(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電容器と、この放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、このガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記放電容器内にプラズマを生成する手段と、前記プラズマ中のイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出すための複数のグリッド板からなる加速電極と、前記各グリッド板を支持する複数の電極支持機構とを備えたイオンエンジンにおいて、
前記電極支持機構は、前記放電容器の軸心線と直交する方向の変位増加に対してバネ定数が段階的に増加する非線形バネ機構を具備し、
前記非線形バネ機構は、前記放電容器の軸心線とほぼ平行に延び、先端側が前記グリッド板に連結されると共に基端側が中間支持機構に直接または絶縁物を介して固定された第１のバネ部材と、基端側が前記中間支持機構または前記第１のバネ部材の基端側に直接または絶縁物を介して固定されると共に先端側が遊端状態で前記第１のバネ部材を取り囲むように配置された筒状の第２のバネ部材とで構成されていることを特徴とするイオンエンジン。
【請求項２】
前記第２のバネ部材は、軸方向に延びる切り込みを周方向に少なくとも１個備えていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項３】
前記第２のバネ部材は、前記第１のバネ部材の先端部に近づくにしたがって内径が変化する形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項４】
前記第１のバネ部材と前記第２のバネ部材との間に、さらに衝撃緩衝材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【請求項５】
前記非線形バネ機構が前記中間支持機構と前記第１のバネ部材との間に衝撃緩衝部材を配置することによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のイオンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星等の宇宙構造物に搭載されるイオンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンエンジンは、人工衛星等の宇宙構造物の軌道制御、南北位置保持、主推進等に用いられている。このようなイオンエンジンのうち電子衝撃型イオンエンジンの主要部は、通常、図７に示すように構成されている。
【０００３】
すなわち、図中１は円筒状に形成された金属材製のシールドケースを示している。このシールドケース１の周壁には小孔２が多数形成されている。
【０００４】
シールドケース１内には磁性材で壁面を構成した放電容器３が同心的に配置されている。この放電容器３の開口部は、２枚の孔開き電極板（グリッド板）によって形成された加速電極４によって蓋されている。加速電極４には、それぞれ複数のイオンビーム通過孔５が同軸的に形成されている。
【０００５】
放電容器３の底壁中央部には小径の開口部６が形成されており、この開口部６は筒体７を介してガス導入系８に通じている。そして、筒体７内には主陰極となるホローカソード９が配置されている。また、放電容器３の内壁面にはＮ極とＳ極とを交互に内側に位置させるように環状の磁石１０が複数固定されている。
【０００６】
このイオンエンジンでは、ホローカソード９に対して放電容器３が陽極電位に保たれる。この状態で推進剤、例えばＸｅ（キセノン）ガスがガス導入系８からホローカソード９内を通って放電容器３内に導入されると、ホローカソード９と放電容器３との間に放電が生起され、ホローカソード９から放出された電子が加速される。この電子が放電容器３内のＸｅガスに衝突し、電離プラズマが生成される。この電離プラズマは、磁石１０の作るカスプ磁場によって放電容器３の内周面から離れた領域に閉じ込められる。
【０００７】
加速電極４は電離プラズマからＸｅの陽イオンを引き出し、１ｋｅＶ程度の運動エネルギを与えてイオンビーム通過孔５から宇宙空間に放出する。この放出に伴う反力が推力となる。中和器１１は放出されたＸｅの陽イオンビームと電気的に同じ量の電子を宇宙空間に放出して中和し、人工衛星等の宇宙構造物が帯電するのを防止する。
【０００８】
ところで、このように構成されたイオンエンジンの性能は、加速電極４の寸法精度に強く依存している。加速電極４は放電容器３側から順にスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとで構成され、径方向の熱膨張を吸収するための電極支持機構１２ａ、１２ｂによって周縁部がそれぞれ複数箇所に亘って支持されている。スクリーングリッド４ａ及び加速グリッド４ｂには、熱膨張が起きてもなお両者間に０．７ｍｍ程度のグリッド間隔を保つように曲率がつけられている。電位的にはスクリーングリッド４ａが１ｋＶ程度で、加速グリッド４ｂが−３００Ｖ程度である。
【０００９】
電極支持機構１２ａは、スクリーングリッド４ａの周縁部に沿って一定の間隔をあけて複数箇所で支持するように複数設けられている。同様に、電極支持機構１２ｂも加速グリッド４ｂの周縁部に沿い、かつ電極支持機構１２ａ間において複数箇所で支持するように複数設けられている。
【００１０】
各電極支持機構１２ａ、１２ｂは、図８に示すように、先端側２１ａ、２１ｂがそれぞれスクリーングリッド４ａおよび加速グリッド４ｂに連結されるとともに基端側２２ａ、２２ｂが放電容器３の軸心線とほぼ平行にそれぞれ延びたバネ部材２３ａ、２３ｂと、これらバネ部材２３ａ、２３ｂの基端側２２ａ、２２ｂと放電容器３との間に設けられた中間支持機構２４ａ、２４ｂとで構成されている。なお、加速グリッド４ｂの電極支持機構１２ｂについては、バネ部材２３ｂと中間支持機構２４ｂとの間に絶縁スペーサ２５が設けられている。
【００１１】
しかしながら、上記のように構成されたイオンエンジンにあっては次のような問題があった。
【００１２】
すなわち、化学ロケットで宇宙空間に向けて打ち上げるときには、電極支持機構１２ａ、１２ｂの特にバネ部材２３ａ、２３ｂが大きく振動しようとする。この振動が原因でスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとが衝突して破損するすることは絶対に避けなければならない。このため、打ち上げ時の破損チェックとして、通常、加速度５〜２５Ｇ（周波数５〜２０００Ｈｚ）程度の正弦波振動試験が課せられている。
【００１３】
しかし、イオンエンジンを大型化しようとした場合、必然的に加速電極も大口径化するので、従来の電極支持機構を用いて加速電極の衝突破損を防止することは極めて困難であった。このため、優れた耐振動性を有した電極支持構造の出現が強く望まれているのが実状である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のイオンエンジンでは、耐振動上の問題から加速電極の大口径化に限界があった。
【００１５】
そこで本発明は、上述した従来の問題を解消でき、加速電極の大口径化に寄与できるイオンエンジンを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、放電容器と、この放電容器の内部に作動ガスを導入するガス導入系と、このガス導入系によって導かれた作動ガスを電離させて前記放電容器内にプラズマを生成する手段と、前記プラズマ中のイオンを取り出し、加速して前記放電容器の外部へ送り出すための複数のグリッド板からなる加速電極と、前記各グリッド板を支持する複数の電極支持機構とを備えたイオンエンジンにおいて、前記電極支持機構が、前記放電容器の軸心線と直交する方向の変位増加に対してバネ定数が段階的に増加する非線形バネ機構を備えていることを特徴としている。
【００１７】
ここで、前記非線形バネ機構は、前記放電容器の軸心線とほぼ平行に延び、先端側が前記グリッド板に連結されると共に基端側が中間支持機構に直接または絶縁物を介して固定された第１のバネ部材と、基端側が前記中間支持機構または前記第１のバネ部材の基端側に直接または絶縁物を介して固定されると共に先端側が遊端状態で前記第１のバネ部材を取り囲むように配置された筒状の第２のバネ部材とで構成される。
【００１８】
また、前記第２のバネ部材は、軸方向に延びる切り込みを周方向に少なくとも１個備えていてもよいし、前記第１のバネ部材の先端部に近づくにしたがって内径が変化する形状に形成されていてもよい。
【００１９】
さらに、前記第１のバネ部材と前記第２のバネ部材との間に衝撃緩衝材が配置されていてもよい。
【００２０】
このように、本発明に係るイオンエンジンでは、非線形バネ機構でグリッド板を支持するようにしている。すなわち、この非線形バネ機構は、変位量の小さい領域では従来と同じバネ定数に、また変位量の大きい領域では従来より大きいバネ定数へと段階的に切り替わる。
【００２１】
したがって、グリッド板の径方向への熱膨張分は変位量の小さい領域でのバネ定数、つまり従来と同じバネ定数で吸収され、この件に関して新たな問題は生じない。また、化学ロケット打ち上げ時（振動試験時）の径方向への大きな変位分は、変位量の大きい領域でのバネ定数、つまり従来より大きいバネ定数で吸収できるため、グリッド板の変位を互いに衝突しない範囲内に制限することが可能となる。この結果、耐振動性の向上を図れ、加速電極の大口径化に寄与できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら発明の実施形態を説明する。
【００２３】
図１には本発明の第一の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠した斜視図が示されている。なお、この図では図７と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００２４】
この実施形態に係るイオンエンジンが従来のものと異なる点は、電極支持機構３２ａ、３２ｂが非線形バネ支持方式を採用していることにある。
【００２５】
すなわち、電極支持機構３２ａ、３２ｂは、図２に示すように、先端側２１ａ、２１ｂがそれぞれスクリーングリッド４ａおよび加速グリッド４ｂに連結されるとともに基端側２２ａ、２２ｂが放電容器３の軸心線とほぼ平行にそれぞれ延びたバネ部材２３ａ、２３ｂと、これらバネ部材２３ａ、２３ｂの基端側２２ａ、２２ｂと放電容器３との間に設けられた中間支持機構２４ａ、２４ｂと、基端側がバネ部材２３ａ、２３ｂの基端側に固定されると共に先端側が遊端状態でバネ部材２３ａ、２３ｂを取り囲むように配置された筒状のバネ部材３３ａ、３３ｂとで構成されている。
【００２６】
ここで、バネ部材２３ａ、２３ｂと筒状のバネ部材３３ａ、３３ｂとの隙間はスクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂとが接触しても破損しない範囲内に設定されている。
【００２７】
このような構成であると、スクリーングリッド４ａと加速グリッド４ｂの径方向への熱膨張では変位量が小さいので、バネ部材２３ａ、２３ｂは筒状のバネ部材３３ａ、３３ｂには触れない。したがって、熱膨張分は従来と同じバネ定数で吸収される。
【００２８】
一方、化学ロケット打ち上げ時のように、径方向へ大きな変位が生じようとすると、バネ部材２３ａ、２３ｂが筒状のバネ部材３３ａ、３３ｂに触れて剛性が増加する。したがって、化学ロケット打ち上げ時の径方向変位分は従来より大きいバネ定数で吸収される。この構造で大きいバネ定数の値を小さいバネ定数の値の１０〜１００倍に上げることは容易である。したがって、加速度５〜２５Ｇ（周波数５〜２０００Ｈｚ）程度の正弦波振動試験に合格することは可能である。図３には本発明の第二の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部が示されている。
【００２９】
この図では図２と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３０】
この例に係る電極支持機構が図２に示す電極支持機構と異なる点は、バネ部材２３ａ（２３ｂ）を取り囲むように設けられる筒状のバネ部材３３ａ（３３ｂ）の構成にある。すなわち、バネ部材３３ａ（３３ｂ）は、軸方向に延びる切り込み３４を周方向に少なくとも１個設けたものとなっている。
【００３１】
このような構成であると、バネ部材３３ａ（３３ｂ）に若干の柔軟性を持たせることができるので、バネ部材２３ａ（２３ｂ）が接触するときの衝撃を吸収できる利点がある。
【００３２】
図４には本発明の第三の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部が示されている。
【００３３】
この図では図３と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３４】
この例に係る電極支持機構が図２及び図３に示す電極支持機構と異なる点は、バネ部材２３ａ（２３ｂ）を取り囲むように設けられる筒状のバネ部材４３ａ（４３ｂ）の構成にある。すなわち、バネ部材４３ａ（４３ｂ）は、バネ部材２３ａ（２３ｂ）の先端部２１ａ（２１ｂ）に近づくにしたがって内径が変化する形状に形成されている。
【００３５】
このように構成してもバネ部材２３ａ（２３ｂ）が接触するときの衝撃を吸収することができる。
【００３６】
図５には本発明の第四の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部が示されている。
【００３７】
この図では図２と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００３８】
この例に係る電極支持機構は、バネ部材２３ａ（２３ｂ）と筒状のバネ部材３３ａ（３３ｂ）との間に、柔らかい金属、ポリイミド系材料、シリコンゴム系材料等で形成された衝撃緩衝材４４ａ（４４ｂ）を介在させている。
【００３９】
このように構成してもよい。
【００４０】
図６には本発明の第五の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部が示されている。
【００４１】
この図では図２と同一機能部分が同一符号で示されている。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００４２】
この例に係る電極支持機構は、中間支持機構２４ａ、２４ｂの内周面に衝撃緩衝材５４ａ、５４ｂを取り付けている。
【００４３】
このような構成であると、筒状のバネ部材３３ａ、３３ｂを必要としない。
【００４４】
なお、上述した実施形態では推進剤としてＸｅガスを使用しているが、Ｘｅガスに限定されるものではない。また、ガス導入系として主陰極と中和器とを経由する２系統を採用しているが、この系統数に限定されるものではない。また、加速電極については２枚のグリッド板を軸方向バネで支持する方式を採用しているが、グリッドの枚数に限定されるものではない。また、上述した例では、筒状のバネ部材の基端側をバネ部材２３ａ（２３ｂ）の基端側に直接固定しているが、絶縁物を介して固定してもよいし、中間支持機構に直接または絶縁物を介して固定してもよい。また、上述した実施形態は本発明をカスプ磁場型のイオンエンジンに適用したものであるが、本発明はカスプ磁場型以外の電子衝撃型及び高周波型のイオンエンジンにも同様に適用できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐振動性を向上させることができ、加速電極の大口径化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係るイオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図２】同イオンエンジンに組み込まれた電極支持機構の断面図
【図３】本発明の第二の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部を示す斜視図
【図４】本発明の第三の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部を示す斜視図
【図５】本発明の第四の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部を示す斜視図
【図６】本発明の第五の実施形態に係るイオンエンジンにおける電極支持機構の要部を示す断面図
【図７】従来の電子衝撃型イオンエンジンを一部切欠して示す斜視図
【図８】（ａ）は同イオンエンジンに組み込まれた電極支持機構の断面図で、（ｂ）は同電極支持機構を（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿って矢印方向に見た図
【符号の説明】
１…シールドケース
３…放電容器
４…加速電極
４ａ…スクリーングリッド
４ｂ…加速グリッド
５…イオンビーム通過孔
８…ガス導入系
９…ホローカソード
１０…磁石
２３ａ、２３ｂ…バネ部材
２４ａ、２４ｂ…中間支持機構
２５…絶縁スペーサ
３２ａ、３２ｂ…電極支持機構
３３ａ  、３３ｂ、４３ａ、４３ｂ…筒状のバネ部材
３４…スリット
４４ａ、４４ｂ、５４ａ、５４ｂ…衝撃緩衝材
【図１】
0003586095.tif 000002
【図２】
0003586095.tif 000003
【図３】
0003586095.tif 000004
【図４】
0003586095.tif 000005
【図５】
0003586095.tif 000006
【図６】
0003586095.tif 000007
【図７】
0003586095.tif 000008
【図８】
0003586095.tif 000009