JP5309138B2 - フライバイワイヤ飛行制御システムでの使用に適合した操縦桿及びそれに使用する連結機構 - Google Patents

フライバイワイヤ飛行制御システムでの使用に適合した操縦桿及びそれに使用する連結機構 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、手動のオペレータ・コマンドの感知、そしてそのようなコマンドに応じて動作される対象物（たとえば翼表面など）へのコマンドの伝送に使用するように適合した操縦桿（たとえばジョイスティック、サイドスティックなど）の分野、適切な支持体上への操縦桿の取り付けに使用するための改良型の連結機構、そして連結機構に使用するように特に適合した改良型の複合ばねに関する。１つの特定の用途は、フライバイワイヤ飛行制御システムによって操縦士又は副操縦士のコマンドを様々な翼表面に伝送することを企図している。
ジョイスティックは、操縦士の手動入力コマンド（命令）を様々な航空機飛行制御表面に転送するためのよく知られた装置である。ジョイスティックは、それらの初期の形態では、たいてい操縦席の床上の操縦士の脚部の間に取り付けられていた。ジョイスティックは、通常、航空機のピッチ及びロール軸である、２つの相互に垂直な軸周りのスティックの複合ピボット（枢動）運動を可能にするように取り付けられていた。しかし、これらのジョイスティックの位置及びサイズは、しばしば他の装置及び自由を妨げ、ハンドルの許容運動範囲を受け入れるために相当なスペースが必要であった。
当初、そのようなジョイスティックは、機械式連結機構及びケーブルによって様々な翼表面に連結されていた。これらの結合は、不必要に重くかさばったものであり、容易に冗長性を可能にすることができなかった。
航空機の性能、制御及び精巧さが高められるにつれて、フライバイワイヤシステムが開発されてきた。これらのシステムでは、ジョイスティック・ハンドルへの様々な手動入力は、最初に電気信号に変換され、次いで様々な冗長化パスに沿って１つ又は複数のコンピュータに、その後、様々な翼表面の動作を制御する、遠隔に配置されたモータ及び駆動装置に伝送される。したがって、ジョイスティック及びカラムホイールからの機械的伝送は、スティックに関連した変換器からの電気的伝送に取って代わられてきた。
より最近では、サイドスティックが開発された。これらのサイドスティックは、通常、操縦士及び副操縦士の座席の外側に配置された肘掛けの前方に取り付けられる。操縦士は、通常、左の座席に座り、副操縦士は右の座席に座る。したがって、操縦士のサイドスティックは、普通、操縦士の左側にあり、副操縦士のサイドスティックは、副操縦士の右側にある。故に、操縦士は、通常、自分の左腕を自分の左肘掛けに載せ、自分のサイドスティックを自分の左手で制御し、一方で副操縦士は、副操縦士の右腕を自分の右肘掛けに載せ、自分のサイドスティックを自分の右手で制御することになる。多くの場合、適切な軸周りのスティックの傾斜は、位置関数として感知されていた（たとえば米国特許第５，１２５，６０２号及び同第５，２９１，１１３号を参照）。他のケースでは、適切な軸周りのスティックの傾斜は、力又はトルクの関数として感知されていた（たとえば米国特許第６，０２８，４０９号、同第５，６９４，０１０号、及び同第５，３４７，２０４号を参照）。
これらのサイドスティックの一部は、ピッチ及びロールの軸周りの全方向の又は複合のピボット運動を可能にするようにジンバル上に取り付けられている（たとえば米国特許第５，２９１，１１３号及び同第５，６９４，０１４号を参照）。
サイドスティックは、通常、「パッシブ型」又は「アクティブ型」のいずれかのものであると考えられている。「パッシブ型」サイドスティック・ユニット（「ＰＳＳＵ」）は、操縦士又は副操縦士のピッチ及びロールのコマンドを、適切な軸周りの関連する操縦桿の傾斜変位の関数として感知する。これらのコマンドは、次いで１つ又は複数の飛行制御コンピュータに供給され、次にこのコンピュータは、航空機のピッチ及びロールを制御するために様々な翼表面の動作を制御する。操縦桿は、冗長化コマンド信号をコンピュータに供給することができる。こうした装置の一部は、操縦士及び副操縦士に様々な状態の触感及び感覚を与えるために、様々なばねを使用して様々なフォースフィール（ｆｏｒｃｅ−ｆｅｅｌ）傾斜を操縦桿のハンドルに適用する（たとえば米国特許第５，１２５，６０２号を参照）。
「アクティブ型」サイドスティック・ユニット（「ＡＳＳＵ」）は、ＰＳＳＵに類似したものであるが、操縦士及び副操縦士のサイドスティックの位置を結合させるためのモータを更に組み込む。操縦士が、航空機をアクティブに制御しており、副操縦士が、自分のスティックから手を離している場合、副操縦士のスティックは、操縦士が自身のスティックに供給する様々な位置移動に従い、それをまねるようにバックドライブされる。したがって、操縦士及び副操縦士のスティックは、あたかも一方が他方の奴隷のように、平行且つ一致して同時に傾斜する。反対に、副操縦士が、航空機をアクティブに制御しており、操縦士が自分のスティックから手を離している場合、操縦士のスティックは、副操縦士によって自身のスティックに供給された位置コマンドに従い、それをまねる。これは、時に、「位置の再複写（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｃｏｐｙｉｎｇ）」（たとえば米国特許第５，１２５，６０２号を参照）、又は「電気式クロスコックピット相互接続（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｒｏｓｓ−ｃｏｃｋｐｉｔ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）」（たとえば米国特許第５，４５６，４２８号を参照）、又は単に「交差結合」（たとえば米国特許第５，６９４，０１４号を参照）として知られている。
航空機に、自動操縦が備えられる場合、自動操縦は、電気信号を生成することができ、この電気信号は、操縦士及び副操縦士の操縦桿の両方をバックドライブするためにそれらの操縦桿に関連したモータに供給される。
そのようなサイドスティックに、様々な入力コマンドに対する翼表面の抵抗、又は様々な作動状態間の移行、又は更には緊急の場合の振動の「感覚」をシミュレートした様々なフィードバック力覚を備えることも知られている。また、オペレータがスティックから手を放した場合、手動指令された位置からスティックが自由に動くのを妨害するためにそのような操縦桿を減衰させることも知られている（たとえば米国特許第５，１２５，６０２号、同第６，４５９，２２８号、及び同第４，０６９，７２０号を参照）。上記の特許の各々のすべての開示は、参照によって本明細書に援用する。
しかし、現在までに開発されたカラムホイール、ジョイスティック及びサイドスティックは、摩擦、がたつきなどを操縦桿の動作に取り込む様々な機械式連結機構及び結合を含んでいる。こうした設計は、重くかさばるものと考えられている。それらは、操縦桿から飛行制御コンピュータへの手動の操縦士入力信号の円滑な連続伝送、及び電気指令された動作及び力に従って操縦桿をバックドライブするための様々な電気信号の円滑な連続伝送を妨害するものと考えられている。
したがって、「パッシブ型」及び「アクティブ型」両方のフライバイワイヤ飛行制御システムにおいて使用するように適合された改良型の操縦桿の提供、そのような改良型の操縦桿と共に使用するための改良型の連結機構、そしてその連結機構において使用可能な改良型の複合トーションばねに対する、実証された必要性が長年にわたって存在していると考えられている。
開示された実施例（複数可）の対応する部品、部分又は表面に対する括弧付き参照を用いて、限定的ではなく単に例示的な目的のために、本発明は、概して、改良型の操縦桿（２０）、操縦桿で使用するための改良型の連結機構（２７）、及び改良型の複合ばね（３８）を提供する。
１つの態様では、本発明は、支持体（２１）上に取り付けられ、対象物（図示せず）の動作を制御するように適合した操縦桿（２０）における改良を提供する。この改良は、概して、支持体（２１）と、ハンドル（２４）を、操縦桿に入力を提供するために２つの相互に垂直な軸（ｘｕ１−ｘｕ１、ｘｕ２−ｘｕ２）周りで選択的に複合ピボット運動を行うように支持体上に取り付けるための連結機構（２７）とを含む。連結機構は、支持体上に取り付けられた第１のジンバル（２２）と、第１のジンバル上に取り付けられた上側部材（２３）であって、第１のジンバルの上方に配置されたハンドル（２４）を有し、第１のジンバル下方に配置された下側部分（２５）を有する上側部材（２３）と、中間部材（２６）と、上側及び中間の部材を連結する第２のジンバル（２８）と、下側部材（２９）であって、中間及び下側の部材の一方が、ハンドルが支持体に対して移動されたとき中間と下側の部材間の相対運動を可能にするためにそれらの他方上に可動的に取り付けられている下側部材（２９）と、下側部材を支持体に連結する第３のジンバル（３０）と、中間と下側の部材間の相対運動の方向を付勢するように配置された円柱ばねなどの弾性部材（３１）とを含む。ハンドルは、把持され、入力を連結機構に提供するために支持体に対して選択的に移動され得る。
弾性部材（３１）は、連結機構からすべてのがたつきを実質的に取り除く力を引き起こすように配置させることができる。弾性部材は、支持体に対して中立位置方向にハンドルを移動させることができる。
改良は、更に、動作される対象物（たとえば翼表面）と、連結機構の一部の位置を感知し、そのように感知された位置に比例する電気信号を生成するために支持体上に取り付けられた少なくとも１つの変換器（３２、３２、３２）とを含むことができる。ハンドルは、対象物を動作させるためのコマンド信号を変換器に供給させるために支持体に対して移動されるように適合される。
改良は、更に、支持体と連結機構の間で作用する複数のばね（３３、３３、３４、３４）を含むことができる。これらのばねは、異なる強制偏向（ｆｏｒｃｅ−ｔｏ−ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）特性を有する。ばねの少なくとも１つは、複合ばね（３８）でよい。
改良型の操縦桿では、ハンドルが中立から移動されたときの中間と下側の部材間の移動の程度は、ハンドルが中立位置にあるときの、（ａ）第１と第２のジンバルの軸間の距離（Ａ）と、（ｂ）第２及び第３のジンバルの軸間の距離（Ｂ）との比の関数でよい。（ｉ）第１と第２のジンバルの軸を結ぶ想像線と、（ｉｉ）第２及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線の間の偏向角度は、（ａ）第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線に対する上側部材の偏向角度、及び（ｂ）第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線に対する下側部材の偏向角度の合計にほぼ等しくてよい。
改良は、更に、支持体と連結機構の間で作用する、ハンドルを中立から移動させるためにハンドル上に力が引き起こされることを必要とするための磁気戻り止め（３５）を含むことができる。
改良は、更に、支持体と連結機構の間で作用する、ハンドルの速度を減衰させるためのダンパ（３６）を含むことができる。このダンパは、渦電流ダンパでよい。
改良は、更に、支持体と連結機構の間で作用する、モータに供給された信号に応じて連結機構を動作させるためのモータ（図示せず）を更に含むことができる。
改良型の操縦桿は、フライバイワイヤ制御システムを有する航空機に取り付けることができ、この改良型の操縦桿は、操縦士ステーション及び副操縦士ステーションに取り付けることができる。操縦士及び副操縦士の操縦桿は、一緒に動作するように交差結合されてよい。航空機は、自動操縦を有することができ、操縦士及び副操縦士の操縦桿は、自動操縦によって供給された信号に応答して一緒に動作することができる。
別の態様では、本発明は、対象物の動作を制御するように適合した操縦桿（２０）における改良を提供する。改良は、支持体（２１）と、支持体に枢動可能に取り付けられ、支持体とのピボット連結の下方に配置された下側部分（２５）を有する上側部材（２３）と、上側部材の下側部分に枢動可能に連結された上側部分を有する中間部材（２６）と、支持体上に枢動可能に取り付けられた下側部分を有し、上側部分を有する下側部材（２９）であって、中間部材の下側部分が、支持体に対する上側部材の上側部分のピボット運動が、支持体に対する中間及び下側の部材のピボット運動を生み出すように、下側部材の上側部分上に可動的に取り付けられた下側部材（２９）と、中間と下側の部材間の相対運動の方向を付勢するように配置された弾性部材（３１）とを含む。
上側部材は、上側部材の長さの中間において軸（ｘｕ１−ｘｕ１又はｘｕ２−ｘｕ２）の周りでピボット運動を行うように支持体上に取り付けることができ、上側部材は、軸の上方に配置され、ハンドル（２４）として機能するように配置された上側部分を有することができ、ハンドルは、把持され、入力を連結機構に提供するために選択的に操作され得る。
上側部材は、支持体に対して２つの相互に垂直な軸（ｘＵ１−ｘＵ１、ｘＵ２−ｘＵ２）周りで複合ピボット運動を行うように取り付けることができる。
弾性部材によって引き起こされた力は、上側部材を支持体に対して中立位置方向に移動させることができる。弾性部材は、連結機構からのすべてのがたつきを実質的に解消する力を引き起こすように配置させることができる。弾性部材によって引き起こされた力は、調整可能でよい。
上側部材が中立から移動されたときの中間と下側の部材間の移動の程度は、上側部材がその中立位置にあるときの、（ａ）上側部材と支持体間のピボット軸と、中間部材と支持体間のピボット軸の間（Ａ）の距離と、（ｂ）中間部材と支持体間のピボット軸と、下側部材と支持体間のピボット軸の間（Ｂ）の距離との比の関数でよい。（ｉ）第１及び第２のジンバルの軸を結ぶ想像線と、（ｉｉ）第２及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線の間の偏向角度は、（ａ）上側部材と支持体間のピボット軸及び下側部材と支持体間のピボット軸を結ぶ想像線に対する上側部材の偏向角度、及び（ｂ）上側部材と支持体間のピボット軸及び下側部材と支持体間のピボット軸を結ぶ想像線に対する下側部材の偏向角度の合計にほぼ等しくてよい。
上側部材及び支持体は、ジンバル機構（２２）などのユニバーサル継手によって連結させることができる。
中間部材（２６）は、上側部材に対して２つの垂直軸（ｘＭ１−ｘＭ１又はｘＭ２−ｘＭ２）の周りで複合ピボット運動を行うように取り付けることができる。
上側及び中間の部材は、ジンバル機構（２８）などのユニバーサル継手によって連結させることができる。
下側部材（２９）は、支持体に対して２つの相互に垂直な軸（ｘＬ１−ｘＬ１、ｘＬ２−ｘＬ２）の周りで複合ピボット運動を行うように取り付けることができる。
下側部材及び支持体は、ジンバル機構（３０）などのユニバーサル継手によって連結させることができる。
中間部材の下側部分は、下側部材の上側部分内に摺動自在に受けられてよい。
弾性部材は、ハンドル部分のフォースフィール傾斜に寄与することができる。
改良は、更に、支持体上に取り付けられ、軸の一方の周りの上側部材の下側部分の位置関数として第１の出力信号を提供するために上側部材の下側部分と係合する少なくとも１つの第１の位置センサ（３２、３２、３２）と、可能であれば、支持体上に取り付けられ、軸の他方の周りの上側部材の下側部分の位置関数として第２の出力信号を提供するために上側部材の下側と係合する少なくとも１つの第２の変位センサ（３２、３２、３２）とを含むことができる。
改良は、更に、上側部材と支持体間で作用する、軸の一方の周りでハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための複合ばねなどの第１の上側ばね（３３）と、可能であれば、上側部材と支持体間で作用する、軸の他方の周りでハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための複合ばねなどの第２の上側ばね（３３）とを含むことができる。
改良は、更に、中間部材と支持体間で作用する、軸の一方の周りでハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための複合ばねなどの第１の中間ばね（３４）と、可能であれば、中間と支持体間で作用する、軸の他方の周りでハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための複合ばねなどの第２の中間ばね（３４）とを含むことができる。第１の中間ばねは、ハンドルの変位における変化をオペレータに警告するためにフォースフィール傾斜に明瞭な変化をもたらす。
改良は、更に、ハンドルを把持するオペレータが中立位置から抜け出るために打ち勝つことが必要とされる小さな力を中間部材上に与えるためのブレークアウト装置（３５）を含むことができる。ブレークアウト装置は、支持体及び中間部材上に取り付けられた複数の磁石を含むことができる。
改良は、更に、ハンドルの速度を減衰させるために下側部材上で作用するダンパ（３６）を含むことができる。ダンパは、渦電流ダンパでよい。
別の態様では、本発明は、概して、支持体（２１）と、ハンドル（２４）を有し、支持体上に取り付けられている連結機構（２７）と、支持体上に取り付けられ、支持体上の様々な位置において連結機構と係合する複数の位置センサ（３２、３２、３２）であって、各々が、支持体に対する連結機構の場所の位置関数として出力信号を生成するように適合されているセンサ（３２、３２、３２）と、支持体と連結機構の間で作用する、連結機構のフォースフィール特性に影響を及ぼすための複数のばね（３３、３３、３４、３４）と、支持体と連結機構の間で作用する、ハンドルを中立から移動させるためにオペレータがハンドルに力をかけることを必要とするための磁気戻り止め（３５）と、支持体と連結機構間で作用する、ハンドルの速度を減衰させるためのダンパ（３６）とを含む、操縦桿（２０）を提供する。
ばねの各々は、独自の個々の強制偏向特性を有することができ、連結機構のフォースフィール特性は、ばねの様々な個々の強制偏向特性の関数でよい。好ましい実施例では、連結機構のフォースフィール特性は、連結機構のジオメトリ及びばねの様々な個々の強制偏向特性の合計の関数である。
ばねは、ハンドルを支持体に対して中立位置方向に移動させることができ、ばねのうち１つは、連結機構からすべてのがたつきを実質的に取り除く力を引き起こすように配置させることができる。
更に別の態様では、本発明は、概して、第１の端部（４１）と第２の端部（４２）の間に延びる第１の壁を有する第１の管状部分（４０）と、第１の壁を貫通して延びる少なくとも１つの第１のスロット（４３）であって、第１及び第２の端部が互いに対して回転されるとき、ばねが、スロットの壁が互いに離間される場合には１つの強制変位特性を有し、スロットの壁が互いに接触する場合には別の強制変位特性を有するように、対向するスロット壁の間に画定されたスロット（４３）と、第１及び第２の端部が共通の平面において互いに対して屈曲される場合の第３の強制変位特性とを含む、複合ばね（３８）を提供する。
第１のスロットは、第１の管状部分の長手方向軸に平行な方向に伸長することができる。複数の第１のスロットが存在することができ、これらのスロットは、第１の管状部分の周りで互いに円周方向に離間されてよい。
ばねは、更に、第１の管状部分内に配置され、第２の端部（４２）と第３の端部（４５）の間に延びる第２の壁を有する第２の管状部分（４４）を含むことができる。第２の管状部分は、第２の壁を貫通して延び、対向するスロットの壁の間に画定された少なくとも１つの第２のスロット（４６）を有することができる。第２のスロットは、第２の管状部分の長手方向軸に平行な方向に伸長することができ、複数の第２のスロットは、第２の管状部分の周りで互いに円周方向に離間されてよい。
第３の端部（４５）は、第１の端部（４１）に近接して配置させることができる。
したがって、本発明の一般的な目的は、改良型の操縦桿を提供することである。
別の目的は、操縦桿において使用するための改良型の連結機構を提供することである。
更に別の目的は、特に操縦桿おいて使用するように適合した改良型の複合ばねを提供することである。
これら及び他の目的並びに利点は、上記及び以下に記述する明細書、図、及び添付の特許請求の範囲から明確になるであろう。
ハンドルが支持体に対してその中立位置にあるときの上側、中間、及び下側の部材の位置を示す、改良型の操縦桿の機械式連結機構の一形態の概略図である。 図１に示した構造であるが、ハンドルが非中立位置に移動された後の上側、中間、及び下側の部材の位置を示す構造の概略図である。 ハンドルが非中立位置に移動されたときの様々な連結機構の部材間の角度を示す、簡略化した概略図である。 ハンドルが非中立位置に移動されたときの様々な連結機構の部材上で作用する力及びモーメントを示す、簡略化した概略図である。 支持体と様々な部材間で作用する様々なばね、センサ、及びダンパを示す、操縦桿の連結機構の簡略化した概略図である。 基本ばね、第２のばねの軟停止（ｓｏｆｔ−ｓｔｏｐ）及び微分関数、円柱ばね、更には上記のばねすべての付加された又は重ね合わされた関数を示す、力（縦座標）対回転角度（横座標）の一連のプロット図である。 改良型の複合トーションばねの一形態の等角図である。 図７に示したばねの側面図である。 図８の線９−９上で全体的に切り取られた水平断面図である。 この特定の実施例のパッケージのコンパクト性を示す、非中立位置に傾斜して示されたハンドルを有する改良型の操縦桿の商業形態の等角図である。
初めに、同様の参照番号は、複数の図面を通して同じ構造要素、部分、又は表面を一貫的に特定することを意図しており、これは、そのような要素、部分、又は表面が、その詳細な説明が構成部分となる、書面による明細書全体によって更に記載され説明され得るためであることを明確に理解されたい。別途指示しない限り、図は、明細書と共に読み取られる（たとえばクロスハッチング、部品の配置、割合、程度など）ことを意図しており、本発明の書面による説明全体の一部分と考えられるべきである。以下の説明において使用する用語「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」及び「下」、並びにその形容詞的及び副詞的派生語（たとえば「水平に」、「右方向に」、「上方向に」など）は、単に、図示した構造の、その特定の図が読み手に面する状態の方向を示すにすぎない。同様に、用語「内側に」及び「外側に」は、一般に、適宜、表面の伸長軸又は回転軸に対するその表面の配向を示す。
次に図を参照すると、本発明は、操縦桿における特定の改良を提供する。そのような操縦桿は、ジョイスティック、サイドスティック又は対象物を遠隔的に制御するための一部の他のタイプの制御装置でよい。添付の図では、改良型の操縦桿は、航空機の様々な翼表面を制御するために航空機で使用するためのサイドスティックであるとして示されている。しかし、これは、単に例示的なものであり、添付の特許請求の範囲を限定するものではない。
改良型の操縦桿の機械式連結機構の一形態が、主に図１、２、及び５に示されている。
次に図１及び２を参照すると、全体を２０で示す改良型の操縦桿が、全体を２１で示す適切な支持体上に配置されるものとして示されている。航空機の環境では、操縦桿２０は、通常、航空機の操縦席に取り付けられ、フラップ、方向舵及び補助翼などの遠隔の対象物の動作を制御するために使用される。
図１及び２に示す構成は、連結機構（２７）が３ジンバル機構を含むものとして概略的に示されている。本明細書では、「ジンバル」は、ジンバルがその上に取り付けられる支持体の動作に関わらず、対象物がその中で吊るされたままになり得るように互いに対して直角に取り付けられた２つのリングを有する装置である。この装置は、２つの相互に垂直な軸周りの複合ピボット運動を可能にする幅広い種類の継手及び連結のうちの１つの特定の種類である。この種類の他の継手及び連結としては、ユニバーサル継手、一方の部材の他方に対する全方向のピボット運動を可能にするボール・ソケット継手などがあげられる。より特定化すると、改良型の連結機構は、概して、第１すなわち上側のジンバル２２を含む。上側部材２３は、相互に垂直な軸ｘｕ１−ｘｕ１及びｘｕ２−ｘｕ２の周りで複合ピボット運動を行うように、支持体上に取り付けられた第１のジンバル上に取り付けられる。上側部材は、第１のジンバルの上方に配置されたハンドル２４を有し、第１のジンバルの下方に配置された下側部分２５を有する。連結機構は、更に中間部材２６及び第２のジンバル２８を含むものとして示されており、この第２のジンバル２８は、相互に垂直な軸ｘＭ１−ｘＭ１及びｘＭ２−ｘＭ２の周りで複合ピボット運動を行うように、中間部材の上側周縁端部を上側部材の下側周縁端部に連結させる。装置は、更に、下側部材２９を有するものとして示される。下側及び中間の部材の一方は、下側及び中間の部材の他方上に可動的に取り付けられる。図示する構成では、中間部材２６の下側周縁端部が、下側部材２９内に摺動自在に且つ伸縮自在に受けられるが、この配置は、所望であれば逆転させることができる。下側部材２９の下側周縁端部は、相互に垂直な軸ｘＬ１−ｘＬ１及びｘＬ２−ｘＬ２の周りで複合ピボット運動を行うように第３のジンバル３０によって支持体上に取り付けられる。コイルばね３１は、下側と中間の部材の間で作用するように配置される。このばねは、常に圧縮状態にあり、中間部材を下側部材に対して下方向に連続的に移動させる。これには、３部材連結機構からすべてのがたつきを実質的に取り除くという実用的な効果がある。
機械式連結機構は、支持体に対して中心にある、すなわち中立の位置にある状態で図１に示されている。この位置では、すべての３つの部材２３、２６及び２９の長手方向軸が、垂直に位置合わせされている。図２では、最も上側のハンドルが、上側部材の下側周縁端部の付随する右方向の移動を伴って、支持体に対して左方向に傾けられている状態で示されている。また、この移動は、軸ｘＬ２−ｘＬ２周りの中間及び下側の部材のピボット運動によって、及び下側部材に対する中間部材の軸方向の移動によって、並びにばね３１の追加の圧縮変位によって調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅ）されることにも留意されたい。
上記で留意したように、本発明は、操縦士及び副操縦士用のサイドスティックの形態で実施されるものとして示されているが、当業者は、そのような機構が、ジョイスティック、又は対象物を制御するための一部の他のタイプの操縦桿で実施され得ることを容易に理解するであろう。対象物自体は、航空機の翼表面、又は一部の他の対象物でよい。
図３は、ハンドルが中立から変位されたときの連結機構の更に簡略化された概略図である。ジンバル機構は、２つの相互に垂直な軸周りの複合ピボット運動を可能にするが、図３に概略的に示す実施例は、各々のジンバルに対するそのような１つの軸のみの動作を示している。前述の用語と一致させるために、第１のジンバルの上側ピボット点は、ｘｕ２で示され、第２のジンバルの中間ピボット点は、ｘＭ２で示され、下側ジンバルのピボット点は、ｘＬ２で示される。中間及び下側のピボット点ｘＭ２及びｘＬ２間のリンクは、中立位置にある場合は参照番号２６、２９によって示され、これは、中間及び下側の部材の組み合わされた有効長さであり、図示された非中立位置にある場合は、参照番号２６’、２９’によって示される。
ハンドルがその中立位置にあるとき、連結機構は、図１により明確に示すように垂直に位置合わせされている。図３では、上側と中間のピボット３１、３２間の距離が、距離Ａによって示され、中間と下側のピボットｘＭ２、ｘＬ２間の距離は、距離Ｂによって示されている。ハンドルが中立位置から２４’で示す非中立位置に変位されるとき、上側部材の下端は、２５’で示す位置まで振られ、中間及び下側の部材は、２６’、２９’によって示された代替位置まで移動する。角度Ａは、中立から変位されたハンドルのきょう角を示す。角度Ｂは、非中立の中間及び下側の部材２６’、２９’の軸のきょう角を示す。角度Ｃは、角度Ａ及びＢの合計である。寸法ｄｘは、ばね３１の更なる圧縮によって調節された、中間部材及び下側部材が中立位置から非中立位置に移動するときの下側部材に対する中間部材の伸長を示す。角度Ｂ及びＣ並びに距離ｄｘの計算式は、以下の通りである。
Figure 0005309138
次に図４を参照すると、グリップのアーム距離、ＧＲＰを介して操縦士の手によって与えられた力Ｆｕは、上側ピボット点ｘＵ２の周りに上側モーメントＭＵを生成する。第２のピボット点に引き起こされた力は、距離ａ及びｂの関数となる。中間ピボット点ｘＭ２の周りのモーメントは、計算可能である。同様に、中間ピボット点上に引き起こされた力もまた、計算可能である。こうした関係は、以下の計算式によって示される。
Figure 0005309138
したがって、ハンドルが中立から移動されたときの中間と下側の部材間の移動の程度は、（ａ）第１と第２のジンバルの軸間の距離と、（ｂ）第２と第３のジンバルの軸間の距離との比の関数である。第１及び第２のジンバルの軸を結ぶ想像線と、第２及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線の間の偏向角度は、ハンドルがその中立位置にあるときの、第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線に対する上側部材の偏向角度、及び第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線に対する下側部材の偏向角度にほぼ等しい。
図５は、改良型の操縦桿２０の概略図であるが、更に操縦桿２０に取り付けられる様々なばね、センサ及びダンパも示している。図５では、連結機構２７は、ここでも、上側ハンドル２４及び下側アーム２５を有する上側部材２３、中間部材２６、及び下側部材２９を含むものとして示されている。中間部材の下側周縁端部は、下側部材２９内に伸縮自在に受けられるものとして示されている。コイルばね３１は、中間部材を下側部材に対して下方向に連続的に移動させる。図５では、連結機構は、説明の簡略化のために、１つだけの平面内で動作するように取り付けられるものとして示されている。上側部材２３は、軸ｘｕ２の周りで枢動可能に動作するように支持体２１上に取り付けられる。中間部材の上側周縁端部は、軸ｘＭ２の周りでピボット運動を行うように上側部材の下側周縁端部に枢動可能に連結される。最後に、下側部材２９は、軸ｘＬ２周りで動作するように支持体上に枢動可能に取り付けられる。この構成は、３ジンバルを含むことができるが、そのようなジンバルの詳細のすべては示されないことを明確に理解されたい。
図１では、上側部材２３の動作は、複数を３２で示す３つの冗長化位置センサによって感知される。３つのこれらの位置センサは、直径方向に対向する位置に配置される。また、紙から外れた平面内の上側部材の両側にも３つの追加の位置センサが同様に存在する。これらの位置センサの機能は、支持体に対する上側部材の傾斜動作の程度を感知し、決定するためのものである。三重化冗長を提供するために、３つのそのような位置センサが存在する。
位置センサ内には、複数を３３で示す複数の対向する複合トーションばねが存在する。ここでも、２つの対向するトーションばねが、図５に示され、紙から外れた平面内には、追加の２つの対向するばねが存在する。これらのばねの機能は、ハンドルの傾斜動作に対していくらかのフォースフィール抵抗を与えるためのものである。これらの複合トーションばねの構造及び作動は、図７〜９により詳しく示され、以下に説明される。
３４、３４で示す特定の追加のトーションばねは、特定の二次ばね機能をもたらすために上側と中間の部材間で作動し、軟停止のものである。この構成はまた、３５で示す磁気戻り止めも含むことができ、この磁気戻り止めは、連結機構を中立から移動させるために操縦士がいくらかの力を与えることを肯定的に必要とするものである。
図５を更に参照すると、複数を３６で示す対向した渦電流ダンパが、連結機構の動作の速度を減衰させるために支持体と下側部材の間で作用するように配置されている。ここでも、対向した対として配置された４つの速度ダンパが実際に存在している。
図６は、図５に示す様々なばねの個々の関数を示し、それらの合計の結果である正味関数を図で示している。基本ばねの関数は、縦座標（力）と横座標（回転）の間の直線であるとして示されている。二次ばね３４は、図６に示すように、軟停止及び微分関数を提供する。円柱ばね３１は、図示の説明された強制変位特性を有する。「正味関数」と標識された曲線は、図６に示す他の４つの曲線を重ね合わせることによって得られる。図６は、様々なばねが、それらの特性が重ね合わされたときに、どのような望ましい正味関数でも与えることができるように慎重に選択され得ることを示している。
次に図７〜９を参照すると、複合トーションばねの１つが、全体的に３８で示されている。このばねは、その用途に応じて適切な構造に連結されるように適合された取り付けフランジ３９を有するものとして示されている。ばねは、更に、４０で示す、フランジに連結された第１の管状部分を有し、この第１の管状部分は、フランジに連結された第１の端部４１を有し、第１の端部４１から第２の端部４２まで右方向に延びる。この第１の管状部分は、４３で示す少なくとも１つの長手方向スロットを有するものとして示される。図示する形態では、第１の管状部分は、複数のそのようなスロットを有し、これらは、第１の管状部分の周りで円周方向に離間されている。
ばねはまた、第１の管状部分４０内に第２の管状部分４４を含むこともできる。第２の管状部分は、第２の端部４２において第１の管状部分に物理的に連結され、第１の管状部分内で第３の端部４５まで左方向に延びる。第２の管状部分４４は、少なくとも１つの長手方向に延びるスロット４６を有する。図示する形態では、複数のそのようなスロット４６が存在し、これらは、第２の管状部分の周りで円周方向に互いに離間されている。スロットの理由は、対向するスロット壁が互いに物理的に接触する前に第１の端部と第３の端部の間のばね上にねじれ力が引き起こされた場合に１つの強制変位特性を有し、そのようなスロット壁が互いに正に接触した後に第２の強制変位特性を有する能力を提供するためである。実際に、２つの管状部分は、直列に機械的に連結されているが、第２は、第１内に配置されている。スロットの対向した長手方向に延びる壁の間の円周方向の間隔は、望まれた特定の強制変位特性に応じて、２つの管状部分間で同じ、又は異なっていてよい。更に、改良型のばねの１つの独自の特徴は、単なるトーションばねでないことである。正しくは、このばねは、トーションばねとして作用し、且つ紙の平面などの平面内で屈曲させることもできる。図５に示す様々なトーションばねは、デバイスの全体的な正味関数に寄与するために、望まれる特定の強制変位特性をもたらすように選択的に設計することができる。複合ばねの別の独自の特徴は、外側チューブ上に位置的に逆転された内側チューブを有することによって、ばねが軸方向にコンパクトになることである。これは、図１０に示すような小型のパッケージ又はエンベロープ内に操縦桿を提供する能力を可能にするため、大きな利点をもたらす。
したがって、本発明は、改良型の操縦桿と、それにおいて使用するための改良型の連結機構と、改良型の複合ばねとを提供する。
変更形態
本発明は、多くの変更及び改変が加えられ得ることを企図する。たとえば、１つの形態は、様々な部材を有する３ジンバル機械式連結機構を利用するが、他のタイプの連結が代替的に使用されてもよい。実際は、連結をソケット継手、ユニバーサル継手、又は一部の他の継手のタイプに簡略化することができる。実際は、これらの形態の主要な利点は、そのような継手及び連結が、相互に垂直な軸周りのハンドルの複合ピボット運動を可能にすることであるが、代替の構成では、他のタイプの連結機構が使用されてよい。一部のケースでは、連結機構は、リンクのジオメトリによって影響されることがある。
円柱ばねは、連結機構からがたつきのほぼすべてを取り除くために特に有用であると考えられる。実際には、円柱ばねは、がたつきの感触を取り除くために連続的に連結機構を付勢する。しかし、そのような円柱ばねは、所望ではあるが、絶対的に必要なものではない。
図６に示すように、異なるタイプのばね、センサ、及びダンパを、連結機構の異なる部分に関連付けることができる。主ばね３３が、上側部材に関連付けられ、二次ばねが中間部材に関連付けられるが、この構成は、不変のものではなく、変更することができる。また、渦電流ダンパの位置も変更することができる。同様に、離脱（ｂｒｅａｋａｗａｙ）戻り止め３５もまた、所望に応じて変更又は改変することができる。
複合トーションばねもまた、独自のものであると考えられる。このばねは、その軸ｘ−ｘの周りのねじれ及び（それだけに限定されないが）紙の平面などの特定の平面内における屈曲の両方に抵抗するように作動可能に配置されるということから、複合ばねとして考えられる。トーションばねは、その最も簡易な形態では、少なくとも１つ、好ましくは複数の円周方向に離間された長手方向に延びるスロットが設けられた１つの管状部分を有するだけである。これらのスロットの機能は、ばねが、第２の端部が第１の端部に対して回転されるとき、且つスロット壁が互いに接触する前に１つの強制変位特性を有し、スロット壁が互いに接触した後に第２の異なる強制変位特性を有するようなものである。スロットを第１の管状部分の周りで円周方向に離間させることにより、ばねは、より対称性を有し、任意の特定の方向の屈曲に抵抗するための類似の特性を有する。ばねはまた、第１の部分内に逆転された第２の部分を有することもできる。第２の端部に共に連結されている第１及び第２の部分が、互いに直列に機械的に連結されていることを当業者は容易に理解するであろう。しかし、逆転された内側、すなわち第２の部分により、コンパクトな構成が可能になり、これは、航空機内などのエンベロープのサイズが制約される場所では、特に有用であると考えられる。
したがって、本発明の複数の簡略化され且つ漸進的に詳述された実施例が示され、説明され、複数のその改変及び変更が論じられてきたが、様々な追加の変更及び改変が、以下の特許請求の範囲によって定義され差別化されるように、本発明の趣旨から逸脱することなく加えられてよいことを当業者は容易に理解するであろう。

Claims (46)

  1. 支持体上に取り付けられ、対象物の動作を制御するように適合した操縦桿において、
    支持体と、
    ハンドルを、前記操縦桿に入力を提供するために、２つの相互に垂直な軸の周りで選択的に複合ピボット運動を行うように前記支持体上に取り付けるための連結機構であって、
    前記支持体上に取り付けられた第１のジンバルと、
    前記第１のジンバル上に取り付けられた上側部材であって、前記第１のジンバルの上方に配置されたハンドルを有し、前記第１のジンバルの下方に配置された下側部分を有する上側部材と、
    中間部材と、
    前記上側及び中間の部材を連結する第２のジンバルと、
    下側部材であって、前記ハンドルが前記支持体に対して移動されたとき、前記中間と下側の部材間の相対運動を可能にするために、前記中間及び下側の部材の一方が前記中間及び下側の部材の他方上に可動的に配置される、下側部材と、
    前記下側部材を前記支持体に連結する第３のジンバルとを含む連結機構と、
    前記ハンドルを前記支持体に対して中立位置方向に移動させ、前記連結機構からすべてのがたつきを実質的に取り除く力を引き起こすために、前記中間と下側の部材間の相対運動の方向を付勢するように配置された弾性部材と、
    前記連結機構の一部分の位置を感知し、そのように感知された位置に比例する電気信号を生成するために前記支持体上に取り付けられた、少なくとも１つの変換器とを備える、操縦桿であって、
    前記ハンドルが、把持され、前記連結機構に入力を提供するために前記支持体に対して選択的に移動され得る、操縦桿。
  2. 動作される対象物を更に備え、
    前記ハンドルが、前記対象物を動作させるためのコマンド信号を前記変換器に供給させるために前記支持体に対して移動されるように適合している、請求項１に記載の操縦桿。
  3. 前記支持体と前記連結機構の間で作用する複数のばねを更に備える、請求項１に記載の操縦桿。
  4. 様々なばねが、異なる強制偏向特性を有する、請求項３に記載の操縦桿。
  5. 前記ばねの少なくとも１つが、複合ばねである、請求項４に記載の操縦桿。
  6. 前記ハンドルが中立から移動されるときの前記中間と下側の部材間の移動の程度が、前記ハンドルがその中立位置にあるときの、（ａ）前記第１と第２のジンバルの軸間の距離と、（ｂ）前記第２と第３のジンバルの軸間の距離との比の関数である、請求項１に記載の操縦桿。
  7. （ｉ）前記第１及び第２のジンバルの軸を結ぶ想像線と、（ｉｉ）前記第２及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線の間の偏向角度が、（ａ）第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線に対する前記上側部材の偏向角度、及び（ｂ）前記第１及び第３のジンバルの軸を結ぶ前記想像線に対する前記下側部材の偏向角度の合計にほぼ等しい、請求項１に記載の操縦桿。
  8. 前記支持体と前記連結機構の間で作用する、前記ハンドルを中立から移動させるために前記ハンドル上に力が及ぼされることを必要とするための磁気戻り止めを更に備える、請求項１に記載の操縦桿。
  9. 前記支持体と連結機構の間で作用する、前記ハンドルの速度を減衰させるためのダンパを更に備える、請求項１に記載の操縦桿。
  10. 前記ダンパが、渦電流ダンパである、請求項９に記載の操縦桿。
  11. 前記支持体と連結機構の間で作用する、モータに供給された信号に応じて前記連結機構を動作させるための該モータを更に備える、請求項１に記載の操縦桿。
  12. 前記操縦桿が、フライバイワイヤ制御システムを有する航空機に取り付けられ、前記操縦桿が、操縦士ステーション及び副操縦士ステーションに取り付けられ、前記操縦士及び副操縦士の操縦桿が、一緒に動作するように交差結合される、請求項１１に記載の操縦桿。
  13. 前記航空機が、自動操縦を有し、前記操縦士及び副操縦士の操縦桿が、前記自動操縦によって供給された信号に応答して一緒に動作される、請求項１２に記載の操縦桿。
  14. 対象物の動作を制御するように適合した操縦桿において、
    支持体と、
    ２つの相互に垂直な軸の周りで複合ピボット運動を行うように前記支持体上に枢動可能に取り付けられた上側部材であって、前記支持体とのピボット連結の下方に配置された下側部分を有する上側部材と、
    前記上側部材の下側部分に枢動可能に連結された上側部分を有し、下側部分を有する中間部材と、
    前記支持体上に枢動可能に取り付けられた下側部分を有し、上側部分を有する下側部材であって、
    前記中間部材の下側部分が、前記支持体に対する前記上側部材の上側部分のピボット運動が、前記支持体に対する前記中間及び下側の部材のピボット運動を生み出すように、前記下側部材の上側部分上に可動的に取り付けられる、下側部材と、
    前記上側部材を前記支持体に対して中立位置方向に移動させ、前記連結機構からすべてのがたつきを実質的に解消する力を引き起こすために前記中間と下側の部材間の相対運動の方向を付勢するように配置された弾性部材と、
    前記支持体上に取り付けられ、前記軸の一方の周りの前記上側部材の下側部分の位置の関数として第１の出力信号を提供するために前記上側部材の下側部分と係合する、少なくとも１つの第１の位置センサとを備える、操縦桿。
  15. （ａ）前記上側部材が、前記上側部材の長さの中間において軸の周りでピボット運動を行うために前記支持体上に取り付けられ、（ｂ）前記上側部材が、前記軸の上方に配置され、ハンドルとして機能するように配置された上側部分を有し、（ｃ）前記ハンドルが、把持され、前記連結機構に入力を提供するために選択的に操作され得る、請求項１４に記載の操縦桿。
  16. 前記弾性部材によって引き起こされた力が、調整可能である、請求項１４に記載の操縦桿。
  17. 前記上側部材が中立から移動されるときの前記中間と下側の部材間の移動の程度が、前記上側部材がその中立位置にあるときの、（ａ）前記上側部材と前記支持体間のピボット軸と、前記中間部材と前記支持体間のピボット軸の間の距離と、（ｂ）前記中間部材と前記支持体間のピボット軸と、前記下側部材と前記支持体間のピボット軸の距離との比の関数である、請求項１４に記載の操縦桿。
  18. （ｉ）前記第１及び第２のジンバルの軸を結ぶ想像線と、（ｉｉ）前記第２及び第３のジンバルの軸を結ぶ想像線との間の偏向角度が、（ｂ）前記上側部材と前記支持体間の前記ピボット軸及び前記下側部材と前記支持体間の前記ピボット軸を結ぶ想像線に対する前記上側部材の偏向角度、及び（ｃ）前記上側部材と前記支持体間の前記ピボット軸及び前記下側部材と前記支持体間の前記ピボット軸を結ぶ前記想像線に対する前記下側部材の偏向角度の合計にほぼ等しい、請求項１４に記載の操縦桿。
  19. 前記上側部材及び前記支持体が、ユニバーサル継手によって連結される、請求項１４に記載の操縦桿。
  20. 前記ユニバーサル継手が、ジンバル機構である、請求項１９に記載の操縦桿。
  21. 前記中間部材が、前記支持体に対して２つの垂直な軸の周りで複合ピボット運動を行うように取り付けられる、請求項１４に記載の操縦桿。
  22. 前記上側及び中間の部材が、ユニバーサル継手によって連結される、請求項２１に記載の操縦桿。
  23. 前記ユニバーサル継手が、ジンバル機構である、請求項２２に記載の操縦桿。
  24. 前記下側部材が、前記支持体に対して２つの相互に垂直な軸の周りで複合ピボット運動を行うように取り付けられる、請求項１４に記載の操縦桿。
  25. 前記下側部材及び前記支持体が、ユニバーサル継手によって連結される、請求項２４に記載の操縦桿。
  26. 前記ユニバーサル継手が、ジンバル機構である、請求項２５に記載の操縦桿。
  27. 前記中間部材の下側部分が、前記下側部材の上側部分内に摺動自在に受けられる、請求項１４に記載の操縦桿。
  28. 前記弾性部材が、前記ハンドル部分のフォースフィール傾斜の一助となる、請求項１５に記載の操縦桿。
  29. 前記支持体上に取り付けられ、前記軸の他方の周りの前記上側部材の下側部分の位置関数として第２の出力信号を提供するために前記上側部材の下側部分と係合する、少なくとも１つの第２の変位センサを更に備える、請求項１４に記載の操縦桿。
  30. 前記上側部材と支持体の間で作用する、前記軸の一方の周りで前記ハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための第１の上側ばねを更に備える、請求項１４に記載の操縦桿。
  31. 前記第１の上側ばねが、複合ばねである、請求項３０に記載の操縦桿。
  32. 前記上側部材と支持体の間で作用する、前記軸の他方の周りで前記ハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための第２の上側ばねを更に備える、請求項３０に記載の操縦桿。
  33. 前記第２の上側ばねが、複合ばねである、請求項３２に記載の操縦桿。
  34. 前記中間部材と支持体の間で作用する、前記軸の一方の周りで前記ハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための第１の中間ばねを更に備える、請求項１５に記載の操縦桿。
  35. 前記第１の中間ばねが、複合ばねである、請求項３４に記載の操縦桿。
  36. 前記中間と支持体の間で作用する、前記軸の他方の周りで前記ハンドルを動作させるのに必要とされる力に影響を及ぼすための第２の中間ばねを更に備える、請求項１５に記載の操縦桿。
  37. 前記第２の中間ばねが、複合ばねである、請求項３６に記載の操縦桿。
  38. 前記第１の中間ばねが、前記ハンドルの変位における変化をオペレータに警告するために前記フォースフィール傾斜に明瞭な変化をもたらす、請求項３４に記載の操縦桿。
  39. 前記ハンドルを把持するオペレータが中立位置から抜け出るために打ち勝つことが必要とされる小さな力を前記中間部材上に引き起こすためのブレークアウト装置を備える、請求項１５に記載の操縦桿。
  40. 前記ブレークアウト装置が、前記支持体及び中間部材上に取り付けられた複数の磁石を含む、請求項３９に記載の操縦桿。
  41. 前記ハンドルの速度を減衰させるために前記下側部材上で作用するダンパを更に備える、請求項１５に記載の操縦桿。
  42. 前記ダンパが、渦電流ダンパである、請求項４１に記載の操縦桿。
  43. 支持体と、
    ハンドルを有し、前記支持体上に取り付けられている連結機構と、
    前記支持体上に取り付けられ、前記支持体の様々な場所で前記連結機構と係合する複数の位置センサであって、各々が、前記支持体に対する前記連結機構の場所の位置関数として出力信号を生成するように適合されている、位置センサと
    前記支持体と連結機構の間で作用する、前記連結機構のフォースフィール特性に影響を及ぼすための複数のばねであって、前記ばねの一方が、前記連結機構からすべてのがたつきを実質的に取り除く力を引き起こすように配置されるばねと、
    前記支持体と連結機構の間で作用する、前記ハンドルを中立から移動させるためにオペレータが力をかけることを必要とするための磁気戻り止めと、
    前記支持体と連結機構の間で作用する、前記ハンドルの速度を減衰させるためのダンパとを備える、操縦桿。
  44. 前記ばねの各々が、その独自の個々の強制偏向特性を有し、前記連結機構のフォースフィール特性が、前記ばねの様々な個々の強制偏向特性の関数である、請求項４３に記載の操縦桿。
  45. 前記連結機構のフォースフィール特性が、前記連結機構のジオメトリ及び前記ばねの様々な個々の強制偏向特性の合計の関数である、請求項４４に記載の操縦桿。
  46. 前記ばねが、前記支持体に対して中立位置方向に前記ハンドルを移動させる、請求項４３に記載の操縦桿。
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