(57)【要約】【課題】  天体望遠鏡の天体追尾における赤経軸回転のピリオディック・モーションを電気的手段によらずキャンセルする。【解決手段】  モータ１の駆動のウオーム４とウオームホイル５を使用した天体望遠鏡の鏡筒の回転機構において、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に、ウオームの１回転の周期に同期して不等速回転が発生する不等速伝達機構を用いることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与えてピリオディック・モーションをキャンセルする。【選択図】      図２
2015210496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動のウオームとウオームホイルを使用した天体望遠鏡の鏡筒の回転機構において、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に、ウオームの１回転の周期に同期して不等速回転が発生する不等速伝達機構を用いることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与えてピリオディック・モーションをキャンセルすることを特徴とする天体望遠鏡の鏡筒の回転機構。
【請求項２】
不等速伝達機構はモータ駆動のウオームとウオームホイルを使用した赤道儀式天体望遠鏡の赤経軸の回転機構において、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に用いられる請求項１記載の天体望遠鏡の鏡筒の回転機構。
【請求項３】
モータの回転を自在継手を介してウオーム軸に伝達するとともに、上記自在継手の入力軸と出力軸との交差角φによって入出力に角速度変動が生じさせることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与える請求項１または２記載の天体望遠鏡の鏡筒の回転機構。
【請求項４】
モータの回転をクランクピンに噛合うスライダによってウオーム軸に伝達するとともに、モータ軸とウオーム軸にオフセット量を設けることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える請求項１または２記載の天体望遠鏡の鏡筒の回転機構。
【請求項５】
モータの回転を偏心ギヤでウオーム軸に伝達することにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える請求項１または２記載の天体望遠鏡の鏡筒の回転機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は天体望遠鏡に関し、より詳細には、天体追尾において天体撮影画像に著しい品質低下をもたらすピリオディック・モーションを軽減するためのピリオディック・モーションのキャンセル手段を備えた天体望遠鏡の鏡筒の回転機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
天体望遠鏡による天体の写真撮影は地球の自転によって常に動いている天体を比較的長時間の露出で撮影するため、望遠鏡やカメラの望遠レンズの方向を地球の自転に合わせて正確に静止させておく必要がある。一般的にはその方法として撮影機材を赤道儀に搭載し、天体の動きに赤経軸を同期して回転させることによって撮影位置を静止させている。赤道儀とは地球の自転軸と平行にセットされた赤経軸を、精度よく制御されたモータと減速機構により２４時間で１回転させることによって天体を追尾する望遠鏡架台の方式であり、地球の自転によって北極を中心に回転する目標天体を、赤経軸の追尾動作によって、望遠鏡の視野に静止させる。
【０００３】
赤経軸は追尾のためのモータを駆動源としてモータ軸の回転を減速して回転されるが、ウオーム・ウオームホイル形式の減速機構が多く、正確な回転を得るには非常に高い精度が求められる。すなわち、この形式ではウオームに偏心があるとウオームホイルとの噛合い面が変位するため、ウオームの１回転ごとにウオームホイルの回転角に微妙な進み遅れが生じる。これがピリオディック・モーションであり、前述した天体の写真撮影の際に点になるはずの星が線状に変形してしまう画像の悪化となって現れ、これは拡大撮影の際に顕著となる。
【０００４】
追尾のためのモータと赤経軸の間には様々な減速機構が使用されていて、ピリオディック・モーションの複合的な要因となっているが、最終減速機構のウオーム・ウオームホイル部のピリオディック・モーションが最も大きく弊害が重大である。
【０００５】
赤道儀式の天体望遠鏡を製作する場合、各望遠鏡メーカーはウオームの偏心を究極まで小さくし、このピリオディック・モーションを無くす努力をしているが、現実的には他の構成部品との組合わせ誤差もあってウオームの偏心を０にすることはできないため、機械的にピリオディック・モーションは取りきれないというのが一般的な常識である。
【０００６】
ピリオディック・モーションは赤経軸のウオームホイルの直径が小さい小型赤道儀のほうが大きく現れやすい。しかし、ウオームおよびウオームホイルと周辺部品の高精度化をするとコスト上昇を招くため、ある程度のピリオディック・モーションは容認されてきた。そのため各望遠鏡メーカーは、あらかじめ製品の仕様にその量と周期を記して、天体写真撮影の際にピリオディック・モーションによる弊害が現れないよう、使用者自らが撮影方法で回避するなどの対策を取っている。
【０００７】
一方、各望遠鏡メーカーにおいてはピリオディック・モーションを認識した上で、それを電気的にキャンセルする試みが行われている。それは望遠鏡の駆動制御システムにおいてウオームの回転を電子的に制御してピリオディック・モーションをキャンセルする方法で、望遠鏡業界ではＰＥＣ（Periodic Error Correction ）と称して、各社製品に搭載している。さらにピリオディック・モーション以外にも天体撮影の画像を悪化させるものとして、大気差や自転の摂動などによって天体の撮影位置がふらつく現象もあり、それらの総合的な位置ずれをＣＣＤカメラが検知して望遠鏡の駆動制御システムにフィードバックして補正し、望遠鏡の撮影位置を常に正しい位置に固定する方法があり、この技術はオートガイダーと呼ばれるものである。以上のように、従来技術においてはピリオディック・モーションをキャンセルする方法としては電気的な補正制御が主流であった（特許文献１、２）。
【０００８】
【特許文献１】実公平７−５４５２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３７９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のＰＥＣやオートガイダーなどの電気的補正手段はコストを要する問題があり、安価な小型望遠鏡に採用することはコスト的に困難であった。                                
【００１０】
一方、望遠鏡もデザインが重要となるため、スリムな形状のものが主流となり、赤経軸まわりを小さくするために、高級機もウオームホイルを小型化する傾向にあり、ピリオディック・モーションが生じやすい状況にあった。この場合、追尾精度を満足させるためには前記のＰＥＣやオートガイダーなどの電気的補正に頼らざるを得ず、デザインの自由度と追尾精度の間には相反する状況が存在し、コスト上昇を抑えられないという問題があった。
【００１１】
ところで、天体観測や天体の撮影は光害の少ない山奥などの遠方まで機材を運搬して設置をしなければならず、小型で追尾精度の良い赤道儀が求められている。これに対し、ピリオディック・モーションをキャンセルするための電気的補正などの付加機能は機材を複雑にして設置時間も増加するなどの問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は以上の従来技術の問題点に鑑みて創作されたものであり、電気的制御によって行っていたピリオディック・モーションのキャンセルを簡単な機構で解決することを目的とする。
【００１３】
すなわち、本願発明の天体望遠鏡の鏡筒の回転機構は、モータ駆動のウオームとウオームホイルを使用した天体望遠鏡の鏡筒の回転機構において、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に、ウオームの１回転の周期に同期して不等速回転が発生する不等速伝達機構を用いることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与えてピリオディック・モーションをキャンセルすることを特徴とする
【００１４】
本願発明は、モータの回転は通常の追尾回転のままで、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に、ウオームの１回転の周期に同期して不等速回転が発生する不等速伝達機構を用いることにより、ウオーム軸に電気的な回転角制御と類似の補正動作を発生させて、ピリオディック・モーションをキャンセルしようというものであり、請求項２記載の発明のように、特に赤道儀式天体望遠鏡の赤経軸の回転機構において有用である。
【００１５】
本願発明においては、前記の不等速回転が発生する不等速伝達機構に関しいくつかの機構を開示している。請求項３記載の発明は、モータの回転を自在継手を介してウオーム軸に伝達するとともに、上記自在継手の入力軸と出力軸との交差角φによって入出力に角速度変動が生じさせることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与える機構としている。
【００１６】
請求項４記載の発明は、モータの回転をクランクピンに噛合うスライダによってウオーム軸に伝達するとともに、モータ軸とウオーム軸にオフセット量を設けることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える機構としている。
【００１７】
請求項５記載の発明は、モータの回転を偏心ギヤでウオーム軸に伝達することにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える機構としている。
【発明の効果】
【００１８】
本願発明によれば、モータ軸とウオーム軸との伝達機構に不等速伝達機構を用いることによりウオーム軸に電気的な回転角制御と類似の補正動作を発生させて、ウオームの偏心によるピリオディック・モーションをキャンセルするので、電気的制御によっていた従来技術のような複雑な制御回路を必要とせず簡単な機構で済む。よって、低コストで精度の高い天体撮影が可能となる天体望遠鏡を提供することが可能となる。
【００１９】
同様に、非常に単純な機構なので、既存の天体望遠鏡でも容易に駆動部の改造を行ってピリオディック・モーションをキャンセルすることができる。
【００２０】
また、ピリオディック・モーションをキャンセルするための機構はモータ軸とウオーム軸との伝達機構内で完結するので、電気的制御によっていた従来技術のような付加部材を必要とせず、光害の少ない山奥などの遠方まで機材を運搬して天体観測や天体の撮影を行う場合でも設置が非常に簡単になる。
【００２１】
本願発明は、赤道儀の小型化によってピリオディック・モーションが顕著になる場合の補正手段として有効であることは前記した通りであるが、これは本願発明を実施することによりピリオディック・モーションを気にしないで望遠鏡をスリム化できることを意味し、デザイン性の高い天体望遠鏡を提供することが可能となる。
【００２２】
モータの回転を自在継手を介してウオーム軸に伝達するとともに、上記自在継手の入力軸と出力軸との交差角φによって入出力に角速度変動を生じさせる請求項３記載の発明においては、ウオーム軸の偏心がより大きい場合、自在継手の交差角を大きくするだけでピリオディックモーションをキャンセルすることができるので、ウオームの精度をある程度ラフにして加工・組立コストを軽減することも可能である。この発明は、数ミクロンのウオームの偏心量によって起きたピリオディック・モーションを、自在継手の交差角を数度単位で調整して最適な追尾精度に収めることができるため、電気的制御に比較して調整も簡単で安定性があり信頼性も高い。そして、ウオームの偏心量とピリオディック・モーションの位相は対象となる赤道儀固有のものなので、自在継手の交差角と位相は一度セットするだけで良いため、組立工程で調整されたものを出荷することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】赤道儀の赤経軸駆動部の代表的ウオーム・ウオームホイル形式の模式図
【図２】本願発明の第１実施例の模式図
【図３】本願発明の第１実施例の作用を示すグラフ
【図４】本願発明の第２実施例の模式図
【図５】本願発明の第２実施例の模式図
【図６】本願発明の第３実施例の模式図
【図７】本願発明の第３実施例の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本願発明の具体的実施例を添付図面に基づいて説明する。図１は従来技術の赤道儀式天体望遠鏡の赤経軸の回転機構を示す図である。この回転機構の多くは追尾用のモータ１の回転を出力側の平ギヤ２とウオーム軸側の平ギヤ３を介してウオーム４に伝達し、赤経軸６に嵌合したウオームホイル５がウオーム４のリードで回転する。その減速比はウオームホイル５の歯数Ｚをウオーム４の条数で割ったものである。何らかの要因でウオーム４の回転に偏心が生じるとウオームホイル５の回転は１歯分の回転中に増速・減速が生じ不均一な回転となる。
【００２５】
これがピリオディック・モーション（ＰＭ）あるいはピリオディック・エラーと呼ばれ、天体望遠鏡による天体撮影に重大な弊害をもたらす。ピリオディック・モーションの量は以下の式で求める。市販の赤道儀の仕様にはこれらの数値が記される場合がある。
ＰＭ周期（分）＝ 24 ×60÷Ｚ
ＰＭ量（″角）＝ tan -1 （δ×tan α÷ｄ/ ２）×3600
Ｚ：ウオームホイルの歯数
δ：ウオーム歯車の偏心量
α：ウオーム・ウオームホイルの圧力角
ｄ：ウオームホイルのピッチ円直径
【００２６】
例えば赤道儀の仕様に
赤経軸ウオームホイルZ=150 、d=100mm   ＰＭ周期= 約9 分35秒、ＰＭ量= ±10″以下、とある場合
ＰＭ周期＝24×60÷150 ＝9.6 ′≒9 ′35”
ウオーム歯車の偏心δ= ±0.005mm   の場合のピリオディック・モーションは
圧力角α=20 °の歯車列において、ＰＭ量＝±7.5 ″角
圧力角α=14.5 °の歯車列において、ＰＭ量＝±5.33″角
なので、どちらも仕様を満足するが
ウオーム歯車の偏心δ= ±0.01mm  の場合のピリオディック・モーションは
圧力角α=20 °の歯車列において、ＰＭ量＝±15.01 ″角
圧力角α=14.5 °の歯車列において、ＰＭ量＝±10.67 ″角
となり、どちらも仕様を満足しない。
したがって、このサイズの赤道儀では、ウオーム・ウオームホイルの歯車列はα=14.5 °の圧力角にして、ウオーム歯車の偏心δを±0.005mm 程度に抑える必要がある。
【００２７】
ピリオディック・モーションを無くすにはウオーム４の偏心を０にすればよいと考えがちだが、ウオーム４の偏心δは軸受方式やウオーム歯車ユニットを構成する部品精度などによって変動するため、ウオーム４の加工精度だけを追求してもピリオディック・モーションを無くすことはできない。
また、小型赤道儀の場合ウオームホイルの直径が小さくなるためピリオディック・モーションが出やすくなることがわかる。
【００２８】
本願発明は、ウオーム４にピリオディック・モーションと逆位相の正弦波に近似する角速度変動を与えれば、ピリオディック・モーションをキャンセルすることができるという原理を利用したものであり、赤経軸歯車機構の機械精度を必要以上に上げることなく、ＰＥＣ等の電子的補正制御にも依存しないで、ピリオディック・モーションをキャンセルした、安価な小型赤道儀を提供することが可能となる。
【００２９】
図２は本願発明の第１実施例を示す図である。この実施例はモータの回転を自在継手を介してウオーム軸に伝達するとともに、上記自在継手の入力軸と出力軸との交差角φによって入出力に角速度変動が生じさせることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の角速度変動を与える。
【００３０】
この実施例においては追尾用のモータ１と出力側の平ギヤ２の間に自在継手７を介することによってウオーム４を回転する。自在継手７に交差角φをつけて回転させると入力軸と出力軸の間に1 ／2 回転の周期で増速・減速を繰り返す角速度変動が生じるという性質があり、この自在継手７の交差角φによって生じる角速度変動をウオーム４の回転に逆位相で与えることにより、ピリオディック・モーションのキャンセルに利用することができる。
【００３１】
前記の角速度変動は自在継手７が１回転する間に２回生じるため、モータ１が1 ／2 回転する間にウオーム４が１回転するよう、出力側の平ギヤ２とウオーム軸側の平ギヤ３とのギヤ比を２：１の増速ギヤ列にする。
【００３２】
モータ１と出力側の平ギヤ２の軸の交差角をφ、モータ１の任意の回転角をθとし、モータ１の角速度をω１とした時の出力側の平ギヤ２の角速度ω２は式１で、ウオーム４の角速度ω３は式２で求められる。
ｃｏｓφ
ω２＝  ─────────────ω１          式1 
１−ｓｉｎ2 θｓｉｎ2 φ
ω３＝ω２×２                                  式2 
【００３３】
仮に前記仕様の赤道儀に±7 ″のピリオディック・モーションがある場合は、ウオーム４が１回転するとウオームホイル５は2.4 °回転し、その間に最大±7 ″の角度変動が生じるということであり、ウオーム４は偏心０位置からスタートして90°回転した時にピリオディック・モーションが＋7 ″となり、180 °で偏心0 に戻り、270 °回転して−7 ″となる。
つまり、ピリオディック・モーションΩ２は赤経軸6 が2.4 °周期で±7 ″の振幅の正弦波に近似する。
波の高さは0.6 °で最大となるので、理想回転Ω１＝１との変動量は、
Ω２(+) ＝Ω１×(0.6°＋7 ″) ／0.6 °＝1.0032407   が最大  ＋0.0032407 
Ω２(-) ＝Ω１×(0.6°−7 ″) ／0.6 °＝0.9967593   が最小  ―0.0032407 
となる。
【００３４】
この値に相当する逆位相の角度変動ω３＝±7 ″をウオーム４に与えるには、
出力ギヤ2 を±3.5 ″の角速度変動にすればよい。ω１＝１（等速回転）とした場合、
ω２＝ω１×（0.6 °＋3.5 ″) ／0.6 °＝1.00162037  である。
入出力軸の交差角φを3.2595°にすると、出力ギヤ2 に生じる角速度は、ω２＝ω１×1.00162037  となり、ω３は増速ギヤによって位相が180 °進み、角速度変動分のみが2 倍となるので、ω３＝1+0.00162037×2 ＝1.00324074で、ω３が表す角速度の最大・最小値が上記Ω２／Ω１と一致する。
すなわち交差角を3.26°弱にして、角速度変動の位相がピリオディック・モーションと反転するように自在継手７の十字ピン8 の方向をウオーム4 の偏心方向にセットすれば、ピリオディック・モーションがほぼキャンセルされたウオームホイル5 の均一な回転が得られる。
【００３５】
図３は前記のピリオディック・モーションと自在継手による補正回転のグラフであり、横軸はモータ１・自在継手７・ウオーム４・ウオームホイル５のそれぞれの回転角、縦軸はピリオディック・モーションと自在継手による角速度変動の量を示す。
【００３６】
図４および図５は本願発明の第２実施例を示す図である。この実施例はモータの回転をクランクピンに噛合うスライダによってウオーム軸に伝達するとともに、モータ軸とウオーム軸にオフセット量を設けることにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える。
【００３７】
この実施例においては、モータ１の回転をクランクピン９に噛合うスライダ１０によってウオーム４に伝達するものであるが、モータ１の軸とウオーム４の軸にわずかなオフセット量δM を設けている。これにより、クランクピン９が180 °回転する間にスライダ１０がθ1 とθ2 のように異なった回転角となり、ウオーム４に周期的な角速度変動を与えられるので、実施例１の自在継手７を使用した場合と同様な効果が得られる。
【００３８】
以上の第２実施例によればモータ１の軸とウオーム４の軸を平行にすることができる。
【００３９】
図６および図７は本願発明の第３実施例を示す図である。この実施例はモータの回転を偏心ギヤでウオーム軸に伝達することにより、ウオーム軸にピリオディック・モーションと逆位相の各速度変動を与える。
【００４０】
この実施例ではモータの出力側の平ギヤ２とウオーム軸側の平ギヤ３に１：１の偏心ギヤを使い、不等速運動を発生させるが、角速度変動の最大値は  i =(1+ε)/(1- ε) という式で表し、偏心率はε= δ/ ｒである。例えばピリオディック・モーション±７″に相当する角速度変動を与える場合、φ30のギヤで偏心量δを0.05ｍｍ程度にすれば効果を発揮する。ピリオディック・モーションにはこれら駆動ギヤの偏心が含まれるということも常識なので、この実施例はギヤに偏心を与えてピリオディック・モーションを管理するという積極的な方法となる。
【００４１】
以上の第３実施例によればモータ１の軸とウオーム４の軸を平行にすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１      モータ
２      出力側の平ギヤ２
３      ウオーム軸側の平ギヤ
４      ウオーム
５      ウオームホイル
６      赤経軸
７      自在継手
９      クランクピン
１０    スライダ
Ω１    ピリオディック・モーションのないウオームホイル5 の回転
Ω２    ピリオディック・モーションによるウオームホイル5 の角速度変動
ω１    均一なウオーム4 の回転
ω２    自在継手機構によるウオームホイル5 の角度速変動
ω３    出力ギヤ軸に生じる角度速変動
Ｍ      モータの回転角
Ｗ      ウオームの回転角
ＷＨ    ウオームホイルの回転角
【図１】
2015210496.tif 000003
【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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