JP6736700B2 - レンズ組立体のための位置整合機構 - Google Patents

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Description

本発明は、米国空軍研究所により授与された認可番号H94003−04−D−0006−0228の下で米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明について一定の権利を有する。
現代の戦術航空機は、乗組員がシーンを見て、シーン内のターゲットを選択し、選択したターゲットに対して武器を向けるのを支援するために、いくつかのイメージング補助装置を使用する。可視、赤外線及び/又は特定のスペクトル帯域のイメージング装置は、シーンの画像を形成するために様々な用途で使用されている。イメージングスペクトルの種類は、ミッション、気象条件、シーンの性質及びその他の要因に依存する。
赤外光学システムの一形態は、赤外透過レンズ材料で作られたいくつかのレンズを含む。レンズは、整合機構によって光路に沿って適切な位置に配置され、レンズマウント組立体によって所望の効果を達成する。レンズが整合機構によって正しく位置合わせされることが重要であり、整合機構はレンズを調整するためのアクセスがしばしば困難である。
本開示の一態様は、レンズ組立体を位置決めし焦点を合わせる(フォーカスする)ための整合機構に関する。一実施形態では、整合機構は、ハウジングと、ハウジングによって支持された偏心シャフトとを含む。偏心シャフトは、ハウジングに対して回転するように構成される。整合機構は、偏心シャフトに結合されたブラケットを含むレンズ組立体と、該レンズ組立体のブラケットに結合されて偏心シャフトの周りにレンズ組立体を回転させるように構成されたアクチュエータ組立体とを含む。整合機構は、偏心シャフトに取り付けられた少なくとも1つのスラスト駆動ナットをさらに含み、この少なくとも1つのスラスト駆動ナットは、偏心シャフト及びレンズ組立体ブラケットをz軸方向に移動させるように構成される。
整合機構の実施形態は、偏心シャフト上で互いに離間した2つのスラスト駆動ナットをさらに含んでよい。2つのスラスト駆動ナットは、細かいピッチのねじ山によって偏心シャフトに螺合的に固定されてもよい。レンズ組立体のブラケットは、2つのアンギュラコンタクト軸受(angular contact bearing)によって偏心シャフトに固定されてもよい。偏心シャフトは開口部を含むことができる。開口部は、ツールを用いて偏心シャフトを回転させる際に、偏心シャフトと2つのスラスト駆動ナットとを角度的に同位相に保持するように構成されたツールを受け入れるように形成されている。工具はさらに、スラスト駆動ナットを回転させながら偏心シャフトを固定するように偏心シャフトを所定位置に保持するように構成されてもよい。アクチュエータ組立体は、ジェネバ型アクチュエータ(Geneva-type actuator)とすることができる。ハウジングは、偏心シャフトをハウジングに対して所定位置に固定するための少なくとも1つの止めねじを含み得る。整合機構は、2つのアンギュラコンタクト軸受のうちの一方に隣接して配置された少なくとも1つのベアリング予荷重ナットをさらに含んでもよい。少なくとも1つの軸受予加重ナットは2つの軸受予加重ナットを含み、第1の軸受予加重ナットは2つのアンギュラコンタクト軸受のうちの第1の軸受に隣接して配置され、第2の軸受予加重ナットは第2のアンギュラコンタクト軸受に隣接して配置される。
本開示の別の態様では、レンズ組立体をx軸、y軸及びz軸方向に移動させるために使用される整合機構を組み立てる方法に関する。一実施形態では、当該方法は以下のステップを含む。レンズ組立体のボアサイト視野(a boresight, field of vision)を確立するステップ。整合機構の偏心シャフトを回転させることによりレンズ組立体の中心位置(centration position)を調整するステップ。所望の焦点を達成するために、整合機構の少なくとも1つのスラスト駆動ナットを回転させてz軸方向を調整するステップ。少なくとも1つのスラスト駆動ナットを所定の位置にロックするステップ。
本発明に係る方法の実施形態は、偏心シャフトの角度位置を維持するための調整ツールをさらに含み得る。少なくとも1つのスラスト駆動ナットを定位置にロックするステップは、レンズ組立体の焦点を固定するために、調整ツールを用いて2つのスラスト駆動ナットを反対方向に回転させるステップを含み得る。当該方法は、少なくとも1つの止めねじを固定するステップをさらに含み得る。当該方法は、少なくとも1つのスラスト駆動ナットを所定の位置に固定するステップをさらに含み得る。少なくとも1つのスラスト駆動ナットを定位置に固定するステップは、速乾性エポキシによって達成することができる。この少なくとも1つのスラスト駆動ナットは、偏心シャフト上で互いに離間した2つのスラスト駆動ナットを含み得る。当該方法は、2つのスラスト駆動ナットを細かいピッチのねじ山によって偏心シャフトに螺合的に固着するステップをさらに含み得る。偏心シャフトはそこに形成された開口部を含むことができ、開口部は、整合中に偏心シャフトを回転させながら、偏心シャフトと2つのスラスト駆動ナットとを角度的に同位相に保つように構成された工具を受け入れる。調整ツールはさらに、スラスト駆動ナットを回転させながら、偏心シャフトを所望の角度位置に保持するように構成されてもよい。
添付図面を参照して、少なくとも1つの実施形態の様々な態様について以下で説明する。添付図面は、一定の縮尺で描かれることを意図していない。図面中の技術的特徴、発明の詳細な説明又は任意の請求項の後に参照符号が続いても、その参照符号は、図面、詳細な説明及び特許請求の範囲の明瞭性を高めることのみを目的として含まれている。したがって、参照符号もそれらの欠如も、特許請求の範囲の要素の範囲に対する限定的な効果を有することを意図するものではない。図面において、様々な図に示されているそれぞれの同一又はほぼ同一の構成要素は、同様な数字で表されている。明確にするために、すべての図においてすべての構成要素がラベル付けされているとは限らない。これらの図は、例示及び説明を目的として提供されており、本発明を限定する定義として意図されてはいない。
光学プラットフォームを有する航空機の斜視図である。 光学組立体を支持するように構成されている光学プラットフォームの斜視図である。 光学プラットフォームに固定されているレンズ組立体の斜視図である。 レンズ組立体の位置を調節するのに用いられる、本発明の一実施形態のコンパクトな3軸位置整合機構の斜視図である。 整合機構の斜視図である。 整合機構の拡大断面斜視図である。 整合機構の偏心シャフトの斜視図である。 ツールにより操作されている整合機構の一部の拡大斜視図である。 ツールにより操作されている整合機構の側面図である。
本開示の実施形態は、偏心シャフトと2つのファインピッチスラスト駆動ナットとを利用してレンズ組立体の3軸整合調整を提供するコンパクトな3軸位置整合機構(three-axis positional alignment mechanism)に関する。この位置整合機構は、従来技術の機構に関連する問題を克服するように設計されている。従来技術の機構に関連する問題は、回転タンブラーの調整機能にアクセスすることの困難性、厳しい中心合わせ及び焦点要件を満たすことの困難性、より長い切り替え時間を引き起こす高い回転慣性、及び多すぎるアライメント調整機能を含むがこれらに限定されない。本開示の位置整合機構は、光学スイッチ機構の体積形状因子に適合するように設計されている。位置整合機構は、当該位置整合機構の構成要素を容易に操作できるように設計された調整ツールを含み、レンズ組立体の並進する光学質量を位置整合する。位置整合機構は、並進組立体の慣性質量を減らすことによって切り替え時間を短縮するように構成される。位置整合機構の主要構成要素は、光学スイッチ機構内に分散されるのではなく、回転軸に並置されている。位置整合機構の偏心シャフトは、レンズ組立体をx軸、y軸及びz軸方向において調整するよう操作されるように構成されている。位置整合機構は、自由度の間のクロストークの影響を改善し、それをロックダウン点で監視及び考慮に入れることができ、したがってより高いレベルの精度を達成する。
また、本明細書で使用している表現及び用語は説明を目的としており、限定とみなされるべきではない。本明細書で単数形で言及される本システム及び方法の実施形態又は要素又は動作へのあらゆる参照は、複数のこれらの要素を含む実施形態を含むことができる。また複数形で言及される実施形態若しくは要素又は動作は、単数の要素を含む実施形態を含むことができる。単数形又は複数形による言及は、本明細書で開示されたシステム若しくは方法、それらの構成要素、動作又は要素を限定することを意図していない。本明細書における「含む(including)」、「から構成される(comprising)」、「有する(having)」、「含有する(containing)」、「関する(involving)」、及びそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目及びその均等物、並びに追加の項目を含み得ることを意味する。「又は」の表現は、「又は」を用いて説明された如何なる用語も、単一の、2つ以上の、及びすべての説明された用語のうちのいずれをも示し得るように包括的に解釈することができる。前後、左右、上下、上方下方、並びに垂直及び水平へのいかなる言及も、説明の便宜上のものであり、本システム及び方法又はそれらの構成要素をいずれかの位置又は空間の向きに限定するものではない。
図面、より具体的には図1及び図2を参照すると、全体を10で指示された光学プラットフォームが、ヘリコプターなどの航空機12に搭載されて図示されている。図示のように、光学プラットフォーム10は航空機12の前方に位置されており、いくつかの光学装置を支持するように構成された半球形状のハウジング14を含む。一実施形態では、光学プラットフォーム10のハウジング14は、光検出及び測距(「LADAR」)組立体ウィンドウ16及び前方視赤外線(「FLIR」)ウィンドウ18を含むように構成される。LADAR組立体ウィンドウ16及びFLIRウィンドウ18は、それぞれLADAR組立体及びFLIRカメラ(いずれも図示なし)を支持する。光学プラットフォーム10は、当該光学プラットフォーム10のハウジング14内に支持を必要とするレンズ組立体を有する任意の数の光学デバイスを支持するように構成され得ることを理解されたい。
図3を参照すると、一実施形態では、FLIR18の背後には、概して20で指示される小型の3軸位置整合機構が位置されている。3軸位置整合機構20は、光学プラットフォーム10のフレーム22に固定されている。後に詳細に述べるように、整合機構20は、全体を24で指示されるレンズ組立体を所望の位置に位置決めするように構成されている。特定の実施形態では、レンズ組立体24は、レンズハウジング26及び複数のレンズ28を含むように構成することができる。一実施形態では、レンズ組立体24のレンズハウジング26は、6061アルミニウム合金などの金属合金から製作され、そして直径は約3.0インチである。レンズハウジング26は、任意の種類の適切な材料から製作することができ、そして所望のレンズサイズを収容するように寸法付けされ得ることに留意されたい。
図3〜図6及び図8を参照すると、レンズ組立体は、レンズハウジング26に固定された取付ブラケット30をさらに含む。一実施形態では、レンズハウジング26を取付ブラケット30に取り付けるインターフェースとして取付ブロック31を設けることができる。取付ブラケット30を位置整合機構20によって操作して、レンズハウジング26及びレンズ28を移動させてレンズ28の位置整合及び焦点合わせを達成することができる。図示のように、取付ブラケット30は構造が概ねU字形であり、2つの円形部分32,34を含む。これらは整合機構20の構成要素に結合されるように構成されている。
一実施形態では、位置整合機構20は、位置整合機構の構成要素を支持するための、全体が36で指示されるハウジングを含む。図示のように、ハウジング36は、ベース38と、このベース38と一体的に形成された2つのベアリングブロック40、42とを含む。ベース38は、例えば小ネジ留め具などによって光学プラットフォーム10のハウジング14に適切に固定される。ハウジング36のベアリングブロック40、42は、全体が44で指示される偏心シャフトを支持するように構成されており、偏心シャフト44はベアリングブロックの開口部内に配置されている。以下により詳細に説明するように、偏心シャフト44は本外46を含み、本体46はハウジングに対して回転するように構成され、レンズ組立体24のレンズ28を正確に位置決めするために必要とされるレンズハウジング26の調整を提供する。
実施形態では、偏心シャフト44の本体46は、2つの端部ねじ部48、50と、2つの軸受係合部52、54と、2つの微細ピッチねじ部56、58とを含む。偏心シャフト44の本体46の両端ねじ部48,50は、各々が60で指示される2つのベアリングプリロード(予荷重)ナット(bearing pre-load nuts)によって、ハウジング36に対してそれぞれ所定の位置に固定されている。各ベアリングプリロードナット60は、それぞれの端部にねじ止めされている。偏心シャフト44の本体46の2つの軸受係合部分52、54は、当該軸受係合部分52、54上に圧入嵌めされるアンギュラコンタクト軸受(angular contact bearings)62に空間を提供するように構成されている。アンギュラコンタクト軸受62は、レンズ組立体24の取付ブラケット30の円形部分32,34内に形成された開口部内に受容され、レンズ組立体24を整合機構20に固定する。結果として、偏心シャフト44のいかなる回転も、レンズアセンブリ24の位置に予測可能な変化を生じさせるであろう。その変化は、わずかにx軸方向に、主にy軸方向における変化である。偏心シャフト44の本体46のねじ部56、58はそれぞれ、64で指示されるスラスト駆動ナットを螺合的に受けるように構成され、これらは共に偏心シャフト44及びレンズアセンブリ24の取付ブラケット30をz軸方向に移動させるように構成される。
本発明の実施形態では、位置整合機構20は、全体が66で指示されるアクチュエータ組立体をさらに含む。アクチュエータ組立体66は、スライドクランク構成によってレンズ組立体24の取付ブラケット30に連結されている。一実施形態では、アクチュエータ組立体66は、ゼネバ型アクチュエータ(Geneva-type actuator)として具現化される。このゼネバ型アクチュエータは、レンズ組立体24の取付ブラケット30に接続されたスロットアーム70及びバネ荷重アクチュエータアーム68を含む。アクチュエータアーム68はモータ69によって駆動され、続いてスロットアーム70を回転させて取付ブラケット30及びレンズ組立体24を回転させる。偏心シャフト44は、作動中、回転中心として固定されている。位置合わせ(整合)中、偏心シャフトの回転は、整合要求を満たすために、レンズ組立体24をわずかにx軸方向に及び主にy軸方向に移動させる。
上述のように、整合機構20は2つのスラスト駆動ナット64を含み、スラスト駆動ナット64は偏心シャフト44の本体46上で互いに離間している。スラスト駆動ナット64は、当該スラスト駆動ナット64の内部表面上に形成された細かいピッチのねじ山と、偏心シャフト44の本体46のねじ部56、58上に形成された細かいピッチのねじ山とによって、偏心シャフト44に螺着される。2つのスラスト駆動ナット64を同じ方向に回転させると、偏心シャフト44が移動する。偏心シャフト44のこの移動は、スラスト駆動ナット64の回転方向に依存したz軸方向の移動である。偏心シャフト44のこの移動が、次に、アンギュラコンタクトベアリング62の移動を引き起こして、取付ブラケット30及びレンズアセンブリ24をz軸方向に動かし、レンズ組立体24をフォーカスする。2つのスラスト駆動ナット64が図示され説明されているが、偏心シャフト44のz軸方向への移動は、単一のスラスト駆動ナットによっても達成され得ることを理解されたい。
図3〜図8、図9に示すように、偏心シャフト44の位置をx軸方向及びy軸方向に維持するために、偏心シャフト44は、それぞれ72で示される開口部を含む。開口部72は、ねじ部分56と58との間で、偏心シャフト44の本体46に形成され、全体が74で示されている調整ツールを受ける。調整ツール74は、スラスト駆動ナット64を回転させるとき、偏心シャフト44を所定位置に保持するように構成されている。一実施形態において、偏心シャフト44の本体46は、4つの開口部72を含む。しかしながら、偏心シャフト44は任意の数の開口部72を備えて構成されてもよく、提供される空間の範囲内で調整ツール74を開口部72にアクセスできる。
図示されるように、調整ツール74は、細長いハンドル76と、ハンドル76の端部に設けられた足部78とを含む。調整ツール74の足部78は、1個又は複数個の開口部72の内部に入って内部に収容されるような寸法である、より大きな円柱部材80を含む。調整ツール74の足部78はさらに、それぞれ82で示される2つの、より小さな円柱部材をさらに含む。円柱部材82は、スラスト駆動ナット64と係合するように足部78のそれぞれの端部に設けられる。偏心シャフト44及び調整ツール74のより大きい円柱部材80は、調整ツールが偏心シャフトに嵌合して偏心シャフトを所定位置に保持することを可能にするものであれば、任意の形状を含み得る。例えば、開口部72は、調整ツール74の正方形部材80を受け入れるように正方形形状及び大きさにすることができる。より小さな円筒形部材80も、他の形状に具現化することができる。
スラスト駆動ナット64はそれぞれ、隆起部86間に配置された凹部84を有する段付き外方表面を含む(図5)。図示のように、調整工具74のより大きな円柱部材80が、偏心シャフト44の開口部72に入ると、2つのより小さな円柱部材82は、スラスト駆動ナット64の段付き外方表面の凹部84内部に配置される。この配置によって、調整工具74が、2つのスラスト駆動ナット64を偏心シャフト44と角度的に同位相に保持し、偏心シャフト44が回転されるときにも該シャフトを所定位置に保持する。フォーカス位置が達成された後に、調整ツール74はハンドル76を中心に軸方向に回転され、その結果、スラスト駆動ナット64が反対方向に回転され、偏心シャフト44をz軸方向の所定位置にロックする。図9を参照すると、スラスト駆動ナット64を反対方向に回転させるために調整工具74がハンドル76を中心に軸方向に回転されている様子を示している。
本開示の実施形態の整合機構20はさらに、偏心シャフト44及びレンズ組立体24を所望の位置に調整した後に偏心シャフト44の本体46を所定位置に固定するための、それぞれ88で指示する数個の止めねじを含む。図5に示すように、3つの止めねじ88がハウジング36の軸受ブロック40、42に設けられている。ハウジング36に対して一旦固定位置に位置された偏心シャフト44の本体46を固定するために、任意の数の止めねじ88を設けることができることを理解されたい。
位置整合機構20を組み立てるために、レンズ組立体24のボアサイト視野が確立される。止めねじ88を緩め、位置整合機構20を「現場」又は作業位置に固定する。位置整合機構20の偏心シャフト44を回転してボアサイト位置を調整し、それにより、x軸位置への影響を最小限に抑えてy軸位置を調整することが可能になる。y軸位置が調整された後に、x軸位置が、x軸止めねじ90(図9)によって調整される。次に、レンズアセンブリ24の焦点が確立される。調整工具74が偏心シャフト44の角度位置を維持しながら、スラスト駆動ナット64を同時に回転させて所望の焦点を達成する。次に調整工具74を回転させてスラスト駆動ナット64を反対方向に回転させてレンズ組立体24の焦点を固定する。止めねじ88が締め付けられ、スラスト駆動ナット64は速乾性エポキシを用いて固定される。
本開示の実施形態の位置整合機構は、偏心シャフトと、微細ピッチねじ山を有する2つのスラスト駆動ナットと、3軸調整可能光学タンブラーを達成するためのゼネバ型アクチュエータとによって作成されたコンパクトなパッケージを有することを理解されたい。
これまで少なくとも1つの実施形態のいくつかの特徴を説明してきたが、様々な変更、修正、及び改良が当業者には容易に思いつくであろうことを理解されたい。そのような変更、修正及び改良は本開示の一部であることを意図しており、そして本発明の範囲内であることを意図している。したがって、前述の説明及び図面は例示にすぎず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲の適切な構成及びそれらの均等物から決定されるべきである。

Claims (18)

  1. レンズ組立体を位置づけてフォーカスする整合機構であって:
    ハウジング;
    該ハウジングにより支持され、前記ハウジングに対して回転するように構成されている偏心シャフト;
    該偏心シャフトに結合されたブラケットを含むレンズ組立体;
    該レンズ組立体の前記ブラケットに結合され、前記偏心シャフトの周りに前記レンズ組立体を回転させるように構成されたアクチュエータ組立体;及び
    前記偏心シャフト上で互いに離れて取り付けられたつのスラスト駆動ナットであり、前記偏心シャフト及び前記レンズ組立体の前記ブラケットをz軸方向に移動させる2つのスラスト駆動ナット;
    を含む整合機構。
  2. 請求項1に記載された整合機構であって、
    前記2つのスラスト駆動ナットが、微細ピッチネジにより前記偏心シャフトに螺合されている、
    整合機構。
  3. 請求項2に記載された整合機構であって、
    前記レンズ組立体の前記ブラケットが2つのアンギュラコンタクト軸受により前記偏心シャフトに固定されている、
    整合機構。
  4. 請求項2に記載された整合機構であって、
    前記偏心シャフトが工具を受容する開口部を形成し、該工具が、当該工具で前記偏心シャフトを回転させながら前記偏心シャフト及び前記2つのスラスト駆動ナットを角度的に同位相に保持する、
    整合機構。
  5. 請求項4に記載された整合機構であって、
    前記工具がさらに、前記2つのスラスト駆動ナットを回転させて前記偏心シャフトに固定する際に、前記偏心シャフトを所定位置に保持するように構成されている、
    整合機構。
  6. 請求項3に記載された整合機構であって、
    前記アクチュエータ組立体がゼネバ型アクチュエータである、
    整合機構。
  7. 請求項3に記載された整合機構であって、
    前記ハウジングが、該ハウジングに関して前記偏心シャフトを所定位置に固定するための少なくとも1個の止めねじを含む、
    整合機構。
  8. 請求項3に記載された整合機構であって、さらに
    前記2つのアンギュラコンタクト軸受のうちの一方に近接して位置された、少なくとも1つのベアリング予荷重ナットを含む、
    整合機構。
  9. 請求項8に記載された整合機構であって、
    前記少なくとも1つのベアリング予荷重ナットが2つのベアリング予荷重ナットを含み、第1のベアリング予荷重ナットが前記2つのアンギュラコンタクト軸受のうちの第1軸受に近接して位置され、第2のベアリング予荷重ナットが前記2つのアンギュラコンタクト軸受のうちの第2軸受に近接して位置されている、
    整合機構。
  10. レンズ組立体をx軸方向、y軸方向及びz軸方向に移動させるために用いる整合機構を組み立てる方法であって:
    前記レンズ組立体のボアサイト視野を確立するステップ;
    前記整合機構の偏心シャフトを回転させて前記レンズ組立体の中心化位置を調節するステップ;
    前記偏心シャフト上で互いに離れた2つのスラスト駆動ナットを回転させ、z軸方向の調節をして、所望のフォーカスを達成するステップ;及び
    前記つのスラスト駆動ナットを所定位置に固定するステップ;
    を含む方法。
  11. 請求項10に記載された方法であって、
    前記偏心シャフトの角度位置が調節工具により維持される、
    方法。
  12. 請求項11に記載された方法であって、
    前記つのスラスト駆動ナットを所定位置に固定するステップが、前記調節工具により前記2つのスラスト駆動ナットを反対方向に回転させて前記レンズ組立体のフォーカスを固定するステップを含む、
    方法。
  13. 請求項10に記載された方法であって、さらに
    少なくとも1個の止めねじを固定するステップ;
    を含む方法。
  14. 請求項13に記載された方法であって、さらに
    前記つのスラスト駆動ナットを所定位置に固定するステップ;
    を含む方法。
  15. 請求項14に記載された方法であって、
    前記2つのスラスト駆動ナットを所定位置に固定するステップが、速乾性エポキシにより達成される;
    方法。
  16. 請求項10に記載された方法であって、さらに
    微細ピッチネジにより前記2つのスラスト駆動ナットを前記偏心シャフトに螺合するステップ;
    を含む方法。
  17. 請求項16に記載された方法であって、
    前記偏心シャフトが工具を受容する開口部を形成し、該工具が、整合動作中に前記偏心シャフトを回転させながら前記偏心シャフト及び前記2つのスラスト駆動ナットを角度的に同位相に保持する、
    方法。
  18. 請求項17に記載された方法であって、
    前記2つのスラスト駆動ナットを回転させながら、前記偏心シャフトを所望の角度位置に保持するように調節工具が構成されている、
    方法。
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