JP4431779B2 - 推力方向制御機構を有するイオンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、例えば人工衛星等の宇宙構造物に搭載されるイオンエンジンに関する。

人工衛星等の宇宙構造物の軌道制御や主推進等に用いられる宇宙用の推進機関としてイオンエンジンが採用されている。このような推進用のイオンエンジンとして、電子衝撃型イオンエンジンがあるが、その主要部は、通常、図６に示すように構成されている。図６は、この発明の基盤となる特許文献１に開示されているイオンエンジンの概略を示したものである。
特開平１１−２８０６４０号公報（段落［０００２］〜［０００８］，［００２３］〜［００２８］、図１、図２及び図７）

図６において、円筒状に形成されたシールドケース１には小孔２が多数形成されている。シールドケース１内には磁性材料で壁面を構成した放電容器３が同心的に配置されている。放電容器３の開口部は、穴あきグリッド板４によって蓋されている。穴あきグリッド板４は後述するように２枚のグリッド板４ａ，４ｂから成り、グリッド板４ａ，４ｂには丸形のイオンビーム通過孔５が多数形成されている。放電容器３の底壁中央部には小径の開口部６が形成されており、開口部６は筒体７を介してガス導入系８に通じている。そして、筒体７内にはホローカソード９が配置されている。また、放電容器３の内壁面には環状の磁石１０が複数固定されている。

このような電子衝撃型イオンエンジンでは、ホローカソード９に対して放電容器３が陽極電位に保たれる。この状態で推進剤（例えばキセノン）ガスがガス導入系８から導入されると、ホローカソード９と放電容器３との間に放電が生起され、放電容器３内に電離プラズマが生成される。この電離プラズマは、磁石１０の作るカスプ磁場によって放電容器３の内周面から離れた領域に閉じこめられる。グリッド板４は、この電離プラズマから陽イオンを引き出し、1 ｋｅＶ程度の運動エネルギを与えてイオンビーム通過孔５から宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力がイオンエンジンの推力となる。中和器１１は放出された陽イオンビームと電気的に同量の電子を宇宙空間に放出して中和し、人工衛星等の宇宙構造物が帯電するのを防止する。

イオンビーム引き出しを担うグリッド板４は、放電容器３側から順にスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとで構成されており、径方向の熱膨張による変位量を吸収するための電極支持機構１２ａと１２ｂによって周縁部がそれぞれ複数箇所に亘って支持されている。電極支持機構１２ａと１２ｂは、放電容器３の軸心線と平行にそれぞれ延びたバネ部材１３ａと１３ｂによって構成されており、これらのバネ部材１３ａと１３ｂがそれぞれスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂに連結されている。これらのバネ部材１３ａと１３ｂにより、スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂは、径方向の動きに対してある程度の自由度を有している。

ところで、イオンエンジンを人工衛星等の宇宙構造物に搭載して推進用エンジンとして使用するためには、イオンエンジンが発生する推力の方向を精密に制御する必要がある。この推力方向制御のために、通常はジンバル機構と呼ばれる装置が使用されており、このジンバル機構はイオンエンジンと宇宙構造物との間に取り付けられ、イオンエンジン自体の向きを変えることで、推力の発生方向を制御している。しかしながら、このジンバル機構では、イオンエンジン全体を動かさなければならないために頑丈な構造が必要であり、ジンバル機構自体の重量が大きくなるという問題があった。更に、このジンバル機構では、イオンエンジン全体を動かすため、イオンエンジンと宇宙構造物とをつなぐ推進剤供給用の配管等に柔軟性を与える必要があり、この接続部の構造を複雑にしていた。

このような問題を解決する手段として、図６中のグリッド板４においてイオンビームの噴射方向を変化させることにより、イオンエンジンの推力発生方向を制御する方法がある。図７は、このグリッド板４における通常のイオンビーム噴射状態を、一組のイオンビーム通過孔５について模式的に表したものである。イオンエンジンの通常の動作では、スクリーングリッド４ａのイオンビーム通過孔５ａと、加速グリッド４ｂのイオンビーム通過孔５ｂとは同軸的に配置されており、イオンビームは同軸上に噴射される。

これに対し、図８には、グリッド板４においてイオンビーム偏向を行った場合のイオンビーム噴射状態が、一組のイオンビーム通過孔５について模式的に表されている。図８では、スクリーングリッド４ａのイオンビーム通過孔５ａと、加速グリッド４ｂのイオンビーム通過孔５ｂとの孔中心軸がずれているために、イオンビームの噴射方向が上向きに変化している。このようなイオンビーム偏向が、全てのイオンビーム通過孔５について生じた場合、イオンエンジンが発生する推力の方向も変化する。

図８のような孔軸のずれを全てのイオンビーム通過孔５において生じさせるためには、スクリーングリッド４ａ又は加速グリッド４ｂを、放電容器３の軸心線と垂直方向に微少量だけ移動すればよい。しかしながら、スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂの間隔は１ｍｍ以下であり、その間隔を保ったままグリッド板４を微少量移動させる機構を作ることは、動作精度や再現性の点で困難であった。更に、グリッド板４には高電圧が印加されているため、絶縁破壊が起きないような工夫も必要であった。また、実用可能なコンパクトなサイズでグリッド板４を微小移動させる機構を作ることも困難であった。

上記のように、イオンエンジンにおいては、その推力発生方向の制御をするためには、重量の大きなジンバル機構を使用しなければならず、イオンエンジンの取付部が複雑な構造になるという問題があった。更に、この問題を解決し得る、グリッド板でのイオンビーム噴射方向の制御のための機構が開発されていないという問題もあった。

このようなイオンエンジンに関する公知文献としては、特許文献２（放電容器内に設けられたスポイラと呼ばれる部材を半径方向に動かすことにより、電離プラズマの数密度を半径方向に変化させ、イオンビームの偏向を可能とするイオンエンジン）、特許文献３（加速グリッド支持構造の一部に圧電素子を用いることにより、加速グリッド間の電位差を利用してグリッド間の間隔又は各グリッドの中心位置を可変にするイオンエンジンにおける加速グリッドシステム）及び非特許文献１（グリッド板の位置固定用の複数のバネのうちいくつかのバネを加熱することで、それらのバネのバネ定数を変化させ、グリッド板同士の相対位置を変化させるグリッドシステム）等があるが、本発明とはその目的や手法が異なるものである。
米国特許第４２７７９３９号明細書 特開平５−１２６０２８号公報（段落［００１２］〜［００１４］、図１〜図３） AIAA paper no. 72-485, Grid-Translation Beam Deflection Systems for 5-cm and 30-cm Diameter Kaufman Thrusters, W. C. Lathem, 9thElectric Propulsion Conference

そこで、イオンエンジンのグリッド板をそれらグリッド板間の微小な間隔を保ったまま、簡単でコンパクトなサイズの機械的機構によって、放電容器の軸心線と垂直方向に微少量だけ移動させることを可能にする点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、イオンエンジンのグリッド板を、グリッド板間の微小な間隔を保ったまま、微少量だけ正確に且つ再現性を保って動かすことが可能なグリッド板の移動機構を開発することにより、移動機構が簡単・軽量でありながら信頼性の高い推力方向制御をすることができるイオンエンジンを提供することである。

上記目的を達成するため、この発明によるイオンエンジンでは、放電容器と、この放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、このガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記放電容器内にプラズマを生成する手段と、前記プラズマ中のイオンを引き出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出すための複数枚のグリッド板からなる電極と、前記各グリッド板を支持する複数の電極支持機構とを有し、前記電極支持機構が、前記放電容器の軸心線と平行に立てられた複数の縦バネによって構成されているイオンエンジンにおいて、１枚ないし複数枚の前記グリッド板に取り付けられた１本ないし複数本のてこ棒によって前記グリッド板を前記放電容器の軸心線と垂直方向に動かし、前記イオンの加速方向を変化させることを特徴としている。

このイオンエンジンでは、１本ないし複数本のてこ棒を用いることにより、バネ部材によって支持されている１枚ないし複数枚のグリッド板を小さな駆動力で放電容器の軸心線と垂直方向、即ち径方向に動かすことが可能である。したがって、てこ棒の力点に力を加えるために使用するモータ等の駆動力が小さくて済むため、モータ等の小型化・軽量化が可能であり、推力方向制御機構全体を小型・軽量にすることができる。さらに、てこ棒に連結されているグリッド板全体が一様に径方向に変位し且つてこ棒の力点での変位量に比較してグリッド板の変位量が小さいため、精度の高いグリッド板位置の制御が可能となり、イオンビームの噴射方向を高精度に制御することが可能になる。

このイオンエンジンにおいては、複数枚のグリッド板の一部または全部を、カーボン系材料等の熱膨張率の小さな材料で構成することが可能である。これにより、グリッド板の熱変形が抑制されるため、より正確なイオンエンジンの推力方向制御が可能となる。

このイオンエンジンにおいては、てこ棒の一部または全部を電気絶縁物で構成することが可能である。これにより、てこ棒によって接続されたグリッド板とモータ駆動系との間に、電気絶縁物による十分な距離を設けることができ、沿面放電等の絶縁破壊によるモータ駆動系の破損を防ぐことが可能である。

このイオンエンジンにおいては、複数枚のグリッド板のイオンビーム通過孔形状を、通常の丸形ではなく、スリット（細長）形にすることができる。スリット形のイオンビーム通過孔を有するグリッド板を使用した場合には、通常の丸形のイオンビーム通過孔形状の場合に比較して、径方向へのグリッド板の移動量に対するイオンビーム偏向角の割合が大きいため、少ないグリッド板の移動量で大きな推力方向変化を得ることができる。ただし、スリット形イオンビーム通過孔を有するグリッド板を使用した場合には、スリットの長手方向にグリッド板を移動させてもイオンビーム噴射方向は変化しないため、推力方向可変の方向はスリットの長手方向に直交する１方向に限られる。この場合には、１枚のグリッド板に１本のてこ棒を取り付けて、そのてこ棒を径方向に動かすことで、１方向の推力方向制御を行うことが可能である。

このイオンエンジンにおいて、１枚のグリッド板に取り付けた１本のてこ棒の支点を、自在継ぎ手のような自由度の高い支点にすることができる。これにより、てこ棒を動かす方向は、径方向及び周方向に対して自由であるため、てこ棒を径方向に動かすことによりグリッド板を例えばｘ方向に移動でき、てこ棒をｘ方向に直交する接線方向に動かすことによりグリッド板をｙ方向に動かすことができる。この方法によれば、ｘ及びｙの２方向に対してイオンビームの噴射方向を変化させることができ、２次元の推力方向制御を行うことが可能である。

このイオンエンジンにおいては、１枚のグリッド板に２本のてこ棒を９０°ずらして取り付けることが可能である。それぞれのてこ棒を径方向に動かすことにより、ｘ及びｙの２方向に対してイオンビームの噴射方向を変化させることができ、２次元の推力方向制御を行うことが可能である。

このイオンエンジンにおいては、２枚のグリッド板にそれぞれ１本ずつのてこ棒を９０°ずらして取り付けることが可能である。即ち、スクリーングリッドに１本のてこ棒を取り付け、加速グリッドに別の１本のてこ棒を取り付ける。それぞれのてこ棒を径方向に動かすことにより、例えばスクリーングリッドをｘ方向に、加速グリッドをｙ方向に動かすことができ、２方向に対してイオンビームの噴射方向を変化させることが可能となる。

このイオンエンジンにおいて、前記グリッド板を動かすための作動力を、前記てこ棒の働きにより、前記てこ棒への駆動力よりも大きい力として得ることができる。てこの支点から力点及び作用点までの距離を設定することで、グリッド板を動かすための作動力を、てこ棒の働きにより、てこ棒への駆動力よりも大きい力として得ることができる

さらに、付加的な効果として、上記のような方法を用いてグリッド板を微小移動することにより、グリッド間に堆積した微小なゴミを篩落とすことができ、イオンエンジンの故障の一要因であるグリッド間での電気絶縁破壊を防ぐことができるものと期待できる。

本発明によるイオンエンジンによれば、放電容器と、この放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、このガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて放電容器内にプラズマを生成する手段と、プラズマ中のイオンを引き出し、加速して放電容器の外部へ送り出すための複数枚のグリッド板からなる電極と、各グリッド板を支持する複数の電極支持機構とを有し、電極支持機構が、放電容器の軸心線と平行に立てられた複数のバネ部材によって構成されているイオンエンジンにおいて、１枚ないし複数枚のグリッド板に取り付けられた１本ないし複数本のてこ棒によってグリッド板を放電容器の軸心線と垂直方向に動かすことにより、イオンビームの噴射方向を高精度に再現性を以て制御することができる。したがって、このイオンエンジンによれば、宇宙でのイオンエンジンの動作に不可欠な推力方向制御を、ジンバル機構を使用せずに行うことが可能であり、イオンエンジンシステムの重量削減及びイオンエンジン取付部の構造の簡略化が可能となる。さらに、本発明によるイオンエンジンによれば、小型・軽量で精度の高いグリッド板移動機構の設計や製作が可能となる。

以下、図面を参照してこの発明によるイオンエンジンの実施例を説明する。図１は、本発明の第１実施例に係わるイオンエンジンを示す図である。なお、第１実施例においては、図６に示す通常のイオンエンジンと同一部分については同一符号を用いているため、重複した詳細な説明を省略する。図１においては、図６に示されているシールドケース１、電極支持機構１２ａ，１２ｂ、及びバネ部材１３ａ，１３ｂは省略している。イオンビーム通過孔５は、グリッド板４全体に配置されているものを省略して示している。

図１に示される第１実施例に係わるイオンエンジンにおいては、加速グリッド４ｂとてこ棒２１とが継ぎ手２２を介して接続されている。さらに、てこ棒２１は放電容器３に固定された支持点２３によって支持されており、てこ棒下部に矢印のような径方向の駆動力を加えることで、てこ棒２１は支持点２３を支点とした「てこ」の役割を果たし、加速グリッド４ｂを１方向（ｘ方向）に動かすことができる。このとき、てこ棒下部に力を与える駆動力は、「てこ」の働きにより小さくて良いため、使用する駆動系は小型・軽量にすることが可能である。さらに、てこ棒下部の変位量に対して加速グリッド４ｂの変位量が小さいため、位置決め精度の悪い比較的安価な駆動系を使用しても、加速グリッド４ｂの位置を精密に制御することが可能である。なお、本実施例においては、グリッド板４にカーボン系材料等の熱膨張率の小さい材料を用いることができ、また、てこ棒２１の一部または全部を電気絶縁材料で構成することが可能であり、これらの点は以下の実施例においても共通である。

図２は、本発明の第２実施例に係わるイオンエンジンを示している。図２に示すイオンエンジンでは、図１に示す第１実施例と同一部分については同一符号を用いているため、重複する詳細な説明を省略する。第２実施例では、第１実施例と同様に加速グリッド４ｂとてこ棒２１とが接続されているが、第１実施例ではグリッド板４のイオンビーム通過孔５が丸形であるのに対し、本実施例ではスリット形のイオンビーム通過孔３１が配置されている。噴射方向の制御には、イオンビーム通過孔３１の長手方向をてこ棒２１の駆動方向と直交する方向に設定するのが効率的である。スリット形のイオンビーム通過孔３１においては、丸形のイオンビーム通過孔と比較して、大きなイオンビーム偏向角が得られるため、加速グリッド４ｂの変位量が小さくて済むという利点がある。また、グリッド板４の製作において、スリット形のイオンビーム通過孔３１を形成する場合には、その加工が容易であるという利点もある。

図３は、本発明の第３実施例に係わるイオンエンジンを示したものである。図３に示すイオンエンジンでは、図１に示す第１実施例と同一部分については同一符号を用いているため、重複する詳細な説明を省略する。第３実施例では、てこ棒２１が継ぎ手２２を介して加速グリッド４ｂに接続されている点は第１実施例と同様であるが、てこ棒２１の支点が自在支持点４１である点で異なっている。すなわち、自在支持点４１は、ｘ方向に加えてｙ方向にもてこ棒２１の動作を許容するため、てこ棒下部にｘ方向とｙ方向の変位をそれぞれ与えることで、加速グリッド４ｂをｘ方向及びｙ方向の２方向に動かすことが可能である。これにより、１本のてこ棒２１によって、イオンビームの噴射方向を２方向に制御することができる。ただし、自在支持点４１を持つグリッド板移動機構の場合には、てこ棒２１をｙ方向に動かしたときに加速グリッド４ｂに伝わる力は円周方向の力であるため、厳密な意味での２次元の推力方向制御はできない。

図４は、本発明の第４実施例に係わるイオンエンジンを示したものである。図４に示すイオンエンジンでは、図１に示す第１実施例と同一部分については同一符号を用いているため、重複する詳細な説明を省略する。第４実施例においては、２本のてこ棒２１ｘ及び２１ｙが９０°の間隔をおいて加速グリッド４ｂに取り付けられている。継ぎ手２２および支持点２３の働きは第１実施例と同様である。すなわち、てこ棒２１ｘの下部にｘ方向の力を加えることで加速グリッド４ｂにｘ方向の変位を与えることができ、てこ棒２１ｙの下部にｙ方向の力を加えることで加速グリッド４ｂにｙ方向の変位を与えることができる。これにより、２本のてこ棒２１ｘ及び２１ｙによって、イオンビームの噴射方向を２方向に制御でき、２次元の推力方向制御が可能となる。なお、この実施例においては、てこ棒２１ｘ及び２１ｙをスクリーングリッド４ａに取り付けても差し支えない。

図５は、本発明の第５実施例に係わるイオンエンジンを示したものである。図５に示すイオンエンジンでは、図４に示す第４実施例と同一部分については同一符号を用いているため、重複する詳細な説明を省略する。第５実施例では、２本のてこ棒２１ｘ及び２１ｙが９０°の間隔をおいて配置されている点は第４実施例と同様であるが、てこ棒２１ｙが継ぎ手５１を介してスクリーングリッド４ａに取り付けられている点で第４実施例と異なっている。即ち、本実施例においては、てこ棒２１ｘの下部にｘ方向の駆動力を加えることで加速グリッド４ｂにｘ方向の変位を与えることができ、てこ棒２１ｙの下部にｙ方向の駆動力を加えることでスクリーングリッド４ａにｙ方向の変位を与えることができる。この方法により、ｘ方向のイオンビーム噴射方向の制御は加速グリッド４ｂの微小移動で行い、ｙ方向のイオンビーム噴射方向の制御はスクリーングリッド４ａの微小移動で行うことができ、２次元の推力方向制御が可能となる。継ぎ手５１は、この実施例では基部５１ａと基部５１ａから折れ曲がった２本のアーム部５１ｂとから成る全体にコの字状の継ぎ手であり、てこ棒２１ｙからスクリーングリッド４ａへの連結位置が遠くなる場合に、スクリーングリッド４ａにｙ方向の変位を与えるのに有効である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものではない。すわなち、上記の各実施例ではグリッド板４に関してスクリーングリッド４ａ及び加速グリッド４ｂの２枚の構成としたが、これに減速グリッドを加えた３枚構成の場合にも適用可能である。また、てこ棒２１の長さおよび太さも各説明図に示された大きさである必要はなく、てこ棒支持点２３および自在支持点４１は放電容器３によって固定されている必要はない。継ぎ手５１についても、コ字状の形状に限られない。さらに、放電容器３内部でのプラズマ生成方法は既述の方法に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行って実施可能である。

宇宙構造物の推進用のみならず、半導体や表示素子のような成膜技術を伴う技術やイオン噴射を行う各種の装置にも適用可能であることは、明らかである。

この発明の第１実施例に係わるイオンエンジンを示す概略図である。 この発明の第２実施例に係わるイオンエンジンを示す概略図である。 この発明の第３実施例に係わるイオンエンジンを示す概略図である。 この発明の第４実施例に係わるイオンエンジンを示す概略図である。 この発明の第５実施例に係わるイオンエンジンを示す概略図である。 電極支持機構にバネ部材を使用したイオンエンジンを一部切欠して示す概略図である。 イオンエンジンにおける通常のイオンビーム噴出状態を示す概念図である。 イオンエンジンの加速グリッドを微小量移動した場合にイオンビーム噴出の方向が変化する様子を示す概念図である。

符号の説明

１ シールドケース
２ シールドケース小孔
３ 放電容器
４ グリッド板
４a スクリーングリッド
４b 加速グリッド
５ イオンビーム通過孔
５a スクリーングリッドのイオンビーム通過孔
５b 加速グリッドのイオンビーム通過孔
６ 放電容器底の開口部
７ 筒体
８ ガス導入系
９ ホローカソード
１０ 磁石
１１ 中和器
１２ 電極支持機構
１２a スクリーングリッド用の電極支持機構
１２b 加速グリッド用の電極支持機構
１３ バネ部材
１３a スクリーングリッド用のバネ部材
１３b 加速グリッド用のバネ部材
２１ てこ棒
２１x てこ棒が２本ある場合に、ｘ方向に駆動するてこ棒
２１y てこ棒が２本ある場合に、ｙ方向に駆動するてこ棒
２２ 継ぎ手
２３ 支持点
３１ スリット形イオンビーム通過孔
４１ 自在支持点
５１ スクリーングリッド接続用継ぎ手
５１ａ スクリーングリッド接続用継ぎ手の基部
５１ｂ スクリーングリッド接続用継ぎ手のアーム部

Claims (3)

1. 放電容器と、この放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、このガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記放電容器内にプラズマを生成する手段と、前記プラズマ中のイオンを引き出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出すための複数枚のグリッド板からなる電極と、前記各グリッド板を支持する複数の電極支持機構とを有し、前記電極支持機構が、前記放電容器の軸心線と平行に立てられた複数の縦バネによって構成されているイオンエンジンにおいて、
   前記放電容器の軸心線と略平行な状態で１枚ないし複数枚の前記グリッド板に取り付けられた、該取り付け点（２２）での前記グリッド板の径方向の変位量が力点での同変位量に比べ小さくなるように前記放電容器に固定された支持点（２３）を有する１本ないし複数本のてこ棒によって、前記グリッド板と駆動装置との絶縁距離を保った状態で駆動装置を用いて前記グリッド板を前記放電容器の軸心線と垂直方向に動かし、前記イオンの加速方向を変化させることを特徴とするイオンエンジン。
2. 複数枚の前記グリッド板に開けられた複数個のイオンビーム通過孔の形状がスリット形であることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
3. 前記てこ棒１本を前記グリッド板１枚に取り付け、前記イオンの加速方向を一方向に変えることを特徴とする請求項２に記載のイオンエンジン。

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