JP2017017807A

JP2017017807A - 制動機構、制動機構を備えるリアクションホイール、リアクションホイール装置、リアクションホイールシステム

Info

Publication number: JP2017017807A
Application number: JP2015130133A
Authority: JP
Inventors: 真司巳谷; Shinji Mitani; 修平茂渡; Shuhei Mowatari
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: JP7046343B2

Abstract

【課題】小型、軽量、長寿命の制動機構及びリアクションホイールを提供すること。【解決手段】フレームと、前記フレームに対向して配置された回転体と、前記フレームと前記回転体との間に配置された電磁石と、前記フレームに取り付けられ、前記電磁石を前記フレーム側に付勢する付勢部材と、を備え、前記回転体の前記電磁石に対向する部分の少なくとも一部は、強磁性体材料で形成され、前記電磁石の非励磁時に前記電磁石と前記回転体が離間するように前記電磁石が前記付勢部材により付勢され、前記電磁石の励磁時に前記電磁石が前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転体に接触することによって前記回転体が制動される制動機構。【選択図】図２

Description

この発明は、制動機構及び制動機構を備えるリアクションホイールに関するものであり、より詳細には電磁石を用いる制動機構及び電磁石を用いる制動機構を備えるリアクションホイールに関する。

従来の回転体の制動に用いられる電磁ブレーキは、図９に模式的に示されるような構造であった。すなわち、電磁ブレーキにおいて、回転体９０１には、強磁性体材料で形成されたアーマチュア９０２が、板ばね等の付勢部材９０３を介して取り付けられ、アーマチュア９０２と所定距離だけ離間させて固定された電磁石９０５が配置されている。そして、電磁石９０５が励磁されると発生した磁束による磁力によって付勢部材９０３の付勢力に抗してアーマチュア９０２が電磁石９０５に接触し、回転体９０１の制動が行われる。

また、リアクションホイール三台の直交内部配置を有する１５ｃｍ立方の三次元倒立振子が報告されている（非特許文献１）。この三次元倒立振子は、フライホイールの反力で姿勢を制御し、立方体の稜（辺）や角でバランスを保ったり、フライホイールをサーボモータで回転運動を急停止させることで急峻な動きを実現している。フライホイールの制動機構は図１０に示される構造である。すなわち、サーボモータ９１１に取り付けられた腕９１２の端部に設けられたブレーキパッド９１３を、フライホイール９１４に取り付けられた突起部９１５に急激に衝突させることによって、フライホイール９１４を急停止させている。

Mohanarajah Gajamohan, Michael Merz, Igor Thommen and Raffaello D’Andrea, "The Cubli: A Cube that can Jump Up and Balance," 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2012, pp. 3722 - 3727

制動機構やリアクションホイールは、その小型化、軽量化、長寿命化が求められている。

この点、上記の三次元倒立振子においては、急峻な動きを実現するためにサーボモータの端部にブレーキパッドを取り付け、リアクションホイールの急停止を可能としている。しかしこの方法は、高速回転するホイールに接触する面積を広く取れないことによるパッド部分の急激な機械的摩耗や損傷といった問題点がある。そのため動作の再現性や動作寿命に限界がある。また、３軸の各軸のリアクションホイールのそれぞれに、サーボモータおよびドライバ、ブレーキパッド機構が必要となり、そのスペースを各リアクションホイールの上面かつ側面に確保する必要があり、システムが複雑化し、モジュール全体の小型化が難しい。

そこで、本発明は、小型、軽量、長寿命の制動機構及びリアクションホイールを提供することを目的の１つとする。

本発明の１つの態様は、フレームと、前記フレームに対向して配置された回転体と、前記フレームと前記回転体との間に配置された電磁石と、前記フレームに取り付けられ、前記電磁石を前記フレーム側に付勢する付勢部材とを備え、前記回転体の前記電磁石に対向する部分の少なくとも一部は、強磁性体材料で形成され、前記電磁石の非励磁時に前記電磁石と前記回転体が離間するように前記電磁石が前記付勢部材により付勢され、前記電磁石の励磁時に前記電磁石が前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転体に接触することによって前記回転体が制動される制動機構を提供するものである。

前記制動機構は、前記電磁石の励磁時に前記回転体を急停止させることができる。

前記回転体には、前記電磁石と対向する側に前記電磁石の少なくとも一部を収容可能な凹部が形成され、前記回転体が前記電磁石を覆うように配置されているものとすることができる。

前記電磁石は、リング状又は円弧状の形状とすることができる。

前記電磁石の励磁時に前記電磁石の前記回転体に接触する面と、前記電磁石の励磁時に前記回転体の前記電磁石に接触する面は、相補的な形状を有することができる。

前記電磁石の励磁時に前記電磁石が前記回転体の外縁部に接触するものとすることができる。

前記付勢部材は板ばねとすることができる。

前記制動機構は、無線通信ユニットを更に備え、前記制御ユニットが前記無線通信ユニットを介して遠隔操作可能であるものとすることができる。

本発明の別の態様は、上記制動機構を備えるリアクションホイールを提供するものである。

前記回転体の前記電磁石に対向する側の部分以外の部分が、前記強磁性体材料よりも密度の高い材料で形成されているものとすることができる。

本発明の別の態様は、上記の２つ以上のリアクションホイールと、前記２つ以上のリアクションホイールの前記電磁石の各々の励磁状態を制御する制御ユニットとを備え、前記２つ以上のリアクションホイールは、前記２つ以上のリアクションホイールの回転体の回転軸線の方向が互いに異なるリアクションホイール装置を提供するものである。

前記２つ以上のリアクションホイールは、３つのリアクションホイールであり、前記３つのリアクションホイールは、前記３つのリアクションホイールの回転体の回転軸線が互いに直交するように配置されることができる。

前記３つのリアクションホイールのフレームの形状は同一の正方形形状とすることができる。

本発明の別の態様は、回転軸線の回りに第１の方向に回転する第１の回転体を備えた第１のリアクションホイールと、前記回転軸線と同軸の又は前記回転軸線と平行な方向の回転軸線の回りに前記第１の方向と反対の第２の方向に回転する第２の回転体を備えた第２のリアクションホイールとを含むリアクションホイール対と、前記第１の回転体と前記第２の回転体の各々の回転状態を制御する制御ユニットを備え、前記制御ユニットは、前記第１の回転体と前記第２の回転体の角運動量の絶対値が等しくなるように前記第１の回転体と前記第２の回転体を回転させ、運動開始信号に応答して、前記リアクションホイール対のうちの一方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させ、他方のリアクションホイールの回転体の回転を続けさせ、次いで運動終了信号に応答して、前記他方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させるリアクションホイールシステムを提供するものである。運動開始信号に応答して、前記リアクションホイール対のうちの一方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させ、他方のリアクションホイールの回転体の回転を続けさせることにより、リアクションホイールシステムの回転体以外の部分又はリアクションホイールシステムが設置された装置（例えば、宇宙機）である運動体と前記一方のリアクションホイールとの間で角運動量交換を起こさせ、前記一方のリアクションホイールの回転体の回転方向と同一方向の角運動量を運動体に即時に発生させ、運動体を回転させる。次いで運動終了信号に応答して、前記他方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させることにより、運動体と前記他方のリアクションホイールとの間で角運動量交換を起こさせ、運動体の角運動量とは逆向きで大きさの等しい、前記他方のリアクションホイールの角運動量が運動体に加わり、運動体の角運動量が相殺され、運動体の回転運動を即時に停止させることができる。なお、初期状態、最終状態ともに、リアクションホイール対と運動体で構成される全体の系の持つ角運動量はゼロであるが、両者の違いは、初期状態はリアクションホイール対の両回転体が逆向きに同じ角運動量絶対値で回転しているのに対し、最終状態ではリアクションホイール対の両回転体の回転が停止している点である。

前記第１の回転体と前記第２の回転体は、同一の形状で同一の慣性モーメントを有することができる。

前記第１のリアクションホイールと前記第２のリアクションホイールは、上記のリアクションホイールとすることができる。

本発明の別の態様は、上記のリアクションホイール装置を２つ備え、前記第１のリアクションホイールは２つの前記リアクションホイール装置の一方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つであり、前記第２のリアクションホイールは２つの前記リアクションホイール装置の他方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つである上記のリアクションホイールシステムを提供するものである。

上記リアクションホイールシステムは、前記２つ以上のリアクションホイールの回転体の回転軸線の方向のそれぞれについて、２つの前記リアクションホイール装置の一方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つと、２つの前記リアクションホイール装置の他方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つとからなる前記リアクションホイール対を備えることができる。

本発明の別の態様は、回転軸線の回りに回転する回転体を備えるｎ個（ｎ≧３）のリアクションホイールと、前記ｎ個のリアクションホイールの回転体の各々の回転状態を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記ｎ個のリアクションホイールの回転体を、それらの合計角運動量がゼロとなるように回転させ、運動開始信号に応答して、１つ又はそれ以上ですべてではないリアクションホイールの回転体の回転を急停止させ、残りのリアクションホイールの回転体の回転を続けさせ、その後運動終了信号に応答して、回転している回転体のすべての回転を急停止させるリアクションホイールシステムを提供するものである。

本明細書及び特許請求の範囲において、「急停止」とは、これに限定されるものではないが、例えば１ｓ程度以下の時間で回転体を静止させることをいう。

上記構成を有する本発明によれば、小型、軽量、長寿命の制動機構及びリアクションホイールが提供される。

本発明の第１の実施形態に係るリアクションホイールの斜視図である。本発明の第１の実施形態に係るリアクションホイールの分解斜視図である。図１のIII−III断面図である。本発明の第２の実施形態に係るリアクションホイール装置の斜視図である。本発明の第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムの動作原理を示す図である。本発明の第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムの斜視図である。本発明の第４の実施形態に係るリアクションホイールシステムの動作原理を示す図である。本発明の第４の実施形態に係るリアクションホイールシステムの斜視図である。従来の電磁ブレーキの構造を模式的に示す図である。従来の三次元倒立振子の制動機構の構造を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るリアクションホイールの斜視図、図２は、本発明の第１の実施形態に係るリアクションホイールの分解斜視図、図３は、図１のIII−III断面図である。

図１〜３に示されるように本実施形態に係るリアクションホイール１は、フレーム１０と、付勢部材である板ばね１１と、電磁石１２と、回転体であるフライホイール１３と、モータ１４とを備え、この順に配置されている。

フレーム１０は正方形形状の第１のフレーム部１０１と、第１のフレーム部１０１の各頂点を結ぶように配置された十字状の第２のフレーム部１０２を有する。このようにフレームに開口部を有する構成とすることによりフレームを軽量化することができる。フレームは、開口部がない板状の構成とすることができるし、開口部の数や形状等は任意の適切な数や形状とすることができる。第２のフレーム部１０２の中心部にはモータ１４のシャフト１４３を通すための穴１０３が設けられている。フレーム１０の角の１つには支持柱１５がねじによって固定されており、支持柱１５には支持腕１６の一端がねじによって接続されている。支持腕１６の他端にはモータマウント１７が一体化して接続されている。

モータ１４は、略円筒状のモータ本体１４１とシャフト１４３を備え、シャフト１４３に取り付けられた後述のフライホイール１３を回転させる。モータ本体１４１は、軸線方向の中央に突出した円筒状の凸状部１４１ａを有する。モータマウント１７には穴１７１が設けられており、凸状部１４１ａがその穴１７１に嵌め込まれ、モータマウント１７上にモータ本体１４１が載置され固定されている。

フライホイール１３は、一体化して形成されている本体部１３１とスポーク部１３２を有し、強磁性体材料で形成されている。本体部１３１は環状に形成されており、スポーク部は本体部１３１の内側に設けられている。本体部１３１の外周面の軸線方向の一端側には面取り部が形成されている。このような構成によって、例えば後述のような３軸のリアクションホイール装置を形成する際に、隣接するリアクションホイールをより接近させて配置させることができ、より装置を小型化することができる。本体部１３１の電磁石１２に対向する側には電磁石１２を収容可能な凹部１３１ａが形成され、凹部１３１ａの電磁石に対向する面は平面に形成されている。スポーク部１３２の中央にはモータ１４のシャフト１４３を通し、後述の接続部材１８の凸状部１８３を嵌め込むための穴１３３が設けられている。スポーク部１３２のフレーム側には接続部材１８が固定されている。接続部材１８は、円筒部１８１、フランジ部１８２、凸状部１８３を有する。接続部材１８は、いもねじ１８４によって、モータ１４のシャフト１４３に固定されている。フランジ部１８２のフレーム側にはワッシャ１９１が配置され、ねじ１９３によってワッシャ１９１と接続部材１８がフライホイール１３のスポーク部１３２に取り付けられる。ねじ１９３を取り囲むようにばね１９２がワッシャ１９１と円板状部材１９４との間に配置されている。円板状部材１９４はベアリング１９５のフライホイール１３側に固定されている。モータ１４のシャフト１４３は、第２のフレーム部１０２の中心部の穴１０３との間に装着されたベアリング１９５によって支持されている。

このように本実施形態では、モータ１４及びフライホイール１３をそれらの片側に設けられた支持柱１５及び支持腕１６で主に支持しているが、それのみでは自重等による支持腕１６のたわみにより、後述のフライホイール１３の制動面１３４と電磁石１２の第１の制動面１２１との間隙を一定に保つことが困難なため、補助的にモータ１４及びフライホイール１３のフレーム１０側をばね１９２で支持している。補助的な支持構造を用いることにより、モータ１４及びフライホイール１３の両側ではなく片側に設けられた支持柱１５及び支持腕１６で支持する構成とすることによって、例えば後述のような３軸のリアクションホイール装置を形成する際に、隣接するリアクションホイールをより接近させて配置させることができ、より装置を小型化することができる。

板ばね１１は、中央に円形の開口部を有する円板状の形状を有する。そして、板ばね１１には、径方向外方に向かって凸となる弧状の第１のスリット１１１が、板ばね１１の内周側に、９０°の角度間隔で周方向に４つ設けられている。第１のスリット１１１は板ばね１１の厚さ方向に貫通して延びており、第１のスリットで囲まれた部分が第１の弾性付与部１１２となる。また、板ばね１１には、径方向内方に向かって凸となる弧状の第２のスリット１１３が、板ばね１１の外周側に、９０°の角度間隔で周方向に４つ設けられている。第２のスリット１１３は板ばね１１の厚さ方向に貫通して延びており、第２のスリット１１３で囲まれた部分が第２の弾性付与部１１４となる。第１のスリット１１１と第２のスリット１１３は互い違いに配置されている。板ばね１１の第１の弾性付与部１１２は、フレーム１０の第２のフレーム部１０２にねじを介して固定されている。スリットすなわち弾性付与部の形状、配置、数等は、他の任意の適切な形状、配置、数等とすることができる。また、板ばねの形状も、他の任意の適切な形状とすることができる。

電磁石１２はリング形状を有し、その径方向の断面が矩形である。電磁石１２の形状は、リング形状の一部すなわち円弧状とし、１つ又はそれ以上の円弧状の電磁石１２を配置してもよい。電磁石の形状や径方向の断面の形状は、他の任意の適切な形状とすることができる。電磁石１２のフレーム１０に対向する面は板ばね１１の第２の弾性付与部１１４にねじを介して固定され、板ばね１１は電磁石１２をフレーム１０側に付勢する。すなわち、フレーム１０が電磁石１２に対して鉛直下方に配置されていないときも、電磁石１２の非励磁時に電磁石１２とフライホイール１３が離間するように電磁石１２が板ばね１１によって付勢され、電磁石１２を軸方向に移動可能とする。電磁石１２とフライホイール１３との間の隙間は、所定の間隔に維持される。そして、板ばね１１の構造（形状や弾性付与部の形状や数等）や剛性（材料や厚み）等は、重力による板ばねのたわみと吸引磁力との関係の最適化により決定することができる。

上述のように、フライホイール１３には、電磁石１２と対向する側に電磁石１２を収容可能な凹部１３１ａが形成され、フライホイール１３は電磁石１２を覆うように配置されている。このような構成により、フライホイール１３の外縁部の肉厚を電磁石１２の外側に残すことができ、フライホイール１３の慣性モーメントを大きく保つことが可能である。また、このような構成により、リアクションホイールの回転軸方向の寸法を小さくすることができ、リアクションホイールを小型化することができる。電磁石１２はその全体が覆われる構成でなく一部が覆われる構成とすることもできる。

このような構成において、フライホイール１３の回転中に電磁石１２が励磁されると、発生する磁束による電磁力によって、強磁性体材料で形成されたフライホイール１３に電磁石１２が板ばね１１の付勢力に抗して引きつけられ接触し、フライホイール１３の制動が行われる。電磁石１２が発生する磁束の大きさや磁束の変化速度を変化させることによって制動状態を制御することができる。電磁石１２の磁束の変化をステップ状とし且つ大きな磁力を発生させることによって、回転しているフライホイール１３を急停止させることができる。これにより、リアクションホイール１は、発生している角運動量を即時にゼロとすることができる。

このような構成により、従来の電磁ブレーキのアーマチュア機構を不要とすることができ、部品の数が減少し、制動機構を小型化することができる。

また、上述の従来の三次元倒立振子装置で用いられている、サーボモータおよびモータドライバ、ブレーキパッド駆動機構部が不要となり、フライホイールの周囲に配置する部品が無くなるので、フライホイールの大きさを筐体一杯に設計することが可能となり、装置の小型化が可能となる。また、サーボモータが不要となるので回転部品やドライバＩＣ等の部品の数も減少し、装置の軽量化、故障確率の低下、信頼性向上が可能となる。

また、上述の従来の三次元倒立振子装置で用いられている制動機構に比べて、高速回転するフライホイールとブレーキパッドの接触面積を広く取れるため、急激な摩耗損傷を防ぐことができ、装置の長寿命化が可能となると共に、ブレーキ回数を重ねても、安定したトルク性能を確保することができ、制動動作の安定化が可能となる。

このような構成によって、サイズが縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ２８ｍｍ以下、制動トルクが２．１Ｎｍ以上、解放（消磁）時間が８ｍｓｅｃ以下、完全停止までの制動時間が１００ｍｓ以下という、小型、軽量、ホイールの急停止可能な制動機構を実現することができた。

フライホイール１３をより高い応答性で急停止させるためには、制動力を大きくすればよい。その１つの手法として、フライホイール１３と電磁石１２の接触面積を増加させることが考えられる。

具体的には、電磁石１２の励磁時に電磁石１２のフライホイール１３に接触する面である第１の制動面１２１と、フライホイール１３の電磁石１２に接触する面である第２の制動面１３４を相補的な形状とすればよい。本実施形態においては、電磁石１２の第１の制動面１２１とフライホイール１３の第２の制動面１３１が互いに平行な平面であり相補的な形状となっている。相補的な形状として、電磁石１２とフライホイール１３の接触面積のより大きな形状、例えば断面が円弧状の形状を採用すると、制動力が大きくすることができる。

また、電磁石１２の励磁時に電磁石１２がフライホイール１３のより外周部側に接触するように構成すると、フライホイール１３の中心部側に接触するように構成した場合よりも制動面を大きくとることが可能となる。本実施形態においては、電磁石１２の励磁時に電磁石１２がフライホイール１３の外縁部に接触するように構成することによって、接触面積を増加させ制動力を大きくしている。

上記実施形態においては、フライホイール１３全体が強磁性体材料で形成されていたが、フライホイール１３の電磁石１２に対向する部分の少なくとも一部を強磁性体材料で形成すれば制動を行うことができる。そして、それ以外の部分をその強磁性体材料よりも密度の高い材料（例えば、タングステン）で形成すれば、フライホイール１３の体積を増加させることなく、フライホイール１３の質量を増加させ、リアクションホイール１の同一回転数当たりの蓄積角運動量を大きくすることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るリアクションホイール装置の斜視図である。この図４を参照して、本発明の第２の実施形態の構成及び動作原理を説明する。図４において図１〜３と対応する部分には同一の符号を付し、第１の実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態は、第１の実施形態のリアクションホイールを３つ用いて直交する３軸に対して角運動量を発生させることが可能なリアクションホイール装置として構成したものである。

リアクションホイール装置５は、３つのリアクションホイール１、２、３を備える。リアクションホイール１、２、３のフライホイール１３、２３、３３の回転軸線の方向が互いに直交するように、リアクションホイール１、２、３が配置されている。それぞれのリアクションホイールのフレーム１０、２０、３０は、同一の正方形形状を有する。フレーム１０、２０、３０と、フレーム１０、２０、３０と同一の正方形形状のフレーム４０、４１、４２は、ブラケット５５１、５５２、５５３、５５４、５５５、５５６、５５７、５５８によって、リアクションホイール装置５は全体として立方体形状の形状を有するように互いに連結される。

また、リアクションホイール装置５は、制御ユニット５１、ＭＥＭＳセンサ慣性計測ユニット（ＩＭＵ）５２１、５２４、５２５、５２６、５２７、５２８、無線通信ユニット５３、リチウムポリマー小型バッテリーのような小型バッテリーである電源５４を筐体内に備える。

制御ユニット５１は、リアクションホイール１、２、３の各々のモータ１４、２４、３４や電磁石１２、２２、３２の励磁電流を制御することにより、各フライホイール１３、２３、３３の回転状態を制御する。また、制御ユニット５１は、ＭＥＭＳセンサＩＭＵ５２１、５２４、５２５、５２６、５２７、５２８からの情報や無線通信ユニット５３からの情報を取得し、この情報に基づいて各種計算を行ったり、取得した情報や計算結果に基づいて、モータ１４、２４、３４、電磁石１２、２２、３２、電源５４の制御や無線通信ユニット５３への情報の送信を行ったりする。

６つのＭＥＭＳセンサＩＭＵ５２１、５２４、５２５、５２６、５２７、５２８が、フレームのブラケット５５１、５５４、５５５、５５６、５５７、５５８に対応する立方体形状の角の近傍に設けられている。これらのＭＥＭＳセンサＩＭＵからの情報は制御ユニット５１に送信され、この情報に基づいて重力加速度方向等が制御ユニット５１によって求められ、各フライホイール１３、２３、３３の回転状態が制御される。

無線通信ユニット５３は、図示しない遠隔制御装置からの制御情報を受信し、その制御情報を制御ユニット５１に送信し、制御ユニット５１からの情報を遠隔制御装置に送信に送信する。

無線通信ユニットを介して遠隔制御装置から制御を行うことができるので、リアクションホイール装置の外部の装置との間でケーブルによる接続が不要であり、リアクションホイール装置に故障が発生した場合等に、リアクションホイール装置の交換に際してのケーブルの脱着が不要となり、リアクションホイール装置の交換を容易に行うことができる。

このような構成により、リアクションホイール装置を小型化することができ、上述の従来の三次元倒立振子装置が１５ｃｍ立方のサイズであるのに対して、１０ｃｍ立方以下のサイズのリアクションホイール装置を実現することができた。

また、このような構成により、電磁石をトランジスタ等でデジタル的にＯＮ／ＯＦＦ動作させることで簡便に応答性高くブレーキ状態、自由回転状態を作ることができ、リアクションホイール装置自体が、急に立ち上がったり、転がったり等の運動を行うことが可能となる。そしてリアクションホイール装置が立ち上がった後に、フライホイールの反力制御により、立方体の稜（辺）や角の不安定平衡点においてバランスを保ち続けることができる。また、車輪や歩行型の方式では移動しづらい不整地や斜面を任意の方向に回転しながら移動することができる。このように非常に険しい地形やレゴリスが存在する小惑星や月面の探査ロボットの表面移動技術としても有用性が高い。

上記実施形態においては、リアクションホイールの数が３つで、リアクションホイールのフライホイールの回転軸線の方向が互いに直交するものであったが、フライホイールの回転軸線の方向が互いに異なるものであれば、リアクションホイールの数は２つ以上の任意の数とすることができる。

上記実施形態においては、電源として、小型バッテリーを用いたが、これに代えて又はこれに加えて、ワイヤレス給電インタフェースを備えるようにして、ワイヤレス給電を可能としてもよい。

上記実施形態においては、制御ユニット５１に制御情報を送信する装置として遠隔制御装置を用いたが、これに代えて又はこれに加えて、有線で接続された制御装置を用いること、又は制御ユニット５１自体が制御情報を生成する構成とすることができることはもちろんである。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムの動作原理を示す図であり、図６は、本発明の第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムの斜視図である。この図５、６を参照して、本発明の第３の実施形態の構成及び動作原理を説明する。図５、６において図１〜３と対応する部分には同一の符号を付し、第１の実施形態、第２の実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態は、２つの第１の実施形態のリアクションホイールを、各リアクションホイールのフライホイールの回転軸線が同軸又は回転軸線の方向が平行となるように配置し、リアクションホイールシステムとして構成したものである。

本実施形態のリアクションホイールシステムの動作原理を図５に示す。本実施形態のリアクションホイールシステムは、リアクションホイールシステムの回転体以外の部分又はリアクションホイールシステムが設置された装置である運動体に対して回転運動を生じさせることができるが、例としてリアクションホイールシステムが宇宙機の姿勢制御に用いられた場合について説明する。本実施形態のリアクションホイールシステムは、宇宙機だけでなく他の装置の姿勢制御や、リアクションホイールシステム自体で三次元倒立振子や移動体としても用いることができることは言うまでもない。

宇宙機８に設置されたリアクションホイールシステム６において、同一の形状で同一の慣性モーメントを有する第１のフライホイール１３、第２のフライホイール１３’を有するリアクションホイール１、１’が、第１のフライホイール１３と第２のフライホイール１３’の回転軸線が同軸となるように配置されている。この第１のフライホイール１３と第２のフライホイール１３’を絶対値の等しい角速度で互いに逆方向に回転させると、それぞれのリアクションホイール１、１’が発生する角運動量は互いに打ち消し合うので、リアクションホイールシステム６全体として発生する角運動量はゼロとなり、宇宙機８に角運動量は発生しない。

姿勢変更開始時に、一方のフライホイールである第１のフライホイール１３の回転を急停止させ、他方のフライホイールである第２のフライホイール１３’の回転を続けさせることにより、宇宙機８と第１のフライホイール１３との間で角運動量交換を起こさせ、第１のフライホイール１３の回転方向と同一方向の角運動量を宇宙機８に即時に発生させ、宇宙機８を回転させる。次いで、宇宙機８が目標姿勢に達した時に第２のフライホイール１３’の回転を急停止させることにより、宇宙機８と第２のフライホイール１３’の間で角運動量交換を起こさせ、宇宙機８の角運動量とは逆向きで大きさの等しい、第２のフライホイール１３’の角運動量が運動体に加わり、宇宙機８の角運動量が相殺され、宇宙機８の回転運動を即時に停止させることができる。なお、初期状態、最終状態ともに、リアクションホイール１、１’と宇宙機８で構成される全体の系の持つ角運動量はゼロであるが、両者の違いは、初期状態はフライホイール１３、１３’が逆向きに同じ角運動量絶対値で回転しているのに対し、最終状態ではフライホイール１３、１３’の回転が停止している点である。このような構成によって、残留回転速度を生じさせることなく、rest-to-restの、すなわち運動開始直前及び運動終了直後（姿勢変更開始直前及び姿勢変更終了直後）の宇宙機の角速度をゼロとするような高速姿勢変更が可能となる。

図６に、上記動作原理に基づく本実施形態に係るリアクションホイールシステム６を示す。上記動作原理と重複する説明は省略する。図６に示されるように、本実施形態に係るリアクションホイールシステム６は、リアクションホイール１、リアクションホイール１と同一の構成のリアクションホイール１’、制御ユニット６１を備える。リアクションホイール１とリアクションホイール１’は、支持柱６２、６３、６４、６５によってフライホイール１３、１３’の回転軸方向に連結されている。

制御ユニット６１は、リアクションホイール１、１’のモータ１４、１４’や電磁石１２、１２’の励磁電流を制御することにより、各フライホイール１３、１３’の回転状態を制御する。そして、制御ユニット６１に入力される、どちらのフライホイールの回転を停止させるかを指定する情報を含む運動開始信号に応答して、一方のフライホイールの回転を急停止させ、他方のフライホイールの回転体の回転を続けさせ、次いで運動終了信号に応答して、他方のフライホイールの回転を急停止させる。

第１の実施形態のリアクションホイールは、フライホイールの回転軸方向の寸法が小さいので、２つの第１の実施形態のリアクションホイールを積層する本実施形態の構成とすることにより、コンパクトなリアクションホイールシステムを実現することができる。

上記実施形態においては、第１のフライホイール１３と第２のフライホイール１３’が、同一の形状で同一の慣性モーメントを有し、絶対値の等しい角速度で互いに逆方向に回転させることにより、絶対値の等しい符号が反対の角運動量を発生させたが、絶対値の等しい符号が反対の角運動量を発生させる構成であれば、第１のフライホイールと第２のフライホイールの慣性モーメントや角速度の絶対値が異なる任意の構成とすることができる。

また、上記実施形態においては、リアクションホイールの数が２つであるリアクションホイール対を用いたが、３つ以上のリアクションホイールのリアクションホイールセットで構成されたリアクションホイールシステムとすることもできる。

３つ以上のリアクションホイールを、それぞれのフライホイールの回転軸線が同軸又は回転軸が平行に配置される構成とすると、発生する角運動量の絶対値がより小さいフライホイールとすることができるので、急停止させる際に生じるフライホイールと電磁石の衝突衝撃を小さくすることができ、装置の損傷を低減することができる。

また、３つ以上のリアクションホイールを、それぞれのフライホイールすべてが回転している時にリアクションホイールシステム全体として発生する角運動量がゼロとなるように、それぞれのフライホイールの回転軸線が同軸又は回転軸が平行でなく配置される構成とすることもできる。

３つ以上のリアクションホイールのリアクションホイールセットで構成されたリアクションホイールシステムの場合、制御ユニットは、まず３つ以上のリアクションホイールのフライホイールを、それらの合計角運動量がゼロとなるように回転させる。そして、どのフライホイールの回転を停止させるかを指定する情報を含む運動開始信号に応答して、１つ又はそれ以上ですべてではないリアクションホイールのフライホイールの回転を急停止させ、残りのリアクションホイールのフライホイールの回転を続けさせる。その後必要に応じて残りの回転しているフライホイールを順次急停止させ、最後に運動終了信号に応答して、回転している回転体のすべての回転を急停止させる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係るリアクションホイールシステムの動作原理を示す図であり、図８は、本発明の第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムの斜視図である。この図７、８を参照して、本発明の第４の実施形態の構成及び動作原理を説明する。図７、８において図１〜６と対応する部分には同一の符号を付し、第１〜第３の実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態は、２つの第２の実施形態のリアクションホイール装置を、各軸の対応するフライホイールの回転軸線が同軸又は回転軸線の方向が平行となるように配置し、リアクションホイールシステムとして構成したものである。すなわち、第３の実施形態と同様のメカニズムを直交する３軸それぞれについて、図８に示すように実現したものである。

本実施形態のリアクションホイールシステムの動作原理を図７に示す。第３の実施形態と同様に、例としてリアクションホイールシステムが宇宙機の姿勢制御に用いられた場合について説明する。リアクションホイールシステム７は、２つのリアクションホイール装置５、５’を備える。リアクションホイール装置５、５’は、直交する３軸のそれぞれについて、同一の形状で同一の慣性モーメントを有する第１のフライホイール対１３、１３’、第２のフライホイール対２３、２３’、第３のフライホイール対３３、３３’を有し、それぞれのフライホイール対について、フライホイールの回転軸線が同軸又は回転軸線の方向が平行となるように配置されている。

したがって、それぞれのリアクションホイール対に対して、第３の実施形態に係るリアクションホイールシステムと同様の原理で制御を行うことにより、直交する３軸のそれぞれについて宇宙機の姿勢制御を行うことができる。すなわち、任意の方向に対して、rest-to-restの高速姿勢変更が可能となる。

図８に、上記動作原理に基づく本実施形態に係るリアクションホイールシステム７を示す。上記動作原理と重複する説明は省略する。図８に示されるように、本実施形態に係るリアクションホイールシステム７は、リアクションホイール装置５、リアクションホイール装置５’、遠隔制御装置７１を備える。

遠隔制御装置７１は、リアクションホイール装置５、５’が備える無線通信ユニット５３、５３’に、制御ユニット５１、５１’に対する各種の制御信号を送信する。各種の制御信号は、運動開始信号、運動終了信号を含む。運動開始信号は、例えば、後述のどのフライホイール対のどちらのフライホイールの回転を停止させるかを指定する情報を含むことができる。リアクションホイール装置５、５’の各制御ユニット５１、５１’は、遠隔制御装置７１から受信した制御情報に基づいて、第１のフライホイール対１３、１３’、第２のフライホイール対２３、２３’、第３のフライホイール対３３、３３’の回転状態を制御する。そして、遠隔制御装置７１から受信した運動開始信号に応答して、運動開始信号により指定されたフライホイール対の一方のフライホイールの回転を急停止させ、他方のフライホイールの回転体の回転を続けさせ、次いで遠隔制御装置７１から受信した運動終了信号に応答して、他方のフライホイールの回転を急停止させる。

以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。

１リアクションホイール
１０フレーム
１０１第１のフレーム部
１０２第２のフレーム部
１０３穴
１１板ばね
１１１第１のスリット
１１２第１の弾性付与部
１１３第２のスリット
１１４第２の弾性付与部
１２電磁石
１２１第１の制動面
１３フライホイール（第１のフライホイール）
１３１本体部
１３１ａ凹部
１３２スポーク部
１３３穴
１３４第２の制動面
１４モータ
１４１モータ本体
１４１ａベアリング部
１４３シャフト
１５支持柱
１６支持腕
１７モータマウント
１７１穴
１８接続部材
１８１円筒部
１８２フランジ部
１８３凸状部
１８４いもねじ
１９１ワッシャ
１９２ばね
１９３ねじ
１９４円版状部材
１９５ベアリング
２リアクションホイール
２０フレーム
３リアクションホイール
３０フレーム
４０フレーム
４１フレーム
４２フレーム
４３フレーム
５リアクションホイール装置
５１制御ユニット
５２１ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５２４ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５２５ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５２６ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５２７ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５２８ＭＥＭＳセンサＩＭＵ
５３無線通信ユニット
５４電源
５５１ブラケット
５５２ブラケット
５５３ブラケット
５５４ブラケット
５５５ブラケット
５５６ブラケット
５５７ブラケット
５５８ブラケット
６リアクションホイールシステム
６１制御ユニット
６２支持柱
６３支持柱
６４支持柱
６５支持柱
７リアクションホイールシステム
７１遠隔制御装置
８宇宙機
１’リアクションホイール
１０’フレーム
１２’電磁石
１３’第２のフライホイール
９０１回転体
９０２アーマチュア
９０３付勢部材
９０５電磁石
９１１サーボモータ
９１２腕
９１３ブレーキパッド
９１４フライホイール
９１５突起部

Claims

フレームと、
前記フレームに対向して配置された回転体と、
前記フレームと前記回転体との間に配置された電磁石と、
前記フレームに取り付けられ、前記電磁石を前記フレーム側に付勢する付勢部材と、
を備え、
前記回転体の前記電磁石に対向する部分の少なくとも一部は、強磁性体材料で形成され、
前記電磁石の非励磁時に前記電磁石と前記回転体が離間するように前記電磁石が前記付勢部材により付勢され、
前記電磁石の励磁時に前記電磁石が前記付勢部材の付勢力に抗して前記回転体に接触することによって前記回転体が制動される
制動機構。
前記電磁石の励磁時に前記回転体を急停止させることができる請求項１に記載の制動機構。
前記回転体には、前記電磁石と対向する側に前記電磁石の少なくとも一部を収容可能な凹部が形成され、前記回転体が前記電磁石を覆うように配置されている請求項１又は２に記載の制動機構。
前記電磁石は、リング状又は円弧状の形状を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の制動機構。
前記電磁石の励磁時に前記電磁石の前記回転体に接触する面と、前記電磁石の励磁時に前記回転体の前記電磁石に接触する面は、相補的な形状を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の制動機構。
前記電磁石の励磁時に前記電磁石が前記回転体の外縁部に接触する請求項１〜５のいずれか１項に記載の制動機構。
前記付勢部材は板ばねである請求項１〜６のいずれか１項に記載の制動機構。
無線通信ユニットを更に備え、
前記制御ユニットが前記無線通信ユニットを介して遠隔操作可能である
請求項１〜７に記載の制動機構。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の制動機構を備えるリアクションホイール。
前記回転体の前記電磁石に対向する側の部分以外の部分が、前記強磁性体材料よりも密度の高い材料で形成されている請求項９に記載のリアクションホイール。
請求項９又は１０に記載の２つ以上のリアクションホイールと、
前記２つ以上のリアクションホイールの前記電磁石の各々の励磁状態を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記２つ以上のリアクションホイールは、前記２つ以上のリアクションホイールの回転体の回転軸線の方向が互いに異なる
リアクションホイール装置。
前記２つ以上のリアクションホイールは、３つのリアクションホイールであり、
前記３つのリアクションホイールは、前記３つのリアクションホイールの回転体の回転軸線が互いに直交するように配置された請求項１１に記載のリアクションホイール装置。
前記３つのリアクションホイールのフレームの形状が同一の正方形形状である請求項１１又は１２に記載のリアクションホイール装置。
回転軸線の回りに第１の方向に回転する第１の回転体を備えた第１のリアクションホイールと、前記回転軸線と同軸の又は前記回転軸線と平行な方向の回転軸線の回りに前記第１の方向と反対の第２の方向に回転する第２の回転体を備えた第２のリアクションホイールとを含むリアクションホイール対と、
前記第１の回転体と前記第２の回転体の各々の回転状態を制御する制御ユニットを備え、
前記制御ユニットは、前記第１の回転体と前記第２の回転体の角運動量の絶対値が等しくなるように前記第１の回転体と前記第２の回転体を回転させ、運動開始信号に応答して、前記リアクションホイール対のうちの一方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させ、他方のリアクションホイールの回転体の回転を続けさせ、次いで運動終了信号に応答して、前記他方のリアクションホイールの回転体の回転を急停止させる
リアクションホイールシステム。
前記第１の回転体と前記第２の回転体は、同一の形状で同一の慣性モーメントを有する請求項１４に記載のリアクションホイールシステム。
前記第１のリアクションホイールと前記第２のリアクションホイールは、請求項９又は１０に記載のリアクションホイールである請求項１４又は１５に記載のリアクションホイールシステム。
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のリアクションホイール装置を２つ備え、
前記第１のリアクションホイールは２つの前記リアクションホイール装置の一方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つであり、前記第２のリアクションホイールは２つの前記リアクションホイール装置の他方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つである請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のリアクションホイールシステム。
前記２つ以上のリアクションホイールの回転体の回転軸線の方向のそれぞれについて、２つの前記リアクションホイール装置の一方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つと、２つの前記リアクションホイール装置の他方の前記２つ以上のリアクションホイールのうちの１つとからなる前記リアクションホイール対を備える請求項１７に記載のリアクションホイールシステム。
回転軸線の回りに回転する回転体を備えるｎ個（ｎ≧３）のリアクションホイールと、前記ｎ個のリアクションホイールの回転体の各々の回転状態を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、前記ｎ個のリアクションホイールの回転体を、それらの合計角運動量がゼロとなるように回転させ、運動開始信号に応答して、１つ又はそれ以上ですべてではないリアクションホイールの回転体の回転を急停止させ、残りのリアクションホイールの回転体の回転を続けさせ、その後運動終了信号に応答して、回転している回転体のすべての回転を急停止させるリアクションホイールシステム。