(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法。
【請求項２】
ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置したことを特徴とする請求項１に記載の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法。
【請求項３】
展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御装置であって、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じて前記アクチュエータ部からの電磁気力によりヒンジの角度を原位置に復元制御して規定位置に設定するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネルのヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、宇宙空間にて使用される人工衛星のアンテナや太陽電池パネルでは、人工衛星の打上げ前に地球上で折り畳まれた状態のアンテナや太陽電池パネルが宇宙空間で展開されて運用される。展開された運用形状の維持は、アンテナ特性の維持や電池特性の維持に不可欠である。また、人工衛星自身の運動や宇宙塵等に起因してこれらの展開構造物に振動が加わると、振動は人工衛星全体の姿勢制御に強い影響を与え、ミッションの目的あるいは遂行に必要な観測値の精度の劣化や展開構造物におけるパネル部材に強度疲労を引き起こす元ともなる。特に、地上と違って空気密度が著しく低い宇宙空間では空気抵抗による振動減衰は期待できない。
【０００３】
そのようなことから、展開構造物の振動・形状制御法として、従来から種々の提案がなされている。例えば太陽電池パネルの回転軸をパネル駆動装置の回転軸とオフセットして取り付け、前記パネル駆動装置の回転制御によって太陽電池パネルの振動を制御するように構成したもの、つまり、人工衛星本体と結合部の１か所において、機械的な機構により太陽電池パネルの振動を制御する特開平５−１２４５９７号公報に開示された第１従来例のものや、アンテナ副反射鏡の指向方向を３軸駆動装置を用いて、柔軟なアンテナマストの振動を有効に抑制する特開平６−１３８１２号公報に開示された第２従来例等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような前記第１および第２従来例の展開構造物の振動・形状制御法にあって、いずれのものも、人工衛星本体におけるアンテナ等パネル取付部での一点制御（言わば本体近接部ヒンジのみの振動・形状制御）のみにより振動・形状制御がなされるものであり、このような一点制御では、複数の薄板やメッシュ状のパネル要素がヒンジ等により折畳み・展開可能に構成され不連続な特性の振動を引き起こすところの、一般には長い寸法を持つヒンジ結合展開構造物に対しては、制御力がヒンジを経て複数のパネル要素に伝達されにくく、振動・形状制御としては不充分なものであった。しかも、制御のための駆動装置としてモータ等を使用するため、制御が複雑で装置の重量も大きくなりがちであった。
【０００５】
そこで、本発明では、このような従来の展開構造物の振動・形状制御の課題を解決して、不連続な特性の振動を引き起こし易いヒンジ結合構造物を、軽量かつ簡素な構造の制御装置によってヒンジを含めたパネル全体で強力で確実かつ容易に制御し、展開して運用する形状を維持する人工衛星の展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法である。
また、ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法である。
また、展開型アンテナや太陽電池パネル等の不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御装置であって、前記ヒンジに隣接するパネルの一方にコイルを他方に磁石を配置して構成されるセンサー部と、前記ヒンジに隣接するパネルの一方に磁石を他方にコイルを配置して構成されるアクチュエータ部とを、前記センサー部と前記アクチュエータ部とがヒンジの軸方向にそって交互になるように配置し、前記センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じて前記アクチュエータ部からの電磁気力によりヒンジの角度を原位置に復元制御して規定位置に設定するように構成したことを特徴とする展開型アンテナや太陽電池パネルのヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御装置である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法の実施の形態の１例（実験室レベルの模型）を図面に基づいて詳細に説明する。図１はセンサー、アクチュエータ部分の拡大図、図２（Ａ）は実験装置全体図、図２（Ｂ）は振動制御流れ図、図３はセンサー原理図、図４はアクチュエータの作動原理図、図５はパネルの振動抑制の制御力説明図、図６は擾乱による振動発生時のヒンジ制御力の説明図、図７は周期外力を加えた時のヒンジ結合構造物の定常状態の振動変位図、図８は初期インパルス力を加えた時のヒンジ結合構造物の振動減衰の図である。
【０００８】
以下に本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法を詳細に説明する。本発明のヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法は、図１に示すように、少なくとも一対の隣接するパネル１０、１１同士がヒンジ４により結合され不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジ４の両側のパネル１０、１１に誘導電磁気力により制御されるセンサー部１２とアクチュエータ部１３（１４と）をそれぞれ設置するとともに、センサー部１２にて検出したヒンジ１０、１１の角度変化に応じてアクチュエータ部１３（１４）からの電磁気力により制御してヒンジ４の角度を原位置に復元するように構成したことを特徴とする。また、別途付加された信号のみによって、アクチュエータ部の電磁気力を制御することも可能である。
【０００９】
図１はヒンジ４についてのみのセンサー部１２とアクチュエータ部１３、１４の配設形態を示したものであるが、後述する図２の実験装置に示されるようにヒンジ結合構造物としては多数のパネルがヒンジ１〜９により結合された連結体により構成されており、必要により、各ヒンジにセンサー部およびアクチュエータ部が配設されるが、１つ置き毎に配設してもよい。図１において、ヒンジ４にて結合される２つの要素であるパネル１０、１１の一方側に磁石が配設され、他方側にコイルが配設される。図示の例では、センサー部１２の磁石１２Ｍがパネル１０側に、センサー部１２のコイル１２Ｃがパネル１１側に配設される。パネル幅方向（図面上下方向）の略中央において、正確にはパネル１１に近い側に磁石１２Ｍは配設されている。パネル幅方向の両端部において、アクチュエータ部１３、１４の磁石１３Ｍ、１４Ｍがパネル１１側に、アクチュエータ部１３、１４のコイル１３Ｃ、１４Ｃがパネル１０側に配設されている。なお、センサー部１２の磁石１２Ｍとコイル１２Ｃとの位置を入れ換えても差し支えはない。アクチュエータ部についても同様である。
【００１０】
各種計測機器の配設形態の図示、センサー部１２とアクチュエータ部１３、１４および各種計測機器間の配線等の図示は省略するが、前記センサー部１２で磁石１２Ｍの磁場中にあるコイル１２Ｃに対する相対位置変化に基づいてコイル１２Ｃに流れる誘導電流の値を検出し、各種増幅器等を経て前記アクチュエータ部１３、１４での磁石１３Ｍ、１４Ｍの磁場中のコイル１３Ｃ、１４Ｃに流れる電流を前記誘導電流の値に応じて制御することで、振動時にヒンジの角度を原位置に復元するような制振動作あるいはヒンジ結合構造物としての形状制御が行われる。また、アクチュエータ部へ別途信号を与えることにより新しい形状への制御が行われる。
【００１１】
図２（Ａ）は展開構造物に加える張力を一定に保つことができる機構を有する実験装置である。支持台１５上の前後に一対の支持柱１６Ａ、１６Ｂを立設し、これらの間にヒンジ１〜９により結合された９枚の薄肉パネル（右端の厚肉三角形端板は支持柱１６Ｂで支持されているが、左右に微小なスライドが可能とされる）から構成される展開構造物としてのヒンジ結合構造体を張設する。三角形パネル２１にワイヤ１９の一端部を固定するとともに、プーリ支持柱１７に軸支したプーリ１８により鉛直方向に変換したワイヤ１９の他端部に重錘２０を取り付ける。このような構成により、ヒンジ１、９での変位はゼロに拘束され、かつヒンジ結合構造体に加わる張力が一定に保たれる状態を作る（解析との比較を行うため）。このようなヒンジ結合構造体に外力を与えたときの時間の経過による振動波形を制御の有無に関して測定するものである。
【００１２】
図２（Ｂ）は振動制御の流れ図である。センサー１２によりヒンジ角度に応じた誘導電流を検出し、検出された信号はプリアンプ２２で増幅され、次段の制御回路２３により加工される。さらに加工された信号はメインアンプ２４にて電力増幅され、制御電流としてアクチュエータ１３、１４に送られ、振動の制御を行う。また、制御回路２３にてオフセット電圧を加えることにより、形状を規定の位置に設定する。
【００１３】
図３はセンサー原理を説明する図で、センサー部、アクチュエータ部のあるヒンジｉに着目し、ｉ−１、ｉ＋１はパネルの隣接するヒンジを示す。ｗをそれぞれのヒンジでの変位、ｑをヒンジｉからの磁石までの距離、ｐをヒンジからコイルまでの距離、Ｂpqs を磁石がコイルに作る磁束密度、Δｘを要素間の距離とすると、幾何学的な関係により、コイルの変位ｗs と磁石の変位ｗmgは、
ｗs ＝（ｐｗi+1 ＋（Δｘ−ｐ）ｗi ）／Δｘ
ｗmg＝（（Δｘ＋ｑ）ｗi −ｑｗi-1 ）／Δｘ
と表せる。これにより、磁石とコイルとの相対変位ｗreは、
ｗre＝（ｑｗi-1 −（ｐ＋ｑ）ｗi ＋ｐｗi+1 ）／Δｘ
となる。これにより、相対速度ｖreは
ｖre＝∂ｗre／∂ｔ＝∂（（ｑｗi-1 −（ｐ＋ｑ）ｗi ＋ｐｗi+1 ）／Δｘ）／∂ｔ
になるので、誘導起電力の関係によりコイルに生じる起電力Ｖs として、
Ｖs ＝ｖre×Ｂpqs ×ｌs ×ｎ
が得られる。ただし、ｎをコイルの巻き数、ｌs をコイルの長さ、Ｂpqs をコイルでの磁束密度とする。この誘導起電力がセンサーによる検出信号となる。実際には、この出力電圧は非常に小さいので、前述したように増幅器によりゲインを与えてアクチュエータを動作させる必要がある。
【００１４】
図４はアクチュエータ原理を説明する図で、Δｘを要素間の距離、Ｂpqa を磁石がコイルに作る磁束密度、ｆa をコイルに電流を流したときに生じる電磁気力とすると、磁束密度のなかに垂直に置かれたコイルに電流が流れるとき、コイルは磁束密度の方向と流れる電流の方向に垂直な方向に力を受ける。この力をアクチュエータの制御力として利用する。今、電圧Ｖs がアクチュエータ用のコイルに加えられたとき、流れる電流Ｉa はコイルの抵抗をＲとすると、
Ｉa ＝Ｖs ／Ｒ
である。したがって、コイルが受ける力ｆa は、
ｆa ＝Ｉa ×Ｂpqa ×ｌa ×ｍ
となる。ただしｌa をコイルの長さ、ｍをコイルの巻き数とする。作用・反作用の法則により、コイルと磁石との間にｆa の力が作用し、これを要素ｉのヒンジにかかる力と等価な力に置き換えるとヒンジにかかる制御力Ｆa は、
Ｆa ＝（（ｐ＋ｑ）／Δｘ）ｆa 
となる。
【００１５】
以上の分析によって明らかなように、例えば、図５に示すように、パネル側がヒンジを中心として下方への円弧矢印のように振動変形しようとすると、ヒンジに作用する制振制御力は直線矢印のように下方に作用させて振動を抑制しようとする。そして、図６に示すように、ヒンジ結合構造物としての多数のパネル連結体の、例えば、ヒンジ６に外力が加わると、それによって発生した波はヒンジ４に伝搬していくが、前述した制振制御により制振されることとなる。ただし、本例の場合には、ヒンジ６にセンサー部、アクチュエータ部を配設するのがより効率的であることは言うまでもない。
【００１６】
図７および図８は前述の導出式から、展開構造物であるヒンジ結合構造物の振動抑制制御に関する数値シミュレーション結果図である。図７はセンサー、アクチュエータの組をヒンジ４の部分に１つだけ配設したものと、１つ置きに４つの組を配設した場合の制御結果を示すもので、最初に周期外力を与えたときに構造物の振動が定常状態に落ちついたときの結果図である。これによるとセンサー、アクチュエータの組を多く取り付けた方が制振による振幅が小さく、より制振効果が高いことが推測される。図８は前記図７と同様の条件にて、構造物に初期インパルス力を与えたときのヒンジの振幅変位の結果図である。これによっても、センサー、アクチュエータの組を多く取り付けた方が振動の抑制制御において振幅が小さく、より制振効果が高いことが推測される。当シミュレーションの結果は、上述した実験装置を用いた振動抑制実験のレーザー変位計による計測結果と充分適合したものとなっている。
【００１７】
以上詳細に説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内にて、パネルの形状（パネル単体が平板、曲面等の他、ヒンジ結合構造物全体として平板状やパラボラ曲面等）、材質、ヒンジ形態（パネルの幅方向の全面をヒンジ結合とする他、両端部のみをヒンジ結合部として、それらの間にセンサー部およびアクチュエータ部の磁石とコイルとを有効に、例えば、交互に千鳥状に配列する等）、センサー部およびアクチュエータ部の形状、形式（磁石とコイルの対によるセンサーおよびアクチュエータの他、各種変位計と磁石とコイルの対によるアクチュエータとの組合せ等）および配設形態ならびに配設数、誘導電流の検出形態、各増幅器の形式および配設形態、ゲイン値を含む誘導電磁気力によるアクチュエータの駆動制御形態等については適宜選択し得る。なお、前述の実施の形態はあらゆる点で例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、少なくとも一対の隣接するパネル同士がヒンジ等により結合され不連続な振動特性を有するヒンジ結合構造物の振動制御法において、前記ヒンジの両側のパネルに誘導電磁気力により制御されるセンサー部とアクチュエータ部とをそれぞれ設置するとともに、センサー部にて検出したヒンジの角度変化に応じてアクチュエータ部からの電磁気力により制御してヒンジの角度を原位置に復元して規定位置に設定するように構成したことにより、ヒンジの両側にセンサー部およびアクチュエータ部が配設されて、センサーおよびアクチュエータの作動ストロークが大きく採れて高精度となる上に、制振制御力も大きくできる。しかも、ヒンジから独立して設けられるセンサーおよびアクチュエータが疲労等による破損の少ない非接触型とすることができる。
【００１９】
また、前記センサー部では磁石磁場のコイルに対する相対位置変化に基づいてコイルに流れる誘導電流の値を検出し、前記アクチュエータ部では磁石磁場中のコイルに流れる電流を前記誘導電流の値あるいは別途与えられたオフセット電流値に応じて制御するように構成した場合は、磁石とコイルの組合せにより軽量かつ偏平で簡素な構造とすることができ、必要に応じてパネル内への埋設構造等も採用して、無用な突起物をなくしヒンジを介したパネルの折畳み・展開を完全にすることもできる。
さらに、前記センサー部およびアクチュエータ部をそれぞれ構成するコイルと磁石とをヒンジの両側に振り分け配置した場合は、ヒンジを支点とする相対角度変化をコイルと磁石からなるセンサー部およびアクチュエータ部における相対位置変化による角度検出と制振制御に有効に活用できて構造が簡素化される。
【００２０】
さらにまた、ヒンジ角度の変化に対する電流値の誘導効率を高めるために、前記センサー部およびアクチュエータ部を構成するコイルと磁石とを、一方のパネルをヒンジよりも他方のパネル側に延設した延設部と他方のパネルとの間にそれぞれ設置した場合は、コイル電流の誘導値をより高めることができる。
かくして本発明によれば、不連続な特性の振動を引き起こし易いヒンジ結合構造物を、軽量かつ簡素な構造の制御装置によってヒンジを含めたパネル全体で強力で確実かつ容易に制御し、展開して運用する形状を維持するヒンジ結合構造物の誘導電磁気力による振動制御法および装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明のヒンジ結合構造物における要部拡大図で、センサー、アクチュエータ部の配設形態を示す図である。
【図２】    同、図２（Ａ）は実験装置全体図、図２（Ｂ）は振動制御流れ図である。
【図３】    同、センサー原理図である。
【図４】    同、アクチュエータの作動原理図である。
【図５】  同、パネル振動抑制のための制御力説明図である。
【図６】  同、擾乱による振動発生時のヒンジ制御力の説明図である。
【図７】    同、周期外力を加えたときのヒンジ結合構造物の定常状態の振動変位図である。
【図８】    同、初期インパルス力を加えたときのヒンジ結合構造物の振動減衰の図である。
【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】
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【図７】
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【図８】
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