(57)【要約】【課題】バランスウェイトなどの装置本来の機能に不要な機器を搭載することなく、被駆動物体である反射鏡から生じる反動トルクを、反射鏡の回転開始時と停止時も含めて完全にキャンセルするスキャニング装置を提供する。【解決手段】所定の観測領域から入射する観測光を反射する第１の反射鏡１と、第１の反射鏡１の回転角度を検出する第１の角度検出器１０と、第１の反射鏡１と略同じ慣性モーメントを有し、かつ反射する観測光の入射領域が、第１の反射鏡１の反射する観測光の入射領域と合わせて所定の観測領域となるよう配置された第２の反射鏡２と、第２の反射鏡２の回転角度を検出する第２の角度検出器１１と、第１および第２の角度検出器１０，１１が検出する信号に基づき、第１の反射鏡１の回転時に発生する反動トルクを打ち消すように第２の反射鏡２を回転制御する第２の制御部６とを設けた。【選択図】図１
2011063041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の観測領域から入射する観測光を反射するスキャニング装置であって、
筐体に回転自在に設けられ、前記観測光を反射する複数の反射鏡と、
前記複数の反射鏡をそれぞれ回転駆動する複数の駆動部と、
前記複数の反射鏡の回転角度をそれぞれ検出する複数の角度検出器と、
前記複数の角度検出器が検出する信号に基づき、前記反射鏡の回転時に生じる反動トルクを全体として打ち消すように前記複数の反射鏡を回転制御する制御部とを備えるとともに、
前記複数の反射鏡は、それぞれの反射鏡が反射する前記観測光の入射領域を合成した領域が、前記所定の観測領域となるように配置されることを特徴とするスキャニング装置。
【請求項２】
前記制御部は、該制御部から前記駆動部に出力される電流値と前記角度検出器が検出する信号とに基づいて前記反射鏡の回転軸と前記駆動部に設けられたベアリングとの間に生じる摩擦トルクを算出し、該摩擦トルクを補償する信号を前記駆動部に出力する摩擦トルク推定部を有することを特徴とする請求項１に記載のスキャニング装置。
【請求項３】
筐体と、
前記筐体に回転自在に設けられ、所定の観測領域の一部から入射する前記観測光を反射する第１の反射鏡と、
前記筐体に回転自在に設けられ、且つ、反射する観測光の入射領域が、前記第１の反射鏡が反射する前記観測光の入射領域と合わせて前記所定の観測領域となるように配置された第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡を回転駆動する第１の駆動部と、
前記第２の反射鏡を回転駆動する第２の駆動部と、
前記第１の反射鏡の回転角度を検出する第１の角度検出器と、
前記第２の反射鏡の回転角度を検出する第２の角度検出器と、
前記第１の反射鏡を回転制御する第１の制御部と、
前記第１および第２の角度検出器が検出する信号に基づき、前記第１の反射鏡の回転時に発生する反動トルクを打ち消すように前記第２の反射鏡を回転制御する第２の制御部と
を備えたスキャニング装置。
【請求項４】
前記第１および第２の制御部は、これらの制御部から前記第１および第２の駆動部に入力される電流値と前記角度検出器が検出する信号とに基づいて前記第１および第２の反射鏡の回転軸と前記第１および第２の駆動部に設けられたベアリングとの間に生じる摩擦トルクを算出し、前記摩擦トルクを補償する信号を前記第１および第２の駆動部に出力する摩擦トルク推定部を有することを特徴とする請求項３に記載のスキャニング装置。
【請求項５】
前記第１の制御部および前記第２の制御部は、前記第１の反射鏡の慣性モーメントと角速度との積が、前記第２の反射鏡の慣性モーメントと角速度との積に等しくなるように制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のスキャニング装置。
【請求項６】
前記第１の制御部および前記第２の制御部は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とが同速度で互いに逆回転するように制御することを特徴とする請求項５に記載のスキャニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、人工衛星に代表される宇宙機に搭載された被駆動物体の回転駆動時に生じる反動トルクをキャンセルすることで、宇宙機に反動を与えることなしに被駆動物体を回転駆動するスキャニング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
衛星に搭載された光学部材などの搭載機器を回転加減速駆動すると、その駆動の反作用として、機器を搭載した衛星には反動トルクが生じる。衛星に生じた反動トルクは、衛星姿勢を変動させるため、観測機器やアンテナなどを精密に特定の方向へと指向させる際の外乱となる。そのため、衛星姿勢を精密に制御するためには、搭載機器の回転駆動時に生じる反動トルクを衛星に与えないことが必要となる。
【０００３】
従来のスキャニング装置では、回転光学部の回転駆動時に発生する反動トルクを衛星に与えないように、反転増速ギア機構によって、回転光学部の回転運動に連動してバランスウェイトを増速逆回転させることで、反動トルクをキャンセルしていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０６７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような従来のスキャニング装置では、反動トルクをキャンセルするために、装置本来の機能には不要となるバランスウェイトや、バランスウェイトを増速逆回転させるための反転増速ギア機構が必要となり、装置搭載に余分なスペースと重量が必要となるという問題があった。加えて、バランスウェイトの駆動に反転増速ギア機構を用いているため、ギア噛み合わせ部のバックラッシの影響によって、回転光学部の駆動開始時と停止時に回転光学部とバランスウェイトの回転の同期が崩れ、駆動開始時と停止時において反動トルクを完全にキャンセルできないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、バランスウェイトなどの装置本来の機能に不要な機器を搭載することなく、被駆動物体である反射鏡から生じる反動トルクを、反射鏡の回転開始時と停止時も含めて完全にキャンセルするスキャニング装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るスキャニング装置は、所定の観測領域から入射する観測光を反射するスキャニング装置であって、筐体に回転自在に設けられ、前記観測光を反射する複数の反射鏡と、前記複数の反射鏡をそれぞれ回転駆動する複数の駆動部と、前記複数の反射鏡の回転角度をそれぞれ検出する複数の角度検出器と、前記複数の角度検出器が検出する信号に基づき、前記反射鏡の回転時に生じる反動トルクを全体として打ち消すように前記複数の反射鏡を回転制御する制御部とを備えるとともに、前記複数の反射鏡は、それぞれの反射鏡が反射する前記観測光の入射領域を合成した領域が、前記所定の観測領域となるように配置されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反射する観測光の領域は変えずに、バランスウェイトなしで反射鏡駆動時の反動トルクを相殺できるため、バランスウェイトとその駆動部などの装置本来の機能に不要な機器を省略できる。そのため、装置を軽量にできる上、装置搭載に必要なスペースを少なくできる。加えて、ギア機構を用いることなく、独立した駆動部と制御部を用いて回転制御しているため、複数の反射鏡の駆動開始時と停止時においても反動トルクを完全にキャンセルできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスキャニング装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるスキャニング装置の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるスキャニング装置の制御部を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態４におけるスキャニング装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は実施の形態１におけるスキャニング装置の構成を示す断面図であり、図２は同装置の斜視図である。
【００１１】
まず、図１および図２を参照して、実施の形態１におけるスキャニング装置の構成および動作について説明する。
【００１２】
図１においてスキャニング装置は、回転自在に設けられ、観測光を反射する第１の反射鏡１および第２の反射鏡２と、第１の反射鏡１を回転駆動する第１の駆動部３と、第２の反射鏡２を回転駆動する第２の駆動部４と、第１の駆動部３を制御する第１の制御部５と、第２の駆動部４を制御する第２の制御部６と、第１の反射鏡１の回転角度を検出する第１の角度検出器１０と、第２の反射鏡２の回転角度を検出する第２の角度検出器１１とを備えている。
【００１３】
第１の反射鏡１と第２の反射鏡２は、回転運動することにより、それぞれ一定の領域から入射される観測光をスキャンして反射する。第１の反射鏡１と第２の反射鏡２は、それぞれが略同じ慣性モーメントを有するように形成されている。ここで、略同じ慣性モーメントを有するとは、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２の慣性モーメントの差によって生じる反動トルクが設計上無視できる程度であることを意味する。そして、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２は、第１の反射鏡１が反射する観測光の入射領域７と第２の反射鏡２が反射する観測光の入射領域８を合わせた領域が、所定の観測領域９と一致するように配置される。
【００１４】
第１の反射鏡１と第２の反射鏡２には、それぞれ第１の回転軸１２と第２の回転軸１３が結合されている。第１の回転軸１２と第２の回転軸１３は互いに平行に配置され、且つ筐体１６の側面に対しても平行に配置されており、第１のベアリング１４と第２のベアリング１５によって、回転自在に保持されている。
【００１５】
第１の駆動部３は、第１の回転軸１２を介して第１の反射鏡１と連結されており、第１の反射鏡１を回転駆動する。同様に第２の駆動部４は、第２の回転軸１３を介して第２の反射鏡２と連結されており、第２の反射鏡を回転駆動する。
【００１６】
第１の角度検出器１０は、第１の回転軸１２を介して第１の反射鏡１の回転角を検出し、検出した回転角を第１の制御部５に対して送信する。同様に第２の角度検出器１１は、第２の回転軸１３を介して第２の反射鏡２の回転角を検出し、検出した回転角を第２の制御部６に対して送信する。
【００１７】
第１の制御部５と第２の制御部６は、外部から与えられる回転角指令値と、第１の角度検出器１０と第２の角度検出器１１が検出した第１の反射鏡１と第２の反射鏡２の回転角に基づき、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２が常に同速で逆回転するような駆動指令を第１の駆動部３と第２の駆動部４に与える。
【００１８】
このような構成によれば、第１の反射鏡１を駆動した際に生じる反動トルクは、第２の反射鏡２が第１の反射鏡１と同速で逆回転することで生じる反動トルクにより打ち消される。そのため、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２を回転駆動しても、衛星本体には何ら反動トルクを与えないため、衛星姿勢を変動させることがない。
【００１９】
このとき、第１の反射鏡１が反射する観測光の入射領域７と第２の反射鏡２が反射する観測光の入射領域８を合わせた領域は、所定の観測領域９と一致する。ここで、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２のそれぞれの寸法は、所定の観測領域９を１枚の反射鏡で反射させるのに必要な反射鏡寸法を略２分割した光学寸法であるため、第１の反射鏡と第２の反射鏡を合わせた重量は、１枚で反射させる場合の反射鏡の重量と略同じである。
【００２０】
従って、本実施の形態の構成によれば、反射する観測光の領域は変えずに、バランスウェイトなしで反射鏡駆動時の反動トルクを相殺できるため、バランスウェイトとその駆動部などの装置本来の機能に不要な機器を省略できる。そのため、装置を軽量にできる上、装置搭載に必要なスペースを少なくできる。加えて、本構成では、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２を独立な駆動部と制御部を用いて回転制御しているため、２枚の反射鏡から発生する反動トルクは駆動中、常にキャンセル可能である。
【００２１】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるスキャニング装置の制御部を示すブロック図である。
【００２２】
実施の形態１では、第１の制御部５と第２の制御部６に対して、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２が常に同速で逆回転するように駆動指令を与えているが、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に生じる摩擦トルクと、第２のベアリング１５と第２の回転軸１３との間に生じる摩擦トルクとの間にばらつきが存在する場合には、常に同速で逆回転するような駆動指令を生成することは一般的に困難である。実施の形態２におけるスキャニング装置は、そのような場合であっても、摩擦トルクを補償した駆動指令を生成することで、反射鏡駆動時の反動トルクをキャンセルするものである。
【００２３】
以下、図３を参照して実施の形態２におけるスキャニング装置の動作について説明する。
【００２４】
図３において、フィードバック演算部１７は反射鏡の回転角誤差からフィードバック補償項を求める演算部であり、摩擦トルク推定部１８は反射鏡の回転角と、駆動部においてアクチュエータとして用いるモータの駆動電流から、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間の摩擦トルクと第２のベアリング１５と第２の回転軸１３との間の摩擦トルクを推定する推定部である。フィードバック演算部１７と摩擦トルク推定部１８の出力から生成した駆動指令を、第１の駆動部３と第２の駆動部４に入力し、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２の回転を制御する。
【００２５】
次に、ブロック図における各ブロックの動作について説明する。以下では、理解を容易にするため、代表して第１の反射鏡１を対象にした場合の動作について説明する。実際には、同様の動作が第２の反射鏡２に対しても行われる。
【００２６】
フィードバック演算部１７は、回転角誤差からＰＩＤ制御に基づいた駆動指令を出力する。摩擦トルク推定部１８は、まずモータ駆動電流Ｉから、実際に第１の駆動部３から出力されている駆動トルクτｒを、式（１）により計算する。
【００２７】
【数１】
2011063041.tif 000003
【００２８】
ここで、Ｋｔはモータのトルク定数である。次に、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に摩擦トルクが存在しない場合に、第１の反射鏡１を回転角指令値に従って駆動するのに必要な理想駆動トルクτｉを式（２）により計算する。
【００２９】
【数２】
2011063041.tif 000004
【００３０】
ここで、Ｊは第１の反射鏡１の慣性モーメント、θは第１の反射鏡１の回転角である。このとき、実際の駆動トルクτｒと理想駆動トルクτｉの差が、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に存在する摩擦トルクに相当するため、摩擦トルクの補償項τｆを式（３）より求める。
【００３１】
【数３】
2011063041.tif 000005
【００３２】
しかし、式（３）の計算では、第１の角度検出器１０から得られる第１の反射鏡１の回転角θの２階時間微分を計算する必要がある。現実の角度検出器から得られる回転角には、高周波数のノイズが含まれており、一般的にノイズを含む信号を時間微分するとノイズの影響が更に顕著になるため、回転θを２階時間微分した結果には多くのノイズ情報が含まれる。そのため、実際に摩擦トルクの補償項τｆを計算する場合には、式（４）のように、駆動トルクτｒと理想駆動トルクτｉの差の計算結果に、２次以上のローパスフィルタを施した結果を摩擦トルクの補償項として出力する。
【００３３】
【数４】
2011063041.tif 000006
【００３４】
ここで、ｓはラプラス演算子、ωはローパスフィルタの折点角周波数である。このローパスフィルタの折点角周波数を、反射鏡の回転に必要な駆動周波数帯域よりも十分高く設定することで、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に存在する摩擦トルクを高い精度で推定できる。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の構成によれば、ベアリングと回転軸間に存在する摩擦トルクは、摩擦トルク推定部によって高精度に推定・補償可能である。そのため、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に生じる摩擦トルクと、第２のベアリング１５と第２の回転軸１３との間に生じる摩擦トルクの大きさにばらつきが存在する場合でも、それぞれの摩擦トルクの大きさに応じた補償項が摩擦トルク推定部によって出力されるため、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２を制御性能の範囲で常に同速で逆回転させることが可能である。
【００３６】
また、本実施の形態によれば、第１のベアリング１４と第１の回転軸１２との間に生じる摩擦トルクと、第２のベアリング１５と第２の回転軸１３との間に生じる摩擦トルクの大きさにばらつきが存在する場合でも、反射鏡駆動時の反動トルクをキャンセルすることが可能であるため、装置のロバスト性が向上するという利点がある。
【００３７】
実施の形態３．
また、上記実施の形態では、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２が略同じ慣性モーメントを有する構成としたが、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２が異なる慣性モーメントを有する場合でも、本発明は実施可能である。その場合には、第１の反射鏡１の慣性モーメントをＪ１、第２の反射鏡２の慣性モーメントをＪ２、第１の反射鏡１の角速度をΩ１、第２の反射鏡２の角速度をΩ２としたときに、第１の制御部５と第２の制御部６は、第１の駆動部３と第２の駆動部４をＪ１Ω１＝Ｊ２Ω２を満足するように回転制御することで、反射鏡駆動時の反動トルクをキャンセルすることが可能である。本実施の形態の場合には、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２の慣性モーメントを一致させる必要がないため、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２の製造時に精密な機械加工が必要ない。そのため、装置の製造がより容易となるという利点がある。
【００３８】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態では、スキャニング装置として第１の反射鏡と第２の反射鏡の２枚の反射鏡を有する構成について説明したが、これに限ることなく、３枚以上の反射鏡を有する構成も可能である。代表して３枚の反射鏡を有する場合について図４を用いて説明する。
【００３９】
図４は実施の形態４によるスキャニング装置の断面図である。第１の反射鏡１は、第１の回転軸１２を介して第１の駆動部３により回転駆動され、外部から与えられる角度指令に応じて第１の制御部５によって回転制御される。同様に、第２の反射鏡２と第３の反射鏡１９も、第２の回転軸１３と第３の回転軸２２を介して、第２の駆動部４と第３の駆動部２０により回転駆動され、外部から与えられる角度指令に応じてそれぞれ第２の制御部６と第３の制御部２１によって回転制御される。
【００４０】
本実施の形態における構成では、第１の回転軸１２と第２の回転軸１３、第３の回転軸２２は互いに平行に配置されておらず、第１の回転軸１２はＸ軸と平行に、第２の回転軸１３は第１の回転軸１２に対して角度＋θ、第３の回転軸２２は第１の回転軸１２に対して角度−φだけ傾いた状態で同一平面上に配置される。このとき、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２、第３の反射鏡１９は、それぞれが反射する観測光の入射領域を合わせた全領域が、観測領域９と一致するように配置されている。
【００４１】
ここで、第１の反射鏡１の慣性モーメントをＪ１、第２の反射鏡２の慣性モーメントをＪ２、第３の反射鏡１９の慣性モーメントをＪ３、第１の反射鏡１の角速度をΩ１、第２の反射鏡２の角速度をΩ２、第３の反射鏡１９の角速度をΩ３とすると、第１の反射鏡１と第２の反射鏡２と第３の反射鏡１９を合わせた装置全体のＸ軸方向とＹ軸方向の角運動量の総和が、以下の式（５）および式（６）を満足するように第１の制御部５と第２の制御部６、第３の制御部２１を設計することで、３枚の反射鏡を駆動した際にそれぞれの反射鏡から生じる反動トルクは装置全体でキャンセルされ、衛星本体に反動トルクを与えない。
【００４２】
【数５】
2011063041.tif 000007
【００４３】
【数６】
2011063041.tif 000008
【００４４】
本実施の形態によれば、反射鏡の枚数とその回転軸の配置を自由に設計できるため、装置の搭載スペースが限られる場合でも、搭載スペースに合わせた装置の構成や配置が可能となり、装置の搭載性が向上する利点がある。
【００４５】
なお、本実施の形態においても、実施の形態２と同様に、第１の制御部５、第２の制御部６および第３の制御部２１にそれぞれ摩擦トルク推定部を設けてもよい。このように摩擦トルク推定部を設けることにより、各反射鏡の回転軸とベアリング部との間に生じる摩擦トルクにばらつきが存在する場合であっても、バランスウエイトなしで反射鏡駆動時の反動トルクを相殺できる。
【００４６】
実施の形態５．
なお、上記実施の形態では、全ての反射鏡の回転軸が同一平面上にある場合について説明したが、これに限ることなく、全ての反射鏡の回転軸が同一平面上にない場合でも実施可能である。その場合には、Ｘ軸とＹ軸に加えて、Ｘ軸とＹ軸と直交するＺ軸方向についても、装置全体の角運動量の総和がゼロとなるように、各制御部を設計することで実現可能である。本実施例によれば、反射鏡の構成とその回転軸の配置をより自由に設計できるため、装置の搭載性が更に向上する利点がある。
【００４７】
実施の形態６．
また、上記実施の形態では、第１の駆動部３と第２の駆動部４、第３の駆動部２０を別々の制御部である第１の制御部５と第２の制御部６、第３の制御部２１により回転制御する構成について説明したが、これに限ることなく、１つの制御部によって全ての駆動部を回転制御する構成とすることも容易に実現可能である。本実施例によれば、搭載する反射鏡の枚数によらず、１つの制御部により全ての反射鏡を回転制御可能であり、装置に搭載する制御部の数を削減できる。そのため、制御部を搭載するために必要なスペースと重量を削減できる利点がある。
【符号の説明】
【００４８】
１  第１の反射鏡、  ２  第２の反射鏡、  ３  第１の駆動部、  ４  第２の駆動部、  ５  第１の制御部、  ６  第２の制御部、  ７  第１の反射鏡が反射する観測光の入射領域、  ８  第２の反射鏡が反射する観測光の入射領域、  ９  観測領域、  １０  第１の角度検出器、  １１  第２の角度検出器、  １２  第１の回転軸、  １３  第２の回転軸、  １４  第１のベアリング、  １５  第２のベアリング、  １６  筐体、  １７  フィードバック演算部、  １８  摩擦トルク推定部、  １９  第３の反射鏡、  ２０  第３の駆動部、  ２１  第３の制御部、  ２２  第３の回転軸。
【図１】
2011063041.tif 000009
【図２】
2011063041.tif 000010
【図３】
2011063041.tif 000011
【図４】
2011063041.tif 000012