(57)【要約】【課題】寸法制御の応答が早くなるなど効果を有するアクチュエータを提供する。【解決手段】圧電素子６が伸びると、くさび３はマイナスＸ方向に移動してバイアスバネ７はその分だけ縮む。くさび３の移動量をΔＸとすると、下板１０と上板１１の距離は２ΔＸtan-1αだけ増加する。すなわち、圧電素子６のＸ方向における変位が、図中Ｚ方向の変位に変換される。接触面４及び５における静止摩擦係数をμとする。本実施形態においては、くさび３の角度αは、予め              tanα＜μ                                              （１）となるように設定しておく。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１駆動部材及び第２駆動部材と、
前記第１駆動部材及び第２駆動部材に挟まれて配置されたくさびと、
前記第１駆動部材及び第２駆動部材の相対運動を、両者が近づき又は離れる第１の方向に拘束する拘束手段と、
前記くさびを、前記第１の方向と垂直な第２の方向に駆動する駆動手段と、
前記第１駆動手段及び第２駆動手段を前記くさびに対して押し付ける方向に与圧を印加する与圧印加手段とを有し、
前記第１駆動部材と前記くさびの摺動方向を第１の摺動方向、前記第２駆動部材と前記くさびの摺動方向を第２の摺動方向としたときに、前記第１の摺動方向と前記第２の摺動方向の一方もしくは両方が、前記第２の方向に対して角度αを有しており、
前記第１駆動部材と前記くさびの接触面及び前記第２駆動部材と前記くさびの接触面の静止摩擦係数がμであり、角度αと静止摩擦係数μとの間に、
tanα＜μ
という関係が成り立つよう角度α及び静止摩擦係数を調整したことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動手段は、圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動手段は、磁歪素子であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記拘束手段は、一対の平行なヒンジバネであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記拘束手段は、板バネであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記第１駆動部材、前記第２駆動部材、及び前記くさびは嵌合部を有し、前記嵌合部により、前記第１駆動部材と前記くさび、前記第２駆動部材と前記くさびが互いに離れることを防止するよう嵌合していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記第１駆動部材と前記くさびとの接触面、及び、前記第２駆動部材と前記くさびとの接触面に、摩擦力を制御するための被膜が製膜されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記被膜は、酸化クロムを主成分とする複合セラミックス被膜であることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載のアクチュエータと、
トラスと、
基準点からの長さを測長する測長手段と、
を有することを特徴とするアクティブトラス。
【請求項１０】
前記測長手段は、レーザー測長器を含むことを特徴とする請求項９に記載のアクティブトラス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きな荷重がかかり、かつ高度な寸法安定性が要求される分野で利用されるアクチュエータ及びこれを利用したアクティブトラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球や天文を観測する人工衛星や宇宙機において高度な観測を行うためには、アンテナや望遠球の高度な寸法安定性が求められる。しかし、人工衛星や宇宙機に広く用いられる材料であるＣＦＲＰ（carbon-fiber-reinforced plastic）は湿度によって膨潤することが知られており、打ち上げ後に宇宙空間で乾燥するにしたがって何カ月も寸法が安定しないことがある。また、人口衛星では、地球周回に応じて温度環境が変化し、構造材料が熱変形をするために寸法が安定しないという問題点もある。そこで、構造物の寸法をモニタしながら積極的に寸法を制御しようという発想が生まれた。
【０００３】
「寸法安定化構造物」と題する特許文献１では、金属製の継手の温度を制御して熱膨張により寸法を制御する構造物が提案されている。特許文献１の図１に示される一実施形態は、一部あるいは全部が金属箔で覆われていないＣＦＲＰ製フレーム１、例えばアルミニウム合金やチタニウム合金の金属製エンドフィッティング２、金属製継手３、金属製継手の全周に取り付けたヒータ４、アルミニウム合金やチタニウム合金に比べて小さな熱膨張率を有する鉄−ニッケル合金などのインバー型合金製の低熱膨張金属棒５、歪みゲージ６、歪み計測部７、ヒータ温度制御部８、ＣＦＲＰ部１８などから構成されている。この実施形態では、低熱膨張金属棒５の歪み量を歪みゲージ６により測定し、測定信号をヒータ温度制御部８へ送り、低熱膨張金属棒５の歪みがゼロとなるように正の線膨張を有する金属製継手３をヒータ４により加熱して金属製継手部３を膨張させることで、ＣＦＲＰフレーム１と金属製エンドフィッティング２及び金属製継手部３を直列に組み合わせたフレーム構造物の長さを調節し、フレーム構造物の変形を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２４５８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、引用文献１に記載されている発明においては、ヒータで熱制御をするために、冷却は自然冷却に頼らざるを得ず、応答が遅いという問題がある。また、部材の発熱を許容できない場合には引用文献１に記載の発明は使えないという問題もある。例えば、宇宙用の赤外線望遠鏡では、部材から発する赤外線を最小にするために部材を静穏に冷却する必要があるので、発熱を許容できない場合がある。さらに、線膨張係数の大きな部材を使用するため、温度制御機構が故障した際には、逆に温度安定性が悪くなってしまうという問題もある。
【０００６】
一方、微小な変位を制御する際に一般的に用いられるアクチュエータとして圧電素子や磁歪素子がある。しかし、これらの素子はセラミック製であるため脆く、衝撃荷重に弱いという欠点がある。そのため、人口衛星等に搭載する際にはロンチロック機構などを用いて打ち上げ時の荷重が素子に直接かからないようにする必要がある。しかしながらロンチロック機構は、複雑で効果であり、質量増加の要因となる上、信頼性低下の要因ともなる。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上記のような問題を解決するアクチュエータ、並びにこのアクチュエータを用いたアクティブトラス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】
【０００８】
本発明に係るアクチュエータは、第１駆動部材及び第２駆動部材と、前記第１駆動部材及び第２駆動部材に挟まれて配置されたくさびと、前記第１駆動部材及び第２駆動部材の相対運動を、両者が近づき又は離れる第１の方向に拘束する拘束手段と、前記くさびを、前記第１の方向と垂直な第２の方向に駆動する駆動手段と、前記第１駆動手段及び第２駆動手段を前記くさびに対して押し付ける方向に与圧を印加する与圧印加手段とを有し、前記第１駆動部材と前記くさびの摺動方向を第１の摺動方向、前記第２駆動部材と前記くさびの摺動方向を第２の摺動方向としたときに、前記第１の摺動方向と前記第２の摺動方向の一方もしくは両方が、前記第２の方向に対して角度αを有しており、前記第１駆動部材と前記くさびの接触面及び前記第２駆動部材と前記くさびの接触面の静止摩擦係数がμであり、角度αと静止摩擦係数μとの間に、
tanα＜μ
という関係が成り立つよう角度α及び静止摩擦係数を調整したことを特徴とする。
【０００９】
前記駆動手段としては、圧電素子、あるいは磁歪素子を使用することができる。
【００１０】
前記拘束手段としては、一対の平行なヒンジバネ、あるいは板バネを使用することができる。
【００１１】
前記第１駆動部材、前記第２駆動部材、及び前記くさびに嵌合部を設け、前記嵌合部によって、前記第１駆動部材と前記くさび、前記第２駆動部材と前記くさびが互いに離れることを防止するよう嵌合させることができる。
【００１２】
前記第１駆動部材と前記くさびとの接触面、及び、前記第２駆動部材と前記くさびとの接触面に被膜を製膜し、この被膜により摩擦力を制御することができる。
【００１３】
前記被膜は、酸化クロムを主成分とする複合セラミックス被膜とすることができる。
【００１４】
本発明に係るアクティブトラスは、上記何れかのアクチュエータと、トラスと、基準点からの長さを測長する測長手段と、を有することを特徴とする。
【００１５】
前記測長手段は、レーザー測長器を含むものとすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、上記のように、駆動部材を用いて第１の方向の寸法を制御するので、熱膨張を利用する場合に比べて寸法制御の応答が早く、また、部材の温度を任意に制御できる。駆動部材は、駆動時以外は通電の必要がないので、発熱が小さく、また故障した際の熱変動が小さい。角度αと静止摩擦係数μとの関係を上記のように設定することにより、大きな荷重が印加されても損傷に対する耐性が高い。また、嵌合部を設けて第１駆動部材、第２駆動部材、くさびを相互に嵌合することによって、ロンチロックが不要となる。そして、宇宙機に搭載した場合は、軌道上で寸法変化の少ない構造部材を提供できる、などの技術的効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るアクチュエータを示した側面図である。
【図２】図１に示したアクチュエータの動作について説明するための図である。
【図３】図１に示したアクチュエータの動作について説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るアクチュエータを示した側面図である。
【図５】図４のアクチュエータを中央部の切断面で切った断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るアクティブトラスを示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１のアクチュエータを示した側面図である。図１において、符号１０１は、アクチュエータの構成の説明に用いる座標系を示している。下板１０には、第１駆動部材１が固定されている。第１駆動部材１の上にはくさび３が配置され、第１駆動部材１とくさび３の接触面４において両者は摺動可能とされている。くさび３の上には第２駆動部材２が配置され、くさび３と第２駆動部材の接触面５において両者は摺動可能とされている。第２駆動部材２には上板１１が固定されている。接触面４は図中Ｘ方向に対して右回りに角度αだけ傾いており、接触面５は図中Ｘ方向に対して左回りに角度αだけ傾いている。なお、ここでは、接触面４と接触面５の両方が角度αだけ傾いているとしたが、一方だけが傾いて他方は傾けないようにすることも可能である。
【００２０】
第１駆動部材１、第２駆動部材２、くさび３は、一例としてステンレス合金で作られており、摺動面に酸化クロムを主成分とする複合セラミックス被膜（トーカロ株式会社製ＣＤＣ−ＺＡＣ）が製膜されている。この被膜により、摺動面での静止摩擦係数が０．４程度の比較的安定した摩擦力を得ることができる。この被膜はまた、空気中と真空中での摩擦力の違いが少ないという特徴もある。
【００２１】
下板１０の左右両側には、それぞれ弾性ヒンジバネ１２ａ、１２ｂを介してアーム部１３ａ、１３ｂが連結されている。上板１１の左右両側には、それぞれ弾性ヒンジバネ１２ｃ、１２ｄを介してアーム部材１３ｃ、１３ｄが連結されている。また、アーム部材１３ａ、１３ｃは、それぞれ弾性ヒンジバネ１４ａ、１４ｃを介して側板１５に連結されている。アーム部材１３ｂ、１３ｄは、それぞれ弾性ヒンジバネ１４ｂ、１４ｄを介して側板１６に連結されている。側板１５とくさび３との間には、駆動手段としての圧電素子６が配置されており、側板１６とくさび３との間には、バイアスバネ７が配置されている。なお、駆動手段としては圧電素子を用いたが、磁歪素子を用いることもできる。
【００２２】
このような構造により、第１駆動部材１及び第２駆動部材２は、互いに平行な弾性ヒンジバネによって、図中Ｚ方向（両者が近づき又は離れる方向）にのみ相対移動可能であるように拘束されている。また、この拘束手段として、板バネを用いることもできる。弾性ヒンジバネ１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄの弾性により、第１駆動部材１及び第２駆動部材２には、両者が互いに近づく方向に与圧が与えられている。これとは別に、下板１０及び上板１１の間に引っ張りバネを配置して与圧を与えてもよい。
【００２３】
次に図２及び図３を参照して、本実施形態のアクチュエータの動作について説明する。図２に示すように、圧電素子６が伸びると、くさび３は図中マイナスＸ方向に移動してバイアスバネ７はその分だけ縮む。くさび３の移動量をΔＸとすると、下板１０と上板１１の距離は
２ΔＸtan-1α
だけ増加する。すなわち、圧電素子６のＸ方向における変位が、図中Ｚ方向の変位に変換される。このＺ方向における変位はΔＸに比べて一般に微小であるため、Ｚ方向における変位を利用して、高い精度での寸法制御を実現することができる。
【００２４】
図３に示すように、下板１０と上板１１との間に圧縮力Ｆが働いたときの動作を説明する。ここで、接触面４及び５における静止摩擦係数をμとする。本実施形態においては、くさび３の角度αは、予め
tanα＜μ                                              （１）
となるように設定しておく。
【００２５】
接触面５について考えると、接触面５における力Ｆは、摺動方向の力
Ｆsinα
と、接触面に垂直な方向の力
Ｆcosα
に分解することができる。接触面５における最大摩擦力は
μＦcosα
なので、（１）より、
Ｆsinα＜μＦcosα                                      （２）
という条件が成り立つことになり、くさび３はＦの大きさによらず滑らない。このことは、接触面４についても同様である。すなわち、圧電素子６に力は伝わらない。そのため、本アクチュエータに大きな圧縮荷重がかかっても、圧電素子が損傷することはない。
【００２６】
一方、このアクチュエータに引っ張り力が働いた場合、弾性ヒンジバネ１４ａ〜１４ｃによって与えられる与圧を超えると、第１駆動部材１及び第２駆動部材２とくさび３とが離れてしまう。よって、このアクチュエータを使用する際には、引っ張り力が与圧を超えない範囲で使用する必要がある。
【００２７】
このアクチュエータが故障した際には、周囲の温度によって下板１０と上板１１との間の距離が変動するが、第１駆動部材１、第２駆動部材２及びくさび３の材料を低線膨張係数の材料とすることで、温度変動を少なくすることが可能である。
【００２８】
〔第２実施形態〕
続いて、図４〜図５を参照して第２実施形態のアクチュエータについて説明する。まず、図４における符号２０１から２１１の構成要素については、第１実施形態の符号１から１１までの構成要素に対応する。
【００２９】
下板２１０の左右両側には板バネ２１３ａ、２１３ｂが連結され、上板２１１の左右両側には、板バネ２１３ｃ、２１３ｄが連結されている。板バネ２１３ａ、２１３ｃは側板２１５に連結され、板バネ２１３ｂ、２１３ｄは側板２１６に連結されている。板バネ２１３ａ〜２１３ｄは、実施形態１のアーム部材１３ａ〜１３ｄ及び弾性ヒンジバネ１４ａ〜１４ｄと同様の働きをする。
【００３０】
図５は、図４の切断面２２０における断面図である。本実施形態では、図５に示すように、第１駆動部材２０１とくさび２０３とが相互に嵌合し、同様に第２駆動部材２０２とくさび２０３とが相互に嵌合している。この嵌合部は、下板２１０と上板２１１の間に、板バネ２１３ａ〜２１３ｄによる与圧を超える引っ張り力が働いたときに第１駆動部材及び第２駆動部材２１０、２１１とくさび２０３とが互いに離れることを防止する。なお、図５では説明のために嵌合部の間隙を大きく描いているが、この間隙寸法は、公差の許す範囲内でできるだけ小さくすることが望ましい。
【００３１】
上記のような構成により、本実施形態のアクチュエータは、圧縮力だけでなく大きな引っ張り力にも耐えることができる。また、上記のような構成としたことにより、宇宙機の主要構造部材に組み込んだ場合、ロンチロックを使用しなくても打ち上げ荷重に耐えることが可能である。
【００３２】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態として、アクティブトラスについて説明する。図６において符号３３０は、図４に示した第２実施形態のアクチュエータである。このアクチュエータ３３０の中央部には、レーザー光３３５が通過できるよう穴が空けられている。符号３３１ａ、３３１ｂは金属製の中空エンドフィッティングを示し、符号３３２はＣＦＲＰ製の中空トラスである。
【００３３】
レーザー測長器３３３とリフレクタ３３４は、構造体の基準点に取り付けられている。レーザー測長器３３３は、レーザー光３３５を発振し，リフレクタ３３４との間の距離を測定する。レーザー光３３５は、アクチュエータ３３０、中空エンドフィッティング３３１ａ、中空トラス３３２、中空エンドフィッティング３３１ｂの中を通過する。かかる構成とすることにより、トラスの周囲に機器を自由に配置することができる。レーザー測長器３３３の出力が常に一定となるようなフィードバック制御を行うことで、温度の影響を受けない寸法精度の安定した構造体を得ることができる。
【００３４】
中空トラス３３２の材料であるＣＦＲＰは一般的に１０-6程度の線膨張係数を有するが、トラス長が１ｍだとすると、軌道上で１０℃の温度変化にさらされたときの変動は１０μｍ程度になる。アクチュエータ３３０のくさび角αを１６．７度とすると、圧電素子の変位１に対してアクチュエータの変位はおよそ０．６になる。すなわち、トラス長が１ｍの場合、１６．７μｍ以上のストロークを有する圧電素子を使用すれば、軌道上の温度変動を補正できることになる。
【００３５】
本発明によれば、高い寸法安定性が得られるので、人工衛星や宇宙機に搭載して地球や天文を観測するアンテナや望遠鏡その他の機器に本願発明のアクチュエータ及びアクティブトラスを適用することができる。また、宇宙のみならず地上用途においても、高度な寸法安定性が必要とされる機器に適用できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３６】
１、２０１  第１駆動部材
２、２０２  第２駆動部材
３、２０３  くさび
４、５  接触面
６、２０６  圧電素子
７、２０７  バイアスバネ
１０、２１０  下板
１１、２１１  上板
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  弾性ヒンジバネ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ  アーム部材
２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１３ｄ  板バネ
３３０  アクチュエータ
３３１ａ、３３１ｂ  中空エンドフィッティング
３３２  中空トラス
３３３  レーザー測長器
３３４  リフレクタ
３３５  レーザー光
【図１】
2017185968.tif 000003
【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】
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