JP6936136B2 - デジタル信号通信を備えたｃｍｍのためのタッチプローブ - Google Patents

Description

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に関する。

ある種の座標測定システム、例えば座標測定機（ＣＭＭ）などの１次元または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するときを検出するように構成されたタッチプローブを使用して、ワークピースの測定値を得ることができる。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、そのスタイラスの撓みを検出するための様々なタイプの変位センサを使用する。

タッチプローブを利用する例示的な従来技術のＣＭＭは、米国特許第５,５２６,５７６号（'５７６特許）に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれている。'５７６特許は、タッチプローブを移動させるための複数の駆動部を備える移動機構と、ＣＡＮＢＵＳデジタル通信システムなどを備える対応する電子システムと、タッチプローブ内（またはタッチプローブから）の信号を処理することに関連する機能と、を開示している。２本のワイヤのみを使用して、ホストマシン内のプローブ間の双方向通信を含む機械的接触タッチプローブは、米国特許第４,８１７,３６２号（'３６２特許）に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれている。'３６２特許において、ワークピースに接触すると、プローブ内の電気回路に電流変化が生じ、これがホストマシン上の電流検知回路によって検知される。ホストマシンからプローブへの通信は、プローブに供給される電圧を変化させ、検知された電源電圧に基づいてプローブ内の異なる機能を開始することによって達成される。

他の典型的なタッチプローブは、米国特許第５,７５５,０３８号（'０３８特許）に開示されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。'０３８特許は、プローブのスタイラスの撓みに応答する３つの歪みゲージと、歪みゲージ信号を受け取り、ホストマシンに同軸電気コネクタを介して出力される「自動ゼロ化」されたタッチトリガ信号を生成するＡＳＩＣプロセッサとを含むコンパクトなタッチプローブを開示している。

'５７６号、'３６２号、および '０３８号特許に開示されたシステムは、タッチプローブ内の信号を処理すること、および／またはタッチプローブとホストマシンとの間の限られた数のワイヤを使用して特定のタイプの動作パラメータおよび／またはデータを伝達することに関連する特徴を含んでいるが、実際には、このような特徴には望ましくないトレードオフが伴っている。悪影響を受ける要因としては、プローブのサイズ、および／またはタッチプローブへのワイヤの数、および／または既存のホストマシンハードウェアの使用または互換性のための関連した「レトロフィット性」が含まれる。他の妥協される要因としては、伝達される信号の限定された堅牢性および範囲、および／または使いやすさなどが含まれる。（例えば、最小サイズ、使いやすさ、およびレトロフィット性を維持しながら）タッチプローブが望ましくないトレードオフを追加することなく追加的な動作データを伝達することを可能にする改善されたシステムおよび機能が望まれている。

この概要は、以下の［発明を実施するための形態］でさらに説明するいくつかの概念の抜粋を簡略化した形で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴を特定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も意図していない。

上記内容を含む従来のタッチプローブの構成は、様々な望ましくない特徴の組み合わせを有すると判断されている。タッチプローブ本体で現在要求される性能レベルおよび小型化は、通常、そのようなデバイス（タッチプローブ本体）に結合されるすべての要素間で、特に新しい特徴または機能を追加する際に、トレードオフを強制してきた。例えば、タッチプローブの内部の信号処理の増加、および／またはタッチプローブとホストマシンとの間の通信の複雑さの増加は、一般に、サイズの増加、タッチプローブへのワイヤ数の増加、および／または既存のホストマシンハードウェアでタッチプローブを使用するための限定された「レトロフィット性」の一因となっていた。これらの問題に対する改善された解決策を妨げる１つの要因は、（例えば、いくつかの実施形態で１２−１５ｍｍの直径程度、または人間の小指のサイズ程度の）コンパクトな構成で、同様の高精度な測定（例えば、ミクロンまたはサブミクロンレベルの再現性）を実現する構成、内部信号処理、および外部装置とのデジタル信号通信を提供することが困難であることにある。

従来技術とは対照的に、タッチプローブとホストＣＭＭとの間の２つの電気的接続部のみを使用して、対応付けられたサイズの増大を必要とすることなく、ホストＣＭＭとの信頼性の高いタッチトリガ信号送信ならびに双方向デジタル信号通信を可能にしながら、タッチプローブの有用なデジタル信号処理および制御機能を可能にする独特の特徴の組み合わせを備えるタッチプローブの構成がここに開示されている。例として、これに限定されるものではないが、このような構成は、既存のホストマシンハードウェアでタッチプローブを使用するための「レトロフィット性」を可能としながら、プローブの機能性および／または使いやすさを高めることを可能としている。

本明細書で開示される様々な原理によれば、内部デジタル信号処理を含むコンパクトなタッチプローブが、ＣＭＭで使用するために提供される。コンパクトなタッチプローブは、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少なくとも１つのセンサ信号を出力するように構成された変位センサと、コンパクトなタッチプローブをＣＭＭに電気的に接続する第１および第２の電気的接続部を含むインターフェースコネクタと、コンパクトなタッチプローブのハウジング内に完全に含まれるタッチプローブの電子回路と、を備える。

タッチプローブの電子回路は、安定化電源回路と、プローブ動作回路およびメモリ部と、少なくとも１つのセンサ信号を入力し、スタイラスの変位に対応するタッチトリガ信号を生成するトリガ信号生成回路と、第１および第２の電気的接続部を介して差動（ディファレンシャル）デジタル信号を入出力する差動信号構成体を備えるデジタル通信回路と、を備える。タッチプローブの電子回路は、第１および第２の電気的接続部を介してＣＭＭから接続された電源電圧を受け取るために第１および第２の電気的接続部に結合され、第１および第２の電気的接続部を通過する差動デジタル信号をロードすること（ｌｏａｄｉｎｇ）から安定化電源回路を分離するように構成される特定の電源分離構成体をさらに備える。

様々な実施形態では、特定の電源分離構成体は、差動モードチョークの第１の巻線の第２の端部が安定化電源回路の正の入力に接続され、第１の電気的接続部に結合された差動モードチョークの第１の巻線の第１の端部と、差動モードチョークの第２の巻線の第２の端部が安定化電源回路の負の入力（例えば、回路接地接続）に接続され、第２の電気的接続部に結合された差動モードチョークの第２の巻線の第１の端部と、安定化電源回路の前記正の入力および負の入力との間に結合された少なくとも第１の電源分離コンデンサと、を備える。特定の電源分離構成体は、重要な妥協なしに、上記で概説した望ましいタッチプローブの特性を達成するために、タッチプローブのエレクトロニクスの他の動作特性と組み合わせて構成されている。様々な実施形態では、差動モードチョークの動作インピーダンスは、他のタイプのアプリケーションで使用される既知の分離設計と比較して、かなり小さく（例えば、最大１０００倍小さく）することができる。

様々な実施形態では、デジタル通信回路は、第１の電気的接続部に直列に結合された第１の通信分離コンデンサと、第２の電気的接続部に直列に結合された第２の通信分離コンデンサとを備える通信分離構成体を介して、第１および第２の電気的接続部にＡＣ結合された差動信号構成体を備える。その差動信号構成体は、第１および第２の電気的接続部を介して差動デジタル信号を入出力するように構成されている。様々な実施形態では、差動デジタル信号は、制御およびデータ期間中に接続された電源電圧に重畳されて入出力される制御およびデータ信号と、制御およびデータ期間とは異なるトリガ信号期間中に、接続された電源電圧に重畳されて出力されるトリガ信号生成回路によって生成されるタッチトリガ信号と、を含む。様々な実施形態では、少なくとも大部分の差動デジタル信号は、名目上ＤＣバランスされたシリアル通信コード方式に基づいてフォーマットされる。

本明細書で開示されるようなタッチプローブを利用するＣＭＭを備える測定システムの様々な構成要素を示す図である。 タッチプローブの実施形態の斜視図を示す図である。 ２つのタッチプローブ電力供給ライン上に重畳されたタッチプローブデジタルシリアル通信を含む、タッチプローブのための電子回路の１つの実施形態を示す部分的概略ブロック図である。 図３の電子回路と共に使用するためのシリアル通信方式の１つの実施形態のある態様を示す図である。 図３の電子回路と共に使用するためのシリアル通信方式の１つの実施形態のある態様を示す図である。 図３の電子回路と共に使用するためのシリアル通信方式の１つの実施形態のある態様を示す図である。 図３の電子回路と共に使用するためのシリアル通信方式の１つの実施形態のある態様を示す図である。

図１は、本明細書に開示されるような（コンパクトな）タッチプローブ２００'を利用するＣＭＭ１００'を備える測定システム１００の様々な構成要素を示す図である。座標測定機（ＣＭＭ）は、当該技術分野において公知であり、例えば、米国特許出願公開第２０１１／０１９２０４４号、Ｕｓｕｉ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ている。タッチプローブ２００'を使用するＣＭＭ１００'を備える測定システム１００を示すＣＭＭの構成が図１に概略的に示されている。タッチプローブ２００'は、プローブ本体２００を備えることができる。測定システム１００は、操作ユニット１０、ＣＭＭ１００'の動きを制御するモーションコントローラ１５、ホストコンピュータ２０、およびＣＭＭ１００'を備える。操作ユニット１０は、モーションコントローラ１５に接続されており、ＣＭＭ１００'を手動で操作するためのジョイスティック１１を備えることができる。ホストコンピュータ２０は、モーションコントローラ１５に接続され、ＣＭＭ１００'を動作させ、既知の方法に従ってワークピースＷの測定データを処理する。ホストコンピュータ２０は、例えば測定条件を入力するための入力手段２５（例えば、キーボード等）と、測定結果を出力するための出力手段３０（例えば、ディスプレイ、プリンタ等）とを備えている。

ＣＭＭ１００'は、定盤１１０上に配置された駆動機構１２０と、タッチプローブ２００'を駆動機構１２０に取り付けるための取り付け部１２４とを備える。駆動機構１２０は、タッチプローブ２００'をそれぞれ３次元的に移動させるためのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸スライド機構１２２、１２１、１２３を備えている。タッチプローブ２００'に取り付けられたスタイラス１６４は、接触部１６５を備える。スタイラスモジュール１６０は、タッチトリガ信号を生成するように、スタイラス１６４をプローブ本体２００のスタイラス懸架部に取り付けることができる。なお、プローブ本体２００のスタイラス懸架部は、接触部１６５（例えば、ルビー球）がワークピースＷの表面に接触した際にスタイラス１６４が撓むことを許容する。商業的に入手可能なＣＭＭの特性および動作は、当該技術分野で一般的に知られているので、ここでは詳細には説明しない。

タッチプローブ２００'は、スタイラス１６４の撓みに対する一般的な機械的剛性および信号感度のような特性を有する３次元触覚プロービングシステムを、その特性がプロービングシステムによって測定された実際の座標を適切に反映するような高い信頼性を備えることができるように、サブミクロンレベルの再現性で提供する。経済的な高スループットのためには、ＣＭＭ１００'のすべての動作（例えば、動きおよび検出）を高速で実行することが一般的に望ましい。高速接触検出器の例示的な実施形態は、米国特許出願公開第２０１５／０３２３３００号、Ｂｒｉｅｇｅｌ 他に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

図２は、プローブ本体２００を備えるタッチプローブ２００'の１つの実施形態の斜視図を示す図である。図２に示すように、プローブ本体２００は、回路基板アセンブリ構成体４００を透視可能に２点鎖線で示すハウジング３０１と、ハウジング３０１に配置された移動要素アセンブリ３００とを備える。この実施形態のプローブ本体２００は、ハウジング３０１、プローブ本体２００をＣＭＭ（例えば、図１に示すＣＭＭ）のような測定システムに機械的かつ電気的に接続するように構成された接続アセンブリ（インターフェースコネクタ）３０２、剛性プローブ本体構造体３１０、回路基板アセンブリ構成体４００、および移動要素アセンブリ３００を備える。なお、移動要素アセンブリ３００は、コンプライアント要素搭載フレーム３２０と、スタイラス懸架部３４０（見えず）と、変位検出構成体３５０（見えず）とを備える。

図示された実施形態では、接続アセンブリ３０２は、プローブ本体２００とその回路とをＣＭＭに堅固に接続する。接続アセンブリ３０２は、取り付けと電気的接続を行うねじによる接続部／コネクタ３０４と、接触による電気的接続部／コネクタ３０３とを備える。なお、接続部／コネクタ３０４と電気的接続部／コネクタ３０３とは、絶縁体３０６によって互いに電気的に絶縁されている。即ち、接続アセンブリ３０２は、タッチプローブ２００'のための機械的な取り付けと電気的インターフェースとを組み合わせたコネクタということができる。接続アセンブリ３０２は、ハウジング３０１に対して固定される。１つの実施形態において、接続部／コネクタ３０４は、ハウジング３０１と環状ハウジングキャップ部３０５との間の圧縮によって固定される（図２の環状ハウジングキャップ部３０５の内側に隠れている）フランジ部を備えることができる。様々な実施形態において、フランジ部は、ハウジング３０１および環状ハウジングキャップ部３０５から電気的に絶縁されるように、１つまたは複数の取り囲む絶縁体（例えば、絶縁体３０８）を介して圧縮されてもよい。接続アセンブリ３０２は２つの電気的接続部のみを備え、機能的には、主にアナログタイプのタッチプローブ信号に使われた、既知の「レガシー」タイプのタッチプローブ搭載コネクタに類似していることが理解されてもよい。したがって、タッチプローブ２００'は、高価な電動ジョイントなどを含む既存のＣＭＭ搭載インターフェースハードウェアと共に使用することができる。同様のコネクタアセンブリが、例えば、ここに組み込まれている'０３８特許の図１に示されている。接続アセンブリ３０２は例示的なインターフェースコネクタのみであって、限定されていないことが理解されよう。様々な実施形態では、機械的な取り付け構成とは別に、２つの電気的接続部を有するインターフェースコネクタが提供されてもよい。即ち、２つの電気的接続部は、インターフェースコネクタにおいて、機械的な取り付け構成を担わずに、電気的接続のみを担う構成であってもよい。接続アセンブリ３０２ほどエレガントではないが、そのような構成は、必要に応じて、ある種のレトロフィット用途において依然として有用であり得る。つまり、インターフェースコネクタは、タッチプローブ２００'をＣＭＭに電気的に接続する第１および第２の電気的接続部を備えればよい。

図２は、スタイラス１６４を堅固に保持し、移動要素アセンブリ３００に結合されたプローブ本体２００の移動アセンブリ３４３に含まれる可動スタイラス捕捉要素３４３Ｄに取り付けられるスタイラスモジュール１６０をさらに示す。これにより、スタイラス１６４の接触部１６５がワークピースの表面に接触すると、タッチトリガ信号を生成するように撓む。コンプライアント要素搭載フレーム３２０は、剛性プローブ本体構造体３１０に接合され、剛性プローブ本体構造体３１０の追加部分を形成している。コンプライアント要素搭載フレーム３２０は中央部３２０Ａ、上部３２０Ｂおよび下部３２０Ｃを備え、この実施形態では、これらはねじで一緒に固定される。さまざまなコンプライアント要素および／または移動要素および関連する検出要素が、コンプライアント要素搭載フレーム３２０の内部に組み立てられて、移動要素アセンブリ３００を形成している。

１つの実施形態では、軸延在部３３０（図示せず）は、ほぼ軸延在部３３０の表面に重なるように調整され、フレキシブル回路部材（層）４０３によって内部接続されている構成要素装着部４０２Ａ（見えず）、４０２Ｂ、４０２Ｃを持つ回路基板アセンブリ構成体４００を受け入れる大きさの三角形の断面を有する軸部材を備える。回路基板アセンブリ構成体４００は、接続アセンブリ３０２の上部搭載部と移動要素アセンブリ３００の本体との間であって、ハウジング３０１の内部にしっかりと配置され支持されている。つまり、電子回路は、ハウジング３０１内に完全に含まれている。フレキシブル導体コネクタ３５１は、変位検出構成体３５０の変位センサからの信号を回路基板アセンブリ構成体４００に接続することができる。例示された実施形態は、例示的なものに過ぎず、限定されるものではない。

様々な実施形態では、タッチプローブ２００'は、望ましくは、急速な加速／減速を容易にし、振動を最小限に抑えるように、（例えば、いくつかの実施では１２−１５ｍｍの直径程度の）比較的コンパクトで軽量であり、それによって高精度のＣＭＭ検査スループットに寄与する。コンパクトなサイズで軽量であることが、また、一般に、内部回路のサイズおよび複雑さを制限することも理解されよう。いくつかの実施形態では、タッチプローブ２００'における能力および処理を増大させながら空間および電力消費を節約するために、市販で利用可能なフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が回路基板アセンブリ構成体４００に含まれている。そして、そのＦＰＧＡは、ＦＰＧＡの生来の機能を使用して、トリガ信号処理、シリアル通信、特定のメモリ機能のような有用または不可欠な機能を提供するように構成されている。回路基板アセンブリ構成体４００は、対応する回路レイアウトを示す。これにより、さまざまな既知のコンパクトなタッチプローブと比較して、機能性、汎用性、使いやすさが向上した「スマートな」コンパクトなタッチプローブが提供される。しかしながら、タッチプローブとホストＣＭＭとの間の２つの電気的接続部のみを使用することの制限に関連する問題が（例えば、前記に概説したレガシータイプのＣＭＭのインターフェース互換性の利点を提供するために）克服されない場合、そのような内部処理機能とコンパクトなタッチプローブの構成とを組み合わせる利点は受け入れられないかもしれない。この２つの接続部（または「２ワイヤ」）のタッチプローブインターフェースの問題の様々な態様に対する解決策は、以下により詳細に記載されるように、本明細書で開示される。

２ワイヤのインターフェースは、一般に、電力および通信信号が同じワイヤに重ね合わされることを必要とする。そうすることは、電子システム設計の当業者に一般的に知られており、そうする多数の例はインターネット上で見出すことができる。組み込まれた参考文献のいくつかに加えて、米国特許第７,６８９,１７６号、第５,６４４,２８６号、第５,２１０,５１９号、および第５,８５９,５８４号は、電力および通信信号を同じワイヤに重ね合わせることに関連する様々な代替システムを開示する。しかしながら、これらの特許のすべては、開示された原理をコンパクトな「スマート」タッチプローブで使用することに関して、無線データ伝送、余分な電気的接続部、限定された通信信号の内容、または互換性のない回路か部品のサイズを要求するという望ましくない妥協を必要とする。２ワイヤインターフェース問題の１つの態様は、回路基板上のスペースが制限され、さらにハウジング３０１内部の構成要素の許容される高さが制限されていることを示す回路基板アセンブリ構成体４００の例が図２に表されている。電力と通信信号を分離する１つの方法は、信号にチョークを使用することまたは分離構成体を設けることである。だいたいの配置とチョークボリューム４７１は、破線の輪郭で概略的に表されている。一般に、チョークボリューム４７１は、コンパクトなタッチプローブにおける標準または既知の分離回路の単純な使用には適切ではない。代わりに、以下でより詳細に開示されるように、コンパクトなタッチプローブ２００'などの信頼できる「２ワイヤ」動作を提供するために、プローブの特徴、回路特性、および通信信号の特徴の独特の組み合わせが必要とされる。

図３は、変位センサ構成体（変位センサ）５９５と、（例えば、図２の回路基板アセンブリ構成体４００に含まれてもよい）２つの電源ライン上に重ねられたデジタルシリアル通信を含むタッチプローブの電子回路５００の１つの実装形態の様々な要素と、を示すブロック図である。様々な実施形態では、図２に示すようなコンパクトなプローブ本体２００の構成により、経済的な非カスタム構成要素を使用して、例えば以下の説明に対応して、プローブ内での特定の信号処理動作を提供するように、対応する構成要素を（例えば、１２−１５ｍｍのコンパクトな直径で）回路基板アセンブリ構成体４００に組み込むことを可能にしている。つまり、タッチプローブ２００'は、円筒形ハウジング３０１を備え、最大１５ｍｍの直径を有するといえる。電子回路５００といくらか同様の動作を実行することができるタッチプローブの特定のタイプの電子回路に関する追加の詳細は、共通して記載がある、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている米国特許出願第６２／２７１,０８２号および第６２／３２５,７６３号に見出すことができる。

図３に示す実施形態では、電子回路５００は、変位センサ構成体５９５に接続されたトリガ信号生成回路５９０、プローブ動作回路およびメモリ部５１０、安定化電源回路５７５、および電源分離構成体５７０を備える。様々な実施形態では、変位センサ構成体５９５は、少なくとも１つの変位センサ（例えば、３つまたは４つ、あるいはそれ以上の歪みゲージ）を備え、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少なくとも１つのセンサ信号（例えば、３つまたは４つ、あるいはそれ以上のセンサ信号）を出力することができる。トリガ信号生成回路５９０は、以下でより詳細に説明するように、信号合成処理部５９１と、トリガ閾値処理回路５９２とを備え、少なくとも１つのセンサ信号を入力し、スタイラスの変位に対応するタッチトリガ信号５９７Ｔを生成することができる。プローブ動作回路（および処理）およびメモリ部５１０は、プローブ動作回路５２０と、プローブメモリ部５８０とを備えることができる。当業者に理解されるように、本明細書に記載の様々な回路は、埋め込まれたコード（符号とも称する）、手順、またはプログラムなどに従って様々な信号処理および／または制御動作を提供できることが理解されよう。プローブ動作回路５２０は、動作メモリマネージャ５２１と、デジタル通信回路５４０とを備えることができる。プローブメモリ部５８０は、不揮発性メモリ部５８１、プローブ動作手順および構成体メモリ部５８２、およびプローブ動作パラメータメモリ部５８３を備える。図示された実施形態では、デジタル通信回路５４０は、送受信部５６１およびドライバ集積回路部５６２を備える入出力差動信号構成体（以降、単に差動信号構成体と称する）５６０に接続された通信処理回路５５０を備えることができる。様々な実施形態では、デジタル通信回路５４０および／または差動信号構成体５６０の要素は、併合され／または区別不能とされていてもよい。デジタル通信回路５４０は、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２、それぞれを介してラインＳＬ１およびＳＬ２に（信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２を含む）差動デジタル信号を入出力するように構成されている。即ち、差動信号構成体５６０は第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２、それぞれを介して差動デジタル信号を入出力するように構成されていてもよい。図示された実施形態では、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２はコネクタＭＣの一部である（例えば、図２に示す接続アセンブリ３０２）。即ち、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２は、接続アセンブリ３０２の唯一の電気的接続部ということができる。例示的な差動デジタル信号を以下でさらに説明する。

安定化電源回路５７５は、既知の技術に従って、電子回路５００の様々な部分に１つ以上の安定化された電圧（例えば、電圧Ｖ１ｏｕｔ、Ｖ２ｏｕｔ、Ｖ３ｏｕｔ）を提供するように構成されている。１つの実施形態では、安定化電源回路５７５は、例えば１.２ボルト、２.５ボルトおよび３.３ボルトの出力電圧を有する１つ以上の市販の電圧レギュレータＩＣを備えることができる。

様々な実施形態では、（例えば、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２に接続されているホストラインＨＬ１およびＨＬ２を介して）ＣＭＭから接続された電源電圧を受け取るために、電源分離構成体５７０が第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２を介して結合されるように（電源分離構成体５７０は、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２に結合されているともいえる）、電源分離構成体５７０をラインＶＬ１およびＶＬ２に使用することができる。電源分離構成体５７０は、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２を通過する差動デジタル信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２をロードすることから安定化電源回路を分離するように構成される。電源分離構成体５７０の１つの例示的な実施形態が図３に示されている。図３で、差動モードチョーク５７１の第１の巻線の第２の端部が安定化電源回路５７５の正の入力に接続され、差動モードチョーク５７１の第１の巻線の第１の端部が第１の電気的接続部ＥＣ１に結合されている。差動モードチョーク５７１の第２の巻線の第２の端部が安定化電源回路５７５の負の入力（例えば、グランド入力Ｇｎｄ）に接続され、差動モードチョーク５７１の第２の巻線の第１の端部が第２の電気的接続部ＥＣ２に結合されている（つまり、安定化電源回路５７５の負の入力は、回路接地接続である）。そして、少なくとも第１の電源分離コンデンサ５７２は、安定化電源回路５７５の正の入力と負の入力との間に結合されている。なお、差動モードチョーク５７１は、例えば、ノイズと信号（あるいは電源電圧）の伝導モードが異なることでノイズを除去することが可能とされているノイズフィルタである。例えば、差動モードチョーク５７１は、フェライトコアに、第１の巻線と第２の巻線とが巻かれた構造であり、４つの端子（第１の巻線の第１および第２の端部、第２の巻線の第１および第２の端部）を備えている（以下に記載するコモンモードチョーク５６７も同様の構成とされている）。１つの実施形態では、電源分離コンデンサ５７２は、４５μＦ程度の値を有することができる（ただし、この値は単に例示的なものであり、限定されるものではない）。いくつかの実施形態では、複数の並列する電源分離コンデンサが（例えば、レイアウトおよび／またはサイズの制約により）電源分離コンデンサ５７２として機能してもよい。逆電圧保護ダイオード５７３は、図３に示されるように、安定化電源回路５７５の正の入力と負の入力との間にオプションとして接続されてもよい。

様々な実施態様では、差動モードチョーク５７１の特性は、タッチプローブのコンパクトさに妥協することなく２本の電源ラインに重なるデジタルシリアル通信を含むコンパクトなタッチプローブに信頼できる動作を提供するために、タッチプローブの電子回路（例えば、電子回路５００）の他の動作特性と組み合わせて選択される。例えば、いくつかの実施形態では、差動モードチョーク５７１は、差動デジタル信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２に対応付けられた周波数において、１０−２５μＨ程度（例えば最大２５μＨ）のインピーダンスを有するように選択され得る（ただし、いくつかの実施形態では、このようなインピーダンスは、例示的なものに過ぎず、これに限定されない）。これは、非常に小さいインピーダンスであり、様々な既知の用途において、意図された機能に対しては（例えば、１０００倍）小さすぎると一般に考えられる。既知の原理によれば、差動デジタル信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２に高い周波数を用いることは、差動モードチョーク５７１によってそれらに与えられる誘導性インピーダンスを増加させるのに有用であると考えられるかもしれない。しかしながら、本明細書に開示された実施形態では、電源回路によってロードされることから差動デジタル信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２を分離することに加えて、差動モードチョーク５７１はＤＣ（直流）電圧および／またはＤＣ電流を自由に通過させなければならない。差動モードチョーク５７１について上記に概説した小さなインピーダンスは、コンパクトなタッチプローブを実装するのに有利な小さな構成要素サイズを可能にするが、差動モードチョーク５７１のコアを飽和させるＤＣ電流の影響の問題も引き起こす（それゆえ、その効果を減じている）。したがって、コンパクトなタッチプローブにおけるＤＣ電流引き込み（および／または一般的な電力消費）は、小さな差動モードチョーク５７１の使用に伴い最小限に抑えなければならない。高いデジタル信号周波数は、より大きな電力消費および／またはＤＣ電流引き込みに対応づけられる。したがって、既知の教示に対して、本明細書で開示されている様々なコンパクトなタッチプローブの電子的な実施形態では、比較的低い周波数のデジタル信号処理および／またはデジタル通信信号が、非常に小さな差動モードチョーク５７１と組み合わせて使用されることが望ましい。いくつかの実施形態では、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２で受信されたホストＣＭＭからの電圧は約４ボルトであり、いくつかの実施形態では、タッチプローブの電子回路５００は、約１００ｍＡまたは８５ｍＡまたはそれ以下を引き込むように構成することができる。差動デジタル信号は、いくつかの実施形態では、１.５Ｍｂｐｓ程度の動作周波数またはビットレートを有することができる。即ち、差動デジタル信号の大部分は、最大３Ｍｂｐｓのビットレートを有してもよいし、最大１.５Ｍｂｐｓのビットレートを有してもよい。コンパクトなタッチプローブ内の電子回路５００と組み合わせて使用され得る例示的なデジタル通信信号は、図４および図５Ａから図５Ｃを参照して以下により詳細に説明される。上記に概説した回路動作および構成要素の値は単なる例示であり、これに限定されないことが理解されよう。ここに開示された原理による適応に基づいて、本明細書に概説された様々な概略的な組み合わせに対して様々な調整を行うことができる。

図３は、また、電子回路５００の一部に供給される「安定化されていない」電圧ＶＵを概略的に示しており、電圧ＶＵで安定化電源回路５７５での負荷および関連する損失を低減している。特に、安定化されていない電圧ＶＵは、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を高めるために、差動デジタル信号ＤＤＳ１およびＤＤＳ２が可能な限り高い差動電圧を有することも可能にする差動信号構成体５６０に電源供給するのに使用することができる。即ち、差動信号構成体５６０は、安定化されていない電圧ＶＵによって電源供給されるように、安定化電源回路５７５の正の入力で安定化されていない電圧に結合されている。

動作中、変位センサ構成体５９５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１６４）の変位に応答する少なくとも１つのセンサ信号を出力するように構成される。様々な実施形態では、変位センサ構成体５９５は、タッチプローブスタイラスの比較的小さな撓みを感知するために様々な構成要素およびセンサ（例えば、内部屈曲部、歪みゲージなど）を備えることができる。トリガ信号生成回路５９０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、および／または組み込まれた参考文献に開示されているように実現することができる。１つの例示的な実施形態では、トリガ信号生成回路５９０は、（例えば、４つの歪みゲージの構成などのような、変位センサ構成体５９５に含まれる様々なセンサからの）複数の変位信号を入力することができる。信号合成処理部５９１は、信号を受信し、合成された変位信号（例えば、変位の大きさ）を決定する。トリガ閾値処理回路５９２は、スイッチング閾値を規定し、合成された変位信号と比較する。合成された変位信号がスイッチング閾値を超えると、トリガ閾値処理回路５９２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５９７Ｔを出力する。出力におけるヒステリシス回路は、既知の方法を用いてタッチトリガ信号の安定性を向上させることができる。スイッチング閾値の定義を含むトリガ信号決定回路および処理方法のさらなる例は、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７,７９２,６５４号に記載されている。図示した実施形態では、以下でより詳細に説明されるように、トリガ信号期間中に、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２を介して、そして、ラインＳＬ１およびＳＬ２上の差動デジタル信号として、タッチトリガ信号５９７Ｔは、デジタル通信回路５４０またはその一部を介して、ホストＣＭＭなどに通信されてもよい。

様々な実施形態では、「ＡＣ（交流）結合された」通信分離構成体がラインＳＬ１およびＳＬ２で使用される。１つの例示的な通信分離構成体５６５が図３に示されている。ここで、第１の通信分離コンデンサ５６６−１が、第１の電気的接続部ＥＣ１および差動信号構成体５６０の第１のトランシーバノードＴＮ１に直列に結合されている。第２の通信分離コンデンサ５６６−２は、第２の電気的接続部ＥＣ２と差動信号構成体５６０の第２のトランシーバノードＴＮ２との間に直列に結合されている。即ち、通信分離構成体５６５は、第１の電気的接続部ＥＣ１から差動信号構成体５６０の第１のトランシーバノードＴＮ１に直接的に直列に結合された第１の通信分離コンデンサ５６６−１と、第２の電気的接続部ＥＣ２から差動信号構成体５６０の第２のトランシーバノードＴＮ２に直接的に直列に結合された第２の通信分離コンデンサ５６６−２と、を備えている。図示の実施形態では、第１の通信分離コンデンサ５６６−１および第２の通信分離コンデンサ５６６−２は、コモンモードチョーク５６７を介してそれぞれのトランシーバノードに結合されている。しかし、いくつかの実施形態では、信号の信頼性および／またはノイズは、コモンモードチョーク５６７なしで十分であり、その使用はオプションとなる。このような実施形態では、第１の通信分離コンデンサ５６６−１は、第１の電気的接続部ＥＣ１から第１のトランシーバノードＴＮ１へ直接的に直列に結合される。そして、第２の通信分離コンデンサ５６６−２は、第２の電気的接続部ＥＣ２から第２のトランシーバノードＴＮ２へ直接的に直列に結合される。オプションのコモンモードチョーク５６７を使用する図示の実施形態は、（例えば、「電気的にノイズの多い」システムまたは環境での）いくつかの用途では、信号の信頼性を高めることができる。このような実施形態では、第１の通信分離コンデンサ５６６−１は第１の電気的接続部ＥＣ１からコモンモードチョーク５６７の第１の巻線の第１の端部へ直列に結合され、コモンモードチョーク５６７の第１の巻線の第２の端部は第１のトランシーバノードＴＮ１に結合される。第２の通信分離コンデンサ５６６−２は第２の電気的接続部ＥＣ２からコモンモードチョーク５６７の第２の巻線の第１の端部へ直列に結合され、コモンモードチョーク５６７の第２の巻線の第２の端部は第２のトランシーバノードＴＮ２に結合される。

上記に概説したいずれの構成においても、第１のトランシーバノードＴＮ１と第２のトランシーバノードＴＮ２との間に結合された終端抵抗５６８を使用することは（オプションであるが）有利であり得る。なお、終端抵抗５６８の値は、既知のインピーダンスマッチングの原理に従ってラインＳＬ１およびＳＬ２のインピーダンスに整合するように選択される。

上述の「ＡＣ結合された」通信分離構成体のいずれにおいても、第１の通信分離コンデンサ５６６−１および第２の通信分離コンデンサ５６６−２は、ラインＳＬ１およびＳＬ２上の「ＡＣ」差動デジタル信号を通過させ、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２に存在するＤＣ電圧が差動信号構成体５６０に到達するのを防止する。コモンモードチョーク５６７が使用される場合、共通モード信号（ノイズのタイプ）が差動信号構成体５６０に到達するのを防止する。即ち、差動信号構成体５６０は、通信分離構成体５６５を介して、第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２にＡＣ結合されている構成である。１つの実施形態では、コモンモードチョーク５６７は、物理的に比較的小さくてもよく、広帯域ノイズを抑制するために、１００ＭＨｚで約１００オーム程度のインピーダンスを提供するように選択されてもよい。１つの実施形態では、第１の通信分離コンデンサ５６６−１および第２の通信分離コンデンサ５６６−２は、約１μＦの電気容量を有することができる。しかしながら、これらの様々な値は単なる例示であり、限定されるものではない。

前に概説したように、いくつかの実施形態では、電子回路５００は、トリガ信号処理、シリアル通信、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の組み込み機能を使用する特定のメモリ機能のような有用機能または基本機能を提供するように構成された市販のＦＰＧＡを備えることができる。このような実施形態では、プローブ動作回路（および処理）５２０のいくつかは、通信処理回路５５０を含むデジタル通信回路５４０の一部または大部分のように、そのＦＰＧＡに実現されてもよい。いずれの場合も、様々な実施形態では、通信処理回路５５０は、デジタル通信プロトコル（例えば、シリアル通信プロトコル）を実現することができる。図３に示す実施形態では、通信処理回路５５０は、シリアル通信プロトコルを実現し、ラインＲＸＤ、ＴＸＤ、およびＤＲＩＶＥを介して差動信号構成体５６０と相互作用および／または制御する。１つの実施形態では、差動信号構成体５６０は、広く入手可能で、且つ当業者に知られている適切な市販のＲＳ４８５トランシーバＩＣを備えている。そして、必要に応じて、ラインＲＸＤ、ＴＸＤ、およびＤＲＩＶＥは、そのようなトランシーバＩＣに対応する。

図示された実施形態では、ラインＲＸＤは、第１のトランシーバノードＴＮ１および第２のトランシーバノードＴＮ２で受信されたシリアルデータを、ホストＣＭＭからの差動デジタル信号として伝送する。ラインＴＸＤは、第１のトランシーバノードＴＮ１および第２のトランシーバノードＴＮ２で送信されるシリアルデータを、タッチプローブからホストＣＭＭへの差動デジタル信号として伝送する。ラインＤＲＩＶＥは、差動信号構成体５６０の「イネーブル」ピンまたは入力に接続される。任意の所与の時間において、差動信号構成体５６０は、送信または受信のいずれかを行うことができるが、両方を同時に行うことはできない。 ラインＤＲＩＶＥ上の第１の極性のデジタル信号は、ホストＣＭＭからの差動デジタル信号を受信することを可能にする。そして、ラインＤＲＩＶＥ上のその反対極性のデジタル信号は、ホストＣＭＭへの差動デジタル信号の送信を可能にする。上記に概説した特徴と組み合わせて使用することができる１つの例示的なシリアル通信プロトコルは、以下に、より詳細に説明される。

図４および図５Ａから図５Ｃは、図３の電子回路と共に使用するためのシリアル通信方式の１つの実施形態のある態様を示す図である。先に概説したように、本明細書に開示される様々な実施形態では、コンパクトなタッチプローブは、ＤＣ電力も伝送する第１の電気的接続部ＥＣ１および第２の電気的接続部ＥＣ２（図３参照）を介して差動デジタル信号の入出力をするように構成されている。タッチプローブのタッチトリガ信号を第１および第２の電気的接続部を介して送信する必要性に加えて、第１および第２の電気的接続部を介してタッチプローブとホストＣＭＭとの間で他のデータおよび／またはコマンドを送受信することが望ましいことが理解されよう。これらのすべての機能を提供する１つの実施形態は、２つの「信号モード」を使用すると便利である。例えば、「コマンドモード」では、差動デジタル信号は、制御およびデータ期間中に接続された電源電圧に重畳されて入出力される制御およびデータ信号を含むことができる。そして、「通常モード」では、差動デジタル信号は、通信期間（制御およびデータ期間）とは異なるトリガ信号期間中に、接続された電源電圧に重畳されて出力されるトリガ信号生成回路（例えば、トリガ信号生成回路５９０）によって生成されるタッチトリガ信号を含むことができる。つまり、制御およびデータ信号は、タッチトリガ信号ではない、タッチプローブあるいはホストＣＭＭの制御等を行うための信号ということができる。また、制御およびデータ期間は、信号モードのうちの通常モードではない、コマンドモードにおける制御およびデータ信号をタッチプローブとホストＣＭＭとの間で入出力する期間ということができる。

図４は、所望のプローブサンプルサイクルレートでタッチプローブからホストＣＭＭにタッチトリガ信号（およびその他の情報）を送信するために使用することができる例示的な「通常モード」のシリアル通信プロトコルを示している。つまり、タッチトリガ信号は、タッチプローブ測定動作の進行中（ｏｎｇｏｉｎｇ）にプローブサンプルサイクルレートで自動的に繰り返される通常（通常モード）のシリアル通信プロトコルに含まれている。なお、いくつかの実施形態では、プローブサンプルサイクルレートは、タッチプローブ測定動作の進行中に毎秒少なくとも５０,０００サンプルであることが望ましい（なお、プローブサンプルサイクルレートは、タッチプローブでタッチトリガ信号を検出するレートということができる）。図示された実施形態では、プローブサンプルサイクルレートは、タッチプローブ測定動作の進行中に毎秒１００,０００サンプルである。図４に示す例では、１０マイクロ秒の「サンプル期間」は、２つの部分に分割されている。１つは６.６６７マイクロ秒の送信サブ期間である（プローブからの）「送信」であり、もう１つは３.３３３マイクロ秒のリスニングサブ期間である「リッスン」である。これらの期間では、ホストコントローラは、（プローブへの）送信を開始できるが、タッチプローブ測定動作の進行中には通常何も行わない。例えば、１つの実施形態では、送信サブ期間中、ラインＤＲＩＶＥ（図３参照）は差動信号構成体５６０を送信モードにするように制御され、通信処理回路５５０は以下に説明するプロトコルに従って信号を出力する。逆に、リスニングサブ期間中、ラインＤＲＩＶＥ（図３参照）は差動信号構成体５６０を受信モードにするように制御され、通信処理回路５５０は以下に説明するプロトコルに従って信号を受信する。

図示された実施形態では、以下でより詳細に説明するように、このプロトコルは、「送信」サブ期間中のＴＲＩＧ、ＨＡＬＴ、およびＣＯＬＬの「トリガ」信号とエラーフラグの４ビットの情報を繰り返し流している。相補ビットｎＴＲＩＧ、ｎＨＡＬＴ、およびｎＣＯＬＬは、このプロトコルで常に「０」および「１」のバランスのとれた数（それぞれ５つ）が存在するように使用される。これにより、ＡＣ結合された差動デジタル信号のＤＣレベルを平均値に維持することが可能となり、変化するＤＣ信号成分は、ＡＣ結合を介して漏れずにデジタル信号情報を検出するための安全マージンを減少させない。つまり、通常（通常モード）のシリアル通信プロトコルは、名目上ＤＣバランスがとられるようにフォーマットまたは符号化されていてもよい。なお、この例のビットレートは、１０μｓ当たり１５ビットで、１.５Ｍｂｐｓである。

この例では、３つのタッチトリガ信号、ＴＲＩＧ、ＨＡＬＴおよびＣＯＬＬビットは、（例えば、図３に示すトリガ閾値処理回路５９２で決定される）３つの異なる変位閾値を示す。図示された例では、ＴＲＩＧ、ＨＡＬＴおよびＣＯＬＬビットの各々はゼロまたはローである。これは、スタイラスが撓んでおらず、それゆえワークピース表面に接触していないことをスタイラス変位信号が示す際に生成される「ヌル（Ｎｕｌｌ）」タッチトリガ信号である。つまり、スタイラス変位（スタイラスの変位）がなく、スタイラスがワークピースに接触していないとき、トリガ信号生成回路５９０は、通常（通常モード）のシリアル通信プロトコルに含まれるヌルタッチトリガ信号を生成することができる。ＴＲＩＧビットは、スタイラス変位信号が現在、最小の（最も感度の高い）スタイラス変位信号閾値を超えているかどうかを示す「従来の」タッチトリガ信号と見なすことができる。スタイラスがワークピースに接触していることを示すＴＲＩＧビット（ＴＲＩＧビットが１または「ハイ」に等しい）に応答して、ホストＣＭＭは、既知の方法に従って、タッチ点座標の測定値としてその現在位置の値をラッチすることができる。ＨＡＬＴビットは、いくつかの実施形態では、ワークピースの有効なタッチ測定をより確実に保証または確認するために、スタイラス変位信号がワークピースに最初に接触することに対応する点（例えばＴＲＩＧビットによって示される）を超えて移動または「オーバートラベル」することが可能なホストＣＭＭの制御を支援するために使用されてもよい。ＨＡＬＴビットは、スタイラス変位信号が現在、ＴＲＩＧビットがワークピースの接触を示す点を超えて、ＣＭＭの「オーバートラベルを確認する」ための所望の停止点に対応するスタイラス変位信号閾値を超えているかどうかを示す。既知の方法に従って、ＣＭＭの「オーバートラベル」のための所望の停止点を示すＨＡＬＴビット（ＨＡＬＴビットが１または「ハイ」に等しい）に応答して、ＣＭＭ動作が停止され、必要に応じて様々な測定確認動作が実行されてもよい 。いくつかの実施形態では、ＣＭＭをより確実に停止させ、予期しない物体または表面（ＣＭＭ上の予期せぬ固定具など）とスタイラスとの「衝突」の場合に可能性のある損傷を最小限にするために、ＣＯＬＬビットは、ホストＣＭＭの制御を支援するために使用されてもよい。ＣＯＬＬビットは、スタイラス変位信号が現在、通常のＣＭＭおよび／またはタッチプローブ動作中に遭遇するとは予想されない「危険な」閾値を超えているかどうかを示す。予期しないスタイラスの撓みを示すＣＯＬＬビット（ＣＯＬＬビットが１または「ハイ」に等しい）に応答して、ＣＭＭは、既知の方法に従って非常停止を実行することができる。エラーフラグビットは、既知の方法に従って（例えば、電子回路５００内の）タッチプローブの様々なエラー状態の検出時に１または「ハイ」に設定することができる。

図４に示すプロトコルは、（例えば、上記で概説した受信モードの差動信号構成体５６０で）「リッスン」サブ期間中、繰り返しリッスンすることを含む。ホストＣＭＭがリッスンサブ期間（リスニングサブ期間）中に送信を開始する場合、プローブプロトコルがコマンドモードに変わる（つまり、ホストＣＭＭは制御およびデータ信号をリスニングサブ期間中にタッチプローブに入力させることで、タッチプローブはコマンドモードへ変化することとなる）。コマンドモードでは、ホストＣＭＭは、例えば、タッチトリガ信号の閾値レベルを変更したり、フィルタを有効にしたりするなどのために、プローブの電子回路５００内のレジスタ（例えば、プローブメモリ部５８０のレジスタ）を読み書きすることができる。ホストＣＭＭは、リッスンサブ期間中にプリアンブル（以下に詳述する）の送信を開始することができる。プローブの電子回路５００はこれを検出するように構成され、コマンドモードに入る。コマンドモードの間、プローブは上記で概説した通常モードのプロトコルを中断する（すなわち、トリガ信号情報の送信が中止されるなど）。

コマンドモードでは、ホストコントローラはプローブの電子回路レジスタに読み取りコマンドと書き込みコマンドを送信する。１つの例示的な実施形態では、すべてのコマンドモードのデータは、スタートビットおよびストップビットによってフレーミングされ、ＬＳＢが最初で、８ビットバイナリ形式で送信される。コマンドモードのプロトコルの様々な実施形態では、（例えば、通信処理回路５５０内の）タッチプローブの電子回路とホストＣＭＭ内のＤＣバランスされた符号化方式（周知のマンチェスタ符号化方式など）を使用することが望ましい場合がある。図４に示すＤＣバランスされたプロトコルを参照して既に概説した方法と同様の方法で、これにより、ＡＣ結合された差動デジタル信号のＤＣレベルを平均値に維持することが可能となり、変化するＤＣ信号成分は、ＡＣ結合を介して漏れずにデジタル信号情報を検出するための安全マージンを減少させない。

図５Ａおよび図５Ｂは、（タッチプローブへのホストＣＭＭ書き込み用）書き込みシーケンスプロトコルおよび（タッチプローブからのホストＣＭＭ読み取り用）読み取りシーケンスプロトコルのそれぞれの例示的な「コマンドモード」の実施形態を示す。記載を明確にし、説明を簡潔にするために、ＤＣバランスされた符号化方式は図示していないが、上記で概説した理由により、既知の方法に従って、図示されたバイトがマンチェスタ符号化などを適用して送信されるのが理解されよう。

図５Ａでは、すべてのバイトがホストＣＭＭによって書き込まれる。最初の２バイトは同期用のプリアンブルである。この実施形態では、プリアンブルは、１以上のコマンドが送信される場合でも、送受信方向が同じである限り、１回だけ送信される。プリアンブルを、図５Ｃを参照して以下でさらに説明する。この実施形態では、３番目のバイトはコマンドコードである。ビット７は書き込みコマンド '１'を指定し、Ｎバイト［０：６］はそのアドレスに続くデータバイト数を指定する。Ｎバイトの最大値は１２７である。例えば、２バイトを書き込む場合、コマンドコードは１６進数で８２である。４番目のバイトは、データバイトが書き込まれるアドレスを指定する。この実施形態では、そのアドレスの最大値は２５５であってもよい。（例えば、動作メモリマネージャ５２１に実現されるような）プローブの電子回路の内部アドレスレジスタは、各バイトが書き込まれた後にインクリメントするように構成されてもよい。５番目のバイトは最初のデータバイトである。Ｎバイトで指定されるＮデータバイトがある。プローブの電子回路は、指定されたレジスタアドレスから開始してデータバイトをそのレジスタにコピーすることができる。最後のデータバイトであるデータＮの後、プローブはホストＣＭＭからの別のコマンドを予期する。ホストＣＭＭは、同期を維持するために、コマンドを遅滞なく送信する必要がある。

図５Ｂに関して、先に示したように、このコマンドモードの実施形態では、図５Ａに示す（そして図５Ｃを参照してさらに説明する）２バイトプリアンブルは、１つ以上のコマンドが送信される場合でも、送受信方向が同じである限り、１回だけ送信される。図５Ｂは、その読み取りシーケンスがコマンドモードの最初のコマンドではないと仮定する。そうでなければ、図示されたバイトに加えてその２バイトのプリアンブルが必要となる。これらの仮定の下で、図５Ｂにおいて、ホストＣＭＭは最初の２バイトを書き込み、プローブの電子回路は図示された「プローブ応答」バイトで応答する。最初の２バイトのホストＣＭＭ送信と、プローブ応答バイトのプローブ応答送信との間に図示された短い遅延があり、タッチプローブの差動信号構成体（例えば、図３の要素５６０を参照）と同様にホストＣＭＭの対応する構成体とがそれらのトランシーバの方向を変更することを可能にしている。図示の例では、この遅延は約５.３μｓである。この遅延の後、プローブの電子回路は、２つのプリアンブルバイト（下記の図５Ｃを参照）を送信し、指定されたアドレスからＮバイトを送信し、各バイトのアドレスをインクリメントすることによって応答する。読み取りシーケンスプロトコルが終了した後、図示された実施態様では、プローブの電子回路は、デフォルトで、コマンドモードを自動的に終了し、先に概説した通常モードを再開することができる。（１つの実施形態では、ホストＣＭＭがＮバイト＝０で読み取りシーケンスまたは書き込みシーケンスを送信することによって、どのような状況下でもコマンドモードが終了させられるかもしれない。アドレスまたはデータは必要ない。）

様々な実施形態では、コマンドモード中に、タッチトリガ信号を生成することに関連するタッチプローブ信号処理は、通常モード中と同じプローブサンプルサイクルでプローブの電子回路内で継続されてもよい。このような実施形態では、コマンドモードが終了し通常モードが再開されると、関連する進行中のプローブサンプルサイクルにおける次の「スケジュールされた」データ送信時間に従って、タッチトリガ信号のデータが通常モードで送信される（つまり、通常モードでタッチトリガ信号が送信される期間がトリガ信号期間ともいえる）。

図５Ｃは、上記で参照した２バイトのプリアンブルの１つの例示的な「コマンドモード」の実施形態を示す。図示された例では、プリアンブルがＤＣバランスされたマンチェスタ符号化を含むように示されている。知られているように、マンチェスタ符号化は、各データビットでクロック信号を復元するので、長いデータシーケンスに対しても頑強である。先に示したように、ＤＣバランスされたマンチェスタ符号化などは、ＡＣ結合された差動デジタル信号を検出するためのノイズに対する安全マージンを最大化することもできる。図示された例では、マンチェスタ符号化が（例えば、デジタル通信回路５４０の一部における）通常のＵＡＲＴ信号と信号ラインＴＸＤおよびＲＸＤとの間で（例えば、通信処理回路５５０において）適用されると仮定している。これは、スタートビットとストップビットの両方が図示の通信フレームに保持されることを意味する。図示された例では、ＩＥＥＥ ８０２.３（イーサネット(登録商標)）のフェーズ規約を適用し、ハイからローへの遷移が「０」を表し、ローからハイへの遷移が「１」を表すと仮定している。

図示された２バイトのプリアンブルは、ホストＣＭＭとプローブの電子回路との間で通信しているトランシーバ受信機と送信機とを同期させる働きをする。図示された例では、送信機は１６進数でプリアンブルコード５５、Ｄ５を送信する。ＬＳＢを最初に送信して、このコードは図５Ｃのタイミング図になる。プリアンブルには、最初の１８ビットで、ビット境界（垂直の破線）ではなく、ビット時間の中央でのみ、遷移が発生するという便利な機能がある。これにより、受信機を送信機と同期させることが容易になる。最後の３ビット「１１１」は、プリアンブルの終わりを知らせ、受信機に接続された回路は、これらのビットを認識し、次にコマンドまたはデータバイトを受信するために適切な「準備状態」を実現するように構成されている。

コマンドモードの使用のいくつかの例に関して、トリガ閾値処理回路５９２および／または電子回路５００の他の構成要素または部分のための特定の設定（例えば、デフォルト設定）は、プローブメモリ部５８０に格納され、電力供給される動作期間がタッチプローブに対して最初に開始されたときにアクセスされるようにされていてもよい。しかしながら、トリガ閾値処理回路５９２に対するデフォルト閾値が特定の環境および／またはアプリケーションで所望の結果を生成していない（例えば、誤トリガ信号が多すぎるなど）と判定された場合、ユーザは、トリガ閾値処理回路５９２によって使用される異なる閾値および／またはローパスデジタルフィルタ設定などを提供するために（例えば、ユーザによる）コマンドモードを使用するホストＣＭＭを動作させることができる。いくつかの実施形態では、そのようなデータは、ホストＣＭＭ（ホストシステム）内に記憶され、新しく電力供給される動作期間が開始されるたびに提供されてもよい。そして、そのようなデータは、プローブメモリ部５８０に記憶された任意のデフォルト設定を上書きしてもよい。特定の実施形態では、タッチプローブのパラメータが特定のワークピース検査シーケンスに最適化されて、タッチプローブが第２のホストＣＭＭに移動されると、タッチプローブに格納された任意の適切なデータ／設定は、第２のホストＣＭＭとの互換性のある動作を保証するために、上記で概説した様々なプロトコルを使用して第２のホストＣＭＭと通信される。

前述の説明では、すべての差動デジタル信号のビット（例えば、制御およびデータ信号とタッチトリガ信号）がＤＣバランスされたシリアル通信コード方式に基づいてフォーマットまたは符号化されてもよい通信プロトコルが開示されている。しかしながら、これは様々な実施形態において好ましいことがあるが、単なる例示であり、限定されるものではないことが理解されよう。いくつかの実施形態では、精密さに欠けるプロトコルでも十分に堅牢な動作を提供することができる。例えば、１つの実施形態では、少なくとも大部分の差動デジタル信号（制御およびデータ信号のすべてでもよい）が、名目上（あるいは形式上）ＤＣバランスされたシリアル通信コード方式に基づいてフォーマットされていれば十分である。さらに、上記に開示された様々な特定の構成要素の値、特定の動作周波数、および特定の通信プロトコルは、例示に過ぎず、限定されないことが理解されよう。

本開示の好ましい実施形態が図示され説明されてきたが、図示され記載された特徴構成および動作シーケンスにおける多数の変形は、本開示に基づくことで当業者には明らかであろう。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を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書で参照されるすべての米国特許および米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。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およ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。

これらの変更および他の変更は、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、明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実施形態で特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲が持ちうる等価なすべての範囲に沿うすべての可能な実施形態を含むと解釈されるべきである。

Claims (16)

1. 内部デジタル信号処理を含む座標測定機のためのコンパクトなタッチプローブであって、
   当該コンパクトな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少なくとも１つのセンサ信号を出力するように構成された変位センサと、
   当該コンパクトなタッチプローブを前記座標測定機に電気的に接続する第１および第２の電気的接続部を備えるインターフェースコネクタと、
   安定化電源回路と、プローブ動作回路およびメモリ部と、前記少なくとも１つのセンサ信号を入力し、前記スタイラスの変位に対応するタッチトリガ信号を生成するトリガ信号生成回路と、前記第１および第２の電気的接続部を介して差動デジタル信号を入出力する差動信号構成体を備えるデジタル通信回路と、を備え、当該コンパクトなタッチプローブのハウジング内に完全に含まれるタッチプローブの電子回路と、
   を備え、
   前記タッチプローブの電子回路は、前記第１および第２の電気的接続部を介して前記座標測定機から接続された電源電圧を受け取るために前記第１および第２の電気的接続部に結合され、且つ前記第１および第２の電気的接続部を通過する前記差動デジタル信号をロードすることから前記安定化電源回路を分離するように構成される電源分離構成体をさらに備え、前記電源分離構成体は、
   差動モードチョークの第１の巻線の第２の端部が前記安定化電源回路の正の入力に接続され、前記第１の電気的接続部に結合された前記差動モードチョークの前記第１の巻線の第１の端部と、
   前記差動モードチョークの第２の巻線の第２の端部が前記安定化電源回路の負の入力に接続され、前記第２の電気的接続部に結合された前記差動モードチョークの前記第２の巻線の第１の端部と、
   前記安定化電源回路の前記正の入力と前記負の入力との間に結合された少なくとも第１の電源分離コンデンサと、
   を備え、
   前記デジタル通信回路は、前記第１の電気的接続部に直列に結合された第１の通信分離コンデンサと、前記第２の電気的接続部に直列に結合された第２の通信分離コンデンサとを備える通信分離構成体を介して、前記第１および第２の電気的接続部にＡＣ結合された差動信号構成体を備え、前記差動信号構成体は前記第１および第２の電気的接続部を介して前記差動デジタル信号を入出力するように構成され、前記差動デジタル信号は、
   制御およびデータ期間中に接続された前記電源電圧に重畳されて入出力される制御およびデータ信号と、
   前記制御およびデータ期間とは異なるトリガ信号期間中に、接続された前記電源電圧に重畳されて出力されるトリガ信号生成回路によって生成されるタッチトリガ信号と、
   を含み、
   少なくとも大部分の前記差動デジタル信号は、名目上ＤＣバランスされたシリアル通信コード方式に基づいてフォーマットされることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
2. 請求項１において、
   前記インターフェースコネクタは、当該コンパクトなタッチプローブのための機械的な取り付けと電気的インターフェースとを組み合わせたコネクタであることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
3. 請求項１において、
   前記第１および第２の電気的接続部は、前記インターフェースコネクタにおいて、機械的な取り付け構成を担わずに、電気的接続のみを担う構成とすることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
4. 請求項１において、
   前記制御およびデータ信号のすべては、名目上ＤＣバランスされた前記シリアル通信コード方式に基づいてフォーマットされることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
5. 請求項１において、
   前記タッチトリガ信号は、タッチプローブ測定動作の進行中にプローブサンプルサイクルレートで自動的に繰り返される通常のシリアル通信プロトコルに含まれることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
6. 請求項５において、
   スタイラス変位がなく、前記スタイラスがワークピースに接触していないとき、前記トリガ信号生成回路は、前記通常のシリアル通信プロトコルに含まれるヌルタッチトリガ信号を生成することを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
7. 請求項５において、
   前記プローブサンプルサイクルレートは、少なくとも５０,０００サンプル／秒であることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
8. 請求項５において、
   前記通常のシリアル通信プロトコルは、名目上ＤＣバランスがとられるようにフォーマットまたは符号化されることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
9. 請求項１において、
   前記安定化電源回路の前記負の入力は、回路接地接続であることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
10. 請求項１において、
    前記通信分離構成体は、前記第１の電気的接続部から前記差動信号構成体の第１のトランシーバノードに直接的に直列に結合された前記第１の通信分離コンデンサと、前記第２の電気的接続部から前記差動信号構成体の第２のトランシーバノードに直接的に直列に結合された前記第２の通信分離コンデンサと、を備えることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
11. 請求項１において、
    前記通信分離構成体は、
    コモンモードチョークの第１の巻線の第２の端部が前記差動信号構成体の第１のトランシーバノードに結合されて、前記第１の電気的接続部と前記コモンモードチョークの前記第１の巻線の第１の端部とに直列的に結合された前記第１の通信分離コンデンサと、
    前記コモンモードチョークの第２の巻線の第２の端部が前記差動信号構成体の第２のトランシーバノードに結合されて、前記第２の電気的接続部と前記コモンモードチョークの前記第２の巻線の第１の端部とに直列的に結合された前記第２の通信分離コンデンサと、
    を備えることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
12. 請求項１において、
    前記差動モードチョークは、前記差動デジタル信号に対応付けられた周波数において最大２５μＨのインピーダンスを有することを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
13. 請求項１２において、
    当該コンパクトなタッチプローブは、円筒形ハウジングを備え、最大１５ｍｍの直径を有することを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
14. 請求項１において、
    前記差動デジタル信号の大部分は、最大３Ｍｂｐｓのビットレートを有することを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
15. 請求項１４において、
    前記差動デジタル信号の大部分は、最大１.５Ｍｂｐｓのビットレートを有することを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。
16. 請求項１において、
    少なくとも前記差動信号構成体は、安定化されていない電圧によって電源供給されるように、前記安定化電源回路の前記正の入力で安定化されていない電圧に結合されることを特徴とするコンパクトなタッチプローブ。

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