JP6249178B2

JP6249178B2 - 制振構造

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Publication number: JP6249178B2
Application number: JP2015051001A
Authority: JP
Inventors: 則彦持田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: JP2016169830A

Description

本発明は、制振構造に関する。

近年、科学観測衛星や地球観測衛星では、軌道上で複雑かつ高速な姿勢制御を行うために大型のアクチュエータを搭載する。このアクチュエータは、モータと減速機で構成されているのが一般的であり、モータを駆動することで振動が発生する。この振動が衛星の構造部分を伝播し搭載している観測機器を加振するため、観測機器の性能が劣化することから、この振動を機器に対する擾乱振動と呼んでいる。

そこで、この解決手法として、例えば自動車に使用されるサスペンション機構と同様に、減衰機能を持った支持機構を組込み、振動減衰を図ることが提案されている。この方法は支持機構の両端の相対変位を利用するものであるので、擾乱源となるアクチュエータとその支持構造の間を弱い支持剛性で結合する必要がある。

サスペンション機構の一例として、図１１に示す支持機構５では、相対運動する部材が回転可能なヒンジ５１ａ、ｂで固定され、該部材の間に系の固有振動数調節と原点復帰のためのばね５２、および減衰付与のためのダッシュポットが固定されている。ダッシュポットはシリンダ５３とピストン５４を含み、ピストン５４にはオリフィス５５が設けられており、ピストン５４が動いた時にそこを通過するオイル５６の粘性抵抗力を減衰力としている。またダッシュポットは、シリンダ５３とピストン５４の間には、直進運動を維持するためのオイルシール機能を兼ねたすべり軸受け５７、５８を装着している。

特許文献１や非特許文献１のように、支持機構として６個の直進運動機構を組み合わせることで、並進３軸と回転３軸の合計６自由度を持つパラレルリンク機構を構成することが考えられる。この機構は回転の自由度も直進運動の組合せで達成するものであり、直進運動に対して減衰機能を有する装置を少なくとも６個を組込む必要がある。

それぞれの直進運動機構では、例えば特許文献２のように所定の剛性を持つばねとダッシュポットが組み込まれる。また、バネ剛性は支持部材の弾性率と形状で決定し、減衰係数は内部に封入するオイルの粘性特性と装置内部のオリフィス径により決定する。また、特許文献３のように、平行板ばねで支持した直進機構の例がある。

また、特許文献４は、振動や騒音を緩和する機能を有する制振合金部材や床振動減衰装置等を開示する。この制振合金部材を使用した床振動減衰装置は、スプリング状の制振合金部材を用い、スプリング構造を高さ方向にばね定数の異なる複数のスプリングを組み合わせたもので低荷重では低ばね定数のスプリングで制振する。また、高荷重では低ばね定数のスプリングは蓋に密着して高ばね定数のスプリングで制振するように構成する。

特開２０１０−２６４５２６号公報特開２００２−３２３０８３号公報特開２０１３−０２２６６６号公報特開２００５−１２１２０７号公報

小菅他、「スチュワートプラットホーム形パラレルリンクマニピュレータの動力学計算方法」、日本機械学会論文集（C編）、60巻569号、pp218-224

しかしながら、これらの特許文献１から４及び非特許文献１には以下のような課題があり、宇宙用の制振構造として選択するには難点があった。まず、特許文献１、２及び非特許文献１では、減衰装置はオイルを封入した圧力容器になっているため、オイル漏れや強度に対する信頼性、安全性の保証の検証が必要であり、確認試験を幾つも重ねる必要がある。また、一般にオイルは高分子材料であるため、真空環境や放射線環境に対して減衰性能の劣化を防ぐ配慮が必要である。さらに、ピストン・シリンダの摺動部があり、摩擦の変動や摩耗に対する信頼性の評価が難しい。

特許文献３では、板ばねが変形したときに長さ方向に縮むことに対する引張力発生の変形抵抗が大きくなる非線形性を持つ難点がある。特許文献４のように減衰材として材料の内部摩擦が大きい制振合金を採用した支持構造があるが、この構造では様々な方向に変形するため、直進運動機構に組み込むことはできない。

本発明の目的は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、上記課題を解決する制振構造を提供することにある。

上述の課題に鑑み、本発明の一態様は、振動発生装置に直接的に又は間接的に連結される第１の部品と、振動受け装置に直接的に又は間接的に連結される第２の部品とを有し、軸心に対して非対称に構成される直進運動部材と、上記軸心に対して対称に配置されかつ上記第１の部品及び上記第２の部品間を接続し、軸方向における上記第１の部品と上記第２の部品の相対移動に伴って変形する弾性部材と、を備えることを特徴とする制振構造に関する。

本発明によれば、減衰効果が得られる信頼性の高い制振構造を提供することができる。

本発明の更なる利点及び実施形態を、記述と図面を用いて下記に詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態による制振構造を適用した人工衛星の概略を示す概略構成図である。図１に示す制振構造における直進運動部材の構成を示す側面図である。図２に示す直進運動部材の概略構成を示す立体図である。図２に示す直進運動部材の動作を説明するための図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態による制振構造における直進運動部材に用いられる板ばねの例を示す図である。本発明の第１の実施形態による制振構造で利用される平板ばねの応力分布を説明するための図である。本発明の第２の実施形態による制振構造で利用される平板ばねの応力分布を説明するための図である。本発明の第２の実施形態による制振構造で利用される平板ばねの応力分布を説明するための図である。関連する制振構造における直進運動部材の構成を示す側面図である。図９に示す直進運動部材の動作を説明するための部分拡大図である。関連する制振構造における支持機構の構成を示す側面図である。

はじめに、本発明者が検討した技術及びその課題について図９及び図１０を参照して説明する。図９は、関連する制振構造における直進運動部材４の構成を示す図である。図１０は、図９に示す直進運動部材４の動作を説明するための図である。

図９を参照すると、図１１の支持機構で用いられているダッシュポットは使わず、直進運動のためのすべり軸受けもない直進運動部材４が例示されている。この直進運動部材４では、相対運動するシリンダ４２ａとピストン４２ｂの間に平板ばね４４ａ、ｂ、ｃ、ｄを組み込んである。

この平板ばね４４ａ〜ｄを制振合金で製作すれば、直進運動機能と減衰機能を同時に達成することができる。しかし、このような両端支持点の軸心４５に対して対称な配置では、平板ばね４４ａ〜ｄが変形したときに図１０のように平板ばね４４ａ〜ｄの変形による縮み４６が発生し、長さ方向に縮むことに対する引張力発生の変形抵抗が大きくなる非線形性を持つ難点がある。また、引張力が発生することで、曲げ変形で発生する曲げ応力に引張応力が重畳することになり、同じ変形量での強度が低下する難点もある。

上記した問題点を解決できる本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。但し、以下の説明は本発明の技術的範囲は何ら限定解釈されないことは云うまでもない。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する、

図１は、第１の実施形態による制振構造が人工衛星本体１と観測機器３の間に組み込まれた例を示す。制振構造として、複数の直進運動部材２ａ〜ｆの一端が人工衛星本体１に固定され、複数の直進運動部材２ａ〜ｆの他端に観測機器３が支持されパラレルメカニズム２を構成している。人工衛星本体１には、例えば太陽電池パドル駆動部などの人工衛星搭載アクチュエータ１ａが搭載されている。この人工衛星搭載アクチュエータ１ａを駆動すると振動が発生する。本実施形態では、パラレルメカニズム２を構成する直進運動部材２ａ〜ｆにより、観測機器３に対する擾乱振動の原因となる外部からの振動が観測機器３へ伝わることを抑制する。

観測機器３は、例えば高解像度望遠鏡などの天体観測衛星用光学系や微光天体分光撮像装置、高分散分光器、光学顕微鏡などの地球観測衛星用光学系といったものが例示されるが、これに限定されるものではない。

図２は、本発明の第１の実施形態による制振構造における直進運動部材２ａの構成を示す側面図である。図３は、図２に示す直進運動部材２ａの概略構成を示す。図４は、図２に示す直進運動部材２ａの動作を説明するための図である。パラレルメカニズム２を構成する直進運動部材２ａ〜ｆのそれぞれは、人工衛星本体１に搭載する観測機器３に伝わる振動を制振するためのものである。ここでは直進運動部材２ａを例にしてこれらの直進運動部材２ａ〜ｆの構成について具体的に説明する。なお、本明細書の説明において直進運動部材２ａとは、第１の部品と第２の部品とを有する部材として説明することがあるし、平板ばね２４ａ、ｂをも含んだ部材として説明することもある。

図２及び図３を参照すると、本実施形態の制振構造は第１の部品と第２の部品とを有する直進運動部材２ａと、平板ばね（板ばね）２４ａ、ｂとを備える。第１部品は、人工衛星本体（振動発生装置）１又は観測機器（振動受け装置）３と連結する連結部２１ａと、該連結部２１ａの一端から軸方向（Ｘ方向）へ延び平板ばね２４ａ、ｂと接続する平板ばね支持部２２ａとを有する。また、第２の部品は、人工衛星本体１又は観測機器３と連結する連結部２１ｂと、該連結部２１ｂの一端から軸方向（Ｘ方向）へ延び平板ばね２４ａ、ｂと接続する平板ばね支持部２２ｂとを有する。平板ばね２４ａ、ｂは、軸心３０に対して対称に配置されかつ第１の部品と第２の部品間を接続し、軸方向における第１の部品と第２の部品の相対移動に伴って変形する。

直進運動部材２ａの両端の支持点からはそれぞれ片側だけに平板ばね支持部２２ａ、２２ｂを出して軸心３０に対して非対称にしてある。この構造は、平板ばね２４ａ、ｂが変形して長さ方向に縮む時の力を両端支持点の回転で逃がして変形抵抗にならないようにしているところに特徴がある。

平板ばね２４ａ、ｂは、例えば制振合金材で作成され、直進運動部材２ａの軸方向における移動や人工衛星本体１に搭載された人工衛星搭載アクチュエータ１ａの振動に応じて変形する。例示の図ではＺ方向と平行に２枚の平板ばね２４ａ、ｂが平板ばね支持部２２ａと平板ばね支持部２２ｂの間に接続されるが、本発明はこの例に限定されず実現したい制振構造の設計に伴い３枚や４枚以上の平板ばねを接続し所望の減衰効果を達成させても良い。

また、第１の部品及び第２の部品は便宜上、それぞれ連結部２１ａ、２１ｂと平板ばね支持部２２ａ、２２ｂとの各部位に分けて説明しているが、別々のものではなく一体として製造したものを使用しても良い。

図４に示すように、人工衛星本体１に連結された第２の部品が人工衛星搭載アクチュエータ１ａからの振動を受けると、連結部２１ｂと平板ばね支持部２２ｂが加振される。この振動は、弾性部材である平板ばね２４ａ、ｂが減衰材の役割をして第１の部品へ伝わることを防ぐため、結果的に第１の部品に連結された観測機器３が振動の影響を受けることを防止することが可能となる。

上述した平板ばね２４ａ、ｂの材質、板厚、幅、長さなどの形状は、固有振動数および強度を評定して決定され、制振合金材は必要な減衰力を発生することを評定として決定される。

以上説明した本発明の第１の実施形態においては、以下に記載するような効果を奏する。

第１の効果は、オイル漏れや放射線劣化あるいは摩擦摩耗に対して関連する制振機構に比べて信頼性の高い構造で減衰効果が得られる効果がある。その理由は、本実施形態による制振機構は、平板ばねを用いた支持機構を使用することで、オイルを使わずかつ摺動部がない直進運動機構を構成するようにしたからである。

第２の効果は、高い減衰機能を持たせ、搭載する機器へ擾乱振動の伝達を防ぎつつ、制振構造の小型化を実現する効果がある。その理由は、直進運動部材の配置を両端支持点の軸心に対して非対称にすることで発生する応力を低減しているからである。

（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。本発明の第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の変形例である。以下、本実施形態において、第１の実施形態においてすでに説明した部分と同様な機能を有する部分には同一符号を付し、説明は省略する。

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態による制振構造に用いられる平板ばね（板ばね）２４ａを示す。図６から図８は、各実施形態で用いられる平板ばね２４ａの変形と応力分布の関係を説明するための図である。

図６を参照すると、平板ばね２４ａの板厚が一様な場合の応力分布とその変形状態を示す。平板ばね２４ａの板厚が均等であると、応力分布は長さ方向に線形に分布し、振動などによる平板ばね２４ａの変形に対して特に端部に加わる応力が集中することとなる。応力が一部に集中する場合には、平板ばね２４ａの減衰性能に影響を与えることがあるため、本実施形態では以下に示す平板ばね２４ａを採用している。

図７は、図５（ａ）に示す平板ばね２４ａの変形と応力分布を示す図である。平板ばね２４ａの端部を厚く中央部を薄くした場合には、端部にかかる応力を軽減することができ、平板ばね２４ａが頑丈なものとなる。そのため、減衰性能の優れた平板ばね２４ａを使用することで制振構造における直進運動部材２ａの減衰性能を向上できる。また、平板ばね２４ａの広い範囲の歪を大きくできるので、減衰性能を改善できる。

図８は、図５（ｂ）に示す平板ばね２４ａの変形と応力分布を示す図である。図８の平板ばね２４ａは、板厚を調整するかわりに端部を広くし中央部を狭くしたものであり、この場合にも端部に加わる応力を軽減することができ、頑丈な平板ばね２４ａとなる。そのため、減衰性能の優れた平板ばね２４ａを使用することで制振構造における直進運動部材２ａの減衰性能を向上できる。また、平板ばね２４ａの広い範囲の歪を大きくできるので、減衰性能を改善できる。

また、振動減衰性能は平板ばね２４ａに発生する歪に依存するので、図７や図８のように板厚分布を中央部が薄くするあるいは幅分布を中央部が狭くすることで、相対運動したときに平板ばね２４ａに発生する応力つまり歪を均等化することができる。その結果、板厚が一様で歪が端部に集中する場合よりも減衰性能を大きくすることができる。平板ばね２４ａの材質、板厚、幅、長さなどの形状は固有振動数および強度を評定として決定され、制振合金材は必要な減衰力を発生することを評定として決定される。

以上説明した本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態において得られる第１及び第２の効果に加え、以下に記載するような効果を奏する。

第３の効果は、構造的に頑丈で、かつ、高い減衰機能を実現できる効果がある。その理由は、本実施形態による制振機構において、直進運動部材の配置を両端支持点の軸心に対して非対称にし、また、平板ばねの形状を中央部が薄くあるいは狭くして構成したからである。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

１人工衛星本体
１ａ人工衛星搭載アクチュエータ
２パラレルメカニズム
２ａ〜ｆ直進運動部材
２１ａ、ｂヒンジ（連結部）
２２ａ、ｂ平板ばね支持部
２４ａ、ｂ平板ばね（弾性部材）
３観測機器
３０軸心

Claims

振動発生装置に直接的に又は間接的に連結される第１の部品と、振動受け装置に直接的に又は間接的に連結される第２の部品とを有し、軸心に対して非対称に構成される直進運動部材と、
前記軸心に対して対称に配置され、一端が前記第１の部品に接続され、他端が前記第２の部品に接続されて、軸方向における前記第１の部品と前記第２の部品の相対移動に伴って、前記一端と前記他端が前記軸方向において互いに逆向きに相対移動して変形する弾性部材と、を備えることを特徴とする制振構造。
前記弾性部材は、前記軸方向に直交する２以上の平面にそれぞれ配置された２以上の板ばねであることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
前記板ばねは、端部より中央部の厚さが小さいことを特徴とする請求項２に記載の制振構造。
前記板ばねは、端部より中央部の幅が小さいことを特徴とする請求項２に記載の制振構造。
前記板ばねは、制振合金材からなることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の制振構造。
前記第１の部品及び第２の部品は、前記振動発生装置又は振動受け装置と連結する連結部と、前記第１の部品及び第２の部品の一端から軸方向へ延び前記板ばねと接続する板ばね支持部と、を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載の制振構造。
前記第１の部品は人工衛星本体に連結され、前記第２の部品は観測機器に連結される前記直進運動部材であって、前記直進運動部材は複数組み合わせて搭載されパラレルメカニズムを構成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の制振構造。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の制振構造を有する人工衛星。