JP7340233B2 - 結合装置および当該結合装置が組み込まれた展開構造物 - Google Patents

Description

本発明は、磁石および磁界の切り替えを利用してパッシブ側装置とアクティブ側装置とを結合させる結合装置および当該結合装置が組み込まれた展開構造物に関する。

地球の周回軌道上で構造物を構築する場合に使用される結合装置には、必要な剛性・強度があること、軽量であること、機構がシンプルであること等が要求される。これまでに、軌道上で構築された大型構造物の代表的なものとしては、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）があるが、ＩＳＳでは構造物の各部の接続にボルト・ナット機構やラッチ機構などの結合装置が使用されている（たとえば特許文献１参照）。

また、互いに正対するオス側装置とメス側装置において、オス側装置の結合ピンを、メス側装置の電磁石により生成される磁界により、メス側装置の方に引き寄せ、かつ、メス側装置のロックピンがオス側装置の結合ピンに係止する結合装置を本願発明者は提案している（特許文献２）。この結合装置によれば、電磁石のオン／オフを利用して、各部の係止状態、係合状態を制御することができるので、構造が簡素化され、精密な位置合わせも不要となるので、結合および結合解除の作業並びにオス側およびメス側を正対させる作業が容易となり、作業負担を大幅に軽減するものである。

特開２００７－２４５８８０号公報 特開２０１７－１０９７３４号公報

宇宙太陽光発電システム（ＳＳＰＳ）のような数百メートルから数キロメートル級の大型宇宙構造物の軌道上での構築においてボルト・ナット機構やラッチ機構を使用すると、宇宙飛行士による船外活動やロボットアーム操作、あるいは高機能な組み立てロボットや組み立て装置が必要となるため、構築コストが高くなり、構築に要する期間も増大する。また、構造物の規模が大きいと、構造部材の数が多くなり、構築の途中で不具合が発生する確率が高まる。そのため、不具合が発生した構造物を容易に分離できることも重要となる。

また、特許文献２にあっては、オス側装置の結合ピンを引き寄せるために、メス側装置に強力な電磁石を設置する必要があり、結合装置の小型化や消費電力の節減に制約が生じる懸念があるのに加え、一つの電磁石でオス側装置の結合ピンと、メス側装置のロックピンを制御する必要があり、電磁石が生成する磁界の制御精度を高くする必要があった。

そこで本発明は、上記のような問題を解決すべく、磁石および磁界の切り替えを利用しながらも、小型化や消費電力の節減が容易であり、かつ磁界の制御を容易にした結合装置および当該結合装置が組み込まれた展開構造物を提供する。

本発明は、第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置であって、
前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部とを備える。

本願発明によれば、第１の構造物と第２の構造物との結合にあって、磁石および磁界の切り替えを利用しながらも、小型化や消費電力の節減が容易であり、かつ磁界の制御を容易にすることができる。

本発明の実施の一形態に係る結合装置の概略断面図である。 アクティブ側装置の概略斜視図である。 パッシブ側装置の概略斜視図である。 パッシブ側装置を、プレートを取り外した状態で示した正面図である。 パッシブ側装置およびアクティブ側装置が実際の展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置とアクティブ側装置の先端部分を示した斜視図である。 展開部の全体を斜め下方から見た斜視図である。 ２列の展開部からなる展開構造物が展開する様子を時系列的に示した斜め上方から見た斜視図である。 他の実施形態に係る結合装置の概略断面図である。 他の実施形態のパッシブ側装置のシャッタ部分を示した正面図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置とアクティブ側装置の先端部分を示した斜視図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置の結合爪が、アクティブ側装置の先端部分に引っ掛かる様子を示した正面図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置の結合爪が、アクティブ側装置の先端部分に引っ掛かる直前の段階を示した斜視図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置の結合爪が、アクティブ側装置の先端部分に引っ掛かり始めた時の段階を示した斜視図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置の結合爪が、アクティブ側装置の先端部分に引っ掛かり、結合爪と先端部分が嵌め合った段階を示した斜視図である。 第２実施形態のパッシブ側装置およびアクティブ側装置が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置の結合爪が、アクティブ側装置の先端部分に引っ掛かり、結合爪と先端部分が嵌め合い、結合爪がＤ２方向に沿って曳航した段階を示した斜視図である。

以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態の結合装置は、宇宙用途の展開構造物に適用することを意図して製作されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、地上用途の構造物に適用することも可能である。

図１は、本発明の実施の一形態に係る結合装置の概略断面図であり、図１（ａ）は離間状態を示し、図１（ｂ）は結合状態を示している。本実施の形態に係る結合装置は、第１の構造物である展開部６１に組み込まれたアクティブ側装置２０と、第２の構造物である展開部６０に組み込まれ、レール６０ａの紙面下方向、すなわち矢示Ｙ方向に摺動可能に保持されたパッシブ側装置１０とを含んで構成される。なお、以下の説明において各図中の矢示Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ同じ方向を示している。

アクティブ側装置２０には、パッシブ側装置１０との結合部分に対して後方側に位置する駆動部３０、パッシブ側装置１０との結合部分に対して前方側に位置する磁極切替部４０が含まれる。駆動部３０の駆動ロッド３３と磁極切替部４０の結合ロッド４３とは、連結手段としてのジョイント部５０によって連結されている。図２には、アクティブ側装置の概略斜視図を示した。駆動部３０には、例えば細長い円筒状の磁性体（例えば鉄）からなる管３１と、その周りに巻回された駆動用のソレノイドコイル３２と、管３１の中にあって長手方向に移動できるようされた非磁性体の材料（例えば真鍮）からなる駆動ロッド３３と、管３１に沿って設けられたアクティブ側装置２０を展開部６１に装着するための装着部３４と、駆動ロッド３３の管３１の後端から突出した端部に設けられた永久磁石３５と、駆動ロッド３３の管３１の前端より前方に設けられた永久磁石５５とが含まれる。

永久磁石３５、５５としては、例えば磁力の強いネオジム磁石を使用することができるが、使用できる永久磁石はこれには限られない。また、本実施の形態では、駆動部３０に２つの永久磁石３５および５５を設けているが、いずれか一方のみを設けてもよい。

駆動用のソレノイドコイル３２には、リード線３２ａおよびコネクタ３２ｂを介して駆動電源部３２ｃが接続されている。駆動電源部３２ｃは、ソレノイドコイル３２の駆動方向を制御可能な電源であり、展開部６１に組み込まれていてもよいし、展開部６１とは別体となっており、ソレノイドコイル３２に電流を供給する際にコネクタ３２ｂと接続されて使用できるようになっていてもよい。また、展開部６１が太陽電池パネル等の発電装置を具備している場合、発電装置および蓄電池を駆動電源部３２ｃとすることもできる。

磁極切替部４０には、細長い円筒状の磁性体（例えば鉄）からなる管４１と、その周りに巻回された磁極切替用のソレノイドコイル４２と、管４１の中にあって長手方向に移動できるようされた、少なくとも先端部４５が磁性体（例えば鉄）からなる結合ロッド４３と、管４１に沿って設けられたアクティブ側装置２０の装着部３４と協働して展開部６１に装着するための装着部４４とが含まれる。

結合ロッド４３の先端部４５には、結合ロッド４３の他の部分よりも直径の小さい、係合部となる溝部４５ａが形成されている。磁極切替用のソレノイドコイル４２には、リード線４２ａおよびコネクタ４２ｂを介して磁極電源部４２ｃが接続されている。磁極電源部４２ｃから供給される電流がソレノイドコイル４２に流れると、磁性体である結合ロッド４３の先端部４５は特定の磁極に磁化され、流す電流の向きを変えることによって結合ロッド４３の先端部４５の磁極を反転させることができる。すなわち、先端部４５は磁化部として機能する。磁極電源部４２ｃは、結合ロッド４３の先端部４５の磁極方向を制御可能な電源であり、展開部６１に組み込まれていてもよいし、展開部６１とは別体となっており、ソレノイドコイル４２に電流を供給する際にコネクタ４２ｂと接続されて使用できるようになっていてもよい。また、展開部６１が太陽電池パネル等の発電装置を具備している場合、発電装置および蓄電池を駆動電源部４２ｃとすることもできる。なお、コネクタ３２ｂとコネクタ４２ｂとは、一時で接続および解除が可能な一体型となっていることが、作業効率の観点で好ましい。

アクティブ側装置２０は、駆動部３０側の装着部３４および磁極切替部４０側の装着部４４によって、展開構造物の一部を構成する展開部６１の展開方向の先端部に、展開方向（矢示Ｙ方向）と垂直（矢示Ｘ軸上）に装着される。駆動部３０側の駆動ロッド３３と磁極切替部４０側の結合ロッド４３は、可撓性の部材からなるジョイント部５０によって互いの中心軸が一致するように連結される。ジョイント部５０を可撓性とすることにより、駆動ロッド３３と結合ロッド４３の中心軸が多少ずれたり曲がったりしても、ジョイント部５０で吸収することができる。また、ジョイント部５０をスプリングやダンパなどで構成することもできる。

駆動部３０のソレノイドコイル３２に電流を供給すると、ソレノイドコイル３２が巻回された管３１全体が電磁石となり、永久磁石３５および永久磁石５５と相互作用する。例えば、駆動部３０の後端側（図１の紙面右側）が永久磁石３５と引き付けあい、かつ駆動部３０の前端側（図１の紙面左側）が永久磁石５５と反発するようにソレノイドコイル３２に電流を流すと、ジョイント部５０で接続された駆動ロッド３３および結合ロッド４３は、全体として紙面左方向（以下、「結合方向」ともいう）に付勢される。一方、駆動部３０の後端側が永久磁石３５と反発し、かつ駆動部の前端側が永久磁石５５と引き付け合うようにソレノイドコイル３２に電流を流すと、ジョイント部５０で接続された駆動ロッド３３および結合ロッド４３は、全体として紙面右方向（以下、「解除方向」ともいう）に付勢される。

すなわち、アクティブ側装置２０とパッシブ側装置１０とが非結合状態にあるときは、図１（ａ）に示したように、結合ロッド４３は、アクティブ側装置２０に収納された状態にあり、結合状態にあるときは、図１（ｂ）に示したように、結合ロッド４３は、アクティブ側装置２０から伸展されて、展開部６０に組み込まれたパッシブ側装置１０に嵌入しており、後述するシャッタ１４および１５により係合する。

パッシブ側装置１０には、スロット１６が形成されており、このスロット１６の中に、係止部として機能する一対のシャッタ１４および１５が、図１の紙面上下方向に摺動可能に設けられている。シャッタ１４の先端部１４ｃとシャッタ１５の先端部１５ｃとは互いに対向しており、図１（ａ）に示す開放状態では互いに離間している。図１（ｂ）に示すロック状態では互いに近接もしくは接触しており、後述する切り欠き部がアクティブ側装置２０の結合ロッド４３の溝部４５ａと係合する。

開口部１２と反対側のスロット１６の壁には、凹部１７が形成されている。凹部１７は、アクティブ側装置２０から伸展された結合ロッド４３が挿入される受容部として機能する。凹部１７の直径は、結合動作の際に結合ロッド４３との位置合わせおよび結合ロッド４３の多少の傾きに対し余裕をもって挿入されるように、結合ロッド４３の先端よりも幾分大きくしてある。

シャッタ１４の紙面下側端部には係止用の永久磁石１４ｂが埋め込まれ、シャッタ１５の紙面上側端部にも係止用の永久磁石１５ｂが埋め込まれている。永久磁石１４ｂおよび１５ｂは、互いに対向する端部同士が同じ極性となるように配置されている。永久磁石１４ｂおよび１５ｂには、例えば磁力の強いネオジム磁石を使用することができる。なお、シャッタ１４の先端部１４ｃおよびシャッタ１５の先端部１５ｃは、永久磁石１４ｂ、永久磁石１５ｂおよび結合ロッド４３の先端部４５の磁力の影響を受けない非磁性材料（たとえば、アルミニウム合金、チタン合金、ポリイミド樹脂等）で構成されている。

パッシブ側装置１０の詳細を、図３および図４を用いて説明する。図３は、パッシブ側装置１０の概略斜視図である。パッシブ側装置１０の表側の下部には、ネジ等で固定される長方形のプレート１１が配置されており、その中央部に結合ロッド４３の先端部４５が挿入可能な大きさの円形の開口部１２が形成されている。プレート１１の上部には、全体の重量を軽減することを目的とする開口部１３が設けられている。

図４は、パッシブ側装置１０のプレート１１を取り外した状態で示した正面図であり、図４（ａ）はシャッタ１４、１５が互いに左右に離間した状態（開放状態）を示し、図４（ｂ）はシャッタ１４、１５が互いに近づいた状態（ロック状態）を示している。

前述のとおり、シャッタ１４の先端部１４ｃとシャッタ１５の先端部１５ｃとは互いに対向しており、図４（ａ）に示す開放状態では互いに離間し、図４（ｂ）に示すロック状態では互いに近接もしくは接触する。シャッタ１４の先端部１４ｃには半円形の切欠き１４ａが形成され、シャッタ１５の先端部１５ｃにも同様の切欠き１５ａが形成されている。これらの２つの切欠き１４ａおよび１５ａは、ロック状態となったときに、図４（ｂ）に示すように略円形の開口部を形成する。この略円形の開口部の直径は、アクティブ側装置２０の結合ロッド４３の先端部４５に形成された溝部４５ａの直径より大きく、かつ、結合ロッド４３の溝部４５ａ以外の部分の直径より小さく設定されている。なお、シャッタ１４の切り欠き１４ａとシャッタ１５の切り欠き１５ａで形成される開口部の形状は、アクティブ側装置２０から挿入された結合ロッド４３の溝部４５ａを係止できるのであれば円形に制限されない。

すなわち、アクティブ側装置２０とパッシブ側装置１０とが離間状態にあるときは、図１（ａ）および図４（ａ）に示したように、シャッタ１４および１５は、それぞれ凹部１７を開放する位置にある解放状態になっており、結合状態にあるときは、図１（ｂ）および図４（ｂ）に示したように、シャッタ１４および１５は、互いに近接したロック状態となり、かつ切り欠き１４ａおよび切り欠き１５ａと、嵌入してきた結合ロッド４３の溝部４５ａが係合する。

本実施の形態に係る結合装置の動作について、図５を用いて説明する。図５は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が実際の展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の先端部分を示した斜視図であり、図５（ａ）はパッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の結合が解除されている状態を示し、図５（ｂ）はパッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０が結合した状態を示している。パッシブ側装置１０は、展開構造物の展開部６０の側方に形成されたレール６０ａ内にプレート１１がレール６０ａの長手方向（矢示Ｙ方向）と平行となるよう展開方向に移動可能に配置されている。アクティブ側装置２０は、展開部６０に隣接する展開部６１の展開方向の先端部に、展開方向と垂直に装着されている。すなわち、アクティブ側装置２０の結合ロッド４３の軸方向（矢示Ｘ方向）は、シャッタ１４およびシャッタ１５の移動方向（矢示Ｙ方向）と垂直になる。

図５（ａ）に示すようにアクティブ側装置２０の先端部４５がパッシブ側装置１０の開口部１２に正対した状態で、アクティブ側装置２０のソレノイドコイル３２に、駆動ロッド３３が結合方向に付勢される向きに電流を流すと、ジョイント部５０で連結された駆動ロッド３３および結合ロッド４３は、矢印Ａで示すように結合方向に移動する。このとき、シャッタ１４および１５は、図１（ａ）および図４（ａ）に示したように開放状態にあり、結合ロッド４３の先端部４５は、パッシブ側装置１０の開口部１２を通って円形の凹部１７に達し、結合ロッド４３の先端部４５の溝部４５ａはシャッタ１４とシャッタ１５の間の位置に来る。

この状態で、磁極切替部４０のソレノイドコイル４２に、結合ロッド４３の先端部が永久磁石１４ｂ、１５ｂを引き付ける磁極となる向きに電流を流すと、シャッタ１４、１５は結合ロッド４３の先端部に引き寄せられ、図１（ｂ）および図４（ｂ）に示したようにロック状態となる。このとき、シャッタ１４、１５が溝部４５ａに嵌まり込み、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０は結合される。この状態で駆動部３０のソレノイドコイル３２および磁極切替部４０のソレノイド４２の電流をオフにしても、シャッタ１４の永久磁石１４ｂおよびシャッタ１５の永久磁石１５ｂの磁力により、磁性体である結合ロッド４３の先端部４５との間に吸引力が発生しているので、ロック状態は維持され、展開部６０と展開部６１の結合状態は維持される。なお、シャッタ１４、１５と結合ロッド４３との結合は永久磁石１４ｂおよび１５ｂの磁力によるもののみなので、より強固な結合の維持が必要な場合は、ボルト、ナット等の結合部材を追加することが望ましい。

パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の結合を解除する場合は、磁極切替部４０のソレノイドコイル４２に、結合ロッド４３の先端部４５が、永久磁石１４ｂ、１５ｂと反発する磁極となる向きに電流を流す。ソレノイドコイル４２の作用で結合ロッド４３の先端部４５に磁力が発生すると、結合ロッド４３の先端部４５と永久磁石１４ｂ、１５ｂとの間で反発力が作用し、シャッタ１４、１５は結合ロッド４３の先端部から離間して図４（ａ）に示す開放状態となる。この状態で、アクティブ側装置２０のソレノイドコイル３２に駆動ロッド３３が解除方向に付勢される向きに電流を流すと、ジョイント部５０で連結された駆動ロッド３３および結合ロッド４３は、矢印Ｂで示すように解除方向に移動して、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０との結合は解除される。このとき、シャッタ１４の先端部１４ｃとシャッタ１５の先端部１５ｃはそれぞれ非磁性材料で構成されているので、結合ロッド４３の先端部４５との吸着は発生しておらず、比較的小さな磁力の発生でも結合の解除が可能である。

上記のように、本実施の形態によれば、パッシブ側装置とアクティブ側装置とを、磁石および磁界の切り替えを利用して結合させ又は結合を解除させることにより、ボルト・ナット機構やラッチ機構が不要となる。このため、本発明を地球周回軌道上で構築する構造物に適用した場合、宇宙飛行士による船外活動やロボットアーム操作などの負担が軽減され、あるいは高機能な組み立てロボットや組み立て装置が必要なくなり、構築コストを低く抑えることができ、構築に要する期間も短縮される。また、構築の途中で不具合が発生した場合であっても、構造物を容易に分離することができ、この点でも船外活動やロボットアーム操作などの負担が軽減され、構築に要する期間の短縮が図られる。

また、結合部材である結合ロッド４３に磁化部である先端部４５を設け、開口部１２に挿入された結合ロッド４３を係止する係止部である一対のシャッタ１４および１５が、先端部４５の磁極の作用により結合ロッド４３を係止することで、シャッタ１４および１５と近接した状態で先端部４５は磁極を作用させられるので、磁石および磁界の切り替えを利用しながらも、小型化や消費電力の節減が容易であり、かつ磁界の制御を容易としている。

また、磁極切替部４０は、結合ロッド４３のパッシブ側装置１０に挿入された先端部４５を、結合時とは反対の磁極に磁化して、シャッタ１４および１５を係止が解除される位置へ移動させ、駆動部３０は、パッシブ側装置１０に挿入されている結合ロッド４３を引き抜くように駆動して、結合されているパッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０との結合を解除するので、アクティブ側装置２０の駆動部３０は、駆動を伝達する歯車やプーリーを大幅に省略でき、結合装置の小型化や長期にわたる安定動作が可能となる。

アクティブ側装置２０の磁極切替部４０は、内部に結合ロッド４３が長手方向に移動可能に挿入される円筒状の磁極切替用管４１と、磁極切替用管４１の周囲に巻回され、結合ロッド４３の磁性体からなる先端部４５を磁化する磁極切替用ソレノイドコイル４２と、磁極切替用ソレノイドコイル４２に磁極の切替え可能に電流を供給する電源４２ｃを含み、電源４２ｃで切り替えられる切替用ソレノイドコイル４２に流れる電流の向きに応じて先端部４５を磁化するので、アクティブ側装置２０の磁極切替部４０は、先端部４５だけを磁化すればよいので、結合装置の小型化、省電力化および長期にわたる安定動作が可能となる。

結合ロッド４３の先端部４５を所定の磁極に磁化して、係止用永久磁石１４ｂおよび１５ｂを有する一対のシャッタ１４およびシャッタ１５を移動させて、結合ロッド４３の係合部である溝部４５ａに係合させるので、シャッタ１４および１５と近接した状態で先端部４５は磁極を作用させられるので、磁石および磁界の切り替えを利用しながらも、小型化や消費電力の節減が容易であり、かつ磁界の制御を容易としている。

シャッタ１４および１５の先端部１４ｃおよび１５ｃには、それぞれ切り欠きが形成され、当該切り欠きが結合ロッド４３の溝部４５ａと係合するので、展開構造物に外力が加えられても、安定した結合を維持することが可能となる。

本実施の形態に係る結合装置を適用した展開構造物について、図６および図７を用いて説明する。ここで、展開構造物の展開については、特開２０１７－１０９７３４号公報では、蛇腹状に折り畳まれた構造物を展開したのち、互いに隣接する展開構造物どうしを結合するものであったところ、展開構造物が撓んだり、慣性力等により所期の位置から移動した場合に、結合のための作業時間の長期化が懸念されていた。本実施の形態を適用した展開構造物にあっては、第２の構造物が展開された後に、前記パッシブ側装置を前記第２の構造物に形成されたレール内を移動させるものである。

図６は展開部６０および６１の全体を斜め下方から見た斜視図であり、図６（ａ）は展開部６１の展開途中の様子を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるパッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の部分を拡大した様子を示し、図６（ｃ）は展開部６１の展開が完了した状態を示している。パッシブ側装置１０の側方にはワイヤ６０ｂ（破線で示す）の一端が固設されており、このワイヤ６０ｂはレール６０ａに沿って張設され、展開部６０の先端に設けられたウインチ機構６０ｃにその他端が接続されている。このウインチ機構でワイヤ６０ｂを巻き上げることにより、パッシブ側装置１０を展開部６０のレール６０ａに沿って図６（ｂ）の矢示Ｙ方向と平行な矢印Ｃ方向に移動させることができる。すなわち、ワイヤ６０ｂおよびウインチ機構６０ｃは協働して移動部として機能する。このとき、パッシブ側装置１０と結合したアクティブ側装置２０も一緒に矢印Ｃの向きに移動し、収納状態にあった展開部６１は図６（ｃ）に示すように、展開部６０と並列した平面状に展開されて展開状態となる。展開部６１の各パネルにはアンテナ７０の一部が形成されている。展開部６１の各パネルが折り畳まれている状態ではアンテナ７０も折り畳まれているが、展開部６１の各パネルが展開されることによって、アンテナ７０も展開された状態となる。

図７は、２列の展開部からなる展開構造物が展開する様子を時系列的に示した斜め上方から見た斜視図である。図７（ａ）は、２つの展開部６０および６１が展開される前の折り畳まれた収納状態を示している。この状態から、まず分離機構によって展開部６０を構成する各パネルを互いに分離する。次に、図７（ｂ）示すように、展開部６０の各パネルが平面状に展開される。各パネルには、図示のように衛星本体９０から繰り出され各パネルを通り再び衛星本体９０に戻るワイヤ８０が張設されている。このワイヤを衛星本体９０に設けられたウインチ機構（不図示）によって巻き上げることによって、図７（ｃ）に示すように各パネルが曳き込まれ、展開部６０の各パネルは、倍力機構を有するパネルロック機構によって互いにロックされ、展開部６０の展開が終了する。このとき、レール６０ａもパッシブ側装置１０が図示Ｙ方向に移動可能な状態で連設されている。

展開された展開部６０がロックされたら、図５を参照して説明したように、展開部６１に装着されたアクティブ側装置２０と展開部６０のレール６０ａに装着されたパッシブ側装置１０とを結合させる。展開部６１を構成する各パネルは、展開方向において互いに接続されて蛇腹状に折り畳まれている。図６を参照して説明したように、パッシブ側装置１０に固設されたワイヤ６０ｂを展開部６０の先端部に設けられたウインチ機構６０ｃで巻き上げることによって、図７(ｄ)および図７(ｅ)に示すように、収納状態にあった展開部６１は徐々に展開されて展開状態となり、最終的に図７(ｆ)に示すように展開が完了する。

なお、本実施の形態では展開部の列数を２列としたが、展開構造物の展開部の列数は２列には限られず、２以上の任意の列数とすることができる。すなわち、Ｎ列目（Ｎは２以上の整数）の展開部に設けられたアクティブ側装置２０と、Ｎ－１列目の展開部に設けられたパッシブ側装置１０とが結合したのち、パッシブ側装置１０に接続されたワイヤ６０ｂをＮ－１列目の展開部の先端部に設けられたウインチ機構６０ｃで巻き上げることでＮ列目の展開部を展開することが可能である。

本実施の形態によれば、パッシブ側装置１０が展開部６０に装着され、アクティブ側装置２０が展開部６０に隣接する展開部６１に装着された展開構造物であって、パッシブ側装置１０が装着された展開部６０が展開された後にパッシブ側装置１０を展開部６０に形成されたレール６０ａ上を移動させることによって、パッシブ側装置１０と結合したアクティブ側装置２０が装着された展開部６１を展開させるので、展開部どうしの結合の作業時間を大幅に削減することが可能である。

また、展開構造物のパッシブ側装置１０のレール６０ａ内での移動は、パッシブ側装置１０に固設されたワイヤ６０ｂをウインチ機構６０ｃで巻き上げればよいので、遠隔操作でも確実に展開構造物を展開することが可能となる。本実施の形態に係る展開構造物としては、例えば、人工衛星のアンテナや太陽電池パネル等はもとより、重力下でも比較的軽量な骨組み等を、遠隔操作のみで展開する場合などに適用できる。

パッシブ側装置１０の他の実施形態について、図８および図９を用いて説明する。図８は、他の実施の形態に係る結合装置の概略断面図であり、図８（ａ）は離間状態を示し、図８（ｂ）は結合状態を示している。図９（ａ）は、他の実施形態のパッシブ側装置１０のシャッタ部分を示した正面図であり、図９（ｂ）は、パッシブ側装置の凹部にアクティブ側装置の結合ロッドが挿入された状態を模式的に示した図であり、図９（ｃ）は、図９（ｂ）に示すシャッタがロックされた状態を示す図であり、図９（ｄ）は、図９（ｃ）に示す状態から、シャッタおよびこれらと結合されている結合ロッドがパッシブ側装置のスロット内で相対的に矢示Ｌ方向へ移動した状態を示す図である。なお、前述の実施の形態と同一の構成には同符号を付して、その説明を省略する。

図９（ａ）に示したように、本実施の形態のパッシブ側装置１０にも、プレート１１の内側に左右に細長いスロット１６が形成されており、このスロット１６の中に移動可能に一対のシャッタ１４、１５が設けられている。シャッタ１４の紙面左側端部には細長い永久磁石１４ｂが埋め込まれ、シャッタ１５の紙面右側端部には細長い永久磁石１５ｂが埋め込まれている。永久磁石１４ｂおよび１５ｂは、互いに対向する端部同士が同じ極性となるよう配置されている。シャッタ１４および１５には、図４に示したような半円形の切欠き１４ａおよび１５ａは形成されていない。

シャッタ１４および１５の奥のパッシブ側装置本体の壁には、直径の大きい円形の第１凹部９７ａと直径の小さい左側の円形の第２凹部９７ｂを重ねたような形状の複合凹部９７が形成されている。図４に示した実施形態では、開口部１２と反対側のスロット１６の壁に形成された円形の凹部１７の直径は、結合ロッド４３の先端部４５の直径よりも幾分大きくされていたが、本実施の形態の複合凹部９７については、第１凹部９７ａの直径は、図４に示した凹部１７の直径よりも更に大きくしてあり、第２凹部９７ｂの直径は、結合ロッド４３の先端部４５の直径と同じにしてある。

図９（ｂ）に示すように、第１凹部９７ａの直径を図４に示した凹部１７の直径よりも大きくしたことによって、結合動作における結合ロッド４３との位置合わせおよび結合ロッド４３の多少の傾きに対する余裕をさらに大きくすることができる。

この状態で、磁極切替部４０のソレノイドコイル４２に、結合ロッド４３の先端部４５が永久磁石１４ｂ、１５ｂを引き付ける磁極となる向きに電流を流すと、シャッタ１４、１５は結合ロッド４３の先端部４５に引き寄せられてシャッタ１４、１５が溝部４５ａに嵌まり込み、永久磁石１４ｂ、１５ｂと結合ロッド４３の先端部４５との吸引力が作用して、図９（ｃ）に示すようにロック状態となる。これにより、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０は結合される。このときのシャッタ１４とシャッタ１５の内側端部同士の間隔は溝部４５ａの直径に対応する。前述の実施形態と同様に、この状態で駆動部３０のソレノイドコイル３２および磁極切替部４０のソレノイド４２の電流をオフにしても、シャッタ１４の永久磁石１４ｂおよびシャッタ１５の永久磁石１５ｂの磁力により、磁性体である結合ロッド４３の先端部４５との間に吸引力が発生しているので、ロック状態は維持され、展開部６０と展開部６１の結合状態は維持される。

この状態から、図６を参照して説明したように、パッシブ側装置１０に固設されているワイヤ６０ｂをウインチ機構６０ｃで巻き上げると、パッシブ側装置１０は図９（ｃ）の矢示Ｒの向き（矢示Ｙ方向と平行）に移動する。その結果、図９（ｄ）に示すように、シャッタ１４、１５およびこれらと結合さている結合ロッド４３は、パッシブ側装置１０のスロット１６内で相対的に矢示Ｌ方向へ移動する。そして、結合ロッド４３の先端部４５は、複合凹部９７の第２凹部９７ｂの方へ移動してここに嵌まり込む。この状態は展開部６０および６１の移動中だけでなく移動が完了して展開部６０および６１が展開した後も維持される。これにより、結合ロッド４３のがたつきを、紙面左右方向だけでなく紙面上下方向においても無くすことができる。

本実施の形態によれば、受容部として、結合ロッド４３の先端部４５よりも直径の大きい第１凹部９７ａと結合ロッド４３の先端部４５の直径に対応する第２凹部９７ｂとを重ねた形状の複合凹部９７がパッシブ側装置１０に設けられ、結合ロッド４３の先端部４５が第１凹部９７ａに挿入された状態で一対のシャッタ１４の先端部１４ｃおよび１５の先端部１５ｃを結合ロッド４３の溝部４５ａに係合させ、その係合状態を保ったまま結合ロッド４３の先端部４５が第２凹部９７ｂ方へ移動して嵌合するので、緩衝材等を設けることなく結合ロッド４３のがたつきを解消することが可能である。

次に、本発明の更に他の実施形態（本明細書において第２実施形態という）に係る結合装置の動作について、図１０から図１５を参照して説明する。
なお、この第２実施形態においては、前記実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。また本実施形態では、前記実施形態におけるＸ方向に平行な方向をＤ１方向といい、Ｙ方向に平行な方向をＤ２方向といい、Ｚ方向に平行な方向をＤ３方向という。

図１０は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の先端部分を示した斜視図である。パッシブ側装置１０には、前記スロット１６および前記複合凹部９７が形成されている。前記スロット１６は、前記プレート１１によって閉塞されている。プレート１１には、前記開口部１２が形成されている。スロット１６は、Ｄ１方向から見た平面視において、Ｄ３方向よりもＤ２方向に長い長方形状である。パッシブ側装置１０は、複合凹部９７が結合ロッド４３を受容する方向であるＤ１方向に対して交差するＤ２方向（スロット１６の長手方向）に移動可能な結合爪１１０を備えている。結合爪１１は、スロット１６内に収容されている。
第２実施形態では、パッシブ側装置１０は、シャッタ１４、１５の代わりに結合爪１１０を備えている。結合爪１１０の材質はシャッタ１４、１５と同じである。また結合爪１１０は、永久磁石１１３が設けられている点、スロット１６内でＤ２方向に移動する点も、シャッタ１４、１５と同じである。しかしながら、シャッタ１４、１５がスロット１６内に２つ１組で設けられているのに対して、結合爪１１０が１つのみ設けられている点で異なっている。
結合爪１１０には、結合ロッド４３が嵌め込まれる開口１１１と、開口１１１から、Ｄ２方向に向けて開口する切り欠き１１２と、が形成されている。結合爪１１０は、そのＤ２方向の端部に永久磁石１１３を備えている。結合爪１１０において、切り欠き１１２は、Ｄ２方向の第１側Ｄ２ａに向けて開口していて、永久磁石１１３は、Ｄ２方向の第２側Ｄ２ｂの端部に設けられている。結合爪１１０は刺又状である。結合爪１１０は、Ｄ３方向に線対称である。開口１１１は、結合ロッド４３の溝部４５ａと同径の円形状を描く。Ｄ１方向から見た正面視において、切り欠き１１２は、Ｄ２方向に向かうに従いＤ３方向に拡幅する。切り欠き１１２は、Ｄ３方向に対向する一対の傾斜面１１２ａの間に設けられている。
前記複合凹部９７に受容された結合ロッド４３に対して、結合爪１１０がＤ２方向に向けて第１側Ｄ２ａに接近することで、結合ロッド４３が切り欠き１１２を通過して開口１１１に嵌め込まれる。

アクティブ側装置２０の結合ロッド４３には、回転防止鍔１００が設けられている。回転防止鍔１００は円形状である。回転防止鍔１００は結合ロッド４３に巻き付くように設けられている。回転防止鍔１００は結合ロッド４３の外周面に全周にわたって設けられている。回転防止鍔１００は、結合ロッド４３がパッシブ側装置１０（複合凹部９７）に受容されたとき、プレート１１に係止する。

図１１は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の結合ロッド４３の先端部４５に引っ掛かる様子を示した正面図である。図１１(ａ)は、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の先端部分に引っ掛かる前の段階を示している。図１１(ｂ)は、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の先端部分に引っ掛かり、結合爪１１０が曳航することで嵌め合った段階を示している。以下、図１２以下を参照しながら詳細に説明する。

図１２は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の先端部分に引っ掛かる直前の段階を示した斜視図である。結合ロッド４３は、パッシブ側装置１０に向かって静止している。アクティブ側装置２０のソレノイドコイル３２に、駆動ロッド３３が結合方向に付勢される向きに電流を流すと、ジョイント部５０で連結された駆動ロッド３３および結合ロッド４３は、パッシブ側装置１０の方向に移動する。結合ロッド４３がパッシブ側装置１０の第一凹部９７ａにＤ１方向に挿入される前では、結合爪１１０は複合凹部９７に対してＤ２ｂ方向に位置している。

図１３は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の先端部分に引っ掛かり始めた時の段階を示した斜視図である。

図１４は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の先端部分に引っ掛かり、結合爪１１０と先端部分が嵌め合った段階を示した斜視図である。結合ロッド４３は、パッシブ側装置１０の複合凹部９７に挿入された後、磁極切替部４０のソレノイドコイル４２に、結合ロッド４３の先端部４５が永久磁石１１３を引き付ける磁極となる向きに電流を流すと、結合爪１１０は、結合ロッド４３の先端部４５に吸引され、Ｄ２方向にスライドする。

図１５は、パッシブ側装置１０およびアクティブ側装置２０が展開構造物に組み込まれたときの、パッシブ側装置１０の結合爪１１０が、アクティブ側装置２０の結合ロッド４３の先端部４５の溝部４５ａに引っ掛かる時の斜視図である。このとき、先端部４５が切り欠き１１２を通過して第１凹部９７ａに嵌め込まれる。結合爪１１０は、結合ロッド４３の先端部４５に吸引され、嵌め合いを完了させた後、Ｄ２方向に更にスライドする。これにより、結合ロッド４３の先端部４５は、複合凹部９７の小さいほうの穴、第２凹部９７ｂに移動する。
この時、ソレノイドを調整して磁極を反転させることで、結合爪１１０は結合ロッド４３に対してＤ２方向に移動することもできる。

パッシブ側装置１０に結合爪１１０を備えることで、先端部４５（先端部４５のうち溝部４５ａよりも先端側に位置する部分）が結合爪１１０に対してＤ１方向にひっかかる面積がより増える。これによりアクティブ側装置２０であるソレノイドを用いた結合ロッド４３が、結合爪１１０を介して、パッシブ側装置１０に備わっている複合凹部９７と係合したとき、パッシブ側装置１０とアクティブ側装置２０の結合力が強くなる。
回転防止鍔１００を設けることにより、結合ロッド４３が回転しない。すなわち、回転防止鍔１００がプレート１１に対してＤ１方向に引っ掛かることで、結合ロッド４３の先端部４５を起点として結合ロッド４３がＤ２方向周りやＤ３方向周りに回転することを防止する。アクティブ側装置２０であるソレノイド４２を用いた結合ロッド４３が、結合爪１１０を介して、パッシブ側装置１０に備わっている複合凹部９７と係合したときに結合ロッド４３が回転すると、トルクが結合爪１１０に効き、結合ロッド４３がパッシブ側装置１０に対してＤ２方向周りやＤ３方向周りに回転し、ななめになってしまう。そのため、あらかじめ回転防止鍔１００を結合ロッド４３に嵌め、結合ロッド４３が回転することを防止する。

これまで説明したものは本願発明の一実施形態に過ぎず、その内容によって発明の技術的範囲が限定されるものではない。

１０ パッシブ側装置
１４、１５ シャッタ
１４ｂ、１５ｂ、３５、５５ 永久磁石
１７ 凹部
９７ 複合凹部
２０ アクティブ側装置
３０ 駆動部
３２、４２ ソレノイドコイル
３３ 駆動ロッド
４０ 磁極切替部
４３ 結合ロッド
５０ ジョイント部
６０、６１ 展開部
６０ａ レール
１００ 回転防止鍔
１１０ 結合爪
１１１ 開口
１１２ 切り欠き

Claims (9)

1. 第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置であって、
   前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
   前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
   前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部とを備え、
   前記磁極切替部は、
   前記結合部材を長手方向に移動可能に収納する磁極切替用管と、
   前記磁極切替用管の周囲に巻回され、前記磁化部を磁化する磁極切替用ソレノイドコイルと、
   前記磁極切替用ソレノイドコイルに電流を供給する電源を有する結合装置。
2. 第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置であって、
   前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
   前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
   前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部と、
   前記結合部材を前記受容部に嵌入させる駆動部と、を備え、
   前記駆動部は、
   前記結合部材を駆動する非磁性体の材料からなる駆動部材と、
   前記駆動部材が挿入される駆動用管と、
   前記駆動用管の周囲に巻回され、前記駆動用管の両端部に磁界を発生させる駆動用ソレノイドコイルと、
   前記駆動用ソレノイドコイルに電流を供給する電源と、
   前記駆動部材に設けられ、前記駆動用管に発生する磁界と相互作用する駆動用永久磁石と、
   を含む結合装置。
3. 第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置であって、
   前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
   前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
   前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部とを備え、
   前記結合部材は、先端部が前記磁化部である棒状であり、
   前記結合部材には、前記結合部材の前記先端部が前記受容部に受容されたときに、前記第２の構造物に係止する回転防止鍔が設けられている結合装置。
4. 第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置であって、
   前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
   前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
   前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部とを備え、
   前記係止部は、前記受容部が前記結合部材を受容する方向に対して交差する第１方向に移動可能な結合爪を備え、
   前記結合爪には、前記結合部材が嵌め込まれる開口と、前記開口から、前記第１方向の第１側に向けて開口する切り欠きと、が形成され、
   前記係止部を前記受容する方向から見た正面視において、前記切り欠きは、前記第１側に向かうに従い拡幅し、
   前記受容部に受容された前記結合部材に対して、前記結合爪が前記第１方向に沿って前記第１側に向けて接近することで、前記結合部材が前記切り欠きを通過して前記開口に嵌め込まれる結合装置。
5. 前記係止部の少なくとも一部は永久磁石からなり、
   前記永久磁石は、前記磁極切替部により前記磁化部が第１の磁極に切り替えられた場合には、前記磁化部との間に吸着力を発生し、前記磁化部が第２の磁極に切り替えられた場合には、前記磁化部との間に反発力を発生する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の結合装置。
6. 前記係止部の少なくとも一部は永久磁石からなり、
   前記永久磁石は、前記磁極切替部により前記磁化部が第１の磁極に切り替えられた場合には、前記磁化部との間に吸着力を発生し、前記磁化部が第２の磁極に切り替えられた場合には、前記磁化部との間に反発力を発生し、
   前記係止部は、それぞれに永久磁石が備えられた一対のシャッタを含み、
   前記磁極切替部により前記磁化部が第１の磁極に切り替えられた場合には、前記一対のシャッタが閉状態となることで前記結合部材に係合する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結合装置。
7. 前記一対のシャッタは、互いに対向する内側端部にそれぞれ所定形状の切欠きが形成され、前記結合部材は、閉状態にある前記一対のシャッタの前記切欠きと係合する請求項６に記載の結合装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結合装置と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記受容部および前記係止部を案内可能に保持するレールと、
   前記結合部材を受容した前記受容部および前記結合部材を係止した前記係止部を、前記レールに沿って移動させる移動部とを有し、
   前記第１の構造物は、前記結合部材を受容した前記受容部および前記結合部材を係止した前記係止部の移動により収納状態から展開状態になる展開構造物。
9. 第１の構造物と第２の構造物とを結合する結合装置を備える展開構造物であって、
   前記結合装置は、
   前記第１の構造物に設けられ、磁化部を有する結合部材と、
   前記結合部材の磁化部の磁極を切替可能に磁化する磁極切替部と、
   前記第２の構造物に設けられ、前記結合部材を受容する受容部と、
   前記磁化部の磁極と相互作用して、前記受容部に受容された結合部材を係止する係止部とを備え、
   前記展開構造物は、
   前記第２の構造物に設けられ、前記受容部および前記係止部を案内可能に保持するレールと、
   前記結合部材を受容した前記受容部および前記結合部材を係止した前記係止部を、前記レールに沿って移動させる移動部とを有し、
   前記第１の構造物は、前記結合部材を受容した前記受容部および前記結合部材を係止した前記係止部の移動により収納状態から展開状態になる展開構造物。

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