JP4714226B2

JP4714226B2 - 外部から加圧されるシールベローズを使用する改善された隔離器

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Publication number: JP4714226B2
Application number: JP2007556194A
Authority: JP
Inventors: ルーブサメン，デール・ティー; ボイド，ジェームズ・エイチ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-02-16
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: US20060180417A1; EP1848899B1; EP1848899A1; JP2008530480A; WO2006088702A1; US7182188B2

Description

本発明は一般に振動減衰及び隔離装置（vibration damping and isolation systems）に関し、特に隔離器（isolators）に関する。

ペイロード（payload；搭載荷重）としての望遠鏡のようなセンサを担持する精密指針装置（precision pointing system）は、構造的な振動を生じて指針誤差を生じさせるような外乱の影響を受けやすくなることがある。このような振動は、精密指針装置においてアクチュエータとして使用される反作用車輪組立体のような機械的な要素又は組立体の特性であり得る。大半の部品に対しては、このような装置が著しい固有の減衰を有しない傾向を持つので、これらの構造的な振動は、装置の性能を劣化させ、経時的に構造的な疲れを生じさせることさえある。それ故、装置に対する減衰及び隔離を提供する有効な手段が必要になることがある。

[0003]典型的には、振動により生じる性能の劣化を最少にするためには、構造体を減衰し、精密隔離装置により担持されるペイロードを隔離するために受動質量減衰及び隔離装置が使用される。受動質量減衰（passive-mass damping）及び隔離装置の１つの例はニュージャージー州モーリスタウン(Morristown)のハネウエル社により製造されたＤ−ＳＴＲＵＴ（登録商標名）隔離支柱である。Ｄ−ＳＴＲＵＴ（登録商標名）隔離支柱は直列のバネ（Ｋ_Ｂ）及びダンパ（Ｃ_Ａ）と並列のバネ（Ｋ_Ａ）のように機械的に作用する３パラメータ振動隔離装置であり、「３パラメータ粘性ダンパ及び隔離器」という名称の米国特許第５，３３２，０７０号明細書に開示されている。この特許は参照としてここに組み込む。
米国特許第５，３３２，０７０号明細書

[0004] Ｄ−ＳＴＲＵＴ（登録商標名）隔離支柱は中空のシャフトと、シャフトを通って摺動するように形状づけられたピストンと、を有する。ピストンはその中間区分から半径方向に延びるフランジを有する。フランジは第１のシールされたベローズに結合された頂表面と、第２のシールされたベローズに結合された底表面とを有する。各ベローズは流体で満たされる室を有する。従って、ピストンがシャフトを通って軸方向に移動するとき、流体は一方のベローズ室から他方のベローズ室へ流れる。

[0005] Ｄ−ＳＴＲＵＴ（登録商標名）隔離支柱は、大半の用途において有効に作動するが、他の用途の実施において適切でない場合がある。例えば、空間的な制約にも拘らず、長い隔離支柱を必要とするような状況においては、このような空間制約に適応させるように第１及び第２のシールされたベローズを長くすると、ある欠点が発生することがある。特に、第１又は第２のシールされたベローズの一方が長過ぎる場合、ピストンに力が適用されたとき、柱座屈を生じることがある。その結果、ピストンに適用される力は第１又は第２のシールされたベローズのいずれかの柱座屈を回避するために減少させる必要があることがある；従って、隔離支柱は比較的大きなペイロードの振動を減衰できないことがある。別の例においては、装置はＤ−ＳＴＲＵＴ（登録商標名）隔離支柱を既に備えていることがある；しかし、支柱を、増大したペイロード能力を有する支柱と交換することが望ましい場合がある。このような場合、典型的には、複雑で一層高価な形状が使用される。

[0006]従って、第１又は第２のシールされたベローズのいずれかの柱座屈（column buckling）を経ることなく、比較的大きなペイロードの振動を減衰及び隔離できる隔離支柱（isolation strut）を提供することが望ましい。更に、任意の形式の空間的な制約において隔離支柱を使用できるようにするのが望ましい。更に、隔離支柱は比較的安価に実施できる形状を有するのが望ましい。更にまた、本発明の他の特質及び特徴は添付図面及び本発明の背景技術に関連して行う本発明の以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

[0007]振動の減衰及び隔離のための装置が提供される。１つの例示的な実施の形態では、装置はハウジングと、第１のベローズと、第２のベローズと、絞り流れ通路と、流体と、ピストンとを有する。ハウジングはそこを通る通路を画定する内側表面を有する。第１のベローズはハウジングの通路内に位置し、容積を有する第１の室を画定するようにハウジングの内側表面から離間する外側表面を有する。第２のベローズはハウジングの通路内に位置し、容積を有する第２の室を画定するようにハウジングの内側表面から離間する外側表面を有する。絞り流れ通路は第１及び第２の室と連通する。流体は第１の室、第２の室及び絞り流れ通路内に位置する。ピストンは少なくとも第２のベローズに結合され、絞り流れ通路内に少なくとも部分的に位置する。ピストンは、第１の室の容積を増大させかつ第２の室の容積を減少させるか又は第１の室の容積を減少させかつ第２の室の容積を増大させるように、ハウジングの通路を通してピストンを移動させるための力を選択的に受け取るように形状づけられる。

[0008]別の例示的な実施の形態においては、装置はハウジングと、第１のベローズと、第２のベローズと、ピストンと、流体とを有する。ハウジングは第１の端部と、第２の端部と、内側表面と、第１及び第２の端部間を延び、内側表面により画定される通路とを有する。第１のベローズはハウジングの通路内に位置し、第１の端部と、第２の端部と、外側表面とを有する。第１のベローズの第１の端部はハウジングの第１の端部に結合され、第１のベローズの第２の端部は表面を有する。第１のベローズの外側表面及びハウジングの内側表面は容積を有する第１の室を画定する。第２のベローズはハウジングの通路内に位置し、第１の端部と、第２の端部と、内側表面と、外側表面とを有する。第２のベローズの第１の端部はハウジングの第２の端部に結合され、第２のベローズの内側表面はその中に空洞を画定し、第２のベローズの外側表面及びハウジングの内側表面は容積を有する第２の室を画定する。

ピストンはハウジングの通路内に位置し、第１の区分と、第２の区分と、外側表面とを備えたシャフトを有する。シャフトの第１の区分は第２のベローズの空洞内に少なくとも部分的に位置し、シャフトの第２の区分は第２のベローズの空洞の外部に少なくとも部分的に位置し、ハウジングの内側表面と一緒に流れ経路を画定する。流れ経路は第１及び第２の室間で流体連通し、第１及び第２の区分間のシャフトの外側表面の少なくとも一部は第２のベローズの第２の端部に結合される。ピストンは、第１の室の容積を増大させかつ第２の室の容積を減少させるか又は第１の室の容積を減少させかつ第２の室の容積を増大させるように、ハウジングの通路を通してピストンを移動させるための力を選択的に受け取るように形状づけられる。流体は少なくとも第１の室、第２の室及び流れ経路内に位置する。

[0009]別の例示的な実施の形態では、ハウジングは第１の端部と、第２の端部と、プレートと、内側表面と、第１及び第２の端部間を延びる通路とを有する。プレートは通路内に位置し、第１の側部と、第２の側部と、その間に形成された通路とを有する。ハウジングの内側表面の第１の区分及びプレートの第１の側部は容積を有する第１の室を画定し、ハウジングの内側表面の第２の区分及びプレートの第２の側部は容積を有する第２の室を画定する。通路は第１及び第２の室間に流体連通を提供するように形状づけられる。第１のベローズはハウジングの第１の室内に位置し、第１の端部及び第２の端部を有する。第１のベローズの第１の端部はハウジングの第１の端部に結合され、第１のベローズの第２の端部は表面を有する。第２のベローズはハウジングの第２の室内に位置し、第１の端部と、第２の端部と、内側表面とを有する。第２のベローズの第１の端部はハウジングの第２の端部に結合され、第２のベローズの内側表面はその中に空洞を画定する。ピストンはハウジングの通路内に位置し、第１の区分、第２の区分及び外側表面を備えたシャフトを有する。

シャフトの第１の区分は第２のベローズの空洞内に少なくとも部分的に位置し、シャフトの第２の区分は第２のベローズの空洞の外部で少なくとも部分的に位置する。第２の区分のシャフトの外側表面の少なくとも一部は第２のベローズの第２の端部に結合される。ピストンは、第１の室の容積を増大させかつ第２の室の容積を減少させるか又は第１の室の容積を減少させかつ第２の室の容積を増大させるように、ハウジングの通路を通してピストンを移動させるための力を選択的に受け取るように形状づけられる。流体は第１の室、第２の室及び流れ経路内に位置する。

以下、添付図面に関連して本発明を説明する。なお、同様の符号は同様の要素を示す。[0015]本発明の以下の詳細な説明は本質的に単なる例示であって、本発明又は本発明の応用及び使用を限定する意図のものではない。例示的な実施の形態を参照して隔離支柱を説明するが、流体で充填された隔離支柱の多数の他の実施の形態の任意の１つを同様に実施できる。本発明において使用するような流体は当業界で既知の任意の粘性液体又は任意のガスとすることができる。更に、本発明の先の背景技術又は本発明の以下の詳細な説明において提示されたいかなる理論によっても拘束されることを意図しない。

[0016]図１は、振動減衰及び隔離を行う例示的な装置を示す。装置１００は、空間、地上又は水中のような多数の環境のうちの任意の１つ内で実施できる。装置１００は、ベース１０２と、ペイロード１０４と、少なくとも１つの振動隔離装置１０６とを有する。ベース１０２は、それにペイロード１０４及び振動隔離装置１０６を結合させるプラットフォームを提供するように形状づけられ、多数の応用に適する装置の任意の１つとすることができる。例えば、空間応用においては、ベース１０２は衛星、衛星のアーム、宇宙ステーション、又は多数の他の普通に使用される宇宙装置の任意の１つとすることができる。ペイロード１０４は好ましくは有効な作動のために振動減衰及び隔離を必要とする装置である。ペイロード１０４は例えば望遠鏡又はカメラのような多数の装置の任意の１つとすることができる。

[0017]振動隔離装置１０６はペイロード１０４により経験されることのある振動を減衰し、隔離し、従って、ペイロード１０４及びベース１０２に結合される。単一の振動隔離装置１０６を使用できるが、好ましくは、２以上の振動隔離装置１０６を使用することができる。１つの例示的な実施の形態においては、振動の２つの軸線において振動を隔離するために３つの振動隔離装置１０６を三脚の形状で使用する。別の例示的な実施の形態のいては、６つの自由度において振動の隔離を提供するために６つの振動隔離装置１０６を六脚形状で使用する。更に別の実施の形態においては、８つの振動軸線において振動を隔離するために８つの振動隔離装置１０６を使用する。

[0018]ここで図２を参照すると、１つの例示的な振動隔離装置１０６が提供される。振動隔離装置１０６はピボット１０８と、隔離組立体１１０と、外側ハウジング１１２と、支持体１１４とを有する。ピボット１０８はペイロード１０４から振動運動を受け取り、ペイロード１０４を振動隔離装置１０６に結合する。隔離組立体１１０は受け取った振動運動を減衰し、隔離し、ピボット１１６を介してピボット１０８に結合される。外側ハウジング１１２は隔離組立体１１０を損傷から保護し、その中に隔離組立体１１０を収容するように形状づけられる。支持体１１４は隔離装置１０６をベース１０２に取り付け、外側ハウジングの一部として一体的に形成できるか又は外側ハウジング１１２に結合される別部品とすることができる。支持体１１４はピボット１０８からは反対側の隔離組立体１１０の端部上にあるものとして示すが、支持体１１４は隔離組立体１１０の任意の適当な部分上に形成できるか又はこれに結合できることを認識されたい。

[0019]ここで図３に戻ると、例示的な隔離組立体１１０の断面図が示される。隔離組立体１１０は、組立体ハウジング１１８と、第１のベローズ１２０と、第２のベローズ１２２と、ピストン組立体１２４と、流体と、随意には、温度補償装置１２６とを有する。組立体ハウジング１１８は、固定の空間容積を提供し、その中で流体を包囲及びシールするために隔離組立体１１０の他の要素と一緒に作動するように形成される。組立体ハウジング１１８は、第１の端部１３０と、第２の端部１３２と、第１及び第２の端部１３０、１３２間を延びる通路１３８を画定する内側表面１３４とを備えたチューブ１２８を少なくとも有する。組立体ハウジング１１８は、また長手軸線１４２を有し、この軸線に沿って、通路１３８内の要素が移動することができる。好ましくは、第１の端部１３０は入口１４０を有し、第２の端部１３２は出口１４１を有し、チューブ１２８は入口１４０及び出口１４１以外の開口を有しない。しかし、代わりの実施の形態においては、チューブ１２８は第１及び第２の端部１３０、１３２の各々と一体的に形成されるか又はそれに結合された端壁を備えた単一の要素とすることができる。

[0020]図４に示すような１つの例示的な実施の形態においては、組立体ハウジング１１８は、その中間に位置する減衰プレート１４４を有する。減衰プレート１４４は、組立体ハウジング１１８と一体的に形成されるか又はその一部として一体化され、減衰プレート１４４を通って延びる少なくとも１つのダクト１４５を有する。減衰プレート１４４は長手軸線１４２に沿って減衰プレート１４４の各側部の実質上中心から軸方向外方に延びるパイプ１４６を有することができる。このような実施の形態においては、ダクト１４５はまたパイプ１４６を通って延びる。

[0021]図３に戻ると、第１のベローズ１２０は、組立体ハウジング１１８内に位置し、好ましくは、長手軸線１４２に沿って移動するように形状づけられる。第１のベローズ１２０は一端で第１の端プレート１４８に結合され、他端で第２の端プレート１５０に結合され、それによって、その間に第１のベローズの内部空洞１５２を画定する。第１の端プレート１４８は組立体ハウジングの第１の端部１３０と密封的に適合し、この第１の端部に第１のベローズ１２０を結合する。第２の端プレート１５０は第１のベローズの内部空洞１５２内に位置する支持シャフト１５８に結合する。

[0022]支持シャフト１５８は、第１のベローズ１２０のための構造上の支持を提供するように形状づけられ、作動中長手軸線１４２に沿って第１のベローズ１２０を案内する。支持シャフト１５８は、それ自体、その中に他の隔離組立体１１０の要素を受け入れるように形状づけられた空洞１６０を有することができる。第１及び第２の端プレート１４８、１５０の各々は、図３に示す温度補償装置１２６、図４に示す減衰プレートパイプ１４６又は支持シャフトのような、組立体ハウジング１１８の外部で延びることのできる要素を収容するように形状づけられた、その中に形成された開口を有することを認識されたい。

[0023]第１のベローズ１２０と同様、第２のベローズ１２２は、組立体ハウジング１１８内に位置し、第１及び第２の端プレート１６６、１６８に結合され、好ましくは、長手軸線１４２に沿って移動するように形成される。第１のベローズ１２０と同じ軸線１４２に沿って移動するものとして図３に示すが、他の図示しない実施の形態においては、第２のベローズ１２２は任意の他の適当な軸線に沿って移動できることを認識されたい。第２のベローズの第１の端プレート１６６は組立体ハウジングの第２の端部１３２と密封的に適合し、これに第２のベローズ１２２を結合する。第２のベローズの第２の端プレート１６８は第２のベローズ１２２の反対側の端部に結合され、第１の端プレート１６６及び第２のベローズ１２２の内側表面と一緒に、内部空洞１７０を画定する。上述のように、第１及び第２の端プレート１６６、１６８の各々は、この場合ピストン組立体１２４又は（図２に示す）ピボット１１６のような、組立体ハウジング１１８の外部で延びることのできる要素の配置のための空間を提供するように形状づけられた、その中に形成された開口１７２、１７４を有する。

[0024]ピストン組立体１２４は、（図２に示す）ピボット１１６から受け取る振動を減衰し隔離するために、第１及び第２のベローズ１２０、１２２と一緒に作動するように形状づけられる。ピストン組立体１２４は組立体ハウジング１１８内に位置し、第１及び第２のベローズ１２０、１２２間で結合される。ピストン組立体１２４はピストンシャフト１７６とピストンフランジ１７８とを有する。ピストンシャフト１７６は単一部品又は複数の部品（例えば、図３に示すようにシャフト１７６及び区分１７７）とすることができ、長手軸線１４２に沿って整合し、第２のベローズの内部空洞１７０内に位置する。ピストンシャフト１７６はピボット１１６に結合された一端と、ピストンフランジ１７８に結合された他端とを有する。１つの例示的な実施の形態においては、ピストンシャフト１７６は第２のベローズ１２２の第２の端プレートの開口１７４を通って延び、ピボット１１６に直接結合される。しかし、ピストンシャフト１７６はそこから振動運動を受け取るように任意の他の適当な方法でピボット１１６に結合できることを認識されたい。

[0025]ピストンシャフト１７６は、流体を受け取るためにそこを通って少なくとも部分的に延びる流れ経路１８０を有する。１つの例示的な実施の形態においては、流れ経路１８０の１つの区分は止めネジと係合するように形状づけられたネジ付き壁を有する。図４に示すような減衰プレートパイプ１４４を使用するような実施の形態においては、ピストンシャフト１７６は凹所１８２を有する。凹所１８２は流れ経路１８０と流体連通し、減衰プレートパイプ１４４を受け入れるように形状づけられる。

[0026]ピストンフランジ１７８は、ピストンシャフト１７６から半径方向外方に延び、ピストンシャフト１７６の一部として一体的に形成できるか、又は、別個に形成され、その後にピストンシャフト１７６に取り付けることができる。ピストンフランジ１７８は内側表面１８４と外側表面１８６とを有する。内側表面１８４は第２のベローズの第２の端プレート１６８に密封的に結合される。外側表面１８６は多数の形状のうちの任意の１つの形状を有することができる。しかし、図３に示す実施の形態においては、外側表面１８６はピストン１７７の別の区分を介して第１のベローズ１２０に結合される。それとして、外側表面１８６はピストン区分１７７に適合する延長部１８８を有する。今度は、ピストン区分１７７は第１のベローズの第２の端プレート１５０に結合される。

別の例示的な実施の形態においては、外側表面１８６は、第１のベローズ１２０に結合するように形状づけられ、外側表面１８６は第１のベローズの第２の端プレート１５０に直接結合される。更に別の例示的な実施の形態においては、外側表面１８６は第１のベローズ１２０に結合されない。代わりに、図４に示すように、ピストンフランジ１７８は、そこを通って形成され、凹所８２と流体連通する開口１９０を有する。減衰プレート１４４が設けられ、ダクト１４５が減衰プレートパイプ１４６内に形成されるような実施の形態においては、ピストンフランジの開口１９０及び凹所１８２の双方は減衰プレートパイプ１４６を収容するように形状づけられる。

[0027]先に略述したように、隔離器組立体１１０の要素は好ましくは固定の容積の空間内でその中に流体を密封的に閉じ込めるために一緒に作動するように形成される。空間の容積は副容積に分割され、各副容積は第１の室１９２、第２の室１９４及び絞り流れ通路１９６内に位置する。第１の室１９２は組立体ハウジングの内側表面１３４の一部及び第１のベローズ１２０の外側表面により画定され、第２の室１９４は組立体ハウジングの内側表面１３４の別の部分及び第２のベローズ１２２の外側表面により画定される。図４に示すような別の例示的な実施の形態においては、第２の室１９４は組立体ハウジングの内側表面１３４の一部、第２のベローズ１２２の外側表面及びピストン組立体の凹所１８２により画定される。絞り流れ通路１９６は、第１及び第２の室１９２、１９４が互いに連通するのを許容し、多くの形状のうちの任意の形状を有することができる。

１つの例示的な実施の形態においては、ピストンフランジ１７８及び組立体ハウジングの内側表面１３４により画定される減衰環体１９６は絞り流れ通路として作用する。別の例示的な実施の形態においては、絞り流れ通路１９６は、図４に示すように減衰プレートパイプ１４６内に形成されたダクト１４５により画定される。更に別の実施の形態においては、絞り流れ通路１９６は減衰プレート１４４内に形成されたダクト１４５により画定される。特定の形状に関わりなく、第１の室１９２、第２の室１９４及び絞り流れ通路（単数又は複数）１９６は流体で満たされる。従って、隔離組立体１１０の作動中、力がピストン組立体１２４に加えられたとき、流体は第２の室１９４から押し出され、絞り流れ通路１９６を通って第１の室１９２に至る。

[0028]図３に示すように、温度補償装置１２６は、温度変化に応答しての流体の膨張又は収縮を補償するように、隔離組立体１１０内に含ませることができる。温度補償装置１２６は、多数の適当な形状のうちの任意の形状を有することができ、多数の方法のうちの任意の方法により隔離組立体１１０内に配置することができる。

[0029]ここでは、柱座屈を経験しない振動隔離器が提供された。例えば、隔離支柱はその運動するピストンからシールされたベローズの外側表面へ流体圧力を伝達することができ、それによって、シールされたベローズの柱座屈の可能性を減少させる。更に、振動隔離器はベローズの小さな横断面積の使用に関連する大きな減衰力に耐えることができる。ある実施の形態においては、振動隔離器の要素はベローズの内部空洞内に位置し、それによって、振動隔離器の全長を従来の振動隔離器よりも一層短くすることができる。更に、隔離支柱は任意の形式の空間制約において実施することができる。例えば、隔離器は、従来の隔離器よりも一層小さな全体直径を有した状態で、構造体を依然として有効に減衰することができる。その理由は、その減衰能力がそのシールされたベローズの横断面積により制限されず又はそこを通して流体を流れさせる絞り通路を任意の適当な長さに延ばすことができるからである。

[0030]本発明の上述の詳細な説明において少なくとも１つの例示的な実施の形態を提示したが、多数の変形例が存在することを認識すべきである。また、例示的な実施の形態（単数又は複数）は単なる例であり、いかなる意味においても本発明の要旨、応用性又は形状を限定する意図のものではないことを認識すべきである。むしろ、上述の詳細な説明は、当業者に対して、本発明の例示的な実施の形態を実施するための便利なロードマップを提供する。特許請求の範囲で規定されるような本発明の要旨から逸脱することなく、例示的な実施の形態において述べた要素の機能及び構成について種々の変更を行うことができることを理解されたい。

振動減衰及び隔離を行う例示的な装置の概略図である。図１に示す装置内で実施できる例示的な隔離器の断面図である。図２に示す例示的な隔離器の断面の拡大図である。図１に示す装置内で実施できる別の例示的な隔離器の断面図である。

Claims

減衰装置（１００）であって、
通路（１３８）を画定する内側表面（１３４）を有するハウジング（１１８）と；
ハウジングの通路（１３８）内に位置し、外側表面を有し、容積を有する第１の室（１９２）を画定するようにハウジングの内側表面（１３４）から離間する第１のベローズ（１２０）と；
ハウジングの通路（１３８）内に位置し、外側表面を有し、容積を有する第２の室（１９４）を画定するようにハウジングの内側表面（１３４）から離間する第２のベローズ（１２２）と；
第１及び第２の室（１９２、１９４）に流体連通する前記ハウジング（１１８）内に位置する絞り流れ通路（１９６）と；
第１の室（１９２）、第２の室（１９４）及び絞り流れ通路（１９６）内に位置する流体と；
第１のベローズ（１２０）の内部空洞（１５２）内に位置し長手軸線に沿って第１のベローズ（１２０）を案内する支持シャフト（１５８）と；
第２のベローズ（１２２）に結合され、ハウジングの通路（１３８）内に位置するピストン（１２４）であって、第１の室の容積を増大させかつ第２の室の容積を減少させるか又は第１の室の容積を減少させかつ第２の室の容積を増大させるように、ハウジングの通路（１３８）を通してピストン（１２４）を移動させるための力を選択的に受け取るように形状づけられたピストンと；
第１のベローズとピストンとの間に取り付けられ、温度変化による流体の膨張及び収縮を補償するように配置された温度補償ベローズと；を有することを特徴とする減衰装置。
前記ピストン（１２４）が外側表面を有し、絞り流れ通路（１９６）がピストンの外側表面とハウジングの内側表面（１３４）とにより画定されることを特徴とする請求項１の減衰装置（１００）。