(57)【要約】 【課題】  測定制御系におけるハンチングの発生を的確に防止するゲインを高精度に設定でき、測定を安定かつ迅速に行うことを可能にする、制御回路のゲイン設定方法を提供すること。【解決手段】  Ｎ個のゲインＧｉを順次制御回路２３に仮設定し、スタイラス１３１を被測定物Ｗに接触させて仮測定を行う。このときセンサ検出回路２１から出力されるセンサ検出信号を、フィルタ３１によって濾波し、制御回路２３を含む閉ループＬに生じるハンチングの周波数に対応する周波数成分のみを取り出す。この周波数成分の大きさＳｉを基準値Ｓ０と比較し、Ｓｊ＜Ｓ０となって閉ループＬにハンチングを生じさせないＧｊを抽出し、さらに、測定の速応性の向上等の観点から各Ｇｊのうち最大のものを制御回路２３に設定する。したがって、この設定ゲインによれば、測定を安定にかつ迅速に行うことができる。【選択図】 図２
2006085383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の測定に関与して測定信号を出力する測定手段と、
所定の目標値と前記測定信号の出力値との偏差に基づく制御信号を出力する制御回路と、
前記制御信号に基づいて、前記測定信号の出力値が前記目標値と一致されるように前記測定手段を制御する制御手段と、
を備える測定制御系における制御回路の制御パラメータ設定方法において、
前記制御回路の制御パラメータをＱｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）に仮設定した上で仮測定を行い、その際に出力される前記測定信号に基づく仮測定データＳｉを所定時間にわたって取得する仮測定データ取得工程を、互いに異なるＮ種類の制御パラメータ（Ｑ１、Ｑ２、・・・、ＱＮ）について順次行ったのち、
取得された前記各仮測定データＳｉごとに周波数分析を行い、前記測定制御系における所定の振動周波数に対応する周波数成分の大きさが所定の基準値未満となる仮測定データＳｉを抽出する抽出工程と、
抽出された前記各仮測定データＳｉに対応する各制御パラメータＱｉのうち、最大の周波数特性を有するＱｉを前記制御回路の制御パラメータに設定する制御パラメータ設定工程と、
を行うことを特徴とする制御回路の制御パラメータ設定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の制御回路の制御パラメータ設定方法において、
前記制御回路の前記制御パラメータは、ゲインおよび位相補償周波数の少なくともいずれかである、
ことを特徴とする制御回路の制御パラメータ設定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の制御回路の制御パラメータ設定方法において、
前記各制御パラメータＱｉについての前記仮測定データ取得工程では、前記振動周波数に対応する周波数成分のみを通過させる周波数フィルタによって前記測定信号を濾波したものが前記各仮測定データＳｉとされる、
ことを特徴とする制御回路の制御パラメータ設定方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の制御回路の制御パラメータ設定方法において、
前記制御パラメータ設定工程で前記制御回路に設定された制御パラメータＱｉによって決定される前記測定制御系全体の制御パラメータＱを記憶する記憶工程と、
前記測定手段および前記被測定物の少なくともいずれかを性状の異なるものに交換することによって生じる前記測定手段の制御パラメータの見かけ上の変化を相殺するように前記制御回路の制御パラメータを補正し、前記測定制御系全体の制御パラメータを記憶された前記Ｑに保持する制御パラメータ補正工程と、
を行うことを特徴とする制御回路の制御パラメータ設定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の制御回路の制御パラメータ設定方法において、
前記測定手段は前記被測定物に接触されて測定を行う接触測定子とされ、
前記制御パラメータ補正工程は、
前記接触測定子および前記被測定物の少なくともいずれかの交換後に、前記接触測定子を前記被測定物に対して所定量押し込んで接触測定を行うと同時に、この押し込み量の測定を行う予備測定工程と、
この予備測定工程における前記測定信号の出力値と、測定された前記押し込み量との間の関係から、前記接触測定子における制御パラメータの見かけ上の変化を算出する演算工程とを備え、
この演算工程における演算結果を基に、前記測定制御系全体の制御パラメータが前記Ｑに保持されるように前記制御回路の制御パラメータを補正する、
ことを特徴とする制御回路の制御パラメータ設定方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の制御回路の制御パラメータ設定方法によって制御パラメータが設定された制御回路を備える測定制御系を含んで構成される測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定制御系における制御回路の制御パラメータ設定方法および測定装置に関する。詳しくは、測定を安定に、かつ、迅速に行う上で最適な制御回路の制御パラメータを設定する方法および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御回路の制御パラメータとしては、ゲインや位相補償周波数などがあるが、従来、測定制御系における制御回路のゲイン設定方法として、ゲイン設定に必要なデータを取得するデータ取得工程と、このデータを基に測定に最適なゲインを判定する判定工程と、制御回路のゲインを最適と判定されたゲインに設定する設定工程と、によって構成される方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、制御回路の最適ゲインとは、測定制御系が自己発振状態になるのを防止して安定な測定状態を実現できるとともに、迅速な測定を行うことを可能にするゲインのことをいうものとする。
最適ゲインの判定には種々の手法を利用することができ、特許文献１には、以下の（ａ）、（ｂ）の手法が開示されている。
【０００３】
（ａ）ゲイン設定に必要なデータ（探針の材質、試料の材質など）の組を測定者が手入力し、これを予め用意されているデータテーブルと比較する。データテーブルには、複数の基準入力データの組と、この各基準入力データの組についての最適ゲインとして経験的に得られた各基準ゲインの値（比例動作パラメータＰＰなど）とが表されている。測定者は、自ら手入力した実際の入力データの組と、複数の基準入力データの組とをそれぞれ対比して、その中から最も近い基準入力データの組を選択し、この基準入力データの組に対応する基準ゲインを最適ゲインとして制御回路に設定する。
（ｂ）探針を被測定物上の一点に固定し、制御回路のゲイン（比例動作パラメータＰＰなど）を変化させながら仮測定を行い、各ゲインごとに電流誤差量ΔＥを算出する。ΔＥは、探針−試料間を流れるトンネル電流値の目標電流値に対するばらつきの程度を表す。測定制御状態においてトンネル電流値は目標電流値の周りを振動するように変化されるので、ΔＥが大きいときは、目標電流値周りの振幅が大きく、測定制御系が自己発振状態（いわゆるハンチングが生じている状態）になっていることが示唆され、また、ΔＥが小さいときは、目標電流値周りの振幅が小さく、トンネル電流値が目標電流値に略一致され、測定制御系が安定状態になっていることが示唆される。制御回路の最適ゲインの判定は測定制御系を安定状態に調整する観点から行われ、小さいΔＥの値を実現するゲインの値が最適ゲインと判定される。具体的には、各ゲインごとのΔＥの値を所定の基準値と比較し、ΔＥがこの基準値以下となるようなゲインを最適ゲインと判定する。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２２３５１９号公報（第３〜第６頁、図１〜図４、図７、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（ａ）の手法は、データテーブルを作成するための予備測定を精密に行う必要があるので、測定者の負担が重くなるという問題がある。また、実際の入力データの組に最も近似する基準入力データに対応する基準ゲインを最適ゲインとして設定するため、この最適ゲインも近似値にすぎない。そのため、超精密測定の際など、ゲインの設定において高い精度が要求される場合においては、この手法を用いることはできない。
（ｂ）の手法では、測定制御系にハンチングが生じるのを防止する観点から、ΔＥの値を指標として制御回路の最適ゲインを判定している。しかし、ΔＥの値は、あくまでトンネル電流値のばらつきの程度を表す数値に過ぎず、ハンチングの有無と直接的に関係付けられる値ではない。そのため、ΔＥが小さいからと言って、ハンチングが生じていないとは必ずしも言えず、手法（ｂ）によって最適ゲインを設定しても十分にハンチングを防止できない場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、測定制御系におけるハンチングの発生を的確に防止する制御パラメータを高精度に設定でき、測定を安定かつ迅速に行わせることができる、測定制御系における制御回路の制御パラメータ設定方法、および、測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の測定制御系における制御回路の制御パラメータ設定方法は、被測定物の測定に関与して測定信号を出力する測定手段と、所定の目標値と前記測定信号の出力値との偏差に基づく制御信号を出力する制御回路と、前記制御信号に基づいて、前記測定信号の出力値が前記目標値と一致されるように前記測定手段を制御する制御手段と、を備える測定制御系における制御回路の制御パラメータ設定方法において、前記制御回路の制御パラメータをＱｉ（ｉ＝１、２、・・・、Ｎ）に仮設定した上で仮測定を行い、その際に出力される前記測定信号に基づく仮測定データＳｉを所定時間にわたって取得する仮測定データ取得工程を、互いに異なるＮ種類の制御パラメータ（Ｑ１、Ｑ２、・・・、ＱＮ）について順次行ったのち、取得された前記各仮測定データＳｉごとに周波数分析を行い、前記測定制御系における所定の振動周波数に対応する周波数成分の大きさが所定の基準値未満となる仮測定データＳｉを抽出する抽出工程と、抽出された前記各仮測定データＳｉに対応する各制御パラメータＱｉのうち、最大の周波数特性を有するＱｉを前記制御回路の制御パラメータに設定する制御パラメータ設定工程と、を行うことを特徴とする。
【０００８】
本発明の測定制御系では、測定手段、制御回路および制御手段によって閉ループが構成され、フィードバック制御によって測定状態が制御される。制御回路の制御パラメータは可変とされ、閉ループ全体の制御パラメータをこれによって調整することが可能である。以下、制御回路の制御パラメータ設定について説明する。
【０００９】
＜仮測定データ取得工程＞
まず、制御回路の制御パラメータをＮ種類の制御パラメータＱ１〜ＱＮに順次仮設定して、各制御パラメータＱｉについて仮測定データＳｉを取得する。ここで、仮測定データＳｉとは、測定手段からの測定信号に基づく所定の測定量ｆｉを、各時間ｔごとに記録したものであり、複数の（ｆｉ，ｔ）の組によって構成される。これを座標平面にプロットし、各点を滑らかに連結すれば、測定時間ｔについての関数ｆｉ（ｔ）が構成される。なお、仮測定において測定量ｆｉを所定時間にわたって連続的に記録することにすれば、ｆｉはそのまま関数ｆｉ（ｔ）を構成することになる。
ところで、仮測定においても測定手段からの測定信号の出力値が目標値と一致されるようにフィードバック制御が行われているので、この測定信号に基づく関数ｆｉ（ｔ）の値は、前記目標値に対応する目標位置の周りを振動しながら時間的に変化するのが普通である。ここで、測定制御系（閉ループ）が安定でハンチングが生じていなければ、ｆｉ（ｔ）の目標位置周りの振幅は時間ｔの経過とともに減衰し、ｆｉ（ｔ）は目標位置に漸近する。一方、測定制御系が不安定でハンチングが生じていれば、ｆｉ（ｔ）の目標位置周りの振幅は時間ｔが経過しても減衰されることなく、ｆｉ（ｔ）は一定以上の振幅を維持して振動を続ける。
【００１０】
ここで、測定制御系におけるハンチングと、測定制御系の制御パラメータとの関係について概説する。本発明では制御回路の制御パラメータが可変とされている。ここでは、制御パラメータの一例としてゲインについて説明する。測定制御系のゲインは、制御回路のゲインによって一意的に決定される。そこで、以下、ゲインは、制御回路のゲインとして説明する。図１は、制御回路の周波数伝達関数についてのボード線図である。図１（Ａ）がゲイン線図で、図１（Ｂ）が位相線図である。
今、図１（Ａ）には、互いに異なるゲインＧ１、Ｇ２、Ｇ３（Ｇ１＜Ｇ２＜Ｇ３）を制御回路に設定した場合におけるそれぞれのゲイン特性が示されている。この説明では、専らゲインの変化について考慮することとし、位相の変化については考慮に入れないこととする。そのため、図１（Ｂ）の位相線図は変化しない。すなわち、図１（Ｂ）における一本の位相線は、３つのゲインＧ１〜Ｇ３について共通の位相線である。なお、図１（Ａ）において、各ゲインＧ１〜Ｇ３に対応するゲイン線を互いに略平行に描いているが、これは説明の簡略化のためであり、実際のゲインは各周波数ごとに異なる変化率をもって変化させることができ、柔軟に設定できる。
【００１１】
測定制御系の安定性の判定、すなわち、ハンチングが生じるか否かの判定には、一般に知られているように、ゲインの値が１（ゲイン線図上では０）になるゲイン交差周波数ωｃと、位相φが−１８０°になる位相交差周波数ω０とが利用される。
ゲインがＧ１のときは、図１に示されるように、ωｃ１＜ω０、である。そのため、位相が−１８０°以下のときは、ゲインが常に１以下（ゲイン線図上ではマイナス）となっており、ハンチングが生じることはなく、測定制御系は安定である。
ゲインをＧ１から上げていきＧ２にすると、ωｃ２＝ω０、になる。これはいわゆる安定限界状態であり、これ以上ゲインを上げると直ちにハンチングが生じる。
ハンチングが生じている状態を表すのがゲインＧ３についてのゲイン線である。このとき、ωｃ３＞ω０、である。ω０≦ω≦ωｃ３、の周波数帯においては、位相が−１８０°以下で、かつ、ゲインが１以上（ゲイン線図上ではプラス）である。そのため、この周波数帯（以下、自己発振周波数帯、という）に属する周波数のハンチングが生じ、測定制御系が不安定になる。
【００１２】
以上から、測定制御系におけるハンチング周波数は、自己発振周波数帯ω０≦ω≦ωｃ３に属する周波数であることがわかる。ここで、下限ω０が不変だから、自己発振周波数帯は、ゲインＧ３（＞Ｇ２）を設定して上限ωｃ３を定めることによって一義的に決定される。本発明における振動周波数とは、主として、この自己発振周波数帯に属する周波数を意味するものとする。
【００１３】
次に、制御回路が位相補償回路を含み、位相線図の特性が変更可能な場合について説明する。
図１（Ｃ）は、位相補償回路が位相進み補償回路であり、その位相進み補償によって位相交差周波数がω０１（位相特性ＰＨ１）、ω０２（位相特性ＰＨ２）、ω０３（位相特性ＰＨ３）のように変更可能な例を示す。この場合も、ハンチングの発生原理は同一であり、ゲイン交差周波数ωＣと位相交差周波数ω０との関係において、ωＣ≦ω０が安定条件である。これらのゲイン特性と位相特性との組合せは相互に独立に可変とされてもよく、あるいは相関関係を維持して可変とされてもよい。例えば、制御パラメータＱ１（Ｇ１、ＰＨ１）、Ｑ２（Ｇ２、ＰＨ２）、Ｑ３（Ｇ３、ＰＨ３）、Ｑ４（Ｇ４、ＰＨ４）・・・のような関係でもよく、あるいは、制御パラメータＱ１（Ｇ１、ＰＨ１）、Ｑ２（Ｇ１、ＰＨ２）、Ｑ３（Ｇ２、ＰＨ１）、Ｑ４（Ｇ２、ＰＨ２）・・・のような関係でもよい。いずれの場合においても、安定条件を満たし、かつ、ゲイン交差周波数ωＣが最大となる制御パラメータが測定制御系の最大周波数特性を与える。なお、安定条件としてωＣ≦ω０を示したが、実際には安定性を考慮して、ωＣ＝０において、位相遅れが−１５０ｄｅｇ程度であることが好ましい。さらに、この説明では、位相補償回路が位相進み補償回路である場合を示したが、これに限らず位相遅れ補償回路でもよく、また、位相進み補償回路と位相遅れ補償回路とが併用されても原理は同一である。また、位相補償回路が、制御回路に含まれる例を示したが、これに限らず、センサ検出信号のフィードバック回路に挿入されてもよい。
【００１４】
なお、測定制御系における振動周波数の他の例として、測定制御系を構成する電気回路の共振周波数ωｒが挙げられる。この電気回路にωｒの共振周波数成分を所定値以上含む測定信号が入力されると、共振周波数成分はほとんど減衰されることがないから、測定信号は共振周波数ωｒをもって振動され続けることになる。特に、共振周波数ωｒにおける測定制御系のゲインが１以上であるときは、共振周波数成分が増幅されてしまうので振幅が大きくなり、測定制御系を不安定にする。これは、前記の自己発振周波数帯についての状況と全く同じである。すなわち、測定制御系による制御によって測定信号が目標値に近づいていっても、ωｒの振動が残るために、測定信号は目標値の周りで振動を続けるのである。
【００１５】
＜抽出工程＞
さて、以上の仮測定データ取得工程に続いて、抽出工程が行われる。抽出工程では、各仮測定データＳｉについて周波数分析を行う。すなわち、各仮測定データＳｉにおける各関数ｆｉ（ｔ）をフーリエ変換して周波数表示し、前記振動周波数に対応する周波数成分の大きさを、所定の基準値と比較する。振動周波数は、ハンチングが生じる周波数であるから、これに対応する周波数成分が大きければハンチングが生じていることになり、逆に、小さければハンチングの発生が適切に防止されていることになる。基準値は、ハンチングの発生／不発生を判別する上で最適な値として予め設定されているものとする。なお、基準値は、自己発振周波数帯における各振動周波数ごとに異なる値として設定してもよい。
以上の周波数分析を通じて、振動周波数成分の大きさが基準値未満となるようなＭ（≦Ｎ）個の仮測定データＳｊ（ｊ＝１、２、・・・、Ｍ）が抽出される。
【００１６】
＜制御パラメータ設定工程＞
抽出された仮測定データＳｊは、ハンチングが生じておらず、測定制御系が安定状態にあることを保証するデータ群である。したがって、これらのＳｊに対応する制御パラメータＱｊを制御回路に設定すれば、測定制御系の安定性は確保される。
安定性さえ確保できるのであれば、あとは、定常特性、速応性（応答性）等を高くするために、例えば、ゲインをできるだけ大きい値に設定すればよい。制御パラメータ設定工程では、測定制御系の安定性を保証する各制御パラメータＱｊのうち、最大の周波数特性を有するものが制御回路の制御パラメータに設定される。
【００１７】
以上のように、本発明の制御パラメータ設定方法を利用すれば、測定制御系における安定性を確保しつつ、高い定常特性、速応性等を実現できる制御パラメータを制御回路に設定できるから、測定を安定、高精度、かつ、迅速に行うことができる。
また、本発明では、特許文献１の手法（ｂ）における電流誤差量ΔＥのように、ハンチングの発生と間接的にしか関係付けられない量に着目するのではなく、ハンチングの発生と直接的に関係のある、測定信号の振動周波数成分の大きさに着目して最適制御パラメータを設定しているので、ハンチングの発生を直接的かつ的確に防止でき、高度の安定性を実現できる。
【００１８】
以上のように、本発明では、前記制御回路の前記制御パラメータは、ゲインおよび位相補償周波数の少なくともいずれかである、ことが好ましい。
【００１９】
また、本発明では、前記各制御パラメータＱｉについての前記仮測定データ取得工程では、前記振動周波数に対応する周波数成分のみを通過させる周波数フィルタによって前記測定信号を濾波したものが前記各仮測定データＳｉとされる、ことが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、各Ｓｉにおける関数ｆｉ（ｔ）は、周波数フィルタを通過した振動周波数成分のみを有する。そのため、ｆｉ（ｔ）のフーリエ変換を行う必要がないから、測定制御系を安定状態にするための最適ゲイン設定をより迅速に、かつ、容易に行うことができる。
【００２１】
また、本発明では、前記制御パラメータ設定工程で前記制御回路に設定された制御パラメータＱｉによって決定される前記測定制御系全体の制御パラメータＱを記憶する記憶工程と、前記測定手段および前記被測定物の少なくともいずれかを性状の異なるものに交換することによって生じる前記測定手段の制御パラメータの見かけ上の変化を相殺するように前記制御回路の制御パラメータを補正し、前記測定制御系全体の制御パラメータを記憶された前記Ｑに保持する制御パラメータ補正工程と、を行うことが好ましい。
【００２２】
測定手段から出力される測定信号は、測定手段および被測定物の硬さ、弾性等の性状によっても変化されるため、測定手段および被測定物の少なくともいずれかを性状の異なるものに交換すると、測定手段の制御パラメータが見かけ上変化される。すると、測定制御系全体の制御パラメータが、制御回路の制御パラメータ設定工程において設定された最適制御パラメータＱからずれてしまうため、測定の安定性が阻害されるおそれがある。
本発明では、まず、記憶工程において測定制御系全体の最適制御パラメータＱが記憶される。その後、測定手段および被測定物の少なくともいずれかの交換によって測定手段の制御パラメータが見かけ上変化されると、制御パラメータ補正工程が行われ、制御回路の制御パラメータが補正されて測定制御系全体の制御パラメータが記憶された最適制御パラメータＱに保持される。したがって、本発明によれば、測定手段および被測定物の如何によらず、測定制御系全体の制御パラメータを最適制御パラメータに保持でき、測定を安定、かつ、高精度に行うことができる。
【００２３】
また、本発明では、前記測定手段は前記被測定物に接触されて測定を行う接触測定子とされ、前記制御パラメータ補正工程は、前記接触測定子および前記被測定物の少なくともいずれかの交換後に、前記接触測定子を前記被測定物に対して所定量押し込んで接触測定を行うと同時に、この押し込み量の測定を行う予備測定工程と、この予備測定工程における前記測定信号の出力値と、測定された前記押し込み量との間の関係から、前記接触測定子における制御パラメータの見かけ上の変化を算出する演算工程とを備え、この演算工程における演算結果を基に、前記測定制御系全体の制御パラメータが前記Ｑに保持されるように前記制御回路の制御パラメータを補正する、ことが好ましい。
【００２４】
この発明では、接触測定子および被測定物の硬軟、弾性等の性状の違いによって接触測定子が受ける測定負荷等が異なるため、接触測定子および被測定物の少なくともいずれかを性状の異なるものに交換すると、接触測定子から出力される測定信号の出力値に変化が生じ、接触測定子の制御パラメータに見かけ上の変化が生じる。
この発明の予備測定工程では、接触測定子が被測定物に対して所定量押し込まれて接触測定が行われ、この際の測定信号の出力値および押し込み量が検出される。続く演算工程では、測定信号の出力値と押し込み量との間の相関関係を利用して接触測定子の制御パラメータの見かけ上の変化が算出される。最後の制御パラメータ補正工程では、接触測定子の制御パラメータの見かけ上の変化を相殺し、測定制御系全体の制御パラメータが最適制御パラメータＱに保持されるように、制御回路の制御パラメータが補正される。
以上のように、本発明によれば、接触測定子および被測定物の如何によらず、測定制御系全体が最適制御パラメータＱに保持されるから、測定を安定かつ正確に行うことができる。
【００２５】
また、本発明によれば、前記制御回路の制御パラメータ設定方法によって制御パラメータが設定された制御回路を備える測定制御系を含む測定装置を構成できる。
この測定装置によれば、測定を安定、高精度、かつ、迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態にかかる測定装置を図２に、この測定装置におけるフィードバック制御の様子を模式的に表すブロック線図を図３に、それぞれ示す。
図２において、測定装置の本体１にはアクチュエータ１１を介してセンサ支持部１２が取り付けられ、センサ支持部１２には被測定物Ｗの測定に関与する測定手段としてのセンサ１３が取り付けられる。
本体１は、駆動装置１Ａによって被測定物Ｗに対して三次元方向に移動可能とされる。これにより、センサ１３を被測定物Ｗの表面に沿って移動させながら測定を行うことが可能である。ここで、本体１に取り付けられる変位センサ１４は、本体１と被測定物Ｗとが相対移動される際に両者の垂直距離（Ｚ軸方向）を非接触方式、例えば、光学式、静電容量式で検出する検出器である。
制御手段としてのアクチュエータ１１は後述する駆動回路２４からの駆動信号に基づいて伸縮可能な制動素子であり、これによってセンサ１３が被測定物Ｗに対してＺ方向に沿って接近／離隔され、微小な位置決め制御が行われる。
つまり、本体１の駆動によって位置決めがされたセンサ１３は、アクチュエータ１１によってさらに微小に位置決めされるようになっており、測定の精度の向上が図られている。
接触測定子としてのセンサ１３は、軸方向に常時加振されるスタイラス１３１を備える。スタイラス１３１が被測定物Ｗに接触されると、その接触負荷に応じてスタイラス１３１の振幅が小さくなる。センサ１３からはスタイラス１３１の振幅の変化量に応じて測定信号としてのセンサ信号が出力されるようになっており、このセンサ信号に基づいて測定状態の制御が行われる。なお、スタイラス１３１の振幅およびセンサ信号の出力値は、スタイラス１３１が受ける測定負荷に対して直線的に変化されるものとする。
【００２７】
センサ１３からのセンサ信号は、センサ検出回路２１において信号処理され、センサ検出信号として出力される。このセンサ検出信号も本発明における測定信号を構成する。センサ検出信号は分枝され、その一方は、図３にも示されるように、フィードバック信号としてフィードバック制御を行うための閉ループＬに入力され、他方は後述する制御回路２３のゲイン（制御パラメータＱ）の調整を行うための制御回路ゲイン調整部３に入力される。
閉ループＬに入力された測定信号としてのセンサ検出信号は、その目標値２２と比較され、両者間の偏差が制御回路２３に入力される。制御回路２３は、制御回路ゲイン調整部３によって調整されたゲインＧＣ（後述）に基づいて偏差を増幅し、制御信号として駆動回路２４に入力する。駆動回路２４は、入力された制御信号に基づく駆動制御信号をアクチュエータ１１および駆動装置１Ａの少なくとも一方に向けて出力し、アクチュエータ１１がそれに応じて伸縮され、もしくは、本体１がＺ軸方向に駆動される。すると、センサ１３が被測定物Ｗに対してＺ軸方向に変位され、両者間の測定負荷が変化されるから、センサ１３からのセンサ信号が変化される。このように、アクチュエータ１１および駆動装置１Ａは、駆動制御信号に基づいてセンサ１３を制御する本発明の制御手段を構成していることになる。
以上のように、センサ１３-センサ検出回路２１-制御回路２３-駆動回路２４-アクチュエータ１１、駆動装置１Ａ-センサ１３の順に、測定状態を制御するための閉ループＬが構成されていることになり、センサ検出回路２１からのセンサ検出信号が目標値２２と一致されるようなフィードバック制御の下、測定が行われるようになっている。
【００２８】
続いて、本実施形態の測定装置を用いた測定方法について説明する。
まず、駆動装置１Ａによって本体１を−Ｚ軸方向（図２では下方向）に駆動することによって、センサ１３のスタイラス１３１を被測定物Ｗに対して所定量押し込んだ後、本体１を停止させる。以後、本体１のＺ軸方向の移動は制限され、本体１と被測定物Ｗとの間の垂直距離（Ｚ軸方向）は一定に保たれるものとする。
スタイラス１３１を被測定物Ｗに対して押し込むと、その測定負荷に応じてスタイラス１３１の振幅（Ｚ軸方向）が変化される。例えば、押し込み量が多いほどスタイラス１３１が受ける測定負荷が大きくなるので、スタイラス１３１の振幅が小さくなる。
【００２９】
さて、スタイラス１３１の振幅に関する情報は、センサ信号としてセンサ１３から出力され、その後、センサ検出回路２１で信号処理されてセンサ検出信号となって目標値２２と比較される。すなわち、目標値２２は、スタイラス１３１の振幅の目標値（以下、目標振幅、という）を定めていることになり、測定時には、スタイラス１３１の振幅が目標振幅に等しくなるように制御が行われる。
具体的に言えば、スタイラス１３１の振幅が目標振幅よりも小さくなったときは、アクチュエータ１１を収縮させることによってセンサ１３を＋Ｚ軸方向に駆動してスタイラス１３１にかかる測定負荷を低減し、振幅を目標振幅にまで増大させる。逆に、スタイラス１３１の振幅が目標振幅よりも大きくなったときは、アクチュエータ１１を伸張させることによってセンサ１３を−Ｚ軸方向に駆動してスタイラス１３１にかかる測定負荷を増大し、振幅を目標振幅にまで低減させる。
【００３０】
このように、閉ループＬによるフィードバック制御の下、スタイラス１３１の振幅が目標振幅に一致されることになる。スタイラス１３１の振幅が一定であるということは、センサ１３と被測定物Ｗとの間の垂直距離（Ｚ軸方向）が一定であることを意味する。そのため、この状態で本体１をＸＹ方向に走査させると、センサ１３はアクチュエータ１１の駆動によって被測定物Ｗ表面の凹凸に倣ってＺ軸方向に変位される。適当な変位検出手段によってこのＺ軸変位を検出することにすれば、被測定物Ｗ表面の凹凸を検出できるので、被測定物Ｗ表面の倣い測定を行うことができる。
【００３１】
以上、倣い測定について述べたが、本実施形態の測定装置によれば、被測定物のタッチ測定を行うこともできる。
アクチュエータ１１の伸縮状態を、例えば、最大伸張状態に固定した上で、本体１を−Ｚ軸方向に駆動し、スタイラス１３１の振幅が被測定物Ｗからの測定負荷によって目標振幅に低減されるまで、本体１を被測定物Ｗに近づけていく。そして、スタイラス１３１の振幅が目標振幅に一致した時点で、本体１の−Ｚ軸駆動を停止し、そのときの本体１の三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を、図示しない三次元変位センサで検出する（タッチ測定）。これを被測定物Ｗ上の各測定点で行うことにより、被測定物Ｗの形状測定を行うことが可能である。
【００３２】
また、本体１のＺ軸位置を固定した上で、アクチュエータ１１を伸縮させることによってもタッチ測定を行える。すなわち、アクチュエータ１１を伸縮制御することによってスタイラス１３１と被測定物Ｗとの間の接触状態を調整する。そして、スタイラス１３１の振幅が目標振幅に一致した時点で伸縮を停止し、このときのアクチュエータ１１の伸縮量（Ｚ軸方向）と、本体１のＸＹ座標を検出する（タッチ測定）。これを被測定物Ｗ上の各測定点で行うことにより、被測定物Ｗの形状測定を行うことが可能である。
【００３３】
以上、本実施形態の測定装置を用いた測定の例として倣い測定およびタッチ測定について述べたが、これらの測定を適切に行うための前提として、閉ループＬによるフィードバック制御を適切に行う必要がある。制御状態が不安定になると閉ループＬにハンチングが生じてしまい、センサ検出回路２１からのセンサ検出信号の出力値が目標値２２の周りで大きく振動してしまう。これは、スタイラス１３１の振幅値が目標振幅値の周りを、無視できない程度の振幅をもって振動してしまうことを意味する。前述した倣い測定およびタッチ測定は、いずれもスタイラス１３１の振幅と目標振幅とを一致できることを前提としているため、ハンチングが生じると測定を適切に行えず、測定精度が著しく悪化してしまうおそれがある。
【００３４】
ハンチングの発生を抑え、閉ループＬによるフィードバック制御を適切に行うためには、閉ループＬのゲインＧを最適な値に調整する必要がある。今、図３に示すように、制御回路２３、駆動回路２４、アクチュエータ１１または駆動装置１Ａ、センサ１３、センサ検出回路２１のゲインをそれぞれ、ＧＣ、ＧＡＤ、ＧＡ、ＧＳ、ＧＳＤ、とすると、閉ループＬ全体のゲインＧは、以下の数１で表される。
【００３５】
【数１】
2006085383.tif 000003
【００３６】
数１において、制御回路２３のゲインＧＣのみが、制御回路ゲイン調整部３によって調整可能である。したがって、閉ループＬのゲインＧを最適に調整して測定を安定かつ正確に行うためには、ゲインＧＣを最適に設定する必要がある。以下、このＧＣの設定について詳述する。
【００３７】
まず、本体１のＸＹ位置を固定した上で、本体１をＺ軸方向に駆動し、スタイラス１３１を被測定物Ｗに対して所定量押し込んだ時点で停止する。以後、本工程において本体１のＸＹＺ位置は、この停止位置に固定される。
この時点では、閉ループＬによるフィードバック制御は開始されておらず、アクチュエータ１１は一定の伸縮状態、例えば、最大伸張状態に固定されている。本体１およびアクチュエータ１１の双方が固定されているため、スタイラス１３１と被測定物Ｗとの間の接触負荷が一定であるから、スタイラス１３１の振幅も一定である。今、この一定振幅（以下、初期振幅、という）が、目標値２２によって規定される目標振幅よりも小さいものとして説明を続ける。以下の説明は、初期振幅が目標振幅よりも大きいとした場合にも、ほとんどそのまま当てはまる。
【００３８】
この状態から、閉ループＬによるフィードバック制御を開始し、仮測定を行う。仮測定は、制御回路ゲイン調整部３によって制御回路２３に順次仮設定されるＮ個の異なる各ゲインＧｉ（ｉ＝１、２、３、・・・、Ｎ）ごとに行われる。すなわち、まず、一のゲインに仮設定した上で、制御を開始し、そのときセンサ検出回路２１から出力されるセンサ検出信号を所定時間にわたって制御回路ゲイン調整部３に取り込む。その後、制御を停止し、他の仮設定ゲインに変更した上で、制御を再開し、制御回路ゲイン調整部３へのセンサ検出信号の取り込みを行う。以下、Ｎ個の仮設定ゲインＧｉ全てについてセンサ検出信号の取り込みが完了するまで、同様の作業を繰り返す。
【００３９】
図４に、制御回路ゲイン調整部３に取り込まれるセンサ検出信号の出力値ｆと仮測定時間ｔとの関係をグラフとして示す。この図において、Ｃｊは、制御回路２３の仮設定ゲインが適切だった場合の曲線を、Ｃｋは、仮設定ゲインが不適切だった場合の曲線を、それぞれ大略示すものである。ここで、ｔ＝０は、仮測定開始時点、すなわち、各仮設定ゲインＧｉについて閉ループＬによるフィードバック制御が開始された時点を表す。ｆ０は、フィードバック制御開始前においてスタイラス１３１が初期振幅にあるときのセンサ検出信号の出力値を、ｆｔは、センサ検出信号の目標値２２を、それぞれ示す。ｔ＝０の時点においては、スタイラス１３１の振幅が制御回路２３の仮設定ゲインＧｉによらず一定（初期振幅）であるため、センサ検出信号の出力値も一定（ｆ０）であるから、ＣｊおよびＣｋの始点は、共に（０，ｆ０）である。
【００４０】
Ｃｊでは、仮設定ゲイン（以下、Ｇｊ、とする）が適切であるために、センサ検出信号ｆが目標値ｆｔに漸近していく。このまま所定時間経過すれば、図４に示されるようにｆとｆｔとは略一致するから、仮設定ゲインＧｊによれば、閉ループＬの制御状態を安定に保持でき、測定を安定かつ的確に行える。
一方、Ｃｋでは、仮設定ゲイン（以下、Ｇｋ、とする）が不適切であるために、ハンチングが発生し、センサ検出信号ｆは目標値ｆｔの周りを振動し続ける。このまま所定時間経過しても、図４に示されるようにハンチングの振幅はほとんど減衰されないから、ｆとｆｔとが定常的に一致されることはない。このように、仮設定ゲインＧｋによれば、閉ループＬの制御状態が不安定になってしまい、測定を適切に行うことができない。
ここで、本実施形態によれば、仮測定データ取得工程および抽出工程によって、Ｎ個の異なるゲインＧｉの中からハンチングを生じさせない（Ｃｊ参照）ゲインＧｊ（ｊ＝１、２、・・・、Ｍ）と、ハンチングを生じさせる（Ｃｋ参照）ゲインＧｋ（ｋ＝１、２、・・・、Ｎ−Ｍ）とを識別できる。以下、この両工程について説明する。
【００４１】
＜仮測定データ取得工程＞
制御回路ゲイン調整部３に所定時間にわたって取り込まれた各仮設定ゲインＧｉごとのセンサ検出信号は、周波数フィルタ３１によって濾波される。
フィルタ３１は、時間について波形表示されているセンサ検出信号（図４参照）のうち、ハンチングの生じる周波数（振動周波数）に対応する周波数成分のみを通過させるように構成されている。したがって、フィルタ３１を通過した成分が大きければ大きいほど閉ループＬに生じるハンチングは大きく、不安定な制御状態となっている。後で述べるように、フィルタ３１を通過する成分の大きさは所定の基準値と比較され、基準値以上であればハンチングが生じていると判定され、また、基準値未満であればハンチングが生じていないと判定される。そして、ハンチングが生じていないと判定されたデータを与える仮設定ゲインＧｊのうち所定の要件を満たす一のゲインが最適ゲインとして制御回路２３に設定される。
このように、フィルタ３１を通過される周波数成分の大きさは、ハンチングの生じない最適ゲイン（最大の周波数特性）を設定する上での重要な指標となるものであるから、フィルタ３１における通過可能周波数帯を厳密に設定して、所望の周波数成分のみを通過させる必要がある。以下、この設定について説明する。
【００４２】
図１を用いて前に説明したように、ハンチングが主として生じる自己発振周波数帯は閉ループＬ全体の位相交差周波数ω０とゲイン交差周波数ωＣとを用いて、ω０≦ω≦ωＣ、と表される（但し、ω０≦ωＣ、のときに限る）。本実施形態では、閉ループＬのゲイン調整に主眼を置く関係上、位相は固定して考える。そのため、自己発振周波数帯の下限としてのω０は、各仮設定ゲインＧｉについて共通の値である。一方、自己発振周波数帯の上限としてのωＣは、各仮設定ゲインＧｉごとに異なる値である。図１に示されるように、ゲインの値が大きいほどωＣの値が大きく、自己発振周波数帯が広くなる。
ところで、自己発振周波数帯に属する周波数のハンチングの振幅は、その周波数におけるゲイン（増幅率）の大きさと正の相関関係がある。図１に示されるように、制御系のゲインは、周波数に対して単調に減少するように構成されるのが一般的であるから、自己発振周波数帯内では、その下限（ω０）付近でのゲインの方が上限（ωＣ）付近でのゲインよりも大きい。そのため、自己発振周波数帯に属する周波数のハンチングの振幅は、下限ω０付近の周波数帯（以下、主要振動周波数帯、という）、ω０≦ω≦ω０＋Δω（＜ωＣ）、において大きいことになり、この大振幅のハンチングが測定制御状態を不安定にする主要因であると言える。
そこで、フィルタ３１の通過可能周波数帯を主要振動周波数帯と一致するように設定する。このように設定されたフィルタ３１によれば、主要ハンチングに対応する周波数成分のみを通過させ、これを分析できるから、ハンチングを生じさせない最適ゲインを容易に判定できる。なお、以上のようにして設定されるフィルタ３１の通過可能周波数帯の幅Δωは、適宜最適な値が予め設定されているものとする。
【００４３】
さて、以上のようなフィルタ３１によって濾波された各仮設定ゲインＧｉごとのセンサ検出信号の出力値Ｓｉは、測定信号としてのセンサ検出信号に基づく本発明の仮測定データとしてメモリ３２に記憶される。
【００４４】
＜抽出工程＞
続いて、各Ｓｉは、予め設定されている所定の基準値Ｓ０と比較される。基準値Ｓ０は、閉ループＬにおけるハンチングの有無を判定するための最適な値として予め設定されており、Ｓｋ≧Ｓ０となる仮設定ゲインＧｋについてはハンチングが生じ、Ｓｊ＜Ｓ０となるＧｊについてはハンチングが生じていないことになる。抽出工程においてはハンチングが生じない仮設定ゲインＧｊ（Ｓｊ＜Ｓ０、を満たす）のみを抽出し、メモリ３３に記憶させる。
【００４５】
＜ゲイン設定工程＞
続く、ゲイン設定工程では、抽出された各Ｇｊのうち最大の値を有するものが選択され、制御回路２３のゲイン（ＧＣ）に設定される。ここで、最大のＧｊとしたのは、閉ループＬの定常特性、速応性等を高くするため、つまり測定制御系の周波数特性を最大にするためである。
【００４６】
以上のように、本実施形態のゲイン設定方法によれば、ハンチングを生じさせないゲインＧｊ（ｊ＝１、２、・・・、Ｍ（≦Ｎ））を抽出することによって閉ループＬにおける安定性を確保しつつ、各ゲインＧｊのうち最大の値のものを選択することによって高い定常特性、速応性等を実現できる。したがって、測定を安定、高精度、かつ、迅速に行うことができる。
【００４７】
＜記憶工程＞
以下、前記ゲイン設定工程において、最適ゲインとして制御回路２３に設定されたゲインをＧＣとする。また、このときの閉ループＬ全体のゲインをＧとする。Ｇは、閉ループＬ全体の最適ゲインとして制御回路ゲイン補正部４のメモリ４１に記憶される。
【００４８】
＜ゲイン補正工程＞
続いて、ゲインの補正について説明する。
スタイラス１３１および被測定物Ｗの少なくともいずれかを性状の異なるものに交換すると、図３においてセンサ１３のゲインＧＳが見かけ上変化される。
例えば、被測定物Ｗを軟質材料のものから硬質材料のものに交換すると、スタイラス１３１が被測定物Ｗから受ける測定負荷が増大する結果、アクチュエータ１１または駆動装置１Ａからの入力（アクチュエータ１１の伸縮量、または、駆動装置１ＡのＺ軸方向駆動量）に対するスタイラス１３１の振幅の変化率が大きくなり、結果的に、センサ１３からのセンサ信号の変化率が大きくなる。これは、センサ１３のゲインＧＳ（＝センサ信号の出力値／アクチュエータ１１または駆動装置１Ａからの入力）が見かけ上変化されることを意味する。
ここで、見かけ上変化されたセンサ１３のゲインをＧＳ´とし、このＧＳ´を前記の数１に代入して計算される閉ループＬ全体のゲインをＧ´とする。Ｇ´≠Ｇ、であるから、このときの閉ループＬのゲインは最適ゲインからずれており、このまま測定を行うと、安定性、定常特性、速応性等の点で問題が生じる可能性がある。そこで、センサ１３のゲインの見かけ上の変化を相殺するように閉ループＬのゲインをＧ´から最適ゲインＧに補正する必要がある。本実施形態では、制御回路ゲイン補正部４で制御回路２３のゲインを補正することによって、最適ゲインへの調整を行う。以下、詳しく述べる。
【００４９】
＜予備測定工程＞
スタイラス１３１および被測定物Ｗの少なくともいずれかを交換した後、本体１のＸＹ座標を固定した上で、本体１をＺ軸方向に駆動してスタイラス１３１を被測定物Ｗ上の一点に押し込んで接触測定を行う。このとき、変位センサ１４と被測定物Ｗとの垂直距離（Ｚ軸方向）が変化され、その変化量（押し込み量）に応じた変位信号が変位センサ１４から出力される。この変位信号は、センサ１３からのセンサ信号とともに、制御回路ゲイン補正部４における演算回路４２に入力される。
【００５０】
＜演算工程＞
演算回路４２は、この２つの信号を基に見かけ上変化されたセンサ１３のゲインＧＳ´を算出する。
ＧＳ´の算出は、例えば、図５のように行われる。図５（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、（ｉ）センサ１３（本体１）を一定の速さで被測定物（ワーク）Ｗに対して近づけ、（ｉｉ）スタイラス１３１を被測定物Ｗに対して所定量押し込み、その後、（ｉｉｉ）同じ速さでセンサ１３を被測定物Ｗから遠ざけた場合における、時間と変位信号との関係を表すグラフ、時間とセンサ信号との関係を表すグラフ、であり、図５（Ｃ）は、（Ａ）、（Ｂ）を基に、変位信号とセンサ信号との関係を表したグラフである。
図５（Ａ）、（Ｂ）における、ｔ１≦ｔ≦ｔ２、の時間領域において、スタイラス１３１と被測定物Ｗとは接触状態にあり、スタイラス１３１の押し込み量に応じてセンサ信号が変化されているが、これは図５（Ｃ）においては、一定傾きを有する直線部分として表される。図５（Ｃ）の座標原点を適当にとることによって、この直線部分の延長線が原点を通るようにすることができるから、その傾きは、センサ信号／変位信号、で表される。ここで、変位信号は、駆動装置１Ａからセンサ１３への入力（本体１のＺ軸方向への駆動）に相当するから、前記傾き＝センサ１３からの出力／センサ１３への入力、となり、これはセンサ１３のゲインＧＳ´に等しい。
【００５１】
さらに、演算回路４２は、算出されたＧＳ´を前記数１の右辺に代入した場合に、その左辺が閉ループＬの最適ゲインＧ（メモリ４１に記憶）に保持されるような制御回路２３のゲインＧＣ´の値を演算する。具体的には、制御回路２３の補正ゲインＧＣ´は、ＧＳ´および最適ゲインＧを含む以下の数２を満足するような一意的な値として算出される。
【００５２】
【数２】
2006085383.tif 000004
【００５３】
制御回路ゲイン補正部４は、以上のように算出されたＧＣ´を制御回路２３に設定する。これにより、スタイラス１３１および被測定物Ｗの少なくともいずれかを性状の異なるものに交換した場合においても、閉ループＬ全体のゲインを最適ゲインＧに保持することができるから、測定の安定性、定常特性、速応性等を高く維持できる。
【００５４】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、フィルタ３１の通過可能周波数帯として、各仮設定ゲインＧｉに共通の主要振動周波数帯（ω０≦ω≦ω０＋Δω）を設定していたが、本発明では、各仮設定ゲインＧｉごとに異なるＮ個の通過可能周波数帯を設定してもよい。例えば、各仮設定ゲインＧｉごとに定まる自己発振周波数帯（ω０≦ω≦ωＣ）を、各仮設定ゲインＧｉについての通過可能周波数帯とすれば、ハンチングの発生を的確に防止するゲインを制御回路２３に設定することが可能になる。なお、Ｎ個の通過可能周波数帯相互の切り替えは、一つのフィルタの通過可能周波数帯を調整することによって行ってもよいし、また、各々の通過可能周波数帯が各仮設定ゲインＧｉの自己発振周波数帯に等しいようなＮ枚のフィルタを用意しておき、仮設定されたゲインに応じて使うフィルタを切り替えることによって行ってもよい。
【００５５】
また、前記実施形態においては、フィルタ３１の通過可能周波数帯（ω０≦ω≦ω０＋Δω）を、前に定義した自己発振周波数帯（ω０≦ω≦ωＣ）のみに着目して設定していたが、自己発振周波数帯以外にも閉ループＬにハンチングを生じさせる周波数（あるいは、周波数帯）があるのであれば、それも包含されるようにフィルタ３１の通過可能周波数帯を設定することができる。
例えば、自己発振周波数帯に属する周波数に加え、閉ループＬを構成する電気回路の共振周波数ωｒも通過可能周波数とするようなフィルタ３１を使用してもよい。各仮設定ゲインＧｉごとにωｒが異なる場合には、一枚のフィルタの通過可能周波数を調整することによって、あるいは、各ωｒと一致する通過可能周波数が設定されたＮ枚のフィルタを用意し、各Ｇｉに対応してそれらを切り替えることによって、ωｒに対応する周波数成分を濾波して取り出すことができる。
【００５６】
また、前記実施形態においては、測定手段としてスタイラス１３１を有するセンサ１３を用いた場合のゲインの補正について述べたが、測定手段が非接触式プローブの場合にも前記実施形態にかかるゲイン補正方法を適用できる。
例えば、非接触式プローブとして、光が照射された被測定物からの反射光を受光して測定を行う光学式プローブを用いた場合には、被測定物における反射率等の光学的性質の相違に応じて光学式プローブの受光量が変化し、光学式プローブから出力される測定信号に変化が生じる。そのため、被測定物を光学的性質の異なるものに交換する場合、光学式プローブのゲインが見かけ上変化し、フィードバック制御の閉ループのゲインが最適ゲインからずれてしまうことがある。本発明によれば、被測定物の交換に伴う光学プローブの受光量の変化などから、光学プローブのゲインの見かけ上の変化を算出し、さらに、閉ループ全体のゲインを最適ゲインに保持できるような制御回路のゲインを算出して設定できる。したがって、被測定物の如何によらず、測定の安定性、定常特性、速応性等を高度に維持できる。
【００５７】
また、前記実施形態では、仮測定時のセンサ検出信号をフィルタ３１で濾波していたが、本発明では、フィルタは必ずしも必要ではなく、センサ検出信号に対して直接周波数分析を行うことによっても最適ゲインを判定できる。具体的には、センサ検出信号をフーリエ変換して周波数表示し、この中から振動周波数に対応する周波数成分のみを抽出して、これを所定の基準値と比較すればよい。この振動周波数成分が基準値よりも小さいときは、閉ループにハンチングが生じていないと判定され、このときの仮設定ゲインを制御回路に設定すれば、測定を安定に行うことができる。
【００５８】
また、前記実施形態では、測定手段として常時振動されるスタイラス１３１を有する、いわゆる、加振式プローブを採用していたが、本発明では、接触式および非接触式のいずれかを問わず、各種のプローブを採用できる。例えば、ＣＣＤを用いた光学センサや干渉計、静電容量センサ、電磁誘導センサ、超音波などを用いた音響センサ、歪みゲージを有するヒンジ型のプローブなどを採用できる。
【００５９】
また、前記実施形態では、予備測定工程および演算工程において、本体１をＺ軸方向に駆動し、その変位信号を利用してセンサ１３のゲインＧＳ´を算出していたが、本発明では、本体１をＺ軸方向に駆動する代わりにアクチュエータ１１を伸縮させてセンサ１３をＺ軸方向に駆動し、そのときのアクチュエータ１１の伸縮量と、センサ１３からのセンサ信号とを利用してＧＳ´を算出してもよい。
【００６０】
また、前記実施形態では、制御回路ゲイン調整部３によるゲインの設定と、制御回路ゲイン補正部４によるゲインの補正とを組み合わせていたが、本発明では、必ずしも組み合わせる必要はなく、それぞれを単独で利用しても良い。特に、制御回路ゲイン補正部４を単独で利用する場合には、予め何らかの方法で測定制御系（閉ループ）の最適ゲインを算出しておき、測定手段および被測定物の少なくともいずれかを交換して測定手段のゲインが変化した場合には、制御回路ゲイン補正部４を利用して測定制御系全体のゲインが前記の最適ゲインに保持されるように制御回路２３のゲインを補正すればよい。
【００６１】
さらに、前記実施形態においては、制御パラメータＱとして、制御回路２３のゲインＧのみを可変とする例を示したが、これに限らず、制御回路２３に位相補償回路を設け、その位相補償回路の位相特性ＰＨを可変として閉ループＬの位相交差周波数ω０を変更可能とする構成であってもよい。例えば、位相補償回路として位相進み補償回路を設ければ測定制御系の周波数特性をより改善できる。また、位相補償回路として位相遅れ補償回路を設けることによって、例えば、位相交差周波数ω０近辺の有害位相変動を低減させて、測定制御系の安定性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、各種の測定装置、例えば、三次元測定機、原子間力顕微鏡、合焦点式変位測定装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明における制御回路の周波数伝達関数についてのボード線図。
【図２】本発明の実施形態にかかる測定装置を示す図。
【図３】前記実施形態にかかる測定装置においてフィードバック制御を行う閉ループを示す図。
【図４】前記実施形態にかかる測定装置を用いた仮測定の際に、制御回路ゲイン調整部に取り込まれるセンサ検出信号の出力値と、仮測定時間との関係を表すグラフ。
【図５】前記実施形態において、変位信号とセンサ信号とを利用して、センサにおけるゲインの見かけ上の変化を算出する方法を示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１…本体
１Ａ…駆動装置
３…制御回路ゲイン調整部
４…制御回路ゲイン補正部
１１…アクチュエータ
１３…センサ
１４…変位センサ
２１…センサ検出回路
２２…目標値
２３…制御回路
３１…フィルタ
１３１…スタイラス
Ｌ…閉ループ
Ｗ…被測定物
【図１】
2006085383.tif 000005
【図２】
2006085383.tif 000006
【図３】
2006085383.tif 000007
【図４】
2006085383.tif 000008
【図５】
2006085383.tif 000009