JP6595782B2 - 気体圧式位置決めシステム - Google Patents

Description

本開示は、気体圧式位置決めシステムに関する。

アクチュエータは、様々な機械装置に用いられ、これらの装置の構成要素及び可動部を制御する。具体的には、アクチュエータは、システム、機構、装置、構造体などを制御するために用いられるモーターである。アクチュエータは、様々なエネルギー源により電力が供給され、選択されたエネルギー源を運動に変換することができる。

例えば、アクチュエータは、コンピュータディスクドライブで用いられ、このディスクドライブにおいて読み出し／書き込みヘッドの位置を制御することにより、ディスクに対するデータの保存及び読み出しが行われる。さらに、アクチュエータは、ロボット、すなわち、製品を組み立てるための自動化工場で用いられる。また、アクチュエータは、輸送手段のブレーキ操作、ドアの開閉、鉄道の遮断機の上げ下げ、及び日常生活における他の多くの作業を行う。したがって、アクチュエータには、幅広い用途がある。

航空学の分野では、アクチュエータは、航空機を操縦するための数多くの操縦翼面を制御するために用いられる。例えば、各翼に位置するフラップ、スポイラ、及び補助翼には、それぞれアクチュエータが必要である。加えて、尾部のアクチュエータは、航空機の方向舵及び昇降舵を制御する。さらに、機体のアクチュエータは、着陸装置格納部を覆うドアの開閉を行う。また、アクチュエータは、航空機の着陸装置を上げ下げするために用いられる。さらに、各エンジンのアクチュエータは、逆推力装置を制御して、航空機を減速する。

通常用いられるアクチュエータは、一般に油圧及び電気の２つのカテゴリに分類され、この２つのカテゴリ間の違いは、動作又は制御を実現するための原動力である。油圧アクチュエータは、加圧された非圧縮性の作動流体、通常は油を必要とする。電気アクチュエータは電気モーターを用いて、このモータの軸回転により、何らかの伝達手段を介して直線変位を発生させる。

油圧アクチュエータは、航空機に広く用いられているが、油圧アクチュエータに関連する問題は、加圧された作動流体を分配及び制御するための配管が必要なことである。航空機において、高圧作動流体を発生させるポンプ、及び、作動流体を送るために必要な配管は、重量の増加をもたらす。また、油圧ラインは、注意深く経路を定めなければならないため、設計がより複雑になる。さらに、油圧システムで起こりうる故障モードは、操縦翼面の位置決めに用いられるサーボ弁で発生する圧力異常、漏洩、及び電気的不具合を含む。しかしながら、油圧システムに特有な特徴の１つとして、油圧飛行制御システムは、故障が検出されると、緩衝力(damping forces)を用いて安定性を維持することができるということが挙げられる。

電気アクチュエータは、油圧システムの欠点の多くを克服している。特に、電気アクチュエータは、電気エネルギーにより電力供給及び制御が行われるが、このような電気アクチュエータの操作及び制御に必要なものは、配線のみである。しかしながら、電気アクチュエータもまた、航空機の操作中に故障する可能性がある。例えば、電気モータの巻線は、熱と水分によるダメージを受け易い。さらに、モーターシャフトのベアリングは摩耗する。モーターと負荷との間の伝達は、油圧アクチュエータで用いられるピストン及びシリンダの場合に比べて本質的により複雑であるが、この伝達にも不具合が起こりやすい。電気システム及び油圧システムの両方において、例えばギアやベアリングの故障などの、アクチュエータの機械的故障は、アクチュエータの機械的機能の喪失につながる。さらに、電気システムが故障する可能性がある。１つのタイプとしては、アクチュエータと通信するためのコマンドループが故障すると、電気的故障が発生する。別のタイプとしては、例えば、モーターへの高電力ループなどの、アクチュエータ内の電力ループが故障すると、電気的故障が発生する。

航空機設計における電子アクチュエータシステムの使用が増えるにつれ、これらのシステムで起こりうる故障モードに対処する新たなアプローチが必要になってきている。フォールト・トレランス(fault-tolerance)、すなわち、１つ又はそれ以上の部品に故障や欠陥があっても作業を継続できる能力が、これらのシステムに必要である。電気飛行制御システムは、緩衝に使用できる油圧液を有していないため、故障時に使用できる代替のフェイルセーフシステム(fail safe systems)が求められている。

主システムの故障時に、補助フェイルセーフシステムとして用いる気体圧式シャフト位置決めシステムが提供される。様々な例によると、気体圧式シャフト位置決めシステムは、第１圧力チャンバと、第１圧力チャンバに接続された加圧ガス源と、加圧ガス源から第１圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する第１弁と、第１圧力チャンバの内部へ突出するとともに、第１圧力チャンバに摺動可能に接続された第１ピストンとを備える。加圧ガス源からのガスが第１圧力チャンバに充満すると、第１ピストンは、シャフトを所定位置に押し込む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、気体圧式シャフト位置決めシステムは、第２圧力チャンバと第２ピストンとを更に備えてもよい。第２圧力チャンバは、加圧ガス源に接続している。第１弁は、加圧ガス源から第２圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する。第２ピストンは、第２圧力チャンバの内部へ突出するとともに、第２圧力チャンバに摺動可能に接続される。加圧ガス源からのガスが第２圧力チャンバに充満すると、第２ピストンは、シャフトを所定位置に押し込む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、第１ピストンは、シャフトを第１方向に動かして、当該シャフトを所定位置に押し込む。第２ピストンは、シャフトを第２方向に動かして、当該シャフトを所定位置に押し込む。第１方向は、第２方向とは反対の方向である。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、シャフトが所定位置にある時、第１ピストン及び第２ピストンはシャフトに接触する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、気体圧式シャフト位置決めシステムは、第１ストッパと第２ストッパとを更に備える。シャフトが所定位置にある時、第１ストッパは、第１ピストンと係合する。シャフトが所定位置にある時、第２ストッパは、第２ピストンと係合する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、気体圧式シャフト位置決めシステムは、第３ピストンと第４ピストンとを更に備える。第３ピストンは、第１圧力チャンバの内部へ突出し、第１圧力チャンバに摺動可能に接続されている。第４ピストンは、第２圧力チャンバの内部へ突出するとともに、第２圧力チャンバに摺動可能に接続される。加圧ガス源からのガスが、第１圧力チャンバ及び第２圧力チャンバに充満すると、第３ピストン及び第４ピストンは、シャフトを所定位置に押し込む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、第１圧力チャンバ及び第２圧力チャンバは、第２弁によって分離されており、この第２弁は、第１圧力チャンバから第２圧力チャンバへガスが流れることを防止する。第１圧力チャンバは、第２圧力チャンバと比較して第１圧力チャンバの圧力を低減するように構成されているリリース弁を含む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、第１弁は、飛行制御コンピュータから信号を受信し、信号に基づいて加圧ガス源から第１圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、第１弁は、パイロ式バーストディスクを含む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、気体圧式シャフト位置決めシステムは、シャフトが所定位置にある時、第１ピストンと係合するように構成されるインターロック機構をさらに備える。

様々な例によると、機構は、飛行制御コンピュータシステムと、軸を有するシャフトと、軸に沿ってシャフトの動作を駆動するアクチュエータと、気体圧式シャフト位置決めシステムと、を含む。アクチュエータは、飛行制御コンピュータと通信可能に接続される。気体圧式シャフト位置決めシステムは、圧力チャンバと、圧力チャンバに接続された加圧ガス源と、加圧ガス源から圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する弁と、圧力チャンバの内部へ突出するとともに、圧力チャンバに摺動可能に接続されたピストンとを備える。弁は、飛行制御コンピュータシステムと通信可能に接続される。加圧ガス源からのガスが圧力チャンバに充満すると、ピストンは、シャフトを所定位置に押し込む。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、ピストンは、シャフトの長手軸と略平行に摺動する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、アクチュエータが故障すると、飛行制御コンピュータシステムは、アクチュエータから故障信号を受信し、気体圧式シャフト位置決めシステムの弁に対して作動信号を送信する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、アクチュエータが故障すると、アクチュエータは、シャフトとの係合を解除する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、アクチュエータは、電子機械アクチュエータである。

様々な例によると、気体圧式シャフト位置決めシステムに関連する処理が提供される。気体圧式シャフト位置決めシステムは、圧力チャンバと、圧力チャンバに接続された加圧ガス源と、加圧ガス源から圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する弁と、圧力チャンバの内部へ突出するとともに、圧力チャンバに摺動可能に接続されたピストンとを備える。弁は作動させられる。作動した弁は、加圧ガス源から圧力チャンバ内へガスを流入させることにより、圧力チャンバを加圧してピストンを圧力チャンバの外へ押し出す。ピストンとシャフトとが接触させられる。ピストンとシャフトとを接触させた状態で、ピストンが圧力チャンバの外へと延伸されることにより、シャフトが所定位置に動かされる。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、弁は作動信号を受信する。弁は、作動信号の受信に応答して作動する。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、シャフトが所定位置に動かされる前に、シャフトがアクチュエータから切り離される。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、シャフトが所定位置にある時には、ピストンがロックされる。ピストンのロックにより、ピストンが圧力チャンバに対して摺動可能に動くことが防止される。

上述および／または後述する例及び態様の要部の少なくとも一部を含みうる本開示の一態様において、圧力チャンバからガスが放出されることで、シャフトが新たな位置に動かされる。

これら及びその他の実施形態を、図面を参照しながら以下で詳述する。

いくつかの実施形態に係る気体圧式シャフト位置決めシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、加圧ガス源が放出された後の気体圧式シャフト位置決めシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、加圧ガス源が放出された後の気体圧式シャフト位置決めシステムを示す別の図である。 いくつかの実施形態に係る、インターロック機構を用いる気体圧式シャフト位置決めシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、圧力弁を用いる気体圧式シャフト位置決めシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、複数の加圧ガス源を用いる気体圧式シャフト位置決めシステムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る航空機飛行制御システムを示す図である。 いくつかの実施形態に係る気体圧式シャフト位置決めシステムを用いた、シャフトの位置決め処理のフローを示す図である。 いくつかの実施形態に係る、製造の初期段階から就航までの航空機のライフサイクルにおける重要な工程を反映した処理フローを示す図である。 いくつかの実施形態に係る航空機の様々な主要構成要素を示すブロック図である。

以下の説明では、提示される概念が十分に理解されるように、多くの具体的な詳細事項を記載している。提示される概念は、これらの詳細事項の一部又は全てが欠けていても実施可能である。他の例では、記載される概念が不必要に不明瞭にならないように、周知の処理動作の詳細は述べていない。いくつかの概念は、具体的な実施形態と関連付けて記載するが、これらの実施形態は何ら限定を意図するものではない。

〔序論〕
航空機設計における電子アクチュエータシステムの使用が増えるにつれ、これらのシステムで起こりうる故障モードに対処する新たなアプローチが必要になってきている。フォールト・トレランス、すなわち、１つ又はそれ以上の部品に故障や欠陥があっても作業を継続できる能力が、これらのシステムに必要である。電気飛行制御システムは、緩衝に使用できる油圧液を有していないため、故障時に使用できる代替のフェイルセーフシステムが求められている。

主飛行制御システムにおいて、操縦翼面は、作動システムが故障した後であっても、安定していることが求められる。主飛行制御システムが故障した場合には、操縦翼面は、十分な緩衝動作を実行し続けるか、又は、所定位置に固定されることにより、安定した状態を保つ必要がある。操縦翼面が緩衝も固定もされない場合、この翼面は不安定になり、翼に破滅的な故障が生じる可能性がある。

提示される様々な機構及び処理は、主飛行制御作動システムが故障した場合に、主操縦翼面を安定させるように設計されている。特に、様々な例において、主駆動システムが故障した場合に、飛行操縦翼面を位置決め及び保持する補助フェイルセーフシステムが提供されており、このシステムによって飛行操縦翼面を安定させることができる。具体的には、様々な例にしたがって、気体圧源を用いることにより、故障モード状態にある電子機械アクチュエータを安定化及び緩衝する。気体圧式アクチュエータを用いることにより、重量及びコストの節減が可能な軽量化アプローチを提供することができる。

開示される様々な例は、航空機設計において気体圧式位置決めシステムを使用することに関連しているが、気体圧式位置決めシステムは、様々な機械装置及び輸送手段に用いることができる。例えば、気体圧式位置決めシステムは民間航空機、軍用機、回転翼機、打上げ機、並びに、宇宙船及び衛星などに用いることができる。さらに、気体圧式位置決めシステムは、車両誘導制御システムで用いることもできる。また、気体圧式位置決めシステムは、ロボット、陸上車、鉄道車両、ゲート、ドアなどの様々な装置で用いることができるが、これらに限定されない。

〔システムの例〕
開示される様々な機構及び処理は、主システムが故障した場合に、補助フェイルセーフシステムとして用いることができる気体圧式シャフト位置決めシステムを提供する。図１を参照すると、いくつかの実施形態に係る気体圧式シャフト位置決めシステムが示されている。同図に示すように、システム１００は、圧力チャンバ１０９と、圧力チャンバ１１１と、中央チャンバ１０７とを有するハウジング１０１を含む。並進シャフト(translating shaft)１０３は、ハウジング１０１を貫通し、フランジ１０５を含む。フランジ１０５は、いくつかの図示例において、並進シャフト１０３の２つの側部から突出しており、他の例においては、並進シャフトの周りにリング形状又は他の形状に形成されている。並進シャフト１０３は、中央チャンバ１０７内において、その長手軸方向に往復又は並進１３１することができる。この並進シャフト１０３は、他の機械システムの一部、又は、通常動作時に並進１３１の制御を行うアクチュエータの一部であってもよい。用途に応じて、並進の範囲は、いくつかの例では約１／２インチの範囲内であり、他の例では５〜１０インチの範囲内であり、さらに、並進シャフト１０３が機械装置やアクチュエータにおいてどのように用いられるかによって、これら以外の距離を並進する場合もある。

本実施形態において、加圧ガス源１３５は、ガスライン１３３を介して圧力チャンバ１０９及び１１１に接続し、弁１３７によって圧力チャンバ１０９及び１１１から分離されている。加圧ガス源１３５は、様々な例にしたがって、ボンベに収容された加圧窒素ガス（ＧＮ２）でもよく、それ以外の適切なガスであってもよい。ＧＮ２のボンベは、何れの供給元から取得してもよく、例えば、市場で入手可能な既製のボンベを用いてもよい。いくつかの例においては、ボンベ内のＧＮ２の圧力は、約３０００〜４０００ｐｓｉの範囲内である。様々な実施形態によると、弁１３７は、パイロ式弁（pyrotechnic valve）であり、パイロ式バーストディスクを含む。パイロ式バーストディスクは、破裂するまで加圧ガス源を密閉して、当該ガス源をガスライン１３３から遮断するように設計されている。パイロ式弁は、市場で入手可能な既製品を用いてもよく、一回限りの使用を意図している。

本実施形態によると、ピストン１１３及び１１５は、圧力チャンバ１０９内に設けられ、ピストン１１７及び１１９は、圧力チャンバ１１１内に設けられている。各ピストンは、シャフト１２９を有しており（なお、このシャフトは、ピストン１１３に関して説明しているが、この説明は、他のピストンについても当てはまる）、このシャフトは、ハウジング１０１における壁を貫通して中央チャンバ１０７まで延伸している。ピストン１１３は、ばね１２５によって所定位置で保持されることにより、アクチュエータの通常動作時に、シャフト１２９が、中央チャンバ１０７に進入して並進シャフト１０３の動作を妨げないようにしている。これらのばね１２５は、変位チェンバ１２１内に設けられている。

本実施形態においては、気体圧式シャフト位置決めシステム１００は、主システムが故障した場合の補助フェイルセーフシステムとして機能する。具体的には、並進シャフト１０３の動作は、主システムの一部であるアクチュエータ（図示略）によって制御される。同図に示すように、アクチュエータが正常に動作している間は、ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９は、各コイルばねによって、退避位置で保持されている。ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９が退避した状態にある時、並進シャフト１０３は、ピストンからの干渉を受けずに、通常のストロークで自由に運動することができる。電気信号による命令を受けると、パイロ式弁１３７内のバーストディスクが破裂して、加圧ガス源１３５から窒素ガス（ＧＮ２）が放出される。その後、ＧＮ２は、ガスライン１３３内を流れ、圧力チャンバ１０９及び１１１に入り込む。ＧＮ２は、中央チャンバ１０７内にピストンを押し込み、並進シャフトのフランジ１０５にピストンを押し当てる。いくつかの例では、ピストンは、図２Ａに示すように、並進シャフト１０３を中央位置などの所定位置まで動かし、この位置で当該シャフトを保持する。

図２Ａを参照すると、加圧ガス源が放出された後の気体圧式シャフト位置決めシステムの一例が示されている。具体的には、ＧＮ２が、圧力チャンバ１０９及び１１１内に放出されることにより、ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９が、並進シャフト１０３のフランジ１０５に押し当てられ、並進シャフト１０３が固定位置で保持される。本例において各ばねは全て圧縮されているが、同図では理解を容易にするために１つのセットのみが示されている。さらに、ピストン１１３のストッパ１２３などの各ストッパは、ピストンのシャフトが中央チャンバ内に延伸し過ぎることを防止する。

本実施形態では、並進シャフト１０３と各ピストンとの間には、シール部材が設けられているため、ＧＮ２は、圧力チェンバ１０９及び１１１内に閉じ込められ、ピストンに対する圧力は長い期間維持される。この結果、並進シャフト１０３は、同図に示す中立位置で保持される。いくつかの例においては、シール摩擦は、ピストンの荷重の約１０％である。ピストンに対する圧力は、いくつかの例では、約１５００ｐｓｉの範囲内であり、これは、例えば、ＧＮ２が圧力チェンバ１０９及び１１１に放出される前に、加圧ガス源が約３０００ｐｓｉのＧＮ２を保持している場合である。しかしながら、これらの圧力は、システムの圧力チェンバ、ピストン、並進シャフト、及びその他の部品の大きさ及び構成に応じて異なる。

システムによる並進シャフト１０３を安定化するタスクが完了し、この構成が必要なくなると、加圧ガス源１３５及びパイロ式弁１３７を交換してもよい。ピストンを元の位置に戻し、その後の操作において、主アクチュエータと共に、気体圧式シャフト位置決めシステムを、フェイルセーフシステムとして再度用いてもよい。上述したように、気体圧式シャフト位置決めシステムは、主アクチュエータ又はシステムの故障時のみ作動する。したがって、通常動作時に主アクチュエータを何度も繰り返し使用する間は、システムは、起動又は作動することなく図１に示した状態を維持してもよい。

図２Ａに示す例では、並進シャフトは、所定位置である中央位置に保持されており、符号１０３で示される。いくつかの実施形態では、弁が動作する際のシャフトの位置を制御するために、ピストンの位置を予め決定する。ピストンのストロークを調整して、加圧ガス放出時の所望位置を決定する。いくつかの例では、所定位置とは、例えば、抗力(drag forces)の低減などの目的で、最適化された空力系を達成する中立位置である。他の例では、異なる所定位置が望ましいこともある。

図２Ｂを参照すると、いくつかの実施形態に係る、加圧ガス源が放出された後の気体圧式シャフト位置決めシステムの別の実施形態が示されている。具体的には、システム２００は、単一の圧力チャンバ１４１及びピストン１４３を含んでいる。本例では、ＧＮ２が、圧力チャンバ１４１内に放出されることにより、ピストン１４３が、並進シャフト１０３のフランジ１０５に押し当てられ、並進シャフト１０３が固定位置で保持される。本例では、ばねは圧縮されており、ストッパ１２３は、フランジが位置する中央チャンバ内にピストンのシャフトが延伸し過ぎることを防止する。同図に示すように、並進シャフト１０３を中央チャンバ１０７の壁に押し当てることにより、並進シャフト１０３をこの所定位置で安定させる。本例では、１つのピストンを用いているが、いくつかの実施形態では、他のピストンを追加して用いてもよく、圧力チャンバ１４１を拡張して、この追加されたピストンを収容してもよい。これらの実施形態では、２つのピストンが共に、中央チャンバ１０７の壁に対してフランジ１０５を押し当てる。さらに、使用するピストンの数はいくつであってもよく、システムの並進シャフト、フランジ、圧力チャンバ、及び他の部品の特性に応じて決定してもよい。

本実施形態では、並進シャフト１０３と各ピストンとの間には、シール部材が設けられているため、ＧＮ２は、圧力チャンバ１４１及びガスライン内に閉じ込められ、ピストンに対する圧力は長い期間維持される。この結果、並進シャフト１０３は、同図に示す安定位置で保持される。システムによる並進シャフト１０３を安定化するタスクが完了し、この構成が必要なくなると、加圧ガス源１３５及びパイロ式弁１３７を交換してもよい。ピストンを元の位置に戻し、その後の操作において、アクチュエータと共に、気体圧式シャフト位置決めシステムを、フェイルセーフシステムとして再度用いてもよい上述したように、気体圧式シャフト位置決めシステムは、主アクチュエータ又はシステムの故障時のみ作動する。

様々な実施形態によれば、気体圧式シャフト位置決めシステムにおけるピストンを起動して、所定の位置まで移動させた後に、インターロック機構を用いて、これらのピストンを固定してもよい。図３Ａを参照すると、インターロック機構を有する気体圧式シャフト位置決めシステムの例が示されている。具体的には、本実施形態で図示する気体圧式シャフト位置決めシステムは、図１に示す上記システムと類似しているが、各ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９に位置するピン３０１、３０５、３０９、及び３１３を含むインターロック機構をさらに含む点で異なる。様々な実施形態によると、各ピンは、ばねを含み、このばねは、システムが起動しておらずピストンが係合していない場合に、図に示すように、ピンを退避位置で保持する。しかしながら、図３Ｂに示すように、これらのピンが、嵌合凹ノッチ３０３、３０７、３１１、及び３１５と一列に並ぶと、各ピンがそれぞれの係合凹ノッチ内に延伸する。例えば、いくつかの例では、戻り止め（D-tent）ばねを、ピンとして用いることもできる。

図３Ｂを参照すると、係合したインターロック機構を有する気体圧式シャフト位置決めシステムの例が示されている。具体的には、本実施形態で図示する気体圧式シャフト位置決めシステムは、図２Ａに示す上記システムと類似しているが、各ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９に位置するピン３０１、３０５、３０９、及び３１３を含むインターロック機構をさらに含む点で異なる。本例では、パイロ式弁１３７が作動した後、加圧ガス源１３５が圧力チャンバ１０９及び１１１内に放出される。ピストン１１３、１１５、１１７、及び１１９が、並進シャフト１０３のフランジ１０５に押し当てられ、並進シャフト１０３が固定された所定位置で保持される。本例において各ばねは圧縮されているが、同図では理解を容易にするために１つのセットのみが示されている。

本実施形態において、ピストンが並進シャフト１０３のフランジに押し当てられ、並進シャフト１０３が所定位置で保持される時、ピン３０１、３０５、３０９、及び３１３が、嵌合凹ノッチ３０３、３０７、３１１、及び３１５と一列に並び、各ピンがそれぞれの凹ノッチ内に延伸する。図３Ｂに示すように、ピンがノッチ内に延伸すると、ピストンは、インターロック機構により所定位置で物理的にロックされる。

別の実施形態では、インターロック機構は、シャフトの回転動作をロックするためのインターロックカムを含む。例えば、並進シャフトが所定位置にある時、駆動カム及びロッキングカムを用いて相互に係合させ、通常動作中には、当該係合を解除する。具体的には、駆動カム及びロッキングカムは、様々な実施形態において、回転ロック動作を利用して相互に係合する。

様々な実施形態によると、付加的又は代替の構成要素を気体圧式シャフト位置決めシステムに含めることができる。例えば、いくつかの実施形態においては、気体圧式シャフト位置決めシステムは、異なる圧力となるように設計された複数の圧力チャンバを含んでもよい。圧力チャンバにおいて異なる圧力を作り出すことにより、用途に基づいて、システムの起動時に並進シャフトが固定されている所定位置を、調整することができる。

圧力チャンバ間で異なる圧力を作り出すための１つの方法として、弁を気体圧式シャフト位置決めシステムに含める方法がある。図４Ａを参照すると、いくつかの実施形態に係る、圧力チャンバ弁を有する気体圧式シャフト位置決めシステムが示されている。具体的には、本実施形態で図示する気体圧式シャフト位置決めシステムは、図１に示す上記システムと類似しているが、一方向弁４０１及びリリース弁４０３をさらに含む点で異なる。

本実施形態では、パイロ式弁１３７が破裂して加圧ガス源１３５から窒素ガス（ＧＮ２）が放出されると、ＧＮ２はガスライン内に放出されて、圧力チャンバ１０９内を自由に流動することができる。さらに、ＧＮ２は、一方向弁４０１を通って圧力チャンバ１１１にも流れ込む。いくつかの例では、一方向弁４０１は、圧力チャンバ１１１が特定の圧力に達するまで、ＧＮ２を当該圧力チャンバへ送り込む。例えば、この圧力は、圧力チャンバ１０９における圧力よりも低く設定してもよい。これにより、ピストン１１７及び１１９が、ピストン１１３及び１１５に比べて短い距離で中央チャンバに押し込まれ、並進シャフト１０３を、中央チャンバ内の中央位置よりも若干右側に位置付けることができる。他の例では、一方向弁４０１は、圧力チャンバ１０９との均衡が保てるまでＧＮ２を圧力チャンバ１１１に流入させるが、圧力チャンバ１１１におけるＧＮ２を圧力チャンバ１０９に逆流させない。リリース弁４０３を作動させると、圧力チャンバ１０９からガスが放出されるが、圧力チャンバ１１１は、一定の圧力を維持する。さらに別の実施形態においては、一方向弁４０１は含まずリリース弁４０３を含んでもよく、また、その逆の構成としてもよい。一方向弁４０１を含まずにリリース弁４０３を含む実施形態において、システムによる並進シャフト１０３を安定化するタスクが完了し、この構成が必要なくなると、リリース弁４０３を用いて、ＧＮ２を放出することができる。例えば、リリース弁４０３は、着陸後又は航空機の整備中に、加圧ガスを放出してシステムをリセットするために用いてもよい。いくつかの例において、リリース弁４０３は、運航中に、並進シャフト１０３を動作位置に戻すために用いてもよい。

圧力チャンバ間で異なる圧力を作り出すための別の方法として、圧力チャンバ毎に個別の加圧ガス源を含む方法がある。図４Ｂを参照すると、いくつかの実施形態に係る、複数の加圧ガス源を有する気体圧式シャフト位置決めシステムが示されている。具体的には、本実施形態で図示する気体圧式シャフト位置決めシステムは、図１に示す上記システムと類似しているが、圧力チャンバ１０９が、パイロ式弁４０７を介して加圧ガス源４０５に接続している点と、圧力チャンバ１１１が、パイロ式弁４１１を介して加圧ガス源４０９に接続している点で異なる。

本実施形態において、電気信号による命令を受けると、パイロ式弁４０７内のバーストディスクが破裂して、窒素ガス（ＧＮ２）が加圧ガス源４０５から放出されるとともに、パイロ式弁４１１内のバーストディスクが破裂して、窒素ガス（ＧＮ２）が加圧ガス源４０９から放出される。次に、加圧ガス源４０５からのＧＮ２は、ガスライン内を流れて圧力チャンバ１０９に入り込むことにより、ピストン１１３及び１１５を中央チャンバ１０７内に押し込み、並進シャフト１０３のフランジにピストンを押し当てる。さらに、加圧ガス源４０９からのＧＮ２は、ガスライン内を流れて圧力チャンバ１１１に入り込むことにより、ピストン１１７及び１１９を中央チャンバ１０７内に押し込み、並進シャフト１０３のフランジにピストンを押し当てる。

様々な実施形態によると、ピストンは、並進シャフト１０３を所定位置まで動かす。いくつかの例では、この所定位置は、中央チャンバ１０７内における中央以外の位置であってもよい。例えば、圧力チャンバ１０９が、圧力チャンバ１１１よりも低い圧力のＧＮ２を含む場合、ピストン１１３及び１１５が、ピストン１１７及び１１９に比べて短い距離で中央チャンバに押し込まれるため、並進シャフト１０３が、中央チャンバ１０７内の中央位置よりも左側に位置付けられる。圧力チャンバ１０９及び１１１の相対圧力を調整することにより、用途に応じて並進シャフト１０３の所定位置を調整することができる。各チャンバの圧力は、様々な方法で調整できる。例えば、チャンバの大きさを調整してもよいし、加圧ガス源１３５の圧力を調整してもよい。

〔動作例〕
様々な実施形態によると、気体圧式シャフト位置決めシステムは、その例が先により詳しく説明されているが、主システムが故障した場合の補助フェイルセーフシステムとして用いることができる。図５を参照すると、いくつかの実施形態に係る航空機飛行制御システムが示されている。特定の実施形態において、気体圧式シャフト位置決めシステムは、航空機制御システムで用いることができる。具体的には、気体圧式シャフト位置決めシステムは、主システムが故障した場合の補助フェイルセーフシステムとして用いることができる。

航空機（明確化のために図示は省略しているが、当該技術分野ではよく知られている）は、機体に取り付けられた翼を有することがよく知られている。翼における操縦翼面は、とりわけ上昇率及び下降率を制御する。機体の後部に取り付けられている尾部により、方向転換及び操縦を行うことができる。エンジンにより推力を得ることができ、このエンジンは、航空機の翼、尾部、又は機体に取り付けることができる。航空機構造はよく知られているため、ここでは明瞭化の目的で図示を省略する。様々なアクチュエータが、翼における飛行操縦翼面、尾部、着陸装置、着陸装置格納部のドア、エンジン逆推力装置などの動作を制御する。

本実施形態において、操縦翼面５１５の一例を示す。この例において、並進シャフト５０９は、航空機の操縦翼面５１５の枢動部５１３に接続している。矢印５１１の方向における並進シャフト５０９の運動は、主アクチュエータ５０３が、例えば、スポイラ、フラップ、昇降舵、方向舵、又は補助翼などの操縦翼面を動作させることにより、航空機を制御するための運動であるが、これはほんの一例にすぎない。同様の並進運動により、他の飛行操縦翼面、機体ドア、着陸装置、逆推力装置などの制御を行うことができる。

本実施形態によると、飛行制御コンピュータシステム５０１は、ハウジング５０７に設けられた、主アクチュエータ５０３及び気体圧式シャフト位置決めシステム５０５に電気的に接続されている。いくつかの例において、主アクチュエータ５０３は、電動リニアアクチュエータである。通常動作時には、主アクチュエータ５０３は、並進シャフト５０９の動きを制御する。気体圧式シャフト位置決めシステム５０５は、主アクチュエータ５０３の故障時のみ作動する。したがって、通常動作中には、気体圧式シャフト位置決めシステムは非作動状態であり、主アクチュエータ５０３又は並進シャフト５０９の運動に干渉しない。さらに、主アクチュエータは、気体圧式シャフト位置決めシステム５０５が起動又は作動することなく、何度も使用される場合がある。

図６を参照すると、いくつかの実施形態に係る気体圧式シャフト位置決めシステム６００を用いた、シャフトの位置決め処理のフローが示されている。本実施形態では、６０２において、気体圧式シャフト位置決めシステムを有する装置を用意する。例えば、そのような装置の一例として、図５に示す航空機飛行制御システムがあるが、他の様々な装置を用いて本明細書に記載する処理を行うことができる。６０４において、並進シャフトを通常の条件下で動作させる。具体的には、通常動作時には、主アクチュエータは、並進シャフトの動きを制御することができる。次に、６０６において作動信号を受信する。図５に示す例において、飛行制御コンピュータシステム５０１は、主アクチュエータ５０３の故障を検出し、その結果として、気体圧式シャフト位置決めシステムに対して作動信号を出力してもよい。６０８において、気体圧式位置決めシステムのパイロ式弁（用途によっては、複数の弁）を作動させる。したがって、主アクチュエータシステムの故障により、パイロ式装置が起動してバーストダイヤフラムを開放し、気体圧式位置決めシステム内に加圧ガスを放出する。具体的には、６１０において、圧力容器に含まれる加圧ガスが放出されて、気体圧式位置決めシステムの圧力チャンバに流れ込み、これによって１つ又はそれ以上のピストンを並進シャフトの安定化位置まで動かす。図５に示す例において、気体圧式位置決めシステムを用いて並進シャフトを所定位置まで動かし、この位置で並進シャフトを保持することは、飛行操縦翼面の安定性を維持することを目的として行われている。いくつかの実施形態において、気体圧式シャフト位置決めシステム５０５が起動すると、主アクチュエータ５０３は、並進シャフト５０９から切り離すことができる。本実施形態に記載される処理は、航空機で用いる気体圧式位置決めシステムに関連しているが、この処理を様々な装置及びシステムなどに用いることができる。

〔航空機の例〕
以下に、本明細書で提示する処理及びシステムの様々な特徴をより詳細に説明するために、図７Ａに示す航空機製造及び保守方法７００、並びに、図７Ｂに示す航空機７３０について説明する。生産開始前の工程として、航空機製造及び保守方法７００は、航空機７３０の仕様決定及び設計７０２と、材料調達７０４とを含んでもよい。生産段階では、航空機７３０の部品及び小組立品の製造７０６と、システムインテグレーション７０８とが行われる。その後、航空機７３０は、認可及び納品７１０の工程を経て、就航７１２に入る。顧客による運航中は、航空機７３０は、定例の整備及び保守７１４のスケジュールに組み込まれる（これは、改良、再構成、改修なども含みうる）。本明細書で記載する実施形態は、概して、民間旅客機の整備に関連しているが、これらの実施形態を、航空機製造及び保守方法７００の他の段階に適用してもよい。

航空機製造及び保守方法７００の各処理は、システムインテグレーター、第三者、及び／またはオペレータ（例えば、顧客）によって実行または実施することができる。この説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでもよいが、これに限定されない。第三者は、例えば、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでもよいが、これに限定されない。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。

図７Ｂに示すように、航空機及び保守方法７００によって製造された航空機７３０は、機体７３２、内装７３６、及び複数のシステム７３４を含んでもよい。システム７３４の例としては、１つ又はそれ以上の推進系７３８、電気系７４０、油圧系７４２、及び環境系７４４が挙げられる。また、この例において、その他のシステムをいくつ含んでもよい。航空機に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。

本明細書で具現化される装置及び方法は、航空機製造及び保守方法７００の１つ又はそれ以上のどの段階において用いられてもよい。例えば、限定するものではないが、部品及び小組立品の製造工程７０６に対応する部品または小組立品は、航空機７３０の運航中に製造される部品または小部品と同様に組み立て又は製造することができる。

さらに、１つ又はそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、限定するものではないが、実質的に航空機７３０の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、部品及び小組立品の製造７０６、並びにシステムインテグレーション７０８で用いてもよい。同様に、１つ又はそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機７３０の運航中に用いてもよい。また、例えば、限定するものではないが、整備及び保守７１４を、システムインテグレーション７０８、並びに／又は、整備及び保守７１４の工程中に用いて、部品同士が接続及び／又は係合しているか否かを点検してもよい。

〔結論〕
上述する概念は、明確に理解できるように詳細に記載したが、添付する特許請求の範囲内において特定の変更及び改変を加えることが可能なことは言うまでもない。なお、上述した処理、システム、及び装置を実施するための方法は、他にも多く存在する。したがって、本明細書に記載する実施形態は、例示的な目的で提供されているのであって、何ら限定を意味するものではない。

Claims (10)

1. フランジを備える並進シャフトをハウジング内において動かす主アクチュエータに接続され、前記主アクチュエータが前記並進シャフトを動かす正常な状態にあるときは、前記並進シャフトの動きへの干渉をしないようにする、気体圧式シャフト位置決めシステムであって、
   前記ハウジング内に形成された第１圧力チャンバと、
   前記第１圧力チャンバに接続された加圧ガス源と、
   前記加圧ガス源から前記第１圧力チャンバ内へのガスの流入を制御する第１弁と、
   前記第１圧力チャンバの内部へ突出するとともに、前記ハウジング内において前記第１圧力チャンバに摺動可能に接続された第１ピストンとを備え、前記第１ピストンは、前記並進シャフトと平行に延びるシャフトを有し、前記主アクチュエータの故障に反応して前記加圧ガス源からの前記ガスが前記第１圧力チャンバに充満した場合にのみ、前記並進シャフトの前記フランジに接触して、前記並進シャフトを所定位置に保持する、気体圧式シャフト位置決めシステム。
2. 前記ハウジング内に第２圧力チャンバと第２ピストンとを更に備え、
   前記第２圧力チャンバは、前記加圧ガス源に接続し、
   前記第１弁は、前記加圧ガス源から前記第２圧力チャンバ内への前記ガスの流入を制御し、
   前記第２ピストンは、前記第２圧力チャンバの内部へ突出するとともに、前記第２圧力チャンバに摺動可能に接続され、
   前記第２ピストンは、前記並進シャフトと平行に延びるシャフトを有し、前記加圧ガス源からの前記ガスが前記第２圧力チャンバに充満すると、前記並進シャフトの前記フランジに接触して、前記第１ピストンと協働して前記並進シャフトを前記所定位置に保持する、請求項１に記載の気体圧式シャフト位置決めシステム。
3. 前記第１ピストンは、前記並進シャフトを第１方向に動かして、当該並進シャフトを前記所定位置に押し込み、前記第２ピストンは、前記並進シャフトを第２方向に動かして、当該シャフトを前記所定位置に押し込み、前記第１方向は、前記第２方向とは反対の方向である、請求項２に記載の気体圧式シャフト位置決めシステム。
4. 前記第１弁は、飛行制御コンピュータから信号を受信し、前記信号に基づいて前記加圧ガス源から前記第１圧力チャンバ内への前記ガスの流入を制御する、請求項１〜３のいずれか１つに記載の気体圧式シャフト位置決めシステム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の気体圧式シャフト位置決めシステムと、
   飛行制御コンピュータシステムとを備え、前記主アクチュエータは、前記飛行制御コンピュータと通信可能に接続され、
   前記第１弁は、前記飛行制御コンピュータシステムと通信可能に接続されている、装置。
6. 前記主アクチュエータが故障すると、前記飛行制御コンピュータシステムは、前記主アクチュエータから故障信号を受信し、前記気体圧式シャフト位置決めシステムの前記第１弁に対して作動信号を送信する、請求項５に記載の装置。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載の気体圧式シャフト位置決めシステムの操作方法であって、
   前記主アクチュエータの故障に反応して前記第１弁を作動させることとを含み、作動した前記第１弁は、前記加圧ガス源から前記第１圧力チャンバ内へ前記ガスを流入させることにより、前記第１圧力チャンバを加圧して前記第１ピストンの前記シャフトを前記第１圧力チャンバの外へ押し出し、
   前記第１ピストンと前記並進シャフトとを接触させることと、
   前記第１ピストンと前記シャフトとを接触させた状態で、前記第１ピストンの前記シャフトを前記第１圧力チャンバの外へと延伸させることにより、前記並進シャフトを前記所定位置に動かし、前記並進シャフトを前記所定位置に保持することと、を含む、操作方法。
8. 前記第１弁において作動信号を受信することをさらに含み、前記第１弁は、前記作動信号の受信に応答して作動する、請求項７に記載の方法。
9. 前記シャフトが前記所定位置にある時には、前記第１ピストンをロックすることをさらに含み、前記第１ピストンのロックにより、前記第１ピストンが前記第１圧力チャンバに対して摺動可能に動くことを防止する、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記第１圧力チャンバから前記ガスを放出することで、前記並進シャフトを新たな位置に動かすことをさらに含む、請求項７〜９のいずれかに記載の方法。

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