JP2749411B2 - 光学構成体を歪みなく取付けるための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この出願は、1988年３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07/170,525（代理人の整理
番号:PD-87418）、Nazeer Ahmed、Roger R.Tomlinson共
願の「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装置
に関する。詳細には、この発明は鏡を、温度変化の影響
を受け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。

2.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。鏡が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け易くし、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。

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、取付け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たは円錐ころを使用
する。このようなベアリングは、荷重によって摩擦が生
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装置によって、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
ングによって２点以上で取付けられる。リニア・ベアリ
ングは、「Ｙ」字状の第１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ローラマイ
ト群からなる。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
・ベアリング軸はローラマイト群のローラーを、「Ｙ」
字状の第１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度以上が各ローラマイト機構の一部を
形成する金属バンドに接触する環状のローラーで取り囲
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
力は取付け位置のリニア・ベアリングによる鏡と取付け
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、一構造体を
他の構造体の上に歪みなく取付けることである。

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
純な構造のリニア・ベアリング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
みを排除するように、鏡の取付けを可能にすることであ
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
ザーの取付け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１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２図は、第１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３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、取付け円を描く他の方法を示す。

第４図は、この発明による「Ｙ」字状の第１フレーム
の上部アームの開口部内を移動する一対のローラマイト
機構の側面図である。

第５図は、「Ｙ」字状の第１フレームの反対側のアー
ムの中に、ローラマイト機構がどのように配置されるか
を説明する、この発明の「Ｙ」字状の第１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
「Ｙ」字状の第１フレームの関係を示す。

好適な実施態様の説明 第１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、ベース台13上の予め定められた点に、鏡11を
支持する３つのリニア・ベアリング10a,10b,10c、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、取付け円の半径の延長線、12,14,16で表記される３
本の軸に沿った、鏡11と台13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「Ｙ」字
状の第１フレーム18及び第２フレーム19を有し、それぞ
れ台13及び鏡11に固定される。

第１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、例えばベアリングまたはアルミ
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、この発明のリニア・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を有する取付け円の円周Ａ上の点で示される取
付け点X,Y,Zを有する鏡Ｍの取付け円の線図が第２図に
示される。図から理解されるように、このような取付け
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以上の取付け円を使用する場合、一つの円上に１
以上の取付け点、例えばZZが設けられ、一方、他の取付
け点は１以上の他の取付け円上に設けられる。３以上の
取付け点、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け円の円周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
備える他の実施態様が第３図に示される。

第３図に示される取付けでは、２以上の取付け点、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
付け円の円周上に配置される。

第４図には、この発明のリニア・ベアリング10の
「Ｙ」字状の第１フレーム18の部分側面が示される。２
つの円筒ローラー20a,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として模式的に示される。

ローラー・ベアリング30は、ローラー30を第２フレー
ム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、技術分野ではローラマイト機構と
して知られている。このような機構に於て、フレキシブ
ル・バンドによって分けられた２つの円筒ローラーは、
これらの円筒ローラーの直径の合計よりも狭い間隔で配
置された二つの平行平面の間の空間内を移動する。バン
ドの張力は２つの円筒ローラーを一体的に抑えて、円筒
ローラーのすべりを防止するため、円筒ローラーは僅か
なころがり摩擦を伴なうだけで移動する。フレキシブル
・バンドは、２つの円筒ローラーを分けるほか、これら
の円筒ローラーを高度に整列した状態に維持する。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、
円筒ローラーは、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。

このようなローラマイト機構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
0,000psi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、ローラマイト
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ローラマイト機構は、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ローラマイト機構は、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。

ローラーが幅広いことは、このような機構に、ある一
本の軸を除くあらゆる軸に沿った並進運動に対して、ま
た、あらゆる軸周りの回転運動に対して、大きな抵抗を
与える。

この発明のリニア・ベアリングの「Ｙ」字状の第１フ
レームの分解図が第５図に示される。第５図に於て、第
１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。「Ｙ」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第１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により第１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、圧縮ばね部材、例えば皿ばねワッシャー56a,56b,56
c,56dに対抗して、引張スクリュー54a,54b,54c,54d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30
a,30bの中央開口部には軸65,65bが挿入され、各ローラ
ー群を、アーム50a,50bの間の領域に納まる第２フレー
ム19に結合する。第２フレーム19は、「Ｙ」字状の第１
フレーム18に対する移動と共に、ローラー群を運ぶ。円
筒ローラー20及び30は、フレキシブル・バンド40の
「Ｓ」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、ただ一組のロー
ラマイトローラーが使用される。

「Ｙ」字状の第１フレーム18の上部アーム50a,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
向する二対のローラマイト機構は、「Ｙ」字状の第１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,4
0bの張力によって、４組の固形円筒ローラー20a,20b,20
c,20dと環状円筒ローラー・ベアリング30a,30b,30c,30d
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30a,30b,30c,30dは、第２フレームに取付けられ
るゼロ・クリアランス軸65a,65b,65c,56d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。「Ｙ」字状の第１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、第１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80a,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、「Ｙ」字状の第１フレーム18の直交するアーム
内を平行に移動する２組の対向するローラマイト機構を
備える。４つのローラマイト機構の各々の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
付け軸が通される。環状円筒は、第１フレーム18に乗る
第２フレーム19に回転のための軸受けがなされる。ロー
ラマイト群は第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、「Ｙ」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
鏡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インチの取付け円の円周上に配置される。この発明の
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
け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。鏡の取付け体は、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、熱膨張差を容易に吸収
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、各々のローラ
マイト機構に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ローラマイト群を使用しても
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「Ｙ」字状の第１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
よい。この発明は、種々の装置の歪みのない取付けを提
供する。種々の装置としては、限定するわけではない
が、レーザー、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−53806（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−90607（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−47274（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の機械装置と第２の機械装置との間に
   ２方向の直線移動を提供するリニア・ベアリングであ
   り、第１の機械装置（13）に取り付けられる第１フレー
   ム（18）と、第２の機械装置（11）に取り付けられる第
   ２フレーム（19）とを有しており、 第１フレーム（18）は、第１の機械装置（13）に固定さ
   れる下方部を備えたベースと、ベースの上部から上方に
   延出した第１及び第２のアーム（50a,50b）とを有し、
   アーム（50a,50b）の各々は第１の複数の円筒ローラー
   （20）とフレキシブルバンド（40）を収容する少なくと
   も１つの開口部（44a,44b）を有し、フレキシブルバン
   ド（40）の各端はフレキシブルバンド（40）の張力を調
   整する引張手段（46;54）に固定され、引張手段（46;5
   4）はアーム（50a,50b）に取り付けられていて、 第２フレーム（19）は、少なくとも一部が前記アーム
   （50a,50b）の間に配置される断面形状で、回転可能に
   軸着された第２の複数の円筒ローラー（30）を有し、第
   ２の複数の円筒ローラーの個数は第１のローラー（20）
   の個数に一致し、第２の複数のローラー（30）の各々は
   その外側円筒面がこれと対となる第１のローラー（20）
   の外側円筒面に近接するように第２フレーム（19）に設
   けられ、前記フレキシブルバンド（40）は第１及び第２
   の各ローラー（20,30）の間を通るとともに第１及び第
   ２のローラー（20,30）の一部を取り巻いて複数のＳ字
   状部分を形作っており、Ｓ字状部分の各々は第１及び第
   ２のローラー（20,30）の対に対応し、第１及び第２の
   ローラー（20,30）の対の一方は前記フレキシブルバン
   ド（40）の張力によって他方に付勢されていて、前記機
   械装置（11,13）の一方の直線移動による第１及び第２
   のローラー（20,30）の対の一方の回転は第１及び第２
   のローラー（20,30）の対の他方に伝達される、第１の
   機械装置と第２の機械装置との間に２方向の直線移動を
   提供するリニア・ベアリング。
2. 【請求項２】前記フレキシブルバンド（40）の各々はそ
   の中央部が前記第１フレーム（18）に固定されており、
   前記フレキシブルバンドの一端の引張手段を調整するこ
   とで、フレキシブルバンド（40）の引張手段と中央部の
   間の部分の張力を調整する請求項１に記載のリニア・ベ
   アリング。
3. 【請求項３】第１、第２、第３、第４のローラマイトロ
   ーラー（20,30）の対と、ローラマイトローラー（20,3
   0）の対を支持する略Ｙ字状断面形状の第１フレーム手
   段（18）であって、第１フレーム手段（18）は、第１の
   機械装置（13）に固定される下方部を備えたベースと、
   互いに約90°の角度を成してベースの上面から外側に延
   出した第１及び第２のアーム（50a,50b）とを有し、ア
   ーム（50a,50b）の各々は開口部（44a,44b）を有し、第
   １及び第２のローラマイトローラー（20a,30a:20b,30
   b）の対は第１アーム（50a）の開口部（44a）内に配置
   され、第３及び第４のローラマイトローラー（20c,30c:
   20d,30d）の対は第２アーム（50b）の開口部（44b）内
   に配置される、略Ｙ字状断面形状の第１フレーム手段
   （18）と、 第１及び第２のローラマイトローラー（20a,30a:20b,30
   b）の対の各々の近接した回転可能な部材の間に配置さ
   れるとともに、これらのローラー（20a,30a:20b,30b）
   を部分的に取り巻く略Ｓ字状部分を有する第１のフレキ
   シブルバンド手段（40a）であって、第１のフレキシブ
   ルバンド手段（40a）は、第１アーム内に移動可能に配
   置されるよう、張力を与えた状態で第１アーム内に固定
   されている第１のフレキシブルバンド手段（40a）と、 第３及び第４のローラマイトローラー（20c,30c:20d,30
   d）の対の各々の近接した回転可能な部材の間に配置さ
   れるとともに、これらのローラー（20c,30c:20d,30d）
   を部分的に取り巻く略Ｓ字状部分を有する第２のフレキ
   シブルバンド手段（40b）であって、第２のフレキシブ
   ルバンド手段（40b）は、第２アーム内に移動可能に配
   置されるよう、張力を与えた状態で第２アーム内に固定
   されている第２のフレキシブルバンド手段（40b）と、 少なくとも一部が前記アーム（50a,50b）の間の空間内
   に配置される略テーパー状断面形状の第２フレーム手段
   （19）であって、第２フレーム手段（19）は、ローラマ
   イトローラー（20,30）の４対の各々の一方の回転可能
   に軸着されたローラー（30）を有していて、第２の機械
   装置（11）に取り付けられており、第２の機械装置（1
   1）はローラマイトローラー（20,30）の回転運動によっ
   て第１の機械装置（13）に対して直接移動する、略テー
   パー状断面形状の第２フレーム手段（19）とを備えてい
   るリニア・ベアリング。
4. 【請求項４】前記第１の機械装置（13）は光学台であ
   り、前記第２の機械装置（11）は鏡である請求項３に記
   載のリニア・ベアリング。
5. 【請求項５】第１の機械装置と第２の機械装置との間に
   ２方向の直線移動を提供するリニア・ベアリングであ
   り、第１の機械装置（13）に取り付けられる第１フレー
   ム（18）と、第２の機械装置（11）に取り付けられる第
   ２フレームとを有しており、 第１フレーム（18）は、第１の機械装置（13）に固定さ
   れる下方部を備えたベースと、ベースの上部から上方に
   延出した第１及び第２のアーム（50a,50b）とを有し、
   アーム（50a,50b）の各々は第１の円筒ローラー（20）
   とフレキシブルバンド（40）を収容する開口部（44a,44
   b）を有し、フレキシブルバンド（40）の少なくとも一
   端はフレキシブルバンド（40）の張力を調整する引張手
   段（46;54）に固定され、引張手段（46;54）はアーム
   （50a,50b）に取り付けられていて、 第２フレーム（19）は、少なくとも一部が前記アーム
   （50a,50b）の間に配置される断面形状で、回転可能に
   軸着された第２の円筒ローラー（30）を有し、第２のロ
   ーラー（30）はその外側円筒面がこれと対となる第１の
   ローラー（20）の外側円筒面に近接するように第２フレ
   ーム（19）に設けられ、前記フレキシブルバンド（40）
   は第１及び第２の各ローラー（20,30）の間を通るとと
   もに第１及び第２のローラー（20,30）の一部を取り巻
   いてＳ字状部分を形作っており、Ｓ字状部分は第１及び
   第２のローラー（20,30）の対に対応し、第１及び第２
   のローラー（20,30）の対の一方は前記フレキシブルバ
   ンド（40）の張力によって他方に付勢されていて、前記
   機械装置（11,13）の一方の直線移動による第１及び第
   ２のローラー（20,30）の対の一方の回転は第１及び第
   ２のローラー（20,30）の対の他方に伝達される、第１
   の機械装置と第２の機械装置との間に２方向の直線移動
   を提供するリニア・ベアリング。
6. 【請求項６】前記第１フレームは略Ｙ字状断面形状をし
   ている請求項５に記載のリニア・ベアリング。