JP2014073697A - 支持機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な機構を用いずに、打上げ時の観測機器等の被支持体の支持と、観測開始時の熱伝導量および固有振動数の制御と、を行うことができる。
【解決手段】 本発明の支持機構１０は、互いに結合した状態で被支持体を支持する上側結合体２０および下側結合体３０と、上部が上側結合体２０に固定され、下部が下側結合体３０に固定された弾性体４０と、弾性体４０を圧縮して上側結合体２０と下側結合体３０とを結合させた第１の状態から、圧縮を解除する結合手段５０と、を備える。作動させた第２の状態の時に、圧縮が解除されて弾性体４０が自然長に復元することによって、上側結合体２０と下側結合体３０が離隔される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、観測機器等を支持する機構に関し、特に、宇宙用観測機器を衛星構体に対して支持する機構に関する。

近年の科学観測衛星や地球観測衛星では、高度な観測を行うために極低温環境下を前提とした観測機器が多く搭載される。これらの観測機器の打上げ時には、軽量化、高剛性の観点からトラス支持構造によって観測機器を衛星構体に対して支持するのが一般的である。ここで、極低温環境下を前提とした観測機器の場合、トラスを介して観測機器に熱が侵入することを抑制するため、観測時はトラスによる観測機器の支持を解放し、低熱伝導部材によって支持することが望ましい。

そこで、打上げ後にトラスを機械的に分離して、トラスを介して熱が伝導されることを抑制する技術として、打上げ用トラスと観測用トラスとを用いることが提案されている。

打上げ用トラスによる支持を分離する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１の保持解放装置は、トラス支持部材の一端部を回動自在に設け、観測時は火工品を作動させることによってトラス支持部材の一端部を分離し、不要となったトラス支持部材を収容する。観測用トラスは打上げ用トラスに平行に取り付けられており、観測時は観測用トラスに観測機器を支持する。

打上げ用トラスと観測用トラスとを用いた支持装置の斜視図を図６に示す。図６に示した観測機器支持装置９００は、観測機器支持手段９１０に図示しない観測機器が配置される。打上げ時の観測機器の荷重は、太径の打上げ用トラス９３０、細径の観測用トラス９４０および支持トラス９５０から、結合金具９２０を介して支持トラス９６０、９７０へ伝達される。そして、打上げ後の観測開始時には、太径の打上げ用トラス９３０および支持トラス９５０を観測機器支持手段９１０から切り離し、細径の観測用トラス９４０で観測機器を支持する。観測時に太径の打上げ用トラス９３０および支持トラス９５０を切り離すことによって、観測機器に熱が侵入することを抑制できる。

特開平８−１４３０００号公報

しかし、太径の打上げ用トラス９３０と細径の観測用トラス９４０とを用い、観測時に打上げ用トラス９３０を観測機器支持手段９１０から切り離す場合、装置が複雑かつ大規模になる。また、極低温環境で使用する観測機器は機械式の冷凍機を使って冷却するが、観測機器が冷凍機のコンプレッサから発生する振動擾乱の周波数帯で共振するのを避けるため、共振を回避する値にトラス径を設計する必要がある。しかし、細径の観測用トラス９４０の径を用いる場合、固有振動数の制御が困難になる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みなされたものであり、複雑な機構を用いずに、打上げ時の観測機器等の支持と、観測開始時の熱伝導量および固有振動数の制御と、を行うことができる観測機器の支持機構を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る支持機構は、互いに結合した状態で被支持体を支持する上側結合体および下側結合体と、上部が上側結合体に固定され、下部が下側結合体に固定された弾性体と、弾性体を圧縮して上側結合体と下側結合体とを結合させた第１の状態から、圧縮を解除する結合手段と、を備え、作動させた第２の状態の時に、圧縮が解除されて弾性体が自然長に復元することによって上側結合体と下側結合体が離隔することを特徴とする。

本発明に係る支持機構は、複雑な機構を用いずに、打上げ時の観測機器等の支持と、観測開始時の熱伝導量および固有振動数の制御とを、行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る支持機構１０の、（ａ）第１の状態の時の概略構造図、（ｂ）第２の状態の時の概略構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る観測機器支持機構１００の打上げ時の透視構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る観測機器支持機構１００の観測時の透視構造図である。 本発明の第２の実施形態に係る支持バネ８００の（ａ）斜視図、（ｂ）正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る別の、（ａ）支持バネ８００Ｂの斜視図、（ｂ）支持バネ８００Ｃの斜視図である。 打上げ用トラス９３０と観測用トラス９４０とを用いた観測機器支持装置９００の斜視図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る支持機構について説明する。本実施形態では、支持機構によって支持される被支持体として、軌道上にて観測を行う観測機器を適用する。本実施形態に係る支持機構の概略構造図を図１（ａ）、（ｂ）に示す。図１（ａ）は、打上げ時の支持機構１０の概略構造図、図１（ｂ）は観測時の支持機構１０の概略構造図である。図１（ａ）、（ｂ）において、本実施形態に係る支持機構１０は、上側結合体２０、下側結合体３０、弾性体４０および結合手段５０を備える。

上側結合体２０には観測機器側トラス６１、６２が、下側結合体３０には受側トラス６３、６４がそれぞれ接続されている。上側結合体２０および下側結合体３０は、打上げ時から観測前の間は（以下、第１の状態と記載する。）、結合手段５０によって結合され、打上げ時の観測機器の荷重を観測機器側トラス６１、６２から、受側トラス６３、６４にパスする。

一方、上側結合体２０および下側結合体３０は、観測時は（以下、第２の状態と記載する。）、互いに離隔され、観測機器を無重力状態で弾性体４０を介して支持する。上側結合体２０と下側結合体３０とが離隔されることにより、熱が下側結合体３０から上側結合体２０へ伝導して観測機器の性能が劣化することが抑制される。

弾性体４０は、上部が上側結合体２０に、下部が下側結合体３０に固定されている。弾性体４０は、第１の状態では、結合手段５０に押圧されることによって圧縮変形した状態で保持される。一方、弾性体４０は、第２の状態では、結合手段５０による押圧が解除され、自然長Ｌに復元する。

ここで、図１（ｂ）に示すように、弾性体４０が自然長Ｌに復元することにより、上側結合体２０と下側結合体３０とが離隔される。離隔された上側結合体２０および下側結合体３０は、弾性体４０を介して熱的および機械的に接続される。従って、弾性体４０の材料や形状などを適切に設計することにより、構造強度、熱伝導量、固有振動数、固有モード等を所望の値に制御することができる。本実施形態では、弾性体４０を、チタン合金または繊維強化材等で形成された帯状体を断面が六角形のループ状にすることにより形成した。

結合手段５０は、第１の状態の時に弾性体４０を圧縮して上側結合体２０と下側結合体３０とを結合させ、第２の状態の時に弾性体４０の圧縮を解除する。本実施形態では、結合手段５０をボルト５１とアクチュエータ５２とによって形成した。

ボルト５１は、上部に弾性体４０を押圧するための係止部５１ａを備える。ボルト５１は、第１の状態の時、係止部５１ａが弾性体４０を押圧した状態で、下端が下側結合体３０内においてアクチュエータ５２によって把持される。一方、ボルト５１は、第２の状態の時、アクチュエータ５２による把持が解除され、弾性体４０が自然長Ｌに復元することによって下端が下側結合体３０から上側結合体２０側へ移動する。

アクチュエータ５２は、下側結合体３０に配置され、第１の状態の時、ボルト５１の下端を把持する。そして、第２の状態の時、ボルト５１の把持を解除する。

上記のように構成された支持機構１０は次のように機能する。すなわち、打上げ時は、ボルト５１の係止部５１ａが弾性体４０を押圧した状態で、ボルト５１の下端がアクチュエータ５２に把持される（第１の状態）。これにより、上側結合体２０と下側結合体３０とが機械的に結合され、観測機器からの荷重は観測機器側トラス６１、６２から受側トラス６３、６４へパスされる（トラス構造による支持）。

一方、観測時には、アクチュエータ５２がボルト５１の把持を解除し、弾性体４０が自然長Ｌに復元する（第２の状態）。これにより、上側結合体２０と下側結合体３０とが離隔され、観測機器が無重力状態で弾性体４０を介してトラス６１−６４によって支持される。この場合、熱が下側結合体３０から上側結合体２０へ伝導して観測機器の性能が劣化することが抑制されると共に、弾性体４０の剛性を適切に設計することによってコンプレッサ等によって発生した擾乱振動を低減することができる。

以上のように、本実施形態に係る支持機構１０は、複雑な機構を用いずに、打上げ時の観測機器等の被支持体の支持と、観測開始時の構造強度、熱伝導量および固有振動数の制御と、を行うことができる。なお、上述の実施形態では、観測機器側トラス６１、６２および受側トラス６３、６４を用いたトラス支持を適用したが、本実施形態に係る支持機構１０は、トラスを用いない支持構造にも適用することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る観測機器支持機構は、例えば、背景技術で説明した図６の観測機器支持装置９００の結合金具９２０およびトラス９３０−９７０に代替させることができる。本実施形態に係る観測機器支持機構の透視構造図を図２および図３に示す。ここで、図２は、打上げ時の上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが結合した状態の観測機器支持機構１００の透視構造図、図３は、観測時の上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔された状態の観測機器支持機構１００の透視構造図である。

図２および図３において、観測機器支持機構１００は、トラス２１０−２４０、上側結合金具３１０、下側結合金具３２０、結合機構収納部４００、プリロードボルト５００、分離アクチュエータ６００、巻バネ７００および支持バネ８００を備える。

上側結合金具３１０にトラス２１０、２２０が、下側結合金具３２０にトラス２３０、２４０が固定されている。上側結合金具３１０および下側結合金具３２０には、プリロードボルト５００を通過させるための連通孔３３０が形成されている。

そして、打上げ時は、図２に示すように、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが結合されており、観測機器からの荷重をトラス２１０、２２０からトラス２３０、２４０へパスすることによって観測機器をトラス構造によって支持する。すなわち、上側結合金具３１０および下側結合金具３２０を結合させた状態では、本実施形態に係る観測機器支持機構１００に、一般的なロケットの打上げ等で用いる観測機器の支持機構の設計をそのまま適用することが出来る。

一方、観測時には、図３に示すように、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０との結合が解除され、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔する。上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔されることによって、観測機器は無重力状態で支持バネ８００を介してトラス２１０−２４０によって支持されると共に、熱および振動が下側結合金具３２０側から上側結合金具３１０側へ伝導して観測機器の性能が劣化することが抑制される。

結合機構収納部４００は、連通孔３３０の上方位置において上側結合金具３１０に固定された第１筐体４１０と、第１筐体４１０の上に固定された第２筐体４２０と、連通孔３３０の下方位置において下側結合金具３２０に固定された第３筐体４３０と、で構成される。第１筐体４１０に支持バネ８００が、第２筐体４２０に巻バネ７００が、第３筐体４３０に分離アクチュエータ６００が、それぞれ収納されている。また、第２筐体４２０は、プリロードボルト５００を最下位置に係止させる第１係止部４２１およびプリロードボルト５００を最上位置に係止させる第２係止部４２２を備える。

プリロードボルト５００は、第１係止受部５１０および第２係止受部５２０を備え、上端側に巻バネ７００の一端が固定されている。プリロードボルト５００は、打上げ時は、図２に示すように、第１係止受部５１０が第２筐体４２０の第１係止部４２１を押圧した状態で、連通孔３３０を介して第３筐体４３０内まで押し下げられる。そして、最下位置においてプリロードボルト５００の下端が分離アクチュエータ６００に把持されることにより、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが機械的に連結される。

一方、プリロードボルト５００は、観測時にアクチュエータ６００から解放され、巻バネ７００が圧縮状態から復帰する時に発生する反発力（圧縮力）によって上昇する。そして、プリロードボルト５００は、図３に示すように、下端が上側結合金具３１０内に移動した後、第２係止受部５２０が第２筐体４２０の第２係止部４２２に係止されることによって最上位置に保持される。

分離アクチュエータ６００は、打上げ時はプリロードボルト５００を最下位置に把持する。一方、分離アクチュエータ６００は、観測時に、プリロードボルト５００の把持を解除する。

巻バネ７００は、第２筐体４２０内に配置され、一端がプリロードボルト５００に、他端が第２筐体４２０に固定されている。巻バネ７００は、打上げ時は、プリロードボルト５００が最下位置に押し下げられることによって、第２筐体４２０内に圧縮された状態で収納される。一方、巻バネ７００は、観測時にプリロードボルト５００の把持が解除されることにより、圧縮状態が解放されて伸びる。そして、巻バネ７００が完全に自然長まで復元する前に、プリロードボルト５００の第２係止受部５２０が第２係止部４２２に係止されることにより、巻バネ７００はその状態で保持される。

支持バネ８００は、第１筐体４１０内に配置され、一端が下側結合金具３２０の上面に、他端が第１筐体４１０の上面に固定されている。支持バネ８００は、打上げ時は、プリロードボルト５００が最下位置に押し下げられることにより、第１筐体４１０内に圧縮変形した状態で収納される。一方、支持バネ８００は、観測時にプリロードボルト５００の把持が解除されることにより、圧縮状態が解放されて自然長に復元する。支持バネ８００が自然長に復元することにより、図３に示すように、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔される。

本実施形態に係る支持バネ８００の斜視図を図４（ａ）に、正面図を図４（ｂ）に示す。観測機器の固有振動数や面外、面内の固有モード等に基づいて、支持バネ８００の材料および形状等が設計される。例えば、支持バネ８００は、観測機器が冷凍機のコンプレッサから発生する振動擾乱の周波数帯での振動伝達率を小さくする形状に設計され、本実施形態では、図４に示すように、支持バネ８００を、帯状体を断面が六角形のループ状にすることにより形成した。

また、支持バネ８００は熱伝導性の低い材料で形成される。支持バネ８００を熱伝導性の低い材料で形成することにより、熱が支持バネ８００を介して下側結合金具３２０側から上側結合金具３１０側へ伝導し、観測機器の性能が劣化することが抑制される。本実施形態では、支持バネ８００を、熱伝導特性が７．５Ｗ／ｍ／Ｋ以下の、チタン合金製や炭素繊維強化プラスティック（CFRP：carbon fiber reinforced plastics）積層板等によって形成する。

上記のように構成された観測機器支持機構１００の動作について説明する。先ず、打ち上げ開始から打上げ時の観測機器支持機構１００（図２）について説明する。この時、プリロードボルト５００は、巻バネ７００および支持バネ８００を押圧した状態で、最下位置で分離アクチュエータ６００に把持されている。これにより、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが機械的に結合され、観測機器からの荷重はトラス２１０、２２０からトラス２３０、２４０へパスされる（トラス構造による支持）。

次に、観測時の観測機器支持機構１００（図３）について説明する。観測機器支持機構１００は、観測開始時に分離アクチュエータ６００を制御してプリロードボルト５００を解放する。これにより、巻バネ７００および支持バネ８００が解放される。巻バネ７００が圧縮状態から復帰することによってプリロードボルト５００が上昇し、プリロードボルト５００の全長が上側結合金具３１０内に移動する。また、支持バネ８００が自然長に復元することにより、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔される。

上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔されることにより、観測機器は無重力状態で支持バネ８００を介してトラス２１０−２４０によって支持される。また、プリロードボルト５００の全長が上側結合金具３１０内に移動し、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔されることにより、熱および振動が、プリロードボルト５００および下側結合金具３２０介して観測機器へ伝導することが抑制される。

以上のように、本実施形態に係るトラス支持機構１００は、打ち上げ時に上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とを結合することによって、観測機器を信頼性高く支持できる。上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが結合した状態では、一般的なロケットの打上げ等で用いる支持機構の設計をそのまま適用できることから、観測機器の性能を地上試験で検証する際に、自重または規定の荷重に構造的に耐える部材を容易に設計することができる。

一方、本実施形態に係る観測機器支持機構１００は、観測開始時にプリロードボルト５００を解放することによって、支持バネ８００が自然長に復元して上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とが離隔される。上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とを離隔した後は、支持バネ８００を介して観測機器の支持を継続できると共に、熱および振動が下側結合金具３２０を介して観測機器へ伝導されることが抑制される。従って、観測機器を極低温環境下で、性能良く動作させることができる。支持バネ８００の材料や形状などを適切に設計することにより、所定の構造強度および熱伝導量を満足させつつ、観測機器の固有振動数を任意に設定することができる。

従って、本実施形態に係る観測機器支持機構１００は、複雑な機構を用いずに、かつトラス構造に限らない支持で、打上げ時の観測機器の支持と、観測開始時の構造強度、熱伝導量および固有振動数の制御と、を行うことができる。

なお、上述の実施形態では、支持バネ８００の断面を六角形に形成したが、これに限定されない。その他の支持バネの斜視図を図５（ａ）、（ｂ）に示す。図５（ａ）の支持バネ８００Ｂは断面が円形に、図５（ｂ）の支持バネ８００Ｃは断面が菱形に形成されている。図５（ａ）、（ｂ）に示す支持バネ８００Ｂ、５００Ｃも、打ち上げ時に圧縮変形された状態で保持され、観測開始時に自然長に復元することにより、上側結合金具３１０と下側結合金具３２０とを離隔させることができる。さらに、支持バネ８００の断面形状を幅や厚さを変えて不均一にしたり、支持バネ８００の個数や支持点の数を変更して、固有振動数や、面外、面内の固有モード等を所望の値に設計することができる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０ 支持機構
２０ 上側結合体
３０ 下側結合体
４０ 弾性体
５０ 結合手段
５１ ボルト
５２ アクチュエータ
６１、６２ 観測機器側トラス
６３、６４ 受側トラス
１００ 観測機器支持機構
２１０−２４０ トラス
３１０ 上側結合金具
３２０ 下側結合金具
４００ 結合機構収納部
４１０ 第１筐体
４２０ 第２筐体
４２１ 第１係止部
４２２ 第２係止部
４３０ 第３筐体
５００ プリロードボルト
５１０ 第１係止受部
５２０ 第２係止受部
６００ 分離アクチュエータ
７００ 巻バネ
８００ 支持バネ
９００ 観測機器支持装置
９１０ 観測機器支持手段
９２０ 結合金具
９３０−９７０ トラス

Claims (5)

1. 互いに結合した状態で被支持体を支持する上側結合体および下側結合体と、
   上部が前記上側結合体に固定され、下部が前記下側結合体に固定された弾性体と、
   前記弾性体を圧縮して前記上側結合体と下側結合体とを結合させた第１の状態から、前記圧縮を解除する結合手段と、
   を備え、
   作動させた第２の状態の時に、圧縮が解除されて前記弾性体が自然長に復元することによって前記上側結合体と下側結合体が離隔することを特徴とする支持機構。
2. 前記弾性体は、帯状体をループにした形状を有する、請求項１記載の支持機構。
3. 前記弾性体は、チタン合金または繊維強化材によって形成される、請求項１または２記載の支持機構。
4. 前記結合手段は、
   上端側に係止部を備えるボルトと、
   第１の状態の時に前記係止部が前記弾性体を圧縮した状態で前記ボルトを把持し、第２の状態の時に前記把持を解除するアクチュエータと、
   を備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載の支持機構。
5. 前記上側結合体の下面および下側結合体の上面には、連通する連通孔がそれぞれ形成され、前記アクチュエータは前記下側結合体側に配置され、前記ボルトは、第１の状態の時、前記連通孔を挿通した状態で下端が前記下側結合体側に位置し、第２の状態の時、前記下端は前記上側結合体側に位置する、請求項４記載の支持機構。

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