JP2003254784A - Method and device for calibrating displacement - Google Patents

Method and device for calibrating displacement

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JP2003254784A
JP2003254784A JP2002054013A JP2002054013A JP2003254784A JP 2003254784 A JP2003254784 A JP 2003254784A JP 2002054013 A JP2002054013 A JP 2002054013A JP 2002054013 A JP2002054013 A JP 2002054013A JP 2003254784 A JP2003254784 A JP 2003254784A
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JP
Japan
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position detection
detection signal
φbn
φan
error
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Application number
JP2002054013A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirakazu Ozeki
衡和 大関
Motonori Ogiwara
元徳 荻原
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce uncertainty in calibration below the wavelength cycle of a displacement calibrating system by correcting an error in a position detection signal and reducing an error in position, thereby reducing the calibration time and improving the accuracy in reference position. <P>SOLUTION: Two-phase sine wave-like displacement detection signals ϕA<SB>n</SB>, ϕB<SB>n</SB>(n=1, 2, 3,...) having different phases, and a position detection signal X<SB>n</SB>(n=1, 2, 3,...) of an object for correction 8 are subjected to sampling at the same time for displacement calibration. For each sampled displacement detection signal ϕA<SB>n</SB>and ϕB<SB>n</SB>, based on position detection signals ϕA<SB>n-k1</SB>-ϕA<SB>n+k2</SB>and ϕB<SB>n-k1</SB>-ϕB<SB>n+k2</SB>in a range more than 1 wavelength including ϕA<SB>n</SB>and ϕB<SB>n</SB>, errors in amplitude, offset and phase of the position detection signals ϕA<SB>n</SB>and ϕB<SB>n</SB>are corrected to obtain: ϕA<SB>n</SB>'=A<SB>n</SB>'cos(θ<SB>n</SB>+ΔθA<SB>n</SB>')+VA<SB>n</SB>'; and ϕBn'=B<SB>n</SB>'sin(θ<SB>n</SB>+ΔθB<SB>n</SB>')+VB<SB>n</SB>' (A<SB>n</SB>'=B<SB>n</SB>', ΔθA<SB>n</SB>'=ΔθB<SB>n</SB>', VA<SB>n</SB>'=VB<SB>n</SB>'). A reference position detection signal Pn' in which an error in wavelength cycle and a displacement detection detection signal for 1/2 cycle is reduced is used to calibrate the displacement detection signal Xn as an object for calibration. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、変位校正方法及び
装置に係り、特に、レーザ干渉計を用いた位置変位の検
出器校正システムに用いるのに好適な、位置検出信号の
誤差を低減して、高速走査運動と参照位置の高精度化を
両立させることが可能な変位校正方法及び装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement calibration method and apparatus, and more particularly, to reducing the error of a position detection signal suitable for use in a position displacement detector calibration system using a laser interferometer. The present invention relates to a displacement calibration method and device capable of achieving both high-speed scanning motion and high accuracy of reference position.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ干渉計を用いた位置変位の検出器
校正システムが知られている。これは、例えば図1に示
す如く、水平に移動するスライダ10の駆動案内機構部
12の内部にレーザ干渉測長計(レーザ干渉計と称す
る)20の光軸(レーザ光軸)22を配置し、スライダ
10の端面に設けた測定基準面14の位置をレーザ干渉
計20により計測する。
2. Description of the Related Art A position displacement detector calibration system using a laser interferometer is known. For example, as shown in FIG. 1, an optical axis (laser optical axis) 22 of a laser interferometer (referred to as a laser interferometer) 20 is arranged inside a drive guide mechanism section 12 of a slider 10 which moves horizontally. The position of the measurement reference surface 14 provided on the end surface of the slider 10 is measured by the laser interferometer 20.

【0003】校正は、測定基準面14に校正対象8を配
置し、スライダ端面の測定基準面14を移動させなが
ら、レーザ干渉計20から出力される二相正弦波φAn、
φBnと校正対象8の出力Xnをデータ処理部30で同時に
サンプリングして、レーザ干渉計20の出力を基準に校
正対象8の出力Xnを校正することにより行なう。図にお
いて、24はレーザ光源、26はカウンタ部、28は駆
動制御部である。
For calibration, the calibration target 8 is placed on the measurement reference plane 14, and the two-phase sine wave φAn output from the laser interferometer 20 while moving the measurement reference plane 14 at the slider end face,
This is performed by simultaneously sampling φBn and the output Xn of the calibration target 8 in the data processing unit 30, and calibrating the output Xn of the calibration target 8 based on the output of the laser interferometer 20. In the figure, 24 is a laser light source, 26 is a counter section, and 28 is a drive control section.

【0004】このように、位置検出信号として、次の
(1)(2)式に示すような波長λの二相正弦波φA
n、φBnを出力する変位校正システムにおいて、位置P
nは、(3)式のように波長λと波長以下の変位ΔPnと
で表わされる。
Thus, as the position detection signal, a two-phase sine wave φA having a wavelength λ as shown in the following equations (1) and (2)
In the displacement calibration system that outputs n and φBn, position P
n is represented by the wavelength λ and the displacement ΔPn below the wavelength as in the equation (3).

【0005】 φAn=An cos(θn+ΔθAn)+VAn …(1) φBn=Bn sin(θn+ΔθBn)+VBn …(2) n=1,2,3,…(サンプリング番号) Pn=mλ+ΔPn(ΔPn<λ) …(3) m=0,±1,±2,±3,…[0005] φAn = An cos (θn + ΔθAn) + VAn (1) φBn = Bn sin (θn + ΔθBn) + VBn (2) n = 1, 2, 3, ... (Sampling number) Pn = mλ + ΔPn (ΔPn <λ) (3) m = 0, ± 1, ± 2, ± 3, ...

【0006】従って、サンプリングされたφAn、φBn
の値を用いて、次の(4)(5)(6)式により角度θ
nを算出し、更に(7)式によりΔPnを求めることによ
って、変位校正システムの位置Pnは、波長以下の位置
について検出することができる。
Therefore, the sampled φAn and φBn
The angle θ is calculated by the following equations (4), (5) and (6) using the value of
The position Pn of the displacement calibration system can be detected at a position equal to or shorter than the wavelength by calculating n and further obtaining ΔPn by the equation (7).

【0007】[0007]

【数1】 [Equation 1]

【0008】(1)(2)式について、角度θn(0〜3
60°)を1°刻みでφAn、φBnそれぞれに振幅1%の
白色雑音を与える条件で100回測定した場合の角度算
出誤差の標準偏差を図2に示す。図2より、角度θnの
算出においては、角度θnが(8)式の範囲については
(5)式、(9)式の範囲については(6)式を用いる
ことにより、角度算出誤差を低減することが可能となる
ことがわかる。また、(4)式により角度θnを算出す
ることも可能だが、その場合(10)式に示される角度
θnでは角度算出誤差が大きくなる。
Regarding the expressions (1) and (2), the angle θn (0 to 3)
FIG. 2 shows the standard deviation of the angle calculation error in the case where 100 ° is measured 100 times under the condition that white noise with an amplitude of 1% is applied to φAn and φBn in 1 ° increments. From FIG. 2, in calculating the angle θn, the angle calculation error is reduced by using the formula (5) for the range of the formula (8) and the formula (6) for the range of the formula (9). It turns out that it is possible. It is also possible to calculate the angle θn by the expression (4), but in that case, the angle calculation error becomes large at the angle θn shown in the expression (10).

【0009】 L×180°−45゜≦θn≦L×180°+45゜(L=0,1,2,3,・・・)…(8) L×180°+45°≦θn≦L×180°+135゜(L=0,1,2,3,・・・)…(9) θn=L×180°+90° (L=0,1,2,3,・・・)…(10)[0009]     L × 180 ° −45 ° ≦ θn ≦ L × 180 ° + 45 ° (L = 0,1,2,3, ...)… (8)     L × 180 ° + 45 ° ≦ θn ≦ L × 180 ° + 135 ° (L = 0,1,2,3, ...)… (9)     θn = L × 180 ° + 90 ° (L = 0,1,2,3, ...) (10)

【0010】今、変位校正システムが、図3に示すよう
に、位置Pan=0〜λの動作をする場合について考え
る。図3は、等速運動時の変位Pを波長λで正規化して
示したものである。
Now, consider a case where the displacement calibration system operates at positions Pan = 0 to λ, as shown in FIG. FIG. 3 shows the displacement P during constant velocity motion normalized by the wavelength λ.

【0011】二相正弦波に振幅・オフセット・位相の誤
差が無い時、(1)、(2)式は、次の(11)、(1
2)式のように表わせる。
When there is no amplitude / offset / phase error in the two-phase sine wave, equations (1) and (2) are as follows (11) and (1
It can be expressed as in equation 2).

【0012】 φAn=An cos(θn) …(11) φBn=Bn sin(θn) …(12)[0012] φAn = An cos (θn) (11) φBn = Bn sin (θn) (12)

【0013】φAn、φBnの出力波形を図4に、φAn
とφBnの相対関係を表すリサージュ波形を図5に示
す。リサージュ波形の半径Rnは、次の(13)式によ
り算出できる。
The output waveforms of φAn and φBn are shown in FIG.
FIG. 5 shows a Lissajous waveform showing the relative relationship between and φBn. The radius Rn of the Lissajous waveform can be calculated by the following equation (13).

【0014】[0014]

【数2】 [Equation 2]

【0015】角度θnと半径Rnの関係を、振幅Rで正規
化して、図6に示す。(11)、(12)式のように振
幅・オフセット・位相の誤差が無い時には、リサージュ
波形は、図5に示したように、中心(0,0)、半径R
の真円となる。
The relationship between the angle θn and the radius Rn is normalized by the amplitude R and is shown in FIG. When there are no amplitude / offset / phase errors as shown in equations (11) and (12), the Lissajous waveform has a center (0, 0) and a radius R as shown in FIG.
Is a perfect circle.

【0016】次の(14)式のように、実際の位置Pan
と検出位置Pnとの差分で表わされる位置誤差Enは、二
相正弦波に位置・オフセット・位相の誤差が無い時に
は、図7に示す如く、波長1周期間の位置誤差は0とな
る。
As shown in the following equation (14), the actual position Pan
The position error En represented by the difference between the detected position Pn and the detected position Pn is 0 when the two-phase sine wave has no position / offset / phase error, as shown in FIG.

【0017】 En=Pan−Pn …(14)[0017] En = Pan-Pn (14)

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
システムにおいては、検出ノイズや温度ドリフト等の影
響により、二相正弦波に振幅・オフセット・位相の誤差
が発生する。
However, in an actual system, errors of amplitude, offset, and phase occur in the two-phase sine wave due to the influence of detection noise, temperature drift, and the like.

【0019】(11)、(12)式において、φAnの
振幅に5%の誤差がある場合(An=1.05R、Bn=
R)について考える。φAn、φBnの出力波形を図8
に、リサージュ波形を図9に示す。システムの位置Pan
は図3と同様とする。
In equations (11) and (12), when there is a 5% error in the amplitude of φAn (An = 1.05R, Bn =
Think about R). Figure 8 shows the output waveforms of φAn and φBn.
The Lissajous waveform is shown in FIG. System position Pan
Is the same as in FIG.

【0020】振幅誤差5%のときの角度θnと半径Rnの
関係を図10に示す。振幅誤差の影響により、180°
周期(=1/2波長周期)で5%の半径の変動があるこ
とが分かる。
FIG. 10 shows the relationship between the angle θn and the radius Rn when the amplitude error is 5%. 180 ° due to the effect of amplitude error
It can be seen that there is a 5% radius variation in the cycle (= 1/2 wavelength cycle).

【0021】実際の位置Panと、振幅誤差を含んだφA
n、φBnから算出した検出位置Pnとの位置誤差Enを図
11に示す。振幅誤差の影響により、1/2波長周期の
位置誤差が発生していることが分かる。
ΦA including the actual position Pan and the amplitude error
FIG. 11 shows the position error En with respect to the detected position Pn calculated from n and φBn. It can be seen that a position error of 1/2 wavelength period occurs due to the influence of the amplitude error.

【0022】同様にして、オフセット誤差を5%とした
ときの位置誤差を図12に、位相誤差が5°としたとき
の位置誤差を図13に示す。図12、図13から、オフ
セット誤差がある場合には1波長周期、位相誤差がある
場合には1/2波長周期の位置誤差が発生することが分
かる。
Similarly, FIG. 12 shows the position error when the offset error is 5%, and FIG. 13 shows the position error when the phase error is 5 °. It can be seen from FIGS. 12 and 13 that a position error of one wavelength period occurs when there is an offset error and a half wavelength period occurs when there is a phase error.

【0023】このように、高精度レーザ干渉計の検出信
号を用いたリアルタイム高速走査運動制御用の一般的な
分割回路の精度は、種々の誤差を含むため、高精度校正
に十分な精度の参照位置を求めることができないという
問題点を有していた。
As described above, since the accuracy of a general division circuit for real-time high-speed scanning motion control using the detection signal of the high-accuracy laser interferometer includes various errors, a reference of accuracy sufficient for high-accuracy calibration is required. There was a problem that the position could not be obtained.

【0024】但し、ここでの波長λは、干渉計からの正
弦波信号の1周期に相当する長さを言う。レーザ干渉計
のレーザ波長λ0との関係は、干渉計の光学設計によっ
て異なる。
However, the wavelength λ here means a length corresponding to one cycle of the sine wave signal from the interferometer. The relationship with the laser wavelength λ0 of the laser interferometer depends on the optical design of the interferometer.

【0025】シングルパスのマイケルソン干渉計では、
λ=λ0/2であり、ダブルパスのマイケルソン干渉計
では、λ=λ0/4となる。
In a single-pass Michelson interferometer,
λ = λ0 / 2, and in a double-pass Michelson interferometer, λ = λ0 / 4.

【0026】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、校正時の位置検出信号の誤差を補正
して高精度参照位置を求め、被検体の位置検出信号の高
精度校正を実現して、校正時間の短縮と参照位置の高精
度化を両立させることを課題とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. The error of the position detection signal at the time of calibration is corrected to obtain a high-precision reference position, and high-precision calibration of the position detection signal of the subject is performed. Therefore, it is an object to achieve both the shortening of the calibration time and the high accuracy of the reference position.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】本発明は、位置検出信号
に位相の異なる二相正弦波状信号 φAn=An cos(θn+ΔθAn)+VAn φBn=Bn sin(θn+ΔθBn)+VBn (n=1,2,3,…)と、校正対象の位置検出信号X
n(n=1,2,3,…)を同時にサンプリングする変
位校正方法において、サンプリングされた各位置検出信
号φAn、φBnについて、φAn、φBnを含む1波長以
上の範囲の位置検出信号φAn-k1〜φAn+k2、φBn-k1
〜φBn+k2から、位置検出信号φAn、φBnにおける振
幅・オフセット・位相の誤差を補正した位置検出信号 φAn´=An´cos(θn+ΔθAn´)+VAn´ φBn´=Bn´sin(θn+ΔθBn´)+VBn´ (An´=Bn´、ΔθAn´=ΔθBn´、VAn´=VBn
´)を求め、波長周期及び、その1/2周期の位置検出
信号の誤差を低減した基準位置検出信号Pn´を用い
て、校正対象の位置検出信号Xnを校正するようにし
て、前記課題を解決したものである。
According to the present invention, a two-phase sinusoidal signal φAn = An cos (θn + ΔθAn) + VAn φBn = Bn sin (θn + ΔθBn) + VBn (n = 1, 2, 3, 3) having different phases in a position detection signal. …) And the position detection signal X to be calibrated
In the displacement calibration method for sampling n (n = 1, 2, 3, ...) Simultaneously, for each sampled position detection signal φAn, φBn, a position detection signal φAn-k1 in the range of one wavelength or more including φAn, φBn. ~ ΦAn + k2, φBn-k1
From φBn + k2, position detection signals φAn ′ = An′cos (θn + ΔθAn ′) + VAn ′ φBn ′ = Bn′sin (θn + ΔθBn ′) + VBn ′ are obtained by correcting the amplitude / offset / phase errors in the position detection signals φAn and φBn. (An '= Bn', ΔθAn '= ΔθBn', VAn '= VBn
′) Is obtained, and the position detection signal Xn to be calibrated is calibrated by using the reference position detection signal Pn ′ in which the error of the position detection signal of the wavelength cycle and its 1/2 cycle is reduced, and It has been resolved.

【0028】本発明は、又、位置検出信号に位相の異な
る二相正弦波状信号 φAn=An cos(θn+ΔθAn)+VAn φBn=Bn sin(θn+ΔθBn)+VBn (n=1,2,3,…)と、校正対象の位置検出信号X
n(n=1,2,3,…)を同時にサンプリングする変
位校正装置において、サンプリングされた各位置検出信
号φAn、φBnについて、φAn、φBnを含む1波長以
上の範囲の位置検出信号φAn-k1〜φAn+k2、φBn-k1
〜φBn+k2から、位置検出信号φAn、φBnにおける振
幅・オフセット・位相の誤差を補正した位置検出信号 φAn´=An´cos(θn+ΔθAn´)+VAn´ φBn´=Bn´sin(θn+ΔθBn´)+VBn´ (An´=Bn´、ΔθAn´=ΔθBn´、VAn´=VBn
´)を求める手段と、波長周期及び、その1/2周期の
位置検出信号の誤差を低減した基準位置検出信号Pn´
を用いて、校正対象の位置検出信号Xnを校正する手段
とを備えることにより、前記課題を解決したものであ
る。
According to the present invention, a two-phase sinusoidal signal φAn = An cos (θn + ΔθAn) + VAn φBn = Bn sin (θn + ΔθBn) + VBn (n = 1,2,3, ...) Position detection signal X for calibration
In a displacement calibrating device that simultaneously samples n (n = 1, 2, 3, ...) For each sampled position detection signal φAn, φBn, a position detection signal φAn-k1 in the range of one wavelength or more including φAn, φBn. ~ ΦAn + k2, φBn-k1
From φBn + k2, position detection signals φAn ′ = An′cos (θn + ΔθAn ′) + VAn ′ φBn ′ = Bn′sin (θn + ΔθBn ′) + VBn ′ are obtained by correcting the amplitude / offset / phase errors in the position detection signals φAn and φBn. (An '= Bn', ΔθAn '= ΔθBn', VAn '= VBn
′) And a reference position detection signal Pn ′ in which the error of the position detection signal of the wavelength cycle and its half cycle is reduced.
And a means for calibrating the position detection signal Xn to be calibrated by using the above.

【0029】又、前記位置検出信号φAn、φBnの振幅
・オフセット・位相の誤差を求める際に、振幅・オフセ
ット・位相誤差の空間的な分布に合わせて、誤差を求め
る位置検出信号に対して1波長周期毎に重み付けを行な
うことで、振幅・オフセット・位相誤差の推定不確かさ
を低減するようにしたものである。
Further, when the amplitude / offset / phase errors of the position detection signals φAn and φBn are calculated, 1 is added to the position detection signal for which the error is calculated in accordance with the spatial distribution of the amplitude / offset / phase errors. Weighting is performed for each wavelength period to reduce the estimation uncertainty of the amplitude / offset / phase error.

【0030】本発明は又、前記の変位校正方法を実施す
るためのコンピュータプログラムを提供するものであ
る。
The present invention also provides a computer program for implementing the above displacement calibration method.

【0031】又、前記の変位校正装置を実現するための
コンピュータプログラムを提供するものである。
The present invention also provides a computer program for realizing the above-mentioned displacement calibrating device.

【0032】又、前記のコンピュータプログラムが記録
された、コンピュータ読取り可能な記録媒体を提供する
ものである。
Further, the present invention provides a computer-readable recording medium in which the above computer program is recorded.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0034】本実施形態は、図1に示したような、レー
ザ干渉計20を用いた位置変位の検出器校正システムに
本発明を適用したものである。
In this embodiment, the present invention is applied to a position displacement detector calibration system using a laser interferometer 20 as shown in FIG.

【0035】本実施形態では、レーザ干渉計20から出
力される二相正弦波φAn、φBnと校正対象8の出力X
nをデータ処理部30で同時にサンプリングして、二相
正弦波φAn、φBnの振幅・位相・オフセットの誤差を
補正して校正システムの変位Pn´を算出し、Pn´を基
準として校正対象8の出力Xnを校正する。
In the present embodiment, the two-phase sine waves φAn, φBn output from the laser interferometer 20 and the output X of the calibration target 8 are output.
n is simultaneously sampled by the data processing unit 30, the displacement Pn ′ of the calibration system is calculated by correcting the amplitude / phase / offset error of the two-phase sine waves φAn, φBn, and Pn ′ is used as a reference for the calibration target 8. Calibrate the output Xn.

【0036】変位校正システムにより、変位センサを校
正した例を図14に示す。図14は、変位センサの出力
Xnと校正システムの変位Pnとの差分を示しており、1
/2波長周期で変動が発生している。差分には、変位セ
ンサの誤差と校正システムの位置誤差Enが含まれてい
る。
FIG. 14 shows an example in which the displacement sensor is calibrated by the displacement calibration system. FIG. 14 shows the difference between the output Xn of the displacement sensor and the displacement Pn of the calibration system.
Fluctuations occur in the / 2 wavelength cycle. The difference includes the displacement sensor error and the calibration system position error En.

【0037】変位校正システムにおいて、変位センサの
出力Xnと同時にサンプリングした、位置検出に用いる
二相正弦波φAn、φBnのリサージュ波形を図15に示
す。前出(5)又は(6)、(13)式により、リサー
ジュ波形の角度と半径を算出した結果を図16に、図1
5の角度に対する半径の変動について空間周波数解析を
行なった結果を図17に示す。X軸の数値は、リサージ
ュ波形の1回転(0〜360°)における振動数を表わ
し、180°周期及び360°周期の変動が大きい。こ
のことから、図14の1/2波長周期の誤差の変動は、
二相正弦波の振幅・オフセット・位相の誤差による位置
誤差であると言える。
FIG. 15 shows Lissajous waveforms of the two-phase sine waves φAn and φBn used for position detection, which are sampled at the same time as the output Xn of the displacement sensor in the displacement calibration system. FIG. 16 shows the result of calculating the angle and radius of the Lissajous waveform by the above equations (5) or (6) and (13).
FIG. 17 shows the result of the spatial frequency analysis performed on the radius variation with respect to the angle of 5. The numerical value on the X-axis represents the frequency in one rotation (0 to 360 °) of the Lissajous waveform, and the fluctuations in the 180 ° cycle and the 360 ° cycle are large. From this, the variation of the error of the 1/2 wavelength period in FIG.
It can be said that this is a position error due to an error in the amplitude / offset / phase of the two-phase sine wave.

【0038】そこで、サンプリングした二相正弦波の各
データに対して、そのデータを含む1波長分(リサージ
ュ1回転)のデータから、振幅・オフセット・位相の誤
差を補正した。
Therefore, for each sampled two-phase sine wave data, the amplitude / offset / phase error was corrected from the data for one wavelength (one Lissajous rotation) containing the data.

【0039】具体的には、図18に示す如く、あるサン
プリングデータφAn、φBn(n=1,2,3,…)を
含んだ1波長分のデータφAn-k1〜φAn+k2、φBn-k1
〜φBn+k2(k1、k2は任意)について、リサージュ波形
の角度と半径を算出し、半径のばらつき(変動幅)が最
小になるように、(1)、(2)式のAn、ΔθAn、VA
n、Bn、ΔθBn、VBnの値を補正することにより、振幅
・オフセット・位相の誤差を補正する。
Specifically, as shown in FIG. 18, one wavelength of data φAn-k1 to φAn + k2, φBn-k1 including certain sampling data φAn, φBn (n = 1, 2, 3, ...)
˜φBn + k2 (k1 and k2 are arbitrary), calculate the angle and radius of the Lissajous waveform, and keep An and ΔθAn of Equations (1) and (2) to minimize the radius variation (variation range). VA
Amplitude / offset / phase errors are corrected by correcting the values of n, Bn, ΔθBn, and VBn.

【0040】更に具体的には、例えばリサージュ半径R
のばらつきを表わす評価関数
More specifically, for example, the Lissajous radius R
Evaluation function that represents the dispersion of

【外1】 を最小にするような、振幅・位相・オフセットの誤差を
2分法により推定し、補正する。ここで2分法の初期値
は、振幅・位相・オフセットの最大誤差より大きな値に
設定することができる。
[Outer 1] The amplitude / phase / offset error that minimizes is estimated and corrected by the bisection method. Here, the initial value of the bisection method can be set to a value larger than the maximum error of the amplitude / phase / offset.

【0041】実施例においては、レーザ干渉計から出力
される二相正弦波は、従来のレーザ干渉計の電気回路に
よる波形調整を行った結果、±10%以下であることか
ら、振幅・位相・オフセットの2分法の初期値を±10
%に設定した。また、2分法による計算は誤差の値が
0.0002%以下に収束するまで繰り返した。
In the embodiment, the two-phase sine wave output from the laser interferometer is ± 10% or less as a result of waveform adjustment by the electric circuit of the conventional laser interferometer. Initial value of offset dichotomy is ± 10
Set to%. The calculation by the bisection method was repeated until the error value converged to 0.0002% or less.

【0042】補正後のリサージュ波形、角度に対する半
径、半径の空間周波数解析(FFT)結果を、それぞれ
図19、図20、図21に示す。
The corrected Lissajous waveform, the radius with respect to the angle, and the spatial frequency analysis (FFT) result of the radius are shown in FIGS. 19, 20 and 21, respectively.

【0043】図21は、校正システムが等速で運動して
いるときの二相正弦波φAn、φBnから、前出(3)、
(5)又は(6)、(7)式により、Pn´を算出し、
空間FFTを実行したものである。ここで、空間周波数
1Hzはλ周期の変動に対応し、2Hzはλ/2周期の
変動に対応する。
FIG. 21 shows the two-phase sine waves φAn and φBn when the calibration system is moving at a constant speed.
Pn 'is calculated from the equations (5) or (6) and (7),
This is a spatial FFT. Here, the spatial frequency of 1 Hz corresponds to the variation of the λ cycle, and the spatial frequency of 2 Hz corresponds to the variation of the λ / 2 cycle.

【0044】振幅・オフセット・位相の誤差の補正を行
なうことにより、180°周期の半径の変動が1/10
に低減されていることがわかる。
By correcting the amplitude / offset / phase error, the radius fluctuation of the 180 ° cycle is reduced to 1/10.
It can be seen that it is reduced to.

【0045】補正後の二相正弦波から校正システムの変
位を推定し、その推定値により、再度変位センサの校正
を行った結果を図22に示す。二相正弦波の振幅・オフ
セット・位相の誤差を補正することにより、補正前に見
られた1/2波長周期の変動が低減されていることがわ
かる。
The displacement of the calibration system is estimated from the corrected two-phase sine wave, and the result of recalibrating the displacement sensor based on the estimated value is shown in FIG. By correcting the amplitude / offset / phase error of the two-phase sine wave, it can be seen that the fluctuation of the 1/2 wavelength period seen before the correction is reduced.

【0046】このようにして、位置検出の位置誤差を低
減することにより、変位校正システムの波長周期以下で
の校正の不確かさを低減することができる。
By reducing the position error in the position detection in this way, it is possible to reduce the uncertainty of calibration within the wavelength period of the displacement calibration system.

【0047】従って、レーザ干渉計の検出信号を被検体
出力信号と同時に取得した後に、本発明により前記検出
信号1つ毎に、前記検出信号の前後の1/2波長を上回
る区間の多数の取得データを用いて、前記検出信号の誤
差を補正して高精度参照位置を求め、前記被検体の位置
検出信号の高精度校正を実現して、校正時間の短縮と参
照位置の高精度化を両立することができる。
Therefore, after the detection signal of the laser interferometer is acquired at the same time as the object output signal, a large number of intervals of more than ½ wavelength before and after the detection signal are acquired for each of the detection signals according to the present invention. By using the data, the error of the detection signal is corrected to obtain a high-precision reference position, and high-precision calibration of the position detection signal of the subject is realized, reducing both the calibration time and the precision of the reference position. can do.

【0048】なお、本発明の適用対象はレーザ干渉計に
限定されず、位置検出信号に二相正弦波を用いた変位校
正システム一般に適用できることは明らかである。
The application of the present invention is not limited to the laser interferometer, and it is obvious that the present invention can be applied to a general displacement calibration system using a two-phase sine wave as a position detection signal.

【0049】[0049]

【実施例】振幅・オフセット・位相の誤差が校正領域の
各位置において緩やかに変化する場合、例えば、図2
3、図24のように、A相のオフセットが波長10周期
にわたって0.1〜0に変化する場合、補正を行なわな
いときの位置誤差は、図25に示す如く3.0%(P−
P)であった。
[Embodiment] When the amplitude / offset / phase error gradually changes at each position in the calibration area, for example, as shown in FIG.
3. As shown in FIG. 24, when the phase A offset changes from 0.1 to 0 over 10 wavelength cycles, the position error without correction is 3.0% (P−
P).

【0050】これを波長10周期全体のデータによりオ
フセット誤差を補正した比較例では、位置誤差は図26
に示す如く、2.3%(P−P)に低減した。
In the comparative example in which the offset error is corrected by the data of the entire 10 wavelength cycles, the position error is shown in FIG.
As shown in FIG. 3, it was reduced to 2.3% (PP).

【0051】これらに対して、本発明により波長1周期
のデータにより誤差を補正した結果、位置誤差は図27
に示す如く、0.11%(P−P)に低減した。
On the other hand, as a result of correcting the error with the data of one cycle of the wavelength according to the present invention, the position error is shown in FIG.
As shown in (1), it was reduced to 0.11% (PP).

【0052】このように、波長1周期のデータにより誤
差を補正することにより、全域のデータにより誤差を補
正する場合に比べて、概ね1/nの誤差で位置誤差を補
正できる。
As described above, by correcting the error with the data of one cycle of the wavelength, the position error can be corrected with an error of about 1 / n as compared with the case of correcting the error with the data of the entire area.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明によれば、位置検出の位置誤差を
低減することにより、変位校正システムの波長周期以下
での校正の不確かさを低減することができる。従って、
校正時間の短縮と参照位置の高精度化の両立を達成する
ことができる。
According to the present invention, by reducing the position error in position detection, it is possible to reduce the uncertainty of calibration within the wavelength period of the displacement calibration system. Therefore,
It is possible to achieve both the reduction of the calibration time and the high accuracy of the reference position.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の適用対象の一例である、レーザ干渉計
を用いた位置変位の検出器校正システムの例を示す、一
部ブロック図を含む断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view including a partial block diagram showing an example of a position displacement detector calibration system using a laser interferometer, which is an example of an application target of the present invention.

【図2】振幅に1%の白色雑音を与えた時の角度誤差を
示す線図
FIG. 2 is a diagram showing an angular error when 1% white noise is applied to the amplitude.

【図3】従来の問題点を説明するための、波長λで正規
化した等速運動時の変位を示す線図
FIG. 3 is a diagram showing a displacement during constant velocity motion normalized by a wavelength λ, for explaining a conventional problem.

【図4】同じく二相正弦波に振幅・オフセット・位相の
誤差が無い時の二相正弦波の出力波形を示す線図
FIG. 4 is a diagram showing an output waveform of a two-phase sine wave when there is no amplitude / offset / phase error in the two-phase sine wave.

【図5】同じくリサージュ波形を示す線図FIG. 5 is a diagram showing a Lissajous waveform.

【図6】同じく角度と半径(振幅で正規化)の関係を示
す線図
FIG. 6 is a diagram similarly showing a relationship between an angle and a radius (normalized by amplitude).

【図7】同じく波長1周期間の位置誤差(波長で正規
化)を示す線図
FIG. 7 is a diagram showing a positional error (normalized by wavelength) during one wavelength cycle.

【図8】二相正弦波に5%の振幅の誤差がある時の二相
正弦波の出力波形を示す線図
FIG. 8 is a diagram showing an output waveform of a two-phase sine wave when the two-phase sine wave has an error of 5% in amplitude.

【図9】同じくリサージュ波形を示す線図FIG. 9 is a diagram similarly showing a Lissajous waveform.

【図10】同じく半径の誤差を示す線図FIG. 10 is a diagram showing a radius error similarly.

【図11】同じく位置誤差を示す線図FIG. 11 is a diagram similarly showing a position error.

【図12】同じくオフセット誤差が5%ある時の位置誤
差を示す線図
FIG. 12 is a diagram showing a position error when the offset error is 5%.

【図13】同じく位相誤差が5°ある時の位置誤差を示
す線図
FIG. 13 is a diagram showing a position error when the phase error is 5 °.

【図14】本発明による補正を行なう前の変位センサ校
正結果を示す線図
FIG. 14 is a diagram showing a displacement sensor calibration result before correction according to the present invention.

【図15】同じくリサージュ波形を示す線図FIG. 15 is a diagram similarly showing a Lissajous waveform.

【図16】同じく半径の誤差を示す線図FIG. 16 is a diagram showing a radius error similarly.

【図17】同じく半径の空間周波数解析結果を示す線図FIG. 17 is a diagram showing a result of spatial frequency analysis of radius similarly.

【図18】本発明の実施形態による二相正弦波の振幅・
オフセット・位相の補正手順を示す流れ図
FIG. 18 shows an amplitude of a two-phase sine wave according to an embodiment of the present invention.
Flowchart showing offset / phase correction procedure

【図19】前記実施形態による補正後のリサージュ波形
を示す線図
FIG. 19 is a diagram showing a Lissajous waveform after correction according to the embodiment.

【図20】同じく半径の誤差を示す線図FIG. 20 is a diagram showing a radius error similarly.

【図21】同じく半径の空間周波数解析結果を示す線図FIG. 21 is a diagram showing a result of spatial frequency analysis of radius similarly.

【図22】同じく変位センサ校正結果を示す線図FIG. 22 is a diagram showing a displacement sensor calibration result.

【図23】本発明の実施例における二相正弦波の出力波
形を示す線図
FIG. 23 is a diagram showing an output waveform of a two-phase sine wave in the example of the present invention.

【図24】同じくA相のオフセット電圧を示す線図FIG. 24 is a diagram showing an A-phase offset voltage.

【図25】補正を行なわなかった従来例の位置誤差を示
す線図
FIG. 25 is a diagram showing a position error of a conventional example without correction.

【図26】波長10周期のデータで補正した比較例にお
ける位置誤差を示す線図
FIG. 26 is a diagram showing a position error in a comparative example corrected with data of 10 cycles of wavelength.

【図27】波長1周期毎のデータで補正した本発明の実
施形態における位置誤差を示す線図
FIG. 27 is a diagram showing a position error in the embodiment of the present invention, which is corrected with data for each wavelength cycle.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

8…校正対象 10…スライダ 12…駆動案内機構部 14…測定基準面 20…レーザ(干渉)測長計 22…レーザ光軸 24…レーザ光源 28…駆動制御部 30…データ処理部 8 ... Target of calibration 10 ... Slider 12 ... Drive guide mechanism 14 ... Measurement reference plane 20 ... Laser (interference) length measuring instrument 22 ... Laser optical axis 24 ... Laser light source 28 ... Drive control unit 30 ... Data processing unit

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】位置検出信号に位相の異なる二相正弦波状
信号 φAn=An cos(θn+ΔθAn)+VAn φBn=Bn sin(θn+ΔθBn)+VBn (n=1,2,3,…)と、校正対象の位置検出信号X
n(n=1,2,3,…)を同時にサンプリングする変
位校正方法において、 サンプリングされた各位置検出信号φAn、φBnについ
て、φAn、φBnを含む1波長以上の範囲の位置検出信
号φAn-k1〜φAn+k2、φBn-k1〜φBn+k2から、位置
検出信号φAn、φBnにおける振幅・オフセット・位相
の誤差を補正した位置検出信号 φAn´=An´cos(θn+ΔθAn´)+VAn´ φBn´=Bn´sin(θn+ΔθBn´)+VBn´ (An´=Bn´、ΔθAn´=ΔθBn´、VAn´=VBn
´) を求め、波長周期及び、その1/2周期の位置検出信号
の誤差を低減した基準位置検出信号Pn´を用いて、校
正対象の位置検出信号Xnを校正することを特徴とする
変位校正方法。
1. A two-phase sine wave signal φAn = An cos (θn + ΔθAn) + VAn φBn = Bn sin (θn + ΔθBn) + VBn (n = 1,2,3, ...) And a position to be calibrated. Detection signal X
In the displacement calibration method for sampling n (n = 1, 2, 3, ...) Simultaneously, for each sampled position detection signal φAn, φBn, a position detection signal φAn-k1 in the range of one wavelength or more including φAn, φBn ~ ΦAn + k2, φBn-k1 to φBn + k2, the position detection signal φAn '= An'cos (θn + ΔθAn') + VAn 'φBn' = Bn is obtained by correcting the amplitude / offset / phase error in the position detection signals φAn, φBn. ′ Sin (θn + ΔθBn ′) + VBn ′ (An ′ = Bn ′, ΔθAn ′ = ΔθBn ′, VAn ′ = VBn
′) Is obtained, and the position detection signal Xn to be calibrated is calibrated by using the reference position detection signal Pn ′ in which the error of the position detection signal of the wavelength cycle and its 1/2 cycle is reduced, Method.
【請求項2】前記位置検出信号φAn、φBnの振幅・オ
フセット・位相の誤差を求める際に、振幅・オフセット
・位相誤差の空間的な分布に合わせて、誤差を求める位
置検出信号に対して1波長周期毎に重み付けを行なうこ
とで、振幅・オフセット・位相誤差の推定不確かさを低
減することを特徴とする請求項1に記載の変位校正方
法。
2. When the amplitude / offset / phase error of the position detection signals φAn, φBn is calculated, 1 is added to the position detection signal for which the error is calculated in accordance with the spatial distribution of the amplitude / offset / phase error. The displacement calibration method according to claim 1, wherein the estimation uncertainty of the amplitude / offset / phase error is reduced by weighting each wavelength period.
【請求項3】位置検出信号に位相の異なる二相正弦波状
信号 φAn=An cos(θn+ΔθAn)+VAn φBn=Bn sin(θn+ΔθBn)+VBn (n=1,2,3,…)と、校正対象の位置検出信号X
n(n=1,2,3,…)を同時にサンプリングする変
位校正装置において、サンプリングされた各位置検出信
号φAn、φBnについて、φAn、φBnを含む1波長以
上の範囲の位置検出信号φAn-k1〜φAn+k2、φBn-k1
〜φBn+k2から、位置検出信号φAn、φBnにおける振
幅・オフセット・位相の誤差を補正した位置検出信号 φAn´=An´cos(θn+ΔθAn´)+VAn´ φBn´=Bn´sin(θn+ΔθBn´)+VBn´ (An´=Bn´、ΔθAn´=ΔθBn´、VAn´=VBn
´)を求める手段と、 波長周期及び、その1/2周期の位置検出信号の誤差を
低減した基準位置検出信号Pn´を用いて、校正対象の
位置検出信号Xnを校正する手段と、 を備えたことを特徴とする変位校正装置。
3. A two-phase sinusoidal signal φAn = An cos (θn + ΔθAn) + VAn φBn = Bn sin (θn + ΔθBn) + VBn (n = 1,2,3, ...) And a position to be calibrated as a position detection signal. Detection signal X
In a displacement calibrating device that simultaneously samples n (n = 1, 2, 3, ...) For each sampled position detection signal φAn, φBn, a position detection signal φAn-k1 in the range of one wavelength or more including φAn, φBn. ~ ΦAn + k2, φBn-k1
From φBn + k2, position detection signals φAn ′ = An′cos (θn + ΔθAn ′) + VAn ′ φBn ′ = Bn′sin (θn + ΔθBn ′) + VBn ′ are obtained by correcting the amplitude / offset / phase errors in the position detection signals φAn and φBn. (An '= Bn', ΔθAn '= ΔθBn', VAn '= VBn
′), And a means for calibrating the position detection signal Xn to be calibrated by using the reference position detection signal Pn ′ in which the error of the position detection signal of the wavelength cycle and its half cycle is reduced. Displacement calibration device characterized in that
【請求項4】前記位置検出信号φAn、φBnの振幅・オ
フセット・位相の誤差を求める際に、振幅・オフセット
・位相誤差の空間的な分布に合わせて、誤差を求める位
置検出信号に対して1波長周期毎に重み付けを行なうこ
とで、振幅・オフセット・位相誤差の推定不確かさを低
減することを特徴とする請求項3に記載の変位校正装
置。
4. When the amplitude / offset / phase error of the position detection signals φAn, φBn is calculated, 1 is set for the position detection signal for which the error is calculated in accordance with the spatial distribution of the amplitude / offset / phase error. The displacement calibration device according to claim 3, wherein the estimation uncertainty of the amplitude / offset / phase error is reduced by performing weighting for each wavelength period.
【請求項5】請求項1又は2に記載の変位校正方法を実
施するためのコンピュータプログラム。
5. A computer program for carrying out the displacement calibration method according to claim 1.
【請求項6】請求項3又は4に記載の変位校正装置を実
現するためのコンピュータプログラム。
6. A computer program for realizing the displacement calibrating device according to claim 3 or 4.
【請求項7】請求項5又は6に記載のコンピュータプロ
グラムが記録された、コンピュータ読取り可能な記録媒
体。
7. A computer-readable recording medium in which the computer program according to claim 5 or 6 is recorded.
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