JP2015000008A - 重力制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な処理に基づいて第１回転体及び第２回転体の回転を制御可能で製造コストの低減が可能な重力制御装置を提供する。【解決手段】重力制御装置１は、第１駆動装置の駆動によって第１軸１１ａのまわりを回転する第１回転体１０と、第２駆動装置の駆動によって、第１回転体１０の回転領域の内側領域にて、第１軸１１ａに直交する第２軸の回りを回転する第２回転体２０と、第２回転体２０の任意の位置に設置されて加速度を検出する加速度検出装置４０と、第１駆動装置及び第２駆動装置の駆動を制御する制御装置５０とを備える。制御装置５０は、加速度検出装置４０で検出された加速度データに基づいて、第１駆動装置及び第２駆動装置の駆動を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、重力制御装置に関する。
種々の分野において、重力を制御可能な装置が提案されている。例えば、宇宙での細胞培養実験等から生物の成長は重力に大きく影響を受けることが知られており、地球上においても無重力環境下或いは低重力環境下で細胞培養実験を行い得るよう、重力を変動させて擬似的に微小重力を発生させ得る装置が提案されている。
例えば、特許文献１に開示されているように、第１回転軸まわりに回転する第１回転体と第１回転軸に直交する第２回転軸まわりに回転する第２回転体とから構成され、３次元的に培養容器を回転させる装置がある。
特開２０１０−１９３９１０号公報
特許文献１では、複雑な計算式に基づいて第１回転体及び第２回転体の回転を制御しているため、装置の製造コストが高くなるという課題を有する。
本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な処理に基づいて第１回転体及び第２回転体の回転を制御可能で製造コストの低減が可能な重力制御装置を提供することにある。
本発明に係る重力制御装置は、
第１駆動装置の駆動によって第１軸のまわりを回転する第１回転体と、
第２駆動装置の駆動によって、前記第１回転体の回転領域の内側領域にて、前記第１軸に直交する第２軸のまわりを回転する第２回転体と、
前記第２回転体の任意の位置に設置されて加速度を検出する加速度検出装置と、
前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記加速度検出装置で検出された加速度データに基づいて、前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御する、
ことを特徴とする。
また、前記制御装置は、下式１から加速度ベクトルを算出し、所定時間当たりの前記加速度ベクトルの積分が所定の値となるように前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御することが好ましい。
Figure 2015000008
 （式１中、Ａ、ｇ、ｒ及びωは、それぞれ、前記第２回転体の任意の点Ｐにおける加速度ベクトル、前記点Ｐにおける重力加速度ベクトル、前記第１軸及び前記第２軸の交点から前記点Ｐへの距離ベクトル及び前記点Ｐにおける角速度ベクトルを表す。）
本発明に係る重力制御装置では、簡易な処理で第１回転体及び第２回転体の回転を制御可能であることから、製造コストの低減が可能である。
重力制御装置が作動している状態を示す斜視図である。 重力制御装置の内部構造を示す部分断面図である。
以下、図を参照しつつ、本実施の形態に係る重力制御装置について説明する。重力制御装置１は、図１、２に示すように、第１回転体１０、第１軸１１ａ、１１ｂ、第１駆動装置収容部３２に収容された第１駆動装置１２、第２回転体２０、第２軸２１ａ、２１ｂ、第２駆動装置収容部３３に収容された第２駆動装置２２、支持台３０、支持部材３１ａ、３１ｂ、加速度検出装置４０、制御装置５０を備える。
支持台３０から支持部材３１ａ、３１ｂが対向して立設している。この支持部材３１ａ、３１ｂの間に第１回転体１０、第２回転体２０等が支持されている。
第１回転体１０は、第１軸１１ａ、１１ｂに軸支されている。第１軸１１ａ、１１ｂは同軸上に配置されている。第１軸１１ａの一端が第１回転体１０と連結しており、また、他端が第１駆動装置１２の出力軸１２ａに連結している。第１軸１１ｂは、支持部材３１ａに固定されて第１回転体１０が摺動可能な形態であっても、第１回転体１０に固定されて支持部材３１ａに対して摺動可能な形態であってもよい。このような構成により、第１駆動装置１２が駆動すると出力軸１２ａに連結した第１軸１１ａが回転し、第１回転体１０が第１軸１１ａ、１１ｂまわりに回転する。
第１回転体１０は、ここでは矩形の枠体であり、第１回転体１０の回転領域の内側領域には、第２回転体２０が配置されて回転可能な程度の空間を有している。
第１回転体１０の対向する枠それぞれに、第２軸２１ａ、２１ｂがそれぞれ取り付けられている。第２軸２１ａ、２１ｂは同軸上に配置されている。この第２軸２１ａ、２１ｂに第２回転体２０が取り付けられている。
第２軸２１ａの一端は第２回転体２０に連結しており、また、他端が傘歯車２８に連結している。傘歯車２８が回転すると、第２回転体２０は第１回転体１０の内側領域にて回転する。第２軸２１ｂは、一端が第２回転体２０に連結しており、また、他端は第１回転体１０に摺動可能に取り付けられている。
第２回転体２０は、微少重力環境や荷重力環境等、種々の重力環境下におきたいものが取り付けられる場である。例えば、第２回転体２０には、細胞培養用の密封型の培養容器が取り付けられ、微少重力環境や荷重力環境等、種々の重力環境下にて細胞の培養実験を行うことができる。第２回転体２０への培養容器の取り付けは、第２回転体２０の任意の箇所に紐やゴム、固定具などを用いて固定される。また、第２回転体２０には、細胞容器取り付け用の取り付け部が形成されていてもよい。
第２駆動装置２２は、支持部材３１ａに設置されている。第２駆動装置２２の出力軸２２ａが第１軸１１ａ、１１ｂと平行に設置されており、出力軸２２ａには、歯車２３が設置されている。歯車２３は、第１軸１１ｂに摺動可能に取り付けられた歯車２４と噛み合うよう設置されている。
歯車２４は第１回転体１０の内部に配置される傘歯車２５と一体的に形成されている。歯車２４及び傘歯車２５には第１軸１１ｂが貫通しており、歯車２４及び傘歯車２５が第１軸１１ｂに対して摺動可能に構成されている。
第１回転体１０の内部には、第２駆動装置２２からの駆動力を第２軸２１ａへ伝達する回転力伝達部材２６、２７が配置されている。
回転力伝達部材２６は、シャフト２６ｂの両端に傘歯車２６ａ、２６ｃがそれぞれ取り付けられて構成されている。シャフト２６ｂは、第１回転体１０に摺動可能に設置されるとともに、第１軸１１ａに対して垂直に（第２軸２１ａ、２１ｂに対して平行に）設置されている。
一方、回転力伝達部材２７は、シャフト２７ｂの両端に傘歯車２７ａ、２７ｃがそれぞれ取り付けられて構成されている。シャフト２７ｂは、第１回転体１０に摺動可能に設置されるとともに、第１軸１１ａに対して平行に（第２軸２１ａ、２１ｂに対して垂直に）設置されている。
回転力伝達部材２６の傘歯車２６ｃは第１軸１１ｂに取り付けられている傘歯車２５と噛み合っている。また、傘歯車２６ａは、回転力伝達部材２７の傘歯車２７ａと噛み合っている。また、傘歯車２７ｃは第２回転体２０に連結している第２軸２１ａに取り付けられた傘歯車２８と噛み合っている。
第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２は、第１回転体１０、第２回転体２０に回転力を供給可能な電動の駆動装置が用いられ、例えば、出力軸１２ａ、２２ａの回転を高精度に制御可能なサーボモータ、ステッピングモータ等のモータが用いられる。
加速度検出装置４０は、第２回転体２０の任意の位置に設置され、第２回転体２０の任意の位置の加速度を検出する。加速度検出装置４０として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向の加速度をそれぞれ検出可能な３軸加速度センサが用いられる。
制御装置５０は、第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２のそれぞれの回転数を制御し、第１回転体１０及び第２回転体２０の回転数を制御する。
制御装置５０は、加速度検出装置４０で検出された加速度データに基づき、第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２の駆動を制御する。
なお、加速度検出装置４０と制御装置５０とは、無線で加速度データを通信可能な形態であることが好ましい。この場合、加速度検出装置４０が無線送信部を備え、一方の制御装置５０が無線受信部を備える。
また、加速度検出装置４０は、内蔵の蓄電池を備え、外部から無線で電力伝送を受けて、加速度の検出及び制御装置５０への送信を行い得る形態であることが好ましい。この場合、支持台３０や支持部材３１ａ、３１等、任意の箇所に加速度検出装置４０に電力伝送を行い得る装置を備える。電力伝送の方式として、電波方式、電磁誘導方式、電磁界共鳴方式など公知の方式が用いられ得る。
続いて、制御装置５０による第１回転体１０、第２回転体２０の回転制御について説明する。
第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２が駆動して、第１回転体１０及び第２回転体２０がそれぞれ回転している間、継続的に加速度検出装置４０が３軸方向の加速度を検出する。
この検出された加速度データは、制御装置５０に送信される。制御装置５０では、送信された加速度データに基づき、式１を用いて加速度ベクトルを算出する。加速度検出装置４０が設置されている箇所を点Ｐとした場合、式１中のＡ、ｇ、ｒ及びωは、それぞれ、点Ｐにおける加速度ベクトル、点Ｐにおける重力加速度ベクトル、第２回転体の中心（第１軸１１ａ、１１ｂ及び第２軸２１ａ、２１ｂの交点）から点Ｐへの距離ベクトル及び点Ｐにおける角速度ベクトルを表している。
Figure 2015000008
加速度検出装置４０では、３軸方向のそれぞれの方向の加速度データが得られ、制御装置５０では、得られたそれぞれの加速度データから点Ｐにおける第１軸１１ａ、１１ｂまわりの角速度ベクトル（ω１）、第２軸２１ａ、２１ｂまわりの角速度ベクトル（ω２）、並びに重力加速度ベクトル（ｇ）が成分解析される。また、第１軸１１ａ、１１ｂまわりの角速度ベクトル（ω１）及び第２軸２１ａ、２１ｂまわりの角速度ベクトル（ω２）から点Ｐにおける角速度ベクトル（ω）が解析され、式１に基づいて点Ｐにおける加速度ベクトルを算出する。なお、上記の解析は任意の手法で行い得る。また、任意の点における第１軸１１ａ、１１ｂまわりの角速度ベクトル（ω１）、第２軸２１ａ、２１ｂまわりの角速度ベクトル（ω２）は、回転数検出装置による検出に基づく形態であっても、第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２の回転数から算出する形態であってもよい。
そして、第１回転体１０及び第２回転体２０が回転している最中、継続して点Ｐの加速度ベクトルが算出され、所定時間あたり（例えば、１０分間）の加速度ベクトルの積分が擬似無重力状態（およそ１／１０００Ｇ）となるように、フィードバックして第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２の駆動を制御する。これにより、擬似的に微小重力環境を生成させ得る。例えば、第１回転体１０の角速度と第２回転体２０の角速度の比を特定の比とし、第１回転体１０及び第２回転体２０をそれぞれ等角速度で回転させるよう、第１駆動装置１２及び第２駆動装置２２の駆動を制御してもよい。
また、制御装置５０が所定時間あたりの点Ｐにおける加速度ベクトルの積分が１／６Ｇとなるよう、第１回転体１０及び第２回転体２０のそれぞれの回転を制御することで月における重力環境の再現のほか、２Ｇや３Ｇなど１Ｇを超える荷重力環境など多彩な重力環境を擬似的に再現することも行い得る。
このように、本実施の形態に係る重力制御装置１では、簡易な処理で第２回転体２０内の空間を微小重力環境のほか、種々の重力環境にすることができ、重力制御装置１のコストの低減が可能である。
なお、上記では、第２駆動装置２２が第１回転体１０の外部に配置された例をとって説明したが、第２駆動装置２２が第１回転体１０に設置され、スリップリング及びブラシから構成されるカップリング等の接触式給電機構によって電力を供給して第２駆動装置２２を駆動させる形態であっても同様に制御可能である。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
１ 重力制御装置
１０ 第１回転体
１１ａ、１１ｂ 第１軸
１２ 第１駆動装置
１２ａ 出力軸
２０ 第２回転体
２１ａ、２１ｂ 第２軸
２２ 第２駆動装置
２２ａ 出力軸
２３ 歯車
２４ 歯車
２５ 傘歯車
２６ 回転力伝達部材
２６ａ 傘歯車
２６ｂ シャフト
２６ｃ 傘歯車
２７ 回転力伝達部材
２７ａ 傘歯車
２７ｂ シャフト
２７ｃ 傘歯車
２８ 傘歯車
３０ 支持台
３１ａ、３１ｂ 支持部材
３２ 第１駆動装置収容部
３３ 第２駆動装置収容部
４０ 加速度検出装置
５０ 制御装置

Claims (2)

  1. 第１駆動装置の駆動によって第１軸のまわりを回転する第１回転体と、
    第２駆動装置の駆動によって、前記第１回転体の回転領域の内側領域にて、前記第１軸に直交する第２軸のまわりを回転する第２回転体と、
    前記第２回転体の任意の位置に設置されて加速度を検出する加速度検出装置と、
    前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記加速度検出装置で検出された加速度データに基づいて、前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御する、
    ことを特徴とする重力制御装置。
  2. 前記制御装置は、下式１から加速度ベクトルを算出し、所定時間当たりの前記加速度ベクトルの積分が所定の値となるように前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置の駆動を制御する、
    Figure 2015000008
     （式１中、Ａ、ｇ、ｒ及びωは、それぞれ、前記第２回転体の任意の点Ｐにおける加速度ベクトル、前記点Ｐにおける重力加速度ベクトル、前記第１軸及び前記第２軸の交点から前記点Ｐへの距離ベクトル及び前記点Ｐにおける角速度ベクトルを表す。）
    ことを特徴とする請求項１に記載の重力制御装置。
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