(57)【要約】【課題】回転体などに発生する任意の振動モードにおける振動をより確実に除去し、例えば宇宙空間などにおける高精度な実験環境を提供することを可能とした機器支持装置及び振動体を具備した機器支持装置を提供すること。【解決手段】振動体を支持する支持部材１１と、該支持部材の軸線を中心として外側に配置された第１環状部材２１と、支持部材と第１環状部材とを同一軸線上にて回動可能に連結する第１連結部材１２と、支持部材の軸線を中心として第１環状部材の外側に配置された第２環状部材２２と、第１環状部材と第２環状部材とを第１連結部材の軸線に直交する同一軸線上にて回動可能に連結する第２連結部材１３と、第１連結部材及び第２連結部材に設けられ、支持部材を第１環状部材を内在させる平面に対して直立状態に誘導するための回転力を与える基準位置復帰手段４０とを有した機器支持装置１０を構成した。【選択図】      図１
2004197764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体をなす機器を支持可能とした支持部材と、
該支持部材の軸線を中心として外側に配置された第１環状部材と、
前記支持部材と前記第１環状部材とを同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第１連結部材と、
前記支持部材の軸線を中心として前記第１環状部材の外側に配置された第２環状部材と、
前記第１環状部材と前記第２環状部材とを前記第１連結部材の軸線に直交する同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第２連結部材と、
前記各連結部材と前記各環状部材との連結部の少なくとも一方に設けられ、前記支持部材を前記第１環状部材が内在する平面に対して直立、又は前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、
を備えてなることを特徴とする機器支持装置。
【請求項２】
請求項１記載の機器支持装置において、
前記支持部材の軸線を中心として前記第２環状部材の外側に配置された第３環状部材と、
前記第２環状部材と前記第３環状部材とを前記第１連結部材又は前記第２連結部材の軸線に対して４５度方向とされた同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第３連結部材と、
前記支持部材の軸線を中心として前記第３環状部材の外側に配置された第４環状部材と、
前記第３環状部材と前記第４環状部材とを前記第３連結部材の軸線に直交する同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第４連結部材と、
前記各連結部材と前記各環状部材との連結部に設けられ、前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、
を備えてなることを特徴とする機器支持装置。
【請求項３】
請求項１記載の機器支持装置において、
前記支持部材の軸線を中心として前記第２環状部材の外側に配置された複数の環状部材と、
隣り合う前記各環状部材同士をそれぞれで異なる軸線にて回動可能に連結する複数の連結部材と、
前記各連結部材と前記各環状部材との連結部に設けられ、前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、
を備えてなることを特徴とする機器支持装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかは、バネであることを特徴とする機器支持装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかは、前記各連結部材の連結部の周囲に配設された弾性体であることを特徴とする機器支持装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかは、磁石であることを特徴とする機器支持装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段のすくなくともいずれかは、電磁石であることを特徴とする機器支持装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかは、磁気軸受であることを特徴とする機器支持装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかは、流体によって駆動するアクチュエータであることを特徴とする機器支持装置。
【請求項１０】
請求項７から請求項９のいずれか１項記載の機器支持装置において、
前記各連結部材には、前記各環状部材の揺動角度を検出する角度センサが設置されてなり、
前記基準位置復帰手段をなす前記電磁石、前記磁気軸受、前記アクチュエータは、前記角度センサの検出値に応じて回転力を出力することを特徴とする機器支持装置。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の機器支持装置において、
前記基準位置復帰手段には、前記各環状部材の変動を緩衝する磁石ダンパ又は電磁ダンパ又は流体ダンパが内蔵されてなることを特徴とする機器支持装置。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１記載の機器支持装置において、前記角度センサと、前記電磁石、前記磁気軸受、又は前記アクチュエータとの間には、該角度センサにて検出された出力値を入力して前記電磁石、前記磁気軸受、又は前記アクチュエータに対して該出力値を演算し前記各環状部材に対する回転力を決定する計算機が備えられてなることを特徴とする機器支持装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の機器支持装置において、
前記計算機には、前記各環状部材の揺動に対して所定の減衰率を前記基準位置復帰手段への出力値に乗じる減衰率付加手段が設けられていることを特徴とする機器支持装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の機器支持装置の支持部材には、振動を発する機器が備えられてなることを特徴とする振動体を具備した機器支持装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の振動体を具備した機器支持装置において、
前記機器は、支持部材の軸線を中心として回転する回転体であることを特徴とする振動体を具備した機器支持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、宇宙空間にて実験を行うための回転体の振動を除去して回転安定化を図る機器支持装置及び回転体などの振動体を具備した機器支持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の宇宙開発の分野においては、宇宙空間に宇宙ステーションと呼ばれる構造物を配備して、この宇宙ステーションに実験モジュールを設けてさまざまな実験を行うことが研究されている。
【０００３】
このような宇宙空間での実験の一形態として、無重力環境である宇宙空間において重力試験を行うことが考えられている。そこで、この重力試験を宇宙空間で行う手段として、遠心分離機構造を有する回転装置（振動体を具備した機器支持装置）の開発が進められている。
この種の回転装置の一例として、例えば、スペースシャトルや宇宙ステーション等で用いられる宇宙機器用の微少重力回転装置１を図７に示す。なお、同図において、符号１００は宇宙ステーションのモジュールを示しており、このモジュール１００内に微少重力回転装置１が収容されている。また、ここに言う微少重力回転装置１は、本発明に言う振動体を具備した機器支持装置を指すものである。
【０００４】
この微少重力回転装置１は、複数のアーム３が放射状に取り付けられ、駆動手段をなすモータ４によって回転駆動される回転軸５を有している。そして、各アーム３の端部には実験ボックス６が取り付けられ、回転軸５を中心として該回転軸５と同一に回転している。
これら実験ボックス６内には、重力を付加する実験対象物、例えば植物等が入れられている。そして、無重力状態において、回転軸５、すなわち各実験ボックス６を毎秒約１回転程度の低速で回転させることにより、各実験ボックス６内の実験対象物に規定の重力を付加した実験が行われる。
なお、上記に説明した回転軸５、実験ボックス６、及びアーム３等からなる複合構造体は、回転運動に伴って振動を発生する回転体（振動体）を指すものである。
【０００５】
上記微少重力回転装置１では、各実験ボックス６毎に実験対象物の大きさや質量が異なるため、回転軸５、実験ボックス６、及びアーム３等で構成される回転体の重心が回転軸５から外れることが常であり、重心がずれている状態で回転運動を行うと、回転体及びこれを有する微少重力回転装置１に振動が生じる。このため、微少重力回転装置１では、この振動を低減させる必要がある。
【０００６】
そこで、このような微少重力回転装置１において、回転軸５の両端部及び中央部に磁気軸受７，８，９を設けて該回転軸５を偏心させながら回転させ、振動を能動的に吸収することにより各実験ボックス６の質量のアンバランスに起因して発生する振動を制振する構成が既に開示されている。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
また、回転体の振動を容易な演算処理で低減させる方法として、回転体から検出した角速度データを低周波成分と高周波成分とに分離注出し、低周波成分に対応する低周波成分制御トルク及び高周波成分に対応する高周波成分制御トルクを求めて、これら低周波成分制御トルク及び高周波成分制御トルクに基づく指令トルクを生成して、駆動手段の駆動を制御する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２６４９００号公報（第１２−１８段落、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−８９６２７号公報（第１７−３１段落、第２図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の回転装置などの機器支持装置では回転中の回転体に振動が発生するため、回転体を構成するアームや実験ボックス等に振動が生じ、実験対象物に悪影響を及ぼしていた。また、これらの振動は、回転軸を介して周囲環境へ伝播し、周囲の宇宙機器へも影響を及ぼし、機器の制御、等にも影響を与えていた。
このような振動は、予知される定常的な振動に対しては装置の構造的な面で解消できるが、任意に発生する振動モードの変化に対応して制振することは難く、制御にも限界があるため、何らかの対策が望まれていた。
【００１０】
そこで、本発明の出願人が提案した特許文献１では、宇宙空間において回転装置に発生する任意の振動に対し、回転軸の軸受に磁気軸受を採用して回転軸を偏心させて旋回させることにより、回転軸を介して周囲の環境へ伝播する振動を吸収し、任意の振動モードを減退させることを可能とした。
【００１１】
しかし、上記の構成においても完全なる振動の除去を行うことは困難であり、実験データのさらなる精度要求から、任意の振動モードの変化に的確に対応して制振を行い、より高精度な実験環境を実現できる回転装置の要求が高まっている。
また、回転体を停止させるようなロッキングでの制振については、上記制振を可能とする許容値を超えてしまい、回転体の位置制御も困難となるため、制振に対してさらなる改善が要求されている。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、回転体などに発生する任意の振動モードにおける振動をより確実に除去し、例えば宇宙空間などにおける高精度な実験環境を提供することを可能とした機器支持装置及び振動体を具備した機器支持装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明に係る機器支持装置は、振動体をなす機器を支持可能とした支持部材と、該支持部材の軸線を中心として外側に配置された第１環状部材と、前記支持部材と前記第１環状部材とを同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第１連結部材と、前記支持部材の軸線を中心として前記第１環状部材の外側に配置された第２環状部材と、前記第１環状部材と前記第２環状部材とを前記第１連結部材の軸線に直交する同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第２連結部材と、前記各連結部材と前記各環状部材との連結部の少なくとも一方に設けられ、前記支持部材を前記第１環状部材が内在する平面に対して直立、又は前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、を備えてなることを特徴としている。
【００１４】
このような構成とすることで、第１環状部材は、第１連結部材の軸線を中心として揺動することが可能となり、さらに、第２環状部材は、第１環状部材の揺動に追従しながら、第２連結部材の軸線を中心として第１環状部材の揺動に対して直角方向に揺動することになる。この結果、支持部材は、第１環状部材及び第２環状部材に支えられた状態で３次元的に自由に傾斜することが可能となり、支持部材の傾斜動作に合わせて各環状部材が揺動することになる。
さらに、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられた各基準位置復帰手段は、第１環状部材に対する支持部材の直立状態、あるいは、各環状部材が同一平面に内在するように各環状部材に対して回転力を与える。したがって、傾斜した支持部材は、この傾斜動作を維持、継続することなく、各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。
【００１５】
なお、基準位置復帰手段は、連結部の全てに配置される必要はなく、同一軸線上の各連結部材の一方にのみ設置することで上記機能を導くことが可能であり、勿論、ともに設けることであってもよい。また、支持部材に高速で回転する回転体などが装着された場合、回転体の運動によって生じるジャイロ効果によって支持部材は第１環状部材に対して直立、あるいは、各環状部材が同一平面に内在するように機能するため、基準位置復帰手段の機能が補助される。このことは、基準位置復帰手段の能力低減や設置個数の削減等が得られることにもなる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の機器支持装置において、前記支持部材の軸線を中心として前記第２環状部材の外側に配置された第３環状部材と、前記第２環状部材と前記第３環状部材とを前記第１連結部材又は前記第２連結部材の軸線に対して４５度方向とされた同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第３連結部材と、前記支持部材の軸線を中心として前記第３環状部材の外側に配置された第４環状部材と、前記第３環状部材と前記第４環状部材とを前記第３連結部材の軸線に直交する同一軸線上にて回動可能に連結する２つの第４連結部材と、前記各連結部材と前記各環状部材との連結部に設けられ、前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、を備えてなることを特徴としている。
【００１７】
このような構成とすることで、支持部材の傾斜動作に対して各環状部材の揺動を導く軸線が請求項１記載の構成における９０度から４５度おきに細分化され、支持部材が傾斜する際の応答性が向上して支持部材の傾斜動作がより円滑になる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の機器支持装置において、前記支持部材の軸線を中心として前記第２環状部材の外側に配置された複数の環状部材と、隣り合う前記各環状部材同士をそれぞれで異なる軸線にて回動可能に連結する複数の連結部材と、前記各連結部材と前記各環状部材との連結部に設けられ、前記各環状部材を同一平面内に誘導させる回転力を与える基準位置復帰手段と、を備えてなることを特徴としている。
【００１９】
このような構成とすることで、支持部材の傾斜動作に対して各環状部材の揺動を導く軸線が請求項２記載の構成よりもさらに増すことになり、傾斜する際の応答性がさらに向上して支持部材の傾斜動作がさらに円滑になる。
なお、本発明に構成では、請求項１記載の第１及び第２環状部材とこれらに関わる連結部材の構成を１組みとし、連結部材の軸線をずらしながらこれに類する構成を放射状に多数備えて配置するような構成が含まれる。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかがバネであることを特徴としている。
【００２１】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられたバネのばね力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、このばね力が各環状部材を同一平面内に内在させるように、さらには、最内の環状部材に対して支持部材を直立させるように働きかける。したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、ばね力を用いた回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。なお、バネは板バネであってもよいし、コイルバネであってもよく、ばね力はねじりによるものでもよい。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかが、前記各連結部材の連結部の周囲に配設された弾性体であることを特徴としている。
【００２３】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられた、例えばゴムや柔軟性を有する樹脂等の弾性体の弾性力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、この弾性力が各環状部材を同一平面内に内在させるように、さらには、最内の環状部材に対して支持部材を直立させるように働きかける。
したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、弾性力を用いた回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかが磁石であることを特徴としている。
【００２５】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられた磁石の磁力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、この磁力が各環状部材を同一平面内に内在させるように働きかける。したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、磁力を用いた回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかが電磁石であることを特徴としている。
【００２７】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられた電磁石の磁力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、この磁力が各環状部材を同一平面内に内在させるように働きかける。したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、磁力を用いた回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。また、電磁石を用いることによれば、この磁力は供給される電流値に応じて変化することになり、支持部材を復帰させようとする回転力の大きさを変化させることも可能である。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかが磁気軸受であることを特徴としている。
【００２９】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられた磁気軸受の磁気力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、この磁気力が各環状部材を同一平面内に内在させるように働きかける。したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、磁気力を用いた回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。また、磁気軸受を用いることによれば、この磁気力を制御することも容易であり、支持部材を復帰させようとする回転力の大きさを変化させることも可能である。
【００３０】
請求項９記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記各基準位置復帰手段の少なくともいずれかが、流体によって駆動するアクチュエータであることを特徴としている。
【００３１】
このような構成とすることで、各連結部材と各環状部材との連結部に設けられたアクチュエータの動力が基準位置復帰手段の回転力として機能し、この動力が各環状部材を同一平面内に内在させるように働きかける。したがって、外力を受けて傾斜した支持部材は、アクチュエータの駆動による回転力によって各環状部材が内在する平面に対して直立状態に復帰することになる。また、流体を用いたアクチュエータであるので、流体の供給量に応じて回転力の大きさや速度は変化することになり、また、環状部材に伝達される力の一部が流体に吸収されることにもなる。
【００３２】
請求項１０記載の発明は、請求項７から請求項９のいずれか１項記載の機器支持装置において、前記各連結部材に、前記各環状部材の揺動角度を検出する角度センサが設置されてなり、前記基準位置復帰手段をなす前記電磁石、前記磁気軸受、前記アクチュエータは、前記角度センサの検出値に応じて回転力を出力することを特徴としている。
【００３３】
このような構成によれば、各環状部材の揺動角度、さらには支持部材の傾斜角度が各角度センサによって検出され、この検出値が電磁石、磁気軸受、あるいはアクチュエータに出力される。そして、この出力値に応じた回転力が決定されることで、環状部材の揺動における位置が制御され、この揺動における振動を早期に収束させる能動的な制振作用が導かれることになる。なお、角度センサは、同一軸線上に備わる連結部材の一方に備えられることで環状部材の揺動角度を検出することはもちろん可能である。
【００３４】
請求項１１記載の発明は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の機器支持装置において、前記基準位置復帰手段に、前記各環状部材の変動を緩衝する磁石ダンパ又は電磁ダンパ又は流体ダンパが内蔵されてなることを特徴としている。
【００３５】
環状部材が内在する平面に対して支持部材を直立させる回転力を基準位置復帰手段が各環状部材及び支持部材に与えたことで、環状部材がこの回転力による振動、すなわち、基準となる位置を超えて揺動した際の振動が上記各ダンパにより早急に減衰される。そして、各環状部材は基準となる位置に素早く戻り、支持部材の直立状態を導くことになる。また、各ダンパは支持部材が受けた振動等による外力をより的確に吸収する働きを担うことになる。
【００３６】
請求項１２記載の発明は、請求項１０又は請求項１１記載の機器支持装置において、前記角度センサと、前記電磁石、前記磁気軸受、又は前記アクチュエータとの間に、該角度センサにて検出された出力値を入力して前記電磁石、前記磁気軸受、又は前記アクチュエータに対して該出力値を演算し前記各環状部材に対する回転力を決定する計算機が備えられてなることを特徴としている。
【００３７】
このような構成によれば、角度センサにて得られた環状部材の揺動角度における検出値が計算機に入力され、この計算機が各環状部材の揺動を制御すべく基準位置復帰手段である電磁石、磁気軸受、アクチュエータのいずれかにおける出力を意図的に制御する。つまり、回転力を各環状部材の実際の動作に応じて意図的に変化させることで、各環状部材の揺動を自在に制御することも可能となり、揺動における振動を効率よく減衰させる回転力を演算し出力することも可能となる。したがって、電磁石、磁気軸受、アクチュエータは、コンピュータ等の計算機の演算に基づいて各環状部材が同一平面に内在するように、且つ、支持部材がこの平面に対して直立するための回転力を電流値や流体の供給量の調整に応じて多様な回転力の大きさや回転力の速度で出力することになる。
【００３８】
請求項１３記載の発明は、請求項１２に記載の機器支持装置において、前記各環状部材の揺動に対して所定の減衰率を前記基準位置復帰手段への出力値に乗じる減衰率付加手段が前記計算機に設けられていることを特徴としている。
【００３９】
このような構成によれば、計算機に入力される角度センサの検出値に減衰率付加手段による減衰率が乗じられて基準位置復帰手段の出力値が制御されることになり、各環状部材の揺動が、その揺動の程度に応じて適切に減衰される。
【００４０】
請求項１４記載の発明は、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の機器支持装置の支持部材に、振動を発する機器が備えられてなる振動体を具備した機器支持装置であることを特徴としている。
【００４１】
このような構成とすることで、振動を発する機器であるために、この機器本来の性能が発揮できない場合であっても、この振動が支持部材を介して請求項１から請求項１３のいずれかに記載の機器支持装置によって除去されるため、機器はほぼ定位置に安定した状態でとどまることになる。なお、ここに言う機器とは、振動を発する振動体であり、例えば、エンジン等の往復動機関や、振り子振動を発生する機関など、動作によって振動が生じる機器等を特に言うものである。
【００４２】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の振動体を具備した機器支持装置において、前記機器が支持部材の軸線を中心として回転する回転体であることを特徴としている。
【００４３】
このような構成とすることで、機器支持装置に回転体が備えられることにより、回転体の回転における制振が機器支持装置によってなされることになる。また、回転体の設置によって機器支持装置にはジャイロ効果が作用し、支持部材は各環状部材が内在する平面に対して常に直立しようとする。したがって、基準位置復帰手段の労力が軽減されることになる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明の振動体を具備した機器支持装置の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものではないことは勿論である。なお、以下の説明においては、本発明における振動体を具備する機器支持装置を、例えばスペースシャトルや宇宙ステーション等で用いられる微少重力回転装置に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００４５】
図１は微少重力回転装置１の概略構成を模式的に示した斜視図である。また、図２は微少重力回転装置１を構成する機器支持装置１０の概略構成を説明する一部断面を含む平面図である。
図に示すように、微少重力回転装置１は、大きな構成として振動体の機器とされる回転体２と、これを支えて具備する機器支持装置１０とからなり、回転体２は、従来技術にて説明したものと同様にアーム３を介して放射状に配置された実験ボックス６や、図示しない回転軸、磁気軸受等を備えて構成されている。なお、符号Ｃは実験ボックス６を囲むように設けられたケーシングである。
【００４６】
機器支持装置１０は、回転体２を上端部にて回転可能に支持する支持部材１１と、この支持部材１１の下端部の外側に複数配置された環状の環状部材２１〜２４と、これら各環状部材をそれぞれで異なる軸線で連結する複数の連結部材１２〜１５と、各連結部材の端部に設けられた基準位置復帰手段４０とにより構成されている。なお、本実施形態において示す各環状部材２１〜２４は全て円形であるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、六角形、八角形などの多角形に各環状部材を形成し用いることであってもよい。
【００４７】
支持部材１１の上端部には、図示しない回転軸にて回転体２を回転可能に支持するための軸受構造が構成されており、この軸受には、従来技術にて説明した磁気軸受が設けられている。また、支持部材１１の内部には、回転軸に回転力を与えて回転体２を回転させる駆動手段をなすモータが備えられている。
【００４８】
さらに、機器支持装置１０の構成を詳しく説明する。回転体２の下方に位置する各環状部材２１〜２４を支持部材１１に近い順に説明すると、第１環状部材２１は、支持部材１１の軸線を中心としてこの支持部材１１の外側に配置されている。
第２環状部材２２は、第１環状部材２１と同様に支持部材１１の軸線を中心として第１環状部材２１の外側に配置されている。
第３環状部材２３は、第１環状部材２１及び第２環状部材２２と同様に支持部材１１の軸線を中心として第２環状部材２２の外側に配置されている。
第４環状部材２４は、第１環状部材２１、第２環状部材２２及び第３環状部材２３と同様に支持部材１１の軸線を中心として第３環状部材２３の外側に配置されている。
【００４９】
また、各連結部材１２〜１５を支持部材１１から近い順に説明すると、第１連結部材１２は、支持部材１１と第１環状部材２１とを回動可能に連結するために支持部材１１を挟んで該支持部材１１の軸線に直交する同一軸線上（紙面において左右方向の軸線）に２つ備えられている。
第２連結部材１３は、第１環状部材２１と第２環状部材２２とを回動可能に連結するために第１環状部材２１を挟んで第１連結部材１２の軸線に直交し、且つ支持部材１１の軸線に直交する同一軸線上（紙面において奥行き方向の軸線）に２つ備えられている。
第３連結部材１４は、第２環状部材２２と第３環状部材２３とを回動可能に連結するために第２連結部材１３の軸線に対して４５度方向に位置する支持部材１１の軸線に直交する同一軸線上に２つ備えられている。
第４連結部材１５は、第３環状部材２３と第４環状部材２４とを回動可能に連結するために第３連結部材１４の軸線に直交し、且つ支持部材１１の軸線に直交する同一軸線上に２つ備えられている。
【００５０】
さらに、上述した各連結部材１２〜１５の少なくとも一方の端部には、支持部材１１を第１環状部材２１を内在させる平面に対して直立、又は隣り合う各環状部材２１〜２４同士を同一平面に誘導するための回転力を与える基準位置復帰手段４０が備えられている。なお、本実施形態では同一軸線上にある各連結部材の両方に基準位置復帰手段４０が備えられている。
【００５１】
次に、上述した各基準位置復帰手段４０の構成について、図３、図４を参照しながら説明する。なお、図３は基準位置復帰手段４０の構造を説明する図２のＡ−Ａ断面における断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは基準位置復帰手段４０の構造の一例をそれぞれ示している。また、図４も図３と同様に図２のＡ−Ａ断面における断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは基準位置復帰手段４０の構造の一例を示している。なお、Ａ−Ａ断面における基準位置復帰手段４０の構造を説明するが、その他の部分についても勿論同様であるため、その他の部分ついての説明は省略する。また、図３（ａ）〜（ｃ）、図４（ａ）〜（ｃ）の６つを例に挙げて説明するが、各例を組み合わせても、望ましくはいずれか１つの構成例に統一することがよい。
【００５２】
まず、基準位置復帰手段４０の第１例として取り上げた図３（ａ）おける構成について説明する。
第４連結部材１５の端部（外側の端部）の外側には第４環状部材２４の周方向（紙面にて左右方向）に沿って突出した突起部４１がそれぞれ形成されており、第４環状部材２４には、これら突起部４１が第４連結部材１５の軸線を中心として揺動した場合に干渉しないための凹所２４ａが形成されている。そして、各凹所２４ａには上述した各突起部４１を挟み込むためのバネ４２が合計４本備えられることにより、第４連結部材１５の揺動における位置が規定されている。
【００５３】
このような構成において、第４連結部材１５の他端（内側の端部）が第３環状部材２３に固定されていると仮定した場合、第３環状部材２３（図１，図２参照）に対して第４環状部材２４が第４連結部材１５の軸線を中心として揺動すると、この第４連結部材１５の端部では各バネ４２を縮めたり伸ばしたりしようとする作用が生じる。このことによって、各バネ４２は元の状態に戻ろうとするために第４連結部材１５に対して弾性力を与え、この結果、第３環状部材２３と第４環状部材２４とは同一平面内に内在する位置に戻ろうとする。つまり、第３環状部材２３が内在する平面と第４環状部材２４が内在する平面とが重なり合って一致することになる。
【００５４】
次に、図３（ｂ）を用いて基準位置復帰手段４０の第２例を説明する。
第４連結部材１５を嵌め合わせるために形成された貫通穴２４ｂの内周面には、ゴム等の弾性体４４が充填されており、第４連結部材１５の端部（外側の端部）の周囲が弾性体４４によって覆われている。この弾性体４４は、貫通穴２４ｂ内にて滑ることのないように備えられており、また、第４連結部材１５に対しても、突起部４３等を有して弾性体４４に対して滑ることのないように備えられている。このように、弾性体４４が第４環状部材２４と第４連結部材１５との間に介在していることにより、第４環状部材２４は第３環状部材２３に対してある程度の許容値を有して回動可能に連結され、且つ第４連結部材１５の揺動における位置が規定されている。
【００５５】
このような構成において、第４連結部材１５の他端（内側の端部）が第３環状部材２３に固定されていると仮定した場合、第３環状部材２３に対して第４環状部材２４が第４連結部材１５の軸線を中心として揺動すると、この第４連結部材１５の端部では、ここに配置された突起部４３の周囲の弾性体４４を縮めたり伸ばしたりしようとする作用が生じる。このことによって、弾性体４４は元の状態に戻ろうとするために第４連結部材１５に対して弾性力を与え、この結果、第３環状部材２３と第４環状部材２４とは同一平面内に内在する位置に戻ろうとする。つまり、第３環状部材２３が内在する平面と第４環状部材２４が内在する平面とが重なり合って一致することになる。
【００５６】
次に、図３（ｃ）を用いて基準位置復帰手段４０の第３例を説明する。
第４連結部材１５を嵌め合わせるために形成された貫通穴２４ｂの周部には、第４環状部材２４の周方向に沿って対向に配置された磁石４５，４６が設置されている。
図に示すように、各磁石４５，４６は第４環状部材２４の周方向に沿って第４連結部材を挟み込むように左右それぞれに対向して配置され、そのうち一方はＳ極磁石４５であり、他方はＮ極磁石４６である。なお、この磁石は永久磁石である。
【００５７】
そして、上記各磁石４５，４６の設置に対応して第４連結部材１５の端部には分割面１５ｃを挟んで左側にＮ極部１５ｄが備わり、右側にＳ極部１５ｅが備わり、磁力によって第４連結部材１５の揺動における位置が規定されている。
【００５８】
このような構成において、第４連結部材１５の他端（内側の端部）が第３環状部材２３に固定されていると仮定した場合、第３環状部材２３に対して第４環状部材２４が第４連結部材１５の軸線を中心として揺動すると、この第４連結部材１５の端部では、ここに配置された各磁石１５ｄ，１５ｅ，４５，４６間での磁力線に変化が生じる。このことによって、互いの対極する磁石同士の間に磁力による引力が生じ、この結果、第３環状部材２３と第４環状部材２４とは同一平面内に内在する位置に戻ろうとする。つまり、第３環状部材２３が内在する平面と第４環状部材２４が内在する平面とが重なり合って一致することになる。
【００５９】
次に、図４（ａ）を用いて基準位置復帰手段４０の第４例を説明する。
第４連結部材１５を嵌め合わせるために形成された貫通穴２４ｂの内周面には、ねじり板ばね１５１を内部に有する第４連結部材１５０の端部４４が嵌め込まれている。この第４連結部材１５０の他端は第３環状部材に同様に嵌め込まれており、第３環状部材２３と第４環状部材２４とは実質的にねじり板ばね１５１で連結されている。すなわち、第４連結部材１５０の軸線方向における外殻の中央部が分断されている構造とされ、紙面の鉛直方向におけるねじり板ばね１５１の一端側は、図に示すように上縁で外殻と一体に接しており、下縁は外殻と接していないフリーな状態で誘導部１５２と一体になるよう接している。これに反して、ねじり板ばね１５１の他端側は、全く逆の構成とされ、ねじり板ばね１５１の上縁がフリーな状態とされ、下縁が外殻と一体に接している。
【００６０】
このように、第４連結部材１５０に内蔵されたねじり板ばね１５１が第３環状部材２３と第４環状部材２４との間に介在してこれらを接続する構成により、第４環状部材２４は第３環状部材２３に対してある程度の許容値を有して回動可能に連結され、且つ第４連結部材１５０の揺動における位置が規定されている。
【００６１】
このような構成において、第３環状部材２３に対して第４環状部材２４が第４連結部材の軸線を中心として揺動すると、ねじり板ばね１５１にはねじりモーメントが作用し、ねじり板ばね１５１自体にはこれ対向するばね力が生じる。このことによって、第３環状部材２３と第４環状部材２４とは同一平面内に内在する位置に戻ろうとする。つまり、第３環状部材２３が内在する平面と第４環状部材２４が内在する平面とが重なり合って一致することになる。
【００６２】
次に、図４（ｂ）を用いて基準位置復帰手段４０の第５例を説明する。
この構成では、図３（ｃ）に示した各磁石の配置を紙面上下方向に変更し、それに伴って第４環状部材２４の周方向に沿って第４連結部材１５を挟んで両側に流体ノズル５０（流体ダンパ）を設置している。また、これら流体ノズル５０から吹き出されるガス等が吹き付けられる第４連結部材１５の外表面には、くぼみ１５ｆが形成されている。このくぼみ１５ｆは、第４連結部材１５が基準位置にある場合において、流体ノズル５０の吹き出し正面が最も大きく凹んでおり、周方向に離れるに従い深さが徐々に減少するテーパ状になっている。
【００６３】
このような構成において、第３環状部材２３に対して第４環状部材２４が第４連結部材の軸線を中心として揺動すると、図３（ｃ）にて説明した第３例と同様に、磁力によって第３環状部材２３と第４環状部材２４とが同一平面内に内在する位置に戻ろうとし、さらに、両流体ノズル５０から吹き出されたガス等がくぼみ１５ｆの最も凹んだ部分を両流体ノズル５０の正面に位置させようと働きかける。したがって、第４環状部材２４の揺動が流体の作用により素早く減衰されることになる。また、これら流体ノズル５０へのガス等の供給量を変更することが容易であるために、揺動における減衰作用を適宜変更することも可能である。
【００６４】
また、図４（ｃ）は基準位置復帰手段４０の第６例を説明する図であって、第５例に比較して流体ノズル５０が、ピボット５１と、これをくぼみ１５ｆに押し付けるバネ５２に変更されている点が異なる。バネ５２は常にピボット５１をくぼみ１５ｆに押し付けることによって揺動する第４環状部材２４を減衰させる作用を生み出し、磁石１５ｄ，１５ｅ，４５，４６による磁力とともに基準位置復帰手段の機能をさらに高めている。
【００６５】
さて、以上説明した第１例から第６例の中で、磁石を用いた構成が電磁石や磁気軸受として機能する場合や、第５例の流体ノズル５０や、第６例のバネ５２に代えて制御可能なアクチュエータを用いた場合、各環状部材２１〜２４の揺動を制御して回転体２の制振を素早く行うことが可能とされている。
例えば、図５に示すように、各連結部材（１５）にエンコーダ５３（角度センサ）を設けて各連結部材の揺動角度を検出可能とする。なお、図５に示される符号４８は磁気軸受である。
【００６６】
そして、図６に示すように、エンコーダ５３の各検出値を計算機６０に取り込み、制振を行うための演算処理を行って制御可能とされた各基準位置復帰手段に対しての揺動に対向する回転力の基準となる出力値を変更するように指示を出す。この際、計算機６０に備わる減衰率付加手段６２で減衰率を出力値に乗じることを必要に応じて実施する。これにより、揺動における振動が減衰されることになる。
【００６７】
以上説明した微少重力回転装置１の動作及び作用について以下に説明する。
機器支持装置１０の第１環状部材２１は、支持部材１１が回転体２の振動を受けて傾斜しようとすると、この支持部材１１は、ジャイロ効果による直立状態を維持しようとする力を受けた状態で第１連結部材１２の軸線を中心として揺動する。この段階での揺動方向は一方向のみに限定されるが、既に説明した第２環状部材２２が第２連結部材１３を介して第１連結部材２１に連結されているので、第１環状部材２１の揺動方向は３次元に揺動することが可能である。なぜなら、第２環状部材２２は、第１環状部材２１の揺動に追従しながら第２連結部材１３の軸線を中心として第１環状部材２１の揺動方向に対して直角方向に揺動することが可能であるからである。
【００６８】
この結果、支持部材１１は、第１環状部材２１及び第２環状部材２２、さらにはこれより外側の各環状部材２３，２４に支えられた状態で３次元的に自由に傾斜することができ、ほぼ直立状態が維持されたままの状態で、支持部材１１を支持する平面、すなわち各環状部材２１〜２４を一致して内在させる平面に対してほぼ直立した状態での回転運動を行う。この回転運動とは、回転体２を支持する支持部材１１の上端部における回転、言い換えれば、旋回運動を指すものである。このように、回転体２の振動を制振するように支持部材１１が運動を行うことにより、回転体２において発生しうる振動が除去されることになる。
【００６９】
さらに、各連結部材１２〜１５に設けられた上述の基準位置復帰手段４０は、第１環状部材２１に対する支持部材１１の直立、あるいは、隣り合う環状部材２１〜２４同士を同一平面にするための回転力を与える。なお、基準位置復帰手段４０が制御可能である場合には、計算機６０の演算に基づいて回転力が決定される。
【００７０】
したがって、支持部材１１は上述のジャイロ効果に加えて各連結部材１２〜１５の軸線における回転力によって各環状部材２１〜２４を一致して内在させる平面に対して直立状態に素早く復帰する。そして、このことによれば、支持部材１１にジャイロ効果が生じない低回転時やロッキング時であっても、回転体２に振動が引き起こされることなく支持部材１１の直立状態が維持される。
【００７１】
また、本実施形態の構成では、第３環状部材２３及び第４環状部材２４の設置により、支持部材１１の傾斜が直接的に伝達される方向が４５度おきに細分化されている。このことにより、傾斜しようとする支持部材１１の力に素早く応答して支持部材１１のほぼ直立状態における回転運動を円滑に導くことができ、複雑な振動モードに対しての振動除去が的確に行われる。
【００７２】
以上説明した本実施形態における回転体２を具備した機器支持装置１０、すなわち、微少重力回転装置１によれば、回転体２を支持する支持部材１１の円滑な回転運動をほぼ直立状態のままで導くことができ、複雑な振動モード、さらには任意な振動モードの変化にも素早く追従して回転体２に発生しうる振動を確実に除去することができる。そして、微少重力回転装置１に求められる高精度な実験環境を提供することができる。
【００７３】
なお、以上説明した実施形態において、環状部材の設置個数を４つとした２重構造を用いた場合を説明したが、より多くの環状部材及び連結部材を配置して支持部材１１の回転運動をさらに円滑にすることとしてもよい。また、各環状部材２１〜２４を等間隔で配置した場合を説明したが、支持部材１１から所定の距離範囲内で重ね合わせるように配置することとしてもよい。また、基準位置復帰手段４０及び各連結部材の構成として６つの例を挙げて説明したが、その他として磁気軸受を用いてもよいし、モータ等で回転力を出力するものであってもよい。
【００７４】
また、宇宙機器として利用される微少重力回転装置１を例に挙げて説明したが、その他、回転体や、振動を発する機器、例えば、エンジン等の往復動機関や、振り子振動を発生する機関など、動作によって振動が生じる機器等を支えるための機器支持装置として利用することも可能である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明した本発明の機器支持装置及び振動体を具備した機器支持装置においては以下の効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、支持部材の傾斜動作、及び傾斜後における支持部材の復帰動作により、振動する機器から受けた外力を吸収することができ、該支持部材に支えられる機器の振動を除去することができる。したがって、支持部材に支えられた機器の安定度を高く確保して機器の性能を最大限に導くことができる。
【００７６】
請求項２及び請求項３記載の発明によれば、各環状部材の設置個数の増大に伴って各環状部材の揺動方向が複数得られることになり、支持部材の傾斜動作、及び傾斜後の復帰動作を円滑に導くことができる。したがって、支持部材に作用する外力を的確に吸収することで、支持部材に支えられる機器の振動等をより的確に除去することができ、機器における安定度をあらゆる状況下で飛躍的に向上させることができる。
【００７７】
請求項４記載の発明によれば、外力を受けて傾斜した支持部材を、故障の少ないバネのばね力を用いて基準となる元の位置に的確に復帰させることができる。
また、基準位置復帰手段の整備コストを低減させることができる。
【００７８】
請求項５記載の発明によれば、外力を受けて傾斜した支持部材を、弾性体の弾性力にて基準となる元の位置に容易に復帰させることができる。また、基準位置復帰手段のコストを低減させることができる。
【００７９】
請求項６記載の発明によれば、外力を受けて傾斜した支持部材を、磁力を用いて基準となる元の位置に的確に復帰させることができる。また、磁石であるために、半永久的に機能を維持することができる。
【００８０】
請求項７記載の発明によれば、外力を受けて傾斜した支持部材を、磁力を用いて基準となる元の位置に的確に復帰させることができ、特に、磁力を制御することも可能となるので、機器から発生する任意な振動等に応じた回転力を与えて支持部材を復帰させ、機器に生じた振動等を的確に除去することができる。
【００８１】
請求項８記載の発明によれば、外力を受けて傾斜した支持部材を、磁気軸受の磁気力を用いて基準となる元の位置に的確に復帰させることができ、特に、磁気力を制御することも可能となるので、機器から発生する任意な振動等に応じた回転力を与えて支持部材を復帰させ、機器に生じた振動等を的確に除去することができる。
【００８２】
請求項９記載の発明によれば、外力を受けて傾斜しようとする支持部材を、アクチュエータの動力を用いて基準となる元の位置に的確に復帰させることができ、特に、流体の流量制御を行うことも可能となるので、機器から発生する任意な振動等に応じた回転力を与えつつ、また、振動を吸収することで機器に生じた振動等を的確に除去することができる。
【００８３】
請求項１０記載の発明によれば、各連結部材に備わる角度センサの計測値に従って電磁石や磁気軸受やアクチュエータの出力を制御できるので、環状部材の揺動における多様な振動を実際の動作に応じて的確且つ早期に収束させることができる。
【００８４】
請求項１１記載の発明によれば、各ダンパを内蔵した基準位置復帰手段を用いることで、各環状部材の揺動を減衰させ環状部材、換言するならば支持部材に支持された機器の安定化を素早く導くことができる。
【００８５】
請求項１２記載の発明によれば、角度センサと、電磁石、磁気軸受、アクチュエータとの間に計算機を設けて上記各基準位置復帰手段が出力する回転力を調整可能な形態で制御することを可能としたので、各環状部材の揺動を最適化して支持部材が受けた外力を的確に吸収することができ、支持部材、及びこれに支持された機器の安定化を多様な手法を用いて向上させることができる。
【００８５】
請求項１３記載の発明によれば、計算機に、各環状部材の揺動に対して所定の減衰率を基準位置復帰手段への出力値に乗じる減衰率付加手段が設けられているので、各環状部材の揺動の程度に応じて適切に減衰させ、支持部材の外力を的確に吸収してこれに支持される機器の安定化を早急に導くことができる。
【００８７】
請求項１４記載の発明によれば、振動体である機器と機器支持装置との組み合わせにより、機器の振動が機器支持装置により除去されて機器の安定化を図って機器に求められる性能を最大限に引き出すことが可能となる。
【００８８】
請求項１５記載の発明によれば、機器支持装置の支持部材に回転体が設置されるので、回転運動による振動を誘発しやすい回転体を的確に制振しつつ安定した状態に保持することができ、また、ジャイロ効果が得られることによって基準位置復帰手段の省力化を導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における微少重力回転装置の概略構成を模式的に示した斜視図である。
【図２】図１に示した微少重力回転装置を構成する機器支持装置の概略構成を説明する一部断面を含む平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面における基準位置復帰手段の構造を説明する断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは基準位置復帰手段の構造の一例をそれぞれ示すものである。
【図４】図２のＡ−Ａ断面における基準位置復帰手段の構造を説明する断面図であって、（ａ）〜（ｃ）のそれぞれは基準位置復帰手段の構造の一例を図３と同様にそれぞれ示すものである。
【図５】本発明の一実施形態における連結部材にエンコーダを取り付けた状態を示した模式図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるエンコーダと計算機と基準位置復帰手段との接続関係を示した回路図である。
【図７】従来技術における微少重力回転装置の構成を説明する図であって、回転軸線を含む断面で見た場合の側断面図である。
【符号の説明】
１  微少重力回転装置（振動体を具備した機器支持装置）
２  回転体（振動体）
６  実験ボックス
１０  機器支持装置
１１  支持部材
１２  第１連結部材
１３  第２連結部材
１４  第３連結部材
１５  第４連結部材
１５ｃ  分割面
１５ｄ  Ｎ極部
１５ｅ  Ｓ極部
１５ｆ  くぼみ
２１  第１環状部材
２２  第２環状部材
２３  第３環状部材
２４  第４環状部材
４０  基準位置復帰手段
４１  突起部
４２  バネ
４３  突起部
４４  弾性体
４５，４６  各磁石
４８  磁気軸受
５０  流体ノズル（流体ダンパ）
５１  ピボット
５２  バネ
５３  エンコーダ（角度センサ）
６０  計算機
６２  減衰率付加手段
１５０  （第４）連結部材
１５１  ねじり板ばね
【図１】
2004197764.tif 000003
【図２】
2004197764.tif 000004
【図３】
2004197764.tif 000005
【図４】
2004197764.tif 000006
【図５】
2004197764.tif 000007
【図６】
2004197764.tif 000008
【図７】
2004197764.tif 000009