JP6165147B2 - 太陽電池発電装置やリフレクタなどを展開してロックするためのヒンジ機構 - Google Patents

Description

本発明は、例えば太陽電池発電装置やリフレクタなどの展開式の宇宙航行機構成要素を展開してロックするためのヒンジ機構に関する。

太陽電池発電装置やリフレクタなどのうちには、例えば、複数の可撓性のセグメントから成る展開式のシステムとして構成し、それを宇宙空間へ輸送した後に展開するようにしたものがある。その展開動作は、ばね駆動式やモータ駆動式などの展開機能を備えたヒンジ機構によって行わせることができ、その場合に、ヒンジ機構には、セグメントを直接的に連結しておくこともあり、また、セグメントを移動操作するための剛体ブーム部材を介してセグメントを連結しておくこともある。従来のこの種のヒンジ機構では、太陽電池発電装置やリフレクタのセグメントを１８０°揺動させる展開動作を行わせる際に、その展開動作の開始点ではヒンジ機構が提供する展開トルクが非常に大きく、その結果として、太陽電池発電装置やリフレクタなどのシステムの構成要素に大きな荷重が加わっていた。一方、従来のこの種のヒンジ機構では、その展開動作の終了点に近付くにつれて、提供する展開トルクが次第に小さくなり、最悪の場合には、太陽電池発電装置やリフレクタなどを完全に展開することができる十分な大きさの展開トルクを提供できないことがあった。

展開動作の全期間（即ち全行程）に亘って確実に略々一定の大きさの展開トルクを提供できるようにするために、特許文献１には、次のようなヒンジ機構が提案されており、そのヒンジ機構は、適宜の形状を有するカム面を用いて、展開動作の第１半期（前半期）に、駆動ゼンマイばねの蓄積エネルギの一部をねじりコイルばねへ移転させて蓄積し、そして、展開動作の第２半期（後半期）に、そのねじりコイルバネの蓄積エネルギを、そのカム面のうちの制御面を介して駆動力として供給できるようにしたものである。また、特許文献２には、次のようなヒンジ機構が提案されており、そのヒンジ機構は、２つのヒンジ半体部材と、回転軸と、駆動機構とを備え、そして、その駆動機構は、定トルクばねとして形成された駆動ばねを備えており、この駆動ばねが、展開動作に際して、その展開角度の全角度範囲に亘って略々一定の大きさのトルクを提供するようにしたものである。略々一定の大きさの展開トルクが提供されるため、システムの構成要素並びにヒンジ機構に加わる荷重が軽減される。また、それによって、ヒンジ機構の回転軸に作用する抵抗トルクも低下する。また特に、展開動作に際して発生する衝撃力も軽減される。また更に、展開動作の終了点（通常、終了点ではロックが行われる）に至っても、提供される展開トルクが大きなままであるため、ヒンジ機構のロック保持部材に安定した押圧力が作用し、それによって、確実にがたつきのないヒンジ機構が得られる。

しかしながら実際には、これまでところ、定トルクばねを用いた場合でも、またその他の駆動機構を用いた場合でも、正味の展開トルクを一定の大きさにすることは不可能であった。その原因は数々あるが、特に大きな原因は、ヒンジ機構の展開動作に伴って発生する摩擦抵抗トルクに対処すること、即ち、その摩擦抵抗トルクに関する補償を行うことができなかったことにある。ここでいう摩擦抵抗トルクは、太陽電池発電装置やリフレクタなどの電線ケーブルに由来するものであり、それらの電線ケーブルは、電力を送給するためにヒンジ軸の傍らを延在するように取回されているため、展開動作に際しては、必然的に「屈曲」させなければならない。また更に、完全展開状態に達する瞬間に、ヒンジ機構のロック動作によって太陽発電装置やリフレクタなどのセグメントの揺動運動が急停止させられるということがあった。これによって大きな「ロック時の衝撃トルク」が発生するため、太陽発電装置やリフレクタなどの寸法を決定する際には、その衝撃トルクを考慮する必要があった。更に、それによって、展開機構に大きな荷重が作用するということがあった。特に、展開動作の開始点と終了点では、太陽電池発電装置やリフレクタなどを構成している構成要素に作用する応力が非常に大きく、これまではそのことが、それら構成要素の寸法を決定する際の重要な要因となっていた。

ドイツ特許出願公開第１９６ ４９ ７４１ Ａ１号公報 ドイツ特許出願公開第１００ ２３ ８５２ Ａ１号公報

本発明の目的は、例えば太陽電池発電装置やリフレクタなどの展開式の宇宙航行機構成要素を展開してロックするためのヒンジ機構であって、また特に、例えば宇宙空間などにおいて使用するためのヒンジ機構であって、個々の構成要素に作用する応力を低減することのできるヒンジ機構を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載の特徴を備えたヒンジ機構によって達成される。尚、従属請求項は、特に有利な構成例の特徴を記載したものである。

本発明は、２つのヒンジ半体部材と、ヒンジ軸と、駆動機構とを備えた、例えば太陽電池発電装置やリフレクタなどの展開式の宇宙航行機構成要素を展開してロックするためのヒンジ機構を提供する。本発明によれば、前記駆動機構の駆動ばねは、前記２つのヒンジ半体部材の展開角度に応じて累進的に変化して、展開動作が進行するにつれて増大するような、ばね特性曲線を有しており、もって、前記展開角度に応じて大きさが変化する摩擦抵抗トルクに関する補償を行えるようにしたものである。

ばね特性曲線が累進的に変化するようにしたことで、展開角度が拡大するにつれて増大する摩擦抵抗トルクに対処でき、即ち、そのような摩擦抵抗トルクに関する補償を行えるものとなっている。また、これによって、遷移軌道上にあるときに最も外側のセグメントだけを９０°展開する、いわゆる部分展開を実行する際に、ロックする瞬間に発生する衝撃トルクも低減される。更に、太陽電池発電装置やリフレクタなどのセグメントを完全に展開する際に、それらの構成要素に作用する荷重並びに応力も低下する。更なる利点として、本発明に係るヒンジ機構は、多軸展開機構にまで拡張可能であるということがある。かかるばね特性曲線とすることで、摩擦抵抗トルクに対処できるようにしており、また特に、電線ケーブルの取回しに由来する摩擦抵抗トルクに対処できるようにしているため、大電力を送給できるように電線ケーブルを増設して摩擦抵抗トルクが増大した場合であっても、その摩擦抵抗トルクを許容することができ、即ち、その摩擦抵抗トルクに関する補償を行うことが可能である。

前記ばね特性曲線は、前記展開角度の全角度範囲に亘って前記２つのヒンジ半体部材を互いに相対回動させる際に作用する摩擦抵抗トルクの少なくとも所定倍の大きさのトルクを、また特に、少なくとも３倍の大きさのトルクを提供し得るように定めるとよい。更には、前記ばね特性曲線は、前記展開角度の全角度範囲に亘って前記２つのヒンジ半体部材を互いに相対回動させる際に発生する摩擦抵抗トルクの丁度所定倍の大きさのトルクを、また特に、丁度３倍の大きさのトルクを提供し得るように定めると特によい。これらのようにすることで、「最悪の状況」においても全ての摩擦抵抗トルクの合計トルクより十分に大きな展開トルクを確実に発生させることができる。

更に別の好適な実施形態によれば、前記駆動機構はＢ型ゼンマイモータとして構成されており、前記駆動ばねは駆動ローラの外周面上に配設されており、前記駆動ばねの固定端は前記駆動ローラに固定連結されており、前記駆動ばねの自由端は前記ヒンジ軸の周囲を周回するように取回されている。また、ばね特性曲線が累進的に変化するようにするには、前記Ｂ型ゼンマイモータの前記駆動ばねは、真っ直ぐに伸ばしたときの形状が、長方形とは異なる形状であるようにするとよい。また、前記駆動ばねは、その内周側の端部へ近付くほど幅寸法が増大するようにして、前記Ｂ型ゼンマイモータに配設されているようにするとよい。これらのようにすることで、展開動作が進行するにつれて、ばねトルクが増大するようになる。

別の実施形態ないしは変更実施形態によれば、前記駆動ばねは、該駆動ばねの自由端へ近付くほど幅寸法が減少する台形形状を呈している。これは前記駆動ばねの好ましい形状であるが、ただし前記駆動ばねの形状は、所望のばね特性曲線が得られる形状であるならば、このような台形形状とは異なる任意の形状としてもよい。

更に別の実施形態ないしは変更実施形態によれば、前記駆動ばねの無荷重状態での曲率半径が、該駆動ばねの自由端へ近付くほど大きくなっている。この構成例とする場合には、前記駆動ばねを、非円形の駆動ローラの外周面上に配設するか、或いは、ヒンジ軸を中心として回転する非円形の繰出ローラの外周面上に配設するようにすればよい。それらローラは、それらの曲面形状、即ちそれらの曲率半径によって、ばねトルクに所望の影響を及ぼすものである。

更に別の実施形態ないしは変更実施形態によれば、前記駆動ばねは、互いに長さの異なる複数枚の薄板ばねから成る。この場合、前記駆動ばねは個別の複数枚の薄板ばねで構成される。累進的に変化するばね特性曲線を実現するために、それら複数枚の薄板ばねの長さを適宜に異ならせて、展開動作の開始点では、それら薄板ばねのうちの一部のものだけ（例えば少なくとも一枚だけ）が展開トルクを提供するようにする。そして、ヒンジ機構の展開角度が拡大するにつれて、より多くの枚数の薄板ばねが展開トルクを提供するようにすることで、ばねトルクが増大させることができる。この構成例では、前記駆動ばねの全体としてのばね特性曲線は、前記駆動ばねを台形形状にした場合とは異なり、段階的に増大する形状を呈するものとなる。

更に、前記駆動ばねは、該駆動ばねの中心線に沿って１つまたは複数のスリットが形成されているものとするのもよい。

この種のヒンジ機構は、その構造ゆえに、太陽電池発電装置やリフレクタなどの展開速度を制御する機能を備えていない。そのため、従来のこの種のヒンジ機構では、ロックが行われる時点における展開速度が高速であり、また特に、遷移軌道上にあるときに最も外側のセグメントだけを９０°展開する、部分展開を実行するときに、そのロックが行われる時点における展開速度が高速であるということがあった。原理的に、ロックが行われる瞬間には、衝撃トルクが発生する。しかるに、本発明に係るヒンジ機構によれば、その衝撃トルクが緩和され、これは、ロックが行われる角度位置まで展開される間に、駆動ばねから付与されるエネルギが比較的小さいからである。

累進的に変化するばね特性曲線を、展開動作の開始時には、従来公知の駆動機構と同程度の大きさのばねトルクを提供するようなばね特性曲線とすることによって、構成要素に作用する荷重を従来の場合と同程度の大きさにすることができる。その一方で、累進的に変化するばね特性曲線を、展開動作の終了点には、格段に大きなばねトルクを提供するようなばね特性曲線とすることで、電線ケーブルに由来する大きな摩擦抵抗トルクに対応する能力を備えたものとすることができる。尚、その場合のばね特性曲線は、展開動作の終了点において、摩擦抵抗トルクの所定倍の大きさのトルクを、また特に、３倍の大きさのトルクを提供し得るように定めるとよい。

以下に、図面に示した実施の形態に即して、本発明について更に詳細に説明して行く。図面については以下の通りである。

基本構造は公知のものと同様の、太陽電池発電装置やリフレクタなどを展開してロックするためのヒンジ機構の側面図である。 図１のヒンジ機構の平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿ったヒンジ機構の断面図である。 図１のＢ方向から見たヒンジ機構を示した図である。 図１のヒンジ機構の斜視図である。 図１〜図５のヒンジ機構に用いられる駆動ばねの第１の実施の形態を真っ直ぐに伸ばした状態で示した図である。 図１〜図５のヒンジ機構に用いられる駆動ばねの第２の実施の形態を真っ直ぐに伸ばした状態で示した図である。 図１〜図５のヒンジ機構に用いられる駆動ばねの第３の実施の形態を真っ直ぐに伸ばした状態で示した図である。

図１〜図５に示したのは、太陽電池発電装置の太陽電池パネル（不図示）を展開してロックするためのヒンジ機構であり、このヒンジ機構は、固定側ヒンジ半体部材４と揺動側ヒンジ半体部材１０とを備えており、それら２つのヒンジ半体部材は、それらに共通の回転軸８（図１及び図３参照）を有している。固定側ヒンジ半体部材４は、いわば枢着支持部材であり、揺動側ヒンジ半体部材１０は、先端二股部材として形成されたいわば揺動部材である。揺動側ヒンジ半体部材１０は、回転軸８によって揺動可能に支持されている。図１〜図５に示した状態は、回転軸８に装備された駆動ばね１によって、揺動側ヒンジ半体部材１０がその揺動限度一杯にまで揺動された状態である。この状態にあるとき、２つのヒンジ半体部材４、１０の夫々に締付ボルトにより固定されている２枚の太陽電池パネル（不図示）が同一平面上に位置しており、即ち、それら２枚の太陽電池パネルの相対揺動角度が１８０°となっている。

駆動ばね１は、図面に明示されていない駆動ローラの外周面上に配設されており、この駆動ばね１の固定端は、止着部材１１、１２、１３を介して、固定側ヒンジ半体部材４にねじ止めされて固定されている（図１及び図３参照）。更に、揺動側ヒンジ半体部材１０上にロック用先端二股部材１６が支持されており、このロック用先端二股部材１６にロック用係合ボルト５が嵌合している。揺動側ヒンジ半体部材１０上に、ロック用先端二股部材１６と同心的にねじりコイルばね６が配設されており、このねじりコイルばね６の一方の腕がロック用係合ボルト５の頭部を貫通して延在している（図１及び図２参照）。ロック用先端二股部材１６及びねじりコイルばね６は共に、ネジ部材４５によって、揺動側ヒンジ半体部材１０に取付けられている。図１〜図５に示した状態では、ロック用係合ボルト５はねじりコイルばね６によってノッチ（図２）の中へ押付けられており、これによって、揺動側ヒンジ半体部材１０が固定側ヒンジ半体部材４に対してロックされている。

以上に説明したのは、このヒンジ機構の基本的構造の部分であり、この基本的構造の部分は、例えば特許文献１に記載されて公知となっている部分である。それゆえ、図面に示されていても、本発明を理解する上で説明する必要のない細部構造については、これ以上詳細に説明することを控える。

駆動ばね１は、図２に最も明瞭に示されているように、ドイツにおいてRollfeder-B-Motor（Ｂ型ゼンマイモータ）と呼ばれている、定トルクゼンマイばねを２本の軸ないしローラに亘ってＳ字形に配設して成るゼンマイモータの、そのゼンマイばねと同様のものである。駆動ばね１は駆動ローラの外周面上に配設されており、駆動ばね１の固定端は駆動ローラに固定連結されており、駆動ばね１の自由端はヒンジ軸（前記回転軸）８の周囲を周回するように取回されている。基本的に、この種の駆動ばねをこのような形態で配設することで、その駆動ばねの全動作領域に亘って、即ち、展開角度範囲の０°〜１８０°の全範囲に亘って、一定の大きさの展開トルクを提供させることが可能である。

しかるに、図１〜図５に示したヒンジ機構に装備された駆動ばね１では、展開機構の個々の構成要素（展開機構の構成要素としては、例えば、同期用のワイヤケーブル、ロッド、プーリ９などを備えたブラケットや、展開速度を調整する調速機構などがあり、調速機構としてはモータ歯車機構（ＭＧＵ）などが用いられる）に作用する応力を小さく抑えるために、この駆動ばね１が、展開角度に応じて累進的に変化して、展開動作が進行するにつれて増大するような、ばね特性曲線を有するものとしてある。そして、これによって、展開角度に応じて大きさが変化する摩擦抵抗トルクに関する補償を行えるようにしている。展開角度に応じて大きさが変化する摩擦抵抗トルクには、また特に、展開動作が進行するにつれて増大するような摩擦抵抗トルクには、様々なものがある。それらのうちでも特に重要なものは、ヒンジ軸の傍らを延在するように取回されており、展開動作に際して変形させられる、太陽電池発電装置やリフレクタなどの電線ケーブル（不図示）に由来する摩擦抵抗トルクである。

駆動ばねが累進的に変化するばね特性曲線を有するため、展開動作の開始点（展開動作は展開角度０°から開始される）において駆動ばねが提供する展開トルクは、展開動作の終了点において提供するトルクより小さい。駆動ばねのばね特性曲線は、駆動ばねの寸法形状によって決まるものであり、０°から１８０°までの展開角度の全角度範囲に亘って摩擦抵抗トルクの少なくとも３倍の大きさのトルクを提供し得るようなばね特性曲線とすることが好ましい。そうすれば、最も過酷な状況（電力を送給するための電線ケーブルによって大きな摩擦抵抗トルクが発生する状況）においても、発生する全ての摩擦抵抗トルクの合計トルクより大きな展開トルクを提供することが可能となる。

駆動ばね１のばね特性曲線を累進的に変化するばね特性曲線とする上で、様々な方式を用いることができる。例えば、図６及び図７に示したように、駆動ばねの形状を、その自由端へ近付くにつれて幅が狭くなる形状とするのもよい。太陽電池発電装置が畳まれた状態にあるときには、駆動ばね１の自由端に近い領域によってトルクが提供されている。展開動作が進行するにつれて、駆動ばねの全体のうちのトルクを提供する領域が、この駆動ばねの内周側の端部である固定端の方へ移動して行く。駆動ばねの幅寸法が固定端へ近付くほど広くなるようにしておけば、展開動作が進行するにつれて駆動ばねが提供するトルクが次第に大きくなる。

図６に示した実施形態では、駆動ばね１は、駆動ローラの外周面上に取付けられる固定端の近傍領域の幅寸法が幅ｂとされている。幅寸法が幅ｂである領域は長さｌ_１に亘って続いている。この駆動ばね１は、それから先は自由端へ近付くにつれて幅寸法が次第に小さくなり、この先細りの領域は長さｌ_０に亘って続いており、自由端における幅寸法は幅ｂより小さい幅ｂ_０とされている。図示した駆動ばねは、真っ直ぐに伸ばしたときの形状を示したものであり、この状態の駆動ばねの全長ｌは、ｌ＝ｌ_１＋ｌ_０で与えられる。

一方、図７に示した実施形態では、駆動ばね１が台形形状を呈しており、固定端よりも自由端の幅寸法の方が小さく、自由端の幅寸法は幅ｂ_０とされている。更に、駆動ばね１には、図７に真っ直ぐに伸ばした状態で示したこの構成例のように、その中心線に沿って延在するスリットを形成するのもよい。図７に示した構成例では、そのようなスリットとして、ただ１つだけのスリット５０が形成されている。

ただし、この構成例の変形例として、図には示さないが、この駆動ばねの中心線に沿って複数のスリットを列設して形成するようにしてもよく、またその場合に、それらスリットの長さを一定としてもよく、互いに異なるようにしてもよい。また、スリットの幅は、実現しようとするばね特性曲線に応じて適宜に定めるようにすればよい。また、図６や図８に示した変形構成例に、そのようなスリットを形成するようにしてもよい。

また別の変更例として、真っ直ぐに伸ばしたときの駆動ばねの外形形状を、以上に示したものとは別の形状としてもよく、所望のばね特性曲線を実現することのできる外形形状である限りにおいて、任意の形状とすることができる。

図８に示したのは駆動ばね１の更に別の実施形態の側面図であり、この構成例において、駆動ばね１は、個別に形成した６枚の薄板ばね１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆにより構成されている。ただし、ここで薄板ばねの枚数が６枚であるのは、あくまでも１つの具体例を提示したにすぎない。それら薄板ばねは互いに長さが異なる。展開動作の開始点では、それらの薄板ばねのうちの一部のものだけが、駆動ばねの自由端の近傍部分において展開トルクを提供している。ヒンジ機構の展開角度が拡大するにつれて、より多くの枚数の薄板ばねが展開トルクを提供するようになり、これによって、展開角度が拡大するにつれてばねトルクが増大するという、所望の結果が得られる。この構成例のばね特性曲線は、図６及び図７に示した変形例のものとは異なり、連続的に滑らかに増大する形状ではなく略々段階的に増大する形状を呈する。

更に別の実施形態として、図には示さないが、駆動ばねの無荷重状態での曲率半径が自由端へ近付くほど大きくなっているようにするのもよい。このような構成例は、例えば、非円形の駆動ローラを用いることで実現することができる。また、その場合に、その駆動ローラの曲率半径は、ばねトルクを算出する数式によって与えられる。

図６、図７、図８に示した構成例の特徴、並びに以上に説明したその他の構成例ないし変更構成例の特徴は、基本的に、任意に組合せて用いることができるものである。

尚、図面には、駆動ばねの構成を理解しやすいように、駆動ばねを真っ直ぐに伸ばしたときの形状を示した。

図６〜図８に示したような、ばね特性曲線が累進的に変化する駆動ばねを用いることによって、展開動作の開始点では、これまで定トルクばねを用いた場合に得られていたトルクと同程度の大きさのトルクを提供することができ、その際に、展開機構に作用する荷重の強度は、従来のヒンジ機構を用いた場合より大きなものとなることはない。一方、展開動作が進行するにつれて、ばねトルクが増大するため、展開動作の終了点ではより大きなばねトルクを提供することができ、例えば、展開動作の開始点のばねトルクの２倍の大きさのばねトルクを提供するようにすることも可能であるため、大きな摩擦抵抗トルクが加わる場合であっても、その摩擦抵抗トルクに対応することができる。駆動ばねの寸法を定める際には、その駆動ばねのばね特性曲線が、少なくとも展開動作の終了点において、発生している全ての摩擦抵抗トルクの合計トルクの少なくとも３倍の大きさの展開トルクを提供し得るようなものとするのがよい。

１ 駆動ばね
４ （固定側）ヒンジ半体部材
５ （ロック用）係合ボルト
６ ねじりコイルばね
８ 回転軸
９ プーリ
１０ （揺動側）ヒンジ半体部材
１１ 止着部材
１２ 止着部材
１３ 止着部材
１６ ロック用先端二股部材
４５ ねじ部材
５０ スリット

Claims (9)

1. ２つのヒンジ半体部材（４、１０）と、ヒンジ軸と、駆動機構とを備えた、展開式の宇宙航行機構成要素を展開してロックするための宇宙航行機構成要素用ヒンジ機構において、
   前記駆動機構の駆動ばね（１）は、前記２つのヒンジ半体部材（４、１０）の展開角度に応じて累進的に変化し、展開動作が進行するにつれて増大して、前記展開角度に応じて大きさが変化する摩擦抵抗トルクに関する補償を行うためのばね特性曲線を有することを特徴とするヒンジ機構。
2. 前記ばね特性曲線は、前記展開角度の全角度範囲に亘って前記２つのヒンジ半体部材を互いに相対回動させる際に作用する摩擦抵抗トルクの少なくとも所定倍の大きさのトルクを提供し得るように定められていることを特徴とする請求項１記載のヒンジ機構。
3. 前記ばね特性曲線は、前記展開角度の全角度範囲に亘って前記２つのヒンジ半体部材を互いに相対回動させる際に発生する摩擦抵抗トルクの丁度所定倍の大きさのトルクを提供し得るように定められていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒンジ機構。
4. 前記駆動機構はＢ型ゼンマイモータとして構成されており、前記駆動ばねは駆動ローラの外周面上に配設されており、前記駆動ばねの固定端は前記駆動ローラに固定連結されており、前記駆動ばねの自由端は前記ヒンジ軸の周囲を周回するように取回されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載のヒンジ機構。
5. 前記駆動ばね（１）は、真っ直ぐに伸ばしたときの形状が、長方形とは異なる形状であることを特徴とする請求項４記載のヒンジ機構。
6. 前記駆動ばねは、該駆動ばねの自由端へ近付くほど幅寸法が減少する台形形状を呈していることを特徴とする請求項５記載のヒンジ機構。
7. 前記駆動ばね（１）の無荷重状態での曲率半径が、該駆動ばねの自由端へ近付くほど大きくなっていることを特徴とする請求項４〜請求項６の何れか１項記載のヒンジ機構。
8. 前記駆動ばね（１）は、互いに長さの異なる複数枚の薄板ばねから成ることを特徴とする請求項４〜請求項７の何れか１項記載のヒンジ機構。
9. 前記駆動ばね（１）は、該駆動ばねの中心線に沿って１つまたは複数のスリットが形成されていることを特徴とする請求項４〜請求項８の何れか１項記載のヒンジ機構。

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