(57)【要約】本発明は、表面（３０）を所望の向きに配置する方法および装置を提供する。可動部材（１０）が、固定部材（４０）内に可動状態で支持される。可動部材には、平坦ミラー（３０）などの光学要素が固着されている。一実施形態では、ミラーに入射する放射ビームは、ミラーによって単一軸に沿ってスキャンされる。第２の実施形態では放射ビームは、２つの互いに直交する軸に沿ってスキャンされる。可動部材には、Ｎ極およびＳ極を有する磁気要素（５０）が固着されている。磁気透過性の固定子要素（７０）は、可動部材（１０）および磁気要素（５０）との比較で言えば静止状態であり、その固定子要素（７０）は、磁気要素（５０）の磁界内に配置される。それにより固定子要素（７０）と磁気要素（５０）とが、互いの間に相互に磁気吸引力を生成する。固定子要素（７０）の一部に電流コイル（６０）が巻かれ、その電流コイル（６０）内に電流を駆動する電流ドライバ（４００）が設けられる。その電流は、固定子要素（７０）内に電磁界を誘導する。それにより、固定要素（４０）に対する表面（３０）の動きを制御する電磁力が、磁気要素（５０）に作用する。可動ミラー表面（３０）上に放射ビーム源（５０２）を向けて、所望の伝搬方向に放射ビームを進行させるようミラーの動きによってビームをスキャンすることが可能である。
2004524575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（３０）を配向させる装置において、
第１の面（６）およびその反対側の第２の面（８）を含む可動部材（１０）であって、前記第１の面は配向される前記表面（３０）を含み、前記第２の面（８）はアウタ軸受面（１１）を含む可動部材（１０）と、
前記アウタ軸受面（１１）を収容するインナ軸受座（２０）を含む固定部材（４０）であって、前記アウタ軸受面と前記インナ軸受座との間に摩擦係数が存在する固定部材（４０）と、
を有する装置であって、さらに、
前記可動部材（１０）に固着され前記可動部材（１０）に伴って可動であり、磁界を有する、磁気要素（５０）と、
前記磁界内に固定配置される固定子要素（７０）であって、略均一の空隙（７３）が前記磁気要素（５０）と前記固定子（７０）とを前記可動要素（１０）の可動域にわたって分離し、前記固定子および前記磁気要素が互いの間に吸引力を生成して前記表面（３０）の向きを保持するよう配置される固定子要素（７０）と、
を有する装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置においてさらに、
前記磁界内に配置され、固定子磁界を前記固定子（７０）内に誘導し前記磁気要素（５０）の前記磁界と相互作用させる電流伝送部材（６０）を有する装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置においてさらに、前記電流伝送部材（６０）に制御可能な電流を供給して前記固定子磁界を誘導させる電流ドライバ（４００）を有する、装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置において、
他の力を印加せずに、前記吸引力が前記摩擦係数との組み合わせにより、前記可動部材（１０）を前記固定部材（４０）に対して静止させるために十分なクランプ力を供給する装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置において、
前記表面（３０）の実配向を表すセンサ信号を供給する配向センサを有する装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置において、
前記表面（３０）は、前記表面（３０）に入射する放射ビームと相互作用する光学要素を含む装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置において、
前記表面（３０）は、前記表面（３０）に入射する放射ビームと相互作用する反射表面を含む装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置において、
前記アウタ軸受面（１１）は、略球状のアウタ軸受面から成り、
前記インナ軸受座（２０）は、略球状の軸受レースウェイから成り、
前記アウタ軸受面（１１）と前記インナ軸受座（２０）とは、略一致する球形半径を有する装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置において、
前記固定子要素（７０）は、前記可動部材（１０）の接触可能な前記第２の面（８）の周囲に略均一の空隙（７３）を設けるよう球状に形成される十字形固定子要素を含み、
前記固定子要素はさらに、中心部によって連結される４つの固定子アーム（７０ａ〜７０ｄ）を有し、
前記中心部は、隣接する固定子アーム（７０ａ〜７０ｄ）の間に磁束通路を設け、
前記４つの固定子アーム（７０ａ〜７０ｄ）は、ほぼ一致する第１の長手軸（７４）を有し対向配置される第１および第３固定子アーム（７０ａおよび７０ｃ）と、ほぼ一致する第２の長手軸を有し対向配置される第２および第４固定子アーム（７０ｂおよび７０ｄ）とから成り、前記第１および第２の長手軸は互いに略垂直である装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置において、
前記磁気要素（５０）は、それぞれＮ磁極およびＳ磁極を有する４つの磁石リング部分（５０ａ〜５０ｄ）を含み、
前記４つの磁石リング部分は、対向配置され第１（７０ａ）および第３（７０ｃ）固定子アームに対応する第１（５０ａ）および第３（５０ｃ）の部分と、対向配置され第２（７０ｂ）および第４（７０ｄ）固定子アームに対応する第２（５０ｂ）および第４（５０ｄ）の部分とから成り、
前記各磁気部分のＮおよびＳ磁極は、隣接する区分における向きとは反対の方向に向けられている装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、
前記４つの固定子アーム（７０ａ〜７０ｄ）の各々に巻かれ、対向配置される第１（６０ａ）および第３（６０ｃ）電流コイルと、対向配置される第２（６０ｂ）および第４（６０ｄ）電流コイルとを備える、４つの電流コイル（６０ａ〜６０ｄ）を有する装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において、
前記対向する第１（６０ａ）および第３（６０ｃ）電流コイルは、並列または直列のいずれか一方の電流回路内に接続され、第１の電流ドライバ（４００）によって駆動され、
前記対向する第２（６０ｂ）および第４（６０ｄ）電流コイルは、並列または直列のいずれか一方の電流回路内に接続され、第２の電流ドライバ（４００）によって駆動される装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、
前記アウタ軸受面（１１）は、略円筒形の表面を有し、
前記インナ軸受座（２０）は、略円筒形の軸受レースウェイを有し、
前記円筒形軸受面と前記円筒形軸受レースウェイとは、略一致する円筒形半径を有する、装置。
【請求項１４】
請求項６〜１０のいずれか１つに記載の装置において、
前記表面（３０）に入射するよう方向付けられる放射ビーム（５０４）を生成する放射ビーム源（５０２）を有し、
前記放射ビーム（５０４）は、前記表面（３０）の動きによって偏向される、装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、
前記放射ビーム（５０４）の経路内に配置され、前記放射ビームを所望の焦点位置に集束させるレンズ要素（５０８）を有する装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の装置においてさらに、
前記表面（３０）の配向を制御することで前記放射ビーム（５０４）を面（５０６）内の所望位置へ方向付け、さらに、前記放射源（５０２）の振幅または波長のいずれか一方を変調させる、電子制御器（５１０）を有する装置。
【請求項１７】
表面（３０）を配向する方法において、
第１の面（６）およびその反対側の第２の面（８）を含む可動部材（１０）であって、前記第１の面は配向される前記表面（３０）を含み、前記第２の面（８）はアウタ軸受面（１１）を含む、可動部材（１０）を設けるステップと、
前記アウタ軸受面（１１）を収容するインナ軸受座（２０）を含む固定部材（４０）であって、前記アウタ軸受面と前記インナ軸受座との間に摩擦係数が存在する、固定部材（４０）を設けるステップと、
を有する方法であって、さらに、
磁界を有する磁気要素（５０）を、前記可動部材（１０）に伴って可動になるよう前記可動部材（１０）に固着させるステップと、
固定子要素（７０）を前記磁界内に固定配置し、略均一の空隙（７３）が前記磁気要素（５０）と前記固定子（７０）とを前記可動要素（１０）の可動域にわたって分離し、前記固定子および前記磁気要素が互いの間に吸引力を生成して前記表面（３０）を固定方向に保持するよう構成するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法においてさらに、
固定子磁界を前記固定子（７０）内に誘導し前記磁気要素（５０）の前記磁界と相互作用させる電流伝送部材（６０）を、前記磁界内に配置するステップを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法においてさらに、
前記電流伝送部材（６０）内に電流を流すことで、前記吸引力に対抗するよう前記固定子磁界を制御することを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法においてさらに、
前記電流伝送部材（６０）内に電流を流すことで、前記可動部材（１０）を前記固定部材（４０）に対して回転させるよう前記固定子磁界を制御することを含む、方法。
【請求項２１】
請求項１７〜２０のいずれかに記載の方法においてさらに、
他の力を印加せずに、前記可動部材（１０）を前記固定部材（４０）に対して静止方向に保持するのに十分なクランプ力が作用するよう、前記吸引力の大きさと前記摩擦係数とを、組み合わせて選択するステップを有する方法。
【請求項２２】
請求項１７〜２１のいずれかに記載の方法においてさらに、
前記可動部材（１０）の位置を感知するステップと、
前記表面（３０）の実配向を表すセンサ信号を供給するステップと、を有する方法。
【請求項２３】
請求項１７〜２２のいずれかに記載の方法においてさらに、
前記表面（３０）に素子を固着させるステップと、
前記表面３０を配向することで、制御状態で前記素子を配置させるステップと、を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２００１年３月３０日に提出された米国特許仮出願第６０／２８０２３２号と、同一出願人によって２００２年２月１３日に提出された以下の継続中の各米国特許出願「素子運動制御装置」と題された出願第１０／０７５９４０号、「自由空間光スイッチ」と題された出願第１０／０７５９４６号、および「ビーム偏向方法および装置」と題された出願第１０／０７５９３０号とに関連し、すべての目的においてそれらの出願に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、１つまたは２つの軸に沿って表面の制御下で配向し、電力を必要とせずに磁気的にその表面の向きをクランプする装置に関する。本発明は特に、表面が反射表面であって、その反射表面に入射する光ビームを所望の方向に向けるためにその表面の配向が制御可能である、放射ビームスキャンまたは偏向装置を提供する。
【背景技術】
【０００３】
２軸スキャン装置を用いて、ある領域にわたって放射ビームをスキャンすることは、周知である。その一例としては、２次元領域内で放射ビームをスキャンする２次元スキャナが、モンタグ(Montagu)による米国特許第５，１５０，２４９号に記載されている。モンタグの教示するところによれば、２つのスキャンミラーが、互いに直交する軸にて小さな偏向角度内（１８０°未満）で、検流計などの振動式部分回転モータまたは共振駆動式部分回転装置によって旋回される。モータドライバは通常、角位置および速度信号を、モータに関連するトランスデューサから受信して、各モータを制御することにより、ミラーの動きを高頻度振動にてサーボ制御する。モンタグのシステムには、従来から小型化が難しかったという問題点がある。モンタグのシステムではまた、高頻度振動によってスキャンミラーが変形してしまうため、放射ビームの質が低下するという問題がある。２つのミラーを使用するので、各ミラーの変形がビームの質の低下の原因となる。モンタグのスキャナのさらなる問題点は、スキャンにおいて特定の幾何学的精度を達成するには、ミラーの回転軸同士の精密な整列が必要となりうることである。
【０００４】
１つのミラーのみを用いる他の２軸スキャンシステムも、知られている。光ファイバ通信システムでは、光スイッチ装置を用いて、光ファイバのチャネル間において放射ビームを偏向させる。小型２軸スキャン装置の一例として、光スイッチの用途に利用可能なマイクロマシーンエレメント（ＭＥＭ）が、米国特許第６，３００，６１９号でアクシュークら（Aksyuk et al.）によって教示されている。アクシュークらの技術では、たとえばミラーなどの小型光学装置は、バネに支持されていることで、電子機械的構造体に対して可動である。複数のプレーナ層をフォトリソグラフィ技術によってシリコン基板上に形成することによって、電子機械的構造体とミラーとの両方がシリコン基板上に形成されている。偏向またはスキャンミラーは、サイズ３００×３００μｍで厚さ０．５μｍのＣｒ／Ａｕ層として形成される。ミラーを作動させる電極は、シリコン基板上でミラー素子の下層に形成される。電極への印加電圧に応じて、ミラーの不支持部分が下層方向へ静電的に誘引される。一例では、電極に約１００Ｖの電圧を印加することで、ミラー表面を撓ませる。それによりミラーは、２軸を軸にして傾斜し、ミラーに入射した放射ビームを所望のターゲットへ方向付ける。ミラーの傾斜角の大きさは、電極電圧を変化させることで制御可能であるが、記載されている最大傾斜角は５°である。
【０００５】
ＭＥＭミラーの問題点は、極めて脆弱なことである。そのためにＭＥＭミラーは、均一に平坦でない場合があり、重力のみで変形または湾曲することさえある。ＭＥＭミラーは、高頻度の切換動作時にひどく変形することが考えられる。これらのいずれの場合にも、反射ビームが劣化する。さらにＭＥＭミラーは、その脆弱性、材料構成、および支持構成に基づき、熱伝導性が不良であり、入射放射ビームから吸収したエネルギを放散できない。そのため、ＭＥＭミラーが損傷することなく偏向できる光ビームのエネルギ密度は、制限されている。また、従来の多層反射コーティングを用いれば、ＭＥＭミラーが吸収する入射放射量を制限でき上記加熱問題を改善できると考えられなくもないが、前述のミラー構成の脆弱性のため、そのようなコーティングは実際にはＭＥＭミラーに塗布できない。その理由は、コーティングは高温かつ低圧にて塗布されるからである。
【０００６】
アクシュークらの技術のＭＥＭミラー構成のさらなる問題点は、ミラーを所望角度または向きに傾斜させた状態などの作動状態に維持するためには、作動電圧を連続的にシリコン基板に印加しなければならない点である。たとえば数分から１時間などの継続期間にわたってミラーを作動状態に維持する必要がある場合、ミラーは過熱状態になる可能性がある。さらに、数百から数千のスイッチ素子を含むスイッチシステムを用いる場合、長い作動期間に放出される熱によって、スイッチシステム全体が過熱状態になる。そのために従来は、光スイッチの熱負荷を検出して冷却する必要があった。またアクシュークらの文献に記載の装置には、パワーが切断されると電極電圧がゼロになり、ミラーが平常の未作動位置に解放されてしまうという問題がある。これは、ネットワークスイッチにおいて極めて不都合な状態である。パワー復帰時に、各スイッチを所望位置に再作動させなければならないからである。
【０００７】
アクシュークらの技術はさらに、行および列に配置されたＭＥＭミラーのアレイを教示している。行列レイアウトの欠点は、ミラー中心間のピッチが、上記の３００μｍであるミラー寸法と少なくとも同等である点である。それによってアクシュークらの技術のスイッチレイアウトには、ミラー間に高い割合の不使用空間が存在し、実装密度すなわち単位面積当たりのＭＥＭミラー数が制限される。スイッチ領域に、可動ミラー表面をより高い密度で設置することが望ましい。
【０００８】
単一ミラー２軸ビーム偏向装置は、ヤギら(Yagi et al.)の米国特許第６，１５４，３１２号、サカタら（Sakata et al.）の米国特許第６，２０１，６４４号、ドネラン（Donelan）の米国特許第４，４３６，２６０号、およびスウェインら（Swain et al.）の米国特許第４，９６１，６２７号にも記載されている。これらの各文献は、剛直な球状回転体およびビーム偏向平坦面を有する偏光装置を教示している。各文献において球状回転体は、球中心を中心にして回転するよう支持され、それによって偏向表面が２軸において傾斜可能となっている。球状要素を用いることで、より剛直かつ機械的に頑丈な傾斜表面を設計できる。上記文献のうちヤギらの技術が、最も本発明に近似する先行技術であると考えられる。
【０００９】
ヤギらの技術では、球状回転体は、内部に支持空洞が形成された支持部材の中に支持される。支持空洞は、誘電性液体で充填され、その中に球状回転体が収容される。空洞を覆う透過性平行プレートが、空洞を密閉する。球状回転体上には、複数の帯電可能領域が形成されており、それらの領域は異なる帯電特性を有する。支持部材内に設けられた駆動電極が、誘電性液体を介して、球状回転体の帯電可能領域に電界を印加する。駆動電極に荷電することで、複数の異なる帯電特性領域のいずれかを誘引し、それにより回転トルクを発生させる。またヤギらの装置は、約１００μｍの球直径にまで小型化される。
【００１０】
ヤギらの装置の１つの問題点は、偏向される放射ビームが、空洞を密閉する平行プレートを２度通過し、誘電性液体も２度通過することである。数個の光学的表面および異なる屈折媒体を通過させると、非コリメートビームを偏向するいずれのシステムにおいても、放射ビームの波面の変形や焦点距離の変更が発生する可能性が高くなる。ヤギらの技術の他の欠点は、偏向装置が液体中に懸架されるので、自由にドリフトしてしまうことである。そのようなドリフトは、精密なビーム配置が要求される場合には許容できない。ヤギらの技術には、半球体を保持するために電極電圧を印加しなくても、摩擦によって半球体は移動しないと記載されているものの、保持電荷を印加せずにより確実かつ制御可能な保持力を実現することが、当業界において望ましい。ヤギらの技術のさらなる欠点は、球状回転体が各軸において、たとえば０°から＋／−２０°の範囲内などの、選択された個々の配向にのみ移動可能であることである。約４５°までのいずれの所望角度にも傾斜できる２軸ビーム操向装置が、望まれている。
【００１１】
また当業界では、上述の他のデバイスほど小型化されないまでも、モンタグの装置よりはコンパクトであり、スキャンが関わる多くの用途に利用可能であって、光学システムを実質的に小型化し、高パワーのビームを偏向でき、機械的に剛直かつ頑丈であり、システムの複雑さおよびコストを低減するという利点を有する、２軸ビーム偏向装置または表面配向装置が必要とされている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、請求項に記載の本発明の好適な実施形態と、同じく請求項に記載の数個の代替実施形態とを説明する。
【００１３】
＜ボールおよびソケット＞
図１Ａから図４に、本発明の好適な実施形態の全体的レイアウトを示す。図１Ａは、表面３０を、たとえば固定された表面６に対して、所望の向きに配向する装置の断面を表す。好適な実施形態では、デバイス５は、全体的にボール／ソケットアセンブリの形態である２軸光ビーム操向装置を含む。そのアセンブリは、球状またはボール部の形状であってアウタ軸受面１１を有する可動部材１０を含む。可動部材１０は、可動部材１０の収容部である球状レースウェイまたはソケット２０を有する固定部材４０内に支持される。ソケット２０内で可動部材１０は、ソケット２０に対して回転可能な状態で支持される。本実施例では、固定部材４０は薄い平板であるが、たとえば円錐形などの他のレースウェイ構造を含む構成であってもよい。図１Ａに示すように、可動部材１０および固定部材４０はそれぞれ、第１の面６と、反対側の第２の面８とを有する。固定部材４０は、第１の面６および第２の面８のそれぞれにおいて、可動部材１０に対して自由にアクセスできるよう構成されている。
【００１４】
好適な実施形態ではビーム操向器５は、ミラー表面３０を有する。ミラー表面３０を制御下で動かすことによって、表面３０で光ビームを反射し、そのビームを所望のターゲット箇所へ偏向させる。本発明の他の実施形態では、以下で説明するとおり、可動部材を用いて他の表面、物体、または素子の動きを制御することもある。ミラー表面３０は、可動部材１０に直接に蒸着あるいは接着されていることが可能である。好適な実施形態ではミラー表面３０は、球状またはボール部材１０の赤道面に形成される。代替案では、ミラー表面３０は球形の他の断面に形成され、その平面は赤道面に平行であってもなくてもよい。
【００１５】
図１Ａの断面図は、表面３０に対して垂直な、球状またはボール部材１０の第２の赤道面に沿って得られた図である。球状またはボール部材１０の放射中心３２が、表面３０上に示されており、それが球状またはボール部材１０の回転軸を表す。光ビームまたは光線３４は、たとえば垂直軸Ｖに対して角度βにてミラー表面３０に入射し、垂直軸Ｖに対して反射角度β＋２αにて反射される。ここでαは、たとえば水平面Ｈに対する表面３０の傾斜角である。したがって、反射ビームまたは光線３６は、表面３０が動いた角度αの２倍の角度だけ偏向される。２軸装置ではミラー表面３０は、図１Ａに示す赤道断面に直交する面内における第２の傾斜角を有する。第２の傾斜角は図示していない。このように、入力光線３４は、回転軸３２を頂点とした立体円錐の角内に含まれる角度のいずれであることも可能な反射角にて反射されうる。
【００１６】
＜磁気リング＞
磁気リングから成る磁気要素５０が、可動部材１０の第２の面８に一体的に形成されているか、もしくは取り付けられている。磁気リング５０は、リング５０と固定部材４０との間に隙間を設けた状態で、ボール１０上に形成および固定されている。それによりボール１０は、軸３２を中心にして角度αおよび図示しない直交傾斜角にて回転できる。磁石リング５０は４つの磁石部分５０ａ〜５０ｄから成り、図１Ａの断面図には対向する対の５０ａおよび５０ｃを示す。各磁気区分は、図１Ａおよび図５Ａ〜５ＤにおいてそれぞれＮおよびＳと表記される、対極の北および南磁極を含む。それにより磁束が、各磁気区分内を一方の極から他方の極へ通過する。本発明によれば、たとえば５０ａおよび５０ｃである対向磁石部分では、Ｓ磁極がボール１０に面し、Ｎ磁極がボール１０の反対側に面する。それらに隣接する磁石区分では、交互になるように、磁極が反対向きに設けられている。したがって本実施例では、磁石部分５０ｂおよび５０ｄでは、Ｎ磁極がボール１０に面し、Ｓ磁極がボール１０の反対側に面する。リング５０は、実質的に同じサイズであってそれぞれリング５０の四半部分を構成する磁石部分を組み上げることで形成されてもよいし、あるいは１つのモノリシックな磁石として形成されてもよい。以下でさらに詳述するとおり、磁気リング５０は、ボール１０と一体的に形成されることも可能である。
【００１７】
＜固定子＞
操向装置５の第２の面８を、図２に示す。図３および図４では、明確に表示するためにコイルを省略して該装置を表す。固定支持された一体的固定子要素７０は、磁気要素５０に近接して配置され、磁気要素５０と固定子要素７０との間には空隙が設けられている。固定子要素７０は、鉄などの磁気透過性の材料から成り、磁気回路の一要素を構成する。図４の固定子要素７０は、４つの各磁石リング部分５０ａ〜５０ｄに対応した４つの固定子アーム７０ａ〜７０ｄを含む十字形要素で構成される。固定子アームが、回転軸３２であるボール１０の球状放射中心を実質的に中心として設けられることにより、図３に示すように均一厚さの空隙７３が、各固定子アーム７０ａ〜７０ｄと各磁石リング部分５０ａ〜５０ｄとの間に設けられる。同じく図３に示すとおり、固定子７０は固定部材４０に固定されている。図６において固定子要素７０は、明確に表示するために平坦に図示される。
【００１８】
本発明において、磁性誘引力または吸引力が、磁気透過性の固定子要素７０と磁気要素５０との間に発生する。空隙７３を介して作用する吸引力が、可動部材１０を固定部材４０に引き寄せようとする。それにより、好適な実施形態では球状ボール１０は、球状軸受レースウェイ２０に引き入れられて嵌るよう配置される。十分な磁性吸引力と、軸受座界面における十分な摩擦力とが存在すれば、ボール１０を、磁性吸引力によって無期限期間にわたり固定配向にしっかりと保持することが可能である。
【００１９】
＜固定子コイル＞
固定子７０はさらに、各固定子アーム７０ａ〜７０ｄに巻かれた固定子電流コイル６０ａ〜６０ｄを含む。その状態を、図２において第２の面８側から、また図６において平坦に図示する。図１Ａの断面図に示すとおり、対向する固定子アーム７０ａおよび７０ｃならびにそれらに関連する固定子コイル６０ａおよび６０ｃは、ボール１０の球形に実質的に沿うように、放射中心３２から略均一な半径距離にて形成される。そして、各固定子アーム７０ａ，７０ｃの遠端部は、プレート４０の下側の凹部７１に嵌められる。各固定子アーム７０ａ〜７０ｄは、接着またはハンダ付けなどのいずれかの適切な固定方法によって、固定要素またはプレート４０に固着される。各固定子コイル６０ａ〜６０ｄは、以下でさらに詳述するとおり、空隙７３中の磁束線に略直交するように巻かれる。図６に示すとおりコイルは、固定子アーム７０ａ〜７０ｄの長手軸７４に対して直交するように巻かれる。
【００２０】
本発明において、たとえばコイル６０ａなどの固定子コイルのいずれか１つに電流を印加すると、固定子７０の周囲に磁界が誘導される。その磁界は、コイル巻線に直交する軸に沿って力を発生させる。したがって電流コイル６０ａは、固定子アーム７０ａの長手軸７４に沿った方向の磁力を誘導する。その力を磁石部分５０ａに作用させることによって、可動部材１０を回転できる。第１方向の電流によって右回りの力が生成されるとすると、それによってたとえば角度αにて、ボール１０が右回りに回転する。反対方向の電流は、左回りの磁力を生成し、ボール１０を左回りに回転させる。同じ振幅および方向を有する実質的に同等な電流を、２つの対向するコイル（たとえば６０ａおよび６０ｃ）に印加した場合、各固定子アーム７０ａおよび７０ｃに磁力が誘導され、ボール１０を回転させる磁力が２倍になる。
【００２１】
本発明では、４つのすべてのコイル６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄを、１つ以上の電流駆動回路によって、別個の大きさかつ両方向の電流で励起することが可能である。ただし好適な実施形態では、対向する電流コイルは、同じドライバに直列または並列に接続され、同じ電流源によって同時に駆動される。各固定子アーム７０ａ〜７０ｄの長手軸に沿って生成された磁力を用いて、ボール１０を配置部２０内で制御下で回転させることができる。４つの磁石区分、４つの固定子アーム、および４つのコイルを備えることによって、ボール１０を２つの互いに直交する軸において回転でき、それによりミラー表面３０を２つの互いに直交する軸にて傾斜できる。
【００２２】
４つの各コイルへの電流を制御することで、３つの基本的な条件が実現できる。第１の条件は、電流ドライバで、空隙７３を介してクランプ力を作用させることである。４つのすべてのコイルを駆動して、実質的に固定子要素７０の中心開口７２の方向に作用する力を生成することによって、クランプ力が印加される。それにより、磁気要素５０は開口７２へ誘引され、磁気要素５０に固定された可動部材１０は、磁気要素５０が単独で供給できる力より大きな力によって軸受座２０内に引き入れられる。コイル６０内の印加電流が小さいまたは無い場合でも、クランプ力は存在する。コイル６０内に電流が無くても、上述のとおり、磁気要素５０と固定子７０との間に吸引力が発生しているからである。
【００２３】
第２の条件は、磁気要素５０と固定子７０との間のクランプ力とほぼ正反対の磁性浮揚力を固定子７０内に発生させる浮揚電流を、コイル６０に印加することである。浮揚力は、可動部材１０を実際に持ち上げてボール１０と軸受座２０との間に間隙を設けるに十分な大きさであってもよいし、あるいは、磁気要素５０と固定子７０との間のクランプ力を低減するだけであってもよい。
【００２４】
第３の条件は、固定子７０内に誘導トルク力を発生させるトルク電流を、コイル６０に印加することである。トルク力は、固定子アーム７０ａ〜７０ｄの長手軸７４に実質的に沿って発生し、可動部材１０を回転させる磁力が磁気要素５０に印加される。上述のとおり、互いに直交するコイルを適切な電流で駆動することによって、２つの互いに直交する方向での回転を達成できる。もちろん、いずれの偶数の対向する磁石区分、固定子アーム、および固定子コイルを設けてもよく、それにより磁石、固定子アーム、およびコイルの各対向ペアに対応する個々の軸にて、可動要素を回転できる。
【００２５】
＜磁束通路＞
図７は、２軸傾斜装置で生成される４つの磁気回路を概略的に示す。第１の磁束通路は、磁石部分５０ａのＮ極とＳ極との間を通過し、ボール１０内を通り、隣接する磁石部分５０ｄのＳ極とＮ極との間を通過し、第１の空隙７３を横断して固定子アーム７０ｄに至る。その後、磁気透過性の固定子要素７０において、アーム７０ｄから隣接する固定子アーム７０ａへと、第２の空隙７３ａを横断して通過し、磁石部分５０ａへ戻る。各磁気回路は、集中的な磁束線が各空隙７３ａ〜７３ｄを半径方向に横断するよう構成される。それにより磁石部分５０ａ〜５０ｄは、固定部材４０に固着された固定子要素７０へ誘引される。空隙を介する磁石部分と固定子との間の吸引力は、ボール１０を球状レースウェイ２０に引き入れる。可動部材１０が磁気回路内に含まれるため、可動部材１０の材料が、磁気的に透過しやすいことが有益である。しかし、ボール材料が、ガラスまたはサファイアなどの光学的材料もしくはプラスチックなどの他の多くの材料である場合でも、磁気回路は維持される。代替案では可動部材１０は、内部を通過するよう形成された磁気透過性通路を含む。その通路は、可動部材１０に関連する別個の鉄芯要素などから成ることが考えられる。
【００２６】
当業者であれば、磁石構成を変更することによって、様々な製造結果が得られると認識するであろう。それらの数例を、図５Ａ〜５Ｄに示す。たとえば磁石部分５０ａ〜５０ｄは、図５Ａおよび図５Ｃに示すように、ボール外形構造と一体的に形成することが可能である。この構成ではボール１０は、磁気要素５０を取り外さなくても、第１の面６を通じて固定部材４０から脱着可能である。このような構成は、ミラーの破損時などに可動部材１０を定期的に交換することが要求される場合に、便利である。図５Ｃの部分断面図に示す着脱式または固定式の保持カラー４１を、ボール１０の上方に追加してもよい。カラー４１は、固定部材４０の第１の面６に取り付けられ、ボール１０が不意に配置部から抜け出ないことを確実にする。他の例では磁気要素５０は、図５Ｂおよび図５Ｄに示すように、ボール１０の球形の外側に延伸するよう形成される。この構成では、磁気要素５０を取り外さずにボール１０を固定部材４０から脱着することは不可能である。このように、磁気要素５０はさらなる保持機能を発揮し、軸受座からボールを押し出すような振動衝撃力が生じた場合にもボールを定位置に保持する。また磁石リング５０の突縁部は、プレート４０の下面に接する限界ストッパとして機能して、表面３０の傾斜角を制限することも可能である。
【００２７】
また、図５Ａおよび５Ｃは、磁極が垂直方向に配置された磁石構成を示し、図５Ｂおよび５Ｄは、磁極が半径方向に沿って配置された磁石構成を示す。いずれの構成を用いてもよいが、図５Ｄに示す構成が、磁性体積の最も効率的な利用を可能にすると同時に、空隙７３を半径方向に横断する磁力線を生成するので、好適な実施形態である。また、図３に最もはっきりと示すとおり、磁気透過性の裏部鉄要素８１を磁気非透過性のボール部材１０と一体的に形成することで、図７の磁束通路を改善できる。もちろん、多数の他の磁気回路要素および磁束通路を、本発明の範囲から逸れることなく利用することが可能である。
【００２８】
＜作用力例＞
図８および上記説明を参照すると、磁気要素５０と固定子要素７０との間のクランプ力は、ボール１０をレースウェイ２０内に保持するネット磁性吸引力Ｆｎｅｔである。クランプ力Ｆｎｅｔの大きさは、空隙７３を介して作用する磁束の大きさに依存する。得られる磁束の大きさは、磁石部分５０ａ〜５０ｄの強さ、空隙７３ａ〜７３ｄの形状、固定子アーム７０ａ〜７０ｄの磁気透過性、およびボール１０または裏鉄部８１の磁気透過性に依存する。コイル６０の厚さが、確保できる最小限の空隙７３ａ〜７３ｄを限定することが図からわかる。これらのパラメータのいずれかを調節することで、様々な大きさのクランプ力を生成することが可能である。図８において、各空隙７３ａ〜７３ｄを横断する吸引力Ｆの方向は、ボール１０に対して実質的に半径方向である。得られるクランプ力（Ｆｎｅｔ）はさらに、環状磁気リングが対する（subtend）平均円錐角の関数（すなわち、磁石のサイズの関数）となっている。
【００２９】
半径方向に沿って実質的に球形中心３２へ向かう法線力Ｆｎｏｒｍａｌが、ボール１０と軸受座２０との間に発生し、クランプ力Ｆｎｅｔに対抗する。この法線力は、ボール１０と軸受座２０との間に、球回転軸３２を中心としたボール１０の回転に抵抗する摩擦トルクを生じさせる。本発明では、クランプ力Ｆｎｅｔの大きさとしては、コイル６０ａ〜６０ｄに電流印加せずに、たとえば約５０ｍｓから数時間などの長期間にわたってボール１０を定位置に保持できる値が選択される。さらに、操向装置をどの向きでも使用可能にすることが有利である場合には、クランプ力Ｆｎｅｔの大きさとして、重力に逆らってボール１０を保持できる値を選択することが考えられる。またクランプ力の大きさとして、必要であれば、高い衝撃負荷の存在時にボールを保持できる値を選択してもよい。
【００３０】
軸受座２０とボール１０との界面において、クランプ力Ｆｎｅｔに対抗する法線力Ｆｎｏｒｍａｌは、摩擦力を発生させる。その摩擦力は、法線力に対して略垂直方向に発生するため、軸受座２０内でのボール１０のいっさいの回転に抵抗する摩擦トルクが印加される。したがって、ボール１０を回転させるためにコイル６０が印加する力は、この摩擦トルクを克服するのに十分な大きさでなければならない。摩擦トルクの大きさは、法線力Ｆｎｏｒｍａｌと界面における摩擦係数との積によって与えられる。
【００３１】
たとえば、ボール１０の球形半径が０．２６７インチ（６．８ｍｍ）であって、表面３０がプレート４０の第１の面６から０．１０４インチ（２．６ｍｍ）ずらされたボール１０の赤道面であるシステム設計において、傾斜角αがゼロであり、磁石リング５０の外側球形半径が０．３２３インチ（８．２ｍｍ）である場合のインチ−パウンド単位の摩擦トルクを、インチ単位の空隙サイズを変化させて以下の表１に示す。空隙サイズの変更は、表に示す固定子７０の内側半径を変化させることによって実施できる。本例では、界面における摩擦係数は０．０８、界面接触角は約２３°であると仮定する。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
言い換えれば、空隙を大きくすると、コイル巻線６０ａ〜６０ｄの銅の量をより多くでき、それにより、以下で説明するとおり、より高いトルク係数を得ることができる。軸受座２０においてトルクに抵抗するボール１０の回転は、構成材料と法線力Ｆｎｏｒｍａｌとの間の摩擦係数に線形比例する。装置が球形対称性を有するため、軸受座２０内のボール１０の角位置に対してトルクは均一である。
【００３４】
＜製造例＞
可動部材１０は、たとえば５２１００軸受スチールなどの金属、あるいはたとえばサファイア、石英、またはその他の従来からの光学材料などの、硬質で緻密な構造の材料で形成されることが好ましい。このような材料の選択が有益である理由は、これらの材料を用いると、多様な製造手法によって、可動部材を必要な外形構造に高精度で製作可能であるためである。さらに、金属および光学材料は、耐摩耗性が高く、従来からのスムージングおよび精密研磨仕上げ工程によって高度な表面均一性を有するよう形成できるため、軸受材料としても適切である。スチール軸受材料の１つの利点は、磁気透過性である。そのような材料を用いれば、可動部材１０内に別個の磁気通路を設ける必要がなくなる。もちろん可動部材１０を、複数の材料を含む複合要素で構成してもよい。一例では可動部材１０は、ポリマーベースの基板に、スチール軸受表面を組み入れ、別個の研磨されたアルミニウムのミラーを取り付けて構成される。
【００３５】
固定部材４０は、優れた軸受特性を有し、寸法的に安定した材料で形成されることが好ましく、さらに、磁気的に透過しにくいことが望ましい。リン青銅などの金属は、従来の手法での製造が可能であるため、軸受座２０の材料として適切である。またリン青銅は、上述の軸受スチールと組み合わせる上で、適切な材料である。固定部材４０は、操向装置への電気的結線をルーティングするためのプラットホーム、熱放散通路、あるいは１つまたは複数のアレイ状の操向装置を支持する構造部材を構成するなどの、他の機能を果たすことが考えられる。固定部材４０もまた、複合要素として形成されてもよい。たとえば固定部材４０は、ポリマーまたはエポキシベースの基板に、適切な軸受材料から成る軸受座を組み入れて構成され、さらに、基板内に銅製の回路が埋設されていてもよい。
【００３６】
いずれの構成であっても、軸受界面における材料間の相互作用は、軸受材料に関する周知の組み合わせ基準に基づいて選択されるべきである。上記例では、軸受スチールボール部材１０がリン青銅レースウェイ２０と組み合わせられ、リン青銅レースウェイ２０は、銀または他の軟質潤滑フィルムの薄層でコーティングされる。この場合、リン青銅がスチールより軟らかい材料であるため、実質的にすべての材料摩滅は、軸受スチールではなくリン青銅に生じる。さらに、各軸受要素を従来の形成工程後に一括してラップ仕上げすることで、界面における接触領域が研磨されて密接に接触できるようになる。そのような軸受は、潤滑材無しで、摩擦係数が約０．３であると考えられる。要求があれば、硬質クロムでコーティングした加鉛青銅などの他の軸受座材料の組み合わせを用いて、より低い摩擦係数を達成することも可能である。
【００３７】
軸受座界面は、上記説明のように大きな接触領域を含んで球状レースウェイ２０全体にわたってボール１０が密接に接触する構成である必要はない。摩擦およびそれに伴いトルク力が、面積とは関係なく法線力に依存するとすれば、上記例の球状レースウェイ２０を、軸受座内に均等に配置された３つの接触パッドに縮小することもできる。さらに、それらの接触点は、上述のように滑り接触するものでもよいし、あるいは転がり接触してもよい。転がり接触は、たとえば１つ以上のロッド、ボール、ボール軸受、またはローラ軸受をプレート４０内に回転可能に支持して軸受座２０を形成することで、実現可能である。転がり接触界面を用いることでさらに摩擦を低減でき、それによりボール１０の保持トルクを減少できる。軸受界面が滑り界面である場合には、ボールと軸受座との間に潤滑材をさらに設けることによって、レースウェイ２０内の摩擦係数を調節できる。ボールと軸受座との間には、乾燥フィルム状の潤滑材を設けてもよいし、あるいは低蒸気圧液体または半液体状の潤滑材を設けてもよい。潤滑材層のさらなる機能として、ボールとソケットとの間に表面張力を発生させ、磁性浮揚時、またはボールをソケットから持ち上げるような線形加速が生じる短期間において、ボールをソケット内に保持することが考えられる。
【００３８】
本発明の好適な実施形態では、ボール部材１０は、独立した頑丈かつ構造的に剛直な可動部材であって、従来技術の多くの問題点を実質的に排除する１つ以上の材料を設計者が選択してそのボールを製造できる。スチールまたはガラスの使用によって、熱、水分、および化学的環境による劣化のおそれが排除され、使用時により大きい衝撃および加速に耐えられるよう装置を構成できる。さらに本発明によれば、たとえば光学的用途において、より多様な製造工程が利用可能になる。本発明では、平面研削および研磨、特に多数の素子を同時に研磨する集団研磨などの従来の光学表面作成手法を用いて、ミラー表面３０を精密に研磨することが可能になる。本発明はさらに、多層の高反射性かつ誘電性のコーティングなどの光学コーティングを、ボール１０と一体的なミラー表面３０上に蒸着または真空蒸着させることを可能にする。従来技術の光スイッチ装置では、このような製造およびコーティング手法の選択肢は存在しない。
【００３９】
また本発明は、操向装置５から熱をより容易に除去できる熱通路を提供する。本発明では、可動および固定要素を金属などの熱を伝導しやすい材料で形成できるため、コイル巻線６０およびミラー表面３０から熱を素早く除去できる。これらの改良点の利点としては、たとえば光スイッチ装置においては、光スイッチの光信号損失を減少でき、ミラー表面３０が損傷することなくさらに高いパワー密度の光ビームを反射することが可能になり、反射ビームにおける波面変形を減少できることが含まれる。これらのすべての利点は、より平坦なミラーなどの光学表面の形状の改良、熱放散の改善、およびミラーコーティングの改善が可能になったことに基づく。
【００４０】
＜運転＞
運転時において、磁気要素５０が供給するクランプ力が存在するため、コイル６０に電流をまったく印加する必要なく可動部材１０を長期間にわたって定位置にクランプすることができる。それにより操向作動器５は、電力は使用するがコイル６０内に熱を発生させることなく、光ビームを固定方向または固定ターゲットへ向け、そのビーム位置を長期間保持することが可能である。光ビームを他の方向またはターゲットへ偏向させるために表面３０を再配置するには、１つ以上のコイル６０に電流を印加して、固定子７０内に磁力を誘導する。固定子７０に誘導された磁力は、Ｆｎｅｔに対抗するよう磁気要素５０に作用することで、ボールを定位置に保持するトルク力を低減または排除する。同時に、レースウェイ２０内で可動部材１０を回転させるよう、コイル６０内の電流を駆動することもできる。回転軸は、固定子アーム７０ａ〜７０ｄのいずれかの長手軸７４に一致する。可動要素の回転によってミラー表面３０は傾斜され、入射ビームは新たな反射角にて反射される。所望の配置を達成した時点で電流をオフすると、ボール１０は再度、摩擦トルク力によって保持される。もしくは、固定子７０内にＦｎｅｔと同じ方向に作用する磁力を誘導することによって、追加のクランプ力を印加することもできる。
【００４１】
＜位置検出＞
可動部材１０の正確な配向を検出することは、その動きをより正確に制御可能にするために有用である。可動部材１０の位置を取得するために、１つ以上の位置センサを設ける。２軸装置では、各軸に１つの位置センサを設ける。各位置センサは、固定部材４０またはたとえばミラー表面３０の水平軸などの基準方向に対する可動部材１０の回転配向に比例する電気信号を供給する場合がある。
【００４２】
図１２に示す本発明の操向装置５はさらに、２軸において表面３０の傾斜角を感知する容量性位置センサアセンブリを含む。容量性位置センサは、ボール１０の下側に接着されるなどして形成される第１電極面（Ａ）を有する。第１電極面（Ａ）は、ボール１０の残りの表面部分からは電気的に絶縁されており、ボール１０の各傾斜運動に伴い、第２電極面（Ｂ）に対して移動する。第２電極面（Ｂ）は、ボール１０との比較で言えば静止状態であり、第１電極表面（Ａ）の全可動域において第１電極（Ａ）に対向する。ほぼ均一の厚さの空隙（Ｃ）が、電極表面（Ａ）と（Ｂ）とを分離し、それらの電極間に誘電層を形成する。このようにして、電極（Ａ）および（Ｂ）ならびに空隙（Ｃ）は、キャパシタを形成する。電極（Ｂ）に印加される交流電圧は、空隙（Ｃ）を介して電極（Ａ）に結合される。電極（Ａ）、電極（Ｂ）、および空隙（Ｃ）によって形成されるキャパシタの容量値は、電極（Ｂ）に流れる電流を感知することで測定できる。たとえば、互いに電気的に絶縁された４つの四分区間などの複数の均等サイズの区分に、電極（Ｂ）を分割することによって、各区分の電流を測定して、各絶縁区分に生じる容量値を検出することができる。電極（Ａ）が、分割された電極（Ｂ）の別個の絶縁区分を移動すると、電極（Ｂ）の所定区分において電流値を通じて測定される容量は、その電極（Ｂ）区分に対向して位置する電極（Ａ）の面積が多いほど大きくなる。したがって、電極（Ａ）が最も多く重なる区分に、最も大きな電流が流れる。このように、ボール１０の運動が表面３０を傾斜させて電極（Ａ）が電極（Ｂ）の電極区分を移動すると、電極（Ｂ）の各区分には、電極（Ｂ）の他の区分とは異なる電流が流れる。電極（Ｂ）の各区分におけるそれらの電流の測定値から、ボール１０の位置を検出できる。
【００４３】
図１３に、本発明の上記実施形態に適用できる光学位置検出システムの他の例を示す。この例では、ベース部材１２０上に、光源１２２から受光するのに適した穴と、ビームスプリッタミラーアセンブリ１２６と、位置感知検出器（ＰＳＤ）１３０とを、図示する配置にて設ける。光源１２２からの光線１２４は、ビームスプリッタミラーアセンブリ１２６で反射されて、ボール１０の下面に備えられたミラー８２に向けられた後、ビームスプリッタミラーアセンブリ１２６へ反射されて戻り、ＰＳＤ１３０の２次元作動表面に入射する。ＰＳＤ１３０は、２次元作動表面の中心位置に対する反射ビームの位置を表す電気信号を供給する。前述の例と同様に、水平または他の基準平面からのボール１０の傾斜はいずれも、ＰＳＤ上の反射光線位置を傾斜角の２倍だけ移動させる。ＰＳＤは、ＰＳＤ上の反射ビームのｘおよびｙ座標に相当する電気信号を出力する。
【００４４】
本発明の範囲内で、他の光学位置センサ構成を容易に考案することができる。たとえば、ミラー８２が上側ミラー表面３０と平行でない配置になるよう、ミラー８２ならびに関連の光源およびセンサを、対応のボール１０の可動構成品に対して設けてもよいことが、当業者には明白である。光源を検出器ペアからずらして配置することで、光源光線の角度と反射光線の角度とが、ほとんど同軸な状態にならず、かなりずれるようにも構成できる。上側ミラー表面３０で反射された放射を受光することで表面３０の配向を検出する構成の、照度検出器を設けてもよい。
【００４５】
＜電子制御＞
当業者にとって明白であるとおり、ビーム操向装置５はさらに、図１５に概略的に示すような、所望の向きにボール１０を動かすためのコマンドを受信する電流駆動回路４００を含むことが可能である。回路４００はさらに、装置５から返信される位置検知器信号に基づいてボール１０の実位置を表す信号も受信する。また回路４００は、実位置から所望位置にボール１０を移動させる差分信号を生成し、その差分信号を増幅してコイル６０ａ〜６０ｄ内に電流を駆動する。回路４００は、ボール１０の極めて精密な配向を可能にするために、コイル内に電流を精密に駆動するサーボ制御増幅器をさらに含むことが考えられる。サーボ電流駆動器は、周知であり幅広く使用されている。
【００４６】
好適な実施形態の電流駆動回路４００における比例積分微分（ＰＩＤ）サーボドライバ構造を、図１５に示す。図１５は、たとえば６０ａおよび６０ｃである１対の対向コイルを駆動できる１つのＰＩＤ装置を表す。対向コイルは、図示のとおりドライバ出力Ｓにて直列に駆動されてもよいし、あるいは図１５に点線で示す出力経路Ｐに沿って並列に駆動されてもよい。運転時に回路４００は、図示しないデジタルコンピュータやアナログプロセッサなどの他の装置から、入力信号４０２を受信する。入力信号４０２は、１軸におけるボール１０の所望配向を表す。回路４００はさらに、該１軸に関連する１つ以上の位置センサから、実配向または実位置信号４０４を受信する。入力信号４０２と実配向信号４０４とを装置４０６で加算して、配向または位置エラー信号４０８を生成する。エラー信号４０８は、所望配向または位置を達成するために該１軸においてボール１０をどのくらい動かす必要があるかを表す。エラー信号４０８はＰＩＤサーボ装置４１０に供給され、ＰＩＤ装置４１０は電流信号４１２を生成する。電流信号４１２は、電流増幅器４１４で増幅され、構成ＳまたはＰの一方によって対向コイルに配信される。実質的に同等のサーボドライブ回路を用いて、たとえば６０ｂおよび６０ｄなどの他の対向固定子コイルセットに駆動電流信号を供給する。
【００４７】
＜光信号スイッチ装置＞
図１４は、本発明による自由空間光リンク３０２を表す概略図である。自由空間光リンクは、上述した２軸操向装置の発明を実施する２つの光操向装置を含み、それらの光操向装置は光スイッチ２００として機能する。２つのスイッチ２００は、光信号または放射ビームを、第１の光ファイバ２０１から第２の光ファイバ２０３へ送ることが考えられる。自由空間光リンク３０２は、１つの通信切換ハブに組み込まれる数百にも及びうる多くの自由空間光リンクのうちの１つのチャネルのみを表す。また自由空間光リンクは、他のチャネルに連結することも可能であり、図１４の略図は、通信ハブ内の光ファイバチャネルのいずれの組み合わせペアを表しているとも言える。
【００４８】
スイッチ動作を制御するには、マスタ制御器１５４に接続されたスイッチ論理ＣＰＵ１５２に、電気信号入力を供給する。本発明では、所望のチャネル接続を達成するためにどの自由空間スイッチ２００の組み合わせを使用するかは、スイッチ論理ＣＰＵ１５２が決定する。続いてスイッチ論理ＣＰＵ１５２は、１つ以上のサーボ制御器１６０および１７０を駆動するために使用する信号を、マスタ制御器１５４に送信する。サーボ制御器１６０および１７０は、選択されたスイッチ装置２００の固定子コイル電流１６２および１７２を駆動する。サーボ制御器１６０および１７０は、位置センサ１６６および１７６からの位置フィードバックを用いることで、ミラー１６４および１７４の位置を取得し、一方または両方のミラーを要求どおりに配向する。第１通信チャネルの入力ファイバ２０１からの光信号は、レンズ要素１５７ａによってコリメートされ、各スイッチ２００のスイッチミラー１６４および１７４によって反射される。コリメートされた光信号ビームは、第２のレンズ１５７ｂで集束される。第２レンズ１５７ｂは、ビームを出力ファイバ２０３の端部に集束させ、そこに光信号を伝達する。このシステムは逆に運転することも可能であり、入力信号をファイバ２０３で受信してファイバ２０１に出力してもよい。
【００４９】
運転時にマスタ制御器１５４が、入力光ファイバチャネル２０１に、チャネル接続を最適化するための光制御信号１５６を挿入してもよい。光制御信号１５６は、いずれの通信信号の波長とも異なる既知の波長を有する光線から成ると考えられる。光制御信号１５６は、通信信号と同じ光路を進み、放射検知器２０５に至る。放射検知器２０５は、出力ファイバチャネル２０３から分岐するファイバタップ２０４に接続されている。ファイバタップ２０４は、受信ファイバ２０３内の光の数パーセントをサンプリングするか、あるいは制御信号のみをサンプリングする。本例では制御信号１５６は、タップフィルタ２０４を介して検知器２０５に到達し、マスタ制御器１５４に電気フィードバック信号を供給する。その電気フィードバック信号を用いて、チャネル接続を最適化できる。第１の最適化工程では、入射ビームが、互いに平行な各投射において、出力ファイバレンズ１５７ｂ上の複数の側面箇所を標的とするよう、ミラー１６４および１７４を協調スキャンさせる。その間に検知器２０５内の信号を評価して、最良の結合を検出する。最大値を検出した時点で、ビームをレンズ１５７ｂ上のその箇所に側方移動させる。この最適化工程は２軸において実施でき、それにより接続結合を最適化できる。
【００５０】
図２および図９に、本発明のビーム操向装置５を、ミラー表面３０を読者側とは反対に向けて第２の面８側から示す。４つのアームを有する固定子７０および４つのコイル６０ａ〜６０ｄが設けられているため、操向装置５の下側の設置面形状は十字形である。この形状は、図９に示すかみ合い配置の実現に貢献している。本発明では、各操向装置の第２面の設置面形状は、従来技術のシステムに比べて向上した実装効率にて、複数の操向装置をかみ合わせて配置できるよう形成されている。円形の上側ミラー３０および十字形の固定子要素７０を用いることで、図９に示すとおり、１つのミラー６００の縁部に４つの隣接するミラー縁部６０３を近接させて、複数装置を密集配置できる。それにより、隣接するミラー中心間の距離またはピッチによって決定されるユニット間の間隔は、かみ合わせられない各ビーム操向装置の行列配置において予想される間隔に比べて、約２０％向上する。
【００５１】
＜単一磁石による実施形態＞
図１０および図１１を参照すると、本発明の他の実施形態では、単体の二極磁石６７を使用する。本発明のこの実施形態では上記と同様に、可動部材１０が、固定部材４０のレースウェイ２０内に設けられ、固定部材４０に対して移動する。本実施形態によれば、単一の磁石６７は、軸に沿って配置され、可動部材１０の、第１の面６とは反対側の第２の面８に設けられた開口部内に設置される。本例では磁石６７の断面は円形であるが、他の断面形状を用いてもよい。磁石６７は、両端部に単一のＮ極および単一のＳ極を有し、一方の極が固定子アセンブリ６１に対向する。固定子アセンブリ６１は、固定部材４０に対して固定支持される磁気透過性の固定子６５を含み、磁石６７に近接配置される。固定子アセンブリ６１は、磁石６７に形成された対応の球状湾曲部６４に実質的に沿った球状湾曲部６３を有することが考えられる。それにより、略均一な空隙７５が、磁石６７と固定子６５との間に、可動部材１０の全可動域にわたって設けられる。さらに、磁石６７と固定子６５との間に略均一な吸引力が全可動域にわたって生成される。その吸引力は、可動部材１０をレースウェイ２０内に引き入れ、電力を必要とせずに可動部材を固定配向に保持する。
【００５２】
固定子アセンブリ６１はさらに、磁気透過性の固定子６５に巻き付けられ、互いに直交して編み合わされる一対のコイルアセンブリ６６を有する。各コイルアセンブリ６６には別個の電流を印加するので、各コイル６６が互いに垂直な磁力を誘導し、固定子６５内に磁界が誘導される。
【００５３】
固定子６５の断面図を、図１１に示す。本実施形態では固定子６５は、固定部材４０の穴８０４に嵌る外径８０２を有する円板８００を含み、いずれかの適切な組立て手法によって定位置に固定される。円板８００に４つのスロット６８が貫通して設けられており、直交コイルアセンブリ６６は、それらを通過して固定子６５の中央部８０６に巻き付けられる。各コイルアセンブリ６６は、互いに直交するよう巻かれる。それにより、各コイルに印加される電流は、互いに垂直な磁力を固定子６５内に誘導し、その磁力が、磁石６７およびそれに固定された可動部材１０を、２つの直交する傾斜軸にて動かす。上述のとおり、サーボ制御器を用いてコイルアセンブリ６６内の電流を要求どおりに制御することも可能である。
【００５４】
＜単一軸の実施形態＞
本発明の別の実施形態として、図１Ｂに単一傾斜軸装置７００を示す。単一軸装置７００は、装置５に関して図１Ａおよび図３に示す断面とほぼ同じ断面を有する。ただし単一軸装置７００の固定子７０２は、両側に延伸する固定子アーム７０２ａおよび７０２ｃと、固定子コイル７０４ａおよび７０４ｃとを、一対のみ有する。単一軸装置７００は、２つの磁石要素７０６および７０８を有する。本例では磁束通路は、磁石７０８と固定子アーム７０２ｃとの間の空隙を横断し、固定子に沿って固定子アーム７０２ａに至り、固定子アーム７０２ａと磁石７０６との間の第２の空隙を横断し、円筒要素７１２を通過する。装置７００では、細長いミラー表面７１０が、部分円筒部材７１２上に設けられる。磁石７０６および７０８は、部分円筒部材７１２に固定され、円筒要素７１２の全長にわたって延伸してもよいし、あるいはその一部のみに延伸してもよい。固定子７０２も同様に、円筒要素７１２の全長または一部に延伸することが考えられる。円筒部分７１２は、支持プレート７１４に形成された円筒形の軸受座に収容される。このような構成により、単一軸装置は、実質的に１次元の線に沿って光信号をスキャンするために使用できる。装置７００の用途の一例としては、ミラー表面７１０に入射するスキャンライン７１６の全体を、一定の角度範囲内にわたってスキャンすることが挙げられる。
【００５５】
＜放射スキャンシステム＞
図１６を参照すると、本発明のさらなる実施例および用途は、２軸ビームスキャンシステム５００を含む。レーザによるマーキングまたはスクライビング、ならびに、金属やプリント回路基板（ＰＣＢ）のレーザ溶接および穴あけを含む材料加工などの、偏向ミラー表面３０にて極めて高いパワー密度を要するあらゆる種類のシステムにおいて、本ビームスキャンシステム５００はモンタグによる従来技術のシステムに取って代わりうる。ビームスキャンシステム５００の他の使用方法としては、２次元平面を放射ビームでスキャンすることによる感光性材料上へのイメージ記録、レーザを用いた皮膚科または眼科手術などの医療用用途、および、ビーム位置の精密制御を必要とする他のいずれの用途も含まれる。それらの用途では、文書スキャナで実施するようなイメージ情報の読み込みや、レーザ印刷装置で実施するようなイメージ情報の記録が実施されると考えられる。システム５００はさらに、３次元物体またはシーンの走査にも使用でき、たとえば、物体や患者をＸ線または他の診断用放射ビームで走査することも可能である。また、３次元物体またはシーンのイメージを、システム５００で走査してカメラまたはイメージ記録装置で記録するというような、セキュリティ用の走査も実施できる。あるいはこのような装置は、光ビーム表示システムに使用され、物体、または自由空間光データ通信に用いられるような光信号を追跡したり、指示子をターゲットに向けるために利用される。
【００５６】
したがって放射ビームスキャンシステム５００は、本発明による１軸または２軸ビーム操向装置５を備える。操向装置５は、本明細書で説明するいずれの構成であってもよい。スキャンシステム５００の一実施形態では、放射ビーム源５０２が、操向装置５の可動ミラー表面３０に入射する放射ビーム５０４を供給する。放射ビーム５０４は表面３０によって反射され、２次元スキャン面５０６へ向けられる。ミラー表面３０の２つの傾斜角を操作することによって、放射ビーム５０４をスキャン面５０６内の所望のｘおよびｙ座標に配置でき、あるいは、スキャン面５０６を所望のパターンで連続的に走査することもできる。放射ビーム経路内にレンズ５０８などの集束装置が設けられた場合には、ビーム５０４は、スキャン面５０６全体に実質的に集束されることも可能である。
【００５７】
上記で説明したように、上述の電流駆動回路４００を含む電子制御器５１０を設けて、接続部５１２を通じて装置５の各コイル６０に供給される電流振幅を変調させることにより、表面３０の各傾斜角を別個に制御する。ボール１０の動きを要求どおりに実現させるために電子制御器５１０は、他の装置から入力コマンドを受信することが考えられる。電子制御器５１０はさらに、装置５に関連する２軸位置検出器から接続部５１４を通じて位置フィードバック信号を受信し、そのフィードバック信号を処理して電流振幅を適切に制御してもよい。このように、システム５００では数種の方法で制御を実施することにより、たとえばスキャン面上を放射ビーム５０４でラスタ走査したり、スキャン面５０６内の不連続位置にビーム５０４を選択的に配置したり、スキャン面５０６内の固定位置にビーム５０４を保持したりできる。上述のとおりシステム５００は、コイル６０を駆動する必要なく、ビーム５０４をスキャン面５０６内の固定位置に無期限に保持できる。電子制御器５１０はまた、レーザ５０２からの放射ビーム５０４の出力を制御してもよい。したがって電子制御器５１０は、放射ビームの出力振幅および波長を変調させる放射源ドライバをさらに含むことが考えられる。
【００５８】
システム５００の他の実施形態では、レンズ５０８は、放射ビーム５０４の光路内のどこに配置されてもよく、上記例のようにスキャン面５０６が平面である場合には、平坦フィールド上に放射ビームを集束するために使用される。他の用途では、スキャン面５０６は球形、円筒形、または他の表面形状であり、レンズ５０８は、所望のスキャン領域に集束する放射ビームを供給するよう構成される。
【００５９】
システム５００のさらに別の実施形態では、図１６に示す放射源５０２の代わりに、フィルムまたはデジタルカメラシステムなどのイメージ記録装置、あるいは放射ビーム検出器を有することがある。この場合、ミラー表面３０は、表面５０６を走査するよう制御され、それにより表面５０６のイメージを記録するか、あるいは、たとえば最も明るいスポット、特定の放射波長、または特定の特徴などの要求されるカメラ反応を検索する。上記と同様に、スキャン領域５０６は、物体やシーンなどの３次元空間であってもよい。さらに、カメラ内にレンズ５０８を含み、オートフォーカスレンズを有してもよい。さらなる実施形態ではスキャンシステム５００は、レンズ５０８を使用せずに、放射源５０２からの発散放射ビーム５０４を、領域または面５０６内にスキャンさせる。そのような装置の一用途は、自由空間通信信号送信装置である。あるいは、表面３０に放射検出器を設けることにより、装置５００が自由空間通信信号受信装置を構成してもよい。
【００６０】
システム５００の他の実施形態では、レンズ５０８は、装置５とスキャン面５０６との間に、スキャン装置５に対してテレセントリックに配置される。テレセントリック配置のレンズ５０８（図示せず）は、スキャン装置５がレンズ５０８の焦点面に一致するよう配置される。したがって、装置５によって向けられる放射ビームの各方向において、レンズ５０８は、放射ビームをスキャン面５０６に略垂直に入射させる。このように、装置５に対してテレセントリックに配置されるレンズ５０８を装置５と組み合わせることにより、スキャン表面５０６に対して略垂直なビーム入射角にて、スキャン面５０６上の複数の不連続のｘおよびｙ点を選択的にアドレスできる。この機能は、ＰＣＢに貫通穴をドリルするレーザ貫通ドリル装置、抵抗器およびキャパシタなどの電子回路素子をトリミングするレーザトリミング装置、および回路の選択箇所のレーザアブレーションによってレーザ集積回路を修理する回路修理装置などの、レーザ処理装置に容易に適用できる。
【００６１】
上記数々の実施形態の変形を、当業者であれば簡単に認識できるであろう。操向装置５は、まったく異なる用途および必要性に合わせて、拡大および縮小して作成できる。操向される要素で支持できる重量には設計上の限界があるが、電子的および機械的なミクロ構造を用いることにより、本発明による機能および性能を、単純なビーム操向だけでなく多くの用途に適用できる。
【００６２】
表面３０は、本明細書では平坦なミラー表面として典型的に図示されているが、他のいずれの所望の形状および機能を有する表面として、当業者によって構想されうる。たとえば表面３０は、球状または非球状の反射器を含んでもよい。さらに表面３０は、たとえば回折格子を有する場合は波長選択、波長選択性吸収コーティングが施されている場合は波長フィルタリングなど、反射以外の他の光学的機能を果たすことも考えられる。従来技術で周知のとおり、トランスミッション（transmission）に球状要素を用いることが可能であり、当業者であれば本発明をトランスミッションに利用できると認識するであろう。
【００６３】
本発明は、他の変形および実施形態が可能である。たとえば、角位置を調節可能なプラットホームを設けて、それに固定された要素を精密制御下で配向する場合に、その要素は２軸において、軸受座内の限定された角度範囲内である約４０度にわたって操作可能であることが考えられる。他の変形例では、電流ドライバが、コンピュータに接続されたジョイスティックまたはマウスなどの手動制御入力装置と連結され、可動部材１０の向きが手動で調節可能である。
【００６４】
他の例では、角位置を調節可能なプラットホームシステムから成る平坦なアレイを設ける。そのアレイは、上述のとおりに個々に角位置を調節可能なプラットホームシステムを、均一な分布パターンで組み入れた平坦構造で構成される。制御回路は、アレイにおいて共通で、アレイ内の角位置調節可能なプラットホームシステムのいずれにも選択的に接続可能に構成されうる。上述のアレイと同様に、各操向装置に別個の制御回路を設けてもよいし、もしくは、各ビーム操向アレイに共通の制御回路を設けて、その共通制御回路を、各ビーム操向アレイ内の操向装置のいずれにも選択的に接続可能にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１Ａ】本発明の好適な実施形態を示す断面図である。
【図１Ｂ】単一軸の実施形態を示す図である。
【図２】図１Ａの実施形態の下端面図である。
【図３】明確に表示するためにコイルを省略した、図１Ａの実施形態の部分断面図である。
【図４】コイルを省略した図３の構造の下端面図である。
【図５Ａ】異なる磁石リング構成を有する各実施形態を示す部分断面図である。
【図５Ｂ】異なる磁石リング構成を有する各実施形態を示す部分断面図である。
【図５Ｃ】異なる磁石リング構成を有する各実施形態を示す部分断面図である。
【図５Ｄ】異なる磁石リング構成を有する各実施形態を示す部分断面図である。
【図６】図１Ａの実施形態の固定子およびコイル巻線の下端部を、明確に表示するために平坦に図示する概略的平坦図である。
【図７】図１Ａの実施形態の磁束回路を示す概略図である。
【図８】図１Ａの断面図であって、実施形態における磁力を力図で示す。
【図９】図１Ａの装置のアレイの下端面図であって、最良の領域密度を達成する実装配置を示す。
【図１０】鉛直配置されたコア磁石と、２軸用固定子／コイルアセンブリとを含む、単一磁石の実施形態を示す断面図である。
【図１１】図１０の装置の水平断面図であって、２軸コイルアセンブリを平面的に示す。
【図１２】容量性位置センサを用いて構成された図１Ａの装置を示す断面図である。
【図１３】直角光源、ビーム反射器、および光学位置センサ機構を組み込んだ、本発明の他の実施形態を示す側面図である。
【図１４】ファイバタップ光学位置センサをシステムの構成品として用いる、ファイバ・ツー・ファイバ型光学リンク制御システムの単一チャネルを表す図である。
【図１５】固定子コイルに対して制御電流を駆動させる電子サーボ制御器を示す。
【図１６】２次元および３次元の対象物を走査する放射スキャンシステムを示す。
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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