JP2007240017A - 操舵駆動装置、及び飛しょう体 - Google Patents

Abstract

【課題】 減速機構やリンク機構を用いずに、ガタやバックラッシを減らしたダイレクトドライブ方式で駆動でき、操舵駆動部の実装空間を広く確保することのできる操舵装置を得る。
【解決手段】 円周に沿って極性の異なる永久磁石６を複数個配列され、セクタ形状をなしたロータ３と、ロータ３の頂角周辺に接続されて回動可能に支持された回転軸４と、回転軸４に結合された操舵翼５と、ロータ３に対向して電磁石を有したステータ２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、操舵駆動装置及び飛しょう体に関するものである。

飛しょう体用操舵装置の操舵サーボ方式として主なものは、油圧方式によるものと電気方式によるものに大別できる。油圧方式は、非常に大きなトルクを得ることができるが、精密部品を多数必要とし、メンテナンス性や制御性の面で電気方式のものに劣る。また、油圧方式によるものは、部品点数が多く比較的大型になることから、電気方式のものが主流となりつつある。

従来の操舵装置においては、飛しょう体が比較的大型であったこともあり、駆動部の各出力軸毎にモータと減速機構やリンク機構等を設けた構成であった。（例えば、特許文献１参照）

特開平５−２９６６９９（図１）

近年、可搬性や、俊敏性、機動性等に優れ、操舵翼とロケットモータを有した小型飛しょう体の利用が望まれている。しかし、例えば長さ２ｍ以下の小型飛しょう体を構成する場合、減速機構やリンク機構等の駆動部を備えた従来の操舵装置を用いると、小型化に伴って駆動部の収納容積が問題となる。

例えば、操舵装置における駆動部の収納容積を小さくするために、小型モータを使用した場合、必然的にモータの出力トルクが小さくなる。モータの出力トルクが小さくなると、操舵装置として必要な操舵トルクが得られないため、各出力軸に減速機構等を設けなければならない。この場合、部品点数が増加するとともに構造が複雑化し、制限された領域への実装が非常に困難となる。さらに、出力トルク向上のために減速機構を付与したがため、減速機構やリンク機構の有するバックラッシやガタにより、操舵制御系の角度精度や応答帯域が低下する等の課題があった。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、小型で高トルクが得られ、かつ減速機構を不要とした操舵駆動装置を得ることを目的とする。

この発明に係る操舵駆動装置は、セクタ形状をなす基部を有し、基部の外周に沿って極性の異なる磁性体を円弧状に複数個配列したロータと、ロータの頂角周辺でロータのセクタ面に対し垂直に接続され、回動可能に支持された回転軸と、回転軸に結合した操舵翼と、ロータのセクタ面と対向する位置に配置され、電磁石を有したステータとを備えたものである。

また、上記ロータの回転角度を検出する角度検出器と、角度検出器の計測角度に基づいて、電磁石に制御指令を送り、操舵翼の回転角度を制御する制御部とを備え、操舵翼の最大回転角度範囲がロータの頂角以内となるように角度制御することを特徴としたものである。

さらに、上記操舵駆動装置を２つ用いて、操舵駆動装置を少なくとも２つ備えた飛しょう体であって、飛しょう体の胴体周囲に上記回転軸を配置し、対向配置された上記回転軸に結合したロータは、基部の頂角が互いに対向配置され、及び／または、直交配置された上記回転軸に結合したロータは、一方の基部の頂角が機体前方を向き、他方のロータの頂角が機体後方を向く様に配置されたものである。

この発明によれば、ギア、減速機構、リンク機構等を用いずに、ダイレクトドライブ方式で操舵翼を操舵駆動できるので、バックラッシやガタが無いため角度精度が向上する。また、サーボ系の応答帯域を上げることが可能となり、制御性能向上にもつながる。さらに、ギアや減速機構が不要となることから、構造が単純になり、故障率が低下することが期待される。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る操舵装置は、飛しょう体の操舵翼が所望の操舵角を確保できる範囲内で、セクタ形状をなした角度制限付のロータから構成されるモータを使用することにより、ギアや減速機構等を不要として操舵装置の小型化を図るとともに、操舵翼に高出力トルクを与えることを特徴とする。

以下、図を用いて実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１による操舵装置の駆動部を示す斜視図である。
図において、駆動部１００は、トルカ１０とモータ制御部１１と角度検出器３０から構成され、操舵駆動装置として機能する。トルカ１０は、ステータ２と、ロータ３と、回転軸４とを備えて構成され、角度制限付モータを構成している。回転軸４はモータの出力軸として機能する。

ステータ２は、電磁石２３ａ、２３ｂによって構成され、被固定物（後述する飛しょう体１の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム）に固定される。
図２は電磁石の構成を示す図である。図において、電磁石２３ａ、２３ｂは、それぞれ円筒形状の２本の鉄芯（磁性体）２１ａ、２１ｂに、１対のコイル２２ａ、２２ｂを巻いて構成される。２本の鉄心２１ａ、２１ｂは互いの円筒面が平行になる様に所定の間隔を空けて対向配置され、非透磁性の接続部材により結合されている。ステータ２に巻かれた１対のコイル２２ａ、２２ｂは、それぞれ信号線１２を介してモータ制御部１１に接続される。モータ制御部１１は、スイッチング素子と制御回路を有し、各信号線１２に印加する電圧を調整する。

なお、電磁石２３ａ、２３ｂは２つである必要はなく、さらに複数本配置しても良い。要するに、磁気極性を独立して変えることができる電磁石を、少なくとも２つ以上平行に配置すればいいのである。また、言うまでもなく、電磁石２３ａ、２３ｂを透磁性体の容器に収容しても良い。

ロータ３は、セクタ形状（扇形形状）の基部７が頂角周辺で基部７のセクタ面（扇形形状をなす仮想的な平面）に垂直に回転軸４の一端部に結合されている。円弧形状のロータ３の外周縁部に、その外周に沿う様に複数の永久磁石（磁性体）６を円弧状に配列する。例えば、基部７をセクタ形状をなす非磁性体板で構成し、非磁性体板の円弧周縁に所定の間隔で複数の収納穴を形成して、当該収納穴に複数の永久磁石６を嵌め込むもしくは接着することによって、ロータ３を構成しても良い。

永久磁石６は、逆極性の永久磁石が交互に隣接して配置される。図示の例では、左端の磁石から、極性がN、S、N、S、・・・の順に隣接して円弧上に並んでいる。すなわち、基部７の外周に沿って極性の異なる磁性体が円弧状に複数個配列されている。また、回転軸４の他端部は、操舵翼５に結合されている。永久磁石６の配列間隔はコイル２２ａ、２２ｂの配置間隔と同じになっている。ロータ３に円弧配列された永久磁石６にステータ２が対向して配置される。

角度検出器３０はポテンショメータやレゾルバやエンコーダ等で構成され、回転部と固定部からなる。角度検出器３０は固定部に対する回転部の相対的な角度変化を、電圧値、パルス、或いは電圧の位相差等の角度情報として出力する。角度検出器３０から出力される角度情報はモータ制御部１１に入力され、モータ制御部１１において適宜設定された基準角度に対する、計測角度値として検出される。角度検出器３０の固定部は被固定物（後述する飛しょう体１の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム）に固定される。角度検出器３０の回転部は回転軸４に取り付けられる。

ストッパ４０は、各ロータ３の両側に２つ配置され、被固定物（後述する飛しょう体１の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム）に固定される。ストッパ４０は、ロータ３の横幅よりも長い間隔を持ち、ロータ３の可動角を制限するために設けられる。すなわち、ロータ３が最大回転角度範囲に到達すると、ロータ３はストッパ４０に接触する。

ステータ２は、モータ制御部１１によって、コイル２２ａ、２２ｂに各々流れる電流の極性、もしくは印加電圧の極性が制御される。リニアモータの原理に基づいて電磁石２３ａ、２３ｂの極性を調整することにより、ステータ２の電磁石２３ａ、２３ｂとロータ３の永久磁石６との間で吸引力または反発力を生じ、基部７の外周方向に合力Ｆが発生する。これによって、合力Ｆと距離Ｌの積Ｆ×Ｌによって得られるトルク（回転力）Ｔがロータ３に作用し、ロータ３が回転軸４を中心に回転する。
なお、回転軸４を中心として、各永久磁石６がロータ３上に円弧状に配置されているので、ロータ３の回転に伴いステータ２の電磁石２３ａ、２３ｂが相対的にロータ３を通過する円弧状の軌跡に、各永久磁石６が位置する。すなわち、ロータ３とステータ２は曲線上を移動するリニアモータを構成している。このため、ロータ３の回転に伴って、永久磁石６が常に電磁石２３ａ、２３ｂと正対することになるので、ロータ３の可動角の範囲内で常に安定したトルクを発生することができる。

次に、駆動部１００の動作について説明する。
モータ制御部１１は角度検出器３０で計測される角度情報に基づいて、ロータ３の角度を計測する。モータ制御部１１は、計測角度と外部から適宜入力される制御目標とに従い、制御指令を生成する。制御目標としては、例えばロータ１０を移動させるべき所望角度が入力される。また、所望角度と計測角度との角度差に基づいて、角度差が０になりロータ１０が所望角度に到達して停止するように、コイル２２ａ、２２ｂの各端子に対する制御電圧の印加タイミングや印加すべき電圧値を求めて、制御指令が適宜生成される。モータ制御部１１は、生成した制御指令に基づいて、コイル２２ａ、２２ｂに制御電圧を印加する。モータ制御部１１は、制御回路によってスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御し、このスイッチング動作によってコイル２２ａ、２２ｂへの印加電圧を所望の値に調整する。モータ制御部１１が所定のタイミングで印加電圧を変化させることにより、コイル２２ａ、２２ｂの各端子の極性が所定の規則にしたがって変化し、電磁石２３ａ、２３ｂの磁極が所定のタイミングで順次切り替る。

例えば、３つの永久磁石６の極性が左から順にＮ、Ｓ、Ｎで配列され、電磁石２３ａ、２３ｂのロータ側の極性がＳ、Ｎであるとし、あるＮ極の永久磁石６の真上に電磁石２３ａが位置し、このＮ極の右側に隣接したＳ極の永久磁石６の真上に電磁石２３ａが位置して、電磁石２３ａ、２３ｂの極性が（Ｓ、Ｎ）であると仮定する。
ここで、電磁石２３ａ、２３ｂの磁極を順に、（Ｓ、Ｓ）→（Ｎ、Ｓ）→（Ｎ、Ｎ）→（Ｓ、Ｎ）、と変化させた場合は、ロータ３は右から左方向に回転移動する。逆に、電磁石２３ａ、２３ｂの磁極を、（Ｎ、Ｎ）→（Ｎ、Ｓ）→（Ｓ、Ｓ）→（Ｓ、Ｎ）、と変化させた場合は、ロータ３は左から右方向に回転移動する。この際、モータ制御部１１は、ロータ３に円弧配置された各永久磁石６の位置や配置間隔に応じた、所定のタイミングで、電磁石２３ａ、２３ｂの磁極を変化させるように制御電圧を印加する。

また、電磁石２３ａ、２３ｂの磁極を変化させる時間間隔を変えることにより、ロータ３の角速度を制御することができる。また、電磁石２３ａ、２３ｂに印加する電流の大きさを変えることにより、ロータ３の発生トルクの大きさを調整することができる。
なお、電磁石２３ａ、２３ｂが誘導起電力を相互に誘起し、発生トルクに影響を与えることがないように、電磁石２３ａと電磁石２３ｂの間に適宜磁気シールドを設けても良い。また、電磁石２３ａと電磁石２３ｂから発生される磁束密度が同じ大きさとなるように、磁気回路を付加して適宜調整しても良い。

さらに、モータ制御部１１は、ステータ２がロータ３の永久磁石６の何れかに対向するように、最大回転角度範囲を制御する。具体的には、角度検出器３０の計測角度に基づいて、ステータ２に対するロータ３の永久磁石６の位置がロータ３におけるセクタ形状をなす基部の頂角以内となるように、制御指令を生成する。すなわち、ロータ３は左右側端部に位置する永久磁石６がステータ２と対向する位置までしか移動せず、ロータ３の最大回転角度範囲は基部７の頂角の大きさよりも僅かに小さくなる。

ところで、通常、飛しょう体の操舵翼を３６０°回転する必要は無く、操舵角範囲はある角度範囲に制限されている。例えば、操舵翼の操舵角範囲は、±数１０°程度で済む。この場合、操舵翼を駆動する操舵装置にトルカ１０を用いて、回転軸４に操舵翼を直結させると、その操舵角範囲は±数１０°となる。これはすなわち、ロータ３の最大回転角度範囲（可動角）が±数１０°であっても良いことを意味しており、円弧状のロータ３を用いてモータの一部を構成すれば、操舵装置を小型化することが可能となる。例えば、円弧の半径Ｌ＝１０ｃｍのロータを構成した場合、ロータの幅は３．５ｃｍ（＝２０×ｓｉｎ１０°）程度と小さくなる。ロータ３の可動角を考慮しても、ロータ３の実装空間として要する幅は７ｃｍ程度となる。また、ロータの基部の厚みは永久磁石の厚さ程度で良く、例えば１ｃｍ程度と薄く構成することができ、トルカ１０は薄型化に適している。

この際、トルカ１０により得られるトルクＴは、ロータ３の半径に比例する。ロータ３の幅に比してロータ３の半径が大きいので、ロータ３の幅と同径の従来の小型モータよりも、トルクが単純に３倍程大きくなる。実際には、従来の小型モータは減速機を取り付けるので、トルクの大きさは同じ程度にはなる。しかし、従来の小型モータはその分だけ余計な機構や余分な空間が必要となるので、トルカ１０の方が実装空間を小さくするのに適している。

次に、図１に示したトルカ１０を操舵装置の駆動部１００に使用した場合の操舵装置の構成例を示す。図３は実施の形態１による操舵装置の概略構成例の側方視図を示し、図４は後方視図を示す。トルカ１０は必要な出力軸分配置することが必要であるが、図３、図４の例には、最も一般的な４軸操舵の場合の構成例を示す。図において、各操舵翼の仮想的な回転軸を一点鎖線で示している。また、モータ制御部１１や角度検出器３０の図示は省略する。図３では、ストッパ４０の図示を省略する。

図において、操舵翼５は回転軸４の端部に直結された翼を有している。回転軸４の端部は飛しょう体１の胴体外周側に突き出して配置され、翼３０は回転軸４によって胴体外周に回転可能に支持される。操舵翼５は胴体外側に４つ配置され、飛しょう体１の円筒形状をなす胴体外周に沿って胴体中心軸（飛しょう体の機体軸）の周りに９０度間隔で配置されている。なお、操舵翼５は胴体外側に少なくとも２つ配置されれば良い。

トルカ１０は、各操舵翼５に対応して飛しょう体１の胴体の内部空間に収容され、胴体中心軸の周りに９０度間隔で４つ配置される。胴体中心軸周りに相互の回転軸４が１８０度をなして、１対の操舵翼５が対向配置される。この１対の操舵翼５は、その結合したトルカ１０を構成するロータ３が互いに対面配置される。同様に、１対の操舵翼５に結合したトルカ１０に対応したステータ２は、互いに対面配置される。ステータ２は支持部材１３によって飛しょう体１の胴体内壁に固定される。また、角度検出器３０の固定部も適宜飛しょう体１の胴体内壁に固定される（図示せず）。なお、トルカ１０は、操舵翼５の配置に対応して胴体外側に少なくとも２つ配置されれば良い。

また、隣接する操舵翼５の駆動部は、トルカ１０が前後に互い違いに配置される。図３の例では、横の操舵翼５の駆動部は、ロータ３の頂角が機体前方を向くように１対のトルカ１０が機体後部に配置され、縦の操舵翼５の駆動部は、ロータ３の頂角が機体前方を向くように１対のトルカ１０が機体前部に配置される。

さらに、対面した１対のロータ３の間に、２つのステータ２が挟まれるように配置される。このステータ２の間には、他の搭載機器を実装する実装空間が形成される。
図３の例ではロータ３とステータ２を極端に大きく記載しているが、上述したようにロータ３は薄く構成することができる。また、胴体が円筒形状の場合、可動角中心でロータ２の長手方向が概ね円筒軸に平行になるように配置される。このため、ロータ３の最大可動角範囲内においてロータ３が飛しょう体１の胴体内壁に衝突しない範囲で、ロータ３を飛しょう体１の胴体内面に近接して配置することができるので、他の搭載機器の実装空間を広くとることができる。
また、ステータ２についても、鉄心やコイルの数を増やし、電磁石の本数を増やすことによって薄形に構成することが可能であり、他の搭載機器の実装空間をさらに広くすることができる。
なお、ステータ２とロータ３は、図３の例とは逆配置にしても良く、また、２つのステータ２の間にロータ３を挟み込むように配置しても良いことは言うまでもない（この場合は電磁力が倍増する）。

モータ制御部１１は、角度検出器３０によってロータ３の回転角度を計測することができる。モータ制御部１１は、外部から操舵翼５の目標回転角度（目標舵角）の情報が与えられると、目標舵角と計測した回転角度（計測した舵角）との差分により角度差を求める。なお、時系列的に計測した回転角度の微分値から角速度を求めても良い。
モータ制御部１１は、得られた角度差や角速度に基づいて、トルカ１０に対して出力トルクや回転角を発生するための制御指令を求める。
モータ制御部１１は制御指令を発して、例えば、操舵翼５の舵角が目標舵角に一致するように舵角の角度制御を行う。また、モータ制御部１１は、操舵翼５の最大回転角度範囲がロータ３の頂角以内となるように角度制御する。
なお、ロータ３は２つのストッパ４０の距離範囲内で可動する。すなわち、ストッパ４０は、操舵翼５が最大回転角度範囲を越えないように、機械的にロータ３の角度制限を行う。

モータ制御部１１はトルカ１０の電磁石２３に制御指令を送ると、トルカ１０はトルクＴを発生する。この発生トルクＴは操舵トルクとして回転軸４に伝達され、操舵翼５を所望の方向に向け、操舵翼５が所望の舵角に操舵される。
このとき、操舵翼５はトルカ１０によってダイレクトドライブされるので、操舵翼５の舵角制御の際にバックラッシやガタがない。さらに、ロータ３とステータ２とが非接触なので、両者の間に滑り摩擦や静止摩擦が発生しない。このため、操舵装置の機械共振周波数が高くなる。
したがって、操舵翼５の舵角制御を行うサーボ系において、サーボ系の応答帯域を高くとることができる。
また、減速機がないので、操舵翼５を迅速に回転することもでき、時間遅れがない。
さらに、ガタやバックラッシが無いので、当然の如く、操舵翼の舵角制御において角度精度を向上させることができる。

以上により、本実施の形態に係る操舵装置は上記の様に構成され、次のような効果を奏する。
本実施の形態では、操舵翼５の駆動部の実装空間内において、ロータ３を円弧形状にすることにより、従来のモータよりもロータ径を大きくすることができ、その結果、大きな発生トルクを得ることができる。従って、減速機構が不要となり、その分実装容積を確保することができる。

また、小型であっても高出力なトルクを発生するトルカ１０を使用することで、操舵装置の駆動部の実装に必要な空間をより狭くすることが可能となる。これによって、推進薬、各種信号処理装置、電源装置等の、他の構成部品の実装容積を広く確保することができるため、部品配置の自由度が増し、飛しょう体の実装設計が容易になる。

また、トルカ１０はダイレクトドライブ方式であることから、ギア、減速機構やリンク機構によるガタが無いため角度精度が向上し、また、操舵翼における制御系の応答帯域を上げることが可能となり、制御性能の向上にもつながる。
さらに、減速機構やリンク機構が不要となることから、構造が単純になり、故障率が低下することが期待される。

なお、従来の小型モータを操舵装置に使用した場合には、必然的に出力トルクが小さい為、減速機構を設ける必要があり、減速機構やリンク機構を設けた場合、小型化の妨げとなる。しかし、本実施の形態ではトルカ１０を操舵装置に利用することによって、十分な実装空間を確保できるようになるので、飛しょう体の操舵装置の小型化を図る上で、極めて有用である。

この発明の実施の形態による操舵装置のトルカを説明するための図である。 電磁石の構成を示す図である。 この発明の実施の形態による操舵装置の側方視図である。 この発明の実施の形態による操舵装置の後方視図である。

符号の説明

１ 飛しょう体外筒（胴体）、２ 電磁石、３ ロータ、４ 回転軸、５ 操舵翼、６ 永久磁石（磁性体）、７ 基部、１０ トルカ、１１ モータ制御部（制御部）、３０ 角度検出器、４０ ストッパ、１００ 駆動部（操舵駆動装置）。

Claims (3)

1. セクタ形状をなす基部を有し、基部の外周に沿って極性の異なる磁性体を円弧状に複数個配列したロータと、
   上記ロータの頂角周辺で上記ロータのセクタ面に対し垂直に接続され、回動可能に支持された回転軸と、
   上記回転軸に結合した操舵翼と、
   上記ロータのセクタ面と対向する位置に配置され、電磁石を有したステータと、
   を備えた操舵駆動装置。
2. 上記ロータの回転角度を検出する角度検出器と、
   上記角度検出器の計測角度に基づいて、上記電磁石に制御指令を送り、上記操舵翼の回転角度を制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、上記操舵翼の最大回転角度範囲がロータの頂角以内となるように角度制御することを特徴とした請求項１記載の操舵駆動装置。
3. 請求項１記載の操舵駆動装置を構成するロータ、ステータ、回転軸、及び操舵翼を、少なくとも２組備えた飛しょう体であって、
   飛しょう体の胴体周囲に上記回転軸を配置し、
   対向配置された上記回転軸に結合したロータを、基部の頂角が互いに対向するように配置し、
   及び／または、直交配置された上記回転軸に結合したロータを、一方の基部の頂角が機体前方を向き、他方のロータの頂角が機体後方を向くように配置したことを特徴とした飛しょう体。

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