ASB170C801NPOである。
こ の 金 属 面 に ターゲットの色別特性を見るために、
金属面である。また、
アクリル樹脂を塗布した。 ターゲットを微小振動させるために、 こ の 圧 電
動するにあたり入力電圧は、
Vか ら 、 半 波 長 以 上 の 振 動 を す る 数 十 Vまでとした。
また、本研究で使用したセンサ駆動用圧電素子(図 3.3参照)は、
TOKIN
素子に O.5kHzから 3.0kHz程 度 の 正 弦 波 信 号 を 入 力 し て 駆 動 さ せ た 。 駆 タ ー ゲ ッ ト が 半 波 長 未 満 の 振 動 を す る 数 十m
製 の AE0203D16で あ る 。 こ の 圧 電 素 子 は 外 部 が 樹 脂 で 覆 わ れ て い る 。 れ は 、 圧 電 素 子 の 自 己 共 振 周 波 数 が タ ー ゲ ッ ト で 用 い た 金 属 型 よ り も 高 い 周波数となっている。
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、ーー
そ の た め 、 金 属 型 よ り も 高 速 で 駆 動 さ せ る こ と が で き 、 ま た 、 軽 量 で あ る た め 、 本 実 験 で の 基 準 信 号 を 作 り 出 す た め の セ ン サ 駆動用庄電素子として用いた。センサ駆動用圧電セラミックには、振幅 20V 程 度 の 正 弦 波 交 流 、 ま た は パ ル ス 電 圧 と し て ピ ー ク 電 圧 22V程度、そして
分極処理完了の状態 ド 分 極 の 状 態
?
?素子の最高駆動電圧7 7 7 7
7
⑤ 繰り返し最大変位量
z I j
①圧電アクチュエータのヒステリシス特性 図 3.5
バイアス電圧として 0~13V 程度の直流電圧を印加した。
3 . 1 . 4 センサ駆動回路
タ ー ゲ ッ ト が 半 波 長 以 上 振 動 し た と き と 同 様 な 基 準 信 号 を 得 る た め に 、 セ ン サ 駆 動 用 圧 電 素 子 に 振 幅 20V程 度 の 正 弦 波 交 流 電 圧 を 印 加 す る 必 要 が あ る 。 図 3.6に示
F.G.
Piezoelectric Element
す よ う に 、 フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ 図3.6 センサ駆動回路のブロック図 レータからの信号 を 最 初 に 雑 音 の
少 な い オ ペ ア ン プ の 電 圧 増 幅 回 路 で 増 幅 し 、 次 に ト ラ ン ジ ス タ で 電 力 増 幅 を行い、図 2.12(a)の正弦波信号を圧電素子に印加した。これによって、図 2.12(b)のセンサ出力を得た。
セ ン サ 感 度 が 最 大 時 の 出 力 信 号 を 得 る た め に 、 セ ン サ 駆 動 用 圧 電 素 子 に
バイアス電圧として 0~13V 程度の直流電圧を印加する必要がある。ここで
は 、 直 流 安 定 化 電 源 を 使 用 し 、 図 3.6の セ ン サ 駆 動 用 圧 電 素 子 と 電 力 増 幅 回 路 の 聞 に 切 り 替 え ス イ ッ チ を 設 け 、 直 接 セ ン サ 駆 動 用 圧 電 素 子 に 直 流 電 圧 を 印 加 し た 。 こ れ に よ っ て 、 図 2.13の最大センサ出力を得た。
3 . 1 . 5 ターゲット駆動回路
ターゲットを微小振動させるため、
図 3.7に示すように、ファンクショ ンジェネレータにより 0.5kHzから 3kHz程度の正弦波信号を発生させ、
トランジスタ 2SC1212をダーリン トン接続した電力増幅回路で、その 信 号 を 電 力 増 幅 さ せ 、 タ ー ゲ ッ ト に 数 十 m Vから数十V程 度 の 交 流 電 圧
F.G圃
Target
図 3.7 ターゲット駆動回路の ブロック図
を 印 加 し た 。 ま た 、 圧 電 素 子 は 正 相 で の み 駆 動 す る の で 、 ベ ー ス 電 圧 を 調 整 し 、 信 号 が 歪 ま な い よ う に 出 力 さ せ た 。 ま た 、 駆 動 回 路 出 力 側 の 抵 抗 部 分には、一般的な1I4 W規格の抵抗を使用すると定格を越えるので、 10W
ま で 耐 え ら れ る セ メ ン ト 抵 抗 を 使 用 し た 。 圧 電 素 子 の 変 位 量 は 入 力 電 圧 に ほぼ比例するので フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ の 出 力 を 可 変 す る こ と に よって、ターゲットの振動振幅値を調整した。
3 . 1 . 6 半導体レーザ駆動回路
半導体レーザは、
Power Supply Control
Error Amp.
LD
Reference Resistance
Reference Voltage 定 電 流 回 路 に よ り 連
続 発 振 さ せ た 。 定 電 流 回 路 は 、 図 3.8に 示 す よ う に ツ ェ ナ ー ダイオードやオペア ンプなどを使用した 閉 回 路 型 で 、 高 い 安 定 度 を 持 た せ た 。 そ して、定電流回路内
図3.8 半導体レーザ駆動回路のブロック図
の 標 準 抵 抗 を 一 部 可 変 抵 抗 に す る こ と に よ っ て 、 半 導 体 レ ー ザ に 流 す 電 流 値を決めた。また、出力側のトランジスタで電流増幅させることによって、
出力インピーダンスを小さくしている。
本 実 験 で 使 用 し た 半 導 体 レ ー ザ の 関 値 は 、 図 2.5の 静 特 性 よ り 約 35mA であり、半導体レーザを順方向電流約 55mA、光出力 12mWで連続発振さ せ た 。 タ ー ゲ ッ ト の 微 小 振 動 を 検 出 す る の に レ ー ザ の 戻 り 光 を 利 用 す る の で、無変調発振による直流成分のみで使用した。
3 . 1 . 7 センサ出力検出回路
出力センサのフォ
トダイオードから得
PD
Oscilloscope
I ‑ V
Converter
LPF
Negative Feedback Amp.
られる出力信号は、
約 1mVから 10mV 程度と微弱であり、
数 十 MHz程 度 の 雑
音に埋もれている。 図 3.9 センサ出力検出回路のブロック図
そ こ で 、 こ の 微 弱 な 出 力 信 号 を 増 幅 さ せ る た め の 、 低 ノ イ ズ で 高 利 得 な 回 路 を 試 作 し た 。 そ の 回 路 の ブ ロ ッ ク 図 を 図 3.9fこ示す。まず回路の初段に は フ ォ ト ダ イ オ ー ド か ら 得 ら れ る 出 力 電 流 を 電 圧 に 変 換 す る た め の I‑V変 換回路を組み込み、出力信号を電圧に変換した。
次 に 増 幅 回 路 に よ り 出 力 電 圧 を 増 幅 さ せ た 。 こ の 増 幅 回 路 に は 高 入 力 イ ンピーダンスで低ノイズである FET型 負 帰 還 増 幅 器 回 路 を 使 用 し た 。 こ の 回 路 は 通 常 の ト ラ ン ジ ス タ 増 幅 回 路 に 比 べ 、 入 力 イ ン ピ ー ダ ン ス を 10
‑‑‑‑‑100倍 程 度 高 く 設 定 で き 、 ま た 汎 用 オ ペ ア ン プ を 用 い た も の よ り も 10‑‑‑‑‑ 20dBも の 雑 音 を 抑 え る こ と が で き る 。 ま た 、 回 路 内 の 抵 抗 で 発 生 す る 熱 雑 音 を 小 さ く す る た め に 、 出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス を 低 く す る 必 要 が あ る 。 そ こで、負帰還増幅回路の出力段にエミッタ・フォロワを追加することで出力 を安定させた。
次に、負帰還増幅回路の出力電圧をオシロスコープで観察できるように、
40dB程度の増幅度を持った電圧増幅回路で信号を増幅させた。
そして、電圧増幅した信号に入り込んだ高周波雑音を取り除くために、
その信号を LPFに 通 し 波 形 整 形 し た 。 こ の LPFは高速オペアンプを使用 し た ア ク テ ィ ブ フ ィ ル タ で 、 遮 断 周 波 数 を 10kHzに設定している。更に、
これを二段接続にして 2次フィルタとし、 10kHz以 上 の 雑 音 成 分 を 確 実 に 取 り 除 く よ う に し た 。 セ ン サ 出 力 検 出 回 路 全 体 の 増 幅 度 は 、 約 50dBであ る。
こ れ ら の 回 路 は 、 す べ て 銅 板 か ら 回 路 基 板 を 起 し た も の で 、 雑 音 が 極 力 入 り 込 ま な い よ う に す る た め に 、 銅 箔 部 分 は 配 線 以 外 、 全 面 グ ラ ン ド に 接 続 し た 銅 箔 で 覆 わ れ て い る 。 さ ら に 回 路 を グ ラ ン ド に 接 続 し た 金 属 ボ ッ ク
ス 内 に 収 め る こ と で シ ー ル ド 化 さ せ 、 外 部 雑 音 の 影 響 を 極 力 受 け に く く し た。
3 . 2 自動式の実験装置
3.1節 の 手 動 式 実 験 装 置 で は 、 タ ー ゲ ッ ト の 振 動 が 半 導 体 レ ー ザ の 半 波 長 未 満 の 微 小 振 動 を す る と き に 、 基 準 信 号 を 得 る た め に フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ か ら の 正 弦 波 信 号 を セ ン サ 駆 動 用 圧 電 素 子 に 印 加 し 、 そ の 時 の
基準信号出力をオシロスコープで読み取っていた。この基準信号出力は、
かなり不安定で、時間と共に変動する。そのため、 一定 の 基 準 信 号 出 力 を 得 る に は 、 か な り の 熟 練 を 必 要 と す る 。 ま た 、 セ ン サ の 感 度 を 最 大 に す る た め の 感 度 調 整 を 手 動 で 行 っ て き た が 、 こ の 手 動 に よ る 感 度 調 整 は 、 か な り の 精 度 を 必 要 と し 、 最 高 感 度 点 は 非 常 に 不 安 定 で 、 安 定 し た 測 定 が 困 難 で あ っ た 。 そ こ で 、 基 準 信 号 の 発 生と読 み 取 り 、 そ し て 最 大 出 力 信 号 を 得 る た め の 最 大 感 度 検 出 と 読 み 取 り を マ イ ク ロ コ ン ビ ュ ー タ に よ っ て 自 動 化 す る こ と で 、 測 定 精 度 の 向上を目指した。
こ の 節 で は 、 手 動 式 と 異 な る 基 準 信 号 の発生と読 み 取 り 、 そ し て 同 じく 最 大 感 度 検出と 読 み 取 り に つ い て の 実 験 装 置 と 自 動 化 の た め に マ イ ク ロ コ ンビュータで行った処理について述べる。
図 3.10に 自 動 式 に よ る 微 小 振 動 検 出 に 用 い た 実 験 装 置 の 概 略 図 を 示 す。
セ ン サ 部 、 セ ン サ 駆 動 用 及 び タ ー ゲ ッ ト用圧 電 素 子 は、手 動 式 の 実 験 装 置 と同じものを使用した。センサ部からターゲットに向け 垂 直 に 照 射 し た レ ーザ の 戻 り 光 が 、 セ ン サ 部 内 の 半 導 体 レーザ の 活 性 領 域 に おいて 干 渉 を 起 こ し 、 フ ォ ト ダ イ オ ー ド に よ り 干 渉 信 号 が 検 出 さ れ る。 こ の 信 号は 手 動 式 の実験装置で検出される微小な信号と同じものである。手動式の場合は、
こ の 出 力 信 号 を 増 幅 さ せ LPFに通して高周波雑音を除去し、その信号をオ
P i e z o e l e c t r i c E l e m e n t
Sensor Dr i v e r H8/3048
図3.10 自動式の微小振動測定用実験装置
T a r g e t
シロスコープにより波形観測した。自動式の場合は、出力信号をオシロス コ ー プ で 観 察 せ ず に 、 マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ 処 理 で 出 力 信 号 の 山 と 谷 を 検 出し、最大出力振幅を求め、液晶表示装置に表示させた。また、ターゲッ トが半導体レーザの半波長未満の微小振動をするとき、 2.3節 の 微 小 振 動 振幅と光出力の関係、で述べたように、基準信号が必要となる。それを得る ためには、センサ駆動部を高速で駆動できるようにすればよいので、マイ ク ロ コ ン ビ ュ ー タ と 電 力 増 幅 回 路 で 基 準 信 号 を 発 生 さ せ た 。 ま た 、 セ ン サ の 最 大 感 度 時 の 出 力 を 得 る た め に は 、 セ ン サ 駆 動 部 を ゆ っ く り 駆 動 さ せ れ ばよいので、マイクロコンビュータによる基準信号発生と同じ装置を使用 した。基準信号の発生とセンサ感度最大時の出力信号の発生は、マイクロ コンピュータの処理の違いによって発生させている。
これらの各装置や動作の詳細を以降に述べる。
3 . 2 . 1 マイクロコンビュータ H8/3048 の概要
本 研 究 に 用 い た マ イ ク ロ コ ン ビ ュ ー タ は Renesas Technology製 H8/3048である。 H8/3048の主な機能[3]を示したブロック図を図 3.11に 示す。 H8/3048は、 1個 の パ ッ ケ ー ジ ( 約 15mmX15mm) に 128KBの ROM (フラッシュメモリ)、 4KBの RAM、各種タイマ機能、 A/D‑D/A
コンパー夕、通信機能などを搭載した動作クロック 16MHzのシング、ルチ ップマイクロコンピュータである。ピン数は 100本であるが、 1本のピン を複数の用途に切り替えて使用するようになっている。入力/出力用のポー トは、 8ピット X7ポート、 7・6・5・4ピット×各 1ポートの計 11ポー トを備えている。 ROMは 、 電 気 的 に 書 き 換 え 可 能 な フ ラ ッ シ ュ メ モ リ を 搭載しているので、シリアルコミュニケーションインターフェース (SCI) 機 能 を 利 用 し て 、 本 研 究 で は パ ー ソ ナ ル コ ン ビ ュ ー タ か ら ROMにプログ
ラ ム を 書 き 込 む こ と が で き る よ う に し た 。 ま た 、 初 期 状 態 で は ROMへの 書 き 込 み は 最 大 100固となっているため、 SRAMを増設して何度でも書き 込みができるようにした。