JP6640351B2 - 展開アンテナ - Google Patents

Description

参照による取り込み

本出願は、２０１６年６月２１日に出願された日本特許出願特願２０１６−１２３０１０の優先権を主張し、その内容を参照することにより、本出願に取り込む。

本発明は、展開アンテナに関する。

従来、人工衛星等の宇宙航行体に搭載される展開アンテナは、可搬型アンテナや衛星搭載アンテナに代表されるように、移動中や未使用時にはコンパクトに収納され、使用時に展開して通信に用いられる。特にアンテナ鏡面がリブとメッシュとを組み合わせて構成されるアンテナは展開に好適であり、種々に応用される。

このような展開アンテナは、リブ・ヒンジ型とラップ・リブ型とに大別される。リブ・ヒンジ型の展開アンテナは、複数のリブがヒンジを介して順次接続され、収納時には折り畳まれ、展開時にはヒンジ周りに設けたバネ等により伸展させる型の展開アンテナである（特許文献１参照）。一方、ラップ・リブ型の展開アンテナは、リブの弾性変形により収納可能な型の展開アンテナである。例えばＡＴＳ−６やＥＴＳ−８等の大型アンテナが挙げられる。

特許文献１には、アンテナリフレクタを形成するための金属メッシュとケーブルネットワークを支持する展開マストを、２〜３段階に折り曲げ可能な展開リブと展開リブ間を接続する展開ヒンジとで構成することにより、収納時はコンパクトに折り畳まれ、軌道上で容易に展開動作可能な展開型アンテナに係る技術が開示されている。

特開２００５−８６６９８号公報

ところで、上記展開アンテナは宇宙空間で使用されるものである。そのため、宇宙空間で展開される場合の展開容易性並びに展開後の所望の形状をいかに実現するかが従前の課題であった。

このような従前の課題に関し、上記従来技術に係るリブ・ヒンジ型の展開アンテナでは、ヒンジを設けた分だけ部品点数が多くなり、複雑な構成となっていた。また従来技術に係るラップ・リブ型の展開アンテナでは、リブがハブの外周面に対して垂直方向に取り付けられる構成であり、リブをハブの周りに巻き付ける際、ハブへの取り付け部で大きな応力が発生するため何らかの機構を介して取り付ける必要があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成により宇宙空間において容易に展開可能、且つ、展開後の所望の形状を実現可能な展開アンテナを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る展開アンテナは、ハブの外円周部に等角ピッチに配設される複数のリブと、隣り合う前記複数のリブの間に架設される金属メッシュと、を備えた展開アンテナであって、前記複数のリブの各々は、弾性を有する横長薄板平板状に形成され、且つ、前記金属メッシュが取り付けられる切片がパラボラ形状に形成され、前記複数のリブの各々の平面が、前記ハブの中心軸と略平行であるよう配設されることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成により宇宙空間において容易に展開可能、且つ、展開後の所望の形状を実現可能である。

本発明の実施形態に係る展開アンテナの全体構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブとハブの取付構造の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブの巻取構造を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るリブの収納・展開を説明するための第１図である。 本発明の実施形態に係るリブの収納・展開を説明するための第２図である。 本発明の実施形態に係るリブの第１の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブの第１の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブの第２の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るリブの第２の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

［展開アンテナの全体構成例］
図１は、本発明の実施形態に係る展開アンテナの全体構成例を示す図である。

図１に示す展開アンテナ１は、ハブ２、複数のリブ３、複数の金属メッシュ４、一次放射器５等から構成される。この展開アンテナ１は、ハブ２を介して衛星構体１０に固定されるパラボラ（放物）形状のアンテナである。

ハブ２は、展開アンテナ１の中心部のアンテナ軸Ｘに設けられ、例えばプラスチック等の誘電体により形成された円錐台形状の部材である。このハブ２の下部には、例えばチタン、ステンレス等の金属により形成されたリブ取付部２ａが設けられている。このリブ取付部２ａの外周は円周面を成しており（以下、「外円周部２ａ」ともいう。図３等参照）、複数のリブ３が等角ピッチで放射状に配設される。なお、アンテナ軸Ｘはハブ２の中心軸と言い換えることもできる。

リブ３は、ハブ２を中心として等角ピッチで放射状に配設され、隣り合うリブ３の間に架設される金属メッシュ４とともに、展開アンテナ１の反射鏡面１ａを構成する。なお、リブ３の反射鏡面１ａ側の切片、すなわち金属メッシュ４が取り付けられる切片３ａ（図２参照）は、パラボラ形状に形成されている。リブ３は、例えばステンレスバネ鋼や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）、ＣＦＲＰ(Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材料により形成されるバネ材である。リブ３の構成については、図２を用いて詳述する。

金属メッシュ４は、隣り合うリブ３の間に架設され、例えばモリブデン、金等の金属により形成される網状体である。この金属メッシュ４の端縁４ａ、４ｂの各々は、隣り合うリブ３のそれぞれの反射鏡面１ａ側の切片３ａに取り付けられる。

一次放射器５は、電波を射出する射出器であり、反射鏡面１ａに対して電波を射出する。反射鏡面１ａによって反射された電波は、展開アンテナ１の外部に射出される。これら一次放射器５並びに反射鏡面１ａにより、展開アンテナ１はパラボラ形式のアンテナとしての機能を実現する。

以上に示すように、展開アンテナ１は、円錐台形状のハブ２の外円周部２ａに等角ピッチに配設される複数のリブ３と、隣り合うリブ３の間に架設される金属メッシュ４とを備えたパラボラ形状の展開アンテナである。展開アンテナ１は軽量のリブ３と金属メッシュ４とにより構成されるため、容易に展開可能である。展開方法については後述する。

なお、隣り合うリブ３の間に架設される金属メッシュ４は、リブ３への取付部分、すなわち端縁４ａ、４ｂはパラボラ形状であるが、その他の位置ではパラボラ形状を成さない。これは、アンテナ展開時において金属メッシュ４の一定以上の張力を維持するためである。但し、リブ３の本数を増加させることによって、全体としてパラボラ形状に近付けることは可能である。また、リブ３の本数を調整することによって、反射鏡面１ａの精度を所望の値にすることも可能である。リブ３の本数増加は、当該リブ３の収納・展開の機能に大きな影響を与えることはなく、展開アンテナ１全体の重量増加は、増加させたリブ３の重量の増分の範囲内に抑えることができる。

［リブの構成］
図２は、本発明の実施形態に係るリブの構成例を示す図である。図２では、図１に示すリブ３の斜視図を示している。

図２に示すリブ３は、切片３ａ、切片３ｂ、平面３ｃ、平面３ｄを有し、末端部３１から先端部３２に向かって切片３ａがパラボラ形状に形成された横長の薄板平板である。リブ３は、前述の通り例えばステンレスバネ鋼や複合材料により形成される。リブ３の末端部３１には、厚み方向に貫通する取付孔３３（図２では３個）が形成されている。

なお、図２に示すリブ３では、切片３ａと対向する切片３ｂが切片３ａと同様にパラボラ形状で形成されているが、切片３ｂの形状はパラボラ形状に限定されるものではなく、任意の形状であってよい。

以上に示すリブ３は、面外方向に可撓であり、且つ、面内の形状が安定しているという特徴を有する平板から切り出して形成可能である。従って、本実施形態によれば、従来の展開アンテナで用いられるリブに比べて、簡易に且つ低コストにリブ３を製造することが可能である。

［リブとハブの取付構成］
図３は、本発明の実施形態に係るリブとハブの取付構造の一例を示す図である。図３では、説明の便宜上、複数のリブ３の内の一つのリブ３とハブ２の外円周部２ａとの取付構造を図示しているが、その他のリブ３についても同様の取付構造で外円周部２ａに取り付けられるものである。

ハブ２の外円周部２ａには、等角ピッチで複数のボルト孔２１（図３では各ボルト孔２１は３個）が形成されている。このボルト孔２１と、リブ３の末端部３１の取付孔３３とは孔位置が対応しており、リブ３とハブ２の外円周部２ａとは、不図示のボルト等によりリブ３の外側から固定される。これにより、リブ３の末端部３１側の平面３ｄが、リブ取付部２ａにおいて円周方向に接するよう固設される。これにより、リブ３の平面３ｃ、３ｄが、アンテナ軸Ｘに略平行に配設されることとなる。

図４は、本発明の実施形態に係るリブの巻取構造を説明するための図である。図４では、図３に示すリブ３がハブ２の周囲に巻き取られた構造を図示している。

展開アンテナ１の収納時には、リブ３には外部拘束が加えられて面外方向に撓められ、図４に示すように末端部３１から先端部３２に向かってハブ２の周囲に巻き取られる。

ここで、従来のラップ・リブ型の展開アンテナでは、リブはハブ２の外円周部２ａに対して垂直方向、すなわち径方向に配設される。そのため、リブがハブ２の周囲に巻き取られる際のリブの末端部（図４の末端部３１に相当）の変形が大きくなり、リブの降伏応力を超えてしまう場合がある。巻き取りの際の大きな応力発生を防止するために、リブの末端部とハブとの間にヒンジを配設する方法もある。しかしながらこの方法では、ヒンジを配設する分だけ複雑な構成となり、アンテナ展開後にリブが正確に径方向を向くようにするためには更に追加の機構を要する。

一方、本実施形態に係る展開アンテナ１によれば、リブ３が、ハブ２の外円周部２ａにおいて円周方向に接するよう固設される。そのため、大きな応力が発生せず、ヒンジを配設する必要もない。またアンテナ展開時には、本実施形態に係るリブ３はハブ２の外円周部２ａに接した状態で接線方向に延出するが、その切片形状は勿論パラボラ形状である。このような特徴を有するため、リブ３の形状を正確に計算で求めることが容易である。

［リブの収納・展開］
図５は、本発明の実施形態に係るリブの収納・展開を説明するための第１図である。図６は、本発明の実施形態に係るリブの収納・展開を説明するための第２図である。

図５では、複数のリブ３の全てがハブ２の周囲に巻き取られ、これら巻き取られたリブ３を外側から囲むように複数のケース部材６が周囲に配設された形態を示している。各々のケース部材６は、水平断面が円弧である瓦形状を成しており、これら複数のケース部材６が全体として円筒形を成すよう配設されている。すなわち、収納時には、複数のリブ３の各々は面外方向に撓められ、末端部３１から先端部３２に向かってハブ２の周囲に巻き取られた後に所定手段（ここでは複数のケース部材６）による外部拘束が加えられる。これにより、展開アンテナ１の収納形状の包絡域を小さくすることができる。

図６では、複数のケース部材６の全てが、その下縁周りにハブ２から離間するよう開放（開傘）され始めた形態を示している。この開放は各ケース部材６の下部に設けた開放機構６ａ（図５参照）により機構的に行うものとする。ここでいう開放機構６ａとは、例えばウォームギアを介したモーターによりケース部材６の開傘を行う機構である。

各ケース部材６が開放（開傘）されると、複数のリブ３の各々に対する複数のケース部材６による外部拘束が解除され、これらのリブ３自体の弾性的復元力により、リブ３が巻き戻されて自動的に展開し始める。各々のリブ３の弾性的復元力による巻き戻しが完了すると、図１に示すような展開アンテナ１のパラボラ形状が形成される。すなわち、展開時には、複数のリブ３の各々に対する所定手段（ここでは複数のケース部材６）による外部拘束を解除することで、複数のリブ３の各々のリブ自体の弾性的復元力による巻き戻しにより、自動的に展開する。

なお、展開に際して、リブ３は面外方向に対してはある程度の誤差を持って展開することが想定される。しかしながら、リブ３の面内形状は正確に元のパラボラ形状を示す。展開アンテナ１の鏡面精度は、軸Ｘ方向の誤差、すなわちリブ３の面内方向の位置誤差をもって評価され、リブ３の面外方向の位置誤差は大きな影響を与えない。これにより、展開によるアンテナ１の鏡面精度を確保することができる。

以上、図５並びに図６を用いて説明してきたように、本実施形態に係る展開アンテナ１によれば、複数のリブ３の各々の収納・展開は、各リブ３の弾性変形と復元力によって実現される。すなわち、リブ３の収納・展開のための特段のメカニズムが不必要である。そのため、本実施形態によれば、簡易な構成により宇宙空間において容易に展開可能、且つ、展開後の所望のパラボラ形状を実現可能である。

［リブの第１の変形例］
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の実施形態に係るリブの第１の変形例を示す図である。図７Ａでは、第１変形例に係るリブ７の斜視図を示しており、図７Ｂでは、図７Ａに示すリブ７を上方から見た図を示している。

前述のリブ３（図２参照）は、末端部３１から先端部３２に向かって切片３ａがパラボラ形状に形成された横長の薄板平板であった。一方、図７Ａ及び図７Ｂに示す第１の変形例に係るリブ７は、二枚の横長薄板平板７Ａ、７Ｂ（以下、単に「平板７Ａ、７Ｂ」という。）と、二枚の平板７Ａ、７Ｂの間に挟み込まれる態様で固着される複数のスペーサー８とにより構成される。

平板７Ａ（７Ｂ）は、前述のリブ３と同様に、末端部７１Ａ（７１Ｂ）から先端部７２Ａ（７２Ｂ）に向かって切片がパラボラ形状に形成された横長の薄板平板であり、例えばステンレスバネ鋼や複合材料により形成される。複数のスペーサー８は、高強度・高剛性のハニカム構造を成しており、所定距離離間して等間隔に設けられる。

このように、リブ７を二枚の平板７Ａ、７Ｂと複数のスペーサー８とから成る構造とすることで、リブ７の剛性を大きくすることができるため、前述のリブ３では弾性的復元力が不足する場合であっても、十分な弾性的復元力を実現することができる。また第１の変形例に係るリブ７は、リブの成型も不要で、単にスペーサー８を二枚の平板７Ａ、７Ｂの間に接着又は溶接により固着させるだけで良く、製作が容易であるという利点がある。

なお、末端部７１Ａ（７１Ｂ）においては、二枚の平板７Ａ、７Ｂの間にはハムカム構造ではない略直方体状のスペーサー９が挟み込まれて固設される。なお、当該スペーサー９と平板７Ａ、７Ｂの両方には、図２の取付孔３３に対応する取付孔が形成されている。

［リブの第２の変形例］
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の実施形態に係るリブの第２の変形例を示す図である。

前述のリブ３（図２参照）は、横長の薄板平板であり、隣り合うリブ３の切片３ａに金属メッシュ４の端縁４ａ、４ｂが取り付けられるものであった（図１参照）。但し、アンテナ展開時において金属メッシュ４は面内の張力を有するため、当該金属メッシュ４の張力の影響によっては隣り合うリブ３の間隔が本来あるべき間隔より小さくなり、半開きの状態になる可能性がある。このような状態を防ぐために、一般的にはリブ３の面外剛性を増大させる。

一方、第２の変形例に係るリブ３では、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、隣り合うリブ３の間に補強リブ１１を介設することにより、アンテナ展開時の隣り合うリブ３間の距離を強制的に所定値とさせる。

第２の変形例に係るリブ３では、隣り合うリブ３の先端部３２のそれぞれの平面において、Ｌ型フランジ１２が対向する態様で固設される。そして補強リブ１１が、隣り合うリブ３の先端部３２の間に介設される。すなわち、補強リブ１１の長手方向両端側の平面１１ａが、Ｌ型フランジ１２の背面１２ａに固着される。補強リブ１１は、バネ材から成る横長の薄板である。なお、補強リブ１１は、幅方向に湾曲した一つのコンベックステープであっても良いし、二つのコンベックステープをそれぞれが外側に向かって湾曲する態様で長手方向に重ね合わせたものであっても良い。

収納時には、図８Ａに示すように、補助リブ１１は面外方向に撓められ、隣り合うリブ３の先端間の距離が短い状態で収納される。一方、展開時には、図８Ｂに示すように、補助リブ１１の弾性的復元力により、リブ３の間の距離を強制的に所定値とさせる。これにより、金属メッシュ４の張力の影響により半開きの状態になることを防止することができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る展開アンテナ１は、ハブ２の外円周部２ａに等角ピッチに配設される複数のリブ３と、隣り合う複数のリブ３の間に架設される金属メッシュ４と、を備えた展開アンテナ１であって、複数のリブ３の各々は、弾性を有する横長薄板平板状に形成され、且つ、金属メッシュ４が取り付けられる切片３ａがパラボラ形状に形成され、複数のリブ３の各々の平面３ｃ、３ｄが、ハブ２の中心軸Ｘと略平行であるよう配設されている。そのため、簡易な構成により宇宙空間において容易に展開可能、且つ、展開後の所望の形状（特にパラボラ形状）を実現可能である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記説明においては、金属メッシュ４が例えばモリブデン、金等の金属により形成される網状体である場合を例に説明を行ってきたが、この場合に限定されるものではない。例えば金属メッシュ４は、ケーブルネットワーク構造を有する構造体であってもよい。

また例えば、上記説明においては、ハブ２の外円周部２ａが円状である場合を例に説明を行ってきたが、この場合に限定されるものではない。例えばハブの外円周部は、多角形状で構成されてもよい。

また、上記説明においては、展開アンテナ１が副反射鏡を有さないパラボラ形式のアンテナである場合を例に説明を行ってきたが、この場合に限定されるものではない。例えば、一次放射器５（図１参照）が副反射鏡に対して電波を射出し、副反射鏡によって反射された電波が主反射鏡である反射鏡面１ａに入射するカセグレン形式のアンテナであっても良い。

１ 展開アンテナ
２ ハブ
２ａ 外円周部（リブ取付部）
３、７ リブ
３ａ、３ｂ 切片
３ｃ、３ｄ 平面
４ 金属メッシュ
７Ａ、７Ｂ 横長薄板平板
８ スペーサー
１１ 補強リブ
３１ 末端部
３２ 先端部
Ｘ 軸

Claims (5)

1. ハブの外円周部に等角ピッチに配設される複数のリブと、隣り合う前記複数のリブの間に架設される金属メッシュと、を備えた展開アンテナであって、
   前記複数のリブの各々は、弾性を有する横長薄板平板状に形成され、且つ、前記金属メッシュが取り付けられる切片がパラボラ形状に形成され、
   前記複数のリブの各々の平面が、前記ハブの中心軸と略平行であるよう配設され、
   前記展開アンテナは展開後にパラボラ形状を成し、
   前記展開アンテナのパラボラ形状は、前記複数のリブの各々が有する展開方向への弾力と前記金属メッシュが有する面内方向への張力によって実現される、
   展開アンテナ。
2. 前記複数のリブの各々の末端部の平面が、前記ハブの外円周部において円周方向に接するよう固設されることを特徴とする請求項１に記載の展開アンテナ。
3. 収納時には、前記複数のリブの各々は、末端部から先端部に向かって前記ハブの周囲に巻き取られて所定手段により外部拘束され、
   展開時には、前記所定手段による外部拘束を解除することで、前記複数のリブの各々の弾性により巻き戻されて展開することを特徴とする請求項１に記載の展開アンテナ。
4. 前記複数のリブの各々は、二枚の横長薄板平板と、前記二枚の横長薄板平板の間に固着され、所定の間隔で複数配置されるスペーサーとにより構成されることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の展開アンテナ。
5. 隣り合う前記複数のリブの先端部の間に介設される補強リブを更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の展開アンテナ。

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