JP6505338B2

JP6505338B2 - 無反動装置及び指向制御ミラーシステム

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Publication number: JP6505338B2
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Inventors: 修高原; 英二横山; 小出来　一秀; 一秀小出来
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Filing date: 2017-12-26
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Description

本発明は、慣性及び質量をもつ装置の駆動に伴い発生する力及びトルクを抑制する無反動装置及び指向制御ミラーシステムに関する。

高精度光学観測衛星に搭載される光学観測機器では、衛星内部の振動及び擾乱が発生する場合があり、また上記の光学観測機器では、衛星のマヌーバ時における姿勢変動又は姿勢制御系の制御精度により、指向軸ズレ及び指向軸ブレが発生する場合がある。以下では、指向軸ズレ及び指向軸ブレを単に「指向誤差」と称する。その対策として、光学観測機器の内部に指向制御用ミラーを設置し、画像センサから出力される指向誤差信号を基にしてこのミラーを駆動させ、指向誤差を補正する技術が広く知られている。しかしながら、この指向制御用ミラーは、ミラー部の質量及び慣性モーメントを有しており、このミラーを高速に駆動すること自体が、衛星内部の振動を引き起こし、指向誤差の要因となることが知られている。

特許文献１及び非特許文献１には、指向制御ミラーと同じ質量特性をもつリアクションマスを、指向制御ミラーと逆位相で駆動させることで、ミラー駆動による擾乱を抑制する無反動ジンバル方式を搭載した指向制御ミラーシステムが開示されている。特許文献１に開示される無反動装置は機械系及び制御系で構成される。機械系は、慣性及び質量をもつ装置と、位置センサとで構成される。以下では慣性及び質量をもつ装置を単に「装置」と称する場合がある。装置は、装置の機能性能を満たすために設けられた質量特性をもつ駆動機構と、駆動機構と対向するように配置されたリアクションマス駆動機構と、駆動機構及びリアクションマス駆動機構を含む搭載面とを備える。位置センサは、これら装置の機能性能を満たすために設けられた質量特性をもつ駆動機構の可動部と固定部との相対位置を計測するように設置される。制御系は、装置の機能性能を満たすために設けられた質量特性をもつ駆動機構の可動部と固定部の相対位置を計測するために設置された位置センサの検出信号をフィードバックし、装置の機能性能を満たすために設けられた質量特性をもつ駆動機構及び前記駆動機構と対向するように配置されたリアクションマス駆動機構とを逆位相で駆動するよう制御するために設けられる。

米国特許出願公開第２０１４／０２６８３８３号明細書

「ＲｅｓｐｏｎｄｅｒＦａｓｔＳｔｅｅｒｉｎｇＭｉｒｒｏｒ」ＳＰＩＥＶｏｌ．８８３６８８３６０６−２

しかしながら特許文献１に開示される無反動装置では、装置の機能性能を満足させるためには、駆動機構及びリアクションマス駆動機構の質量特性、すなわち質量と慣性モーメントとを完全一致させることが要求される。従って、質量特性が一致しない場合、特許文献１に開示される無反動装置では、駆動機構の駆動により発生する力及びトルクを打ち消すことができなくなる問題があった。また、特許文献１に開示される無反動装置では、質量特性を完全一致させる必要があるため、機構が大型化し、機構の重量が増加するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、駆動機構及びリアクションマス駆動機構の質量特性の完全一致を不要とし、機構を小型化できると共に軽量化できる無反動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の無反動装置は、基部と、基部に対して第１の可動部を駆動する駆動機構と、基部に対して第２の可動部を駆動するリアクションマス駆動機構と、第１の可動部と基部との間の相対位置を計測する第１の相対位置センサと、第２の可動部と基部との間の相対位置を計測する第２の相対位置センサと、入力される指令値に対して第１の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込み駆動機構を制御する第１の制御系と、駆動機構の質量特性とリアクションマス駆動機構の質量特性との差異を調整する補正パラメータにより指令値を補正して第２の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込みリアクションマス駆動機構を制御する第２の制御系と、基部の振動を計測する振動センサとを備え、第２の制御系は、補正パラメータを仮に設定して、試験的に指令値を設定して駆動機構及びリアクションマス駆動機構を制御して振動センサの振動を求め、順次補正パラメータを修正して振動センサの振動が閾値以下となる補正パラメータを求めることを特徴とする。

本発明によれば、駆動機構及びリアクションマス駆動機構の質量特性の完全一致を不要とし、機構を小型化できると共に軽量化できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る無反動装置の構成図本発明の実施の形態１に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態１に係る無反動装置が備える制御系の構成図本発明の実施の形態２に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態４に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態５に係る無反動装置が備える機械系の構成図図６に示す機械系の回転軸受部をＹ軸方向から平面視した図本発明の実施の形態６に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態９に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態１０に係る無反動装置が備える機械系の構成図本発明の実施の形態１１に係る無反動装置が備える制御系の構成図本発明の実施の形態１３に係る無反動装置が備える制御系の構成図

以下に、本発明の実施の形態に係る無反動装置及び指向制御ミラーシステムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る無反動装置１００の構成図である。図１に示すように無反動装置１００は機械系１１０及び制御系１２０で構成される。図２は本発明の実施の形態１に係る無反動装置１００が備える機械系１１０の構成図である。図２では、右手系のＸＹＺ座標において、機械系１１０の上下方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向と直交する方向をＸ軸方向とし、Ｙ軸方向とＸ軸方向の双方に直交する方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向は後述する搭載面４の長手方向に等しい。搭載面４は基部４と読み替えてもよい。図２の左側には機械系１１０の正面が示され、図２の右側には機械系１１０の側面が示される。

機械系１１０は、慣性及び質量をもつ装置５と複数の相対位置センサ９とで構成される。一方の相対位置センサ９は第１の相対位置センサであり、他方の相対位置センサ９は第２の相対位置センサである。装置５は、装置５の機能性能を満たすために設けられた質量特性をもつ駆動機構２と、Ｘ軸方向において駆動機構２と対向するように配置されたリアクションマス駆動機構３とを備える。Ｘ軸方向を長手辺としＹ軸方向を短手辺とする板状の搭載面４とを備える。

駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれは、可動部６及び固定部７で構成される。一方の可動部６は第１の可動部であり、他方の可動部６は第２の可動部である。固定部７は、Ｙ軸方向における搭載面４の端面に設置され、搭載面４からＹ軸方向に伸びると共に、搭載面４の端面に沿ってＸ軸方向に伸びる板形状の部材である。固定部７は、搭載面４に固定され、搭載面４の部材を含めて基部を構成する。

駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６は、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの固定部７上において、Ｘ軸方向に滑らかにスライド可能に設置される。駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６は、Ｘ軸方向において互いに離間して固定部７上に設けられる。複数の相対位置センサ９のそれぞれは固定部７に設置される。複数の相対位置センサ９のそれぞれは固定部７に対する可動部６の相対位置を計測する。固定部７は、基部を構成するから、相対位置センサ９は、基部に対する可動部６の相対位置を計測すると言い換えることができる。

図３は本発明の実施の形態１に係る無反動装置１００が備える制御系１２０の構成図である。図３に示す制御系１２０は、図２に示す駆動機構２を制御するための第１の制御系１１と図２に示すリアクションマス駆動機構３を制御するための第２の制御系１２とを備える。

第１の制御系１１は、図２に示す可動部６を目標位置に駆動させる指令値１３と、相対位置センサ９から出力されるフィードバック信号であるセンサ出力信号１６との偏差を求める減算部１と、図２に示す駆動機構２を駆動する制御部１４と、図２に示す駆動機構２の駆動部１５とを備える。制御部１４は、例えばＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御で制御される。第１の制御系１１では、図２に示す駆動機構２の可動部６と固定部７との相対位置に応じて指令値１３を補正するために、相対位置センサ９のセンサ出力信号１６が用いられる。第１の制御系１１で用いられる相対位置センサ９は第１の相対位置センサである。

第２の制御系１２は、図２に示すリアクションマス駆動機構３を駆動する制御部１７と、図２に示すリアクションマス駆動機構３の駆動部１８とを備える。制御部１７は、例えばＰＩＤ制御で制御される。第２の制御系１２では、図２に示すリアクションマス駆動機構３の可動部６と固定部７との相対位置に応じて指令値１３を補正するために、第２の相対位置センサである相対位置センサ９のセンサ出力信号１６が用いられる。第２の制御系１２で用いられる相対位置センサ９は第２の相対位置センサである。

また第２の制御系１２は、駆動機構２の可動部６の駆動に対して、リアクションマス駆動機構３の可動部６を逆位相で駆動可能となるように構成されており、第２の制御系１２は補正パラメータ部１９を備える。補正パラメータ部１９には、駆動機構２の可動部６とリアクションマス駆動機構３の可動部６との間の質量特性の差異を補正する補正パラメータαが設定される。質量特性は、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３の質量と慣性モーメントである。

第１の制御系１１の制御部１４は、入力される指令値１３に対して、駆動機構２の相対位置センサ９からフィードバックされるセンサ出力信号１６に基づき算出した偏差に基づき、第１の制御系１１の駆動部１５の制御量を生成する。第１の制御系１１の駆動部１５は、制御量に基づき駆動機構２の可動部６を駆動する。

一方、補正パラメータ部１９は、補正パラメータαを指令値１３に乗算する演算処理を行う。補正パラメータαは、リアクションマス駆動機構３の可動部６の質量に対する駆動機構２の可動部６の質量の比率、又は、リアクションマス駆動機構３の可動部６の慣性モーメントに対する駆動機構２の可動部６の慣性モーメントの比率である。補正パラメータ部１９で演算した結果が、リアクションマス駆動機構３への指令値となる。第２の制御系１２の制御部１７は、リアクションマス駆動機構３の相対位置センサ９からフィードバックされるセンサ出力信号１６に基づき算出される偏差に基づき、第２の制御系１２の駆動部１８の制御量を生成する。第２の制御系１２の駆動部１８は、制御部１７で生成した制御量に基づきリアクションマス駆動機構３の可動部６を駆動する。

このように機械系１１０には、駆動機構２に対向してリアクションマス駆動機構３が配置され、制御系１２０には、第１の制御系１１及び第２の制御系１２が独立して設けられる。無反動装置１００では、駆動機構２を駆動させると同時に、リアクションマス駆動機構３を駆動させることができる。また無反動装置１００では、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと同じ大きさであり、かつ、逆位相の力及びトルクを、リアクションマス駆動機構３が発生させるため、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力及びトルクとが互いに打ち消し合い、駆動機構２の駆動により発生する擾乱３０（力及びトルク）を抑制できる。

上記特許文献１に示す従来装置では、駆動機構２の駆動により発生する擾乱（力及びトルク）を抑える場合、駆動機構２の可動部６とリアクションマス駆動機構３の可動部６の質量特性を完全に一致させることが要求されていた。本実施の形態に係る無反動装置１００では、駆動機構２の可動部６とリアクションマス駆動機構３の可動部６との間の質量特性の差異を考慮して、補正パラメータαの調整により、第２の制御系１２を確立できるため、駆動機構２の可動部６とリアクションマス駆動機構３の可動部６の質量特性を完全に一致させることが不要となる。

例えば、図２に示す駆動機構２の可動部６の質量をＭ_Ａとし、リアクションマス駆動機構３の可動部６の質量をＭ_Ｂとしたとき、補正パラメータαは、α＝Ｍ_Ａ／Ｍ_Ｂで演算される。駆動機構２が加速度ａ［ｍ／ｓ^２］で駆動する場合、補正パラメータαを考慮して、リアクションマス駆動機構３の加速度を−αａ［ｍ／ｓ^２］で可動させることで、駆動機構２の駆動に伴い発生する力と、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力とが互いに打ち消し合い、装置５の内部で発生する力を抑制できる。また、図２に示す駆動機構２の可動部６の慣性モーメントをI_Ａとし、リアクションマス駆動機構３の可動部６の慣性モーメントをI_Ｂとしたとき、補正パラメータα=I_Ａ／I_Ｂで演算される。駆動機構２が角加速度ω[rad/s^２]で駆動する場合、補正パラメータを考慮して、リアクションマス駆動機構３の各加速度を−αω[rad/s^２]で駆動させることで、駆動機構２の駆動に伴い発生するトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相のトルクとが互いに打ち消し合い、装置５の内部で発生する力を抑制できる。これらの例からわかるように、リアクションマス駆動機構の可動物の質量Ｍ_Ｂが、駆動機構の可動部の質量Ｍ_Ａよりも小さい場合、もしくは、リアクションマス駆動機構の可動部の慣性モーメントI_Ｂが、駆動機構の可動部の慣性モーメントI_Ａよりも小さい場合、補正パラメータαは、１．０以上となる。

実施の形態１に係る無反動装置１００では、駆動機構の可動部とリアクションマス駆動機構の可動部とを独立に制御でき、質量特性をもつ駆動機構の可動部により発生するトルク及び力を打ち消すように、リアクションマス駆動を駆動させることで、装置５の内部に発生する力及び発生トルクを抑制できる。また、実施の形態１に係る無反動装置１００は、駆動機構の質量特性とリアクションマス駆動機構の質量特性との差異を調整する補正パラメータ部を有するため、補正パラメータ部の調整により、両者の質量特性を一致させることなく、装置５の内部に発生する力及び発生トルクを抑制できる。さらに補正パラメータを調整できるため、駆動機構に対して質量特性を小さくしたリアクションマスでも、装置５の内部に発生する力及び発生トルクを抑制でき、装置５の軽量化及び小型化を図ることができる。駆動機構とリアクションマス駆動機構とが独立であるため、後者が故障した場合にも機能を確保できる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−２の構成図である。実施の形態１の機械系１１０では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれが並進駆動機構とされているが、実施の形態２に係る機械系１１０−２では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３は搭載面４に線対称に配置される。駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれは、搭載面４からＹ軸方向に伸びる支持台２０により支持された回転軸２１を有する。支持台２０には、回転駆動機構２２及び相対角度センサ２３が設けられる。

回転駆動機構２２には不図示のモータが内蔵され、当該モータには、Ｚ軸方向における回転軸２１の一端が接続される。当該モータが回転することにより、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６が回転する。

相対角度センサ２３の一例としてはロータリーエンコーダである。相対角度センサ２３には、Ｚ軸方向における回転軸２１の他端が接続される。回転軸２１が回転することにより可動部６が回転するため、相対角度センサ２３では、固定部である支持台２０に対する可動部６の相対角を計測する。固定部及び支持台２０は、基部を構成し、相対角度センサ２３は、可動部６と基部との相対角を計測するとも言える。

実施の形態２に係る無反動装置１００では、実施の形態１と同様に、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと同じ大きさであり、かつ、逆位相の力及びトルクを、リアクションマス駆動機構３が発生させるため、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力及びトルクとが互いに打ち消し合い、駆動機構２の駆動により発生する擾乱３０（力及びトルク）を抑制できる。

実施の形態３．
実施の形態２では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれが１つの回転駆動機構２２とされているが、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれは、複数のアームと回転軸の組合せにより構成される多関節の駆動機構であってもよい。

この場合、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれを構成する、多関節の駆動機構の各関節には、関節に接続されるリンク間の相対角を計測できるように相対角度センサ２３が配置される。そして第１の制御系１１は、駆動機構２を構成する各関節のそれぞれの制御系を備え、それらの各関節の制御系には、相対角度センサ２３から出力される角度がフィードバックされる。また、第２の制御系１２は、リアクションマス駆動機構３を構成する各関節のそれぞれの制御系を備え、それら各関節の制御系には、相対角度センサ２３から出力される角度がフィードバックされる。

実施の形態３に係る無反動装置１００では、実施の形態１及び実施の形態２と同様に、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと同じ大きさであり、かつ、逆位相の力及びトルクを、リアクションマス駆動機構３が発生させるため、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力及びトルクとが互いに打ち消し合い、駆動機構２の駆動により発生する擾乱３０（力及びトルク）を抑制できる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−４の構成図である。実施の形態１から実施の形態３では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３が搭載面４の同一面上に設置されるが、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３が回転機構の場合、図５に示すように、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３を、搭載面４を挟むように配置していても良い。具体的には、機械系１１０−４は、搭載面４と、Ｙ軸方向における搭載面４の一端面及び他端面のそれぞれに設置される一対の固定部７と、一対の固定部７のそれぞれに設けられる一対の回転ヒンジ２４と、一対の回転ヒンジ２４のそれぞれの搭載面４とは反対側の端部に回転可能に設けられる一対の可動部６と、一対の可動部６のそれぞれの径方向における外側寄りに設けられると共に搭載面４側の端部に設けられる複数の永久磁石２５と、複数の永久磁石２５とＹ軸方向において対向するように搭載面４に設けられるコイル２６とを備える。固定部７及び搭載面４の部材は、基部を構成する。

Ｙ軸方向における搭載面４の一端側に設けられる複数の永久磁石２５とコイル２６とが駆動機構２側のボイスコイルアクチュエータ２７を構成する。Ｙ軸方向における搭載面４の他端側に設けられる複数の永久磁石２５とコイル２６とがリアクションマス駆動機構３側のボイスコイルアクチュエータ２７を構成する。ボイスコイルアクチュエータ２７は、ムービングマグネット方式のアクチュエータである。

駆動機構２は、Ｙ軸方向における搭載面４の一端側に設けられる可動部６、固定部７、相対角度センサ２３、回転ヒンジ２４及びボイスコイルアクチュエータ２７により構成される。リアクションマス駆動機構３は、Ｙ軸方向における搭載面４の他端側に設けられる可動部６、固定部７、相対角度センサ２３、回転ヒンジ２４及びボイスコイルアクチュエータ２７により構成される。

また機械系１１０−４では、Ｙ軸方向における搭載面４の一端側及び他端側のそれぞれに相対角度センサ２３が設けられる。相対角度センサ２３は、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６と固定部７との間に相対角度センサ２３が設けられる。相対角度センサ２３は、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６と固定部７との間の相対関係を計測する。相対角度センサ２３は、可動部６と基部との間の相対関係を計測するとも言える。

このように機械系１１０−４では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれが独立して回転可能となるように回転ヒンジ２４を介して搭載面４に支持されている。

実施の形態４に係る無反動装置１００では、実施の形態１から実施の形態３と同様に、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと同じ大きさであり、かつ、逆位相の力及びトルクを、リアクションマス駆動機構３が発生させるため、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力及びトルクとが互いに打ち消し合い、駆動機構２の駆動により発生する擾乱３０（力及びトルク）を抑制できる。

実施の形態５．
図６は本発明の実施の形態５に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−５の構成図である。図７は図６に示す機械系１１０−５の回転軸受部をＹ軸方向から平面視した図である。実施の形態４では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３がＹ軸方向における搭載面４の一端面及び他端面のそれぞれに設置され、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３が１軸の回転機構とされるが、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３は２軸の回転機構としてもよい。以下では２軸の回転軸のそれぞれを第１の回転軸２８及び第２の回転軸２９と称する。

図６及び図７に示すように駆動機構２は２軸の回転自由度をもち、第１の回転軸２８に対して第２の回転軸２９が直交するように配置される。リアクションマス駆動機構３も駆動機構２と同様に、２軸の回転自由度を持つ。駆動機構２のボイスコイルアクチュエータ２７は、実施の形態４で示したように駆動機構２の可動部６に永久磁石２５が設けられ、搭載面４にコイル２６が設けられることにより構成される。第１の回転軸２８の回転動作を受け持つボイスコイルアクチュエータ２７は、支持中心を挟んで対称となる様に、２箇所に配置される。

第２の回転軸２９の回転動作を持つアクチュエータは、第１の回転軸２８を受け持つボイスコイルアクチュエータ２７の配置と９０度位相をずらした位置に配置される。このアクチュエータの構成、ならびに配置は、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３が共に同じである。

実施の形態５の機械系１１０−５では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれのボイスコイルアクチュエータ２７が４つ設けられている。

アクチュエータのフィードバック制御に用いる相対角度センサ２３は、第１の回転軸２８の軸周りと第２の回転軸２９の軸周りのそれぞれの可動部６及び固定部７の回転角度を計測可能な配置とする。相対角度センサ２３は、可動部６と基部との相対回転角度を計測するとも言える。

実施の形態５に係る無反動装置１００では、駆動機構２に対して２軸周りに回転させることが要求されるような装置５において、第１の回転軸２８及び第２の回転軸２９で独立に制御することでき、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと同じ大きさであり、かつ、逆位相の力及びトルクを、リアクションマス駆動機構３が発生させるため、駆動機構２の駆動に伴い発生する力及びトルクと、リアクションマス駆動機構３で発生する逆位相の力及びトルクとが互いに打ち消し合い、駆動機構２の駆動により発生する擾乱３０（力及びトルク）を抑制できる。

実施の形態６．
図８は本発明の実施の形態６に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−６の構成図である。実施の形態５では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの回転軸が独立に回転するように構成され、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれにボイスコイルアクチュエータ２７が４つ設けられている。実施の形態６に係る機械系１１０−６では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれに３つのボイスコイルアクチュエータ２７が設けられ、これらの駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれに設けられる３つのボイスコイルアクチュエータ２７は、回転方向における位相が互いに１２０度ずらして配置される。

実施の形態６に係る無反動装置１００では、実施の形態５に比べてボイスコイルアクチュエータ２７の個数を減らしながら、２軸の回転自由度を実現できる。これにより無反動装置１００を含む、装置５の部品点を少なくできると共に、装置５の総質量を低減できる。

実施の形態７．
実施の形態５では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの回転軸が独立に回転するように構成され、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれにボイスコイルアクチュエータ２７が４つ設けられている。実施の形態７に係る無反動装置１００では、第１の回転軸２８の回転動作用のボイスコイルアクチュエータ２７が１つ用いられ、第２の回転軸２９の回転動作用のボイスコイルアクチュエータ２７が、第１の回転軸２８の回転動作用に設けたボイスコイルアクチュエータ２７に対して回転方向における位相を９０度ずらして配置される。

実施の形態７に係る無反動装置１００では、実施の形態５に比べてボイスコイルアクチュエータ２７の個数を減らしながら、２軸の回転自由度を実現できる。これにより無反動装置１００を含む、装置５の部品点を少なくできると共に、装置５の総質量を低減できる。

実施の形態８．
実施の形態４から実施の形態７では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６に永久磁石２５が配置され、固定部７にコイル２６が配置される。実施の形態８に係る無反動装置１００では、可動部６にコイル２６が配置され、固定部７又は搭載面４に永久磁石２５が配置される、いわゆるムービングコイル方式のボイスコイルアクチュエータ２７が用いられる。

実施の形態８に係る無反動装置１００では、ムービングマグネット方式のボイスコイルアクチュエータ２７を用いた実施の形態４から実施の形態７の無反動装置１００と同様の効果を得ることができる。

実施の形態９．
図９は本発明の実施の形態９に係る無反動装置が備える機械系の構成図である。実施の形態４から実施の形態８では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３のそれぞれの可動部６に永久磁石２５が配置され、固定部７にはコイル２６が配置される。実施の形態９に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−９では、図９に示すように、可動部６に可動部鉄心３５が配置され、固定部７には、固定部鉄心３６とコイル２６とから構成される電磁吸引型アクチュエータ３７が用いられる。可動部鉄心３５は、駆動機構及びリアクションマス駆動機構のそれぞれの可動部に設けられる。固定部鉄心３６は、可動部鉄心３５と対向して基部に設けられ、コイル２６は、固定部鉄心３６の周囲に配設される。

実施の形態９に係る無反動装置１００では、ボイスコイルアクチュエータ２７を用いた実施の形態４から実施の形態８の無反動装置１００と同様に駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３を駆動でき、実施の形態４から実施の形態８の無反動装置１００と同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態９に係る無反動装置１００では、基部４に固定部鉄心３６及びコイル２６が設けられ、可動部６に可動部鉄心３５が設けられているが、実施の形態９に係る無反動装置１００は、基部４に、可動部鉄心３５に相当する単体鉄心を設け、可動部６に固定部鉄心３６に相当する鉄心とその周囲にコイル２６を設けてもよい。

実施の形態１０．
図１０は本発明の実施の形態１０に係る無反動装置が備える機械系の構成図である。実施の形態４から実施の形態８では、駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３に第１の回転軸２８及び第２の回転軸２９が用いられ、回転動作用のボイスコイルアクチュエータ２７にボイスコイルモータが用いられる。実施の形態１０に係る無反動装置１００が備える機械系１１０−１０では、図１０に示すように、第１の回転軸２８及び第２の回転軸２９が省かれ、ボイスコイルアクチュエータ２７に、ピエゾアクチュエータ３８が用いられる。

実施の形態１０に係る無反動装置１００では、ボイスコイルアクチュエータ２７を用いた実施の形態４から実施の形態８の無反動装置１００と同様に駆動機構２及びリアクションマス駆動機構３を駆動でき、実施の形態４から実施の形態８の無反動装置１００と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１１．
図１１は本発明の実施の形態１１に係る無反動装置が備える制御系の構成図である。実施の形態１では、補正パラメータαは、事前に測定した質量もしくは、慣性モ―メントからなる質量特性を把握することを前提にした制御回路構成であったが、別の構成とすることもできる。

図１１に示すように、実施の形態１１に係る無反動装置１００が備える制御系１２０−１１は、制御部１４，１７、駆動部１５，１８及び補正パラメータ推定部４０を備える。補正パラメータ推定部４０は、第１の質量特性推定部４１、第２の質量特性推定部４２及び補正パラメータ演算部４３を備える。

第１の質量特性推定部４１は、第１の駆動部発生力・トルク推定部４１ａ及び第１の可動部運動推定部４１ｂを備える。第１の駆動部発生力・トルク推定部４１ａは、駆動機構の駆動部１５から発生する力、もしくは、トルクを推定する。第１の可動部運動推定部４１ｂは、第１の相対位置センサである相対位置センサ９から出力されるデータに基づき、駆動機構の可動部の運動を推定する。

第２の質量特性推定部４２は、第２の駆動部発生力・トルク推定部４２ａ及び第２の可動部運動推定部４２ｂを備える。第２の駆動部発生力・トルク推定部４２ａは、リアクションマス駆動機構の駆動部１８から発生する力、もしくは、トルクを推定する。第２の可動部運動推定部４２ｂは、第２の相対位置センサである相対位置センサ９から出力されるデータに基づき、駆動機構の可動部の運動を推定する。

補正パラメータ演算部４３は、第１の駆動部発生力・トルク推定部４１ａ及び第２の駆動部発生力・トルク推定部４２ａから出力される駆動部発生力・トルクと、第１の可動部運動推定部４１ｂ及び第２の可動部運動推定部４２ｂから出力される可動部駆動データとに基づき、補正パラメータαを演算する。

このように構成された制御系１２０−１１によれば、駆動機構２の可動部６の質量及び慣性モーメントの数値と、リアクションマス駆動機構３の可動部６の質量及び慣性モーメントの数値とを、駆動機構を駆動させることで、把握することが可能となる。また無反動装置を使用する中で、質量特性変化が生じた場合にも、補正パラメータαを変更することも可能となる。

実施の形態１２．
実施の形態１１では、駆動機構の可動部の運動を推定する場合、リアクション駆動機構の可動部の運動は、第１の相対位置センサ及び第２の相対位置センサのそれぞれから出力されるデータに基づき、推定することとしたが、駆動機構の可動部の運動及びリアクション駆動機構の可動部の運動を直性計測可能となる、加速度センサもしくは、角速度センサ等の慣性センサを配設して、それらから出力される信号を用いて、駆動機構の可動部の運動及びリアクション駆動機構の可動部の運動を推定してもよい。相対位置センサが故障しても、補正パラメータαを推定可能となる。

実施の形態１３．
図１２は本発明の実施の形態１３に係る無反動装置が備える制御系の構成図である。実施の形態１１では、第１の駆動部発生力・トルク推定部４１ａ及び第２の駆動部発生力・トルク推定部４２ａから出力される駆動部発生力・トルクと、第１の可動部運動推定部４１ｂ及び第２の可動部運動推定部４２ｂから出力される可動部駆動データとに基づき、補正パラメータαを演算する制御回路の構成を説明したが、図１２に示す実施の形態１３に係る制御系１２０−１３のように、補正パラメータαを推定する補正パラメータ演算部４３が、振動センサ及び加速度センサによる基部の振動計測を行い、基部の振動が０となる様に、すなわち駆動部１５の駆動に伴い発生する搭載面４の加速度を０とするように、第２の駆動部を駆動させながら補正パラメータαを調整する構成としてもよい。補正パラメータ演算部４３は、振動センサ及び加速度センサによる基部の振動計測において、駆動部１５と相対位置センサ９との間の振動応答信号４４と、駆動部１８と相対位置センサ９との間の振動応答信号４４とを用いる。具体的な補正パラメータαの調整方法の一例としては、第２の制御系は、実施の形態１の補正パラメータαの設定方法等によって補正パラメータαの値を仮設定し、第１の駆動部の駆動条件範囲を想定して、第１の駆動部の駆動範囲を広いものから狭いものまで複数変化させて、各駆動範囲に対応した指令値を生成し、この指令値により第１および第２の駆動部を駆動させ、そのとき発生する基部の振動応答が閾値以下となるように、補正パラメータαを最適な値となるように、調整する。

この場合、実施の形態１１に示した第１の駆動部発生力・トルク推定部４１ａ、第２の駆動部発生力・トルク推定部４２ａ、第１の可動部運動推定部４１ｂ及び第２の可動部運動推定部４２ｂが不要となり、構成を簡素化することが可能となる。

また実施の形態４から実施の形態１０に係る無反動装置１００を不図示の指向制御ミラーシステムに設けることにより、実施の形態４から実施の形態１０に係る無反動装置１００と同等の性能を有した指向制御ミラーを実現できる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１減算部、２駆動機構、３リアクションマス駆動機構、４搭載面、５装置、６可動部、７固定部、９相対位置センサ、１１第１の制御系、１２第２の制御系、１３指令値、１４，１７制御部、１５，１８駆動部、１６センサ出力信号、１９補正パラメータ部、２０支持台、２１回転軸、２２回転駆動機構、２３相対角度センサ、２４回転ヒンジ、２５永久磁石、２６コイル、２７ボイスコイルアクチュエータ、２８第１の回転軸、２９第２の回転軸、３０擾乱、３５可動部鉄心、３６固定部鉄心、３７電磁吸引型アクチュエータ、３８ピエゾアクチュエータ、４０補正パラメータ推定部、４１第１の質量特性推定部、４１ａ第１の駆動部発生力・トルク推定部、４１ｂ第１の可動部運動推定部、４２第２の質量特性推定部、４２ａ第２の駆動部発生力・トルク推定部、４２ｂ第２の可動部運動推定部、４３補正パラメータ演算部、４４振動応答信号、１００無反動装置、１１０，１１０−２，１１０−４，１１０−５，１１０−６，１１０−９，１１０−１０機械系、１２０，１２０−１１，１２０−１３制御系。

Claims

基部と、
前記基部に対して第１の可動部を駆動する駆動機構と、
前記基部に対して第２の可動部を駆動するリアクションマス駆動機構と、
前記第１の可動部と前記基部との間の相対位置を計測する第１の相対位置センサと、
前記第２の可動部と前記基部との間の相対位置を計測する第２の相対位置センサと、
入力される指令値に対して前記第１の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込み前記駆動機構を制御する第１の制御系と、
前記駆動機構の質量特性と前記リアクションマス駆動機構の質量特性との差異を調整する補正パラメータにより前記指令値を補正して前記第２の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込み前記リアクションマス駆動機構を制御する第２の制御系と、
基部の振動を計測する振動センサと
を備え、
前記第２の制御系は、
前記補正パラメータを仮に設定して、試験的に前記指令値を設定して前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構を制御して前記振動センサの振動を求め、順次前記補正パラメータを修正して前記振動センサの振動が閾値以下となる前記補正パラメータを求めることを特徴とする無反動装置。
基部と、
前記基部に対して第１の可動部を駆動する駆動機構と、
前記基部に対して第２の可動部を駆動するリアクションマス駆動機構と、
前記第１の可動部と前記基部との間の相対位置を計測する第１の相対位置センサと、
前記第２の可動部と前記基部との間の相対位置を計測する第２の相対位置センサと、
入力される指令値に対して前記第１の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込み前記駆動機構を制御する第１の制御系と、
前記駆動機構の質量特性と前記リアクションマス駆動機構の質量特性との差異を調整する補正パラメータにより前記指令値を補正して前記第２の相対位置センサから出力される信号をフィードバック信号として取り込み前記リアクションマス駆動機構を制御する第２の制御系と
を備え、
前記第２の制御系は、
前記駆動機構が前記第１の可動部を駆動する力又はトルクを推定する第１の発生力・トルク推定部と、
前記第１の相対位置センサから出力される信号に基づき前記第１の可動部の運動を推定する第１の可動部運動推定部と、
前記第２の制御系から出力される制御信号を用いて前記リアクションマス駆動機構が前記第２の可動部を駆動する力又はトルクを推定する第２の発生力・トルク推定部と、
前記第２の相対位置センサから出力される信号に基づき前記第２の可動部の運動を推定する第２の可動部運動推定部とを有し、
前記第１の発生力・トルク推定部、前記第１の可動部運動推定部、前記第２の発生力・トルク推定部、及び前記第２の可動部運動推定部から出力されるデータによって前記補正パラメータを求めることを特徴とする無反動装置。
前記リアクションマス駆動機構の質量は、前記駆動機構の質量より小さく、
前記補正パラメータの値は１．０以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の無反動装置。
前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構は、並進駆動機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の無反動装置。
前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構は、回転駆動機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の無反動装置。
前記回転駆動機構のアクチュエータは、ボイスコイルアクチュエータであることを特徴とする請求項５に記載の無反動装置。
前記回転駆動機構のアクチュエータは、電磁石を用いた電磁吸引型アクチュエータであることを特徴とする請求項５に記載の無反動装置。
前記回転駆動機構のアクチュエータは、ピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項５に記載の無反動装置。
前記回転駆動機構のアクチュエータは、前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構のそれぞれの前記第１及び第２の可動部に設けられた永久磁石と、前記永久磁石と対向して前記基部に設けられたコイルとを備えることを特徴とする請求項６に記載の無反動装置。
前記回転駆動機構のアクチュエータは、前記基部に設けられた永久磁石と、前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構のそれぞれの前記第１及び第２の可動部に前記永久磁石と対向して設けられたコイルとを備えることを特徴とする請求項６に記載の無反動装置。
前記電磁吸引型アクチュエータは、前記駆動機構及び前記リアクションマス駆動機構のそれぞれの前記第１及び第２の可動部に設けられた可動部鉄心と、前記可動部鉄心と対向して前記基部に設けられた固定部鉄心と、前記固定部鉄心の周囲に配設したコイルとから構成されることを特徴とする請求項７に記載の無反動装置。
前記第１の可動部及び前記第２の可動部に設けられたコイルを周囲に配設した鉄心と、前記鉄心に対向して基部に配設される鉄心とを備えることを特徴とする請求項７に記載の無反動装置。
前記補正パラメータは、前記リアクションマス駆動機構の質量に対する前記駆動機構の質量の比率、又は、前記リアクションマス駆動機構の慣性モーメントに対する前記駆動機構の慣性モーメントの比率であることを特徴とする請求項１または２に記載の無反動装置。
請求項１から１３の何れか１項に記載の無反動装置を備えたことを特徴とする指向制御ミラーシステム。