DE112009001816T5

DE112009001816T5 - System zur Vibrationsisolierung mit Konstruktion zum Entlasten von Nutzlastkräften, die auf einen Aktuator wirken

Info

Publication number: DE112009001816T5
Application number: DE112009001816T
Authority: DE
Inventors: Emil Mass. Kraner; Ulf Mass. Heide; Tony Mass. Lopes
Original assignee: Technical Manufacturing Corp
Current assignee: Technical Manufacturing Corp
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP2011530047A; WO2010014547A1; US20100030384A1

Abstract

Aktives Dämpfungssystem zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Vibrationsisolierungssystem, wobei das aktive Dämpfungssystem folgendes aufweist: einen Aktuator, der am Boden oder an einer Basisplattform gegenüber einer Nutzlast angebracht ist, um die dynamischen Kräfte auszugleichen, die auf das Vibrationsisolierungssystem wirken; eine Zwischenmasse, die an dem Aktuatorsystem abgestützt wird, um als Stabilitätspunkt zu wirken, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können; ein passives Dämpfungselement, das an einem Ende an die Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, die als Stabilitätspunkt wirkt; mindestens eine Entlastungsfeder, die zwischen der Zwischenmasse und der Basisplattform angeordnet ist, um das Gewicht von der Nutzlast, das auf den Aktuator wirkt, auf die Entlastungsfeder zu übertragen; und einen Sensor, der an der Zwischenmasse befestigt ist, um in Bezug auf die Bewegung der Zwischenmasse ein Signal zu erzeugen, so dass dem Aktuator...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme und Verfahren zur Vibrationsisolierung von einer abgestützten Nutzlast, und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum Entlasten abgestützter Nutzlastkräfte, die auf einen Aktuator in der Vibrationsisolierung wirken.
VORBEKANNTER STAND DER TECHNIK
Der Bedarf der Industrie nach Vibrationsisolierungen ist mit der Zunahme an Präzision und der Verwendung von Präzisionsgeräten und -anlagen gewachsen. Somit hat auch die Notwendigkeit zugenommen, dynamische Kräfte zu dämpfen und zu isolieren, wie beispielsweise Vibrationen aus der Umgebung oder externe Vibrationen, wobei die Toleranz für diese Kräfte, die auf diese Präzisionsgeräte wirken, immer geringer wird. Während beispielsweise die Abmessungen im Zusammenhang mit der Herstellung von Halbleitern als Mindestmerkmal immer kleiner werden, um diese Herstellungsverfahren mit beispielloser Komplexität durchzuführen, wobei äußerste Präzision aufrechterhalten wird, wurde die Bedeutung, eine im wesentlichen vibrationsfreie Umgebung bereitzustellen, in der diese Geräte wie Ultraviolett-Stepper, Halbleiter-Aligner und andere Geräte während des Herstellungsverfahrens arbeiten können, herausragend und klar.
Um die Vibration zu beherrschen, wurden aktive Dämpfer wie beispielsweise Schwingspulendämpfer oder Motorelemente verwendet. Insbesondere diese aktiven Dämpfer können dazu verwendet werden, relativ hohe Kompensationskräfte zu erzeugen, und zusammen mit Sensoren, die an der isolierten Nutzlast positioniert sind, können sie die Kräfte kompensieren, die durch die hohe Nutzlast erzeugt werden, die mit hoher Beschleunigung bewegt wird. Insbesondere diese aktiven Dämpfer können dazu verwendet werden, relativ hohe Kompensationskräfte zu erzeugen, und zusammen mit Sensoren, die an der isolierten Nutzlast positioniert sind, können sie die Kräfte kompensieren, die von der hohen Nutzlast, die mit hoher Beschleunigung bewegt wird, erzeugt werden. Doch aktive Dämpfer haben auch eine sehr begrenzte aktive Bandbreitenverstärkung. Insbesondere kann die Kopplung von Nutzlastresonanzen mit erfassten Ausgangssignalen die Stabilitätstoleranzen beeinträchtigen. Diese Begrenzung kann an der Servo-Loop-Stabilität liegen, die durch die erforderliche Befestigung von Vibrationssensoren an der isolierten Plattform, die ihre zahlreichen Resonanzen abtasten, begrenzt werden kann.
Für die Halbleiterindustrie hat zusätzlich zu der Nachfrage nach Senkung der Mindestgrößen, die Gesamtgröße von Wafern, die hergestellt werden, um den aktuellen Bedarf zu erfüllen, zugenommen. So liegt die Größe der Wafer, die derzeit hergestellt werden, bei ca. 300 mm bis 450 mm. Für die Herstellung dieser größeren Wafer müssen größere und schwerere Anlagen wie beispielsweise moving stages, wafer loader etc. verwendet werden. Bei diesen größeren und schwereren Anlagen werden durch die Bewegung ihrer Bauteile dynamische Kräfte erzeugt und die daraus resultierenden Vibrationen können sich ebenfalls deutlich erhöhen.
Um die von diesen größeren und schwereren Anlagen erzeugten Vibrationen auf eine akzeptable Toleranzstufe zu dämpfen und zu isolieren, müssen Verschiebeeinrichtungen wie beispielsweise ein Aktuator nicht nur in der Lage sein, die schwerere Anlage zu tragen, sondern auch in der Lage sein, eine ausreichende Verschiebung zu erzeugen, um die Kräfte, die auf die Anlage wirken, zu kompensieren, so dass die Vibration auf eine akzeptable Stufe gedämpft werden kann. Ein Aktuator ist im allgemeinen eine Vorrichtung, die eine Betätigungsfunktion einer Last ausführen soll, die an eine ihrer Schnittstellen befestigt ist. Diese Funktionen umfassen die Bewegung, die Positionierung und/oder Stabilisierung der abgestützten Nutzlast. Die Betätigung der Nutzlast kann mit Hilfe von zwei Betätigungspunkten durchgeführt werden, denen mechanische Schnittstellen des Aktuators entsprechen, und die die Betätigungsachse definieren. Einer der Betätigungspunkte kann an der Nutzlast befestigt werden, während der andere Punkt an einer Basis befestigt werden kann, die als mechanische Masse wirkt, um den Reaktionskräften entgegenzuwirken. Die Betätigung erfolgt allgemein entlang mindestens einer Richtung, der sogenannten Betätigungsrichtung entsprechend einem Freiheitsgrad des Aktuators, und sie wird durch Verformung des Aktuators zwischen den zwei Betätigungspunkten durchgeführt.
Die Verwendung größerer und stärkerer Aktuatoren, die nicht nur die größeren und schwereren Anlagen (d. h. die Nutzlast) tragen können, sondern auch die erzeugte Vibration bis auf eine akzeptable Toleranzstufe dämpfen und isolieren können, können teuer sein und sich aus Kostengründen verbieten.
In bestimmten Fällen haben einige Systeme zur Vibrationsisolierung eine Stützfeder eingesetzt, um das Gewicht (d. h. die statische Kraft) der abgestützten Nutzlast, die auf den Aktuator wirkt, zu verringern. Im allgemeinen wird eine solche Stützfeder parallel zu dem aktiven Dämpfungssystem positioniert, zu dem der Aktuator gehört, und sie verläuft von der abgestützten Nutzlast bis zum Boden, um das Gewicht der Nutzlast zu entlasten, das sonst auf den Aktuator wirken würde. Beispiele für Systeme zur Vibrationsisolierung, die eine solche Stützfeder verwenden, sind in der US-Druckschrift Nr. 2007/0273074 und in U.S.-Patent Nr. 6,752,250 genannt. Doch das Vorhandensein einer solchen Stützfeder verringert zwar das Gewicht der abgestützten Nutzlast auf den Aktuator, aber es kann tatsächlich die Wirkung des Systems der Vibrationsisolierung beeinträchtigen. Da die Stützfeder vom Boden zur Nutzlast verläuft, kann insbesondere eine externe Vibration oder Bodenvibration auf die Nutzlast übertragen werden und somit den Prozess der Vibrationsisolierung des aktiven Dämpfungssystems beeinträchtigen.
Demzufolge ist es wünschenswert, ein System zur Vibrationsisolierung bereitzustellen, dass das Gewicht von der abgestützten Nutzlast, die darauf wirkt, verringern kann (d. h. Entlasten des Gewichts von der abgestützten Nutzlast), und externe Vibration und Vibration aus der Umgebung oder von Komponenten des Systems zur Vibrationsisolierung kostengünstig und effizient aktiv isolieren kann, ohne den Prozess der Vibrationsisolierung zu beeinträchtigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur aktiven Vibrationsdämpfung bereit, das die statische Kraft (d. h. das Gewicht) von der abgestützten Nutzlast, die auf den Aktuator wirkt, entlasten kann, während der Bereich der dynamischen Kräfte über eine hohe Frequenzbandbreite gedämpft und aktiv unterdrückt wird, und das auf die Nutzlast wirken kann, ohne die Leistung des Systems zu beeinträchtigen. Dadurch, dass das System der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, das Gewicht von der abgestützten Nutzlast zu entlasten, kann ein relativ kleiner Aktuator verwendet werden, um eine Nutzlast von im wesentlichen ähnlicher Größe abzustützen, ohne den Prozess der Vibrationsisolierung zu beeinträchtigen. Alternativ kann ein Aktuator von im wesentlichen ähnlicher Größe verwendet werden, um eine größere Nutzlast abzustützen, ohne die Isolierung der dynamischen Kräfte, die darauf wirken, zu beeinträchtigen.
Das System zur Vibrationsdämpfung umfasst in einer Ausführungsart einen aktiv isolierten Dämpfer, der zwischen der Nutzlastmasse, wie beispielsweise einer isolierten Plattform, und einer Vibrationsquelle oder dynamischen Kräften, wie beispielsweise dem Boden, einem externen Gehäuse oder einer vibrierenden Basisplattform, angeordnet ist, um die dynamischen Kräfte von der Nutzlast zu dämpfen und zu isolieren. Der aktiv isolierende Dämpfer (”aktives Dämpfungssystem”) umfasst in einer Ausführungsart einen Aktuator zur Platzierung auf dem Boden, einem externen Gehäuse oder einer Basisplattform. Der Aktuator kann entsprechend seiner Konstruktion für den Ausgleich der dynamischen Kräfte, die auf das System wirken, verwendet werden. Der aktive Dämpfer kann auch eine Zwischenmasse besitzen, die von dem Aktuatorsystem abgestützt wird, um einen Stabilitätspunkt zu liefern, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können. In einer Ausführungsart kann die Zwischenmasse von der Nutzlast verschieden und elastisch von ihr abgekoppelt sein. Der aktive Dämpfer besitzt weiterhin ein passives Dämpfungselement, das an einem Ende an die Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, die entsprechend ihrer Konstruktion als Stabilitätspunkt wirkt, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte gedämpft werden können. In einer Ausführungsart kann das passive Dämpfungselement so wirken, dass es die dynamischen Kräfte von der Nutzlast zu dem Stabilitätspunkt lenkt, wo diese Kräfte gedämpft werden können. Zusätzlich kann mindestens eine Entlastungsfeder zwischen der Zwischenmasse und dem Boden angeordnet werden, um das Gewicht von der Nutzlast, das auf den Aktuator wirkt, auf die Entlastungsfeder zu übertragen. Insbesondere kann die Entlastungsfeder derart wirken, dass sie das Nutzlastgewicht, das auf den Aktuator wirkt, teilweise trägt. Ein Sensor kann ebenfalls an der Zwischenmasse angebracht werden, um für die nachfolgende Erzeugung eines Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse ein Feedback-Signal an den Aktuator zu erzeugen. Ein Modul mit verschiedenen Kompensationsschaltungen kann ebenfalls bereitgestellt werden, um das Signal von dem Sensor zu integrieren, damit der Aktuator einen Stabilitätspunkt an der Zwischenmasse erzeugen kann.
In einer weiteren Ausführungsart wird ein aktives Dämpfungssystem zur Verwendung in Verbindung mit einem System zur Vibrationsisolierung bereitgestellt. Das aktive Dämpfungssystem umfasst einen Aktuator zur Platzierung mit einem Ende auf dem Boden, einem externen Gehäuse oder einer Basisplattform, wobei das andere Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, die gemäß ihrer Konstruktion als Stabilitätspunkt wirkt. Bei dem Aktuator kann es sich in einer Ausführungsart um einen verstärkten Aktuator handeln, der den Hub erhöhen soll, welcher in Gegenwart einer proportional reduziert aufgewendeten Kraft auf die Nutzlast angewendet wird. Das aktive Dämpfungssystem umfasst auch ein passives Dämpfungselement, das an einem Ende an eine Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, um die abgestützte Nutzlast gegenüber den dynamischen Kräften zu isolieren. Mindestens eine Entlastungsfeder kann zwischen der Zwischenmasse und dem Boden angeordnet sein, um Gewicht von der Nutzlast, das auf das Aktuatorsystem wirkt, teilweise abzustützen. Ein Sensor kann ebenfalls an der Zwischenmasse befestigt sein, um zur anschließenden Erzeugung eines Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse ein Feedback-Signal an das Aktuatorsystem zu erzeugen. Eine Entlastungsfeder kann auch zwischen der Nutzlast und der Zwischenmasse parallel zu dem passiven Dämpfungselement vorgesehen sein, um das Gewicht der Nutzlast abzustützen. Die Entlastungsfeder kann zusammen mit dem passiven Dämpfungselement derart wirken, dass die abgestützte Nutzlast von der Zwischenmasse elastisch abgekoppelt wird.
In einer weiteren Ausführungsart wird ein Verfahren zur Vibrationsisolierung gegenüber einer Nutzlast, die auf einer isolierten Plattform abgestützt wird, bereitgestellt. Das Verfahren besteht darin, dass zunächst ein Aktuator auf einer Basisplattform oder auf dem Boden unter einer isolierten Plattform, die eine Nutzlast abstützen soll, positioniert ist. Danach kann eine Zwischenmasse an dem Aktuatorsystem angebracht werden, um anschließend die Erzeugung eines Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse zu ermöglichen. In einer Ausführungsart kann der Stabilitätspunkt ermöglichen, dass Vibrationen und andere dynamische Kräfte dorthin geleitet werden, um diese Vibrationen und anderen dynamischen Kräfte gegenüber einer Nutzlast zu dämpfen und zu isolieren. Die Zwischenmasse kann auch von der Nutzlast verschieden und elastisch abgekoppelt sein. Nachdem sich die Zwischenmasse an Ort und Stelle befindet, kann mindestens eine Entlastungsfeder unter der Zwischenmasse und auf der Basisplattform angeordnet werden. Aufgrund des Vorhandenseins der Entlastungsfeder ist es möglich, dass sich das Gewicht der Nutzlast, die auf das Aktuatorsystem wirkt, teilweise auf der Entlastungsfeder abstützt. Anschließend kann ein Ende eines passiven Dämpfers an die isolierte Plattform und ein gegenüberliegendes Ende an einen Bereich gekoppelt werden, in dem der Stabilitätspunkt an der Zwischenmasse erzeugt werden kann. Eine Stützfeder kann ebenfalls parallel zu dem passiven Dämpfer zwischen der Nutzlast und der Zwischenmasse bereitgestellt werden, um die abgestützte Nutzlast zu stabilisieren. Sobald die Komponenten an Ort und Stelle angebracht sind, kann die Bewegung der Zwischenmasse, die sich daraus ergibt, dass dynamische Kräfte durch die verschiedenen Komponenten zu ihr hingelenkt werden, erfasst, und es kann ein Feedback-Signal im Hinblick auf die Bewegung der Zwischenmasse erzeugt werden. Der Aktuator kann dann auf der Grundlage des Feedback-Signals in der Länge variiert werden, um die Zwischenmasse als Stabilitätspunkt zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein System zur aktiven Vibrationsisolierung und -dämpfung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
2A zeigt ein schematisches Diagramm eines aktiven Dämpfungssystems zur Verwendung in Verbindung mit dem System aus 1.
2B zeigt eine isometrische Ansicht eines Teils des aktiven Dämpfungssystems aus 2A.
3 zeigt ein aktives Dämpfungssystem zur aktiven Vibrationsisolierung und -dämpfung gemäß einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein System zur aktiven Vibrationsisolierung und -dämpfung gemäß einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein elektrisches Schaltbild, das die elektrischen Verbindungen zwischen Bewegungssensoren, Kompensationsschaltung und Aktuatoren in einem dreidimensionalen System zur Vibrationsisolierung oder -dämpfung zeigt.
6 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines aktiven Vibrationsdämpfungssystems entlang zweier Achsen.
BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSARTEN
1 zeigt ein aktives System zur Vibrationsisolierung 10 gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Das System 10 besitzt in einer Ausführungsart ein aktives Dämpfungssystem 11, das zwischen (i) einer isolierten Nutzlast 12 (d. h. einer isolierten Plattform und darauf abgestützten Nutzlast) und (ii) einer Vibrationsquelle, wie beispielsweise der Boden, ein externes Gehäuse oder eine vibrierende Basisplattform 14, positioniert ist, um Vibrationen und andere dynamische Kräfte gegenüber einer Übertragung auf die Nutzlast 12 zu dämpfen und zu isolieren. Das System 10 kann auch, gekoppelt an das aktive Dämpfungssystem 11, einen Mechanismus 15 aufweisen, mit dem das von der abgestützten Nutzlast 12 ausgeübte Gewicht entlastet wird, das sonst direkt auf Komponenten des aktiven Dämpfungssystems 11 wirken würde. Es wird darauf hingewiesen, dass 1 ein System zeigt, das sich mit aktiver oder dynamischer Vibrationsisolierung in einer von drei Dimensionen befasst. Diese Vereinfachung geschieht, um die Erläuterung zu erleichtern. Doch es sollte klar sein, dass das System 10 so verwendet werden kann, dass eine aktive Vibrationsisolierung bis zu allen sechs Freiheitsgraden möglich ist. Das aktive Dämpfungssystem 11, positioniert zwischen der isolierten Plattform 12 und einer Quelle der Vibration oder dynamischer Kräfte, wie beispielsweise der Boden, ein externes Gehäuse oder eine vibrierende Basisplattform 14, das die dynamischen Kräfte aus der Nutzlast 12 dämpfen und isolieren kann, umfasst in einer Ausführungsart einen Aktuator 16, der an die Basisplattform 14 gekoppelt werden kann, eine kleine Zwischenmasse 17 (”Zwischenmasse”), die auf dem Aktuator 16 abgestützt wird, sowie ein passives Dämpfungselement 18 und eine Stützfeder 20, die zwischen der Nutzlast 12 und der Zwischenmasse 17 angeordnet ist, um die statischen Kräfte (d. h. das Gewicht) der Nutzlast 12 und die dynamischen Dämpfungskräfte (d. h. die Vibration) aus der Nutzlast 12 abzustützen. Das aktive Dämpfungssystem 11 kann auch einen Bewegungssensor 19 aufweisen, der an der Zwischenmasse 17 befestigt ist, so dass die aus der Bewegung der Zwischenmasse 17 erzeugten Signale als Teil einer aktiven Feedback-Kompensationsschleife 191 kompensiert werden können, um der Zwischenmasse 17 über einen vorher festgelegten Bereich von Vibrationsfrequenzen Stabilität zu verleihen.
Unter Bezugnahme auf 2A–B wird in einer Ausführungsart ein aktives Dämpfungssystem 20 zur Verwendung in Verbindung mit einem System 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das aktive Dämpfungssystem 20 kann, wie das aktive Dämpfungssystem 11 aus 1, in einem Aspekt dazu verwendet werden, Vibrationen und andere dynamische Kräfte zu isolieren und zu dämpfen, die durch externe Kräfte oder Komponenten des Systems 10 erzeugt wurden, so dass sie nicht auf die Nutzlast 12 übertragen werden. Das aktive Dämpfungssystem 20 weist auf, wie veranschaulicht, einen Aktuator 21, der auf einer Basisplattform oder dem Boden 14 positioniert ist, eine Zwischenmasse 22, die auf dem Aktuator 21 abgestützt ist, und als Stabilitätspunkt (d. h. vibrationsfreier Punkt) wirkt, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte mit Hilfe eines passiven Dämpfungselementes 23 (”passiver Dämpfer) gedämpft werden können, und auf den auch statische Kräfte mit Hilfe einer Stützfeder 27 aufgewendet werden können.
Wie gezeigt, können sowohl das passive Dämpfungselement 23 als auch die Stützfeder 27 in einer Ausführungsart an einem Ende an die Nutzlast 24 (d. h. die isolierte Plattform und eine darauf abgestützte Nutzlast) und an einem gegenüberliegenden Ende an der Zwischenmasse 22, die als Stabilitätspunkt wirkt, gekoppelt werden. Das aktive Dämpfungssystem 20 kann auch mindestens eine Entlastungsfeder 25 aufweisen, die sich zwischen der Zwischenmasse 22 und dem Boden 14 (oder der Basisplattform) befindet, um ein Gewicht aus der Nutzlast 24, das auf den Aktuator 21 wirkt, teilweise abzustützen, sowie einen Sensor 26, der an der Zwischenmasse 22 befestigt ist, um in Abhängigkeit von der Bewegung der Zwischenmasse 22 ein Signal zu erzeugen, so dass dem Aktuator 21 für die anschließende Erzeugung eines Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse 22 ein Feedback geliefert werden kann.
Der Aktuator 21 besitzt in einer Ausführungsart ein unteres Ende 211, das an der vibrierenden Basisplattform oder am Boden 14 befestigt ist. Der Aktuator 21 besitzt auch ein oberes Ende 212, das im wesentlichen oder nahezu bewegungslos bleiben kann, mit dem Ziel, die Bewegung beispielsweise auf 0,01 Mal der Bewegung der Basisplattform oder des Bodens 14 zu minimieren. Das aktive Dämpfungssystem 20 der vorliegenden Erfindung kann im Zusammenhang mit dem Aktuator 21 so konstruiert sein, dass die Vibrationen der Basisplattform oder des Bodens 14 entlang der Achse Z, die im wesentlichen parallel zu der Verschiebungsachse des Aktuators 21 verläuft, gegenüber der Nutzlast isoliert werden.
In einer Ausführungsart der Erfindung kann der Aktuator 21 ein piezoelektrischer Stapel sein. In einer solchen Ausführungsart kann der Aktuator 21 ein erstes, im wesentlichen starres Element, beispielsweise einen Stapel 213, mit einer Länge entlang der Achse Z aufweisen, die in Abhängigkeit von einem daran angelegten Steuersignals variabel sein kann. In einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung kann der Aktuator 21 so ausgelegt sein, dass er eine maximale relative Stapelverlagerung von ungefähr 0,001 bis ungefähr 0,005 Zoll (in der Spitze) aufweist.
Als piezoelektrischer Stapel kann der Aktuator 21 als Motorfeder 214 mit ausreichender Steifigkeit ausgebildet sein. Die Steifigkeit der Feder 214 entlang ihrer Achse ermöglicht es dem Aktuator 21, dass er sich entsprechend dem angelegten Befehlssignal unabhängig von dem Gewicht (d. h. der statischen Kraft) der Nutzlast 24 leicht zusammenziehen oder ausdehnen kann. Die Steifigkeit der Feder 214 kann in einer Ausführungsart in der Steifigkeit mindestens eine Größenordnung und vorzugsweise zwei Größenordnungen höher sein als die der Entlastungsfeder 25. In einem Beispiel kann die Steifigkeit der Feder 214 ungefähr 1,9 Millionen pounds per inch betragen, während das Verhältnis Verschiebung-zu-Spannung ungefähr 1 Million Volt pro Zoll in der Spitze betragen kann.
Bei bestimmten Arten von Piezoaktuatoren, besonders jenen, die nur in eine Richtung Kraft erzeugen, kann es erforderlich sein, den Aktuator 21 vorzuspannen, so dass im tatsächlichen Betrieb verhindert werden kann, dass der Aktuator 21 in Spannung geht, und dass eine Rückstellkraft angewendet werden kann. Deshalb kann die Feder 214 zur Vorspannung des Aktuators 21 verwendet werden. In einer Ausführungsart kann es sich bei der Feder 214 um eine Stahlfeder handeln, die verwendet werden kann, um eine Vorspannungskompression zu liefern, die messbar größer ist als die dynamischen Kräfte, die an der Nutzlast 24 entlang einer Kompressionsachse, beispielsweise der Achse Z, erzeugt wurden. Die Feder 214 kann durch Verwendung einer Kompressionsstellschraube oder eines anderen, nicht gezeigten Mittels vorgespannt werden, um die erforderliche pound thrust force (Schubkraft) in Kompressionsrichtung bereitzustellen.
Auch wenn der Aktuator 21 als piezoelektrischer Aktuator gezeigt ist, sollte klar sein, dass es sich dabei um jeden beliebigen Aktuator handeln kann, solange dieser Aktuator in Verbindung mit dem aktiven Dämpfungssystem 20 verwendet werden kann. So kann beispielsweise jeder mechanische, elektrische, pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Aktuator oder jeder andere kommerziell erhältliche oder in der Branche bekannte Aktuator verwendet werden. In bestimmten Fällen kann es wünschenswert sein, den Hub dieses Aktuators, der auf die Nutzlast angewendet wird, zu erhöhen, insbesondere, wenn weniger Kraft von oder auf den schwächeren Aktuator angewendet werden kann. Auch wenn ein, in Bezug auf einen Aktuator, der sowohl die Masse der Nutzlast 24 abstützen als auch die dynamischen Kräfte handhaben muss, schwächerer Aktuator verwendet wird, können die Gesamtkosten des Systems 10 durch die Verwendung des schwächeren Aktuators reduziert werden. Zu diesem Zweck kann ein verstärkter Aktuator ähnlich dem in 2B gezeigten Aktuator 21 verwendet werden. Dieser verstärkte Aktuator kann je nach Anwendung entsprechend angepasst werden, so dass er, sofern dies gewünscht wird, bei Vorhandensein geringerer Last mehr Hub oder bei Vorhandensein von mehr Last weniger Hub bereitstellt.
In einem Beispiel kann, wenn die abgestützte Nutzlast M_p direkt durch den Aktuator 21 abgestützt werden würde, die Nutzlast-Resonanzfrequenz ungefähr 130 Schwingungen pro Sekunde betragen, wenn die Nutzlastmasse M_p beispielsweise ein Gewicht von ungefähr 1000 pounds hat. Eine solche Resonanzfrequenz kann zu einer Verringerung der Vibrationsisolierungsverstärkung führen. Es kann sein, dass die gewünschte Verstärkung bei Frequenzen nahe jener der Nutzlast-Resonanzfrequenz, die in diesem Fall 130 Schwingungen pro Sekunde betragen kann, nur schwer oder unmöglich zu erreichen ist. Ohne Korrektur verstärkt das System die Schwingung bei der Nutzlast-Resonanzfrequenz außerdem erheblich, und der Vorteil der Vibrationsisolierung kann größtenteils verlorengehen.
Um dieses Problem anzugehen, kann das aktive Dämpfungssystem 20 mit einer Zwischenmasse 22 versehen sein, die zwischen dem Aktuator 21 und der abgestützten Nutzlast 24 angeordnet ist. Die Zwischenmasse 22 kann in einer Ausführungsart durch eine Stützfeder 27 und einen passiven Dämpfer 23 von der Nutzlast 24 elastisch abgekoppelt sein, um als aktiv isolierender Punkt (d. h. vibrationsfreier Punkt) zu wirken, auf den die dynamischen Kräfte gedämpft werden können, so dass die dynamischen Kräfte vom Boden 14 oder anderen Komponenten des Systems 10 isoliert und nicht auf die Nutzlast 24 übertragen werden. In einer Ausführungsart kann die Zwischenmasse 22 einen Massenwert von M_s besitzen, der mindestens eine Größenordnung oder mehr (z. B. zwei Größenordnungen) kleiner sein kann als der Massenbereich, für dessen Abstützung oder Isolierung M_p das System 10 eventuell ausgelegt ist. Die Zwischenmasse 22 kann, wie in 2A dargestellt, ein im wesentlichen flaches Gehäuse mit einer Oberseite 221 und einer Unterseite 222 sein. Die Zwischenmasse 22 kann mit ihrer Unterseite 222 direkt am oberen Ende 212 des Aktuators 21 angeordnet sein. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, die Position der Zwischenmasse 22 über dem Aktuator 21 zu sichern, um seitliche oder radiale Bewegungen der Zwischenmasse 22 so gering wie möglich zu halten. Zu diesem Zweck kann jeder im Stand der Technik bekannte Mechanismus verwendet werden, um die Zwischenmasse 22 im wesentlichen an dem Aktuator 21 zu befestigen, und um die seitlichen oder radialen Bewegungen der Zwischenmasse 22 so gering wie möglich zu halten.
Es wird auf folgendes hingewiesen: da der Aktuator 21 in einer Ausführungsart der Erfindung Vibrationen und andere dynamische Kräfte, die von Komponenten des Systems 10 oder durch den Boden 14 erzeugt werden, isoliert, so dass sie nicht auf die Nutzlast 24 übertragen werden, wobei er gleichzeitig auf die statischen Kräfte ansprechen muss, die von der Masse (d. h. dem Gewicht) der Nutzlast 24 erzeugt werden, um die Masse der Nutzlast 24 zu verringern, die auf den Aktuator 21 angewendet werden könnte, können Entlastungsfedern 25 bereitgestellt werden. Wie in 2A gezeigt, können Entlastungsfedern 25 in einer Ausführungsart unter der Zwischenmasse 22 und auf jeder Seite des Aktuators 21 angeordnet sein, so dass das obere Ende 251 jeder Entlastungsfeder 25 an die Zwischenmasse 22 gekoppelt werden kann, während sich das untere Ende 252 jeder Entlastungsfeder 25 auf dem Boden 14 befinden kann. Durch das Vorhandensein von Entlastungsfedern 25 kann das Gewicht der Nutzlast 24, das auf den Aktuator 21 wirkt, auf die Entlastungsfedern übertragen werden. Mit anderen Worten, die Entlastungsfeder 25 kann so wirken, dass sie das Gewicht der Nutzlast 24, das auf den Aktuator 21 wirkt, teilweise abstützt.
Auch wenn die vorliegenden Erfindung mit zwei Entlastungsfedern 25 gezeigt ist, kann natürlich die Verwendung einer Entlastungsfeder oder mehrerer Entlastungsfedern 25 erwogen werden, sofern dies gewünscht wird. Wenn beispielsweise nur eine Entlastungsfeder 25 verwendet wird, kann diese Entlastungsfeder um den Aktuator 21 herum verlaufend unter der Zwischenmasse 22 angeordnet werden. Wenn jedoch drei oder mehr Entlastungsfedern 25 verwendet werden, so können diese Entlastungsfedern in beliebiger Art und Weise so angeordnet werden, dass das Gewicht von der Nutzlast 24 in hinreichendem Maße auf sie übertragen werden kann. Selbstverständlich können die Federn 25 auch an beliebiger Stelle angrenzend an den Aktuator 21 angeordnet werden, solange die Feder oder Federn unter der Zwischenmasse 22 angeordnet werden können.
Bei den Entlastungsfedern 25 kann es sich in einer Ausführungsart um Metallfedern, Schraubenfedern, Matrizenfedern oder beliebige andere ähnliche Federn handeln. Da die Entlastungsfedern 25 außerdem dazu dienen können, das Gewicht der Nutzlast 24, die auf den Aktuator 21 angewendet wird, zu reduzieren, müssen die Entlastungsfedern 25 im wesentlichen nicht so steif oder starr sein wie das starre Element des Aktuators 213. In einer Ausführungsart können die Entlastungsfedern 25 in der Steifigkeit mindestens eine Größenordnung niedriger liegen als die von dem Aktuator 21 gezeigte Steifigkeit.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Vorhandensein einer Entlastungsfeder oder von Entlastungsfedern 25 die teilweise Abstützung von Gewicht aus der Nutzlast 24 ermöglichen kann, das sonst auf den Aktuator 21 wirken könnte. Als solches kann es durch das Vorhandensein einer Entlastungsfeder oder mehrerer Federn 245 möglich sein, dass das Dämpfungssystem 20 nur einen Aktuator oder weniger Aktuatoren 21 einsetzt als sonst erforderlich wären, um die erforderliche Dämpfung in hinreichender Form zu erreichen, selbst wenn die Masse der Nutzlast 24 zunimmt. Außerdem kann im Vergleich zu einem Aktuator, der die Masse der Nutzlast 24 abstützen und die dynamischen Kräfte angehen muss, ein kostengünstigerer und schwächerer Aktuator eingesetzt werden. Wenn ein Aktuator verwendet wird, der genauso stark ist wie ein Aktuator, der die Masse der Nutzlast 24 abstützen muss, während er auch die dynamischen Kräfte angeht, kann diese zusätzliche Kraft aus dem verstärkten Aktuator selbstverständlich dazu verwendet werden, eine wesentlich schwerere Last, beispielsweise eine mindestens doppelt so schwere Last, abzustützen, wobei er immer noch in der Lage ist, die dynamischen Kräfte anzugehen, um die erforderliche Vibrationsdämpfung bis zu einer tolerierbaren Stufe zu liefern.
Doch das Vorhandensein von Entlastungsfedern 25 in einem aktiven Dämpfungssystem 20 kann auch die Isolierung dynamischer Kräfte, die die Nutzlast 24 beeinflussen, beeinträchtigen. Insbesondere da Entlastungsfedern 25 derart positioniert sein können, dass das untere Ende 252 jeder Entlastungsfeder 25 den Boden 14 berührt, kann es sein, dass die Vibration oder die dynamischen Kräfte von dem Boden 14 über die Entlastungsfedern 25 auf die Zwischenmasse 22 und über den passiven Dämpfer 23 schließlich auf die Nutzlast 24 übertragen werden.
Um zu erreichen, dass die Vibration oder die dynamischen Kräfte, die von den Systemkomponenten (d. h. der Basisplattform oder dem Boden 14) erzeugt werden, so wenig wie möglich auf die Nutzlast 24 übertragen werden, kann das aktive Dämpfungssystem 20 eine Feedback-Kompensationsschleife ähnlich der Kompensationsschleife 191 in 1 besitzen. Diese Kompensationsschleife besitzt in einer Ausführungsart einen Sensor 26. Der Sensor 26 kann, wie gezeigt, an der Zwischenmasse 22 angeordnet sein und liefert ein Feedback-Signal, das verarbeitet wird, so dass man die Bewegung oder Verschiebung durch die Zwischenmasse 22 erhält. Insbesondere kann das Feedback-Signal von dem Sensor 26 an ein Modul, ähnlich dem Modul 192 in 1, übertragen werden, welches das Signal integriert, um die Verschiebung zu erhalten und die Verstärkung zu erhöhen. Das Modul 192 kann in einer Ausführungsart so ausgeführt sein, dass es beispielsweise ein Befehlssignal an den Aktuator 21 anlegt, und eine variable Spannung an den Piezoaktuator 21 sendet, um entsprechend ein Zusammenziehen oder eine Ausdehnung zu verursachen.
Der Sensor 26 kann in einer Ausführungsart ein Servobeschleunigungsmesser sein oder ein beliebiger Vibrationssensor wie beispielsweise ein Geophon sein. Das Signal von dem Sensor 26 kann in einer Ausführungsart proportional zu der relativen Beschleunigung oder Geschwindigkeit oder Position in Bezug auf die ”frei schwebende” Trägheitsmasse innerhalb oder außerhalb des Sensors sein. Der Sensor 26 und die dazugehörigen Kompensationsschaltungen, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können ähnlich der in U.S. Patent Nr. 5,823,307 offenbarten sein, wobei dieses Patent durch Verweis hiermit in diese Beschreibung integriert ist.
Das resultierende Feedback-Signal von dem Sensor 26 kann dann dazu verwendet werden, dass sich der Aktuator 21 als Reaktion auf die dynamischen Kräfte von den Entlastungsfedern 25 sowie vom Boden 14 oder anderen Komponenten des Systems 10 hinreichend ausdehnen oder zusammenziehen kann, und zwar bei einer Frequenz, die, wenn sie auf die Zwischenmasse 22 wirkt, es ermöglichen würde, dass die Zwischenmasse 22 als Stabilitätspunkt (d. h. vibrationsfreier Punkt) wirkt. Die Zwischenmasse 22, die in einer Ausführungsart als Stabilitätspunkt wirkt, kann zur Dämpfung der dynamischen Kräften und zur Isolierung dieser Kräfte mittels passivem Dämpfer 23 verwendet werden, so dass diese Kräfte nicht auf die Nutzlast 24 übertragen werden. Da die Nutzlast 24 durch den passiven Dämpfer 23 abgestützt werden kann, kann die Position des passiven Dämpfers 23, die im wesentlichen als Stabilitätspunkt direkt auf die Zwischenmasse 22 wirkt, es insbesondere ermöglichen, dass die Vibrationen und andere dynamische Kräfte vom Boden 14 oder von anderen Komponenten von der Nutzlast 24 isoliert werden und über den passiven Dämpfer 23 nicht auf die Nutzlast 24 übertragen werden. Die Stützfeder 27 kann beispielsweise entsprechend ihrer Auslegung eine hohe Verstärkung bei Resonanzfrequenz erzeugen, die die Stabilität der abgestützten Nutzlast 24 beeinträchtigen kann. Der passive Dämpfer 23 kann diese Kräfte oder andere geringe dynamische Kräfte, die auf die Nutzlast 24 wirken oder von ihr herrühren, auf die Zwischenmasse 22 und somit den Stabilitätspunkt lenken. Somit bleibt die Nutzlast 24 im wesentlichen frei von Vibrationen und anderen dynamischen Kräften, die beispielsweise von dem Boden 14 erzeugt werden.
Die Stützfeder 27 kann, wie in 2A gezeigt, zwischen der Nutzlast 24 und der Zwischenmasse 22 im wesentlichen parallel und in einem Abstand zu dem passiven Dämpfer 23 angeordnet sein. In einer Ausführungsart kann die Stützfeder 27 die statischen Kräfte aus der Nutzlast 24 angehen, indem sie das Gewicht der Nutzlast 24 abstützt. Außerdem kann die Stützfeder 27 eine hohe Frequenzisolierung oberhalb der aktiven Frequenzbandbreite bereitstellen. Da die Stützfeder 27 im wesentlichen direkt auf der Zwischenmasse 22, die als Stabilitätspunkt wirkt, angeordnet werden kann, können insbesondere Vibrationen und andere dynamische Kräfte vom Boden 14 oder anderen Komponenten von der Nutzlast 24 isoliert werden, da diese Vibrationen auf die Zwischenmasse 22 gedämpft werden können und über die Stützfeder 27 nicht auf die Nutzlast 24 übertragen werden. Somit bleibt die Nutzlast 24 im wesentlichen frei von Vibrationen und anderen dynamischen Kräften, die beispielsweise vom Boden 14 erzeugt werden. Außerdem kann das Vorhandensein der Stützfeder 27 derart wirken, dass die Nutzlast 24 im wesentlichen parallel zu der Zwischenmasse 22 verbleibt. Auch wenn 2A nur eine Stützfeder 27 zeigt, sollte klar sein, dass beispielsweise je nach der Steifigkeit der Stützfeder 27 in Bezug auf die Masse der Nutzlast 24 weitere Stützfedern 27 verwendet werden können. Demzufolge können zwei oder mehr Stützfedern 27 verwendet werden, solange die Nutzlast 24 im wesentlichen parallel zu der Zwischenmasse 22 aufrechterhalten werden kann. Die Stützfeder 27 kann in einer Ausführungsart in der Steifigkeit ungefähr zwei Größenordnungen niedriger sein als die des Aktuators und es kann sich dabei um eine Metallfeder, eine Schraubenfeder, eine Matrizenfeder, eine passive pneumatische Feder, eine pneumatische Feder mit aktiver Niveauregulierung oder ähnliche Federn handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung können der passive Dämpfer und die Zwischenmasse miteinander verbunden sein, so dass sowohl der passive Dämpfer als auch die Zwischenmasse im wesentlichen in einer einzigen Einheit integriert sind. In 3 ist eine einzige Einheit 30 mit einer Zwischenmasse 31 und einem passive Dämpfer 35 gezeigt. Die Zwischenmasse 31 kann in einer Ausführungsart direkt oben auf dem Aktuator 31 positioniert und von der Nutzlast 24 elastisch abgekoppelt sein. Um die Position der Zwischenmasse 31 über dem Aktuator 21 zu sichern und die seitlichen oder radialen Bewegungen der Zwischenmasse 31 so gering wie möglich zu halten, kann ein externes Gehäuse 33 bereitgestellt werden, in dem der Aktuator 21 und die Zwischenmasse 31 angeordnet werden können. In einer Ausführungsart kann das Gehäuse 33 einen oberen Abschnitt 331 und einen unteren Abschnitt 332 aufweisen, die entlang einer ”Z”-Achse axial zueinander verschoben werden können. Eine Strebe 34 kann entlang des Gehäuseinneren 33 vorgesehen sein, zwischen der die Zwischenmasse 31 angeordnet sein kann, um die lateralen oder radialen Bewegungen der Zwischenmasse 31 weiter zu minimieren. Selbstverständlich können auch jegliche anderen Mechanismen im Stand der Technik verwendet werden, um die seitlichen oder radialen Bewegungen der Zwischenmasse 31 zu minimieren, beispielsweise ein O-Ring, der zwischen der Zwischenmasse 31 und dem Gehäuseinneren 33 verkeilt wird. In der in 3 gezeigten Ausführungsart kann die Strebe 34 durch Befestigungselemente 341 an dem Gehäuse 33 befestigt werden und die Zwischenmasse 31 kann zwischen der Strebe 34 ebenfalls mit Hilfe von Befestigungselementen 341 befestigt werden. Die Strebe 34 kann in einer Ausführungsart aus einem flexiblen Material hergestellt sein, um eine geringfügige axiale Bewegung des oberen Abschnittes 331 des Gehäuses 33 gegenüber dem unteren Abschnitt 332 des Gehäuses 33 aufzunehmen.
Weiterhin unter Bezugnahme auf 3 kann der passive Dämpfer 35 zwischen der Zwischenmasse 31 und der isolierten Plattform eingeschoben und Teil der Zwischenmasse 31 sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass ein separater passiver Dämpfer unabhängig von der Zwischenmasse bereitgestellt werden kann, wie in 2A gezeigt. Die Bereitstellung einer Zwischenmasse 31 und eines passiven Dämpfers 35 schafft, wie oben angegeben, einen aktiv isolierten Punkt (d. h. einen vibrationsfreien Punkt), auf den die dynamischen Kräfte gedämpft werden können, und sie ermöglicht außerdem eine Feedback-Verstärkung bei sehr hohen Frequenzen, da der passive Dämpfer 35 bei diesen hohen Frequenzen eine passive Vibrationsisolierung liefern kann.
In der in 3 gezeigten Ausführungsart kann der passive Dämpfer 35 ein elastischer Fluiddämpfer sein, der eine viskose Flüssigkeit 351 wie beispielsweise Öl, Silikonöl oder jede andere viskose Flüssigkeit in dem Gehäuse 32, das die Zwischenmasse 31 definiert, enthalten kann. Der passive Dämpfer 35 kann auch einen Kolben 352 umfassen, der im wesentlichen vertikal entlang der Z-Achse in die viskose Flüssigkeit in dem Gehäuse 32 verläuft. Für das Ausfahren des Kolbens 352 in das Gehäuse 32 kann eine Öffnung 324 vorgesehen sein. Der Kolben 352 besitzt in einer Ausführungsart eine Stange 353 mit einem äußeren Ende 354 zur Anordnung an der isolierten Plattform, die die Nutzlast abstützt, und einem inneren Ende 355 zur Anordnung innerhalb der viskosen Flüssigkeit 351. Die Stange 353 kann gemäß einer Ausführungsart in der aktiven Achse, beispielsweise der Z-Achse, stark und starr und entlang der im wesentlichen senkrecht zu der Stange 353 verlaufenden Ebenen weniger starr sein. Der Kolben 352 besitzt außerdem am Innenende 355 der Stange 353 eine breitere Oberfläche wie beispielsweise eine Platte 356. Bei Vibrationen von dem System 10 wirkt die Platte 356 so, dass der passive Dämpfer 35 die erforderliche Dämpfungswirkung erzeugen kann. In einer Ausführungsart kann es sich bei der Platte 356 um eine massive Platte handeln. Doch die Platte 356 kann auch perforiert sein, um die Dämpfungswirkung zu erreichen. Auch wenn er als Fluiddämpfer beschrieben wird, kann es sich bei dem passiven Dämpfer 35 um jeden im Stand der Technik bekannten Dämpfer handeln.
Wenn sich der Kolben 352 zur Erzeugung des erforderlichen Dämpfungseffektes innerhalb des Gehäuses 32 auf und ab bewegt, kann die Platte 356 eine Breite aufweisen, die messbar größer ist als die Öffnung 324 des Gehäuses 32, um die Möglichkeit, dass der Kolben 352 aus dem Gehäuse 32 verdrängt wird, so gering wie möglich zu halten. Um außerdem während der Bewegung des Kolbens 352 einen möglichen Verlust der viskosen Flüssigkeit 351 aus dem Gehäuse 32 der Zwischenmasse 31 zu verhindern, kann eine Abdeckung 326, wie beispielsweise eine flexible Membran, über der Öffnung 324 angebracht werden. Wenn eine Abdeckung 326 verwendet wird, kann es erforderlich sein, ein nicht gezeigtes Loch in der Abdeckung 326 herzustellen, so dass die Stange 353 des Kolbens 352 durch dieses Loch aufgenommen werden kann. Das Loch kann in einer Ausführungsart ausreichend klein sein, so dass eine im wesentlichen feste Abdichtung mit der Stange 353 des Kolbens 352 geschaffen wird.
In einer Ausführungsart kann eine Feder 36, die dazu verwendet werden kann, um den Aktuator 21 in einen vorgespannten Kompressionszustand zu bringen, um das Gehäuse 32 herum angeordnet werden. Um die Feder 36 um das Gehäuse 32 herum zu halten, kann sie zwischen der Strebe 34 in einem Abstand zwischen der Zwischenmasse 31 und dem Inneren des Gehäuses 33 angeordnet werden.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, sollte klar sein, dass die Einheit 30 auch Entlastungsfedern ähnlich der in 2A–B gezeigten Entlastungsfedern 25 aufweisen kann. Diese Entlastungsfedern können in einer Ausführungsart zwischen dem Gehäuse 32 der Zwischenmasse 31 und der Basis des unteren Abschnittes 332 des Gehäuses 33 angeordnet sein. Außerdem können diese Entlastungsfedern ebenso wie die Entlastungsfedern 25 dazu verwendet werden, das Nutzlastgewicht, das auf einen Aktuator wirkt, zu reduzieren. Insbesondere können sie in Verbindung mit mechanischen, elektronischen, pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Aktuatoren oder jedem anderen, kommerziell erhältlichen oder in der Branche bekannten Aktuator verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 4 und wie schon zuvor erwähnt, besitzen viele der abgestützten Nutzlasten auf der isolierten Plattform 12 sich bewegende, mechanische Komponenten, die Kräfte erzeugen können, welche auf die Nutzlast wirken, und verursachen, dass sie als Reaktion darauf vibriert. Demzufolge kann es wünschenswert sein, dass sich das Dämpfungssystem 10 der Bewegung der abgestützten Nutzlast aufgrund von durch die Nutzlast induzierten Kräften widersetzt oder diese minimiert. Dazu kann ein zweiter Bewegungssensor 41 in Verbindung mit dem System 10 verwendet werden. Der Sensor 4, bei dem es sich um einen absoluten Geschwindigkeitssensor oder einen relativen Verschiebungssensor handeln kann, kann auf der isolierten Plattform 13 montiert werden. Die Signale von dem Sensor 41 können mit Signalen von dem Sensor 19 an der Zwischenmasse 17 kombiniert und in diese integriert werden, um anschließend die Vibrationssteuerung der isolierten Plattform 13 zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsart kann das System 10 einen dritten Bewegungssensor 42 aufweisen, der auf der vibrierenden Basisplattform 14 oder auf dem Boden montiert ist. Ein Signal von dem Sensor 42 kann an das Modul 192 übertragen werden, welches dann das Signal integriert, um die Verschiebung zu erhalten und die Verstärkung zu erhöhen. Das resultierende integrierte Signal kann danach durch das Modul 192, das verschiedene Kompensationsschaltungen enthält, verarbeitet und als Mitkopplungssignal verwendet werden, um die Ausdehnung und die Kontraktion des Aktuators 16 zu steuern, so dass die Bewegungen der vibrierenden Basis kompensiert werden.
Immer noch unter Bezugnahme auf 4 kann das System 10 auch eine Feder 43 aufweisen, die an einem Ende an der isolierten Plattform 12 und am gegenüberliegenden Ende an dem passiven Dämpfer 18 in Reihe befestigt ist. Auf diese Art und Weise kann die Feder 43 mit einer Resonanzfrequenz von mindestens einer Größenordnung höher als der der Stützfeder 44 die Verstärkung der Vibrationsisolierung für das System 10 bei höheren Frequenzen verbessern.
Auch wenn gezeigt ist, dass die Zwischenmasse und das System der vorliegenden Erfindung die Vibrationen entlang einer Achse, d. h. der ”Z”-Achse, aktiv isolieren, so können sie auch zur aktiven Isolierung der Vibrationen entlang der ”X”, ”Y” und ”Z”-Achse ausgelegt sein. 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild auf hoher Ebene, das die elektrischen Verbindungen zwischen den Bewegungssensoren, der Kompensationsschaltung und den Aktuatoren in einem dreidimensionalen Vibrationsdämpfungssystem darstellt. Ein allgemein mit 50 bezeichnetes elektronisches Steuergerät umfasst die Kompensationsschaltungen 51, 52 und 53. Jede dieser Kompensationsschaltungen ist ähnlich der in dem U.S. Patent Nr. 5,823,304 offenbarten Kompensationsschaltung, die, wie zuvor erwähnt, durch Verweis in diese Patentbeschreibung aufgenommen wird.
Die Kompensations-/Steuerschaltung 51 kann in einer Ausführungsart vorgesehen sein, um Sensorsignale von dem vertikalen Nutzlastsensor ”Z” 41 zu empfangen, der die Bewegungen der Nutzlast entlang der ”Z”-Achse abtastet, und von dem vertikalen Zwischenmassen-Sensor ”Z” 19, der die Bewegungen der Zwischenmasse entlang der ”Z”-Achse abtastet. Die Kompensations-/Steuerschaltung 52 empfängt dagegen Sensorsignale von einem horizontalen Nutzlastsensor ”Y” 54, der die Bewegungen der Nutzlast entlang der ”Y”-Achse abtastet, und von einem Zwischenmassen-Sensor ”Y” 55, der die Bewegungen in der ”Y”-Richtung der Zwischenmasse abtastet. Die Kompensations-/Steuerschaltung 53 empfängt. Signale von einem horizontalen Nutzlast-Sensor ”X” 56 und einem Zwischenmasse-Sensor 57 in ”X”-Richtung.
Es sollte klar sein, dass die Kompensationsschaltung der vorliegenden Erfindung in analoger oder digitaler Form erfolgen kann. Außerdem kann die Kompensationsschaltung so ausgelegt sein, dass sie Signale von dem Sensor empfängt, der sich an der vibrierenden Basisplattform befindet, wie beispielsweise der Sensor 32 in 3. Darüberhinaus kann die Kompensationsschaltung als einzelnes Modul verwendet werden, das Bewegungssignale von jedem der sechs Freiheitsgrade empfangen und damit einhergehende Vibrationen kompensieren kann. Alternativ kann eine Vielzahl von Kompensationsmodulen, beispielsweise sechs Kompensationsmodule, verwendet werden, wobei jeder für jeden der sechs Freiheitsgrade vorgesehen ist.
In 6 wird ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines aktiven Vibrationsdämpfungssystems 60 in zwei Dimensionen dargestellt. Das System 60 umfasst eine abgestützte Nutzlast M, die auf einem passiven Dämpfer 61 ruht, der wiederum durch eine Zwischenmasse 62 abgestützt sein kann. Ein Scherentkoppler 63 kann zwischen der Zwischenmasse 62 und einem vertikalen Aktuator 64 eingeschoben sein. Das System 60 stellt auch eine aktive Vibrationsisolierung in einer Richtung senkrecht zu der Kraft bereit, die von der Nutzlast ausgeübt wird, d. h. entlang der ”Y”-Achse. Diese Isolierung kann mit Hilfe eines radialen Aktuators 65, beispielsweise eines piezoelektrischen Motors, und eines radialen Scherentkopplers 66, der zwischen dem Aktuator 65 und der Zwischenmasse 62 angeordnet ist, durchgeführt werden. Der radiale Aktuator 65 kann in einer Ausführungsart in gewisser Art und Weise an dem vibrierenden Boden, am externen Gehäuse, an der Basis F befestigt sein. Es sollte klar sein, dass die axiale Steifigkeit eines jeden Scherentkopplers hoch bleiben kann, während die radiale Steifigkeit relativ niedrig bleiben kann, wenn das Verhältnis der belasteten Fläche zur unbelasteten Fläche groß ist. In einer Ausführungsart der Erfindung kann das Verhältnis der axialen Steifigkeit zur radialen Steifigkeit des Scherentkopplers mindestens eine und vorzugsweise zwei oder mehr Größenordnungen betragen.
Da es wünschenswert ist, dass sich die Zwischenmasse 62 entlang der ”Z”-Achse bewegt und sich nicht dreht, wenn sich der vertikale Aktuator 64 ausdehnt und/oder zusammenzieht, kann der Scherentkoppler 66 auf der anderen Seite der Zwischenmasse 62 durch den Scherentkoppler 68 und das Federelement 67 ausgeglichen werden. Wie in 6 gezeigt, kann das Federelement 67 zwischen einer Vibrationsquelle, beispielsweise einer Erweiterung des Bodens, dem externen Gehäuse oder einer vibrierenden Basis F und dem Scherentkoppler 68 angeordnet sein, der wiederum zwischen dem Federelement 67 und der Zwischenmasse 62 angeordnet sein kann. Die lineare Anordnung des radialen Aktuators 65) des Scherentkopplers 66, des Scherentkopplers 68 und des Federelementes 67 kann in einer Richtung senkrecht zum Papier, d. h. der ”X”-Achse, aus der Perspektive in 5 wiederholt werden, um eine Vibrationsisolierung in alle drei Richtungen und entlang der sechs Freiheitsgrade zu erreichen.
Das Federelement 67 kann in einer Ausführungsart so ausgelegt sein, dass es entlang der ”Y”-Achse eine relativ niedrige Steifigkeit und in allen Richtungen senkrecht zu der ”Y”-Achse eine relative hohe radiale Steifigkeit aufweist. Auf diese Art und Weise kann sich der radiale Aktuator 65 aufgrund des Federelementes 67 entsprechend dem Befehlssignal, das an ihn angelegt wird, leicht zusammenziehen oder ausdehnen. Außerdem kann die Scherablenkung, die beispielsweise durch Bewegung des die Nutzlast abstützenden, vertikalen Aktuators 64 verursacht wird, durch Einschieben des Entkopplers 66 zwischen den radialen Aktuator 65 und die Zwischenmasse 64 in einem Beispiel auf ungefähr 0,7% der Bewegung des radialen Aktuators 65 gesenkt werden.
Zusammengefasst wurde ein aktives Vibrationsdämpfungssystem aufgezeigt und beschrieben. Das Vibrationsdämpfungssystem gemäß einer Ausführungsart der Erfindung dämpft und isoliert erzeugte dynamische Kräfte und verhindert, dass sie auf die Nutzlast übertragen werden, während es das Nutzlastgewicht, das auf den Aktuator wirkt, verringert. Insbesondere liefert das System einen aktiv isolierten Dämpfer, der zwischen der Nutzlastmasse (d. h. der isolierten Plattform) und der Vibrationsquelle (d. h. der Basisplattform) eingeschoben ist, um die Resonanzfrequenz und die erforderliche Verstärkung zu reduzieren. Der aktive Dämpfer kann so ausgelegt sein, dass er die dynamische Vibration angeht, und er umfasst mindestens einen Aktuator, eine Zwischenmasse, die von dem Aktuator abgestützt wird, und einen passiven Dämpfer zwischen der Zwischenmasse und der isolierten Plattform, sowie eine Entlastungsfeder parallel zu dem Aktuator, die zwischen der Zwischenmasse und dem Boden angeordnet ist. Die Zwischenmasse kann, zusätzlich dazu, dass sie von dem Aktuator vertikal entlang der ”Z”-Achse abgestützt ist, durch zusätzliche Aktuatoren entlang der ”X”- und ”Y”-Achse radial abgestützt werden. Das System stellt auch eine Schaltung zum Ansteuern der Aktuatoren in Abhängigkeit von Verschiebungssignalen, die von den Sensoren in der Zwischenmasse in vertikaler Richtung oder in der Richtung ”X”, ”Y” und ”Z” erzeugt werden. Da als Entlastung in einer Ausführungsart mindestens eine Entlastungsfeder verwendet werden kann, kann der Aktuator, der in Verbindung mit dem aktiven Dämpfer der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kleiner und kostengünstiger sein als ein Aktuator, der in einem herkömmlichen Vibrationsisolierungssystem verwendet wird, bei dem das Gewicht der Nutzlast von dem Aktuator abgestützt werden muss.
Auch wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsarten beschrieben worden ist, so sollte dem Fachmann auf diesem technischen Gebiet klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und sie durch äquivalente Ausführungsarten ersetzt werden kann, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzbereich der Erfindung zu entfernen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um sie an eine bestimmte Situation, Anweisung, Stoffzusammensetzung, an bestimmtes Material, an einen bestimmten Verfahrensschritt oder an bestimmte Verfahrensschritte anzupassen, ohne sich dadurch von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzbereich der Erfindung zu entfernen. Alle diese Modifikationen liegen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche.
Zusammenfassung
Es wird ein aktives Dämpfungssystem zur Verwendung im Zusammenhang mit einem System zur Vibrationsisolierung bereitgestellt. Das aktive Dämpfungssystem besitzt einen Aktuator zur Platzierung auf dem Boden und eine Zwischenmasse, die an dem Aktuator abgestützt ist, um als Stabilitätspunkt zu wirken, auf den dynamische Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können. Das aktive Dämpfungssystem weist auch ein passives Dämpfungselement und eine Stützfeder auf, die beide an einem Ende an eine Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt sind. Mindestens eine Entlastungsfeder kann zwischen der Zwischenmasse und dem Boden angeordnet sein, um ein Gewicht von der Nutzlast, das auf den Aktuator wirkt, teilweise abzustützen. Ein Sensor kann auch an der Zwischenmasse befestigt sein, um ein Feedback-Signal an den Aktuator zu erzeugen, damit dieser anschließend auf die Zwischenmasse wirken kann, so dass diese als Stabilitätspunkt wirken kann. Ein System und Verfahren zur Isolierung dynamischer Kräfte unter Verwendung eines solchen aktiven Dämpfers wird ebenfalls bereitgestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0273074 [0007]
US 6752250 [0007]
US 5823307 [0036]
US 5823304 [0048]

Claims

Aktives Dämpfungssystem zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Vibrationsisolierungssystem, wobei das aktive Dämpfungssystem folgendes aufweist: einen Aktuator, der am Boden oder an einer Basisplattform gegenüber einer Nutzlast angebracht ist, um die dynamischen Kräfte auszugleichen, die auf das Vibrationsisolierungssystem wirken; eine Zwischenmasse, die an dem Aktuatorsystem abgestützt wird, um als Stabilitätspunkt zu wirken, in Bezug auf den die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können; ein passives Dämpfungselement, das an einem Ende an die Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, die als Stabilitätspunkt wirkt; mindestens eine Entlastungsfeder, die zwischen der Zwischenmasse und der Basisplattform angeordnet ist, um das Gewicht von der Nutzlast, das auf den Aktuator wirkt, auf die Entlastungsfeder zu übertragen; und einen Sensor, der an der Zwischenmasse befestigt ist, um in Bezug auf die Bewegung der Zwischenmasse ein Signal zu erzeugen, so dass dem Aktuator für die anschließende Wirkung auf die Zwischenmasse ein Feedback geliefert werden kann, damit die Zwischenmasse als Stabilitätspunkt wirken kann.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Aktuator um einen piezoelektrischen Aktuator, einen mechanischen Aktuator, einen pneumatischen Aktuator, einen hydraulischen Aktuator, einen elektromagnetischen Aktuator, einen verstärkten Aktuator oder einen beliebigen anderen Aktuator handeln kann.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei die Zwischenmasse von der Nutzlast verschieden und elastisch von ihr abgekoppelt sein kann.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei die Entlastungsfeder angrenzend an den Aktuator angeordnet ist.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei die Entlastungsfeder um den Aktuator herum verlaufend angeordnet ist.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 5, das weiterhin mindestens eine Entlastungsfeder aufweist, die an den Aktuator angrenzend angeordnet ist.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei die Entlastungsfeder in Bezug auf den Betätigungsmechanismus weniger starr oder steif ist.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei die Entlastungsfeder derart wirken kann, dass sie die dynamischen Kräfte von der Basisplattform, dem Boden oder anderen Komponenten auf die Zwischenmasse lenkt, die als Stabilitätspunkt wirkt, so dass diese dynamischen Kräfte gedämpft und isoliert und nicht auf die Nutzlast übertragen werden.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sensor um einen Servobeschleunigungsmesser oder einen Vibrationssensor handelt.
Aktives Dämpfungssystem nach Anspruch 1, das weiterhin eine Stützfeder aufweist, die parallel zu dem passiven Dämpfer zwischen der Nutzlast und der Zwischenmasse angeordnet ist, um die Nutzlast abzustützen.
System zur Isolierung von Vibrationen gegenüber einer abgestützten Nutzlast, wobei das System folgendes aufweist: einen Aktuator, der am Boden oder an einer Basisplattform gegenüber einer Nutzlast angebracht ist; eine Zwischenmasse, die an dem Aktuator abgestützt ist, und als Stabilitätspunkt wirkt, auf den die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können; ein passives Dämpfungselement, das an einem Ende an die Nutzlast und an einem gegenüberliegenden Ende an die Zwischenmasse gekoppelt ist, die als Stabilitätspunkt wirkt; mindestens eine Entlastungsfeder, die zwischen der Zwischenmasse und der Basisplattform angeordnet ist, so dass das Gewicht von der Nutzlast, das auf den Aktuator wirkt, auf die Entlastungsfeder übertragen werden kann; eine Stützfeder, die parallel zu dem passiven Dämpfer zwischen der Nutzlast und der Zwischenmasse angeordnet ist, um die auf dem passiven Dämpfer abgestützte Nutzlast zu stabilisieren; und einen Sensor, der an der Zwischenmasse befestigt ist, um in Abhängigkeit von der Bewegung der Zwischenmasse ein Signal zu erzeugen, so dass dem Aktuatorsystem zur anschließenden Erzeugung des Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse ein Feedback geliefert werden kann.
System nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem Aktuator um einen piezoelektrischen Aktuator, einen mechanischen Aktuator, einen pneumatischen Aktuator, einen hydraulischen Aktuator, einen elektromagnetischen Aktuator oder einen beliebigen anderen Aktuator handeln kann.
System nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem Aktuator um einen verstärkten Aktuator handelt, der den auf die Nutzlast angewendeten Hub erhöhen kann.
System nach Anspruch 11, wobei die Zwischenmasse von der Nutzlast verschieden und von ihr elastisch abgekoppelt ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Entlastungsfeder angrenzend an den Aktuator angebracht ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Entlastungsfeder um den Aktuator herum verlaufend angebracht ist.
System nach Anspruch 11, wobei die Entlastungsfeder derart wirken kann, dass sie die dynamischen Kräfte von der Basisplattform, dem Boden oder anderen Komponenten auf die Zwischenmasse lenkt, wo diese dynamischen Kräfte dann auf deren Stabilitätspunkt gedämpft werden können, um sie zu isolieren, so dass sie nicht auf die Nutzlast übertragen werden.
System nach Anspruch 11, wobei die Entlastungsfeder hinsichtlich der Steifigkeit mindestens eine Größenordnung niedriger liegt als die von dem Aktuator gezeigte Steifigkeit.
System nach Anspruch 11, das weiterhin ein Kompensationsmodul mit einer Schaltung aufweist, über die der Sensor an den Aktuator gekoppelt ist, so dass sich der Aktuator auf der Basis des Signals von dem Sensor ausdehnen und zusammenziehen und ein Stabilitätspunkt an der Zwischenmasse erzeugt und aufrechterhalten werden kann, um die isolierte Plattform über einen vorher festgelegten Bereich von Vibrationsfrequenzen zu stabilisieren.
System nach Anspruch 11, das weiterhin einen Bewegungssensor aufweist, der mit der Basisplattform gekoppelt ist, um in Abhängigkeit von der Bewegung der Basisplattform ein Signal zu erzeugen, wobei dieser Sensor mit dem Kompensationsmodul in Verbindung steht, so dass Signale von diesem Sensor als Mitkopplungssignale verwendet werden können, um Vibrationen von der Basisplattform auszugleichen.
Verfahren zur Isolierung von Vibrationen von einer Nutzlast, die an einer isolierten Plattform abgestützt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Positionieren eines Aktuators an der Basisplattform parallel und in einem Abstand zu der Stützfeder; Anbringen einer Zwischenmasse an dem Aktuator, um danach die Erzeugung eines Stabilitätspunktes an der Zwischenmasse zu ermöglichen, auf den Vibrationen und andere dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können; Anbringen mindestens einer Entlastungsfeder unter der Zwischenmasse und an der Basisplattform; Ankoppeln eines Endes eines passiven Dämpfers an die isolierte Plattform und eines gegenüberliegenden Endes an einen Bereich, an dem der Stabilitätspunkt an der Zwischenmasse erzeugt werden kann; Abtasten der Bewegung der Zwischenmasse, die sich daraus ergibt, dass dynamische Kräfte durch verschiedene Komponenten auf diese gelenkt werden, und Erzeugen eines Feedback-Signals in Abhängigkeit von der Bewegung der Zwischenmasse; und Verändern der Länge des Aktuators auf der Grundlage des Feedback-Signals, um den Stabilitätspunkt an der Zwischenmasse, auf die die dynamischen Kräfte gedämpft und von der Nutzlast isoliert werden können, zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 21, das weiterhin die Anbringung einer Stützfeder parallel zu dem passiven Dämpfer zwischen der Nutzlast und der Zwischenmasse umfasst, um eine Stabilisierung der auf dem passiven Dämpfer abgestützten Nutzlast zu ermöglichen.