JP6023326B2 - 三次元球体駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、衛星体の姿勢を制御するために用いられる球体駆動システムに関し、より詳細には、衛星体の姿勢を三軸方向に制御するために用いられる球体（Rigid Ball）が正位置に位置するようにすることで、衛星体の姿勢を正確に制御することができる三次元球体駆動システムに関する。

地球の周りの所定軌道を回りながら必要な情報を得る人工衛星などの衛星体には、与えられた軌道に沿って任務を遂行するように姿勢制御装置が備えられる。かかる姿勢制御装置は、必要に応じて、リアクションホイールやスラスタなどにより生成された駆動力を衛星体に適正方向に加えることで、衛星体の姿勢を制御する。

衛星体の姿勢を正確かつ高精度に制御するためには、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の三軸方向にそれぞれ駆動力を加えなければならない。近年、図１ａ、図１ｂに図示されたように中心部に球体を位置させ、この球体の周りに複数個の電磁石を９０゜間隔をおいて配置して、この電磁石に電流を周期的に印加することで球体に回転磁場が形成されるようにし、その結果、球体にローレンツ（Lorentz）力が生成されることにより三つの軸に駆動力が同時に加えられるようにすることで、一つの駆動機だけで衛星体の姿勢を制御する方式の、球体を用いた衛星体姿勢制御装置に関する研究が活発に行われている。

上記の球体を用いた衛星体姿勢制御装置を用いて衛星体の姿勢を制御する際には、衛星体姿勢制御装置の信頼性および制御能力を試すためにシミュレーションを行う。そのために、姿勢制御装置の上部に他の電磁石を配置した後、この電磁石に電流を加えて生成された磁場により、球体が重力によって落下せずに磁気浮上して所定位置に留まるようにしている。

しかし、上記の構造を有する姿勢制御装置では、球体の上部に、球体に回転力を加えるための電磁石および球体の磁気浮上のための２個の電磁石を配置し、この２個の電磁石に同時に電源を加えて磁場を形成するため、その過程中に２個の電磁石によって生成された磁場間の干渉が発生して球体の回転制御が正確でなく、また、球体の磁気浮上位置も一定ではないなどの問題があるため、実際に適用することは困難である。

さらに、地上から衛星体が発射される時に加えられる推力や衛星体が正常軌道に進入するまで受ける多くの飛行振動により、球体が正常位置から外れたり周りに配置された部品とぶつかって損傷されたりする恐れがあり、この場合、衛星体の姿勢を正確に制御できなくなるか、または動作不能状態に陥る恐れがある。

本発明は上記の従来の衛星体姿勢制御装置の問題点を解決するためになされたものであって、磁気浮上装置を用いなくても地上で容易にシミュレーションを行うことができるとともに、発射推力および振動などによって球体が損傷されないため、衛星体の姿勢を正確に制御することができる三次元球体駆動システムを提供することをその目的とする。

上記の本発明の目的は、三次元球体駆動システムを、正六面体形状の支持フレームと、前記支持フレームの内部中央に位置する球体と、前記支持フレームの内側頂点毎にそれぞれ設けられ、前記球体の表面と接触する複数の玉軸受と、前記玉軸受の周りに配置され、磁場を形成することで前記球体を回転させる複数の電磁石と、前記電磁石を制御することで前記球体の回転方向および回転速度を制御する制御部と、で構成することにより達成される。

この際、前記玉軸受は、玉と、前記支持フレームに設けられ、内部に半球状の溝が形成された軸受レーサと、前記軸受レーサの上部に結合され、内部に半球状のガイド溝が形成された軸受ケージと、を含み、前記玉が、前記軸受レーサの溝と前記軸受ケージのガイド溝とが接してなる溝に拘束されるように設けられることを特徴とする。

また、前記玉軸受と前記支持フレームとの間には、振動減衰部材が設けられることを特徴とする。

さらに、前記支持フレームは、長さ方向の断面が
形状であることを特徴とする。

本発明によれば、衛星体の姿勢を制御するために姿勢制御装置の内部に設けられる球体が複数個の玉軸受により支持されるため、球体を空中に浮上させるための磁気浮上装置を別に設ける必要がない。

また、本発明によれば、球体が複数個の玉軸受により機械的に支持されるため、振動などによって球体が損傷されることがなく、球体の位置がそのまま保持されるため、衛星体の姿勢を正確に制御することができる。

さらに、本発明によれば、玉軸受と支持フレームとの間に振動減衰部材が設けられることで、球体の回転による振動が減衰される。

また、本発明によれば、玉軸受が球体の表面に形成される渦電流と干渉されないため、磁場の形成のために用いられる電磁石の配置が容易になるとともに、球体の表面に形成される誘導電流の影響を最小化することができるため、球体駆動の正確度がさらに向上される。

従来の球体駆動システムを説明するための概略図である。 従来の球体駆動システムを説明するための概略図である。 本発明による三次元球体駆動システムの例を示した構成図である。 本発明による三次元球体駆動システムの例を示した斜視図である。 本発明による支持フレームの例を示した斜視図である。 本発明による支持フレームの他の実施例を示した断面図である。 本発明による玉軸受の例を示した分離斜視図である。 本発明による玉の位置決定のための例を示した概略図である。

以下、本発明の好ましい実施例を図示した添付図面を参照して、本発明の構成をより詳細に説明する。

本発明は、衛星体の姿勢を正確に制御するための三次元球体駆動システムを提供するためのものであって、そのために、本発明の球体駆動システムは、図２に図示されたように、支持フレーム１０と、球体２０と、玉軸受３０と、電磁石４０と、制御部５０と、からなる。

支持フレーム１０は、図３および図４に図示されたように、内部が空いている形態の多面体形状の骨組物であって、その内部には後述する複数個の玉軸受３０が設けられており、その形状は、玉軸受３０の設置個数および位置に応じて、三角柱、正六面体、正八面体、正一二面体などに変わり得る。

以下では、支持フレーム１０が正六面体状に構成される場合を例として説明する。

支持フレーム１０は、所定の長さを有し、
、
、
または
形状の断面を有する形鋼が互いに直角となるように連結されることで、上、下、左、右、正、背面がそれぞれ開放された形態の正六面体に構成される。

また、支持フレーム１０は、図５に図示されたように、長さ方向に
形状の断面を有するように構成されることができる。この構成により、支持フレーム１０が弾性復元力を有することになり、その結果、後述する玉軸受３０に均一な支持力を加えることで球体２０をさらに高精度かつ正確に支持することができる。

そして、上記のような支持フレーム１０の角の内側には複数個の玉軸受３０が設けられ、この玉軸受３０により、支持フレーム１０の中央に位置する球体２０が所定地点で玉軸受３０の玉３１と接触支持される。玉３１の設置を決定する方法についての説明は後述する。

支持フレーム１０の内部空間の中央部に設けられて回転運動する球体２０は、金属材からなる。この際、球体２０のサイズは、図３に図示されたように、支持フレーム１０の内部空間に適切に位置できる程度の体積を有し、球体２０の周りに設けられた複数の電磁石４０が励磁されることで形成される磁場によりその表面に渦電流が生成され、その結果、球体２０が任意の方向に回転できることになる。この際、球体２０の回転方向および回転速度は、後述する制御部５０の制御により、電磁石４０に加えられる電源の強度、位相および電源供給順序などに応じて調節される。

支持フレーム１０の角の内側に、互いに対称する位置に設けられた複数個の玉軸受３０は、図６および図７に図示されたように、支持フレーム１０の中央部に位置する球体２０を支持して球体２０を所定位置に位置させるとともに、球体２０が回転する時に妨害されずに自由に回転運動するようにする。そのために、本発明の玉軸受３０は、玉３１と、軸受レーサ３２と、軸受ケージ３３と、で構成される。この際、玉軸受３０は、その設置個数に応じて、支持フレーム１０の角毎に設けられてもよく、一部の角にのみ設けられてもよい。

また、上記では玉軸受３０が支持フレーム１０の角に設けられると説明したが、玉軸受３０は、必要に応じて支持フレーム１０の中間部に設けられてもよく、または角および中間部の両方に設けられてもよい。

軸受レーサ３２は、玉３１の下部側を支持するとともに、結合部材により支持フレーム１０の角の内側に強固に固定されて設けられ、その中心部分には玉３１が載置されるように半球状の溝３２Ａが形成される。そして、軸受レーサ３２がフレームのそれぞれの角に設けられる場合、フレームのそれぞれの角と球体２０の中心を結ぶ線と直角をなす平面上に設けられる。また、軸受レーサ３２を支持フレーム１０の角に固定させる結合部材は、ボルトおよびナットからなって着脱可能に構成されてもよく、支持フレーム１０に溶接によって半永久的に固定されるように構成されてもよい。

軸受ケージ３３は、軸受レーサ３２の上部側に位置しており、軸受レーサ３２の溝３２Ａに載置された玉３１を取り囲んで玉３１の離脱を防止するとともに、玉がスムーズに回転できるようにする部材である。そのために、軸受ケージ３３の中央部には、玉３１が載置される半球状のガイド溝３３Ａが形成されており、この軸受ケージ３３が結合部材により前記軸受レーサ３２に強固に固定される。この際の結合部材も、軸受レーサ３２と同様に、ボルトおよびナットで構成されてもよく溶接により構成されてもよい。

また、軸受レーサ３２の半球状の溝３２Ａと軸受ケージ３３の半球状のガイド溝３３Ａとが接してなる球状の溝に、玉３１が載置される。

一方、球体２０の周りに設けられた電磁石により形成された磁場によって球体２０が回転されるときに、球体に微小な振動が発生し得るが、この場合、振動が玉軸受３０を介して衛星体に伝達され得る。したがって、これを防止するために、玉軸受３０と支持フレーム１０との間にはダンパ（damper）やアイソレータ（isolator）などの振動減衰部材が設けられることが好ましい。

また、玉軸受３０のサイズは、電磁石４０の励磁により球体２０の表面に形成される渦電流と干渉されない程度のサイズに決定されるが、渦電流と干渉されない程度のサイズは、球体２０の直径、電磁石と球体２０との距離などによって変わる。

また、玉軸受３０は、支持フレーム１０の角毎に設けられることで互いに対称する構造を有することになる。これにより、球体２０が玉軸受３０により安定して支持されるとともに、球体２０に加えられる荷重が均一に分散される。

上述の効果、すなわち、球体２０が玉軸受３０により安定して支持されるとともに、球体２０に加えられる荷重が均一に分散される効果を持たせるためには、図７に図示されたように、玉軸受３０の設置位置、すなわち、玉軸受３０の玉３１が球体２０の表面と点接触するようにその設置位置が決定されるべきであり、以下ではこれについて説明する。

球体２０の半径がＲである場合、球体の中心点に原点をおく座標軸において、下記数式１から分かるように、球体２０の表面はそれぞれ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）から同一の距離Ｒだけ離れた位置に位置することになる。したがって、球体が座標軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）と接する地点は下記数式２のとおりである。

ここで、Ｒは球体２０の半径であり、Ｘ、Ｙ、Ｚは、それぞれ球体２０がＸ座標軸、Ｙ座標軸、およびＺ座標軸と接する地点の座標値である。

ところで、上記数式１で対称性をなすための条件はＸ＝Ｙ＝Ｚであるため、結局、球体２０がＸ座標軸、Ｙ座標軸、およびＺ座標軸と接する地点の座標値は下記数式２のとおりである。

この際、玉軸受３０の玉３１の半径がｒである場合、玉３１の中心がそれぞれ位置する地点の座標値は下記数式３のとおりである。

ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは玉軸受３０の玉３１の中心がそれぞれ位置する地点の座標値であり、Ｒは球体２０の半径であり、ｒは玉軸受３０の玉３１の半径である。

また、球体２０の周りに配列されて磁力を生成し球体２０を回転させる電磁石４０と連結され、球体駆動システムを制御する制御部５０は、上述のように球体２０の回転速度および回転方向などを制御する。この際、球体２０の回転速度を検出して制御するために、制御部５０にはタコメータなどの速度測定機が備えられる。

上述のように、本発明によれば、衛星体の姿勢を制御するために姿勢制御装置の内部に設けられる球体が複数個の玉軸受により支持されるため、球体を空中に浮上させるための磁気浮上装置を設ける必要がなく、振動などによって球体が損傷されることがないとともに、球体の位置がそのまま保持されるため、衛星体の姿勢を正確に制御することができる。

１０ 支持フレーム
２０ 球体
３０ 玉軸受
３１ 玉
３２ 軸受レーサ
３２Ａ 溝
３３ 軸受ケージ
３３Ａ ガイド溝
４０ 電磁石
５０ 制御部

Claims (5)

1. 正六面体形状の支持フレーム（１０）と、
   前記支持フレーム（１０）の内部中央に位置する球体（２０）と、
   前記支持フレーム（１０）の内側頂点毎にそれぞれ設けられ、前記球体（２０）の表面と接触する複数の玉軸受（３０）と、
   前記玉軸受（３０）の周りに配置され、磁場を形成することで前記球体（２０）を回転させる複数の電磁石（４０）と、
   前記電磁石（４０）を制御することで前記球体（２０）の回転方向および回転速度を制御する制御部（５０）と、からなることを特徴とする、三次元球体駆動システム。
2. 前記玉軸受（３０）は、玉（３１）と、前記支持フレーム（１０）に設けられ、前記玉（３１）が載置される半球状の溝（３２Ａ）が形成された軸受レーサ（３２）と、前記軸受レーサ（３２）の上部に結合され、内部に半球状のガイド溝（３３Ａ）が形成された軸受ケージ（３３）と、を含み、
   前記玉が、前記軸受レーサ（３２）の溝（３２Ａ）と前記軸受ケージ（３３）のガイド溝（３３Ａ）とが接してなる溝に拘束されるように設けられることを特徴とする、請求項１に記載の三次元球体駆動システム。
3. 前記玉（３１）の中心が、下記数式３により決定される地点に位置することを特徴とする、請求項２に記載の三次元球体駆動システム。
   ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚは玉軸受（３０）の玉（３１）の中心がそれぞれ位置する地点の座標値であり、Ｒは球体（２０）の半径であり、ｒは玉軸受（３０）の玉（３１）の半径である。
4. 前記玉軸受（３０）と前記支持フレーム（１０）との間には、振動減衰部材が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の三次元球体駆動システム。
5. 前記支持フレームは、長さ方向の断面が
   形状であることを特徴とする、請求項１に記載の三次元球体駆動システム。