JP2007129454A - アンテナ装置 - 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る測定系を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 アンテナベース部１内に第１フレーム構造体７を、アンテナ架台部２の底部４に第２フレーム構造体８を、アンテナ架台部２の支柱部３に第３のフレーム構造体９を設ける。第１フレーム構造体７に設けた第１の測定装置によりアンテナ架台部２の基準部材の姿勢を、第２フレーム構造体８に設けた第２の測定装置により第３フレーム構造体９の姿勢を、第３フレーム構造体９に設けた第３の測定装置により主反射鏡５の支持基準部材の変位を測定し、これらの測定結果に基づいてアンテナ指向誤差を算出する。
【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アンテナ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、アンテナ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、アンテナの大口径化が進み、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、アンテナ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、アンテナ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。アンテナ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、アンテナ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る測定系を有するアンテナ装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明に係るアンテナ装置は、アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し、２つの支柱を有して主反射鏡を支持するアンテナ架台部と、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体体と、この第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置と、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点にＺ軸変位を拘束して設けられ、６自由度拘束された第２のフレーム構造体と、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体と、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置と、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを備えたものである。

請求項２の発明に係るアンテナ装置は、請求項１の発明に係るアンテナ装置において、さらに、上記第１乃至第３の測定装置による測定結果に基づいて、上記主反射鏡の指向誤差を算出する指向誤差算出装置を備えたものである。

請求項３の発明に係るアンテナ装置は、請求項１又は請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第１の測定装置は、上記第１のフレーム構造体上の３点に設けられ、上記アンテナ架台部の基準部材の３点のＺ軸方向変位を測定する３つの変位測定器を有するものである。

請求項４の発明に係るアンテナ装置は、請求項１又は請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第２の測定装置は、上記第２のフレーム構造体上の２点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の２点のＺ軸方向変位を測定する２つの変位測定器、上記第２のフレーム構造体の１点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有するものである。

請求項５の発明に係るアンテナ装置は、請求項１又は請求項２の発明に係るアンテナ装置において、上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＺ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有するものである。

この発明によれば、アンテナベース部に第１のフレーム構造体を、アンテナ架台部に６自由度拘束した第２のフレーム構造体及び第３のフレーム構造体を設け、第１の測定装置により第１のフレーム構造体に対するアンテナ架台部の基準部材の姿勢を、第２の測定装置により第２のフレーム構造体に対する第３のフレーム構造体の姿勢を、第３の測定装置により第３のフレーム構造体に対する主反射鏡の支持基準部材の変位を測定するので、各フレーム構造体に流れる荷重を抑制して変形を防ぎ、各測定装置による測定を高精度化することができる。

実施の形態１

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を図１から図７に基づき説明する。図１は実施の形態１に係るアンテナ装置の断面図であり、図２は図１におけるＡＡ断面図（主反射鏡部分を除く）である。図１において、１は地面に固定設置されたアンテナベース部であり、２はアンテナベース部１により方位軸まわりに回転可能に支持されたアンテナ架台部である。アンテナ架台部２において、３は左右に設けた２つの支柱部であり、４は底部である。５はアンテナの主反射鏡であり、左右の支柱部３により仰角軸まわりに回転可能に支持されている。６は支柱部３上に設けられ、主反射鏡５の仰角軸を支持するハウジング部である。

７はアンテナベース部１内に設けた第１フレーム構造体であり、８はアンテナ架台部２の底部４に設けた第２フレーム構造体であり、９はアンテナ架台部２の支柱部３に設けた第３フレーム構造体である。これらの第１フレーム構造体７、第２フレーム構造体８、及び第３フレーム構造体はトラス構造を有しており、これらへの荷重の流れを抑制することにより剛体として扱えるものとする。即ち、これらのフレーム構造体はアンテナベース部１、アンテナ架台部２に設けられて支持されているが、この支持構造として、過拘束しない支持（キネマティックサポート：ｋｉｎｅｍａｔｅｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ）構造とする。また、インバー材料やＣＦＲＰ材料などの熱膨張率の低い部材を使用することにより、各フレーム構造体の内部熱変形を抑制する。

次に実施の形態１に係るアンテナ装置の動作について説明する。アンテナ架台部２は方位軸まわりに回転し、主反射鏡５はアンテナ架台部２により仰角軸まわりに回転可能に支持されているので、主反射鏡５を方位角及び仰角をそれぞれの駆動範囲内で駆動し位置決めしてアンテナの指向方向を設定することができる。なお、アンテナベース部１にはアンテナ架台部２を方位軸まわりに回転し位置決めする方位角駆動機構が、アンテナ架台部２のハウジング部６には、主反射鏡５を仰角軸まわりに回転し位置決めする仰角駆動機構を設けている。

第１フレーム構造体７は、図３に示すように、リング状部材１０とトラス部材１１とにより構成されたフレーム構造体である。このフレーム構造体は、図３中の点線で示すトラス部材によって剛性を増すように補強することもできる。第１フレーム構造体７はアンテナベース部１の地面への設置部分に近い位置に設置するものであり、具体的には、弾性部材である板ばね１２を３箇所に配置して設置する。板ばね１２は、それぞれ長手方向がＺ方向、短手方向がＺ軸を中心とする円周方向（この円周上に板ばねが配置される）になるように設けるものであり、３つの板ばね１２によって第１フレーム構造体７を６自由度のみ拘束する。リング状部材１０上には、第１測定装置１３を設ける。第１測定装置１３は、３つの接触式又は非接触式の変位測定器により構成し、各々の測定器はＺ軸方向の変位を測定するものである。

図４は、第１測定装置１３による変位測定部分を拡大した断面図であり、１４はアンテナベース部１のフランジ、１５はフランジ１４に固定された軸受外輪、１６は可動側であるアンテナ架台部２に連結する軸受内輪である。軸受外輪１５と軸受内輪１６との間にはローラーが配置されており、軸受内輪１６は軸受外輪１５に対して滑らかに方位軸まわりに回転できる。第１測定装置１３は軸受内輪１６の下面のＺ軸変位を３箇所で測定することにより、軸受内輪１６のＺ軸方向変位、Ｘ軸まわりの回転変位θｘ、Ｙ軸回りの回転変位θｙを測定することができる。この軸受内輪１６はアンテナ架台部２の基準部材となり、第１測定装置１３によって、この基準部材の姿勢を計測することができ、軸受のうねりやアンテナ架台部２の底部４の変位や傾きを測定することができる。なお、第１測定装置１３の測定機器を増やすことにより、その他の変位（Ｘ軸方向変位、Ｙ軸方向変位、Ｚ軸まわりの回転変位）を測定することができる。

図５は、アンテナ架台部２内のフレーム構造体の模式図である。アンテナ架台部２の底部４には第２フレーム構造体８が、アンテナ架台部２の支柱部３には第３フレーム構造体９が収納されている。１７はアンテナ架台部２の基準部材である軸受内輪１５に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する３つの支持部材である。この支持部材１７は、理想的には軸受内輪１６に設けるのが良いが、軸受内輪１６に剛性の高いフランジを固定してその上に設ける構成でも良く、このときには、軸受内輪１６とフランジが基準部材となると考えれば良い。１８はアンテナ架台部２の底部４の枠体に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｙ方向変位を拘束する２つの支持部材であり、１９はアンテナ架台部２の底部４の枠体に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｘ方向変位を拘束する１つの支持部材である。これらの支持部材１７、１８、１９により、第２フレーム構造体は、アンテナ架台部２の基準部材および底部４の枠体に対して、６自由度のみ拘束して支持されている。

この第２フレーム構造体８の拘束方法によれば、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形を受けて、Ｚ軸まわりの回転変位θｚが発生するので、これを測定する必要がある。図５において、２０は地面又はアンテナベース部１に固定され、Ｚ軸方向に伸びる方位軸ポールであり、２１は方位軸ポール２０に対するアンテナ架台部２の回転角度を検出する角度検出器（例えばロータリエンコーダやレゾルバなど）である。角度検出器２１はアンテナ架台部２の底部４の中央部において、上記基準部材に固定して設けられており、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形による影響を受けにくい。したがって、第２フレーム構造体に接触式又は非接触式の変位測定器２２を設け、角度検出器２１の外周部分に設けたフランジ２３の変位を測定して角度換算すれば、第２フレーム構造体８のＺ軸まわりの回転変位θｚを測定することができる。

図５において、２４は主反射鏡５を支持するハウジング６の座部であり、主反射鏡５の支持基準部材である。また、２５はアンテナ架台部２の支柱部３に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｘ方向変位を拘束する３つの支持部材であり、２６はアンテナ架台部２の支柱部３の枠体に設けられ、第３フレーム構造体９をリンク結合して、Ｙ方向変位を拘束する１つの支持部材であり、２７は座部２４に設けられ、第２フレーム構造体８をリンク結合して、Ｚ方向変位を拘束する１つの支持部材である。また、２８は座部２４に設けられ、ＹＺ平面内で斜めに第３フレーム構造体をリンク結合して、Ｘ軸まわりの回転変位を拘束する１つの支持部材である。これらの支持部材２５、２６、２７，２８により、第３フレーム構造体９は、アンテナ架台部２の支柱部３およびハウジング６の座部２４に対して、６自由度のみ拘束して支持されている。

この第３フレーム構造体９の支持方法によれば、第３フレーム構造体９は支柱部３のＸ軸方向の変位の影響を受けるが、この変位はアンテナ指向方向にほとんど寄与しないので、この変位成分は測定する必要がない。２９は第３フレーム構造体９の第２フレーム構造体８に対する姿勢を検出する第２測定装置である。第２測定装置２９は、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部におけるＹ軸方向の両端部のＺ軸方向変位をそれぞれ測定する２つの接触式又は非接触式の変位測定器と、第２フレーム構造体８上に設けられ、第３フレーム構造体９の底部のＹ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器とから構成し、これらの構成を左右の支柱部３に設ける。ここで、これらの第２測定装置２９によっては、完全な意味での第３フレーム構造体９の姿勢、即ち、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位のすべてを求めることができないが、後述のように第２測定装置２９により、アンテナ指向誤差に影響する第３フレーム構造体の姿勢を測定することが可能である。

また、図５において、３０は主反射鏡５の支持基準部材であるハウジング６の座部２４の変位を測定する第３測定装置である。第３測定装置３０は、第３フレーム構造体９の上部におけるＹ軸上の端部に設けられ、座部２４のＺ軸方向変位を測定する１つの接触式又は非接触式の変位測定器により構成し、左右の支柱部３内に設ける。なお、第３測定装置は、第３フレーム構造体９に対する座部２４の相対的な変位を測定するものである。また配置については、支持部材２７と支持部材２８による第３フレーム構造体９上の支持点が、第３フレーム構造体９の上部におけるＹ軸方向の一端部にあたり、他の一端部に第３測定装置を設ける。

上記の第１測定装置１３、変位測定器２２、第２測定装置２９、及び第３測定装置３０による測定結果に基づいて、アンテナ指向誤差であるアンテナ光軸方向のＸ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位を算出する原理を図６によって説明する。地面に固定された座標系として、地面と方位軸の交点を原点とし、鉛直上向きをＺ_Ｐ方向とする座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）を用いる。また、アンテナ架台部２における左右の支柱部３の上部（厳密にはハウジング６）と仮想的に剛結合する線分上の中点（方位軸と仰角軸との交点ともいえる）を原点とし、鉛直上向きをＺ_Ｙ方向とし、この線分とともに変位する座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）を用いる。なお、左右の支柱部３上部を結ぶ仰角軸方向をＸ_Ｙ方向とし、Ｘ_Ｙ方向はＸ_Ｐ方向と平行であるとする。Ｙ_Ｐ方向、Ｙ_Ｙ方向はそれぞれ座標系内の他の２方向と直交する。また、アンテナ架台部２は方位軸まわりに回転するものであり、この方位角をθ_ＡＺとする。図７は、座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）を座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）に投影した模式図であり、方位角θ_ＡＺは、図７に示すように、Ｚ_Ｐ軸正方向から座標系（Ｘ_Ｐ、Ｙ_Ｐ、Ｚ_Ｐ）の原点を見て、時計回りの向きを正の回転として定義するものとする。また、主反射鏡５の仰角θ_ＥＬを天頂方向９０度、水平方向０度として定義する。

図５において、各変位測定器は丸印により記載され、丸印中の識別番号により識別されているもとし、測定した変位ｄは、添え字に識別番号を付してｄ_１、ｄ_２、・・・、ｄ_１３と表現する。第１測定装置１３において、識別番号１と３の変位測定器は、Ｙ_Ｐ方向と平行な線上にあって、Ｘ_Ｐ軸に対象な位置関係にある。また識別番号２の変位測定器は、Ｚ_ＰＸ_Ｐ面内にある。識別番号１，２、３の変位測定器は、方位軸を中心とする半径Ｒの円周上に等間隔に配置しているものとする。変位測定器２２は識別番号４と５の変位測定器により構成し、第２測定装置２９は識別番号６、７、８、１０、１１、１２の変位測定器により構成し、第３測定装置３０は識別番号９及び１３の変位測定器により構成する。また、Ａ乃至Ｄは演算に必要な箇所の寸法を表しており、Ａは第２フレーム構造体８のＸ_Ｐ方向の寸法を、Ｂは識別番号４と５の変位測定器間の寸法、Ｃは識別番号６と７の変位測定器間、識別番号１０と１１の変位測定器間の寸法を、Ｄは第３フレーム構造体９のＺ_Ｐ方向の寸法を表している。

本発明に係る測定原理によれば、アンテナ架台部２等の変形により生じる座標系（Ｘ_Ｙ、Ｙ_Ｙ、Ｚ_Ｙ）のＸ_Ｙ軸の回転変位成分α、Ｙ_Ｙ軸の回転変位成分β、Ｚ_Ｙ軸の回転変位成分γを算出することができ、さらに、これを方位角変位ΔＡＺ、仰角変位ΔＥＬに変換することができるものである。

まず、アンテナ架台部２の基準部材（図４、図５に示す軸受内輪１６）の傾きを算出する。Ｘ_Ｐ軸まわりの傾きをＲｏｔＸ_Ｐ、Ｙ_Ｐ軸まわりの傾きをＲｏｔＹ_Ｐと表記すると、これらの傾きは、識別番号１乃至３の変位測定器により測定したｄ_１、ｄ_２、ｄ_３から次式のように求められる。

このＲｏｔＸ_Ｐ、ＲｏｔＹ_Ｐによる回転変位成分α、β、γへの寄与α_Ｂ、β_Ｂ、γ_Ｂは、次式により求めることができる。

次に、アンテナ架台部２の底部４と支柱部３の変形について考える。識別番号４と５の変位測定器により測定したｄ_４、ｄ_５から、アンテナ架台部２の底部４の枠体の変形による回転変位成分γへの寄与γ_Ｙ１を次の式により求めることができる。

識別番号６、７、９、１０、１１、１３の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_９、ｄ_１０、ｄ_１１、ｄ_１３から、左右の支柱部３の高さの差が求められ、回転変位成分βに寄与し、その寄与量β_Ｙは次式により求められる。

また、識別番号６、７、８、１０、１１、１２の変位測定器により測定したｄ_６、ｄ_７、ｄ_８、ｄ_１０、ｄ_１１、ｄ_１２から、左右の支柱部３それぞれのＹ_Ｙ方向への変位を求めることができ、これらの差分に基づいて、回転変位成分γへの寄与γ_Ｙ２を次式により求めることができる。

また、識別番号９及び識別番号１３の変位測定器により測定したｄ_９及びｄ_１３から、仰角軸を支持するハウジング６の座部２４の傾き（回転変位成分αに寄与）が求められる。ここで、左右のハウジング６については、通常は一方に駆動位置決め装置を設け、他方は回転フリーとすることから、駆動位置決め装置側でのハウジング６の傾きのみが、回転変位成分αに寄与する。いま、駆動位置決め装置を識別番号９の変位測定器により測定されるハウジング６側に設けたとして、そのハウジング６の傾きから回転変位成分αへの寄与α_Ｙを次の式により求める。

以上により算出されるα_Ｂ、β_Ｂ、γ_Ｂ、α_Ｙ、β_Ｙ、γ_Ｙ１、γ_Ｙ２に基づく単純和により、回転変位成分α、β、γを次式により求めることができる。

次に回転変位成分α、β、γから、アンテナ指向誤差ΔＡＺ及びΔＥＬを求める。回転変位成分αはΔＥＬに直接付加され、βは主反射鏡５の仰角θ_ＥＬに応じてΔＡＺに付加され、γは符号が逆になりΔＡＺに付加されるので、ΔＡＺ、ΔＥＬは次の式により求めることができる。

以上のとおり、本発明によって、各変位測定器によって測定した変位に基づいて、アンテナ指向誤差を算出することができる。第１フレーム構造体７を弾性部材により支持し、第２フレーム構造体８、第３フレーム構造体９はそれぞれ６自由度拘束し過拘束とならず、これらの構造体に流れる荷重を抑制して各構造体が内部変形するのを防ぐことができ、各変位測定器による変位測定の精度を高めることができる。また、アンテナベース部１内に収納した第１フレーム構造体７の上部のリング状部材１０から軸受内輪１６の下面のＺ軸変位を３箇所で測定することにより、第１測定装置１３の各変位測定器の間隔を大きくとることができ、アンテナ架台部２の基準部分の姿勢をより高精度に測定することができる。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の断面図である。 図１におけるＡＡ断面図（主反射鏡部分を除く）である。 第１測定装置による変位測定部分を拡大した断面図である。 図３に示すＡＡ面から見た構成図である。 アンテナ架台部内のフレーム構造体の模式図である。 測定の原理を説明する模式図である。 座標系を説明する模式図である。

符号の説明

１ アンテナベース部
２ アンテナ架台部
３ 支柱部
４ 底部
５ 主反射鏡
７ 第１のフレーム構造体
８ 第２のフレーム構造体
９ 第３のフレーム構造体
１３ 第１の測定装置
１６ 軸受内輪（アンテナ架台部の基準部材）
１２ 支持部材
２４ 座部（主反射鏡の支持基準部材）
２９ 第２の測定装置
３０ 第３の測定装置

Claims (5)

1. アンテナベース部と、このアンテナベースに支持されて方位軸まわりに回転し、２つの支柱を有して主反射鏡を支持するアンテナ架台部と、上記アンテナベース部に設けられ、弾性部材によって支持された第１のフレーム構造体と、この第１のフレーム構造体に対する上記アンテナ架台部の基準部材の姿勢を測定する第１の測定装置と、上記アンテナ架台部の基準部材上の３点にＺ軸変位を拘束して設けられ、６自由度拘束された第２のフレーム構造体と、上記アンテナ架台部の上記支柱に設けられ、６自由度拘束された第３のフレーム構造体と、上記第２のフレーム構造体に対する上記第３のフレーム構造体の姿勢を測定する第２の測定装置と、上記第３のフレーム構造体に対する上記主反射鏡の支持基準部材の変位を測定する第３の測定装置とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、さらに、上記第１乃至第３の測定装置による測定結果に基づいて、上記主反射鏡の指向誤差を算出する指向誤差算出装置を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 上記第１の測定装置は、上記第１のフレーム構造体上の３点に設けられ、上記アンテナ架台部の基準部材の３点のＺ軸方向変位を測定する３つの変位測定器を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 上記第２の測定装置は、上記第２のフレーム構造体上の２点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の２点のＺ軸方向変位を測定する２つの変位測定器、上記第２のフレーム構造体の１点に設けられ、上記第３のフレーム構造体の１点のＹ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
5. 上記第３の測定装置は、上記第３のフレーム構造体上の１点に設けられ、上記主反射鏡の支持基準部材の１点のＺ軸方向変位を測定する１つの変位測定器を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
   

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