JP7215292B2 - 反射鏡支持装置および光学式望遠鏡 - Google Patents

Description

本発明は、反射鏡支持装置および光学式望遠鏡に関する。

本願に関連する光学望遠鏡の焦点調整機構として、特許文献１に記載された機構がある。この光学望遠鏡に焦点調整機構では、１自由度（１軸）の機構を用いて光学反射鏡の光軸方向の位置を調整することによって焦点の調整を行っているが、１自由度の焦点調整では、例えば人工衛星の軌道上で、万一アライメントがずれた場合の補正をすることが困難であった。なお、焦点調整のための一自由度の機構に関連して、特許文献２に記載された機構がある。
そこで、光学望遠鏡において、機軸方向の調整に加え、チルトおよびディセンタの補正をすることが可能とすべく、６自由度の機構を採用することが望ましいが、一般に、６自由度を実現するには、質量の大きいアクチュエータを６つ使用することが必要となる。

また、所定の自由度をもって部材を支持する技術に関連して、特許文献３、４に開示された機構がある。この構造は、いわゆるバイポッドと呼ばれる機構であって、三角形状に組み合わせられた部材の内、三角形の一辺に相当する部材を伸縮させることにより、三角形の頂点に相当する個所を精密に移動させることができる。

特開２０１６－１０９７９５号公報 特開２０１６－９９６０３号公報 特表２０１８－５２３０６４号公報 特表２０１８－５２３７８６号公報

しかしながら、引用文献３、４に記載の移動機構は、多くの部材を必要とするため、重量が大きくなるという問題がある。また、この移動機構を光学望遠鏡の反射鏡の調整、詳細には、反射鏡を６自由度で調整するための具体的な構造は未だ実現されていない。
また、光学式望遠鏡にあっては、焦点調整機構として最も重要な光軸方向の調整とチルトの調整を焦点調整機構を３自由度にすることにより可能とすることが求められる。さらに、反射鏡の位置決めのための駆動機構と、支持構造とをできるだけ単純な機構で実現することが望ましい。

すなわち、焦点調整機構を３自由度にすることにより、焦点調整機構として最も重要な光軸方向の調整とチルトの調整を可能とするとともに、光学式望遠鏡の使用環境を考慮して、前記焦点調整機構の駆動機構が、反射鏡の支持機構を兼ねる機構の開発が望まれている。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、光学式望遠鏡が備える反射鏡を多自由度で調整可能に支持することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の反射鏡の支持装置は、光学式望遠鏡の光軸上に中心が配置された反射鏡の円周方向に相互に間隔をおいて、該反射鏡に複数個所でそれぞれ連結された支持装置であって、該支持装置は、互いに一端で連結され、連結部で前記反射鏡に連結された複数の固定長部材と、該固定長部材の間に設けられて、前記固定長部材の他端にそれぞれ連結され、回転を中心軸線方向への移動に変換する機構により移動することが可能な複数のスライダを有する可変長部材とを有していることを特徴とする。

本発明によれば、光学式望遠鏡を６自由度で調整可能に支持することができる。

本発明の最小構成を示すもので、（ａ）は光軸方向から見た模式図、（ｂ）は光軸と直交する方向から見た模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる支持装置を備えた光学式望遠鏡の光学要素の配置と光路の説明図である。 第１実施形態にかかる支持装置を示すもので、（ａ）は光軸方向から見た図、（ｂ）は光軸と直交する方向から見た部分断面図である。 第１実施形態のバイポッドを構成する固定長部材の詳細を示し、（ａ）は全体の側面図、（ｂ）は支柱の端部を（ａ）と９０度異なる方向から見た部分図である。 図４の固定長部材の変形例の側面図である。 第２実施形態にかかる支持装置の駆動装置の平面図である。

本発明にかかる反射鏡の支持装置の最小構成例について、図１を参照して説明する。光学式望遠鏡の光軸Ｏ上に中心が配置された反射鏡１の円周方向に相互に間隔をおいて、該反射鏡１に複数個所でそれぞれ連結された支持装置であって、該支持装置は、互いに一端で連結され、連結部で前記反射鏡に連結された複数の固定長部材２と、該固定長部材２の間に設けられて、前記固定長部材２の他端にそれぞれ連結され、回転を中心軸線方向への移動に変換する機構により移動することが可能な複数のスライダ３を有する可変長部材４とを有する。

上記構成の支持装置にあっては、可変長部材４をスライダ３の移動によって伸張あるいは収縮させることにより、可変長部材４を底辺とし、固定長部材２を他の２辺とする二等辺三角形の頂点の位置を図１（ａ）の紙面を含む二次元平面と交差する平面内で変更することができる。したがって、反射鏡１を位置、回転にかかる多自由度について調整することができる。また、前記固定長部材２と前記可変長部材４とで規定される平面Ａ、Ｂ、Ｃを前記反射鏡１の光軸Ｏに対して傾斜して配置することにより、可変長部材４の伸張あるいは収縮に伴って、前記反射鏡１を光軸Ｏと交差する平面内で移動させることができる。

本発明の第１実施形態を図２～図５を参照して説明する。
まず、図２を参照して、第１実施形態の支持装置が使用される光学式望遠鏡について説明する。
光学式望遠鏡１１は、主鏡１２を有し、その光軸Ｏと中心を一致させて二次鏡１３を有する。前記二次鏡１３は、光軸Ｏから外れた位置に配置された三次鏡１４へ光を反射し、この三次鏡１４は、さらに、一次折り曲げ鏡１５、二次折り曲げ鏡１６を経由して、検出部１７へ光線を反射させ、結像させる。なお符号１８は、第１実施形態の支持装置により構成される焦点調整機構である。

図３により支持装置の詳細について説明する。
支持装置を構成するバイポッドＡ、Ｂ、Ｃは、図３（ａ）に示すように、二次鏡１３の周方向に１２０度ずつの等間隔をおいて、それぞれ連結部１９を介して二次鏡１３に固定されている。

上記バイポッドＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ図３（ｂ）のように構成されている。
符号２１は平板状のベースプレートであって、このベースプレート２１には、例えばステッピングモータ等の回転制御可能な回転アクチュエータ２２が、ベースプレート２１に対してスライド移動可能にかつ回転不可能に設けられている。この回転アクチュエータ２２は、差動ねじ機構を構成する差動ねじボルト２３を駆動する。なお第１実施形態の回転アクチュエータ２２には、減速機が内蔵されていて、駆動源となるモータの回転を内蔵の減速機構によって減速し、所定の減速比で減速された回転数で差動ねじボルト２３を駆動する構成となっている。前記回転アクチュエータ２２は、ベースプレート２１に対して回転拘束し、かつスライド可能な様に固定されている。

前記差動ねじボルト２３には、第１雄ねじ２３ａ、第２雄ねじ２３ｂ、第３雄ねじ２３ｃがそれぞれ形成されている。第１雄ねじ２３ａと第２雄ねじ２３ｂには、同一螺旋方向でかつピッチが異なるねじ溝が形成されている。また第３雄ねじ２３ｃには、前記第２雄ねじと反対の螺旋方向でかつ同一ピッチのねじ溝が形成されている。前記第１雄ねじ２３ａと第２雄ねじ２３ｂとのねじピッチの差が大きいほど減速比が小さく、小さいほど減速比が大きくなる関係にあるから、回転アクチュエータ２２の回転数、トルク、焦点調整機構１８に求められる位置決め精度に応じてピッチ差が設定されている。なお差動ねじボルト２３の先端は、ベースプレート２１に支持された軸受け２１ａにより、軸方向および回転方向に移動可能に支持されている。

前記ベースプレート２１上には、前記差動ねじボルト２３の第１雄ねじ２３ａと螺合する雌ねじを有する第１スライダ（差動ねじナット部）２４が連結されている。また前記ベースプレート２１上には、前記差動ねじボルト２３の第２雄ねじ２３ｂと螺号する雌ねじを有する第２スライダ２５が差動ねじボルト２３の軸線方向（図３（ｂ）の左右方向）にスライド移動可能に設けられている。さらに、ベースプレート２１上には、差動ねじボルト２３の第３雄ねじ２３ｃと螺合する雌ねじを有する第３スライダ２６が差動ねじボルト２３の軸線方向にスライド移動可能に設けられている。

前記第２スライダ２５は、図４（ａ）に示すように、スライダ結合部３２を介して支柱３４の一端に固定され、第３スライダ２６は、スライダ結合部３１を介して支柱３３の一端に固定されている。また支柱３３、３４の他端は、それぞれ連結部１９を介して前記二次鏡１３に固定されている。

第１実施形態の前記支柱３３、３４は、四角柱あるいはパイプであって、その下端、上端近傍には、図４（ａ）（ｂ）に示すように、凹部３５、３６が形成されている。これらの凹部３５、３６は、支柱３３、３４の外周から互いに異なる方向（円周方向へ９０度向きを異ならせて）形成されることにより、支柱３３、３４の撓みを吸収すべく変形することができるようになっている。

以上のように構成された光学式望遠鏡の支持装置の動作とともに作用を説明する。
前記回転アクチュエータ２２を停止させた状態では、第１スライダ２４と第２スライダ２５との間が一定の間隔に維持され、すなわち、バイポッドの底辺に位置する固定長部材が一定の長さに維持され、この結果、二次鏡１３が一定の位置、回転角度に維持される。なお第２スライダ２５と第２雄ねじ２３ｂ、第３スライダ２６と第３雄ねじ２３ｃとの間の回転運動と直線運動との間の減速比、第２スライダ２５と第２雄ねじ２３ｂ、第１スライダ２４と第１雄ねじ２３ａとの間の差動ねじによる減速比が極めて大きいため、二次鏡１３側から回転アクチュエータ２２側を回転させるには、非常に大きな機械的な抵抗がある。したがって、例えば重力や加速度等の外力が作用したとしても、前記各部のねじ機構の機械的な抵抗によって、二次鏡１３が所定の位置に支持される。

また前記回転アクチュエータ２２を回転させると、第１スライダ２４に対して第２スライダ２５が、図３（ｂ）の左右方向へ、これらに形成された雌ねじのピッチの差および回転方向に応じて近接あるいは離間するように移動するとともに、第２スライダ２５と第３スライダ２６とが、図３（ｂ）の左右方向へ、回転方向に応じて互いに近接あるいは離間するように反対方向へも移動する。この移動により、バイポッドＡ、Ｂ、Ｃを構成する二等辺三角形の頂点、より具体的には、連結部１９がそれぞれ図３（ａ）あるいは（ｂ）の上下および左右方向へ移動することができる。この移動により、二次鏡１３の座標が円周上の３地点で各々移動することにより、二次鏡１３の位置を６自由度で調整すること、換言すれば、二次鏡１３の機軸方向およびチルト方向の両方向へのアライメントを調整することができる。

上記第２スライダ２５と第３スライダ２６との移動に伴うバイポッドの変形は、前記支柱３３、３４に形成された凹部３５、３６が各々の方向へ変形することにより、差動ねじボルト２３、支柱３３、３４、あるいは、ねじ山に生じる応力を緩和し、さらには、反力による変位を防止することができる。なお前記バイポッドの変形は、主として支柱３３、３４の撓みとして発生する。例えば、第２スライダ２５、第３スライダ２６が相対移動することに伴い、支柱３３、３４の端部が連結部１９に固定された個所の隅角の角度、第２スライダ２５に一体に固定されたスライダ結合部３２、第３スライダ２６に一体に固定されたスライダ結合部３１の隅角の角度が変化しようとすることにより、これらに対して相対的に剛性が小さい支柱３３、３４に応力が集中することにより生じる。

図５は、前記支柱の変形例を示すものである。
すなわち図５の支柱３３Ａ、３４Ａは、中実、あるいは中空状の略円柱状に形成され、その両端には、全周にわたって連続する溝状をなした凹部３７が形成されている。この凹部３７は、全周にわたって形成されているため、支柱３３Ａ、３４Ａの全方向への変形を吸収することができる。

図６は、本発明の第２実施形態にかかる支持装置の可変長部材を示すものである。
図６において、符号４０で示す二つのスライダには、前記第１実施形態の第２スライダ、第３スライダと同じく、互いに逆方向の雌ねじ形成されており、回転アクチュエータ４１の回転に同期したリードスクリュ４２によって、二つのスライダ４０上のＡ点とＢ点の間隔が広げられたり、狭められたりするよう構成されている。

このような原理によって、Ａ点とＢ点間の距離が変わると、コイル状のソフトスプリング４３の弾性変形により生じる荷重が、外観が楕円環状の板ばねであるハードスプリング４４に伝わり、ハードスプリング４４の長径上の両端にあるＣ点とＤ点の間の距離が変化する。このＣ点とＤ点間の距離の変化量は、ソフトスプリング４３とハードスプリング４４の剛性の大きさに左右され、二種のばねの剛性比に基づく変形量の差（減速効果）により、Ｃ点とＤ点との間の距離を精度良く調整することが可能となる。

第２実施形態の可変長部材は、図６のＣ点とＤ点とを（図６に図示しない）二つの固定長部材の端部の間に連結して使用される。
ここで、回転アクチュエータ４１を回転させて、スライダ４０のＡ点とＢ点とを近接、あるいは離間させることにより、ソフトスプリング４３を弾性変形させる。このソフトスプリング４３の弾性変形により、これらに直列に接続されたハードスプリング４４にソフトスプリング４３と同じ応力が生じる。すなわちハードスプリング４４は、ソフトスプリング４３との剛性比（より具体的にはばね定数の比）に対応して弾性変形し、ハードスプリング４４の両端のＣ点、Ｄ点の距離が近接、あるいは離間することができる。

前記第１実施形態、第２実施形態では、本願の支持装置を用いて反射鏡の周囲の３個所を支持したが、さらに多数個所に設けても良い。反射鏡の凹面、凸面に固定長部材間の頂点を固定し、反射鏡を変形させて曲率半径を調整する用途に応用することもできる。
また図２に示す光学式望遠鏡中の光学要素の配置は図２に限定されるものではなく、光学式望遠鏡の仕様に応じて適宜変更されても良い。また本発明の反射鏡支持装置が実施形態の光学式望遠鏡の二次鏡以外の支持、位置調整に利用することができるのはもちろんである。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、光学式望遠鏡の反射鏡の支持、調整に利用することができる。

１ 反射鏡
２ 固定長部材
３ スライダ
４ 可変長部材
１１ 光学式望遠鏡
１２ 主鏡
１３ 二次鏡
１４ 三次鏡
１５ 一次折り曲げ鏡
１６ 二次折り曲げ鏡
１７ 検出部
１８ 焦点調整機構
１９ 連結部
２１ ベースプレート
２２ 回転アクチュエータ
２３ 差動ねじボルト
２３ａ 第１雄ねじ
２３ｂ 第２雄ねじ
２３ｃ 第３雄ねじ
２４ 第１スライダ（差動ねじナット部）
２５ 第２スライダ
２６ 第３スライダ
３１、３２ スライダ結合部
３３、３４ 支柱
３５、３６ 凹部
Ａ、Ｂ、Ｃ バイポッド（平面）

Claims (6)

1. 光学式望遠鏡の光軸上に中心が配置された反射鏡の円周方向に相互に間隔をおいて、該反射鏡に複数個所でそれぞれ連結された反射鏡支持装置であって、
   互いに一端で連結され、連結部で前記反射鏡に連結された複数の固定長部材と、
   該固定長部材の間に設けられて、前記固定長部材の他端にそれぞれ連結され、回転を中心軸線方向への移動に変換する機構により移動することが可能な複数のスライダを有する可変長部材と、
   を有する反射鏡支持装置であって、
   前記可変長部材は、ベースプレートに支持され、回転アクチュエータにより駆動されて回転する、雄ねじを備えた軸と、この軸に螺合する雌ねじを有する複数のスライダとを備え、
   前記スライダは、前記ベースプレートに固定された第１スライダと、前記ベースプレートに前記軸の方向へ移動可能に支持された第２および第３スライダとを有し、前記第１スライダと第２スライダとは同一向きで異なるピッチのねじを有し、前記第２スライダと第３スライダとは互いに反対向きで同一ピッチのねじを有し、
   前記軸は、前記第１スライダ、第２スライダ、第３スライダのそれぞれに対応する向きおよびピッチの雄ねじを有する、
   反射鏡支持装置。
2. 前記可変長部材は、前記固定長部材の他端の間に設けられた第１の弾性部材であって、
   該第１の弾性部材は、環状をなし、一の直径方向への変形によって他の直径方向へ弾性変形して、前記固定長部材の他端の相互間隔を伸張、収縮させる、
   請求項１に記載の反射鏡支持装置。
3. 前記第１の弾性部材と該第１の弾性部材を一の直径方向へ変形させる駆動源との間には、該第１の弾性部材より剛性が小さい第２の弾性部材が直列に設けられた、
   請求項２に記載の反射鏡支持装置。
4. 前記固定長部材と可変長部材とにより囲まれた平面が、前記反射鏡の光軸に対して傾斜した、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の反射鏡支持装置。
5. 前記反射鏡は、光学式望遠鏡の主鏡から入射した光線を反射する二次鏡である、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の反射鏡支持装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の反射鏡支持装置と、反射鏡と、主鏡とを備えた光学式望遠鏡。

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