(57)【要約】【課題】被測定物が変わっても、適正な制御ゲインを求めることができ、使い勝手、測定精度、測定速度の向上に寄与できる制御ゲイン調整方法および測定制御回路を提供。【解決手段】力センサ１、検出器１２、駆動用アクチュエータ１１を有するプローブ１０と、力センサからの力検出信号を力フィードバック信号とする力制御ループＲＦと、検出器からの測定位置情報を位置フィードバック信号とする位置制御ループＲＰと、両制御ループのいずれか一方を有効にするスイッチ３０とを備える。検出器からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とし、力制御ループが有効とされた状態において、力センサを被測定物に接触させたのち、力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら観測値を観測し、観測値が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの制御ゲインとする。【選択図】図１
2007248287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、
前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、
前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段とを備えた測定制御回路において、前記力制御ループの制御ゲインを調整する制御ゲイン調整方法であって、
前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、
前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態において、前記力センサを被測定物に接触させたのち、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら前記観測値を観測し、
前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとすることを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、
前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値としたことを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。
【請求項３】
請求項２に記載の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、
前記ハイパスフィルタ処理の遮断周波数を、前記力制御ループの遮断周波数に略一致させたことを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、
前記観測値を複数回サンプリングして、これらサンプリングした観測値の標準偏差を算出し、この標準偏差が予め設定した閾値を超えたことを条件として、制御ゲインに余裕係数を乗算して最適制御ゲインとすることを特徴とする測定制御回路の制御ゲイン調整方法。
【請求項５】
被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、
前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、
前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、
前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、
前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出するフィルタ回路と、
前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされ、前記力センサが被測定物に接触された状態において、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げたときの前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとする制御ゲイン自動調整手段とを備えたことを特徴とする測定制御回路。
【請求項６】
請求項５に記載の測定制御回路において、
前記フィルタ回路を、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とするハイパスフィルタ回路によって構成し、このハイパスフィルタ回路の遮断周波数を前記力制御ループの遮断周波数に略一致させたことを特徴とする測定制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定制御回路の制御ゲイン調整方法および測定制御回路に関する。例えば、加振型センサにより被測定物の形状や表面粗さなどの表面性状を測定する表面性状測定装置の測定制御回路などに適用できる。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面を走査して被測定物の形状や表面粗さなど表面性状を測定する表面性状測定装置として、粗さ測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などが知られている。
このような測定機において、接触部が被測定物の表面に接触した微小変位に基づいて被測定物表面を検出するセンサとして、加振型力センサが利用されている。
【０００３】
＜加振型力センサについて＞
加振型力センサ１は、図５に示すように、金属製のベース２と、このベース２と一体的に形成されたスタイラス３と、このスタイラス３を振動（軸方向へ振動）させる加振素子４と、スタイラス３の振動状態を検出し検出信号として出力する検出素子５とから構成されている。スタイラス３の先端には、ダイヤモンドチップやルビーなどで構成された接触部としての触針６が接着固定されている。加振素子４および検出素子５は、１枚の圧電素子によって構成され、ベース２の表裏にそれぞれ１枚ずつ接着固定されている。
【０００４】
いま、図６に示すように、力センサ１の加振素子４に対して、特定の周波数と振幅をもつ加振信号Ｐi（電圧信号）を与えると、検出素子５では、特定の周波数と振幅の検出信号Ｑo（電圧信号）が得られる。
被測定物Ｗとの接触に伴う検出信号Ｑoの振幅変化を図７に示す。スタイラス３が被測定物Ｗと非接触状態にあるとき、スタイラス３の共振周波数で一定の振幅をもつ加振信号Ｐiを加振素子４に加えると、スタイラス３が共振し、検出素子５に振幅Ａoの検出信号Ｑoが得られる。スタイラス３が被測定物Ｗに接触すると、検出信号Ｑoの振幅がＡoからＡxに減衰する。
【０００５】
この減衰率ｋ（Ａx／Ａo）と測定力との間には、図８に示す関係がある。
ここで、スタイラス３（力センサ１）が被測定物Ｗに接触したときの検出信号Ｑoが非接触時の９０％に減衰している場合（減衰率ｋ＝０．９の状態）を例にとる。図８の関係より、この接触状態における測定力は１３５［μＮ］であることがわかる。
従って、力センサ１を被測定物Ｗに接触させる際、減衰率ｋが常に一定となるように、駆動用アクチュエータなどを用いて力センサ１と被測定物Ｗとの距離を制御すれば、測定力一定状態で被測定物Ｗの形状や粗さを測定することができる。
【０００６】
＜力センサを用いた接触式倣いプローブシステム＞
図９に力センサを用いた接触式倣いプローブシステムの一例を示す。このシステムは、プローブ１０と、このプローブ１０を制御するコントローラ２０とから構成されている。
プローブ１０は、力センサ１と、この力センサ１を被測定物Ｗに対して進退させる駆動用アクチュエータ１１と、この駆動用アクチュエータ１１による力センサ１の変位量（つまり、力センサ１による被測定物の測定位置情報）を検出する検出器（スケールと検出ヘッドからなる）１２とから構成されている。
【０００７】
コントローラ２０は、力センサ１を振動させるために力センサ１に加振信号を与える発振器２１と、力センサ１からの検出信号を直流信号に変換するピークホールド回路２２と、検出器１２からの信号をカウントし力センサ１の測定位置情報を位置測定値として出力するカウンタ２６と、ピークホールド回路２２からの出力（力フィードバック信号）と目標測定力との偏差を演算する演算器２３と、この演算器２３からの出力を入力とした力制御補償器２４と、カウンタ２６からの位置信号を微分して速度信号に変換する時間微分回路３１と、この時間微分回路３１からの出力とスイッチ３０を介して取り込んだ力制御補償器２４からの出力との偏差を求める演算器３２と、この演算器３２からの出力を基に駆動用アクチュエータ１１を駆動させる駆動アンプ２５と、カウンタ２６の測定値（位置情報）と目標位置との偏差を演算する演算器３３と、この演算器３３からの出力を入力とし出力をスイッチ３０を通じて演算器３２へ与える位置制御補償器３４とから構成されている。
【０００８】
このシステムで力一定倣い測定を行う場合、図１０に示すようにして行う。
（ａ）位置決め制御により、プローブを被測定物にアプローチ。
（ｂ）プローブが被測定物に接触したら、力一定倣い制御に切り替える。
（ｃ）プローブまたは被測定物を駆動して、力一定倣い制御状態で被測定物の表面を走査。
（ｄ）走査の間、形状測定位置として、プローブの位置または被測定物の位置を読み取る。
（ｅ）力一定倣い測定が終了したら、位置決め制御に切り替えて退避位置までリトラクト。
【０００９】
図９のようなシステムの場合、安定して速く測定を行うためには、制御ループが安定な状態で可能な限り制御ゲインを高めて使用することが望まれる。しかし、図９で説明した力一定倣い測定を行う場合の力制御ゲインは、被測定物の表面の硬さによって力センサ位置を制御する量が異なるため、被測定物毎に適正ゲインに切り替えて使用することが必要であった。つまり、図１１に示すように、被測定物Ｗの表面の硬さによって、力制御補償器２４の力制御ゲインを、被測定物毎に適正ゲインに切り替えて使用することが必要であった。
そのため、被測定物や目標測定力毎に適正な制御ゲインを求める自動調整技術が要求されてきた。
【００１０】
＜被測定物表面の硬さと力センサ感度の関係＞
接触式の測定においては、被測定物との測定力によって、被測定物表面とプローブ（力センサ）の両者が弾性変形を起こしている。力センサでは、この弾性変形の反力を測定力として検出している。
接触時におけるプローブの位置と変形量の関係を図１２に示す。この図１２より、プローブの位置Ｚと、力センサ１の変形量Ｚ１と、被測定物Ｗ表面の変形量Ｚ２との関係は、次式で表される。
Ｚ＝Ｚ１＋Ｚ２    ………（１）
【００１１】
また、変形量と測定力との関係は、変形量と被測定物表面および力センサ１のばね定数で表せるので、次式のようになる。
Ｆ１＝Ｋ１×Ｚ１  ………（２−１）
Ｆ２＝Ｋ２×Ｚ２  ………（２−２）
Ｆ１＝Ｆ２        ………（２−３）
ただし、Ｆ１：力センサ１の変形による作用力（測定力）
Ｆ２：被測定物表面の変形による反作用力
Ｋ１：力センサ１の等価ばね定数
Ｋ２：被測定物表面の等価ばね定数
【００１２】
上記式（１）（２−１）〜（２−３）の関係から、プローブの位置Ｚと測定力Ｆとの関係は、
Ｚ＝Ｚ１＋Ｚ２＝（Ｆ１／Ｋ１）＋（Ｆ２／Ｋ２）＝Ｆ（１／Ｋ１＋１／Ｋ２）
………（３）
となる。整理すると、図１３のようになる。
図１３から、力センサの等価ばね定数が被測定物表面の等価ばね定数より十分小さい場合（Ｋ１≪Ｋ２）を除き、プローブの位置と測定力との関係は、被測定物表面の等価ばね定数（被測定物表面の硬さ）に応じて変化する。すなわち、被測定物表面の硬さに応じて力センサの感度が変化するので、被測定物に応じて力制御ゲインを適正値に調整する必要があることがわかる。
また、この関係から、力センサの等価ばね定数を十分小さくすれば、制御ゲインの被測定物依存性問題が改善されるが、力センサの変形量（測定誤差）が大きくなるため、高精度に寸法測定を行うプローブの力センサでは、この方法を採用できない。
【００１３】
＜従来の方法＞
これまでに考えられていた制御ゲインを決定する方法として、力制御ループの力フィードバック信号が制御ゲインの変化に対してどのように変化するかを観測するものなどがあった。
図１４に、これまでの方法の概念図を示す。力センサ１が被測定物Ｗに力一定で接触した状態のときに、力制御ループの制御ゲインを、力制御ループが発振してしまう状態になるまで徐々に高くしていく。その間の力フィードバック信号の状態を観測して適正点を求める。
【００１４】
また、制御ゲインを決定する他の方法として、特許文献１に開示された方法がある。これは、連続鋳造機のモールドオッシレーション装置において、励磁装置による振動に伴う加速度を検出する加速度センサや、励磁装置の位置を検出する位置センサからの出力を周波数分析してフィードバックゲインを指定する内容である。ここでは、周波数毎の信号の振幅に基づいて加速度フィードバックゲインを指定したり、比例ゲインを指定している。
【００１５】
【特許文献１】特許第２９３２２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
図１４に示す方法の場合、力制御ループが応答できないような高周波の外乱振動などでプローブ取付側および被測定物が振動した場合、力フィードバック信号が乱れてしまい、この乱れが制御ループの調整によるものなのか、外乱によるものなのかの切り分けが困難であった。
たとえば、図１５に示すように、被測定物Ｗが高周波の外乱振動などで振動すると、力フィードバック信号も乱れてしまう結果、この乱れが力制御ループの調整によるものなのか、外乱によるものなのかの切り分けが困難であった。そのため、この方法で力制御ゲインの自動調整を行うことは、外乱の存在しない系においてしか成り立たず、現実的には困難であった。
【００１７】
特許文献１に記載の方法では、周波数毎の振幅に応じて、速度フィードバックゲインが適正、高い、低いという判定を行い、この判定結果に基づいて、加速度フィードバックゲインを予め決めた調整量または計算から算出された調整量で調整するものであるから、最も最適なゲインになるまで、調整に時間がかかる。
【００１８】
本発明の目的は、被測定物が変わっても、外乱に影響されることなく、適正な制御ゲインを求めることができ、使い勝手の向上および測定精度、測定速度の向上に寄与できる測定制御回路の制御ゲイン調整方法および測定制御回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法は、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段とを備えた測定制御回路において、前記力制御ループの制御ゲインを調整する制御ゲイン調整方法であって、前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態において、前記力センサを被測定物に接触させたのち、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとすることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、力制御ループの制御ゲインを調整するにあたって、力センサからの力検出信号および位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出し、制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされた状態で、かつ、力センサを被測定物に接触させた状態において、力制御ループの制御ゲインを徐々に上げながら観測値を観測する。
たとえば、位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とした場合、力制御ループが応答できないような高周波の外乱振動に対しては、観測値には外乱振動が現れない。
力制御ループが応答可能な低周波の外乱振動に対しては、力制御ループによって力一定制御が実行される。すると、相対移動手段によって力センサと被測定物とが相対移動されるから、位置検出手段の測定位置情報には、低周波の外乱振動の振幅成分が現れる。しかし、力一定制御によって相対移動された力センサと被測定物との測定位置情報はハイパスフィルタ処理で除去されるから、観測値には現れない。
制御ゲインを徐々に上げていくと、力制御ループは機械系が抱える高域の共振周波数で発振して制御限界に達する。つまり、相対移動手段が振動的な動きをすると、このような高域の振動成分はハイパスフィルタ処理で除去されることなく、観測値に現れる。従って、この観測値の変化から、相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの制御ゲインとすることができる。
このようにして、被測定物が変わっても、外乱に影響されることなく、適正な制御ゲインを求めることができるから、使い勝手の向上および測定精度、測定速度の向上に寄与できる
【００２１】
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とすることが好ましい。
この際、前記ハイパスフィルタ処理の遮断周波数を、前記力制御ループの遮断周波数に略一致させることが好ましい。
この発明によれば、力制御ループの遮断周波数以下の外乱振動は、ハイパスフィルタで遮断され、観測値には現れないため、プローブの異常振動のみを取り出すことができる。従って、被測定物が変わっても、適正な制御ゲインを求めることができる。
【００２２】
本発明の測定制御回路の制御ゲイン調整方法において、前記観測値を複数回サンプリングして、これらサンプリングした観測値の標準偏差を算出し、この標準偏差が予め設定した閾値を超えたことを条件として、制御ゲインに余裕係数を乗算して最適制御ゲインとすることが好ましい。
この発明によれば、力制御ループの遮断周波数を超える外乱振動が含まれていた場合でも、観測値を複数回サンプリングしてこれらサンプリングした観測値の標準偏差を算出するようにしたので、不規則外乱の影響を低減することができるとともに、標準偏差が予め設定した閾値を超えたか否かで、力制御ループの異常振動を検出することができる。
【００２３】
本発明の測定制御回路は、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力する力センサ、この力センサによる被測定物の測定位置を検出し測定位置情報として出力する位置検出手段、および、前記力センサと被測定物とを相対移動させる相対移動手段とを有するプローブと、前記力センサからの力検出信号を力フィードバック信号として力設定値と比較し、力フィードバック信号が力設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる力制御ループと、前記位置検出手段からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値と比較し、位置フィードバック信号が位置設定値に一致するように前記相対移動手段を駆動させる位置制御ループと、前記力制御ループと位置制御ループのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段と、前記力センサからの力検出信号および前記位置検出手段からの測定位置情報のいずれかにフィルタ処理を施して前記相対移動手段の振動的な動きを表す観測値を抽出するフィルタ回路と、前記制御ループ切替手段によって力制御ループが有効とされ、前記力センサが被測定物に接触された状態において、前記力制御ループの制御ゲインを徐々に上げたときの前記観測値を観測し、前記観測値の変化から、前記相対移動手段が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを前記力制御ループの制御ゲインとする制御ゲイン自動調整手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の測定制御回路において、前記フィルタ回路を、前記位置検出手段からの測定位置情報にハイパスフィルタ処理を施して観測値とするハイパスフィルタ回路によって構成し、このハイパスフィルタ回路の遮断周波数を前記力制御ループの遮断周波数に略一致させることが好ましい。
このような測定制御回路においても、上述した測定制御回路の制御ゲイン調整方法と同様な効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
＜全体構成（図１）の説明＞
図１は、本発明に係る測定制御回路を表面形状測定装置に適用した実施形態を示すブロック図である。なお、同図の説明にあたって、図９と同一構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
本実施形態の表面形状測定装置は、図９のシステムと基本的構成は同じであるが、図９のシステムに対して、カウンタ２６からの位置フィードバック信号の高周波成分のみを通過させるハイパスフィルタ回路４０と、このハイパスフィルタ回路４０を通過した位置フィードバック信号を基に力制御補償器２４の制御ゲインを最適制御ゲインに自動設定する制御ゲイン自動調整回路４１とが付加されている。つまり、本発明では、位置制御ループの位置フィードバック信号を使用することにより、力制御ループが応答できないような高周波の外乱に対しては鈍感で、かつ、力制御ループのハイゲイン化による発振に対しては、その状況を把握できるように構成したものである。
【００２６】
力センサ１、ピークホールド回路２２、演算器２３、力制御補償器２４、演算器３２、速度補償器２８、駆動アンプ２５および駆動用アクチュエータ１１を含んで、力センサ１からの力検出信号を力フィードバック信号として目標測定力（力設定値）と比較し、力フィードバック信号が目標測定力に一致するように相対移動手段としての駆動用アクチュエータ１１を駆動させる力制御ループＲＦが構成されている。
検出器１２、カウンタ２６、演算器３３、位置制御補償器３４、演算器３２，速度補償器２８、駆動アンプ２５および駆動用アクチュエータ１１を含んで、位置検出手段としての検出器１２からの測定位置情報を位置フィードバック信号として位置設定値（目標位置）と比較し、位置フィードバック信号が目標位置に一致するように相対移動手段としての駆動用アクチュエータ１１を駆動させる位置制御ループＲＰが構成されている。
スイッチ３０は、力制御ループＲＦと位置制御ループＲＰのいずれか一方を有効にする制御ループ切替手段を構成している。
【００２７】
ハイパスフィルタ回路４０は、カウンタ２６からの位置フィードバック信号にハイパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ１１の振動的な動きを表す観測値を抽出するもので、ハイパスフィルタ回路４０の遮断周波数が、力制御ループＲＦの遮断周波数に略一致するように構成されている。
制御ゲイン自動調整回路４１は、スイッチ３０が力制御ループＲＦ側に切り替えられ、つまり、力制御ループＲＦが有効とされ、力センサ１が被測定物に接触された状態において、力制御ループＲＦの制御ゲインを徐々に上げたときの観測値を観測し、観測値の変化から、駆動用アクチュエータ１１が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの力制御補償器２４の制御ゲインとして設定する機能を備える。
【００２８】
＜（１）力制御ループが応答可能な外乱を分離する方法＞
プローブ取付側や被測定物に対して、力制御ループＲＦが応答可能な低周波の外乱振動が入った場合を考える。図２および図３に、この方式の概念図を示す。
外乱振動による力の乱れを打ち消そうとする力一定制御が行われるため、駆動用アクチュエータ１１が力センサ１の位置を動かす。結果、測定値には低周波の外乱振動の振幅成分が現れる。式で表すと、
Ｐｍ＝Ｐerr＋Ｐv_res    …………（４）
ただし、Ｐｍ       ：測定値
Ｐerr      ：力制御ループのハイゲイン化による振動
Ｐv_res    ：力制御ループが応答可能な外乱振動成分
となる。
【００２９】
本実施形態では、測定値にハイパスフィルタ回路４０を通したものを自動調整機能での観測値として用いている。ハイパスフィルタ回路４０の遮断周波数を、力制御ループの遮断周波数に略一致させているため、力一定制御の応答によって動かされたプローブの位置情報はハイパスフィルタ回路４０で除去され、観測値には現れない（図２参照）。
そのため、観測値の乱れには力制御ループのハイゲイン化による振動成分のみが残る。式で表すと、
Ｐ＝ＰHPF・Ｐｍ  ＝Ｐ’ err  …（５）
ただし、ＰHPF        ：ハイパスフィルタ特性
Ｐ’ err     ：力制御ループのハイゲイン化による振動（高周波成分のみ）
となる。
機械系の多くは、制御ゲインを高めていくと、機械系が抱える高域の共振周波数で発振して制御限界に達する。式（５）において、プローブのもつ機械的な高域の振動成分（駆動用アクチュエータ１１の振動）はハイパスフィルタ回路４０によって除去されることなく、観測値に現れるため（図３参照）、この観測値の変化から、駆動用アクチュエータ１１が振動的になる前の状態で、かつ、振動限界値に対して所定の余裕をもつ状態のゲインを求め、これを力制御ループの力制御補償器２４の制御ゲインとして設定することができる。
【００３０】
＜（２）力制御ループが応答不可能な外乱を分離する方法＞
前述した（１）では、プローブ取付側や被測定物Ｗに対して、力制御ループが応答可能な低周波の外乱振動が入った場合を考えた。
力制御ループが応答不可能な高周波の外乱振動に関しては、力制御ループの周波数応答領域そのものの特性により、観測値には外乱振動が殆ど現れない。しかし、力制御ループが応答不可能な高周波の外乱に関して、力制御ループの高周波減衰特性だけでは減衰力が小さく、自動ゲイン調整結果に含まれる高周波の外乱成分の影響を考慮する必要がある場合も考えられる。
【００３１】
ここでは、制御ゲイン自動調整回路４１において、ハイパスフィルタ回路４０を通して得られた観測値Ｐをｎ回平均化することで、高周波の外乱振動の影響を除去する。
外乱振動による測定値の乱れは、式（４）に高周波の外乱成分が加わることに等しい。式で表すと、
Ｐｍ＝Ｐerr＋Ｐv_res＋Ｐv_nores    …（６）
ただし、Ｐｍ         ：測定値
Ｐerr        ：力制御ループのハイゲイン化による振動
Ｐv_res      ：力制御ループが応答可能な外乱振動成分
Ｐv_nores    ：力制御ループが応答不可能な外乱振動成分
となる。
【００３２】
式（５）の場合と同様に、ハイパスフィルタ回路４０を通った後の観測値を式で表すと、
Ｐ＝ＰHPF・Ｐｍ  ＝Ｐ’err＋Ｐ’ v_nores  …（７）
ただし、Ｐ           ：観測値
ＰHPF        ：ハイパスフィルタ特性
Ｐ’err      ：力制御ループのハイゲイン化による振動（高周波成分のみ）
Ｐ’ v_nores ：力制御ループが応答不可能な外乱振動成分（高周波成分のみ）
となる。
【００３３】
一般的には、力制御ループのハイゲイン化による振動Ｐ’errが定常的な応答を示すのに対し、高周波の外乱成分Ｐ’errは過渡的、すなわち、ランダムノイズ的な振る舞いをすることが多い。従って、ランダムノイズの除去を目的とした平均化が有効である。
式（７）における観測値Ｐをｎ回平均化したものをＰnとすると、
【００３４】
【数１】
2007248287.tif 000003
【００３５】
となる。ここで、
【００３６】
【数２】
2007248287.tif 000004
【００３７】
はランダム雑音成分なので、ｎ回の平均化後は
【００３８】
【数３】
2007248287.tif 000005
【００３９】
に近づくと考えられる。ｎを十分に大きくとれば、
【００４０】
【数４】
2007248287.tif 000006
【００４１】
となるため、式（８）は
【００４２】
【数５】
2007248287.tif 000007
【００４３】
となり、これはＰ’errの平均値にほぼ等しいことを意味する。
以上より、高周波の外乱振動の影響を除去し、力制御ループのハイゲイン化による振動のみを観測することができる。
【００４４】
＜（３）自動調整アルゴリズムの一例＞
図４に自動調整のフローチャートを示す。制御ゲインの自動調整を行うには、制御ゲインを徐々に高めていき、力制御ループが不安定になり発振する状態を観測値から判断できる方法をソフトウエアで構築すればよい。
【００４５】
図４に示す例では、次の方法を採っている。
（ａ）発振（振動）の大きさを判断するために、観測値の標準偏差を算出する。
（ｂ）いくつまで制御ゲインを高めるかを判断するために、観測値の標準偏差の閾値を設ける。この閾値は、測定データのばらつきとなるので、本プローブの測定精度と実験値などで予め決めておく。
（ｃ）閾値を超えたゲインに安定余裕係数を乗算する。
【００４６】
図４のフローチャートを詳細に説明する。
力制御ゲイン初期値で被測定物にアプローチし（ＳＴ１）、アプローチ完了（ＳＴ２）を条件として、ハイパスフィルタ回路４０を通過した観測値を規定時間、規定時間周期でサンプリング（ＳＴ３）し、サンプリング観測値の標準偏差を算出（ばらつきを算出）する（ＳＴ４）。
標準偏差と予め決めた閾値とを比較し、標準偏差が閾値未満のとき、制御ゲインアップする処理（ＳＴ６）を行ったのち、ＳＴ３へ戻る処理を繰り返す。
標準偏差が閾値以上のとき、安定余裕をとるため、制御ゲインに余裕係数を乗算し最適制御ゲインとしたのち（ＳＴ７）、終了する。
【００４７】
＜変形例の説明＞
本発明は前記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、改良は、本発明に含まれる。
上記実施形態では、検出器１２（カウンタ２６）から位置フィードバック信号を分岐し、その分岐側にハイパスフィルタ回路４０を接続して、検出器１２（カウンタ２６）からの位置フィードバック信号にハイパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ１１の振動的な動きを検出する観測値としたが、これに限らず、力センサ１からの力フィードバック信号を用いるようにしてもよい。
この場合、力センサ１からの力フィードバック信号を分岐し、その分岐側にローパスフィルタ回路を接続して、力フィードバック信号にローパスフィルタ処理を施して駆動用アクチュエータ１１の振動的な動きを検出する観測値としても、上記実施形態と同様な効果が期待できる。
【００４８】
上記実施形態では、力センサ１の構造が、力センサ１のベース２とスタイラス３とを一体的に構成したが、これに限らず、別体であってもよい。つまり、ベース２とスタイラス３とを別体として構成し、ベース２に対してスタイラス３を接着固定するようにしてもよい。またスタイラス３を軸方向へ振動させるようにしたが、これに限らず、スタイラス３の軸に対して交差する方向に振動させるようにしてもよい。
上記実施形態では、加振型力センサ１を用いたが、これに限らず、被測定物との接触時に発生する測定力を検出し力検出信号として出力できる構造であれば、他のセンサであってもよい。
【００４９】
上記実施形態では、検出器１２をスケールと検出ヘッドから構成したが、力センサ１の変位を検出できるものであれば、他の検出器であってもよい。また、力センサ１の変位を検出するものに限らず、被測定物を力センサに対して移動可能に構成した場合、被測定物の変位を検出するようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、被測定物の表面粗さを測定する表面粗さ測定機、形状測定機、輪郭測定機、真円度測定機、三次元測定機などに適用可能である。とくに、微細形状の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る測定制御回路の実施形態を示すブロック図。
【図２】同上実施形態において、力制御ループが応答可能な低周波の外乱振動が入った場合の測定値および観測値の変化を示す図。
【図３】同上実施形態において、力制御ループの制御ゲインをハイゲイン化した場合の測定値および観測値の変化を示す図。
【図４】同上実施形態において、力制御ゲインの自動調整処理を示すフローチャート。
【図５】力センサの構成を示す分解斜視図。
【図６】力センサに与える加振信号と検出信号を示す図。
【図７】力センサが被測定物と接触した際の検出信号の変化を示す図。
【図８】力センサの検出信号の減衰率と測定力との関係を示す図。
【図９】力センサを用いた形状測定システムを示すブロック図。
【図１０】図９のシステムにおいて、力一定倣い制御動作を示す図。
【図１１】図９のシステムにおいて、表面硬さによって力制御ゲインを変えることを説明するための図。
【図１２】図９のシステムにおいて、プローブ位置、力センサの変形量、被測定物表面の変形量の関係を示す図。
【図１３】図９のシステムにおいて、式（３）の関係を示す図。
【図１４】図９のシステムにおいて、従来の力制御ループの制御ゲインを決定する方法を示す図。
【図１５】図９のシステムにおいて、外乱振動が入った場合の問題点を説明するための図。
【符号の説明】
【００５２】
１…加振型力センサ（力センサ）
３…スタイラス
４…加振素子
５…検出素子
１０…プローブ
１１…駆動用アクチュエータ（相対移動手段）
１２…検出器（位置検出手段）
３０…スイッチ（制御ループ切替手段）
４０…ハイパスフィルタ回路
４１…制御ゲイン自動調整回路（制御ゲイン自動調整手段）
ＲＦ…力制御ループ
ＲＰ…位置制御ループ。
【図１】
2007248287.tif 000008
【図２】
2007248287.tif 000009
【図３】
2007248287.tif 000010
【図４】
2007248287.tif 000011
【図５】
2007248287.tif 000012
【図６】
2007248287.tif 000013
【図７】
2007248287.tif 000014
【図８】
2007248287.tif 000015
【図９】
2007248287.tif 000016
【図１０】
2007248287.tif 000017
【図１１】
2007248287.tif 000018
【図１２】
2007248287.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007248287.tif 000022