JP2016525203A - 補償発振素子 - Google Patents

Abstract

ハウジング（４）、少なくとも２つの連結要素（１０）、およびそれぞれの連結要素（９）によってハウジング（４）に連結され、軸（７）に沿って偏向させることができる慣性質量（８）を備え、それぞれの連結要素（９）が、少なくとも１つのそれぞれの取り付け領域（２６，２８）でハウジング（４）に、かつ、少なくとも１つのそれぞれの連結領域（１８，２０）で慣性質量（８）に取り付けられているリニアピストンシステム（１）のための補償発振素子（２）が言及されている。この目的のために、少なくとも２つの連結要素（９）のそれぞれには、少なくとも１つの慣性質量（８）への連結領域（１８）が、少なくとも１つのハウジング（４）への取り付け領域（２６）よりも軸（７）に対して径方向でより近くに存在し、静止状態で、慣性質量（８）が軸方向の２つの連結要素（９）間に配置されていることが提供される。さらに、直線的に移動可能に支持されたピストン（４０）、および前記タイプの補償発振素子（２）を有するリニアピストンシステム（１）が言及されている。

Description

本発明は、ハウジング、少なくとも２つの連結要素、および軸に沿って偏向させることができ、かつ、それぞれの連結要素によってハウジングに連結された慣性質量を備え、それぞれの連結要素が、少なくとも１つのそれぞれのハウジングの取り付け領域と、少なくとも１つのそれぞれの慣性質量の連結領域とにそれぞれ取り付けられた、リニアピストンシステムのための補償発振素子に関する。さらに、本発明は、前記補償発振素子を有するリニアピストンシステムに関する。

高出力赤外線センサは、通常、周囲温度よりも著しく低い温度で、例えばＳ／Ｎ比（信号対雑音比）のような所望の電気光学的性質を達成するのみである。前記温度は、大抵の場合、８０〜２００Ｋ（ケルビン）の範囲である。前記センサの冷却のために、望ましくは、大抵の場合、スターリングプロセスに従って作動する低温冷却器が使用される。前記プロセスでは、大抵の場合、作業ガスのヘリウムである冷却液は、周期的な圧力振動を通過する。圧力変動は、１以上の移動可能な作業ピストンを有する圧縮機によって達成できる。圧力変動のための単一または複数のピストンの当該駆動メカニズムは、特にリニア駆動である。使用される圧縮機は、モータまたはピストン移動の周波数が圧力変動の周波数に一致するように、弁を設けることなく構成されている。駆動ピストンと一緒のリニアモータの軸方向の移動の結果として、機械的な取り付けによって圧縮機のハウジングから、連結されたシステムに伝達される力が生じる。対向して作動する２つのピストンの場合、振動としてそれらを表す力は、モータ効率、摩擦、または移動質量のような特性に関して、駆動の２つの部分における大きな差または小さな差によってもたらされる。単一ピストンの圧縮機の場合、駆動の２つの部分間の力の補償がないので、極めて大きい振動音が発せられることがある。

ピストンの移動によって引き起こされる振動を減少させるために、リニアピストン冷却器では、ピストンまたはそのハウジングに弾性的に連結されピストン移動の振動を補償することを目的とする受動補償発振素子が、しばしば使用される。

米国特許第５，８９５，０３３号明細書には、環状の慣性質量が、２つの平らな、または薄膜のばね配置によってその内部の直径で中心の取り付けボルトに連結され、望ましくは、ピストンがリングの軸に沿って移動しなければならない、リニアピストンシステムのための補償発振素子が記載されている。この場合、ピストンのハウジングにねじ込まれる取り付けボルトは、ピストンのハウジング、またはカプセルの内壁に外部から取り付けることができる。この配置の安定性を向上させるために、１以上のらせん形の、または渦巻き状のばねは、慣性質量とハウジングの壁との間、または慣性質量とボルトの自由端のフランジとの間に固定して設けることもできる。

ハウジングの外側に配置する場合、環状の慣性質量は、前記質量の振動を減衰させる効果に悪影響を及ぼすことがある衝撃に不都合なほどに晒される。さらに、環状質量の分配および取り付けボルトへの径方向の連結のために、振動の場合、振動がリングの軸に沿って生じるだけではなく、軸に対して傾けられるという望ましくない可能性が生じる。これは、補償発振素子の動作に関する欠点でもある。

結果として、別のばね要素またはカプセルのような追加の構成要素によって衝撃に対して慣性質量を保護することが、極めて小型の構造の場合の欠点になることもある。

米国特許出願公開第２００２／０１２１８１６号明細書には、ダンベルのように棒体の両端に取り付けられた２つの慣性質量を有する棒体が、前記２つの慣性質量間で前記棒体に係合する２つのばね配置によってハウジングに連結された補償発振素子が言及されている。磁化可能な板体が２つのばね配置間の棒体上に導入され、複数のマグネットがハウジングの中に導入され、これによって補償発振素子が能動的に作動できるリニアモータが形成されている。補償発振素子の受動的な動作は、詳述には言及されていない。

独国特許出願公開第１０２００９０２３９７１号明細書には、ピストンに堅く連結さればね配置によってリニアピストンシステムのハウジングに連結された棒体に、慣性質量が別のばね配置によって直接連結された、リニアピストンシステムのための補償発振素子が示されている。ピストンに関係する構造的変更が生じた場合にのみ、補償発振素子全体の配置転換を必要とする、棒体によるピストンへの連結が、機能性に不可欠である。

米国特許第５，８９５，０３３号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１２１８１６号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０２３９７１号明細書

したがって、本発明の目的は、慣性質量が小型かつ簡素な構造において衝撃および振動に敏感に反応しない、受動補償発振素子を特定することである。さらに、前記補償発振素子に対する有利な利用が示される。

ハウジング、少なくとも２つの連結要素、およびそれぞれの連結要素によってハウジングに連結され、かつ、軸に沿って偏向させることができる慣性質量を備え、それぞれの連結要素が、少なくとも１つのそれぞれのハウジングの取り付け領域と、少なくとも１つのそれぞれの慣性質量の連結領域とに取り付けられた、リニアピストンシステムのための補償発振素子に対する第１に言及される目的は、少なくとも１つのハウジングへの取り付け領域よりも、軸に対して径方向で近くに存在する少なくとも２つの連結要素上の、少なくとも１つのそれぞれの慣性質量への連結領域、および、静止状態のときに、軸方向の２つの連結要素間に配置される慣性質量による本発明によって達成される。

慣性質量は、軸に沿ったリニア振動に対して刺激されることができる、この場合における概念の開始点を形成する。前記軸は、慣性質量の重心の移動によって規定され、実質的な環状質量の分配の場合におけるリングの軸と一致する。

静止状態の２つの連結要素間の慣性質量の配置は、補償発振素子が、互いに軸方向に間隔をあけ、少なくとも大きい質量の慣性質量の構成要素および少なくとも大容量の慣性質量の構成要素が、それらの連結領域の間に集められている２つの連結要素を備えるということをここで示すべきである。詳細には、例えばボルトまたはフランジのような接続装置によって、連結要素の連結領域の両側の軸に対して近くに延びる質量分配が、ここでは含まれる。

第１のステップでは、本発明は、慣性質量を軸に対して内側にハウジングに連結することによって、望ましい振動軸に対して垂直な別の軸の回りの望ましくない傾斜振動が、軸外の質量集中のために刺激されることができるという前提に基づいている。慣性質量の形状の変更により、軸に対して内側の連結は同時に維持する一方で、考えられる刺激モードの数を減少させることはできたが、振り子配置に起因する残存する振動を効果的に消失させることはできなかった。例えば、ばね要素による結合のばね定数の増加の結果としての、結合の剛性における見込まれる増加は、共振周波数の変更によって望ましい振動に悪影響を及ぼし、それゆえに、望ましくない振動を回避するために有用でないことがある。

第２のステップでは、本発明は、少なくとも１つの領域で外側から連結された慣性質量による見込まれる傾斜に対して振動軸を安定化させることができるということを認識する。外側連結は、ここでは、１つの連結要素のハウジングへの取り付け部が、対応する連結要素の慣性質量への連結部よりも径方向でさらに外側に存在するということを意味すべきである。したがって、慣性質量は、当該連結要素によって振動軸に対して外側から径方向に保持される。連結要素の慣性質量への外側連結により、中心で連結された環状質量の分配と比較して、当該連結領域の少なくともごく近い所で、軸に対してより近くに質量を集中させることができる。軸外に取り付けられ連結要素の連結領域を慣性質量の外側に配置できる連結要素によって、それぞれの場合において、径方向に力を受け入れる結果として、対応する径方向の軸に近い連結は必要ない。したがって、質量の構成要素は、当該領域で振動軸に対してより近くに配置できる。振動軸の領域で質量をより高密度に集中させる結果として、振動軸は、振動が発生した場合に見込まれる傾斜に対して、付加的に安定化する。

複数の連結要素による前記連結によって、ここでは、特に、慣性質量の軸方向に安定した連結が実現できる。慣性質量の質量中心が静止状態で軸方向の２つの連結要素間に配置されるということがここでは有利である。結果として、振動軸は、連結要素に及ぼされる力の作用方向に傾斜させることに対して特に効果的に保護される。詳細には、２つの連結要素のそれぞれに及ぼされる力の作用が実質的に径方向に対称的にもたらされ、したがっていかなる方位角の方向においても振動軸の傾斜が特に困難になるように、両方の連結要素は、それぞれ、回転対称の形であってもよい。

第３のステップでは、本発明は、さらに、連結要素の軸外の取り付けにより、ハウジングの取り付け領域が衝撃に対して慣性質量を保護するように構成できるということを認識する。対応する連結要素のハウジングへの取り付け領域が、慣性質量への連結領域よりも径方向に軸からより離れているという事実の結果として、ハウジングは、対応する取り付け領域の周囲の外側から慣性質量を径方向に包囲することができ、したがって、特定の空間的方向からの衝撃に対して慣性質量を保護することができる。詳細には、ここでは、完全な外側連結の選択、すなわち、連結要素の慣性質量へのそれぞれの連結領域が、対応する連結要素のハウジングへのそれぞれの取り付け領域よりも軸に対して径方向でより近くに存在するということが考えられる。この場合、ハウジングの壁は、方位角の方向において慣性質量を完全に包囲することができ、したがって、実質的に径方向の接触またはいかなる方向からの直接的な衝撃に対しても保護することができる。

それぞれの連結要素が軸に対して垂直な平面で慣性質量を実質的に堅く連結する場合に有利であることが証明された。振動軸は、径方向の自由度を制限することによって効果的に安定化させることができる。

有利な実施形態では、連結要素の慣性質量へのそれぞれの連結領域は、対応する連結要素のハウジングへのそれぞれの取り付け領域よりも軸に対して径方向でより近くに存在する。望ましくは、この配置は、存在するそれぞれの連結要素に対して独立して適用できる。詳細には、当該連結要素は、環状ディスクの形で配置できるか、または慣性質量の周りにスポーク状に配置できる。前記配置の結果として、慣性質量は、外側で当該連結要素に連結され、したがって振動軸上で外側から当該連結要素によって保持され、結果として、振動軸は傾斜に対して特に安定する。さらに、慣性質量の完全に外側の連結の場合、質量分配は、考えられる連結開口から離れて、軸の回りに高密度に集めることができる。結果として、慣性質量は、付加的には、望ましくない傾斜振動の刺激に対する反応が遅い。

有利には、それぞれの連結要素は、溶接、および／またはボルト締め、および／または接着、および／またはクランプによる締め付けによって、（特に追加のばね要素に関する部分の弾性的な事前張力によって、）連結領域またはそれぞれの連結領域で慣性質量に取り付けられ、かつ／または、溶接、および／またはボルト締め、および／または接着、および／またはクランプによる締め付けによって、取り付け領域またはそれぞれの取り付け領域でハウジングに取り付けられる。連結要素とハウジングとの間、または連結要素と慣性質量との間の前記タイプの連結によって、軸方向の弾性が保証されたままである一方で、連結要素は、簡素な方法で径方向および方位角の方向に固定できる。

有利には、それぞれの連結要素は、軸方向に弾性的なばね要素の形である。ばね要素としてのそれぞれの連結要素の実施形態によって、ターゲットの軸方向の弾性は、ばね定数によって、特に容易に設定できる。

ハウジングおよび／または慣性質量は、実質的に回転対称な形である場合、さらに好都合であることが証明された。実質的に回転対称な形は、ここでは、避けられない製造誤差、および、細部に回転対称な形からのずれが生じる、アセンブリ、連結部、または取り付け部に必要な軸方向の開口を備えるべきである。この特質の慣性質量の実施形態によって、振動軸は、望ましい方位角の方向の不存在のために、傾斜に対して極めて安定する。ハウジングの形状の慣性質量の形状への適切な適用により、連結要素のハウジングへの取り付け、および連結要素の慣性質量への連結を簡素化する。詳細には、回転対称なハウジングは、径方向からのいかなる衝撃に対しても慣性質量を効果的に保護できる。

望ましくは、慣性質量の軸方向の長さは、軸からの径方向の距離の増加とともに単調に減少する。慣性質量の軸方向の長さは、参照点に対して同一の方位角で同一の径方向の距離の、慣性質量の軸方向の最外面上で互いに反対側に存在する２点間の距離を意味するように理解され、前記２点は、それらが、取り付け要素のための考えられる軸方向の開口と一致しないように選択される。望ましくない傾斜振動の刺激に対して増加した慣性を振動軸に与える質量分配は、これの結果として、軸に対して極めて近くに集められる。

有利には、それぞれの連結要素は、実質的に回転対称な形であり、すなわち、避けられない製造誤差は別として、例えば軸方向の開口のような、アセンブリ、連結部、または取り付け部に必要な構造である。これは、特に、渦巻き状の切り込みを有するスポークホイールまたは環状ディスクの形の実施形態を含む。回転対称な形によって、径方向の力はそれぞれの連結要素によって極めて均等に吸収され、したがって、振動軸は、振動に対して効果的に安定化する。

さらに有利なバージョンでは、慣性質量の静止状態では、それぞれの連結要素は、前記質量を径方向のハウジングに連結する、すなわち、それぞれの連結要素は、慣性質量の静止状態では、軸に対して実質的に垂直である。これの結果として、連結要素は、特に、慣性質量の径方向の力を効果的に吸収でき、したがって、望ましい振動軸を安定した状態に維持する。

慣性質量が径方向でハウジングによって包囲され、ハウジングが軸方向でカバーによって閉塞されている場合、さらに好都合であることが証明された。したがって、慣性質量には、外側接触に対して移動した発振素子の機械的な保護が提供され、同時に構造を小型化できる。

第２に言及される目的は、直線的に移動できるピストンおよび上述したタイプの補償発振素子を備えるリニアピストンシステムによる本発明に従って達成される。補償発振素子の利点、およびその進歩は、リニアピストンシステムに同様に伝達することができる。

このため、望ましくは、ピストンは、補償発振素子の軸に対して軸方向に移動できるように、補償発振素子のハウジングの中に導入される。詳細には、ピストンおよび慣性質量の重心の移動の軸は、ここでは一致させることができる。同一のハウジングの中にピストンと慣性質量とを有する配置により、さらにハウジングの壁による衝撃に対して慣性質量を効果的に保護できる構造を特に小型化できる。詳細には、ピストンおよび慣性質量の同軸の取り付け、すなわち、ピストンの重心および慣性質量の重心が同一軸上で移動できる配置により、ピストン移動によって生み出される振動のための補償発振素子によって有利な補償が提供される。

望ましくは、ハウジングの中のピストンは、圧縮機の作業ピストンの形である。特に、前記補償発振素子は、圧縮機ピストンの移動中に生じる力を補償するのに適している。換言すると、補償発振素子は、高出力赤外線センサを冷却するために使用されるようなリニア圧縮機システムのために使用される。

本発明の例示の実施形態は、図を用いて説明される。

断面表示の、同軸に配置された補償発振素子を有するリニアピストンシステムである。 断面表示の、ハウジングに配置されたカバーを有する補償発振素子である。

図１には、補償発振素子２を有するリニアピストンシステム１が断面で示されている。例示の実施形態では、リニアピストンシステム１は、単一ピストンの低温冷却器の形である。補償発振素子２のハウジング４は、リニアピストンシステム１の外側ハウジング６に固定して結合されている。軸７に対して回転対称である慣性質量８は、軸方向に移動できるようにハウジング４に取り付けられ、実質的に台形の発生面を備える。慣性質量８は、ダイヤフラムばね１０，１２の形の２つの連結要素９によって、ハウジング４に属する円筒状取り付け部１６に連結されている。ここで、ダイヤフラムばね１０，１２は、ダイヤフラムばねのそれぞれの連結領域１８，２０で一緒にねじ込まれる２つの固定ボルト２２，２４によって慣性質量８に連結されている。両側から円筒状取り付け部１６の周囲リング３０を包囲するダイヤフラムばね１０，１２は、取り付け領域２６，２８でハウジング４に取り付けられている。慣性質量８の静止状態では、ダイヤフラムばね１０，１２は、実質的に、軸７に対して垂直であり、ダイヤフラムばね１０，１２の慣性質量８への連結領域１８，２０は、ダイヤフラムばね１０，１２のハウジング４への取り付け領域２６，２８よりも軸７に対して径方向でより近くに存在する。固定ボルト２２のための切り欠き３２が、軸７の方向に慣性質量１が偏向できるようにハウジング４の中に設けられている。

リニアピストンシステム１の外側ハウジング６において、ピストン４０が、軸７に沿って移動できるようにシリンダ４２の中に導入されている。このため、ピストン４０は、取り付けボルト４７によって軸方向で補償発振素子２のハウジング４に結合されたコイルばね４６に、別の取り付けボルト４４によって結合されている。ピストン４０は、コイルばね４６によってシリンダ４２のチャンバ４８の中に押し付けられている。外側ハウジング６のシリンダ４２の周りに環状間隙５０がある。これは、チャンバ４８の反対側の端部でピストン４０に結合され周囲磁化リング５４が環状間隙５０の中に配置されたシリンダの壁５２によって係合されている。複数のソレノイド５６が、外側ハウジング６の中の前記磁化リング５４の周りに導入されている。磁化リング５４およびソレノイド５６は、軸７に沿ってリニア振動までピストン４０を駆動するように構成されている。チャンバ４８は、ダクト５８によって図の中で詳細に示されていないコールドフィンガーに接続されている。ピストン４０は、圧縮機の作業ピストンの形である。

ピストン４０の周期的な移動によってピストン４０の外側ハウジング６、したがって補償発振素子２のハウジング４に伝達される振動は、ダイヤフラムばね１０，１２による連結部を通して、補償発振素子２の慣性質量８によって少なくとも部分的に補償することができる。ダイヤフラムばね１０，１２の径方向の外側の取り付け部、すなわち、中心から径方向に離れた所にある取り付け領域２６，２８の配置、および慣性質量８への連結領域１８，２０を径方向のさらに内側に存在させることにより、ここでは、見込まれる振動に対して、軸７の高い安定性が提供される。これは、軸７の回りに慣性質量８の質量分配を集めること、および付随する傾斜に対する慣性をさらに増加させることによってさらに増加する。

ハウジング４に配置されたカバー６０を有する、図１に対する代替の補償発振素子２が、図２の断面に示されている。この場合、慣性質量８は、ダイヤフラムばね１０，１２によってハウジング４の円筒状取り付け部１６に連結される。軸７に沿って、ハウジング４は、図の中で詳細に示されていない、ピストンの外側ハウジング６に固定して結合されている。カバー６０は、慣性質量８に対して、ピストン４０の外側ハウジングへの連結部と反対側の円筒状取り付け部に接するようにハウジング４に固定する。慣性質量８を偏向させることができる、固定ボルト２４のための切り欠き６２が、慣性質量８に面するように、カバー６０に設けられている。慣性質量８は、カバー６０による外側接触に対して保護される。

１ リニアピストンシステム
２ 補償発振素子
４ ハウジング
６ リニアピストンシステムの外側ハウジング
８ 慣性質量
９ 連結要素
１０ ダイヤフラムばね
１２ ダイヤフラムばね
１６ ハウジングの円筒状取り付け部
１８ 連結領域
２０ 連結領域
２２ 接続用固定ボルト
２４ 接続用固定ボルト
２６ 取り付け領域
２８ 取り付け領域
３０ 周囲リング
３２ 固定ボルト用切り欠き
４０ ピストン
４２ シリンダ
４４ 取り付けボルト
４６ コイルばね
４７ 取り付けボルト
４８ チャンバ
５０ 環状間隙
５２ シリンダの壁
５４ 磁化リング
５６ ソレノイド
５８ ダクト
６０ カバー
６２ 固定ボルト用切り欠き

Claims (13)

1. ハウジング（４）と、少なくとも２つの連結要素（９）と、軸（７）に沿って偏向できるように、それぞれの連結要素（９）によって前記ハウジング（４）に連結された慣性質量（８）とを備え、それぞれの連結要素（９）が、少なくとも１つのそれぞれの前記ハウジング（４）の取り付け領域（２６，２８）と、少なくとも１つのそれぞれの前記慣性質量（８）の連結領域（１８，２０）とに取り付けられた、リニアピストンシステム（１）のための補償発振素子（２）であって、
   前記少なくとも２つの連結要素（９）には、常時、前記少なくとも１つの前記慣性質量（８）への連結領域（１８，２０）が、前記少なくとも１つの前記ハウジング（４）への取り付け領域（２６，２８）よりも前記軸（７）に対して径方向でより近くに存在し、
   静止状態で、前記慣性質量（８）は軸方向において２つの連結要素（９）間に配置されていることを特徴とする、補償発振素子（２）。
2. 前記慣性質量（８）は前記軸（７）に対して垂直な平面で実質的に堅く連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の補償発振素子（２）。
3. 前記連結要素（９）の前記慣性質量（８）へのそれぞれの連結領域（１８，２０）は、対応する前記連結要素（９）の前記ハウジング（４）へのそれぞれの取り付け領域（２６，２８）よりも前記軸（７）に対して径方向でより近くに存在することを特徴とする、請求項１または２に記載の補償発振素子（２）。
4. それぞれの連結要素（９）は前記軸方向に弾性的なばね要素（１０，１２）の形であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
5. それぞれの連結要素（９）は、溶接、および／またはボルト締め、および／または接着、および／またはクランプによる締め付けによって、特に弾性的な事前張力によって、前記連結領域（１８，２０）またはそれぞれの連結領域（１８，２０）で前記慣性質量（８）に取り付けられ、かつ／または、溶接、および／またはボルト締め、および／または接着、および／またはクランプによる締め付けによって、特に弾性的な事前張力によって、前記取り付け領域（２６，２８）またはそれぞれの取り付け領域（２６，２８）で前記ハウジング（４）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
6. 前記ハウジング（４）および／または前記慣性質量（８）は実質的に回転対称の形であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
7. 前記慣性質量（８）の軸方向の長さは、前記軸（７）からの径方向の距離の増加とともに単調に減少することを特徴とする、請求項６に記載の補償発振素子（２）。
8. それぞれの連結要素（９）は実質的に回転対称な形であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
9. 前記慣性質量（８）の静止状態では、それぞれの連結要素（９）は、前記慣性質量を径方向の前記ハウジング（４）に連結することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
10. 前記慣性質量（８）が径方向において前記ハウジング（６）によって包囲され、前記ハウジング（６）が軸方向においてカバー（６０）によって閉塞されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）。
11. 直線的に移動できるように支持されたピストン（４０）と、請求項１から１０のいずれか一項に記載の補償発振素子（２）とを有するリニアピストンシステム（１）。
12. 前記ピストン（４０）は、軸方向に移動可能に支持されるように、前記ハウジング（６）の中に導入されていることを特徴とする、請求項１１に記載のリニアピストンシステム（１）。
13. 前記ハウジング（６）の中の前記ピストン（４０）は、圧縮機の作業ピストンの形であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のリニアピストンシステム（１）。

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