JP6505262B2

JP6505262B2 - コントロールモーメントジャイロ

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Publication number: JP6505262B2
Application number: JP2017566499A
Authority: JP
Inventors: 宗孝柏; 福島　一彦; 一彦福島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: EP3415867A4; US11021272B2; US20190016480A1; WO2017138165A1; JPWO2017138165A1; EP3415867A1

Description

この発明は、宇宙機にトルクを与えて宇宙機の姿勢を制御するコントロールモーメントジャイロに関するものである。

宇宙機に搭載され、宇宙機にトルクを与えて宇宙機の姿勢制御を行うための姿勢制御用アクチュエータとして、コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）が用いられる。
ＣＭＧは、スピン軸受によって支持され、スピン軸周りに高速で回転するロータを、スピン軸と直交するジンバル軸周りにトルクモジュールにより回転させることで、スピン軸およびジンバル軸に対して直交する出力軸周りに、ロータが持つ角運動量とジンバル軸周りの角速度に比例したジャイロトルクが発生する。この発生したトルクを、ＣＭＧから宇宙機インターフェースを通じて宇宙機に伝達させて、宇宙機の姿勢を制御する。

このとき、ＣＭＧが出力するトルクは、ロータから宇宙機インターフェースまでの荷重伝達経路を通過して宇宙機に伝達されることから、ＣＭＧが出力するトルクの伝達効率は、ロータから宇宙機インターフェースまでの荷重伝達経路上のＣＭＧ構体の伝達特性に大きく依存する。特に、従来のＣＭＧでは、ロータから宇宙機インターフェースまでの荷重伝達経路上に、ロータを真空に封止するための薄肉で低剛性なロータカバーが含まれることに加え、荷重伝達経路上にはロータカバー以外にも複数の構造部品が直列的に配置されているため、荷重伝達経路自体が長くなり、荷重伝達経路上のＣＭＧ構体の支持剛性が低い。

このような状況を鑑み、ロータをジンバル軸周りに回転させるジンバル軸受として、大口径のジンバル軸受を用いることに加え、その大口径のジンバル軸受をロータのスピン軸とトルクモジュールとの間に配置し、かつスピン軸に近い位置に配置することで、ロータから宇宙機インターフェースまでの荷重伝達経路を短く、かつ高剛性とするようにした従来のＣＭＧが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許第５３５７５５８号公報

特許文献１に示されている従来のＣＭＧでは、ジンバル軸受は、距離的に、トルクモジュールよりもスピン軸に近い位置に配置されているものの、スピン軸とトルクモジュールの間に配置されるため、スピン軸とジンバル軸受の間にはわずかながらも距離が生じる。そのため、ロータの回転中に、ロータを回転支持する２対のスピン軸受のアライメント誤差に起因して生じるスピン軸の軸方向の回転に同期した軸振動によって、ジンバル軸受にはスピン軸の軸方向の軸振動に起因したラジアル荷重に加えて、スピン軸とジンバル軸受の間の距離に応じたモーメント荷重も加わることになる。そのため、ロータの軸振動によってジンバル軸受にラジアル荷重のみが加わる場合と比べて、ジンバル軸受の動作寿命が短くなる。また、短いながらもロータからジンバル軸受までの荷重伝達経路には、ロータの軸振動に対して撓みを生じるインナージンバル構造が存在する。そのため、ロータで生じた軸振動はロータからジンバル軸受を経由して宇宙機インターフェースへと伝達される間に、インナージンバル構造に起因した共振特性によって増幅されて宇宙機へと伝達される。宇宙機に伝達された軸振動は、擾乱として宇宙機に搭載された観測機器や宇宙機自体の姿勢に作用することとなり、高精度な観測や姿勢制御が必要な宇宙機にとっては大きな課題となる。加えて、ジンバル軸受がスピン軸の軸線に対してジンバル軸受の軸線と平行な方向にシフトした位置に配置されているので、ロータからジンバル軸受までの荷重伝達経路に存在するインナージンバルを剛な構造として、ロータの軸振動に起因する撓みの発生を抑制する必要がある。そのため、インナージンバルを肉厚で剛な形状とする必要があり、インナージンバルが大型化し、ＣＭＧ全体が大型化するという課題がある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ロータの軸振動に起因してジンバル軸受に作用するモーメント荷重の発生を抑制し、ジンバル軸受の長寿命化を図るとともに、スピン軸からジンバル軸受への荷重伝達経路中にロータの軸振動に起因して撓みを生じる構造物をなくして、ロータの軸振動に起因して宇宙機に働く攪乱の増大を抑制できる小型のコントロールモーメントジャイロを提供する。

この発明のコントロールモーメントジャイロは、インナージンバルと、上記インナージンバルによってスピン軸周りに回転可能に保持されたロータと、上記インナージンバルに設けられ、上記ロータを上記スピン軸周りに回転させるスピンモータと、上記インナージンバルを上記スピン軸と直交するジンバル軸周りに回転可能に保持するステータと、上記インナージンバルと上記ステータとの間に、上記ジンバル軸と直交し、かつ上記スピン軸を含む平面を挟んで相対して、上記平面に接して、又は上記平面を含んで配置されたジンバル軸受と、上記ステータに設けられ、上記インナージンバルを上記ジンバル軸周りに回転させるトルクモジュールと、を備える。

この発明によれば、ジンバル軸受が、ジンバル軸と直交し、かつスピン軸を含む平面を挟んで相対して配置されている。そこで、ロータの軸振動によりジンバル軸受に作用するモーメント荷重は生じないので、ジンバル軸受の長寿命化が図られる。また、スピン軸からジンバル軸受への荷重伝達経路中にロータの軸振動に起因して撓みを生じる構造物がないので、ロータの軸振動が増幅されて宇宙機に伝達されることがなく、宇宙機に働く攪乱を小さく抑えることができる。

さらに、インナージンバルは、厚みや形状に因らずに、構成としてロータの軸振動に対して剛であるので、インナージンバルの寸法を短くでき、コントロールモーメントジャイロの小型化が図られる。

この発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す上面図である。この発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す側面図である。この発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。従来のコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態２に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態３に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態４に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態５に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態６に係るコントロールモーメントジャイロを示す上面図である。この発明の実施の形態６に係るコントロールモーメントジャイロを示す側面図である。この発明の実施の形態７に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。この発明の実施の形態８に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す上面図、図２はこの発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す側面図、図３はこの発明の実施の形態１に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。図４は従来のコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図１から図３において、コントロールモーメントジャイロ１００は、円筒状に作製されたステータ１０と、円筒状に作製され、ステータ１０にジンバル軸７周りに回転可能に支持されて、ステータ１０内に設けられたインナージンバル９と、ステータ１０に設けられて、インナージンバル９をジンバル軸７周りに回転させるトルクモジュール８と、インナージンバル９にジンバル軸７と直交するスピン軸５周りに回転可能に支持されて、インナージンバル９内に設けられたロータ１と、インナージンバル９に設けられ、ロータ１をスピン軸５周りに回転させるスピンモータ３と、ステータ１０に設けられた宇宙機インターフェース１１と、を備える。

ロータ１は、両端を２対のスピン軸受２にスピン軸５周りに回転可能に支持されるシャフト１ａと、シャフト１ａに一体に設けられ、スピン軸５周りの慣性モーメントを高める慣性要素と、で構成される。慣性要素は、一般的には、スピン軸５から離れた位置に質量を持つような回転リングや、円筒または円錐殻で構成される。なお、地上での試験時には、ロータ１の回転中の風損によるトルク損失を防ぐ目的で、ロータ１を真空に封止するためのロータカバー（図示せず）などがロータ１を覆うように取り付けられる。

スピン軸受２は、ロータ１をスピン軸５周りに回転可能に支持するように、シャフト１ａの両端に配置される。スピン軸受２は、一般的に、ロータ１のシャフト１ａの一端に対して軸受内の玉の接触角が異なるアンギュラ玉軸受を２つ以上組み合わせた構成で用いられ、ロータ１の回転中にスピン軸受２に作用するラジアル荷重とスラスト荷重に対して十分な剛性を持った上で、モーメント荷重に対しても十分な剛性を有する。また、周辺温度環境の変化に伴うロータ１の熱変形やシャフト１ａの両端に配置されたスピン軸受２の軸心ずれを緩和する目的で、シャフト１ａの両端に配置される２対のスピン軸受２の内、１対をスピン軸受ハウジング４に対して軸受外輪を剛に支持する固定軸受とし、もう１対をスピン軸受ハウジング４に対して空隙を設けて内部に粘性流体や弾性部材などを封入した状態で支持する浮遊軸受で構成される。

スピンモータ３は、図示していないが、永久磁石が配置されたスピンモータロータと、励磁用の巻線が配置されたスピンモータステータと、で構成される。そして、スピンモータ３のスピンモータロータが、シャフト１ａに固定され、スピンモータ３のスピンモータステータが、スピン軸受ハウジング４に固定されている。スピンモータロータとスピンモータステータとは、わずかな空隙を持って対向して配置されている。スピンモータ３は、ロータ１への回転指令に応じて、スピンモータステータ内の巻線を励磁し、ロータ１をスピン軸５周りに回転させる。

スピン軸受ハウジング４は、ジンバル軸７を挟んで相対するようにインナージンバル９の内周面に取り付けられる。スピン軸受ハウジング４の内部には、スピン軸受２と、スピンモータ３が配置される。そして、スピン軸受２の外輪と、スピンモータ３のスピンモータステータとが、スピン軸受ハウジング４に固定支持される。これにより、ロータ１は、ジンバル軸７と直交するスピン軸５周りに回転可能にインナージンバル９に取り付けられる。

ジンバル軸受６は、インナージンバル９とステータ１０との間に配置される。これにより、インナージンバル９がジンバル軸７の周りに回転できるようにステータ１０に支持される。また、ジンバル軸受６は、軸受内の玉の接触角が異なるアンギュラ玉軸受を２つ組み合わせた構成で用いられ、ロータ１の回転中にジンバル軸受６に作用するラジアル荷重とスラスト荷重に対して十分な剛性を持った上で、モーメント荷重に対しても十分な剛性を有する。このとき、ジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受は、ジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面を挟むようにインナージンバル９とステータ１０との間に配置される。そして、ジンバル軸受６は、円筒状のインナージンバル９の外周を回転可能に支持するために、インナージンバル９がジンバル軸受６の内輪に収まるような大きさの口径のリング状の軸受が使用される。

トルクモジュール８は、励磁用の巻線が配置されたジンバルモータステータ８ａと、永久磁石が配置されたジンバルモータロータ８ｂと、で構成される。ジンバルモータステータ８ａは、ステータ１０の内周面上に全周に渡って配置、固定され、ジンバルモータロータ８ｂは、インナージンバル９の外周面上に全周に渡って配置、固定される。このとき、ジンバルモータステータ８ａとジンバルモータロータ８ｂとは、わずかな空隙を持って対向して配置される。また、ジンバルモータステータ８ａおよびジンバルモータロータ８ｂは、ジンバル軸７と直交する、スピン軸５を含む平面上に配置される。そこで、トルクモジュール８は、ジンバル軸７の軸線と平行な方向にジンバル軸受６と並んで、ジンバル軸受６に隣接して配置される。ここで、トルクモジュール８がジンバル軸受６に隣接するとは、ジンバル軸７の軸線と平行な方向におけるトルクモジュール８とジンバル軸受６との間の距離が、トルクモジュール８のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、ジンバル軸受６のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、のなかの最も大きな寸法未満であることを意味する。

なお、図３においては、トルクモジュール８は、ジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受の間に配置される。このとき、トルクモジュール８には、インナージンバル９とステータ１０との間の相対回転角を測定するための角度センサ、例えば、エンコーダ、レゾルバ、タコメータなどを備える構成としてもよい。ただし、使用する角度センサとしては、インナージンバル９とステータ１０の相対回転角を非接触で計測するものが望ましい。また、トルクモジュール８には、スピンモータ３への回転指令および電力を、もしくは回転指令ないしは電力を、回転境界面を越えて伝達するのに適合した装置、例えば、スリップリングなどを備える構成としてもよい。トルクモジュール８は、外部からの回転指令に応じて、インナージンバル９をジンバル軸７の周りに回転させることで、スピン軸受ハウジング４を介してインナージンバル９に支持された、スピン軸５の周りに高速で回転するロータ１をジンバル軸７の周りに回転駆動する。

インナージンバル９は、円筒状に作製され、スピン軸受ハウジング４と、ジンバル軸受６と、の間に配置される。このとき、インナージンバル９の内周にはスピン軸受ハウジング４が固定され、インナージンバル９の外周にはジンバル軸受６の内輪が固定される。なお、インナージンバル９の形状に関しては、円筒状の形状に限ることなく、機能を満足する範囲において様々な形状とすることが考えられる。また、インナージンバル９とスピン軸受ハウジング４との固定方法についても、インナージンバル９の内周に直接固定する方法に限ることなく、インナージンバル９に取り付け用のリブを設けて、そのリブを介してスピン軸受ハウジング４をインナージンバル９に固定する構成としてもよい。さらに、インナージンバル９は、スピン軸受ハウジング４とジンバル軸受６の内輪との間を、ロータ１が出力する荷重に対して十分に剛に結合することができる範囲において、可能な限り薄肉の形状であることが望ましい。

ステータ１０は、円筒状に作製され、ステータ１０の内周にはジンバル軸受６の外輪が固定され、トルクモジュール８が配置される。さらに、ステータ１０の外周面ないしは側面に宇宙機インターフェース１１が設けられる。このとき、ステータ１０の形状は、円筒状の形状に限ることなく、機能を満足する範囲において様々な形状とすることが考えられる。

宇宙機インターフェース１１は、ステータ１０と、宇宙機（図示せず）のＣＭＧ取り付け部と、の間に配置される。宇宙機インターフェース１１は、ステータ１０の外周上ないしは側面上に設けられ、ステータ１０の全周ないしは一部で宇宙機のＣＭＧ取り付け部に対してボルトなどを用いて剛に接続される。このとき、宇宙機インターフェース１１は、ステータ１０の一部で構成してもよいし、ステータ１０に対して別の部品を取り付けることで構成してもよい。ここでは、宇宙機インターフェース１１は、スピン軸５の軸線に接するように、ステータ１０の外周面上に設けられているが、スピン軸５の軸線上あるいはスピン軸５の軸線に近接した位置に設けてもよい。また、宇宙機インターフェース１１を環状に構成し、ジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面が内部を通るように、当該平面に接するように、あるいは当該平面に隣接するように、ステータ１０の外周面に設けてもよい。ここで、宇宙機インターフェース１１がジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面に隣接するとは、ジンバル軸７の軸線と平行な方向における宇宙機インターフェース１１と当該平面との間の距離が、宇宙機インターフェース１１のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法、すなわち厚さと、ロータ１のシャフト１ａの直径と、ステータ１０のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、のなかの最も大きな寸法未満であることを意味する。

このように構成されたＣＭＧ１００では、シャフト１ａの両端を２対のスピン軸受２で支持されたロータ１が、スピンモータ３によりスピン軸５の周りに高速で回転駆動される。そして、ジンバル軸受６で支持されたインナージンバル９が、トルクモジュール８によりジンバル軸７の周りに回転駆動される。そこで、スピン軸５の周りに高速回転するロータ１が、ジンバル軸７の周りに回転する。これにより、高速回転するロータ１の慣性モーメントと角速度で生成される角運動量と、ジンバル軸７の周りの角速度と、に比例した出力トルクが、スピン軸５とジンバル軸７との２軸に直交するトルク出力軸１２の周りに出力される。トルク出力軸１２の周りに出力されたトルクは、ステータ１０に配置された宇宙機インターフェース１１を通じて宇宙機に伝達され、宇宙船の姿勢が制御される。

つぎに、実施の形態１による効果を説明するために、図４を用いて従来のＣＭＧ２００の構造について簡単に説明する。

従来のＣＭＧ２００は、ステータ２２と、ステータ２２にジンバル軸受２０，２４を介して支持されて、ジンバル軸１９周りに回転可能に配置されたインナージンバル１８と、ステータ２２に設けられて、インナージンバル１８をジンバル軸１９周りに回転させるトルクモジュール２１と、インナージンバル１８に取り付けられたスピン軸受ハウジング１７と、スピン軸受ハウジング１７にスピン軸受１４を介して支持され、スピン軸１６周りに回転可能に配置されたロータ１３と、スピン軸受ハウジング１７に設けられ、ロータ１３をスピン軸１６周りに回転させるスピンモータ１５と、ステータ２２に設けられた宇宙機インターフェース２５と、を備えている。

このように構成された従来のＣＭＧ２００では、ジンバル軸受２０は、距離的に、トルクモジュール２１よりもスピン軸１６に近い位置に配置されており、図４中点線で示される荷重伝達経路が構成される。そこで、ロータ１３の回転中に、ロータ１３を回転支持する２対のスピン軸受１４のアライメント誤差に起因して生じる、ロータ１３の回転に同期したスピン軸１６の軸方向の軸振動によって、ジンバル軸受２０にはスピン軸１６の軸方向の軸振動に起因したラジアル荷重に加えて、スピン軸１６とジンバル軸受２０の間の距離に応じたモーメント荷重が加わるので、ジンバル軸受２０の動作寿命が短くなる。また、ロータ１３からジンバル軸受２０までの荷重伝達経路には、ロータ１３の軸振動に対して撓みを生じるインナージンバル１８が存在する。そのため、ロータ１３で生じた軸振動は、ロータ１３からジンバル軸受２０を経由して宇宙機インターフェース２５へと伝達される間に、インナージンバル１８の軸振動に対して撓みを生じる振動モードの共振特性によって増幅されて宇宙機へと伝達される。宇宙機に伝達された軸振動は、擾乱として宇宙機に搭載された観測機器や宇宙機自体の姿勢に作用する。加えて、ジンバル軸受２０をスピン軸１６とトルクモジュール２１の間で、かつスピン軸１６に近い位置に配置するように構成しているため、ジンバル軸受２０およびトルクモジュール２１が配置されるステータ２２の寸法が長くなるだけでなく、トルクモジュール２１で回転駆動されるインナージンバル１８の寸法もトルクモジュール２１と接続されるために長くなる必要があり、結果としてＣＭＧ２００全体の外形が大型化してしまう。

このように、従来のＣＭＧ２００では、ロータ１３の回転中に生じた軸振動によって、スピン軸１６の軸方向の軸振動に起因したラジアル荷重に加えて、スピン軸１６とジンバル軸受２０との間の距離に比例したモーメント荷重がジンバル軸受２０に対して作用していた。この実施の形態１によれば、ロータ１が配置されたインナージンバル９を回転可能に支持するジンバル軸受６が、ジンバル軸７と直交する、スピン軸５を含む平面を挟むように配置されているので、ロータ１で発生する軸振動によってモーメント荷重がジンバル軸受６に生じることがない。そこで、ジンバル軸受６に対してはラジアル荷重のみが作用することになる。そのため、ジンバル軸受６に作用する荷重は、従来のＣＭＧ２００におけるジンバル軸受２０に比べて小さくなり、ジンバル軸受６の動作寿命を長く設計することが可能となる。

さらに、従来のＣＭＧ２００では、ロータ１３からジンバル軸受２０までの荷重伝達経路にインナージンバル１８が存在しているので、ロータ１３で発生した軸振動は、インナージンバル１８の軸振動に対して撓みを生じる振動モードの共振特性により増幅されて宇宙機へと伝達されていた。この実施の形態１によれば、スピン軸５の軸方向に関して、スピン軸受ハウジング４とジンバル軸受６との間に配設されたインナージンバル９は、宇宙機において課題となる振動の周波数の範囲においては、ほぼ剛と見なすことが可能である。そこで、ロータ１からジンバル軸受６までの荷重伝達経路上に、ロータ１の軸振動に対して撓みを生じる構造体が存在しないので、ロータ１で生じた軸振動は、ロータ１から宇宙機へと伝達される間に増幅されることがないため、宇宙機に働く擾乱の大きさを非常に小さく抑えることができる。

また、従来のＣＭＧ２００では、ロータ１３からジンバル軸受２０までの荷重伝達経路上にあるインナージンバル１８を、可能な限り剛なものとする必要があるために、肉厚で剛な形状となり、インナージンバル１８が大型化すると共に重量が重くなっている。この実施の形態１によれば、インナージンバル９は、その厚みや形状に因らずに、構成としてロータ１の軸振動に対して剛であるので、インナージンバル９の寸法を小型化することができ、重量も軽くすることが可能である。

さらに、従来のＣＭＧ２００では、ジンバル軸受２０をスピン軸１６とトルクモジュール２１との間に配置し、特にスピン軸１６により近い位置に配置しているので、ステータ２２に対するジンバル軸受２０の取り付け位置とトルクモジュール２１の取り付け位置が遠くなる。これにより、ジンバル軸受２０とトルクモジュール２１とが配置されるステータ２２の寸法が、ジンバル軸１９の軸方向に長くなり、ステータ２２が大型化する。それに加えて、トルクモジュール２１によりインナージンバル１８を回転駆動するために、インナージンバル１８にはジンバル軸受２０で支持される構造とは別に、ジンバルシャフト２３を設ける必要があり、インナージンバル１８の大型化と重量増を招いている。また、ジンバルシャフト２３を介してインナージンバル１８に駆動トルクを与えるトルクモジュール２１の位置と、インナージンバル１８を軸支するジンバル軸受２０との位置がジンバル軸７の軸方向に離れているので、インナージンバル１８を安定、かつ滑らかに回転させるためには、ジンバル軸受２０とは別に第２のジンバル軸受２４をトルクモジュール２１の近傍に新たに配置する必要があり、更なる重量の増加を招いている。

これに対して、この実施の形態１によれば、ジンバル軸受６がジンバル軸７と直交する、スピン軸５を含む平面を挟むように配置され、トルクモジュール８がジンバル軸受６に隣接して、スピン軸５の軸線上に配置されているので、ジンバル軸受６とトルクモジュール８とが配置されるステータ１０の寸法を、ジンバル軸７の軸方向に関して短くすることができ、ステータ１０の小型化が図られる。加えて、トルクモジュール８でインナージンバル９を回転駆動するために、別途ジンバルシャフトを設ける必要がないので、インナージンバル９を小型化できるとともに、従来のＣＭＧ２００で必要であった第２のジンバル軸受２４を削減することが可能となるため、ＣＭＧ１００全体の寸法を薄く小型にできるとともに、ＣＭＧ１００全体の軽量化を図ることができる。

さらに、従来のＣＭＧ２００では、スピン軸１６に対するトルクモジュール２１の配置の関係上、従来のＣＭＧ２００全体の重心位置はスピン軸１６からジンバル軸１９の軸方向に離れた位置となる。そのため、ロケット打ち上げ時の正弦波振動およびランダム振動による並進方向の振動入力に対して、従来のＣＭＧ２００に曲げ振動が誘発されないように、従来のＣＭＧ２００全体の重心位置を含むよう宇宙機インターフェース２５を配置しようとしても、宇宙機インターフェース２５を、従来のＣＭＧ２００全体の重心支持と、スピン軸１６から宇宙機インターフェース２５までのジンバル軸１９の軸方向の距離の最短化とを両立して配置することが構成上できないという課題がある。

これに対して、この実施の形態１によれば、ＣＭＧ１００全体の構成がスピン軸５に対して回転対称に配置されるので、ＣＭＧ１００全体の重心位置はほぼスピン軸５上に存在している。そのため、宇宙機インターフェース１１を、ＣＭＧ１００全体を重心支持するように配置することと、スピン軸５から宇宙機インターフェース１１までのジンバル軸７の軸方向の距離を最短化することとは、宇宙機インターフェース１１をスピン軸５上に配置することで自然に両立可能である。これにより、ロケット打ち上げ時の振動環境に対して頑強なＣＭＧ１００が得られるという効果がある。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図５において、ジンバル軸受６は、インナージンバル９とステータ１０との間に、ジンバル軸７と直交するスピン軸５を含む平面と接するように、当該平面の上部に配置されている。トルクモジュール８は、ジンバル軸７と直交するスピン軸５を含む平面を挟んで、ジンバル軸受６に隣接して当該平面の下部に配置されている。ここで、トルクモジュール８がジンバル軸受６に隣接するとは、ジンバル軸７の軸線と平行な方向におけるトルクモジュール８とジンバル軸受６との間の距離が、トルクモジュール８のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、ジンバル軸受６のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、のなかの最も大きな寸法未満であることを意味する。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成されたＣＭＧ１０１においても、上記実施の形態１によるＣＭＧ１００と同様に動作する。そして、ジンバル軸受６がスピン軸５の軸線と接するように配置されているので、ロータ１で発生する軸振動によってジンバル軸受６に対してモーメント荷重が生じることがなく、ジンバル軸受６に対してはラジアル荷重のみが作用することになる。また、スピン軸５の軸方向に関して、スピン軸受ハウジング４とジンバル軸受６との間に配設されたインナージンバル９は、宇宙機において課題となる振動の周波数の範囲においては、ほぼ剛と見なすことが可能である。そこで、ロータ１からジンバル軸受６までの荷重伝達経路上に、ロータ１の軸振動に対して撓みを生じる構造体が存在しない。また、ジンバル軸受６がスピン軸５の軸線と接するように配置され、トルクモジュール８がジンバル軸受６に隣接して配置され、かつジンバル軸受６とトルクモジュール８とがスピン軸５の軸線を挟むように配置されているので、ジンバル軸受６とトルクモジュール８とが配置されるステータ１０の寸法を、ジンバル軸７の軸方向に関して短くすることができ、ステータ１０の小型化が図られる。さらに、トルクモジュール８でインナージンバル９を回転駆動するために、別途ジンバルシャフトを設ける必要がないので、インナージンバル９の小型化が図られる。したがって、実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態２によれば、ＣＭＧ１０１全体の重心位置は、上記実施の形態１と異なり、ＣＭＧ１０１全体の構成がスピン軸５に対して回転対称な配置ではないものの、上記実施の形態１と同様に、ほぼスピン軸５に近い位置に存在する。そこで、宇宙機インターフェース１１をスピン軸５の軸線に近い位置に配置することで、ロケット打ち上げ時の振動環境に対して頑強な構成とすることができる。

また、実施の形態２によれば、ジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受を組み合わせるのに際して、予め組み合わせ軸受として生産管理された１対のアンギュラ玉軸受を用いることが可能となる。そこで、ジンバル軸受６の組み立て管理が容易になるとともに、ジンバル軸受６に対する予圧の調整も容易となる。また、トルクモジュール８をジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受の間に配置する必要がないため、トルクモジュール８の寸法や配置に制約がなくなるという効果がある。

なお、上記実施の形態２では、ジンバル軸受６が、スピン軸５の軸線、すなわちジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面と接するように配置されているが、ジンバル軸受６は、当該平面がジンバル軸受６の内部を通るように、すなわち当該平面を含むように配置されてもよい。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図６において、ジンバル軸受６は、インナージンバル９とステータ１０との間に、ジンバル軸７と直交するスピン軸５を含む平面と接するように、当該平面の下部に配置されている。トルクモジュール８は、ジンバル軸７と直交するスピン軸５を含む平面を挟んで、ジンバル軸受６に隣接して当該平面の上部に配置されている。ここで、トルクモジュール８がジンバル軸受６に隣接するとは、ジンバル軸７の軸線と平行な方向におけるトルクモジュール８とジンバル軸受６との間の距離が、トルクモジュール８のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、ジンバル軸受６のジンバル軸７の軸線と平行な方向の寸法と、のなかの最も大きな寸法未満であることを意味する。
なお、他の構成は、上記実施の形態２と同様に構成されている。

このように、実施の形態３によるＣＭＧ１０１Ａは、スピン軸５と宇宙機インターフェース１１に対するジンバル軸受６とトルクモジュール８の配置が逆になっている点を除いて、実施の形態２によるＣＭＧ１０１と同様に構成されている。
したがって、ＣＭＧ１０１Ａにおいても、ＣＭＧ１０１と同様に動作し、同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図７において、トルクモジュール８１は、ステータ１０の側面に配置されている。トルクモジュール８１が出力する回転トルクをインナージンバル９に伝達する回転伝達機構８２が、トルクモジュール８１とインナージンバル９との間に設けられている。トルクモジュール８１は、回転トルクを出力できるものであればよく、例えばモータが用いられる。また、回転伝達機構８２は、回転トルクを伝達できるものであればよく、例えばギアやベルトが用いられる。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成されたＣＭＧ１０２においても、上記実施の形態１によるＣＭＧ１００と同様に動作し、同様の効果が得られる。

実施の形態４によれば、例えば、モータからなるトルクモジュール８１を用いていたので、トルクモジュール８内の励磁用の巻線が配置されたジンバルモータステータ８ａを、ステータ１０の内周面上の全周にわたって配置する必要がなく、加えて永久磁石が配置されたジンバルモータロータ８ｂを、インナージンバル９の外周面上の全周にわたって配置する必要がなくなる。そのため、トルクモジュール８１の組み立て性が向上するに加えて、高コストな永久磁石や励磁用巻線の使用量を大幅に削減することができるため、ＣＭＧ１０２の製造コストを低減できるという効果がある。

なお、上記実施の形態４では、実施の形態１によるＣＭＧ１００におけるトルクモジュール８に替えてトルクモジュール８１を用いているが、実施の形態２，３によるＣＭＧ１０１，１０１Ａにおけるトルクモジュール８に替えてトルクモジュール８１を用いても、同様の効果が得られる。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図８において、ロータ１Ａの最大直径Φが、シャフト１ａの両端を回転可能に支持する２対のスピン軸受２間の長さＬと略同じに構成されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成されたＣＭＧ１０３においても、上記実施の形態１と同様に動作し、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態５によれば、インナージンバル９の内周で構成される空間に対して、ロータ１Ａがスピン軸５の周りに回転中に通過する空間をより効率的に使用できるようになる。さらに、ロータ１Ａの直径Φをインナージンバル９の内周に収まる範囲でほぼ最大近くまで大きくしているので、ロータ１Ａの持つ慣性モーメントを増加させる効果がある。

なお、上記実施の形態５では、実施の形態１によるＣＭＧ１００におけるロータ１に替えてロータ１Ａを用いているが、実施の形態２−４によるＣＭＧ１０１，１０１Ａ，１０２におけるロータ１に替えてロータ１Ａを用いても、同様の効果が得られる。

実施の形態６．
図９はこの発明の実施の形態６に係るコントロールモーメントジャイロを示す上面図、図１０はこの発明の実施の形態６に係るコントロールモーメントジャイロを示す側面図である。

図９および図１０において、ロータ１Ｂの外径が、スピン軸受ハウジング４と、インナージンバル９と、ステータ１０との中で、ジンバル軸７の軸方向寸法が最も長い部材の寸法以下に構成されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成されたＣＭＧ１０４においても、上記実施の形態１と同様に動作し、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

この実施の形態６によれば、ロータ１Ｂの最大外径が、スピン軸受ハウジング４と、インナージンバル９と、ステータ１０との中で、ジンバル軸方向寸法が最も長い部材の寸法以下となっているので、ロータ１Ｂが、スピン軸受ハウジング４と、インナージンバル９と、ステータ１０との中で、ジンバル軸方向寸法が最も長い部材からジンバル軸７の軸方向に突出することがない。そこで、ＣＭＧ１０４のジンバル軸７の軸方向の寸法が非常に小さくになり、宇宙機への取り付け性が大幅に向上する。さらに、ロータ１Ｂの形状は、ロータ１Ｂのシャフト１ａとほぼ同心となる円柱形状となるため、製造が容易で、また複雑な機械加工や溶接による組み合わせ加工が不要となるため、ロータ１Ｂ内の静的・動的な不釣り合いを非常に小さくすることが可能という効果がある。

なお、上記実施の形態６では、実施の形態１によるＣＭＧ１００におけるロータ１に替えてロータ１Ｂを用いているが、実施の形態２−４によるＣＭＧ１０１，１０１Ａ，１０２におけるロータ１に替えてロータ１Ｂを用いても、同様の効果が得られる。

実施の形態７．
図１１この発明の実施の形態７に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図１１では、インナージンバル９Ａは、ロータ１の下部にジンバル軸７と同軸のジンバルシャフト９０を備え、ジンバル軸受６，６０により、ステータ１０Ａにジンバル軸７の周りに回転可能に支持されている。ジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受が、ジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面を挟み、かつ当該平面に接ようにインナージンバル９Ａとステータ１０Ａとの間に配置される。トルクモジュール８が、ジンバルシャフト９０を回転駆動するようにステータ１０Ａ内に配置されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。

このように構成されたＣＭＧ１０５においても、上記実施の形態１によるＣＭＧ１００と同様に動作する。

この実施の形態７によれば、ロータ１が配置されたインナージンバル９Ａを回転可能に支持するジンバル軸受６が、ジンバル軸７と直交する、スピン軸５を含む平面を挟むように配置されているので、ロータ１で発生する軸振動によってモーメント荷重がジンバル軸受６に生じることがない。そこで、ジンバル軸受６に対してはラジアル荷重のみが作用することになり、ジンバル軸受６の動作寿命を長く設計することが可能となる。

また、スピン軸５の軸方向に関して、スピン軸受ハウジング４とジンバル軸受６との間に配設されたインナージンバル９Ａは、宇宙機において課題となる振動の周波数の範囲においては、ほぼ剛と見なすことが可能である。そこで、ロータ１からジンバル軸受６までの荷重伝達経路上に、ロータ１の軸振動に対して撓みを生じる構造体が存在しない。そのため、ロータ１で生じた軸振動は、ロータ１から宇宙機へと伝達される間に増幅されることがないため、宇宙機に働く擾乱の大きさを非常に小さく抑えることができる。

また、インナージンバル９Ａは、スピン軸５の軸方向に関して、スピン軸受ハウジング４とジンバル軸受６との間に配設されているので、その厚みや形状に因らずに、構成としてロータ１の軸振動に対して剛である。そこで、インナージンバル９Ａの寸法を小型化することができ、ＣＭＧ１０５の小型化が図られる。

この実施の形態７では、ジンバル軸受６の取り付け位置とトルクモジュール８の取り付け位置とが遠くなるので、ステータ１０Ａのジンバル軸７の軸方向の寸法が大きくなる。しかし、インナージンバル９のジンバルシャフト９０の直径を小さく設定することができるため、トルクモジュール８の大きさを小さくすることができ、特別に大口径のトルクモジュール８を用意する必要がない。

なお、上記実施の形態７では、実施の形態１によるＣＭＧ１００におけるインナージンバル９およびステータ１０に替えてインナージンバル９Ａおよびステータ１０Ａを用いているが、実施の形態２−６によるＣＭＧ１０１，１０１Ａ，１０２，１０３，１０４におけるインナージンバル９およびステータ１０に替えてインナージンバル９Ａおよびステータ１０Ａを用いて同様の効果が得られる。

実施の形態８．
図１２この発明の実施の形態８に係るコントロールモーメントジャイロを示す断面図である。

図１２において、インナージンバル９Ａは、ロータ１の上部にジンバル軸７と同軸のジンバルシャフト９０を備え、ジンバル軸受６，６０により、ステータ１０Ａにジンバル軸７の周りに回転可能に支持されている。ジンバル軸受６を構成する１対のアンギュラ玉軸受が、ジンバル軸７と直交し、かつスピン軸５を含む平面を挟み、かつ当該平面に接ようにインナージンバル９Ａとステータ１０Ａとの間に配置される。トルクモジュール８が、ジンバルシャフト９０を回転駆動するようにステータ１０Ａ内に配置されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態７と同様に構成されている。

このように、実施の形態８によるＣＭＧ１０５Ａは、スピン軸５と宇宙機インターフェース１１に対するジンバル軸受６とトルクモジュール８の配置が逆になっている点を除いて、実施の形態７によるＣＭＧ１０５と同様に構成されている。
したがって、ＣＭＧ１０５Ａにおいても、ＣＭＧ１０５と同様に動作し、同様の効果が得られる。

なお、上記実施の形態８においても、上記実施の形態７と同様に、実施の形態２−６によるＣＭＧ１０１，１０１Ａ，１０２，１０３，１０４におけるインナージンバル９およびステータ１０に替えてインナージンバル９Ａおよびステータ１０Ａを用いて同様の効果が得られる。

Claims

宇宙機に配備するコントロールモーメントジャイロであって、
インナージンバルと、
上記インナージンバルによってスピン軸周りに回転可能に保持されたロータと、
上記インナージンバルに設けられ、上記ロータを上記スピン軸周りに回転させるスピンモータと、
上記インナージンバルを上記スピン軸と直交するジンバル軸周りに回転可能に保持するステータと、
上記インナージンバルと上記ステータとの間に、上記ジンバル軸と直交し、かつ上記スピン軸を含む平面を挟んで相対して、上記平面に接して、又は上記平面を含んで配置されたジンバル軸受と、
上記ステータに設けられ、上記インナージンバルを上記ジンバル軸周りに回転させるトルクモジュールと、を備えるコントロールモーメントジャイロ。
上記トルクモジュールは、上記ジンバル軸受に隣接して上記ステータに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記ジンバル軸受は、上記平面を挟んで相対する２つのアンギュラ玉軸受により構成されている請求項１又は請求項２記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記トルクモジュールは、２つの上記アンギュラ玉軸受の間に設けられている請求項３に記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記ジンバル軸受は、上記平面に接して配置され、
上記トルクモジュールは、上記平面を挟んで上記ジンバル軸受と相対して配置されている請求項２に記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記平面を含んで、上記平面に接して、又は上記平面に隣接して設けられ、上記宇宙機と上記ステータとを接続するインターフェースを備えた請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記ロータの最大直径が、上記ロータのシャフトの両端を回転可能に支持する軸受間の長さと同じである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコントロールモーメントジャイロ。
上記ロータの最大直径が、上記ステータおよび上記インナージンバルのなかの上記ジンバル軸の軸方向の最大寸法以下である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のコントロールモーメントジャイロ。