(57)【要約】【課題】消費電力に対して発生する衝撃力が大きく残留振動も発生せず、探査機器の小型化、軽量化を図ることができるホッピング装置。【解決手段】筐体３に固定された永久磁石からなる第１固定磁石１ａと、筐体３に固定され且つ第１固定磁石１ａと所定距離離れて配置された永久磁石からなる第２固定磁石１ｂと、第１固定磁石１ａと第２固定磁石１ｂとの間を移動する永久磁石からなる可動磁石２と、可動磁石２を移動させる移動機構部Ａとを有し、第１固定磁石１ａと第２固定磁石１ｂと可動磁石２との各々は、対向する磁石間で吸引力が働くような方向に一直線上に配置されている。【選択図】図２
2013247169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体に固定された永久磁石からなる第１固定磁石と、
前記筐体に固定され且つ前記第１固定磁石と所定距離離れて配置された永久磁石からなる第２固定磁石と、
前記第１固定磁石と前記第２固定磁石との間を移動する永久磁石からなる可動磁石と、
前記可動磁石を移動させる移動機構部とを有し、
前記第１固定磁石と前記第２固定磁石と前記可動磁石との各々は、対向する磁石間で吸引力が働くような方向に一直線上に配置されていることを特徴とするホッピング装置。
【請求項２】
前記移動機構部は、
モータと、
前記モータの回転により回転するネジと、
前記ネジに螺合し前記ネジの回転により上下移動する第１スライド部と、
上側拘束面と下側拘束面とが形成され、前記上側拘束面と前記下側拘束面との間に前記可動磁石を収納するとともに、前記第１スライド部に係合し前記第１スライド部の上下移動に伴って上下移動する第２スライド部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のホッピング装置。
【請求項３】
前記可動磁石が前記第１固定磁石及び前記第２固定磁石の内の一方の固定磁石から引き離された後に、前記可動磁石が他方の固定磁石に吸着されたとき、前記モータを停止させるモータ停止部を備えることを特徴とする請求項２記載のホッピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小惑星上のような低重力環境下において惑星表面探査機器をホッピングさせるホッピング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小惑星に対する探査活動が注目されている。探査機本体から分離し、小惑星の表面を移動して探索する小型のローバーには大きさと重量に制限がある。このため、一つの小惑星探査に多くのローバーを導入するのが難しい。したがって、高機能なローバーを少数導入することしかできず、探査範囲も制限されると考えられる。
【０００３】
これに対して、簡易機能のみを備えた非常に小型のローバーを小惑星上に分散させ、広範囲でデータを収集することも、１つの探査手段と考えられる。このような探査手段を実現するためには、移動機能を持つ非常に小さな探査ローバーの開発が必要となる。
【０００４】
また、小惑星上のような低重力下では、接地面との摩擦がほとんどなく、車輪やクローラなど従来の移動機構は、有効な移動手段とはならない。
【０００５】
これに対して、これまでにスプリングを利用した移動機構が提案されている（非特許文献１）。この非特許文献１に記載された移動機構は、重りを取り付けたバネを収縮・解放させることにより発生する慣性力を利用して探査機器をホッピングさせている。
【０００６】
また、はやぶさに搭載された小惑星表面探査ローバーMINEREVA には、２つのホイールをモータにより回転させ、発生した遠心力で探査機器を任意の方向へホッピングさせる移動機構が搭載されている（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】下田真吾, 久保田  孝, 中谷一郎, "微小重力環境下におけるスプリングを利用した移動機構の提案," 日本ロボット学会誌, vol.21, no。6, pp663-669, 2003
【非特許文献２】吉光徹雄，久保田孝，中谷一郎，足立忠司，齋藤浩明，"「はやぶさ」搭載小惑星表面探査ローバMINERVA"，日本航空宇宙学会誌, Vol.53, No.620, pp.276-281, 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２に記載されたホイールを用いる手法は、ホイールを回転させるための起動電流が大きくなる。このため、発電で生成できる電流が小さい小型ローバーには適していない。
【０００９】
また、非特許文献１に記載されたスプリングを利用する手法は、小さな電流で時間をかけてスプリングを収縮させ、蓄えたエネルギーを一気に解放する。このため、消費電力に対して大きな力が取り出せるため、小型ローバーに有利である。
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に記載されたスプリングを利用する手法は、スプリングの残留振動が小型ローバーの運動を妨げる可能性がある。
【００１１】
本発明の課題は、消費電力に対して発生する衝撃力が大きく残留振動も発生せず、探査機器の小型化、軽量化を図ることができるホッピング装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明に係るホッピング装置は、筐体に固定された永久磁石からなる第１固定磁石と、前記筐体に固定され且つ前記第１固定磁石と所定距離離れて配置された永久磁石からなる第２固定磁石と、前記第１固定磁石と前記第２固定磁石との間を移動する永久磁石からなる可動磁石と、前記可動磁石を移動させる移動機構部とを有し、前記第１固定磁石と前記第２固定磁石と前記可動磁石との各々は、対向する磁石間で吸引力が働くような方向に一直線上に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、第１固定磁石又は第２固定磁石と可動磁石との吸着により発生する衝撃力をローバーのホッピングに用いるので、消費電力に対して発生する衝撃力が大きく残留振動も発生せず、探査機器の小型化、軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のホッピング装置の基本原理図である。
【図２】本発明の実施例１に係るホッピング装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るホッピング装置の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例１に係るホッピング装置によるホッピング時にＤＣモータを停止させるための回路構成図である。
【図５】本発明の実施例１に係るホッピング装置の固定磁石、可動磁石、直動スライドブロック、スライドブラケットの寸法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係るホッピング装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
本発明のホッピング装置は、移動機構として永久磁石を用い、永久磁石同士の吸着により発生する衝撃力をローバーのホッピングに用いることを特徴とする。このホッピング装置は、消費電力に対して発生する衝撃力が大きく、残留振動も発生せず、小型化、モジュール化を図ることができる。
【実施例１】
【００１７】
（ホッピング装置の基本元原理）
図１は、本発明のホッピング装置の基本原理図である。ホッピング装置は、３つの永久磁石を用い、磁石の吸引力を利用する。ホッピング装置は、図１に示すように、２つの固定された固定磁石１ａ，１ｂと、固定磁石１ａ，１ｂの間を移動する可動磁石２とで構成されている。各々の磁石１ａ，１ｂ，２は、対向する磁石と引き合うように配置されている。
【００１８】
図１において、可動磁石２が固定磁石１ａ，１ｂ間の中点にあるときには、可動磁石２が両方の固定磁石１ａ，１ｂから受ける吸引力は等しい。
【００１９】
しかし、可動磁石２の位置が中点から少しでもずれると、吸引力は不均衡となり、可動磁石２は、可動磁石２に近い方の固定磁石に引き寄せられる。可動磁石２が片側の固定磁石に近づけば近づくほど、吸引力は増加し、逆に反対側の固定磁石からの吸引力は減少する。このため、可動磁石２は、近い方の固定磁石に瞬時に吸着する。ホッピング装置は、可動磁石２が固定磁石に吸着する際に生じる衝撃力をローバーのホッピングのための力として利用する。
【００２０】
（ホッピング装置の構成）
図２は、本発明の実施例１に係るホッピング装置の構成図である。図２において、ホッピング装置は、筐体３に固定された永久磁石からなる固定磁石１ａ（第１固定磁石）と、筐体３に固定され且つ固定磁石１ａと所定距離離れて配置された永久磁石からなる固定磁石１ｂ（第２固定磁石）と、２つの固定磁石１ａ，１ｂ間を移動する永久磁石からなる可動磁石２と、この可動磁石２を移動させる移動機構部Ａとを有して構成されている。
【００２１】
２つの固定磁石１ａ，１ｂ及び可動磁石２は、それぞれ対向する磁石間で吸引力が働くような方向に一直線上に配置されている。筐体３は、固定磁石１ａ，１ｂ、可動磁石２、移動機構部Ａを収納している。
【００２２】
移動機構部Ａは、ＤＣモータ（直流モータ）４、減速機５、第１ギア６、第２ギア７、ネジ８、直動スライドブロック９、スライドブラケット１０を有して構成されている。スライドブラケット１０は、導電性を有するもので、例えば、アルミニウムからなる。
【００２３】
ＤＣモータ４は、直流電流により回転し、減速機５は、ＤＣモータ４からの回転力を減速させる。減速機５の先端には第１ギア６が連結され、第１ギア６には第２ギア７が噛合している。第２ギア７の中心軸には細長いネジ８が取り付けられ、第２ギア７が回転することでネジ８が回転するようになっている。
【００２４】
ネジ８には直動スライドブロック９が螺合しており、ネジ８の回転により直動スライドブロック９が上下に移動するようになっている。直動スライドブロック９には凸部９ａが形成され、スライドブラケット１０には細長い長方形状の穴部１０ａが形成されている。この穴部１０ａには直動スライドブロック９の凸部９ａが引っ掛けられ、直動スライドブロック９の上下移動によりスライドブラケット１０も上下に移動するようになっている。
【００２５】
また、スライドブラケット１０には上側拘束面１０ｂと下側拘束面１０ｃとが形成され、上側拘束面１０ｂと下側拘束面１０ｃとは、紙面に対して垂直に折り曲げられた平板からなり、上側拘束面１０ｂと下側拘束面１０ｃとの間には可動磁石２が収納されている。
【００２６】
（ホッピング装置の基本的な動作）
次に、このように構成されたホッピング装置の基本的な動作を説明する。まず、ＤＣモータ４が回転すると、ＤＣモータ４の回転力は、減速機５により減速されて第１ギア６に伝達される。
【００２７】
第１ギア６が回転すると、第１ギア６に噛合した第２ギア７が回転し、第２ギア７が回転すると、ネジ８も回転する。ネジ８が回転すると、ネジ８に螺合した直動スライドブロック９が上下に移動する。
【００２８】
スライドブラケット１０の穴部１０ａには、直動スライドブロック９の凸部９ａが引っ掛けられているため、スライドブラケット１０は、直動スライドブロック９と共に上下に移動する。スライドブラケット１０の上下移動により可動磁石２も上下に移動する。
【００２９】
なお、吸引により生じる可動磁石２の運動を阻害しないようにするために、スライドブラケット１０の拘束面間の距離は、可動磁石２の長さより大きくしている。スライドブラケット１０も直動スライドブロック９に対して、可動領域を持つようにしている。
【００３０】
（ホッピング装置の詳細な動作）
次に、実施例１に係るホッピング装置の動作を、図３を参照しながらより詳細に説明する。ここでは、図３（ａ）〜図３（ｅ）の５つの状態に区分される。
【００３１】
まず、図３（ａ）に示す第１の状態は、初期状態であり、可動磁石２が下側の固定磁石１ｂに吸着されている。
【００３２】
次に、図３（ｂ）に示す第２の状態では、ＤＣモータ４の回転により、スライドブラケット１０が上に移動することにより可動磁石２も上に移動し、固定磁石１ｂから可動磁石２が引き離されている。
【００３３】
次に、図３（ｃ）に示す第３の状態では、可動磁石２の位置が固定磁石１ａ，１ｂ間の中間点を越え、上側の固定磁石１ａからの吸引力が強くなる。これにより、可動磁石２が下側拘束面１０ｃを離れてスライドブラケット１０内を移動している。
【００３４】
次に、図３（ｄ）に示す第４の状態では、可動磁石２がスライドブラケット１０の上側拘束面１０ｂに到達することにより、可動磁石２とスライドブラケット１０とが一体となって移動している。
【００３５】
次に、図３（ｅ）に示す第５の状態は、最終状態であり、可動磁石２が上側の固定磁石１ａに吸着し、ホッピング装置全体が上方向に運動している。
【００３６】
なお、可動磁石２の運動に関して、このホッピング装置は、上下対称となっている。即ち、図３（ｅ）に示す第５の状態でホッピング装置を上下逆にすると図３（ａ）に示す第１の状態になる。したがって、衝撃力を発生できる方向は２方向である。
【００３７】
（ホッピング時にＤＣモータを停止させる回路構成）
図４は、実施例１に係るホッピング装置によるホッピング時にＤＣモータ４を停止させるための回路構成図である。図４に示すホッピング装置は、図３（ｅ）に示すホッピング装置と同一構成であり、可動磁石２が上側の固定磁石１ａに吸着されている状態である。このホッピング装置のスライドブラケット１０は、アルミニウムからなり、信号線を介して接地されている。
【００３８】
また、固定磁石１ａには信号線が接続され、この信号線は抵抗Ｒ１との一端とアンド回路２１の一方の入力端子とに接続されている。抵抗Ｒ１の他端には電源電圧が印加されている。アンド回路２１の他方の入力端子にはＤＣモータ４を回転させるためのパルス信号が入力されるようになっている。モータ駆動部２２は、アンド回路２１からの出力によりＤＣモータ４を駆動する。抵抗Ｒ１とアンド回路２１とモータ駆動部２２とは、モータ停止部を構成する。
【００３９】
図４に示す回路によれば、可動磁石２が上側の固定磁石１ａに吸着されていない状態では、スライドブラケット１０が固定磁石１ａに接触していないため、アンド回路２１の抵抗Ｒ１の電圧はほぼ電源電圧となる。このため、アンド回路２１はパルス信号をモータ駆動部２２に出力する。これにより、ＤＣモータ４が駆動される。
【００４０】
一方、図４に示すように、可動磁石２が上側の固定磁石１ａに吸着された状態では、スライドブラケット１０が固定磁石１ａに接触するため、アンド回路２１の抵抗Ｒ１の一端は、固定磁石１ａとスライドブラケット１０とを介して接地される。このため、アンド回路２１の出力はＬレベルとなり、モータ駆動部２２は、ＤＣモータ４を停止させる。
【００４１】
即ち、ＤＣモータ４が停止されることで、ホッピング装置内のスライドブラケット１０、直動スライドブロック９等の破損を防ぐことができる。
【００４２】
なお、固定磁石１ｂ側にも同様の回路を構成する。  
（設計パラメータ）
図５は、実施例１に係るホッピング装置の固定磁石、可動磁石、直動スライドブロック、スライドブラケットの寸法を示す図である。固定磁石１ａ，１ｂ間の距離、スライドブラケット１０の可動範囲には、図３（ａ）〜図３（ｅ）において説明した各状態を実現するための幾何学的条件が存在する。
【００４３】
可動磁石の吸着による衝撃力を生成するためには、それらの条件を考慮した上で、固定磁石１ａ，１ｂ及び可動磁石２の長さやスライドブラケット１０の拘束面間の距離等の設計パラメータを決める必要がある。
【００４４】
設計パラメータとして、図５に示すように、固定磁石１ａ，１ｂ間の距離、可動磁石２の長さ、スライドブラケット１０の拘束面間距離、拘束面の幅、スライドブラケット１０の穴幅、スライドブロック９の凸部９ａの幅をそれぞれlS, lM, lw, la, lh, lb とする。このとき、次式が成立する。
【００４５】
lb < lh < lw                ‥（１）  
lM < lw < lS - 2la           ‥（２）  
また、各状態間の遷移において幾何学的制約を考慮すると次式が得られる。
【００４６】
lw= ( lS + lM )/2+ lb - lh- la     ‥（３）
吸着による衝撃力を最大にするためには、磁石の吸引力をモデル化し、可動磁石２の質量やローバー全体の質量、式（１）〜（３）を考慮した上で最適な設計パラメータを決める必要がある。
【００４７】
（試作モジュール）
本発明者は、ホッピング装置の試作モジュールを構築した。この試作モジュールは、現在計画中の小型ローバーを考慮し、全長を２８ｍｍとして設計した。また、固定磁石１ａ，１ｂにφ７×２ｍｍ，０．２８Ｔ、可動磁石２にφ６×６ｍｍ，０．４５２Ｔの円柱型ネオジウム磁石を使用した。これにより、lM = ６ｍｍとなる。
【００４８】
ＤＣモータ４には遊星減速機付ＤＣモータを使用した。ＤＣモータ４の特性は以下の通りである。直径は６ｍｍ、長さは２１．４ｍｍ、重さは１．２ｇ、ギア比は１３６．０２、動作電圧は３Ｖ、電流は４０ｍＡ、速度は２００ｒｐｍ、最大トルクは１２０ｇｃｍである。
【００４９】
これらの部品から最終的にlS = ２２ｍｍ，lw = １０ｍｍ，la = ０．６ｍｍ，lh = ７．４ｍｍ，lb = ４ｍｍとした。なお、減速機出力軸からネジ８への減速比は３．２，ネジ８のピッチは０．２５ｍｍである。試作モジュール全体の質量は１０ｇ となった。
【００５０】
このように実施例１に係るホッピング装置によれば、永久磁石をモータで動かし、永久磁石同士の吸着により発生する衝撃力で、ホッピング装置およびそれを搭載した探査機器をホッピングさせる。従って、ホッピング装置を簡単に構成することができる。また、消費電力に対して発生する衝撃力が大きく、残留振動も発生しない。
【００５１】
また、小惑星探査機器の小型化、軽量化が図れるため、ロケットの打ち上げコスト等、探査機の運搬にかかるコストを軽減することができる。さらに、探査機器の小型化により、多数の探査機を一度に打ち上げることが可能となり、惑星探査の効率化を図ることができる。
【００５２】
なお、本発明は、上述した実施例１に係るホッピング装置に限定されるものではない。本発明は、ホッピング装置を複数台組み合わせて用いても良い。あるいは、本発明は、ホッピング装置の向きを変える機構を別途設けることで、探査機器を任意の方向へホッピングさせることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、小惑星に対する探査活動に広く利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１ａ，１ｂ  固定磁石
２  可動磁石
３  筐体
４  ＤＣモータ
５  減速機
６  第１ギア
７  第２ギア
８  ネジ
９  直動スライドブロック
９ａ  凸部  
１０  スライドブラケット
１０ａ  穴部
１０ｂ  上側拘束面
１０ｃ  下側拘束面
２１  アンド回路
２２  モータ駆動部
Ｒ１  抵抗
【図１】
2013247169.tif 000003
【図２】
2013247169.tif 000004
【図３】
2013247169.tif 000005
【図４】
2013247169.tif 000006
【図５】
2013247169.tif 000007