JP2020124068A - Displacement magnification device with variable and zero thermal expansion and variable shape secondary mirror unit including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は可変熱膨張及びゼロ熱膨張を有する変位拡大装置及びこれを用いた形状可変副鏡ユニットに関する。 The present invention relates to a displacement magnifying device having variable thermal expansion and zero thermal expansion, and a variable shape secondary mirror unit using the same.
図11は本発明が適用される形状可変副鏡を有する電波天文衛星を示す概略図である。 FIG. 11 is a schematic diagram showing a radio astronomy satellite having a deformable secondary mirror to which the present invention is applied.
図11において、電波天文衛星は、給電部101aを有する本体101、主鏡102、主鏡102の焦点に配置された形状可変副鏡ユニット103、太陽電池パネル104等によって構成されており、天体からの電波は主鏡102で一度反射され、形状可変副鏡ユニット103でさらに反射され、本体101の給電部101aに導かれるようになっている。この電波天文衛星においては、軌道上での主鏡102の変形等によって生じる電波の位相誤差(行路誤差)を低減するために、形状可変副鏡ユニット103が利用される。尚、主鏡102に形状可変鏡を導入すると、大型展開鏡に形状調整用アクチュエータのハーネス等を組込むために信頼性の低下を招く。
In FIG. 11, the radio astronomy satellite is composed of a main body 101 having a
図12は図11の主鏡102及び形状可変副鏡ユニット103の動作を説明するための図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of the
図12の(A)に示すごとく、行路誤差のない電波R1は主鏡102を反射し、さらに形状可変副鏡ユニット103を反射して本体101の給電部101aに向う。このとき、図12の(B)に示すごとく、主鏡102の鏡面温度がたとえば−157℃〜116℃変化して主鏡102が変形すると、主鏡102から形状可変副鏡ユニット103を介して本体101の給電部101aに向う電波R2に行路誤差が発生する。これに対し、図12の(C)に示すごとく、電波R2における行路誤差を給電部101aにおける伝播ホログラフィ法、主鏡102の光学的形状計測法等によって計測して形状可変副鏡ユニット103を用いて電波R2を補正し、この結果、形状可変副鏡ユニット103に向う補正された電波R3に行路誤差がなくなる。
As shown in FIG. 12A, the radio wave R1 having no path error is reflected by the
図11の形状可変副鏡ユニット103は、共通ベース、形状可変鏡、及び共通ベースと形状可変鏡との間に設けられた複数の変位拡大装置によって構成される(参照:図8)。
The variable shape
図13は圧電アクチュエータ及び2段の変位拡大機構を有する第1の従来の変位拡大装置を示し、(A)は平面図、(B)は側面図である(参照:特許文献1)。 13A and 13B show a first conventional displacement magnifying apparatus having a piezoelectric actuator and a two-stage displacement magnifying mechanism. FIG. 13A is a plan view and FIG. 13B is a side view (see Patent Document 1).
図13において、変位拡大装置は、門形固定基部201、門形固定基部201の底部に一端が接続された圧電アクチュエータ202、門形固定基部201の脚部にヒンジ部201aを介して接続され、かつ圧電アクチュエータ202の他端に第1の遊端部201bを介して接続された1対のL字状アーム(第1の変位拡大機構)203、L字状アーム203の第2の遊端部201c間に接続された帯板状の座屈ばね(第2の変位拡大機構)204、及び座屈ばね204の中央部に形成された変位出力部205によって構成されている。
In FIG. 13, the displacement magnifying apparatus is connected to the gate-shaped
図13の変位拡大装置においては、圧電アクチュエータ202が矢印X1のごとく伸縮すると、L字状アーム203の第1の遊端部201b及び第2の遊端部201cがヒンジ部201aを中心として「てこ」の原理に基づいて矢印X2、X3のごとく回転する。従って、変位出力部205が矢印X4に示すごとく、上下変動する。この結果、圧電アクチュエータ202の長さL1の変位ΔL1に対して変位出力部205の高さL2の変位ΔL2は拡大されることになる。
In the displacement enlarging device of FIG. 13, when the piezoelectric actuator 202 expands and contracts as shown by the arrow X1, the first
図13の変位拡大装置においては、熱膨張による拡大変位量Nは次式で表せる。
N=K1・(α1−α2)+K2・(α3−α2)
但し、K1は第1の変位拡大機構(L字状アーム203)の熱膨張による拡大変位量
K2は第2の変位拡大機構(座屈ばね204)の熱膨張による拡大変位量
α1は圧電アクチュエータ202の熱膨張係数
α2は第1の変位拡大機構(L字状アーム203)の熱膨張係数
α3は第2の変位拡大機構(座屈ばね204)の熱膨張係数
ここで、|K1・(α1−α2)+K2・(α3−α2)|≦20ppm/Kが成立するように各部材を選定する。たとえば、圧電アクチュエータ202のセラミックの熱膨張係数α1=−4.4ppm/K、L字状アーム203の工具用鋼(SKD)の熱膨張係数α2=13ppm/K、座屈ばね204のリン青銅の熱膨張係数α3=18ppm/Kの場合、
室温から80℃まで温度上昇させてN=+10μm
となる。
In the displacement enlarging device of FIG. 13, the enlarging displacement amount N due to thermal expansion can be expressed by the following equation.
N=K 1 ·(α 1 −α 2 )+K 2 ·(α 3 −α 2 ).
However, K 1 is the expanded displacement amount due to the thermal expansion of the first displacement magnifying mechanism (L-shaped arm 203) K 2 is the expanded displacement amount α 1 due to the thermal expansion of the second displacement magnifying mechanism (buckling spring 204) The coefficient of thermal expansion α 2 of the piezoelectric actuator 202 is the coefficient of thermal expansion of the first displacement magnifying mechanism (L-shaped arm 203) α 3 is the coefficient of thermal expansion of the second displacement magnifying mechanism (buckling spring 204) where | Each member is selected so that K 1 ·(α 1 −α 2 )+K 2 ·(α 3 −α 2 )|≦20 ppm/K holds. For example, the coefficient of thermal expansion α 1 =−4.4 ppm/K of the ceramic of the piezoelectric actuator 202, the coefficient of thermal expansion α 2 =13 ppm/K of the tool steel (SKD) of the L-
Raise the temperature from room temperature to 80℃ and N=+10μm
Becomes
このように、図13に示す第1の従来の変位拡大装置によれば、2段の熱変形の拡大がそれぞれを相殺するようにその各素材を選定することで低熱膨張を実現できる。 As described above, according to the first conventional displacement magnifying apparatus shown in FIG. 13, low thermal expansion can be realized by selecting the respective materials so that the expansion of the two stages of thermal deformation cancels each other.
しかしながら、図13に示す第1の従来の変位拡大装置においては、圧電アクチュエータ202は応答性が良く、低消費電力という長所を有するが、圧電アクチュエータ202の部品数が多く、この結果、信頼性が劣る。また、圧電アクチュエータ202の熱膨張係数α1を小さくすると共に、第1、第2の変位拡大機構の熱膨張係数α2、α3も小さくしなければならない。従って、高熱膨張係数の部材を用いた変位拡大装置には適さない。 However, in the first conventional displacement magnifying apparatus shown in FIG. 13, the piezoelectric actuator 202 has the advantages of good responsiveness and low power consumption, but the piezoelectric actuator 202 has a large number of parts, resulting in high reliability. Inferior. Further, the thermal expansion coefficient α 1 of the piezoelectric actuator 202 must be reduced, and the thermal expansion coefficients α 2 and α 3 of the first and second displacement magnifying mechanisms must also be reduced. Therefore, it is not suitable for a displacement magnifying device using a member having a high thermal expansion coefficient.
第2の従来の変位拡大装置は、熱膨張アクチュエータ及び1段の変位拡大機構を有する(参照:非特許文献1)。この場合、熱膨張アクチュエータは高熱膨張係数のたとえばアルミニウム合金(A5052)及びアルミニウム合金の外周に設けられたシリコーンゴムヒータにより構成する。従って、熱膨張アクチュエータは部品数が少なく、この結果、信頼性が高くなる。 The second conventional displacement magnifying device has a thermal expansion actuator and a one-stage displacement magnifying mechanism (see Non-Patent Document 1). In this case, the thermal expansion actuator is composed of, for example, an aluminum alloy (A5052) having a high coefficient of thermal expansion and a silicone rubber heater provided on the outer periphery of the aluminum alloy. Therefore, the thermal expansion actuator has a small number of parts, resulting in high reliability.
上述の第2の従来の変位拡大装置においては、熱膨張アクチュエータは高熱膨張係数たとえば23.8ppm/Kのアルミニウム合金(A5052)よりなり、1段の変位拡大機構は低熱膨張係数たとえば0.02ppm/Kのインバー(IC−LTX)よりなり、従って、周囲環境の温度変化によって、高熱膨張係数の部材の熱変形の変位を、低熱膨張係数の変位拡大機構が拡大してしまい、低熱膨張が実現できないという課題がある。 In the above second conventional displacement magnifying device, the thermal expansion actuator is made of an aluminum alloy (A5052) having a high thermal expansion coefficient, for example, 23.8 ppm/K, and the one-stage displacement magnifying mechanism has a low thermal expansion coefficient, for example, 0.02 ppm/K. K invar (IC-LTX). Therefore, the displacement of the thermal expansion of the member having a high coefficient of thermal expansion is expanded by the displacement magnifying mechanism having a low coefficient of thermal expansion due to the temperature change of the surrounding environment, and the low thermal expansion cannot be realized. There is a problem called.
上述の課題を解決するために、本発明に係る変位拡大装置は、伸縮可能なアクチュエータと、アクチュエータの底部に固定された底部ベースと、アクチュエータの上部に固定された上部ベースと、底部が底部ベース上に設けられ、中間部が上部ベースに懸垂された変位拡大機構と、変位拡大機構に設けられ、上部ベース上に位置する変位出力ブロックとを具備し、変位拡大率Kの変位拡大装置に対して、見かけ上の熱膨張係数A[ppm/K]の要求がある時に、以下の式からγ1、γ2を設計することでAを可変に設計できるようにした。
A=K・(L1/L2)・γ1−(K・(L1/L2)−1)・γ2
In order to solve the above-mentioned problems, a displacement magnifying apparatus according to the present invention is capable of expanding and contracting an actuator, a bottom base fixed to the bottom part of the actuator, an upper base fixed to the upper part of the actuator, and a bottom base. A displacement magnifying device having a displacement magnifying power K, which includes a displacement magnifying mechanism which is provided above and an intermediate portion of which is suspended from an upper base, and a displacement output block which is provided on the displacement magnifying mechanism and is located on the upper base. Then, when the apparent thermal expansion coefficient A [ppm/K] is required, A can be variably designed by designing γ 1 and γ 2 from the following equations.
A=K·(L 1 /L 2 )·γ 1 −(K·(L 1 /L 2 )−1)·γ 2
また、本発明に係る形状可変副鏡ユニットは、共通ベースと、形状可変鏡と、共通ベースと形状可変鏡との間に設けられた上述の変位拡大装置とを具備するものである。 The variable shape secondary mirror unit according to the present invention includes a common base, a variable shape mirror, and the above-described displacement magnifying device provided between the common base and the variable shape mirror.
本発明によれば、高熱膨張係数のアクチュエータ部材であっても、変位拡大機構をより大きい高熱膨張係数の部材とすることによって低熱膨張を実現できる。 According to the present invention, even with an actuator member having a high coefficient of thermal expansion, low thermal expansion can be realized by using a member having a larger coefficient of high thermal expansion as the displacement magnifying mechanism.
本発明の実施の形態の説明の前に比較例としての変位拡大装置を説明する。 Before describing the embodiments of the present invention, a displacement magnifying device as a comparative example will be described.
図1は第1の比較例としての変位拡大装置を示す側面図である。 FIG. 1 is a side view showing a displacement magnifying apparatus as a first comparative example.
図1において、伸縮可能な圧電アクチュエータ1はステンレス(熱膨張係数17.3ppm/K)よりなるケース1aに収容されて低熱膨張係数α1=−1.18ppm/Kを有する。圧電アクチュエータ1の底部は底部ベース2に固定され、圧電アクチュエータ1の上部は上部ベース3が固定されている。1対のベースアーム4a、4bは、その底部において底部ベース2に板ばね5a、5bを介して接続され、その中間部において上部ベース3に板ばね6a、6bを介して接続されている。各ベースアーム4a、4bの上部には所定角度で弾力性ブロック7a、7bが固定され、弾力性ブロック7a、7bの間に変位出力ブロック8が設けられている。ベースアーム4a、4bと、弾力性ブロック7a、7bとは一体成型されているので、1段の変位拡大機構を構成する。これにより、圧電アクチュエータ1の長さL1の変位ΔL1は変位拡大機構(4a、4b;7a、7b)の長さL2の変位ΔL2に拡大される。
In FIG. 1, the expandable
図1においては、ケース1aに収容された圧電アクチュエータ1は熱膨張率−1.18ppm/Kと低く、この場合、変位拡大機構(4a、4b;7a、7b)を熱膨張係数がほぼ0のインバー(IC−ITX)で構成すれば、低熱膨張係数の部材を用いて低熱膨張の変位拡大装置を実現できる。しかし、ケース1aを必要とする等により構造が複雑となる。また、ケース1a(17.3ppm/K)、圧電アクチュエータ1(−1.18)の熱膨張係数の差に起因して、温度変化によって皿ばね1bがケース1から乖離する.
In FIG. 1, the
図2は第2の比較例としての変位拡大装置を示す側面図である。 FIG. 2 is a side view showing a displacement magnifying apparatus as a second comparative example.
図2においては図1のケース1a(ステンレス)の代わりにたとえばゼロ熱膨張係数(0.02ppm/Kのインバ―(IC−LTX))よりなるケース1bを設けると共に、残留する熱膨張係数の差を相殺するために圧電アクチュエータ1と底部ベース2との間に熱膨張調整部材10(熱膨張係数13.6ppm/K)を挿入する。これにより、低熱膨張係数のアクチュエータを用いた低熱膨張の変位拡大装置を実現する。この場合、圧電アクチュエータ1の熱膨張係数α1、熱膨張調整部材10の熱膨張係数α1’に対し、圧電アクチュエータ1の長さL1及び熱膨張調整部材10の長さL1’は、
α1’ /α1=−L1/L1’
を満たすように設計される。この結果、α1=−1.18ppm/K、α1’=13.6ppm/Kとすれば、L1=104mm、L1’=9.02mmとなるが、熱膨張調整部材10のために構造が複雑となり、かつ熱膨張調整部材10の分だけ大型化する。尚、第2の比較例において、圧電アクチュエータ1の代わりに高熱膨張係数のアルミニウム合金よりなる熱膨張アクチュエータを用いた場合、α1=23.8ppm/K、L1=104mmに対し、例えばα1’=−4ppm/Kだと、L1’=619mmとなり、非常に大型化する。従って、高熱膨張係数の部材を用いた低熱膨張の小型の変位拡大装置を実現できない。
In FIG. 2, instead of the
α 1 '/α 1 =-L 1 /L 1 '
Designed to meet. As a result, if α 1 =−1.18 ppm/K and α 1 ′=13.6 ppm/K, L 1 =104 mm and L 1 ′=9.02 mm, but due to the thermal
図3Aは本発明に係る変位拡大装置の実施の形態を示す側面図である。 FIG. 3A is a side view showing an embodiment of the displacement magnifying apparatus according to the present invention.
図3Aにおいては、図2の低熱膨張係数α1の圧電アクチュエータ1の代わりにシリコーンゴムヒータ1’aが巻回された高熱膨張係数γ1の熱膨張アクチュエータ1’を設ける。熱膨張アクチュエータ1’はたとえばγ1=23.8ppm/Kのアルミニウム合金よりなる。また、図2の低熱膨張係数α2’の変位拡大機構(4a、4b;7a、7b)の代わりに高熱膨張係数γ2の変位拡大機構(ベースアーム4a’、4b’;弾力性ブロック7a’、7b’を設ける。ベースアーム4a’、4b’及び弾力性ブロック7a’、7b’は一体成型されたたとえばγ2=27.3ppm/Kのマグネシウム合金(AZ−31)よりなる。この場合、2つの高熱膨張係数γ1、γ2は、
γ1<γ2
を満足する。
In FIG. 3A, a
γ 1 <γ 2
To be satisfied.
尚、図3Aにおける部材は、図3Bに示すごとく、熱膨張アクチュエータ1’及びヒータ1’aを除いた変位拡大機構(4a’、4b’;7a’、7b’)を含めた部材2、3、4a’、4b’、5a、5b、6a、6b、7a’、7b’、8をたとえばマグネシウム合金によって一体成型する。これにより、組立が容易となる。この場合、部材5a、5b、6a、6b、7a’、7b’は薄く、板ばね又は弾力性部材として作用する。
As shown in FIG. 3B, the members in FIG. 3A are
図3Aにおいては、熱膨張アクチュエータ1’が矢印Y1のごとく伸縮すると、変位拡大機構(ベースアーム4a’、4b’及び弾力性ブロック7a’、7b’)は板ばね5a、5bを中心に「てこ」の原理で矢印Y2のごとく回転する。この結果、熱膨張アクチュエータ1’の変位ΔL1は変位拡大機構(4a’、4b’;7a’、7b’)によって拡大されて変位出力ブロック8の変位ΔL2となる。図4、図5を参照して詳細に説明する。
In FIG. 3A, when the thermal expansion actuator 1'expands and contracts as shown by the arrow Y1, the displacement magnifying mechanism (
図4の(A)に示すごとく、長さL1の熱膨張アクチュエータ1’は変位ΔL1で伸縮する。この結果、図4の(B)に示すごとく、変位拡大機構(4a’、4b’;7a’、7b’)の長さL2つまり変位出力ブロック8と底部ベース2との長さ(距離)L2は変位ΔL2で伸縮する。ここで、変位拡大率Kを導入すると、図4の(C)に示すごとく、
ΔL2=K・ΔL1 (1)
と表すことができる。
As shown in FIG. 4A, the
ΔL 2 =K·ΔL 1 (1)
It can be expressed as.
次に、図3Aの変位拡大装置の熱膨張動作を図5を参照して説明する。 Next, the thermal expansion operation of the displacement magnifying apparatus of FIG. 3A will be described with reference to FIG.
図5の(A)に示すごとく、温度変化ΔTに対して長さL1の熱膨張アクチュエータ1’はΔL1だけ伸縮する。
ΔL1=γ1・L1・ΔT (2)
但し、γ1は熱膨張アクチュエータ1’の熱膨張係数。
As shown in FIG. 5A, the
ΔL 1 =γ 1 ·L 1 ·ΔT (2)
However, γ 1 is a thermal expansion coefficient of the
図5の(B)に示すごとく、温度変化ΔTに対して長さL2の変位拡大機構(4a、4b;7a、7b)はΔL2’だけ伸縮する。
ΔL2’=γ2・L1・ΔT (3)
但し、γ2は変位拡大機構(4a’、4b’;7a’、7b’)の熱膨張係数。このとき、γ1=0とすると、熱膨張アクチュエータ1’は変位出力ブロック8及び変位拡大機構(4a、4b;7a、7b)に対して負の熱膨張係数(−γ2)を有するので、ΔL1’だけ伸縮すると言える。
ΔL1’=−γ2・L1・ΔT (4)
As shown in FIG. 5B, the displacement magnifying mechanism (4a, 4b; 7a, 7b) having the length L 2 expands or contracts by ΔL 2 ′ with respect to the temperature change ΔT.
ΔL 2 '=γ 2 ·L 1 ·ΔT (3)
However, γ 2 is the thermal expansion coefficient of the displacement magnifying mechanism (4a′, 4b′; 7a′, 7b′). At this time, if γ 1 =0, the
ΔL 1 '=-γ 2 ·L 1 ·ΔT (4)
従って、図5の(C)に示すごとく、式(2)、(4)より、熱膨張アクチュエータ1’の伸縮量ΔL1は、
ΔL1←ΔL1+ΔL1’
=γ1・L1・ΔT−γ2・L1・ΔT (5)
となり、式(1)、(3)より、‘‘変位拡大装置の変位出力ブロック8における伸縮量ΔL2は、
ΔL2←ΔL2+ΔL2’
=K・ΔL1+γ2・L2・ΔT (6)
となる。従って、式(5)、(6)より、
ΔL2={K・L1・γ1−(K・L1−L2)・γ2}・ΔT (7)
となる。ここで、変位拡大装置の変位出力ブロック8における見かけの熱膨張係数Aを導入すると、
ΔL2=A・L2・ΔT (8)
となる。
Therefore, as shown in (C) of FIG. 5, the expansion/contraction amount ΔL 1 of the
ΔL 1 ← ΔL 1 + ΔL 1 '
=γ 1 ·L 1 ·ΔT-γ 2 ·L 1 ·ΔT (5)
Therefore, according to equations (1) and (3), the expansion/contraction amount ΔL 2 in the
ΔL 2 ←ΔL 2 +ΔL 2 '
=K·ΔL 1 +γ 2 ·L 2 ·ΔT (6)
Becomes Therefore, from equations (5) and (6),
ΔL 2 ={K·L 1 ·γ 1 −(K·L 1 −L 2 )·γ 2 }·ΔT (7)
Becomes Here, when the apparent thermal expansion coefficient A in the
ΔL 2 =A·L 2 ·ΔT (8)
Becomes
式(7)、(8)より、
A=K・(L1/L2)・γ1−(K・(L1/L2)−1)・γ2 (9)
となる。従って、変位拡大機構(4a’、4b’;7a’、7b’)の熱膨張が零となる(A=0)ためには、式(10)が成立する必要がある。
γ2/γ1
=K・(L1/L2)/{K・(L1/L2)−1} (10)
From equations (7) and (8),
A=K·(L 1 /L 2 )·γ 1 −(K·(L 1 /L 2 )−1)·γ 2 (9)
Becomes Therefore, in order that the thermal expansion of the displacement magnifying mechanism (4a′, 4b′; 7a′, 7b′) becomes zero (A=0), the formula (10) needs to be established.
γ 2 /γ 1
=K·(L 1 /L 2 )/{K·(L 1 /L 2 )−1} (10)
式(10)においては、一般的に、K・(L1/L2)>1であるので、上述のごとく、
γ2>γ1
である。式(10)を満足するように、熱膨張係数γ1、γ2及び変位拡大率Kを決定し、見かけ上の熱膨張係数A=0とすることにより、低熱膨張の変位拡大装置を実現できる。たとえば、γ1=23.8ppm/K(A5052)、L1=130mm、L2=165mm、K=10とすれば、式(9)は図6Aのごとく表すことができる。図6Aに示すごとく、熱膨張アクチュエータ1’を高熱膨張材料であるアルミニウム合金(A5052)とした場合、その熱膨張係数γ1は23.8ppm/Kであり、この場合、高熱膨張係数γ2=27.3ppm/Kのマグネシウム合金(AZ−31)を用いれば、見かけ上の熱膨張係数A=0を実現できる。
In the equation (10), K·(L 1 /L 2 )>1 in general, so that, as described above,
γ 2 >γ 1
Is. By determining the thermal expansion coefficients γ 1 and γ 2 and the displacement expansion rate K so as to satisfy the expression (10) and setting the apparent thermal expansion coefficient A=0, a displacement expansion device with low thermal expansion can be realized. .. For example, if γ 1 =23.8 ppm/K (A5052), L 1 =130 mm, L 2 =165 mm, and K=10, the equation (9) can be expressed as shown in FIG. 6A. As shown in FIG. 6A, when the
尚、上述の例において、アルミニウム合金の熱膨張係数の温度依存性は存在する(参照:非特許文献2のp.1632のFigure 1)。他方、電波天文衛星たとえばHALCAの場合、軌道上の変位拡大装置の周辺温度はせいぜい±10℃程度である(参照:非特許文献3)。従って、23〜25ppm/Kのアルミニウム合金に対しては、上述の非特許文献2によれば、0.1ppm/K(約0.5%)程度しか変化しないので、アルミニウム合金の熱膨張係数の温度依存性は無視できる。また、マグネシウム合金の熱膨張係数の温度依存性もアルミニウム合金の熱膨張係数の温度依存性と同程度と考えられる。
In the above example, there is a temperature dependence of the thermal expansion coefficient of the aluminum alloy (see: Figure 1 of p. 1632 of Non-Patent Document 2). On the other hand, in the case of radio astronomy satellites such as HALCA, the ambient temperature of the displacement magnifying device in orbit is about ±10° C. at most (see Non-Patent Document 3). Therefore, for an aluminum alloy of 23 to 25 ppm/K, according to
図6Bは図6Aの変位拡大装置の加熱時の熱膨張特性を示す実験結果の図である。すなわち、図6Aにおいて得られたγ1<γ2の変位拡大装置(γ1=23.8ppm/K、γ2=27.3ppm/K、L1=130mm、L2=165mm)の加熱による熱膨張特性はΔL2=0.04mmと本発明の可変熱膨張設計によって、ゼロ膨張を実現した。これに対し、γ1>γ2の変位拡大装置(γ1=23.8ppm/K、γ2=0.02ppm/K、L1=130mm、L2=165mm)の加熱による熱膨張特性はΔL2=1.98mmと大熱膨張であった。また、γ1<γ2の変位拡大装置、γ1>γ2の変位拡大装置両方について実験結果と式(9)の理論式の差は計測誤差範囲内に収まり、理論の妥当性を確認した。 FIG. 6B is a diagram of experimental results showing the thermal expansion characteristics of the displacement magnifying apparatus of FIG. 6A during heating. That is, heat generated by heating the displacement magnifying device (γ 1 =23.8 ppm/K, γ 2 =27.3 ppm/K, L 1 =130 mm, L 2 =165 mm) of γ 1 <γ 2 obtained in FIG. 6A. The expansion characteristic was ΔL 2 =0.04 mm, and zero expansion was realized by the variable thermal expansion design of the present invention. On the other hand, the thermal expansion characteristics of the displacement magnifying device of γ 1 >γ 2 (γ 1 =23.8 ppm/K, γ 2 =0.02 ppm/K, L 1 =130 mm, L 2 =165 mm) are ΔL. It was a large thermal expansion of 2 = 1.98 mm. In addition, the difference between the experimental result and the theoretical formula of equation (9) was within the measurement error range for both the displacement magnifying device of γ 1 <γ 2 and the displacement magnifying device of γ 1 >γ 2 , and the validity of the theory was confirmed. ..
実験結果と理論から、本発明はゼロ膨張に限定されず、例えば変位拡大装置の変位出力ブロックにおいての見かけ上の熱膨張係数を可変に設計可能である。 From the experimental results and theory, the present invention is not limited to zero expansion, and for example, the apparent thermal expansion coefficient in the displacement output block of the displacement magnifying device can be designed to be variable.
本発明は図3に示す変位拡大装置に限定されず、例えば変位拡大率が異なる変位拡大装置など、種々の変更が可能である。たとえば、図7に示すごとく、図3の弾力性ブロック7a’、7b’の代りに、ブロック7a”−1、7b”−1及び板ばね7a”−2、7b”−2を設ける。この場合、ブロック7a”−1、7b”−1とベースアーム4a’、4b’とは同一部材たとえば熱膨張係数27.3ppm/Kのマグネシウム合金(AZ−31)であり、ねじによって所定角度で固定されている。また、熱膨張アクチュエータ1’の代りに圧電アクチュエータ1であってもよく、上述の式(10)を満足すればよい。
The present invention is not limited to the displacement magnifying device shown in FIG. 3, and various modifications such as a displacement magnifying device having different displacement magnifying ratios are possible. For example, as shown in FIG. 7, blocks 7a"-1, 7b"-1 and
図8は図1、図7の変位拡大装置を用いた形状可変副鏡ユニットを示す斜視図である。 FIG. 8 is a perspective view showing a variable shape secondary mirror unit using the displacement magnifying device of FIGS. 1 and 7.
図8において、形状可変副鏡ユニットは、共通ベース11と、アルミニウム合金よりなる双曲面状の形状可変鏡12と、共通ベース11と形状可変鏡12との間に設けられた6つの変位可変装置13−1、13−2、…、13−6を有する。変位可変装置13−1、13−2、…、13−6は図1、図7等に示したものである。図8においては、好ましくは、変位可変装置13−1、13−2、…、13−6の外周側に遮光性シール14(図10参照)を設け、変位可変装置13−1、13−2、…、13−6の高熱膨張係数のアクチュエータ1、1’、ベースアーム4a、4b;4a’、4b’への熱外乱を防止する。
In FIG. 8, the variable shape secondary mirror unit includes a common base 11, a hyperbolic shape
図9は図8の形状可変鏡12の拡大図であって、(A)は上面図、(B)は裏面図である。
9A and 9B are enlarged views of the
図9に示すように、形状可変鏡12には、曲げ剛性における異方性を低減するために、放射状にスリット12aが設けられている。
As shown in FIG. 9, the
図10は図8の形状可変副鏡ユニットの動作を説明するための図である。 FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the variable shape secondary mirror unit of FIG.
図10の(A)に示すように、形状可変鏡12はその剛性により変位可変装置13−1(13−2、…、13−6)の変位出力ブロック8に接触している。この状態で、変位可変装置13−1(13−2、…、13−6)のアクチュエータ1(1’)が変位すると、その変位出力ブロック8が変位し、図10の(B)の矢印に示すごとく、形状可変鏡12が変位する。
As shown in FIG. 10A, the
尚、上述の実施の形態においては、変位拡大機構として、ベースアーム4a、4b、板ばね5a、5bを1対、板ばね6a、6b、ブロック7a(7a’)、7b(7b’)、板ばね7a”、7b”を各1対設けているが、対称性は崩れるが一方だけでもよい。
In the above-described embodiment, as the displacement magnifying mechanism, a pair of
また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。 Further, the present invention can be applied to any modification within the obvious range of the above-described embodiment.
本発明に係る変位拡大装置は、形状可変副鏡以外に、トラッキング補正用磁気ヘッドのアクチュエータ等に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The displacement magnifying device according to the present invention can be used for an actuator of a tracking correction magnetic head, etc., in addition to a variable shape secondary mirror.
1:圧電アクチュエータ
1’:熱膨張アクチュエータ
1’a:ヒータ
2:底部ベース
3:上部ベース
4a、4b、4a’、4b’:ベースアーム
5a、5b:板ばね
6a、6b:板ばね
7a、7b:弾力性ブロック
7a’、7b’:ブロック
7a”、7b”:板ばね
8:変位出力ブロック
11:共通ベース
12:形状可変鏡
12a:スリット
13−1、13−2、…、13−6:変位可変装置
14:遮光性シール
101:本体
101a:給電部
102:主鏡
103:形状可変副鏡
104:太陽電池パネル
201:門形固形基部
201a:ヒンジ部
201b:第1の遊端部
201c:第2の遊端部
202:圧電アクチュエータ
203:L字状アーム
204:座屈ばね
1: Piezoelectric actuator 1': Thermal expansion actuator 1'a: Heater 2: Bottom base 3:
5a, 5b:
12a: Slits 13-1, 13-2,..., 13-6: Displacement variable device 14: Light-shielding seal 101:
Claims (11)
前記アクチュエータの底部に固定された底部ベースと、
前記アクチュエータの上部に固定された上部ベースと、
底部が前記底部ベース上に設けられ、中間部が前記上部ベースに懸垂された変位拡大機構と、
前記変位拡大機構に設けられ、前記上部ベース上に位置する変位出力ブロックと
を具備し、
変位拡大率Kの変位拡大装置に対して、見かけ上の熱膨張係数A[ppm/K]の要求がある時に、以下の式からγ1、γ2を設計することでAを可変に設計できる変位拡大装置。
A=K・(L1/L2)・γ1−(K・(L1/L2)−1)・γ2 An extendable actuator,
A bottom base fixed to the bottom of the actuator,
An upper base fixed to the upper part of the actuator,
A displacement magnifying mechanism in which a bottom portion is provided on the bottom portion base, and an intermediate portion is suspended from the upper portion base;
A displacement output block provided on the displacement magnifying mechanism and located on the upper base;
When the apparent thermal expansion coefficient A [ppm/K] is required for the displacement enlarging device with the displacement enlarging factor K, A can be variably designed by designing γ 1 and γ 2 from the following equations. Displacement magnifying device.
A=K·(L 1 /L 2 )·γ 1 −(K·(L 1 /L 2 )−1)·γ 2
前記変位拡大機構の長さ、変位及び熱膨張係数をL2、ΔL2及びγ2とした場合、
γ2/γ1
=K・(L1 /L2)/{K(L1 /L2)−1}
但し、Kは変位拡大率ΔL2/ΔL1である請求項1に記載の変位拡大装置。 Let L 1 , ΔL 1 and γ 1 be the length, displacement and coefficient of thermal expansion of the actuator,
When the length, displacement and thermal expansion coefficient of the displacement magnifying mechanism are L 2 , ΔL 2 and γ 2 ,
γ 2 /γ 1
=K·(L 1 /L 2 )/{K(L 1 /L 2 )−1}
However, K is the displacement magnifying apparatus according to claim 1 , wherein the displacement magnifying rate ΔL 2 /ΔL 1 .
底部が前記底部ベース上に第1のばね部材を介して設けられ、中間部が前記上部ベースに第2のばね部材を介して接続されたベースアームと、
前記ベースアームと一体成型され、前記ベースアームに対して所定角度で前記アクチュエータ側に傾斜し、先端に前記変位出力ブロックが設けられた弾力性ブロックと
を具備する請求項1に記載の変位拡大装置。 The displacement magnifying mechanism,
A base arm having a bottom portion provided on the bottom portion base via a first spring member, and an intermediate portion connected to the upper portion base via a second spring member;
The displacement magnifying apparatus according to claim 1, further comprising: a resilient block integrally molded with the base arm, inclined toward the actuator at a predetermined angle with respect to the base arm, and provided with the displacement output block at a tip thereof. ..
底部が前記底部ベース上に第1のばね部材を介して設けられ、中間部が前記上部ベースに第2のばね部材を介して接続されたベースアームと、
前記ベースアームに対して所定角度で前記アクチュエータ側に傾斜して固定されたブロックと、
前記ブロックの先端と前記変位出力ブロックとの間に設けられた第2のばね部材と
を具備する請求項1に記載の変位拡大装置。 The displacement magnifying mechanism,
A base arm having a bottom portion provided on the bottom portion base via a first spring member, and an intermediate portion connected to the upper portion base via a second spring member;
A block fixed to the actuator side at a predetermined angle with respect to the base arm,
The displacement magnifying device according to claim 1, further comprising a second spring member provided between the tip of the block and the displacement output block.
前記アクチュエータの底部に固定された底部ベースと、
前記アクチュエータの上部に固定された上部ベースと、
底部が前記底部ベース上に設けられ、中間部が前記上部ベースに懸垂された変位拡大機構と、
前記変位拡大機構に設けられ、前記上部ベース上に位置する変位出力ブロックと
を具備し、
前記変位拡大機構の熱膨張係数は前記アクチュエータの熱膨張係数より大きい変位拡大装置。 An extendable actuator,
A bottom base fixed to the bottom of the actuator,
An upper base fixed to the upper part of the actuator,
A displacement magnifying mechanism in which a bottom portion is provided on the bottom portion base, and an intermediate portion is suspended from the upper portion base;
A displacement output block provided on the displacement magnifying mechanism and located on the upper base;
A displacement enlarging device in which a thermal expansion coefficient of the displacement enlarging mechanism is larger than a thermal expansion coefficient of the actuator.
形状可変鏡と、
前記共通ベースと前記形状可変鏡との間に設けられた請求項1〜10のいずれかに記載された変位拡大装置と
を具備する形状可変副鏡ユニット。
Common base,
Deformable mirror and
A variable shape secondary mirror unit comprising: the displacement magnifying device according to any one of claims 1 to 10, which is provided between the common base and the variable shape mirror.
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JPH10127067A (en) * | 1996-10-14 | 1998-05-15 | Fujikura Ltd | Drive device |
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Title |
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REO KASHIYAMA, 外2名: ""Athermalization of deformable reflector's actuators for radio astronomy satellites"", 2018 AIAA SPACECRAFT STRUCTURES CONFERENCE, JPN7022005818, January 2018 (2018-01-01), US, pages 263 - 278, ISSN: 0004946292 * |
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