JPH0746172B2 - 光学系用トラッキングミラー撓み回転支持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は光学系に使用するピボット回転メカニズム
（pivotal mechanism）、特に安価であり、回転方向以
外の方向へは回りづらく、温度変化による影響を受けな
い改良された光学系トラッキングミラー撓み回転支持装
置（flexural mechanism）に関する。更に、本発明は回
転軸を回転する質量の重心の如きメカニズムの内側又は
外側の所望の位置に選択的に配置できる光学系トラッキ
ングミラー撓み回転支持装置に関連する。

光学系ミラーは、光ビームを所望の位置に指向する作用
があり、多くの光学系では、ミラーを回転して指向され
た光ビームの位置を変更する必要がある。通常、回転量
はいずれの方向でも２〜３°のみと小さいが、ミラーの
回転を正確に制御しなければならない。

ミラー及び光反射要素を上部に取付けて、必要な回転能
力を与える種々のピボット回転メカニズムは、光学系の
技術分野では公知である。しかしながら、この種のピボ
ット回転メカニズムは、使用時に発生する１つ又はそれ
以上の欠点を有する。その欠点のため、ピボット回転メ
カニズムの寿命の短命化、高コスト、高い感温性、回転
方向以外の方向での機械的強度不足、嵩高性、回転軸の
固着及び過度のノイズが発生する。ピボット回転メカニ
ズムの用語として、本明細書では、「ノイズ」は、「主
として、ミラーの回転時に発生する回転メカニズム内の
摩擦量の相違に起因するミラー回転時のガタつき」を意
味する。

光反射技術に公知のピボット回転メカニズムを例示すれ
ば、（１）ボールベアリングに取付けた軸、（２）弾性
ヒンジ、（３）宝石軸受（jeweled pivot）に取付けた
軸、（４）ベンディックス（Bendix）社製フリーフレッ
クス（Free Flex）ピボット（「Free Flex」はベンディ
ックス社の登録商標）がある。

ボールベアリング中に取付けた軸は寿命が短く、過度の
ノイズを発生すると共に、軸中心線上に固定した回転軸
を有する欠点がある。一方、宝石軸受に取付けた軸はノ
イズを減少するが、回転メカニズム内で有害な摩擦を発
生し、短命化及び固定された回転軸により損傷を受け
る。弾性ヒンジは嵩張り、温度の影響を受けかつノイズ
を生じ易く、回転方向以外の方向では機械的強度が弱
い。更に、弾性ヒンジの回転軸を正確に形成することは
困難である。フリーフレックスピボットは、他のピボッ
ト回転メカニズムより改良されたが、コスト高であり、
嵩張りかつ回転軸をフレックスピボットの内部に位置決
めしなければならない。従って、光反射技術では、前記
欠点により損傷を受けない改良されたメカニズムが要求
される。

発明の概要 本発明の１目的は、光学系に使用するミラー又は光反射
要素を上部に取付けて、制御された回転を行う改良され
た光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置を提供す
ることである。

更に本発明の目的は、安価であり、いかなるサイズにで
も製造でき、個別の適用例の要件に適合して選択的に位
置決めできる回転軸を有する光学系トラッキングミラー
撓み回転支持装置を提供することである。

更に別の本発明の目的は、低ノイズを示しかつ温度変化
に影響を受け難い光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置を提供することである。

本発明の別の目的は、回転方向以外の方向には機械的に
回転しづらい改良された光学系トラッキングミラー撓み
回転支持装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、調節、修理又は交換を必要と
せず長時間使用できる光学系トラッキングミラー撓み回
転支持装置を提供することである。

上述及びその他の本発明の目的は、所望の機械的性質を
示す金属材料の単一のシートから光学系トラッキングミ
ラー撓み回転支持装置を組立てる事により実現される。
所望のパターンをシート内にエッチング（etch）又は打
ち抜き成形（stamp）し、製造した形態で折り曲げら
れ、基部、ミラーを取付けられる取付表面及び基部を基
取付表面へ接続する複数の可撓性アームとを備えた光学
系トラッキングミラー撓み回転支持装置を形成する。

光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置に可能な変
形に対する所望の特性を与えるため、設計及び製造の間
に、光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置に材
料、寸法、形状及び位置等の特性を容易に調節できる利
点がある。例えば、使用する材料のタイプ、その厚さ、
及び材料中にエッチング又は打ち抜き成形された正確な
パターンを選択的に調節して、所定の目的に合致させて
光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置を製造する
ことができる。

本発明の新規な特徴は、材料内にエッチング又は打ち抜
き成形したパターンの形態を変更して、光学系トラッキ
ングミラー撓み回転支持装置の回転軸を変えられる点に
ある。理想の回転軸は、典型的には回転する質量の重心
を通る。本発明では、撓み回転支持装置の内側又は外側
に回転軸があるかに無関係に、組立るべき光学系トラッ
キングミラー撓み回転支持装置が、回転する質量の中心
を通る回転軸を有する利点がある。

図面の簡単な説明 本発明の前記目的及び他の目的、特徴及び利点は、下記
の図面と関連する本発明の下記の詳細ない説明から更に
明らかとなろう。

第１図は光反射技術で公知の代表的なピボット回転メカ
ニズムの斜視図、 第2a図は第１図に示す公知のピボット回転メカニズムの
側面図、 第2b図は第１図に示す公知のピボット回転メカニズムの
端面図、 第３図は光反射技術で公知の別形式のピボット回転メカ
ニズムの斜視図、 第4a図は第３図に示す公知のピボット回転メカニズムに
使用する１対の撓みアーム（flex arm）の平面図、 第4b図は第３図に示す公知のピボット回転メカニズムに
使用する１対の撓みアームの端面図、 第4c図は第３図に示す公知のピボット回転メカニズムに
使用する１対の撓みアームの側面図、 第５図は材料のシート中にエッチング又は打ち抜き成形
する１つのパターンを示す本発明の光学系トラッキング
ミラー撓み回転支持装置の一実施例の折り曲げ前の平面
図、 第6a図は第５図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の平面図、 第6b図は第５図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の側面図、 第6c図は第５図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の端面図、 第７図はシート材料にエッチング又は打ち抜き成形され
得る別のパターンを示す本発明の光学系トラッキングミ
ラー撓み回転支持装置の別の実施例の折り曲げ前の平面
図、 第8a図は第７図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の平面図、 第8b図は第７図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の側面図、 第8c図は第７図の光学系トラッキングミラー撓み回転支
持装置の折り曲げ後の端面図、 第９図はミラーの回転に使用する装置を備えかつ回転す
べきミラーを支持する本発明の典型的な適用例の第８図
に示す光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置の横
断面図である。

発明の詳細な説明 本発明の実行に現在最良と思われる光学系トラッキング
ミラー撓み回転支持装置の実施例について以下に記載す
る。この記載は、本発明の概略的な主要部を図解するも
ので、発明の限定を意図しない。本発明の正確な範囲
は、請求の範囲に定義される。

第１図〜第４図は、種々の形式の従来のピボット回転メ
カニズム（pivotal mechnism）を示す。ピボット回転メ
カニズムの作用を良好に理解しかつ従来技術に優る本発
明の利点を理解するために第１図〜第４図を示す。

第１図及び第２図は、ベンディックス（Bendix）社製フ
リーレックス（Free Flex）ピボットに類似する形式の
ピボット回転メカニズムを示す。第１はピボット回転メ
カニズムの斜視図、第2a図及び第2b図はそれぞれ側面図
及び端面図である。ミラー９が上面に取付けらる中央ピ
ース12は、４つの撓みアーム（flex arm）13〜16によっ
て２つの円筒状端部ピース10、11に取付けられかつ端部
ピース10、11内に支持される。各撓みアーム13〜16の上
端は、中央ピース12の内側表面に溶接される。撓みアー
ム13、14の下端は端部ピース11に溶接され、撓みアーム
15、16の下端は端部ピース10に溶接される。

第2b図に明示するように、撓みアーム13と14及び15と16
は交差する「Ｘ」字を形成する。内側ピース12上に支持
されたミラー９は、第2b図中で示す「Ｘ」の中心Ａに配
置された回転軸A-Aの回りを回転できる。

前述のように、第１図及び第２図中に示すピボット回転
メカニズムでは、端部ピース10、11を支持しかつミラー
９を中央ピース12に支持する付加的なブラケット部材を
必要とし、回転軸A-Aは、常に端部ピース10、11の内部
に位置する。

第３図及び第４図は従来技術に使用する別形式の光学系
トラッキングミラー撓み回転支持装置を示す。第３図は
斜視図、第4a図は平面図、第4b図は端面図、第4c図は側
面図である。この形式の代表的な光学系トラッキングミ
ラー撓み回転支持装置は、支持構造28とミラー29との間
を接続する２対の撓みアーム20、21を含む。第３図及び
第４図では、撓みアーム20、21の対を強調して、支持構
造28とミラー29を点線で示す。一対の撓みアーム手段26
を第３図及び第４図に示す。これらの撓み回転支持装置
に使用する他方の対の撓みアームは一対の撓みアーム手
段26と全く同一のため、図示を省略する。一対の撓みア
ーム手段26は、２つの基部22及び23又は24及び25と、撓
みアーム20又は21とを含む同一の分離した構成を備えて
いる。２つの基部22及び25は、適当な間隔で離間し、機
械加工された支持構造28に対し適当な手段により取付け
られ、撓みアーム20、21の対の間に適当な角度が与えら
れる。ミラー29は、基部23及び24の２つの取付表面へ、
他の機械加工された支持片によって取付けられる。例え
ば、この目的のため、ねじを使用できる。ミラー29の表
面は、休止時には材料を取付ける支持構造28の表面と平
行である。ミラー29は、回転時に撓みアーム20、21が相
互に交差する第4b図の交点Ｂを介して通る回転軸B-Bの
回りを回転する。

第５図及び第６図は、本発明の一実施例による光学系ト
ラッキングミラー撓み回転支持装置を示す。第５図はエ
ッチング（etch）又は打ち抜き成形された所望のパター
ンをその内部に有するシート材料30の材料片の平面図を
示す。基部35、36、取付表面37及び撓みアーム31、34
は、可撓性材料の一体シート材料30から形成される。シ
ート材料30は、内部に形成した基部35、36、取付表面37
及び撓みアーム31、34の寸法、形状及び位置を決定する
パターンを有する。シート材料30の異なる部分又は区域
を強調する第５図及び第６図中の異なるクロスハッチン
グは、横断面図を意味しない。好ましくは、シート材料
30は、好適な金属又は合金で、例えば黄銅、Be-Cu（ベ
リリウム−銅合金）、ステンレス鋼又は同等の金属で形
成され、シート材料30は、剛性又は弾性等の所望の性質
を光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置に与える
適当な厚さである。

標準的なエッチング（etching）技術をシート材料30の
パターンエッチングに使用することができる。エッチン
グ技術では、シート材料30はレジスト（resist）と称す
る写真感光材料で覆われる。フイルム上に不透明なパタ
ーンを伴った透明プラスチックフイルムから成るマスク
をレジスト上に確実に配置する。使用するレジストのタ
イプによっては、反対の極性のマスク、例えば透明なパ
ターンを伴う不透明なプラスチックフイルムが必要とな
る。次に、材料、レジスト、マスクの組合せ体に適当な
波長の光を適正な時間だけ照射する。レジストで被覆し
た材料は、除去すべきパターンの区域上のレジストを除
去する化学溶剤中で現像される。次に、エッチング溶剤
を使用して露光した材料をエッチング除去（etchaway）
するが、レジストで被覆した材料は影響を受けない。

エッチング技法は低コストで非常に高い精度に加工でき
る点で有利である。第５図の例では、シート材料30の全
長さを1.02cm（0.4インチ）以下に形成できる。エッチ
ング技法を使用して、予め複数の所望のパターンを最初
に形成すれば、写真装置により製造されるマスクを減少
することができる。そのエッチング技術を使用すれば、
25μｍ（1/1000インチ）以下の誤差寸法にパターンを形
成できる。この高さの精度が要求されなければ、所望の
パターンが迅速かつ安価に選択的シート材料30の中へ打
ち抜き成形できる。

平坦なシート材料30内にエッチング成形又は打ち抜き成
形したパターンは、第５図のクロスハッチングで示す３
つの異なる区域：（１）複数の基部35、36、（２）４つ
の撓みアーム31〜34及び（３）取付表面37により構成さ
れる。複数の基部35、36は、例えば、第９図に示す基部
支持体45の上面によって形成される第一の平面上に互い
に間隔をあけて配置される。取付表面37は第一の表面か
ら一定距離離間した光学系トラッキングミラーを取り付
ける第二の平面上に配置される。複数の対の撓みアーム
31〜34は、基部35、36を取付表面37に結合する。撓みア
ーム31〜34は、第一の基部35から取付表面37まで延びる
第一の撓みアーム32、33と、第二の基部36から取付表面
37まで延びる第二の撓みアーム31、34とを備えている。

一度パターンをシート材料30に形成した後、基部35、36
が互いに相対的に移動できるように、２つの基部35、36
を平坦に保持し、基部35、36から取付表面37を引離す曲
げ工程を介して、シート材料30は光学系トラッキングミ
ラー撓み回転支持装置を形成する。この工程中、撓みア
ーム31〜34は基部35、36と取付表面37とを接合するなめ
らかな曲線で湾曲する。撓みアーム31〜34が基部35、36
及び取付表面37の縁部に連結する接合部で、撓みアーム
31〜34内に存在する鋭利な筋目又は折れ目がなく、撓み
アーム31〜34は基部35、36及び取付表面37から円滑に曲
げられる。第6c図に示すように、撓みアーム31〜34によ
って形成される湾曲曲線により、撓みアーム31〜34に折
り目又は折り畳み形状が形成されずにかつシート材料30
が撓みアーム31〜34の円滑な曲線に疲労し、脆弱化し、
損傷を受けかつ破壊することなく、光学系トラッキング
ミラー撓み回転支持装置が撓むことができる。

第6a図はシート材料30が光学系トラッキングミラー撓み
回転支持装置を形成した後の状態を示す。撓みアーム31
〜34は第6a図では平面上に配置されないので、長さが短
く表現され、基部35、36は相対的に接近するように動
き、基部35、36から離間するように動く取付表面37は基
部35、36の上方に配置される。

第6b図は取付表面37が基部35、36と平行でかつ撓みアー
ム31〜34により支持した状態を示す第6a図の光学系トラ
ッキングミラー撓み回転支持装置の側面図である。第6c
図は撓みアーム31、32及び33、34が交差するライン上の
交点（回転軸）Ｄを示す第6a図及び第6b図のメカニズム
の端面図である。回転軸Ｄは、基部35、36が配置される
第一の平面と、取付表面37が配置される第二の平面との
間にある線上に配置される。第6c図に示すように、光学
系トラッキングミラー撓み回転支持装置をその一端部か
ら見た場合に、回転軸（Ｄ）は、第一の撓みアーム32、
33及び第二の撓みアーム31、34が交差する交点Ｄを通過
する。

第７図は本発明の第２実施例の湾曲する光学系トラッキ
ングミラー撓み回転支持装置を示す。

第8c図に示す光学系トラッキングミラー撓み回転支持装
置の端面図は、シート材料30′にエッチング成形し異な
るパターンを示す。光学系トラッキングミラー撓み回転
支持装置の外側で、撓みアーム31′〜34′の延長上で交
差する交点Ｄ′は回転軸となる。交点（回転軸）Ｄ′
は、支持表面37′が配置される第二の平面の上方に位置
する線上に配置される。

前述のように、理想的な回転軸は回転すべき質量の重心
を通る。回転軸が重心からずれた場合、回転軸を一つの
方向へ移動するのに小さな力が必要とされる反面、不均
衡な質量であるが故に、回転軸を初期の位置に戻すには
大きな力が要求される。更に、基部に振動が与えられる
と、不均衡な質量のためミラーが回転する難点がある。
質量に対する移動力が不均等である場合のみならず、ミ
ラーの振動に対する感受性（susceptibility）により、
湾曲する光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置上
に取り付けられたミラーの回転に使用する制御システム
が過度に複雑化する問題がある。

第９図は第７図及び第８図に示す形式の光学系トラッキ
ングミラー撓み回転支持装置40をミラー回転装置に取り
付けた状態を示す断面図である。光学系トラッキングミ
ラー撓み回転支持装置40は基部支持体45上に取り付けら
れ、ミラー41は支持体42上に取り付けられる。ミラー41
を交点（回転軸）Ｆの周りを選択的に回転するミラー回
転装置を構成するコイル43が支持体42に取付けられる。
光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置40の取付表
面上に取り付けられる回転すべき全体の質量はミラー4
1、支持体42及びコイル43を含む。永久磁石48、49を固
定した鉄製の極片46、47は基部支持体45上に取り付けら
れる。

使用の際に、コイル43内の電流は永久磁石48、49の磁場
と相互作用する磁場を発生し、磁石48及び49は磁場の作
用を受け、その結果、一側で上方へ向かう力が発生し、
他側で下方へ向かう力が発生するから、ミラー41を回転
させるトルクがコイル43上に発生する。本発明では、基
部支持体45又は支持表面37、37′の一方を固定した場
合、基部支持体45又は支持表面37、37の他方を交点（回
転軸）Ｂ、Ｄ、Ｄ′、Ｆの周りで選択的にプラスマイナ
ス２〜３度回転できる。

第９図に示すように、第７図及び第８図に示す形式の光
学系トラッキングミラー撓み回転支持装置40では、光学
系トラッキングミラー撓み回転支持装置40の外側にピボ
ットポイント（pivot point）Ｆが配置される。しかし
ながら、永久磁石48、49を支持構造42上に取り付けかつ
コイル43を基部支持体45上に配置することが非常に有利
な場合もある。永久磁石48、49がコイル43より十分に大
きな質量を有する場合は、回転される質量の重心は第９
図のピボットポイントＦよりも下方に位置する。この場
合、光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置40の外
側に重心があれば、回転軸を重心と対応させて、第７図
及び第８図の光学系トラッキングミラー撓み回転支持装
置の寸法を容易に変えることができる。光学系トラッキ
ングミラー撓み回転支持装置40の内部に重心を配置すれ
ば、第５図及び第６図に示す形式のメカニズムを使用で
きる。このように、本発明は、所与の適用例に特有の要
件に合致させて光学系トラッキングミラー撓み回転支持
装置を好適に調節できる。

本発明では、光学系トラッキングミラー撓み回転支持装
置をその一端部から見た場合に、回転軸は、第一の撓み
アーム及び第二の撓みアーム又はその延長線が交差する
交点を通過するので、シート材料を金属材料で成形した
場合に外力として小さな回転力を加えて取付表面を回転
軸の周りに回転することができ、回転角度の微小回転制
御も可能である。この場合に、撓みアームには曲げ応力
が作用する。また、平面的なシート材料から形成される
基部と取付表面との立体構造により、取付表面にはそれ
より大きなミラーを取り付けることができる効果があ
る。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一の平面内に配置されかつ互いに間隔を
   あけて配置された複数の基部と、 第一の平面とは異なる第二の平面内に配置されかつ光学
   系トラッキングミラーを取り付ける取付表面と、 基部を取付表面に結合する複数の対の撓みアームとを備
   え、 撓みアームは、第一の基部から取付表面まで延びる第一
   の撓みアームと、第二の基部から取付表面まで延びる第
   二の撓みアームとを備え、 光学系トラッキングミラー撓み回転支持装置をその一端
   部から見た場合に、回転軸は、第一の撓みアーム及び第
   二の撓みアーム又はその延長線が交差する交点を通過
   し、 基部、取付表面及び撓みアームは、一体の可撓性のシー
   ト材料から形成され、 シート材料は、その内部に形成された基部、取付表面及
   び撓みアームの寸法、形状及び位置を決定するパターン
   を有し、 基部は、基部支持体に取り付けられ、 基部支持体又は光学系トラッキングミラーの一方を固定
   した場合、基部支持体又は光学系トラッキングミラーの
   他方を回転軸の周りで選択的にプラスマイナス２〜３度
   回転できることを特徴とする光学系トラッキングミラー
   撓み回転支持装置。
2. 【請求項２】基部及び取付表面の縁部に連結する撓みア
   ームの接合部において、撓みアームに鋭利な筋目又は折
   れ目がなく、撓みアームは基部及び取付表面から円滑に
   曲げられる請求の範囲第１項に記載の光学系トラッキン
   グミラー撓み回転支持装置。
3. 【請求項３】回転軸は第一の平面と第二の平面との間に
   ある線上に配置される請求の範囲第２項に記載の光学系
   トラッキングミラー撓み回転支持装置。
4. 【請求項４】回転軸は第二の平面の上方に位置する線上
   に配置される請求の範囲第２項に記載の光学系トラッキ
   ングミラー撓み回転支持装置。
5. 【請求項５】取付表面に取り付けられる光学系トラッキ
   ングミラーは、第一の平面に対して回転軸の周りで回転
   される請求の範囲第２項に記載の光学系トラッキングミ
   ラー撓み回転支持装置。
6. 【請求項６】ミラーが回転軸の周りを選択的に回転する
   装置を備えた請求の範囲第５項に記載の光学系トラッキ
   ングミラー撓み回転支持装置。
7. 【請求項７】シート材料は黄銅、Be-Cu（ベリリウム−
   銅合金）、ステンレス鋼から選択された金属材料により
   形成される第５項に記載の光学系トラッキングミラー撓
   み回転支持装置。