(57)【要約】【課題】傾くことなく正確に直線移動させることが可能な可動ミラーで、且つ許容誤差を満たしつつ簡単に取り付けることが可能なミラーを提供すること。【解決手段】モノリシック変換器支持部材に取り付けられるモノリシックミラー支持部材を有するミラー変位アセンブリであって、これらの２つの部材は互いに離間した薄厚部を有し、これらの薄厚部は変換器支持部材に取り付けられる変換器によって変形可能であり、そして２つの支持部材はほぼ同じ形を有することが好ましい。このように、ミラー支持部材上に位置するミラーは不要に傾くことなく変位させることができ、同時にアセンブリ内の高応力領域はこれらの２つのモノリシック部材の間の接合から理想的に離間する。【選択図】図４
2006138751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのミラー変位アセンブリを含む光共振器を備えるキャビティリングダウン分光機器であって、前記ミラー変位アセンブリが改良により、
ａ）モノリシックミラー支持部材と、ｂ）モノリシック変換器支持部材と、ｃ）少なくとも一つの変換器と、ｄ）一つのミラーとを備え、
ａ）前記モノリシックミラー支持部材は、
固体材料から成り、第１軸を有する第１中央部と、
固体材料から成る第１外側部であって、前記第１中央部から離間するが前記第１中央部及び第１外側部よりもかなり薄い厚さの第１薄厚部によって前記第１中央部に接続される第１環状外側部と、を含み、
ｂ）前記モノリシック変換器支持部材は、
固体材料から成り、前記第１中央部に取り付けられ、且つ前記第１軸にほぼ平行な第２軸を有する第２中央部と、
固体材料から成る第２外側部であって、前記第２中央部から離間するが前記第２中央部に前記第２中央部及び第２外側部よりもかなり薄い厚さの第２薄厚部によって接続される第２環状外側部と、
を含み、前記第１及び第２薄厚部は互いに離間し、且つ前記第２外側部は前記第１外側部に取り付けられ、
ｃ）前記少なくとも一つの変換器は、公称寸法を有し、前記第２薄厚部の表面に取り付けられ、前記変換器の寸法は、制御信号が入力される結果として前記公称寸法から変化し、
ｄ）前記ミラーは前記第１中央部の表面上に位置し、
前記第１中央部は前記第２外側部から離間し、且つ前記第２中央部は前記第１外側部から離間し、
これによって前記ミラーは前記制御信号に応答して前記第１軸にほぼ平行な方向に変位する、キャビティリングダウン分光機器。
【請求項２】
キャビティリングダウン分光法に使用するミラー変位アセンブリであって、
ａ）モノリシックミラー支持部材と、ｂ）モノリシック変換器支持部材と、ｃ）一つのミラーと、ｄ）少なくとも第１変換器とを備え、
ａ）前記モノリシックミラー支持部材は、
固体材料から成り、第１軸を有する第１中央部と、
固体材料から成る第１外側部であって、前記第１中央部から離間するが前記第１中央部及び第１外側部よりもかなり薄い厚さの第１薄厚部によって前記第１中央部に接続される第１環状外側部と、を含み、
ｂ）前記モノリシック変換器支持部材は、
固体材料から成り、前記第１中央部に取り付けられ、且つ前記第１軸にほぼ平行な第２軸を有する第２中央部と、
固体材料から成る第２外側部であって、前記第２中央部から離間するが前記第２中央部及び第２外側部よりもかなり薄い厚さの第２薄厚部によって前記第２中央部に接続される第２環状外側部と、を含み、前記第１及び第２薄厚部は互いに離間し、前記第２外側部は前記第１外側部に取り付けられ、
ｃ）前記ミラーは前記第１中央部の表面上に位置し、
ｄ）前記第１変換器は、第１公称寸法を有し、前記第２薄厚部の第１表面に取り付けられ、前記第１変換器の寸法は第１制御信号が入力される結果として前記第１公称寸法から第１の量だけ変化し、
前記第１中央部は前記第２外側部から離間し、且つ前記第２中央部は前記第１外側部から離間し、
これによって前記ミラーは前記第１制御信号に応答して前記第１軸にほぼ平行な方向に変形する、アセンブリ。
【請求項３】
前記第１軸は前記第２軸とほぼ同一線上にある請求項２記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記アセンブリは前記第１軸及び前記第２軸に関してほぼ対称な円筒状である、請求項３記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記第１変換器は圧電素子を含む請求項２記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記圧電素子は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びニオブ酸マグネシウム鉛から成る群から選択される材料を含む、請求項５記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記第１制御信号は前記第２軸にほぼ平行な電界方向を有する電界を含む、請求項５記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記圧電素子は、１８０ｐｍ／Ｖを超える非対角（ｏｆｆ−ｄｉａｇｏｎａｌ）圧電係数を有する材料を含む、請求項７記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記第１変換器は磁歪素子を含む請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記ミラー支持部材及び前記変換器支持部材の少なくとも一つがガラス状材料を含む請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記ミラー支持部材及び前記変換器支持部材は同じガラス状材料から構成されており、前記ガラス状材料は、Ｃｅｒｖｉｔガラス，ＺＥＲＯＤＵＲガラス及びＵＬＥガラスから成る群から選択される、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記ミラーは４分の１波長の厚さの層から成る多層の積層構造であり、この構造は二酸化シリコン、二酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、及び二酸化ジルコニウムから成る群から選択される層材料を含む、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記ミラーに入射する照射光の一部は前記ミラーを透過し、前記透過部分の一部は前記第１及び第２中央部を通過した後に前記アセンブリから放出される、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１４】
さらに、前記放出光の一部を受信する光検出器を備える、請求項１３記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１及び第２中央部は接着剤により互いに対して取り付けられ、且つ前記第１及び第２外側部は接着剤により互いに対して取り付けられる、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１６】
前記第１及び第２中央部はオプティカルコンタクトにより互いに対して取り付けられ、且つ前記第１及び第２外側部はオプティカルコンタクトにより互いに対して取り付けられる、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記ミラー支持部材及び前記変換器支持部材はほぼ同じ形を有する請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１８】
第２公称寸法を有し、前記第２薄厚部の第２表面に取り付けられる第２変換器をさらに備え、前記第２薄厚部は前記第１変換器と前記第２変換器との間に位置し、前記第２変換器の寸法は第２制御信号が入力される結果として前記第２公称寸法から第２の量だけ変化する、請求項２記載のアセンブリ。
【請求項１９】
前記第１軸は前記第２軸とほぼ同一線上にある請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記アセンブリは前記第１軸及び前記第２軸に関してほぼ対称な円筒状である請求項１９記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記第１及び第２変換器はほぼ環状であり、前記第１公称寸法及び前記第２公称寸法はほぼ同じである、請求項２０記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記第１及び第２制御信号によって前記第１の量及び前記第２の量がほぼ同じ大きさ及び逆の符号を有するようになる、請求項２１記載のアセンブリ。
【請求項２３】
前記第１変換器及び前記第２変換器はそれぞれ第１圧電素子及び第２圧電素子を含む請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２４】
前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子はほぼ同じ材料組成を有する請求項２３記載のアセンブリ。
【請求項２５】
前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子は、互いに異なる第１及び第２圧電材料組成をそれぞれ有する請求項２３記載のアセンブリ。
【請求項２６】
前記第１及び第２圧電材料はそれぞれ第１及び第２非対角圧電係数を有し、前記第１非対角圧電係数の前記第２非対角圧電係数に対する比が約８よりも大きい、請求項２５記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はキャビティリングダウン分光法に使用するミラー変位アセンブリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）は、非常に低い濃度で含まれるターゲット種（分析物）を検出するために益々広く用いられるようになってきている分析技術である。ＣＲＤＳは可視光スペクトル範囲、紫外線スペクトル範囲及び赤外スペクトル範囲の多くのシステムに適用されてきた。ＣＲＤＳに関する議論は、Ｚａｒｅらによる特許文献１、Ｌｅｈｍａｎｎによる特許文献２、及びＯ’Ｋｅｅｆｅ及びＤｅａｃｏｎによる非特許文献１に掲載された論文を参照されたい。
【０００３】
線形型キャビティＣＲＤＳ機器では、共通の光軸に沿って互いに対向する２つのミラーを含む、極めて精巧で、安定した光共振器キャビティに分析試料（吸収材料）を載置する。一のミラーに入射する入射光は共振器内で前後に複数回往復して周期的な空間変動を有する定在波を生成する。一方のミラー又は他方のミラーを透過して出射する光は内部キャビティ光強度の指標となる。
【０００４】
別の構成として、共振器キャビティは３，４又はそれ以上のミラーを利用するリング型キャビティとすることができ、この場合、３ミラー構成のキャビティでは、普通、一つのミラーは凹面ミラーであり、２つのミラーは平面ミラーであり、２つの平面ミラーの内の一つが入射光を受信する。次に一のミラーに入射する入射光は単一方向に複数回共振器内を往復する。線形型キャビティ又はリング型キャビティにおいて、レーザ光源をパルスレーザ又は連続波（ＣＷ）レーザとすることができる。いずれの場合においても、外部レーザ光源を或る波長（又は周波数）範囲内に調整することができ、この波長範囲をターゲット分析物に適用することによりこの範囲内において吸収スペクトルを生成する。
【０００５】
光共振器キャビティによって閉じた、往復経路が定義され、この経路に沿って光が繰り返し往復する。キャビティ内での損失は回避することができないので、キャビティ内を往復する光の強度は、光源（例えばレーザ）が追加光をキャビティに供給するのを停止すると時間とともに小さくなる（すなわち、光強度が「リングダウンする」）。空のキャビティ（すなわち中に試料が無い）の場合、往復強度はリングダウン時間（又は率）により特徴付けられる指数関数的減衰に従って減衰するが、このリングダウン時間はキャビティミラーの反射率、キャビティ内の往復経路長、及びキャビティ内の光速に依存する。分析試料をキャビティ内に載置すると、リングダウン時間は試料が光を吸収することにより短くなり、リングダウン時間のこの変化によって、特に試料により生じる損失を測定することができる。このように試料により生じる損失を測定することがキャビティリングダウン分光法の基礎となる。
【０００６】
従来の吸収分光法と比較したときのＣＲＤＳの利点は、光が試料を繰り返し通過するので試料内の非常に低いレベルのターゲット種を検出することができることである。感度を最大化するために、高反射率ミラーを使用してキャビティを形成し、レーザ光源を調整する目標となる光波長が、着目する特定のターゲット分析物の強い吸収線に対応するように選択される。試料の吸収スペクトルは入射光のリングダウン率対波長の逆数をプロットすることにより得られる。
【０００７】
多くの場合、ＣＷレーザ光源をＣＲＤＳに使用してほぼ単一の波長λの照射光を放出することが望ましい。このような場合、リングダウンキャビティの光路長は、キャビティ内における光源からの照射光の共振を発生させるためにこの波長に一致する必要がある。線形型キャビティの場合、キャビティ長はｎλ／２、すなわちレーザの動作波長の１／２の整数倍に等しくなければならない。すなわち、図１（ａ）に示す寸法Ｄはｎλ／２に等しくなければならない。同様に、リング型キャビティの場合、往復経路長（すなわち、図１（ｂ）に示す三角形経路はｎλ、すなわちレーザの動作波長λの整数倍に等しくなければならない。ＣＷレーザを使用して試料の吸収スペクトルを取得するために、レーザの波長を変え、データを採取する各波長において、上に示した整合条件が満たされるようにキャビティを調整する。パルスレーザ光源は複数波長の照射光を放出するので、パルスレーザ光源を使用する場合キャビティ内の往復経路長は光源波長に一致させる必要がない。
【０００８】
キャビティをＣＷレーザの光源波長に一致させる一の方法は、キャビティミラーの移動手段を提供すること、すなわちキャビティの反射ミラーの内の１つ以上を、少なくとも選択動作波長、すなわち≧λだけ往復経路長を変化させるのに十分な距離を移動可能に作製することである。線形型キャビティにおいては、可動ミラーは普通、図１（ａ）の１４で示すように入射光を受信しない構成のミラーである。図１（ｂ）に示す３ミラー構成のリングキャビティにおいては、図１（ｂ）の番号１７で示すように、可動ミラーは普通、光をキャビティに結合させることも、光をキャビティから分離することもしないミラーである。
【特許文献１】米国特許第５９１２７４０号
【特許文献２】米国特許第５５２８０４０号
【特許文献３】米国特許第５１１６１３１号
【特許文献４】米国特許第５１１６１２８号
【特許文献５】米国特許第４３０８４７４号
【非特許文献１】Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．  ５９（１２）  ２５４４−２５５１，  １９９８
【非特許文献２】Ｃｈｅｍ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ２６４  （１９９７）  ３１６  ａｔ  ３１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
２ミラー構成キャビティ又は３ミラー構成キャビティのいずれにおいても、可動ミラー及びその取り付けに関して要求される操作要件は厳しい。特に、ミラーは傾く又は斜めになることなく直線的に正確な距離だけ移動可能でなければならない。この動きはＣＲＤＳ機器の動作寿命に渡って維持され、且つ温度変化に対する耐性を有しなければならない。またミラーの取り付けは、要求される厳しい許容誤差を満たしつつ簡単に行なわれることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の好適な実施形態は、モノリシック変換器支持部材に取り付けられるモノリシックミラー支持部材を有するミラー変位アセンブリであり、このアセンブリでは、これらの２つの支持部材は、互いに離間し、変換器支持部材に取り付けられる少なくとも一つの変換器によって変形可能な薄厚部を有し、そして２つの支持部材はほとんど同じ形を有する。アセンブリ内の高応力領域は２つのモノリシック部材の間の接合から離間する。このようにして、ミラー支持部材上に位置するミラーは、不要に傾く、又は斜めになることなく、変位させることができる。
【実施例】
【００１１】
図１（ａ）は、安定な低損失光キャビティとして配置された反射率の高い２つのミラー１３及び１４から作製された線形型のリングダウンキャビティを含むキャビティリングダウン分光機器の概略図である。シングルモードで調整可能なＣＷレーザ１０は、高反射率のミラー１３及び１４から形成されるリングダウンキャビティに向けられている。レーザ１０からの光は、コリメータレンズ１１を通過した後、キャビティの一端を通過してリングダウンキャビティに結合する。レーザ１０からの光はミラー１３と１４との間で捕捉され、レーザ１０がキャビティから分離されると（例えば、レーザとキャビティとの間の経路を遮断することにより、又は整合条件のＤ＝ｎλ／２が満たされないようにレーザ或いはキャビティを調整することにより）、捕捉光の強度が、これらのミラーとミラー間に位置する全ての分子吸収材（すなわち分析試料）の合成損失により減衰（リングダウン）する。
【００１２】
光検出器１５は、リングダウンキャビティセルから放出されてミラー１３を通過し、ビームスプリッタ１２に衝突する光の照射レベルを測定し、対応する信号を生成する。リングダウンキャビティセルにおける減衰率を光検出器が生成する信号から計算し、この減衰率を使用して試料ガスに含まれる追跡種のレベルを求める。別の構成として、ミラー１４及び圧電変換器１６の両方が光を透過させるように構成される場合、検出器１５をミラー１４を透過する光を検出するように配置することができる。このような場合、ビームスプリッタ１２は不要になる。
【００１３】
着目する試料がキャビティ内に位置する状態でレーザの周波数を掃引すると、試料による吸光度が高くなって（空のキャビティに対して）光強度が更に急速に減衰する。従って、減衰時定数が周波数とともに変化することによって所定の周波数にピークを有するスペクトルが生成される。この周波数は、レーザを調整して試料種の分子遷移と共鳴する現象を生じさせるものである。このスペクトルから既知の分析物の濃度を求めることができる。
【００１４】
上述のように、例えば、Ｒｏｍａｎｉｎｉらによる非特許文献２によれば、２つのキャビティミラーの内の一つ（この場合、ミラー１４）を圧電変換器１６に動作可能に接続してレーザ波長とキャビティ長とを一致させる。ミラー間距離を変えて一の縦モードの周波数をレーザ周波数に近付ける。
【００１５】
図１（ａ）の線形型キャビティ内に２つのミラーを備える構成の機器と同じように、図１（ｂ）のリング型キャビティ内に３つのミラーを備える構成の機器は、調整可能なＣＷレーザ光源１０、コリメータレンズ１１及び３つのミラー１７，１８及び１９を有し、これらのミラーによりレーザ光路を定義する。普通、ミラー１８及び１９は平面ミラーであり、ミラー１７は凹面ミラーである。圧電変換器１６はミラー１７を、光路が形成する三角形を二等分する１０１に沿って変位してキャビティ経路長を調整し、レーザ周波数に一致させる。図１ａ及び１ｂでは、ミラー１４及び圧電変換器１６を便宜上独立素子として示した。実際は、ミラー変位アセンブリは、ミラー及び圧電変換器の一体型ユニットとして用いられる場合が多い。
【００１６】
リングレーザジャイロスコープミラー及びＣＲＤＳ機器ミラーの経路長制御装置に要求される動作要件は、幾つかの素子を共有する。図２は、リングレーザジャイロスコープに使用されるタイプのミラーアセンブリ２０の断面図である。ミラー２２は支持フレーム２１の正面に取り付けられ、このフレームはベースプレート２４上に支持される。電圧を圧電素子２３及び圧電素子２６にそれぞれ印加すると、印加電圧により素子２３及び２６に生じる圧電歪みによってベースプレート２４及びフレーム２１の薄厚部２５が伸縮し、これによりミラー２２が軸２８に沿って前又は後に移動する。これについては特許文献３及び４を参照されたい。
【００１７】
図３は、ＣＲＤＳ機器に使用されるタイプの、先行技術によるミラー変位アセンブリの断面図である。このアセンブリは３つの構成要素、すなわち基本的に円筒状の金属ハウジング３００，３０１及び３０２を含む。部品３００及び３０１はネジ止めされ、そして部品３０２は周辺ボルト３０（６つのボルトの内２つが示されている）及び中心ボルト３１を用いて３００にボルト締めされる。内部部品にはボールベアリング３２０が含まれ、このベアリングにより、ドライバ３５上において圧電性の多層の結晶変換器３４の作用によってミラー３３が動くときにミラー３３が傾く、又は斜めになろうとするのを抑える。初期の配置は周辺ネジ３０３（６つのネジの内２つが示されている）を調整することにより実現する。ミラー３３はハウジング３０２に取り付けられ、通常、凹状の正面３２を有し、普通、溶融シリカのようなガラス状材料により形成される。ハウジング部品３００，３０１及び３０２、駆動部材３５、及びネジ及びボールベアリングはステンレス鋼により形成される。
【００１８】
ドライバ３５が変換素子３４によって前に押し出されるときに伸縮する膜３８及び３９は、ハウジング部３００及び３０２それぞれの薄厚部である。変換器はかなりの重量を移動させる必要があり、且つかなり硬い材料（鋼）を曲げる必要があるので、この構成の変換器は複雑で高価な多層構造とならざるを得ない、及び／又はかなり高い電圧で動作する必要があり、これら両方の点が欠点となっている。このアセンブリは複雑で、高価であり、且つ必要な精度を有する配置となるように形成することが難しい。
【００１９】
図４は本発明の好適な実施形態によるミラー変位アセンブリ４０の断面図である。ミラーアセンブリ４０の主要素子は、ミラー支持部材４１、変換器支持部材４２、変換器４４及び４５、及びミラー５０である。
【００２０】
ミラー支持部材４１は、固体材料（例えばガラス状材料）から成る外側環状ミラー支持部４１Ｏ、やはり固体材料から成り、外側部４１Ｏから離間し、且つ軸４９の一部を含む中央ミラー支持部４１Ｃ、及び固体材料から成り、外側部４１Ｏを中央部４１Ｃに接続する薄厚部４１ＴＳを含む。ミラー支持部材４１の外側部４１Ｏ、薄厚部４１ＴＳ及び中央部４１Ｃは同じ材料成分を有し、且つ一体（モノリシック）構造を有する。
【００２１】
変換器支持部材４２は同様に、固体材料（例えばガラス状材料）から成る外側環状変換器支持部４２Ｏ、固体材料から成り、外側部４２Ｏから離間し、且つ軸４９の一部を含む中央変換器支持部４２Ｃ、及び固体材料から成り、外側部４２Ｏを中央部４２Ｃに接続する薄厚部４２ＴＳを含む。変換器支持部材４２の外側部４２Ｏ、薄厚部４２ＴＳ及び中央部４２Ｃは同じ材料成分を有し、且つ一体構造を形成する。好適には、ミラー支持部材４１及び変換器支持部材４２は同じ材料成分を有する。薄厚部４１ＴＳの厚さ（すなわち図４のｚ方向の長さ）は約１５０ミクロンと約１５００ミクロンとの間の値であることが好ましい。薄厚部４２ＴＳの厚さもまた、約１５０ミクロンと約１５００ミクロンとの間の値であることが好ましい。
【００２２】
図４に示すように、第１及び第２薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳは互いに離間し、且つミラー支持部材４１の溝４１Ｉ及び変換器支持部材４２の溝４２Ｉにより形成される環状溝を挟んで互いに対向する。部材４１及び４２は円筒状で軸４９に対してほぼ対称であることが好ましいが、他の非対称構成又は対称性に欠ける構成も可能である。
【００２３】
熱硬化エポキシは普通、支持部材４１及び４２を接合ライン４３に沿って接合させるために一般的に選択される接着剤である。しかしながら、これらの２つの境界面をオングストローム未満の実効粗さを有するように研磨する場合には、物理接触のみで適切な強度の接合が、オプティカルコンタクトとして知られるプロセスによって実現する。支持部材４１及び４２はほぼ同じ形状を有するものとして示されているが、この構成は、この構成によって効率的な製造が容易になるので好ましい。しかしながら、この構成は本発明の要件ではない。変換器支持部材４２は配線用開口４７を有し、この開口は普通、初期組立て後に形成される。変換器４４及び４５は、図４及び図６に示すように、薄厚部４２ＴＳの上面及び下面に固定、且つ接合させ（例えばエポキシにより）、好ましくは圧電（ＰＺＥ）材料によって形成されたものであって、且つ環状（ワッシャー状）である。要件ではないが、さらに変換器４４及び４５がほぼ同じ材料成分及び寸法を有することが好ましい。
【００２４】
圧電材料ではＳｊｋ＝ｄｉｊｋ  Ｅｋが成り立ち、この等式において、Ｓｊｋは歪みテンソル、Ｅｋは電界ベクトル、そしてｄｉｊｋは歪みを電界に関連付ける材料特性に関する３階のテンソルである。例えば、電界がｚ方向に印加されると、ｚ方向の圧縮（又は引っ張り）歪みはＳｚｚ＝ｄｚｚｚＥｚで表わされ、ｘ及びｙ方向の圧縮（又は引っ張り）歪みはＳｘｘ＝ｄｚｘｘＥｚ及びＳｙｙ＝ｄｙｚｚＥｚでそれぞれ表わされる。電界を圧電材料に印加すると、ずれ歪み（すなわちＳｉｊであり、ｉはｊとは等しくない）も生じるが、このようなずれ歪みは普通、変換器用途では無視することができる。圧電係数ｄｉｉｉは電界方向の歪みを生じさせ、この係数は「対角（ｏｎ−ｄｉａｇｏｎａｌ）」係数と呼ばれる。ｉがｊとは等しくない圧電係数ｄｉｊｊは電界方向以外の方向に歪みを生じさせ、この係数は「非対角（ｏｆｆ−ｄｉａｇｏｎａｌ）」係数と呼ばれる。歪みＳｚｚは、分数で表されるｚ方向の長さ変化（すなわちΔＬ／Ｌ）を表わし、同様に、歪みＳｘｘ及びＳｙｙは、分数で表されるｘ方向及びｙ方向それぞれの長さ変化を表わす。
【００２５】
図４の好適な実施形態では、圧電変換器４４及び４５は電極群を含むことが好ましく、これらの電極によって電界を図４のｚ方向に印加することが可能になる（すなわち軸４９に平行な電界）。変換器４４及び４５はこの方向に最も薄くなることが好ましいので、これらの電極間に所望の電界を形成するために必要な電圧は小さくなる。ミラー５０を変位させるために、薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳを変換器４４及び４５の作用により強制的に変形させる。薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳをこのように変形させるには、変換器４４及び４５がｘ方向及びｙ方向（ｚ方向ではなく）に伸張する（又は縮小する）ことが最も有効である。換言すれば、変換器材料の非対角圧電係数の方が対角圧電係数よりも関連性が大きくなる。従って、比較的大きな非対角圧電係数（すなわち約１８０ｐｍ／Ｖよりも大きい）を有する材料が好ましい。図４に示すように２つの変換器が設けられる場合、変換器４４がｘｙ平面で伸張し、且つ変換器４５がｘｙ平面でほぼ同じ大きさだけ縮小して（又はこの逆）、これらの２つの変換器が連携動作して薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳをほぼ等しく変形させてミラー５０を変位させるようにこれらの変換器を駆動することが好ましい。
【００２６】
別の構成として、単一の変換器を使用することができ（すなわち、変換器４４又は変換器４５のいずれかであって両方ではない）、この場合、ミラー５０を所望量だけ変形させるために必要な電圧は、２つの変換器を用いる場合に必要な電圧のほぼ２倍となる。場合によっては、ミラー５０の変位の粗い制御と、且つ細かい制御を可能にすることが望ましい。粗い制御と、細かい制御の両方を可能にする一の手法は、２つの異なるＰＺＥ材料を選択し、一方の材料が、他方の材料の非対角圧電係数よりもかなり大きな非対角圧電係数を有する（すなわち、少なくとも約８倍大きい）ようにすることである。別の手法は、同じＰＺＥ材料から成る変換器４４及び４５を設け、そしてこれらの変換器を、異なる電圧分解能を有する異なる電圧源で駆動することである。
【００２７】
変換器４４及び４５は薄厚部４２ＴＳに固定されるので、薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳの変形及び結果として得られるミラー５０の変位の、これらの変換器への印加電圧に対する依存性が複雑になる。というのは、支持部材４１及び４２の形状及び弾性特性を考慮に入れる必要があるからである。Ｓｊｋ＝ｄｉｊｋ  Ｅｋで表わされる圧電歪みは、アセンブリの形状を変化させ、特にアセンブリのミラー５０を変位させる、アセンブリ４０に加えられる「力」として見なされる。換言すれば、変換器４４及び４５は公称寸法を有し（すなわち、電界が印加されていない状態での寸法）、電界を印加すると変換器の寸法が公称値から印加電界（すなわちＳｊｋ＝ｄｉｊｋ  Ｅｋ）に依存する量だけ変形する。
【００２８】
電圧は、電気配線４６Ａ及び４６Ｂを通してＰＺＥ変換器４５に開口４７を介して印加され、電気配線４６Ｃ及び４６Ｄを通してＰＺＥ変換器４４に印加される。これらの変換器は、図５に模式的に示すように、応力を薄厚部４２ＴＳに加える。これらの応力によって、薄厚部４２ＴＳは、印加電圧の極性に依存して「曲がる」又は上方に（又は下方に）向かって湾曲する。図５に模式的に示す例の場合、薄厚部４２ＴＳの内側表面は伸び、薄厚部４２ＴＳの外側表面は縮むので、薄厚部４２ＴＳは下方に向かって湾曲する。薄厚部４２ＴＳがこのように曲がることにより、薄厚部４２ＴＳが上方に向かって湾曲するか又は下方に向かって湾曲するかに応じて、支持部材４１及び４２の中央部４１Ｃ及び４２Ｃが軸４９（ｚ座標）に沿って上方又は下方に動く。中央部４１Ｃ及び４２Ｃのこの軸方向の動きの大きさは普通、印加電圧と共に単調に増大する。薄厚部４１ＴＳもまた、中央部４１Ｃ及び４２Ｃの軸方向の動きに応じて上方又は下方に曲がる。
【００２９】
好適な圧電変換器４４及び４５に適する材料には、これらに限定されないが、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びニオブ酸マグネシウム鉛が含まれる。図４に、薄厚部４２ＴＳの各側に１つずつ設けられた２つの変換器４４及び４５を示したが、上述したように、変換器を一つだけ（４４又は４５）薄厚部４２ＴＳの一方の側又は他方の側のいずれかに配置する形で使用することができる。但しこの方法は好適な手法ではない。別の構成として、圧電材料の代わりに、変換器（又は変換器群）を、特許文献５に記載されているような磁歪材料を用いて形成することができる。
【００３０】
ミラー支持部材４１を、ＣＲＤＳ機器（図示せず）の正面の外周近傍の、参照番号５３で示す位置に取り付けて、これらの変換器が起動するときに外側部４１Ｏ及び４２Ｏがキャビティに対して動かないようにする。好適には、支持部材４１及び４２は同じ材料から作製されて熱膨張差の影響を小さくする。支持部材４１及び４２は熱膨張係数の小さいガラス状材料、例えばＣｅｒｖｉｔガラス，ＺＥＲＯＤＵＲガラス又はＵＬＥガラスによって形成することが好ましい。
【００３１】
ミラー５０は高反射率（≧９９．５パーセント）の多層（≧１０層）誘電体コーティング（各層が約λ／４の厚さを有する）であることが好ましく、このコーティングはミラー支持部材４１の中央部４１Ｃの最上面に堆積させる。換言すれば、ミラー５０は４分の１波長の厚さの層から成る多層の積層構造であることが好ましい。必要に応じて、図４に示すように、ミラー５０の曲率が、中央部４１Ｃの最上面を研磨することにより得られるようにすることが好ましい。ミラー５０及び下地のミラー支持中央部４１Ｃの曲率半径は、変換器４４及び４５の作用により、たとえ生じるとしても無視できる程度にしか変化しない。というのは、薄厚部４１ＴＳ及び４２ＴＳに対する中央部４１Ｃ及び４２Ｃの厚さが十分に厚く中央部４１Ｃ及び４２Ｃの変形を無視できるからである。適切なミラー層材料としては、例えば二酸化シリコン、二酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、及び二酸化ジルコニウムが挙げられる。ミラー層材料及びミラー層厚さは、光源の動作波長範囲で適切な反射率が得られるように選択される。ミラー５０を構成するこれらの層は、均一な厚さを有し、下地のミラー支持部材４１の形状に近い形状を示すことが好ましい。ミラー５０に関する適切な構成及び堆積技術はこの技術分野において公知である。別の構成として、ミラー５０を別体として形成し、ミラー支持部材４１の最上面に取り付けることができる。この場合、中央部４１Ｃの最上面は平坦であることが好ましい。
【００３２】
好適には、中央部４１Ｃ及び４２Ｃは動作波長範囲の光をほぼ透過する。本実施形態では、ミラー５０への入射光の既知の部分（例えば０．５パーセント）がミラー及び中央部４１Ｃ及び４２Ｃを通過し、この部分を光検出器が受信する。この検出器によって一つ以上の選択波長λの入射光の位置合わせが可能になる、及び／又はこの検出器が入射光の強度又は他の関連特性（群）をモニターする。
【００３３】
本発明のミラー支持系４０は、図２及び３に示す先行技術による構成よりも優れた多くの利点を有する。変換器支持部材４２及びミラー支持部材４１が図示するようにほぼ同じ構成を有するため、本発明は先行技術による構成よりも形成し易い。図２の構成と比較すると、支持部材４１及び４２の各々の環状溝は非常に浅いので、形成の精度を上げることができる。図２に示す先行技術による構成のベースプレートは薄く、且つ平坦であるので使用中に曲がり易い。本発明の構成では、変換器４５は勝手に中心に戻ろうとする（セルフセンタリング機能）ので、横方向に変位し易くなるのを防止することができる。さらに、これらの変換器の動作によって生じる応力は接合ライン４３から遠く離れているので、ミラー５０が変形するときにミラーが傾く現象を起こす原因となり得る接合部の変形を防止することができる。図２の先行技術によるミラーアセンブリにおいては、薄いベースプレート（図２の２４）と支持フレーム（図２の２１）との間の境界が最大応力ポイントに、又はその近傍に位置する。図３の複雑な構造と比較したときの本発明の利点については既に説明した。
【００３４】
図６は本発明のＣＲＤＳミラー変位アセンブリの部分分解図であり、この図の参照番号は図４の同じ参照番号に対応する。上述したように、ミラー支持部材４１及び変換器支持部材４２は環状外側部４１Ｏ及び４２Ｏをそれぞれ有し、また中央部４１Ｃ及び４２Ｃをそれぞれ有する。好適には、変換器４５を駆動する電圧源（図示せず）からの配線４６Ａ及び４６Ｂのビアホールとなる開口４７を除いて、支持部材４１及び４２はほぼ同じ構成を有する。ミラー支持部材４１の中央部４１Ｃの最上部は凹状に研磨して、この凹部に堆積されたとき、ミラー５０も凹状の構造を有するようになることが好ましい。部分５３は、ミラー支持部材４１が光キャビティに取り付けられる位置を示す。環状（ワッシャー状）の変換器素子４４及び４５もまたほぼ同じ形状寸法を有することが好ましく、且つ同じ材料成分を有することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１ａ】従来の２ミラー構成の線形型キャビティＣＲＤＳ機器の構成を示す。
【図１ｂ】従来の３ミラー構成のリング型キャビティＣＲＤＳ機器の構成を示す。
【図２】リング型レーザジャイロスコープに使用されるタイプの先行技術によるミラーマウントの断面図である。
【図３】ＣＲＤＳ機器に使用されるタイプの先行技術によるミラーマウントの断面図である。
【図４】本発明によるミラー変位アセンブリの断面図である。
【図５】２つの変換器によって変換器支持部材に加えられる力を模式的に示す。
【図６】本発明によるミラー変位アセンブリの部分分解図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006138751.tif 000009
【外国語明細書】
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2006138751000002.pdf
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