JP3224778U - レーザ振動計用デュアルビーム干渉校正装置及びその校正方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)標準レーザ光源と測定しようとするレーザ振動計を向かい合って同一水平台に取り付け、取り付け後に前記標準レーザ光源からの光が直接に測定しようとするレーザ振動計へ進入するようにする、
(ii)前記標準レーザ光源と前記測定要しようとするレーザ振動計との間には、順次に第一光アイソレータと、第一偏光ビームスプリッタと、レンズと、λ/4波長板と、圧電効果機構と、第四偏光プリズムと、第一λ/2波長板と、第二偏光ビームスプリッタ及び第二光アイソレータが取り付けられる、
(iii)精密姿勢調節機構により前記標準レーザ光源から射出したレーザを圧電効果機構の応変最大箇所に合わせる、及び
(iiii)第一偏光プリズムと第二偏光プリズムを第一偏光ビームスプリッタの両側に対称するように取り付け、第一偏光ビームスプリッタから分離された光が第一偏光プリズムと第二偏光プリズム中の毎箇所で90°偏位するようにし、第三偏光プリズムと第二偏光プリズムを同一側に平行放置し、第二偏光プリズムから射出された光を第三偏光プリズムを通過した後、第四偏光プリズムへ垂直に進入するようにし、第二λ/2波長板と第五偏光プリズムを第一偏光プリズムと同一側に放置し、第一偏光プリズムから射出された光を第二λ/2波長板へ垂直に進入した後、第五偏光プリズムへ垂直に進入して第五偏光プリズムの所で90°偏位された後に第二偏光ビームスプリッタへ垂直に進入するようにする。
(1)本考案によれば、光周波数変調技術を使用し、圧電効果機構によりレーザ振動計の測定信号周波数を変調し、レーザ振動計の振動測定環境をシミュレーションしてレーザ振動計の動的特性校正を実現する。レーザ振動計の全体に対する校正を実現する同時に、計量校正溯源の要求を満足し、光アイソレータを採用して校正されるレーザ振動計の自身測定光路が測定結果に対する影響を排除する。圧電効果を利用して校正の周波数範囲をさらに広くすることも実現でき、校正範囲を向上させる。
(2)本考案に使用されている圧電効果機構は、制御精度がよく、変位がマイクロメートル乃至ナノメートルスケールまでに達する等のメリットがあり、また、圧電梁は小駆動、快速応答などのメリットがあるので、理想的な微小変位標準部品である。なお、印加された電圧形式にも良好な制御性を持っており、直流バイアス電圧と交流電圧のいずれも変位を実現でき、再現性も良い。圧電梁によりレーザ振動計の校正精度と動的応答を向上することができる。
(3)本考案に使用された圧電効果機構は、機構設計、例えば、一部の剛性の変化を通じて異なる周波数範囲内での校正を実現できる。
2 第一光アイソレータ
3 第一偏光ビームスプリッタ
4 レンズ
5 λ/4波長板
6 圧電片持ち梁
7,8,9,10,14 第一、第二、第三、第四、第五偏光プリズム
11,13 第一、第二λ/2波長板
12 第二偏光ビームスプリッタ
15 第二光アイソレータ
16 測定しようとするレーザ振動計
17 駆動電源
18 信号発生装置
19 データ収集システム
本考案に関わるレーザ振動計用デュアルビーム干渉校正装置は、光周波数変調を実現し、前記光周波数変調は圧電効果を利用してレーザ振動計の測定光の周波数変調を実現し、レーザ振動計の真実な測定光学環境をシミュレーションする。また、データ収集システムによりレーザ振動計に対する測定結果の収集を完成し、収集された測定結果を制御システムの標準アナログ信号と比較し、これによりレーザ振動計の計量測定校正を完成する。データ収集システムが制御システムから当該設定の標準アナログ信号を得らえる。当該制御システムはデータ収集システムの制御システムとして適用できる。
レーザ振動計用デュアルビーム干渉校正装置であって、その対象設備は測定しようとするレーザ振動計である。当該デュアルビーム干渉校正装置は、標準レーザ光源1と、第一光アイソレータ2と、第一偏光ビームスプリッタ3と、第二偏光ビームスプリッタ12と、レンズ4と、λ/4波長板5と、圧電片持ち梁6と、第一、第二、第三、第四、第五偏光プリズム7、8、9、10、14と、第一、第二λ/2波長板11、13と、第二光アイソレータ15と、駆動電源17と、信号発生装置18及びデータ収集システム19を備える。標準レーザ光源と、第一光アイソレータと、第一偏光ビームスプリッタと、第二偏光ビームスプリッタと、レンズと、λ/ 4波長板と、圧電片持ち梁と、第一、第二、第三、第四、第五偏光プリズムと、第一λ/2波長板と、第二λ/2波長板と、第二光アイソレータは、図1に示している相対位置に取り付け及び配置されている。下記には、圧電片持ち梁6を圧電効果機構又は圧電梁又は片持ち梁と呼ぶことにする。
(i)標準レーザ光源1と測定しようとするレーザ振動計16を向かい合って同一水平台に取り付け、取り付け後に前記標準レーザ光源からの光が直接に測定しようとするレーザ振動計へ進入するようにする、
(ii)前記標準レーザ光源1と前記測定しようとするレーザ振動計16との間には、順次に第一光アイソレータ2と、第一偏光ビームスプリッタ3と、レンズ4と、λ/4波長板5と、圧電効果機構6と、第四偏光プリズム10と、第一λ/2波長板11と、第二偏光ビームスプリッタ12及び第二光アイソレータ15が取り付けられ、なお、第一光アイソレータと、第一偏光ビームスプリッタと、レンズと、λ/4波長板と、圧電効果機構と、第四偏光プリズムと、第一λ/2波長板と、第二偏光ビームスプリッタ及び第二光アイソレータが大体直線に沿って標準レーザ光源と測定要レーザ振動計との間に取り付けられていることが好ましい、
(iii)精密姿勢調節機構により前記標準レーザ光源から射出したレーザを圧電効果機構6の応変最大箇所に合わせる、及び
(iiii)第一偏光プリズム7と第二偏光プリズム8を第一偏光ビームスプリッタ3の両側に対称するように取り付け、第一偏光ビームスプリッタ3から分離された光が第一偏光プリズム7と第二偏光プリズム8中の毎箇所で90°偏位できるようにし、第三偏光プリズム9と第二偏光プリズム8を同一側に平行放置し、第二偏光プリズム8から射出された光を第三偏光プリズム9を通過した後、第四偏光プリズム10へ垂直に進入させ、第二λ/2波長板13と第五偏光プリズム14を第一偏光プリズム7と同一側に放置し、第一偏光プリズム7から射出された光を第二λ/2波長板13へ垂直に進入した後、第五偏光プリズム14へ垂直に進入して第五偏光プリズム14の所で90°偏位された後に第二偏光ビームスプリッタ12へ垂直に進入するようにする。
スタティック測定:圧電梁に対する直流バイアス電圧印加のシミュレーション
両端固定の圧電梁を設計し、その構造は三層であり、この三層の下から上までそれぞれSi、SiO2、PZTであり、各層の寸法は、長さは全て1000μm (マイクロメートル)であり、幅は全て100 μmである。この三層の下から上までの厚さはそれぞれ10μm、2μm、3μmである。圧電材料PZTの下表面の電圧は0に維持し、その上表面に5V〜10Vの直流バイアス電圧を印加し、その時の観測構造検測点の変位は図2に示すようである。ここで検測点は圧電梁の変形が最大の箇所である。圧電梁が全対称構造でもいいので、検測点が構造の幾何中心に位置する可能性もある。図2において、横軸が圧電材料PZTの上表面に印加された電圧を表示し、縦軸が前記変位を表示する。図2から分かるように、変位と印加された電圧は線形関係である。そのため、この装置によってレーザ振動計のスタティック校正を完成できる。
動的測定:圧電梁に対する交流電圧印加のシミュレーション
実施例2と一致した圧電梁を設計し、圧電材料PZTの下表面の電圧を0に維持し、その上表面に交流電圧を印加し、駆動電源を正弦波交流信号に設定した場合、
U= 10sin(2π×3000t) V
低周波範囲の校正に対して、圧電効果機構の異なる構造を設計する事で校正機能を満足することができる。図4に示すように、従来の片持ち梁の両端に幅の変化が可能な屈曲構造を追加し、機構の固有周波数を有効的に抑えることができ、同時に片持ち梁中心部分の中心区域の幅を増加し、局部の剛性の増加によって運動の安定性を実現する。圧電材料を中心部分の両側の「弓」形構造に放置し、片持ち梁の振動をより良く動かす。その後、当該圧電効果機構に対してシミュレーションを行う、シミュレーション図面は図5に示すようで、ここで入力周波数fが20Hzの交流電圧vであり、v=10sin(2πft)に基づいてシミュレーションを行い、ここでtは時間である。図5において、横軸は時間を表示し、縦軸は変位を表示する。図5から分かるように、当該圧電効果機構は、低周波区間で良好な周波数の一致性を有し、低周波校正の要求に満足できる。
Claims (11)
- レーザ振動計用デュアルビームビーム干渉校正装置であって、その対象設備が測定しようとするレーザ振動計16であり、
前記デュアルビーム干渉校正装置は標準レーザ光源1と、第一光アイソレータ2と、第一偏光ビームスプリッタ3と、第二偏光ビームスプリッタ12と、レンズ4と、λ/4波長板5と、圧電片持ち梁6と、第一偏光プリズム7と、第二偏光プリズム8と、第三偏光プリズム9と、第四偏光プリズム10と、第五偏光プリズム14と、第一λ/2波長板11と、第二λ/2波長板13と、第二光アイソレータ15と、駆動電源17と、信号発生装置18及びデータ収集システム19を備え、
前記駆動電源17は前記圧電片持ち梁6に接続及び用いるもので、前記信号発生装置18の出力端が前記駆動電源の入力端に接続され、前記駆動電源17の出力端が圧電片持ち梁6の陽、陰電極に接続され、圧電片持ち梁6が精密姿勢調節機構に固定され、
前記信号発生装置18は振動励起信号の発生、及び振動励起信号の前記駆動電源17までの伝送に用いるもので、
前記駆動電源17は、前記信号発生装置からの振動励起信号を受信し、前記振動励起信号を増幅してから圧電片持ち梁6に入力され、圧電片持ち梁に振動を発生させることに用いるもので、
前記デュアルビーム干渉校正装置は、前記標準レーザ光源1からの直線偏光が第一光アイソレータ2を通過して第一偏光ビームスプリッタ3に到達し、前記第一偏光ビームスプリッタに到達した直線偏光の中で水平面に垂直して振動する光分量が第一偏光プリズム7に反射されて参照光になり、前記第一偏光ビームスプリッタに到達した直線偏光の中で水平面に平行して振動する光分量が、順次に第一偏光ビームスプリッタ3を透過し、レンズ4を通過してレンズによりフォーカスされ、λ/ 4波長板5を通り抜けて圧電片持ち梁6の表面に入射されて探測光になり、前記探測光が、圧電片持ち梁6の表面により反射された後、再びλ/4波長板5を通り抜けて、前記探測光の偏光方向が90°回転され、前記探測光が水平方向に垂直する振動になり、これにより、前記探測光が第一偏光ビームスプリッタ3に反射され、その後、順次に第二偏光プリズム8と、第三偏光プリズム9と、第四偏光プリズム10及び第一λ/2波長板11を通過した後に第二偏光ビームスプリッタ12に到達し、前記参照光が、順次に第一偏光プリズム7と、第二λ/ 2波長板13及び第五偏光プリズム14を通過した後に第二偏光ビームスプリッタ12に到達し、前記第二偏光ビームスプリッタで、前記探測光と前記参照光が合流し、干渉が発生し、干渉により形成された光が第二光アイソレータ15を通過した後に測定しようとするレーザ振動計16への入力に使われるように配置され、
なお、前記測定しようとするレーザ振動計は、前記干渉により形成された光を受けた場合、前記干渉により形成された光の周波数を電圧信号に転換し、
前記データ収集システム19は前記測定しようとするレーザ振動計からの電圧信号を受信し、受信した電圧信号を設定された標準アナログ信号と比較することに用いるのを特徴とするレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。 - 前記圧電片持ち梁6は、変調電場の駆動作用により、圧電効果の直接作用によって伸縮振動が発生し、更に屈曲運動と変形が発生し、なお、前記圧電片持ち梁の振動が前記振動励起信号と関連することを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記デュアルビーム干渉校正装置が実現した光周波数変調は圧電効果を利用してレーザ振動計の測定光の周波数変調を実現することを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記圧電片持ち梁6は多層材料の平面構造圧電効果機構であり、なお、前記圧電効果機構はシリコンをベースにする材料を基材とし、圧電材料を機構の運動を駆動する材料とし、上電極と、下電極及び外部の接続回路を備えることを特徴とする請求項2に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記圧電効果機構は面内に垂直する振動に適用され、その振動周波数は入力電圧信号の周波数と関連し、前記振動周波数と前記入力電圧信号の周波数は良好な線形関係に符合することを特徴とする請求項4に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記圧電効果機構の振動幅はその入力電圧信号の大きさと、その材料の厚さ及び前記圧電効果機構の構造に関連することを特徴とする請求項4に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記圧電効果機構の圧電材料はPT/PZTをベースにする圧電材料であることを特徴とする請求項4に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記振動励起信号が直流バイアス電圧と、交流電圧及びその他のタイプの信号中の一種であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記圧電効果機構の振動振幅が最大の時、精密姿勢調節機構により前記校正装置の位置調整を実現することを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 前記標準レーザ光源1と前記測定しようとするレーザ振動計16との光源信号が一致し、校正過程において、前記標準レーザ光源1と前記測定しようとするレーザ振動計16の空間位置が同一軸線上にあることを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計用のデュアルビーム干渉校正装置。
- 測定しようとするレーザ振動計に対して校正を行う方法であって、
(i)標準レーザ光源1と測定しようとするレーザ振動計16を向かい合って同一水平台に取り付け、取り付け後に前記標準レーザ光源からの光が直接に測定しようとするレーザ振動計へ進入するようにする、
(ii)前記標準レーザ光源1と前記測定要しようとするレーザ振動計16との間には、順次に第一光アイソレータ2と、第一偏光ビームスプリッタ3と、レンズ5と、λ/4波長板5と、圧電効果機構6と、第四偏光プリズム10と、第一λ/2波長板11と、第二偏光ビームスプリッタ12及び第二光アイソレータ15が取り付けられる、
(iii)精密姿勢調節機構により前記標準レーザ光源1から射出したレーザを圧電効果機構6の応変最大箇所に合わせる、及び
(iiii)第一偏光プリズム7と第二偏光プリズム8を第一偏光ビームスプリッタ3の両側に対称するように取り付け、第一偏光ビームスプリッタ3から分離された光が第一偏光プリズム7と第二偏光プリズム8中の毎箇所で90°偏位するようにし、第三偏光プリズム9と第二偏光プリズム8を同一側に平行放置し、第二偏光プリズム8から射出された光を第三偏光プリズム9を通過した後、第四偏光プリズム10へ垂直に進入するようにし、第二λ/2波長板13と第五偏光プリズム14を第一偏光プリズム7と同一側に放置し、第一偏光プリズム7から射出された光を第二λ/2波長板13へ垂直に進入した後、第五偏光プリズム14へ垂直に進入して第五偏光プリズム14の所で90°偏位された後に第二偏光ビームスプリッタ12へ垂直に進入するようにする上記のステップを含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のレーザ振動計用デュアルビーム干渉校正装置を使用して測定しようとするレーザ振動計16に対して校正を行う方法。
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