JP2008232446A - 調整可能減衰と減摩転動質量塊を有する質量緩衝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望する方向に動くように強制された質量塊を有する緩衝装置を提供すること。
【解決手段】内表面、および容器（１２、１１２）内での振動のために取り付けられた質量塊（１０、１１０）を有する容器（１２、１１２）であって、容器（１２、１１２）内に一対の蛇腹（１５０、１８０）を有し、各々が内部に、予圧ばね（１５６、１８６）、および減衰特性を簡単に調整するためにばね（１５６、１８６）を交換するための蛇腹（１５０、１８０）の内部を露出するための取り外し可能端部（１４６、１７２）と、内表面を支承して、容器（１２、１１２）内の質量塊（１０、１１０）の低摩擦振動をもたらすために端部に隣接する質量塊（１０、１１０）の外周の周囲の複数の溝（１２２、１２４、１２６、１２８）内に各々が置かれた複数のボール（１３２、１３４、１３６、１３８）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、質量減衰装置に関し、より詳細には、ブームなどの細長構造の周期的運動を減少させるために使用することができる緩衝装置に関する。本発明は、たとえば太陽電池パネルの一時的な熱変形により生じる熱変形衝撃などの外乱を原因とするブームの揺れにより精度が低下する測定設備を保持するために衛星に取り付けられるブームにとくに有用であることがある。

従来の技術では揺れを低下させるための質量緩衝装置が知られている。そのような緩衝装置は通常、流体の容器内で動くように、または磁界内を動くように取り付けられ、ばねにより位置決めされる質量塊を備える。質量塊とばねとを正しく選択することにより、質量塊は、ブーム、または緩衝装置が取り付けられる他の装置とおなじ固有振動数を有するようになり、その結果、ブームが衝撃を受け、ある方向に揺れ出すようになると、質量塊は同じ方向に同じ振動数で振動し出す。しかしながらブームは緩衝装置への入力部であることから、緩衝装置はブームから１８０度位相がずれて振動し、その動きはブームの動きを打ち消そうとする。この時ブームは非共鳴振動数で振動し、緩衝装置はそのエネルギーのかなりの部分を吸収するので、ブームの変位は、はるかに小さく、緩衝装置内の流体または磁気により効果的に減衰される。このような緩衝装置は高周波の振動に対しては満足のゆくものであるが、たとえば１．５ヘルツなどの低い振動数においては、振動数は質量塊に対するばね定数の平方根の比に比例するので、質量塊がばねに対し過大になり、質量塊を有効に支えることができない。その結果、質量塊が正しい減衰に必要な方向とは異なる方向に揺れかつ動き出す。

発明が解決しようとする課題と課題を解決するための手段

本発明は、所望する方向に動くように強制された質量塊を有する緩衝装置を提供することにより、従来の技術における問題を解消するものである。質量塊を円筒形にし、質量塊の形状にほぼ等しいハウジング内に質量塊を置くことにより、流体容器内での動きが所望の方向だけとすることができる。振動を調整するために流体を変えることができるが、本発明は、流体を変える必要がない調整可能な減衰を提供する。減衰の調整は、１対の蛇腹と、蛇腹の剛性を変えるための蛇腹内の可変内部ばねとによって達成され、これにより、質量塊を囲むチャンバ内の流体の膨張および収縮に対し異なる特性が付与される。従って、ある特定の使用について減衰特性を試験する際には、蛇腹の内部のばねを変えて微調整するだけでよい。質量塊と、隣接する容器ハウジングとの間の滑り摩擦が過大である場合には、たとえば循環ボールを有する線形ベアリングを使用することにより、ほぼ摩擦のない動きが得られる。質量塊と壁との間または隣接するボール間に滑り摩擦がないように各溝が単一のボールを収納する複数の線形溝を質量塊に形成することにより、本発明におけるボール・ベアリングの取り付けに対する特別な改善が見られる。

第１図では、緩衝装置８は、円筒形容器１２内に滑動可能に取り付けられた中空移動質量塊１０を備えている状態で示してある。円筒形容器１２は、第１端部部材１４が図示しないボルトなど従来の手段により固定され、ガメット１６により流体損失を防止するようにシールされている。第２端部部材１８が、同じく図示しないボルトなど従来の手段により第２端においてシリンダ１２の凹部２０内に取り付けられる。シリンダ１２と端部部材１４および１８は、内部を質量塊１０が前後に動くことができるチャンバ２２を形成する。

所定の剛性のばね３０は、その一端が端部部材１４の突起３２に取り付けられ、反対端において、質量塊１０内の凹部３４に取り付けられ、その結果、質量塊１０は、質量塊１０の寸法とばね３０の剛性とによって決まる振動数でチャンバ２２内を水平方向に前後に振動することができる力を受けない限り、ばね３０により位置決めされる。

第１端部部材１４は、矢印３８で示すようにチャンバ２２内へ緩衝流体を入れる充填ポート３６を有する。充填後はポート３６は従来の方法でシールされる。

シリンダ１２の第２端の凹部２０内には、熱膨張蛇腹４０が取り付けられている。その一端は端部部材１８内の突起４２に接続され、反対端はシール部材４４に接続されている。端部部材１８は、蛇腹４０の内部をチャンバ２２に接続する小型開口部４８を有する。これにより、流体をチャンバ２２から蛇腹４０の内部に移動させ、若干の温度変化を受ける流体の膨張および収縮を調節することができる。

第１図の装置の一適用例では、第１図で符号５０で示すたとえばブームの好ましくない振動を補正するための緩衝装置に使用することが可能である。好ましくない振動はブーム長に対して横方向であるので、質量塊１０も同方向すなわち第１図の右から左に移動することが望ましい。したがって、緩衝装置８は斜線５２および５４で示すように水平にブーム５９に取り付けた状態で示してあり、上で説明したように、ブームの動きを相殺するのを支援するように、ブームに対し１８０度位相がずれて振動する。

多くの適用の場合、第１図の装置は満足のゆく性能を見せるが、いくつかの精度が高い用途または特殊用途の場合には、第１図の緩衝装置では精度不良または不必要なコストが生じることがある。たとえば、正確に適量の減衰をもたらすために、まず、チャンバ２０内の緩衝流体３８は、振動システムからエネルギーを最もよく吸収し、意図する特定の用途に対し所望する減衰量をもたらすと思われる粘度を有するものが選択される。次に、減衰特性をチェックするためにブームおよび緩衝装置が試験に付され、これらが適切でない時には、流体は抜き取られなければならず、粘度の異なる新しい流体を注入し再度試験を行う。この過程は、システムの所望する減衰特性が得られるまで繰り返される。そのような手順はきわめてコストが高くかつ時間を要し、したがって緩衝装置に相当なコストを付加するものになる。

第１図の緩衝装置にともなう別の問題はチャンバ２２内で滑動する質量塊１０の結果である。なぜなら、最適の減衰効果のため過大な摩擦が生じることがあるからである。摩擦を低減するために従来の線形ベアリングを使用することが可能であり、それで十分な場合もある。しかしながら、質量塊１０とシリンダ１２の内部との間で従来の線形ベアリングを使用しても、ボール間の接触のため過大な摩擦があることがある。これらの問題は第２図の改良により克服される。

第２図では、緩衝装置１０８（第１図におけるビームに固定することもできるが、簡略にする配慮から第２図に図示しない）は、図示しない従来の手段によりシリンダ１１２の右端に取り付けられた第１円筒形端部部材１１４を有する円筒形容器１１２内に滑動可能に取り付けられた移動質量塊１１０を備えている状態で示してある。ばね１１６は、質量塊１１０の凹部１１８内に取り付けられた第１端と、質量塊１１０が位置決めされる端部部材１１４に取り付けられた第２端とを有する。質量塊１１０は、減衰流体が通過できるよう、第２図の右側と左側の間に延びているオリフィス１２０を有するように示してある。減衰流体は第１図に示す方法と同様の方法で円筒形容器１１２に注入される。第１図でそうであったように、質量塊１１０およびばね１１６は、それが置かれる特定の用途に適した振動の振動数、すなわち、それが取り付けられるブームの振動数を有するように選択される。

質量塊１１０の外周端縁には複数の溝１２２、１２４、１２６および１２８がある。それらの溝は、１３２、１３４、１３６および１３８などのボールの動きを所望の方向、すなわち第２図で水平に制限するような切断面形状を有する。たとえば、溝は、半円形溝１２２ａがボール１３２ａを支承する第３ａ図に示すように、ボールより若干直径が大きいか、第３ｂ図に示すように、ボール１３２ｂを支承する「Ｖ」字形溝１２２ｂとすることができる。いずれの場合も、ボールは本文書の面に対し出入りする方向へ動くだけに制約を受ける。溝１２２、１２４、１２６および１２８内の複数のボール１３２、１３４、１３６および１３８はそれぞれシリンダ１１２の内表面と接して、質量塊１１０に転動をもたらす。溝の長さは、使用時、前後に振動する質量塊１１０の予想運動量に適合するように規定される。万一、質量塊１１０が予想以上に移動した場合、ボールは（質量塊よりも移動距離は短いが）それでも溝の端部に到達して、そこで、暖化効果（worming effect）および／または公差誤差により、より大きな摩擦をうけることがある。しかしながら本装置は完全に自己センタリングするので、予想される端部に向けて運動が減少すると、ボールは中央に向かって動き、休止時には第２図に示す位置につく。この特徴により本装置は、質量塊の摩擦を最小にしてシステムから最大量のエネルギーを取り除く。質量塊１１０の外表面とシリンダ１１２の内表面との接触を防止するためには、質量塊の直径の周囲には少なくとも２つ、好ましくは３つ以上の溝があるべきである。ボールを使用することにより質量塊１１０とシリンダ１１２との間の滑り摩擦が取り除かれ、単一のボールが使われるので、ボール間の摩擦がない。従って、第１図の緩衝装置ではあり得た過度の摩擦が回避された。

円筒形端部部材１１４はアバットメント１４０を有し、第１円筒形端部材１４２がそれにはめられる。円筒形端部材１４２は、内側に突き出る棚１４４と、取り外し可能なエンド・キャップ１４６とを有する。エンド・キャップはその中心を通って延びる穴１４８を有する。また、エンド・キャップ１４６は棚１４４に取り付けられている。第１蛇腹１５０が、棚１４４に固定された右端を有し、そこから円筒形容器１１２の内部に向かって左側に延びている。蛇腹１５０の左端は、穴１４８内に案内されて右側に延びる中央ロッド１５４を有する円形プレート１５２にシールされる。予圧ばね１５６は、円形プレート１５２とエンド・キャップ１４６との間で蛇腹１５０の内部に位置決めされ、蛇腹１５０に付加剛性を与えている。

第２図の緩衝装置１０８の左端は右端に類似している。第２円筒形端部部材１６４は、図示しない従来の手段により、円筒形容器１１２の左端に取り付けられる。端部部材１６４はアバットメント１６６を有し、第２円筒形端部材１６８がそれにはめられている。円筒形端部材１６８は、内側に延びる棚１７０と、中心を通って延びる穴１７４を有する取り外し可能なエンド・キャップ１７２とを有する。エンド・キャップ１７２は棚１７０に取り付けられている。第２蛇腹１８０は、左端が棚１７０に固定され、円筒形容器１１２の内部に向かって右側に延びている。蛇腹１８０の右端は、穴１７４内に案内されて左側に延びる中央ロッド１８４を有する円形プレート１８２にシールされる。予圧ばね１８６は、円形プレート１８２とエンド・キャップ１７２との間で蛇腹１８０の内部に位置決めされ、蛇腹１８０に付加剛性を与えている。

質量塊１１０が第２図において左右に動くのに従い、流体は円形プレート１５２および１８２を押圧し、ばね１５６および１８６による力に抗して蛇腹１５０または１８０を縮める。これによりシステムに付与される減衰量は、ばね１５６および１８６の剛性により部分的に制御されるので、減衰効果を変更または微調整する際に必要なことは、エンド・キャップ１４６および１７２を取り外し、ばね１５６および１８６を、異なる剛性を有するスプリングに交換することだけである。従って、第１図のような流体の抜きおよび交換よりも、緩衝装置の試験が著しく簡単になり、所要時間がはるかに少なくなり、安価である。

従って我々は、低振動数で適当な減衰を得るため所望の方向にのみ動くよう制約を受けた緩衝装置を提供した。我々はまた、簡単に微調整され、移動する質量塊と容器との間の摩擦が最小な緩衝装置を提供した。好ましい実施形態を参照して本発明を記述したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において変更することが可能であることが理解されよう。たとえば、打ち上げ基地からの打ち上げ時に設備に働く力など外力に緩衝装置を適合させようとする場合、質量塊１１０に柔軟な停止をもたらすために、端部部材１１４および１６４の内部に近いところに位置する追加のばねを使用することができる。また、低い転がり摩擦は必要であるが極端な精度は必要ではない場合、第１および第２蛇腹をなくして、第１図に示すような単なる温度補正蛇腹を使用することができる。さらに、減衰させるべき振動が複数の箇所で発生し得る時には、部材上に相互に直角に取り付けた２つの緩衝装置を使用することができる。

本発明の基本的な緩衝装置の例を示す図である。 緩衝の微調整と質量塊の運動による摩擦の減少の双方を備える本発明の第２実施形態を示す図である。 図２の主要部の断面図である。

符号の説明

１０８…緩衝装置、１１０…質量塊、１１２…容器、１２２、１２４、１２６、１２８１２２…溝、１３２、１３４、１３６、１３８…ボール、１１４、１６４…第１と第２の円筒形端部部材、１４２、１６８…第１と第２の円筒形端部材、１１６、１５６、１８６…ばね、１５０。

Claims (1)

1. 第１の端部、第２の端部及び内表面を有する円筒形容器（１１２）と、
   前記円筒形容器内に配置され、その容器の長手方向に沿って移動可能であり、外表面、第１の側、第２の側及びその第１の側と第２の側と間に延びているオリフィスを有する質量塊（１１０）と、
   前記質量塊の外表面の周りに配置された複数の溝（１２２、１２４、１２６、１２８）であって、少なくともその２つが前記質量塊の第１の側の近くに配置され、少なくとも他の２つが前記質量塊の第２の側に配置される、前記溝（１２２、１２４、１２６、１２８）と、
   前記各溝内に配置され、前記容器内での前記質量塊の振動の際に低摩擦とするために前記円筒形容器の内面に対して接している複数のボール（１３２、１３４、１３６、１３８）と、
   前記円筒形容器の第１の端部に結合された第１の円筒形端部部材（１１４）と、
   前記第１の円筒形端部部材に取り付けられた第１の円筒形端部材（１４２）と、
   前記質量塊と前記端部部材との間に配置された第１のばね（１１６）と、
   前記円筒形端部材から前記第１ばねを通して延びる第１の蛇腹（１５０）であって、第２のばね（１５６）と第１の円形プレート（１５２）とを有し、その第２のばねが前記第１の円形プレートと前記第１の円筒形端部材との間に配置される、前記第１の蛇腹（１５０）と、
   前記円筒形容器の第２の端部に結合された第２の円筒形端部部材（１６４）と、
   前記第２の円筒形端部部材に取り付けられた第２の円筒形端部材（１６８）と、
   前記円筒形端部材から前記質量塊に向かって延びる第２の蛇腹（１８０）であって、第３のばね（１８６）と第２の円形プレート（１８２）とを有し、その第３のばねが前記第２の円形プレートと前記第２の円筒形端部材との間で前記第２の蛇腹の内部に配置されている、前記第２の蛇腹（１８０）と
   を有することを特徴とする緩衝装置（１０８）。

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