JP2006322820A - アクチュエータの変位の測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アクチュエータの動作時において変位の測定を高い精度で容易に行うことができ、測定系がシンプルな構成となるアクチュエータの変位の測定方法を提供すること
【解決手段】 アクチュエータの可動体１に、ナイフエッジ２を可動軸に対して所定角度（例えば９０度）で交叉する姿勢に取り付けるとともに、ナイフエッジ２は共焦点光学系の光ビーム中に位置して当該光ビーム径を部分的に遮る取り合い関係にセットし、アクチュエータの動作時に、ナイフエッジ２による部分的な遮りを通過した分の光パワーを測定するとともに理論値データとの比較を行い、ナイフエッジ２の面が含む軸方向（ｘ軸）における変位量を定量化する。ナイフエッジ２の遮り位置に対して通過する光パワーが一意となるので、通過分の光パワーから逆にナイフエッジ２の端縁位置（遮り位置）を知ることができ、その結果、ｚ軸について微量移動する可動体１のｘ軸方向における変位量が定量的に測定できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータの変位の測定方法に関するもので、より具体的には、所定軸について微量移動する可動体の他軸方向における変位を定量化する測定方法の改良に関する。

対象物について、その変位を測定する方法としては、変位計を用いて三角測量の要領で測定を行う三角測距方式や、工場顕微鏡を用いて寸法測定を行う方法などが知られている。微量な変位の検出（測定）には、例えば特許文献１，２などに見られるように、光学系を利用した測定系を用い、変位測定を高精度に行うような技術の提案がある。

また、アクチュエータなどにおいてその可動体（対象物）が動的に微量移動するようなときは、当該変位を測定するには、例えばレーザドップラ法による光波測距方式などを用いている。
特開平６−３４３１９号公報 特許第３３０４５７１号公報

しかしながら、そうした従来の変位の測定方法では以下に示すような問題がある。まず、三角測距方式や工場顕微鏡による測定は、対象物を停止させた静的な状態で行うことになり、アクチュエータの動作時における測定、つまり現在起動中で微量移動している可動体の変位測定には適さない。

また、光波測距方式による測定は、反射面が必要であるため構成が煩雑で小型化に適さないばかりか、速度を変位に変換するために誤差を生じる。特に、微小距離の変位を計測する場合には、その誤差の影響が大きくなり好ましくない。さらに、装置価格がとても高価であるという問題も有する。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、アクチュエータの動作時において変位の測定を高い精度で容易に行うことができ、測定系がシンプルな構成となるアクチュエータの変位の測定方法および測定装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係るアクチュエータの変位の測定方法は、所定軸について微量移動する可動体を有したアクチュエータの変位を測定する方法であって、前記可動体にナイフエッジ等の遮光部材を可動軸に対して所定角度で交叉する姿勢に取り付けるとともに、その遮光部材は共焦点光学系の光ビーム中或いは平行な光ビーム中に位置させて当該光ビーム径を部分的に遮る取り合い関係にセットし、前記アクチュエータの動作時に、前記遮光部材による部分的な遮りを通過した分の光パワーを測定するとともに理論値データとの比較を行い、前記遮光部材の面を含む軸方向における変位量を定量化する手順を採るようにした。尚、所定角度は、実施の形態では、９０度とし、可動体と直交するように配置したが、本発明はこれに限るとはなく、任意の傾斜するようにしてよい。

そして、前記アクチュエータに取り付けた前記遮光部材は、前記光ビームの光軸に沿って移動し、前記変位量は前記遮光部材の移動方向と直交方向の変位量とすることができる。

本発明では、ナイフエッジ等遮光部材が光学系の光ビーム中に位置して当該光ビーム径を部分的に遮るので、その遮り位置に対して通過する光パワーが一意となり特有の光パワー特性を示す。そして、この光パワー特性は解析により算出でき、理論値データと呼べる。このため、遮り状態での光パワーを測定して理論値データと照合することでは、通過分の光パワーから逆にナイフエッジ（遮光部材）の端縁位置（遮り位置）を知ることがで、遮り位置の差分からアクチュエータの変位量を得ることができる。すなわち、アクチュエータの動的な変位量が定量的に測定できる。

また、上述した測定方法を実施するのに適した本発明の測定装置は、例えば、共焦点レンズ系、或いは平行の光束を形成するレンズ系と、そのレンズ系で生成される光ビームの一部を遮る遮光部材と、遮光部材により遮られた前記光ビームの光強度を検出する検出手段とを備え、前記遮光部材は、測定対象のアクチュエータの所定位置に取り付けられ、そのアクチュエータの動作に伴い前記光ビームの光軸に沿って移動するように設定し、前記検出手段は、前記遮光手段の移動に伴う前記光強度の変化から前記光軸と直交する方向の前記遮光部材の変位量を定量化するように構成した。

以上のように、本発明に係るアクチュエータの変位の測定方法および測定装置では、ナイフエッジ等の遮光部材の遮り位置に対して通過する光パワーが一意となる関係からアクチュエータの変位量が定量的に測定できる。このための測定系はナイフエッジ（遮光部材）が所定の光学系に対して遮り位置をとるため構成がシンプルであり、コスト面に優れるメリットがある。そして、測定は非接触となり、アクチュエータの動作時において変位の測定を高い精度で容易に行うことができる。

図１は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態において、アクチュエータの変位の測定方法は、可動体１を有したアクチュエータの変位を測定する方法であり、可動体１はｚ軸（図中の左右方向）について微量移動し、測定系は可動体１のｘ軸方向（ｚ軸と直交する方向）における変位を定量化する構成になっている。なお、アクチュエータの本体は図示を省略してある。

つまり本発明にあっては、可動体１にナイフエッジ２を可動軸に対して所定角度（例えば９０度）で交叉する姿勢に取り付けるとともに、ナイフエッジ２は共焦点光学系の光ビーム中に位置して当該光ビーム径を部分的に遮る取り合い関係にセットし、アクチュエータの動作時に、ナイフエッジ２による部分的な遮りを通過した分の光パワーを測定するとともに理論値データとの比較を行い、ナイフエッジ２の面が含む軸方向（ｘ軸）における変位量を定量化する手順を採る。

測定系は、光源３を他端に接続した光ファイバ４と、フォトダイオード５を他端に接続した光ファイバ６とを対向させるとともに、光ファイバ４，６の向き合わせ端にはそれぞれレンズ７，８を配置して光ビームをコリメートする構成として光コリメータ系（光コリメータ）を構築してある。向き合わせの光コリメータは所定に光結合をとることで共焦点光学系をなし、フォトダイオード５はオシロスコープ９と接続し、時間的に継続して測定する構成になっている。

共焦点光学系は、光ビーム軸を可動体１の可動軸つまりｚ軸に合わせてあり、ナイフエッジ２はｘｙ平面に存在して光ビーム径を部分的に遮る設定になっている。具体的には図２に示すように、光源３の光波長が１．５５μｍにおいて、光ファイバ４，６はＭＦＤ（Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）９．５μｍ、コリメート用のレンズ７，８は焦点距離１．３ｍｍとし、各レンズ７，８は光ファイバ端からそれぞれ１．５４３ｍｍにレンズ主面が位置する条件では、光コリメータはウエスト位置８．０２ｍｍにおいてウエスト半径２５μｍとなり、両者を向き合わせて光結合をとるので共焦点光学系が構築できる。

この共焦点光学系において、ナイフエッジ２により光ビーム径の一部を遮り、通過した分の光パワーを計測することでは、ナイフエッジ２の位置に対する通過分の光パワー特性を得ることができ、遮りなしを１とした光パワー比は図３に示すような特性となる。つまり、ナイフエッジ２の端縁が光ビーム径の中心にあるときは光パワー比が０．５となり、中心からのズレ量に応じて漸減あるいは漸増する傾斜した特性となる。これは数値解析により求めることができ、理論値データと呼ぶことにする。

すなわち、ナイフエッジ２が共焦点光学系の光ビーム中に位置して当該光ビーム径を部分的に遮るので、その遮り位置に対して通過する光パワーが一意となり、特有の光パワー特性を示し、この光パワー特性は解析により算出でき、理論値データと呼べる。したがって、遮り状態での光パワーを測定して理論値データと照合することでは、通過分の光パワーから逆にナイフエッジ２の端縁位置（遮り位置）を知ることができ、遮り位置の差分からアクチュエータの変位量を得ることができる。

測定手順としては、まず、ナイフエッジ２による遮りがない状態の光パワーを測定して光パワー比を演算するための基準値を得る。次に、ウエスト位置でナイフエッジ２が光ビーム径の一部を遮るセット状態においてアクチュエータを動作させて可動体１を動かし、通過分の光パワーを測定する。これはアクチュエータの動作時において動的に行い、オシロスコープ９により波形観測し、時間的に継続して測定を行う。このとき、通過分の光パワー測定値は基準値との演算により光パワー比に変換し、図３に示す理論値データと照合することで遮り位置の変位量を得ることができる。その結果、ｚ軸について微量移動する可動体１のｘ軸方向における変位を定量化することができる。

このように本発明にあっては、アクチュエータの変位量が定量的に測定でき、このための測定系はナイフエッジ２が所定の光学系に対して遮り位置をとるものなので構成がシンプルであり、コスト面に優れるメリットがある。そして、測定は非接触となり、アクチュエータの動作時において変位の測定を高い精度で容易に行うことができる。

なお、動的変位の測定では、光パワーの測定を高速化することで高い周波数特性が得られる。例えば、光通信用の波形モニタは数百ＭＨｚの周波数特性を有する。さらに、光ビームのウエスト径を変えることで変位の測定範囲や分解能の調整ができる。

また、本発明にかかる変位測定は、アクチュエータの動作時において測定を行うような動的変位の測定には限らない。つまり、アクチュエータの可動体１そのものについて、微量移動する変位量が規定値にあるか否かを検査するような用途にも適用できる。その場合は、ナイフエッジ２と共焦点光学系は可動体１が微量移動するｚ軸について変位を検出し得る取り合い関係にセットし、受光側光ファイバ６の他端にフォトダイオード５に替えて光パワーメータを接続する構成を採る。

測定手順としては、まず、ナイフエッジ２による遮りがない状態の光パワーを測定して光パワー比を演算するための基準値を得る。次に、ウエスト位置でナイフエッジ２により光ビーム径の一部を遮り、通過分の光パワーを測定して基準値との演算により光パワー比に変換する。この後、アクチュエータを動作させて可動体１を変位し、そして通過分の光パワーを測定して基準値との演算により光パワー比に変換する。したがって、これら光パワー比は図３に示す理論値データと照合することができ、遮り位置の差分が可動体１の変位量に対応し、アクチュエータについて変位の測定が行える。このように、本発明にかかる変位測定は可動体１が静的に変位するような測定にも適用することができる。

なお、上述した実施の形態では、レンズ系は共焦点レンズ系とし、そこで生成される光ビームは、光軸方向の中央部分で絞られるようにしたが、コリメータレンズ等を用いて平行光束（光ビーム）を生成するようにしてもよい。また、光強度を検出するに際し、上述した例では、レンズ８とファイバ６により光をフォトダイオード５に導いているが、大口径のフォトダイオードなどにより光りビームを空間に直接測定するようにしてもよい。

本発明の効果を実証するため次のように動的変位の測定を行った。つまり、測定系は前述した図１に示す構成とし、共焦点光学系は前述した図２に示す条件設定を採っており、アクチュエータの可動体をｚ軸に微量に移動させてｘ軸の動的変位を測定した。

可動体の移動量はｚ軸について１ｍｍとした。その結果、図４に示すような測定結果を得た。同図から明らかなように、当該測定例では、可動体はｚ軸での連続した１ｍｍの微量移動に伴いｘ軸に−２μｍ〜＋６μｍの変位があり、すなわち、アクチュエータの動作において、わずかながら横ブレがあることを測定できた。このように、本発明にあっては、変位量がきわめて微量であっても測定し得ることを確認した。

本発明に係るアクチュエータの変位の測定系を示す構成図である。 共焦点光学系の光ビームを示す図である。 光ビームの遮りと光パワーの関係を示すグラフ図である。 動的変位の測定結果を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 可動体
２ ナイフエッジ（遮光部材）
３ 光源
４，６ 光ファイバ
５ フォトダイオード
７，８ レンズ
９ オシロスコープ

Claims (3)

1. 所定軸について微量移動する可動体を有したアクチュエータの変位を測定する方法であって、
   前記可動体にナイフエッジ等の遮光部材を可動軸に対して所定角度で交叉する姿勢に取り付けるとともに、その遮光部材は共焦点光学系の光ビーム中或いは平行な光ビーム中に位置させて当該光ビーム径を部分的に遮る取り合い関係にセットし、
   前記アクチュエータの動作時に、前記遮光部材による部分的な遮りを通過した分の光パワーを測定するとともに理論値データとの比較を行い、前記遮光部材の面を含む軸方向における変位量を定量化することを特徴とするアクチュエータの変位の測定方法。
2. 前記アクチュエータに取り付けた前記遮光部材は、前記光ビームの光軸に沿って移動し、前記変位量は前記遮光部材の移動方向と直交方向の変位量であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの変位の測定方法。
3. 共焦点レンズ系、或いは平行の光束を形成するレンズ系と、
   そのレンズ系で生成される光ビームの一部を遮る遮光部材と、
   遮光部材により遮られた前記光ビームの光強度を検出する検出手段とを備え、
   前記遮光部材は、測定対象のアクチュエータの所定位置に取り付けられ、そのアクチュエータの動作に伴い前記光ビームの光軸に沿って移動するように設定し、
   前記検出手段は、前記遮光手段の移動に伴う前記光強度の変化から前記光軸と直交する方向の前記遮光部材の変位量を定量化するように構成したことを特徴とするアクチュエータの変位の測定装置。

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