(57)【要約】【課題】打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供する。【解決手段】物体Ｍ１を保持する保持装置１であって、支持部材３２と、物体Ｍ１と支持部材３２との間に配置されるスペーサ３３と、を含み、支持部材３２は、スペーサ３３を介して物体Ｍ１を支持し、スペーサ３３は、固相から液相へ相変化する材料から構成され、スペーサ３３が相変化することで支持が解除される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を保持する保持装置であって、
支持部材と、
前記物体と前記支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、
前記支持部材は、前記スペーサを介して前記物体を支持し、
前記スペーサは、固相から液相へ相変化する材料から構成され、前記スペーサが前記相変化することで前記支持が解除されることを特徴とする保持装置。
【請求項２】
前記支持部材は、前記スペーサと接する面側に開口部を有する管状の空洞部を備え、前記相変化したスペーサは、前記開口部から前記空洞部へ流入することを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
【請求項３】
前記開口部は円形であることを特徴とする請求項２に記載の保持装置。
【請求項４】
前記相変化したスペーサに対する前記空洞部の内面の濡れ性は、前記相変化したスペーサに対する前記物体の濡れ性よりも高いことを特徴とする請求項２または３に記載の保持装置。
【請求項５】
前記スペーサを収容する収容部材を備え、
前記収容部材は、前記物体と前記支持部材との間に配置され、前記支持部材側の面に開口部を有し、
前記収容部材と前記支持部材とは、弾性部材により連結され、
前記支持部材は、前記収容部材の前記開口部から前記スペーサに接触し、当該スペーサおよび前記収容部材を介して前記物体を支持し、
前記スペーサが前記相変化することで、前記弾性部材の復元力により前記収容部材と前記物体とが離間するように前記収容部材が前記支持部材に向かって移動して、前記支持が解除されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項６】
前記収容部材の容積は、前記相変化したスペーサの体積以上であることを特徴とする請求項５に記載の保持装置。
【請求項７】
物体を保持する保持装置であって、
支持部材と、
前記物体と前記支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、
前記支持部材は、前記スペーサを介して前記物体を支持し、
前記スペーサは、固相から気相へ相変化する材料から構成され、前記スペーサが前記相変化することで前記支持が解除されることを特徴とする保持装置。
【請求項８】
前記相変化したスペーサを捕捉する捕捉部材を備えることを特徴とする請求項７に記載の保持装置。
【請求項９】
前記捕捉部材は前記相変化したスペーサを冷却して捕捉することを特徴とする請求項８に記載の保持装置。
【請求項１０】
前記相変化したスペーサを前記捕捉部材へ導く部材を備えることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項１１】
前記スペーサを収容する収容部材を備え、
前記収容部材は、前記物体と前記支持部材との間に配置され、前記支持部材側の面に開口部を有し、
前記収容部材と前記支持部材とは、弾性部材により連結され、
前記支持部材は、前記収容部材の前記開口部から前記スペーサに接触し、当該スペーサおよび前記収容部材を介して前記物体を支持し、
前記スペーサが前記相変化することで、前記弾性部材の復元力により前記収容部材と前記物体とが離間するように前記収容部材が前記支持部材に向かって移動して、前記支持が解除されることを特徴とする請求項７乃至１０のうちいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項１２】
前記支持部材は、前記スペーサに熱を伝える発熱部を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の保持装置。
【請求項１３】
前記発熱部を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１２に記載の保持装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記保持装置の加速度に関する情報に基づいて、前記発熱部を制御することを特徴とする請求項１３に記載の保持装置。
【請求項１５】
光学素子と、
前記光学素子を保持する請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の保持装置と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学装置を有することを特徴とする移動体。
【請求項１７】
前記移動体の動作の制御を行う移動体制御部を含み、
前記制御部は、前記移動体制御部の出力に基づいて、前記発熱部を制御することを特徴とする請求項１６に記載の移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保持装置、光学装置、および移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星等の宇宙航行体に搭載される光学素子を保持する保持装置は、宇宙空間では低剛性で光学素子を保持して熱変形の影響を抑え、宇宙航行体の打上げ時には、大加速度に耐えられるように高剛性で光学素子を保持することが求められる。特許文献１に記載の装置は、打上げ時に光学素子を拘持し、宇宙空間では、観測時に発生する熱により拘持を解除しうる形状記憶合金からなる支持部材を備えている。特許文献２に記載の装置は、光学素子を弾力的に保持する板状弾性体を撓ませて光学素子をバルクヘッドに圧着固定する支持部材とその解除手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２７５５１０号公報
【特許文献２】特許第２５９０７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の形状記憶合金は、拘持と、その解除とが可逆であり、例えば、光学素子に不要な応力が掛かり変形しうる。特許文献２に記載の解除手段は、機械的な駆動力を利用しており、宇宙空間における摩擦力の増大等といった不安定要素のため、信頼性の点で不利となりうる。
【０００５】
本発明は、例えば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、物体を保持する保持装置であって、支持部材と、
物体と支持部材との間に配置されるスペーサと、を含み、支持部材は、スペーサを介して物体を支持し、スペーサは、固相から液相へ相変化する材料から構成され、スペーサが相変化することで支持が解除されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図３】支持部材によるミラーの支持が解除される様子を時系列で示す図である。
【図４】スペーサの昇温方法のその他の例を示す図である。
【図５】スペーサが流入する空洞を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る支持部材によるミラーの支持が解除される様子を時系列で示す図である。
【図７】スペーサの昇温方法のその他の例を示す図である。
【図８】第３実施形態に係る保持装置の構成を示す図である。
【図９】第３実施形態に係る保持機構の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る保持装置が搭載される光学装置１００の構成を示す概略図である。光学装置１００は、例えば、太陽観測衛星用の高解像度のグレゴリー型反射望遠鏡である。光学装置１００は、筐体１１０と撮像部１２０を含む。筐体１１０内には、主鏡Ｍ１および副鏡Ｍ２が保持される。主鏡Ｍ１および副鏡Ｍ２の光軸方向をＺ軸方向とし、それに垂直な平面をＸＹ平面とする。観測光は＋Ｚ方向から入射し、撮像部１２０に結像する。
【００１１】
光学装置１００は、人工衛星や航空機など大きな振動にさらされる移動体に搭載される。例えば、移動体が人工衛星である場合、打ち上げ時の数十Ｇにおよぶ振動に耐えられるように光学素子を高剛性で保持しておき、宇宙空間の所望の軌道へ乗り振動が少なくなった段階で光学素子を低剛性で保持する（支持解除）。宇宙空間では、人手により支持を解除することが困難であるため、人手を介することがない支持解除に対する高い信頼性が求められる。
【００１２】
図２は、本実施形態に係る保持装置１の構成を示す概略図である。保持装置１は、ベース２および保持機構３を含み、光学装置１００の主鏡Ｍ１や副鏡Ｍ２等のミラーＭを保持する。ベース２は、光学装置１００の筐体１１０と接続される。または、筐体１１０をベース２としてもよい。保持機構３は、保持部３１と、支持部材３２と、スペーサ３３と、を含む。
【００１３】
保持部３１は、高剛性の棒状部材を２本で１セットとしてハの字に組み合わせたバイポッド型の保持部であり、本実施形態では、３箇所の位置に設けられている。本実施形態では、それぞれの棒状部材は、ミラーＭ側（光学素子側）とベース２側に剛性が低くなる切り欠き部を有している。このような切り欠き部を有する棒状部材は、一般にフレクシャまたは弾性ヒンジと呼ばれ、文字通りヒンジやジョイントのとしての機能を有する。フレクシャや弾性ヒンジは、摩擦の無いジョイントであるため、ヒステリシスなど予期せぬ挙動がない。
【００１４】
保持部３１は、ミラーＭを６自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θＸ、θＹ、θＺ）でベース２に対して位置決めすることができる。また、ミラーＭ、ベース２および筐体１１０等の熱膨張が棒状部材によって緩和され、ミラーＭの予期せぬ変形を緩和することができる。
【００１５】
支持部材３２は、スペーサ３３を介してミラーＭをベース２に固定している。支持部材３２は、人工衛星に搭載された保持装置１が打ち上げられる際の数十Ｇといったランダムな大きな振動によって、ミラーＭや保持部３１が加振され破損することを防止する。支持部材３２は、人工衛星の打上げ時には強い振動に備えるためミラーＭを支持し、宇宙空間にて所望の軌道に乗り観測する段階になったらミラーＭの支持を解除する。すなわち、観測時には、ミラーＭは保持部３１のみでベース２に固定される状態となる。
【００１６】
本実施形態では、スペーサ３３が固相から液相に相変化することを利用して支持を解除する。この支持解除は不可逆的な解除であり、解除と支持の繰り返しによる不要な応力がミラーＭ等に掛からず変形が防止される。また、相変化はスペーサ３３にかかる温度が上昇することで起こり、人手によるサポートが受けられない宇宙空間の衛星などに適用するために、信頼性の点で有利となる。
【００１７】
図３は、支持部材３２によるミラーＭの支持が解除される様子を時系列で示す図である。図３の（ａ）は、スペーサ３３が固相の状態でミラーＭを固定している状態を示す図である。図３の（ｂ）は、スペーサ３３が液相へ相変化していく様子を示す図である。図３の（ｃ）は、スペーサ３３が液相へ相変化し、ミラーＭの支持が解除された様子を示す図である。
【００１８】
図３に示す通り、支持部材３２は、液相へ相変化したスペーサ３３が流入する複数の空洞部３２１を備える。複数の空洞部３２１は、支持部材３２の面のうち、スペーサ３３と接する面側に設けられた複数の開口部を有する管状の空洞部である。複数の空洞部３２１の内面Ｓ１には、スペーサ３３との濡れ性が、スペーサ３３とミラーＭとの当接面Ｓ２との濡れ性よりも高くなるような表面処理が施される。このため、スペーサ３３が溶融する温度に上昇すると、図３の（ｂ）に示すように溶融したスペーサ３３がミラーＭの表面ではじかれ、毛細管現象によって複数の空洞部３２１に吸入されてスペーサ３３がミラーＭから引きはがされる。最終的には、図３の（ｃ）のようにスペーサ３３が複数の空洞部３２１に流入し、ミラーＭと支持部材３２との間に隙間ができて支持が解除される。複数の空洞部３２１の体積は、支持の解除のために必要なスペーサ３３の複数の空洞部３２１への流入量により決定される。
【００１９】
本実施形態の保持装置１は、太陽観測衛星用の光学装置１００に用いられるため、太陽の観測時には太陽光によってミラーＭの表面が熱せられる。スペーサ３３の溶融は、ミラーＭからの伝熱や輻射を利用して行われる。例えば、太陽観測時に保持装置１の温度が７０℃程度に上昇する場合は、６０℃程度の融点を持つ材料をスペーサ３３に用いることで適切なタイミングで支持部材３２の支持を解除することができる。
【００２０】
６０℃付近の融点を持つ合金としてウッドメタルが良く知られているが、有毒なカドミウムを含むことに注意しなければならない。ウッドメタル以外にも一般にも６０℃付近の融点を持つ低融点合金は多くの種類が市販されている。
【００２１】
図４は、スペーサ３３の昇温方法のその他の例を示す図である。この例では、スペーサ３３を積極的に加熱するための発熱部３４が支持部材３２に備えられる。さらに、保持装置１または光学装置１００が、打ち上げが完了して支持の解除を判断し、発熱部３４を制御する制御部を備えると、発熱部３４による支持の解除を自由に制御することができ、スペーサ３３の融点等の設計の自由度を高めることができる。また、太陽光の熱を利用するよりもスペーサの相変化を起こす信頼性の点で有利となりうる。打ち上げの完了は、例えば、保持装置１または光学装置１００の加速度に関する情報に基づいて制御部が判断する。また、制御部は、光学装置１００が搭載された移動体の動作を制御する制御部（移動体制御部）の出力（高度、軌道、姿勢）に基づいて、発熱部３４を制御してもよい。
【００２２】
図４の構成の支持部材３２に用いるスペーサ３３の一例として鉛フリーはんだであるＳｎ−３．５Ａｇを用いる方法について説明する。Ｓｎ−３．５Ａｇの溶融温度は２２１℃である。発熱部３４を用いて支持部材３２の温度をスペーサ３３の融点以上に上昇させる。複数の空洞部３２１の内面Ｓ１は、はんだとの濡れ性が向上する金めっきが施される。Ｓｎ−３．５Ａｇの金めっき面に対する濡れ性は、表１で示される。一方、ミラーＭとの当接面Ｓ２には、はんだが濡れにくいコーティングとしてクロムメッキが施される。濡れにくいコーティングとしては、クロムの他、ニッケルやモリブデンなどの酸化膜が用いられうる。ここで、それぞれの部材間の濡れ性は、雰囲気の組成や気圧によって変化する。このため濡れ性を評価する際には、実際の宇宙空間と同等の真空状態で濡れ性を評価することが望ましい。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
複数の空洞部３２１の奥行きを１０ｍｍとすると、スペーサ３３が複数の空洞部３２１へ毛細管現象によって流入する力は８ｍＮ程度になる。支持部材３２による支持が解除されるタイミングは、無重力の宇宙空間である。このため、８ｍＮの流入する力であっても、十分にスペーサ３３が複数の空洞部３２１へ流入する。
【００２５】
一方、ミラーＭとの当接面Ｓ２でははんだが濡れにくく、接触角は９０度以上である「付着濡れ」の状態となるため、スペーサ３３は当接面Ｓ２上ではじかれることで、複数の空洞部３２１へ流入しやすくなる。複数の空洞部３２１は、図５に示すように、開口部が円形の円筒３２２であっても良い。この場合スペーサ３３の複数の空洞部３２１（円筒３２２）への流入は一般的な毛細管現象である。図５の円筒３２２の内径を１．０ｍｍとすると、スペーサ３３の円筒３２２への毛細管現象によって流入する力は２．５ｍＮ程度になる。支持部材３２の支持が解除されるタイミングは、無重力の宇宙空間であるため、２．５ｍＮ程度でも十分にスペーサ３３は複数の空洞部３２１（円筒３２２）へ流入する。
【００２６】
本実施形態の保持装置１における支持部材３２による支持および支持解除は、スペーサ３３の昇温する方法が図２のような受動的な場合も、図４のような発熱部３４を用いて積極的に加熱する方法のどちらでも不可逆である。溶融したスペーサ３３が複数の空洞部３２１に流入しミラーＭの支持が解除されるが、逆に、流入した状態からスペーサ３３が固まっても再びミラーＭを支持することはできない。また、その後もう一度スペーサ３３が溶融しても、スペーサ３３と複数の空洞部３２１の濡れと表面張力の関係が変わらないので、スペーサ３３が複数の空洞部３２１から出てくることはない。つまり、一旦スペーサ３３が溶融し支持が解除されると再び支持状態に推移することはない。
【００２７】
本実施形態の支持部材３２は、支持と支持解除とが不可逆であるため、保持対象に不要な応力が掛かることなく、変形を防止できる。また、支持解除のための機械的構成が少なく、信頼性の点で有利となりうる。以上のように、本実施形態によれば、打上げ時および宇宙空間での観測時における光学素子の変形を防止し、信頼性の点で有利な、光学素子の保持装置を提供することができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図６の（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態に係る支持部材３２によるミラーＭの固定が解除される様子を時系列で示す図である。本実施形態の支持部材３２は、スペーサカバー（収容部材）３５と弾性部材３５１とを含む。図６の（ａ）は、スペーサ３３が固相の状態でミラーＭを支持している状態を示す図である。図６の（ｂ）は、スペーサ３３が液相へ相変化してミラーＭの支持が解除される様子を示す図である。図６の（ｃ）は、スペーサ３３の相変化が終わり、ミラーＭの支持が解除されている様子を示す図である。
【００２９】
スペーサカバー３５は、スペーサ３３とミラーＭとの間に配置される。スペーサカバー３５と支持部材３２とは、弾性部材３５１により連結される。スペーサカバー３５の物体側の面とは反対側の面（支持部材側の面）には、開口部が備えられ、支持部材３２は、この開口部からスペーサ３３に接触し、スペーサ３３およびスペーサカバー３５を介してミラーＭを支持する。本実施形態では、弾性部材３５１はばねであり、図６の（ａ）のミラーＭを固定する状態において、スペーサカバー３５に対し支持部材３２に向けて力を与える弾性力（復元力）を蓄積している。図６の（ａ）では、スペーサ３３が固体であり、弾性部材３５１の弾性力によりスペーサカバー３５は移動しない。図６の（ｂ）では、スペーサ３３が温度上昇により溶融し、弾性部材３５１の弾性力により、スペーサカバー３５と支持部材３２とが離間するように、スペーサカバー３５が支持部材３２側へ移動し、ミラーＭの支持が解除される。図６の（ｃ）では、弾性部材３５１は元の形状に戻り、弾性力の蓄積はなくなる。
【００３０】
本実施形態でも、第１実施形態と同様に支持部材３２の支持と支持解除の変化は不可逆である。一旦スペーサ３３が溶融して図６の（ｃ）の状態になると、温度が変化してスペーサ３３の相が変化しても、スペーサ３３が弾性部材３５１を変形させ、（ばねを伸ばす）スペーサカバー３５をミラーＭ側へ押し戻すような力を生じることはない。
【００３１】
一方で、溶融したスペーサ３３が、空間を浮遊しミラーＭに付着することを防止するため、溶融したスペーサ３３をスペーサカバー３５と支持部材３２との間の空間に閉じ込める必要がある。そこで、スペーサカバー３５のスペーサ３３を収容する容積を液相のスペーサ３３の体積以上とする（スペーサ３３を収容する容積をＶ２、液相のスペーサ３３の体積をＶ１と表す）。これにより、図６の（ｃ）のようにスペーサ３３の相変化が完了しても、スペーサ３３はスペーサカバー３５と支持部材３２との間の空間に閉じ込められる。なお、Ｖ１≦Ｖ２とできない場合であっても、支持部材３２に図４のような複数の空洞部３２１を備えることでスペーサ３３の漏れを防ぐこともできる。
【００３２】
第１実施形態と同様に、スペーサ３３を能動的に加熱して昇温させても良い。この場合も、ミラーＭの支持と支持解除は不可逆である。図７は、発熱部３６を備える保持機構３の構造を示す図である。発熱部３６を備える場合に、図６の（ｃ）の状態からスペーサ３３が相変化しても、スペーサ３３が弾性部材３５１を変形させてスペーサカバー３５をミラーＭ側へ押し戻すような力を生じることはない。本実施形態による保持装置１も、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３３】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態にかかる保持装置１の構成を示す概略図である。本実施形態は、昇華性を有する材料を用いたスペーサ３７を用いる。代表的な昇華性を有する材料としてはヨウ素が挙げられる。また、本実施形態の保持機構３は、飛散防止部３８とコールドとラップ３９と、を備える。
【００３４】
スペーサ３７が昇華して気体（気相の状態）となると、支持部材３２によるミラーＭの支持が解除される。一方で昇華したスペーサ３７が空間を浮遊しミラーＭに付着することが懸念される。そこで、飛散防止部３８およびコールドトラップ（捕捉部材）３９により、昇華したスペーサ３７がミラーＭへ付着することを防止する。飛散防止部３８は、ミラーＭとスペーサ３７との間に配置され、昇華したスペーサ３７がコールドトラップ３９に導かれるような形状をしている。コールドトラップ３９は、ミラーＭから離れた位置に設けられ、昇華したスペーサ３７を冷却して捕捉する。飛散防止部３８は、ミラーＭの変形を防止するため柔軟な材料で作成され、スペーサ３７が昇華した後はミラーＭと支持部材３２との間に挟まれる。
【００３５】
図９は、図６に示す第２実施形態のような構成の保持機構３に本実施形態の昇華性スペーサ３７を用いた場合の保持機構３の構造を示す図である。この場合、スペーサカバー３５と支持部材３２との間の空間により飛散防止部３８は不要となる。また、当該空間から流出しうるスペーサ３７を補足する、コールドトラップ３９が当該空間の開口部に配置される。本実施形態による保持装置１も、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００３６】
なお、上記実施形態では、光学素子としてミラーである例を示したが、例えばレンズや、平行平板ガラス、プリズム、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、バイナリオプティックス、ホログラムのいずれかであってもよい。また、光学素子以外の物体を保持する保持装置にも本発明は適用可能である。上記実施形態では、支持部材３２は、ミラーＭを側面から固定していたが、保持部３１が保持する面と同じ面からミラーＭを固定しても良い。また、上記では、支持部材が複数の空洞部を有する例を示したが、空洞部がひとつであってもよい。
【００３７】
（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    保持装置
３    保持機構
３１    保持部
３２    支持部材
３３    スペーサ
Ｍ１    主鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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