JP2003072698A - 微小重力回転装置の検証装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小重力回転装置の検証装置に関し、微小重
力環境と同じ回転システムを地上での重力の影響をなく
して地上で検証できるようにする。 【解決手段】 ケーシング３１は基板５０に立設し、中
心に回転軸４０が配設される。ケーシング３１にはラジ
アル方向の磁気軸受３３，３４、スラスト方向の磁気軸
受３５がそれぞれ取り付けられ、又、バイアス用磁気軸
受３６も取付けられる。回転軸４０には実際のアーム及
び実験ボックスにより回転軸に加わる重量と同等の重量
の錘り４１が取付けられ、磁気軸受３３，３４，３５，
３６に周囲が支持されると共に軸３７で基板５０に弾性
軸受３２で支持される。回転軸４０は錘り４１により多
少の回転モーメントが生ずるが、磁気軸受３５で打ち消
すことにより重力の影響を受けずに地上で微小重力回転
装置の検証ができる。

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
検証装置に関し、宇宙等の微小重力環境で実施する重力
付加実験装置の回転システムを地上にて検証するための
装置である。

【０００２】

【従来の技術】図５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、特許出願も了し
ている微小重力回転装置により磁気軸受を採用し、これ
を能動的に制御することにより振動を効果的に吸収でき
るようになった。次に、この概要を説明する。

【０００５】図３は本発明の出願人が提案した先行技術
に係る微小重力回転装置を示し、（ａ）は側面図、
（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）はＣ−Ｃ
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，１０ｂが設けられている。上下の凹部１０
ａ，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との間のギャッ
プの変位を検出し、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４個が配置され、±Ｘ，±Ｙ方向
の回転軸３０の振動変位を検出する構成である。

【０００７】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。

【０００８】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
動を能動的に制御する。

【０００９】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。

【００１０】図４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。

【００１１】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。

【００１２】上記のような先行技術に係る微小重力回転
装置は、宇宙に打ち上げる前に地上で回転システムの各
機能を検証する必要がある。このような回転装置を地上
で回転させ試験を行う際には、重力の影響により微小重
力環境での回転システムの挙動を正確に把握することが
できず、微小重力回転装置の実際のものと同じ仕様の構
成で重力の影響をなくして正確な検証を行うことが望ま
れていた。

【００１３】そこで本発明では、地上において回転装置
が回転する際に回転軸に及ぼす重力の影響を小さくして
回転軸の回転時の挙動を正確に把握して、回転軸が微小
重力環境での回転と同じ挙動を示すようにした微小重力
回転装置の検証装置を提供することを課題としてなされ
たものである。

【００１４】

【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。

【００１５】（１）基板に支持されたケーシングと、同
ケーシング内中央に鉛直に配設され、実際の微小重力回
転装置の軸と同等の形状、重量を有する回転軸と、前記
ケーシング内に前記実際の微小重力回転装置と同じ配列
となるように取付けられ前記回転軸を支持する磁気軸受
と、前記回転軸の全周囲を覆った所定長さの錘りと、前
記回転軸を回転駆動する駆動手段とを備え、前記錘り
は、その外径が前記磁気軸受の内周囲よりも小さく、前
記磁気軸受に近接して配置されるか、又は外周囲の一部
が前記磁気軸受内周面と対向して配置されると共に、そ
の重量は前記実際の微小重力回転装置の軸に取付けられ
た回転体が前記軸に付加する重量と同等であることを特
徴とする微小重力回転装置の検証装置。

【００１６】（２）前記駆動手段は前記ケーシング内に
取付けられ前記回転軸を回転駆動することを特徴とする
（１）記載の微小重力回転装置の検証装置。

【００１７】（３）前記磁気軸受はラジアル方向の支持
用とスラスト方向の支持用の磁気軸受からなり、前記ス
ラスト方向の磁気軸受は前記回転軸の鉛直方向の位置を
調整可能とすることを特徴とする（１）記載の微小重力
回転装置の検証装置。

【００１８】本発明の（１）においては、回転軸には錘
りが取付けられており、この錘りは実際の微小重力回転
装置のアームと実験ボックスのような回転体が軸取付部
ヘ与える荷重と同じ重量となっている。従って、地上に
おいて、回転軸が回転しても水平方向に伸びるアーム等
がなく、実際の回転軸を模擬した状態の回転軸とするこ
とができる。錘りは回転半径も小さく回転によるモーメ
ントも小さいので、磁気軸受が錘りの近く又は錘りと対
向して配置されており、このモーメントは磁気軸受で容
易に打ち消すことができ、微小重力環境において回転す
る回転体と同じ状態を模擬することができる。これによ
り回転軸の挙動を観測し、各種の測定を行い、微小重力
回転装置を正確に検証することができる。

【００１９】本発明の（２）では、回転軸を回転させる
駆動手段がケーシング内に取付けられているので、実際
の微小重力回転装置の構造をより近似した構成とするこ
とができ、上記（１）の発明の正確な検証を行うことが
できる。

【００２０】本発明の（３）では、磁気軸受はスラスト
方向の磁気軸受も含んでおり、回転軸を鉛直方向の所定
位置に調整してセットし回転させることができるので、
鉛直方向の重力を取り除き、微小重力環境と同じ条件で
回転軸を回転させることができ、上記（１）の発明の検
証がより正確になされる。

【００２１】

【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検証装置を示し、
（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ
断面図である。（ａ）において、３１はケーシングであ
り基板５０に取付けられている。ケーシング３１内の上
部には支持材３３ａにより中心部に回転軸４０のラジア
ル方向の支持を行う磁気軸受３３が支持されている。ケ
ーシング３１の中間部には支持材３５ａにより回転軸４
０のスラスト方向の磁気軸受３５が支持され、その下方
には支持材３４ａによりラジアル方向の支持用の磁気軸
受３４が支持されている。更に、底部には支持材３６ａ
と基板５０に支持されたスラスト方向の磁気軸受３５が
支持されている。なお、３５ｂは磁気軸受３５の導体円
板である。

【００２２】回転軸４０は、実際の微小重力回転装置と
同等の形状、寸法、重量の回転軸からなり、錘り４１が
取付けられている。錘り４１は磁気軸受３３と３５との
間に取付けられ、回転体を構成する。例えば、図３に示
すアーム２４〜２７、及びそれら先端に取付けられる実
験ボックス２０〜２３が回転軸のアーム一端の取付部に
作用する重量と同等の重量を持たせるようにする。錘り
４１の外周の径は磁気軸受３５の円周囲の径よりも小さ
く、その軸方向の位置は磁気軸受３５に近接するか、又
はその一部外表面が図示のように磁気軸受３５と対向さ
せ、回転軸４０にできるだけ近い直径を持たせるのが好
ましい。そのために回転軸４０内部もこの錘り４１の一
部で構成しても良い。

【００２３】回転軸４０の上部は端部フランジ４２を形
成し、図示省略の外部の駆動源へ接続され、下部には軸
３７が取付けられ、基板５０の弾性軸受３２で弾性支持
されている。

【００２４】（ｂ）は錘り４１の取付状態を示してお
り、錘り４１は回転軸４０と同一中心に取付けられ、前
記したように実際の回転装置のアームと実験ボックスの
取付部が回転軸４０に作用する重量と同等の重量を有し
ている。又、磁気軸受３５は４本の支持材３５ａにより
ケーシング３１の内面へ支持されている。なお、磁気軸
受３３，３４，３６の支持材３３ａ，３４ａ，３６ａ
も、図示省略したが同様な構成である。

【００２５】上記構成の実施の第１形態の検証装置にお
いて、回転軸４０は、実際の回転装置と同等の形状、寸
法、重量を有し、回転軸４０に加わる重量も錘り４１で
同等の重量が付加されている。回転軸４０は下端の軸３
７により基板５０の弾性軸受３２により重力方向（地面
に対し垂直に立てて支持される。更に、回転軸４０は実
際の支持機構と同じ配置のラジアル方向の支持を行う磁
気軸受３３，３４、スラスト方向の支持を行う磁気軸受
３５により周囲の軸受部とは非接触に磁力の作用により
支持される。

【００２６】又、回転軸４０の鉛直方向の上下位置はバ
イアス用磁気軸受３６の励磁電流を調整し、位置を設定
する。このような状態で回転軸４０の上部のフランジ４
２を外部の駆動源に接続し、回転軸４０を所定の速度、
例えば１回転／秒で回転させる。この際、回転により回
転軸４０には錘り４１の作用により多少の回転モーメン
トが作用するが、重力方向、径方向の力は磁気軸受３５
により打ち消され、重力の影響を小さくすることができ
る。

【００２７】上記のように回転軸４０を回転させ、その
挙動を観察し、種々の測定をすることにより地上におい
て実際の回転装置と同じ形状、配置の回転システムの検
証が重力の影響を受けずに、微小重力環境と同じ条件で
正確に検証することができる。

【００２８】図２は本発明の実施の第２形態に係る微小
重力回転装置の検証装置の内部の側面図である。図にお
いて、本実施の第２形態においては、回転軸４０を回転
させるモータ３８を配設し、回転軸４０をより正確に実
際の回転装置に近似させたものであり、その他の構成は
図１に示す実施の第１形態と同じである。

【００２９】即ち、図２において、モータ３８がスラス
ト用の磁気軸受３５とラジアル用の磁気軸受３４との間
に取付けており、回転軸４０をこのモータ３８で回転駆
動する構成である。図１に示す実施の第１形態において
は、地上の設備であるため回転軸４０にはモータを設け
ずに回転軸４０は上部のフランジ４２を外部の駆動源に
接続して回転させたが、本実施の第２形態ではモータ３
８を内蔵させたので、より正確な回転装置での検証が可
能となる。その他の構成、作用、効果は実施の第１形態
と同じであるので説明は省略する。

【００３０】

【発明の効果】本発明の微小重力回転装置の検証装置
は、（１）基板に支持されたケーシングと、同ケーシン
グ内中央に鉛直に配設され、実際の微小重力回転装置の
軸と同等の形状、重量を有する回転軸と、前記ケーシン
グ内に前記実際の微小重力回転装置と同じ配列となるよ
うに取付けられ前記回転軸を支持する磁気軸受と、前記
回転軸の全周囲を覆った所定長さの錘りと、前記回転軸
を回転駆動する駆動手段とを備え、前記錘りは、その外
径が前記磁気軸受の内周囲よりも小さく、前記磁気軸受
に近接して配置されるか、又は外周囲の一部が前記磁気
軸受内周面と対向して配置されると共に、その重量は前
記実際の微小重力回転装置の軸に取付けられた回転体が
前記軸に付加する重量と同等であることを特徴としてい
る。

【００３１】上記構成により、錘りは回転半径も小さく
回転によるモーメントも小さいので、磁気軸受が錘りの
近く又は錘りと対向して配置されており、このモーメン
トは磁気軸受で容易に打ち消すことができ、微小重力環
境において回転する回転体と同じ状態を模擬することが
できる。これにより回転軸の挙動を観測し、各種の測定
を行い、微小重力回転装置を正確に検証することができ
る。

【００３２】本発明の（２）では、回転軸を回転させる
駆動手段がケーシング内に取付けられているので、実際
の微小重力回転装置の構造をより近似した構成とするこ
とができ、上記（１）の発明の正確な検証を行うことが
できる。

【００３３】本発明の（３）では、磁気軸受はスラスト
方向の磁気軸受も含んでおり、回転軸を鉛直方向の所定
位置に調整してセットし回転させることができるので、
鉛直方向の重力を取り除き、微小重力環境と同じ条件で
回転軸を回転させることができ、上記（１）の発明の検
証がより正確になされる。

【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
置の検証装置を示し、（ａ）は内部の側面図、（ｂ）は
（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

【図２】本発明の実施の第２形態に係る微小重力回転装
置の検証装置の内部の側面図である。

【図３】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Ｂ
−Ｂ矢視図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。

【図４】図３に示す回転装置の制御の系統図である。

【図５】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】

３１ ケーシング ３２ 弾性軸受 ３３，３４，３５ 磁気軸受 ３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ 支持材 ３６ バイアス用磁気軸受 ３７ 軸 ３８ モータ ４０ 回転軸 ４１ 錘り ５０ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に支持されたケーシングと、同ケー
   シング内中央に鉛直に配設され、実際の微小重力回転装
   置の軸と同等の形状、重量を有する回転軸と、前記ケー
   シング内に前記実際の微小重力回転装置と同じ配列とな
   るように取付けられ前記回転軸を支持する磁気軸受と、
   前記回転軸の全周囲を覆った所定長さの錘りと、前記回
   転軸を回転駆動する駆動手段とを備え、前記錘りは、そ
   の外径が前記磁気軸受の内周囲よりも小さく、前記磁気
   軸受に近接して配置されるか、又は外周囲の一部が前記
   磁気軸受内周面と対向して配置されると共に、その重量
   は前記実際の微小重力回転装置の軸に取付けられた回転
   体が前記軸に付加する重量と同等であることを特徴とす
   る微小重力回転装置の検証装置。
2. 【請求項２】 前記駆動手段は前記ケーシング内に取付
   けられ前記回転軸を回転駆動す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検証装置。
3. 【請求項３】 前記磁気軸受はラジアル方向の支持用と
   スラスト方向の支持用の磁気軸受からなり、前記スラス
   ト方向の磁気軸受は前記回転軸の鉛直方向の位置を調整
   可能とすることを特徴とする請求項１記載の微小重力回
   転装置の検証装置。