JP4135054B2 - 光干渉計用移動ミラー支持装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光干渉計を有する分光分析計に関し、特に、その移動ミラー支持装置の動作安定に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光干渉計を用いる分光分析計や各種測定器においては、その移動ミラーの駆動部および支持部にμmオーダーの移動精度が要求される。しかし、プラント現場等で使用する場合、環境振動の影響で精度の高い測定ができないという問題があった。その問題を解決するために板バネを平行に配置して移動ミラーを支持することにより、その移動方向以外の方向に対する剛性を高めたものがある。
【0003】
図10は分光分析計の分光計として最も利用されている、Michelson干渉計の要部構成図である。
図10において、光源1からの光がコリメートレンズ2で平行光束とされ、その平行光束がビームスプリッタ3で2光束に分けられる。移動ミラー4、固定ミラー5はそれぞれの光束を元の方向に戻してビームスプリッタ3の上で重ねあわせ、その時にできる干渉光を利用して測定体(図示省略)の物性が測定される。
【0004】
図11(a)はこのような干渉計に用いられる移動ミラーの従来の支持装置の側面図を示すもので、移動ミラー4は基体10に平行に取り付けた2枚の板バネ11によって上部から吊り下げられている。2枚の板バネで吊り下げることで移動ミラー4が動作したときに生じる回転運動を抑制することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような干渉計を分光分析計に適用する場合、移動ミラーは図示しないボイスコイルなどにより例えば0.3mm,2Hz程度で強制的に横方向に駆動される。このような構成で、干渉計の分解能を上げるためには移動ミラーの振幅(横方向の動き)を大きくする必要がある。
【0006】
しかしながら、移動ミラー4の振幅を大きくすると、図11(b)に示すように板バネ11の変形が大きくなり、移動ミラー4が横方向だけでなく、縦方向にも変位するようになる。そして、縦方向への変位が起きると戻り光の光軸がずれてしまうという問題があった。また、移動ミラーの初期駆動時にオーバシュートにより移動ミラーが他の部品に衝突し光軸がずれてしまうという問題もあった。
【0007】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、分解能を上げるために横方向の振幅を大きくしても縦方向への変位がなく、移動ミラーの初期駆動時のオーバシュートを防止した光干渉計用移動ミラー支持装置を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明の光干渉計用移動ミラー支持装置では、請求項1においては、
同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板の側面に取り付けられた緩衝器と、
からなり、
前記緩衝器は移動ミラーを駆動する際に生じる振動を抑制するように構成したことを特徴とする。
【0009】
請求項2においては光干渉計用移動ミラー支持装置において、
同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板の側面に取り付けられた変位計15aと、
前記変位計からの信号を入力する制御装置16aと、
前記制御装置からの信号入力するアクチュエータ17aからなり、
前記制御装置は前記変位計からの信号をもとに、前記移動ミラーを駆動する際に生じる連結板の移動が移動ミラーの動きの1/2になるように抑制することを特徴とする。
【0010】
請求項3においては光干渉計用移動ミラー支持装置において、
同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記移動ミラーの変位を監視する変位計15bと、
前記変位計からの信号を入力する移動鏡制御装置16bと、
前記移動鏡制御装置からの出力信号を入力する連結板制御装置16cと
前記連結板の側面に取り付けられ前記連結板制御装置の出力に関連して制御されるアクチュエータ17aと、
前記移動ミラーに取り付けられ前記移動鏡制御装置の出力に関連して制御されるアクチュエータ17bと、
からなり、前記連結板制御装置および前記移動鏡制御装置は前記変位計からの信号をもとに所定の振幅比で前記アクチュエータ17a,17bを制御するように構成したことを特徴とする。
【0011】
請求項4においては光干渉計用移動ミラー支持装置において、
同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板および移動ミラーの動きを監視する変位計(15a,15b)と、
これらの変位計の出力を入力する制御装置(16d)と、
前記制御装置16dの出力に関連して前記連結板を移動させるアクチュエータ(17a)と、
前記制御装置16dの出力に関連して移動ミラー制御装置を介して前記移動ミラーを移動させるアクチュエータ(17b)と、
からなり、
前記制御手段16dは前記変位計からの出力信号に基づいて前記連結板と移動ミラーの変位が所定の比率になるように前記アクチュエータ(17a,17b)を制御するように構成したことを特徴とする。
【0012】
請求項5においては請求項2乃至4のいずれかに記載の光干渉計用移動ミラー支持装置において、
前記移動ミラーまたは連結板の少なくとも一方に制御目標を徐々に変化させる初期オーバシュート防止手段を設けたことを特徴とする。
【0013】
請求項6においては請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置において、
初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に制御目標を徐々に変化させるスロースタート機能を設けたことを特徴とする。
【0014】
請求項7においては光干渉計用移動ミラー支持装置において、
初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に駆動系のゲインを徐々に変化させるゲイン可変アンプを設けたことを特徴とする。
【0015】
請求項8においては請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置において、
初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に位置(振幅)の操作量を制限するリミッタを設けたことを特徴とする。
【0016】
請求項9においては請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置において、
初期オーバシュート防止手段として、
(1)移動ミラーまたは連結板の少なくとも一方の位置(振幅)の制御目標を徐々に変化させるスロースタート機能、
(2)移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に駆動系のゲインを徐々に変化させるゲイン可変アンプ、
(3)移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に位置(振幅)の操作量を制限するリミッタ、のうち2以上を組み合わせて設けたことを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を説明する。図1は本発明の実施の形態の一例を示す側面図である。
図1(a)において、図11と同一要素には同一符号を付している。この実施例では同形状で同様の弾性係数を有する板バネが4枚使用され、外側の2枚の第1板バネ11aの一端が固定部材10aを介して基体10に垂直に固定され、他端に連結板12の両端が固定されて連結板12を水平に支持している。
【0020】
内側の2枚の第2板バネ11bの一端は連結板12に固定され、他端には移動ミラー4が吊り下げられた状態で固定されている。それぞれの板バネは平行にかつ、所定の間隔を保って全て有効長(L)を有するように形成されている。
【0021】
図1(b)はボイスコイル(図示省略)により移動ミラー4に矢印Xで示す横方向に振幅の大きな(例えば振幅3mm,2Hz程度)の力を加えた状態を示す断面図である。この場合、外側の第1板バネ11aと内側の第2板バネ11bの長さ方向に対する湾曲が同程度となり、移動ミラー4の上下方向の移動は生じない。
【0022】
即ち、移動ミラー4は矢印X方向に対して直線運動をすることができ、戻り光の光軸のずれがなく正確に干渉光を得ることができる。
図2はこのような支持装置の板バネの動きを説明するためのもので、移動ミラー4が例えば点線の方向に移動した場合、移動ミラー4の移動距離(d2)は連結板12の移動距離の2倍(d1×2)となる。
【0023】
しかし、この動きの比は外乱や板バネの振動により正確に維持されない場合があり、精度の高い振幅(移動ミラーの横方向の動き)が維持できず、その結果、精度の高い干渉光を得られないことがある。
【0024】
図3はそのような板バネ11a,11bの振動を抑制するために連結板12の動きを規制するための緩衝器13を設けたものである。この緩衝器13は連結板12の側面に取付けられており、緩衝器13を取付けたことにより連結板12と移動ミラー4との変位の比がくずれ移動ミラー4に縦方向の変位が発生するが、この変位は精度に影響しない程度の力で接触するように設計されている。
【0025】
このように連結板12の動きを規制する緩衝器13を取り付けることで、移動ミラーを駆動する際に生じる振動を抑制し、安定した動作を得ることができる。
図4は連結板12の側面に変位計15aを取り付け、その信号をもとに移動ミラー4を駆動(駆動手段は省略)する際に生じる板バネ11a,11bの振動を制御装置16aとアクチュエータ(ボイスコイル)17aで抑制するようにしたもので、具体的には制御装置16aは連結板12の移動が移動ミラー4の動きの1/2になるように制御する。
【0026】
図5は移動ミラー4の変位を監視する変位計15bを取り付け、変位計15bからの信号をもとに移動ミラー制御装置16bにより移動ミラー4を駆動するとともに、その信号を連結板制御装置16cに入力して所定の振幅比でアクチュエータ17a,17bを制御するようにしたもので、図4に示す実施例と同様安定した動作を得ることができる。
【0027】
図6は更に他の実施例を示すもので、この実施例においては連結板12と移動ミラー4の両方の動きを変位計15a,15bにより監視している。制御装置16dはこれらの変位計からの信号を入力しその変位が所定の比率(1:2)になるように連結板の12のアクチュエータ17aを駆動するとともに移動ミラー制御装置16bを介して移動ミラーのアクチュエータ17bを駆動する。このような構成によれば更に安定した動作を得ることができる。
【0028】
ところで、先にも述べたように移動ミラー4はボイスコイル17bなどにより例えば2Hz程度で強制的に横方向に駆動される。そして、この駆動信号としては図7(a,b)に示すような正弦波や三角波が用いられる。
駆動信号として例えば図7(b)の三角波を用いたとすると、起動時等においてa〜cの途中で初期値が印加されることとなる。
【0029】
その場合、aで示すタイミングで駆動信号が入力されるとアクチュエータ(ボイスコイル)17bには徐々に電力が印加される。しかし例えばcで示すタイミングで駆動信号が入力された場合アクチュエータには急激に電力が加わることになり、移動ミラー4が急激に変動する。この急激な変動は移動ミラー4を設定された位置から大きくオーバシュートさせて他の部品に衝突させるる可能性がある。
その結果、光学系の光軸がずれてS/Nが悪化するという問題が生じる。
【0030】
図8はこのような問題を解決した出力制限(初期オーバシュート防止)手段を有する制御系の一実施例を示す構成ブロック図である。図において、20は目標信号であり、移動ミラーの振幅及び周期を出力する駆動信号源(例えば三角波発生手段)として機能する。この目標信号は複数段(例えば4段)に切換え可能となっており、はじめは低い目標に設定されている。
【0031】
15bは移動ミラーの位置を検出してその位置に応じた所定の信号を出力する変位計、22は駆動信号と変位計からの信号の偏差を演算する加算器、23は駆動系24で生じる様々な(例えば移動ミラーに共振が生じるような)信号を除去するサーボ用フィルタ、25はサーボ用フィルタの後段に配置され任意にゲインを与えるゲイン可変アンプ、26は出力の最大値を所定の振幅となるように制限するリミッタであり、このリミッタで制限された信号が制御信号として駆動系に出力される。
【0032】
27はスロースタート手段であり、例えば図9のように構成されている。
30は電源であり、この電源30の電圧がスイッチ31を介して一端が接地されたコンデンサ28の他端及びトランジスタ29のベースに印加されている。
図9において、はじめ、スイッチ31は点線のようにオンとされている。この時点では電源の電圧はコンデンサ28を充電するのでトランジスタ29のベースに印加される電圧は零である。
【0033】
次にコンデンサが充電されたらトランジスタ29のベースに電圧が印加されるので駆動信号源20の三角波は必ず零(図7bで示す)a点から始まることとなる。更に、移動ミラーの振幅及び周期を出力する駆動信号源20ははじめ最小振幅(低い目標)に設定とされている。このようにすることにより駆動信号源20からの信号と変位計からの信号との差を小さくすることができる。
【0034】
また、ゲイン可変アンプ25は例えば2段切替えになっており、はじめは低いゲインに設定されている。駆動信号源20からの信号と変位計からの信号との差が十分小さくなった状態で駆動信号源20とゲイン可変アンプ25のゲインを所定の値に変更する。
これら単体または複合的な構成により移動ミラー4の初期オーバシュートを抑制することができる。
なお、このような初期オーバシュートを抑制する構成の制御装置は連結板の制御装置側にも用いることができる。
【0035】
なお、本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。例えば実施例で示した移動ミラーの移動距離や移動周期(Hz)、部品の取付け位置などは必要に応じて任意に変更可能であり、要は横方向の振幅により上下方向の変位がないような構成であればよい。また、図8に示すスロースタート手段、ゲイン可変アンプ、リミッタはいずれか一つまたは2以上の組み合わせであっても良い。
【0036】
また、適用製品も分光分析計に限ることなく、例えば波長測定装置,OTDR装置などにも適用可能である。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項1によれば、板バネを2重に取り付けることで、移動ミラーの移動距離を長くしても直線運動させることができ、分光分析計の分解能を向上させることができる。そして、連結板に緩衝器を接触させることで、移動ミラーを駆動する際に生じる板バネの振動を抑制し、安定した動作を得ることができる。
【0038】
また、請求項2 , 3,4によれば連結板や移動ミラーの変位を監視して振動を制御装置によって制御することで、移動ミラーを駆動する際に生じる板バネの振動を抑制し、安定した動作を得ることができる。
【0039】
また、請求項5〜9によれば、移動ミラーまたは連結板の少なくとも一方に出力制限(初期オーバシュート防止)手段を設けたのでこれらが他の部品に衝突することがなく、光軸のずれを防止することができる。
【0040】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光干渉計用移動ミラー支持装置の実施形態の一構成例を示す側面図である。
【図2】移動ミラー支持装置の板バネの動きを説明するための図である。
【図3】他の実施例を示す側面図である。
【図4】他の実施例を示す側面図である。
【図5】他の実施例を示す側面図である。
【図6】他の実施例を示す側面図である。
【図7】移動ミラーを駆動する波形を示す図である。
【図8】制御系の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図9】初期オーバシュート防止手段の一例を示す図である。
【図10】光干渉計用移動ミラー支持装置の従来例を示す側面図である。
【図11】光干渉計用移動ミラー支持装置の従来例を示す側面図である。
【符号の説明】
1 光源
2 コリメートレンズ
3 ビームスプリッタ
4 移動ミラー
5 固定ミラー
10 基体
11a 第1板バネ
11b 第2板バネ
12 連結板
15a,15b 変位計
16a,16b,16c,16d 制御装置
20 駆動信号源
22 加算器
23 サーボ用フィルタ
24 駆動系
25 ゲイン可変アンプ
26 リミッタ
27 スロースタート手段
Claims (9)
- 同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板の側面に取り付けられた緩衝器と、
からなり、
前記緩衝器は移動ミラーを駆動する際に生じる振動を抑制するように構成したことを特徴とする光干渉計用移動ミラー支持装置。 - 同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板の側面に取り付けられた変位計15aと、
前記変位計からの信号を入力する制御装置16aと、
前記制御装置からの信号入力するアクチュエータ17aからなり、
前記制御装置は前記変位計からの信号をもとに、前記移動ミラーを駆動する際に生じる連結板の移動が移動ミラーの動きの1/2になるように抑制することを特徴とする光干渉計用移動ミラー支持装置。 - 同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記移動ミラーの変位を監視する変位計15bと、
前記変位計からの信号を入力する移動鏡制御装置16bと、
前記移動鏡制御装置からの出力信号を入力する連結板制御装置16cと
前記連結板の側面に取り付けられ前記連結板制御装置の出力に関連して制御されるアクチュエータ17aと、
前記移動ミラーに取り付けられ前記移動鏡制御装置の出力に関連して制御されるアクチュエータ17bと、
からなり、前記連結板制御装置および前記移動鏡制御装置は前記変位計からの信号をもとに所定の振幅比で前記アクチュエータ17a,17bを制御するように構成したことを特徴とする光干渉計用移動ミラー支持装置。 - 同形状で同様の弾性係数を有する4枚の板バネを有しており、
前記板バネの2枚で構成され、それぞれの一端が基体に固定され、前記2枚の板バネが所定の間隔を保って平行に、かつ前記基体に対して垂直に配置された第1板バネと、
前記第1板バネのそれぞれの他端に水平に固定された連結板と、
前記板バネの他の2枚で構成され、前記第1板バネの内側であって前記連結板にそれぞれの一端が固定され、前記基体側に向かって前記第1板バネに対して平行にかつ、所定の間隔を保持し、バネの有効長(L)が前記第1板バネと同一長さになるように配置された第2板バネと、
前記第2板バネのそれぞれの他端に固定された移動ミラーと、
前記連結板および移動ミラーの動きを監視する変位計(15a,15b)と、
これらの変位計の出力を入力する制御装置(16d)と、
前記制御装置16dの出力に関連して前記連結板を移動させるアクチュエータ(17a)と、
前記制御装置16dの出力に関連して移動ミラー制御装置を介して前記移動ミラーを移動させるアクチュエータ(17b)と、
からなり、
前記制御手段16dは前記変位計からの出力信号に基づいて前記連結板と移動ミラーの変位が所定の比率になるように前記アクチュエータ(17a,17b)を制御するように構成したことを特徴とする光干渉計用移動ミラー支持装置。 - 前記移動ミラーまたは連結板の少なくとも一方に制御目標を徐々に変化させる初期オーバシュート防止手段を設けたことを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の光干渉計用移動ミラー支持装置。
- 初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に制御目標を徐々に変化させるスロースタート機能を設けたことを特徴とする請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置。
- 初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に駆動系のゲインを徐々に変化させるゲイン可変アンプを設けたことを特徴とする請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置。
- 初期オーバシュート防止手段として移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に位置(振幅)の操作量を制限するリミッタを設けたことを特徴とする請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置。
- 初期オーバシュート防止手段として、
(1)移動ミラーまたは連結板の少なくとも一方の位置(振幅)の制御目標を徐々に変化させるスロースタート機能、
(2)移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に駆動系のゲインを徐々に変化させるゲイン可変アンプ、
(3)移動ミラーまたは連結板を駆動させる駆動系の少なくとも一方に位置(振幅)の操作量を制限するリミッタ、のうち2以上を組み合わせて設けたことを特徴とする請求項5に記載の光干渉計用移動ミラー支持装置。
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