JP2024006736A - フリクションドライブローラ方式ウインチ - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷に接続されたテザーの引き出しと巻取りのためのフリクションドライブローラ方式ウインチに於いて、フリクションドライブローラ（ＦＤＲ）－スプール間のテザーにバックテンションが作用している状態でも負荷－ＦＤＲ間のテザーの張力を０以上の所望の張力に制御できる構成を提供する。【解決手段】 テザー３を巻き付けて収納するスプール５と、負荷２とスプールとの間にてテザーが巻回されるＦＤＲ６とを含むウインチ４に於いて、スプールとＦＤＲとの間にて所定値以上のバックテンションが作用するように、スプール側へテザーを巻き取る方向にスプールに回転トルクを発生させ、負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力が目標張力に一致するように、負荷側への目標張力が第一の張力を上回るときには、ＦＤＲにテザーを巻き取る方向に、負荷側への目標張力が第一の張力を下回るときには、ＦＤＲにテザーを送り出す方向に、回転トルクを発生させる。【選択図】 図３

Description

本発明は、カイトシステムに於けるカイト（凧）やバルーン等の係留飛行体を地上と接続するテザーの送出し及び巻取りに利用可能なウインチに係り、より詳細には、フリクションドライブローラ（キャプスタンドラム）方式ウインチの張力制御技術に係る。

カイトシステムに於いて係留飛行体を地上と接続する長大なテザーを、その運用高度の高低と距離の長短に伴って高張力～低張力に亙って種々変化する条件にて、出し入れするための地上設備として、連続運転可能なウインチが有用である。ウインチの構造として、単一のスプールのみでテザーの収納と張力発生・制御を行う方式や、フリクションドライブローラ方式又はキャプスタンドラム方式（以下、「ＦＤＲ方式」と称する。）が知られている。ＦＤＲ方式とは、スプールと負荷との間に、キャプスタンドラム又はフリクションドライブローラと称される動力付きのプーリが配置され、かかるプーリが牽引する張力の発生を行う方式である。前者の構造の例として、特許文献１には、ロープ巻胴（スプール）が電動機で回転駆動されるウインチであって、ロープの張力検出装置から得られるロープ張力が目標張力になるように電動機が制御される構成が開示されている。また、ＦＤＲ方式のウインチとして、特許文献２に於いては、ワイヤの巻き込み時にキャプスタンに於いて、常時、バックテンションを付与する手段を機械的に構成して、キャプスタンへのワイヤ等の巻き乱れを防止する構成が提案されている。また、特許文献３は、ビデオテープレコーダに於けるテープを供給リールから再生ヘッドを通って巻取りリールへ送り出す方向にトルクを発生するキャプスタンを有する構成を開示しており、そこに於いて、キャプスタンから供給リール側へテープに常にバックテンションを発生する機構が設けられ、テープの送り出しが間欠的に停止されるモードに於いては、テープの送り出しの停止時にもキャプスタンにバックテンションを相殺するトルクを発生させて、テープの走行を安定されることを提案している。

特開昭６０－２５２５９３号公報 特開平２－２５５４３１号公報 特開平１０－３７１３

上記の如き係留飛行体と地上とを接続するテザーのためのウインチに於いては、負荷である係留飛行体との間の張力の変動が大きいので、フリクションドライブローラにより張力を発生するＦＤＲ方式のウインチが有利に用いられる。ＦＤＲ方式ウインチの場合、フリクションドライブローラ（以下、「ＦＤＲ」と称する。）よりもスプール側（上流側）のテザーに適当な張力を常に作用させておく必要がある。これは、なぜならば、もしＦＤＲの上流側のテザーのバックテンションが作用していないと、テザーがＦＤＲの周面上に押さえつけられず、テザーとＦＤＲの周面との間に十分な摩擦力が発生しないことから、テザーがＦＤＲの周面上でスリップしてしまい、所望の張力を負荷とＦＤＲとの間に発生できなくなるためである。また、バックテンションが無い場合、負荷が高い張力にてテザーを引き出すことによりスプールが高速にて回転している状態に於いて負荷の張力が急に低下した場合に、スプールが慣性によって必要以上に回転することでテザーがスプールから余分に送り出され、テザーのＦＤＲ上からの浮き上りやテザーの絡まりが発生し易くなり得る。

ところで、上記のカイトシステムに於いては、地上から係留飛行体の高度・距離の大幅に変動するので、テザーの張力と、テザーの送出されている長さが大幅に変化し、また、係留飛行体に接続されるテザーの張力が０にさせるべき場合もある（例えば、係留飛行体の滑空時又は着陸時など）。一方、従前の一般的なＦＤＲ方式のウインチは、基本的には、殆ど変化しない負荷を定常的に牽引するように構成されている。その場合、ＦＤＲ－スプール間のテザーにバックテンションが作用させている状態では、常に負荷側のテザーにも張力が作用するので、張力を０にすることができない。また、負荷側の張力がバックテンションを下回るときに、負荷側に於ける所望の張力の低減に合わせてバックテンションも変化させることも困難である（上記の如く、バックテンションを下げ過ぎると、テザーのＦＤＲ上からの浮き上りやテザーの絡まりが発生する。）。従って、ＦＤＲ方式のウインチをカイトシステムに用いる場合、ＦＤＲ－スプール間のテザーにバックテンションが作用している状態でも、負荷－ＦＤＲ間のテザーの張力を０以上の所望の張力に制御できる構成があると有利である。

かくして、本発明の一つの目的は、上記の如きＦＤＲ方式のウインチに於いて、ＦＤＲ－スプール間のテザーにバックテンションが作用している状態でも負荷－ＦＤＲ間のテザーの張力を０以上の所望の張力に制御できる構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、負荷に接続されたテザーの送出しと巻取りのためのフリクションドライブローラ方式のウインチであって、
前記テザーを巻き付けて収納するスプールと、
前記スプールに回転トルクを付与するスプール回転トルク付与装置と、
前記負荷と前記スプールとの間にて前記テザーが巻回されるフリクションドライブローラと、
前記フリクションドライブローラに回転トルクを付与するドライブローラ回転トルク付与装置と、
前記負荷と前記フリクションドライブローラとの間のテザーの張力が目標張力に一致するように前記スプール回転トルク付与装置と前記ドライブローラ回転トルク付与装置とにより付与される前記回転トルクを制御する制御装置と
を含み、
前記制御装置が、前記スプールと前記フリクションドライブローラとの間にて前記所定値以上の第一の張力が発生するよう前記スプール側へ前記テザーを巻き取る方向に前記スプール回転トルク付与装置に回転トルクを発生させ、前記負荷側への前記目標張力の大きさが前記第一の張力の大きさを上回るときには、前記ドライブローラ回転トルク付与装置により前記スプール側へ前記テザーを巻き取る方向に回転トルクを発生させ、前記負荷側への前記目標張力の大きさが前記第一の張力の大きさを下回るときには、前記ドライブローラ回転トルク付与装置に前記スプール側から前記テザーを送り出す方向に回転トルクを発生させるよう構成されたウインチによって達成される。

上記の構成に於いて、「負荷」とは、テザーに接続されてウインチを介して任意の位置にて係留若しくは保持される任意の物体であってよく、例えば、ウインチがカイトシステムに於いて用いられる場合には、係留飛行体であってよいが、これに限定されない。「スプール」とは、円筒状又は円柱状の形状を有し、その周面上に、上記の如くテザーが巻き付けられて、負荷の保持位置までの距離に応じて長さが調節されるテザーを収納するためのリールの如き部材である。「フリクションドライブローラ（ＦＤＲ）」とは、キャプスタンドラムとも称されるローラであり、その周面にて負荷とスプールとの間に接続されたテザーが、数回、巻き付けられて、周面とテザーとの間に作用する摩擦力と、負荷との間の張力とをバランスさせて、テザーに於ける負荷との間の張力及びスプールとの間の張力を調節する機能を有する部材である。「スプール回転トルク付与装置」と「ドライブローラ回転トルク付与装置」とは、それぞれ、スプールとＦＤＲとに回転トルクを付与する任意の装置であってよく、典型的には、モータであってよい。「目標張力」とは、負荷を牽引する張力の目標値であり、負荷によって適宜決定されてよい。例えば、負荷が係留飛行体の場合には、目標張力は、高度の目標値と実際値、上昇・下降速度の目標値と実際値等に基づいて、適宜決定されてよい。「制御装置」は、負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力が目標張力に一致するように、スプール回転トルク付与装置とドライブローラ回転トルク付与装置とに於いて発生させる回転トルクを制御する任意の装置であってよく、電子制御装置或いはコンピュータ装置であってよい。負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力、ＦＤＲとスプールとの間の張力は、それぞれ、張力センサにより検出されてよい。

そして、上記の本発明の構成に於いては、まず、スプールに於いて、スプールとＦＤＲとの間にて所定値以上の第一の張力（即ち、バックテンション）が発生するように、スプール回転トルク付与装置によってスプール側へテザーを巻き取る方向に回転トルクを発生させられ、これにより、スプールとＦＤＲとの間のテザーにバックテンションが発生される。第一の張力に対する所定値は、テザーをＦＤＲの周面に押し付けて、テザーとＦＤＲの周面との間に於けるＦＤＲの円周方向のスリップを抑制するのに十分な摩擦力が発生する張力であり、第一の張力は、かかる所定値以上の適宜設定された値であってよい。一方、ＦＤＲに於いては、負荷側への目標張力の大きさが第一の張力の大きさ、即ち、バックテンションの大きさ、を上回るときには、ドライブローラ回転トルク付与装置によりテザーを巻き取る方向に回転トルクが発生させられるところ、負荷側への目標張力の大きさが第一の張力の大きさを下回るときには、ドライブローラ回転トルク付与装置にテザーを送り出す方向に回転トルクが発生させられる。即ち、本発明に於いては、常に、スプールとＦＤＲとの間のテザーに所定値以上のバックテンションを発生させた状態で、ＦＤＲの前後のテザーの張力の差分が目標張力からバックテンションを差し引いた値となるように、ＦＤＲに於いて発生させるトルクの大きさと向きが決定される。かかる構成に於いては、スプールとＦＤＲとの間のテザーに於いて、ＦＤＲの周面に対してテザーを巻き付けるバックテンションが常に作用した状態で、ＦＤＲの回転トルクは、テザーの巻取り方向だけでなく、テザーの送出し方向にも発生されて調節されるようになっている。従って、負荷に接続されているテザーに要求されている張力がバックテンションを下回るときには、テザーの送出し方向のＦＤＲの回転トルクがバックテンションを相殺できることとなり、これにより、負荷に接続されているテザーの張力は、バックテンションを上回る範囲だけでなく、バックテンションを下回る範囲に於いても適宜調節できることとなる。

上記の本発明の構成によれば、負荷に接続されているテザーの張力の目標張力が０であるときには、スプールとＦＤＲとの間のテザーに第一の張力が発生した状態で負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力が０に設定されるようにＦＤＲにテザーを送り出す方向に回転トルクが付与される。即ち、負荷に接続されたテザーの張力が０であってもスプールとＦＤＲに於いてテザーに張力が作用し、テザーがそれぞれの周面に押し付けられる力が発生しているので、スプールとＦＤＲとに於けるテザーの浮き上がりが防止され、テザーの絡まりの発生が回避できることとなる。

実施の態様に於いて、スプールに発生させる回転トルクＴ_spoolは、バックテンション（の目標値）Ｆ_backsideと、スプールのテザーの巻き付け半径ｒ_spoolと、慣性モーメントＩ_spoolと、角加速度d²θ_spool/dt²とを用いて、下記の式で与えられてよい（テザーの巻取り方向が＞０。スプール上でのテザーの滑りがないものと仮定。以下、同様。）。
Ｔ_spool＝ｒ_spool・Ｆ_backside＋Ｉ_spool・d²θ_spool/dt² …（１ａ）
即ち、スプールに発生させる回転トルクＴ_spoolは、バックテンションを発生するトルクに慣性項を加算した値であってよい。ただし、慣性項は、回転速度が一定の間は、０であるので、回転トルクＴ_spoolの目標値は、ｒ_spool・Ｆ_backsideにより与えられてよい。一方、ＦＤＲに発生させる回転トルクＴ_driveは、バックテンション（の目標値）Ｆ_backsideと、負荷側の張力Ｆ_frontsideと、ＦＤＲのテザーの巻き付け半径ｒ_driveと、慣性モーメントＩ_driveと、角加速度d²θ_drive/dt²とを用いて、下記の式で与えられてよい。
Ｔ_drive＝ｒ_drive・(Ｆ_frontside－Ｆ_backside) ＋Ｉ_drive・d²θ_drive/dt² …（１ｂ）
即ち、ＦＤＲに発生させる回転トルクＴ_driveは、負荷側の張力からバックテンションを差し引いた張力を発生する回転トルクに慣性項を加算した値であってよい。ただし、慣性項は、回転速度が一定の間は、０であるので、回転トルクＴ_driveの目標値は、ｒ_drive・(Ｆ_frontside－Ｆ_backside)であってよい。式（１ｂ）から理解される如く、（回転速度が一定のとき）、Ｆ_frontside＜Ｆ_backsideのときには、Ｔ_drive＜０、即ち、回転トルクは、テザーの送出し方向に与えられる。

上記の本発明の構成に於いて、バックテンションは、スプールとＦＤＲとに対してテザーが適度な押圧力にて押し付けられるように設定されればよく、一つの態様に於いては、負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力によらず、バックテンションは、一定に維持されてよい。また、別の態様に於いて、ドライブローラ回転トルク付与装置にテザーを送り出す方向に回転トルクを発生させるときには、スプールとＦＤＲとの間のテザーの張力が所定値を下回らないようにスプール回転トルク付与装置にテザーを巻き取る方向に発生させる回転トルクが低減されてよい。ドライブローラ回転トルク付与装置にテザーを送り出す方向に回転トルクを発生させるとき、即ち、負荷とＦＤＲとの間のテザーの張力の大きさがバックテンションの大きさより小さいときには、負荷方向への張力が低いので、テザーがスプール側へ巻き込まれ易い状態となる。そこで、その場合には、上記の如く、バックテンションを低減して、テザーのスプール側への過剰な巻き取りが抑制されるようになっていてよい。

かくして、上記の本発明の構成によれば、ＦＤＲ方式ウインチに於いて、スプール－ＦＤＲの間のテザーにバックテンションをかけた状態で、負荷－ＦＤＲの間のテザーの張力をバックテンションよりも低く制御できることとなる。既に触れた如く、カイトシステムに於いては、テザーの接続された係留飛行体の高度・距離や移動速度の変動が大きく、テザーに発生させるべき張力の大きさが、０以上の範囲で変動することとなる。そのようなシステムの場合、上記の本発明によるウインチであれば、テザーに発生させるべき張力を適宜調節できる一方で、スプール－ＦＤＲの間のテザーにバックテンションをかけたままにすることができるので、テザーの絡まりなどのウインチトラブルの発生を抑制できることが期待される。なお、本発明のウインチの構成は、カイトシステムに限らず、任意の用途に利用されてよい。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）は、本実施形態によるウインチが適用されるカイトシステムの模式図である。図１（Ｂ）は、本実施形態によるウインチに於けるスプールとＦＤＲの回転トルクを制御する制御装置の構成をブロック図の形式で表わした図である。 図２は、本実施形態によるウインチのスプールとＦＤＲに於けるテザーの張力と回転トルクとの関係を説明する図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態によるウインチに於ける負荷との間のテザーに於ける張力（目標値）Ｆ_frontsideに対する、スプールとＦＤＲのそれぞれに於いて発生させる張力Ｆをグラフの形式にて表わした図である。（Ａ）は、第一の実施形態であり、（Ｂ）は、第二の実施形態である。 図４は、本実施形態による複数のＦＤＲを有するウインチのスプールとＦＤＲに於けるテザーの張力と回転トルクとの関係を説明する図である。

１…カイトシステム
２…係留飛行体（カイト）
３…テザー
４…ウインチ
５…スプール
５ｍ…スプールの回転モータ（スプール回転トルク付与装置）
６…フリクションドライブローラ（ＦＤＲ）
６ｍ…フリクションドライブローラ（ＦＤＲ）の回転モータ（ドライブローラ回転トルク付与装置）
７…プーリ
１０…スプール－ＦＤＲ間のテザーの張力センサ
１１…ＦＤＲ－負荷間のテザーの張力センサ
２０…回転トルクの制御装置

ウインチの基本構成
本実施形態のウインチは、例えば、図１（Ａ）に模式的に描かれている如きカイトシステム１に於いて、カイト（凧）やバルーンなどの飛行体２に接続されて、飛行体２を空中に係留するためのテザー３の引出しと巻取りとを行うためのウインチ４として用いられてよい。かかるウインチ４は、端的に述べれば、テザー３を巻き取って収納するスプール５と、該スプール５と係留飛行体２との間に於いてテザー３が巻き付けられ回転駆動されるフリクションドライブローラ６（以下、「ＦＤＲ」と称する。）とを有するＦＤＲ方式のウインチである。かかるウインチ４を用いたシステムに於いては、端的に述べれば、スプール５の周面に巻回されたテザー３の一方の端がスプール５から引出されて、ＦＤＲ６の周面に数回巻き付けられた後、係留飛行体２へ接続された状態となっている（テザーは、適当な位置に設けられたプーリ７に巻き掛けられていてよい。）。この構成に於いて、テザー３とＦＤＲ６の周面との間に摩擦力が作用するので、係留飛行体２が風力にて上空に揚げられる際に、ＦＤＲ６から係留飛行体２の側のテザー３に作用する張力は、そのまま、スプール５には伝わらず、ＦＤＲ６とスプール５との間のテザー３には、テザー３とＦＤＲ６の周面との間の摩擦力によって作用する回転トルクによって生ずる張力が差し引かれた張力が作用することとなる。これにより、スプール５から係留飛行体２までの距離に応じてテザー３の長さを調節するべく、スプール５でのテザー３の引出しと巻取りをする際に、スプール５の周面へのテザー３の巻き付け力が安定し、テザー３の損傷や絡みを防止できることとなる。

回転トルク制御装置の構成
上記のウインチの構成に於いて、スプール５とＦＤＲ６とには、それぞれ、回転モータ５ｍ、６ｍが接続され、これらのモータから回転トルクが付与される。負荷に接続されるテザー３の張力は、スプール５とＦＤＲ６に付与される回転トルクを制御することによって調節されることとなる。図１（Ｂ）を参照して、スプール５とＦＤＲ６とに於ける回転トルクは、回転トルク制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、電子制御装置或いはコンピュータ装置であってよい。制御装置２０に於いては、先ず、負荷（係留飛行体２）の状態（要求高度と実際高度との差、移動速度など）に基づいて、目標張力決定部２０ａにて、負荷に接続されたテザー３を牽引する張力の目標値（目標張力）Ｆf_tが決定される。そして、目標張力Ｆf_tを参照して、制御司令決定部２０ｂに於いて、後述の如く、回転モータ５ｍ、６ｍにより発生されるべき回転トルクの大きさと向きが決定され、それらの回転トルクについての制御指令Ｃ_spool、Ｃ_driveが、回転モータ５ｍ、６ｍへ与えられ、回転モータ５ｍ、６ｍによって、スプール５とＦＤＲ６とに於いて回転トルクが付与される。なお、回転トルク制御は、目標張力Ｆf_tに基づくフィードフォワード制御であってもよいが、テザー３に於ける張力の実際値を参照して、フィードバック制御により実行されてもよい。その場合には、スプール５とＦＤＲ６との間のテザー３の張力を検出する張力センサ１０、ＦＤＲ６と負荷２と間のテザー３の張力を検出する張力センサ１１が設けられ、それらの張力センサに於ける検出値を用いて、回転トルクが制御されてよい。

上記のウインチ４の構成に於いて、発明の概要の欄にて触れたように、テザー３をＦＤＲ６周面へ押し付けて、テザー３とＦＤＲ６周面との間にＦＤＲ６の回転トルクをテザー３へ伝達するための摩擦力を発生させるためと、スプール５のテザーの送出し方向の過回転の防止のために、スプール５とＦＤＲ６との間に於いて、テザー３の巻取り方向に、常に、バックテンションを作用させることが好ましい。従って、上記の回転トルクの制御に於いては、制御司令決定部２０ｂは、更に、スプール５とＦＤＲ６との間のテザー３に於いて発生させるべきバックテンションＦb_tを参照して、回転モータ５ｍ、６ｍにより発生されるべき回転トルクを決定するよう構成される。

ＦＤＲ６に於ける回転トルク制御の改良
（ａ）概要
上記の如く、スプール５とＦＤＲ６との間のテザー３に於いてバックテンションを、常時、付与する場合、ＦＤＲ６と負荷２との間のテザーの張力にバックテンションが常に加算されることとなる。この点に関し、従前のウインチ、例えば、林業等の現場で木材を牽引するためのウインチの場合、負荷の牽引に要求される張力が大幅に変動することがなく、負荷の牽引中にその張力がバックテンションを下回る状況は発生しない。これに対し、カイトシステムの係留飛行体２を牽引する場合、空中で係留飛行体２は、静止、上昇、降下、前進、後退、滑空など、多様な状態をとるので、係留飛行体２に接続されてそれを牽引するテザー３に要求される張力（目標張力）は、大幅に変動することとなる。そして、特に、カイトシステムの係留飛行体２に接続されたテザー３に於いては、バックテンションを下回る目標張力が要求される状況も発生する。従って、カイトシステムの係留飛行体２を係留するテザーのためのウインチに於いては、既に触れた如く、スプール５とＦＤＲ６との間のテザー３に於いてバックテンションを常に発生させた状態で、目標張力が０以上の範囲で任意に設定できるようになっていることが好ましい。そこで、本実施形態に於いては、スプール５に於いてテザーの巻取り方向に回転トルクを常に付与して、スプール５とＦＤＲ６との間のテザー３に於いてバックテンションを作用させた状態で、ＦＤＲ６に付与する回転トルクをテザーの巻取り方向だけでなく、テザーの送り出し方向にも付与するようにして、ＦＤＲ６と負荷２との間のテザーの張力を０以上の範囲で任意に設定することが可能とされる。

（ｂ）スプールとＦＤＲに於ける回転トルク制御
本実施形態に於けるスプール５とＦＤＲ６に付与する回転トルクは、以下の如く制御されてよい。

図２を参照して、まず、スプール５に於いて、テザー３に発生させる張力（バックテンション）Ｆ_backsideと回転トルクＴ_spoolの関係は、下記の運動方程式により与えられる（テザーの巻取り方向を正とする。以下同様）。
Ｉ_spool・d²θ_spool/dt²＝Ｔ_spool－ｒ_spool・Ｆ_backside …（２ａ）
ここで、Ｉ_spoolは、スプールの慣性モーメントであり、d²θ_spool/dt²は、スプールの角加速度であり、ｒ_spoolは、スプールのテザーの巻き付け面の半径である。バックテンションＦ_backsideは、テザー３がＦＤＲ６の周面上で周方向に実質的に滑らないようにする適宜設定される張力の目標値であり、実験等により予め決定しておくことが可能である。従って、スプール５に付与される回転トルクは、
Ｔ_spool＝ｒ_spool・Ｆ_backside＋Ｉ_spool・d²θ_spool/dt² …（１ａ）
となる。なお、角加速度d²θ_spool/dt²は、角速度が定速とみなせる場合には、０となるので、スプール５に付与される回転トルクＴ_spoolの目標値は、
Ｔ_spool＝ｒ_spool・Ｆ_backside …（３ａ）
により、与えられてよい。

一方、ＦＤＲ６に於いて、負荷側のテザー３に発生させる張力Ｆ_frontsideとバックテンションＦ_backsideと回転トルクＴ_driveの関係は、下記の運動方程式により与えられる。
Ｉ_drive・d²θ_drive/dt²＝Ｔ_drive－ｒ_drive・(Ｆ_frontside－Ｆ_backside)…（２ｂ）
ここで、Ｉ_driveは、ＦＤＲの慣性モーメントであり、d²θ_drive/dt²は、ＦＤＲの角加速度であり、ｒ_driveは、ＦＤＲのテザーの巻き付け面の半径である。負荷側のテザー３に発生させる張力Ｆ_frontsideは、目標張力Ｆf_tであり、既に触れた如く、係留飛行体２の要求高度と実際高度との差、移動速度など、負荷の状態に基づいて、適宜設定される。従って、ＦＤＲ６に付与される回転トルクは、
Ｔ_drive＝ｒ_drive・(Ｆ_frontside－Ｆ_backside) ＋Ｉ_drive・d²θ_drive/dt² …（１ｂ）
となる。なお、角加速度d²θ_drive/dt²は、角速度が定速とみなせる場合には、０となるので、ＦＤＲ６に付与される回転トルクＴ_driveの目標値は、
Ｔ_drive＝ｒ_drive・(Ｆ_frontside－Ｆ_backside) …（３ｂ）
により、与えられてよい。式（３ｂ）から理解される如く、負荷側のテザー３に発生させる張力Ｆ_frontsideがバックテンションＦ_backsideを上回るときには、回転トルクＴ_driveは、＞０となり、テザーの巻取り方向に付与されるのに対し、負荷側のテザー３に発生させる張力Ｆ_frontsideがバックテンションＦ_backsideを下回るときは、回転トルクＴ_driveは、＜０となり、テザーの送り出す方向に付与される。

図３（Ａ）を参照して、上記の如く、スプールとＦＤＲとに回転トルクに付与した場合、スプールとＦＤＲとの間のテザーの張力は、図中点線にて示されている如く、Ｔ_spool／ｒ_spoolとなり、負荷を牽引する目標張力Ｆ_frontsideは、更に、ＦＤＲにより与えられる張力Ｔ_drive／ｒ_drive（図中、太実線）が加算されて、Ｔ_spool／ｒ_spool＋Ｔ_drive／ｒ_drive（図中、細実線）となる。図示の如く、ＦＤＲにより与えられる張力Ｔ_drive／ｒ_driveは、目標張力Ｆ_frontside＝Ｆ_backsideとなる張力Ｆｃに於いて０となり、Ｆ_frontside＜Ｆ_backsideとなる範囲で、＜０となり、Ｆ_frontside＝０となるとき、Ｔ_drive／ｒ_drive＝－Ｆ_backsideとなる。即ち、目標張力が０のときには、スプールの回転トルクにより発生する張力を、ＦＤＲの回転トルクにより発生する張力が相殺するように、ＦＤＲに回転トルクが付与されてよい。

上記の構成に於いて、図３（Ａ）に描かれている如く、バックテンションＦ_backsideは、負荷側のテザー３に発生させる目標張力Ｆ_frontsideによらず、一定であってよい。この点に関し、目標張力Ｆ_frontsideがバックテンションＦ_backsideを下回る範囲では、目標張力Ｆ_frontsideは比較的小さくなり、テザーがスプールへ巻き取られ易くなる。そこで、テザーがスプールへ過剰に巻き取られることを防止するために、図３（Ｂ）に描かれている如く、Ｆ_frontside＜Ｆ_backsideとなる範囲で、目標張力Ｆ_frontsideの低減と共に、バックテンションＦ_backsideが低減されてよい。バックテンションＦ_backsideの最小値Ｆｏは、ＦＤＲ周面上でのテザーのスリップの防止に十分な押圧力がテザーに付与される張力になるように実験等を通じて設定されてよい。

（ｃ）複数のＦＤＲを用いた構成
本実施形態のウインチに於いて、ＦＤＲ（６＿１、６＿２）は、複数設けられていてもよい。この場合、図４に示されている如く、各ＦＤＲ６＿１、６＿２に於けるテザーの下流側（負荷側）の張力は、上流側（スプール側）の張力に、Ｔ_{drive（ｉ）}／ｒ_{drive（ｉ）}が加算された大きさとなる（ｉは、ＦＤＲの番号）。ＦＤＲにて加算される張力の総計は、Ｆ_frontside－Ｆ_backsideであるところ、各ＦＤＲに於いて付与される回転トルクの分配は、任意の方法で決定されてよい。

（ｄ）スプールのテザーの巻取り半径の推定
上記の回転トルクの制御に於いて、ＦＤＲのテザーの巻き付け面の半径ｒ_driveは、殆ど変化しないが、スプールのテザーの巻き付け面の半径ｒ_spool（及び慣性モーメントＩ_spool）は、巻かれたテザーの量に応じて変化する。この点に関し、より精度よく回転トルクを制御するために、ｒ_spoolは、センサ等で検出された値が用いられてよいし、或いは、スプールの運動履歴から推定されてもよい。

具体的には、テザーが巻かれていない状態のスプールの半径ｒｏ、慣性モーメントＩｏ、スプールの幅ｄ、テザーの密度ρを用いて、テザーが巻かれたスプールの慣性モーメントＩ_spoolは、
Ｉ_spool＝Ｉｏ＋1/2・ρ・ｄ・（ｒ_spool ⁴－ｒｏ⁴） …（４）
により与えられる。また、Ｉ_spoolは、式（２ａ）により
Ｉ_spool＝（Ｔ_spool－ｒ_spool・Ｆ_backside）/(d²θ_spool/dt²) …（５）
によっても与えられる。ここで、ｒ_spool以外のパラメータは、既知値又は計測値であるので、式（４）、（５）から慣性モーメントＩ_spoolを消去して得られた式を満たすｒ_spool（＞ｒｏ）が数値的に算出することが可能である。

かくして、本実施形態に於いては、負荷を牽引するテザーの張力の目標値が、スプールとＦＤＲとの間のテザーのバックテンションを下回るときには、ＦＤＲにテザーを送り出す方向の張力を付与することで、スプールとＦＤＲとの間のテザーに、常に、バックテンションをかけた状態で、負荷を牽引するテザーの張力を０以上の範囲にて調節することが可能となる。かかる構成によれば、負荷との間のテザーの張力が大幅に変動する場合でも、ＦＤＲにテザーが安定的に巻き付けられた状態が保持され、テザーの絡まりなどのトラブルを抑制できることとなる。上記の本実施形態のウインチは、カイトシステムに限らず、任意の用途のＦＤＲ方式のウインチに用いられてよい。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとって多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (3)

1. 負荷に接続されたテザーの送出しと巻取りのためのフリクションドライブローラ方式のウインチであって、
   前記テザーを巻き付けて収納するスプールと、
   前記スプールに回転トルクを付与するスプール回転トルク付与装置と、
   前記負荷と前記スプールとの間にて前記テザーが巻回されるフリクションドライブローラと、
   前記フリクションドライブローラに回転トルクを付与するドライブローラ回転トルク付与装置と、
   前記負荷と前記フリクションドライブローラとの間のテザーの張力が目標張力に一致するように前記スプール回転トルク付与装置と前記ドライブローラ回転トルク付与装置とにより付与される前記回転トルクを制御する制御装置と
   を含み、
   前記制御装置が、前記スプールと前記フリクションドライブローラとの間にて前記所定値以上の第一の張力が発生するよう前記スプール側へ前記テザーを巻き取る方向に前記スプール回転トルク付与装置に回転トルクを発生させ、前記負荷側への前記目標張力の大きさが前記第一の張力の大きさを上回るときには、前記ドライブローラ回転トルク付与装置により前記スプール側へ前記テザーを巻き取る方向に回転トルクを発生させ、前記負荷側への前記目標張力の大きさが前記第一の張力の大きさを下回るときには、前記ドライブローラ回転トルク付与装置に前記スプール側から前記テザーを送り出す方向に回転トルクを発生させるよう構成されたウインチ。
2. 請求項１のウインチであって、前記目標張力が０であるとき、前記スプールと前記フリクションドライブローラとの間のテザーに前記第一の張力が発生した状態で前記負荷と前記フリクションドライブローラとの間のテザーの張力が０に設定されるように前記フリクションドライブローラに前記テザーを送り出す方向に回転トルクが付与されるウインチ。
3. 請求項１又は２のウインチであって、前記ドライブローラ回転トルク付与装置に前記テザーを送り出す方向に回転トルクを発生させるとき、前記スプールと前記フリクションドライブローラとの間のテザーの張力が前記所定値を下回らないように前記スプール回転トルク付与装置に前記テザーを巻き取る方向に発生させる回転トルクを低減するウインチ。

Images