特許 6879780 小型反動輪組立体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6879780

(24)【登録日】2021年5月7日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】小型反動輪組立体

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/18 20060101AFI20210524BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/18

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-37942(P2017-37942)

(22)【出願日】2017年3月1日

(65)【公開番号】特開2017-198658(P2017-198658A)

(43)【公開日】2017年11月2日

【審査請求日】2020年2月21日

(31)【優先権主張番号】15/139,602

(32)【優先日】2016年4月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100120112

【弁理士】

【氏名又は名称】中西 基晴

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】テレンス・マーシャル

(72)【発明者】

【氏名】ポール・バチェル

(72)【発明者】

【氏名】ピエトロ・ディレオナルド

(72)【発明者】

【氏名】ジェームズ・ティー．・ハンクス

【審査官】 眞岩 久恵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１０５７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭６０−０３０８４９（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／００−１９／７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

反動輪組立体（１２）であって、
主支持台（１８）と、
回転子シャフト（４０）と、前記回転子シャフトに固定して結合される回転子リム（４２）を有し、かつ、前記主支持台に結合されてスピン軸（１６）を中心に回転する、回転子（１４）と、
前記回転子シャフトと前記主支持台との間に配置された、軸方向に拡大された正面（ＤＦ）組合せ軸受対（５４）であって、
前記回転子シャフトの周りに位置決めされ、かつ、第１の軸受荷重線（７２）を有する、第１の回転要素軸受（５６）と、
前記回転子シャフトの周りに位置決めされ、かつ、軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）によって前記第１の軸受荷重線から分離された第２の軸受荷重線（７０）を有する、第２の回転要素軸受（５８）と、を含む、前記正面（ＤＦ）組合せ軸受対（５４）と、
前記回転子シャフト（４０）と前記回転子リム（４２）との間に少なくとも部分的に配置されたスピンモータ（４６）であって、
前記回転子シャフト（４０）の周囲に配置され、前記主支持台（１８）に固定して取り付けられるモータ固定子（４８）と、
前記回転子リム（４２）の内側周囲部分に取り付けられる環状のモータ回転子（５０）と、を含む、前記スピンモータ（４６）とを備える、
反動輪組立体（１２）。

【請求項2】

前記軸方向に拡大されたＤＦ組合せ軸受対（５４）が、前記回転子（１４）内に入れ子にされる、請求項１に記載の反動輪組立体（１２）。

【請求項3】

前記回転子（１４）が、重心（ＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}、５２）を有し、前記第１の回転要素軸受（５６）が、前記スピン軸（１６）に直角でありかつＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}を横断する平面の第１の側上に配置された、第１の複数の回転要素（６４）を含み、前記第２の回転要素軸受（５８）が、前記スピン軸に直角でありかつＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（５２）を横断する前記平面の第２の対向側上に配置された、第２の複数の回転要素（６４）を含む、請求項１に記載の反動輪組立体（１２）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本発明は一般に、運動量制御デバイスに関し、より詳細には、比較的小型の人工衛星に搭載するのによく適した小型反動輪組立体に関する。

【背景技術】

【0002】

[0002]反動輪組立体（ＲＷＡ：Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｗｈｅｅｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、姿勢調整目的のために、人工衛星および他のビークルにごく普通に搭載される。一般的な設計によれば、ＲＷＡが、懸架ウェブにより慣性要素（例えば、外側のリムまたはリング）にしっかりと接合される回転子シャフトを具備する、回転子を含む。回転子は、典型的には、回転子を包囲するように封止可能に接合される上部および下部の半体を有する、ハウジング組立体内に取り付けられる。回転子シャフトの両端部は、ＲＷＡハウジング組立体に設けられた円筒形の空洞または穴内に受容される。組合せ対ボール軸受などのスピン軸受が、対向したシャフト端部の周りに位置決めされて、回転子懸架機構（ｒｏｔｏｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）を作り出し、この回転子懸架機構は一般に、スピン軸を中心とした回転を除くあらゆる方向でのハウジングに対する回転子の運動の自由を制限する。ＲＷＡの動作中、スピンモータが、回転子を比較的高速度でスピン軸を中心に回転させて、運動量を生み出す。ホストビークルの姿勢を調整することが望まれた場合、制御回路が、回転子の回転速度、したがってＲＷＡの運動量を変更するように、スピンモータに指令する。この運動量の変化により、制御された出力トルクが生成され、この出力トルクは、所望の姿勢調整を達成するために、ＲＷＡからホストビークルに伝えられる。

【0003】

[0003]人工衛星の数が増え、またその大きさが縮小するにつれて、いわゆる「小型人工衛星」またはより単純に「スモールサット（ｓｍａｌｌｓａｔ）」に搭載するのに適した、コンパクトで、軽量で、比較的低コストで、かつ容易に製造可能なＲＷＡに対する要求が、ますます生じてきた。普遍的な定義はいまだ確立されていないが、４００キログラム未満の重量の人工衛星が「小型人工衛星」と見なされることが多い。小型人工衛星は、例えば、「キューブサット（ｃｕｂｅｓａｔ）」と一般に呼ばれる、小型化された立方体形状の調査および通信人工衛星を含む。特定のＲＷＡのトルク出力要求は、小型人工衛星に搭載される場合には緩和され得る。しかし、ＲＷＡの残りの設計要求事項の全部ではないが大部分は、小型人工衛星環境においてはますます厳しくなる。ＲＷＡが小型人工衛星上での使用のために設計される場合、部品数、重量、大きさ、所要電力、複雑性、等は、どれもが望ましくは最小限に抑えられる。それと同時に、いかなるそのような「小型」ＲＷＡ（つまり、従来のＲＷＡと比較して減少された大きさおよび重量を有するＲＷＡ）も、理想的には、構造的に頑健で、高い信頼性があり、かつ、効率的でコスト効率の良い方法で製造することが可能なものである。以下において、そのような相反する基準を満たす小型ＲＷＡを説明する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

[0004]比較的コンパクトかつ軽量な形状要素を有する反動輪組立体（「小型」ＲＷＡと呼ばれる）が開示される。そのような小型ＲＷＡは、比較的小型の人工衛星に搭載するのによく適しているが、いかなる特定のデバイスまたはプラットホーム内での使用にも制限されない。１つの実施形態では、小型ＲＷＡは、主支持台を含み、この主支持台には、ＲＷＡ回転子が結合されて、スピン軸を中心に回転する。軸方向に拡大された正面（ＤＦ）組合せ軸受対が、回転子シャフトと主支持台との間に配置されて、スピン軸を中心としたＲＷＡ回転子の回転を促進する。ＤＦ組合せ軸受対は、ボール軸受などの、第１および第２の回転要素軸受を含み、回転要素軸受のそれぞれは、回転子シャフトの周りに位置決めされる。第１および第２の回転要素軸受は、それぞれ、第１および第２の軸受荷重線を有し、それらの軸受荷重線は、軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）によって離間される。軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、回転要素軸受の回転要素列間の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）と、回転要素／軌道接触角度（β）とによって決定される。これらのパラメータを調整することにより、軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、回転子質量およびモード振動数などのＲＷＡの物理的および動作上の特性を最も良く適合させるように調整された、最適化された角度剛性（ａｎｇｕｌａｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を、ＤＦ組合せ軸受対に与えることができる。

【0005】

[0005]別の実施形態では、小型ＲＷＡは、ハウジング組立体、回転子、および正面（ＤＦ）組合せ軸受対を含む。回転子は、回転子シャフト、回転子リム、および重心（ＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}）を含む。回転子は、ハウジング組立体内に格納されるかまたは他の方法でハウジング組立体に結合されて、スピン軸を中心に回転する。ＤＦ組合せ軸受対は、回転子シャフトの周りに配置され、ＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}を取り囲むまたは包囲する。１つの実施態様では、ＤＦ組合せ軸受の軸方向中心は、実質的にＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}の位置に配置され、すなわち、実質的にＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}と一致する。いくつかの実施形態では、ハウジング組立体は、ＤＦ組合せ軸受対を含む中央管状構造を備え、この中央管状構造内には、回転子シャフトが延在する。さらに、回転子リムは、中央管状構造およびＤＦ組合せ軸受対の少なくとも一部分を取り囲み得る。なおもさらなる実施形態では、ＲＷＡはまた、モータ回転子とモータ固定子とを有するスピンモータを含み得る。モータ回転子は、回転子リムに取り付けられてもよく、モータ固定子は、中央管状構造の外側の位置においてハウジング組立体に取り付けられる。

【0006】

[0006]なおもさらなる実施形態では、小型ＲＷＡは、主支持台、ＤＦ組合せ軸受対、および、主支持台に取り付けられてスピン軸を中心に回転する回転子を含む。主支持台は、ＲＷＡ内の中央チャンバを確定する内側管状側壁を含む。回転子は、内側管状側壁を取り囲む回転子リムと、回転子リムに接合されて中央チャンバ内に延在する回転子シャフトとを含む。ＤＦ組合せ軸受対は、回転子シャフトと内側管状側壁との間に配置され、中央チャンバ内に保持される。いくつかの実施形態では、ＲＷＡは、少なくとも部分的に回転子内に入れ子にされるスピンモータをさらに含む。スピンモータは、回転子リムの内側部分に取り付けられるモータ回転子と、主支持台に取り付けられるモータ固定子とを含む。そのような実施形態では、モータ固定子および回転子リムは、ＤＦ組合せ軸受対内に配置された重心ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}を有する慣性系を集合的に形成し得る。

【0007】

[0007]以下、本発明の少なくとも１つの実例が、同じ番号が同じ要素を示す以下の図面と併せて説明される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】[0008]本発明の例示的な実施形態に従って示された、小型人工衛星に搭載するのによく適した小型反動輪組立体（ＲＷＡ）の等角図である。

【図2】本発明の例示的な実施形態に従って示された、小型人工衛星に搭載するのによく適した小型反動輪組立体（ＲＷＡ）の分解組立図である。

【図3】本発明の例示的な実施形態に従って示された、小型人工衛星に搭載するのによく適した小型反動輪組立体（ＲＷＡ）の断面図である。

【図4】[0009]分割されたまたは軸方向に拡大された正面（ＤＦ）組合せ軸受対を含み、また、本発明の例示的な実施形態に従ってさらに示された、図１〜３に示された小型ＲＷＡ内に格納された中央配置型軸受構成の詳細な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

[0010]以下の発明を実施するための形態は、事実上例示的なものにすぎず、本発明または本発明の用途および使用を限定することを意図したものではない。本明細書にわたって、「例示的な（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」という用語は、「例（ｅｘａｍｐｌｅ）」という用語と同義であって、以下の説明が本発明の複数の非限定的な例を提供するだけのものであり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を何らかの点で限定すると解釈されるべきではないことを強調するために、以下で繰返し利用される。

【0010】

[0011]比較的コンパクトで軽量な形状要素を有する小型反動輪組立体（ＲＷＡ）の実施形態が提供される。小型ＲＷＡは、独特の中央配置型軸受アーキテクチャを備え、この中央配置型軸受アーキテクチャは、ＲＷＡ回転子のシャフトを中心に配置された、単一の軸方向に拡大された正面（ＤＦ）組合せ軸受対を含む。軸方向に拡大されたＤＦ組合せ軸受対は、第１および第２の回転要素（例えば、ボール）軸受を含み、そのそれぞれが、回転要素の環状列を含む。ＤＦ組合せ軸受対は、スピン軸に沿って見たときに回転要素の２つの列が所定の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）によって分離されているという意味では、「軸方向に拡大」または「分割」されている。回転要素列間の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）、および回転要素／軌道輪接触角度（β）は、回転要素軸受のそれぞれの軸受荷重線間に所望の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）を作り出すように、設計によって調整される。そして、軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、回転子軸を支持するのに単一のＤＦ組合せ軸受対を利用しながらも径方向の擾乱力により良く対応するために、強化された回転子角度安定性および向上されたモーメント容量をＲＷＡに与えるように選択される。さらに、ＤＦ組合せ軸受対の軸方向に拡大された性質は、一様な軸受荷重を促進して、軸受の寿命をさらに延長する。さらなる恩恵として、さもなければＲＷＡパッケージ内の潜在的な破損点の数を増加させる他の回転要素軸受（例えば、第２の組合せ軸受対）を省くことにより、ＲＷＡの全体的な信頼性が高められる。いくつかの実施形態では、軸方向に拡大された組合せ軸受対は、少なくとも部分的にスピンモータ内に入れ子にされ、そのスピンモータは、少なくとも部分的にＲＷＡ回転子内に入れ子にされる。そのような高度に入れ子にされた設計は、ＲＷＡの軽量で軸方向にコンパクトな形状要素にさらに寄与する。最終的に得られるのは、構造的に頑健でかつ信頼性も高いと同時に従来のＲＷＡと比較して減少した部品数、複雑性、重量、外包、および製造コストをさらに有する、小型ＲＷＡである。次に、図１〜４と併せて、小型ＲＷＡの非限定的で例示的な実施形態を説明する。

【0011】

[0012]図１、２、および３は、それぞれ、本発明の例示的な実施形態に従って示される小型ＲＷＡ１０の等角図、分解組立図、および断面図である。ＲＷＡ１０は、ハウジング組立体１２、およびＲＷＡ回転子１４（図２〜３）を含み、ＲＷＡ回転子１４は、ハウジング組立体１２内に取り付けられて、スピン軸１６（図３で識別される）を中心に回転する。ハウジング組立体１２は、主支持台１８、内側軸受カバー１９（図２〜３に示される）、端部キャップ２０、および回転子カバー２２を含む。軸受キャップ１９（図２〜３）は、複数のボルトまたは他の締結具（視界から隠されている）を利用して、主支持台１８の第１の側に固定される。同様に、端部キャップ２０は、軸受カバー１９を覆って位置決めされ、ボルト２４（図１および３）を利用してやはり主支持台１８の第１の側に固定される。端部キャップ２０の反対側では、回転子カバー２２が、第２の複数のボルト（やはり視界から隠されている）を利用して、台１８の第２の対向側に固定される。電気的接続部２１およびねじ栓２３が、端部キャップ２０を貫通して取り付けられ、ＲＷＡ１０の外部からアクセス可能である。具体的には、電気的接続部２１は、端部キャップ２０に設けられた第１の開口部２５（図２で識別される）を貫通して配置されて、ハウジング組立体１２内に収容されたスピンモータ４６（以下で説明される）を含む電気的構成要素への電気的接続を可能にする。ねじ栓２３は、真空ポート２７（図２）上に封止可能に配置されて、密閉された回転子キャビティまたはチャンバをハウジング組立体１２が包囲する実施形態でのハウジング組立体１２の排気を可能にする。

【0012】

[0013]さらなる実施形態では、ハウジング組立体１２は、締結具、溶接、ねじ連結、および他の接合技法の任意の組合せを利用して互いに接合される、様々な数の構成要素を含み得る。例えば、軸受カバー１９、端部キャップ２０、および回転子カバー２２は、ＲＷＡ１０の動作に必須のものではなく、いくつかの実施形態では除外され得る。そのような実施形態では、ＲＷＡ１０は通常、回転子１４およびＲＷＡ１０の他の内部構成要素を支持するのに適した機械的なプラントまたは構造的に頑丈なシャシとして機能する、主支持台１８または別の構造（単体であれ、複数の部品から組み立てられるものであれ）をなおも含む。しかし、図１〜３に示されるように、軸受カバー２０および回転子カバー２２は、ＲＷＡ１０の内部構成要素を封入しかつ保護するために、有益に提供される。さらに、上記のように、軸受カバー２０および回転子カバー２２は、主支持台１８に封止可能に接合されて、地上で試験する目的のために部分真空がＲＷＡ１０内から引き抜かれることを可能にすることができる。ハウジング組立体１２が密閉されないまたは回転子１４（図２〜３）を完全に包囲しない実施形態では、ねじ栓２３および真空ポート２７も省かれ得る。

【0013】

[0014]主支持台１８は、径方向に延在する壁すなわち隔壁２８と、中央配置型軸受格納構造３０（図２で識別される）とを含む。軸受格納構造３０は、径方向に延在する隔壁２８から軸方向に突出する。「軸方向」という用語は、本明細書では、スピン軸１６（図３）に平行な方向として定義される。中央配置型軸受格納構造３０は、内側管状側壁３２を備え、この内側管状側壁３２は、内側の円筒状の空洞すなわち中央軸受区画３４を画定または円周方向に境界する。内側管状側壁３２は、主支持台１８内に設けられた環状の空洞または凹部３６（図３で識別される）の内周をさらに境界する。環状凹部３６は、径方向に延在する隔壁２８の外周面に沿って延在するまたはそれを取り囲む外側環状側壁３８により、その外周に沿ってさらに境界される。ＲＷＡ１０が組み立てられると、外側環状側壁３８は、回転子１４を包囲するのに役立ち、かつ、回転子カバー２２の取付けのための環状接触面を提供する。ＲＷＡ１０が回転子カバー２２を含まない代替的実施形態では、外側環状側壁３８は、除外され得る。より全般的には、主支持台１８の形状、構造、および組成は、実施形態の間で異なり得る。図１〜３に示されるように、主支持台１８は、比較的軽量な金属または合金からなる単一の機械加工された部品として、有用に形成される。しかし、これは必須ではなく、支持台１８は、ＲＷＡ１０のさらなる実施形態では２つ以上の部品から組み立てられ得る。

【0014】

[0015]図２〜３に最も明白に示されるように、ＲＷＡ回転子１４は、回転子シャフト４０、回転子リム４２、および、回転子リム４２を回転子シャフト４０に接合する円板形状の介在構造すなわち「懸架ウェブ」４４を含む。ＲＷＡ１０が組み立てられると、回転子シャフト４０は、中央配置型軸受格納構造３０に設けられた開口部を貫通して突出して、中央軸受区画３４内に延在する。回転子シャフト４０および中央配置型軸受格納構造３０は、回転子シャフト４０の大部分、また場合によっては回転子シャフト４０の実質的な全体が中央軸受区画３４内に格納されるような大きさとされる。それに比べると、回転子リム４２は、環状凹部３６（図３）内に部分的に受容されて、内側管状側壁３２を取り囲む。示された例では、回転子リム４２は、回転子空洞４５（図３で識別される）内に格納され、この回転子空洞４５は、ＲＷＡ１０が組み立てられたときに主支持台１８および回転子カバー２２によって画定される。回転子リム４２は、スピン軸１６に沿って見たときに、中央配置型軸受格納構造３０の大部分に沿って延在し得る。最後に、ＲＷＡ１０の宇宙機取付け接触面（示された例では、支持台１８の外側環状側壁３８の周りに設けられた径方向に延在するタブ４７によって画定される）は、軸受格納構造３０の周りに延在し得る。さらなる実施形態では、ＲＷＡ回転子１４の個々の幾何形状、構造、および配置は、スピン軸１６と同軸のシャフト（例えば、シャフト４０）にしっかりと接合される少なくとも１つの慣性要素（例えば、回転子リム４２）を回転子１４が含むのであれば、異なり得る。

【0015】

[0016]ＲＷＡ１０は、全体的に環状のスピンモータ４６をさらに含み、このスピンモータ４６は、回転子空洞４５（図３）内に取り付けられ、かつ、その大部分がＲＷＡ回転子１４内に入れ子にされるかまたは格納される。径方向に見ると、スピンモータ４６は、回転子リム４２と中央配置型軸受格納構造３０の内側管状側壁３２との間に配置される；つまり、スピンモータ４６は、回転子リム４２の内側と管状側壁３２の外側との間に配置される。スピンモータ４６は、内側モータ固定子４８と、固定子４８を取り囲む外側モータ回転子５０とを含む。内側モータ固定子４８は、全体的に環状の幾何形状を有し、主支持台１８に固定される。具体的には、モータ固定子４８は、中央配置型軸受格納構造３０の周りに延在する環状取付け接触面にボルトまたは他の方法で取り付けられる。同様に、外側回転子５０もまた、全体的に環状の幾何形状を有するが、回転子リム４２の内側に固定されてその周りに延在する。スピンモータ４６は、スピン軸１６を中心として回転子１４を回転させるのに適した任意の形状を取ることができる。示された実施形態では、単に非限定的な例として、スピンモータ４６は、鉄を含まない電機子の電気モータである。したがって、内側モータ固定子は、電磁石コイルの環状アレイが組み込まれたプリント回路板（ＰＣＢ）または他のレジン充填体（ｒｅｓｉｎ−ｆｉｌｌｅｄ ｂｏｄｙ）の形態を取ることができる。励起されると、電磁石コイルは、外側モータ固定子５０内に含まれかつ回転子リム４２の内側に対して離間された、示されていない永久磁石、および場合により磁極片と相互作用して、ＲＷＡ回転子１４をスピン軸１６の周りで回転させる。

【0016】

[0017]前述のように、スピンモータ４６は、大部分が、または全体として、ＲＷＡ回転子１４内に入れ子にされる。同様に、中央配置型軸受格納構造３０は、全体的にスピンモータ４６内に入れ子にされるかまたは格納される。そのような高度に入れ子にされたモータ−回転子−軸受設計が、いくつかの利点を提供する。第１に、スピンモータ４６をＲＷＡ回転子１４内に入れ子にすることにより、ＲＷＡ１０の軸方向寸法（スピン軸１６に沿ったＲＷＡ１０の寸法）がさらに減少され得る。第２に、そのような高度に入れ子にされた設計は、ＲＷＡ回転子１４の回転中にスピンモータ４６の外側回転子５０および回転子リム４２が単一の慣性系４２、５０を集合的に形成することを可能にする。慣性系４２、５０は、ＣＧ象徴５２により図３に表される重心（Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｇｒａｖｉｔｙ）（「ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}」）を有する。ＣＧ_{ＳＹＴＥＭ}は、分離して考慮されたときに、回転子１４の重心（「ＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}」）と重複または一致していてもよく、そうでなくてもよい。しかし、本実例および以下の説明では、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}は、実質的に一致していると見なされ、また、ＣＧ象徴５２（図３）により一緒に表されると見なされる。図３に示されるように、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（象徴５２）は、小型ＲＷＡ１０の中心点にまたはそれに隣接して配置され得る。しかし、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（象徴５２）は、ＲＷＡ１０の正確な中心に配置されなくてもよく、その代わりに、設計によりＲＷＡ１０の中心から軸方向にわずかにずらされてもよい。全体的に、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（象徴５２）は、典型的には軸受格納構造３０内に配置されて、組合せ軸受対５４（以下で説明される）によって取り囲まれる。さらに、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（象徴５２）は典型的には、軸１６に沿って見たときに、ＲＷＡ１０のどちらかの端部よりも、ＲＷＡ１０の中心を通りかつスピン軸１６（図３）に直角に延在する中央線平面に接近して配置される。

【0017】

[0018]図１〜３の例示的な実施形態では、また、図２〜３を特に参照すると、小型ＲＷＡ１０は、組合せ軸受対５４をさらに格納する。組合せ軸受対５４は、中央配置型軸受格納構造３０内に格納され、かつ、回転子シャフト４０の中間部分の周りに配置される。より具体的には、組合せ軸受対５４は、軸受格納構造３０内に含まれた回転子シャフト４０の外側円周面と内側管状側壁３２の内側円周面との間に配置されかつそれらと対合的に（ｍａｔｉｎｇｌｙ）係合する。組合せ軸受対５４は、ハウジング組立体１２およびＲＷＡ１０の他の固定された構成要素に対する回転子１４のスピン軸１６を中心とした回転を促進する。上記で簡単に述べたように、ＣＧ_{ＳＹＳＴＥＭ}およびＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}（図３では象徴５２）は、組合せ軸受対５４内に配置され得るかまたは組合せ軸受対５４によって取り囲まれ得る。以下でより詳細に説明される理由から、正面すなわち「ＤＦ」組合せ軸受は、対の組合せ軸受対５４としての使用のために有利に選択される。本明細書において、「ＤＦ」組合せ軸受対という用語は、スピン軸１６（図３および４）に近づけたときおよび組合せ軸受対が組み立てられたときに２つの軸受列の軸受荷重線が集中するように位置決めされる、回転要素軸受の対を意味する。ＤＦ組合せ軸受対は、この特性を共有しない背面（ＤＢ）軸受対（スピン軸に近づけたときに軸受荷重線が分離する）および並列（ＤＴ）軸受対などの、他のタイプの軸受と対比されるべきである。

【0018】

[0019]図４は、小型ＲＷＡ１０内に格納された中央配置型軸受構成の詳細な断面図であり、ＤＦ組合せ軸受対５４をより詳細に示している。この図では、ＤＦ組合せ軸受対５４が、第１の回転要素軸受５６、第２の回転要素軸受５８、内輪スペーサ６０、および外輪スペーサ６２を含むことが分かる。回転要素軸受５６、５８は、それぞれ、軸受対５４の回転軸の周りに分散された複数の回転要素６４を含む。各回転要素軸受５６、５８は、内輪６６、および同心の外輪６８をさらに含み、内輪６６および外輪６８は、それらの間に回転要素６４を捕捉する。回転要素６４は、示された実例ではボールすなわち球体であるが、さらなる実施形態では別のタイプの回転要素（例えば、円筒）であり得る。さらに、さらなる実施形態では、回転要素軸受５６の内輪６６および／または回転要素軸受５８の内輪６６は、部品数をさらに減らすために、単体として内輪スペーサ６０と一体に形成され得る。同様に、そのような実施形態では、回転要素軸受５６の外輪６８および／または回転要素軸受５８の外輪６８は、単体として外輪スペーサ６２と一体に形成され得る。さらなる実施形態では、ＤＦ組合せ軸受対５４は、以下でより詳細に説明されるように、適切に予荷重が加えられたときに対面した関係に配置される２つの回転要素軸受を軸受対５４が含むのであれば、他の形態を取ることができ、かつ、他の特徴（例えば、保持器またはケージ）を含むことができる
[0020]図４に破線７２によって表されるように、回転要素軸受５６は、第１の軸受荷重線（ＬＬ_１）を有する。同様に、回転要素軸受５８は、破線７０によって表される第２の軸受荷重線（ＬＬ_２）を有する。軸受荷重線（ＬＬ_１〜２）の角度配向は、組合せ軸受対５４が組み立てられてそれに任意の所望の予荷重が加えられたときに回転要素６４と各軸受５６、５８の軌道との間に形成される接触角度（β）によって画定される。例えば、図４の右下隅に示されるように、荷重線７０は、軸受５８の回転要素６４と内輪６６および外輪６８の周りに設けられた軌道との間の接触角度（β）によって画定される。図４には具体的に標識されていないが、荷重線７２の配向を設定する接触角度が同様に確立されることが、理解されるであろう。２つの軸受の軸受荷重線は、組合せ軸受対５４の回転軸上、したがって回転子１４のスピン軸１６上に集中する。さらに、組合せ軸受対５４は正面すなわち「ＤＦ」軸受対であるので、回転要素軸受５６、５８の軸受荷重線は、スピン軸１６に沿って見たときに、組合せ軸受対５４の内側に向かって内方に延在する。したがって、示された実例では、回転要素軸受５６、５８は、ＲＷＡ１０の中央部分を通過しまた場合によりＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}を横断する対称面に対して向かい合った、鏡面対称のもの（ｍｉｒｒｏｒ ｏｐｐｏｓｉｔｅ）と考えられ得る。別の言い方をすれば、回転要素軸受５６、５８は、スピン軸１６に直角でありかつＣＧ_{ＲＯＴＯＲ}を横断する平面から、実質的に等距離に位置し得る。

【0019】

[0021]上記の理由から、組合せ軸受対５４は、回転要素軸受５６、５８の軸受荷重線またはベクトルが軸受外包の中心に向かって内方に延在する正面すなわち「ＤＦ」軸受対であると、適切に考えられる。さらに、軸受対５４は、スピン軸１６に沿って見たときに、回転要素６４の２つの列が所定の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）によって分離されているので、軸方向に拡大または分割されている。特に、破線７０、７２によって表される軸受荷重線（ＬＬ_１〜２）は、軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）によってオフセットまたは分離される。軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、組合せ軸受対５４の幾何形状によって、また具体的には、組合せ軸受対の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）、および回転要素／軌道接触角度（β）によって決定される。示された実施形態では、回転要素軸受５６、５８は、密接して位置決めされるように意図された組合せ軸受対として、供給者から得られ得る。所望の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、この具体的な例では、軸受５６、５８の内輪６６と外輪６８との間に所望の軸方向離隔を提供する輪スペーサ６０および６２を組合せ軸受対に取り付けることにより、作り出され得る。さらなる実施形態では、軸受５６、５８の所望の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、組合せ軸受対の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）に加えてまたはその代わりに回転要素／軌道接触角度（β）を調整することによって、得られ得る。例えば、そのような軸方向間隔はまた、さらなる実施形態では、他の方法で、例えば、軸方向に長い単一の外輪を作製して外輪６８および外側スペーサ６２を置き換えること、および／または適切な大きさとされた単一の内輪を作製して内輪６６および内側スペーサ６０を置き換えることによって、軸受５６、５８の斜めの接触面を軸方向に広げることにより、得られ得る。回転子シャフト４０がスピン軸１６に沿って見たときに長さＬ_{ＳＨＡＦＴ}を有し、また軸方向に拡大されたＤＦ組合せ軸受対５４がスピン軸１６に沿って見たときに長さＬ_{ＢＥＡＲＩＮＧ}を有する、１つの実施形態では、軸受対５４の長さは、Ｌ_{ＢＥＡＲＩＮＧ}＞０．５Ｌ_{ＳＨＡＦＴ}であるように、回転子シャフト４０の長さの半分よりも長い。

【0020】

[0022]しかし、ＲＷＡ１０の中央配置型軸受アーキテクチャ内での離間されていないＤＦ組合せ軸受対の使用は、回転子の安定性およびＲＷＡ１０のモーメント容量に関する技術上の課題を提示し得る。具体的には、ＲＷＡ１０の中央配置型軸受アーキテクチャ内での離間されていないＤＦ組合せ軸受対の使用は、本質的に、回転子シャフト４０上で軸受荷重線が集中する単一の点を提供することが、確定されてきた。ＲＷＡ１０およびＲＷＡ回転子１４に著しい軸外力が加えられる動的な（例えば、打上げ）環境では、スピン軸１６に直角な軸に沿った回転子１４の望ましくない回転が、結果として起こり得る。このことは、通常、回転子シャフトの両端部に位置決めされた２つの組合せ軸受対を含む従来のまたは過去から受け継がれたＲＷＡ設計においては、懸念されない。しかし、ＲＷＡ１０の中央配置型軸受アーキテクチャにおいては、軸外の回転子の運動または「ふらつき」は、特にＲＷＡ回転子１４が大きさおよび質量を増大させるときには、大きな懸念となる。この技術上の問題の解決策は、比較的コンパクトな中央配置型の単一軸受アーキテクチャ内に格納される軸方向に拡大された構造をＤＦ組合せ軸受対５４に与えることにより、少なくとも部分的に実現される。ＤＦ組合せ軸受対５４に軸方向に拡大された構成を与えることにより、単一のＤＦ組合せ軸受対の使用による回転子１４の支持をなおも可能にしながらも、ＲＷＡ１０のミッション要求事項を満たすのに適した水準まで、回転子の剛性、およびモーメント容量が増大される。

【0021】

[0023]ＤＦ組合せ軸受対５４の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、ＲＷＡ回転子１４の質量、および小型ＲＷＡ１０がそのミッション要求事項を満たすために存続することが必要とされる環境のパラメータ（例えば、振動および不規則な擾乱力の大きさ）などの、任意の数の因子に関連して調整され得る、調節可能なパラメータである。一般に、ＤＦ組合せ軸受対５４の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）を大きくすることは、ＲＷＡ外包の全体的な軸方向寸法が僅かに大きくなるという潜在的な不利益にも関わらず、ＲＷＡ１０のモーメント容量を引き上げることになる。したがって、軸方向に拡大されたＤＦ組合せ軸受対５４の軸受荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、通常、回転子質量が増大するにつれて、および／またはＲＷＡ１０が被り得る擾乱力の程度がより重度になるにつれて、拡大されることになる。ＲＷＡ１０が小型人工衛星に搭載される場合、Ｓ_ＬＬは、理想的には、ＲＷＡの全体的な寸法および重量を最小限に抑えるために比較的小さくされながらも、ＲＷＡ１０およびそのホスト人工衛星を軌道に送達する際に引き起こされる打上げ環境の不規則な衝撃擾乱力にＲＷＡ１０が（構造上の損傷なく）耐えられるようにするのに十分な剛性およびモーメント容量の特性を提供するために十分に大きくもあるように、選択される。さらに、いくつかの実施形態では、荷重線離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、例えば、ＲＷＡの動作中に生じる軸受の励振に起因する望ましくない回転子の運動を最小限に抑える形で第１の回転子角度モード振動数を設定するために、所望の角度剛性を提供するように調整され得る。

【0022】

[0024]回転要素軸受５６、５８は、軸受５６、５８の内輪６６および外輪６８に制御された軸方向予荷重が加えられるのであれば、多数の様々な態様で中央配置型軸受格納構造３０内に保持され得る。示された実例では、内側締付けナット７４および外側締付けナット７６が、内側空洞３４内に格納されて、回転要素軸受を回転子シャフト４０および軸受格納構造３０のそれぞれに固定するために利用される。図４で最も容易に分かるように、内側締付けナット７４は、回転子シャフト４０の雄ねじ端部上に螺着される。内側締付けナット７４が締められるにつれて、締付けナット７４は、回転要素軸受５６の内輪６６に軸方向の力を及ぼし、この軸方向の力は、内側スペーサ６０を介して回転要素軸受５８の内輪６６に伝えられる。回転要素軸受５８の内輪６６は、ＲＷＡ回転子１４内のシャフト４０の基部の周りに含まれた円周レッジまたは棚７８に接触する。結果として、組合せ軸受対５４の内側部分は、制御された軸方向予荷重が内輪６６にわたって与えられている間、内側締付けナット７４と棚７８との間に捕捉される。同様に、外側締付けナット７６は、軸受格納構造３０内に含まれた内壁３２の雌ねじ部分に螺入される。外側締付けナット７６は、回転要素軸受５６の外輪６８に接触し、この接触は、外側スペーサ６２を介して回転要素軸受５８の外輪６８に伝えられる。回転要素軸受５８の外輪６８は、軸受格納構造３０の内側管状側壁３２から内方に突出する円周リップ８０に接触する。このようにして、組合せ軸受対５４の外側部分は、所望の軸方向予荷重が外輪６８にわたって加えられている間、外側締付けナット７６と円周リップ８０との間に捕捉される。

【0023】

[0025]したがって、回転子のシャフトの中間部分の周りに配置された、軸方向に拡大された単一のＤＦ組合せ軸受対を含む中央配置型軸受アーキテクチャを具備する、小型ＲＷＡの実施形態が提供されてきた。ＤＦ組合せ軸受対は、軸受荷重線をそれぞれが有する、第１および第２の回転要素（例えば、ボール）軸受を含む。軸受荷重線は、軸受の回転要素列間の軸方向間隔（Ｓ_Ａ）と軸受の接触角度（β）とによって決定される間隔すなわち離隔距離（Ｓ_ＬＬ）によって分離され得る。このようにして、軸受荷重線の離隔距離（Ｓ_ＬＬ）は、向上された回転子安定性と運動能力とをＲＷＡに与えるように調整され得る。結果として、小型ＲＷＡは、ＲＷＡ回転子を支持するのに単一の組合せ軸受を利用しながらも、軸外擾乱力により良く対応して、最適化された動的性能を提供することができる。より全般的には、小型ＲＷＡの部品数、重量、大きさ、および生産コストは、そのような簡易化された中央配置型軸受アーキテクチャにより、有利に減少される。ＲＷＡの信頼性もまた、第２の組合せ軸受対の形式での予想される破損点を排除することによって、強化される。少なくともいくつかの実施形態における小型ＲＷＡの軽量で軸方向にコンパクトな設計に貢献し得るなおもさらなる特徴は、軸方向に拡大された組合せ軸受対が、少なくとも部分的に回転子内に入れ子にされるスピンモータ内に少なくとも部分的に入れ子にされる、高度に入れ子にされた設計を含む。したがって、小型ＲＷＡは、小型人工衛星内での使用によく適しているが、いかなる特定のビークルまたはプラットホームに搭載されることに限定されるものではない。

【0024】

[0026]小型ＲＷＡを活用する実施形態は、高度に機能的な構成要素の統合と、改良された軸受懸架機構とを通じて、製品の構造上の反応性の低下を実現する。２つの組合せ軸受対に依存する他のＲＷＡアーキテクチャとは対照的に、軸受懸架機構は、単一の組合せ軸受対を組み込みかつ単一の組合せ軸受対で構成され得る。したがって、ＲＷＡのミッション要求事項によって定められる回転子慣性要求に対処するために、単一の組合せ軸受対が利用される。別の言い方をすれば、小型ＲＷＡは、単一の組合せ軸受対のみを含むまたは単一の組合せ軸受対で構成される、回転子懸架システムを含み得る。軸方向に拡大されたＤＦ組合せ軸受対が、軸方向に広げられた構成でＲＷＡに組み込まれ、この構成は、ＤＦ組合せ軸受対の各組合せ半体を、動的に課せられる環境において生じるタイプの多軸荷重要求、例えば人工衛星の打ち上げ中に生じる衝撃力または振動力を支持するのに十分な軸方向間隔によって分離する。動的に調整されたＲＷＡ構造と組み合わせられることで、軸方向に拡大された組合せ軸受対は、機械的負荷がＲＷＡ内で適切に対処されることを可能にする。そのような代替的な軸受構成およびＲＷＡアーキテクチャは、より大量の商業生産に対する生産コストおよび組立時間を劇的に減少させる。

【0025】

[0027]上述の発明を実施するための形態では複数の例示的な実施形態が提示されてきたが、膨大な数の変形形態が存在することが、理解されるべきである。また、例示的な実施形態は、単なる例であって、本発明の範囲、適用性、または構成を多少なりとも限定するようには意図されていないことが、理解されるべきである。むしろ、上述の発明を実施するための形態は、本発明の例示的な実施形態を実施するための簡便な指針を当業者に提供するものである。添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態において説明された要素の機能および配置に様々な変更がなされ得ることが、理解される。

【符号の説明】

【0026】

１０ 小型反動輪組立体、ＲＷＡ
１２ ハウジング組立体
１４ ＲＷＡ回転子
１６ スピン軸
１８ 主支持台
１９ 内側軸受カバー、軸受キャップ
２０ 端部キャップ
２１ 電気的接続部
２２ 回転子カバー
２３ ねじ栓
２４ ボルト
２５ 第１の開口部
２７ 真空ポート
２８ 隔壁
３０ 中央配置型軸受格納構造
３２ 内側管状側壁、内壁
３４ 中央軸受区画、内側空洞
３６ 環状凹部
３８ 外側環状側壁
４０ 回転子シャフト
４２ 回転子リム
４４ 懸架ウェブ
４５ 回転子空洞
４６ スピンモータ
４７ タブ
４８ 内側モータ固定子
５０ 外側モータ回転子
５２ ＣＧ象徴
５４ 組合せ軸受対
５６ 第１の回転要素軸受
５８ 第２の回転要素軸受
６０ 内輪スペーサ、内側スペーサ
６２ 外輪スペーサ、外側スペーサ
６４ 回転要素
６６ 内輪
６８ 外輪
７０ 破線、第１の軸受荷重線
７２ 破線、第２の軸受荷重線
７４ 内側締付けナット
７６ 外側締付けナット
７８ 棚
８０ 円周リップ
ＬＬ_１ 第１の軸受荷重線
ＬＬ_２ 第２の軸受荷重線
Ｌ_{ＢＥＡＲＩＮＧ} ＤＦ組合せ軸受対の長さ
Ｌ_{ＳＨＡＦＴ} 回転子シャフトの長さ
Ｓ_Ａ 軸方向間隔
Ｓ_ＬＬ 軸受荷重線離隔距離
β 接触角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】