FR2998625A1

FR2998625A1 - Device for fastening glass mirror to support of telescope in observation satellite, has rings comprising compensation unit for compensating differential thermal expansion such that clamping force is kept constant over temperature range

Info

Publication number: FR2998625A1
Application number: FR1203216A
Authority: FR
Inventors: Jacques Billet
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-05-30
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014105874A; FR2998625B1; JP3204347U

Abstract

The device (3) has a pin (4) integrally formed with mirror (1), and a connection ring (5) surrounding the pin to exert a clamping force on the pin. The connection ring comprises an internal ring (6) that is in contact with the pin. An external ring (7) of the connection ring is connected to a support (2). The internal and external rings are arranged coaxial to the pin and cooperate with each other. The internal and external rings comprise a compensation unit for compensating differential thermal expansion such that the clamping force is kept constant over a predetermined temperature range. An independent claim is also included for an optical equipment.

Description

La présente invention concerne un dispositif de fixation d'un élément à un support et un équipement comportant un tel dispositif. Il est connu des satellites d'observation embar- quant un équipement optique non climatisé. L'équipement optique, par exemple un télescope, comporte des éléments optiques, dont un miroir, qui sont montés sur un support permettant de déplacer certains des éléments optiques les uns par rapport aux autres, par exemple pour pouvoir ba- layer une portion de la surface terrestre. Les performances de l'équipement optique dépendent, d'une part, de la qualité de fabrication des éléments optiques et, d'autre part, des contraintes qui seront exercées sur les éléments optiques une fois le sa- tellite en orbite, de telles contraintes pouvant engen- drer des déformations, voire des détériorations, des éléments optiques. D'une manière générale, lorsque des performances élevées sont recherchées, le miroir de l'équipement est généralement réalisé en verre dont les possibilités de polissage sont supérieures à celles des autres matériaux utilisés pour fabriquer des miroirs. Le miroir en verre est alors collé sur son support qui lui est généralement en métal.The present invention relates to a device for fixing an element to a support and equipment comprising such a device. Observation satellites are known to carry non-conditioned optical equipment. The optical equipment, for example a telescope, comprises optical elements, including a mirror, which are mounted on a support for moving some of the optical elements relative to each other, for example to be able to reduce a portion of the terrestrial surface. The performance of the optical equipment depends, on the one hand, on the manufacturing quality of the optical elements and, on the other hand, the constraints that will be exerted on the optical elements once the satellite is in orbit, such constraints which can lead to deformation or even deterioration of optical elements. In general, when high performance is sought, the mirror of the equipment is generally made of glass whose polishing possibilities are higher than those of other materials used to make mirrors. The glass mirror is then glued on its support which is usually metal.

Cependant, dans un équipement optique non clima- tisé embarqué dans un satellite, la température varie de la température au sol, soit entre 10°C et 40°C en moyenne selon le lieu et la saison, jusqu'à la température du milieu spatial soit environ 80 K. Le verre ayant un coeffi- cient de dilatation thermique faible voire nul et son support en métal ayant un coefficient de dilatation thermique relativement important, il en résulte des dilatations thermiques différentielles dont l'ampleur engendrerait des contraintes élevées dans la colle et dans le mi- roir, contraintes qui pourraient aboutir à une rupture du film de colle ou à une déformation du miroir nuisible aux performances de l'équipement optique. Les miroirs métal- liques sont donc préférés aux miroirs en verre pour ces applications, ceux-ci offrant des possibilités de fixation mécaniques mieux adaptées à ces contraintes. Cependant, comme indiqué plus haut, la qualité optique maxi- male qu'il est possible d'obtenir avec des miroirs métalliques est inférieure à celle des miroirs en verre. Un but de l'invention est de fournir un moyen 10 pour la fixation à un support d'un élément sensible aux dilations thermiques différentielles. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un dispositif de fixation d'un élément à un support, compor- tant au moins un tenon solidaire de l'élément et une ba- 15 gue de liaison au support entourant le tenon pour exercer un effort de serrage du tenon, la bague de liaison comportant une bague interne en contact avec le tenon et une bague externe destinée à être reliée au support, les bagues interne et externe, coaxiales au tenon, coopérant 20 l'une avec l'autre et étant pourvues de moyens de compen- sation d'au moins une partie de dilatations thermiques différentielles de telle manière que l'effort de serrage soit sensiblement constant sur une plage prédéterminée de températures. 25 Ainsi, la bague interne est en contact avec le tenon et la bague externe est en contact avec le support, les bagues coopérant l'une avec l'autre et avec les moyens de compensation pour absorber les dilatations différentielles. De la sorte, l'effort de serrage est cons- 30 tant sur une plage prédéterminée de températures. Selon un mode de réalisation préféré, la bague externe comporte deux portions séparées l'une de l'autre par une fente axiale et est pourvue d'au moins un organe de serrage circonférentiel réunissant lesdites portions 35 en traversant la fente et, de préférence, l'organe de serrage prend appui sur l'une desdites portions par un élément élastique. L'élément élastique est particulièrement utile lorsqu'il existe des incertitudes des dilatations thermi- ques différentielles sur toute la plage thermique, notam- ment si les dilatations thermiques différentielles varient de façon non linéaire. Selon un mode de réalisation préféré, la bague interne est pourvue de fentes radiales agencées pour fa- voriser une dilatation radiale de la bague interne et, de préférence, la bague interne comprend une première série de fentes radiales s'étendant depuis une circonférence externe de la bague interne et une deuxième série de fentes radiales s'étendant depuis une circonférence interne de la bague interne et les fentes radiales de la bague interne sont symétriquement réparties par paires de telle manière que chaque paire de fentes adjacentes de la première série de fentes radiales sépare l'une de l'autre deux paires de fentes radiales de la deuxième série de fentes radiales. L'invention a également pour objet un équipement optique comportant un élément optique fixé à un support par au moins un dispositif du type ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue est une vue partielle en perspective d'un équipement optique selon l'invention, - la figure 2 est une vue de détail de la zone II de la figure 1 montrant plus particulièrement le dispositif de fixation de l'invention, - la figure 3 est une vue partielle de la bague interne et de la bague externe de la bague de liaison de l'invention. L'équipement optique selon l'invention est par exemple un télescope destiné à être embarqué dans un sa- tellite. L'équipement optique n'est pas climatisé et est donc amené à supporter une température de l'ordre de 10°C à 40°C au sol et une température de 80 K en orbite. Il s'agit d'une diminution de température sensiblement continue entre ces deux extrêmes. En référence aux figures, l'équipement optique comporte un élément optique, ici un miroir 1, fixé à un support 2 par trois dispositifs de fixation généralement désignés en 3. Le miroir 1 est réalisé en verre et plus particulièrement un verre du type de celui produit sous la marque ZERODUR par la société SCHOTT. Un tel verre présente la particularité d'avoir un coefficient de dilatation thermique sensiblement nul. Chaque dispositif de fixation 3 comprend un tenon 4, de forme cylindrique, solidaire du miroir 1. Les te- nons 4 s'étendent en saillie radiale de la périphérie du miroir 1 et sont répartis symétriquement en périphérie du miroir 1. Les tenons 4 s'étendent à 120° les uns des autres et sont réalisés d'une seule pièce avec le miroir 1.However, in non-airborne optical equipment embedded in a satellite, the temperature varies from ground temperature, ie between 10 ° C and 40 ° C on average depending on the place and the season, up to the temperature of the space environment. or about 80 K. The glass having a coefficient of thermal expansion low or zero and its metal support having a relatively high coefficient of thermal expansion, it results in differential thermal expansions whose magnitude would cause high stresses in the glue and in the mirror, stresses that could result in breakage of the glue film or deformation of the mirror detrimental to the performance of the optical equipment. Metal mirrors are therefore preferred to glass mirrors for these applications, which offer mechanical attachment possibilities better adapted to these constraints. However, as noted above, the maximum optical quality achievable with metal mirrors is lower than that of glass mirrors. An object of the invention is to provide a means 10 for fixing to a support of an element sensitive to differential thermal expansion. For this purpose, according to the invention, provision is made for a device for fastening an element to a support, comprising at least one tenon secured to the element and a connecting link to the support surrounding the tenon for exert a clamping force of the tenon, the connecting ring comprising an inner ring in contact with the tenon and an outer ring intended to be connected to the support, the inner and outer rings, coaxial with the tenon, cooperating with one with the other and being provided with means for compensating at least a portion of differential thermal expansions such that the clamping force is substantially constant over a predetermined range of temperatures. Thus, the inner ring is in contact with the tenon and the outer ring is in contact with the support, the rings cooperating with each other and with the compensating means for absorbing the differential expansions. In this way, the clamping force is consistent with a predetermined range of temperatures. According to a preferred embodiment, the outer ring comprises two portions separated from one another by an axial slot and is provided with at least one circumferential clamping member joining said portions 35 through the slot and, preferably, the clamping member is supported on one of said portions by an elastic member. The elastic element is particularly useful when there are uncertainties of the differential thermal expansion over the entire thermal range, especially if the differential thermal expansions vary non-linearly. According to a preferred embodiment, the inner ring is provided with radial slots arranged to promote radial expansion of the inner ring and, preferably, the inner ring comprises a first series of radial slots extending from an outer circumference of the inner ring and a second series of radial slots extending from an inner circumference of the inner ring and the radial slots of the inner ring are symmetrically distributed in pairs such that each pair of adjacent slots in the first set of radial slots separates from one another two pairs of radial slots of the second series of radial slots. The invention also relates to an optical device comprising an optical element fixed to a support by at least one device of the above type. Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the following description of a particular non-limiting embodiment of the invention. Reference is made to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a view is a partial perspective view of an optical equipment according to the invention; FIG. 2 is a detailed view of zone II of FIG. 1 showing more particularly the fixing device of the invention, - Figure 3 is a partial view of the inner ring and the outer ring of the connecting ring of the invention. The optical equipment according to the invention is for example a telescope intended to be embedded in a satellite. The optical equipment is not air-conditioned and is therefore required to withstand a temperature of the order of 10 ° C to 40 ° C on the ground and a temperature of 80 K in orbit. This is a substantially continuous temperature decrease between these two extremes. With reference to the figures, the optical equipment comprises an optical element, here a mirror 1, fixed to a support 2 by three fixing devices generally designated 3. The mirror 1 is made of glass and more particularly a glass of the type of produced under the trademark ZERODUR by SCHOTT. Such a glass has the particularity of having a coefficient of thermal expansion substantially zero. Each fixing device 3 comprises a pin 4, of cylindrical shape, integral with the mirror 1. The rods 4 extend radially from the periphery of the mirror 1 and are symmetrically distributed around the periphery of the mirror 1. The pins 4 extend to 120 ° from each other and are made in one piece with the mirror 1.

Chaque dispositif de fixation comporte une bague, généralement désignée en 5, de liaison au support 2, entourant le tenon 4 pour exercer un effort de serrage du tenon 4. La bague de liaison 5 comporte une bague interne 6 en contact avec le tenon 4 et une bague externe 7 des- tinée à être reliée au support 2. La bague interne 6 et la bague externe 7 sont coaxiales au tenon 4. La bague interne 6 est pourvue de fentes radiales agencées pour favoriser une dilatation radiale de la ba- gue interne 6. La bague interne 6 comprend plus précisé- ment une première série de fentes radiales 6.1 s'étendant depuis une circonférence externe de la bague interne 6 et une deuxième série de fentes radiales 6.2 s'étendant depuis une circonférence interne de la bague interne 6. Les fentes radiales 6.1, 6.2 de la bague interne sont symé- triquement réparties par paires de telle manière que chaque paire de fentes adjacentes de la première série de fentes radiales 6.1 sépare l'une de l'autre deux paires de fentes radiales de la deuxième série de fentes radia- les 6.2. La bague externe 7 comporte deux portions 7.1, 7.2 séparées l'une de l'autre par une fente 8 axiale et est pourvue de deux organes de serrage circonférentiel réunissant lesdites portions 7.1, 7.2 en traversant la fente 8 et les portions 7.1, 7.2. Les organes de serrage sont des vis 9 ayant une tête prenant appui contre la portion 7.1 et une extrémité filetée engagée dans un écrou 10 prenant appui contre la portion 7.2 par un élément élastique tel qu'un ressort 11. Le ressort 11 peut être un ressort hélicoïdal de compression ou un empile- ment de rondelles élastiquement déformables de type Belleville. La bague externe 7 est pourvue symétriquement de deux méplats 7.3 pour la fixation sur chacun d'une extré- mité d'un bras du support 2. Les bras s'étendent ici sen- siblement à 120° l'un de l'autre et ont une structure connue en elle-même. Le matériau de la bague interne 6 a ici un coef- ficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau de la bague externe 7. La bague interne 6 est en acier et la bague externe 7 est en un métal à faible coefficient de dilatation thermique. Le métal en question est par exemple un alliage de fer et de nickel en relativement forte proportion, tel que celui commercialisé sous la marque INVAR par la so- ciété IMPHY ALLOYS. Lorsque l'équipement optique est soumis à la baisse de température, la bague externe 7 et la bague in- terne 6 tendent à se rétracter tandis que le ressort 11 absorbe la variation de longueur de la bague externe 7 de sorte que l'effort de serrage exercé sur le tenon 4 soit sensiblement constant sur la plage prédéterminée de températures. Ceci résulte d'une compensation des dilatations thermiques différentielles qui est permise par les fentes radiales 6.1, 6.2 de la bague interne 6 et par le ressort 11. L'agencement des fentes radiales 6.1, 6.2 permet d'éviter que la contraction de la bague interne 6 n'engendre un couple parasite sur le tenon 4 et/ou la ba- gue externe 7. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.Each fastening device comprises a ring, generally designated 5, for connection to the support 2, surrounding the pin 4 to exert a clamping force of the pin 4. The connecting ring 5 comprises an inner ring 6 in contact with the pin 4 and an outer ring 7 intended to be connected to the support 2. The inner ring 6 and the outer ring 7 are coaxial with the pin 4. The inner ring 6 is provided with radial slots arranged to promote radial expansion of the inner ring 6. The inner ring 6 more specifically comprises a first series of radial slots 6.1 extending from an outer circumference of the inner ring 6 and a second series of radial slots 6.2 extending from an inner circumference of the inner ring 6. The radial slots 6.1, 6.2 of the inner ring are symmetrically distributed in pairs so that each pair of adjacent slots in the first set of radial slots 6.1 separates one of the other two pairs of radial slots in the second series of radial slots 6.2. The outer ring 7 comprises two portions 7.1, 7.2 separated from each other by an axial slot 8 and is provided with two circumferential clamping members joining said portions 7.1, 7.2 through the slot 8 and the portions 7.1, 7.2. The clamping members are screws 9 having a head bearing against the portion 7.1 and a threaded end engaged in a nut 10 bearing against the portion 7.2 by an elastic element such as a spring 11. The spring 11 may be a spring helical compression or a stack of elastically deformable washers of the Belleville type. The outer ring 7 is provided symmetrically with two flats 7.3 for attachment to each of an end of an arm of the support 2. The arms here extend substantially at 120 ° to one another and have a known structure in itself. The material of the inner ring 6 here has a coefficient of thermal expansion greater than the coefficient of thermal expansion of the material of the outer ring 7. The inner ring 6 is made of steel and the outer ring 7 is made of a low-coefficient metal. thermal expansion. The metal in question is for example an alloy of iron and nickel in a relatively high proportion, such as that marketed under the trademark INVAR by the company IMPHY ALLOYS. When the optical equipment is subjected to the temperature drop, the outer ring 7 and the inner ring 6 tend to retract while the spring 11 absorbs the variation in length of the outer ring 7 so that the stress of clamping on the pin 4 is substantially constant over the predetermined range of temperatures. This results from a compensation of the differential thermal expansion which is permitted by the radial slots 6.1, 6.2 of the inner ring 6 and by the spring 11. The arrangement of the radial slots 6.1, 6.2 makes it possible to prevent the contraction of the ring 6 internally generates a parasitic torque on the pin 4 and / or the outer ring 7. Of course, the invention is not limited to the embodiments described but encompasses any variant within the scope of the invention as defined by the claims.

En particulier, l'invention est adaptée à la fixation de tout élément optique, miroir, lentille, capteur, et plus généralement de tout élément dont la géométrie et/ou le positionnement doivent être peu sensibles aux dilatations thermiques différentielles. L'invention peut donc être utilisée hors du domaine optique pour la fixation de tout type d'élément à un autre. La bague externe peut être serrée sur la bague interne par un organe de serrage différent de ceux décrits. L'élément élastique peut en outre être omis lors- que les variations de dilatation différentielle sont connues sur toute la plage thermique. La bague de liaison peut avoir une structure différente de celle décrite et comprendre par exemple des bagues interne et externe coopérant par des surfaces tronconiques de telle manière que l'effort de serrage et la compensation des dilatations thermiques différentielles résultent de l'enfoncement relatif de la bague interne dans la bague externe, l'effort d'enfoncement étant exercé par un organe élastique à précontrainte réglable.In particular, the invention is suitable for fixing any optical element, mirror, lens, sensor, and more generally any element whose geometry and / or positioning must be insensitive to differential thermal expansion. The invention can therefore be used outside the optical domain for fixing any type of element to another. The outer ring can be tightened on the inner ring by a clamping member different from those described. The elastic member may further be omitted when differential expansion variations are known throughout the thermal range. The connecting ring may have a different structure from that described and include, for example, inner and outer rings cooperating with frustoconical surfaces in such a way that the clamping force and the compensation of the differential thermal expansions result from the relative depression of the inner ring in the outer ring, the driving force being exerted by an elastic member with adjustable preload.

L'invention peut être adaptée à des plages ther- miques différentes de celle décrite.The invention can be adapted to thermal ranges different from that described.

Claims

REVENDICATIONS1. Device for fastening an element to a support (2), comprising at least one lug (4) secured to the element and a connecting ring (5) to the support enclosing the lug for exerting a clamping force on the lug , the connecting ring comprising an inner ring (6) in contact with the tenon and an outer ring (7) intended to be connected to the support, the inner and outer rings, coaxial with the tenon, cooperating with each other and being provided with means for compensating at least a portion of differential thermal expansions such that the clamping force is substantially constant over a predetermined range of temperatures.

2. Device according to claim 1, wherein the outer ring (7) comprises two portions (7.1, 7.2) separated from one another by an axial slot (8) and is provided with at least one member circumferential clamping device (9, 10) joining said portions through the slot.

3. Device according to claim 2, wherein the clamping member (9, 10) bears on one of said portions by an elastic member (11).

4. Device according to claim 1, wherein the inner ring (6) is provided with radial slots (6.1, 6.2) arranged to promote radial expansion of the inner ring.

5. Device according to claim 1, wherein the inner ring (6) comprises a first series of radial slots (6.1) extending from an outer circumference of the inner ring and a second series of radial slots (6.2) extending from an inner circumference of the inner ring.

6. Device according to claim 5, in which the radial slots (6.1, 6.2) of the inner ring are symmetrically distributed in pairs so that each pair of adjacent slots of the first series of radial slots separates one of the two pairs of radial slots of the second series of radial slots.

7. Device according to claim 1, wherein, the element being made of glass, the post (4) is made of glass, the inner ring (6) is made of steel and the outer ring (7) is made of high-alloy nickel steel. .

8. Device according to claim 1, wherein the outer ring (7) is provided with at least one flat (7.3) for fixing one end of a support arm.

9. Optical equipment comprising an optical element (1) fixed to a support (2) by at least one device according to any one of the preceding claims.

10. Equipment according to claim 9, in which the optical equipment is a glass mirror (1) provided with a plurality of pins (4) distributed symmetrically around the mirror and made in one piece with the mirror. .