JP2007025374A

JP2007025374A - 反射鏡支持調整機構

Info

Publication number: JP2007025374A
Application number: JP2005208927A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kihara; 昌彦木原; Noboru Kawaguchi; 昇川口; Masatake Tabata; 真毅田畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】光軸方向への１軸並進／２軸傾動の低ヒステリシスで正確な位置調整を可能とする、反射鏡支持調整機構を提供することを目的とする。
【解決手段】矩形反射鏡６の鏡フレーム部は、トップ鏡フレーム７１、サイド鏡フレーム７２、ボトム鏡フレーム７３、リア鏡フレーム７４から構成される。ベース部は、第１ベース１１、第２ベース１２、第３ベース１３、トップベース１４、第５ベース１５、ボトムベース１６から構成される。ベース部には、高精度なアクチュエータ２が、その駆動軸と光学系の光軸方向Ｚとが平行になるように、上側に１箇所、下側に２箇所取り付けられている。更に、鉛直板バネ３、水平板バネ４、先端板バネ５を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ核融合装置等に用いられ、反射鏡と、反射鏡を保持するフレームから成る光学系を位置決め調整する、反射鏡支持調整機構に関するものである。

通常、光学系は、入射ビームを所望の位置に指向させ、ビーム長を補正するために光学系を傾動及び並進させて、出射ビームの位置を補正する。近年、ビームを伝達する指向精度や波面精度等の光学性能を高精度に確保するために、駆動支持調整性能の高精度化が求められている。

特に、レーザ核融合装置においては、レーザビームを伝達する反射鏡と、その反射鏡を保持するフレームとから構成される光学系の、精密な位置決め調整が可能な光学系支持調整機構が必要である。より具体的には、光軸方向と重力方向が直交する縦置型の光学系に対して、反射鏡の波面精度に有害な変形を与えることなく、光軸方向への１軸並進／２軸傾動（３軸駆動）の正確な位置調整が要求される。

従来方式としては、光学系に必要な回転及び並進を与えるために、ピボット、ベアリング及びガイド等の摺動部品を組み合わせたジンバル構造を有する、反射光学系の支持調整装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
また、高精度なビーム伝達性能が必要な場面においては、弾性バネガイドを用いたステージを備えた、トラッキング用回動ミラー装置、光学系支持装置の製造方法、支持装置等（例えば、特許文献２〜４参照）が提供されている。

特開２００１−４３２３号公報特開平５−４０９５１号公報特開平５−２７３４５１号公報特開平７−３７７７１号公報

従来の反射鏡支持調整機構は、以上のように構成されていたので、特許文献１に記載のジンバル構造を有する反射光学系の支持調整装置の場合、反射鏡駆動時には、これら摺動部品のガタツキや摩擦、磨耗に起因するスティックスリップ等が発生し、高精度な駆動を実現することができないという課題があった。
また、特許文献２〜４に記載の弾性バネガイドを用いたステージの場合、摺動部品を有しないため、ガタツキや摩擦、磨耗の影響を受けず高精度な動作が可能である。しかし、特許文献２に記載のトラッキング用回動ミラー装置や、特許文献３に記載の光学系支持装置の製造方法では、駆動軸数が所用の１軸並進／２軸傾動の３軸駆動に満たないという課題があった。
更に、特許文献４に記載の支持装置でも、光軸方向と重力方向が直交する縦置き型の光学系に用いた場合には、力アクチュエータの駆動軸先端に取り付けられた弾性駆動支持部材に対して重力が作用し撓みが発生する。従って、重量の大きい大型光学系に同支持装置を適用する場合、弾性駆動支持部材が塑性変形したり、固有振動数が比較的低くなるために、外乱等により光学系が振動するという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、光軸方向と重力方向とが直交する縦置型の光学系において、その波面精度に有害な変形を与えることなく、光軸方向への１軸並進／２軸傾動の低ヒステリシスで正確な位置調整を可能とする、反射鏡支持調整機構を提供することを目的とする。

この発明に係る反射鏡支持調整機構は、鏡面の法線と重力方向が直交する縦置き型の反射鏡と、前記反射鏡を保持する鏡フレーム部と、ベース部に設置され、前記鏡フレーム部を前記鏡面の法線方向に１軸並進させ、前記法線と直交する２軸周りに傾動させるアクチュエータと、対向する薄板の投影断面が十字となる形状を有し、前記ベース部と前記鏡フレーム部との間に配設された弾性支持部材とを備えている。

この発明によれば、光学系支持部に弾性支持部材を採用することにより、一切ベアリング等の摺動部品を使用しないため、摺動部品特有のスティックスリップが発生せず、弾性支持部材の弾性変形による正確な光学系駆動を実現することができる。
また、弾性支持部材は、応力を受けた後に開放されると元の位置に復帰して低ヒステリシスである。最小数の弾性支持部材で、光学系を支持すると共に光学系の６つの自由度全てを拘束するため、機械的ヒステリシスが減少し、機械的に安定な光学系駆動を実現することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る反射鏡支持調整機構の概略構成の一例を示す斜視図であり、図１（ａ）は鏡面側、図１（ｂ）は固定部側を示す。また、図２は、図１の反射鏡支持調整機構の六面図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＡＡ断面正面図、図２（ｃ）は側面図、図２（ｄ）は下面図、図２（ｅ）は背面図を示す。便宜上、水平方向をＸ、鉛直方向をＹ、光軸方向をＺとし、Ｘ、Ｙ、Ｚ空間を３次元直交座標系とする。

図１、２において、鏡フレーム部は、トップ鏡フレーム７１、サイド鏡フレーム７２、ボトム鏡フレーム７３、リア鏡フレーム７４から構成される。鏡フレーム部は、剛性の低いテフロン（登録商標）を介して矩形反射鏡６を保持している。従って、各鏡フレーム７１〜７４の支持反力や、熱による変形が、矩形反射鏡６に伝播し難くなるように光学系を構成している。

ベース部は、第１ベース１１、第２ベース１２、第３ベース１３、トップベース１４、第５ベース１５、ボトムベース１６から構成される。ベース部には、高精度なアクチュエータ２が、その駆動軸と光学系の光軸方向Ｚとが平行になるように、上側（＋Ｙ方向）に１箇所、下側（−Ｙ方向）に２箇所取り付けられている。アクチュエータ２は、ステッピングモータ、波動歯車及び、高精度低リードのボールネジ等から構成され、数十ｎｍの理論分解能を有する。

本反射鏡支持調整機構は、３種類の弾性支持部材（鉛直板バネ３、水平板バネ４、先端板バネ５）を備えている。
先ず、鉛直板バネ３について説明する。図３は、図１、２中の鉛直板バネ３を示す斜視図である。図３において、薄板８９は弾性を有し、板厚と板幅が全ての部分で均一である。２枚の薄板８９のそれぞれの一端を、４個のブロック８１で挟み込み、２枚の薄板８９の対向する投影断面が相互に十字に交差するように連結する。薄板８９の一端とブロック８１とは、スプリングピン８７を用いて位置決めされる。スプリングピン８７は、ブロック８１に対する薄板８９のＸ／Ｙ／Ｚ方向の位置傾き精度を出し、鉛直板バネ３全体の寸法のばらつきを抑制する。また、４個のブロック８１をボルト８８にて最終的に連結することにより、ブロック８１と薄板８９とを締結して一体とする。

以上のように、均一な寸法の薄板８９を複数枚用いて、それぞれを十字に組み合わせて締結することにより、薄板８９の板厚及び板幅方向の剛性を低減化すると共に、長手軸方向の剛性を高くして同方向への荷重を十分に負荷できるようにしている。また、各々の薄板８９長手方向の長さを長くし、鉛直板バネ３の高い縦横比を確保することで、長手軸周りのねじり剛性を低減させている。その結果、鉛直板バネ３は、長手軸方向の１自由度のみ高剛性となる。

鉛直板バネ３は、光学系周りの鉛直方向Ｙに、その長手方向を有するように配設され、一端が光学系のサイド鏡フレーム７２に連結され、他端が第３ベース１３に連結される。詳細には、一端を直接、ブロック９０とボルト８８を用いてサイド鏡フレーム７２に連結する。また、他端をブロック８３とボルト８８を用いて締結した後、ブロック８３をボルト８８で第３ベース１３に連結する。

鉛直板バネ３は、光学系の左右に計２箇所取り付けられている。左右の鉛直板バネ３で光学系にかかる重力を負荷しながら、光学系のＹ／θＺ変位を拘束する。その際、鉛直板バネ３に矩形反射鏡６と鏡フレーム部の重量を負荷することにより、薄板８９の張力が鉛直板バネ３に常時作用するように構成されているため、座屈しない安定した光学系支持を実現することができる。即ち、鉛直板バネ３の張力と矩形反射鏡６及び鏡フレーム部の重量とが釣り合う。

次に、水平板バネ４について説明する。図４は、図１、２中の水平板バネ４の斜視図である。図４において、２枚の薄板８９のそれぞれの一端を、ブロック８５とブロック８４とで挟み込み、２枚の薄板８９の対向する投影断面が相互に十字に交差するように連結する。薄板８９の一端とブロック８５とブロック８４とは、スプリングピン８７を用いて位置決めされる。スプリングピン８７の役割は鉛直板バネ３で説明した通りである。そして、ブロック８５とブロック８４とをボルト８８にて連結することにより、ブロック８１と薄板８９とを締結して一体とする。
また、ブロック８６の一端とブロック８４とで、薄板８９の一端を挟持する。薄板８９の一端とブロック８４とブロック８６とは、スプリングピン８７で位置決めされる。そして、ブロック８４とブロック８６とをボルト８８を用いて連結することにより、薄板８９の一端をブロック８４とブロック８６とで締結して一体とする。水平板バネ４は、ブロック８６を中心として左右対称構造を有する。

水平板バネ４は、光学系周りの水平方向Ｘに、その長手方向を有するように配設され、両端が光学系のトップ鏡フレーム７１に連結され、中央のブロック８６がトップベース１４に連結される。詳細には、水平板バネ４の両端それぞれを、２個のブロック９１とボルト８８を用いて締結した後、ブロック９１をボルト８８でトップ鏡フレーム７１に連結する。ブロック８６は、ボルト８８を用いてトップベース１４に連結する。水平板バネ４は、光学系の上下に計２箇所取り付けられ、光学系のＸ変位を拘束する。

次に、先端板バネ５について説明する。図５は、図２中の先端板バネ５の斜視図である。先端板バネ５については、長手方向の長さが短いため、鉛直板バネ３や水平板バネ４のような締結をするスペースが無く、ブロックによる連結方法は採用できない。従って、バネ鋼からの削りだし一体成形としている。先端板バネ５は、鉛直板バネ３や水平板バネ４と比較して、部品点数が少なく組立性が良いという利点を備えている。先端板バネ５の基本構造は、鉛直板バネ３や水平板バネ４と同じであり、両端のベース部分（取り付け部分）の間に、対向する投影断面が十字に交差する薄板形状を備えている。

先端板バネ５は、アクチュエータ２の駆動軸先端に、アクチュエータ２の駆動軸方向（光軸方向Ｚ）に長手方向を有するように配設され、一端が光学系のリア鏡フレーム７４に連結され、他端がアクチュエータ２の駆動軸先端に連結されている。先端板バネ５は、３つのアクチュエータ２にそれぞれ取り付けられ、光学系の光軸方向Ｚへの並進変位δＺ、及び光学系の２軸傾動変位θＸ／θＹを拘束する。

以上により、長手軸方向のみ高剛性である鉛直板バネ３と水平板バネ４、先端板バネ５から成る弾性支持部材により、光学系の６つの自由度全てを拘束するが、各々の弾性支持部材が光学系の異なる自由度を制約するため、光学系は過度には拘束されず、有害な変形を発生させずに支持することが可能となる。
なお、鉛直板バネ３、水平板バネ４、先端板バネ５において、それぞれが有する薄板及びブロックの数については、任意に設定することができる。

３つのアクチュエータ２は、それぞれ直動メカニズムを有しており、光学系の３点に独立に光軸方向の並進変位を与える。光学系の３点に対して、同じ並進変位量を与えることによって、光軸方向の並進変位を与える。また、異なる並進変位量を与えることによって、光軸に直交する２軸（光学系、例えば鏡面内の２軸）周りに回転駆動（傾動）することができる。

次に、動作について説明する。例えば、光学系の天側（＋Ｙ）に配設されたアクチュエータ２を＋Ｚ方向に駆動させ、光学系の地側（−Ｙ）に配設された２本のアクチュエータ２を−Ｚ方向に駆動させることにより、光学系のＸ軸周りの傾動駆動を実現させる。この時、リア鏡フレーム７４上のアクチュエータ２の押点は、アクチュエータ２の駆動軸に対してＹ軸方向に並進変位するが、アクチュエータ２とリア鏡フレーム７４との連結部に先端板バネ５を用いることにより、アクチュエータ２のラジアル方向の支持反力を発生させることなく、光学系を支持することが可能となる。

また、光学系の地側の左右に配設された２本のアクチュエータ２を各々Ｚ軸に沿って逆方向（＋Ｚ、−Ｚ方向）に駆動させることにより、光学系のＹ軸周りの傾動駆動を実現させる。この時、リア鏡フレーム７４上のアクチュエータ２押点は、アクチュエータ２の駆動軸に対してＸ軸方向に並進変位するが、アクチュエータ２とリア鏡フレーム７４との連結部に先端板バネ５を用いることにより、アクチュエータ２のラジアル方向の支持反力を発生させることなく、光学系を支持することが可能となる。上記の２種類の傾動駆動が、２軸傾動（ティルト駆動）である。

更に、３本のアクチュエータ２をＺ軸方向に同量の駆動をさせることにより、光学系のＺ軸方向並進駆動を実現させる。これが、１軸並進（フォーカス駆動）である。

以上のように、この実施の形態１によれば、光学系支持部に弾性支持部材（鉛直板バネ３、水平板バネ４、先端板バネ５）を採用することにより、一切ベアリング等の摺動部品を使用しないため、摺動部品特有のスティックスリップが発生せず、弾性支持部材の弾性変形による正確な光学系駆動を実現することができる。
また、弾性支持部材は、応力を受けた後に開放されると元の位置に復帰して低ヒステリシスである。最小数の弾性支持部材で、光学系を支持すると共に光学系の６つの自由度全てを拘束するため、機械的ヒステリシスが減少し、機械的に安定な光学系駆動を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る反射鏡支持調整機構の概略構成の一例を示す斜視図であり、図１（ａ）は鏡面側、図１（ｂ）は固定部側を示す。図１の反射鏡支持調整機構の六面図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）はＡＡ断面正面図、図２（ｃ）は側面図、図２（ｄ）は下面図、図２（ｅ）は背面図を示す。図１、２中の鉛直板バネ３を示す斜視図である。図１、２中の水平板バネ４を示す斜視図である。図２中の先端板バネ５を示す斜視図である。

符号の説明

２アクチュエータ、３鉛直板バネ、４水平板バネ、５先端板バネ、６矩形反射鏡、１１第１ベース、１２第２ベース、１３第３ベース、１４トップベース、１５第４ベース、１６ボトムベース、７１トップ鏡フレーム、７２サイド鏡フレーム、７３ボトム鏡フレーム、７４リア鏡フレーム、８１ブロック、８２ブロック、８３ブロック、８４ブロック、８５ブロック、８６ブロック、８７スプリングピン、８８ボルト、８９薄板、９０ブロック、９１ブロック。

Claims

鏡面の法線と重力方向が直交する縦置き型の反射鏡と、
前記反射鏡を保持する鏡フレーム部と、
ベース部に設置され、前記鏡フレーム部を前記鏡面の法線方向に１軸並進させ、前記法線と直交する２軸周りに傾動させるアクチュエータと、
対向する薄板の投影断面が十字となる形状を有し、前記ベース部と前記鏡フレーム部との間に配設された弾性支持部材とを備えた反射鏡支持調整機構。
前記弾性支持部材が、鉛直方向または水平方向に長手方向を有するように配設され、一端は前記ベース部に連結され、他端は前記鏡フレーム部に連結されたことを特徴とする請求項１記載の鏡支持調整機構。
前記弾性支持部材が、鉛直方向に長手方向を有するように配設され、一端を前記ベース部に連結されて他端を前記鏡フレーム部に連結され、前記反射鏡及び前記鏡フレーム部の重量に釣り合う張力を有することを特徴とする請求項２記載の反射鏡支持調整機構。
前記弾性支持部材が、前記アクチュエータの駆動軸方向に長さ方向を有するように配設され、前記弾性支持部材の一端は前記アクチュエータの前記駆動軸先端に連結され、他端は前記鏡フレーム部に連結されたことを特徴とする請求項１記載の反射鏡支持調整機構。
前記弾性支持部材が一体成形品であることを特徴とする請求項４記載の反射鏡支持調整機構。