JP6372807B2 - 全黒鉛製の干渉計ベアリングアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、光学的科学用計測器の分野に関する。詳細には、本発明は、マイケルソン干渉計の一部としての全黒鉛製ベアリングアセンブリに関する。

科学用分析計測器で使用される光学干渉計は、反応測定手段の一部として、重複された光学ビームの干渉を利用する。マイケルソンフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）計測器として構成されるとき、干渉計の光学出力はインターフェログラムと呼ばれる。ＦＴＩＲ干渉計自体は、ビームスプリッタと２つのミラーとをしばしば含み、ミラーの１つは通常固定式であり、１つは通常移動式である。移動式ミラーは光軸に沿って移動する一方、光線に対して光学的に垂直に常に維持される。移動式ミラーの移動は、干渉計を通過する分析用放射線が正確なインターフェログラムを生成するように、ミラー速度を一定に保持するために、フィードバック制御されることがしばしば望まれる。さらに、移動式ミラーはまた、しばしばアセンブリの一部であり、このアセンブリは空気ベアリングまたは機械的回転式ベアリングのどちらかを含み、それらは、移動ミラーが移動するとき移動ミラーの傾きを制御するために、高価な精密許容差の機械加工および組み立てを必要とする。空気ベアリングはより優れた性能を提供するが、高価であり、圧縮空気を供給するためにエアコンプレッサおよびフィルタを必要とする。機械的回転式ベアリングはミラーが移動するときミラーの位置合わせに誤差を有し得る。そのような位置合わせ問題は、ストローク長さが長くなるほど悪化し、従ってストローク長さおよびシステム解像度を制限する。さらに、これらの種類のベアリングは、摩耗および劣化に曝される。加えて、機械的ベアリングもまた、不十分な減衰を有し、機械的且つ音響的振動を捕捉または発生しがちであり、それによりシステム出力データにノイズを生じる。

上述の従来型の問題にいくらか対処するために、構成の一部として黒鉛／ガラスの組み合わせを利用するミラーアセンブリが製造された。そのようなアセンブリは、「ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＧＬＡＳＳ ＧＲＡＰＨＩＴＥ ＢＥＡＲＩＮＧ」という名称の、Ｊｏｈｎ Ｍ．Ｃｏｆｆｉｎに対して１９９９年４月２０日に発行された米国特許第５，８９６，１９７号明細書に記載且つ特許請求されており、その開示は参照によりその全体が組み込まれ、以下の記述を含む。すなわち「［ａ］マイケルソン干渉計の可動ミラーの移動を許容するためのベアリングは、固定中空ガラスシリンダと、可動ミラーおよび少なくとも１つの黒鉛部材を含む可動アセンブリとを含み、黒鉛部材はガラスシリンダの穴の中に摺動可能に配置される。」そのようなアセンブリの基本の部分は、異なる部品間の摩擦が予測可能であるために振動減衰を有利に改善し、また、構成の軽量特性により低動力制御システムを可能にするため、費用を削減することであった。しかしながら、そのようなアセンブリは、製造および信頼性において固有の問題を有する。例えば、そのようなガラス／黒鉛構成の現在の製造プロセスは、ガラス管をピストンに手動で取り付けることを要求し、それは部品のバッチ間の大きな不一致をしばしばもたらす。そのようなアセンブリに関して直面する別の問題は、ガラス管の表面不完全性が干渉計の最終組み立て作業の間、傾きおよびドライブジッター（ｄｒｉｖｅ ｊｉｔｔｅｒ）をしばしばもたらすことである。最後に、ガラス管中の黒鉛粉塵によって分かるような、黒鉛ピストンの摩擦の蓄積が、より高い駆動電圧を印加する必要性をもたらし、およびそのような蓄積は最終的に、ガラス管および黒鉛ピストンを定期的に清掃する必要性に基づきシステム停止時間の原因となる。

従って本発明は、フーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）干渉計などの科学用光学干渉計で使用されるような改善された移動ミラーアセンブリシステムに対する必要性に取り組む。詳細には、本明細書に開示されるそのような新規設計は、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に記載される設計の改善を提供し、それには限定しないが以下のことが含まれる。すなわち、結合される部品の摩擦および静摩擦を低減する許容誤差および表面仕上げを有するアセンブリの部品を製造すること、低減されたジッターなど、システム性能を改善するようにより緊密な許容誤差を可能にすること、および可動ミラーを作動するための低動力制御システムの使用を実現し、一方でより高速の走査速度を可能にするアセンブリ全体の重量のさらなる低減。

本発明は、マイケルソン干渉計の可動ミラー部分の一部としての、改善された全黒鉛製ベアリングアセンブリを提供する。またアセンブリの重量を低減することにより、低コストおよび低動力制御システムを、可動ミラーを作動するために使用することが可能になり、および迅速に変化する試料を評価するために高い走査速度を達成することができる。アセンブリ自体は、摩耗を低減する硬質の非発塵性黒鉛材料を組み込み、それにより駆動電圧問題および現場でベアリングを清掃する必要性を実質的に排除する。さらに、そのような全黒鉛製ベアリングアセンブリの使用は、部品およびバッチ間の向上した一貫性を提供し、部品のセットを適合させることを実質的に排除し、２つ以上の供給業者を有する能力を可能にし（すなわち、もはやその技術に不可欠な単一の部品供給源に制限されない）、およびより寛容な浮上強度を可能にする。その結果はマイケルソン干渉計の新規移動ミラー構成であり、これにより、正確なミラー位置合わせ制御、長いストローク長さ、優れた振動減衰および外部振動に対する低減された感受性が可能になる。

本明細書に開示される干渉計の断面図を示す。 図１に示される干渉計の可動アセンブリの一部の断面図を示す。 図２Ａに示される可動アセンブリの一部の３次元斜視図を示す。 本明細書に開示される干渉計の第２の構成例の断面図を示す。 図３に示される干渉計の可動アセンブリの一部の断面図を示す。 図４Ａに示される可動アセンブリの一部の３次元斜視図を示す。

本明細書における本発明の記述において、暗黙的または明示的に理解されない限り、または別途言明されない限り、単数形で表現される単語がその複数形を含み、複数形で表現される単語がその単数形を含むことを理解されたい。さらに、本明細書に記述するいかなる所与の構成要素または実施形態についても、その構成要素について記載された可能な候補または代替物のいずれも、暗黙的または明示的に理解されない限り、または別途言明されない限り、一般に個別にまたは互いに組み合わせて使用可能であることを理解されたい。さらに、本明細書に示す図面が必ずしも原寸に比例して描かれているわけではなく、いくつかの要素が単に本発明を明確にすべく描かれてもよいことを理解されたい。また、同等または類似の要素を示すために参照番号が複数の図面を通して繰り返される場合がある。また、そのような候補または代替物のリストはいずれも、単に説明用であって、暗黙的または明示的に理解されない限り、または別途言明されない限り、限定的ではないことを理解されたい。加えて、別途指示しない限り、本明細書および請求項で用いる含有物の量、組成、反応条件等を表す数値は、用語「約」によって修飾されているものとして理解されたい。

従って、そうでない旨が示されていない限り、本明細書および添付の請求項に記述する数値パラメータは、本明細書に提示する主題により得ることが求められる所望の特性に応じて変化し得る近似値である。最低限、且つ均等論の適用を特許請求の範囲に限定することを意図しないよう、各数値パラメータは、少なくとも報告された有効数字の桁数を考慮して、且つ、通常の丸め技術を適用することにより解釈されなければならない。本明細書に提示する主題の広い範囲を記述する数値範囲およびパラメータは近似値であるものの、特定の例に記述する数値は可能な限り正確に報告されている。しかしながら、いずれの数値も、それらの個々の試験測定で得られた標準偏差から必然的に生じる一定の誤差を必然的に含んでいる。

上述のように、「ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＥＲ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＧＬＡＳＳ ＧＲＡＰＨＩＴＥ ＢＥＡＲＩＮＧ」という名称の、Ｊｏｈｎ Ｍ．Ｃｏｆｆｉｎに対して１９９９年４月２０日に発行された米国特許第５，８９６，１９７号明細書は、固定中空ガラスシリンダと、ガラスシリンダの穴の中に摺動可能に配置された黒鉛部材を利用する可動アセンブリとを含むベアリングを取り入れた。同じく上述のように、そのようなアセンブリは、一部の態様において有益であるが、それにもかかわらず製造および信頼性において固有の問題をもたらした。本構成例は、これ以降本明細書で詳細に考察されるような全黒鉛製ベアリングの組み合わせを使用することによって、そのような問題を克服する。

図面を参照すると、図１ならびに図２Ａおよび図２Ｂは、新規の移動干渉計全黒鉛製ベアリングアセンブリのそのような実施形態の例を示す。図１は特に、全体的に番号１００で参照される、限定しないがマイケルソン干渉計など、干渉計の例の断面図を示し、これは剛性基部１を有し、そこにビームスプリッタ２、固定ミラー３、入射光用の第１導管４、および出射光用の第２導管５が取り付けられている。ビームスプリッタ２、固定ミラー３、ならびに導管４および５は、従来のマイケルソン干渉計の設計に従って構成および配置される。

動作の一般原理として、放射源（不図示）からの赤外放射の入射ビームが第１導管４を通して向けられ、ビームスプリッタ２に受け取られる。その後固定ミラー３が第１ビームを固定長光路を介してビームスプリッタ２から受け取って戻す。以下で考察される可動アセンブリの一部としての調整可能な平面ミラーが、第２ビームを可変長光路を介してビームスプリッタ２から受け取って戻す。ビームスプリッタ２と調整可能な平面ミラーとの間の第２ビームの光路長さは、第１および第２ビームの間に光路差をもたらすように、１つまたは複数の制御機器（不図示）によって作り出される。ビームはビームスプリッタ２で組み合わせられ、合成インターフェログラムを計測可能にするため、第２導管を通して向けられる。しかしながら、本考察はマイケルソン構成を対象とするが、本明細書に開示される黒鉛ベアリング構成は、当業者に知られる他の光学／機械的機器でも使用可能であり、組み合わせによって提供される有益な態様から利益を得ることが望ましいことは理解されよう。

図１の特定実施形態では、剛性干渉計基部１（実線によっても示される）は一体形成された中空円筒６の部分を有し、中空円筒６部分は、全体的に参照番号１０で示される可動ミラーアセンブリを受け入れるように構成される。基部１自体はしばしば固体材料であり、固体材料は望ましくは鋳鉄または鋼などの合金鉄または炭素合金から構成される。固定中空黒鉛管７は、中心軸８を有する円筒スリーブ６部分の内径に固定式に結合される。黒鉛管７（実線および点線で示される黒鉛材料）の穴の中に同軸に配置されるのは可動ミラーアセンブリ１０であり、可動ミラーアセンブリ１０は黒鉛管７の軸８に平行な経路に沿って滑ることができ、および本明細書に開示される黒鉛ピストン実施形態との組み合わせにおいてベアリング表面として作動する。同じく示されるのは、受動または能動的磁性回転防止システム７１であり、これは磁性手段７３と、安定のため回転軸と実質的に平行に且つ可動ミラーアセンブリ１０から所定の半径方向距離に位置付けられた固定案内レール７５でしばしば構成される。

可動ミラーアセンブリ１０は、図２Ａと、読者に３次元斜視図を示す図２Ｂとに詳細に示され、第１黒鉛ピストン１１および第２黒鉛ピストン１１’を含み、そのそれぞれはカップ状である。第１黒鉛ピストン１１は閉鎖端部１２および開放端部１３を有する。対照的に、第２黒鉛ピストン１１’は開放端部１５だけを有し、開放端部１５は、限定しないが図１に示されるようなコイル支持管３５に結合された移動コイル１３などの移動手段を受け入れるように構成される。

図１の移動手段は、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示された実施形態のいずれかを含むことができ、且つ上に記載されるように、その全体が参照により組み込まれることに留意されたい。特に、本出願に関して、コイル支持管３５は、アルミニウム、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔから入手可能なカプトン（ＫＡＰＴＯＮ）、ノーメックス（Ｎｏｍｅｘ）（登録商標）から構成可能である。エポキシまたは同様の接着剤を使用してコイル支持管３５を黒鉛ピストン１１の端部に固定することができる。

参照番号１３で示されるコイルに関して、それはしばしば伝導性ワイヤのコイルであるか、しばしばコイル支持管３５の外側部分の周りに巻かれたボイスコイルである。コイル１３（すなわちボイスコイル）は、コイル支持管３５の全長にわたって構成可能であるが、しばしば所望のストローク長さよりわずかに長い長さにわたってのみ延在する。例えば、所望のストローク長さが約２インチである場合、ボイスコイル１３はコイル支持管３５の約２．２５〜２．６０インチにわたって延在するはずである。リードワイヤ（不図示）がボイスコイルを発電源（不図示）に結合する。

ボイスコイル１３は、干渉計の作動の間、磁石アセンブリ（不図示）によって発生される設計された磁束界の内側にその少なくとも一部が存在するような長さで構成されることが好ましい。ボイスコイル１３がそれを通って流れる電流を有し且つ磁束界の内側に存在するとき、電磁力が発生し、可動ミラーアセンブリ１０全体を黒鉛管７の軸８に沿って導く。

図２Ａおよび図２Ｂに戻ると、第１ピストン１１は、組み立てる間取り扱いを容易にするように構成された開口２５をしばしば有する。第１黒鉛ピストン１１の閉鎖端部１２と一体形成されたスペーサ部分１６が示され、さらに第２黒鉛ピストン１１’と一体形成されている。スペーサ部分１６は従って、管７ならびに第１ピストン１１および第２ピストン１１’の製造（例えば機械加工またはモールディング）において使用される同じ黒鉛材料（例えば、実線および点線で示される、１５マイクロメートル未満の粒径で構成されるが、より頻繁に２マイクロメートル〜約５マイクロメートルの粒径で構成される黒鉛）のものである。

図１に示されるようなミラー１７の外周表面の一部は、しばしば、支持のため第１黒鉛ピストン１１の開放端部１３において壁の内面に対して面一に構成され、および位置決めのためストッパ、例えば図２Ａに示される１３’のような窪みによって提供される。しばしばミラーはエポキシなどの接着剤によって第１黒鉛ピストン１１に結合される。ミラー１７は構成において特に平坦であり、且つ紫外線（ＵＶ）から遠赤外線（遠ＩＲ）までにおいて有用であるが好ましくは約２マイクロメートル〜最大約２０マイクロメートルの赤外スペクトルにおいて有用である、垂直入射において少なくとも９８％の反射率を有する一体表面によって構成される。反射表面自体は、限定しないがアルミニウム、銀、銅またはニッケル、しかしより頻繁に金の蒸着（例えば電解、真空蒸着）など、当技術分野で周知のいずれかの手段を介して適用可能である。代替として、結果として得られるミラー表面で受け取られる所定の波長に対して少なくとも９９．９９９％まで反射率を上げるために、広帯域または狭帯域多層コーティングを（例えば真空蒸着またはスパッタリングを介して）適用可能である。さらに、全体設計の頑丈性を向上させるために、最終仕上げ前、必要に応じて（しかし必須ではなく）、保護用オーバーコート材料（例えば酸化アルミニウム（ＡｌＯ₂）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）またはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂））を加えることもできる。

ミラー１７は第１黒鉛ピストン１１に結合されているため、アセンブリ１０が移動するとき、ミラー１７は黒鉛管７の軸８に一致する線に沿ってビームスプリッタ２に対して移動することは明白である。

その外側表面が必要に応じてベアリング面として動作可能な第１および第２黒鉛ピストン１１および１１’は、しばしば代わりにしかし必ずではなく、それぞれベアリング表面１８および１９を有し、それらは黒鉛管７の内側表面２０に対向している。反対に、スペーサ部分１６の外側表面は黒鉛管７の内側表面２０と接触しない。従って設計の一部として、アセンブリ１０はより頻繁に、ベアリング表面１８および１９を介して黒鉛管７に支持され且つその中を滑る。

ガラス／黒鉛の組み合わせを使用する米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示される構成と対照的に、ベアリング表面の構成において全黒鉛材料、特に約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径をしばしば有する黒鉛を使用することにより、黒鉛管７内でのアセンブリ１０の摺動が、非常に滑らかに動作することが可能になる。組み立てにおいて約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径をしばしば有する黒鉛を使用する第２の利点は、従って、本明細書において前記した、管がガラスであることに基づく不完全性の問題を排除する、例えば、干渉計の最終組み立て作業の間、傾きおよびドライブジッターを増大させた不一致をもたらした手動による部品の取付けを排除する。さらに、仕様を設計すべくおよびそのような組み合わされる材料の有益な固有の特性に基づき好ましい材料を製造する能力はまた、黒鉛ピストンの摩擦の蓄積の軽減を有利にもたらす。この態様の結果、より低い駆動電圧が適用され、一方でまた、清掃のためのシステム停止時間が減少する。換言すると、本明細書に開示される全黒鉛製ベアリングアセンブリは、多大な費用削減を実現する。

黒鉛は特に、当業者に知られるように、自然に自己潤滑性であり、ベアリングとして使用されるとき摩擦を低減するための追加の流体を必要とせず、また極限温度耐性を有し、最高５０００°Ｆの温度においてさえその構成および形状を維持することができる。さらに、黒鉛は熱衝撃の結果として損傷を受けにくい。ベアリングの表面をさらに滑らかにし且つ延長された使用時に起こり得る問題を防止するために、黒鉛材料の組み込みを介して製造されたベアリングは、限定しないが、空隙率を低減するために樹脂を含浸させ、従ってさらに内側摩耗および亀裂を受けにくくするなど、後処理のための二次作業にかけることもできる。いくつかの場合、圧縮強度を改善するために金属合金を添加可能である。

様々な等級の材料（例えば黒鉛の等級）を用いて製造された部品の初期結果は、いくぶん延長された試験的使用の間、高い粒子計数（すなわち粉塵）および金属マーキングおよび表面界面の亀裂の紛れもない望ましくない兆候を示す。しかしながら、さらなる試験分析、機械加工プロセスの間のより良い機械設備を通して、および好ましい黒鉛材料、すなわち非発塵性黒鉛（例えば、約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度、約５７ＭＰａ〜最大約８６ＭＰａの曲げ強度、および５．５×１０^-6／℃〜最大約７．５×１０^-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）をしばしば有する黒鉛）の組み込みを介して、使用中の粉塵粒子および管７の亀裂は軽減される。特により高い密度およびより微細な粒径を有するそのような黒鉛材料は、本明細書の実施形態に対してより長い備品寿命を提供し、およびまたそのような材料は優れた曲げ強度と、本出願の実施形態で使用されるときなど、摩耗的用途において浸食に対するはるかにより優れた抵抗を可能にするより高い硬度とを有する。しかしながら、そのような材料は本明細書に示されるアセンブリで好ましいことが分かっているが、その一方、本発明の仕様に従うことができる場合、他の材料をなおも使用できる（例えば、炭素、炭素／黒鉛、合金、黒鉛合金、異なる等級の黒鉛等）ことも理解されたい。いずれの場合においても望ましい効果は、本明細書に開示されるベアリングの、例えばモールディングおよび／または機械加工を介した製造が、移動の間摩耗のない寸法的に安定した界面を提供できることである。

本出願において、本明細書に開示される好ましい黒鉛材料を使用すると、黒鉛ベアリング表面１８および１９と、黒鉛管７の内側表面２０との間の隙間は非常に小さく、例えば約０．００１〜０．００７インチ内になることができるが、同様に重要なことに、そのような設計仕様の隙間は、上に記載した現在の製造プロセスに基づき、および選択され組み合わせられた黒鉛材料のために、確実に適合させることができる。この小さな隙間および空気粘度は、黒鉛／黒鉛ベアリングの剛性を高めるためのさらなる支持体として作用する空気を捕らえる一助となる。注目すべき点は、本明細書に開示されるような全ての非発塵性黒鉛ベアリングが部品およびバッチ間に向上した一貫性を提供し、部品のセットを適合させることを実質的に排除し、２つ以上の供給業者を有する能力を可能にし（すなわち、もはやその技術に不可欠な単一の部品供給源に制限されない）、および以下で考察されるようなより寛容な浮上強度を可能にすることである。

さらに、本明細書に開示される実施形態にそのような有益な材料を使用すると、および正確な機械加工およびモールディング手段の能力のために、黒鉛管７およびアセンブリ１０の寸法は、所望のストローク長さを得るために選択可能であり、それは干渉計の分解能に直接比例する。有利には、黒鉛管７の長さは最大約５インチであり、黒鉛ピストンの開放端部１３および１５から測定された可動アセンブリ１０の長さは約３インチであり、黒鉛管７の穴の直径は最大約１．７５インチであり、約２．０７インチの外径を有し、開放端部１３および１５の内径はそれぞれ約１．４３および１．５３インチである。そのような仕様を使用することは、約２インチのストローク長さを提供するが、それら仕様は所望の機器に整合できる任意のストローク長さを含むように変更可能であることに留意されたい。

アセンブリ１０はまた、図２Ａに示されるような持上げ磁石２１を含むことができ、これはスペーサ部分１６の外側表面に配置される。所望のおよび意外な結果として、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示されるものより軽量である全黒鉛製の材料構成の使用のため、持上げ磁石２１は、移動の補助に役立つようにアセンブリの重心のより近くに配置可能である。詳細には、可動アセンブリ１０が水平位置にあるように干渉計が使用される場合、スペーサ部分１６の上側部分に置かれた持上げ磁石２１と干渉計中空円筒６部分の金属との間の引力は、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示されるものより（すなわち、持上げ磁石がアセンブリ１０の重心に置かれることにより）アセンブリ１０の移動をより良く補助する。そのような構成は、アセンブリ１０と黒鉛管７の下半分との間の摩擦抵抗を部分的に緩和する。最終的な結果は、それが、磁性結合のため、浮上強度の選択を上に記載したようにより寛容にすることである。この利点は、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示された以前の設計から特に重要であり、なぜなら、持上げ磁石２１と干渉計ブロックスリーブ６との間の引力の大きさはアセンブリ１０の移動と不利に干渉してはならないためである。

本出願の別の有利な実施形態の例として、図３はマイケルソン干渉計を示し、ここでは参照番号３００によって全体的に示される。従って図３は、図１と同様に、ビームスプリッタ３０２、固定ミラー３０３、入射光用の第１導管３０４、および出射光用の第２導管３０５を示すが、図１と対照的に可動ミラーアセンブリ３１０の一部として一体の新規に構成されたミラー表面３１７を示し、これは以下で詳細に考察される。図１の実施形態の例の考察において上に記載したように、考察はマイケルソン構成を対象とするが、本明細書に開示される黒鉛ベアリング構成は、当業者に知られる他の光学／機械的機器でも使用可能であり、組み合わせによって提供される有益な態様から利益を得ることが望ましいことは理解されよう。

図３の特定実施形態において、干渉計基部３０１（実線によっても示される）はここでも、一体形成された中空円筒３０６部分を有するように示され、中空円筒３０６部分は、全体的に参照番号３１０で示される可動ミラーアセンブリを受け入れるように構成される。基部３０１は、前記のように、しばしば固体材料であり、固体材料は望ましくは鋳鉄または鋼などの合金鉄または炭素合金から構成される。本明細書に開示される図１の実施形態の例のものと同様、好ましくは、前記のように、約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度、約５７ＭＰａ〜最大約８６ＭＰａの曲げ強度、および５．５×１０^-6／℃〜最大約７．５×１０^-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する黒鉛から作製された固定中空黒鉛管３０７が、中心軸３０８を有する円筒スリーブ３０６部分の内径に結合される。黒鉛管３０７（実線および点線で示される黒鉛材料）の穴の中に同軸に配置されるのは、可動ミラーアセンブリ３１０であり、可動ミラーアセンブリ３１０は黒鉛管３０７の軸３０８に平行な経路に沿って滑ることができ、図３に開示される黒鉛ピストン実施形態との組み合わせにおいてベアリング表面として作動する。

詳細には、アセンブリ３１０は黒鉛ピストン３２５を含み、黒鉛ピストン３２５は同じく約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度、約５７ＭＰａ〜最大約８６ＭＰａの曲げ強度、および５．５×１０^-6／℃〜最大約７．５×１０^-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）をしばしば有する黒鉛であり、カップ状である。黒鉛ピストン３２５はベアリング表面３１８、３１９を有し、それらは黒鉛管３０７の内側表面３２７に結合する。ベアリング表面３１８、３１９は、図１のものと同様、リングとして、好ましくはピストン３２５の端部にまたはその近くに形成可能である。黒鉛ピストン３２５と一体に形成されたスペーサ部分３１６がここでも示され、前記のように、スペーサ部分３１６の外側表面は黒鉛管３０７の内側表面と接触しない。従って、この設計例の一部として、アセンブリ３１０はベアリング表面３１８および３１９を介して黒鉛管３０７によってさらに頻繁に支持され、且つその中を滑る。同じく図１で考察された実施形態と同様、スペーサ部分３１６は、管３０７、および当然この例において、モノリシックな一体部分であることから黒鉛ピストン３２５の製造（例えば機械加工またはモールディング）に使用される同じ黒鉛材料（例えば、約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度、約５７ＭＰａ〜最大約８６ＭＰａの曲げ強度、および５．５×１０^-6／℃〜最大約７．５×１０^-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）をしばしば有する、実線および点線で示される黒鉛）のものである。同じく示されるのは、受動または能動的磁性回転防止システム３７３であり、これは磁性手段３７３と、安定のため回転軸と実質的に平行に且つミラーアセンブリ３１０から所定の半径方向距離に位置付けられた固定案内レール３７５とでしばしば構成される。

図３に示される可動ミラーアセンブリ３１０は、図４Ａでさらに詳細に示され、図４Ｂはここでも読者に３次元斜視図を示す。具体的には図４Ａおよび４Ｂは、黒鉛ピストン３２５のカップ状構成、リングとして形成されたベアリング表面３１８、３１９、平坦な反射表面を提供するような表面粗さで構成された平坦端部３１３、ならびに限定しないがコイル支持管３３５に結合された移動コイル３１３などの移動手段を受け入れるように構成された開放端部３１５、および図３に示されるような取り扱いを補助するための開口３４５の詳細を示す。図１の構成と同様、伝導性ワイヤのコイルまたはボイスコイル３１３が従ってコイル支持管３３５の外側部分の周りに巻かれる。ボイスコイル３１３は、コイル支持管３３５の全長にわたって構成可能であるが、しばしば所望のストローク長さよりわずかに長い長さにわたってのみ延在する。ここでもリードワイヤ（不図示）がボイスコイルを発電源（不図示）に結合する。

同じく図１の構成と同様、ボイスコイル３１３は、干渉計が作動する間、磁石アセンブリ（不図示）によって発生される設計された磁束界の内側にその少なくとも一部が存在するような長さで構成されることが好ましい。ボイスコイル３１３がそれを通って流れる電流を有し且つ磁束界の内側に存在するとき、電磁力が発生し、可動ミラーアセンブリ３１０全体を黒鉛管３０７の軸３０８に沿って導く。

黒鉛ピストン３２５自体に関して、図４Ａに詳細に示されるような平坦端部３１３の外側表面は、上に記載したように、前記のように紫外線（ＵＶ）から遠赤外線（遠ＩＲ）までにおいて有用であるが好ましくは約２マイクロメートル〜最大約２０マイクロメートルの赤外スペクトルにおいて有用である、垂直入射において少なくとも９８％の、図４Ｂに詳細に示されるような反射コーティング３１７を受け取るように構成された表面粗さで設計される。反射表面自体はしばしば、アルミニウム、銀、銅、またはニッケル、しかしより頻繁に金などの材料の蒸着（例えば、電解、真空蒸着）を介して平坦表面３１３に適用された最大約２５００オングストロームの蒸着コーティングである。代替として、結果として得られるミラー表面で受け取られる所定の波長に対して少なくとも９９．９９９％まで反射率を同じく上げるために、広帯域または狭帯域多層コーティングを（例えば真空蒸着またはスパッタリングを介して）適用可能である。さらに、全体設計の頑丈性を向上させるために、最終仕上げ前、必要に応じて保護用オーバーコート材料（例えば酸化アルミニウム（ＡｌＯ₂）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）またはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂））を加えることもできる。

図４Ａに示されるような持上げ磁石３２１がスペーサ部分３１６の外側表面に望ましくは配置され、移動の補助に役立つようにアセンブリの重心のより近くに位置付けられる。この構成において、図１のものと実質的に同様の全黒鉛製の材料構成を用いるため、およびミラー３１７は黒鉛ピストン３２５に結合された追加ミラー基板の代わりに黒鉛ピストン３２５の表面３１３への蒸着コーティングであるため、この構成は図１の構造よりさらに軽量であり、従って作動時のはるかにより優れたシステム安定性（例えばより少ないジッター）を提供し、および持上げ磁石構成はさらにより寛容であることができる。

前記のように、可動アセンブリ３１０が水平位置にあるように干渉計が使用される場合、スペーサ部分３１６の上側部分に置かれた持上げ磁石３２１と干渉計中空円筒３０６部分の金属との間の引力は、アセンブリ３１０と黒鉛管３０７の下半分との間の摩擦抵抗を部分的に緩和することによって、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示されるものよりアセンブリ３１０の移動をより良く補助する。いずれの場合も、前記のように、アセンブリ３１０が移動するとき、ミラー３１７は黒鉛管３０７の軸３０８に一致する線に沿ってビームスプリッタ３０２に対して移動する。

同じく最初に記載した実施形態と同様、黒鉛管３０７および黒鉛ピストン３２５は任意の所望の長さを有することができるが、好ましくは黒鉛管３０７は約５インチの長さであり、黒鉛ピストン３２５は約３インチの長さである。黒鉛／黒鉛ベアリングが接触するため、黒鉛管３０７内でのアセンブリ３１０の摺動は非常に滑らかに行われ、その利点は上で同様に詳述されているとおりである。

本明細書に開示される実施形態の例による全黒鉛製ベアリングアセンブリは、垂直または水平干渉計アセンブリで使用可能である。用語「垂直」および「水平」は、重力に関する移動ミラーの移動の方向の関係を指す。全黒鉛製ベアリングの利点は、米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示されるものに対してはるかにより軽量の可動ミラーアセンブリを提供し、より安価でより小型の垂直干渉計を可能にすることである。垂直干渉計は水平干渉計と比較していくつかの利点を有する。線形ボイスコイルモータは、可動ミラーの重さを磁気的に懸吊し、その結果、全黒鉛製ベアリングには事実上静的な荷重が置かれず、従って摩擦を低減する。さらに、可動ミラーアセンブリの質量の中心の垂直移動は、ベアリングシステムの静的荷重に影響を及ぼさない。水平干渉計では、可動ミラーの重さは、質量中心が移動するとき、ベアリングシステムを曲げ、それによりミラーの傾きを引き起こす。

本実施形態の例による全黒鉛製ベアリングは、水平干渉計で使用されることも可能である。水平のとき、全黒鉛製ベアリングは、ベアリング表面に沿って固有の摩擦量を有し、正確なステップスキャンデータ収集を実行する単純な方法を提供する。可動ミラーアセンブリの駆動手段が停止されると、摩擦が可動ミラーを数ミリ秒で停止し、従来の能動的ステップスキャン干渉計は複雑な二次制御システムなしに達成できない一定程度の正確性でそれを保持する。狭いベアリング隙間内の捕捉された空気が減衰効果を提供し、減衰効果はさらに可動ミラーアセンブリの停止に寄与する。さらに、この減衰により干渉計は外部振動の影響を受けにくくなる。

米国特許第５，８９６，１９７号明細書に開示される構成と同様、および参照によりその全体が組み込まれるように、受動的または能動的磁気回転防止システム（図１および図３で参照番号７１および３７１で全体的に示される）を、ミラーの回転（例えば図１のミラー１７または図３のミラー３１７の回転）を制限するために組み込むことができることを認識されたい。

図１および図３に示されるような実施形態の例は、コンピュータまたはプロセッサ（不図示）を介してしばしば操作され、コンピュータまたはプロセッサは当業者に知られるような専用デジタルコンピュータまたはデジタル信号プロセッサであり得ることが最後に注記される。またコンピュータ（不図示）は、１つまたは複数の他の分析機器、ならびにディスプレイスクリーン、プリンタ等などの出力装置および／またはキーボード、インターネット接続装置等などの１つまたは複数の入力装置にしばしば電子的に結合される。

従って、結合されたコンピュータまたはプロセッサは、全黒鉛製移動ミラーアセンブリ、例えば図１に示されるようなアセンブリ１０の制御を、本明細書に開示される干渉計実施形態とともに作動するように組み込み可能な他のいずれかの光学要素（例えば他の反射体、センサ、放射源等）と連動して調整することができる。機械可読媒体（例えばコンピュータ可読媒体）に提供且つ記憶されているように、指示を実行することもできる。コンピュータ可読媒体は、本発明の態様によれば、機械／コンピュータによって読出し（すなわち走査／感知）可能であり且つ機械の／コンピュータのハードウェアおよび／またはソフトウェアによって読取り可能な形態で提供された情報をエンコードした、当業者に知られ且つ理解されている媒体を指す。具体的には、コンピュータ可読媒体は、限定しないがローカルハードディスクドライブ、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＵＳＢメモリデバイス、および当業者に知られ且つ理解されているいずれかのリモートメモリ記憶装置などのローカルまたはリモートメモリ記憶装置をしばしば含むことができる。

本明細書の各種実施形態に関して記述している特徴は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、任意の組み合わせで混在および適合できることを理解されたい。異なる実施形態を選択して例示および詳述してきたが、これらは例示的であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、各種の代替形態および変更形態が可能であることを理解されたい。

Claims (6)

1. 干渉計用の全黒鉛製ベアリングであって、
   穴を備えて構成された基部と、
   前記穴の中に固定して配置された中空黒鉛管と、
   前記中空黒鉛管の中に配置され且つ前記中空黒鉛管と同じ等級の黒鉛材料から製造された一体型黒鉛部材であって、反射表面に結合された端部を有し、更に前記中空黒鉛管の中心軸と平行に摺動移動するように構成された前記一体型黒鉛部材と、
   を含む、干渉計用の全黒鉛製ベアリング。
2. 前記黒鉛材料が、約２マイクロメートル〜最大約５マイクロメートルの粒径、約１．８ｇ／ｃｍ³の密度、約５７ＭＰａ〜最大約８６ＭＰａの曲げ強度、および５．５×１０^-6／℃〜最大約７．５×１０^-6／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する黒鉛を含む、請求項１に記載の干渉計用の全黒鉛製ベアリング。
3. 前記反射表面が、前記一体型黒鉛部材の前記端部の平坦表面上の蒸着コーティングである、請求項１に記載の干渉計用の全黒鉛製ベアリング。
4. 前記反射表面が、前記一体型黒鉛部材の前記端部に結合された基板と一体にされている、請求項１に記載の干渉計用の全黒鉛製ベアリング。
5. 前記反射表面が、約２マイクロメートル〜最大約２０マイクロメートルの赤外スペクトルの垂直入射において少なくとも９８％の反射率を有する、請求項３または４に記載の全黒鉛製ベアリング。
6. 移動手段がコイル支持管およびボイスコイルを含む、請求項１に記載の全黒鉛製ベアリング。

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