(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止本体（１２）、回転本体（１８）、及び静止本体と回転本体との間に位置する第１の軸受組立体（３２）を有する回転装置（１０）に関連して使用する振動減衰装置（４０）であって、
静止本体と前記第１の軸受組立体との間に存在し、前記第１の軸受組立体の半径方向の位置を調整するように形成された第１の複数の軸受装着アクチュエータ（５２、７２、７４）；
前記第１の複数の軸受装着アクチュエータと前記回転本体との間に位置決めされ、前記回転装置の操作中に前記回転本体（１８）の軸線方向への移動に応答して軸線方向へ撓み、第１の複数の軸受装着アクチュエータへ伝達された剪断力を減少させる、複数の可撓性部材（５４、７６、７８）であって、所定の圧縮予負荷の下で前記第１の複数の軸受装着アクチュエータを維持する、複数の可撓性部材（５４、７６、７８）と、
静止本体に結合された振動センサ（４４、８０、８２）；及び
振動センサ及び前記第１の複数の軸受装着アクチュエータに結合されたコントローラ（４６）；を有し、
前記コントローラ（４６）は、前記第１の複数の軸受装着アクチュエータを利用して前記第１の軸受組立体の半径方向の位置を選択的に調整することによって、前記振動センサにより感知された振動を減衰することを特徴とする振動減衰装置。
【請求項２】
前記第１の複数の軸受装着アクチュエータ（５２、７２、７４）内の各アクチュエータが圧電アクチュエータからなることを特徴とする請求項１の振動減衰装置（４０）。
【請求項３】
請求項１に記載の振動減衰装置（４０）であって、前記コントローラ（４６）は、
（ｉ）回転本体（１８）の速度と同期する振動センサ（４４、８０、８２）により検出される１又はそれ以上の正弦波の振幅及び位相を測定し、
（ｉｉ）前記回転装置（１０）の操作中に軸受組立体（３２）を通る外乱伝達経路を減少又は排除するように、前記第１の複数の軸受装着アクチュエータ（５２、７２、７４）を利用して軸受組立体（３２）の少なくとも半径方向の位置を調整する、振動減衰装置（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に振動減衰装置（vibration reduction system）に関し、特に、複数の活動軸受装着体を（active bearing mounts）使用し、制御モーメントジャイロスコープのような回転装置に関連して使用するのに十分適した振動減衰装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]制御モーメントジャイロスコープのような回転装置は、衛星姿勢制御装置に普通に使用される。このような回転装置は、一般に静止本体（即ちハウジング）及び回転本体（即ちロータ）を有する。ロータは、懸架ウエブにより回転シャフトに結合された慣性素子（例えば外側リム）を有することができる。シャフトの上方及び下方の端部は、各々ハウジング内に設けた環体に受け入れられる。慣性素子に回転運動が与えられたとき、各シャフト端部は、その環体内で回転する。第１及び第２の軸受組立体は、シャフト端部のまわりで各環体内に位置することができる。各軸受組立体は、たとえば、軸受カートリッジと、軸受カートリッジ上に所定のクランプ力を作用させる外側スリーブとを有することができる。軸受カートリッジは、内側リング、外側リング、及び、内側リングと外側リングとの間で捕縛された複数の転がり素子（例えば玉軸受）を有することができる。ロータが旋回すると、内側リングは、ロータのシャフトと一緒に回転し、玉軸受は、レース内で運動し、それによって摩擦力を最小にする。
【０００３】
[0003]上述の回転装置のロータは、不平衡になって振動を招くことがあり、この振動は、ホスト衛星に作用して、ホスト衛星の性能に悪影響を及ぼすことがある。振動は、回転軸線から片寄ってこの回転軸線に平行なロータの主要な慣性軸線の結果として生じることのある静的不平衡、又は質量の中心においてロータの回転軸線と交差するロータの主要な慣性軸線（この場合、主要な慣性軸線と回転軸線は平行ではない）の結果として生じることのある動的不平衡から誘起されることがある。このような不平衡により生じる振動を減衰（例えば隔離）するために従順な装着体（compliant mounts）が開発されたが、従順な装着体は、回転装置の効力を減少させることがある。さらに、従順な装着体は比較的大型で、衛星の機内での配置が不当に扱いにくくなることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]上述のことを考えると、制御モーメントジャイロスコープのような回転装置に関連して使用するのに適した比較的小さな質量を持つ比較的小さな体積を占める振動減衰装置を提供するのが望ましい。好ましくは、このような振動減衰装置はロータの不平衡及び軸受の幾何学的な不完全性のような他の不完全性の双方から由来する振動を大幅に減少させることができる。また、このような振動減衰装置に関連して使用するための活動軸受装着体を提供するのが望ましい。本発明の他の望ましい特質及び特徴は添付図面及び本発明のこの背景技術に関連して行う以下の発明の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]静止本体、回転本体、及び、静止本体と回転本体との間に位置する第１の軸受組立体を有する回転装置に関連して使用するための振動減衰装置が提供される。振動減衰装置は静止本体と第１の軸受組立体との間に存在する第１の複数の軸受装着アクチュエータを有する。第１の複数の軸受装着アクチュエータは第１の軸受組立体の半径方向の位置を調整するように形成される。振動減衰装置はさらに静止本体に結合された振動センサと、振動センサ及び第１の複数の軸受装着アクチュエータに結合されたコントローラとを有する。コントローラは第１の複数の軸受装着アクチュエータを利用して第１の軸受組立体の半径方向の位置を選択的に調整することによって、振動センサにより感知された振動を減衰するように形成される。
【０００６】
[0006]ハウジング及び軸受組立体を有する形式の回転装置内に配置される回転減衰装置に関連して使用するのに適した活動軸受装着体がさらに提供される。振動減衰装置はコントローラを有し、活動軸受装着体はコントローラに結合され、ハウジングと軸受組立体との間に位置する第１の圧電アクチュエータを有する。可撓性部材は第１の圧電アクチュエータの近くに位置し、第１の圧電アクチュエータは軸受組立体の半径方向の位置を調整してそこを通して伝達される振動を最小にするようにコントローラからの適用電圧に応答して厚さを変更するように形状付けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
[0007]以下、同様の符号が同様の素子を示すような図面に関連して本発明を説明する。[0012]本発明の次の詳細な説明は本質的に単なる例示であり、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。さらに、本発明の先の背景技術又は以下の詳細な説明で提示されるいかなる理論によっても束縛される意図はない。
【０００８】
[0013]図１は、衛星又は他のそのような宇宙船に配置するのに適した従来の回転装置である制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）の内側ジンバル組立体（ＩＧＡ）１０の断面図である。ＣＭＧの内側ジンバル組立体１０は回転運動するように回転本体（即ちロータ）１８をその中に装着した静止本体（即ちハウジング）１２を有する。ロータ１８は懸架ウエブ２４を介して中央の回転可能なシャフト２２に結合された慣性素子（例えば外側リム）２０を有する。シャフト２２はハウジング１２に設けた異なる環体内に各々受け入れられた第１及び第２の対向する端部２６、２８を有する。軸受組立体はシャフト２２の回転運動を容易にするように各環体内に位置する；たとえば、第１の軸受組立体３２はシャフト端部２６のまわりに装着することができ、第２の軸受組立体３４はシャフト端部２８のまわりに装着することができる。軸受組立体３２、３４は各々円筒状の外側スリーブ３８内に収容された環状の軸受カートリッジ３６を有することができる。図１に示すように、軸受カートリッジ３６は各々内側リング、外側リング及び内側リングと外側リングとの間で捕縛された２つの隣接する列の玉軸受を有する普通の二重軸受とすることができる；しかし、任意の適当な形式の軸受組立体を使用することができる。
【０００９】
[0014]先に述べたように、ＣＭＧの内側ジンバル組立体１０のロータ１８は不平衡となって、その結果作動中に振動を生じることがある。図２はこのような振動により誘起される振動を大幅に減衰させるか排除するためにＣＭＧの内側ジンバル組立体１０（又は他のそのような回転装置）内に組み込むことのできる例示的な振動減衰装置４０の簡単化した頂部断面図である。振動減衰装置４０は３つの一般形式の素子：即ち（１）複数の活動軸受装着体４２、（２）１又はそれ以上の振動センサ４４及び（３）中央のコントローラ４６を有する。図２に示すように、コントローラ４６は（例えば接続部４８により）軸受装着体４２及び振動センサ４４に作動的に結合される。後に説明するが、振動センサ４４はシャフト２２から発された半径方向及び（又は）軸方向の振動を表示する信号をコントローラ４６へ送る。このような信号は接続部４８を介して電気的に伝達することができるが、代わりの実施の形態においては、センサ４４は無線周波数トランスミッタのような無線手段を利用して信号をコントローラ４６へ送ることができる。
【００１０】
[0015]振動センサ４４は、任意の装置を有することができ、ロータ１８（図１）によりハウジング１２又はＣＭＧの内側ジンバル組立体１０の別の素子に与えられる振動運動を表示する特徴を測定するのに適する任意の位置に配置することができる。たとえば、図２に示すように、センサ４４は各々ハウジング１２の外側表面に装着した加速度計を有することができる。単一のセンサ４４（例えば二重軸加速度計）を利用することができるが、複数のセンサ４４（例えば異なる垂直軸線に沿って加速度を測定する複数の加速度計）を使用するのが好ましい。振動減衰装置４０がロータの不平衡から由来する振動のみを減衰するように形成される場合、センサ４４はシャフト２２から半径方向に伝達される振動を集合的に測定することができる。しかし、振動減衰装置４０が軸受の幾何学的な不完全性のような不完全性の他の源から由来する振動を付加的に減衰するように形成される場合、センサ４４は好ましくはシャフト２２から半径方向及び軸方向の双方に伝達される信号を集合的に測定するように形成される。
【００１１】
[0016]活動軸受装着体４２は、軸受組立体３２のまわりに位置し、これを支持する。特に、活動軸受装着体４２は軸受組立体３２の素子（例えば軸受組立体の外側スリーブ）と（図３に示し、後に説明する）ハウジング１２の内部構造体との間に位置する。安定した多地点装着を提供するため、活動軸受装着体４２は好ましくはシャフトの円周のまわりにおいて実質上等間隔で離間する。たとえば、図２に示すように、３つの活動軸受装着体４２は好ましくはシャフト２２の円周のまわりにおいてほぼ１２０度の間隔で離間することができる。もちろん、異なる数の活動軸受装着体を使用する場合、角度間隔はそれに従って変更することができる；たとえば、４つの活動軸受装着体を使用した場合、軸受装着体は９０度の間隔で離間することができる。
【００１２】
[0017]図３は、例示的な活動軸受装着体４２の断面図である。図３で分かるように、活動軸受装着体４２はハウジング１２（図２）の内部構造体５０（例えば軸受支持膜）と軸受組立体３２の外側スリーブ３８との間に位置する。活動軸受装着体４２は少なくとも１つの軸受装着アクチュエータ５２を有する。軸受組立体３２のための適当に剛直な装着を提供するため、軸受装着アクチュエータ５２は好ましくは電圧又は（図３に矢印６０で示す）他の刺激の適用時に厚さを変更する形式の剛直アクチュエータの形をとる。特に、軸受装着アクチュエータ４２は好ましくは数分の１インチ（約２５．４ｍｍ）の厚さの固形本体を形成するように一緒に接着結合された複数の圧電シートのような圧電アクチュエータであり、以後ここではそのように参照する。この例にも拘わらず、軸受装着アクチュエータ５２は、例えば適用流体の圧力に関係して膨張及び収縮する液圧セルを含む、軸受組立体３２の半径方向の位置を選択的に調整するために使用することのできる任意の本体又は装置を有することができることを理解すべきである。
【００１３】
[0018]シャフト２２がハウジング１２の内部構造体５０に関して軸方向に移動したとき、（図３に矢印５８で示す）せんだん力が活動軸受装着体４２に伝達されることがある。このようなせんだん力は圧電アクチュエータ５２を損傷させる可能性がある。したがって、圧電アクチュエータ５２へのせんだん力の伝達を最小にするため、活動軸受装着体４２は圧電アクチュエータ５２と直列に結合された１又はそれ以上の可撓性部材（例えばＴ又はＨ字状の金属本体）を具備することができる。たとえば、図３に示すように、第１の可撓性部材５４は内部構造体５０と軸受装着アクチュエータ５２との間に配置することができ、第２の可撓性部材５６はアクチュエータ５２と軸受組立体３２の外側スリーブ３８との間に配置することができる。可撓性部材５４、５６はまた所定の圧縮予負荷の下で圧電アクチュエータ５２を維持するのに役立つ。
【００１４】
[0019]ＣＭＧの内側ジンバル組立体１０のロータ１８が不平衡になったとき、誘起された振動はシャフト２２から軸受組立体３２及び活動軸受装着体５２を介してハウジング１２に伝達される。不平衡力から由来する振動を減衰するため、振動減衰装置４０は活動軸受装着体４２を通るいかなる半径方向の外乱伝達経路をも減少又は排除するように形成される。特に、コントローラ４６はハウジング２又はＣＭＧの内側ジンバル組立体１０の他の素子に与えられる振動力を表示する信号をセンサ４４から受け取るように形成される（例えば、各センサ４４は半径方向の面内の一定の軸線に沿った加速度を表示する信号をコントローラ４６に提供できる）。このような信号から、コントローラ４６は軸受組立体３２を通るシャフト２２からの半径方向の外乱伝達経路（単数又は複数）の大きさ及び方向を決定する。
【００１５】
コントローラ４６は、次いで外乱伝達経路を減少又は排除する活動軸受装着体４２を利用して軸受組立体３２の半径方向の位置を調整する（例えば、コントローラ４６は各センサ信号を無効にするように軸受組立体３２の半径方向の位置を調整する）。コントローラ４６は決定した電圧を圧電アクチュエータ５２の１又はそれ以上に適用することにより軸受組立体３２の半径方向の位置を調整し、それに従って圧電アクチュエータは厚さを変える。例として、コントローラ４６は、そこを通って外乱経路が発展するような活動軸受装着体内に使用された圧電アクチュエータの厚さを減少させることができる。同時に、コントローラ４６は軸受組立体３２の十分な支持を維持するように対向する圧電アクチュエータ（単数又は複数）の厚さを増大させることができる。
【００１６】
[0020]コントローラ４６の帯域幅は実際周囲の構造体の共振モードにより制限されることがあることを認識されたい。制御機能を遂行する例示的な方法はコントローラの必要な帯域幅を減少させるために回転外乱の周期的な特性を利用する。外乱が車輪の速度に同期する回転ベクトルであると仮定することにより、コントローラは修正の適当な振幅及び位相を決定するだけでよい。このような量は修正自体よりも一層ゆっくり変化する。
【００１７】
[0021]振動減衰装置４０はＣＭＧの内側ジンバル組立体１０内でのロータの不平衡から誘起される振動を減衰するものとして説明した。振動減衰装置４０がロータの不平衡による振動のみを減衰するように形成される場合、軸受位置での半径方向の伝達経路のみが制御される。しかし、多くの応用においては、振動減衰装置４０がロータの不平衡から由来する振動のみならず、玉軸受の幾何学的不完全性に関連する外乱のような他の外乱源から由来する振動をも減少させることが望ましいことがある。この場合、振動減衰装置４０は軸方向の運動を表示する特徴（例えば加速度）を測定できる少なくとも１つの付加的な振動センサを有することができる。さらに、振動減衰装置４０はまた軸受組立体の半径方向の位置及び軸方向の位置の双方を調整できる活動軸受装着体を使用することができる。このような活動軸受装着体の例は図４に関連して後に説明する。
【００１８】
[0022]図４は、軸受組立体３２に対して半径方向及び軸方向の双方の調整を遂行するために各活動軸受装着体４２（図２、３）の代わりに振動減衰装置４０（図２）により利用できる第２の例示的な活動軸受装着体７０の断面図である。活動軸受装着体４２（図３）の場合のように、活動軸受装着体７０はハウジング１２（図２）の内部構造体５０（例えば軸受支持膜）と軸受組立体３２の外側スリーブ３８との間に位置することができる。しかし、活動軸受装着体４２とは異なり、活動軸受装着体７０は第１及び第２のアクチュエータ７２、７４を有することができ、これらのアクチュエータの各々は上述の形式の圧電アクチュエータとすることができる。圧電アクチュエータ７２、７４は軸受組立体３２の半径方向及び軸方向の位置をそれぞれ調整するように位置決めされる。すなわち、圧電アクチュエータ７２はシャフト２２の長手軸線に対して実質上垂直な軸線に沿って厚さを変更するように位置決めされ、圧電アクチュエータ７４はシャフト２２の長手軸線に対して実質上平行な軸線に沿って厚さを変更するように位置決めされる。圧電アクチュエータ７２、７４をせんだん力から保護するため、図４に示すように、第１及び第２の可撓性部材７６、７８を軸受組立体３２の外側スリーブ３８とそれぞれのアクチュエータ７２、７４との間に配置することができる。
【００１９】
[0023]外部の振動センサ（例えば図２に関連して上述したセンサ４４）の必要性を排除するため又はこのようなセンサを補足するため、活動軸受装着体は１又はそれ以上のロードセルセンサを有することができる。たとえば、図４に示すように、活動軸受装着体７０はそれぞれ圧電アクチュエータ７２、７４に直列に結合できる第１及び第２のロードセルセンサ８０、８２を有することができる。ロードセルセンサ８０、８２は各々活動軸受装着体７０を通して内部構造体５０に導かれる力を測定するのに適した任意の装置又は素子を有することができる。これにも拘わらず、ロードセルセンサ８０、８２は各々好ましくは圧電トランスデューサ（即ち機械的な応力に関連して電圧を発生させる圧電装置）を有し、ここではこのように参照する。圧電トランスデューサ８０、８２は各々電気的な接続部（図を明瞭にするため示さない）を介してコントローラ４６（図３）に結合される。振動減衰装置４０の作動中、コントローラ４６は各活動軸受装着体７０を通って導かれる振動力の大きさ及び方向を決定するように圧電トランスデューサ８０、８２により生じる電圧を監視する。
【００２０】
[0024]先に述べたように、振動減衰装置４０は活動軸受装着体７０を利用して軸受組立体３２の半径方向及び軸方向の位置を調整することによりロータの不平衡及び他の不完全性（例えば軸受の幾何学的な不完全性）の双方から誘起される振動を大幅に減衰又は排除できる。これを達成するため、コントローラ４６はまず圧電トランスデューサ８０、８２及び（又は）振動センサ４４（図３）を利用して活動軸受装着体７０を通してハウジング１２（又はＣＭＧ１０の他の素子）に与えられる振動運動を測定する。特に、コントローラ４６は車輪の速度と同期する１又はそれ以上の正弦波の振幅及び位相を排除することができる。コントローラ４６はこれらの信号から活動軸受装着体７０を通って導かれる任意の力ベクトルの方向及び大きさを決定する。次いで、コントローラ４６は上述の方法で軸受組立体３２を通る外乱伝達経路を減少又は排除するようにそれぞれ圧電アクチュエータ７２、７４を利用して軸受組立体３２の半径方向の位置及び（又は）軸方向の位置を調整する。
【００２１】
[0025]上述のことを考察すると、制御モーメントジャイロスコープのような回転装置に関連して使用するのに適した、比較的小さな体積及び比較的小さな質量を占める振動減衰装置が提供されたことを認識すべきである。少なくとも１つの実施の形態においては、振動減衰装置はロータの不平衡及び他の不完全性（例えば軸受の幾何学的不完全性）の双方から由来する振動を大幅に減衰できる。さらに、このような振動減衰装置に関連して使用する活動軸受装着体が提供された。最後に、特定の形式の回転装置（即ち制御モーメントジャイロスコープ）に関連して上述したが、振動減衰装置は任意の適当な形式の回転装置に関連して利用できることに留意すべきである。
【００２２】
[0026]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範囲、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本発明の例示的な実施の形態の履行のための便利な道標を当業者に提供する。特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱することなく、例示的な実施の形態で述べた素子の機能及び構成にお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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）の内側ジンバル組立体の断面図である。
【図２】振動減衰装置の例示的な実施の形態を備えたＣＭＧの内側ジンバル組立体の簡単化した頂部断面図である。
【図３】図２に示す振動減衰装置に関連して使用するのに適し、軸受組立体の半径方向の調整を遂行するように形成された第１の例示的な活動軸受装着体の断面図である。
【図４】図２に示す振動減衰装置に関連して使用するのに適し、軸受組立体の半径方向及び軸方向の調整を遂行するように形成された第２の例示的な活動軸受装着体の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０    内側ジンバル組立体
１２    静止本体
１８    回転本体
３２    軸受組立体
４０    振動減衰装置
４４、８０、８２    振動センサ
４６    コントローラ
５２、７２、７４    軸受装着アクチュエータ
５４、７６、７８    可撓性部材
【図１】
0005416390.tif 000002
【図２】
0005416390.tif 000003
【図３】
0005416390.tif 000004
【図４】
0005416390.tif 000005