JP2006085383A - Control parameter setting method for control circuit in measurement control system, and measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a control parameter setting method and a measuring apparatus for a control circuit in a measurement control system. More specifically, the present invention relates to a method and a measuring apparatus for setting optimal control parameters of a control circuit for stable and quick measurement.
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。
The control parameters of the control circuit include a gain and a phase compensation frequency. Conventionally, as a gain setting method of the control circuit in the measurement control system, a data acquisition process for acquiring data necessary for gain setting, and based on this data. In addition, there is known a method including a determination step for determining an optimum gain for measurement and a setting step for setting a gain of a control circuit to a gain determined to be optimal (see, for example, Patent Document 1). Here, the optimal gain of the control circuit refers to a gain that can prevent a measurement control system from entering a self-oscillation state to realize a stable measurement state and can perform a quick measurement. And
Various methods can be used to determine the optimum gain, and
(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。
(A) A measurer manually inputs a set of data necessary for gain setting (probe material, sample material, etc.), and compares it with a data table prepared in advance. In the data table, a plurality of sets of reference input data and values of the respective reference gains (such as proportional operation parameters PP) obtained empirically as optimum gains for the respective sets of reference input data are represented. . The measurer compares the actual input data set manually input with a plurality of reference input data sets, selects the nearest reference input data set, and selects the reference input data set. Is set in the control circuit as an optimum gain.
(B) The probe is fixed at one point on the object to be measured, temporary measurement is performed while changing the gain of the control circuit (proportional operation parameter PP or the like), and a current error amount ΔE is calculated for each gain. ΔE represents the degree of variation of the tunnel current value flowing between the probe and the sample with respect to the target current value. Since the tunnel current value changes so as to oscillate around the target current value in the measurement control state, when ΔE is large, the amplitude around the target current value is large, and the measurement control system is in a self-oscillation state (so-called hunting occurs). When ΔE is small, the amplitude around the target current value is small, the tunnel current value is substantially coincident with the target current value, and the measurement control system becomes stable. It is suggested that The determination of the optimum gain of the control circuit is performed from the viewpoint of adjusting the measurement control system to a stable state, and a gain value that realizes a small value of ΔE is determined as the optimum gain. Specifically, the value of ΔE for each gain is compared with a predetermined reference value, and a gain such that ΔE is equal to or less than this reference value is determined as the optimum gain.
(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。
The method (a) has a problem that the burden on the measurer becomes heavy because it is necessary to precisely perform preliminary measurement for creating the data table. In addition, since the reference gain corresponding to the reference input data that most closely approximates the actual input data set is set as the optimum gain, this optimum gain is only an approximate value. For this reason, this method cannot be used when high accuracy is required in gain setting, such as during ultra-precise measurement.
In the method (b), the optimum gain of the control circuit is determined using the value of ΔE as an index from the viewpoint of preventing hunting from occurring in the measurement control system. However, the value of ΔE is merely a numerical value indicating the degree of variation in the tunnel current value, and is not a value directly related to the presence or absence of hunting. Therefore, just because ΔE is small, it cannot always be said that hunting has not occurred, and hunting may not be sufficiently prevented even if the optimum gain is set by the method (b).
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。 An object of the present invention is to provide a control parameter setting method for a control circuit in a measurement control system, which can set a control parameter for accurately preventing occurrence of hunting in a measurement control system with high accuracy and can perform measurement stably and quickly. And providing a measuring device.
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。 A control parameter setting method for a control circuit in a measurement control system according to the present invention is based on measurement means for outputting a measurement signal in connection with measurement of an object to be measured, and a deviation between a predetermined target value and an output value of the measurement signal. A control circuit in a measurement control system comprising: a control circuit that outputs a control signal; and a control unit that controls the measurement unit so that an output value of the measurement signal matches the target value based on the control signal In the control parameter setting method, the control parameter of the control circuit is temporarily set to Q i (i = 1, 2,..., N), and temporary measurement is performed. provisional measure temporarily measurement data acquisition step of acquiring for a predetermined time data S i, different N types of control parameters to each other (Q 1, Q 2, ··· , Q N) After sequentially performed on, it is acquired based And performs frequency analysis on each of said temporary measurement data S i, extraction step size of the frequency component corresponding to a predetermined vibration frequency in the measurement control system to extract the temporary measurement data S i which is less than a predetermined reference value And a control parameter setting step of setting, as the control parameter of the control circuit, Q i having the maximum frequency characteristic among the control parameters Q i corresponding to the extracted temporary measurement data S i. It is characterized by.
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。 In the measurement control system of the present invention, a closed loop is constituted by the measurement means, the control circuit, and the control means, and the measurement state is controlled by feedback control. The control parameters of the control circuit are variable, and the control parameters of the entire closed loop can be adjusted thereby. Hereinafter, control parameter setting of the control circuit will be described.
<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。
<Temporary measurement data acquisition process>
First, the control parameters of the control circuit are temporarily set to N types of control parameters Q 1 to Q N in order, and temporary measurement data S i is obtained for each control parameter Q i . Here, the provisional measurement data S i is obtained by recording a predetermined measurement amount f i based on a measurement signal from the measurement means at each time t, and is constituted by a plurality of sets of (f i , t). Is done. If this is plotted on a coordinate plane and each point is smoothly connected, a function f i (t) for the measurement time t is constructed. Incidentally, if to continuously record the measured amount f i for a predetermined time in a temporary measure, f i constitutes directly a function f i a (t).
By the way, since the feedback control is performed so that the output value of the measurement signal from the measurement unit coincides with the target value even in the temporary measurement, the value of the function f i (t) based on the measurement signal is the target value. Usually, it changes with time while vibrating around the target position corresponding to the value. Here, if the measurement control system (closed-loop) has not occurred stable hunting, amplitude around the target position of the f i (t) is attenuated with time t, f i (t) is asymptotic to a target position . On the other hand, if the measurement control system if occurs is unstable and the hunting, f i (t) without amplitude is attenuated over time t around the target position of, f i (t) is above a certain Continue to vibrate while maintaining the amplitude.
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。
Here, the relationship between hunting in the measurement control system and the control parameters of the measurement control system will be outlined. In the present invention, the control parameter of the control circuit is variable. Here, gain will be described as an example of a control parameter. The gain of the measurement control system is uniquely determined by the gain of the control circuit. Therefore, hereinafter, the gain will be described as the gain of the control circuit. FIG. 1 is a Bode diagram for the frequency transfer function of the control circuit. 1A is a gain diagram, and FIG. 1B is a phase diagram.
FIG. 1A shows gain characteristics when different gains G 1 , G 2 , and G 3 (G 1 <G 2 <G 3 ) are set in the control circuit. In this description, it is assumed that only changes in gain are considered, and changes in phase are not taken into consideration. For this reason, the phase diagram of FIG. 1B does not change. That is, one phase line in FIG. 1B is a common phase line for the three gains G 1 to G 3 . In FIG. 1A, the gain lines corresponding to the gains G 1 to G 3 are drawn substantially parallel to each other, but this is for simplification of explanation, and the actual gain is determined for each frequency. It can be changed with different rate of change and can be set flexibly.
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。
For determination of the stability of the measurement control system, that is, whether hunting occurs or not, as is generally known, the gain crossover frequency ω c at which the gain value is 1 (0 on the gain diagram). And a phase crossover frequency ω 0 at which the phase φ becomes −180 ° is used.
When the gain is G 1 , ω c1 <ω 0 as shown in FIG. Therefore, when the phase is −180 ° or less, the gain is always 1 or less (minus on the gain diagram), hunting does not occur, and the measurement control system is stable.
When the gain is increased from G 1 to G 2 , ω c2 = ω 0 . This is a so-called stability limit state, and hunting occurs immediately when the gain is further increased.
That represents a state in which hunting occurs a gain curve for the gain G 3. At this time, ω c3 > ω 0 . In the frequency band of ω 0 ≦ ω ≦ ω c3 , the phase is −180 ° or less and the gain is 1 or more (plus on the gain diagram). Therefore, hunting of frequencies belonging to this frequency band (hereinafter referred to as self-oscillation frequency band) occurs, and the measurement control system becomes unstable.
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。 From the above, it can be seen that the hunting frequency in the measurement control system is a frequency belonging to the self-oscillation frequency band ω 0 ≦ ω ≦ ω c3 . Here, since the lower limit ω 0 is unchanged, the self-oscillation frequency band is uniquely determined by setting the gain G 3 (> G 2 ) and determining the upper limit ω c3 . The vibration frequency in the present invention mainly means a frequency belonging to this self-oscillation frequency band.
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。
Next, a case where the control circuit includes a phase compensation circuit and the characteristics of the phase diagram can be changed will be described.
In FIG. 1C, the phase compensation circuit is a phase lead compensation circuit, and the phase crossover frequency is ω 01 (phase characteristic PH 1 ), ω 02 (phase characteristic PH 2 ), ω 03 (phase characteristic) by the phase lead compensation. An example that can be changed is shown as PH 3 ). Also in this case, the generation principle of hunting is the same, and ω C ≦ ω 0 is a stable condition in the relationship between the gain crossing frequency ω C and the phase crossing frequency ω 0 . The combination of these gain characteristics and phase characteristics may be variable independently of each other, or may be variable while maintaining the correlation. For example, relationships such as control parameters Q 1 (G 1 , PH 1 ), Q 2 (G 2 , PH 2 ), Q 3 (G 3 , PH 3 ), Q 4 (G 4 , PH 4 ),. Or control parameters Q 1 (G 1 , PH 1 ), Q 2 (G 1 , PH 2 ), Q 3 (G 2 , PH 1 ), Q 4 (G 2 , PH 2 ),... Such a relationship may be used. In any case, the control parameter that satisfies the stability condition and maximizes the gain crossover frequency ω C gives the maximum frequency characteristic of the measurement control system. Although ω C ≦ ω 0 is shown as the stability condition, it is preferable that the phase delay is about −150 deg at ω C = 0 in consideration of stability. Furthermore, in this description, the case where the phase compensation circuit is a phase lead compensation circuit is shown, but the present invention is not limited to this, and a phase lag compensation circuit may be used, or a phase lead compensation circuit and a phase lag compensation circuit may be used in combination. The principle is the same. In addition, although the example in which the phase compensation circuit is included in the control circuit has been shown, the present invention is not limited thereto, and the phase compensation circuit may be inserted into the feedback circuit of the sensor detection signal.
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。 As another example of the vibration frequency in the measurement control system, there is a resonance frequency ω r of an electric circuit constituting the measurement control system. When a measurement signal containing a resonance frequency component of ω r or more is input to this electric circuit, the resonance frequency component is hardly attenuated, so that the measurement signal continues to be oscillated at the resonance frequency ω r. . In particular, when the gain of the measurement control system at the resonant frequency omega r is 1 or more, the resonance frequency component from being amplified amplitude is increased, to destabilize the measurement control system. This is exactly the same as the situation for the self-oscillation frequency band. That is, even if the measurement signal approaches the target value by the control by the measurement control system, the measurement signal continues to vibrate around the target value because the vibration of ω r remains.
<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。
<Extraction process>
Now, following the provisional measurement data acquisition process, an extraction process is performed. The extraction step performs frequency analysis for each temporarily measurement data S i. That is, each function f i (t) in each temporary measurement data S i is Fourier-transformed and displayed as a frequency, and the magnitude of the frequency component corresponding to the vibration frequency is compared with a predetermined reference value. Since the vibration frequency is a frequency at which hunting occurs, if the frequency component corresponding to this is large, hunting has occurred. Conversely, if the frequency component is small, the occurrence of hunting is appropriately prevented. The reference value is set in advance as an optimum value for determining the occurrence / non-occurrence of hunting. The reference value may be set as a different value for each vibration frequency in the self-oscillation frequency band.
Through the above frequency analysis, M (≦ N) pieces of provisional measurement data S j (j = 1, 2,..., M) are extracted so that the magnitude of the vibration frequency component is less than the reference value.
<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。
<Control parameter setting process>
The extracted temporary measurement data S j is a data group that ensures that hunting does not occur and the measurement control system is in a stable state. Therefore, if the control parameters Q j corresponding to these S j are set in the control circuit, the stability of the measurement control system is ensured.
As long as the stability can be secured, for example, the gain may be set as large as possible in order to increase the steady-state characteristics, the quick response (responsiveness), and the like. In the control parameter setting step, among the control parameters Q j that guarantee the stability of the measurement control system, the parameter having the maximum frequency characteristic is set as the control parameter of the control circuit.
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。
As described above, by using the control parameter setting method of the present invention, it is possible to set control parameters in the control circuit that can realize high steady-state characteristics, rapid response, etc. while ensuring stability in the measurement control system. Stable, highly accurate and quick.
In the present invention, the current error amount ΔE in the method (b) of
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。 As described above, in the present invention, it is preferable that the control parameter of the control circuit is at least one of a gain and a phase compensation frequency.
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。 In the present invention, in the provisional measurement data acquisition step for each control parameter Q i , the provisional measurement data is obtained by filtering the measurement signal with a frequency filter that passes only a frequency component corresponding to the vibration frequency. are S i, it is preferable.
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。 According to this configuration, the function f i (t) in each S i has only the vibration frequency component that has passed through the frequency filter. Therefore, since it is not necessary to perform the Fourier transform of f i (t), the optimum gain setting for bringing the measurement control system into a stable state can be performed more quickly and easily.
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。 In the present invention, the storage step of storing the control parameter Q of the entire measurement control system determined by the control parameter Q i set in the control circuit in the control parameter setting step, the measuring means, and the measured device The control parameter of the control circuit is corrected so as to cancel the apparent change in the control parameter of the measuring means caused by replacing at least one of the objects with a different property, and the control parameter of the entire measurement control system It is preferable to carry out a control parameter correction step for holding Q at the stored Q.
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。
Since the measurement signal output from the measurement means is also changed by the properties of the measurement means and the object to be measured, such as hardness, elasticity, etc., when at least one of the measurement means and the object to be measured is replaced with one having a different property, The control parameter of the measuring means is apparently changed. Then, since the control parameter of the entire measurement control system deviates from the optimum control parameter Q set in the control parameter setting step of the control circuit, the measurement stability may be hindered.
In the present invention, first, the optimum control parameter Q of the entire measurement control system is stored in the storing step. Thereafter, when the control parameter of the measuring means is apparently changed by exchanging at least one of the measuring means and the object to be measured, a control parameter correcting step is performed, and the control parameter of the control circuit is corrected to correct the entire measurement control system. The control parameter is held in the stored optimum control parameter Q. Therefore, according to the present invention, the control parameters of the entire measurement control system can be held at the optimum control parameters regardless of the measurement means and the object to be measured, and the measurement can be performed stably and with high accuracy.
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。 Further, in the present invention, the measuring means is a contact measuring element that performs measurement while being in contact with the object to be measured, and the control parameter correction step is performed after replacement of at least one of the contact measuring element and the object to be measured. The contact measuring element is pressed into the object to be measured by a predetermined amount to perform contact measurement, and at the same time, a preliminary measurement step for measuring the indentation amount, an output value of the measurement signal in the preliminary measurement step, and a measurement A calculation step of calculating an apparent change of the control parameter in the contact probe from the relationship between the pressed amount and the control amount of the measurement control system as a whole based on the calculation result in the calculation step It is preferable to correct the control parameter of the control circuit so that the parameter is held at Q.
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。
In this invention, since the measurement load received by the contact probe differs depending on the difference in properties such as hardness and elasticity of the contact probe and the object to be measured, at least one of the contact probe and the object to be measured has a different property. When they are exchanged, a change occurs in the output value of the measurement signal output from the contact probe, and an apparent change occurs in the control parameter of the contact probe.
In the preliminary measurement step of the present invention, the contact measuring element is pushed into the object to be measured by a predetermined amount to perform contact measurement, and the output value of the measurement signal and the push-in amount at this time are detected. In the subsequent calculation step, an apparent change in the control parameter of the contact probe is calculated using the correlation between the output value of the measurement signal and the push amount. In the final control parameter correction step, the control parameter of the control circuit is corrected so that the apparent change of the control parameter of the contact probe is canceled and the control parameter of the entire measurement control system is held in the optimal control parameter Q. The
As described above, according to the present invention, the entire measurement control system is held at the optimum control parameter Q regardless of the contact probe and the object to be measured, so that the measurement can be performed stably and accurately.
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。
Further, according to the present invention, it is possible to configure a measuring apparatus including a measurement control system including a control circuit in which a control parameter is set by the control parameter setting method of the control circuit.
According to this measuring apparatus, measurement can be performed stably, with high accuracy, and quickly.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 shows a measurement apparatus according to the present embodiment, and FIG. 3 shows a block diagram schematically showing feedback control in the measurement apparatus.
In FIG. 2, a
The
The
That is, the
The
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。
The sensor signal from the
The sensor detection signal as the measurement signal input to the closed loop L is compared with the
As described above, the closed loop L for controlling the measurement state is configured in the order of the sensor 13 -the sensor detection circuit 21 -the control circuit 23 -the drive circuit 24 -the
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。
Subsequently, a measurement method using the measurement apparatus of the present embodiment will be described.
First, by driving the
When the
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。
Information regarding the amplitude of the
More specifically, when the amplitude of the
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。
Thus, under feedback control by the closed loop L, the amplitude of the
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。
The scanning measurement has been described above. However, according to the measurement apparatus of the present embodiment, it is possible to perform the touch measurement of the measurement object.
For example, after the expansion / contraction state of the
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。
The touch measurement can also be performed by extending and contracting the
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。
As described above, the scanning measurement and the touch measurement have been described as examples of the measurement using the measurement apparatus of the present embodiment. However, as a premise for appropriately performing these measurements, it is necessary to appropriately perform feedback control using the closed loop L. When the control state becomes unstable, hunting occurs in the closed loop L, and the output value of the sensor detection signal from the
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。
In order to suppress the occurrence of hunting and appropriately perform feedback control by the closed loop L, it is necessary to adjust the gain G of the closed loop L to an optimum value. As shown in FIG. 3, the gains of the
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。
In
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。
First, after fixing the XY position of the
At this time, the feedback control by the closed loop L is not started, and the
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。
From this state, feedback control by the closed loop L is started, and temporary measurement is performed. Temporarily measurement, the control circuit gain adjuster each N different gains which are sequentially provisionally set in the
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。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the sensor detection signal output value f taken into the control circuit
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。
In C j , since the temporarily set gain (hereinafter referred to as G j ) is appropriate, the sensor detection signal f gradually approaches the target value f t . In this remains a predetermined time has elapsed, since substantially coincides with f and f t as shown in FIG. 4, according to the provisional setting gain G j, can stably hold the control state of the closed loop L, stable and accurate measurement Can be done.
On the other hand, at C k , since the temporarily set gain (hereinafter referred to as G k ) is inappropriate, hunting occurs, and the sensor detection signal f continues to vibrate around the target value f t . Even after the elapse of this state a predetermined time, do not amplitude of hunting is hardly attenuated as shown in FIG. 4, there is no possibility that the f and f t are constantly coincide. Thus, according to the provisional setting gain G k, becomes unstable control state of the closed loop L, it is impossible to properly perform the measurement.
Here, according to the present embodiment, the provisional measurement data acquisition step and the extraction step does not cause hunting among the N different gains G i (C j see) the gain G j (j = 1,2, · .., M) and a gain G k (k = 1, 2,..., NM) that causes hunting (see C k ) can be distinguished. Hereinafter, both these steps will be described.
<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。
<Temporary measurement data acquisition process>
Sensor detection signals for each temporary setting gain G i for the control
The
As described above, the magnitude of the frequency component that passes through the
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。
As described above with reference to FIG. 1, the self-oscillation frequency band in which hunting mainly occurs is obtained by using the phase crossover frequency ω 0 and the gain crossover frequency ω C of the entire closed loop L, and ω 0 ≦ ω ≦ ω C. (However, only when ω 0 ≦ ω C ). In the present embodiment, the phase is fixed in consideration of the focus on the gain adjustment of the closed loop L. Therefore, ω 0 as the lower limit of the self-oscillation frequency band is a common value for each temporarily set gain G i . On the other hand, omega C as the upper limit of the self-oscillating frequency band is different value for each temporary setting gain G i. As shown in FIG. 1, the larger the gain value, the larger the value of ω C and the wider the self-oscillation frequency band.
Incidentally, the hunting amplitude of a frequency belonging to the self-oscillation frequency band has a positive correlation with the magnitude of the gain (amplification factor) at that frequency. As shown in FIG. 1, the gain of the control system is generally configured to monotonously decrease with respect to the frequency. Therefore, in the self-oscillation frequency band, near the lower limit (ω 0 ). Is greater than the gain near the upper limit (ω C ). Therefore, the hunting amplitude of the frequency belonging to the self-oscillation frequency band is large in a frequency band near the lower limit ω 0 (hereinafter referred to as a main vibration frequency band), ω 0 ≦ ω ≦ ω 0 + Δω (<ω C ). Thus, it can be said that this large-amplitude hunting is the main factor that makes the measurement control state unstable.
Therefore, the passable frequency band of the
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。
The output value S i of the sensor detection signal for each temporary set gain G i filtered by the
<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。
<Extraction process>
Subsequently, each S i is compared with a predetermined reference value S 0 set in advance. The reference value S 0 is set in advance as an optimum value for determining the presence or absence of hunting in the closed loop L, and hunting occurs for the temporarily set gain G k where S k ≧ S 0, and S j <S 0 That is, no hunting occurs for G j . In the extraction process, only the temporarily set gain G j (S j <S 0 is satisfied) that does not cause hunting is extracted and stored in the memory 33.
<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。
<Gain setting process>
In the subsequent gain setting step, the extracted G j having the maximum value is selected and set to the gain (G C ) of the
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。 As described above, according to the gain setting method of the present embodiment, the stability in the closed loop L is obtained by extracting the gain G j (j = 1, 2,..., M (≦ N)) that does not cause hunting. By selecting the gain G j having the maximum value while ensuring the above, high steady-state characteristics, rapid response, etc. can be realized. Therefore, measurement can be performed stably, with high accuracy, and quickly.
<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。
<Storage process>
Hereinafter, in the gain setting step, a gain set in the
<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。
<Gain correction process>
Next, gain correction will be described.
Replacing at least one of the
For example, when the object to be measured W is changed from a soft material to a hard material, the measurement load that the
Here, it is assumed that the apparently changed gain of the
<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。
<Preliminary measurement process>
After exchanging at least one of the
<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。
<Calculation process>
The
The calculation of G S ′ is performed as shown in FIG. 5, for example. 5A and 5B, (i) the sensor 13 (main body 1) is brought close to the workpiece (workpiece) W at a constant speed, and (ii) the
5A and 5B, the
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。
Further, when the
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。
The control circuit gain correction unit 4 sets G C ′ calculated as described above in the
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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the embodiment, as passable frequency band of the
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。
In the above embodiment, the passable frequency band (ω 0 ≦ ω ≦ ω 0 + Δω) of the
For example, in addition to the frequency belonging to the self-oscillation frequency band, the
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。
In the above embodiment, the gain correction when the
For example, when an optical probe that receives and measures reflected light from an object irradiated with light is used as a non-contact type probe, a difference in optical properties such as reflectance of the object to be measured Accordingly, the amount of light received by the optical probe changes, and the measurement signal output from the optical probe changes. For this reason, when the object to be measured is replaced with one having a different optical property, the gain of the optical probe may change apparently, and the closed loop gain of feedback control may deviate from the optimum gain. According to the present invention, the apparent change in the gain of the optical probe can be calculated from the change in the amount of light received by the optical probe accompanying the exchange of the object to be measured, and the gain of the entire closed loop can be maintained at the optimum gain. The gain of the control circuit can be calculated and set. Therefore, it is possible to maintain high stability of measurement, steady characteristics, quick response, etc. regardless of the object to be measured.
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。
In the above embodiment, the sensor detection signal at the time of temporary measurement is filtered by the
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。
Further, in the above embodiment, a so-called vibration probe having a
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。
In the above embodiment, in the preliminary measurement process and the calculation process, the
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。
In the above embodiment, the gain setting by the control circuit
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。
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which only the gain G of the
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。 The present invention can be used for various measuring devices, for example, a three-dimensional measuring machine, an atomic force microscope, and a focused displacement measuring device.
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
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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。 A measuring means for outputting a measurement signal in connection with the measurement of the object to be measured;
A control circuit that outputs a control signal based on a deviation between a predetermined target value and an output value of the measurement signal;
Control means for controlling the measurement means based on the control signal so that the output value of the measurement signal matches the target value;
In the control parameter setting method of the control circuit in the measurement control system comprising:
Temporary measurement is performed after temporarily setting the control parameter of the control circuit to Q i (i = 1, 2,..., N), and temporary measurement data S i based on the measurement signal output at that time is obtained. After performing the temporary measurement data acquisition process acquired over a predetermined time sequentially for N different control parameters (Q 1 , Q 2 ,..., Q N ),
Perform frequency analysis obtained the each temporary measurement data S i, the magnitude of the frequency component corresponding to a predetermined vibration frequency in the measurement control system to extract the temporary measurement data S i which is less than a predetermined reference value An extraction process;
A control parameter setting step of setting, as a control parameter of the control circuit, Q i having the maximum frequency characteristic among the control parameters Q i corresponding to the extracted temporary measurement data S i ;
A control parameter setting method for a control circuit.
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。 In the control parameter setting method of the control circuit according to claim 1,
The control parameter of the control circuit is at least one of a gain and a phase compensation frequency.
A control parameter setting method for a control circuit.
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。 In the control parameter setting method of the control circuit according to claim 1 or 2,
In the provisional measurement data acquisition step for each control parameter Q i , the provisional measurement data S i is obtained by filtering the measurement signal with a frequency filter that passes only a frequency component corresponding to the vibration frequency.
A control parameter setting method for a control circuit.
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。 In the control parameter setting method of the control circuit according to any one of claims 1 to 3,
A storage step of storing the control parameter Q of the entire measurement control system determined by the control parameter Q i set in the control circuit in the control parameter setting step;
Correcting the control parameter of the control circuit so as to cancel the apparent change in the control parameter of the measuring means caused by replacing at least one of the measuring means and the object to be measured with a different property; A control parameter correction step of holding the control parameters of the entire measurement control system in the stored Q;
A control parameter setting method for a control circuit.
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。 In the control parameter setting method of the control circuit according to claim 4,
The measuring means is a contact measuring element that performs measurement by contacting the object to be measured,
The control parameter correction step includes
After exchanging at least one of the contact measuring element and the object to be measured, a preliminary measurement step of performing a contact measurement by pressing the contact measuring element into the object to be measured by a predetermined amount and simultaneously measuring the indentation amount. When,
From the relationship between the output value of the measurement signal in the preliminary measurement step and the measured push amount, an arithmetic step of calculating an apparent change of the control parameter in the contact measuring element,
Based on the calculation result in this calculation step, the control parameter of the control circuit is corrected so that the control parameter of the entire measurement control system is held in the Q.
A control parameter setting method for a control circuit.
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