マイケルソンレーザー干渉計センサーの微小変位・傾斜測定における真空の精密制御技術

要旨：マイケルソンレーザー干渉計センサーによる精密な微小変位・傾斜測定では、真空度を正確に制御する必要がある。そうしないと、変形、屈折率、温度などの要因で大きな変動が発生し、測定が不可能になることさえあるからである。本稿では、電子流量制御弁を用いた真空度の自動制御技術を紹介し、その具体的な実現方式を具体的に紹介する。

1.質問
高精度な光学機器として、マイケルソンレーザー干渉計センサーは広く使用されています。波長、気体や液体の屈折率、厚み、変位、傾きなどの測定に使用できます。高精度測定の長さ、速度、角度、平面度、真直度、垂直度などを測定することができます。しかし、高精度な測定においては、マイケルソンレーザー干渉計のセンサーは、大気環境の影響を大きく受けることになる。このため、一般的には図1に示すような低圧の真空環境下に測定物を置き、電子流量制御弁で真空度を精密に制御しないと、次のような問題が生じる。
(1) 試験環境中のガス屈折率変動は，高精度測定に重大な影響を与える。特殊なガス屈折率補正装置を使用した場合、測定精度はミクロン、サブミクロンレベルにしかならず、より高精度な測定は不可能です。
(2) 真空チャンバー内に温度変化があると、チャンバー内の気圧も大きく変化します。そのため、屈折率も大きく変動し、干渉計の測定に大きな影響を与えます。
(3) 真空引きの際、内外の圧力差により真空槽が微小変形すると同時に、光学窓が変位・傾斜し、測定光路が変化する。
(4) 温度要求が変化する試験分野では、被測定物をできるだけ早く加熱し、温度を均一にすることが求められ、対流や熱伝導の能力を保つために、真空度を100Pa程度など一定のレベルに制御する必要があります。

以上より、マイケルソンレーザー干渉計センサーの微小変位と傾斜の精密測定では、真空度を正確に制御することが必要である。本稿では、真空度の自動制御技術とその具体的な実現方式を紹介する。

2.実施計画
マイケルソンレーザー干渉計センサーのテストでは、一般的に真空度は100kPa程度で一定に保たれ、温度による変化はない。このため、電子流量制御バルブを用いて図2のような真空度制御システムを実現することが提案されており、その具体的な条件は以下の通りである。
(1) 真空測定には1Torrレンジの静電容量式真空計を使用し、その精度は±0.2%に達することができます。
(2) 高精度真空圧力センサーの測定精度に合わせ，24bit A/D 収集の電子流量制御弁を組み込んだ高精度 PID 真空圧力コントローラーを採用し，制御精度を確保した。
(3) 真空チャンバーの空気吸入口にステッピングモータ比例制御弁を設置し、吸入空気量を精密に調整します。
(4)制御プロセス中、真空ポンプは電源を入れた後、全速力で排気し、排気速度が変化しないようにする。そして、コントローラのPIDパラメータは自己調整され、コントローラは自動的にKaoLuのFCシリーズ電子流量制御弁の微小開度を調整し、チャンバの真空度の正確な制御に到達できるようにします。

詳細については、以下をご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/mid-flow-proportional-valve-0-130L-min.html