JPH03504648A - 光学構成体を歪みなく取付ける方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学構成体を歪みなく取付ける方法 発明の背景 この出願は、１９８８年５月２１日付で受理された現在継続中の米国特許出願、 出願番号１７０．５２５　（代理人の整理番号：　ＰＤ−８５３５４）　、ロジ ャー・Ｒ，トムリンソン（Ｒｏｇｅｒ　Ｒ，Ｔｏｍｌｉｎｓｏｎ）　、ナゼール ・アームド（ＮａｚｅｅｒＡｈｍｅｄ　）共願、「光学構成体を歪みなく取付け る方法」に関連する。

１、発明の分野 この発明は、ベースに構成体を歪み無く取付ける方法に関する。詳細には、この 発明は鏡などの光学構成体を、温度変化の影響を受は易い光学装置およびレーザ ー装置に歪みなく取付ける方法に関する。

２６従来技術の説明 光学構成体の取付けは、熱的に引き起こされる応力による構成体の歪みや損傷を 避けるという点に於て、長年の間の大きな問題であった。例えば、鏡は一般に熱 膨張係数の低い材料から作られ、しばしば、膨張係数の高い材料から作られた台 あるいはステージの上に取付けられる。鏡か台に堅く取付けられると、温度に関 連した鏡および台の膨張または収縮は、変形または永久的に損傷する構造的な力 およびトルクを鏡に与える。比較的小さな変形さえも防止するには、光学装置の 一部に使用される鏡の表面形状について、高い精度の制御を必要とし、大きな鏡 の製造は損傷を受は易くし、非常に好ましくない。他の光学系への適用、例えば 高い精度の制御が必要なレーザーの照準にも、同様の配慮がなされなければなら ない。

現在、膨張係数の違いにより生じる機械的応力の影響を避けて、鏡を取付ける一 般的な方法は二つある。一つは、第１ａ図に示されるボール・ソケット装置であ る。玉は円筒穴内を自由に移動でき、その動きは円筒の軸方向に拘束される。第 ２の取付は点には堅い付属物が固定され、第３の支持点の装置は並進自由度２を 有する平面移動を許す。この方法は、強固な取付けを維持するために、玉および 穴には予め荷重がかけられるという欠点をかかえている。予め荷重をかけると、 玉と穴との間の摩擦力を増加させ、余分な摩擦力およびトルクによって、鏡は無 視できない程の歪みを受ける。

第２の一般的な鏡の取付は方法が第１ｂ図に示される。金属ベース上の３つのベ アリング点（点Ａ、Ｂ、Ｃ）は、実質的に同一の熱膨張特性を有するロッドによ って、鏡の３つのベアリング点（点Ｅ、Ｆ、Ｇ）に連結されている。鏡およびベ ースを一様に加熱または冷却すると、ロッドの長さ及びベアリングに許容される 角度は等しい量だけ変化する。鏡およびベースの温度は変化するので、ＣＤ、Ｃ Ｆ、ＢＦ、ＢＥ。

ＡＥ、ＡＤ間に連結されたロッドは膨張または収縮し、ＣＤ。

ＣＦ、ＢＦ、ＢＥ、ＡＥ、ＡＤ間に連結されたロッドは連結点Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、 Ｆで回転する。連結点の各々には、鏡の取付けに必要な堅さを得るため、予め荷 重がかけられる。しかし、このように予め荷重をかけると、連結点の摩擦力を増 加させ、歪みに関連した変形を鏡の表面にもたらす。

ベアリングには、電気光学センサーおよびレーザー装置に必要な照準線安定度を 満足する堅さが要求される。上述した２つの方法はいずれも、取付はベアリング に必要な堅さ及び余分な摩擦力により、取付けられる構成体の内部に生じる歪み を避けるられず、十分ではない。

温度が変化する環境下に於て、歪みなく取付ける難しさの問題は、そのまま、取 付は装置への使用に適した種類のベアリングを見いだすという問題である。ベア リング表面の摩擦を最小にするという目標に対し、ベアリングは技術的に非常に 発展している。一般に用いられるアンチフリクション・ベアリングは、軌道内を 移動する玉、または軌道間で動作する円筒まはた円錐ころを使用する。このよう なベアリングは、荷重による反りによって摩擦が生じるので、適正なベアリング 寿命を確保するために、潤滑剤の注入が必要とされる。しかし、潤滑剤の注入は 、特に極端な温度その他で動作するように設計された装置にとっては問題である 。潤滑剤は、非常に高い温度に於て蒸発しやすく、非常に低い温度に於て粘性が 非常に強くなり凝固しやすい。いくつかの適用のために、真空中で動作するベア リングがある。大気圧の欠如はさらに問題を引き起こす。例えば、潤滑剤が蒸発 し、その後に起きる潤滑剤の凝固は、鏡などの光学的な面を汚す。

発明の要約 この発明による、温度変化が構成体を物理的に歪める機械的な応力を引き起こさ ないように、鏡などの光学的構成体をベースに取付ける方法によって、上述の問 題は克服され、さらに他の利益が理解される。

この発明の説明のための実施態様に於て、光学構成体は、一方向のみの並進移動 を許す低摩擦リニア・ベアリングにより、−または同心的に設けられた複数の取 付は円の上に２点以上で取付けられる。リニア・ベアリングは、「Ｙ」字状フレ ームに設けられ、互いのローラーの中心軸が９０度の角度をなす一対の回転軸受 群からなる。この装置は、一方向を除くあらゆる方向に対して、並進および回転 の堅固を確実する。ローラー・ベアリング軸は回転軸受群の円筒を、ｒＹＪ字状 フレームに対して長さ方向にスライド移動する第２フレーム部材に連結する。ロ ーラー・ベアリングの各々は、外周の１８０度以上が各回転軸受機構の一部を形 成する金属バンドに接触する環状の円筒で取り囲まれるので、この装置はローラ ー・ベアリングにかかる荷重を最小にする。温度変化は構成体の間に異なる量の 熱膨張または収縮を引き起こし、引き起こされた変形応力は取付は位置のリニア ・ベアリングによる鏡と取付は台との間に許される移動によって除かれる。

この発明の目的は、不同の材料の間の異なる熱膨張または収縮により歪みが生じ る箇所において、−構造体を他の構造体の上に歪みなく取付ける方法を提供する ことである。

この発明の別の目的は、構成体に半径方向または接線方向に歪みのないように光 学構成体を支持構造に取付ける方法であって、その取付けは、単一の並進軸方向 に沿う支持ベアリング内の移動によって補われる「呼吸」型膨張または収縮の許 容量を除いてあらゆる方向に堅くなるように、光学構成体を支持構造に取付ける 方法を提供することである。

この発明のさらなる目的は、摩擦力が最小で、しかも一方向の並進運動を除く移 動に対して高い抵抗を示し、すなわち、一方向を除くあらゆる方向に融通性のな い単純な構成のリニア・ベアリングを備える支持構造に光学構成体を取付ける方 法を提供することである。

この発明のさらに別の目的は、外科手術の処置、部品製造、金属切断、及び他の 多くの適用などの、器具や機械工具の移動に正確な制御が要求される適用に都合 好く使用される、一方向を除くあらゆる方向に融通性のない低摩擦力の単純構成 のリニア・ベアリングを備える支持構造に光学構成体を取付ける方法を提供する ことである。

この発明のまた別の目的は、一方向を除くあらゆる方向に融通性がなく、微量の 潤滑剤の注入を必要とし、この結果、温度に関係する潤滑剤に関する問題、すな わち潤滑剤の蒸発による光学系の汚れの問題が除去される、単純な構成のリニア ・ベアリングを備える支持構造に光学構成体を取付ける方法を提供することであ る。

この発明の別の目的は、熱的に引き起こされ、鏡の表面形状を歪め、光学装置の 特性を低下させる機械的な歪みを排除する方法で、鏡をベースに取付ける方法を 提供することである。

最後に、この発明の目的は、熱的な膨張または収縮に関係なく、照準が正確に定 められなければならないレーザーの取付は方法を提供することである。

図面の簡単な説明 続く好適な実施態様の説明および添付図面を参照することによって、この発明お よびこの発明の他の目的が、より一層理解されるであろう。

第１ａ図は、大きな鏡を取付ける際に、熱膨張差の影響を避けるために、従来技 術で使用されるボール・シリンダー（ｂａｔ　ｌ−１ｎ−ｃｙｌｉｎｄｅｒ）装 置の略図である。

第１ｂ図は、鏡の点Ａ、Ｂ、Ｃ，及びベースの点り、Ｅ、Ｆにベアリングを備え る、従来技術に従って取付けられた鏡の上面図である。

第２図は、３つのリニア・ベアリングを使用する、この発明による鏡の取付けの 略図である。

第３ａ図は、第２図のようにリニア・ベアリングが取付けられる３点ｘ、ｙ、ｚ の位置を決定するために用いられる円を示す。

第３ｂ図は、鏡がベースに固定される地点を表す円の中心、及び２つのリニア・ ベアリングが取付けられる地点を表す点Ｘ、Ｙと共に、取付は円を描く他の方法 を示す。

第４図は、この発明によるｒＹＪ字状フレームの上部アームの開口部内を移動す る一対の回転軸受けの側面図である。

第５図は、「ＹＪ字状フレームの反対側のアームの中に、回転軸受は機構がどの ように配置されるかを説明する、この発明のｒＹＪ字状フレームの拡大図を示す 。

第６図は、この発明のリニア・ベアリングに連結する第２フレームの簡易斜視図 で、第２フレームに対するｒＹＪ字状フレームの関係を示す。

好適な実施態様の説明 第２図を参照してわかるように、この発明の好適な実施態様は、−または複数の 取付は円の円周上の予め定められた点に、ベース台１３上に鏡１１を支持する３ つのリニア・ベアリング１０　ａ、　　１０ｂ、　　１０　Ｃｓ総称してリニア ・ベアリング１０を使用する。リニア・ベアリング１０は、温度の変化によ゛り 生じる鏡１１及び台１３の不同の材料の異なる膨張または収縮による機械的な歪 みの発生を防止するように配置される。リニア・ベアリング１０は、取付は円の 半径の延長線、１２．１４．１６で表記される３本の軸に沿った、鏡１１と台１ ３との間の相対的な移動を許す。リニア・ベアリングの各々、例えば１０ａはｒ ＹＪ字状の第１フレーム部１８及び第２フレーム部を有し、それぞれ台１３及び 鏡１１に固定さ第２図に図示される実施態様に於て、鏡１１は熱膨張係数の低い 材料、例えばガラスで作られて、一方、台１３は熱膨張係数の高い材料、例えば ベルリウムまたはアルミニウムで作られる。台１３に堅く取付けられ、周囲の温 度が変化したときに鏡１１が受ける機械的応力を低減するため、この発明に使用 されるリニア・ベアリングは、鏡を支持ベアリング１０の上に「架設」する。リ ニア・ベアリング１０はそれぞれの軸１２．１４．１６に沿って自由に直線移動 する一方、これらの軸に直交する２つの軸に沿った移動を抑え、すなわち必要な 堅さを与える。各ベアリング１０の３本の軸の周りの回転運動は抑えられる。

中心Ｃを有する取付は円の円周Ａ上の点で示される取付は点ｘ、ｙ、ｚを備える 、この発明による鏡Ｍの取付は円の線図が第３ａ図に示される。図から理解され るように、このような取付は円は２以上の同心円、例えばＡＡの円周を有する円 でもよい。２以上の取付は円を使用する場合、一つの円上に１以上の取付は点、 例えばＺＺが設けられ、一方、他の取付は点は１以上の他の取付は円上に設けら れる。３以上の取付は点、従って３以上のリニア・ベアリングを用いてもよい。

Ｘで示される一点でベースに堅く固定される鏡Ｍと、点Ｘに中心を有する取付は 円の円周Ｂ上の点、Ｙ、　　Ｚで示される点に鏡を支持する２つのリニア・ベア リングとを備える、この発明の取付は方法の他の実施態様が第３ｂ図に示される 。

第３ｂ図に示される取付は方法には、２以上の取付は点、すなわち２以上のリニ ア・ベアリングが使用される。リニア・ベアリングは、共通の中心Ｘをもつ複数 の同心の取付は円の円周上に配置される。取付は点の位置選択および取付は点の 個数は、適用例に特有であり、鏡の重量、鏡の面積や他のファクターに依存する 。

第４図には、この発明のリニア・ベアリング１０のｒＹＪ字状フレーム１８の部 分側面が示される。２つの円筒ローラー２０ｇ、２０ｂ及び２つの環状円筒ロー ラー・ベアリングの各々は、開口部４４ａ、４４ｂの間の狭い溝を通り延在する フレキシブル・バンド４０の張力によって適所に位置している。フレキシブル・ バンド４０の張力は、バンドの末端を固定する手段により維持され、ばね４６ａ 、４６ｂとして模式％式％ ローラー・ベアリング３０は、ローラー３０を第２フレーム部１９に連結するに 役立つ軸６５ａ、６５ｂ上で回転する。

このような構造は、技術分野では回転軸受けとして知られている。このような機 構に於て、フレキシブル・バンドで分離される円筒ローラーは、円筒の直径の総 和より短い距離で分離される平行な面の間を移動する。バンドの張力はローラー を一体的に押し進め、円筒のすべりを防止する。この結果、移動は取るに足らな い量のころがり摩擦のみを伴う。さらに、２つのローラーを分離するので、バン ドは２つのローラーを他方に対して整列する傾向が強い。このような機構は比較 的低いバンドの張力で動作するので、２つのローラーが接近する正接部は、粒子 状の汚れなどの小さな不完全さを越えて転がることができる。

このような回転軸受けのころがり過程の性質により、ベアリングの適正な動作の ための潤滑剤注入は必要ない。通常のローラー・ベアリングでは、接触部に１０ ０，０ＯＯｐｓｉの接触圧力がかかる。大きい摩擦力を生み出すこのような高い 接触圧力は、ベアリングの上に載置される鏡に歪みを起こす。

これとは対照的に、回転軸受は機構は、数百ｐｓｉの接触圧力のもとでよく動作 する。この発明の装置および方法による鏡の取付けに於て、ベアリングとして使 用される回転軸受は機構は、余分な摩擦力はいずれも実質的に無視してもかまわ ない程度のころがり摩擦なので、鏡の歪みを実質的になくす。

自己整列傾向のある回転軸受は機構は、ローラーの大きさに依存しない側面荷重 に十分に耐えることを可能にする。ローラーが幅広ければ広いほど、自己整列傾 向が高く、ベアリングは可能な限り幅広く作られる。

ローラーの幅もまた、２つのローラー間の接触部に垂直な平面に直交する軸を除 く、あらゆる軸に沿った並進運動、あるいは、あらゆる軸周りの回転運動に対す る機械的な抵抗を作る。

この発明のリニア・ベアリングのｒＹＪ字状フレームの分解図が第５図に示され る。第５図に於て、第２図のリニア・ベアリングは、そこに含まれる種々の構成 体が図示されるように、反時計回りに１３５度回転されている。ｒＹＪ字部の２ 本のアーム５０ａ、５０ｂは、所定の角度、例えば９０度の角をなして設けられ る。各アーム５０は、中央部および端部がフレーム１８に固定されるフレキシブ ルバンド４０を収容する中空室を含む。実施態様に於て、フレキシブル・バンド ４０ａ、４０ｂの各中央部は、ボルト５１ａ。

５１ｂ（５１ａのみ図示）により固定され、端部は端止め部５２ａ、５２ｂで止 められ、端止め部は引張スクリュー５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄによりフレ ーム１８に取り付けられる。フレキシブル・バンドの「Ｓ」字状部分の張力は、 圧縮スプリング部材、例えば皿ばねワッシャー５６ａ。

ｂ、ｃ、ｄに対抗して、引張スクリュ　５４ａ、ｂ、ｃ、ｄを端止め部５２の挿 入口に、どの程度の強さで締め付けるかにより調整される。フレキシブル・バン ド４０の「Ｓ」字状部分は、それぞれ固形および環状の円筒ローラー２０および ３０の対を保持する。環状円筒ローラー・ベアリング３０ａ。

３０ｂの中央開口部には軸６５ａ、６５ｂが挿入され、各ローラ一群を、アーム ５０ａ、５０ｂの間の領域に納まる第２ローラー２０及び３０は、フレキシブル ・バンド４０のｒＳＪ字状湾曲部分の変形を助ける。

図示しないこの発明の別の実施態様では、アームの各々には、一端が固定され、 他端が引張手段によって、止められるフレキシブル・バンドと共に、ただ−組の 回転軸受はローラーが使用される。

「Ｙ」字状フレーム１８の上部アーム５Ｑａ、５０ｂの間の空間に乗る第２フレ ーム１９が第６図に示される。対向する二対の回転軸受は機構は、ｒＹＪ字状フ レーム１８の上部アームの開口部４４ａ、４４ｂ内に納まる。２つのフレキシブ ル・バンド手段４０ａ、４０ｂは、バンド４０ａ、４０ｂの張力によって、４組 の固形円筒ローラー２Ｑａ、ｂ、ｃ、ｄと環状円筒ローラー・ベアリング３０ａ 、ｂ、ｃ、ｄを適所に保持する。第５図に示されるように、環状ベアリング３０ ａ、ｂ、ｃ、ｄは、第２フレームに取付けられるゼロ・クリアランス軸６５ａ、 ｂ、ｃ、ｄに連結される。

鏡体などの第１の機械装置を取付けるための第１の結合手段は、鏡体のいくつか の部分にボルト本体の直径より僅かに大きく開けられた穴を通って、第２フレー ム１９の挿入穴に締められる２本のボルトとして第６図に示される。ｒＹＪ字状 フレーム１８を第２の機械装置、例えば台１３に結合する第２の結合手段が、台 １３の穴を通り、フレーム１８の挿入穴に締め付けられる同様に２本のボルト８ ０ａ、８０ｂとして示される。

この発明のリニア・ベアリングを用いて、鏡１１などの光学構成体が設けられた 場合、リニア・ベアリング１０の各々は、ｒＹＪ字状フレーム１８の直交するア ーム内を平行に移動する２組の対向する回転軸受は機構を備える。４組の各回転 軸受けの２つのローラーの一方は、環状形状を有し、ローラー・ベアリング取付 は軸が通される。環状円筒は、第１フレームに乗る第２フレームに回転のための 軸受けがなされる。回転軸受は群は第２フレーム１９と共に移動する。リニア・ ベアリングの動きは、ｒＹＪ字状の第１フレーム１８と第２フレーム１９との間 に生じる。

この発明の原理を具体的に示す実物模型が、ガラス製鎖および剛性支持台を使用 して組み立てられた。鏡の大きさは１０×１５平方インチである。３つの支持点 は、直径１４インチの取付は円の円周上に配置される。明細書中に説明されるリ ニア・ベアリングは、支持点の各々に使用された。鏡および台が、室温（約６８ ’Ｆ）から約２２０’Ｆに加熱された。リニア・ベアリングの自由移動の各方向 、すなわち取付は円の半径の延長線に沿って、約０．０２１インチの移動が測定 された。鏡の取付は体は、鏡の構造的または光学的特性に悪影響を与えることな く、熱膨張差をたやすく吸収した。

好適な実施態様を参照しながら、この発明について詳細に説明したが、この発明 に属する技術に従事する通常の者であれば、この発明の要旨から逸脱することな く種々の修正・変更が可能であることを認めるであろう。例えば、図面に示され た好適な実施態様は、各々の回転軸受は機構に２つの円筒ローラーを有している が、２以上の円筒ローラーを備える回転軸受は群を使用してもよい。同様に、張 力が調整できるように、フレキシブル・バンドの端部を固定する方法が示される が、この技術の通常の技術を有する者であれば、他の適した装置を思いつくであ ろう。また、鏡１１はｒＹＪ字上フレーム１８または第２フレーム１９のどちら に取り付けられても−、精密外科用装置およびこれらに類似する各種装置がある 。

従って、この発明の方法および装置は、明細書中に示される実施態様に限定され るものではなく、続く請求の範囲によってのみ限定される。

（ａ紘栢ン ＦＩＧ、　２゜ ｌ ＦＩＧ、　５゜ ＦＩＧ、　６゜ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．第２の機械装置の上に設けられる第１の機械装置上の第１の取付け円の半径 を決定する工程と、その各々が取付け円の半径の延長線と同一直線上に並進運動 の軸を有する複数のリニア・ベアリングを、取付け円の円周上に設ける工程と、 リニア・ベアリングの各々の第１の連結部材を第１の機械装置に取付ける工程と 、さらに、リニア・ベアリングの各々の第２の連結部材を第２の機械装置に取付 ける工程とを備え、ここに、第１の機械装置は、相対的に移動できるように第２ の機械装置に連結され、各々の装置の不等量の膨張および収縮は、各リニア・ベ アリングの直線移動に帰着し、結果として２つの装置の間の機械的応力を実質的 に排除する、 他方に対して等しくない一方の機械装置の膨張または収縮の原因となる環境温度 の変動により引き起こされる機械的応力の装置内部での発生を実質的に排除して 、ある膨張係数を有する第１の機械装置を、異なる膨張係数を有する第２の機械 装置に取付ける方法。
2. ２．第１の機械装置は、取付け円の中心に本質的に一致する点に於て、第２の機 械装置に固定して取り付けられ、複数のリニア・ベアリングが、第１の機械装置 を第２の機械装置に移動可能に連結するための第１の取付け円の円周上に設けら れる請求項１記載の方法。
3. ３．決定する工程が、第１の取付け円と同中心の１以上の取付け円の半径を決定 する工程を更に有し、第１の機械装置は、取付け円の円周上に設けられる複数の リニア・ベアリングによって、第２の機械装置に移動可能に連結される請求項１ 記載の方法。
4. ４．決定する工程が、第１の取付け円と同中心の１以上の取付け円の半径を決定 する工程を更に有し、第１の機械装置は、取付け円の円周上に設けられる複数の リニア・ベアリングによって、第２の機械装置に移動可能に連結される請求項２ 記載の方法。
5. ５．各々のリニア・ベアリングが複数の回転軸受け機構を有し、回転軸受け機構 は各リニア・ベアリングの第１の連結部材を、各リニア・ベアリングの第２の連 結部材に移動可能に連結する請求項１記載の方法。