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発明の名称 操舵駆動装置、及び飛しょう体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−240017(P2007−240017A)
公開日 平成19年9月20日(2007.9.20)
出願番号 特願2006−59042(P2006−59042)
出願日 平成18年3月6日(2006.3.6)
代理人 【識別番号】100113077
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 省吾
発明者 新井 修 / 櫻本 仁美
要約 課題
減速機構やリンク機構を用いずに、ガタやバックラッシを減らしたダイレクトドライブ方式で駆動でき、操舵駆動部の実装空間を広く確保することのできる操舵装置を得る。

解決手段
円周に沿って極性の異なる永久磁石6を複数個配列され、セクタ形状をなしたロータ3と、ロータ3の頂角周辺に接続されて回動可能に支持された回転軸4と、回転軸4に結合された操舵翼5と、ロータ3に対向して電磁石を有したステータ2とを備える。
特許請求の範囲
【請求項1】
セクタ形状をなす基部を有し、基部の外周に沿って極性の異なる磁性体を円弧状に複数個配列したロータと、
上記ロータの頂角周辺で上記ロータのセクタ面に対し垂直に接続され、回動可能に支持された回転軸と、
上記回転軸に結合した操舵翼と、
上記ロータのセクタ面と対向する位置に配置され、電磁石を有したステータと、
を備えた操舵駆動装置。
【請求項2】
上記ロータの回転角度を検出する角度検出器と、
上記角度検出器の計測角度に基づいて、上記電磁石に制御指令を送り、上記操舵翼の回転角度を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記操舵翼の最大回転角度範囲がロータの頂角以内となるように角度制御することを特徴とした請求項1記載の操舵駆動装置。
【請求項3】
請求項1記載の操舵駆動装置を構成するロータ、ステータ、回転軸、及び操舵翼を、少なくとも2組備えた飛しょう体であって、
飛しょう体の胴体周囲に上記回転軸を配置し、
対向配置された上記回転軸に結合したロータを、基部の頂角が互いに対向するように配置し、
及び/または、直交配置された上記回転軸に結合したロータを、一方の基部の頂角が機体前方を向き、他方のロータの頂角が機体後方を向くように配置したことを特徴とした飛しょう体。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、操舵駆動装置及び飛しょう体に関するものである。
【背景技術】
【0002】
飛しょう体用操舵装置の操舵サーボ方式として主なものは、油圧方式によるものと電気方式によるものに大別できる。油圧方式は、非常に大きなトルクを得ることができるが、精密部品を多数必要とし、メンテナンス性や制御性の面で電気方式のものに劣る。また、油圧方式によるものは、部品点数が多く比較的大型になることから、電気方式のものが主流となりつつある。
【0003】
従来の操舵装置においては、飛しょう体が比較的大型であったこともあり、駆動部の各出力軸毎にモータと減速機構やリンク機構等を設けた構成であった。(例えば、特許文献1参照)
【0004】
【特許文献1】特開平5−296699(図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、可搬性や、俊敏性、機動性等に優れ、操舵翼とロケットモータを有した小型飛しょう体の利用が望まれている。しかし、例えば長さ2m以下の小型飛しょう体を構成する場合、減速機構やリンク機構等の駆動部を備えた従来の操舵装置を用いると、小型化に伴って駆動部の収納容積が問題となる。
【0006】
例えば、操舵装置における駆動部の収納容積を小さくするために、小型モータを使用した場合、必然的にモータの出力トルクが小さくなる。モータの出力トルクが小さくなると、操舵装置として必要な操舵トルクが得られないため、各出力軸に減速機構等を設けなければならない。この場合、部品点数が増加するとともに構造が複雑化し、制限された領域への実装が非常に困難となる。さらに、出力トルク向上のために減速機構を付与したがため、減速機構やリンク機構の有するバックラッシやガタにより、操舵制御系の角度精度や応答帯域が低下する等の課題があった。
【0007】
この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、小型で高トルクが得られ、かつ減速機構を不要とした操舵駆動装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この発明に係る操舵駆動装置は、セクタ形状をなす基部を有し、基部の外周に沿って極性の異なる磁性体を円弧状に複数個配列したロータと、ロータの頂角周辺でロータのセクタ面に対し垂直に接続され、回動可能に支持された回転軸と、回転軸に結合した操舵翼と、ロータのセクタ面と対向する位置に配置され、電磁石を有したステータとを備えたものである。
【0009】
また、上記ロータの回転角度を検出する角度検出器と、角度検出器の計測角度に基づいて、電磁石に制御指令を送り、操舵翼の回転角度を制御する制御部とを備え、操舵翼の最大回転角度範囲がロータの頂角以内となるように角度制御することを特徴としたものである。
【0010】
さらに、上記操舵駆動装置を2つ用いて、操舵駆動装置を少なくとも2つ備えた飛しょう体であって、飛しょう体の胴体周囲に上記回転軸を配置し、対向配置された上記回転軸に結合したロータは、基部の頂角が互いに対向配置され、及び/または、直交配置された上記回転軸に結合したロータは、一方の基部の頂角が機体前方を向き、他方のロータの頂角が機体後方を向く様に配置されたものである。
【発明の効果】
【0011】
この発明によれば、ギア、減速機構、リンク機構等を用いずに、ダイレクトドライブ方式で操舵翼を操舵駆動できるので、バックラッシやガタが無いため角度精度が向上する。また、サーボ系の応答帯域を上げることが可能となり、制御性能向上にもつながる。さらに、ギアや減速機構が不要となることから、構造が単純になり、故障率が低下することが期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る操舵装置は、飛しょう体の操舵翼が所望の操舵角を確保できる範囲内で、セクタ形状をなした角度制限付のロータから構成されるモータを使用することにより、ギアや減速機構等を不要として操舵装置の小型化を図るとともに、操舵翼に高出力トルクを与えることを特徴とする。
【0013】
以下、図を用いて実施の形態1について説明する。
図1は、実施の形態1による操舵装置の駆動部を示す斜視図である。
図において、駆動部100は、トルカ10とモータ制御部11と角度検出器30から構成され、操舵駆動装置として機能する。トルカ10は、ステータ2と、ロータ3と、回転軸4とを備えて構成され、角度制限付モータを構成している。回転軸4はモータの出力軸として機能する。
【0014】
ステータ2は、電磁石23a、23bによって構成され、被固定物(後述する飛しょう体1の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム)に固定される。
図2は電磁石の構成を示す図である。図において、電磁石23a、23bは、それぞれ円筒形状の2本の鉄芯(磁性体)21a、21bに、1対のコイル22a、22bを巻いて構成される。2本の鉄心21a、21bは互いの円筒面が平行になる様に所定の間隔を空けて対向配置され、非透磁性の接続部材により結合されている。ステータ2に巻かれた1対のコイル22a、22bは、それぞれ信号線12を介してモータ制御部11に接続される。モータ制御部11は、スイッチング素子と制御回路を有し、各信号線12に印加する電圧を調整する。
【0015】
なお、電磁石23a、23bは2つである必要はなく、さらに複数本配置しても良い。要するに、磁気極性を独立して変えることができる電磁石を、少なくとも2つ以上平行に配置すればいいのである。また、言うまでもなく、電磁石23a、23bを透磁性体の容器に収容しても良い。
【0016】
ロータ3は、セクタ形状(扇形形状)の基部7が頂角周辺で基部7のセクタ面(扇形形状をなす仮想的な平面)に垂直に回転軸4の一端部に結合されている。円弧形状のロータ3の外周縁部に、その外周に沿う様に複数の永久磁石(磁性体)6を円弧状に配列する。例えば、基部7をセクタ形状をなす非磁性体板で構成し、非磁性体板の円弧周縁に所定の間隔で複数の収納穴を形成して、当該収納穴に複数の永久磁石6を嵌め込むもしくは接着することによって、ロータ3を構成しても良い。
【0017】
永久磁石6は、逆極性の永久磁石が交互に隣接して配置される。図示の例では、左端の磁石から、極性がN、S、N、S、・・・の順に隣接して円弧上に並んでいる。すなわち、基部7の外周に沿って極性の異なる磁性体が円弧状に複数個配列されている。また、回転軸4の他端部は、操舵翼5に結合されている。永久磁石6の配列間隔はコイル22a、22bの配置間隔と同じになっている。ロータ3に円弧配列された永久磁石6にステータ2が対向して配置される。
【0018】
角度検出器30はポテンショメータやレゾルバやエンコーダ等で構成され、回転部と固定部からなる。角度検出器30は固定部に対する回転部の相対的な角度変化を、電圧値、パルス、或いは電圧の位相差等の角度情報として出力する。角度検出器30から出力される角度情報はモータ制御部11に入力され、モータ制御部11において適宜設定された基準角度に対する、計測角度値として検出される。角度検出器30の固定部は被固定物(後述する飛しょう体1の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム)に固定される。角度検出器30の回転部は回転軸4に取り付けられる。
【0019】
ストッパ40は、各ロータ3の両側に2つ配置され、被固定物(後述する飛しょう体1の胴体内壁、もしくは内部構造フレーム)に固定される。ストッパ40は、ロータ3の横幅よりも長い間隔を持ち、ロータ3の可動角を制限するために設けられる。すなわち、ロータ3が最大回転角度範囲に到達すると、ロータ3はストッパ40に接触する。
【0020】
ステータ2は、モータ制御部11によって、コイル22a、22bに各々流れる電流の極性、もしくは印加電圧の極性が制御される。リニアモータの原理に基づいて電磁石23a、23bの極性を調整することにより、ステータ2の電磁石23a、23bとロータ3の永久磁石6との間で吸引力または反発力を生じ、基部7の外周方向に合力Fが発生する。これによって、合力Fと距離Lの積F×Lによって得られるトルク(回転力)Tがロータ3に作用し、ロータ3が回転軸4を中心に回転する。
なお、回転軸4を中心として、各永久磁石6がロータ3上に円弧状に配置されているので、ロータ3の回転に伴いステータ2の電磁石23a、23bが相対的にロータ3を通過する円弧状の軌跡に、各永久磁石6が位置する。すなわち、ロータ3とステータ2は曲線上を移動するリニアモータを構成している。このため、ロータ3の回転に伴って、永久磁石6が常に電磁石23a、23bと正対することになるので、ロータ3の可動角の範囲内で常に安定したトルクを発生することができる。
【0021】
次に、駆動部100の動作について説明する。
モータ制御部11は角度検出器30で計測される角度情報に基づいて、ロータ3の角度を計測する。モータ制御部11は、計測角度と外部から適宜入力される制御目標とに従い、制御指令を生成する。制御目標としては、例えばロータ10を移動させるべき所望角度が入力される。また、所望角度と計測角度との角度差に基づいて、角度差が0になりロータ10が所望角度に到達して停止するように、コイル22a、22bの各端子に対する制御電圧の印加タイミングや印加すべき電圧値を求めて、制御指令が適宜生成される。モータ制御部11は、生成した制御指令に基づいて、コイル22a、22bに制御電圧を印加する。モータ制御部11は、制御回路によってスイッチング素子のON/OFFを制御し、このスイッチング動作によってコイル22a、22bへの印加電圧を所望の値に調整する。モータ制御部11が所定のタイミングで印加電圧を変化させることにより、コイル22a、22bの各端子の極性が所定の規則にしたがって変化し、電磁石23a、23bの磁極が所定のタイミングで順次切り替る。
【0022】
例えば、3つの永久磁石6の極性が左から順にN、S、Nで配列され、電磁石23a、23bのロータ側の極性がS、Nであるとし、あるN極の永久磁石6の真上に電磁石23aが位置し、このN極の右側に隣接したS極の永久磁石6の真上に電磁石23aが位置して、電磁石23a、23bの極性が(S、N)であると仮定する。
ここで、電磁石23a、23bの磁極を順に、(S、S)→(N、S)→(N、N)→(S、N)、と変化させた場合は、ロータ3は右から左方向に回転移動する。逆に、電磁石23a、23bの磁極を、(N、N)→(N、S)→(S、S)→(S、N)、と変化させた場合は、ロータ3は左から右方向に回転移動する。この際、モータ制御部11は、ロータ3に円弧配置された各永久磁石6の位置や配置間隔に応じた、所定のタイミングで、電磁石23a、23bの磁極を変化させるように制御電圧を印加する。
【0023】
また、電磁石23a、23bの磁極を変化させる時間間隔を変えることにより、ロータ3の角速度を制御することができる。また、電磁石23a、23bに印加する電流の大きさを変えることにより、ロータ3の発生トルクの大きさを調整することができる。
なお、電磁石23a、23bが誘導起電力を相互に誘起し、発生トルクに影響を与えることがないように、電磁石23aと電磁石23bの間に適宜磁気シールドを設けても良い。また、電磁石23aと電磁石23bから発生される磁束密度が同じ大きさとなるように、磁気回路を付加して適宜調整しても良い。
【0024】
さらに、モータ制御部11は、ステータ2がロータ3の永久磁石6の何れかに対向するように、最大回転角度範囲を制御する。具体的には、角度検出器30の計測角度に基づいて、ステータ2に対するロータ3の永久磁石6の位置がロータ3におけるセクタ形状をなす基部の頂角以内となるように、制御指令を生成する。すなわち、ロータ3は左右側端部に位置する永久磁石6がステータ2と対向する位置までしか移動せず、ロータ3の最大回転角度範囲は基部7の頂角の大きさよりも僅かに小さくなる。
【0025】
ところで、通常、飛しょう体の操舵翼を360°回転する必要は無く、操舵角範囲はある角度範囲に制限されている。例えば、操舵翼の操舵角範囲は、±数10°程度で済む。この場合、操舵翼を駆動する操舵装置にトルカ10を用いて、回転軸4に操舵翼を直結させると、その操舵角範囲は±数10°となる。これはすなわち、ロータ3の最大回転角度範囲(可動角)が±数10°であっても良いことを意味しており、円弧状のロータ3を用いてモータの一部を構成すれば、操舵装置を小型化することが可能となる。例えば、円弧の半径L=10cmのロータを構成した場合、ロータの幅は3.5cm(=20×sin10°)程度と小さくなる。ロータ3の可動角を考慮しても、ロータ3の実装空間として要する幅は7cm程度となる。また、ロータの基部の厚みは永久磁石の厚さ程度で良く、例えば1cm程度と薄く構成することができ、トルカ10は薄型化に適している。
【0026】
この際、トルカ10により得られるトルクTは、ロータ3の半径に比例する。ロータ3の幅に比してロータ3の半径が大きいので、ロータ3の幅と同径の従来の小型モータよりも、トルクが単純に3倍程大きくなる。実際には、従来の小型モータは減速機を取り付けるので、トルクの大きさは同じ程度にはなる。しかし、従来の小型モータはその分だけ余計な機構や余分な空間が必要となるので、トルカ10の方が実装空間を小さくするのに適している。
【0027】
次に、図1に示したトルカ10を操舵装置の駆動部100に使用した場合の操舵装置の構成例を示す。図3は実施の形態1による操舵装置の概略構成例の側方視図を示し、図4は後方視図を示す。トルカ10は必要な出力軸分配置することが必要であるが、図3、図4の例には、最も一般的な4軸操舵の場合の構成例を示す。図において、各操舵翼の仮想的な回転軸を一点鎖線で示している。また、モータ制御部11や角度検出器30の図示は省略する。図3では、ストッパ40の図示を省略する。
【0028】
図において、操舵翼5は回転軸4の端部に直結された翼を有している。回転軸4の端部は飛しょう体1の胴体外周側に突き出して配置され、翼30は回転軸4によって胴体外周に回転可能に支持される。操舵翼5は胴体外側に4つ配置され、飛しょう体1の円筒形状をなす胴体外周に沿って胴体中心軸(飛しょう体の機体軸)の周りに90度間隔で配置されている。なお、操舵翼5は胴体外側に少なくとも2つ配置されれば良い。
【0029】
トルカ10は、各操舵翼5に対応して飛しょう体1の胴体の内部空間に収容され、胴体中心軸の周りに90度間隔で4つ配置される。胴体中心軸周りに相互の回転軸4が180度をなして、1対の操舵翼5が対向配置される。この1対の操舵翼5は、その結合したトルカ10を構成するロータ3が互いに対面配置される。同様に、1対の操舵翼5に結合したトルカ10に対応したステータ2は、互いに対面配置される。ステータ2は支持部材13によって飛しょう体1の胴体内壁に固定される。また、角度検出器30の固定部も適宜飛しょう体1の胴体内壁に固定される(図示せず)。なお、トルカ10は、操舵翼5の配置に対応して胴体外側に少なくとも2つ配置されれば良い。
【0030】
また、隣接する操舵翼5の駆動部は、トルカ10が前後に互い違いに配置される。図3の例では、横の操舵翼5の駆動部は、ロータ3の頂角が機体前方を向くように1対のトルカ10が機体後部に配置され、縦の操舵翼5の駆動部は、ロータ3の頂角が機体前方を向くように1対のトルカ10が機体前部に配置される。
【0031】
さらに、対面した1対のロータ3の間に、2つのステータ2が挟まれるように配置される。このステータ2の間には、他の搭載機器を実装する実装空間が形成される。
図3の例ではロータ3とステータ2を極端に大きく記載しているが、上述したようにロータ3は薄く構成することができる。また、胴体が円筒形状の場合、可動角中心でロータ2の長手方向が概ね円筒軸に平行になるように配置される。このため、ロータ3の最大可動角範囲内においてロータ3が飛しょう体1の胴体内壁に衝突しない範囲で、ロータ3を飛しょう体1の胴体内面に近接して配置することができるので、他の搭載機器の実装空間を広くとることができる。
また、ステータ2についても、鉄心やコイルの数を増やし、電磁石の本数を増やすことによって薄形に構成することが可能であり、他の搭載機器の実装空間をさらに広くすることができる。
なお、ステータ2とロータ3は、図3の例とは逆配置にしても良く、また、2つのステータ2の間にロータ3を挟み込むように配置しても良いことは言うまでもない(この場合は電磁力が倍増する)。
【0032】
モータ制御部11は、角度検出器30によってロータ3の回転角度を計測することができる。モータ制御部11は、外部から操舵翼5の目標回転角度(目標舵角)の情報が与えられると、目標舵角と計測した回転角度(計測した舵角)との差分により角度差を求める。なお、時系列的に計測した回転角度の微分値から角速度を求めても良い。
モータ制御部11は、得られた角度差や角速度に基づいて、トルカ10に対して出力トルクや回転角を発生するための制御指令を求める。
モータ制御部11は制御指令を発して、例えば、操舵翼5の舵角が目標舵角に一致するように舵角の角度制御を行う。また、モータ制御部11は、操舵翼5の最大回転角度範囲がロータ3の頂角以内となるように角度制御する。
なお、ロータ3は2つのストッパ40の距離範囲内で可動する。すなわち、ストッパ40は、操舵翼5が最大回転角度範囲を越えないように、機械的にロータ3の角度制限を行う。
【0033】
モータ制御部11はトルカ10の電磁石23に制御指令を送ると、トルカ10はトルクTを発生する。この発生トルクTは操舵トルクとして回転軸4に伝達され、操舵翼5を所望の方向に向け、操舵翼5が所望の舵角に操舵される。
このとき、操舵翼5はトルカ10によってダイレクトドライブされるので、操舵翼5の舵角制御の際にバックラッシやガタがない。さらに、ロータ3とステータ2とが非接触なので、両者の間に滑り摩擦や静止摩擦が発生しない。このため、操舵装置の機械共振周波数が高くなる。
したがって、操舵翼5の舵角制御を行うサーボ系において、サーボ系の応答帯域を高くとることができる。
また、減速機がないので、操舵翼5を迅速に回転することもでき、時間遅れがない。
さらに、ガタやバックラッシが無いので、当然の如く、操舵翼の舵角制御において角度精度を向上させることができる。
【0034】
以上により、本実施の形態に係る操舵装置は上記の様に構成され、次のような効果を奏する。
本実施の形態では、操舵翼5の駆動部の実装空間内において、ロータ3を円弧形状にすることにより、従来のモータよりもロータ径を大きくすることができ、その結果、大きな発生トルクを得ることができる。従って、減速機構が不要となり、その分実装容積を確保することができる。
【0035】
また、小型であっても高出力なトルクを発生するトルカ10を使用することで、操舵装置の駆動部の実装に必要な空間をより狭くすることが可能となる。これによって、推進薬、各種信号処理装置、電源装置等の、他の構成部品の実装容積を広く確保することができるため、部品配置の自由度が増し、飛しょう体の実装設計が容易になる。
【0036】
また、トルカ10はダイレクトドライブ方式であることから、ギア、減速機構やリンク機構によるガタが無いため角度精度が向上し、また、操舵翼における制御系の応答帯域を上げることが可能となり、制御性能の向上にもつながる。
さらに、減速機構やリンク機構が不要となることから、構造が単純になり、故障率が低下することが期待される。
【0037】
なお、従来の小型モータを操舵装置に使用した場合には、必然的に出力トルクが小さい為、減速機構を設ける必要があり、減速機構やリンク機構を設けた場合、小型化の妨げとなる。しかし、本実施の形態ではトルカ10を操舵装置に利用することによって、十分な実装空間を確保できるようになるので、飛しょう体の操舵装置の小型化を図る上で、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】この発明の実施の形態による操舵装置のトルカを説明するための図である。
【図2】電磁石の構成を示す図である。
【図3】この発明の実施の形態による操舵装置の側方視図である。
【図4】この発明の実施の形態による操舵装置の後方視図である。
【符号の説明】
【0039】
1 飛しょう体外筒(胴体)、2 電磁石、3 ロータ、4 回転軸、5 操舵翼、6 永久磁石(磁性体)、7 基部、10 トルカ、11 モータ制御部(制御部)、30 角度検出器、40 ストッパ、100 駆動部(操舵駆動装置)。




 

 


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