(57)【要約】【課題】  容易に反復使用が可能で且つ、落下終了時においても、大がかりな静止ないし緩衝装置を必要としない微小重力装置を提供する。【解決手段】  運動体が落下開始位置から落下し始めるとき、前記回転体が回転を開始し、前記移動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力が増大し、これによって前記移動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力が急激に増大するようになっており、かつ、前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じ、これによって、前記運動体が前記ワイヤに引っ張られて上昇するように構成される。【選択図】          図６
2005239061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、
自由落下運動をし、該自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体と、
一端が前記回転体に、他端が前記運動体に結合されたワイヤと、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて前記ワイヤ巻き付け可能に前記回転体に一体に設けられたワイヤ巻き付け軌道とを備え、
前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置にあるとき前記回転体の前記最大半径部から垂下し、前記運動体が落下終了位置にあるとき、前記最小半径部から垂下するようになっており、かつ、前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置に位置するとき、最も長く前記軌道に巻き付けられた状態をとり、前記運動体が落下終了位置にあるとき前記軌道から完全に開放されて、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態となり、
前記運動体が落下開始位置から落下し始めるとき、前記回転体が回転を開始し、前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力が増大し、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力が急激に増大するようになっており、かつ、前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じ、これによって、前記運動体が前記ワイヤに引っ張られて上昇するように構成されたことを特徴とする微小重力装置。
【請求項２】
前記落下終了位置に達したとき、運動体の質量の一部を分離する機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記運動体の落下運動または上昇運動を運動方向にガイドするガイド手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし２に記載の装置。
【請求項４】
前記運動体が、外部カプセルとこの外部カプセルの内部に配置される内部カプセルとを備えており、両者の相対運動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３に記載の装置。
【請求項５】
前記制御手段が、外部カプセルの外部に設けられ、外部カプセルを制動することによって内部カプセルとの相対運動の制御を行うようになったことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記制御手段が、外部カプセルの内部に設けられ、内部カプセルと外部カプセルとの相対運動を許容するバネ機構を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記ワイヤ巻き付け機構が最小半径部に関して非対称に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６に記載の装置。
【請求項８】
前記運動体が複数の回転体を経由して巻回されたワイヤに結合されていることを特徴とする請求項１ないし７の装置。
【請求項９】
回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体とをワイヤで連結し、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて軌道に前記ワイヤを巻き付け、
前記ワイヤが最も長く前記軌道に巻き付けられた落下開始位置から前記運動体を落下させ、
前記運動体の落下に伴って、前記ワイヤを回転体の回転を促進させつつ前記軌道から開放させ、
前記運動体が落下開始位置から落下して前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力を増大させ、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力を急激に増大させ、
前記運動体が落下終了位置に到達したとき前記ワイヤを前記軌道から完全に開放し、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態とし、
前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じさせ、これによって、前記運動体を前記ワイヤを介して引っ張り上昇させる段階を備えたことを特徴とする微小重力環境形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自由落下状態の物体あるいは自由落下の後に上昇してさらに自由落下を行うような自由上下運動体の内部空間に微小重力状態を実現できる微小重力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物体を自由落下させ、その自由落下中の物体内において所定の実験を行うことが行われている。自由落下中の物体内においては、地球の重力と落下加速度とがバランス状態となるため、無重力に近い状態が実現できる。たとえば、このような微小重力状態を使った実験装置として特願２０００−２４６１４８号（特開２０００−０６２２６３号）に開示されるものがある。
【０００３】
【特許文献１】特願２０００−２４６１４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、自由落下は等加速度運動であるため、落下距離を大きく必要とするわりには、微小重力状態の得られる時間が少ないという事情がある。また、落下終了時には、落下距離相当の減速度を必然的に受けることになるので、相応する落下衝撃に耐えることができる十分な設計上の配慮が必要となる。また一度落下した実験装置を反復使用するためには、上昇させる必要があるが、このために上昇させるための特別の動力装置が必要となる。このため、従来の微小重力装置では、極めて大がかりな、静止装置及び緩衝機構とか必要となり、結果としてコストがかかるという問題があった。本発明はこのような問題点を解消する目的で構成されたもので、容易に反復使用が可能で且つ、落下終了時においても、大がかりな静止ないし緩衝装置を必要としない微小重力装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を解決するために以下のように構成される。本発明にかかる微小重力装置は回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、
自由落下運動をし、該自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体と、
一端が前記回転体に、他端が前記運動体に結合されたワイヤと、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて前記ワイヤ巻き付け可能に前記回転体に一体に設けられたワイヤ巻き付け軌道とを備え、
前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置にあるとき前記回転体の前記最大半径部から垂下し、前記運動体が落下終了位置にあるとき、前記最小半径部から垂下するようになっており、かつ、前記ワイヤは前記運動体が落下開始位置に位置するとき、最も長く前記軌道に巻き付けられた状態をとり、前記運動体が落下終了位置にあるとき前記軌道から完全に開放されて、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態となり、
前記運動体が落下開始位置から落下し始めるとき、前記回転体が回転を開始し、前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力が増大し、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力が急激に増大するようになっており、かつ、前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じ、これによって、前記運動体が前記ワイヤに引っ張られて上昇するように構成されたことを特徴とする。
【０００６】
上記において「利用可能に」とは、回転体の慣性力あるいはエネルギーを、運動体に、運動体の慣性力あるいはエネルギーを回転体に「伝達可能に」という意味である。
【０００７】
本発明によれば、最初の自由落下の状態においてのみでなく、その後の上昇及び更なる落下運動の間においても運動体内部空間に実質的に無重力状態を実現することができる。このため、同じ高さで落下のみ行わせる従来の微小重力装置に比して、ほぼ２倍の時間的な長さの微小重力環境が得られる。仮に、落下運動のみを利用することで微小重力環境の時間を２倍にするには、４倍の落下距離を必要とすることとなる。このことを考えると、本発明の優位性は明らかである。言い換えれば、運動体の上下運動を利用することによって、最下部で減速するエネルギーが落下のみを利用する場合に比べ４分の１となり、設計条件が大幅に緩和される。
【０００８】
運動体が最下部に達したときワイヤは伸びきるが、回転運動は最大に達するので、ワイヤは慣性力によりさらに軌道に巻きつき、運動体は上昇を始める。この際、落下のときの最下点付近と同様に、巻きつき始めはワイヤの張力は大きく、急激な運動体の上昇速度の増大をもたらす。ワイヤが軌道の最大半径部まで巻きつくと、ワイヤの張力は減少し、運動体は、慣性力によりほぼ自由上昇運動状態となる。そして、回転体が静止した位置で、運動体は最高点に達する。そしてそのまま、前記落下過程に移行する。本発明は、この上昇、落下の連続した自由運動に近い過程を利用して微小重力環境を実現したものである。
【０００９】
好ましくは、前記落下終了位置に達したとき、運動体の質量の一部を分離する機構を備える。別の好ましい態様では、前記運動体の落下運動または上昇運動を運動方向にガイドするガイド手段が設けられる。
【００１０】
好ましい態様では、前記運動体が、外部カプセルとこの外部カプセルの内部に配置される内部カプセルとを備えており、両者の相対運動を制御する制御手段が設けられる。
【００１１】
また別の態様では、前記制御手段が、外部カプセルの外部に設けられ、外部カプセルを制動することによって内部カプセルとの相対運動の制御を行うようになっている。
【００１２】
さらに前記制御手段が、外部カプセルの内部に設けられ、内部カプセルと外部カプセルとの相対運動を許容するバネ機構を備えていてもよい。
【００１３】
好ましくは、前記ワイヤ巻き付け機構が最小半径部に関して非対称に形成されている。  別の好ましい態様では、前記運動体が複数の回転体を経由して巻回されたワイヤに結合される。
【００１４】
本発明の別の特徴によれば、微小重力環境形成方法が提供される。該方法は、回転可能に軸支され、回転運動による慣性力を利用可能に発生する回転体と、自由落下による慣性力を利用可能に発生するとともに、前記回転体の回転による慣性力を利用して上昇可能に構成された運動体とをワイヤで連結し、
前記回転体の外周付近の最大半径部から、該回転体の中心に近い最小半径部に向けて軌道に前記ワイヤを巻き付け、
前記ワイヤが最も長く前記軌道に巻き付けられた落下開始位置から前記運動体を落下させ、
前記運動体の落下に伴って、前記ワイヤを回転体の回転を促進させつつ前記軌道から開放させ、
前記運動体が落下開始位置から落下して前記運動体が落下終了位置に近づくとき前記回転体の回転慣性力を増大させ、これによって前記運動体の落下運動を制動する方向にワイヤの張力を急激に増大させ、
前記運動体が落下終了位置に到達したとき前記ワイヤを前記軌道から完全に開放し、前記運動体との結合端と、前記回転体の軌道の最小半径部との結合端との間で伸張した状態とし、
前記運動体が落下終了位置に達したのち、前記回転体の回転慣性力によって前記ワイヤの前記軌道への巻き付け生じさせ、これによって、前記運動体を前記ワイヤを介して引っ張り上昇させる段階を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、微小重力装置を構成する運動体の落下終了時に回転運動慣性力と落下運動慣性力をバランスさせ、すなわち、落下の運動エネルギーを回転体のエネルギーに変換することよって自動的に制動作用を行わせるようにしているので運動体の制動のために特別の動力装置あるいは緩衝装置が不要となり、比較的簡便に微小重力状態を創出することができる。このため、微小重力状態での実験装置等を構成する場合に従来のこの種の装置に比し、大幅なコスト削減を達成できる。また、本発明の落下上昇、再落下等によって柄得られる反復的な微小重力環境の実現により、従来の単発的な落下運動を利用した微小重力装置に比べて小型化できるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１７】
本発明の微小重力装置１の原理図を図１に示す。本発明の微小重力装置は、一定の高さ位置に設けられたベース２と該ベース２上に設置された回転体３と、該回転体３から隔置して同様にベース２上に設置された、滑車４と、該滑車４に下方の位置において上下方向移動可能になっている運動体５を備えている。回転体３と運動体５とは、一本のワイヤ６で連結されており、該ワイヤ６は、回転体３から一端水平方向に延び、滑車を介して、垂下して延び、運動体を吊り下げている。運動体５に内部に設けられた空間において、実質的に無重力状態ないし微小重力状態を創出することができ、この微小重力状態を利用して様々な研究が可能となる。この場合、運動体５の質量と回転体３の質量とは、互いに慣性力を伝達利用できるように適当にバランスさせるようにしている。
【００１８】
以下、本発明にかかる微小重力装置を構成する回転体３と運動体５の慣性運動の関係について説明する。
【００１９】
以下の説明において、符号を以下のように定義する。
Ｍ：運動体の質量
Ｍ*：回転体の質量
ｖ：速度（下向きを正）
ｔ：時間
ｇ：重力加速度
ｆ：糸の吊り上げ力
Ｉ：慣性モーメント
ｒ0：回転体がワイヤと接する最大半径
ｒ：ワイヤとの接点すなわち外力の作用点と回転中心までの距離（半径）
ｒf：回転体がワイヤと接する最小半径
Ｎ：回転体に働く偶力、
ω：角速度
Ｋ*：回転体の慣性半径とすると、
Ｋ：運動体の慣性半径パラメータ
【００２０】
回転体の運動方程式は
2005239061.tif 000003
（１）
なお、Ｉ＝Ｍ*Ｋ*2とあらわされる。
【００２１】
また、所定の回転体の半径におけるワイヤからの作用力Ｆは、Ｎ＝ｒＦであり、また、着力点の速度をｖとすれば、ω＝ｖ／ｒであるから、（１）は、
2005239061.tif 000004
あるいは、
2005239061.tif 000005
（２）
と表される。
【００２２】
これから、Ｋ*2／ｒ2は、着力点における回転体３の回転に要する力の指標と考えることができ、この値が小さい場合には、回転体３の回転に要する力が小さく、大きくなると、回転に要する力も大きくなる。
【００２３】
本発明にかかる微小重力装置においては回転体３と運動体５とがワイヤ６を介して互いの慣性力を利用可能に連結されている。
【００２４】
このため、本発明にかかる装置の場合には、運動体５の落下運動による慣性力が回転体３の回転力を与えることになる。
【００２５】
したがって、運動体５の質量をＭとすると、
Ｆ＝Ｍｇ−Ｍα
（３）
である。ここで、第２項は加速度運動による慣性力である。これを（２）に代入すると、
2005239061.tif 000006
（４）
ここで、Ｉ＝ＭＫ2と記載する。この場合Ｋを、慣性半径パラメータと呼ぶ。Ｋは次のように定義することができる。
2005239061.tif 000007
（５）
これから、
2005239061.tif 000008
（６）
これから、
2005239061.tif 000009
に代わって、運動体５による回転体の回り易さを表す指標になることが判明する。
【００２６】
本発明にかかる回転体３に関しては、半径ｒの取りうる範囲は回転体の大きさすなわち半径で決まる。
【００２７】
そこで、回転体３の拘束をうけないようにするにはＫ／ｒを小さいところすなわち、半径の大きい部分にワイヤ６と回転体３との接点が位置するようにし、回転体３から加減速を受けようとするにはＫ／ｒの大きいところ、すなわち、回転体３の半径の小さくなる位置にワイヤがかかるようにすればよい。
【００２８】
適当なＫの値をとるためには、運動体５の質量と、回転体３の慣性モーメントの比を適切な値にする必要がある。例えば、回転体３にはずみ車等を付加することで慣性モーメント（Ｍ*Ｋ*2）が調節できるので、（５）式に基づいてＫの値すなわち、慣性力の伝達のバランスを調整することができる。
【００２９】
運動体の自由落下時及びその後の回転体３の慣性力による運動体の上昇時において、Ｋ／ｒ0を小さく、制動時にはＫ／ｒ0を大きくするには、回転体上に制動時に螺旋状に半径ｒが減少するワイヤ巻き付け軌道を形成することによって可能となる。
【００３０】
また、螺旋状のワイヤ巻き付け軌道７を有する滑車を介し、回転体３とを結合するようにすると、さらに制動作用の制御性を高めることができる。このように螺旋状の軌道を回転体に設けることによって、回転体３の外周に付近にワイヤ６が掛かっているときには、等価的にＫ／ｒ0が小さくなり、運動体は、自由落下に近い運動をし、ワイヤが軌道上を半径が小さくなるように中心部に向かって係合位置が変化する場合には、Ｋ／ｒ0が等価的に大きくなり制動がかかる。加速、上昇についても同様の特性が予想され、回転体３を用いることで１ｇ（重力加速度）より小さい自由落下及びこの重力加速度を超える制動と加速が可能になる。
【００３１】
たとえば、回転体には、図２及び図３に示すような螺旋状のワイヤ巻き付け軌道７を形成することができる。図３に示すように本例では、螺旋軌道７は、ワイヤ６と回転体３との結合端は回転体の軸方向の中央部の最小半径部に位置する。なお、図３の例では、ワイヤ巻き付け用螺旋軌道７は、ワイヤ６と回転体３との結合点の両側に対称的に設けられており、運動体の自由落下運動が生じるとき一方の螺旋軌道からワイヤが解放されて、その後、回転体の慣性力によって他方の螺旋軌道７にワイヤ６が巻き付けられるときに、運動体の上昇運動が生じる。なお、軌道７は左右対称でなくとも、結合点の一方の側だけに設けてもよい。
【００３２】
ワイヤ６の軌道７のらせん形状の勾配ついては、自由運動とみなす部分を０．９ｇ（無重力環境としては、０．１ｇ）とするには、Ｋ／ｒ0＜１／３、またエネルギー回収率を９０％以上にするには、Ｋ／ｒf＞３．３程度とする範囲が好ましい。これらが両立するためには、ｒf／ｒ0＜１／９であることが必要となる。
【００３３】
また、自由落下運動に対応する螺旋軌道部分は、必ずしも軌道半径を変化させる必要はなく、一定でもよい。図４を参照すると、軌道を対数螺旋形状とするとき、
螺旋軌道７の式は、
2005239061.tif 000010
（７）
と表すことができる。
【００３４】
運動体の運動方程式は、
2005239061.tif 000011
（８）
回転体の運動方程式は、ωを角速度として、
2005239061.tif 000012
（９）
2005239061.tif 000013
（１０）
で、独立変数をｒとすると、
2005239061.tif 000014
（１１）
および、
2005239061.tif 000015
（１２）
あるいは、
2005239061.tif 000016
（１３）
すなわち、
2005239061.tif 000017
（１４）
【００３５】
ｒ0からｒまで制動するときの減速分は、
2005239061.tif 000018
より、
2005239061.tif 000019
（１５）
【００３６】
また、回転エネルギーへの変換率は、次式で与えられる。
2005239061.tif 000020
（１６）
【００３７】
これらの関係は、加速期においても成立するので、解の一意性から係数ｃの大小による螺旋形状がエネルギー損失に影響するとは即断できない。しかし、係数ｃを変えれば制動長や加速長が変わるので、所要の減、加速度を実現できる。
【００３８】
比較的長い時間をもって落下を行うと、落下距離が増大し、回転体３の回転速度が上がると回転体の遠心力荷重が増し、設計が難しくなるという事情が生じる。この困難を軽減するために、調速機すなわちガバナーを付加することが好ましい。
【００３９】
上記(１０)式から、
制動あるいは加速度  α(ｒ）は、
2005239061.tif 000021
（１７）
【００４０】
そこで、（１４）式の対数微分より、
2005239061.tif 000022
（１８）
【００４１】
一般に係数ｃを一定とすると、加速度がかなり大きくなる。もともと、ｒ＞Ｋでは、回転エネルギーへの変換率を下げるのが設計の目標であるので、係数ｃの値を大きく採ってもよいが、ｒ＜Ｋでは、制動すなわち回転エネルギーへの変換率を上げる領域であるから、加速度を抑えるよう係数ｃの値を選ぶ必要がある。それゆえ、両領域で同じｃ値を採るのは合理的とはいえない。また、ｒが小さくなるにつけ、急激に加速度が増すのでこの領域でもｃ値を変え、螺旋勾配を適宜変化させた複合形とするとか、ガバナーを活用するのが好ましい。
【実施例】
【００４２】
１秒間の微小重力状態を確保できる微小重力装置１の例について説明する。
【００４３】
回転体３の仕様は以下の通りである。
ｒ0＝０．０５ｍ
ｒf＝０．００５ｍ
螺旋パラメター  ｃ＝０．２
Ｋ＝０．０１５ｍとしたとき、
加速度＝０．７〜１２ｇ（ｒ＝０．０５〜０．０１）が得られた。この場合の、螺旋パターンが図５に示されている。
【００４４】
本例の装置の全体図が図６に示されている。本例の微小重力装置１０は、図１の装置１と同様に一定の高さ位置（少なくとも落下距離が２ｍ以上となるように）に設けられたベースフレーム１１と該ベースフレーム１１上に設置された弾み車１２を一体回転可能に伴う回転体１３と、該回転体１３から隔置して同様にベースフレーム１１上に設置された、滑車１４と、該滑車１４に下方の位置において上下方向移動可能になっている運動体１５を備えている。回転体１３と運動体１５とは、一本のワイヤ１６で連結されており、該ワイヤ１６は、回転体１３から一端水平方向に延び、滑車１４を介して、垂下して延び、運動体１５を吊り下げている。本例の装置では、運動体１５は、外部カプセル１７及びその内部に設置される内部カプセル１８の二重構造になっている。微小重力実験にかかる対象物が搭載されるのは、内部カプセル１８である。さらに、運動体の落下軌道の両側に一対のガイドレール１９、１９が設けられており、一方、運動体の外部カプセル１７には、該ガイドレールと係合するガイドローラ２０、２０、２１、２１、がそれぞれのガイドレール１９に対して一対設けられている。
【００４５】
さらに、本例の装置は、ワイヤの振れを抑制するための制振機構２２を備えているとともに、運動体の落下軌道の下部には、後述するように制動機構２３が外部カプセル浮遊機構として、設けられている。また、運動体１５の下部には、運動体１５の上昇に際して、一定の質量を解放して上昇運動を容易にするための質量放棄機構２４が設けられている。上記制振機構２２は図７に示すように、外観上直方体の形態を成しており、平面視（図７（ａ）、図７（ｄ））に示すように矩形形状の上板２２１と該上板から垂直に突出するリブ板とを備えている。このリブ板は図７（ａ）において中央部横方向に延びる一対のリブ板２２２、２２２と上下端側において横方向に延びる一対のリブ板２２３、２２３からなる。さらにこのリブ板間２２２、２２３の空間部には、軟質ウレタンフォーム２２５が充填されている（図７（ｃ）、図７（ｄ））。この制振機構２２は、ボルト２２４を介してベースフレーム１１に取りつけられている。
【００４６】
機械的摩擦や空気抗力によるエネルギー損失を考慮する必要がある。エネルギー損失が大きい場合には、上昇エネルギーが不足し、十分な位置まで上昇させることができず、次に落下させる場合において所期の微小重力落下時間を確保することが困難になる恐れがある。そのため、不足分のエネルギーを補給してもよいが、落下質量の一部を最下点において分離することによって、運動体１５の質量を減らすのが好ましい。
【００４７】
錘を分離するために、殆ど静止に近い状態でカプセルに連結された所定質量の重りを開放する簡単な機構を運動体の最下部に設ける。
【００４８】
図８には、上記質量放棄機構２４の一例が図示されている。
【００４９】
該質量放棄機構２４は、外部カプセル１７の下部外面にブラケット２４１、２４１を介して回動可能に設けられた一対の解放アーム２４２、２４２と、同様に外部カプセル１８にブラケット２４３を介して取りつけられ、該ブラケット２４３から垂下する支持軸２４４に支持された所定質量の錘２４５を備えている。錘２４５は、中央部に設けられた、開口部２４６を上記支持軸２４４が貫通して横触れが防止される状態になっているとともに、閉状態にある開放アーム２４２、２４２の支持部２４７、２４７に端部が支持された状態で運動体１５に取付られている。錘２４５の下方には、これが開放されたときに内部に収容するための受け入れ容器２４８が設けられている。
【００５０】
回転体１５による自由落下に基づく微小重力状態のレベルは、１０-2ｇ程度が限界である。
【００５１】
上記のように運動体１５の内部空間を２重構造とすることきによってさらに無重力状態に近づけることが可能となる。
【００５２】
そのため、内部カプセル１８を拘束しないために外部カプセル１７を相対的に移動制御する必要がある。もともとカプセルの運動には拘束力が働いているので、横揺れ防止も兼ねて、ガイドレール１９、１９に沿って運動させるとして、これにローラ２０、２１あるいは動輪をもたせるとよいが。動輪には輪圧を必要とする。無用な摩擦損失を避けるためには、駆動時以外には過度の輪圧を加えないような工夫が必要である。また、制動は滑車−はずみ車の回転運動系にブレーキを設けてもよい。おそらく、１ｓ程度の装置では、打上げ加速直後の外部カプセルを若干制動するだけで、外部カプセルの寸法に余裕を持たせた設計が可能となる。
【００５３】
なお、一方微小重力でなく、月面環境（０．１７Ｇ）や火星表面環境（０．３８Ｇ）を模擬するために、積極的に低重力環境試験装置として設計できる。
【００５４】
本例の運動体１５は上記したように外部カプセル１７内に内部カプセル１８が収容された、二重構造になっており、内部カプセル１８の微小重力環境が外部カプセル１７よりもさらに微小重力となるように改善されている。この目的のために本例の装置では、内部カプセル１８を外部カプセル１８に対して浮遊させる浮遊機構が設けられている。
【００５５】
浮遊機構について説明する。
浮遊機構については、２つのアプローチの仕方がある。
１つは、外部カプセルを制御して微小重力を改善する方法である。この場合に浮遊機構が図９に示されている。
【００５６】
この装置は、外部カプセル１７が所定位置まで落下してきたとき、外部カプセル１７の下部外端部と係合して、外部カプセル１７に対し、外部から上方に向かう付勢力を付加するようになっている。この場合の浮遊機構２３は、外部カプセル１７が下降すとき、外部カプセルの外側面に摺接しつつ、ガイドレール１７に取付けられた蝶番２３１の下端を視点として下方に回動するアーム２３２を備えている。アームの先端部付近には、該アームから垂直下方に延びるブラケット２３３を設けられておりこのブラケット２３３には、外部カプセルの外側面がローラ２３４の摺接を超えて下方に移動したとき、カプセル１７の外側面と摺接するブレーキシュー２３５が取付けられている。または、ブラケットのブレーキシュー２３５が取りつけられる側と反対側には、ガイドレール１９に別のブラケット２３６を介して取りつけられた、一対の回動アーム２３７、２３８が結合されている。該アームの下側のアーム２３８は、バネ２３９を介してブラケット２３６に取付けられており、外部カプセルに接触してアーム２３２が下方に回動し、これに連動してアーム２３８が下方に回動するときこれに抗するバネ力を生じるようになっている。
【００５７】
本例において外部カプセル１７は、加速度γ＜ｇで運動し、内部カプセル１８を外部カプセル１７から離反させる方向に制御した場合、内部カプセル１８が外部カプセル１７に対し、
2005239061.tif 000023
の相対速度を持つ。
【００５８】
内部カプセル１８の運動：
2005239061.tif 000024
外部カプセル１７の運動：
2005239061.tif 000025
相対運動は、
2005239061.tif 000026
2005239061.tif 000027
として、
2005239061.tif 000028
ｔ＝０で、
2005239061.tif 000029
から、
2005239061.tif 000030
【００５９】
理想的に所要無重力時間  Ｔ  で、再び  ζ＝０  となるとすれば、
2005239061.tif 000031
あるいは、所要の初速度は、
2005239061.tif 000032
である。
【００６０】
なお、浮遊距離すなわち、外部カプセルと内部カプセルとの相対移動距離の最大値は、
2005239061.tif 000033
である。したがって、
例えば、ε＝０．８ｍ／ｓ２  、Ｔ＝１秒の条件では、  ζmax＝１０ｃｍ  となり、これだけの相対変位量を確保できるように余地が内外カプセル１７、１８の間の間隔が確保されていればよい。
【００６１】
一定加速度での減速として、１０ｃｍ走行する間に０．４ｍ／ｓ減速するとする。打上げ速度は５ｍ／ｓだから、概略０．０２ｓで減速するために加速度は２０ｍ／ｓ2となる。すなわち、約２ｇの方向性減速機構を設ける必要がある。
【００６２】
浮遊機構の別の形態は、外部カプセルに対して内部カプセルの動作を相対的に制御することである。
【００６３】
この場合の浮遊機構２５の例が図１０に示されている。
この例では、内部カプセル１８の下部外面と、外部カプセル１７の下部内面との間にバネ２５１が配置さている。そして外部カプセル１７にさらにバネの内側にバネ変位を規制するストッパー２５２が設けられている。
【００６４】
この浮遊機構２５において、
内部カプセル１８の運動は、
2005239061.tif 000034
外部カプセル１７の運動は、
2005239061.tif 000035
バネ２５１の上に内部カプセルを載せておく。
2005239061.tif 000036
但し、Ｍは等価質量で、
2005239061.tif 000037
【００６５】
初期変位  −ζ0、速度  ０  の状態からの運動は、
2005239061.tif 000038
ただし、
2005239061.tif 000039
１ｇ下での変位をζ1（ｍ）とすると、
2005239061.tif 000040
ｔ＝Ｐ／４  で最大速度に達するから、ｔ＝０．０２ｓとするためには、Ｐ＝０．０８ｓ。すなわち、ζ1＝１．６ｍｍ  のバネを用いる。
また、
2005239061.tif 000041
の関係から、δｖ0＝０．４ｍ／ｓ、ζ0＝５．１ｍｍ。
それゆえ、加速中に圧縮されるバネの圧縮長を５．１ｍｍに抑えるのが好ましい。
【００６６】
（本発明の他の実施の形態）
上下運動を利用した無重力では、その頂点付近では瞬間速度が０となり、無重力状態を目視できる。とくに、教育目的にはこの点が特有の利点となると考えられる。この目的ためにカプセルは透明体にするのが好ましい。
【００６７】
本発明にかかる微小重力装置では、ワイヤ（ケーブル）の切断についての配慮が不可欠である。複数の回転体及びこれに付加される弾み車で運動体すなわちカプセルを吊るすのは冗長性及び、費用低減の観点で好ましい。この場合、二重回転体とし、螺旋の位相を１８０°とすれば、一個の滑車で２組のワイヤが出来るので、冗長性を備えると同時に、動釣り合いも改善することができる。
【００６８】
ガイドレールの支持構造は大型となり費用に大きく影響する。ワイヤートラスとして展張できる構造とし、容易に撤去可能とすることが好ましい。
【００６９】
落下距離が大きくなると滑車の回転数が大きくなり、動力学的に設計が難しくなる。また、滑車直径も大きくなり、費用増大にもつながる。このため、滑車の回転数低減は大型化に際して重要である。落下距離zと滑車駆動の偶力を一般化すれば、
2005239061.tif 000042
（１９）
ここに、ｚは落下距離である。従って、本例の無重力装置で自由落下、上昇過程では、σを小さくし、制動加速過程では、適切な値とする。それは、回転体を２つ組み合わせることで実現できる。
【００７０】
図１１図にその一例が示されている。
すなわち、本例の構造では、回転体１３が共通の回転軸２６上に弾み車１２を伴っているとともに、運動体１５が垂下する滑車１４との間に共通の回転軸２７上に別の回転体２８を備えている。このようにすることにより回転体の軌道を適宜選択することにより、ワイヤ１６の巻き付け軌道の勾配変化を大幅に制御することが可能となる。これによって、運動体と回転体との間の慣性力の伝達関係を制御するに際して必要に応じて制御ゲインを効果的高めることができる。
【００７１】
たとえば、落下開始時においては、ワイヤ１６は回転体１３では最大半径部の軌道に位置し、回転体２８では、最小半径部に巻きついており、運動体１５が最下点に向けて落下するとき、ワイヤ１６が、回転体１３では最大半径部から最小半径部に巻きつくように巻き付部を移動し、一方、回転体２８では、最小半径部から最大半径部に巻きつくように巻きつき部を移動し、さらに、上昇して最終的に運動体１５がもとの落下前の上昇位置にもどるとき、再びワイヤ１６は回転体１３では最大半径部の軌道に位置し、回転体２８では、最小半径部に巻きつく位置になる。
【００７２】
このようにすることにより、回転体１３及び、運動体１５の慣性エネルギーを効率的に伝達することができる。
【００７３】
微小重力装置を構成する場合として、以下の点を考慮することが好ましい。
ａ）装置剛性を確保する。垂直水平の適正な制度を確保する。
ｂ）カプセルの横揺れ防止策としてガイドレール等が有効である。
ｃ）レールの真直度は、１ｍｍ以下とするのが好ましい。
ｄ）回転体の静バランス精度の許容範囲を考慮し水平度を適切に確保する。
ｅ）運動のための適度な潤滑性を確保する。
ｆ）カプセル最下部における運動では、Ｇが大きくなり、ワイヤ横振動を抑制する機構を設けるのが好ましい。
ｇ）運動体の上昇エネルギー補償のための、質量放棄機構を設けることが好ましい。
ｈ）微小重力環境を改善するため内部カプセルと、外部カプセルとの二重構造として両者の間の関係を適正に制御するための浮遊機構を設けることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は重力環境下において、容易に微小重力環境を創出することができるので、特に簡易的な微小重力実験に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に従う微小重力装置の概略構成を示す全体図、
【図２】回転体のワイヤ巻き付け軌道を示す側面図、
【図３】回転体のワイヤ巻き付け軌道を図２とは別の視点から側面図、
【図４】回転体におけるワイヤの軌道の説明図、
【図５】回転体のワイヤの螺旋軌道の１例を示す説明図、
【図６】本発明の１実施例にかかる微小重力装置の概略構成を示す全体図、
【図７】制振機構の１例を示す説明図、
【図８】質量放棄機構の１例を示す側面図、
【図９】制動型カプセル浮遊機構の例を示す説明図、
【図１０】押し上げ型カプセル浮遊機構の例を示す説明図、
【図１１】回転体を複数組み合わせて運動体を制御するようにした微小重力装置の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  微小重力装置
２  ベース
３  回転体
４  滑車
５  運動体
６  ワイヤ
７  ワイヤ巻き付け軌道
１０  微小重力装置
１１  ベースフレーム
１２  弾み車
１３  回転体
１４  滑車
１５  運動体
１６  ワイヤ
１７  外部カプセル
１８  内部カプセル
１９  ガイドレール
２０  ローラ
２１  ローラ
２２  制振機構
２３  制動型カプセル浮遊機構
２４  質量放棄機構
２５  押し上げ型カプセル浮遊機構
２６  共通回転軸
２７  共通回転軸
２８  回転体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005239061.tif 000048
【図７】
2005239061.tif 000049
【図８】
2005239061.tif 000050
【図９】
2005239061.tif 000051
【図１０】
2005239061.tif 000052
【図１１】
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