attoFPSensor レーザー干渉式変位計
レーザー干渉変位計
常に高まる品質や研究開発のトレーサビリティへの要求に対するattocubeの回答がattoFPSensorレーザー干渉変位計です。 非常にコンパクトなセンサーヘッドと、極限環境への対応は、新たな精密計測の可能性を開きます。attoFPSensorはセンチメートル単位の長さで 30pmという驚異的な分解能と最大12.5MHzの帯域幅、さらに±0.5ppmの絶対精度を実現しました。工業計測や研究開発などの分野において 高精度の距離計測、振動計測計器としては、他に類を見ません。クロースドループ制御による走査、精密加工、変位検出など多くの分野でattocubeはソリューションを提供し続けます。
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attoFPSensor
attoFPSsensorはシングルモードファイバと検出系からなり、ファブリーペロー干渉計を用いたレーザー変位計です。光ファイバーと測定対象の間の空間はキャビティと呼ばれ、対象から反射した光はキャビティの長さにより変調を受けます。
通常のファブリーペロー干渉計式変位計と違いattoFPSsensorではattocube独自の特許技術(WO 2009/043421A1)を採用しております。キャビティに侵入するレーザー光は直角位相シグナルを含んでおり、これによりファブリーペロー干渉計の不感領域を排除し、また変位の方向も検知することができます。これにより全測定領域に渡って超高分解能変位計測を可能にします。
更に独自の技術により、ファイバープローブの傾きを0.4°(10cmレンジ）まで許容することができ、アライメント調整の手間を大幅に短縮することができます。これらの特徴を生かし高感度な変位・振動測定を非常に手軽に行う事ができるようになりました。
attoFPSsensorは使用環境を選びません。他のattocube製品と同様高磁場中・極低温・超高真空中の使用に対応しています。
超小型・非破壊測定
使用されている材質、加工精度、そしてコンパクトなサイズによりattoFPSensorは、高磁場、極低温、高電場環境中で使用する事ができます。またセンサーヘッドがシングルモードファイバにより接続されていることで、発熱や配線からのストレスなどの心配がありません。
多軸測定
attoFPSensorでは、最大9軸の同時計測を行うことができます。独自の技術で各軸は最大±0.4°の角度まで許容出来ますので、複雑なアライメント調節などを省き手軽に使用できます。
高精度
attoFPSensorは、国際的な長さ標準に準拠しております。内蔵の波長リファレンスセル（ESオプション）によりNIST,PTB,NRLMなどの各国計測標準機関へのトレーサビリティを確保できます。
高速性
12.5MHzもの高速サンプリングレートを持つことで、attoFPSensorは最高1m/secの変位速度にも、精度や再現性を落とすことなく追随することが出来ます。またMHｚ領域の振動計測に最適です。
安定性
安定性・再現性は、最高50ppb（モデルに依存）に達します。これは1mの長さに対し50nmに対応します。平行ビームと大きなビームスポットサイズ1mmにより埃などの外乱に対し非常に安定した計測が可能です。
AMC500コントローラ
AMC500は、attoFPSensorファミリーの性能を最大限に引き出すべくデザインされた専用コントローラです。最大9軸、または8軸（ESオプション）の同時計測が可能です。 AMC500は、12.5MHzのサンプリングレートを持ち、デジタル高速シリアルリンク、A-quad-B、USBインターフェースによりリアルタイム計測が可能です。
- 多軸測定コントローラ、12.5MHzサンプリングレート
- 50ppbのレーザー波長安定化（ESオプション）
- 環境補正オプション
- リアルタイム計測
- 超高速計測
- 低ノイズ計測
リアルタイムセンサー出力
多くの光干渉方式変位計は比較的大きな変位速度まで対応しますが、高分解能・高速位置読取を兼ね備えるものは多くありません。 attocubeではこの高速シリアルリンク(HSSL)による250pm分解能をもつ絶対変位量出力と出力周波数400kHzを確保することでこの問題に対応しています。 これにより高精度と同時に高パフォーマンスを要求するアプリケーションに最適なソリューションを提供します。
リアルタイムデジタルA-quad-B出力により、より高度なシステムへの融合を実現します。
- インクレメンタル A-quad-Bセンサー出力
- 32 bit 高速シリアルリンク (HSSL)によるpm分解能とm/s変位速度に対応
- 32 bit USB
- A-Quad-Bセンサー出力
２つのA-quad-B出力により、分解能を犠牲にすることなく広範囲の変位速度をカバーします。
attoFPSensorスタビリティ測定
ここでは4Kに保持されたチタンキャビティを使用したattoFPSensorの安定性の測定を紹介します。極低温下に保持されたチタンのキャビティは、熱膨張係数が非常に小いこと、低圧に保持されていること、またmKのオーダーで温度が保持されていることから 、室温におけるZerodurガラスによるキャビティより約10倍の安定性を持ちます。下のグラフは60mmのキャビティを10時間測定した結果を表しています。attoFPSensorの位置測定の標準偏差は100Hzの帯域幅で530pm、20mmキャビティでは345nmの安定性が得られています。
上図: 4Kに保持された60mmチタンキャビティの変位計測。位置測定の標準偏差(SD)は530pm(100Hz帯域幅),20mmキャビティの場合では、標準偏差は345nmでした。(attocube application lab. 2010)
リニアー可動ステージの変位検出
attoFPSensorによるリニアーモータステージとピエゾ素子を使用したスリップスティック型リニアーステージの変位検出を紹介します。リニアーモータステージでは連続的でなめらかな動きをするため大きな範囲において一様な変位を検出しなければいけないのに対して、 スリップスティック式ステージでは高速でサブミクロンサイズのステップ動作を行うため、測定には高速で且つナノメートルオーダーの測定が要求されます。さらにリニアーモータステージの移動速度200mm/sからスリップスティック式ステージの1m/s程度の速度をカバーすることが必要になってきます。 またスリップスティック式ステージでは、ステップ動作を捕捉するため10-50μs程度のタイムフレームで測定出来る必要があります。
リニアーモータステージの変位検出（上図）とスリップスティック式ステージ（下図）。リニアーモータステージでは大きな平均が得られるのに対して、スリップスティック動作では短時間に間欠的な高速動作を行います。したがって変位計測にはより大きな帯域幅が求められます。
attoFPSensorによる振動計測
この例では、さまざまなデバイスの固有モードと固有周波数の測定とそのセットアップを紹介します。下図左側に、XYZポジショナーの共鳴周波数の測定結果の例が示されています。この場合XYZポジショナーのピエゾ素子に電圧を印加し、そのレスポンスをattoFPSensorで測定したものです。 振動の振幅で共鳴が起きていることがわかりますが、位相のピークでは振幅の小さな共鳴モードもはっきりと分かります。この例で2.5kHz付近の90°/180°シフトは最初のノーマルモード共鳴です。ここでは振動の励起振幅としてわずか0.5nmを使用しました。
attoFPSensorを使用したプロトタイプXYZポジショナーの振動測定。振動励起はピエゾ素子を使用し、0.5nmの振幅で加振しました。位相に見られるように2.5kHz付近で位相が90°まで変化しノーマルモードの共振が起きていることでわかります。(attocube application labs 2010).
振動計測用のセットアップ。attoFPSensorヘッドは上部のチューブ内に設置されています。
主な仕様
| センサー | FPS300 | FPS300/ES |
| 帯域幅 | 300kHz | 300kHz |
| センサー分解能 | <30pm(振動測定) 250pm(位置測定) | <30pm(振動測定) 250pm(位置測定) |
| センサー再現性 | 10nm(20mmキャビティ（注）) 500ppb(対キャビティ長) | 1nm(20mmキャビティ) 50ppb(対キャビティ長) |
| センサーレンジ | 0-10cm | 0-10cm |
| リニアリティ | ±2nm | ±2nm |
| 絶対精度 | ±15ppm | ±0.5ppm |
| 最大変位速度 | 0.025m/sec | 0.025m/sec |
| 要求アライメント | ±0.4° | ±0.4° |
| 環境補正 | on request | on request |
| レーザー | ||
| レーザー | DFBレーザー | DFBレーザー |
| 波長 | 1550nm | 1550nm |
| 波長安定化 | なし | あり |
| 出力（チャンネル当たり） | 75μW Typ. | 75μW Typ. |
| 使用環境、外形 | ||
| センサーヘッド外形(mm) | Small: Φ3 X 6 Standard:Φ15/12 X 12 |
|
| センサーヘッド材質 | ステンレス、チタン | |
| 光ファイバー径 | >250μm径、プラスチック又はメタルコート | |
| 測定温度領域 | mK-373K | |
| 測定圧力範囲 | 1E-10 mbar-10bar | |
| 磁場範囲 | 0-31T | |
| 取り付け方向 | 全方向 | |
| 環境対応オプション | /LT/HV/UHV | |
| センサー | FPS12500 | FPS12500/ES |
| 帯域幅 | 12500kHz | 12500kHz |
| センサー分解能 | <30pm(振動測定) 250pm(位置測定) | <30pm(振動測定) 250pm(位置測定) |
| センサー再現性 | 10nm(20mmキャビティ（注）) 500ppb(対キャビティ長) | 1nm(20mmキャビティ) 50ppb(対キャビティ長) |
| センサーレンジ | 0-10cm | 0-10cm |
| リニアリティ | ±2nm | ±2nm |
| 絶対精度 | ±15ppm | ±0.5ppm |
| 最大変位速度 | 1.0m/sec | 1.0m/sec |
| 要求アライメント | ±0.4° | ±0.4° |
| 環境補正 | on request | on request |
| レーザー | ||
| レーザー | DFBレーザー | DFBレーザー |
| 波長 | 1550nm | 1550nm |
| 波長安定化 | なし | あり |
| 出力（チャンネル当たり） | 75μW Typ. | 75μW Typ. |
| 使用環境、外形 | ||
| センサーヘッド外形(mm) | Small: Φ3 X 6 Standard:Φ15/12 X 12 |
|
| センサーヘッド材質 | ステンレス、チタン | |
| 光ファイバー径 | >250μm径、プラスチック又はメタルコート | |
| 測定温度領域 | mK-373K | |
| 測定圧力範囲 | 1E-10 mbar-10bar | |
| 磁場範囲 | 0-31T | |
| 取り付け方向 | 全方向 | |
| 環境対応オプション | /LT/HV/UHV | |
注：キャビティ長=ワーキング(WD)+lens/fibre間隔