JP2005504251A - 慣性センサアセンブリ用小型防振システム - Google Patents

慣性センサアセンブリ用小型防振システム Download PDF

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Abstract

慣性センサアセンブリ(ISA)122を慣性測定装置(IMU)のハウジング136に取り付ける、小型の防振システム120が開示されている。ハウジング136は、衝撃および振動が加えられる支持体155に取り付けられる。防振アセンブリ120は、リング形内側部材130とリング形外側部材128の間に積層されたリング形エラストマー部材126を含む。内側部材130は、ISA122にしっかり取り付けられ、外側部材128はIMUのハウジング136の棚137に取り付けられる。このシステム120のサイズは小さいので、IMUのハウジング136は、エラストマー部材126を含み、これを潜在的な汚染および損傷から保護し、繊細な機械および電気インターフェイスの必要がなくなる。システム120のエラストマー部材126は、そうでなければ支持体155からISA122に伝達される可能性のある、衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーからISA122を絶縁する。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、外部で発生した振動エネルギー、衝撃エネルギー、および音響エネルギーが機械的に敏感な部品へ伝達するのを制限する小型防振システムに関する。
【背景技術】
【0002】
ある特定の環境において、機械的に敏感なアセンブリを衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーから絶縁する必要がある。多くの応用例では、感度の高い部品をある形態の容器またはハウジング内に配置することにより、このことが達成される。感度の高いアセンブリを含むハウジングに外部で発生した振動エネルギーおよび衝撃エネルギーが伝わるのを制限するため、弾力性のある衝撃および振動吸収マウントがよく使用される。
【0003】
装置が、慣性測定装置(IMU)に適切なセンサである、慣性センサアセンブリ(ISA)である場合、装置を衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーから絶縁する必要があることは、特に重要である。ISAは普通、加速度および回転を3つの平面で検出する慣性センサを含んでいる。普通、垂直関係に入力軸で配置される3つの加速度計および3つの回転速度センサがある。センサは一般に、関連するエレクトロニクスおよびハードウェアと一緒にハウジング内に剛直かつ正確に取り付けられている。普通、ハウジングは順に、懸架マウントまたは防振装置を通して、支持体またはシャーシに取り付けられる。その後、このシャーシは航空機などの車両のフレームに剛直かつ正確に取り付けられる。
【0004】
実際、センサは、直線および角加速度情報などの慣性データを航空機に搭載されたナビゲーションコンピュータに提供する。ナビゲーションコンピュータは、航空機の航空管制および/またはナビゲーション用のデータを処理する。最適な性能のために、ISAのセンサは、正確な慣性データをナビゲーションコンピュータに提供しなければならない。航空機の操作(すなわち、加速;ロール、ピッチおよびヨーの変更;離陸および着陸)、乱気流、およびエンジン運転により、航空機のフレームを通してISA用の支持体に伝えられる衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーが発生する。このエネルギーは、センサによってナビゲーションコンピュータに提供される、慣性データ内の直線または角誤差として現れることがある。したがって、ISAの衝撃および振動の絶縁を行う、防振装置が必要である。本発明を説明する前に、比較のために先行技術を説明することは利益があるだろう。ISA12用のこのような公知の防振システム10の1つを、図1および2に図示する。図1は、当業者に知られている慣性センサアセンブリ用の多マウント防振システムの展開斜視図である。図2は、図1に示す公知の防振システムの組立斜視図である。
【0005】
図1に示すように、ISA12は、ベース部材18およびカバー部材20によって画定される、ハウジング16内に取り付けられた慣性センサ14を含む。慣性センサ14は、3つの加速度計と、3つのリングレーザジャイロスコープと、その関連エレクトロニクスおよびハードウェアとによって画定される。
【0006】
ハウジング16のベース部材18は、ベース部材18の周まわりに等間隔で配置された3つの取付ラグ22(これらのうちの2つのみを図1に示す)を含んでいる。各取付ラグ22は、ねじ付ファスナ26を受けるようになっている開口部24を含む。ファスナ26は、慣性リング30の協働するねじ付開口28と係合して、ISA12を慣性リング30に剛直に固定させる。
【0007】
防振システム10は3つの絶縁装置マウント32を含む。各絶縁装置マウント32は、絶縁装置マウント32にその衝撃および振動絶縁機能を与える、エラストマー要素36を保持するようになっている外側フレーム34を含む。エラストマー要素36は、内側開口要素38を備えたドーナツ形部材である。エラストマー要素36は、外側フレーム34の上に射出成型される。各エラストマー要素36の内側開口要素38は、ねじ付ファスナ40を受けるようになっている。各ねじ付ファスナ40は、慣性リング30内の協働するねじ付孔42と係合して、それぞれの絶縁装置マウント32のエラストマー要素36を、ISA12に固定された慣性リング30に固定する。絶縁装置マウント32は、慣性リング30まわりに等間隔で配置される。
【0008】
図2によく示すように、絶縁装置マウント32の外側フレーム34は、ねじ付ファスナを介して、支持体44(図2に破線で示し、明確にするため、絶縁装置マウント32の1つに関して一部のみを示す)に固定される。ファスナは、絶縁装置マウント32の外側フレーム34のねじ付開口50と係合するように、支持体44の開口部48を通過する。
【0009】
防振システム10の絶縁装置マウント32は、支持体44を通して伝えられる衝撃エネルギーおよび振動エネルギーからISA12を適切に絶縁するが、多数の別々の絶縁装置マウントの使用に伴う、いくつかの問題点がある。たとえば、多数の別々の絶縁装置マウントを使用する場合、選択したISA上で使用される絶縁装置マウントのそれぞれの固有周波数を合わせる必要がある。すなわち、ISA統合レベルで、固有周波数を合わせることが一般に必要であるので、その特定の固有周波数および増幅係数によって、それぞれの絶縁装置マウントを検査し、分離し、印を付けなければならない。分離した絶縁装置マウントを次いで、選択したISAに設置するための合わせた組として包装する。合わせた組の1つの絶縁装置マウントが、組立プロセス中に損傷を受けるかまたは損失すると、合わせていないマウントにより、ISAの補償不可能な動作が起こることにつながり、慣性データの誤差を引き起こすことになるので、合わせた組全体を廃棄しなければならない。
【0010】
多数の別々の絶縁装置マウントの使用に伴う別の問題は、別々のマウントがISA周りの様々な位置に取り付けられることにより起こる。絶縁装置マウントの弾性中心にISAの重心(CG)を正確に取り付け、位置合せするには、注意をしなければならない。あるいは、重心と弾性中心のずれにより、慣性データの誤差で現れる、ISA内のロッキングおよびコーニング動作が補償されないことにつながることもある。したがって、多数の別々の絶縁装置マウントシステムは、製造し、使用するのに費用がかかり、難しい。
【0011】
リングレーザジャイロスコープISA62用のこのような公知の第2の防振システム60が、Goepfertの米国特許第5,890,569号に開示されており、これを図3〜4に図示する。図3は、当業者に知られている慣性センサアセンブリ用防振システムの展開斜視図である。図4は、図3に示す公知の防振システムの組立斜視図である。
【0012】
図3に示すように、防振システム60は、環状エラストマー部材66、剛性環状外側部材68、および剛性環状内側部材70によって画定される絶縁装置マウント64を含む。外側部材68は、エラストマー部材66を取り囲み、これと同心である。内側部材70は、エラストマー部材66によって取り囲まれ、これと同心である。外側部材68はまた、外側部材68の周まわりに等間隔(すなわち、120度間隔)に配置された3つの開口部72を含む。
【0013】
結合装置80は、防振システム60の内側リング70をISA62のハウジング82に取り付ける。ハウジング82は、ベース部材84およびカバー部材86によって画定される。ハウジング82は、ISA62の慣性センサ88を含み、これを保護する。
【0014】
結合装置80は、内側部材70の内側壁92上のねじ付領域90によって画定される調節機構を含む。ねじ付領域90は、ハウジング82のベース部材84の外側壁96上の協働するねじ付部94と噛み合う。ねじ付領域90をねじ付部94と互いにねじ係合することにより、ISA62が防振システム60に取り付けられ、エラストマー部材66によって画定される平面と垂直な、ISA62の長手軸98に沿った、ISA62のハウジング82の限定した直線運動が可能になる。上に述べた、相互ねじ係合によって可能となった限定した直線運動により、ISA62(すなわち、ハウジング82)の横重心を、防振システム60のエラストマー部材66の弾性中心と位置合せすることが可能になる。
【0015】
結合装置80はさらに、ハウジング82のベース部材84の外側壁96上の棚部分102と内側部材70の内側壁92上の棚領域104の間で動作する、弾力性のある部材100によって画定されるストップ機構を含む。弾力性のある部材100は、ベース部材84の外側壁96上のチャネル108内に保持される。ISA62が防振システム60にねじ込まれているので、棚部分102と棚領域104の間で弾力性のある部材を圧縮する際、弾力性のある部材100が、ハウジング82と内側部材70の間に作用するばね力を提供する。このばね力が、防振システム60に対するISA62の位置を維持し、それによって防振システム60の弾性中心へのISA62の横重心の位置合せを維持する。
【0016】
図4に示すように、開口部72がねじ付ファスナ106(そのうち、2つだけを図示する)を受けるようになっている。ねじ付ファスナ106は、衝撃と振動が加えられる、支持体109内のねじ付孔(図示せず)に係合する。支持体109は、それを通してISA62を自由に受けるようになっている開口110を有する。支持体109は、車両の一部である。
【0017】
防振システム60は、そうでなければ支持体109からISA62に伝達される可能性がある、衝撃および振動からISA62を絶縁する。単一のエラストマー部材66だけが使用されているので、防振システム60は、多数の絶縁装置マウントの固有周波数を合わせる必要がなくなる。
【0018】
しかし、防振システム60の使用にはいくつかの問題が伴う。たとえば、電気コネクタ112とシステムコンピュータ(図示せず)の間の相互接続を行うことが難しい。特定の要件に従って実施しないと、相互接続によりISA62の補償不可能な動作を作り出す外力が呈示され、これが慣性データの誤差につながる。たとえば、コネクタ領域上のあらゆる圧力、荷重または力は、支持体109および防振システム60と関係なく、ハウジング82に直接移動し、振動誤差を引き起こすことがある。様々な応用例には、異なる相互接続要件があるので、相互接続は、各応用例において多くの費用および労力をかけて慎重に設計し、製造し、検査しなければならない。
【0019】
防振システム60を使用することに伴うもう1つの問題は、エラストマー部材66の弾性中心をISA62の重心(GC)と位置合せするのが難しいことである。これは、ベース部材84のストップ機構の棚102の位置を変えることにより達成され、ねじ付領域90のねじピッチおよび取付孔72の位置合せ要件によって制限される。これには、新しいベース部材84を機械加工することが必要であり、既存のベース部材84を再加工することはできない。エラストマー部材66の弾性中心がISA62の重心(CG)と適切に位置合せされていない場合、ISA62の補償不可能な動作が発生し、慣性データの誤差につながる。
【0020】
加えて、エラストマー部材66は、保護されず、外部要素に露出している。ほこり、多くの化学物質、および他の汚染物質が、絶縁装置の性能を低下させ、慣性データの誤差から突発故障に至る問題につながる。
【0021】
さらに、ISA62全体、内側部材70、およびエラストマー部材66の周りに適切な空間が必要である。この空間は、動揺空間と呼ばれ、振動および衝撃中にISA62、内側部材70、およびエラストマー部材66が経験する動作のため必要である。この動揺空間を維持しないと、ISA62の補償不可能な動作が起こり、慣性データの誤差につながることになる。この動揺空間の必要性は、振動および衝撃の振幅の直接の機能であり、一実施形態においては0.1905センチ(0.075インチ)で維持される。
【0022】
ISA用の改良型の防振システムの必要がある。特に、ISAの許容衝撃、振動、および音響の絶縁を行いながら、多数の絶縁装置マウントの固有周波数を合わせる必要をなくす、防振システムの必要がある。加えて、防振システムの弾性中心をISAの重心と位置合せするのが比較的容易であり、エラストマー部材を周囲から保護し、インターフェイス(取付および電気相互接続の両方)を単純にするべきである。最後に、防振システムは、製造するのが比較的簡単であり費用がそれほどかからないべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0023】
本発明は、衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーが加えられた支持体に慣性センサアセンブリ(ISA)を取り付け、また慣性測定装置(IMU)のハウジングにより、エラストマー部材を遮蔽保護し、複雑なIMU相互接続の必要がなくすことができる、防振システムである。
【課題を解決するための手段】
【0024】
防振システムはまた、望ましくない力によって起こる補償不可能な動作を最小限に抑える。これは、ISAの重心とエラストマー部材の弾性中心の間のずれを最小限に抑え、機械および電気インターフェイスの問題をなくすことにより、行うことができる。防振システムは一体式エラストマーシステムを使用して、衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーを吸収し、減衰させる。防振システムは、剛性リング形内側部材と、剛性リング形外側部材と、リング形エラストマー部材とを含む。外側部材は、エラストマー部材を取り囲み、これに固定される。加えて、外側部材はIMUのハウジングに固定され、このハウジングは支持体に固定される。内側部材は、エラストマー部材によって取り囲まれ、エラストマー部材に固定される。さらに、エラストマー部材が、そうでなければ支持体からISAに伝達される可能性のある、振動エネルギー、衝撃エネルギー、および音響エネルギーからISAを絶縁するように、内側部材をISAに固定する。単一のエラストマー部材だけが使用されるので、防振システムは多数の絶縁装置マウントの固有周波数を合わせる必要がなくなる。加えて、単一のエラストマー部材だけしかないので、エラストマー部材の弾性中心をISAの重心と位置合せするのが比較的容易である。防振システムは、ISAの衝撃、振動、および音響の絶縁を改善し、製造するのが容易かつあまり費用がかからない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明による慣性センサアセンブリ(ISA)122用の防振システム120の好ましい一実施形態を、図5〜7に全体的に示す。図5に示すように、防振システム120は、リング形(環状)エラストマー部材126、剛性リング形(環状)外側部材128、および剛性リング形(環状)内側部材130によって画定される絶縁装置マウント124を含む。外側部材128は、エラストマー部材126を取り囲み、これと同心である。内側部材130は、エラストマー部材126によって取り囲まれ、これと同心である。外側部材128はまた、外側部材128の周まわりに等間隔(すなわち、120度の間隔)に配置された3つの開口部131を含む。開口部131は、ねじ付ファスナ132(そのうちの2つのみを図5に示す)を受けるようになっている。外側部材128に関連づけられたねじ付ファスナ132は、慣性測定装置(IMU)のハウジング136内のねじ付孔134と係合し、外側部材128は、ハウジング136のベース部材140の棚137上にある。
【0026】
絶縁装置マウント124は、ISA122とIMUのハウジング136の間に固定される。IMUのハウジング136は、ベース部材140およびカバー部材142によって画定され、これらの部材は、当業界において知られる方法でインターフェイスリング144によって互いに密封される。IMUのハウジング136は、防振システム120と、ISA122上に取り付けられた慣性センサ146と、必要なエレクトロニクス148とを含み、これらを保護する。IMUのハウジング136は、エラストマー部材126を潜在的な汚染および損傷から保護し、繊細な機械および電気インターフェイスの必要をなくす。好ましい一実施形態においては、当業界で一般に知られるように、慣性センサ146は、3つの加速度計と、3つの微細機械加工したシリコン率センサと、その関連エレクトロニクスおよびハードウェアによって画定される。カバー部材142内に取り付けられた電気コネクタ150により、慣性データを慣性センサ146と車両に搭載したナビゲーションコンピュータ(図示せず)の間に伝達することができる。絶縁装置マウント124がハウジング136内部にあるので、ISA122がハウジング136上の全ての外力から絶縁され、それによって慣性データの誤差を防ぐ。これにより、システム120は、コネクタ領域の圧力、荷重、または力を考慮することなく、IMUのハウジング136とナビゲーションコンピュータの間の極めて単純な相互接続から利益を得ることが可能になる。
【0027】
開口部152は、内側部材130に関連づけられたねじ付ファスナ153を受けるようになっている。ねじ付ファスナ153は、ISA122内のねじ付孔(図示せず)に係合する。スペーサ154を使用して、ISA122の横重心をエラストマー部材126の弾性中心に位置合せすることができる。
【0028】
図6は、図5に示す組み立てた防振システム120の、線A−Aの垂直平面に沿った断面図である。図6によく示すように、絶縁装置マウント124はISA122に固定される。内側部材130内の開口部152およびISA122内の開口部157(慣性センサアセンブリ122に関連づけられている)は、ねじ付ファスナ153を受け、それによって絶縁装置マウント124をISA122に固定する。ハウジング136は、絶縁装置マウント124とISA22のアセンブリを含み、外側部材128は、ベース部材140の棚137上にある。IMUのハウジング136は、支持体155に関連づけられたねじ付ファスナ159によって、開口部161を通して支持体155に取り付けられる。支持体155は車両の一部である。好ましい一実施形態においては、支持体155は、航空機のフレームに取り付けられたシャーシである。
【0029】
図7は、図6において円で囲んだ、防振システム120の拡大部分断面図である。図7によく示すように、絶縁装置マウント124の取付表面160とISA122の間に、スペーサ154を配置することができる。ISA122の横重心162をエラストマー部材126の弾性中心164と位置合せするように、スペーサ154の厚さを調節することができる。横重心162は、長手軸168と垂直な横軸166に沿って配置される。エラストマー部材126は、内側部材130の外側壁に沿って内側部材130に固定される。エラストマー部材126は、ほぼ環状の構造を具体化することができる。好ましい一実施形態においては、エラストマー部材126は、外側および内側部材128、130とそれぞれ同心である、切取り領域170および内部ポケット172を含む。2つの対称的な連続絶縁装置二分割部品からエラストマー部材126を組み立てることにより、ポケット172をエラストマー部材126内に形成することができる。好ましい一実施形態においては、ねじ付ファスナ132、153からの力は、エラストマー部材126の2つの二分割部品を互いに保持するのに適切である。領域170およびポケット172により、支持体155によって伝達される望ましくない衝撃エネルギー、振動エネルギー、および音響エネルギーを減衰吸収するのを助ける可撓性が、エラストマー部材126に与えられる。さらに、エラストマー部材126の中心から材料を取り除くことにより、そうでなければ防振システム120を故障させる可能性のある、エラストマー部材126上の疲労および応力が減る。
【0030】
エラストマー部材126は、どんなエラストマー材料からできていてもよい。好ましい一実施形態においては、エラストマー要素124は、米国材料試験協会(ASTM)文書ASTM−D2000に規定されるように、型番2FC303A19B37E016F1−11G11のフェニルメチルビニルシリコーンゴムから作られている。この種類の材料は、様々な関連応用例のため多くの製造者によって作られている。外側および内側部材128、130はそれぞれ、実際にどんな材料で作られていてもよい。好ましい一実施形態においては、高い強度、機械加工性、軽重量、低コスト、広い利用可能性のため選択された、調整アルミ合金、工業規格6061−T6から作られる。エラストマー部材126の付着性を良くするように、外側および内側部材128、130を処理することもできる。好ましい一実施形態においては、これらはクロム酸塩で化学的に処理される。
【0031】
好ましい一実施形態においては、シリコーンゴムエラストマー材料は、高い温度および圧力で、外側部材128と内側部材130の間のキャビティ内に射出成型される。シリコーンゴム材料は、リング形の外側および内側部材128、130の化学的に処理した金属表面と結合し、絶縁装置マウント124を共に保持する。シリコーンゴム材料により、一次絶縁および減衰機能が防振システム120に提供される。また、2つの対称的な防振アセンブリを使用すると、製造をますます簡単にすることができる。
【0032】
防振システム120は、そうでなければ支持体155からISA122へ伝達される可能性のある、衝撃および振動からISA122を絶縁する。防振システム120は、単一のエラストマー部材126が使用されているので、多数の絶縁装置マウントの固有周波数を合わせる必要がなくなる。加えて、単一のエラストマー部材126だけしか使用しないので、エラストマー部材126の弾性中心164をISA122の重心(CG)162と位置合せするのが比較的簡単である。さらに、システム120は非常に小型である。好ましい一実施形態においては、IMUのハウジング136は、直径が約6.35センチ(約2.5インチ)、高さが約7.62センチ(約3インチ)である。防振システム120は、ISA122の許容衝撃および振動の絶縁を行い、製造するのが比較的簡単かつ費用があまりかからない。
【0033】
本発明を、好ましい実施形態に関して説明したが、当業者なら発明の精神および範囲を逸脱することなく形態および詳細に変更を加えることができることが分かるだろう。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】当業者に知られている慣性センサアセンブリ用の多マウント防振システムの展開斜視図である。
【図2】図1に示す公知の防振システムの組立斜視図である。
【図3】当業者に知られている慣性センサアセンブリ用の防振システムの展開斜視図である。
【図4】図3に示す公知の防振システムの組立斜視図である。
【図5】本発明による慣性センサアセンブリ用の防振システムの展開斜視図である。
【図6】図5の線A−Aに沿った、本発明の組み立てた防振システムの断面図である。
【図7】図6において円で囲んだ、防振システムの拡大部分断面図である。

Claims (12)

  1. 衝撃および振動を受ける支持体155に慣性センサアセンブリ122を装架するための防振システム120であって、
    慣性センサアセンブリ122を収容し、支持体155に装架されるハウジング136と、
    環状エラストマー部材126と、
    エラストマー部材126を取り囲んでこれに固定されるとともに、ハウジング136内に取り付けられるようになっている環状外側部材128と、
    エラストマー部材126によって取り囲まれてこれに固定されるとともに、慣性センサアセンブリ122に取り付けられるようになっている環状内側部材130と、
    を備える、防振システム120。
  2. エラストマー部材126が、シリコーンゴムエラストマー材料から製造される、請求項1に記載の防振システム120。
  3. エラストマー部材126によって画定される平面と垂直な長手軸上をエラストマー部材126と慣性センサアセンブリ122とが相対移動することを可能にするための調節機構154を含む、慣性センサ122および内側部材130を取り付ける結合装置(153および157)をさらに備える、請求項1に記載の防振システム120。
  4. 結合装置が、内側部材130に関連づけられた複数のねじ付ファスナ153と、慣性センサアセンブリ122に関連づけられた複数のねじ付開口部157とを備える、請求項3に記載の防振システム120。
  5. 慣性センサアセンブリ122の重心162を横軸166に沿ってエラストマー部材126の弾性中心164と位置合せするための、慣性センサアセンブリ122および内側部材130の取付表面160間の長手方向スペーサ154をさらに備える、請求項3に記載の防振システム120。
  6. 外側部材128に関連づけられた第1の複数のねじ付ファスナ132が、ハウジング136内の第1の複数のねじ付開口部134と協働するようになされている、請求項5に記載の防振システム120。
  7. 支持体155に関連づけられた第2の複数のねじ付ファスナ159が、ハウジング136内の第2の複数のねじ付開口部161と協働するようになされている、請求項6に記載の防振システム120。
  8. ハウジング136が、
    カバー部材142と、
    ベース部材140と、
    カバー部材142およびベース部材140を互いに密封関係にする、インターフェイスリング144と、を備える、請求項1に記載の防振システム120。
  9. 環状エラストマー部材126が、同心の内部ポケット172を備える、請求項1に記載の防振システム120。
  10. 環状エラストマー部材126が、該環状エラストマー部材126の外側表面に沿った同心の切取り領域170を備える、請求項1に記載の防振システム120。
  11. 環状エラストマー部材126が、
    同心の内部ポケット172と、
    環状エラストマー部材126の外側表面に沿った同心の切取り領域170と、を備える、請求項1に記載の防振システム120。
  12. 環状外側部材128および環状内側部材130が、アルミ合金材料から作られている、請求項1に記載の防振システム120。
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