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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung
zum Tragen und Isolieren eines Hochpräzisionssystems, wie beispielsweise
einer Halbleiterherstellungsvorrichtung, eines Elektronenmikroskops
oder ähnlichem,
von kleinen Schwingungen eines Anlagenbodens, und auch zum Unterdrücken von
Schwingungen eines solchen Hochpräzisionssystems selbst, die
andernfalls Probleme mit der Ausbeute und der Messgenauigkeit verursachen
würden.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Bisher
waren Hochpräzisionssysteme,
wie beispielsweise eine Halbleiterherstellungsvorrichtung, ein Elektronenmikroskop
oder ähnliches,
die frei von Vibrationen sein sollten, in Fabriken, Laboren etc.
auf einer Vibrationsdämpfungsvorrichtung
getragen. Herkömmliche
Vibrationsdämpfungsvorrichtungen
verwenden Luftfedern und vibrationsbeständige Gummikörper, die
herkömmlicherweise
in der Technik verwendet wurden. Eine moderne Vibrationsdämpfungsvorrichtung
ist eine Magnetschwebe-Vibrationsdämpfungsvorrichtung, die in
der Lage ist, ein Hochpräzisionssystem
sehr effizient von Schwingungen bzw. Vibrationen zu trennen bzw.
isolieren. Ein Beispiel einer Magnetschwebe-Vibrationsdämpfungsvorrichtung
ist offenbart in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2-203040.
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Eine
weitere Vibrationsdämpfungsvorrichtung
besitzt Luftfedern, die einen vibrations-isolierenden Tisch tragen,
auf dem ein Hochpräzisionssystem aufgebaut
ist, uns Elektromagnete, die gesteuerte magnetische Anziehungskräfte erzeugen,
um unerwünschte
Vibrationen zu entfernen. Eine solche Vibrationsdämpfungsvorrichtung
ist offenbart in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2-266134, die alle Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1
zeigt.
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Insbesondere
ist der vibrations-isolierende Tisch durch die Luftfedern vertikal
getragen, um zu verhindern, dass eine Schwingung eines Anlagenbodens
direkt auf den vibrations-isolierenden Tisch übertragen wird. Ein auf dem
vibrations-isolierenden Tisch angebrachter Beschleunigungssensor
detektiert Schwingungen davon, und die detektierten Schwingungen
werden entfernt durch Steuern der magnetischen Anziehungskräfte, die
von den Elektromagneten auf Magnetkörper angelegt werden, die auf
dem vibrations-isolierenden
Tisch fest angebracht sind.
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Die
Vibrationsdämpfungsvorrichtung,
die Luftfedern und vibrationsbeständige Gummikörper verwendet
ist in der Lage, Schwingungen von dem Anlagenboden bis zu einem
gewissen Ausmaß zu dämpfen, und
zwar bezüglich
eines Hochpräzisionssystems,
wie beispielsweise einer Halbleiterherstellungsvorrichtung, eines
Elektronenmikroskops, oder ähnlichem,
das auf der Vibrationsdämpfungsvorrichtung
angebracht ist. Jedoch besitzt die Vibrationsdämpfungsvorrichtung eine Resonanzfrequenz,
die verhindert, dass Schwingungen mit einer sehr niedrigen Frequenz
oder sehr kleinen Amplitude gedämpft werden.
Ferner können
irgendwelche Schwingungen, die von dem Hochpräzisionssystem selbst erzeugt
werden, das auf der Bodenplatte einer Vibrationsdämpfungsbasis
aufgebaut ist, nicht entfernt werden, wenn nicht Schwingungen der
Bodenplatte der Vibrationsdämpfungsbasis
detektiert und aktiv beseitigt werden.
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Die
in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2-203040 offenbarte
Magnetschwebe-Vibrationsdämpfungsvorrichtung
verwendet einen elektromagnetischen Betätiger, der jederzeit erregt
werden muss, um einen vibrations-isolierenden Tisch magnetisch schweben
zu lassen, und erfordert daher eine große Menge elektrischer Energie.
Die Magnetschwebe-Vibrationsdämpfungsvorrichtung
mit einem derartigen elektromagnetischen Betätiger benötigt auch eine Sicherungs-
oder Hilfsbatterie zum Betrieb des elektromagnetischen Betätigers im
Notfall, und daher eine komplizierte Nebenausrüstung, um die Magnetschwebe-Vibrationsdämpfungsvorrichtung bei
elektrischem Leistungsausfall aktiv zu halten. Die in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2-266134 offenbarte Vibrationsdämpfungsvorrichtung, bei der
der vibrations-isolierende Tisch von den Luftfedern getragen wird,
besitzt diese Probleme nicht.
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Bei
der in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2-266134 offenbarten
Vibrationsdämpfungsvorrichtung
ist der vibrations-isolierende Tisch vertikal positioniert durch
Regulieren des Luftdrucks in den Luftfedern, kann aber nicht horizontal
positioniert werden. Insbesondere muss der vibrations-isolierende
Tisch horizontal in X- und Y-Richtungen positioniert werden, so
dass der Magnetkörper
auf dem vibrations-isolierenden Tisch in kleinen begrenzten Spalten
bzw. in kleinem begrenzten Abstand der Elektromagnete außer Kontakt
mit den Magnetpolen davon gehalten wird. Die offenbarte Vibrationsdämpfungsvorrichtung
jedoch besitzt keine aktiven Mittel zum horizontalen Positionieren
des vibrations-isolierenden Tischs, der lediglich passiv horizontal
getragen wird durch die horizontale Steifigkeit der Luftfedern.
Die Luftfedern können
unter charakteristischen Variationen leiden, die dazu neigen, den
vibrations-isolierenden Tisch horizontal positionsmäßig zu versetzen
aufgrund der Eigenschaften des Gummis davon oder der Zusammenbaugenauigkeit, wodurch
die Magnetpole der auf dem Anlagenboden befestigten Elektromagnete
in Kontakt mit den Magnetkörpern
gebracht werden, die fest auf dem vibrations-isolierenden Tisch
angebracht sind, mit der Folge einer Verminderung der vibrations-isolierenden Leistung
oder einer Beschädigung
der Vibrationsdämpfungsvorrichtung.
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Der
vibrations-isolierende Tisch kann durch Elektromagnete horizontal
positioniert werden. Wenn jedoch ein auf dem vibrations-isolierenden
Tisch angeordneter Gegenstand schwer ist, dann muss die Steifigkeit
der Luftfedern, die den vibrations-isolierenden Tisch tragen, groß sein,
und daher müssen auch
die Elektromagnete zum horizontalen Positionieren des vibrations-isolierenden
Tischs eine große Kapazität besitzen.
Infolge dessen müssen
auch Stromverstärker
zum Erregen der Elektromagnete und eine Leistungsversorgung dafür eine große Kapazität und große Dimensionen besitzen.
Zusätzlich braucht
die Vibrationsdämpfungsvorrichtung
eine Steuereinrichtung zum horizontalen Positionieren des vibrations-isolierenden
Tischs.
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Die
Luftfedern können
in einer Art und Weise eingebaut sein, dass sie dem vibrations-isolierenden Tisch
gestatten, dass er durch ein horizontales Positioniersteuersystem
horizontal positioniert wird. Jedoch benötigt ein solches horizontales
Positioniersteuersystem einen komplexen Mechanismus mit Betätigern zum
horizontalen Positionieren des vibrations-isolierenden Tischs. Die
Betätiger
benötigen
einen Einbauraum, müssen
in dem Einbauraum angeordnet werden, und vergrößern die Vibrationsdämpfungsvorrichtung
und erhöhen
deren Kosten.
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Ferner
wird hingewiesen auf US-A-5 379 880, die eine periodische oder intermittierende
Stabilisierung eines Lasttischs offenbart, welcher von pneumatischen
Vibrationsisolatoren getragen wird, und zwar durch Bestimmen einer
Lastverschiebungsbedingung, Vergrößern des Durchlasses von Gas
zu den pneumatischen Vibrationsisolatoren und Aufbringen einer externen
oder internen Dämpfung
auf den Lasttisch, ansprechend auf diesen Lastverschiebungszustand.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung
mit Luftfedern vorzusehen, die gestattet, dass ein vibrations-isolierender Tisch
leicht ohne die Verwendung von Betätigern in einer horizontalen
Richtung positioniert wird, und verhindert, dass der vibrations-isolierende Tisch,
welcher von den Luftfedern getragen wird, in Kontakt gebracht wird
mit Betätigern
auf einem Anlagenboden, und in der Lage ist, Schwingungen in einer
horizontalen Richtung gut zu dämpfen.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung
Folgendes vorgesehen: eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung, die Folgendes aufweist:
einen Anlagenboden, einen vibrations-isolierenden Tisch zum Anordnen
eines Gegenstands darauf, welcher von Schwingungen isoliert werden soll;
eine Luftfeder, die auf dem Anlagenboden angebracht ist und den
vibrations-isolierenden Tisch trägt, um
einen beträchtlichen
Anteil eines Gewichts des Objekts zu tragen und um Schwingungen
von dem Anlagenboden zu dämpfen,
eine Luftdrucksteuervorrichtung zur Steuerung eines Luftdrucks der
Luftfeder; einen Versetzungs- oder Verschiebungssensor zum Detektieren
einer relativen Versetzung zwischen dem vibrations-isolierenden Tisch
und dem Anlagenboden und zur Lieferung eines Signals als Anzeige für die detektierte
relative Versetzung an die Luftdrucksteuervorrichtung, ein Federelement,
welches zwischen dem vibrations-isolierenden Tisch und dem Anlagenboden
wirkt, um den vibrations-isolierenden Tisch in einer horizontalen
Richtung zu positionieren, Elektromagnete, die zwischen dem vibrations-isolierenden
Tisch und dem Anlagenboden angeordnet sind zum aktiven Dämpfen horizontaler
und vertikaler Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs,
einen Beschleunigungssensor zum Detektieren einer Beschleunigung
des vibrations-isolierenden Tischs, und eine Steuervorrichtung zur
Steuerung der Elektromagnete, basierend auf einem Beschleunigungssignal
von dem Beschleunigungssensor, wobei dieses für eine Beschleunigung des vibrations-isolierenden Tischs
repräsentativ
ist, um aktiv die Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs
zu dämpfen.
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Vorzugsweise
besitzt die Steuereinrichtung eine Integrationsschaltung zum Umwandeln
des Beschleunigungssignals in ein Geschwindigkeitssignal, um darauf
basierend in aktiver Weise die feinen Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs
zu dämpfen.
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Das
Federelement besitzt eine Federkonstante, die ungefähr 1/5 oder
weniger einer horizontalen Federkonstante der Luftfeder sein kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der vibrations-isolierende Tisch der Vibrationsdämpfungsvorrichtung
horizontal positioniert mittels der Schraubenfeder und vertikal
positioniert mittels der Luftfeder. Selbst wenn ein auf dem vibrations-isolierenden Tisch
angeordneter Gegenstand sehr schwer ist, ist die Schraubenfeder
in der Lage, den vibrations-isolierenden Tisch horizontal an einer
Zielposition zu positionieren, um einen Kontakt dazwischen zu verhindern.
Daher wird verhindert, dass die Vibrationsdämpfungsvorrichtung durch horizontale
Bewegung des vibrations-isolierenden Tischs beschädigt wird, ohne
dass sich eine Verschlechterung in der vibrations-isolierenden Leistung
ergibt.
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Die
obigen und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden deutlich
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels zeigen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Vorderansicht
einer Vibrationsdämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine Draufsicht auf
die Vibrationsdämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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3 ist ein Blockdiagramm
eines Steuersystems für
die Vibrationsdämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Genaue Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Wie
in den 1 und 2 gezeigt ist, besitzt eine
Vibrationsdämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen vibrations-isolierenden Tisch 10 zum Tragen
eines Hochpräzisionssystems, wie
beispielsweise einer Halbleiterherstellungsvorrichtung, eines Elektronenmikroskops,
oder ähnlichem,
das von Schwingungen isoliert bzw. getrennt werden sollte. Der vibrations-isolierende
Tisch 10 ist vertikal getragen durch Luftfedern 11,
die an seinen jeweiligen vier Ecken angeordnet sind. Die Luftfedern 11 besitzen
untere Enden, die an einer gemeinsamen Basis 12 befestigt
sind, welche auf einem Anlagenboden fest angebracht ist. Beschleunigungssensoren 13 zum Detektieren
von Beschleunigungen in X- und Y-Richtungen sind auf dem vibrations-isolierenden Tisch 10 angebracht.
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Die
Luftfedern 11 sind gesteuert durch eine Luftdrucksteuereinrichtung
(in 1 und 2 nicht gezeigt) zum vertikalen
Positionieren des vibrations-isolierenden
Tischs 10, basierend auf Signalen von Versetzungssensoren
(in 1 und 2 nicht gezeigt). Die Versetzungssensoren
detektieren die Spalte zwischen den Magnetpolen von vertikalen und horizontalen
Elektromagneten von elektromagnetischen Betätigern 15, die auf
der gemeinsamen Basis 12 fest angebracht sind, und magnetischen
Körpern, die
auf dem vibrations-isolierenden Tisch 10 fest angebracht
sind. Von den Beschleunigungssensoren 13 detektierte Schwingungen
werden zu Steuerströmen
zurückgeführt bzw.
zurückgekoppelt,
die an die elektromagnetischen Betätiger 15 geliefert
werden, um dadurch die magnetischen Anziehungskräfte zu steuern, die von den
elektromagnetischen Betätigern 15 an
die Magnetkörper
angelegt werden, und zwar zum Dämpfen
von Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs 10.
Die elektromagnetischen Betätiger 15 werden
durch ein Steuersystem gesteuert, das später beschrieben wird.
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Sechs
federbelastete Horizontal-Positionskorrekturmechanismen 16A, 16B, 16C zum
Anordnen bzw. Positionieren des vibrations-isolierenden Tischs 10 in
der Horizontalrichtung sind in den X-, Y- und θ-Richtungen, wobei die θ-Richtung eine Drehrichtung
in der (horizontalen) X- und Y-Ebene ist. Jeder der Horizontal-Positionierkorrekturmechanismen 16A, 16B, 16C weist
Folgendes auf: ein aufrechtes Bein 18, das auf der gemeinsamen
Basis 12 angebracht ist, einen sich nach unten erstreckenden
Arm 19, der auf dem vibrations-isolierenden Tisch 10 angebracht
ist, und eine Schraubenfeder 16, die das Bein 18 und
den Arm 19 miteinander verbindet. Die federbelasteten Horizontal-Positionskorrekturmechanismen 16A, 16B, 16C,
die derart in den X-, Y- und θ-Richtungen
angeordnet sind, erzeugen Federkräfte, die wirksam sind zum Halten
des vibrations-isolierenden Tischs 10 im Gleichgewicht
in der Mitte der Spalte zwischen den Magnetpolen der horizontalen
Elektromagnete der elektromagnetischen Betätiger 15 und der magnetischen
Körper.
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Wenn
ein großes
und schweres Objekt (das ein Gewicht von mehreren hundert kg haben
kann), beispielsweise ein Hochpräzisionssystem,
auf dem vibrations-isolierenden Tisch 10 angeordnet wird, wird
der vibrations-isolierende
Tisch 10 vertikal positioniert durch Einstellen des Luftdrucks
in den Luftfedern 11 und wird horizontal eingestellt durch
die federbelasteten Horizontal-Positionskorrekturmechanismen 16A, 16B, 16C.
Schwingungen, die von den Beschleunigungssensoren 13 auf
dem vibrations-isolierenden Tisch 10 detektiert werden,
werden gedämpft
durch Steuern der magnetischen Anziehungskräfte, die von den elektromagnetischen
Betätigern 15 erzeugt
werden.
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Je
größer die
Federkonstante der Schraubenfedern 16 zum horizontalen
Positionieren des vibrations-isolierenden Tischs 10 ist,
d. h. je größer die Federkräfte der
Schraubenfedern 16 sind, desto einfacher ist das horizontale
Positionieren des vibrations-isolierenden Tischs 10. Jedoch
ergeben größere Federkräfte der
Schraubenfedern 16 eine stärkere Kopplung zwischen dem
vibrations-isolierenden Tisch 10 und der gemeinsamen Basis 12,
d. h. dem Anlagenboden. Wenn der Anlagentisch vibriert, werden daher
die Schwingungen direkt auf den vibrations-isolierenden Tisch 10 übertragen,
ohne gedämpft
zu werden, und zwar wegen der hohen Vibrationsübertragungsfähigkeit
der Schraubenfedern 16. Die größeren Federkräfte der
Schraubenfedern 16 verhindern auch, dass der vibrations-isolierende Tisch
in kleinen Schritten horizontal positioniert wird.
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Wenn
umgekehrt die Federkonstante der Schraubenfedern 16 zu
klein ist, werden Schwingungen des Anlagentischs nicht auf den vibrations-isolierenden
Tisch 10 übertragen.
Da jedoch die Federkräfte
der Schraubenfedern 16 zum horizontalen Anordnen des vibrations-isolierenden
Tischs 10 klein sind, vergrößert sich der Weg, über den
sich die Schraubenfedern 16 horizontal bewegen, und der Raum,
in dem sich die Schraubenfedern 16 hori zontal bewegen,
vergrößert sich
ebenfalls. Die kleinen Federnkräfte
der Schraubenfedern 16 könnten nicht ausreichen, um
den vibrations-isolierenden Tisch 10 in der Horizontalrichtung
zu positionieren.
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Die
Federkonstante der Schraubenfedern 16 zum horizontalen
Positionieren des vibrations-isolierenden Tischs 10 ist
ungefähr
1/5 oder weniger der horizontalen Federkonstante der Luftfedern 11.
Mit einer derart ausgewählten
Federkonstante sind die Schraubenfedern 16 in der Lage,
den vibrations-isolierenden
Tisch 10 in kleinen horizontalen Schritten bzw. Versetzungen
zu positionieren, ohne einen übermäßigen Anstieg
bei der horizontalen Steifigkeit davon.
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Obwohl
das oben genannte Ausführungsbeispiel
die Schraubenfedern als die Federelemente der federbelasteten Horizontal-Positionskorrekturmechanismen
einsetzt, sollte es natürlich
möglich
sein, andere Arten von Federelementen als die Schraubenfedern einzusetzen.
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3 zeigt in Blockform ein
Steuersystem für
die Vibrationsdämpfungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in 3 gezeigt ist, umfasst
das Steuersystem eine Horizontal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung 7 zum
Dämpfen
von horizontalen Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs 10. Horizontale
Beschleunigungssignale von den Beschleunigungssensoren 13 werden
an die Horizontal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung 7 geliefert, die
ein Steuersignal erzeugt zum Steuern der Ströme von horizontalen Elektromagneten 1 der
elektromagnetischen Betätiger 15,
um dadurch horizontale Schwingungen des vibrations-isolierenden
Tischs 10 zu dämpfen.
In ähnlicher
Weise wird ein vertikales Beschleunigungssignal von einem vertikalen
Beschleunigungssensor (nicht gezeigt) an eine Vertikal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung
(nicht gezeigt) geliefert, die ein Steuersignal erzeugt zum Steuern
der Ströme
von vertikalen Elektromagneten 2 der elektromagneti schen
Betätiger 15,
um dadurch vertikale Schwingungen des vibrations-isolierenden Tischs 10 zu dämpfen.
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Die
Horizontal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung 7 besitzt
eine Integral-Steuereinrichtung 8 zum
Integrieren der horizontalen Beschleunigungssignale aus den horizontalen
Beschleunigungssignalen von den Beschleunigungssensoren 13 in
horizontale Geschwindigkeitssignale. Die horizontalen Beschleunigungssignale
und die horizontalen Geschwindigkeitssignale werden jeweils mit
bestimmten Koeffizienten multipliziert und dann zueinander addiert,
um ein Summensignal zu erzeugen. Das Summensignal wird dann durch
eine Kompensationsschaltung 6 und einen Leistungsverstärker 9 als
ein Erregungsstrom an die Spulen der horizontalen Elektromagnete 1 geliefert.
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Das
in 3 gezeigte Steuersystem
funktioniert wie folgt:
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Ein
(nicht gezeigtes) Hochpräzisionssystem, das
frei von Vibrationen bzw. Schwingungen sein sollte, wird auf dem
vibrations-isolierenden Tisch 10 angeordnet. Der Luftdruck
in den Luftfedern 11 wird durch eine Luftdrucksteuereinrichtung 4 reguliert, welche
mit einem Ausgangssignal von einem Versetzungssensor 5 versorgt
wird, um den vibrations-isolierenden Tisch 10 von der gemeinsamen
Basis 12 abzuheben. Die abgehobene Position des vibrations-isolierenden
Tischs 10 wird bestimmt durch die Federkräfte der
Luftfedern 11 und das Gewicht des vibrations-isolierenden
Tischs 10, so dass der vibrations-isolierende Tisch 10 durch
die Luftdrucksteuereinrichtung 4 auf eine angehobene Zielposition
vertikal gesteuert wird. Der vibrations-isolierende Tisch 10 wird horizontal
durch die Schraubenfedern 16 positioniert.
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Wenn
der vibrations-isolierende Tisch 10 horizontal oder vertikal
schwingt, dann steuert die Horizontal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung 7 oder die
Vertikal-Vibrationsdämpfungssteuereinrichtung die
magnetischen Anziehungskräfte
der horizontalen Elektromagnete 1 oder der vertikalen Elektromagnete 2,
basierend auf Ausgangssignalen von den horizontalen Beschleunigungs sensoren 13 oder
dem vertikalen Beschleunigungssensor, um dadurch Schwingungen mit
kleinen Amplituden in einem Niedrigfrequenzbereich zu dämpfen.
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Obwohl
ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt und in Einzelheiten beschrieben
wurde, ist verständlich,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen darin gemacht werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.