JP2019182097A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】擾乱の発生や迷光を抑制しつつ、電力リソースを有効活用でき、機器の経年劣化を抑制可能な光学装置を提供する。【解決手段】宇宙機に搭載され、光を入射する開口２０を備える光学装置であって、開口にはシャフトを中心に回動する複数のブレード６ａ、６ｂ、６ｃと、複数のブレードを、温度変化に応じて回動させる駆動手段と、駆動手段の温度を制御する温度制御手段とが備えられ、開口は、複数のブレードが回動することによって閉鎖と開放がなされ、ブレードの面には黒色の多層インシュレータが固定される。【選択図】図１

Description

この発明は、人工衛星等の宇宙機に搭載される光学装置に関するものであり、特に、光学装置を設置した容器の開口部分に、角度調整が可能なブレードを設けた光学装置に関するものである。

従来、宇宙空間における熱環境から人工衛星等の宇宙機を守る熱制御装置の一手段としてサーマルルーバが使用されてきた。周囲の温度変化に応じて伸縮するバイメタル駆動部により、ブレードと称される熱遮蔽板を回動させることで、宇宙機上に配置される放熱面等に与えられる外部熱入力量を調整している。
このバイメタル駆動部によりブレードを回動させる構成では、ブレードが全開となる状態とブレードが全閉となる状態とで設定温度幅が小さい場合、回動させる構成自体が大きくなり、ブレードの開閉を精度よく制御することが難しい。また、周囲の温度変化がバイメタル駆動部に伝わって実際に伸縮するまでには時間を要するため、温度変動周期が短い場合には対応することが難しい。

従来、係る課題を解決するため、バイメタル駆動部に取付けたヒータにより、バイメタル駆動部の温度を強制的に制御することが提案されている。これにより、ブレードの全開状態と全閉状態の設定温度幅が小さい場合にも対応でき、ブレードの回動動作の所要時間を短くする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５９−１７６２００号公報 特開２０００−２５５５００号公報

このように、従来、発熱機器が搭載される放熱板等への適用を前提とし、外部熱入力量の調整として開閉可能なブレードを用いている。これらのブレードの表面は金属面としている。
一方で、宇宙機には外界を撮像する撮像装置などの光学装置が搭載される場合がある。光学装置を使用した測定では迷光を除く必要があるが、迷光を生じる表面のブレードは採用できないという課題があった。

一般に光学装置は所定の温度の範囲内で使用することが必要であり、撮像装置などの光学装置が宇宙空間に露出する配置になっている場合には、光学装置を所定の温度範囲に収めるために大容量のヒータによる加熱が必要になる。大容量のヒータの使用は、宇宙機全体の電力リソースを圧迫するという課題があった。

また、コンタミネーション源および放射線が宇宙機内部に侵入することにより、宇宙機に搭載した光学装置の経年劣化が進行するため、宇宙機に搭載する光学装置に対する耐環境要求条件が厳しくなるという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、擾乱の発生や迷光を抑制しつつ、電力リソースを有効活用でき、機器の経年劣化を抑制可能な光学装置を提供することを目的とする。

この発明に係る光学装置は、宇宙機に搭載され、光を入射する開口を備える光学機器であって、前記開口には、シャフトを中心に回動する複数枚のブレードと、前記ブレードを、温度変化に応じて回動させる駆動手段と、前記駆動手段の温度を制御する制御手段とを備え、回動により前記複数枚のブレードが面一となると、前記開口は前記面一となった複数枚のブレードにより閉鎖され、前記ブレードの両面には黒色の多層インシュレータが固定される。

この発明に係る光学装置によれば、黒色の多層インシュレータを配した複数枚のブレードを設けることで迷光を抑制でき、光学装置等の使用時以外はブレードを閉じることで宇宙機内部の保温性が高まり、内部機器の温度維持に必要な電力量を削減することができる。また、ブレードを閉じることで、コンタミネーション源および放射線が宇宙機内部に侵入する確率が小さくなるため、機器の耐環境条件を緩和することができる。さらに、ブレードの開閉にはモータ等の振動源となる駆動機構を含まないため、擾乱に対する条件が厳しい宇宙機にも適用可能である。

実施の形態１に係る宇宙機に搭載する光学装置の斜視図の一例である。 実施の形態１に係る光学装置（図１）のＢ-Ｂ位置での断面図である。 実施の形態１に係る光学装置（図１）のＣ-Ｃ位置での断面図である。 実施の形態１に係る光学装置の断面図（図３）におけるＤ部分の拡大図である。 実施の形態１に係る光学装置において、撮像時の状態を説明する図である。 実施の形態１に係る光学装置の撮像動作を説明するフロー図である。 実施の形態１に係る光学装置において、非撮像時の状態を説明する図である。 実施の形態１に係る光学装置の非撮像動作を説明するフロー図である。 従来の宇宙機に搭載する光学装置の斜視図である。 従来の宇宙機に搭載する光学装置（図８）のＡ-Ａ位置での断面図である。

実施の形態１．
以下、図を参照しながら実施の形態１に係る光学装置を説明する。
図１は、実施の形態１に係る宇宙機（図示せず）に搭載する光学装置１００の斜視図である。図１において、６ａ、６ｂ、６ｃは各々板状のブレードであり（以下、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃの間で区別が不要な場合は単にブレード６とする）、７ａ、７ｂ、７ｃは後述する駆動コイル９を格納するハウジングであり（区別が不要な場合は単にハウジング７とする）、各々ブレード６ａ、６ｂ、６ｃと対応して設けられている。８は光学装置１００に光が入射する入射口となる開口２０側に設けられたフレームである。２は内部に光学部品１を設置したフードであり、筒状の容器となっている。なお、図１では３枚のブレードを用いているが、３枚は複数枚の一例である。このようにブレードは３枚に限られるものではなく、１枚以上であればよい。

図２は、図１中に示した光学装置１００のＢ-Ｂの位置での断面図である。光学装置１００の筒状外側枠となるフード２の内部には、光学部品１が設置されている。光学部品１は例えばレンズやミラーのほか、撮像素子や、撮像素子を駆動させる電子回路部品なども含まれる。フレーム８は、中央部分に丸穴が開けられた円形状の板であり、中央部分の丸穴を通して撮像対象からの光が入射される。この中央部分の丸穴を開口２０と言う。

開口２０には３枚のブレード６（ブレード６ａ、６ｂ、６ｃ）が設置される。ブレード６ａ、６ｂ、６ｃは各々、シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃを中心に回転可能であり、シャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々は、開口２０に対して垂直に立てられた板状のフレーム８の通し孔を通り、シャフト１０の一端は各々ハウジング７ａ、７ｂ、７ｃ内に挿入される。

３枚の回動可能なブレード６ａ、６ｂ、６ｃは、角度を開口２０の面に揃えると一枚の平板となり、開口２０と略同じ形状となって光学装置１００の開口２０を閉じる構成となっている。

図９は従来の装置で、宇宙機に搭載する従来の光学装置２００の斜視図である。図１０は図９で示した従来の光学装置２００のＡ-Ａ位置での断面図である。
宇宙空間におかれた従来の光学装置２００は装置外部から熱入力３、コンタミネーション源４、放射線５を受けるが、従来の光学装置２００では光学部品１は宇宙空間に露出する配置になっているため、装置外部からの熱入力３を受けて光学部品１の温度に変動が生じる。また、コンタミネーション源４および放射線５が宇宙機内部に侵入することにより、光学部品１を含む従来の光学装置２００には経年劣化が進行する。

これに対して、実施の形態１に係る光学装置１００（図１、図２）は開口２０に３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを備えており、状況に応じてこの３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃの回転角度の制御を行う。これにより、光学装置１００を使用しないとき、すなわち、非撮像時には開口２０をブレード６ａ、６ｂ、６ｃで遮蔽することにより、内部に光学部品１を有する光学装置１００を温度変動や経年劣化から守ることが可能となる。
一方、光学装置１００を使用するとき、すなわち、撮像時には３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを回転させて開口２０を解放することにより撮像が可能となる。
ここで、本実施の形態では、複数枚（３枚）のブレードを用いて、撮像時と非撮像時で開口２０の解放と遮断を行うようにしているので、１枚のブレードで開口２０の解放と遮断を行う場合よりも小さい回転力でよく、駆動コイル７を小型化できる。

光学装置１００内部の光学部品１を含む光学系は、撮像の際に、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃが障害にならないように予め光学系が設計される。

次に、実施の形態１に係る光学装置１００に設けたブレード６ａ、６ｂ、６ｃの回転制御について説明する。
以下の例では、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃが、同じ回転方向、同じ角度で回転する場合を説明するが、用途に応じて異なる回転方向、異なる角度でこれら３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを回転させるようにしてもよい。
図３は図１の光学装置１００において、ハウジング７ｂを含むＣ-Ｃ位置での断面図である。ハウジング７ｂの内部には駆動コイル９ｂが格納されており、駆動コイル９ｂがブレード６ｂを回転方向に駆動させる。駆動コイル９は駆動手段の一例である。

図４は、図３中に円で印したＤ箇所の拡大図である。
図４において、ブレード６ｂは駆動コイル９ｂおよびシャフト１０ｂが取り付けられている。駆動コイル９ｂはバイメタルや形状記憶合金等で形成された駆動コイルであり、片端はヒータ１１ｂに熱的に固定され、他端は駆動コイルの中心位置に設けられた回転可能なシャフト１０ｂに固定される。ヒータ１１ｂは、断熱材１２ｂを介してフード２に固定される。駆動コイル９ｂの駆動源となる温度変化は、ハウジング７ｂ内部に配置するヒータ１１ｂにより供給される。また、ヒータ１１ｂの近傍には図示しない温度センサーが設けられる。
ヒータ１１、温度センサ、ヒータ制御部は温度制御手段の一例である。

図４でハウジング７ｂは駆動コイル９ｂを外部環境から断熱する目的で設置されている。ハウジング７ｂとフード２ｂの間には、ヒータ１１ｂによる発熱がフード２に拡散することを防ぐため、断熱材１２ｂが配置されている。
ヒータ１１ｂはヒータ制御部５０に接続されており、制御プログラムによりヒータ１１ｂの温度を設定することが可能である。

光学装置１００を動作させるにあたり、予め、ヒータ１１ｂの温度と、ヒータ１１ｂと接続されたブレード６ｂが開く開閉角度とを関連付けした温度相関データ８０（図示せず）を作成しておき、作成した温度相関データ８０はヒータ制御部５０に格納しておく。
ヒータ制御部５０は、光学装置１００が搭載される衛星の全体動作を制御する制御部６０と接続され、制御部６０からの指示を受けて、必要に応じて撮像を行う。

図４の構成において、光学装置１００が置かれる外部環境やヒータ１１ｂによって駆動コイル９ｂの温度が変化すると、駆動コイル９ｂには回転力が生じる（例えば、特許文献２参照）。駆動コイル９ｂにより生じた回転力はシャフト１０を回転させ、シャフト１０に固定されたブレード６ｂを回動させる。

なお上記では、ハウジング７ｂに納められた駆動コイル９ｂにより回動するブレード６ｂの例について説明したが、他のブレード６ａ、６ｃや、他のハウジング７ａ、７ｃに納められた駆動コイル９ａ、９ｃも同様の構造を有して、同様の動作を行う。

ここで、ブレード６の表面処理について説明する。
実施の形態１に係る光学装置では、図４のように黒色の多層インシュレータ１３がブレード６の両面に設けられる。多層インシュレータ１３は断熱材であり、ＭＬＩ（Multi Layer Insulation。多層断熱材）とも呼ばれる。
一般に、ＭＬＩの外表面は耐紫外線や耐放射線等のためポリイミド系フィルムを使用することがあり、黄色いフィルムにアルミを蒸着しているため金色に見える。このようなＭＬＩのほか、効率的に赤外光を放射できるよう、赤外放射率が大きい黒色塗装を施したＭＬＩもある。
実施の形態１に係るブレード６では、表面処理として黒色の多層インシュレータ１３をブレード６の表面に固定している。固定は接着剤を用いた接着のほか、面ファスナーを用いて多層インシュレータ１３の裏面側とブレード６の表面とを固定するようにしてもよい。

次に、本実施の形態に係る光学装置１００の撮像開始時の動作、撮像終了時の動作について図５〜図８を用いて説明する。

まず、撮像開始時の光学装置１００の動作について説明する。
図５は撮像時の光学装置１００の断面図、図６は撮像時の動作フローを説明する図である。

撮像開始時、衛星全体の動作を制御する本体制御部１０００（図示せず）が、光学装置１００のヒータ制御部５０および撮像制御部５５に向けて撮像開始を指示する撮像開始信号５００を出力する（図６のステップＳ０１）。

撮像開始信号５００を受信したヒータ制御部５０は、送受信を行う構成のほか、ヒータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ（以下、特に区別する必要がない場合はヒータ１１とする）に設定温度を指示する温度制御部５１やデータを記憶する記憶部５２を備える。記憶部５２には、接続するヒータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃのヒータ温度と、各ヒータがヒータ温度に設定されたときの対応するブレード６ａ、６ｂ、６ｃの開閉角度との関連付けを表示したブレード角度相関データＤ１００が格納されている。ブレード角度相関データＤ１００はヒータ１１、ブレード６ごとに予め計測していたデータである。
撮像開始信号５００を受信すると、ヒータ制御部５０の温度制御部５１はブレード角度相関データＤ１００にアクセスし、ブレード角度相関データＤ１００に基づいて、所望のブレードの角度に関連付けされたヒータ１１の温度（ＴＯ）を抽出する（Ｓ０２）。
ここで所望のブレードの角度は例えば光学装置１００が受光可能となる角度であり、例えばフード２の上面に対して９０度となる角度である。
ヒータ制御部５０は、ヒータ１１の温度を抽出した温度（ＴＯ）に設定する（Ｓ０３）。
ヒータ１１の温度が抽出した温度（ＴＯ）に制御されると、ヒータ制御部５０は設定完了信号５１０を本体制御部１０００に出力する（Ｓ０４）。
本体制御部１０００は光学装置に対して撮像指示を出力する（Ｓ０５）。
このとき、図５で示した３つ設けられたブレードは、駆動コイル９の回転方向の駆動により解放状態となる。

このとき、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各ブレードの両表面には黒色の多層インシュレータ１３（多層インシュレータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）が設けられているため、光学部品１の入射光側にブレードがある場合でも、ブレード表面による反射などの迷光の影響を抑えて、精度のよい光学情報を取得できる。
このように、ブレード６を開いている状態でも、ブレード上の可視光反射率が小さいため、光学装置１００への迷光の影響を小さくすることができる。

また、撮像開始直前まで、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各ブレードは開口面を閉じる状態であったため、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃが有する断熱材の効果によって、フード２内部は予め所定の温度範囲内にあるため、大容量のヒータによる加熱は必要なく宇宙機全体の電力リソースを圧迫することが抑えられる。

また、撮像開始直前まで、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各ブレードは開口面を閉じる状態であったため、コンタミネーション源および放射線がフード２内部に侵入することにより、光学装置の経年劣化が進行させるということもない。

次に、非撮像時について説明する。
図７は、非撮像時の光学装置を説明する図、図８は、撮像が終了して非撮像の状態にする動作フローを説明する図である。

撮像が終了すると、本体制御部１０００（図示せず）が、光学装置１００のヒータ制御部５０および撮像制御部５５に向けて撮像終了を指示する撮像終了信号５０１を出力する（図８のステップＳ１１）。
ヒータ制御部５０は撮像終了信号５０１を受信すると、前述のブレード角度相関データＤ１００（Ｓ１２）にアクセスし、ブレード６が閉状態となる角度に関連付けされたヒータ１１の温度（ＴＳ）を抽出する（Ｓ１２）。
ヒータ制御部５０は、抽出した温度（ＴＳ）になるようにヒータ１１を制御する（Ｓ１３）。
温度（ＴＳ）に制御された駆動コイル９ａ、９ｂ、９ｃは、前述の通りシャフト１０ａ、１０ｂ、１０ｃに各々固定された各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを回動させる。
温度（ＴＳ）では３つ設けられたブレード６ａ、６ｂ、６ｃは、図７に示す通りフード２を閉状態とする。
ヒータ制御部５０は、ヒータ１１の温度が所望の温度（ＴＳ）に制御されると、設定完了信号５１０を本体制御部１０００に出力し、撮像を終了する（Ｓ１４）。

このように本光学装置によれば、多層インシュレータをブレード表面に設けたブレード６（３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃ）を用いているため、光学装置の開口を閉じた状態では、宇宙機内部の熱結合が大きくなり、光学系の温度の安定化を図ることができる。
光学系の温度の安定化により大容量のヒータは不要となり、宇宙機の電力リソースを有効活用することが可能となる。

また、ブレード６により光学装置の開口を閉じている状態では、コンタミネーション源および放射線がフード２内部に侵入することがないため、光学装置の経年劣化の進行を抑えることができる。

また、多層インシュレータは黒色のものを用いているため、撮像の際には反射や迷光の影響を抑えることができる。

また、本光学装置によれば、フード上に配置されハウジング内部の駆動コイルにより、ブレード６を回動させるので、モータ等の振動源となる駆動機構は不要であり、擾乱要求条件が厳しい宇宙機にも適用できる。
また、複数枚のブレードを用いて個々のブレードのサイズを小さくしたため、ブレードを回動する駆動コイルのサイズを小さくでき、装置の小型化が可能となる。

１ 光学部品、２ フード、３ 熱入力、４ コンタミネーション源、５ 放射線、６ ブレード、７ ハウジング、８ フレーム、９ 駆動コイル、１０ シャフト、１１ ヒータ、１２ 断熱材、１３ 多層インシュレータ、２０ 開口、５０ ヒータ制御部、５１ 温度制御部、５２ 記憶部、５５ 撮像制御部、６０ 制御部、１００ 光学装置、２００ 従来の光学装置、５００ 撮像開始信号、５０１ 撮像終了信号、５１０ 設定完了信号、１０００ 本体制御部、Ｄ１００ ブレード角度相関データ。

Claims (3)

1. 宇宙機に搭載され、光を入射する開口を備える光学装置であって、
   前記開口には、
   シャフトを中心に回動する複数のブレードと、
   複数の前記ブレードを、温度変化に応じて回動させる駆動手段と、
   前記駆動手段の温度を制御する温度制御手段と、
   が備えられ、
   前記開口は、複数の前記ブレードが回動することによって閉鎖と開放がなされ、
   前記ブレードの面には黒色の多層インシュレータが固定される、
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記駆動手段は、バイメタルの材料からなり温度に応じて伸縮するコイルを備える、
   ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 前記温度制御手段は、前記駆動手段の温度と、前記温度における前記ブレードの回転方向の角度を関連付けした相関データを備え、
   前記温度制御手段は、前記相関データを用いて、所望の前記ブレードの角度に関連付けされた前記駆動手段の温度を抽出し、
   抽出した前記温度に前記駆動手段の温度に制御して前記ブレードの角度を所望の角度に制御する、
   ことを特徴とする請求項２記載の光学装置。

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