JP5956934B2

JP5956934B2 - 回転架台

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Publication number: JP5956934B2
Application number: JP2013006671A
Authority: JP
Inventors: 宗一郎竹本; 元洋南部; 高浩片桐
Original assignee: Zero Corp Japan
Current assignee: Zero Corp Japan
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP2014137308A

Description

本発明は、光学機器を回転可能に支持する、回転架台に関する。

従来から、撮像器や望遠鏡などの光学機器を回転可能に支持する支持手段として、回転架台が知られている。例えば、天体観測や天体写真の撮影の際には、赤道儀と呼ばれる回転架台が用いられる。

望遠鏡や撮像器などの視野内に、一旦、目標となる星を捉えることができても、地球の自転に伴う星の日周運動のため、数分経過すると、その星は視野から外れてしまう。そこで、移動する星を自動追尾するために、赤道儀と呼ばれる回転架台が用いられる。例えば、図７に示すように、光学機器１００を回転架台１０２に取り付けるとともに、回転架台１０２に内蔵されたモータにより、地球の自転運動とは逆方向に光学機器１００を回転させて、目標とする星を追尾する。

上記追尾の事前作業として、回転架台１０２に対して極軸合わせと呼ばれる作業が行われる。極軸合わせでは、光学機器１００の回転軸となる、回転架台１０２の極軸シャフト１０４を、地軸Ａと平行に揃える。

極軸合わせの方法として、天の北極や南極付近の星を利用して、極軸シャフト１０４の回転軸を天の北極や南極に向ける方法が知られている。例えば、北半球であれば、極軸望遠鏡と呼ばれる望遠鏡を用いて、その視野内に北極星を捉えることで、極軸合わせを行う。

また、例えば、北半球にて、南向きのベランダ等で極軸合わせを行う場合、北極星を基準に取ることは困難となる。そこで、特許文献１では、磁気センサ（方位センサ）を用いて方位角を求めるとともに、ＧＰＳ受信機により緯度を求めている。

特許文献１では、磁気センサの出力信号に応じてサーボ系が作動して、極軸シャフトの方位角を定める。また、ＧＰＳ受信機により得た緯度情報をもとに、極軸シャフトの仰角（高度）を設定する。例えば、極軸シャフトの仰角を変更する回転軸廻りには仰角目盛りが設けられており、この目盛りを緯度に一致させるように、ユーザが極軸シャフトを回転させる。

特開平１１−７２７１８号公報特開２００４−２３７４９号公報特開２００９−１６８６７８号公報

ところで、従来の仰角設定では、ユーザが緯度を取得するとともに、仰角目盛りをその緯度に合わせる作業を行っている。言い換えると、現在仰角と目標仰角との差をユーザが計算して調整しなければならない。このように、従来の極軸合わせには、煩雑な作業が含まれており、極軸合わせをより容易に行うことのできる、回転架台の提供が求められている。

本発明は、回転架台に関するものである。当該回転架台は、光学機器を回転可能に支持する極軸シャフトと、前記極軸シャフトの方位角を検出する方位センサと、前記極軸シャフトの仰角を検出する仰角センサと、前記方位角と真北との差、及び、前記仰角と前記極軸シャフトが位置する緯度との差を求める演算部と、を備える。

また、上記発明において、前記極軸シャフトの向きの変化を検出するジャイロセンサを備え、前記演算部は、前記方位センサが検出した基準方位角と、前記極軸シャフトの向きの変化とを用いて、真北に対する極軸シャフトの方位角を求めることが好適である。

また、上記発明において、前記極軸シャフトを回転可能に支持する軸受を備え、前記軸受及び前記方位センサはケーシング内に収容され、前記方位センサは、前記軸受から１０ｍｍ以上離間されて配置されていることが好適である。

本発明によれば、従来よりも容易に極軸合わせを行うことが可能となる。

本実施形態に係る回転架台を例示する斜視図である。極軸合わせについて説明する模式図である。本実施形態に係る回転架台を例示する、分解斜視図である。ＧＰＳセンサの配置について説明する断面図である。本実施形態に係る回転架台を例示するものであって、その構成部品を一部省略した、分解斜視図である。方位角の求め方を説明する模式図である。極軸合わせについて説明する模式図である。

図１に、本実施形態に係る回転架台１０を例示する。回転架台１０は、ユーザによる持ち運びが可能となるよう、小型、軽量であることが好適である。

回転架台１０は、例えば赤道儀として用いてよい。その場合、回転架台１０は、極軸合わせが可能な機構を備えているか、または、極軸合わせが可能な機構に組み付け可能な構造であることが好適である。

極軸合わせは、図２に示すように、回転架台１０の極軸シャフト１２の回転軸Ｃの方位角α及び仰角βを調整して、当該回転軸Ｃを天の北極に向ける作業である。また、回転架台１０が回転中にバランスを崩して転倒することを防止するためや、星の追尾精度を維持するため、方位角α及び仰角βに加えて、水平角γを調整するようにしてもよい。

なお、以下では、極軸シャフト１２の回転軸Ｃの方位角α等を、単に、極軸シャフト１２の方位角α等と呼ぶものとする。

上記を踏まえて、回転架台１０は、極軸シャフト１２の方位角α、仰角β、及び水平角γが調整可能な手段に接続されることが好適である。または、回転架台１０に方位角α、仰角β、及び水平角γの調整手段を持たせてもよい。前者の場合、回転架台１０は、雲台に固定されてよい。雲台は、三脚の台座にボールジョイントで接続された自由雲台であってもよく、また、方位角α、仰角β、及び水平角γをそれぞれ独立に操作する回転軸をそれぞれ備えた、スリーウェイ型雲台であってもよい。また、雲台の代わりに、回転架台１０は、ＸＹ微動ステージやＸＹＺ微動ステージに搭載されていてもよい。

図３に、本実施形態に係る回転架台１０の分解斜視図を例示する。回転架台１０は、極軸シャフト１２、軸受１４、モータ１６、ＧＰＳセンサ１８、方位センサ２０、仰角センサ２２、ジャイロセンサ２４、演算部２６、表示器２７、及びケーシング２８を備えている。

ケーシング２８は、極軸シャフト１２、軸受１４、モータ１６、ＧＰＳセンサ１８、方位センサ２０、仰角センサ２２、ジャイロセンサ２４、演算部２６、及び表示器２７を収容する。

ケーシング２８は、上蓋体２８Ａ及び下蓋体２８Ｂからなる分割体から構成されてよい。上蓋体２８Ａには、極軸シャフト１２用の開口３１Ａや表示器２７用の開口３１Ｂが設けられていてもよい。また、図示は省略するが、ユーザが表示器２７の表示内容を変更するための操作キー等が設けられていてもよい。下蓋体２８Ｂの側面３５には、雲台や微動ステージの固定ねじがねじ込まれる、ねじ穴３５Ａが設けられていてもよい。

また、ケーシング２８は、外部の磁気源から方位センサ２０を保護（防磁）するために、非磁性体から構成することが好適である。例えば、ケーシング２８は、アルミ板から構成されてよい。

極軸シャフト１２は、望遠鏡や撮像器等の光学機器（図示せず）を回転可能に支持する。極軸シャフト１２は、上蓋体２８Ａの開口３１Ａからケーシング２８外部に露出する、端面１２Ａを備えている。端面１２Ａは、光学機器の固定面として機能するようにしてもよい。その場合、端面１２Ａには、光学機器の固定ステージに設けられた固定ねじがねじ込まれる、ねじ穴等の固定手段が設けられていてよい。

また、極軸シャフト１２は、光学機器の搭載物の重量により撓まない様、十分な剛性を備えていることが好適である。例えば、極軸シャフト１２は、金属円筒から構成されてよい。さらに、方位センサ２０に対する磁気ノイズ源とならないように、真鍮、ステンレス、又はアルミ等の、非磁性体や低磁性体から、極軸シャフト１２を構成することが好適である。

また、極軸シャフト１２は、ギアアセンブリ３２のねじ歯車と噛み合うウォームホイール１２Ｂを備えていてもよい。さらに、極軸シャフト１２は、ウォームホイール１２Ｂを挟んで、ケーシング２８の上蓋体２８Ａ側の大径シャフト１２Ｃと、下蓋体２８Ｂ側の小径シャフト１２Ｄとを備えていてもよい。

軸受１４は、極軸シャフト１２を回転可能に支持する。例えば、軸受１４は、極軸シャフト１２の大径シャフト１２Ｃを支持する大径軸受１４Ａと、小径シャフト１２Ｄを支持する小径軸受１４Ｂとを備えていてもよい。２つの軸受１４Ａ，１４Ｂを用いて極軸シャフト１２を上下で支えることで、極軸シャフト１２を安定して支持することが可能となる。

大径軸受１４Ａは、その内輪が大径シャフト１２Ｃに嵌着固定され、またその外輪が保持リング３０Ａ及び保持プレート３０Ｂに挟まれて固定される。保持プレート３０Ｂは下蓋体２８Ｂに固定される。また、小径軸受１４Ｂは、その内輪が小径シャフト１２Ｄに嵌着固定され、またその外輪が下蓋体２８Ｂの保持開口に嵌着固定される。

なお、極軸合わせの結果、極軸シャフト１２が、鉛直方向に対して傾いた状態で保持される場合がある。これを考慮すると、軸受１４は、周廻りの重力荷重の偏り（偏荷重）に耐え得る転動体を用いることが好適である。例えば、軸受１４は、偏荷重への耐久性が高く、また安価な鋼球を転動体として用いた、玉軸受であることが好適である。

モータ１６は、極軸シャフト１２を回転させる駆動源である。モータ１６は、ギアアセンブリ３２を介して極軸シャフト１２に回転力を伝達させるようにしてもよい。また、モータ１６は、観測対象となる星に応じて追尾速度を変えられるように、速度可変型のモータであることが好適である。例えば、モータ１６は、パルスモータから構成されてよい。

また、モータ１６から生じる磁界が、方位センサ２０に対する磁気ノイズ源となることを防ぐために、モータ１６は、磁気シールド２９により覆われていることが好適である。

加えて、ギアアセンブリ３２は、真鍮、ステンレス、又はアルミ等の、非磁性体や低磁性体から構成することが好適である。

表示器２７は、極軸シャフト１２に関する緯度情報、方位角情報、仰角情報、及び水平角情報等の、極軸合わせに必要な情報を、ユーザに表示する表示手段である。表示器２７は、例えば、基板３７に実装された、液晶ディスプレイであってよい。

ＧＰＳセンサ１８は、極軸シャフト１２が置かれた場所の緯度を設定するための手段である。ＧＰＳセンサ１８のアンテナがケーシング２８から露出していると破損のおそれがあるので、ケーシング２８内にＧＰＳアンテナを設けることが好適である。例えば図４に示すように、ＧＰＳアンテナ３３は、ケーシング２８の貫通孔３４内に設けられてよい。その場合、ＧＰＳアンテナ３３は、アクリルカバー等のカバー部材３６に被覆されていてよい。また、十分な受信感度を確保するために、ＧＰＳアンテナ３３の受信角度θが４５°以上となるように、貫通孔３４の孔径を定めておくことが好適である。

また、ＧＰＳセンサ１８に代えて、またはこれに加えて、ユーザが緯度を入力するための、緯度入力手段を備えていてもよい。これによれば、天体写真の撮影場所においてＧＰＳセンサ１８の受信感度が悪い場合であっても、外部の機器等から取得するなどの方法でユーザが緯度情報を把握できていれば、ユーザの入力によって緯度を設定することが可能となる。

図３に戻り、仰角センサ２２は、極軸シャフト１２の仰角βを検出する検出手段である。仰角センサ２２は、加速度センサであってよい。加速度センサが検出した重力加速度に基づけば、当該センサの検出面の、鉛直方向に対する傾き角を求めることができる。さらに加速度センサを複数、例えば３個設けると、これらのセンサを含む平面（基準面）の、鉛直方向に対する３次元的な傾きを求めることができる。この傾きを仰角β成分と水平角γ成分とに分解することで、極軸シャフト１２の仰角β及び水平角γを求めることができる。

方位センサ２０は、真北等の基準方位角と、当該基準方位角に対する、極軸シャフト１２の方位角αを検出する、検出手段である。方位センサ２０は、例えば、地磁気を検出して方位角αを求める、電子コンパスであってよい。

方位センサ２０は、ケーシング２８内において、軸受１４から離間した箇所に配置されていることが好適である。上述したように、軸受１４の転動体として鋼球を用いる場合、鋼球の製造過程で、強度を高める等の目的で、強磁性体のマルテンサイト系のステンレス等が含まれる場合がある。そうなると、軸受１４が、方位センサ２０に対する磁気ノイズ源となり得る。

軸受１４は、その内輪と外輪とが相対回転可能でなければならないことを考慮すると、軸受１４全体をシールド材で隙間なく覆うことは困難となる。そこで、図５に示すように、ケーシング２８内において、方位センサ２０を、軸受１４から離間させ、軸受１４の磁場の影響を低減させることが好適である。本願発明者らの解析によれば、軸受１４の中心と方位センサ２０の中心との離間距離ｄを１０ｍｍにすると、軸受１４の磁場による影響が１／１０程度に低減され、さらに、離間距離ｄを３０ｍｍにすると、軸受１４の磁場による影響が１／１００程度に低減されることが明らかとなった。このことから、方位センサ２０は、軸受１４との離間距離ｄが１０ｍｍ以上となるように、ケーシング２８内に配置されることが好適である。

図３に戻り、ジャイロセンサ２４は、極軸シャフト１２の向きの変化を検出する検出手段である。ジャイロセンサ２４は、例えば、圧電振動子やシリコン振動子などを備えた、角速度センサであってよい。ジャイロセンサ２４は、方位角α周りの角速度を求めることが可能である。例えば、極軸シャフト１２の向きによっては、ジャイロセンサ２４が検出する角速度が、方位角α周りの成分、仰角β周りの成分、及び水平角γ周りの成分の合成成分となる場合がある。その場合、仰角センサ２２により検知された基準面の傾きをもとにして、方位角α周りの角速度成分を求めることができる。

演算部２６は、ＧＰＳセンサ１８またはこれに代わる緯度入力手段、方位センサ２０、仰角センサ２２、及びジャイロセンサ２４からの情報を受信するとともに、これらの情報に基づいて以下のような演算を行って、極軸シャフト１２の極軸合わせに必要な情報を算出し、これを表示器２７に表示させる。

演算部２６は、仰角センサ２２の出力に基づき、極軸シャフト１２の仰角β成分を算出する。また、ＧＰＳセンサ１８またはこれに代わる緯度入力手段から、極軸シャフト１２の置かれた位置の緯度を取得するとともに、取得した緯度を目標仰角として、当該目標仰角と現在の仰角βとの差を求める。ここで、演算部２６は、目標仰角と現在の仰角βとの差を表示器２７に出力させるようにしてもよい。このようにすることで、ユーザの操作性が向上する。すなわち、表示器２７の仰角パラメータを０にするように、極軸シャフト１２を操作するだけで、極軸シャフト１２の仰角は目標仰角に一致するようになる。

また、演算部２６は、方位センサ２０から真北の方角及び極軸シャフト１２の方位角αを取得するとともに、真北と方位角αとの差を求める。演算部２６は、方位角αと真北との角度差を、表示器２７に表示させるようにしてもよい。

なお、ケーシング２８内の磁場に由来して、方位センサ２０の検出値には多少のずれが含まれる場合がある。このずれを補正するため、演算部２６は、方位センサ２０の検出値に対してキャリブレーションを行うような機能を備えていてもよい。例えば、回転架台１０の組み立て後であって工場出荷前に、既知の真北の方角と、方位センサ２０が検出した真北の方角とのずれを求める。さらに、このずれ分を補正する補正データを、図示しない記憶部に記憶させておく。実際に極軸合わせを行うときには、方位センサ２０が検知した真北の方角に補正データを加えた値を、基準方位角とすべき真北の方角とする。

また、鉄骨の構造物の近傍など、外部磁場が強く働く場所では、方位センサ２０の検出精度が低下する場合がある。本実施形態に係る回転架台１０は、このような場合であっても、方位センサ２０に加えてジャイロセンサ２４を用いることで、真北に対する方位角αの検出を行うことが可能となっている。

例えば、図６に示すように、外部磁場の強い構造物４０から離れたグラウンド等の、外部磁場の影響の小さい場所に回転架台１０を移動させ、その場所で真北及び真北に対する極軸シャフト１２の方位角αを求める。方位センサ２０によって真北及び方位角αを求めた後、構造物４０内の撮影ポイントに戻る際に、回転架台１０の向きが、ユーザにより変化させられる。このとき、ジャイロセンサ２４は、極軸シャフト１２の方位角周りの向きの変化を検出する。

演算部２６は、方位センサ２０によって求められた方位角の値に、ジャイロセンサ２４が検知した方位角周りの向きの変化分を加算する。例えば、方位センサ２０によって求めた極軸シャフト１２の、真北に対する方位角がα１であり、方位角α１を取得した後であって構造物４０の撮影ポイントに到着するまでの間、ジャイロセンサ２４が検出した極軸シャフト１２の方位角の変化分がα２であったとする。このとき、演算部２６は、極軸シャフト１２の、撮影ポイントにおける方位角をα１＋α２とする。この方位角α１＋α２を０とするように、極軸シャフト１２の方位角を調整すると、極軸シャフト１２は真北を向くようになる。

このように、ジャイロセンサ２４を用いることで、方位センサ２０による真北と方位角αの取得後の、極軸シャフト１２の方位角αの変化を求めることが可能となる。ジャイロセンサ２４は基本的には磁場の影響を受けないため、強い外部磁場が働く環境であってもジャイロセンサ２４は十分に機能する。外部磁場の弱い場所で方位センサ２０による真北と方位角αの検出を行った後、強い外部磁場が働く環境に戻るまで、ジャイロセンサ２４が方位角αの変化を検知することから、強い外部磁場が働くような場所においても、真北に対する極軸シャフト１２の方位角αを求めることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、回転架台１０を赤道儀として説明したが、この形態に限らない。例えば、方位角α及び水平角γの検出機能を用いて、微速度撮影（タイムラプス撮影）用の、撮影器の架台として、本実施形態に係る回転架台１０を用いてもよい。

１０回転架台、１２極軸シャフト、１４軸受、１６モータ、１８ＧＰＳセンサ、２０方位センサ、２２仰角センサ、２４ジャイロセンサ、２６演算部、２７表示器、２８ケーシング、２９磁気シールド。

Claims

光学機器を回転可能に支持する極軸シャフトと、
前記極軸シャフトの方位角を検出する方位センサと、
前記極軸シャフトの仰角を検出する仰角センサと、
前記極軸シャフトが位置する緯度を検出するＧＰＳセンサと、
前記方位角と真北との差、及び、前記仰角と前記極軸シャフトが位置する緯度との差を求める演算部と、
を備え、
さらに、前記極軸シャフトの方位角を前記方位センサが検出した後の、前記極軸シャフトの方位角の変化を検出するジャイロセンサを備え、
前記演算部は、方位角変化前に前記方位センサが検出した前記極軸シャフトの方位角と、前記ジャイロセンサが検出した方位角の変化分とに基づいて、前記方位角変化後の前記極軸シャフトの方位角を求める、
ことを特徴とする、回転架台。
請求項１に記載の回転架台であって、
前記極軸シャフトを回転可能に支持する軸受を備え、
前記軸受及び前記方位センサはケーシング内に収容され、
前記方位センサは、前記軸受から１０ｍｍ以上離間されて配置されていることを特徴とする、回転架台。