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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines abrupten Gleichstrompegelübergangs in einem Sensorsignal von einer Ultraschall-Berührungssignalsonde, an der niederfrequente Welligkeitskomponenten und hochfrequente Rauschkomponenten überlagert sind.
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Konventionellerweise werden als Messvorrichtung zum Messen der Gestalt und der Größe eines Objektes eine Höhenlehre, eine dreidimensionale Messvorrichtung, eine Konturmessvorrichtung und dergleichen verwendet. In kontaktartigen Messvorrichtungen werden viele Arten von Berührungssignalsonden verwendet. In diesen Berührungssignalsonden gibt es eine Ultraschall-Berührungssignalsonde. Diese Art der Berührungssignalsonden hat eine Nadel treibende piezoelektrische Vorrichtung. Die Berührungserkennung wird durch Überwachen der Amplituden- oder Frequenzänderung des Ausgangssignals der piezoelektrischen Vorrichtung durchgeführt.
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In einem derartigen Berührungssensor mit einer piezoelektrischen Vorrichtung wird die piezoelektrische Vorrichtung durch eine positive Rückkopplung gesteuert, um sich in einem Resonanzzustand zu befinden, wodurch die Erkennungselektrode der piezoelektrischen Vorrichtung ein Sinussignal ausgibt. Das Sinussignal zeigt Amplitude und Frequenz, die in Reaktion auf die Sonde, die ein zu messendes Objekt kontaktiert, variieren. Zum Beispiel kann für die Berührungserkennung ein Gleichstromsensorsignal, das nur die Amplitudeninformation aufweist, von dem detektierten Sinussignal extrahiert werden. Das Gleichstromsensorsignal zeigt einen abrupt sich ändernden Gleichstrompegel in Reaktion auf den Sondenkontakt. Deshalb kann durch das Erkennen des Punktes der abrupten Gleichstrompegeländerung ein Berührungstriggersignal erzeugt werden. Im Einzelnen wird, wie in 5 gezeigt, das Berührungstriggersignal TG durch Vergleich des Gleichstromsensorsignals S mit einem vorbestimmten Referenzpotential VRF erzeugt.
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Das oben erwähnte Gleichstrompegel-Übergangserkennungsverfahren hat jedoch ein derartiges Problem, dass es dazu neigt, einen Erkennungsfehler zu erzeugen. Wie in 5 gezeigt, hat das Sensorsignal S eine Gleichstromversatzkomponente bzw. Gleichstrom-Offset-Komponente, bei der niederfrequente Welligkeitskomponenten (nämlich eine den niederfrequenten Zustand variierende Komponente, oder eine langsame Amplitudenänderung) und hochfrequente Rauschkomponenten überlagert sind. Deshalb werden, wenn das Referenzpotential VRF nicht geeignet ist, zusätzlich zu dem Berührungstriggersignal TG, das am Gleichstrompegel-Änderungspunkt des Sensorsignals S erzeugt wird, Fehlersignale aufgrund der niederfrequenten Welligkeitskomponenten und der hochfrequenten Rauschkomponenten, wie in 5 gezeigt, erzeugt. Selbst wenn die hochfrequente Rauschkomponente eine kleine und etwa konstante Amplitude aufweist, und wenn das Referenzpotential VRF als eine Referenz zu hoch eingestellt ist, verursacht die niederfrequente Welligkeitskomponente den Erkennungsfehler. Wenn dagegen das Referenzpotential VRF für den Zweck des Verhinderns des Erkennungsfehlers zu niedrig eingestellt wird, wird der ansteigende Punkt des Berührungstriggersignals TG weit von dem zu erkennenden Übergangspunkt verschoben. Dieses führt ebenfalls zu einem Erkennungsfehler.
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Diese Probleme existieren nicht nur bei einem Berührungssensor, sondern auch bei einem Drucksensor, einem Beschleunigungssensor und dergleichen, in denen es erforderlich ist, ähnliche Gleichstromsensorsignale zu verarbeiten.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 37 23 933 A1 offenbart einen Berührungsdetektor mit einer piezoelektrischen Vorrichtung sowie einem Empfänger, welcher die Amplituden von Schwingungen überwacht. Es wird ein Berührungssignal ausgegeben, wenn die Amplituden bei Annährung einer Sonde an einen Gegenstand um einen vorgegebenen Wert abfallen.
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Das
US-Patent 5 307 196 A offenbart einen optischen Empfänger mit einer Schaltung, bei welcher ein optisches Eingabesignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei dann ein Referenzsignal erzeugt wird zum Bestimmen, ob der logische Wert des Eingabesignals ”0” oder ”1” ist.
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Das
US-Patent 5 392 317 A offenbart eine Vorrichtung zum Entfernen von einem niederfrequenten Rauschsignal von einem Impulssignal. Höherfrequente Störungen werden dort nicht behandelt.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 23 55 815 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung, welche auf den Anstieg eines Eingabesignals anspricht. Dabei dient ein Spannungsteiler als Amplitudentransformationsmittel.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 0 389 124 A2 offenbart eine Vorrichtung zum adaptiven Einstellen eines Schwellenwerts.
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Die japanische Offenlegungsschrift
JP H03-190 319 A offenbart eine Schaltung zur Ausgabe eines Rechtecksignals. Hierfür wird das von einer Quelle erzeugte Spannungssignal einem nichtinvertierten Eingang eines Komparators zugeführt, während dem invertierten Eingang das erzeugte Spannungssignal zugeführt wird, nachdem es einen Tiefpassfilter und einen Verstärker durchlaufen hat. Die Schaltung beabsichtigt ein gegen „Drift” stabiles Signal auszugeben.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Erkennung eines abrupten Gleichstrompegelübergangs für Ultraschall-Berührungssignalsonden, das in der Lage ist, genau den abrupten Gleichstrompegelübergang in einem Gleichstromsensorsignal zu erkennen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Erkennung eines abrupten Gleichstrompegelübergangs die in Anspruch 1 angegebenen Schritte. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen.
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In der vorliegenden Erfindung werden durch Eingabe des Sensorsignals in ein Tiefpassfilter hochfrequente Rauschkomponenten und die abrupte Gleichstrompegel-Übergangskomponente, die auch eine hochfrequente Komponente enthält, entfernt und es kann ein Zwischen-Ausgangssignal, das die niederfrequenten Welligkeitskomponenten enthält, erhalten werden. Das Zwischen-Ausgangssignal wird in ein Referenzsignal durch Amplitudenmodulation bei einer vorbestimmten Rate umgewandelt. Durch Vergleichen des Sensorsignals mit dem Referenzsignal kann der abrupte Gleichstrompegelübergang sicher erkannt werden.
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Anstelle eines konventionellen Referenzsignals, das einen konstanten Pegel aufweist, wird in der vorliegenden Erfindung das Referenzsignal so gestaltet, dass die niederfrequenten Welligkeitskomponenten enthalten sind. Deshalb kann der Einfluss sowohl der hochfrequenten Rauschkomponenten als auch der niederfrequenten Welligkeitskomponenten entfernt werden, wodurch es sich ergibt, dass der Gleichstrompegel-Übergangspunkt genau erkannt werden kann.
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Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Einzelnen mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Berührungssensorvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt den Berührungsdetektor in der Berührungssensorvorrichtung;
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3 zeigt den Betrieb des Berührungsdetektors;
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4 zeigt den Betrieb der Berührungstriggersignal-Erzeugung; und
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5 zeigt den Betrieb der Berührungstriggersignal-Erzeugung in einer konventionellen Vorrichtung.
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Wie in 1 gezeigt, hat die Berührungssensorvorrichtung eine Ultraschall-Berührungssignalsonde 100 und eine Signalverarbeitungsschaltung 200 zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Sonde 100. Die Sonde 100 hat eine Nadel 1, an deren vorderen und hinteren Ende eine Kugel 3 bzw. ein Ausgleich 4 angebracht sind. Die Nadel 1 wird durch einen Nadelhalter 2 an einem etwa mittlere Abschnitt gehalten.
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Ungefähr bei dem mittleren Abschnitt der Nadel 1 ist eine piezoelektrische Vorrichtung 5 zum Vibrieren der Nadel 1 installiert. Ein Antrieb 9 versorgt eine Antriebselektrode 6a der piezoelektrischen Vorrichtung 5 mit einem Antriebssignal, wodurch ein elektromechanisch umgewandeltes Signal an eine Erkennungselektrode 6b ausgegeben werden kann. Das elektromechanisch umgewandelte Ausgangssignal der piezoelektrischen Vorrichtung 5 wird durch einen Signaldetektor 7 erkannt. Der Ausgang des Signaldetektors 7 wird an den Treiber 9 weitergegeben. Durch diese Vorwärtssteuerung wird die piezoelektrische Vorrichtung 5 in einem Resonanzzustand bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz betrieben.
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Die Ausgabe des Signaldetektors 7 ist ein Sinussignal, dessen Amplitude sich ändert, wenn die Kugel 3 mit einem zu messenden Objekt in Kontakt ist. Das Sinusausgangssignal des Signaldetektors 7 wird in einen Amplitudendetektor 8 eingegeben, wodurch ein Gleichstromsensorsignal S (Sensorsignal S) von dem Amplitudendetektor 8 ausgegeben wird. Das Gleichstromsensorsignal S hat eine Gleichstrom-Offset-Komponente (Gleichstromversatzkomponente) bei der niederfrequente Welligkeitskomponenten und hochfrequente Rauschkomponenten überlagert sind. Das Gleichstromsensorsignal S zeigt auch ein abruptes Ändern des Gleichstrompegels, wenn die Kugel 3 in Kontakt mit dem zu messenden Objekt gebracht wird. Der Amplitudendetektor 8 umfasst z. B. einen Doppelweg-Gleichrichter und ein Tiefpassfilter (LPF). Das Gleichstromsensorsignal S wird in den Berührungsdetektor 10 eingegeben. Der Berührungsdetektor 10 erkennt einen abrupten Gleichstrompegelübergang in dem Gleichstromsensorsignal S, um ein Berührungstriggersignal TG auszugeben.
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Wie in 2 gezeigt umfasst der Berührungsdetektor 10 ein LPF 21 (Tiefpassfilter 21) zum Eingeben des Gleichstromsensorsignals S, eine Amplitudenumwandlungsschaltung 22 zum Multiplizieren der Amplitude eines Zwischen-Ausgangssignals von dem LPF 21 mit einem vorbestimmten Koeffizienten k und einen Komparator 23 zum Vergleichen des Gleichstromsensorsignals S mit einem Referenzsignalausgang von der Amplitudenumwandlungsschaltung 22.
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Das LPF 21 weist eine derartige Grenzfrequenz auf, um die hochfrequente Rauschkomponente S2 und die abrupte Gleichstrompegel-Übergangskomponente S3 in dem Gleichstromsensorsignal S zu entfernen und die Gleichstrom-Offset-Komponente S0 (Gleichstromversatzkomponente S0) und die niederfrequente Welligkeitskomponente S1 zu übertragen. Deshalb weist das Zwischen-Ausgangssignal, das von dem LPF 21 ausgegeben wird, nur die Gleichstrom-Offset-Komponente S0 und die Welligkeitskomponente S1 auf.
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Die Amplitudenumwandlungsschaltung 22 ist z. B. ein analoger Multiplizierer. Das Zwischen-Ausgangssignal (S0 + S1) wird mit dem Koeffizienten k in der Amplitudenumwandlungsschaltung 22 multipliziert, um das Referenzsignal k(S0 + S1) zu bilden. Das Gleichstromsensorsignal S und das Referenzsignal k(S0 + S1) werden in den Signaleingangsanschluss bzw. den Referenzeingangsanschluss des Komparators 23 eingegeben. Wenn sich das Gleichstromsensorsignal S verringert und das Referenzsignal k(S0 + S1) kreuzt, wird der Komparator 23 invertiert, um das Berührungstriggersignal TG auszugeben.
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Im Einzelnen wird mit Bezug auf 3 der Betrieb des Berührungsdetektors 10 beschrieben. Wie in 3 gezeigt, hat das Gleichstromsensorsignal S die Gleichstrom-Offset-Komponente S0, auf der die niederfrequente Welligkeitskomponente S1 und die hochfrequente Rauschkomponente S2 überlagert werden und umfasst die Gleichstrompegel-Übergangskomponente S3, die bei einem abrupten Amplitudenänderungspunkt 31 erzeugt wird, der wie bei der folgenden Gleichung (1) erkannt werden muss. Die Welligkeitskomponente S1 wird aufgrund der Temperaturänderung, der Alterung und dergleichen erzeugt. S = S0 + S1 + S2 + S3 (1)
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Durch Eingabe des Gleichstromsensorsignals S an das LPF 21 werden die hochfrequente Rauschkomponente S2 und die abrupte Gleichstrompegel-Übertragungskomponente S3 entfernt, und das Zwischen-Ausgangssignal (S0 + S1) wird erhalten. Das Zwischen-Ausgangssignal (S0 + S1) wird in der Amplitudenumwandlungsschaltung 22 mit dem Koeffizienten k (wobei k < 1 ist) multipliziert. Als Ergebnis wird, wie in 3 gezeigt, das Zwischen-Ausgangssignal (S0 + S1) verringert, um ΔS, um das Referenzsignal k(S0 + S1) darzustellen. Das Referenzsignal k(S0 + S1) wird in den Komparator 23 als eine Referenz zur Invertierungserkennung eingegeben. Bei dem abrupten Gleichstrompegel-Änderungspunkt 31 steigt das Berührungstriggersignal TG auf den hohen Pegel.
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Es ist anzumerken, dass eine genaue Berührungserkennung durchgeführt werden kann durch ein Setzen des Koeffizienten k (nämlich durch Setzen von ΔS in 3) auf einen geeigneten Wert, wie unten beschrieben.
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Die Differenz ΔS zwischen dem Ausgangssignal (S0 + S1) und dem Referenzsignal k(S0 + S1) ist folgende: ΔS = (1 – k)(S0 + S1) (2).
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Unter der Annahme, dass der Koeffizient k ein positiver Wert kleiner als 1 ist, ist es notwendig, um Erkennungsfehler zu vermeiden, dass ΔS immer größer ist als die Amplitude des hochfrequenten Rauschens S2. Deshalb wird die folgende Bedingung (3) erhalten: ΔS = (1 – k)(S0 + S1) > |S2| (3).
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Durch Lösen der Gleichung (3) für den Koeffizienten k wird die folgende Ungleichung (4) erhalten: k < 1 – |S2| / (S0 + S1) (4).
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In dieser Ausführungsform ist die Gleichstrom-Offset-Komponente S0 positiv und konstant. Unter der Annahme, dass die niederfrequente Welligkeitskomponente S1 zwischen dem positiven Maximum |S1| und dem negativen Maximum –|S1| sich um die Gleichstrom-Offset-Komponente ändert, ist es notwendig, um immer die Bedingung (3) zu erfüllen, dass der Koeffizient k durch folgende Ungleichung (5) ausgewählt wird. k < 1 – |S2| / (S0 – |S1|) (5)
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Die Ungleichungen (4) und (5) sind notwendige Bedingungen, um das Berührungstriggersignal ohne Rauschbeeinflussung zu erzeugen. Wenn jedoch der Koeffizient k zu klein gesetzt wird, kann das Berührungstriggersignal TG weg von dem Gleichstrompegel-Änderungspunkt 31 erzeugt werden. Deshalb wird es praktisch bevorzugt, den Koeffizienten k so nahe an 1 wie möglich in der Bedingung (4) oder (5) zu wählen, wobei ΔS klein gesetzt wird.
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In dem konventionellen Verfahren, das in 5 gezeigt wird, ist es notwendig, um den Berührungsdetektor von Fehlerkennung abzuhalten, das Referenzpotential VRF in Berücksichtigung sowohl der hochfrequenten Rauschkomponente als auch der niederfrequenten Welligkeitskomponente festzulegen. Im Gegensatz dazu wird, wie in 3 gezeigt, in dieser Ausführungsform das Referenzsignal so generiert, dass es die niederfrequente Welligkeitskomponente enthält. Da es deshalb nicht notwendig ist, den Einfluss der Welligkeitskomponente zu berücksichtigen, kann ΔS klein gesetzt werden.
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Zum Setzen des Koeffizienten k in einer tatsächlichen Vorrichtung, wird ein bestimmter Koeffizient k vorher gesetzt. Unter dieser Bedingung ist festzustellen, dass der vorher gesetzte Koeffizient k zu klein ist, wenn ein Berührungstriggersignal erzeugt wird, obwohl die Sonde nicht in Kontakt mit einem Objekt ist. Aufgrund dieser Betrachtung kann der Koeffizient k so nahe wie möglich an 1 ohne Fehlererkennung gesetzt werden.
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Wie von der Formel (3) ersichtlich ist, ist ΔS nicht konstant, sondern durch die sich langsam ändernde Komponente S1 beeinflusst. Jedoch unter der Annahme, dass S1 ausreichend kleiner als S0 ist, wird die folgende Näherung (6) gefolgert. Das heißt ΔS wird als annähernd konstant unter der obigen Bedingung betrachtet. ΔS = (1 – k)(S0 + S1) = (1 – k)S0 (6)
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Deshalb kann in diesem Fall der Koeffizient k so nahe wie möglich an 1 in der folgenden Ungleichung (7) gewählt werden. k < 1 –|S2|/S0 (7)
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Wie oben in der Ausführungsform beschrieben, wird eine hochfrequente Rauschkomponente von dem Sensorsignal entfernt, um ein Referenzsignal, das eine niederfrequente Welligkeitskomponente einschließt, auszugeben und dann wird das Sensorsignal mit dem Referenzsignal verglichen. Deshalb kann, ohne Beeinflussungen einer hochfrequenten Rauschkomponente und einer niederfrequenten Welligkeitskomponente, der Gleichstrompegelübergang in dem Sensorsignal in Reaktion auf die Sondenberührung genau erkannt werden.
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Es ist anzumerken, dass nicht erfindungsgemäß andere Sensorsignale wie z. B. Frequenzinformation oder Phaseninformation, extrahiert von einem Sondenausgang, für die Berührungserkennung verwendet werden können. Darüber hinaus kann das Verfahren nicht erfindungsgemäß für eine Gleichstromsignalverarbeitung von einem Drucksensor, einem Beschleunigungssensor und dergleichen verwendet werden.
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4 zeigt einen anderen Fall, dass ein Gleichstromsensorsignal S abrupt bei einem zu ermittelnden Zeitablauf anwächst. In diesem Fall kann auch die Schaltung in 2 verwendet werden, durch geeignetes Setzen des Koeffizienten k auf größer als 1. Ähnlich der oben beschriebenen Ausführungsform kann die Gleichstrompegel-Übergangskomponente in einer derartigen Weise erkannt werden, dass das Gleichstromsensorsignal mit dem Referenzsignal k(S0 + S1) verglichen wird.
