(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに対して吊られ且つ複数の双方向ばねストラットによって支持されたプラットフォームであり、前記双方向ばねストラットの各々が、
非線形ばねであり、当該非線形ばねの変位の関数として圧縮又は引張において対称的に増加するばね定数を持つ非線形ばねと、
前記非線形ばねと直列に結合された線形ばねと、
を有する、プラットフォームと、
を有し、
前記非線形ばねは、シート状のコンプライアント平面部材と、該コンプライアント平面部材の一方の面に結合された、内周及び外周を持つ剛性環状部材と、を有する、
振動抑制サスペンションシステム。
【請求項２】
第１の合計ばね変位において、前記非線形ばねは、前記線形ばねのばね定数よりも低いばね定数を有し、前記第１の合計ばね変位よりも大きい第２の合計ばね変位に関して、前記非線形ばねのばね定数は、前記線形ばねのばね定数よりも高い、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各ばねストラットの実効的なばね定数が、関数：
ｋ＝１／（１／ｋＬ＋１／ｋＶ）
によって記述され、ただし、ｋは前記双方向ばねストラットの前記実効的なばね定数に等しく、ｋＬは前記線形ばねの一定のばね定数に等しく、ｋＶは前記非線形ばねの可変ばね定数に等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記コンプライアント平面部材は第１の厚さを持ち、前記剛性環状部材は、前記第１の厚さの方向に第２の厚さを持ち、前記第１の厚さは前記第２の厚さよりも小さい、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記剛性環状部材は、均一な厚さを有し、前記コンプライアント平面部材は、前記剛性環状部材の対向する辺の間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記コンプライアント平面部材の厚さは、前記コンプライアント平面部材の中心から離れる方向に増加し、前記コンプライアント平面部材の前記中心は、前記剛性環状部材の前記内周の中心に対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記コンプライアント平面部材の厚さは、線形な変化率又は非線形な変化率で増加する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記コンプライアント平面部材の厚さは、前記コンプライアント平面部材の中心から離れる方向に減少し、前記コンプライアント平面部材の前記中心は、前記剛性環状部材の前記内周の中心に対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記コンプライアント平面部材の厚さは、線形な変化率又は非線形な変化率で減少する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コンプライアント平面部材の両面に配置された第１及び第２の拘束部材を有し、前記第１及び第２の拘束部材は、前記コンプライアント平面部材の中心と同一直線上にある中心を持つ円形ディスクを有し、前記コンプライアント平面部材の前記中心は、前記剛性環状部材の前記内周の中心に対応する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
複数の剛性環状部材と交互に直列に結合された複数のコンプライアント平面部材、を更に有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数のコンプライアント平面部材と交互に結合された複数の前記複数の拘束部材であり、各拘束部材が前記複数の剛性環状部材のうちの対応する１つの前記内周の中に配置される複数の拘束部材、を更に有する請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
振動を最小化し且つアイソレートするシステムであって、
ビークル周りの支持プラットフォームに取り付けられた、複数６個の双方向ばねストラットを有し、該ばねストラットの各々が、
非線形ばねであり、当該非線形ばねの変位の関数として圧縮又は引張において対称的に増加する非線形ばね定数を持つ非線形ばねと、
前記非線形ばねと直列に結合された、線形ばね定数を持つ線形ばねと、
を有し、
前記非線形ばねは、シート状のコンプライアント平面部材と、該コンプライアント平面部材の一方の面に結合された、内周及び外周を持つ剛性環状部材と、を有し、
前記複数のばねストラットは、６自由度で前記支持プラットフォームに対する振動を減衰させるように構成される、
システム。
【請求項１４】
前記コンプライアント平面部材は第１の厚さを持ち、前記剛性環状部材は、前記第１の厚さの方向に第２の厚さを持ち、
前記第１の厚さは前記第２の厚さよりも小さく、
前記コンプライアント平面部材の中心に線形双方向ばねが結合されており、前記コンプライアント平面部材の前記中心は、前記剛性環状部材の前記内周の中心に対応する、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記コンプライアント平面部材の面に対して垂直な前記非線形ばねの縦軸が、前記線形ばねに作用する力の方向と平行である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記コンプライアント平面部材の面に対して垂直な前記非線形ばねの縦軸が、前記線形ばねに作用する力の方向と平行ではない、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
観測機器を担持するプラットフォームを更に有し、該プラットフォームは、前記複数のばねストラットに結合されて前記複数のばねストラットによって支持される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記線形双方向ばねは、螺旋ばね、二重螺旋ばね、板ばね、又は機械溝付きばねを有する群から選択されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
第１の合計ばね変位において、前記非線形ばねは、前記線形ばねのばね定数よりも低いばね定数を有し、前記第１の合計ばね変位よりも大きい第２の合計ばね変位において、前記非線形ばねのばね定数は、前記線形ばねのばね定数よりも高い、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
全ばね変位のうちの所定の距離において、前記線形ばね定数と前記非線形ばね定数とが等しい、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記線形ばねのばね定数は、前記線形ばねの変位の関数として圧縮又は引張において対称的に増加する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
観測機器に作用する振動力を最小化し且つアイソレートする方法であって、
ビークルを動作させることであり、前記ビークルは、前記ビークルに配置された双方向ばねシステムを有し、前記双方向ばねシステムは、前記双方向ばねシステムによって支持された観測機器を担持し、前記双方向ばねシステムは、線形双方向ばねに結合された非線形双方向ばねを有し、前記非線形双方向ばねのばね定数は、（ｉ）全ばね行程よりも小さい第１の量だけ変位されるときに、前記線形双方向ばねのばね定数よりも低く、（ｉｉ）組み合わされたばねが、前記第１の量よりも大きい第２の量だけ変位されるときに、前記線形双方向ばねのばね定数よりも高く、前記非線形双方向ばねは、シート状のコンプライアント平面部材と、該コンプライアント平面部材の一方の面に結合された、内周及び外周を持つ剛性環状部材とを有する、動作させることと、
前記ビークルを動かすことによって、又は前記ビークル周りに配置された装置を動作させて前記観測機器上若しくは前記ビークル上に振動力を誘起することによって、前記双方向ばねシステムに荷重をかけることと、
を有する方法。
【請求項２３】
前記双方向ばねシステムに作用する力が低振幅振動を有するときに、前記双方向ばねシステムに作用する力の方向とは反対方向に前記コンプライアント平面部材を撓ませること、を更に有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記双方向ばねシステムに作用する力が高振幅振動を有するときに、前記双方向ばねシステムに作用する力の方向とは反対方向に前記線形双方向ばねを撓ませること、を更に有する請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の量だけ変位される場合の前記双方向ばねシステムの共振周波数が、前記第２の量だけ変位される場合の前記双方向ばねシステムの共振周波数よりも低い、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記線形双方向ばね及び前記非線形双方向ばねは、小さい変位に対しては低い共振周波数を有して、伝達される振動の高い減衰をもたらし、大きい変位に対しては高い共振周波数を有して、高加速イベント中の変位を制限する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、振動サスペンションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ビークル（vehicle）に使用されるセンサは、光学式又は電気式のセンサを含め、振動の影響を受けやすく、それが性能を低下させてしまい得る。伝達される振動を最小限にしようとする試みで、例えば従来からのコイルばねなどのサスペンション（懸架）システムを使用してセンサを支持することができる。しかしながら、そのようなシステムは、高加速又は高減速のイベント中にセンサの大きい変位を生じさせ得る。同様に、装置が、高振幅の振動を含む振動力を発生することがあり、それを、影響を受けやすい器具類からアイソレート（絶縁）する必要がある。従来、センサがロケットシステムによって運ばれるとき、例えば、発射又は着陸のイベント中のセンサ変位を最小化するために発射ロック又は緩衝装置（バンパー）が使用されてきた。しかしながら、発射ロックは複雑で高価であり、緩衝装置は、極めて高い加速又は減速のイベント中にセンサに大きい衝撃をもたらし得る。小さめの変位をもたらす他のシステムは、動作中に振動を十分に減衰させない“堅い”システムである。他のシステムでは、引張においては“堅い”ものであり圧縮下においては“柔らかい”ものである構成を使用して振動が減衰される。従って、低振動イベントにおいて低いレベルの振動を減衰させながら、高振幅振動イベントにおいては多自由度で限られた変位を提供する非線形ばね定数を持つ双方向ばねとして作用することができる装置を有することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
一緒になって本発明の特徴を例として示す添付図面とともに以下の詳細な説明を検討することで、本発明の特徴及び利点が明らかになる。
【図１】本開示の一例に従った双方向ばねの斜視図である。
【図２】図１の双方向ばねの分解斜視図である。
【図３】図１の双方向ばねの側面図である。
【図４】本開示の一例に従った双方向ばねの側面図である。
【図５】図４の双方向ばねの斜視断面図である。
【図６】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの斜視断面図である。
【図７】本開示の１つ以上の例に従った、双方向非線形ばねに結合される双方向ばねの断面図である。
【図８】本開示の１つ以上の例に従った、双方向線形及び非線形ばねの構成によって支持される支持プラットフォームである。
【図９】本開示の１つ以上の例に従った、観測機器を担持する図８の支持プラットフォームである。
【図１０】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの断面斜視図である。
【図１１】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの側断面図である。
【図１２】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの側断面図である。
【図１３】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの側断面図である。
【図１４】本開示の１つ以上の例に従った双方向ばねの斜視図である。
【０００４】
以下、図示した例示的な実施形態を参照するとともに、ここでは特定の言葉を用いてそれを記述する。そうとはいえ、理解されることには、それによる本発明の範囲の限定は意図していない。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
ここで使用されるとき、用語“実質的に”は、完全又は略完全な範囲又は程度の動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果を表す。例えば、“実質的に”包囲されている物体は、その物体が完全に包囲されているか、あるいは略完全に包囲されているかの何れかを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の正確な許容可能な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。しかしながら、一般的に言えば、完全に近いことは、あたかも絶対的且つ総合的な完全さが得られるかのように全体として同じ結果を有するようなものである。“実質的に”の用法は、動作、特性、性質、状態、構造、品目又は結果の完全又は略完全な欠如を表す否定的な含意で使用されるときにも等しく当てはまる。
【０００６】
ここで使用されるとき、“隣接”は、２つの構造又は要素の近接を表す。特に、“隣接”しているとして特定される要素は、接しているか接続されているかの何れかであり得る。そのような要素はまた、必ずしも互いに接触するわけではなく、互いに近いか接近するかであってもよい。近接性の正確な程度は、一部の場合において、具体的な文脈に依存し得る。
【０００７】
以下では、最初に技術的実施形態の概説を提供し、その後に具体的な技術的実施形態を更に詳細に説明する。この最初の概要は、より迅速に技術を理解する上で読者を助けることを意図したものであり、技術の重要な特徴又は本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、また、特許請求に係る事項の範囲を限定することを意図したものでもない。
【０００８】
本発明の一例によれば、支持プラットフォームに取り付けられた複数のストラット（支柱）を有するサスペンションシステムが開示される。サスペンションシステムは、観測機器に結合される。各ストラットが、非線形ばねコンポーネントと線形ばねコンポーネントとを有するばねストラットを有する。線形ばねは、“線形”又は一定のばね定数を持つ。非線形ばね定数は、ばねが変位されるにつれて変化する。これらストラットは、サスペンションの基本共振モードが密集した周波数にあるように、観測機器の複数の（例えば、少なくとも２であり且つ最大で６の）自由度（すなわち、独立した運動方向）を拘束するように構成される。ストラットの非線形ばね定数は、大きい力に晒されていないときには低く、それ故に、伝達される低振幅の振動力を実質的な減衰を提供する。ストラットの非線形ばね定数は、ストラットに作用する縦方向の力が増大するにつれて増加し、それにより、支持プラットフォームに作用する高振幅の振動力に晒されるときに、支持される観測機器の変位を制限する。一態様において、非線形ばねは、変位の関数として圧縮又は引張において対称的に増加するばね定数を持つ。線形ばねは、非線形ばねと直列に結合されることができ、線形ばねの縦軸が、非線形ばねの縦軸と同軸になるように整列される。サスペンションシステムを組み立てて同じ結果を達成するために使用されることができる線形ばねと非線形ばねとの複数の可能な組み合わせが存在する。例示的なばねがここに開示される。
【０００９】
一実施形態において、双方向ばねは円形のコンプライアント平面部材を有するが、長方形のコンプライアント平面部材も使用され得る。均一な厚さを有してコンプライアント平面部材の外側部分を包み込む剛性の環状平面部材が開示される。コンプライアント平面部材は、剛性環状平面部材の内側に配置されることができ、コンプライアント平面部材の中心と第１の環状部材の中心とが同一直線上にある。コンプライアント平面部材は、剛性環状平面部材の厚さよりも小さい厚さを有することができる。一態様において、コンプライアント平面部材は円形でありとすることができる。コンプライアント円形平面部材のそれぞれの面に一対の反対側の中心拘束部材を配置することができ、これらは、コンプライアント円形平面部材及び剛性環状部材と同心であることができる。一態様において、この双方向ばねは、ダイヤフラムばねとして記述されることができる。複数のこのようなダイヤフラムばねを共に結合することができる。
【００１０】
一実施形態において、ビークルに取り付けられて上にセンサを担持した、可変ばね定数を持つ双方向ばね部材を有し得るシステムが開示される。双方向ばね部材は、コンプライアント円形平面部材の一部を包み込む剛性環状部材を有することができ、コンプライアント円形部材の厚さは、剛性環状部材の厚さよりも小さくすることができる。環状部材の中心とコンプライアント円形平面部材の中心とを同一直線上にすることができ、コンプライアント円形平面部材の中心と剛性環状部材の中心とを通る仮想軸が、円形平面部材の面及び剛性環状部材の面に対して実質的に垂直であるとすることができる。コンプライアント円形部材の撓みにより、ビークルの動作又はビークルに結合された装置の動作からの振動イベント中のセンサの動きを受け入れることができる。当然ながら、他形状のコンプライアント部材もここで企図される。線形のばね部材が非線形の双方向ばねに結合されて、低振幅及び高振幅の双方の振動を減衰させることができる改良されたばね装置を作り出す。
【００１１】
このシステムを使用して振動力を最小化する方法は、双方向バネ部材をビークルに配置したビークルを使用することを有することができ、このばね部材が、当該ばね部材の中央に配置してセンサを担持する。双方向ばね部材は、第１の厚さを持つ剛性環状部材と、該剛性環状部材の内側に部分的に配置された、第２の厚さを持つコンプライアント円形平面部材とを有することができ、第２の厚さは第１の厚さよりも小さくすることができ、コンプライアント円形平面部材の中心と剛性環状部材の中心とを通る仮想軸が、円形平面部材の面及び剛性環状部材の面に対して実質的に垂直であるとすることができる。この方法は更に、ビークルを動かすこと又はビークルに搭載された装置を動作させることによって双方向ばねに荷重をかけ、コンプライアント円形平面部材の中心を通る仮想軸と平行な方向に、且つセンサの位置から離れる方向に、双方向ばねに作用する力を生じさせることを有することができる。理解されることには、この技術は主に、ばね結合及び／又は非線形ばねのシステムに関連して使用されるときに有用である。
【００１２】
一態様において、双方向非線形ばねは、第２の厚さを持つ接続用の剛性部材に結合された、第１の厚さを持つ少なくとも２つのコンプライアント環状部材を有する。第１の厚さは第２の厚さよりも小さく、複数の剛性部材が交互に、コンプライアント環状部材の外径を隣接するコンプライアント環状部材の外径に接続すること、又はコンプライアント環状部材の内径を隣接するコンプライアント環状部材の内径に接続することのいずれかを行い、それにより、それらが構造的に直列に接続される。非線形ばねが圧縮又は引張のいずれかで変位されるときにも、非線形ばねの実効的なばね定数が対称的に増加する。
【００１３】
理解されるべきことには、ここで説明される発明概念及び技術の例は、ここに開示された特定の構造、処理工程、又は材料に限定されず、当業者によって認識されるその均等範囲に拡張される。やはり理解されるべきことには、ここで使用される用語は、単に特定の発明概念を説明する目的で使用されており、限定の意図はない。
【００１４】
本明細書の全体を通じての“一例”又は“或る例”への言及は、その例に関連して記載される特定の機構、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの例に含まれることを意味する。故に、本明細書の全体の様々な箇所で“一例において”又は“或る例において”という言い回しが現れることは、必ずしも全てが同じ例に言及しているわけではない。
【００１５】
ここで使用されるとき、複数の品目、構造要素、組成要素、及び／又は材料が、便宜上、共通のリストにて提示され得る。しかしながら、それらのリストは、そのリストの各メンバーが別個の独特のメンバーとして個々に特定されているかのように解釈されるべきである。故に、そのようなリストの何れの個々メンバーも、反することの示唆がない限り、単に共通のグループにて提示されていることに基づいて、同じリスト内のその他のメンバーの事実上の等価物として解釈されるべきでない。さらに、ここでは、本発明の様々な実施形態及び例が、その様々な構成要素に関する代替とともに言及されることがある。理解されるように、それらの実施形態、例、及び代替は、互いに事実上の等価物と見なされるべきでなく、本発明の別個の自立した表現と見なされるべきである。
【００１６】
また、記載された機構、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において好適に組み合わされ得る。明細書においては、本発明の実施形態の十分な理解を提供するため、例えば長さ、幅、形状の例など、数多くの具体的詳細事項が提供されている。しかしながら、当業者が認識するように、本発明は、これらの具体的詳細事項のうちの１つ以上を用いずに実施されてもよいし、あるいは、他の方法、構成要素、材料などを用いて実施されてもよい。また、周知の構造、材料、又は処理については、本発明の態様を不明瞭にすることがないよう、詳細に示したり説明したりしていない。
【００１７】
次に、図１−３を参照するに、コンプライアント円形平面部材１０を有する双方向ばね装置５が開示されており、コンプライアント円形平面部材１０は、その全体にわたって均一な厚さを持っている。円形平面部材１０の第１の面１１上に、均一な厚さを持つ第１の剛性環状平面部材１５が配置され得る。円形平面部材１０の第２の面１２上に、均一な厚さを持つ第２の剛性環状平面部材１６が配置され得る。第１の環状平面部材１５及び第２の環状平面部材１６の厚さは実質的に同等であるとすることができる。一例によれば、第１の環状平面部材１５及び第２の環状平面部材１６は、内径２０及び外径２１を持つことができる。第１の環状平面部材１５の内径２０は、第２の環状平面部材１６の内径２０と実質的に同等であるとし得る。同様に、第１の環状部材１５の外径２１は、第２の環状平面部材１６の外径２１と実質的に同等であるとし得る。有利なことに、開示される双方向非線形ばね部材５は、低い励振（すなわち、ビークルの動きにおける小さい変動など）に対して低い剛性を提供することができ、それにより、高周波ノイズをアイソレートするように機能することができる。開示される双方向非線形ばね部材５はまた、大きい励振に対して高い剛性を提供することができ、それにより、例えばビークル発射荷重及び／又は着陸荷重などの振動を被る付随装置の変位を制限する。ここでは、コンプライアント部材１０の一部を包み込む第１及び第２の剛性環状平面部材１５、１６を参照する。理解されることには、第１及び第２の剛性環状部材１５、１６は、コンプライアント部材１０によって隔てられることができ、あるいは、コンプライアント平面部材１０の一部を包み込む単一の剛性環状部材の２つの面を形成してもよい。
【００１８】
一例によれば、ばね部材５は、コンプライアント平面部材１０が妨害されずに自由に動けるままにして、第１及び第２の環状平面部材１５、１６の少なくとも一部をビークルの一部に結合することによって、ビークルに固定されることができる。センサ又は他の装置をコンプライアント部材１０の中心１３に配置／固定することができる。ビークルがコンプライアント平面部材１０の面に対して垂直である方向“Ａ”に動くとき、又はビークルの動き若しくはビークルのコンポーネントの動きが環状平面部材１５、１６の動きを誘起するとき、コンプライアント部材１０は、ビークルの進行方向とは反対の方向、又は環状平面部材１５、１６に誘起される動きの方向とは反対の方向に撓むことになる。この撓み動作が、コンプライアント部材１０の中心１３付近に配置された又はその他の方法でコンプライアント部材１０によって支持されたセンサ（又は他の装置）に作用する振動力（又は他の力）を吸収し及び／又は減衰させる。コンプライアント平面部材１０は、コンプライアント平面部材１０の厚さ、印加される力、並びに第１及び第２の環状平面部材１５、１６の中に配置されていないコンプライアント平面部材１０の全表面積の関数として、撓みに抵抗することになる。
【００１９】
一態様によれば、コンプライアント円形平面部材１０は、第１の環状平面部材１５と第２の環状平面部材１６との間に配置されることができ、コンプライアント円形平面部材１０、第１の環状部材１５、及び第２の環状部材１６の中心１３が同一直線上にされる。円形平面部材１０、第１の環状部材１５、及び第２の環状部材１６の中心１３を通る仮想軸Ａは、円形の平面部材１０の面に対して垂直である。剛性環状部材を具体的に参照しているが、理解されることには、コンプライアント円形平面部材１０に対して曲げ応力を均等に分散させるために内周が円形である限り、環状部材１５、１６の外周は楕円形又は他の形状であってもよい。同様に、曲げ応力を被るコンプライアント部材１０がそれら曲げ応力を装置周りに均等に分散させるために円形である限り、コンプライアント円形平面部材１０は全体が円形である必要はない。
【００２０】
一態様において、コンプライアント円形平面部材１０は、第１及び第２の剛性環状平面部材１５、１６の厚さよりも小さい厚さを有することができる。コンプライアント円形平面部材１０の相対的な厚さは、動きに対して望まれる相対的な抵抗力及び吸収されるべき振動の相対的なレベルに依存し得る。非限定的な一例において、コンプライアント平面部材１０は、０．１０ｍｍから０．３０ｍｍの範囲のチタンシートを有することができ、剛性環状部材１５、１６は、厚さが２ｍｍから６ｍｍの範囲のチタン材料を有することができる。更なる一態様において、剛性環状平面部材１５、１６の内径２０は、２５ｍｍから３５ｍｍの範囲とすることができ、剛性環状平面部材１５、１６の外径２１は、３５ｍｍから４５ｍｍの範囲とすることができる。他の一態様において、剛性環状平面部材１５、１６の内径２０は、３５ｍｍから４５ｍｍの範囲とすることができ、剛性環状平面部材１５、１６の外径２１は、４５ｍｍから５５ｍｍの範囲とすることができる。しかしながら、理解されることには、上で言及した寸法には、具体的な用途に適するように利用されることが可能な数多くのバリエーションが存在する。また、上で提供された非限定的な例においてはチタンの使用が具体的に言及されているが、理解されることには、本発明との関連では幾つもの材料が使用され得る。他の非限定的な例は、鋼、ニッケル、及び／又は金属合金の使用を含む。一部の態様では、非金属が使用されてもよい。例えば、非限定的な他の一例において、コンプライアント部材１０は、熱可塑性エラストマー、グラファイトコンポジット、織物、又は他のコンプライアントな合成材料若しくは有機材料を有し得る。剛性環状部材１５、１６は、具体的な用途に適するように、熱可塑性エラストマー又は剛性ポリエチレン又は他の高分子材料を有することができる。また、上のチタンの例は、コンプライアント円形平面部材１０及び剛性環状部材１５、１６を同じ材料で製造されるとして記述しているが、理解されることには、コンプライアント円形平面部材１０及び剛性環状部材１５、１６は相異なる材料で製造されてもよい。すなわち、それぞれの部材に使用される寸法及び材料は、具体的な剛性、変位、又は強度の要件に合わせてばねを“調節”するために様々にされることができる。
【００２１】
本発明の一態様において、コンプライアント円形平面部材１０の両面に第１及び第２の拘束部材１７、１８を配置することができる。第１及び第２の拘束部材１７、１８は、円形平面部材１０並びに第１及び第２の環状部材１５、１６の中心１３と同一直線上にある中心を持つ円形ディスクを有することができる。第１及び第２の拘束部材１７、１８は、第１及び第２の環状部材１５、１６の厚さと実質的に等しい厚さを持つことができる。更なる一態様において、第１の拘束部材１７の面は第１の環状部材１５の面と同一平面上にあることができ、第２の拘束部材１８の面は第２の環状部材１６の面と同一平面上にあることができる。第１及び第２の拘束部材１７、１８の外径２５は、第１及び第２の環状部材１５、１６の内径２０よりも小さいとすることができる。非限定的な一例において、第１及び第２の拘束部材１７、１８の外径２５は、第１及び第２の剛性環状部材１５、１６の内径２０の半分よりも小さいとし得るが、拘束部材１７、１８の寸法は、具体的な用途に関する具体的な設計基準に基づいて様々となる。例えば、コンプライアント円形平面部材１０のいっそう大きい撓みが望まれる状況では、拘束部材１７、１８の外径２５と剛性環状部材１５、１６の内径２０との間の差は、コンプライアント円形平面部材１０のいっそう小さい撓みが望まれる場合よりも大きくなる。一例において、拘束部材１７、１８は、剛性環状平面部材１５、１６を製造するのに使用される材料と同じ材料を有することができるが、これら２つは、具体的な用途に適するように、相異なる材料から製造されてもよい。
【００２２】
似通った参照符号が同様の機構を記述していることがある図１−３を大まかに参照するが、図４−５に更に詳細に示すように、複数のコンプライアント円形平面部材５１と、複数の剛性環状部材５２と、隣接する環状部材５２及び隣接する拘束部材５３の面に沿った複数の隣接箇所で共に結合された複数の拘束部材５３と、を有し得る双方向ばね装置５０が開示されている。一態様において、ばね装置５０は、剛性環状平面部材５２ａと、同一平面上の中心拘束部材５３ａとを有する第１の層を有することができる。コンプライアント円形平面部材５１ｂが第２の層をなすことができる。第３の層は、第１の層と同様とすることができ、剛性環状部材５２ｃと中心拘束部材５３ｃとを有する。第１及び第３の層は、コンプライアント円形部材５１ｂすなわち第２の層の一部を包み込むことができる。第４の層は、第３の層の後ろに配置された別の１つのコンプライアント円形平面部材５１ｄを有することができ、第１の層及び第３の層と同様の第５の層（５２ｅ、５３ｅ）によって続かれる。第６の層は、更に別の１つのコンプライアント平面部材５１ｆを有することができ、第７の層は、更に別の１つの、剛性環状部材５２ｇ／中心拘束部材５３ｇの組み合わせを有することができる。結果として得られる層の組み合わせは、異なるダイヤフラム周りに力を分配するように動作的に結合される複数の結合された同心ダイヤフラム（又はシート）ばね部材を有するばね部材５０である。
【００２３】
コンプライアント円形平面部材５１と剛性環状平面部材５２／中心拘束部材５３コンビネーション（組み合わせ）との間の相対的な厚さの違いが、それらが互いに接触しないように、異なるコンプライアント円形平面部材５１の間に空間５４を作り出す。むしろ、隣接する剛性環状平面部材５２／中心拘束部材５３コンビネーションを共に結合することができ、その結合接触を通じて、結合された双方向ばね装置５０に作用する相対的な力を伝達することができる。すなわち、例えば頂部の中心拘束部材５３ａに印加される力を、隣接する同一線上の拘束部材（５３ｃ、５３ｅ、５３ｇ）を通じて伝達することができる。それら中心拘束部材はそれらの付随のコンプライアント部材に結合されているので、中心拘束部材を通じて伝達される力は、中心拘束部材に結合されている付随のコンプライアント部材によって抵抗される。
【００２４】
本発明の一態様において、隣接する剛性環状平面部材／中心拘束部材コンビネーションは、溶接、融着、接着、又は他の恒久的固定手段によって結合されることができる。しかしながら、他の一態様では、様々な層数を用いる双方向ばね部材コンビネーションの組み立て／分解を可能にするよう、これらコンビネーションを共にボルト締め又はねじ止めしてもよい。例えば、剛性環状部材／中心拘束部材コンビネーションによって共に結合された２個から１０個の同心コンプライアント部材を備えたばね装置を有することを、或るユーザが望み得る。一態様において、ユーザがボルト締め又は他の好適手段によって隣接する層を共に結合することを可能にすべく、剛性環状平面部材５２／中心拘束部材５３コンビネーション及びコンプライアント円形平面部材５１を貫いて複数の開口５５を配設することができる。
【００２５】
図１−５を大まかに参照するが、図６に更に詳細に示すように、一態様において、円形平面部材５１の厚さは、概して円形平面部材５１の中心１３からその外側へと延びる方向に減少することができる。技術の側面から、円形平面部材５１の可変厚さが、ばねへの応力がいっそう大きくなるところである中心１３付近でいっそう大きくなることが、より有益となる。円形平面部材５１の厚さは、具体的な用途に応じて、線形な変化率６０又は非線形な変化率６１で増加することができる。また、コンプライアント円形平面部材５１の厚さの線形６０又は非線形６１な変化の開始点は、円形平面部材５１の中心１３付近とし得る。しかしながら、一態様において、開始点は、具体的な用途に適するように、コンプライアント円形平面部材５１の直径に沿った中間点６２付近又は何らかのその他の点であってもよい。他の一態様において、円形平面部材５１の厚さは、概して円形平面部材５１の中心１３からその外側へと延びる方向に減少することができる。厚さの増加と同様に、厚さの減少は、具体的な用途に適するように、線形６０又は非線形６１な変化率でとし得る。
【００２６】
双方向ばねを組み込んでセンサ振動を最小化するシステムが更に開示される。双方向ばね部材５０をビークルに取り付けることができ、双方向ばね部材５０は、第１の厚さを持つ剛性環状部材５２と、剛性環状部材５２の中に配置された、第２の厚さを持つコンプライアント円形平面部材５１とを有することができる。コンプライアント部材５１の厚さは、剛性環状部材５２の厚さよりも小さくすることができ、これが、装置のコンプライアント（追随）挙動に寄与する。環状部材５２の中心とコンプライアント円形平面部材５１の中心１３とを同一直線上にすることができ、コンプライアント円形平面部材５１の中心１３及び剛性環状部材５２の中心を通る仮想軸Ｂが、円形平面部材５１の面及び剛性環状部材５２の面に対して実質的に垂直となる。円形平面部材５１の中心１３付近に、又は中心拘束部材５３の上に、センサを配置することができる。一態様において、ばね部材５０の縦軸Ｂを、ビークルの進行方向と平行にすることができ、あるいは、ビークルの進行から生じる、又はばね部材５０に作用する振動力（例えば、モータの動作など）から生じる、ばね部材５０に作用する力と平行にすることができる。他の一態様では、ばね部材５０の縦線Ｂを、ビークルの進行方向と垂直にすることができ、あるいは、ビークルの進行、ビークルに搭載された装置の動作、又はビークルに作用するその他の力から生じる力と垂直にすることができる。双方向ばね部材５０は、コンプライアント円形平面部材５１の両面に配置された２つの円形の剛性中心拘束部材５３を有することができる。組み合わされるこれら２つの円形剛性拘束部材５３の厚さは、コンプライアント部材５１の一部を包み込む剛性環状部材５２の厚さと実質的に等しいとすることができ、剛性環状部材５２の面を、剛性中心拘束部材５３の面と同一平面上にすることができる。
【００２７】
本発明の一態様によれば、ばね部材５０は、ばね５０がバイアスされていない位置にあるときに、剛性環状部材５２及び剛性中心拘束部材５３が同一平面上にあるという、第１の位置を有することができる。荷重を受けたとき、中心拘束部材５３は、コンプライアント部材５１が撓むにつれて、剛性環状部材５２の面に対して垂直な方向に移動することができ、ばね５０を、中心拘束部材５３がもはや剛性環状部材５２と同一平面上にないものである第２の位置に配置する。ばね５０は、最初の方向とは反対方向へのコンプライアント部材５１の撓みの結果として拘束部材５３が剛性環状部材５２の反対側に移動した第３の位置を有することができる。第２の位置と同様に、第３の位置も、中心拘束部材５３が剛性環状部材５２と同一平面上にない配置をもたらすことができる。得られる構成は、少なくとも２つの方向で可変の（又は非線形の）ばね定数を有するばね撓みを提供する。
【００２８】
ここに記載されるシステム及び付随する双方向ばね装置は、センサ又はばねとともに使用されるその他の装置に作用する振動力を最小化する方法とともに使用可能である。一態様において、その方法は、双方向ばね部材５０をビークルに配置したビークルを使用することを有することができる。ばね部材５０は、ばね部材５０の中心付近に配置されたセンサを担持することができ、あるいは、センサを担持するプラットフォームに結合されることができる。双方向ばね部材５０は、剛性環状部材５２と、剛性環状部材５２の中に配置されたコンプライアント円形平面部材５１とを有することができ、コンプライアント部材５１の厚さは剛性部材５２の厚さよりも小さい。仮想軸Ｂが、剛性環状部材５２及びコンプライアント円形平面部材５１の中心を通る。ビークルの動き（例えば、急加速、急減速、又は急な方向転換による）、又はビークルに搭載された装置の動作が、双方向ばね５０に対する荷重を作り出し得る。これは、コンプライアント円形平面部材５１の中心１３を通る仮想軸Ｂと平行な方向にビークルを動かすこと、及び／又はその方向でばね５０に作用する振動力を誘起することによって発生され得る。一態様において、急な変化の方向は、センサの位置から離れるものであり、センサの線運動量の方向とは反対である。例えば、ビークルが停止していてセンサの運動量がゼロである場合に、ビークルの急加速は、センサの運動量の急激な変化によって、重力がセンサにかかることをもたらすことになる。その急激な変化が双方向ばね５０の面に対して垂直な方向にある場合、結果として生じるセンサに作用する振動力は、双方向ばね５０の撓みによって最小限に抑えられる。このばねは双方向であるので、急減速から生じる力も同様に対処されることができる。一態様において、広く見て、双方向ばね５０が線形ばねとともに使用されるとき、この技術は、観測機器に作用する振動力を最小化し且つアイソレートする方法において使用されることができる。この方法は、ビークルを動作させることを有し、ビークルは、当該ビークルに配置された双方向ばねシステムを有し、双方向ばねシステムは、当該双方向ばねシステムによって支持された観測機器を担持する。ここで述べたように、双方向ばねシステムは、線形双方向ばね部材に結合された非線形双方向ばね部材を有し、非線形ばねのばね定数は、全ばね行程よりも小さい第１の量だけ変位されるときに、線形ばねのばね定数よりも低く、組み合わされたばねが、第１の量よりも大きい第２の量だけ変位されるときに、線形ばねのばね定数よりも高い。ビークルを動かすことによって、又はビークル周りに配置された装置を動作させて観測機器上に振動力を誘起することによって、双方向ばねシステムに荷重がかけられる。一態様において、観測機器を支持した線形ばね及び非線形ばねの構成は、小さい変位に対しては低い共振周波数を有して、伝達される振動の高い減衰をもたらし、大きい変位に対しては高い共振周波数を有して、高加速イベント中の変位を制限するとともに、観測機器が結合されたシステム内の他箇所の低めの共振周波数構造モード、低めの共振周波数構造を有するシステムのコンポーネントとの動的な結合を抑制する。
【００２９】
加速及び減速から生じる力を具体的に参照しているが、この技術の一態様において、双方向ばね５０はまた、ビークルに結合された又はビークルによって担持された機械の動作から生じる非調和運動又は振動力ではないような、ビークルの一般的な動きから生じる振動力（例えば、調和運動）を減衰させるためにも使用される。また、ここではセンサを具体的に参照しているが、理解されることには、ビークルに収容された、ビークルの動作中に振動力からアイソレートすることを望む他の装置も、ここでの使用に企図される。
【００３０】
図６に示す方向Ｂでのコンプライアント部材５１の撓みに加えて、コンプライアント部材５１は、準“ピッチ”又は“ヨー”方向に撓み得る。すなわち、重心６４を通る直線方向Ｂへの（すなわち、ｙ軸方向への）コンプライアント部材５１の撓みが生じ得るが、振動イベントの間、中心拘束部材５３によって支持されたセンサ又はその他の部材は、ｘ軸（“Ｃ”で図示）又はｚ軸（“Ｄ”で図示）での回転モーメント力が重心６４周りで中心拘束部材５３に作用することを誘起し得る。生じた回転モーメント力は、中心拘束部材５３の両側で反対方向のコンプライアント部材５１の撓みによって双方向モードで抵抗される。例えば、ストラット又はその他の部材が中心拘束部材５３によって支持されるとともに、ストラットの上の支持されていないコンポーネントに作用する力が、方向“Ｂ”に対して垂直な方向にストラットを傾斜又は移動させる場合、方向“Ｃ”のｘ軸周りの回転力が、中心拘束部材５３の一方側でのコンプライアント部材５１の下向きの撓みと、中心拘束部材５３の反対側でのコンプライアント部材５１の上向きの撓みと、によって軽減されることになる。この技術のその他の態様（例えば、ばねコンビネーション１１０）とともに使用されるとき、この構成は、剛性環状部材５２に対する中心拘束部材５３（及びそれに結合された構造）の旋回を提供する。
【００３１】
非線形ばねに関連して使用される環状部材を参照してきた。理解されることには、本技術革新から逸脱することなく、他の幾何学的構成も使用され得る。例えば、図１４を大まかに参照するに、剛性外側部材２５２、平面コンプライアント部材２５１、及び中央拘束部２５３を有するばね２５０が開示されている。外側部材２５２又は中央拘束部２５３のいずれかが、ビークル又は振動力を被る他の装置に取り付けられ得る。この構成は、コンプライアント部材２５１の撓みの面に対して垂直に荷重されるときに、コンプライアント部材２５１の非線形変位及び剛性挙動を利用する。中央拘束部２５３の頂部及び底部２５４、２５５は、この技術の一態様において、剛性外側部材２５２の頂部及び底部２５６、２５７と同一平面にあるが、このような配置は必要とされるものではない、ばね部材５０と同様に、ばね部材２５０は、ばね２５０がバイアスされていない位置にある第１の位置を有することができる。荷重を受けたとき、中央拘束部材２５３は、コンプライアント部材２５１が撓むにつれて、剛性部材２５２の面に対して垂直な方向に移動することができ、ばね２５０を、中央拘束部材２５３が剛性部材２５２に対して変位された第２の位置に配置する。ばね２５０は、最初の方向とは反対方向へのコンプライアント部材２５１の撓みの結果として拘束部材２５３が剛性部材２５２の反対側に移動した第３の位置を有することができる。得られる構成は、少なくとも２つの方向で可変の（又は非線形の）ばね定数を有するばね撓みを提供する。単一の平面ばね２５０が図１４に示されているが、理解されることには、中央拘束部２５３及び外側部材２５２にて結合された、互いの上に積み重ねられた複数の平面ばね部材も使用され得る（例えば、図５に示した積み重ねられた環状構成を参照）。
【００３２】
図１−５を大まかに参照するとともに、より具体的に図７−９を参照するに、理解されることには、非限定的な一例において、剛性環状部材５２は、それが付随するビークル（例えば、ロケット、航空機、自動車など）に対して固定されることができ、ビークルの動きに対するコンプライアント平面部材５１の中心１３における動きを通じて、あるいは、ビークルの動きから生じるばね装置５０に作用する力を通じて、ばね装置５０の撓みが生じる。しかしながら、理解されることには、コンプライアント平面部材５１の中心１３又は中心拘束部材５３が、ビークル又は他の装置（例えば、六脚構造１１６及び／又は観測機器１１７を参照）に固定されてもよく、また、バネ装置５０の撓みは、ビークル又は装置の動きに対する剛性環状部材５２の動き、ビークルの動きによって作り出される力、ビークルに収容された装置の動作、又はその他の外力の結果として生じてもよい。また、ここではビークルを具体的に参照しているが、理解されることには、双方向ばね部材５０は、限定はしないが、振動力の減衰が望まれる場合を含めて、双方向ばねが望ましい幾つもの用途において使用されることができる。
【００３３】
この技術の一態様によれば、クランプ９５によってばね９０の中心で非線形ばね１００に同軸に結合された線形ばね９０を有する双方向デュアルレートばね１１０が開示される。一態様において、線形ばね（例えば、コイルばね）９０の外径は、非線形ばね１００の外側拘束部材１０１の内径に実質的に等しい。非線形ばね１００は、ここで言及した双方向ばね５０と同様であり、少なくとも、何らかの方法でその外周周りで拘束されたコンプライアント平面部材１０２を有しており、それにより、上にかかる荷重（例えば、振動など）を吸収するコンプライアント平面部材１０２の撓みを可能にする。
【００３４】
一態様において、線形ばね９０は、固定長の又は長さ調節可能な剛性ストラット管９１及びピボット／フレクシャレグ９２に結合されることができる。長さ調節可能な剛性ストラット管９１は、圧迫して嵌り合っていて共通の軸を中心に延びる複数の入れ子式の剛体管を有することができ、あるいは、延ばされた（又は延ばされていない）位置のストラット管９１構造を固定するためにストラット管９１の遠位端付近に配置されたその他の装置を有することができる。一態様において、ピボット／フレクシャレグ９２は、ストラットフット１１２内の開口部と篏合するように構成された遠位端ポスト９３を有する。エンドポスト９３は、ストラットフット１１２の開口部内で旋回するような大きさにされて、デュアルレートばね１１０に付随する負荷に作用する振動を更に最小化する。有利なことに、非線形ばね１００のコンプライアント円形平面部材１０２が、ビークルの動きの小さい変化から生じる振動力を吸収するように設計されることができる（すなわち、小さい動きから大きい度合いの撓みを持つ）一方で、線形（例えば、コイル）ばね９０は、より大きい動きイベント（例えば、ミサイル発射、航空機の離陸又は着陸など）から生じる振動力を吸収するように設計されることができる。線形コイルばね９０を具体的に参照しているが、理解されることには、ここでは他の線形ばね部材も使用され得る。例えば、一重螺旋、二重螺旋、波形ばね、線形ねじりばね、板ばね、機械溝付きばね、又は他のばねが使用されてもよく、ここでの使用に企図される。
【００３５】
非限定的な一例において、この非線形／線形ばねコンビネーション（すなわち、デュアルレートばね）１１０は、六脚構造１１７を形成する複数の非線形ばねコンビネーション１１０によって支持された振動絶縁プラットフォーム１１５に関連して使用されることができる。一対の非線形／線形ばねコンビネーション１１０が、プラットフォーム１１５上の別々の位置で振動絶縁プラットフォーム１１５に結合され、そして、ともにストラットフット１１２に結合される。故に、アイソレートされたプラットフォーム１１５の上に配置された観測機器１１７は、より小さい振動を受ける。観測機器１１７に作用する力は、ビークルの動き又はビークルに付随する装置の動作によって生み出され、特定の態様において、多様な異なる方向の力ベクトルを有する。非限定的な他の一例において、観測機器それ自体１１６が別個の振動源を有することがある。例えば、観測機器１１７は、極低温冷却器、液体処理装置、空気濾過システム、運動量ホイール、制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）、又は使用中に振動を発生するその他の装置を有し得る。この場合、観測機器１１７の動作から発生される振動（これは、加速イベント中に生み出される振動力よりも小さい）が、例えば影響を受けやすいオンボードセンサ又は他のエレクトロニクスを含む残りのビークルからアイソレートされる。他の一例において、観測機器１１７は、極低温冷却器や液体処理装置などによって発生される振動力からの絶縁を必要とするセンサである。
【００３６】
有利なことに、この非線形／線形ばねコンビネーション（すなわち、ばねストラット）１１０は、加速イベントの最中又はビークルの動き若しくはビークルに付随する装置の動作に伴う高振幅振動の最中に観測機器１１７に作用する振動力の減衰を最適化するが、ビークルは停止しているが観測機器１１７がその動作の結果として生じる“ソフトな”又は低振幅の振動力を生み出しているときに、“ソフト”又は低振幅振動減衰という追加の利益を提供する。斯くして、例えば（ロケット用途で使用されるときの）発射ロック又は緩衝装置などの装置をビークルから排除することができる。しかしながら、ビークルは、本技術のマルチ振幅減衰能力を利用するために、２つの異なる動作状態にある必要はない。例えば、単一のビークル運動イベント中に、観測機器１１７が、そのビークル運動の異なる段階において高振幅及び低振幅の双方の振動力を経験することがある。本技術は、振動力の共振周波数に応じて、本技術の線形ばね局面の使用と本技術の非線形ばね局面の使用との間で、ビークル（又は付随装置）動作の公称段階での最適化された遷移を提供する。一態様において、全ばね変位量のうち第１の量での双方向ばねシステムの共振周波数は、第２の変位量での双方向ばねシステムの共振周波数よりも低い。
【００３７】
言い換えれば、この組み合わされた線形／非線形ばねは、非線形ばねのばね定数が、全ばね行程よりも小さい第１の量だけ変位されるときには、線形ばねのばね定数よりも低く、そして、この組み合わされたばねが第１の量よりも大きい第２の量だけ変位されるときには、線形ばねのばね定数よりも高いように構成される。この技術の一態様において、非線形ばね定数と線形ばね定数とが等しくなるところでの、全ばねストローク又は全ばね変位（すなわち、圧縮又は引張において、この組み合わされたばねが移動する又は変位される総距離）のうちの割合は、約１０パーセントであるが、具体的な用途に適するように、これらの定数が等しくなるところでのストローク体積の他の割合が使用されてもよい。その効果は、従来技術の減衰装置で経験される観測機器への衝撃とは対照的に、本技術は低い初期ばね定数とそれより高い高変位ばね定数との間の滑らかな移行を提供することである。
【００３８】
一態様において、非線形／線形ばねコンビネーション１１０の実効的なばね定数は、次の関数：
ｋ＝１／（１／ｋＬ＋１／ｋＶ）
として表されることができ、ただし、ｋは非線形／線形ばねコンビネーション（すなわち、ばねストラット）１１０の実効的なばね定数に等しく、ｋＬは線形ばね９０の一定の定数に等しく、そして、ｋＶは非線形ばね１００の可変ばね定数に等しい。換言すれば、非線形ばねは、変位に伴って対称的に（すなわち、それが引張状態にあろうが圧縮状態にあろうが等しく）増加するばね定数を持つ。すなわち、非線形ばねが公称位置にあるとき、それは第１のばね定数を持ち、所定量の変位を受けて（全てがばね設計に依存する）、非線形ばねは、第２の、より高いばね定数を持つことになる。ばね定数におけるこの増加は双方向であり、ばねが圧縮状態にあろうが引張状態にあろうが等しく増加する。一態様において、線形ばね定数は、非線形ばねの最小ばね定数と最大ばね定数との間の一定のばね定数を持ち、一態様において、線形ばねが引張状態にあろうが圧縮状態にあろうが一定である。
【００３９】
ここでは、複数のばねストラット１１０によって６自由度で支持された六脚構造１１６に関して具体的に言及しているが、理解されることには、この技術の態様は、限定しないが三脚、四脚、又は任意数の複数の自由度で観測機器を支持するその他のマルチポスト支持構造を含めて、幾つもの異なる構造に関連して使用され得る。他の態様では、具体的な用途に適するように、単一の非線形／線形ばねコンビネーション（すなわち、ばねストラット）１１０が使用されてもよい。また、理解されることには、この技術の態様は無重力環境で使用され得るので、ばねストラット１１０は、頂面及び底面、及び／又は反対側の側面を含め、観測機器１１７又は振動絶縁プラットフォーム１１５の両側に配置され得る。しかしながら、これらの構成が無重力でのみ使用されることは必要ない。そのような使用は、上記構成の使用例として提供されているに過ぎない。
【００４０】
ここでは、別熱に機械加工されて、可変ばね定数を持つ双方向ばねを形成するように組み立てられた、様々な層及びコンポーネントのアセンブリに具体的に言及しているが、理解されることには、本発明の一態様によれば、双方向ばね装置は、単一の材料から一体的に形成及び機械加工されてもよい。すなわち、個々のコンポーネントが、より十分に上述したように、別々に製造され、その後に組み立てられてもよいし、あるいは、シングルピースの材料から単一の一体型ユニットとして、機械加工され、成形され、又はその他の方法で作り出されてもよい。一般的に言えば、この技術の一態様において、可変（又は非線形）ばね定数を有するばねは、少なくとも２つの方向で同様の非線形ばね定数（すなわち、変位の増大に伴って増加する定数）を達成するようにして機械加工又は形成される。ばねの形態は、均一な厚さを持つ平面環状領域の内径及び外径で交互に、より厚い（ひいては、より硬い）領域によって接続された、一連の同一直線上の平面環状領域を有する。隣接する平面環状領域の中心を通って円筒形の管腔が形成される。この構成は、薄めの平面環状領域が撓みながら、厚めの領域が剛性を維持して、引張及び圧縮の双方において同じばね定数を確保することを可能にする。複数の剛性拘束部によって交互に内側箇所及び外側箇所で結合された複数の平面環状領域は、ばねが第１の所定差よりも大きく変位されたときに第１のばね定数をもたらし、そして、第２の所定距離よりも大きく変位されたときに第２のばね定数（これは第１のばね定数よりも高い）をもたらす。第１のばね定数は、ばねが圧縮状態にあろうが引張状態にあろうが同じである。同様に、第２のばね定数は、ばねが圧縮状態にあろうが引張状態にあろうが同じである。
【００４１】
この技術の一態様によれば、図１２−１３を大まかに参照するに、複数の剛性同心中心拘束部１５３を有する事実上概して円筒形の一体型ユニットを有する双方向ばね装置１５０が示されている。コンプライアントダイヤフラム部材１５１（すなわち、環状平面部材又は平面環状領域）が、平面環状領域１５１の内径で剛性中心拘束部１５３と一体的に形成され、平面環状領域１５１の外径の位置の外側エッジ１５２で終端している。剛性中心拘束部１５３及び外側エッジ１５２は、平面環状領域１５１よりも厚い。従って、剛性中心拘束部１５３に力が印加されるとき、より薄い環状平面領域１５１が撓む。ばね１５０は、ダイヤフラム部材１５１の壁間に、剛性中心拘束部１５３上にかかる荷重を吸収するためのダイヤフラム部材１５１の撓みを許すとともに制限する交互の円筒形空間１５４を有することができる。隣接する環状平面部材間に形成されるこれらの交互空間は、内側の中心拘束部によって画成された閉鎖端と、両側の外側エッジによって画成される開放端とを有している。さらに、これらの空間は、外側エッジによって画成された閉端部と、両側の中心拘束部によって画成された開端部とを有している。これらの空間は、双方向で対称的なばね定数を支援するように円錐形（図１３参照）になるように構成され得る。
【００４２】
この技術の一態様において、外側エッジ１５２は、ばね装置１５０の残りの部分に対して相対的に静止している。すなわち、外側エッジ１５２は、剛性中心拘束部１５３の動きに対してかなり小さくしか動かない。一態様において、ばね装置１５０の端部Ａ（Ｅｎｄ“Ａ”）及び端部Ｂ（Ｅｎｄ“Ｂ”）が、ビークル、観測機器、又は振動力を生み出し得るその他の装置の一部に固定される。振動力が端部Ａ及び／又はＢでばね部材１５０に伝達されるとき、中心拘束部１５３が、ダイヤフラム部材１５１の撓みに基づいて圧縮又は伸張され、振動力の減衰をもたらす。この技術の一態様において、一つ一つのばねセクション１６０ａが機械加工され、次いで、より大きいばねを作り出すように、機械加工された複数の他のばねセクションに直列に溶接（又はその他の方法で固定）され得る。それに代えて、シングルピースの材料から複数のばねセクションが機械加工されてもよい。
【００４３】
この技術の一様態では、図１１にいっそう十分に示すように、ダイヤフラム部材１５１は、均一な厚さを有するとともに、剛性中心拘束部１５３にて終端する。図１１−１３に示すように、ユニタリ（分解できない単一の）ばね１５０の内側コーナー周りにフィレット又は曲線をなす構成１５５が配設され得る。図１０に示したもののように角をなすコーナーではなく、フィレット１５５は、動作中にユニタリばね１５０のコーナーにかかるピーク応力を低減させる。しかしながら、この技術の他の一態様では、図１２及び１３に１５６にていっそう十分に示すように、ダイヤフラム１５１の厚さは、ダイヤフラムが中心拘束部１５３（すなわち、環状平面領域又はダイヤフラム１５１の内径）から外側エッジ１５２（すなわち、環状平面領域又はダイヤフラム１５１の外径１５２）まで横方向に延在するにつれて変化してもよい。一態様において、環状平面領域の外径付近でばね１５０にかかるピーク応力を低減させるために、直径ダイヤフラム１５１が中心拘束部１５３（すなわち、内径）から外側エッジ１５２（すなわち、外径）まで横方向に外側に延在するにつれて、環状平面領域の厚さが減少する。それに代えて、他の一態様では、中心拘束部１５３付近のピーク応力の低減が望ましい特定の用途に適するように、ダイヤフラム１５１が中心拘束部１５３から外側エッジ１５２まで横方向に延在するにつれてダイヤフラム１５１の厚さが増加する。ばね１５０上でどこに荷重がかかるかに応じて、環状平面領域１５１を相対的に可変的に薄くすることは、ばね１５０上のピーク応力の低減をもたらす。一態様において、環状領域１５１の厚さは、ばねの縦軸から離れる方向に、線形な変化率又は非線形な変化率で増加する。他の一態様において、環状領域１５１の厚さは、ばねの縦軸から離れる方向に、線形な変化率又は非線形な変化率で減少する。
【００４４】
この技術の一態様において、ユニタリばね１５０が、例えば図７に示したものなどの線形ばねと組み合わされる。換言すれば、ユニタリばね１５０が、図７に示した線形／非線形ばねコンビネーション（すなわち、ばねストラット）１１０内の非線形ばね１００の代わりとなってもよく、図示して上述したのと同様の方法で使用され得る。ユニタリばね１５０は機械加工され得るが、射出成形、圧縮成形、吹込成形、真空成形、又は押出成形されることもできる。非線形ばね１００のコンポーネントも同様に製造され得る。一態様において、ユニタリばね１５０及び非線形ばね１００は同じ種類の材料から製造される。しかしながら、それに代わる構成では、これら２つのばねは異なる種類の材料から製造される。
【００４５】
次に図１３を参照するに、交互の内径１６２（すなわち、中心拘束部）及び外径１６３（すなわち、外側エッジ）で結合された複数の環状平面領域１６１を有するユニタリばね１６０が示されている。内径１６２及び外径１６３は、環状平面領域１６１の壁厚よりも大きい壁厚を有している。内側コーナー１６５が、フィレット又は丸みを帯びたエッジを有している。この技術のこの態様において、環状平面領域１６１の壁の厚さは実質的に均一である。しかしながら、これらの壁の相対的な角度が、環状の壁の間に、円錐状の形状を画成する空間１６４を作り出している。換言すれば、１つのばねセグメント１６０ａ内の対向する壁１６１ａ、１６１ｂ間の距離が、内径１６２付近で、外径１６３付近の対向壁間の距離よりも大きい。それに代えて、具体的なばねセグメントがどのように構築されるかに応じて、逆の構成も存在し得る。すなわち、ばねセグメント内の対向する壁１６１ａ、１６１ｂ間の距離が、内径１６２付近で、外径１６３付近の対向壁間の距離よりも小さい。最終的な結果は、円錐形状のばね要素の交互パターンである。有利なことに、円錐形状のばね要素は、圧縮及び引張の双方において対称的なネット（正味）ばね定数をもたらす。一態様において、壁１６１ａ、１６１ｂの形状によって形成される円錐は、付勢されていない状態にあるときに、或る特定のネットばね定数をもたらす第１の角度を持つ。しかしながら、他の一態様において、この円錐は、付勢されていない状態にあるときに、異なる角度を持っていてもよく、円錐の異なる角度に起因して異なるネットばね定数をもたらす。とにかく、この円錐の角度は、ばねが引張にて変位されるときに増加し、ばねが圧縮にて変位されるときに減少する。
【００４６】
別の言い方をすれば、図１０−１３に示した双方向線形ばねは、縦軸を中心に回転された１つ以上のコンボリューション（回旋部）として説明されることができる。各コンボリューションが、連続した第２の厚さを持つ円筒形領域１５２によって直列に接続された、第１の厚さを持つ環状領域１５１を有する。一態様において、環状領域１５１の厚さは円筒形領域１５２の厚さよりも小さい。双方向ばねの実効的なばね定数が対称的に増加するよう、隣接する環状領域の外側部分が第１の円筒形領域によって共に結合され、隣接する環状領域の内側部分が第２の円筒形領域によって共に結合される。すなわち、実効的なばね定数は、圧縮において、それが引張において増加するのと同じ変化率で増加する。
【００４７】
以上の例は、１つ以上の特定の用途において本発明の原理を例示したものであり、当業者には明らかなように、発明能力の発揮なしで、本発明の原理及び概念を逸脱することなく、実装の形態、用法、及び細部における数多くの変更が為され得る。従って、以下に記載される請求項によるものを除いて、本発明を限定する意図はない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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