專利名稱：主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)，該主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)包括需被隔離或阻尼的有效載荷、用于檢測(cè)該有效載荷的振動(dòng)的振動(dòng)傳感器、用于相對(duì)于支撐該有效載荷的軸承體移動(dòng)該有效載荷的致動(dòng)器、以及用于為該致動(dòng)器提供表示該振動(dòng)的信號(hào)的控制器。
背景技術(shù)：
對(duì)于要求環(huán)境免于干擾振動(dòng)的應(yīng)用而言，地面振動(dòng)及其他機(jī)械干擾逐漸成為此應(yīng)用的限制因素。在地球上所開(kāi)發(fā)的太空設(shè)備需要類似于太空中工作環(huán)境的測(cè)試環(huán)境。預(yù)期的用于諸如處理器及存儲(chǔ)器之類的半導(dǎo)體產(chǎn)品的進(jìn)一步減小的尺寸，要求用于制造這些產(chǎn)品的光刻設(shè)備比目前所使用的光刻設(shè)備具有更佳的穩(wěn)定性。此外，振動(dòng)妨礙了進(jìn)一步改善電子顯微鏡及原子力顯微鏡的分辨率。通過(guò)使用機(jī)械彈簧、彈性體、空氣軸承或磁性軸承將平臺(tái)或者放置于其上的有效載荷及載荷與地面振動(dòng)隔離開(kāi)的簡(jiǎn)單被動(dòng)式方法，不能滿足目前的需求。基于振動(dòng)測(cè)量的主動(dòng)式控制，與被動(dòng)式隔離相比，能夠更好地隔離不想要的振動(dòng)， 而不需要增大(被動(dòng)式或主動(dòng)式)隔離技術(shù)中的柔性；其中，該隔離技術(shù)僅僅調(diào)整振動(dòng)源 (例如地板)與有效載荷之間的剛性耦合。主動(dòng)式振動(dòng)控制系統(tǒng)補(bǔ)償實(shí)際的機(jī)械干擾。能夠檢測(cè)不想要的振動(dòng)的傳感器裝置可被設(shè)置在振動(dòng)源(通常為地面或地板)上，或被設(shè)置在需與地面振動(dòng)或其他機(jī)械干擾隔離的有效載荷上。相對(duì)于地板或支撐結(jié)構(gòu)的、或相對(duì)于慣性參考質(zhì)量塊的有效載荷的振動(dòng)可通過(guò)機(jī)械、電子、光學(xué)或電磁等方式來(lái)檢測(cè)。為了此目的，傳感器可包括公眾所熟知的用于檢測(cè)加速度、速度、位置或距離的裝置。該有效載荷由彈簧或其他軸承所支撐，且該有效載荷可由諸如伺服馬達(dá)之類的致動(dòng)器沿該傳感器的量測(cè)軸線所驅(qū)動(dòng)。該傳感器的電子輸出(經(jīng)過(guò)濾并且)被反饋到致動(dòng)器；其中，該致動(dòng)器補(bǔ)償不想要的振動(dòng)。國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2004/029475公開(kāi)了一種用于主動(dòng)式隔振及消振的系統(tǒng)及方法。振動(dòng)傳感器測(cè)量某個(gè)方向上的相對(duì)于慣性參考質(zhì)量塊的有效載荷的振動(dòng)；其中，該慣性參考質(zhì)量塊柔順地連接至該有效載荷。所測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)被饋入控制器，該控制器計(jì)算需在該方向上施加的力。所使用的傳感器通常在一個(gè)方向上表現(xiàn)柔性(高剛性)，用于檢測(cè)該方向上的振動(dòng)。更具體地說(shuō)，傳感器可具有一個(gè)平動(dòng)自由度。歐洲專利申請(qǐng)公開(kāi)EP 1 870 614A1公開(kāi)了這樣一種主動(dòng)式隔振系統(tǒng)，其包括傳感器及致動(dòng)器，其中該傳感器的有效軸線與致動(dòng)器的有效軸線基本上相互平行。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知，為獲得在一個(gè)以上自由度上的隔振，傳感器與致動(dòng)器可進(jìn)行多種組合。為獲得小幅度的良好隔振，振動(dòng)傳感器優(yōu)選地設(shè)置在或固定于需隔離的有效載荷上。更具體地說(shuō)，使用絕對(duì)振動(dòng)傳感器且包括慣性參考質(zhì)量塊的主動(dòng)式振動(dòng)系統(tǒng)，允許在低頻處具有良好隔振。該參考質(zhì)量塊連接至傳感器機(jī)架?？稍谝粋€(gè)平動(dòng)自由度上記錄該質(zhì)量塊相對(duì)該傳感器機(jī)架的位移。如果在測(cè)量方向并沒(méi)有動(dòng)力直接施加在該參考質(zhì)量塊上，除了通過(guò)剛性耦合到該傳感器機(jī)架，那么所記錄的信號(hào)為此方向上的該傳感器機(jī)架的絕對(duì)振動(dòng)的測(cè)量。但是，由于傳感器機(jī)架與有效載荷之間所有自由度上的高剛性耦合，所以該傳感器以與該有效載荷相同的方式進(jìn)行平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)傳感器測(cè)量具有水平自由度的振動(dòng)時(shí)，重力(或重力矢量)垂直于所測(cè)量的方向，這就意味著由于缺少其他的自由度，該傳感器對(duì)此垂直力不敏感。在傳感器包括慣性參考質(zhì)量塊的情況下，該質(zhì)量塊在測(cè)量方向(即水平方向)上不會(huì)因重力而發(fā)生位移。由傳感器(更具體地說(shuō)，是該傳感器的殼體)與有效載荷之間的剛性耦合所導(dǎo)致的問(wèn)題被稱為“水平傾斜問(wèn)題”，因?yàn)榇藛?wèn)題主要是當(dāng)有效載荷以及隨后的傳感器表現(xiàn)出沿著水平軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)該有效載荷圍繞水平軸線傾斜時(shí)，測(cè)量方向亦以相同的方式傾斜。在傾斜方向， 由于重力，參考質(zhì)量塊在該測(cè)量方向上確實(shí)發(fā)生了位移。這就意味著對(duì)于有效載荷圍繞水平軸線傾斜的自由度而言，在水平方向上所測(cè)量的振動(dòng)已不再像絕對(duì)振動(dòng)那樣有效。傾斜方向上對(duì)有效載荷的干擾在另一水平方向上產(chǎn)生假振動(dòng)信號(hào)，從而降低在此方向上的隔振性能。國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2005/047728公開(kāi)了一種水平運(yùn)動(dòng)隔振系統(tǒng)，該系統(tǒng)可獲得低水平固有頻率。該系統(tǒng)的軸承構(gòu)件(柱)為有效載荷與機(jī)架之間的剛性構(gòu)件，其包含傾斜機(jī)構(gòu)，該傾斜機(jī)構(gòu)具有用于圍繞水平軸線進(jìn)行傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性，并且該傾斜機(jī)構(gòu)允許該有效載荷進(jìn)行水平平動(dòng)。該申請(qǐng)公開(kāi)了一種具有單一自由度的彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可減弱高于某一頻率的有效載荷與機(jī)架之間振動(dòng)。例如，由于質(zhì)量塊靠近有效載荷的軸承構(gòu)件中的一個(gè)，所以該被動(dòng)式系統(tǒng)可被動(dòng)地防止有效載荷的傾斜。但是，該系統(tǒng)并不提供可通過(guò)主動(dòng)式隔振獲得的隔振等級(jí)。目前已知有若干可用于測(cè)量有效載荷的傾斜的傳感器。例如J.Winterflood， Ζ· B. Zhou,L. Lu及D. G. Blair發(fā)表的"Tilt suppression for ultra-low residual motion vibration isolation in gravitational wave detect ion "(Physics Letter (^IjSfflitl,) A 277 (2000) 143-155頁(yè))一文中，公開(kāi)了一種復(fù)雜的傳感器。這種特別設(shè)計(jì)的傳感器包括激光束，該激光束在鏡像表面之間來(lái)回反彈，進(jìn)入四象光電二極管。這種傳感器雖可應(yīng)用于主動(dòng)式振動(dòng)系統(tǒng)，但并不能提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)更好地將有效載荷與由環(huán)境施加在有效載荷上的干擾振動(dòng)隔離開(kāi)，并更好地阻尼了該有效載荷的振動(dòng)。通過(guò)上述系統(tǒng)達(dá)到本發(fā)明的目的，該系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器，其具有至有效載荷的低剛性連接，用于沿垂直于重力的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且具有至該有效載荷的高剛性連接，用于產(chǎn)生該振動(dòng)傳感器可檢測(cè)的振動(dòng)。用于沿垂直于重力的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的至有效載荷的低剛性連接的作用在于，有效載荷的傾斜不會(huì)在測(cè)量方向上產(chǎn)生對(duì)該振動(dòng)傳感器的附加力，因此實(shí)際上該傳感器從傾斜振動(dòng)中解耦。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)式振動(dòng)系統(tǒng)中，該附加力被理解為具有不同于轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度的振動(dòng)。在這種包括被設(shè)計(jì)成測(cè)量比如水平振動(dòng)的振動(dòng)傳感器的主動(dòng)式隔振系統(tǒng)中，傾斜振動(dòng)會(huì)被錯(cuò)誤地理解為有效載荷的水平振動(dòng)。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的控制器為水平致動(dòng)器提供信號(hào)，以水平位移該有效載荷。根據(jù)本發(fā)明的解耦可防止這種錯(cuò)誤位移。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)當(dāng)相關(guān)振動(dòng)傳感器的移動(dòng)至少部分地從有效載荷的移動(dòng)中解耦時(shí)，已知的主動(dòng)式隔振系統(tǒng)的進(jìn)一步改良是可能的。用于某個(gè)自由度的振動(dòng)傳感器的高剛性連接，意味著該傳感器主要跟蹤或測(cè)量該有效載荷、機(jī)架、軸承體或地面在該特定自由度上的振動(dòng)。例如，在水平方向上的高剛性意味著該傳感器跟蹤或測(cè)量軸承的水平位移；其中，該傳感器在某個(gè)頻率范圍內(nèi)相當(dāng)精確地固定于該軸承上。一般而言，高剛性連接會(huì)產(chǎn)生高于25Hz的共振頻率。用于某個(gè)自由度的振動(dòng)傳感器的低剛性連接，意味著該傳感器主要獨(dú)立于有效載荷、機(jī)架、軸承體或地面在該特定自由度上的振動(dòng)。例如，用于圍繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的低剛性連接， 意味著該傳感器在某個(gè)頻率范圍內(nèi)，并不會(huì)或僅在無(wú)關(guān)緊要的測(cè)量中跟蹤或測(cè)量該轉(zhuǎn)動(dòng)。 一般而言，低剛性連接比高剛性連接低十倍。


圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，該系統(tǒng)的一個(gè)振動(dòng)傳感器在大部分自由度下固定到支撐有效載荷的機(jī)架；圖3為根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，該系統(tǒng)的振動(dòng)傳感器在大部分自由度下固定到有效載荷；圖4示出了本發(fā)明中水平振動(dòng)的特定關(guān)聯(lián)性；圖5為根據(jù)本發(fā)明的具有附加傳感器的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；圖6示出了用于致動(dòng)器到傳感器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的模型計(jì)算，以說(shuō)明圖5所示的實(shí)施例的性能；圖7示出了用于干擾力到有效載荷的重心運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的模型計(jì)算，以說(shuō)明圖5所示的實(shí)施例的性能；圖8示出了實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)動(dòng)剛性的實(shí)施例；圖9示出了在低頻和高頻處具有不同轉(zhuǎn)動(dòng)剛性的實(shí)施例；圖10示出了主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)中，傳感器及致動(dòng)器的一種可能的方向。
具體實(shí)施例方式圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括需被隔離或阻尼的有效載荷O)、支撐該有效載荷的軸承體(3，3')、至少一個(gè)用于檢測(cè)有效載荷的振動(dòng)的振動(dòng)傳感器0或4')、至少一個(gè)用于移動(dòng)有效載荷的致動(dòng)器(5或5')、以及用于為致動(dòng)器提供信號(hào)的控制器(6或6')；其中，該信號(hào)表示具有相關(guān)自由度(平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)方向) 的振動(dòng)。該振動(dòng)傳感器)可設(shè)置或固定在該有效載荷( 上、或者該傳感器(4)可設(shè)置或固定在該軸承體C3)上，用于測(cè)量有效載荷相對(duì)于軸承體的相對(duì)位移。該有效載荷可由諸如機(jī)械彈簧或彈性體之類的常規(guī)懸掛裝置(7)支撐。該軸承體可為用于有效載荷的任何支撐結(jié)構(gòu)，包含機(jī)架、地板、墻壁或天花板。該致動(dòng)器設(shè)置或固定在該軸承體上。該致動(dòng)器可為比如壓電陶瓷類型的壓電致動(dòng)器、磁致伸縮馬達(dá)、洛倫茲(Lorentz)馬達(dá)(音圈)或任何類型的位置致動(dòng)器或馬達(dá)。圖2為根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖，其中水平振動(dòng)被隔離或阻尼。該振動(dòng)傳感器(14)除了在水平方向上進(jìn)行平動(dòng)外，在所有自由度下固定到機(jī)架 (13')上。該機(jī)架可為支撐有效載荷的機(jī)架(1 。振動(dòng)傳感器剛性連接至有效載荷，用于測(cè)量有效載荷的水平平動(dòng)。表示水平振動(dòng)的信號(hào)被發(fā)送至控制器(16)。當(dāng)該振動(dòng)傳感器僅在一個(gè)自由度上測(cè)量振動(dòng)時(shí)，只要干擾傾斜振動(dòng)軸線(17，17')具有垂直于傳感器(14) 的測(cè)量方向(19)的分量，即可滿足需求。盡管該傾斜振動(dòng)軸線可能垂直于測(cè)量方向并位于有效載荷的平面內(nèi)，如軸線(17)所示，但是要理解的是，沿著具有垂直于重力(18)方向的分量的軸線(比如軸線(17'))的任何轉(zhuǎn)動(dòng)，都會(huì)造成沿著軸線(17)的轉(zhuǎn)動(dòng)。該圖中僅顯示了一個(gè)振動(dòng)傳感器，但是，當(dāng)在任何方向上傾斜時(shí)，優(yōu)選有兩個(gè)或三個(gè)振動(dòng)傳感器。通過(guò)接收來(lái)自控制器(16)的輸入信號(hào)的至少一個(gè)致動(dòng)器(1 阻尼該水平振動(dòng)。剩余自由度上的振動(dòng)可通過(guò)本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量。這些傳感器優(yōu)選地設(shè)置在有效載荷上，但這些傳感器亦可設(shè)置在支撐有效載荷的地板上。因此，水平振動(dòng)傳感器可僅在其測(cè)量方向上比如通過(guò)雙鉸鏈或柔性梁連接至有效載荷。該振動(dòng)傳感器的其他五個(gè)自由度可通過(guò)線性導(dǎo)軌剛性連接至地面。該線性導(dǎo)軌可被設(shè)計(jì)為允許振動(dòng)傳感器機(jī)架在測(cè)量方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，但阻止該振動(dòng)傳感器機(jī)架在其他方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，包括當(dāng)有效載荷傾斜時(shí)，該振動(dòng)傳感器產(chǎn)生傾斜。圖3為根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的其他實(shí)施例的示意圖，該系統(tǒng)包括第一振動(dòng)傳感器04)，其在至多五個(gè)自由度上以高剛性與有效載荷相連接，且該傳感器被設(shè)計(jì)為用于測(cè)量水平振動(dòng)。該第一振動(dòng)傳感器從該有效載荷的傾斜中解耦。表示有效載荷的水平振動(dòng)的信號(hào)被發(fā)送至控制器(16)，該控制器控制水平致動(dòng)器(1 的位移。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二振動(dòng)傳感器0 ，該第二振動(dòng)傳感器被設(shè)計(jì)為測(cè)量在另一自由度上的振動(dòng)， 例如檢測(cè)垂直振動(dòng)。第二傳感器無(wú)需從傾斜振動(dòng)中解耦，盡管該第二傳感器可從傾斜振動(dòng)中解耦。表示有效載荷的垂直振動(dòng)的信號(hào)被發(fā)送至控制器( )，該控制器控制垂直致動(dòng)器 (27)的位移。要理解的是，這兩個(gè)控制器可組合成一個(gè)電子電路，以控制不同致動(dòng)器的位移。盡管振動(dòng)傳感器可為任何類型，但在用于以低頻(比如低于0.2Hz的頻率)隔離及阻尼振動(dòng)的系統(tǒng)中，優(yōu)選包括慣性參考質(zhì)量塊的振動(dòng)傳感器。在此種傳感器中，在該振動(dòng)傳感器可檢測(cè)的自由度上，該參考質(zhì)量塊以低剛性連接至振動(dòng)傳感器的外殼。由于以低剛性連接至該傳感器的外殼，故該參考質(zhì)量塊對(duì)于要檢測(cè)的振動(dòng)來(lái)說(shuō)，為慣性質(zhì)量塊。圖4示出了本發(fā)明中水平振動(dòng)的特定關(guān)聯(lián)性，當(dāng)用于測(cè)量水平振動(dòng)的振動(dòng)傳感器以角度α的幅度傾斜時(shí)，則該傾斜產(chǎn)生沿著傳感器的軸線(所假定的水平方向)的附加力，該附加力等于重力與該傾斜角的正弦的乘積F// = Fg*sin(a)。對(duì)于較小傾斜幅度，這會(huì)產(chǎn)生與重力成線性比例的力。對(duì)于垂直振動(dòng)傳感器，該附加力與該傾斜角的余弦成正比。 因此，盡管產(chǎn)生相同的作用，但對(duì)主動(dòng)式隔振的影響要小得多。通常比水平振動(dòng)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)的這種力，在小角度下可被忽略；其中，該小角度在最常見(jiàn)的干擾中是特有的。圖5為根據(jù)本發(fā)明的具有附加傳感器的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。 通過(guò)該實(shí)施例，將說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)施例包括剛性有效載荷(31)，其可在一個(gè)水平方向及一個(gè)垂直方向上移動(dòng)，且可圍繞同時(shí)垂直于水平平動(dòng)及垂直平動(dòng)的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在所有自由度上，即所有平動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，該有效載荷通過(guò) 5Hz的懸掛裝置(3 連接至剛性環(huán)境。該主動(dòng)式振動(dòng)系統(tǒng)包括三個(gè)設(shè)置于重心臂的振動(dòng)傳感器，兩個(gè)振動(dòng)傳感器034,3 可檢測(cè)垂直振動(dòng)，另一個(gè)振動(dòng)傳感器(3 可檢測(cè)水平振動(dòng)。
6這三個(gè)傳感器均具有在同一方向?qū)?zhǔn)的相應(yīng)的力致動(dòng)器(36，37，38)，該力致動(dòng)器可將力施加到有效載荷。這些致動(dòng)器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)控制器(39，39'，39")控制。圖6示出了用于致動(dòng)器到傳感器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的模型計(jì)算，以說(shuō)明圖5所示的實(shí)施例的性能。對(duì)于這些模型計(jì)算，這三個(gè)傳感器被模型化為線性導(dǎo)引的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。在該模型中，通過(guò)關(guān)閉相應(yīng)的傳感器與致動(dòng)器之間的控制環(huán)路，可預(yù)測(cè)慣性反饋系統(tǒng)的性能。 模擬了兩種情況，一種情況表示現(xiàn)有技術(shù)中的主動(dòng)式振動(dòng)系統(tǒng)，說(shuō)明了重力對(duì)傳感器的作用，另一種情況表示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的情況，在后一種情況的模擬中，重力省略不計(jì)。顯示了每個(gè)致動(dòng)器到每個(gè)傳感器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，實(shí)線表示包括重力作用的現(xiàn)有技術(shù)，虛線則表示未包括重力作用的本發(fā)明。在水平傳感器的低頻區(qū)域中，重力與無(wú)重力的情況之間具有明顯的差異；在有重力的情況中，與圍繞交叉頻率的相位相結(jié)合的低頻增益， 限制了可獲得的環(huán)路增益。在本實(shí)例中，當(dāng)包含重力作用時(shí)，可獲得的最大環(huán)路增益約為 35dB。而在不含重力作用的情況下，在該模型中并不限制可獲得的最大環(huán)路增益；實(shí)際上， 此增益僅僅受到傳感器噪聲以及/或者更高共振的限制。圖7示出了用于干擾力到有效載荷的重心運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的模型計(jì)算，以說(shuō)明圖5所示的實(shí)施例的性能。這些模型計(jì)算基于圖6中所示的相同假設(shè)。而且，實(shí)線表示包括重力作用(現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng))的情況，虛線表示未包括重力作用(根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng))的情況。在此模擬中，使用了相同(受重力限制)的控制器。這兩種情況之間的對(duì)角線傳遞函數(shù)大致上相同。但是，在圍繞水平軸線的力矩M0、 垂直方向上的力Fz、以及水平方向上有效載荷(payload)的運(yùn)動(dòng)、ayl。ad之間的非對(duì)角線關(guān)系中，可以看到柔性的大幅提高。這就意味著在該頻帶中施加力矩(或在質(zhì)心的臂施加力) 時(shí)，從重心的水平運(yùn)動(dòng)方面來(lái)說(shuō)，平面的反應(yīng)明顯大于水平力與水平運(yùn)動(dòng)之間的實(shí)際傳遞。 當(dāng)包含重力作用時(shí)，由于非對(duì)角線關(guān)系中的一個(gè)提高了柔性，因此，從有效載荷的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方面來(lái)說(shuō)，明顯降低了該慣性反饋系統(tǒng)的性能。沒(méi)有重力作用時(shí)，或者通過(guò)實(shí)施所提議的解決方法，低頻帶中的性能可與有效載荷的被動(dòng)式懸掛裝置一樣好。圖8示出了這樣的實(shí)施例對(duì)于至軸承體(例如機(jī)架)的連接來(lái)說(shuō)，用于實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)動(dòng)剛性；對(duì)于至有效載荷的連接來(lái)說(shuō)，用于實(shí)現(xiàn)低剛性。通過(guò)三個(gè)彎曲機(jī)構(gòu)，每個(gè)均包括位于固定到機(jī)架的鉸鏈(54)的剛性體(51)、和兩個(gè)柔性梁(52，52')，水平傳感器(5 具有至該機(jī)架的高轉(zhuǎn)動(dòng)剛性連接。對(duì)于其他自由度，該傳感器剛性連接至該有效載荷。轉(zhuǎn)動(dòng)軸線同時(shí)垂直于重力矢量(56)和檢測(cè)該有效載荷(5 的水平位移的水平振動(dòng)傳感器的測(cè)量方向。優(yōu)選結(jié)合所降低的低頻傾斜效應(yīng)(即傳感器到該機(jī)架的剛性連接)以及機(jī)架與振動(dòng)傳感器之間的高頻處的弱耦合。通過(guò)位于傳感器與機(jī)架之間的輔助質(zhì)量塊可獲得這種效應(yīng)。圖9中顯示了這種系統(tǒng)的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，鉸鏈(54)并未連接至機(jī)架，而是連接至輔助質(zhì)量塊(57)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)剛性(58)該輔助質(zhì)量塊(57)被進(jìn)一步連接至機(jī)架(13)，而該質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與傳感器(5 的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行。通過(guò)輔助質(zhì)量塊(通常在1和IOOkg 之間)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)剛性，可調(diào)整輔助質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)與傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)之間的耦合(|M|)所轉(zhuǎn)降(roll off)的頻率f；。。一般而言，輔助質(zhì)量塊相對(duì)于機(jī)架的用于轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛性比傳感器相對(duì)于輔助質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)剛性高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。圖10示出了主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)中，傳感器(61，61'，61〃)及致動(dòng)器(62，62'，62")的一種可能的方向。致動(dòng)器被設(shè)置在地面上或固定在支撐有效載荷(6 的機(jī)架(64)上。在包括不止一個(gè)傳感器/致動(dòng)器組合的系統(tǒng)中，傳感器及致動(dòng)器無(wú)需具有相同自由度。這就意味著傳感器的測(cè)量方向不必對(duì)應(yīng)于任何致動(dòng)器的位移方向。傳感器(61") 甚至可以以相對(duì)于重力的固定角度傾斜。本發(fā)明尤其適合用于支撐測(cè)試中的儀器(例如應(yīng)用于太空中的儀器)的平臺(tái)。但是，本發(fā)明也可用于各種設(shè)備的隔振，包含但不限于望遠(yuǎn)鏡、光刻設(shè)備及車輛等。該系統(tǒng)適合將有效載荷與外部振動(dòng)(比如源自地面的振動(dòng))隔離開(kāi)。此外，該系統(tǒng)也適合阻尼源自有效載荷本身的振動(dòng)，即含有移動(dòng)部件的設(shè)備或操作該設(shè)備的人員。振動(dòng)為各種類型的移動(dòng)，位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，定期地或不定期地。因此，本發(fā)明不僅涉及將有效載荷與源自其環(huán)境的振動(dòng)隔離開(kāi)，也涉及抵消源自其他來(lái)源(比如設(shè)置于該有效載荷上的設(shè)備)的振動(dòng)。該主動(dòng)式隔振系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)需隔離或阻尼的有效載荷的振動(dòng)。該傳感器不必檢測(cè)所有空間方向上的振動(dòng)。實(shí)際上，優(yōu)選使用僅僅具有有限數(shù)量(例如一個(gè)或兩個(gè))的自由度的傳感器。應(yīng)注意的是，不應(yīng)將本文中所用的任何術(shù)語(yǔ)解釋為限制本發(fā)明的范圍。具體地說(shuō)， 單詞“包括(comprise^)) ”和“包括(comprising) ”并非表示要排除未具體描述的任何構(gòu)件。單個(gè)構(gòu)件或元件可被多個(gè)構(gòu)件或元件或其等同物所替代。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員要理解的是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在不背離如所附權(quán)利要求書(shū)中所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，可進(jìn)行多種修改及添加。
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)(11)，包括需被隔離或阻尼的有效載荷(12)；振動(dòng)傳感器(14)，用于檢測(cè)所述有效載荷的振動(dòng)；致動(dòng)器(15)，用于相對(duì)于支撐所述有效載荷的軸承體(1 移動(dòng)所述有效載荷；以及控制器(16)，用于為所述致動(dòng)器提供表示所述振動(dòng)的信號(hào)；其特征在于，所述振動(dòng)傳感器(14)具有至所述有效載荷(12)的低剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及至有效載荷(1 的高剛性連接，用于產(chǎn)生所述振動(dòng)傳感器可檢測(cè)的振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述振動(dòng)傳感器(14)具有至所述軸承體(13)的高剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述振動(dòng)傳感器(14)的自由度中的至少一個(gè)通過(guò)高剛性連接至有效載荷(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述振動(dòng)傳感器(14)的自由度中的至少一個(gè)通過(guò)高剛性連接至軸承體(13)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述高剛性連接包括輔助質(zhì)量塊(57)，其通過(guò)第一轉(zhuǎn)動(dòng)剛性連接至傳感器(5 以及通過(guò)第二轉(zhuǎn)動(dòng)剛性連接至軸承體(13)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)用于檢測(cè)振動(dòng)的附加振動(dòng)傳感器(25)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述振動(dòng)傳感器04)適用于測(cè)量垂直于重力的振動(dòng)，所述附加傳感器0 適用于測(cè)量重力方向上的振動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中，所述振動(dòng)傳感器(14，M，25)中的至少一個(gè)包括慣性參考質(zhì)量塊。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述致動(dòng)器(1 為洛倫茲致動(dòng)器。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，包括三個(gè)水平振動(dòng)傳感器以及三個(gè)垂直振動(dòng)傳感器。
全文摘要
一種主動(dòng)式隔振阻尼系統(tǒng)(11)包括需被隔離或阻尼的有效載荷(12)；振動(dòng)傳感器(14)，用于檢測(cè)該有效載荷振動(dòng)；致動(dòng)器(15)，用于相對(duì)于支撐該有效載荷的軸承體(13)移動(dòng)該有效載荷；以及控制器(16)，用于為該致動(dòng)器提供表示該振動(dòng)的信號(hào)。該系統(tǒng)通過(guò)使用振動(dòng)傳感器而為傾斜問(wèn)題提供解決方法，該振動(dòng)傳感器具有至該有效載荷(12)的低剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且該振動(dòng)傳感器還具有至該有效載荷(12)的高剛性連接，用于產(chǎn)生該振動(dòng)傳感器可檢測(cè)的振動(dòng)。
文檔編號(hào)G05D19/02GK102459946SQ201080026064
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者N·里恩維爾德, T·科內(nèi)尼斯·范登杜爾 申請(qǐng)人:荷蘭應(yīng)用自然科學(xué)研究組織Tno