TWI554694B - 主動式隔振阻尼系統 - Google Patents

Description

主動式隔振阻尼系統

本發明係關於一種主動式隔振阻尼系統，包含一被隔離或阻尼之有效荷載、一用於偵測該有效荷載之一振動的振動感測器、一相對一支撐該有效荷載之支承體而移動該有效荷載的致動器以及一提供該致動器一表示該振動之訊號的控制器。

對於在環境中要求無干擾振動之應用而言，地球震動及其他機械擾動逐漸成為此應用之一種限制因素。於地球上所開發之太空設備係要求一種與太空中工作環境相類似的測試環境，像是處理器及記憶體等半導體產品如預期般將進一步減少尺寸，亦要求用於製造此等產品之微影(lithography)設備具有比目前更佳的穩定性。此外，為了要改善電子顯微鏡及原子力顯微鏡之解析度，更同樣必須防止震動。藉由使用如機械彈簧、彈性體、空氣支承或磁性支承等簡單之被動式方法，將平臺或者有效荷載及放置於其上之荷載與地球震動隔離，已不符合目前之需求。

以振動量測作為基準之主動式控制，相較於被動式隔離可提供對非預期之振動更佳的隔離，而毋須如在(被動式或主動式)隔離技術增加柔性(compliance)，其僅調整振動源(例如地板)與有效荷載間耦接之剛性。主動式振動控制系統可補償實際的機械擾動，可將一能偵測非預期振動之感測器放置在振動源(通常為地面或地板)上，或是在必須與地球震動或其他機械擾動隔離的有效荷載上，而有效荷載相對於地板或一支撐結構；或相對於一慣性參考質量之振動，係可透過機械、電子、光學或電磁等方式來偵測，能達到此目的之感測器包含習知用於偵測加速度、速度、位置或距離之裝置。而該有效荷載則是由彈簧或其他支承裝置所支撐，且其可藉由一如伺服馬達之致動器沿該感測器之感測軸所驅動，該感測器之電子輸出(經濾波)將 回饋至該致動器，以抵消該非預期之振動。

國際專利申請案第WO 2004/029475號揭示了一種用於主動式隔振及減振之系統及方法。振動感測器在一相對一慣性參考質量的特定方向上量測有效荷載之振動，該慣性參考質量係柔性連接至該有效荷載，所量測之振動訊號將回饋至一控制器，該控制器計算必須施加於該方向上之力。所使用之感測器通常在一方向上表現一柔性(高剛性)，以用於偵測在該方向上之振動，更特定而言，感測器可具有一個平移自由度。歐洲專利申請案公開第EP 1 870 614 A1號揭示了此種主動式隔振系統，其包含一感測器及一致動器，其中該感測器之有效軸線與致動器之有效軸線係實質上相互平行，熟習此項技術者可瞭解，為獲得一個以上自由度之隔振，將可以做出多種感測器與致動器的組合。

為獲得小幅度之良好隔振，振動感測器較佳地放置於或固定至須隔離之有效荷載上。更具體而言，應用一絕對振動感測器且包含一慣性參考質量之主動式振動系統，可以允許在低頻下獲得良好隔振，該參考質量連接至一感測器框架，並可在一個平移自由度上記錄該質量相對該感測器框架的位移。如果在量測方向並沒有動態力直接(除經由與該感測器框架之間的剛性耦接)施加在該參考質量之上，則所記錄之訊號將會是一在此方向上該感測器框架之絕對振動的量測。然而，由於該感測器框架與該有效荷載之間在所有自由度上為高剛性耦接，因此，該感測器將以如同該有效荷載的方式進行平移及旋轉。

當一振動感測器量測在一水平自由度上的振動時，所量測之方向係垂直於重力(或重力向量)方向，此意味著由於缺少其他的自由度，該感測器對於此種垂直力的感測將不敏感。在感測器包含一慣性參考質量的情況下，該質量在量測方向(即水平方向)將不會有因重力所產生的位移。此問題係由於該感測器(更特定而言，該感測器的殼體)與該有效荷載之間的剛性耦接所導致，因為此問題的產生大多是當該有效荷載以及該感測 器之後所表現出的一沿著一水平軸線的旋轉振動，故又可稱為「水平傾斜問題」。

當該有效荷載圍繞一水平軸線傾斜時，量測方向亦以相同方式傾斜，在該傾斜取向上，該參考質量將確實產生一因重力而在該量測方向上的位移。此表示對於該有效荷載圍繞一水平軸線傾斜之自由度，在水平方向上所量測之振動已不再如同絕對振動為有效的。該傾斜方向上對該有效荷載之擾動係於一相異的水平方向上造成一假振動訊號，從而降低在此方向上之隔振效能。

國際專利申請案第WO 2005/047728號揭示了一種水平運動隔振系統，可達到低水平固有頻率，此系統之支承構件(柱)位於有效荷載與框架之間的剛性構件，其包含傾斜機構，且該等傾斜機構具有一剛性，可供圍繞一水平軸線進行傾斜旋轉，並可允許該有效荷載進行水平平移。該案更揭示一種具有單一自由度之彈簧質量系統，該系統可衰減有效荷載與框架之間高於某一特定頻率之振動，此種被動式系統可被動地防止有效荷載之傾斜，例如，因為一質量放置在靠近該有效荷載之該等支承構件其中之一時所造成之傾斜。然而，該系統並不能提供主動式隔振之隔振等級。

目前已知有若干感測器可用於量測一有效荷載之傾斜。例如J.Winterflood、Z.B.Zhou、L.Lu及D.G.Blair發表之“Tilt suppression for ultra-low residual motion vibration isolation in gravitational wave detection”(Physics Letter A 277(2000)pp.143-155)一文中，所揭示的一種複雜之感測器，此種特別設計之感測器包含一雷射束，該雷射束在鏡面表面之間來回反彈，而進入一四相位光二極體(quadrant photo-diode)。這種感測器雖可應用於一主動式振動系統中，但並不能提供一種較簡單的解決方案。

本發明之主要目的在於改善有效荷載與環境施加在該有 效荷載上之干擾振動之間的隔離，並提升對該有效荷載之振動的阻尼。

為達上述目的，本發明提供一種主動式隔振阻尼系統，該系統包含一振動感測器，其具有一連接至該有效荷載的低剛性連接，以供該有效荷載沿一垂直於重力之軸線進行旋轉；以及一連接至該有效荷載的高剛性連接，以供該有效荷載產生該振動感測器可偵測之振動。

連接至該有效荷載以供該有效荷載於沿一垂直於重力之軸線的旋轉的該低剛性連接的作用在於，該有效荷載之一傾斜將不會在量測方向上對該振動感測器產生一附加力，故該感測器與傾斜振動實際上為去耦合(decoupled)。在一習知主動式振動系統中，該附加力被示為一於與該旋轉相異自由度的振動。在這種包含有一被設計用來量測水平振動之振動感測器的主動式隔振系統中，該傾斜振動將被錯誤地解釋為該有效荷載之一水平振動。因此，習知系統的控制器將給予一水平致動器一訊號，以水平位移該有效荷載，然而，根據本發明之去耦合係可防止此種錯誤位移。

本發明係根據當有關聯之振動感測器的運動至少部分地與有效荷載的運動去耦合時，將可進一步改良習知主動式隔振系統。

一振動感測器對一特定自由度之一高剛性連接，意味著該感測器可跟隨或量測該有效荷載、框架、支承體或地面在該特定自由度上大部分的振動。例如，在水平方向上之一高剛性，代表該感測器將在一定頻率範圍內相當精確地跟隨或量測該感測器所固定於其上之支承體的水平位移。一般而言，高剛性連接將導致一高於25Hz之諧振頻率。

一振動感測器對一特定自由度之一低剛性連接，意味著該感測器在該特定自由度上係大部分地獨立於有效荷載、框架、支承體或地面之振動。舉例而言，圍繞一軸線旋轉之一低剛性連接，代表該感測器並不會或僅在一非顯著量測之中，在一定 頻率範圍內跟隨或量測該旋轉。一般而言，低剛性連接比高剛性連接低十倍。

請參閱第1圖，係習知主動式隔振阻尼系統的示意圖，該主動式隔振阻尼系統1包含有一被隔離或阻尼之有效荷載2、一支撐該有效荷載2之支承體3,3'、至少一偵測該有效荷載2之振動感測器4,4'、至少一移動該有效荷載2的致動器5,5'以及一提供該致動器5,5'一代表相關自由度(平移或旋轉方向)之振動訊號的控制器6,6'。該振動感測器4'可放置或固定於該有效荷載2上；或者，該感測器4可放置或固定於該支承體3上，以用於量測該有效荷載2相對於該支承體3,3'之相對位移，該有效荷載2可藉由如機械彈簧或彈性體之習用懸掛裝置7支撐，該支承體3,3'可為用於支撐該有效荷載2之任何支撐結構，包含框架、地板、牆壁或天花板，該致動器5,5'可放置或固定在該支承體3,3'上，且該致動器5,5'可為一屬於壓電陶瓷類型之壓電致動器、一磁致伸縮馬達、一勞侖茲馬達(音圈)或任何類型之位置致動器或馬達。

第2圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，該水平振動被隔離或阻尼的示意圖，該振動感測器14具有一連接至該有效荷載12的低剛性連接以及一連接至該有效荷載12的高剛性連接，該低剛性連接用以圍繞一垂直於一重力方向18的傾斜軸17旋轉，令該振動感測器14獨立於該有效荷載12圍繞於該傾斜軸17的振動，該高剛性連接位於一量測方向19並產生該振動感測器14可偵測之振動，令該振動感測器14跟隨並測量該有效荷載12於該量測方向19的振動。該振動感測器14在除了於該水平方向上之一平移外全部的自由度下固定至一框架13'，此框架13'可為支撐該有效荷載12之框架13。該振動感測器14剛性連接至該有效荷載12，以量測該有效荷載12之水平平移，而一表示該水平振動之訊號將發送至一控制器16。只要該干擾傾斜振動軸線17,17'具有一垂直於該感 測器14之量測方向19的分量，當該振動感測器14僅在一個自由度上量測振動時，即可滿足需求。儘管此傾斜振動軸線可垂直於該量測方向並位於該有效荷載12之平面中，如該軸線17所示，但應瞭解，沿一具有一垂直於重力方向18分量之軸線(如該軸線17')的任何旋轉，將導致一沿該軸線17之旋轉。該圖中僅顯示了一個振動感測器14，然而，當該傾斜可在任何方向上時，較佳地可有兩個或三個振動感測器。該等水平振動藉由至少一致動器15阻尼，該致動器15自該控制器16接收一輸入訊號。

其餘自由度上之振動則可藉由熟習此項技術者所習知之振動感測器而量測，此等感測器係較佳地放置於該有效荷載12上，但該等感測器亦可放置於支撐該有效荷載12之地板上。因此，水平振動感測器可僅在其量測方向上透過一雙鉸鏈或一撓性樑而連接至該有效荷載12，此振動感測器之其他五個自由度可透過一線性導軌而剛性連接至地面。此線性導軌可被設計為允許振動感測器框架於量測方向之運動，但阻止該振動感測器框架於其他方向之運動，包含當該有效荷載12傾斜時，該振動感測器之傾斜。

第3圖，係本發明主動式隔振阻尼系統的另一實施例，該系統包含一第一振動感測器24，其在不高於五個自由度上以一高剛性與該有效荷載12相連接，且被設計為用於量測水平振動，該第一振動感測器24與該有效荷載12之傾斜去耦合，一表示該有效荷載12之水平振動的訊號被發送至一控制器16，其控制該水平致動器15之位移。該系統更包含一第二振動感測器25，而其被設計為量測在另一自由度上之振動，例如偵測垂直振動，該第二感測器25係無需與傾斜振動去耦合，儘管亦可與傾斜振動去耦合，一表示該有效荷載12之垂直振動的訊號被發送至一控制器26，其控制一垂直致動器27之位移。應瞭解，該兩控制器25,26可組合成一電子電路，以控制該等不同致動器之位移，雖然該等振動感測器24可為任 何類型，但在系統中較佳地包含一慣性參考質量之振動感測器，以用於隔離及阻尼低頻(舉例而言頻率低於0.2Hz)振動。在此種感測器中，在該振動感測器24可偵測之自由度上，該參考質量以一低剛性連接至其殼體，由於以低剛性連接至該感測器之殼體，故該參考質量係一產生可被偵測之振動的慣性質量。

第4圖，係說明本發明中水平振動之特定關聯性，當一用於量測水平振動之振動感測器傾斜一具有角度α之振幅時，則此傾斜將導致一沿該振動感測器之軸線(所假設之水平方向)的附加力F_//，係相等於重力與該傾斜角之正弦的乘積：F_//=F_g * sin(α)。對於較小傾斜振幅，此將導致一與重力成線性比例之力，而對於垂直振動感測器，該附加力則與該傾斜角之餘弦成正比，故雖然發生等同之作用，但對主動式隔振的影響小得多。此種力通常比水平振動小幾個級數，故在小角度下可忽略此種一般常見的擾動。

第5圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，裝有該附加感測器的示意圖，係透過此實施例說明本發明主動式隔振阻尼系統的優點。本實施例包含一剛性有效荷載31，其可在一水平方向及一垂直方向上移動，且可圍繞同時垂直於該水平平移及該垂直平移之軸線旋轉。在全部的自由度之中，即所有平移和旋轉方向上，該有效荷載31藉由一5Hz之懸掛裝置32連接至剛性環境，該主動式振動系統包含三個置於重心之一臂處的振動感測器33,34,35，兩個振動感測器34,35可偵測垂直振動，而一振動感測器33可偵測水平振動，所有三個感測器33,34,35均具有一相對應的力致動器37,38(該感測器33所對應之力致動器未示於圖中)，係排列於同一方向上，可將一力施加於該有效荷載31，該等致動器37,38透過一或多個控制器39,39',39"控制。

第6圖，顯示致動器至感測器之開迴路轉移函數的模型計算，以說明第5圖之實施例的效能，對於此模型計算，該等三 個感測器33,34,35(水平感測器、垂直感測器1與垂直感測器2)被模型化為沿線性導引之質量彈簧系統。在此模型中，可藉由封閉相對應的該等感測器33,34,35與致動器37,38(水平致動器、垂直致動器1與垂直致動器2)之間的控制迴路，而預測該慣性回饋系統之效能。其中，該模型模擬了兩種情況，一種情況表示習知主動式振動系統，說明了重力對該等感測器33,34,35之影響；另一種情況表示一根據本發明之系統的情況，後者之模擬係將重力省略不計。

圖中顯示了每一致動器37,38至每一感測器33,34,35之開迴路轉移函數，實線表示習知技術中考慮重力效應的情形，虛線則表示本發明不考慮重力效應之情況。在水平感測器之低頻區域中，重力與無重力之間存在有明顯的差異，在有重力之情況中，低頻增益加上圍繞交叉頻率的相位，係對可得到之迴路增益引入了一限制。在本實例中，當包含重力效應時，可獲得之最大迴路增益約為35dB，而在不含重力效應之此模型中，可獲得之最大迴路增益並不受限制，實際上，此增益僅可受到感測器雜訊以及(或者)更高諧振之限制。

第7圖，顯示干擾力至有效荷載重心運動之閉迴路轉移函數的模型計算，以說明第5圖之實施例的效能，此模型計算根據如第6圖中所示的相同假設。同樣，實線表示考濾重力效應(先前技術系統)之情況，虛線表示不考慮重力效應(根據本發明之系統)之情況。在此模擬中，應用了相同(受重力限制之)控制器。

在該等情況之間，對角轉移函數大致上相同，然而，可以看到在圍繞水平軸線之力矩M_θ、垂直方向上之力F_z以及有效荷載在水平方向上之運動x有效荷載之間的該等非對角的項目中，柔性係大幅提高。此意味著當在此頻帶中施加一力矩(或在質心之一臂處之一力)時，在重心之水平運動方面，平台之回應明顯大於一水平力與水平運動之間的實際轉移。包含重力效應時，以有效荷載之絕對運動所代表之該慣性回饋系統 的效能，將因為在該等非對角項目其中之一的順從性提高而顯著降低。當不含重力效應時(或藉由本發明所提出之解決方案)，低頻帶中之效能可與該有效荷載之被動式懸掛一樣好。

第8圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，實現連接至該支承體(例如一框架)之高旋轉剛性；以及連接至有效荷載之低剛性的示意圖，透過三個彎曲機構，各包含一透過一鉸鏈54固定至該框架之剛性體51；以及兩個撓性樑52,52'，該水平感測器53與該框架之間具有一高旋轉剛性連接。對於其他自由度，該水平感測器53剛性連接至該有效荷載，旋轉軸係同時垂直於重力向量56以及偵測該有效荷載55之水平位移的水平感測器53的量測方向。

較佳地，可將一降低之低頻傾斜效應(即該感測器至該框架之一剛性連接)以及該框架與該振動感測器之間而處於高頻之一較弱的耦接相互結合，此種效應可透過一位於該感測器與該框架之間的輔助質量而獲得。第9圖中顯示了此種系統之一實施例，此實施例中，該鉸鏈54並未連接至該框架，而是連接至一輔助質量57，該輔助質量57進一步經由一旋轉剛性裝置58而連接至該框架13，而該輔助質量57之旋轉軸線與該水平感測器53之旋轉軸線相平行，該輔助質量57的旋轉與該水平感測器53的旋轉之間的耦接(|M|)所下降的頻率f_ro，可藉由該水平感測器53(通常在1及100kg之間)及該等兩個旋轉剛性調整。一般而言，該輔助質量57相對該框架13旋轉的旋轉剛性將比該水平感測器53相對該輔助質量57之旋轉剛性高出至少一個級數。

第10圖，係本發明主動式隔振阻尼系統中，感測器61,61',61"及致動器62,62',62"之其中一種的可能取向，該等致動器62,62',62"放置於地面上或固定至一支承該有效荷載63之框架64，在一包含一個以上感測器61,61',61"/致動器62,62',62"組合之系統中，該感測器61,61',61"及致動器62,62',62"毋須具有相同自由度，此意味著該等感測器61,61',61"其中之一的 量測方向，不必對應至該等致動器62,62',62"中任一的位移方向，一感測器61"可甚至相對重力傾斜一固定角度。

綜上所述，本發明尤其適合用於支撐測試儀器(例如應用於太空中之儀器)的平臺，然而，本發明亦可用於各種設備之隔振，包含但不限於望遠鏡、蝕刻設備及車輛等，該系統適合使有效荷載與例如源自於地面之外部振動隔離。此外，此系統亦適合阻尼源於有效荷載本身(即含有移動部件之設備或處理該設備之人員)的振動。振動係所有類型之運動、位移或旋轉，無論是否為週期形式。因此，本發明不僅係關於隔離有效荷載與源自於其環境之振動，且亦係關於抵消源自其他來源(諸如放置於該有效荷載上之設備)的振動。

該主動式隔振系統包含至少一感測器，以用於偵測該有效荷載之必須隔離或阻尼的振動。該感測器不必偵測在所有空間方向上之振動。在實際使用上，較佳地可使用僅具有有限數量(例如一或兩個)自由度之感測器。

應注意的是本文中所用任何術語不應被解釋為限制本發明之範圍。特定而言，「包含」一詞並非意欲排除未具體表述之任何元件，單個元件或組件可為多個元件或組件或其等效字詞所替代。

熟習此項技術者應瞭解，本發明並不限於以上所述該等具體實施例，且在不背離如於所附申請專利範圍中所定義本發明之範疇的情況下，可進行許多修改及添加。

1‧‧‧主動式隔振阻尼系統

2‧‧‧有效荷載

3、3'‧‧‧支承體

4、4'‧‧‧振動感測器

5、5'‧‧‧致動器

6、6'‧‧‧控制器

7‧‧‧懸掛裝置

11‧‧‧主動式隔振阻尼系統

12‧‧‧有效荷載

13、13'‧‧‧框架

14‧‧‧振動感測器

15‧‧‧致動器

16‧‧‧控制器

17、17'‧‧‧干擾傾斜振動軸線

18‧‧‧重力

19‧‧‧量測方向

24、25‧‧‧振動感測器

26‧‧‧控制器

27‧‧‧致動器

31‧‧‧剛性有效荷載

32‧‧‧懸掛裝置

33、34、35‧‧‧振動感測器

37、38‧‧‧致動器

39、39'、39"‧‧‧控制器

51‧‧‧剛性體

52、52'‧‧‧撓性樑

53‧‧‧水平感測器

54‧‧‧鉸鏈

55‧‧‧有效荷載

56‧‧‧重力向量

57‧‧‧輔助質量

58‧‧‧旋轉剛性裝置

61、61'、61"‧‧‧感測器

62、62'、62"‧‧‧致動器

63‧‧‧有效荷載

64‧‧‧框架

第1圖，係習知主動式隔振阻尼系統的示意圖。

第2圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，其中一振動感測器在大部分自由度下固定至一支撐有效荷載之框架的示意圖。

第3圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，其中一振動感測器在大多數自由度下固定至該有效荷載的示意圖。

第4圖，係說明本發明中，水平振動之特定關聯性。

第5圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，裝有該附加感測器的示意圖。

第6圖，係顯示該致動器至該感測器之開迴路轉移函數的模型計算，以說明第5圖之實施例的效能。

第7圖，係顯示干擾力至該有效荷載之重心運動的閉迴路轉移函數的模型計算，以說明第5圖之實施例的效能。

第8圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，用於實現高旋轉剛性的示意圖。

第9圖，係本發明主動式隔振阻尼系統之一實施例中，於低頻及高頻具有不同旋轉剛性的示意圖。

第10圖，係本發明主動式隔振阻尼系統中，感測器及致動器之其中一種的可能取向。

11‧‧‧主動式隔振阻尼系統

12‧‧‧有效荷載

13、13'‧‧‧框架

14‧‧‧振動感測器

15‧‧‧致動器

16‧‧‧控制器

17、17'‧‧‧干擾傾斜振動軸線

18‧‧‧重力

19‧‧‧量測方向

Claims (10)

1. 一種主動式隔振阻尼系統，包含有一被隔離或阻尼的有效荷載、一位於垂直於重力方向的一量測方向上並偵測該有效荷載之一振動的振動感測器、一相對一支撐該有效荷載之支承體移動該有效荷載的致動器以及一提供該致動器一表示該振動之訊號的控制器，其特徵在於該振動感測器具有：一連接至該有效荷載的低剛性連接，用以圍繞一垂直於該重力方向的干擾傾斜振動軸線旋轉，令該振動感測器獨立於該有效荷載圍繞於該干擾傾斜振動軸線的振動；以及一連接至該有效荷載的高剛性連接，位於該量測方向並產生該振動感測器可偵測之振動，令該振動感測器跟隨並測量該有效荷載於該量測方向的振動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該振動感測器具有一連接至該支承體的高剛性連接，以供該支承體於沿一垂直於重力之軸線進行旋轉。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之系統，其中該振動感測器之至少一自由度以一高剛性而與該有效荷載相連接。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之系統，其中該振動感測器之至少一自由度以一高剛性而與該支承體相連接。
5. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該高剛性連接包含一輔助質量，其經由一第一旋轉剛性與一第二旋轉剛性而分別連接至該感測器與該支承體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其特徵在於該系統包含至少一用於偵測振動的附加振動感測器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該振動感測器用於量測垂直於重力之振動，而該附加感測器則用於量測在重力方向之振動。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之系統，其中至少一該等振動感測器包含有一慣性參考質量。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之系統，其中該致動器 為一勞侖茲致動器。
10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之系統，其中包含有三水平振動感測器以及三垂直振動感測器。