JP2009507359A - 能動的に振動を減衰するためのシステムとその方法 - Google Patents

Abstract

ペイロードからの静的な力に対処するための支持ばねと、ペイロードから能動的に絶縁された点への動的な力を減衰させるために、ペイロードと振動源との間に並列に配置された独立した能動絶縁ダンパーとを有している能動振動減衰システムにおいて、能動絶縁ダンパーは、ペイロードのマスとは別個であってペイロードのマスから切り離されている小さな中間マスと、絶縁台座の小さな中間マスへの動的な結合のための受動絶縁要素を含んでいる。小さな中間マスは、ペイロードからの動的な力を減衰させることができる点をもたらす。さらに能動ダンパーは、一方の表面において小さな中間マスに接続され、他方の表面において振動するベース台座に接続されている少なくとも１つのアクチュエータを含んでいる。さらに、運動センサを小さな中間マスに設けることで、小さな中間マスの運動の関数としてフィードバック信号を生成してもよい。運動センサが補償／増幅器モジュールおよびアクチュエータとともに、振動を最小化するためのフィードバック補償ループの一部として機能する。

Description

本発明は、一般的には、支持された荷重（以後、「ペイロード」と呼ぶ）の振動を能動的に減衰させるための方法およびシステムに関し、さらに詳しくは、支持されたペイロードによって生成される静的な力および動的な力を切り離し、能動的に分離絶縁された点への動的な力を減衰させる振動減衰システムおよび振動減衰方法に関する。

産業上において、振動源を絶縁して防振する必要性が増している。例えば、半導体の製造において使用される紫外線ステッパにおいて、環境振動に対する許容度がますます厳しくなってきている。半導体および他の製品の製造が、ますます精密になってきているため、環境振動の抑制のニーズが、ますます大きくなっている。

「柔軟なばね」に基づく現時点において利用可能な多数の振動絶縁の適用は、さらに、比較的高度な減衰も必要とする。ダンパーが、ばねの共振周波数において振動の増幅を小さくし、可動ステージ、モータ、などによって被絶縁のマスに生じるひずみを最小限にするために、しばしば使用される。残念ながら、容認できる減衰のレベルが、利用可能なシステムの大部分において極めて制限される可能性がある。１つの制限因子は、ダンパー‐ばねの組み合わせの系の剛性の向上に起因する可能性があり、これが系の共振周波数の上方運動、および共振周波数の上方の利得／周波数関数、すなわち「ロールオフ」の傾きの減少につながる可能性がある。結果として、共振周波数を超える振動絶縁の利得が大きく損なわれがちである。

一般に、減衰のレベルは、（ｉ）整定時間、即ち、系の共振周波数および当該周波数における振動の増幅のレベルに直接的に関係する、（ｉｉ）特には高い周波数における振動絶縁仕様、および／または（ｉｉｉ）ダンパーの種類（例えば、能動、受動）、によって決定できる。受動ダンパーの既知の例として、ダッシュポット・ダンパーおよび流体ダンパーが挙げられる。受動ダンパーは、典型的には、ばねの共振周波数において系の振動絶縁に有利であるように使用される。しかしながら、これらのダンパーは、通常は振動するベース台座に接続されるため、共振周波数を超える周波数においては、振動絶縁の利得が、周波数が１０倍になるごとに約２０ｄＢも低下する。

他方で、能動ダンパーとしては、例えばボイス・コイル・ダンパーまたはモータ要素を挙げることができる。能動ダンパーは、比較的大きな補償力を生み出すために使用することが可能であり、絶縁されるペイロードに位置するセンサを伴うことで、大きな加速度で運動する重たいペイロードによって生成される力を補償することができる。しかしながら、能動ダンパーも、きわめて限られた能動帯域幅の利得しか有していない。特には、ペイロードの共振と検出される出力との結合が、安定性の余裕を損なう可能性がある。この制限は、複数の共振を検出する絶縁台座への振動センサの必要とされる取り付けによって限定されうるサーボループの安定性に起因すると考えられる。

一般に、支持されたペイロードは、多くの場合、ペイロードへと作用して、ペイロードに応答としての振動を生じさせる動的な力を生み出しうる運動する機械的な構成部品を含むことがある。さらに、ペイロードは、静的な力を生み出す質量を有している。大部分の既存の絶縁システムにおいては、静的な力および動的な力の両者が、例えばアクチュエータなどといった振動補償機構に作用することができ、そのような補償機構が、振動を最小限にするときに静的な力および動的な力の両方に対処する必要がある。このような手法では、きわめて強力なアクチュエータまたは多数のアクチュエータを使用する必要があり、どちらも高価になり、かさばる可能性がある。さらに、減衰レベルと振動絶縁の利得との間の妥協を見つけることが、困難な技術的課題となりうる。

したがって、比較的大きな減衰力をもたらしつつ、同時に振動絶縁を向上させる実用的な減衰システムを提供することが望ましい。

本発明は、ペイロードによって生成される静的な力および動的な力を切り離し、これら２つの力のそれぞれに別個の機構によって対処できるようにし、ペイロードからの動的な力を能動的に絶縁された点へと導くことによって振動絶縁を改善する能動振動減衰システムを提供する。この振動減衰システムは、一実施形態においては、ペイロードマスからの静的な力に対処するための支持ばね、およびペイロードマスからの動的な力を減衰させるため、ペイロードマス（絶縁台座など）と振動源（床、外側ケーシング、または振動するベース台座、など）との間に並列に配置された能動絶縁ダンパーとを備えている。能動絶縁ダンパー（以後、「能動ダンパー」とも呼ぶ）は、一実施形態において、ペイロードマスとは別個であって、ペイロードマスから弾性的に切り離されている小さな中間マスを含んでいる。この小さな中間マスは、システムが支持または絶縁するように設計される質量の範囲に比べ、少なくとも１桁小さくてよく、動的な荷重のための支持点として機能することができる。さらに能動ダンパーは、前記小さな中間マスと接続された第１の表面と、振動するベース台座と接続された第２の表面とを有する圧電モータ素子などの少なくとも１つのアクチュエータを含んでいる。このアクチュエータは、剛性が前記支持ばねよりも少なくとも１桁大きいように設計されたばねシステムを備えることができる。さらに能動ダンパーは、絶縁台座を前記小さな中間マスへと接続するために、受動流体ダンパーなどの受動絶縁要素（以後、「受動ダンパー」とも呼ぶ）を備えている。一実施形態においては、運動センサを前記小さな中間マスに組み合わせることで、前記小さな中間マスの運動の関数として前記アクチュエータへのフィードバック信号を生成することができる。運動センサは、絶縁台座から切り離されるように設計することができる。

さらに、本発明の振動減衰システムは、運動センサからのフィードバック信号を受信するための補償モジュールを備えることができる。一実施形態においては、補償モジュールは、受動ダンパーおよび中間マスへの振動を少なくするため、フィードバック信号の関数としてアクチュエータの長さを変化させることができるよう、アクチュエータと情報のやりとりができる構成としてもよい。さらに、補償モジュールを、能動フィードバックシステムがペイロードマスにかかわらず所定の振動周波数の範囲にわたって安定でありうるような方法で設計することもできる。一実施形態においては、補償モジュールを、受動ダンパーの動作の軸に沿って設けることができ、中間マスを、この同じ軸における振動から能動的に絶縁することができる。あるいは、中間マスを６つの自由度に沿った振動から能動的に絶縁できるよう、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」軸のそれぞれに沿って別個に独立した補償モジュールを設けることができる。換言すると、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」軸のそれぞれに沿った振動、ならびに「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」軸を中心とする回転の振動を、絶縁することができる。中間マスおよび運動センサを、ケース内に収容することができ、少なくとも１つのアクチュエータによって少なくとも１つの軸においてベースから浮かせることができる。当然ながら、中間マスおよび運動センサを、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」軸のそれぞれにおいて、それぞれの方向の少なくとも１つのアクチュエータによって浮かせることもできる。

アクチュエータへの剪断応力の作用を抑えるために、剪断分離器を、能動的に制御される「Ｚ」軸に沿って位置するアクチュエータと中間マスとの間に配置することができる。さらに、剪断分離器を、交差軸の振動を最小にするために、「Ｘ」および「Ｙ」軸においてそれぞれのアクチュエータおよび中間マスの間に配置することもできる。

本発明の他の実施形態によれば、ペイロードマスに取り付けられたセンサから送信される信号を処理するために、補償モジュールによってさらなる補償回路を使用することができる。ペイロードの運動を表わすことができるこれらの信号を、中間マス上の運動センサからの信号と組み合わせ、ペイロードの振動をさらに補償することが可能である。

さらなる実施形態においては、運動センサをベース台座に取り付けることができ、そこからのフィードフォワード信号を、ベース台座からの運動を補償するために使用することができる。

本発明は、とりわけ、ペイロードマスとベース台座との間に配置される能動絶縁ダンパーおよび支持ばねに基づく実用的な能動振動減衰システムを提供する。能動帯域幅よりも上方の共振周波数を持つ中間マスを有する能動絶縁ダンパーを、ペイロードの共振の中間マスからの切り離すとともに能動絶縁周波数範囲の外側での受動的絶縁の提供のための受動ダンパー、及び床振動の能動的補償および支持ばねの剛性よりも比較的高い剛性の生成のためのアクチュエータと共に使用することで、ペイロードマスによって経験される環境源からの振動を最小にすることができる。さらに、運動センサの使用によってアクチュエータへと、とりわけ種々の構成部品からの運動信号に基づくフィードバック信号を供給でき、システムへのフィードバックの不安定性をさらに最小化することができる。

支持されたペイロードは、典型的には、静的な力および動的な力を生じ、ペイロードの運動によって引き起こされる振動を補償または最小化しようとする場合には、その両方に対処しなければならない。これらの力の両方に対処するために、本発明は、支持されたペイロードによって生成される静的な力および動的な力を切り離し、これら２つの力のそれぞれに別個の機構によって対処可能にする振動減衰システムを提供する。

図１において、本発明は、静的な力に対処する支持ばね１１と、ばね１１に並列であるとともに、ばね１１から離間した関係に配置され、動的な力に対処する別個独立した能動絶縁ダンパー１２（「能動ダンパー」）とを使用することによって、ペイロードによって誘起される力に起因する支持ペイロードの運動に抵抗し、あるいはそのような運動を最小にすることができる能動振動減衰システム１０を提供する。ばね１１および能動ダンパー１２の両者を、例えば、絶縁台座１３上に位置するマス、あるいは絶縁台座１３を含むマスなどのペイロードマスと、例えば、床、外側ケーシング、または振動するベース台座１４などの振動源、との間に配置することができる。図１は、３つの次元のうちの１つにおいて能動的または動的な振動に対処するシステムを示している。この簡略化は、説明を簡単にするために行われている。しかしながら、このシステムを、最大６つの自由度のすべてについて能動的な振動の絶縁を可能にするために使用できることを理解すべきである。

一実施形態においては、支持ばね１１を、一端において絶縁台座１３と接続し、他端においてベース台座１４へと延在させることができ、ペイロードマスによって生成される静的な力を支持するように機能させることができる。さらに、ばね１１は、絶縁台座１３をベース台座１４に対して実質的に平行な関係に保つようにも機能することも可能である。図１には、ばね１１が１つだけ示されているが、絶縁台座１３のマスに対するばね１１の剛性に応じて、さらなる複数のばね１１を使用してもよいことを理解すべきである。すなわち、絶縁台座１３をベース台座１４に対して実質的に平行な関係に維持できる限りにおいて、２つ、３つ、または４つ以上のばね１１を使用することができる。一実施形態においては、ばね１１は、金属ばね、コイルばね、ダイ・スプリング、受動型の空気ばね、能動的な高さ制御を備える空気ばね、または他の任意の同様のばねであってよい。

能動ダンパー１２は、ペイロードからの動的な力を絶縁または最小化するために設けられているが、一実施形態においては、ベース台座１４と接続されるアクチュエータ１５と、アクチュエータ１５に支持された小さな中間マス１６（以後、「中間マス」と呼ぶ）と、絶縁台座１３を中間マス１６と動的に接続するための受動絶縁要素１７（以後、「受動ダンパー」とも呼ぶ）とを備えている。さらに、能動ダンパー１２は、中間マス１６の運動から生成される信号を能動フィードバック補償ループ１９の一部として補償して、所定の範囲の振動周波数にわたって安定性をもたらすことができるよう、運動センサ１８を中間マス１６に取り付けて備えている。

ここで図２に目を向けると、一実施形態において、システム１０に組み合わせて使用される図１の能動ダンパー１２と同様の能動ダンパー２２が示されている。能動ダンパー２２は、この実施形態においては、下端２５１を振動するベース台座２４に取り付けたアクチュエータ２５を備えている。さらに、アクチュエータ２５は、運動をベース台座２４の運動の例えば０．０１倍へと最小化する目的で、実質的に動かないままであり、あるいはほぼ動かないままであることができる上端２５２を備えている。本発明の能動ダンパー２２は、アクチュエータ２５の変位の軸に実質的に平行な軸Ｚに沿うベース台座２４の振動を絶縁するように設計することができる。

本発明の一実施形態において、アクチュエータ２５は、圧電スタックであってよい。そのような実施形態においては、アクチュエータ２５は、軸Ｚに沿った長さが、印加される制御信号の関数として変化させることができる第１の実質的に剛な部材、例えば、スタック２５３を備えることができる。

圧電スタック（例えば、Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ／Ｐａｌｍｂａｃｈ，ＧｅｒｍａｎｙのＰｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（ＰＩ） ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧの型番Ｐ‐０１０‐２０）として、アクチュエータ２５を、充分な剛性を有するモータばね２５４としてモデル化できる。ばね２５４の自身の軸に沿った剛性により、アクチュエータ２５は、印加される指令信号に従って、ペイロードの静的な力とは無関係に、容易に収縮または伸張することができる。ばね２５４の剛性は、一実施形態においては、支持ばね１１の剛性よりも少なくとも１桁大きくてよく、好ましくは少なくとも２桁大きい。一例においては、ばね２５４の剛性は、１インチ当たり約１９０万ポンドであってもよいが、変位‐対‐電圧の関係は、１インチ当たり約１００万ボルト（ピーク）であってよい。

特定の種類の圧電アクチュエータ（例えば、Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ／Ｐａｌｍｂａｃｈ，ＧｅｒｍａｎｙのＰｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（ＰＩ） ＧｍｂＨ ＆ Ｃｏ． ＫＧの型番Ｐ‐０１０‐２０）においては、実際の動作のもとでアクチュエータ２５が引っ張り状態へと入ることがないように、アクチュエータ２５にあらかじめ荷重を加える必要があり得る。したがって、ばね２３１を、アクチュエータ２５にあらかじめ荷重を加えるために使用することができる。一実施形態においては、ばね２３１が鋼製のばねであってよく、圧縮軸（例えば、軸「Ｚ」）に沿ってペイロードにおいて生成される動的な力の最大値よりも適度に大きい圧縮を予めもたらすために使用することができる。圧縮方向に必要とされる大きさの推力をもたらすために、圧縮のセットねじまたは他の手段（不図示）を使用することによって、ばね２３１にあらかじめ荷重を加えることができる。

本発明の一実施形態においては、スタック２５３を、約０．００１〜約０．００５インチ（ピーク）の最大相対スタック変位を有するように設計することができる。したがって、このような変位を生み出すために、アクチュエータ２５を動かすために約８００ボルトの電圧が必要とされる可能性がある。さらに、電圧を、動きがない場合に約４００ボルト（ＤＣ）をアクチュエータ２５に印加するように構成してもよい。このバイアス電圧は、電流を必要とせず、アクチュエータ２５を最大の相対変位の約２分の１だけあらかじめ伸張させる。したがって、この電圧を上昇または下降させることによって、アクチュエータ２５の伸張または収縮を生じさせることができる。一実施形態においては、アクチュエータ２５は、電圧がゼロのときに完全に収縮した状態に達することができ、約１０００ボルトにおいて完全に伸張した状態に達するようにできる。したがって、印加電圧に対するアクチュエータ２５の伸張および収縮は、実質的に線形に可変制御することが可能である。

本発明の一実施形態においては、アクチュエータ２５はペイロードからの動的な振動にのみ対処し、ペイロードのマス（すなわち、重量）によって生成される静的な力には対処しないため、能動ダンパー２２は、たとえペイロードのマスが大きくなっても、減衰行為を十分に達成するためにただ１つのアクチュエータを使用するだけでよいことに留意すべきである。さらに、ペイロードのマスの支持および動的な力への対処を行わなければならないアクチュエータに比べ、より安価でより低出力のアクチュエータを使用することができる。当然ながら、ペイロードのマスを支持しつつ動的な力への対処を行わなければならないアクチュエータと同等の強力なアクチュエータを使用するならば、そのようなアクチュエータからの余剰の力を、動的な力への対処に集中させて、振動減衰を向上させるために利用することが可能である。

１つの例において、支持ペイロードＭ_ｐが、アクチュエータ２５によって直接支持されるならば、ペイロードのマスＭ_ｐが例えば約１０００重量ポンドである場合、ペイロードの共振周波数は、毎秒約１３０サイクルになると考えられる。このような共振周波数は、振動の絶縁の利得の減少につながる可能性がある。この場合には毎秒１３０サイクルでありうるペイロードの共振周波数の付近の周波数において、所望の利得を得ることは、困難または不可能であると考えられる。さらに、補正がない場合、システムは、ペイロードの共振周波数において振動を大きく増幅させ、振動絶縁のメリットの大部分が失われてしまう可能性がある。

この問題に対処するために、能動ダンパー２２に、アクチュエータ２５と絶縁台座との間に配置され、受動ダンパー２７（後述）によってペイロードから切り離され、ペイロードからの動的な力を減衰させることができる能動的に絶縁された点として機能する中間マス２６を設けることができる。一実施形態においては、中間マス２６は、システム１０が支持または絶縁するように設計されているマスＭ_ｐの範囲よりも少なくとも１桁以上（例えば、２桁）小さくてよいＭ_ｓというマスの値を有することができる。Ｍ_ｐに対するＭ_ｓの比は、好ましくは約１ ｌｂ．〜約１０ ｌｂ．の範囲にあるべきである。中間マス２６は、図２に示されているように、上端２６１と、下端２６２と、両者の間を延びている本体部２６３とを有するハウジング２６０を備えることができる。中間マス２６は、その下端２６２を、アクチュエータ２５の上端２５２に直接配置することができる。中間マス２６をアクチュエータ２５の上方の位置に固定するとともに、中間マス２６の横方向または半径方向の動きを最小にするため、能動ダンパー２２に、アクチュエータ２５および中間マス２６を内部に位置させることができる外部ケーシング２１を備えることができる。一実施形態においては、ケーシング２１は、「Ｚ」軸に沿ってお互いに対して軸方向に運動することができる上部２１１および下部２１２を備えることができる。補強材２３を、ケーシング２１の内側に沿って設けることができ、その間に中間マス２６を、中間マス２６の横方向または半径方向の動きをさらに最小にすべく配置することができる。当然ながら、例えば中間マス２６とケーシング２１の内側との間に押し込まれるＯリングなど、当技術分野において知られている他の任意の機構を、中間マス２６の横方向または半径方向の動きを最小にするために使用することができる。図２に示した実施形態においては、補強材２３を、固定具２６５によってケーシング２１へと固定でき、中間マス２６を、同様に固定具２６５を使用して補強材２３の間に固定することができる。補強材２３は、一実施形態においては、ケーシング２１の上部２１１の下部２１２に対するわずかな軸方向の動きに対応するため、柔軟な材料で製作することができる。

アクチュエータ２５をあらかじめの圧縮状態へと押圧するために、ばね２３１を使用することができ、一実施形態においては、ばね２３１は、中間マス２６の本体部２６３の周囲で上端２６１と下端２６２の間に位置させることができる。ばね２３１を上端２６１と下端２６２の間に保持するために、ばね２３１を、中間マス２６とケーシング２１の内側との間の空間において、補強材２３の内部側に配置することができる。

さらに図２に目を向けると、受動ダンパー２７を、中間マス２６と絶縁台座との間に介在させることができる。図２に示した実施形態においては、受動ダンパー２７は、中間マス２６の一部であってよい。しかしながら、図１に示した受動ダンパーのように、別個の受動ダンパーを中間マスとは独立に設けてもよいことに留意すべきである。中間マス２６および受動ダンパー２７を設けることで、すでに述べたように、ペイロードからの動的な力を減衰させることができる能動的に絶縁された点をもたらすことができ、きわめて高い周波数のフィードバック利得を可能にすることができる。なぜならば、受動ダンパー２７が、そのような高い周波数において受動的な振動絶縁をもたらすことができるためである。

図２に示した実施形態において、受動ダンパー２７は、弾性流体ダンパーであってもよく、中間マス２６の本体部２６３の内側に、油、シリコーンオイル、または他の任意の粘性流体など、或る量の粘性流体２７１を含むことができる。さらに、受動ダンパー２７は、上端２６１を通過して中間マス２６の本体部２６３の内部の粘性流体へと軸Ｚに沿って実質的に垂直に延びるピストン２７２を備えることができる。上端２６１を通ってピストン２７２の延伸を受け入れるために、中間マス２６の上端２６１に開口２６４を設けることができる。ピストン２７２は、一実施形態においては、絶縁台座１３（図１を参照）に対して配置される外側端２７４と、中間マス２６の本体部２６３の粘性流体２７１の中に配置される内側端２７５とを有するロッド２７３を有している。ロッド２７３は、一実施形態によれば、能動軸（例えば、Ｚ軸）において丈夫かつ剛であってよく、ロッド２７３に実質的に直交する平面においては、より剛性が低くてよい。さらにピストン２７２は、ロッド２７３の内側端２７５に、プレート２７６などの広い表面を備えている。プレート２７６は、システム１０からの振動が存在するときに、必要な減衰作用を受動ダンパー２７によって生み出すことができるように機能する。プレート２７６は、一実施形態においては、中実なプレートであってよい。しかしながら、減衰作用を調節するために、プレート２７６に穴が開けられていてもよい。流体ダンパーとして説明したが、受動ダンパー２７は、当技術分野において知られている任意の受動ダンパーであってよい。

ピストン２７２は必要な減衰作用を生み出すべく中間マス２６の本体部２６３の内側を上下に運動するとき、ピストン２７２が中間マス２６の本体部２６３の内部から外れることが極力生じないようにするために、プレート２７６を、中間マス２６の上端２６１の開口２６４よりも適度に大きくした幅を有するように製作することができる。さらに、ピストン２７２の動きによって上端２６１が本体部２６３から外れることがないよう、上端２６１を中間マス２６の本体部２６３に固定するために、固定具２６５を使用することができる。固定具２６５は、ねじ／ボルトの組み合わせ、締め具、または当技術分野において知られている任意の固定機構であってよく、例えば上端２６１および本体部２６３に、上端２６１を本体部２６３へ回転させるための相補的なねじ山を設けてもよい。さらに、ピストン２７２の運動の最中に中間マス２６の本体部２６３の内部から粘性流体２７１が失われてしまう可能性に対処するため、可撓膜などのカバー２７７を、開口２６４を横切って配置することができる。カバー２７７が使用される場合、ピストン２７２のロッド２７３を通過させて受け入れることができるように、カバー２７７に穴（不図示）を形成する必要がある。穴は、一実施形態においては、ピストン２７２のロッド２７３との実質的に密なシール構造を形成するように十分に小さくされる。

ここで再び図１を参照すると、システム１０を、フィードバック補償ループ即ちシステム１９の適用によって、アクチュエータ１５の伸張および収縮を制御するように設計することができる。ループ１９は、とりわけ、補償／増幅器モジュール１９１を備えている。一実施形態においては、モジュール１９１を、アクチュエータ１５に可変電圧を加えるように設計することができ、例えば約８００ボルト（ＤＣ）を、定常状態条件においてアクチュエータ１５に加えることができる。さらに、ループ１９は、一実施形態においては、中間マス１６の呈する運動または変位を得るべく積分することが可能な信号を生成するための運動センサ１８を、中間マス１６上に配置している（図２の参照番号２８も参照のこと）。特に、センサ信号を、センサ１８からモジュール１９１へと送信することができ、モジュール１９１が、信号を積分して変位を得て、利得を高める。その後、得られた積分信号を、種々の補償回路を含んでいるモジュール１９１によって処理することで、アクチュエータ１５の伸張および収縮を制御することができる。

センサ１８は、一実施形態においては、サーボ加速度計であってよく、あるいは好ましくは受振器であってよい。受振器は、通常は、ワイヤーコイルを比較的低い剛性の機械ばねに支持して備えており、磁界がコイルを通過している。この磁界が、コイルに電圧を生じさせるが、この電圧は、磁石を保持している受振器ケースに対するコイルの相対速度、コイルを貫く磁界の強度、およびコイルのワイヤの巻きの数に比例すると考えられる。また、受振器は、低コスト、低雑音、および高い感度を有している。本発明に関連して使用される受振器および関連の補償回路は、米国特許第５，８２３，３０７号に開示のものと同様であってよく、この特許は、参照によって本明細書に取り入れられたものとする。

次に図３を参照すると、すでに述べたように、絶縁台座１３上に支持されたペイロードの多くが、システム１０において絶縁されたときに、ペイロードへと作用して、ペイロードに応答としての振動を生じさせる力を生み出しうる運動する機械的な構成部品を含んでいる。したがって、減衰システム１０は、ペイロードによって誘起される力に起因する支持ペイロードの運動に抵抗し、あるいはそのような運動を最小にすることが望ましいと考えられる。これを行うために、第２の運動センサ３１を、システム１０に組み合わせて使用することができる。センサ３１は、絶対速度センサまたは相対変位センサであってよいが、絶縁台座１３上に取り付けることが可能である。センサ３１からの信号を、その後に絶縁台座１３の振動制御を向上させるために、中間マス１６上に配置されたセンサ１８からの信号と組み合わせ、統合することが可能である。

さらなる実施形態においては、システム１０は、第３の運動センサ３２を、振動するベース台座１４または床に取り付けて備えることができる。センサ３２からの信号をモジュール１９１へと送信でき、次いでモジュール１９１が、信号を積分して変位を得て、利得を大きくする。その後に、得られる積分信号を、種々の補償回路を含んでいるモジュール１９１によって処理することができる。また、この積分信号は、振動するベースの運動を補償するために、アクチュエータ１５の伸張および収縮を制御するためのフィードフォワード信号として使用することができる。

さらに図３を参照すると、システム１０は、一端が絶縁台座１３に直列に取り付けられ、他端が受動ダンパー１７へと直列に取り付けられたばね３３を、さらに備えることができる。図３に示した実施形態においては、ばね３３を、受動ダンパー１７のピストン１７１に接続することができる。この方法で、支持ばね１１の共振周波数よりも少なくとも１桁高い共振周波数を有するばね３３が、より高い周波数におけるシステム１０への振動絶縁の利得を向上させることができる。

１つの軸（すなわち、「Ｚ」軸）に沿った振動を能動的に絶縁するように示されているが、本発明の中間マスおよびシステムを、「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」軸のそれぞれに沿った振動を能動的に絶縁するように設計することが可能である。ここで、図４に目を向けると、三次元の振動減衰システムについて運動センサ、補償回路、およびアクチュエータの間の電気的な相互接続を説明する高度に概略化した電気ブロック図が示されている。全体として４０で指し示されている電子コントローラが、補償回路４１、４２、および４３を備えている。これらの補償回路のそれぞれは、米国特許第５，８２３，３０４号に開示のものに類似しており、この特許は、すでに述べたとおり、参照によって本明細書に取り入れられたものとする。

補償／制御回路４１は、一実施形態においては、「Ｚ」軸に沿ったペイロードの運動を検出する「Ｚ」垂直ペイロードセンサ３１、および「Ｚ」軸に沿った中間マスの運動を検出する「Ｚ」垂直中間マスセンサ１８からセンサ信号を受信するために設けられている。他方で、補償／制御回路４２は、「Ｙ」軸に沿ったペイロードの運動を検出する「Ｙ」水平ペイロードセンサ４４、および中間マスの「Ｙ」方向の運動を検出する「Ｙ」中間マスセンサ４５からセンサ信号を受信する。補償／制御回路４３に関しては、「Ｘ」水平ペイロードセンサ４６、および「Ｘ」方向中間マスセンサ４７からの信号を受信する。

一実施形態においては、回路４１からの出力制御信号を、例えば「Ｚ」垂直アクチュエータ１５へと送信できる一方で、回路４２からの出力制御信号を、例えば「Ｙ」ラジアルアクチュエータ４８へと送信できる。同様に、回路４３からの出力制御信号を、「Ｘ」ラジアルアクチュエータ４９へと送信できる。図に示すように、センサ／モータの構成が、実質的に電子的なクロストークを有していない。さらに、後述のように種々の剪断の分離を使用することで、物理的なクロストークへの対処の必要を、さらに除くことが可能である。

本発明の補償回路を、アナログまたはデジタル形式で実現できることを理解すべきである。さらに、そのような補償回路を、図３のセンサ３２など、振動するベース台座に位置するセンサからの信号を受信するように構成することができる。さらに、補償回路を、６つの自由度のそれぞれからの運動信号を受信でき、６つの自由度のそれぞれに沿った振動を補償することができる単一のモジュールとして使用することができる。あるいは、複数（例えば、６つ）の補償モジュールを、それぞれを６つの自由度のそれぞれに設けつつ使用することができる。

次に図５に目を向けると、能動振動減衰システム５０の単純化した概略図が、二次元において示されている。システム５０は、受動ダンパー５１に載せられた支持ペイロードＭを含んでおり、受動ダンパー５１を、中間マス５２によって支持することができる。剪断分離器５３を、中間マス５２と垂直アクチュエータ５４との間に介在させることができる。一般に、アクチュエータは、軸方向の荷重または曲げの荷重が加わるときに、引っ張りの荷重が生じないように構成されなければならない。アクチュエータの剪断荷重は、剪断荷重によってアクチュエータの部分に引っ張り荷重を生じさせうる曲げモーメントが生じない限りは、許容可能であると考えられる。アクチュエータにおける剪断荷重を抑制または最小化するために、剪断分離器を使用することができる。剪断分離器は、周知の装置であって、典型的には、アクチュエータの端部に隣接する第１の剛体プレートまたは部材と、中間マスに隣接する第２の剛体プレートまたは部材と、これらの剛体プレートの間に位置する弾性材料の薄いディスクまたはウエハとを備えている。これらの剛体プレートを、一実施形態においては、金属などの非弾性材料から製作することができる。

さらに、システム５０は、ペイロードによって加えられる力に直交する方向、すなわち「Ｙ」軸に沿って、能動的な振動の絶縁をもたらしている。この絶縁は、ラジアルアクチュエータ５５（例えば、圧電モータ）、およびアクチュエータ５５と中間マス５２との間に位置するラジアル剪断分離器５６を使用して実行できる。ラジアルアクチュエータ５５は、一実施形態においては、何らかの方法で振動する床、外側ケーシング、ベースＦに取り付けることができる。それぞれの剪断分離器について、荷重の加わる面積の荷重の加わらない面積に対する比が大きいとき、ラジアル方向の剛性を比較的低く保ちつつ軸方向の剛性を高く保つことができることを理解すべきである。本発明の一実施形態においては、剪断分離器の軸方向の剛性のラジアル方向の剛性に対する比は、少なくとも１桁であってよく、好ましくは２桁以上であってよい。

垂直アクチュエータ５４の伸張および／または収縮時、中間マス５２が「Ｚ」軸に沿ってのみ運動し、回転しないことが望ましいため、剪断分離器５６を、中間マス５２の反対側において剪断分離器５８およびばね部材５７によってバランスさせることができる。剪断分離器５８およびばね部材５７の存在は、ラジアルアクチュエータ５５が圧電スタックである実施形態において、実際の動作のもとでアクチュエータ５５が引っ張り状態へと入ることがないよう、ラジアルアクチュエータ５５にあらかじめ荷重を加えるうえでも役に立つと考えられる。とくには、圧縮ばね部材５７を、ラジアルアクチュエータ５５にあらかじめ荷重を加えるために使用することができる。一実施形態においては、ばね部材５７が、円錐形の鋼ばねなどのばね５７１と、ばね５７１を案内するためのゴム製またはエラストマー製の同軸ブシュ５７２とを備えている。ばね部材５７を、図５に示されているように、振動源（例えば、床の延長、外側ケーシング、または振動するベースＦ）と剪断分離器５８との間に配置することができ、次いで剪断分離器５８を、ばね部材５７と中間マス５２との間に配置することができる。３つの次元のすべてにおいて６つの自由度に沿った振動絶縁を達成するために、ラジアルアクチュエータ５５、剪断分離器５６、剪断分離器５８、およびばね部材５７の直線状配置を、紙面に直交する方向、すなわち図５の見方の「Ｘ」軸についても、繰り返すことができる。

ばね部材５７は、一実施形態においては、「Ｙ」軸に沿って比較的低い剛性を持ち、「Ｙ」軸に直交するすべての方向において比較的大きいラジアル剛性を持つように、設計することができる。この方法では、ばね部材５７が、ラジアルアクチュエータ５５へと加えられる指令信号に従ったラジアルアクチュエータ５５の容易な収縮または伸張を許容することができる。さらに、ラジアルアクチュエータ５５と中間マス５２との間に分離器５６を介在させることで、例えばペイロードを支持している垂直アクチュエータ５４の動きによって引き起こされる剪断のたわみを、一例においてはラジアルアクチュエータ５５の動きの約０．７％にまで少なくすることができる。

以上、要約すると、能動振動減衰システムを図示して説明した。本発明の実施形態による振動減衰システムは、ペイロードによって生み出される静的な力および動的な力を分離し、それぞれに独立の機構によって別個に対処できるようにしている。これらの力を分離することによって、ペイロードからの動的な振動の低減の向上を達成することができる。具体的には、このシステムは、共振周波数および必要な利得を低減するために、支持ばねと、ペイロードマス（すなわち、絶縁台座）および振動源（すなわち、ベース台座）との間に介在された独立の能動的に絶縁されたダンパーを提供している。支持ばねは、絶縁台座をベース台座に対して実質的に平行に維持するため、ペイロードからの静的な力（すなわち、重量）を支持し、これに対処するように機能する。他方で、能動ダンパーは、ペイロードからの動的な振動に対処し、少なくとも１つのアクチュエータ、このアクチュエータによって支持された中間マス、および中間マスと絶縁台座との間の受動ダンパーを備えている。中間マスは、「Ｚ」軸に沿って垂直にアクチュエータによって支持される以外にも、「Ｘ」および「Ｙ」軸に沿って追加のアクチュエータによってラジアル方向に支持することができる。さらに、このシステムは、中間マスのセンサから生成される垂直方向または「Ｘ」、「Ｙ」、および「Ｚ」方向のそれぞれの変位信号の関数として、アクチュエータを駆動するための回路構成をも提供する。一実施形態においては、能動ダンパーがペイロードの重量を支持しないため、本発明の能動ダンパーに組み合わせて使用されるアクチュエータは、ペイロードの重量もアクチュエータによって支持しなければならない従来の振動絶縁システムにおいて使用されるアクチュエータに比べ、比較的小型でかつ安価とすることができる。

以上、本発明を、本発明の具体的な実施形態に関して説明したが、さらなる変更が可能であることが理解できるであろう。さらに、この出願は、本発明の関係する当技術分野における既知または通常の実施の範囲で、添付の特許請求の範囲の技術的範囲に包含されるような本明細書の開示からの逸脱など、本発明のあらゆる変種、使用、または調整を包含することを意図するものである。

能動的な振動絶縁または減衰のための本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。 図１のシステムに関して使用される能動ダンパーの詳細を示す図である。 能動的な振動絶縁または減衰のための本発明の他の実施形態によるシステムを示す図である。 三次元の振動絶縁または減衰システムについて運動センサ、補償回路、およびアクチュエータの間の電気的な相互接続を説明する概略ブロック図である。 ２軸に沿った能動振動減衰システムについて、簡略化した構成を示す概略図である。

符号の説明

１０ 能動振動減衰システム
１１ 支持ばね
１２ 能動ダンパー
１３ 絶縁台座
１４ ベース台座
１５ アクチュエータ
１６ 中間マス
１７ 受動ダンパー
１８ 運動センサ
１９ フィードバック補償ループ

Claims (30)

1. 支持されたペイロードからの振動を減衰させるためのシステムであって、
   前記ペイロードを支持する絶縁台座から該絶縁台座に対向するベース台座まで延びており、前記ペイロードからの静的な力を支持するための支持ばねと、
   前記絶縁台座と前記ベース台座との間を、前記支持ばねに並列かつ前記支持ばねから離間して延びており、前記ペイロードからの動的な力を減衰させるための能動ダンパーと、
   を有しており、
   前記能動ダンパーは、
   その両端部に互いに反対向きである第１および第２の端部を有しており、前記第１および第２の端部の間の長さは可変であり、前記第２の端部が前記ベース台座に接続されているアクチュエータと、
   本体部を有し、前記アクチュエータの前記第１の端部の上に軸方向に整列して、前記ペイロードからの動的な力を減衰させることができる点をもたらしている中間マスと、
   一端において前記絶縁台座と接続され、他端において前記中間マスに向かって延びているピストンを有している受動ダンパーと、を備えており、
   前記能動ダンパーの中間マスと組み合わされ、前記中間マスの運動の関数である信号を生成する運動センサを備えたことを特徴とするシステム。
2. 前記支持ばねは、一端において前記絶縁台座に接続され、他端において前記ベース台座に接続されており、更に、前記絶縁台座を前記ベース台座に対して実質的に平行に保つように機能する請求項１に記載のシステム。
3. 前記支持ばねの剛性の値が、前記アクチュエータの呈する剛性よりも少なくとも１桁小さい請求項１に記載のシステム。
4. 前記中間マスの質量が、前記ペイロードよりも少なくとも１桁小さい請求項１に記載のシステム。
5. 前記中間マスの前記本体部が、粘性流体の容量を収容できる容積を有する請求項１に記載のシステム。
6. 前記中間マスの前記本体部が下端および上端を有しており、前記上端は、前記受動ダンパーの前記ピストンが通過して延伸することができる開口を有している請求項５に記載のシステム。
7. 前記開口は、前記本体部から前記ピストンが外れることが起こることを最小限にするのに十分なサイズとすることができる請求項６に記載のシステム。
8. 前記中間マスは、前記本体部からの前記粘性流体の喪失を最小限にするために、前記開口を横切って延びる膜を備えている請求項６に記載のシステム。
9. 前記ピストンは、前記粘性流体内に前記ピストンの端部に取り付けられたプレートを備え、前記受動ダンパーによる必要な減衰効果の発生を可能にする請求項１に記載のシステム。
10. 前記中間マスと前記受動ダンパーが、別個の構成部品である請求項１に記載のシステム。
11. 前記能動ダンパーは、前記中間マスと前記アクチュエータの前記第１の端部との間に剪断分離器をさらに備え、前記アクチュエータへの剪断応力の作用を抑える請求項１に記載のシステム。
12. 前記能動ダンパーは、前記アクチュエータをあらかじめ圧縮された状態へと押す場合に役立つように、前記中間マスの前記本体部の周囲、かつ、上端と下端との間に、ばねをさらに備えている請求項１に記載のシステム。
13. 前記運動センサからの信号に基づいて前記アクチュエータの長さを変化させるように、前記運動センサを前記アクチュエータと組み合わせる回路構成の補償モジュールをさらに備え、前記能動ダンパーが所定の振動周波数の範囲にわたって前記絶縁台座を安定させるべく機能する請求項１に記載のシステム。
14. 前記絶縁台座の運動の関数である信号を生成するために前記絶縁台座と組み合わせられた運動センサをさらに備えており、前記絶縁台座に配置された前記運動センサは、該センサからの信号を前記中間マスの前記運動センサに組み合わせて前記絶縁台座について振動制御を補強することができるように、補償モジュールと情報のやりとりをしている請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ベース台座の運動の関数である信号を生成するために、前記ベース台座と組み合わせられた運動センサをさらに備えており、該センサは、該センサからの信号を前記ベース台座からの振動を補償するためのフィードフォワード信号として使用することができるように、前記補償モジュールと情報のやりとりをしている請求項１３に記載のシステム。
16. 一端において前記絶縁台座と直列に取り付けられ、他端において前記受動ダンパーと直列に取り付けられたばねをさらに備えている請求項１に記載のシステム。
17. 支持されたペイロードからの振動を減衰させるためのシステムであって、
    前記ペイロードを支持する絶縁台座から該絶縁台座に対向するベース台座まで延びており、前記ペイロードからの静的な力を支持するための支持ばねと、
    前記支持ばねと並列で、かつ、前記支持ばねから離間して配置され、前記ペイロードからの動的な力を減衰させることができる点をもたらすための中間マスと、
    それぞれが各軸に沿って長さを変化させることができる複数のアクチュエータであって、各アクチュエータが前記中間マスに隣接する第１の端部と、振動しやすい支持体へと接続された反対側の第２の端部とを有しているアクチュエータと、
    前記中間マスの運動の関数である信号を生成するために、前記中間マスと組み合わされた運動センサと、を有しているシステム。
18. 前記支持ばねは、一端において前記絶縁台座に連結され、他端において前記ベース台座に連結されており、更に、前記絶縁台座を前記ベース台座に対して実質的に平行に保つように機能する請求項１７に記載のシステム。
19. 前記支持ばねの剛性の値は、前記アクチュエータの呈する剛性よりも少なくとも１桁小さい請求項１７に記載のシステム。
20. 前記中間マスの質量は、前記ペイロードよりも少なくとも１桁小さい請求項１７に記載のシステム。
21. 前記中間マスに対し軸方向に整列した受動ダンパーをさらに備えており、該受動ダンパーは、粘性流体の容積を有するとともに、一端において前記絶縁台座と連結され、他端において前記粘性流体の容積部へと延びているピストンを有している請求項１７に記載のシステム。
22. 前記中間マスは、前記粘性流体の容量を収容するための本体部を備えている請求項２１に記載のシステム。
23. 一端において前記絶縁台座と直列に取り付けられ、他端において前記受動ダンパーと直列に取り付けられた第２のばねをさらに備えている請求項２１に記載のシステム。
24. 前記アクチュエータへの剪断応力の作用を抑えるために、前記中間マスと各アクチュエータの前記第１の端部との間に剪断分離器をさらに備えている請求項１７に記載のシステム。
25. 前記能動ダンパーが所定の振動周波数の範囲にわたって前記ペイロードマスを安定させるべく機能するよう、前記運動センサからの信号に基づいて前記アクチュエータの長さを変化させるように、前記運動センサを前記アクチュエータと組み合わせる回路構成の補償モジュールをさらに備えている請求項１７に記載のシステム。
26. 前記絶縁台座の運動の関数である信号を生成するために、前記絶縁台座と組み合わせられた運動センサをさらに備えており、前記絶縁台座に配置された前記運動センサは、該センサからの信号を前記中間マスに配置された前記運動センサと組み合わせて前記絶縁台座についての振動制御を補強することができるように、前記補償モジュールと情報のやりとりをしている請求項２５に記載のシステム。
27. 前記ベース台座の運動の関数である信号を生成するために、前記ベース台座と組み合わせられた運動センサをさらに備えており、該センサは、該センサからの信号を前記ベース台座からの振動を補償するためのフィードフォワード信号として使用することができるように、前記補償モジュールと情報のやりとりをしている請求項２５に記載のシステム。
28. 絶縁台座上に支持されたペイロードからの振動を減衰させるための方法であって、
    前記ペイロードからの静的な力に対処するために、支持ばねの一端を前記絶縁台座に取り付け、該ばねの他端をベース台座に延伸させ、
    アクチュエータを、前記支持ばねに並列、かつ、前記支持ばねから離間して前記ベース台座に配置し、
    中間マスを前記アクチュエータ上に軸方向に整列させて配置し、
    受動ダンパーを前記絶縁台座および前記中間マスに接続し、
    前記中間マスの動きを検出し、前記中間マスの運動の関数である運動信号を生成し、
    前記運動信号に基づいて制御信号を生成し、
    前記制御信号を前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータの長さを変化させることで、前記ペイロードによって受ける振動を減衰させること、を含んでいる方法。
29. 前記絶縁台座の動きを検出し、前記絶縁台座の運動の関数である運動信号を生成し、
    前記絶縁台座からの運動信号を前記中間マスからの運動信号と統合し、
    前記絶縁台座および前記中間マスからの運動信号に基づいて、統合制御信号を生成し、
    前記統合制御信号を前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータの長さの変化を可能にすることで、前記ペイロードにより経験される振動の減衰を補強すること、をさらに含んでいる請求項２８に記載の方法。
30. 前記ベース台座の動きを検出して前記ベース台座の運動の関数である運動信号を生成し、
    前記ベース台座からの運動信号に基づいて、フィードフォワード制御信号を生成し、
    前記フィードフォワード制御信号を前記アクチュエータに印加することで、前記ベース台座からの振動を補償すること、をさらに含んでいる請求項２８に記載の方法。

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