JP4297980B2 - 複合型の振動絶縁装置と構造制御アクチェエータストラット - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、振動の減衰と絶縁の分野に関する。特に本発明は、能動的強化機構を有する受動的粘性減衰と絶縁のシステムに関する。
望遠鏡システムのような力を受ける精密構造システムは、構造的振動を生じる外乱をうけやすい。そのような振動は、例えば望遠鏡システムを照準するのに使用されるリアクションホイール組立体のような構造システムの構成部材または組立体自体により望遠鏡システムへ与えられることがある。そのような精密構造体はほとんど固有減衰を有しない傾向があるので、それらの振動が重大な性能の劣化をもたらす恐れがある。したがって精密構造体により支えられる荷重を制御される仕方で減衰および絶縁する有効な手段は、少なからぬ重要なものである。
能動的減衰絶縁システムおよび受動的減衰絶縁システムが利用されてきている。受動的減衰絶縁システムの限界は十分に知られている。特に受動的絶縁装置は、高振動数（共振振動のルート２倍以上）において非常に優れた絶縁を提供するが、低振動数において外乱を増幅する。受動的絶縁装置におけるこの次点は、受動的絶縁装置のたわみ構成部材の静的剛性要求条件に主に由来する。加えて、減衰を目的に合わせて調整することが剛性部材および／または減衰流体の変更を一般に必要とするので、受動的絶縁装置における振動減衰の振動数依存は、目的に合わせて調整することが容易ではない。減衰流体の変更は時間のかかる工程であり、それは通常工場においてだけ適切に設定できる。一方、能動的減衰絶縁システムは、低振動数において望ましい振動減衰を提供し、また能動的絶縁装置の振動減衰絶縁伝達率の振動数依存は容易に目的に合わせて調整することができる。しかしながら能動的絶縁装置は、対応する受動的絶縁装置よりも一般に複雑であり、かつ重量が重い。加えて能動的絶縁装置は、作動用の電力を必要とするので、停電の時に作動不能となる。したがって信頼性の観点から見て能動的絶縁装置を魅力無いものにしている。
改良された減衰絶縁システムについての必要性がある。特に、高振動数と低振動数における望ましい振動減衰を提供する減衰絶縁システムについての必要性がある。加えて減衰絶縁システムは、振動減衰の振動数依存を容易に目的に合わせて調整できるものにする必要がある。減衰絶縁システムは、重量の点で経済的な構造を維持しながら、これらの特徴を提供する必要がある。
発明の概要
本発明は構造的装置である。その構造的装置は、受動的減衰機構および能動的強化機構を備える。受動的減衰機構は、受動的減衰機構へ加えられる力を消散させるように作動する。受動的減衰機構は、第１の減衰部材とその第１の減衰部材から離れた第２の減衰部材を備える。第１の弾性構造部材は、第１の減衰部材を第２の減衰部材へ接続して、第１と第２の減衰部材間に一次流体チャンバーを形成する。第２の弾性構造部材は第１の減衰部材へ接続される。第２の弾性構造部材は、第１の減衰部材を通して延びる流体フローオリフィスを経て一次流体チャンバーと流体連通する二次流体チャンバーを形成する。流体は、一次流体チャンバー、二次流体チャンバーおよび流体フローオリフィスを充満する。その流体は、一次と二次のチャンバーおよび流体フローオリフィス内で流体圧力を有する。能動的強化機構は、受動的減衰機構の力の消散を高める。能動的強化機構には、アクチェエータシステムが備えられ、そのシステムは、受動的減衰機構に作用し、受動的減衰機構内の流体圧力を変更して、受動的減衰機構の力の消散を高めるか、および／または制御に要求される作動を実施する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に従う振動の減衰と絶縁の装置の断面図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明に従う振動の減衰と絶縁の装置１０のような構造的装置またはストラットが、図１に図示される。振動減衰絶縁装置１０は、第１の端部キャップ１４、基部ハウジング部１６、中間ハウジング部１８、末端ハウジング部２０、および第２の端部キャップ２２により形成される外部ハウジング１２を含む。第１と第２の端部キャップ１４および２２は、それぞれ端部取付部材２４および２５を備えて、振動減衰絶縁装置１０をトラス構造体のような構造体へ適応するようになっている。標準的に、端部取付部材２５は大地へ固定され、一方、端部取付部材２４は搭載物または同様な構造体へ固定される。第１と第２の端部キャップ１４と２２、および基部、中間と末端のハウジング１６、１８と２０は、適切な締付具２６を経て互いに固定される。
振動減衰絶縁装置１０は、外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力を消散させる受動的減衰機構２８をさらに備える。受動的減衰機構２８は、円筒形基部減衰部材３０および円筒形末端減衰部材３２により形成される。基部部材３０は、締付具２６により中間と末端のハウジング部１８と２０へ固定される。末端ハウジング２０は、締付具２６が通過する細長い開口２７を備える。細長いスロット２７は、その長さ方向の寸法が外部ハウジング１２の縦軸４９に平行なように配置される。細長いスロット２７により、基部減衰部材３０が縦軸４９に沿って末端減衰部材３２に対して移動できる。細長いスロット２７の長さ部は、締付具２６と協働して、受動的減衰機構２８用の行程限定停止部材として機能する。末端減衰部材３２は、締付具２６により末端ハウジング部２０と第２の端部キャップ２２へ固定される。
基部部材３０には、円形平面表面部３４が設けられ、その表面部３４は、末端部材３２の円形平面表面部３６へ面し、かつその表面部から離間して一次側流体チャンバー３７の一部を形成する。加えて基部部材３０は、末端部材３２の周辺弧状切欠き部４０へ面し、かつその切欠き部から離間する周辺弧状切欠き部３８を備える。好ましい実施形態において基部減衰部材３０および末端減衰部材３２は、リング状アーチ形たわみ部材４２を経て互いに弾性的に連結される。代わりに基部減衰部材３０および末端減衰部材３２は、多回旋形ベローズを経て互いに弾性的に連結できる。アーチ形たわみ部材４２は、弧状切欠き部３８と４０の周辺において基部減衰部材３０および末端減衰部材３２と弾性的に結合する。図１に示されるようにアーチ形たわみ部材４２は、弧状切欠き部３８と４０から離され、それにより一次側流体チャンバー３７の弧状部分４６を形成する。アーチ形たわみ部材４２は、振動減衰絶縁装置１０の縦軸４９に沿って変形可能であるが、縦軸４９に沿わない方向では容積的に剛性であるように構成される。
受動的減衰機構２８は、基部減衰部材３０へ第１の端部５２で連結された弾性流体ベローズ５０をさらに備える。流体ベローズ５０の第２の端部５４へベローズプラグ５３が固定される。流体ベローズ５０により二次側流体チャンバー５６が形成され、その流体チャンバーは、基部部材３０を通して軸方向に延びるチューブ状流体フロー絞りオリフィス５８を通して一次側流体チャンバー３７と連通する。Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇから入手できる減衰用珪素流体のような適切な流体６０は、末端減衰部材３２の充填ポート６２を通して加えられて、一次側流体チャンバー３７、二次側流体チャンバー５６、および流体フロー絞りオリフィス５８を充満する。流体６０は、減衰機構２８が真空排気された後に充填ポート６２を通して加えられる。ついで受動的減衰機構２８は、流体６０で一旦満されると、充填ポート６２内に固定されるプラグ６４により封止される。
運転中に振動と衝撃の力が外部ハウジング１２へ加えられると、一次側流体チャンバー３７が撓み、振動と衝撃の力の方向（すなわち圧縮または伸張方向）に応じて比較的非圧縮性流体６０を流体フロー絞りオリフィス５８を通して二次側流体チャンバー５６へ流入またはそれから流出させる。流体６０は、オリフィス５８を通して流出入されると、速度の真の一次関数でありかつ純粋に消散的な対向力を生成する。これにより、オリフィス５８の長さおよび／または径を、および／または流体６０の粘性を調節することにより制御できる減衰を生じる。アーチ形たわみ部材４２およびベローズ５０が静的剛性を提供し、その静的剛性は、アーチ形たわみ部材４２とベローズ５０の材料、その材料の厚さ、ならびに折り畳み数および／または寸法を選択することにより適切に設定できる。この形式の受動的減衰機構の作動と特性は、ここに参照として組み込まれる、「振動吸収減衰装置」という名称でＤａｖｉｓへ付与された米国特許第５，２４９，７８３号に記載されている。
図１に示されるように振動減衰絶縁装置１０は、受動的減衰機構２８の振動と衝撃の消散を強め、かつストラットの力または行程の指令ができる能動的強化機構６６をさらに備える。好ましい実施形態において能動的強化機構６６は、固定永久磁石７０に対して移動可能なコイル６８により形成されるボイスコイルアクチェエータシステム６７（ローレンツ力アクチェエータのような）を有する。代わりに能動的強化機構６６は、サーボモータアクチェエータシステムまたは容積作動式圧電素子アクチェエータシステムを有することもできる。
能動的強化機構６６の鋼製鋳造部材７２は、外部ハウジング１２の基部ハウジング部１６内に固定される。鋼製鋳造部材７２は、外壁７４と内壁７５を有する円形チャネル７３を備える。円形チャネル７３は、外壁７４へ固定される固定永久磁石７０を収納する。コイル６８は、チューブ状部分７６および円形ベース部分７８により形成される。コイル６８は、適切なマイクロプロセッサ／電源８２から電流をコイル６８へ印加すると磁石７０に対して軸方向に移動可能（二方向矢印により示されるように）である。図１に示されるようにコイル６８のチューブ状部分７６は、チャネル７３の内壁７５に沿って軸方向に移動する。好ましい実施形態においてコイル６８のベース部分７８は、スラスト部材７９と、および外部ハウジング１２へ接続される第１の心出したわみ部材８１とを通して適切な圧縮と伸張の力をベローズ５０へ加えることにより、受動的減衰機構２８へ作用する。心出したわみ部材８１は、ベローズ５０の半径方向剛性により無くすことができるのが分かる。
代わりに、コイル６８が適切な圧縮と伸張の力をアーチ形たわみ部材４２へ加えることができる。しかしながらベローズ５０へ作用するコイル６８により提供される低振動数振動抑制は、コイル６８がアーチ形たわみ部材４２へ作用するときに提供されるものよりも優れている。アーチ形たわみ部材４２へ作用するコイル６８は、ベローズ５０へ作用するコイル６８よりも高振動数において良好な搭載物絶縁制御を提供する。
能動的強化機構６６は検知システムをさらに備える。好ましい実施形態において検知システムは、端部キャップ２２において位置決めされる力検知器８３により形成される。力検知器８３は、振動減衰絶縁装置１０に作用する力の変化を検知する。この力の変化は、外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力の結果生じる。図１に示されるように力検知器８３は、マイクロプロセッサ／電源８２を通してボイスコイルアクチェエータシステム６７のコイル６８へ連結される。したがって運転中に、力検知器８３により検知される振動減衰絶縁装置１０に作用する力の変化（外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力により生じる）は、マイクロプロセッサ／電源８２がコイル６８へ送られる電流を連続的に変えるように、かつコイル６８が適切な圧縮と伸張の力（軸４９に沿って方向付けられる）をベローズ５０へ加えて受動的減衰機構２８における流体圧力を連続的に変更し、それにより受動的減衰機構２８の振動と衝撃の消散を強めるように、マイクロプロセッサ／電源８２へ連続的に伝達される。
代わりに、検知システムは、基部減衰部材３０内に取り付けられかつ一次側流体チャンバー３７内の流体６０と接触する流体圧力検知器８４により、または末端減衰部材３２内に取り付けられかつ二次側流体チャンバー５６内の流体６０と接触する流体圧力検知器８５により形成できる。流体圧力検知器８４および８５は同一に作動するので、液体圧力検知器８４だけが詳細に説明される。流体圧力検知器８４は、受動的減衰機構２８の一次側流体チャンバー３７内の流体圧力の変化を検知する。一次側流体チャンバー３７内の流体圧力の変化は、外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力の結果生じる。図１に示されるように検知システム８４は、マイクロプロセッサ／電源８２を通してボイスコイルアクチェエータシステム６７のコイル６８へ連結される。したがって運転中に、流体圧力検知器８４により検知される一次側流体チャンバー３７内の流体圧力の変化（外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力により生じる）は、マイクロプロセッサ／電源８２がコイル６８へ送られる電流を連続的に変えるように、かつコイル６８が適切な圧縮と伸張の力（軸４９に沿って方向付けられる）をベローズ５０へ加えて受動的減衰機構２８における流体圧力を連続的に変更し、それにより受動的減衰機構２８の振動と衝撃の消散を強めるように、マイクロプロセッサ／電源８２へ連続的に伝達される。
他の別の実施形態において検知システムは、振動減衰絶縁装置１０から離れてかつその外部にあるフィードバック検知器８６により形成できる。フィードバック検知器８６は、振動減衰絶縁装置１０へ作用する力の変化（搭載物の動作のような）を検知できる。フィードバック検知器８６は、マイクロプロセッサ／電源８２を通してコイル６８へ連結され、また力検知器８３について上述したものと同様に作動する。さらに別の実施形態においてマイクロプロセッサ／電源８２は、振動減衰絶縁装置１０の外部にあり、かつそれから離れているソース８７からの指令を受信して、受動的減衰機構２８内の流体圧力を変更する。その指令は、上述したように装置１０へ作用する力の結果としての流体圧力を変更するために、またはストラットの力または行程を単に変更するために送出できる。
したがって運転中に、検知システム８４により検知される一次側流体チャンバー３７内の流体圧力の変化（外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力により生じる）は、マイクロプロセッサ／電源８２がコイル６８へ送られる電流を連続的に変えるように、かつコイル６８が適切な圧縮と伸張の力（軸４９に沿って方向付けられる）をベローズ５０へ加えて受動的減衰機構２８における流体圧力を連続的に変更し、それにより受動的減衰機構２８の振動と衝撃の消散を強めるように、マイクロプロセッサ／電源８２へ連続的に伝達される。
最後に、振動減衰絶縁装置１０には、熱補償機構９０が備えられ、その機構は、受動的減衰機構２８に作用して、振動減衰絶縁装置１０の温度変化の結果を通して受動的減衰機構２８内で所要の一定の流体圧力を維持する。熱補償機構９０は、第２の心出したわみ部材９３、スラストロッド９４およびコイル６８のベース部分７８を通して圧縮力を受動的減衰機構２８のベローズ５０へ加える予圧バネ９２を備える。予圧バネ９２は、重力場における質量物を絶縁するときに生じることがあるような静荷重の下に装置１０があるときにベローズ５０の動作範囲内でベローズ５０の心出しにも使用できる。
振動減衰絶縁装置１０は、高振動数において振動と衝撃の非常に優れた減衰を提供する受動的減衰機構２８を備える。能動的強化機構６６は、低振動数において振動と衝撃の非常に優れた減衰を提供することにより受動的減衰機構２８の作動を強化し、一方、マイクロプロセッサ／電源８２および検知システムにより、振動減衰絶縁装置１０の振動と衝撃の減衰の振動数依存性を、現行の振動と衝撃の条件に合わせて容易に調整できる。加えて受動的減衰機構２８と能動的強化機構６６の配置により、受動的減衰機構２８は能動的強化機構６６の作動無しに作動できる。したがって能動的強化機構６６は、極端な振動と衝撃の力の場合、または電力の節約が望ましい場合（始動中のような）に電源停止でき、その際、受動的減衰機構２８ができるがぎりの振動と衝撃を消散させる。さらにマイクロプロセッサ／電源８２および／または検知システムが故障し、引き続いて能動的強化機構６６が作動しなくなると、受動的減衰機構２８と能動的強化機構６６の配置は、受動的減衰機構２８が外部ハウジング１２へ加えられる振動と衝撃の力を消散させるように動作状態にする。加えてこの振動減衰絶縁装置１０は、重量の点で経済的な構造を維持しながら、これらの特徴を提供する。
本発明を好ましい実施形態を参照して説明したきたが、技術に有能な者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく形態と詳細を変更できることが分かる。

Claims (3)

1. 第１の減衰部材（３０）、
   該第１の減衰部材から離れている第２の減衰部材（３２）、
   前記第１の減衰部材を前記第２の減衰部材へ接続し、かつ該第１と第２の減衰部材間に一次流体チャンバー（３７）を形成する弾性連結部材（４２）、
   前記第１の減衰部材を通して延びる流体フローオリフィス（５８）を経て前記一次流体チャンバーと流体連通する二次流体チャンバー（５６）を形成し、さらに前記第１の減衰部材へ接続されるベローズ（５０）、および
   前記一次流体チャンバー、二次流体チャンバーおよび流体フローオリフィス内に所定の流体圧力で満たされる流体、
   を備える、加えられる力を消散させる受動的減衰装置と、
   マイクロプロセッサ（８２）からの制御信号に応答して前記ベローズ（５０）に作用して前記二次流体チャンバー（５６）、流体フローオリフィス（５８）及び一次流体チャンバー（３７）内の流体圧力を変更するために、構造的装置内に配置されたコイルアクチェエータ（６７）を有したアクチェエータ・システムを備え、該コイルアクチェエータ（６７）の可動コイル（６８）が前記受動的減衰装置のベローズ（５０）に結合された、前記受動的減衰装置に作用する能動的強化機構（６６）と、さらに、
   前記可動コイル（６８）に予圧を与えて前記受動的減衰装置に作用して、該受動的減衰装置内の流体圧を所定の一定圧力に維持する熱補償装置（９０）と
   から構成される構造的装置。
2. 前記能動的強化機構（６６）は、前記マイクロプロセッサ（８２）へ検知信号を送り、このマイクロプロセッサからの制御信号を構造的装置へ加えられる力の関数として変化させるための検知器（８３、８４、８５、８６）をさらに備える請求の範囲第１項の構造的装置。
3. 前記コイルアクチェエータは、構造的装置内に位置決めされる固定永久磁石（７０）と、この固定永久磁石に対して、印加される電流に応じて縦軸方向に磁気的に動かされて、前記ベローズ（５０）に圧縮と伸張の力を加えるコイル（６８）とを有する請求の範囲第２項の構造的装置。

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