(57)【要約】【課題】リアクションホイールの構成要素として必須の軸受要素の高精度、高剛性回転を維持しつつ組立てにおける加工工数の削減とそれに伴う加工コストの低減を果たし、以ってリアクションホイールの性能維持を図りつつ加工コスト削減を実現すること。【解決手段】  リアクションホイールに組み込まれる回転軸の回転支承用の軸受要素に定位置予圧を付与するに当たり、軸受ハウジンとフライホイールを担持する回転軸との間で弾性予圧付与手段としてのバネ要素を軸受要素の外輪に対する所定予圧付与として組み込み、このとき、軸受要素を構成する離間配置の二つの軸受の内輪、外輪を軸受ハウジングの孔内面と回転軸の軸外周面とに接着材からなる固定手段で接着的に固定、一体化し、スプリング要素のばね特性を用いた定位置予圧を固定的に保持するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台座上に積載、固定された筒体状の軸受ハウジング、該軸受ハウジングの中央に装着される回転軸受要素、該回転軸受要素によって回転支承される回転軸、該回転軸受の一部に取着された環状腕、該環状腕に固着されたフライホイール手段、前記環状腕とフライホイール手段との間に設けられて前記フライホイール手段に回転駆動力を回転制御可能に付与する回転駆動源等を具備して構成され、前記台座を介して飛翔構体に取着可能なリアクションホイールにおいて、
前記回転軸受要素は、前記軸受ハウジングの内周面に抱持される外輪を有すると共に前記回転軸の軸心と同軸の軸線方向に離設されて該回転軸の所定周面位置に嵌着された内輪をそれぞれ有して成る一対の軸受と、前記一対の軸受の各外輪に夫々一端を係合させて予め設定した前記軸線方向の弾性力を前記各外輪に作用させることによって所定の予圧力を前記一対の軸受に付与する弾性予圧要素と、前記弾性予圧要素の弾性予圧力下で前記一対の軸受の前記外輪と前記軸受ハウジングの前記内周面部及び前記内輪と前記回転軸の所定外周面部の両域において組立て最終段で設置され、前記軸受ハウジング、前記回転軸に対して軸受の前記内外輪を固定して一体化する固定手段とを具備して構成され、故に前記軸受要素に設定した予圧力を永続的に保持させるようにしたことを特徴とするリアクションホイール。
【請求項２】
前記リアクションホイールにおいて、前記軸受要素を前記軸受ハウジングと前記回転軸とに固定すべく設置される固定手段が、接着材によって構成される請求項１に記載のリアクションホイール。
【請求項３】
前記弾性要素は、1つのスプリング要素から成り、該スプリング要素の両端を前記一対の軸受の各外輪に係止させて軸線方向に前記軸受ハウジング内に装着された構成とした請求項1又は２に記載のリアクションホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクションホイールに関するものであり、特に、衛星構体に搭載されて姿勢制御系の基幹要素として機能すると共に宇宙空間への放出時又は同宇宙空間中に滞在時において諸宇宙現象の影響下でも安定した機能、性能を奏すると共に低価格化を実現することができるリアクションホイールの提供に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアクションホイールは、例えば、特開平１０−７１９９９号公報（特許文献１）に記載されているように、衛星構体上に複数個が異なる軸心周りに適宜のブラケットないし耳手段を介して取着・搭載されて、衛星構体が宇宙空間で姿勢の変化を受けた時に異なる複数軸方向における角運動量の変化として捉え、各リアクションホイール又は選択されたリアクションホイールの角運動量の変化による反作用トルク変化を衛星構体に作用させることによって、ホイール回転数制御を介して衛星構体自体の姿勢を能動的に修正制御する制御要素として用いられている。
【０００３】
近時、このリアクションホイールに関しては、我が国の国家レベル、企業レベルにおいて種々の機種のものが研究、開発されて実験段階を経て実用化へ向けて鋭意、研究・開発が進められている段階にある。  このリアクションホイールの構成には、角運動量を発生する回転又はロータ要素としてのフライホイール要素、同フライホイール要素の軸心周りの回転を支承する軸受手段、フライホイール要素の回転を駆動・制御駆するモータから成る回転駆動源が必然的に一つのユニットとして組み込まれており、上記回転駆動源の回転駆動に従ってホイール要素をその軸心周りに所望の回転速度で軸受手段の支持を介して回転させる構成を具備している。
【０００４】
この場合に、上述のように、衛星構体の宇宙空間への放出時点に、例えばロケット機体に搭載されることに依って当該ロケット機体を介して遂行される打ち上げの振動や衝撃に対してもリアクションホイールの機能、性能を損なうことなく、宇宙空間へ放出後も安定した機能、性能を維持し得ることが大きな課題となっており、このような要請に応えることのできる技術の一端として衛星構体に搭載可能なリアクションホイールの提供がなお、要請されている。  しかも、このような要請を、比較的に廉価な製造コストの下に達成し、グローバル規模で超小型衛星、小型衛星を安価に宇宙空間へ放出して多用途に利用されることを可能にするリアクションホイールの提供が要請されている。
【０００５】
ここでリアクションホイールの構成要素群において、角運動量を発生するフライホイールの回転を支持する上述の軸受要素は、長時間にわたる回転時にも十分な機械的耐性を有して安定した回転維持機能を奏し得ることが、リアクションホイール自体の制御機能の高精度と確実性とを安定的に維持する上で必須であると共に軸受要素が徒に高価な機械的要素化することなくリアクションホイール内に組み込むことが可能であることが要請される。  このように回転体としてのリアクションホイールのフライホイールを安定、確実に長時間わたっても回転支持することが可能でかつ廉価性も備えた軸受要素の条件には、主としてボール、コロ等の中・高速転動要素から成る軸受可動要素が幅広な速度域に亘り安定した高剛性の転動機能を発揮しえる上から潤滑と共に一定の予圧力を掛けて軸受要素の内輪（インナーレース）、外輪（アウターレース）間における転動路で一定した転動動作を遂行可能にすることが必須である。
【０００６】
このような軸受要素に対する予圧には、例えば特開２００７−１９８４２５号公報（特許文献２）に開示された軸受の予圧装置等が周知である。
【０００７】
この周知の予圧装置では、被回転支持体であるフライホイールを、回転軸を介して２位置に一対として設けられた軸受要素によって回転可能に支持し、両要素の位置関係を下にして予圧を印加する定位置予圧方式の例が開示されており、二つの軸受要素に対して間座（スぺーさ）を用いたりシムを用いて両軸受要素間の軸方向における相対位置を調整したり或いは、プリロードナットを軸上に形成したねじ筋に螺設し、そのプリロードナットのねじ込み量を調整して予圧付与を行う等の手法が多く採られ、更に両軸受要素を回転軸の適所に設けた凹部内に装着しつつ当該凹部の左右の肩部に当接させながら軸受要素のアウターレースに設けた溝内に止め環を装填し、両軸受要素を被覆する軸受ハウジングの端との間でアウターリングに掛る予圧荷重を調節する等の装置が公知となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−０７１９９９号公報
【特許文献２】特開２００７−１９８４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
然しながら、上述した定位置予圧を軸受要素に付与して適正な軸受剛性と、位置決め設定とを該軸受要素に遂行する構成を採った場合には、次に記載するような不利がある。
つまり、リアクションホイールに設けられる軸受部の構造においては、フライホイールの回転軸心を供する回転軸と、同回転軸を回転支持する多くは二つ以上の複数の軸受要素と、その軸受要素を格納する格納要素としての軸受ハウジングと、フライホイールの回転駆動源を成すように外部からの駆動・制御電流が印加される適宜モータ手段と、上述した予圧付与装置等が具備されているが、上記予圧付与装置は、軸受要素の高性能と高剛性を確保する観点からは、極めて高い加工精度を有することが必要であり、例えば、定位置予圧の付与を確実に達成するためには、軸受要素のインナー、アウターリングを位置決めに寄与する上記スペーサは、その軸方向長さを僅差の長さ寸法差を設けながら多種類化して予め用意する必要がり、リアクションホイールの性能に対応するためには、例えば０．２ミクロンの寸法差で多種を必要とし、故に加工上の高精度性を必要として必然的に加工コストの高騰化をもたらす結果となる。    また、予圧付与装置を精密な機械構造要素としてリアクションホイールに組み込むことは、部品点数の増加の抑制や機体軽量化の要請の観点から、なお解決すべき課題であることを免れ得ないのである。
【００１０】
更に、上記プリロードナット装置を用いた予圧付与装置では、螺動方式によって予圧調節を行う観点から、予圧作用上で正確に所定の方向の予圧力を軸受要素に付与するように軸心に対するアラインメント精度の高度性が求められる。このためにナットの送り精度は細心の精度で加工されていることを要する。  また、予圧付与装置や軸受要素を最終的に組立て固定する際には、ねじ手段を介して固定する方式が採られることが一般的である。然しながら、この場合にも回転軸心に対する歪み等のミスアライメントを発生しないような注意深い組立て加工作業が求められ、加工時間の嵩み等からコスト高の要因となる不利を免れ得ない。
【００１１】
特に、軸受要素をリアクションホイール内に組立てする過程では、更に、軸受要素に過大な予圧力の付与による摩耗促進を回避し、適正な剛性を付与するには、多種・多様な組立て冶具の使用を余儀なくする等の不利もあり、組立て加工の困難性の要因をなす結果となっていると共に究極的には、リアクションホイール自体の加工に要する時間、コスト、諸工具の必要性等の困難性の主因となっている。
【００１２】
依って、本発明は、上述のように軸受要素を回転支持手段としてリアクションホイールにおけるフライホイール回転機構内に組み込む際に遭遇する解決すべき諸問題に鑑みて、該フライホイール回転機構に組み込まれる軸受要素の組込み方法を改善しつつ組立て部品点数の削減、加工組立工数の低減を図り、かつ該軸受要素の高機能性の維持を図って、延いてはリアクションホイールの総コストの低減を図り、市場性を高めたリアクションホイールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した発明の目的を達成するために、本発明は、台座上に積載、固定された筒体状の軸受ハウジング、該軸受ハウジングの中央に装着される回転軸受要素、該回転軸受要素によって回転支承される回転軸、該回転軸受の一部に取着された環状腕、該環状腕に固着されたフライホイール体、前記環状腕とフライホイール体との間に設けられて前記フライホイール手段に回転駆動力を回転制御可能に付与する回転駆動源等を具備して構成され、前記台座を介して飛翔構体に取着可能なリアクションホイールにおいて、
上記回転軸受要素は、上記軸受ハウジングの内周面に抱持される外輪を有すると共に上記回転軸の軸心と同軸の軸線方向に離設されて該回転軸の所定周面位置に嵌着された内輪をそれぞれ有して成る一対の軸受と、前記一対の軸受の各外輪に夫々一端を係合させて予め設定した前記軸線方向の弾性力を前記各外輪に作用させることによって所定の予圧力を前記一対の軸受に付与する弾性予圧要素と、前記弾性予圧要素の弾性予圧力下で前記一対の軸受の前記外輪と上記軸受ハウジングの前記内周面部及び上記内輪と上記回転軸の所定外周面部の両域において組立て最終段で設置され、上記軸受ハウジング、上記回転軸に対して軸受の上記内外輪を固定して一体化する固定手段とを具備して構成され、故に上記軸受要素に設定した予圧力を永続的に保持させるようにしたことを特徴とするリアクションホイールを提供するものである。
【００１４】
ここで、上記のリアクションホイールにおいて、上記の軸受要素を軸受ハウジングと回転軸とに固定すべく設置される固定手段は、接着材によって構成され、好ましくはエポキシ系の高接着力接着剤によって構成される。
【００１５】
また、上記の弾性予圧要素は、一つのスプリング要素から成り、該スプリング要素の両端を上記一対の軸受の各外輪に係止させて軸線方向に上記の軸受ハウジング内に装着された構成としたリアクションホイールが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のリアクションホイールは、内蔵しているフライホイールの回転を支持する軸受要素が、必要とする予圧付与のために好ましくは1つのスプリング要素から成る弾性予圧要素だけを用い、所定量の予め選定、決定した予圧力を付与した後に固定手段、好ましくは接着材によって軸受要素の内外輪を軸受ハウジングや回転軸に対して固定一体化させ、弾性予圧要素からの予圧効果を定位置予圧効果として保つこととなり、その時点で弾性予圧要素自体も静止要素化してしまうので、軸受要素は、回転剛性を維持しつつ外部からの振動力が同軸受要素へ伝達、印加されても回転軸の回転を安定して支承し、  延いてはフライホイールの回転を安定、保持することが可能であることから、従来の軸受に対する予圧付与装置の構成、配設に比較して確実に部品点数の削減とそれに伴う軽量化や冶具等を不要のままの組立てを遂行し得るので加工コストの低減をも実現するという利点がある。
【００１７】
しかも軸受要素は、回転軸やフライホイールの回転を安定して支承することからリアクションホイールの機能上の性能を高度に保つことができるから、リアクションホイールを介して遂行される超小型衛星及び小型衛星等の飛翔構体の能動姿勢制御を長期間に亘って達成し得る利点を供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明に係るリアクションホイールの実施形態の一例を示した回転軸の軸心を含む面で断面した縦断面図である。
【図２】図２は、本発明によるリアクションホイールにおける図１に示した軸受要素等の構成をより詳示するための部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を添付図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
さて、本発明のリアクションホイールの実施の一形態における全体的構成を明示した図１を参照すると、本実施形態に係るリアクションホイール１０は、円筒型の構体として形成されており、台座１２として設けられた円形体要素を備え、同台座１２の円形体要素は、上面にリアクションホイール１０の枢要部を搭載した円板部１２aの円形周縁に図１では下垂した円環状のスカート部１２bを備え、この台座１２の円板部１２aの上方空間１６aを被覆して当該円板部１２aに周縁にねじ止めによって取着された外ハウジング１４aと、上記スカート部１２bの下面を覆って下方空間１６bを形成した底蓋板１４bとによって上下空間１６a、１６bを閉塞領域として形成している。
【００２０】
そして、台座１２の円板部１２aにおける中央域には、凹所 １６cを囲繞して環状隆起部１２cが、後述する軸受要素を囲繞して設けられる軸受ハウジング１８におけるフランジ部１８aを着座させるための環状着座面１２dを供している。また、上記軸受ハウジング１８はフランジ部１８aと、そのフランジ部１８aから立設された円筒状のハウジング壁１８bとを有し、該円筒状のハウジング壁１８bの内側には、軸受要素２０を成す諸要素と当該軸受要素２０によって回転可能に支承された回転軸２６が格納されている。
【００２１】
これらの軸受要素２０を成す諸要素は、上記回転軸２６の回転軸心２８に沿う軸心方向に予め設計された距離だけ隔てて設けられた一対の軸受２０aと２０bとが設けられ、本実施形態では、上側の軸受２０aと下側の軸受２０bとして図示から自明の転動ボールを有して設けられている。そして、一対の軸受２０a、２０bとの間には後述において詳述する弾性予圧手段を成すスプリング要素２４が所定の弾性力による予圧力付与を印加することができるように配設されている。このスプリング要素２４は、典型的にはコイル状のバネ部材として設けられ、その両端２４a、２４bは、既述の軸受ハウジング１８の円筒ハウジング壁１８bの内側で上軸受２０a、下軸受２０bの各外輪２２a、２２cに係合して両外輪２２a、２２cを回転軸２６の軸心方向における外向きにバネ力を付与する構成と成っている。  
【００２２】
さて、軸受要素２０における上下の両軸受２０a、２０bは、回転軸２６の回転支承用に設けられているが、両軸受２０a、２０bの各内輪２２b、２２dは、回転軸２６の上下所定の設計位置に設けた軸受着座部２６a、２６bに嵌合、着座する形態で設けられ、故に各内輪２２b、２２dの各内径と軸受着座部２６a、２６bの外周面とは相互に密着、嵌合するように形成されていることは、従来からの軸と軸受との関係の場合と同様である。
【００２３】
上記回転軸２６の図１における上方域の所定部分２６cには回転慣性体としてのフライホイールを形成するための諸要素が取着されており、まず、環状腕３０がその横桁部３０aにおける中央部に形成された円筒孔３０bを上記回転軸２６の所定部２６cに嵌合させ、かつ適宜の止着部材、例えば図示例の楔部材３1によって固定的に取着されている。  この横桁部３０aの端部から図1における下方斜めに傾斜して延設された張出し腕３０cは空間１６a内で外側に向けて延長して最外端に円環状のホイール保持部３０dを備え、このホイール保持部３０dによってフライホイール体３６を、取り付けねじ３８等を利用して固定的に保持している。また、ホイール保持部３０dの所定位置には永久磁石３０eが取着され、上記フライホイール体３６自体がリターンパスとしての磁路をも兼ねることで、前記台座１２の上面から立設されたモータ機構のステータ４０と電気的に協働してフライホイール体３６の回転を誘起、駆動する回転駆動源を構成しているのである。また、上記ステータ４０にはフライホイール体３６の回転検出をするためのセンサー４０aが具備されている。
【００２４】
ここで、既述した下方空間１６bには、制御基板４４が台座１２にねじ手段等の適宜の取着手段を介して取着、保持されており、同制御基板４４は、図１には詳示されていないが、インターフェース回路、モータ電流制御回路及びモータ駆動回路を備えて構成され、リアクションホイール１０の外部から例えば底蓋板１４bに取付けた電気コネクタ等の電気的部材４２を介し、上記制御基板４４のインターフェース回路を経由してモータ機構への電源電圧、トルク指令値等が供給される。このとき、制御基板４４側は、そのトルク指令値に従った電流をモータ機構に上記モータ駆動回路から供給し、モータ機構側で検知されたモータ電流は上記モータ電流制御回路にフィードバックされて当該モータ電流制御回路のＰＷＭ回路でトルク指令値と比較することによりモータ電流を制御する構成を有している。すなわち、適宜の回転駆動電流を発生させてフライホイール体３６を加速又は減速することによってリアクショントルクを発生させるものである。フライホイール体３６の回転検出をするためのセンサー４０aによる回転検出々力は、上記インターフェース回路を経由してモニター用に使用され、更には回転速度の制御用にも使用される。
【００２５】
ここで図１と共に図２をも参照すると、本発明によるリアクションホイール１０の構成上の特徴として、上述した諸構成要素における軸受要素２０においては、回転駆動源からの回転駆動に従ってフライホイール体３６が回転軸２６と共に一体に回転する際に同回転軸２６の回転を円滑、安定的に支承すべく回転軸２６の例示的に示した二位置に離間して設けた一対の軸受２０a、２０bに適正な予圧力を付与する構成として、極めて新規かつユニークな構成を設けている。  つまり、軸受ハウジング１８の内部に軸受要素２０を組立てる過程で、回転軸２６に二つの軸受２０a、２０bを所定の上下所定位置２６a、２６bに取り付け、このときに両軸受２０a、２０bの軸方向に形成され、回転軸２６の周囲に環状を成して形成された中間域１６dの内部に軸受ハウジング１０の円筒内面に沿って予め設計段階で設定した必要な弾性予圧力を発揮し得るように弾性特性、つまりバネ特性を保持させたスプリング部材２４を装填し、同スプリング部材２４の両端２４a、２４bを前記両軸受２０a、２０bの各外輪２２a、２２cに当接させることにより上下の軸受２０a、２０bの軸方向のスキマを零にするようにそれら軸受２０a、２０bの各外輪２２a、２２cに対して与圧を付与するもので、これによって弾性与圧要素が形成されているのである。  かくして軸受要素２０が回転時において所望の回転剛性を確保し得ることとなる。しかも、この時点で、本実施形態では、回転軸２６の軸方向に離設された所定の二位置２６a、２６bにおける軸外周部分に嵌合、取着された両軸受２０a、２０bにおける各内輪２２b、２２dをまず先行して固定手段を成す接着材５０の塗布工程によって接着、固定し、次に上述した予圧力付与の工程を実施する構成を採る。なお、この接着材５０としては、市販入手可能なエポキシ系の接着強度の高い所定の接着素材を選定、使用することがリアクションホイール関連技術分野においては所望される。勿論、接着力の強度条件等を満たすものであれば、例えば他の合成系等の接着材を適宜に選定して用いる構成をも採り得ることは言うまでもない。更に、固定手段を成す接着材５０の塗布工程においては、所望に応じて、軸外周部分と各軸受内輪２２b、２２dとの嵌着域に所定の圧力で接着材５０を注入する方法、或いは予め軸外周部に接着材の封入溝を設ける等の諸方法が採り得ることは言うまでもない。
【００２６】
更に、本発明の特徴的な構成として、上述のように一旦、軸受要素２０に対して回転軸２６に両軸受２０a、２０bにおける両内輪２２c、２２dを接着固定してから予圧付与を完成した時点で、両軸受２０a、２０bの両外輪２２a、２２cは予圧力を付加された状態を維持しながら上記の内輪２２b、２２dと同様にして固定手段としての接着材５０で固定し、この結果として軸受要素２０の両軸受２０a、２０bには、定位置予圧付与状態が確立するのである。  この時点に達すると、予圧付与手段としてのスプリング部材２４は、その機能的役目は実質的に終了する。然しながら、該スプリング部材２４自体は、永久的に軸受要素２０の構成要素として内在、設置されたまま保持されることは言うまでもない。
【００２７】
以上に記載した本発明に係るリアクションホイールの実施形態の説明から明らかなように、本発明の構成によれば、軸受要素の予圧付与に当たって、スプリン要素、それも典型的にはコイルスプリングに依って構成される弾性手段を用いて予圧力を設定し、このとき該コイルスプリングには予め設計、設定したバネ特性によって軸受要素に最適値によって設定し、しかも軸受要素を構成する二つの軸受の内外輪を軸受ハウジングの高精度に加工した円筒内面と回転軸の同じく高精度に形成した軸受取着位置の外径面とに所定の組立て順序に従って何らの特殊な冶具類を使用すること無く接着・固定する構成としたから、回転軸、フライホイール等の回転を軸受ハウジング内周面、回転軸の外周面の加工精度を各軸受の内外輪径に応じて高度化するのみで安定した定位置予圧で軸受要素の回転支持機能を高剛性の下に奏しめることができ、衛星構体にリアクションホイールが組み込まれて打ち上げされる場合等の激しい振動下や衝撃下において高度の耐性を発揮し得る。その上、リアクションホイールを構成するフライホイールや回転軸等の回転要素類の相互アラインメントの高精度化を達成しるから同リアクションホイールの本質的機能である姿勢制御機能の高精度化を達成し得る。
【００２８】
更に、リアクションホイールに必須の軸受要素の加工工数や組立て工数の可及的な低減を果たし、従来の予圧付与装置類に対比して部品点数の削減を確実に果たした予圧付与手段化を実現して、加工上の観点から軸受要素のみならず、究極的に全体装置としてのリアクションホイールのコスト低減を達成し得る効果を奏するのである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によるリアクションホイールに組み込まれる回転支持要素としての軸受要素に対する低コストの予圧付与手段は、高精度の回転支持が必須な各種の回転構造体に組み込み応用して効果的に利用することができ、また、リアクションホイール自体は、小型衛星、超小型衛星等を始めとする衛星構体等に組み込んでその能動的姿勢制御要素として低コストに利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０  リアクションホイール
１２  台座
１２a  円板部
１４a  外ハウジング
１６d  中間域
１８  軸受ハウジング
２０  軸受要素
２０a、２０b   軸受
２２a、２２ｃ  軸受外輪
２２b、２２d   軸受内輪
２４  スプリング要素
２６  回転軸
２６a、２６b  回転軸の軸方向二位置
３０  環状腕
３０e  永久磁石
３６  フライホイール体
４０  ステータ
４４  制御基板
５０  固定手段を成す接着材
【図１】
2014105752.tif 000003
【図２】
2014105752.tif 000004