JP2014535026A - 振動絶縁システム及び方法 - Google Patents

Abstract

振動絶縁器は、屈曲体と、拘束型ＶＥＭ層カプラと、屈曲体の位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗するように構成された拘束型ＶＥＭ層とを有する。屈曲体は、環状屈曲体であってもよく、例えば、全体的な外観が、楕円形、円形、矩形、又は正方形であり得る複数の環を有していてもよい。複数の環の実施例では、環は共通の主軸線を共有してもよく、又は、それらの主軸線は互いにある角度になっていてもよい。装置は、屈曲体の表面積で利用可能な粘弾性の表面積を増加させることで減衰を高め、屈曲体がたわむにつれてＶＥＭでせん断を調整する方法を提供する。

Description

開示された主題は、人工の構造体において、騒音を含む不要な振動を抑制することに関する。振動抑制を使用することができる構造体には、例えば、宇宙船のペイロード、打上げロケット、地上、海上、若しくは空中を介して輸送される物品、又は正確な計量機器若しくは製造用機器などの静止物が含まれる。

振動の抑制は、性能、精度、又は耐久性が不要な動作によって影響される可能性のある、あらゆる分野において重要なものとなり得る。振動の抑制は、宇宙船の用途において非常に重要であるが、例えば、地球上での輸送、製造、製造されたもの（例えばコンピュータ・ディスク・ドライブ）、計量機器、及び医療機器において使用し、利益をもたらすことができる。受動減衰は、共振における構造体の振動の振幅を小さくし、不要な振動を抑制する主要な手段の１つである。共振における振動の振幅を小さくすることにより、減衰によって、応力、変位、疲労、及び音の放射が低減される。振動絶縁は、ペイロード及び構造体への振動作用を低減する別の主要なアプローチである。振動絶縁は、フィルタとして作用し、絶縁体を通じての振動エネルギーの伝達を低減する。振動絶縁体は、２つの構造体の間、又は、２つの構成部材の間で使用され、一方の構成部材から他方の構成部材への運動変化を絶縁する。また、振動絶縁システムは、「絶縁又は共振周波数」においてペイロードの共振を減衰するために、受動減衰を必要とする。

米国特許第６，１９９，８０１号には、高強度の線形弾性特性を有する受動減衰振動絶縁装置が開示されている。米国特許第６，１９９，８０１号の装置は、装置の長手方向の荷重と比較して、横方向の荷重に対して比較的剛性が高くなっている。

米国特許第６，２９０，１８３号には、独立して制御可能な高強度の線形弾性多軸コンプライアンスを提供するが、長手方向のコンパクトさがいくらか犠牲とされた三軸振動絶縁装置が開示されている。また、装置内での減衰は、そのときの梁曲げ時拘束層減衰（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ−ｏｎ−ｂｅａｍ−ｂｅｎｄｉｎｇ ｄａｍｐｉｎｇ）のアプローチに限定され、主に長手方向の運動に効果的である。

米国特許第７，２４９，７５６号は、すべての方向の振動荷重において、作用の剛性や線形性を犠牲にすることなく、また大きさや重量を犠牲にすることなく、独立して広範囲に制御可能なコンプライアンスを提供する受動の高減衰振動絶縁装置への必要性に対処している。米国特許第７，２４９，７５６号の装置は、高さの低い形状で受動的な高減衰の振動絶縁取り付け具であり、完全な振動荷重絶縁取り付けシステムを多様に提供する。この装置は、作用の剛性や線形性を犠牲にすることなく、またペイロードとロケットとの接触面の大きさ、又は重量を著しく犠牲にすることなく、振動荷重のすべての方向に独立して決定可能なコンプライアンスを提供する。装置は、せん断壁型の拘束層減衰を利用することで、実質的な減衰を提供し、その結果、支持基礎体からペイロードへの振動荷重の伝達を減少する。米国特許第６，１９９，８０１号、米国特許第６，２９０，１８３号、米国特許第７，２４９，７５６号の各々は、それらの全体が参照により本明細書に援用される。

米国特許第６，１９９，８０１号 米国特許第６，２９０，１８３号 米国特許第７，２４９，７５６号

本発明は、機器類及びペイロードを、有害な振動荷重及び衝撃荷重から、詳細には、宇宙船の打上げシステムに見られる極度の振動荷重及び衝撃荷重から保護する用途に適切な、受動的に減衰される振動及び衝撃荷重絶縁装置に関する。特許請求する主題の原理による例示的な装置及び方法において、振動絶縁器は、屈曲体と、粘弾性材料（ＶＥＭ）の拘束層と、屈曲体と比較して相対的に剛性が高く、屈曲体及びＶＥＭの拘束層を結合して屈曲体内の相対的な並進及び回転運動を減衰するカプラとを有している。例示的な実施例では、振動絶縁器は、屈曲体及び拘束型ＶＥＭ層を結合する複数の比較的剛性の高い部材（本明細書では「支柱」とも称される）を有しており、支柱は、支柱が取り付けられた屈曲体の位置の間の相対運動に抗する態様で、ＶＥＭの拘束層を屈曲体に結合するように配置されている。

例示的な実施例では、振動絶縁器は、環状屈曲体と、粘弾性材料（ＶＥＭ）の拘束層と、複数の支柱とを有しており、支柱は、支柱が取り付けられた屈曲体の位置の間の相対運動に抗する態様で、ＶＥＭの拘束層を屈曲体に結合するように配置されている。例示的な実施例では、支柱は、環状屈曲体の内側面において環状屈曲体に取り付けられている。以下の説明のため、支柱端が取り付けられた屈曲体に最も近い支柱端を近位端と称し、支柱端が取り付けられた屈曲体から最も遠い支柱端を遠位端と称することとする。支柱は、遠位端において、例えば、ＶＥＭ層を取り付けるためにより大きな表面積を提供するように拡がっている領域を有していてもよい。このような領域は、本明細書では「パッド」と称される。このパッドによって、絶縁器に含まれるＶＥＭの表面積を広くすることができるため、ＶＥＭにおいて減衰を増加又は歪みを減少させる能力が高くなる。環状屈曲体は、例えば、楕円形、円形、又は矩形を含む、任意の種類のものでよい。支柱及びパッドの組み合わせは、本明細書では「橋梁」と称されることもある。

このような実施例において、支柱は、ＶＥＭと組み合わせられて、それらが屈曲体内において並進運動及び／又は回転運動に抗するように、屈曲体に任意の配置で取り付けられ得る。このような運動は、振動絶縁器が振動減衰を与えることになる物体間の荷重に応答した屈曲体のコンプライアンスに起因し得る。そのために、取り付け位置が屈曲体の互いに反対側にあって長手方向軸線に整列された位置にあるときの最大値から、取り付け位置が互いに一直線とされていない、及び／又は、屈曲体の長手方向軸線に整列されていない位置にあるときのより小さな運動対抗値までの範囲の運動対抗を提供するように、取り付け位置が位置決めされてもよい。

せん断歪みが、支柱が結合される屈曲体の位置の回転運動の差から、ＶＥＭ内に生じる可能性がある。支柱のこれら近位端での回転は、比較的剛性の高い部材を介して支柱の遠位端及びパッド面に伝えられる。パッド間に結果として生じる回転差は、ＶＥＭで生じるせん断歪みを増大させ、並進差だけに関係するせん断歪みを上回る。

別の例示的な実施例では、振動絶縁器は、複数の環状屈曲体と、各環に対して粘弾性材料（ＶＥＭ）の拘束層と、複数の支柱とを有しており、複数の支柱は、支柱が取り付けられた屈曲体の位置の間の相対運動（並進運動及び／又は回転運動）に抗する態様で、ＶＥＭの拘束層を屈曲体に結合するように配置されている。例示的な実施例では、支柱は、環状屈曲体の内側面において環状屈曲体に取り付けられていてもよい。支柱は、遠位端において、例えば、ＶＥＭ層を取り付けるのにより大きな表面積を提供するために拡げられた領域を有していてもよい。環状屈曲体は、例えば、楕円形、円形、又は矩形を含む、任意の種類のものであってもよく、また、共通軸線に沿って整列されていてもよく、又は、交差する軸線に沿って整列されていてもよい。各環状屈曲体は、複数の環を有していてもよい。

別の例示的な実施例では、振動絶縁器は、拘束型ＶＥＭ層のカプラに加えて、屈曲体外部のすべて又は一部に拡がり得る拘束型ＶＥＭ層を有し得る。

別の例示的な実施例では、拘束型ＶＥＭ層のカプラで使用される支柱及びタブは、ＶＥＭ層を直接拘束するように用いられてもよく、その結果、拘束型ＶＥＭ層は、例えば、エンドタブ、ＶＥＭ層、及び別体で適用される拘束層から構築されるのではなく、２つのエンドタブに適用されてそれら２つのエンドタブの間に直接挟まれる。

別の例示的な実施例では、振動絶縁器は、内表面及び外表面を有する単一の円形の環状屈曲体を有している。第１及び第２の支柱が近位端において屈曲体の内表面に取り付けられており、それらの遠位端は、ＶＥＭを取り付けるための拡大領域、又はタブを有している。この実施例において、ＶＥＭ層は、各遠位支柱端の拡大領域の各側面に取り付けられている。それぞれが遠位支柱端の拡大領域の各側面にある２つの拘束層は、ＶＥＭ層を覆うように取り付けられている。

別の例示的な実施例では、振動絶縁器は、それぞれが内表面及び外表面を有する２つの楕円形の環状屈曲体を有している。第１及び第２の支柱が近位端において各屈曲体の内表面に取り付けられており、それらの遠位端は、ＶＥＭを取り付けるための拡大領域、又はタブを有している。この実施例において、ＶＥＭ層は、各遠位支柱端の拡大領域の各側面に取り付けられている。それぞれが遠位支柱端の拡大領域の各側面にある４つの拘束層は、ＶＥＭ層を覆うように取り付けられている。

複数の振動絶縁器が、例えば、小型で軽量な振動荷重絶縁搭載システムを提供するのに使用されてもよい。このような振動絶縁器を使用する荷重絶縁搭載システムは、剛性及び線形性の両方を維持しつつ、ペイロードとロケットとの接触面の大きさ、又は重量を著しく犠牲にすることなく、すべての方向の振動荷重において独立して決定可能なコンプライアンスを提供することができる。振動絶縁器のせん断壁型の拘束層減衰は、例えば、支持基礎体からペイロードへの振動荷重の伝達を著しく減少させる。

例示的な実施例では、屈曲要素は、任意で一体の構造のものであるが、組立式のものであってもよく、組み立てられた装置で使用されてもよい。ペイロードは、上側屈曲部に取り付けられていてもよく、打上げロケット、支持構造体、又は支持基礎体は、取り付け具の屈曲要素の下側屈曲部に取り付けられていてもよい。ペイロードの支持体に対する位置及び概略的な方向の関係は、ペイロード及び支持基礎体の組み合わせの一般的に解釈される長手方向を規定し、同様に、上側屈曲部及び下側屈曲部は、この長手方向又は軸線に概して整列されていると見なされ、本明細書ではそのように説明されている。しかしながら、ペイロード及び支持体の組み合わせの長手方向軸線、又は、打上げロケットの長手方向軸線は、荷重が発生する任意の方向であって、振動絶縁を実施するのに望ましいであろう任意の方向で規定されてもよい。したがって、通常の長手方向軸線に概して整列されているものとして開示された発明の説明は、空間内に固定される任意の軸線に対する制約として解釈されるべきではない。

装置は、特定の所定の長手方向及び横方向のコンプライアンスを提供し、かなりの受動減衰を備えるという利点を維持し、ペイロードとそれの支持構造体又はロケットとが接続されたときに非常に適度な長手方向のプロファイルになるという利点を維持している。装置は、屈曲要素の輪郭を成形し、ペイロードの有効な計画プロファイルの増大を最小化することを可能にし、それに付随して、宇宙船とフェアリングとの隙間を、目に見える程度には増加させないか、又は全く増加させないことを可能にする。

制限及び限定のない実施例が、以下の図面を参照しつつ説明される。同様の参照番号は、明示されていない限り、種々の図面を通じて同様の部品を表す。

本発明の原理による振動絶縁器の実施例を使用する機械的システムのブロック図である。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な単一の環の実施例の分解図である。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な２つの環の実施例の分解図である。 図３の振動絶縁取り付け具の一部の分解図である。 図３の振動絶縁取り付け具内に構成される屈曲要素の等角図である。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な２つの矩形の環の実施例の分解図である。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な２つの矩形の環の実施例の正面図であって、構成要素の矩形の環の主軸線は互いにある角度となっている。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な２つの矩形の環の実施例の平面図であって、構成要素の矩形の環の主軸線は互いにある角度となっている。 本発明の原理による振動絶縁器の例示的な２つの環の実施例の分解図であって、拘束型ＶＥＭ層カプラが、片持ち梁のようになっている。 本発明の原理による複数の振動絶縁器の例示的な実施例を使用する複数の要素の機械的システムの斜視図である。

特許請求する主題は特定の実施例の観点から説明されるが、本明細書に記載される利益及び特徴のすべてを提供しない実施例を含む他の実施例もまた本発明の範囲内にある。種々の構造的、論理的、工程段階の変化が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく成され得る。「上」、「下」、「上側」、「下側」、「上部」、「底部」のコンパス方向を参照することは、例示の目的のためだけに意味するものであり、特許請求する主題の原理による例示的な実施例の配向、又は例示的な実施例の要素の配向を限定するものではない。したがって、本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参照することのみによって規定される。

図１は、複数の要素の機械的システムにおいて、本発明の原理による振動絶縁器の実施例１００のブロック図の説明を提供する。この実施例において、振動絶縁器１００は、機械的要素１０８と機械的要素１１０との間に振動絶縁を提供する。振動絶縁器１００は、屈曲体１０２と、拘束型粘弾性材料（ＶＥＭ）層カプラ１０４と、拘束型ＶＥＭ層１０６とを有している。例示的な実施例では、屈曲体１０２は、例えば、高さの低い形状の屈曲体であってもよい。ＶＥＭ層カプラ１０４は、屈曲体を拘束型ＶＥＭ層１０６に結合し、機械的要素１０８及び１１０の間の相対運動によって運動が発生させられる屈曲体１０２内の相対運動を減衰する。

ＶＥＭ層カプラ１０４は、複数の比較的剛性の高い部材又は支柱を有していてもよく、複数の支柱は、支柱が取り付けられた屈曲体１０２の位置の間の相対運動に抗する態様で、拘束型ＶＥＭ層１０６を屈曲体１０２に結合するように配置されている。例示的な実施例では、支柱は、環状屈曲体の内側面又は外側面において環状屈曲体１０２に取り付けられていてもよい。以下の説明のため、支柱端が取り付けられた屈曲体に最も近い支柱端を近位端と称し、支柱端が取り付けられた屈曲体から最も遠い支柱端を遠位端と称することとする。支柱は、遠位端において、例えば、ＶＥＭ層を取り付けるためにより大きな表面積を提供するパッドを形成するように拡がっている領域を有していてもよい。

振動絶縁器１００は、小型で軽量な高強度の線形弾性取り付け具として実施されてもよく、それは、荷重経路に実質的な受動減衰と振動絶縁とを提供する。複数のこのような絶縁器が、例えば、宇宙船打上げロケット用の取り付け具を形成するために使用されてもよく、それは、独立して制御可能な広範囲のコンプライアンスをすべての方向に提供する。環状屈曲体１０２は、例えば、楕円形、円形、又は矩形を含む、任意の種類のものであってもよく、また、１つ又は複数の環を有していてもよい。拘束型ＶＥＭ層１０６は、剛性及び減衰の両方を屈曲体１０２にもたらすが、他の拘束型ＶＥＭ層の方法と比べてより小さな追加的な剛性しかもたらさない。本明細書においてサージモードと称される、高周波でのシステム性能に影響を与える局所絶縁器振動モードについては、振動絶縁器１００は、所定の減衰量に対して高周波サージモードを発生させ得る。また、パッド面積及び対応する拘束層面積は、広い範囲のサイズであり得るため、減衰の程度について、より大きな自由度が、このような振動絶縁器１００を使用する設計者に与えられ得る。

屈曲体１０２は、例えば、一体の構造のもの、又は、組立式のものであってもよい。本発明の原理に従って、拘束型ＶＥＭ層１０６は、それが堅固に結合される屈曲体の部品の相対運動に抗するせん断壁となるように配向されており、それによって運動を減衰する。そして、振動絶縁器１００は、機械的要素１０８、１１０の相対運動を減衰する。したがって、拘束型ＶＥＭ層１０６は、屈曲部の間の相対運動に抗する。屈曲部の相対動作は、小さいけれども、拘束型ＶＥＭ層１０６にかなりのせん断を与える可能性があり、その結果、相当の減衰となる。拘束型ＶＥＭ層についての重要な設計パラメータには、拘束層の厚さ、拘束層の弾性係数、ＶＥＭ層の厚さ、ＶＥＭの面積、ＶＥＭ層の剛性率、及び、拘束層の位置が含まれ、それらのすべては、例えば、モデル化又は実験的に決定されてもよい。重量が重大な検討事項とされる分野では、金属マトリクス又は黒鉛エポキシなどの先端材料が拘束層に使用されてもよい。重量がさほど重大ではない分野では、アルミニウムなどのより実用的な材料が拘束層に使用されてもよい。

以下の図面に関連する検討において説明されるように、屈曲体１０２は、例えば、１つ又は複数の環から形成されていてもよい。環は、概して、全体的な外観が、楕円形（円形の環を含む）又は矩形であってもよい。複数の環の実施例では、１つ又は複数の環は、形状因子の設計上の制約に依存して、他の１つ又は複数の環と主軸線を共有してもよいし共有しなくてもよい。各屈曲体の環は、上側取り付け手段及び下側取り付け手段をそれぞれ備えた上側部分及び下側部分を有するとして説明されてもよく、それら取り付け手段は１つの屈曲体１０２内の複数の環同士で共有されてもよい。このような屈曲体の環によって、長手方向のコンプライアンス及び横方向のコンプライアンスの両方が可能となる。例示的な実施例では、環状屈曲体の上側取り付け隣接部及び下側取り付け隣接部の間の距離は、制御距離だけ離間している。この制御距離は、不要な振動に曝されるシステム全体の形状を最小とするために、最短に設定されてもよい。最短距離の値は、例えば、分離された構成部品の質量、静荷重、絶縁器のたわみ、及び、振動荷重の予想される大きさを評価することによって決定されてもよい。

宇宙船／打上げロケットの分野では、例えば、機械的要素１０８を具体化する宇宙船と、機械的要素１１０を具体化する打上げロケットとを備えている場合、宇宙船を打上げロケットに結合するために、複数の振動絶縁器１００が使用されてもよい。このような例において、長手方向は、本明細書では、打上げロケットの主軸線に沿うものと見なされる。屈曲体の環の取り付け隣接部（つまり、屈曲体が宇宙船及び打上げロケットに取り付けられる環の部分）の間の制御距離を最短にすることで、振動絶縁システムがシステムの長手方向の形状に与える影響を最小化することができる。

例示的な実施例において、屈曲体１０２は、全体又は一部が、例えば、アルミニウム、チタン、又は鉄などの高強度の材料から構成されていてもよい。このような高強度材料を使用することで、ペイロード／打上げロケットシステムなどのシステムの接続要素のための、より耐久性があってより信頼性の高い手段を作り出せる。高強度の屈曲体の環を使用することで、より耐久性があってより信頼性の高い接続／支持手段を確保するだけでなく、線形のたわみ特性が得られ、さらに、荷重経路にエラストマを使用するという従来の減衰処理に対して別の利点も得られる。以下の図面及び説明からさらに明らかとなるように、拘束型ＶＥＭ層１０６は、システムの荷重経路に直列ではなく並列に作動する。

図２の例示的な実施例において、振動絶縁器１００は、スタッド２０２、２０３（一部は隠れている）及び穴２０４、２０５（一部は隠れている）の取り付け手段を備えた単一の環状屈曲体２００を有している。穴２０４、２０５の取り付け手段は、振動に曝されるシステム要素に取り付けるためのタブ２０６、２０８にそれぞれ形成されている（このシステム要素は、例えば、宇宙船構造体及び宇宙船構成部品であり得る）。この例示的な実施例において、スタッド２０２及び穴２０４の取り付け手段は、システムの一方の要素（例えば、打上げロケット）に取り付けられ、スタッド２０３及び穴２０５の取り付け手段は、振動減衰が必要とされる、システムの他方の要素（例えば、宇宙船）に取り付けられる。拘束層カプラ１０４は、支柱２１０及び２１２を有しており、支柱２１０及び２１２は、屈曲体２００の動作をタブ２１４及び２１６に伝達するように据え付けられる。この例示的な実施例においては、４つのＶＥＭ層２１８が、それぞれタブ２１４、２１６の各側面に接するように、２つのタブに取り付けられる。２つの拘束層２２０が、ＶＥＭ層２１８に取り付けられ、それによって、支柱２１０、２１２の取り付け位置の相対運動によってＶＥＭ層が変形される拘束型ＶＥＭ層が形成される。それにより、屈曲体２００からの振動エネルギーがＶＥＭ層２１８に伝達され、ＶＥＭ層２１８がせん断される。せん断作用は、振動エネルギーを拘束型ＶＥＭ層２１８に与え、拘束型ＶＥＭ層２１８は、振動エネルギーを熱の形で吸収して発散させる。それにより、屈曲体のタブ２０６、２０８、及び、それらが取り付けられた機械的要素の運動が減衰される。この例示的な実施例においては屈曲体の環の内側に見られるが、特許請求する主題の範囲内の他の実施例では、例えば、拘束型ＶＥＭ層のカプラ（例えば、支柱２１０、２１２、及びタブ２１４、２１６）、及び、環の外側に配置される拘束型ＶＥＭ層（複数可）が許容される。このような実施例において、支柱は、屈曲体の中の並進運動に抗するように、屈曲体に任意の配置で取り付けられ得る。このような運動は、振動絶縁器が振動減衰を与えることになる物体間の荷重に応答した屈曲体のコンプライアンスに起因し得る。そのため、取り付け位置が屈曲体２００の互いに対向する位置にあるときの最大値から、取り付け位置が互いに一直線となっていない位置にあるときのより小さな運動対抗値までの範囲の運動対抗を提供するように、取り付け位置が位置決めされてもよい。この例示的な実施例及び他の例示的な実施例において、ＶＥＭ材料の拘束層は、米国特許第７，２４９，７５６号に開示される態様で屈曲体２００の周囲に取り付けられていてもよい。

図３には、２つの環の屈曲体の拘束型ＶＥＭ層の振動絶縁器１００の例示的な実施例が示されている。振動絶縁器１００は、例えば、絶縁取り付け具として使用されてもよい。図３に示す装置１００について、この実施例の一部の分解図が図４に示されている。図３に示すように、組み立てられた振動絶縁器１００は、屈曲要素３００及びカプラ１０４（本明細書では、橋梁１０４とも称される）を有している。屈曲要素３００は、環状部３３１及び３３３を有している。

図４には、屈曲要素３００の屈曲体の環３３１内の橋梁１０４内に含まれるＶＥＭと剛性拘束層との関係が示されている。この図の分解部分では、橋梁部４４１及び４４２が屈曲体の環３３１から互いの方へと延在している。ＶＥＭ層片４４５及び４４６は、橋梁部４４１及び４４２にそれぞれ取り付けられている。拘束層４４８は、ＶＥＭ層片４４５及び４４６の反対側に取り付けられており、ＶＥＭ層片４４５及び４４６を橋渡しし、橋梁１０４を完成する。その結果、橋梁部４４２に対する橋梁部４４１の運動は、ＶＥＭ層片４４５及び４４６のせん断を引き起こす。

図３及び図４の例示的な実施例では、追加のＶＥＭ層片４５５及び４５６が、拘束層４５８と組み合わせられ、橋梁部４４１及び４４２の反対側に同様の方法で取り付けられている。それにより、橋梁部４４１及び４４２の周りにＶＥＭ層及び拘束層が対称的に重ねられることになる。

図３の例示的な実施例に関して、図５には、振動絶縁器１００内に構成される屈曲要素３００が示されている。屈曲要素３００は、それぞれが取り付け手段並びに取り付け隣接部５２１及び５２２を備えた上方屈曲部５１１及び下方屈曲部５１２を有している。上側屈曲部５１１及び下側屈曲部５１２の間を橋渡しするのは、図３に見て取れるように、屈曲体環状部３３１及び３３３である。この例示的な実施例の屈曲要素３００は一体の構造のものであり、その結果、屈曲体環状部３３１及び３３３は、それぞれ、上側屈曲部５１１の取り付け隣接部５２１及び下側屈曲部５１２の取り付け隣接部５２２へと繋ぎ目なく滑らかに繋がっている。橋梁部４４１及び４４２は、屈曲体の環３３１からその環の中に延在しており、橋梁部１５１及び１５２は、屈曲体の環３３３からその環の中に延在しており、続いてＶＥＭ層及び拘束層と結合したときに、減衰橋梁１０４がもたらされる。

図５に見て取れるように、上側屈曲部５１１の取り付け隣接部５２１は、下側屈曲部５２２の取り付け隣接部５１２から比較的短い距離だけ離間している。この小さな離間は、最小制御距離に自由に設定されることができ、そのため、絶縁取り付け具１００を、高さが非常に低い形状という特徴を備えたものとすることができるが、振動絶縁に関しては、支持構造体に対するペイロードの長手方向に要求される運動に必要な移動量を提供する。

屈曲体環状部は、理論的には１つにまで少なくすることができ、又は、より一般的には、上側屈曲部及び下側屈曲部の取り付け隣接部に関して対称的に離間する対で配置された複数の環にすることができる。また、屈曲体環状部の大きさ、形、断面は、上側屈曲部及び下側屈曲部の取り付け隣接部から独立して、並びに、取り付け隣接部の間の最小制御距離から独立して変化させることができる。米国特許第７，２４９，７５６号の発明から、本発明のこの特徴は、長手方向及び横方向の両方のコンプライアンスを十分且つ同等の程度に導入するための自由度及び手段を維持しており、振動絶縁がすべての軸線方向の運動について同等に達成され得るようになっている。

屈曲体環状部が取り入れられることによって、屈曲要素３００は、下側屈曲部５１２に対して、上側屈曲部５１１が長手方向及び横方向の両方に運動することを可能にする。屈曲体環状部の任意の部分（本実施例において、大部分は上側屈曲部内である）において、減衰される部分が、選択されることが可能であり、減衰体の組み込みによって影響されることが可能である。次いで、各橋梁内での第１の部分及び第２の部分の間の相対運動が、ＶＥＭ層に与えられる。その結果生じるＶＥＭ層の変形は、すべての軸線の振動に対してかなりの減衰を引き起こすことになる。

別の例示的な実施例では、横方向の減衰は、屈曲体の環の間を横方向に橋渡しすることによって、さらに増加させることが可能である。ＶＥＭ層及び付随する拘束層は、隣り合う環状部の間の橋梁部に渡して配置される。取り付けられる部材の組み合わせを比較的高さの低い形状とするために、図５の支柱５２１、５２２の間の空間は、比較的短い制御距離に設定されてもよい。このような高さの低い形状の構成は、例えば、１つ又は複数の振動絶縁器１００が、宇宙船と打上げロケットとの間の絶縁取り付け具として使用されているシステムにおいて特に重要になることがある。空間は、高さの低いシステムを提供する比較的短い制御距離に設定されてもよいが、宇宙船と打上げロケットとの間の長手方向の運動を許容する。

上側屈曲部及び下側屈曲部の取り付け隣接部（つまり、支柱５２１及び５２２に隣接する屈曲体の領域）から独立して、且つ屈曲体３００の取り付け隣接部の間の制御された離間を変更することなく、屈曲体の環３３１及び３３２の大きさ、形、断面が変更されてもよい。この設計の自由度によって、屈曲体の環３３１、３３３は、すべての軸線の運動における振動絶縁を可能にする態様で、長手方向及び横方向にコンプライアンスを導入することができる。

図６には、２つの矩形の環の拘束型ＶＥＭ屈曲体の振動絶縁器１００の例示的な実施例が示されている。この例示的な実施例において、２つの環を有する屈曲体６００は、振動が絶縁されるシステム要素に取り付けるためのシステム取り付け支柱６０２、６０４を有している。屈曲体６００の２つの環は、形状が概して矩形となっている。２つの拘束層カプラ１０４は、それぞれ、２つの支柱６１０、６１２と、エンドタブ６１４、６１６とを有している。前述の例示的な実施例と同様に、拘束層カプラ１０４は、支柱６１０、６１２の環への取り付け位置の間の相対並進動作を拘束型ＶＥＭ層に伝達し、拘束型ＶＥＭ層で環の運動を減衰し、そして支柱６０２、６０４が取り付けられた機械的要素の相対運動を減衰する。この例示的な実施例において、各環は、それぞれがエンドタブ６１４、６１６の各側面に取り付けられるように、４つのＶＥＭ層６１８を有している。拘束層６２０は、エンドタブ６１４、６１６の各側面においてＶＥＭ層の対に取り付けられる。

図７Ａ及び図７Ｂには、それぞれ、特許請求する主題の原理による２つの矩形の環を有する拘束型ＶＥＭ屈曲体の振動絶縁器１００の例示的な実施例の側方図及び平面図が示されている。この例示的な実施例において、２つの環を有する屈曲体７００は、振動的に絶縁されることになるシステム要素に取り付けるためのシステム取り付け支柱７０２、７０４を有している。２つの環は、形状が概して矩形となっている。２つの拘束層カプラ１０４は、それぞれ、３つの支柱７１０、７１２、７１３と、エンドタブ７１４、７１６、７１７（見ることはできない）とを有している。拘束層カプラ１０４は、相対並進動作を、支柱７１０、７１２、７１３の環への取り付け位置から、環の運動を減衰する拘束型ＶＥＭ層に伝達する。この例示的な実施例において、各環は、それぞれがエンドタブ７１４、７１６、７１７の各側面に取り付けられるように、６つのＶＥＭ層７１８を有している。拘束層７２０は、エンドタブ７１４、７１６、７１７の各側面においてＶＥＭ層の対に取り付けられる。この例示的な実施例において、図７Ｂの平面図から明らかなように、矩形の環の主軸線は、前述の例示的な実施例とは対称的に、一直線になっていない。このような構成によって、様々な設計上の制約に対処することができる。

図８には、４つの円形の環を有する拘束型ＶＥＭ屈曲体の振動絶縁器１００の例示的な実施例が示されている。この例示的な実施例において、４つの環を有する屈曲体８００は、振動的に絶縁されるシステム要素に取り付けるためのシステム取り付け支柱８０２、８０４（見ることはできない）を有している。４つの環は、形状が概して楕円形／円形となっている。４つの拘束層カプラ１０４は、それぞれ、２つの支柱８１０、８１２と、エンドタブ８１４、８１６とを有している。拘束層カプラは、支柱８１０、８１２のそれぞれの環への取り付け位置の間の相対並進動作を、環の運動を減衰する拘束型ＶＥＭ層８１８に伝達する。この例示的な実施例において、各環は、それぞれがエンドタブ８１４、８１６の各々の「外側」面に取り付けられるように、２つのＶＥＭ層８１８を有している。拘束層８２０は、ＶＥＭ層の対の「外側」面においてＶＥＭ層の対に取り付けられる。この例示的な実施例において、各ＶＥＭ層は、２つの環の半分未満だけを覆うように２つのエンドタブを橋渡ししている。ＶＥＭ層の離間は、取り付け支柱８０２、８０４の運動距離が最大の場合でもＶＥＭ層が互いに接触しないように選択されている。また、ＶＥＭ層は、支柱の外側面も覆っており、支柱は、それぞれの環の内部へ片持ち梁のようにエンドタブを作っている。この例示的な実施例においては、単一の拘束層は、２つのＶＥＭ層（４つのＶＥＭ層領域）を覆っている。この実施例は、ＶＥＭの表面積を最大にする１つの方法を例示している。

本発明の原理による振動絶縁器１００は、同じ種類の他の振動装置、又は、従来からの振動絶縁器と組み合わせられて、第１の機械的要素及び第２の機械的要素が互いから振動的に絶縁されるシステムを実施するのに使用されてもよい。例示的な実施例において、第１の機械的要素及び第２の機械的要素は、例えば、それぞれが図９の斜視図に示されているような、ペイロード支持構造体９００及び打上げロケット９０２であってもよい。このような実施例において、振動絶縁器１００は、ペイロード支持構造体９００と、ロケット９０２又は支持構造体との間の搭載位置に差し込まれていてもよい。上側屈曲部及び下側屈曲部の取り付け隣接部（例えば、図５の支柱５２１、５２２）は、ペイロードの支持構造体への締結設置面積内に据え付けられおり、屈曲体環状部はその締結設置面積の外側に設置されている。振動絶縁器１００は、例えば、ペイロードと支持構造体との間の接触面フランジの周囲に配列されていてもよい。絶縁器１００又は取り付け具の数と位置は、振動絶縁システム全体について、所望の長手方向及び横方向のコンプライアンスを生じさせるように設定することができる。

ペイロードと支持構造体との間の接触面面積の具体的な形状に依存して、振動絶縁器の形は、ペイロード及び支持構造体の全体の計画形状への振動絶縁システムの衝撃を最小とするように変更されてもよい。凹形の計画形状の振動絶縁器１００が使用されてもよく、それによって、絶縁器の環の大部分を接触面面積の外側に位置させつつ、絶縁器１００を荷重経路に差し込むことができる。

ペイロード支持構造体９００の打上げロケット９０２に対する位置及び概略的な方向の関係は、組み合わせられたロケットの一般的に解釈される長手方向を規定し、同様に、上側屈曲部及び下側屈曲部は、この長手方向又は軸線に概して整列されていると見なされ、本明細書ではそのように説明されている。しかしながら、組み合わせられたロケットの長手方向軸線は、荷重が発生する任意の方向であって、振動絶縁を実施するのに望ましいであろう任意の方向で規定されてもよい。通常の長手方向軸線に概して整列されていると開示された発明の説明は、空間内で固定された任意の軸線に限定されると解釈されるものではない。

屈曲要素の構造は、組立品とすることができ、示された一体の屈曲要素に限定されない。具体的には、屈曲体環状部及び／又は橋梁部は、屈曲要素の取り付け隣接部から取り外し可能とすることができる。これにより、環状部の交換若しくは取換え、及び／又は、橋梁部の修理、或いは、装置コンプライアンスの変更が可能となる。したがって、剛性を変えられる屈曲体環状部及び橋梁部は、装置及びシステムの振動絶縁特性の改良及び調整のために交換することができる。屈曲要素の屈曲体環状部、橋梁部、及び取り付け隣接部の間で、異なる材料を使用することもできる。

ＶＥＭ層の形状、拘束層の形状、及び、屈曲要素上のＶＥＭの取り付け位置は、コンプライアンスを変化させたり、減衰を高めたりするために変更されてもよい。さらに、屈曲要素自体又はそれの一部が、ベリリウム銅などの固有減衰のより大きい材料から成るものであってもよい。

本発明の範囲内において、屈曲要素の取り付け手段及び取り付け隣接部は、横方向に結合された取り付けボスの上側配列と、横方向に結合された取り付けボスの下側配列とから構成することができ、各ボスは、ペイロード又はロケットを絶縁装置に取り付けるための締結器、クリップ、又は他の取り付け要素を受け入れる。この実施例について、上側配列の各取り付けボスは、取り付けボスの下側配列内に対応する取り付けボスを有しており、下側配列の対応するボスは、最小制御距離だけ下方において長手方向に配置されている。上側取り付けボス及び下側取り付けボスの各対は、それらを接続する少なくとも１つの屈曲体環状部を有している。ある実施例においては、屈曲体環状部は、取り付けボスの対の各側面の周囲で概して対称的な配置となるように対にされており、屈曲体環状部はさらに複数の対のものであってもよい。その結果もたらされる屈曲要素は、複数の、横方向に配置されて接続された屈曲補助要素の１つとなり、屈曲補助要素の組み合わせは、振動絶縁装置の全体の横方向及び長手方向の剛性を決定する。任意若しくはすべての屈曲体の環において、又は、屈曲体の環の間において、減衰橋梁を有効とすることができる。各屈曲体環状部は、振動絶縁装置の全体の減衰をさらに高めるために、減衰橋梁部を有していてもよく、又は、他の環に橋渡しされていてもよい。

屈曲要素を通る完全高強度材料の荷重経路（アルミニウム、チタン、又は鉄によって得られるものなど）を本実施例が維持していることは、直列の荷重経路内で低剛性のエラストマや他の容易に降伏する材料を有する先行技術の他のシステムで利用可能なものよりも、より耐久性があってより信頼性の高い、ペイロードとロケットとを接続するための手段を提供する。近似線形荷重対たわみ作用特性が得られ、したがって、先行技術のシステムで利用可能なものよりも、より直接的、且つ、より予測可能であって、比較的温度変化のない振動絶縁周波数を提供する。

本実施例は、多様に利用することができ、完全なペイロード・ロケット振動絶縁システムに影響を与える。このシステムに影響を与えるために、装置は、ペイロードとロケット又は支持構造体との間の任意又はすべての搭載位置に差し込まれる。上側屈曲部及び下側屈曲部の取り付け隣接部は、ペイロードの支持構造体への締結設置面積内に据え付けられおり、屈曲体環状部はその締結設置面積の傍に設置されている。

本実施例は、実質的に任意の質量及び大きさのペイロードを振動及び衝撃絶縁するのに使用することができる。１つの実施可能な用途は、リアクション・ホイール、カメラ、及び低温クーラなどの宇宙船構成部品の振動及び衝撃絶縁であり得る。本実施例は、振動及び衝撃入力から構成部品を絶縁したり、振動又は衝撃荷重を発生させる構成部品から基礎構造体（衛星バスなど）を絶縁したりするのに使用することができる。

本明細書を通じて「１つの実施例」又は「実施例」への言及は、その実施例に関連して記載された具体的な特徴、構造、又は特性が、特許請求する主題の少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通じた様々な箇所で「１つの実施例において」又は「実施例」の文言が現れることは、すべて同じ実施例に言及している必要はない。さらに、具体的な特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施例で組み合わせられてもよい。例となる実施例と現在考えられるものが例示されて説明されている一方で、当業者には、特許請求する主題から逸脱することなく、様々な他の変更を行うことができ、同等品によって代替することができることは理解されるだろう。また、多くの変更は、本明細書に記載された主要な概念から逸脱することなく、具体的な状況を特許請求する主題の教示に適合させるために行われてもよい。例えば、例示的な実施例に示された取り付け手段は２つの孔の締結器の形を使用しているが、取り付け手段は、機械的な技術の範囲内で利用可能な任意の種類のものであってよく、また、上側取り付け手段及び下側取り付け手段が同じである必要はない。そのため、特許請求する主題は、開示された具体的な実施例に限定されないことが意図されており、また、この特許請求する主題は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施例も、それの同等品も含むことが意図されている。

Claims (30)

1. 屈曲体と、
   前記屈曲体に取り付け位置で取り付けられた複数の比較的剛性の高い部材と、
   粘弾性材料（ＶＥＭ）の拘束層と
   を有し、
   前記比較的剛性の高い部材は、ＶＥＭの前記拘束層を前記屈曲体に結合し、前記屈曲体の取り付け位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗する、装置。
2. 前記屈曲体は、環を有する、請求項１に記載の振動絶縁器。
3. 前記屈曲体は、一本の軸線に沿って整列された複数の環を有する、請求項２に記載の振動絶縁器。
4. 前記屈曲体は、複数本の軸線に沿って整列された複数の環を有する、請求項２に記載の振動絶縁器。
5. 前記屈曲体は、楕円の環を有する、請求項２に記載の振動絶縁器。
6. 前記屈曲体は、矩形の環を有する、請求項２に記載の振動絶縁器。
7. ＶＥＭの前記拘束層は、前記屈曲体の環の内側に配置されている、請求項２に記載の振動絶縁器。
8. 第１の機械的要素と、
   第２の機械的要素と
   をさらに有し、
   前記第１の機械的要素と前記第２の機械的要素とは、前記振動絶縁器を介して結合されている、請求項１に記載の振動絶縁器。
9. 環状屈曲体と、
   前記屈曲体に取り付け位置で取り付けられた、エンドタブを有する第１の比較的剛性の高い部材及び第２の比較的剛性の高い部材と、
   前記エンドタブの４つの側面の各々にそれぞれが配置された、粘弾性材料（ＶＥＭ）の４つの層と、
   各々が前記エンドタブの所定の側面において２つの拘束層に取り付けられた２つの拘束層と
   を有し、
   前記剛性の高い部材は、ＶＥＭの前記拘束層を前記屈曲体に結合する位置で取り付けられ、前記屈曲体の前記取り付け位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗する、装置。
10. 前記屈曲体は、複数の機械的要素を互いから所定の距離において支持して２つの前記要素間の振動を減衰及び絶縁するために、前記複数の機械的要素へ取り付けるための取り付け手段をさらに有する、請求項９に記載の装置。
11. 第２の環状屈曲体と、
    前記第２の屈曲体に取り付け位置で取り付けられたエンドタブを有する第３の比較的剛性の高い部材及び第４の比較的剛性の高い部材と、
    前記第３の比較的剛性の高い部材及び前記第４の比較的剛性の高い部材のエンドタブの４つの側面の各々にそれぞれが配置された、粘弾性材料（ＶＥＭ）の４つの層と、
    各々が前記第３の剛性の高い部材及び前記第４の剛性の高い部材のエンドタブの所定の側面において２つの拘束層に取り付けられた２つの拘束層と
    をさらに有し、
    前記比較的剛性の高い部材は、ＶＥＭの前記拘束層を前記屈曲体に結合する位置で取り付けられ、前記屈曲体の前記取り付け位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１の屈曲体の主軸線及び前記第２の屈曲体の主軸線が整列された、請求項１１の装置。
13. 前記第１の屈曲体の主軸線及び前記第２の屈曲体の主軸線は、前記装置の長手方向軸線に直交する、請求項１１の装置。
14. 分離された構成部材と、
    基礎構造体と、
    前記分離された構成部材及び前記基礎構造体の間に取り付けられた複数の振動絶縁器と
    を有し、
    前記振動絶縁器の各々は、
    前記分離された構成部材及び前記基礎構造体を互いから所定の静置距離において支持して前記分離された構成部材及び前記基礎構造体の間の振動を減衰および絶縁するために、前記分離された構成部材及び前記基礎構造体への取り付けのための取り付け手段を有する、環状屈曲体と、
    前記屈曲体に取り付け位置で取り付けられた、エンドタブを有する第１の剛性の高い部材及び第２の剛性の高い部材と、
    前記エンドタブの４つの側面の各々にそれぞれが配置された、粘弾性材料（ＶＥＭ）の４つの層と、
    各々が前記エンドタブの所定の側面において２つの拘束層に取り付けられた２つの拘束層と
    を有し、
    前記比較的剛性の高い部材は、ＶＥＭの前記拘束層を前記屈曲体に結合する位置で取り付けられ、前記屈曲体の前記取り付け位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗する、装置。
15. 前記分離された構成部材は宇宙船を含み、前記基礎構造体は打上げロケットを含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記振動絶縁器の各々は、
    第２の環状屈曲体と、
    前記第２の屈曲体に取り付け位置で取り付けられた、エンドタブを有する第３の比較的剛性の高い部材及び第４の比較的剛性の高い部材と、
    前記第３の剛性の高い部材及び前記第４の剛性の高い部材のエンドタブの４つの側面の各々にそれぞれが配置された、粘弾性材料（ＶＥＭ）の４つの層と、
    各々が前記第３の剛性の高い部材及び前記第４の剛性の高い部材のエンドタブの所定の側面において２つの拘束層に取り付けられた２つの拘束層と
    をさらに有し、
    前記比較的剛性の高い部材は、ＶＥＭの前記拘束層を前記屈曲体に結合する位置で取り付けられ、前記屈曲体の前記取り付け位置の間の相対的な並進及び回転運動に抗する、請求項１４に記載の装置。
17. 共通する長手方向軸線に概して整列された上側屈曲部及び下側屈曲部を有する屈曲要素を有し、
    前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部は、それぞれ、取り付け手段と取り付け隣接部とを有し、前記上側屈曲部の前記取り付け隣接部は前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部から最小制御距離とされており、
    前記屈曲要素は、少なくとも１つの屈曲体環状部をさらに有し、
    前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部は、前記屈曲要素内において、前記少なくとも１つの屈曲体環状部によって互いに接続されており、
    前記少なくとも１つの屈曲体環状部は、前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部に対して独立した形状及び断面のものであり、且つ、前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部の間の前記最小制御距離に対して独立した形状及び断面のものであり、
    少なくとも１つの屈曲体環状部を横切って、少なくとも１つの屈曲体環状部の第１の部分に取り付けられてその第１の部分から延在する第１の橋梁部と、少なくとも１つの屈曲体環状部の第２の部分に取り付けられてその第２の部分から延在する第２の橋梁部とを有する少なくとも１つの減衰橋梁が構成されており、
    第１の外表面及び第２の外表面を有し、前記第１の外表面は前記第１の橋梁部及び前記第２の橋梁部の両方に取り付けられている粘弾性材料（ＶＥＭ）層と、
    前記第１の橋梁部の前記第２の橋梁部に対する運動が剛性拘束層によって制限され前記ＶＥＭ層にせん断を引き起こすように前記ＶＥＭ層の前記第２の外表面に取り付けられた剛性拘束層と
    を有する、振動絶縁装置。
18. 前記屈曲要素は、高強度の線形弾性材料を含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記少なくとも１つの屈曲体環状部は複数の屈曲体環状部を有し、各屈曲体環状部は前記上側屈曲部の前記取り付け隣接部を前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部に接続する、請求項１７に記載の装置。
20. 減衰橋梁は、前記環状部の間で横方向に構成された、請求項１９に記載の装置。
21. 各屈曲体環状部は、少なくとも１つの減衰橋梁に構成された、請求項１９に記載の装置。
22. 前記複数の屈曲体環状部は４つの屈曲体環状部を有し、２つの平行な環状部は、前記上側屈曲部と前記下側屈曲部とを、前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部の２つの対向する端部の各々において接続する、請求項１９に記載の装置。
23. 前記屈曲要素は、一体の構造のものである、請求項１７に記載の装置。
24. 少なくとも１つの屈曲体環状部は、矩形のものである、請求項１７に記載の装置。
25. 前記屈曲要素は組立品であり、少なくとも１つの屈曲体環状部は、前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部から取り外し可能であり、剛性の変えられる屈曲体環状部と交換可能である、請求項１７に記載の装置。
26. 前記屈曲体環状部は、様々な材料のものである、請求項１９に記載の装置。
27. 前記ＶＥＭ層は、前記長手方向軸線に整列された前記第１の橋梁部及び前記第２の橋梁部の表面のすべてに取り付けられており、前記剛性拘束層は、前記第１の橋梁部及び前記第２の橋梁部に取り付けられたＶＥＭ層の表面の反対側のＶＥＭ層の表面のすべてに取り付けられている、請求項１７に記載の装置。
28. 前記屈曲要素の前記取り付け手段及び前記取り付け隣接部は、横方向に結合された取り付けボスの上側配列と、横方向に結合された取り付けボスの下側配列とを有し、前記上側配列の各取り付けボスは、取り付けボスの前記下側配列内に対応する取り付けボスを有し、上側取り付けボス及び下側取り付けボスの各組は、それらを結合する少なくとも１つの屈曲体環状部を有する、請求項１７に記載の装置。
29. 請求項１７に記載の装置を複数備える振動絶縁搭載システムであって、装置は、ペイロード及びペイロード支持構造体の間の各保持搭載位置に差し込まれるシステム。
30. 各絶縁装置は、各装置の前記上側屈曲部及び前記下側屈曲部の前記取り付け隣接部がペイロードの支持構造体への締結設置面積内に配置され、各装置の屈曲体環状部のすべてが前記締結設置面積の外側に設置可能であるように、凹形の計画形状の屈曲要素を有する、請求項２８に記載のシステム。