JP6056464B2 - 光学モジュール及び電子機器 - Google Patents
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Description
これに対して、特許文献1に記載の光学フィルターデバイスでは、上記のような波長可変干渉フィルターの変形部の応答性をモニターするのみであり、安定化時間を短縮することができないという課題がある。
本発明の別の一態様の光学モジュールは、第一基板と、前記第一基板に対向する第二基板と、前記第一基板に設けられ、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第一反射膜と、前記第二基板に設けられ、前記第一反射膜に対向し、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第二反射膜と、電圧印加により前記第二基板を前記第一基板側に撓ませて、前記第一反射膜と前記第二反射膜との間のギャップ寸法を変化させるギャップ変更部と、前記第一反射膜と前記第二反射膜との間の圧力を検出する圧力検出部と、前記ギャップ変更部に電圧を印加する電圧制御部と、前記第一反射膜と前記第二反射膜との間に入射した光が干渉した波長の光を検出する光検出部と、前記圧力検出部により検出された圧力に応じたタイミングで前記光検出部に検出を開始させる検出制御部と、を備え、前記電圧制御部は、前記ギャップ変更部への印加電圧を第一電圧から目標電圧に変更する際に、単位時間あたりの電圧変化量が、検出された前記圧力に応じた変化量である電圧を印加することを特徴とする。
上記の本発明に係る光学モジュールは、第一基板と、前記第一基板に対向する第二基板と、前記第一基板に設けられ、入射光の一部を反射し一部を透過する第一反射膜と、前記第二基板に設けられ、前記第一反射膜に対向し、入射光の一部を反射し一部を透過する第二反射膜と、電圧印加により前記第二基板を前記第一基板側に撓ませて、前記第一反射膜及び前記第二反射膜間のギャップ寸法を変化させるギャップ変更部と、前記第一反射膜及び前記第二反射膜間の圧力を検出する圧力検出部と、前記ギャップ変更部に電圧を印加する電圧制御部と、を備え、前記電圧制御部は、前記ギャップ変更部への印加電圧を第一電圧から目標電圧に変更する際に、単位時間あたりの電圧変化量が、検出された前記圧力に応じた変化量である電圧を印加することを特徴とする。
このため、本発明では第一反射膜及び第二反射膜間の圧力が変化した場合でも、変化後の圧力に対して適切な駆動波形となる電圧をギャップ変更部に印加することができ、安定化時間の短縮を図ることができる。
本発明では、圧力が低い場合、電圧制御部は、電圧変化量の絶対値が小さい(立上時間及び立下時間が長い)駆動波形の電圧をギャップ変更部に印加する。これにより駆動電圧の急激な変化を抑制できるので、オーバーシュートを抑制でき、残留振動の減衰に要する時間を短縮でき、その結果、安定化時間を短縮できる。
また、圧力が高い場合、電圧制御部は、電圧変化量の絶対値が大きい(立上時間及び立下時間が短い)駆動波形の電圧を印加する。これにより、駆動電圧を急峻に変化させることができるので、応答速度を増大させることができ、安定化時間を短縮できる。
本発明の光学モジュールでは、圧力を正確に検出することができるので、圧力に応じた駆動電圧の制御をより確実に行うことができる。また、圧力の検出には、圧力センサーからの検出信号を参照するだけでよく、圧力の検出を簡単な構成で容易に行うことができる。
本発明では、ギャップ寸法に応じて変化する第一容量電極及び第二容量電極間の静電容量の変化から圧力を検出する。つまり、静電容量の変動周期から、第二基板の固有振動周期を検出することができる。第二基板の固有振動周期は、第二基板が有するばね性と、反射膜間の圧力(空気圧)とにより決定されるため、予め固有振動周期と圧力との関係を測定しておくことで、検出された固有振動周期から圧力を求めることができる。
また、圧力を検出するのに圧力センサーを別途配置する必要がないため、光学モジュールの小型化を図ることができる。
本発明の光学モジュールでは、第一反射膜が設けられた第一基板と、第二反射膜が設けられた第二基板と、ギャップ変更部と、が筐体に収納され、密閉されている。
これにより、筐体に密閉された各部材を外部からの衝撃から保護することができる。また、筐体により外部からの帯電粒子の侵入を抑制でき、帯電によるクーロン力の影響で、静電引力のバランスが崩れる不都合を回避でき、ギャップ寸法の不均一を抑制することができる。
また、圧力検出部が筐体の内部の圧力を検出するので、筐体内部の圧力が経年等の理由により変化した場合であっても、圧力に応じた駆動電圧の制御を行うことができ、安定化時間を短縮できる。
圧力が低い場合、第二基板が受ける空気抵抗が小さくなるので、第二基板の応答速度が速くなり、安定化時間が短くなる。一方、圧力が高い場合、空気抵抗が大きくなるので、第二基板の応答速度が遅くなり、安定化時間が長くなる。
本発明では、圧力検出部によって検出された圧力に基づいて、光検出部の検出開始までの検出開始タイミングを制御する。
このため、圧力に応じて安定化時間が変化したとしても、安定化直後に検出を開始するように、待機時間を適切な時間に制御することができる。これにより、光学モジュールによる光の検出に要する時間を短縮できる。
本発明では、圧力が低い場合、安定化時間が短くなるので、待機時間を短くする。また、圧力が高い場合、安定化時間が長くなるので、待機時間を長くする。このように、圧力に応じて、待機時間を制御することにより、光学モジュールによる光の検出に要する時間を短縮できる。
このため、本発明では第一反射膜及び第二反射膜間の圧力が変化した場合でも、変化後の圧力に対して適切な駆動波形となる電圧をギャップ変更部に印加することができ、安定化時間の短縮を図ることができる。
また、安定化時間の短縮を図ることができるため、ギャップ寸法の変更を迅速に行うことができ、目的波長の光を迅速に取り出すことができ、電子機器の処理速度向上を図ることができる。
以下、本発明に係る第一実施形態を図面に基づいて説明する。
[分光測定装置の構成]
図1は、本発明の第一実施形態に係る分光測定装置の概略構成を示すブロック図である。
分光測定装置1は、測定対象Xで反射された測定対象光における各波長の光強度を分析し、分光スペクトルを測定する電子機器である。
この分光測定装置1は、図1に示すように、光学モジュール3と、I−V変換器12と、アンプ13と、A/D変換器14と、制御部20と、を備えている。
光学モジュール3は、波長可変干渉フィルター5により測定対象光から所定波長の光を透過させ、透過した光をディテクター11で検出して光量を取得する。なお、光学モジュール3の詳細な構成については後述する。
I−V変換器12は、光学モジュール3のディテクター11から入力された信号を電圧値に変換し、アンプ13に出力する。
アンプ13は、I−V変換器12から入力された検出信号に応じた電圧(検出電圧)を増幅する。
A/D変換器14は、アンプ13から入力された検出電圧(アナログ信号)をデジタル信号に変換し、制御部20に出力する。
光学モジュール3は、光学フィルターデバイス4、ディテクター11、圧力計測回路15、制御回路16、及び駆動回路17により構成されている。
[光学フィルターデバイスの構成]
図2は光学フィルターデバイス4の概略構成を示す断面図であり、図3は光学フィルターデバイスの内部を示す平面図である。
光学フィルターデバイス4は、筐体40と、筐体40の内部に収納される波長可変干渉フィルター5及び圧力センサー6とを備えている。
また、筐体40の内部は、密閉空間となり、真空環境(又は大気圧よりも減圧された環境)に維持されている。
波長可変干渉フィルター5は、筐体40内部に収納され、入射された光から所望の波長の光を透過させる。
図4は、光学フィルターデバイス4に設けられた波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す平面図であり、図5は、図4におけるV−V線で切断した際の波長可変干渉フィルター5の概略構成を示す断面図である。
波長可変干渉フィルター5は、図4に示すように、本発明の第一基板である固定基板51、及び本発明の第二基板である可動基板52を備えている。これらの固定基板51及び可動基板52は、固定基板51の第一接合部513及び可動基板の第二接合部523が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜53(第一接合膜531及び第二接合膜532)により接合されることで、一体的に構成されている。
なお、以降の説明に当たり、固定基板51又は可動基板52の基板厚み方向から見た平面視、つまり、固定基板51、接合膜53、及び可動基板52の積層方向から波長可変干渉フィルター5を見た平面視を、フィルター平面視と称する。
また、フィルター平面視において、可動基板52の辺のうち、第一電装面514に対向する一辺側(頂点C3−頂点C4間の辺)は、固定基板51よりも外側に突出する。この突出部分のうち、波長可変干渉フィルター5を固定基板51側から見た際に露出する面は、第二電装面524を構成する。
固定基板51は、図5に示すように、固定基板51には、電極配置溝511及び反射膜設置部512が形成されている。この固定基板51は、可動基板52に対して厚み寸法が大きく形成されており、固定電極561及び可動電極562間に電圧を印加した際の静電引力や、固定電極561の内部応力による固定基板51の撓みはない。
また、固定基板51には、電極配置溝511から、第一電装面514及び第二電装面524に向かって延出する電極引出溝511Bが設けられている。
そして、固定基板51には、固定電極561の外周縁から、電極引出溝511Bを通り、第一電装面514まで延出する固定引出電極563が設けられている。この固定引出電極563の延出先端部(固定基板51の頂点C1に位置する部分)は、第一電装面514において固定電極パッド563Pを構成する。
なお、本実施形態では、電極設置面511Aに1つの固定電極561が設けられる構成を示すが、例えば、平面中心点Oを中心とした同心円となる2つの電極が設けられる構成(二重電極構成)などとしてもよい。
可動基板52は、図4に示すようなフィルター平面視において、平面中心点Oを中心とした円形状の可動部521と、可動部521の外側に設けられ、可動部521を保持する保持部522と、保持部522の外側に設けられた基板外周部525と、を備えている。
可動反射膜55は、可動部521の可動面521Aの中心部に、固定反射膜54と反射膜間ギャップG1を介して対向して設けられる。
図2は光学フィルターデバイス4の概略構成を示す断面図であり、図3は光学フィルターデバイスの内部を示す平面図である。
圧力センサー6は、波長可変干渉フィルター5とともに筐体40内部に収納されており、筐体40の内部空間の圧力(内部圧力)を検出する。上述したように、波長可変干渉フィルター5における固定反射膜54及び可動反射膜55の間の空間は、電極引出溝511Bを介して、波長可変干渉フィルター5の外部(筐体40の内部空間)と連通している。したがって、圧力センサー6により、筐体40の内部空間の圧力を検出することは、固定反射膜54及び可動反射膜55の間の空間の圧力を検出することを意味する。
このような圧力センサー6としては、例えば、熱電対真空計、ピラニ真空計、電離真空計、冷陰極電離真空計、ダイアフラム型センサー等を用いることができる。
筐体40は、ベース41と、蓋42と、ベース41及び蓋42に設けられた窓43とを備えている。
ベース41は、波長可変干渉フィルター5及び圧力センサー6を収納する凹部411を備え、例えば、PGA等のセラミックで形成される。凹部411の底部411Aには、入射光を通過させる開口部412が形成されている。
蓋42は、凹部411の開口部412を覆う板状の部材であり、例えば、コバール等の合金又は金属により形成される。蓋42は、平面視においてベース41の開口部412に対向する位置に、波長可変干渉フィルター5からの出射光を通過させる開口部421が形成されている。
窓43は、開口部412及び開口部412のそれぞれを覆うようにベース41及び蓋42のそれぞれに接合されるガラス基板である。
同様に、圧力センサー6は、ベース41の凹部411に配置され、筐体40内部に設けられた図示しない内部電極に電気的に接続されている。
また、筐体40は、内部電極と電気的に接続され、筐体40外部に設けられる外部電極45を備える。この外部電極45は、圧力計測回路15及び駆動回路17に接続され、圧力センサー6が圧力計測回路15に、波長可変干渉フィルター5の各電極が駆動回路17に接続されている。
圧力計測回路15は、圧力センサー6から入力された検出信号に基づいて筐体40の内部圧力を計測し、計測結果に応じて圧力値を示す圧力値信号を出力する。なお、圧力センサー6及び圧力計測回路15は、本発明の圧力検出部に相当する。
制御回路16は、内部圧力が、予め設定されている複数の圧力範囲のいずれに含まれるかを特定し、特定した圧力範囲を示す圧力範囲信号を駆動回路17に出力する。また、制御回路16は、特定した圧力範囲に応じたタイミングでディテクター11に光の検出を開始させる。
駆動回路17は、制御部20から入力された電圧指示信号に基づいて目標電圧を特定する。また、駆動回路17は、制御回路16から入力された圧力範囲信号に基づいて、特定された圧力範囲に対応する波形パターンの駆動電圧を波長可変干渉フィルター5に印加する。
なお、圧力計測回路15、制御回路16及び駆動回路17による駆動電圧の制御に関する詳細は後述する。
ディテクター11は、本発明の光検出部に相当し、波長可変干渉フィルター5を透過した光を受光し、受光した光の光強度を検出して、光強度に応じた検出信号(電流)を出力する。
図1に戻り、分光測定装置1の制御部20について、説明する。
制御部20は、本発明の処理部に相当し、例えばCPUやメモリー等が組み合わされることで構成され、分光測定装置1の全体動作を制御する。この制御部20は、図1に示すように、フィルター駆動部21と、光量取得部22と、分光測定部23と、を備えている。
また、制御部20は、各種データを記憶する記憶部30を備える。この記憶部30は、波長可変干渉フィルター5の静電アクチュエーター56に印加する駆動電圧に対する、当該波長可変干渉フィルター5を透過する光の波長の関係を示すV−λデータを記憶する。
ここで、フィルター駆動部21は、記憶部30に記憶されたV−λデータから、測定対象である目的波長に対応した駆動電圧を読み出し、読み出した駆動電圧を静電アクチュエーター56に印加する。
分光測定部23は、光量取得部22により取得された光量に基づいて、測定対象光のスペクトル特性を測定する。
以上のような波長可変干渉フィルター5では、固定電極パッド563P及び可動電極パッド564Pがそれぞれ駆動回路17に接続されている。したがって、駆動回路17により、固定電極561及び可動電極562間に電圧が印加されることで、静電引力により可動部521が固定基板51側に変位する。これにより、反射膜間ギャップG1のギャップ量を所定量に変更することが可能となる。
すなわち、製造直後のように筐体40の内部圧力が低い場合、可動部521が受ける空気抵抗が小さく、応答速度は速くなるものの、オーバーシュートにより振動振幅が大きくなり易い。オーバーシュートにより残留振動が発生すると、振動が減衰するまで待機する必要があり、安定化時間が長くなる。
一方、経年変化等によって内部圧力が増大してしまい内部圧力が高くなっている場合、空気抵抗が大きいので応答速度が遅くなり安定化時間が長くなる。
従って、本実施形態では、圧力センサー6及び圧力計測回路15によって検出された筐体40の内部圧力に基づいて、駆動回路17から静電アクチュエーター56に印加される駆動電圧の駆動波形を制御回路16及び駆動回路17によって制御する。これにより、経年変化により筐体40の内部圧力が変動した場合でも、その圧力に応じて安定化時間を短縮することができる。
筐体40の内部圧力Pが、例えば、0Pa≦P<10Paの低圧力範囲にある場合(内部圧力Pが本発明の第一圧力に相当)、駆動回路17は、図6の実線で示す駆動波形パターンM1で駆動電圧を印加する。駆動波形パターンM1は、単位時間T0あたりの電圧変化量ΔV1(以下、単位時間T0あたりの電圧変化量を、単に、変化量とも称する)で駆動電圧を変化させるパターンである。したがって、駆動波形パターンM1において、駆動電圧の変動開始から目標電圧Vtに到達するまでの電圧変動時間はT1である。
なお、変化量ΔV1,ΔV2,ΔV3は、予め検出された内部圧力に対する波長可変干渉フィルター5の応答性に基づいて決定すればよい。また、各圧力範囲を分ける閾値は、上記値に限らず、波長可変干渉フィルター5の応答性等に基づいて決定すればよい。
また、駆動電圧が増大する例を示したが、駆動電圧が減少する場合も同様であり、この場合は、変化量ΔV1,ΔV2,ΔV3の正負符号を逆にする。従って、内部圧力Pが低い場合は変化量の絶対値が小さく、内部圧力Pが高い場合は変化量の絶対値が大きくなるように変化量を設定すればよい。
圧力センサー6は、筐体40の内部圧力Pを検出して検出信号を圧力計測回路15に出力する。
分光測定装置1による測定が開始されると、制御部20のフィルター駆動部21は、V−λデータに基づいて、目的波長に対応した目標電圧Vtを読み込み、目標電圧Vtに応じた電圧指示信号を駆動回路17に出力する。
制御回路16は、圧力値信号に応じて、検出された内部圧力Pが上記の低圧力範囲、中間圧力範囲、及び低圧力範囲のいずれに含まれるかを特定し、特定した圧力範囲を示す圧力範囲信号を駆動回路17に出力する。
駆動回路17は、圧力範囲信号及び電圧指示信号が入力されると、静電アクチュエーター56への印加電圧(駆動電圧)を圧力範囲信号に応じた駆動波形パターン(変化量ΔV)で、目標電圧Vtまで変化させる。
上述のように、内部圧力Pが低い場合、変形部が受ける空気抵抗が小さくなるので、応答速度が速くなり、安定化時間が短くなる。一方、内部圧力Pが高い場合、空気抵抗が大きくなるので、応答速度が遅くなり、安定化時間が長くなる。
従って、本実施形態では、圧力センサー6及び圧力計測回路15によって検出された内部圧力Pに基づいて、制御回路16が、ディテクター11による光の検出開始タイミングを制御する。これにより、内部圧力Pが変動した場合でも、変動後の圧力に応じた適切な検出開始タイミングで検出することができる。
内部圧力Pが、上記低圧力範囲にある場合(内部圧力Pが本発明の第一圧力に相当)、図7に示すように、制御回路16は、波長可変干渉フィルター5への駆動電圧の印加開始から第一待機時間t1経過後に、ディテクター11に検出を開始させる。
この第一待機時間t1は、内部圧力Pが低圧力範囲にある場合における最長の安定化時間(低圧力範囲のうちの最大圧力時に対応した安定化時間)に対応した時間である。具体的には、可動部521の振動振幅が最大である場合(反射膜間ギャップG1を初期ギャップ寸法から最低ギャップ寸法まで変化させた場合)に対する安定化時間と同じ時間、若しくは、安定化時間よりも長い時間となる。安定化時間よりも長い時間を設定する場合は、残留振動を考慮して、十分に振動が収束する時間を設定すればよい。安定化時間は、内部圧力P、可動基板52が有するばね性、及び、静電アクチュエーター56の印加電圧の駆動波形等によって変化する。従って、予め実験等により低圧力範囲における最長の安定化時間を測定し、第一待機時間t1を設定すればよい。
また、内部圧力Pが、中間圧力範囲にある場合、制御回路16は、駆動電圧の印加開始から第一待機時間t1よりも長く、第二待機時間t2よりも短い第三待機時間(不図示)経過後に、ディテクター11に検出を開始させる。
第二待機時間t2及び第三待機時間は、第一待機時間t1と同様に、内部圧力Pがそれぞれの圧力範囲にある場合における最長の安定化時間を、予め実験等により測定しておき、この安定化時間に基づいて設定すればよい。
圧力センサー6は、筐体40の内部圧力Pを検出して検出信号を圧力計測回路15に出力する。
圧力計測回路15は、検出信号に基づいて、内部圧力を計測し、計測結果に応じた圧力値を示す圧力値信号を制御回路16に出力する。
制御回路16は、圧力値信号に応じて、検出された内部圧力Pが上記の低圧力範囲、中間圧力範囲、及び高圧力範囲のいずれに含まれるかを特定し、特定した圧力範囲に対応する待機時間経過後に検出開始を指示する駆動信号をディテクター11に出力する。
ディテクター11は、駆動信号が入力されると、光の検出を開始する。
本実施形態の分光測定装置1では、圧力センサー6及び圧力計測回路15によって検出された内部圧力Pに基づいて、静電アクチュエーター56への印加電圧(駆動電圧)の変化量ΔV(勾配)、すなわち駆動波形を変化させる。
このような分光測定装置1では、内部圧力Pが変化した場合でも、変化後の圧力に対して適切な駆動波形となる電圧を静電アクチュエーター56に印加することができ、安定化時間の短縮を図ることができる。
また、本実施形態の分光測定装置1では、上述のように安定化時間を短縮できるため、ギャップ寸法の変更を迅速に行うことができ、目的波長の光を迅速に取り出すことができるので、分光測定装置1における測色処理の処理速度向上を図ることができる。
このような分光測定装置1では、内部圧力Pが低い場合(低圧力範囲の場合)、変化量ΔV1が小さい(電圧変動時間T1が長い)駆動波形の電圧を印加する。これにより駆動電圧の急激な変化を抑制できるので、オーバーシュートを抑制でき、残留振動の減衰に要する時間を短縮でき、その結果、安定化時間を短縮できる。
また、内部圧力Pが高い場合(高圧力範囲の場合)、変化量ΔV3が大きい(電圧変動時間T3が短い)駆動波形の電圧を印加する。これにより、駆動電圧を急峻に変化させることができるので、応答速度を増大させることができ、安定化時間を短縮できる。
また、内部圧力Pが中間圧力範囲にある場合、変化量がΔV1よりも大きく、ΔV3よりも小さいΔV2の駆動波形の電圧を印加する。中間圧力範囲では、低圧力範囲にある場合よりもオーバーシュートが発生しにくく、また、高圧力範囲にある場合よりも応答速度が速い。従って、変化量を上記ΔV2に設定することにより、オーバーシュートの発生を抑制しつつ、応答速度を増大させることができ、安定化時間を短縮できる。
このような分光測定装置1では、内部圧力Pを正確に検出することができるので、内部圧力Pに応じた駆動電圧の制御をより確実に行うことができる。また、内部圧力Pの検出には、圧力センサー6からの検出信号を参照するだけでよく、内部圧力Pの検出を簡単な構成で容易に行うことができる。
このような分光測定装置1では、波長可変干渉フィルター5が筐体40内部に収納されるため、波長可変干渉フィルター5を外部からの衝撃から保護することができる。また、筐体40により外部からの帯電粒子の侵入を抑制でき、各電極や各接続電極が帯電粒子により帯電することを防止できる。従って、帯電によるクーロン力の影響で、静電引力のバランスが崩れる不都合を回避でき、反射膜間ギャップG1の不均一を抑制することができる。
また、圧力センサー6が筐体40の内部圧力Pを検出するので、筐体40の内部圧力Pが経年等の理由により変化した場合であっても、内部圧力に応じた駆動電圧の制御を行うことができる。
このため、内部圧力Pに応じて安定化時間が変化したとしても、安定化直後に検出を開始するように、待機時間を内部圧力Pに応じて適切な時間に制御することができる。これにより、光学モジュール3による光の検出に要する時間を短縮でき、分光測定装置1における測色処理の処理速度向上を図ることができる。
上述のように、内部圧力が低い場合、応答速度が速くなり、安定化時間が短くなる。一方、圧力が高い場合、空気抵抗が大きくなるので、応答速度が遅くなり、安定化時間が長くなる。さらに、本実施形態の分光測定装置1では、内部圧力Pに応じて駆動波形を変えることによって、安定化時間の短縮を図っている。
このように、本実施形態では、内部圧力Pに応じて、静電アクチュエーター56への印加電圧の駆動波形を変化させることで、安定化時間の短縮を図れ、さらに、その安定化時間に対応して光量の検出タイミングをも早めることができるので、光学モジュール3による光の検出をより短時間で実施でき、分光測定装置1における測色処理をより短時間で実施できる。
次に、本発明の第二実施形態について、図面に基づいて説明する。
上記第一実施形態の分光測定装置1は、内部圧力Pの検出を圧力センサー6及び圧力計測回路15によって行うように構成されていた。これに対して、第二実施形態の分光測定装置では、内部圧力Pの検出は、反射膜間ギャップG1に応じて決まる静電容量を、波長可変干渉フィルターに設けられた容量検出部によって検出し、当該静電容量から内部圧力Pが含まれる圧力範囲を特定するように構成される点で相違する。
図8は、本発明の第二実施形態に係る分光測定装置の概略構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、第一実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
波長可変干渉フィルター5Aは、反射膜間ギャップG1に対応する静電容量を検出する容量検出部57を備える以外は、第一実施形態の波長可変干渉フィルター5と基本的に同様の構成を有し、筐体40内部に収納され、入射された光から所望の波長の光を抽出して射出する。
容量検出部57は、図9に示すように、固定基板51に設けられた本発明の第一容量電極である固定容量電極571と、固定容量電極571に対向して可動基板52に設けられた本発明の第二容量電極である可動容量電極572とを備える。
このように構成された容量検出部57は、固定容量電極571及び可動容量電極572間の距離によって決まる静電容量に応じた信号を容量検出回路18に出力する。
制御回路19は、容量検出回路18から入力された容量検出信号に基づいて、後述するように静電容量の変動周期を特定し、当該変動周期から内部圧力Pを算出する演算回路を備えている。そして、制御回路19は、算出した内部圧力Pが、予め設定されている上記圧力範囲のいずれに含まれるかを特定し、特定した圧力範囲を示す圧力範囲信号を駆動回路17に出力する。すなわち、本実施形態では、制御回路19が、検出された静電容量から内部圧力Pを検出しているのであり、容量検出部57、容量検出回路18及び制御回路19が、本発明の圧力検出部に相当する。また、駆動回路17及び制御回路19が本発明の電圧制御部に相当する。なお、制御回路19は、第一実施形態と同様に、特定した圧力範囲に応じてディテクター11の検出開始タイミングを制御する。
以下、制御回路19が、検出された静電容量に基づいて内部圧力Pを検出して、当該内部圧力Pが含まれる圧力範囲を特定する方法を説明するとともに、第二実施形態の駆動電圧の制御方法を説明する。
第二実施形態では、反射膜間ギャップG1の寸法に応じて変化する固定容量電極571及び可動容量電極572間の静電容量の変化から内部圧力Pを検出する。つまり、静電容量の変動周期から、可動基板52の可動部521の固有振動周期を検出することができる。この固有振動周期は、可動基板52(例えば、保持部522)が有するばね性と、反射膜間の圧力である内部圧力Pとにより決定されるため、予め静電容量の変動周期(固有振動周期)と内部圧力Pとの関係を測定しておくことで、検出された静電容量の変動周期から内部圧力Pを求めることができる。
図10に示すように、筐体40の内部圧力Pが低い場合、可動部521が受ける空気抵抗が小さく、オーバーシュートにより振動振幅が大きくなり残留振動が発生する。従って、静電容量は、最終的に印加された定電圧に対応する静電容量値を跨いで変動しながら当該静電容量値に収束する。
一方、経年変化等によって内部圧力Pが増大してしまい内部圧力Pが高くなっている場合、空気抵抗が大きいため、静電容量は、最終的に印加された定電圧に対応する静電容量値に向かって漸近し、収束する。
このように、可動基板52の固有振動周期に対応する静電容量の変動周期が、内部圧力Pに応じて変化する。従って、静電容量の変動周期を内部圧力Pに換算することで内部圧力Pを検出する。
まず、駆動回路17から所定の駆動波形及び目標電圧の駆動電圧(図10参照)が波長可変干渉フィルター5Aの静電アクチュエーター56に印加される。駆動電圧が印加された波長可変干渉フィルター5Aの可動部521は、内部圧力Pに応じた固有振動を行う。容量検出部57は、この固有振動が行われている際の静電容量に応じた検出信号を容量検出回路18に出力する。
検出信号が入力された容量検出回路18は、当該検出信号に基づいて静電容量を検出し、検出結果を示す容量検出信号を制御回路19に出力する。
容量検出信号が入力された制御回路19は、容量検出信号に基づいて、静電容量の振動周期を特定し、当該振動周期から内部圧力Pを算出することで内部圧力Pを検出する。次に、制御回路19は、検出した内部圧力Pが含まれる圧力範囲(図6参照)を特定し、特定した圧力範囲を示す圧力範囲信号を駆動回路17に出力する。
第二実施形態では、容量検出部57及び容量検出回路18によって検出された静電容量に基づいて、制御回路19が、筐体40の内部圧力Pを算出し、当該内部圧力Pが含まれる圧力範囲を特定し、駆動回路17が、特定された圧力範囲に応じた駆動波形パターンの駆動電圧を静電アクチュエーター56に印加するように駆動電圧を制御する。これにより、第一実施形態同様に安定化時間の短縮を図ることができる。
本実施形態の分光測定装置1Aでは、上記第一実施形態で説明した作用効果に加えて以下の作用効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態の分光測定装置1Aでは、反射膜間ギャップG1の寸法に応じて変化する固定容量電極571及び可動容量電極572間の静電容量の変化から内部圧力Pを検出する。
このような分光測定装置1Aでは、予め静電容量の変動周期(固有振動周期)と内部圧力Pとの関係を測定しておくことで、検出された静電容量の変動周期から内部圧力Pを求めることができ内部圧力Pに応じた駆動電圧の制御を行うことができる。
このような分光測定装置1Aでは、容量検出部57のような簡単かつ小型の装置で内部圧力Pを検出することができる。従って、筐体40に圧力センサー等を別途筐体40内部に配置する必要がないため、筐体40を小型化でき、光学フィルターデバイス4A及び光学モジュール3Aを小型化できる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上記各実施形態では、内部圧力Pが3つの圧力範囲のいずれに含まれているかを特定し、圧力範囲に応じて駆動波形パターン及び検出開始タイミング(待機時間)を制御しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、内部圧力Pが2つの圧力範囲のいずれに含まれるかを特定してもよく、4つ以上の圧力範囲のいずれに含まれているかを特定し、特定した圧力範囲に応じて駆動波形パターン及び検出開始タイミングを制御してもよい。
また、上記各実形態では、駆動波形パターン及び検出開始タイミングの制御を、共通の圧力範囲に基づいて行っていたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、駆動波形パターンに対応付けられた複数の圧力範囲と、待機時間が対応付けられた複数の圧力範囲とを、個別に設定してもよい。また、それぞれの圧力範囲の数が異なっていてもよい。
すなわち、駆動電圧の制御をソフトウェアを利用して行ってもよい。具体的には、駆動電圧の制御を行うのに必要なプログラム及び各種データを格納するメモリーや、当該プログラム及び各種データに基づいて駆動電圧の制御を行うCPU等の演算装置を備える構成としてもよい。
この場合、圧力値と駆動波形パターン及び待機時間とを対応付けたテーブル等のデータを予め作成して記憶装置に記憶しておき、検出された圧力値と当該データとに基づいて、駆動波形パターン及び待機時間を演算装置によって特定してもよい。
また、内部圧力Pに基づいて、変化量ΔV1,ΔV2,ΔV3を選択する例を示したが、例えば、内部圧力Pと変化量ΔVとの関係を示す関数Fに基づき、演算装置が変化量ΔVを算出する構成としてもよい。同様に、内部圧力Pと待機時間との関係を示す関数fに基づき、演算装置が待機時間を算出する構成としてもよい。
すなわち、圧力に基づいて、目標電圧まで変動させる際の変動時間を設定するようにしてもよい。この場合でも、変動時間を設定することにより、単位時間あたりの駆動電圧の変化量が設定されることになる。
すなわち、制御回路19は、静電容量の変動周期から、直接的に内部圧力Pを算出せずに、内部圧力Pが含まれる圧力範囲を特定することで、間接的に内部圧力Pに応じた電圧制御及び検出開始タイミングの制御を行うように構成してもよい。
また、内部圧力Pに応じて変動周期すなわち可動基板52の固有振動周期が変化することを利用して、制御回路19が、静電容量の変動周期から直接的に駆動波形パターンを特定又は算出するように構成してもよい。この場合、変動周期に対して最適な駆動波形パターンを予め実験等で測定しておけばよい。すなわち、固有振動周期を検出する検出部としての容量検出部57、容量検出回路18及び制御回路19が上記変動周期すなわち上記固有振動周期を検出し、電圧制御部としての制御回路19及び駆動回路17が上記変動周期すなわち上記固有振動周期に基づいて駆動波形パターンを特定又は算出することで駆動波形を制御するように構成してもよい。
例えば、固定基板51に設けられる第一誘電コイルと、可動基板52に設けられる第二誘電コイルまたは永久磁石とにより構成される誘電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。
さらに、静電アクチュエーター56の代わりに圧電アクチュエーターを用いる構成としてもよい。この場合、例えば保持部522に下部電極層、圧電膜、及び上部電極層を積層配置させ、下部電極層及び上部電極層の間に印加する電圧を入力値として可変させることで、圧電膜を伸縮させて保持部522を撓ませることができる。
すなわち、本発明に係る光学モジュール及び電子機器は、必ずしも波長可変干渉フィルター5が筐体40に収納されていなくてもよい。この場合、第一実施形態のように圧力センサー6を用いる場合では、当該圧力センサー6は、波長可変干渉フィルター5の反射膜間の圧力を検出可能な位置(波長可変干渉フィルターの近傍)に設けられていればよい。
このような構成では、波長可変干渉フィルター5の設置環境に応じて圧力が変化する場合でも、変化した圧力に応じて最適な駆動波形の駆動電圧で静電アクチュエーター56を制御することで、安定化時間の短縮を図ることができる。
例えば、特定物質の存在を検出するための光ベースのシステムとして用いることができる。このようなシステムとしては、例えば、本発明の光学モジュールを用いた分光計測方式を採用して特定ガスを高感度検出する車載用ガス漏れ検出器や、呼気検査用の光音響希ガス検出器等のガス検出装置を例示できる。
このようなガス検出装置の一例を以下に図面に基づいて説明する。
図11は、本発明に係る光学モジュールを備えた電子機器の一例であるガス検出装置を示す概略図である。
図12は、図11のガス検出装置の制御系の構成を示すブロック図である。
本体部130は、流路120を着脱可能な開口を有するセンサー部カバー131、排出手段133、筐体134、光学部135、フィルター136、光学フィルターデバイス4、及び受光素子137(検出部)等を含む検出装置と、検出された信号を処理し、検出部を制御する制御部138、電力を供給する電力供給部139等から構成されている。また、光学部135は、光を射出する光源135Aと、光源135Aから入射された光をセンサーチップ110側に反射し、センサーチップ側から入射された光を受光素子137側に透過するビームスプリッター135Bと、レンズ135C,135D,135Eと、により構成されている。
また、図12に示すように、ガス検出装置100の表面には、操作パネル140、表示部141、外部とのインターフェイスのための接続部142、電力供給部139が設けられている。電力供給部139が二次電池の場合には、充電のための接続部143を備えてもよい。
さらに、ガス検出装置100の制御部138は、図12に示すように、CPU等により構成された信号処理部144、光源135Aを制御するための光源ドライバー回路145、波長可変干渉フィルター5を制御するための電圧制御部146、受光素子137からの信号を受信する受光回路147、センサーチップ110のコードを読み取り、センサーチップ110の有無を検出するセンサーチップ検出器148からの信号を受信するセンサーチップ検出回路149、及び排出手段133を制御する排出ドライバー回路150などを備えている。
本体部130の上部のセンサー部カバー131の内部には、センサーチップ検出器148が設けられており、このセンサーチップ検出器148でセンサーチップ110の有無が検出される。信号処理部144は、センサーチップ検出器148からの検出信号を検出すると、センサーチップ110が装着された状態であると判断し、表示部141へ検出動作を実施可能な旨を表示させる表示信号を出す。
これらのレイリー散乱光やラマン散乱光は、光学部135を通ってフィルター136に入射し、フィルター136によりレイリー散乱光が分離され、ラマン散乱光が光学フィルターデバイス4の波長可変干渉フィルター5に入射する。そして、信号処理部144は、電圧制御部146を制御し、波長可変干渉フィルター5に印加する電圧を調整し、検出対象となるガス分子に対応したラマン散乱光を波長可変干渉フィルター5で分光させる。この後、分光した光が受光素子137で受光されると、受光量に応じた受光信号が受光回路147を介して信号処理部144に出力される。
信号処理部144は、上記のようにして得られた検出対象となるガス分子に対応したラマン散乱光のスペクトルデータと、ROMに格納されているデータとを比較し、目的のガス分子か否かを判定し、物質の特定をする。また、信号処理部144は、表示部141にその結果情報を表示させたり、接続部142から外部へ出力したりする。
以下に、上記物質成分分析装置の一例として、食物分析装置を説明する。
この食物分析装置200は、図13に示すように、検出器210(光学モジュール)と、制御部220と、表示部230と、を備えている。検出器210は、光を射出する光源211と、測定対象物からの光が導入される撮像レンズ212と、撮像レンズ212から導入された光を分光する光学フィルターデバイス4と、分光された光を検出する撮像部213(検出部)と、を備えている。
また、制御部220は、光源211の点灯・消灯制御、点灯時の明るさ制御を実施する光源制御部221と、波長可変干渉フィルター5を制御する電圧制御部222と、撮像部213を制御し、撮像部213で撮像された分光画像を取得する検出制御部223と、信号処理部224と、記憶部225と、を備えている。
そして、信号処理部224は、上述のようにして得られた検査対象の食物の成分や含有量、カロリーや鮮度等の情報を表示部230に表示させる処理をする。
さらには、鉱物の成分分析を実施する鉱物分析装置としても用いることができる。
例えば、各波長の光の強度を経時的に変化させることで、各波長の光でデータを伝送させることも可能であり、この場合、本発明の光学モジュールにおいて、波長可変干渉フィルターにより特定波長の光を分光し、受光部で受光させることで、特定波長の光により伝送されるデータを抽出することができ、このようなデータ抽出用光学モジュールを備えた電子機器により、各波長の光のデータを処理することで、光通信を実施することもできる。
図14は、分光カメラの概略構成を示す模式図である。分光カメラ300は、図14に示すように、カメラ本体310と、撮像レンズユニット320と、撮像部330(検出部)とを備えている。
カメラ本体310は、利用者により把持、操作される部分である。
撮像レンズユニット320は、カメラ本体310に設けられ、入射した画像光を撮像部330に導光する。また、この撮像レンズユニット320は、図14に示すように、対物レンズ321、結像レンズ322、及びこれらのレンズ間に設けられた光学フィルターデバイス4を備えて構成されている。
撮像部330は、受光素子により構成され、撮像レンズユニット320により導光された画像光を撮像する。
このような分光カメラ300では、光学フィルターデバイス4の波長可変干渉フィルター5により撮像対象となる波長の光を透過させることで、所望波長の光の分光画像を撮像することができる。
また、本発明の光学モジュールを生体認証装置として用いてもよく、例えば、近赤外領域や可視領域の光を用いた、血管や指紋、網膜、虹彩などの認証装置にも適用できる。
Claims (9)
- 第一基板と、
前記第一基板に対向する第二基板と、
前記第一基板に設けられ、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第一反射膜と、
前記第二基板に設けられ、前記第一反射膜に対向し、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第二反射膜と、
電圧印加により前記第二基板を前記第一基板側に撓ませて、前記第一反射膜と前記第二反射膜との間のギャップ寸法を変化させるギャップ変更部と、
前記第一反射膜と前記第二反射膜との間の圧力を検出する圧力検出部と、
前記ギャップ変更部に電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記ギャップ変更部への印加電圧を第一電圧から目標電圧に変更する際に、検出された前記圧力が第一圧力である場合に、単位時間あたりの前記電圧変化量が第一変化量である電圧を印加し、検出された前記圧力が前記第一圧力よりも大きい第二圧力である場合に、単位時間あたりの前記電圧変化量の絶対値が前記第一変化量よりも大きい第二変化量である電圧を印加することを特徴とする光学モジュール。 - 請求項1に記載の光学モジュールにおいて、
前記圧力検出部は、圧力センサーを備えることを特徴とする光学モジュール。 - 請求項1に記載の光学モジュールにおいて、
前記圧力検出部は、前記第一基板に設けられた第一容量電極と、前記第二基板に設けられ、前記第一容量電極に対向する第二容量電極と、を備え、前記第一容量電極及び前記第二容量電極の静電容量の変化に基づいて前記圧力を検出することを特徴とする光学モジュール。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の光学モジュールにおいて、
内部が密閉空間となり、当該密閉空間に、少なくとも、前記第一反射膜が設けられた前記第一基板、及び、前記第二反射膜が設けられた前記第二基板を収納する筐体を備え、
前記圧力検出部は、前記筐体内部の圧力を検出することを特徴とする光学モジュール。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の光学モジュールにおいて、
前記第一反射膜と前記第二反射膜との間に入射した光が干渉した波長の光を検出する光検出部と、
前記圧力検出部により検出された圧力に応じたタイミングで前記光検出部に検出を開始させる検出制御部と、
を備えることを特徴とする光学モジュール。 - 請求項5に記載の光学モジュールにおいて、
前記検出制御部は、検出された前記圧力が第一圧力である場合に、前記ギャップ変更部への電圧印加開始から第一待機時間経過後に前記検出部に検出を開始させ、検出された前記圧力が前記第一圧力よりも大きい第二圧力である場合に、前記電圧印加開始から前記第一待機時間よりも長い第二待機時間経過後に前記検出部に検出を開始させることを特徴とする光学モジュール。 - 第一基板と、
前記第一基板に対向する第二基板と、
前記第一基板に設けられ、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第一反射膜と、
前記第二基板に設けられ、前記第一反射膜に対向し、入射光の一部を反射し他の一部を透過する第二反射膜と、
電圧印加により前記第二基板を前記第一基板側に撓ませて、前記第一反射膜と前記第二反射膜との間のギャップ寸法を変化させるギャップ変更部と、
前記第一反射膜と前記第二反射膜との間の圧力を検出する圧力検出部と、
前記ギャップ変更部に電圧を印加する電圧制御部と、
前記第一反射膜と前記第二反射膜との間に入射した光が干渉した波長の光を検出する光検出部と、
前記圧力検出部により検出された圧力に応じたタイミングで前記光検出部に検出を開始させる検出制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記ギャップ変更部への印加電圧を第一電圧から目標電圧に変更する際に、単位時間あたりの電圧変化量が、検出された前記圧力に応じた変化量である電圧を印加することを特徴とする光学モジュール。 - 請求項7に記載の光学モジュールにおいて、
前記検出制御部は、検出された前記圧力が第一圧力である場合に、前記ギャップ変更部への電圧印加開始から第一待機時間経過後に前記検出部に検出を開始させ、検出された前記圧力が前記第一圧力よりも大きい第二圧力である場合に、前記電圧印加開始から前記第一待機時間よりも長い第二待機時間経過後に前記検出部に検出を開始させることを特徴とする光学モジュール。 - 請求項1から請求項8のいずれかに記載の光学モジュールと、
前記第一反射膜と前記第二反射膜との間に入射した光が干渉した波長の光に基づいて所定の処理を実施する処理部と、
を備えることを特徴とする電子機器。
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