JP2010224011A - エタロン装置及びそれを備えた光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】温度等の周辺環境によらず、正確に一対の基板の対向する面の間隔を制御することのできるエタロン装置及びそれを備えた光学ユニットを提供する。
【解決手段】空間を隔てて対向するように配置された一対の基板２，３と、該一対の基板の対向する面の間隔を調整するために該一対の基板の少なくともいずれか一方を駆動させる駆動手段４とを備えたエタロン装置であって、前記一対の基板の対向する面の間隔を測定するための検出用面間隔測定手段５と、前記検出用面間隔測定手段の近傍に配置された参照用面間隔測定手段６と、周辺環境の変化により形状が変化しにくい材料を用いて形成されていて所定の間隔を測定するように前記参照用面間隔測定手段を保持する面間隔固定部材７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の基板の面間隔を測定し、その測定結果に基づいてその面間隔の制御を行うエタロン装置と、それを備えた光学ユニットに関する。

従来から、空間を隔てて対向するように配置された一対の基板の面間隔を、ピエゾ素子のようなアクチュエータにより変化させ、分光特性を変化させることのできるエタロン装置が知られている。

また、このようなエタロン装置においては、一対の基板の面間隔を所望の面間隔としておくために、基板の対向する面上に面間隔を測定するためのセンサを配置し、そのセンサにより所定のサンプリング周期で現在の面間隔を測定し、測定した面間隔と所望の面間隔との比較を行い、その比較の結果に基づいてアクチュエータを駆動させて面間隔の調整を行うといった、例えばＰＩＤ制御のようなフィードバック制御を行うものが知られている。そして、そのような制御を行うエタロン装置の一例が、特許文献１に記載されている。

特開２００８−３６１９９号公報

この特許文献１に記載されているようなエタロン装置においては、一般的に、面間隔は直接測定されず、静電容量センサ等の出力値に基づいて算出される。しかし、静電容量センサ等の出力値は、温度や湿度等の周辺環境に影響されて変化してしまうことがある。このような場合には、算出された面間隔と実際の面間隔とが一致しないため、正確な面間隔の調整を行うことができない。

そこで、従来のエタロン装置では、使用前に、例えば、光スペクトルアナライザ等の測定器を用いて面間隔とその際のセンサの出力値とをそれぞれ測定し、面間隔の調整量を決定する際に用いるルックアップテーブルや近似曲線をそれらの測定値に対応したものにする等のキャリブレーションを行っておく必要がある。

しかし、このようなキャリブレーションを行っておいたとしても、使用中に、周辺環境の変化によってセンサの出力値が変化してしまった場合には、正確な面間隔を測定することはできず、正確な面間隔の調整も行うことができない。その結果、所望の分光特性も得られないという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、温度等の周辺環境によらず、正確に一対の基板の対向する面の間隔を制御することのできるエタロン装置及びそれを備えた光学ユニットを提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明のエタロン装置は、空間を隔てて対向するように配置された一対の基板と、該一対の基板の対向する面の間隔を調整するために該一対の基板の少なくともいずれか一方を駆動させる駆動手段とを備えたエタロン装置であって、前記一対の基板の対向する面の間隔を測定するための検出用面間隔測定手段と、前記検出用面間隔測定手段の近傍に配置された参照用面間隔測定手段と、周辺環境の変化により形状が変化しにくい材料を用いて形成されていて所定の間隔を測定するように前記参照用面間隔測定手段を保持する面間隔固定部材とを備えていることを特徴とする。

また、本発明のエタロン装置は、前記検出用面間隔測定手段が、静電容量センサであることが好ましい。

また、本発明のエタロン装置は、前記参照用面間隔測定手段が、静電容量センサであることが好ましい。

また、本発明のエタロン装置は、前記面間隔固定部材が、前記一対の基板のいずれか一方に一体的に形成されていることが好ましい。

なお、本発明のエタロン装置は、前記面間隔固定手段が一体的に形成されている前記基板が、前記駆動手段により駆動しないとさらに好ましい。

また、本発明のエタロン装置は、複数の前記検出用面間隔測定手段と複数の前記参照用面間隔測定手段とを備え、各々の前記参照用面間隔測定手段が、各々の前記検出用面間隔測定に対応するように配置されていることが好ましい。

さらに、本発明のエタロン装置は、前記検出用面間隔測定手段と前記参照用面間隔測定手段とが、材質、形状及び温湿度特性のうち少なくとも一つが同一であることが好ましい。

なお、本発明のエタロン装置は、前記検出用面間隔測定手段と前記参照用面間隔測定手段とが、同一の材質、形状及び温湿度特性を有しているとさらに好ましい。

また、本発明のエタロン装置は、前記駆動手段が、ピエゾ素子であることが好ましい。

また、上記の目的を達成するために、本発明の光学ユニットは、上記いずれかのエタロン装置と、前記検出用面間隔測定手段で測定された情報と前記参照用面間隔測定手段で測定された情報とを取得し該二つの情報に基づいて処理を行い前記基板の駆動量を決定する情報処理手段と、前記情報処理手段からの信号により前記基板を駆動させる前記駆動手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の光学ユニットは、前記情報処理手段が、ルックアップテーブルを有していて、該ルックアップテーブルを参照して処理を行い前記基板の駆動量を決定することが好ましい。

本発明によれば、温度等の周辺環境によらず、正確に一対の基板の対向する面の間隔を制御することのできるエタロン装置及びそれを備えた光学ユニットを提供することができる。

本発明の実施例１に係る光学ユニットのエタロン装置を示す概略断面図である。 図１のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。 実施例１の光学ユニットの全体構成を示すブロック図である。 図１のエタロン装置の変形例を示す概略断面図である。 図４のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。 本発明の実施例２に係る光学ユニットのエタロン装置を示す概略断面図である。 図６のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。 図６のエタロン装置の変形例を示す概略断面図である。 図８のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１〜図３を用いて、本発明の実施例１に係るエタロン装置を備えた光学ユニットについて詳細に説明する。図１は、本発明の実施例１に係る光学ユニットのエタロン装置を示す概略断面図である。図２は、図１のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。図３は、実施例１の光学ユニットの全体構成を示すブロック図である。

実施例１に係る光学ユニットは、図３に示すように、図１及び図２に示すエタロン装置と不図示のコントロールユニットによって構成されている。

まず、図１〜図２を用いて、この光学ユニットのエタロン装置について詳細に説明する。

このエタロン装置は、図１及び図２に示すように、外枠１の内部に、エタロン素子である固定基板２と可動基板３、駆動手段である不図示の駆動回路とピエゾ素子４、検出用面間隔測定手段である第１静電容量センサ５、参照用面間隔測定手段である第２静電容量センサ６、面間隔固定部材である固定部材７を備えている。

外枠１は、筒状部材１₁の端面の一方に環状部材１₂を、他方に環状部材１₃を取り付けて構成された円筒状の外形を有している。なお、環状部材１₂，１₃には、その略中央部に、円形の開口部１₂ａ，１₃ａが形成されている。このエタロン装置では、その開口部１₂ａ，１₃ａを光が通過する。

固定基板２は、外枠１の内部において開口部１₂ａ，１₃ａを通過する光の軸を横切るようにして外枠１の環状部材１₂に固定された円板状の光学部材である。一方、可動基板３は、外枠１の内部において開口１₂ａ，１₃ａを通過する光を遮らないようにして外枠１の環状部材１₃に固定された４つのピエゾ素子４により、開口部１₂ａ，１₃ａを通過する光を横切るように保持されている円板状の光学部材である。

なお、固定基板２と可動基板３との対向する面は、空間を隔てて互いに平行となるように配置されている。また、可動基板３は、ピエゾ素子４により、開口部１₂ａ，１₃ａ通過する光の軸に沿う方向に、対向する面の間隔が変化するように移動される。

第１静電容量センサ５の２つの電極５ａ，５ｂは、固定基板２と可動基板３の対向する面の間隔を測定するため、それらの面上であって外枠１の開口部１₂ａ，１₃ａを通過する光を遮らない位置に、互いに対向して配置されている。一方、第２静電容量センサ６の２つの電極６ａ，６ｂは、固定部材７により第１静電容量センサ５の近傍において、常に所定の間隔を測定するように、互いに対向して固定されている。より具体的には、エタロン装置の使用時に、第１静電容量センサ５とほぼ同一の周辺環境となる位置に保持されている。なお、第１静電容量センサ５と第２静電容量センサ６とは、材質、形状及び温湿度特性等が同一となっている。

なお、これらの静電容量センサは、電極間の静電容量が面間隔に比例して変化するという特性を有している。そして、このエタロン装置では、これらの静電容量センサにより面間隔に応じて決定される静電容量を電圧信号に変換して、コントロールユニットへ出力している。

固定部材７は、固定基板２の近傍において、外枠１に固定されている。なお、この固定部材７は、１０〜６０℃の範囲において、１℃当たり（［１／℃］）の熱膨張係数が約０．１×１０^-6程度であるゼロデュア（ショットＡＧ社（ドイツ）の商品名）やＵＬＥ（コーニング社（アメリカ）の商品名）といった低熱膨張ガラスにより形成されている。

このような低熱膨張ガラスを用いているため、仮に、周辺の温度が５０度［℃］変化したとしても、固定部材７の形状は
５０［℃］×０．１×１０^-6［１／℃］＝５×１０^-5
すなわち、０．００５％程度しか変化しない。これに対し、一般的なエタロン装置は、基板の面間隔の変化が０．１％程度変化しても、十分な精度の分光をすることができる。つまり、固定部材７の変化量は、エタロン装置が許容できる基板の面間隔の変化量よりも非常に小さい値であるため、固定部材７は温度変化によって変形せず、その結果、固定部材７によって固定されている静電容量センサ６の測定する間隔も変化しないとみなすことができる。

次に、図３を用いて、コントロールユニットの構成とこの光学ユニットにおいて行われる制御について説明する。

情報処理手段であるコントロールユニットは、使用者が入力した指令信号と、２つの静電容量センサからの電圧信号を受信するとともに、駆動回路へ指令信号を送信するように構成されている。

ここで、この光学ユニットにおいてなされる面間隔の制御について説明する。使用者が所望の分光特性、すなわち、所望の面間隔の値をコントロールユニットに入力すると、まず、コントロールユニットは、第１静電容量センサ５が測定した現在の面間隔に関する電圧信号と、第２静電容量センサ６が測定した参照用の面間隔に関する電圧信号とを取得する。その後、コントロールユニットは、その２つの電圧信号の比較し、規格化処理を行う。

規格化処理の方法としては、例えば、以下のような方法がある。第１静電容量センサ５の電圧信号の出力値をＶ１、その出力値の時の面間隔をＤ１、比例定数をｋ１とし、第２静電容量センサ６の電圧信号の出力値をＶ２、その出力値の時の面間隔をＤ２、比例定数をｋ２とすると、以下の式（１），（２）が成り立つ。
Ｄ１＝ｋ１／Ｖ１ ・・・（１）
Ｄ２＝ｋ２／Ｖ２ ・・・（２）

この光学ユニットのエタロン装置では、第２静電容量センサ６の周辺環境を、第１静電容量センサ５の周辺環境と同一とみなすことができるため、ｋ１＝ｋ２とすることができる。そのため、以下の式（１），（２）は以下の式（３），（４）とすることができる。
Ｄ１＝ｋ１／Ｖ１ ・・・（３）
Ｄ２＝ｋ１／Ｖ２ ・・・（４）

さらに、温度等の周辺環境の変動による変動分をΔｋとすると、式（３），（４）は、
以下の式（５），（６）となる。
Ｄ１＝（ｋ１＋Δｋ）×Ｖ１ ・・・（５）
Ｄ２＝（ｋ１＋Δｋ）×Ｖ２ ・・・（６）

そして、式（５），（６）より、以下の式（７）を得ることができる。
Ｄ１＝Ｖ１／Ｖ２×Ｄ２ ・・・（７）

このとき、この光学ユニットのエタロン装置では、第２静電容量センサ６により面間隔が、固定部材７により温度等の周辺環境にかかわらず常に一定となるようになっている。すなわち、面間隔Ｄ２は常に一定である。また、第１静電容量センサ５と第２静電容量センサ６とは、材質、形状及び温湿度特性等が同一である。そのため、第１静電容量センサ５の電圧信号の出力値Ｖ１と、第２静電容量センサ６の電圧信号の出力値Ｖ２から、実際の基板の面間隔Ｄ１を正確に算出することができる。

なお、このような規格化処理は、予めコントロールユニット内の記憶手段に記憶させたルックアップテーブルや近似曲線を用いて行う。

そして、このようにして規格化処理を行った後に、コントロールユニットは、算出された実際の基板の面間隔の値と、使用者が所望する面間隔の値との比較を行う。その後、コントロールユニットは、その比較の結果に基づいて、ＰＩＤ制御等による演算を行い、エタロン装置の駆動回路に信号を送信する。

信号を受信したエタロン装置の駆動回路は、電力増幅を行い、ピエゾ素子を駆動させる。その結果、ピエゾ素子により、面間隔が変更され、調整が行われる。

その後、所定の周期ごとに、コントロールユニットは、２つの静電容量センサから電圧信号を取得し、面間隔の調整をし続ける。

このように、本発明のエタロン装置を備えた光学ユニットは、固定された参照用のセンサを備えるとともに、それを参照しつつ面間隔の制御を所定の周期毎に実行し続けるため、従来のエタロン装置を備えた光学ユニットとは異なり、使用中の周辺環境の変化に影響されずに、正確に面間隔を制御することができる。

次に、図４及び図５を用いて、実施例１に係るエタロン装置の変形例を示す。図４は、実施例１に係るエタロン装置の変形例を示す概略断面図である。図５は、図４のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。なお、これらの図において、実施例１に係る光学ユニットのエタロン装置とほぼ同じ構成を有する部材には、同一の符号を付すとともに、それらの部材やコントロールユニットで行われる処理についての詳細な説明は省略する。また、図４においては、複数の静電容量センサと固定部材のうち、各々１つにのみ符号を付している。さらに、図５において、静電容量センサの電極には、電極ごとの符号を用いず、静電容量センサの代表符号を付している。

このエタロン装置では、第１静電容量センサ５と第２静電容量センサ６と固定部材７をそれぞれ複数備えている。なお、第１静電容量センサ５と第２静電容量センサ６は、最も近傍に配置されているもの同士を、互いに対応するものとして、コントロールユニットにおいて規格化処理が行われる。このエタロン装置を用いれば、さらに正確な面間隔の制御を行うことが可能となる。

図６及び図７を用いて、実施例２に係るエタロン装置を備えた光学ユニットについて詳細に説明する。図６は、本発明の実施例２に係る光学ユニットのエタロン装置を示す概略断面図である。図７は、図６のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。静電容量センサの電極には、電極ごとの符号を用いず、静電容量センサの代表符号を付している。

なお、本実施例に係る光学ユニットは、実施例１に係る光学ユニットと、エタロン装置の構成のみが異なっている。そこで、以下においては、ほぼ同じ構成を有する部材には、同一の符号を付すとともに、それらの部材やコントロールユニットで行われる処理についての詳細な説明は省略し、実施例１の光学ユニットに係るエタロン装置と、本実施例に係る光学ユニットのエタロン装置の相違点についてのみ説明する。

本実施例のエタロン装置の固定基板２は、実施例１のエタロン装置において、固定部材７を形成しているものと同様の低熱膨張ガラスにより形成されている。そして、その固定基板２には、その周面部から中心部に向かって、外枠１の開口部１₂ａ，１₃ａを通過する光を遮らない位置に、第２静電容量センサ６の電極６ａ，６ｂを配置するための取付部２ａが形成されている。

このような取付部２ａに、第２静電容量センサ６を配置しているため、本実施例のエタロン装置は、実施例１のように固定部材を必要としない。その結果、エタロン装置全体を実施例１のエタロン装置よりも小型化しやすい。

次に、図８及び図９を用いて、実施例２に係るエタロン装置の変形例を示す。図８は、実施例２に係るエタロン装置の変形例を示す概略断面図である。図９は、図８のエタロン装置のＡ−Ａ’線に沿って一部を切断した平面図である。なお、これらの図において、実施例２に係る光学ユニットのエタロン装置とほぼ同じ構成を有する部材には、同一の符号を付すとともに、それらの部材やコントロールユニットで行われる処理についての詳細な説明は省略する。また、図８においては、複数の静電容量センサと固定部材のうち、各々１つにのみ符号を付している。さらに、図９において、静電容量センサの電極には、電極ごとの符号を用いず、静電容量センサの代表符号を付している。

このエタロン装置では、第２静電容量センサ６を取り付けるための取付部２ｂを固定基板２に複数設け、第１静電容量センサ５と第２静電容量センサ６を複数備えている。なお、第１静電容量センサ５の電圧信号に対応する参照用の電圧信号としては、その第１静電容量センサ５の両隣に配置された２つの第２静電容量センサ６の電圧信号のいずれか、又はそれら２つの第２静電容量センサ６の電圧信号の平均値を用いて、コントロールユニットにおいて規格化処理が行われる。このエタロン装置を用いれば、さらに正確な面間隔の制御を行うことが可能となる。

なお、本発明は、これらの例に限定されるものではなく、上記実施例の種々の組み合わせも本発明に含まれる。

また、上記実施例においては、面間隔を測定する手段は、検出用面間隔測定手段と参照用面間隔測定手段とが、各々対応するように、１組又は４組備える構成となっているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、検出用面間隔測定手段と参照用面間隔測定手段の数が異なっていても良いし、同数であっても、２〜３組又は５組以上備えていても良い。

また、上記実施例においては、参照用面間隔測定手段は、検出用面間隔測定手段の近傍に配置されているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、周辺環境が同一となる場所であれば、外枠内のどこに配置してもかまわない。

また、上記実施例においては、参照用面間隔測定手段は、電極の対向する面が開口部を通過する光の軸に対して垂直となるように配置されているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、電極の対向する面が、開口部を通過する光の軸に対して垂直となる方向等、異なる方向を向くように配置しても良い。

また、上記実施例においては、面間隔測定手段として静電容量センサ５，６を用いているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、例えば、対向する部材の一方にコイル、他方に金属板を対向するように配置して、コイルとコンデンサによる共振回路を構成し、その共振回路で形成される高周波数の磁界によって渦電流を発生させ、この渦電流による磁界の変化を利用して部材間の変位を測定する、いわゆる渦電流方式のセンサを用いてもかまわない。

また、上記実施例においては、参照用面間隔測定手段と検出用面間隔測定手段のいずれにも、静電容量センサを用いているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、それぞれ異なるセンサを用いてもかまわない。

また、上記実施例においては、参照用面間隔測定手段と検出用面間隔測定手段とは、材質、形状及び温湿度特性等が同一であるが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、それらが異なっていてもかまわない。なお、その場合には、参照用面間隔測定手段と検出用面間隔測定手段との、それらの面間隔に対する出力値の関係を事前にルックアップテーブルや近似曲線として、情報処理手段に記憶させておき、規格化処理の際に用いる必要がある。

また、上記実施例においては、面間隔固定部材を形成するための材料として、低熱膨張ガラスを用いているが、本発明のエタロン装置はこれらの例に限定されるものではなく、エタロン装置の使用される周辺環境に応じて、面間隔固定部材を形成する材料を、湿度や静電気等の影響を受けにくい材料等に変更してもかまわない。

１ 外枠
１₁ 筒状部材
１₂，１₃ 環状部材
１₂ａ，１₃ａ 開口部
２ 固定基板
２ａ 取付部
３ 可動基板
４ ピエゾ素子
５ 第１静電容量センサ
５ａ，５ｂ 電極
６ 第２静電容量センサ
６ａ，６ｂ 電極
７ 固定部材

Claims (11)

1. 空間を隔てて対向するように配置された一対の基板と、該一対の基板の対向する面の間隔を調整するために該一対の基板の少なくともいずれか一方を駆動させる駆動手段とを備えたエタロン装置であって、
   前記一対の基板の対向する面の間隔を測定するための検出用面間隔測定手段と、
   前記検出用面間隔測定手段の近傍に配置された参照用面間隔測定手段と、
   周辺環境の変化により形状が変化しにくい材料を用いて形成されていて所定の間隔を測定するように前記参照用面間隔測定手段を保持する面間隔固定部材とを備えていることを特徴とするエタロン装置。
2. 前記検出用面間隔測定手段が、静電容量センサであることを特徴とする請求項１に記載のエタロン装置。
3. 前記参照用面間隔測定手段が、静電容量センサであることを特徴とする請求項１又は２に記載のエタロン装置。
4. 前記面間隔固定部材が、前記一対の基板のいずれか一方に一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエタロン装置。
5. 前記面間隔固定手段が一体的に形成されている前記基板が、前記駆動手段により駆動しないことを特徴とする請求項４に記載のエタロン装置。
6. 複数の前記検出用面間隔測定手段と複数の前記参照用面間隔測定手段とを備え、
   各々の前記参照用面間隔測定手段が、各々の前記検出用面間隔測定に対応するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエタロン装置。
7. 前記検出用面間隔測定手段と前記参照用面間隔測定手段とが、材質、形状及び温湿度特性のうち少なくとも一つが同一であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエタロン装置。
8. 前記検出用面間隔測定手段と前記参照用面間隔測定手段とが、同一の材質、形状及び温湿度特性を有していることを特徴とする請求項７に記載のエタロン装置。
9. 前記駆動手段が、ピエゾ素子であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のエタロン装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のエタロン装置と、
    前記検出用面間隔測定手段で測定された情報と前記参照用面間隔測定手段で測定された情報とを取得し該二つの情報に基づいて処理を行い前記基板の駆動量を決定する情報処理手段と、
    前記情報処理手段からの信号により前記基板を駆動させる前記駆動手段とを備えていることを特徴とする光学ユニット。
11. 前記情報処理手段が、ルックアップテーブルを有していて、該ルックアップテーブルを参照して処理を行い前記基板の駆動量を決定することを特徴とする請求項１０に記載のコントロールユニット。

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