JP5727697B2 - 飛翔体の操舵ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ロケット等の飛翔体の姿勢を変えるための操舵翼駆動用の操舵装置を備える操舵ユニットに関する。

ロケット等の飛翔体は、操舵翼の角度を変えることで飛翔時の姿勢を変えることができるようになっており、操舵翼の角度を変えるべく操舵装置を備えている。飛翔体の操舵翼は、複数枚設けられることが一般的であり、その数に応じて複数の操舵装置が設けられる。これら複数の操舵装置は、飛翔体内に設けられている。しかし、操舵装置の周辺には、燃料タンク及び推進用燃焼室が設置されることが多く、複数の操舵装置をケーシングに取り付けて、飛翔体のケーシング内の中央に燃料タンク及び推進用燃焼室を設置するスペースを確保している。

このように設けられる操舵装置として、例えば、特許文献１に記載の操舵装置がある。特許文献１に記載の操舵装置は、前記ケーシングに回動可能に取り付けられた操舵翼を支持する出力軸を有し、この出力軸がボールねじ機構を介してモータに接続されている。モータを駆動することで、ボールねじ機構により出力軸が回動して操舵翼が回動するようになっている。

また、特許文献２に記載されるような操舵装置もある。この操舵装置は、飛翔体のケーシングに設けられるモータを有し、このモータが波動歯車機構を介して操舵翼がモータに接続されている。操舵装置は、モータを駆動することで、波動歯車機構により操舵装置が回動するようになっている。

特許第３４２３４４６号明細書 特許第２７０９５５９号明細書

しかし、特許文献１に記載の操舵装置は、ボールねじ機構により出力軸を回動させる構成であるため、モータの軸が揺動できるように構成しておかなければならず、モータを揺動可能にケーシングに取り付けなければならない。ところが、小型の無人ロケットのような飛翔体では、モータ等の部品をケーシング内に取付けする際に工具等をケーシング内にいれて作業する必要がある。それ故、前述のようにケーシングにモータを取り付ける作業は困難であり、この作業が飛翔体の組立を困難にしている。特許文献２の操舵装置についても同様であり、モータをケーシングに取り付けなければならず、モータの取付作業が困難であり、飛翔体の組立てを困難にしている。

また、特許文献１及び２に記載の操舵装置は、モータをケーシングに設けることで操舵翼を回動させることができるような構造である。そのため、操舵装置をケーシングに設けなければ、性能試験を行なうことができず、性能試験は、飛翔体を収容できるような大きな設備でなければ行うことができず、試験設備の製造コストが高くなってしまう。

そこで、本発明は、飛翔体への取付けが容易であり、飛翔体の組立てを容易にする操舵ユニットを提供することを目的としている。

また、本発明の他の目的は、飛翔体に設けずとも、性能試験を行うことができる操舵ユニットを提供することである。

本発明の飛翔体の操舵ユニットは、飛翔体の操舵翼が取り付けられ、該操舵翼の角度を変更可能な操舵装置と、前記操舵装置が固定される取付板とを有し、前記取付板は、前記飛翔体のケーシング内に取付可能な固定体に固定されるものである。

本発明に従えば、操舵装置が固定された取付板を固定体に固定し、その固定体を飛翔体のケーシングに取り付けることで、操舵ユニットを飛翔体のケーシング内に組み込むことができる。このように、単に固定体に操舵ユニットを固定し、該固定体を飛翔体のケーシング内に取り付けるだけの作業であるので、操舵ユニットのケーシング内への組み込みが容易であり、飛翔体の組立作業が容易になる。

また、操舵装置が取付板に固定される構成であるので、操舵ユニット単体で、操舵翼の性能試験を行なうことができる。従って、性能試験に用いる装置及び設備を小型化することができる。

上記発明において、前記操舵装置は、前記取付板の前記操舵翼側に固定されていることが好ましい。

上記構成に従えば、操舵翼と反対側の面を固定体に取り付けることで、取付板を固定体に取り付ける際に操舵装置が固定体に当たる等、該操舵装置が取付板の固定の邪魔になることがなく、操舵ユニットのケーシング内への組み込みが容易であり、飛翔体の組立作業が容易である。

上記発明において、前記操舵装置は、前記取付板上に固定される固定軸と、前記操舵翼が固定され、前記固定軸に回動可能に外装される出力軸と、前記出力軸と直接的又は間接的に接続されるモータ軸を有し、前記モータ軸を回転させることで前記出力軸を前記固定軸周りに回動させる駆動モータとを有し、前記駆動モータは、前記モータ軸が前記固定軸に直交する方向に延びるように前記取付板に設けられていることが好ましい。

上記構成に従えば、モータ軸が固定軸に直交する方向に延びるようにモータが配置されるので、モータが取付板に沿うように配置される。これにより、モータの取付板の厚み方向の高さ（以下、単に「高さ」ともいう）を低くすることができ、操舵装置の高さが固定軸及び出力軸の高さに応じて決められ、固定軸及び出力軸の高さを低くすることで操舵装置の高さを低くすることができる。即ち、操舵ユニットの小型化を達成することができる。

上記発明において、前記出力軸の外周部には、ナット部材が設けられ、前記駆動モータのモータ軸は、ねじが螺刻されており、前記ナット部材と共にボールねじ機構を構成することが好ましい。

上記構成に従えば、モータ軸と固定軸とが直交するようなモータの配置を実現することができる。

本発明の操舵ユニットによれば、飛翔体への取付けが容易であり、飛翔体の組立てを容易にすることができる。

また、本発明の操舵ユニットによれば、飛翔体に設けずとも、性能試験を行うことができる。

本発明の実施形態の飛翔体の一部を示す斜視図である。 図１に示す飛翔体内の構成を示す斜視図である。 操舵ユニットを拡大して示す平面図である。 操舵ユニットを図３の切断線Ａ−Ａで切断して見た断面図である。 操舵ユニットを図３の切断線Ｂ−Ｂで切断して見た断面図である。 操舵翼をθ度回動させた時の図３の操舵ユニットを示す平面図である。 ケーシング内における操舵ユニットのモータの配置関係を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態である操舵ユニット１及びそれを備える飛翔体２を説明する。

図１に示す飛翔体２は、例えば、小型の無人ロケット等の飛翔可能な機体であり、一方向に延在する円筒状のケーシング３を有する。飛翔体２は、その軸線方向一端部が先鋭状になっており、他端部から燃焼させた燃料を噴射して推進力を得るようになっている。また、飛翔体２の他端部側には、複数の操舵翼４が設けられている。本実施形態では、４つの操舵翼４が設けられている。但し、操舵翼４の数は、２つ又は３つであってもよく、また５つ以上であってもよい。

これら４つの操舵翼４は、各々に対して個別に設けられる操舵ユニット１に夫々取り付けられている。この操舵ユニット１は、操舵翼４の角度を変えることができ、操舵翼４の角度を変えることで飛翔体２の姿勢を変更するようになっている。

以下では、図２乃至５を参照して、操舵ユニット１の構成について説明する。なお、４つの操舵ユニット１は、同じ構成を有しているため、１つの操舵ユニット１についてだけ説明し、その他の操舵ユニット１の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

操舵ユニット１は、基本的に、取付板１１と、操舵装置１２とを備えている。取付板１１は、大略的に矩形状の平板であり、その表面１１ａ及び裏面１１ｂが平坦に形成されている。取付板１１の表面１１ａには、操舵装置１２が設けられている。操舵装置１２は、主に、固定軸１３、出力軸１４、ボールねじ機構１５及びモータ１６を備えている。固定軸１３は、有底筒状に形成されており、その開口部１４ａが取付板１１の表面１１ａに向き、前記表面１１ａから立設するように前記取付板１１に固定されている。この固定軸１３の外周部には、ベアリング１７（例えば、クロスローラーベアリング）を介して出力軸１４が外装されており、出力軸１４が固定軸１３周り、即ち出力軸１４の軸線Ｌ１を中心に回動するようになっている。出力軸１４は、大略的に円筒状になっており、その一方の開口部１４ａから固定軸１３が挿入され、他方の開口部１４ｂに操舵翼４が固定される。操舵翼４は、その基端部に大略的に円板状の取付部４ａを有し、この取付部４ａを他方の開口部１４ｂに固定することで、出力軸１４に固定されるようになっている。

また、出力軸１４には、回転検出器１９が設けられている。回転検出器１９は、いわゆるポテンショメータであり、その入力軸１９ａが他方の開口部１４ｂに固定部材１８を介して固定されている。入力軸１９ａは、出力軸１４の軸線Ｌ１に沿って設けられており、前記出力軸１４と共に回動するようになっている。この入力軸１９ａは、回転検出器１９に備わる回転検出器本体１９ｂに回動可能に設けられている。回転検出器本体１９ｂは、固定軸１３内に固定され、その一部が固定軸１３から出力軸１４内へ突出しており、入力軸１９ａの回動量、即ち角変位量を検出できるようになっている。

また、出力軸１４の外周部には、半径方向外方に突出する一対のアーム１４ｃ，１４ｄが設けられている。一対のアーム１４ｃ，１４ｄは、出力軸１４の軸線Ｌ１に平行なＸ方向に互いに離隔し、且つ互いに対向するように設けられている。一対のアーム１４ｃ，１４ｄの間には、後述のねじ軸２１と共にボールねじ機構１５を構成するナット２０が設けられている。

ナット２０は、大略的に筒状に形成されており、その軸線Ｌ２が固定軸１３及び出力軸１４の軸線Ｌ１に直交するように配置されている。また、ナット２０の外周部には、Ｘ方向一方及び他方に夫々延びる一対のピン２０ａ，２０ｂが形成されている。これら一対のピン２０ａ，２０ｂは、一対のアーム１４ｃ，１４ｄに回動可能に軸支されており、ナット２０が軸線Ｌ１に平行な軸線Ｌ３を中心に回動するようになっている。また、ナット２０の内周部には、雌ねじが螺刻されており、ねじ軸２１が螺合されている。

ねじ軸２１は、棒状になっており、その外周部に雄ねじが螺刻されており、ナット２０と共にボールねじ機構１５を構成する。ねじ軸２１は、モータ１６の軸であり、モータ１６を駆動することで回転するようになっている。モータ１６は、いわゆるサーボモータであり、図示しない制御装置に電気的に接続されており、制御装置からの指令に応じてねじ軸２１を回転させるようになっている。モータ１６の他端部には、ピボット軸２２が回動可能に設けられている。このピボット軸２２は、取付板１１に固定され、その表面１１ａから軸線Ｌ１に平行に延在している。モータ１６は、このピボット軸２２により取付板１１に取り付けられ、且つピボット軸２２を中心に揺動できるようになっている。

このように構成された操舵ユニット１では、前述のようなボールねじ機構１５を採用して、ねじ軸２１を固定軸１３及び出力軸１４に直交するように配置している。ねじ軸２１は、大略的に円筒状に形成されるモータ１６のモータ軸であり、また、その軸線がモータ１６の軸線と略一致する。それ故、モータ１６は、取付板１１の表面１１ａに沿わって配置され、モータ１６の取付板１１の厚み方向の高さ（以下、単に「高さ」ともいう）を低くなる。これにより、操舵装置１２の高さは、固定軸１３及び出力軸１４の高さに応じて決まるようになり、これらの軸１３，１４の高さを抑えることで、操舵装置１２の高さを低くすることができる。即ち、操舵ユニット１の高さを低くすることでき、操舵ユニット１の小型化を達成することができる。

また、ねじ軸２１は、その軸線Ｌ２が取付板１１の長尺方向に対して傾斜するように設けられている。本実施形態では、操舵翼４の操舵角が０度のときに、取付板１１の長尺方向に対して軸線Ｌ２が４５度傾斜するように配置されている。但し、傾斜させる角度は、４５度に限定されず、モータ１６の設置スペースに応じて決められる。

このように傾斜させて配置することで、モータ１６が取付板１１の長尺方向に対して傾斜するように配置され、取付板１１の長尺方向の長さを短くすることができる。即ち、操舵ユニット１の外形寸法を小さくすることができ、操舵ユニット１の小型化を達成することができる。また、このように傾斜させて配置することで、モータ１６を短尺方向の中間部に配置することができる。

以下では、図６を参照しつつ、操舵ユニット１の動作について説明する。なお、図６の実線は、操舵翼４が角度θ度傾いた時、即ち操舵角がθ度傾いた時を示しており、二点鎖線は、操舵角が０度の時を示している。操舵ユニット１は、制御装置からの指令、例えば操舵角をθ度にすべき指令があると、モータ１６を駆動してその操舵角θ度に応じた回転数だけねじ軸２１を回転させる。ねじ軸２１が回転すると、その回転に応じて、ナット２０がねじ軸２１に沿ってモータ１６側へと移動する。

この際、ナット２０が出力軸１４と共に軸線Ｌ１を中心として回動するが、このナット２０の動きに合わせてモータ１６がピボット軸２２を中心に揺動し、またナット２０自身もアーム１４ｃ，１４ｄに対して回動する。そのため、ナット２０が軸線Ｌ１を中心に回動しても、ナット２０及びねじ軸２１の軸線が同一軸線Ｌ２上にある状態が維持される。それ故、モータ１６を駆動してねじ軸２１を回転させると、ナット２０がねじ軸２１に沿って移動しながら軸線Ｌ１を中心に回動し、出力軸１４を回動させることができる。このように、ボールねじ機構１５により出力軸１４を回動させることができる。

このようにして回動する出力軸１４は、ナット２０の移動量に応じた回動量、即ちモータ１６の回転量に応じた回動量の分だけ回動し、これにより操舵翼４の操舵角が変わる。出力軸１４の回動量は、回転検出器１９により検出されており、その検出結果が制御装置に伝送され、この検出結果に基づいて制御装置が、操舵翼４の操舵角がθ度になるように出力軸１４の回動量をフィードバック制御する。

以下では、このように構成される操舵ユニット１を飛翔体２に組み付けた場合について、図２及び図７を参照して説明する。操舵ユニット１は、飛翔体２のケーシング３内に設けられる固定体２３に固定される。固定体２３は、主に、一対の固定板２４，２４と、基枠２５とを有する。一対の固定板２４，２４は、円環状に夫々形成されている。一対の固定板２４，２４の外径は、飛翔体２のケーシング３の内径と略一致しており、ケーシング３に嵌合可能になっている。一対の固定板２４，２４は、その厚み方向の一表面が互いに対向し、且つ互いに間隔をあけて配置され、それらの間に基枠２５が設けられている。

基枠２５は、上下方向に長尺の直方体状の枠体であり、上下面の対角線の長さが固定板２４の外径より短くなっている。基枠２５の上下面には、一対の固定板２４，２４が夫々固定されている。また、基枠２５の四側面は、平坦になっており、それらの側面が操舵ユニット１を固定するための取付部になっている。操舵ユニット１は、この基枠２５の側面に取付板１１の裏面１１ｂを当て取付板１１の長手方向を基枠２５の上下方向と平行にして基枠２５に固定される。

操舵ユニット１では、操舵装置１２の構成が取付板１１の操舵翼４側、即ち取付板１１の表面１１ａに設けられている。そのため、取付板１１の裏面１１ｂには、操舵装置１２の構成が何ら設けられることなく、該裏面１１ｂが平坦になっている。その裏面１１ｂを固定体２３の基枠２５に固定するように構成することで、取付板１１を固定体２３に取り付ける際に操舵装置１２が固定体２３に当たる等、該操舵装置１２が取付板１１の固定の邪魔になることがなく、操舵ユニット１のケーシング３内への組み込みが容易であり、飛翔体２の組立作業が容易である。

基枠２５に操舵ユニット１を取り付けることで基枠２５の側面が閉塞され、基枠２５の間、即ち基枠２５内にスペース２６が形成される。基枠２５の上下面が開口しているため、このスペース２６は、一対の固定板２４，２４の開口に繋がっており、飛翔体２の延在方向に貫通する貫通空間２７を成す。この貫通空間２７は、４つの取付板１１の裏面１１ｂにより閉塞されているため、この貫通空間２７に操舵装置１２が突き出るようなことがない。それ故、貫通空間２７を広く使用することができるため、種々の構成を収容することができるようになる。例えば、固定体２３を飛翔体２のケーシング３内に取り付けて、貫通空間２７に図示しない燃料通路、及び配線等を通したり、またバッテリー等を配置したりするが、その際に貫通空間２８を広く使用することができる。

操舵ユニット１が取り付けられた固定体２３は、飛翔体２のケーシング３内に入れられてケーシング３に固定されている。また、ケーシング３の他端側の外周部には、固定体２３に設けられる操舵ユニット１の数と同数、即ち４つの挿入孔２８が形成されている。これら４つの挿入孔２８は、ケーシング３を内外方向に貫通し、各操舵ユニット１の出力軸１４の開口部１４ｂに対応させて配置されている。このように配置することで、各操舵ユニット１の出力軸１４の開口部１４ｂが各挿入孔２８に臨むようになっている。なお、本実施形態において、４つの挿入孔２８は、周方向に等間隔をあけて配置されている。

また、各挿入孔２８は、操舵翼４の取付部４ａよりも大径に形成されており、各挿入孔２８からその先にある操舵ユニット１の出力軸１４まで取付部４ａが挿入できるようになっている。挿入された取付部４ａは、前記出力軸１４に固定される。これにより、操舵ユニット１が飛翔体２のケーシング３に組み込まれ、その操舵ユニット１に操舵翼４が取り付けられる。

以下では、図２乃至５を参照しつつ、操舵ユニット１の組立て、及び操舵ユニット１を飛翔体２に組み付ける際の手順について説明する。まず、操舵ユニット１の組み立てについて説明する。取付板１１に固定軸１３を固定し、取付板１１に形成された連通孔１１ｃから固定軸１３内に回転検出器１９を入れて該固定軸１３に固定する。次に、固定軸１３の外周部にベアリング１７を介して出力軸１４を外装し、この出力軸１４に回転検出器１９の入力軸１９ａを固定する。そして、出力軸１４の一対のアーム１４ｃ，１４ｄにナット２０を軸支させ、このナット２０にねじ軸２１を螺合させる。最後に、このねじ軸２１が設けられたモータ１６に取付板１１に固定されたピボット軸２２を取り付ける。これにより、操舵ユニット１が組み立てられる。

次に、操舵ユニット１の飛翔体２への組込みについて説明する。まず、前述のように組み立てられた操舵ユニット１を基枠２５の各側面に１つずつ固定する。４つの操舵ユニット１を固定体２３に固定した後、その固定体２３をケーシング３内に入れてケーシング３の延在方向に動かす。各操舵ユニット１の出力軸１４が挿入孔２８に臨む位置、即ち固定位置まで固定体２３が達すると、固定体２３の移動を止めて固定体２３の固定板２４，２４をケーシング３に固定する。次に、挿入孔２８から操舵翼４の取付部４ａを挿入して開口部１４ｂに取付部４ａを固定する。これにより、出力軸１４に操舵翼４が固定される。このようにして、操舵ユニット１が飛翔体２に組み込まれ、飛翔体２に操舵翼４が取り付けられる。

このような方法で操舵ユニット１をケーシング３に取り付けることにより、操舵ユニット１の固定体２３への固定をケーシング３外で行うことができる。従って、操舵ユニット１の固定作業を広い場所で行うことができ、その固定作業が容易である。それ故、飛翔体２の組立工数を減少することができ、飛翔体２の組立が容易になる。また、操舵ユニット１を固定体２３に固定してケーシング３に取り付ける構成であるため、操舵ユニット１に不具合があった場合でも、不具合のある操舵ユニット１を固定体２３から取外して交換すればよく、交換作業が容易である。

このように様々な利点を有する操舵ユニット１は、操舵装置１２を取付板１１に固定する構成であるので、性能試験の際、操舵ユニット１単体で行なうことができる。そのため、性能試験の装置及び設備を従来の技術ものより小型化することができる。なお、性能試験は、４つの操舵ユニット１を固定体２３に固定した状態で行なってもよい。

本実施形態では、出力軸１４を回動させる機構にボールねじ機構１５を採用しているけれども、ウォームギヤ機構を採用してもよい。この場合、出力軸１４の外周部に歯を形成してウォームホイールとし、ねじ軸２１をウォームに替えることで、ウォームギヤ機構を実現できる。ウォームギヤ機構を採用した場合も、ボールねじ機構１５と同様の作用効果を達成できる。

また、本実施形態では、ねじ軸２１が斜めに配置されている操舵ユニット１について説明しているが、斜めではなくねじ軸２１が上下方向又は左右方向に配置されている操舵ユニット１であってもよく、その場合もまた飛翔体２のケーシング３への取付が容易である。更に、基枠２５が直方体状に形成されているが、円筒状の枠体であってもよい。この場合、取付板１１は、円弧状に形成され、外周面が取付部となる。

また、本実施形態では、前述のような操舵装置１２を取付板１１に取り付けているが、必ずしも操舵装置１２を前述のような構成に限定するものではない。操舵翼４を回動させることができ、且つ取付板１１の表面１１ａに固定できるものであればよい。また、飛翔体１の一例である小型の無人ロケットについて説明したが、必ずしもロケットに限定するものではなく、飛行機、及び飛行船等に適用してもよく、飛翔するもの全般に適用することができる。

なお、本発明は、実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

１ 操舵ユニット
２ 飛翔体
３ ケーシング
４ 操舵翼
１１ 取付板
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 操舵装置
１３ 固定軸
１４ 出力軸
１５ ボールねじ機構
１６ モータ
２０ ナット
２１ ねじ軸
２３ 固定体
２７ 貫通空間

Claims (4)

1. 飛翔体の複数枚の操舵翼に個別に取り付けられ、該操舵翼の角度を変更可能な操舵装置と、
   前記操舵装置が１つだけ固定される取付板とを有し、
   前記取付板は、前記飛翔体のケーシング内に取付可能な固定体に複数枚の取付板を個別に固定するようになっており、
   前記固定体は、前記操舵装置を取り付けた前記複数枚の取付板を固定した状態で前記操舵装置と共に前記飛翔体のケーシング内に挿入されてから前記ケーシングに固定される
   ことを特徴とする飛翔体の操舵ユニット。
2. 前記操舵装置は、前記取付板の前記操舵翼側に固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の飛翔体の操舵ユニット。
3. 前記操舵装置は、
   前記取付板上に固定される固定軸と、
   前記操舵翼が固定され、前記固定軸に回動可能に外装される出力軸と、
   前記出力軸と直接的又は間接的に接続されるモータ軸を有し、前記モータ軸を回転させることで前記出力軸を前記固定軸周りに回動させる駆動モータとを有し、
   前記駆動モータは、前記モータ軸が前記固定軸に直交する方向に延びるように前記取付板に設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の操舵ユニット。
4. 前記出力軸の外周部には、ナット部材が設けられ、
   前記駆動モータのモータ軸は、ねじが螺刻されており、前記ナット部材と共にボールねじ機構を構成する
   ことを特徴とする請求項３に記載の操舵ユニット。

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