(57)【要約】【課題】  小型で大きい電源を必要とせずに簡単な構成で高トルクで高速の姿勢制御用フライホイール装置。【解決手段】  姿勢制御対象に搭載されて反動トルクによりその姿勢制御に用いられる姿勢制御用フライホイール装置であって、ホイール１が回転自在に配置され、その回転軸４に駆動トルク源の電気モータ２が連結されており、かつ、そのホイール１の回転にブレーキを掛けるブレーキ機構５が設けられ、そのブレーキ機構５によるブレーキトルクを制御するブレーキ制御装置６を備えてなる姿勢制御用フライホイール装置。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
姿勢制御対象に搭載されて反動トルクによりその姿勢制御に用いられる姿勢制御用フライホイール装置であって、ホイールが回転自在に配置され、その回転軸に駆動トルク源の電気モータが連結されており、かつ、そのホイールの回転にブレーキを掛けるブレーキ機構が設けられ、そのブレーキ機構によるブレーキトルクを制御するブレーキ制御装置を備えてなることを特徴とする姿勢制御用フライホイール装置。
【請求項２】
姿勢制御対象に搭載されて反動トルクによりその姿勢制御に用いられる姿勢制御用フライホイール装置であって、１対のホイールが回転自在で少なくとも回転軸が相互に略平行に配置され、それぞれの回転軸に駆動トルク源の電気モータが別々に連結されており、かつ、各々のホイールの回転にブレーキを掛けるブレーキ機構が別々に設けられ、それらブレーキ機構によるブレーキトルクを連携して別々に制御するブレーキ制御装置を備えてなることを特徴とする姿勢制御用フライホイール装置。
【請求項３】
前記ブレーキ機構が機械式の摩擦ブレーキからなることを特徴とする請求項１又は２記載の姿勢制御用フライホイール装置。
【請求項４】
前記ブレーキ機構がパウダブレーキからなることを特徴とする請求項３記載の姿勢制御用フライホイール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、姿勢制御用フライホイール装置に関し、特に、人工衛星や吊り荷等の固定点を持たない浮遊物体の姿勢制御に用いるフライホイール装置にするものである。
【背景技術】
【０００２】
フライホイールは金属等の比重の大きい物質で構成された慣性の大きいホイールである。このようなフライホイールを用いると、正確な姿勢制御を実現できるため、人工衛星の姿勢制御等に広く応用されている。加えてエネルギー貯蔵器としての役割も持つため、バッテリーの代替として利用することもできる（特許文献１）。
【０００３】
図３に、従来のフライホイール装置の概念図を示す。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は斜視図である。ホイール（フライホイール）１の回転軸に連結された電気モータ２の駆動によりホイール１の角運動量を変化させると、その反動で装置本体３が回転することになる。この回転を生じさせるトルクを反動トルクと呼び、これが例えば装置本体３を搭載した人工衛星の姿勢制御に用いられる。
【特許文献１】特開平７−２５３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、単純化するため、ホイール１の回転方向１軸のみを考慮する。そして、フライホイール装置（ホイール１及び電気モータ２を含む本体全体）及びホイール１の重心はホイール１の回転軸上に存在するものとする。さらに、重力等の外力は作用しないものとする。このようなシステムの運動方程式は以下のように表せる。
【０００５】
ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝−τm ／（Ｊo ＋Ｊd ）                        ・・・（１）
ｄ2 θ／ｄｔ2 ＝τm ／Ｊw −ｄ2 φ／ｄｔ2                     ・・・（２）
ここで、φはフライホイール装置及びそれを搭載した制御対象の回転角、θはフライホイール装置を基準とするホイール１の回転角、τm はモータトルク、Ｊo は制御対象の慣性モーメント、Ｊd はフライホイール装置の慣性モーメント、Ｊw ホイール１の慣性モーメントを表す。
【０００６】
フライホイール装置の役割は制御対象の回転角φを制御することである。したがって、このシステムの性能は、最大角速度ｄφ／ｄｔ｜max 及び最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max によって評価することができる。外乱を無視した場合、これらの指標は、以下のように表すことができる。
【０００７】
ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max ＝τm max ／（Ｊo ＋Ｊd ）                ・・・（３）
ｄφ／ｄｔ｜max ＝Ｊw ／（Ｊo ＋Ｊd ＋Ｊw ）×ｄθ／ｄｔ｜max 
＋ｄφ／ｄｔ｜0 ・・・（４）
ここで、上添え字“max ”は最大値を表し、上添え字“0 ”は初期値を表す。
【０００８】
ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max 、ｄφ／ｄｔ｜max は、何れもシステムの慣性モーメントと電気モータの性能に依存して決まる。システムの慣性モーメントは目的に応じて限定されてしまうことが多いため、アクチュエータの性能を向上することが望ましいと言える。
【０００９】
図３に示したようなフライホイール装置は、ホイール１の回転の反動で作動する機構であるために、応答が遅いと言う欠点がある。これを補うためには、最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max と最大角速度ｄφ／ｄｔ｜max の２つが速応性を示す指標となるが、最大角速度ｄφ／ｄｔ｜max を向上させるためには、性能の高い電気モータ２が必要になり、小型化、省電力の要求に反する。
【００１０】
これに対して、最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max はホイール１に加えるトルクの大きさによって定まる。特許文献１等に示された従来技術では、電気モータ２自身を発電機として作用させることによりホイール１の回転を減速させているが、最大連続トルクは余り大きくならず、かつ、その際の電気の受け皿として規模の大きい電源が必要になる等の問題がある。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で大きい電源を必要とせずに簡単な構成で高トルクで高速の姿勢制御用フライホイール装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明の姿勢制御用フライホイール装置は、姿勢制御対象に搭載されて反動トルクによりその姿勢制御に用いられる姿勢制御用フライホイール装置であって、ホイールが回転自在に配置され、その回転軸に駆動トルク源の電気モータが連結されており、かつ、そのホイールの回転にブレーキを掛けるブレーキ機構が設けられ、そのブレーキ機構によるブレーキトルクを制御するブレーキ制御装置を備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明のもう１つの姿勢制御用フライホイール装置は、姿勢制御対象に搭載されて反動トルクによりその姿勢制御に用いられる姿勢制御用フライホイール装置であって、１対のホイールが回転自在で少なくとも回転軸が相互に略平行に配置され、それぞれの回転軸に駆動トルク源の電気モータが別々に連結されており、かつ、各々のホイールの回転にブレーキを掛けるブレーキ機構が別々に設けられ、それらブレーキ機構によるブレーキトルクを連携して別々に制御するブレーキ制御装置を備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
これらの場合、ブレーキ機構が機械式の摩擦ブレーキからなることが望ましく、特に、パウダブレーキからなることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の姿勢制御用フライホイール装置によれば、姿勢制御用フライホイール装置にブレーキトルクを適用するようにすることによって、小電流で高トルクが得られるようになる。そのため、小型・省スペースで大きい電源を必要とせずに簡単な構成で高トルクで高速の姿勢制御用フライホイール装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１に、本発明に基づく姿勢制御用フライホイール装置の基本形態を示す。
【００１７】
本発明は、図３に示したようなホイール（フライホイール）１とその回転軸に連結された電気モータ２とからなる構成において、ホイール１の回転減速機構として、別にブレーキ機構を設けることにより大きなトルクを得るようにしたものである。
【００１８】
すなわち、図１に側面図を示すように、装置本体３内にホイール（フライホイール）１が回転自在に配置され、その回転軸に駆動トルク源の電気モータ２が連結されている。そして、本発明に基づいて、ホイール１の回転軸４には、その回転にブレーキを掛けるブレーキ機構５が設けられており、ブレーキ機構５によるブレーキトルクはブレーキ制御装置６によって制御できるように構成されている。
【００１９】
このような構成であるので、電気モータ２の駆動トルクによりホイール１を回転させておき、ブレーキ制御装置６によってブレーキ機構５を制御することでその回転を減速することで角運動量を所定の量変化させると、その反動で装置本体３とそれを搭載している姿勢制御対象が対応する角運動量で回転することになり、姿勢制御対象の姿勢制御が行われることになる。
【００２０】
このような構成をとると、電気モータと比較してブレーキ機構５は大きいトルクを作用させられる。このブレーキトルクを作用させることで、最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max を飛躍的に向上させることができる。
【００２１】
ブレーキトルクの効果を考慮して前記の式（３）を拡張すると、以下の式が得られる。
【００２２】
ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max ＝（τb max ＋τm max ）／（Ｊo ＋Ｊd ）  ・・・（５）
ここで、τb はブレーキトルクを表す。
【００２３】
このように、従来の姿勢制御用フライホイール装置にホイール１の回転減速機構としてブレーキ機構５を別に設けることにより、最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max を大きくして大きなトルクが得られるようになる。
【００２４】
ここで、ブレーキ機構５としては、種々のブレーキを用いることができる。以下にその例示をする。
【００２５】
ブレーキ機構５として好ましいのは、そのブレーキトルクの制御の容易性からパウダブレーキが適している。パウダブレーキは、フィールド、ロータ及び固定リングの３つの部分より構成されており、励磁コイルを内蔵したフィールドは、２個の玉軸受でロータを支持した一体構造をしている。ロータの内・外周の間には、固定リングが一定の空隙をもって配置さており、励磁コイルに通電するとロータ、固定リング間に磁束が生じて固定リングの内・外周上にあるパウダ（磁性粉体）が鎖状に繋がり、ロータと固定リングが固着されてブレーキが動作する。電流を切ると磁束が消滅し、遠心力の作用によってパウダ（磁性粉体）はバラバラに分離し、ブレーキは解放する。
【００２６】
また、機械式の摩擦ブレーキを適用することで、さらに大きなブレーキトルクを得ることができる。電磁ブレーキを例にとると、コイルを内蔵したフィールド（固定側）とアーマチュア（回転部）から構成されており、アーマチュアとフィールドがわずかな隙間を開けて取り付けられており、コイルに通電すると、フィールド及びアーマチュア間に磁束を生じ、アーマチュアはフィールドに吸引されブレーキが作用し、励磁電圧を切ると、磁束が消滅しアーマチュアは板ばねによりフィールドから切り離されるので、ブレーキは解放する。
【００２７】
さらに、ヒステリシスブレーキを適用することもできる。ヒステリシスブレーキは、フィールド、ロータ及びカップの３つの部分より構成されており、励磁コイルを内蔵したフィールドは、玉軸受を介してロータに支持された一体構造をおり、ロータの内極と外極の間には、固定側となるカップが一定の空隙をもって磁極を形成しており、励磁コイルに通電するとロータの内・外両極間の空隙に磁束が生じ、この空隙に配置されたカップ（永久磁石材）も磁化される。このカップはヒシテリシス特性を持つ永久磁石材のため、磁極変化は内・外磁極の極性変化より遅れるため、ロータとカップは磁気的に連結することでブレーキとして作用する。電流を切ると磁束が消滅し、ロータとカップは磁気的に解放されブレーキが切れる。
【００２８】
その他、周知の枕ブレーキ、バンドブレーキ、ディスクブレーキ等の機械式の摩擦ブレーキをブレーキ機構５として用いることもできる。
【００２９】
さて、図１のように、従来の姿勢制御用フライホイール装置にホイール１の回転減速機構としてブレーキ機構５を別に設けることにより、最大角加速度ｄ2 φ／ｄｔ2 ｜max を向上することができたが、このように、ホイール１のみを持つシステムでは、反動トルクをホイール１の回転方向と反対の片方向にしか作用させることができない。さらには、ブレーキ機構５を動作させた後には、ホイール１の運動量が減少し、ホイール１の運動量が０になるとブレーキ力を働かせることができなくなる。したがって、ブレーキを作用させた後にホイール１を回転させて運動量を充填する必要がある。ホイール運動量の充填を行うと、その反作用力が姿勢制御対象、例えば衛星の姿勢に干渉してしまうという問題もある。
【００３０】
そこで、これらの問題点を解消するためには、本発明の姿勢制御用フライホイール装置をツインドライブシステムとして構成することが望ましい。その実施例の構成の側面図を図２に示す。装置本体３内に同じ形状質量の２つのホイール（フライホイール）１1 、１2 を略同軸かそれぞれの回転軸４1 、４2 が平行で近接するように回転自在に配置し、それぞれの回転軸４1 、４2 に駆動トルク源の電気モータ２1 、２2 を連結して配置する。そして、それぞれのホイール１1 、１2 の回転軸４1 、４2 には、各々の回転にブレーキを掛ける別々のブレーキ機構５1 、５2 を設ける。それぞれのブレーキ機構５1 、５2 による各々のブレーキトルクはブレーキ制御装置６によって連携して別々に制御できるように構成されている。
【００３１】
このような構成であるので、電気モータ２1 、２2 の駆動トルクにより２つのホイール１1 、１2 を相互に反対方向に高速回転させておき、ブレーキ制御装置６によってそれぞれのブレーキ機構５1 、５2 を連携して制御してそれらの回転を減速することで、両ホイール１1 、１2 の角運動量の差を所定の量だけ変化させると、その反動で装置本体３とそれを搭載している姿勢制御対象が対応する角運動量で回転することになり、姿勢制御対象の姿勢制御が行われることになる。
【００３２】
この構成によれば、反動トルクを何れの方向にも作用させることができる。また、ブレーキ機構５1 、５2 を動作させた後には、ホイール１1 、１2 の運動量が減少し、ホイール１1 、１2 の運動量が０近傍になると、ホイール１1 、１2 を相互に反対方向に回転させて運動量を充填する場合にも、両方のホイール１1 、１2 に等価なトルクを加えることで、姿勢への干渉なしに運動量を充填することができる。
【００３３】
この構成において、制御対象に生じる角加速度は以下のように求めることができる。
【００３４】
ｄ2 φ／ｄｔ2 ＝（τm1−τm2＋τb1−τb2）／（Ｊo ＋Ｊd ）    ・・・（６）
ここで、下添え字“m1”、“m2”、“b1”、“b2”はそれぞれ第１ホイール１1 、第２ホイール１2 のモータ２1 、２2 及びブレーキ機構５1 、５2 を表す。
【００３５】
この構成において、ホイール１1 、１2 の回転速度には上限が存在するため、ホイール１1 、１2 の操作によって制御できる制御対象の回転速度にも限界がある。これは、本発明のようなブレーキを使わない一般的なツインドライブシステムのフライホイール装置の制御にも当てはまる。以下の式（７）は、モータトルクによって制御できる制御対象の速度範囲を表す。ブレーキトルクはホイール１1 、１2 の回転が止まった場合には、作用させられなくなる。また、２つのホイール１1 、１2 の回転方向が同じになった場合には、片方向にしかブレーキトルクを働かせられなくなる。以下の式（８）は、ブレーキトルクを制御に適用できる速度の範囲を表す。
【００３６】
−Ｊw （ｄθ1 ／ｄｔ｜max ＋ｄθ2 ／ｄｔ｜max ）
≦（Ｊo ＋Ｊd ）（ｄφ／ｄｔ−ｄφ／ｄｔ｜0 ）
≦Ｊw （ｄθ1 ／ｄｔ｜max ＋ｄθ2 ／ｄｔ｜max ）    ・・・（７）
Ｊw ｄθ1 ／ｄｔ｜0 ≦（Ｊo ＋Ｊd ）（ｄφ／ｄｔ−ｄφ／ｄｔ｜0 ）
≦Ｊw ｄθ2 ／ｄｔ｜0       ・・・（８）
これをさらに拡張することで、ブレーキトルクによって補償できる外乱の範囲をその力積τdis Δｔの単位で求める。
【００３７】
Ｊw ｄθ1 ／ｄｔ｜0 ≦τdis Δｔ≦Ｊw ｄθ2 ／ｄｔ｜0         ・・・（９）
ここで、τdis は外乱トルクを表す。
【００３８】
外乱が生じた際には、ブレーキ機構５1 、５2 を働かせることでフライホイール１1 、１2 の運動量を制御対象に伝えることができる。外乱の力積がホイール１1 、１2 の運動量よりも大きい場合には、ホイール１1 、１2 の運動量を超えた分の外乱の補償にブレーキトルクを利用できないことになる。言い換えれば、外乱の積分値がホイール１1 、１2 の運動量の初期値の範囲内であれば、ブレーキトルクを用いて制御することができることになる。
【００３９】
ここで、前記したように、本発明の構成において、ブレーキ機構５としては、種々のブレーキを用いることができる。そして、従来の電気モータ自身でトルク制御する場合に比較して、大きい電源を必要とせずに、簡単な構成で高トルクの姿勢制御用フライホイール装置を得ることができる。ブレーキ機構５としてはパウダブレーキが特に好ましいが、機械式の摩擦ブレーキを適用することで、さらに大きなブレーキトルクを得ることができる。
【００４０】
このように、本発明により、姿勢制御用フライホイール装置にブレーキトルクを適用するようにすることによって、制御の立ち上がり時間と立ち下り時間を短縮できるようになる。
【００４１】
以上、本発明の姿勢制御用フライホイール装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明の姿勢制御用フライホイール装置はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に基づく姿勢制御用フライホイール装置の基本形態を示す側面図である。
【図２】本発明の姿勢制御用フライホイール装置をツインドライブシステムとして構成した場合の側面図である。
【図３】従来の姿勢制御用フライホイール装置の概念を示す側面図と斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ホイール（フライホイール）
１1 、１2 …ホイール（フライホイール）
２…電気モータ
２1 、２2 …電気モータ
３…装置本体
４…回転軸
４1 、４2 …回転軸
５…ブレーキ機構
５1 、５2 …ブレーキ機構
６…ブレーキ制御装置
【図１】
2005329857.tif 000003
【図２】
2005329857.tif 000004
【図３】
2005329857.tif 000005