JP2017180532A - 緩衝装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の方向における振動を減衰する一方、この方向と直交する方向に関して剛性が高い緩衝装置を提供すること。【解決手段】制振対象物への振動伝達を緩衝する緩衝装置であって、複数の弾性変形部を有する筒形の撓みばね部材によって外側部材及び内側部材の間を連結し、更に前記外側部材及び前記内側部材の間に緩衝部材を配設したことにより、前記外側部材及び前記内側部材の間で伝達される振動を減衰することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、緩衝装置に関し、特にロケットあるいは衛星に搭載される搭載機器の打ち上げ時、その機械的環境から搭載機器を保護することに適用可能な緩衝装置に関する。

ロケット、あるいは衛星の搭載機器は、打ち上げ時の機械的環境に十分耐えられることは勿論、その環境前後において機能・性能の維持が求められる。特にバス機器の機械式ジャイロ、リアクションホイールは軸受性能の低下、更にミッション機器の望遠鏡における光軸ズレは致命的故障でありこれを避けることが必要とされる。

近年、世界的傾向として衛星は小型化に移行しつつあり、この結果必然的に衛星構体の剛性が高くなる傾向にある。また実際、ロケット打上げサービス業者も衛星構体の剛性に関し仕様を示しており特にロケットの機軸方向の剛性が高く要求される。このことは衛星構体の設計の自由度を少なくし、結果として搭載機器への振動入力、衝撃入力の増大に繋がり搭載機器の損傷、破壊につながることになる。

具体的例として小型地球観測衛星の光学系は近年高性能化が求められ、GSD（分解能）で1m以下が求められている。このような要求を満たすため、一般に望遠鏡は主鏡と副鏡で構成されるカセグレン型が採用される。しかも焦点距離方向の調整ができる可動部を有する構造が望まれている。この場合、特に可動部の耐震性が問題になることは明らかであるが、それでも機械的環境に晒されたときの光軸のズレは許されない。また、バス機器であるリアクションホイールや機械式ジャイロは、軸受の安定回転が生命であり、機械環境下での軸受損傷あるいはバランスの崩れは擾乱発生の要因となると共に、寿命にも甚大な影響を与えることから、過酷な振動や衝撃は制振しなければならない。

従って、このような状況を避ける手段が必要である。そのような手段として制振あるいは防振装置を用いるのが一般的であるが、装置に求められる仕様としては、制振対象物に対する過度な加速度（Ｇ）の軽減は勿論、軸アライメントを崩さず、すなわちヒステレシスがなく、比較的軽量で、廉価な製造コストのもので、多用途にも利用される緩衝装置の提供が要請されている。

ロケット、あるいは衛星の搭載機器を機械的環境から保護するための方法は種々提案されている。

まず、第一は衛星構体設計で重要搭載機器、例えばミッション機器の光学系、バス機器のジャイロ、リアクションホィールに入る振動、衝撃を緩和する構体設計を行うことが挙げられるが、ロケット打上げサービス業者の剛性要求を満足し全ての重要搭載機器を保護するのは、かなりハードルが高いと言える。

第二に制振用ダンパーや防振ゴム、制振合金が出回っておりこれらの使用が考えられるが、搭載品支持のため３〜４個必要で非常に寸法が大きくなる傾向にあり現実的でない。更に制振合金等は高周波の減衰には有効であるが、低周波（150Hz以下）の減衰を達成するには寸法がかさみその使用は非常に難しい。

特開平１０−３２５４４０号公報

衛星搭載のミッション機器である望遠鏡は高分解能なものであればあるほど、過酷な振動、衝撃に晒されても軸ズレや損傷があってはならない。また高分解能望遠鏡は、焦点距離が長くこのため光を折り曲げる、即ち一次鏡（主鏡）と二次鏡（副鏡）を持つカセグレン型が採用され、且つ焦点距離の調整機構を有することが要請される。設計にもよるが調整機構はモータ等とカム／フォロワーあるいは遊星歯車で構成されることが多く外部振動が入ると隙間での非線形共振を起すことになる。この共振は焦点距離調整機構を損傷するだけでなく、主鏡と副鏡で形成されている光軸のアライメントを崩すことになる。

よって、望遠鏡のような搭載機器を保護するためには、光軸方向のように特定の方向に入力される振動、衝撃レベルを十分に緩和する一方、この方向と直交方向に関しては剛性が高いことが要求される。なお、上述した振動の問題は、上述した衛星等に限定されるものではなく、様々な電子機器においても同様に生じ得るおそれがある。

本発明は、特定の方向における振動を減衰する一方、この方向と直交する方向に関して剛性が高い緩衝装置を提供することにある。

本発明によれば、
制振対象物への振動伝達を緩衝する緩衝装置であって、
複数の弾性変形部を有する筒形の撓みばね部材によって外側部材及び内側部材の間を連結し、更に前記外側部材及び前記内側部材の間に緩衝部材を配設したことにより、前記外側部材及び前記内側部材の間で伝達される振動を減衰することを特徴とする緩衝装置が提供される。

本発明によれば、特定の方向における振動を減衰する一方、この方向と直交する方向に関して剛性が高い緩衝装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る緩衝装置の平面図。 図１のI-I線断面図。 撓みばね部材の斜視図。 撓みばね部材の展開図。 弾性変形部の斜視図。 図１の部分拡大図。 緩衝部材の配置例を示す図。

図１は、本発明の一実施形態に係る緩衝装置１０の平面図、図２は図１のI-I線断面図である。本実施形態の緩衝装置１０は、衛星に搭載され、その搭載機器を制振対象物として振動伝達を緩衝するために利用される場合を想定している。本実施形態の緩衝装置１０は全体として筒型をなしており、図２はその中心軸線１０ａを通る断面図である。なお、各図において矢印Ｚは緩衝装置１０の軸方向を示し、矢印Ｘ、Ｙは互いに直交する径方向を示している。軸方向Ｚはここではロケットの発射方向と平行とされる。

図１及び図２に示すように、緩衝装置１０は、台座１１と、筒形の外側部材１２と、筒形の撓みばね部材１３と、筒形の内側部材１４と、取付板１５と、緩衝部材１７と、を備える。本実施形態の場合、外側部材１２、撓みばね部材１３および内側部材１４は、図２に示すような中心軸線１０ａを中心とする同心の円筒形状を有しており、撓みばね部材１３は外側部材１２と内側部材１４との径方向の間の隙間１６に配置されている。台座１１、外側部材１２、撓みばね部材１３、内側部材１４および取付板１５は金属等、剛性の高い材料で構成することができる。

外側部材１２および内側部材１４の一方には固定側の要素が、他方には制振対象物が取付けられる。本実施形態の場合、外側部材１２が固定側の要素に固定され、内側部材１４に制振対象物１８が固定される。具体的には、外側部材１２はその下部に径方向Ｘで外側に突出したフランジ部１２ａを有し、台座１１を介して構体１９に固定される。内側部材１４はその上部に径方向Ｘで内側に突出した取付部１４ａを有し、取付板１５を介して制振対象物１８（ここでは望遠鏡の副鏡）が固定される。副鏡の光軸方向は中心軸線１０ａの方向である。

構体１９は、衛星の構体の一部を構成する板状の部材であり、制振対象物１８を配置可能な貫通孔１９ａが形成されている。台座１１は、その中央部に、制振対象物１８を配置可能な貫通孔１１ａを有する円盤状の部材であり、その周縁部がフランジ部１２ａと重なる。フランジ部１２ａの下端面には、台座１１に設けた貫通孔１９ａを挿通して下側から締結されるボルトのネジ孔が形成されており、このボルトによって台座１１に固定される。また、台座１１は周方向の複数個所に貫通孔が形成されており、ここにボルトを通して構体１９に形成したネジ孔にボルトを螺合することで緩衝装置１０が構体１９に固定される。

取付板１５は、副鏡の光軸を遮断しないように貫通孔１５ａが形成されている。取付板１５は、制振対象物１８と重なる部分を有し、この重なる部分において周方向の複数個所に貫通孔が形成されており、ここにボルトを通して制振対象物１８に形成したネジ孔にボルトを螺合することで制振対象物１８と取付板１５とが固定される。取付板１５は、また、取付部１４ａと重なる部分を有し、この重なる部分において周方向の複数個所に貫通孔が形成されており、ここにボルトを通して取付部１４ａに形成したネジ孔にボルトを螺合することで内側部材１４と取付板１５とが固定される。また、取付板１５は隙間１６の上側に位置する周縁部１５ｂを有している。

このように、本実施形態では、取付板１５に対して予め制振対象物（副鏡）１８を固定し、緩衝装置１０の上部から搭載する構造を採用することにより、緩衝装置１０に対して、制振が必要な制振対象物１８を簡単に取り付けることができる。

図３は撓みばね部材１３の斜視図であり、図４は撓みばね部材１３を周方向に展開した展開図である。図５は弾性ヒンジ１３ａを示す拡大斜視図である。

撓みばね部材１３は軸方向Ｚの一方端部に取付部１３ｃが形成され、他方端部に取付部１３ｄが形成されている。取付部１３ｃおよび１３ｄは他の部位よりも厚肉に形成されており、また、その端面に開口して複数のネジ孔が周方向に形成されている。

取付板１５の周縁部は、取付部１３ｃと重なる部分を有すると共に、この重なる部分において周方向の複数個所に貫通孔が形成されており、ここにボルトを通して取付部１３ｃに形成したネジ孔にボルトを螺合することで撓みばね部材１３と取付板１５とが固定される。これにより、撓みばね部材１３と内側部材１４とが取付板１５を介して連結される。

台座１１の周縁部は、取付部１３ｄと重なる部分を有すると共に、この重なる部分において周方向の複数個所に貫通孔が形成されており、ここにボルトを通して取付部１３ｄに形成したネジ孔にボルトを螺合することで撓みばね部材１３と台座１１とが固定される。これにより、撓みばね部材１３と外側部材１２とが台座１１を介して連結される。

本実施形態の撓みばね部材１３は、基本的に、複数の貫通孔１３ｆと隣接する貫通孔１３ｆを結ぶクランク形状のスリット１３ｂとによって形成される複数の弾性ヒンジ（弾性変形部）１３ａと、Ｚ方向における上下の端部に設けられた取付部１３ｃ、１３ｄとで構成され、取付部１３ｃ、１３ｄの間でＺ方向への柔軟性を有している。そして、各弾性ヒンジ１３ａは、他の部位よりも局所的にＺ方向に脆弱化された部位として形成されており、本実施形態の場合、Ｚ方向において併設された二つの貫通孔１３ｆの組の隙間部分として形成された弾性ヒンジとなる。また、スリット１３ｂは撓みばね部材１３の周壁を貫通し、かつ、周方向に延びており、いずれかの貫通孔１３ｆに接続されている。例えば、本実施形態では、スリット１３ｂは、隣接する二組の四つの貫通孔１３ｆのうち、一方の組の上側の貫通孔１３ｆと他方の組の下側の貫通孔１３ｆとを結ぶように接続されており、クランク形をなしている。

なお、このような構成の撓みばね部材１３は、本実施形態の場合、弾性ヒンジ１３ａの数は四つであるが四つに限られない。弾性ヒンジ１３ａは撓みばね部材１３の周方向に等ピッチで設けることができ、これにより撓みばね部材１３のＺ方向の弾性変形を均等に行わせることができる。本実施形態では、四つの弾性ヒンジ１３ａを周方向に９０度間隔で形成しており、等ピッチで設けている。

二つの貫通孔１３ｆは、Ｚ方向に互いに隣接して形成されており、本実施形態の場合、Ｚ方向と平行な仮想線上に中心を有する円形貫通孔である。貫通孔１３ｆを円形としたことで、図５に示すように、弾性ヒンジ１３ａのＺ方向の厚みｔは、二つの貫通孔１３ｆ間に形成される。この弾性ヒンジ１３ａの厚みｔは、薄くする程、撓みばね部材１３のＺ方向の固有振動数を低下させる点で有利であるが、耐機械的環境への配慮が必要である。

また、本実施形態の撓みばね部材１３には、更に、貫通孔１３ｆとは別に、小径の貫通孔１３ｇを形成し、貫通孔１３ｆと、小径の貫通孔１３ｇとがスリット１３ｅによって結ぶように接続されており、このスリット１３ｅは直線形をなしている。このスリット１３ｅは、弾性ヒンジ１３を形成する貫通孔１３ｆ同士を連結するスリットではなく、貫通孔１３ｆからそれぞれ独立して設けられた直線状のスリットとなる。このように、弾性ヒンジ１３ａに加えてこのようなスリット１３ｇ、１３ｅの形成により、撓みばね部材１３のＺ方向における弾性変形が更に促進されるだけでなく、撓みばね部材１３のＺ方向のバネ定数をより精密に調整することができる。なお、このようなスリット１３ｅ又は貫通孔１３ｇは、要求される固有振動数等によっては形成しなくてもよい。

なお、撓みばね部材１３のＺ方向のバネ定数は、予め設定される周波数特性（振動減衰特性）に応じて、制振対象物の質量、貫通孔１３ｆの径寸法、弾性ヒンジ１３ａのＺ方向の厚みｔ及び撓みばね部材１３の径方向の幅（厚み）ｂ等によって設定される。更に言えば、材料によっても変化させられる。このときの貫通孔１３ｆの径寸法は、制振対象物の寸法により決定される。

また、本実施形態の緩衝装置１０の構成は、筒状の撓みばね部材１３の周壁に弾性ヒンジ１３ａ等を設けたことにより、撓みばね部材１３に関して、減衰を得たい軸（Ｚ方向）に対して柔軟性を持たせつつＺ方向と直交する軸（Ｘ／Ｙ）の剛性を高くできるという特徴を有する。ここで、撓みばね部材１３のＺ方向の柔軟性は、例えば、貫通孔１３ｆの径寸法が決まれば、弾性ヒンジ１３ａのＺ方向の厚みｔと、撓みばね部材１３の径方向の幅ｂとで実質的に決まり、撓みばね部材１３の径方向Ｘ、Ｙについて必要な剛性を確保するためには、例えば、撓みばね部材１３の径方向の幅ｂにより適宜調整が可能である。より詳細に説明すると、緩衝装置１０の構成上の特徴として、撓みばね部材１３への緩衝部材１７の装着の仕方と、弾性ヒンジ１３ａの幅さｂ、あるいは貫通孔１３ｆの径寸法、そして弾性ヒンジ１３ａの厚みｔで所望の固有振動数を設定でき、これらの構成を適宜調整することにより自由に振動減衰特性を調整できる。

なお、貫通孔１３ｆの形状については、例えば、円形のほか、楕円形、多角形であってもよい。しかし、楕円形や多角形の場合、応力集中が生じる箇所が分散する傾向となり、円形と比較して不利である。また、円形の方が他の形状よりも製造上、有利である。

図２、図６および図７を参照して緩衝部材１７について説明する。図６は図２の部分拡大図（構体１９は図示省略）である。図７（ａ）〜図７（ｃ）は緩衝部材１７の配置例を示す図であり、図７（ｃ）は図２、図６と同じ配置例であり、図７（ａ）および図７（ｂ）は他の配置例を示している。ただし、これら図２等に示す緩衝部材１７は、撓みばね部材１３に対して設けられるものであるが、その配置については、予め得たい振動減衰特性に応じて決定すればよく、図２、図６、図７に挙げた構造例に限定されるものではない。

緩衝部材１７は外側部材１２および内側部材１４の間で伝達される振動を減衰する部材であり、例えば、ポリイソブチレンやシリコーン等の粘弾性体である。緩衝部材１７は外側部材１２と内側部材１４との間であればどの部位でもよいが、本実施形態では隙間１６に配設されている。

緩衝部材１７の固定態様としては、外側部材１２および内側部材１４の双方に固定する態様、外側部材１２または内側部材１４の一方に固定する態様、撓みばね部材１３のみに固定する態様、撓みばね部材１３と外側部材１２の双方に固定する態様、あるいは、撓みばね部材１３と内側部材１４の双方に固定する態様のいずれかを選択可能である。本実施形態の場合、組立て性を向上する点で、緩衝部材１７は撓みばね部材１３のみに固定されている。各図の例は、撓みばね部材１３の内周面および外周面の双方に緩衝部材１７を固定しているが、いずれか一方の周面にのみ固定してもよい。

緩衝部材１７の形状は問われないが、本実施形態の場合、隙間１６への配置を容易にするため、帯状をなしている。帯状にすることで、隙間１６を狭くしても隙間１６内に収めることが可能となり、緩衝装置１０のコンパクト化が図れる。また、緩衝部材１７は周方向に長尺のものを一つ用いてもよいが、撓みばね部材１３への巻き付ける長さが長くなる点で密着性が悪くなる場合があり、本実施形態では周方向に比較的短尺の緩衝部材１７を複数配置している。

図２、図６および図７（ｃ）の例では、撓みばね部材１３の内周面においては上側に四つの緩衝部材１７が周方向に等ピッチで固定されており、内側部材１４と撓みばね部材１３との隙間１６ｂに内側部材１４に接して配置されている。また、撓みばね部材１３の外周面においては下側に四つの緩衝部材１７が周方向に等ピッチで固定されており、外側部材１２と撓みばね部材１３との隙間１６ａに外側部材１２に接して配置されている。

図７（ａ）の例では、撓みばね部材１３の内周面および外周面にそれぞれ四つの緩衝部材１７が周方向に等ピッチで固定されており、各緩衝部材１７のＺ方向の幅が、図７（ｃ）の例の二倍となっている。図７（ａ）の例の方が図７（ｃ）の例よりも、一つの緩衝部材１７による緩衝作用が広範囲に及ぶ場合がある。

図７（ｂ）の例では、撓みばね部材１３の内周面および外周面にそれぞれ八つの緩衝部材１７が周方向に等ピッチで固定されており、各緩衝部材１７のＺ方向の幅が、図７（ｃ）の例と同じになっている。

緩衝部材１７の材質や配置態様、形状等により、緩衝装置１０の固有振動数を調整、及び緩衝装置１０による減衰係数（振動減衰特性）を調整することが可能である。

係る構成からなる緩衝装置１０では、固定側の外側部材１２と制振対象物１８側の内側部材１４との間に撓みばね部材１３が介在しているため、台座１１にＺ方向に衝撃が入力されると、撓みばね部材１３の弾性変形によってその衝撃が緩衝され、かつ、緩衝部材１７によって固定側に対する制振対象物１８の振動が減衰され、これによって制振対象物１８の動きが制振、すなわち、制振対象物１８が共振して破損することを防止することができる。制振対象物１８が副鏡である場合、その光軸方向であるＺ方向に対しては衝撃緩和と振動減衰がなしえ、光軸のズレ方向であるＸ、Ｙ方向についてはズレに強い剛性を発揮することになる。よって、例えば、ロケットの発射方向にＺ方向を合わせることで、その打ち上げ時に生じやすい衛星搭載機器の破損を防止することができる。

衛星搭載機器の緩衝装置としては、一般に、
イ 個々の搭載品に対して寸法が嵩張らずFitするものであること。
ロ 減衰が望まれる軸に関しては150Hz以下の固有値で減衰比が0.1以上であること。
ハ 特に光学系では減衰が望まれる軸と直行方向に関しては剛であること。
ニ ヒステレシスがないこと、
が要求される。

”イ”の要求については、緩衝装置１０が全体として筒型をなしているため、その内側と外側のスペースを固定系、制振対象物の配置スペースとして利用することで、実質的に、薄型の装置構成となり、満たされる。”ロ”や”二”の要求については、弾性ヒンジ１３ａや緩衝部材１７の設計によって満たされる。”ハ”の要求については、すでに述べたとおり、撓みばね部材１３を筒形としたことやその厚みの設計等で満たされる。

また、本実施形態の緩衝装置１０は、主要な構成としては、筒形の外側部材１２と、筒形の撓みばね部材１３と、筒形の内側部材１４と、緩衝部材１７の四部品の構成であり、複雑な治具も必要なく組み立てられコスト低減にも寄与出来る。

なお、本発明の緩衝装置は、望遠鏡に限られず、特定方向での緩衝が必要な各種の機器の緩衝に利用可能であり、また、衛星搭載機器以外の機器の緩衝にも利用可能である。上記実施形態では、外側部材１２、撓みばね部材１３および内側部材１４を円筒形とし、同心の配置とすることがコンパクト化の点で有利である。なお、制振対象の形状により円筒形以外の筒形でも工夫により適用が可能である。

１０：緩衝装置、１２：外側部材、１３：撓みばね部材、１４：内側部材、１７：緩衝部材

Claims (11)

1. 制振対象物への振動伝達を緩衝する緩衝装置であって、
   複数の弾性変形部を有する筒形の撓みばね部材によって外側部材及び内側部材の間を連結し、更に前記外側部材及び前記内側部材の間に緩衝部材を配設したことにより、前記外側部材及び前記内側部材の間で伝達される振動を減衰することを特徴とする緩衝装置。
2. 前記撓みばね部材と、前記外側部材と、前記内側部材とが円筒形状を有することを特徴とする請求項１に記載の緩衝装置。
3. 前記撓みばね部材と前記外側部材とを、前記撓みばね部材の軸方向で前記撓みばね部材の一方端部において連結し、前記撓みばね部材と前記内側部材とを、前記軸方向で前記撓みばね部材の他方端部において連結したことを特徴とする請求項２に記載の緩衝装置。
4. 前記緩衝部材は、前記外側部材と前記内側部材との間の隙間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の緩衝装置。
5. 前記緩衝部材は、前記撓みばね部材の周方向に複数配置されたことを特徴とする請求項４に記載の緩衝装置。
6. 前記緩衝部材は、帯状をなし、前記撓みばね部材の外周面または内周面の少なくともいずれか一方に固定されたことを特徴とする請求項５に記載の緩衝装置。
7. 前記緩衝部材は、少なくとも前記内側部材と前記撓みばね部材との間に配置されたことを特徴とする請求項５に記載の緩衝装置。
8. 前記緩衝部材は、粘弾性体であることを特徴とする請求項１に記載の緩衝装置。
9. 各弾性変形部は、前記撓みばね部材の軸方向において互いに隣接し、前記撓みばね部材の周壁を貫通して形成された二つの円形貫通孔の組により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の緩衝装置。
10. 前記円形貫通孔には、前記周壁の周方向に沿って延びるスリットが接続されていることを特徴とする請求項９に記載の緩衝装置。
11. 前記スリットは、隣接する前記円形貫通孔を結ぶクランク形状のスリットと、隣接する前記円形貫通孔を結ばずに前記円形貫通孔から独立して設けられた直線形状のスリットとを有することを特徴とする請求項１０に記載の緩衝装置。

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