(57)【要約】軸を有するスラット（２０６）と、スラット（２０６）に配置された複数のマイクロホイール（２０４）であって、各マイクロホイール（２０４）は第１のステータウェーハ（２０８）と、第２のステータウェーハ（２１０）と、第１および第２のステータウェーハの間に配置されたロータウェーハ（２１２）とを有し、第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）はロータウェーハ（２１２）をスピンさせる構成とされる複数のマイクロホイール（２０４）と、スラット（２０６）に接続されかつスラット（２０６）を少なくとも部分的に軸中心に回転させる構成とされるアクチュエータ（１０４）とを含むビークル制御システム（２００）が提供される。
2008519352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（２７０）を有するスラット（２０６）と、
前記スラット（２０６）に配置され、各マイクロホイール（２０４）は第１のステータウェーハ（２０８）と、第２のステータウェーハ（２１０）と、前記第１および第２ステータウェーハの間に配置されたロータウェーハ（２１２）とを有し、前記第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）はロータウェーハ（２１２）をスピンさせる構成とされる、複数のマイクロホイール（２０４）と、
前記スラット（２０６）に接続されかつ前記スラット（２０６）を少なくとも部分的に前記軸（２０７）中心に回転させる構成とされるアクチュエータ（１０４）と、
を備えるビークル制御システム（２００）。
【請求項２】
各前記第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）は空洞（２５０、２５２）を画定する内側表面（２１８、２２０）を有し、前記ロータウェーハ（２１２）は前記空洞（２５０、２５２）内に配置される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項３】
前記第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）は前記ロータウェーハ（２１２）を磁気的に浮揚かつスピンさせるよう構成される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項４】
前記第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）は前記ロータウェーハ（２１２）を電磁的に浮揚かつスピンさせるよう構成される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項５】
各前記第１および第２のステータウェーハ（２０８、２１０）は前記ステータウェーハ内に埋め込まれた電気回路を有する、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項６】
前記ロータウェーハ（２１２）は第１の側部および第２の側部を有し、前記ロータ（２１２）は、前記第１の側部が前記第１のステータ（２０８）の底部に隣接しかつ前記第２の側部が前記第２のステータ（２１０）の上部に隣接するように前記ステータウェーハ（２０８、２１０）の間に配置され、前記第１のステータ（２０８）は第１の磁気極性を有し、前記第２のステータ（２１０）は第２の磁気極性を有し、前記ロータ第１の側部は前記第１の磁気極性と反対の磁気極性を有しかつ前記ロータ第２の側部は前記第２の磁気極性と反対の磁気極性を有する、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項７】
前記ステータウェーハ（２０８、２１０）は前記ロータウェーハ（２１２）を静電的に浮揚させかつスピンさせるよう構成される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項８】
前記スラット（２０６）は第１の縁（２５６ａ）および第２の縁（２５６ｂ）を有し、
前記アクチュエータ（１０４）はロッド（２５４）および作動機構（２５８）をさらに備え、前記ロッド（２５４）は前記第１および第２の縁（２５６ａ、２５６ｂ）と前記作動機構（２５８）とに接続される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【請求項９】
前記スラット（２０６）は第１の縁（２５６ａ）および第２の縁（２５６ｂ）を有し、
前記アクチュエータ（１０４）はコード（２６０）および作動機構（２５８）をさらに備え、前記コード（２６０）は前記第１および第２の縁（２５６ａ、２５６ｂ）と前記作動機構（２５８）とに接続される、請求項１に記載のビークル制御システム（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスペースクラフトに関し、より具体的には、ビークル用およびスペースクラフトの姿勢および／または運動量制御用のシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星等、スペースクラフトは、一般的に、制御用慣性モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）および反動輪アセンブリ（ＲＷＡ）等の姿勢および／または運動量制御システムを使用して、ポジションニングおよび回転を行う。ＣＭＧは、スピニングロータがロータスピン軸に垂直な軸中心に小さめのトルクで回転時に第１の軸に沿って比較的に大きなトルクを生成することによって作動する。したがって、ＣＭＧの組合せ（通常１アレイに３基以上）を不一致搭載面に配置することにより、様々な組合せを使用して、トルクを回転のいずれの所望の方向にも適用することが可能とされる。ＣＭＧは、スペースクラフト急速旋回操縦等、大きなおよび／または急速な運動、もしくは高慣性装置を高精度で移動させることが必要とされる場合に最も一般的に使用される。対照的に、ＲＷＡはロータが早めもしくは弛めにスピンされる際に比較的に小さいトルクをスピン軸沿いに加えるスピニングロータを含む。ＲＷＡは、幾つかの反動輪（通常１アレイに３基以上）を整合配置可能とされ、それによっていずれかの方向に回転を生じさせる。ＲＷＡは通常、地球上の地域もしくは目標を視認するために作動する、スペースクラフト内のセンサ、または探査装置等、小型カメラまたはレーダーアンテナ等の走査方向の制御等、小さめの運動が必要とされる場合に使用される。ＲＷＡはまた、小さな外部的に加えられたトルクの長期間に亘る作用により累積された運動量を蓄えるためにも使用される。
【０００３】
従来のＣＭＧおよびＲＷＡは多くのスペースクラフトで良好に作動するが、両者とも例えば重量が１５０ｋｇを下回るスペースクラフト等、小型スペースクラフト内に配置されたときに作動効率が劣ることが判明している。大きなペイロードを送るために益々多用される小型スペースクラフトは、スペースクラフト構成要素のためのスペースが限定され、したがってスペースクラフト内で使用されるＣＭＧおよびＲＷＡはより小型のものとされる。しかし、小寸法のＣＭＧおよびＲＷＡは、ペイロードを所望の敏捷性により移動させるために好ましい十分なトルクを与えない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、大きなペイロードを移動させるために十分な量のトルクを与えることが可能な姿勢および／または運動量制御システムを有することが望ましい。さらに、姿勢および／または運動量制御システムは小型スペースクラフト内に具備可能であることが望ましい。また、本発明の他の望ましい特徴は、添付図面および発明の背景と併せて、以下の本発明の詳細な説明および付属の特許請求の範囲から明らかになろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
軸を有するスラットと、スラットに配置された複数のマイクロホイールであって、各マイクロホイールは第１のステータウェーハと、第２のステータウェーハと、その間に配置されたロータウェーハとを有し、第１および第２ステータウェーハはロータウェーハをスピンさせる構成とされる複数のマイクロホイールと、スラットに接続されかつスラットを少なくとも部分的に軸中心に回転させる構成とされるアクチュエータとを含む姿勢制御システムが提供される。
【０００６】
別の実施形態においては、姿勢制御システムは、それぞれ軸を有する複数のスラットと、スラットに配置された複数のマイクロホイールであって、各マイクロホイールは第１のステータウェーハと、第２のステータウェーハと、その間に配置されたロータウェーハとを有し、第１および第２ステータウェーハはロータウェーハを浮揚かつスピンさせる構成とされる複数のマイクロホイールと、複数のスラットに接続されかつ複数のスラットのスラットそれぞれを各軸中心に回転させる構成とされるアクチュエータとを含む。
【０００７】
さらに別の実施形態においては、ハウジングと、ハウジング内に配置された複数のスラットと、スラットのそれぞれに配置された複数のマイクロホイールであって、各マイクロホイールは第１のステータウェーハと、第２のステータウェーハと、その間に配置されたロータウェーハとを有し、第１および第２ステータウェーハはロータウェーハをスピンさせる構成とされる複数のマイクロホイールと、複数のスラットに接続されたアクチュエータとを含むビークルが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を以下に図面とともに説明し、図面において類似の符号は類似する要素を示す。
本発明に関する以下の説明は例示的なものにすぎず、本発明、あるいは本発明の応用および使用法を限定するものではない。さらに、前述の発明の背景で示したいずれの理論あるいは本発明に関する以下の詳細な説明にも拘束されるものではない。本発明はマイクロサテライトにおいて具現化されると記述されるが、本発明は、航空機、船舶、および車輌を含み、これらに限らず多数のタイプの運搬体に使用可能とされる。
【０００９】
図１は、マイクロサテライト等の例示的ビークル１００を示し、同ビークル内に配置されたハウジング１０２、パワーサブシステム１０４、およびビークル制御システム２００を含む。ハウジング１０２は、ビークル１００が宇宙空間および／または軌道に発射されたときに同ビークルが受ける潜在的に極端な温度および圧力変化に耐える構成とされる。ハウジング１０２は多数のタイプの適切な材料のいずれか１つによりかつ多数の適切な寸法および形状のいずれか１つにより構築可能なことが理解されよう。
【００１０】
パワーサブシステム１０４は、電源１０６および蓄電器１０８を含む。電源１０６は、例えば、太陽電池パネル等、電力を供給する多数のタイプの適切な装置のいずれか１つを使用して実施することが可能とされる。蓄電器１０８は、電源１０６に接続され、電源から受けた電力を蓄積する。電源１０６および蓄電器１０８の一方または双方はビークル制御システム２００に接続され、これに給電する構成とされる。蓄電器１０８は、バッテリ、キャパシタ、その他適切な装置とすることが可能とされる。
【００１１】
ビークル制御システム２００は、ビークル１００の３軸姿勢制御および／または運動量制御を行う構成とされる。図２を参照すると、ビークル制御システム２００は、複数のスラット２０６、アクチュエータ２０８、および複数のマイクロホイール２０４を含む。複数のスラット２０６は、ビークル１００内に多数の態様のいずれか１つにより配置可能とされる。１つの例示的実施形態においては、複数のスラット２０６はビークル１００の壁に取り付けられる。図２に示す別の例示的実施形態においては、複数のスラット２０６はスラットハウジング２０２内に配置され、該スラットハウジングは、相互に対向し多数の適切な形状および／または寸法のいずれか１つによる少なくとも２つの壁２１０、２１２を含む。例えば、壁２１０、２１２は少なくとも一部を湾曲もしくは実質的に平坦とすることが可能とされる。一例においては、２つの壁２１０、２１２はビークルハウジング１０２の形状に合う構成とされる。別の例示的実施形態においては、壁２１０、２１２はビークルハウジング１０２に結合する構成とされる。
【００１２】
ここには３枚のスラット２０６が図示されているが、使用するスラット数はそれより多くも少なくもできることが理解されよう。さらに、各スラット２０６は実質的に同じ長さに示されているが、個々のスラット２０６の長さを違えることも可能とされる。スラット２０６はそれぞれ相互に実質的に平行とされ、それぞれ複数のマイクロホイール２０４が結合される面を与える構成とされる。１つの例示的実施形態においては、スラット２０６はマイクロホイール２０４に電気を伝達するようにも構成される。したがって、スラット２０６は多数の適切な材料のいずれか１つにより製作可能とされる。１つの例示的実施形態においては、スラット２０６は回路板材料により製作される。別の例示的実施形態においては、スラット２０６はこれに接続されかつ電源１０８をマイクロホイール２０４に電気的に接続する電気回路を含む。
【００１３】
アクチュエータ２０８は、複数のスラット２０６に接続されかつスラット２０６を傾斜させる構成とされ、それによって、各スラット２０６をこの実施形態では長軸２７０として示すそれぞれの軸中心に回転させる。アクチュエータ２０８の構成は、無数にある構成のいずれか１つとすることが可能とされる。例えば、アクチュエータは電気付勢、空気圧付勢、液圧付勢、あるいは手動付勢とすることが可能とされる。図２に示すような、１つの例示的実施形態においては、アクチュエータ２０８はロッド２５４および作動機構２５８を含む。ロッド２５４は、スラット２０６および作動機構２５８に結合される。これらの構成要素はそれぞれ無数にある従来の方式のいずれか１つにより相互に結合可能とされることが理解されよう。例えば、１つの実施形態においては、各スラット２０６はロッド２５４と結合する長手方向縁２５６ａ、２５６ｂを有する。作動機構２５８が作動したときに、ロッド２５４によってスラット２０６の縁２５６ａ、２５６ｂが上下に傾けられる。作動機構２５８はロッド２５４を動かすことが可能な多数の装置のいずれか１つとすることが可能とされ、かつ、例えば、電気付勢、液圧付勢、空気圧付勢、あるいは手動付勢等、多数の方法のいずれか１つにより付勢される構成とすることが可能とされる。
【００１４】
別の例示的実施形態においては、アクチュエータ２０８は、ロッドに代えて、あるいはロッドと併用してコード２６０を含む。ロッドと同様に、コード２６０はスラット長手方向縁２５６ａ、２５６ｂおよび作動機構２５８に結合可能とされる。他の実施形態においては、各スラット２０６は長手方向縁２５６ａ、２５６ｂ近傍に形成された開口２６２ａ、２６２ｂ、２６２ｃを含み、それによって、スラット２０６が適切に位置決めされたときに、開口２６２ａ、２６２ｂ、２６２ｃは相互に整合される。コード２６０は次いで開口２６２ａ、２６２ｂ、２６２ｃに挿通され、各スラット２０６を支持する構成とされる。作動機構２５８は、付勢時に、コード２６０を引き、スラット２０６を回転させる構成とされる。複数のロッド２５４および／またはコード２６０をスラット２０６に結合すること、ならびに追加のロッド２５４および／またはコード２６０をスラット２０６の同じ長手方向縁２５６ａ、２５６ｂまたは別の縁に結合することが可能とされることが理解されよう。
【００１５】
図３は、複数のスラット２０６の１つの断面を示す。スラット２０６には、複数のマイクロホイール２０４の１つと、電子回路２４８とが配置される。ここには３つのマイクロホイール２０４を示すが、マイクロホイールはそれより少なくも多くも使用可能なことが理解されよう。各マイクロホイール２０４は、寸法を実質的に等しく、直径を約１インチ（約２．５４ｃｍ）と約６インチ（約１５．２４ｃｍ）の間とするのが好ましく、約２インチ（約５．０８ｃｍ）径が最も好ましい。しかし、マイクロホイール２０４は、ビークル１００全体の寸法および構成次第によって、より小型にも大型にもすることが可能とされる。マイクロホイール２０４の寸法が小さい方の場合には、マイクロホイール２０４をより多く使用するのが好ましいことが理解されよう。各マイクロホイール２０４は、第１のステータウェーハ２０８と、第２のステータウェーハ２１０と、その間に配置されたロータウェーハ２１２とを含む。第１および第２ステータウェーハ２０８、２１０はロータウェーハ２１２を回転させる構成とされる。多数の適切な構成のいずれか１つを使用してこの機能性を実現することが可能とされる。
【００１６】
第１および第２のステータウェーハ２０８、２１０は、例えば、電磁式、磁気式、静電式、もしくは機械式等、多数の方式のいずれか１つにより作動してロータウェーハ２１２をスピンさせる構成とすることが可能とされる。一例においては、第１および第２のステータウェーハ２０８、２１０は各外側表面２１４、２１６、内側表面２１８、２２０、電磁コイル２２４、２２６、および電子部品２２８、２３０を有する。第１および第２のステータウェーハ２０８、２１０はシリコンから形成されるが、他にいずれか適切な材料を使用することも可能とされることが理解されよう。さらに、ステータウェーハ２０８、２１０は、その間にロータウェーハ２１２を収容する多数の形状のいずれか１つの形状とすることが可能とされる。１つの例示的実施形態においては、内側表面２１８、２２０は相互に離間され、それによって空洞２５０、２５２を画定し、同空洞内にロータウェーハ２１２が配置される。
【００１７】
電磁コイル２２４、２２６は、付勢により、第１のステータウェーハ２０６および第２のステータウェーハ２０８それぞれの前後に磁界を生成する構成とされ、第１および第２のステータウェーハ２０６、２０８それぞれの内側表面２１６、２１８に接続されることが好ましい。多数の適切な材料のいずれか１つから形成された多数のタイプの電磁コイル２２４、２２６のいずれか１つを使用することが可能とされる。例えば、電磁コイル２２４、２２６は、銅リング等にワイヤコイルを巻回した導電材とすることが可能とされる。電子部品２２８、２３０は電磁コイル２２４、２２６それぞれに接続され、電磁コイル２２４、２２６に給電する構成とされる。電子部品２２８、２３０は、電磁コイル２２４、２２６に給電可能な従来のいずれかの回路構成とすることが可能とされる。１つの例示的実施形態においては、マルチチップモジュール材（ＭＣＭ）が具備される。具備の仕方はどうあれ、電子部品２２８、２３０は第１のステータウェーハ２０６および第２のステータウェーハ２０８それぞれに付属し、それぞれに電気的インタフェース２３２、２３４を含み、該インタフェースはマイクロホイール２０４がチューブ２０２内の電気的接続部に電気的に接続することを可能とする構成とされ、それに関しては以下にさらに詳細に説明する。
【００１８】
簡単には上述の通り、ロータウェーハ２１２は第１および第２のステータウェーハ２０６、２０８の間で多数の方式のいずれか１つによりスピンする構成とされる。１つの例示的実施形態においては、ロータウェーハ２１２は上下のステータウェーハ２０６、２０８の間で、例えば、磁気式、もしくは電磁式、または他の関連する方法によって浮揚し、かつ上部表面２３６、下部表面２３８、および上下磁石２４０、２４２を含む。上部磁石２４０はロータウェーハ上部表面２３６に接続され、下部磁石２４２はロータウェーハ下部表面２３８に接続される。磁石２４０、２４２としては多数の磁性材料のいずれか１つを使用可能とされるが、一実施形態においては、パーマロイから形成された永久磁石が使用される。別の例示的実施形態においては、ロータウェーハ２１２はステータウェーハ２０６、２０８の間で機械的にスピンする構成とされ、ベアリング、もしくは他の機械的装置が磁石に代えて使用される。ロータウェーハ２１２は、シリコン等、いずれか適切な材料により形成可能とされる。
【００１９】
他に、２００３年３月１８日付にてＨｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｃ．に対して発行された米国特許第６,５３４,８８７号「マイクロホイール」等で開示されたマイクロホイール構成も使用可能とされることが理解されよう。同特許の全文をここに援用する。
【００２０】
電子回路２４８は、マイクロホイール２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃに電流を伝える構成とされ、従来の構成のいずれかを使用して実施可能とされる。一例においては、電子回路２４８はロッド２５４もしくはコード２６０によりかつスラット２０６の長さに沿って延在する複数のワイヤとされる。該ワイヤは、電気的インタフェース２３２、２３４に電気的に接続可能な構成とされ、スラット２０６に埋込み可能とされる。電子回路２４８は、パワーサブシステム１０４に電気的に接続されかつ同システムから電力を受ける入力端２６６を含む。１つの例示的実施形態においては、電子回路２４８はスラット２０６に接続されたワイヤラップもしくはスリップリングとされる。
【００２１】
パワーサブシステム１０４が電子回路２４８に給電時に、回路２４８は電力を電子部品２２８、２３０に伝達し、同電子部品は電力をマイクロホイール２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃに伝達する。図３に示す実施形態においては、電力は電磁コイル２２４、２２６に伝達されてロータウェーハ２１２を含む磁界を生成し、それによってロータウェーハ２１２は上下のステータウェーハ２０８、２１０の間で浮揚しかつスピンする。ロータウェーハ２１２がスピンする速度はワイヤ２４８を流れる電流の量を変えることによって制御可能とされる。ロータウェーハ２１２のスピンにより、マイクロホイール２０４はフライホイールとして作用することが可能となる。マイクロホイールの１つのみが回転するときは、それによって生じる運動量は小さいが、３つのマイクロホイール２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ全てが同方向に回転するときにはビークル制御システム２００の運動量は３倍にされる。したがって、さらに多数のマイクロホイール２０４をビークル制御システム２００で使用時には、大きな運動量が生成される。この運動量は次いでスラット１０６を操作しかつスラット１０６を１つのポジションから別のポジションに傾斜させることによって制御可能とされる。したがって、スラット１０６が即時可動とされたときに、アクチュエータ１０４が作動してビークル１００の姿勢および／または運動量を３軸全てで制御する。
【００２２】
以上、少なくとも１つの例示的実施形態を本発明の詳細な説明として呈示したが、膨大な数の変形が存在することを理解されたい。また、例示的実施形態は例にすぎず、本発明の保護範囲、適用性、あるいは構成を限定するものでもないことを理解されたい。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に本発明の例示的実施形態を具現化するのに好都合なロードマップを与えるであろう。例示的実施形態において記述した構成要素の機能および配置は、様々に変更可能とされるが、もとよりそれらは付属の特許請求の範囲に示す本発明の保護範囲内に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】マイクロサテライト等、例示的ビークルの簡略図である。
【図２】図１の例示的ビークルにおいて使用可能とされる例示的姿勢制御装置の図である。
【図３】図２の例示的姿勢制御装置において使用可能とされるスラットの図である。
【図１】
2008519352.tif 000003
【図２】
2008519352.tif 000004
【図３】
2008519352.tif 000005
【国際調査報告】
2008519352.tif 000006
2008519352.tif 000007