JP2005070408A - 望遠鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 支持構造における変形を、精密に測定することができ、また高周波で生じる揺れに対しても追従することができる測定系を有する望遠鏡装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 ヨーク部２内にリンク機構ベース６を設け、これに連結して、左右の支柱３内にリンク部材７を設ける。リンク部材７は支柱３の上部（ヨーク部２の上部）と、リンク機構ベース６とを接続している。リンク機構ベース６、リンク部材７等を用いて、ヨーク部２の上部の変位や回転角を測定することにより、反射鏡１の指向方向の変化を求めることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、指向方向の補正をするために、指向方向に影響する支持構造の変位又は傾斜の測定を行うことができる望遠鏡装置に関するものである。

電波天文学の分野では、近年になってミリ波からサブミリ波へとより高い周波数の電波を観測するという要求が高まってきている。高い周波数の電波天体の観測を行う場合、望遠鏡の反射鏡面とビームの指向追尾はより高い精度が必要となる。一方では、観測効率を高めるために、望遠鏡の大口径化が進み、また、昼夜のあらゆる天候で観測を実施できることが望まれている。口径が大きくなることによって、望遠鏡の自重変形が大きくなったり、また、日射による熱変形や風圧による変形が大きくなるため、高い指向追尾精度を得ることが困難となる。このような高い指向追尾精度の要求を満足するためには、望遠鏡の反射鏡の指向誤差をリアルタイムに測定し、補正する技術が必要となる。望遠鏡の指向誤差に影響する要因として主反射鏡を支える構造部分の変形があり、この変形を測定する手段として、レーザ及びその光検出器を用いた光学的計測手段と、機械的手法による計測手段とが考えられる。しかし、前者については光学系内の大気揺らぎによる測定誤差の発生が大きく、また光検出画像の処理遅延のため高速な測定が困難であった。一方、機械的手法による計測手段として、構造物の傾斜角又は高低差を計測する手段が特開平６−１１７８５４号公報に開示されている。

特開平６−１１７８５４号公報

特開平６−１１７８５４号公報に開示された装置は、一つのパラレルリンク機構の変形を測定することによって構造物の傾斜角又は高低差を測定するものである。しかし、この装置によっては、測定対象の構造物の水平変位、垂直変位を測定することができず、望遠鏡の指向誤差を補正するために反射鏡支持構造の変形を測定する手段としては適さないという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、支持構造における変形を、精密に測定することができ、また高周波で生じる揺れに対しても追従することができる測定系を有する望遠鏡装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係る望遠鏡装置は、反射鏡と、この反射鏡を２つの支柱により支持し、方位軸回りに回転するヨーク部と、このヨーク部を支持するベース部と、上記ヨーク部内の底部に支持されたリンク機構ベースと、このリンク機構ベースに設けた平行リンク機構と、上記ヨーク部の上記支柱内に設けられ、上記ヨーク部の上部と上記平行リンク機構とに連結されるリンク部材と、このリンク部材の上部に固定された第１のアーム部材と、上記ヨーク部の上部から延在する部材の先端部と上記第１のアーム部材の先端部との変位を計測する第１の測長器と、上記リンク部材の下部に固定された第２のアーム部材と、上記平行リンク機構から水平に延在する部材と上記第２のアーム部材との変位を計測する第２の測長器とを備えたものである。

請求項２の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、上記平行リンク機構は、上記平行リンク機構の傾斜を測定するための第３の測長器を具備したものである。

請求項３の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１又は請求項２の発明に係る望遠鏡装置において、上記リンク部材の連結部に弾性ピボット軸受を具備したものである。

請求項４の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１の発明に係る望遠鏡装置において、さらに、上記ヨーク部を支持する装置架台に設けたセンターポールと、このセンターポール上に設けたミラーと、このミラーと上記リンク機構ベースとの変位を測定するためのギャップセンサーとを備えたものである。

請求項５の発明に係る望遠鏡装置は、請求項４の発明に係る望遠鏡装置において、上記センターポールは、上記センターポールの傾斜を測定する傾斜計を具備したものである。

請求項６の発明に係る望遠鏡装置は、請求項１乃至請求項５の発明に係る望遠鏡装置において、上記リンク機構ベース、及び上記リンク部材の材質を、ＣＦＲ材としたものである。

この発明によれば、望遠鏡装置のヨーク部に設けたリンク機構の変位を測長器等を用いて測定することによって、ヨーク部の上部の変位や傾きを測定及び算出することができるので、大気揺らぎの影響がなく精密な計測が可能となり、また、比較的に高速に処理できるので、高周波で生じる揺れの計測が可能となる。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置を図１から図８に基づき説明する。図１は望遠鏡装置全体の構成図である。図１において、１は反射鏡であり、２は反射鏡１をＸ軸（図示。以下において仰角軸とも呼ぶ。）まわりに回転可能に支持するヨーク部である。ヨーク部２は、左右の支柱３の上部において反射鏡１を回転可能に支持する。４は装置架台であり、ヨーク部２をＺ軸（図示）まわりに回転可能に支持する。これらの基本的構成によって、反射鏡１をＺ軸（方位軸）及びＸ軸（仰角軸）まわりに回転することができ、観測する指向方向を変化させることができる。なお、図１において、Ｙ軸方向は、Ｘ軸及びＺ軸と直交する方向（紙面垂直方向）である。装置架台４内において、５は装置架台４下部に概ね鉛直に設けたセンターポールであり、ヨーク部２内において、６はセンターポール５を基準に概ね水平に設けたリンク機構ベースであり、７は左右の支柱３内にそれぞれ設けたリンク部材である。リンク部材７は支柱３の上部（ヨーク部２の上部）と、リンク機構ベース６とを接続している。これらのセンターポール５、リンク機構ベース６、リンク部材７等を用いて、ヨーク部２の上部の変位や回転角を測定することにより、反射鏡１の指向方向の変化を求めることができる。

次に、図２により、センターポール５とリンク機構ベース６との関係を説明する。図２は装置架台４からヨーク部２の下部までの構成図である。図２において、８はヨーク部２の下部に設けたベース取付台、９はリンク機構ベース６に設けた取付部である。リンク機構ベース６は、取付部９をベース取付台８に軸受等を介して取付けられる。各取付点は、剛体結合又はピン結合することが考えられるが、ピン結合により回転自由度を持たせておく方が、ヨーク部２の熱変形等がリンク機構ベース６へ伝達されにくいので好ましい。ここで、センターポール５は装置架台４に固定されており、装置架台４自体は地面に固定されているので、センターポール５は固定された状態にある。一方、リンク機構ベース６は、ヨーク部２とともに、装置架台４に対して方位軸まわりに回転するものである。また、図２において、１０はセンターポール５の上部に設けたミラーである。このミラー１０を用いてリンク機構ベース６の傾きを測定する。

次にミラー１０を用いたリンク機構ベース６の傾きの測定について、図３及び図４により説明する。図３は、センターポール５の上部付近を拡大した構成図である。図３において、１１はセンターポール５上に設けたフランジ、１２はフランジ１１上に設けられ、ミラー１０を取り付けるミラー取付台であり、１３はミラー１０に設けられ、ミラー取付台１２に取り付けられる取付部である。１４はリンク機構ベースに取り付ける測定台であり、１５は測定台１４に設けられ、ギャップセンサーを保持するセンサーホルダーであり、１６はセンサーホルダー内に保持されるギャップセンサーである。センサーホルダー１５とミラー１０との間には僅かな隙間があり、ギャップセンサー１６は、そのセンサーヘッドとミラー１０との距離を測定するものである。

図４は、図３に示すＡＡ面から見た構成図である。図４に示すようにフランジ１１上にミラー取付台１２が３箇所設けられ、この３箇所においてミラー１０を取付ける。ミラー１０は、この取付台に剛結合で取付けても良いが、ミラー１０の変形を抑制するためには、ミラー取付台１２と取付部１３とを軸受等を介して結合することにより、ピン結合することが好ましい。また、フランジ１１上には２個の傾斜計１７を配置して、フランジ１１上でのＸ軸まわり及びＹ軸まわりの傾斜角を計測し、この測定結果をミラー１０の傾斜角とするが、傾斜計１７をミラー１０上に配置し、ミラー１０の傾斜角を直接測定してもよい。

一方、センサー取付台１４上には４個のギャップセンサー１６を配置して、そのセンサーヘッドとミラー１０との距離を測定する。ギャップセンサー１６はセンサーホルダー１５によって保持され、リンク機構ベース６（及びヨーク部２）とともに方位軸（Ｚ軸）まわりに回転し、ミラー１０はセンターポール５に固定され、方位軸まわりに回転することはない。ミラー１０の底面（−Ｚ軸側から見てドーナッツ状に見える底面）は鏡面加工されており、ヨーク部２が駆動された後の任意の方位角において、４個のギャップセンサー１６と、このミラー１０の底面との距離を測定できる。Ｘ軸上に配置された２個のギャップセンサー１６の出力によって、リンク機構ベース６のＹ軸まわりの傾きを、Ｙ軸上の２個のギャップセンサー１６の出力によって、リンク機構ベース６のＸ軸まわりの傾きを計測することができる。ギャップセンサー１６によって計測するリンク機構ベース６の各軸まわりの傾きはミラー１０に対するものであるので、傾斜計１７によって計測したミラー１０の傾きを用いて補正する。

次に、リンク機構ベース６上のリンク機構により、ヨーク部２上部の変位及び傾きを測定する測定系について、図５から図８を用いて説明する。図５において、１８はリンク部材７の上部にＹ軸方向に延在して設けたアーム部材、１９はリンク部材の下部にＹ軸方向に延在して設けたアーム部材である。これらの構成は、図５（ａ）に示すようにヨーク部２の左右に設けている。また、２０及び２１は、ヨーク部２の上部に配置される左右のハウジングであり、このハウジング２０及び２１により反射鏡１を保持している。アーム部材１８、１９の先端や略中間位置のＺ軸方向の変位を測長器によって測定し、測定結果を用いて幾何学的計算によって、ヨーク部２の上部の変位及び回転角（Ｘ軸まわり）を算出する。

図６はリンク部材７下部の拡大した構成図である。図６において、２２はリンク機構ベース上に固定して略鉛直に設けた鉛直部材、２３は鉛直部材２２の下部と連結され、略水平に設けた水平部材、２４は鉛直部材２２の上部に連結され、水平部材２３と平行に設けた水平部材、２５は水平部材２３と水平部材２４の先端にその両端が連結され、鉛直部材２２と平行に設けた鉛直部材である。鉛直部材２５は水平に延在するアーム部材２６を有しており、また、水平部材２４は鉛直部材２２から鉛直部材２５を越えて延在している。２７は鉛直部材２２、鉛直部材２５、水平部材２３、水平部材２４の各部材を連結部において連結する軸受である。軸受２７は、図６のように４箇所に配置されており、玉軸受等の転がり軸受を用いても良いが、転がり軸受の場合にはラジアル振れ等の動きが生じて測定精度に悪影響が生じるので、好ましくは板ばねを利用した弾性ピボット軸受を用いる。この鉛直部材２２、鉛直部材２５、水平部材２３、水平部材２４によって平行リンク機構を形成している。２８は水平部材の先端部に設けられ、水平部材２４の先端部と垂直部材２５のアーム部２６との間の垂直変位（鉛直方向の相対変位）を測定する測長器、２９はアーム部材１９の先端部に設けられ、アーム部材１９の先端部と垂直部材２５のアーム部２６の先端部との垂直変位（鉛直方向の相対変位）を測定する測長器である。即ち、測長器２８は、上記の平行リンク機構が変形したときの、水平部材２３及び水平部材２４の傾きを測定するために設けており、測長器２９はアーム部材１９と上記の平行リンク機構から水平に延在するアーム部材２６との変位を計測するものである。なお、リンク部材７は、水平部材２４上に略鉛直に軸受、好ましくは弾性ピボット軸受を用いて連結している。

図７はリンク部材７の上部を拡大した構成図である。図７において、３０はヨーク部２の上部の構造部材であり、３１はヨーク部２の上部からＹ軸方向に延在して設けたアーム部材であり、３２はアーム部材３１と構造部材３０との間に設けた４つの板ばねである。板ばね３２は、その長手方向をＺ軸方向とし、ＸＹ面内の正方形の各辺中心に配置されたものであり、このような構成によって、Ｚ軸まわりの捩れ変形荷重が構造部材３０とアーム部材３１との間で伝達しにくい構成となる。３３はアーム部材３１とリンク部材７との連結部に用いる軸受である。軸受３３は、玉軸受等の転がり軸受を用いても良いが、転がり軸受の場合にはラジアル振れ等の動きが生じて測定精度に悪影響が生じるので、好ましくは板ばねを利用した弾性ピボット軸受を用いる。３４はアーム部材３１の先端部に設けられ、アーム部材３１の先端部とアーム部材１８の先端部との間の垂直変位（鉛直方向の相対変位）を測定する測長器である。

図６により説明した測長器２８、測長器２９、及び図７により説明した測長器３４によって、各場所の変位を測定し、ヨーク部２の上部の変位と傾きを算出する原理について説明する。図８は、ヨーク部２上部の変位・傾きの測定原理を説明する模式図である。図８（ａ）は、変位及び傾きがない状態を表し、図８（ｂ）は変位及び傾きが生じた状態を表す。また、リンク機構の各図８（ｂ）は、リンク機構ベース６に対して、ヨーク部２の上部が相対的に変位及び傾きを生じた場合を表しており、即ち、リンク機構ベース６は固定され、このリンク機構ベース６に対してヨーク部上部がΔＹ、ΔＺだけ変位し、かつΔα回転したものである。このとき、Ｐ０−Ｐ７部及びＰＬ１−ＰＬ２部がω１、Ｐ４−Ｐ６部及びＰ３−Ｐ５部がω２だけ傾斜しているものとする。また、測長器２８、２９、３４において測定した変位量をそれぞれｄＧ１、ｄＧ２、ｄＧ３とすると、リンク部材７の下部において、測定値ｄＧ１、ｄＧ２より、傾きω１とω２を幾何学的に算出できる。これによって、Ｐ３の位置が算出することができ、さらにｄＧ３に基づいて幾何学計算によりΔＹ、ΔＺ、Δαを算出することができる。これを式で表すと、次の式のようになる。

次に、上記説明した構造によって、望遠鏡の指向方向誤差を求める方法について説明する。まず、リンク機構ベース６の絶対的な傾斜量変化Δαｂは、センターポール５の傾斜量変化Δαｃ（傾斜計１７により測定）と、センターポール５に対するリンク機構ベース６の傾斜量変化Δαｇ（ギャップセンサー１６により測定）との和となる。即ち、Δαｂ＝Δαｃ＋Δαｇである。ヨーク部２の左右のリンク部材７によって測定し計算されたヨーク部２の左右の上部の傾斜量ΔαＬ、ΔαＲ、及び変位ΔＹＬ、ΔＹＲ、ΔＺＬ、ΔＺＲにより、各軸周りの仰角軸の傾きαＥＬ、βＥＬ、γＥＬは次のように計算することができる。

なお、リンク機構ベース６とリンク部材７の材質は、低熱膨張材を用いるのが良く、例えばＣＦＲ（カーボン繊維強化）材を用いるとよい。通常ヨーク部等の構造は、鉄鋼材等の金属材料を用いているので、リンク機構ベース６とリンク部材７による測定系としては、ヨーク部等の構造における熱膨張率に対して、一桁以上小さい熱膨張率を有する材質を使用するのが好ましいからである。また、同様の理由により、アーム部材１８、１９や、平行リンク機構において使用する鉛直部材２２、鉛直部材２５、水平部材２３、水平部材２４等の材質も、低熱膨張材を用いるのが良く、例えばＣＦＲ（カーボン繊維強化）材を用いるとよい。

この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置全体の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置の装置架台４からヨーク部２の下部までの構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置のセンターポール５の上部付近を拡大した構成図である。 図３に示すＡＡ面から見た構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置のヨーク部の構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置のリンク部材７下部の拡大した構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置のリンク部材７上部の拡大した構成図である。 この発明の実施の形態１に係る望遠鏡装置のヨーク部２上部の変位・傾きの測定原理を説明する模式図である。

符号の説明

１ 反射鏡
２ ヨーク部
３ 支柱
４ 装置架台
５ センターポール
６ リンク機構ベース
７ リンク部材
１０ ミラー
１６ ギャップセンサー
１７ 傾斜計
１８ アーム部材（第１のアーム部材）
１９ アーム部材（第２のアーム部材）
２７、３３ 弾性ピボット軸受
２８ 測長器
２９ 測長器（第２の測長器）
３４ 測長器（第１の測長器）

Claims (6)

1. 反射鏡と、この反射鏡を２つの支柱により支持し、方位軸回りに回転するヨーク部と、このヨーク部を支持するベース部と、上記ヨーク部内の底部に支持されたリンク機構ベースと、このリンク機構ベースに設けた平行リンク機構と、上記ヨーク部の上記支柱内に設けられ、上記ヨーク部の上部と上記平行リンク機構とに連結されるリンク部材と、このリンク部材の上部に固定された第１のアーム部材と、上記ヨーク部の上部から延在する部材の先端部と上記第１のアーム部材の先端部との変位を計測する第１の測長器と、上記リンク部材の下部に固定された第２のアーム部材と、上記平行リンク機構から水平に延在する部材と上記第２のアーム部材との変位を計測する第２の測長器とを備えたことを特徴とする望遠鏡装置。
2. 上記平行リンク機構は、上記平行リンク機構の傾斜を測定するための第３の測長器を具備したことを特徴とする請求項１記載の望遠鏡装置。
3. 上記リンク部材の連結部に弾性ピボット軸受を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の望遠鏡装置。
4. 上記請求項１記載の望遠鏡装置において、さらに、上記ヨーク部を支持する装置架台に設けたセンターポールと、このセンターポール上に設けたミラーと、このミラーと上記リンク機構ベースとの変位を測定するためのギャップセンサーとを備えたことを特徴とする望遠鏡装置。
5. 上記センターポールは、上記センターポールの傾斜を測定する傾斜計を具備したことを特徴とする請求項４記載の望遠鏡装置。
6. 上記リンク機構ベース、及び上記リンク部材の材質を、ＣＦＲ材としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の望遠鏡装置。
   

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