JP2012133000A

JP2012133000A - ミラーホルダー

Info

Publication number: JP2012133000A
Application number: JP2010283205A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Fujii; 秀紀藤井; Takeshi Hasegawa; 剛長谷川; Takanari Ogawa; 隆也小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: JP5574941B2

Abstract

【課題】安価で、消費電力が少なく、ミラーの角度を高精度に調整でき、装置構成の小型化が可能なミラーホルダーを提供することを課題とする。
【解決手段】実施形態に係るミラーホルダーは、ミラーを固設した可動部材と、この可動部材を移動可能に取り付けた固定部材と、この固定部材と可動部材との間にそれぞれ取り付けられた複数の駆動部材と、を有する。複数の駆動部材は、それぞれの取り付け位置で、熱膨張または熱収縮して、可動部材を固定部材に対して移動させ、ミラーの角度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えば、レーザー光を反射するミラーの角度を調整可能なミラーホルダーに関する。

従来、ミラーホルダーとして、例えば、レーザー光を反射するためのミラーの角度を所望する角度に調整可能なミラーホルダーが知られている。この種のミラーホルダーは、一般に、ミラーを取り付けた可動部材、この可動部材を移動可能に保持した固定部材、およびこの固定部材と可動部材との間に介在された複数の駆動部材を有する。

複数の駆動部材として、例えば、調整ねじやピエゾアクチュエーターが用いられる。

特開２００７−１７１７０３号公報

駆動部材として、調整ねじを用いる場合、調整ねじのねじ込み量に応じて可動部材の移動距離が変わるため、ミラーの角度調整の分解能が低い。つまり、この場合の角度調整の分解能は、調整ねじのピッチに依存する。

一方、ピエゾアクチュエーターを用いる場合、ミラーの角度調整の分解能を高めることができる反面、装置構成が大型化する。つまり、ピエゾアクチュエーター自体がミラーホルダー全体と比較して大きく、比較的高電圧の電源装置を必要とする。また、ピエゾアクチュエーターは、調整ねじと比べて高価である。

よって、安価で、消費電力が少なく、ミラーの角度を高精度に調整でき、装置構成の小型化が可能なミラーホルダーの開発が望まれている。

実施形態に係るミラーホルダーは、ミラーを固設した可動部材と、この可動部材を移動可能に取り付けた固定部材と、この固定部材と可動部材との間にそれぞれ取り付けられた複数の駆動部材と、を有する。これら複数の駆動部材は、それぞれの取り付け位置で、それ自体が熱膨張または熱収縮する。これにより、可動部材を固定部材に対して移動させることができ、ミラーの角度を調整できる。

図１は、第１の実施形態に係るミラーホルダーを示す概略図である。図２は、図１のミラーホルダーの要部を部分的に拡大して示す部分拡大図である。図３は、図１のミラーホルダーの駆動系を示すブロック図である。図４は、第２の実施形態に係るミラーホルダーの要部を部分的に拡大して示す部分拡大図である。図５は、図４に要部を示したミラーホルダーの駆動系を示すブロック図である。図６は、第３の実施形態に係るミラーホルダーの要部を部分的に拡大して示す部分拡大図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１には、第１の実施形態に係るミラーホルダー１０の概略図を示してある。このミラーホルダー１０は、作業台１などの固定系に複数本のボルト２で固定されたブロック状の固定部材３を有する。固定部材３は、作業台１に固定する脚部３ａ、および脚部３ａから鉛直上方に立設された立上げ部３ｂを有する。

立上げ部３ｂの鉛直方向に延びた前面３ｃには、略矩形ブロック状の可動部材４が取り付けられている。この可動部材４は、その前面４ｃ側に、ミラー５を固設している。すなわち、可動部材４は、その裏面４ａが固定部材３の前面３ｃに対して可変のギャップＧを介して対向するよう取り付けられている。

そして、固定部材３と可動部材４との間には、熱ひずみを利用して可動部材４を動かす複数個の駆動部材６が挿入配置されている。本実施形態の駆動部材６は、熱膨張および熱収縮し易い線膨張係数の比較的大きい例えば金属製の球体によって形成されている。この球体６を取り付けるため、固定部材３の前面３ａおよび可動部材４の裏面４ａには、それぞれ互いに対向する位置関係で、断面Ｖ字の例えば円錐形の受け部３ｄ、４ｂが設けられている。

本実施形態では、固定部材３と可動部材４の対向面内で互いに離間した３箇所に、それぞれ受け部３ｄ、４ｂを形成して、３つの球体６を配置した。これにより、ミラー５の角度を所望する角度に調整可能にしている。しかし、これらの受け部３ｄ、４ｂ、および球体６は、少なくとも２組あれば良い。

なお、これら断面Ｖ字の受け部３ｄ、４ｂと球体６の組み合わせは、両者の間の接触面積を少なくする。このため、固定部材３と球体６との間、および可動部材４と球体６との間の熱伝導はし難くなる。特に、本実施形態の固定部材３および可動部材４は、熱伝導がし難い材料、例えば線膨張係数の比較的小さいインバーなどの材料で形成されているため、後述するように球体６が熱膨張や熱収縮する際に熱が伝達されても、固定部材３および可動部材４が熱膨張或いは熱収縮することは殆どない。

可動部材４は、複数本の引っ張りばね７を介して、固定部材３に取り付けられている。つまり、固定部材３の各受け部３ｄと可動部材４の各受け部４ｂとの間に球体６を挟んだ状態で、複数本の引っ張りばね７を用いて可動部材４と固定部材３を連結している。これにより、可動部材４が固定部材３に対して離接可能（移動可能）に保持されるとともに、球体６の脱落、および可動部材４の脱落が防止される。

図２には、図１のミラーホルダー１０の要部の構成として、１つの球体６を部分的に拡大した部分拡大図を示してある。また、図３には、本実施形態のミラーホルダー１０の動作を制御する制御系のブロック図を示してある。ここでは、１つの球体６について代表して説明するが、他の球体６も同様に機能することは言うまでも無い。

球体６には、電源１１から引き出されたリード線８ａ、８ｂが接続されている。そして、制御部１２の制御によって、電源１１から球体６に電流が流されて、球体６が加熱されるようになっている。つまり、球体６に通電すると、球体６が加熱されて熱膨張し、通電を止めると、球体６が冷却されて熱収縮する。本実施形態では、球体６および電源１１が、ヒーターとして機能するが、球体の表面に通電により加熱されるヒーターを貼り付けても良い。

球体６の表面には、温度センサーとして、熱電対１３が貼り付けられている。熱電対１３は、リード線９ａ、９ｂを介して、制御部１２に接続されている。つまり、球体６の表面温度が、熱電対１３を介して制御部１２で検出されるようになっている。

しかして、制御部１２は、電源１１を制御して、球体６に通電し、或いは通電を止め、球体６を加熱および冷却する。球体６が加熱されると、球体６が熱膨張して、当該球体６が配置された部位において、固定部材３の前面３ｃと可動部材４の裏面４ａとの間のギャップＧが広がり、可動部材４が固定部材３から離れる方向に僅かに移動される。

逆に、通電を止めて球体６を冷却すると、球体６が熱収縮して、当該球体６が配置された部位において、固定部材３の前面３ｃと可動部材４の裏面４ａとの間のギャップＧが狭まり、可動部材４が固定部材３に近付く方向に僅かに移動する。つまり、制御部１２が３つの球体６を独立して熱膨張或いは熱収縮させることにより、可動部材４に固設されたミラー５の角度を所望する角度に調整できるようになっている。

このとき、本実施形態の制御部１２は、熱電対１３を介して、各球体６の表面温度を検出し、ミラー５の角度を所望する角度に調整した後、この状態を維持する（表面温度を一定に保つ）ように、電源１１を制御して、球体６に微弱な電流を流し続け、ミラー５の角度を保持する。

以上のように、本実施形態によると、ミラー５の角度を調整する駆動部材として、金属製の３つの球体６を用いたため、装置構成を簡略化することができ、装置コスト安価にできる。特に、本実施形態によると、球体６に通電するだけで、ミラー５の角度調整が可能である。このため、大掛かりな電源装置を必要とせず、例えば基板に実装した他の機器の電源と共用することもでき、その分、装置を小型化できる。

また、本実施形態によると、金属材料の熱膨張および熱収縮を利用したミラー５の駆動機構（すなわち球体６）を採用したため、ミラー５の角度を高い分解能で高精度に所望する角度に調整できる。

図４には、第２の実施形態に係るミラーホルダー２０の要部の構造として、１つの駆動部材２１を拡大して示してある。また、図５には、図４の駆動部材２１を用いたミラーホルダー２０の動作を制御する制御系のブロック図を示してある。本実施形態のミラーホルダー２０は、駆動部材２１およびその周辺部材が異なる以外、上述した第１の実施形態のミラーホルダー１０と略同じ構造を有するため、ここでは、同様に機能する構成要素には、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の駆動部材２１は、熱ひずみにより変形し易い例えば金属製の円筒体２１ａと、可動部材４の裏面４ａに設けた断面Ｖ字形の受け部４ｂに嵌め込まれる球面２１ｂを有する半球体２１ｃと、を有する。円筒体２１ａは、固定部材３の前面３ｃから可動部材４に向けて突設され、半球体２１ｃは、この円筒体２１ａの先端に一体に取り付けられている。

円筒体２１ａには、リード線８ａ、８ｂを介して、電源１１が接続されている。本実施形態では、駆動部材２１の円筒体２１ａを熱膨張および熱収縮させることで、駆動部材２１全体の軸方向に沿った長さを変え、当該駆動部材２１が配置された部位における、可動部材４の固定部材３に対する距離（すなわち両者の間のギャップＧ）を変えて、ミラー５の角度を調整するようにしている。

円筒体２１ａの側面には、円筒体２１ａの軸方向に沿った長さを測定するためのひずみゲージ２２が貼り付けられている。しかして、制御部１２は、電源１１を制御して各駆動部材２１の円筒体２１ａを熱膨張或いは熱収縮させ、ミラー５の角度を所望する角度に調整する。また、制御部１２は、このとき、ひずみゲージ２２の出力を監視して、ミラー５の角度調整の後、円筒体２１ａの長さが変わらないように電源１１をコントロールする。

以上のように、本実施形態においても、各駆動部材２１の円筒体２１ａの熱ひずみを利用してミラー５の角度を調整するようにしたため、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。

その上、本実施形態によると、ひずみゲージ２２を用いて駆動部材２１の実際の伸び縮み量を測定するようにしたため、駆動部材２１の膨張または収縮の度合いを高精度に検出することができ、上述した第１の実施形態と比較して、より制度の高い角度調整が可能となる。

図６には、第３の実施形態に係るミラーホルダー３０の要部の構造を部分的に拡大して示してある。このミラーホルダー３０も、駆動部材３１の構造が異なる以外、上述した第１の実施形態のミラーホルダー１０と略同じ構造を有するため、第１の実施形態のミラーホルダー１０と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態の駆動部材３１は、固定部材３を貫通して延びた孔３ｅにねじ込まれる調整ねじ３１である。この調整ねじ３１は、可動部材４の受け部４ｂ内に受け入れられる半球体３２を先端に有し、その途中に、熱ひずみを利用して熱膨張および熱収縮する円柱部分３３を有する。調整ねじ３１の頭部近くには、孔３ｅの内面に対応して形成されたねじ溝に螺合するねじ山が形成されている。なお、円柱部分３３の外周面上には、ねじは形成されていない。

この調整ねじ３１は、固定部材３の孔３ｅに対するねじ込み量を調整することで、本来の調整ねじと同様に機能するとともに、円柱部分３３を加熱および冷却することで、当該調整ねじ３１が取り付けられた部位で、固定部材３に対する可動部材４の距離、すなわちギャップＧを微調整できる。

このため、本実施形態によると、各調整ねじ３１のねじ込み量を調整してギャップＧを大まかに調整した後、円柱部分３３に通電して加熱することで、ギャップＧを微調整し、ミラー５の角度を所望する角度に高精度に調整することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した実施形態では、ミラー５を固設した可動部材４と固定部材３との間の複数個所に配置した駆動部材６、２１、３１を熱膨張或いは熱収縮させることで、ミラー５の角度を調整する場合について説明したが、これに限らず、可動部材４側の受け部４ｂおよび／或いは固定部材３側の受け部３ｄを構成する部材を熱変形し易い材料で形成して、これらの部材を熱変形させても良い。

また、上述した実施形態では、駆動部材６、２１、３１の全部或いは一部を、熱変形し易い線膨張係数の比較的大きい材料で形成した場合について説明したが、より制度の高いミラー５の角度調整をしたい場合には、線膨張係数の比較的小さい材料を選択しても良い。つまり、熱による膨張或いは収縮の割合が小さい材料を用いることで、より分解能の高い角度調整が可能となる。

３…固定部材、３ｃ…前面、４…可動部材、４ａ…裏面、５…ミラー、６…球体、７…引っ張りばね、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ…リード線、１０、２０…ミラーホルダー、１１…電源、１２…制御部、１３…熱電対、２１…駆動部材、２１ａ…円筒体、２１ｃ…球状体、２２…ひずみゲージ、３１…調整ねじ、３３…円柱部分。

Claims

ミラーを固設した可動部材と、
この可動部材を移動可能に取り付けた固定部材と、
この固定部材と上記可動部材との間にそれぞれ取り付けられ、熱膨張または熱収縮によって上記可動部材を上記固定部材に対して移動させ、上記ミラーの角度を調整する複数の駆動部材と、
を有するミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその径を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する球体である請求項１のミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその長さを変えるとともにそのねじ込み量を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する調整ねじである請求項１のミラーホルダー。
ミラーを固設した可動部材と、
この可動部材を移動可能に取り付けた固定部材と、
この固定部材と上記可動部材との間にそれぞれ取り付けられ、熱膨張または熱収縮によって上記可動部材を上記固定部材に対して移動させ、上記ミラーの角度を調整する複数の駆動部材と、
これら複数の駆動部材をそれぞれ独立して加熱する複数のヒーターと、
これら複数のヒーターによる加熱温度をそれぞれ測定する複数の温度センサーと、
これら複数の温度センサーによる測定結果に基づいて上記複数のヒーターを制御する制御部と、
を有するミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその径を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する球体である請求項４のミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその長さを変えるとともにそのねじ込み量を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する調整ねじである請求項４のミラーホルダー。
ミラーを固設した可動部材と、
この可動部材を移動可能に取り付けた固定部材と、
この固定部材と上記可動部材との間にそれぞれ取り付けられ、熱膨張または熱収縮によって上記可動部材を上記固定部材に対して移動させ、上記ミラーの角度を調整する複数の駆動部材と、
これら複数の駆動部材をそれぞれ加熱する複数のヒーターと、
上記複数の駆動部材の熱による膨張または収縮の度合いをそれぞれ測定する複数のひずみゲージと、
これら複数のひずみゲージによる測定結果に基づいて上記複数のヒーターを制御する制御部と、
を有するミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその径を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する球体である請求項７のミラーホルダー。
上記複数の駆動部材は、それぞれ、熱膨張または熱収縮によってその長さを変えるとともにそのねじ込み量を変えることで上記固定部材と上記可動部材との間の距離を調整する調整ねじである請求項７のミラーホルダー。