(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土台と、静的な力を生成する除振されるペイロードの間に位置付けられた能動的減衰システムにおいて、
中間質量と、
除振されるペイロードと前記中間質量の間に延びるように構成されているペイロード支持要素であって、前記中間質量上で除振されるペイロードを支持するように構成されたペイロード支持要素と、
前記中間質量と土台の間に延びるように構成された中間質量支持要素であって、能動的減衰システムに作用する、除振されるペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を支持するように構成された中間質量支持要素と、
前記中間質量と前記土台の間に連結されるように構成された能動的減衰アクチュエータであって、前記中間質量支持要素の硬さの百分の１以下の硬さである能動的減衰アクチュエータと、
前記中間質量に固定された第一のセンサであって、動的な力に起因する前記中間質量の運動に応答して第一の信号を生成するように構成された第一のセンサと、
を含むことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項２】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記能動的減衰アクチュエータが、除振されるペイロードにより生成される静的な力をまったく支持しないことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項３】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記第一のセンサと前記能動的減衰アクチュエータに結合された補償モジュールであって、前記第一のセンサ信号に応答して、前記能動的減衰アクチュエータの作動を通じて前記中間質量に作用する前記動的な力を減衰させるように構成された補償モジュールをさらに含むことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項４】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素が、前記中間質量と前記除振されるペイロードの静的な力を完全に支持することを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項５】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
除振されるペイロードと前記中間質量の間に延びるように構成された受動的減衰要素をさらに含むことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項６】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記能動的減衰アクチュエータが気体圧アクチュエータであることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項７】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記能動的減衰アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項８】
請求項７に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記電磁アクチュエータがボイスコイルモータを含むことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項９】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記能動的減衰アクチュエータが、硬さがゼロのアクチュエータであることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素が前記能動的減衰アクチュエータに隣接することを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素が前記能動的減衰アクチュエータの周囲を取り囲むように設置されることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素が第一のばね定数を有する第一のばねであり、前記ペイロード支持要素が第二のばね定数を有する第二のばねであることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記第一のばね定数が前記第二のばね定数より大きいことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記第一のばね定数が前記第二のばね定数より少なくとも５倍大きいことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１５】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素とペイロード支持要素が受動的支持要素であることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１６】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記中間質量支持要素が複数のばねを含むことを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１７】
請求項１に記載の能動的減衰システムにおいて、
前記第一のセンサが振動センサであることを特徴とする能動的減衰システム。
【請求項１８】
能動的除振システムにおいて、
ペイロードを支持するように構成された基盤と、
土台と、
前記土台と前記基盤の間に位置付けられた請求項１による能動的減衰システムと、
を含むことを特徴とする能動的除振システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の能動的除振システムにおいて、
前記基盤の運動に応答して第二の信号を生成するように構成されている第二のセンサをさらに含み、
前記補償モジュールが、前記第一と第二の信号に応答して、前記能動的減衰アクチュエータの作動を通じて前記中間質量に作用する前記動的な力を減衰させることによって、基盤の運動を低減するように構成されていることを特徴とする能動的除振システム。
【請求項２０】
請求項１８に記載の能動的除振システムにおいて、
前記土台に固定されて、前記補償モジュールと結合するように構成された第二のセンサであって、前記土台の移動に応答して第二の信号を生成するように構成された第二のセンサをさらに含み、
前記補償モジュールが、前記第一と第二の信号に応答して、前記能動的減衰アクチュエータの作動を通じて前記中間質量に作用する前記動的な力を減衰させることを特徴とする能動的除振システム。
【請求項２１】
複数の請求項１に記載の能動的減衰システムを含むことを特徴とする能動的振動相殺アセンブリ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の能動的振動相殺アセンブリにおいて、
前記複数の請求項１に記載の能動的減衰システムが、前記ペイロードを少なくとも３度の自由度内の動的な力から分離するように構成されていることを特徴とする能動的振動相殺アセンブリ。
【請求項２３】
請求項２１に記載の能動的振動相殺アセンブリにおいて、
少なくとも２つの能動的減衰システムを一緒に連結するストラットアセンブリをさらに含むことを特徴とする能動的振動相殺アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持されたペイロードを振動から分離するためのシステムに関し、より詳しくは、ペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部が受動的支持要素により支持される能動的除振（振動絶縁）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
除振システムは、構造物またはペイロードに作用する振動を抑制する。ダンパや吸収材等の受動的除振体は機械的な解決策であり、有効ではあるものの、低周波数の振動の抑制には問題がある。低周波数で構造物またはペイロードに作用する振動を抑制するための能動的除振システムが開発されてきた。一般に、能動的除振システムは、ペイロードを支える基盤上の具体的な位置における振動を測定し、同等で逆方向の相殺力を動的に付加して振動の効果を抑制する。これらの動的システムにより検出された振動はプロセッサに提供され、これが相殺力を付加するアクチュエータを作動させる。
【０００３】
能動的除振システムの代表的な２つの応用対象は、地面振動騒音レベルが高く、地面振動騒音が機器の動作に影響を与えるような環境と、小さいペイロードの振動に非常に敏感な器具、例えば原子間力および走査型トンネリング顕微鏡等である。
【０００４】
前述のように、能動的除振システムには、例えば２〜３Ｈｚ以下の低周波数の振動を抑制するという利点があるが、複雑になる傾向がある。このようなシステムの一例は、米国特許第５，６６０，２５５号明細書の中で開示されている。地面から生じる振動を抑制し、振動からペイロードを分離するために、アクチュエータを使って中間質量に作用する動的な力を相殺する。このようなシステムでは、アクチュエータがアクチュエータの上部に付加される重量（すなわち静的な力）の全部を支えることになり、それには中間質量、ペイロード基盤、中間質量と基盤間の受動的支持要素の重量のほか、ペイロード自体の重量が含まれる。アクチュエータは、静的な力を支えることに加え、中間質量の運動に応答して、中間質量に作用するあらゆる動的な力を相殺し、振動を容認可能なレベルまで抑制できるようにするのに十分な力を生成しなければならない。
【０００５】
静的な重量を支持し、ペイロードを振動から分離するのに必要な力を提供するという二重の機能的要求に応えるために、一般的に用いられるアクチュエータは圧電スタックである。この種のアクチュエータはかなり高価であり、したがって、アクチュエータへの負担やその消耗を軽減させるために、システムの中には、アクチュエータを他の受動的支持要素、例えばオフロードスプリングや支持ばね等と組み合わせて静的な力の一部を支持するようにしたものもある。しかしながら、米国特許出願公開第２０１０／００３０３８４号明細書の中で開示されているように、一般に受け入れられていることとして、オフロードスプリングが静的な重量の一部を支持することによってアクチュエータ上の負荷を軽減できる程度は、オフロードスプリングによって除振システムの効率が損なわれる危険性によって限定的である。詳しくは、支持ばねが地面から延びているため、ばねの共振周波数より低い周波数の振動は地面からばねを通って伝わり、その結果、除振システムの能動的減衰部の性能を損なう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５６６０２５５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００３０３８４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は能動的振動減衰システムを提供し、これは、少なくとも１つのばねを介してペイロードを支持する少なくとも１つの中間質量と、土台または床に取り付けられ、ペイロードの静的な力の全部を支持する少なくとも１つの硬いばねと、土台または床に硬いばねと並列に取り付けられ、地面の振動に起因する動的な力を分離するためのアクチュエータと、を含む。この能動的振動減衰システムにおいて使用されるアクチュエータは基本的に、床で生成されて支持ばねを通じてペイロードに付加される動的な力を分離することに限定されるため、ソリッドステート圧電アクチュエータではなく、ソフトアクチュエータ、例えばボイスコールモータを含む比較的小型で安価なアクチュエータを使用できる。
【０００８】
能動的振動減衰システムは、１つの実施形態において、ペイロードと振動または動的な力の発生源、例えば地面、床、外側筐体または振動する土台との間に位置付けられ、また、能動的振動減衰システムは、動的な力を減衰させ、ペイロードを動的な力から分離するように構成される。能動的振動減衰システムは、ある実施形態において、地面、床、外側筐体または土台に設置するためのアクチュエータを含む。アクチュエータは設計により、地面からのシステムに作用する動的な力を補償するために使用できる。能動的振動減衰システムはまた、アクチュエータとペイロードの間の中間質量も含む。中間質量は、地面からの振動の分離を損なわずに、ペイロードの動的な力を減衰させるための、実質的に無振動の安定点を提供する。能動的振動減衰システムは、ペイロードと中間質量の間に、ペイロードの重量を支持するための支持ばねをさらに含んでいてもよい。これに加えて、少なくとも１つの負荷支持ばねを中間質量と地面の間に設置して、ペイロードと中間質量の静的な力の実質的に全部を支持することができる。負荷支持ばねと並列に、中間質量と地面の間に少なくとも１つのアクチュエータが設置される。センサも中間質量に固定することができ、これはセンサとアクチュエータに結合された補償モジュールによって処理されるフィードバック信号を生成する。補償モジュールは、センサからの信号に応答して、中間質量に作用する動的な力を減衰させ、分離し、ペイロードを無振動の状態に保つ。
【０００９】
別の実施形態において、受動的減衰要素が支持ばねと並列に、ペイロードと中間質量の間に含められる。受動的減衰要素は、ペイロードからの動的な力を安定点へと向けるように機能することができ、そこでこのような力を減衰できる。支持ばねは、受動的減衰要素と共に、支持されたペイロードを中間質量から弾性的に切り離すように機能することができる。
【００１０】
他の実施形態において、能動的除振システムは、中間質量と土台または地面の間に取り付けられた複数のアクチュエータを含む。アクチュエータに関連付けられるセンサを中間質量に取り付けることができ、アクチュエータは、センサと共に、システムが地面から中間質量への振動を２つまたは複数の軸に沿って減衰できるように向き付けられる。
【００１１】
別の実施形態において、能動的除振システムは、ペイロード基盤と組み合わせて、能動的振動相殺システムを提供してもよい。また別の実施形態では、複数の能動的振動相殺システムをストラットに連結して、振動相殺アセンブリを提供する。
【００１２】
添付の図面は、同様の特徴には同様の参照番号が付されて、本発明の実施形態を示しており、実施形態に関する以下の詳細な説明と共に、本発明の実施形態の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態による能動的減衰システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による能動的振動相殺システムを示すブロック図である。
【図３】図１と図２のシステムと使用するための、先行技術によるモーションセンサ、補償回路、アクチュエータの間の電気的相互接続を示す概略電気回路図である。
【図４】本発明の実施形態による、２つの軸に沿った能動的振動相殺システムを示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態による能動的振動相殺アセンブリの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の１つの実施形態による能動的除振（振動絶縁）システム１０を示している。能動的減衰システム１０は、除振されるペイロード１２（すなわち、除振されるペイロード基盤またはその上に支持されるペイロード、またはこれら２つの組み合わせ）と土台２１（例えば、床や外側筐体等の振動源）の間に位置付けられて、振動およびその他の動的な力を抑制し、ペイロード１２に伝達されないように分離する。図１は、３つの軸のうちの１つへの能動的または動的除振に対応するシステムを示していることを理解すべきである。このような単純化は、説明をしやすくするためになされた。しかしながら、システム１０は、最大で６自由度すべての能動的除振を可能にするために利用できると理解すべきである。
【００１５】
明細書と特許請求の範囲の全体を通じて、支持要素に関して使用される、ペイロードの「静的な力の少なくとも実質的に全部」を支持する、とは、その要素が除振されるペイロードの重量の少なくとも７０％〜１００％を支持するように構成されていることを意味し、「ペイロードから動的な力を分離する」とは、ペイロードへの外部振動の影響をペイロードに含まれるいずれの機器の動作にも不利な影響を与えないと判断されるレベルまで、またはそれ以下まで軽減させることを意味し、「ばね定数」とは、ばねに加わる力をばねの撓みの変化で割ったものを意味し、「ソフトアクチュエータ」とは、硬さがゼロのアクチュエータである。
【００１６】
除振されるペイロード１２と、地面、床または外側筐体等の土台２１に存在する振動または動的な力の発生源との間に位置付けられ、動的な力を、減衰させてペイロード１２から分離するように機能できる能動的減衰システムは、振動する土台基盤２１に連結可能な能動的減衰アクチュエータ２０と、少なくとも１つの中間質量支持要素１６によって支持される中間質量１３と、ペイロード１２からの動的な力（すなわち、振動）を減衰させる受動的減衰要素２２と、除振されるペイロード１２と中間質量１３の間に設置されて、除振されるペイロード１２の静的な力（すなわち重量）を支持する少なくとも１つのペイロード支持要素１８と、を含む。支持要素１６、１８はばねの形態であってもよく、中間質量支持要素の硬さは、ペイロード支持要素の硬さの少なくとも５倍大きい。中間質量支持要素１６は、これがなければ能動的減衰アクチュエータ２０に直接作用する、除振されるペイロード１２により加えられる静的な重量を支持するように設計される。後でより詳しく説明するように、中間質量支持要素１６は、除振されるペイロード１２の静的な力の実質的に少なくとも全部を支持する。
【００１７】
能動的減衰システムは、中間質量１３に取り付けられ、かつ補償モジュール１４に結合されたモーションセンサ１７を含み、それによって中間質量１３の動作から発生された信号を能動的フィードバック補償ループの一部として補償して、所定の振動周波数範囲にわたり中間質量１３を安定化させる。ペイロードセンサ１５および／または土台センサ１９も、それぞれ除振されるペイロード１２または振動する土台基盤２１に取り付けてよい。
【００１８】
能動的減衰システム１０は、任意選択により、一方の端において、除振されるペイロード１２に直列に取り付けられ、反対の端においては受動的ダンパ２２に取り付けられたばね（図示せず）を含んでいてもよい。ばねの共振周波数をペイロード支持要素１８のそれの少なくとも２倍にして、より高い周波数でのシステム１０への除振利得を高めてもよい。
【００１９】
ここで図２を参照すると、本発明の他の実施形態による能動的振動相殺システム４０が示されている。１つの態様において、能動的振動相殺システム４０を、外的な力またはシステム４０の構成部品に起因する振動およびその他の動的な力をペイロード４１に伝達させないように分離し、減衰させるために使用できる。能動的振動相殺システム４０は、図のように、ペイロード４１（すなわち、除振されるペイロード基盤、その上に支持されたペイロード、またはこれら２つの組み合わせ）と、土台基盤４２の上に位置付けられた能動的減衰アクチュエータ４５と、負荷支持ばねの形態の複数の中間質量支持要素（４６ａと４６ｂ）によって支持される中間質量４４と、を含む。中間質量４４は安定点（すなわち無振動点）として機能する。動的な力はまた、受動的減衰要素４９によっても減衰される。除振されるペイロードの静的な力は、中間質量４４の上方で、ばねの形態のペイロード支持要素４７によって支持される。図２に示されているように、受動的減衰要素４９と支持ばね４７はどちらも、一方の端においてペイロード４１に連結され、反対の端において、安定点として機能する中間質量に連結される。中間質量４４と土台基盤４２の間に設置された負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）は、ペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を支持する。中間質量４４に固定されたセンサ４３は、中間質量４４の運動に応じた信号を生成し、そのため、フィードバックを能動的減衰アクチュエータ４５に供給して、土台基盤４２により生成され、負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）を通じて伝達されるあらゆる動的な力の影響を相殺し、これによってペイロードを動的な力から分離することができる。
【００２０】
図２の能動的減衰アクチュエータ４５は、振動する土台基盤４２に取り付けられた底面２１１を含む。アクチュエータ４５はまた、上面２１２も含み、これは振動する土台基盤４２により生成された動的な力の方向と逆方向に移動して、中間質量４４は振動する土台基盤４２に関して実質的に不動のままとなる。動的な力は略相殺されて、中間質量４４の動作は好ましくは、振動する土台基盤４２により生成される振動の振幅の多くとも０．０１倍である。本発明の能動的相殺システム４０は、土台基盤４２の振動をペイロードから軸Ｚに沿って分離するように設計される。この軸Ｚはアクチュエータ４５の変位に沿う軸である。
【００２１】
能動的減衰アクチュエータ４５は、電磁アクチュエータでも、機械的アクチュエータでも、気体圧アクチュエータでも、液体圧アクチュエータでもよい。能動的減衰アクチュエータは基本的に動的な力を補償することに限定されるため、ペイロードの静的な力を支持しなくてもよい設計の、より安価な能動的減衰アクチュエータ、例えば電磁アクチュエータを使用してもよい。
【００２２】
図２に示される実施形態において、能動的減衰アクチュエータ４５はボイスコイルモータの形態の電磁アクチュエータであり、これはソフトアクチュエータである。能動的減衰アクチュエータ４５は、中間質量４４に連結された上面２１２を有する。能動的減衰アクチュエータ４５の全高は、軸「Ｚ」に沿って可変的である。能動的減衰アクチュエータ４５にエネルギを供給すると、上面２１２は中間質量４４の方向に付勢され、中間質量４４を垂直方向に付勢する。能動的減衰アクチュエータ４５へのエネルギを断つと、上面２１２はその元の位置に戻ることができる。能動的減衰アクチュエータ４５は制御信号に応答して作動し、アクチュエータ４５が、振動する土台基盤４２によって生成される中間質量４４に作用する動的な力を減衰させるのに十分なストロークと力を有することが好ましい。
【００２３】
能動的減衰アクチュエータ４５は基本的に中間質量４４に付加される動的な力を補償することに限定されているため、ペイロードにより生成される静的な力の少なくとも実質的に全部が負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）によって支持される。したがって、負荷支持ばねはその縦軸と横軸に沿って、ペイロードの静的な力を支持するのに十分な硬さを有する。負荷支持ばねの硬さは好ましくは、中間質量４４とペイロード４１の間のペイロード支持要素４７のそれより少なくとも５倍大きい。
【００２４】
図２では電磁アクチュエータとして示されているが、アクチュエータ４５はこのようなアクチュエータを能動的振動相殺システム４０と一緒に使用できるかぎり、どのようなアクチュエータでもよいと理解すべきである。例えば、どのような機械的、電気的、気体圧、液体圧またはその他、市販の、または業界で知られているいずれのアクチュエータでも使用できる。特定の例では、特に、より弱い力を力の弱いアクチュエータによって、またはそれに対して付加できる場合、ペイロードに付加されるこのようなアクチュエータのストロークを大きくすることが望ましいかもしれない。図１と図２に示される能動的減衰システムは、ペイロードの静的な力をほとんど、またはまったく支持しないアクチュエータを含んでおり、したがって、このような例においては、増幅は主な問題ではない。しかしながら、増幅器とより力の弱いアクチュエータを組み合わせることによってシステムの全体的コストをさらに下げることができる。このような増幅機構付アクチュエータは、もし望めば、用途に応じて、より弱い力が存在する時にはより大きなストロークを、より強い力が存在する時にはより小さいストロークを提供するようになすことができる。図２において、能動的振動相殺システム４０には、アクチュエータ４５と除振されるペイロード４１の間に設置された中間質量４４が設けられている。中間質量４４はペイロード４１から、ペイロード支持要素４７と受動的ダンパ４９によって弾性的に切り離され、能動的に分離された点（すなわち、無振動点）として機能し、ペイロード４１からそこへの動的な力が減衰される可能性があり、それと同時に、地面４２またはシステム４０のその他の構成部品からの動的な力は、能動的減衰アクチュエータ４５によって、ペイロード４１に伝達されないように能動的に補償することができる。中間質量４４は質量を有していてもよく、これはシステム４０が支持する、または除振するように設計される可能性のある質量の範囲より少なくとも１桁またはそれ以上（たとえば２桁）小さくすることができる。中間質量４４は、図２に示されるように、上面２２１と底面２２２を有する実質的に平坦な本体としてもよい。中間質量４４は、その底面２２２がアクチュエータ４５の上端２１２の上に直接載るように位置付けてもよい。特定の例では、アクチュエータ４５の上の中間質量４４の位置を固定して、中間質量４４の横方向または半径方向の移動を最小限にすることが望ましいかもしれない。そのために、当業界で知られているあらゆるメカニズムを使って、中間質量４４をアクチュエータ４５に実質的に固定し、中間質量４４の横方向または半径方向の運動を最小限にしてもよい。
【００２５】
除振されるペイロード４１の質量（すなわち重量）によって生成された静的な力の少なくとも実質に全部は、中間質量支持要素（４６ａと４６ｂ）によって支持される。図２に示されるように、負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）は、中間質量４４の下方の、アクチュエータ４５の両側に位置付けられ、各負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）の上端（２５１ａと２５１ｂ）が中間質量４４に連結され、各負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）の下端（２５２ａと２５２ｂ）が土台基盤４２に位置付けられるようにする。
【００２６】
図２にはまた、ばねの形態のペイロード支持要素４７も示されており、これは除振されるペイロード４１と中間質量４４の間に延びる。ばね４７は、中間質量４４上で除振されるペイロード４１を支持する。
【００２７】
本発明は、２つの負荷支持ばね（４６ａと４６ｂ）を有するように示されているが、１つまたはそれ以上の中間質量支持要素を使用することも想定される。例えば、負荷支持ばねを１つのみ使用する場合、このような負荷支持ばねは、中間質量４４下のアクチュエータ４５の周囲を取り囲むように位置付けてもよい。他の例では、３つまたはそれ以上の負荷支持ばねを使用してもよい。これらの負荷支持ばねは、負荷支持ばねが除振されるペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を、好ましくは均等に支持できる、どのような方法で設置してもよい。中間質量支持要素は、アクチュエータに隣接し、中間質量の下であればどこに位置付けてもよい。中間質量支持要素は、金属ばねでも、コイルばねでも、ダイスプリングでも、またはその他の同様のばねでもよい。
【００２８】
これまで当業者は、ペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を支持する受動的支持要素を有する能動的減衰システムでは、ペイロードに影響を与える可能性のある動的な力の分離が損なわれると考えていた。具体的には、振動する土台または地面に位置付けられた受動的支持要素により、地面からの振動または動的な力が受動的支持要素を通じて分離点としての役割を果たす中間質量に伝達されてしまい、アクチュエータでは、動的な力が受動的ダンパまたはペイロード支持要素を通じて移動して最終的にペイロードに影響を与るのを防止できないであろう、という懸念事項があった。本発明は驚くべきことに、振動力を減衰させるシステムの能力を損なわずに、ペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を支持する剛な受動的支持要素を利用することができる。
【００２９】
再び図１を参照すると、振動または動的な力がペイロードに伝達されるのを能動的に最小化するために、能動的減衰システム１０はフィードバック補償ループを取り入れている。このような補償ループは、１つの実施形態において、センサ１７を含む。センサ１７は、図のように、中間質量１３上に位置付けられ、中間質量１３により示される速度または変位に応じた信号を生成する。詳しくは、センサ１７からのフィードバック信号は補償モジュール１４に伝えられてもよく、これが信号を処理し、相応にアクチュエータ２０を作動させて動的な力を減衰させることができる。補償モジュール１４は、ある実施形態において、アクチュエータ２０にエネルギを供給して中間質量１３の振動周波数の相殺力を発生させるように設計される。
【００３０】
センサ１７はサーボ加速度計でも、その他の既知の振動センサ、例えば受振機でもよい。センサ１７からの信号は、相対加速度や速度、またはセンサの内側か外側の「自由浮動性」慣性質量に関する位置に比例する。本発明に関連して使用されるセンサ１７および関連する補償回路は、米国特許第５，８２３，３０７号明細書の中で開示されているものと同様であってもよく、同特許の内容の全文を参照によって本願に援用する。１つの補償モジュールが、複数のセンサからの信号を処理し、複数のアクチュエータを制御して、前述の３つの軸のいずれに沿って発生する動的な力も減衰できてよい。
【００３１】
上記のようにして得られるセンサ１７からのフィードバック信号は、補償モジュール１４が処理して、中間質量１３に作用する動的な力に応じた周波数でアクチュエータ２０にエネルギを供給また切断することによってアクチュエータ２０を制御し、中間質量１３を安定点（すなわち無振動点）として保持する。中間質量１３は、あらゆる動的な力の減衰を可能にし、中間質量１３からペイロード１２に伝達されるこのような力を受動的ダンパ２２またはペイロード支持要素１８の手法によって分離する。受動的ダンパ２２がペイロードと中間質量１３との間に設置されるため、受動的ダンパもまた、ペイロードを分離するための別の手段となる。例えば、ペイロード支持要素は、支持されたペイロードの安定性を損ないかねない共振周波数で高いレベルの増幅を行ってもよい。受動的ダンパは、ペイロード支持要素を通じてペイロードに作用する、またはペイロードから、動きにくく分離された中間質量に伝達されるかもしれない、このような動的な力を抑制する。その結果、ペイロードは振動およびその他の動的な力を実質的に受けないままとなる。
【００３２】
ペイロード支持要素１８は、図１に示されるように、ペイロード１２と中間質量１３の間に、受動的ダンパ２２と実質的に並列に、受動的ダンパ２２から離間された関係で位置付けられる。これに加えて、ペイロード支持要素１８は、固有共振周波数バンド幅より高い周波数を除くことができる。ペイロード支持要素は、ペイロードを中間質量に対して実質的に平行に保持する。図１と２にはペイロード支持要素が１つのみ示されているが、例えば、除振されるペイロードの質量に関するペイロード支持要素の硬さに応じて、追加の支持要素を使用してもよいと理解すべきである。したがって、ペイロードを中間質量に対して実質的に平行に保持されうるかぎり、２つまたはそれ以上の支持要素を使用してもよい。ペイロード支持要素１８は好ましくは、中間質量支持要素１６が示す硬さの、最大で約１．５倍であり、金属ばねでも、コイルばねでも、気体圧受動ばねでも、能動的レベル制御機能付き気体圧ばねでも、またはその他同様のばねでもよい。
【００３３】
当業者であれば本明細書の説明からわかるように、能動的減衰システムの個々の構成部品を組み合わせてもよい。例えば、受動的ダンパと中間質量を相互に統合してもよく、これによって受動的ダンパと中間質量の両方を、米国特許出願公開第２０１０／００３０３８４号明細書に示されるように、実質的に単独ユニットに統合してもよく、その内容全体を参照によって本願に援用する。
【００３４】
再び図１を参照すると、除振されるペイロード１２上に支持されたペイロードの多くは動く機械的部品を含んでいてもよく、これらはペイロードを動く部品に応答して振動させる力を生成しうる。したがって、能動的減衰システム１０がペイロードにより誘発される力による、支持されたペイロードの運動に抵抗し、またはこれを最小化することが望ましいかもしれない。そうするために、第二のモーションセンサ１５をシステム１０に関連して使用してもよい。センサ１５は、絶対加速度、速度または相対的変位センサであってもよく、これが除振されるペイロード１２に取り付けられる。ペイロードセンサ１５からの信号は、中間質量１３上のセンサ１７からの信号と合成し、統合して、その結果、除振されるペイロード１２の振動制御を向上させてもよい。システム１０はまた、振動する土台基盤２１に取り付けられた第三のモーションセンサ１９を含んでいてもよい。土台センサ１９からの信号はモジュール１４に伝えられてもよく、するとこれが信号を処理し、これをフィードフォワード信号として使用して、アクチュエータ２０が振動する土台の動作を補償する範囲を制御する。
【００３５】
１つの軸、すなわち「Ｚ」軸に沿って振動を能動的に除くことが説明されているが、本発明の中間質量とシステムは、「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」軸の各々に沿って振動を能動的に除くように設計してもよい。ここで図３を参照すると、三次元振動減衰システムのためのモーションセンサ、補償回路、アクチュエータの間の電気的相互接続を説明する高レベル電気回路図が示されている。概して６０で示されている電子コントローラ６０は、補償回路６１、６２、６３を含む。これらの補償回路の各々は、米国特許第５，６６０，２５５号において開示されているものと同様であり、その内容を参照によって本願に援用する。
【００３６】
第一の補償回路６１は、「Ｚ」軸に沿ったペイロードの動作を検出する「Ｚ」垂直ペイロードセンサ６４からの、および「Ｚ」軸に沿った中間質量の動作を検出する「Ｚ」垂直中間質量センサ６５からのセンサ信号を受信する。この信号が処理され、アクチュエータ６６に対し、「Ｚ」方向に中間質量に作用する動的な力を減衰させるように特定の周波数で作動させる命令が送信される。補償回路６２と６３は同様に設計されるが、「Ｘ」および「Ｙ」方向への動作が制御される。例えば、「Ｘ」方向への動作を検出するペイロードセンサ６７と中間質量センサ６８は第二の補償回路６２に信号を送信し、これが第二のアクチュエータ６９を、「Ｘ」軸への力を減衰させるように制御する。最後に、第三の補償回路６３は、「Ｙ」方向への動作によって生成されるペイロードセンサ７０と中間質量センサ７１からの信号を受信し、相応に作動するように第三のアクチュエータ７２に命令する。
【００３７】
本発明の補償回路はアナログの形態でもデジタルの形態でも実施できることを理解すべきである。これに加えて、このような補償回路は、図１のセンサ１９のような、振動する土台基盤の上にあるセンサからの信号を受信するようになされていてもよい。さらに、補償回路は、３つの軸に沿った動作信号を受信し、６自由度の各々への振動を補償することのできる単独のモジュールとして利用してもよい。あるいは、複数の独立した補償モジュールを使って信号を処理してもよく、各モジュールが１つの自由度または複数の自由度の振動を減衰するようにアクチュエータを制御する。
【００３８】
ここで、図４を参照すると、他の実施形態の能動的振動相殺システム８０が示されており、これは複数の次元への振動を制御する。システム８０は、支持されたペイロードＭを含み、これはばね８１と受動ダンパ８２との組み合わせの上に載り、これら自体は中間質量Ｉによって支持されてもよい。システム８０はまた、土台８４によって発せられる力に対して垂直の方向への、すなわち「Ｙ」軸に沿った能動的除振も提供する。この除振は、中間質量Ｉと振動する土台８４の間に設置されてＹ軸に沿って作用するように向き付けられたアクチュエータ８５を使って実行されてもよい。第二のアクチュエータ８５は、中間質量Ｉと振動する土台８４の間に設置されてＺ軸に沿って作用するように向き付けられる。アクチュエータ（８５と８６）は、ボイスコイルモータの形態の電磁アクチュエータである。また、縦方向のアクチュエータ８５に隣接して、２つの負荷支持ばね（８３ａと８３ｂ）が設置されており、これらはペイロードＭの静的な力の少なくとも実質的に全部を支持する。
【００３９】
ばね要素８８は、半径方向のアクチュエータ８６と同じ軸に設置されてもよい。ばね要素８８は、図４に示されるように、振動する土台８４と中間質量Ｉの間に設置される。減衰要素８７はばね８８に隣接して、振動する土台８４と中間質量Ｉの間に設置されてもよい。半径方向のアクチュエータ８６、ばね要素８８および減衰要素８７の線形の配置を、「Ｙ」および「Ｚ」軸の両方に垂直な方向、すなわち「Ｘ」軸について繰り返すことによって３つの軸すべての除振（振動絶縁）を、また他の同様のモジュールと組み合わせて６自由度に沿った除振を実現してもよい。
【００４０】
ばね要素８８を、「Ｙ」軸に対して垂直な方向への比較的高い半径方向の剛性を有し、「Ｙ」軸に垂直なすべての軸において比較的低い剛性を有するように設計することが好ましい。このように、ばね要素８８により、半径方向のアクチュエータ８６はそこに印加されるコマンド信号に応じて容易に伸縮できる。
【００４１】
本発明の他の実施形態においては振動相殺アセンブリが提供され、これはストラットによって連結された前述の能動的減衰システムを複数含む。能動的減衰システムは、前述のように、ペイロードの下方に取り付けられる。ペイロードのバランスを適正に取り、６自由度のいずれにおいてペイロードに作用する動的な力も相殺できるアセンブリを提供するために、アセンブリが少なくとも３つの能動的減衰システム、より好ましくは少なくとも４つを含むことが好ましい。アセンブリ内の各能動的減衰システムは、ペイロードの下方に設置され、離間されているべきであり、それによって能動的減衰システムは基本的に、ペイロード全体を地面から発生される動的な力から分離することができる。
【００４２】
本発明の各システムの中間質量は好ましくは、「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」軸の各々に沿った振動を能動的に減衰させるように設計され、したがって、本発明による能動的減衰システムには、３つの軸の各々に沿ったあらゆる動的な力を減衰させるために、中間質量に連結された少なくとも３つのアクチュエータが必要であろう。この場合、３つまたはそれ以上のシステムを組み合わせれば、６自由度すべての除振が提供される。しかしながら、本発明のある実施形態による振動相殺アセンブリでは、「Ｘ」と「Ｙ」軸の各々に沿ったペイロードの振動を分離するために必要なアクチュエータの数が、能動的減衰システムの各々を少なくとも１つの他の能動的減衰システムに連結するストラットを取り入れることによって最少化される。図５を参照すると、４つの能動的減衰システム（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ）を有する振動相殺アセンブリの平面図が示されており、これはペイロードの静的な力の少なくとも実質的に全部を協働して支持する負荷支持要素を含む。能動的減衰ステムの各々は、ストラット（５０ａ、５０ｂ、５０ｃまたは５０ｄ）によって他の２つの能動的減衰システムに連結される。各ストラットの反対の端は、振動相殺アセンブリの中の隣接する能動的減衰システムの中間質量に取り付けられ、これによって隣接する各システム（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ）の中の２つの中間質量を、取り付けられたストラットに沿って調和して移動するように付勢する。その結果、この実施形態では、「Ｘ」、「Ｙ」、「Ｚ」軸への運動を制御するための横方向の制御サーボループ（センサ、補償モジュール、アクチュエータ）は１つでよい。すると、能動的減衰システム（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ）の各々に、残りの３自由度のいずれかへの動作を減衰させるように「Ｚ」方向を制御するアクチュエータが必要となる。もし能動的除振システムがストラットに接続されていなければ、３つまたは４つのシステムの中の中間質量の各々に、各軸に沿った動作を制御するための３つのアクチュエータが必要となり、アセンブリ全体では合計９つまたは１２個のアクチュエータとなる。図５に示される本発明の実施形態では、振動相殺アセンブリの中で必要なアクチュエータの総数が６または８に減る。
【００４３】
本明細書では具体的な実施形態に関して本発明を示し、説明したが、本発明は示された詳細点に限定されないものとする。むしろ、特許請求項の範囲および均等物の範囲の中で、本発明から逸脱することなく、詳細点に各種の変更を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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