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JP5510071B2 - Actuator drive device and translation mechanism, interferometer and spectrometer using the same - Google Patents
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Actuator drive device and translation mechanism, interferometer and spectrometer using the same Download PDF

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Description

本発明は、機械共振駆動を行うアクチュエータの駆動装置ならびにそれを用いる平行移動機構、干渉計および分光器に関し、特に駆動装置にはPLL(Phase Locked Loop)を用いるものに関する。   The present invention relates to a drive device for an actuator that performs mechanical resonance drive, and a translation mechanism, an interferometer, and a spectroscope using the same, and more particularly to a drive device that uses a PLL (Phase Locked Loop).

従来から、可動部と、これに結合された駆動部(PZT圧電振動子やVCM等の電磁力発生機構)とを備えて成るアクチュエータを交流駆動してその機械出力を得る場合、一般的にある特定の周波数で、可動部において大きい機械出力(機械振動振幅)が得られる機械共振現象が生じる。図15は、駆動周波数fdに対する機械出力(変位Vm)および駆動信号に対する前記変位Vmの位相θmの特性を示すグラフである。なお、図15(b)は、図15(a)の機械共振周波数fo付近での拡大図である。この図15から明らかなように、前記機械共振周波数foにおいて大きい機械出力と急激な位相の変化が現れる。   Conventionally, there is a general case where an actuator including a movable part and a drive part (electromagnetic force generation mechanism such as a PZT piezoelectric vibrator or VCM) coupled thereto is AC driven to obtain its mechanical output. At a specific frequency, a mechanical resonance phenomenon occurs in which a large mechanical output (mechanical vibration amplitude) is obtained in the movable part. FIG. 15 is a graph showing characteristics of the mechanical output (displacement Vm) with respect to the drive frequency fd and the phase θm of the displacement Vm with respect to the drive signal. FIG. 15B is an enlarged view around the mechanical resonance frequency fo of FIG. As apparent from FIG. 15, a large machine output and a sudden phase change appear at the machine resonance frequency fo.

これは、前記アクチュエータの固定部から見た可動部素材の等価的な質量M、弾性係数kと、素材の内部損失や摩擦、空気摩擦等で生じる損失係数μとによる機械的な共振現象と簡易的に理解されるものである。この機械共振時の機械出力の特徴は、共振のQ(クオリティーファクタ)による一種の外乱フィルタリングによる歪の少ない単振動と、大きな機械振動振幅とが得られることである。そこで、このような機械的特徴を利用して、多種多様のアクチュエータが考案されている。   This is due to the mechanical resonance phenomenon caused by the equivalent mass M and elastic coefficient k of the movable part material viewed from the fixed part of the actuator and the loss coefficient μ caused by internal loss, friction, air friction, etc. of the material, and simple. Is understood. The characteristic of the machine output at the time of the machine resonance is that a simple vibration with a small distortion by a kind of disturbance filtering based on the resonance Q (quality factor) and a large machine vibration amplitude can be obtained. Therefore, various actuators have been devised using such mechanical features.

そして、そのような共振駆動型アクチュエータの駆動装置は、前記の機械共振周波数foに相当する交流信号で駆動(駆動信号Vd)を行う必要がある。また、その機械共振周波数foは環境変化や経時変化等により変動することが想定されるので、前記駆動装置には、駆動中は常に前記駆動信号Vdの周波数(駆動周波数fd)を前記機械共振周波数foに追尾させ、安定な機械出力を得る機能がさらに必要となる。   Such a drive device for a resonance drive type actuator needs to be driven (drive signal Vd) with an AC signal corresponding to the mechanical resonance frequency fo. Further, since the mechanical resonance frequency fo is assumed to fluctuate due to environmental changes, changes with time, etc., the drive device always uses the frequency of the drive signal Vd (drive frequency fd) during the drive. The function of tracking to fo and obtaining a stable machine output is further required.

そのような機能を有する駆動方法の1つに、前記のPLL制御がある。これは、前述の図15で示すように、共振周波数fo付近で、駆動信号Vdの位相と機械出力Vmの位相とが急激に大きく変化することを利用している。図15(b)から、機械出力Vmとして振動の変位xを取れば、共振周波数foにて位相θmが90degだけ駆動信号Vdから遅れることが理解される。更に高い周波数では、最大180deg近く遅れることになる。よって、駆動信号Vdと機械出力Vm(変位x)との位相θmの差の検出を行い、それが常に90degとなるように駆動周波数fdを制御すれば、機械共振周波数foを追尾することができ、安定な機械出力が得られる。この点、前記PLL制御は、2つの信号間の位相差を常に既定値に保つように、内蔵する電圧制御発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)の発振周波数を負帰還制御する機能を有するので、上述のような共振駆動型アクチュエータの駆動制御に適合利用できる。   One of the driving methods having such a function is the PLL control described above. This utilizes the fact that the phase of the drive signal Vd and the phase of the machine output Vm change sharply in the vicinity of the resonance frequency fo as shown in FIG. From FIG. 15B, it is understood that if the vibration displacement x is taken as the machine output Vm, the phase θm is delayed from the drive signal Vd by 90 degrees at the resonance frequency fo. At higher frequencies, it will be delayed by a maximum of 180 degrees. Therefore, if the difference of the phase θm between the drive signal Vd and the machine output Vm (displacement x) is detected and the drive frequency fd is controlled so that it is always 90 deg, the machine resonance frequency fo can be tracked. Stable machine output can be obtained. In this respect, the PLL control has a function of performing negative feedback control of the oscillation frequency of a built-in voltage controlled oscillator (VCO) so that the phase difference between the two signals is always maintained at a predetermined value. It can be adapted for use in the drive control of a resonance drive type actuator.

ところで、前記PLLによる駆動装置では、電源投入時のようなアクチュエータの起動時は、通常、前記VCOはフリーラン発振(未決の周波数での発振状態)を行う。一般的に、そのフリーラン発振周波数はアクチュエータの機械共振周波数foとは一致しておらず、駆動部は機械共振周波数fo以外で駆動を行うことになる。よって、位相比較器には一方の駆動信号(前記フリーラン発振周波数に相当する交流信号)は入力されるものの、他方の機械出力Vm(変位x)の検出信号は、機械出力が非常に小さいので、検出レベル以下となり、入力されない。このため、位相比較器が機能せず、PLLの制御において位相を引き込まず、アクチュエータは機械共振駆動されないままの状態が続く。   By the way, in the drive device using the PLL, the VCO normally performs free-run oscillation (oscillation state at an undecided frequency) when the actuator is activated, such as when the power is turned on. In general, the free-run oscillation frequency does not coincide with the mechanical resonance frequency fo of the actuator, and the drive unit drives at a frequency other than the mechanical resonance frequency fo. Therefore, although one drive signal (an AC signal corresponding to the free-run oscillation frequency) is input to the phase comparator, the mechanical output of the other mechanical output Vm (displacement x) detection signal is very small. The value is below the detection level and is not input. For this reason, the phase comparator does not function, the phase is not drawn in the control of the PLL, and the actuator remains in a state where it is not driven by mechanical resonance.

そこでこのような状態を回避するために、特許文献1においては、駆動装置の起動時には、PLLの負帰還ループをオープンにして、スイープ(掃引)回路によってVCOの発振周波数制御端子を制御して、その発振周波数fvcoを機械共振周波数foに向かってスイープさせ、同時に機械出力Vm(変位x)の検出を行い、前記発振周波数fvcoが機械共振周波数foに近付くにつれて前記機械出力Vm(変位x)の検出レベルが上昇し、既定値に達すると、制御回路が、アクチュエータは機械共振駆動状態であると判定して、VCOの発振周波数制御端子を前記スイープ回路から位相比較器の出力に切り替えることで、前記負帰還ループをクローズして、位相の引き込みを達成している(位相ロックイン)。   Therefore, in order to avoid such a state, in Patent Document 1, when the drive device is started, the negative feedback loop of the PLL is opened, and the oscillation frequency control terminal of the VCO is controlled by a sweep circuit. The oscillation frequency fvco is swept toward the machine resonance frequency fo, and at the same time, the machine output Vm (displacement x) is detected. As the oscillation frequency fvco approaches the machine resonance frequency fo, the machine output Vm (displacement x) is detected. When the level rises and reaches a predetermined value, the control circuit determines that the actuator is in a mechanical resonance drive state, and switches the oscillation frequency control terminal of the VCO from the sweep circuit to the output of the phase comparator, thereby The negative feedback loop is closed to achieve phase pull-in (phase lock-in).

特開2002−78368号公報JP 2002-78368 A

ところが、上述した対策では、以下のような問題が存在している。先ず、アクチュエータが機械共振駆動状態と判断され、VCOの発振周波数制御端子がスイープ回路から位相比較器の出力に切換えられる際に、前記スイープ回路の出力電位と前記位相比較器の出力電位との差によって、電圧制御発振器VCOの発振周波数制御端子に急激な電圧変化が発生する。これは、前記負帰還ループがクローズになると同時に一種のノイズが発振周波数制御端子に印加されたことと等価であり、PLLの位相引き込み動作が一瞬不安定となる。このため、負帰還ループのゲインの設計(ゲイン、位相余裕の設定等)やループフィルタの設計にもよるが、VCOの発振周波数の変化にオーバーシュートやリンギングが発生して、安定になるまでに時間を要する場合や、位相ロックインができない場合もありうる。   However, the above-described measures have the following problems. First, when it is determined that the actuator is in the mechanical resonance drive state and the oscillation frequency control terminal of the VCO is switched from the sweep circuit to the output of the phase comparator, the difference between the output potential of the sweep circuit and the output potential of the phase comparator. As a result, a sudden voltage change occurs at the oscillation frequency control terminal of the voltage controlled oscillator VCO. This is equivalent to closing the negative feedback loop and simultaneously applying a kind of noise to the oscillation frequency control terminal, and the phase pull-in operation of the PLL becomes unstable for a moment. Therefore, depending on the negative feedback loop gain design (gain, phase margin settings, etc.) and loop filter design, overshoot and ringing occur in the change in the oscillation frequency of the VCO. There are cases where time is required and phase lock-in may not be possible.

そこで、機械共振駆動状態の検出精度を上げることで、上記のような問題は改善すると考えられるが、そのための回路(ピークホールド回路)の増加や検出レベルの調整作業を要するという問題がある。   Thus, it is considered that the above-described problems can be improved by increasing the detection accuracy of the mechanical resonance driving state, but there are problems that an increase in circuits (peak hold circuit) and adjustment of the detection level are required.

本発明の目的は、PLLの短時間でかつ確実な位相引き込み動作を行うことができるとともに、回路規模の増大やコストアップを抑えることができるアクチュエータの駆動装置ならびにそれを用いる平行移動機構、干渉計および分光器を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an actuator drive device that can perform a reliable phase pull-in operation in a short time and can suppress an increase in circuit scale and cost, and a parallel movement mechanism and an interferometer using the same. And providing a spectrometer.

本発明のアクチュエータ駆動装置は、可動部とそれを駆動する駆動部とを備えるアクチュエータに機械共振駆動を行わせるアクチュエータの駆動装置において、前記駆動部を駆動するための駆動信号の周波数を制御信号に応じて可変生成する電圧制御発振器と、前記アクチュエータの機械出力を検出する検出部と、前記駆動信号の位相と前記検出部の検出信号の位相との差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の位相比較信号を平滑化して前記電圧制御発振器へ前記制御信号として与えるループフィルタ部とを備え、前記ループフィルタ部は、積分回路と、前記積分回路に対して、前記アクチュエータの共振周波数に略一致した制御信号のレベルである目標電圧から所定電圧だけ離間した基準電圧を与える基準電圧源と、前記積分回路を、その積分動作の開始時にリセットし、前記制御信号のレベルを前記基準電圧から前記目標電圧へ向けて掃引を行わせることで、前記アクチュエータを前記機械共振の状態に引込むリセット手段とを含むことを特徴とする。   The actuator driving device according to the present invention is a driving device for an actuator that causes a mechanical resonance drive to be performed by an actuator including a movable portion and a driving portion that drives the movable portion. A voltage-controlled oscillator variably generated according to the detection unit, a detection unit that detects a mechanical output of the actuator, a phase comparator that detects a difference between the phase of the drive signal and the detection signal of the detection unit, and the phase comparison A loop filter unit that smoothes the phase comparison signal of the detector and applies the signal to the voltage controlled oscillator as the control signal. The loop filter unit substantially reduces the resonance frequency of the actuator with respect to the integration circuit and the integration circuit. A reference voltage source for providing a reference voltage separated by a predetermined voltage from a target voltage which is the level of the matched control signal, and the integrating circuit Resetting means for resetting at the start of the integration operation and sweeping the level of the control signal from the reference voltage toward the target voltage, thereby bringing the actuator into the mechanical resonance state. And

上記の構成によれば、被駆動部材となる可動部と、それを駆動する駆動部とを備えて成るアクチュエータを駆動するにあたって、前記駆動部を駆動するための駆動信号の周波数を制御信号に応じて可変生成する電圧制御発振器と、前記アクチュエータの機械出力を検出する検出部と、前記駆動信号の位相と前記検出部の検出信号の位相との差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の位相比較信号を平滑化して前記電圧制御発振器へ前記制御信号として与えるループフィルタ部とを備えることで、PLLループを構成し、前記アクチュエータに機械共振駆動を行うアクチュエータの駆動装置において、前記ループフィルタ部を、前記位相比較器の位相比較信号を平滑化して直流電圧で前記電圧制御発振器へ前記制御信号として与えるローパスフィルタとしての機能に加えて、前記制御信号のレベルを掃引できるようにしておく。具体的には、前記ローパスフィルタとしての機能を実現する積分回路に、基準電圧源とリセット手段とを設け、前記基準電圧源は、前記積分回路に対して、前記アクチュエータの共振周波数に略一致した制御信号のレベルである目標電圧から所定電圧だけ離間した基準電圧、すなわち前記掃引の開始電圧を与え、前記リセット手段は、前記積分回路を、その積分動作の開始時にリセットし、リセット解除後、前記制御信号のレベルを前記基準電圧から前記目標電圧へ向けて掃引を行わせる。その掃引によって、前記電圧制御発振器からの駆動信号の周波数が、アクチュエータの個体毎にばらつきのある共振周波数に一致すると、前記位相比較器の位相比較信号も所定の状態(所定の電圧或いはオープン状態等)で安定し、前記可動部アクチュエータを前記機械共振の状態に引込むことができる。   According to the above configuration, when driving an actuator including a movable part that is a driven member and a drive part that drives the movable part, the frequency of the drive signal for driving the drive part is determined according to the control signal. A voltage-controlled oscillator that variably generates, a detection unit that detects a mechanical output of the actuator, a phase comparator that detects a difference between the phase of the drive signal and the phase of the detection signal of the detection unit, and the phase comparator And a loop filter unit that smoothes the phase comparison signal and supplies the control signal to the voltage-controlled oscillator as a control signal, thereby forming a PLL loop and driving the mechanical resonance of the actuator. Is a low-pass filter that smoothes the phase comparison signal of the phase comparator and applies the DC voltage as the control signal to the voltage controlled oscillator. In addition to functioning as a filter, it keeps the can sweep the level of the control signal. Specifically, a reference voltage source and a reset unit are provided in an integration circuit that realizes the function as the low-pass filter, and the reference voltage source substantially matches the resonance frequency of the actuator with respect to the integration circuit. A reference voltage separated by a predetermined voltage from the target voltage which is the level of the control signal, that is, the sweep start voltage is given, and the reset means resets the integration circuit at the start of the integration operation, and after releasing the reset, The control signal is swept from the reference voltage toward the target voltage. When the frequency of the drive signal from the voltage controlled oscillator coincides with the resonance frequency that varies for each actuator by the sweep, the phase comparison signal of the phase comparator is also in a predetermined state (predetermined voltage or open state). ) And the movable part actuator can be pulled into the mechanical resonance state.

したがって、PLLループの外部に設けた前記制御信号を掃引する構成と、ループフィルタとの出力を切換えて前記電圧制御発振器に与える場合には、非連続な切換え時に一種のノイズが発生し、該PLLループの動作が不安定になるのに対して、本願発明では、前記電圧制御発振器に与える制御信号は、積分回路の積分動作に伴い、前記基準電圧から共振周波数の目標電圧付近に滑らかに(連続して)移行するので、移行時にオーバーシュートやリンギングの発生がなく、該電圧制御発振器の発振周波数が安定し、短時間でかつ確実な位相引き込み動作(位相ロックイン)を行うことができるようになる。また、PLLループの外部に、制御信号を掃引するための特別な構成を設けることなく、ループフィルタ部の積分回路に関連して基準電圧源とリセット手段とを設けるだけで制御信号を掃引し、さらに位相比較器の位相比較信号を用いて前記掃引の停止動作を行うので、機械共振駆動状態の判定に専用の回路を用いる必要はなく、回路規模の増大やコストアップを抑えることができる。   Therefore, when the control signal provided outside the PLL loop is swept and when the output of the loop filter is switched and applied to the voltage controlled oscillator, a kind of noise is generated at the time of discontinuous switching, and the PLL In contrast to the unstable operation of the loop, in the present invention, the control signal given to the voltage controlled oscillator is smoothly (continuously) from the reference voltage to the vicinity of the target voltage of the resonance frequency along with the integration operation of the integration circuit. Therefore, there is no occurrence of overshoot or ringing at the time of transition, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator is stabilized, and phase pull-in operation (phase lock-in) can be performed in a short time and surely. Become. Further, without providing a special configuration for sweeping the control signal outside the PLL loop, the control signal is swept only by providing a reference voltage source and a reset means in association with the integration circuit of the loop filter unit, Furthermore, since the sweep stop operation is performed using the phase comparison signal of the phase comparator, it is not necessary to use a dedicated circuit for determining the mechanical resonance driving state, and an increase in circuit scale and cost increase can be suppressed.

また、本発明のアクチュエータ駆動装置では、前記積分回路は、オペアンプと、その出力を負帰還するコンデンサと、入力抵抗とを備えて構成されるミラー積分回路から成り、前記リセット手段は、前記コンデンサの端子間を短絡するスイッチ素子から成ることを特徴とする。   In the actuator driving device of the present invention, the integrating circuit includes a Miller integrating circuit including an operational amplifier, a capacitor that negatively feeds back an output thereof, and an input resistor. It is characterized by comprising a switching element for short-circuiting between terminals.

上記の構成によれば、積分回路にミラー積分回路を用い、位相比較器からの出力を入力抵抗を介してオペアンプの非反転入力端に、該オペアンプの出力を前記短絡スイッチまたはコンデンサを介して該オペアンプの反転入力端にそれぞれ与え、短絡スイッチが“ON”から“OFF”に切換えられると、帰還コンデンサに入出力の電位差と入力抵抗とによる定電流充電が行えるので、該積分回路の出力は直線状に変化(ランプ信号電圧)する。   According to the above configuration, the integration circuit uses a Miller integration circuit, the output from the phase comparator is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier via the input resistor, and the output of the operational amplifier is connected to the non-inverting input via the short-circuit switch or capacitor. If the short-circuit switch is switched from “ON” to “OFF” by applying to the inverting input terminal of the operational amplifier, the feedback capacitor can be charged with a constant current by the input / output potential difference and the input resistance. (Ramp signal voltage).

したがって、該積分回路の出力電圧である電圧制御発振器に対する制御電圧もまたランプ信号電圧となり、電圧制御発振器の発振周波数の掃引動作が時間経過に対して直線的に滑らかに行え、掃引の速度設定が容易となる。これによって、機械出力の検出を精度良く行え、短時間で引込み動作を行うことができる。   Therefore, the control voltage for the voltage controlled oscillator, which is the output voltage of the integration circuit, also becomes the ramp signal voltage, and the sweep operation of the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator can be performed smoothly and linearly over time, and the sweep speed can be set. It becomes easy. As a result, the machine output can be detected with high accuracy, and the pull-in operation can be performed in a short time.

さらにまた、本発明のアクチュエータ駆動装置では、前記積分回路は、ラグ・リードフィルタであることを特徴とする。   Furthermore, in the actuator driving apparatus according to the present invention, the integration circuit is a lag / lead filter.

上記の構成によれば、RCの1次遅れ要素から成るラグフィルタは、前記位相比較器からの位相比較信号における不要高調波成分を減衰させる効果はあるものの、負帰還ループにおける安定化の効果が少ないのに対して、ラグ・リードフィルタは、位相を進ませる機能を有し、前記負帰還ループ内で発生する位相遅れを補償して安定化する効果(ゲイン余裕、位相余裕の確保)を有するので、ローパスフィルタとして、このラグ・リードフィルタを用いることは好ましい。   According to the above configuration, the lag filter including the RC first-order lag element has an effect of attenuating unnecessary harmonic components in the phase comparison signal from the phase comparator, but has a stabilizing effect in the negative feedback loop. On the other hand, the lag / lead filter has a function of advancing the phase, and has the effect of stabilizing by compensating for the phase delay generated in the negative feedback loop (ensure gain margin and phase margin). Therefore, it is preferable to use this lag / lead filter as a low-pass filter.

また、本発明の平行移動機構では、前記アクチュエータは、前記可動部として、帯状に形成される一対の板ばね部材と、前記板ばね部材の対向面側で、両端部間を連結することで該板ばね部材を相互に平行に支持する一対の剛体とを備えて構成され、一端側が固定されることで、他端側が前記板ばね部材の厚み方向に平行移動可能となり、前記駆動部は、前記板ばね部材の一方を、その厚み方向に湾曲駆動する駆動部材から成り、前記駆動部材に前記のアクチュエータ駆動装置からの駆動信号が与えられることで、前記可動部が機械共振駆動されることを特徴とする。   In the parallel movement mechanism of the present invention, the actuator includes a pair of leaf spring members formed in a strip shape as the movable portion, and the opposite surfaces of the leaf spring member are coupled between both ends. A pair of rigid bodies that support the leaf spring members in parallel with each other, and by fixing one end side, the other end side can be translated in the thickness direction of the leaf spring member. One of the leaf spring members is composed of a drive member that drives the bending in the thickness direction thereof, and the movable member is mechanically driven by being given a drive signal from the actuator drive device to the drive member. And

上記の構成によれば、マイケルソン干渉計などに用いられる平行移動機構を実現することができる。   According to said structure, the parallel displacement mechanism used for a Michelson interferometer etc. is realizable.

さらにまた、本発明の平行移動機構では、前記板ばね部材は、SOI基板から成ることを特徴とする。   Furthermore, in the parallel movement mechanism of the present invention, the leaf spring member is made of an SOI substrate.

上記の構成によれば、いわゆるMEMS技術、すなわちフォトリソグラフィおよびエッチング等の半導体製造技術と、陽極接合などの接合技術とを複合した技術を用いて、平行移動機構を製造することができる。   According to said structure, a parallel displacement mechanism can be manufactured using what is called MEMS technology, ie, the technique which combined semiconductor manufacturing techniques, such as photolithography and an etching, and joining techniques, such as anodic bonding.

したがって、板ばね部材の長さがばらつきを抑えることができ、該平行移動機構の組立時や平行移動時の傾きを抑えることができるとともに、個体差を無くすこともできる。   Therefore, variation in the length of the leaf spring member can be suppressed, the inclination of the parallel movement mechanism during assembly and parallel movement can be suppressed, and individual differences can be eliminated.

また、本発明の干渉計は、前記の平行移動機構を備え、前記板ばね部材の他端側に移動ミラーが搭載されることを特徴とする。   The interferometer according to the present invention includes the parallel movement mechanism, and a moving mirror is mounted on the other end side of the leaf spring member.

上記の構成によれば、コーナーキューブの設置を不要として、干渉計を小型化できるとともに、高精度な干渉を実現することができる。   According to said structure, installation of a corner cube is unnecessary, an interferometer can be reduced in size, and highly accurate interference can be implement | achieved.

さらにまた、本発明の分光器では、前記の干渉計を備えることを特徴とする。   Furthermore, the spectroscope of the present invention includes the interferometer described above.

上記の構成によれば、小型で高分解能の分光器を実現することができる。   According to said structure, a small and high-resolution spectrometer can be implement | achieved.

本発明のアクチュエータ駆動装置は、以上のように、被駆動部材となる可動部とそれを駆動する駆動部とを備えて成るアクチュエータをPLL回路で駆動し、機械共振駆動を行わせるアクチュエータの駆動装置において、前記PLL回路のループフィルタ部を、位相比較器の位相比較信号を平滑化して直流電圧で電圧制御発振器へ制御信号として与えるローパスフィルタとしての機能を実現する積分回路に、基準電圧源とリセット手段とを設け、前記基準電圧源が前記積分回路に対して掃引開始の電圧となる所定の基準電圧を与え、前記リセット手段が前記積分回路を、その積分動作の開始時にリセットし、前記制御信号のレベルを前記基準電圧からアクチュエータの共振周波数に対応した目標電圧へ向けて掃引を行わせる。   As described above, the actuator driving device according to the present invention drives an actuator including a movable portion serving as a driven member and a driving portion that drives the driven member with a PLL circuit, and performs mechanical resonance driving. In the PLL circuit, the reference signal source and the reset circuit are integrated into the integration circuit that realizes the function as a low-pass filter that smoothes the phase comparison signal of the phase comparator and applies the DC voltage as a control signal to the voltage controlled oscillator. And the reference voltage source applies a predetermined reference voltage that becomes a sweep start voltage to the integration circuit, the reset unit resets the integration circuit at the start of the integration operation, and the control signal Is swept from the reference voltage toward a target voltage corresponding to the resonance frequency of the actuator.

それゆえ、前記電圧制御発振器に与えられる制御信号は、積分回路の積分動作に伴い、前記基準電圧から共振周波数の目標電圧付近に滑らかに(連続して)移行するので、移行時にオーバーシュートやリンギングの発生がなく、該電圧制御発振器の発振周波数が安定し、短時間でかつ確実な位相引き込み動作(位相ロックイン)を行うことができるようになる。また、PLLループの外部に、制御信号を掃引するための特別な構成を設けることなく、ループフィルタ部の積分回路に関連して基準電圧源とリセット手段とを設けるだけで制御信号を掃引し、さらに位相比較器の位相比較信号を用いて前記掃引の停止動作を行うので、機械共振駆動状態の判定に専用の回路を用いる必要はなく、回路規模の増大やコストアップを抑えることができる。   Therefore, the control signal given to the voltage-controlled oscillator smoothly (continuously) transitions from the reference voltage to the vicinity of the target voltage of the resonance frequency in accordance with the integration operation of the integration circuit. Thus, the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator is stabilized, and a reliable phase pull-in operation (phase lock-in) can be performed in a short time. Further, without providing a special configuration for sweeping the control signal outside the PLL loop, the control signal is swept only by providing a reference voltage source and a reset means in association with the integration circuit of the loop filter unit, Furthermore, since the sweep stop operation is performed using the phase comparison signal of the phase comparator, it is not necessary to use a dedicated circuit for determining the mechanical resonance driving state, and an increase in circuit scale and cost increase can be suppressed.

また、本発明の平行移動機構は、以上のように、前記アクチュエータにおける前記可動部を、帯状に形成される一対の板ばね部材と、前記板ばね部材の対向面側で、両端部間を連結することで該板ばね部材を相互に平行に支持する一対の剛体とを備えて構成し、その一端側を固定することで、他端側を前記板ばね部材の厚み方向に平行移動可能とする一方、前記駆動部として、前記板ばね部材の一方を、その厚み方向に湾曲駆動する駆動部材を用い、前記駆動部材に前記のアクチュエータ駆動装置からの駆動信号を与えることで、前記可動部が機械共振駆動されるようにする。   In the parallel movement mechanism of the present invention, as described above, the movable portion of the actuator is connected between the pair of leaf spring members formed in a strip shape and the opposite surface side of the leaf spring member. And a pair of rigid bodies that support the leaf spring members in parallel with each other, and by fixing one end side thereof, the other end side can be translated in the thickness direction of the leaf spring member. On the other hand, a drive member that drives one of the leaf spring members to bend in the thickness direction is used as the drive unit, and a drive signal from the actuator drive device is applied to the drive member, so that the movable unit is a machine. Resonate drive.

それゆえ、マイケルソン干渉計などに用いられる平行移動機構を実現することができる。   Therefore, it is possible to realize a translation mechanism used in a Michelson interferometer or the like.

また、本発明の干渉計は、以上のように、前記の平行移動機構を備え、前記板ばね部材の他端側に移動ミラーを搭載して成る。   Moreover, the interferometer of the present invention includes the parallel movement mechanism as described above, and includes a moving mirror mounted on the other end side of the leaf spring member.

それゆえ、コーナーキューブの設置を不要として、干渉計を小型化できるとともに、高精度な干渉を実現することができる。   Therefore, it is not necessary to install a corner cube, the interferometer can be miniaturized, and high-precision interference can be realized.

さらにまた、本発明の分光器は、以上のように、前記の干渉計を備える。   Furthermore, the spectroscope of the present invention includes the interferometer as described above.

それゆえ、小型で高分解能の分光器を実現することができる。   Therefore, a small and high resolution spectrometer can be realized.

本発明の実施の一形態に係る駆動装置のブロック図である。It is a block diagram of the drive device concerning one embodiment of the present invention. PLLのVCOの制御電圧変化に対する発振周波数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the oscillation frequency with respect to the control voltage change of PLL VCO. 機械共振アクチュエータの駆動回路の一例を示し、矩形波を三角波に変換する変換回路のブロック図である。It is a block diagram of the conversion circuit which shows an example of the drive circuit of a mechanical resonance actuator, and converts a rectangular wave into a triangular wave. 図3で示す変換回路の動作を説明するための波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram for explaining the operation of the conversion circuit shown in FIG. 3. 代表的な位相比較器の入出力信号波形の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of the input / output signal waveform of a typical phase comparator. 機械共振アクチュエータの駆動周波数の変化に対する機械出力およびその位相変化を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the machine output with respect to the change of the drive frequency of a mechanical resonance actuator, and its phase change. 本実施の形態の駆動装置のPLLにおけるループフィルタ部の一構成例のブロック図である。It is a block diagram of one structural example of the loop filter part in PLL of the drive device of this Embodiment. 前記PLLの動作を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating operation | movement of the said PLL. 前記駆動装置を用いる分光器の概略の構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of the spectrometer using the said drive device. 前記平行移動機構の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the said parallel displacement mechanism. 前記平行移動機構の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the said parallel displacement mechanism. 前記平行移動機構の構成および動作を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure and operation | movement of the said parallel displacement mechanism. 本発明の実施の他の形態に係る駆動装置におけるループフィルタ部のブロック図である。It is a block diagram of the loop filter part in the drive device concerning other embodiments of the present invention. ラグフィルタおよびラグ・リードフィルタの構成ならびにゲインおよび位相の周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the structure of a lag filter and a lag lead filter, and the frequency characteristic of a gain and a phase. 機械共振アクチュエータの駆動周波数の変化に対する機械出力およびその位相変化を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the machine output with respect to the change of the drive frequency of a mechanical resonance actuator, and its phase change.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の一形態に係る駆動装置1のブロック図である。この駆動装置1は、被駆動部材となる可動部と、それを駆動する駆動部とを備えて成るアクチュエータ2を機械共振駆動するもので、大略的に、PLL回路3に、そのPLL回路3からの発振信号Vnを、アクチュエータ2の駆動に適した波形および振幅に変換して、期待する機械出力Vmを得るための駆動信号Vdとして出力する駆動回路4と、前記可動部の機械出力Vm(変位x)を検出して検出信号Vsを得る検出部5とを備えて構成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram of a driving apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The drive device 1 mechanically drives an actuator 2 including a movable part that is a driven member and a drive part that drives the driven part. In general, the drive circuit 1 is connected to the PLL circuit 3 from the PLL circuit 3. Is converted into a waveform and amplitude suitable for driving the actuator 2 and output as a drive signal Vd for obtaining an expected machine output Vm, and a machine output Vm (displacement) of the movable part. and a detection unit 5 that obtains a detection signal Vs by detecting x).

前記PLL回路3の主要構成要素は、既存のPLL回路の構成に類似しており、VCO11と、分周器12と、位相比較器13と、ループフィルタ部14とを備え、負帰還ループを構成する。ただし、本実施の形態では、前記アクチュエータ2を駆動する駆動信号Vdの周波数fd、すなわち前記機械共振周波数foが比較的低く、前記VCO11からの発振信号Vvcoは、その周波数fvcoが分周器12で1/Nに分周されて前記駆動回路4に与えられる発振信号Vnとなり、また位相比較器13に入力される。したがって、前記アクチュエータ2を駆動する周波数(機械共振周波数fo)によっては、この分周器12が設けられずにVCO11からの発振信号Vvcoがそのまま発振信号Vnとして駆動回路4に与えられてもよく、或いは位相比較器13の入力側に分周器12が設けられてもよい。   The main components of the PLL circuit 3 are similar to the configuration of the existing PLL circuit, and include a VCO 11, a frequency divider 12, a phase comparator 13, and a loop filter unit 14, and constitute a negative feedback loop. To do. However, in the present embodiment, the frequency fd of the drive signal Vd for driving the actuator 2, that is, the mechanical resonance frequency fo is relatively low, and the oscillation signal Vvco from the VCO 11 has the frequency fvco at the frequency divider 12. The oscillation signal Vn divided by 1 / N is supplied to the drive circuit 4 and is input to the phase comparator 13. Therefore, depending on the frequency (mechanical resonance frequency fo) for driving the actuator 2, the oscillation signal Vvco from the VCO 11 may be directly supplied to the drive circuit 4 as the oscillation signal Vn without providing the frequency divider 12. Alternatively, the frequency divider 12 may be provided on the input side of the phase comparator 13.

前記VCO11は、制御端子Vcntに印加された制御電圧Vcに応じて、発振周波数fvcoを可変できる信号発生器である。図2に、前記制御電圧Vcと発振周波数fvcoとの関係を示す。このようにVCO11では、直流の制御電圧Vcと発振周波数fvcoとは、単調増加の関係にある。   The VCO 11 is a signal generator that can vary the oscillation frequency fvco in accordance with the control voltage Vc applied to the control terminal Vcnt. FIG. 2 shows the relationship between the control voltage Vc and the oscillation frequency fvco. Thus, in the VCO 11, the direct-current control voltage Vc and the oscillation frequency fvco are in a monotonically increasing relationship.

前記駆動回路4としては、入力信号(発振信号Vn)は通常は矩形波であるが、アクチュエータ2の有する機械共振周波数foよりも高次の機械共振周波数での応答による悪影響を考慮すれば、高調波成分の少ない駆動信号fdが望ましいので、該入力信号(発振信号Vn)を、三角波や正弦波の波形に変換し、電力増幅する回路から成る。図3に、前記駆動回路4として、ミラー積分回路を用いた三角波への変換回路4aの例を示す。この変換回路4aは、反転アンプ41に、入力抵抗42および帰還コンデンサ43を備えて構成される。ここで、入力信号(発振信号Vn)として、図4(a)で示すような矩形波が入力され、入力抵抗42に流れる電流Itの方向が、発振信号Vnの立上り、立下りのタイミングで変わると、反転アンプ41によって、帰還コンデンサ43に対して前記電流Itを定電流で充放電することになり、その出力に三角波Voを得ることができる(図4(c))。この三角波Voを基に、その振幅を適切に変えて駆動信号Vdとする。前記変換によって、駆動信号Vdの基本波成分Vdf(図4(d))の位相は、発振信号Vnの基本波成分Vnf(図4(b))の位相に対し、90deg位相が進むことになる。   In the drive circuit 4, the input signal (oscillation signal Vn) is normally a rectangular wave, but if the adverse effect due to the response at the mechanical resonance frequency fo higher than the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2 is taken into account, the harmonics can be obtained. Since the drive signal fd having a small wave component is desirable, the input signal (oscillation signal Vn) is converted into a triangular wave or sine wave waveform to amplify the power. FIG. 3 shows an example of a conversion circuit 4a to a triangular wave using a Miller integration circuit as the drive circuit 4. The conversion circuit 4 a is configured by including an input resistor 42 and a feedback capacitor 43 in an inverting amplifier 41. Here, a rectangular wave as shown in FIG. 4A is input as the input signal (oscillation signal Vn), and the direction of the current It flowing through the input resistor 42 changes at the rising and falling timings of the oscillation signal Vn. Then, the inverting amplifier 41 charges and discharges the current It with a constant current with respect to the feedback capacitor 43, and a triangular wave Vo can be obtained at the output (FIG. 4C). Based on the triangular wave Vo, the amplitude is appropriately changed to be a drive signal Vd. By the conversion, the phase of the fundamental wave component Vdf (FIG. 4D) of the drive signal Vd is advanced by 90 deg phase with respect to the phase of the fundamental wave component Vnf of the oscillation signal Vn (FIG. 4B). .

アクチュエータ2は、前記のようにして作成された前記駆動信号Vdに応じた機械出力Vmを出力する。検出部5は、前記アクチュエータ2の可動部付近に結合された圧電振動センサ等を用いて前記機械出力Vmを検出し、増幅後波形整形を行い、矩形波信号を出力する(検出信号Vs、本例では変位xを検出)。   The actuator 2 outputs a machine output Vm corresponding to the drive signal Vd created as described above. The detection unit 5 detects the mechanical output Vm using a piezoelectric vibration sensor or the like coupled in the vicinity of the movable unit of the actuator 2, performs waveform shaping after amplification, and outputs a rectangular wave signal (detection signal Vs, main signal) In the example, the displacement x is detected).

前記位相比較器13は、前記発振信号Vnの位相と前記検出信号Vsの位相との差を検出してその位相差に相当する位相比較信号Vpdを出力する。図5に、代表的な位相比較器(4046番のPLL ICにおける)の入出力信号波形の例を示す。前記発振信号Vnと前記検出信号Vsとの位相差Δθには、3種の状態がある。すなわち、検出信号Vsの位相が発振信号Vnの位相より進んだ場合は(同図(A))、位相比較信号Vpdは電源電圧Vcc値を出力する。また、検出信号Vsの位相が発振信号Vnの位相と一致した場合は(同図(B))、前記位相比較器13の出力回路はハイインピーダンス状態となる。さらにまた、検出信号Vsの位相が発振信号Vnの位相より遅れた場合は(同図(C))、位相比較信号Vpdはグランド電位値(0V)を出力する。また、発振信号Vnのみが入力され、検出信号Vsの入力がない(“H”または“L”の信号が入力され、変化しない)場合も、グランド電位値(0V)を出力する回路構成となっている(同図(D))。   The phase comparator 13 detects a difference between the phase of the oscillation signal Vn and the phase of the detection signal Vs and outputs a phase comparison signal Vpd corresponding to the phase difference. FIG. 5 shows an example of input / output signal waveforms of a typical phase comparator (in a No. 4046 PLL IC). There are three types of phase difference Δθ between the oscillation signal Vn and the detection signal Vs. That is, when the phase of the detection signal Vs is advanced from the phase of the oscillation signal Vn ((A) in the figure), the phase comparison signal Vpd outputs the power supply voltage Vcc value. When the phase of the detection signal Vs coincides with the phase of the oscillation signal Vn ((B) in the figure), the output circuit of the phase comparator 13 is in a high impedance state. Furthermore, when the phase of the detection signal Vs is delayed from the phase of the oscillation signal Vn ((C) in the figure), the phase comparison signal Vpd outputs the ground potential value (0 V). In addition, even when only the oscillation signal Vn is input and the detection signal Vs is not input (“H” or “L” signal is input and does not change), the circuit configuration outputs the ground potential value (0 V). ((D) in the figure).

前記ループフィルタ部14は、前記位相比較信号Vpd(図5)に含まれる不必要な高域の周波数成分を除去し(LPF機能)、位相差Δθの変化成分の信号(制御電圧Vc)をVCO11の制御端子Vcntに出力する。このループフィルタ部2は、以下に述べるPLLループの帰還量の設定や安定性(ゲイン余裕、位相余裕)を確保するための位相補償機能をも有している。   The loop filter unit 14 removes unnecessary high-frequency components included in the phase comparison signal Vpd (FIG. 5) (LPF function) and outputs a signal (control voltage Vc) of a change component of the phase difference Δθ to the VCO 11. To the control terminal Vcnt. The loop filter unit 2 also has a phase compensation function for ensuring the feedback amount setting and stability (gain margin, phase margin) of the PLL loop described below.

ここで、図6で示すように、機械共振駆動状態(機械共振周波数fo1、駆動周波数fd1)にあるアクチュエータ2の機械共振周波数foが環境温度等によって高く変化したとすると(fo1→fo2)、アクチュエータ2の機械共振特性によって、駆動信号Vd(駆動周波数fd1)に対する機械出力Vm(変位x)の位相遅れは、90degより小さくなる(同図θm1)。したがって、前記検出信号Vsの位相は前記発振信号Vnの位相より、位相差0degの状態から進む(同図Δθm)。これによって、位相比較信号Vpdは図5の(B)の状態から(A)の状態に移動して、位相比較器13は、Vccの電圧を周期的にループフィルタ部14へ出力することとなる。これによって、ループフィルタ部14の出力(制御信号Vc)は上昇するので、VCO11の発振周波数fvcoも高くなる。前記発振周波数fvcoが上昇すれば、その分周信号である駆動信号Vnの駆動周波数fd1はfd2へ高く変化する。そして検出信号Vsの位相は90degに戻り再び安定状態に戻ることとなる(負帰還動作)。一連のこれらの動作は、アクチュエータ2の機械共振周波数foの変動に追尾していると理解できる。   Here, as shown in FIG. 6, if the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2 in the mechanical resonance driving state (mechanical resonance frequency fo1, driving frequency fd1) is changed by the environmental temperature or the like (fo1 → fo2), the actuator Due to the mechanical resonance characteristic of 2, the phase delay of the mechanical output Vm (displacement x) with respect to the drive signal Vd (drive frequency fd1) is smaller than 90 deg (θm1 in the figure). Therefore, the phase of the detection signal Vs advances from the phase difference of 0 deg from the phase of the oscillation signal Vn (Δθm in the figure). As a result, the phase comparison signal Vpd moves from the state shown in FIG. 5B to the state shown in FIG. 5A, and the phase comparator 13 periodically outputs the voltage Vcc to the loop filter unit 14. . As a result, the output (control signal Vc) of the loop filter unit 14 increases, and the oscillation frequency fvco of the VCO 11 also increases. When the oscillation frequency fvco increases, the drive frequency fd1 of the drive signal Vn that is the frequency-divided signal changes to fd2. Then, the phase of the detection signal Vs returns to 90 deg and returns to the stable state again (negative feedback operation). It can be understood that a series of these operations follows the fluctuation of the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2.

注目すべきは、本実施の形態では、前記ループフィルタ部14が、上述のようなLPF機能に加えて、VCO11の周波数掃引機能を備えていることである。具体的には、図7は、前記ループフィルタ部14の一構成例であるループフィルタ部14aのブロック図である。このループフィルタ部14aは、前記LPFとしての機能を発揮する積分回路21と、前記積分回路21に対して、前記アクチュエータ2の機械共振周波数foに略一致した制御電圧Vcのレベルである目標電圧Vctから所定電圧ΔVcだけ離間した基準電圧Vref、すなわち後述する掃引の開始電圧を与える基準電圧源22と、前記積分回路21を、その積分動作の開始時にリセットし、リセット解除後、前記制御電圧Vcのレベルを前記基準電圧Vrefから前記目標電圧Vctへ向けて掃引を行わせることで、前記アクチュエータ2を前記機械共振の状態に引込む短絡スイッチ23とを備えて構成される。   It should be noted that in the present embodiment, the loop filter unit 14 has a frequency sweep function of the VCO 11 in addition to the LPF function as described above. Specifically, FIG. 7 is a block diagram of a loop filter unit 14a, which is a configuration example of the loop filter unit 14. The loop filter unit 14a includes an integration circuit 21 that functions as the LPF, and a target voltage Vct that is a level of a control voltage Vc that substantially matches the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2 with respect to the integration circuit 21. A reference voltage Vref separated by a predetermined voltage ΔVc from the reference voltage source 22, that is, a reference voltage source 22 for providing a sweep start voltage, which will be described later, and the integration circuit 21 are reset at the start of the integration operation, and after the reset is released, the control voltage Vc A short-circuit switch 23 that pulls the actuator 2 into the mechanical resonance state by sweeping the level from the reference voltage Vref toward the target voltage Vct.

前記積分回路21は、アンプ24と、入力抵抗Rと、帰還コンデンサCとを備えて構成されるミラー積分回路から成る。前記位相比較器13の出力(位相比較信号Vpd)は、抵抗Rを介してアンプ24の負入力端子に接続される。アンプ24は、差動入力構成の増幅器で、その出力Vaは、帰還コンデンサCで前記負入力端子に帰還され、正入力端子には前記基準電圧源22から基準電圧Vrefが与えられ、動作バイアスとなる。アンプ24の出力Vaは、後段のアンプ25で反転されて、前記VCO11の制御電圧Vcとなる。前記反転の理由は、前記ミラー積分回路で位相が反転するので、正相に戻すためである。   The integration circuit 21 includes a Miller integration circuit including an amplifier 24, an input resistor R, and a feedback capacitor C. The output of the phase comparator 13 (phase comparison signal Vpd) is connected to the negative input terminal of the amplifier 24 via a resistor R. The amplifier 24 is an amplifier having a differential input configuration, and its output Va is fed back to the negative input terminal by a feedback capacitor C, and the reference voltage Vref is supplied from the reference voltage source 22 to the positive input terminal, Become. The output Va of the amplifier 24 is inverted by the subsequent amplifier 25 to become the control voltage Vc of the VCO 11. The reason for the inversion is to return to the positive phase because the phase is inverted by the Miller integrating circuit.

前記積分回路21は、後述する位相ロックイン状態においては、LPFとして機能して、先述した不必要な高域の周波数成分の除去、ならびに負帰還ループの帰還量の設定や安定性(ゲイン余裕、位相余裕)を確保するための位相補償を行うものである。そして、リセット手段として、前記帰還コンデンサCの端子間には前記短絡スイッチ23が設けられており、これを“ON”に設定することで、前記帰還コンデンサCの電荷を放電(リセット)させて、積分動作の待機の設定を可能としている。   The integration circuit 21 functions as an LPF in a phase lock-in state, which will be described later, and removes unnecessary high frequency components as described above, as well as setting the feedback amount of the negative feedback loop and stability (gain margin, Phase compensation is performed to ensure a phase margin. As a reset means, the short-circuit switch 23 is provided between the terminals of the feedback capacitor C. By setting this to “ON”, the charge of the feedback capacitor C is discharged (reset), It is possible to set integration operation standby.

図8は、上述のように構成される駆動装置1の動作を説明するための波形図である。先ず待機状態の期間W1において、前記短絡スイッチ23をONにして、積分動作を待機させておく。このとき、積分回路21の出力Vaは、基準電圧Vrefと同電圧を保持する。またこのとき、アンプ25からの制御電圧Vcが所定の開始電圧Vc1となるように、オフセット調整しておく。これによって、VCO11からは、前記開始電圧Vc1に相当する周波数fvco1の発振信号が出力され、分周器12にて周波数が1/N倍された発振信号Vnによって、駆動回路4からアクチュエータ2には、周波数fd=fvco1/Nの駆動信号Vdが印加されている。前記基準電圧Vrefおよび開始電圧Vc1は、VCO11の発振周波数fvcoを所定の開始周波数fvco1に設定するための電圧であり、前記機械共振周波数foと分周比Nとから設定される目標周波数ft=fo×Nから充分離れた周波数(高低のいずれでもよいが、図8では高周波側で示している)で発振を行わせられる電圧であればよい。   FIG. 8 is a waveform diagram for explaining the operation of the driving apparatus 1 configured as described above. First, in the waiting period W1, the short-circuit switch 23 is turned on to wait for the integration operation. At this time, the output Va of the integrating circuit 21 holds the same voltage as the reference voltage Vref. At this time, the offset is adjusted so that the control voltage Vc from the amplifier 25 becomes a predetermined start voltage Vc1. As a result, an oscillation signal having a frequency fvco1 corresponding to the start voltage Vc1 is output from the VCO 11, and an oscillation signal Vn whose frequency is multiplied by 1 / N by the frequency divider 12 is sent from the drive circuit 4 to the actuator 2. A drive signal Vd having a frequency fd = fvco1 / N is applied. The reference voltage Vref and the start voltage Vc1 are voltages for setting the oscillation frequency fvco of the VCO 11 to a predetermined start frequency fvco1, and a target frequency ft = fo set from the mechanical resonance frequency fo and the frequency division ratio N Any voltage may be used as long as it can oscillate at a frequency sufficiently away from × N (which may be high or low, but is shown on the high frequency side in FIG. 8).

したがって、この待機状態の期間W1では、アクチュエータ2は機械共振駆動状態でないので、位相比較器13の入力は、検出部5からの検出信号Vsが検出レベル以下のために未入力となって、分周器12からの発振信号Vnのみとなり、該位相比較器13は、位相比較信号Vpdに“L(=0V)”を出力している。このため、積分回路21の入力抵抗Rには、アンプ24の出力端から、短絡スイッチ23を経由して、電流I(=Vref/R)が流れている(図7参照)。   Therefore, in the period W1 in the standby state, the actuator 2 is not in the mechanical resonance driving state, so the input of the phase comparator 13 is not input because the detection signal Vs from the detection unit 5 is below the detection level, Only the oscillation signal Vn from the frequency divider 12 is provided, and the phase comparator 13 outputs “L (= 0 V)” to the phase comparison signal Vpd. Therefore, a current I (= Vref / R) flows through the input resistor R of the integrating circuit 21 from the output terminal of the amplifier 24 via the short-circuit switch 23 (see FIG. 7).

次に、起動状態の期間W2では、短絡スイッチ23が“ON”から“OFF”に切換えられ、これによって前記電流Iは、短絡スイッチ23の経由(図7のI1)から、帰還コンデンサCの経由(同図のI2)に切換わり、該帰還コンデンサCに充電電流として流れる。したがって、前記アンプ24の出力Vaは、帰還コンデンサCの定電流充電によるランプ信号電圧(Va=I/C・t+Vref、t:経過時間)を示す。同時に、制御電圧Vcは、前記開始電圧Vc1から時間と共に低下するので、VCO11の発振周波数fvcoも低下してゆく。こうして、発振信号Vn(駆動信号Vd)の周波数は、掃引動作を行いながら機械共振周波数foに近付いてゆく。前記ランプ信号電圧の傾きI/Cは、VCO11の発振周波数fvcoの掃引速度に対応するが、この大きさは、掃引する駆動信号Vdの周波数fd=fvco/Nが機械共振周波数foを横切る際に、検出部5にて機械出力Vmが成長して充分検出できる速度に設定してあるものとする。   Next, in the period W2 of the start-up state, the short-circuit switch 23 is switched from “ON” to “OFF”, whereby the current I passes from the short-circuit switch 23 (I1 in FIG. 7) to the feedback capacitor C. (I2 in the figure), and the feedback capacitor C flows as a charging current. Therefore, the output Va of the amplifier 24 indicates a ramp signal voltage (Va = I / C · t + Vref, t: elapsed time) due to constant current charging of the feedback capacitor C. At the same time, the control voltage Vc decreases with time from the start voltage Vc1, so the oscillation frequency fvco of the VCO 11 also decreases. Thus, the frequency of the oscillation signal Vn (drive signal Vd) approaches the mechanical resonance frequency fo while performing the sweep operation. The ramp signal voltage slope I / C corresponds to the sweep speed of the oscillation frequency fvco of the VCO 11, but this magnitude is obtained when the frequency fd = fvco / N of the drive signal Vd to be swept crosses the mechanical resonance frequency fo. It is assumed that the detection unit 5 is set to a speed at which the machine output Vm grows and can be sufficiently detected.

続いて、過渡状態の期間W3では、前記駆動周波数fd=fvco/Nの掃引動作が進み、アクチュエータ2の機械共振周波数foに近付き、徐々に機械出力Vmが成長してゆく。そして、位相引き込み動作(位相ロックイン)の期間W4となると、その機械出力Vmの成長が検出部5の検出レベルを超え、波形整形された検出信号Vsが位相比較器13へ入力されるので、該位相比較器13は、前記検出信号Vsと発振信号Vnとの位相の比較動作を行い、結果を出力し始める。つまり、位相比較器13の位相比較信号Vpdは、“L”の出力状態から、繰り返しパルスの出力状態(“L”⇔“ハイインピーダンス”)に移行する。この移行に伴い以下の動作が始まる。   Subsequently, in the transient period W3, the sweep operation of the drive frequency fd = fvco / N proceeds, approaches the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2, and the mechanical output Vm gradually grows. Then, when the period W4 of the phase pull-in operation (phase lock-in) is reached, the growth of the mechanical output Vm exceeds the detection level of the detection unit 5, and the detection signal Vs whose waveform has been shaped is input to the phase comparator 13. The phase comparator 13 performs a phase comparison operation between the detection signal Vs and the oscillation signal Vn, and starts outputting the result. That is, the phase comparison signal Vpd of the phase comparator 13 shifts from the “L” output state to the repetitive pulse output state (“L” ⇔ “high impedance”). The following operations start with this transition.

すなわち、先ず積分回路21の入力(位相比較信号Vpd)に変化が生じて、ハイインピーダンス時には充電電流Iは0となるので、前記充電電流Iの平均値は低減する。これによって、制御電圧Vcの低下速度は低下し、駆動周波数fd=fvco/Nの掃引速度も低下する。そして、駆動周波数fd=fvco/Nは機械共振周波数foに漸近してゆき、前記検出信号Vsと分周信号Vnとの位相差が小さくなり、位相比較信号Vpdのハイインピーダンス期間が増加する。以上の動作を繰返すことで、駆動周波数fd=fvco/Nが、そのときのアクチュエータ2の機械共振周波数foに一致し、位相引き込み(ロックイン)状態となる。   That is, first, a change occurs in the input (phase comparison signal Vpd) of the integrating circuit 21, and the charging current I becomes 0 at high impedance, so the average value of the charging current I decreases. As a result, the rate of decrease of the control voltage Vc decreases, and the sweep rate of the drive frequency fd = fvco / N also decreases. The drive frequency fd = fvco / N gradually approaches the mechanical resonance frequency fo, the phase difference between the detection signal Vs and the divided signal Vn is reduced, and the high impedance period of the phase comparison signal Vpd is increased. By repeating the above operation, the drive frequency fd = fvco / N coincides with the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2 at that time, and the phase is drawn (locked in).

そして、最終的に、ロック状態の期間W5では、検出信号Vsと分周信号Vnとの位相差は0degとなる(駆動信号Vdと検出信号Vsとの位相差は90deg)。これによって、位相比較信号Vpdは“ハイインピーダンス”状態に移行して、前記充電電流Iも0となり、積分回路21の出力Vaは前記目標電圧Vctである一定値Va2(アンプ25からの制御電圧VcはVc2)を保持する。つまり、位相比較信号Vpdによって、積分回路21による掃引信号の発生動作が停止したと言える。よって、負帰還ループは安定し、駆動周波数fd=fvco/Nは、アクチュエータ2の機械共振周波数foとほぼ一致して、位相ロックインの動作は完了する。   Finally, in the lock state period W5, the phase difference between the detection signal Vs and the frequency-divided signal Vn becomes 0 deg (the phase difference between the drive signal Vd and the detection signal Vs is 90 deg). As a result, the phase comparison signal Vpd shifts to the “high impedance” state, the charging current I also becomes 0, and the output Va of the integrating circuit 21 is a constant value Va2 (the control voltage Vc from the amplifier 25) that is the target voltage Vct. Holds Vc2). That is, it can be said that the operation of generating the sweep signal by the integration circuit 21 is stopped by the phase comparison signal Vpd. Therefore, the negative feedback loop is stabilized, and the drive frequency fd = fvco / N substantially coincides with the mechanical resonance frequency fo of the actuator 2, and the phase lock-in operation is completed.

したがって、従来のようにPLLループの外部に設けた前記制御信号を掃引する構成と、ループフィルタとの出力を切換えてVCOに与える場合には、非連続な切換え時に一種のノイズが発生し、該PLLループの動作が不安定になるのに対して、本実施の形態では、前記VCO11に与える制御電圧Vc(Va)は、積分回路21の積分動作に伴い、基準電圧Vrefから共振周波数foの目標電圧Vct(=Vct2(Vat2))付近に滑らかに(連続して)移行するので、移行時にオーバーシュートやリンギングの発生がなく、該VCO11の発振周波数fvcoが安定し、短時間でかつ確実な位相引き込み動作(位相ロックイン)を行うことができるようになる。また、PLLループの外部に、制御信号を掃引するための特別な構成を設けることなく、ループフィルタ部14の積分回路21に関連して基準電圧源22とリセット手段である短絡スイッチ23とを設けるだけで制御電圧Vc(Va)を掃引し、さらに位相比較器13の位相比較信号Vpdを用いて前記掃引の停止動作を行うので、機械共振駆動状態の判定に専用の回路を用いる必要はなく、回路規模の増大やコストアップを抑えることができる。   Therefore, when the control signal provided outside the PLL loop is swept as in the prior art and when the output of the loop filter is switched and applied to the VCO, a kind of noise is generated at the time of discontinuous switching. While the operation of the PLL loop becomes unstable, in the present embodiment, the control voltage Vc (Va) applied to the VCO 11 is changed from the reference voltage Vref to the target of the resonance frequency fo along with the integration operation of the integration circuit 21. Since the transition to the voltage Vct (= Vct2 (Vat2)) is smooth (continuously), no overshoot or ringing occurs at the transition, the oscillation frequency fvco of the VCO 11 is stable, and the phase is short and reliable. A pull-in operation (phase lock-in) can be performed. Further, a reference voltage source 22 and a short-circuit switch 23 as a reset means are provided in association with the integrating circuit 21 of the loop filter unit 14 without providing a special configuration for sweeping the control signal outside the PLL loop. Only the control voltage Vc (Va) is swept, and further, the sweep stop operation is performed using the phase comparison signal Vpd of the phase comparator 13, so there is no need to use a dedicated circuit for determining the mechanical resonance driving state. Increase in circuit scale and cost increase can be suppressed.

また、積分回路21にミラー積分回路を用いることで、帰還コンデンサCに定電流充電(電流値I=(Vref−Vpd)/R,本実施の形態では、Vpd=0V)が行えるので、該積分回路21の出力Vaは、直線状に変化(ランプ信号電圧)する。よって、制御電圧Vcもまたランプ信号電圧となり、図2で示すように、VCO11の発振周波数fvcoの掃引動作が時間経過に対して直線的に滑らかに行えるので、掃引の速度設定が容易となる。これによって、起動状態の期間W2における掃引速度の設定が容易となるので、位相引き込み動作の期間W4における機械出力Vmの検出を精度良く行え、短時間で引込み動作を行うことができる。   Further, by using a Miller integrating circuit for the integrating circuit 21, the feedback capacitor C can be charged with a constant current (current value I = (Vref−Vpd) / R, in this embodiment, Vpd = 0V). The output Va of the circuit 21 changes linearly (ramp signal voltage). Therefore, the control voltage Vc is also a ramp signal voltage, and as shown in FIG. 2, the sweep operation of the oscillation frequency fvco of the VCO 11 can be performed smoothly and linearly with time, so that the sweep speed can be easily set. This facilitates the setting of the sweep speed during the start-up period W2, so that the mechanical output Vm can be accurately detected during the phase pull-in operation period W4, and the pull-in operation can be performed in a short time.

なお、位相比較器13の構成には、本例以外にも種々あるが、比較する2信号の内、一方の信号(発振信号Vn)のみの入力時の位相比較信号Vpdと、2信号が入力して目的の位相差にPLL制御がロックした場合の位相比較信号Vpdとに、信号差(電位差)があるような構成の位相比較器なら何でもよい。また、本例において、検出部5では、機械出力Vmの変位を検出しているので、機械共振駆動時の駆動信号Vd(fd=fo)と、検出信号Vsとの位相差は90degとした。これに対して、検出部5が前記機械出力Vmの速度を検出する構成の場合には、前記位相差は0degとなるので、PLL制御のロック位相は前記0degにすればよい。   Although there are various configurations of the phase comparator 13 other than the present example, the phase comparison signal Vpd when only one signal (oscillation signal Vn) is input and two signals are input. Any phase comparator may be used as long as it has a signal difference (potential difference) with the phase comparison signal Vpd when the PLL control is locked to the target phase difference. In this example, since the detection unit 5 detects the displacement of the machine output Vm, the phase difference between the drive signal Vd (fd = fo) and the detection signal Vs during the mechanical resonance drive is set to 90 deg. On the other hand, when the detection unit 5 is configured to detect the speed of the mechanical output Vm, the phase difference is 0 deg. Therefore, the lock phase of the PLL control may be set to the 0 deg.

図9は、上述のように構成される駆動装置1を用いる分光器101の概略の構成を示す図である。前記駆動装置1は、アクチュエータ2として、この分光器101の後述する平行移動機構121を機械共振駆動するために用いられる。その他、本実施形態の平行移動機構121は、高精度な並進駆動が求められる分野に適用可能であり、干渉計や分光器のみならず、屈折率測定器、光ピックアップの対物レンズアクチュエータ、小型カメラのAF(オートフォーカス)機構などにも適用することができる。   FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the spectroscope 101 using the driving device 1 configured as described above. The driving device 1 is used as an actuator 2 for mechanical resonance driving of a later-described parallel movement mechanism 121 of the spectroscope 101. In addition, the parallel movement mechanism 121 of the present embodiment can be applied to a field where high-accuracy translational driving is required. In addition to an interferometer and a spectroscope, a refractive index measuring device, an objective lens actuator of an optical pickup, a small camera It can also be applied to an AF (autofocus) mechanism.

この分光器101は、干渉計102にマイケルソン干渉計を用いた時間的フーリエ変換分光器であり、前記干渉計102に、演算部103および出力部104を備えて構成される。前記干渉計102は、光源111と、コリメータレンズ112と、ビームスプリッタ(例えばハーフミラー)113と、固定ミラー114と、移動ミラー115と、集光レンズ116と、検出器117とを備えている。なお、移動ミラー115は、移動しながら入射光を反射させる反射部を構成しているとともに、平行移動機構121の一部を構成しているが、この平行移動機構121の詳細については後述する。   The spectroscope 101 is a temporal Fourier transform spectroscope using a Michelson interferometer as the interferometer 102, and includes a calculation unit 103 and an output unit 104. The interferometer 102 includes a light source 111, a collimator lens 112, a beam splitter (for example, a half mirror) 113, a fixed mirror 114, a moving mirror 115, a condenser lens 116, and a detector 117. The moving mirror 115 constitutes a reflection part that reflects incident light while moving, and constitutes a part of the translation mechanism 121. Details of the translation mechanism 121 will be described later.

上記の構成において、光源111から出射された光は、コリメータレンズ112によって平行光に変換された後、ビームスプリッタ113によって2つの光路に分岐される。各光束は、固定ミラー114および移動ミラー115でそれぞれ反射され、元の光路を逆戻りしてビームスプリッタ113で重ね合わせられ、干渉光として試料Sに照射される。このとき、移動ミラー115を連続的に移動させながら試料Sに光が照射されるが、ビームスプリッタ113から各ミラー(固定ミラー114および移動ミラー115)までの光路が相互に等しい場合には、重ね合わされた光の強度は最大となる。一方、移動ミラー115の移動によって2つの光路に差が生じている場合には、重ね合わされた光の強度に変化が生じる。試料Sを透過した光は、集光レンズ116を介して検出器117に入射し、そこで時間的インターフェログラムとして検出される。   In the above configuration, the light emitted from the light source 111 is converted into parallel light by the collimator lens 112 and then branched into two optical paths by the beam splitter 113. Each light beam is reflected by the fixed mirror 114 and the moving mirror 115, returned to the original optical path, overlapped by the beam splitter 113, and irradiated to the sample S as interference light. At this time, the sample S is irradiated with light while moving the moving mirror 115 continuously. When the optical paths from the beam splitter 113 to each mirror (fixed mirror 114 and moving mirror 115) are equal to each other, they are superimposed. The intensity of the emitted light is maximized. On the other hand, when there is a difference between the two optical paths due to the movement of the movable mirror 115, the intensity of the superimposed light changes. The light transmitted through the sample S enters the detector 117 through the condenser lens 116, and is detected as a temporal interferogram there.

干渉計102の検出器117から出力される信号は、演算部103にて、A/D変換およびフーリエ変換され、この結果、スペクトルが生成される。このスペクトルは、出力部4によって表示出力される。出力されたスペクトルから、各波長(波数(=1/波長))の光の強度を知ることができるので、これによって試料Sの特性(材料、構造、成分量など)を知ることができる。   The signal output from the detector 117 of the interferometer 102 is A / D-converted and Fourier-transformed by the calculation unit 103, and as a result, a spectrum is generated. This spectrum is displayed and output by the output unit 4. Since the intensity of light of each wavelength (wave number (= 1 / wavelength)) can be known from the output spectrum, the characteristics (material, structure, component amount, etc.) of the sample S can be known from this.

図10は平行移動機構121の概略構成を示す斜視図であり、図11はその断面図である。この平行移動機構121は、帯状に形成される一対の板ばね部材131,132と、それらの板ばね部材131,132の対向面側で、両端部間を連結することで該板ばね部材131,132を相互に平行に支持する一対の剛体133,134と、一方の板ばね部材(図10および図11では131)を、後述するようにその厚み方向に湾曲駆動する駆動部材135と、上記の移動ミラー115とを有している。   FIG. 10 is a perspective view showing a schematic configuration of the parallel movement mechanism 121, and FIG. 11 is a sectional view thereof. The parallel movement mechanism 121 includes a pair of leaf spring members 131 and 132 formed in a band shape, and the opposite ends of the leaf spring members 131 and 132, by connecting the two end portions to each other. A pair of rigid bodies 133 and 134 that support 132 in parallel with each other, a driving member 135 that drives one of the leaf spring members (131 in FIGS. 10 and 11) in the thickness direction as described later, and the above-described And a moving mirror 115.

前記板ばね部材131,132は、たとえばSOI(Silicon on Insulator)基板を用いて形成され、シリコンから成る支持層131a,132aと、酸化シリコンから成る絶縁酸化膜層(BOX層)131b,132bと、シリコンから成る活性層131c,132cとが積層された後、支持層131a,132aおよび絶縁酸化膜層(BOX層)131b,132bにおいて、前記剛体133,134に対応した両端部分を残して、中間部分がフォトリソおよびドライエッチングなどの技術を用いて除去されて形成される。この板ばね部材131,132を、前記支持層131a,132aおよび絶縁酸化膜層(BOX層)131b,132bが形成された面側を対向させて、前記支持層131a,132aと剛体133,134とを接合することで、中空で相互に平行な平板部131p,132pが形成される。   The leaf spring members 131 and 132 are formed using, for example, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and support layers 131a and 132a made of silicon, insulating oxide film layers (BOX layers) 131b and 132b made of silicon oxide, After the active layers 131c and 132c made of silicon are laminated, in the support layers 131a and 132a and the insulating oxide film layers (BOX layers) 131b and 132b, both end portions corresponding to the rigid bodies 133 and 134 are left, and the intermediate portion Is removed and formed using techniques such as photolithography and dry etching. The plate spring members 131 and 132 are opposed to the surfaces on which the support layers 131a and 132a and the insulating oxide film layers (BOX layers) 131b and 132b are formed, so that the support layers 131a and 132a and the rigid bodies 133 and 134 Are joined to form flat and parallel flat plate portions 131p and 132p.

前記剛体133,134は、板ばね部131,132の平板部131p,132pよりも厚いガラスで形成されている。そのガラスとしては、酸化ナトリウム(NaO)や酸化カリウム(KO)を含むアルカリガラスを用いることができる。その場合、前述のようにシリコンから成る支持層131a,132aと該剛体133,134とを、陽極接合により連結することができる。前記陽極接合とは、シリコンおよびガラスに数百℃の温度下で数百Vの直流電圧を印加し、Si−Oの共有結合を生じさせることによって、両者を直接接合する手法である。 The rigid bodies 133 and 134 are made of glass that is thicker than the flat plate portions 131p and 132p of the leaf spring portions 131 and 132. As the glass, alkali glass containing sodium oxide (Na 2 O) or potassium oxide (K 2 O) can be used. In this case, as described above, the support layers 131a and 132a made of silicon and the rigid bodies 133 and 134 can be connected by anodic bonding. The anodic bonding is a technique in which a direct voltage of several hundred volts is applied to silicon and glass at a temperature of several hundred degrees Celsius to form Si—O covalent bonds, thereby directly bonding the two.

そして、剛体133,134の内の一方(図10および図11では134)は、干渉計102の内壁に固定されており、他方(同133)は、駆動部材135による板ばね部材131の変形によって変位することが可能となっている。前記駆動部材135は、板ばね部材131を曲げ変形させることによって、固定されている剛体134に対して、剛体133を、2枚の板ばね部材131,132によって、該板ばね部材131,132の対向方向に平行移動させるものである。本実施の形態では、駆動部材135は、板ばね部材131における剛体134の上方で、かつ剛体134とは反対側の表面に設けられている。また、上記の移動ミラー115は、板ばね部材131における剛体133の上方で、かつ剛体133とは反対側の表面に設けられている。駆動部材135および移動ミラー115は、板ばね部材132側に設けられていてもよい。また、駆動部材135および移動ミラー115の大きさは、適宜設定されればよい。   One of the rigid bodies 133 and 134 (134 in FIGS. 10 and 11) is fixed to the inner wall of the interferometer 102, and the other (133) is deformed by the deformation of the leaf spring member 131 by the drive member 135. It can be displaced. The drive member 135 bends and deforms the leaf spring member 131 to cause the rigid body 134 to be fixed to the rigid body 133 by the two leaf spring members 131 and 132. It is to be translated in the opposite direction. In the present embodiment, the drive member 135 is provided above the rigid body 134 of the leaf spring member 131 and on the surface opposite to the rigid body 134. The movable mirror 115 is provided above the rigid body 133 in the leaf spring member 131 and on the surface opposite to the rigid body 133. The driving member 135 and the moving mirror 115 may be provided on the leaf spring member 132 side. The sizes of the driving member 135 and the moving mirror 115 may be set as appropriate.

移動ミラー115は、シリコンから成る活性層131cに対して、たとえばAuをスパッタすることによって形成される。あるいは、AlやPtなどの金属材料を蒸着法や接着によって活性層131c上に形成することで、該移動ミラー115を形成してもよい。   The moving mirror 115 is formed, for example, by sputtering Au on the active layer 131c made of silicon. Alternatively, the movable mirror 115 may be formed by forming a metal material such as Al or Pt on the active layer 131c by vapor deposition or adhesion.

前記駆動部材135は、PZT素子などで構成されている。PZT素子は、図12に示すように、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)141の両表面に、電極142,143を貼付けた構造となっている。その駆動部材135は、接着剤を用いて板ばね部材131に接着される。板ばね部材131には、引き出し電極153と固定電極154とが金属材料のスパッタ等によって予め形成されており、上面の電極142は、この固定電極154を介して、下面の電極143は引き出し電極153を介して、駆動回路4からの電極パッドとワイヤーボンディングによって接続される。   The driving member 135 is composed of a PZT element or the like. As shown in FIG. 12, the PZT element has a structure in which electrodes 142 and 143 are attached to both surfaces of a piezoelectric material PZT (lead zirconate titanate) 141. The drive member 135 is bonded to the leaf spring member 131 using an adhesive. In the leaf spring member 131, an extraction electrode 153 and a fixed electrode 154 are formed in advance by sputtering of a metal material, and the upper electrode 142 is connected to the lower electrode 143 through the fixed electrode 154. The electrode pads from the drive circuit 4 are connected via wire bonding.

PZT41は、電極142,143間に電圧を印加することで、その長手方向に伸縮し、板ばね部材131を曲げ変形させ、剛体133と共に、移動ミラー115を変位させることができるようになっている。たとえば、電極142,143間に正方向の電圧を印加することによってPZT141が伸びた場合には、図12(a)で示すように、板ばね部材131が上に凸となるように変形し、剛体133と共に移動ミラー115は下方に変位する。これに対して、電極142,143間に負方向の電圧を印加によってPZT41が縮んだ場合には、図12(b)で示すように、板ばね部材131が下に凸となるように変形し、剛体133と共に移動ミラー115は上方に変位する。このように、駆動部材135によって板ばね部材131を曲げ変形させることで、図12(c)で示すように、固定された剛体134に対して、剛体133と共に移動ミラー115を平行移動させる平行移動機構121を実現することができる。   By applying a voltage between the electrodes 142 and 143, the PZT 41 expands and contracts in the longitudinal direction, bends and deforms the leaf spring member 131, and can displace the moving mirror 115 together with the rigid body 133. . For example, when the PZT 141 is extended by applying a positive voltage between the electrodes 142 and 143, as shown in FIG. 12A, the leaf spring member 131 is deformed to be convex upward, The movable mirror 115 is displaced downward together with the rigid body 133. On the other hand, when the PZT 41 is contracted by applying a negative voltage between the electrodes 142 and 143, the leaf spring member 131 is deformed so as to protrude downward as shown in FIG. The movable mirror 115 is displaced upward together with the rigid body 133. In this way, the leaf spring member 131 is bent and deformed by the drive member 135, whereby the movable mirror 115 is translated together with the rigid body 133 with respect to the fixed rigid body 134 as shown in FIG. The mechanism 121 can be realized.

このように、SOI基板を用いて板ばね部材131,132を構成することにより、上述したように、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術、すなわちフォトリソグラフィおよびエッチング等の半導体製造技術と、陽極接合などの接合技術とを複合した技術を用いて、平行移動機構121を製造することができる。したがって、リソグラフィのマスク精度さえ高精度に確保しておけば、1個の平行移動機構121においては2つの平板部131p,132pの長さがばらつくのを回避することができる。その結果、該平行移動機構121の組立時や平行移動時の可動部(剛体133および移動ミラー115)の傾きを抑えることができる。また、個体差を無くす、すなわち複数の平行移動機構121の個体毎に平板部131p,132pの長さがばらつくことも回避できるので、複数の平行移動機構121を安定して作製することができる。   Thus, by configuring the leaf spring members 131 and 132 using the SOI substrate, as described above, so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, that is, semiconductor manufacturing technology such as photolithography and etching, and anodic bonding The translation mechanism 121 can be manufactured using a technique that combines a joining technique such as the above. Therefore, as long as the lithography mask accuracy is ensured with high accuracy, it is possible to avoid variations in the lengths of the two flat plate portions 131p and 132p in one translation mechanism 121. As a result, it is possible to suppress the inclination of the movable portion (the rigid body 133 and the movable mirror 115) when the parallel movement mechanism 121 is assembled or translated. In addition, since it is possible to avoid individual differences, that is, to prevent the length of the flat plate portions 131p and 132p from varying for each individual of the plurality of parallel movement mechanisms 121, it is possible to stably manufacture the plurality of parallel movement mechanisms 121.

また、シリコンの熱膨張係数は、約3×10−6(/K)であり、アルカリガラスの熱膨張係数は、約3.2×10−6(/K)である。シリコンから成る支持層131a,132aと、ガラスから成る剛体133,134とが連結されることにより、互いに連結される2部材の熱膨張係数が近いので、温度変化による平行移動機構121の変形を抑えることができる。これにより、温度変化に起因して可動部(剛体133および移動ミラー115)が傾くのを抑えることができる。 Moreover, the thermal expansion coefficient of silicon is about 3 × 10 −6 (/ K), and the thermal expansion coefficient of alkali glass is about 3.2 × 10 −6 (/ K). Since the support layers 131a and 132a made of silicon and the rigid bodies 133 and 134 made of glass are connected, the two members connected to each other have close thermal expansion coefficients, so that deformation of the parallel movement mechanism 121 due to temperature change is suppressed. be able to. Thereby, it can suppress that a movable part (the rigid body 133 and the movable mirror 115) inclines due to a temperature change.

また、板ばね部材131,132と、剛体133,134との連結は、接合(上記の例では陽極接合)によって行われている。つまり、上記両者は、接着剤を介さずに直接、接合されている。これにより、接着剤使用時に生じる製造誤差(接着剤の収縮による剛体133,134の傾きや位置ズレ)を確実に排除することができ、高精度の平行移動機構を実現することができる。   Further, the plate spring members 131 and 132 and the rigid bodies 133 and 134 are connected by bonding (in the above example, anodic bonding). That is, both of the above are directly joined without using an adhesive. As a result, manufacturing errors (inclinations and positional deviations of the rigid bodies 133 and 134 due to shrinkage of the adhesive) that occur when the adhesive is used can be reliably eliminated, and a highly accurate parallel movement mechanism can be realized.

また、板ばね部材131,132の一方(本実施形態では板ばね部材131)に移動ミラー115が設けられているので、駆動部材135による板ばね部材131の曲げ変形により、剛体133と共に移動ミラー115を平行移動させることができる。したがって、本実施形態の平行移動機構121を図9で示した干渉計2、つまりマイケルソン干渉計に容易に適用することが可能となる。   Further, since the movable mirror 115 is provided on one of the leaf spring members 131 and 132 (the leaf spring member 131 in this embodiment), the movable mirror 115 is moved together with the rigid body 133 by the bending deformation of the leaf spring member 131 by the drive member 135. Can be translated. Therefore, the parallel movement mechanism 121 of this embodiment can be easily applied to the interferometer 2 shown in FIG. 9, that is, the Michelson interferometer.

また、本実施形態の干渉計102は、上述した平行移動機構121を備えているので、コーナーキューブの設置を不要として、該干渉計102を小型化できるとともに、高精度な干渉を実現することができる。そして、本実施形態の分光器101は、上述した干渉計102を備えているので、小型で高分解能の分光器を実現することができる。   In addition, since the interferometer 102 of the present embodiment includes the parallel movement mechanism 121 described above, it is possible to reduce the size of the interferometer 102 without requiring the installation of a corner cube, and to realize highly accurate interference. it can. And since the spectroscope 101 of this embodiment is provided with the interferometer 102 mentioned above, a small-sized and high-resolution spectroscope can be realized.

(実施の形態2)
図13は、本発明の実施の他の形態に係る駆動装置におけるループフィルタ部14bのブロック図である。このループフィルタ部14bは、前述のループフィルタ部14aに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。前述のループフィルタ部14aは、LPF機能を、RCの1次遅れ要素から成るラグフィルタで実現しているのに対して、注目すべきは、このループフィルタ部14bでは、ラグ・リードフィルタで実現していることである。
(Embodiment 2)
FIG. 13 is a block diagram of a loop filter unit 14b in a driving apparatus according to another embodiment of the present invention. The loop filter unit 14b is similar to the loop filter unit 14a described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The loop filter unit 14a described above realizes the LPF function with a lag filter including a first-order lag element of RC, but it should be noted that this loop filter unit 14b is realized with a lag / lead filter. Is.

図14(a)は前記ラグフィルタの構成ならびにゲインおよび位相の周波数特性を示すグラフであり、図14(b)は前記ラグ・リードフィルタの構成ならびにゲインおよび位相の周波数特性を示すグラフである。RCの1次遅れ要素から成るラグフィルタには、図14(a)で示すように、前記位相比較器13からの位相比較信号Vpdにおける不要高調波成分を減衰させる効果はあるものの、負帰還ループにおける安定化の効果が少ないのに対して、ラグ・リードフィルタは、図14(b)で示すように、位相を進ませる機能を有し、前記負帰還ループ内で発生する位相遅れを補償して安定化する効果(ゲイン余裕、位相余裕の確保)を有するので、ローパスフィルタとして、このラグ・リードフィルタを用いることは好ましい。   FIG. 14A is a graph showing the configuration of the lag filter and the frequency characteristics of gain and phase, and FIG. 14B is a graph showing the configuration of the lag-lead filter and the frequency characteristics of gain and phase. As shown in FIG. 14A, the lag filter comprising the first-order lag element of RC has an effect of attenuating unnecessary harmonic components in the phase comparison signal Vpd from the phase comparator 13, but a negative feedback loop. In contrast, the lag and reed filter has a function of advancing the phase as shown in FIG. 14 (b), and compensates for the phase lag generated in the negative feedback loop. Therefore, it is preferable to use this lag / reed filter as a low-pass filter.

そこで本実施の形態のループフィルタ部14bでは、前記帰還コンデンサC(図14(b)のc1)と直列に、抵抗Rc(図14(b)のr2)を挿入することで、ラグ・リードフィルタを実現している。これによって、前記ゲイン余裕および位相余裕を確保することができる。   Therefore, in the loop filter unit 14b of the present embodiment, a resistor Rc (r2 in FIG. 14B) is inserted in series with the feedback capacitor C (c1 in FIG. 14B), so that a lag / lead filter is obtained. Is realized. Thereby, the gain margin and the phase margin can be ensured.

なお、前記ループフィルタ部14a,14bでは、積分回路21は、帰還コンデンサCに電荷を蓄積することで積分動作を行ったけれども、電荷を引抜くことで積分動作を行うようにしてもよい。その場合、リセット手段は初期電荷を与える手段となる。またリセット手段としての短絡スイッチ23は、単体のトランジスタに限らず、多段のスイッチ素子に、その駆動回路などを備えて構成されてもよい。   In the loop filter units 14a and 14b, the integration circuit 21 performs the integration operation by accumulating charges in the feedback capacitor C, but may perform the integration operation by extracting the charges. In that case, the resetting means is a means for giving an initial charge. The short-circuit switch 23 as the reset means is not limited to a single transistor, and may be configured by providing a multistage switch element with its drive circuit.

1 駆動装置
2 アクチュエータ
3 PLL回路
4 駆動回路
4a 変換回路
41 反転アンプ
42 入力抵抗
43 帰還コンデンサ
5 検出部
11 VCO
12 分周器
13 位相比較器
14,14a,14b ループフィルタ部
21 積分回路
22 基準電圧源
23 短絡スイッチ
24 アンプ
101 分光器
102 干渉計
103 演算部
104 出力部
111 光源
112 コリメータレンズ
113 ビームスプリッタ
114 固定ミラー
115 移動ミラー
116 集光レンズ
117 検出器
121 平行移動機構
131,132 板ばね部材
133,134 剛体
135 駆動部材
131a,132a 支持層
131b,132b 絶縁酸化膜層
131c,132c 活性層
131p,132p 平板部
C 帰還コンデンサ
R 入力抵抗
Rc 抵抗
S 試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive apparatus 2 Actuator 3 PLL circuit 4 Drive circuit 4a Conversion circuit 41 Inverting amplifier 42 Input resistance 43 Feedback capacitor 5 Detection part 11 VCO
12 frequency divider 13 phase comparator 14, 14a, 14b loop filter unit 21 integrating circuit 22 reference voltage source 23 short-circuit switch 24 amplifier 101 spectroscope 102 interferometer 103 calculation unit 104 output unit 111 light source 112 collimator lens 113 beam splitter 114 fixed Mirror 115 Moving mirror 116 Condenser lens 117 Detector 121 Parallel movement mechanism 131, 132 Leaf spring member 133, 134 Rigid body 135 Drive member 131a, 132a Support layer 131b, 132b Insulating oxide film layer 131c, 132c Active layer 131p, 132p Flat plate portion C Feedback capacitor R Input resistance Rc Resistance S Sample

Claims (7)

可動部とそれを駆動する駆動部とを備えるアクチュエータに機械共振駆動を行わせるアクチュエータの駆動装置において、前記駆動部を駆動するための駆動信号の周波数を制御信号に応じて可変生成する電圧制御発振器と、前記アクチュエータの機械出力を検出する検出部と、前記駆動信号の位相と前記検出部の検出信号の位相との差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の位相比較信号を平滑化して前記電圧制御発振器へ前記制御信号として与えるループフィルタ部とを備え、
前記ループフィルタ部は、
積分回路と、
前記積分回路に対して、前記アクチュエータの共振周波数に略一致した制御信号のレベルである目標電圧から所定電圧だけ離間した基準電圧を与える基準電圧源と、
前記積分回路を、その積分動作の開始時にリセットし、前記制御信号のレベルを前記基準電圧から前記目標電圧へ向けて掃引を行わせることで、前記アクチュエータを前記機械共振の状態に引込むリセット手段とを含むことを特徴とするアクチュエータ駆動装置。
A voltage controlled oscillator that variably generates a frequency of a drive signal for driving the drive unit according to a control signal in an actuator drive device that causes a mechanical resonance drive to be performed by an actuator including a movable unit and a drive unit that drives the movable unit A detection unit that detects a mechanical output of the actuator, a phase comparator that detects a difference between a phase of the drive signal and a detection signal of the detection unit, and a phase comparison signal of the phase comparator is smoothed A loop filter unit that supplies the voltage-controlled oscillator as the control signal.
The loop filter unit is
An integration circuit;
A reference voltage source that provides a reference voltage that is a predetermined voltage apart from a target voltage that is a level of a control signal that substantially matches the resonance frequency of the actuator;
Resetting means for pulling the actuator into the mechanical resonance state by resetting the integrating circuit at the start of the integrating operation, and sweeping the level of the control signal from the reference voltage toward the target voltage; An actuator driving device comprising:
前記積分回路は、オペアンプと、その出力を負帰還するコンデンサと、入力抵抗とを備えて構成されるミラー積分回路から成り、前記リセット手段は、前記コンデンサの端子間を短絡するスイッチ素子から成ることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ駆動装置。   The integration circuit comprises a Miller integration circuit comprising an operational amplifier, a capacitor that negatively feeds back its output, and an input resistor, and the reset means comprises a switch element that short-circuits between the terminals of the capacitor. The actuator driving device according to claim 1. 前記積分回路は、ラグ・リードフィルタであることを特徴とする請求項1記載のアクチュエータ駆動装置。   2. The actuator driving apparatus according to claim 1, wherein the integrating circuit is a lag / lead filter. 前記アクチュエータは、
前記可動部として、帯状に形成される一対の板ばね部材と、前記板ばね部材の対向面側で、両端部間を連結することで該板ばね部材を相互に平行に支持する一対の剛体とを備えて構成され、一端側が固定されることで、他端側が前記板ばね部材の厚み方向に平行移動可能となり、
前記駆動部は、前記板ばね部材の一方を、その厚み方向に湾曲駆動する駆動部材から成り、
前記駆動部材に前記請求項1〜3のいずれか1項に記載のアクチュエータ駆動装置からの駆動信号が与えられることで、前記可動部が機械共振駆動されることを特徴とする平行移動機構。
The actuator is
As the movable part, a pair of leaf spring members formed in a strip shape, and a pair of rigid bodies that support the leaf spring members in parallel with each other by connecting the opposite ends on the opposite surface side of the leaf spring member, The one end side is fixed, and the other end side can be translated in the thickness direction of the leaf spring member.
The drive unit includes a drive member that drives one of the leaf spring members to bend in the thickness direction thereof.
A parallel movement mechanism, wherein the movable member is mechanically driven by being given a drive signal from the actuator drive device according to any one of claims 1 to 3 to the drive member.
前記板ばね部材は、SOI基板から成ることを特徴とする請求項4記載の平行移動機構。   The parallel movement mechanism according to claim 4, wherein the leaf spring member is made of an SOI substrate. 前記請求項4または5記載の平行移動機構を備え、前記板ばね部材の他端側に移動ミラーが搭載されることを特徴とする干渉計。   An interferometer comprising the parallel movement mechanism according to claim 4 or 5, wherein a moving mirror is mounted on the other end side of the leaf spring member. 前記請求項6記載の干渉計を備えることを特徴とする分光器。   A spectrometer comprising the interferometer according to claim 6.
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