JP3596707B2

JP3596707B2 - Displacement mirror device

Info

Publication number: JP3596707B2
Application number: JP23203296A
Authority: JP
Inventors: 和則長沼; 祐三石田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-09-02
Filing date: 1996-09-02
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2016-09-02
Also published as: JPH1073755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計や光共振器などにおいて光路長を電気的に変化させる目的で用いられる変位鏡装置に関し、特に圧電アクチュエータの一端に鏡を付着し、その圧電アクチュエータに印加する電圧によって鏡の位置を変える変位鏡装置に関する。本発明は、比較的に高速に光路長を変える際に、有限の質量を有する鏡の運動に不可避的に伴う振動を抑制することで、安定な光路長変化を実現可能にしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、この種の変位鏡装置を用いて光路長が高精度に制御された干渉計や光共振器の応用が隆盛してきている。例えば、測定用干渉系では、外乱に抗して光路長差が長時間一定に保たれれば、実質的測定時間が増し、ひいては精度・感度が向上する。このために、干渉信号を変位鏡装置に帰還して、光路長差を動的に安定化する。また、変位鏡装置をレーザ共振器に装着することで、波長の安定化、またはパルス発振の場合にはパルスの繰り返し周期の安定化が行われる。これらの場合、前者（波長の安定化）では、基準となるファブリ・ペロ共振器あるいはガス吸収セルに対し、後者（パルス発振）では高安定度発振器に対して、レーザ発振光を適当に比較することで誤差信号を得、それを変位鏡装置に帰還する。
【０００３】
さらに最近では、波長変換機能を装備した外部の共振器内にレーザ光を入射し、効率良く波長変換を行う方式が盛んであり、この場合、レーザ光を外部共振器に蓄積し、最大の効率を得るためには元のレーザ共振器または外部共振器のいずれか一方に変位鏡装置を装備し、共振器の固有モード周波数の整合を動的にとることが必要である。より簡易に波長変換光のみを外部共振器に蓄積する場合でも、パルス光を用いる場合には、変位鏡装置を用いて共振器周回時間の整合をとることが必要である。特に、産業上重要とみられている高調波発生の場合には、連続光を用いる場合であっても共振器周波数安定化が不可避となる。
【０００４】
変位鏡装置として、従来、圧電アクチュエータの一端面に鏡を付着し、他端をケースに固定した装置が用いられている。図５は、この従来例の変位鏡装置の構成を示す図であり、鏡の方位を調整するためのマウントに変位鏡装置を装着した状態を示す。
【０００５】
この例において、変位鏡装置は、圧電変換素子からなる圧電アクチュエータ４０１、圧電アクチュエータ４０１の一端に固着した反射鏡４０２、圧電アクチュエータ４０１の他端を固定して支持するシリンダ状の外筒４０５とにより構成される。この変位鏡装置全体が装着されるマウントは、例えば、機器本体の床に固定されるマウント固定部４２０、マウント可動部４２１、鏡４０２の方位を調整するためのマウント調整ノブ４２２，４２３とを有する。
【０００６】
ここで、適当な偏倚（バイアス）電圧に制御電圧を重畳して圧電アクチュエータ４０１に印加することにより、反射鏡４０２が外筒４０５に対し、その制御電圧に概ね比例して平行に変位する。反射鏡４０２にほぼ垂直に入射する光線の光路長は、その反射鏡４０２の変位量に相応して変化し、その結果、制御電圧により光路長を変化させる機能が実現される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の変位鏡装置には、以下の問題がある。
【０００８】
反射鏡４０２は、必ず有限の質量を有するので、反射鏡４０２の変位を生ぜしむるために圧電アクチュエータ４０１が力を発生する際、ニュートンの第３法則により、必然的に外筒４０５側にも力が加わることとなる。急速に変化する制御電圧に応答して反射鏡４０１が変位する場合には、この外筒側に加わる力の変化も急速となり、その結果、外筒４０５に振動を誘発することとなる。この外筒４０５の振動は、さらに外筒４０５が接しているマウント（４２０〜４２３）に伝搬して行く。
【０００９】
ここで当該マウントの振動に対する応答が問題となる。マウントは、鏡の方位を調整する機能を持たせるために、常に、図５に示した様に、マウント固定部４２０と、マウント可動部４２１の２つの部分から構成されており、マウント可動部４２１はマウント固定部４２１にスプリング（図示しない）で圧着されている。これらマウント固定部４２０とマウント可動部４２１との間隙の傾斜を、マウント調整ノブ４２２，４２３によって変化することで、外筒４０５と圧電アクチュエータ４０１を介して、鏡４０２の方位角と仰角を調整できるようになっている。マウント固定部４０２は上記のように床に固定されており、一方、変位鏡装置はマウント可動部４２１に装着される。
【００１０】
まず、マウント固定部４２０とマウント可動部４２１の相互運動を無視して考察すると、変位鏡装置が装着されたマウントを、マウント可動部４２１と変位鏡装置の合計の質量を荷った倒立振り子と見做すことができる。鏡４０２の方位を調整する機能を持たせない場合、換言すると、マウント固定部４２０に直接変位鏡装置を固着した場合でも、この倒立振り子に対応する振動モードは常に残存する。
【００１１】
実用上は、変位鏡装置が装備される光学系の初期調整、また、経年変化に対応した再調整のために、鏡４０２の方位を調整する余地を残すことが必要である。この場合、外筒４０５の上記振動モードに加えて、マウント固定部４２０とマウント可動部４２１のスプリングを介した相互運動に伴う振動モードが併存することとなる。
【００１２】
図６に、マウントの共鳴特性を測定することにより、こうした振動モードを調べた例を示す。ここでは、マウント固定部４２０が固着されている床に振動を与えた時の、マウント上の鏡４０２の振れ幅の相対値（ｄＢ）を、与えた振動の周波数（Ｈｚ）の関数として示してある。図６中、２５Ｈｚと５０Ｈｚの振動のピークは、電源周波数に由来し、周辺の床振動を拾ったもので、マウントの共鳴特性に係るものではない。周波数が最低の共鳴ピークは、図６中の２２０Ｈｚに現れている。これが、上記の倒立振り子としての振動モードに対応する。より高い共鳴周波数としては、７００Ｈｚ，２．５ｋＨｚ，４ｋＨｚ，５ｋＨｚなどが明瞭に現れており、これらはマウント固定部４２０とマウント可動部４２１の相互運動に由来する振動モードである。
【００１３】
前述したように、図５の従来例の変位鏡装置では、制御電圧変化に追随して反射鏡４０２が変位する場合、外筒４０５に振動が誘発され、この振動がマウントに伝播するので、その結果、図６で観測したようなマウントの共鳴振動が励起されるに至る。この共鳴振動により、変位鏡装置において、反射鏡変位の制御電圧に対する応答特性上に、複雑な起伏、いわゆるアバレが生ずる。
【００１４】
図７は、従来例の変位鏡装置の応答特性を示す図であり、制御電圧として、正弦波電圧を、圧電アクチュエータ端で一定振幅となるように給電した際の、反射鏡変位の振幅（相対値）と位相角（度）を、その正弦波周波数（Ｈｚ）について示した。図７中、右端付近、８ｋＨｚ周りに見られる振幅カーブ上のピークは、弾性体としての圧電アクチュエータに質量有限の反射鏡が付着されることで構成されるばね振り子としての共鳴である。この共鳴周波数ｆ_０は、付着された質量ｍ、圧電アクチュエータ材料のヤング率Ｅ、圧電アクチュエータの断面積Ｓおよび同長さｌを用いて、
【００１５】
【数１】

【００１６】
と表すことができる。
【００１７】
この振幅ピークをよぎって位相は１８０度回転する。この性質により、この変位鏡装置によって光路長の制御を行い得る周波数帯域の上限は、上記共鳴周波数ｆ_０により限られる。何となれば、周波数ｆ＜ｆ_０で負帰還がかかるように設定された制御系は、周波数ｆがｆ_０を越えると正帰還に転じてしまい不安定となるからである。従って、ｆ_０での帰還利得が１を越えないように、周波数とともに利得が減る回路、典型的には積分器、または低域濾過器（ローパス・フィルタ）を制御系に含めることが一般に行われる。
【００１８】
ここで、図７中で、ｆ_０の共鳴以外にも、ｆ＜ｆ_０の範囲に小さな共鳴特性が現れていることに注目されたい。これらは、反射鏡の変位に伴なう振動により、マウントの共鳴が励振された結果に他ならない。図６の振動モードに対応する周波数に共鳴特性が見られることにより、この解釈が裏付けられるであろう。
【００１９】
このような余分な共鳴特性の出現は、制御系の設計を複雑にする。例えば、図７の場合には、倒立振り子としての２２０Ｈｚの共鳴に、１０度程度の位相の回転が付随している。もし、圧電アクチュエータの静電容量に対して駆動増幅器の出力インピーダンスが高い結果、既にこの周波数近傍で１８０度に近い位相の周りが制御系に存した場合、上の共鳴に伴う位相回転が一転して系を不安定化することともなりかねない。図７の場合、同様の懸念は、さらに２．５ｋＨｚ，４ｋＨｚ，５ｋＨｚなどの共鳴に伴ってある。しかも周波数が高いほど、静電容量負荷に由来する制御系の元々の位相の周りが大きいので、共鳴に伴なう位相の回転による不安定化の起きる危険は増すのである。
【００２０】
こうした不安定化を避けるためには、位相回転が１８０度を越える可能性のある周波数の全てにおいて帰還利得を１未満に抑える方策を採ることが必要である。最も簡易な方法は、帰還利得を全周波数に亙って一様に減らすことであるが、これは制御系の性能自体の低下に通ずる。より良い方策としては、低域濾過器等を用いて問題となる共鳴周波数での帰還利得を減らすことが考えられるが、制御系の応答を犠牲にすることは免れない。根本的対策としては、図７のような詳細な応答特性を測定し、その逆特性の等価器を設計して制御系内に挿入することが考えられる。これは原理的には可能であるが、実用的とは言い難い。まず、マウントの共鳴特性は一般にマウントの仕様と認められていないので、現状では、カタログデータとして入手できず、また個体毎の偏差についても何ら保証されていない。また、共鳴特性は元来、フレームやスプリングの弾性体としての性質に由来する特性なので、温度変化や経年変化を蒙る可能性が多分にある。従って上記のような等価器は、その設計が容易でない上に、構築した等価器が逆特性を維持し続ける保証も無いのである。
【００２１】
以上では、変位鏡装置を装着したマウントに考察の対象を限って来たが、実は問題をこのように局限化することは必ずしも許されない。なぜならば、変位鏡装置を用いる干渉計や光共振器は、一般に変位鏡装置以外にも鏡等の光学部品を含み、それらを保持するマウントにも上述と同様の共鳴特性がある。一旦変位鏡装置からマウントに伝播した振動は、床を伝わってこれらの他のマウントにも達し、それらの共鳴振動を誘起する可能性がある。現に、上の図６で、床を通じた励起によって、マウントの共鳴特性を測定していたことを想起されたい。振動が床を伝わってマウントに達し、その共鳴振動を誘起するからこそ、このような測定が行えるのである。そもそも変位鏡装置を用いる目的は、干渉計や光共振器の光路長の制御のためであり、この光路長は変位鏡以外の鏡等の光学部品の変位によっても当然変化する。従って、もし、図７のようにして、干渉計や光共振器の総体としての光路長の応答特性を測定したならば、変位鏡装置の振動の影響の及ぶ限りのマウントの共鳴特性が全て混在して現れて来るのである。これらを全て勘案して逆特性を与える等価器を設計・維持することは、全く非現実的と言わざるを得ない。
【００２２】
変位鏡装置の振動がマウント、また床に伝わりにくくすれば、こうした問題を緩和できる。この着眼に立って、変位鏡装置を、振動遮断材料、例えば防振ゴム等を介して、マウントに装着することが考えられる。ところが、こうした材料は数ｋＨｚ以上の周波数には有効であるものの、それ以下の低周波における効果は小さい。また、突発的あるいは経年的変形によって変位鏡装置の方位が変化してしまう危惧を増し、かえって変位鏡装置を用いる干渉計や光共振器の長期的安定性の低下を招く結果となることが避けられなかった。
【００２３】
他方、変位鏡装置を用いる干渉計や光共振器を、剛性の高い構造とする対策もとられてきた。例えば、図５のマウント固定部４２０は底面のみで床に固着されているが、これを上面でも不動面に固着される構造に替えることで剛性を向上できる。しかし、こうした方法は、装置の長大化・高価格化を来たし、それゆえ、近年の光学機器の軽量・小型・低価格化の要請に逆行する。また剛性を増せば共鳴周波数は高周波側にシフトするが、共鳴現象自体が無くなるわけではなく、畢竟、問題の根本的解決とは言い難かったのである。
【００２４】
以上述べたように、従来例の変位鏡装置には、不可避的に振動を惹起し、
（１）自身の応答特性にアバレを生じる結果、高速制御を阻み、また
（２）床を通じて伝播する振動により、光学系の他部分にも振動を誘発する、
という解決すべき課題があった。
【００２５】
本発明は、本願発明者が見出した上述の課題を解決して、振動を惹起することが無く、安定な光路長変化を実現し、高速制御が可能な変位鏡装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、振動を惹起することが無く、安定な光路長変化を実現し、高速制御が可能な変位鏡装置を実現するため、比較的高速に光路長を変える際に、有限の質量を有する鏡の運動に不可避的に伴う振動を抑制できるようにした。
【００２７】
具体的には、請求項１の本発明は、圧電アクチュエータの一端に鏡を付着し、上記圧電アクチュエータに印加する電圧によって上記鏡の位置を変える変位鏡装置において、残り端に重りを付着した上記圧電アクチュエータを、長手方向の１点において固定し、上記圧電アクチュエータの上記１点から上記鏡までの第１の部分と上記１点から上記重りまでの第２の部分をそれぞれ同一の電圧で駆動したときに生じる第１の部分の変位をΔＬとし第２の部分の変位をΔＬ′としたときに、上記鏡の質量とΔＬとの第１の積と、上記重りの質量とΔＬ′との第２の積を等しくした。
【００２８】
請求項２の本発明は、上記圧電アクチュエータに上記鏡を付着する第１の器具と、上記圧電アクチュエータに上記重りを付着する第２の器具とを備え、上記鏡の質量に代えて上記鏡と上記第１の器具の質量の合計を、上記重りの質量に代えて上記重りと上記第２の器具の質量の合計を、上記第１及び第２の積の計算に用いた。
【００２９】
請求項３の本発明は、上記圧電アクチュエータが、上記１点で接合された別個の圧電アクチュエータからなり、各圧電アクチュエータが個別に駆動されるようにした。
【００３０】
請求項４の本発明は、上記１点において上記圧電アクチュエータを固定する支持枠と、この支持枠を介して上記圧電アクチュエータを保持する外筒と、この外筒を介して変位鏡装置全体が装着されるマウントとを有し、このマウントと上記外筒との結合点と上記支持枠が整列するように形成して、上記マウントによる保持面上に変位鏡装置の重心がほぼ乗るようにした。
【００３１】
本発明では、上記のように、一端に反射鏡を付着した圧電アクチュエータの他端に重り（平衡質量）を付着し、この圧電アクチュエータを長手方向の一点（以下、固定点）において固定し、反射鏡の質量Ｍと固定点から反射鏡までの距離Ｌの積ＭＬと、重りの質量Ｍ′と固定点から重りまでの距離Ｌ′の積Ｍ′Ｌ′を等しくしたので（ＭＬ＝Ｍ′Ｌ′）、反射鏡に掛る力の反作用と重りに掛る力の反作用が、その固定点上で互いに打ち消し合い、結果として固定点あるいはこれを保持するマウントには力が加わらない結果、振動の誘発が防がれる。また、固定点に対して反射鏡側の圧電アクチュエータの部分と、同じく重り側の圧電アクチュエータの部分を別々の圧電アクチュエータによって構成することもできるが、この場合は、２つの圧電アクチュエータを並列に接続し、同一の制御電圧が給電されるように構成する。以上により、振動を惹起することが無く高速制御可能な変位鏡装置の実現が可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３３】
図１は本発明の一実施形態の変位鏡装置の基本構成を示し、変位鏡装置を鏡の方位を調整するためのマウントに装着した状態を示す。
【００３４】
この構成において、変位鏡装置は圧電アクチュエータ１０１、反射鏡１０２、平衡質量（重り）１０３、支持枠１０４、および外筒１０５により構成される。支持枠１０４は外筒１０５の内周面に固定している。この変位鏡装置全体が装着されるマウントは、例えば、マウント固定部１２０、マウント可動部１２１、鏡の方位を調整するためのマウント調整ノブ１２２，１２３を持つ。
【００３５】
一端に反射鏡１０２を付着した圧電アクチュエータ１０１の他端に重りである平衡質量１０３を付着し、この圧電アクチュエータ１０１を長手方向の一点（以下、固定点）において支持枠１０４により固定し支持している。したがって、この場合は、その固定点は厳密には細い環状の面であり、支持面と称することもできる。図１では、典型的な構成として、反射鏡１０２の質量（重さ）と平衡質量１０３の質量とを同一にし、支持枠１０４の固定点から反射鏡１０２までの距離と平衡質量１０３までの距離とを同一にした場合を例示しているが、以下に述べる（５）式の条件を満たせば、本発明はこれに限らない。
【００３６】
本発明の変位鏡装置において、反射鏡１０２の質量およびその圧電アクチュエータ１０１への付着に要する器具の質量の合計をＭ、圧電アクチュエータ１０１を支持する支持面（固定点）と反射鏡１０２の付着される端面間の距離をＬとする。反射鏡１０２の変位ΔＬに対する加速度ｄ^２ΔＬ／ｄｔ^２（ｔは時間）に伴う反作用として、支持面には力
【００３７】
【数２】

【００３８】
が加わる。従来例の変位鏡装置が不可避的に振動を惹起したのは、まさにこの力が存在するためであった。
【００３９】
そこで、本発明の変位鏡装置では、支持面に対し反対側に、距離Ｌ′分の圧電アクチュエータ１０１を設置し、その端面に平衡質量１０３を付着した。この平衡質量１０３およびその付着に要する器具の質量の合計をＭ′とする。平衡質量１０３の変位ΔＬ′に伴って、上記支持面には力
【００４０】
【数３】

【００４１】
が加わる。
【００４２】
このため、本発明の変位鏡装置では、支持面に、以上２つの力の和Ｆ＋Ｆ′が加わることになる。これら２つの力Ｆ，Ｆ′が相殺し、支持面に加わる力がゼロとなる条件は、
【００４３】
【数４】
ＭΔＬ−Ｍ′ΔＬ′＝０（４）
である。
【００４４】
ここで、上記の変位ΔＬ，ΔＬ′はそれぞれ長さＬ，Ｌ′分の圧電アクチュエータの部分を同一の電圧で駆動したときに生じる変位である。従って、それらの間に比例関係、ΔＬ／Ｌ＝ΔＬ′／Ｌ′が成り立つ。これを式（４）に用いると、支持面に加わる力をゼロとする条件を、
【００４５】
【数５】
ＭＬ＝Ｍ′Ｌ′ （５）
と表すことができる。
【００４６】
図１の例においては、反射鏡１０２と平衡質量１０３は等質量であり、それぞれ圧電アクチュエータ１０１の合い対向する端面に直接接着されている。したがって、Ｍ＝Ｍ′が成り立っている。また、圧電アクチュエータ１０１は支持枠１０４を貫通し、圧電アクチュエータの長手方向の中点で支持枠に接着されている。そのため、支持枠１０４と圧電アクチュエータ１０１の接着点の張る面である支持面（固定点）から、反射鏡１０２の接着された端面と平衡質量１０３の接着された端面までの距離は相等しく、Ｌ＝Ｌ′が成立する。これらの結果、上式（５）が充たされている。
【００４７】
支持枠１０４は外筒１０５に接合され、この外筒１０５の突起部がマウント可動部１２１の鏡保持部に嵌められる形でマウントに装着されている。図１に示す様に支持枠１０４と外筒１０５の突起部が整列するように形成すれば、マウントによる保持面上に変位鏡装置の重心がほぼ乗ることとなり、マウント可動部１２１に静的トルクを及ぼすことが避けられる。上式（５）は、このようにして静的トルクを相殺するための条件をも与えている。反射鏡１０２の方向は、マウント調整ノブ１２２，１２３によって外筒１０５の全体の方位角と仰角を変えることで調整できる。上記のように静的トルクが相殺されていると、この調整機構に余分な負荷を与えることが防がれる。
【００４８】
ここで、適当な偏倚電圧（バイアス電圧）に制御電圧を重畳して圧電アクチュエータ１０１に印加することにより、反射鏡１０２が外筒１０５に対し、その制御電圧に概ね比例して平行に変位する。同時に平衡質量１０３が逆向きに等量だけ変位する。これら２つの変位を生ぜしむる力の反作用は常に支持枠１０４上で相殺される結果、制御電圧による運動に伴って支持枠１０４に加わる力は恒等的にゼロとなっている。従って支持枠１０４には何らの振動も誘発されず、振動が外筒１０５ないしマウントに伝播して行くことも当然無い。
【００４９】
図２は、本発明を適用した図１の変位鏡装置の応答特性を示す図であり、制御電圧として、正弦波電圧を、圧電アクチュエータ端で一定振幅となるように給電した際の、反射鏡変位の振幅と位相を、その正弦波周波数について示したものである。既に図７に示した従来例の変位鏡装置の応答特性との、直接的な比較を行うために、この測定では、従来例と同一の反射鏡１０２を使用し、従来例の圧電アクチュエータと同材質、同一断面積で長さが丁度２倍の圧電アクチュエータ１０１を長手方向の中点で支持枠１０４に接着して変位鏡装置を構成し、それを装着するマウント（１２０〜１２３）も従来例と同一とした。
【００５０】
本発明では、圧電アクチュエータ１０１の長さが２倍となった結果、駆動増幅器（図示しない）には２倍の静電容量負荷がかかることになるが、その影響は、圧電アクチュエータ端で一定振幅となる給電条件で測定した図２の特性上には現れない。図２中、右端付近、８ｋＨｚ周りに見られる振幅カーブ上のピークは、従来例の個所で既述したように、圧電アクチュエータと反射鏡とで構成されるばね振り子としての共鳴ｆ_０である。
【００５１】
ここで、平衡質量１０３側の圧電アクチュエータと平衡質量１０３とで構成されるばね振り子の共鳴はどうなるのであろうか。実は、その共鳴周波数は反射鏡１０２側のばね振り子の共鳴周波数に一致する。これを見るには、上式（１）を求めればよい。上式（５）が成立しているとき、上式（１）は、支持枠１０４の両側の２つのばね振り子に対して等しい共鳴周波数を与える。この性質により、平衡質量１０３の設置が、制御系に余分の共鳴特性を加えるという副作用は生じないのである。
【００５２】
以上を総合すると、上式（５）は、支持枠１０４に加わる力の相殺条件、マウント可動部１２１への静的トルクの相殺条件、さらに支持枠１０４の両側のばね振り子の共鳴周波数の一致条件の３つを、一挙に与えていることが分かる。
【００５３】
図２中には、以上考察した共鳴周波数ｆ_０の共鳴以外には、全く共鳴特性が現れていないことに注目されたい。これは図７に示した従来の変位鏡装置の特性と比較して著しい相違である。この結果は、反射鏡１０２の変位が振動を全然伴わずになされており、マウント、または床の共鳴が励振されないという本発明の効果の発現を示すものに他ならない。こうして本発明の変位鏡装置では、如何なるマウントに取り付けた状態でも、同一の応答特性を期待することができる。
【００５４】
【実施例】
以下、図面を参照してより具体的な本発明の実施例を詳細に説明する。
【００５５】
（第１の実施例）
図３は単一の圧電アクチュエータを用いた本発明の第１の実施例を示す断面図であり、既に、本発明の変位鏡装置は、その特性が取り付けられるマウントに依らないことを示していることを鑑みて、マウントを省いた変位鏡装置本体のみを示してある。
【００５６】
本実施例装置において、圧電アクチュエータ３０１の両端には、互いに等しい形状・質量となるように製作した継ぎ手３１０，３１１が接着されている。反射鏡３０２は反射鏡枠３０９に固定され、この反射鏡枠３０９が継ぎ手３１０にネジ込まれる。一方、他端の継ぎ手３１１には、平衡質量（重り）３０３がネジ込まれる。このように反射鏡３０２および平衡質量３０３を継ぎ手３１０、３１１を介して着脱自由に圧電アクチュエータ３０１に付着することで、反射鏡３０２の交換が可能となる。
【００５７】
平衡質量３０３は、反射鏡３０２と反射鏡枠３０９の質量の合計Ｍに等しい質量Ｍ′を持つように製作する。
【００５８】
例えば、直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍのＢＫ７ガラス製基板を持つ反射鏡３０２の質量は、３．９３ｇであり、アルミ合金製の反射鏡枠３０９の質量との合計は、４．９３ｇとなった。ここで、平衡質量の材質を真ちゅうに選び、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ部分の長さ４ｍｍ、内径８ｍｍ部分の長さ１．５ｍｍの段付き中空円筒に切削加工して、上記質量の合計に等しい質量を持つ小型の平衡質量３０３を得た。
【００５９】
また、直径２５ｍｍ、厚み１０ｍｍのＢＫ７ガラス製基板を持つ反射鏡３０２の場合、その質量は、１２．２７ｇであり、これをアルミ合金製の反射鏡枠３０９の質量と合わせて、１３．７９ｇとなった。このとき平衡質量の材質はやはり真ちゅうに選び、外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ部分の長さ５ｍｍ、内径８ｍｍ部分の長さ９ｍｍの段付き中空円筒に切削加工して、質量の釣り合う小型の平衡質量３０３を得た。
【００６０】
本実施例装置で、圧電アクチュエータ３０１は、支持枠３０４を貫通する形で、自身の長手方向の中点で接着固定されている。反射鏡３０２の交換に付随して、外筒３０５内に収納された平衡質量３０３の交換が必要となるが、そうした際に、圧電アクチュエータ３０１を支持枠３０４ごと外筒３０５から引き出すために、支持枠３０４は、外筒３０５にネジ止めされる。圧電アクチュエータ３０１から出るリード線は、給電端子３１２にはんだ付けされ、給電端子３１２は、外筒３０５にネジ止めされる給電端子枠３１３に取り付けられている。
【００６１】
外筒３０５の外面には、支持枠３０４と整列したつば３０５−１が設けられている。このつば３０５−１の外径は、本変位鏡装置を装着する円形鏡用のマウントの、鏡保持部に嵌まる寸法に製作する。つば３０５−１と支持枠３０４とを整列することで、既に述べた様に、本変位鏡装置がマウントに及ぼす静的トルクを低減できる。
【００６２】
本実施例装置で、圧電アクチュエータ３０１に、５ｍｍ角、長さ１８ｍｍの積層型の製品を用い、反射鏡３０２として第１例の反射鏡（直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍ）を取り付けた状態で、ばね振り子としての共鳴周波数ｆ_０は、１７ｋＨｚとなった。この変位鏡装置をレーザ共振器の光路長制御に用いたところ、マウント等の共鳴を顧慮することなく、共鳴周波数ｆ_０に対処するためだけの簡単な低域濾過器を制御系に挿入することで、帯域が５ｋＨｚに及ぶ制御効果をあげることができた。
【００６３】
（第２の実施例）
図４は本発明の第２の実施例として、２つの圧電アクチュエータを用いた実施例を示す断面図である。
【００６４】
本実施例装置においては、中仕切りを持つ支持枠３０８を使用し、この中仕切りの表裏に、材質、断面積および長さの等しい２個の圧電アクチュエータ３０６，３０７が接着固定されている。２つの圧電アクチュエータ３０６、３０７から出るリード線は、並列に接続した上で、給電端子３１２にはんだ付けされる。支持枠３０８は、第１の実施例と同様に、外筒３０５にネジ止めされる。
【００６５】
その他は、第１の実施例に準ずる。
【００６６】
本実施例装置で、２つの圧電アクチュエータ３０６，３０７に、それぞれ５ｍｍ角、長さ１０ｍｍの積層型の製品を用い、反射鏡３０２として第１例の反射鏡（直径２０ｍｍ、厚み５ｍｍ）を取り付けた状態での、ばね振り子としての共鳴周波数ｆ_０は、１７ｋＨｚとなった。この変位鏡装置をレーザ共振器の光路長制御に用いて、第１の実施例と同じ制御効果をあげることができた。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長手方向に伸縮する圧電アクチュエータを長手方向の一点（固定点）において固定し、反射鏡の質量Ｍと固定点から反射鏡までの部分の変位ΔＬとの積ＭΔＬと、重りの質量Ｍ′と固定点から重りまでの部分の変位ΔＬ′との積Ｍ′ΔＬ′を等しくしたので、反射鏡に掛かる力の反作用と重りに掛かる力の反作用が、その固定点上で互いに打ち消し合い、結果として固定点あるいはこれを保持するマウントには力が加わらない結果、振動の誘発が防がれる。従って、本発明によれば、振動を誘発することなく反射鏡の変位を行なえるので、取り付けるマウントによらない応答特性を実現することができ、光学系の他部分に振動を誘発するおそれも無い。このため、本発明は、干渉計および光共振器に広く用いることができ、高速の光路長制御を容易に達成できるので、工業的に大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の変位鏡装置の基本構成を示す断面図である。
【図２】本発明装置により得られた応答特性を示すグラフである。
【図３】単一の圧電アクチュエータを用いた本発明の第１の実施例の構成を示す断面図である。
【図４】２つの圧電アクチュエータを用いた本発明の第２の実施例の構成を示す断面図である。
【図５】従来例の変位鏡装置の構成を示す断面図である。
【図６】変位鏡装置が装着されるマウントの共鳴特性の例を示すグラフである。
【図７】従来例装置の応答特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１圧電アクチュエータ
１０２反射鏡
１０３平衡質量
１０４支持枠
１０５外筒
１２０マウント固定部
１２１マウント可動部
１２２，１２３マウント調整ノブ
３０１圧電アクチュエータ
３０２反射鏡
３０３平衡質量
３０４支持枠
３０５外筒
３０５−１つば
３０６，３０７圧電アクチュエータ
３０８支持枠
３０９反射鏡枠
３１０，３１１継ぎ手
３１２給電端子
３１３給電端子枠
４０１圧電アクチュエータ
４０２反射鏡
４０５外筒
４２０マウント固定部
４２１マウント可動部
４２２，４２３マウント調整ノブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement mirror device used for the purpose of electrically changing the optical path length in an interferometer, an optical resonator, or the like.In particular, a mirror is attached to one end of a piezoelectric actuator, and the mirror is attached by a voltage applied to the piezoelectric actuator. The present invention relates to a displacement mirror device for changing a position. According to the present invention, when the optical path length is changed at a relatively high speed, a vibration that is inevitably accompanied by the movement of a mirror having a finite mass is suppressed, thereby realizing a stable change in the optical path length.
[0002]
[Prior art]
In recent years, applications of interferometers and optical resonators in which the optical path length is controlled with high precision using this type of displacement mirror device have been prosperous. For example, in the measurement interference system, if the optical path length difference is kept constant for a long time against the disturbance, the substantial measurement time is increased, and the accuracy and sensitivity are improved. For this purpose, the interference signal is fed back to the displacement mirror device to dynamically stabilize the optical path length difference. Further, by attaching the displacement mirror device to the laser resonator, the wavelength is stabilized, or in the case of pulse oscillation, the pulse repetition period is stabilized. In these cases, the former (wavelength stabilization) appropriately compares the laser oscillation light with the reference Fabry-Perot resonator or gas absorption cell, and the latter (pulse oscillation) compares the laser oscillation light with the high stability oscillator. Thus, an error signal is obtained, and the error signal is returned to the displacement mirror device.
[0003]
More recently, a method has been actively used in which laser light is incident into an external resonator equipped with a wavelength conversion function to efficiently perform wavelength conversion. In this case, the laser light is accumulated in the external resonator and the maximum efficiency is achieved. To achieve this, it is necessary to equip either the original laser resonator or the external resonator with a displacement mirror device and dynamically match the natural mode frequency of the resonator. Even when only the wavelength-converted light is more simply stored in the external resonator, it is necessary to match the resonator circulating time using a displacement mirror device when using pulsed light. In particular, in the case of harmonic generation which is considered to be industrially important, stabilization of the resonator frequency is inevitable even when continuous light is used.
[0004]
Conventionally, as a displacement mirror device, a device in which a mirror is attached to one end surface of a piezoelectric actuator and the other end is fixed to a case is used. FIG. 5 is a view showing the configuration of this conventional displacement mirror device, and shows a state where the displacement mirror device is mounted on a mount for adjusting the orientation of the mirror.
[0005]
In this example, the displacement mirror device includes a piezoelectric actuator 401 composed of a piezoelectric conversion element, a reflecting mirror 402 fixed to one end of the piezoelectric actuator 401, and a cylindrical outer cylinder 405 for fixing and supporting the other end of the piezoelectric actuator 401. Be composed. The mount on which the entire displacement mirror device is mounted has, for example, a mount fixing portion 420 fixed to the floor of the device main body, a mount movable portion 421, and mount adjustment knobs 422 and 423 for adjusting the orientation of the mirror 402. .
[0006]
Here, by superimposing a control voltage on an appropriate bias voltage and applying the control voltage to the piezoelectric actuator 401, the reflecting mirror 402 is displaced in parallel with the outer cylinder 405 in substantially proportion to the control voltage. The optical path length of a light beam that enters the reflecting mirror 402 almost perpendicularly changes according to the amount of displacement of the reflecting mirror 402. As a result, a function of changing the optical path length by a control voltage is realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional displacement mirror device has the following problems.
[0008]
Since the reflecting mirror 402 always has a finite mass, when the piezoelectric actuator 401 generates a force to generate the displacement of the reflecting mirror 402, the reflecting mirror 402 is inevitably provided on the outer cylinder 405 side according to Newton's third law. Power will be added. When the reflecting mirror 401 is displaced in response to the rapidly changing control voltage, the force applied to the outer cylinder also changes rapidly, and as a result, the outer cylinder 405 is induced to vibrate. The vibration of the outer cylinder 405 further propagates to the mounts (420 to 423) in contact with the outer cylinder 405.
[0009]
Here, the response to the vibration of the mount becomes a problem. The mount is always composed of two parts, a mount fixing part 420 and a mount movable part 421, as shown in FIG. 5 so as to have a function of adjusting the orientation of the mirror. Is press-fitted to the mount fixing portion 421 by a spring (not shown). By changing the inclination of the gap between the mount fixing part 420 and the mount movable part 421 by the mount adjustment knobs 422 and 423, the azimuth and elevation of the mirror 402 can be adjusted via the outer cylinder 405 and the piezoelectric actuator 401. It has become. The mount fixing section 402 is fixed to the floor as described above, while the displacement mirror device is mounted on the mount movable section 421.
[0010]
First, considering the mutual movement of the mount fixed part 420 and the mount movable part 421 ignoring, the mount on which the displacement mirror device is mounted is referred to as an inverted pendulum loaded with the total mass of the mount movable part 421 and the displacement mirror device. Can be considered. When the function of adjusting the orientation of the mirror 402 is not provided, in other words, even when the displacement mirror device is directly fixed to the mount fixing part 420, the vibration mode corresponding to the inverted pendulum always remains.
[0011]
In practice, it is necessary to leave room for adjusting the azimuth of the mirror 402 for the initial adjustment of the optical system equipped with the displacement mirror device and the readjustment corresponding to aging. In this case, in addition to the above-described vibration mode of the outer cylinder 405, a vibration mode associated with mutual movement of the mount fixing part 420 and the mount movable part 421 via the spring coexists.
[0012]
FIG. 6 shows an example of examining such vibration modes by measuring the resonance characteristics of the mount. Here, the relative value (dB) of the swing width of the mirror 402 on the mount when a vibration is applied to the floor to which the mount fixing portion 420 is fixed is shown as a function of the frequency (Hz) of the applied vibration. is there. In FIG. 6, the peaks of the vibrations at 25 Hz and 50 Hz are derived from the power supply frequency, and pick up the surrounding floor vibrations, and do not relate to the resonance characteristics of the mount. The resonance peak with the lowest frequency appears at 220 Hz in FIG. This corresponds to the above-described vibration mode as an inverted pendulum. As higher resonance frequencies, 700 Hz, 2.5 kHz, 4 kHz, 5 kHz, and the like clearly appear, and these are vibration modes derived from the mutual movement of the mount fixed part 420 and the mount movable part 421.
[0013]
As described above, in the conventional displacement mirror device of FIG. 5, when the reflecting mirror 402 is displaced following the control voltage change, vibration is induced in the outer cylinder 405, and this vibration propagates to the mount. As a result, the resonance vibration of the mount as observed in FIG. 6 is excited. Due to this resonance vibration, a complicated undulation, that is, so-called abrasion, occurs in response characteristics of the displacement mirror device to the control voltage of the displacement of the reflection mirror.
[0014]
FIG. 7 is a diagram showing response characteristics of a conventional displacement mirror device. When a sinusoidal voltage is supplied as a control voltage so as to have a constant amplitude at the end of the piezoelectric actuator, the amplitude (relative displacement) of the reflection mirror is measured. Values) and phase angles (degrees) are shown for the sine wave frequency (Hz). In FIG. 7, the peak on the amplitude curve near the right end, around 8 kHz, is resonance as a spring pendulum formed by attaching a reflector having a finite mass to a piezoelectric actuator as an elastic body. This resonance frequency f ₀ Is calculated using the attached mass m, the Young's modulus E of the piezoelectric actuator material, the cross-sectional area S of the piezoelectric actuator, and the same length l.
[0015]
(Equation 1)

[0016]
It can be expressed as.
[0017]
The phase rotates 180 degrees across this amplitude peak. Due to this property, the upper limit of the frequency band in which the optical path length can be controlled by this displacement mirror device is the resonance frequency f ₀ Limited by What is the frequency f <f ₀ In the control system set so that negative feedback is applied, the frequency f is f ₀ If it exceeds, it will turn to positive feedback and become unstable. Therefore, f ₀ It is common practice to include in the control system a circuit that reduces the gain with frequency, typically an integrator, or a low pass filter (low-pass filter) so that the feedback gain at does not exceed 1.
[0018]
Here, in FIG. ₀ F <f ₀ Note that small resonance characteristics appear in the range. These are nothing but the result of excitation of the resonance of the mount due to the vibration accompanying the displacement of the reflector. This interpretation will be supported by the appearance of resonance characteristics at the frequency corresponding to the vibration mode in FIG.
[0019]
The appearance of such extra resonance characteristics complicates the design of the control system. For example, in the case of FIG. 7, a 220 Hz resonance as an inverted pendulum is accompanied by a phase rotation of about 10 degrees. If the output impedance of the drive amplifier is higher than the capacitance of the piezoelectric actuator, and the control system already has a phase near 180 degrees near this frequency, the phase rotation associated with the above resonance is reversed. Can destabilize the system. In the case of FIG. 7, the same concern is accompanied by resonance at 2.5 kHz, 4 kHz, 5 kHz, and the like. In addition, the higher the frequency, the larger the phase around the original phase of the control system derived from the capacitance load, so that the risk of instability due to phase rotation accompanying resonance increases.
[0020]
To avoid such instability, it is necessary to take measures to keep the feedback gain below 1 at all frequencies where the phase rotation may exceed 180 degrees. The simplest method is to reduce the feedback gain uniformly over all frequencies, but this leads to a decrease in the performance of the control system itself. As a better measure, it is conceivable to use a low-pass filter or the like to reduce the feedback gain at the resonance frequency that is a problem, but it is unavoidable to sacrifice the response of the control system. As a fundamental measure, it is conceivable to measure a detailed response characteristic as shown in FIG. 7, design an equalizer having the opposite characteristic, and insert it into the control system. Although this is possible in principle, it is not practical. First, since the resonance characteristics of the mount are not generally recognized as the specifications of the mount, at present, it is not available as catalog data, and no deviation is guaranteed for each individual. In addition, since the resonance characteristics are originally derived from the properties of the frame or the spring as an elastic body, there is a great possibility that the characteristics will be affected by temperature changes and aging. Therefore, the design of the above-mentioned equalizer is not easy, and there is no guarantee that the constructed equalizer keeps the inverse characteristic.
[0021]
In the above, the object of consideration has been limited to the mount on which the displacement mirror device is mounted, but in reality, it is not always possible to localize the problem in this way. This is because an interferometer or an optical resonator using a displacement mirror device generally includes optical components such as a mirror in addition to the displacement mirror device, and a mount that holds them has the same resonance characteristics as described above. Vibrations once propagated from the displacement mirror device to the mounts can travel down the floor to these other mounts and induce their resonant vibrations. In fact, recall that in FIG. 6 above, the resonance properties of the mount were measured by excitation through the floor. Such measurements can be made because the vibrations travel down the floor to the mount and induce their resonant vibrations. The purpose of using the displacement mirror device is to control the optical path length of an interferometer or an optical resonator, and the optical path length naturally changes depending on the displacement of an optical component other than the displacement mirror, such as a mirror. Therefore, if the response characteristics of the optical path length as a whole of the interferometer and the optical resonator are measured as shown in FIG. 7, all the resonance characteristics of the mount as far as the influence of the vibration of the displacement mirror device is present are mixed. And appear. It is absolutely impractical to design and maintain an equalizer that gives an inverse characteristic in consideration of all of these.
[0022]
If the vibration of the displacement mirror device is hardly transmitted to the mount and the floor, such a problem can be reduced. From this viewpoint, it is conceivable to mount the displacement mirror device on a mount via a vibration isolation material, for example, a vibration-proof rubber. However, such a material is effective at frequencies of several kHz or more, but has little effect at low frequencies below that. In addition, the possibility that the azimuth of the displacement mirror device changes due to sudden or aging deformation is increased, and the result is that long-term stability of an interferometer or an optical resonator using the displacement mirror device is reduced. I couldn't.
[0023]
On the other hand, measures have been taken to make interferometers and optical resonators using a displacement mirror device with a highly rigid structure. For example, although the mount fixing portion 420 in FIG. 5 is fixed to the floor only at the bottom surface, the rigidity can be improved by replacing the mount fixing portion 420 with a structure fixed to the immobile surface even at the upper surface. However, such a method has resulted in an increase in the size and cost of the apparatus, and therefore goes against recent demands for lighter, smaller, and lower cost optical devices. Also, if the rigidity is increased, the resonance frequency shifts to the high frequency side, but the resonance phenomenon itself does not disappear, and it was hardly a fundamental solution to the problem.
[0024]
As described above, the conventional displacement mirror device inevitably causes vibration,
(1) As a result, the response characteristics of the device itself are disturbed, thereby preventing high-speed control.
(2) The vibration propagating through the floor induces vibration in other parts of the optical system,
There was a problem to be solved.
[0025]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems found by the inventor of the present application, and to provide a displacement mirror device capable of realizing a stable optical path length change without causing vibration and performing high-speed control. I do.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, in order to realize a stable optical path length change without causing vibration and to realize a displacement mirror device capable of high-speed control, when changing the optical path length at a relatively high speed, a finite mass is required. Vibrations inevitably associated with the movement of the mirror having
[0027]
Specifically, the present invention of claim 1 is a displacement mirror device in which a mirror is attached to one end of a piezoelectric actuator and the position of the mirror is changed by a voltage applied to the piezoelectric actuator, wherein a weight is attached to the remaining end. Fix the piezoelectric actuator at one point in the longitudinal direction, The piezoelectric actuator Up From one point Up The first part up to the mirror Up From one point Up When the displacement of the first portion is ΔL and the displacement of the second portion is ΔL ′ when the second portion up to the weight is driven by the same voltage, respectively, With the mass of the above mirror ΔL And the mass of the weight ΔL ' And the second product was equal.
[0028]
The present invention according to claim 2 includes a first instrument for attaching the mirror to the piezoelectric actuator, and a second instrument for attaching the weight to the piezoelectric actuator, wherein the mirror is used instead of the mass of the mirror. Instead of using the total weight of the first device and the weight of the weight, the total weight of the weight and the second device was used for calculating the first and second products.
[0029]
According to a third aspect of the present invention, the piezoelectric actuator comprises a separate piezoelectric actuator joined at the one point, and each piezoelectric actuator is individually driven.
[0030]
According to a fourth aspect of the present invention, a support frame for fixing the piezoelectric actuator at the one point, an outer cylinder for holding the piezoelectric actuator via the support frame, and the entire displacement mirror device mounted via the outer cylinder. The support frame is formed so that the connection point between the mount and the outer cylinder is aligned with the support frame, so that the center of gravity of the displacement mirror device substantially rests on the holding surface of the mount.
[0031]
According to the present invention, as described above, a weight (equilibrium mass) is attached to the other end of a piezoelectric actuator having a reflecting mirror attached to one end, and this piezoelectric actuator is fixed at one point in the longitudinal direction (hereinafter, a fixed point), and reflected. Since the product ML of the mass M of the mirror and the distance L from the fixed point to the reflector is equal to the product M'L 'of the mass M' of the weight and the distance L 'from the fixed point to the weight (ML = M'L '), The reaction of the force applied to the reflector and the reaction of the force applied to the weight cancel each other at the fixed point, and as a result, no force is applied to the fixed point or the mount holding the same, resulting in the induction of vibration. Can be prevented. Also, the piezoelectric actuator part on the reflecting mirror side with respect to the fixed point and the piezoelectric actuator part on the weight side can be composed of separate piezoelectric actuators. In this case, two piezoelectric actuators are connected in parallel. Then, it is configured such that the same control voltage is supplied. As described above, it is possible to realize a displacement mirror device capable of performing high-speed control without causing vibration.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 shows a basic configuration of a displacement mirror device according to an embodiment of the present invention, and shows a state where the displacement mirror device is mounted on a mount for adjusting the orientation of the mirror.
[0034]
In this configuration, the displacement mirror device includes a piezoelectric actuator 101, a reflecting mirror 102, an equilibrium mass (weight) 103, a support frame 104, and an outer cylinder 105. The support frame 104 is fixed to the inner peripheral surface of the outer cylinder 105. The mount on which the entire displacement mirror device is mounted has, for example, a mount fixing unit 120, a mount movable unit 121, and mount adjustment knobs 122 and 123 for adjusting the orientation of the mirror.
[0035]
A balance mass 103 as a weight is attached to the other end of the piezoelectric actuator 101 having a reflecting mirror 102 attached to one end, and the piezoelectric actuator 101 is fixed and supported by a support frame 104 at one point in the longitudinal direction (hereinafter, a fixed point). I have. Therefore, in this case, the fixing point is strictly a thin annular surface, and can also be referred to as a support surface. In FIG. 1, as a typical configuration, the mass (weight) of the reflector 102 and the mass of the balance mass 103 are the same, and the distance from the fixed point of the support frame 104 to the reflector 102 and the distance to the balance mass 103 Is exemplified, but the present invention is not limited to this as long as the condition of the following expression (5) is satisfied.
[0036]
In the displacement mirror device of the present invention, the sum of the mass of the reflecting mirror 102 and the mass of the equipment required for attaching the reflecting mirror 102 to the piezoelectric actuator 101 is M, and the supporting surface (fixed point) supporting the piezoelectric actuator 101 and the reflecting mirror 102 are attached. Let L be the distance between the end faces. Acceleration d with respect to displacement ΔL of reflecting mirror 102 ² ΔL / dt ² (T is time) as a reaction,
[0037]
(Equation 2)

[0038]
Joins. The displacement mirror device of the conventional example inevitably caused the vibration just because of this force.
[0039]
Therefore, in the displacement mirror device of the present invention, the piezoelectric actuator 101 for the distance L 'is installed on the opposite side to the support surface, and the balance mass 103 is attached to the end face. The sum of the equilibrium mass 103 and the mass of the instrument required for the attachment is M ′. With the displacement ΔL ′ of the balance mass 103, a force is applied to the support surface.
[0040]
(Equation 3)

[0041]
Joins.
[0042]
Therefore, in the displacement mirror device of the present invention, the sum F + F 'of the above two forces is applied to the support surface. The condition that these two forces F and F 'cancel each other and the force applied to the support surface becomes zero is as follows.
[0043]
(Equation 4)
MΔL−M′ΔL ′ = 0 (4)
It is.
[0044]
Here, the above-mentioned displacements ΔL and ΔL ′ are displacements generated when the piezoelectric actuator portions corresponding to the lengths L and L ′ are driven by the same voltage. Therefore, a proportional relationship, ΔL / L = ΔL ′ / L ′, holds between them. Using this in equation (4), the condition that the force applied to the support surface is made zero is
[0045]
(Equation 5)
ML = M'L '(5)
It can be expressed as.
[0046]
In the example of FIG. 1, the reflecting mirror 102 and the equilibrium mass 103 have the same mass, and are directly bonded to the facing end faces of the piezoelectric actuator 101, respectively. Therefore, M = M 'holds. Further, the piezoelectric actuator 101 penetrates the support frame 104 and is bonded to the support frame at a midpoint in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator. Therefore, the distance from the support surface (fixed point), which is the surface where the support frame 104 and the piezoelectric actuator 101 are bonded to each other, to the bonded end surface of the reflector 102 and the bonded end surface of the balance mass 103 are equal. = L 'holds. As a result, the above equation (5) is satisfied.
[0047]
The support frame 104 is joined to the outer cylinder 105, and the projection of the outer cylinder 105 is mounted on the mount such that the projection is fitted to the mirror holding section of the mount movable section 121. If the projections of the support frame 104 and the outer cylinder 105 are formed so as to be aligned as shown in FIG. 1, the center of gravity of the displacement mirror device will be almost on the holding surface of the mount, and the static torque will be applied to the mount movable part 121. Is avoided. Equation (5) above also provides conditions for canceling out static torque in this way. The direction of the reflecting mirror 102 can be adjusted by changing the azimuth and elevation of the entire outer cylinder 105 using the mount adjustment knobs 122 and 123. When the static torque is canceled out as described above, an extra load is prevented from being applied to the adjusting mechanism.
[0048]
Here, by superimposing a control voltage on an appropriate bias voltage (bias voltage) and applying the control voltage to the piezoelectric actuator 101, the reflecting mirror 102 is displaced in parallel with the outer cylinder 105 in substantially proportion to the control voltage. At the same time, the equilibrium mass 103 is displaced in the opposite direction by an equal amount. The reaction of the forces causing these two displacements is always offset on the support frame 104, so that the force applied to the support frame 104 due to the movement by the control voltage is equal to zero. Therefore, no vibration is induced in the support frame 104, and the vibration does not naturally propagate to the outer cylinder 105 or the mount.
[0049]
FIG. 2 is a diagram showing a response characteristic of the displacement mirror device of FIG. 1 to which the present invention is applied. When a sinusoidal voltage is supplied as a control voltage so as to have a constant amplitude at the end of the piezoelectric actuator, the reflection mirror is used. The amplitude and phase of the displacement are shown for the sine wave frequency. In order to make a direct comparison with the response characteristics of the conventional displacement mirror device already shown in FIG. 7, in this measurement, the same reflection mirror 102 as that of the conventional example was used, and the same as that of the conventional piezoelectric actuator was used. A displacement mirror device is constructed by bonding a piezoelectric actuator 101 having the same material and the same cross-sectional area and having a length just double that of the piezoelectric actuator 101 to a support frame 104 at a middle point in the longitudinal direction, and mounts (120 to 123) for mounting the displacement mirror device are also conventional examples. And the same.
[0050]
According to the present invention, the doubling of the length of the piezoelectric actuator 101 causes a double capacitance load to be applied to the drive amplifier (not shown). 2 does not appear on the characteristics of FIG. 2 measured under the following power supply conditions. In FIG. 2, the peak on the amplitude curve near the right end, around 8 kHz, is the resonance f as the spring pendulum composed of the piezoelectric actuator and the reflecting mirror, as described in the section of the conventional example. ₀ It is.
[0051]
Here, what happens to the resonance of the spring pendulum composed of the piezoelectric actuator on the balance mass 103 side and the balance mass 103? In fact, the resonance frequency matches the resonance frequency of the spring pendulum on the reflector 102 side. To see this, the above equation (1) may be obtained. When the above equation (5) holds, the above equation (1) gives equal resonance frequencies to the two spring pendulums on both sides of the support frame 104. Due to this property, the installation of the equilibrium mass 103 has no side effect of adding an extra resonance characteristic to the control system.
[0052]
Summing up the above, the above equation (5) gives the condition for canceling the force applied to the support frame 104, the condition for canceling the static torque to the mount movable part 121, and the condition for matching the resonance frequencies of the spring pendulums on both sides of the support frame 104. It can be seen that the three are given at once.
[0053]
FIG. 2 shows the resonance frequency f considered above. ₀ It should be noted that no resonance characteristics appear at all other than the above resonance. This is a remarkable difference as compared with the characteristics of the conventional displacement mirror device shown in FIG. This result is the only one that shows the manifestation of the effect of the present invention in that the displacement of the reflector 102 is performed without any vibration, and the resonance of the mount or the floor is not excited. Thus, in the displacement mirror device of the present invention, the same response characteristics can be expected regardless of the mounted state of the mount.
[0054]
【Example】
Hereinafter, more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0055]
(First embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the present invention using a single piezoelectric actuator, and already shows that the characteristics of the displacement mirror device of the present invention do not depend on the mount to be mounted. In view of this, only the displacement mirror device main body without the mount is shown.
[0056]
In the apparatus of this embodiment, joints 310 and 311 manufactured so as to have the same shape and mass are bonded to both ends of the piezoelectric actuator 301. The reflecting mirror 302 is fixed to a reflecting mirror frame 309, and the reflecting mirror frame 309 is screwed into the joint 310. On the other hand, an equilibrium mass (weight) 303 is screwed into the joint 311 at the other end. As described above, the reflecting mirror 302 and the equilibrium mass 303 are detachably attached to the piezoelectric actuator 301 through the

joints

310 and 311, so that the reflecting mirror 302 can be replaced.
[0057]
The balance mass 303 is manufactured so as to have a mass M ′ equal to the sum M of the masses of the reflector 302 and the reflector frame 309.
[0058]
For example, the weight of the reflecting mirror 302 having the BK7 glass substrate having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm was 3.93 g, and the total weight of the reflecting mirror frame 309 made of aluminum alloy was 4.93 g. Here, the material of the equilibrium mass is selected brass, cut into a stepped hollow cylinder having an outer diameter of 15 mm, an inner diameter of 10 mm, a length of 4 mm, and an inner diameter of 8 mm, a length of 1.5 mm, and is equal to the total of the above masses. A small balanced mass 303 with mass was obtained.
[0059]
In the case of a reflector 302 having a BK7 glass substrate having a diameter of 25 mm and a thickness of 10 mm, the mass is 12.27 g, which is 13.79 g in total with the mass of the reflector frame 309 made of an aluminum alloy. became. At this time, the material of the equilibrium mass is also selected from brass, and is cut into a stepped hollow cylinder having an outer diameter of 15 mm, an inner diameter of 10 mm, a length of 5 mm, and an inner diameter of 8 mm, and a length of 9 mm. Got.
[0060]
In the present embodiment, the piezoelectric actuator 301 is bonded and fixed at a midpoint in its longitudinal direction so as to penetrate the support frame 304. It is necessary to replace the equilibrium mass 303 stored in the outer cylinder 305 in conjunction with the replacement of the reflecting mirror 302. In such a case, the supporter 304 pulls out the piezoelectric actuator 301 together with the support frame 304 from the outer cylinder 305. The frame 304 is screwed to the outer cylinder 305. A lead wire coming out of the piezoelectric actuator 301 is soldered to a power supply terminal 312, and the power supply terminal 312 is attached to a power supply terminal frame 313 that is screwed to the outer cylinder 305.
[0061]
A collar 305-1 aligned with the support frame 304 is provided on the outer surface of the outer cylinder 305. The outer diameter of the collar 305-1 is manufactured so as to fit into the mirror holding portion of the mount for the circular mirror on which the present displacement mirror device is mounted. By aligning the collar 305-1 and the support frame 304, as described above, the static torque exerted on the mount by the displacement mirror device can be reduced.
[0062]
In the apparatus of the present embodiment, a laminated product of 5 mm square and 18 mm length is used as the piezoelectric actuator 301, and a spring pendulum with the reflecting mirror (diameter 20 mm, thickness 5 mm) of the first example attached as the reflecting mirror 302. Resonance frequency f as ₀ Became 17 kHz. When this displacement mirror device was used for controlling the optical path length of a laser resonator, the resonance frequency f ₀ By inserting a simple low-pass filter into the control system only to cope with the above, the control effect in which the band extends to 5 kHz could be improved.
[0063]
(Second embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing an embodiment using two piezoelectric actuators as a second embodiment of the present invention.
[0064]
In the present embodiment, a support frame 308 having a partition is used, and two

piezoelectric actuators

306 and 307 having the same material, cross-sectional area, and length are bonded and fixed to the front and back of the partition. Lead wires from the two

piezoelectric actuators

306 and 307 are connected in parallel and then soldered to the power supply terminal 312. The support frame 308 is screwed to the outer cylinder 305 as in the first embodiment.
[0065]
Others are the same as in the first embodiment.
[0066]
In the apparatus of this embodiment, a laminated product of 5 mm square and 10 mm length was used for each of the two

piezoelectric actuators

306 and 307, and the reflecting mirror of the first example (20 mm in diameter and 5 mm in thickness) was attached as the reflecting mirror 302. Resonance frequency f as a spring pendulum in the state ₀ Became 17 kHz. By using this displacement mirror device for controlling the optical path length of the laser resonator, the same control effect as in the first embodiment could be obtained.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, The piezoelectric actuator that expands and contracts in the longitudinal direction is fixed at one point (fixed point) in the longitudinal direction, and the product MΔL of the mass M of the reflector and the displacement ΔL from the fixed point to the reflector is fixed, and the mass M ′ of the weight is fixed. Since the product M′ΔL ′ of the displacement ΔL ′ of the portion from the point to the weight is made equal, the reaction of the force applied to the reflector and the reaction of the force applied to the weight cancel each other at the fixed point, and as a result, the fixed No force is applied to the point or the mount holding it, so that the induction of vibration is prevented. Therefore, according to the present invention, since the displacement of the reflector can be performed without inducing vibration, A response characteristic independent of the mounting mount can be realized, and there is no possibility of inducing vibration in other parts of the optical system. Therefore, the present invention can be widely used for interferometers and optical resonators, and can easily achieve high-speed optical path length control, so that a great industrial effect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a basic configuration of a displacement mirror device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing response characteristics obtained by the device of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention using a single piezoelectric actuator.
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a second embodiment of the present invention using two piezoelectric actuators.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional displacement mirror device.
FIG. 6 is a graph showing an example of a resonance characteristic of a mount on which the displacement mirror device is mounted.
FIG. 7 is a graph showing response characteristics of the conventional device.
[Explanation of symbols]
101 Piezoelectric actuator
102 Reflector
103 equilibrium mass
104 support frame
105 outer cylinder
120 Mount fixing part
121 Mount movable part
122,123 Mount adjustment knob
301 Piezo actuator
302 Reflector
303 equilibrium mass
304 support frame
305 outer cylinder
305-1 spit
306,307 Piezoelectric actuator
308 support frame
309 Reflector frame
310,311 coupling
312 Power supply terminal
313 Power supply terminal frame
401 Piezoelectric actuator
402 Reflector
405 outer cylinder
420 Mount fixing part
421 Mount movable part
422,423 Mount adjustment knob

Claims

A displacement mirror device in which a mirror is attached to one end of a piezoelectric actuator and the position of the mirror is changed by a voltage applied to the piezoelectric actuator,
The piezoelectric actuator having a weight attached to the remaining end is fixed at one point in the longitudinal direction, and a first part of the piezoelectric actuator from the one point to the mirror and a second part of the piezoelectric actuator from the one point to the weight Are driven by the same voltage, and the displacement of the first portion is ΔL and the displacement of the second portion is ΔL ′, and the first product of the mass of the mirror and ΔL and the weight Characterized in that the second product of the mass of .DELTA.L ' and .DELTA.L' is made equal.

A first instrument for attaching the mirror to the piezoelectric actuator; and a second instrument for attaching the weight to the piezoelectric actuator,
The sum of the mass of the mirror and the first instrument instead of the mass of the mirror, and the sum of the mass of the weight and the second instrument instead of the mass of the weight is the first and second products. The displacement mirror device according to claim 1, wherein the displacement mirror device is used for calculation of (1).

The displacement mirror device according to claim 1, wherein the piezoelectric actuators include separate piezoelectric actuators joined at the one point, and each of the piezoelectric actuators is individually driven.

A support frame that fixes the piezoelectric actuator at the one point, an outer cylinder that holds the piezoelectric actuator via the support frame, and a mount on which the entire displacement mirror device is mounted via the outer cylinder, 3. The apparatus according to claim 1, wherein a connecting point between the mount and the outer cylinder and the support frame are formed so as to be aligned, and a center of gravity of the displacement mirror device is substantially placed on a holding surface of the mount. 4. The displacement mirror device according to any one of 3.