(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブ信号がパルスの形で伝送され、前記パルスを受信するパルス受信回路を備え、
前記パルス受信回路は、前記パルスが所定のしきい値を超えたときに出力を生成するしきい値検出器を含み、前記しきい値は受信された前記パルスの振幅に従って変化し、
前記プローブ信号の信号レベルが前記しきい値より低下したときに、前記パルスのピッチと比べると大きいが前記パルスの振幅の変動と比べて小さな時定数によって、前記所定のしきい値が減衰することを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項２】
請求項１に記載の回路において、受信された前記パルスの振幅を検出する振幅検出回路を含み、前記しきい値検出器のしきい値は、前記振幅検出回路からの出力信号に従って変化することを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項３】
請求項２に記載の回路において、前記振幅検出回路は、受信された前記パルス用の増幅器であり、自動利得制御回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項４】
請求項２に記載の回路において、前記振幅検出回路は、受信されたパルスのピーク値を検出するピーク検出器であることを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項５】
請求項２、請求項３、または請求項４に記載の回路において、所定の期間内に信号パルスが受信されない場合、前記振幅検出回路は前記しきい値を最小設定値にリセットすることを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項６】
請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５に記載の回路において、信号パルスよりも長い干渉パルスを検出する回路を含み、干渉パルスが検出された場合にしきい値の設定を禁止する回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の回路において、受信されたパルス用の増幅器を含み、該増幅器は自動利得制御回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の回路において、受信されたパルス用の増幅器を含み、該増幅器は低周波信号を打ち消すことを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の回路において、前記しきい値の最小レベルをプリセットする回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送回路。
【請求項１０】
プローブに関連した送信機と、
前記送信機から送信された信号を受信する複数の受信機と、
前記受信機の出力信号を受け取るように接続された回路とを備え、
前記回路は、各受信機からの信号の信号強度を比較し、相対的な信号強度に基づいて１つまたは複数の受信機からの出力を選択することを特徴とするプローブ用信号伝送システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記受信機出力信号を受け取り比較する回路は、前記受信機出力信号を組み合わせて平均し、出力信号が平均値を超えたときにその出力信号を選択する回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記回路によって使用される平均値は、受信機出力信号の真の算術平均よりも低く、したがって、各信号がほぼ等しい場合には複数の信号が選択されることを特徴とするプローブ用信号伝送システム。
【請求項１３】
請求項１０、請求項１１、または請求項１２に記載のシステムにおいて、
前記受信機によって受信された信号を処理するために、請求項１〜９のいずれかに記載の信号伝送回路を含むことを特徴とするプローブ用信号伝送システム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、信号伝送回路（signal transmission circuit）に関する。本発明は、工作機械のような位置測定・決定機械（position determining machine）での測定に使用されるタイプのプローブによって生成される信号に適用することができる。
工作機械の可動スピンドルに測定プローブ（measuring probe）を挿入し、その可動スピンドルによって、測定すべきワークピースの様々な表面にプローブを接触させることが知られている。プローブは切断工具と交換することができるので、信号を処理しその信号を機械制御装置にインタフェースする後続のインタフェース回路に対して、プローブを結線することは困難であり、場合によっては不可能である。このようなことから、様々な無線信号伝送システムが知られている。これらのシステムは、例えば、機械の固定構造上にマウントされた受信機に信号を光学的に伝送するか、あるいは無線で伝送している。
スピンドルに取り付けられたプローブ（spindle-mounted probe）が機械の周りを移動するにつれて、受信機によって受信される信号強度が変動する。特に、光学伝送システムの場合、ある受信機によって受信された信号が弱いか、あるいは存在しない場合にも、他の受信機によって良好な信号が受信されるように、機械上の様々な位置に２つ以上の受信機を設けることが知られている。このような既知の構成では、インタフェース内の回路は、２つの受信機からの出力を並列に組み合わせるに過ぎない。
大型の機械でも、あるいは、プローブと１つの受信機との間に常に照準線（line of sight）が存在するとは限らない機械でも使用することができる信号伝送システムを作製することが望ましい。これは、プローブの送信機の出力を増大することによって、ある程度実現することができる。これによって、信号伝送システムの使用範囲が広がる。光学システムの場合は、照準線がないときでも機械の様々な表面から反射された光を使用可能とすることができる。しかし、プローブは電池駆動であるので、実際にはこのような出力の増大には限界がある。非常に高い出力を放出する場合、電池寿命は非常に短くなる。したがって、他の採り得る方法は、受信機の感度を高めることである。
しかし、信号伝送の範囲を拡張するために受信機の感度をより高めようとすると、単一の受信機の場合でも、複数の受信機の場合でも、問題が生じる。感度が高くなるにつれて、受信機が干渉を受ける可能性が高くなる。光学システムの場合、このような干渉は、ストローブビーコン（strobe becon）、蛍光灯、あるいは、近傍にある機械上のプローブの他の信号伝送システムによって生じる可能性がある。
本発明の一態様は、プローブ信号がパルスの形で伝送され、上記パルスを受信する回路を備え、
このパルス受信回路は、上記パルスが所定のしきい値を超えたときに出力を生成するしきい値検出器を含み、そのしきい値は、受信されたパルスの振幅に従って変化し、
ここで、その信号レベルが上記しきい値よりも低い値に低下したときには、上記パルスのピッチと比べると大きいが上記パルスの全体的な振幅の変動と比べて小さな時定数によって、上記所定のしきい値の値が減衰する、プローブ用信号伝送回路を提供する。
本発明の第２の態様は、
プローブに関連した送信機と、
上記送信機から送信された信号を受信する複数の受信機と、
上記受信機の出力信号を受け取るように接続された回路とを備え、
上記回路は、各受信機からの信号の信号強度を比較し、それらの相対的な信号強度に基づいて１つまたは複数の受信機からの出力を選択する、プローブ用信号伝送システムを提供する。
次に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を一例として説明する。
図１は、工作機械プローブおよび信号伝送システムの全体構成図である。
図２は、図１に示した受信機の回路構成図である。
図３Ａおよび図３Ｂは、図２に示した受信機回路の動作を説明するための、信号を表す線図である。
図４は、図１に示したインタフェースの一部を形成する回路を示す図である。
図５は、図２に示した受信機とは別の構成を有する代替受信機の構成図である。
図１は、（矢印１２で示すように）Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向に移動できるように工作機械のスピンドルに取り付ける（マウントする）ことができるプローブ１０を示す。このプローブは、適切には、たわみ可能なスタイラス（deflectable stylus）１４を有するタッチトリガプローブであり、スタイラス１４は、ワークピースに接触したときにトリガ信号を発する。しかし、本発明は、スタイラス１４のたわみ量に対応する信号を出力するプローブにも有用である。信号はプローブから機械制御装置に光学的に伝送され、この目的のために、プローブ１０は複数の発光ダイオード１６（たとえば、赤色発光ダイオードや赤外線発光ダイオード）を有する。このプローブは電池駆動であり、オンに切り換えられると、連続する光パルスストリームを放出し、必要な信号がこの光パルスストリーム上にコード化される。
光パルスは、１つまたは複数の受信ユニット（この例では、２つの受信ユニット１８および１８’が示されている）内の光検出器２８、２８’によって受信される。各受信機は光パルスを２つの相補的電気パルス信号に変換し、これらのパルス信号は線２０，２０’を介してインタフェース回路２２へ送られる。各受信機１８，１８’は、また、受信された光パルスの振幅または信号強度を示すＤＣレベルをライン２４，２４’上に生じさせる。このＤＣレベルは電圧レベルでも、あるいは電流レベルでもよい。このＤＣ信号もインタフェース２２に与えられる。
インタフェース２２は、信号を処理した後、ライン２６上に出力信号を生成する。この出力信号は機械制御装置に送られる。タッチトリガプローブの場合、ライン２６は、スタイラス１４がワークピースと接触したことを示すトリガ信号を搬送し、機械制御装置は、この信号を使用してプローブの移動を中止すると共に、空間内のプローブの位置の決定（したがって、ワークピース表面の位置の決定）を開始する。他の形態として、インタフェース２２は、スタイラス１４のたわみ量に対応する信号を出力することができる。
プローブ１０が機械の周りを移動するにつれて、所定の１つの受信機１８，１８’によって受信される信号レベルは、プローブと受信機の相対位置に応じて変化する。しかし、既知の通り、本発明では、どのような時でも、少なくとも１つの受信機１８が、使用可能な信号を受信することである。
信号伝送システムの有効範囲は、部分的にはダイオード１６の出力を増大させることによって（既知の構成と比べて）向上するが、主として受信機１８，１８’の感度を高めることによって向上する。しかし、当然のことながら、この場合、キセノンストローブビーコンや、蛍光灯や、近傍の機械上のプローブの信号伝送システムなどからの、不要な干渉に対する感度も高くなる。次に、これらの問題のうちの１つまたは複数を軽減または解消できるようにする構成について説明する。
図２は、一方の受信機１８の回路構成を示す。他方の受信機１８’も同様である。赤外線パルスは、フォトダイオード２８によって受信され、増幅器３０によって処理される。この増幅器は、自動利得制御（ＡＧＣ）回路を含み、ハイパス（高域通過）特性を有する。したがって、この増幅器は、低周波信号を打ち消すことによって、日光，低周波の照明、およびその他の背景光の影響を除去する。増幅器３０は、着信パルスの振幅を示す自動利得制御信号もライン４８上に出力する。この出力はまた、ＤＣレベルをライン２４を介してインタフェース２２に供給する。
次に、増幅器３０から出力された可変振幅パルス信号は、しきい値検出器３２に与えられる。この効果について、図３Ａおよび図３Ｂにより説明する。
図３Ａにおいて、曲線３４は増幅器３０の出力を示し、曲線３８はしきい値検出器３２の出力を表わす。曲線３４は、パルス３６、すなわち、プローブ１０から伝送された必要な信号を含む。図を見るとわかるように、これらのパルス３６はそれぞれ、後縁部（trailing tail）を有し、しきい値検出器３２の効果は、曲線３８の４０でわかるように、この後縁部を方形化したパルスを形成することである。図３Ａの破線４２は、既知の市販の装置のしきい値の可変特性を示す。この既知の装置では、しきい値は各パルス３６の前縁部で段階的に上昇する（パルスが負の向きであるので、この上昇は負の方向である）。これにより、パルス３６のテールが有る結果として出力パルス４０の幅が過度に広くなるのが防止される。しかし、この既知の装置のしきい値は、各パルス３６の直後に、次のパルス３６に備えて比較的小さな時定数によって低下する（しきい値の低下は、図３Ａの正方向である）。図３Ａに示した既知の装置のしきい値４２は、ある最小レベル、すなわち、曲線３４のベースラインから負方向のある最小距離を有する。
上述したように、受信機１８の感度は、既知の市販の装置と比べて高められている。もちろん、この１つの結果として、この受信機は干渉を受ける可能性が高くなっている。このことは、図３Ａを見るとわかる。図３Ａには、干渉パルス（interference pulse）が４４で示されている。既知の装置にとって、このような干渉パルスはかなり小さいが、図３Ａでは、感度が高められているためにかなりの大きさである。その結果、干渉パルス４４は（負の方向で）しきい値レベル４２を超えることがある。このため、出力曲線３８には、にせの誤りパルス（スプリアス・エラー・パルス）４６が存在する。
この問題を解消するために、既知の装置は、図３Ｂに示すように修正されている。この場合、しきい値は破線４２Ａで示されている。図３Ａと同様に、しきい値は最初のパルス３６が受信されると（負方向に）段階的に上昇する。しかし、このしきい値は、図３Ａのしきい値４２よりも著しく大きな時定数によって減衰する。したがって、プローブ１０から引き続き他のパルス３６が受信され続ける限り、しきい値４２Ａは（負方向で）干渉パルス４４を超え、出力３８には誤りパルス４６は現れない。
図３Ｂにおいて、しきい値４２Ａは最初のパルス３６の後に一定のレベルを有するように見える。しかし、しきい値４２Ａは、パルス３６同士の間の時間と比べて比較的大きな時定数によって、徐々に減衰する。この時定数としては、この場合も、プローブ１０が機械の一方の側から他方の側（一方の受信機１８により近く、他方の受信機からより遠い側）に移動するのに必要な時間と比べて小さな値が選択される。したがって、プローブが、対応する受信機１８から離れる方向へ移動するにつれて、しきい値４２Ａが低下する（すなわち、より正になる）。これによって、信号パルス３６（もちろん、すでに振幅が低減されている）は確実に、引き続きしきい値を超え、出力パルス４０が生成される。
図２は、この効果を与える回路の残りの部分を示す。しきい値４２Ａは、増幅器３０から受け取った自動利得制御出力４８に基づいて、しきい値設定回路５０に設定される。回路５０は、プリセットスイッチ５２からの入力も受け取る。これらのスイッチ５２は、入力パルス３６がないときにしきい値４２Ａの最小レベル（すなわち、図３Ｂに４２Ｂで示すレベル）を設定することを可能にする。しきい値検出器３２が、必要な信号パルスに対して最大の感度を有するが、干渉を過度に検知することがないように、これらのプリセットの設定は、経験される干渉のレベルに応じて各工作機械装置ごとに行われる。
しきい値検出器３２から出力されたパルス４０は、ラインドライバ５４に供給される。これにより、インタフェース２２へライン２０を介して相補的パルス信号が供給される。
インタフェース２２の回路は、プローブ信号（たとえば、スタイラス１４がワークピースに接触したときのタッチトリガ信号）を表わす出力２６を生成するために、パルス信号を復号する回路を含む。さらに、インタフェース２２の回路は、図４に示す回路も含む。
図４は、それぞれの受信機１８，１８’から相補的パルス入力を搬送するライン２０および２０’を示す。各受信機からの相補的信号は、たとえば、差動増幅器２５，２５’によって組み合わされ、対応する電界効果トランジスタＴ１，Ｔ１’によってバッファされる。次いで、相補的信号は、後続の処理のためにそれぞれのライン５６，５６’上に現れ、コンバイナ回路５８によって図に示すように組み合わされる。
２つの受信機１８，１８’からのＤＣ信号２４，２４’はそれぞれ、抵抗器Ｒ１，Ｒ１’を介してそれぞれの比較器６０，６０’の非反転入力端に与えられる。また、２つのＤＣレベル２４，２４’は、それぞれの抵抗Ｒ２，Ｒ２’および抵抗Ｒ３によって組み合わされ平均される。この平均値は各比較器６０，６０’の反転入力端に与えられる。したがって、どちらかのＤＣ信号２４，２４’が上記平均値を超えると、それに対応する比較器６０，６０’がそれぞれの電界効果トランジスタＴ２，Ｔ２’をオンにする。これによって、対応するトランジスタＴ１，Ｔ１’がイネーブルされ、したがって、ライン２０または２０’からの対応するパルス信号がコンバイナ５８および後続の処理回路に供給される。逆に、与えられた信号２４、２４’が上記平均値よりも低い場合、対応するトランジスタＴ２，Ｔ２’がオフにされて、それぞれのトランジスタＴ１，Ｔ１’が抑止（inhibit）され、したがって、ライン２０上のパルスも、あるいはライン２０’上のパルスもコンバイナ５８に供給されない。
抵抗器Ｒ２，Ｒ２’およびＲ３の値として、比較器６０，６０’の反転入力端に供給される平均値が実際には、ライン２４，２４’上の信号の真の算術平均よりもわずかに小さくなるような値が選択される。したがって、ライン２４，２４’上の信号がほぼ等しい場合、両方のトランジスタＴ２，Ｔ２’がオンに切り換えられ、ライン２０とライン２０’の両方の信号がコンバイナ５８で組み合わされる。信号レベル２４，２４’のうちの一方が他方よりも著しく大きい場合、対応する一対の入力２０，２０’のみがイネーブルされ、他方はディスエーブルされる。その結果、より弱い信号（干渉を受ける可能性がより高い）はディスエーブルされ、後続の処理回路では使用されない。さらに、厳密な算術平均よりもわずかに小さな平均を設定することによって、両方の信号対２０，２０’が同時にディスエーブルされることがなくなることが理解されよう。
この回路は、３つ以上の受信機１８が設けられた装置に容易に拡張される。各受信機１８ごとに、対応する比較器６０およびトランジスタＴ１，Ｔ２がある。各比較器６０の反転入力端は、ＤＣレベル、すなわち、すべての受信機１８からのライン２４上のＤＣレベルを平均した結果を受け取る。
図５は、図２に示した回路の別の形態を示す。この回路は、ＡＧＣ増幅器３０、しきい値検出器３２、およびラインドライバ５４を含むいくつかの同様な要素を有し、これらの要素は図２の対応する要素と同様に着信光パルスを処理する。この回路は、ＡＧＣ増幅器３０からではなく、ピーク検出器７０（このピーク検出器の出力は、保持され、次いでパルス間隔よりも大きな適切な時定数によって減衰する）からライン２４上のＤＣレベルを生成できることを示す。
しきい値設定回路５０は、直列接続された他の２つのピーク検出器７２，７４を備える。ピーク検出器７２の出力は比較的小さな時定数（たとえば、約３．３ｍｓ）によって減衰する。ピーク検出器７２の出力は、次のピーク検出器７４を充電するのに十分な長さの出力パルスを供給する。ピーク検出器７４の出力は、しきい値検出器３２のしきい値を上昇させ、比較的大きな時定数（たとえば、１０３ｍｓ）によって減衰する。この効果は、後述のようにピーク値が第２のパルスから得られることを除いて、先に図３Ｂを参照して説明した効果に類似している。
感度設定回路７６は、図２に示したスイッチ５２と同様なスイッチを有するプログラマブル電圧ディバイダを含むことができる。この回路７６は、ピーク検出器７２，７４が放電することのできる最小レベルを変動させ、したがって、上述のように、しきい値検出器３２の最小しきい値４２Ｂを変化させる。
図５に示したしきい値設定回路５０は、２つの顕著な点で図２と異なる。第１に、タイムアウト回路７８は、しきい値検出器３２からの各出力パルスによってリセットされる。所定の期間（着信光信号パルスのピッチよりもかなり長い期間、たとえば、１８ｍｓ）にわたってそのような出力パルスがない場合、タイムアウト回路７８はＦＥＴ７９を介してピーク検出器７４を高速に放電する。これによって、しきい値が最小設定値に低下し、それによってしきい値検出器３２の最大感度が得られる。かくして、もはやフォトダイオード２８への直接的な照準線がなくなるようにプローブ１０を移動した場合でも、回路が反射光パルスに応答できるように最大感度が高速に回復される。
他の顕著な違いは、同じくしきい値検出器３２の出力側に接続された時間窓発生器８０である。この時間窓発生器８０は、２つの隣接する信号パルスの間の間隔よりもわずかに長い時間窓（time window）、適切には２２μｓを生成する。時間窓発生器８０は、たとえば、電界効果トランジスタ８２のような電子スイッチを制御する。信号パルスがない場合、このスイッチは通常オンであり、ピーク検出器７２への入力を阻止する。
時間窓発生器８０の目的は、真の信号パルスと、選択された時間窓よりも長い、たとえばキセノンビーコンや蛍光灯からの干渉パルスとを区別することである。真のパルスに続いて、時間窓内に第２の真のパルスが得られると、トランジスタ８２が短時間の間オフにされ、ピーク検出器７２，７４がイネーブルされ、したがって、第２の真のパルスに応答し、その振幅に従ってしきい値が設定される。真の信号パルスが継続すると、ピーク検出器７２，７４は引き続き、連続する各パルスについて短時間の間（briefly）イネーブルされる。時間窓よりも長い干渉パルスが生じた場合、トランジスタ８２はオンのままになり、したがって、ピーク検出器はディスエーブルされる。このように、干渉パルスがしきい値設定値を増大させることはなく、連続する信号パルスはしきい値検出器３２によって正しく検出される。もちろん、干渉パルスはラインドライバ５４を通過してインタフェース２２に達するが、インタフェース２２内のパルス復号回路は、影響を受けていない後続の信号パルスの助けを得て、結果として得られる誤差を回復（recover）することができる。
上述の構成は、他のワイヤレス信号伝送システム、たとえば、無線システムと共に使用できるように修正することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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