JP5911860B2 - 絶対位置フィードバックを用いて調整可能な光学マウント - Google Patents

絶対位置フィードバックを用いて調整可能な光学マウント Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、Ｐ．Ｔｈｏｍａｓらによって２０１０年７月１５日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｍｏｕｎｔｓ ｗｉｔｈ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｆｅｅｄｂａｃｋ」と称する米国仮特許出願第６１／３６４，７７９号（代理人整理番号ＮＰＴ−０２６１−ＰＶ）の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、本願は、２００７年１月１８日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ Ｍｏｕｎｔｓ ａｎｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｄｒｉｖｅｒ」と称するＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＩＢ２００７／０００６０２（代理人整理番号ＮＰＴ−０２６０−ＰＣ）および２００８年２月２７日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ Ｍｏｕｎｔｓ ａｎｄ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａ Ｄｒｉｖｅｒ」と称する米国特許出願第１２／０６５，０８３号（代理人整理番号ＮＰＴ−０２６０−ＵＳ）にも関連し、両文献ともその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、概して、位置検出または測定フィードバックを用いて、光学コンポーネントまたは同様のものなどの素子を正確に配置するためのデバイスおよび方法を対象とする。いくつかの実施形態では、位置フィードバックデータを格納および使用して、調整後、外乱後または以前に配置した素子を移動させるその他の任意のアクティビティの後に、既知の位置を再取得することができる。また、位置フィードバックデータは、素子の現在の位置を決定するために分析することもできる。
レンズ、鏡、波長プレート、フィルタ、体積ブラッグ回折格子、プリズムおよび同様のものなどの光学素子または要素は、調整可能な光学マウントを備えた光学システム、特に実験用の光学システムに装着される場合が多い。光学システムの一例は、複数の光学素子およびコンポーネントを有する光学ベンチまたはベースを含み得、複数の光学素子およびコンポーネントは、ある光学素子から次の光学素子に光ビームを向ける光学経路を提供するような向きでベースに装着される。レーザまたは他の光源からのビームは、一般に、そのようなアプリケーションに使用される。そのような構成の場合、調整可能な光学マウントは、光学要素を光学ベンチまたは光学システムの他のコンポーネントにしっかりと固定した上で、依然として光学要素の向きに対する何らかの調整を可能にするメカニズムを実現する。
既存の調整可能な光学マウントは、それに固定する光学要素を有するよう構成された第１のプレートを有する実施形態を含み得る。第２のプレートは、第１のプレートに隣接して配置され、第２のプレートから第１のプレートまで延在する３つの接点を含む。接点の１つまたは複数は、第２のプレートまで通り抜ける調整ねじなどの、調整シャフトの端部に配置することができる。また、接点は、第１のプレート上の戻り止めに配置することもでき、それにより、第１のプレートに対する接点の回転が可能となるが、第１のプレートに沿った接点の滑動または横方向への移動を防ぐ。ばねまたは磁石などの１つまたは複数の収縮部材は、第１のプレートと第２のプレートとの間に固定され、その結果、１つまたは複数のばねまたは磁石の復元力を用いてプレートを強制的に引き出す。収縮部材によって生成されるプレート間の引力は、第１のプレートのそれぞれの戻り止めに対する３つの接点による抵抗を受ける。
そのような構成では、調整ねじ位置側でプレート間の間隔を調整するため、ひいては、第２のプレートに対する第１のプレートの相対的な向きを調整するため、調整ねじの回転により、第２のプレートに対して調整ねじを移動させる。調整ねじに対して微細なねじ山を使用すれば、第２のプレートに対する第１のプレートと光学要素の向きの微調整を行うことができる。第２のプレートは、一般に、フランジ、ばか穴、ねじ穴または同様のものを用いて、光学システムのベースにしっかりと装着するよう構成される。一旦第２のプレートが光学ベンチまたはベースにしっかりと固定されれば、調整可能な光学マウントは、光学システムの光学経路に対する光学要素の向きの微調整を行いながら、第１のプレートに固定された光学要素を光学システムのベースに固定することができる。
そのような構成の短所の１つは、１つの調整ねじの手動操作が、他の調整ねじを妨害することも、光学マウント構造全体を移動することもあり得ることである。そのようなシステムは、ステッピングモータなどのリモート電動モータを用いて調整することもできるが、これらのタイプのモータは、大型で高価である傾向があり、複雑なリダクションギアリングおよび他の改良点が必要とされる場合がある。いくつかの既存の光学マウントに関する別の問題は、光学マウントが妨害されるかまたは不注意に移動された場合に、光学マウントを既知の位置にリセットする能力の不足である。そのため、所望の軸における光学要素の位置の精密制御を可能にするリモート調整が可能である、調整可能な光学マウントが必要とされてきた。また、既知の位置に戻る能力を有する調整可能な光学マウントも必要とされてきた。
光学要素用の調整可能なマウントのいくつかの実施形態は、第１のマウントボディと、第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディとを含む。また、調整可能なマウントは、第１のマウントボディと第２のマウントボディとの間の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバも含む。可撓性基板は、第１のマウントボディに固定された第１の部分と、第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む。歪みゲージ要素は、可撓性基板に機械的に固定され、かつ可撓性基板の歪みを登録し、可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成される。コントローラは、歪みゲージ要素と動作可能に連通することができ、歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成することができる。
光学要素用の調整可能なマウントのいくつかの実施形態は、第１のマウントボディと、第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、第１の調整可能な自由度および第２の調整可能な自由度において第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディとを含む。また、調整可能なマウントは、第１のマウントボディと第２のマウントボディとの間の第１の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第１のドライバも含む。第２のドライバは、第１のマウントボディと第２のマウントボディとの間の第２の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成することができる。可撓性基板は薄い可撓性シートであって、第１のマウントボディに固定された可撓性基板の第１の部分と、第２のマウントボディに固定された可撓性基板の第２の部分とを備える薄い可撓性シートを含む。歪みゲージ要素は、可撓性基板に機械的に固定することができ、かつ可撓性基板の歪みを登録し、可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成することができる。コントローラは、歪みゲージ要素と動作可能に連通することができ、歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成することもできる。
光学要素用の調整可能なマウントのいくつかの実施形態は、第１のマウントボディと、第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において第１のマウントボディに対して移動可能であり得る第２のマウントボディとを含む。可撓性基板は、第１のマウントボディに固定された第１の部分と、第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む。歪みゲージ要素は、可撓性基板に機械的に固定することができ、かつ可撓性基板の歪みを登録し、可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成することができる。
光学要素用の調整可能なマウントを調整する方法のいくつかの実施形態は、光学要素用の調整可能なマウントを設ける工程を含み、マウントは、第１のマウントボディと、第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディとを含む。また、調整可能なマウントは、第１のマウントボディに固定された第１の部分と、第２のマウントボディに固定された第２の部分とを有する可撓性基板も含む。また、調整可能なマウントは、可撓性基板に機械的に固定することができ、かつ可撓性基板の歪みを登録し、可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成することができる歪みゲージ要素も含む。また、調整可能なマウントは、歪みゲージ要素と動作可能に連通し、歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラも含み得る。次いで、コントローラを使用して、歪みゲージ要素信号から第１のマウントボディに対する第２のマウントボディの第１の絶対位置に関するデータを生成することができる。
ある特定の実施形態については、以下の説明、実施例、特許請求の範囲および図面でさらに説明する。実施形態のこれらの特徴は、添付の例示的な図面と併せると、以下の詳細な説明より明らかになるであろう。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学要素用の調整可能なマウントであって、該調整可能なマウントは、
第１のマウントボディと、
第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバと、
前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と、前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板と、
前記可撓性基板に機械的に固定され、かつ前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成された歪みゲージ要素と、
前記歪みゲージ要素と動作可能に連通し、前記歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
を備えている、調整可能なマウント。
（項目２）
２つ以上の歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目１に記載の調整可能なマウント。
（項目３）
前記歪みゲージ要素は、歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目１に記載の調整可能なマウント。
（項目４）
前記歪みゲージ要素は、前記歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応じて電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、項目３に記載の調整可能なマウント。
（項目５）
前記可撓性基板は、薄い可撓性シートであって、２つの実質的に平行な表面と、前記シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む薄い可撓性シートを備えている、項目１に記載の調整可能なマウント。
（項目６）
前記可撓性基板は、４つの側面と４つの角部を有する外周領域を生成する、中央に開口部を備えた平坦な正方形のプレートを備え、前記第１の部分は第１の角部に配置され、前記第２の部分は第２の角部に配置され、前記第２の角部は前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、項目５に記載の調整可能なマウント。
（項目７）
前記ドライバは手動で駆動される、項目１に記載の調整可能なマウント。
（項目８）
前記ドライバは電動である、項目１に記載の調整可能なマウント。
（項目９）
前記電動ドライバは、圧電式ドライバを含む、項目８に記載の調整可能なマウント。
（項目１０）
光学要素用の調整可能なマウントであって、該調整可能なマウントは、
第１のマウントボディと、
第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、第１の調整可能な自由度および第２の調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記第１の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第１のドライバと、
前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記第２の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第２のドライバと、
薄い可撓性シートを含む可撓性基板であって、前記第１のマウントボディに固定された前記可撓性基板の第１の部分と、前記第２のマウントボディに固定された前記可撓性基板の第２の部分とを備えた可撓性基板と、
前記可撓性基板に機械的に固定され、かつ前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成された歪みゲージ要素と、
前記歪みゲージ要素と動作可能に連通し、前記歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
を備えている、調整可能なマウント。
（項目１１）
２つ以上の歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目１０に記載の調整可能なマウント。
（項目１２）
前記歪みゲージ要素は、歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目１０に記載の調整可能なマウント。
（項目１３）
前記歪みゲージ要素は、前記歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応じて電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、項目１２に記載の調整可能なマウント。
（項目１４）
前記可撓性基板は、薄い可撓性シートであって、２つの実質的に平行な表面と、前記シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む薄い可撓性シートを備えた、項目１０に記載の調整可能なマウント。
（項目１５）
前記可撓性基板は、４つの側面と４つの角部を有する外周領域を生成する、中央に開口部を備えた平坦な正方形のプレートを備え、前記第１の部分は第１の角部に配置され、前記第２の部分は第２の角部に配置され、前記第２の角部は前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、項目１１に記載の調整可能なマウント。
（項目１６）
前記第２のマウントボディは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間に配置された枢着部で前記第１のマウントボディに対して枢動し、前記枢着部に対して実質的に一定の曲率半径を有する第１の駆動表面と、前記枢着部に対して実質的に一定の曲率半径を有する第２の駆動表面とを有する、項目１０に記載の調整可能なマウント。
（項目１７）
前記枢着部は、前記第１および第２のドライバの駆動表面によって係合するよう圧縮された戻り止めに配置された玉軸受を備えた、項目１３に記載の調整可能なマウント。
（項目１８）
前記第１および第２のドライバは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を伝えるよう構成された圧電式慣性ドライバを含み、前記圧電式ドライバは、
第１の圧電部材マウント表面を有する剛性本体部分と、
第２の圧電部材マウント表面を含む第１の端部と、駆動表面を有する駆動表面部分と、前記駆動表面部分と前記第１の端部との間に配置され固定された軸方向剛性部分と、前記駆動表面部分から延在するＳ形状の弾性部分と、前記Ｓ形状の弾性部分と前記本体部分との間に配置され固定された第２の端部部分とを有する連続した可撓性の弾性部材と、
前記第１のマウント表面と前記第２のマウント表面との間に配置され固定された圧電部材と
を含む、項目１０に記載の調整可能なマウント。
（項目１９）
前記圧電式慣性ドライバの前記剛性本体部分は、前記第１のマウントボディに固定され、前記駆動表面は、前記第２のマウントボディと摩擦係合する、項目１８に記載の調整可能なマウント。
（項目２０）
前記圧電式慣性ドライバの前記剛性本体部分は、前記第２のマウントボディに固定され、前記駆動表面は、前記第１のマウントボディと摩擦係合する、項目１８に記載の調整可能なマウント。
（項目２１）
光学要素用の調整可能なマウントを調整する方法であって、前記方法は、
光学要素用の調整可能なマウントを設ける工程であって、前記調節可能なマウントは、
第１のマウントボディと、
第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と、前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板と、
前記可撓性基板に機械的に固定され、かつ前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成された歪みゲージ要素と、
前記歪みゲージ要素と動作可能に連通し、歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
を備えている、工程と、
前記コントローラを使用して、歪みゲージ要素信号から前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの第１の絶対位置に関するデータを生成する工程と
を含む、方法。
（項目２２）
前記第１のマウントボディの位置に対する前記第２のマウントボディの前記第１の絶対位置に関する位置データをデータ記憶装置に格納する工程をさらに含む、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記第１のマウントボディに対して前記第２のマウントボディを変位させる工程と、前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの第２の位置に関するデータを生成する工程とをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記第２のマウントボディは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバを用いて、前記第１のマウントボディに対して変位させられる、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記ドライバは、圧電式ドライバを含み、前記第２のマウントボディは、前記圧電式ドライバの作動によって前記第１のマウントボディに対して変位させられる、項目２４に記載の方法。
（項目２６）
コントローラから前記ドライバへの信号を生成して、前記第２のマウントボディを前記第２の位置から前記第１の絶対位置に変位させて戻す工程をさらに含む、項目２３に記載の方法。
（項目２７）
前記調整可能なマウントは、前記可撓性基板に機械的に固定された複数の抵抗歪みゲージ要素を備え、前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの前記第１の絶対位置に相当する位置データは、前記複数の抵抗歪みゲージ要素のインピーダンスプロフィールから生成される、項目２１に記載の方法。
（項目２８）
前記複数の抵抗歪みゲージの前記インピーダンスプロフィールは、少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路を用いて生成される、項目２７に記載の方法。
（項目２９）
光学要素用の調整可能なマウントであって、該調整可能なマウントは、
第１のマウントボディと、
第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と、前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板と、
前記可撓性基板に機械的に固定され、かつ前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応じて信号を生成するよう構成された歪みゲージ要素と
を備えている、調整可能なマウント。
（項目３０）
前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバをさらに備えている、項目２９に記載の調整可能なマウント。
（項目３１）
前記歪みゲージ要素と動作可能に連通し、前記歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラをさらに備えている、項目２９に記載の調整可能なマウント。
（項目３２）
２つ以上の歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目２９に記載の調整可能なマウント。
（項目３３）
前記歪みゲージ要素は、歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、項目２９に記載の調整可能なマウント。
（項目３４）
前記歪みゲージ要素は、前記歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応じて電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、項目３３に記載の調整可能なマウント。
（項目３５）
前記可撓性基板は、薄い可撓性シートであって、２つの実質的に平行な表面と、前記シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む薄い可撓性シートを備えている、項目２９に記載の調整可能なマウント。
（項目３６）
前記可撓性基板は、４つの側面と４つの角部を有する外周領域を生成する、中央に開口部を備えた平坦な正方形のプレートを備え、前記第１の部分は第１の角部に配置され、前記第２の部分は第２の角部に配置され、前記第２の角部は前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、項目３５に記載の調整可能なマウント。
（項目３７）
前記ドライバは手動で駆動される、項目３０に記載の調整可能なマウント。
（項目３８）
前記ドライバは電動である、項目３０に記載の調整可能なマウント。
（項目３９）
前記電動ドライバは、圧電式ドライバを含む、項目３８に記載の調整可能なマウント。
図面は、本技術の実施形態を示し、限定するものではない。図解を明確かつ容易にするため、図面は原寸に比例しない場合があり、いくつかの例では、特定の実施形態に対する理解を容易にするため、さまざまな態様が誇張されるかまたは拡大されて示される場合がある。
図１は、光学調整用の圧電式慣性ドライバの実施形態の斜視図である。 図２は、示される圧電部材を備えていない図１の光学調整用の圧電式慣性ドライバの実施形態の立面図である。 図３Ａ−６Ｂは、圧電式慣性ドライバの実施形態の駆動するのに使用できるさまざまな電圧信号および信号パルスの実施形態のグラフ表現である。 図３Ａ−６Ｂは、圧電式慣性ドライバの実施形態の駆動するのに使用できるさまざまな電圧信号および信号パルスの実施形態のグラフ表現である。 図３Ａ−６Ｂは、圧電式慣性ドライバの実施形態の駆動するのに使用できるさまざまな電圧信号および信号パルスの実施形態のグラフ表現である。 図３Ａ−６Ｂは、圧電式慣性ドライバの実施形態の駆動するのに使用できるさまざまな電圧信号および信号パルスの実施形態のグラフ表現である。 図７は、第１の圧電式慣性ドライバおよび第２の圧電式慣性ドライバを有する調整可能なマウントの実施形態の斜視図である。 図８は、図７の調整可能なマウントの実施形態の分解図である。 図９は、位置データを生成することができる調整可能な光学マウントの実施形態の斜視図を示す。 図１０は、図９の調整可能な光学マウントの分解図である。 図１０Ａは、図９の光学マウントの第１のマウントボディの斜視図である。 図１１は、図９の調整可能な光学マウントの立面図である。 図１２は、歪みゲージアセンブリの実施形態およびそれに固定された回路基板の実施形態を含む、図９の調整可能な光学マウントの位置測定モジュールの実施形態の斜視図である。 図１３Ａは、図９のマウントの歪みゲージアセンブリの実施形態の正面図である。図１３Ｂは、歪みゲージアセンブリの実施形態の正面図である。 図１４Ａは、図１３Ａの線１４Ａ−１４Ａをとった図１３Ａの歪みゲージアセンブリの断面図である。図１４Ｂは、図１３Ｂの線１４Ｂ−１４Ｂをとった図１３Ｂの歪みゲージアセンブリの断面図である。 歪みゲージの実施形態の上面図である。 図１５の線１５Ａ−１５Ａに沿った図１５の歪みゲージの横断面図である。 図１５の線１５Ｂ−１５Ｂに沿った図１５の歪みゲージの横断面図である。 歪み下の図１３の歪みゲージアセンブリの実施形態の一部を示す。 可撓性基板の両面に配置された１対の歪みゲージの歪みを正確に測定する際に有用であり得る回路の実施形態の概略図である。 図１８Ａは、第１の部分と第２の部分との間で軸に沿って湾曲状に歪んだ歪みゲージアセンブリの実施形態の上面図であり、軸は、第１の部分のマウントと第２の部分のマウントが交差する線に実質的に垂直である。図１８Ｂは、図１８Ａの歪んだ歪みゲージアセンブリの側面図である。 図１９Ａは、歪みゲージアセンブリの可撓性基板の第１の部分のマウントと第２の部分のマウントが交差する軸に沿ってねじり状に歪んだ歪みゲージアセンブリの実施形態の上面図である。図１９Ｂは、図１９Ａの歪んだ歪みゲージアセンブリの側面図である。 図２０は、歪みゲージインピーダンスを測定するための回路の実施形態の概略図である。 図２１は、歪みゲージインピーダンスを測定するための回路の実施形態の概略図である。 図２２Ａ−２２Ｂは、図１２の位置測定モジュールの両面を示す。
本明細書で論じられる実施形態は、光学調整用のマウントとともに使用するための圧電式慣性ドライバを含む小型の電動駆動メカニズムを対象とする。そのようなマウントは、角度範囲制限をほとんどまたは全く有さないよう、ならびに、マウントを通じる中央の開口部の利用可能性、マウントへの電力損失の場合の位置の安定性、光学調整用の他の調整可能な電動マウントと比べて良好な感度および低いコストを有するよう構成することができる。圧電式慣性ドライバの形態のそのような電動駆動メカニズムは、回転ステージなどの回転マウント、枢着または接合構成を含み得る運動学的な光学マウントなどの光学機器の角度傾斜または方向を調整するよう構成された光学マウント、および、平行移動ステージおよび同様のものを含み得る平行移動マウントを含む、多種多様な光学調整用のマウントで使用することができる。そのようなマウントは、定期的に調整または整合する必要がある複数の光学要素の使用を必要とする場合に特に有用であり得る。それに加えて、電源を切る際に位置の安定性を保持するそのようなマウントの能力により、単一のコントローラを使用して、スイッチボックスまたは同様のものを用いて複数のマウントを調整することができ、それにより、光学システム用の制御電子機器のコストをさらに削減することができる。マウントを使用して、レンズ、鏡、波長プレート、フィルタ、体積ブラッグ回折格子、プリズムおよび同様のものなどの光学素子または要素を装着および調整することができる。
図１および２を参照すると、光学調整用の圧電式慣性ドライバの実施形態１０が示されている。ドライバ１０は、剛性本体部分１２を含み、剛性本体部分１２は、剛性本体部分１２の平底面１５の垂線から約２０度から約３０度の角度で剛性本体部分１２の第１の端部１３に向けて配置された第１の圧電部材マウント表面１４を有する。剛性本体部分１２は、２つのマウントスロット１６を含み、２つのマウントスロット１６を使用して、適切なねじ、ボルト、リベットまたは同様のものを用いてマウントまたはその一部分に剛性本体部分１２を固定することができる。マウントスロット１６が示されているが、ねじ切り、溝および同様のものがあってもなくともよい装着穴などの他の適切な剛性本体部分１２用の装着具も使用することができる。配線マウントボス１７は、圧電式慣性ドライバ１０と連通するいかなる配線も固定するため、剛性本体部分の第１の端部１３に隣接して延在する。
また、ドライバ１０は、第２の圧電部材マウント表面２４を含む第１の端部２２と、駆動表面２８を有する駆動表面部分２６と、駆動表面部分２６と第１の端部２２との間に配置され固定された軸方向剛性部分３２とを有する連続した可撓性の弾性部材１８も含む。Ｓ形状の弾性部分３４は、駆動表面部分２６から延在し、第２の端部部分３６は、Ｓ形状の弾性部分３４と剛性本体部分１２との間に配置され固定される。第２の圧電マウント表面２４は、第１の圧電部材マウント表面１４に実質的に平行であり、第１の圧電部材マウント表面１４に対向して配置される。長方形の横断面を有するリボン状の構成を有する弾性部材１８は、第１および第２の圧電マウント表面１４および２４に実質的に垂直な角度方向に、剛性本体部分１２の第１の端部１３から離れる形で第１の端部２２から延在する。第１の端部２２から駆動表面部分２６まで延在する弾性部材１８の一部分は、軸方向剛性または駆動力伝達部分３２を形成する。軸方向剛性部分３２は、第１の端部２２から、駆動表面部分２６上に配置された駆動表面２８に駆動力を伝達する。駆動表面２８は、弾性部材１８の一部分であり、剛性本体１２の底面１５から、底面１５に垂直な方向に最も離れる形で延在する。これにより、駆動表面２８を、圧電アクチュエータ１０によって移動または別の方法で駆動すべきボディの表面と係合することができる。
弾性部材１８の第１の端部２２における駆動力は、第１の圧電部材マウント表面１４と第２の圧電部材マウント表面２４との間に配置され固定される圧電部材３８によって生成される。圧電部材３８が定位置にない弛緩した状態では、矢印４１で示される第１のマウント表面１４と第２のマウント表面２４との間の内部空間は、いくつかの実施形態に対し、その内部空間内に配置される圧電部材３８の対応する外形寸法より小さい場合がある。この構成は、一旦圧電部材３８が第１のマウント表面１４と第２のマウント表面２４との間の定位置に固定されると、圧電部材３８に対する予荷重圧縮を実現する。いくつかの実施形態に対し、矢印４１で示される第１のマウント表面１４と第２のマウント表面２４との間の内部空間は、圧電部材３８の対応する外形寸法とほぼ同じである場合がある。そのような実施形態に対し、圧電部材３８に対する軸方向の予荷重圧縮は、駆動表面２８に実質的に垂直に及ぼす圧縮力によって生成することができる。
第１および第２のマウント表面１４および２４は、駆動表面部分２６と第１の端部２２との間に配置され固定された弾性部材１８の軸方向剛性部分３２の縦軸４２に対する少なくとも１つの横方向の寸法において圧電部材３８を機械的に捕捉するため、凹部にすることができる。圧電部材３８は、弾性部材１８の軸方向剛性部分３２の縦軸４２に沿った接合部の圧縮と引張の両方の安定性を提供する機械的捕捉、接着剤、エポキシおよび同様のものによる接着、溶接、ろう付け、はんだ付けまたは他の任意の適切な方法によって、第１および第２のマウント表面１４および２４に固定することができる。弾性部材１８は、駆動表面２８を介した隣接表面への較正された接触摩擦荷重を永久的に維持するよう構成することができる。
弾性部材１８の駆動表面部分２６と第２の端部部分３６との間に延在するＳ形状の弾性部分３４は、可撓性の弾性部材１８の駆動表面２８に印加された摩擦駆動力に弾性的に抵抗および対抗するよう構成される。それに加えて、Ｓ形状の部分３４は、弾性部材１８から圧電体３８に伝わることもあるトルクを相殺するようにも構成される。示される実施形態では、Ｓ形状の部分３４は、駆動表面部分２６の下方で、第１の湾曲部３５から第１の端部２２に向かって引き返す形で湾曲している。第２の湾曲部３７は、Ｓ形状の部分３４を再び、第２の端部部分３６および第２の端部部分３６と剛性本体部分１２との間の接合部に向けて向け直す。Ｓ形状の部分３４の第１および第２の湾曲部３５および３７は、いくつかの実施形態に対し、弾性部材１８の名目上の縦軸から約２５０度から約３３０度の曲げ角度を有し得る。いくつかの実施形態に対し、第１の湾曲部３５と第２の湾曲部３７との間のＳ形状の部分３４の一部分の長さは、約２ｍｍから約４ｍｍであり得る。第１および第２の湾曲部３５および３７の湾曲の内側半径は、いくつかの実施形態に対し、約２ｍｍから約４ｍｍであり得る。
示される実施形態では、剛性本体部分１２および可撓性の弾性部材１８は、単体の弾性材料から形成されたモノリシック構造を有する。いくつかの実施形態に対し、単体の弾性材料は、ばね鋼、ステンレス鋼または同様のものなどの弾性金属であり得る。剛性本体部分１２および可撓性の弾性部材１８は、単体の材料で製作されるため、第２の端部部分３６と剛性本体部分１２との間の接合部は、弾性部材１８の第２の端部部分３６と剛性本体部分１２との間でトルクおよび軸方向の力を伝達できるようなものである。弾性部材１８は長方形の横断面を有する実質的にリボン状の構成を有するものとして示されているが、弾性部材１８は、正方形、円形、楕円形または同様のものの横断面を含む他の構成を有してもよい。
圧電式慣性ドライバ１０の実施形態は、約１０ｍｍから約１００ｍｍの長さおよび約２ｍｍから約１０ｍｍの幅を有し得る。弾性部材１８の実施形態は、約０．２ｍｍから約１ｍｍの厚さを有し得る。そのような実施形態用の圧電部材３８は、一般に、長方形の形状であり、約１ｍｍから約１０ｍｍの長さ、約１ｍｍから約１０ｍｍの幅、および、約１ｍｍから約１０ｍｍの厚さを有し得る。圧電部材３８のいくつかの実施形態は、示されるように、実質的に立方体の形状である。また、圧電素子は、円筒形、六角形および同様のものなどの他の外形構成も有し得る。第１のマウント表面１４と第２のマウント表面２４との間の圧電部材３８に対する軸方向の圧縮予荷重は、駆動表面２８に実質的に垂直な約２０ニュートンから約６０ニュートンの摩擦力を有するいくつかの実施形態に対し、約１０ニュートンから約５０ニュートンであり得る。そのような実施形態は、駆動表面２８の接線方向に、約１ニュートンから約５ニュートンの軸方向の駆動力を生成することができる。圧電部材３８は、外部場または電気信号などの信号の印加に基づいて外形寸法を変化させる圧電結晶、圧電セラミックまたは他の任意の適切な材料を含み得る。
本明細書で論じられる実施形態は、圧電部材３８とともに示されているが、全体として圧電式慣性ドライバ１０のものと同じまたは同様の材料、寸法および動作特性を有する慣性ドライバのいくつかの実施形態に対し、圧電部材３８と同様の寸法および動作パラメータを有する磁歪部材を圧電部材３８の代わりに使用できることを理解されたい。図３Ａ〜６Ｂに関して以下で論じられるある種の傾斜した周期的な運動を生み出すためにそのような磁歪部材に可変磁場信号を印加することができる場合、そのような磁歪慣性ドライバの動作は、圧電式慣性ドライバ１０のものと実質的に同じであり得る。
圧電式慣性ドライバシステムは、導体４０によって圧電式慣性ドライバ１０と電気的に結合されたコントローラ４４を含む。コントローラ４４の実施形態は、電源と、ＣＰＵと、データ入力のための外部制御部と、グラフィックディスプレイと、ユーザが圧電式慣性ドライバ１０の作動をプログラムできるかまたは別の方法で制御できるようにするために必要な他の任意の電気回路とを含み得る。ドライバ１０を使用して、駆動表面２８から変動速度の運動を加えることによって、光調整用のマウントまたはその一部分を移動することができる。コントローラ４４によって特定の電圧プロフィールを圧電部材３８に印加すると、可撓性の弾性部材１８の軸方向剛性部分３２の縦軸４２の方向に沿った圧電部材３８の伸張および収縮を駆動表面２８に生み出す。結果として生じた動作プロフィールはマウントの所望の部分に伝えられ、その結果、寸法、部品数、重量およびコストを削減しながら高感度の繰り返し可能な動作を直接達成することができる。
図３Ａ〜６Ｂを参照すると、さまざまな電圧信号プロフィールのいくつかの実施形態が示されている。電圧信号プロフィールは、駆動表面２８の運動を生み出すために使用できる圧電部材３８に印加された電圧の振幅および極性対時間を示す。そのような電圧信号プロフィールの場合、印加電圧の緩やかな変化は、駆動表面２８の対応する緩やかな運動および低加速度をもたらす。マウントボディなどのボディに対する圧電式慣性ドライバ１０の駆動表面２８のばねの予荷重のため、低加速度での駆動表面２８の緩やかな平行移動を使用して、駆動表面２８と摩擦係合した可動マウントボディの対応する運動を生み出すことができる。それとは対照的に、電圧の比較的急速な増減および駆動表面２８の高加速度は、マウントの可動部分が十分な固有慣性を有する場合、駆動表面２８とマウントボディの摩擦係合を破壊する。そのため、この高加速度の場合、駆動表面２８は、その十分な平行移動なしにマウントの可動部分をいつの間にか滑動する。非対称の引張または電圧プロフィールを圧電部材３８に適用すると、電圧の素早い変化と電圧の緩やかな変化の単一のまたは周期的組合せ、および、対応する駆動表面２８の運動を使用して、電源遮断中および運動範囲の制限がない間でも、安定性を失うことなく、両方向へのマウントの可動部分の正確な運動を達成することができる。
図３Ａを参照すると、圧電部材３８に印加できる基本的なドライバ電圧パターンまたは信号パルスが示され、時間帯Ｔ１の間に矢印ＶＰによって示されるピーク電圧まで比較的緩やかに上昇する電圧を有する。電圧信号のこの緩やかな上昇を使用して、信号パルスの緩やかな上昇期間の間の電圧の全変化に対応し得るマウントボディの運動を生み出すことができる。ピーク電圧に達した後、電圧は、Ｔ２によって示される短期間の間に突然降下して開始電圧に戻る。時間帯Ｔ２の間の電圧の突然の変化は、駆動表面２８の高加速度を招き、駆動表面２８と、駆動表面２８と摩擦係合したマウントボディとの間で滑動を招く。この全サイクルは、時間帯Ｔ１＋Ｔ２の間に行われ、図４Ｂに示されるように繰り返すことができる。図３Ａの電圧信号パルスは、圧電式慣性ドライバ１０に対するマウントボディの所望の量の運動を達成するために、必要に応じて何度も繰り返すことができる。
図４Ａは、図３Ａのものと同様の電圧信号プロフィールを示すが、図４Ａのパターンは、図３Ａの信号によって生み出される運動の逆方向の運動を生み出すよう構成される。図４Ａでは、電圧信号は、時間帯Ｔ２の間に開始電圧からピーク電圧ＶＰまで突然または急速に上昇する。上記で論じられる電圧信号と同様に、時間帯Ｔ２の間の急速なまたは突然の電圧の増加は、駆動表面２８とマウントボディとの間の摩擦係合において滑動を招く。そのため、マウントボディは、電圧信号サイクルのこの部分の間、駆動表面２８の動作に追従することはない。次いで、電圧は、時間帯Ｔ１の間にピーク電圧ＶＰから開始電圧まで緩やかに降下する。電圧の緩やかな減少は、マウントボディの可動部分を動かし、この運動は、電圧信号のこの部分の間、駆動表面２８の運動と実質的に同じである。図４Ａに示されるこの駆動信号は、圧電式慣性ドライバ１０に対してマウントボディの所望の量の運動を達成するために、必要に応じて何度も繰り返すことができる。図３Ｂは、図４Ａの駆動信号パルスと同様の一連のパルスを示す。いくつかの電圧信号パルスの実施形態に対するピーク電圧ＶＰは、約１０ボルトから約２００ボルトであり得る。より具体的には、約１０ボルトから約５０ボルトであり得る。いくつかの実施形態に対し、電圧信号パルスの時間帯Ｔ１＋Ｔ２は、約０．１ミリ秒から約２．０ミリ秒であり得る。パルスの急速なまたは突然の電圧変化部分のみの時間帯Ｔ２は、約５０ナノ秒から約５マイクロ秒であり得る。
圧電式慣性ドライバ１０と、ドライバ１０の駆動表面２８と摩擦係合したマウントボディとの間で生み出される運動の量は異なってもよく、さまざまな方法で制御することができる。所定の電圧信号プロフィールに対して、運動の量は、圧電素子に伝達される図３Ａおよび４Ａの電圧信号パルスなどの信号パルスの数を制御することによって制御することができる。各電圧信号パルスは実質的に固定された量の運動に対応するため、伝達されるパルスの数は、パルスによって生み出された運動の総量に比例する。固定数の電圧信号パルスの場合、運動の量は、電圧信号パルスサイクルの開始から終了までの電圧変化の大きさを制御することによって制御することができる。例えば、電圧信号プロフィールを同じ形状および構成に維持しながら、図３Ａおよび４Ａに示される電圧信号パルスのピーク電圧ＶＰを半分に減少すれば、そのような電圧信号パルスによって生み出される運動の量はそれに応じて減少するであろう。
いくつかのコントローラの実施形態４４に対し、製造コストを最小限に維持するため、圧電式慣性ドライバ１０に、すべてが実質的に一定のピーク電圧ＶＰを有する電圧信号パルスを伝達するようにコントローラを設計することが望ましい場合がある。そのようなシステムの場合、各電圧信号パルスによって生み出される運動の量は、電圧信号プロフィールの急速な上昇または降下の部分の間に、電圧信号の変化を制御することによって制御することができる。図５Ａに示される電圧信号パルスは、時間帯Ｔｉｎｔの間に開始電圧とピーク電圧ＶＰの中間電圧Ｖｉｎｔまで緩やかに上昇するプロフィール構成を有する。時間帯Ｔｉｎｔの間、ドライバ１０の駆動表面２８と摩擦係合したマウントボディは、駆動表面２８に連動する。中間電圧Ｖｉｎｔに達すると、信号電圧は、時間帯Ｔｒａｐｉｄの間にピーク電圧ＶＰまで突然増加する。時間帯Ｔｒａｐｉｄの間に、上記で論じられるようにマウントボディと駆動表面との間で滑動が起こり、この時間帯の間、マウントボディは最小限の運動を有する。
ピーク電圧ＶＰに達すると、電圧は、時間帯Ｔｓｌｏｗの間に緩やかに降下して開始電圧に戻り、その間、マウントボディは再度駆動表面２８に連動する。そのため、図５Ａの信号パルスプロフィールは、同程度のピーク電圧ＶＰを有する図４Ａの信号パルスプロフィールのように構成されたパルス信号が生み出すものより少ない全変位を、マウントボディとドライバ１０との間で生み出す。図５Ｂは、同様の減少された変位の信号プロフィールを示すが、動作方向は図５Ａのものとは逆である。図５Ｂの信号パルスプロフィールは、時間帯Ｔｓｌｏｗの間、ピーク電圧ＶＰまでの緩やかな電圧上昇と、Ｖｉｎｔに戻るまでの電圧の緩やかな減少とを含む。Ｖｉｎｔに達すると、パルスの電圧は、時間帯Ｔｒａｐｉｄの間に突然降下して開始電圧に戻る。そのため、図５Ｂの信号パルスプロフィールは、同程度のピーク電圧ＶＰを有する図３Ａの信号パルスプロフィールのように構成されたパルス信号が生み出すものよりはるかに少ない全変位を、マウントボディとドライバ１０との間で生み出す。
本明細書で論じられるオペレータがコントローラの実施形態４４を使用する際の精度および電圧信号プロフィールは、伝達された各電圧信号パルスから生み出される運動の大きさの影響を受けてもよいが、所定の期間の間に伝達されたパルスの数の影響も受けてもよい。短期間の間に多数の電圧信号パルスを伝達するコントローラは、マウントボディの急速な運動をもたらし、この運動は制御するのが難しい場合がある。低い繰り返し率で同じ電圧信号パルスを伝達することにより、ユーザは、より精密な制御を行うことができる。また、電圧信号プロフィールは、マウントボディの移動速度を徐々に増減するため、電圧信号パルスの伝達周波数と、時間の経過とともに各パルスが生み出す動作の大きさの両方が変化するよう構成することもできる。例えば、図６Ａの電圧信号は、時間帯Ｔｒｅｐだけ隔てられた低い繰り返し率で伝達される一連の電圧信号パルスを示しており、完全な変位プロフィールを有し、かつ図４Ａに示されるパルスと同様のパルスプロフィールを有する最後のパルスプロフィールに達するまで、それぞれの連続パルスは、マウントボディのさらなる運動を生み出す。一旦完全な変位プロフィールに達すれば、図３Ｂの電圧信号プロフィールに示されるように、周波数が最大周波数に達するまで、パルスの伝達周波数を増加して移動速度をさらに増加することができる。同様の構成を、図５Ｂのもののようなパルスプロフィールに使用することができ、それを図６Ｂに示す。いくつかの実施形態に対し、最大周波数で伝達された完全な変位プロフィールを有する信号パルスは、約０．１ｍｍ／秒から約１ｍｍ／秒の速度でマウントボディの運動を生み出すことができる。
上記で論じられるこれらの電圧信号プロフィールおよび方法を使用するコントローラ４４により、ユーザは、圧電式慣性ドライバ１０の作動に着手し、低い繰り返し率での小さな変位パルスを有するマウントボディの後続の運動を生み出すことができる。作動が継続された場合は、それぞれの連続パルスの変位は、完全な変位パルスプロフィールに達するまで増加させることができ、この地点で、コントローラは、伝達される完全な変位パルスの繰り返し率を増加し始めることができる。いくつかの実施形態に対し、繰り返し率は、約２Ｈｚから約２０Ｈｚの低い繰り返し率から増加開始し、約０．５ｋＨｚから約２ｋＨｚのより高い繰り返し率まで増加させることができる。
図７および８を参照すると、二重軸回転によって光学要素を調整するよう構成された光学調整用のマウント４６が示されている。光学調整用のマウント４６は、ベースを提供する第１のマウントボディ４８と、第１のマウントボディ４８と第２のマウントボディ５２との間に配置された枢着部５４で第１のマウントボディ４８に対して枢動する第２のマウントボディ５２とを含む。示される実施形態に対する枢着部５４は、位置決めねじ６４によって第１のマウントボディ４８に固定することができる調整可能な円筒部６２の戻り止め５８と、第２のマウントボディ５２の戻り止め（図示せず）との間に配置される単一の玉軸受５６である。また、第２のマウントボディ５２は、枢着部５４に対して一定の曲率半径を有する第１の駆動表面６６と、枢着部５４に対して一定の曲率半径を有する第２の駆動表面６８とを有する。第２のマウントボディ４８の戻り止めは、第１の駆動表面６６と第２の駆動表面６８との間の第２のマウントボディ５２の外縁上に配置される。また、第２のマウントボディ５２は、それを通過するよう配置された中央の開口部７２も有し、それにより、光は第２のマウントボディ５２の中央部を通過することができる。
第２のマウントボディ５２は、光学要素装着用凹部７４を用いてそれに光学要素を装着するよう構成され、光学要素装着用凹部７４は、中央の開口部７２の周囲に配置され、レンズ７８などの光学要素を定位置に保持するための位置決めねじ７６を有する。装着用凹部７４にレンズ７８が装着されて示されているが、上記で論じられるいかなる光学要素もそのように装着することができる。それに加えて、第２のマウントボディ５２は、他の任意の適切な方法でそれに光学要素を装着するよう構成することもできる。例えば、光学要素は、第２のマウントボディ５２に接着してもよいし、ねじまたはボルトなどの留め具によって定位置に保持してもよいし、光学要素の直接装着に、または、ブラケットもしくは他の光学要素の装着に適切なデバイスの装着に適切な、配置されたねじ穴などの装着位置をその上に有してもよい。第１のマウントボディ４８および第２のマウントボディ５２は、十分な熱安定性を有する任意の適切な高強度材料で製作することができる。アルミニウム、ステンレス鋼を含む鉄鋼、複合材料および同様のものなどの材料を使用することができる。第１のマウントボディ４８の横方向の寸法は、いくつかの実施形態に対し、約１０ｍｍから約２００ｍｍであり得る。
第１の圧電式慣性ドライバ１０は、矢印８２で示されるような第１の軸方向に、第１のマウントボディ４８と第２のマウントボディ５２との間の相対運動を伝えるよう構成され、第２のマウントボディ５２の第１の駆動表面６６と摩擦係合する駆動表面２８を含む。第２の圧電式慣性ドライバ１０’は、矢印８４で示されるような第２の軸方向に、第１のマウントボディ４８と第２のマウントボディ５２との間の相対運動を伝えるよう構成され、第２のマウントボディ５２の第２の駆動表面６８と摩擦係合する駆動表面２８’を含む。第１および第２の圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、ねじ８８などの複数の留め具によって、第１のマウントボディ４８のスロット８６に定位置に保持される。示される実施形態では、第１および第２の圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、第２のマウントボディ５２の中央の開口部７２の中心の実質的両側に配置される。いくつかの実施形態に対し、第１および第２の圧電式慣性ドライバ１０および１０’のそれぞれの駆動表面２８および２８’は、第２のマウントボディ５２の第１および第２の駆動表面６６および６８の硬化乾燥表面と係合するよう構成された硬化乾燥表面であり得る。いくつかの実施形態に対し、同様の材料または金属の摩擦係合に関連する摩耗または他の問題を防ぐため、異なる金属などの異なる材料を用いて摩擦係合を準備することが有用であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、駆動表面２８および２８’は、平滑で乾燥した鋼表面を含み得、駆動表面６６および６８は、平滑で乾燥した固い陽極酸化アルミニウム表面を含み得る。他の表面は、陶材面、複合表面および同様のものを含み得る。
各圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、各圧電式慣性ドライバ１０および１０’ならびに第２のマウントボディ５２の対応する回転軸に所望の量の調整を適用するために、その圧電部材３８および３８’のそれぞれと連通する単一のコントローラ４４または２つの別々のコントローラ４４によって制御することができる。図７は、圧電式慣性ドライバ１０および１０’に伝達される駆動信号のパラメータを制御するための２列の制御ボタン４９および４９’を有するコントローラ４４の実施形態を示す。各列のボタン４９および４９’は、別々の制御チャネルに対応し、チャネル番号マーカー５０および５０’によってボタンのそれぞれの行の一番下に表示され、１つまたは複数の対応する圧電式慣性ドライバ１０または１０’の制御に使用することができる。示される実施形態に対し、別々の導体ハーネス４０および４０’は、コントローラ４４とそれぞれの圧電式慣性ドライバ１０および１０’との間で連通し、その結果、各チャネルまたはボタンの列４９および４９’は、別々の対応する圧電式慣性ドライバ１０および１０’に対応して制御することができる。
外部の（または内部の）スイッチ（図示せず）がコントローラ４４の出力と連通していれば、各ボタンの列またはチャネル４９および４９’は、チャネルを選択可能に切り替えて、スイッチと連通する所望のドライバ１０と通信することによって、複数の圧電式慣性ドライバ１０を連続して制御するよう構成することができる。上記で論じられるように、コントローラ４４は、オペレータに所望の運動の制御および精度のレベルを提供するため、さまざまな方法でドライバ１０および１０’に対するマウントボディ５２の変位を制御するよう構成することができる。チャネル４９の場合、上部２つのボタン５０により、オペレータは、電圧信号パルスによって生み出される最小のステップまたは運動の大きさを選択することができる。下部の一連の６つのボタンは、３つの異なる速度で各方向の調整を実現する。ボタン５０Ａは高速の前方向調整をもたらし、ボタン５０Ｂは中間速度で前方向調整をもたらし、ボタン５０Ｃは低速の前方向調整をもたらす。ボタン５０Ｄは低速の逆方向調整をもたらし、ボタン５０Ｅは中間速度で逆方向調整をもたらし、ボタン５０Ｆは高速の逆方向調整をもたらす。チャネルのボタン４９’は、そのチャネルに対して同じレベルおよび方向の調整を提供する。
それに加えて、第２のマウントボディ５２の運動の制御は、場合により、コントローラ４４に対する第２のマウントボディ５２の位置情報フィードバックの利用可能性を用いてさらに強化してもよい。位置情報は、コントローラ４４と連通する第１のエンコーダ９２によって生成することができる。第１のエンコーダ９２は、第１の圧電式慣性アクチュエータ１０に隣接して配置することができ、第１の駆動表面６６に隣接して配置された第１のエンコーダストリップ９４を読み取るよう構成することができる。コントローラ４４と連通する第２のエンコーダ９６は、第２の圧電式慣性アクチュエータ１０’に隣接して配置することができ、第２の駆動表面６８に隣接して配置された第２のエンコーダストリップ９８を読み取るよう構成することができる。いくつかの実施形態に対し、第１および第２のエンコーダ９２および９６は、圧電式慣性ドライバ１０の変位分解能に実質的に対応する分解能に対する、第１のマウントボディ４８に対する第２のマウントボディ５２の位置を決定することができる光学エンコーダである。
いくつかの実施形態に対し、圧電式慣性ドライバ１０に対する変位分解能、すなわち、信頼できる変位の最小増分は、約５ｎｍから約２０ｎｍであり得る。それぞれのエンコーダストリップ９４および９８と連通するエンコーダ９２および９６は、約５ｎｍから約５０マイクロメートルほどの変位分解能を有し得る。高分解能エンコーダの実施形態は、約５ｎｍから約２０ｎｍの分解能を有し得るが、これらのエンコーダの実施形態は、一般に、高価である。いくつかの実施形態に対し、エンコーダ９２および９６ならびにそれぞれのエンコーダストリップ９４および９８のコストを低く維持するため、低分解能エンコーダおよびそれぞれのエンコーダストリップを、２つのエンコーダストリップの基準点間におけるマウントボディ５２の等速運動に要する時間量を測定し、動作の時間および方向に基づいてマウントボディ５２の位置を外挿または補間するコントローラアルゴリズムと併せて使用することができる。低コストエンコーダおよびエンコーダストリップのいくつかの実施形態は、約２０マイクロメートルから約３０マイクロメートルの公称分解能を有し得る。
いくつかのコントローラ４４の実施形態は、エンコーダ９２および９６ならびにエンコーダストリップ９４および９８と併用する際に、圧電式慣性ドライバ１０および１０’を閉ループ制御様式で動作させることができる。そのような構成では、オペレータは、位置の調整をコントローラ４４に入力することができ、結果として生じた変位信号がコントローラ４４から圧電部材３８および３８’に伝達される。コントローラ４４からの変位信号に応じて圧電式慣性ドライバ１０および１０’が平行移動を作動すると、圧電式慣性ドライバ１０および１０’の駆動表面２８によって変位した第２のマウントボディ５２などのボディの物理的運動が、エンコーダ９２および９６によって測定される。オペレータが入力した位置に変位ボディ５２が到達すると、コントローラ４４のＣＰＵによって、圧電式慣性ドライバ１０および１０’への変位信号を終了することができる。
図７に示される調整可能な光学マウントの実施形態４６は、１つまたは複数の自由度における第２のマウントボディの変位の大きさを決定する際に使用できる光学エンコーダなどの１つまたは複数エンコーダおよび付随するエンコーダストリップを介した位置フィードバックを含む。この種の構成は、調整中に起こる変位の量を決定するために有用であってもよく、第１のマウントボディの位置に対する第２のマウントボディの位置を決定するために有用であってもよい。そのようなエンコーダ構成は、システムを停止しているときなどエンコーダが運動を記録していないときにマウントボディが滑動する場合は、必ずしも絶対位置データを提供するとは限らない。図９〜１１は、変位データよりもむしろ絶対位置データを生成する光学調整用のマウント１００の実施形態を示す。そのような構成は、外乱が動作中に起こるかどうかにかかわらず、外乱または調整後に、光学マウント１００を前の位置に戻す場合に有用であり得る。
図９〜１１に示されるマウントの実施形態１００は、変位データと無関係に第１のマウントボディの位置に対する第２のマウントボディの絶対位置に関する位置データを生成する能力を含む。図９の調整可能な光学マウントの実施形態１００は、上記で論じられ図７に示される光学調整用のマウント４６の特徴、寸法および材料のいくつかまたはすべてを含み得る。示されるマウントの実施形態１００に対する位置データは、歪みゲージアセンブリ１０４と、歪みゲージアセンブリ１０４に固定された回路基板の実施形態１０６とを含む位置測定モジュール１０２によって生成される。回路基板１０６は、モジュールの歪みゲージによって生成されたデータの測定、解釈および格納に使用することができるコントローラ４４’と動作可能に連通することができる。また、コントローラは、圧電アクチュエータなどの調整可能なマウントの調整アクチュエータの運動の制御に使用することもできる。そのため、いくつかの実施形態に対し、コントローラ４４’は、コンピュータプロセッサなどのプロセッサ、ＲＡＭ、メモリおよび他のデータの収集、操作および格納に有用であり得る要素を含んでもよい。歪みゲージ１０８、回路基板１０６およびコントローラ４４’は、銅線などの電導体、光ファイバ、公知の無線通信プロトコルを含む無線伝送および同様のものを含む任意の適切なデバイスまたは方法によって動作可能に結合することができる。
示される位置測定モジュールの実施形態１０２の場合、歪みゲージアセンブリ１０４の可撓性基板１１２の第１の部分１１０は、調整可能な光学マウント１００の第１のマウントボディ４８’に固定される一方で、可撓性基板１１２の第２の部分１１４は、調整可能な光学マウント１００の第２のマウントボディ５２’に固定される。そのような構成を用いると、調整可能なマウント１００の第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間の相対的な静止位置は、可撓性基板１１２の固定歪みを招くだけではなく、可撓性基板１１２に固定された１つまたは複数の歪みゲージ１０８の歪みも招く。示される歪みゲージアセンブリ１０４の抵抗歪みゲージの実施形態１０８の場合、歪みゲージ１０８上にかけられた歪みは、歪みゲージ回路１１６の抵抗またはインピーダンスを変更する可能性があり、同抵抗またはインピーダンスは、回路基板１０６およびコントローラ４４の回路を含む付随回路によって測定することができる。一旦歪みゲージアセンブリ１０４のこの構成が適正に較正されれば、それを使用して、その位置を達成するために１つまたは複数のどの変位が使用されたかにかかわらず、第２のマウントボディ５２’に対する第１のマウントボディ４８’の絶対位置を測定することができる。他の種の歪みゲージ１０８を使用して、歪みゲージアセンブリの可撓性基板の歪みを測定することもできる。
調整可能な光学マウント１００のいくつかの実施形態は、第１のマウントボディ４８’と、第２のマウントボディ５２’と、可撓性基板１１２と、歪みゲージ要素１０８とを含み得る。第２のマウントボディ５２’は、それに光学要素を固定するよう構成することができ、調整可能な自由度において第１のマウントボディ４８’に対して移動可能であり得る。それに加えて、可撓性基板１１２は、第１のマウントボディ４８’に固定された第１の部分と、第２のマウントボディ５２’に固定された第２の部分とを含み得る。その上、歪みゲージ要素１０８は、可撓性基板１１２に機械的に固定し、かつ可撓性基板１１２の歪みを登録し、可撓性基板１１２の歪みに応じて信号を生成するよう構成することができる。
図７の調整可能な光学マウント４６と同様に、図９〜１１に示される調整可能な光学マウントの実施形態１００は、ベースを提供する第１のマウントボディ４８’と、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間に配置された枢着部で第１のマウントボディ４８’に対して枢動する第２のマウントボディ５２’とを含む。いくつかの実施形態に対し、枢着部は、歪みゲージアセンブリ１０４の可撓性基板１１２によって形成することができる。いくつかの実施形態に対し、枢着部は、場合により、位置決めねじによって第１のマウントボディ４８’に固定することができる調整可能な円筒部６２の戻り止め５８と、第２のマウントボディ５２’の戻り止め（図示せず）との間に配置される単一の玉軸受５６を含んでもよい。また、第２のマウントボディ５２’は、枢着部５４に対して一定の曲率半径を有する第１の駆動表面６６と、枢着部５４に対して一定の曲率半径を有する第２の駆動表面６８とを有する。いくつかの実施形態に対し、仮想の枢着部５４’を、図１３Ａに示されるように、可撓性基板１１２の開口部のほぼ中心に配置することができる。第２のマウントボディ５２’の戻り止めは、第１の駆動表面６６と第２の駆動表面６８との間の第２のマウントボディ５２’の外縁上に配置することができる。また、第２のマウントボディ５２’は、それを通過するよう配置された中央の開口部７２も有し、それにより、光は第２のマウントボディ５２’の中央部を通過することができる。
第２のマウントボディ５２’は、中央の開口部７２の周囲に配置された光学要素装着用凹部７４または同様のものを用いて、第２のマウントボディ５２’に光学要素を装着するよう構成することができる。光学要素装着用凹部は、レンズ７８などの光学要素を定位置に保持するための位置決めねじ７６を有する。装着用凹部７４にレンズ７８が装着されて示されているが、上記で論じられるいかなる光学要素もそのように装着することができる。それに加えて、第２のマウントボディ５２’は、他の任意の適切な方法でそれに光学要素を装着するよう構成することもできる。例えば、光学要素は、適切な接着剤によって第２のマウントボディ５２’に接着してもよいし、ねじまたはボルトなどの留め具によって定位置に保持してもよいし、光学要素の直接装着に、または、ブラケットもしくは他の光学要素の装着に適切なデバイスの装着に適切な、光学要素の上に配置されたねじ穴などの装着位置を有してもよい。第１のマウントボディ４８’および第２のマウントボディ５２’は、十分な熱安定性を有する任意の適切な高強度材料で製作することができる。アルミニウム、ステンレス鋼を含む鉄鋼、複合材料および同様のものなどの材料を使用することができる。第１のマウントボディ４８の横方向の寸法は、いくつかの実施形態に対し、約１０ｍｍから約２００ｍｍであり得る。
上記で光学マウントの実施形態４６に関して論じるように、第１の圧電式慣性ドライバ１０は、第１の軸方向に、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間の相対運動を伝えるよう構成することができる。第１の圧電式ドライバ１０は、第２のマウントボディ５２’の第１の駆動表面６６と摩擦係合し得る駆動表面２８を含む。第２の圧電式慣性ドライバ１０’は、第２の軸方向に、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間の相対運動を伝えるよう構成することができる。第２の圧電式ドライバは、第２のマウントボディ５２’の第２の駆動表面６８と摩擦係合する駆動表面２８’を含み得る。第１および第２の圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、それぞれの装着ロッド８９およびねじ８８などの複数の留め具によって、第１のマウントボディ４８’のスロット８６に定位置に保持することができる。示される実施形態では、第１および第２の圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、第２のマウントボディ５２’の中央の開口部７２の中心の実質的両側に配置することができる。いくつかの実施形態に対し、圧電式慣性ドライバ１０および１０’のそれぞれの駆動表面２８および２８’は、第２のマウントボディ５２’の第１および第２の駆動表面６６および６８の固い乾燥した表面と係合するよう構成された固い乾燥した表面であり得る。いくつかの実施形態に対し、同様の材料または金属の摩擦係合に関連する摩耗または他の問題を防ぐため、異なる金属などの異なる材料を用いて摩擦係合を準備することが有用であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、駆動表面２８および２８’は、平滑で乾燥した鋼表面を含んでもよく、駆動表面６６および６８は、平滑で乾燥した固い陽極酸化アルミニウム表面を含んでもよい。他の表面は、陶材面、複合表面および同様のものを含み得る。
各圧電式慣性ドライバ１０および１０’は、コントローラ４４’によって制御することができ、コントローラは、各圧電式慣性ドライバ１０および１０’の圧電部材３８および３８’のそれぞれと動作可能に連通する。調整可能なマウント４６に関して上記で論じられたように、オペレータは、コントローラ４４’を使用して、各圧電式慣性ドライバ１０および１０’ならびに第２のマウントボディ５２の対応する回転軸に所望の量の調整を適用することができる。いくつかの実施形態に対し、圧電式慣性ドライバ１０に対する変位分解能、すなわち、信頼できる変位の最小増分は、約５ｎｍから約２０ｎｍであり得る。また、同じコントローラ４４’を、図１０に示される位置測定モジュールと動作可能に結合することもできる。また、コントローラ４４’は、位置測定モジュールの歪みゲージによって生成されたデータを測定、解釈および格納するよう構成された位置分析モジュールも含み得る。
いくつかのコントローラの実施形態４４’は、位置測定モジュールと併用する際に、圧電式慣性ドライバ１０および１０’を閉ループ制御様式で動作させることができる。そのような構成では、オペレータは、位置の調整をコントローラ４４’に入力することができ、結果として生じた変位信号は、コントローラ４４’から圧電部材３８および３８’に伝達される。コントローラ４４’からの変位信号に応じて圧電式慣性ドライバ１０および１０’が平行移動を作動すると、圧電式慣性ドライバ１０および１０’の駆動表面２８によって変位した第２のマウントボディ５２などのボディの物理的運動が、位置測定モジュールの歪みゲージアセンブリの１つまたは複数の歪みゲージによって測定される。オペレータが入力した位置に変位ボディ５２が到達すると、コントローラ４４’のＣＰＵによって、圧電式慣性ドライバ１０および１０’への変位信号を終了することができる。
上記で論じられるように、調整可能なマウント１００は、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’とを含む。マウント１００は、第２のマウントボディ５２’に光学要素を固定するよう構成される。第２のマウントボディ５２’は、第１の調整可能な自由度および第２の調整可能な自由度において第１のマウントボディ４８’に対して移動可能である。マウント１００は、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間の第１の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第１のドライバ１０と、第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間の第２の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第２のドライバ１０’とを含む。図１０〜１２に示されるように、マウント１００は、可撓性基板の実施形態１１２を有する位置測定モジュール１０２を含む。可撓性基板の実施形態１１２は、１つまたは複数の歪みゲージ要素１１８が可撓性基板１１２に機械的に固定された薄い可撓性シートを含む。歪みゲージ要素１１８は、可撓性基板１１２の歪みを登録し、可撓性基板１１２の歪みに応じて信号を生成するよう構成することができる。可撓性基板１１２の第１の部分１１０は第１のマウントボディ４８’に固定することができ、可撓性基板１１２の第２の部分１１４は第２のマウントボディ５２’に固定することができ、その結果、可撓性基板１１２の歪みに相当する可撓性基板１１２の１つまたは複数の歪みゲージ要素１１８における歪みプロフィールを生成することができる。そのような構成の場合、第１のマウントボディ４８’に対する第２のマウントボディ５２’の絶対位置は、第１および第２の調整可能な自由度に沿った第２のマウントボディ４８’の組合せ位置によって決定することができる。第１のマウントボディ４８’に対する第２のマウントボディ５２’の可能な各位置は、一意の歪みゲージ要素の出力信号プロフィールに対応することもでき、一意の歪みゲージ要素の出力信号プロフィールはコントローラ４４’またはそのコンポーネントによって測定して分析することができ、コントローラ４４’は、１つまたは複数の歪みゲージ要素１１８と動作可能に連通する。そのため、コントローラ４４’は、歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成することができる。
図１２は、可撓性基板１１２および１つまたは複数の歪みゲージ要素１１８または歪みゲージ１０８を含む歪みゲージアセンブリ１０４と、可撓性基板１１２の歪みゲージ要素１１８と動作可能に結合するかまたは別の方法で電気的に接続することができる回路基板１０６とを含み得る位置測定モジュールの実施形態１０２を示す。回路基板１０６は、歪みゲージアセンブリ１０４の可撓性基板１１２に隣接して配置されるが、回路基板１０６は、第２のマウントボディ５２’と第１のマウントボディ４８’との相対運動または位置によって可撓性基板１１２に誘起される自然歪みを妨げないように、可撓性基板１１２から機械的に独立するよう構成される。いくつかの実施形態に対し、回路基板１０６は、可撓性基板１１２の第１のマウント１２０または第２のマウント１２２と接触させることができる。いくつかの事例では、回路基板１０６は、歪みゲージアセンブリ１０４の歪みゲージ要素１１８または歪みゲージ１０８の１つまたは複数の出力信号を較正するよう構成された電子回路を含み得る。回路基板１０６は、調整可能なマウントシステム１００のコントローラ４４’または他のコンポーネントとの便利な接続のための端子アレイまたは端子結合器１２４を有し得る。示される実施形態用の端子結合器１２４は、回路基板１０６の回路と電気的に連通する６つの導電端子と、各導電端子に対応する銅線などの６つの導体を有するワイヤハーネス（図示せず）と着脱可能に固定された結合器筺体１２６とを含む。６つの導体は、コントローラ４４’の回路と電気的に連通することができる。結合器１２４の端子は、第１の端子１３０と、第２の端子１３１と、第３の端子１３２と、第４の端子１３３と、第５の端子１３４と、第６の端子１３５とを含み得る（図２２Ａも参照）。これらの端子のいくつかまたはすべては、コントローラ４４’内の回路のさまざまな部分と結合することができる。そのような回路は、第１のマウントボディ４８’に対する第２のマウントボディ５２’の位置の決定に使用することができる１つまたは複数の出力信号を生成するよう構成することができる。
図１３Ａおよび１４Ａに示される可撓性基板の実施形態１１２の場合、４つの歪みゲージ要素１１８が可撓性基板１１２に機械的に固定される。いくつかの実施形態に対し、可撓性基板１１２は、２つの実質的に平行な表面間に、薄い可撓性シートの材料を含み得る。さまざまな全体的な形状を有し得るリング状構造を生成するため、シートの中央部分を通るように配置された開口部１１３が存在する場合がある。図１３Ａおよび１４Ａに示される実施形態に対し、可撓性基板は、シートの中央部分に実質的に正方形の開口部を備えた平坦な実質的に正方形状のプレートまたはシートを含む。また、シートの外縁の正方形の形状は、正方形状の開口部と実質的に整列している。実質的に正方形状のリング状構造のシートおよび開口部は、４つの側面と４つの角部を有する外周領域を生成するよう構成することができる。第１のマウントボディ４８’に固定することができる可撓性基板１１２の第１の部分は、可撓性基板１１２の第１の角部に配置することができる。第２のマウントボディ５２’に固定することができる可撓性基板１１２の第２の部分は、第２の角部に配置することができ、一部の状況では、第２の角部は、開口部を間にして第１の角部に対向して配置される。可撓性基板１１２の可撓性材料は、既定の大きさ以内の歪みに対して塑性変形することなく、初期の構成に繰り返し戻る弾性材料であり得る。いくつかの事例では、可撓性基板１１２の材料は、アルミニウム、鉄鋼、青銅ベリリウム合金を含む青銅合金などの金属、ガラス繊維およびエポキシ複合材料などの複合材料、または、同様のものを含み得る。可撓性基板の実施形態は、約０．４ｍｍから約１ｍｍの厚さを有してもよく、約１２ｍｍから約２０ｍｍの側面１３８の外縁から反対側の側面１３８の外縁までの横方向の寸法を有してもよい。
図１３Ａおよび１４Ａに示されるように、歪みゲージ要素１１８は、実質的に正方形の可撓性基板１１２の４つの側面１３８それぞれに沿って配置される。歪みゲージ要素１１８は、合計で８つの歪みゲージ要素１１８に対する可撓性基板の角部のそれぞれの間に、可撓性基板１１２の各側面上の可撓性基板１１２の第１のマウント１２０と第２のマウント１２２との間に配置される。示される実施形態に対し、歪みゲージ要素１１８のそれぞれは、歪みゲージ１０８の歪みゲージボディ１３６上に配置される。各歪みゲージボディ１３６は、可撓性基板１１２と機械的に固定および結合され、その結果、可撓性基板１１２の歪みは、可撓性基板１１２に隣接し、機械的に結合および固定された歪みゲージ１０８の歪みゲージボディ１３６および歪みゲージ要素１１８に少なくとも部分的に伝達される。図１３Ａに示されるように、歪みゲージ１０８は、可撓性基板１１２の外周の各側面１３８の中央に配置され、歪みゲージ１０８の細長い長さの導体素子１４０は、各側面の長さに沿って、または、可撓性基板１１２の４つの側面１３８のそれぞれの内縁もしくは外縁に実質的に平行に延在する。対応する歪みゲージ要素１１８が可撓性基板１１２上に配置されて機械的に結合された合計で８つの歪みゲージ１０８に対して、基板１１２の上面１４２と底面１４４の両方と機械的に結合されたそのような歪みゲージ１０８は４つずつ存在する。
示される実施形態に対し、上面１４２上の歪みゲージ１０８および底面１４４上の対応する歪みゲージ１０８は、可撓性基板１１２を挟んで互いに実質的に対向して配置される。それに加えて、いくつかの例では、上面１４２上の４つの歪みゲージ１０８は、可撓性基板１１２の外周に沿って、互いに実質的に等しく離間することができる。底面１４４上の４つの歪みゲージ１０８は、可撓性基板１１２の外周に沿って、互いに実質的に等しく離間することができる。いくつかの実施形態に対し、２つ以上の歪みゲージ要素１１８は、可撓性基板１１２に機械的に固定または機械的に結合することができ、より具体的には、約２つの歪みゲージ要素１１８から約２０個の歪みゲージ要素１１８は、可撓性基板１１２と機械的に結合または固定することができ、さらに具体的には、約６つの歪みゲージ要素１１８から約１０個の歪みゲージ要素１１８は、可撓性基板１１２と機械的に固定または結合することができる。図１３Ｂおよび１４Ｂは、図１３Ａに示される歪みゲージアセンブリ１０４のものと同じ特徴、寸法または材料を有し得る歪みゲージアセンブリ１０４’の別の実施形態を示す。しかし、歪みゲージアセンブリ１０４’は、開口部１１３’がその中央部分に配置された実質的に円形状の可撓性基板構成を有する。
示される抵抗歪みゲージの実施形態１０８に対し、各歪みゲージ要素１１８は、歪みゲージ１０８の導体素子にかけられた歪みに応じて電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路１４６を含む。そのような電気回路１４６の実施形態は、図１５、１５Ａおよび１５Ｂに示される歪みゲージ１０８に示される。この実施形態に対し、電気回路１４６は、歪みゲージボディ１３６の封入材料内に実質的に平坦なジグザグパターンで配置されるか、または、別の方法で歪みゲージボディ材料上に配置された歪みゲージ導体素子１４０を含む。いくつかの実施形態に対し、歪みゲージボディ材料は、アルミニウム、タングステン、合金または同様のものなどの金属を含み得る。いくつかの歪みゲージの実施形態は、Ｖｉｓｈａｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ Ｇｒｏｕｐ Ｌｔｄ．（Ｂａｓｉｎｇｓｔｏｋｅ、ＵＫ）によって製造された歪みゲージを含み得る。いくつかの歪みゲージの実施形態に対するジグザグパターンの導体素子１４０は、実質的に平行に、互いに近接近した状態で、細長い部分の各端部で１８０度転換した状態で配置された細長い部分で構成することができる。いくつかの例では、導体素子１４０の第１の端部は、第１の出力端子１５０で終止し、導体素子１４０の第２の端部は、第２の出力端子１５２で終止する。いくつかの実施形態に対し、歪みゲージボディは、約１ｍｍから約１０ｍｍの長さ、約１ｍｍから約１０ｍｍの幅および約０．２ｍｍから約２ｍｍの厚さを有し得る。
歪みゲージ要素１１８の導体素子１４０は、導体素子１４０の長さ、横断面および伝導率によって決定することができる既定のインピーダンスまたは電気抵抗を含み得る。導体素子１４０の細長い部分を延長または伸長する導体素子１４０にかけられた歪みにより、一般に、細長い部分が横断面の減少とともにより薄くなるだけでなく、導体素子１４０の電流経路全体が長くなる。したがって、この機械的反応により、回路１４６の電気抵抗またはインピーダンスが増加する。このインピーダンスの増加の大きさは、そこから生成された既知の歪みおよび位置データと相関することができる。他方では、導体素子１４０の細長い部分を短縮または圧縮する導体素子１４０上にかけられた歪みにより、一般に、導体素子１４０の細長い部分が横断面の増加とともにより厚くなるだけでなく、導体素子１４０の電流経路全体が短くなる。したがって、この機械的反応により、回路１４６の電気抵抗またはインピーダンスが減少する。このインピーダンスの減少の大きさは、そこから生成された既知の歪みおよび位置データと相関することができる。
図１６を参照すると、可撓性基板の実施形態１１２の一部が示され、可撓性基板１１２の第１の表面または上面１４２と機械的に結合された第１の歪みゲージ１０８と、可撓性基板１１２の第２の表面または底面１４４と機械的に結合された第２の歪みゲージ１０８とを含む。第１の歪みゲージ１０８は、第２の歪みゲージ１０８に実質的に対向して配置され、可撓性基板１１２のシートは、歪みゲージ１０８間に配置される。第１および第２の歪みゲージ１０８の導体素子１４０の細長い部分は、上記で論じられるように、両方とも互いに実質的に整列し、可撓性基板１１２の側面１３８の長さに実質的に平行に伸びるか、または、可撓性基板１１２の縁に実質的に平行に伸びる。図１６に示されるように可撓性基板１１２の一部が湾曲またはトルク印加されると、可撓性基板１１２の上面１４２上の第１の歪みゲージ１０８の細長い導体素子１４０は、矢印１５４で示されるような張力を受ける。可撓性基板１１２の底面１４４上の第２の歪みゲージ１０８の細長い導体素子１４０は、矢印１５６で示されるような圧縮力を受ける。そのため、第１の歪みゲージ１０８の回路１４６の電気インピーダンスまたは抵抗は、可撓性基板１１２および第１の歪みゲージ１０８の曲げ歪みの量に相当する大きさだけ増加する。第２の歪みゲージ１０８の回路１４６の電気インピーダンスまたは抵抗は、可撓性基板１１２および第２の歪みゲージ１０８の曲げ歪みの量に相当する大きさだけ減少する。
図１６に示される第１および第２の歪みゲージ１０８のそれぞれのインピーダンス変化信号は、図１７に示される適切に構成されたホイートストンブリッジ回路１５８によって、加算および測定することができる。図１７のホイートストンブリッジ回路１５８の場合、第１の歪みゲージ１０８の出力端子１５０および１５２の出力は、示されるように、回路１５８と結合することができる。第２の歪みゲージ１０８の出力端子１５０および１５２の出力も、示されるように、ホイートストンブリッジ回路１５８と結合することができ、その結果、第１および第２の歪みゲージ１０８のそれぞれに対するインピーダンス変化の大きさの絶対値がホイートストンブリッジ回路１５８によって加算および測定される。上記で論じられるように第１のマウントボディ４８’と第２のマウントボディ５２’との間に機械的に結合される、図１３Ａおよび１４Ａに示される歪みゲージアセンブリ１０４の実施形態に対し、コントローラ４４’もしくは他の任意の所望の回路、プロセッサまたは同様のものは、歪みゲージアセンブリ１０４の複数の歪みゲージ１０８のインピーダンスプロフィールに基づいて、各自由度または自由軸に対する一意の位置を決定するよう構成することができる。示される歪みゲージアセンブリ１０４および可撓性基板は、第１のマウントボディ４８’に対する第２のマウントボディ５２’の２つの軸位置を決定するため、コントローラ４４’、回路基板１０６の回路またはその両方によって異なる方法で分析することができる、異なる歪みモードをかけてもよい。
図１８Ａは、歪みゲージアセンブリ１０４を示し、破線１６０は、可撓性基板１１２の第１のマウント１２０と第２のマウント１２２との間に、それらの間に引かれる線に実質的に垂直に配置された曲げ軸を示す。図１８Ｂにはそのような曲げモードが示されており、可撓性基板１１２は曲げ軸１６０に沿って湾曲し、可撓性基板１１２の上面１４２上に装着された歪みゲージ要素１１８に引張を生じさせ、底面１４４上に装着された歪みゲージ要素１１８に圧縮を生じさせる。これらの歪みゲージ１０８からの信号は、図１７と関連して上記で論じられるホイートストンブリッジ回路１５８を含み得る回路と結合して、その回路により分析することができる。図１９Ａは、歪みゲージアセンブリ１０４を示し、破線１６２は、可撓性基板１１２の第１のマウント１２０と第２のマウント１２２との間に引かれるトルクまたはねじり軸を示す。図１９Ｂにはそのような曲げまたはねじりモードが示されており、可撓性基板１１２は軸１６２に沿ってねじられ、可撓性基板１１２の上面１４２および底面１４４上に装着された歪みゲージ要素１１８の特定の位置に応じて、歪みゲージ要素１１８に引張と圧縮の組合せを生じさせる。いくつかの実施形態に対し、図１９Ｂに示されるねじりまたはねじれ歪みモードによって生成された歪みゲージアセンブリ１０４の歪みゲージ１０８の出力信号は、図２０に示されるブリッジ回路１６４を用いて達成することができる。図２０の回路１６４は、図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、可撓性基板１１２上に配置することができる参照番号Ｊ１、Ｊ２、Ｊ６およびＪ５によって示された４つの歪みゲージ１０８の表現を含む。いくつかの実施形態に対し、図１８Ｂに示される曲げ歪みモードによって生成された歪みゲージアセンブリ１０４の歪みゲージ１０８の出力信号は、図２１に示されるブリッジ回路１６６を用いて達成することができる。図２１の回路１６６もまた、図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、可撓性基板１１２上に配置することができる参照番号Ｊ４、Ｊ７、Ｊ３およびＪ８によって示された４つの歪みゲージ１０８の表現を含む。図２０および２１の回路１６４および１６６に関し、それぞれ、接点Ｖｃｃは図２２Ａの端子１３０に相当するかまたは接続され、アース線は端子１３１に相当するかまたは接続され、端子Ｍ１は端子１３２に相当するかまたは接続され、端子Ｍ２は端子１３３に相当するかまたは接続され、Ｍ３は端子１３４に相当するかまたは接続され、Ｍ４は端子１３５に相当するかまたは接続される。
いくつかの実施形態に対し、コントローラ４４’は、プロセッサ、メモリデバイス、データ入力用のキーボードおよび画像表示用のスクリーンを含み得るパーソナルコンピュータなどの別の処理または演算デバイスと結合するよう構成することができる。いくつかの例では、コントローラ４４’は、コントローラとの通信およびそのスクリーン上への位置データの表示に使用されるそのような二次処理デバイスおよび二次処理デバイスと通信するためのＵＳＢポートまたは同様のデータポートを含み得る。また、二次演算デバイスを使用して、第１のマウントボディ５２’に対する第２のマウントボディ４８’の１つまたは複数の位置の位置データを格納することもできる。マウント１００のいくつかの実施形態に対し、第１のマウントボディは、第１および第２の軸のそれぞれの方向に約０．５度から約１０度の運動または変位範囲であってもよく、第１および第２の軸は、互いに実質的に垂直であってもよい。より具体的には、いくつかの実施形態は、各軸の方向に約１度から約５度の動作範囲を有し得る。
上記の詳細な説明に関し、本明細書で使用される同一の参照番号は、同じまたは同様の寸法、材料および構成を有し得る同一の要素を示し得る。特定の形態の実施形態が図解され説明されてきたが、本発明の実施形態の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更形態を作成できることが明らかになるであろう。したがって、前述の詳細な説明によって本発明を制限することを意図しない。
本明細書で参照された各特許、特許出願、刊行物および文書の全体は、本明細書によって参照により組み込まれる。上記の特許、特許出願、刊行物および文書の引用は、前述のいずれも関連する先行技術であることを承認するものでも、これらの文書の内容または日付に関するいかなる承認を構成するものでもない。
前述の実施形態に対し、本技術の基本的態様から逸脱することなく変更形態を作成することができる。本技術は、１つまたは複数の特定の実施形態を参照してかなり詳細に説明することができたが、本願で具体的に開示された実施形態に対して変更を行うことができ、それにもかかわらず、これらの変更形態および改良形態は、本技術の範囲および精神内にある。本明細書に適切に例示的に記載される本技術は、本明細書に具体的に開示されていない任意の要素がなくとも実施することができる。したがって、例えば、本明細書の各例では、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「から実質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」および「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」のいずれの用語も、他の２つの用語のいずれかと置き換えることができる。採用されてきた用語および表現は、説明の便宜上で使用されるものであり、限定するものではなく、そのような用語および表現の使用により、示されるおよび説明される特徴またはその一部のいずれの均等物も排除されることはなく、特許請求される技術の範囲内でさまざまな変更が可能である。用語「ａ」または「ａｎ」は、１つの要素または複数の要素のいずれかについて説明されていることが文脈上明らかでない限り、それが修飾する要素の１つまたは複数を示し得る（例えば、「試薬（ａ ｒｅａｇｅｎｔ）」は１つまたは複数の試薬を意味し得る）。本技術は代表的な実施形態および任意選択の特徴によって具体的に開示されてきたが、本明細書に開示される概念の変更形態および変形形態を作成することができ、そのような変更形態および変形形態は、本技術の範囲内にあると見なすことができる。
本技術のある特定の実施形態について、以下の特許請求の範囲に記載する。

Claims (36)

  1. 光学要素用の調整可能なマウントであって、前記調整可能なマウントは、
    第１のマウントボディと、
    第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
    前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバと、
    前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板であって、前記可撓性基板は、薄い可撓性シートを含み、前記薄い可撓性シートは、２つの実質的に平行な表面と前記薄い可撓性シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む、可撓性基板と、
    前記可撓性基板に機械的に固定された抵抗歪みゲージ要素であって、前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応答して信号を生成するよう構成された抵抗歪みゲージ要素と、
    前記抵抗歪みゲージ要素と動作可能に連通するコントローラであって、抵抗歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
    を備えている、調整可能なマウント。
  2. ２つ以上の抵抗歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項１に記載の調整可能なマウント。
  3. 前記抵抗歪みゲージ要素は、抵抗歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記抵抗歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項１に記載の調整可能なマウント。
  4. 前記抵抗歪みゲージ要素は、前記抵抗歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応答して電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、請求項３に記載の調整可能なマウント。
  5. 前記可撓性基板は、平坦な正方形のプレートを含み、前記平坦な正方形のプレートは、その中央に開口部を有し、前記開口部は、４つの側面と４つの角部とを有する外周領域を生成し、前記第１の部分は、第１の角部に配置され、前記第２の部分は、第２の角部に配置され、前記第２の角部は、前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、請求項１に記載の調整可能なマウント。
  6. 前記ドライバは、手動で駆動される、請求項１に記載の調整可能なマウント。
  7. 前記ドライバは、電動である、請求項１に記載の調整可能なマウント。
  8. 前記電動のドライバは、圧電式慣性ドライバを含む、請求項７に記載の調整可能なマウント。
  9. 光学要素用の調整可能なマウントであって、前記調整可能なマウントは、
    第１のマウントボディと、
    第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、第１の調整可能な自由度および第２の調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
    前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記第１の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第１のドライバと、
    前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記第２の調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成された第２のドライバと、
    薄い可撓性シートを含む可撓性基板であって、前記可撓性基板の第１の部分は、前記第１のマウントボディに固定され、前記可撓性基板の第２の部分は、前記第２のマウントボディに固定され、前記薄い可撓性シートは、２つの実質的に平行な表面と前記薄い可撓性シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む、可撓性基板と、
    前記可撓性基板に機械的に固定された抵抗歪みゲージ要素であって、前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応答して信号を生成するよう構成された抵抗歪みゲージ要素と、
    前記抵抗歪みゲージ要素と動作可能に連通するコントローラであって、抵抗歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
    を備えている、調整可能なマウント。
  10. ２つ以上の抵抗歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項９に記載の調整可能なマウント。
  11. 前記抵抗歪みゲージ要素は、抵抗歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記抵抗歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項９に記載の調整可能なマウント。
  12. 前記抵抗歪みゲージ要素は、前記抵抗歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応答して電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、請求項１１に記載の調整可能なマウント。
  13. 前記可撓性基板は、平坦な正方形のプレートを含み、前記平坦な正方形のプレートは、その中央に開口部を有し、前記開口部は、４つの側面と４つの角部とを有する外周領域を生成し、前記第１の部分は、第１の角部に配置され、前記第２の部分は、第２の角部に配置され、前記第２の角部は、前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、請求項１０に記載の調整可能なマウント。
  14. 前記第２のマウントボディは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間に配置された枢着部で前記第１のマウントボディに対して枢動し、前記第２のマウントボディは、前記枢着部に対して実質的に一定の曲率半径を有する第１の駆動表面と、前記枢着部に対して実質的に一定の曲率半径を有する第２の駆動表面とを有する、請求項９に記載の調整可能なマウント。
  15. 前記枢着部は、前記第１のドライバおよび前記第２のドライバの駆動表面によって係合するよう圧縮された戻り止めに配置された玉軸受を備えている、請求項１４に記載の調整可能なマウント。
  16. 前記第１のドライバおよび前記第２のドライバは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を伝えるよう構成された圧電式慣性ドライバを含み、前記圧電式慣性ドライバは、
    第１の圧電部材マウント表面を有する剛性本体部分と、
    第２の圧電部材マウント表面を含む第１の端部と、駆動表面を有する駆動表面部分と、前記駆動表面部分と前記第１の端部との間に配置され固定された軸方向剛性部分と、前記駆動表面部分から延在するＳ形状の弾性部分と、前記Ｓ形状の弾性部分と前記剛性本体部分との間に配置され固定された第２の端部部分とを有する連続した可撓性の弾性部材と、
    前記第１の圧電部材マウント表面と前記第２の圧電部材マウント表面との間に配置され固定された圧電部材と
    を含む、請求項９に記載の調整可能なマウント。
  17. 前記圧電式慣性ドライバの前記剛性本体部分は、前記第１のマウントボディに固定され、前記駆動表面は、前記第２のマウントボディと摩擦係合する、請求項１６に記載の調整可能なマウント。
  18. 前記圧電式慣性ドライバの前記剛性本体部分は、前記第２のマウントボディに固定され、前記駆動表面は、前記第１のマウントボディと摩擦係合する、請求項１６に記載の調整可能なマウント。
  19. 光学要素用の調整可能なマウントを調整する方法であって、前記方法は、
    光学要素用の調整可能なマウントを提供することであって、前記調整可能なマウントは、
    第１のマウントボディと、
    第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
    前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板であって、前記可撓性基板は、薄い可撓性シートを含み、前記薄い可撓性シートは、２つの実質的に平行な表面と前記薄い可撓性シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む、可撓性基板と、
    前記可撓性基板に機械的に固定された抵抗歪みゲージ要素であって、前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応答して信号を生成するよう構成された抵抗歪みゲージ要素と、
    前記抵抗歪みゲージ要素と動作可能に連通するコントローラであって、抵抗歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラと
    を備えている、ことと、
    前記コントローラを用いて、抵抗歪みゲージ要素信号から前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの第１の絶対位置に関するデータを生成することと
    を含む、方法。
  20. 前記第１のマウントボディの位置に対する前記第２のマウントボディの前記第１の絶対位置に関する位置データをデータ記憶装置に格納することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記第１のマウントボディに対して前記第２のマウントボディを変位させることと、前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの第２の位置に関するデータを生成することとをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記第２のマウントボディは、前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバを用いて、前記第１のマウントボディに対して変位させられる、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記ドライバは、圧電式慣性ドライバを含み、前記第２のマウントボディは、前記圧電式慣性ドライバの作動によって前記第１のマウントボディに対して変位させられる、請求項２２に記載の方法。
  24. コントローラから前記ドライバへの信号を生成することにより、前記第２の位置から前記第１の絶対位置に戻すように前記第２のマウントボディを変位させることをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
  25. 前記調整可能なマウントは、前記可撓性基板に機械的に固定された複数の抵抗歪みゲージ要素を備え、前記第１のマウントボディに対する前記第２のマウントボディの前記第１の絶対位置に相当する位置データは、前記複数の抵抗歪みゲージ要素のインピーダンスプロフィールから生成される、請求項１９に記載の方法。
  26. 前記複数の抵抗歪みゲージの前記インピーダンスプロフィールは、少なくとも１つのホイートストンブリッジ回路を用いて生成される、請求項２５に記載の方法。
  27. 光学要素用の調整可能なマウントであって、前記調整可能なマウントは、
    第１のマウントボディと、
    第２のマウントボディであって、それに光学要素を固定するよう構成され、調整可能な自由度において前記第１のマウントボディに対して移動可能な第２のマウントボディと、
    前記第１のマウントボディに固定された第１の部分と前記第２のマウントボディに固定された第２の部分とを含む可撓性基板であって、前記可撓性基板は、薄い可撓性シートを含み、前記薄い可撓性シートは、２つの実質的に平行な表面と前記薄い可撓性シートの中央部分を通るように配置された開口部とを含む、可撓性基板と、
    前記可撓性基板に機械的に固定された抵抗歪みゲージ要素であって、前記可撓性基板の歪みを登録し、前記可撓性基板の歪みに応答して信号を生成するよう構成された抵抗歪みゲージ要素と
    を備えている、調整可能なマウント。
  28. 前記第１のマウントボディと前記第２のマウントボディとの間の前記調整可能な自由度における相対運動を制御可能に伝えるよう構成されたドライバをさらに備えている、請求項２７に記載の調整可能なマウント。
  29. 前記抵抗歪みゲージ要素と動作可能に連通するコントローラであって、抵抗歪みゲージ要素信号から位置データを生成するよう構成されたコントローラをさらに備えている、請求項２７に記載の調整可能なマウント。
  30. ２つ以上の抵抗歪みゲージ要素は、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項２７に記載の調整可能なマウント。
  31. 前記抵抗歪みゲージ要素は、抵抗歪みゲージの抵抗歪みゲージボディ上に配置され、前記抵抗歪みゲージボディは、前記可撓性基板に機械的に固定されている、請求項２７に記載の調整可能なマウント。
  32. 前記抵抗歪みゲージ要素は、前記抵抗歪みゲージの導体素子にかけられた歪みに応答して電気インピーダンスを変更するよう構成された電気回路を含む、請求項３１に記載の調整可能なマウント。
  33. 前記可撓性基板は、平坦な正方形のプレートを含み、前記平坦な正方形のプレートは、その中央に開口部を有し、前記開口部は、４つの側面と４つの角部を有する外周領域を生成し、前記第１の部分は、第１の角部に配置され、前記第２の部分は、第２の角部に配置され、前記第２の角部は、前記開口部を間にして前記第１の角部に対向して配置される、請求項２９に記載の調整可能なマウント。
  34. 前記ドライバは、手動で駆動される、請求項２８に記載の調整可能なマウント。
  35. 前記ドライバは、電動である、請求項２８に記載の調整可能なマウント。
  36. 前記電動のドライバは、圧電式慣性ドライバを含む、請求項３５に記載の調整可能なマウント。
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