JP2003072696A - 微小重力回転装置の回転軸バネ支持構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小重力回転装置の回転軸バネ支持構造に関
し、磁気軸受に電力が付加されない状態でも、バネ支持
機構により回転軸を軸中心に支持する。 【解決手段】 ケーシング１０内には、上部固定材３１
に取付けられた磁気軸受１１、スラスト用磁気軸受３
３、バネ支持機構３５ａが、下部固定材３２に取付けら
れた磁気軸受１２、バネ支持機構３５ｂが、それぞれ設
けられ、回転軸３０を支持する。回転軸３０には４本の
アーム２４〜２７の一端が取付けられ、他端には４個の
実験ボックス２０〜２３が取付けられモータ３４で回転
して実験がなされる。回転軸３０は磁気軸受１１，１
２，３３により支持され振動が生ずると能動的に制振制
御される。磁気軸受に電力が付与されない時は回転軸３
０はバネ支持機構３５ａ，３５ｂで支持されるので起動
時の衝突が防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小重力回転装置の
回転軸バネ支持構造に関し、磁気軸受で回転軸を支持す
る場合に磁気軸受に電力が付加されていない状態でも軸
を中心位置に支持し、安全性を確保できるようにしたも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図８は現在宇宙で行なわれている回転装
置の一例を示す平面図であり、図において、モータ、等
の回転装置６０には４本の支持部材６１，６２，６３，
６４が取付けられ、放射状に伸びている。支持部材６１
〜６４の先端には実験ボックス７０，７１，７２，７３
が取付けられ、実験ボックス７０〜７３内には重力を付
加する実験対象物、例えば植物、等が入れられる。この
ような装置は、無重力状態において回転装置６０により
約１回転／秒程度の低速回転が与えられ実験ボックス７
０〜７３内の対象物の実験が行なわれる。

【０００３】上記のような回転装置では、支持部材６１
〜６４の先端に実験ボックス７０〜７３が取付けられて
おり、先端部が大きな形状である。又、実験ボックス７
０〜７３内には種類の異なる実験対象物が収納され、実
験物の大きさも種々異なり、装置全体は回転軸中心に対
称な配置ではあるが、収納される実験対象物はアンバラ
ンスである。従って、回転により支持部材６１〜６４及
び実験ボックス７０〜７３には振動が発生し、振動が発
生すると実験対象物を変動させたり、悪影響を及ぼすこ
とになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記に説明した微小重
力回転装置においては、宇宙における微小重力空間で実
験ボックス内へ実験対象物を入れ、実験ボックスを回転
させて実験を行う際に、実験ボックス間の重量のアンバ
ランスに起因して回転軸に振動が発生する。この振動
は、回転軸を介して周囲環境へ伝播し、周囲の宇宙機器
へも影響を及ぼし、機器の制御、等にも影響を与える
が、このような振動は、本発明の出願人が提案して特許
出願も了している磁気軸受を用いて回転軸を制御する技
術によって効果的に吸収することができるようになっ
た。次に、この内容について説明する。

【０００５】図６は本発明の出願人が提案した微小重力
回転装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）にお
けるＤ−Ｄ矢視図、（ｃ）はＥ−Ｅ断面図である。
（ａ）図において１０は回転体全体を収納するケーシン
グであり、ケーシング１０には上下に凹部１０ａ，１０
ｂが設けられている。上下の凹部１０ａ，１０ｂ内の周
囲には磁気軸受１１，１２が配設されている。

【０００６】磁気軸受１１，１２は、それぞれ凹部１０
ａ，１０ｂ内の周囲に励磁用のコイル１，２を配設して
磁気軸受を構成している。３，４はそれぞれ凹部１０
ａ，１０ｂ内のコイル１，２の内側に配設された振動セ
ンサであり、後述するように回転軸３０の振動又は変位
を検出し、この変位より回転軸３０の振動が検出できる
ものである。振動センサ３，４は（ｃ）図に示すように
周囲に対称に複数個（図示の例では４個）が配置され、
±Ｘ，±Ｙ方向の回転軸３０の振動又は変位を検出する
構成である。 ３０は前記した回転軸であり、両端がそ
れぞれ凹部１０ａ，１０ｂ内に配置され、凹部１０ｂ内
でモータ１３に連結し、磁気軸受１１，１２で両端部が
軸支される。従って、回転軸３０はコイル１，２とは、
それぞれ所定の隙間を保って磁力により空間部に支持さ
れモータ１３で回転される。回転軸３０の周囲には
（ｂ）図にも示すように、Ｘ、Ｙ軸方向に４本のアーム
２４，２５，２６，２７で固定され、水平に伸び先端に
は実験ボックス２０，２１，２２，２３が取付けられて
いる。

【０００７】上記構成において、回転軸３０の軸受は磁
気軸受１１，１２であり、回転軸３０はケーシング１０
の支持部には接触せず、磁力により支持する構成とし、
回転軸３０に振動が発生すると、その振動又は変位は回
転軸３０両端周囲のＸ、Ｙ軸に配置した４個の振動セン
サ３，４で検出する。振動センサ３，４では、後述する
ように、回転軸３０とセンサ間の振動によるギャップの
変動を検出して、その信号を制御装置へ入力し、制御装
置ではギャップが小さくなると、このギャップを元の隙
間に戻すように対応するコイル１，２の位置の電流を制
御し、振動を能動的に吸収するように制御するものであ
る。

【０００８】コイル１，２としては、図示省略するが、
例えば、コイルを独立した４個の巻線を、それぞれＸ
軸、Ｙ軸の４方向へ磁力が作用するように配設してお
き、回転軸３０の傾きによる変位に応じて変位が大き
く、コイルとのギャップの変動が一番大きい個所のコイ
ルの励磁を制御し、回転軸３０との反発力、もしくは吸
引力を調整し、振動による変位を吸収するような構成と
する。

【０００９】図７は制御の系統図であり、回転軸３０上
端周囲に配設された振動センサ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ
及び下端の振動センサ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄからの各
検出信号は制御装置１４へ入力される。制御装置１４は
モータ１３を駆動させて回転軸３０を回転させると共
に、各振動センサ３，４のＸ、Ｙ軸４方向の回転軸端の
振動に伴う変位を監視し、センサと回転軸間のギャップ
が小さくなるか又は大きくなるとＸ、Ｙ軸の対応する個
所のコイル１，２の巻線の励磁電流を制御し、この間の
回転軸３０とコイル間の反発力又は吸引力を強めギャッ
プを元の位置へ戻すように作動させる。

【００１０】１５は記憶装置であり、予め振動周波数に
対する振幅又は加速度の要求値のパターンがデータとし
て記憶されており、制御装置１４では、振動センサ３，
４からの回転軸３０の振動を監視するに当り、この要求
値と比較し、回転軸が変位し、振動が大きくなり、かつ
要求値を超える振動であると、コイルの励磁電流を制御
して振動を吸収し、回転軸３０の振動が要求値以下とな
るように絶えず制御する。

【００１１】上記に説明した先行技術に係る微小重力回
転装置では、回転軸には回転中に実験ボックス内の実験
対象物の重量のアンバランスにより生ずる振動が発生す
るが、この振動を効果的に吸収できるようになった。し
かし、このような回転装置の磁気軸受は、回転軸を非作
動時にも宙に浮いた状態で周囲とは非接触で支持するこ
とが必要であり、回転軸の初期状態によっては回転装置
を起動して磁気軸受に電力が付加されると、起動時に衝
撃が発生し、回転軸が周囲に強く接触し、又、強い振動
が外部へ伝播されるような不具合が発生する可能性があ
る。

【００１２】そこで本発明は、磁気軸受支持構造の微小
重力回転装置にバネ支持構造を併設し、磁気軸受に電力
が供給されていない状態においても回転軸を中心に支持
すると共に、起動時にも衝突が生じないようにした微小
重力回転装置の回転軸バネ支持構造を提供することを課
題としてなされたものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために次の手段を提供する。

【００１４】（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支
持されモータにより回転する回転軸を有し、同回転軸の
周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを
取付けて構成される微小重力回転装置において、前記回
転軸の両端は、前記磁気軸受の軸方向の外側において、
更にそれぞれバネ支持機構で前記ケーシング側に支持さ
れ、同バネ支持機構の支持力は前記磁気軸受よりも小さ
く設定したことを特徴とする微小重力回転装置の回転軸
バネ支持構造。

【００１５】（２）前記バネ支持機構は、前記回転軸を
軸支するベアリングを有する本体と、同本体の外周囲と
前記ケーシング側との間を連結する複数のバネとから構
成されることを特徴とする（１）記載の微小重力回転装
置の回転軸バネ支持構造。

【００１６】（３）前記バネ支持構造は、前記回転軸を
軸支するベアリングを有する本体と、同本体の外周囲と
前記ケーシング側とを連結する弾性材料からなる部材と
から構成されることを特徴とする（１）記載の微小重力
回転装置の回転軸バネ支持構造。

【００１７】本発明の（１）においては、回転軸は磁気
軸受に加えて、両端がバネ支持機構により支持されてい
るので、磁気軸受に電力が付加されていない状態でも、
回転軸は軸受部の中心位置に保持される。又、バネ支持
機構のバネ支持力は、磁気軸受による回転軸の支持力よ
りも小さく設定し、磁気軸受に電力が付加されず磁気軸
受の支持力がない時には回転軸を中心に保持するための
最小値の支持力を有するように設定される。従って、回
転軸に発生した振動はバネ機構を介してケーシング側へ
伝播されることがなく、この振動は磁気軸受によって効
果的に吸収される。

【００１８】本発明の（２）では、バネ支持機構はベア
リングを有する本体と、同本体をケーシング側へ支持す
る複数のバネから構成され、又、本発明の（３）では、
同本体の外周囲とケーシング側とを連結する弾性材料か
らなる部材とから構成されるので、バネ支持機構が簡単
な構成で実現できる。なお、この弾性材料は、塑性材料
又は弾塑性材料でも良く、又、流体材料による支持、流
体ベアリングでも良い。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面に基いて具体的に説明する。図１は本発明の実施
の第１形態に係る微小重力回転装置のバネ支持構造を適
用した回転装置の内部側面図である。図においてケーシ
ング１０内には凹部１０ａ，１０ｂが形成されており、
一方の凹部１０ａ内には円筒状の上部固定材３１が取付
けられている。又、他方の凹部１０ｂ内には同じく円筒
状の下部固定材３２が取付けられている。

【００２０】上部固定材３１には、振動センサ３、磁気
軸受１１、スラスト用磁気軸受３３が、それぞれ取付け
られている。又、下部固定材３２には、モータ３４、磁
気軸受１２、振動センサ４が、それぞれ取付けられてい
る。又、後述するように、上部、下部固定材３１，３２
にはバネ支持機構３５ａ，３５ｂのバネが取付けられて
いる。なお、振動センサ３，４は図６（ｃ）の例と同様
な配置である。

【００２１】回転軸３０は上部、下部固定材３１，３２
の中心と同一軸芯となるように配設されており、一端部
が磁気軸受１１、スラスト用磁気軸受３３で支持される
と共に、更にバネ支持機構３５ａにより上部固定材３１
に弾性支持されている。又、回転軸３０の他端は磁気軸
受１２で支持されると共に、バネ支持機構３５ｂにより
下部固定材３２に弾性支持されている。

【００２２】回転軸３０は上記のように軸支されると共
に、下部固定材３２に取付けられたモータ３４により回
転駆動される。回転軸３０には、図６の例と同様に４本
のアーム２４〜２７の一端が取付けられ、放射状に伸び
て他端にはそれぞれ重力を付加する実験対象物を入れる
実験ボックス２０〜２３が取付けられている。

【００２３】図２は図１におけるＡ−Ａ断面図であり、
一方のバネ支持機構を示している。図において、ケーシ
ング１０には円筒形状の上部固定材３１が取付けられて
おり、回転軸３０が中心に配設されバネ支持機構３５ａ
で支持されている。バネ支持機構３５ａはリング状の支
持機構本体３６ａ内にベアリング３８ａを配設して回転
軸３０を軸支しており、支持機構本体３６ａは周囲が４
ヶ所でバネ３７ａで上部固定材３１の内周面へ支持され
ている。従って、回転軸３０は回転自在にバネ支持機構
３５ａによって軸支されると共に、バネ３７ａによって
周囲に弾性的に移動自在に支持されている。

【００２４】なお、バネ支持機構３５ａのバネ３７ａの
バネ定数は回転軸３０を非回転時に磁気軸受１１，１
２，３３の中心位置へ支持できる最低限の小さな値のバ
ネとし、磁気軸受１１，１２の回転軸３０の支持力より
も、その支持力を小さく設定され、回転軸３０が振動し
た際に、その振動がバネ３７ａを介してケーシング１０
側へ伝播されないように弱いバネ支持力のものを採用す
る必要がある。

【００２５】図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図であり、
他方のバネ支持機構を示している。図において、ケーシ
ング１０には下部固定材３２が取付けられており、回転
軸３０が中心に配設されバネ支持機構３５ｂで支持され
ている。バネ支持機構３５ｂはリング状の支持機構本体
３６ｂ内にベアリング３８ｂを配設して回転軸３０を軸
支しており、支持機構本体３６ｂは周囲が４ヶ所でバネ
３７ｂで下部固定材３２の内周面へ支持されている。従
って、回転軸３０は回転自在にバネ支持機構３５ｂによ
って軸支されると共に、バネ３７ｂによって周囲に弾性
的に移動自在に支持されている。なお、バネ３７ｂのバ
ネ定数については、上記したようにバネ３７ａのバネと
同じく磁気軸受１１，１２よりは小さく設定される。

【００２６】上記の実施の第１形態における回転装置に
おいて、回転中に実験対象物の重量のアンバランスによ
り回転軸３０に振動が生ずると、回転軸３０の振動は振
動センサ３，４により検出され、図７に示すように制御
装置１４へ入力され、図６，図７に示す先行技術に係る
装置と同様の作用により磁気軸受１１，１２により効果
的に吸収される。

【００２７】又、回転軸３０が非駆動時には、バネ支持
機構３５ａ，３５ｂが回転軸３０の両端を弱いバネ支持
力により軸受部の中心に支持しており、起動時に磁気軸
受１１，１２，３３へ電力を投入したとしても、磁気軸
受の制御がスムーズになされ、起動時の衝撃が回転軸３
０へ与える影響も最小限へ抑えることができる。

【００２８】図４は本発明の実施の第２形態に係る微小
重力回転装置の回転軸バネ支持構造を示し、（ａ）は図
１のＡ−Ａ断面図に相当する図、（ｂ）は（ａ）のＣ−
Ｃ断面図であり、図５は図１におけるＢ−Ｂ断面図に相
当する図である。図４において、本実施の第２形態にお
いては、バネ３７ａ，３７ｂで支持機構本体３５ａ，３
５ｂを支持する構造に代えて、弾性材料４０ａ，４０ｂ
で支持機構本体３５ａ，３５ｂを支持する構造としたも
のであり、その他の構成は図１〜図３に示す実施の第１
形態と同じであり、同様の作用で同じ効果が得られるも
のである。

【００２９】即ち、図４において、バネ支持機構４５ａ
はベアリング３８ａ、支持機構本体３６ａ及び弾性材料
４０ａからなり、回転軸３０はベアリング３８ａを有す
る支持機構本体３６ａで支持されており、支持機構本体
３６ａは周囲がリング状の弾性材料４０ａで上部固定材
３１に支持されている。弾性材料４０ａとしては、ゴ
ム、スポンジやウレタン材料、等の弾性力を有する材料
からなり、実施の第１形態のバネ３７ａと同じく、その
バネ定数を小さくしてバネ支持力を弱くして回転軸３０
を支持している。

【００３０】図５はバネ支持機構４５ｂを示し、上記の
バネ支持機構４５ａと同様に、ベアリング３８ｂ、支持
機構３６ｂ及び弾性材料４０ｂからなり、回転軸３０は
ベアリング３８ｂを有する支持機構本体３６ｂで支持さ
れており、支持機構本体３６ｂは周囲がリング状の弾性
材料４０ｂで下部固定材３２に支持されている。弾性材
料４０ｂとしては、上記の４０ａと同様にゴム、スポン
ジやウレタン材料、等の弾性力を有する材料からなり、
実施の第１形態のバネ３７ｂと同じく、そのバネ定数を
小さくしてバネ支持力を弱くして回転軸３０を支持して
いる。

【００３１】上記に説明の弾性材料は、ゴムやスポン
ジ、等の材料の他に、塑性材料、弾塑性材料でも良く、
又、流体材料による支持、流体ベアリング、等も含まれ
るものである。

【００３２】なお、上記の実施の第１，第２形態におい
て、回転装置は４本のアーム２４〜２７、４個の実験ボ
ックス２０〜２３の例で説明したが、本発明の微小重力
回転装置の回転軸バネ支持構造は４個以上の実験ボック
ス、例えば回転軸に８本のアームを放射状に取付けて、
８個のボックスを配置するような回転装置へ適用しても
同様の効果が得られるものである。

【００３３】

【発明の効果】本発明の微小重力回転装置の回転軸バネ
支持構造は、（１）ケーシング内で両端が磁気軸受で支
持されモータにより回転する回転軸を有し、同回転軸の
周囲に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを
取付けて構成される微小重力回転装置において、前記回
転軸の両端は、前記磁気軸受の軸方向の外側において、
更にそれぞれバネ支持機構で前記ケーシング側に支持さ
れ、同バネ支持機構の支持力は前記磁気軸受よりも小さ
く設定したことを特徴としている。

【００３４】上記構成により、磁気軸受に電力が付加さ
れていない状態でも、回転軸は軸受部の中心位置に保持
される。又、バネ支持機構のバネ支持力は、磁気軸受に
よる回転軸の支持力よりも小さく設定し、磁気軸受に電
力が付加されず磁気軸受の支持力がない時には回転軸を
中心に保持するための最小値の支持力を有するように設
定される。従って、回転軸に発生した振動はバネ機構を
介してケーシング側へ伝播されることがなく、この振動
は磁気軸受によって効果的に吸収される。

【００３５】本発明の（２）では、バネ支持機構はベア
リングを有する本体と、同本体をケーシング側へ支持す
る複数のバネから構成され、又、本発明の（３）では、
同本体の外周囲とケーシング側とを連結する弾性材料か
らなる部材とから構成されるので、バネ支持機構が簡単
な構成で実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係る微小重力回転装
置の回転軸バネ支持構造を適用した回転装置の内部の断
面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図４】本発明の実施の第２形態に係る微小重力回転装
置の回転軸バネ支持構造を示し、（ａ）は図１における
Ａ−Ａ断面図に相当する図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ
−Ｃ断面図である。

【図５】本発明の実施の第２形態に係る微小重力回転装
置の回転軸バネ支持構造を示し、図１におけるＢ−Ｂ断
面図に相当する図である。

【図６】本発明の先行技術に係る微小重力回転装置を示
し、（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＤ
−Ｄ矢視図、（ｃ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図であ
る。

【図７】図６に示す微小重力回転装置の磁気軸受制御の
系統図である。

【図８】宇宙における回転式実験装置の平面図である。

【符号の説明】

３，４ 振動センサ １０ ケーシング １０ａ，１０ｂ 凹部 １１，１２ 磁気軸受 ２０〜２３ 実験ボックス ２４〜２７ アーム ３０ 回転軸 ３１ 上部固定材 ３２ 下部固定材 ３３ スラスト用磁気軸受 ３４ モータ ３５ａ，３５ｂ バネ支持機構 ３６ａ，３６ｂ 支持機構本体 ３７ａ，３７ｂ バネ ３８ａ，３８ｂ ベアリング

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内で両端が磁気軸受で支持さ
   れモータにより回転する回転軸を有し、同回転軸の周囲
   に重力を付加する対象物を入れる複数のボックスを取付
   けて構成される微小重力回転装置において、前記回転軸
   の両端は、前記磁気軸受の軸方向の外側において、更に
   それぞれバネ支持機構で前記ケーシング側に支持され、
   同バネ支持機構の支持力は前記磁気軸受よりも小さく設
   定したことを特徴とする微小重力回転装置の回転軸バネ
   支持構造。
2. 【請求項２】 前記バネ支持機構は、前記回転軸を軸支
   するベアリングを有する本体と、同本体の外周囲と前記
   ケーシング側との間を連結する複数のバネとから構成さ
   れることを特徴とする請求項１記載の微小重力回転装置
   の回転軸バネ支持構造。
3. 【請求項３】 前記バネ支持構造は、前記回転軸を軸支
   するベアリングを有する本体と、同本体の外周囲と前記
   ケーシング側とを連結する弾性材料からなる部材とから
   構成されることを特徴とする請求項１記載の微小重力回
   転装置の回転軸バネ支持構造。