JP6417896B2 - 焦点調整機構 - Google Patents

Description

本発明は、光学式望遠鏡に搭載される反射鏡の焦点調整機構に関する。

光学式望遠鏡は、反射鏡の位置を変化させることにより焦点を調整して入射光から結像する。特許文献１は、大型光学式望遠鏡の焦点を調整するための焦点調整ユニットを開示している。この焦点調整ユニットは、星からの光を観測するためのユニットであり、６本のアクチュエータで支持されている。この焦点調整ユニットによると、それぞれのアクチュエータを調整することにより、光学反射鏡の光軸方向の位置を変化させて焦点を調整することができる。

特開２００１−１５４１１５号公報

特許文献１に記載された装置によると、複数のアクチュエータのうち１つが故障した場合には光学式望遠鏡の機能を消失するおそれがある。また、この焦点調整ユニットは、非常に高いアライメント精度および微小な駆動調整のための非常に高精度の駆動機構が要求されると共に、複数のアクチュエータをそれぞれ高精度かつ複雑に制御することが必要となる。
本発明は、光学式望遠鏡において複雑な制御や構造を用いること無く焦点の調整をすることができる焦点調整機構を提供することを目的とする。

本発明にかかる焦点調整機構は、基端を回転軸にして回転するリンク桿と、
前記リンク桿の先端を摺動させるように案内するシャフトを有する摺動機構と、
前記基端に一端が接続され、他端が反射鏡を固定するための鏡台に接続された第１のばねと、
前記第１のばねが有するばね係数よりも高いばね係数を有し、一端が前記鏡台に接続され、他端が前記摺動機構に接続された第２のばねと、
を有し、
前記シャフトに沿って摺動する前記先端の変位によって前記リンク桿が回転し、前記リンク桿の回転により前記基端に変位が生じ、前記基端に生じた変位によって前記第１のばねに第１の付勢力が与えられ、前記第２のばねは、前記第１の付勢力によって前記第１の付勢力を打ち消す方向に第２の付勢力が与えられて変位し、前記鏡台は、前記第２のばねに案内されて前記第２のばねの変位方向に変位する。

本発明によると、光学式望遠鏡が有する焦点調整機構において、複雑な制御や構造を用いること無く焦点の調整をすることができる。

第１実施形態にかかる光学式望遠鏡の構成を概略的に示した図である。 焦点調整機構の構成を示した側面断面図である。 リニアガイドの構成を示した断面図である。 リニアガイドの構成を概略的に示した図である。 第１のばねと第２のばねの平面方向の配置を概略的に示した図である。 摺動機構およびリンク桿の動作を示した図である。 第１のばねと第２のばねとで構成される減速機構を概念化して示した図である。 第２実施形態にかかる焦点調整機構の構成を示した側面断面図である。

以下、図面を参照して本発明にかかる焦点調整機構の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１に示されるように、焦点調整機構８は、光学式望遠鏡１の内部に設けられた二次鏡３を変位させて焦点を調整するものである。光学式望遠鏡１には、開口部Ｓが設けられており、開口部Ｓから入力光９が入射される。入射された入力光９は、主鏡２、二次鏡（反射鏡）３、三次鏡４および屈曲鏡５，６とで反射を繰り返し、最終的に検出部７で光学画像として結像される。光学式望遠鏡１は、通常使用時は焦点が固定されている。

しかし、経年変化による様々な要因によって各反射鏡間の距離が変化して焦点がずれ、検出される光学画像にぶれが生じる。このぶれを修正するために焦点調整機構８は、二次鏡３を微小駆動して中心軸Ｌ方向に微小変位させ、焦点を調整する。焦点調整機構８が有する各構成要素は、例えばチタン等で形成される。

図２に示されるように、焦点調整機構８は本体部となる筐体１０を有している。筐体１０には焦点調整のための駆動力を発生する摺動機構４０が取り付けられている。摺動機構４０は、連結部材２９を介して光学式望遠鏡１の鏡筒内（不図示）に連結されている。摺動機構４０は、筐体１０に取り付けられた回転アクチュエータ４１と、回転アクチュエータ４１によって回転駆動される水平に配置されたシャフト４２を有している。シャフト４２には、軸方向Ｐに対して直交するようにが対向配置されたリンク桿４３,４４の先端４３ａ，４４ａが連結されている。

リンク桿４３,４４の先端４３ａ，４４ａは、シャフト４２に案内されて摺動する。先端４３ａ，４４ａが摺動するとリンク桿４３,４４は、基端４３ｂ，４４ｂを回転軸にして、先端４３ａ，４４ａの摺動範囲で規制された角度範囲で回転する。リンク桿４３,４４の基端４３ｂ，４４ｂには、リンク桿４３,４４の変位を伝達するブラケット４５が接続されている。

ブラケット４５には、リンク桿４３,４４の変位によって第１の付勢力が与えられる第１のばね５０の一端５０ａが接続されている。第１のばね５０の他端５０ｂは、二次鏡３を固定するための鏡台３０に接続されている。鏡台３０には、第１の付勢力によって第２の付勢力が与えられ、鏡台３０を変位させる直動機構であるリニアガイド（第２のばね）２０の他端２３ａが接続されている。第２のばね２０の一端２４ａは、筐体１０を介して摺動機構４０に接続されている。これにより、焦点調整機構８は、二次鏡３が取り付けられた円板状の鏡台３０との距離を変化させ、焦点を調整する。

即ち、鏡台３０は、摺動機構４０によって回転するリンク桿４３,４４に生じる変位に連動して変位が生じる。筐体１０と鏡台３０とは直動機構であるリニアガイド２０を介して接続されており、鏡台３０は筐体１０に対して変位する。

ここで、リニアガイド２０の構成について詳述する。リニアガイド２０は、対向する方形の縦板２３，２４の上端と下端とに対向配置された方形の板バネ２１，２２が平行に取り付けられ、断面が平行四辺形となるように形成されている。板バネ２１，２２の接続部は断面が徐々に変化するように形成されており、接続部に応力が集中することを防止している。板バネ２１，２２が弾性変形することにより、縦板２３と縦板２４とは相対的に中心軸Ｌ方向に移動自在である。縦板２４の上端２４ａは、筐体１０に接続されている。そして、縦板２３は鏡台３０に接続されている。

図３に示されるように、リニアガイド２０の縦板２３に力Ｆが加わると、板バネ２１，２２がそれぞれ板面方向に弾性的に撓んで変形する。縦板２３は、板バネ２１，２２に拘束されているので縦板２４に対して略平行移動する。図３では、縦板２４が固定されていると仮定して描かれている。図４では、リニアガイド２０が概念化されて模式的に示されている。

図４に示されるように、縦板２３は、力が付勢された方向に移動自在となっている。縦板２３が変位すると、縦板２３に連結された板バネ２１，２２がそれぞれ板面方向に弾性的に撓んで変形する。縦板２３は、縦板２４に対して略平行移動する。即ち、板バネ２１，２２は、縦板２３と縦板２４とを接続する弾性的な平行リンクとして機能する。この状態で縦板２３は、縦板２４に対して近位する。設計上の縦板２３の変位は微小であるため、縦板２３が縦板２４に対して近位する距は非常に小さい。従って縦板２３は、縦板２４に対して直線的に平行移動するとみなしてよい。そして、縦板２３の縦板２４に対する近位によって筐体１０の側方に歪が生じるが、この歪の影響は実際問題として無視できるほど小さい。

このように、リニアガイド２０は、平行に配置された板バネ２１，２２の弾性変形により直線運動をさせる直動機構を実現しているため、ガタが無い精度の高い直進ガイドが実現されている。つまり、リニアガイド２０は、弾性体（第２のばね）であるとともに直動機構を構成する。これにより、縦板２３に接続された鏡台３０は、縦板２４に接続された筐体１０に対して中心軸Ｌ方向に直進するように移動自在となっている。

鏡台３０の二次鏡取付面３１には、円板状の二次鏡３が取り付けられる（図１および図２参照）。鏡台３０を摺動させるために、筐体１０に取り付けられた摺動機構４０が用いられる。摺動機構４０は、筐体１０に取り付けられた回転アクチュエータ４１の駆動により鏡台３０を変位させる。摺動機構４０は、回転アクチュエータ４１によって回転駆動されるシャフト４２と、シャフト４２の回転に連動してシャフト４２の軸方向Ｐに摺動するマウント１２，１４とを有している。

回転アクチュエータ４１は、例えば減速機付きモータであり、シャフト４２を回転駆動する。シャフト４２は、筐体１０の上面に取り付けられた円板状の上蓋１１の下面に突起するように設けられたマウント１２，１４に中心軸Ｌに直交するように水平に軸支されている。マウント１２，１４には、シャフト４２を軸支するための軸受１３，１５が設けられている。

シャフト４２には筐体１０の中心軸Ｌに対して対称に順ネジ４２ａと逆ネジ４２ｂとが形成されている。順ネジ４２ａ部分には順ネジ４２ａ用のナット１７が螺入されている。逆ネジ４２ｂ部分には逆ネジ４２ｂ用のナット１８が螺入されている。ナット１７，１８はそれぞれ方形の摺動部材１６，１９に嵌め込まれている。摺動部材１６，１９の頂部１６ａ，１９ａは、上蓋１１の下面に当接し、シャフト４２の回転による自身の回転を防止している。また、摺動部材１６，１９が上蓋１１の下面を摺動自在となっている。

摺動部材１６の下端には板状のリンク桿（ブレード）４３の先端４３ａが接続されている。同様に、摺動部材１９の下端には長方形の板状のリンク桿（ブレード）４４の先端４４ａが接続されている。これにより、シャフト４２を正転方向Ａまたは逆転方向に回転させると、摺動部材１６，１９が、離間または近位するように摺動し、これに連動してリンク桿４３,４４のそれぞれの先端４３ａ,４４ａも離間または近位するように摺動する。

リンク桿４３，４４は、例えば長方形の板状体で形成されている。リンク桿４３，４４は、シャフト４２の回転を鏡台３０の変位に変換するためのリンクである。リンク桿４３，４４の基端４３ｂ，４４ｂは、ブラケット４５に設けられた取付部４６，４７に接続されている。リンク桿４３，４４の先端４３ａ，４４ａと基端４３ｂ，４４ｂ近傍には、断面が小さくなるように節４３ｃ，４４ｃ，４３ｄ，４４ｄがそれぞれ形成されている。そのため、リンク桿４３，４４は、それぞれの節４３ｃ，４４ｃ，４３ｄ，４４ｄの部分で弾性的に回転することができる。リンク桿４３，４４は、弾性変形により回転するため、回転ヒンジ機構を有するリンクと比べるとガタが発生しない。

基端４３ｂ，４４ｂが接続されたブラケット４５には、起立した腕部４５ａが設けられている。腕部４５ａの先端４５ｂには、リニアガイド（第２のばね）２０のバネ定数より低いバネ定数を有する第１のばね（ソフトスプリング）５０の一端５０ａが接続されている。第１のばね５０の他端５０ｂは、鏡台３０に接続されている。第１のばね５０は、例えば複数の板バネの端部を交互に接続することで形成される。複数の板バネの接続部は断面が徐々に変化するように取り付けられ、接続部に応力が集中することを防止している。

図５に示されるように、リニアガイド（第２のばね）２０および第１のばね５０は、焦点調整機構８の平面方向から見ると、例えば、中心軸Ｌ周りにそれぞれ３個ずつ等間隔に配置されている。図示されているＡ−Ａ線の断面図は、図２に示されている。このような対称性により、鏡台３０は、取り付けられた二次鏡３の角度を変化させること無く筐体１０に対して中心軸Ｌ方向に摺動する。以下、摺動機構４０およびリンク桿４３,４４の動作について説明する。

図６に示される状態では、ブラケット４５は下死点に位置している。この状態でシャフト４２を正転方向Ａに回転させると、ナット１７，１８の移動に案内されて摺動部材１６および摺動部材１９は、互いに離間する変位方向Ｂ，Ｃにそれぞれ摺動する。これに連動してリンク桿４３，４４の先端４３ａ，４４ａも互いに離間する。この先端４３ａ，４４ａを摺動させる構成要素を第１の摺動機構とする。リンク桿４３，４４のそれぞれの基端４３ｂ，４４ｂは、ブラケット４５に固定されているため、リンク桿４３，４４はそれぞれ基端４３ｂ，４４ｂを略中心として回転する。この状態で、リンク桿４３，４４はそれぞれの節４３ｃ，４４ｃ，４３ｄ，４４ｄ部分で弾性変形する。

リンク桿４３，４４が回転すると、それに連動してブラケット４５がシャフト４２に近位する変位方向Ｄに変位する。即ち、リンク桿４３，４４の各先端４３ａ，４４ａ間の距離を変化させるように摺動させると、リンク桿４３，４４の各基端４３ｂ，４４ｂは、先端４３ａ，４４ａの摺動に連動して当該摺動方向に直交する方向に変位する。各基端４３ｂ，４４ｂの変位は、各先端４３ａ，４４ａの摺動変位に対して非線形の出力となる。この出力は、シャフト４２の順ネジ４２ａと逆ネジ４２ｂのねじ山のピッチやシャフト４２の回転数及びリンク桿４３，４４のリンク比等の関係を計算することで求められる。

この様にシャフト４２を正転方向Ａに回転させると、ブラケット４５を設計された上死点まで変位させることができる。光学式望遠鏡１の通常使用状態では、鏡台３０は上死点と下死点との中間地点に配置されるように調整される。ブラケット４５が変位方向Ｄに移動すると、第１のばね５０が伸長する方向（変位方向Ｄと同方向）に第１の付勢力が与えられる（図２参照）。

第１のばね５０に与えられた第１の付勢力は、第１のばねに接続されている鏡台３０を介してリニアガイド（第２のばね）２０に第２の付勢力を与える（図２参照）。第２の付勢力は、縦板２３が筐体１０に近位する方向に摺動するように与えられる。

上述したように、リニアガイド（第２のばね）２０のバネ定数は第１のばね（ソフトスプリング）５０が有するバネ定数より高い（ハードスプリング）。そのため、リニアガイド２０に与えられた第２の付勢力は、第１のばね５０に与えられた第１の付勢力で生じた鏡台３０の変位を減少させるように働く。即ち、リニアガイド２０は第１のばね５０の減速機構として機能する。以下、第１のばね５０とリニアガイド２０とで構成される減速機構について説明する。

図７には、第１のばね（ソフトスプリング）５０とリニアガイド（ハードスプリング）２０とで構成される減速機構が概念化されて示されている。まず、ブラケット４５にリンク桿４３，４４の先端４３ａ，４４ａの出力変位ｎが与えられる。これにより、第１のばね５０に第１の付勢力が与えられる。第１の付勢力は、第１のばね５０に接続された鏡台３０を付勢方向に変位させる。

この際、鏡台３０に接続された第２のばね２０には、第１の付勢力を打ち消す方向に第２の付勢力が与えられる。その結果、鏡台３０の出力変位ｎは入力変位Ｎに比して小さな出力となる。即ち、第１のばねのバネ定数をｋとし、第２のばねのバネ定数をＫとすると出力変位ｎは、入力変位Ｎに対して１／（１＋Ｋ／ｋ）倍となる。

上記構成により、シャフト４２の回転に連動して駆動されたブラケット４５の変位に連動して鏡台３０が変位する。そして、鏡台３０は、リニアガイド２０に案内されて中心軸Ｌ方向に変位する（図２、図３参照）。即ち、回転アクチュエータ４１を駆動させてシャフト４２を回転させると、鏡台３０の微小な変位が出力される。鏡台３０の下死点と上死点とのストローク範囲は例えば、０．１ｍｍ程度である。

上述したように、焦点調整機構８によると、複雑な制御機構やＬＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ガイドを用いること無く、シャフト４２の回転駆動のみで鏡台３０の微小変位を高精度に出力することができる。また、焦点調整機構８は、回転ヒンジを用いずに弾性体であるリンク桿４３，４４を有することによりガタが無く、高精度の駆動機構を実現できる。さらに、焦点調整機構８は、鏡台３０の摺動部に弾性体を用いることにより、ガタが無く高精度の駆動機構を実現でき、ダスト等の発生を最小限に押さえることができる。

［第２実施形態］
本実施形態においては、第１実施形態と同一の構成要素は同一の符号を用い、重複する説明は適宜省略する。

図８に示されるように、第１実施形態にかかる焦点調整機構８を上下に対称的に配置して焦点調整機構１００を構成してもよい。焦点調整機構１００では、シャフト４２を共有している。これにより、摺動部材５６，５９は、リンク桿４３,４４で対称的に支持されるため、シャフト４２の回転に連動した回転を防止するための構造が不要となる。そして、焦点調整機構１００によると、シャフト４２を回転駆動すると、上下に配置されたそれぞれの鏡台３０に対して微小な変位を出力することができる。焦点調整機構１００は、対称的に配置された鏡台３０に対して対称的に微小な出力変位が必要な場合に有効である。

焦点調整機構１００によると、複雑な制御機構やＬＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ）ガイドを用いること無く、シャフト４２の回転駆動のみで対称的に配置されたそれぞれの鏡台３０の微小変位を高精度に対称的に出力することができる。また、焦点調整機構１００は、回転ヒンジを用いずに弾性体であるリンク桿４３，４４を有することによりガタが無く、高精度の駆動機構を実現できる。さらに、焦点調整機構１００は、摺動部に弾性体を用いることにより、ダスト等の発生を最小限に押さえることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１ 光学式望遠鏡
２ 主鏡
３ 二次鏡
４ 三次鏡
５，６ 屈曲鏡
７ 検出部
８ 焦点調整機構
９ 入力光
１０ 筐体
１１ 上蓋
１２，１４ マウント
１３，１５ 軸受
１６，１９ 摺動部材
１６ａ，１９ａ 頂部
１７，１８ ナット
２０ リニアガイド（第２のばね）
２１，２２ 板バネ
２３，２４ 縦板
２４ａ 上端
２９ 連結部材
３０ 鏡台
３１ 二次鏡取付面
４０ 摺動機構
４１ 回転アクチュエータ
４２ シャフト
４２ａ 順ネジ
４２ｂ 逆ネジ
４３，４４ リンク桿（ブレード）
４３ａ，４４ａ 先端
４３ｂ，４４ｂ 基端
４３ｃ，４４ｃ，４３ｄ，４４ｄ 節
４５ ブラケット
４５ａ 腕部
４５ｂ 先端
４６，４７ 取付部
５０ 第１のばね
５０ａ 先端
５０ｂ 基端
５６，５９ 摺動部材
１００ 焦点調整機構
Ａ 正転方向
Ｂ，Ｃ 変位方向
Ｄ 変位方向
Ｆ 力
Ｌ 中心軸
ｎ 出力変位
Ｎ 入力変位
Ｓ 開口部

Claims (4)

1. 基端を回転軸にして回転するリンク桿と、
   前記リンク桿の先端を摺動させるように案内するシャフトを有する摺動機構と、
   前記基端に一端が接続され、他端が反射鏡を固定するための鏡台に接続された第１のばねと、
   前記第１のばねが有するばね係数よりも高いばね係数を有し、一端が前記鏡台に接続され、他端が前記摺動機構に接続された第２のばねと、
   を有し、
   前記シャフトに沿って摺動する前記先端の変位によって前記リンク桿が回転し、前記リンク桿の回転により前記基端に変位が生じ、前記基端に生じた変位によって前記第１のばねに第１の付勢力が与えられ、前記第２のばねは、前記第１の付勢力によって前記第１の付勢力を打ち消す方向に第２の付勢力が与えられて変位し、前記鏡台は、前記第２のばねに案内されて前記第２のばねの変位方向に変位する、
   焦点調整機構。
2. 前記リンク桿は、板状体で形成されており、前記先端と前記基端との近傍に断面が減少する節がそれぞれ設けられ、前記節の部分の弾性変形により回転する、
   請求項１に記載の焦点調整機構。
3. 前記リンク桿は、対向配置された２つのブレードを有し、
   前記ブレードの各先端のそれぞれは、前記シャフトの回転により、離間または近位するように摺動し、
   前記ブレードの各基端は、前記各先端の摺動に連動して摺動方向に直交する方向に変位する、
   請求項１または２に記載の焦点調整機構。
4. 前記第２のばねは、平行に対向配置された２枚の板バネを有し、前記板バネの弾性変形により前記第２の付勢力の付勢方向に直線的に変位する直動機構を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の焦点調整機構。

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