JP2013137102A

JP2013137102A - 低質量の観測機器の低周波数減衰を実現する受動型除振デバイスとそれを用いる宇宙探査機除振システム

Info

Publication number: JP2013137102A
Application number: JP2012273342A
Authority: JP
Inventors: Porter Davis; ポーター・デーヴィス; Steven Hadden; スティーヴン・ハデン; Pablo Bandera; パブロ・バンデラ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-07-11
Also published as: EP2607240A2; US20130154170A1

Abstract

【課題】宇宙探査機除振システム内で用いるのに適している低周波数除振デバイスを提供すること。
【解決手段】低周波数除振デバイス（１６、４０）は、３パラメータ除振器（３６）と、折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）とを含む。折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）は、折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い。３パラメータ除振器（３６）は、所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）および所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する一次ベローズ（４８）を含み、一次ベローズ（４８）の所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）は、一次ベローズ（４８）の所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い。
【選択図】図５

Description

[0001]本発明は、一般に、宇宙探査機除振システムに関し、より詳細には、宇宙探査機から低質量の観測機器に伝達される低周波数振動を減衰するのによく適している受動型除振デバイスに関する。

[0002]姿勢調節の目的で宇宙探査機に搭載されている制御モーメントジャイロスコープアレイ、リアクションホイールアレイ、および他のそのようなデバイスは、動作中、起振力を発生させる。一般に、振動除振システムは、宇宙探査機本体を通じて、そのような姿勢調節デバイスから、宇宙探査機によって運ばれる任意の振動に敏感な構成要素（例えば、光学観測機器）に放出される起振力の伝達を最小限にするために使用される。一般に、振動除振システムは、いくつかの個別の振動除振器（通常、３から８つの除振器）を含み、これらの振動除振器は、宇宙探査機の観測機器と宇宙探査機本体との間に多点取付け配置で位置決めされる。振動除振システムの性能は、システム内に含まれている除振器の数、除振器が配置されている様態、およびそれぞれ個別の除振器の周波数減衰特性によって大部分決められる。直列結合された二次ばねとダンパとに並列の一次ばねとして機械的に振る舞う３つのパラメータ除振器を用いる振動除振システムは、他のタイプの受動型除振器（例えば、粘弾性除振器）を用いる振動除振システムと比較すると、高周波数起振力（一般に、「ジッタ」と呼ばれる）の優れた減衰をもたらす。３パラメータ除振器の例は、現在、ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ州のＭｏｒｒｉｓｔｏｗｎに本拠を置くＨｏｎｅｙｗｅｌｌＩｎｃ．によって開発され、商業的に販売されているＤ−ＳＴＲＵＴ（「登録商標」）除振器である。

[0003]近年、１ヘルツに達するまたは１ヘルツを下回る振動（本明細書では、「サブヘルツ振動」と呼ばれる）などの低周波数振動から低質量の観測機器を除振することができる宇宙探査機除振システムに対しての需要が高まってきている。そのような低質量の観測機器は、例えば、接地のときの重さがほんの数ポンドのレーザ通信システムおよび他の光学通信デバイスを含み得る。そのような低質量の観測機器の低周波数減衰を可能にする軸方向に（すなわち、除振器の動作軸に沿って）十分にコンプライアントであるとともに、除振器の全体的な横方向の完全性を維持するために径方向にも比較的剛性である、宇宙探査機除振システム内での使用に適している軽量、小型、かつ受動型の除振器を設計することは特に難しく、非実益的と広く見なされてきた。例えば、流体を含有したベローズを含む３パラメータ除振器の場合では、ベローズの壁厚を抑えて、ベローズの軸方向コンプライアンスを高めることによって、好都合にも、除振器の折れ点周波数が一定の限界値内に低下され得る。しかし、低質量の観測機器のサブヘルツ減衰を実現するためには、極めて薄い壁のベローズ（例えば、壁厚が千分の数インチ程度のベローズ）が必要である可能性があり、それによって、ベローズの製造には非常に困難がきたし、ミッション要件に耐えることできなくなっている。さらに、低質量の観測機器をサブヘルツ振動から効果的に除振する能動型除振システムを設計することは可能であり得るが、能動型除振システムには、追加の構成要素（例えば、制御器、電源、作動器など）が必要であり、これらの構成要素は、除振システムに望ましくないかさ、重量、複雑性、および費用をもたらす。

米国特許第５，３３２，０７０号米国特許第７，１８２，１８８Ｂ２号

[0004]したがって、宇宙探査機から低質量の観測機器に比較的低い（例えば、サブヘルツ）周波数で伝達される振動を減衰することが可能な宇宙探査機除振システム内で用いるのに適している低周波数除振デバイスの実施形態を提供することが望ましい。理想的には、そのような低周波数除振デバイスの実施形態は、小型であり、軽量であり、かつ軸方向および横方向の剛性特性ならびに減衰の特性を独立して同調することを可能にする。そのような低周波数の精密除振デバイスの実施形態は受動型であり、この実施形態には、摩擦を最小限にする、またはなくすための滑り構成要素はほとんど、あるいは全く含まれていない場合もやはり望ましい。本発明の実施形態の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および上述の「背景技術」と併せて解釈されると、後の「発明を実施するための形態」および添付の「特許請求の範囲」から明らかになるであろう。

[0005]低周波数除振デバイスの実施形態が提供される。一実施形態において、低周波数除振デバイスは、３パラメータ除振器と、３パラメータ除振器と直列に機械的に結合され、所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）および所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する折れ点周波数抑制直列ばねとを含む。折れ点周波数抑制直列ばねの所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）は、折れ点周波数抑制直列ばねの所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い。

[0006]宇宙探査機除振システムの実施形態は、さらに、宇宙探査機によって運ばれる観測機器を除振するために提供される。一実施形態において、宇宙探査機除振システムは、複数の低周波数振動除振器と、複数の観測機器取付け部とを含み、この観測機器取付け部は、複数の低周波数除振デバイスに結合され、複数の低周波数除振デバイスを多点取付け配置で観測機器に接合するように構成されている。それぞれの低周波数除振デバイスは、３パラメータ除振器と、３パラメータ除振器と直列に機械的に結合され、所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）および所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する折れ点周波数抑制直列ばねとを含む。折れ点周波数抑制直列ばねの所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）は、折れ点周波数抑制直列ばねの所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い。

[0007]本発明の少なくとも１つの例が、以降、以下の図面とともに説明され、ここでは、同様の数字は同様の要素を示している。

[0008]本発明の例示的な実施形態による、低質量の観測機器を６つの自由度で低周波数振動から除振するのに適している８つの低周波数除振デバイスを用いた宇宙探査機除振システムの簡略化された概略図である。 [0009]従来技術の教示により示された例示的な３パラメータ振動除振器の概略図である。 [0010]２パラメータ除振器および非減衰デバイスの伝達度プロファイルと比較して、図２に示される３パラメータ除振器の伝達度プロファイルを示す周波数（水平軸）対利得（垂直軸）の伝達度のグラフである。 [0011]図１に示される除振デバイスのうちの１つまたはすべてとしての使用に適している例示的な低周波数除振デバイスの概略図である。 [0012]図１に示され、本発明のさらなる例示的な実施形態により示された宇宙探査機除振システム内に含まれるのに適している低周波数除振デバイスの簡略化された横断面図である。 [0013]図５に示された低周波数除振デバイス内で使用可能な例示的なダイヤフラムばねの上から見た図である。

[0014]以下の「発明を実施するための形態」は、性質上、単に例示的なのものに過ぎず、本発明または本出願、および本発明の使用を限定するように意図するものではない。さらに、前述の「背景技術」または以下の「発明を実施するための形態」に示されるいずれの理論によって制約される意図もない。

[0015]図１は、本発明の例示的な実施形態により示され、人工衛星などの宇宙探査機１２から、宇宙探査機１２によって運ばれる低質量の観測機器１４への振動の伝達を抑制するのによく適している宇宙探査機除振システム１０の簡略化された概略図である。除振システム１０は、複数の低周波数除振デバイス１６を含み、この複数の低周波数除振デバイス１６は、観測機器１４に機械的に結合され、これを共同で支持する。低周波数除振デバイス１６の反対側の端部は、複数の取付けブラケット２０を利用して宇宙探査機取付け接触面１８に取り付けられる。低周波数除振デバイス１６は、単一の自由度のダンパであり、それぞれが、軸方向における減衰をもたらす。低周波数除振デバイス１６は、多点取付け配置で位置決めされる。この特定の例では、除振システム１０は、６つの自由度（「６ＤＯＦ」）で高い忠実度の減衰をもたらすように、８本足の取付け配置で位置決めされている８つの除振デバイス１６を含む。さらなる実施形態において、除振システム１０は、他の取付け配置で位置決め可能なより少ない数の除振デバイスを含んでも、またはより多い数の除振デバイスを含んでもよい。例えば、代替の実施形態において、除振システム１０は、６本足またはＳｔｅｗａｒｔプラットフォームタイプの取付け配置で位置決めされる６つの低周波数除振デバイス１６を含んでもよい。

[0016]低質量の観測機器１４は、接地された重量すなわち非空間でかかる重量が比較的低い光学観測機器またはセンサ一式など、任意の振動に敏感な構成要素の形態を取ることが可能であり、例えば、低質量の観測機器１４は、接地のときの重量が、約９．０７Ｋｇ（約２０ポンド）未満、可能性としては約２．２７Ｋｇ（約５ポンド）未満の場合もある。比較すると、他の多くのタイプの観測機器（例えば、リアクションホイールアレイ、および制御モーメントジャイロスコープアレイ）は、接地のときの重量が、４５．３６Ｋｇ（１００ポンド）を十分に超える。１つの具体的な実施形態において、低質量の観測機器１４は、惑星間通信に適しているレーザ通信システムである。観測機器１４が低質量であることと、観測機器１４の適切な動作を確実にするのに必要な場合がある優れた指向精度とに起因して、宇宙探査機１２によって放出される、または宇宙探査機１２を通じて伝達される低周波数振動から観測機器１４を除振することが望ましい。低質量の観測機器１４をそのような振動から除振するために利用される任意の多点除振システムが、設計上、比較的小型であり、軽量であり、好ましくは（必ずではないが）受動型であることも望ましい。上段の「背景技術」という項目で説明されたように、３つのパラメータ除振器が開発されており、これは、粘弾性要素など、他のタイプの受動型減衰デバイスと比較すると、秀でた減衰性能をもたらす。しかし、図２および図３と併せてより完全に後述するように、従来の３つのパラメータ除振器は、一般に、図１に示される観測機器１４などの低質量の観測機器を支持するために利用される場合、例外的に低い（例えば、サブヘルツの）周波数において適正な振動減衰をもたらすことはできない。

[0017]図２は、観測機器「Ｐ」と宇宙探査機「Ｓ／Ｃ」との間に機械的に結合され、従来技術の教示により示された例示的な３パラメータ除振器２２の概略図である。図２にモデル化されているように、３パラメータ除振器２２は、以下の機械的な要素または構成要素、すなわち、（ｉ）観測機器Ｐとホスト宇宙探査機Ｓ／Ｃとの間に機械的に結合されている第１のばね構成要素Ｋ_Ａ、（ｉｉ）第１のばね構成要素Ｋ_Ａと並列に観測機器Ｐと宇宙探査機Ｓ／Ｃとの間に機械的に結合されている第２のばね構成要素Ｋ_Ｂ、および（ｉｉｉ）第１のばね構成要素Ｋ_Ａと並列に、かつ第２のばね構成要素Ｋ_Ｂと直列に観測機器Ｐと宇宙探査機Ｓ／Ｃとの間に機械的に結合されているダンパＣ_Ａを含む。３パラメータ除振器２２の伝達度は、以下の方程式

によって表され、ただし、Ｔ（ω）は、伝達度であり、Ｘ_{ｏｕｔｐｕｔ}（ω）は、観測機器Ｐの出力運動であり、Ｘ_{ｉｎｐｕｔ}（ω）は、宇宙探査機Ｓ／Ｃによって除振器２２に与えられる入力運動である。

[0018]図３は、２パラメータ除振器の減衰特性（曲線２６）および非減衰デバイスの減衰特性（曲線２８）と比較された、３パラメータ除振器２２の減衰特性（曲線２４）を示す伝達度のグラフである。図３に３０で示されているように、示されている例では、非減衰デバイス（曲線２８）は、１０ヘルツよりやや低い閾値周波数において望ましくない高いピーク利得をもたらす。比較すると、２パラメータデバイス（曲線２６）は、このピーク周波数において有意なより低いピーク利得をもたらすが、閾値周波数を超えた後は、周波数の増加とともに、望ましくない利得の漸減をもたらす（「ロールオフ」と呼ばれる）。図示される例では、２パラメータデバイス（曲線２６）のロールオフは、１０進ごとにほぼ２０デシベル（「ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ」）である。最後に、３パラメータデバイス（曲線２４）は、水平線３４によって図３に示されているように、２パラメータデバイス（曲線２６）によって達成されるものと実質的に等価な低ピーク利得をもたらし、さらに、約４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの比較的急勾配のロールオフをもたらす。したがって、３パラメータデバイス（曲線２４）は、曲線２４および２６によって境界される範囲３２によって図３に定量化されるように、より高い周波数において有意なより低い伝達度をもたらす。非限定的な例として、３つのパラメータ除振器のさらなる議論は、１９９４年１月２６日出願の「ＴＨＲＥＥＰＡＲＡＭＥＴＥＲＶＩＳＣＯＵＳＤＡＭＰＥＲＡＮＤＩＳＯＬＡＴＯＲ」という名称の米国特許第５，３３２，０７０号、および２００７年２月２７日出願の「ＩＳＯＬＡＴＯＲＵＳＩＮＧＥＸＴＥＲＮＡＬＬＹＰＲＥＳＳＵＲＩＺＥＤＳＥＡＬＩＮＧＢＥＬＬＯＷＳ」という名称の米国特許第７，１８２，１８８Ｂ２号に見ることができ、両件ともに、本件出願の譲受人に譲渡されている。３パラメータ除振器２２（曲線２４）について、ならびに２パラメータ除振器（曲線２６）および非減衰デバイス（曲線２８）について、閾値周波数を超えた後に、周波数の増加とともに利得が減少するので、このピーク減衰周波数は、一般に、「折れ点周波数」と呼ばれる（以下でも呼ばれる）。

[0019] 図３では、２パラメータ除振器（曲線２６）および非減衰デバイス（曲線２８）と比較すると、従来の３パラメータ除振器２２（曲線２４）は、秀でた減衰をもたらすが、（図３に垂直線３５によって表される）折れ点周波数未満の周波数においては、比較的わずかな振動減衰しかもたらさないことが見てとれる。したがって、同様の他の除振器と組み合わせて３パラメータ除振器２２を用いる６ＤＯＦ除振システムは、ホスト宇宙探査機によって放出される、またはホスト宇宙探査機を通じて伝達される低周波数（例えば、サブヘルツ）の振動から、図１に示される観測機器１４などの軽量または低質量の観測機器を除振するのには実質的に非効果的である。そのようなこれまで製造された３つのパラメータ除振器および他の受動型除振デバイスとは対照的に、図１に示される宇宙探査機除振システム１０内に含められる低周波数除振デバイス１６はそれぞれ、宇宙探査機１２から軽量観測機器１４に伝達される低周波数振動を効果的に減衰することができる。さらなる利点として、それぞれの低周波数除振デバイス１６は、設計上、比較的小型、軽量、かつ受動型である。低周波数振動除振器１６が、そのような低周波数起振力の減衰をもたらすことができる様態は、図４と併せてより完全に後述される。

[0020]図４は、図１に示された宇宙探査機除振システム１０内に含められる低周波数除振デバイス１６の概略図である。図４にモデル化されているように、３パラメータ除振器３６は、図２および図３と併せて上述された従来の３パラメータ除振器２２が含むのと同じ機械的要素または構成要素を含む。より具体的には、３パラメータ除振器３６は、（ｉ）低質量の観測機器１４と宇宙探査機１２の宇宙探査機取付け構造体１８（図１）との間に結合されている第１のばね構成要素Ｋ_Ａ、（ｉｉ）第１のばね構成要素Ｋ_Ａと並列に、観測機器１４と宇宙探査機取付け構造体１８との間に結合されている第２のばね構成要素Ｋ_Ｂ、および（ｉｉｉ）第１のばね構成要素Ｋ_Ａと並列に、かつ第２のばね構成要素Ｋ_Ｂと直列に、観測機器１４と宇宙探査機取付け構造体１８との間に結合されているダンパＣ_Ａを含む。より完全に後述されるように、低周波数除振デバイス１６は、第１のばね構成要素Ｋ_Ａの軸方向剛性が、すべての径方向に導かれる第１のばね構成要素の横方向剛性よりも低いように、好ましくは有意により低いように実装される。したがって、参照の都合上、ばね構成要素Ｋ_Ａは、図４には、所定の横方向剛性Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}および所定の軸方向剛性Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}を有するようにさらに示されている。

[0021]ばね要素３８は、３パラメータ除振器３６と直列に、低質量の観測機器１４と宇宙探査機取付け構造体１８との間に機械的に結合されている。図４に示されているように、ばね要素３８は、宇宙探査機取付け構造体１８と、観測機器１４の実質的に反対側の、３パラメータ除振器３６の端部との間に機械的に結合され得る。あるいは、ばね要素３８は、観測機器１４と、宇宙探査機取付け構造体１８の実質的に反対側の、３パラメータ除振器３６の端部との間に結合されてもよい。より完全に後述されるように、ばね要素３８は、除振デバイス１６の折れ点周波数を下げるように働く。したがって、ばね要素３８は、本明細書では、「折れ点周波数抑制直列ばね３８」と、またはより簡単に「直列ばね３８」と呼ばれる。第１のばね構成要素Ｋ_Ａもそうであったように、またさらに図４に概略的に示されているように、折れ点周波数抑制直列ばね３８は、すべての径方向に導かれる第１のばね構成要素の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い、好ましくは有意により低い所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）を有する。

[0022]その考慮すべき軸方向コンプライアンスに鑑みて、直列ばね３８は、わずかな軸方向変位および低周波数において、ホスト宇宙探査機と低質量の観測機器１４との間の相対運動を可能にする。同時に、直列ばね３８の比較的高い横方向剛性は、除振器の座屈を防いで、除振デバイス１６の横方向の完全性を維持するのに役立つ。このようにして３パラメータ除振器３６と直列に軸方向に柔らかいばねを位置決めすることは、３パラメータ除振器３６の全体的な性能を損なうことになることが理解されるであろう。しかし、本発明者らは、３パラメータ除振器３６は、第１のばね構成要素の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）が直列ばねの軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）の一定の範囲内にあるように、例えば、Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}は、好ましくは、２未満の係数だけＫ_{ＳＡＸＩＡＬ}と異なり、より好ましくは、Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}と実質的に等価であるように同調されることを可能にして、なおも評価に値する減衰に寄与するように設計可能であると決定付けた。したがって、図３に矢印３８によって示されているように、トレードオフが実現可能であり、ここでは、除振デバイス１６の折れ点周波数が抑えられながら、動作可能な周波数範囲にわたって全体的な伝達度は高められる。中程度から高い質量を有する従来の観測機器の場合、そのようなトレードオフが、望ましくない場合もある。しかし、例えば図１に示される低質量の観測機器１４など、低質量の観測機器の場合では、そのようなトレードオフの利点を生かした除振デバイスが、従来の３つのパラメータ除振器および他の受動型除振器が評価に値する減衰をほとんど、または全くもたらさないサブヘルツ周波数において、なおも評価に値する減衰をもたらすことが可能である。したがって、そのような低周波数除振デバイスが、多点除振システム（例えば、図１に示される宇宙探査機除振システム１０）において他のそのような除振デバイスと組み合わせられる場合、低質量の観測機器が低周波数振動から効果的に除振されて、従来の受動型除振システムを利用して以前は達成できなかった非常に精密な指向精度を実現することが可能である。

[0023]上記に言及されたように、直列ばね３８は、除振器の座屈を防ぎ、それによって、除振デバイス１６の横方向の完全性が維持されることを確実にするために、その軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）と比較すると、比較的高い横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する。同様に、第１のばね構成要素Ｋ_Ａは、除振器の座屈をさらに防ぐために、その軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）よりも有意に大きい所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する。好ましい実施形態において、Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}は、Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}の少なくとも１０倍であり、かつ／またはＫ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}は、Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}の少なくとも１０倍である。そのような高い横方向対軸方向の剛性比率を有する除振デバイスを設計するとともに、また、比較的低重量であり小型の外包を有する除振デバイスを与えることは、非常に困難である。低周波数除振デバイス１６が、軽量かつ小型の実装で構造的に具現化可能な１つの様態の例示的な実施形態が、図５および図６と併せて後述される。

[0024]図５は、低周波数除振デバイス４０の簡略化された横断面図であり、この低周波数除振デバイス４０は、本発明の例示的な実施形態により図示され、図１に示されている宇宙探査機除振システム１０内に含められ、図４に概略的に表されている低周波数除振デバイス１６のうちの１つまたはすべてとして使用するのに適している。図５に示されている例示的な実施形態において、低周波数除振デバイス４０は、（上から下に）以下の構成要素、すなわち、（ｉ）ダイヤフラムばね４４、（ｉｉ）ばね支持構造体４６、（ｉｉｉ）一次ベローズ４８、（ｉｖ）ベローズ支持構造体５０、および（ｖ）二次ベローズ５２を含む。低周波数除振デバイス４０は、宇宙探査機取付け接触面１８を介して、観測機器（例えば、図１および図４に示されている低質量の観測機器１４）とホスト宇宙探査機（例えば、図１に示されている宇宙探査機１２）との間に機械的に結合されている。具体的には、図示されている例では、低周波数除振デバイス４０の第１の端部（具体的には、ベローズ支持構造体５０の終端）が、枢動連結器５４（例えば、ブレード屈曲部）によって宇宙探査機取付け接触面１８に取り付けられており、一方、除振デバイス４０の第２の、反対側の端部（具体的には、ダイヤフラムばね４４の内周部分）が、観測機器取付け部５６によって、図示されていない低質量の観測機器に取り付けられている。この例にかかわらず、代替の実施形態では、低周波数除振デバイス４０の配向は反転可能であり、それにより、ベローズ支持構造体５０は、図示されていない観測機器にほとんど直接機械的に結合され、一方、ダイヤフラムばね４４は、ホスト宇宙探査機にほとんど直接結合される。

[0025]ばね支持構造体４６は、ベローズプレート５８と、ベローズプレート５８に取り付けられ、ダイヤフラムばね４４および観測機器取付け部５６に向かって軸方向に延在する環状へりまたは縁６０とを含む。同様に、ベローズ支持構造体５０は、ベローズプレート６２と、一次ベローズ４８から離れて、ばね支持構造体４６から離れて、ホスト宇宙探査機に向かってベローズプレート６２から軸方向に延在するベース部６４とを含む。参照し易くするため、ベローズプレート５８およびベローズプレート６２は、以降、「上部ベローズプレート５８」および「下部ベローズプレート６２」とそれぞれ呼ばれ、それは、図５に示されているそれらの例示的な配向によるものである。しかし、図示されている配向は、任意であり、非限定的な例のみによって示されているに過ぎないことが理解されるであろう。一次ベローズ４８は、上部ベローズプレート５８と下部ベローズプレート６２との間に封止接合される。例えば、図５に示されているように、一次ベローズ４８の第１の端部（図示の配向では、ベローズ４８の上端部）は、上部ベローズプレート５８の内側径方向面６６の外側環状領域に接合され得、一方、ベローズ４８の第２の、反対側の端部（図示の配向では、ベローズ４８の下端部）は、下部ベローズプレート６２の内側径方向面６８の外側環状領域に接合され得る。

[0026]二次ベローズ５２の第１の端部（図示の配向ではベローズ５２の上端部）は、一次ベローズ４８の実質的に反対側の下部ベローズ６２に封止接合され、一方、二次ベローズの第２の、反対側の端部（図示の配向でベローズ５２の下端部）は、自由浮動型端部プレート７０に封止接合される。したがって、二次ベローズ５２および一次ベローズ４８は、ベローズ支持構造体５０のベローズプレート６２を介在させることによって、仕切られる、または分離される。二次ベローズ５２は、ベローズ支持構造体５０の軸方向に延在するベース部６４によって、少なくとも部分的に包囲され得る。例えば、図５に示されているように、二次ベローズ５２は、軸方向に延在するベース部６４内に設けられる空洞７２内に受け取られ得、一方、軸方向の隙間７３が、ベローズ５２の伸張に対応するように、空洞７２を画定するベース部６４の内側と端部プレート７０との間に設けられる。ベローズ４８および５２は、互いに、および低周波数除振デバイス４０の動作軸４２と実質的に同軸である。ベローズ４８および５２は、必ずしもというわけではないが、好都合にも、高温金属または合金から製作される。ベローズ４８および５２は、例えば、円周溶接またはボンディングの技法を含んだ液体密封または気密封止を形成するのに適している任意の技法あるいは手段を利用して、除振デバイス４０の上記の構成要素に接合され得る。ベローズ４８および５２は、図５に示される例示的な実施形態では、内側で加圧されているが、さらなる実施形態では、外側で加圧されてもよい。

[0027]一次ベローズ４８、上部ベローズプレート５８、および下部ベローズプレート６２は、低周波数除振デバイス１６内に第１の可変型油圧チャンバ７４を画定し、一方、二次ベローズ５２、下部ベローズプレート６２、および自由浮動型端部プレート７０は、第２の可変型油圧チャンバ７６を画定する。低周波数除振デバイス１６の動作の前に、油圧チャンバ７４および７６は、シリコーンベースの液体など、減衰流体で満たされる。注入口（図示せず）が、上部ベローズプレート５８、下部ベローズプレート６２、または端部プレート７０を通して設けられて、油圧チャンバ７４および７６が、除振デバイス１６を組み立てた後、減衰流体で満たされることを可能にすることができる。油圧チャンバ７４および７６が満たされた後、注入口は、例えば、注入口流路内に位置決めされた封止要素（例えば、銅球）を変形させることによって、恒久的に封止され得る。必要に応じて、低周波数除振デバイス１６はまた、油圧チャンバ７４および７６と流体連通しているばね荷重ピストン（図示せず）などの熱補償ポートを備えることが可能である。減衰流体円環７８が、下部ベローズプレート６２を通して設けられて、油圧チャンバ７４と７６との間の流体連通を可能にし、具体的には、一次ベローズ４８が、支持構造体４６および５０の相対軸方向運動と連動して伸縮するとき（後述される）、油圧チャンバ７４と７６と間の減衰流体の交換を可能にする。本明細書に見られる用語「減衰流体円環」は、減衰流体が通って少なくとも２つの油圧チャンバ間を流れることが可能な任意の開口、オリフィス、または流路を示す。

[0028]ダイヤフラムばね４４の外周部分８０が、縁６０に取り付けられ、ダイヤフラムばね４４の内周部分８２が、観測機器取付け部５６に取り付けられる。ダイヤフラムばね４４は、任意の適切な接合技法（例えば、溶接）またはハードウェア（例えば、複数のボルト、もしくは他のそのような留め具）を用いて、縁６０および観測機器取付け部５６に取り付けられ得る。したがって、ダイヤフラムばね４４は、観測機器取付け部５６に接合されるように、動作軸４２に向かって縁６０から径方向内向きに延在する。縁６０は、ダイヤフラムばね４４の外周部分８０が固定可能な軸方向に延在する環状構造体（例えば、連続した円形隆起部）であっても、または構造体の集合（例えば、複数の角度的間隔をおいた突出部もしくは城壁状部）であってもよい。縁６０は、ばね支持構造体４６内に空洞または凹部８４を画定し、この凹部８４は、ダイヤフラムばね４４が偏向する間、ベローズプレート５８と観測機器取付け部５６との間に接触が生じないことを確実にするために、十分な軸方向および径方向の隙間をもたらす。

[0029]図６は、例示的な実施形態によるダイヤフラムばね４４の上から見た図である。ダイヤフラム４４は、中央開口９０と、複数の径方向スリット９２（図６には、そのうちの１つにのみが符号付けされている）とを有する中央円盤形状本体８８を含む。径方向スリット９２は共同で、複数の細長い先細りの指形状部９４（図６には、やはり、そのうちの１つのみが符号付けされている）を画定し、この指形状部９４は、ばね本体８８の中央部分９６に向かって径方向内向きに延在して、ばね本体８８の軸方向偏向、具体的には、その外周部分に対して本体８８の中央部分９６の軸方向変位を促進する。そうする際に、径方向指形状部９４は、ダイヤルフラムばね４４に、ばね８６の横方向剛性よりも有意に低い所定の軸方向剛性を与える。ダイヤフラムばね４４の外径は、二次ベローズ５２の外径よりも、一次ベローズ４８の外径に近く、例えば、一実施形態において、ダイヤフラムばね４４の外径は、一次ベローズ４８の外径と実質的に等価であり得る。そのような構造的構成は、ダイヤフラムばね４４が、低周波数条件の下、軸方向に偏向されることを可能にしながら、低周波数除振デバイス４０の横方向の完全性を維持することを可能にする。ダイヤフラムばね４４をばね支持構造体４６の軸方向に延在する縁６０に取り付け易くするために、ダイヤフラムばね４４はまた、複数の留め具開口９８が貫通して設けられている外周フランジ９７を含むように製作可能である。上記にかかわらず、任意のパターンまたは設計が、ダイヤフラムばねに上述の特性を与えるのに適しているばね本体（例えば、渦巻きパターン）内に創出されてもよい。

[0030]示されている例では、さらに図５をもう一度参照すると、ばね支持構造体４６およびベローズ支持構造体５０は、一次ベローズ４８によって単独にまたは排他的に接合される。結果的に、ばね支持構造体４６およびベローズ支持構造体５０は、一次ベローズ４８が偏向するに伴って、動作軸４２に沿って、互いに対して移動する（すなわち、軸方向に集中する、または分散する）ことが可能になる。したがって、一次ベローズ４８は、ベローズ支持構造体５０とばね支持構造体４６との間の相対運動に対応するように伸縮する。二次ベローズ５２は、必要に応じて伸縮して、減衰流体円環７８を通じて、一次ベローズ４８から減衰流体を受け取り、一次ベローズ４８に減衰流体を供給する。減衰は、減衰流体が円環７８を通って押し出されるとき、粘性流体損失によってもたらされる。ベローズ４８、ベローズ５２、円環７８、油圧チャンバ７４および７６とその中に含有されている減衰流体、ばね支持構造体４６、ならびにばね支持構造体５０は共同で、３パラメータ除振器３６として機能し、ただし、Ｋ_Ａは、概して、一次ベローズ４８によって決定付けられ、Ｋ_Ｂは、概して、上記構成要素の容積剛性によって決定付けられ、Ｃ_Ａは、概して、ベローズ４８、ベローズ５２、円環７８、油圧チャンバ７４および７６ならびにその中に含有されている減衰流体によって形成されるダンパの減衰率によって決定付けられる。さらに、上述の用語および図４に示される例示的な概略図に即して、Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}およびＫ_{ＡＡＸＩＡＬ}は、一次ベローズ４８の横方向剛性および軸方向剛性によってそれぞれ決定付けられる。

[0031]上記のように、Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}は、Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}よりも大きいように、好ましくはＫ_{ＡＡＸＩＡＬ}の少なくとも１０倍であるように選択される。図５に示される例示的な構造的実装形態では、このことは、ベローズ４８の両側の円周縁部をベローズプレート５８および６２の内面の外側環状領域に封止結合することによって、一次ベローズ４８に大きい外径を与えることにより少なくとも部分的に達成される。概して、一次ベローズ４８の外径は、低周波数除振デバイス４０の最大外径の少なくとも半分より大きいことが好ましく、より好ましくは、除振デバイス４０の最大外径と実質的に等価である。本明細書に見られる用語「実質的に等価」は、約１０％未満の大きさの差異を示している。さらなる実施形態において、ベローズ４８の外径は、ベローズプレート５８および／またはベローズプレート６２の外径と実質的に等価である。特に、Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}とＫ_{ＡＡＸＩＡＬ}は、寸法（例えば、壁厚および外径）、材料、ならびに他のパラメータの修正により、一次ベローズ４８の横方向剛性および軸方向剛性をそれぞれ調節することによって、一定の限界値内に同調され得る。３パラメータ除振器３６の減衰率Ｃ_Ａはまた、油圧チャンバ７４および７６の寸法、減衰流体円環７８の寸法および／または数、減衰流体の組成などを変更することによって、独立して同調され得る。

[0032]図５に示されている例示的な実施形態において、ダイヤフラムばね４４は、図４に概略的に示されている折れ点周波数抑制直列ばね３８として働き、すなわち、ダイヤフラムばね４４は、３パラメータ除振器３６と直列に機械的に結合されながら、上述された除振デバイス４０の折れ点周波数を抑えるのに十分な軸方向のコンプライアンスを有する。ダイヤフラムばね４４はまた、除振デバイス４０の全体的な横方向の完全性を維持するために比較的高い横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する。図５および図６を参照することによって認識され得るように、ダイヤフラムばね４４には、軸方向に薄く、径方向に細長いその形、動作軸４２に対するその垂直配置、および切取り部または他のそのような開口によって形成されるそのばねパターンまたは設計を考慮して、そのような高い横方向対軸方向の剛性比率が与えられる。特に、直列ばね４４の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）および軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）はまた、ばね４４の軸方向の厚さ、ばね設計（例えば、切取り部の数、寸法、またはパターン）などを調節することによって同調可能である。上記にかかわらず、他の弾性要素または要素の集合もしくは集団が、代替の実施形態における折れ点周波数抑制ばねとして利用可能であることが強調され、そのような弾性要素（複数可）は、除振デバイスの動作軸の周囲に位置決めされ、比較的高い径方向体軸方向の剛性比率によって特徴付けられることが定められる。例えば、さらなる実施形態において、折れ点周波数抑制直列ばねは、除振デバイスの動作軸の周りに角度的間隔をおいた、例えば、星形屈曲構成においてそこから径方向外向きに延在する、複数の（例えば、３つから４つの）細長い屈曲部またはビームの形をとってもよい。ダイヤフラムばね４４および一次ベローズ４８はまたそれぞれ、好ましくは、動作軸４２の周りで低周波数除振デバイス４０の望ましくないねじれを防ぐために比較的高いねじり剛性を有する。

[0033]したがって、上記は、宇宙探査機除振システム内で用いるのに適しており、比較的低い（例えば、サブヘルツ）周波数において宇宙探査機から低質量の観測機器に伝達される振動を減衰することができる低周波数除振デバイスの実施形態を提供している。有利には、上述の低周波数除振デバイスの実施形態では、小型であり、軽量であること、無摩擦であること（すなわち、滑り部品がないこと）、ならびに除振デバイスの軸方向剛性および横方向剛性と減衰の特性が独立して同調されることを可能にする。さらには、上述の例示的な低周波数除振デバイスは、受動型であり、結果的に、能動型減衰システムによって必要な追加の構造的構成要素が必要ではない。これにかかわらず、システムの複雑さ、部品数、および費用を上げることが許容可能な例では、上述の宇宙探査機除振システムの実施形態の減衰性能は、低周波数除振デバイスの実施形態を、音声コイルなど、知られている能動型制御システムとさらに組み合わせることによって改善され得る。

[0034]少なくとも１つの例示的な実施形態が上述の「発明を実施するための形態」において示されたが、数多くの変形形態が存在することを認識されたい。また、例示的な実施形態または複数の例示的な実施形態は、ほんの例に過ぎず、本発明の範囲、適用性、または構成を何らかの形で限定するように意図されるものではないことを認識されたい。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便宜上の手引きを当業者にもたらすものである。添付の特許請求の範囲に明記されている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構成において、様々な変更がなされてもよいことが理解されるであろう。

Claims

所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）および所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する一次ベローズ（４８）を備える３パラメータ除振器（３６）であって、前記一次ベローズ（４８）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）が、前記一次ベローズ（４８）の前記所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い、３パラメータ除振器（３６）と、
前記３パラメータ除振器（３６）と直列に機械的に結合され、所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）および所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）を有する折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）であって、当該折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）が、当該折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の前記所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも低い、折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）と
を備える、低周波数除振デバイス（１６、４０）。
前記折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）が、前記一次ベローズ（４８）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）の２倍よりも低く、前記折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＳＡＸＩＡＬ}）が、前記記折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）の前記所定の横方向剛性（Ｋ_{ＳＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも少なくとも１０倍低く、前記一次ベローズ（４８）の前記所定の軸方向剛性（Ｋ_{ＡＡＸＩＡＬ}）が、前記一次ベローズ（４８）の前記所定の横方向剛性（Ｋ_{ＡＬＡＴＥＲＡＬ}）よりも少なくとも１０倍低い、請求項１に記載の低周波数除振デバイス（１６、４０）。
前記折れ点周波数抑制直列ばね（３８、４４）が、当該低周波数除振デバイス（１６、４０）の動作軸（４２）と実質的に直交して位置決めされている、請求項１に記載の低周波数除振デバイス（１６、４０）。