３パラメータ、多軸分離装置、これを用いる分離システム、およびこれを製造する方法
【課題】３パラメータ、軸方向分離装置を採用する分離システムは、分離装置の数が多く、複雑で重くなり、製造コストが高くなる。これらを解決する分離装置を提供する
【解決手段】マスとベースとの間の振動の伝達を制限するように構成される２パラメータ複数軸分離装置５０の実施形態が提供される。一実施形態において、３パラメータ複数軸分離装置は５０は、ベースに取り付けられるように構成される分離装置ハウジング５２と、分離装置ハウジング５２内にシールされて取り付けられる対向するベローズ８２、８４と、対向するベローズ８２、８４の間で分離装置ハウジング内に移動可能に吊り下げられるダンパピストンと、を有する。ダンパピストンは、マスに連結されるように構成される。対向するベローズ８２、８４は、３つの実質的に直交する軸１０６、１０７、１０８に沿ってダンパピストンの運動を逸らし、マスとベースとの間の振動の伝達を制限する。
【解決手段】マスとベースとの間の振動の伝達を制限するように構成される２パラメータ複数軸分離装置５０の実施形態が提供される。一実施形態において、３パラメータ複数軸分離装置は５０は、ベースに取り付けられるように構成される分離装置ハウジング５２と、分離装置ハウジング５２内にシールされて取り付けられる対向するベローズ８２、８４と、対向するベローズ８２、８４の間で分離装置ハウジング内に移動可能に吊り下げられるダンパピストンと、を有する。ダンパピストンは、マスに連結されるように構成される。対向するベローズ８２、８４は、３つの実質的に直交する軸１０６、１０７、１０８に沿ってダンパピストンの運動を逸らし、マスとベースとの間の振動の伝達を制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概ね分離装置に関し、より具体的には、３パラメータ、多軸分離器の実施形態に関し、これは、システム宇宙船とペイロードとの間の振動の伝達を減少させるための分離システム内に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]衛星および他の宇宙船は、しばしば、反作用ホイール、コントロールモーメントジャイロスコープ、または宇宙船に搭載される他の振動放射装置により生成される振動力に敏感である、光学ペイロードのようなコンポーネントを保持する。振動力、特に、一般に「ジター（jitter）」と称される高周波数の振動力の、そのような宇宙船に搭載される振動に敏感なコンポーネントへの伝達を最小化するために分離システムが用いられる。分離システムの正確さは、個別の分離装置の一定の数（典型的には３から８の分離装置）の組み合わせとなり得る、６の自由度の減衰の高い忠実度を提供する。受動分離システムの場合、粘弾性分離装置（たとえば、多方向性ゴムマウント）がしばしば用いられる。粘弾性分離装置は、相対的に、単純で、低コスト、軽量の装置であり、これは典型的には３つの直交軸に沿う減衰を提供し、つまり３の自由度において減衰を提供する。しかし、粘弾性分離装置の減衰特性は非線形であり、振幅、変位、および温度の変化により優位に変わり得る。それゆえ、粘弾性分離装置を含む分離装置の減衰特性は、いくぶん制限的であり正確に予測することが困難である傾向にある。
【０００３】
[0003]粘弾性分離装置は、２パラメータ装置であると考えられ、機械的に並列にダンパおよびスプリングとして機能する。有利なことに、２パラメータ分離装置のピーク伝達性は、分離装置内の減衰されない装置またはバネのそれよりも有意に小さい。しかし、ピーク周波数を過ぎた後は、２パラメータ装置の減衰プロファイルは、望ましくない低速度で利得が減少する傾向にある。結果として、２パラメータ装置は、ジターのような高周波振動の理想的な減衰よりも劣る。この制限を克服するために、３パラメータ分離装置が開発されてきており、これはさらにダンパに直列に、且つ第１バネ要素に並列に第２のバネ要素を含む。ダンパに直列な第２バネの追加により、ピーク周波数に到達した後に、周波数の増加にともなう利得のより急峻な減少が可能になる。結果として、３パラメータ分離装置は、高周波数において
優れた減衰特性を提供し、一方で、相対的に低いピーク伝達性を維持する。したがって、３パラメータ分離装置は、高周波振動力の優れた減衰を提供することができる。そのような３パラメータ分離装置の例は、Ｄ−ＳＴＲＵＴ（商標）分離装置であり、現在、ニュージャージー州のモリスタウンに本社のあるハネウェル社により開発され市販されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]上述の利点を提供するが、３パラメータ分離装置は、従来から、単一の自由度の減衰に限られ、すなわち軸方向の減衰に限られてきた。６自由度（「６ＤＯＦ」）の高忠実度の分離が可能な正確な分離装置を生成するには少なくとも６つの３パラメータ分離装置が必要である。比較すると、６−ＤＯＦ分離システムは、たとえば３点動的マウント構成において組み合わせられる３つの多軸粘弾性マウントを用いて生成することができる。したがって、多軸粘弾性分離装置を採用する分離システムに対して、３パラメータ、軸方向分離装置を採用する分離システムは、分離装置の数が多く、それゆえ、より複雑になり、重くなり、また製造コストが高くなる傾向にある。
【０００５】
[0005]複数の自由度で、特に３つの実質的に直交する軸に沿う方向で、減衰を提供する３パラメータ分離装置の実施形態を提供することが望まれる。理想的には、そのような３パラメータ、複数軸分離装置の実施形態は、相対的に広い温度範囲、動的環境、および／または付加条件にわたって、実質的に線形の減衰プロファイルを提供する。また、たとえば６自由度における高忠実度分離を提供するために、複数の３パラメータ、複数軸分離装置を統合する分離システムの実施形態を提供することが望まれる。最後に、そのような３パラメータ、複数軸分離装置を製造する方法の実施形態を提供することが望まれる。本発明の実施形態の他の望ましい特徴おおび特性は、添付図面および上述の背景とともに以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することで明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006] マスとベースとの間の振動の伝達を制限するように構成される３パラメータ、複数軸分離装置の実施形態が提供される。一実施形態において、３パラメータ、複数軸分離装置は、ベースに搭載されるように構成される分離装置ハウジングと、分離装置ハウジング内にシールされて搭載される対向するベローズと、対向するベローズの間で分離装置ハウジング内に可動式に吊るされるダンパピストンと、を含む。ダンパピストンは、マスに連結するように構成される。対向するベローズは、複数の軸に沿ってダンパピストンの運動を逸らし、マスとベースとの間の振動の伝達を制限する。
【０００７】
[0007]さらに、宇宙船と宇宙船のペイロードとの間の振動の伝達を最小化するための分離システムの実施形態が提供される。一実施形態において、分離システムは、複数の３パラメータ・複数軸分離装置と、取付ハードウェアとを含む。各３パラメータ・複数軸分離装置は、分離装置ハウジングと、分離装置ハウジング内にシールされて搭載される対向するベローズと、対向するベローズの間で分離装置ハウジング内に吊るされ、宇宙船のペイロードに連結されるように構成されるダンパピストンと、を含む。対向するベローズは、複数軸に沿って。ダンパピストンの運動を逸らし、分離装置ハウジングとダンパピストンとの間の振動性の運動の伝達を低減させる。
【０００８】
[0008]さらに、３パラメータ・複数軸分離装置を製造する方法の実施形態が提供される。一実施形態において、この本方法は、分離装置ハウジングを提供するステップと、対向するベローズの間で分離ハウジング内でダンパピストンを吊るすステップと、を含み、ダンパピストンが実質的に直交する３つの軸に沿って分離装置ハウジング内で移動可能となるようにする。ダンパピストンは、対向するベローズおよび分離装置ハウジングと協働し、分離装置ハウジング内に、少なくとも部分的に複数の液圧チャンバを画定する。
【０００９】
[0009]以下に、本発明の少なくとも１つの例が添付の図面とともに説明される。添付図面において、同様の要素は同様の符号で示される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、６自由度における高忠実度の分離を提供するための、４つの３パラメータ・複数分離装置を採用する分離システムの単純化した概略図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、６自由度における高忠実度の分離を提供するための、４つの３パラメータ・複数分離装置を採用する分離システムの単純化した概略斜視図である。
【図３】例示的な３パラメータ振動分離装置の概略図である。
【図４】２パラメータ分離装置および減衰されていない装置の伝達プロファイルと比較した、３パラメータ分離装置の例示的な伝達プロファイルを示す、周波数（横軸）と利得（縦軸）の伝達性のプロットを示す図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、３パラメータ・複数軸分離装置の斜視図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、３パラメータ・複数軸分離装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0014]図１は、本発明の例示的な実施形態による分離システム１０の単純化した図であり、ペイロード１２とホスト宇宙船１５との間の振動の伝達を低減するためのものである。図示の例において、分離システム１０は、４つの分離装置１４を含み、これらは、機械的にペイロード１２に連結され、また集合的にペイロード１２を支持する。分離装置１４の反対側の端部は、取付ブラケット１８を用いて宇宙船の取付インターフェース１６に取り付けられる。以下でより詳細に説明されるように、分離装置１４は、それぞれ３自由度の減衰を提供し、特に、実質的に直交する３つの軸にそって減衰を提供する。結果として、分離装置１４は、４つのポイント動的取付構成（図１に示される）で過剰な束縛で組み合わせることができ、または、３つの分離装置１４は、標準的に、３つの動的取付構成で組わせることができ、６自由度（「６ＤＯＦ」）における減衰を提供することができる高忠実度の分離システムを提供する。比較により、単一軸または軸分離装置の場合、そのような高忠実度の６ＤＯＦ分離システムを提供するためには、典型的には６またはそれ以上の分離装置が必要である。以下でより詳細に説明するように、複数軸分離装置１４は、３パラメータ装置であり、従来の複数方向ラバーマウントおよび他の２パラメータ分離装置に比較して、優れた振動減衰特性を提供する。
【００１２】
[0016]いくつかの実施形態において、ペイロード１２は、光学ペイロードまたはセンサのような振動に敏感なコンポーネントの形態であると仮定することができ、また、分離システム１０は、宇宙船１５上の振動放出源から宇宙船取付インターフェースを通りペイロードへの振動の伝達を最小化するように機能する。他の実施形態において、ペイロード１２は、１つ以上の振動放出装置を含むことができ、分離システム１０は、ペイロード１２から宇宙船１５および宇宙船上の任意の振動に敏感なコンポーネントへの振動の伝達を低減するように機能し得る。後者に関して、ペイロード１２は、宇宙船１５の姿勢調整に用いられる、１つ以上のリアクションホイールまたはコントロールモーメントジャイロスコープのような１つ以上の回転装置を含むことができる。１つの具体例として、図２に示されるように、ペイロード１２はリアクションホイールアレイ２０の形態であると仮定し、これは、支持プラットフォーム２４を中心に円周方向に間隔が隔てられて取り付けられる多数のリアクションホイール２２を含み、支持プラットフォーム２４は、分離装置１４により支持される（図２では２つだけ見える）。
【００１３】
[0017]前述したように、分離装置１４は３パラメータ装置である。図３に概略的に示されるように、３パラメータ装置は、以下の機械的要素を含む。（ｉ）マスＭ（たとえば図１に示されるペイロード１２）とベースＢ（たとえば図１に示される衛星取付インターフェース１６）との間に連結される第１バネ部材ＫＡ、（ｉｉ）減衰されるマスＭとベースＢとの間で第１バネ部材ＫＡと並列に連結される第２バネ部材ＫＢ、（ｉｉｉ）減衰されるマスＭとベースＢとの間で第１バネ部材ＫＡと並列に且つ第２バネ部材ＫＢと直列に連結されるダンパＣＡである。このような３パラメータ装置は、減衰されない装置および２パラメータ装置に比較して、与えられた周波数範囲にわたって優れた減衰特性（すなわち全体として低い伝達性）を提供するように調整することができる。伝達性は以下の式で表現することができる。
【００１４】
【数１】
上式中で、Ｔ（ω）は伝達性であり、Ｘｏｕｔｐｕｔ（ω）はペイロードの出力運動であり、Ｘｉｎｐｕｔ（ω）はベースの入力運動である。
【００１５】
[0018]図４は、３パラメータ分離装置（曲線４０）の減衰特性を示す、伝達性のプロットであり、２パラメータ分離装置（曲線４２）および減衰されない装置（曲線４４）との比較で示されている。図４の符号４６に示されるように、減衰されない装置（曲線４４）は、閾値周波数において相対的に高いピーク利得を与え、例示的なものとして控え目に１０ヘルツより小さい。比較として、２パラメータ装置（曲線４２）は、閾値周波数において有意に低いピーク利得を与え、閾値周波数を越えた後に周波数の増加とともに望ましくない利得の漸進的な減少がある（「ロールオフ」と称される）。図示の例において、２パラメータ装置（曲線４２）のロールオフは、平均的に一ケタあたり２０デシベル（ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ）である。３パラメータ装置（曲線４０）は、実質的に２パラメータ装置（曲線４２）で達成されるものと同等の低いピーク利得を提供し、さらに、約４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの比較的に急峻なロールオフを提供する。３パラメータ装置（曲線４０）は、曲線４０および４２により境界付けられる面積４８により図４において定量化されるような、高周波数において有意な伝達性の低下を提供する。非限定的な例として、３パラメータ分離装置のさらなる議論は、本願の出願人に譲渡された１９９４年１月２６日に発行された「THREE PARAMETR VISCOUS DAMPER AND ISOLATOR」との表題の米国特許第５３３２０７０号明細書、および２００７年２月２７日に発行された「ISOLATOR USING EXTERNALLY PRESSURIZED SEALING BELLOWS」との表題の米国特許第７１８２１８８号明細書に示されている。
【００１６】
[0019]図５は、図１、２に示される分離装置１４の１つまたは全てとして使用するのに好適な、複数軸・３パラメータ分離装置５０の例示的な実施形態の斜視図である。例示的な分離装置５０は、ベース部分５４および対向する端部５６を備える、全体として円筒形の分離装置ハウジング５２を含む。接続ロッド６０が、端部５６に設けられた中心開口５８を通って延びる。接続ロッド６０は第１端部を備え、これは図５では隠れており、また、分離装置ハウジング５２内のダンパピストンに取り付けられる（以下でより詳細に説明される）。また、接続ロッド６０は第２端部６２を備え、これは軸方向に分離装置ハウジング５２から離れるように延びる。便宜的に参照フレームを提供するために、接続ロッド６０の第１端部および第２端部は、１つの可能な取り付け構成における相対的なホスト宇宙船への近さの点から、ここではそれぞれ「内側端部」および「外側端部」と記載する。しかし、分離装置５０は、３次元空間における任意の向きを想定しており、また、分離装置５０は、接続ロッド６０が宇宙船に取り付けられてハウジング５２が宇宙船のペイロードに取り付けられるように配置されることも可能であることを理解されたい。
【００１７】
[0020]分離装置５０が宇宙船上に搭載される場合、接続ロッド６０の外側端部６２は、図１、２に示されるペイロード１２のような宇宙船のペイロードに機械的に接続される。接続ロッド６０は、ペイロードに直接的に固定することができ、または、その代わりに、ペイロードが取り付けられる支持構造（パレットまたはフレーム）に固定することができる。ペイロードへの取り付けを容易にするために、接続ロッド６０の外側端部６２は、１つまたはそれ以上の連結特徴を含むように製造することができる。たとえば、図５に示されるように、接続ロッド６０の外側端部６２は、取付カラー６４およびネジ付きボルト部６６を備えることができる。突出ロッド端部６２の反対に、分離装置ハウジング５２のベース部分５４はホスト宇宙船に取り付けられる。分離装置ハウジング５２が宇宙船に取り付けられる方法は、実施形態により様々であろう。図示の例において、ベース部分５４は、複数の固定具開口部７０を備える取り付けフランジ６８を含むように製造され、複数のボルトまたは他の固定具（図示せず）が、取り付けフランジ６８をスペーサプレート７２および対応する取り付けブラケット７４に接続するのに用いられる。取り付けブラケット７４は、宇宙船本体上に設けられる対応するインターフェースまたは追加的な固定具のセットを用いるフレームに取り付けるための、複数の固定具開口部７８を備えるフランジ部７６を含むことができる。
【００１８】
[0021]図６は、図５に示される複数軸・３パラメータ分離装置５０の断面図である。図６から見てとれるように、ダンパピストン８０、第１ベローズ８２、および第２ベローズ８４は、それぞれ分離装置ハウジング５２内に設けられる内側キャビティ内に配置される。ダンパピストン８０は、外側リム部８８に境界を画定される、または囲まれる中心部８６を備えるディスク形状の本体の形態を想定している。ダンパピストン８０の中心部８６は、接続ロッド６０の内側終端部に固定的に連結される。たとえば、一形態において、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、単一の機械加工部品として一体的に形成することができる。したがって、ダンパピストン８０は、分離装置５０の動作中に接続ロッド６０とともに移動する。ベローズ８２、８４は、ダンパピストン８０の対向する面にシールされて連結され、それにより効率的に分離装置ハウジング５２内にダンパピストン８０を吊り下げる。ダンパピストン８０が、図５、６に示されるような通常位置または設計位置にあるとき、第１環状クリアランスがダンパピストン８０および分離装置ハウジング５２の内側の外側周辺の周りに提供され、第２環状クリアランスが、接続ロッド６２と中心開口部５８を画定する分離装置ハウジング５２の内側周辺エッジとの間に提供される。これらのクリアランスは、二重ベローズ吊り下げマウントと組み合わせて、ダンパピストンおよびそれゆえ接続ロッド６０が、実質的に直交する３つの軸に沿って移動できるようにする。特に、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、分離装置ハウジング５２に関して軸方向にスライドできる（図５、６において矢印１０６で示される）。さらに、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、実質的に直交する２つの軸に沿って分離装置ハウジング５２に関して側方に移動することができ、この軸は、分離装置５０の長手方向軸に実質的に直交する（図５、６において矢印１０７、１０８で示される）。分離装置５０が、図１、２とともに上述されたような３ポイントまたは４ポイントマウント内に採用される場合、ダンパピストン８０および接続ロッド６０の、分離装置５０の長手方向軸を中心とする回転は一般に防止される。
【００１９】
[0022]ダンパピストン８０がシールされて対向するベローズ８２、８４に連結される方法は、実施形態により様々である。図示の例において、ベローズ８２の外側端部は、分離装置ハウジング５０の端部５４における中心開口５８の周りに設けられた内側環状カラーにシールされて接続され、ベローズ８２の内側端部は、ダンパピストン８０の外側放射面の周りに設けられる環状リップにシールされて接続される。同様に、ベローズ８４の外側端部は、ダンパピストン８０の内側放射面の周りに設けられる環状リップ９４にシールされて接続され、ベローズ８４の内側端部は、分離装置５０が完全に組み立てられたときに、分離装置ハウジング５２のベース部分５６とスペーサプレート７２との間に捕獲されるベース端部キャップ９８の内側部の周りに設けられる環状リップ９６にシールされて接続される。ベローズ８２、８４が金属または合金から製造される実施形態において、ベローズ８２、８４は、ボンディングまたは溶接により上述のコンポーネントにシール接続することができる。しかし、ベローズおよびそれの結合コンポーネントの間に流体を通さないまたは密封のシールを形成するのに好適な任意の連結技術を用いることができる。
【００２０】
[0023]分離装置５０の具体的な設計に応じて、ベローズ８２、８４に内部的または外部的に圧力を付与することができる。図示の実施形態において、ベローズ８２、８４は、外部的に加圧され、すなわち、減衰流体がベローズ８２、８４の外側表面に作用する。分離装置５０が完全に組み立てられたとき、ベローズ８２、８４は、ダンパピストン８０の環状リム部８８、ベース端部キャップ９８、および分離装置ハウジング５２の内側表面と協働し、分離装置ハウジング５２内に２つの密封シールされた液圧チャンバ１０２、１０４を画定する。チャンバ１０２、１０４は、中間環１００により流体連結され、これは、ダンパピストン８０の環状リム部８８により内側周縁に沿って結合され、また、分離装置ハウジング５２の環状側壁により外側周縁に沿って結合される。ダンパピストン８０が図５、６に示される通常位置または設計位置にあるとき、チャンバ１０２、１０４は、ダンパピストン８０を通って、分離装置５０の長手方向軸に実質的に直交する方向に延びる平面の対向する側部に位置する。分離装置５０の動作の前に、液圧チャンバ１０２、１０４は、シリコーンベース液体のような減衰流体（図示せず）で満たされる。充填ポート１０５は、分離装置ハウジング５２を通るように設けることができ、分離装置５０の組み立て後に液圧チャンバ１０２、１０４を選択された減衰流体で満たすことができるようにする。所望であれば、Ｏリングまたは他のシール（図示せず）を、ベース端部キャップ９８とハウジング５２の内壁との間に配置することができ、減衰流体が液圧チャンバ１０２、１０４から漏れる可能性を減らす。
【００２１】
[0024]図６を参照すると、ダンパピストン８０の環状リム部８８は、対向するベローズ８２、８４を越えて半径方向に突き出し、液圧チャンバ１０２、１０４の間の領域に入る。環状リム部８８の半径方向（側方）および軸方向の両方の表面領域は、チャンバ１０２、チャンバ１０４、中間環１００内で減衰流体にさらされる。本稿で用いられる、「有効半径方向表面積」および「有効側方表面積」との語は、ピストン８０が側方（すなわち、図５、６の軸１０７または１０８に沿う方向）に移動するときに、減衰流体に直接的に接触して作用するダンパピストン８０の表面積のことを言及するために用いられている。逆に、「有効軸方向表面積」との語は、ピストン８０が軸方向（すなわち図５、６の軸１０６に沿う方向）に移動するときに減衰流体に直接的に接触して作用するダンパピストン８０の表面積のことを言及するために用いられている。図示の例示的な実施形態において、ダンパピストン８０の有効半径方向（側方）表面積は、環状リム部８８の円周表面積と同等であり、これは、環状リム部８８の軸方向高さを掛け算したダンパピストン８０の外側直径の積である。ピストン８０の有効軸方向表面積は、チャンバ１０２、１０４内の減衰流体にさらされるリム部８８の対向する半径方向表面の面積と同等であり、ベローズ８２、８４の外側直径と外側環状リム部８８の外側直径との差により決定される。
【００２２】
[0025]好ましい実施形態において、ピストン８０の有効半径（側方）表面積は、ピストン８０の有効軸方向表面積と実質的に同等であり、「実質的に同等」との語は、約１０％以下の差であることを意味する。さらに、ベローズ８２、８４は、それぞれ、実質的に同等の半径方向（側方）および軸方向の強度を備えるように寸法決めまたは他の設計がなされる。このようにして、ダンパピストン８０の任意の軸１０６−１０８に沿う運動は、実質的に同等の減衰流体の容積を変位させることになる。液圧チャンバ１０２、１０４内の圧力の蓄積は、同様に実質的に同等になり、ベローズ８２、８４の実質的に均一な変位または膨張が生じることになる。結果として、分離装置５０は、ダンパピストン８０、接続ロッド６０、およびロッド６０に連結されるペイロードの移動する特定の方向に独立して実質的に線形の減衰プロファイルを提供することになる。さらに、分離装置５０の減衰プロファイルは、分離装置５０の動作環境における付加、動的環境、および変位の変化にわたって実質的に一定のままとなろう。有利には、分離装置５０の軸方向および半径方向における減衰特性は、所望の用途に応じて独立に調整することができ、たとえば、流体の粘性を変更する、ベローズ８２、８４に対するダンパピストン８０の外側直径の差を変更する等による。さらに、ベローズの剛性は減衰に独立であり、また、分離装置５０の所望の性能特性に応じて独立に調整することができる。
【００２３】
[0026]分離装置５０は、軸方向および半径方向の両方において実質的に線形の予測可能な減衰特性を提供するが、分離装置５０の軸方向における減衰プロファイルは、典型的には、流体機構における差により、側方における分離装置５０の減衰プロファイルに対して異なることになる。ダンパピストン８０が軸方向に移動するとき、減衰は主に、減衰流体が一方の液圧チャンバから中間環１００を通って他方の液圧チャンバへ流れるときに粘性損失により提供される。比較として、ダンパピストン８０が側方に移動するとき、減衰は、主に、スクィーズフィルム効果により提供され、外側リム部８８がハウジング５２の内側側壁へ向かって移動するときに、ピストン８０の側方運動のために、減衰流体がハウジング５２に対して移動する。
【００２４】
[0027]宇宙船の発射の間、ダンパピストンに例外的に高負荷が伝達されることがあり、これはピストン８０に過度に大きなストロークを与え、液圧チャンバ１０２、１０４内に望ましくない高い圧力の蓄積を与え、また、分離装置５０からの液圧流体の漏れの可能性を生じさせ得る。したがって、宇宙船の発射時に分離装置５０に高負荷条件が与えられるときに、ピストンの過度な移動を防止することが望ましい。ピストンの過度な移動を防止する１つの方法は、発射ロックすなわち、宇宙船本体と分離装置５０により支持されるペイロードとの間に位置決めされる剛体構造の使用であり、これは宇宙船の発射の時にダンパピストン８０のストロークを制限し、発射後に取り外されて分離装置５０の動作を可能にする。代替的に、分離装置５０は、二次的に、高負荷減衰モードで動作するように設計することができ、力の伝達経路は、以下でより詳細に説明するように、ベローズ８２、８４から効率的にそらされ、高負荷条件において少なくとも１つの相対的に剛性な分離部材を通して再方向決めされる。
【００２５】
[0028]図６に示される例示的な実施形態において、分離装置５０はさらに、二次的に、高負荷減衰システム１１２を含み、これは、高剛性緩衝部材１２０を含む。この例において、緩衝部材１２０は、相対的に剛性の内側挿入部またはレートプレートを備える環状ゴムピースの形態を想定しており、これは分離装置ハウジング５２のベース部分５６に対して固定される。しかし、代替実施形態において、高剛性要素１２０の具体的な形態および配置は変更でき、たとえば、いくつかの実施形態において、緩衝部材１２０は、分離装置５２内に取り付けられ、ベローズ８２、８４内に入れ子にすることができる。軸方向延長部１１４は、ダンパピストン８０の中心部分８６に固定され（たとえば一体的に形成される）、ピストン８０から軸方向に延び、ベローズ８４を通り、また分離装置ハウジング５２のベース部分５６に設けられる開口部を通って延びる。第１および第２の衝突停止カラー１１６、１１８が延長部１１４の終端部の周りに設けられる。ダンパピストン８０の軸方向変位が、高負荷条件において十分に大きい場合、衝突停止カラー１１６または１１８は、緩衝部材１２０に係合し、負荷経路は要素１２０を通して逸らされ、ベローズ８２、８４の望ましくない大きな変位を防止し、液圧チャンバ１０２、１０４内に許容できるレベルの圧力を維持する。同様に、ダンパピストン８０が、横方向に十分に変位する場合、衝突停止カラー１１６の外側円周表面が、緩衝部材１２０の内側円周領域または傾斜側壁１２２に係合し、負荷経路は要素１２０を通してそらされる。したがって、図示の例において、分離装置５０は、２段階またはデュアルモード装置として機能し、これは、低負荷または中程度の負荷条件において第１のモードまたは軟減衰モードで動作し、また、高負荷条件において第２のモードまたは剛性減衰モードで動作する。この例にもかかわらず、二次的な減衰システムは必要というわけではなく、分離装置５０は、代替実施形態において、単一の減衰モードで動作するようにすることができる。
【００２６】
[0029] 図５、６に示されるように、３パラメータ・複数軸分離装置５０は、単なる例示として示されており、分離装置の具体的な構成、設計、および組み立ては、別の実施形態では当然に異なるであろう。しかし、図５、６に示される例示的な複数軸分離装置のアセンブリは、比較的に真っすぐである。組立ての間、ダンパピストン８０、接続ロッド６０、対向するベローズ８２、８４は、開いたベース端部５６を通して分離装置ハウジング５２のキャビティ内に最初に取り付けられ、ダンパピストン８０をハウジング５２内に吊り下げる。ベース端部キャップ９８は、ベース端部５６上に位置決めすることができ、液圧チャンバ１０２、１０４を囲う。ベース端部キャップ９８は、スペーサプレート７２および取付ブラケット７４（図５）の取り付けによりベースフランジ６８に固定される。ベース端部５６の取り付けの前または後に、ベース端部キャップ９８の内側環状リップ９６は、たとえば溶接またはボンディングによりベローズ８４にシールされて取り付けられる。最後に、分離装置５０の宇宙船への取り付け前に、液圧チャンバ１０２、１０４を、充填ポート１０５を通して選択された減衰流体で満たすことができる。
【００２７】
[0030]上記のように、３つの実質的に直交する軸に沿う減衰を提供する３パラメータ分離装置の例示的な実施形態が提供された。有利には、上述の３パラメータ・複数軸分離装置は、温度、動的環境、および／または負荷条件の変動において比較的に広い範囲にわたって、実施的に線形の減衰プロファイルを提供する。また、上記は、６自由度における高忠実度の分離を提供する、複数の３パラメータ・複数軸分離装置を含む分離システムの実施形態を提供する。複数軸に沿って減衰を提供する上述の分離装置の能力により、３つから４つの別個の分離装置を用いて６ＤＯＦ分離マウントが生成され、軸方向分離装置を採用する従来の設計の６ＤＯＦ分離脂システムと比較して、部品数、コスト、複雑さ、重量、エンベロープを低減させる。
【００２８】
[0031]上述の例示的な実施形態は、外部加圧されるベローズを含むが、これは必ずしも必要というわけではない。さらなる実施形態において、ベローズは、内部的に圧力を付与することができ、また、ダンパピストンを通して１つ以上の流れオリフィスを設けることができ、ダンパピストンが変位するときに、流体が液圧チャンバの間を流れることができるようにする。ベローズの内部加圧により、分離装置の全体の寸法をよりコンパクトにすることができる。しかし、内部加圧ベローズに対して、外部加圧ベローズは、バックリング（buckling）に対してより抵抗力がある傾向にあり、高負荷条件において改善された性能を提供する分離装置の実施形態を可能にする。
【００２９】
[0032]上記のような詳細な説明において少なくとも１つの例示的な実施形態が示されたが、多数の変形例が存在することを理解されたい。また、１つまたは複数の例示的な実施形態は単なる例であり、いかなる意味でも本発明の範囲、応用性、および構成を制限することを意図するものではないことを理解されたい。上述の詳細な説明は、当業者に本発明の例示的な実施形態を実施するための便宜的なロードマップを与えるものである。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、上述の例示的な実施形態の機能および構成において、様々な変更が可能であることを理解されたい。
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概ね分離装置に関し、より具体的には、３パラメータ、多軸分離器の実施形態に関し、これは、システム宇宙船とペイロードとの間の振動の伝達を減少させるための分離システム内に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]衛星および他の宇宙船は、しばしば、反作用ホイール、コントロールモーメントジャイロスコープ、または宇宙船に搭載される他の振動放射装置により生成される振動力に敏感である、光学ペイロードのようなコンポーネントを保持する。振動力、特に、一般に「ジター（jitter）」と称される高周波数の振動力の、そのような宇宙船に搭載される振動に敏感なコンポーネントへの伝達を最小化するために分離システムが用いられる。分離システムの正確さは、個別の分離装置の一定の数（典型的には３から８の分離装置）の組み合わせとなり得る、６の自由度の減衰の高い忠実度を提供する。受動分離システムの場合、粘弾性分離装置（たとえば、多方向性ゴムマウント）がしばしば用いられる。粘弾性分離装置は、相対的に、単純で、低コスト、軽量の装置であり、これは典型的には３つの直交軸に沿う減衰を提供し、つまり３の自由度において減衰を提供する。しかし、粘弾性分離装置の減衰特性は非線形であり、振幅、変位、および温度の変化により優位に変わり得る。それゆえ、粘弾性分離装置を含む分離装置の減衰特性は、いくぶん制限的であり正確に予測することが困難である傾向にある。
【０００３】
[0003]粘弾性分離装置は、２パラメータ装置であると考えられ、機械的に並列にダンパおよびスプリングとして機能する。有利なことに、２パラメータ分離装置のピーク伝達性は、分離装置内の減衰されない装置またはバネのそれよりも有意に小さい。しかし、ピーク周波数を過ぎた後は、２パラメータ装置の減衰プロファイルは、望ましくない低速度で利得が減少する傾向にある。結果として、２パラメータ装置は、ジターのような高周波振動の理想的な減衰よりも劣る。この制限を克服するために、３パラメータ分離装置が開発されてきており、これはさらにダンパに直列に、且つ第１バネ要素に並列に第２のバネ要素を含む。ダンパに直列な第２バネの追加により、ピーク周波数に到達した後に、周波数の増加にともなう利得のより急峻な減少が可能になる。結果として、３パラメータ分離装置は、高周波数において
優れた減衰特性を提供し、一方で、相対的に低いピーク伝達性を維持する。したがって、３パラメータ分離装置は、高周波振動力の優れた減衰を提供することができる。そのような３パラメータ分離装置の例は、Ｄ−ＳＴＲＵＴ（商標）分離装置であり、現在、ニュージャージー州のモリスタウンに本社のあるハネウェル社により開発され市販されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]上述の利点を提供するが、３パラメータ分離装置は、従来から、単一の自由度の減衰に限られ、すなわち軸方向の減衰に限られてきた。６自由度（「６ＤＯＦ」）の高忠実度の分離が可能な正確な分離装置を生成するには少なくとも６つの３パラメータ分離装置が必要である。比較すると、６−ＤＯＦ分離システムは、たとえば３点動的マウント構成において組み合わせられる３つの多軸粘弾性マウントを用いて生成することができる。したがって、多軸粘弾性分離装置を採用する分離システムに対して、３パラメータ、軸方向分離装置を採用する分離システムは、分離装置の数が多く、それゆえ、より複雑になり、重くなり、また製造コストが高くなる傾向にある。
【０００５】
[0005]複数の自由度で、特に３つの実質的に直交する軸に沿う方向で、減衰を提供する３パラメータ分離装置の実施形態を提供することが望まれる。理想的には、そのような３パラメータ、複数軸分離装置の実施形態は、相対的に広い温度範囲、動的環境、および／または付加条件にわたって、実質的に線形の減衰プロファイルを提供する。また、たとえば６自由度における高忠実度分離を提供するために、複数の３パラメータ、複数軸分離装置を統合する分離システムの実施形態を提供することが望まれる。最後に、そのような３パラメータ、複数軸分離装置を製造する方法の実施形態を提供することが望まれる。本発明の実施形態の他の望ましい特徴おおび特性は、添付図面および上述の背景とともに以下の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することで明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006] マスとベースとの間の振動の伝達を制限するように構成される３パラメータ、複数軸分離装置の実施形態が提供される。一実施形態において、３パラメータ、複数軸分離装置は、ベースに搭載されるように構成される分離装置ハウジングと、分離装置ハウジング内にシールされて搭載される対向するベローズと、対向するベローズの間で分離装置ハウジング内に可動式に吊るされるダンパピストンと、を含む。ダンパピストンは、マスに連結するように構成される。対向するベローズは、複数の軸に沿ってダンパピストンの運動を逸らし、マスとベースとの間の振動の伝達を制限する。
【０００７】
[0007]さらに、宇宙船と宇宙船のペイロードとの間の振動の伝達を最小化するための分離システムの実施形態が提供される。一実施形態において、分離システムは、複数の３パラメータ・複数軸分離装置と、取付ハードウェアとを含む。各３パラメータ・複数軸分離装置は、分離装置ハウジングと、分離装置ハウジング内にシールされて搭載される対向するベローズと、対向するベローズの間で分離装置ハウジング内に吊るされ、宇宙船のペイロードに連結されるように構成されるダンパピストンと、を含む。対向するベローズは、複数軸に沿って。ダンパピストンの運動を逸らし、分離装置ハウジングとダンパピストンとの間の振動性の運動の伝達を低減させる。
【０００８】
[0008]さらに、３パラメータ・複数軸分離装置を製造する方法の実施形態が提供される。一実施形態において、この本方法は、分離装置ハウジングを提供するステップと、対向するベローズの間で分離ハウジング内でダンパピストンを吊るすステップと、を含み、ダンパピストンが実質的に直交する３つの軸に沿って分離装置ハウジング内で移動可能となるようにする。ダンパピストンは、対向するベローズおよび分離装置ハウジングと協働し、分離装置ハウジング内に、少なくとも部分的に複数の液圧チャンバを画定する。
【０００９】
[0009]以下に、本発明の少なくとも１つの例が添付の図面とともに説明される。添付図面において、同様の要素は同様の符号で示される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、６自由度における高忠実度の分離を提供するための、４つの３パラメータ・複数分離装置を採用する分離システムの単純化した概略図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、６自由度における高忠実度の分離を提供するための、４つの３パラメータ・複数分離装置を採用する分離システムの単純化した概略斜視図である。
【図３】例示的な３パラメータ振動分離装置の概略図である。
【図４】２パラメータ分離装置および減衰されていない装置の伝達プロファイルと比較した、３パラメータ分離装置の例示的な伝達プロファイルを示す、周波数（横軸）と利得（縦軸）の伝達性のプロットを示す図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、３パラメータ・複数軸分離装置の斜視図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、３パラメータ・複数軸分離装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0014]図１は、本発明の例示的な実施形態による分離システム１０の単純化した図であり、ペイロード１２とホスト宇宙船１５との間の振動の伝達を低減するためのものである。図示の例において、分離システム１０は、４つの分離装置１４を含み、これらは、機械的にペイロード１２に連結され、また集合的にペイロード１２を支持する。分離装置１４の反対側の端部は、取付ブラケット１８を用いて宇宙船の取付インターフェース１６に取り付けられる。以下でより詳細に説明されるように、分離装置１４は、それぞれ３自由度の減衰を提供し、特に、実質的に直交する３つの軸にそって減衰を提供する。結果として、分離装置１４は、４つのポイント動的取付構成（図１に示される）で過剰な束縛で組み合わせることができ、または、３つの分離装置１４は、標準的に、３つの動的取付構成で組わせることができ、６自由度（「６ＤＯＦ」）における減衰を提供することができる高忠実度の分離システムを提供する。比較により、単一軸または軸分離装置の場合、そのような高忠実度の６ＤＯＦ分離システムを提供するためには、典型的には６またはそれ以上の分離装置が必要である。以下でより詳細に説明するように、複数軸分離装置１４は、３パラメータ装置であり、従来の複数方向ラバーマウントおよび他の２パラメータ分離装置に比較して、優れた振動減衰特性を提供する。
【００１２】
[0016]いくつかの実施形態において、ペイロード１２は、光学ペイロードまたはセンサのような振動に敏感なコンポーネントの形態であると仮定することができ、また、分離システム１０は、宇宙船１５上の振動放出源から宇宙船取付インターフェースを通りペイロードへの振動の伝達を最小化するように機能する。他の実施形態において、ペイロード１２は、１つ以上の振動放出装置を含むことができ、分離システム１０は、ペイロード１２から宇宙船１５および宇宙船上の任意の振動に敏感なコンポーネントへの振動の伝達を低減するように機能し得る。後者に関して、ペイロード１２は、宇宙船１５の姿勢調整に用いられる、１つ以上のリアクションホイールまたはコントロールモーメントジャイロスコープのような１つ以上の回転装置を含むことができる。１つの具体例として、図２に示されるように、ペイロード１２はリアクションホイールアレイ２０の形態であると仮定し、これは、支持プラットフォーム２４を中心に円周方向に間隔が隔てられて取り付けられる多数のリアクションホイール２２を含み、支持プラットフォーム２４は、分離装置１４により支持される（図２では２つだけ見える）。
【００１３】
[0017]前述したように、分離装置１４は３パラメータ装置である。図３に概略的に示されるように、３パラメータ装置は、以下の機械的要素を含む。（ｉ）マスＭ（たとえば図１に示されるペイロード１２）とベースＢ（たとえば図１に示される衛星取付インターフェース１６）との間に連結される第１バネ部材ＫＡ、（ｉｉ）減衰されるマスＭとベースＢとの間で第１バネ部材ＫＡと並列に連結される第２バネ部材ＫＢ、（ｉｉｉ）減衰されるマスＭとベースＢとの間で第１バネ部材ＫＡと並列に且つ第２バネ部材ＫＢと直列に連結されるダンパＣＡである。このような３パラメータ装置は、減衰されない装置および２パラメータ装置に比較して、与えられた周波数範囲にわたって優れた減衰特性（すなわち全体として低い伝達性）を提供するように調整することができる。伝達性は以下の式で表現することができる。
【００１４】
【数１】
上式中で、Ｔ（ω）は伝達性であり、Ｘｏｕｔｐｕｔ（ω）はペイロードの出力運動であり、Ｘｉｎｐｕｔ（ω）はベースの入力運動である。
【００１５】
[0018]図４は、３パラメータ分離装置（曲線４０）の減衰特性を示す、伝達性のプロットであり、２パラメータ分離装置（曲線４２）および減衰されない装置（曲線４４）との比較で示されている。図４の符号４６に示されるように、減衰されない装置（曲線４４）は、閾値周波数において相対的に高いピーク利得を与え、例示的なものとして控え目に１０ヘルツより小さい。比較として、２パラメータ装置（曲線４２）は、閾値周波数において有意に低いピーク利得を与え、閾値周波数を越えた後に周波数の増加とともに望ましくない利得の漸進的な減少がある（「ロールオフ」と称される）。図示の例において、２パラメータ装置（曲線４２）のロールオフは、平均的に一ケタあたり２０デシベル（ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ）である。３パラメータ装置（曲線４０）は、実質的に２パラメータ装置（曲線４２）で達成されるものと同等の低いピーク利得を提供し、さらに、約４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅの比較的に急峻なロールオフを提供する。３パラメータ装置（曲線４０）は、曲線４０および４２により境界付けられる面積４８により図４において定量化されるような、高周波数において有意な伝達性の低下を提供する。非限定的な例として、３パラメータ分離装置のさらなる議論は、本願の出願人に譲渡された１９９４年１月２６日に発行された「THREE PARAMETR VISCOUS DAMPER AND ISOLATOR」との表題の米国特許第５３３２０７０号明細書、および２００７年２月２７日に発行された「ISOLATOR USING EXTERNALLY PRESSURIZED SEALING BELLOWS」との表題の米国特許第７１８２１８８号明細書に示されている。
【００１６】
[0019]図５は、図１、２に示される分離装置１４の１つまたは全てとして使用するのに好適な、複数軸・３パラメータ分離装置５０の例示的な実施形態の斜視図である。例示的な分離装置５０は、ベース部分５４および対向する端部５６を備える、全体として円筒形の分離装置ハウジング５２を含む。接続ロッド６０が、端部５６に設けられた中心開口５８を通って延びる。接続ロッド６０は第１端部を備え、これは図５では隠れており、また、分離装置ハウジング５２内のダンパピストンに取り付けられる（以下でより詳細に説明される）。また、接続ロッド６０は第２端部６２を備え、これは軸方向に分離装置ハウジング５２から離れるように延びる。便宜的に参照フレームを提供するために、接続ロッド６０の第１端部および第２端部は、１つの可能な取り付け構成における相対的なホスト宇宙船への近さの点から、ここではそれぞれ「内側端部」および「外側端部」と記載する。しかし、分離装置５０は、３次元空間における任意の向きを想定しており、また、分離装置５０は、接続ロッド６０が宇宙船に取り付けられてハウジング５２が宇宙船のペイロードに取り付けられるように配置されることも可能であることを理解されたい。
【００１７】
[0020]分離装置５０が宇宙船上に搭載される場合、接続ロッド６０の外側端部６２は、図１、２に示されるペイロード１２のような宇宙船のペイロードに機械的に接続される。接続ロッド６０は、ペイロードに直接的に固定することができ、または、その代わりに、ペイロードが取り付けられる支持構造（パレットまたはフレーム）に固定することができる。ペイロードへの取り付けを容易にするために、接続ロッド６０の外側端部６２は、１つまたはそれ以上の連結特徴を含むように製造することができる。たとえば、図５に示されるように、接続ロッド６０の外側端部６２は、取付カラー６４およびネジ付きボルト部６６を備えることができる。突出ロッド端部６２の反対に、分離装置ハウジング５２のベース部分５４はホスト宇宙船に取り付けられる。分離装置ハウジング５２が宇宙船に取り付けられる方法は、実施形態により様々であろう。図示の例において、ベース部分５４は、複数の固定具開口部７０を備える取り付けフランジ６８を含むように製造され、複数のボルトまたは他の固定具（図示せず）が、取り付けフランジ６８をスペーサプレート７２および対応する取り付けブラケット７４に接続するのに用いられる。取り付けブラケット７４は、宇宙船本体上に設けられる対応するインターフェースまたは追加的な固定具のセットを用いるフレームに取り付けるための、複数の固定具開口部７８を備えるフランジ部７６を含むことができる。
【００１８】
[0021]図６は、図５に示される複数軸・３パラメータ分離装置５０の断面図である。図６から見てとれるように、ダンパピストン８０、第１ベローズ８２、および第２ベローズ８４は、それぞれ分離装置ハウジング５２内に設けられる内側キャビティ内に配置される。ダンパピストン８０は、外側リム部８８に境界を画定される、または囲まれる中心部８６を備えるディスク形状の本体の形態を想定している。ダンパピストン８０の中心部８６は、接続ロッド６０の内側終端部に固定的に連結される。たとえば、一形態において、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、単一の機械加工部品として一体的に形成することができる。したがって、ダンパピストン８０は、分離装置５０の動作中に接続ロッド６０とともに移動する。ベローズ８２、８４は、ダンパピストン８０の対向する面にシールされて連結され、それにより効率的に分離装置ハウジング５２内にダンパピストン８０を吊り下げる。ダンパピストン８０が、図５、６に示されるような通常位置または設計位置にあるとき、第１環状クリアランスがダンパピストン８０および分離装置ハウジング５２の内側の外側周辺の周りに提供され、第２環状クリアランスが、接続ロッド６２と中心開口部５８を画定する分離装置ハウジング５２の内側周辺エッジとの間に提供される。これらのクリアランスは、二重ベローズ吊り下げマウントと組み合わせて、ダンパピストンおよびそれゆえ接続ロッド６０が、実質的に直交する３つの軸に沿って移動できるようにする。特に、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、分離装置ハウジング５２に関して軸方向にスライドできる（図５、６において矢印１０６で示される）。さらに、ダンパピストン８０および接続ロッド６０は、実質的に直交する２つの軸に沿って分離装置ハウジング５２に関して側方に移動することができ、この軸は、分離装置５０の長手方向軸に実質的に直交する（図５、６において矢印１０７、１０８で示される）。分離装置５０が、図１、２とともに上述されたような３ポイントまたは４ポイントマウント内に採用される場合、ダンパピストン８０および接続ロッド６０の、分離装置５０の長手方向軸を中心とする回転は一般に防止される。
【００１９】
[0022]ダンパピストン８０がシールされて対向するベローズ８２、８４に連結される方法は、実施形態により様々である。図示の例において、ベローズ８２の外側端部は、分離装置ハウジング５０の端部５４における中心開口５８の周りに設けられた内側環状カラーにシールされて接続され、ベローズ８２の内側端部は、ダンパピストン８０の外側放射面の周りに設けられる環状リップにシールされて接続される。同様に、ベローズ８４の外側端部は、ダンパピストン８０の内側放射面の周りに設けられる環状リップ９４にシールされて接続され、ベローズ８４の内側端部は、分離装置５０が完全に組み立てられたときに、分離装置ハウジング５２のベース部分５６とスペーサプレート７２との間に捕獲されるベース端部キャップ９８の内側部の周りに設けられる環状リップ９６にシールされて接続される。ベローズ８２、８４が金属または合金から製造される実施形態において、ベローズ８２、８４は、ボンディングまたは溶接により上述のコンポーネントにシール接続することができる。しかし、ベローズおよびそれの結合コンポーネントの間に流体を通さないまたは密封のシールを形成するのに好適な任意の連結技術を用いることができる。
【００２０】
[0023]分離装置５０の具体的な設計に応じて、ベローズ８２、８４に内部的または外部的に圧力を付与することができる。図示の実施形態において、ベローズ８２、８４は、外部的に加圧され、すなわち、減衰流体がベローズ８２、８４の外側表面に作用する。分離装置５０が完全に組み立てられたとき、ベローズ８２、８４は、ダンパピストン８０の環状リム部８８、ベース端部キャップ９８、および分離装置ハウジング５２の内側表面と協働し、分離装置ハウジング５２内に２つの密封シールされた液圧チャンバ１０２、１０４を画定する。チャンバ１０２、１０４は、中間環１００により流体連結され、これは、ダンパピストン８０の環状リム部８８により内側周縁に沿って結合され、また、分離装置ハウジング５２の環状側壁により外側周縁に沿って結合される。ダンパピストン８０が図５、６に示される通常位置または設計位置にあるとき、チャンバ１０２、１０４は、ダンパピストン８０を通って、分離装置５０の長手方向軸に実質的に直交する方向に延びる平面の対向する側部に位置する。分離装置５０の動作の前に、液圧チャンバ１０２、１０４は、シリコーンベース液体のような減衰流体（図示せず）で満たされる。充填ポート１０５は、分離装置ハウジング５２を通るように設けることができ、分離装置５０の組み立て後に液圧チャンバ１０２、１０４を選択された減衰流体で満たすことができるようにする。所望であれば、Ｏリングまたは他のシール（図示せず）を、ベース端部キャップ９８とハウジング５２の内壁との間に配置することができ、減衰流体が液圧チャンバ１０２、１０４から漏れる可能性を減らす。
【００２１】
[0024]図６を参照すると、ダンパピストン８０の環状リム部８８は、対向するベローズ８２、８４を越えて半径方向に突き出し、液圧チャンバ１０２、１０４の間の領域に入る。環状リム部８８の半径方向（側方）および軸方向の両方の表面領域は、チャンバ１０２、チャンバ１０４、中間環１００内で減衰流体にさらされる。本稿で用いられる、「有効半径方向表面積」および「有効側方表面積」との語は、ピストン８０が側方（すなわち、図５、６の軸１０７または１０８に沿う方向）に移動するときに、減衰流体に直接的に接触して作用するダンパピストン８０の表面積のことを言及するために用いられている。逆に、「有効軸方向表面積」との語は、ピストン８０が軸方向（すなわち図５、６の軸１０６に沿う方向）に移動するときに減衰流体に直接的に接触して作用するダンパピストン８０の表面積のことを言及するために用いられている。図示の例示的な実施形態において、ダンパピストン８０の有効半径方向（側方）表面積は、環状リム部８８の円周表面積と同等であり、これは、環状リム部８８の軸方向高さを掛け算したダンパピストン８０の外側直径の積である。ピストン８０の有効軸方向表面積は、チャンバ１０２、１０４内の減衰流体にさらされるリム部８８の対向する半径方向表面の面積と同等であり、ベローズ８２、８４の外側直径と外側環状リム部８８の外側直径との差により決定される。
【００２２】
[0025]好ましい実施形態において、ピストン８０の有効半径（側方）表面積は、ピストン８０の有効軸方向表面積と実質的に同等であり、「実質的に同等」との語は、約１０％以下の差であることを意味する。さらに、ベローズ８２、８４は、それぞれ、実質的に同等の半径方向（側方）および軸方向の強度を備えるように寸法決めまたは他の設計がなされる。このようにして、ダンパピストン８０の任意の軸１０６−１０８に沿う運動は、実質的に同等の減衰流体の容積を変位させることになる。液圧チャンバ１０２、１０４内の圧力の蓄積は、同様に実質的に同等になり、ベローズ８２、８４の実質的に均一な変位または膨張が生じることになる。結果として、分離装置５０は、ダンパピストン８０、接続ロッド６０、およびロッド６０に連結されるペイロードの移動する特定の方向に独立して実質的に線形の減衰プロファイルを提供することになる。さらに、分離装置５０の減衰プロファイルは、分離装置５０の動作環境における付加、動的環境、および変位の変化にわたって実質的に一定のままとなろう。有利には、分離装置５０の軸方向および半径方向における減衰特性は、所望の用途に応じて独立に調整することができ、たとえば、流体の粘性を変更する、ベローズ８２、８４に対するダンパピストン８０の外側直径の差を変更する等による。さらに、ベローズの剛性は減衰に独立であり、また、分離装置５０の所望の性能特性に応じて独立に調整することができる。
【００２３】
[0026]分離装置５０は、軸方向および半径方向の両方において実質的に線形の予測可能な減衰特性を提供するが、分離装置５０の軸方向における減衰プロファイルは、典型的には、流体機構における差により、側方における分離装置５０の減衰プロファイルに対して異なることになる。ダンパピストン８０が軸方向に移動するとき、減衰は主に、減衰流体が一方の液圧チャンバから中間環１００を通って他方の液圧チャンバへ流れるときに粘性損失により提供される。比較として、ダンパピストン８０が側方に移動するとき、減衰は、主に、スクィーズフィルム効果により提供され、外側リム部８８がハウジング５２の内側側壁へ向かって移動するときに、ピストン８０の側方運動のために、減衰流体がハウジング５２に対して移動する。
【００２４】
[0027]宇宙船の発射の間、ダンパピストンに例外的に高負荷が伝達されることがあり、これはピストン８０に過度に大きなストロークを与え、液圧チャンバ１０２、１０４内に望ましくない高い圧力の蓄積を与え、また、分離装置５０からの液圧流体の漏れの可能性を生じさせ得る。したがって、宇宙船の発射時に分離装置５０に高負荷条件が与えられるときに、ピストンの過度な移動を防止することが望ましい。ピストンの過度な移動を防止する１つの方法は、発射ロックすなわち、宇宙船本体と分離装置５０により支持されるペイロードとの間に位置決めされる剛体構造の使用であり、これは宇宙船の発射の時にダンパピストン８０のストロークを制限し、発射後に取り外されて分離装置５０の動作を可能にする。代替的に、分離装置５０は、二次的に、高負荷減衰モードで動作するように設計することができ、力の伝達経路は、以下でより詳細に説明するように、ベローズ８２、８４から効率的にそらされ、高負荷条件において少なくとも１つの相対的に剛性な分離部材を通して再方向決めされる。
【００２５】
[0028]図６に示される例示的な実施形態において、分離装置５０はさらに、二次的に、高負荷減衰システム１１２を含み、これは、高剛性緩衝部材１２０を含む。この例において、緩衝部材１２０は、相対的に剛性の内側挿入部またはレートプレートを備える環状ゴムピースの形態を想定しており、これは分離装置ハウジング５２のベース部分５６に対して固定される。しかし、代替実施形態において、高剛性要素１２０の具体的な形態および配置は変更でき、たとえば、いくつかの実施形態において、緩衝部材１２０は、分離装置５２内に取り付けられ、ベローズ８２、８４内に入れ子にすることができる。軸方向延長部１１４は、ダンパピストン８０の中心部分８６に固定され（たとえば一体的に形成される）、ピストン８０から軸方向に延び、ベローズ８４を通り、また分離装置ハウジング５２のベース部分５６に設けられる開口部を通って延びる。第１および第２の衝突停止カラー１１６、１１８が延長部１１４の終端部の周りに設けられる。ダンパピストン８０の軸方向変位が、高負荷条件において十分に大きい場合、衝突停止カラー１１６または１１８は、緩衝部材１２０に係合し、負荷経路は要素１２０を通して逸らされ、ベローズ８２、８４の望ましくない大きな変位を防止し、液圧チャンバ１０２、１０４内に許容できるレベルの圧力を維持する。同様に、ダンパピストン８０が、横方向に十分に変位する場合、衝突停止カラー１１６の外側円周表面が、緩衝部材１２０の内側円周領域または傾斜側壁１２２に係合し、負荷経路は要素１２０を通してそらされる。したがって、図示の例において、分離装置５０は、２段階またはデュアルモード装置として機能し、これは、低負荷または中程度の負荷条件において第１のモードまたは軟減衰モードで動作し、また、高負荷条件において第２のモードまたは剛性減衰モードで動作する。この例にもかかわらず、二次的な減衰システムは必要というわけではなく、分離装置５０は、代替実施形態において、単一の減衰モードで動作するようにすることができる。
【００２６】
[0029] 図５、６に示されるように、３パラメータ・複数軸分離装置５０は、単なる例示として示されており、分離装置の具体的な構成、設計、および組み立ては、別の実施形態では当然に異なるであろう。しかし、図５、６に示される例示的な複数軸分離装置のアセンブリは、比較的に真っすぐである。組立ての間、ダンパピストン８０、接続ロッド６０、対向するベローズ８２、８４は、開いたベース端部５６を通して分離装置ハウジング５２のキャビティ内に最初に取り付けられ、ダンパピストン８０をハウジング５２内に吊り下げる。ベース端部キャップ９８は、ベース端部５６上に位置決めすることができ、液圧チャンバ１０２、１０４を囲う。ベース端部キャップ９８は、スペーサプレート７２および取付ブラケット７４（図５）の取り付けによりベースフランジ６８に固定される。ベース端部５６の取り付けの前または後に、ベース端部キャップ９８の内側環状リップ９６は、たとえば溶接またはボンディングによりベローズ８４にシールされて取り付けられる。最後に、分離装置５０の宇宙船への取り付け前に、液圧チャンバ１０２、１０４を、充填ポート１０５を通して選択された減衰流体で満たすことができる。
【００２７】
[0030]上記のように、３つの実質的に直交する軸に沿う減衰を提供する３パラメータ分離装置の例示的な実施形態が提供された。有利には、上述の３パラメータ・複数軸分離装置は、温度、動的環境、および／または負荷条件の変動において比較的に広い範囲にわたって、実施的に線形の減衰プロファイルを提供する。また、上記は、６自由度における高忠実度の分離を提供する、複数の３パラメータ・複数軸分離装置を含む分離システムの実施形態を提供する。複数軸に沿って減衰を提供する上述の分離装置の能力により、３つから４つの別個の分離装置を用いて６ＤＯＦ分離マウントが生成され、軸方向分離装置を採用する従来の設計の６ＤＯＦ分離脂システムと比較して、部品数、コスト、複雑さ、重量、エンベロープを低減させる。
【００２８】
[0031]上述の例示的な実施形態は、外部加圧されるベローズを含むが、これは必ずしも必要というわけではない。さらなる実施形態において、ベローズは、内部的に圧力を付与することができ、また、ダンパピストンを通して１つ以上の流れオリフィスを設けることができ、ダンパピストンが変位するときに、流体が液圧チャンバの間を流れることができるようにする。ベローズの内部加圧により、分離装置の全体の寸法をよりコンパクトにすることができる。しかし、内部加圧ベローズに対して、外部加圧ベローズは、バックリング（buckling）に対してより抵抗力がある傾向にあり、高負荷条件において改善された性能を提供する分離装置の実施形態を可能にする。
【００２９】
[0032]上記のような詳細な説明において少なくとも１つの例示的な実施形態が示されたが、多数の変形例が存在することを理解されたい。また、１つまたは複数の例示的な実施形態は単なる例であり、いかなる意味でも本発明の範囲、応用性、および構成を制限することを意図するものではないことを理解されたい。上述の詳細な説明は、当業者に本発明の例示的な実施形態を実施するための便宜的なロードマップを与えるものである。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、上述の例示的な実施形態の機能および構成において、様々な変更が可能であることを理解されたい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マス（１２）とベース（１５）との間に配置される３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、前記３パラメータ複数軸分離装置（５０）は、
前記ベース（１５）に取付可能な分離装置ハウジング（５２）と、
前記分離装置ハウジング（５２）内にシールされて配置される対向するベローズ（８２、８４）と、
前記対向するベローズ（８２、８４）との間で前記分離装置ハウジング（５２）内に移動可能に吊り下げられるダンパピストン（８０）と、を有し、前記ダンパピストン（８０）は、前記マス（１２）に連結されるように構成され、前記対向するベローズ（８２、８４）は、３つの実質的に直交する軸（１０６、１０７、１０８）に沿って前記ダンパピストン（８０）の運動を逸らし、前記マス（１２）と前記ベース（１５）との間の振動の伝達を減少させる、３パラメータ複数軸分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、さらに、前記分離装置ハウジング（５２）内に対向する液圧チャンバ（１０２、１０４）を有し、前記液圧チャンバ（１０２、１０４）は、少なくとも部分的に、前記対向するベローズ（８２、８４）および前記ダンパピストン（８０）により画定され、
前記ダンパピストン（８０）の有効側方表面積は、前記ダンパピストン（８０）の有効軸方向表面積に実質的に同等である、３パラメータ複数軸分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、さらに、
前記ダンパピストン（８０）に固定的に連結される第１端部と、前記マス（１２）に連結されるように構成される第２端部とを備える接続ロッド（６０）を有し、前記接続ロッド（６０）は、前記対向するベローズ（８２、８４）の一方を通り、また、前記分離装置ハウジング（５２）に設けられる中心開口（５８）を通って延び、
前記３パラメータ複数軸分離装置（５０）はさらに、前記接続ロッド（６０）と前記分離装置ハウジングの前記中心開口（５８）を画定する部分との間に設けられる環状クリアランスを有し、前記環状クリアランスは、前記接続ロッド（６０）が前記ダンパピストン（８０）に関連して側方に移動するのを可能にする、３パラメータ複数軸分離装置。
【請求項１】
マス（１２）とベース（１５）との間に配置される３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、前記３パラメータ複数軸分離装置（５０）は、
前記ベース（１５）に取付可能な分離装置ハウジング（５２）と、
前記分離装置ハウジング（５２）内にシールされて配置される対向するベローズ（８２、８４）と、
前記対向するベローズ（８２、８４）との間で前記分離装置ハウジング（５２）内に移動可能に吊り下げられるダンパピストン（８０）と、を有し、前記ダンパピストン（８０）は、前記マス（１２）に連結されるように構成され、前記対向するベローズ（８２、８４）は、３つの実質的に直交する軸（１０６、１０７、１０８）に沿って前記ダンパピストン（８０）の運動を逸らし、前記マス（１２）と前記ベース（１５）との間の振動の伝達を減少させる、３パラメータ複数軸分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、さらに、前記分離装置ハウジング（５２）内に対向する液圧チャンバ（１０２、１０４）を有し、前記液圧チャンバ（１０２、１０４）は、少なくとも部分的に、前記対向するベローズ（８２、８４）および前記ダンパピストン（８０）により画定され、
前記ダンパピストン（８０）の有効側方表面積は、前記ダンパピストン（８０）の有効軸方向表面積に実質的に同等である、３パラメータ複数軸分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の３パラメータ複数軸分離装置（５０）であって、さらに、
前記ダンパピストン（８０）に固定的に連結される第１端部と、前記マス（１２）に連結されるように構成される第２端部とを備える接続ロッド（６０）を有し、前記接続ロッド（６０）は、前記対向するベローズ（８２、８４）の一方を通り、また、前記分離装置ハウジング（５２）に設けられる中心開口（５８）を通って延び、
前記３パラメータ複数軸分離装置（５０）はさらに、前記接続ロッド（６０）と前記分離装置ハウジングの前記中心開口（５８）を画定する部分との間に設けられる環状クリアランスを有し、前記環状クリアランスは、前記接続ロッド（６０）が前記ダンパピストン（８０）に関連して側方に移動するのを可能にする、３パラメータ複数軸分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２２９８０１（Ｐ２０１２−２２９８０１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−９４７３８（Ｐ２０１２−９４７３８）
【出願日】平成２４年４月１８日（２０１２．４．１８）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９４７３８（Ｐ２０１２−９４７３８）
【出願日】平成２４年４月１８日（２０１２．４．１８）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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