(57)【要約】【課題】位置検出信号に二相正弦波を用いる変位校正技術に関して、二相正弦波の波長内の内挿位置における誤差を低減することにより、校正の精度を向上する。【解決手段】位相の異なる二相正弦波状信号：φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn、φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn、（ｎ＝１，２，３・・・）を取得して測定面の位置を検出する位置検出手段を用い、任意の校正位置Ｐxで測定面を停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正する動作を、校正位置Ｐxを移動して繰り返し行なう際、移動の際には、位置検出信号の波長λの数αをカウントし、静止の際には、各校正位置Ｐxを含む二相正弦波状信号１波長以上の範囲でφＡn、φＢnの値を取得し、取得した位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、補正した位置検出信号から、波長間隔内の位置Δｐx’を求め、各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を求めて、Ｐx’を基準に校正対象の出力信号Ｙxを校正する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相の異なる二相正弦波状信号
φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn
φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn
（ｎ＝１，２，３・・・）
を位置検出信号として取得することによって測定面の位置を検出する位置検出手段を用い、任意の校正位置Ｐxで測定面を停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正する動作を、校正位置Ｐxを移動して繰り返し行なう変位校正方法において、
測定面の移動の際には、位置検出信号の波長λの数αをカウントすると共に、
測定面の静止の際には、各校正位置Ｐxを含む二相正弦波状信号１波長以上の範囲でφＡn、φＢnの値を取得し、
取得した位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、
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’）
から、波長間隔内の位置Δｐx’を求めることにより、波長間隔内の位置の誤差を低減し、
波長の数αと波長間隔内の位置Δｐx’から各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を求めて、各校正位置Ｐx’を基準として、校正対象の出力信号Ｙxを校正することを特徴とする変位校正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の変位校正方法を用いて、測定対象の寸法を測定する際に、
寸法を測定するための基準位置Ｐ0と寸法測定位置Ｐ1において、各位置Ｐ0、Ｐ1を含む１波長以上の範囲でそれぞれ位置検出信号φＡn、φＢnの値を取得し、
位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、
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’）
から、波長間隔内の位置の誤差を低減した位置Ｐ0’、Ｐ1’を求め、位置Ｐ0’、Ｐ1’の差から測定対象の寸法を測定することを特徴とする寸法測定方法。
【請求項３】
位相の異なる二相正弦波状信号
φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn
φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn
（ｎ＝１，２，３・・・）
を位置検出信号として取得することによって測定面の位置を検出する位置検出手段と、
任意の校正位置Ｐxで測定面を停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正する動作を繰り返し行なうために測定面を移動する移動手段と、
測定面の移動の際には、位置検出信号の波長λの数αをカウントするカウント手段と、
測定面の静止の際には、各校正位置Ｐxを含む二相正弦波状信号１波長以上の範囲でφＡn、φＢnの値を取得し、
取得した位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、
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’）
から、波長間隔内の位置Δｐx’を求めることにより、波長間隔内の位置の誤差を低減し、
波長の数αと波長間隔内の位置Δｐx’から各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を求めて、各校正位置Ｐx’を基準として、校正対象の出力信号Ｙxを校正するデータ処理手段と、を備えたことを特徴とする変位校正装置。
【請求項４】
請求項１に記載の変位校正方法、又は請求項２に記載の寸法測定方法を実施するためのコンピュータ読取り可能なプログラム。
【請求項５】
請求項３に記載の変位校正装置を実現するためのコンピュータ読取り可能なプログラム。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のコンピュータ読取り可能なプログラムが記録された記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位校正方法及び装置に係り、特に位置検出にレーザ干渉計を用いて位置変位を校正する際に適用して好適な、変位校正方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に位置検出信号に二相正弦波を用いた変位校正装置の一例を示す。この校正装置は、レーザ干渉計等からなる位置検出手段１０と、内部にレーザが通過可能なスライダ１２と、該スライダ１２を左右方向に移動させる駆動ローラ（移動手段）１４とを備えている。これは、スライダ端面の測定面１２Ａに校正対象である変位計１６を配置し、スライダ１２を移動させたときの測定面の位置と、変位計１６の出力データを同時に取得することにより、データ処理部１８で該変位計１６の校正を行なう装置である。
【０００３】
ここで、測定面１２Ａの位置は、位置検出手段１０により、その位置基準面１０Ａに対する測定面１２Ａの変位として検出され、位置検出信号としては、（１）、（２）式に示すような波長λの二相正弦波φＡn、φＢnが出力される。これらの二相正弦波φＡn、φＢnから、位置Ｐnは（３）式のように波長λと波長未満（波長間隔内）の変位Δｐnとで表わされる。
【０００４】
但し、ここでの波長λは、位置検出手段１０が有する干渉計からの正弦波信号の１周期に相当する長さであり、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り、例えば、シングルパスのマイケルソン干渉計では、λ＝λ0／２、ダブルパスのマイケルソン干渉計では、λ＝λ0／４となる。
【０００５】
φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn          …（１）
φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn          …（２）
ｎ＝１，２，３…（サンプリング番号）
Ｐn＝αλ＋Δｐn（Δｐn＜λ）              …（３）
α＝０，１，２，３，…
【０００６】
従って、例えば１°刻みでサンプリングして取得された二相正弦波φＡn、φＢnの信号値を用いて（４）式により角度θnを算出し、更に（５）式によりΔｐnを内挿することにより、変位校正装置における測定面１２Ａの位置Ｐnは、波長以下の範囲について検出することができる。
【０００７】
θn＝tan-1（φＢn／φＡn）                  …（４）
θn＝sin-1（φＢn／√（φＡn2＋φＢn2）      …（４ａ）
θn＝cos-1（φＡn／√（φＡn2＋φＢn2）      …（４ｂ）
Δｐn＝θn／２π・λ                        …（５）
【０００８】
しかし、二相正弦波φＡn、φＢnに、振幅、オフセット及び位相の少なくとも１つに誤差が含まれる場合、半径が√（φＡn2＋φＢn2）で与えられるリサージュ波形が真円からずれることになるため、実際の位置と、内挿して検出した位置との間で誤差（内挿誤差）が生じ、校正の不確かさが増大する。以下、これを具体例を挙げて説明する。
【０００９】
図２に、校正装置の位置に対する二相正弦波φＡn、φＢnの波形を示す。この図には、横軸の位置は波長λで、縦軸の二相正弦波は振幅値で、それぞれ正規化して示してある。図３に、二相正弦波φＡn、φＢnに振幅誤差が５％あるときの内挿誤差を示す。横軸の位置は波長λで正規化して示している。縦軸の内挿誤差は、実際の位置と、（３）式〜（５）式により計算した位置との差であり、波長λに対する内挿誤差の割合を示している。
【００１０】
このように二相正弦波φＡn、φＢnに振幅誤差がある場合には、λ／２周期の内挿誤差が発生する。同様に、オフセット誤差がある場合にはλ周期、位相誤差がある場合にはλ／２周期の内挿誤差が発生する。
【００１１】
このような二相正弦波φＡn、φＢnに、振幅・オフセット・位相の誤差が含まれる場合に発生する内挿誤差については、校正範囲で校正装置を等速移動させ、取得される二相正弦波φＡn、φＢnの信号データと、校正対象の出力データとを同時に取得し、二相正弦波φＡn、φＢnの振幅・オフセット・位相の誤差を補正することにより、内挿誤差を低減する技術が、特許文献１で提案されている。
【００１２】
ここで、任意の校正位置（目標位置）Ｐxで装置の測定面１２Ａを停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正した後、別の校正位置Ｐx+1に移動して装置を停止させて、校正対象の出力Ｙx+1を校正する動作を繰り返し行なうような校正方法について考える。
【００１３】
図４には、校正範囲を１０分割した各校正位置で静止し、校正、移動を繰り返し行なったときの変位計の校正例を示す。この場合の校正手順としては、図５に示すように、ある校正位置Ｐxで位置決めを行ない、校正装置の測定面１２Ａの位置Ｐxと校正対象である変位計１６の出力データＹxを同時に取得した後、次の校正位置Ｐx+1に移動する、といった動作を各校正位置Ｐx（ｘ＝１，２，…，ｍ＋１：ｍは校正範囲の分割数）で行ない、校正位置Ｐxを基準として校正対象の出力データＹxを校正する。
【００１４】
このような静止、校正を繰り返す校正方法において、波長λの間に校正位置Ｐxが３点以上あれば、特許文献１に提案されている前記補正手法により、二相正弦波φＡn、φＢnの値から振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、内挿誤差を低減することが可能である。
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−２５４７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、波長λの間の校正位置が３点に満たない場合には、二相正弦波の振幅・オフセット・位相の誤差の推定値が収束しないため、内挿誤差を低減することは困難である。
【００１７】
そこで、波長λの間の校正位置Ｐxが３点に満たない場合の校正方法として、各校正位置に加えて、各校正位置間の移動の際にも二相正弦波φＡn、φＢnのデータを取得することが考えられる。ところが、この場合には前記補正手法が適用可能となるが、この校正方法では以下のような問題点がある。
【００１８】
・各校正位置Ｐxにおける内挿誤差の補正をするために、校正範囲全域で二相正弦波φＡn、φＢnの信号データを取得するため、データを保存するメモリの容量が必要になる。
【００１９】
・二相正弦波の振幅・オフセット・位相の誤差を推定するために、前記の如く波長１周期当たり最低３点のデータが必要となる。但し、誤差の推定値を十分収束させるには波長１周期当たり約６０点のデータが必要となるとされており（大関衡和他４名、精密工学会誌Ｖol．６９，Ｎo.９（２００３）ｐ１２９６〜１３００）、又、波長１周期当たりに取得するデータ数から、移動速度の上限Ｖcは（６）式で表わされる制約を受けることになる。
【００２０】
Ｖc＝（λ／Ｎ）×（１／Ｔs）            …（６）
Ｎ：波長１周期当たりのデータ数
Ｔs：サンプリング周期
【００２１】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、位置検出信号に二相正弦波を用いる変位校正技術に関して、校正位置を移動させ、校正動作を繰り返す際に、二相正弦波の波長内の内挿位置における誤差を低減することにより、高精度な校正を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、位相の異なる二相正弦波状信号
φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn
φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn
（ｎ＝１，２，３・・・）
を位置検出信号として取得することによって測定面の位置を検出する位置検出手段を用い、任意の校正位置Ｐxで測定面を停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正する動作を、校正位置Ｐxを移動して繰り返し行なう変位校正方法において、測定面の移動の際には、位置検出信号の波長λの数αをカウントすると共に、測定面の静止の際には、各校正位置Ｐxを含む二相正弦波状信号１波長以上の範囲でφＡn、φＢnの値を取得し、取得した位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、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’）
から、波長間隔内の位置Δｐx’を求めることにより、波長間隔内の位置の誤差を低減し、波長の数αと波長間隔内の位置Δｐx’から各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を求めて、各校正位置Ｐx’を基準として、校正対象の出力信号Ｙxを校正することにより、前記課題を解決したものである。
【００２３】
本発明は、又、上記変位校正方法を用いて、測定対象の寸法を測定する際に、寸法を測定するための基準位置Ｐ0と寸法測定位置Ｐ1において、各位置Ｐ0、Ｐ1を含む１波長以上の範囲でそれぞれ位置検出信号φＡn、φＢnの値を取得し、位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、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’）
から、波長間隔内の位置の誤差を低減した位置Ｐ0’、Ｐ1’を求め、位置Ｐ0’、Ｐ1’の差から測定対象の寸法を測定するようにしたものである。
【００２４】
本発明は、又、位相の異なる二相正弦波状信号
φＡn＝Ａncos（θn＋ΔθAn）＋ＶAn
φＢn＝Ｂnsin（θn＋ΔθBn）＋ＶBn
（ｎ＝１，２，３・・・）
を位置検出信号として取得することによって測定面の位置を検出する位置検出手段と、任意の校正位置Ｐxで測定面を停止させて、校正対象の出力Ｙxを校正する動作を繰り返し行なうために測定面を移動する移動手段と、測定面の移動の際には、位置検出信号の波長λの数αをカウントするカウント手段と、測定面の静止の際には、各校正位置Ｐxを含む二相正弦波状信号１波長以上の範囲でφＡn、φＢnの値を取得し、取得した位置検出信号φＡn、φＢnにおける振幅・オフセット・位相の誤差を推定、補正し、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’）
から、波長間隔内の位置Δｐx’を求めることにより、波長間隔内の位置の誤差を低減し、波長の数αと波長間隔内の位置Δｐx’から各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を求めて、各校正位置Ｐx’を基準として、校正対象の出力信号Ｙxを校正するデータ処理手段と、を備えたことを特徴とする変位校正装置を提供することにより、同様に前記課題を解決したものである。
【００２５】
本発明は、又、前記変位校正方法、又は寸法測定方法を実施するためのコンピュータ読取り可能なプログラムを提供するものである。
【００２６】
本発明は、又、前記変位校正装置を実現するためのコンピュータ読取り可能なプログラムを提供するものである。
【００２７】
本発明は、更に、前記コンピュータ読取り可能なプログラムが記録された記録媒体を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
本実施形態の変位校正装置は、前記図１に示したものと実質的に同一の構成を有しており、ハード構成以外の以下に詳述する各種機能は、コンピュータからなる前記データ処理部１８においてプログラムにより実現されている。
【００３０】
本実施形態による校正方法の特徴を図６に、校正時の移動手順を図７に示す。
【００３１】
即ち、スライダ１２を移動させると共に、任意の校正位置Ｐxでその測定面１２Ａを停止させて、校正対象である変位計１６の出力Ｙxを校正する動作を、校正位置Ｐxを移動して繰り返し行なう校正方法において、１番目（ｘ＝１）の校正位置Ｐ1に位置決めし、該Ｐ1における校正対象の出力データＹ1を取得する際に、まず動作Ａとして、校正位置Ｐ1を含む、少なくとも波長λの範囲（３６０°以上）でスライダ１２を速度Ｖc以下で移動させ、二相正弦波φＡn(1)、φＢn(1)のデータをサンプリングして取得する。ここでは、二相正弦波φＡn(1)、φＢn(1)のデータの取得を、校正対象の出力データＹ1の取得の前に行なっているが、後で行なってもよい。
【００３２】
次に、動作Ｂとして、校正位置Ｐ1におけるデータ取得後、図示しないカウント手段により波長の数αをカウントしながら、２番目の校正位置Ｐ2に移動する。移動の際には、校正装置の測定面１２Ａの位置、二相正弦波信号、変位計１６の出力等のデータは取得せずに、迅速な移動を行なう。
【００３３】
これらＡ、Ｂの動作を全ての校正位置について繰り返し行ない、取得した各校正位置Ｐxを含んだ波長λの範囲の二相正弦波φＡn(x)、φＢn(x)のデータから、振幅・オフセット・位相の誤差の補正を行ない、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’）
を得る。
【００３４】
そして、前記（５）式により、波長間隔内の位置Δｐx’を求めることにより、波長間隔内の位置の誤差を低減する。
【００３５】
次いで、移動時にカウントした波長の数αと、振幅・オフセット・位相の誤差を補正した二相正弦波から求めた波長間隔内の位置Δｐx’とから、前記（３）式により各校正位置Ｐx’＝αλ＋Δｐx’を算出し、各校正位置Ｐx’を基準として校正対象の出力データＹxを校正する。
【００３６】
次に、位置検出信号に二相正弦波φＡn、φＢnを使用する本実施形態の変位校正装置を用いて、物体（測定対象）の寸法を測定する方法を説明する。
【００３７】
図８に示すように、前記校正装置の測定面１２Ａを寸法測定基準２０に突き当てて、寸法測定の基準位置Ｐ0を測定する。その際にＰ0から少なくとも波長λの間（３６０°以上）で二相正弦波φＡn、φＢnのデータを取得し、前記校正時と同様に二相正弦波の振幅・オフセット・位相の誤差を補正することで、内挿誤差が補正された寸法測定基準の位置Ｐ0’を算出する。
【００３８】
次に、図９に示すように、測定対象Ｔを寸法基準２０に突き当てて配置し、更に校正装置の測定面１２Ａをその測定対象Ｔと寸法基準２０との接触点の反対側に突き当てて寸法測定位置Ｐ1を測定する。その際にもＰ1から少なくとも波長λの間で二相正弦波φＡn、φＢnのデータを取得し、同様にして内挿誤差が補正された位置Ｐ1’を算出する。
【００３９】
以上のように算出された２点の位置Ｐ0’とＰ1’の差から測定対象Ｔの寸法が求められる。この寸法測定方法により、校正位置における内挿誤差を低減することにより、寸法測定の精度を向上することができる。
【００４０】
以上詳述した本実施形態の変位校正装置によれば、各校正位置において、各校正位置を含む１波長分以上の二相正弦波のデータを取得し、振幅・オフセット・位相の誤差を補正することにより、各校正位置における内挿誤差を低減し、校正の不確かさを低減し、精度を向上することができる。
【００４１】
又、各校正位置間の移動の際には、二相正弦波のデータを取得する必要がないため、移動速度はＶcの値によらず、装置の最高速度での移動が可能である。そのため、従来手法に比べて、校正のスループットを上げることができる。
【００４２】
又、取得する二相正弦波のデータは、各校正位置を含む１波長分のデータで済むので、従来方法で全校正範囲でデータを取得するのに比べ、データ取得に必要なメモリ容量を減らすことができる。
【００４３】
又、前記変位校正装置による寸法測定方法によれば、物体の寸法を測定する際に、寸法測定基準位置及び該寸法測定位置において、それぞれの位置を含む少なくとも１波長分の二相正弦波のデータを取得し、振幅・オフセット・位相の誤差を補正することにより、寸法測定基準位置及び寸法測定位置における内挿誤差を低減し、寸法測定の不確かさを低減し、精度を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上説明したとおり、本発明によれば、位置検出信号に二相正弦波を用いる変位校正技術に関して、二相正弦波の波長内の内挿位置における誤差を低減することにより、校正の精度を向上することが可能となると共に、寸法測定の精度を向上することが可能となる。
【００４５】
又、本発明の位置検出手段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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】変位校正装置の概要を示す模式図
【図２】二相正弦波の出力波形を示す線図
【図３】内挿誤差を示す線図
【図４】変位計校正結果の例を示す線図
【図５】従来の校正時の移動パターンを示す線図
【図６】実施形態の校正手順を示すフローチャート
【図７】実施形態の校正時の移動パターンを示す線図
【図８】寸法測定の手順１を示す模式図
【図９】寸法測定の手順２を示す模式図
【符号の説明】
【００４７】
１０…位置検出手段
１０Ａ…位置基準面
１２…スライダ
１２Ａ…測定面
１４…駆動ローラ
１６…変位計
１８…データ処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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