JP2004510927A - マイクロホイール - Google Patents
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Abstract
回転子をその中で浮上させて摩擦損失を減らす真空の空洞を形成するウェーハ材料上に構築された固定子を有するマイクロホイール。複数のマイクロホイールをエネルギー貯蔵および/または運動量制御装置として働くように統合されることができる。
Description
【0001】
(発明の分野)
本発明は、微小加工されたフライホイール(はずみ車)および/またはリアクションホイールに関し、詳細には、軽量宇宙船内のエネルギー貯蔵および姿勢制御のために使用される微小加工されたフライホイールおよび/またはリアクションホイールに関する。
【0002】
(発明の背景)
軽量人工衛星の可能性は、現在、急激に高まっている。このような人工衛星は、実際、従来の人工衛星と比較して1桁小さい質量になることが望まれる。軽量人工衛星は、今日の人工衛星と同じ任務を低コストで遂行することが求められる、宇宙船の新しいパラダイムを示す。たとえば、一つの目的は、今日の1000kgの人工衛星と同じ働きをする未来の100kgの人工衛星を実現することである。別の目的として、宇宙監視および他の意図のため、再構成可能な集団内で働く質量約10kgの人工衛星が求められている。さらに、新しい後方支援宇宙任務には、たとえば軌道上補給支援および軌道からの離脱がおそらく含まれる。こうした新しい後方支援任務も、寿命の長い、小さく高い敏捷性のある人工衛星が必要である。
【0003】
計画中の軽量人工衛星は、マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星と呼ばれている。マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星のある形態は、実演飛行のために2〜3年内に開発されるであろうと期待されている。こうした新しい人工衛星は、動力のための貯蔵エネルギーおよび軌道の維持または変更のための姿勢制御装置が必要である。
【0004】
マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星に利用できると期待される姿勢制御装置には、重力ブーム(gravity boom)またはテザー(つなぎ部材、tether)、およびマイクロスラスタ(microthruster)が含まれる。残念なことに、重力ブームおよびテザーは、重量効率が高くない。テザーは動力を生み出すのではあるが、結論は同じである。他の欠点は、テザー人工衛星が、エネルギーの抽出によって引き起こされる抗力のため、約4カ月以内に軌道から離れることである。最も重要なことは、ブームおよびテザーが、後方支援任務のために配備される敏捷性のある人工衛星に適していないと考えられることである。こうした装置が望ましくない理由の1つは、アンテナまたはカメラに正確に向くように人工衛星の位置を調整する場合に、ブームおよびテザーの動きが緩慢であることである。さらに、こうしたシステムは、一方向にしか向けられないように制限を受けている。マイクロスラスタ(microthruster)は、可動性をもたらすことができるが、限られた燃料容量しか持てない。
【0005】
計画中のマイクロ人工衛星およびナノ人工衛星の他の重要な要件は、エネルギーの貯蔵である。人工衛星上のエネルギー貯蔵には、軽量で小さく多数サイクルにわたって再充電可能な電池が必要である。ソーラーパネルで充電される人工衛星には、約35,000充電/放電サイクルまで可能な性能が必要であると予想される。こうした要件を満たす電池は、入手可能ではない。知られている再充電可能な電池、たとえばニッケル水素(NiH)またはリチウムイオン(LiIon)電池は、1000回を超えて再利用することができない。さらに、こうした電池は、高エネルギー容量および長い寿命を得るために安定した室温が必要である。温度の安定には、温度安定回路を追加する必要があり、それによってシステム重量およびコストが増加する。システムレベルでのNiH電池のエネルギー密度は25Wh/kgである。リチウムイオン電池は、エネルギー密度値が50Wh/kgである。パワー変換および温度安定回路が必要であるため、エネルギー密度値が電池のみのパワー密度よりも大幅に下がる。フライホイールとして使用されるマイクロホイールは、エネルギー密度が50Wh/kgに達し、100,000回以上再充電することができる。マイクロホイールは、電池からは得られない高サージの電流も提供することができる。
【0006】
軽量人工衛星のためのエネルギー貯蔵および姿勢制御の要件は、現在知られているシステムでは、十分に対処されていないことを上記に示した。どちらの用途にも低コストおよび少ない損失が望ましい。
【0007】
(発明の概要)
本発明は、初めて、軽量人工衛星のためのエネルギー貯蔵および姿勢制御の要件を満たす回転マイクロホイールを提供する。これらの目的を達成するために、本発明は、姿勢制御、エネルギー貯蔵、および電子装置機能を統合した、革新的かつ入手可能な微小加工されたリアクション/フライホイールを提供する。このマイクロホイールは、はるかに大きい機械的モーメンタムホイール(はずみ車)およびジャイロスコープホイールを使用する大型人工衛星と同様の高精度での照準を可能にする。本発明による構造のこの新規なマイクロホイールは、高度にモジュール式になっているため、様々な冗長度レベルのマイクロ人工衛星およびナノ人工衛星に使用することができる。
【0008】
本発明の一つの目的は、現況技術のリアクションホイールと比較して、質量を約10分の1に小さくして姿勢制御を実現し、それによって現在の任務をより軽量な重量で可能にし、新しい任務の可能性を開くことである。
【0009】
本発明の他の目的は、マイクロスラスタを補完する微小加工されたホイールまたはマイクロホイールを提供し、それによって運動量輸送装置として使用されるマイクロホイールによって姿勢が制御される場合、燃料をより効果的に使用する軽量マイクロ人工衛星のより簡単かつ軽量の構造をもたらすことである。
【0010】
本発明の他の目的は、宇宙監視および他の任務のため、再構成可能なクラスタ内で稼動する質量約10kgの人工衛星の姿勢制御を、クラスタ制御に必要不可欠な低コストで軽量で提供するために、運動量5Nmsおよびエネルギー容量40W/hのモジュールで簡単に製造することができる微小加工されたホイールを提供することである。
【0011】
本発明の他の目的は、長い寿命をもち、たとえば軌道上の補給や軌道からの離脱などの宇宙任務を可能にする、小型で高い敏捷性のある人工衛星のための高度に統合された微小加工フライホイールを提供することである。
【0012】
本発明の他の目的は、コスト、重量、および省動力のために軽量人工衛星に多機能的に統合される高度に統合された微小加工フライホイールを提供することである。
【0013】
本発明の他の目的は、低コスト(たとえば、40米ドル/ウェーハ)および、最も強い炭素基質材料と同じ、毎秒6000回転に達する高い回転速度を可能にする大きい破壊係数(rupture modulus)をもつシリコン結晶材料を含むマイクロホイールを提供することである。
【0014】
本発明の他の目的は、高精度、ホイールとパッケージの間の小さい隙間(たとえば、約10マイクロメータの間隔は低電流で高い浮上力および高トルクをもたらす)のための微小加工された平坦さと寸法、および良好なバランスを有するマイクロホイールを提供することである。
【0015】
本発明の他の目的は、軽量、高い信頼性、高い効果、低コストである製造プロセスに不可欠な、真空のパッケージ内で磁気浮上するマイクロホイールを提供することである。
【0016】
本発明の他の目的は、ホイールおよびパッケージが同じ材料であり、それによって広範な温度範囲にわたって動作することができ、他の電子装置のためのマルチチップモジュール材料(MCM)として使用することができるマイクロホイールを提供することである。
【0017】
要約すれば、本明細書でマイクロホイールと呼ぶ、本発明の微小加工された中間視(mesoscopic)的モーメンタム/フライホイール(はずみ車)は、現況技術の製品と比較して、コストを約10分の1に下げ、重量を約10分の1に減少することができる。さらに、このマイクロホイールは、姿勢制御、エネルギー貯蔵、電子プラットホーム、および構造的機能とモジュラーと新規な冗長な構成(アーキテクチャ)の多機能統合を可能にする。
【0018】
(発明の詳細な説明)
次に図1を参照すると、本発明による、互いに逆回転構成で構築された中間的電気機械式モーメンタム/フライホイールの2つの例を備えるシステム10が概略的に示されている。これらのホイールは、飛行体の構造に一体化して統合することができるので、外側パッケージは示していない。この構造は、二重のマイクロホイール20、22を備え、それぞれ真空の空洞を形成する3つの結合された層、上層12、底層16、および中間層14を有する。(図2および図4に最も良く示されている)各中間層14内の回転子は、上層12および底層16によって形成される2つの外側ホイールよりも小さい直径の正確な同心円として切断される。上層12および底層16は、固定子として機能する。中間層14内に含まれる回転子は、各マイクロホイール20、22上の2つの外側の層上のアクチュエータによって回転し磁気浮上することができる。
【0019】
2つの固定子の周囲にある2つのリング15aおよび15bは、2つの固定子、上層12と底層16の間のスペーサを形成する。リング15aと15b、および2つの固定子は共に真空パッケージを形成する。固定子としての機能に加えて、上層12または底層16は有利にはどちらもマルチチップモジュール材料(MCM)を備え、電子基板として働くことができる。有用な一実施形態では、厚さ約1mm、直径約25〜200mm(1〜8インチ)のシリコンウェーハを使用することができる。矢印30および32で示す対向するスピンをもつ二重のマイクロホイール20、22が、20Whまで(80Wh/kgまで)、かなりの量の6mmエネルギー貯蔵および50Nmsを超える角運動量制御を可能にする。
【0020】
微小加工マイクロホイールは、多機能統合に適している。6個のリアクションホイールの二重で冗長構成のアレイは、それぞれが2本の軸で30〜50度傾斜できることを想定して、エネルギーを貯蔵し、かつ完全な姿勢制御を提供することができる(J.R.Downer、「Design of Large Angle Magnetic Suspension」、Ph.D.Thesis、MIT、1986)。微小加工フライホイールにおける低コスト、平坦形の要素、およびエネルギー貯蔵により、リアクションホイールのための新規なアーキテクチャへの扉が開かれる。互いに反対方向にスピンする2つのホイールは、互いの間で迅速にエネルギーおよび角運動量を移送することができる。外部パワーの必要性は小さい。外部パワーは、制御機能および内的損失のために必要とされるだけである。1対のマイクロリアクションホイールアーキテクチャにより、高い角周波数に必要な大きいパワーのため、単一ホイールでは達成できない、はるかに大きいモーメントを達成することができる。
【0021】
さらに、電子装置をマイクロホイールシリコンパッケージに一体化統合することが可能である。シリコンは、高密度、多層配線および良好な熱伝導を伴う優れたマルチチップモジュール材料(MCM)である。統合型バスおよびミッション電子装置をリアクション/フライホイール外部パッケージ上に収容することができる。低コストで、たとえば15.2cm(6インチ)の規格の大直径シリコンウェーハは、標準モジュールに向いている。規格サイズおよび平担形の要素のため、微小加工ホイールは、人工衛星の壁または他の構造的平面パネルに統合されることができる。
【0022】
次に図2を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイール20の断面図が概略的に示されている。このマイクロホイール20は、それぞれ固定子として機能する上層12および底層16を備える。中間層14は、他層の間に、回転子14aおよびその回転子の周りの実質的に円形の壁14bを備える。上層12は、好ましくはシリコンまたはそれと等価のウェーハ材料を含むベース169aを備える。磁性体層168aは、ベース169aの底に付着しまたは取り付けられる。磁性体層168aは、任意選択で凹部171aをその中に有する好ましくはパーマロイ材料または等価の磁性体材料である。導体166aは凹部171a内に付着する。凹部が存在しない場合は、材料を導体に直接取り付けることができる。導体166aは、好ましくは、金、銅、または他の適当な導体でもよい。底層16は、上層12と同様に構築され、好ましくはシリコンまたは等価のウェーハ材料を含むベース169bを備える。磁性体層168bは、ベース169bの底に付着しまたは取り付けられる。磁性体層168bは、任意選択でその中に凹部171bを有する、好ましくはパーマロイ材料または等価の磁性体材料である。導体166bは凹部171b内に付着する。凹部が存在しない場合は、材料を直接導体に取り付けることができる。導体166bは好ましくは、金または他の適当な導体を含むことができる。
【0023】
回転子14aは、ベース169cを備え、ベース169cも好ましくは、シリコンまたは等価のウェーハ材料を含む。第1の回転子磁性体層164aは、ベース169cの一側部に付着しまたは取り付けられる。第2の回転子磁性体層164bは、第1の回転子磁性体層164aの反対側のベース169cの側部に付着しまたは取り付けられる。第1の磁性体層164aおよび第2の磁性体層164bは、好ましくは、パーマロイ材料または等価の磁性体材料である。
【0024】
好ましい一実施形態では、マイクロホイールの回転子14aは単一の結晶シリコンウェーハまたは複数のウェーハである。本発明によって構築されたマイクロホイールの回転子は、最も強い材料(たとえば炭素繊維)に近い重量当たりの破壊係数を示すことができる。マイクロホイールの回転子14aは、固定子として機能する2つのシリコンウェーハの間に懸垂される。動作の際には、図2の導体166a、166b内に流れる電流によって懸垂力が発生する。電磁界は、回転子の両側および両方の固定子、すなわち磁性体層164a、164b、168a、および168b上のパターン化した磁気フィルムに誘導される。
【0025】
次に図3を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイールに使用されるような、作動および感知パターン50が概略的に示されている。作動および感知パターン50は、横と縦の位置制御および安定化アクチュエータ34、容量性位置センサ36、加速およびエネルギー輸送のためのトルクアクチュエータ38、および浮上アクチュエータ40を備える。
【0026】
このアクチュエータ構成により、回転子を加速および減速してマイクロホイールにエネルギー/運動量を加算/減算することを含む、少なくとも6自由度におよぶ安定した運動制御ができるようになる。マイクロホイールの位置および運動は、制御ループを閉じるため、容量センサおよび/または誘導センサおよび/または光学センサによって感知される。パッケージは摩擦損失を最小にするために真空にされる。回転子/固定子の厚さおよび直径は、エネルギー貯蔵、運動量または両方の要件に合わせるために調整して作成することができる。
【0027】
マイクロホイールは、人工衛星の壁との統合の新規なモードを可能にする。人工衛星の直径を2.5〜20.3cm(1〜8インチ)かつ厚さを0.1〜0.3cm(約1/25〜3/25インチ)に調整することができるので、このホイールは人工衛星のどの形状およびサイズにも適合する。他の新規な構成は、ホイールの冗長構成アレイ、すなわち、エネルギーが加算または減算される場合に運動量を相殺できるホイールの積み重ねを含む。積み重ねたホイールは、補強材および包装のコストを下げるために用いることができる。
【0028】
再び図2を参照すると、浮上および加速/減速が、回転子(ホイール)および固定子(パッケージ)上の磁気および電子パターンによって実施される。隙間160aおよび160bは、固定子と回転子の間に隙間を設ける。他の実施形態では、この隙間は約5〜約10マイクロメータにすることができる。導体166内を流れる電流は、磁界を発生する。比較的厚い、たとえば10ミクロンの電気メッキした磁性体材料164は、それぞれパーマロイ層168a、168bおよびパーマロイ層164a、164bの間の磁力を増加する。他の実施形態では、磁性体材料は、パーマロイ以外でもよい。損失は、真空パッケージ内の回転および厚く電気メッキされた金属導体によって減少させることができる。電気的接触は、頂部ウェーハおよび底部ウェーハの端部から延び、またはウェーハバイアスを通ってアクセスされる。駆動電子装置は、一実施形態の外部の波形発生器内に配置することができる。回転速度は、電流のパルス幅または振幅変調によって制御することができる。浮上および推進は、アクチュエータの固定子と回転子部分の間の引力によって得ることができる。その力は回転子と固定子が共に近づくほど強くなる。磁石と導体が位置合せされない(すなわち、心合せされない)場合も心合せの力が存在する。したがって、これは固有安定性のある手法である。幾何形状および材料は渦電流損を減少させるように設計することができる。
【0029】
微小加工したシリコンのフライホイールのパワー密度は、電子装置がシリコンパッケージの統合された一部分であるため、80Wh/kgまで高くすることができる。フライホイールが姿勢制御装置と統合される場合、有効パワー密度は、未来の電池の可能性を超えると考えられる。マイクロホイールのさらなる利点は、電池からの遅い電流流出と比較して非常に速い放電能力があることである。この高いパワー/活量バーストは、後方支援人工衛星任務の重要な部分である。
【0030】
つぎに図4を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイールの別の部分断面図により、容量性位置センサが詳細に示されている。図4に示した容量性位置センサは、金、銅、または固定子上に付着される他の適当な金属など、2枚の薄い金属フィルムで作成される。金属フィルム181および182は、2つの容量性プレートを形成する。回転子14aが固定子12に近づくとき、距離が増えるので、回転子上に付着した中間の電極182までの距離が短くなるため、電極181と183の間のキャパシタンスが増加する。図3に示した容量結合のパターンにより、回転子と固定子の間の距離の別個の検出が可能になる。したがって、3つの寸法における位置検出が可能になる。電極の他のパターンでも、回転子の回転速度および回転方向を検出することができる。
【0031】
特許諸法に従い、本発明の新規な主題を適用するのに必要な情報を当業者に提供し、必要に応じてこうした例および特別な構成要素を構築し使用するために本発明について本明細書でかなり詳細に記載した。しかし、本発明は、具体的に異なる設備および装置によって実施することもでき、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく設備の詳細および動作手順に関して様々な変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によって逆回転構成で構築された中間的電気機械的モーメンタム/フライホイールの2つの例の概略図である。
【図2】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例の概略断面図である。
【図3】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例に使用される作動および検出パターンの概略的図である。
【図4】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例の別の概略断面図である。
(発明の分野)
本発明は、微小加工されたフライホイール(はずみ車)および/またはリアクションホイールに関し、詳細には、軽量宇宙船内のエネルギー貯蔵および姿勢制御のために使用される微小加工されたフライホイールおよび/またはリアクションホイールに関する。
【0002】
(発明の背景)
軽量人工衛星の可能性は、現在、急激に高まっている。このような人工衛星は、実際、従来の人工衛星と比較して1桁小さい質量になることが望まれる。軽量人工衛星は、今日の人工衛星と同じ任務を低コストで遂行することが求められる、宇宙船の新しいパラダイムを示す。たとえば、一つの目的は、今日の1000kgの人工衛星と同じ働きをする未来の100kgの人工衛星を実現することである。別の目的として、宇宙監視および他の意図のため、再構成可能な集団内で働く質量約10kgの人工衛星が求められている。さらに、新しい後方支援宇宙任務には、たとえば軌道上補給支援および軌道からの離脱がおそらく含まれる。こうした新しい後方支援任務も、寿命の長い、小さく高い敏捷性のある人工衛星が必要である。
【0003】
計画中の軽量人工衛星は、マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星と呼ばれている。マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星のある形態は、実演飛行のために2〜3年内に開発されるであろうと期待されている。こうした新しい人工衛星は、動力のための貯蔵エネルギーおよび軌道の維持または変更のための姿勢制御装置が必要である。
【0004】
マイクロ人工衛星およびナノ人工衛星に利用できると期待される姿勢制御装置には、重力ブーム(gravity boom)またはテザー(つなぎ部材、tether)、およびマイクロスラスタ(microthruster)が含まれる。残念なことに、重力ブームおよびテザーは、重量効率が高くない。テザーは動力を生み出すのではあるが、結論は同じである。他の欠点は、テザー人工衛星が、エネルギーの抽出によって引き起こされる抗力のため、約4カ月以内に軌道から離れることである。最も重要なことは、ブームおよびテザーが、後方支援任務のために配備される敏捷性のある人工衛星に適していないと考えられることである。こうした装置が望ましくない理由の1つは、アンテナまたはカメラに正確に向くように人工衛星の位置を調整する場合に、ブームおよびテザーの動きが緩慢であることである。さらに、こうしたシステムは、一方向にしか向けられないように制限を受けている。マイクロスラスタ(microthruster)は、可動性をもたらすことができるが、限られた燃料容量しか持てない。
【0005】
計画中のマイクロ人工衛星およびナノ人工衛星の他の重要な要件は、エネルギーの貯蔵である。人工衛星上のエネルギー貯蔵には、軽量で小さく多数サイクルにわたって再充電可能な電池が必要である。ソーラーパネルで充電される人工衛星には、約35,000充電/放電サイクルまで可能な性能が必要であると予想される。こうした要件を満たす電池は、入手可能ではない。知られている再充電可能な電池、たとえばニッケル水素(NiH)またはリチウムイオン(LiIon)電池は、1000回を超えて再利用することができない。さらに、こうした電池は、高エネルギー容量および長い寿命を得るために安定した室温が必要である。温度の安定には、温度安定回路を追加する必要があり、それによってシステム重量およびコストが増加する。システムレベルでのNiH電池のエネルギー密度は25Wh/kgである。リチウムイオン電池は、エネルギー密度値が50Wh/kgである。パワー変換および温度安定回路が必要であるため、エネルギー密度値が電池のみのパワー密度よりも大幅に下がる。フライホイールとして使用されるマイクロホイールは、エネルギー密度が50Wh/kgに達し、100,000回以上再充電することができる。マイクロホイールは、電池からは得られない高サージの電流も提供することができる。
【0006】
軽量人工衛星のためのエネルギー貯蔵および姿勢制御の要件は、現在知られているシステムでは、十分に対処されていないことを上記に示した。どちらの用途にも低コストおよび少ない損失が望ましい。
【0007】
(発明の概要)
本発明は、初めて、軽量人工衛星のためのエネルギー貯蔵および姿勢制御の要件を満たす回転マイクロホイールを提供する。これらの目的を達成するために、本発明は、姿勢制御、エネルギー貯蔵、および電子装置機能を統合した、革新的かつ入手可能な微小加工されたリアクション/フライホイールを提供する。このマイクロホイールは、はるかに大きい機械的モーメンタムホイール(はずみ車)およびジャイロスコープホイールを使用する大型人工衛星と同様の高精度での照準を可能にする。本発明による構造のこの新規なマイクロホイールは、高度にモジュール式になっているため、様々な冗長度レベルのマイクロ人工衛星およびナノ人工衛星に使用することができる。
【0008】
本発明の一つの目的は、現況技術のリアクションホイールと比較して、質量を約10分の1に小さくして姿勢制御を実現し、それによって現在の任務をより軽量な重量で可能にし、新しい任務の可能性を開くことである。
【0009】
本発明の他の目的は、マイクロスラスタを補完する微小加工されたホイールまたはマイクロホイールを提供し、それによって運動量輸送装置として使用されるマイクロホイールによって姿勢が制御される場合、燃料をより効果的に使用する軽量マイクロ人工衛星のより簡単かつ軽量の構造をもたらすことである。
【0010】
本発明の他の目的は、宇宙監視および他の任務のため、再構成可能なクラスタ内で稼動する質量約10kgの人工衛星の姿勢制御を、クラスタ制御に必要不可欠な低コストで軽量で提供するために、運動量5Nmsおよびエネルギー容量40W/hのモジュールで簡単に製造することができる微小加工されたホイールを提供することである。
【0011】
本発明の他の目的は、長い寿命をもち、たとえば軌道上の補給や軌道からの離脱などの宇宙任務を可能にする、小型で高い敏捷性のある人工衛星のための高度に統合された微小加工フライホイールを提供することである。
【0012】
本発明の他の目的は、コスト、重量、および省動力のために軽量人工衛星に多機能的に統合される高度に統合された微小加工フライホイールを提供することである。
【0013】
本発明の他の目的は、低コスト(たとえば、40米ドル/ウェーハ)および、最も強い炭素基質材料と同じ、毎秒6000回転に達する高い回転速度を可能にする大きい破壊係数(rupture modulus)をもつシリコン結晶材料を含むマイクロホイールを提供することである。
【0014】
本発明の他の目的は、高精度、ホイールとパッケージの間の小さい隙間(たとえば、約10マイクロメータの間隔は低電流で高い浮上力および高トルクをもたらす)のための微小加工された平坦さと寸法、および良好なバランスを有するマイクロホイールを提供することである。
【0015】
本発明の他の目的は、軽量、高い信頼性、高い効果、低コストである製造プロセスに不可欠な、真空のパッケージ内で磁気浮上するマイクロホイールを提供することである。
【0016】
本発明の他の目的は、ホイールおよびパッケージが同じ材料であり、それによって広範な温度範囲にわたって動作することができ、他の電子装置のためのマルチチップモジュール材料(MCM)として使用することができるマイクロホイールを提供することである。
【0017】
要約すれば、本明細書でマイクロホイールと呼ぶ、本発明の微小加工された中間視(mesoscopic)的モーメンタム/フライホイール(はずみ車)は、現況技術の製品と比較して、コストを約10分の1に下げ、重量を約10分の1に減少することができる。さらに、このマイクロホイールは、姿勢制御、エネルギー貯蔵、電子プラットホーム、および構造的機能とモジュラーと新規な冗長な構成(アーキテクチャ)の多機能統合を可能にする。
【0018】
(発明の詳細な説明)
次に図1を参照すると、本発明による、互いに逆回転構成で構築された中間的電気機械式モーメンタム/フライホイールの2つの例を備えるシステム10が概略的に示されている。これらのホイールは、飛行体の構造に一体化して統合することができるので、外側パッケージは示していない。この構造は、二重のマイクロホイール20、22を備え、それぞれ真空の空洞を形成する3つの結合された層、上層12、底層16、および中間層14を有する。(図2および図4に最も良く示されている)各中間層14内の回転子は、上層12および底層16によって形成される2つの外側ホイールよりも小さい直径の正確な同心円として切断される。上層12および底層16は、固定子として機能する。中間層14内に含まれる回転子は、各マイクロホイール20、22上の2つの外側の層上のアクチュエータによって回転し磁気浮上することができる。
【0019】
2つの固定子の周囲にある2つのリング15aおよび15bは、2つの固定子、上層12と底層16の間のスペーサを形成する。リング15aと15b、および2つの固定子は共に真空パッケージを形成する。固定子としての機能に加えて、上層12または底層16は有利にはどちらもマルチチップモジュール材料(MCM)を備え、電子基板として働くことができる。有用な一実施形態では、厚さ約1mm、直径約25〜200mm(1〜8インチ)のシリコンウェーハを使用することができる。矢印30および32で示す対向するスピンをもつ二重のマイクロホイール20、22が、20Whまで(80Wh/kgまで)、かなりの量の6mmエネルギー貯蔵および50Nmsを超える角運動量制御を可能にする。
【0020】
微小加工マイクロホイールは、多機能統合に適している。6個のリアクションホイールの二重で冗長構成のアレイは、それぞれが2本の軸で30〜50度傾斜できることを想定して、エネルギーを貯蔵し、かつ完全な姿勢制御を提供することができる(J.R.Downer、「Design of Large Angle Magnetic Suspension」、Ph.D.Thesis、MIT、1986)。微小加工フライホイールにおける低コスト、平坦形の要素、およびエネルギー貯蔵により、リアクションホイールのための新規なアーキテクチャへの扉が開かれる。互いに反対方向にスピンする2つのホイールは、互いの間で迅速にエネルギーおよび角運動量を移送することができる。外部パワーの必要性は小さい。外部パワーは、制御機能および内的損失のために必要とされるだけである。1対のマイクロリアクションホイールアーキテクチャにより、高い角周波数に必要な大きいパワーのため、単一ホイールでは達成できない、はるかに大きいモーメントを達成することができる。
【0021】
さらに、電子装置をマイクロホイールシリコンパッケージに一体化統合することが可能である。シリコンは、高密度、多層配線および良好な熱伝導を伴う優れたマルチチップモジュール材料(MCM)である。統合型バスおよびミッション電子装置をリアクション/フライホイール外部パッケージ上に収容することができる。低コストで、たとえば15.2cm(6インチ)の規格の大直径シリコンウェーハは、標準モジュールに向いている。規格サイズおよび平担形の要素のため、微小加工ホイールは、人工衛星の壁または他の構造的平面パネルに統合されることができる。
【0022】
次に図2を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイール20の断面図が概略的に示されている。このマイクロホイール20は、それぞれ固定子として機能する上層12および底層16を備える。中間層14は、他層の間に、回転子14aおよびその回転子の周りの実質的に円形の壁14bを備える。上層12は、好ましくはシリコンまたはそれと等価のウェーハ材料を含むベース169aを備える。磁性体層168aは、ベース169aの底に付着しまたは取り付けられる。磁性体層168aは、任意選択で凹部171aをその中に有する好ましくはパーマロイ材料または等価の磁性体材料である。導体166aは凹部171a内に付着する。凹部が存在しない場合は、材料を導体に直接取り付けることができる。導体166aは、好ましくは、金、銅、または他の適当な導体でもよい。底層16は、上層12と同様に構築され、好ましくはシリコンまたは等価のウェーハ材料を含むベース169bを備える。磁性体層168bは、ベース169bの底に付着しまたは取り付けられる。磁性体層168bは、任意選択でその中に凹部171bを有する、好ましくはパーマロイ材料または等価の磁性体材料である。導体166bは凹部171b内に付着する。凹部が存在しない場合は、材料を直接導体に取り付けることができる。導体166bは好ましくは、金または他の適当な導体を含むことができる。
【0023】
回転子14aは、ベース169cを備え、ベース169cも好ましくは、シリコンまたは等価のウェーハ材料を含む。第1の回転子磁性体層164aは、ベース169cの一側部に付着しまたは取り付けられる。第2の回転子磁性体層164bは、第1の回転子磁性体層164aの反対側のベース169cの側部に付着しまたは取り付けられる。第1の磁性体層164aおよび第2の磁性体層164bは、好ましくは、パーマロイ材料または等価の磁性体材料である。
【0024】
好ましい一実施形態では、マイクロホイールの回転子14aは単一の結晶シリコンウェーハまたは複数のウェーハである。本発明によって構築されたマイクロホイールの回転子は、最も強い材料(たとえば炭素繊維)に近い重量当たりの破壊係数を示すことができる。マイクロホイールの回転子14aは、固定子として機能する2つのシリコンウェーハの間に懸垂される。動作の際には、図2の導体166a、166b内に流れる電流によって懸垂力が発生する。電磁界は、回転子の両側および両方の固定子、すなわち磁性体層164a、164b、168a、および168b上のパターン化した磁気フィルムに誘導される。
【0025】
次に図3を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイールに使用されるような、作動および感知パターン50が概略的に示されている。作動および感知パターン50は、横と縦の位置制御および安定化アクチュエータ34、容量性位置センサ36、加速およびエネルギー輸送のためのトルクアクチュエータ38、および浮上アクチュエータ40を備える。
【0026】
このアクチュエータ構成により、回転子を加速および減速してマイクロホイールにエネルギー/運動量を加算/減算することを含む、少なくとも6自由度におよぶ安定した運動制御ができるようになる。マイクロホイールの位置および運動は、制御ループを閉じるため、容量センサおよび/または誘導センサおよび/または光学センサによって感知される。パッケージは摩擦損失を最小にするために真空にされる。回転子/固定子の厚さおよび直径は、エネルギー貯蔵、運動量または両方の要件に合わせるために調整して作成することができる。
【0027】
マイクロホイールは、人工衛星の壁との統合の新規なモードを可能にする。人工衛星の直径を2.5〜20.3cm(1〜8インチ)かつ厚さを0.1〜0.3cm(約1/25〜3/25インチ)に調整することができるので、このホイールは人工衛星のどの形状およびサイズにも適合する。他の新規な構成は、ホイールの冗長構成アレイ、すなわち、エネルギーが加算または減算される場合に運動量を相殺できるホイールの積み重ねを含む。積み重ねたホイールは、補強材および包装のコストを下げるために用いることができる。
【0028】
再び図2を参照すると、浮上および加速/減速が、回転子(ホイール)および固定子(パッケージ)上の磁気および電子パターンによって実施される。隙間160aおよび160bは、固定子と回転子の間に隙間を設ける。他の実施形態では、この隙間は約5〜約10マイクロメータにすることができる。導体166内を流れる電流は、磁界を発生する。比較的厚い、たとえば10ミクロンの電気メッキした磁性体材料164は、それぞれパーマロイ層168a、168bおよびパーマロイ層164a、164bの間の磁力を増加する。他の実施形態では、磁性体材料は、パーマロイ以外でもよい。損失は、真空パッケージ内の回転および厚く電気メッキされた金属導体によって減少させることができる。電気的接触は、頂部ウェーハおよび底部ウェーハの端部から延び、またはウェーハバイアスを通ってアクセスされる。駆動電子装置は、一実施形態の外部の波形発生器内に配置することができる。回転速度は、電流のパルス幅または振幅変調によって制御することができる。浮上および推進は、アクチュエータの固定子と回転子部分の間の引力によって得ることができる。その力は回転子と固定子が共に近づくほど強くなる。磁石と導体が位置合せされない(すなわち、心合せされない)場合も心合せの力が存在する。したがって、これは固有安定性のある手法である。幾何形状および材料は渦電流損を減少させるように設計することができる。
【0029】
微小加工したシリコンのフライホイールのパワー密度は、電子装置がシリコンパッケージの統合された一部分であるため、80Wh/kgまで高くすることができる。フライホイールが姿勢制御装置と統合される場合、有効パワー密度は、未来の電池の可能性を超えると考えられる。マイクロホイールのさらなる利点は、電池からの遅い電流流出と比較して非常に速い放電能力があることである。この高いパワー/活量バーストは、後方支援人工衛星任務の重要な部分である。
【0030】
つぎに図4を参照すると、本発明の教示によって構築された例示のマイクロホイールの別の部分断面図により、容量性位置センサが詳細に示されている。図4に示した容量性位置センサは、金、銅、または固定子上に付着される他の適当な金属など、2枚の薄い金属フィルムで作成される。金属フィルム181および182は、2つの容量性プレートを形成する。回転子14aが固定子12に近づくとき、距離が増えるので、回転子上に付着した中間の電極182までの距離が短くなるため、電極181と183の間のキャパシタンスが増加する。図3に示した容量結合のパターンにより、回転子と固定子の間の距離の別個の検出が可能になる。したがって、3つの寸法における位置検出が可能になる。電極の他のパターンでも、回転子の回転速度および回転方向を検出することができる。
【0031】
特許諸法に従い、本発明の新規な主題を適用するのに必要な情報を当業者に提供し、必要に応じてこうした例および特別な構成要素を構築し使用するために本発明について本明細書でかなり詳細に記載した。しかし、本発明は、具体的に異なる設備および装置によって実施することもでき、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく設備の詳細および動作手順に関して様々な変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明によって逆回転構成で構築された中間的電気機械的モーメンタム/フライホイールの2つの例の概略図である。
【図2】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例の概略断面図である。
【図3】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例に使用される作動および検出パターンの概略的図である。
【図4】
本発明の教示によって構築されたマイクロホイールの例の別の概略断面図である。
Claims (42)
- エネルギー貯蔵および発生のためのマイクロホイールであって、
(a)第1のウェーハ上に構築されている第1の固定子と、
(b)第2のウェーハ上に構築されている回転子と、
(c)第3のウェーハ上に構築されている第2の固定子にして、前記回転子が前記第1の固定子と第2の固定子との間に並置されるようになされている、第2の固定子と、
(d)前記回転子の自由な動作を可能にするように、前記第1のディスクと前記第3のディスクの間に位置する真空の空洞と、
を備えるマイクロホイール。 - 前記回転子が、前記固定子に電流を通すことによって発生する電磁力を使用して浮上するようになされている、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が、電磁力を使用して加速または減速されるようになされている、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子の位置および動作が、少なくとも1つの容量センサによって検出されるようになされている、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が、高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項5に記載のマイクロホイール。
- 前記第1の固定子が高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項7に記載のマイクロホイール。
- 前記固定子の少なくとも1つがマルチチップモジュール材料を含む、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子がマルチチップモジュール材料を含む、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が、毎秒1000〜6000の回転速度でスピン回転するようになされている、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 前記第1の固定子、回転子、および第2の固定子が、一体化統合されて構造的支持パッケージとされている、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 各前記ウェーハが少なくとも厚さ1mmである、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 各前記ウェーハが直径200mm(8インチ)以下である、請求項1に記載のマイクロホイール。
- 3本の軸の運動量制御のためのマルチホイールシステムであって、
(a)第1のマイクロホイールと、
(b)前記第1のマイクロホイールの1つの表面に面するように配置された第2のマイクロホイールにして、第1および第2のマイクロホイールが共に作動する場合に前記第1のマイクロホイールと反対に回転するようになされた第2のマイクロホイールと、を備えており、
各マイクロホイールが、
i)第1のウェーハ上に構築されている第1の固定子と、
ii)第2のウェーハ上に構築されている回転子と、
iii)第3のウェーハ上に構築された第2の固定子にして、前記回転子が前記第1の固定子と第2の固定子の間に並置されるようになされている、第2の固定子と、
iv)前記回転子の自由な動作を可能にするように、前記第1のディスクと前記第3のディスクとの間に位置する真空の空洞と、を備える、
マルチホイールシステム。 - 前記回転子が、前記固定子に電流を通すことによって発生する電磁力を使用して浮上するようになされている、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記回転子が、電磁力を使用して加速または減速されるようになされている、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記回転子の位置および動作が少なくとも1つの容量センサによって検出されるようになされている、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記回転子が高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項19に記載のマルチホイールシステム。
- 前記第1の固定子が、高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項21に記載のマルチホイールシステム。
- 前記固定子の少なくとも1つがマルチチップモジュール材料を含む、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記回転子がマルチチップモジュール材料を含む、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記回転子が毎秒1000〜6000の回転速度でスピン回転するようになされている、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記第1の固定子、回転子、および第2の固定子が一体化統合されて構造的支持パッケージとなされている、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 各前記ウェーハが少なくとも厚さ1mmである、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- 前記各ウェーハが直径200mm(8インチ)以下である、請求項15に記載のマルチホイールシステム。
- エネルギー貯蔵および発生のためのマイクロホイールであって、
(a)第1のウェーハ上に構築され、導電体を備える第1の固定子にして、この導電体がその一部分上に取り付けられた磁性体材料を有している、第1の固定子と、
(b)第2のウェーハ上に構築された回転子にして、前記第1の固定子の前記磁性体材料に面する第1の表面を備えるとともに、該第1の表面の反対側に第2の表面を有しており、回転子のこれら各表面が表面の一部分上に取り付けられた磁性体材料を有している回転子と、
(c)第3のウェーハ上に構築され、導電体を備える第2の固定子にして、この導電体がその一部分上に取り付けられた磁性体材料を有しており、前記回転子が前記第1の固定子と第2の固定子との間に並置されるようになされており、前記回転子の前記第2の表面が第2の固定子の磁性体材料に面するようになされている、第2の固定子と、
(d)各前記ウェーハが、直径200mm(8インチ)以下であることと、
(e)磁界を発生させるように第1の固定子導電体および第2の固定子導電体に電流を流す場合に、前記回転子の自由な動作を可能にするように前記第1のディスクと前記第3のディスクとの間に位置する真空の空洞と、
を備えるマイクロホイール。 - 前記回転子が、前記固定子に電流を通すことによって発生する電磁力を使用して浮上するようになされている、請求項29に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が、電磁力を使用して加速または減速されるようになされている、請求項29に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子の位置および動作が少なくとも1つの容量センサによって検出されるようになされている、請求項29に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項29に記載のマイクロホイール。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項33に記載のマイクロホイール。
- 前記第1の固定子が、高密度で大きい破壊係数の材料を含む、請求項33に記載のマイクロホイール。
- 前記高密度で大きい破壊係数の材料がシリコン結晶を含む、請求項35に記載のマイクロホイール。
- 前記固定子の少なくとも1つがマルチチップモジュール材料を含む、請求項36に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子がマルチチップモジュール材料を含む、請求項37に記載のマイクロホイール。
- 前記回転子が毎秒1000〜6000の回転速度でスピン回転するようになされている、請求項38に記載のマイクロホイール。
- 前記第1の固定子、回転子、および第2の固定子が一体化統合されて構造的支持パッケージとなされている、請求項39に記載のマイクロホイール。
- 前記各ウェーハが少なくとも厚さ1mmである、請求項40に記載のマイクロホイール。
- 前記各ウェーハが直径200mm(8インチ)以下である、請求項41に記載のマイクロホイール。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040924 |
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A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20070319 |