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日本惑星科学会誌 Vol.17.No.2,2008

一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その４～ 中間赤外カメラ／紫外イメージャ用ステッピングモータの耐久試験 ～福原 哲哉 ，山田 学 ，佐藤 光輝 ，田口 真 ，山崎 敦 ，
3渡部 重十12341（要旨）PLANET-Cに搭載される中間赤外カメラと紫外イメージャは，それぞれシャッタおよびフィルタホイールを駆動するために回転角度の制御が可能なステッピングモータを採用している．これらは宇宙機用の国産品としては最小クラスの新規開発品である．我々はシャッタおよびフィルタホイールの「機構モデル」を製作し，真空中における耐久試験を実施して目標回数の動作を確認した．

1. はじめに
前回は金星探査機PLANET-C[1,2]に搭載する中間赤とした耐久試験を行った．

2. ステッピングモータの動作原理

外カメラLIR（Longwave InfraRed camera）の性能評
価試験について紹介し，検出器の画素ごとのばらつき

ステッピングモータは，内蔵するコイルの電流を切を除去するためにはシャッタ（常温の一様黒体）の画像替えることにより基準位置から一定角度間隔で任意にを取得する必要があることを述べた[3]．このシャッ回転させることができる．
「位置決め誤差が累積しなタを駆動するため，LIRには回転角度を制御できるスい」，「デジタル制御系との整合性がよい（制御回路をテッピングモータが採用されている[4]．これは宇宙作りやすい）」などの特徴を持つため，工業製品やパ機用の国産品としては最小の新規開発品であり，ミッソコンなどの幅広い分野で活用されている．ステッピ

ション期間中の動作回数は最大12万回と見込まれていングモータの内部構造を図1に示す[5]．モータの軸はる．シャッタの動作には高い信頼性が求められるため，磁歯と呼ばれる永久磁石と一体となっており，ロータ我々は「シャッタ機構モデル」を製作して12万回の2と呼ばれる．ロータの周りにはステータと呼ばれる倍である24万回を目標動作回数とした真空中の耐久試90°位相がずれた二つのコイル（以下，A相／ B相と呼験を行った．一方，金星雲頂からの散乱光を捉える紫ぶ）が取り付けられている．ステータのA相，B相それ外イメージャ UVI（UltraViolet Imager）[1,2]にも宇宙ぞれに通電して励磁し，更に電流の向きを順次切替え機用として国産最小クラスの新規開発のステッピングて磁場の向きを変化させると，ロータを磁歯の刻みモータが採用され，2枚の干渉フィルタと拡散板，お角度（1ステップ）ごとに回転させることが可能となる．

よび遮光板を装着したフィルタホイールを回転させる．

電流の向きを固定してロータの位置を安定させた状態

ミッション期間中の回転数は3万回以上と見込まれてでの保持トルクをホールディングトルクと呼び，電流いる．フィルタホイールが回転に対する耐久性を備え，を切った状態での保持トルクをディテントトルクと呼予想される最大枚数の観測画像を確実に取得できるこぶ．LIRとUVIに採用されるステッピングモータの仕とを確認するため，我々はUVIの「フィルタホイール様は表1のとおりである．

機構モデル」も製作し，LIRと同時に12万回転を目標
1. 宇宙航空研究開発機構
2. 東北大学
3. 北海道大学
4. 立教大学

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その 4 ／福原，山田，佐藤，田口，山崎，渡部131

奥にある色のついた歯がS
基準マーク手前にある白い歯がN
磁石は軸方向に着磁する

A相通電によりSになって白い歯と引き合う歯は1／2ピッチずれている
N極

ロータ

S極
B相

B相

こちらはNになって色のついた歯と引き合う
A相

ステータ

永久磁石

(a)

(b)

図1： ステッピングモータの内部構造（参考文献[5]より引用）：（a）ロータの磁歯構造 （b）ロータとステータの配置

3. 耐久試験
3.1.

LIR（Longwave InfraRed camera）

シャッタ機構モデルはシャッタ部のみを模擬したモデルで，真空中での忠実な動作環境を実現する．図2に真空槽内に設置したシャッタ機構モデルを示す．モ
ータは1回の動作で24ステップ（43.2°）回転し，シャッタが「閉」から「開」，またはその逆向きの「開」から「閉」に移行する．モータの発熱がシャッタ温度に

表1：LIR/UVIステッピングモータ［多摩川精機（株）製］仕様

LIRUVI

全長（mm）

6073

高さ[幅]（mm）

2528

重量（g）

130180

基本ステップ角度
（°）

1.8

1.8

定格電圧
（V）

3.5

1.0

定格電流
（A）
0.35
ホールディングトルク[定格電流通電時]（Nm） 0.013

1.50.049

ディテントトルク
（Nm）

0.001

0.001

影響を与えないよう，モータ非動作時はステータへの数24万回を達成するには24時間連続で試験を実施して通電を切って非励磁状態とした．シャッタには温度セも約1 ヶ月を要する．

ンサ（白金抵抗）とその配線が取り付けられている．宇試験は2007年8月13日に開始された．当初は順調に宙空間での環境を模擬するため，配線を含むシャッタ動作していたが，動作回数が10万回を超えた頃からシ機構モデルは，あらかじめ振動試験と1kGyの吸収線ャッタの停止位置が不安定となり，「閉」と「開」の量に相当するγ線の照射試験に供された．モータ制御中間に来てしまうようになった．試験を中断して調べには市販の制御回路が用いられ，試験中のシャッタのてみると，温度センサ用の配線が原因の一つであるこ開閉は数秒の間隔をおいて繰返されたが，目標動作回とがわかった．モータの非動作時に通電を切ると，ロ

図2： LIRシャッタ機構モデル：（a）シャッタおよびモータの取付状態 （b）真空槽に取り付けられたシャッタ機構モデル

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図3：真空槽内のUVIフィルタホイール機構モデルとLIRシャッタ機構モデル

ータ位置はディテントトルクによって保持されるが，を同時に切った時にシャッタが動いてしまう現象を防一方でセンサ用配線は円弧状に設置されているため張ぐことができる．改修されたシャッタ機構モデルには力を持ち，ロータに回転トルクを与える．これがディ再度放射線が照射され，2008年3月12日に2回目の試験

テントトルクを上回る～0.002Nmにまで達し，シャッが開始された．この試験ではシャッタは正常に動作しタを動かしてしまうのである．また，通電を切った状続け，無事に目標動作回数24万回を突破した．試験は態での磁歯の安定点は2相のステータ（A相およびB相）

2008年4月30日現在も継続中であり，シャッタ機構モに通電している状態での安定点から僅かにずれている

デルは累計80万回を超えてなお全く正常に稼動していため，2相の通電を同時に切るとシャッタが動いてしる．

まうことも原因の一つであることがわかった．我々はシャッタの非動作時にも定格電流をステータに流して3.2.

UVI（UltraViolet Imager）励磁状態とし，ロータをホールディングトルクによっ

UVIは2枚 の 干 渉 フ ィ ル タ（ 波 長283 nmお よ び365て安定させる応急処置を施すこととした．これによりnm）と拡散板，遮光板の計4枚が90°離れてフィルタ試験再開が可能となり，モータは目標動作回数24万回ホイールに設置されている．観測時はステッピングモを達成した．

ータにより90°ずつ回転させてそれぞれ撮像を行うこステータに常時定格電流を流しておくとロータはとにより，2波長での雲画像の取得と，探査機上での安定するが，その発熱はシャッタ温度に影響を及ぼ

画像の補正に必要なデータを取得する．現在考えていし，探査機の電力供給にも負荷を与えてしまう．これる定常観測計画ではミッション期間中にフィルタホイを解決するため，我々は以下に示す3つの改善を施した．

ールは約3万回転するが，今回の試験では可動部位の①シャッタ非動作時にはステータへ定格電流の1/4だ

耐久性を確認するためにこの4倍の12万回転の目標をけを流して配線トルクを上回る保持トルクを確保する．

設定した．フィルタホイール機構モデルは図3に示す

これによりシャッタへの発熱の影響や探査機の電力供ようにLIRのシャッタ機構モデルと共に真空槽内に設給の負荷を最小限に抑えることができる．②これまで置された．衛星飛翔時の無重力状態に近づけるため，用いられていた耐放射線性と曲げ応力に対する耐久性

モータ軸に過負荷がかからないようモータ軸を重力方に優れた線材を，耐久性に問題がない程度の張力の弱向になるよう設置している．また，フィルタホイール

い線材に変更する．③ステータへの通電を切るときはの重量中心はモータ軸上となるよう設計し，重量アン1相ずつ段階的に行う．ステータの1相だけが励磁されバランスによる偏心を最小限に抑えている．耐久試験

た状態での磁歯の安定点は，2相とも通電を切った状に先立ってフィルタホイール機構モデルの振動試験を態での安定点と一致する．この操作により2相の通電行い，打上時の機械環境を模擬した．

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その 4 ／福原，山田，佐藤，田口，山崎，渡部

試験ではフィルタホイールを単一方向に180°回転133参考文献させることを一回の動作とした．フィルタホイールの動作タイミングはLIRシャッタの動作タイミングと同期させ，計24万回の動作，すなわち12万回転を目標と[1] Nakamura, M., et al., 2007, Planet. Space Sci., 55,1831.

した．モータ駆動制御には市販の回路を用い，UVIの[2] 今村剛他, 2007, 遊・星・人, 16, 226.

エレクトロニクスと同等の電流・電圧を与えた．動作[3] 福原哲哉他, 2008, 遊・星・人, 17, 77.

タイミングの制御はPCを用いて行い，1回転を8秒と[4] Taguchi, M., et al., 2007, Adv. Space Res., 40, 861.

した．LIRのシャッタ動作不安定により一時中断した[5] 見城尚志他, 2006,「最新小型モータの全てがわかものの，2007年8月13日から開始された試験では無事に目標の12万回転を達成した．これによりUVIフィルタホイールの耐久性が確認された．

4. おわりに今回の耐久試験により，我々はLIRのシャッタ機構とUVIのフィルタホイール機構の開発課題を解決してフライト用モータを製作する段階に至った．試験中は開発担当メーカとPLANET-Cチームが一丸となって課題に取り組んできた．そして開発担当メーカが有する高い技術力と開発に対する熱意が惜しみなく提供された．このような作業が観測データ利用者の目に触れることはほとんどないが，観測を成功に導くためには避けて通ることができない重要なものであることは言うまでもない．

謝 辞
本稿に記した耐久試験を実施するにあたり，多摩川精機（株）の唐澤豊氏からステッピングモータに関する技術協力をいただきました．また，シャッタおよびフィルタホイールの「機構モデル」製作には，NEC東芝スペースシステム（株）の樫川了一氏，東野勇氏，佐藤康志氏を中心とする開発チームから技術支援をいただ
きました．ここに感謝の意を記します．シャッタ機構モデルへの放射線照射には東京大学の岩上直幹准教授のご協力を得ました．ここに感謝の意を記します．本
稿の図1を掲載するにあたり，参考文献[5]の著者である見城尚志氏，佐渡友茂氏，木村玄氏，および（株）技術評論社の冨田裕一氏から引用の承諾をいただきました．ここに感謝の意を記します．真空試験は情報・システム研究機構国立極地研究所の施設を利用して実施されましたので厚く御礼申し上げます．

る」, 技術評論社.