JP3367695B2 - 多軸粘性ダンパー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は震動ダンピングのための
装置に関するものであり、更に詳しく言えば、宇宙衛星
応用のための小型の折り返し構造を有する粘性ダンパー
に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】宇宙航空装置は震動を分離する必要性が
増大している。そのような装置は、回転する機械のよう
なダイナミックの動作するハードウェアから発生される
震動を減少する必要があり、また鋭敏なハードウェア
を、発進時の震動や宇宙船の外乱から保護する必要があ
る。非常に低い外乱レベルで広い範囲にわたって分離す
る構造が、本願出願人が所有する米国特許第４，７６
０，９９６号明細書に記載されている。その構造は粘性
流体ダンピング要素と並列に作用する金属ばねを用いて
いる。金属ベローズと並列に動作するコイルばねにより
剛性が保たれていた。ペイロード運動中に環状ダンピン
グ室を通るダンピング流体の粘性のある流れによりダン
ピングが行われる。しかし、この構造は、温度変化によ
るダンピング流体の膨脹収縮を補償するために、温度補
償器を頭に載せたベローズの積み重ねのアレイを必要と
するから、十分な長さを必要としていた。従来の構造の
別の欠点は、１つのベローズが膨脹させられたとき他の
ベローズが収縮させられて一定の全容積を維持するため
にベローズ内に包まれた長手方向の棒を必要としてい
た。これは第１のベローズと、第２のベローズおよび温
度補償器を長手方向に整列させるために十分な高さを設
けることを必要とする。全容積は一定に保たれるから、
温度によるダンピング流体の膨脹を行えるようにするた
めの補助温度補償器を設けることが必要である。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ダンピング流体内で温
度変化とは十分に独立して第１のベローズと第２のベロ
ーズが膨脹または収縮できるようにする構造により、構
造を「折り返し」、とすることで一層小型とし、かつ容
積を制限する軸および温度補償器の必要性を無くすこと
が見出されている。本発明は、クーロン力を受けること
がなく、摩擦表面が磨耗することなしに、小型で、密閉
されたパッケージ内に多軸ダンパーまたは分離システム
を形成する際に使用する設計の融通性を提供するもので
ある。本発明は、小さい震動擾乱を含めて、広いダイナ
ミック範囲にわたって直線的な性能と、大きいダンピン
グ値を提供する。簡単にされた機械的設計によって、従
来の構造と比較してより低いコストで製作できる。 【０００４】 【課題を解決するための手段】本発明の粘性ダンパー
は、第１の開口部と第２の開口部、およびそれら第１の
開口部と第２の開口部の間で流体を連絡させるための流
体通路を形成され、構造部材へ取り付けるようにされた
ベースを備える。ベースの上には、ペイロードを支持す
るようにされ、第１の開口部を介して流体通路に通じる
可変容積の流体室を有する弾力的に変形可能な第１のダ
ンピング部材が配置される。第２の弾力的に変形可能な
ダンピング部材が、ベースへ取り付けられ、流体通路と
流体室に粘性ダンピング流体が充たされる。流体が弾力
的に変形可能な部材から流体通路を通って他の変形可能
な部材へ動かされるにつれて、それらの弾力的に変形可
能な部材は十分な逆容積関係で変形させられ、２つの部
材の総容積はほとんど変化せず、２つの部材は流体の温
度変動に従って生ずる粘性流体の膨張収縮による独立の
変形に対して自由である。好適な実施例においては、第
１の弾力的に変形可能なダンピング部材と第２の弾力的
に変形可能なダンピング部材は第１の長手軸と第２の長
手軸にそれぞれ沿って配置され、それらの部材は軸線方
向に隔てられ、互いに平行に整列させられるが、ベース
に対しては角度を成して配置される。変形可能なダンピ
ング部材は、所定のばね定数を有するベローズで構成
し、追加のばね偏倚を与えるために、それらのベローズ
の少なくとも一方を同軸ばねにより強くすることが好ま
しい。 【０００５】 【実施例】折り返し型粘性ダンパーの構造を図１を参照
して説明する。粘性ダンパー１０は、震動源を含むこと
がある構造部材１２へ取り付けるためのベース１６を含
む。このベース１６には、ベローズの態様を取ることが
できる第１の弾力的に変形可能なダンピング部材１１
と、第２の弾力的に変形可能なダンピング部材１３とが
取り付けられる。この部材１３もベローズの態様を取る
ことが好ましい。弾力的に変形可能なダンピング部材１
１はペイロード・アダプタ２４へ固定できる。そのペイ
ロード・アダプタ２４は震動および衝撃から分離すべき
ペイロード（図示せず）へ取り付けられる。したがっ
て、ベース１６が結合されている震動源からの震動は粘
性ダンパー１０で減衰させられ、ペイロードへ悪影響が
加えられることが阻止される。構造部材１２とペイロー
ド・アダプタ２４は本発明を構成しないから説明は省略
する。 【０００６】次に、本発明の実施例の好適な実施例の断
面図が示されている図２と図３を参照する。ベース１６
は、流体が加圧された時に変形せずに流体を保持してお
くために適当な、金属またはプラスチックのような適切
な硬い材料で製作でき、構造支持部材へ取り付けられる
ようにされる。部材１１と１３は、互いに軸線方向に隔
てられ、かつ互いに平行になって、ベース１６に対して
直角に配置されて取り付けられる。部材１１と１３はベ
ースへ通常のやり方で固定できる。部材１１の上面には
中央円形穴２３が設けられる。ペイロードアダプタ２４
へ固定するために穴２３にはねじ溝その他の固定手段を
形成できる。部材１１にはスリーブ２５を形成できる。
部材１１はスリーブ２５とインサート２７で形成でき
る。このスリーブ２５は、ベローズで構成できる。その
ベローズは、ニッケル、チタン、または所定のばね定数
を有するベリリウム銅のような弾性的に変形可能な材料
で構成できる。インサート２７は硬い円筒形をしてお
り、スリーブ２５に組み合わされて封じられた流体室２
６を形成するように構成される。その流体室２６はベー
ス１６内の開口部１４に通じる。したがって、流体室２
６は、ベースからペイロード・アダプタへ伝えられる震
動の大きさによってその容積を変化させる。すなわちス
リーブ２５は膨脹または収縮する。流体３２がダンピン
グ部材１１から開口部１４を通って動かされるにつれ
て、その流体は環状流体通路２０へ押し出され、開口部
１８を通ってダンピング部材１３の流体室３０の中へ流
れ込む。そのダンピング部材１３はダンピング部材１１
に類似するやり方で構成される。したがって、弾性的に
変形可能な部材１１と１３は、流体が一方の部材から流
体通路を通って他方の部材へ動かされて一方の部材が変
形させられるので、逆容積関係を持つことがわかる。ダ
ンピング部材の全容積はほとんど変わらず、ダンピング
部材は、流体の膨脹または収縮の独立な変形は流体の温
度変化に影響を受けない。 【０００７】流体通路２０と流体室２６、３０へは粘性
ダンピング流体３２が、ベース１６の端部まで延長して
流体通路２０に通じている注入穴４４を通じて注入され
る。弾性的に変形可能な部材１１，１３のそれぞれのス
リーブ２５，３１は、前記のように希望のばね定数を持
つように形成できる。あるいは、ばね定数を大きくする
ため、または変形可能なダンピング部材に力を予め加え
るために、補助ばね４２をスリーブ２５に同軸状に設け
ることができる。同様に、変形可能なダンピング部材１
３のばね定数を類似のやり方で大きくすることができ
る。 【０００８】図３に示すように、部材１１と１３はそれ
ぞれの長手軸３４，３６に沿って伸びる向きの応力をと
くに受けるようにされる。部材１１の上端部はインサー
ト２７の頂部で構成され、震動中は、長手軸３４に対し
て、典型的には５度も角変位させることができる。粘性
流体を介して作用するスリーブ２５の弾力は対応する角
度方向のダンピングをも行う。 【０００９】流体通路２０と流体室２６，３０に充たさ
れる流体は、温度係数が小さく、流体室を構成する材料
に対して化学的に中性であるような流体である。シリコ
ン液は非常に満足できる特性を示す。粘性流体を注入穴
４４を通じて注入すること、および流体通路２０の内部
に粘性流体を保持することができるように、栓その他の
種類のシールが求められる。図１においては、雄ねじ１
５およびガスケット（図示せず）によりシールが行われ
る。図３では、金属球４６によりシールの別の構造が示
されている。その金属球４６は圧入またはねじシール４
５による流体通路のシールを行う。 【００１０】図４は、多軸震動ダンピングを行う本発明
の別の好適な実施例を示す。ベース６６は第１と第２の
曲げられて配置された面５０，５２を有する。面５０
は、第１の弾性的に変形可能なダンピング部材２２を長
手軸６２に沿って受けるようにされる。ダンピング部材
２２の他端部はペイロード・アダプタ６３へ取り付けら
れるようになっている。ダンピング部材２２と同様に構
成されている、第２の変形可能なダンピング部材５４
は、ベース６６の面５２へ取り付けられ、長手軸６５に
沿ってペイロード・アダプタ６３へ取り付けられるよう
にされている。ベース６６の反対側の面には第３の弾性
的に変形可能なダンピング部材２８が取り付けられる。
ダンピング部材２２と５４を第１のダンピング部材と呼
び、ダンピング部材２８を第２のダンピング部材と呼ぶ
ことができる。第２のダンピング部材には流体室が設け
られる。その流体室は開口部６８を介して環状流体通路
７０に通じる。その流体通路７０は開口部７２を介して
ダンピング部材２２に通じ、開口部７４を介してダンピ
ング部材５４に通じる。したがって、震動源が長手軸６
２と６５に対応する軸線方向に向き合う方向の少なくと
も一方の方向に沿う変位成分を有する時に、この粘性ダ
ンパーは動作し、第２のダンピング部材２８は、その部
材２８と、第１の部材２２と５４の少なくとも一方との
間での流体の移動に弾性的に応答することがわかる。同
様に、追加の弾性的に変形できる部材と、流体通路７０
へ連結される流体通路とを設けることにより、軸線６２
と６５の面に垂直な第３の方向でダンピングを行うよう
にすることもできる。 【００１１】更に別の実施例が図５に示されている。ベ
ース７６には２つの独立した環状流体室６０，８０が設
けられる。ベース７６は、長手軸６２と６５に沿う震動
ダンピングをアダプタ６３を介してペイロードに対して
行うように、ダンピング部材６４と８６を取り付けるた
めの角度をおいて配置される２つの面５１と５３を有す
る。ペイロード・アダプタ６３の１つの面へ取りつける
ことができるダンピング部材６４は開口部７８を介して
環状流体通路８０に通じ、開口部８２から第２のダンピ
ング部材８４へ出る流体室を有する。したがって、ダン
ピング部材６４と８４は図２におけるような粘性ダンパ
ーを形成する。同様にして、ダンピング部材８６はペイ
ロード・アダプタ６３の反対側の表面へ取り付けられ、
流体開口部４８と５８および流体室６０を介して、第２
のダンピング部材５６と協働する。そうすると、長手軸
６２と６５の少なくとも一方に沿う変位成分を震動源が
有する時にこのダンパーは動作し、ダンピング部材６４
と８４は、長手軸６２に沿うペイロード・アダプタ６３
の変位に弾性的に応答し、ダンピング部材５６と８６は
長手軸６５に沿うペイロード・アダプタの変位に弾性的
に応答する。震動源（図示せず）により発生された震動
をダンピングできるように、その震動源は前記したよう
にしてベース７６へ結合される。 【００１２】図３を再び参照する。動作時のペイロード
分離は、ダンピング部材１１の追加のばね４２により強
められたコンプライアンスと、環状流体通路２０を通る
流体のせん断によりひき起こされた速度に比例するエネ
ルギー吸収とにより行われる。そのせん断は流体が、第
１のベローズ２５に囲まれている体積から、第２のベロ
ーズ３１により囲まれている体積まで、またはその逆の
向きに、流体が動かされる時に生ずる。それは、ペイロ
ードと取り付けインターフェイスの間の相対的な動きに
よりひき起こされる。したがって、ベース１６へ圧縮力
を加えるとインサート２７がスリーブ２５の中に押し込
まれる。そのスリーブは長手方向と、それの長手軸に関
して角度を成す方向とに変形できる。流体室２６の容積
は減少させられるから、ダンピング流体３２は開口部１
４を通って流体室２０の中へ入れられる。通路２０内の
流体３２の流量は、通路とベースの口との寸法により調
整される。ここで用いる「流体通路」という用語は円
形、長円形またはその他の幾何学的形状のものを指す。
流体通路２０は、それを流れるダンピング流体の流量を
増大または減少できるように寸法を定めることができ
る。加圧された流体は開口部１８を通ってダンピング部
材１３の流体室３０の中に入れられて、流体室３０を膨
脹させるとともに、スリーブ３１を対応して膨脹させ、
インサート３５を曲げさせる。ダンピング部材１１から
圧縮力が除去されると、インサート２７は、スリーブ２
５のばね定数と、ばね４２のばね定数および流体室３０
から流体室２６へのダンピング流体の流れによりひきお
きされるスリーブ２５の膨脹により、上昇させられる。 【００１３】運動の力学を示す数学モデルが本発明の動
作を更に理解する助けとなる。図６は、ばね−質量系の
等価機械回路を示す概略線図である。これは従来技術の
インライン構成に対応するから、同じ程度の予測可能性
を提供するものであって、構成要素は物理的に独立して
おり、個々に決定できるから、希望のダイナミック特性
のために正確に設計できる。参照記号Ｍはペイロードの
質量を表し、Ｋ_A はベローズと並列ばね（使用されてい
る場合）の組み合わされた軸線方向のスチフネスを表
す。Ｋ_B は流体の圧縮性と、流体の圧力によるベローズ
の体積変化とを表す。すなわち、環状通路が詰まって、
荷重が加えられた時の流体の流れを阻止する時に生ずる
スチフネスである。係数Ｃは流体通路のダンピング係数
である。震動源の変位がｕにより表され、ｘはペイロー
ドＭの結果としての変位である。下記の測定単位におけ
る値の典型的な範囲を表１に示す。 【００１４】 〔表１〕 パラメータ 単 位 範 囲 Ｍ ｌｂｓ−ｓｅｃ²／ｆｔ ０．５〜５０ ｘ ｉｎ １０^-6〜１．０ ｕ ｉｎ １０^-6〜５．０ Ｋ_A ｌｂ／ｉｎ ５〜５００ Ｋ_B ｌｂ／ｉｎ ５００〜５００，０００ Ｃ ｌｂ／ｓｅｃ／ｉｎ １〜１０，０００ 【００１５】第１のベローズは第２のベローズに整列さ
せて、または第２のベローズに対して特定の向きで、配
置させる必要がないことがわかる。これによりダンパー
のパッケージ形状の融通性が非常に高くなる。図示のよ
うに並列にされた２つの容積により高さの低いパッケー
ジが得られる。更に、第１のベローズまたは第２のベロ
ーズをいくつか協働して用いて多軸分離を行うことがで
きる。可撓性ベローズを長手方向制約ロッドなしに用い
ているから、角運動を容易に行わせることができる。第
３の軸線を同様に付加できる。更に、動作容積が逆比例
するが、内部ロッドにより強く制約される場合には、温
度補償器ベローズは不要であることにも注目されたい。
ベローズのばね定数を適当に選択することにより、補助
ばねは不要にできる。このようにして得られた装置の性
能は広いダイナミックレンジにわたって直線的であり、
しかも大きいダンピング値を生ずる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の粘性ダンパーの一実施例の斜視図であ
る。 【図２】図１に示されている本発明の実施例の断面図で
ある。 【図３】図１に示されている本発明の実施例の横断面図
である。 【図４】ベローズ要素の間に共通の流体通路を有し、２
つの長手方向に沿って分離を行う本発明の別の実施例の
横断面図である。 【図５】ベローズ要素が分離された流体通路を用いる多
軸粘性ダンパーの横断面図である。 【図６】本発明の動作を理解するために有用なダンパー
の概略等価回路図である。 【符号の説明】 １０ 粘性ダンパー １１，１３ 弾性的に変形可能な部材 １４，１８ 開口部 １６ ベース ２０ 流体通路 ２６，３０ 流体室 ３２ ダンピング流体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−33966（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−119245（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−270532（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−99265（ＪＰ，Ａ) 実開 昭49−32090（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−83296（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3588159（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16F 9/28 B64G 1/38 G10K 11/16 H02K 5/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 少なくとも第１の開口部と第２の開口部
   と第３の開口部を形成すると共にそれら第１の開口部と
   第２の開口部と第３の開口部の間で流体を連絡させるた
   めの流体通路を形成し、構造部材へ取り付けられるよう
   にされたベースと、第１の長手軸沿いに配置され、 震動から分離されるべき
   ペイロードの第１の面へ取り付けられるようにされた第
   １の端部と、前記ベースの上に配置されかつ前記第１の
   開口部を介して前記流体通路に通じる可変容積の流体室
   を構成する第２の端部とを有する第１の弾力的に変形可
   能なダンピング部材と、第１の端部と第２の端部を有する第２の弾力的に変形可
   能なダンピング部材であって、前記第２のダンピング部
   材の第１の端部が 前記ベースへ取り付けられかつ前記第
   ２の開口部を介して前記流体通路に通じる可変容積の流
   体室を構成し、前記第２のダンピング部材の第２の端部
   が前記第２のダンピング部材の容積の膨張とは無関係で
   ある前記第２の弾力的に変形可能なダンピング部材と、を備え、 前記ベースは、第１と第２の曲げられて配置された面を
   有し、前記第１の面に前記第１のダンピング部材を受
   け、 前記ベースの前記第２の面に受けられ、前記第３の開口
   部を介して前記流体通路に通じる流体室を有する第３の
   弾力的に変形可能なダンピング部材をまた備え、 前記第３のダンピング部材の第１の端部は、前記ペイロ
   ードの第１の面に対して曲げられて配置された別な長手
   軸沿いに前記ペイロードの第２の面へ取り付けられるよ
   うにされているので、前記ペイロードが前記第１の長手
   軸と前記別な長手軸の少なくとも一方沿いの変位成分を
   有するときに、多軸粘性ダンパーが動作し、前記第３の
   ダンピング部材は前記第３のダンピング部材と前記第１
   と第２のダンピング部材の少なくとも一方との間での流
   体の移動に弾力的に応答し、 前記流体通路と、前記第１のダンピング部材の前記流体
   室と、前記第２のダンピング部材の前記流体室と、前記
   第３のダンピング部材の前記流体室とを充たす粘性ダン
   ピング流体を更に備え、前記第１のダンピング部材と前記第３のダンピング部材
   とは、前記第１のダンピング部材と前記第３のダンピン
   グ部材とが前記ペイロードによって結合されている間、
   前記粘性ダンピング流体がその温度変動に対して膨脹ま
   たは収縮する場合に前記第２のダンピング部材を容量的
   に変形可能にするように前記第２のダンピング部材の第
   ２の端部から結合を減らされる反面、前記第１のダンピ
   ング部材と前記第３のダンピング部材とは、前記第１の
   ダンピング部材と前記第３のダンピング部材との間の前
   記粘性ダンピング流体の移動の結果として前記第１のダ
   ンピング部材と前記第３のダンピング部材との膨脹また
   は収縮に対して結合され、前記第１のダンピング部材と
   前記第３のダンピング部材との総容積は、前記粘性ダン
   ピング流体の温度変動で自由に膨脹または収縮させるよ
   うに前記第２のダンピング部材が前記ペイロードから結
   合を減らされる間、前記ペイロードが動作しても変わら
   ず、 流体が前記第１のダンピング部材と前記第２のダンピン
   グ部材と前記第３のダンピング部材の少なくとも１つか
   ら前記流体通路を通って他のダンピング部材へ動かされ
   るにつれ、また流体が前記流体通路を通って前記少なく
   とも１つのダンピング部材へ戻されるにつれ、前記第１
   のダンピング部材と前記第２のダンピング部材と前記第
   ３のダンピング部材は、前記少なくとも１つのダンピン
   グ部材の変形に関して逆容積関係にある多軸粘性ダンパ
   ー。