JP2015129691A - 姿勢制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】姿勢制御対象物に対して姿勢を変化させるための十分なトルクを安定して与えることができる姿勢制御装置を提供する。【解決手段】姿勢制御装置１００は、姿勢を制御する対象物に固定される筐体１を備え、さらに、筐体１内に、ジャイロモータ１１と、ジャイロモータ１１を一体に回転させるように有する回転シャフト３を支持して筐体１に固定されるジンバル５と、回転シャフト３を回転駆動するモータ１４と、モータ１４の回転を減速して回転シャフト３に伝達する波動歯車装置８と、ジャイロモータ１１の回転数を検出する回転検出器１２とを備える。ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂは、回転シャフト３の回転中心軸Ａと交差する方向に延在する。姿勢制御装置１００の制御装置２０は、回転検出器１２から受けとる回転数情報に基づきジャイロモータ１１の回転数を調節すると共に、モータ１４を回転駆動し、対象物の姿勢を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は、姿勢制御装置に関する。

宇宙空間で用いられる人工衛星等の姿勢制御には、回転体の角運動量を変化させることで慣性トルクを生じさせ、その反作用トルクを人工衛星等の機体に作用させることによって機体の姿勢を変化させる角運動量交換型の姿勢制御がある。この角運動量交換型の姿勢制御は、リアクションホイールによって行われる。機体内に固定されたリアクションホイールの回転速度を加減速すると、角運動量の大きさが変更するため、機体に反作用トルクが作用する。この反作用トルクによって機体の姿勢が変えられる。
例えば、特許文献１には、人工衛星が備える機器搭載パネルにリアクションホイールを搭載した衛星機器搭載構造が記載されている。この衛星機器搭載構造では、リアクションホイールは、機器搭載パネルに形成された切欠き部に傾斜させて挿入され、機器搭載パネルに設けられた機器インターフェース金具の傾斜した取り付け面に固定されている。

特開２００９−２０８６０５号公報

特許文献１に記載されるように、リアクションホールを用いた構成によって人工衛星の姿勢制御を行う場合、リアクションホイールを加減速するだけでは、発生する反作用トルクが小さく、所望する十分な姿勢変化を得ることができないという問題がある。さらに、リアクションホイールの加減速で得られる反作用トルクは、加減速する時点でのリアクションホイールの回転数の影響を受け、連続した姿勢制御を行うとリアクションホイールの回転数も連続的に変化するため、所望の反作用トルクを安定して得ることができないという問題もある。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、姿勢制御対象物に対して姿勢を変化させるための十分なトルクを安定して与えることができる姿勢制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る姿勢制御装置は、姿勢を制御する対象物に固定される筐体と、筐体内に設けられ、回転数が可変であるジャイロモータと、ジャイロモータを一体に回転させるように有する回転シャフトを支持し、筐体内に固定されるジンバルと、筐体内に設けられ、回転シャフトを回転駆動するモータと、筐体内に設けられ、モータの回転を減速して回転シャフトに伝達する減速機と、ジャイロモータ及びモータに供給する電力を制御する制御手段と、筐体内に設けられ、ジャイロモータの回転数を検出する回転検出器とを備え、ジャイロモータの回転中心軸は、回転シャフトの回転中心軸と交差する方向に延在し、制御手段は、回転検出器から受けとる回転数情報に基づき供給電力を制御することでジャイロモータの回転数を調節すると共に、モータを回転駆動し、対象物の姿勢を制御する。

上記姿勢制御装置は、筐体内に設けられ、回転シャフトの回転角度を検出する角度検出器をさらに備え、制御手段は、角度検出器から受けとる回転角度情報にも基づき供給電力を制御することでジャイロモータの回転数を調節してもよい。
ジャイロモータの回転中心軸は、回転シャフトの回転中心軸から離れていてもよい。
制御手段は、モータを一定の回転数で回転駆動してもよい。

この発明に係る姿勢制御装置によれば、姿勢制御対象物に対して姿勢を変化させるための十分なトルクを安定して与えることが可能になる。

この発明の実施の形態に係る姿勢制御装置の模式的な断面側面図である。

実施の形態
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
まず、この発明の実施の形態に係る姿勢制御装置１００の構成を説明する。
図１を参照すると、姿勢制御装置１００は、円筒状の筐体１を備えている。筐体１は、円筒状をした側壁部１ａと、側壁部１ａの両端の開口を閉鎖する端壁部１ｂ及び１ｃとによって構成されている。端壁部１ｂでは、外部から電力の供給を受けるための複数の端子２が環状に配置されて筐体１の内外に突出している。
そして、姿勢制御装置１００が人工衛星等に搭載される場合、筐体１は、人工衛星等の機体に固定される。

筐体１の内部では、筐体１の中心軸である円筒軸Ａをその中心軸として延在する回転シャフト３が設けられ、回転シャフト３の端壁部１ｂ側の端部には、スリップリング４が回転シャフト３と一体に回転するように取り付けられている。スリップリング４は、回転シャフト３に埋め込まれた図示しない導体と電気的に接続されており、回転シャフト３と共に回転しつつ、導体と端子２とを電気的に接続する。なお、回転シャフト３に埋め込まれた導体は、後述するジャイロモータ１１及びジンバル回転用のモータ１４に対して電力を供給できるように電気的に接続されている。

また、筐体１の内部では、スリップリング４に端壁部１ｃ側で隣接して、ジンバル５が設けられている。ジンバル５は、いずれも有底円筒状の形状を有し且つ筐体１の円筒軸Ａ方向に互いに隣接して配置された回転体支持部５ａ、角度検出器支持部５ｂ、及び波動歯車装置支持部５ｃによって構成されている。

回転体支持部５ａは、その底部５ａｂをスリップリング４側にしてスリップリング４に隣接して配置され、その筒部５ａａが筐体１の側壁部１ａに固定されている。
角度検出器支持部５ｂは、その底部５ｂｂを回転体支持部５ａ側にして回転体支持部５ａに隣接して配置され、その筒部５ｂａ及び底部５ｂｂが回転体支持部５ａに固定されている。
波動歯車装置支持部５ｃは、その底部５ｃｂを角度検出器支持部５ｂと反対側にして角度検出器支持部５ｂに隣接して配置され、その筒部５ｃａが角度検出器支持部５ｂに固定されると共に底部５ｃｂが筐体１の側壁部１ａに固定されている。

波動歯車装置支持部５ｃの底部５ｃｂには、その中心に、高減速比を有する減速機として機能する波動歯車装置（ハーモニックドライブ（登録商標）とも呼ばれ、１／３０〜１／３２０等の減速比を有する）８が取り付けられている。
波動歯車装置８は、内周に歯が刻まれた剛体リング状の部品であるサーキュラ・スプライン８ａと、外周にサーキュラ・スプライン８ａよりも少ない数の歯（本実施の形態では、２つの歯が少ない）が刻まれた弾性変形可能な有底円筒状のフレクスプライン８ｂと、楕円状のカム８ｃａの外周にベアリング８ｃｂを組み合わせたウェーブ・ジェネレータ８ｃとを有している。

互いの歯を噛み合わせるようにしてサーキュラ・スプライン８ａの内側にフレクスプライン８ｂが配置され、フレクスプライン８ｂの内側にウェーブ・ジェネレータ８ｃが配置されている。ウェーブ・ジェネレータ８ｃのベアリング８ｃｂは、その内輪がカム８ｃａに固定され、外輪が内輪及び外輪の間のボールを介して変形することができる。

サーキュラ・スプライン８ａは、リングの中心軸を回転シャフト３の中心軸Ａと同軸として配置されて底部５ｃｂに固定されている。フレクスプライン８ｂは、円筒の中心軸を回転シャフト３の中心軸Ａと同軸として配置され、その底部で、回転シャフト３と一体に回転するように連結されている。なお、回転シャフト３は、回転体支持部５ａの底部５ａｂ及び角度検出器支持部５ｂの底部５ｂｂを貫通して延在し、底部５ａｂ及び５ｂｂによって支持されている。
ウェーブ・ジェネレータ８ｃは、カム８ｃａの回転中心軸を回転シャフト３の中心軸Ａと同軸として配置され、カム８ｃａの中心において入力軸９と一体に回転するように連結されている。これにより、フレクスプライン８ｂ及びウェーブ・ジェネレータ８ｃは、中心軸Ａを中心に回転することができる。
フレクスプライン８ｂは、ウェーブ・ジェネレータ８ｃによって楕円状に撓められており、楕円状のカムの長軸部分ではサーキュラ・スプライン８ａと互いの歯を噛み合わせ、短軸部分では歯をサーキュラ・スプライン８ａの歯から離した状態となっている。

入力軸９を介してウェーブ・ジェネレータ８ｃが回転されると、フレクスプライン８ｂは、弾性変形してサーキュラ・スプライン８ａ上における歯が噛み合う位置を順次移動させる。そして、ウェーブ・ジェネレータ８ｃが３６０°回転すると、フレクスプライン８ｂは、サーキュラ・スプライン８ａに対して、ウェーブ・ジェネレータ８ｃの回転方向と反対方向に歯２つ分だけ回転する。これにより、入力軸９の回転は回転速度を大幅に減速させて回転シャフト３に伝達し、さらに、減速する過程で入力軸９の回転トルクは大幅に増大して回転シャフト３に伝達する。

また、回転体支持部５ａの筒部５ａａの内側には、内部に図示しないジャイロモータ１１を含むモータ筐体１０が設けられている。モータ筐体１０は、回転シャフト３の側方に配置され、回転シャフト３の周りを一体に旋回するように回転シャフト３に取り付けられている。そして、モータ筐体１０の外周面は、筒部５ａａの内周面によって摺動自在に支持されている。よって、回転シャフト３を回転させると、モータ筐体１０は、筒部５ａａの内周面に沿って回転シャフト３の周りを回転シャフト３共に旋回する。

また、ジャイロモータ１１は、モータ筐体１０と一体に移動するようにモータ筐体１０の内部で固定されており、給電されると図示しないフライホイールを回転シャフト３の中心軸Ａに垂直であり且つ中心軸Ａから離れた中心軸Ｂを中心にさせるように、動作する。そして、ジャイロモータ１１は、制御手段を構成する制御装置２０によって供給される電力が変更されることで、その回転数を変動させるように構成されている。
ジャイロモータ１１は、それ自体の回転数を検出するための図示しない回転検出器１２を一体に含んでいる。回転検出器１２は、検出した回転数情報を制御装置２０に端子２を介して送るように構成されており、回転検出器１２として、例えば、ＳＭＲＤ等が用いることができる。

また、角度検出器支持部５ｂの筒部５ｂａの内側には、回転シャフト３の外周を囲繞するようにして角度検出器１３が設けられている。角度検出器１３は、筒部５ｂａに固定されると共に回転シャフト３の外周に取り付けられ、筐体１に対する回転シャフト３の回転角度を検出し、端子２を介して検出角度を制御装置２０に送るように構成されている。角度検出器１３として、例えば、レゾルバ等を用いることができる。

また、筐体１の内部では、ジンバル５の波動歯車装置支持部５ｃの底部５ｃｂに端壁部１ｃ側で隣接して、ステップモータ等のモータ１４が設けられている。
モータ１４は、回転シャフト３及び入力軸９と同軸上で回転するように配置されると共に入力軸９に一体に回転するように連結されたロータ１４ａと、ロータ１４ａに外周を囲繞するように設けられると共に筒状の側壁部１ａに固定されたステータ１４ｂとを含んでいる。

ステータ１４ｂは、巻線を含み、スリップリング４及び回転シャフト３内の導体を介して電力の供給を受ける。ロータ１４ａは、ステータ１４ｂの巻線に対向する外周面近傍に、周方向に沿って埋め込まれた永久磁石１４ａａを含んでいる。よって、ステータ１４ｂにおける予め決められた相の巻線に直流電流を印加すると、ロータ１４ａの永久磁石１４ａａが巻線から生じる磁界により吸引されることによって、ロータ１４ａが入力軸９と共に、中心軸Ａを中心に回転する。さらに、直流電流を印加するステータ１４ｂの巻線の相を切り換えることによって、ロータ１４ａの回転速度及び回転方向が変えられる。

次に、この発明の実施の形態に係る姿勢制御装置１００の動作を説明する。
図１を参照すると、図示しない機体に筐体１が固定された姿勢制御装置１００では、端子２及びスリップリング４を介して電力が供給されており、ジャイロモータ１１がそのフライホイールを一定速度で高速回転させる状態を維持するように動作している。
制御装置２０は、機体の姿勢を変更する指令を操作者から受けると、モータ１４のステータ１４ｂに電力を供給し、ロータ１４ａ及び入力軸９を中心軸Ａを中心に所定の一定の回転数で回転駆動させる。入力軸９の回転は、波動歯車装置８を介して回転速度を大幅に減速すると共に回転トルクを大幅に増加させて、回転シャフト３に伝達する。

これにより、回転シャフト３と共にモータ筐体１０内のジャイロモータ１１が中心軸Ａを中心に低速度且つ高トルクで回転駆動される。ジャイロモータ１１が回転シャフト３の周囲を旋回してその回転中心軸Ｂの角度を変化させることによって、慣性トルクが発生し、ジンバル５を介してジャイロモータ１１を支持すると共に機体に固定された筐体１にはこの慣性トルクの反作用トルク（プリセッショントルク）が作用する。そして、この反作用トルクは、筐体１及び機体を軸Ａ及び軸Ｂに垂直な軸を中心に筐体１を回転させる。

このときの筐体１及び機体の回転速度は、ジャイロモータ１１自体（フライホイール）の回転数が高いほど高くなる。このため、制御装置２０は、指令された姿勢制御装置１００及び機体の回転速度に合わせるようにジャイロモータ１１の回転数を調節して、モータ１４を起動する。
また、筐体１及び機体の回転方向は、モータ１４に供給する交流電圧の位相を変えてロータ１４ａの回転方向を正逆に変化させることによって、正逆に変化する。このため、制御装置２０は、指令された姿勢制御装置１００及び機体の回転方向に合わせるように、回転方向を調節してモータ１４を起動する。

よって、制御装置２０は、指令された姿勢制御装置１００及び機体の回転方向及び回転速度に合わせるように、供給する交流電圧の位相を制御してモータ１４の回転方向及びジャイロモータ１１の回転速度を制御し、さらに、回転検出器１２から受け取るジャイロモータ１１の回転数情報と角度検出器１３から受け取る回転シャフト３すなわちジャイロモータ１１の回転角度情報（旋回角度情報）とを使用したフィードバック制御を行うことによってジャイロモータ１１の回転数を上昇又は下降させて調節する。

このように、この発明の実施の形態に係る姿勢制御装置１００は、姿勢を制御する対象物に固定される筐体１と、筐体１内に設けられ且つ回転数が可変であるジャイロモータ１１と、ジャイロモータ１１を一体に回転させるように有する回転シャフト３を支持し且つ筐体１内に固定されるジンバル５と、筐体１内に設けられ且つ回転シャフト３を回転駆動するモータ１４と、筐体内１に設けられ且つモータ１４の回転を減速して回転シャフト３に伝達する波動歯車装置８と、ジャイロモータ１１及びモータ１４に供給する電力を制御する制御装置２０と、筐体１内に設けられ且つジャイロモータ１１の回転数を検出する回転検出器１２とを備える。そして、ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂは、回転シャフト３の回転中心軸Ａと交差する方向に延在し、制御装置２０は、回転検出器１２から受けとる回転数情報に基づき供給電力を制御することでジャイロモータ１１の回転数を調節すると共に、モータ１４を回転駆動し、対象物の姿勢を制御する。

このとき、姿勢制御装置１００では、ジャイロモータ１１が回転しているときにモータ１４を回転駆動すると、回転シャフト３と共にジャイロモータ１１が回転中心軸Ａを中心に回転する。モータ１４の回転駆動力は、波動歯車装置８で減速され且つ回転トルクを増加させて回転シャフト３に伝達するため、ジャイロモータ１１は、高回転トルクで回転させられる。これにより、高い慣性トルクが発生し、ジャイロモータ１１を支持する筐体１及び対象物には、この慣性トルクに対する高い反作用トルクが作用するため、対象物は高いトルクで姿勢変化を受ける。また、回転が減速して回転シャフト３に伝達するモータ１４の回転数を変化させても、ジャイロモータ１１に作用する回転トルクの変動は大きくなく、反作用トルクの変動も大きくならないが、ジャイロモータ１１自体（フライホイール）の回転数を変化させると、モータ１４の回転数が同一であっても、反作用トルクは大きく変動し、得られるトルク値もジャイロモータ１１自体の回転数に対応した安定したものとなる。よって、姿勢制御装置１００は、対象物に対して姿勢を変化させるための十分なトルクを安定して与えることを可能にする。また、上述のように高トルクを与えることができる姿勢制御装置１００は、回転体（ジャイロモータ１１のフライホイール）の回転半径を小さくすることができるため、小型化も可能にする。

また、姿勢制御装置１００は、筐体１内に設けられ且つ回転シャフト３の回転角度を検出する角度検出器１３をさらに備える。そして、制御装置２０は、対象物の姿勢制御時、回転検出器１２から受けとる回転数情報に加え、角度検出器１３から受けとる回転角度情報にも基づき供給電力を制御することでジャイロモータ１１の回転数を調節する。このとき、制御装置２０は、回転シャフト３の周りのジャイロモータ１１の回転状態（回転数）と、ジャイロモータ１１自体の回転数とを用いることによって、対象物に作用する反作用トルクをより確実に予測することができる。よって、対象物に対して安定した姿勢の制御が可能になる。

また、姿勢制御装置１００において、ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂは、回転シャフト３の回転中心軸Ａから離れている。このとき、回転シャフト３を回転させたときに回転シャフト３の周囲を旋回するジャイロモータ１１が発生するモーメントが大きくなるため、対象物に作用する反作用トルクを大きくすることができる。
また、姿勢制御装置１００において、制御装置２０は、モータ１４を一定の回転数で回転駆動する。これにより、対象物の姿勢制御時、制御装置２０は、ジャイロモータ１１自体の回転数のみを制御すればよいため、制御が容易になる。

また、実施の形態の姿勢制御装置１００では、ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂと回転シャフト３の中心軸Ａとが交点を有して交わらないように、ジャイロモータ１１は、回転シャフト３の側方に配置され、回転シャフト３の周囲を旋回する構成であったが、これに限定されるものでない。回転シャフト３をモータ筐体１０の両側に接続し、回転シャフト３の中心軸Ａとジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂとが交点を有して交わる構成としてもよい。この場合、ジャイロモータ１１は、回転シャフト３と共に中心軸Ａを中心に回転するが、回転中心軸Ｂの角度が変化するため、筐体１には反作用トルクが作用する。なお、回転中心軸Ｂの角度の変化速度が低下するため、筐体１に作用する反作用トルクは小さくなる。
また、実施の形態の姿勢制御装置１００では、ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂは、回転シャフト３の中心軸Ａに対して垂直であったが、垂直な方向から傾いていてもよい。この場合も、回転シャフト３が回転すると、ジャイロモータ１１の回転中心軸Ｂの角度が変化するため、筐体１には反作用トルクが作用する。

また、実施の形態の姿勢制御装置１００では、姿勢制御時、制御装置２０は、所定の一定の回転数でモータ１４を回転駆動していたが、これに限定されるものでない。制御装置２０は、ジャイロモータ１１自体の回転数及びモータ１４の回転数の両方を調節して制御を行ってもよい。これにより、筐体１及び人工衛星の機体に作用する反作用トルクを増大させることが可能になる。

１ 筐体、３ 回転シャフト、５ ジンバル、８ 波動歯車装置（減速機）、１１ ジャイロモータ、１２ 回転検出器、１３ 角度検出器、１４ モータ、２０ 制御装置（制御手段）、１００ 姿勢制御装置。

Claims (4)

1. 姿勢を制御する対象物に固定される筐体と、
   前記筐体内に設けられ、回転数が可変であるジャイロモータと、
   前記ジャイロモータを一体に回転させるように有する回転シャフトを支持し、前記筐体内に固定されるジンバルと、
   前記筐体内に設けられ、前記回転シャフトを回転駆動するモータと、
   前記筐体内に設けられ、前記モータの回転を減速して前記回転シャフトに伝達する減速機と、
   前記ジャイロモータ及び前記モータに供給する電力を制御する制御手段と、
   前記筐体内に設けられ、前記ジャイロモータの回転数を検出する回転検出器と
   を備え、
   前記ジャイロモータの回転中心軸は、前記回転シャフトの回転中心軸と交差する方向に延在し、
   前記ジャイロモータは回転数が可変であり、
   前記制御手段は、前記回転検出器から受けとる回転数情報に基づき供給電力を制御することで前記ジャイロモータの回転数を調節すると共に、前記モータを回転駆動し、前記対象物の姿勢を制御する姿勢制御装置。
2. 前記筐体内に設けられ、前記回転シャフトの回転角度を検出する角度検出器をさらに備え、
   前記制御手段は、前記角度検出器から受けとる回転角度情報にも基づき供給電力を制御することで前記ジャイロモータの回転数を調節する請求項１に記載の姿勢制御装置。
3. 前記ジャイロモータの回転中心軸は、前記回転シャフトの回転中心軸から離れている請求項１または２に記載の姿勢制御装置。
4. 前記制御手段は、前記モータを一定の回転数で回転駆動する請求項１〜３のいずれか一項に記載の姿勢制御装置。

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