JP2005003736A

JP2005003736A - 鏡面形状補正装置

Info

Publication number: JP2005003736A
Application number: JP2003164134A
Authority: JP
Inventors: Masatake Tabata; 真毅田畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】動作不能なアクチュエータがミラーに与える影響を除去することができるとともに、求められる場合にはアクチュエータからミラーに伝達される力が完全に零となる状態を確実かつ容易に実現することができる鏡面形状補正装置を得ることを目的とする。
【解決手段】駆動装置がアクチュエータを駆動しないときはアクチュエータと非接触の状態を保持し、駆動装置がアクチュエータを所定量以上駆動すると、そのアクチュエータとの結合又は接触が生じて、アクチュエータから受ける外力をミラーに伝達する外力伝達手段を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミラーの形状を補正する鏡面形状補正装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の鏡面形状補正装置は、アクチュエータがミラーと結合され、駆動装置がアクチュエータを駆動して、ミラーの形状を補正する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特公平７−１１３７０２号公報（第５頁から第６頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の鏡面形状補正装置は以上のように構成されているので、複数のアクチュエータの一部が故障して動かなくなった場合、その周囲の健全なアクチュエータを協調動作させてミラーの形状を補正する。しかし、動作不能なアクチュエータがミラーと結合されたまま切り離されないため、周囲の健全なアクチュエータを協調動作させる際、その結合部分に余分な反力が発生し、ミラーの形状を適切に補正することができなくなることがある課題があった。
また、アクチュエータを支える固定台が熱変形などによって変形すると、アクチュエータの空間位置がミラーに対して相対的に変化するために、故障しているアクチュエータからミラーに伝達されている力が期せずして変化し、ミラーの形状が期せずして歪んでしまうという課題もあった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、動作不能なアクチュエータがミラーに与える影響を除去することができるとともに、求められる場合にはアクチュエータからミラーに伝達される力が完全に零となる状態を確実かつ容易に実現することができる鏡面形状補正装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る鏡面形状補正装置は、駆動装置がアクチュエータを駆動しないときはアクチュエータと非接触の状態を保持し、駆動装置がアクチュエータを所定量以上駆動すると、そのアクチュエータとの結合又は接触が生じて、アクチュエータから受ける外力をミラーに伝達し得る外力伝達手段を設けたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による鏡面形状補正装置を示す構成図であり、図において、１０１はアクチュエータであり、その内部における駆動装置であるモータ１は減速器２を介してボールスクリュー３の軸を回転させる。ボールスクリュー３は軸受け４を介してアクチュエータベース５に固定され、モータ１により軸が回転させられると、移動ナット７をＸ軸方向に移動させる。なお、移動ナット７は端部がスライドガイド８によって保持されており、ボールスクリュー３と共に回転せず、図のＸ軸方向に並進移動するように保持されている。アクチュエータベース５は支持構造物であるミラーセル６に固定されている。
【０００８】
移動ナット７は端部がスライドガイド８によって保持され、柔らかいコイルバネ９を介してアクチュエータ可動端部であるトップピース１０に結合されている。トップピース１０はアクチュエータロッド１１が結合されており、アクチュエータロッド１１の先端はＣ字型あるいはコの字型断面を有する形状になっており、ミラー結合ロッド１２の先端部に形成された保持球面１３を包含している。このとき、Ｃ字断面部の内面間距離は、保持球面１３の直径よりも大きく構成されており、図１に示すように、保持球面１３がＣ字断面部の中央近傍に所在する場合においては、上ギャップ１５及び下ギャップ１６が確保されるようになっている。
【０００９】
ミラー結合ロッド１２はミラー１４の裏面に固定されている。ミラー１４は例えば人工衛星に搭載する赤外線望遠鏡の主反射鏡などが該当する。なお、アクチュエータロッド１１の先端の内側（Ｃ字型断面の部分）と保持球面１３間には上ギャップ１５及び下ギャップ１６が確保されており、ミラー結合ロッド１２及び保持球面１３から外力伝達手段が構成されている。
【００１０】
アクチュエータベースの側面シリンダ１７にはレバー１８が傾動自在に結合されている。レバー１８の一端にはロック球面１９が形成されており、レバー１８が一方に傾いたときにロック球面１９がトップピース１０の側面に形成された凹面に嵌め合わされる。また、レバー１８の端部近傍にはバイアスバネ２１が設置され、レバー１８の他端近傍には形状記憶合金バネ２０が設置されている。形状記憶合金バネ２０は低温（例えば、０℃以下の温度）の変態温度を有し、その変態温度より高い温度になると、伸長力（所定の形状に戻ろうとする力）を発揮してレバー１８を傾ける。バイアスバネ２１は通常のバネ材料で構成されたバネであり、周囲温度が形状記憶合金バネ２０の変態温度以下になり、形状記憶合金バネ２０が伸長力を失うと、伸長してレバー１８を上記の傾け方向と逆方向に傾ける。なお、レバー１８、ロック球面１９、形状記憶合金バネ２０及びバイアスバネ２１からロック機構が構成されている。
【００１１】
鏡面形状測定器２２は望遠鏡に組み込まれ、ミラー１４の形状を測定する。ギャップ判定器２３はアクチュエータロッド１１の先端と保持球面１３が接触しているか否かを判定する。モデル切替器２４はギャップ判定器２３の判定結果に応じてモータ１の駆動量の演算式を切り替える。駆動量算出器２５はモデル切替器２４により指定された演算式を使用して、鏡面形状測定器２２の測定結果又は予め設定された目標値からモータ１の目標駆動量を演算する。モータ駆動器２６は駆動量算出器２５により演算された目標駆動量に応じた駆動指令をモータ１に出力する。なお、鏡面形状測定器２２、ギャップ判定器２３、モデル切替器２４、駆動量算出器２５及びモータ駆動器２６から演算手段が構成されている。
【００１２】
次に動作について説明する。
図１の鏡面形状補正装置は、例えば、人工衛星に搭載する赤外線望遠鏡の主反射鏡等となるミラー１の形状の歪みを補正し、望ましい形状に保持するためのものであるが、通常、人工衛星の打ち上げ完了後に使用され、使用中の使用環境は低温に冷却されている。
【００１３】
アクチュエータベースの側面シリンダ１７にはレバー１８が傾動自在に結合され、レバー１８の一端にはロック球面１９が形成されており、レバー１８が一方に傾いたとき（図１の例では、右側に傾いたとき）、ロック球面１９がトップピース１０の側面に形成された凹面に嵌め合わされるように構成されている。
レバー１８の端部近傍には、さらに、バイアスバネ２１が設置され、レバー１８の他端近傍には、形状記憶合金バネ２０が設置されている。この形状記憶合金バネ２０は、低温（例えば、０℃以下の温度）の変態温度を持つものであり、その変態温度より高い温度になると、伸長して所定形状に戻ろうとして、規定の伸長力を発生し、レバー１８を傾けるように作用する。
バイアスバネ２１は、通常のバネ材料で構成されたバネであり、周囲温度が形状記憶合金バネ２０の変態温度以下になり、形状記憶合金バネ２０が伸長力を失うと、伸長してレバー１８を上記の傾き方向とは逆の方向に傾けるように作用する。
【００１４】
図１の状態は、鏡面形状補正装置の輸送中の状態、例えば、鏡面形状補正装置を含む望遠鏡を人工衛星に載せてロケットにて打上げる際の形状を示している。この場合、鏡面形状補正装置は概ね常温にあるため、形状記憶合金バネ２０は伸長しており、レバー１８の先端にあるロック球面１９は、トップピース１０の側面に嵌め合わされ、トップピース１０の位置を固定している。
従って、輸送中の振動等の外乱力が加わっても、トップピース１０が揺れることがなくなる。仮に、このトップピース１０が固定されていなければ、輸送中に揺れると、アクチュエータロッド１１とミラー結合ロッド１２が衝突を繰り返し、ミラー結合ロッド１２に衝撃的外力が加わって、ミラー１４を損傷する危険がある。トップピース１０をレバー１８で固定することにより、ミラー１４の損傷を防止することができる。
【００１５】
鏡面形状補正装置がミラー１４の形状を実際に補正するまでの手順は以下の通りである。
まず、所定の場所まで運搬設置された後（人工衛星の場合では、打上げ・軌道投入が完了した後）、鏡面形状補正装置が低温に冷却される。赤外線観測を伴う望遠鏡では、観測ノイズを低減するために、望遠鏡を低温に冷却することが必須であるから、鏡面形状補正装置を低温に冷却することは、余分な装置を必要とせず容易に実現され得る。
望遠鏡が冷却され、形状記憶合金バネ２０が変態温度以下に下がると、形状記憶合金バネ２０の伸長力が著しく弱くなるため、これに打ち勝ってバイアスバネ２１が伸長し、レバー１８が図２に示すように傾くようになる。よって、ロック球面１９とトップピース１０の側面との嵌め合いが開放され、トップピース１０が可動となる。
【００１６】
このとき、トップピース１０は可動であるが、アクチュエータロッド１１の先端と保持球面１３との間のギャップ（上ギャップ１５、下ギャップ１６）はいずれも確保され、アクチュエータロッド１１とミラー結合ロッド１２の保持球面１３は非接触の状態になっている。従って、鏡面形状補正装置の可動部とミラー１４との間の力のやり取りはなく、ミラー１４は最も自然な形状となっている。ただし、図示はしていないが、ミラー１４の空間位置を剛体拘束の方法で固定するための固定機構は別途配設されており、ミラー１４の空間位置決めはなされている。
【００１７】
次に、モータ駆動器２６から上記ギャップよりも小さい微小区間内の駆動に相当する駆動指令を送ることにより、モータ１をわずかに動かし、モータ１が正常に回転するか否かを確認する。この確認の手段としては、モータ１の軸に取り付けられたエンコーダなどの回転検出装置（図示せず）、あるいは、モータ１の回転に伴う誘導起電力をモニタする方法など、一般的な方法が適用可能である。
この確認により、モータ１が正常動作可能であると判定された場合には、後に示す手順によって、ミラー１４に必要な補正荷重を加える。一方、モータ１が故障しているなどして回転が不能であると判断された場合には、鏡面形状補正装置により形状補正を行わないようにする。
よって、故障した補正機構（モータ１からアクチュエータロッド１１に至る機構）とミラー１４との間は非接触の状態を保持し、故障した補正機構が望ましくない力をミラー１４に加えてしまうことを防止することができる。
【００１８】
正常動作可能であると判定された補正機構を運用する手順は、以下の通りである。
まず、補正機構からミラー１４に加えるべき荷重量が定められる。これは、運搬設置前に予め設定された目標値を用いてもよいし、望遠鏡に組み込まれた鏡面形状測定器２２の測定結果に基づいて駆動量算出器２５により算出された駆動量を用いてもよい。加えるべき荷重量が定められると、モータ駆動器２６が、その荷重量に応じてモータ１を回転させ、アクチュエータロッド１１をミラー１４へ近づける側（＋Ｘ方向）あるいは、遠ざける方向（−Ｘ方向）に動かす。このとき、動かす方向に応じて、当初は離間していた上ギャップ１５あるいは下ギャップ１６が接触し、力の伝達が可能となる。
【００１９】
ギャップ部が接触すれば、通常の力伝達がなされるので、ボールスクリュー３の回転量あるいは移動ナット７の移動量に応じた力の伝達をミラー１４に対してなすことができる。このとき、ミラー１４の剛性Ｋｍに比較して、コイルバネ９の剛性Ｋｓは非常に柔らかく構成されているので、移動ナット７の移動量Ｄｓに対してミラー１４の変位量Ｄｍは非常に小さくなる。それぞれの増分をΔＤｓ、ΔＤｍとすると、この比率は、概ね下記の式（１）で与えられる。
ΔＤｍ／ΔＤｓ＝Ｋｓ／Ｋｍ（１）
従って、ミラー１４の形状を細かく補正する場合においても、ボールスクリュー３側の駆動量は比較的粗くて済むので、鏡面形状の精密な補正が可能となる。
【００２０】
さて、このように鏡面形状の補正を行う場合において、前記ギャップが接触状態にあり、力の伝達がなされている場合には、式（１）に従って所望のボールスクリュー３の駆動量を定めればよいが、ギャップが離間している区間内では、ボールスクリュー３の駆動量はミラー１４の変位量に反映されない。単純化すれば、ギャップが離間している区間内では、下記のようになる。
ΔＤｍ／ΔＤｓ＝０（２）
よって、ギャップが一旦接触した後に、離間しない範囲内で駆動する場合には問題ないが、駆動中にギャップの接触・離間状態の遷移がある場合には、式（１）に従った所望駆動量の算出のみに基づくようにすると、適正な鏡面変位補正量を得ることが難しくなる。
【００２１】
そのため、この実施の形態１では、ギャップが離間しているか接触しているかを判定するセンサ機能を有するギャップ判定器２３と、その判定結果に応じてボールスクリュー３に与えるべき駆動量算出式を切り替えるモデル切替器２４を搭載するようにしている。ギャップの接触・離間を判定する機能をもつセンサとしては、例えば、アクチュエータロッド１１の先端とミラー結合ロッド１２との間の電気的導通判定センサ、リミットスイッチ、タッチセンサなどの一般的手段を用いることができる。
上記の構成を付加したことにより、ギャップが離間していると判定されている間は式（２）に従っていると仮定し、ギャップが接触したと判定されている間は式（１）に従うと仮定して、与えるべきボールネジ駆動量を適切に算出し、モータ駆動器２６に与えることが可能となり、より確実に鏡面形状を補正することができるようになる。
【００２２】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、アクチュエータロッド１１の先端とミラー結合ロッド１２との間に、輸送時には離間しているギャップを設けたので、モータ１が正常動作可能であると判定された場合にのみミラー１４に補正荷重を加え、モータ１が故障しているなどして回転が不能であると判断された場合には、故障した補正機構とミラー１４との間は非接触状態を保ち、故障した補正機構が不要な力をミラー１４に加えることを防止できる。
また、特に無重力環境で使用される宇宙機搭載用のミラーにおいては、無重力状態におけるミラーの自然形状を精度よく計測したいという工学的要請が少なからずある。その理由は、地上で製造する上では重力の影響を完全に除去することは不可能であり、設計段階で予測されたミラーの無重力状態での推定形状と、実際に無重力状態で計測された形状とを詳細に比較することで、宇宙用のミラーの設計技術の向上が見込まれるからである。アクチュエータとミラーとの力学的結合が常時存在していた従来の鏡面形状補正装置では、ミラーとアクチュエータとの間での相互拘束力を完全に零にすることは、製造誤差や組立調整誤差があるため事実上困難であったが、本発明においては、アクチュエータからミラーへ伝達される力を必要に応じて完全に零とすることができるので、上記工学的要素を満たすことが可能となる。
また、輸送中にトップピース１０を固定する保持機構（レバー１８等で構成されたロック機構）を設けたので、輸送中にギャップ部分が衝撃的に離間衝突を繰り返してミラー１４に損傷を与えることを防止することができる効果を奏する。
【００２３】
また、レバー１８の駆動源として、低温に変態点を持つ形状記憶合金バネ２０と、通常バネ２１とで構成される双方向のバネ式駆動源を用いたので、運用状態では、鏡面形状補正装置全体を冷却する赤外線望遠鏡などにおいて、これらレバー駆動源に複雑なアクチュエータ・センサ機構を設けたり、特別の駆動エネルギ源を供給したりする必要がなく、確実に実現される環境状態を用いたシンプルで動作が確実なロック機構を供給することができる。よって、鏡面形状補正装置の動作信頼性を向上し、重量低減や低コスト化を図ることができる効果を奏する。
さらに、ギャップが離間しているか接触しているかを判定するギャップ判定器２３とモデル切替器２４を搭載するように構成したので、ギャップの状態に応じてボールネジ駆動量を適切に算出してモータ駆動器２６に与えることが可能となり、より確実に鏡面形状を補正することができる効果を奏する。
【００２４】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による鏡面形状補正装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
上記実施の形態１では、アクチュエータロッド１１の先端とミラー結合ロッド１２との間に、輸送時には離間しているギャップを設けるものについて示したが、輸送時にはアクチュエータロッド１１の先端とミラー結合ロッド１２の保持球面１３とが離間しており、形状補正時にアクチュエータロッド１１の先端のラッチ機構３１が保持球面１３と結合するようにしてもよい。
【００２５】
ラッチ機構３１はアクチュエータロッド１１の先端に設けられ、保持球面１３と結合する。ブロック３２は側面シリンダ１７の内部の同一面上（図中Ｘ軸に垂直な平面）に２箇所ないしは３箇所程度設置され、トップピース１０の張り出し部１０ａが押し当てられる。
【００２６】
即ち、ラッチ機構３１は、図３の＋Ｘ方向から−Ｘ方向に向けて保持球面１３が進入してきた場合にはほとんど抵抗力なく容易に開いて、保持球面１３を受入れてラッチ保持する。一方、一旦ラッチした後は、保持している保持球面１３を＋Ｘ方向に引っ張っても容易に、保持球面１３を解離させることができないように構成されている。例えば、図３に示すように、くさび型のゲート板を弾性バネで閉じる方向に押し当てたものでもよい。ここで、「閉じる方向」とは、図で上側のくさび型のゲート板が反時計回りに、下側のくさび型のゲート板が時計回りに回転する方向を示す。
【００２７】
輸送時には、図３に示すように、移動ナット７は−Ｘ方向に引き込まれ、トップピース１０の張り出し部１０ａがブロック３２に−Ｘ方向に押し当てられることにより、トップピース１０が空間位置を固定されて静止している。よって、上記実施の形態１によるロック機構の機能と同様に、輸送中にトップピース１０が揺れ動くことを防止して、ミラー１４の損傷を防止することができる。このとき、ボールスクリュー３及び減速器２の減速効果により、モータ１の保持トルクは比較的小さくても、トップピース１０をブロック３２に押し当てる力は、十分に大きなものを得ることができるから、トップピース１０の安定性は十分に確保される。
【００２８】
輸送が完了して、所定の場所に鏡面形状補正装置が設置された後、ボールスクリュー３を＋Ｘ方向に少し駆動し、ブロック３２に対するトップピース１０の押し当てを解除する。この動作は、押し当ての解除だけでなく、モータ１の正常な動作が可能か否かの判定の役割も果たすことになる。
ここで、仮にモータ１等が故障しており正常動作ができないと判断された場合には、上記実施の形態１と同様に、ミラー結合ロッド１２の保持球面１３との結合は行わない。正常動作が可能と判断された場合は、さらにモータ１を駆動し、移動ナット７およびトップピース１０を＋Ｘ方向に移動させる。この移動は、図４に示すように、ラッチ機構３１がミラー結合ロッド１２の保持球面１３を捕らえて保持する位置まで行われる。一旦保持されれば、以後の鏡面補正動作は上記実施の形態１と同様である。
【００２９】
この実施の形態２によれば、側面シリンダ内部にブロック３２を配設し、トップピース１０の張り出し部１０ａをブロック３２に押し当ててトップピース１０の空間位置を固定できるようにしたので、ロック機構などの付加的な機構要素を加えることなく、簡素な構成で、輸送中にトップピース１０が揺れ動くことを防止し、ミラー１４の損傷を防止することができる効果を奏する。
また、アクチュエータロッド１１の先端にラッチ機構３１を設け、モータ１が正常動作可能と判断された場合にのみ、ミラー結合ロッド１２の保持球面１３との結合を形成することができるようにしたので、上記実施の形態１と同様に、モータ１が故障しているなどして回転が不能であると判断された場合には、故障した補正機構とミラー１４との間は非接触の状態を保持し、故障した補正機構が望ましくない力をミラー１４に加えてしまうことを防止することができる効果を奏する。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、駆動装置がアクチュエータを駆動しないときはアクチュエータと非接触の状態を保持し、駆動装置がアクチュエータを所定量以上駆動すると、そのアクチュエータとの結合又は接触が生じて、アクチュエータから受ける外力をミラーに伝達し得る外力伝達手段を設けるように構成したので、動作不能なアクチュエータがミラーに与える影響を除去することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による鏡面形状補正装置を示す構成図である。
【図２】ロック機構が解除されている状態の鏡面形状補正装置を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２による鏡面形状補正装置を示す構成図である。
【図４】ラッチ機構がラッチしている状態の鏡面形状補正装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１モータ（駆動装置）、２減速器、３ボールスクリュー、４軸受け、５アクチュエータベース、６ミラーセル、７移動ナット、８スライドガイド、９コイルバネ、１０トップピース（アクチュエータ可動端部）、１０ａ張り出し部、１１アクチュエータロッド、１２ミラー結合ロッド（外力伝達手段）、１３保持球面（外力伝達手段）、１４ミラー、１５上ギャップ、１６下ギャップ、１７側面シリンダ、１８レバー（ロック機構）、１９ロック球面（ロック機構）、２０形状記憶合金バネ（ロック機構）、２１バイアスバネ（ロック機構）、２２鏡面形状測定器（演算手段）、２３ギャップ判定器（演算手段）、２４モデル切替器（演算手段）、２５駆動量算出器（演算手段）、２６モータ駆動器（演算手段）、３１ラッチ機構、３２
ブロック、１０１アクチュエータ。

Claims

駆動装置により駆動されるアクチュエータと、ミラーに固定可能であり、上記アクチュエータから外力を受けると、その外力を上記ミラーに伝達し得る外力伝達手段とを備えた鏡面形状補正装置において、上記外力伝達手段は、上記駆動装置が上記アクチュエータを駆動しないときは上記アクチュエータと非接触の状態を保持し、上記駆動装置が上記アクチュエータを所定量以上駆動すると、そのアクチュエータとの結合又は接触が生じて、上記アクチュエータから受ける外力を上記ミラーに伝達し得ることを特徴とする鏡面形状補正装置。
アクチュエータと外力伝達手段が接触しているか否かを判定し、その判定結果を考慮して駆動装置の駆動量を演算する演算手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の鏡面形状補正装置。
駆動装置がアクチュエータを駆動しないときは、そのアクチュエータを拘束するロック機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の鏡面形状補正装置。
ロック機構は、所定の温度以下になると、アクチュエータ可動端部の拘束を解除することを特徴とする請求項３記載の鏡面形状補正装置。
所定の温度より高いとき伸張力を発揮して、レバーをアクチュエータ可動端部に嵌め合わせる一方、所定の温度以下になると伸張力を失って、そのアクチュエータ可動端部とレバーの嵌め合いを開放する形状記憶合金バネを用いてロック機構を構成したことを特徴とする請求項４記載の鏡面形状補正装置。
アクチュエータと外力伝達手段がラッチ機構によって結合されることを特徴とする請求項１記載の鏡面形状補正装置。
アクチュエータ可動端部を収納する際に、そのアクチュエータ可動端部を押し当てるブロックを設けたことを特徴とする請求項６記載の鏡面形状補正装置。