JPH04229083A - ピエゾ電気回転結合管装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピエゾ電気装置に関す
るものであって、更に詳細には、連結した構成体の間に
相対的な回転を与えるためにピエゾ電気アクチュエータ
を使用する回転ユニオン（結合管）装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば宇宙ステーションモジュール及び
接続用構成体などのような大型の構成体に対して回転ユ
ニオン（即ち、結合管）を与える回転可能な接続システ
ムは、コンタクト（接触）要素に厳しい条件を課してい
る。従来のローラ軸受ユニオン（結合管）においては、
相対的な回転を与えるメカニズムは、通常、別個のサブ
システムと考えられており、ケーブル、バンド、チェー
ン、又は歯車などに依存している。これらのメカニズム
は、機械的に複雑なものであり、且つ例えば質量が大き
く、摺動摩擦があり、分離が困難であり、回転するユニ
オンを介して電気信号を転送することが困難であるなど
のような不所望の側面を有している。更に、転動要素が
、高い接触圧力を受け且つ究極的に摩耗する。そのこと
は、真空環境に対して形成した乾燥潤滑剤を使用する場
合であっても代わることはない。摩耗した軸受は、粗雑
な動作を発生し、且つ制御せねばならない欠陥性の構造
的振動を発生する。小さな構造的振動であっても、転動
要素の幾つかをアンロード状態とさせ、その結果ガタつ
きを発生させる。ガタつきは、摩耗を加速し且つ隣接す
る構成体において高周波数の音響ノイズを誘発する。 従来の回転ユニオンシステムは、更に、スロップと呼ば
れる問題がある。スロップは、通常、例えば歯車のバッ
クラッシュ、軸受のクリアランスの遊び、弾性的曲げ、
機械的コンプライアンス、及び不整合状態などの現象を
包含するものであって、それら全ては、回転ユニオン、
即ち結合管が所望の位置、トルク又は角速度を達成する
ことを不可能とさせる。更に、大きな直径の軸受レース
の歪みは、付加的な摩耗を発生させ、且つ所望の回転ト
ルクよりも必要以上に高いトルクを必要とする。軸受の
アライメント、即ち整合状態を確保するために必要とさ
れるより大きな構造上の一体性は、許容できないほど重
量を増加させることとなり、特に宇宙ステーションの場
合には許容しがたいものである。更に、従来のスチール
の軸受レース及び軽金属又は複合軸受支持構成体との間
の差動的熱膨張は、宇宙においては著しい問題となり、
特に、軸受の一部が陰の中にあり、一方軸受の残部が直
接的に日光に晒される場合に問題は深刻である。

【０００３】動作状態においては、回転ユニオンシステ
ムは、一定の角速度を維持するためにそれほどエネルギ
を必要とするものではないが、連結した構成体を所望の
角速度で加速したり又は減速したりするために及び機構
が経年変化により増加する摩擦に打ち勝つために十分な
トルクを有するものでなければならない。スリップリン
グ及びその他の整流装置を有する電磁モータは、回転ユ
ニオンシステムを駆動するために使用することが可能で
あるが、モータは比較的非効率的であり且つ多くの適用
場面において熱を除去することを必要とする。環状のス
リップリング上のモータブラシの摺動により抵抗加熱、
接触溶接、電気ノイズ及び定常的な摩耗が発生され、そ
れらの全ては、システム効率の低下の原因となっている
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、比較的簡単で
あり、軽量であり、効率的であって、容易に接続したり
離脱させたりすることが可能であって、スロップが減少
されており、且つ回転接続部を横断して複数個の電気信
号を送信することが可能な大型の構成体用の改良した回
転結合管装置に対する必要性が存在している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】ピエゾ電気アクチュエー
タは、遠隔した且つ極端な環境において使用するのに有
益なものである。なぜならば、ピエゾ電気アクチュエー
タは潤滑又は冷却の必要性なしに直流で動作することが
可能であり且つ高効率だからである。ピエゾ電気「平滑
歩行」を発生するピエゾ電気アクチュエータ及び電子的
駆動システムの詳細な説明は、１９８８年９月３０日に
出願した米国特許出願第２５２，１９７号及び１９９０
年３月５日に出願した米国特許出願第４８８，５４８号
に詳細に説明してある。

【０００６】本発明の回転結合管装置は、一つの構成体
から別の構成体へ電気的パワー及び回転運動を伝達すべ
く構成されている。本装置は、第一構成体に取付けたリ
ングと、該第一構成体のリングと係合し且つそれを受取
る第二構成体に取付けた複数個の対向するピエゾ電気ア
クチュエータ対とを有している。該リングは、中心回転
軸の周りに回転可能な円周部を有している。各ピエゾ電
気アクチュエータは、それぞれ、半径方向、接線方向、
軸方向運動を有する「リフタ」、「タンジェンタ」、「
アクシャー」セグメントを有すると共に、「トラクタ」
を具備する牽引表面を有している。第一及び第二構成体
が連結されると、第一構成体の対向するアクチュエータ
対が第二構成体のリング上で万力状のグリップ、即ち把
持を維持する。対向するアクチュエータ対のトラクタが
、軸受を使用することなしに、リングのセグメント、即
ち一部の内側及び外側表面を把持する。対向するトラク
タの零クリアランス及び完全接触が、比較的高い機械的
剛性を与え、そのことは該リングの非常に精密な位置決
めを行なうことを可能とする。平滑歩行用アクチュエー
タ運動を使用して該リングを位置決めすると共に回転さ
せ、その際に第一構成体を第二構成体に対して回転させ
ると共に位置決めさせる。適宜の構造的な剛性を有する
ので、対向するトラクタの平滑歩行運動は、基本的に、
本回転結合管装置からスロップを除去している。

【０００７】

【実施例】図１を参照すると、本発明のピエゾ電気回転
結合管装置２が概略示されている。回転結合管２は、第
一構成体８を第二構成体１０へ接続させている。結合管
２は、一方の構成体から他方の構成体へ電気信号及びパ
ワーを伝達し且つ一方の構成体を他方の構成体に関して
回転させることを可能としている。構成体８及び１０は
、例えば、回転可能な宇宙ステーションモジュールを有
することが可能である。回転結合管２は、構成体８に固
着した環状リング６を有すると共に、構成体１０に取付
けた複数個のピエゾ電気アクチュエータモジュール４を
有している。アクチュエータモジュール４は、環状リン
グ６を受取り且つ係合すべく構成され且つ位置決めされ
て回転結合管２を形成している。

【０００８】図２は、リング６のセグメント、即ち一部
と係合するアクチュエータモジュール４を示している。 アクチュエータモジュール４は、ハウジング１２に装着
したアクチュエータＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして示した二対の
対向するピエゾ電気アクチュエータ１４を有している。 例えば送信機３２及び検知器３４などのようなリング位
置センサをハウジング１２に取付けることが可能である
。各ピエゾ電気アクチュエータ１４は、「トラクタ」と
呼ばれる牽引セグメント１８と、「タンジェンタ」と呼
ばれる接線方向に作用するピエゾ電気セグメント２０と
、「アクシャー」と呼ばれる軸方向に作用するピエゾ電
気部分２２と、「リフタ」と呼ばれる半径方向に作用す
るピエゾ電気セグメント２４とを有している。これらの
各ピエゾ電気セグメント乃至は部分は、上述した三つの
直交する方向のうちの一つの方向において印加された電
圧を機械的運動に変換するピエゾ電気ダイモルフを有す
ることが可能である。各ダイモルフに対する電気的駆動
システム及び電気的接続は、間欠性のために図面から削
除してある。アクチュエータ１４のセグメントがトラク
タ１８と反対の端部においてハウジング１２に取付けた
スタック、即ち積層体内に接着されているので、トラク
タ１８の機械的運動は、ピエゾ電気セグメント２０，２
２，２４のそれぞれの運動のベクトル和である。例えば
対Ａ及びＣと対Ｂ及びＤなどのようなアクチュエータ対
が、対向するトラクタ１８の間にリング６を受取るため
のギャップ乃至はスロップを有する対向した関係でハウ
ジング１２内に装着されている。トラクタ１８の間のス
ロットは、ちょうど、所定の電圧が四つの全てのリフタ
２４に印加されて該スロットを開放させた場合に、リン
グ６の厚さをクリアする。電気駆動システム（不図示）
によって発生されるその他の所定の電圧は、アクチュエ
ータ１４へ印加させて、１９９０年３月５日に出願した
米国特許出願第４８８，５４８号に記載される如く、ト
ラクタ１８の平滑歩行運動によってリング６を移動させ
且つ位置決めさせることが可能である。例えば、アクチ
ュエータ対Ａ−Ｃを一体的に動作させて、リング６を把
持し且つ位置決めさせることが可能であり、一方アクチ
ュエータ対Ｂ−Ｄを退避位置にリフトさせ且つ次の接触
及び位置決めサイクルのための準備としてリング６上の
位置にリトレースさせることが可能である。

【０００９】図３は、図２のアクチュエータモジュール
４の上側アクチュエータＡ及びＢのより詳細な構成を示
した概略図である。アクチュエータＡ及びＢのそれぞれ
の表面４４Ａ及び４４Ｂとして大略示したトラクタ１８
の表面部分は、例えば、電気的リード３６及び３８へ接
続した導体２６及び２８などのような埋蔵型電気的導体
を有することが可能である。電気的に絶縁性のライナ４
０を使用して、導電性のトラクタ本体１８を必要とする
適用において、導体２６及び２８を絶縁させることが可
能である。例えば導体２６及び２８などのような対の導
体が、構成体１０の電気的構成要素に接続されている共
通リード４２へ、ループ３６によって電気的に接続され
ている。リング６の外部及び内部円筒表面は、図４に示
した如く、埋め込み型環状電気的導体１６を有しており
、それはアクチュエータ１４の導体２６及び２８に対応
している。リング６の環状導体１６に対する電気的接続
（不図示）は、従来のスリップリングにおいて公知の如
く、リング６の端部において構成することが可能である
。図４は、リング６の断面斜視図であり、リング６の導
電性本体を必要とする適用において導体１６を電気的に
絶縁するために使用されるライナ４６を示している。 リング６のアクチュエータ位置決め及び歩行動作期間中
においては常に、トラクタ表面４４Ａ及び導体２８又は
トラクタ表面４４Ｂ及び導体２６の何れかがリング６及
び導体１６と完全な非摺動接触状態にある。

【００１０】回転結合管２の接続期間中、構成体８は外
力によって構成体１０との所定の位置に案内され、一方
全てのアクチュエータリフタ２４が対向するアクチュエ
ータのトラクタ１８を離隔させることによりアクチュエ
ータモジュール４のスロットを開放させる。リング６が
アクチュエータモジュール４によって部分的に係合され
ている場合には、アクチュエータ１４は歩行運動を開始
してリング６と係合し且つそれを位置決めさせる。制御
器（不図示）が位置検知器３２及び３４からの信号を使
用してアクチュエータ１４の歩行運動を制御し、リング
６を適切な位置に移動させる。アクシャー２２が、リン
グ導体１６とトラクタ１８の対応する導体２６及び２８
と整合させ且つその整合状態を維持し、一方リフタ２４
及びタンジェンタ２０は、平滑歩行運動によってその中
心軸周りにリング６を回転させる。

【００１１】回転結合管２のほとんどの適用においては
、他の構成体に対して相対的に一方の構成体を一定の角
速度で回転することを必要とする。アクシャー２２は、
この回転期間中にそれぞれの電気的導体の整合状態を維
持し、電気的パワー乃至は信号が対向する回路内に供給
されることを確保する。回転結合管２は、電気的ノイズ
が低く、且つ電気信号及びパワーの供給に対する抵抗が
小さい。アクチュエータ１４の平滑歩行運動による牽引
は、摺動摩擦を取除いている。アクチュエータ１４によ
って与えられる牽引作用は、例えば、アクチュエータＡ
の表面４４Ａ及びアクチュエータＣの対向するトラクタ
１８の対応する表面などのような、比較的大きな牽引表
面に亘って印加される中程度の圧力によって発生される
。牽引表面と垂直な圧力と共に摺動運動が存在しないこ
とにより、電気的接触抵抗は無視可能なものとなり、従
って電気的ノイズは比較的低いものとなる。牽引は、通
常、満足のゆく電気的接触に対して必要とされるものよ
りも大きな牽引用圧力を付与する。

【００１２】アクチュエータ歩行動作期間中に、一対の
対向するアクチュエータ１４が一体的に動作して、リン
グ６を万力状のグリップ状態に保持し、一方そのリング
の位置決め用ストローク、即ち行程を与える。このアク
チュエータグリップは、リトレース中の擦り動作を回避
するために、リトレース中のアクチュエータ対の間のス
ロット内のリング６の整合状態を維持する。図１におい
ては３個のアクチュエータモジュール４が示されている
が、ある適用場面においては二つのモジュールで十分な
場合があり、一方、例えば高トルクを必要とする適用場
面においては多数のアクチュエータモジュールを設ける
ことが望ましい。

【００１３】容易に製造することが可能であるか又は容
易に宇宙に打ち上げることが可能なものよりもより大き
な回転結合管リング６を必要とする構成体の場合には、
セグメント化したリングを使用せねばならない。セグメ
ント化リング６の環状導体１６は、従来公知の如く、互
いに電気的に接続させるか、又は並列的に接続させるこ
とが可能である。複数個のアクチュエータモジュール４
を使用することは、リング６のセグメントに沿っての電
流経路の長さを短縮させる。複数個のアクチュエータモ
ジュール４は、更に、比較的厳しい信頼性の条件を有す
る適用場面に対して所定の程度の冗長性を与える。

【００１４】本発明のピエゾ電気回転結合管２は、比較
的遅い速度において比較的大きなトルクを与えており、
低電気ノイズ及び無視可能な加熱で電流を伝達し、且つ
無視可能な摺動摩擦で繰返しの結合管分解、再係合、回
転及び位置決めを行なうことを可能としている。ユニオ
ン、即ち結合管２は、軸受なしで機械的回転を制御し且
つ構造的振動を積極的に減衰させるために真空中におい
て動作することが可能である。ピエゾ電気アクチュエー
タを使用することにより、軽量及び小型の装置において
高い電気的及び機械的効率が与えられており、静止位置
を保持する間に発生する熱は無視可能なものである。更
に、ピエゾ電気アクチュエータは、歪み又は損傷の発生
を防止するために、隣接する構成体の応力を表わすフィ
ードバック信号を与えるために使用することが可能であ
る。

【００１５】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明はこれら具体例にのみ限定さ
れるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱する
ことなしに、種々の変形が可能であることは勿論である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明のピエゾ電気回転結合管を示した概
略斜視図。

【図２】　　本発明のピエゾ電気アクチュエータの対向
する対を示した概略斜視図。

【図３】　　図２のピエゾ電気アクチュエータの一部を
示した概略斜視図。

【図４】　　本発明の結合管リングのセグメントを示し
た概略断面斜視図。

【符号の説明】 ２　　ピエゾ電気回転結合管装置 ４　　ピエゾ電気アクチュエータ ６　　リング ８，１０　　構成体

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　回転結合管装置において、第一構成体
   に取付けた環状リング、第二構成体に取付けたピエゾ電
   気アクチュエータ、前記アクチュエータと連動しており
   前記第一及び第二構成体の間に回転可能な接続部を形成
   するために前記リングと係合する手段、を有することを
   特徴とする回転結合管装置。
2. 【請求項２】　　請求項１において、更に、少なくとも
   二対の対向するピエゾ電気アクチュエータを有しており
   、前記対向するアクチュエータの対の各々が、前記環状
   リングのセグメントと係合するために間にギャップを設
   けた対向するアクチュエータ牽引表面を有することを特
   徴とする回転結合管装置。
3. 【請求項３】　　請求項２において、更に、前記環状リ
   ングを位置決めし且つ回転させるために前記アクチュエ
   ータの前記牽引表面により歩行運動を発生させる手段を
   有しており、前記対向する対の牽引表面が同時的に移動
   して万力状の態様で前記リングセグメントを把持するこ
   とを特徴とする回転結合管装置。
4. 【請求項４】　　請求項３において、更に前記アクチュ
   エータの少なくとも一つに接続されており前記ギャップ
   における前記リングの整合を検知する手段を有すること
   を特徴とする回転結合管装置。
5. 【請求項５】　　請求項３において、更に、前記リング
   及び前記牽引表面に接続されており前記第一及び第二構
   成体間で電気信号を送信する導電性手段を有することを
   特徴とする回転結合管装置。
6. 【請求項６】　　ピエゾ電気回転結合管装置において、
   第一構成体に取付けた環状リングが設けられており、第
   二構成体に取付けた少なくとも二対の対向するピエゾ電
   気アクチュエータが設けられており、前記各アクチュエ
   ータが牽引表面を有しており、且つ前記各対の対向する
   アクチュエータが前記環状リングのセグメントと係合す
   べく間にギャップを設けた対向する牽引表面を有してお
   り、前記アクチュエータの少なくとも一つに接続されて
   おり前記ギャップ内の前記リングの整合を検知する手段
   が設けられており、前記環状リングを位置決めし且つ回
   転させるために前記アクチュエータの牽引表面により歩
   行運動を発生する手段が設けられており、前記リング及
   び前記牽引表面は前記第一及び第二構成体の間で電気信
   号を送信する導電性手段を有することを特徴とするピエ
   ゾ電気回転結合管装置。
7. 【請求項７】　　請求項６において、更に、前記第二構
   成体に取付けて複数個のピエゾ電気モジュールが設けら
   れており、前記各モジュールが前記対の対向するピエゾ
   電気アクチュエータの少なくとも二つを有することを特
   徴とするピエゾ電気回転結合管装置。
8. 【請求項８】　　請求項７において、前記歩行運動を発
   生する手段が、万力状の態様で前記リングセグメントを
   把持するために前記対向する対の牽引表面を同時的に移
   動させる手段を有することを特徴とするピエゾ電気回転
   結合管装置。
9. 【請求項９】　　請求項８において、更に、前記環状リ
   ングの係合及び離脱期間中に前記ギャップを開放させる
   ために前記対向する牽引表面を離隔させる手段が設けら
   れていることを特徴とするピエゾ電気回転結合管装置。
10. 【請求項１０】　　回転可能な接続部で第一及び第二構
    成体を連結するためのピエゾ電気回転結合管装置におい
    て、前記第一構成体に取付けて環状リングが設けられて
    おり、前記第二構成体に取付けて複数個のピエゾ電気モ
    ジュールが設けられており、前記各モジュールは少なく
    とも二対の対向するピエゾ電気アクチュエータを有して
    おり、前記各対の対向するアクチュエータは前記環状リ
    ングのセグメントと係合するために間にギャップが設け
    られた対向するアクチュエータ牽引表面を有しており、
    前記モジュールの少なくとも一つに接続して前記ギャッ
    プ内の前記リングの整合を検知する手段が設けられてお
    り、前記環状リングを位置決めし且つ回転させるために
    前記アクチュエータの牽引表面による歩行運動を発生さ
    せる手段が設けられており、前記対向する対の牽引表面
    が同時的に移動して前記リングセグメントを万力状の態
    様で把持し、前記リング及び前記牽引表面が前記第一及
    び第二構成体間に電気的信号を送信するための導電手段
    を有することを特徴とするピエゾ電気回転結合管装置。
11. 【請求項１１】　　請求項１０において、更に、前記環
    状リングの係合及び離脱期間中に前記ギャップを開放さ
    せるために前記対向する牽引表面を離隔させる手段が設
    けられていることを特徴とするピエゾ電気回転結合管装
    置。
12. 【請求項１２】　　請求項１１において、前記アクチュ
    エータが前記構成体に対する歪み及び損傷が発生するこ
    とを防止するために前記リングの応力を表わすフィード
    バック信号を供給する手段を有することを特徴とするピ
    エゾ電気回転結合管装置。