JP2017067471A - 部材変位量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 取付部材が支持部材に対する変位量を適正に測定できるようにする。【解決手段】 機器が取り付けられる取付部材が支持部材に固着された際の、当該支持部材に対する取付部材の変位量を測定する場合に、取付部材の面を鏡面研磨して形成された鏡面部と、鏡面部の異なる位置に検出光を照射し、その反射光を受光して、受光点のズレ量から変位量を測定する変位測定器と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、種々の機器が取付けられる部材の変位量を測定する部材変位量測定装置に関する。

種々の装置は、複数の部材や機器をアセンブリして構成されている。このとき、一方の部材を他方の部材に固定する方法として、ネジ止め、溶接、接着材等の連結方法が用いられている。そして、これらの連結方法は強度や使用環境等に応じて選択される。

かかる事情は、人工衛星等の宇宙機器においても例外ではない。但し、宇宙機器は、地上装置と異なり、重量やサイズ等に関する大きな制約が加わると共に、地上では想定できない大きな温度変化を受ける特徴がある。

例として、人工衛星に望遠鏡等の光学機器を搭載して恒星を観測するような場合を考える。このような場合、姿勢制御された人工衛星本体に対して光学機器の位置を測定して、光学機器が所定位置になるように制御する必要がある。ところが、地球の表側と裏側とでは、太陽光による大きな温度差が生じるため、適宜光学機器の位置測定及び制御を行う必要がある。そして、このような光学機器を人工衛星に搭載する際には、制御系と光学機器系との座標が一致するように、可能な限り高精度に光学機器を取り付ける必要がある。

光学機器と、該光学機器が取付けられる部材との相対位置を測定する方法として、特開２０１２−４８０８６号公報では、図９に示すような構成が提案されている。この提案では、レンズ１０２等を収納した鏡筒１０１が組み付け部材１０３に適正に組み付けられているか否かを判断するために、鏡面からなる装着姿勢検出面１０４を鏡筒１０１の端面に形成している。そして、基準光１０５が当該装着姿勢検出面１０４で反射されたときの反射光１０６と基準光１０５とのなす角度から、鏡筒１０１が組み付け部材１０３に対して適正に取り付けられているか否かを判断している。

特開２０１２−４８０８６号公報

しかしながら、特開２０１２−４８０８６号公報にかかる構成では、基準光１０５が１つだけであるため以下のような問題がある。即ち、鏡筒１０１が組み付け部材１０３の組み付け面１０７に対して平行に位置ズレしているような場合には、装着姿勢検出面１０４と反射光１０６を受光する受光点との間の光路長が変化するため、鏡筒１０１が組み付け面１０７に対して傾いている度合い（傾斜量）を正確に判断することができない問題があった。

即ち、特開２０１２−４８０８６号公報にかかる構成では、鏡筒１０１（取付部材）が組み付け面１０７（支持部材）に対して適正に取り付けられているか否かを判断できない場合があった。

そこで、本発明の主目的は取付部材が支持部材に対する変位量を適正に測定できる部材変位量測定装置を提供することである。

上記課題を解決するため、機器が取り付けられる取付部材が支持部材に固着された際の、当該支持部材に対する取付部材の変位量を測定する部材変位量測定装置にあっては、取付部材の面を鏡面研磨して形成された鏡面部と、鏡面部の異なる位置に検出光を照射し、その反射光を受光して、受光点のズレ量から変位量を測定する変位測定器と、を備えることを特徴とする。

本発明に依れば、取付部材が支持部材に対する変位量を適正に測定できるようになり、信頼性が向上する。

本実施形態にかかる部材変位量測定装置の概要を示す図である。 鏡面部を備える取付部材を例示した図で、（ａ）はワッシャー状の取付部材、（ｂ）は板状の取付部材の斜視図である。 従前のイメージセンサで反射光を受光した際の様子を模式的に示した図である。 取付部材の変位を説明するための図で、（ａ）は、支持部材等が所定精度内に収まって組み立てられた状態、（ｂ）は取付部材等が傾斜し組み立てられた状態を示す図である。 固定部材が非一様に熱変形したときの様子を示す図である。 固定部材が一様に熱膨張してミラーが変位測定器に近づいた場合を想定した図である。 取付部材が、支持部材に対して傾斜すると共に平行変位量だけ変位しているとするときの、検出光及び反射光を示した図である。 他の構成の部材変位量測定装置の概要を示す図である。 関連技術の説明に適用される部材変位量測定方位法を説明する図である。

本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、部材変位量測定装置は、人工衛星に搭載する光学機器の取付状態の試験等に用いて好適であるが、人工衛星に限定するものではなく種々の機器の変位量の検出に利用できることを予め付言する。

図１は、本実施形態にかかる部材変位量測定装置２の概要を示す図である。当該部材変位量測定装置２は、取付部材１２に形成された鏡面部２１、検出光及び反射光の光路を変更する光分離合成器２３、ミラー２４、変位測定器２５を備える。なお、取付部材１２及び支持部材１１は、部材変位量測定装置２の要素を構成しない。

鏡面部２１は、第１鏡面部２１ａ、この第１鏡面部２１ａと離れた位置に設けられた第２鏡面部２１ｂを含んでいる。この第１鏡面部２１ａ及び第２鏡面部２１ｂは、取付部材１２の面を機械研磨して鏡面仕上げすることで形成されている。即ち、第１鏡面部２１ａ及び第２鏡面部２１ｂは、取付部材１２の一部をなしている。

図２は、このような鏡面部２１を備える取付部材１２を例示した図で、（ａ）はワッシャー状の取付部材１２、（ｂ）は板状の取付部材１２の斜視図である。但し、図２に示す鏡面部２１は、大きな面積に形成されている。即ち、第１鏡面部２１ａと第２鏡面部２１ｂとが一体に形成されている場合を示している。

変位測定器１５はレーザ光のような拡散性の小さい検出光を第１鏡面部２１ａ及び第２鏡面部２１ｂに向けて照射し、この第１鏡面部２１ａ及び第２鏡面部２１ｂで反射された光（反射光）を受光する。そして、照射点の位置と受光点の位置とから支持部材１１に対する取付部材１２の変位量を算出する。

即ち、変位測定器２５から照射された検出光Ｌは、光分離合成器２３において第１鏡面部２１ａに向かう第１検出光Ｌ１＿ａと、第２鏡面部２１ｂに向かう第２検出光Ｌ２＿ａとに分離される。第１検出光Ｌ１＿ａは、第１鏡面部２１ａで反射されて第１反射光Ｌ１＿ｂとして変位測定器２５で受光される。また、第２検出光Ｌ２＿ａは第２鏡面部２１ｂで反射されて第２反射光Ｌ２＿ｂとして変位測定器２５で受光される。

変位測定器２５は複数の画素なからなるイメージセンサを備えて、第１反射光Ｌ１＿ｂや第２反射光Ｌ２＿ｂを受光し、その受光位置の距離等を用いて取付部材１２の変位量を算出する。

図３は、従前のイメージセンサで反射光を受光した際の様子を模式的に示した図である。このとき、スケールの原点Ｏは、検出光Ｌの出射点に対応している。また、クロスバーの交点Ｋは反射光の受光点を示している。

従前の変位測定器２５においては、スケールを用いて交点Ｋの座標をユーザが目視により読むことで、傾量を評価していた。しかし、このようにユーザの認識、判断を伴う処理には個性による誤差が含まれるため、変位量を高精度に測定することが困難である。

そこで、本実施形態ではイメージセンサからの出力をビットマップ展開する。このとき、反射光の受光点における画素の輝度は、他の画素の輝度と大きく異なるので、予め輝度閾値を設定し、この輝度閾値より大きな輝度（又は輝度閾値より小さな輝度）を示す画素位置を受光点とする。これにより人為的誤差を含まない受光点の測定が可能になる。

なお、図１の右上に記載した十字円は、イメージセンサを模式的に示した図で、黒丸は検出光の出射位置（スケールの原点Ｏ）対応し、白丸は受光点の位置（クロスバーの原点Ｋ）に対応している。以下、このような図を受光イメージ図と呼称して用いる。

次に、このような構成による部材変位量測定装置２の特徴を説明する。光学機器（図示せず）が固着された取付部材１２が、人工衛星の筐体等に固定された支持部材１１に固定されているとする。そして、この取付部材１２にミラー１４が固定部材１３により取り付けられているとする。なお、固定部材１３としては、ネジ、溶接、接着材が例示できる。以下、固定部材１３を接着剤と記載して説明する。

このような系で、太陽光により固定部材１３の温度が変化したとする。これにより支持部材１３や固定部材１３は熱膨張又は熱収縮する。熱膨張や熱収縮を総称して、熱変形という。この熱変形により取付部材１２は支持部材１１に対して傾斜、並進、回転等の変位を起こすことがある。

そして、変位測定器２５から検出光Ｌ１が照射され、その反射光Ｌ２が変位測定器２５で受光される。

図４（ａ），（ｂ）は、取付部材の変位を説明するための図である。図４（ａ）は、支持部材１１、取付部材１２、固定部材１３、ミラー１４等が所定精度内に収まって組み立てられた状態を示している。これに対し、図４（ｂ）は、取付部材１２が支持部材１１に対して傾斜し組み立てられた状態を示している。

部材変位量測定装置による測定目的は、支持部材１１に対する取付部材１２の傾斜、並進、回転等の変位量を独立に測定することである。ところが、図４に示す構成では、取付部材１２にミラー１４を固着し、当該ミラー１４の変位量を測定することで、支持部材１１に対する取付部材１２の変位量を評価する構成となっている。しかし、この論理が成り立つのは、固定部材１３の変位量が非常に小さく無視できるとした場合であり、当該固定部材１３の変位量が無視できない場合には、各種の変位量を独立に、かつ、高精度に測定できない。

人工衛星において、光学機器が固着されている取付部材１２は、支持部材１１に対して約±１ａｒｃｓｓｅｃｏｎｄの高精度に収まるように製造されていることが望まれている。このことは、固定部材１３の許容される変位量は約±１ａｒｃｓｓｅｃより更に小さい値しか許容されていないことになると共に、取付部材１２の変位測定もこの値以下の精度で行わなければならないことになる。

このように小さい許容変位量を固定部材１３に対して要求することは、技術的に困難であると共に非常に高価となる。また、太陽光のように外熱が、複雑な構造体である人工衛視に設置された取付部材１２や固定部材１３に与える影響は均一でなく、固定部材１３が非一様に熱変形を起こすことがある。

図５は、固定部材１３が非一様に熱変形したときの様子を示す図である。支持部材１１に対して取付部材１２が理想状態で取り付けられていても、固定部材１３が非一様に熱変形することで、支持部材１１に対して取付部材１２が変位している判断されてしまう不都合が生じる。

また、固定部材１３が熱変形する場合には、取付部材１２に対してミラー１４は進退する。図６は、固定部材１３が一様に熱膨張してミラー１４が変位測定器２５に近づいた場合を想定した図である。この場合には、変位測定器２５とミラー１４との間の距離が変化（光路長が変化）するため、受光点ＫはＫ’に変わる。同様なことは、取付部材１２が変位測定器２５に対して進退する場合にも生じる。即ち、検出光の出射位置Ｏと受光点Ｋとのズレには、取付部材１２の変位、固定部材１３の変位、光路長の変位が含まれていることになり、これらを分離して求めることができないため、支持部材１１に対する取付部材１２の高精度に評価することができない。

そこで、本実施形態では、取付部材１２の面を機械研磨して鏡面部を形成すると共に、複数の検出光で、複数位置の変位量を計測して、傾斜、並進、回転等の変位量を独立に、かつ、高精度に測定できるようにしている。

このような原理に基づく部材変位量測定装置２の動作を詳細に説明する。図７は、取付部材１２が、支持部材１１に対して傾斜すると共に検出光Ｌに平行に距離（平行変位量）δだけ変位しているとするときの、検出光及び反射光を示した図である。

図７に示す受光イメージ図から明らかなように、第１反射光Ｌ１＿ｂの受光点Ｋ１と、第２反射光Ｌ２＿ｂの受光点Ｋ２は、原点Ｏから離れ、かつ、受光点Ｋ１と受光点Ｋ２とは一致していない。

ここで、原点Ｏと受光点Ｋ１との距離をα、原点Ｏと受光点Ｋ２との距離をβとする。このとき、距離α及び距離βには、同じ量の平行変位量δによる影響が含まれている。従って、α−βを求めることにより平行変位量の影響が除かれた正確な取付部材１２の傾斜量が求まる。その後、距離α又は距離βに対して傾斜による影響を考慮した演算を行うことで、平行変位量が算出できる。さらに、出射位置Ｏを通る垂線Ｐと、出射位置Ｏと受光点Ｋ１又はＫ２とを結ぶ線分とがなす角度から回転量が算出できる。

以上説明したように、本発明によれば、人的誤差を排除しながら、支持部材１１に対する取付部材１２の傾斜、並進、回転等の変位を、それぞれ分離しながら、高精度に測定することが可能になる。

なお、上記説明では、光分離合成器２３及びミラー１４を設けることにより、１つの検出光を第１検出光と第２検出光とに分けた。しかし、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、例えば図８に示すように２つの変位測定器２５ａ，２５ｂを用いても良い。

２ 部材変位量測定装置
１１ 支持部材
１２ 取付部材
１３ 固定部材
１４ ミラー
１５ 変位測定器
２１ 鏡面部
２１ａ 第１鏡面部
２１ｂ 第２鏡面部
２３ 光分離合成器
２４ ミラー
２５ 変位測定器
２５ａ，２５ｂ 変位測定器

Claims (4)

1. 機器が取り付けられる取付部材が支持部材に固着された際の、当該支持部材に対する前記取付部材の変位量を測定する部材変位量測定装置であって、
   前記取付部材の面を鏡面研磨して形成された鏡面部と、
   前記鏡面部の異なる位置に検出光を照射し、その反射光を受光して、受光点のズレ量から前記変位量を測定する変位測定器と、
   を備えることを特徴とする部材変位量測定装置。
2. 請求項１に記載の部材変位量測定装置であって、
   前記鏡面部は少なくとも２つ以上設けられ、各鏡面部に前記検出光が照射されることを特徴とする部材変位量測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の部材変位量測定装置であって、
   １つの前記変位測定器からの検出光を２つ以上の光路に分けて前記鏡面部に照射させ、また前記鏡面部からの反射光を同一光路に纏めて前記変位測定器に入射させる光分離合成器を備えることを特徴とする部材変位量測定装置。
4. 請求項１又は２に記載の部材変位量測定装置であって、
   前記変位測定器を複数設けて、それぞれの前記変位測定器が前記鏡面部の異なる位置に前記検出光を照射して、当該位置における前記変位量を計測することを特徴とする部材変位量測定装置。

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