JP6169443B2 - ３個の死点を有する角度位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は機械的動作伝達の分野に関する。本発明は、機械的角度位置決め装置に関し、特に３個の所定定置に従い鏡等の要素の位置決めを必要とする光学機器に適している。

角度位置決めを行う多くの機械的装置が存在する。例えば、簡単なステップモーターは、自身の１ステップに応じて角度位置決めを行うことができる。しかし、従来の装置は、特定の用途に適していない場合がある。例えば、約１００分の１度の角度精度が必要な場合がそうである。更に、異なる角度位置の良好な安定性及び良好な信頼性を得たい場合に更なる困難さに出会う。換言すれば、所与の持続時間にわたり維持可能であって、そこから離れた場合に再度得ることができる正確な位置を得ることは困難である。精度、安定性、及び信頼性に関する厳しい要件が、特に光学機器分野にあてはまる。例えば、光学機器は、自身のセンサーのうち１つに較正を必要とする場合がある。この較正は、３個の異なる位置に応じて軸の回りで鏡の向きを合わせることを含んでいる場合がある。シーン位置として知られる第１の位置は、鏡が研究対象領域からの放射を反射する位置に対応する。鏡は、研究対象領域の方を向いていると言われる。較正位置として知られる他の２個の位置は、鏡が基準光源の放射を反射する位置に対応する。これらの基準エミッターは例えば、黒体又は冷空間に向けた照準を含んでいる。この場合、センサーの較正は、第１の較正位置、次いで第２の較正位置、最後にシーン位置における鏡の位置決めを必要とする。

機械的位置決め装置の挙動に影響を及ぼす要素の一つがアクチュエータであることが理解されよう。一般に、これは電気モーターである。異なる種類の電気モーターを用いることができる。「音声コイル」モーターとして知られる可動コイルモーターは高い精度を有している。しかし、これらは閉ループ内のサーボ制御による制御を必要とし、所与の位置での保持には永久的な電力供給を必要とする。圧電アクチュエータもまた高い精度を有している。しかし、これらもまた閉ループ内のサーボ制御により制御されなければならない。これらはまた、進行方向に比較的弱い力が生じる。従って実際には、寸法が大きい圧電アクチュエータを使用する必要がある。ステップモーターには、閉ループなしで制御可能であるという利点があり、電力供給を必要とせずに位置の保持が可能である。一方、角度精度は一般に不十分である。一つの解決策は、ステップモーターに減速器を関連付けるものである。減速器により、出力側における角度変位をモーターの角度変位に対して減らすことが可能になる。従って、モーターの各ステップ毎に、出力側における角度変位は、当該ステップの途中を表す。減速器は、例えばギア付きの装置の形式であってよい。しかし、例えば約１００分の１という低い伝達率を得るために、当該装置は多数の歯車を含んでいなければならない。複雑さと大きさの問題に加え、この種の減速器は、遊び及び抵抗トルクをもたらす。遊びを除去する装置は存在するが、更なるトルクをもたらす。別の減速器解決策は、２本の接続ロッドによりモーターにより回転するアームの使用に基づくものである。当該アームは、フレームにピボット接続されている。第１接続ロッドは、モーターにより回転する。第２接続ロッドは、第１のピボット接続により第１接続ロッドに接続しており、且つ第２のピボット接続により当該アームに接続している。これらの２個のピボット接続の軸がモーターの回転軸と同一平面にある場合、２個の接続ロッドは死点、即ちアームの回転動作が反転される構成を生成する。この反転には、アームの角度変位とローターの角度変位の間の伝達率の局所化された減少を伴う。しかし、この種の装置は２個の死点だけを含んでいて、３個の異なる位置に従う角度位置決めには適していない。

本発明の目的は特に、３個の異なる角度位置に低い伝達率を提供可能な減速器を提供することである。このため、本発明の目的は、
・第１軸に従って角度位置決め装置のフレームにピボット接続された第１接続ロッド、
・第１軸に従って第１接続ロッドを回転可能な起動装置、
・第２軸に従って第１接続ロッドにピボット接続された第２接続ロッド、
・第３軸に従ってフレームにピボット接続された第３接続ロッド、
・第４軸に従ってフレームにピボット接続され、且つ第５軸に従って第２接続ロッドにピボット接続された第４接続ロッド、及び
・第６軸に従って第３接続ロッドにピボット接続され、且つ第７軸に従って第２または第４接続ロッドにピボット接続された第５接続ロッドを含み、
第１、第２、第３、第４、第５、第６及び第７軸が互いに平行であって、
角度位置決め装置は、第３接続ロッドが３個の異なる角度位置を占め、その各々について互いにピボット接続された接続ロッドのうち２本が角度位置決め装置内に死点を形成できるように構成された角度位置決め装置である。

起動装置は例えば、位置決め装置のフレームと一体化された固定子、及び第１接続ロッドと一体化されたローターを含む回転モーターである。

死点が形成される第３接続ロッドの角度位置の少なくとも１つは、第１及び第５軸を含む平面と第２軸との一致に対応していてよい。

特定の実施形態によれば、第５接続ロッドは、第２接続ロッドにピボット接続されている。本実施形態において、死点が形成される第３接続ロッドの角度位置の少なくとも１つは、第４及び第７軸を含む平面と第５軸の一致に対応していてよい。

別の特定の実施形態によれば、第５接続ロッドは、第４接続ロッドにピボット接続されている。本実施形態において、死点が形成される第３接続ロッドの角度位置の少なくとも１つは、第４及び第６軸を含む平面と第７軸の一致に対応していてよい。

特定の実施形態によれば、ピボット接続の第５及び第７軸は結合されている。

本発明の目的はまた、上述のような角度位置決め装置を含む光学機器用較正システムであって、光学機器の要素を第３接続ロッドに固定することが可能である。

本発明は特に、関心対象の角度位置周辺で低い伝達率、及びこれらの位置の外側でより高い伝達率の両方が得られる利点があり、異なる位置間の通過速度を増大することが可能になる。

添付の図面に関する以下の記述を読めば本発明への理解が深まると共に、他の利点も明らかになろう。

本発明の第１の実施形態による角度位置決め装置の第１例を運動図の形式で示す。 本発明の第１の実施形態による角度位置決め装置の第２例を示す。 図１の角度位置決め装置を第１の死点に対応する構成で示す。 図１の角度位置決め装置を第２の死点に対応する構成で示す。 図１の角度位置決め装置を第１の死点に対応する別の構成で示す。 図１の角度位置決め装置を第３の死点に対応する構成で示す。 本発明の第２の実施形態による角度位置決め装置の第１例を示す。 第２の実施形態による角度位置決め装置の第２例を示す。 第３の実施形態による角度位置決め装置の例を示す、 当該装置の入力側接続ロッドの角度位置に対する図９の角度位置決め装置の出力側接続ロッドの角度位置の変化をグラフ形式で示す。

一般に、角度位置決め装置は、接続ロッドのアセンブリー、及び接続軸が互いに平行であるピボット接続のアセンブリーを含んでいる。第１の入力側接続ロッド、第２の出力側接続ロッド及び第３接続ロッドが当該装置のフレームにピボット接続されている。第４及び第５接続ロッドは、２個のピボット接続により装置の他の２本の接続ロッドに各々接続されている。入力側接続ロッドは、モーターにより回転可能である。角度位置決め装置は、出力側接続ロッドが３個の異なる角度位置を占め、その各々について互いにピボット接続された２本の接続ロッドが当該装置内に死点を形成することができるように構成されている。

図１は、第１の実施形態による角度位置決め装置の例を運動図の形示で示す。角度位置決め装置１０は、参照番号１１〜１５を付した５本の接続ロッドのアセンブリー、及び各々回転軸として軸Ｘ_１〜Ｘ_７を有する参照番号２１〜２７を付した７個のピボット接続のアセンブリーを含んでいる。第１接続ロッド１１は、軸Ｘ_１に従って装置１０のフレームにピボット接続されている。第２接続ロッド１２は、軸Ｘ_１に平行な軸Ｘ_２に従って第１接続ロッド１１にピボット接続されている。第３接続ロッド１３は、軸Ｘ_１及びＸ_２に平行な、軸Ｘ_３に従って装置１０のフレームにピボット接続されている。第４接続ロッド１４は、軸Ｘ_４に従って装置１０のフレームにピボット接続され、且つ軸Ｘ_５に従って第２接続ロッド１２にピボット接続されている。軸Ｘ_４及びＸ_５は、軸Ｘ_１〜Ｘ_３に平行である。最後に、第５接続ロッド１５は、軸Ｘ_６に従って第３接続ロッド１３にピボット接続され、且つ軸Ｘ_７に従って第２接続ロッド１２にピボット接続されている。軸Ｘ_６及びＸ_７は、軸Ｘ_１〜Ｘ_５に平行である。本実施形態において、ピボット接続２４、２５及び２７は同一軸上に整列配置され、ピボット接続２５はピボット接続２４と２７の間に存在する。換言すれば、ピボット接続２４、２５及び２７は、それらの軸Ｘ_４、Ｘ_５及びＸ_７が同一平面に含まれるように接続ロッド１４に配置されていて、軸Ｘ_５は軸Ｘ_４とＸ_７の間に存在する。しかし、軸Ｘ_４、Ｘ_５及びＸ_７が同一平面に含まれない場合でも本発明は同様にうまく機能できる。装置１０はまた、フレームに対して第１接続ロッド１１を軸Ｘ_１の回りに回転可能な図示しないステップモーターを含んでいる。第１接続ロッド１１はこのように入力側接続ロッドを形成する。これが、ステップモーターにより入力側に生じた回転動作を伝える接続ロッドである。第３接続ロッド１３は出力側接続ロッドを形成する。この接続ロッドは、第１接続ロッド１１の角度変位に相対的に低い角度変位で、３個の異なる角度位置を占めることができなければならない。

再び運動図の形式で、図２に第１の実施形態による角度位置決め装置３０の別の例を示す。図１の例に対して、接続ロッド１４、１５を接続するピボット接続２７の軸Ｘ_７は、各々接続ロッド１４をフレーム及び接続ロッド１２に接続するピボット接続の軸Ｘ_４とＸ_５の間に存在する。

図３に、図１の角度位置決め装置を、互いにピボット接続された２本の接続ロッドが当該装置内に第１の死点を形成する個別特定位置にある第１の構成で示す。死点とは、２本の接続ロッドにおいて、これらの接続ロッドの一方にピボット接続された当該または他方の接続ロッド（複数可）が、当該位置を通る間に動作の反転を受ける個別特定位置を意味する。当該動作は回転または並進動作であってよい。この場合、接続ロッド１４、１５は、これら２本の接続ロッドを接続するピボット接続２７の軸Ｘ_７が、軸Ｘ_４及びＸ_６を通る平面に一致するような個別位置にある。この位置は、接続ロッド１３の第１の死点を画定する。当該第１の死点を通る間に、接続ロッド１３の軸Ｘ_３回りの回転は方向を変える。即ち三角法方向から時計回り方向に移る。接続ロッド１３のこの方向の変化は、接続ロッド１３の角度位置θ_１において生じ、接続ロッド１１の対応する角度変位に比べて角度変位が極めて低い。従って、死点を通る間、接続ロッド１３の角度変位と接続ロッド１１の角度変位の間の伝達率は極めて低い。より具体的には、死点に近づくにつれて、伝達率は減少し、死点を通る間に相殺され、次いで死点から遠さかるにつれて再び次第に増大する。

図４に、図２の角度位置決め装置を、他の２本の接続ロッドが当該角度位置決め装置の第２の死点を形成する個別位置にある第２の構成で示す。第１と第２の構成の間で、ステップモーターは接続ロッド１１を時計回りに回転させている。当該構成において、接続ロッド１１、１２は、これらの２本の接続ロッドを接続するピボット接続２２の軸Ｘ_２が、軸Ｘ_１及びＸ_５を通る平面に一致するように、個別位置にあり、軸Ｘ_１は軸Ｘ_２とＸ_５の間にある。この位置は、接続ロッド１４に死点を形成する。この死点を通る間に、接続ロッド１４の軸Ｘ_４回りの回転は方向を変える。この回転方向の変化により、接続ロッド１５の瞬間回転中心回りの回転方向の変化が生じ、次いでロッド１３の軸Ｘ_３回りの回転方向の変化を引き起こす。接続ロッド１３の回転は従って、第２の角度位置θ_２において時計回り方向から三角法方向に移るが、接続ロッド１１の対応する角度変位に比べて角度変位が極めて低い。一般に、所与の接続ロッドに生じた死点は、動作伝達の下流にある各々の接続ロッドに伝播する。この場合、接続ロッド１４の死点は、接続ロッド１５、次いで接続ロッド１３に伝播する。

図５に、図２の角度位置決め装置を、２本の接続ロッド１４、１５が再度第１の死点を形成する位置にある第３の構成で示す。第２と第３の構成の間で、ステップモーターは、接続ロッド１１を時計回りに回転させている。当該構成において、接続ロッド１４、１５は、同一の個別位置に復帰しており、即ち、軸Ｘ_７は、軸Ｘ_４及びＸ_６を通る平面に一致する。接続ロッド１３の軸Ｘ_３回りの回転方向は、角度位置θ_１において再度反転される。即ち、角度位置θ_１で三角法方向から時計回り方向に移る。

図６に、図２の角度位置決め装置を、接続ロッド１１、１２が当該装置の第３の死点を形成する個別位置にある第４の構成で示す。第３と第４の構成の間で、ステップモーターは接続ロッド１１を再度時計回り方向の回転させている。当該構成において、接続ロッド１１、１２は、軸Ｘ_２が軸Ｘ_１及びＸ_５を通る平面に一致するような個別位置にある。しかし、第２の構成に比べて、軸Ｘ_２は軸Ｘ_１とＸ_５の間にある。当該第３の死点を通る間に、接続ロッド１４の軸Ｘ_４回りの回転は方向を変える。この回転方向の変化により、接続ロッド１５の瞬間回転中心回りの回転方向の変化が生じ、次いで接続ロッド１３の軸Ｘ_３回りの回転方向の変化を引き起こす。接続ロッドの回転は従って、接続ロッド１３の第３の角度位置θ_３において時計回り方向から三角法方向に移る。この方向の変化もまた、接続ロッド１１の角度変位に対して極めて低い角度変位で生じる。

ステップモーターは、接続ロッド１１を、図３に示す接続ロッド１３が角度位置θ１を占める第１の構成まで再度回転させることができる。従って、接続ロッド１１を一周回転させる場合、接続１３ロッドは角度位置θ_１、θ_２、θ_１、θ_３及びθ_１、即ち３個の異なる角度位置を連続的に占める。接続ロッド１３の最大角度間隔、即ち角度位置θ_１とθ_２の間角が、完全な一回転の一部、この場合は約５０°、にしか対応していないため、接続ロッド１３の角度変位と接続ロッド１１の角度変位の間の平均伝達率が１未満であることは明らかである。特に、上述のように、３つの死点を通ることにより局所的に伝達率の大幅な減少が生じる。

図７に、第２の実施形態による角度位置決め装置の第１例を運動図の形式で示す。当該第２の実施形態による装置４０は、接続ロッド１５が接続ロッド１４ではなく接続ロッド１２にピボット接続されている点で第１の実施形態による装置１０及び３０から区別される。この接続は、軸Ｘ_８とのピボット接続２８により行われる。軸Ｘ_８は、ピボット接続２１〜２６の軸Ｘ_１〜Ｘ_６に平行である。本実施形態において、ピボット接続２２、２５及び２８は、それらの軸Ｘ_２、Ｘ_５及びＸ_８が同一平面に含まれるように、接続ロッド１２に配置され、軸Ｘ_５は軸Ｘ_２とＸ_８の間に存在する。本発明はまた、軸Ｘ_５が軸Ｘ_２及びＸ_８の平面に含まれていなくても機能することができる。本実施形態において、死点は、接続ロッド１１、１２の個別特定位置、接続ロッド１２、１４の個別特定位置、並びに接続ロッド１２、１５の個別特定位置において生じさせることが可能である。これらの個別位置は、装置の構成、特にピボット接続された間の距離に応じて得らたり得られなかったりする。

再び運動図の形式で、図８に、第２の実施形態による角度位置決め装置５０の第２例を示す。図７の実施形態に比べて、接続ロッド１２と１５を接続するピボット接続２８の軸Ｘ_８は、接続ロッド１２を接続ロッド１１及び接続ロッド１４に各々接続するピボット接続の軸Ｘ_２とＸ_５の間に存在する。

図９に、第３の実施形態による角度位置決め装置の例を運動図の形式で示す。当該装置６０は、実際には第１及び第２の実施形態の組合せに対応する。従って、接続ロッド１５は、同一の軸に従って接続ロッド１２及び接続ロッド１４両方にピボット接続されている。換言すれば、軸Ｘ_５、Ｘ_７及びＸ_８は結合されている。本実施形態は、サイズの面で利点があると言える。

図１０に、図９の角度位置決め装置６０の入力側接続ロッド１１の角度位置に対する出力側接続ロッド１３の角度位置の変化をグラフ形式で示す。各々の角度位置は、基準位置に相対的な位置にある。基準位置は、この場合、死点が形成される個別位置に２本の接続ロッドがある構成の一つに対応している。図１の装置１０の類推から、例えば接続ロッド１３の基準位置が角度位置θ_３であるのものと考えられる。接続ロッド１１が軸Ｘ_１の回りを時計回りに回転するのに伴い、接続ロッド１３は角度位置θ_１に向かって三角法方向に回転する。接続ロッド１４と１５が第１の死点を形成する場合、接続ロッド１３は位置θ_１にあって、回転方向の反転を受ける。接続ロッド１１が回転動作を続けたならば、接続ロッド１３は次いで位置θ_２まで時計回りに回転する。この位置において、接続ロッド１１、１２は第２の死点を形成する。接続ロッド１３は、再度回転の動作方向の反転を受ける。接続ロッド１１が更に回転動作を続けたならば、接続ロッド１３は従って角度位置θ_１まで三角法方向に回転する。この位置において、接続ロッド１４、１５は再度第３の死点の位置にある。接続ロッド１３は、再度回転方向の反転を受ける。接続ロッド１１の回転動作を基準位置まで続けることにより、接続ロッド１３は角度位置θ_３まで時計回りに回転する。

角度位置決め装置の異なる実施形態において、接続ロッドの相互の、または装置のフレームに相対的な関節構造はピボット接続により保証されるものと考えられてきた。これらの関節構造が、検討対象である軸の回りに回転の自由度を含む任意の種類の接続により保証できる。特に、各々のピボット接続は、同じ回転軸とのスライドピボット接続により、またはボールジョイント接続により代替可能である。また、上の実施形態は、異なるピボット接続の回転軸の互いに相対的な位置決めの観点から、従って接続ロッドの長さの観点から特定の構成により表されている。本発明が、他の構成にも、その各々が装置に少なくとも３個の死点を形成する前提で、適用できることが理解されよう。

本発明による角度位置決め装置の機能について、出力側接続ロッド１３の向きを異なる角度位置θ_１、θ_２及びθ_３に合わせるために、入力側接続ロッド１１が常に同じ方向に駆動されることを考慮しながら記述してきた。接続ロッド１１が両方の回転方向に駆動できることが理解されよう。

１０，３０、４０，５０，６０ 角度位置決め装置
１１−１５ 接続ロッド
２１−２７ ピボット接続
Ｘ_１−Ｘ_８ 軸
θ_１−θ_３ 角度位置

Claims (7)

1. 角度位置決め装置であって、
   ・第１軸（Ｘ_１）に従って前記角度位置決め装置（１０、３０、４０、５０、６０）のフレームにピボット接続された第１接続ロッド（１１）、
   ・第１軸（Ｘ_１）に従って前記第１接続ロッド（１１）を回転可能な起動装置、
   ・第２軸（Ｘ_２）に従って前記第１接続ロッド（１１）にピボット接続された第２接続ロッド（１２）、
   ・第３軸（Ｘ_３）に従って前記フレームにピボット接続された第３接続ロッド（１３）、
   ・第４軸（Ｘ_４）に従って前記フレームにピボット接続され、且つ第５軸（Ｘ_５）に従って前記第２接続ロッド（１２）にピボット接続された第４接続ロッド（１４）、及び
   ・第６軸（Ｘ_６）に従って前記第３接続ロッド（１３）にピボット接続され、且つ第７の軸（Ｘ_７、Ｘ_８）に従って、前記第２または第４接続ロッド（１２、１４）にピボット接続された第５接続ロッド（１５）を含み、
   前記第１、第２、第３、第４、第５、第６及び第７軸（Ｘ_１〜Ｘ_８）が互いに平行であって、
   前記角度位置決め装置（１０、３０、４０、５０、６０）は、前記第３接続ロッド（１３）が３個の異なる角度位置（θ_１、θ_２、θ_３）を占め、その各々について互いにピボット接続された前記接続ロッドのうち２本が前記角度位置決め装置内に死点を形成すべく構成された角度位置決め装置。
2. 前記起動装置が、前記位置決め装置の前記フレームと一体化された固定子、及び前記第１接続ロッド（１１）と一体化されたローターを含む回転モーターである、請求項１に記載の装置。
3. 前記第３接続ロッド（１３）の角度位置（θ_２、θ_３）の少なくとも１つが、前記第１（Ｘ_１）及び第５軸（Ｘ_５）を含む平面と前記第２軸（Ｘ_２）の一致に対応する、請求項１または２のいずれか１項に記載の装置。
4. 前記第５接続ロッド（１５）が、前記第２接続ロッド（１２）にピボット接続され、前記第３接続ロッド（１３）の角度位置の少なくとも１つが、前記第４（Ｘ_４）及び第７（Ｘ_７）軸を含む平面と前記第５軸（Ｘ_５）の一致に対応する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記第５接続ロッド（１５）が、前記第４接続ロッド（１４）にピボット接続され、前記第３接続ロッド（１３）の角度位置（θ_１）の少なくとも１つが、前記第４（Ｘ_４）及び第６（Ｘ_６）軸を含む平面と前記第７軸（Ｘ_７）の一致に対応する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記ピボット接続（２５、２７、２８）の前記第５（Ｘ_５）及び第７軸（Ｘ_７）が結合されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の角度位置決め装置（１０、３０、４０、５０、６０）を含む光学機器用較正システムであって、前記光学機器の要素を前記第３接続ロッド（１３）に固定することが可能な光学機器用較正システム。

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