JPH06241899A

JPH06241899A - エタロン駆動機構

Info

Publication number: JPH06241899A
Application number: JP1391693A
Authority: JP
Inventors: Koji Inoue; 光二井上; Shuji Nishibatake; 周二西畠; Yukihisa Itabashi; 亨久板橋
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電素子等の電歪素子により電気的にエタロ
ンを平行移動させる機構を備えたものであって、高精度
な機械的加工や複雑な調整作業を必要とせず、駆動時に
エタロンの平行状態を保つことが可能なエタロン駆動機
構を提供する。【構成】第一の制御部２０における歪ゲージアンプ２
３からの変位信号は、第２の制御部及び第３の制御部に
おける合成手段２６’、２６”に入力される。それぞれ
の合成手段２６’、２６”は、予め比率設定手段２
５’、２５”によって設定された比率で、目標駆動信号
と前記変位信号を加算した信号を目標駆動信号としてそ
れぞれの差分供給部２４’、２４”に供給する。そして
差分供給部２４’、２４”によってＰＩＤ制御回路へ供
給されたそれぞれの差分信号によって、圧電素子ドライ
バ２２’、２２”、圧電素子８’、８”を介してエタロ
ンが駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファブリ・ペロー型光
干渉計やスペクトルアナライザ等の光学系に応用される
エタロン駆動機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に多波干渉を利用した代表的な光学
装置にファブリ・ペロー型光干渉計等がある。このファ
ブリ・ペロー型光干渉計等は第６図に示されるように石
英ガラス等から構成される一対のエタロンを平行に配置
し、光を外部から入射させることにより隣接光波間の位
相差を利用して透過光に多波干渉を起こさせるものであ
る。この場合、これら一対のエタロンの間隔ｄを一定の
周期で振動させることによりスペクトルアナライザとし
ての機能をもたせることが出来る。

【０００３】ここで、この種の駆動機構としては、
（１）相対エタロン間の気圧を変化させることにより屈
折率を変え光路長を変化させる機構を備えたもの、
（２）エタロンを純機械的に平行移動させる機構を備え
たもの、（３）圧電素子等の電歪素子により電気的にエタロンを
平行移動させる機構を備えたもの、等が知られている。

【０００４】しかし、（１）の相対エタロン間で気圧を
変化させる方法は、気圧の調圧装置が不可欠となること
から装置全体が大ががりになると共に、高速で気圧を変
化させることが困難なため高速掃引ができないという問
題が生じる。（２）のエタロンを純機械的に平行移動さ
せる方法は、装置全体が大型化するとともに位置精度を
正確に出すことができないため平行度の調整が困難とな
り、また準機械的であることから高速掃引も困難となる
という問題が生じる。

【０００５】以上の理由から、従来においては、小型
化、高速掃引が可能であり平行度の調整も比較的容易に
なし得る（３）の圧電素子等の電歪素子による方法が多
用されている。この種の圧電素子等の電歪素子による方
法を用いる場合、エタロンを平行に動かすために駆動部
分等を複数有しているのが通常である。例えば３軸でエ
タロンを動かす場合には、エタロンの周囲を３等分した
位置に駆動機構、位置検出機構等がそれぞれ設けられ、
それぞれの駆動機構は独立して制御される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の圧電素子等の電歪素子による駆動部を複数設けた場
合、例えばエタロンを３軸で動かす場合はその３軸間に
制御定数の僅かな違い、および機構部の機械的定数の僅
かな違い等が存在するため、目標駆動信号として、例え
ば第７図ａ，ｂに示されるような鋸歯状波または三角波
等を用いた場合には、その信号の頂点部分で、３軸間の
制御定数の僅かな違いによる影響が顕著となり、第８図
ａに示されるように、それぞれの軸で機械的振動による
エタロンの変位に不揃いが発生する。

【０００７】かかる不揃いが発生するとエタロンは平行
状態を保てなくなるため、測定精度が極端に低下し、ス
ペクトロアナライザ等の測定装置としての機能を果たす
ことが不可能となる。したがって、機構部の機械的精度
を高めたうえで制御部に調整機能を設けることによっ
て、軸間での機械的振動が同じになるように調整する必
要が生じるが、機械加工およびその調整に必要な時間が
多大なものとなり結果としてエタロン駆動機構全体が高
価になるという問題があった。

【０００８】また、各軸の制御系の調整に関しては、機
械的振動を短時間で終わらせようとすると、制御系の時
定数を下げるか、あるいは制御系のゲインを上げなけれ
ばならず、その場合には系が不安定になり、ハッチング
等が発生するため、機械的振動はある程度長いものとせ
ざるを得ない。従って、複数軸のうち機械的振動が最も
長く続くものに合わせ、機械的振動による不揃いを無く
すために第７図ａ，ｂの点線に示されるように高周波成
分をカットした鋸歯状波または三角波等の信号を目標駆
動信号として用いると、それぞれの信号の直線部分が狭
まる結果、エタロンの移動範囲が大きく制約されること
になり、光の周波数等の測定範囲が大きく制限されると
いう問題が生じる。

【０００９】そこで、本発明はこれらの問題点を解消す
ることを目的として創案されたものであって、圧電素子
等の電歪素子により電気的にエタロンを平行移動させる
機構を備えたものであって、高精度な機械的加工や複雑
な調整作業を必要とせず、駆動時にエタロンの平行状態
を保つことが可能なエタロン駆動機構を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明にかかるエタロン駆動機構は、対向して
配置された一対のエタロンと、前記エタロンの少なくと
も一方を他方に対して対向方向に相対移動させる複数の
駆動機構と、前記駆動機構がそれぞれ前記エタロンに及
ぼす変位を検出する複数の検出部と、前記検出部からの
変位信号を入力し目標駆動信号との比較により前記それ
ぞれの駆動機構に所定の駆動信号を供給する複数の制御
部とを備え、第１の制御部は、目標信号発生手段からの
目標信号を目標駆動信号とし、前記第１の制御部以外の
制御部は、前記第１の制御部に供給される変位信号と前
記目標信号とを所定の比率で加算することにより合成す
る合成手段と、前記比率を設定する比率設定手段とを有
し、前記合成手段で合成された信号を目標駆動信号とす
ることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の作用を第１図を用いて説明する。

【００１２】第１の制御部２０における歪ゲージアンプ
２３からの変位信号は、第２の制御部２０’及び第３の
制御部２０”における合成手段２６’、２６”に入力さ
れる。それぞれの合成手段２６’、２６”は、予め比率
設定手段２５’、２５”によって設定された比率で、目
標駆動信号と前記変位信号を加算した信号を目標駆動信
号としてそれぞれの差分供給部２４’、２４”に供給す
る。そして差分供給部２４’、２４”によってＰＩＤ制
御回路へ供給されたそれぞれの差分信号によって、圧電
素子ドライバ２２’、２２”、圧電素子８’、８”を介
してエタロンが駆動される。この場合、それぞれの駆動
機構の変位が第１の制御部の変位信号と一致するよう前
記比率設定手段２５’、２５”によって合成手段２
６’、２６”で両信号を合成するための比率を調整する
ことにより、その調整された比率によってエタロンは平
行に駆動される。

【００１３】

【実施例】本発明に係るエタロン駆動機構の一実施例を
第１図、第２図を用いて説明する。本発明に係るエタロ
ン駆動機構は、第１図に示されるように第１の制御部２
０とと第１の機構部１０、第２の制御部２０’と第２の
機構部１０’および第３の制御部２０”と第３の機構部
１０”のように複数の制御部と機構部とからなり、第２
図ａ、ｂは第１、第２、第３の機構部１０、１０’、１
０”の詳細を示す図である。ここで、第２図ａは機構部
本体の縦断面図を、また第２図ｂはそのＡ−Ａ断面図
を、第１図は本発明に係るエタロン駆動機構の信号の流
れ図を示したブロック図を示すものである。

【００１４】第２図において固定側エタロン５および移
動側エタロン６は、それぞれホルダ４およびホルダ２に
光学的歪みを生じないように接着剤等の適当な方法で固
定されており、ホルダ２及びホルダ４は各々ねじ１３お
よび１２によりボディ１に固定されている。ボディ１は
同軸な２つの円管を薄肉な３枚の瓦状の歪発生部１５で
連結した形状であり、下の円管の上面には第２図ｂに示
すごとく３枚の等しい形状の扇型スペーサ７がエタロン
を３等分する位置に接着されている。そして、それぞれ
の扇型スペーサ７の中央部には正方形の角穴が穿設され
ており、電歪素子である３つの圧電素子８がそれぞれ嵌
合されている。圧電素子８の他端は圧電素子８の断面よ
りやや大きいスペーサ９が接着され、設定ねじ１１によ
り圧電素子８の軸方向に予圧を与えている。これによ
り、移動側エタロン６は、これを３当分する３軸位置に
配設された３つの圧電素子、すなわち第１図で示した３
つの駆動部によって駆動されることとなる。そして歪み
発生部１５の外側に歪みゲージ１４が取り付けられてお
り、歪発生部１５を保護するために、カバー３が設けら
れている。

【００１５】第１図は本発明に係るエタロン駆動機構の
信号の流れを示したブロック図であり、それぞれ第２図
の３つの軸に配設される第１の制御部２０と機構部１
０、第２の制御部２０’と機構部１０’、及び第３の制
御部２０”と機構部１０”が示されている。それぞれの
機構部１０、１０’、１０”における圧電素子８、
８’、８”は、第２図に示されるエタロンを３等分する
位置に設けられた圧電素子に該当する。

【００１６】第１図の機構部１０、１０’、１０”にお
いては第２図で示したエタロン駆動機構のうち信号の流
れに関与する圧電素子８、８’、８”と歪ゲージ１４、
１４’、１４”が示されている。第１の制御部２０は、
ＰＩＤ（比例積分微分）制御回路２１、ＰＩＤ（比例積
分微分）制御回路２１の出力を増幅して圧電素子８に供
給する圧電素子ドライバ２２、歪ゲージ１４の出力を増
幅して変位信号を出力する歪ゲージアンプ２３、および
目標信号と前記変位信号の差を前記ＰＩＤ制御回路２１
に供給する差分供給部２４から構成される。第２の制御
部２０’および第３の制御部２０”は第１の制御部２０
の構成に加え、合成手段２６’、２６”および比率設定
手段２５’、２５”をそれぞれ別途に有する。

【００１７】合成手段２６’、２６”は第１の制御部２
０における第１軸の変位信号と目標信号発生手段３０に
より出力される目標信号とを比率設定手段２５’、２
５”によって設定された比率で加算することにより合成
し、これを目標駆動信号として差分供給部２４’、２
４”に供給する。例えば、目標信号をＤ（ｔ）、変位信
号をＸ（ｔ）とし、比率設定手段２５’、２５”によっ
て設定された比率をａとした場合、目標駆動信号Ｄｄ
（ｔ）は次式により求められる。Ｄｄ（ｔ）＝（１−ａ）Ｄ（ｔ）＋ａＸ（ｔ）次に、比率設定手段２５’、２５”は、合成手段２
６’、２６”に対して、入力された２つの信号を加算す
るための比率を設定する。すなわち、上記の例では、ａ
の値を、第２、第３の制御部２０’、２０”の合成手段
２６’、２６”に対して、それぞれ別々に独立した値と
して設定する。

【００１８】次にエタロン駆動機構の動作を第１図を用
いて説明する。まず、移動側エタロン６の目標駆動信号
として第７図ｂに実線で示される三角波を用いる。次に
目標信号発生手段３０によって、三角波を第１の制御部
２０に入力すると、入力された三角波はＰＩＤ制御回路
２１で所定の制御信号に変換され、圧電素子ドライバ２
２に供給される。そして圧電素子ドライバ２２を介して
増幅された制御信号にほぼ比例した力が圧電素子８に発
生し、これにより第２図に示される歪発生部１５が伸ば
されて移動側エタロン６に伝わり、結果として移動側エ
タロン６が圧電素子８への印加電圧に応じて軸方向に動
くこととなる。

【００１９】一方、ボディ１の歪発生部１５が伸びるこ
とによってこの歪発生部１５に付着された歪ゲージ１４
から伸びに比例した電圧が得られる。この歪ゲージ１４
の出力は歪ゲージアンプ２３で増幅され差分供給部２４
によって目標駆動信号である三角波との差がＰＩＤ制御
回路２１に供給される。このように制御部２０において
フィードバック系が構成され目標駆動信号に応じた移動
側エタロン６の駆動制御を可能としている。

【００２０】また、第２の制御部２０’、第３の制御部
２０”の合成手段２６’、２６”には、第１の制御部２
０における第１軸の変位信号と目標信号発生手段３０に
よる三角波が入力される。そしてこの合成手段２６’、
２６”はこれらの両信号を、比率設定手段２５’、２
５”によって設定された比率でそれぞれ加算し、目標駆
動信号として差分供給部２４’、２４”に供給する。そ
して、実際の多波干渉の測定に先だって、合成手段に設
定すべき比率を比率設定手段２５’、２５”を用いて調
整する。

【００２１】例えば、目標駆動信号として三角波を用い
た場合の第１の制御部２０およびエタロン駆動部１０に
よる第１軸の変位信号が、第８図ａのように検出され
たとする。そして第８図ａ、は、第１の制御部と同
様に合成手段２６’、２６”を用いずに目標駆動信号と
して目標信号発生手段３０による三角波をそのまま用い
た場合、すなわち、上述したように目標信号をＤ
（ｔ）、変位信号をＸ（ｔ）とし、比率設定手段によっ
て設定された比率をａとした場合、目標駆動信号Ｄｄ
（ｔ）Ｄｄ（ｔ）＝（１−ａ）Ｄ（ｔ）＋ａＸ（ｔ）において、ａを零に設定した場合のそれぞれの変位信号
を示すもので、これら３つの変位信号の挙動の相違は３
軸間の制御定数のわずかな相違により生ずるものであ
る。ここで比率設定手段２５’、２５”を用いて、第８
図ｂに示されるように、第１軸の変位信号に第２軸の
変位信号、及び第３軸の変位信号が一致するようａ
の値をそれぞれ適宜変更し調節する。この調節された状
態では、移動側エタロン６を駆動する３軸位置の圧電素
子の変位が同期し、移動側エタロン６と固定側エタロン
５とが平行な状態で駆動されるため、第４図に示すよう
な移動側エタロン６の位置に応じた多波干渉を測定して
反復表示することにより精度の高いスペクトルアナライ
ザとして使用することが可能となる。

【００２２】また、上述した合成手段２６’、２６”に
設定すべき比率ａを自動設定することも可能である。第
３図はその過程を示したフローチャートである。まず、
Ｓ１で、変数Ｍmin に後で述べる評価値よりも十分に大
きい値を代入し、比率ａの初期値として０を代入する。
次にＳ２へ進み評価値を算出する。ここで評価値は、比
率ａの値に応じて評価関数によって定まる値であり、評
価関数をどのように設定するかによってその値が異な
る。評価関数は種々のものが考えられるが、例えば以下
の３つのものが考えられる。基準となる第１軸の変位信
号の時間関数をｇ１（ｔ）、所定の比率ａについて算出
された目標駆動信号Ｄｄ（ｔ）によって得られた第２軸
の変位信号の時間関数をｇ２（ｔ）とすると、Ｍ＝ｍａｘ｜ｇ１（ｔ）−ｇ２（ｔ）｜・・・・・・１Ｍ＝∫｜ｇ１（ｔ）−ｇ２（ｔ）｜ｄｔ・・・・・・２Ｍ＝∫｜ｇ１（ｔ）−ｇ２（ｔ）｜²ｄｔ・・・・・３上述の評価関数１は、第１軸の変位信号と第２軸の変位
信号の任意時刻ｔごとの最大値を評価値とするものであ
り、評価関数２は前記両信号の積分値を、また評価関数
３は両信号の絶対値の２乗の積分値を評価値とするもの
である。尚、第３軸についても同様に上述の評価関数を
用いて評価値が算出される。

【００２３】次にＳ３では、Ｓ２で算出された評価値Ｍ
と変数Ｍmin の値とが比較され、評価値Ｍの方が小さい
場合はＳ４へ進んでＭmin にＭの値を代入し、また変数
Ａにａの値を代入する。上述したように変数Ｍmin には
予想される評価値よりも十分大きい値が代入されている
ため、一回目のループでは、このＳ４が実行される。そ
して、Ｍmin の値が評価値Ｍと等しいか或いは大きい場
合には、直接Ｓ５へ移る。

【００２４】Ｓ５においては、ａに０．０１が加算さ
れ、Ｓ６でａと１．００の値が比較され、ａが１．ＯＯ
を越えるまで上述のＳ２〜Ｓ６の処理が繰り返される。
そしてこれらの処理が終了すると、変数ＡにはＭが最小
となった時点でのａの値が代入されている。従ってＳ７
でａに変数Ａの値を代入することによって、ａが評価関
数を最小とするときの比率ａとなり、合成手段２６’、
２６”に対して、ここで求めた比率ａが設定される。こ
こでの例では０≦ａ≦１．００とし、ａを０．０１ずつ
増加させることにより、ａの最適値を求めたが、本発明
はこれらに限定されるものではなく、例えば、−１．０
０≦ａ≦１．００とし、ａを０．００１ずつ増加させて
もよい。

【００２５】尚、上述のＳ１〜Ｓ７の動作は、第２図に
おいて合成手段２６’、２６”及び比率設定手段２
５’、２５”をマイコンによって構成することにより簡
単に実現できる。

【００２６】このように、本願発明によれば目標信号と
基準となる第１軸の変位の双方を考慮して、他の軸の目
標駆動信号を算出するため、複数の駆動部によってエタ
ロンを駆動する場合であっても、それぞれの軸の変位を
同期させることが可能となる。このため、機械的精度を
それほど高めることなく、かつ複雑な制御を必要とせず
移動側エタロンと駆動側エタロンとを平行に移動させる
ことが可能となり、より高精度な測定を可能とするスペ
クトロアナライザー等の提供が可能となる。

【００２７】また、目標信号として、第８図ａ，ｂの点
線で示すように、高周波成分をカットした三角波や鋸歯
状波を用いる必要がなくなるため、結果として鋸歯状波
または三角波等の信号の直線部分が広くなり、エタロン
を広い範囲で移動できるため、光の広い周波数帯での測
定等が可能となる。

【００２８】なお、第４図に示される周波数表示を位置
ずれすることなく正確に行うためには移動側エタロン６
の位置制御を精度の高いものにする必要がある。したが
って、本発明に係るエタロン駆動装置においては歪ゲー
ジとして、第６図に示すように２軸直行に４パターンを
内蔵したものを使用した。この歪ゲージは変位方向と垂
直方向にパターンが張り巡らされた温度補償部４２と変
位方向に沿って張り巡らされた変位検出部４１とに各々
別れる。変位検出部４１においては文字どうり変位方向
に沿って張り巡らされたパターンが変位方向に伸ばされ
ることにより、それに比例した電圧を発生させるもので
ある。ここでは、パターンを変位方向に直列に配列する
ことにより測定感度が２倍に高められている。一方温度
補償部４２は変位方向と垂直方向にパターンが張り巡ら
されているため変位方向の変位に対しては反応せず変位
方向と垂直方向のみの変位に比例した出力を発生するこ
ととなる。この場合、図示しない信号反転部で温度補償
部４２の信号が反転され、図示しない信号加算部で変位
検出部４１の信号と加算され歪ゲージアンプ２３に供給
される。したがって、被測定物の測定変位を一方向に限
定した場合には、温度補償部４２において温度変化によ
る膨張、圧縮のみの測定が可能とり、温度補償部４２の
反転信号を変位検出部４１の信号に加算することにより
温度補償がなされることとなる。

【００２９】このように変位測定と温度補償を１パッケ
ージ化した高精度な歪ゲージを用いることにより極めて
正確な移動側エタロン６の位置制御が可能となり、した
がって目標駆動信号として三角波あるいは鋸歯状波を用
いて、さらに相互フィードバックを用いて信号の立上り
および立下がり部分の双方において測定を行った場合で
あっても高精度な分析測定が可能となる。

【００３０】

【発明の効果】本願発明によれば目標信号と基準となる
第１軸の変位の双方を考慮して、他の軸の目標駆動信号
を算出するため、複数の駆動部によってエタロンを駆動
する場合であっても、それぞれの軸の変位を同期させる
ことが可能となる。このため、機械的精度をそれほど高
めることなく、かつ複雑な制御を必要とせず移動側エタ
ロンと駆動側エタロンとを平行に移動させることが可能
となり、高精度な機械的加工や複雑な調整作業を必要と
せず、より精度の高い測定を可能とするスペクトロアナ
ライザー等の提供が可能となる。

【００３１】また、目標信号として、高周波成分をカッ
トした三角波や鋸歯状波を用いる必要がなくなるため、
結果として鋸歯状波または三角波等の信号の直線部分が
広くなり、エタロンを広い範囲で移動できるため、広い
周波数帯で光の測定等が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に基づく機構部との制御部の一実施例
を示すブロック図

【図２】この発明に基づく機構部の一実施例を示す断面
図

【図３】本発明に係る合成手段に設定すべき比率を決定
するための手順を示したフローチャート

【図４】多波干渉により測定されたスペクトルの表示例
を示す図

【図５】この発明に用いる歪ゲージの一例を示す図

【図６】一対のエタロンにより多波干渉を起こさせる場
合の１実施例を示す図

【図７】エタロン駆動信号として従来使用されていた鋸
歯状波および三角波の１実施例を示す図

【図８】目標駆動信号として三角波を用いた場合のエタ
ロンの３軸それぞれの変位信号を示す。

【符号の説明】

５、６．．．．．．．．．エタロン８、８’、８”．．．．．圧電素子１４．．．．．．．．．．歪ゲージ１０、１０’、１０”．．機構部２０、２０’、２０”．．制御部２５、２５’、２５”．．比率設定手段２６、２６’、２６”．．合成手段４１．．．．．．．．．．変位検出部４２．．．．．．．．．．温度補償部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向して配置された一対のエタロンと、
前記エタロンの少なくとも一方を他方に対して対向方向
に相対移動させる複数の機構部と、前記複数の機構部が
それぞれ前記エタロンに及ぼす変位を検出する複数の検
出部と、前記検出部からの変位信号を入力し目標駆動信
号との比較により前記それぞれの機構部に所定の駆動信
号を供給する複数の制御部とを備えたエタロン駆動機構
において、前記複数の制御部のうち第１の制御部は、目標信号発生
手段からの目標信号を目標駆動信号とし、前記第１の制
御部以外の制御部は、前記第１の制御部に供給される変
位信号と前記目標信号とを所定の比率で加算することに
より合成する合成手段と、前記比率を設定する設定手段
とを有し、前記合成手段で合成された信号を目標駆動信
号とすることを特徴とするエタロン駆動機構。