JP4856685B2 - 負荷の振動絶縁支持の装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷重の振動を絶縁する装置、特に、請求項１の特徴による負荷の振動絶縁支持の装置に関する。

望ましくない振動および衝撃は、複数の技術用途で見出される。このような妨害振動は、特に高感度の技術ユニット、または非常に重い技術ユニットの場合、特にマイナスの影響を与える。例えば、数トンの重量があるコンピュータ・トモグラフィーが挙げられる。振動絶縁と呼ばれるものによって、このような機械への振動伝達を防止する試みがされている。この場合は、例えばばねを使用することにより、純粋にパッシブ型絶縁が頻繁に使用される。しかし、このようなシステムは、特に重い負荷および敏感なユニットには、もはや適切ではない。その結果、アクティブシステムと呼ばれるものの使用にますますシフトしている。振動絶縁へのアクティブシステムの使用は、適切なアクチュエータの使用可能性が非常に限定されることにより、先行技術では高度に制限されている。特に、以前の概念は、振動絶縁のためには、使用する１つまたは複数のアクチュエータが負荷に直接作用しなければならないという事実から進められ、したがってその結果、十分な振動絶縁を獲得するため、常に全重量を支持しなければならない。このような主流となる見方の結果、今日まで、先行技術の振動絶縁システムの範囲内では、技術的および物理的特性のため、原理的に振動絶縁に適した複数のアクチュエータを使用することは不可能であった。特に、電気エネルギーを機械的エネルギーに、およびその逆に直接変換することができる、圧電変換機構またはセラミック・ソリッドステート・アクチュエータと呼ばれるものがある。圧電アクチュエータは、既存のシステムで使用できるにしても、非常に制限された方法でしか使用することができない。その理由は、大きい静荷重の圧電アクチュエータは、一方では実質的に市販されておらず、他方でわずかなストロークおよび静荷重を受ける能力しか備えていないためである。

したがって、様々な重量の荷重の振動を絶縁するため、柔軟に使用することができ、特に先行技術の状況では、これまで使用することが不可能であった振動絶縁用アクチュエータの使用を可能にする、アクティブ振動絶縁装置を提供することが、本発明の目的である。

この目的は、特許請求の範囲に規定された主題の特徴により、最も驚嘆する方法で既に達成されている。

有利な開発点は従属請求項で見出される。

本発明が、荷重および据付面の間に作用する静的力および動的力を少なくとも部分的に分離するため、荷重と据付面との間に配置された少なくとも１つの第１振動絶縁装置を備え、実質的に分離された動的力を吸収するため、１つの第１振動絶縁装置および／または荷重に割り当てられた少なくとも１つの第２振動絶縁装置を含む装置を提供することにより、アクティブに振動を絶縁する方法で、装置に作用する動的力および／または装置から生じる動的力を、静的力からほぼ分離できる可能性が、初めて顕在化した。

この点で、本発明による装置は、振動絶縁器具を機械的に分離するため、少なくとも１つの動的結合要素を備えるので、非常に有利である。本発明では、結合要素は、垂直方向と水平方向との両方で振動することができ、それによって特にパッシブ型振動絶縁を保証するという特性を有する。

本発明の有利な開発点では、これは、特にゴムばねによって実現することができる。本発明の主題の特に有利な開発点では、ゴムばねは、ゴムの組合せまたは相互接続された複数のゴムばねを備えることができる。

本発明の主題のさらなる非常に有利な開発点では、本発明による振動絶縁器具に割り当てられた結合要素が、交互に振動絶縁器具と荷重間を動的に結合するように、振動絶縁器具が、相互に、および荷重に対して配置および／または調整される。

その範囲で、第１振動絶縁器具にはパッシブ型振動絶縁を設定し、第１器具が全ての静的荷重をほぼ担持するので有利である。さらに、パッシブ型絶縁は、その物理的特性により、本発明による装置の振動動作をほぼ画定する。この場合、パラメータとして考慮されるのは、特に結合要素の減衰度であり、あるいはゴムを使用する場合はその剛性である。また、パッシブ型絶縁にかかる重量も重要であり、状況によっては床上の結合要素の支持面である。

このためでは、本発明によると、第２振動絶縁器具は同様に、荷重に対して、特に第２振動絶縁器具と荷重との間に発生し得る応力を軽減できる、あるいは解消することさえできるような方法で、結合要素を備えるので非常に有利である。

本発明の主題の積極的開発点では、本発明による結合要素としては、言うまでもなくゴムばねのみが使用できるのではない。これに関して、例えば金属ばね、空気クッションおよび／または磁気浮上器具などの形態で結合要素を使用することも可能である。

本発明の範囲内で、結合要素の物理的および／または技術的パラメータにより、動的結合を非常に積極的に設計できることが特に有利であり、特に力の動的伝達が、特に結合の設定性により第２振動絶縁器具に合わせて設定できることが非常に有利であることが証明されている。この方法で、第２振動絶縁器具によって、特に荷重に伝達できる力を設定することは、特に確実な可能性がある。この場合は、特に、この方法でも、第２振動絶縁器具によって、特に荷重に伝達できる力を設定することができる。しかし、さらにこの場合は、力の動的伝達によって生成された動的振動の振動振幅に、前記動的振動を設定できるよう、積極的な影響を与えることも可能である。

特に、本発明の範囲内で、上述した措置は、例えば建物の振動または床の振動を、アクティブ振動絶縁のために使用されるアクチュエータの技術的および物理的パラメータに対して提供される振動絶縁に、特に適合させることができる。

本発明による振動絶縁器具に複数のゴムばねを使用する場合は、特に、第２振動絶縁器具の結合要素にあるゴムの剛性に加えて、特に個々のばねのゴム剛性の比率も、力の伝達の非常に優れた尺度になり得る。この場合、剛性は特に結合要素の固有振動数によって、またはゴムの固有振動数によって表現することができる。

本発明の場合、第１振動絶縁器具の結合要素の固有振動数と、第１振動絶縁器具の結合要素の固有振動数と第２振動絶縁器具の結合要素の固有振動数の比率との関数関係を再現する１つまたは複数の特徴から、非常に単純な方法で力の動的伝達を決定できることを示すことが可能であるので、非常に有利である。本発明の範囲内で、この方法では、例えば潜在的な力の伝達に関する知識があれば、１つまたは複数の特徴を使用して、適切な結合要素および／または適切なアクチュエータを選択することが特に容易である。逆に、結合要素の固有振動数が与えられれば、言うまでもなく、その特徴を使用して可能な力の伝達を決定する事も可能である。

本発明により、支持すべき荷重に対する力または動的振動の動的伝達の設定性および／または決定性に基づき、技術的パラメータが原因で、これまで振動絶縁システムに使用することができなかったアクチュエータをアクティブ振動絶縁のために使用できるようになる。そのため、本発明の主題の開発点において、アクティブ振動絶縁のために、本発明による標準的な圧電モジュールおよび／または圧電アクチュエータを使用する。重要なことは、本発明により、以前は不利と見なされていた圧電アクチュエータの特性を補償することが可能なことである。つまり静的力に対する低い荷重支持性、および小さいストロークである。この場合、装置の圧電モジュールは、空間の全方向にアクティブ振動絶縁効果を与えるよう配置できるので、非常に有利である。

本発明の主題のさらなる有利な開発点では、特に荷重を支持する第１振動絶縁器具に割り当てられた追加の荷重支持手段を備える。本発明による荷重支持手段は、その上にある荷重の重量を、本発明による複数の振動絶縁器具に一様に分散できるという利点を提供する。さらに、このような荷重支持手段により、第１振動絶縁器具と第２振動絶縁器具の間に局所的な機械的結合を生成することが可能になる。

さらに、アクチュエータの特性を有するばかりでなく、引っ張り特性も有するシステムを提供することも、本発明の範囲に入る。したがって、本発明により、装置に振動感知ユニットを装着することも提供される。本発明により、振動感知ユニットは励起運動を絶縁される荷重に伝達し、荷重に作用する分散力によって生じる振動も伝達する。アクティブ振動絶縁のため、本発明の範囲内で、振動の励起を、フィードバック制御および／またはフィードフォワード制御によって第２振動絶縁器具へと供給し、望ましくない振動を補償および／または減衰する。

この範囲で、振動を減衰するための調整および／または制御にアクチュエータで対処するアクティブシステムまたはアクティブ装置に加えて、本発明は、センサおよびアクチュエータ特性を有する適応システムまたは適応装置と呼ばれるものも備える。その適応システムまたは適応装置は、同時に支持機能も備え、多様なアクチュエータを使用する可能性に基づいて、任意の荷重のアクティブ振動絶縁に対して、非常に融通性があって費用効果の高い個々の解決策を可能にする。

本発明の範囲は、言うまでもなく、特に重い荷重について、荷重の振動を絶縁する方法も含む。この場合、荷重から生じる、または後者に作用する静的および動的力は、少なくとも部分的に分離され、このように分離された動的力が、その後、別個に減衰される。力の分離は、荷重のパッシブ型絶縁の過程で実行される。パッシブ型絶縁の間に生じる振動は、少なくとも１つのアクチュエータに結合される。この結合は、有利には、ばねを介してアクチュエータに実行される。

この状況で、本発明により、アクチュエータへの力の伝達が、アクチュエータに対するばねの固有振動数とパッシブ型絶縁の固有振動数との比率に対するパッシブ型絶縁の振動の固有振動数の依存特性から決定できることが、特に明白である。
本発明について、様々な図面で補助しながら、以下で詳細に説明する。

発明の実施の形態

面１０２を介して支持体１０３および１０５が支持する荷重１０１を、図１に示す。支持体１０３は、ゴムばね１０４によって、床１０６に対してパッシブ振動絶縁する。支持体１０５は、圧電アクチュエータと呼ばれるものである。静的荷重１０１、例えば磁気共振鳴装置のそれは、支持体１０３によってほぼ完全に支持される。支持体１０３は、動的振動を静的荷重１０１から分離するため、ゴム・マット１０４またはゴムばねなどの上にある。支持体１０３に加えて、圧電アクチュエータ１０５も支持面１０２の下側に当たる。その結果、圧電アクチュエータ１０５が基本的に静的荷重１０１を支持していない場合でも、支持体１０３および／または支持面１０２に作用する望ましくない振動が、圧電アクチュエータ１０５にも伝達される。圧電アクチュエータ１０５は、さらに、床１０６にも同様に接続される。ゴムばね１０７が、特に支持面１０２と圧電アクチュエータ１０５の間の応力および／または歪みを回避する目的で、支持面１０２とアクチュエータ１０５の間に装着される。ゴムばね１０７は、この例示的実施形態の範囲内で使用される圧電アクチュエータ１０５を詳細に図示する図２から、さらによく理解される。上述した静的力および動的力の分離に基づき、動的力のみが適切なばね継手１０７を介してアクチュエータ１０５に供給されることにより、アクティブ振動絶縁のために、力およびストロークの伝達が比較的少ない標準的アクチュエータを使用することが初めて可能となる。これは、特に、アクチュエータ１０５が容易に支持テーブル１０２および／または荷重１０１および支持体１０３に接続されず、これらに動的に、つまりゴムばね１０７の助けにより結合されるという事実からも裏付けられる。この結合の強度は、特に使用するゴム２０７（図２）および／または使用するばねの剛性によって、および支持面１０２におけるアクチュエータ２０５の結合面２０２によって決定される。

その減衰特性および／または剛性に基づき、支持ゴム１０４は、本発明による装置の固有振動数に影響を与え、したがって圧電アクチュエータ１０５に伝達される振動動作にも同様に影響を与える。しかし、その結果、圧電アクチュエータ１０５との力の伝達、および圧電アクチュエータ１０５の振動振幅を、特にゴムばね１０４および１０７の適切な選択によって操作できることになる。個々のゴムばね１０４、１０７の固有振動数は、特に支持面、荷重、および選択されたゴムのタイプの関数であり、この場合、適切なパラメータとして使用可能である。

支持ゴムの固有振動数は、この場合、実際に既に頻繁に規定されている。次に、圧電アクチュエータのばね１０７、２０７をこれに適用する。これは基本的に自由に選択することができ、使用するゴムおよびその剛性が、圧電アクチュエータとの間の力の伝達を決定する。これに関して、ゴムの剛性は言うまでもなく圧電アクチュエータ１０５の固有の剛性にも依存することを指摘しておきたい。圧電アクチュエータ１０５は、概して、固有の剛性の１０分の１より大きい剛性に対して作用しない。

支持ゴム１０４の固有振動数と圧電アクチュエアータ部のゴムばね１０７とのそれとの比率は、圧電アクチュエータ１０５に取り付けたゴム１０７に合わせて支持ゴム１０４を調整するために、本発明の特定の実施形態の範囲内で特に適切なパラメータであることが証明されている。この場合、変化したのは主にテーブル１０２に当たるゴム１０７の支持面であった。このような調整を実施すると、異なるタイプのゴム１０４、１０７は、例えば同じタイプのゴムとすることもできる。

図３によるグラフから、この目的のための様々な特徴を想定することができ、これらから、圧電アクチュエータ１０５の必要な力の伝達を、支持ゴム１０４の固有振動数、およびゴム１０４、１０７の剛性の比率またはその固有振動数の比率の関数として想定することが可能である。ゴムの固有振動数は、グラフでは横座標にてヘルツ単位で指定される。ゴムの剛性比率を縦座標から読み取ることができる。個々の特徴は、荷重へ圧電アクチュエータから伝達される規定の力を決定するために、個々に決定された。力伝達領域も、グラフでは異なる網掛けによって図示されている。この領域は、グラフ中で、左下隅から右上隅の方向に、０ニュートンから５００ニュートンまで５０ニュートンずつ変化している。したがって、例えば図３によるグラフを使用して、技術的に調整された２００ニュートンの力の伝達の場合で、ゴムの固有振動数は約１５Ｈｚでなければならない場合、ゴムの固有振動数の比率は約０．０２の値でよいことを読み取ることができる。言うまでもなく、適切なアクチュエータの選択には、伝達によって引き起こされる振動振幅も考慮に入れなければならない。しかし、基本的に、非常に多様なアクチュエータおよび圧電アクチュエータの使用を多面的に調整する可能性によって設定される制限はない。

図１に示す純粋に垂直の振動絶縁に加えて、水平のアクティブ振動絶縁も、例えば質量に作用する３つのさらなる水平装着アクチュエータなどの取り付けることによって達成することができる。この場合、アクティブ振動絶縁は、制御装置を介してアクチュエータへと案内するため、絶縁すべき質量および質量の据付面に適切なセンサを使用することにより、望ましくない（調和または確率的）振動および衝撃を検知するという事実によって実現される。

この場合に使用できる制御変数を、図４に概略的に示す。振動絶縁の目的は、絶縁アクチュエータ１０５（図１）を使用することにより、絶縁部材４０１の絶対運動を最小にすることである。その目的のため、一方では励起運動の絶縁部材４０１への伝達を防止し、他方では、絶縁部材４０１に作用する分散力から生じる振動を減衰する必要がある。これは、２つの可能な概念を用いることにより達成される。この場合、これは一方がフィードバック制御と呼ばれ、他方がフィードフォワード制御と呼ばれる。フィードバック制御は、振動制御の古典的変形であり、その場合、動作する質量４０１上にあるセンサ４１１からのセンサ信号を使用して、１つまたは複数の制御装置４０８で調整して、アクチュエータ４０５へとフィードバックする。フィードフォワード制御の場合は、床４０６に、またはアクチュエータ４０５および質量４０１の設置場所にあるセンサ４１２からのセンサ信号を使用して、制御装置４０９によって調整し、アクチュエータ４０５へと導く。部材４０１の振動絶縁は、例えば妨害可変補償により、この状況で励振に対して実行することができる。これは特に、励振速度および加速度のパイロット制御によって達成される。対応するデータは、例えば加速度センサ４１１、４１２から獲得することができる。そのため、この場合は、測定点の速度および振れを決定できるよう、検出したデータを、それに対応してフィルタリングし、ある時間にわたって積算する。

ここで再び、図示の例示的実施形態に加えて、本発明による振動絶縁の概念を非常に多様な用途に使用できることを、明示的に指摘しておきたい。ステージ絶縁と呼ばれるものについて、例えばキログラムまたは１００キログラム領域の荷重を可動テーブル上で絶縁すべき場合などで言及することができる。

振動絶縁を設けた場合の本発明による装置の略図を示す。 本発明の範囲内で使用する圧電アクチュエータ・モジュールの断面図を示す。 ゴムばねの剛性の設計が様々な場合の、圧電アクチュエータの力伝達特徴の図を示す。 本発明の範囲内で使用する制御システムの略図を示す。

符号の説明

１０１ 荷重
１０２ 支持面
１０３ 支持体
１０４ ゴムばね
１０５ 支持体
１０６ 床
１０７ ゴムばね
２０２ 結合面
２０５ アクチュエータ
２０７ ゴム
４０１ 絶縁部材
４０５ アクチュエータ
４０６ 床
４０８ 制御装置
４０９ 制御装置
４１１ センサ
４１２ センサ

Claims (8)

1. 荷重の振動を絶縁する装置であって、
   荷重を支持する支持部材（１０２）と、複数の支持体（１０３）と、複数のアクチュエータ（１０５）とを有し、
   該支持体（１０３）は該荷重の支持部材（１０２）と床面（１０６）との間に配置され、該アクチュエータ（１０５）は該支持部材（１０２）と床面（１０６）との間で作用し、該支持体（１０３）は第一結合部材（１０４）とともにパッシブ型の第一振動絶縁装置を形成し、該アクチュエータ（１０５）は第二結合部材（１０７）とともにアクティブ型の第二振動絶縁装置を形成し、第一振動絶縁装置は該アクチュエータから分離しており、
   該第一振動絶縁装置は全静荷重を支持し、該第二振動絶縁装置は該支持部材（１０２）と床面（１０６）間に働く動的力を伝達し、
   該第一結合部材（１０４）および該第二結合部材（１０７）は、それぞれ固有振動数を有し、
   動的振動を該静荷重（１０１）から分離するために、該支持体（１０３）は、該第一結合部材（１０４）上に配置され、
   該第一結合部材（１０４）の減衰特性及び／又は剛性は、該アクチュエータ（１０５）に伝達される振動特性に影響を与え、
   該アクチュエータ（１０５）は、該第二結合部材（１０７）を介して該支持部材（１０２）と動的に結合され、
   該第一結合部材（１０４）の固有振動と該第二結合部材（１０７）の固有振動の比と、該第一結合部材（１０４）の固有振動との、機能的な関係を再現する、一以上の、力の動的伝達特性曲線を適用することによって、該アクチュエータ（１０５）による力の伝達が、該第一結合部材（１０４）の該固有振動数と、該第一結合部材（１０４）の剛性と該第二結合部材（１０７）の剛性の比、の関数によって決定されるように、該第二結合部材（１０７）の剛性は該第一結合部材（１０４）の剛性に適合して構成される、
   荷重の振動を絶縁する装置。
2. 前記アクチュエータ（１０５）は圧電素子（２０５）、結合面（２０２）上の支持ゴム（２０７）からなるモジュールである、請求項１に記載の装置。
3. 空間の全方向に対して、アクティブ振動絶縁するように配置された複数の圧電モジュールを備える、請求項１または２に記載の装置。
4. 支持される荷重（４０１）及び／または床面（４０６）にセンサー（４１１，４１２）が配置され、荷重（４０１）及び／または該床面（４０６）の振動からセンサー信号が発生するようにされており、該センサー信号が制御装置（４０８，４０９）に供給されて前記アクチュエータ（４０５）を制御する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 荷重の振動を絶縁する方法であって、
   支持体（１０３）と第一結合手段（１０４）からなるパッシブ型の第一振動絶縁手段と、アクチュエータ（１０５）と第二結合手段（１０７）からなるアクティブ型の第二振動絶縁手段を、互いに分離して、静荷重（１０１）を支持する支持部材（１０２）と支持面（１０６）との間に配置し、
   該第一振動絶縁手段は、全静荷重を支持し、
   該第二振動絶縁手段は、該支持部材（１０２）と支持面（１０６）間に働く動的力を伝達し、
   該支持体（１０３）を該第一結合手段（１０４）上に配置して、動的振動を該静荷重（１０１）から分離し、
   該アクチュエータ（１０５）を、該第二結合手段（１０７）を介して、該支持部材（１０２）と動的に結合させ、
   該第一結合手段（１０４）の固有振動と該第二結合手段（１０７）の固有振動の比と、該第一結合手段（１０４）の固有振動との、機能的な関係を再現する、一以上の、力の動的伝達特性曲線を適用することによって、該アクチュエータ（１０５）による力の伝達が、該第一結合手段（１０４）の固有振動数と、該第一結合手段（１０４）の剛性と該第二結合手段（１０７）の剛性の比、の関数によって決定されるように、該第二結合手段（１０７）の剛性は該第一結合手段（１０４）の剛性に適合して構成される、
   荷重の振動を絶縁する方法。
6. 前記アクチュエータ（１０５）は圧電素子（２０５）、結合面（２０２）上の支持ゴム（２０７）からなるモジュールである、請求項５に記載の方法。
7. 空間の全方向に対して、アクティブ振動絶縁するように配置された複数の圧電モジュールを備える、請求項５または６に記載の方法。
8. 支持される荷重（４０１）及び／または床面（４０６）にセンサー（４１１，４１２）を配置し、
   荷重（４０１）及び／または該床面（４０６）の振動からセンサー信号を発生させ、該センサー信号が制御装置（４０８，４０９）を供給して前記アクチュエータ（４０５）を制御する、
   請求項５乃至７のいずれか１項に記載の方法。

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