JP7118024B2 - 減速装置及び構造体 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータからの入力を減速する減速装置及び減速装置を含む構造体に関する。

人工衛星等に搭載される光学望遠鏡等の反射鏡支持機構では、例えば特許文献１に記載されるように、６軸（シフト３軸、チルト３軸）の支持ユニットが用いられる。

特開２０１４－１５１７４４号公報

人工衛星等に搭載される光学望遠鏡等の反射鏡は、複数の分割鏡（セグメント鏡）を組み合わせて構成される。このような分割鏡による反射鏡では、隣り合う分割鏡の間の段差が波長の１／１０程度（約１０ナノメートル）になるように調整する必要がある。
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、分割鏡間の段差を微調整する機構が存在しない。このため、特許文献１に記載の構成では、分割鏡による反射鏡において、高い鏡面精度を得ることができないという課題がある。

本発明は、このような課題を解決することを主な目的の一つとしている。より具体的には、本発明は、分割鏡による反射鏡において、高い鏡面精度を得ることを主な目的とする。

本発明に係る減速装置は、
分割鏡による反射鏡を支持する反射鏡支持機構に用いられ、
アクチュエータからの入力を１／ｎ（ｎは１より大きな数）に減速して、前記アクチュエータからの入力の１／ｎの大きさで出力する梃子と、
前記梃子からの入力を１／ｍ（ｍは１より大きな数）に減速して、前記梃子からの入力の１／ｍの大きさで出力するトグル機構とを有する。

本発明では、アクチュエータからの入力を１／（ｎ×ｍ）に減速することができる。このため、本発明によれば、分割鏡による反射鏡において、高い鏡面精度を得ることができる。

実施の形態１に係る反射鏡支持機構の例を示す図。 実施の形態１に係る支持構造、減速装置及びアクチュエータの例を示す図。 実施の形態１に係る支持構造、減速装置及びアクチュエータの例を示す図。 実施の形態１に係る梃子及びトグル機構の例を示す図。 実施の形態１に係るトグル角度θの例を示す図。 実施の形態１に係る反射鏡の例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。以下の実施の形態の説明及び図面において、同一の符号を付したものは、同一の部分又は相当する部分を示す。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る反射鏡構造体７０００の例を示す。反射鏡構造体７０００は、反射鏡１０００と反射鏡支持機構７００を備えて構成される。
反射鏡１０００は、複数の分割鏡１００が組み合われた反射鏡である。図１では、作図上の理由により複数の分割鏡１００が組み合わされたようには描画されていないが、反射鏡１０００は、分割鏡による反射鏡である。
反射鏡支持機構７００は、人工衛星等の宇宙航行体に搭載され、光学望遠鏡等の反射鏡１０００を支持する。
反射鏡支持機構７００は、複数の支持ユニット２００と複数の構造体６００とで構成される。構造体６００は、反射鏡１０００を構成するそれぞれの分割鏡１００をそれぞれ個別に支持する。構造体６００は、それぞれ支持ユニット２００によって支持される。構造体６００は、鏡台８００を有する。

支持ユニット２００は、ヘキサポッドパラレルメカニズムによる支持脚である。支持ユニット２００は、９本のロッドで構成される。当該９本のロッドのうち３本が組み合わされて三角形状の単位トラスを形成する固定トラス６２０（支持台）を構成する。固定トラス６２０を構成するロッドは長さが固定される。固定トラス６２０を構成するロッドは隣接する２つのロッド同士がそれぞれ結合されて３つの節点を形成する。上記９本のロッドのうち他の６本のロッドは固定トラス６２０の節点に結合され、組み合わされて調整トラス６５０を構成する。固定トラス６２０を構成する各節点に対して、調整トラス６５０を構成する各２つのロッドの下端部がそれぞれＶ字形状に結合されて、バイポッドの支持構造を形成する。
調整トラス６５０を構成する各２つのロッドの上端部は、三角形状の単位トラスをなす鏡台８００の３つの節点にそれぞれ結合される。調整トラス６５０を構成する６本のロッドはそれぞれ長さを伸縮調整することが可能である。当該６本のロッドの伸縮により、鏡台８００の位置および姿勢を決定する６軸（シフト３軸、チルト３軸）の変形量（６自由度のパラメータ）を調整制御することが可能である。支持ユニット２００は、分割鏡１００を支持する構造体６００の鏡台８００を支持するとともに、分割鏡１００の位置および姿勢を粗く調整するための粗調整機構用のトラス構造を形成する。

構造体６００は、支持構造３００と鏡台８００と減速装置４００とアクチュエータ５００とで構成される。支持構造３００は、分割鏡１００における鏡面の裏面側にそれぞれ固定されて、分割鏡１００を支持する。
支持構造３００と鏡台８００と減速装置４００とアクチュエータ５００は分割鏡１００の位置及び姿勢を微調整する微調整機構を構成する。
鏡台８００は３つのロッドを三角形状に組み合わせて、各ロッドの長さの固定された単位トラスを形成し、上記微調整機構を支持する。

反射鏡１０００は、図６に示す反射鏡１０００ａ又は反射鏡１０００ｂのように構成される。
図６の（ａ）、（ｂ）に示すように、大型の反射鏡１０００ａ又は反射鏡１０００ｂは、複数の分割鏡１００ａ又は分割鏡１００ｂが組み合わされて、あたかも１枚の鏡のように形成される。反射鏡１０００ｂの中央部は、円形もしくは多角形状の穴が形成されている。
それぞれの分割鏡１００ａは、隣接する分割鏡１００ａと接してもしくは近接して配置されることで、複数の分割鏡１００ａが隙間なく敷き詰められて、１枚の大型の反射鏡１０００ａを構成する。分割鏡１００ａは例えば六角形状をなすことで、隙間なく敷き詰めることができる。反射鏡１０００ａは、複数の分割鏡１００ａの位置及び姿勢を高精度に調整することで、所望の面精度の鏡面形状を形成し維持することができる。
また、それぞれの分割鏡１００ｂは、隣接する分割鏡１００ｂと接してもしくは近接して配置されることで、複数の分割鏡１００ｂが、反射鏡１０００ｂの中央部を除いて隙間なく敷き詰められて、反射鏡１０００ｂを構成する。分割鏡１００ａは例えば六角形状をなすことで、反射鏡１０００ｂにおける円形もしくは多角形状の穴の周囲に隙間なく敷き詰めることができる。反射鏡１０００ｂは、複数の分割鏡１００ｂの位置及び姿勢を高精度に調整することで、所望の面精度の鏡面形状を形成し維持することができる。
なお、支持ユニット２００を介して分割鏡１００ａおよび構造体６００を支持する固定トラス６２０は、隣接する他の分割鏡１００ａを支持する固定トラス６２０と相互に結合されて、全体としてトラス構造の基台部（図示せず）を構成する。この基台部は、人工衛星等の宇宙航行体を構成する構体に、直接または他の支持部材を介して間接的に固定される。

図１では、描画角度の関係により、支持構造３００として支持構造３００ａと支持構造３００ｂのみが描画されているが、支持構造３００は６個存在する。なお、支持構造３００ａと支持構造３００ｂを区別する必要がない場合は、両者をまとめて支持構造３００と表記する。
支持構造３００の一端部は、減速装置４００を介して支持ユニット２００の鏡台８００を構成する３つのロッドの節点部に接続され、支持固定されている。
６本の支持構造３００の他端部は、分割鏡１００の鏡面裏面における６つの部位にそれぞれ取り付けられて、分割鏡１００を支持する。２脚で１組の支持構造３００が鏡台８００を構成するロッドの３つの節点部にそれぞれＶ字形状に取り付けられて、バイポッドの支持構造を形成する。

アクチュエータ５００は、分割鏡間の段差を微調整するために減速装置４００に荷重を入力する。アクチュエータ５００は、例えば、ステッピングモータやギアドモータ等の回転角を軸方向の並進移動に変換するロータリーアクチュエータである。
減速装置４００は、アクチュエータ５００からの入力を減速する。
アクチュエータ５００と減速装置４００は、対になっている。アクチュエータ５００と減速装置４００との対は、支持構造３００ごとに設けられている。つまり、アクチュエータ５００と減速装置４００との対は、６対存在する。図１では、描画角度の関係より、５対のみが描画されている。

図２は、支持構造３００と減速装置４００とアクチュエータ５００の拡大図である。
支持構造３００は、一端が分割鏡１００に接続しており、他端が減速装置４００の一方側に接続されている。減速装置４００の他方側は鏡台８００を構成するロッドの３つの節点部にそれぞれ支持固定されている。減速装置４００はアクチュエータ５００に接続されている。アクチュエータ５００は、ホルダー５０１で支持されて減速装置４００に接続されている。図２では、減速装置４００とアクチュエータ５００との接続を分かりやすくするために、ホルダー５０１を破線で表現している。
前述したように、反射鏡支持機構７００の構造体６００では、支持構造３００と減速装置４００とアクチュエータ５００の組が６つ存在する。
図３は、図２を別角度から見た図である。図３は、支持構造３００と減速装置４００とアクチュエータ５００を、支持構造３００の長手方向（以下、軸方向）に垂直な正面方向から見た状態を示す。図３では、ホルダー５０１の図示は省略している。
支持構造３００は、上記軸方向に垂直な直交する２軸の方向にそれぞれ僅かな微少変位で撓むように、板ばね状の可撓性弾性体が取り付けられており、当該直交２軸周りに僅かな微小角変位可能な２軸回転の疑似的なフリージョイントを形成している。

図４は、減速装置４００の詳細を示す。図４においても、ホルダー５０１の図示は省略している。減速装置４００は、アクチュエータ５００の駆動に応じて、支持構造３００における軸方向の長さがナノメーター精度で微少に伸縮し、一方側と他方側の距離間隔が変化する。なお、支持構造３００を構成する可撓性弾性体の微小角変位は、減速装置４００の軸方向長さ変化に対し影響を及ぼさない程度に極めて小さい。
減速装置４００は、梃子４０１とトグル機構４０２で構成される。
梃子４０１は、アクチュエータ５００からの入力を１／ｎ（ｎは１より大きな数）に減速して、アクチュエータ５００からの入力の１／ｎの大きさでトグル機構４０２に出力する。
トグル機構４０２は、梃子４０１からの入力を１／ｍ（ｍは１より大きな数）に減速して、梃子４０１からの入力の１／ｍの大きさで支持構造３００に出力する。
つまり、梃子４０１は、アクチュエータ５００により押されるとアクチュエータ５００により押されたことによる変位の１／ｎの大きさの変位でトグル機構４０２を引く。また、梃子４０１は、アクチュエータ５００により引かれるとアクチュエータ５００により引かれたことによる変位の１／ｎの大きさの変位でトグル機構４０２を押す。
また、トグル機構４０２は、梃子４０１により引かれると梃子４０１により引かれたことによる変位の１／ｍの大きさの変位で接続先である支持構造３００を引く。また、トグル機構４０２は、梃子４０１により押されると梃子４０１により押されたことによる変位の１／ｍの大きさの変位で接続先である支持構造３００を押す。
このように、本実施の形態に係る減速装置４００では、アクチュエータ５００からの入力を１とすると、トグル機構４０２の出力は１／（ｎ×ｍ）になる。

図４では、梃子４０１がアクチュエータ５００からの入力を１／５に減速する例（減速比：１／５）を示している。また、図４では、トグル機構４０２が梃子４０１からの入力を１／５に減速する例（減速比：１／５）を示している。つまり、図４では、梃子４０１とトグル機構４０２により、アクチュエータ５００からの入力を１／２５に減速する例（減速比：１／２５）を示している。
アクチュエータ５００の分解能０．１μｍ／ｐｌｓを梃子４０１とトグル機構４０２とで１／２５に減速することで、理論分解能４ｎｍ／ｐｌｓを達成することができる。

梃子４０１の減速比は、力点から支点までの距離と支点から作用点までの距離を調整することで任意の減速比を実現可能である。図４の例では、力点から支点までの距離と支点から作用点までの距離を５：１にしているため、梃子４０１の減速比が１／５になっている。
また、トグル機構４０２は、菱形トグル機構であるため、図５に示すトグル角度θを調整することで任意の減速比を実現可能である。図５では、トグル機構４０２において１／５の減速比を実現するためのトグル角度（θ＝８４．３度）を示している。

なお、梃子４０１及びトグル機構４０２は、軸受などの滑り、摩擦がある非線形要素ではなく、弾性ヒンジで構成される。すなわち、梃子４０１及びトグル機構４０２は、弾性変形し、また、環境変化に対して分割鏡の面変化に影響の小さい材料（つまり、吸排湿が無く、熱変形が小さい材料）で構成される。より具体的には、梃子４０１及びトグル機構４０２は金属製である。

＊＊＊実施の形態の効果の説明＊＊＊
このように、本実施の形態に係る減速装置４００では、アクチュエータ５００からの入力を１／（ｎ×ｍ）に減速することができる。このため、本実施の形態によれば、分割鏡による反射鏡において、高い鏡面精度を得ることができる。
より具体的には、減速装置４００は、６つの減速装置４００の各々で１０ナノメーター級の精度で支持構造３００を引く又は押すことができるので、各分割鏡１００の６自由度の位置及び姿勢を高精度に調整することが可能となり、分割鏡の間の段差を１０ナノメーター級の精度で調整することができる。
なお、実際の運用では、支持ユニット２００の各ロッドの長さをマイクロメーター単位で一致させた後、アクチュエータ５００及び減速装置４００を用いた微調整を行って、１０ナノメーター級の精度で分割鏡の間の段差を調整することが考えられる。

また、本実施の形態では、トグル機構４０２を用いることにより、オフセットのない状態で支持構造３００の軸方向にアクチュエータ５００からの荷重を受けることが可能になり、支持ユニット２００のロッドに曲げ（モーメント）が入らない構造とすることが可能である。これにより、支持ユニット２００のロッドをより薄く設計することができ、分割鏡１００に影響する歪（モーメント）を小さくすることができる。このため、分割鏡１００間の鏡面精度を維持した状態で、分割鏡を組み合わせた反射鏡１０００を構成するとともに、反射鏡１０００の鏡面精度を維持することが可能である。
また、支持構造３００に負荷される荷重が軸中心からオフセットすることがなく、荷重を支持することが可能であるため、分割鏡を支持構造３００で静定支持することを維持したまま、減速することが可能になる。
また、本実施の形態によれば、減速装置４００を、梃子４０１及びトグル機構４０２という２段の減速機構とすることで、コンパクトな構成が得られる。

なお、上述した実施の形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明の範囲、本発明の適用物の範囲、および本発明の用途の範囲を制限することを意図するものではない。上述した実施の形態は、必要に応じて種々の変更が可能である。

１００ 分割鏡、１１０ 分割鏡、２００ 支持ユニット、３００ 支持構造、４００
減速装置、４０１ 梃子、４０２ トグル機構、５００ アクチュエータ、５０１ ホルダー、６００ 構造体、６２０ 固定トラス、６５０ 調整トラス、７００ 反射鏡支持機構、８００ 鏡台、１０００ 反射鏡、７０００ 反射鏡構造体。

Claims (5)

1. アクチュエータに接続された梃子と、分割鏡による反射鏡を支持する支持構造と前記梃子とに接続されたトグル機構とを有し、
   前記梃子は、
   前記アクチュエータにより押されると前記アクチュエータにより押されたことによる変位の１／ｎ（ｎは１より大きな数）の大きさの変位で前記トグル機構を引き、
   前記アクチュエータにより引かれると前記アクチュエータにより引かれたことによる変位の１／ｎの大きさの変位で前記トグル機構を押し、
   前記トグル機構は、
   前記梃子により引かれると前記梃子により引かれたことによる変位の１／ｍ（ｍは１より大きな数）の大きさの変位で前記支持構造を引き、
   前記梃子により押されると前記梃子により押されたことによる変位の１／ｍの大きさの変位で前記支持構造を押す、前記反射鏡を支持する反射鏡支持機構に用いられる減速装置。
2. 前記トグル機構は、
   菱形トグル機構である請求項１に記載の減速装置。
3. 前記トグル機構は、
   １０ナノメーター級の精度で前記支持構造を引く又は押す請求項１に記載の減速装置。
4. 前記梃子及び前記トグル機構は、金属製である請求項１に記載の減速装置。
5. 前記反射鏡と、前記支持構造と、前記アクチュエータと、請求項１に記載の減速装置とを有する構造体。

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