JPS61274205A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

光学式変位測定装置

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JPS61274205A
JPS61274205A JP11742085A JP11742085A JPS61274205A JP S61274205 A JPS61274205 A JP S61274205A JP 11742085 A JP11742085 A JP 11742085A JP 11742085 A JP11742085 A JP 11742085A JP S61274205 A JPS61274205 A JP S61274205A
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JP
Japan
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signal
semi
displacement
interferometer
position changing
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JP11742085A
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English (en)
Inventor
Atsushi Seki
淳 関
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Rion Co Ltd
Original Assignee
Rion Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、光学式変位測定 装置に係り、特にファブリペロ− の干渉計を利用した光学式変位 測定装置に関する。
発明の技術的背景 を互いに内側に向けた2枚の半透明鏡を有するファブリ
ペロ−の干渉計を示すものであるが、従来このような干
渉計は微小変位の測定に役立たなかった。以下;これを
説明する。
この種の干渉計は、外乱などにて互いに対抗する2つの
鏡の間隔が変動することにより、光路位相が変化し干渉
強度が大きく変化する。このような干渉計の干渉強度工
は、鏡の反射率R1位相差をδとして、 で表される。ただし、ここで位相差δは、λを光の波長
、φを鏡の間隔、lを鏡の間隔の変位として、 4π(l+φ) δ= □・・・・−・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・(2)λ である。
以上の(1)式を図示すれば、第4図に示すようであり
、周期性がある。尚、第4図中mは整数である。またE
は反射率Rが小の場合を、Fは反射率Rが約0,25の
場合を、Gは反射率Rが大の場合をそれぞれ示す。
また、鏡の間隔を適当に調節することにより、干渉強度
の中点付近での変位iの変動を干渉強度の変化から検出
することができる。
しかし、このような干渉計は、干渉強度が周期的であり
、ダイナミックレンジは正負の方向に光の波長λの14
程度であり、直線性も非常に悪い。
しかも、鏡の間隔φは、温度変化や経時変化の影響を受
は易く、設定当初から動作点が不正確となる可能性があ
る。
従って、現実にこの種の干渉計を工業用の変位測定装置
として用いることは、従来できなかった。
(発明の目的) この発明は、以上の実状に基づいて成されたものであり
、微小変位であっても精密な測定が可能な光学式変位測
定装置を提供することを目的とする。
(発明の概要) この目的を達成するため、この発明によれば、ファブリ
ペロ−の干渉計の光路長変化を交流成分と直流成分とに
分離して、各成分の変動又は偏差を打ち消すように干渉
計の鏡の位置を変更すするように制御する。この位置変
更は、鏡を圧電駆動手段や動電駆動手段で行うことがで
きる。なお、ここで「変位」とは、一方向への位置変化
、及び往復的な位置変化すなわち振動の双方を含むもの
とする。
(発明の実施例) 以下、添付図面に従ってこの発明の詳細な説明する。各
図において同一の符号は同様の対象を示す。
第1図は、この発明の実施例に係る測定装置を示すもの
であり、特に振動加速度を検出する装置を示す。
図において、1は装置のケーシング、2は加速度を検知
するためのウェイト部材、3はこのウェイト部材を弾性
的に支持する支持手段、4及び5は位置変更手段、6及
び7は半透明鏡、8はレーザー光源、9は光源8の測定
光ビーム、10は測定光9を平行光ビームにするための
コリメーションレンズ、12は測定光9によって形成す
る干渉光を検出しその強度を電気信号に変換する光電変
換手段である。
ケーシング1は、干渉光を形成しこれを検出する全ての
構成要素を含んでいるが、装置を固定する場所によって
はこれらを1つのケーシングに装備しなくてもよい。ケ
ーシング1を構成する材料も適宜選定することができる
。ウェイト部材2は、例えば円筒状でありその中央部に
、後述する測定光9の光軸とほぼ同軸状の貫通孔2人を
有する。
従って、測定光9はこの貫通孔2人を通過する。
支持手段3はバネなどの弾性部材であり、上述のように
測定光9が貫通孔2Aを通過することができるようにウ
ェイト部材2を支持する。このため、加速度の存在によ
って、ウェイト部材2は測定光9の光軸に沿って矢印X
の方向に自由に運動することができる。支持手段3の他
端はケーシング1に固定されている。また、支持手段3
の貫通孔2人と対応する部分には開口3Aが形成されて
いる。
位置変更手段4は、スペーサ部材4Aを介してウェイト
部材2の一側面2Bに固定されている。
この位置変更手段4は、電気信号の印加によって測定光
9の光軸方向に変位可能であり、例えば電気歪み効果を
生ずる圧電素子を用いることができる。その他の動電手
段を用いてもよい。この位置変更手段4も支持手段3と
同様の開口4Bを有する。
位置変更手段5は、スペーサ部材5Aを介してケーシン
グl内のフレーム部材IAに、位置変更手段4と対向す
るように固定されている。この位置変更手段5も、電気
信号の印加によって測定光9の光軸方向に変位可能であ
り、例えば電気歪み効果を生ずる圧電素子を用いること
ができる。
その他の動電手段を用いてもよい。位置変更手段5も支
持手段3及び位置変更手段4と同様の開口5Bを有する
。また、フレーム部材IAにも開口3A、4B、5Bと
同軸状に開口IBが形成されている。
位置変更手段4,5の開口4B、5Bをそれぞれ塞ぐよ
うに半透明鏡6,7が各位置変更手段4゜5の対向面4
C,5Cに固定されている。半透明鏡6,7の各反射面
6R,7Rは互いに対抗している。これらの反射面6R
87Rは互いに平行であることが理想的であるが、干渉
が生ずればよいのであるから、必ずしも平行である必要
はない。
ケーシングlの左側端部のフレーム部材IDには、コヒ
ーレントな測定光9を発生するレーザダイオードなどの
光源8が固定されている。この光源8は、レーザダイオ
ードに限らず、ガスレーザなど各種の光源を用いること
ができる。この光源8から出射する測定光9は、コリメ
ーションレンズ10で平行光束となる。コリメーション
レンズ10は、光源8とウェイト部材2との間のフレー
ム部材IEの開口IFに装備されている。
また、ケーシング1の右端部のフレーム部材IGには測
定光9を受ける光電変換手段12が固定されている。
以上において、貫通孔や開口は全て同軸状に配列されて
いるため、光源8の光は、レンズ10、開口3A、貫通
孔2人、開口3A、4B、半透明鏡6.7、開口5B、
IBを介して光電変換手段12に到達する。
位置変更手段4,5である圧電素子のリード線14.1
5、及び光電変換手段12のリード線19は、それぞれ
第2図に示す電気回路に接続する。
第2図において、20はプリアンプ、21は比較器、2
2はバイパスフィルタ、23は積分増幅器、24はロー
パスフィルタ、25は積分増幅器、26は出力端子、2
9は基準電圧端子である。
バイパスフィルタ22及び積分増幅器23は干渉光に対
応する電気信号(以下、干渉信号とする)の交流成分を
検出し、またローパスフィルタ24及び積分増幅器25
は干渉信号の直流成分を検出する。
積分増幅器23.25は、圧電位置変更手段4,5の時
定数に応じて駆動電圧を保持するためのものである。各
増幅器23.25の出力は、それぞれ圧電位置変更手段
4,5に供給され、フィードバックループが形成されて
いる。
端子29の基準電圧vOは、干渉強度が強く直線性の長
い領域の中心点に半透明鏡6が位置するように、位置変
更手段4にバイアス電圧を印加するためのものである。
。 なお、以上のフィードバック系では、圧電位置変更手段
の単体での、電圧に対する変位を考慮し、補正量よりも
充分大きな帰還電圧を印加する必要があり、このために
はプリアンプ20を含む増幅系のゲインを充分に大きく
する必要がある。
次に、この実施例の動作を説明する。
測定に先立って、第1図のユニットを加速度を測定すべ
き対象(以下、測定対象とする)に固定する。第2図の
電気回路は第1図のユニットに組み込んでもよいし、別
としてもよい。
測定対象が等速度運動しているとき、加速度は零である
。従って、鏡6,7の間隔は変化せず、光電変換器12
によって得られる干渉信号には交流成分はない。このた
め、増幅器23の出力は零又は基準電位であり、位置変
更手段5は設定位置から動かない。
干渉信号の直流成分が基準電位VOである場合は、比較
器21の出力偏差も零であり、ローパスフィルタ24を
介して圧電位置変更手段4に供給される電気信号も零で
あり、位置変更手段4は設定位置から動かない。
直流成分がある場合には、比較器21に偏差出力信号が
発生し、この偏差信号はローパスフィルタ24及び増幅
器25を介して位置変更手段4に印加される。このため
、位置変更手段・1は、偏差の大きさ及び極性に従った
量だけ測定暴9の光軸方向に変位する。この変位量は極
く僅かであるため、鏡6.7の配列状態(例えば、平行
度)が変化することはない。
また、前述からも明らかであるが、鏡の変位方向及び変
位量は基準電圧Voに対する偏差で決定され、鏡が変位
に対する干渉強度の直線性の良い領域の中点に位置し、
偏差が零となるまで鏡は格点は、厳密には反射率に依存
し、干渉の中点ではない。しかし、反射率が小さい場合
には、干渉の中点と最も直線性の良い部分とは一致する
。従っ測定対象が加速度運動をしている場合、ウェイト
部材2は振動し、干渉信号には交流成分と直流成分とが
含まれる。直流成分による位置変更手段4の動作は前述
と同様である。
干渉信号の交流成分は、バイパスフィルタ22を通過し
、積分増幅器23の出力信号で圧電位置変更手段5を駆
動するが、この増幅器23によって信号は反転されてい
る。従って、位置変更手段5には干渉信号従ってウェイ
ト部材2の運動を打ち消すような駆動信号が供給される
。すなわち、−位置変更手段5も常に干渉の中点に相当
する距離を保つように、距離忘だけ外部振動に追随して
変位する。
圧電変位手段は、増幅器23により印加される信号電圧
Vと変位ぎとの間に、 !=αV (αは比例定数) なる線形の関係があるため、端子26の電圧を検出する
ことにより、変位lを測定することができる。
なお、第4図からも分かるように、反射率が小さい場合
には、干渉強度の変化は小さくなり検出感度は劣化する
。また、反射率が大きい場合には、検出感度は良い。こ
の発明によれば、どのような反射率でも実施できるが、
反射率が0.25程度の場合が実際的である。
以上の各種の構成要素の形状及び原理を変更しても同様
にこの発明の目的を達成することができる。また、加速
度検出装置のみでなく各種の装置にこの発明を適用する
ことができる。
(発明の効果) この発明によれば、以上のように、ファブリペロ−の干
渉計の光路長変化を交流成分と直流成分とに分離し、各
成分の変動又は偏差を打ち消すように干渉計の鏡の位置
を変更するように制御することにより、測定のダイチッ
クレンジと直線性を大幅に改善し、いかなる変位に対し
ても正確な測定の可能な光学式変位測定装置を得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例の要部側面図、第2図はこの
発明の実施例の他の要部である電気系統図、第3図はこ
の発明の原理説明図、第4図は第3図の原理による干渉
強度の説明図である。 1・・・ケーシング、2・・・ウェイト部材、3・・・
弾性支持手段、4,5・・・位置変更手段、6,7・・
・半透明鏡、8・・・光源、9・・・測定光、12・・
・光電変換手段、22、23・・・第1の電気回路の主
要部、24.25・・・第2の電気回路の主要部。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、光源のコヒーレントな測定光が到来するのとは逆の
    方向に反射面を有する第1の半透明鏡と、この半透明鏡
    の前記反射面とその反射面が互いに対向するように配置
    した第2の半透明鏡と、これら第1及び第2の半透明鏡
    を前記測定光が透過可能であるようにそれぞれ搭載し電
    気信号の印加によって前記測定光の光軸方向に変位可能
    な第1及び第2の位置変更手段とを備えて成る光学式変
    位測定装置。 2、光源のコヒーレントな測定光が到来するのとは逆の
    方向に反射面を有する第1の半透明鏡と、この半透明鏡
    の前記反射面とその反射面が互いに対向するように配置
    した第2の半透明鏡と、これら第1及び第2の半透明鏡
    を前記測定光が透過可能であるようにそれぞれ搭載し電
    気信号の印加によって前記測定光の光軸方向に変位可能
    な第1及び第2の位置変更手段と、前記第1及び第2の
    半透明鏡が前記測定光によって形成する干渉光を検出し
    その強度を電気信号に変換する光電変換手段と、この光
    電変換手段の出力電気信号の交番的変化を打ち消すよう
    に前記位置変更手段の一方を駆動する電気信号を供給す
    る第1の電気回路と、前記光電変換手段の出力電気信号
    の直流成分の基準電気信号に対する偏差を検出しこの偏
    差が零になるように前記位置変更手段の他方を駆動する
    第2の電気回路とを備えて成る光学式測定装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63204673A (ja) * 1987-02-20 1988-08-24 Hitachi Ltd 圧電素子制御装置
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CN105842478A (zh) * 2016-06-03 2016-08-10 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种耐高温一体化弹性结构光纤f-p腔加速度传感器
CN114252002A (zh) * 2022-02-25 2022-03-29 国科大杭州高等研究院 一种可标定的亚纳米级高精度微位移装置及应用

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