JP3806052B2 - 展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法およびその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、宇宙空間にて使用される人工衛星のアンテナや太陽電池パネルでは、人工衛星の打上げ前に地球上で折り畳まれた状態のアンテナや太陽電池パネルが宇宙空間で展開されて運用される。展開された運用形状の維持は、アンテナ特性の維持や電池特性の維持に不可欠である。また、人工衛星自身の運動や宇宙塵等に起因してこれらの展開構造物に振動が加わると、振動は人工衛星全体の姿勢制御に強い影響を与え、ミッションの目的あるいは遂行に必要な観測値の精度の劣化や展開構造物におけるパネル部材に強度疲労を引き起こす元ともなる。特に、地上と違って空気密度が著しく低い宇宙空間では空気抵抗による振動減衰は期待できない。
【0003】
そのようなことから、展開構造物の振動・形状制御法として、従来から種々の提案がなされている。例えば太陽電池パネルの回転軸をパネル駆動装置の回転軸とオフセットして取り付け、前記パネル駆動装置の回転制御によって太陽電池パネルの振動を制御するように構成したもの、つまり、人工衛星本体と結合部の1か所において、機械的な機構により太陽電池パネルの振動を制御する特開平5−124597号公報に開示された第1従来例のものや、アンテナ副反射鏡の指向方向を3軸駆動装置を用いて、柔軟なアンテナマストの振動を有効に抑制する特開平6−13812号公報に開示された第2従来例等がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような前記第1および第2従来例の展開構造物の振動・形状制御法にあって、いずれのものも、人工衛星本体におけるアンテナ等パネル取付部での一点制御(言わば本体近接部ヒンジのみの振動・形状制御)のみにより振動・形状制御がなされるものであり、このような一点制御では、複数の薄板やメッシュ状のパネル要素がヒンジ等により折畳み・展開可能に構成され不連続な特性の振動を引き起こすところの、一般には長い寸法を持つヒンジ結合展開構造物に対しては、制御力がヒンジを経て複数のパネル要素に伝達されにくく、振動・形状制御としては不充分なものであった。しかも、制御のための駆動装置としてモータ等を使用するため、制御が複雑で装置の重量も大きくなりがちであった。
【0005】
そこで、本発明では、このような従来の展開構造物の振動・形状制御の課題を解決して、不連続な特性の振動を引き起こし易いヒンジ結合構造物を、軽量かつ簡素な構造の制御装置によってヒンジを含めたパネル全体で強力で確実かつ容易に制御し、展開して運用する形状を維持する人工衛星の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法およびその装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法である。
また、ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法である。
また、展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御装置であって、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じて前記アクチュエータ部からの電磁気力によりヒンジの角度を原位置に復元制御して規定位置に設定するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネルのヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御装置である。
【0007】
【実施の形態】
以下、本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法の実施の形態の1例(実験室レベルの模型)を図面に基づいて詳細に説明する。図1はセンサー、アクチュエータ部分の拡大図、図2(A)は実験装置全体図、図2(B)は振動制御流れ図、図3はセンサー原理図、図4はアクチュエータの作動原理図、図5はパネルの振動抑制の制御力説明図、図6は擾乱による振動発生時のヒンジ制御力の説明図、図7は周期外力を加えた時のヒンジ結合構造物の定常状態の振動変位図、図8は初期インパルス力を加えた時のヒンジ結合構造物の振動減衰の図である。
【0008】
以下に本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法を詳細に説明する。本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法は、図1に示すように、少なくとも一対の隣接するパネル10、11同士がヒンジ4により結合され不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジ4の両側のパネル10、11に誘導電磁気力により制御されるセンサー部12とアクチュエータ部13(14と)をそれぞれ設置するとともに、センサー部12にて検出したヒンジ10、11の角度変化に応じてアクチュエータ部13(14)からの電磁気力により制御してヒンジ4の角度を原位置に復元するように構成したことを特徴とする。また、別途付加された信号のみによって、アクチュエータ部の電磁気力を制御することも可能である。
【0009】
図1はヒンジ4についてのみのセンサー部12とアクチュエータ部13、14の配設形態を示したものであるが、後述する図2の実験装置に示されるようにヒンジ結合構造物としては多数のパネルがヒンジ1〜9により結合された連結体により構成されており、必要により、各ヒンジにセンサー部およびアクチュエータ部が配設されるが、1つ置き毎に配設してもよい。図1において、ヒンジ4にて結合される2つの要素であるパネル10、11の一方側に磁石が配設され、他方側にコイルが配設される。図示の例では、センサー部12の磁石12Mがパネル10側に、センサー部12のコイル12Cがパネル11側に配設される。パネル幅方向(図面上下方向)の略中央において、正確にはパネル11に近い側に磁石12Mは配設されている。パネル幅方向の両端部において、アクチュエータ部13、14の磁石13M、14Mがパネル11側に、アクチュエータ部13、14のコイル13C、14Cがパネル10側に配設されている。なお、センサー部12の磁石12Mとコイル12Cとの位置を入れ換えても差し支えはない。アクチュエータ部についても同様である。
【0010】
各種計測機器の配設形態の図示、センサー部12とアクチュエータ部13、14および各種計測機器間の配線等の図示は省略するが、前記センサー部12で磁石12Mの磁場中にあるコイル12Cに対する相対位置変化に基づいてコイル12Cに流れる誘導電流の値を検出し、各種増幅器等を経て前記アクチュエータ部13、14での磁石13M、14Mの磁場中のコイル13C、14Cに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御することで、振動時にヒンジの角度を原位置に復元するような制振動作あるいはヒンジ結合構造物としての形状制御が行われる。また、アクチュエータ部へ別途信号を与えることにより新しい形状への制御が行われる。
【0011】
図2(A)は展開構造物に加える張力を一定に保つことができる機構を有する実験装置である。支持台15上の前後に一対の支持柱16A、16Bを立設し、これらの間にヒンジ1〜9により結合された9枚の薄肉パネル(右端の厚肉三角形端板は支持柱16Bで支持されているが、左右に微小なスライドが可能とされる)から構成される展開構造物としてのヒンジ結合構造体を張設する。三角形パネル21にワイヤ19の一端部を固定するとともに、プーリ支持柱17に軸支したプーリ18により鉛直方向に変換したワイヤ19の他端部に重錘20を取り付ける。このような構成により、ヒンジ1、9での変位はゼロに拘束され、かつヒンジ結合構造体に加わる張力が一定に保たれる状態を作る(解析との比較を行うため)。このようなヒンジ結合構造体に外力を与えたときの時間の経過による振動波形を制御の有無に関して測定するものである。
【0012】
図2(B)は振動制御の流れ図である。センサー12によりヒンジ角度に応じた誘導電流を検出し、検出された信号はプリアンプ22で増幅され、次段の制御回路23により加工される。さらに加工された信号はメインアンプ24にて電力増幅され、制御電流としてアクチュエータ13、14に送られ、振動の制御を行う。また、制御回路23にてオフセット電圧を加えることにより、形状を規定の位置に設定する。
【0013】
図3はセンサー原理を説明する図で、センサー部、アクチュエータ部のあるヒンジiに着目し、i−1、i+1はパネルの隣接するヒンジを示す。wをそれぞれのヒンジでの変位、qをヒンジiからの磁石までの距離、pをヒンジからコイルまでの距離、Bpqs を磁石がコイルに作る磁束密度、Δxを要素間の距離とすると、幾何学的な関係により、コイルの変位ws と磁石の変位wmgは、
ws =(pwi+1 +(Δx−p)wi )/Δx
wmg=((Δx+q)wi −qwi-1 )/Δx
と表せる。これにより、磁石とコイルとの相対変位wreは、
wre=(qwi-1 −(p+q)wi +pwi+1 )/Δx
となる。これにより、相対速度vreは
vre=∂wre/∂t=∂((qwi-1 −(p+q)wi +pwi+1 )/Δx)/∂t
になるので、誘導起電力の関係によりコイルに生じる起電力Vs として、
Vs =vre×Bpqs ×ls ×n
が得られる。ただし、nをコイルの巻き数、ls をコイルの長さ、Bpqs をコイルでの磁束密度とする。この誘導起電力がセンサーによる検出信号となる。実際には、この出力電圧は非常に小さいので、前述したように増幅器によりゲインを与えてアクチュエータを動作させる必要がある。
【0014】
図4はアクチュエータ原理を説明する図で、Δxを要素間の距離、Bpqa を磁石がコイルに作る磁束密度、fa をコイルに電流を流したときに生じる電磁気力とすると、磁束密度のなかに垂直に置かれたコイルに電流が流れるとき、コイルは磁束密度の方向と流れる電流の方向に垂直な方向に力を受ける。この力をアクチュエータの制御力として利用する。今、電圧Vs がアクチュエータ用のコイルに加えられたとき、流れる電流Ia はコイルの抵抗をRとすると、
Ia =Vs /R
である。したがって、コイルが受ける力fa は、
fa =Ia ×Bpqa ×la ×m
となる。ただしla をコイルの長さ、mをコイルの巻き数とする。作用・反作用の法則により、コイルと磁石との間にfa の力が作用し、これを要素iのヒンジにかかる力と等価な力に置き換えるとヒンジにかかる制御力Fa は、
Fa =((p+q)/Δx)fa
となる。
【0015】
以上の分析によって明らかなように、例えば、図5に示すように、パネル側がヒンジを中心として下方への円弧矢印のように振動変形しようとすると、ヒンジに作用する制振制御力は直線矢印のように下方に作用させて振動を抑制しようとする。そして、図6に示すように、ヒンジ結合構造物としての多数のパネル連結体の、例えば、ヒンジ6に外力が加わると、それによって発生した波はヒンジ4に伝搬していくが、前述した制振制御により制振されることとなる。ただし、本例の場合には、ヒンジ6にセンサー部、アクチュエータ部を配設するのがより効率的であることは言うまでもない。
【0016】
図7および図8は前述の導出式から、展開構造物であるヒンジ結合構造物の振動抑制制御に関する数値シミュレーション結果図である。図7はセンサー、アクチュエータの組をヒンジ4の部分に1つだけ配設したものと、1つ置きに4つの組を配設した場合の制御結果を示すもので、最初に周期外力を与えたときに構造物の振動が定常状態に落ちついたときの結果図である。これによるとセンサー、アクチュエータの組を多く取り付けた方が制振による振幅が小さく、より制振効果が高いことが推測される。図8は前記図7と同様の条件にて、構造物に初期インパルス力を与えたときのヒンジの振幅変位の結果図である。これによっても、センサー、アクチュエータの組を多く取り付けた方が振動の抑制制御において振幅が小さく、より制振効果が高いことが推測される。当シミュレーションの結果は、上述した実験装置を用いた振動抑制実験のレーザー変位計による計測結果と充分適合したものとなっている。
【0017】
以上詳細に説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内にて、パネルの形状(パネル単体が平板、曲面等の他、ヒンジ結合構造物全体として平板状やパラボラ曲面等)、材質、ヒンジ形態(パネルの幅方向の全面をヒンジ結合とする他、両端部のみをヒンジ結合部として、それらの間にセンサー部およびアクチュエータ部の磁石とコイルとを有効に、例えば、交互に千鳥状に配列する等)、センサー部およびアクチュエータ部の形状、形式(磁石とコイルの対によるセンサーおよびアクチュエータの他、各種変位計と磁石とコイルの対によるアクチュエータとの組合せ等)および配設形態ならびに配設数、誘導電流の検出形態、各増幅器の形式および配設形態、ゲイン値を含む誘導電磁気力によるアクチュエータの駆動制御形態等については適宜選択し得る。なお、前述の実施の形態はあらゆる点で例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。
【0018】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、少なくとも一対の隣接するパネル同士がヒンジ等により結合され不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジの両側のパネルに誘導電磁気力により制御されるセンサー部とアクチュエータ部とをそれぞれ設置するとともに、センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じてアクチュエータ部からの電磁気力により制御してヒンジの角度を原位置に復元して規定位置に設定するように構成したことにより、ヒンジの両側にセンサー部およびアクチュエータ部が配設されて、センサーおよびアクチュエータの作動ストロークが大きく採れて高精度となる上に、制振制御力も大きくできる。しかも、ヒンジから独立して設けられるセンサーおよびアクチュエータが疲労等による破損の少ない非接触型とすることができる。
【0019】
また、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値あるいは別途与えられたオフセット電流値に応じて制御するように構成した場合は、磁石とコイルの組合せにより軽量かつ偏平で簡素な構造とすることができ、必要に応じてパネル内への埋設構造等も採用して、無用な突起物をなくしヒンジを介したパネルの折畳み・展開を完全にすることもできる。
さらに、前記センサー部およびアクチュエータ部をそれぞれ構成するコイルと磁石とをヒンジの両側に振り分け配置した場合は、ヒンジを支点とする相対角度変化をコイルと磁石からなるセンサー部およびアクチュエータ部における相対位置変化による角度検出と制振制御に有効に活用できて構造が簡素化される。
【0020】
さらにまた、ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置した場合は、コイル電流の誘導値をより高めることができる。
かくして本発明によれば、不連続な特性の振動を引き起こし易いヒンジ結合構造物を、軽量かつ簡素な構造の制御装置によってヒンジを含めたパネル全体で強力で確実かつ容易に制御し、展開して運用する形状を維持するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法および装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のヒンジ結合構造物における要部拡大図で、センサー、アクチュエータ部の配設形態を示す図である。
【図2】 同、図2(A)は実験装置全体図、図2(B)は振動制御流れ図である。
【図3】 同、センサー原理図である。
【図4】 同、アクチュエータの作動原理図である。
【図5】 同、パネル振動抑制のための制御力説明図である。
【図6】 同、擾乱による振動発生時のヒンジ制御力の説明図である。
【図7】 同、周期外力を加えたときのヒンジ結合構造物の定常状態の振動変位図である。
【図8】 同、初期インパルス力を加えたときのヒンジ結合構造物の振動減衰の図である。
Claims (3)
- 展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法。
- ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置したことを特徴とする請求項1に記載の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法。
- 展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御装置であって、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じて前記アクチュエータ部からの電磁気力によりヒンジの角度を原位置に復元制御して規定位置に設定するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネルのヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御装置。
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