JP5367515B2 - 細長い開口部を有するフレキシャ - Google Patents

Description

（政府許諾権）
本発明は、米国政府の支援によってなされたものであり、米国政府は、本発明における特定の権利を有する。

（発明の分野）
本発明は、傾斜機能を実行するフレキシャ（ｆｌｅｘｕｒｅ）に関し、より詳細には、開口部の対の間に位置する頸部を有するそのようなフレキシャに関する。

（背景）
フレキシャは、当該技術分野において公知であり、光学要素または光学デバイスの位置調整のために、および、光の走査動作、操舵動作、切り替え動作を実行するために用いられ得る。フレキシャは、試験器具または試験対象を保持することを含むその他の様々な用途を有する。

フレキシャの最大傾斜角は、過度に傾斜されたときに降伏するフレキシャの傾向によって制限される。フレキシャは、傾斜された後に元の位置にもはや戻らないときに（すなわちフレキシャが弾性的ではなく塑性的に変形し始めるときに）「降伏する（ｙｉｅｌｄ）」と称される。

従来のフレキシャの設計において、頸部（そのまわりでデバイスが旋回する）は、円形断面の円筒開口部の対の間にある弾性材料のブロックに位置する。必要な傾斜角に到達する前に発生する降伏が原因で、フレキシャの有用性が制限されることが分かっている。疲労が要因となる活動的な用途（例えば走査等）に対してそのようなフレキシャを用いることは、依然として困難であった。

（概要）
本発明にしたがうと、開口部の対の間に位置する頸部を有するフレキシャが提供され、そのような開口部の各々は、湾曲した細長い断面形状を有する。

フレキシャの降伏特性が改良されると、フレキシャは、降伏の発生を伴わずに、より大きな傾斜角にわたって超えて動作され得る。

本発明は、さらに以下の手段を提供する。
（項目１）
弾性材料のブロックであって、第１および第２の円筒開口部と、該第１および第２の円筒開口部の間の頸部とを有する弾性材料のブロックと、
該ブロックにおける少なくとも第１のスリットであって、該第１のスリットは、端部において、該第１の円筒開口部への入口を形成する、少なくとも第１のスリットと
を含む、傾斜のためのフレキシャであって、
該頸部は、該頸部の最も狭い領域において、該開口部の間にまっすぐに延びる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
該第１および第２の円筒開口部の各々は、湾曲している境界であって、該頸部の該長い寸法に平行な方向に細長い境界を有する断面形状を有する、フレキシャ。
（項目２）
各円筒開口部の上記断面形状の上記境界は、連続曲線である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目３）
各円筒開口部の上記断面形状の上記境界は、楕円曲線と双曲線からなる群から選択される、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目４）
上記境界は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する楕円曲線である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目５）
上記少なくとも第１のスリットは、第１および第２のスリットを有し、該第２のスリットは、端部において、上記第２の円筒開口部への入口を形成する、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目６）
上記第１および第２の円筒開口部は、同じサイズである、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目７）
上記第１および第２の円筒開口部の各々は、長さ寸法を有し、
上記第１および第２のスリットの寸法のそれぞれは、該第１および第２の円筒開口部のそれぞれの長さ寸法と同延である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目８）
上記第１および第２のスリットの各々は、互いに平行なスリット壁の対によって画定される、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目９）
上記第１および第２のスリットの各々は、寸法領域を有し、該スリットの両方の該寸法領域の少なくとも一部を通過する共通の平面が存在し、該共通の平面は、両方のスリットの上記スリット壁の少なくとも一部と平行である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１０）
上記第１および第２のスリットは、上記ブロックにおいて互いに対称である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１１）
上記ブロックにおける第３および第４の円筒開口部が存在し、該第３および第４の円筒開口部の間には第２の頸部が存在し、
該ブロックにおける第３および第４のスリットが存在し、
該第３のスリットは、スリットの端部において、該第３の開口部への入口を形成し、
該第４のスリットは、スリットの端部において、該第４の開口部への入口を形成し、
該第２の頸部は、該第２の頸部の最も狭い領域において、該第３の開口部と該第４の円筒開口部との間にまっすぐにのびる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
該第３および第４の円筒開口部の各々は、湾曲している境界であって、該第２の頸部の該長い寸法に平行な方向に細長い境界を有する断面形状を有し、
該第３および第４のスリットの各々の寸法領域の少なくとも大部分を通過する、上記共通の平面に平行な第２の平面が存在し、
該第３および第４の円筒開口部の各々は、長さ寸法を有し、
該第３および第４の円筒開口部の該長さ寸法は、上記第１および第２の円筒開口部の上記長さ寸法の向きに垂直な向きを有する、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。（項目１２）
上記第１、第２、第３および第４の円筒開口部の各々の上記断面形状の境界は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する楕円曲線の形状である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１３）
上記共通の平面と上記第２の平面とは、同一平面状にないが、上記第１および第２の開口部と、上記第３および第４の開口部とはそれぞれ、同一平面状にある、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１４）
上記材料のブロックは、環状の形状を有する、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１５）
上記フレキシャに力を加えることにより該フレキシャを傾斜させる手段と組み合わされた、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１６）
フレキシャシステムであって、
傾斜のための手段であって、ブロックにおける第１および第２の円筒開口部の間に位置する頸部を含み、各開口部は、湾曲した細長い境界を有する断面形状を有する傾斜のための手段と、
該傾斜のための手段に力を加える手段と
を含む、フレキシャ。
（項目１７）
上記断面形状の上記境界は、連続曲線である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１８）
上記断面形状の上記境界は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する楕円曲線の形状である、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。
（項目１９）
弾性材料のブロックであって、第１および第２の円筒開口部と、該第１および第２の円筒開口部の間の頸部とを有する弾性材料のブロックと、
該ブロックにおける第１および第２のスリットであって、該第１のスリットは、端部において、該第１の円筒開口部への入口を形成し、該第２のスリットは、端部において、該第２の円筒開口部への入口を形成する、第１および第２のスリットと、
を含む傾斜のためのフレキシャであって、
該頸部は、該頸部の最も狭い領域において、該開口部の間にまっすぐに延びる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
該第１および第２の円筒開口部の各々は、楕円曲線の境界を有する断面形状を有し、該楕円曲線は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する該頸部の該長い寸法に平行な最長寸法を有する、フレキシャ。
（項目２０）
上記フレキシャに力を加えることにより該フレキシャを傾斜させる手段と組み合わされた、上記項目のいずれか一項に記載のフレキシャ。

（摘要）
傾斜のためのフレキシャは、円筒開口部の対の間に位置する頸部を有し、そのような開口部の各々は、湾曲した細長い断面形状を有する。互いに直交する軸のまわりで傾斜することが可能なジンバルは、フレキシャを組み込む。

図１は、円形の断面形状の開口部を有する従来技術のフレキシャを示す。 図２は、本発明の実施形態にしたがうフレキシャを示し、湾曲した細長い断面形状の開口部を有する。 図３は、本発明の実施形態にしたがうフレキシャを示し、湾曲した細長い断面形状の開口部を有する。 図４は、方向表示を伴う図２の拡大前面図を示す。 図５は、ジンバルとして用いられた本発明の実施形態を示し、ジンバルは、互いに直交する軸のまわりで旋回する。 図６は、ジンバルとして用いられた本発明の実施形態を示し、ジンバルは、互いに直交する軸のまわりで旋回する。 図７は、図５および図６の実施形態が搭載される方法と、傾斜角の調整がなされる方法とを示す。 図８は、図５および図６の実施形態が搭載される方法と、傾斜角の調整がなされる方法とを示す。 図９は、図５および図６の実施形態が搭載される方法と、傾斜角の調整がなされる方法とを示す。

（詳細な説明）
図１を参照すると、従来技術のフレキシャ２が示されている。フレキシャは、通常、弾性材料の単一のブロック４から製造され、そのような弾性材料は、金属であり得る。図１の実施形態において、ブロックの形状は長方形である。ブロックは、スリットの対６、８を形成するような方法でカットされる。スリットの内側端部は、それぞれの円筒開口部１０、１２への入口を形成し、これらは、円筒壁９および１１によって形成される。図１において、円筒開口部は、前面から背面へと完全に通過しており、円形曲線の境界を有する断面形状を有する。頸部１８は、開口部１０および１２の間に位置しており、図１においては矢印２０によって示されている力がフレキシャに加えられたときに、フレキシャは頸部１８のまわりで旋回し、傾斜する。

フレキシャは、様々な用途に用いられ得る。例えば、表面２２は、ミラーを支持し得、フレキシャは、ミラーの位置調整に用いられ得るか、または、ミラーの走査等の活動的な用途に用いられ得る。図１の従来技術のフレキシャの問題は、頸部における高応力領域の降伏を防止するための必要性が、利用可能な傾斜角の度合いによって大いに制限されることである。

図２および図３に示されている本発明の実施形態において、図１の参照番号に対応するプライム付参照番号は、同様のパーツを識別する。図２および図３を参照すると、フレキシャ２’が示されており、フレキシャ２’は、弾性材料のブロック４’から構成されている。第１のスリット６’と第２のスリット８’とがブロック内に存在し、それぞれのスリットの内側端部は、円筒壁９’および１１’によって形成された、第１の開口部１０’と第２の開口部１２’とへの入口を形成している。しかしながら、図１の従来技術の実施形態とは異なり、円筒開口部１０’、１２’の断面形状は、円形ではなく湾曲した細長い境界を有する。本明細書中では、用語「円筒」は、その一般的な意味で用いられており、非円形（ｎｏｎ−ｃｉｒｃｕｌａｒ）の円筒を含み、完全に閉じていない断面の境界の形状を有する円筒を含む。開口部１０’および１２’は、前面から背面へとブロックを通過し、頸部１８’は開口部間に位置する。図３を参照すると、矢印２０’によって示されている力が加えられたときに、フレキシャは頸部１８’における旋回領域のまわりで傾斜することが観察できる。

図４は、フレキシャの一部分の拡大前面図であり、この図は、細長い開口部１０’および１２’の方向を示している。頸部１８’の最短寸法は、頸部の最も狭い領域において２つの開口部間をまっすぐに延びており、線２２によって示されている。頸部の長い寸法は、最短寸法に直交しており、線２４によって示されている。開口部１０’および１２’の断面形状は、それぞれ境界１３および１５を有しており、これらは、頸部の長い寸法と平行な方向に細長くなっている。本明細書中で用いられるときに、用語「細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）」は、頸部の長い寸法に平行な方向の境界の最長寸法が、最長寸法を垂直に交差する境界の最短寸法の少なくとも１．２５倍であることを意味する。これらの寸法は、図４において、線２５および２７によって示されている。本明細書中で用いられるとき、用語「境界（ｂｏｕｎｄａｒｙ）」は、境界の曲線にしたがう線であって、スリットを横切る結線を含むことに留意されたい。

境界は、楕円形または双曲線であり得るが、フレキシャが小さい場合は、双曲線の開口部は製造が困難である。楕円形の断面の開口部は、最良の結果のためには、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する。

図２および図３の実施形態と図１の従来技術の設計とを比較する試みは、本発明の利点を明らかにする。以下の実施例において、図１のフレキシャは、２．０’’×２．０’’×１．０’’の厚さの、最も狭い点において０．１４’’離れた、２つの円形断面の０．３７５’’の開口部を有する、アルミニウムブロックから機械加工されたものである。ブロックは、回転を提供するために、０．０８０’’の幅に、水平にスリットが入れられている。先端において０．４００’’の最小の撓みが望ましく、これは、２．３°の回転をもたらす。しかしながら、応力が３５ｋ ｐｓｉよりも僅かに下回る場合、撓みは僅かに０．２６７’’である。６０６１−Ｔ６アルミニウムに対する降伏応力は、３５ｋ ｐｓｉである。したがって、所望の撓みを達成するためには、力が増加され、結果としてフレキシャの降伏をもたらさなければならない。その他の材料（例えば、様々な鋼またはチタン）への変更は、結果に大きな影響を与えない。これらのその他の材料は、より高い降伏応力を有するが、これらはまた、より高い弾性係数をも有し、互いにオフセットする傾向がある。

図２および図３の実施形態にしたがうフレキシャにおいて、全体の寸法および材料は、図１のユニットの場合と同じであるが、頸部の最も狭い部分において０．１４’’離れた、０．３７５’’×０．１２’’の寸法の、楕円形断面の２つの開口部が利用される。両方の場合において、２ポンドの負荷がフレキシャに加えられた。表は、試験から得られた結果を要約している。

表から見ることができるように、図１の設計の場合の頸部における応力は、概ね降伏であり、撓みは僅か０．２６７’’であるが、０．４００’’が必要とされる。所望の撓みを達成するためには、フレキシャは明らかに降伏する。一方、図２の実施形態の場合の頸部における応力は、僅か２９２３０ｐｓｉであり、所望の撓みの０．０４０’’を超えている。したがって、本発明を用いることにより、遥かに良い結果が達成される。

本発明は、大きな撓み角に対する必要性を有する電気光学システム、または、連続的または繰り返しの動作（例えば走査等）が必要とされる電気光学システムに用いられ得る。また、傾斜を達成するためにフレキシャに加えられる力は、様々なタイプであり得、機械的、電気的なアクチュエータの力、磁気的な力、電磁気的な力または気圧の力を含むが、それらには限定されない。本発明の好適な実施形態のフレキシャは、細長い開口部ごとに２つのスリットを含むが、一部の用途では、開口部ごとに１つのスリットを有することが可能であり得る。本発明は、傾斜が必要とされる様々なタイプのシステムにおいて使用され得るので、本発明の使用は、電気光学的システムに限定されない。

図５および図６を参照すると、本発明のさらなる実施形態が示されており、フレキシャのレイアウトは、長方形ではなく環状である。そのようなフレキシャは、互いに直交する方向の合成的な傾斜角の調整を提供するジンバルの本質部分であり得る。例えば、そのようなフレキシャは、光学要素（例えばレーザおよびミラー）の精密調整を提供するために用いられ得る。

図６を参照すると、ブロック３０が環状の形状の断面を有することが見られる。キャビティ３２は、環状ブロックによって包囲されており、ミラー３４が、例えばキャビティに窪みを設けることにより搭載され得る。図５を参照すると、頸部３６は、円筒開口部３８および４０の間に位置しており、本発明の実施形態にしたがうと、これらの開口部は、湾曲した細長い断面形状を有している。

図６を参照すると、頸部３６の断面が示されている。頸部３６から１８０°ずれた開口部の第２の対間に、別の頸部が位置する（図示されず）。加えて、スリット４２は、開口部３８と開口部の第２の対のうちの１つの開口部とを接続し、一方で、スリット４４は、開口部４０と開口部の第２の対のうちのその他の開口部とを接続する。スリットは、開口部と同様に、環状ブロックの全体にわたってカットされているので、頸部３６から９０°ずれて力４６が加えられたときに、フレキシャは両方の頸部のまわりで旋回し、傾斜する。

さらなる頸部４８が頸部３６から９０°ずれて示されており、頸部４８は、開口部５０および５２の間に位置している。頸部４８から１８０°ずれた同様の頸部と開口部の対とがさらに存在し（図示されず）、スリット５４および５６は、開口部の対のそれぞれを互いに接続している。これは、頸部４８とデバイスの周囲におけるそれに対応する中間部分（ｃｏｕｎｔｅｒｐａｒｔ ｈａｌｆｗａｙ）とのまわりでの、フレキシャの傾斜を可能にする。

開口部の対３８、４０および開口部の対５０、５２のそれぞれと、デバイスの周囲におけるそれらのそれぞれに対応する中間部分とが、同じ平面に位置し、その結果、真のジンバルの動作が達成されることに留意されたい。このことは、スリットが複雑な形状にカットされることを必要とし、図５および図６に示されている。しかしながら、開口部の対（それらの間に同じ頸部を有する）のいずれかにつながる両方のスリットの寸法領域の大部分を通る共通の平面が存在する。旋回軸を交差させるのではなくスタックすることも可能であるが、そのような実施形態においては、真のジンバルは提供されない。

図７〜図９を参照すると、図５および図６のジンバルを搭載するアプローチと、合成的な傾斜角の調整を提供することとが示されている。図７においては、搭載平面６０が示されており、搭載平面６０は、搭載穴６２を有する。フレキシャにおける対応する穴６４が存在し、穴６４はテーパ付けされており、フレキシャを搭載平面に固定するためにネジ６６が用いられる。搭載平面はまた、ネジ切りされた穴６７を含み、調整ネジ６８および７０が穴６７を通る。調整穴７４および７６は、バカ穴（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｈｏｌｅ）であり、フレキシャに提供され、ネジ６８および７０がこれらの穴を通り、傾斜角の調整を提供する。

例えば、ネジ６８は、頸部４８の軸のまわりの調整を提供する。穴７４は、スリット５４、５６を横断するのに十分な深さにドリル加工され、ネジ６８のうちの１つが締め付けられるが、ネジ６８のうちの他のものは、所望の傾斜角に到達するまでネジ止めされない。その時点で、その他のネジは、フレキシャを所望の傾斜角の位置に維持するために、接触表面にタッチするのにちょうど十分な程度にネジ止めされる。

穴７６は、スリット４２および４４を貫くのに十分な深さにドリル加工され、頸部４８から９０°ずれた頸部の軸のまわりでのフレキシャの調整のために、ネジ７０が用いられ得る。図８は、搭載平面６０上に搭載されたフレキシャを示しており、調整ネジが貫く深さを示すように部分的に切断されている。図９は、搭載されたときに見られるフレキシャを示している。

本発明のフレキシャは、放電方式によって金属のブロックから製造され得る。１つのそのような手順において、消耗ワイヤが用いられ、そのようなワイヤは、正確な形状を作るためにコンピュータ制御され得る。別の方法において、所望の設計の形状に予め形成された電極が利用され得る。ドリル加工動作、ネジ止め動作、フライス加工動作によって設計を作ることが可能である。

このように、傾斜機能を提供する改良されたフレキシャが記載されてきた。本発明は、実施形態を示すことに関連して記載されてきたが、当業者には様々な変形例が想到され得、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲とその均等物のみによって制限される。

２’ フレキシャ
４’ ブロック
６’、８’ スリット
９’、１１’ 円筒壁
１０’、１２’ 開口部
１８’ 頸部
２０’ 力

Claims (14)

1. 弾性材料のブロックであって、第１および第２の円筒開口部と、該第１および第２の円筒開口部の間の頸部とを有する弾性材料のブロックと、
   該ブロックにおける少なくとも第１のスリットであって、該第１のスリットは、端部において、該第１の円筒開口部への入口を形成する、少なくとも第１のスリットと
   を含む、傾斜のためのフレキシャであって、
   該頸部は、該頸部の最も狭い領域において、該開口部の間にまっすぐに延びる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
   該第１および第２の円筒開口部の各々は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する連続した楕円曲線である境界であって、該頸部の該長い寸法に平行な方向に細長い境界を有する断面形状を有する、フレキシャ。
2. 前記少なくとも第１のスリットは、第１および第２のスリットを有し、該第２のスリットは、端部において、前記第２の円筒開口部への入口を形成する、請求項１に記載のフレキシャ。
3. 前記第１および第２の円筒開口部は、同じサイズである、請求項２に記載のフレキシャ。
4. 前記第１および第２の円筒開口部の各々は、長さ寸法を有し、
   前記第１および第２のスリットの寸法のそれぞれは、該第１および第２の円筒開口部のそれぞれの長さ寸法と同延である、請求項３に記載のフレキシャ。
5. 前記第１および第２のスリットの各々は、互いに平行なスリット壁の対によって画定される、請求項４に記載のフレキシャ。
6. 前記第１および第２のスリットの各々は、寸法領域を有し、該スリットの両方の該寸法領域の少なくとも一部を通過する共通の平面が存在し、該共通の平面は、両方のスリットの前記スリット壁の少なくとも一部と平行である、請求項５に記載のフレキシャ。
7. 前記第１および第２のスリットは、前記ブロックにおいて互いに対称である、請求項６に記載のフレキシャ。
8. 前記ブロックにおける第３および第４の円筒開口部が存在し、該第３および第４の円筒開口部の間には第２の頸部が存在し、
   該ブロックにおける第３および第４のスリットが存在し、
   該第３のスリットは、スリットの端部において、該第３の円筒開口部への入口を形成し、
   該第４のスリットは、スリットの端部において、該第４の円筒開口部への入口を形成し、
   該第２の頸部は、該第２の頸部の最も狭い領域において、該第３の円筒開口部と該第４の円筒開口部との間にまっすぐに延びる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
   該第３および第４の円筒開口部の各々は、湾曲している境界であって、該第２の頸部の該長い寸法に平行な方向に細長い境界を有する断面形状を有し、
   該第３および第４のスリットの各々の寸法領域の少なくとも大部分を通過する、前記共通の平面に平行な第２の平面が存在し、
   該第３および第４の円筒開口部の各々は、長さ寸法を有し、
   該第３および第４の円筒開口部の該長さ寸法は、前記第１および第２の円筒開口部の前記長さ寸法の向きに垂直な向きを有する、請求項７に記載のフレキシャ。
9. 前記第３および第４の円筒開口部の各々の前記断面形状の境界は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有する楕円曲線である、請求項８に記載のフレキシャ。
10. 前記共通の平面と前記第２の平面とは、同一平面状にないが、前記第１および第２の開口部と、前記第３および第４の開口部とはそれぞれ、同一平面状にある、請求項９に記載のフレキシャ。
11. 前記材料のブロックは、環状の形状を有する、請求項１０に記載のフレキシャ。
12. 前記フレキシャに力を加えることにより該フレキシャを傾斜させる手段と組み合わされた、請求項１に記載のフレキシャ。
13. 弾性材料のブロックであって、第１および第２の円筒開口部と、該第１および第２の円筒開口部の間の頸部とを有する弾性材料のブロックと、
    該ブロックにおける第１および第２のスリットであって、該第１のスリットは、端部において、該第１の円筒開口部への入口を形成し、該第２のスリットは、端部において、該第２の円筒開口部への入口を形成する、第１および第２のスリットと、
    を含む傾斜のためのフレキシャであって、
    該頸部は、該頸部の最も狭い領域において、該開口部の間にまっすぐに延びる最短寸法と、該最短寸法を横断する長い寸法とを有し、
    該第１および第２の円筒開口部の各々は、楕円曲線の境界を有する断面形状を有し、該楕円曲線は、０．６９よりも大きく０．９６未満の離心率を有し、該頸部の該長い寸法に平行な最長寸法を有する、フレキシャ。
14. 前記フレキシャに力を加えることにより該フレキシャを傾斜させる手段と組み合わされた、請求項１３に記載のフレキシャ。
    

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