KR20230147750A - 바닥 피드포워드 지원을 이용한 정밀 진동-격리 시스템 - Google Patents
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Abstract
정밀 기구 내의 원치 않는 이동을 줄이기 위한 장치 및 방법이 설명된다. 능동적 진동-격리 시스템이, 중간 질량체의 이동을 감지하는 피드백 루프를 포함할 수 있다. 피드백 루프가 달리 격리하지 못하거나 부적절한 격리를 제공하는, 소음이 있는 환경에서, 피드포워드 제어가 구현되어 바닥 진동을 감지할 수 있고, 바닥 진동에 의해서 달리 파생될 수 있는, 중간 질량체의 이동을 감소시킨다. 피드포워드 제어는, 피드백 루프가 만족스럽게 동작할 수 있게 하는 레벨까지 중간 질량체의 이동을 감소시킬 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2017년 8월 15일자로 출원되고, 그 전체가 본원에서 참조로 포함되는, "바닥 피드포워드 지원을 이용한 정밀 진동-격리 시스템"이라는 명칭의 미국 가출원 제62/545,948호의 우선권 이익을 주장한다.
본 기술은, 지지된 페이로드에서 원치 않는 이동을 감소시키는 능동적 진동-격리 시스템에 관한 것이다. 일부 구현예에서, 지지된 페이로드가 광학적, 원자력, 또는 전자-빔 현미경과 같은 민감한 기구일 수 있다.
다양한 기술 분야(예를 들어, 집적 회로 제조, 계측, 다양한 현미경 분야, 정밀 의료 기구 등)에서 사용되는 정밀 기구에서, 원치 않는 이동(예를 들어, 진동, 충격 등)을 정밀 기구에 커플링시킬 수 있는 주변 소음 공급원을 격리시키는 것이 유리하다. 진동을 격리시키기 위한 하나의 접근방식은, 피동적 이동 댐퍼(예를 들어, 점성 유체 또는 재료를 갖는 피동적 댐퍼와 같은, 이동-댐핑 구성요소를 갖는 공기-서스펜션 및/또는 스프링-서스펜션 시스템)를 가지는 플랫폼 상에 기구를 놓는 것이다. 일부 경우에, 정밀 기구는 피동적 이동 댐퍼가 적절한 격리를 제공하지 않는 레벨까지 외부 공급원으로부터의 진동 격리를 필요로 할 수 있다. 그러한 성능을 달성하기 위해서, 능동적 진동-격리 시스템이 정밀 기구와 기구를 지지하는 기부 사이에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 정밀 기구의 외부적으로-파생된 이동에 반대로 작동기를 구동시키기 위해서, 능동적 피드백 시스템이 이용될 수 있다.
능동적 진동-격리 시스템을 개선하기 위한 장치 및 방법이 설명된다. 일부 실시예에 따라, 능동적 진동-격리 시스템은, 정밀 기구와 같은 페이로드를 지지하는, 중간 질량체의 외부적으로 및/또는 내부적으로-파생된 이동에 반대로 하나 이상의 작동기를 구동하는 피드백 시스템을 포함한다. 소음이 있는 설정에서, 외부의 이동 공급원에 의해서, 피드백 시스템의 동작 범위가 초과될 수 있다. 피드백 시스템의 무력화를 방지하기 위해서, 진동 센서가 진동-격리 시스템을 지지하는 기부에 장착될 수 있고, 피드포워드 제어가 중간 질량체를 구동시키는 작동기에 제공되어 그 이동을 감소시키고 시스템이 조건을 충족하게 할 수 있다. 조건을 충족할 때, 피드백 시스템이 만족스럽게 동작하여, 일반적으로 소음이 덜한 환경에서와 같이 진동을 감소시킬 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같은 피드포워드 제어를 이용하는 것에 의해서, 피드백 시스템은, 피드백 시스템에 대한 변화를 필요로 하지 않으면서, 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 더 소음이 심한 환경에서 동작될 수 있다. 이러한 방식으로, 피드백 시스템에 대한 하드웨어를 변화시키지 않고도, 기존 피드백 시스템의 유효 동작 범위 및/또는 성능이 증가될 수 있다.
일부 실시예는 능동적 진동-격리 시스템에 관한 것이고, 그러한 능동적 진동-격리 시스템은 중간 질량체, 제1 감도를 가지고 중간 질량체의 이동을 감지하도록 배열되는 피드백 이동 센서, 제1 감도보다 낮은 제2 감도를 가지고 중간 질량체를 지지하는 기부의 이동을 감지하도록 구성된 피드포워드 이동 센서, 중간 질량체를 기부에 대해서 구동시키도록 배열된 작동기, 및 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 프로세스하도록 그리고 중간 질량체의 원치 않는 진동 이동을 감소시키기 위해서 작동기를 구동하기 위한 신호를 출력하도록 구성된 제어 회로를 포함한다.
일부 실시예는 설치 장소에서 페이로드를 위한 진동 격리를 제공하는 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 설치 장소에서의 진동 레벨이 능동적 진동-격리 시스템의 중간 질량체 상에 장착된 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 수신된 신호를 포화시키는지(saturate)를 결정하는 행위를 포함할 수 있고, 능동적 진동-격리 시스템은 중간 질량체를 기부에 대해서 구동시키도록 배열된 작동기, 및 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 신호를 수신하도록 그리고 적어도 하나의 작동기를 구동시키기 위한 하나 이상의 구동 신호를 출력하도록 구성된 제어 회로를 포함한다. 진동 격리를 제공하는 방법은 기부 상에 장착된 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 제어 회로에 제공하는 행위; 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 제어 회로로 프로세스하는 행위; 및 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 수신된 신호가 포화되지 않도록 기부의 이동에 의해서 파생된 중간 질량체의 이동을 감소시키기 위해서 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터의 프로세스된 신호에 응답하여 작동기를 구동시키는 행위를 포함한다.
전술한 요지는 설명 위해서 제공된 것이고 제한적으로 의도된 것이 아니다. 전술한 장치 및 방법 실시예는 전술한 또는 이하에서 더 구체적으로 설명되는 양태, 특징, 및 행위의 임의의 적합한 조합으로 구현될 수 있다. 본 교시 내용의 이러한 그리고 다른 양태, 실시예 및 특징이 첨부 도면과 함께 하는 이하의 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있다.
당업자는 본원에서 설명된 도면이 단지 예시적인 것임을 이해할 것이다. 일부 경우에, 실시예의 이해를 돕기 위해서, 실시예의 다양한 양태가 과장되거나 확대되어 도시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도면에서, 여러 도면 전체를 통해서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 유사한 특징부, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 지칭한다. 도면이 반드시 실제 축척(scale)인 것은 아니고, 그 대신에 교시 내용의 원리를 설명할 때 강조된다. 도면은 본 교시 내용의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 도시한다.
도 2는 일부 실시예에 따른, 피드포워드 지원을 포함하는 능동적 진동-격리 시스템을 도시한다.
도 3a는 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 위한 제어 회로를 도시한다.
도 3b는 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 위한 제어 회로를 도시한다.
도 4는 피드백 제어 및 피드포워드 제어 중 어느 것도 이용되지 않는, 제1 설치 위치에서의 제1 진동-격리 시스템 내의 이동 센서로부터의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 5는 피드백 제어만이 이용된, 도 4의 진동-격리 시스템 내의 동일한 이동 센서로부터의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 6은 피드백 제어가 이용되는, 제2 설치 위치에서의 제2 진동-격리 시스템 내의 2개의 이동 센서로부터의 2개의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 7은 피드백 제어 및 바닥-지원형 피드포워드 제어가 이용되는, 도 6의 진동-격리 시스템 내의 동일한 이동 센서로부터의 2개의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
본 교시 내용의 양태, 실시예 및 특징이 첨부 도면과 함께 하는 이하의 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 도시한다.
도 2는 일부 실시예에 따른, 피드포워드 지원을 포함하는 능동적 진동-격리 시스템을 도시한다.
도 3a는 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 위한 제어 회로를 도시한다.
도 3b는 일부 실시예에 따른, 능동적 진동-격리 시스템을 위한 제어 회로를 도시한다.
도 4는 피드백 제어 및 피드포워드 제어 중 어느 것도 이용되지 않는, 제1 설치 위치에서의 제1 진동-격리 시스템 내의 이동 센서로부터의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 5는 피드백 제어만이 이용된, 도 4의 진동-격리 시스템 내의 동일한 이동 센서로부터의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 6은 피드백 제어가 이용되는, 제2 설치 위치에서의 제2 진동-격리 시스템 내의 2개의 이동 센서로부터의 2개의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
도 7은 피드백 제어 및 바닥-지원형 피드포워드 제어가 이용되는, 도 6의 진동-격리 시스템 내의 동일한 이동 센서로부터의 2개의 예시적인 신호의 도표를 도시한다.
본 교시 내용의 양태, 실시예 및 특징이 첨부 도면과 함께 하는 이하의 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있다.
과학 연구 단체 그리고 미세 제조, 의료, 나노기술, 광학기기, 및 반도체 산업은 연구 및 상업적 설정에서 이용되는 정밀 기구의 진동 격리를 위한 까다로운 요구를 지속적으로 만들어 내고 있다. 진동 격리는 통상적으로, 정밀 기구에 달리 작용하고 방해할 수 있으며 그 성능을 손상시킬 수 있는, (전형적으로 외부 공급원으로부터의) 동적 힘을 억제하는 것을 요구한다. 일부 정밀 기구의 적절한 동작 및 개선된 성능을 획득하기 위해서, 기구의 원치 않는 이동을 미크론-이하 또는 심지어 100 nm-이하의 레벨까지 억제하는 것을 필요로 할 수 있다.
본 발명자는, 원치 않는 이동을 유발하는 몇몇의 또는 다수의 공급원이 있을 수 있는 매우 다양한 환경에 정밀 기구가 위치될 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 일부 공급원은 정밀 기구의 외부에 있을 수 있고, 일부 공급원은 정밀 기구의 내부에서 기원할 수 있다. 일부 경우에, 정밀 기구를 방해하는 동적 힘이 기구의 외부에 위치될 수 있고, (예를 들어, 기부 지지부, 공급 라인, 및/또는 장비에 대한 음향 커플링을 통해서) 기구에 커플링될 수 있고, 기구의 원치 않는 이동을 유발할 수 있다.
피동적 진동 격리가 충분치 않을 수 있는, 매우 상이한 소음 공급원을 갖는 장소에서 진동 격리를 제공하기 위한 하나의 접근방식은, 능동적 진동-격리 시스템을 이용하는 것이다. 능동적 진동-격리 시스템은 하나 이상의 이동 센서 및 하나 이상의 피드백 시스템을 포함할 수 있다. 이동 센서는 정밀 기구를 지지하는 구조물의 적어도 하나의 자유도의 이동을 감지하도록 배열될 수 있고, 피드백 시스템은 소음 공급원에 의해서 파생되는 임의의 이동에 반대로 구조물을 전기기계적으로 구동하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 피드백 시스템은, 소음 공급원에 의해서 파생된 구조물의 이동에 반대로, 하나 이상의 피드백 신호에 의해서 구동되는, 하나 이상의 작동기를 포함할 수 있다.
종종, 보다 양호한 성능을 달성하기 위해서, 능동적 진동-격리 시스템은, 지지될 페이로드에 그리고 위치될 환경에 맞춰 구성될 수 있다. 예를 들어, 엔지니어는 소음 환경을 특성화하기 위해서 장소를 먼저 방문할 수 있다. 능동적 진동-격리 시스템을 조절하여(예를 들어, 능동적 진동-격리 시스템 내의 피드백 루프를 위한 이득 및 소음 필터 매개변수를 설정하여) 소음 환경을 수용하기 위해서, 능동적 진동-격리 시스템의 제조 중에, 장소 방문 중에 수집된 데이터가 이용될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 시스템 하드웨어를 변경하지 않고, 소프트웨어 코드 내에서 이득 값 및 필터 설정을 조정함으로써, 조절이 전자적으로 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템 하드웨어를 변경하지 않고도, 기존 능동적 진동-격리 시스템은 상이한 소음 환경들을 수용할 수 있다. 시스템 하드웨어를 변경하는 것은 바람직하지 못하게 시스템 비용을 추가할 수 있고, 제조를 지연시킬 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른, 피드백 루프를 이용하는 능동적 진동-격리 시스템(100)의 단순화된 도면을 도시한다. 일부 실시예에서, 능동적 진동-격리 시스템(100)은, 복수의 격리 조립체(105a, 105b)에 의해서 기부(105) 위에서 지지되는 중간 질량체(110)를 포함한다. 하나 이상의 이동 센서(112)가 중간 질량체 상에 장착되어 하나 이상의 방향(예를 들어, 비록 x 및 y 방향이 다른 실시예에서 부가적인 센서에 의해서 감지될 수 있지만, 도 1에 도시된 실시예에서 z 방향)을 따른 중간 질량체의 이동을 감지할 수 있다. 일부 경우에, 단일 다-축 센서(예를 들어, 다-축 지오폰(geophone) 또는 가속도계)가 둘 이상의 방향을 따른 중간 질량체의 이동을 감지할 수 있다. 이동 센서(들)로부터의 출력이 제어 회로(160)에 제공될 수 있고, 제어 회로는 신호(들)를 프로세스하고, 감지된 이동에 반대되고 이를 감소시키도록, 구동 신호를 격리 조립체(105a, 105b) 내의 작동기(107a, 107b)에 제공한다. 작동기(107a, 107b)는 중간 질량체(110)를 기부(105)에 대해서 구동시키도록 배열될 수 있다. 그러한 피드백 제어는 중간 질량체(110)의 원치 않는 이동을 감소시키는 동작을 한다. 능동적 진동-격리 시스템(100)은, 페이로드(162)를 지지하는 중간 질량체 위에 위치된 피동적 진동 격리(예를 들어, 댐퍼(120a, 120b), 및 스프링(126a, 126b))를 갖춘 지지 구조물(예를 들어, 페이로드 지지부(130))를 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 페이로드(162)는 정밀 기구일 수 있고, 정밀 기구의 예가 전술되어 있다.
비록 단지 2개의 격리 조립체(105a, 105b)가 도 1의 도면에 도시되어 있지만, 능동적 진동-격리 시스템(100)은 중간 질량체(110)와 기부(105) 사이에 배열된 3개 이상의 격리 조립체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 방향으로(예를 들어, x 및/또는 y 방향으로 그리고 중간 질량체(110)와 기부(105)로부터 연장되는 측벽 또는 기둥 사이에 배열된), 그리고 도 1에 도시된 바와 같이 z 방향으로 만이 아닌, 진동 격리를 제공하도록 구성된 격리 조립체가 있을 수 있다.
일부 경우에, 격리 조립체는, 중간 질량체(110)의 피치, 롤, 및/또는 요(yaw)에 달리 영향을 미칠 수도 있는, 동요에 반하는(against) 격리를 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 중간 질량체(110) 상의 상이한 위치들에 배치된 2개 또는 3개의 이동 센서가 중간 질량체(110)의 피치, 롤, 및/또는 요를 검출할 수 있고, 검출된 피치, 롤, 및/또는 요를 제거하도록 작동기를 구동시키기 위해서 제어 회로(160)에 의해서 프로세스될 수 있는 피드백 신호를 생성할 수 있다. 단지 롤의 예로서, 제1 격리 조립체(105a) 부근의 제1 센서는, 제2 격리 조립체(105b) 부근의 제2 센서에 의해서 검출되는 것과 상이한 중간 질량체(110)의 z 이동을 검출할 수 있다. (중간 질량체(110)의 롤을 나타내는) 검출된 z 이동의 차이에 응답하여, 제어 회로는, 제2 작동기(107b)와 달리 제1 작동기(107a)를 구동시켜 롤을 제거할 수 있다.
일부 실시예에서, 격리 조립체는 오프로드 스프링 및 작동기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 격리 조립체(105a)는 오프로드 스프링(116a) 및 작동기(107a)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 오프로드 스프링이 페이로드(162), 중간 질량체(110), 및 중간 질량체(110) 위의 지지 구조물의 중량의 대부분 또는 전부를 지지하도록, 오프로드 스프링(116a, 116b)이 작동기(107a, 107b)보다 큰 경직도를 가질 수 있다. 오프로드 스프링이 작동기보다 큰 경직도를 가지는 시스템의 예가 미국 특허 8,899,393 및 9,353,824에 설명되어 있고, 그러한 미국 특허의 전체는 본원에서 참조로 포함된다. 그러한 구현예에서, 작동기는 보이스 코일 구동기와 같은 소프트 작동기를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 작동기가 페이로드(162), 중간 질량체(110), 및 중간 질량체(110) 위의 지지 구조물의 중량의 대부분 또는 전부를 지지하도록, 오프로드 스프링(116a, 116b)이 존재하지 않을 수 있거나, 오프로드 스프링(116a, 116b)이 작동기(107a, 107b)보다 작은 경직도를 가질 수 있다. 오프로드 스프링이 작동기보다 작은 경직도를 가지는 시스템의 예가 미국 특허 5,660,255에 설명되어 있고, 그러한 미국 특허의 전체는 본원에서 참조로 포함된다. 그러한 구현예에서, 작동기는 압전 작동기와 같은 경직성 작동기를 포함할 수 있다.
중간 질량체(110)는, 알루미늄, 스테인레스 강, 또는 그 조합과 같은 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있으나, 일부 실시예에서 다른 재료가 이용될 수 있다. 비록 도 1이, 복수의 격리 조립체(105a, 105b)에 걸쳐지는 하나의 중간 질량체(110)를 도시하지만, 일부 경우에, 각각의 격리 조립체가, 모든 다른 격리 조립체의 중간 질량체에 연결되지 않는, 그 자신의 중간 질량체를 가질 수 있다. 그러한 경우에, 하나 이상의 이동 센서(112)가 각각의 격리 조립체의 중간 질량체 상에 장착되어, 하나 이상의 방향을 따른 이동을 감지할 수 있다. 각각의 격리 조립체는 페이로드(162)의 분리된 영역들을 지지할 수 있다. 일부 경우에, 격리 조립체들이 공통 작동기 구동 신호로부터 병렬로 동작되도록, 각각의 격리 조립체는 주어진 방향을 위한 동일한 피드백 루프에 의해서 제어될 수 있다. 일부 경우에, 격리 조립체들이 상이한 작동기 구동 신호로부터 병렬로 동작되도록, 각각의 격리 조립체는 주어진 방향을 위한 상이한 피드백 루프들에 의해서 제어될 수 있다. 각각의 격리 조립체가 상이한 피드백 루프에 의해서 제어되고 격리 조립체들이 분리될 때, 피치, 롤, 및/또는 요의 제거가 자동적으로 발생될 수 있고 분리하여 감지되고 해석될 필요는 없다.
기부(105)는, 알루미늄, 스테인레스 강, 또는 그 조합과 같은, 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있으나, 다른 재료도 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, 기부(105)는 바닥, 테이블, 또는 시설에 위치된 다른 구조물을 포함할 수 있고, 제조된 진동-격리 시스템(100)의 일부로서 포함되지 않을 수 있다. 그러한 구현예에서, 격리 조립체(105a)는, 페이로드(162)와 기부(105) 사이에 장착되도록 구성된, 분리되어 포장된 조립체로서 제공될 수 있다.
일부 구현예에 따라, 레벨 조정기(108a, 108b)가 격리 조립체와 함께 포함되어, 중간 질량체(110) 및/또는 페이로드(162)의 수평도(levelness)를 조정할 수 있다. 예를 들어, 레벨 조정기(108a)가, 작동기(107a)에 커플링되고 기부(105) 위의 작동기(107a, 107b)의 높이를 조정하기 위해서 (수작업으로 및/또는 자동적으로) 회전될 수 있는 나사산형 구동 조립체를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 레벨 조정기는 기부(105) 위의 오프로드 스프링(116a)의 높이를 더 조정할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 이동 센서(112)는, 예를 들어, 가속도계 또는 지오폰을 포함할 수 있고, 일 방향(예를 들어, z 방향)을 따른 이동을 나타내는 적어도 하나의 신호를 제어 회로(160)에 출력할 수 있다. 다른 유형의 이동 센서(예를 들어, 스트레인-게이지 센서, 미세전기화학적 센서, 자이로미터, 광학적 간섭 측정 센서 등)가 또한 이용될 수 있고, 본 발명은 가속도계 및 지오폰만으로 제한되지 않는다. 다-축 진동-격리 시스템에서, 하나 이상의 이동 센서(112)가 둘 이상의 방향(예를 들어, x, y, z, 피치, 롤, 및 요의 임의의 조합)을 따른 이동을 나타내는 이동 신호를 출력할 수 있다. 제어 회로(160)는 이동 센서(들)(112)로부터의 신호를 프로세스하도록 그리고 구동 신호를, 이동 센서에 의해서 감지된 이동이 반대되는 방식으로 중간 질량체(110)를 구동하는 작동기(107a, 107b)에 출력하도록 구성될 수 있다. 제어 회로(160)에 포함될 수 있는 피드백 제어의 몇몇 예가 미국 특허 5,823,307의 도 1, 도 2, 도 4, 도 18, 도 19, 및 도 22와 관련하여 그리고 미국 특허 7,726,452의 도 4와 관련하여 설명되어 있고, 그러한 특허 모두는 본원에서 참조로 포함된다. 제어 회로(160)는 피동적, 능동적, 아날로그, 및/또는 디지털 회로 구성요소를 포함할 수 있고, 본원에서 그리고 전술한 미국 특허의 섹션에서 설명된 바와 같이 원치 않는 이동의 피드백 제거를 실시하도록 구성된 프로세싱 전자기기(예를 들어, 로직 구성요소, 마이크로제어기, 마이크로프로세서, 필드-프로그래머블 게이트 어레이, 주문형 집적 회로, 디지털 신호 프로세서, 또는 그 일부 조합)를 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스(180)는, 일부 실시예에 따라, 제어 회로(160)와 통신할 수 있고, 사용자 입력을 수신하도록 그리고 진동-격리 시스템(100)의 동작의 안정성을 나타내도록 구성될 수 있다. 사용자 인터페이스는 터치 스크린, 터치 패널, 그래픽 사용자 인터페이스, 기계적 노브, 버튼, 토글, 또는 스위치, 표시 조명등, 화상 디스플레이, 또는 그 일부 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 사용자 인터페이스(180)는, 무선 또는 유선 통신 링크를 통해서 제어 회로와 통신하는 개인용 컴퓨터 또는 스마트폰을 포함한다. 통상적인 소프트웨어 애플리케이션이, 제어 회로(160)의 프로세싱 전자기기와의 통신을 허용하고 그러한 전자기기 상에서 실행되는 소프트웨어 요소의 재구성을 허용하는, 개인용 컴퓨터 또는 스마트폰 상에서 실행될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 페이로드 지지부(130)가 부가적인 지지 스프링(126a, 126b)에 의해서 중간 질량체(110) 위에서 지지될 수 있다. 또한, 댐퍼(120a, 120b)가 페이로드 지지부(130)와 중간 질량체(110) 사이에 부가되어 페이로드 지지부의 이동을 댐핑할 수 있다. 일부 실시예에서, 지지 스프링(126a, 126b) 및 댐퍼(120a, 120b)의 3개 이상의 세트가 있다. 일부 경우에, 페이로드 지지부(130) 및/또는 페이로드(162)의 수평화(levelling)를 위해서, 레벨 조정기(108a, 108b)가 페이로드 지지부(130) 및 중간 질량체(110) 사이에 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 페이로드(162)는 도시된 바와 같이 복수의 지지 스프링(126a, 126b) 및 댐퍼(120a, 120b)에 걸쳐지는 단일 페이로드 지지부(130) 상에 직접 장착될 수 있다. 다른 구현예에서, 페이로드 지지부(130)는 복수의 지지 스프링 및 댐퍼에 걸쳐지지 않을 수 있다. 그 대신, 분리된 페이로드 지지부 판이 각각의 지지 스프링 및 댐퍼에 위치될 수 있고 페이로드(162)의 일부를 지지할 수 있다. 일부 경우에, 지지 스프링(126a, 126b) 및 댐퍼(120a, 120b)가 페이로드(162) 상의 분리된 위치들에 직접 연결될 수 있고, 페이로드 지지부 또는 페이로드 지지 판이 사용되지 않을 수 있다.
본 발명자는 일부 설치 위치가, 도 1과 관련하여 전술한 것과 같은, 기존의 또는 미리-제조된 진동-격리 시스템의 한계를 극복할 수 있다는 것을 인지하고 이해하였다. 그러한 설치 위치는 대형 강-구조물 건물(예를 들어, 측면이 500 미터 초과인 건물) 내의 고층 바닥(예를 들어, 3층 초과)일 수 있다. 그러한 위치에서, 바닥 진동이 너무 커서 진동-격리 시스템 내의 피드백 루프가 폐쇄될 수 없고 적절히 동작할 수 없어 페이로드의 원치 않는 이동 전부를 충분히 감소시킬 수 없거나, 피드백 루프가 달리 적절하게 동작될 수 있는 경우에도 정밀 기구의 제원을 만족시키기 위한 진동의 충분한 감소를 제공하지 못할 수 있다.
본 발명자는, 소음이 있는 환경에서 중간 질량체 상에 장착되는 센서(112)에서 문제가 발생될 수 있다는 것을 발견하였다. 전형적으로, 이동 센서(112)는 매우 민감하며, 그에 따라 그러한 센서는 미크론-이하 레벨의 이동을 검출할 수 있다. 큰-진폭의 진동에서, 이동 센서(112)의 응답이 비선형적이 될 수 있다. 예를 들어, 선서는, 큰 진동 레벨에서 포화되는(뒤집히는(roll over) 및/또는 편평해지는) 신호를 출력할 수 있다. 센서(112)의 비선형적 거동은, 피드백 루프에 의해서 적절히 수용될 수 있는 정확한 이동-감지 신호를 제공하지 못할 수 있고, 결과적으로 진동-격리 시스템(100)의 바람직하지 못한 성능을 초래할 수 있다.
기존의 능동적 진동-격리 시스템(100)이 그 센서(112)를 위해서 제조되고 조율될 수 있기 때문에, 피드백 센서(112) 변화는 피드백 회로망 복원 그리고 가능하게는 능동적 진동-격리 시스템(100) 내의 부가적인 하드웨어 구성요소의 변화를 수반할 수 있다. 전술한 바와 같이, 그러한 변화는 비용이 들 수 있고 제조 지연을 초래할 수 있다. 일부 경우에, 능동적 진동-격리 시스템(100)이 소정 위치에 이미 설치되었을 수 있고 이미 만족스럽게 실시되었을 수 있다. 그러나, 설치 장소에서의 소음 조건이 시간 경과에 따라 증가되어 능동적 진동-격리 시스템(100)의 범위를 초과할 수 있다. 기존 능동적 진동-격리 시스템(100)을 재설계하거나 교체하는 대신, 능동적 진동-격리 시스템(100)을, 정확한 검출을 위해서 원래 구성되었던 것보다 소음이 더 큰 환경에서 사용하는 것, 그리고 능동적 진동-격리 시스템(100)이 적절히 기능할 수 있는 레벨까지 환경적 소음의 영향을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
도 2는, 피드포워드 제어로 보조되는 적어도 하나의 피드백 루프를 가지는 능동적 진동-격리 시스템(200)을 도시한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 피드포워드 이동 센서(114)가, 능동적 진동-격리 시스템(200)을 지지하는 기부(105)(예를 들어, 바닥) 상에 장착될 수 있다. 하나 이상의 피드포워드 이동 센서(114)가 하나 이상의 방향을 따른 기부(105)의 이동을 감지할 수 있다. 피드포워드 이동 센서(114)가 피드백 이동 센서(112)와 동일한 유형 또는 상이한 유형일 수 있으나, 피드포워드 이동 센서는, 능동적 진동-격리 시스템(200)이 위치되는 소음이 있는 환경에서 그 출력 신호가 포화되지 않도록, 이동 센서(112)보다 덜 민감하게 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 피드포워드 이동 센서(114)의 감도는 피드백 이동 센서(112)의 감도보다 1.5배 내지 30배 낮다. 이동 센서의 감도는 감지된 단위 이동 당 전압 또는 전류 출력(예를 들어, 미크론당 볼트)으로 측정될 수 있다. 낮은 감도를 가지는 것에 의해서, 피드포워드 이동 센서(114)는, 포화 없이, 피드백 이동 센서(112)보다 더 큰 양의 진동 이동을 검출할 수 있다. 따라서, 피드포워드 이동 센서(114)는, 피드백 이동 센서(112)보다 높은 진동-이동 레벨에서 포화될 수 있다. 일부 경우에, 피드포워드 이동 센서(114)의 감도는 피드백 이동 센서(112)의 감도와 대략적으로 동일할 수 있다.
피드포워드 이동 센서(114)로부터의 신호가 제어 회로(160)에 제공될 수 있다. 제어 회로(160)는 피드포워드 이동 센서(114)로부터 수신된 신호를 프로세스할 수 있고, 피드포워드 이동 센서(114)에 의해서 감지된 이동에 의해서 파생될 수 있는 중간 질량체(110a, 110b)의 이동에 반대로, 피드포워드 구동 신호를 하나 이상의 작동기(107a, 107b)에 출력할 수 있다. 예를 들어, 피드포워드 이동 센서(114)가 +z 방향의 바닥 이동을 감지하고, 제어 회로(160)는 피드포워드 구동 신호를 작동기(107a, 107b)에 출력하여 중간 질량체를 -z 방향으로 이동시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 기부-장착형 피드포워드 이동 센서(들)(114)로부터의 신호(들)가 중간-질량체-장착형 피드백 센서(들)(112)로부터 수신된 신호(들)와 별개로 프로세스될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예는 분리된 중간 질량체(110a, 110b)를 각각의 격리 조립체(105a, 105b)의 일부로서 도시한다. 그러한 경우에, 각각의 격리 조립체는 지지 유닛으로서 포장될 수 있다. 격리 조립체(105a)는 지지 스프링(126a) 및 댐퍼(120a)를 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 격리 조립체는 (단일 페이로드 지지부(130) 대신) 분리된 페이로드 지지부를 더 포함할 수 있고, 그에 따라 격리 조립체가 기구(162)의 또는 기구가 놓이는 플랫폼의 부분 아래에 배치될 수 있다.
일부 경우에, 기부-장착형 이동 피드포워드 센서(들)(114)로부터의 신호(들)가, 기부(105)의 진동이 가장 두드러지는 특정 대역폭으로 제한될 수 있다. 예를 들어, 기부-장착형 이동 피드포워드 센서(들)(114)로부터의 신호(들)가 대역 통과 필터에 의해서 필터링될 수 있다. (전체-폭-절반-최대(full-width-half-maximum)로서 측정된) 대역 통과 필터의 대역폭이, 중간 질량체(110a, 110b)의 가장 큰 이동을 유도하는 (전체-폭-절반-최대로서 측정된) 기부(105)로부터의 주파수의 대역폭과 대략적으로 합치되거나 그보다 클 수 있다. 기부(105)가, 중간 질량체(110a, 110b)의 가장 큰 이동을 유도하는 단일 주파수 또는 주파수의 작은 집단을 나타내는 경우에, 대역 통과 필터가 해당 주파수에 본질적으로 센터링될 수 있고, 그 주파수 또는 주파수의 집단보다 상당히 큰 대역폭을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 대역 통과 필터가 중심 주파수 값의 20% 내지 50%의 FWHM 값을 가질 수 있고, 여기에서 더 좁은 대역폭이 더 낮은 주파수에서 사용된다. 예를 들어, 5 Hz에 센터링된 요동(disturbance)에 대한 FWHM 값이 1 Hz일 수 있고, 100 Hz에 센터링된 요동에 대한 FWHM 값이 50 Hz일 수 있다. 일부 실시예에서, 대역 통과 필터가 제어 회로(160)에서 구현된 소프트웨어 필터로서 구현될 수 있다. 일부 경우에, 대역 통과 필터가 회로로서 구현될 수 있다. 일부 경우에, 다수의 필터를 이용하여 상이한 주파수들에 위치된 다수의 요동을 통과시킬 수 있고, 다수의 필터의 조합된 대역폭이 요동 주파수 중 하나의 50%보다 클 수 있다(예를 들어, 500%까지 일 수 있다). 일부 구현예에서, 필터는, DC로부터, 소음 환경에서 검출된 요동의 가장 큰 주파수의 5배 이하일 수 있는 주파수 값까지 확장될 수 있는 선택된 주파수 범위에 걸쳐지도록 디지털적으로 구현될 수 있다.
동작에서, 기부-장착형 피드포워드 이동 센서(들)(114), 제어 회로(160), 및 작동기(107a, 107b)에 의해서 제공되는 피드포워드 제어는, 중간 질량체 상에 장착된 더 민감한 피드백 센서(들)(112)가 비선형적 거동 또는 포화를 나타내지 않는 범위까지, 기부의 이동에 의해서 파생되는 중간 질량체(110)의 이동을 감소시킬 수 있다. 이는, (중간-질량체-장착형 센서(들)(112), 제어 회로(160), 및 작동기(107a, 107b)를 포함하는) 시스템의 피드백 루프가 정상적으로 동작되게 할 수 있고, 미리 제조된 능동적 진동-격리 시스템(100)을 달리 무력화할 수 있고 시스템 하드웨어의 재설계(예를 들어, 이동 센서(112)의 교체, 작동기(107a, 107b)의 교체)를 요구할 수 있는 설치 위치에서, 중간 질량체(110) 및 페이로드(162)를 위한 적절한 진동 격리를 제공할 수 있게 한다.
본 발명자는 또한, 피드포워드 제어가, 일반적인 피드백 제어 하에서 동작되는 능동적 진동-격리 시스템(100)의 성능을 (적어도 2 내지 5배 만큼) 개선할 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 특정 주파수(예를 들어, 2Hz)에서 페이로드(162)의 z 방향을 따른 진동의 20 dB 감소를 제공하는 능동적 진동-격리 시스템(100)이 전술한 바와 같은 z-방향 피드포워드 이동 센서(114) 및 피드포워드 제어의 부가에 의해서 개선될 수 있고, 그에 따라 능동적 진동-격리 시스템(100)을 달리 무력화할 수 있는 환경 내의 동일 주파수에서 페이로드(162)의 z 방향을 따른 진동의 26 dB 내지 30 dB 감소를 제공할 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같은 피드포워드 제어를 부가하는 것에 의해서, 더 큰 성능의 개선이 또한 얻어질 수 있다. 일반적으로, 피드포워드 제어를 포함하는 능동적 진동-격리 시스템(200)은, 약 0.3 Hz 내지 약 100 Hz로 확장될 수 있는 주파수의 범위에 걸친 외부의 저-주파수 동적 힘으로부터의 격리(진동의 상당한 감소)를 제공할 수 있다. 부가적으로, 능동적 진동-격리 시스템(200) 시스템의 (지지 스프링(126a, 126b) 및 피동적 댐퍼(120a, 120b)와 같은) 피동적 댐핑 구성요소가 시스템의 자연 공진 주파수 초과의, 예를 들어 수-키로헤르쯔 주파수 내의 주파수에서 격리를 제공할 수 있다.
피드백 제어 및 피드포워드 보조를 위한 제어 회로(160)의 예가 도 3a에 도시되어 있으나, 본 발명은 도면에 도시된 회로 구성만으로 제한되지 않는다. 일부 실시예에 따라, 제어 회로(160)는, 주파수 필터(220), 위상 조정기(230), 증폭기(240), 및 신호 분할기(250)를 포함하는 적어도 하나의 피드백 회로를 포함할 수 있다. 주파수 필터, 위상 조정기, 및 증폭기는 도면에 도시된 것과 다른 순서로 배열될 수 있으나, 이러한 구성요소 중 적어도 하나가 이동 센서(112)로부터 신호를 수신할 수 있다. 일부 실시예는 주파수 필터(220) 및/또는 위상 조정기(230)를 포함하지 않을 수 있다. 일부 경우에, 주파수 필터링 및/또는 위상 조정 기능이 증폭기(240) 내에 포함될 수 있다. 일부 실시예는, 주파수 필터(220), 위상 조정기(230), 및 증폭기(240)를 포함하는 피드백 루프 내에서 적분기(미도시)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 적분기를 위한 적분 시간 상수와 연관된 매개변수가 사용자-조정 가능 진동-격리 설정에 의해서 변경될 수 있다. 신호 분할기(250)는 중간 질량체(110)에 연결된 복수의 작동기(107a 내지 107d)를 구동하기 위한 복수의 신호를 출력할 수 있다. 일부 구현예에서, 동일 신호가 특정 자유도를 위한 모든 작동기에 인가된다(예를 들어, z-방향 지지를 도 1의 중간 질량체(110)에 제공하도록 배열된 4개의 작동기(107a 내지 107d)에 인가된다). 일부 경우에, 수신된 피드백 또는 피드포워드 신호 또는 프로세스된 피드백 또는 피드포워드 신호에는 프로세서(270) 또는 피동적 구성요소가 작용할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 작동기가 그 자체의 센서(112) 및 피드백 회로를 가질 수 있고, 그에 따라, 전술한 바와 같이, 상이한 신호들이 작동기(107a 내지 107d)에 인가된다.
비록 4개의 작동기가 도 3a에 도시되어 있지만, 능동적 진동-격리 시스템(200)은, 제어 회로(160)에 의해서 제어되는 더 적거나 더 많은 작동기를 가질 수 있다. 일부 경우에, 시스템(200) 내에 하나 초과의 제어 회로(160)가 있을 수 있다. 예를 들어, 시스템 내의 일부 작동기가 제1 방향(예를 들어, 수직 방향)을 따른 진동을 억제하도록 배열될 수 있고, 하나의 제어 회로에 의해서 제어될 수 있으며, 시스템 내의 일부 작동기는 제2의 상이한 방향(예를 들어, 수평 방향)을 따른 진동을 억제하도록 배열될 수 있다.
더 구체적으로, 도 3a에 도시된 회로망은 적어도 하나의 방향(예를 들어, 도 2를 참조할 때 z 방향)을 따른 피드포워드 보조를 갖춘 능동적 진동-격리 제어를 제공할 수 있다. z 방향의 이동을 감지하도록, 피드백 이동 센서(112)가 중간 질량체(110) 상에서 구성될 수 있다. 피드백 회로망은 감지된 z-방향 이동을 프로세스할 수 있고, z 방향을 따른 원치 않는 이동을 억제하는 작동기(107a 내지 107d)에 송신되는 제어 신호를 생성한다. 일부 실시예는, 진동 격리 제어가 요구되는 부가적인 자유도(예를 들어, x, y, 피치, 롤, 요)를 위한, 하나 이상의 부가적인 피드백 이동 센서(들)(112), 부가적인 필터(들)(220), 부가적인 위상 조정기(들)(230), 부가적인 증폭기(들)(240) 및 적어도 하나의 부가적인 작동기(107)를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 피드백 회로가 다른 피드백 회로와 독립적으로 동작될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 주파수 필터(220)는 피드백 이동 센서(112)로부터 신호를 수신할 수 있고, 수신된 신호의 상이한 스펙트럼 성분들을 상이한 양만큼 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수 필터(220)는, 주파수 필터가 작용하는 상이한 스펙트럼 대역폭들을 위한 감소의 양을 결정하는 복수의 설정 가능한 필터 매개변수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터 매개변수 값이 하나 이상의 스펙트럼 대역폭을 위한 감소 값을 결정할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 필터 매개변수 값이 0.01 Hz 내지 30 kHz의 주파수의 범위에 걸쳐 설정될 수 있다. 주파수 필터(220)가 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합으로 구현될 수 있다.
위상 조정기(230)는 피드백 이동 센서(112)로부터 수신된 신호의 하나 이상의 주파수 성분의 위상을 변경할 수 있다(예를 들어, 신호 지연을 부가할 수 있다). 일부 실시예에서, 위상 조정기(230)는, 상이한 스펙트럼 대역폭들에 걸친 위상 조정의 양을 결정하는 복수의 설정 가능한 위상 매개변수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위상 매개변수 값은 특정 스펙트럼 대역폭에 대해서 부가된 신호 지연의 양을 결정할 수 있다. 위상 조정기(230)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합으로 구현될 수 있다.
증폭기(240)는, 피드백 이동 센서(112)로부터 수신된 신호를 증폭하고 능동적 진동-격리 시스템(200)의 하나의 또는 복수의 작동기를 구동하기 위한 출력 신호를 제공하는 임의의 적합한 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 증폭기(240)는, 증폭기가 작용하는 하나 이상의 스펙트럼 대역폭에 대한 이득 값을 결정하는 하나 이상의 설정 가능한 이득 매개변수를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 증폭기는, 증폭된 신호의 전체 대역폭에 걸쳐 적용되는 단일 설정 가능한 이득 값을 가질 수 있다. 일부 경우에, 증폭기(240)는 반전 증폭기일 수 있다. 일부 실시예에 따라, 증폭기(240)를 위한 파워 이득 값이 1.5 내지 5일 수 있으나, 더 큰 또는 더 작은 파워 이득 값도 가능하다. 일부 실시예에서, 상이한 이득 값들이, 진동 제어의 대상이 되는 상이한 자유도들을 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 상이한 이득 값들이 x, y, 및 z 방향을 따른 능동적 진동-격리 제어를 위해서 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, 부가적인 이득이 피드백 회로 내에 존재할 수 있고, 피드백 회로를 위한 루프 이득이 1.5 내지 200 사이의 값을 가질 수 있다. 일부 경우에, 루프 이득을 조정하기 위해서 이득-설정 가능 증폭기(240)가 포함될 수 있다. 증폭기(240)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합으로 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 조정 가능한 감소기가 피드백 루프 내에 포함되어 루프 이득을 조정할 수 있다.
제어 회로(160)는 또한, 피드포워드 제어를 위해서 병렬로 이용되는, 주파수 필터(222), 위상 조정기(232), 그리고 증폭기(242)를 포함할 수 있다. 주파수 필터(222), 위상 조정기(232), 및 증폭기(242)가 전술한 주파수 필터(220), 위상 조정기(230), 및 증폭기(240)와 동일하거나 유사할 수 있다. 일부 경우에, 각각의 격리 조립체(105a, 105b)가 전용 피드포워드 제어 회로를 가질 수 있다. 다른 경우에, 공통 피드포워드 제어 회로를 이용하여 다수의 격리 조립체 내의 작동기들을 제어할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 피드포워드 증폭기(242)로부터 출력된 피드포워드 신호가 피드백 증폭기(240)로부터 출력된 피드백 신호에 부가될 수 있고, 그에 따라 조합된 피드백 및 피드포워드 신호가 하나 이상의 작동기에 인가된다. 예를 들어, 피드포워드 신호가, 신호 분할기(250)에 의해서 분할되기 전에 또는 분할된 후에, 피드백 신호에 부가될 수 있다. 일부 구현예에서, 신호 분할기가 피드포워드 신호 및 피드백 신호를 그 입력부에서 합하도록, 이어서 하나 이상의 작동기에 전송하기 위해서 결과적인 조합된 신호를 분할하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 피드포워드 신호가 증폭 전에 피드백 신호에 부가될 수 있고, 그에 따라, 조합된 피드백 및 피드포워드 신호가 단일 증폭기에 의해서 증폭될 수 있고 이어서 하나 이상의 작동기에 인가될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, 피드백 신호는 중간 질량체(110)의 감지된 이동으로부터 파생되고 중간 질량체의 감지된 이동에 반대로 반응적으로 인가되는 신호이다. 피드포워드 신호는 중간 질량체(110)를 지지하는 기부(105)의 감지된 이동으로부터 파생되고 기부의 감지된 이동으로 인한 중간 질량체의 예상되는 이동을 제거하기 위해서 사전에 인가된 신호이다.
제어 회로(160)는, 입력 제어부(205)로부터 신호를 수신하도록 구성된 매개변수 설정기(210)를 더 포함할 수 있다. 입력 제어부는, 일부 실시예에 따라, 사용자 인터페이스(180)(예를 들어, 기계적 노브, 토글 스위치, 밀기 버튼, 또는 그래픽 사용자 인터페이스 상의 물품)의 일부를 포함할 수 있다. 입력 제어부(205)를 동작시키는 사용자는 진동-격리 시스템에 의해서 제공되는 복수의 "진동-격리" 설정 중 하나를 선택할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어 회로(160)는 또한 프로세서(270)를 포함할 수 있고, 그러한 프로세서는 전술한 매개변수 설정, 필터링, 위상 조정, 및 증폭 기능의 일부 또는 전부를 실행하기 위한 기계-판독 가능 코드로 구성될 수 있다. 프로세서(270)는 논리 회로망, 마이크로제어기, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 필드-프로그래머블 게이트 어레이, 또는 그 일부 조합을 포함할 수 있다. 제어 회로(160)는, 프로세서(270)와 통신하는 데이터 저장 디바이스(275)(예를 들어, ROM 및/또는 RAM 유형의 메모리)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(270)는 또한 일부 실시예에서 매개변수 설정기(210)와 통신할 수 있다.
비록 도 3a가 피드백 및 바닥 피드포워드 보조를 가지는 제어 회로(160) 내의 단일 프로세서(270)를 도시하지만, 본 발명은 단일 프로세서(270)로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 각각의 진동-격리 조립체의 하나 이상의 제어 루프를 위한, 또는 둘 이상의 진동-격리 조립체를 위해서 구현된 제어 루프의 그룹을 위한 전용 프로세서가 있을 수 있다. 예를 들어, 해당 조립체를 위한 x, y, z 제어 루프 중 하나 이상을 취급하는 제1 진동-격리 조립체(105a)를 위한 제1 전용 프로세서, 제2 진동-격리 조립체(105b)를 위한 제2 전용 프로세서, 및 진동 격리 시스템(200) 내의 각각의 진동-격리 조립체를 위한 것 등이 있을 수 있다. 대안적으로, 시스템 내의 진동-격리 조립체의 일부 또는 전부를 위해서 모든 x 제어 루프를 취급하는 제1 프로세서가 있을 수 있다. 실시예에서, 프로세서들(270)이 서로 통신할 수 있다. 프로세서 중 하나, 또는 구분된 프로세서가 마스터 제어기로서 기능하도록 구성될 수 있고, 프로세서의 협력 동작들을 모니터링 및/또는 관리할 수 있다. 다수의 프로세서를 이용하는 것의 장점은, 다수의 복잡한 필터링, 피드백, 및/또는 피드포워드 알고리즘을 단일 프로세서로 동시에 취급하는 대신, 더 복잡한 필터링 알고리즘이 각각의 프로세서에서 이용될 수 있고 병렬로 동작될 수 있다는 것이다. 일부 경우에, 단일 프로세서가, 특정 소음 환경에 대한 다수의 복잡한 필터링, 피드백, 및/또는 피드포워드 알고리즘을 동시에 취급할 수 있는 적절한 프로세싱 파워를 가지지 못할 수 있다.
도 3b는, 프로세서(270) 상에서 실행되는 소프트웨어 내에서 많은 수의 구성요소가 구현되는 제어 회로(161)의 실시예를 도시한다. 예를 들어, 도 3a와 관련하여 전술한 기능을 가지도록, 주파수 필터(220, 222), 위상 조정기(230, 232), 및 증폭기(240, 242)가 소프트웨어 내에서 구현될 수 있다. 일부 구현예에서, 피드백 이동 센서(112) 및 피드포워드 이동 센서(114)로부터의 신호를 각각 증폭하기 위해서, 아날로그 전치 증폭기(244, 246)가 포함될 수 있다. 전치 증폭기로부터의 출력이 아날로그-대-디지털(A/D) 변환기(212, 214)에 제공될 수 있다. 일부 경우에, A/D 변환기는, 아날로그 신호를 수신하도록 구성된 프로세서(270)의 신호 입력 포트에서 하드웨어 입력 회로를 포함한다. 디지털 증폭기(240, 242)로부터의 출력이 프로세서(270)에 의해서 함께 합쳐질 수 있고, 적어도 하나의 작동기(107a)를 구동하도록 구성된 구동 증폭기(248)에 단일 출력 신호로서 제공될 수 있다. 고정된 또는 조정 가능한 이득(G5)을 가지는 구동 증폭기(248)가, 구동 작동기(107a)에 충분한 전류를 제공하는 파워 하드웨어 증폭기를 포함할 수 있다.
도 3b에 도시된 제어 회로(161)는 단일 작동기를 구동하는 것으로 도시되어 있다. 그러한 실시예에서, 능동적 진동-격리 시스템(200) 내의 각각의 작동기를 위한 분리된 제어 회로가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 단일 피드포워드 센서(114)를 이용하여 하나의 방향을 따른 기부(105)의 이동을 감지할 수 있다. 피드포워드 센서(114)로부터의 출력 신호가, 합계에 앞서서 피드포워드 신호 경로를 따라서 임의의 곳에서 분할될 수 있고, 다른 작동기를 구동하도록 배열된 하나 이상의 제어 회로(161)에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 3b에 도시된 제어 회로(161)는, 도 3a에 도시된 바와 같은, 신호 분할기(250) 및 부가적인 구동 증폭기를 포함함으로써, 복수의 작동기를 구동하기 위해서 이용될 수 있다.
도 4의 그래프는, 제1 설치 장소에서 도 2와 관련하여 설명한 시스템과 유사한, 능동적 진동-격리 시스템(200) 내의 이동 센서(112)(지오폰)로부터 검출된 예시적인 신호를 도표로 도시한다. 이동 센서(112)는 능동적 진동-격리 시스템(200) 상의 제1 위치에서 y 방향을 따른 이동을 감지하도록 구성된다. 시스템 상의 다수의 상이한 위치에 있는 다른 센서가 또한 시스템 상의 하나 초과의 위치에서 x, y 및 z-방향 이동을 검출하기 위해서 존재하였으나, 그래프를 단순화하기 위해서, 이러한 센서들로부터의 신호는 도표로 도시하지 않았다. 일부 실시예에서, 중간 질량체 판을 각각 포함하고 상이한 위치에서 페이로드를 각각 지지하는 개별적인 격리 조립체(105a, 105b)에 위치된 하나 이상의 이동 센서가 있을 수 있다. 도 4의 그래프에서 도표로 표시된 신호는, 해당 위치에서 중간 질량체의 진동-파생된 이동의 기준선 특성화를 획득하기 위해서, 피드백 또는 피드포워드 제어가 활성화되지 않았을 때 설치 위치에서 획득되었다. 추적에 따라, 이동 센서(112)로부터의 신호가 다수의 시간에 포화될 수 있다는 것(± 30,000 카운트의 신호 레벨을 초과할 수 있다는 것)이 확인된다. 이러한 설치 위치 내의 정밀 기구의 진동-파생된 이동은, 피드백 제어만을 이용하는 능동적 진동-격리 시스템(100)의 능력 또는 작용 범위를 초과할 것인데, 이는, 그러한 것이 피드백 이동 센서(112)의 선형 범위를 초과할 것이기 때문이다.
도 5의 그래프는, 도 4와 관련하여 설명한 진동-격리 시스템을 위해서 피드백만이 이용될 때, 피드백 이동 센서(112)로부터 검출된 예시적인 신호를 도표로 도시한다. 피드백만을 이용하는 능동적 진동 격리가 약 2초에서 개시되고, 최적인 것은 아니다. (±15,000 카운트 초과의) 큰 절대적인 이동이 피드백 이동 센서에 의해서 여전히 검출된다. 이러한 결과는, 피드백 이동 제어만으로는 일부 소음이 있는 환경에서 외부적으로-파생되는 이동을 적절히 억제하기에 충분치 않을 수 있다는 것을 나타낸다.
도 6의 그래프는, 피드백만이 이용되는 제2 설치 장소에서의 제2 진동-격리 시스템 내의 2개의 피드백 이동 센서(112)로부터의 2개의 예시적인 신호를 도표로 도시한다. 제2 진동-격리 시스템은 제1 진동-격리 시스템과 본질적으로 동일하나, 환경적 소음은 상이하다. 비록 도 5의 경우에 비해서 적은 고주파 소음 및 개선된 피드백 제어가 있지만, 약 2.5초에서 x-센서(112)에 의해서 검출된 중간 질량체(110)의 요동과 같이, 피드백 이동 센서(112)를 포화시킬 수 있는 무작위적인 큰 요동이 환경 내에 있다. y-센서(112)로부터의 신호가 또한 도 6의 그래프 내에 도표로서 도시되어 있다. 다시 이러한 환경에서, 피드백 제어만이 이용될 때, 중간 질량체의 검출된 편차가 15,000 카운트를 초과할 수 있다.
도 7은 도 6의 시스템 내의 동일한 2개의 이동 센서(112)로부터의 예시적인 신호를 도표로 도시한다. 도 7의 경우에, 피드백 및 바닥 피드포워드 제어 모두가 전술한 바와 같이 이용된다. 이러한 예에서, 바닥 피드포워드는 약 5초에서 턴 온되고 이미 동작 중인 피드백 제어에 부가된다. 다른 조건은 도 6의 것과 본질적으로 동일하다. 바닥 피드포워드 제어의 보조로, 능동적 진동-격리 시스템(200)은 실패가 없는 진동의 적절한 감소를 제공할 수 있다. 30,000 카운트 초과의 양만큼의 중간 질량체의 편향이 5,000 카운트 미만까지 억제될 수 있고, 전체적인 감소는 6배 초과이다. 도 6에 도시된 피드백만의 경우와 비교하면, 적어도 4배의 개선이 있을 수 있다.
실시예는 전술한 능동적 진동-격리 시스템의 동작 방법을 포함한다. 예시적인 방법은, 능동적 진동-격리 시스템에 의해서 제거될 수 있는 진동의 범위를 초과하는 진동 소음 레벨을 가지는 설치 장소에서 피드백 센서를 가지는 능동적 진동-격리 시스템을 설치하는 행위를 포함할 수 있다. 그러한 방법은 능동적 진동-격리 시스템의 기부의 이동을 검출하기 위해서 피드백 센서보다 낮은 감도를 가지는 피드포워드 이동 센서를 제공하는 것, 및 능동적 진동-격리 시스템의 피드백 제어에 의해서 보상될 수 있는 범위까지 진동 소음 레벨의 영향을 감소시키기 위해서, 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 능동적 진동-격리 시스템의 작동기에 제공하는 것을 포함한다.
다른 예시적인 방법은 능동적 진동-격리 시스템의 기부 상에 장착된 피드포워드 이동 센서로부터 피드포워드 신호를 수신하는 행위를 포함할 수 있고, 진동-격리 시스템은, 진동 소음 레벨이 진동-격리 시스템의 피드백 회로의 작용 범위를 초과하는 위치에 설치된다. 그러한 방법은, 피드포워드 신호를, 능동적 진동-격리 시스템의 중간 질량체 상에 장착된 피드백 센서로부터 수신된 피드백 신호와 병렬로 프로세스하는 것, 그리고 능동적 진동-격리 시스템의 피드백 제어에 의해서 보상될 수 있는 범위까지 진동 소음 레벨의 영향을 감소시키기 위해서, 적어도 피드포워드 신호를 기초로 하는 구동 신호를 능동적 진동-격리 시스템의 작동기에 인가하는 것을 더 포함할 수 있다.
본원에서 설명된 진동-격리 장치는 여러 가지 구성으로 구현될 수 있다. 예시적인 구현은 이하에서 설명되는 구성(1) 내지 구성(12)의 조합을 포함한다.
(1) 능동적 진동-격리 시스템은 중간 질량체; 제1 감도를 가지고 중간 질량체의 이동을 감지하도록 배열되는 피드백 이동 센서; 제1 감도보다 낮은 제2 감도를 가지고 중간 질량체를 지지하는 기부의 이동을 감지하도록 구성된 피드포워드 이동 센서; 중간 질량체를 기부에 대해서 구동시키도록 배열된 작동기; 및 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 프로세스하도록 그리고 중간 질량체의 원치 않는 진동 이동을 감소시키기 위해서 작동기를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하도록 구성된 제어 회로를 포함한다.
(2) 구성(1)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 제어 회로에 인가하지 않은 상태에서, 능동적 진동-격리 시스템의 설치 장소에서의 진동 레벨이 피드백 이동 센서로부터의 신호를 포화시킨다.
(3) 구성(1) 또는 구성(2)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 제어 회로는, 피드백 이동 센서로부터의 신호를 피드포워드 이동 센서로부터의 신호와 병렬로 프로세스하도록; 그리고 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 프로세스된 신호를 합쳐서 구동 신호를 생성하도록 배열된다.
(4) 구성(3)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 제어 회로는, 피드백 이동 센서로부터 신호를 수신하는 제1 신호 경로를 포함하고, 제1 신호 경로는: 제1 신호 필터; 제1 위상 조정기; 및 제1 증폭기를 포함한다.
(5) 구성(4)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 제1 신호 경로 내에 아날로그-대-디지털 변환기를 더 포함하고, 신호 필터, 위상 조정기, 및 증폭기는 프로세서에서 실행되는 소프트웨어로서 구현된다.
(6) 구성(4) 또는 구성(5)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 제어 회로는, 피드백 이동 센서로부터 신호를 수신하는 제2 신호 경로를 포함하고, 제2 신호 경로는: 제2 신호 필터; 제2 위상 조정기; 및 제2 증폭기를 포함한다.
(7) 구성(1) 내지 구성(6) 중 어느 하나의 구성의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 격리 조립체를 더 포함하고, 격리 조립체는: 작동기; 및 중간 질량체를 지지하도록 배열된 오프로드 스프링을 포함한다.
(8) 구성(7)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 격리 조립체는 중간 질량체 및 레벨 조정기를 더 포함한다.
(9) 구성(8)의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 격리 조립체는: 페이로드 지지부; 페이로드 지지부와 중간 질량체 사이에 커플링된 페이로드 지지 스프링; 및 페이로드 지지부와 중간 질량체 사이에서 페이로드 지지 스프링과 병렬로 커플링된 댐퍼를 더 포함한다.
(10) 구성(7) 내지 구성(9) 중 어느 하나의 구성의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 오프로드 스프링의 크기는, 설치 장소에서 격리 조립체 상에 작용하는 페이로드의 중량의 대략적으로 전부를 지지하도록, 그에 따라 작동기는 페이로드의 중량을 본질적으로 지지하지 않도록, 결정된다.
(11) 구성(1) 내지 구성(10) 중 어느 하나의 구성의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 작동기가 보이스 코일 모터이다.
(12) 구성(1) 내지 구성(11) 중 어느 하나의 구성의 능동적 진동-격리 시스템으로서, 작동기 및 제어 회로를 포함하는 제1 격리 조립체; 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 프로세스하도록 구성된 제어 회로 내의 제1 프로세서; 제2 격리 조립체로서: 제2 중간 질량체를 기부에 대해서 구동하도록 배열된 제2 작동기; 및 제2 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 제2 신호를 프로세스하도록 그리고 제2 중간 질량체의 원치 않는 진동 이동을 감소시키기 위해 제2 작동기를 구동하기 위한 제2 구동 신호를 출력하도록 구성된 제2 제어 회로를 포함하는, 제2 격리 조립체; 및 제2 피드백 이동 센서 및 피드포워드 이동 센서로부터의 제2 신호를, 제1 프로세서와 병렬로, 프로세스하도록 구성된 제2 제어 회로 내의 제2 프로세서를 더 포함한다.
전술한 구성의 진동-격리 장치를 동작시키는 방법은, 이하의 방법(13) 내지 방법(17)에서 설명된 바와 같은 행위의 상이한 조합들을 포함한다.
(13) 설치 장소에서 페이로드를 위한 진동 격리를 제공하는 방법이며: 설치 장소에서의 진동 레벨이, 능동적 진동-격리 시스템의 중간 질량체 상에 장착된 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 수신된 신호를 포화시키는지를 결정하는 행위로서, 능동적 진동-격리 시스템은: 중간 질량체를 기부에 대해서 구동시키도록 배열된 작동기; 및 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 신호를 수신하도록 그리고 하나 이상의 구동 신호를 출력하여 작동기를 구동하도록 구성된 제어 회로를 포함하는, 행위; 기부 상에 장착된 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터 제어 회로로 신호를 제공하는 행위; 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터의 신호를 제어 회로로 프로세스하는 행위; 및 하나 이상의 피드포워드 이동 센서로부터의 프로세스된 신호에 응답하여, 하나 이상의 피드백 이동 센서로부터 수신된 신호가 포화되지 않도록 기부의 이동에 의해서 파생되는 중간 질량체의 이동을 감소시키도록 작동기를 구동시키는 행위를 포함한다.
(14) (13)의 방법에 있어서, 하나 이상의 피드포워드 이동 센서는, 하나 이상의 피드백 이동 센서가 포화되는 제2 진동 레벨보다 높은 제1 진동 레벨에서 포화된다.
(15) 방법(13) 또는 방법(14)에 있어서, 중간 질량체와 기부 사이에서 작동기와 병렬로 커플링된 오프로드 스프링으로, 중간 질량체의 중량 및 중간 질량체에 작용하는 페이로드의 중량의 대략적으로 전부를 지지하는 행위를 더 포함한다.
(16) (15)의 방법에 있어서, 작동기 및 중간 질량체가, 페이로드의 중량의 일부를 지지하는 제1 격리 조립체의 일부이고, 능동적 진동-격리 시스템은, 페이로드의 중량을 지지하는 것을 보조하는 부가적인 격리 조립체를 포함한다.
(17) 방법(13) 내지 방법(16) 중 어느 하나의 방법에 있어서, 진동 격리가 하나 초과의 방향으로 제공된다.
본원에서 설명된 기술은, 적어도 하나의 예가 제공된 방법으로서 구현될 수 있다. 방법의 일부로 수행되는 행위들이 적절한 방법으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에서 순차적인 작용으로 도시되어 있지만, 동시적으로 일부 작용들을 실시하는 것을 포함할 수 있는, 도시된 것과 상이한 순서로 동작이 실시되는 실시예가 구성될 수 있다. 또한, 방법은, 일부 실시예에서, 예시된 행위 이외의 추가적인 행위를 포함할 수 있고, 다른 실시예에서 예시된 행위보다 적은 행위를 포함할 수 있다.
달리 기술되지 않는 한, "대략적으로", 및 "약"이라는 용어는 일부 실시예에서 목표 치수의 ±20% 이내, 일부 실시예에서 목표 치수의 ±10% 이내, 일부 실시예에서 목표 치수 ±5% 이내, 또한 일부 실시예에서 목표 치수의 ±2% 이내를 의미하기 위해서 사용될 수 있다. "대략적으로" 및 "약"이라는 용어가 목표 치수를 포함할 수 있다. "본질적으로"라는 용어는 목표 치수의 ±3% 이내를 의미하기 위해서 사용된다.
본 발명의 적어도 하나의 예시적인 실시예를 설명하였지만, 다양한 변경, 수정 및 개선이 당업자에게 자명할 것이다. 그러한 변경, 수정 및 개선이 본 발명의 사상 및 범위에 포함되도록 의도된다. 따라서, 전술한 설명은 단지 예이며, 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
Claims (1)
- 능동적 진동-격리 시스템이며:
중간 질량체;
제1 감도를 가지고 중간 질량체의 이동을 감지하도록 배열되는 피드백 이동 센서 회로;
제1 감도보다 낮은 제2 감도를 가지고 중간 질량체를 지지하는 기부의 이동을 감지하도록 구성된 피드포워드 이동 센서 회로;
중간 질량체를 기부에 대해서 구동시키도록 배열된 작동기; 및
피드백 이동 센서 회로로부터의 피드백 신호 및 피드포워드 이동 센서 회로로부터의 피드포워드 신호를 프로세스하도록 그리고 중간 질량체의 원치 않는 진동 이동을 감소시키기 위해서 작동기를 구동하기 위한 구동 신호를 출력하도록 구성된 제어 회로를 포함하고,
제어 회로는,
피드백 이동 센서 회로로부터의 피드백 신호를 피드포워드 이동 센서 회로로부터의 피드포워드 신호와 병렬로 프로세스하도록; 그리고
피드백 이동 센서 회로 및 피드포워드 이동 센서 회로로부터의 프로세스된 신호를 합쳐서 구동 신호를 생성하도록 배열되고,
피드백 이동 센서 회로로부터 피드백 신호를 수신하는 제1 신호 경로를 포함하고, 제1 신호 경로는:
제1 신호 필터;
제1 위상 조정기; 및
제1 증폭기를 포함하고,
제어 회로는 피드포워드 이동 센서 회로로부터 피드포워드 신호를 수신하는 제2 신호 경로를 포함하고, 제2 신호 경로는:
제2 신호 필터;
제2 위상 조정기; 및
제2 증폭기를 포함하는,
능동적 진동-격리 시스템.
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