接触は、概して、上述したような様々な要因に起因する静止状態のセンサ信号のドリフトよりも速いレートで変化するワークピース接触信号をもたらす。したがって、ワーク接触信号を静止状態のセンサ信号のドリフトと区別するのに使用される最も一般的な従来技術の方法は、より急速に変化するワークピース接触信号の成分を、よりゆっくり変化する静止状態の信号のドリフトの成分と分離するために、変位センサ信号に対するハイパスフィルタを使用することである。ハイパスフィルタリングを含む変位センサの信号処理の１つの例示的な方法は、例えば、以前に組み込まれた'５７６特許に記載されている。
【０００５】
静止状態のセンサ信号のドリフトからワークピース接触信号を区別するために使用される別の従来技術の方法は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６,４８７,７８５号（'７８５特許）に開示されている。'７８５特許は、「タッチ指示された」切替閾値を左右する基準値を変更するためのインクリメンタル補正器の使用を開示している。インクリメンタル補正器は、タッチ要素が安静状態にあるとき（すなわち、静止状態のとき）に、システムパラメータ（例えば、変位センサの出力）の測定によって左右される一連の小さなインクリメンタル補正値を使用する。
【０００６】
ワークピース接触信号を温度による１つの特定のタイプの静止状態のセンサ信号のドリフトから区別するために使用される別の従来技術の方法が知られている。この方法は、タッチプローブ内の変位センサに対応する「ダミー」センサ及び／又は関連回路を提供することを含む。ダミーセンサは変位から分離されている。このような構成では、ダミーセンサは、同じ原因に起因する静止状態のセンサ信号のドリフトに近い何らかの原因（例えば、温度変化）に起因するセンサ信号のドリフトを示すことがある。したがって、ダミーセンサ信号の変化は、静止状態の変位センサ信号の変化の一部を補償するために使用され得る。しかしながら、この方法はタッチプローブアセンブリを複雑にし、実用上重要な数多くの原因又はタイプの静止状態のセンサ信号のドリフトには適用できないことは言うまでもない。
【０００７】
したがって、上記の方法を含む、より急速に変化するワーク接触信号の成分を、よりゆっくり変化する静止状態のセンサ信号のドリフト（静止状態の信号のドリフトとも称する）の成分から分離するために使用される様々な従来の方法を改善することが望ましい。例えば、変位信号の分離又は識別、回路応答安定性、回路応答時間、回路経済性、使いやすさ及び理解のいずれか又はすべての改善、ならびにタッチプローブ及び変位センサの様々なタイプ及びモデルに対する解決の普遍性を向上させることが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この概要は、以下の［発明を実施するための形態］でさらに説明する様々な開示された特徴及び原理のより急速な認識及び理解を可能にするために、概念の抜粋を簡略化した形で紹介するように提供される。したがって、この概要は、簡単に説明するのみであり、特許請求される主題の主要な特徴を分離することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されることを意図するものでもない。
【０００９】
上述の方法を含む、より急速に変化するワークピース接触信号の成分を、よりゆっくりと変化する静止状態の信号のドリフトの成分から分離するための先に示した先行技術の方法は、少なくともいくつかの用途に対して様々な望ましくない側面を持つよう決定されていた。
【００１０】
例えば、'５７６特許に開示されているようなハイパスフィルタリングを含む従来技術の方法は、それらが変位センサ信号の増幅に課す制限により、いくつかの用途では望ましくないことが分かっている。先に示唆したように、敏感なタッチプローブを作成するためには、可能な限り最小のスタイラスの偏向は、可能な限り最小の変位センサ信号の変化から急速に感知されなければならない。したがって、一般に、検出のために変位センサからの信号を増幅するための高利得増幅器を使用することが望ましい。しかしながら、タッチプローブにおける様々なタイプの変位センサ及び／又はそれらの実施形態では、変位センサによって出力される静止状態の信号の成分の変化（例えば、上に概説した様々な種類のセンサ信号「ドリフト」）は、しばしば、スタイラスの偏向の許容量に起因する変位センサ信号の変化を超えている。これは、偏向による変位センサ信号の成分の望ましい高利得増幅が電力供給の限界に達するように、相対的に大きな静止状態のセンサ信号の成分の変化を増幅するかもしれないことを意味しており、それは許容できない。従って、高利得増幅の使用は、上記に概説した理由のため別な方法が望ましく、より急速に変化するワークピース接触信号の成分を、よりゆっくり変化する静止状態の信号のドリフト（あるいは信号のドリフト）の成分から分離するハイパスフィルタリングを含む様々な従来技術の方法においては適していない。
【００１１】
１以上の変位センサによって出力される静止状態の信号又は静止状態の信号の組合せの変化を補償するためのタッチトリガ信号の切替閾値の調整を含む従来技術の方法も、様々な用途において望ましくないことが判明している。そのような方法の１つは、例えば '７８５特許に開示されている。このような方法の１つの問題点は、様々なタッチプローブにおいて、タッチトリガ信号の切替閾値と比較される合成信号を提供するために、複数の変位センサ信号を組み合わせることが望ましいことである。異なる変位センサの個々の静止状態の信号の成分の変化は、実際のスタイラスの偏向と個々の変位センサによる信号出力との関係の変化と事実上、関連していることは言うまでもない。しかしながら、異なる変位センサによって出力された個々の静止状態の信号の成分のそのような変化は、相互作用して、タッチトリガ信号の切替閾値との比較のための合成信号を生成する処理において予測不能に失われたり誇張されたりするかもしれない。これにより、トリガ信号が非対称になる、さもなければその幾何学的形状において変化を引き起こすような実際のスタイラス変位が生じる可能性がある。このような影響は、様々なタッチプローブの実施形態における個々の変位センサの静止状態の信号の変化を補償する手段として、合成されたトリガ信号の切替レベルの補償を望ましくないものにする。'７８５特許は、前述の問題を回避する単一の変位センサを使用するタッチプローブの一実施形態を開示している。しかしながら、複数の軸のスタイラス変位に応答するための単一の変位センサの使用は、別の一連の問題を導入し、幅広い用途を見出していない。さらに、インクリメント補正器が、タッチ要素が安静状態にあるときにタッチプローブの静止状態の信号によって左右される一連の小さなインクリメンタル補正値を使用する'７８５特許に開示された方法は、非常にゆっくり変化するあるいは適用される補正値を提供するのに適したものとして開示されている。例えば、'７８５特許は、「タッチピン２が安静状態の位置に戻った後、論理要素２３のデジタルカウンタのカウンタ状態は１だけ増減され、少なくとも１分のゆっくりとしたサイクルでステップをカウントする」と記述している。対照的に、様々な実施形態では、変位センサの静止状態の信号の変化がより急速に補正されることが望ましいかもしれない。例えば、タッチプローブの向きが変更されると、その中の変位センサの静止状態の信号は、（例えば、スタイラスの偏向の方向又は量を変える変更された重力方向により）直ちに変化することがある。検査スループットの観点から、変位センサの静止状態の信号の変化に対する補償のゆっくりとした適用を待つ間、その後のタッチプローブ測定動作を遅らせることは極めて望ましくない。
【００１２】
前述の問題の一部又は全部を克服し、他の望ましい特徴を提供するために、改善されたタッチプローブ回路の様々な実施形態がここに開示される。タッチプローブ回路は、タッチトリガ信号の決定に寄与する信号を出力し、座標測定システムと共に使用されるタッチプローブの使用のために提供される。タッチプローブ回路は、変位センサと、オフセット補償制御部と、差分増幅器と、を備える。変位センサは、タッチプローブに取り付けられたスタイラスの変位に応答するセンサ信号を出力するように構成される。オフセット補償制御部は、変位センサによって出力される静止状態の信号の成分の変化を補償するために使用される可変のオフセット補償信号を提供するように構成される。補償された静止状態の信号の成分は、静止状態の間に変位センサによって出力される唯一の信号の成分であってもよいことは言うまでもないが、この信号の成分はまた、スタイラスがワークピースに接触する際に、スタイラスの偏向から生じる変位センサ信号の成分に一体となされている。それゆえ、静止状態の信号の成分の補償は、タッチプローブの「非静止」状態の動作中に継続すべきである。これにより、差分増幅器は、オフセット補償信号とセンサ信号とを入力し、それら入力信号の間の差分を増幅し、オフセット補償された変位信号としてその増幅された差分を出力するように接続されている。オフセット補償された変位信号は、タッチプローブのタッチトリガ信号の決定に寄与するようにトリガ信号決定処理回路に出力されるとともに、オフセット補償信号の調整に使用されるオフセット補償制御部にも入力される。オフセット補償制御部は、オフセット補償された変位信号を入力し、その入力に応答して、静止状態の信号の成分によるセンサ信号のオフセットを補償するように差分増幅器に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号を生成するフィードバックループを提供するように構成されている。
【００１３】
様々な実施形態では、タッチプローブ回路は、公称Ｍビット分解能で動作するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）を備え、差分増幅器は、オフセット補償された変位信号をＡ／Ｄ変換器に出力するように構成されたアナログ増幅器を備える。なお、Ａ／Ｄ変換器は、オフセット補償された変位信号を、トリガ信号決定処理回路に出力されるとともに、オフセット補償信号の調整に使用されるオフセット補償制御部にも入力される対応するデジタルオフセット補償された変位信号に変換するように構成されている。様々な実施形態では、オフセット補償制御部は、公称Ｎビット分解能で動作するデジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）を備え、オフセット補償制御部は、デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、Ｄ／Ａ変換器に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル回路を備え、Ｄ／Ａ変換器は、ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を、差分増幅器に入力される対応するアナログオフセット補償信号に変換するように構成される。様々な実施形態では、Ｎは少なくともＭよりも２ビット大きい。様々な実施形態では、Ｍは少なくとも１２（以上）である。様々な実施形態では、Ｍは少なくとも１４であり、Ｎは少なくともＭと同じである。様々な実施形態では、オフセット補償制御部は、第１のサンプルレートでデジタルオフセット補償された変位信号を入力し、第１のサンプルレートより少なくとも１０倍遅い第２のサンプルレートでローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を出力するように構成される。様々な実施形態では、第２のサンプルレートは、第１のサンプルレートよりも少なくとも１００倍遅い。様々な実施形態では、第１のサンプルレートは少なくとも５０ＫＨｚである。様々な実施形態では、オフセット補償制御部は、デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、ローパスフィルタデジタル出力信号を出力するように構成されたデジタルローパスフィルタ構成体と、ローパスフィルタデジタル出力信号を入力し、Ｄ／Ａ変換器に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル補正フィードバックコントローラと、を備える。様々な実施形態では、デジタル補正フィードバックコントローラは、ローパスフィルタデジタル出力信号の変化に応答して、比例積分コントローラとして動作するように構成される。
【００１４】
様々な実施形態では、差分増幅器は、第１の遮断周波数を有する相対的に高い帯域幅を提供するように構成され、オフセット補償制御部は、第２の遮断周波数を有する相対的に低い帯域幅に対応するローパスフィルタされたオフセット補償信号を生成するように構成され、第２の遮断周波数は、第１の遮断周波数よりも少なくとも１０００倍低い。様々な実施形態では、第２の遮断周波数は、第１の遮断周波数よりも少なくとも５０００倍低い。様々な実施形態では、第１の遮断周波数は少なくとも５０００Ｈｚであり、第２の遮断周波数は最大で５Ｈｚである。様々な実施形態では、第２の遮断周波数は少なくとも０．１Ｈｚである。様々な実施形態では、オフセット補償制御部は、オフセット補償された変位信号を入力し、第２の遮断周波数を有するローパスフィルタ出力信号を出力するように構成されたローパスフィルタ構成体と、ローパスフィルタ出力信号を入力し、差分増幅器に生成され入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号のレベルを決定するように構成された補正フィードバックコントローラと、を備える。様々な実施形態では、補正フィードバックコントローラは、ローパスフィルタ出力信号の変化に応答して比例積分コントローラとして動作するように構成される。様々な実施形態では、タッチプローブ回路は、公称Ｍビット分解能で動作するアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）を備え、差分増幅器は、オフセット補償された変位信号をＡ／Ｄ変換器に出力するように構成されたアナログ増幅器を備える。なお、Ａ／Ｄ変換器は、オフセット補償された変位信号を、トリガ信号決定処理回路に出力されるとともに、オフセット補償信号の調整に使用するためにオフセット補償制御部にも入力される対応するデジタルオフセット補償された変位信号に変換するように構成されている。オフセット補償制御部は、公称Ｎビット分解能で動作するデジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）を備え、オフセット補償制御部は、デジタルオフセット補償された変位信号を入力し、第２の遮断周波数を有しＤ／Ａ変換器に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号の値を決定するように構成されたデジタル回路を備え、Ｄ／Ａ変換器は、ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号を、第２の遮断周波数を有し差分増幅器に入力される対応するアナログローパスフィルタされたオフセット補償信号に変換するように構成されている。
【００１５】
様々な実施形態では、オフセット補償制御部は、更に、トリガ信号決定処理回路がワークピースに接触しているスタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力している間、差分増幅器に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号を実質的に一定に保持するように構成される。このようないくつかの実施形態では、オフセット補償制御部は、トリガ信号決定処理回路がワークピースに接触しているスタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力したときに提供される割込み信号を受信するように構成され、差分増幅器に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号を実質的に一定に保持するように、割込み信号に応答する。
【００１６】
様々な実施形態では、タッチプローブ回路はタッチプローブのハウジング内に組み込まれ、トリガ信号決定処理回路の少なくとも一部はタッチプローブのハウジングの外側に配置される。他の実施形態では、複数の変位センサに対応する複数のタッチプローブ回路は、タッチプローブのハウジング内に組み込まれ、トリガ信号決定処理回路がタッチプローブのハウジング内に配置される。タッチプローブは、ワークピースに接触するスタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力するように構成される。様々な実施形態では、変位センサは、タッチプローブ内のスタイラス懸架構成体で使用される屈曲要素に取り付けられたシリコン歪みゲージを備えることができる。しかしながら、本明細書に開示されるタッチプローブ回路及び関連する概念及び方法は、タッチプローブ回路の使用に適した他の広範なタイプの変位センサに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本明細書で開示される様々なタッチプローブ回路構成体と組み合わせて使用され得るスタイラス懸架部及びセンサ構成体の一実施形態を有するタッチプローブの断面を示す部分概略図。
【図２】図１に示されるタッチプローブにおいて使用可能な変位センサ構成体の一実施形態を示す部分概略図。
【図３】本明細書で開示される原理に従って構成されたタッチプローブ回路の一実施形態を含む、座標測定システムに接続されたタッチプローブ電子システムの一実施形態の様々な要素を示すブロック図。
【図４】図３に示されるタッチプローブ回路の一実施形態の特定の態様をより詳細に示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、変位センサ構成体１１０及びスタイラス懸架構成体１８０を備えるスタイラス懸架部及びセンシングアセンブリの１つの例示的な実施形態を示すタッチプローブ１００の断面を示す部分概略図である。タッチプローブ１００の様々な機械的特徴は、一般に、タッチプローブ設計の当業者に知られている原理に従って提供されるので、本明細書で開示される様々なタッチプローブ回路構成体の使用のための例示的な状況（context）を提供するために、ここでは簡単に説明するのみとする。
【００１９】
スタイラス懸架構成体１８０は、移動アセンブリ１１１を支持する。移動アセンブリ１１１は、概略的に図１に例示され、以下でより詳細に説明されるように、交換可能なスタイラスモジュール１９０を順に支持することができる。変位センサ構成体１１０は、以下でより詳細に説明されるように、（例えば、図１に表されるようなタッチプローブ回路２００によって）本明細書に開示される様々なタッチプローブ回路構成体に接続され得る。
【００２０】
図１に示される実施形態では、スタイラス懸架構成体１８０は、（例えば、図１で概略的に示されたような様々な締付け又は組立てファスナを使用することによって、又は既知の接続技術等によって）下部支持要素１８１とスペーシング要素１８４との間に接続及び／又は固定されている下部屈曲要素１２１を備える。スタイラス懸架構成体１８０は、更に、上部支持要素１８３とスペーシング要素１８４との間に同様に接続及び／又は固定されている上部屈曲要素１２１'を備える。スタイラス懸架構成体１８０は、図１で概略的に示される典型的なファスナ１０４のようなファスナ等によってタッチプローブのハウジング１０２の部分に固定される。
【００２１】
図１に示される例で、移動アセンブリ１１１は、上部屈曲要素１２１'及び下部屈曲要素１２１から懸架されている。図示された特定の実施形態では、移動アセンブリ１１１は、上部固定リング１１３、スペーシング要素１１４、下部固定リング１１６、及び固定・捕捉要素１１７を含む要素の積み重ね（stack）を備える。ねじ付き固定ピン１１２は、上部固定リング１１３とスペーシング要素１１４との間に固定された上部屈曲要素１２１'と、下部固定リング１１６とスペーシング要素１１４との間に固定された下部屈曲要素１２１と、を持つ要素の積み重ねを軸方向に沿ってともに調整及び固定するのに使用される。下部の固定・捕捉要素１１７は、交換可能なスタイラスモジュール１９０と嵌合して支持するために、既知のタイプのキネマテック装着構成体１９２の磁石及び他の特徴を更に備えることができる。移動アセンブリ１１１の移動は、既知の手法に従って、移動アセンブリ１１１とタッチプローブの様々な固定面（例えば、スタイラス懸架構成体１８０の固定面及び／又はハウジング端部プレート１０２Ｅ）との間の限られた隙間によって制限される。移動アセンブリ１１１の移動を制限することにより、上部屈曲要素１２１'及び下部屈曲要素１２１、及び歪みゲージ１２０の非弾性的な撓み及び損傷が防止される。
【００２２】
概略的に図示されている交換可能なスタイラスモジュール１９０は、オーバートラベル機構１９３に取り付けられたスタイラス１０６を備える既知のタイプとされ、予期しない力によってスタイラスの損傷を防止するために、タッチプローブ設計の既知の原理に従って、それ自体を撓ませて繰り返し再装着することができる。交換可能なスタイラスモジュール１９０は、移動アセンブリ１１１の下部の固定・捕捉要素１１７の対応する特徴部と嵌合するために、既知のタイプのキネマテック装着構成体１９２の磁石及び他の特徴部を更に備えることができる。
【００２３】
スタイラス懸架構成体１８０の要素が（例えば、図２において下部屈曲要素１２１上の屈曲部分ＦＰによって最もよく示されているように）上部屈曲要素１２１'及び下部屈曲要素１２１の屈曲部分が図１で示された屈曲空隙領域ＦＧの近傍で支持されずに自由に曲がるように構成されていることがわかる。スタイラスは、移動アセンブリ１１１を介して上部屈曲要素１２１'及び下部屈曲要素１２１及び／又は屈曲部分の中央領域に接続されているので、屈曲部分は、スタイラスの接触部１０８がワークピースに接触したときに、スタイラス１０６を偏向させるように作用する力によって歪み及び／又は変位する。適切な変位センサ１２０（例えば、図２に最もよく示された１つの歪みゲージ１２０のような歪みゲージ型の変位センサ）は、歪み及び／又は変位を検出し、ワークピースに接触しているスタイラスを示す変位センサ信号（センサ信号）を提供しうる。図１に示される実施形態では、変位センサ信号が、接続１２２（例えば、図２に最もよく示されているフレックスプリントコネクタ）を介して変位センサ１２０からタッチプローブ回路２００の他の要素に送信される。タッチプローブ回路２００は、以下にさらに開示される様々なタッチプローブ回路の原理で構成することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の変位センサ１２０は、タッチプローブ回路２００の不可欠な部分であると考えられてもよい。
【００２４】
一実施形態では、タッチプローブ回路２００がタッチプローブのハウジング内に組み込まれ、トリガ信号決定処理回路の少なくとも一部がタッチプローブのハウジングの外側に配置される。タッチプローブ回路２００と外部トリガ信号決定処理回路との間の信号は、タッチプローブのコネクタ部１０３に組み込まれた電気的接続を介して、又は様々な市販のタッチプローブで既に使用されているような任意の既知の無線手段によって交換することができる。
【００２５】
別の実施形態では、複数の変位センサに対応する複数のタッチプローブ回路は、（例えば、本明細書のいくつかの図面に示されるように）タッチプローブのハウジング内に組み込まれ、トリガ信号決定処理回路は、また、タッチプローブのハウジングの内部に配置され、タッチプローブはワークピースに接触しているスタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力するように構成されている。このようなトリガ信号決定処理回路と外部のＣＭＭホストシステム等との間の信号は、タッチプローブのコネクタ部１０３に組み込まれた電気的接続を介して、又は様々な市販のタッチプローブで既に使用されているような任意の既知の無線手段によって交換することができる。
【００２６】
図２は、変位センサ構成体１１０を含む、図１に示される様々な要素の一実施形態をより詳細に示す部分概略図である。図２の特定の番号付けされた要素１ＸＸは、図１の同様の番号付けされた対応する要素１ＸＸと同様の動作又は機能と規定されることが理解され、類推によって、そうでなければ後述によってさらに理解される。特に、図１を参照して先に示したように、下部屈曲要素１２１は、薄く且つ平坦な下部屈曲要素１２１の歪みを防止するために、下部支持要素１８１に接続及び／又は固定されてもよい。しかしながら、下部支持要素１８１はまた、下部屈曲要素１２１の屈曲部分ＦＰが（例えば、図１に最もよく見られる屈曲空隙領域ＦＧの近傍で）支持されず、自由に曲がるように構成されている。スタイラス１０６は、移動アセンブリ１１１を介して下部屈曲要素１２１及び／又は屈曲部分ＦＰの中央領域ＣＲに接続されているので、屈曲部分ＦＰは、スタイラス１０６の接触部１０８がワークピースに接触すると、スタイラス１０６を偏向させるように作用する力によって歪み及び／又は変位する。図２に示されている実施形態では、歪みゲージ型の変位センサ１２０−１〜１２０−４は、歪み及び／又は変位を検出し、ワークピースに接触するスタイラスの接触部１０８を示す変位センサ信号を提供する様々な屈曲部分ＦＰに接続されている。図２に示されている実施形態では、変位センサ信号Ｓ１〜Ｓ４が、フレックスプリントコネクタ１２２を介して変位センサ１２０からタッチプローブ１００内のタッチプローブ回路２００の他の要素に送信される。
【００２７】
図３は、ここに開示される原理に従って構成されたタッチプローブ回路２００の一実施形態を含み、座標測定システム（例えば、ＣＭＭホストシステム）に接続されたタッチプローブ電子システム３００の一実施形態の様々な要素を示すブロック図である。タッチプローブ電子システム３００は、さらに、トリガ信号決定処理回路３５０の一実施形態を含む。図３の特定の番号付けされた要素２ＸＸは、図１及び／又は図２の同様の番号付けされた対応する要素１ＸＸ又は２ＸＸと同様の動作又は機能と規定されることが理解され、類推によって、そうでなければ後述によってさらに理解される。類似の設計及び／又は機能を有する要素を示すためのこの番号付け方法は、以下の図４に関して適用される。
【００２８】
図３に示す実施形態では、タッチプローブ回路２００は、複数の変位センサ２２０−１〜２２０−４と、複数の個別のオフセット補償制御部２３０−１〜２３０−４を備えるオフセット補償コントローラ２３０と、複数の差分増幅器ＤＡ−１〜ＤＡ−４と、を備える。同様の「Ｘ」又は「−Ｘ」指定（例えば、Ｘ＝１など）を有する様々な要素が、下記の「チャネルＸ＝１」について説明したのと同様の方法でそれぞれ動作する個々のタッチプローブ回路の「チャネル」を形成するように、図に示される接続によって示唆されるように共に作用することが理解される。
【００２９】
動作中、変位センサ２２０−１は、タッチプローブ（例えば、タッチプローブ１００）に取り付けられたスタイラス（例えば、スタイラス１０６）の変位に応答するセンサ信号Ｓ１を出力するように構成される。オフセット補償制御部２３０−１は、（例えば、いくつかの実施形態では、オフセット補償コントローラ２３０及び／又はオフセット補償制御部２３０−１の一部とみなされるＤ／Ａ変換器２３５を介して）可変のオフセット補償信号ＯＣ１を出力するように構成されている。オフセット補償制御部２３０−１からの可変のオフセット補償信号ＯＣ１は、以下により詳細に説明するように、変位センサ２２０−１によって出力される静止状態の信号の成分の変化を補償するために使用される。差分増幅器ＤＡ１は、オフセット補償制御部２３０−１からのオフセット補償信号ＯＣ１と変位センサ信号Ｓ１とを入力し、入力信号の間の差を増幅するように接続されている。増幅された差は、差分増幅器ＤＡ１から（例えば、Ａ／Ｄ変換器２４５を介して）オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１として出力される。オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１は、詳細は下記に記載されているように、タッチプローブのタッチトリガ信号（例えば、信号３７５Ｔ）の決定に寄与するように、Ａ／Ｄ変換器２４５を介してトリガ信号決定処理回路３５０に出力される。オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１は、また、出力するオフセット補償信号の調整に使用するためにオフセット補償制御部２３０−１に入力されるように、Ａ／Ｄ変換器２４５を介して出力される。具体的には、オフセット補償制御部２３０−１は、オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１を入力し、その入力に応答し、静止状態の信号の成分による変位センサ信号Ｓ１のオフセットを補償する（例えば、Ｄ／Ａ変換器２３５を介して）差分増幅器ＤＡ１に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣ１を生成するフィードバックループを提供するように構成される。差分増幅器ＤＡ１でローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣ１を生成し適用するこのタイプのフィードバックループを使用する利点は、変位センサ信号内でより急速に変化するワークピース接触信号の成分を分離するために変位センサ信号内でよりゆっくり変化する静止状態の信号のドリフトの成分を補償する様々な既知の従来技術の欠点と比較して、本開示の［課題を解決するための手段］のセクションで既に概説されている。
【００３０】
本明細書に開示されている様々なタッチプローブ回路の動作原理の前後の説明に基づいて、タッチプローブ回路２００は、電子回路設計の当業者によって、アナログ回路又はデジタル回路のいずれか、又はその組み合わせで、実現されてもよいことは言うまでもない。様々な部分的な又は完全なアナログ回路の実施形態では、Ｄ／Ａ変換器２３５及び／又はＡ／Ｄ変換器２４５が省略されてもよい。しかしながら、様々な実施形態では、オフセット補償コントローラ２３０及び／又はオフセット補償制御部２３０−１のデジタル回路の実施形態は、様々な利点を有することができる。そのような実施形態では、タッチプローブ回路２００は、好都合に、Ａ／Ｄ変換器２４５及び／又はＤ／Ａ変換器２３５を備えることができる。様々な実施形態では、Ａ／Ｄ変換器２４５及び／又はＤ／Ａ変換器２３５は、並列変換器チャネルを介して並列に複数のチャネルを変換することができ、又は他の実施形態では、Ａ／Ｄ変換器２４５及び／又はＤ／Ａ変換器２３５は、関連する処理時間が特定の実施形態において許容される場合、順次変換のために様々なチャネルを多重化することができる。
【００３１】
様々な実施形態では、Ａ／Ｄ変換器２４５は、公称Ｍビット分解能で動作することができる。差分増幅器ＤＡ１は、オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１をＡ／Ｄ変換器２４５に出力するように構成されたアナログ増幅器を備える。なお、Ａ／Ｄ変換器２４５は、オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１を、トリガ信号決定処理回路３５０に出力されるとともに、オフセット補償信号ＯＣ１の調整に使用されるオフセット補償制御部２３０−１に入力される対応するデジタルオフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１に変換するように構成されている。様々な実施形態では、オフセット補償制御部２３０−１は、公称Ｎビット分解能で動作するＤ／Ａ変換器２３５を備え、オフセット補償制御部２３０−１は、デジタルオフセット補償された変位信号ＯＣＤＳ１を入力し、Ｄ／Ａ変換器２３５に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号ＯＣ１の値を決定するように構成されたデジタル回路を備え、Ｄ／Ａ変換器２３５は、ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号ＯＣ１を、アナログ差分増幅器ＤＡ１に入力される対応するローパスフィルタされたアナログオフセット補償信号ＯＣ１に変換するように構成されている。様々な実施形態では、ＮがＭよりも少なくとも２ビット大きいと好都合である。これは、先に示したように、タッチプローブにおける様々なタイプの変位センサ及び／又はそれらの実施形態に対して、変位センサによって出力される静止状態の信号の成分の変化（例えば、様々な種類のセンサ信号の「ドリフト」）が、スタイラスの偏向の許容量により変位センサ信号の変化をしばしば超える可能性があることから好都合である。これは、ローパスフィルタされたアナログオフセット補償信号ＯＣ１が、変位センサによって出力される大きな静止状態の信号の成分を補償するために大きな値になり得ることを意味する。対照的に、差分増幅器ＤＡ１によって提供される処理は、ローパスフィルタされたアナログオフセット補償信号ＯＣ１の大きな値をその出力から除去し、スタイラスの偏向の許容量に起因する変位センサ信号の変化に対応して相対的に小さな値の信号オフセット補償された（アナログ）変位信号ＯＣＤＳ１のみを出力する。その結果、Ｄ／Ａ変換器２３５及びＡ／Ｄ変換器２４５から出力される信号において対等な信号分解能を提供する、及び／又はローパスフィルタ処理されたアナログオフセット補償信号ＯＣ１の分解能が不十分であることによってＡ／Ｄ変換器２４５の出力において望ましくないジャンプ又は「ディザリング（dithering）」を防止するために、ＮがＭよりも少なくとも２ビット大きい場合に、様々な実施形態において最も経済的で且つ好都合となる。
【００３２】
さらに、オフセット補償されたデジタル変位信号ＯＣＤＳ１において望ましいレベルの分解能を提供するために、多くの用途でＭが少なくとも１２であると好都合である。これは、処理効率及び経済性を犠牲にして許容可能な性能をも提供し得る択一的な実施形態を示唆している。様々な実施形態では、Ｍが少なくとも１４であり、Ｎが少なくともＭと同じである場合、結果として得られるオフセット補償されたデジタル変位信号ＯＣＤＳ１の最下位ビットは、（例えば、トリガ信号決定処理回路３５０で）切り捨てられるか無視される。
【００３３】
トリガ信号決定処理回路３５０は、タッチプローブ設計の当業者に知られている原理に従って実現することができる。したがって、本明細書に開示された様々なタッチプローブ回路構成体の使用のための状況を提供するために、ここでは一実施形態で簡単に説明する。前述したように、また、図３に示されるように、タッチトリガ信号の切替閾値と比較される合成信号を提供するために、複数の変位センサ信号を組み合わせることが、様々なタッチプローブ実施形態では望ましいかもしれない。そのような実施形態は、例えば、ある経済的な懸架構成体をうまく補完することができる。したがって、図３に示すように、トリガ信号決定処理回路３５０は、４つの個別のオフセット補償されたデジタル変位信号ＯＣＤＳ１〜ＯＳＤＳ４を入力し、トリガ閾値処理回路３５２に提供される合成された変位信号を決定する信号合成処理部３５１を備える。トリガ閾値処理回路３５２は、合成された変位信号と比較される切替閾値を規定する。合成された変位信号が切替閾値を超えると、トリガ閾値処理回路３５２は、スタイラスがワークピースに接触したことを示すタッチトリガ信号３７５Ｔを出力する。タッチトリガ信号３７５Ｔは、例えば、Ｉ／Ｏ回路３７０を介してＣＭＭホストシステムなどと通信する。そして、ホストシステム内の現在の測定値は、スタイラスの現在座標及び接触しているワークピースの表面の測定座標を示すために記録される。また、様々な実施形態では、Ｉ／Ｏ回路３７０はまた、ホストシステムとトリガ信号決定処理回路３５０及び／又はタッチプローブ回路２００の様々な要素との間で他の制御信号及び／又はパラメータ３７５を渡すことができる。
【００３４】
トリガ閾値処理回路３５２は、既知のタイプのヒステリシス回路３５３を備えることができる。ヒステリシス回路３５３は、合成された変位信号が切替閾値から所定量下回るまで、タッチトリガ信号３７５Ｔが除去されない、又は無効にされないように、定義された切替閾値に関してヒステリシスを実施する。これにより、スタイラスがワークピースの表面にわずかに接触／非接触しているときに、タッチトリガ信号３７５Ｔがディザリングオン／オフすることを防止される。
【００３５】
トリガ信号決定処理回路３５０は、さらに、オフセット補償制御割込み信号生成回路３５４を備える。オフセット補償制御割込み信号生成回路３５４は、以下により詳細に説明するように、トリガ閾値処理回路３５２からのタッチトリガ信号３７５Ｔ又は関連信号を受信し、その影響を中断又はフリーズするように、割込み信号３５４Ｓをオフセット補償コントローラ２３０に送信する。これにより、オフセット補償コントローラ２３０が、変位センサ信号内の持続的なワークピース接触信号の成分による変位センサ信号の変化を補償するようには動作しないことを確実にする。なお、この変位センサ信号の変化は、不適切で望ましくないタイプの動作とされている。
【００３６】
トリガ信号決定処理回路３５０の例示的な動作の前述の概要は、タッチプローブ設計の分野で現在利用可能な様々な関連する材料の研究及び応用に基づいてさらに理解及び実現されうる。例えば、切替閾値の定義と同様に、信号の合成処理の方法を含む一例示的なトリガ信号決定処理回路及び方法は、米国特許第７,７９２,６５４号（'６５４特許）に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３７】
図４は、図３を参照して先に説明したタッチプローブ回路２００として使用可能なタッチプローブ回路２００'の一実施形態の特定の態様をより詳細に示すブロック図である。図４の特定の番号付けされた要素２ＸＸ又は２ＸＸ'は、図１、図２、及び／又は図３の同様の番号付された対応する要素１ＸＸ又は２ＸＸと同様の動作又は機能と規定されることが理解され、類推によって、そうでなければ後述によってさらに理解される。図４に示される様々な要素は、個々のタッチプローブ回路の「チャネル」を形成するための図示された接続によって示されるように共に作用することが理解される。図３を参照して先に説明したように、追加のタッチプローブ回路のチャネルは、図４に示され、以下に説明されるチャネルについて説明されたのと同様の方法でそれぞれ動作するタッチプローブに組み込むことができる。
【００３８】
図４に示す実施形態では、タッチプローブ回路２００'は、変位センサ２２０ｉと、オフセット補償コントローラ２３０'と、差分増幅器ＤＡｉと、を備える。動作中、変位センサ２２０ｉは、タッチプローブに取り付けられたスタイラス（例えばスタイラス１０６）の変位に応答するセンサ信号Ｓｉを出力するように構成される。オフセット補償制御部２３０ｉは、Ｄ／Ａ変換器２３５'を介して可変のオフセット補償信号ＯＣｉを出力するように構成される。いくつかの実施形態では、Ｄ／Ａ変換器２３５'は、以下に更に説明するように、オフセット補償制御部２３０ｉ及び／又はそこに含まれるデジタル補正フィードバックコントローラ（補正フィードバックコントローラ）４３４の一部であるとみなされる。オフセット補償制御部２３０ｉからの可変のオフセット補償信号ＯＣｉは、変位センサ２２０ｉによって出力される静止状態の信号の成分の変化を補償するために使用される。差分増幅器ＤＡｉは、Ｄ／Ａ変換器２３５'からのアナログオフセット補償信号ＯＣｉと変位センサ信号Ｓｉとを入力し、その入力信号の間の差を増幅するように接続されている。増幅された差は、（例えば、図３を参照して先に説明したように）トリガ信号処理に使用されるように、差分増幅器ＤＡｉからＡ／Ｄ変換器２４５を介してオフセット補償された変位信号ＯＣＤＳｉとして出力される。オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳｉは、出力するオフセット補償信号ＯＣｉの調整の使用のために、オフセット補償制御部２３０ｉにも入力される。この説明によれば、オフセット補償制御部２３０ｉは、オフセット補償された変位信号ＯＣＤＳｉを入力し、その入力に応答して、静止状態の信号の成分による変位センサ信号Ｓｉのオフセットを補償する差分増幅器ＤＡｉに入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣｉを生成するフィードバックループを提供するように構成されている。
【００３９】
この特定の実施形態では、オフセット補償制御部２３０ｉは、オフセット補償されたデジタル変位信号ＯＣＤＳｉを入力し、ローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉを出力するように構成されたデジタルローパスフィルタ構成体４３１を備える。オフセット補償制御部２３０ｉは、ローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉを入力し、Ｄ／Ａ変換器２３５'に入力されるローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号ＯＣｉの値を決定し、差分増幅器ＤＡｉに入力されるローパスフィルタされたアナログオフセット補償信号ＯＣｉとしてＤ／Ａ変換器２３５'から出力するように構成されたデジタル補正フィードバックコントローラ４３４をさらに備える。図４に示す特定の実施形態では、デジタル補正フィードバックコントローラ４３４は、ローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉの変化に応答して比例積分コントローラとして動作するように構成される。図示のように、ローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉは、デジタル補正フィードバックコントローラ４３４に入力され、ローパス差分信号ＬＰＤＳｉは、規定された基準レベル４３６に対して決定される。ローパス差分信号ＬＰＤＳｉは、既知のタイプのデジタル比例積分コントローラ（ＰＩコントローラ）４３７（例えば、既知の方法に従ってアナログＰＩコントローラ上でモデル化されたＩＩＲ型ＰＩコントローラ）に入力される。ＰＩパラメータは、オフセット補償信号のループ安定性と、十分に速い設定時間と、良好な精度との間の所望のトレードオフを提供するための試行錯誤と分析によって選定することができる。図示された実施形態では、ＰＩコントローラ４３７は、ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号ＯＣｉの値を決定する。なお、ローパスフィルタされたデジタルオフセット補償信号ＯＣｉは、シリアライザ４３８を介してＤ／Ａ変換器２３５'に伝送される。デジタル補正フィードバックコントローラ４３４のこの構成体は例示的なものに過ぎず、限定するものではないことは言うまでもない。
【００４０】
デジタルローパスフィルタ構成体４３１の動作に関して、まず、差分増幅器ＤＡｉが第１の遮断周波数を有する相対的に高い帯域幅を提供するように構成され、オフセット補償コントローラ２３０'が第２の遮断周波数を有する相対的に低い帯域幅に対応するローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣｉを生成するように構成されることが、様々な実施形態において利点を有することを特に言及する。例えば、いくつかの実施形態では、変位センサ信号におけるよりゆっくり変化する静止状態の信号のドリフトの成分を補償し、変位センサ信号におけるより急速に変化するワークピース接触信号の成分を分離し増幅するために、第２の遮断周波数は、第１の遮断周波数よりも少なくとも１０００倍低くすることができる。例えば（差分増幅器ＤＡｉの）第１の遮断周波数は少なくとも５０００Ｈｚ、（オフセット補償コントローラ２３０'の）第２の遮断周波数は最大で５Ｈｚであってもよい。他の実施形態では、第２の遮断周波数が第１の遮断周波数よりも少なくとも５０００倍、又はそれ以上低いと好都合である。例えば、（差分増幅器ＤＡｉの）第１の遮断周波数は少なくとも１００００Ｈｚ、（オフセット補償コントローラ２３０'の）第２の遮断周波数は最大で２Ｈｚであってもよい。様々な実施形態では、第２の遮断周波数は、様々な望ましくない「よりゆっくりと変化する」静止状態の信号のドリフトの成分が補償されることを保証するために、少なくとも０．１Ｈｚであってもよい。
【００４１】
図４に示されている実施形態では、デジタルローパスフィルタ構成体４３１の動作は、上で概説した有利な特徴を提供することができる。様々な実施形態では、デジタルローパスフィルタ構成体４３１は、信号オフセット補償されたデジタル変位信号ＯＣＤＳｉのエイリアシング（aliasing：折り返し雑音）を防止するのに十分である第１の 「高」サンプルレート（例えば５０ＫＨｚ、又は１００ＫＨｚのサンプルレートは、容易に実現できる）でデジタルオフセット補償された変位信号を入力するように構成される。デジタルローパスフィルタ構成体４３１は、カウンタ４３２Ｂ及び所望のサンプルレートで可能とされた既知のタイプのデジタルローパスフィルタ４３２Ａ（例えば、３次バターワースＩＩＲフィルタ）を備えるデシメータ４３２を含む「第１段」を有することができる。デシメータ４３２は、「第２段」のローパスフィルタ４３３に「中間」のローパス出力（例えば、１００Ｈｚという中間的に有効な遮断周波数を有する）を提供するように構成することができる。ローパスフィルタ４３３は、「中間」のローパス出力（例えば６００Ｈｚ）のエイリアシングを防止するのに十分である低減された「低」サンプルレートで「中間」のローパス出力を入力するように構成されている。これは、カウンタ４３２Ｂから供給される低減された「低」サンプルレートのイネーブル信号によって確立される。いくつかの実施形態では、デジタルローパスフィルタ４３３は、前述のデジタルローパスフィルタ４３２Ａと同様の既知のタイプとすることができる。デジタルローパスフィルタ４３３は、所望のローパス遮断周波数（例えば、少なくとも０．５Ｈｚで、最大５Ｈｚ、又は２Ｈｚ、又は１Ｈｚなど）を有する「最終」のローパス出力を提供することができる。デジタルローパスフィルタ構成体４３１は、オフセット補償信号ＯＣｉに他の望ましくない影響を及ぼす可能性のあるより低い周波数への、より高い周波数の信号（例えば、振動による）のエイリアシングを防止する。
【００４２】
デジタルローパスフィルタ構成体４３１は、第１のサンプルレート（低サンプルレート）よりも少なくとも１０倍、又はさらに１００倍又はそれ以上遅い第２のサンプルレート（低サンプルレート）でローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉを出力することが、上の説明から明らかである。デジタル補正フィードバックコントローラ４３４及びＤ／Ａ変換器２３５'は、同じ低サンプルレートで動作することもできる。なお、同じ低サンプルレートであることで、デジタル補正フィードバックコントローラ４３４及び／又はオフセット補償コントローラ２３０'の設計を単純化することができる。
【００４３】
様々な実施形態では、図３を参照して先に概説した原理及び関係に従って、Ａ／Ｄ変換器２４５'は公称Ｍビット分解能で動作し、Ｄ／Ａ変換器２３５'は公称Ｎビット分解能で動作する。
【００４４】
様々な実施形態では、オフセット補償コントローラ２３０'は、さらに、オフセット補償割込み回路４３９を備えるように構成される。なお、オフセット補償割込み回路４３９は、前に概説した割込み信号３５４Ｓなどを受信し、トリガ信号決定処理回路がワークピースに接触しているスタイラスに応答するタッチトリガ信号を出力している間に、差分増幅器に入力されるローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣｉを実質的に一定に保持するオフセット補償コントローラ２３０'を制御するように構成されている。いくつかのこのような実施形態では、オフセット補償割込み回路４３９は、ローパスフィルタ４３３に供給される低サンプルレートのイネーブル信号を遮断することによって、割込み信号３５４Ｓなどに応答するように構成される。ローパスフィルタ４３３は、ローパスフィルタ４３３が効果的にローパスフィルタデジタル出力信号ＬＰＳｉを一定値に保持するように構成され、その際に、デジタル補正フィードバックコントローラ４３４は、ローパスフィルタされたオフセット補償信号ＯＣｉを所望の一定値で保持することによって応答する。割込み信号３５４Ｓ等が終了すると、オフセット補償割込み回路４３９は、ローパスフィルタ４３３に供給される低サンプルレートのイネーブル信号の遮断解除をし、先に概説されたオフセット補償コントローラ２３０'の可変の補償動作が再開される。
【００４５】
様々な実施形態では、変位センサは、タッチプローブ内のスタイラス懸架構成体で使用される屈曲要素に取り付けられたシリコン歪みゲージを備えることができる。しかしながら、本明細書に開示されるタッチプローブ回路と関連する概念と方法とは、タッチプローブ回路での使用に適した広範な他のタイプの変位センサに適用可能である。
【００４６】
本開示の好ましい実施形態を図示し記載してきたが、図示され記載された特徴の構成及び動作シーケンスの多くの変形は本開示に基づいて当業者には明らかである。例えば、様々な実施形態では、変位センサは、本明細書に示すタッチプローブ内のスタイラス懸架構成体で使用される屈曲要素に取り付けられたシリコン歪みゲージを備えることができる。しかしながら、本明細書で開示されるタッチプローブ回路と関連する概念と方法とは、それに限定されず、むしろ、タッチプローブ回路での使用に適した広範な他のタイプの変位センサに適用可能である。その変位センサとしては、歪みゲージ、圧電要素、又は光学的、静電容量式、磁気式又は誘導式の変位センサの他のタイプを含むが限定されない。
【００４７】
様々な代替形態が、本明細書に開示された原理を実施するために使用されてもよい。加えて、上記の様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するように組み合わせることができる。本明細書で参照される全ての米国特許及び米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。必要に応じて、さらなる実施形態を提供するために様々な特許及び出願の概念を採用するために、実施形態の態様を変更することができる。
【００４８】
２０１５年１２月２２日に出願された米国特許出願第６２／２７１,０８２号の開示は、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００４９】
これらの変更及び他の変更は、上記の詳細な説明に照らして実施形態に対して行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は特許請求の範囲を明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、このような特許請求の範囲が権利を与えるような均等物の全範囲と共にすべての可能な実施形態を含むように解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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