KR102477799B1 - 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터 및 이를 채용하는 아이솔레이션 시스템 - Google Patents

로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터 및 이를 채용하는 아이솔레이션 시스템 Download PDF

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허니웰 인터내셔날 인코포레이티드
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Abstract

로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터(10, 80)의 실시예들이 제공되고, 하나 이상의 3파라미터 아이솔레이터를 채용하는 아이솔레이션 시스템(110)의 실시예들도 제공된다. 일 실시예에서, 3파라미터 아이솔레이터는 제 1 댐퍼(42, 94) 및 평판 구조(14, 82)를 포함하는데, 평판 구조는 제 1 댐퍼에 커플링되고 아이솔레이터의 길이방향 축(12)에 대해 실질적으로 직교하여 연장된다. 메인 스프링(34, 90)은 평판 구조 내에 형성되고, 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 1 부하 경로(70, 100)를 따라서 취할 때 제 1 댐퍼와 병렬로 커플링된다. 튜닝 스프링(36, 92)도 역시 평판 구조 내에 형성되어, 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 2 부하 경로(72, 102)를 따라서 취할 때 튜닝 스프링이 메인 스프링과 병렬로 그리고 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링되게 한다.

Description

로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터 및 이를 채용하는 아이솔레이션 시스템{LOW PROFILE THREE PARAMETER ISOLATORS AND ISOLATION SYSTEMS EMPLOYING THE SAME}
본 발명은 일반적으로 아이솔레이션 디바이스에 관련되고, 좀 더 자세하게 설명하면, 길이 또는 높이가 감소되는 3파라미터 아이솔레이터 및 이를 채용하는 아이솔레이션 시스템에 관련된다.
진동 아이솔레이션 시스템은 매우 다양한 용례에서 채용되어 두 개의 보디(body)들 또는 구조들 사이의 교란력(disturbances forces)의 전파를 최소화한다. 예를 들어, 위성에는 자세 조절 디바이스[예를 들어, 제어 모멘트 자이로스코프(control moment gyroscopes) 또는 반응 휠(reaction wheels)]로부터 방출되는 가진력(vibratory forces)이 위성에 의하여 운반되는 다른 진동-감응 컴포넌트(예를 들어, 광학 페이로드)로 전파되는 것을 최소화하기 위한 진동 아이솔레이션 시스템이 흔히 구비된다. 진동 아이솔레이션 시스템의 성능은 그 시스템 내에 포함되는 아이솔레이터의 개수, 아이솔레이터들이 정렬되는 방식, 및 각각의 개별 아이솔레이터의 진동 감쇄 특성(vibration attenuation characteristic)에 의하여 대략적으로 결정된다. 직렬로 커플링(coupling)된 이차 스프링 및 댐퍼와 병렬인 일차 스프링으로서 기계적으로 거동하는 3파라미터 아이솔레이터를 채용하는 진동 아이솔레이션 시스템은, 다른 타입의 수동 아이솔레이터, 예컨대 점탄성 아이솔레이터를 채용하는 진동 아이솔레이션 시스템과 비교할 때 고주파 가진력의 우수한 감쇄를 제공한다. 3파라미터 아이솔레이터의 일례는 현재 뉴저지 주의 모리스타운에 본사가 있는 허니웰, 인크(Honeywell, Inc.)에 의하여 개발되어 상업적으로 판매되는 D-STRUT® 아이솔레이터이다. 이러한 아이솔레이터들은 흔히 멀티-포인트 마운팅 장치에서의 사용에 매우 적합한 단일 자유도(DOF)의 축방향 감쇠 디바이스(axially-damping device)들이다.
종래의 디자인에 의하면, 3파라미터 아이솔레이터들은 흔히 상대적으로 긴 원통형 또는 지주(strut)형 폼 팩터(form factor)를 갖도록 마련된다. 결과적으로, 3파라미터 아이솔레이터를 사용하는 것은, 아이솔레이터 마운트 포인트(mount point)들 사이에 상대적으로 제한된 거리가 제공되는 실례들에서 패키지화(packaging)에 관련된 제약에 의하여 배제될 수도 있다. 시스템 재설계에 의하여 마운트 포인트들 사이의 거리를 연장시키는 것이 가능할 수도 있지만, 이러한 해법은 이상적인 것만 못하며, 전체 시스템 성능에 부정적인 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, 시스템 재설계는 결과적으로 더 넓은 모드 확산, 주어진 주파수 또는 주파수들에서의 더 적은 감쇄, 및/또는 아이솔레이터 부하 및 스트로크에서의 바람직하지 않은 증가를 초래할 수도 있다. 대안적인 해법으로서, 아이솔레이션 시스템은 대체로 퍽(puck)-형상 폼 팩터를 가지는 로우 프로파일(low profile) 점탄성 마운트를 사용하여 제작될 수 있다. 그러나, 3파라미터 아이솔레이터 대신에 점탄성 마운트를 사용하는 것은 통상적으로 아이솔레이션 시스템의 성능에 있어서의 절충(tradeoff)을 요구한다. 더욱이, 점탄성 마운트의 감쇠(damping) 및 강성(stiffness) 특징은 통상적으로 온도 및 부하의 변화에 대해 비선형 방식으로 변동하고, 이는 점탄성 마운트 기반의 아이솔레이션 시스템을 설계하고 예측하기 어렵게 만들 수 있으며, 넓은 주파수 범위에 걸친 진동을 감쇄시키는 데에 있어서 점탄성 마운트 기반의 아이솔레이션 시스템을 덜 효율적으로 만들 수 있다.
따라서 감소된 길이 또는 높이를 가지고, 6 자유도에서 고충실도(high fidelity) 감쇠 및 강성을 제공할 수 있는 아이솔레이션 시스템 내에서의 사용에 매우 적합한 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 실시예의 제공에 대한 요구가 지속적으로 존재한다. 이상적으로는, 이러한 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터는 용이하게 제조 가능하고, 내구성이 좋으며, 경량이고, 상대적으로 적은 부품수를 특징으로 한다. 또한 이러한 3파라미터 아이솔레이터가 부하 및 온도의 변화에 대하여 실질적으로 선형 방식으로 변동하는 감쇠 및 강성 특성을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 마지막으로, 앞에서 진술된 특징들을 가지는 하나 이상의 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터를 포함하는 아이솔레이션 시스템의 실시예를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 본 발명의 실시예의 다른 바람직한 피쳐 및 특징들은 첨부 도면 및 앞선 배경기술과 함께 이해할 때 후속하는 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용] 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 실시예들이 제공된다. 일 실시예에서, 3파라미터 아이솔레이터는 제 1 댐퍼 및 평판 구조를 포함하는데, 평판 구조는 제 1 댐퍼에 커플링되고 아이솔레이터의 길이방향 축에 실질적으로 직교하여 연장된다. 메인 스프링은 평판 구조 내에 형성되고, 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 1 부하 경로를 따라서 취할 때 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링된다. 튜닝 스프링도 역시 평판 구조 내에 형성되어, 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 2 부하 경로를 따라서 취할 때 튜닝 스프링이 메인 스프링과 병렬로 그리고 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링되게 한다.
추가적인 실시예에서, 3파라미터 아이솔레이터는 제 1 마운팅 인터페이스(mounting interface) 및 제 2 마운팅 인터페이스, 제 1 마운팅 인터페이스와 제 2 마운팅 인터페이스 사이에 커플링된 적어도 하나의 댐퍼, 및 제 1 마운팅 인터페이스와 제 2 마운팅 인터페이스 사이에서 연장되는 제 1 부하 경로를 따라서 취할 때 적어도 하나의 댐퍼와 직렬로 커플링되는 메인 스프링을 포함한다. 또한, 튜닝 스프링은, 제 1 마운팅 인터페이스와 제 2 마운팅 인터페이스 사이에서 연장되는 제 2 부하 경로를 따라서 취할 때 메인 스프링과 병렬로 그리고 적어도 하나의 댐퍼와 직렬로 커플링된다. 메인 스프링 및 튜닝 스프링 각각은 실질적으로 동심 디스크 형상으로 가공된 스프링을 포함하거나 그 형태를 취하는데, 이것은 길이방향 축으로부터 방사상으로 외부로 연장된다.
또한, 고립된 보디(isoldated body), 예컨대 페이로드를 지지하기 위한 아이솔레이션 시스템의 실시예들도 역시 제공된다. 일 실시예에서, 아이솔레이션 시스템은 하나 이상의 3파라미터 아이솔레이터를 포함한다. 각각의 3파라미터 아이솔레이터는 제 1 댐퍼, 제 1 댐퍼에 커플링되며 아이솔레이터의 상기 길이방향 축에 실질적으로 직교하여 연장되는 평판 구조, 및 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 1 부하 경로를 따라서 취할 때 평판 구조 내에 형성되고 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링되는 메인 스프링을 포함한다. 튜닝 스프링도 역시 평판 구조 내에 형성되어, 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 2 부하 경로를 따라서 취할 때 튜닝 스프링이 메인 스프링과 병렬로 그리고 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링되게 한다. 아이솔레이션 시스템은 마운팅 하드웨어를 포함하는데, 이것은 하나 이상의 3파라미터 아이솔레이터에 커플링되고, 하나 이상의 3파라미터 아이솔레이터를 고립된 보디에 결합시키도록 구성된다.
이하 본 발명의 적어도 하나의 예가 후속하는 도면들과 함께 설명될 것인데, 여기에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 도시된 바와 같은 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 등각 투상도, 평면도, 및 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 각각 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서 도시된 바와 같은 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 평면도, 측면도, 및 단면도이다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 다수의 3파라미터 아이솔레이터를 이용하여 아이솔레이션 시스템을 형성할 수 있는 하나의 가능한 방식을 대략적으로 또는 개략적으로 예시한다.
도 8은 도 4 내지 도 6에 도시되는 3파라미터 아이솔레이터를 이용하여 아이솔레이션 시스템을 형성할 수 있는 하나의 가능한 방식을 대략적으로 또는 개략적으로 예시한다.
간결성 및 설명의 명확화를 위하여, 도면들은 구성의 일반적인 방식을 예시하고, 주지된 피쳐(feature) 및 기법들의 설명 및 세부사항은 본 발명을 불필요할 정도로 불명확하게 하는 것을 방지하기 위하여 생략될 수도 있다. 또한, 도면 내의 구성 요소들은 반드시 축척에 맞춰서 도시된 것은 아니다. 예를 들어, 도면에 있는 구성 요소들 또는 구역들 중 일부의 치수는 본 발명의 실시예를 더 잘 이해하도록 돕기 위하여 다른 구성 요소들 또는 구역들에 비해 과장될 수도 있다.
후속하는 상세한 설명은 특성에 있어서 단순히 예시적인 것이며 본 발명 또는 본 발명의 적용예 및 사용예를 한정하려는 의도가 아니다. 더욱이, 앞선 배경기술 또는 후속하는 상세한 설명에 제시된 임의의 이론에 의하여 한정되게 하려는 의도가 전혀 없다.
도 1, 도 2, 및 도 3은 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 도시된 바와 같은 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터(10)의 등각 투상도, 평면도, 및 단면도이다. 아이솔레이터(10)는, 길쭉하고 지주형 폼 팩터를 가지는 다른 공지된 3파라미터 아이솔레이터에 비해 아이솔레이터(10)의 길이가 크게 감소된다는 점에서 "로우 프로파일(low profile)"이라고 간주된다. 종래에 공지된 이러한 아이솔레이터들과 대조적으로, 아이솔레이터(10)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 일반적으로 퍽-형상 또는 패드-형상 폼 팩터를 가질 수도 있다. 아이솔레이터(10)는, 아이솔레이터(10)가 직렬로 커플링된 이차 스프링(KB) 및 댐퍼(CA)와 병렬로 커플링되는 일차 스프링(KA)으로서 적어도 부분적으로 거동한다는 점에서 "3파라미터" 디바이스라고 간주된다. 도 1 내지 도 3에 도시되는 실시예에서, 3파라미터 아이솔레이터(10)는 아이솔레이터(10)의 길이방향 축 또는 중심선[도 1에서 이중 화살표(12)로 표시됨]에 대응하는 작동축(working axis)을 가지는 단일 자유도의 (축방향 감쇠) 디바이스이다. 따라서 아이솔레이터(10)는 멀티-포인트 마운팅 장치 내에서의 용도에 매우 적합하다. 예를 들어, 아이솔레이터(10)는 다수 개의 유사한 아이솔레이터들과 결합되어 6 자유도로 고충실도 감쇠를 제공할 수 있다. 이러한 멀티-포인트 마운팅 장치는, 우주선 및 그 우주선에 의하여 운반되는 페이로드 사이에서 전파되는 진동 또는 충격 힘을 감쇄시키기 위해 이용되는 우주선 아이솔레이션 시스템에서 유용하게 채용된다. 그러나, 아이솔레이터(10)(및 본 명세서에서 설명되는 다른 아이솔레이터들)는 임의의 우주(spaceborne), 공중(airborne), 지상, 또는 두 개의 대상물 또는 마운트 포인트들 사이의 진동 또는 충격 부하를 감쇄시키는 것이 바람직한 다른 용례에서 이용될 수 있다는 것이 강조된다. 아이솔레이터(10) 및 다수 개의 유사한 아이솔레이터들을 포함하는 멀티-포인트 아이솔레이션 시스템의 일례는 이하에서 도 7과 함께 설명된다.
다른 구성요소들 중에서, 3파라미터 아이솔레이터(10)는 평판 구조(14), 이러한 구조(14)에 고정되게 커플링되고 그로부터 축방향으로 연장되는 환형 칼라(annular collar; 16) 및 칼라(16)에 대향하여 구조(14)에 부착되는 베이스 피스(base piece; 18)를 포함한다. 추가적으로, 아이솔레이터(10)는 대향하는 마운팅 인터페이스들(20 및 22)을 포함하는데, 이것들은 아이솔레이터(10)의 기계적 입력부/출력부로서의 역할을 한다. 마운팅 인터페이스들(20 및 22)은 각각 더 큰 아이솔레이션 시스템에서의 아이솔레이터(10)의 설치를 가능하게 하는 임의의 형태를 가질 수 있는데, 이러한 설치는 하드웨어[예를 들어, 조임쇠(fastener), 클램프, 브라켓, 또는 기타 등등]에 의한 부착에 의해, 결합(예를 들어, 용접 또는 납땜)에 의해, 또는 다른 수단에 의하여 이루어진다. 도시된 실시예에서, 마운팅 인터페이스(20)는, 복수 개의 조임쇠 개구들(24)을 가지는 칼라(16)의 플랜지형 말단부(terminal end)의 형태를 가진다(도 1 및 도 2). 이와 유사하게, 마운팅 인터페이스(22)는, 복수 개의 둘레에 따라 이격되는 조임쇠 개구들(26)을 가지는 베이스 피스(18)의 외부 환형 구역 내에 형성된다. 만일 우주선, 항공기, 또는 진동-감응 페이로드를 운반하는 다른 플랫폼에 마운팅되어 설치되는 아이솔레이션 시스템에 아이솔레이터(10)가 통합된다면, 마운팅 인터페이스(20)는 볼트체결되거나 그렇지 않으면 진동-감응 컴포넌트를 지지하는 팔레트 또는 벤치에 부착될 수도 있는 반면에 대향하는 마운팅 인터페이스(22)는 플랫폼에 마운팅된다. 대안으로, 이러한 마운팅 장치는, 마운팅 인터페이스(20)가 플랫폼에 마운팅되는 반면에 마운팅 인터페이스(22)는 페이로드에 부착되도록 반전될 수도 있다. 추가적인 실시예에서, 아이솔레이터(10)는, 그 사이에서 교란력(disturbance forces)의 감쇄가 이루어지는 것이 바람직한 다른 보디들 또는 대상물들 사이에 마운팅될 수도 있다.
3파라미터 아이솔레이터(10)는 적어도 하나의 축방향 연장부를 더 포함하는데, 이것은 길이방향 축(12)에 실질적으로 평행한 축 또는 아이솔레이터(10)의 중심선을 따라 평판 구조(14)로부터 베이스 피스(18)까지 연장된다(도 1). 도 1 내지 도 3에 도시되는 예시적인 실시예에서, 축방향 연장부는 환형 측벽(28)의 형태를 가지는데(도 1 및 도 3), 이것은 축방향으로 평판 구조(14)의 외부 원주 부분으로부터 베이스 피스(18)의 외부 원주 부분으로 연장된다. 평판 구조(14), 환형 칼라(16), 및 환형 측벽(28)은 별개의 부품들로 생성될 수 있는데, 이들은 후속하여 하드웨어를 사용하거나, 결합(예를 들어, 납땜 또는 용접)에 의해, 또는 다른 방식으로[예를 들어, 나사식 부착(threaded attachment)으로] 상호 결합된다. 그러나, 평판 구조(14), 환형 칼라(16), 및 환형 측벽(28)이 단일 가공 부품처럼 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 다수 개의 탭들(30)(도 1 및 도 2)은 환형 측벽(28)의 하부 원주 에지로부터 외부로 방사상으로 돌출되고, 다수 개의 조임쇠 개구들(32)을 포함한다. 아이솔레이터(10)가 조립될 때, 개구(32)는 베이스 피스(18)에 제공된 대응하는 개구와 정렬되어, 복수 개의 볼트들 또는 다른 조임쇠들(미도시)을 이용한 베이스 피스(18)의 탭(30)에 대한 부착[그리고 이에 따른 환형 측벽(28), 평판 구조(14), 및 환형 칼라(16)에 대한 베이스 피스(18)의 부착]을 가능하게 한다.
적어도 두 개의 스프링들 또는 스프링 요소들, 즉 메인 스프링 및 이차 또는 튜닝 스프링이 평판 구조(14)에 형성된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 예시적인 실시예에서, 메인 스프링(34)(KA)은 구조(14)의 외부 환형 부분에 형성되고, 반면에 튜닝 스프링(36)(KB)은 구조(14)의 내부 환형 부분에 형성된다. 메인 스프링(34)은 결과적으로 튜닝 스프링(36)과 동심이며 튜닝 스프링에 외접한다. 평판 구조(14)는 일반적으로 평평한, 디스크-형상의, 또는 평판형의 기하학적 구조 및 길이방향 축(12)에 실질적으로 직교하는 방위를 가지는 임의의 보디 또는 보디들의 조립체일 수 있다. 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 평판 구조(14)는, 메인 스프링(34) 및 튜닝 스프링(36)이 형성되는 모놀리식 또는 단일 부품 격판 벽(40)을 포함할 수도 있다. 예시된 예에서, 메인 스프링(34)이 형성되는 평판 구조(14)의 외부 환형 구역의 두께는, 튜닝 스프링(36)이 형성되는 내부 환형 구역의 두께와 실질적으로 대등하다. 결과적으로, 메인 스프링(34) 및 튜닝 스프링(36)은 제 1 평면 및 제 2 평면에 의하여 구속되는데, 이 평면들은 길이방향 축(12)을 따라서 이격되고 길이방향 축에 실질적으로 직교한다. 추가적인 실시예에서, 구조(14)의 내부 환형 구역 및 외부 환형 구역의 두께들은 변동되어[예를 들어, 스프링(36)이 형성되는 격판 벽(40)의 내부 환형 구역은 스프링(34)이 형성되는 벽(40)의 외부 환형 구역에 비해 더 좁아질 수도 있음] 스프링들(34 및 36)의 개별적인 특징을 튜닝할 수도 있다. 특히, 환형 칼라(16)가 평판 구조(14)에 결합되는 위치는, 메인 스프링(34)이 형성되는, 구조(14)의 외부 환형 구역[및 벽(40)]과 튜닝 스프링(36)이 형성되는, 구조(14)의 내부 환형 구역[및 벽(40)] 사이에 위치된다.
아이솔레이터(10)의 제조 도중에, 다수 개의 보이드(void) 또는 개구(38)(도 3에서 식별됨)가 평판 구조(14) 내로 절단되어 들어가거나 다른 방식으로 평면 구조에 형성되어 메인 스프링(34)을 구조(14)의 외부 환형 부분에[그리고, 이에 따라 격판 벽(40)의 외부 환형 구역에] 형성하고, 그리고 튜닝 스프링(36)을 구조(14)의 내부 환형 부분에[그리고, 이에 따라 격판 벽(40)의 내부 환형 구역에] 형성할 수도 있다. 총망라하는 것은 아니지만, 개구들(38)을 형성하기에 적합한 프로세스들의 목록은 전기 방전 가공(Electrical Discharge Machining), 밀링, 및 레이저 절삭을 포함한다. 개구들(38)(도 3)은 메인 스프링(34) 및 튜닝 스프링(36)에 대해 이들 스프링의 원하는 특징을 부여하기에 적합한 임의의 패턴으로 절단될 수 있다. 평판 구조(14)로부터 재료를 제거함으로써 메인 스프링(34) 및 튜닝 스프링(36)이 형성되는 실시예들에서, 스프링들(34 및 도 36)은 디스크-형상으로 가공된 스프링이라고 간주될 수도 있으며, 이들은 실질적으로 동심이고 아이솔레이터(10)의 길이방향 축(12)으로부터 외부로 방사상으로 연장된다.
3파라미터 아이솔레이터(10)는 적어도 하나의 댐퍼(42)(CA)를 더 포함하는데, 이것은 구조(14)의 중앙 부분과 베이스 피스(18)의 중앙 부분 사이에 커플링된다. 댐퍼(42)는, 진동을 감쇠시킬 수 있으며 다른 타입의 수동 감쇠 디바이스(예를 들어, 에디 전류, 점탄성, 및 공압 댐퍼들)뿐만 아니라 능동 감쇠 디바이스(예를 들어, 보이스 코일 및 압전 댐퍼들)를 포함하지만 이들로 한정되는 것은 아닌 임의의 감쇄 디바이스의 형태를 가질 수 있다. 특정 실시예들에서, 댐퍼(42)는 댐핑 유체, 예컨대 실리콘 댐핑 액체를 수용하는 밀봉식으로 시일(seal)된 유체 댐퍼일 수도 있다. 구체적으로 예시된 예를 참조하면, 도 3에서 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 댐퍼(42)는 다음 컴포넌트들, 즉 (ⅰ) 대향하는 금속 벨로우즈들(44 및 46), (ⅱ) 대향하는 벨로우즈 단부 캡들(48 및 50), (ⅲ) 연결 막대(52), 및 (iv) 디스크-형상 댐퍼 피스톤(54)을 포함하는 유체 댐퍼이다. 참조의 용이함을 위해, 벨로우즈(44) 및 단부 캡(48)은 이제부터 각각 "상부" 벨로우즈 및 "상부" 단부 캡이라고 지칭될 수 있는 반면에 벨로우즈(46) 및 단부 캡(50)은 "하부" 벨로우즈 및 단부 캡이라고 지칭될 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서에서 도 1 내지 도 3에 도시된 댐퍼(42)[좀 더 일반적으로는, 3파라미터 아이솔레이터(10)]의 예시된 배향을 참조한 것이고 댐퍼(42)[및 아이솔레이터(10)]가 3차원 공간에서 임의의 배향을 가질 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
상부 단부 캡(48)은 상부 벨로우즈(44)의 상부 원주 에지에 밀봉식으로 결합되는 반면에 하부 단부 캡(50)은 하부 벨로우즈(46)의 하부 원주 에지에 밀봉식으로 결합된다. 이러한 목적을 위하여 단부 캡들(48 및 50)과 벨로우즈들(44 및 46) 사이에서 각각 유체 기밀성(fluid-tight) 결합을 생성하기에 적합하면서 원주 용접(circumferential welding)을 포함하는 임의의 결합 기술이 이용될 수도 있다. 연결 막대(52)는 상부 단부 캡(48)으로부터 축방향으로, 피스톤(54) 내에 제공된 중앙 개구를 통해 그리고 하부 단부 캡(50)으로 연장되어 단부 캡들(48 및 50)을 고정되게 커플링한다. 댐퍼 피스톤(54)은 벨로우즈(44 및 46)와 탄력적으로 커플링된다. 대향하는 유압 챔버들(56 및 58)은 벨로우즈(44 및 46), 단부 캡(48 및 50), 연결 막대(52), 및 피스톤(54)에 의하여 형성된다. 챔버(56 및 58)는 댐퍼 피스톤(54)의 내부 원주면 및 연결 막대(52)의 외부 원주면에 의하여 또한 형성되는 고리(annulus; 60)에 의하여 유체 결합된다. 챔버들(56 및 58)은 유체 기밀성을 가지며, 감쇠 유체, 예컨대 실리콘 기반의 감쇠 액체를 밀봉식으로 수용하도록 구성된다. 아이솔레이터(10)는 처음에 감쇠 유체가 없이 생산되어 배포될 수도 있는데, 감쇠 유체는 추후에 도시 생략된 충진 포트를 이용하여 아이솔레이터(10)의 사용 이전에 유압 챔버(56 및 58) 내로 도입될 수도 있다.
댐퍼 피스톤(54)은 벨로우즈(44 및 46)를 넘어 피스톤(54)으로부터 외부로 방사상으로 돌출되는 방사상 플랜지(62)를 포함한다. 피스톤 플랜지(62)는 예를 들어 복수 개의 볼트들(미도시)을 이용하여 평판 구조(14)의 중앙 구역에 부착된다. 유사한 방식으로, 하부 단부 캡(50)은 볼트체결에 의하여 또는 그렇지 않으면 캡(50) 주위에 제공된 방사상 플랜지(64)에 베이스 피스(18)를 부착시킴으로써 베이스 피스(18)의 중앙 구역에 부착된다. 중앙 개구(66)는 평판 구조(14) 내에 제공되어 댐퍼(42)의 상부 부분을 수용한다. 상부 벨로우즈(44)는 개구(66)를 통해서 연장됨으로써, 상부 단부 캡(48)이 댐퍼 피스톤(54) 및 하부 단부 캡(50)에 비해 평판 구조(14)의 대향측 상에 위치설정되도록 한다. 아이솔레이터(10)의 작동 중에, 댐퍼 피스톤(54)은 튜닝 스프링(36)의 편향과 함께 행정을 행하고, 벨로우즈(44 및 46)는 확장 및 수축되며, 챔버들(56 및 58)의 개별적인 체적은 변하고, 감쇠 유체는 강제로 고리(60)를 통과하여 원하는 감쇠 효과를 제공한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 댐퍼(42)는 아이솔레이터(10) 내에 전체적으로 보유되거나 그 안에서 안착되고, 대부분의 댐퍼들(42)은 환형 측벽(28)에 의하여 둘레를 따라 경계지어지는 내부 캐비티(68) 내에 보유된다. 추가적인 실시예에서는, 다른 마운팅 장치들이 이용될 수도 있고, 댐퍼(42)의 설계에서 다양한 변경이 행해질 수도 있다. 예를 들어, 추가적인 실시예에서, 벨로우즈(44 및 도 46)는 외부에서 가압될 수도 있다. 더욱이, 다른 구현형태들에서는 평판 구조(14)의 중앙 구역과 베이스 피스(18) 사이에 다중 유체 댐퍼들이 커플링될 수도 있다.
위에서 설명된 구조적 구성 덕분에, 두 개의 병렬 부하 경로들, 즉 (ⅰ) 제 1 부하 경로[도 3 에서 화살표(70)로 표시됨]로서, 마운팅 인터페이스(20)를 통과하여, 환형 칼라(16)를 통과하여, 평판 구조(14)의 외부 환형 구역을 통과하여[그리고 이에 따라 메인 스프링(34)을 통과하여], 환형 측벽(28)을 통과하여, 베이스 피스(18)를 통과하여, 그리고 마운팅 인터페이스(22)로 연장되는, 제 1 부하 경로; 및 (ⅱ) 제 2 부하 경로[화살표(72)로 표시됨]로서, 마운팅 인터페이스(20)를 통과하여, 환형 칼라(16)를 통과하여, 평판 구조(14)의 내부 환형 구역을 통과하여[그리고 이에 따라 튜닝 스프링(36)을 통과하여], 댐퍼(42)를 통과하여, 베이스 피스(18)를 통과하여, 마운팅 인터페이스(22)로 연장되는, 제 2 부하 경로가 아이솔레이터(10)에 의해 제공된다. 또한, 제 1 부하 경로 및 제 2 부하 경로 각각을 따라서 취할 때, 댐퍼(42)가 환형 측벽(28)(축방향 연장부)과 병렬로 그리고 베이스 피스(18)와 직렬로 커플링된다고 언급될 수도 있다. 따라서, 아이솔레이터(10)는 메인 스프링[외부에 가공된 스프링(34)]을 포함하는 3파라미터 디바이스를 포함하는데, 이 메인 스프링은, 직렬로 커플링된 이차 스프링[내부에 가공된 스프링(36)] 및 댐퍼[유체 댐퍼(42)]와 병렬로 커플링된다. 다른 타입의 수동 아이솔레이터, 예컨대 2파라미터(two parameter) 점탄성 아이솔레이터들과 비교할 때, 3파라미터 아이솔레이터들은 높은 주파수, 작은 진폭의 가진력, 예컨대 지터(jitter)의 우수한 감쇄를 제공한다. 3파라미터 아이솔레이터들에 대한 추가적 논의는, 발명의 명칭이 "3파라미터 점성 댐퍼 및 아이솔레이터(THREE PARAMETER VISCOUS DAMPER AND ISOLATOR)"이고 1984 년 1 월 26 일자로 허여된 미국 특허 번호 제 5,332,070 호; 그리고 발명의 명칭이 "외부 가압식 밀봉 밸로우즈를 이용하는 아이솔레이터(ISOLATOR USING EXTERNALLY PRESSURIZED SEALING BELLOWS)"이고 2007 년 2 월 27 일자로 허여된 미국 특허 번호 제 7,182,188 B2 호에서 발견될 수 있다. 이들 양자 모두는 본 출원의 양수인에게 양도되어 있으며 참조에 의하여 통합된다. 화살표들(70 및 72)은 도 3에서의 3파라미터 아이솔레이터(10)의 오직 일부에 상재(overlay)하고, 이들 각각은 예시의 명확화를 위하여 단일 화살표를 포함한다. 아이솔레이터(10)를 통과하여 제공되는 병렬 부하 경로들이 양방향성이고 아이솔레이터(10)의 길이방향 축 또는 중심선 주위에서 취할 때 일반적으로 축대칭이라는 것을 이해할 것이다.
따라서 다른 공지된 3파라미터 아이솔레이터와 비교할 때 감소된 길이 또는 높이를 가지며[예를 들어, 아이솔레이터(10)의 길이는 그 외경보다 더 작을 수도 있음], 멀티-포인트 마운팅 장치 내에서 사용되기에 매우 적합한 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 예시적인 실시예가 제공되었다. 따라서 위에서 설명된 아이솔레이터는, 아이솔레이터 마운트 포인트들 사이에 상대적으로 제한된 축방향 거리를 허용하면서 (퍽-형상 점탄성 마운트 또는 다른 로우 프로파일 2파라미터 아이솔레이터와 비교할 때) 우수한 감쇠 특성을 제공하는 것이 바람직한 용례들에서 이용되는 것이 유리할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시되는 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터(10)는 오직 비한정적인 예로써 제공된다는 것 그리고 첨부된 청구항들에 진술된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 아이솔레이터(10)에 대해 다양한 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 아이솔레이터의 추가적인 실시예에서, 메인 스프링 및 튜닝 스프링은 평판 구조의 내부 환형 부분 및 외부 환형 부분 각각에 형성될 수 있는 반면에 다수 개의 댐퍼들은 평판 구조의 외부 둘레 주위에 위치설정된다. 이러한 점을 더욱 강조하기 위하여, 이러한 구조적 배치를 가지는 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터의 예시적인 실시예가 도 4 내지 도 6과 함께 이제 설명될 것이다.
도 4 내지 도 6은 각각 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서 도시된 바와 같은 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터(80)의 평면도, 측면도 및 단면도이다. 많은 면에서, 아이솔레이터(80)는 도 1 내지 도 3과 함께 위에서 설명된 아이솔레이터(10)와 유사하다. 예를 들어, 3파라미터 아이솔레이터(80)는 아이솔레이터(80)의 길이방향 축 또는 중심선에 대해 수직으로 위치설정되는 평판 구조(82), 구조(82)로부터 축방향으로 연장되고 아이솔레이터(80)의 제 1 마운트 포인트로서의 역할을 하는 환형 칼라(84), 구조(82)에 고정되게 커플링되며 아이솔레이터(80)의 제 2 마운트 포인트로서의 역할을 하는 베이스 피스(86)(도 5 및 도 6에 도시됨), 구조(82)와 베이스 피스(86) 사이에서 연장되는 축방향 연장부(88)(도 6에서 볼 수 있음), 구조(82)에 형성되는 메인 스프링(90)(도 4 및 도 6), 및 메인 스프링(90)에 근접하게 구조(82) 내에 형성되는 튜닝 스프링(92)(도 4 및 도 6)을 포함한다. 그러나, 아이솔레이터(10)(도 1 내지 도 3)의 스프링들과 대조적으로, 메인 스프링(90)은 평판 구조(82)의 내부 환형 부분에 형성되고 구조(82)의 외부 환형 부분에 형성되는 튜닝 스프링(92)과 외접한다. 추가적인 차이점으로서, 축방향 연장부(88)(도 6)는 길쭉한 컬럼 또는 포스트의 형태를 취하는데, 이것은 평판 구조(82)의 중앙 부분으로부터 베이스 피스(86)의 중앙 부분으로 연장된다. 아이솔레이터(10)의 축방향 연장부[즉, 도 1 내지 도 3에 도시되는 환형 측벽(28)]와 유사하게, 축방향 연장부(88)는 아이솔레이터의 길이방향 축 또는 중심선과 실질적으로 동심으로 그리고 실질적으로 병렬로 연장된다. 다시 말하건대, 평판 구조(82), 환형 칼라(84), 및 축방향 연장부(88)가 단일 가공 부품으로서 일체로 생산되는 것이 바람직하다(하지만 반드시 그래야 하는 것은 아니다). 평판 구조(82)와 일체로 형성되든지 그렇지 않든지, 환형 칼라(84)는, 스프링들(90 및 92)이 각각 형성되는 구조(82)의 내부 환형 부분과 외부 환형 부분 사이의 위치에서 평판 구조(82)에 커플링된다.
3파라미터 아이솔레이터(80)는 복수 개의 밀봉식으로 시일된 유체 댐퍼(94)들을 더 포함하는데, 이 유체 댐퍼들은 환형 어레이로 평판 구조(82)의 외부 둘레에 커플링되고 상기 외부 둘레 주위에서 이격된다. 좀 더 구체적으로는, 아이솔레이터(80)는 다수 개의 둘레에 따라 이격되는 탭들(96)을 포함하도록 형성되는데, 이 탭들은 평판 구조(82)로부터 방사상으로 외부로 연장되고 평판 구조와 일체로 형성될 수도 있다. 각각의 탭(96)은 유체 댐퍼(94)가 관통하여 수납되는 개구(98)를 포함한다. 예시된 예에서, 유체 댐퍼(94)는 위에서 도 3과 함께 설명된 댐퍼(42)와 실질적으로 동일하며, 따라서, 동일한 참조 부호들이 동일한 구조적 요소를 표시하기 위하여 이용된다. 댐퍼(94)에 대한 상세한 설명은 중복을 피하기 위하여 반복되지 않는다. 각각의 댐퍼(94)의 상부 벨로우즈(44)(도 5 및 도 6)는 대응하는 탭(96)에 제공되는 개구(98)를 통과하여 연장될 수도 있고, 각각의 댐퍼(94)의 댐퍼 피스톤(54)(도 6)은 피스톤(54) 주위에 제공되는 방사상 플랜지(62)(도 5 및 도 6)를 통해 탭(96)에 부착될 수도 있으며, 하부 단부 캡(50)(도 6)은 캡(50) 주위에 제공된 방사상 플랜지(64)를 통해 베이스 피스(86)에 부착될 수도 있다. 이러한 방식으로, 유체 댐퍼들(94)의 환형 어레이는 튜닝 스프링(92)과 베이스 피스(86) 사이에서 기계적으로 커플링된다. 따라서 아이솔레이터(80)의 길이방향 축을 따르는, 튜닝 스프링(92)의 편향은 결과적으로, 원하는 감쇠 효과를 제공하기 위한 각각의 댐퍼(94) 내의 대향하는 유체 챔버(56)와 유체 챔버(58)(도 6) 사이의 감쇠 유체 흐름을 강제적으로 일으키는, 댐퍼 피스톤들(54)의 병진 이동을 초래할 것이다. 추가적인 실시예에서, 유체 댐퍼들(94)은 다른 타입의 감쇠 디바이스들, 예컨대 몇 가지 예들을 나열하자면 에디 전류, 점탄성, 공압, 압전, 또는 보이스 코일 댐퍼들에 의하여 대체될 수도 있다.
다시 말하건대, 두 개의 병렬 부하 경로들이 예시적인 아이솔레이터에 의해 제공된다. 도 4 내지 도 6에 도시된 3파라미터 아이솔레이터(80)의 경우에, 제 1 부하 경로[도 6 에서 화살표(100)로 표시됨]는 환형 칼라(84) 내에 제공되거나 환형 칼라에 커플링되는 마운팅 인터페이스로부터, 칼라(84)의 보디를 통과하여, 평판 구조(82)의 내부 환형 구역을 통과하여[그리고 이에 따라 메인 스프링(90)을 통과하여], 축방향 연장부(88)를 통과하여, 베이스 피스(86)의 보디를 통과하여, 그리고 베이스 피스(86) 내에 제공되거나 베이스 피스에 커플링되는 마운팅 인터페이스로 연장된다. 이와 유사하게, 제 2 부하 경로[화살표(102)로 표시됨]는 환형 칼라(84)와 연관되는 마운팅 인터페이스로부터, 칼라(84)의 보디를 통과하여, 평판 구조(82)의 외부 환형 구역을 통과하여[그리고 이에 따라 튜닝 스프링(92)을 통과하여], 댐퍼들(94)의 환형 어레이를 통과하여, 베이스 피스(86)의 보디를 통과하여, 그리고 베이스 피스(86)와 연관되는 마운팅 인터페이스로 연장된다. 따라서, 아이솔레이터(80)는 메인 스프링[내부에 가공된 스프링(90)]을 포함하는 3파라미터 디바이스를 포함하는데, 메인 스프링은, 직렬로 커플링된 이차 스프링[외부에 가공된 스프링(92)] 및 하나 이상의 댐퍼들[유체 댐퍼들(94)]과 병렬로 커플링된다. 그러나, 다른 공지된 3파라미터 아이솔레이터들과 대조적으로, 3파라미터 아이솔레이터(80)는 축방향으로 콤팩트하고 일반적으로 퍽-형상 또는 패드-형상 폼 팩터를 가진다. 또한 아이솔레이터(80)는 상대적으로 내구성이 좋고, 경량이며, 상대적으로 적은 부품 수를 특징으로 한다.
본 명세서에서 설명되는 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터들은, 고충실도의 아이솔레이션 및 6 자유도에서의 강성을 제공하는 아이솔레이팅 시스템 내에 채용되는 것이 유리하다. 도 1 내지 도 3에 도시되는, 일반적으로 단일 DOF의 축방향 감쇠 디바이스로서 설계되는 아이솔레이터(10)의 경우에는, 멀티-포인트 아이솔레이션 시스템을 형성하기 위하여 아이솔레이터(10)와 동일하거나 이와 유사한 다수 개의 아이솔레이터들이 이용될 수 있다. 이러한 점을 더욱 강조하기 위하여, 도 7은 복수 개의 아이솔레이터들(112)을 포함하는 아이솔레이션 시스템(110)을 총괄적으로 도시하는데, 상기 아이솔레이터들은 도 1 내지 도 3에 도시된 아이솔레이터(10)와 실질적으로 동일할 수도 있다. 아이솔레이션 시스템(110)은 3개 이상의 아이솔레이터들(112)을 포함할 수도 있는데, 이것들은 볼트, 브라켓, 클램프, 또는 기타 등등과 같은 마운팅 하드웨어(116)[총괄적으로 두 개의 아이솔레이터들(112)에 대하여 도시됨]를 이용하여 고립된 보디(114)(예를 들어, 반응 휠 어레이, 순간 제어 자이로스코프 어레이, 또는 다른 페이로드)에 마운팅된다. 총괄하여, 아이솔레이터(112)는 아이솔레이션 시스템(110)을 통해 고립된 보디(114)로 또는 고립된 보디로부터 전파되는 진동력의 감쇠를 제공한다. 비교에 의하여, 도 4 내지 도 6에 도시된 아이솔레이터(80)는 단일 DOF의 축방향 감쇠기로서 이용될 수도 있지만 다중 DOF 감쇠 디바이스로서도 이용될 수 있다. 아이솔레이터(80)의 길이방향 축 또는 중심선으로부터의 댐퍼들(94)의 상대적으로 넓은 간격[이것은 평판 구조(82)의 직경 및/또는 방사상 탭들(96)의 길이를 증가시키거나 감소시킴으로써 원하는 바에 따라 조절 가능함]에 기인하여, 상대적으로 큰 모멘트 암(moment arm)이 생성되고, 충분한 이동이 댐퍼들(94) 내에서 발생하여 총 3 개의 직교 축들을 따라 그리고 상기 직교 축들 주위에서 상당한 감쇠를 제공할 수도 있다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 아이솔레이션 시스템(120)은 단일의 상대적으로 넓게 확산된(wide-spread) 아이솔레이터(122)를 포함하여 형성될 수 있는데, 이것은 아이솔레이터(80)(도 4 내지 도 6)와 동일하거나 유사할 수도 있으며 마운팅 하드웨어(126)를 통하여 고립된 보디(124)에 부착된다. 따라서 아이솔레이터(122)는 단일 패키지 내의 보디(124)로 전파되거나 보디로부터 전파되는 교란력의 6 DOF 진동 아이솔레이션을 제공할 수도 있다. 3파라미터 아이솔레이터(122) 내의 댐퍼들은 벨로우즈의 순 운동(sheer movement) 및 스퀴즈 필름 댐핑에 의하여 아이솔레이터(122)에 대해 상대적인 고립된 보디(124)의 측방향 이동을 댐핑시키도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 아이솔레이터(122)는 보디(124)의 최대 플랜폼(planform) 치수의 적어도 절반인 최대 플랜폼 치수를 가질 수도 있다. 이러한 예에도 불구하고, 아이솔레이터(80)와 유사한 다수의 아이솔레이터들을 채용하는 멀티-포인트 아이솔레이션 시스템이 다른 실시예들에서 형성될 수 있다.
따라서, 앞선 내용은 로우 프로파일 3파라미터 아이솔레이터, 예컨대 일반적으로 퍽-형상 또는 패드-형상 폼 팩터를 가지는 아이솔레이터의 다수의 예시적인 실시예들을 제공한다. 이러한 관점에서, 위에서 설명된 3파라미터 아이솔레이터의 실시예들은 아이솔레이터의 최대 플랜폼 치수(예를 들어, 외경)보다 더 작은 길이 또는 높이(아이솔레이터의 길이방향 축을 따라 취해짐)를 가질 수도 있다. 유리하게는, 위에서 설명된 3파라미터 아이솔레이터의 실시예들은 용이하게 제조 가능하고, 내구성이 있으며, 경량이다. 더욱이, 위에서 설명된 3파라미터는 상대적으로 적은 부품수를 가질 수도 있으며, 특히 메인 스프링 및 튜닝 스프링이 모놀리식 또는 단일 부품 플레이트 구조 또는 방사상 연장 벽 내로 절단되어 들어가거나 다른 방식으로 형성되는 실시예들에서는 더욱 그러하다. 추가적인 장점으로서, 위에서 설명된 평판 디자인은, 아이솔레이터의 감쇠 특성이 실질적으로 선형 방식으로 부하 및 온도에 따라 변경되도록 허용하는 반면에, 상이한 크기 및 강성을 위해 가공된 스프링의 튜닝을 가능하게 한다. 위에서 설명된 아이솔레이터의 실시예들은 고충실도의 감쇠 및 6 자유도에서의 강성을 제공할 수 있는 아이솔레이션 시스템 내에서의 이용에 역시 적합하다.
적어도 하나의 예시적인 실시예가 앞선 상세한 설명에서 제시되었지만, 방대한 수의 변형예들이 존재한다는 것을 이해해야 한다. 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 예일 뿐이라는 것, 그리고 임의의 방식으로 본 발명의 범위, 적용 가능성, 또는 구성을 한정하려고 의도되지 않는다는 것을 또한 이해해야 한다. 오히려, 앞선 상세한 설명은 당업자들에게 본 발명의 예시적인 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드 맵을 제공할 것이다. 첨부된 청구항들에서 기술되는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 예시적인 실시예에 설명된 구성 요소들의 기능 및 배치구성에 대해 다양한 변경이 가해질 수도 있다는 것이 이해된다.
10 : 아이솔레이터
14 : 평판 구조
16 : 칼라
18 : 베이스 피스
20, 22 : 마운팅 인터페이스
26 : 개구
28 : 환형 측벽
34 : 메인 스프링
36 : 튜닝 스프링
38 : 개구
42 : 댐퍼

Claims (3)

  1. 길이방향 축(12)을 가지는 3파라미터 아이솔레이터(10, 80)로서,
    제 1 댐퍼(42, 94);
    상기 제 1 댐퍼에 커플링되고 상기 길이방향 축에 대해 직교하여 연장되는 평판 구조(14, 82);
    상기 평판 구조 내에 형성되고, 상기 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 1 부하 경로(70, 100)를 따라서 취할 때 상기 제 1 댐퍼(42, 94)와 병렬로 커플링되는 메인 스프링(34, 90);
    상기 평판 구조 내에 형성되는 튜닝 스프링(36, 92)으로서, 상기 3파라미터 아이솔레이터를 통과하는 제 2 부하 경로(72, 102)를 따라서 취할 때 상기 메인 스프링과 병렬로 그리고 상기 제 1 댐퍼와 직렬로 커플링되는 튜닝 스프링(36, 92)
    을 포함하는, 3파라미터 아이솔레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 스프링(34, 90) 및 상기 튜닝 스프링(36, 92) 중 하나는 상기 평판 구조(14, 82)의 내부 환형 구역(inner annular region) 내에 형성되는 반면에 상기 메인 스프링(34, 90) 및 상기 튜닝 스프링(36, 92) 중 다른 하나는 상기 평판 구조의 외부 환형 구역 내에 형성되는 것인 3파라미터 아이솔레이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판 구조(14, 82)는, 이 평판 구조에 형성되어 상기 메인 스프링(34, 90) 및 상기 튜닝 스프링(36, 92)을 형성하는 복수 개의 개구들(38)을 가지는 격판 벽(40)을 포함하는 것인 3파라미터 아이솔레이터.
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