JPH06213675A - 測定器またはセンサまたはアクチュエータの自律的な校正法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 変位や角度などの物理量の測定器やセンサお
よびアクチュエータの入出力関係を，特別高精度の標準
測定器を使わないで，安価に正確に校正する。 【構成】 片持ちばりで構成したレバー５の２カ所に，
変位計１，２の目標５ａ，５ｂを設定し、マイクロメー
タヘッド６でたわませて，二つの目標に１：ｎの割合の
変位を与え，基準側変位計１の測定範囲の下限から上限
までの読みを取る。得られた読みの１／ｎを横軸に，変
位計２の読みを縦軸に取って校正曲線の一部が得られ
る。変位計１の支持台３をマイクロメータヘッド３ａを
使って移動して，変位計１の読みを測定範囲下限に戻
し、片持ちはりのたわみの増加を変位計１の読みがその
上限に達するまで続け、変位計１の読みの１／ｎを先の
校正曲線の横軸に加えて，縦軸に変位計２の読みを取る
と，校正曲線の続きを得る。変位計１の読みを１／ｎ倍
して横軸に変位計２の読みを縦軸に取ると，校正データ
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変位や角度などの物理
量の測定器やセンサおよびアクチュエータの入出力関係
を，特別高精度の基準測定器を使わないで，安価に正確
に校正するために利用される。

【従来の技術】

【０００２】 測定器の校正テータを得るためには従
来，校正しようとする測定器より高精度の測定器を基準
に使い，同一の物理量の変化を校正される側と基準側で
同時に検出してその結果を比較する方法が取られた。ま
た，アクチュエータの入出力関係を校正するためにも，
高精度の測定器が必要とされた。

【０００３】

【考案が解決しようとする問題点】測定器を校正するた
めに，その校正しようとする測定器と同じか，それ以下
の精度の測定器を基準に使って単純に比較測定したので
は，必要な精度の校正結果は得られない。そのため，従
来は校正しようとする測定器より精度の高いことが判っ
ている測定器を基準にして，比較測定を行うのが常であ
った。そのため，基準に使える測定器は高価なもので，
使うための技術も難しく，また，その基準を使うために
特別の環境を整える必要の生じることが多かった。

【０００４】 また，精度の高い測定器を作製したとき
にはそれを校正する測定器がなかなか入手出来ないこと
も生じている。そのために，ステップ状に物理量の変る
基準段差試料を用意して，それを測定することで，校正
曲線の全体を直線で校正することも多い。

【０００５】 このように，高精度の測定器では，それ
が有する分解能と安定性の上限まで測定器を正しく利用
することが出来ないことが多くあった。

【問題点を解決するための手段】

【０００６】 測定器を校正するときには通常，入力と
なる物理量を変化させて，基準側と校正される側の測定
器で同一物理量の変化を読み取るが，その入力を何等か
のてこの原理で拡大して変化させると，二つの測定器の
一方Ａで，他方の測定器Ｂにおける入力物理量の変化の
ｎ倍の変化を測定する形に配置することが出来る。変化
率の大きい方を入力として測定した値を１／ｎ倍して基
準側の読みにすると，その基準値においては，基準側の
測定器Ａの校正曲線が持っていた誤差が１／ｎ倍され
る。この様にして，基準側の測定範囲の上限まで物理量
が変化したら，基準側の測定器Ａのゼロ点を移動して再
びその測定範囲の下限に出力を調整した後，物理量の変
化を続ける。この手順を繰り返して，校正される側Ｂの
全測定範囲の校正データを得る。

【０００７】 次に，基準側と校正される側の測定器の
配置を交換して，先の測定で得た校正曲線をもつ測定器
Ｂを基準側にして，先に基準に使った測定器Ａを校正す
る。この一巡の相互の校正で，一番最初に不明であった
校正直線からの誤差が（１／ｎ）の２乗倍に低下する。
次に，上に得た測定データを繰り返し交互に使って，校
正曲線の基準値を補正することで最新の校正曲線をもと
に相手の校正曲線の精度を高める計算手順を繰り返す。

【作用】

【０００８】 本発明は，同程度の分解能と同程度の安
定性を有する二つの測定器またはセンサ，またはアクチ
ュエータ（以下の作用の説明では，これらを測定器だけ
で代表する）を相互に校正する手法である。 本発明で
は，校正の際に基準側に使う測定器への入力を，校正さ
れる側の入力のｎ倍（ｎ＞１）にした上で，出力を１／
ｎ倍にして，被校正側の測定器の入力を評価する手段を
取る。このことで，基準側に使う測定器などの有する校
正曲線の誤差を１／ｎにすることが本発明の基本とな
る。これに，基準側の測定器のゼロ点を移動して，ｎ倍
した入力が測定範囲を超えないような工夫を加え，ま
た，基準側と被校正側を交換した校正データを得ること
で，２つの測定器の校正曲線の横軸（被校正側の入力の
評価値）を交互に補正計算することを可能にする。この
補正計算を繰返して１／ｎ倍の誤差低減を積み重ねて，
基準側と被校正側が当初に有していた，校正曲線の誤差
を極限まで低減する手法を組合わせ，二つの測定器の全
測定範囲にわたって，線形誤差（校正直線からの誤差）
の詳細を，それらの測定器の有する精度の限界まで校正
するのが本発明の手法である。

【０００９】 なお，現在のコンピュータの利用の普及
状況と記憶素子の低価格化を考慮すると，校正データを
直線近似して使う必要は少なく，詳細な校正データをそ
のまま記憶してそれを使って計算機で補正を加えながら
測定器を使うのも十分に可能である。また，最初に基準
側に使う測定器の感度は，本方法で決定できないが，段
差試料などのように，ステップ状に入力を変化させるこ
とで，測定範囲内の比較的間隔の広い２点を結ぶ校正直
線を決めることは，全測定範囲での詳細な校正曲線を得
ることに比べれば，ずっと容易である。そして，このよ
うな固定基準は，連続的な変化をさせる必要のある基準
に比べて，極めて安定で，また高精度である。

【００１０】 従って，本発明により，どの様な高精度
の測定器でも，その有する限界近くの精度まで正しく校
正して，使用するすることが可能になる。

【実施例】

【００１１】 以下には、実施例を挙げながら、考案の
原理の詳細について、図を使って説明する。

【００１２】 図１は，２本の変位計を本発明の方法で
校正するときの原理構造を示す図である。片持ちばりで
構成したレバー（５）の２ヵ所に，変位計Ａ（１），Ｂ
（２）の目標（５ａ），（５ｂ）を設定し，この片持ち
ばりをマイクロメータヘッド（６）でたわませて，二つ
の目標に１：ｎの割合の変位を与え，基準側変位計Ａ
（１）の測定範囲の下限から上限までの読みを取る。得
られた変位計Ａ（１）の読みの１／ｎを横軸に，変位計
Ｂ（２）の読みを縦軸に取って図を描くと校正曲線の一
部が得られる。次に，変位計Ａ（１）の支持台（３）を
マイクロメータヘッド（３ａ）を使って移動して，変位
計Ａ（１）の読みを測定範囲下限に戻した後，片持ちは
りのたわみの増加を変位計Ａ（１）の読みがその上限に
達するまで続ける。その時，変位計Ａ（１）の読みの１
／ｎを先の校正曲線の横軸に加えて，縦軸に変位計Ｂ
（２）の読みを取ると，校正曲線の続きを得る。この手
順を，被校正側の変位計Ｂ（２）の入力が，その測定範
囲上限に達するまで繰返す。変位計Ａ（１）の読みを１
／ｎ倍して横軸（校正曲線の基準側入力）に，変位計Ｂ
（２）の読みを縦軸に取ると，校正データが得られる。

【００１３】 図２に，この変位計Ａの未知の線形誤差
（与えられた感度ＳＡを示す直線からの誤差）を示し，
図３に，上で述べた方法で得た変位計Ｂの校正データに
生じる誤差の関係を示す。

【００１４】 次に，変位計ＡとＢの配置と役割を交換
して，変位計Ｂを基準にして，変位計Ａの校正データを
上と同じ手順で取る。このとき，変位計Ｂの読みは，既
に上で得た校正曲線を用いて補正する。

【００１５】 この後，先に得た変位計Ｂの校正曲線の
横軸を，新しく得たＡの校正曲線で補正し，さらに，そ
の結果の変位計Ｂの新しい校正曲線を用いて変位計Ａの
校正曲線の横軸を補正する。この補正計算の手順を，両
方の校正曲線が収束するまで繰返す。

【００１６】 なお，考案の校正の手順に入る前には，
最初に基準に使う側の変位計の平均的感度すなわち，直
線で表した校正曲線をできるだけ正しく推定しておく必
要がある。例えば，変位計ＡまたはＢの測定範囲の上限
近くの幅に相当する。既知の段差基準を測定してみて変
位計の示す出力値で，感度（校正直線の傾き）を決定す
る。

【００１７】 また，最初に基準に使った変位計の感度
は与えられているので，新たに得られたその変位計の校
正曲線でも，この与えられた平均感度を変えてはならな
い。もし，計算の結果，変位計Ａの平均感度が変るよう
なら，それは，ｎの値が設計値と実際値で違っているこ
とを意味するので，変位計Ａの平均感度が変らないよう
に，ｎを補正して使う必要がある。

【００１８】 もし，後に，もっと正確な平均感度が判
明したら，以前に使った値と，新しく判明した値との比
で，最終の校正曲線の横軸のスケールを補正すればよ
い。また，レバーによる点（５ｂ）の可動範囲が，被校
正側の変位計の測定範囲に達しない時は，点（５ｂ）の
可動範囲だけの部分的な校正を済ませた後，被校正側の
支持台（４）を使って，校正範囲を移動することで全体
の校正ができる。

【００１９】 図４は、物理量として電圧を取上げて，
本考案の原理的構造を示す図である。点（５）の電位を
基準にして，点（３），（４），（６）の電位は可変で
ある。ただし，点（４）の電位は点（３）の電位を固定
抵抗（９），（１０）で分圧しているので，常に，点
（３）の電位に比例して変化する。また，点（３），
（６）の点（５）からの電位は，可変抵抗（７），
（８）を使って，独立に変えられるようにする。このと
き，点（３）と点（６）の間の電位差を基準側の電圧計
Ａ（１）（出力ｖ１）に，点（４）と点（５）間の電位
差を電圧計Ｂ（２）（出力ｖ２）に入力する。

【００２０】 点（５），（６）の電位を固定し，固定
抵抗９（抵抗値Ｒ１），１０（抵抗値Ｒ２）の電流を変
化させるとＡ（１）の電圧ｖ１の変化はＢ（２）の電圧
ｖ２の変化の（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２倍になっている。

【００２１】 点（３）と（６）の間の電位差を電圧計
Ａ（１）の測定範囲の下限ｖ１ｓから始めて，上限ｖ１
ｕに達するまで変化させて測定をする。得られたデータ
のｖ２を縦軸に，ｖ１をｎ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２で除
した値を横軸に取ると電圧計Ａ（１）の校正曲線の一
部，すなわち下限から（ｖ１ｕ−ｖ１ｓ）／ｎまでが求
まる。次に，点５の電位を電圧計Ａ（１）の読みが下限
ｖ１ｓに戻るように調節をしてから点（３）と（６）の
電位差の増加を，電圧計Ａ（１）が測定範囲上限に達す
るまで続ける。このときのｖ１／ｎの値を先の校正曲線
の横軸の続きに加える形で取り，ｖ２を縦軸にとり，先
に求めた校正データの続きを得る。この手順を，電圧計
Ｂ（２）の測定範囲上限まで繰り返して，Ｂ（２）の全
測定範囲の校正データを得る。

【００２２】 つぎに，点（３）と点（６）の電位差を
電圧計Ｂ（２）に，点（４）と点（５）の電位差を電圧
計Ａ（１）に入力し，上述の手順と同じ様に，電圧計Ｂ
（２）を基準にした，電圧計Ａの校正曲線を得る。この
とき，電圧計Ｂ（２）の読みは，先の校正曲線を利用し
て補正をして使う。

【００２３】 なお，電圧の絶対値を決めるには，電圧
計ＡまたはＢの測定範囲の上限近くの既知の電圧基準を
測定してみて，そのときの電圧計の示す出力値で，校正
曲線のスケールを補正する必要がある。

【００２４】 図５は，二つの光学式角度計Ａ（１），
Ｂ（２）を本発明の方法で校正するときの原理構造を示
す図である。角度計が目標とするＴ字型の回転鏡（４）
の縦棒部をコの字型の固定鏡（３）で囲み，一方の角度
計Ａ（１）の光源からの平行光はＴの字（４）の縦棒で
ｎ回反射した後に角度計Ａ（１）に戻り，Ｔの字（４）
の回転角のｎ倍の角度変位が検出され，他方の角度計Ｂ
（２）の光源からの平行光はＴの字（４）の横棒部で１
回反射をして角度計Ｂ（２）に戻り，Ｔの字（４）の回
転角度が検出される。基準側の角度検出器Ａ（１）は，
コの字鏡（３），ビームシフタ（６）とともに回転円盤
固定されて，回転円盤（５）とは独立に回転する。回転
円盤（５）が，図１の，基準側の変位計の支持台（３）
に相当していて，角度検出器Ａ（１）の読みを上限から
下限に移す時に使う。

【００２５】 図６は，２本の積層ピエゾアクチュエー
タＡ（１），Ｂ（２）において，入力電圧と出力変位の
関係を校正する様子を示す。レバー（５）についた非接
触位置検出器（５ａ），（５ｂ）が，マイクロメータヘ
ッド（６）で移動させられる。てこの原理で（５ａ）の
変位が（５ｂ）の変位のｎ倍に拡大される。このとき，
位置検出器（５ａ），（５ｂ）でそれぞれ圧電素子Ａ
（１），Ｂ（２）の端面を監視し，それが何時も検出器
に対して同じ位置に来るように，それぞれの圧電素子に
フィードバックをかける。基準側の圧電素子の固定端
は，支持台（３）の上に固定される。校正は図１で説明
した変位計と同様の手順で行う。その時の，圧電素子へ
の入力電圧が読み取られ，校正データとなる。

【００２６】 図７は，光スポットの重心位置を検出す
る半導体位置検出素子，Ａ（１），Ｂ（２）を組合わせ
て，その位置−出力特性を図６と同様のレバー機構を使
って校正する様子を示す。レバー（５）に固定した光源
からのビーム（５ａ），（５ｂ）のスポットの位置を，
そのビームに対向して，空間に固定された半導体位置検
出素子Ａ（１），Ｂ（２）で検出できるように配置し，
図１で説明した変位計と同様の手順で校正する。

【発明の効果】

【００２７】 本考案の方法を用いることにより，測定
器またはセンサまたはアクチュエータをそれがもつ分解
能と安定性で決まる限界の精度まで校正することができ
るようになる。測定器の分解能や安定性が使用環境で変
ることがあっても，その使用環境と同じに合せた環境で
校正をすることで使用上必要な精度の校正データを得る
ことができる。この方法で市販の容量型変位計を自律校
正したところ，与えられた感度で決まる校正直線からの
誤差が厳密に校正でき，校正しないで使った時の測定誤
差に比べ，校正した結果を使った時の誤差は１／２０以
下になった。この校正の精度は，変位計の信号のノイズ
レベルと温度ドリフトで決まる限界とほぼ同じであっ
た。

【００２８】 また，半導体レーザとＰＳＤ（半導体位
置検出素子）とで作製した光電式の２個のオートコリメ
ータの校正曲線を，高価な標準器を使うこと無く，０．
１秒より高い角度分解能で校正することもできた。一般
に，新しく開発された，従来品以上の分解能や安定性を
有する測定器も，本発明の方法を用いれば，簡単にその
限界まで校正することが出来る。

【００２９】 形状の精密測定のために２本以上の変位
計を工作機械上に並ベて同時に変位を読み取る方法など
でも，その使用状況と同じ環境でその変位計の校正実験
が出来るので，形状測定の精度を向上させることができ
る。

【００３０】 また，ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡）な
どの測定器で使われる追従のためのアクチュエータの入
力電圧と出力変位の関係も本発明の方法で校正できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は変位計の校正に本考案の原理を適用するとき
の例を示す説明図。 １，２………………校正の対象となる一対の変位計 ３ａ，４ａ，６……マイクロメータヘッド ３……………………基準側変位計の支持台 ４……………………被校正側の変位計の支持台 ５……………………レバー ５ａ、５ｂ…………レバー上の点

【図２】は、通常の直線近似をした校正曲線の持つ未知
の誤差の例を示す図。

【図３】は，校正曲線のプロットに際して基準側の校正
曲線の持つ誤差が１／ｎになる様子を示す。

【図４】は電圧計の校正に本考案の原理を適用した様子
を示す説明図。

【図５】は，光学式角度計の校正の説明図。

【図６】は，積層ピエゾアクチュエータの入力電圧−変
位の関係の校正の説明図。

【図７】は，半導体位置検出素子の，光スポット重心位
置−出力の関係の校正の説明図。

【符号の説明】

（図１〜４） １，２………………校正対象の電圧計 ３，４，５，６……端子記号を変える ７，８………………可変抵抗 ９，１０……………固定抵抗 図５ １，２………………校正対象の一対の角度検出器 ３……………………コの字の形の鏡（円盤３に固定） ４……………………Ｔの字の回転鏡（円盤３と同軸で，
３とは独立した回転軸に固定） ５……………………回転円盤 ６……………………ビームシフタ 図６ １，２………………校正対象の積層ピエゾアクチ
ュエータ ３……………………基準側アクチュエータ支持台 ５……………………レバー ４……………………被校正側アクチュエータ支持台 ５ａ，５ｂ…………非接触位置検出器 ６……………………マイクロメータヘッド 図７ １，２………………校正対象の半導体位置検出素
子 ３……………………基準側半導体位置検出素子の支持台 ４……………………被校正側半導体位置検出素子の支持
台 ５……………………レバー ５ａ，５ｂ…………光源 ６……………………マイクロメータヘッド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定器の入力と出力の関係を二つの測
   定器Ａ，Ｂの比較測定で調べる校正において，入力とな
   る物理量をその変化率がｎ：１（ただし，ｎ＞１とす
   る）になる２種類の経路ａ，ｂで変化させ，経路ａの変
   化をＡで測定し，その値を１／ｎ倍した値を基準にし
   て，経路ｂの変化をＢで測定して得た値と比較する測定
   器Ｂの校正データと，経路ａの変化をＢで測定した値を
   １／ｎ倍して基準にして，経路ｂの変化をＡで測定して
   得た値と比較する，測定器Ａの校正データの二組のデー
   タを交互に利用して，二つの測定器を精度良く，相互に
   校正する方法。
2. 【請求項２】 測定器Ａ，Ｂの一方もしくは両方をセ
   ンサに代えて，一方のセンサの入出力の関係と他方の測
   定器またはセンサの入出力の関係と他方の測定器または
   センサの入出力関係を，相互に校正する請求項１に記載
   の校正方法。
3. 【請求項３】 測定器Ａ，Ｂの一方もしくは両方をア
   クチュエータでの追従装置に代えて，アクチュエータ側
   では，物理量の変化を読み取る代りに，その変化に追従
   するように，アクチュエータにフィードバックをかけ
   て，その時のアクチュエータへの駆動入力を読み取る形
   に変えて，一方のアクチュエータの入出力の関係と他方
   の測定器またはアクチュエータの入出力関係を，相互に
   校正する請求項１に記載の校正方法。