JP2018028571A - Holding device, optical device, and mobile body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、保持装置、光学装置、および移動体に関する。 The present invention relates to a holding device, an optical device, and a moving body.
人工衛星等の宇宙航行体に搭載される光学素子を保持する保持装置は、宇宙空間では低剛性で光学素子を保持して熱変形の影響を抑え、宇宙航行体の打上げ時には、大加速度に耐えられるように高剛性で光学素子を保持することが求められる。特許文献1に記載の装置は、打上げ時に光学素子を拘持し、宇宙空間では、観測時に発生する熱により拘持を解除しうる形状記憶合金からなる支持部材を備えている。特許文献2に記載の装置は、光学素子を弾力的に保持する板状弾性体を撓ませて光学素子をバルクヘッドに圧着固定する支持部材とその解除手段とを備えている。
The holding device that holds optical elements mounted on spacecraft such as artificial satellites has low rigidity in space and holds the optical elements to suppress the effects of thermal deformation, and withstands large accelerations when launching spacecraft. Therefore, it is required to hold the optical element with high rigidity. The device described in
特許文献1に記載の形状記憶合金は、拘持と、その解除とが可逆であり、例えば、光学素子に不要な応力が掛かり変形しうる。特許文献2に記載の解除手段は、機械的な駆動力を利用しており、宇宙空間における摩擦力の増大等といった不安定要素のため、信頼性の点で不利となりうる。
The shape memory alloy described in
本発明は、例えば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical element holding device that is advantageous in terms of reliability, for example, by preventing deformation of the optical element during launch and observation in outer space.
上記課題を解決するために、本発明は、物体を保持する保持装置であって、支持部材と、
物体と支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、支持部材は、スペーサを介して物体を支持し、スペーサは、固相から液相へ相変化する材料から構成され、スペーサが相変化することで支持が解除されることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is a holding device for holding an object, comprising: a support member;
A spacer disposed between the object and the support member, wherein the support member supports the object via the spacer, and the spacer is made of a material that changes phase from a solid phase to a liquid phase. The support is released by changing.
本発明によれば、例えば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the deformation | transformation of an optical element can be prevented at the time of launch and observation in outer space, for example, and the optical element holding | maintenance apparatus advantageous in terms of reliability can be provided.
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る保持装置が搭載される光学装置100の構成を示す概略図である。光学装置100は、例えば、太陽観測衛星用の高解像度のグレゴリー型反射望遠鏡である。光学装置100は、筐体110と撮像部120を含む。筐体110内には、主鏡M1および副鏡M2が保持される。主鏡M1および副鏡M2の光軸方向をZ軸方向とし、それに垂直な平面をXY平面とする。観測光は+Z方向から入射し、撮像部120に結像する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an
光学装置100は、人工衛星や航空機など大きな振動にさらされる移動体に搭載される。例えば、移動体が人工衛星である場合、打ち上げ時の数十Gにおよぶ振動に耐えられるように光学素子を高剛性で保持しておき、宇宙空間の所望の軌道へ乗り振動が少なくなった段階で光学素子を低剛性で保持する(支持解除)。宇宙空間では、人手により支持を解除することが困難であるため、人手を介することがない支持解除に対する高い信頼性が求められる。
The
図2は、本実施形態に係る保持装置1の構成を示す概略図である。保持装置1は、ベース2および保持機構3を含み、光学装置100の主鏡M1や副鏡M2等のミラーMを保持する。ベース2は、光学装置100の筐体110と接続される。または、筐体110をベース2としてもよい。保持機構3は、保持部31と、支持部材32と、スペーサ33と、を含む。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the
保持部31は、高剛性の棒状部材を2本で1セットとしてハの字に組み合わせたバイポッド型の保持部であり、本実施形態では、3箇所の位置に設けられている。本実施形態では、それぞれの棒状部材は、ミラーM側(光学素子側)とベース2側に剛性が低くなる切り欠き部を有している。このような切り欠き部を有する棒状部材は、一般にフレクシャまたは弾性ヒンジと呼ばれ、文字通りヒンジやジョイントのとしての機能を有する。フレクシャや弾性ヒンジは、摩擦の無いジョイントであるため、ヒステリシスなど予期せぬ挙動がない。
The
保持部31は、ミラーMを6自由度(X、Y、Z、θX、θY、θZ)でベース2に対して位置決めすることができる。また、ミラーM、ベース2および筐体110等の熱膨張が棒状部材によって緩和され、ミラーMの予期せぬ変形を緩和することができる。
The
支持部材32は、スペーサ33を介してミラーMをベース2に固定している。支持部材32は、人工衛星に搭載された保持装置1が打ち上げられる際の数十Gといったランダムな大きな振動によって、ミラーMや保持部31が加振され破損することを防止する。支持部材32は、人工衛星の打上げ時には強い振動に備えるためミラーMを支持し、宇宙空間にて所望の軌道に乗り観測する段階になったらミラーMの支持を解除する。すなわち、観測時には、ミラーMは保持部31のみでベース2に固定される状態となる。
The
本実施形態では、スペーサ33が固相から液相に相変化することを利用して支持を解除する。この支持解除は不可逆的な解除であり、解除と支持の繰り返しによる不要な応力がミラーM等に掛からず変形が防止される。また、相変化はスペーサ33にかかる温度が上昇することで起こり、人手によるサポートが受けられない宇宙空間の衛星などに適用するために、信頼性の点で有利となる。
In the present embodiment, the support is released by utilizing the phase change of the
図3は、支持部材32によるミラーMの支持が解除される様子を時系列で示す図である。図3の(a)は、スペーサ33が固相の状態でミラーMを固定している状態を示す図である。図3の(b)は、スペーサ33が液相へ相変化していく様子を示す図である。図3の(c)は、スペーサ33が液相へ相変化し、ミラーMの支持が解除された様子を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing, in chronological order, how the support of the mirror M by the
図3に示す通り、支持部材32は、液相へ相変化したスペーサ33が流入する複数の空洞部321を備える。複数の空洞部321は、支持部材32の面のうち、スペーサ33と接する面側に設けられた複数の開口部を有する管状の空洞部である。複数の空洞部321の内面S1には、スペーサ33との濡れ性が、スペーサ33とミラーMとの当接面S2との濡れ性よりも高くなるような表面処理が施される。このため、スペーサ33が溶融する温度に上昇すると、図3の(b)に示すように溶融したスペーサ33がミラーMの表面ではじかれ、毛細管現象によって複数の空洞部321に吸入されてスペーサ33がミラーMから引きはがされる。最終的には、図3の(c)のようにスペーサ33が複数の空洞部321に流入し、ミラーMと支持部材32との間に隙間ができて支持が解除される。複数の空洞部321の体積は、支持の解除のために必要なスペーサ33の複数の空洞部321への流入量により決定される。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態の保持装置1は、太陽観測衛星用の光学装置100に用いられるため、太陽の観測時には太陽光によってミラーMの表面が熱せられる。スペーサ33の溶融は、ミラーMからの伝熱や輻射を利用して行われる。例えば、太陽観測時に保持装置1の温度が70℃程度に上昇する場合は、60℃程度の融点を持つ材料をスペーサ33に用いることで適切なタイミングで支持部材32の支持を解除することができる。
Since the holding
60℃付近の融点を持つ合金としてウッドメタルが良く知られているが、有毒なカドミウムを含むことに注意しなければならない。ウッドメタル以外にも一般にも60℃付近の融点を持つ低融点合金は多くの種類が市販されている。 Wood metal is well known as an alloy with a melting point around 60 ° C., but it must be noted that it contains toxic cadmium. In addition to wood metal, many types of low melting point alloys generally having a melting point of around 60 ° C. are commercially available.
図4は、スペーサ33の昇温方法のその他の例を示す図である。この例では、スペーサ33を積極的に加熱するための発熱部34が支持部材32に備えられる。さらに、保持装置1または光学装置100が、打ち上げが完了して支持の解除を判断し、発熱部34を制御する制御部を備えると、発熱部34による支持の解除を自由に制御することができ、スペーサ33の融点等の設計の自由度を高めることができる。また、太陽光の熱を利用するよりもスペーサの相変化を起こす信頼性の点で有利となりうる。打ち上げの完了は、例えば、保持装置1または光学装置100の加速度に関する情報に基づいて制御部が判断する。また、制御部は、光学装置100が搭載された移動体の動作を制御する制御部(移動体制御部)の出力(高度、軌道、姿勢)に基づいて、発熱部34を制御してもよい。
FIG. 4 is a diagram showing another example of the method for raising the temperature of the
図4の構成の支持部材32に用いるスペーサ33の一例として鉛フリーはんだであるSn−3.5Agを用いる方法について説明する。Sn−3.5Agの溶融温度は221℃である。発熱部34を用いて支持部材32の温度をスペーサ33の融点以上に上昇させる。複数の空洞部321の内面S1は、はんだとの濡れ性が向上する金めっきが施される。Sn−3.5Agの金めっき面に対する濡れ性は、表1で示される。一方、ミラーMとの当接面S2には、はんだが濡れにくいコーティングとしてクロムメッキが施される。濡れにくいコーティングとしては、クロムの他、ニッケルやモリブデンなどの酸化膜が用いられうる。ここで、それぞれの部材間の濡れ性は、雰囲気の組成や気圧によって変化する。このため濡れ性を評価する際には、実際の宇宙空間と同等の真空状態で濡れ性を評価することが望ましい。
A method of using Sn-3.5Ag, which is lead-free solder, as an example of the
複数の空洞部321の奥行きを10mmとすると、スペーサ33が複数の空洞部321へ毛細管現象によって流入する力は8mN程度になる。支持部材32による支持が解除されるタイミングは、無重力の宇宙空間である。このため、8mNの流入する力であっても、十分にスペーサ33が複数の空洞部321へ流入する。
If the depth of the plurality of
一方、ミラーMとの当接面S2でははんだが濡れにくく、接触角は90度以上である「付着濡れ」の状態となるため、スペーサ33は当接面S2上ではじかれることで、複数の空洞部321へ流入しやすくなる。複数の空洞部321は、図5に示すように、開口部が円形の円筒322であっても良い。この場合スペーサ33の複数の空洞部321(円筒322)への流入は一般的な毛細管現象である。図5の円筒322の内径を1.0mmとすると、スペーサ33の円筒322への毛細管現象によって流入する力は2.5mN程度になる。支持部材32の支持が解除されるタイミングは、無重力の宇宙空間であるため、2.5mN程度でも十分にスペーサ33は複数の空洞部321(円筒322)へ流入する。
On the other hand, since the solder is hard to get wet on the contact surface S2 with the mirror M and the contact angle is 90 degrees or more, the
本実施形態の保持装置1における支持部材32による支持および支持解除は、スペーサ33の昇温する方法が図2のような受動的な場合も、図4のような発熱部34を用いて積極的に加熱する方法のどちらでも不可逆である。溶融したスペーサ33が複数の空洞部321に流入しミラーMの支持が解除されるが、逆に、流入した状態からスペーサ33が固まっても再びミラーMを支持することはできない。また、その後もう一度スペーサ33が溶融しても、スペーサ33と複数の空洞部321の濡れと表面張力の関係が変わらないので、スペーサ33が複数の空洞部321から出てくることはない。つまり、一旦スペーサ33が溶融し支持が解除されると再び支持状態に推移することはない。
Support and release by the
本実施形態の支持部材32は、支持と支持解除とが不可逆であるため、保持対象に不要な応力が掛かることなく、変形を防止できる。また、支持解除のための機械的構成が少なく、信頼性の点で有利となりうる。以上のように、本実施形態によれば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することができる。
Since the
(第2実施形態)
図6の(a)〜(c)は第2実施形態に係る支持部材32によるミラーMの固定が解除される様子を時系列で示す図である。本実施形態の支持部材32は、スペーサカバー(収容部材)35と弾性部材351とを含む。図6の(a)は、スペーサ33が固相の状態でミラーMを支持している状態を示す図である。図6の(b)は、スペーサ33が液相へ相変化してミラーMの支持が解除される様子を示す図である。図6の(c)は、スペーサ33の相変化が終わり、ミラーMの支持が解除されている様子を示す図である。
(Second Embodiment)
FIGS. 6A to 6C are diagrams showing, in chronological order, how the mirror M is unfixed by the
スペーサカバー35は、スペーサ33とミラーMとの間に配置される。スペーサカバー35と支持部材32とは、弾性部材351により連結される。スペーサカバー35の物体側の面とは反対側の面(支持部材側の面)には、開口部が備えられ、支持部材32は、この開口部からスペーサ33に接触し、スペーサ33およびスペーサカバー35を介してミラーMを支持する。本実施形態では、弾性部材351はばねであり、図6の(a)のミラーMを固定する状態において、スペーサカバー35に対し支持部材32に向けて力を与える弾性力(復元力)を蓄積している。図6の(a)では、スペーサ33が固体であり、弾性部材351の弾性力によりスペーサカバー35は移動しない。図6の(b)では、スペーサ33が温度上昇により溶融し、弾性部材351の弾性力により、スペーサカバー35と支持部材32とが離間するように、スペーサカバー35が支持部材32側へ移動し、ミラーMの支持が解除される。図6の(c)では、弾性部材351は元の形状に戻り、弾性力の蓄積はなくなる。
The
本実施形態でも、第1実施形態と同様に支持部材32の支持と支持解除の変化は不可逆である。一旦スペーサ33が溶融して図6の(c)の状態になると、温度が変化してスペーサ33の相が変化しても、スペーサ33が弾性部材351を変形させ、(ばねを伸ばす)スペーサカバー35をミラーM側へ押し戻すような力を生じることはない。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, changes in support and release of the
一方で、溶融したスペーサ33が、空間を浮遊しミラーMに付着することを防止するため、溶融したスペーサ33をスペーサカバー35と支持部材32との間の空間に閉じ込める必要がある。そこで、スペーサカバー35のスペーサ33を収容する容積を液相のスペーサ33の体積以上とする(スペーサ33を収容する容積をV2、液相のスペーサ33の体積をV1と表す)。これにより、図6の(c)のようにスペーサ33の相変化が完了しても、スペーサ33はスペーサカバー35と支持部材32との間の空間に閉じ込められる。なお、V1≦V2とできない場合であっても、支持部材32に図4のような複数の空洞部321を備えることでスペーサ33の漏れを防ぐこともできる。
On the other hand, in order to prevent the melted
第1実施形態と同様に、スペーサ33を能動的に加熱して昇温させても良い。この場合も、ミラーMの支持と支持解除は不可逆である。図7は、発熱部36を備える保持機構3の構造を示す図である。発熱部36を備える場合に、図6の(c)の状態からスペーサ33が相変化しても、スペーサ33が弾性部材351を変形させてスペーサカバー35をミラーM側へ押し戻すような力を生じることはない。本実施形態による保持装置1も、第1実施形態と同様の効果を奏する。
Similarly to the first embodiment, the
(第3実施形態)
図8は、第3実施形態にかかる保持装置1の構成を示す概略図である。本実施形態は、昇華性を有する材料を用いたスペーサ37を用いる。代表的な昇華性を有する材料としてはヨウ素が挙げられる。また、本実施形態の保持機構3は、飛散防止部38とコールドとラップ39と、を備える。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of the holding
スペーサ37が昇華して気体(気相の状態)となると、支持部材32によるミラーMの支持が解除される。一方で昇華したスペーサ37が空間を浮遊しミラーMに付着することが懸念される。そこで、飛散防止部38およびコールドトラップ(捕捉部材)39により、昇華したスペーサ37がミラーMへ付着することを防止する。飛散防止部38は、ミラーMとスペーサ37との間に配置され、昇華したスペーサ37がコールドトラップ39に導かれるような形状をしている。コールドトラップ39は、ミラーMから離れた位置に設けられ、昇華したスペーサ37を冷却して捕捉する。飛散防止部38は、ミラーMの変形を防止するため柔軟な材料で作成され、スペーサ37が昇華した後はミラーMと支持部材32との間に挟まれる。
When the
図9は、図6に示す第2実施形態のような構成の保持機構3に本実施形態の昇華性スペーサ37を用いた場合の保持機構3の構造を示す図である。この場合、スペーサカバー35と支持部材32との間の空間により飛散防止部38は不要となる。また、当該空間から流出しうるスペーサ37を補足する、コールドトラップ39が当該空間の開口部に配置される。本実施形態による保持装置1も、第1実施形態と同様の効果を奏する。
FIG. 9 is a view showing the structure of the
なお、上記実施形態では、光学素子としてミラーである例を示したが、例えばレンズや、平行平板ガラス、プリズム、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、バイナリオプティックス、ホログラムのいずれかであってもよい。また、光学素子以外の物体を保持する保持装置にも本発明は適用可能である。上記実施形態では、支持部材32は、ミラーMを側面から固定していたが、保持部31が保持する面と同じ面からミラーMを固定しても良い。また、上記では、支持部材が複数の空洞部を有する例を示したが、空洞部がひとつであってもよい。
In the above embodiment, an example in which a mirror is used as an optical element has been described. However, for example, any of a lens, a parallel plate glass, a prism, a Fresnel zone plate, a kinoform, a binary optics, and a hologram may be used. The present invention can also be applied to a holding device that holds an object other than an optical element. In the embodiment described above, the
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
(Other embodiments)
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
1 保持装置
3 保持機構
31 保持部
32 支持部材
33 スペーサ
M1 主鏡
DESCRIPTION OF
Claims (17)
支持部材と、
前記物体と前記支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、
前記支持部材は、前記スペーサを介して前記物体を支持し、
前記スペーサは、固相から液相へ相変化する材料から構成され、前記スペーサが前記相変化することで前記支持が解除されることを特徴とする保持装置。 A holding device for holding an object,
A support member;
A spacer disposed between the object and the support member,
The support member supports the object via the spacer;
The spacer is made of a material that changes phase from a solid phase to a liquid phase, and the support is released when the spacer changes the phase.
前記収容部材は、前記物体と前記支持部材との間に配置され、前記支持部材側の面に開口部を有し、
前記収容部材と前記支持部材とは、弾性部材により連結され、
前記支持部材は、前記収容部材の前記開口部から前記スペーサに接触し、当該スペーサおよび前記収容部材を介して前記物体を支持し、
前記スペーサが前記相変化することで、前記弾性部材の復元力により前記収容部材と前記物体とが離間するように前記収容部材が前記支持部材に向かって移動して、前記支持が解除されることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載の保持装置。 A housing member for housing the spacer;
The housing member is disposed between the object and the support member, and has an opening on a surface on the support member side,
The housing member and the support member are connected by an elastic member,
The support member is in contact with the spacer from the opening of the storage member, and supports the object via the spacer and the storage member.
When the spacer changes in phase, the housing member moves toward the support member so that the housing member and the object are separated by the restoring force of the elastic member, and the support is released. The holding device according to any one of claims 1 to 4.
支持部材と、
前記物体と前記支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、
前記支持部材は、前記スペーサを介して前記物体を支持し、
前記スペーサは、固相から気相へ相変化する材料から構成され、前記スペーサが前記相変化することで前記支持が解除されることを特徴とする保持装置。 A holding device for holding an object,
A support member;
A spacer disposed between the object and the support member,
The support member supports the object via the spacer;
The spacer is made of a material that changes phase from a solid phase to a gas phase, and the support is released when the spacer changes the phase.
前記収容部材は、前記物体と前記支持部材との間に配置され、前記支持部材側の面に開口部を有し、
前記収容部材と前記支持部材とは、弾性部材により連結され、
前記支持部材は、前記収容部材の前記開口部から前記スペーサに接触し、当該スペーサおよび前記収容部材を介して前記物体を支持し、
前記スペーサが前記相変化することで、前記弾性部材の復元力により前記収容部材と前記物体とが離間するように前記収容部材が前記支持部材に向かって移動して、前記支持が解除されることを特徴とする請求項7乃至10のうちいずれか1項に記載の保持装置。 A housing member for housing the spacer;
The housing member is disposed between the object and the support member, and has an opening on a surface on the support member side,
The housing member and the support member are connected by an elastic member,
The support member is in contact with the spacer from the opening of the storage member, and supports the object via the spacer and the storage member.
When the spacer changes in phase, the housing member moves toward the support member so that the housing member and the object are separated by the restoring force of the elastic member, and the support is released. The holding device according to claim 7, wherein:
前記光学素子を保持する請求項1乃至14のうちいずれか1項に記載の保持装置と、
を有することを特徴とする光学装置。 An optical element;
The holding device according to any one of claims 1 to 14, which holds the optical element;
An optical device comprising:
前記制御部は、前記移動体制御部の出力に基づいて、前記発熱部を制御することを特徴とする請求項16に記載の移動体。
A moving body control unit for controlling the operation of the moving body;
The mobile body according to claim 16, wherein the control section controls the heat generating section based on an output of the mobile body control section.
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CN108957685A (en) * | 2018-08-31 | 2018-12-07 | 北京空间机电研究所 | A kind of mirror support fixing means |
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