JPH11325976A - Displacement input device for autonomous calibration of sensor - Google Patents
Displacement input device for autonomous calibration of sensorInfo
- Publication number
- JPH11325976A JPH11325976A JP13014798A JP13014798A JPH11325976A JP H11325976 A JPH11325976 A JP H11325976A JP 13014798 A JP13014798 A JP 13014798A JP 13014798 A JP13014798 A JP 13014798A JP H11325976 A JPH11325976 A JP H11325976A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- calibration
- sensor
- jig
- displacement
- base
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
- Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、センサの校正用
入出力データをサプリングし、数値計算によってセンサ
の線形誤差等の自律校正を行うために用いられる自律校
正用の変位入力装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement input device for autonomous calibration which is used for sampling sensor input / output data and performing autonomous calibration such as linear error of the sensor by numerical calculation.
【0002】[0002]
【従来の技術】ナノメータやナノラジアンを目指す変位
センサや角度センサの開発においては、その精度向上と
共に、その精度を保証する校正基準の入手が難しくなっ
ている。従来、干渉変位計の波長間内挿誤差の校正にX
線干渉計を用いる方法(D.K.Bowen et al.:Subnanometr
e transducer characterization by X-ray interferome
try, Precision Engineering, 12, 3 (1990) 165)や、
PZTの直線駆動範囲を用いて非線形誤差補正を行う方
法(W.How and G.Wilkening :Investigation andcompen
sation of the nonlinearity of heterodyne intergero
meters, Precision Engineering, 14, 2 (1992) 91)が
提案されている。2. Description of the Related Art In the development of displacement sensors and angle sensors aiming at nanometers and nanoradians, it has become difficult to obtain calibration standards for guaranteeing the accuracy as well as to improve the accuracy. Conventionally, X was used to calibrate the interpolation error between wavelengths of the interferometer.
Method using a line interferometer (DKBowen et al .: Subnanometr
e transducer characterization by X-ray interferome
try, Precision Engineering, 12, 3 (1990) 165)
A method of performing non-linear error correction using the linear drive range of PZT (W. How and G. Wilking: Investigation and compen
sation of the nonlinearity of heterodyne intergero
meters, Precision Engineering, 14, 2 (1992) 91).
【0003】しかし、X線干渉計を校正に使う方法は、
一般の変位計ユーザーにとっては利用し難い。PZTを
用いる方法は、正しく校正できたか否かの確認が困難で
ある。更に、これらの高精細センサは微妙な調整の要る
ものが多く、できれば、頻繁にしかも機器に取り付けた
ままの状態でその場(in situ)校正をしたいことが多
い。上述の従来法では、この要求には応えられない。However, the method of using an X-ray interferometer for calibration is as follows.
It is difficult for general displacement meter users to use. In the method using PZT, it is difficult to confirm whether calibration has been performed correctly. Furthermore, many of these high-definition sensors require delicate adjustment, and if possible, they often want to perform in-situ calibration frequently and while still attached to the device. The above-mentioned conventional method cannot meet this demand.
【0004】これに対して本発明者等は、先に、変位セ
ンサや角度センサにおける線形誤差の自律校正法を提案
している。通常センサの校正データを得るためには、校
正すべきセンサより高精度のセンサシステムが必要とさ
れるのに対し、自律校正法はその様な高精度のセンサシ
ステムを用いることなく必要な校正データを得る方法で
ある。本発明者等の提案した自律校正法は、清野
慧,森島 健,杉淵 亨:変位計の線形誤差の自律校正
法,精密工学会誌59,12(1993) 2043、清野 慧,葛宗
濤,西野洋一:内挿誤差の自律校正による干渉計の高精
度化,精密工学会誌62,2(1996) 279、清野 慧,張世
宙:角度センサの高精度自律的校正法の研究,精密工学
会誌60,11(1994) 1591等に示されている。On the other hand, the present inventors have previously proposed an autonomous calibration method for linear errors in displacement sensors and angle sensors. Normally, to obtain calibration data for a sensor, a sensor system with higher precision than the sensor to be calibrated is required, whereas the autonomous calibration method requires the calibration data without using such a high-precision sensor system. Is a way to get The autonomous calibration method proposed by the present inventors is
Kei, Ken Morishima, Toru Sugibuchi: Autonomous Calibration of Linear Error of Displacement Meter, Journal of the Japan Society of Precision Engineering 59,12 (1993) 2043, Kei Seino, Suzuto Kuzu, Yoichi Nishino: Improvement of Interferometer Accuracy by Autonomous Calibration of Interpolation Error Journal of Precision Engineering, 62, 2 (1996) 279, Kei Seino, Zhang Shizhu: Research on high-precision autonomous calibration of angle sensors, Journal of Precision Engineering, 60, 11 (1994) 1591.
【0005】この自律校正法では、例えば変位センサに
ついて説明すれば、被校正センサと同種の基準センサを
用意し、基準センサが被校正センサのn倍の変位を検出
するようにレバーシステムと組み合わせて校正測定を行
う。これにより、基準センサにより被校正センサの校正
を行ったとき、校正結果に含まれる線形誤差がレバーシ
ステムによって1/nに縮小されることを利用して、相
互校正を繰り返したときに線形誤差をゼロに近い状態ま
で収束させることができるものである。先に提案した自
律校正法では、校正入力を拡大するレバーシステムと、
被校正センサと同等のセンサを付加的に必要とする。こ
のため、機器に組み込んだセンサのその場校正の実現に
制約が強すぎる難点がある。その場校正を実現するため
には、余分なセンサやレバーシステムを用いない方法が
望まれる。In this autonomous calibration method, for example, in the case of a displacement sensor, a reference sensor of the same type as the sensor to be calibrated is prepared and combined with a lever system so that the reference sensor detects n times the displacement of the sensor to be calibrated. Perform calibration measurement. Thus, when the calibration of the sensor to be calibrated is performed by the reference sensor, the linear error included in the calibration result is reduced to 1 / n by the lever system. It can converge to a state close to zero. In the autonomous calibration method proposed earlier, a lever system that expands the calibration input,
A sensor equivalent to the sensor to be calibrated is additionally required. For this reason, there is a disadvantage that the restriction on realizing in-situ calibration of the sensor incorporated in the device is too strong. To realize in-situ calibration, a method that does not use an extra sensor or lever system is desired.
【0006】そこで本発明者等は更に、余分なスペース
や付加的な器具を用いることなく、2回のデータサンプ
リングと近似計算及び収束演算を利用して、センサの線
形誤差を正確に求めることを可能とした新しいセンサの
自律校正方法を提案した(特願平9−142638
号、清野慧、高偉、小倉一朗:幾何学量センサのその
場自律校正法の研究,精密工学会誌63-10(1997)1417-14
21)。即ち本発明者等が提案した方法は、測定すべき入
力量をx、出力をv、平均感度をSm、線形誤差をg
(x)として、校正曲線が、f(x)=v=Sm・x+
g(x)で表されるセンサの自律校正方法であって、前
記センサにより所定の校正範囲を測定して得られる複数
のサンプリング点での各出力をviとして、各サンプリ
ング点での入力値の第0次近似値x0i≒vi/Smを求
めるステップと、各サンプリング点に対して微小変化Δ
xを与えたサンプリング点での出力をvi+として、それ
ぞれ2点の出力の差分Δvi=vi+−viを用いて、前
記線形誤差g(x)の導関数の第0次近似値g′0(x0
i)≒Δvi/Δx−Smを求めるステップと、このス
テップで求められた前記導関数の第0次近似値g′0
(x0i)を数値積分して前記線形誤差g(x)の第0次
近似値g0(x)=Σg′0(x0i)Δxを求めるステッ
プと、このステップで求められた前記線形誤差g(x)
の第0次近似値g0(xoi)を用いて、前記各サンプリ
ング点での入力値の近似値を修正し、その修正値を用い
て前記導関数のサンプリング点を修正し、更にその修正
結果を数値積分して前記線形誤差の近似値を修正する処
理を必要回数繰り返すステップとを有する。Accordingly, the present inventors further seek to accurately determine the linear error of the sensor using two data samplings and an approximate calculation and a convergence operation without using extra space or additional equipment. Proposed a new sensor autonomous calibration method (Japanese Patent Application No. 9-142638).
No., Kei Kiyono, Takawei, Ichiro Ogura: In-situ Autonomous Calibration Method for Geometric Sensors, Journal of the Japan Society of Precision Engineering 63-10 (1997) 1417-14
twenty one). That is, the method proposed by the present inventors is that the input quantity to be measured is x, the output is v, the average sensitivity is Sm, and the linear error is g.
As (x), the calibration curve is given by f (x) = v = Sm × x +
An autonomous calibration method of a sensor represented by g (x), wherein each output at a plurality of sampling points obtained by measuring a predetermined calibration range by the sensor is defined as vi, and an input value at each sampling point is defined as vi. A step of obtaining a 0th order approximate value x0i ≒ vi / Sm;
Assuming that the output at the sampling point given x is vi +, using the difference Δvi = vi + −vi between the outputs of the two points, a zeroth-order approximation g′0 (x0) of the derivative of the linear error g (x)
i) a step of calculating ≒ Δvi / Δx-Sm, and a zero-order approximation g′0 of the derivative obtained in this step.
(X0i) being numerically integrated to obtain a zero-order approximation g0 (x) = Σg'0 (x0i) Δx of the linear error g (x), and the linear error g (x )
, The approximate value of the input value at each of the sampling points is corrected using the zeroth-order approximate value g0 (xoi), the sampling point of the derivative is corrected using the corrected value, and the corrected result is further corrected. Repeating the process of correcting the approximate value of the linear error by numerical integration a required number of times.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】センサの校正曲線は、
線形の入出力特性に対応する平均的な直線と、その直線
からのずれである線形誤差とを含む。線形誤差を測定す
るのが校正の目的であり、上述した新しい自律校正方法
では、校正のために与える微小入力変化が既知でないと
すれば、上述した校正曲線の平均的な直線の傾き(即ち
平均感度)を予め高精度に測定することが必要になる。
そのためには、自律校正のためのデータサンプリングを
行うための装置とは別に、保証付きの段差試料等を用い
て平均感度を測定することが必要であった。そこでこの
発明は、自律校正用の治具に平均感度校正の機能を一体
に組み込んで、線形誤差校正の作業中に同時に平均感度
校正を可能としたセンサの自律校正用入力装置を提供す
ることを目的としている。The calibration curve of the sensor is
An average straight line corresponding to a linear input / output characteristic and a linear error that is a deviation from the straight line are included. The purpose of the calibration is to measure the linear error, and in the new autonomous calibration method described above, if the small input change given for the calibration is not known, the slope of the average straight line of the calibration curve described above (that is, the average slope) Sensitivity) must be measured with high precision in advance.
For that purpose, it was necessary to measure the average sensitivity using a guaranteed step sample or the like separately from a device for performing data sampling for autonomous calibration. Accordingly, the present invention provides an input device for autonomous calibration of a sensor, in which the function of average sensitivity calibration is integrated into a jig for autonomous calibration so that the average sensitivity calibration can be performed simultaneously during the work of linear error calibration. The purpose is.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】この発明に係るセンサの
自律校正用変位入力装置は、基台と、この基台上にセン
サの校正用入力となる変位を与えるための圧電アクチュ
エータを介して取り付けられた治具と、前記基台に取り
付けられたレーザ光源と、前記治具の裏面に治具と共に
変位するように取り付けられて前記レーザ光源からの出
力光ビームが垂直に入射される可動ミラーと、この可動
ミラーの近傍において前記基台に前記可動ミラーと直交
する反射面をもって取り付けられ、前記レーザ光源から
の出力光ビームの一部が分岐されて垂直に入射される基
準ミラーと、前記可動ミラー及び基準ミラーからの反射
光による干渉縞を検出するための受光素子とを備えたこ
とを特徴とする。A displacement input device for autonomous calibration of a sensor according to the present invention is mounted on a base via a piezoelectric actuator for giving a displacement serving as a sensor calibration input on the base. A jig, a laser light source attached to the base, a movable mirror attached to the back surface of the jig so as to be displaced with the jig, and an output light beam from the laser light source is vertically incident on the jig. A reference mirror attached to the base near the movable mirror with a reflecting surface orthogonal to the movable mirror, and a part of an output light beam from the laser light source is branched and vertically incident; And a light receiving element for detecting interference fringes due to light reflected from the reference mirror.
【0009】この発明によると、センサの自律校正のた
めの変位入力を与える圧電アクチュエータ付きの治具の
下に、可動ミラー、基準ミラー、レーザ光源及び受光素
子等を備えたレーザ干渉計を一体に組み込むことによ
り、段差試料等を別途用いることなく、センサの自律校
正と同時に自律校正に必要なセンサの平均感度を正確に
校正することが可能になる。特にレーザ干渉計では、レ
ーザの波長は1/10000の高精度で保証することが
でき、世界の基準局で保証される段差試料を用いた場合
に比べてより高精度の感度保証が可能になる。According to the present invention, a laser interferometer having a movable mirror, a reference mirror, a laser light source, a light receiving element, and the like is integrated under a jig with a piezoelectric actuator for providing a displacement input for autonomous calibration of a sensor. By incorporating the sensor, the average sensitivity of the sensor required for the autonomous calibration can be accurately calibrated simultaneously with the autonomous calibration of the sensor without using a step sample or the like separately. In particular, in a laser interferometer, the wavelength of a laser can be guaranteed with a high precision of 1/10000, and a higher precision sensitivity can be guaranteed than in the case of using a step sample that is guaranteed by a standard station in the world.
【0010】[0010]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図1はこの発明の一実施例による
自律校正用入力装置の要部を示す平面図であり、図2は
正面図である。基台1には支持枠2が設けられ、この支
持枠2上に中空円筒の圧電アクチュエータ3が取り付け
られている。圧電アクチュエータ3は、中空円筒の軸方
向に伸縮できる。この圧電アクチュエータ3の上端に
は、校正すべきセンサ4に変位入力を与えるための円板
状の治具5が取り付けられている。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a main part of an input device for autonomous calibration according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front view. A support frame 2 is provided on a base 1, and a hollow cylindrical piezoelectric actuator 3 is mounted on the support frame 2. The piezoelectric actuator 3 can expand and contract in the axial direction of the hollow cylinder. A disc-shaped jig 5 for applying a displacement input to a sensor 4 to be calibrated is attached to an upper end of the piezoelectric actuator 3.
【0011】校正すべきセンサ4は例えば静電容量式変
位センサ等の変位センサである。センサ4は支持枠2
(又は基台1)に固定された支持柱6に設けられたZ軸
摺動機構7により、Z軸方向の所定位置に保持される。The sensor 4 to be calibrated is, for example, a displacement sensor such as a capacitance type displacement sensor. The sensor 4 is the support frame 2
It is held at a predetermined position in the Z-axis direction by a Z-axis sliding mechanism 7 provided on a support column 6 fixed to (or the base 1).
【0012】治具5の下には、治具5の変位を干渉縞の
ピッチで制御するためのレーザ干渉計20が組み込まれ
ている。レーザ干渉計20のレーザ光源14は、半導体
レーザであって、基台に取り付けられている。このレー
ザ光源14からの出力レーザ光を治具5の裏面に導くた
めに、プレートビームスプリッタ16と1/4波長板1
7及びミラー13が基台1に取り付けられ、またキュー
ブビームスプリッタ12が支持枠2に取り付けられてい
る。Below the jig 5, a laser interferometer 20 for controlling the displacement of the jig 5 by the pitch of the interference fringes is incorporated. The laser light source 14 of the laser interferometer 20 is a semiconductor laser and is mounted on a base. In order to guide the output laser light from the laser light source 14 to the back surface of the jig 5, the plate beam splitter 16 and the 波長 wavelength plate 1
7 and a mirror 13 are attached to the base 1, and a cube beam splitter 12 is attached to the support frame 2.
【0013】治具5の裏面には、治具5と共に変位し
て、レーザ光が垂直に入射される可動ミラー10が取り
付けられている。支持枠2には、キューブビームスプリ
ッタ12と一体に、可動ミラー10とは直交する反射面
をもって、キューブビームスプリッタ12で分岐された
光が垂直に入射される基準ミラー11が取り付けられて
いる。可動ミラー10と基準ミラー11の光路長差は1
0波長程度以下とする。これにより可動ミラー10及び
基準ミラー11により反射された光は、キューブビーム
スプリッタ12で合波されて干渉縞を作る。この干渉光
は、ミラー13を介し、1/4波長板16及びプレート
ビームスプリッタ16を介して取り出される。この取り
出される干渉光を検出するために、基台1には受光ダイ
オード15が取り付けられている。On the back surface of the jig 5 is mounted a movable mirror 10 which is displaced together with the jig 5 and into which laser light is vertically incident. A reference mirror 11 is attached to the support frame 2 integrally with the cube beam splitter 12 and has a reflecting surface orthogonal to the movable mirror 10 and into which the light split by the cube beam splitter 12 is vertically incident. The optical path length difference between the movable mirror 10 and the reference mirror 11 is 1
It is set to about 0 wavelength or less. Thereby, the light reflected by the movable mirror 10 and the reference mirror 11 is multiplexed by the cube beam splitter 12 to form interference fringes. The interference light is extracted via the mirror 13, the 波長 wavelength plate 16 and the plate beam splitter 16. In order to detect the extracted interference light, a light receiving diode 15 is attached to the base 1.
【0014】受光ダイオード15の出力は、電流電圧変
換回路を含む検出回路21で検出されてコントローラ2
2に送られる。コントローラ22では、干渉縞の零クロ
ス検出等を行って、その検出結果に応じて駆動回路23
に制御信号を送る。駆動回路23は、制御信号に応じて
圧電アクチュエータ3に駆動電圧を供給する。治具5に
対して入力変位を与えると同時に、ある入力変位で治具
5を一時固定的に保持する必要がある場合には、コント
ローラ22は例えば、干渉縞の零クロス点検出を行い、
その検出信号によりアクチュエータ3をロックする機能
を備える。或いはまた、コントローラ22は治具5を振
動的に所定の範囲で変位を与え、零クロス検出信号を、
校正データを取り込むためのトリガ信号として用いるこ
ともできる。The output of the light receiving diode 15 is detected by a detection circuit 21 including a current / voltage conversion circuit,
Sent to 2. The controller 22 performs zero cross detection of interference fringes and the like, and according to the detection result, the drive circuit 23
To the control signal. The drive circuit 23 supplies a drive voltage to the piezoelectric actuator 3 according to the control signal. When the input displacement is given to the jig 5 and the jig 5 needs to be temporarily fixedly held at a certain input displacement, the controller 22 performs, for example, zero cross point detection of interference fringes,
A function of locking the actuator 3 based on the detection signal is provided. Alternatively, the controller 22 vibrates the jig 5 in a predetermined range, and outputs a zero-cross detection signal.
It can also be used as a trigger signal for taking in calibration data.
【0015】具体的にこのような変位入力装置を用いた
変位センサ4の自律校正法を次に説明する。変位センサ
の入出力関係、即ち校正曲線は、図4のように示され
る。多くの場合、平均的な感度を表す直線(校正直線)
からのズレは、その出力の±a%の範囲に入るといった
保証が与えられる。センサ4の入力変位をx,そのとき
の出力をvとして、校正曲線の関数v=f(x)は、下
記数1に示すように、平均感度Smで傾きが与えられる
直線と、この直線からのズレを示す線形誤差g(x)で
表される。A method for autonomously calibrating the displacement sensor 4 using such a displacement input device will now be specifically described. FIG. 4 shows the input / output relationship of the displacement sensor, that is, the calibration curve. In most cases, a line representing the average sensitivity (calibration line)
Is guaranteed to fall within the range of ± a% of its output. Assuming that the input displacement of the sensor 4 is x and the output at that time is v, the function v = f (x) of the calibration curve is represented by a straight line having a gradient given by the average sensitivity Sm, as shown in the following equation 1, and Is represented by a linear error g (x) indicating the deviation of
【0016】[0016]
【数1】v=f(x)=Sm・x+g(x)## EQU1 ## v = f (x) = Sm.x + g (x)
【0017】この実施例においては、校正すべき変位セ
ンサ4による所定の校正範囲の複数の第1のサンプリン
グ点で得られる出力データと、各第1のサンプリング点
に対して微小変化を与えた第2のサンプリング点で得ら
れる出力データとを用い、これらをディジタル化したデ
ータの数値演算のみによって線形誤差の校正を行う。図
3は、その自律校正の処理の流れを示している。In this embodiment, the output data obtained at a plurality of first sampling points in a predetermined calibration range by the displacement sensor 4 to be calibrated and the output data obtained by applying a minute change to each of the first sampling points. The output data obtained at the second sampling point is used, and the linear error is calibrated only by the numerical operation of the digitized data. FIG. 3 shows the flow of the autonomous calibration process.
【0018】図3に示すように、変位センサ4に校正範
囲内で所定の間隔で変位を与えて出力データをサンプリ
ングする(ステップS1)。このステップS1でのサン
プリング点xi(i=1,2,…,n)は、必ずしも等
間隔であることは必要ないが、なるべく校正範囲に均等
に配置する。As shown in FIG. 3, output data is sampled by applying a displacement to the displacement sensor 4 at predetermined intervals within a calibration range (step S1). The sampling points xi (i = 1, 2,..., N) in step S1 do not necessarily have to be at equal intervals, but are arranged as evenly as possible in the calibration range.
【0019】次にステップS1での各サンプリング点x
iに対して微小変位Δxを与えたサンプリング点xi+=
xi+Δxでのデータサンプリングを行う(ステップS
2)。微小変位Δxは既知のものとして与えてもよい
が、実際には出力データの平均化計算により求めたもの
を用いる。以上の2回のサンプリングにより得られたデ
ータから、サンプリング点xiでの出力をviとして、先
ず線形誤差g(x)を無視して、次の数2に基づいてx
iの第0次近似値x0iを計算する(ステップS3)。Next, at each sampling point x in step S1
A sampling point xi + = where a small displacement Δx is given to i
Data sampling at xi + Δx is performed (step S
2). The minute displacement Δx may be given as a known value, but actually, a value obtained by averaging calculation of output data is used. From the data obtained by the two samplings described above, the output at the sampling point xi is defined as vi, first, the linear error g (x) is ignored, and x is obtained based on the following equation (2).
Calculate the 0th order approximate value x0i of i (step S3).
【0020】[0020]
【数2】x01≒vi/Sm[Equation 2] x01 ≒ vi / Sm
【0021】一方、ステップS2で求められた、サンプ
リング点xi+での出力をvi+として、Δxだけ離れた対
応する2つのサプリング点xi,xi+の出力の差分値Δ
viを次の数3により求める。On the other hand, assuming that the output at the sampling point xi + obtained in step S2 is vi + , the difference value Δ of the output of the corresponding two sampling points xi and xi + separated by Δx.
vi is obtained by the following equation (3).
【0022】[0022]
【数3】Δvi=vi+−vi## EQU3 ## Δvi = vi + −vi
【0023】求められた出力の差分値Δviを用いて、
次の数4に基づく数値計算によって線形誤差g(x)の
導関数の第0次近似値g′0(x0i)を求める(ステッ
プS4)。Using the obtained output difference value Δvi,
A zero-order approximation g′0 (x0i) of the derivative of the linear error g (x) is obtained by numerical calculation based on the following equation 4 (step S4).
【0024】[0024]
【数4】 g′0(x0i)=Δg(x)/Δx≒Δvi/Δx−SmG′0 (x0i) = Δg (x) / Δx ≒ Δvi / Δx−Sm
【0025】この導関数の近似値g′0(x0i)は、図
5に示すように、線形誤差g(x)のx0iでの傾きを示
す。続いて、得られた導関数の近似値g′0(x0i)を
数値積分して、線形誤差g(x)の第0次近似値g0
(x)=Σg′0(x0i)Δxを求める(ステップS
5)。修正処理回数jを初期化し(ステップS6)、以
下、ステップS5で得られた線形誤差の第0次近似値g
0(x)を用いて、線形誤差g(x)を所定範囲に収束
させる繰り返し収束演算を行う。即ち、g0(x)を用
いてサンプリング点xiの第0次近似値x0iを修正し
て、第1次近似値x1iを求める(ステップS7)。図5
に示すように、g0(x)を用いて各サンプリング点x
iの第0次近似値x0iを修正すると、次式数5のような
第1次近似値x1iが得られる。The approximate value g'0 (x0i) of the derivative indicates the slope of the linear error g (x) at x0i as shown in FIG. Subsequently, the obtained approximate value g′0 (x0i) of the derivative is numerically integrated to obtain a zeroth-order approximate value g0 of the linear error g (x).
(X) = Σg′0 (x0i) Δx is calculated (step S
5). The number of times of correction processing j is initialized (step S6), and the 0th-order approximation g of the linear error obtained in step S5
Using 0 (x), an iterative convergence operation for converging the linear error g (x) to a predetermined range is performed. That is, the 0th-order approximate value x0i of the sampling point xi is corrected using g0 (x) to obtain a first-order approximate value x1i (step S7). FIG.
, Each sampling point x using g0 (x)
When the 0th-order approximate value x0i of i is corrected, a first-order approximate value x1i as shown in the following equation 5 is obtained.
【0026】[0026]
【数5】x1i={vi−g0(x0i)}/SmX1i = {vi-g0 (x0i)} / Sm
【0027】そして、第1次近似値x1iを用いて数4に
従って導関数の第1次近似値g′1(x1i)を求める
(ステップS8)。得られた近似値を数値積分して線形
誤差g(x)の第1次近似値g1(x1i)を求める(ス
テップS8)。その後、例えば残留誤差が所定範囲に収
束しているか否かの収束判定を行う(ステップS10)。
収束条件を満たさない場合には、修正処理回数jをステ
ップアップし(ステップS11)、以下同様の修正処理を
繰り返す。これにより、導関数g′(x)及び線形誤差
g(x)の近似の精度は改善される。一般に、j番目の
近似値xjiを用いて表した導関数g′j(xji)及びこ
れを積分して得られる線形誤差gj(xji)は、数6の
ように得られる。Then, using the first-order approximate value x1i, a first-order approximate value g'1 (x1i) of the derivative is obtained according to Equation 4 (step S8). The first approximation g1 (x1i) of the linear error g (x) is obtained by numerically integrating the obtained approximation (step S8). Thereafter, for example, a convergence determination is made as to whether or not the residual error has converged to a predetermined range (step S10).
If the convergence condition is not satisfied, the number of times of the correction processing j is increased (step S11), and the same correction processing is repeated thereafter. This improves the approximation accuracy of the derivative g '(x) and the linear error g (x). In general, a derivative g′j (xji) expressed by using the j-th approximate value xji and a linear error gj (xji) obtained by integrating the derivative g′j (xji) are obtained as shown in Expression 6.
【0028】[0028]
【数6】g′j(xji)≒Δvi/Δx−Sm gj(xji)=∫g′j(xji)dxG'j (xji) ≒ Δvi / Δx-Sm gj (xji) = ∫g'j (xji) dx
【0029】これを用いると、近似値xjiを修正したj
+1番目の近似値xj+1iが、次式数7のように得られ
る。By using this, j obtained by modifying the approximate value xji
The + 1st approximate value xj + 1i is obtained as in the following equation (7).
【0029】[0029]
【数7】xj+1i={vi−gj(xji)}/SmXj + 1i = {vi-gj (xji)} / Sm
【0030】修正処理の回数jを増すと、xiと線形誤
差関数g(x)の近似度が次第に改善され、正確な校正
曲線に収束させることができる。なお上記説明では、線
形誤差関数を直接求める手順を示したが、線形誤差関数
の逆関数をまず求める方法もあり、この場合には修正の
繰り返しは不要になる(先の引用文献,参照)。一
般に、平均感度Smと微小変位Δxとの関係は、下記数
8で表わされる。When the number j of the correction processing is increased, the degree of approximation of xi and the linear error function g (x) is gradually improved, and it is possible to converge on an accurate calibration curve. In the above description, the procedure for directly obtaining the linear error function has been described. However, there is also a method for obtaining the inverse function of the linear error function first, and in this case, the repetition of the correction is not necessary (see the above cited documents). Generally, the relationship between the average sensitivity Sm and the small displacement Δx is expressed by the following equation (8).
【0031】[0031]
【数8】Sm・Δx=ΣΔvi/nSm · Δx = ΣΔvi / n
【0032】従って、SmとΔxの一方が正確に分かっ
ていれば、他方を計算により求めることができる。例え
ば、平均感度Smが予め正確に分かっていれば、数8に
基づいて微小変位Δxを計算により正確に求めることが
できる。得られた微小変位Δxを用いて数4以下の計算
が可能となる。このとき、サンプリング点xiはほぼ均
等に配置されればよく、正確な値は必ずしも知る必要は
ない。Therefore, if one of Sm and Δx is known accurately, the other can be obtained by calculation. For example, if the average sensitivity Sm is known in advance, the minute displacement Δx can be accurately obtained by calculation based on Equation 8. Using the obtained small displacement Δx, the calculation of Equation 4 or less becomes possible. At this time, the sampling points xi only need to be arranged substantially uniformly, and it is not always necessary to know the exact value.
【0033】この実施例の変位入力装置を用いると、上
述した変位センサの線形誤差校正に必要な平均感度Sm
を、線形誤差校正の作業中にその場で校正することがで
きる。即ち、治具5に与える微小変位をレーザ干渉計2
0の干渉縞間隔で制御して、得られた出力データを平均
化することにより、精密な平均感度Smが得られる。干
渉計以外の変位センサで平均感度が未知である場合、従
来は平均感度を別途段差試料等を用いて測定することが
必要であったが、この実施例によると、自律校正用治具
と一体に組み込んだレーザ干渉計20により、線形誤差
校正と同時に平均感度校正ができる。しかも、干渉計の
波長を基準に平均感度を決定するので、極めて高精度の
平均感度を求めることができる。段差試料等の場合、汚
れたりして信頼性が失われる可能性があるが、レーザ干
渉計ではこのような心配もない。更に、レーザ干渉計2
0はアクチュエータ3の最大変位以内の変位が検出でき
ればよいので、構成も単純でコンパクトである。干渉腕
の光路差を高々10波長程度とすれば、干渉縞のドリフ
トも小さく抑えられる。When the displacement input device of this embodiment is used, the average sensitivity Sm required for the linear error calibration of the displacement sensor described above is obtained.
Can be calibrated on-the-fly during a linear error calibration operation. That is, the minute displacement given to the jig 5 is
By averaging the obtained output data while controlling at an interference fringe interval of 0, a precise average sensitivity Sm can be obtained. In the case where the average sensitivity is unknown using a displacement sensor other than the interferometer, it was conventionally necessary to measure the average sensitivity separately using a step sample, etc., but according to this embodiment, the average sensitivity is integrated with the autonomous calibration jig. With the laser interferometer 20 incorporated in the above, the average sensitivity calibration can be performed simultaneously with the linear error calibration. Moreover, since the average sensitivity is determined based on the wavelength of the interferometer, it is possible to obtain an average sensitivity with extremely high accuracy. In the case of a step sample or the like, there is a possibility that the reliability may be lost due to contamination, but there is no such concern in the laser interferometer. Further, the laser interferometer 2
Since 0 is only required to detect a displacement within the maximum displacement of the actuator 3, the configuration is simple and compact. If the optical path difference between the interference arms is at most about 10 wavelengths, the drift of the interference fringes can be suppressed to a small value.
【0034】なおこの発明は上記実施例に限られない。
例えば実施例では、空間伝搬のレーザ干渉計を組み込ん
だが、光ファイバやガラス棒を導波媒体として用いて、
それらの端面にミラーを固定した干渉計としてもよい。
また広い測定範囲を有するセンサの校正には、実施例の
入力装置全体を大きな可動範囲を持つ可動台に設置して
入力装置とすることができる。この場合には、エンコー
ダの読み取り部をX軸ステージに載せた装置に固定する
ことにより、そのエンコーダの平均ピッチを含めた自律
校正を行うことができる。更にこの発明に係る入力装置
は、変位センサの自律校正に限らず、角度センサの自律
校正にも適用することができる。The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the embodiment, a laser interferometer for space propagation is incorporated, but using an optical fiber or a glass rod as a waveguide medium,
Interferometers having mirrors fixed to their end surfaces may be used.
Further, for calibration of a sensor having a wide measurement range, the entire input device of the embodiment can be installed on a movable base having a large movable range to be an input device. In this case, by fixing the reading unit of the encoder to a device mounted on the X-axis stage, autonomous calibration including the average pitch of the encoder can be performed. Further, the input device according to the present invention can be applied not only to the autonomous calibration of the displacement sensor but also to the autonomous calibration of the angle sensor.
【0035】[0035]
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、セ
ンサの自律校正のための変位入力を与える圧電アクチュ
エータ付きの治具の下に、レーザ干渉計を一体に組み込
むことにより、センサの自律校正と同時に自律校正に必
要なセンサの平均感度を正確に校正することが可能にな
る。特にレーザ干渉計では、レーザの波長は高精度で保
証することができ、段差試料を用いた場合に比べてより
高精度の感度保証が可能になる。As described above, according to the present invention, the laser interferometer is integrated under a jig with a piezoelectric actuator for giving a displacement input for autonomous calibration of the sensor. At the same time as the calibration, the average sensitivity of the sensor required for the autonomous calibration can be accurately calibrated. In particular, in a laser interferometer, the wavelength of the laser can be guaranteed with high accuracy, and the sensitivity can be guaranteed with higher accuracy than when a step sample is used.
【図1】 この発明の一実施例による変位入力装置の要
部校正を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing main part calibration of a displacement input device according to an embodiment of the present invention.
【図2】 同実施例の変位入力装置の正面図である。FIG. 2 is a front view of the displacement input device of the embodiment.
【図3】 同実施例の装置を用いたセンサの自律校正の
処理に流れを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a flow of a process of autonomous calibration of a sensor using the apparatus of the embodiment.
【図4】 センサの校正曲線上で差分値計算と入力の近
似値計算を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining difference value calculation and input approximate value calculation on a calibration curve of a sensor.
【図5】 線形誤差の導関数の近似値計算の説明するた
めの図である。FIG. 5 is a diagram for explaining calculation of an approximate value of a derivative of a linear error.
【図6】 線形誤差の近似値計算を説明するための図で
ある。FIG. 6 is a diagram for explaining calculation of an approximate value of a linear error.
1…基台、2…支持枠、3…圧電アクチュエータ、4…
変位センサ、5…治具、10…可動ミラー、11…基準
ミラー、12…キューブビームスプリッタ、12…ミラ
ー、14…レーザ光源、15…受光ダイオード、16…
プレートビームスプリッタ、17…1/4波長板、21
…検出回路、22…コントローラ、23…駆動回路。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base, 2 ... Support frame, 3 ... Piezoelectric actuator, 4 ...
Displacement sensor, 5 ... jig, 10 ... movable mirror, 11 ... reference mirror, 12 ... cube beam splitter, 12 ... mirror, 14 ... laser light source, 15 ... light receiving diode, 16 ...
Plate beam splitter, 17 ... 1/4 wavelength plate, 21
... Detection circuit, 22 ... Controller, 23 ... Drive circuit.
Claims (1)
めの圧電アクチュエータを介して取り付けられた治具
と、 前記基台に取り付けられたレーザ光源と、 前記治具の裏面に治具と共に変位するように取り付けら
れて前記レーザ光源からの出力光ビームが垂直に入射さ
れる可動ミラーと、 この可動ミラーの近傍において前記基台に前記可動ミラ
ーと直交する反射面をもって取り付けられ、前記レーザ
光源からの出力光ビームの一部が分岐されて垂直に入射
される基準ミラーと、 前記可動ミラー及び基準ミラーからの反射光による干渉
縞を検出するための受光素子とを備えたことを特徴とす
るセンサの自律校正用変位入力装置。A base mounted on the base, a jig mounted on the base via a piezoelectric actuator for applying a displacement serving as a sensor calibration input, a laser light source mounted on the base, A movable mirror which is attached to the back surface of the jig so as to be displaced together with the jig and into which the output light beam from the laser light source is vertically incident; and a reflection orthogonal to the movable mirror on the base near the movable mirror. A reference mirror attached with a surface, a part of the output light beam from the laser light source is branched and vertically incident, and a light receiving element for detecting interference fringes due to reflected light from the movable mirror and the reference mirror. A displacement input device for autonomous calibration of a sensor, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13014798A JPH11325976A (en) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | Displacement input device for autonomous calibration of sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13014798A JPH11325976A (en) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | Displacement input device for autonomous calibration of sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11325976A true JPH11325976A (en) | 1999-11-26 |
Family
ID=15027107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP13014798A Pending JPH11325976A (en) | 1998-05-13 | 1998-05-13 | Displacement input device for autonomous calibration of sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11325976A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007327754A (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-20 | Okamoto Machine Tool Works Ltd | Straightness measuring method of workpiece and surface grinding method of work |
CN109696121A (en) * | 2019-02-25 | 2019-04-30 | 天津工业大学 | A kind of quick calibration method based on laser interferometer light path |
-
1998
- 1998-05-13 JP JP13014798A patent/JPH11325976A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007327754A (en) * | 2006-06-06 | 2007-12-20 | Okamoto Machine Tool Works Ltd | Straightness measuring method of workpiece and surface grinding method of work |
CN109696121A (en) * | 2019-02-25 | 2019-04-30 | 天津工业大学 | A kind of quick calibration method based on laser interferometer light path |
CN109696121B (en) * | 2019-02-25 | 2020-07-17 | 天津工业大学 | Rapid calibration method based on laser interferometer detection light path |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5978743A (en) | Self-calibration method for a sensor | |
US6008902A (en) | Method and device for heterodyne interferometer error correction | |
US5589938A (en) | Method and apparatus for optical interferometric measurements with reduced sensitivity to vibration | |
US5432606A (en) | Interferometer for the measurement of surface profile which introduces a spatial carrier by tilting the reference mirror | |
JP4776473B2 (en) | Optical axis deflection laser interferometer, its calibration method, correction method, and measurement method | |
US20060098209A1 (en) | Method for calibration and removal of wavefront errors | |
US20100020330A1 (en) | Interferometer Calibration System and Method | |
TW201809590A (en) | Precision positioning system using a wavelength tunable laser | |
CN104215176A (en) | High accuracy optical interval measurement device and method | |
JP2561861B2 (en) | Combined scale and interferometer | |
KR100814638B1 (en) | Displacement Amount Measuring System Using Laser Interferometer and Error Correcting Method thereof | |
US7446883B2 (en) | Method and apparatus for tilt corrected lateral shear in a lateral shear plus rotational shear absolute flat test | |
EP1590625A2 (en) | Interferometer | |
JP3304111B2 (en) | Apparatus and method for measuring refractive index distribution of refractive index distribution type optical element | |
JPH11325976A (en) | Displacement input device for autonomous calibration of sensor | |
JP4376103B2 (en) | Interferometer device and optical interferometry | |
WO2004029545A2 (en) | Method and apparatus for determining the wavelength of an input light beam | |
Wilhelm et al. | A novel low coherence fibre optic interferometer for position and thickness measurements with unattained accuracy | |
JP2966568B2 (en) | Interferometer | |
JP4247742B2 (en) | Wavelength measuring method and spectroscopic device using the same | |
JP2015010920A (en) | Refractive index measurement method, refractive index measurement apparatus, and optical element manufacturing method | |
JPH0466803A (en) | Method for calibrating phase modulating mechanism in fringe scanning interference measuring method | |
Kiyono et al. | Subnanometric calibration of a differential interferometer | |
JPH0854261A (en) | Autonomous calibration of linear error measuring apparatus, sensor or actuator by itself | |
Rouhet et al. | Applications of fiber optic sensors to cryogenic spacecraft engines |