DE69509819T2 - Steifer Betätiger für ein Schwingungsisolierungssystem - Google Patents

Steifer Betätiger für ein Schwingungsisolierungssystem

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht auf Verfahren und Vorrichtungen zum Entfernen der Vibration von getragenen Nutzlasten und insbesondere auf ein aktives Vibrationstrennsystem unter Verwendung von Sensoren und steifen Betätigungsvorrichtungen.
  • Der Bedarf in der Industrie nach einer Vibrationstrennung wächst. Beispielsweise gibt es eine immer geringere Toleranz für umweltmäßige Vibrationen bei Ultraviolettschrittvorrichtungen (Stepper), die bei der Halbleiterherstellung verwendet werden. Sowie die Herstellung von Halbleitern und anderen Erzeugnissen immer genauer wird, wird der Bedarf zum Unterdrücken von umweltbedingten Vibrationen größer und größer.
  • Die GB-A-2222 657, die alle Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie von Anspruch 21 zeigt, offenbart eine Anordnung zum Trennen eines Trägers, typischerweise des Bodens, von Vibrationen eines vibrierenden Körpers. Ein Beispiel eines Vibrationstrennsystems, das Geschwindigkeitssensoren 11 enthält, die an einer kleinen Masse und einer Nutzlast angebracht sind, ist in der US-A-5 255 764 offenbart. Ein weiterer Lösungsansatz für die Vibrationstrennung, der in der US-E-RE 33 937 offenbart ist, betrifft die Verwendung von steifen Betätigungsvorrichtungen mit variablen Längen, die an einem Ende mit der Nutzlast und an dem anderen Ende mit einer Basis gekoppelt sind, die einer Vibration ausgesetzt ist.
  • Fachleute haben ein theoretisches aktives Vibrationstrennsystem entwickelt, das Kraftmotoren, wie z. B. Schwingsgulenmotorelemente, und Sensoren an der getrennten Nutzlast verwendet, um die absolute Bewegung der Nutzlast relativ zu dem Trägheitsraum zu messen. Bis jetzt sind diese bekannten Konzepte und Anordnungen nicht vollständig praktikabel, da die Kopplung der Nutzlastresonanzen mit den erfaßten Ausgangssignalen die Stabilitätsgrenzen gefährdet.
  • Bei dem einfachst möglichen piezoelektrischen aktiven Vibrationstrennsystem wird eine Systemresonanzfrequenz durch die Federsteife von piezoelektrischen Motorelementen in Kombination mit einer getragenen Nutzlastmasse gebildet. Typische getragene Nutzlastgewichte liegen in dem Bereich von 453 kg (1000 Pfund) pro piezoelektrischem Motor. Ein typisches piezoelektrisches Motorelement wird einen Federsteifekoeffizienten von etwa 26,9 Tonnen/Meter (1,5 Millionen Pfund pro Zoll) aufweisen. Dies ergibt eine problematische Systemresonanzfrequenz von etwa 130 Zyklen pro Sekunde. Der Wert dieser Systemresonanzfrequenz (relativ zu dem Frequenzbereich, in dem eine Trennung erforderlich ist) führt zu zwei Problemen, die gelindert werden müssen, um einen praktischen aktiven Trennentwurf zu erhalten. Das erste Problem besteht darin, daß die Systemrückkopplungsschleifenverstärkung ziemlich hoch sein muß, um eine aktive Vibrationstrennung bis hinunter zu etwa 1 Hz zu erhalten. Ferner muß die Verstärkung gefiltert werden, um die Verstärkung bei der Nutzlast/Motor-Resonanzfrequenz unter 1 abzusenken, um eine Stabilität sicherzustellen. Bei bekannten Entwürfen war es unmöglich, diese gewünschte Verstärkung zu erhalten. Zweitens verstärkt das System stark die umweltbedingte Vibration bei der Nutzlast/Motor-Resonanzfrequenz, und da die Rückkopplungsverstärkung bei dieser Frequenz niedrig ist, geht der größte Vorteil des aktiven Trennsystems bei einem derartigen Entwurf verloren.
  • Die vorliegende Erfindung strebt danach, eine verbesserte Vibrationstrennung vorzusehen.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung sind aktive Vibrationstrennsysteme und ein Verfahren zum Trennen einer Nutzlast von der Vibration, wie in den unabhängigen Ansprüchen spezifiziert, vorgesehen.
  • Es ist möglich, ein aktives Vibrationstrennsystem basierend auf piezoelektrischen Motoren oder anderen steifen Betätigungsvorrichtungen vorzusehen.
  • Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet eine kleine Zwischenmasse in dem aktiven Vibrationstrennsystem desselben, die von der Nutzlastmasse getrennt und elastisch entkoppelt ist. Die kleine Masse ist mindestens eine Größenordnung kleiner als die Nutzlastmasse. Mindestens eine steife Betätigungsvorrichtung, wie z. B. ein piezoelektrisches Motorelement, weist eine erste Oberfläche, die mit der kleinen Masse gekoppelt ist, und eine zweite Oberfläche auf, die mit einer Vibrationsquelle gekoppelt ist, wie z. B. der Boden oder ein äußeres Gehäuse. Ein passives Trennelement, wie z. B. eine elastische schalenförmige Trennvorrichtung, koppelt die Nutzlast mit der kleinen Masse. Ein Sensor ist mit der kleinen Masse gekoppelt und erzeugt ein Sensorsignal, das eine Funktion der Bewegung der kleinen Masse ist.
  • Eine Schaltungsanordnung kann vorgesehen sein, um das Bewegungssensorsignal zu empfangen, und kann eine Kompensationsschaltungsanordnung umfassen, derart, daß das System über einen vorbestimmten Bereich von Vibrationsfrequenzen und Nutzlastmassen stabil ist. Die Schaltungsanordnung kann eine Treibschaltungsanordnung umfassen, die mit der steifen Betätigungsvorrichtung gekoppelt ist, zum Variieren der Länge der steifen Betätigungsvorrichtung als eine Funktion des veränderten Sensorsignals.
  • Vorzugsweise ist die kleine Masse von der Vibration sowohl in der "X"-, der "Y"- als auch der "Z"-Achse getrennt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Masse innerhalb eines Gehäuses untergebracht und ist an dem Gehäuse in sowohl der "X"-, der "Y"- als auch der "Z"-Achse durch mindestens eine steife Betätigungsvorrichtung in jeder Richtung aufgehängt. Bei dem Fall, bei dem die steifen Betätigungsvorrichtungen piezoelektrische Motorelemente sind, sind die horizontal angeordneten steifen Betätigungsvorrichtungen vorzusammengedrückt, um eine Beschädigung der Motorelemente durch Zugspannung zu vermeiden. Bei einem bevorzugten Entwurf ist jedes horizontale oder radiale piezoelektrische Motorelement zwischen der kleine Masse und einer Seitenwand des Gehäuses an einer Seite plaziert, und eine Zusammendrückanordnung ist auf der anderen Seite der kleinen Masse plaziert, um eine Zusammendrückkraft von dem Gehäuse durch die kleine Masse zu dem piezoelektrischen Motorelement auszuüben.
  • Vorzugsweise ist die oder jede steife Betätigungsvorrichtung mit der kleinen Masse oder mit dem Gehäuse unter Verwendung einer Scherentkopplungsvorrichtung gekoppelt, die das Ausüben von Zugspannungen auf die piezoelektrischen Motoren begrenzt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt jede der Scherentkopplungsvorrichtungsanordnungen eine erste steife Platte oder ein erstes Element, das an ein Ende des piezoelektrischen Motorelements angrenzt, eine zweite steife Platte oder ein zweites Element, das an die kleine Masse oder das Gehäuse angrenzt, und eine dünne Platte oder eine Scheibe (ein Wafer) aus einem elastischen Material zwischen den steifen Platten.
  • Eine zusätzliche Kompensationsschaltung kann verwendet werden, die Signale verwendet, die aus einem Sensor abgeleitet werden, der an der Nutzlastmasse angebracht ist. Diese Signale, die die Nutzlastträgheitsgeschwindigkeit darstellen, sind mit den gefilterten Geschwindigkeitssignalen von dem Sensor an der kleinen Masse selbst kombiniert, um eine weitere Steuerung des Nutzlastvibrationsansprechens vorzusehen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die kleinen Massenbewegungssensoren, die bei der Erfindung verwendet werden, Geophone, die aufgrund der Einfachheit ihres Entwurfs und der vorteilhaften mechanischen Dynamik ausgewählt werden.
  • Vorzugsweise wird ein Kerbfilter als ein Abschnitt der Kom pensationsschaltungsanordnung zum Unterdrücken einer bestimmten Resonanzfrequenz zwischen der passiven Trennvorrichtung und der kleinen Masse und der Motorfedersteife verwendet, ohne die Verstärkung der Kompensationsschaltung zu erhöhen. Andere Kompensationsschaltungen in der Schaltungsanordnung werden verwendet, um andere Resonanzmoden zu kompensieren.
  • Folglich kann ein praktisches aktives Vibrationstrennsystem basierend auf steifen Betätigungsvorrichtungen und einem Beseitigungstrennschema vorgesehen werden. Aufgrund des Vorsehens einer kleinen Masse zum Erhöhen des Werts der Resonanzfrequenzen einer passiven Trennvorrichtung zum Entkoppeln der Nutzlastresonanzen von der kleinen Masse und ferner zum Vorsehen einer passiven Trennung außerhalb des aktiven Trennfrequenzbereichs und der Kompensationsschaltungsanordnung zum Steuern der steifen Betätigungsvorrichtungen basierend auf Signalen der absoluten Geschwindigkeit von der kleinen Masse und optional basierend auf Bewegungssignalen von der Nutzlast, ist es möglich, die Vibration ohne Risiko oder eine Rückkopplungsinstabilität zu reduzieren, die durch die Nutzlastmasse von Umweltquellen erfahren wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist im folgenden mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Systemmodells ist, das die Vibrationstrennung entlang einer einzigen Achse zeigt;
  • Fig. 2 ein mathematisches Systemblockdiagramm ist, das zeigt, wie unterschiedliche Abschnitte eines Ausführungsbeispiels eines aktiven Vibrationstrennsystems miteinander mathematisch in Wechselbeziehung stehen;
  • Fig. 3A und 3B detaillierte elektronische Schaltungsdia gramme der Kompensationsschaltungsanordnung sind, die einen Sensor der Erfindung mit gesteuerten steifen Betätigungsvorrichtungselementen verbindet;
  • Fig. 4 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm auf einer hohen Ebene ist, das die elektrischen Verbindungen zwischen den Sensoren und den steifen Betätigungsvorrichtungselementen in den drei Steuerdimensionen zeigt;
  • Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches physisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines aktiven Vibrationstrennsystems ist, das die Trennung entlang von zwei Achsen zeigt;
  • Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht eines ersten physischen Ausführungsbeispiels des aktiven Vibrationstrennsystems von Fig. 5 ist;
  • Fig. 6a eine Bezugnahme in kartesischen Koordinaten für Fig. 6 ist;
  • Fig. 7 eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels ist, das in Fig. 6 dargestellt ist, wobei ausgewählte Teile phantommäßig gezeigt sind und die oberste Platte für Zwecke der Klarheit entfernt ist;
  • Fig. 8 eine schematische Schnittansicht ist, die im wesentlichen entlang der Linie 8-8 von Fig. 7 vorgenommen ist;
  • Fig. 9 eine schematische Aufrißansicht ist, die im wesentlichen entlang der Linie 9-9 von Fig. 7 vorgenommen ist;
  • Fig. 10 eine dreidimensionale Explosionsansicht eines zweiten physischen Ausführungsbeispiels des aktiven Vibrationstrennsystems ist;
  • Fig. 10a eine Darstellung eines kartesischen Koordinatensystems ist, das beim Beschreiben der Fig. 10 und 11 verwendet wird;
  • Fig. 11 eine dreidimensionale Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels des Trennsystems in einem zusammengebauten Zustand ist;
  • Fig. 12 eine Aufrißschnittansicht ist, die im wesentlichen entlang der Linie 12-12 von Fig. 11 vorgenommen ist;
  • Fig. 13 eine Draufsicht des physischen Ausführungsbeispiels ist, das in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist, wobei ausgewählte innere Komponenten phantommäßig gezeigt sind;
  • Fig. 14 eine dreidimensionale Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels des Vibrationstrennsystems in einem zusammengebauten Zustand ist;
  • Fig. 15 eine Explosionsansicht der Komponenten des in Fig. 15 gezeigten Ausführungsbeispiels ist;
  • Fig. 16 eine dreidimensionale Darstellung der drei aktivenpassiven Trennsysteme ist, die in den Fig. 14 und 15 dargestellt sind und positioniert sind, um eine Nutzlast aufzunehmen, und die mit einer Benutzer-Schnittstelle/Steuerung verbunden sind;
  • Fig. 17 eine dreidimensionale Explosionsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Vibrationstrennsystems ist, das Relativverschiebungssensoren verwendet;
  • Fig. 18 ein schematisches elektrisches Blockdiagramm auf einer hohen Ebene ist, das die digitale Schaltungs anordnung zeigt, die zum Durchführen der Kompensationsfunktionen, die hierin beschrieben sind, geeignet ist;
  • Fig. 19 ein darstellendes Blockdiagramm eines Kompensationssystems ist, das Absolutgeschwindigkeitssensoren in einer äußeren Steuerschleife verwendet;
  • Fig. 20a und 20b Bode-Diagramme einer bevorzugten Innenschleifenkompensationsfunktion sind;
  • Fig. 21a und 21b Bode-Diagramme einer bevorzugten Außenschleifenkompensationsfunktion sind; und
  • Fig. 22 ein darstellendes Blockdiagramm eines Systems ist, das Relativverschiebungssensoren in einer äußeren Steuerschleife verwendet.
  • Es ist offensichtlich, daß beliebige Parameterwerte oder Parameterbereiche, die hierin angegeben sind, eingestellt oder erweitert werden können, ohne die angestrebten Effekte zu verlieren, wie es Fachleuten aus vom Lesen der hierin angegebenen Lehren offensichtlich werden wird.
  • Fig. 1 ist ein schematisches Modell eines passiven/aktiven Trennsystems, das allgemein mit 10 bezeichnet ist. Fig. 1 zeigt ein Modell, das lediglich die aktive Vibration in einer der drei Abmessungen betrachtet; diese Vereinfachung wurde für Zwecke der Erklärung gemacht. Das System 10 kann als ein aktives Beseitigungsvibrationstrennsystem bezeichnet werden. Bei diesem System vibriert der Boden oder die Basis F, wobei ein unteres Ende eines steifen Betätigungsvorrichtungselements allgemein mit 12 bezeichnet ist. Ein oberes Ende 14 der steifen Betätigungsvorrichtung 12 verbleibt nahezu bewegungslos oder näherungsweise bewegungslos, mit dem Ziel einer Bewegung, die 0,01 mal der Bewegung des Bodens F ist. Das Modell von Fig. 1 trennt die Basis- oder Boden-Vibration lediglich entlang der Achse der Empfindlichkeit eines Absolutverschiebungssensors 17 (möglicherweise ein Absolutgeschwindigkeitssensor, wie z. B. ein Geophon, dessen Sensorsignalausgabe integriert wird, um die Verschiebung zu erhalten), die zu der Achse der Verschiebung der Betätigungsvorrichtung 12 parallel ist. Die steife Betätigungsvorrichtung oder das Motorelement 12, das beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel sein kann, umfaßt bei diesem Modell zwei diskrete Elemente. Das erste Element ist ein vollständig starres Element, das ein Stapel 13 genannt wird, der eine Länge parallel zu der Achse desselben aufweist, die als eine Funktion eines Steuersignals, das an denselben angelegt ist, variabel ist. Das andere modulierte Element der Betätigungsvorrichtung 12 ist eine Motorfeder 16, die eine Steife Ks aufweist. Dies stellt die Federsteife der Betätigungsvorrichtung 12 dar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Verwendung von piezoelektrischen Motoren ist die Federsteife etwa 33,9 Tonnen/m (1,9 Millionen Pfund pro Zoll), und die Verschiebung-zu-Spannung-Beziehung ist etwa 1 Million Volt pro 2,54 cm (1 Zoll) Spitze.
  • Ein bevorzugter piezoelektrischer Stapel 13 weist eine maximale relative Stapelverschiebung von 0,025 mm (0,001 Zoll) Spitze auf und erfordert daher eine Spannung von etwa 500 Volt, um den Motor 12 mit plus oder minus 0,13 mm (0,005 Zoll) zu bewegen. Die Spannung ist derart angeordnet, daß bei fehlender Bewegung 500 Volt Gleichstrom an den piezoelektrischen Motor 12 angelegt sind. Diese Vorspannung erfordert einen Strom von 0, und dehnt den Motor 12 durch die Hälfte der maximalen relativen Verschiebung desselben vorher aus. Das Anheben oder Absenken der Spannung bewirkt, daß der piezoelektrische Motor 12 sich dementsprechend ausdehnt oder zusammenzieht. Der piezoelektrische Motor 12 erreicht den vollständig zusammengezogenen Zustand desselben bei 0 Volt und erreicht den vollständig ausgedehnten Zustand desselben bei 1000 Volt. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen bezüglich der angelegten Spannung sind nahezu linear.
  • Das System 10 ist entworfen, um das Gewicht einer Nutzlastmasse Mp zu tragen. Bei dem Modell ist die Nutzlastmasse Mp als 46,4 kg/m/s² (2,6 lbs/in/sec²) ausgewählt, was einem Gewicht von 453 kg (1000 Pfund) entspricht. Mp entspricht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa diesem Betrag für jeden piezoelektrischen Motor 12, der später in Verbindung mit strukturellen Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Die Resonanzfrequenz für dieses System kann daher abgeleitet werden; wenn die getragene Nutzlast Mp direkt durch die steife Betätigungsvorrichtung 12 getragen wird, ist die Systemresonanzfrequenz etwa 130 Zyklen pro Sekunde. Dies bewirkt seinerseits zwei Probleme. Das erste Problem besteht darin, daß die Systemverstärkung ziemlich hoch sein muß, um die gewünschte Vibrationstrennung zu erhalten; auf der anderen Seite muß die Verstärkung gefiltert werden, um die Verstärkung ausreichend unter 1 bei der Nutzlast/Motor-Resonanzfrequenz Fn (130 Zyklen pro Sekunde) zu reduzieren. Die Gesamtschleifenverstärkung von dem Eingang der steifen Betätigungsvorrichtung 12 zu dem Ausgang des kompensierten Geschwindigkeitssignals muß hoch, z. B. 99, sein. Diese gewünschte Verstärkung kann unmöglich bei Frequenzen, die niedriger als Fn sind, erhalten werden. Zweitens verstärkt das System ohne Korrektur die Vibration sehr stark bei der Nutzlast/Motor-Resonanzfrequenz und ein Großteil des Vorteils der aktiven Trennung geht verloren.
  • Dieses Problem kann durch Positionieren einer kleinen Masse 18 mit einem Wert von Ms entfernt werden. Die Masse Ms sollte mindestens eine Größenordnung kleiner als der Bereich der Massen Mp sein, für den das System 10 entworfen ist, um dieselben zu tragen oder zu trennen, und das Verhältnis von Ms zu Mp sollte vorzugsweise in dem Bereich von 1/50 zu 1/200 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist Ms ausgewählt, um 10 Pfund dort zu entsprechen, wo Mp etwa 453 kg (1000 Pfund) entspricht.
  • Die kleine Masse 18 ist direkt auf der steifen Betätigungsvorrichtung 12 plaziert. Dies macht die Resonanz, die dem Federkoeffizienten des piezoelektrischen Motors K zugeordnet ist, sehr hoch, nahezu 1000 Zyklen pro Sekunde. Mit einer kleinen Masse 18, die etwa 4,53 kg (10 Pfund) wiegt, ist die Resonanzfrequenz der kleinen Masse und des piezoelektrischen Motors 12 etwa 1000 Zyklen pro Sekunde. Dann wird eine elastische passive Vibrationstrennvorrichtung, die mit 20 bezeichnet ist, zwischen der kleinen Masse 18 und der Nutzlastmasse Mp positioniert. Die Trennvorrichtung 20 weist einen Dämpferelementkoeffizienten Cl, der bei 30 dargestellt ist, und eine Federkonstante Ki auf, die schematisch bei 32 dargestellt ist. Diese Anordnung ermöglicht die Rückkopplungsverstärkung bei sehr hohen Frequenzen, da die passive Trennvorrichtung 200 eine passive Vibrationstrennung bei jenen sehr hohen Frequenzen vorsieht. Die passive Trennvorrichtung 20 ist ausgewählt, um eine Resonanzfrequenz von etwa 20 Zyklen pro Sekunde zu ergeben, wenn dieselbe mit der Nutzlastmasse Mp beladen ist.
  • Das System steuert das Ausdehnen und das Zusammenziehen der steifen Betätigungsvorrichtung 12 durch einen Summierleistungsverstärker 22. Der Summierleistungsverstärker 22 legt eine variable Spannung an den piezoelektrischen Motor 12 an, wobei 500 Volt Gleichstrom an den Motor 12 bei einem stationären Zustand angelegt werden. Der Geschwindigkeitssensor 17 der kleinen Masse erzeugt ein Signal, das integriert wird, um die absolute Verschiebung der kleinen Masse 18 zu erhalten. Ein Sensorsignal wird von dem Sensor 17 zu einem Verstärkungsmodul 24 kommuniziert, das das Signal integriert, um eine Verschiebung zu erhalten, und die Verstärkung erhöht. Das verstärkte Verschiebungssensorsignal wird zu dem Leistungsverstärker 22 kommuniziert, der zahlreiche Kompensationsschaltungen enthält, wie es im folgenden detaillierter beschrieben ist.
  • Der größte Teil der getragenen Nutzlasten Mp, der mit dem aktiven Vibrationstrennsystem 10 getrennt wird, weist bewegbare mechanische Komponenten auf, die Kräfte erzeugen, die auf die Nutzlast Mp wirken, und die bewirken, daß dieselbe ansprechend darauf vibriert. Es kann daher wünschenswert sein, daß das Trennsystem 10 einer Bewegung der getragenen Nutzlast aufgrund von durch die Nutzlast hervorgerufenen Kräften widersteht. Um die passiven Eigenschaften des Systems 10 zu verbessern, ist ein zweiter Bewegungssensor 26 zu dem aktiven Vibrationstrennsystem 10 hinzugefügt. Der Absolutbewegungssensor 26 der Nutzlastmasse, der ein Absolutgeschwindigkeitssensor oder ein Relativverschiebungssensor sein kann, erzeugt ein Signal, das bei der Verstärkungsstufe 28 verstärkt wird. Das verstärkte Signal wird dann mit dem Zustandssignal von dem Sensor 17 summiert, derart, daß das Eingangssignal zu der Stufe 22 von dem Sensor 17 und dem Sensor 26 abhängt. Berücksichtigt man sowohl die Schleife der absoluten Nutzlastmassengeschwindigkeit als auch die Schleife der absoluten Verschiebung der kleinen Masse ist die Kraftsumme um die getrennte getragene Nutzlastmasse Mp:
  • MpS²X(S) = (Ki + CiS) (V(S) - X(S)) + Fp (1)
  • Die obige Gleichung ist in der Laplace-Notation dargestellt. X ist die Bewegung der getrennten getragenen Nutzlast in Mp. Fp ist die Kraft, die auf die Nutzlast Mp wirkt, typischerweise die Schwerkraft. V ist die Bewegung der kleinen Masse 18.
  • Die kleine Masse Ms wirkt auf die Trennvorrichtungsfeder Ki und den Trennvorrichtungsdämpfer 30, sowie auf das Federelement 16 des piezoelektrischen Motors Ks. Die Kraftsummengleichung um die kleine Masse 18 ist im folgenden dargestellt.
  • MsS²V(S) = Ks(Z(S)-V(S)) + (Ki + CiS) (S(S) - V(S)) (2)
  • U ist gleich der Bewegung des Bodens F in der axialen Richtung der Motorfeder Ks. Z ist gleich der Bewegung des oberen Endes des piezoelektrischen Stapels 14. Die Absolutgeschwindigkeitsrückkopplungsgleichung kann dann wie folgt geschrieben werden:
  • Z - U = -CdV(S) - CvSX(S) (3)
  • Bei der obigen Gleichung ist Cd die Verstärkung von der Absolutverschiebungssensorrückkopplungsschleife und Cv ist die Verstärkung von der Absolutgeschwindigkeitssensorrückkopplungsschleife.
  • Der gesamte Systembetrieb ist nicht als eine vollständige Übertragungsfunktion dargestellt, da dies eine Differntialgleichung ist, die zu komplex ist, so daß dieselbe hier einen Sinn macht. Stattdessen ist das Systemblockdiagramm in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 ist ein Laplace-Transformation-Blockdiagramm, das zeigt, wie unterschiedliche Abschnitte des gesamten aktiven Vibrationstrennsystems miteinander wechselwirken.
  • Kurz zurückkehrend zu Fig. 1 stellt der Kasten 24 die Kompensations- und die Verstärkungs-Schaltungsanordnung dar, die zwischen dem Absolutgeschwindigkeitssensor 17 und dem Leistungsverstärker 22 positioniert ist. Der Sensor 17 kann ein Servo-Beschleunigungsmesser oder vorzugweise ein Geophon sein. Das Geophon besteht aus einer Drahtspule, die auf mechanischen Federn mit sehr niedriger Steife getragen wird, wobei ein Magnetfeld durch die Spule läuft. Das Magnetfeld induziert eine Spannung in der Spule, die proportional zu der Relativgeschwindigkeit der Spule bezüglich des Geophongehäuses, das den Magneten hält, der Stärke des Magnetfelds, das durch die Spule läuft, und der Anzahl der Windungen des Drahts innerhalb der Spule ist. Das Geophon ist ferner kostengünstig, rauscharm und hochempfindlich. Die Kompensa tionsschaltungsanordnung 24 (und ein Abschnitt des Summierleistungsverstärkers 22) ist für den Fall gezeigt, bei dem der Sensor 17 ein Geophon ist, und ist detailliert in Fig. 3 dargestellt, die ein schematisches elektrisches Diagramm von verschiedenen Kompensationsstufen ist. Fig. 3A stellt ein analoges Ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltungsanordnung 24 dar; es ist ferner möglich, eine digitale Schaltungsanordnung und eine digitale Signalverarbeitung zu verwenden, um die gleichen Funktionen wie die dargestellte analoge Schaltungsanordnung zu erreichen.
  • Das Geophonausgangssignal erscheint an dem Eingang 70. Das Signal, das an dem Eingang 70 erscheint, ist ein Spannungssignal, das sich auf die Verschiebung der kleinen Masse wie folgt bezieht:
  • Eout = Cg *S³/(S + Wg)² * (GEHÄUSEVERSCHIEBUNG) (4)
  • In dieser Gleichung ist Cg die Motorkonstante des Geophons, die in Volt pro Zoll pro Sekunde gemessen wird. Wg ist die Resonanzfrequenz der Geophonspule auf den Aufhängefedern derselben. Die Gehäuseverschiebung ist die Verschiebung des Geophongehäuses, das an der kleinen Masse 18 befestigt ist. Die faktorisierte charakteristische Gleichung des Geophons zeigt, daß die Dämpfung, die auf die Gephonspulenmasse und das Federsystem wirkt, kritisch ist. Das Ausgangssignal, das an dem Kompensationsschaltungsanordnungseingang 70 erscheint, ist eine Messung der Absolutgeschwindigkeit des Geophongehäuses gewichtet durch die obige Übertragungsfunktion. Es ist jedoch nicht wesentlich, daß die Dämpfung, die an das Spulenmassefedersystem angelegt wird, exakt kritisch (aperiodisch) ist, und ein Bruchteil der kritischen (aperiodischen) Dämpfung der Geophonantwort von etwa 0,7 bis etwa 2,0 wird die Bedürfnisse des bevorzugten Sensors des aktiven Vibrationstrennsystems erfüllen.
  • Die Integriererstufe 80 (die sonst als ein Integrationsnacheilnetz bekannt ist) sollte vor jedem beliebigen Analog-zu- Digital-Wandler (der seinerseits vor der digitalen Schaltungsanordnung plaziert ist) plaziert werden, da das nicht integrierte Geschwindigkeitssignal große Hochfrequenzamplituden enthält, die die kleinen Vibrationsamplituden mit sehr niedriger Frequenz viele Dezibel unter den Durchschnittssignalpegel drücken. Die Wirkung der Integriererstufe 80 auf das Eingangssignal 70 kann wie folgt ausgedrückt werden:
  • Verstärkung/1 + TiS (5)
  • In der obigen Gleichung gleicht der Ausdruck Ti RiC, wobei Ri der äquivalente Serienwiderstand (Ersatzwiderstand) der Stufe 80 ist, und Cl die äquivalente Kapazität (Ersatzkapazität) bezüglich Masse nach dem Widerstand jedoch vor dem Ausgang ist.
  • Um das aktive Vibrationstrennsystem zu stabilisieren, sieht das Geophon einen inhärenten niederfrequenten Verstärkungsabfall aufgrund der Übertragungsfunktion (Gleichung 4 oben) desselben mit einer Resonanzfrequenz von 4,5 Hz vor. Ohne diese niederfrequente Abfallcharakteristik, die Geophon-inhärent ist, müßten zwei zusätzliche Kompensationsstufen zu der Kompensationsschaltungsanordnung 24 hinzugefügt werden.
  • Ein kleiner Kondensator 72, wie z. B. 0,01 uF, ist zwischen den Eingang 70 und Masse geschaltet. Die Dioden 74 und 76 sind zwischen den Eingang 70 und Masse als Vorverstärkerüberspannungsschutz geschaltet.
  • Die Kompensationsschaltungsanordnung 24 ist in mehrere fol gende Stufen eingeteilt, die durch gestrichelte Hüllen dargestellt sind. Die erste Stufe 80 ist entworfen, um das Geschwindigkeitssignal zu integrieren, das an dem Eingang 70 erscheint, um das Verschiebungssignal der kleinen Masse 18 (Fig. 1) zu erhalten, und um ferner eine sehr wesentliche Verstärkung vorzusehen, die hier als 15000 ausgewählt ist. Dies wird unter Zuhilfenahme eines nicht invertierenden Operationsverstärkers 82 durchgeführt, der das Geophoneingangssignal 70 an dem positiven Eingang desselben empfängt. Ein Rückkopplungswiderstand 84 ist zwischen einen Ausgangsknoten 86 und einen negativen Eingang 88 des Verstärkers 82 geschaltet.
  • Ein nicht invertierender Verstärker wird verwendet, um den Geophonsensor 17 nicht zu belasten. Ein Widerstand 90 ist zwischen den Knoten 88 und Masse geschaltet. Um eine Gleichverstärkung von 15000 zu erhalten, ist der Widerstand 84 als 15 kΩ ausgewählt, und der Widerstand 90 ist als 1 Ω ausgewählt. Ein Widerstand 92 mit vorzugsweise 1 kΩ und ein Kondensator 94 mit 220 uF sind seriell zwischen die Knoten 86 und 88 geschaltet. Ein niederwertiger Kondensator 96, der beispielsweise 100 pF aufweisen kann, verbindet den Knoten 86 mit Masse.
  • Ein weiterer Widerstand 98 verbindet den Knoten 86 mit einem Knoten 100, der als der Ausgang der Stufe 80 dient. Ein Kondensator 102 ist zwischen den Knoten 100 und Masse geschaltet, und ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als 220 uF ausgewählt.
  • Die Hälfte der Integration wird durch den Operationsverstärker 82 durchgeführt. Der Rest der Integration, der durch die Stufe 80 durchgeführt wird, wird durch eine Kombination des Widerstands 98 und des Kondensators 102 durchgeführt. Es wird bevorzugt, daß bei dieser Stufe 80 das Signal so stark wie möglich verstärkt wird, so daß die Gleichversatzspannungen und Flimmern in späteren Stufen nicht verstärkt werden.
  • Bei alternativen, meistens digitalen Entwürfen wird es dennoch bevorzugt, daß eine analoge Anfangsstufe 80 vorhanden ist. Dies verstärkt das Signal von Mikrovolt auf Volt, derart, daß eine ausreichend hohe Spannung in dem Signal vorhanden ist, die die Analog-zu-Digital-Wandler lesen können. Die verbleibenden Stufen der Kompensationsschaltungsanordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, können digital sein, und beispielsweise können dieselben als eine Folge von programmierten Schritten in einem digitalen Signalprozessor stattfinden.
  • Der Knoten 100 dient als der Eingang zu einer zweiten Stufe 110. Die Stufe 110 ist eine Niederfrequenzkompensationsstufe, die die bevorzugte Anwendung eines Geophons für den Absolutverschiebungssensor 17 berücksichtigt.
  • Um einen soliden Einheitsverstärkungsübergang bei einer gezielten Frequenz von 0,2 Zyklen pro Sekunde zu erreichen, muß die Änderungsrate der Verstärkung bei offener Schleife 6 dB pro Oktave in der 0,2-Hertz-Frequenzregion sein. Um dies durchzuführen, kann ein Nacheil-Voreil-Netz verwendet werden. Das Nacheil-Voreil-Netz 110 weist eine Einheitsverstärkung bei niedrigen Frequenzen auf, geht dann, aufgrund des Nacheilteils der Schaltung, in eine negative Dämpfung von 6 dB pro Oktave und pendelt sich dann schließlich auf eine konstante Verstärkung ein, die, aufgrund des Voreilabschnitts der Schaltung, kleiner als 1 bei einer höheren Frequenz ist. Die Niederfrequenzkompensationsfunktion der Stufe 110 kann wie folgt ausgedrückt werden:
  • In der Stufe 110 (Fig. 3a) verbindet ein Kondensator 116 den Knoten 114 mit einem Widerstand 118. Der Widerstand 118 ist zwischen den Kondensator 116 und Masse geschaltet. Der Widerstand 112, der Kondensator 116 und der Widerstand 118 bilden die Nacheil-Voreil-Schaltungskomponenten. In Gleichung (6) sind TC2 = R&sub1;&sub1;&sub8;C&sub1;&sub1;&sub6; und TCl = (R&sub1;&sub1;&sub2; + R&sub1;&sub1;&sub8;) C&sub1;&sub1;&sub6;. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Widerstand 112 mit 14 kΩ ausgewählt, der Kondensator 116 ist mit 220 uF ausgewählt und der Widerstand 118 ist mit 720 Ω ausgewählt.
  • Der Knoten 114 ist mit einem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 120 verbunden. Der Knoten 114 ist ferner über einen 2200-pF-Kondensator 122 mit Masse verbunden. Dieser Kondensator eliminiert das Rauschen. Ein Ausgangsknoten 124 des Operationsverstärkers 120 ist mit einem negativen Eingang 126 durch einen Widerstand 128 zurückverbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit 15 kΩ ausgewählt ist. Ein Widerstand 130 verbindet den Knoten 126 mit Masse.
  • Die Gleich-Verstärkung der Stufe 110 ist äquivalent zu dem Wert des Widerstands 128 geteilt durch den Wert des Widerstands 130 plus 1. Wobei, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, der Widerstand 130 mit 681 Ω ausgewählt ist, und die Gleichverstärkung 23 ist. Die Stufe 110 weicht von der idealen Niederfrequenzkompensation ab, die in Gleichung (6) angegeben ist, da eine Wechselwirkung zwischen dem Kondensator 102 und dem Kondensator 116 auftritt; die Näherung ist trotzdem sehr eng.
  • Ein kleiner Kondensator 132 ist vorzugsweise zwischen dem Knoten 124 und Masse plaziert.
  • Die Stufe 140 ist eine Gleichspannungsabblockstufe, die eine Verstärkung von 6 aufweist. Von dem Eingang derselben bei dem Knoten 124 ist vorzugsweise ein Kondensator 142 mit 220 uF mit einem Knoten 124 verbunden, der über einen Widerstand 146 mit Masse verbunden ist. Der Knoten 144 dient als ein positiver Eingang zu einem Operationsverstärker 148. Ein Ausgangsknoten 150 ist mit Masse durch einen relativ kleinen (100 pF) Kondensator 152 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 154 verbindet den Ausgangsknoten 150 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 148 (Knoten 156). Ein Widerstand 158 verbindet den Knoten 156 mit Masse.
  • Eine Kombination des Kondensators 142 (vorzugsweise 220 uF) und des Widerstands 146 (vorzugsweise 15 kΩ) sieht die Gleichabblockwirkung vor. Bei einem Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt), bei dem die Stufen 110, 160, 180, 210, 230 und 250 digital sind, wird es bevorzugt, daß das Gleichspannungsabblockvoreilnetz 140 vor einem beliebigen Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt) plaziert ist, um einen vollen dynamischen Bereich für den Computereingang sicherzustellen. Bei dem dargestellten durchgängig analogen Ausführungsbeispiel stellt das Plazieren der Gleichspannungsabblockstufe 140 nach der Geschwindigkeitsintegrations- und Verstärkungs-Stufe 80 sicher, daß die Gleichspannungsabblockung nach dem Halbverstärkungspunkt in der Kompensationsschaltung auftritt.
  • Die Stufen 160 und 180 sind entworfen, um eine Phasennacheilung in der Frequenzregion der Resonanz der passiven Trennvorrichtung oder der Schalenbefestigung (Fig. 1) hinzuzufügen. Der Knoten 150 ist mit einem positiven Eingang eines Verstärkers 162 verbunden. Ein Ausgangsknoten 164 des Verstärkers 162 ist durch vorzugsweise einen Widerstand 166 mit 109 kQ mit einem Knoten 168 verbunden. Der Knoten 168 ist mit einem negativen Eingang des Operationsverstärkers 162 verbunden. Ein Kondensator 170 (vorzugsweise 0,39 uF) und ein zweiter Widerstand 172 (vorzugsweise 100 kΩ) verbinden den Knoten 168 mit Masse. Ein kleiner (100 pF) Kondensator 174 verbindet den Knoten 164 mit Masse.
  • Die Stufe 160 wird eine Null bei einer Zeitkonstante von C&sub1;&sub7;&sub0;R&sub1;&sub6;&sub6; oder etwa 0,039 Sekunden erzeugen. Die Stufe 160 wird ferner einen Pol
  • oder bei etwa 0,0195 Sekunden erzeugen. Anstelle des realen Pols und der realen Null, die durch die Stufe 160 erzeugt werden, kann eine alternative Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die einen komplexen Pol und ein komplexe Null erzeugen wird.
  • Bei der folgenden Stufe 180 ist der Knoten 164 über einen Widerstand 182 mit einem Knoten 184 verbunden, der über einen Kondensator 186 mit 0,001 uF mit Masse und ferner mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 188 verbunden ist. Ein Ausgangsknoten 190 des Operationsverstärkers 188 ist durch einen Widerstand 192 mit einem negativen Eingangsknoten 194 verbunden. Der Knoten 194 ist durch einen Kondensator 196 und einen Widerstand 198 seriell mit Masse verbunden. Ein relativ kleiner (100 pF) Kondensator 200 verbindet den Knoten 190 mit Masse. Die Widerstände 192 und 198 sind vorzugsweise als 100 kΩ ausgewählt, während der Kondensator 196 mit 0,39 uF ausgewählt ist. Der Widerstand 182 kann mit 33,2 kΩ ausgewählt sein, während der Kondensator 186 mit 0,001 uF ausgewählt sein kann. Der Widerstand 182 und der Kondensator 186 wirken zusammen, um ein Rauschreduktionsfilter bei hohen Frequenzen vorzusehen. Ähnlich zu der Stufe 160 erzeugt die Stufe 180 einen weiteren Pol und eine weitere Null bei den jeweiligen gleichen Zeitkonstanten.
  • Sowohl die Stufe 160 als auch die Stufe 180 besitzen, aufgrund der Kondensatoren 170 und 196, eine Gleichverstärkung von 1 jedoch eine Hochfrequenzverstärkung von 2. Zwei der Stufen 160 und 180 werden zusammen verwendet, um eine stärkere Phasenverschiebung mit einem Betrag von 45 bis 50 Grad, wie erwähnt, vorzusehen.
  • Eine Stufe 210 ist eine 1-zu-10-Verstärkungseinstellstufe.
  • Ein Widerstand 212 verbindet den Ausgang der Stufe 180 mit einem Knoten 214, der als der negative Eingang eines Operationsverstärkers 216 dient. Ein Ausgangsknoten des Operationsverstärkers 216 ist mit Masse durch einen relativ kleinen (z. B. 100 pF) Kondensator 220 verbunden. Der Knoten 218 ist über einen Widerstand 222 mit einem variablen Widerstand 224 verbunden, der zwischen 0 und 50 kΩ eingestellt werden kann. Der Widerstand 222 weist einen bevorzugten Wert von 5 kΩ auf. Ein Widerstand 226 verbindet einen positiven Eingang des Operationsverstärkers 216 mit Masse; dieser Widerstand weist vorzugsweise einen Wert von 1 kΩ auf. Um den Effekt der Eingangsversatzströme zu minimieren, wird die Impedanz des Widerstands 226 derart ausgewählt, so daß dieselbe etwa gleich der Rückkopplungsimpedanz des Operationsverstärkers 216 ist.
  • Folgende Stufen 230 und 250 sind in die Kompensationsschaltung eingefügt, um die Verstärkung in der Hochfrequenzregion zu senken. Der Grund dafür sieht wie folgt aus. Oberhalb der Frequenz, bei der TC2 wirkt (etwa 0,5 Zyklen pro Sekunde), nimmt die Verstärkung der Übertragungsfunktion mit offener Schleife der Schaltung 24 mit einer Rate von 12 dB pro Oktave zu, bis die Geophonresonanzfrequenz bei etwa 4, 5 Zyklen pro Sekunde erreicht ist. Oberhalb dieser Frequenz nimmt die Übertragungsfunktion mit offener Schleife solange zu, bis sich dieselbe bei einer konstanten Schleifenverstärkung von etwa 100 einpendelt. Wenn dies möglich ist, und wenn die mechanischen Komponenten des aktiven Vibrationstrennsystems der Erfindung vollständig ideal und starr sind, wird die Verstärkung bei offener Schleife bei 100 bis zu sehr hohen Frequenzen verbleiben.
  • Bei hohen Frequenzen gibt es jedoch Resonanzen in der kleinen Masse 18 (siehe Fig. 1) um 200 Hz und die Resonanz des Federelements 16 des piezoelektrischen Motors und der kleinen Masse existiert bei etwa 700 Hz. Andere Hochfrequenzresonanzen existieren sowohl in dem Geophon 17 als auch in der Systemplattformbasis (die im folgenden beschrieben ist). Wenn die Verstärkung bei offener Schleife bei einem konstanten Betrag von 100 in den Frequenzregionen dieser Resonanzen verbleiben kann, existiert ein instabiler Zustand, der bewirkt, daß das System bei oder nahe einer der obigen Resonanzen oszilliert.
  • Daher muß die Hochfrequenzschleifenverstärkung der Kompensationsschaltungsanordnung 24 ausreichend unter 1 vor der niedrigsten Frequenz der obigen Resonanzen sein, was bei diesem Fall die Resonanz der kleinen Masse 18 und des Federelements 16 bei etwa 700 Zyklen pro Sekunde ist. Wenn eine bestimmte Verstärkung bei den Hochfrequenzresonanzen ermöglicht wird, muß die Schleifenverstärkung 1 kreuzen und mit einer schnellen Rate bezüglich der zunehmenden Frequenz ausreichend vor 700 Hz abfallen.
  • Bevorzugterweise sollte die Einheitsverstärkung bei etwa 350 Zyklen pro Sekunde mit einem schnellen Abfall danach erreicht werden. Der Ausdruck für die Hochfrequenzverstärkungsreduktion sieht wie folgt aus:
  • 1/(1 + Tc3S) (7)
  • Tc3 ist als 0,00314 Sekunden ausgewählt. Der Effekt der Stufen 230 und 250 besteht zusammen darin, die Verstärkung bei offener Schleife startend bei 50 Zyklen pro Sekunde mit einem Abfall mit einer Rate von -12dB pro Oktave zu senken.
  • Bei der dargestellten analogen Stufe 230 verbindet ein Widerstand 232 den Ausgangsknoten 218 der Stufe 210 mit einem Eingangsknoten 234 eines Operationsverstärkers 236. Ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers 236 ist über einen Widerstand 238 mit Masse verbunden; der Widerstand 238 ist vorzugsweise 100 kΩ. Ein Ausgangsknoten 240 des Operations verstärkers 236 ist mit dem Eingangsknoten 234 über einen Widerstand 242 zurück verbunden. Der Knoten 240 ist ferner mit dem Knoten 234 über einen Widerstand 244 seriell mit einem Kondensator 246 verbunden. Ein relativ kleiner Kondensator (100 pF) 248 verbindet den Ausgangsknoten 240 mit Masse. Vorzugsweise wird der Kondensator 246 mit 0,22 uF gewählt, der Widerstand 244 wird mit 1700 Ω gewählt, und der Widerstand 242 wird mit 100 kΩ gewählt. Diese Kombination ergibt einen Pol bei 0,022 Sekunden und eine Null bei 3,74 · 10&supmin;&sup4; Sekunden.
  • Die Komponenten der Stufe 250 sind allgemein ähnlich zu den Komponenten in der Stufe 230. Ein Widerstand 252 verbindet den Ausgangsknoten 240 der Stufe 230 mit einem Eingangsknoten 254 eines Operationsverstärkers 256. Ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers 256 ist über einen Widerstand 258 mit Masse verbunden. Ein Ausgangsknoten 260 des Operationsverstärkers 256 ist über einen Widerstand 262 mit dem Eingangsknoten 254 verbunden. Die Knoten 260 und 254 sind ferner seriell über einen Kondensator 264 und einen Widerstand 266 verbunden. Die bevorzugten Werte der Widerstände 252, 258, 262 und 266 und des Kondensators 264 sind gleich den entsprechenden Widerständen und Kondensatoren in der Stufe 230. Ein kleiner Kondensator 268 (100 pF) verbindet den Ausgangsknoten 260 mit Masse. Die zweite Stufe quadriert den Term zu
  • um die gewünschte Kompensationsfunktion zu erhalten.
  • Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wurde entdeckt, daß ein Resonanzmodus bei etwa 300 Hz in den radialen Richtungen und 700 Hz in der Z-Richtung zwischen der kleinen Masse 18 und der Nutzlastmasse M, aufgrund der Steife der Schalenbefestigung oder der passiven Trennvorrichtung 20 und der Steife der piezoelektrischen Motoren, existiert. Dieser Vibrationsmodus wird durch das "Kerbfilter" unterdrückt, das allgemein mit 400 in Fig. 3b gezeigt ist.
  • Ein Widerstand 402 mit vorzugsweise 10 kΩ verbindet den Knoten 260 mit einem Knoten 404, der als ein negativer Eingang zu einem Operationsverstärker 406 wirkt. Ein Widerstand 408 mit vorzugsweise 10 kΩ verbindet einen positiven Eingang des Operationsverstärkers 406 mit Masse. Ein Ausgang 410 des Operationsverstärkers 406 ist mit dem Eingangsknoten 404 über einen Widerstand 412 mit vorzugsweise 10 kΩ rückverbunden. Aufgrund der Werte der Widerstände 402 und 412 liegt die Verstärkung der "Mutter"-Verstärkerstufe 406 nahe zu 1. Der Knoten 410 wirkt als der Ausgangsknoten der Gesamtstufe 400 und ist an dem Leistungsverstärker des piezoelektrischen Motors, der bei 22 in Fig. 1 dargestellt ist, befestigt.
  • Die verbleibende Schaltungsanordnung der Stufe 400 ist über den Eingangsknoten 404 und den Ausgangsknoten 410 überbrückt. Ein Potentiometer 414 weist ein erstes Ende, das mit dem Knoten 410 verbunden ist, ein zweites Ende, das mit einem Knoten 416 verbunden ist, und einen Wischkontakt auf, der mit einem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 418 verbunden ist. Ein Widerstand 420 mit vorzugsweise 10 kΩ verbindet einen positiven Eingang des Operationsverstärkers 418 mit Masse. Der Zweck des Operationsverstärkers 418 und der Komponenten 414 und 420 besteht darin, die Verstärkung des Signals einzustellen, das um die Schleife parallel zu dem Widerstand 412 gespeist wird.
  • Ein Widerstand 422, der ebenfalls vorzugsweise 10 kΩ aufweist, verbindet den Knoten 416 mit einem Eingangsknoten 424. Der Eingangsknoten 424 ist mit einem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 426 verbunden. Ein Widerstand 428 mit vorzugsweise 1 kΩ verbindet einen positiven Eingang des Operationsverstärkers 426 mit Masse. Ein Kondensator 430, der hierin bevorzugt 0,047 pF aufweist, verbindet einen Ausgangsknoten 432 des Operationsverstärkers 426 mit dem Eingang 424 desselben. Die Knoten 432 und 424 sind ferner über ein Potentiometer mit vorzugsweise 5 kΩ 434 und einen Widerstand 436 verbunden, der vorzugsweise einen Wert von 1 kΩ aufweist. Der Wischkontakt des Potentiometers 434 ist über einen Widerstand 436 mit dem Knoten 424 verbunden, während ein Ende desselben mit Masse und das andere Ende desselben mit dem Knoten 432 verbunden ist. Der Operationsverstärker 426 und die zugeordneten Komponenten 428, 430, 436 und 434 bilden eine erste Integriererstufe. Das Potentiometer 434 stellt die Tiefe oder die "Kerbe" in dem Ausgangsspektrum ein, das an dem Knoten 410 erscheint.
  • Der Knoten 432 ist über einen Widerstand 437 mit vorzugsweise 10 kΩ mit einem Knoten 438 verbunden, der als ein negativer Eingang zu einem Operationsverstärker 440 dient. Der Operationsverstärker 440 weist einen positiven Eingang auf, der mit Masse über einen Widerstand 442 mit vorzugsweise 1 kΩ Verbunden ist. Ein Ausgangsknoten 444 des Operationsverstärkers 440 ist mit dem Eingangsknoten 438 über einen Kondensator 446 verbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise 0,047 uF ist. Der Operationsverstärker 440 und die zugeordneten Komponenten 442, 437 und 446 bilden eine zweite Integriererstufe, die in Kombination mit der ersten Integriererstufe, die den Operationsverstärker 426 umfaßt, eine Resonanzbedingung erzeugen wird. Die Spannung an dem Ausgangsknoten 432 wird in einem vorbestimmten Frequenzbereich in Resonanz treten und wird eine Gesamtreduktion der Verstärkung erzeugen, die durch den Mutterverstärker 406 bewirkt wird. Der Knoten 432 ist mit dem Signaleingang 404 des Operationsverstärkers 406 über einen Widerstand 448 zurückverbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise 4,99 kΩ ist.
  • Der Knoten 444 ist mit einem Ende eines Potentiometers 450 verbunden. Ein Wischkontakt des Potentiometers 450 ist mit einem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 452 verbunden. Ein positiver Eingang dieses Operationsverstärkers 452 ist über einen Widerstand 454 mit Masse verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Potentiometer 450 mit 5 kΩ ausgewählt, und der Widerstand 454 ist mit 1 kΩ ausgewählt.
  • Das andere Ende des Potentiometers 450 ist mit einem Ausgangsknoten 456 des Operationsverstärkers 452 verbunden. Der Operationsverstärker 452 und die zugeordneten Komponenten 450 und 454 wirken als ein invertierender Verstärker mit einer Verstärkung. Sowie das Potentiometer 450 eingestellt wird ändert sich die Frequenz der "Kerbe", die an dem Ausgang 410 erscheint. Je höher die Verstärkung in der quadratischen Schleife zwischen den Knoten 404 und 410 ist, desto höher ist die Breite der "Kerbe". Der Knoten 456 ist über einen Widerstand 458 mit vorzugsweise 10 kΩ mit dem Knoten 424 verbunden.
  • Die Kerbfilterstufe 400 weist das vorteilhafte Merkmal einer Verstärkung auf, die nie über 1 geht. Die Gleichverstärkung ist 1, während die Verstärkung bei einer unendlichen Frequenz ebenfalls 1 ist. Die Frequenz der "Kerbe" wird durch das Potentiometer 450 eingestellt. Die Tiefe der "Kerbe" wird an dem Potentiometer 434 eingestellt. Die Breite der "Kerbe" wird bei dem Potentiometer 414 eingestellt.
  • Bei dem in den Fig. 6-13 dargestellten Ausführungsbeispielen wird ein Nutzlastabsolutgeschwindigkeitssensor, wie z. B. ein Geophon 26 (Fig. 1) verwendet, um eine zusätzliche Rückkopplungsschleife zu dem piezoelektrischen Stapel 12 vorzusehen. Wenn dieser zusätzliche Sensor verwendet wird, wird ein kompensiertes Signal von demselben an dem Knoten 270 addiert. Eine Nutzlastgeschwindigkeitssignalverstärkerstufe ist phantommäßig bei 460 (Fig. 3a) gezeigt.
  • Die Bewegungsgleichung bei geschlossener Schleife für diese optionale Absolutgeschwindigkeitsschleife kann wie folgt ausgedrückt werden:
  • X ist die Bewegung der Nutzlast Mp, U ist die Bewegung der Basis, Wi ist die Resonanzfrequenz der passiven Trennvorrichtung und der Nutzlast, Gv ist die Kompensationsfunktion, % ist die Verstärkung bei geschlossener Schleife und S ist der Laplace-Transformationsoperator. Die obige Gleichung ist in einer vereinfachten Form dargestellt, die die Übertragungsfunktion des Geophons auf 1 einstellt. Dies kann durchgeführt werden, da die Resonanzfrequenz Wg des Geophons fast eine Dekade unterhalb der Frequenzregion liegt, in der die aktive Absolutgeschwindigkeitssteuerung aktiv ist:
  • Der Imaginärteil der charakteristischen Gleichung der Übertragungsfunktion muß gleich 2 WiS sein, wobei der Bruchteil der passiven Trennvorrichtung der kritischen Dämpfung ist. Die Kompensationsfunktion Gv ist der Bruchteil der passiven Trennvorrichtung der kritischen Dämpfung. Die Kompensationsfunktion Gv ist auf 1 eingestellt. Zeta kann dann wie folgt herausgefunden werden:
  • = 0,5CvWi (9)
  • Die passive Trennvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem elastischen Aufbau. Da der gewünschte Wert für 1 ist, und da Wi für Elastomere unter den Spannungen, die durch eine Nutzlast Mp (bei diesem Ausführungsbeispiel weist dieselbe einen Maximalwert von 906 kg (2000 Pfund) auf) auferlegt werden, etwa 2π20 Radian pro Sekunde ist, ist Cv etwa 0,18 kg/m/s (0,01 lbs/Zoll/s).
  • Die Spannung, die erforderlich ist, um den piezoelektrischen Motor 0,0025 mm (0,0001 Zoll) zu bewegen, ist 100 Volt; die Geophonkalibrierung ist 1,5 Volt pro 2,5 cm/s (Zoll pro Sekunde). Die physische Verstärkung, die notwendig ist, um die gewünschte Schleifenverstärkung zu erreichen, ist 100/l,5 oder 67. Mit einer Verstärkung dieses kleinen Betrags ist keine Gleich-Abblockstufe erforderlich.
  • Die physische Verstärkerverstärkung von 67 wird durch die Stufe 460 durch Auswahl der geeigneten Widerstandswerte erreicht.
  • Bei der Resonanzfrequenz des Geophons von 4,5 Zyklen pro Sekunde ist die Verstärkung bei offener Schleife der Nutzlastabsolutsgeschwindigkeitssteuerung 0,0015, und die Verstärkung bei offener Schleife für die Nutzlastgeschwindigkeitssteuerung ist bei einer Frequenz von 100 Zyklen pro Sekunde 0,0033. Beide Verstärkungen sind niedrig und werden noch niedriger, sowie die Frequenz von der Resonanzfrequenz der passiven Trennvorrichtung zunimmt oder abnimmt. Die Niederverstärkungsstufe bei 4,5 Hz und 100 Hz zeigt, daß es keine Notwendigkeit für eine komplexe Kompensationsschaltungsanordnung gibt, die in die Schaltung von dem Nutzlastabsolutgeschwindigkeitssensor 26 zu dem Leistungsverstärker 22 eingefügt werden muß. Folglich ist alles was notwendig ist eine einzige Verstärkerstufe 460. Für Nutzlasten mit komplexen und schweren inneren Resonanzen kann ein komplizierteres Filtern in dieser Rückkopplungsschleife, wie z. B. das Einfügen von mindestens zwei Polen, erforderlich sein.
  • Die Schaltungsanordnung in Fig. 3 ist vollständig analog. Die gleichen Signalmodifikationen können digital unter Verwendung eines beliebigen von mehreren Algorithmen durchgeführt werden, und diese digitalen Verfahren sollten als vollständige Äquivalente zu der dargestellten analogen Schaltungsanordnung betrachtet werden, wie es innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten liegt, um diese Funktionen digital zu implementieren.
  • Die Kompensationsschaltung 24 wird verwendet, um Signale von einem "Absolutverschiebung"-Sensor (vorzugsweise ein Absolutgeschwindigkeitssensor, dessen Ausgangssignal einmal integriert wird; die Schaltung 24, wie dargestellt, führt diese Integration durch) und (optional) einem Absolutgeschwindigkeitssensor für eine Bewegungsrichtung zu regeln. Wie es im folgenden beschrieben ist, kompensiert das System eine Vibration in jeder der drei Richtungen. Die Kompensationsschaltung 24 ist einfach für jede dieser zusätzlichen Richtungen der Vibrationskompensation kopiert. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist eine mit mehreren Zugriffen gekoppelte Kompensationsschaltung anstelle der einzelnen Kompensationsschaltung eingesetzt.
  • Fig. 4 ist ein elektrisches schematisches Diagramm auf einer hohen Ebene, das die elektrischen Verbindungen zwischen den Geophonen, der Kompensationsschaltungsanordnung und den steifen Betätigungsvorrichtungen für ein dreidimensionales System zeigt. Ein elektronische Steuerung, die allgemein bei 470 gezeigt ist, umfaßt eine Kompensationsschaltung 24, die spezieller in Fig. 3 beschrieben ist. Die Schaltungen 472 und 474 sind Duplikate der Schaltung 24.
  • Die Kompensations/Steuer-Schaltung 24 ist vorgesehen, um Sensoreingangssignale von dem "Z"- oder dem Vertikalnutzlastgeophon 26 und dem "Z"-Geophon 17 für die kleine Masse zu empfangen. Die Ausgangssignale derselben steuern Signale parallel zu jedem einer Mehrzahl von vertikalen piezoelektrischen oder steifen Betätigungsvorrichtungsmotoren 12a, 12b und 12c. Die Kompensations/Steuer-Schaltung 472 empfängt Sensorsignale von dem "X"-Geophon 323, das die Bewegung der Nutzlast entlang der "X"-Achse erfaßt. Dieselbe empfängt ferner Sensorsignale von dem "X"-Geophon 502, das die Bewegung in der "X"-Richtung der kleinen Masse erfaßt. Ein Steuersignal wird aus diesen Sensorsignalen abgeleitet und wird zu der radialen steifen "X"-Betätigungsvorrichtung oder dem piezoelektrischen Motor 284 übertragen.
  • Die Kompensations/Steuer-Schaltung 474 empfängt Eingangssi gnale von dem "Y"-Nutzlastgeophon 325 und von dem "Y"-Geophon 506 für die kleine Masse. Basierend auf dem empfangenen Signal von diesen Geophonen sendet die "Y"-Kompensations/Steuer-Schaltung 474 ein Steuersignal zu einer radialen steifen "Y"-Betätigungsvorrichtung oder einem piezoelektrischen Motor 350. Wie es sichtbar ist, besitzt die Sensor/Motor-Anordnung kein elektronisches Nebensprechen und die verschiedenen Scherentkopplungsvorrichtungen, die im folgenden beschrieben sind, beseitigen die Notwendigkeit ein physisches Nebensprechen handzuhaben.
  • Wie im vorhergehenden erörtert kann die Kompensationsschaltungsanordnung in digitaler Form anstelle einer analogen Form implementiert sein. Fig. 18 ist ein schematisches elektrisches Blockdiagramm auf einer hohen Ebene einer digitalen Kompensationsschaltungsanordnung, die anstelle der analogen Schaltungsanordnung verwendet werden kann, die in Fig. 3 dargestellt ist. Ein Signalaufbereiter 800 puffert und verstärkt jedes der sechs Sensorsignale (zwei für jeweils die X-, die Y- und die Z-Richtung) die auf den Eingängen 803 erscheinen. Drei der Sensorsignale kommen von den Bewegungssensoren, die an die kleine Masse angrenzen; bei dem Fall, bei dem eine äußere Steuerschleife ferner verwendet wird, werden weitere drei Sensorsignale aus den Sensoren abgeleitet, die der Nutzlastmasse zugeordnet sind. Der Signalaufbereiter 800 puffert und verstärkt die Signale und leitet dann dieselben zu einer Abtast- und Halte-Schaltung 803 weiter. Bei geeigneten Intervallen sendet das Abtast- und Halte-Signal die Signale zu einem Analog-Digital-Wandler 804. Der Analog/Digital-Wandler 804 sendet digitale Signale zu einem Multiplexer 806, der eines der sechs Signale zur Übertragung zu einem digitalen Signalprozessor 808 auswählt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verarbeitet der digitale Signalprozessor ein Signal auf einmal; es kann natürlich ferner ein paralleles Verarbeiten verwendet werden. Der digitale Signalprozessor 808 führt die Signalkompensation durch, die notwendig ist, um die Signale zu filtern, die auf dem Eingang 803 erscheinen, um geeignete Steuersignale für die piezoelektrischen Motoren abzuleiten. Ein digitales Steuersignal für eine ausgewählte der drei Richtungen wird von dem digitalen Signalprozessor 808 zu einem Demultiplexer 810 ausgegeben, der seinerseits das demultiplexierte Signal in einer ausgewählten der drei Leitungen 812 zu einem Digital-zu-Analog-Wandler 814 sendet. Der Digital-zu-Analog- Wandler 814 erzeugt analoge Versionen der Steuersignale, die ihrerseits zu einem Tiefpaßglättungsfilter 816 weitergeleitet werden. Die gefilterten Steuersignale werden dann zu einem Hochspannungsverstärker 818 weitergeleitet, der dann die verstärkten Signale zu den piezoelektrischen Stapeln über den Ausgang 820 kommuniziert.
  • Fig. 19 ist eine Blockdiagrammdarstellung der kombinierten inneren und äußeren Steuerschleifen, die durch die Struktur und die Kompensationsschaltungsanordnung des aktivenpassiven Vibrationskompensationssystems implementiert sein sollten, wobei lediglich eine der drei Richtungen gezeigt ist. Fig. 19 stellt insbesondere den Fall dar, bei dem eine äußere Schleife verwendet wird, die die Absolutgeschwindigkeit der Nutzlastmasse verwendet. Die Eingabefunktion δin stellt die Basisstörverschiebung dar, die durch den vibrierenden Boden bewirkt wird. Eine Trägheitsverschiebung δc wird durch den piezoelektrischen Motorstapel bewirkt, und dieser wird an dem Knoten 830 von δin auf eine "Beseitigungs"-Art subtrahiert, um zu erhalten, das die mittlere Massenträgheitsverschiebung ist und minimiert werden sollte.
  • Der Block 832 stellt eine Ableitung der Verschiebung auf die Geschwindigkeit dar, und ist in der Systemstruktur inhärent. Der Block 832 erzeugt v1, das die absolute Geschwindigkeit der Zwischenmasse oder der kleinen Masse ist. Die Geschwindigkeit v1 wird durch die Geophone erfaßt. Die Geophonsensordynamik wird durch die Funktion 5(s) dargestellt.
  • Die Funktion Gv(s) stellt die dynamische Beziehung zwischen der Zwischenträgheitsgeschwindigkeit vi und einer Geschwindigkeitsausgabe v&sub0; der Nutzlast dar. Diese ist ihrerseits ein Eingangssignal zu Cv(s), die die Kompensationsfunktion der äußeren Schleife ist. Die Kompensationsfunktion der inneren Schleife C(s) ist bei einem Block 834 gezeigt und ist beispielsweise durch die Schaltungsanordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, implementiert. Die Funktion Cv(s) wird lediglich verwendet, um eine Resonanz zu kompensieren, die bei etwa 20 Hz erscheint, die durch die Schalenbefestigung oder durch die passive Trennvorrichtung bewirkt wird. Das Ausgangssignal von der Kompensationsschaltungsanordnung Cv(s) wird mit dem Kompensationssignal von C(s) bei dem Knoten 836 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel summiert, und dies erzeugt seinerseits die Trägheitsverschiebung δc des piezoelektrischen Motors.
  • Fig. 20a und 20b sind Bode-Diagramme der Amplitude über die Frequenz und der Phase über die Frequenz für die Kompensationsfunktion C(s). In Fig. 20a stellt die Ordinate die Frequenz in Dezibel zwischen -20 und 140 Dezibel dar. Die Frequenz wird logarithmisch auf der Abszisse zwischen 100 mHz und 1 KHz dargestellt. In Fig. 20b zeigt die Ordinate die Phase zwischen -180 und +180 Grad, wobei die Frequenz wiederum logarithmisch zwischen 100 MhZ und 1 kHz dargestellt ist.
  • Fig. 21a und 21b sind Bode-Diagramme für die bevorzugte Kompensationsfunktion der äußeren Schleife Cv(s). Die Abszisse des Graphen, der in Fig. 21a und 21b gezeigt ist, sind normierte Frequenzen, derart, daß ω c, die Resonanzfrequenz der passiven Trennvorrichtung, gleich 1 (100) ist. Die Verstärkung in Fig. 21a ist ebenfalls normiert, da die "Position" der Verstärkungskurve von der Sensorempfindlichkeit und anderen Faktoren abhängt. Die Verstärkung ist in Dezibel gezeigt. Da die äußere Schleife lediglich die Resonanz betrifft, die durch die Schalenbefestigung erzeugt wird, gibt es eine beabsichtigte Dämpfung, wenn man sich von der Resonanzfrequenz 4% weg bewegt. Allgemein kann die Kompensationsfunktion wie folgt ausgedrückt werden
  • Der Durchlaßbereich wird ungefähr 1 Oktave oberhalb und unterhalb der Schalenbefestigungsfrequenz ausgewählt. Der erste Pol 1/τ1 kann sogar niedriger als ωc/2 ausgewählt werden; wenn beispielsweise ωc 20 Hz ist, kann h/τ1 als 5 Hz ausgewählt werden. Der andere Pol h/τ2 kann bei diesem Fall als 40 Hz ausgewählt werden. Der Abfall vor dem ersten Pol ist eine Gleichabblockfunktion, derart, daß es keine Reaktion auf eine konstante Verschiebung gibt.
  • Wenn die dargestellten Bode-Diagramme, die in Fig. 20a, 20b 21a und 21b gezeigt sind, gegeben sind, und wenn das Blockdiagramm, das in Fig. 19 gezeigt ist, gegeben ist, liegt es innerhalb des Fachwissens den digitalen Signalprozessor 808 (Fig. 18) mit den geeigneten Übertragungsfunktionen zu programmieren, die notwendig sind, um die Resonanzen in den rohen Sensorsignalen zu kompensieren.
  • Fig. 5 ist ein vereinfachtes schematisches physisches Diagramm des aktiven Vibrationstrennsystems in zwei Dimensionen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, liegt eine getragene Nutzlast M auf einer passiven Trennvorrichtung (vorzugsweise einer elastischen Befestigung) 20, die ihrerseits durch eine kleine Masse 18 getragen wird. Eine Scherentkopplungsvorrichtung 282 ist zwischen der kleinen Masse 18 und dem vertikalen piezoelektrischen Motorstapel 12 positioniert. Fig. 5 stellt ferner die aktive Vibrationstrennung in einer Richtung dar, die senkrecht zu der (typischerweise Schwer-) Kraft ist, die durch die Nutzlast ausgeübt wird. Diese Trennung wird unter Verwendung einer radialen steifen Betätigungsvorrichtung (vorzugsweise einem piezoelektrischen Motor) 284 und einer radialen Scherentkopplungsvorrichtung 286 durchgeführt. Der radiale Motor 284 ist auf eine bestimmte Art und Weise an dem vibrierenden Boden oder der Basis F be festigt. Die Scherentkopplungsvorrichtung 286 ist zwischen dem radialen Motor 284 und der kleinen Masse 18 positioniert.
  • Dort wo der radiale steife Betätigungsvorrichtungsmotor 284 ein piezoelektrischer Stapel ist, ist es notwendig, den radialen Motor 284 derart vorzubelasten, daß beim tatsächlichen Betrieb das Motorelement 284 niemals unter Spannung steht. Ein Zusammendrückfederelement, das allgemein bei 288 gezeigt ist, wird verwendet, um den radialen Motor 284 vorzubelasten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt das Federelement eine Feder 290, wie z. B. eine konische Stahlfeder, die durch ein Gummi oder eine elastische koaxiale Buchse 292 geführt wird. Das Federelement 288 ist zwischen einer Erweiterung des Bodens oder der vibrierenden Basis und einer Scherentkopplungsvorrichtungseinheit 294 angeordnet, die ihrerseits zwischen dem Federelement 288 und der kleinen Masse 18 positioniert ist. Die lineare Anordnung des radialen Motors 284, der Entkopplungsvorrichtung 286, der Entkopplungsvorrichtung 294 und des Federelements 288 wird in einer Richtung senkrecht zu dem Papier in Fig. 5 wiederholt, um eine Vibrationstrennung in allen drei Dimensionen zu erreichen.
  • Dort wo der steife Betätigungsvorrichtungsmotor 284 piezoelektrisch ist, ist die maximale radiale Vibrationserregung etwa 0,025 mm (0,001 Zoll) für das gesamte Erregungsspektrum. Das Vorlastzusammendrücken des piezoelektrischen Motorelements sollte leicht größer als 0,025 mm (0,001 Zoll), wie z. B. 0,038 mm (0,0015 Zoll), sein. Die Kraft, die erforderlich ist, um den Piezomotor 284 um diesen Betrag zusammenzudrücken, ist etwa 453 kg (1000 Pfund). Die vorzugsweise konische Stahlfeder 290 ist durch eine Zusammendrückeinstellschraube oder eine andere Einrichtung (die nicht in Fig. 5 gezeigt ist) vorbelastet, um die erforderliche Pfundlängskraft in der Zusammendrückrichtung des radialen piezoelektrischen Motorelements 284 zu liefern.
  • Das koaxiale Federelement 288 weist eine niedrige Steife entlang der Achse desselben, die parallel zu der Achse des radialen Motors 284 ist, jedoch eine sehr hohe Steife entlang der radialen Richtung von derselben auf. Folglich ermöglicht das koaxiale Federelement 288, daß sich das radiale Motorelement 284 ohne weiteres gemäß dem Befehlssignal, das an dasselbe angelegt ist, zusammenzieht oder verlängert. Während das koaxiale Federelement einen kleinen Federsteifewert in der axialen Richtung aufweist, ist derselbe bezüglich der mechanischen Steife in allen Richtungen, die senkrecht zu der Achse desselben sind, sehr hoch. Diese Anordnung ermöglicht es, daß sich das radiale piezoelektrische Motorelement 284 frei in der Richtung der radialen Trennvorrichtung bewegt, wobei dasselbe lediglich durch die kleine Steife der vertikalen Motorentkopplungsvorrichtung und die koaxialen und konischen Federelemente belastet ist. Das Positionieren der Entkopplungsvorrichtung 286 zwischen dem radialen Motor 284 und der kleinen Masse 18 verringert die Scherablenkung, die z. B. durch die Bewegung des Nutzlasttragenden piezoelektrischen Motors 12 bewirkt wird, auf 0,7% der Bewegung des radialen Motors 12.
  • Es ist erwünscht, daß sich die kleine Masse 18 lediglich in der vertikalen Richtung bewegt und sich nicht dreht, sowie sich der vertikale Motor 12 ausdehnt oder zusammenzieht. Daher ist die Entkopplungsvorrichtung 286 auf der anderen Seite der kleinen Masse 18 durch die Entkopplungsvorrichtung 294 und die koaxiale Buchse 292 ausgeglichen.
  • Fig. 6-9 sind detaillierte mechanische Ansichten eines ersten physischen Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht ist, Fig. 7 eine Draufsicht ist, wobei bestimmte Teile phantommäßig gezeigt sind, Fig. 8 eine Aufrißschnittansicht ist, die im wesentlichen entlang der Linie 8-8 von Fig. 7 vorgenommen ist, und Fig. 9 eine Aufrißschnittansicht ist, die im wesentlichen entlang der Linie 9-9 von Fig. 7 vorgenommen ist. Wendet man sich zuerst Fig. 6 zu, sind bei dem aktiven Vibrationstrennsy stem, das allgemein bei 10 gezeigt ist, die mechanischen Komponenten desselben innerhalb eines äußeren Mantels oder Gehäuses 300 enthalten, das bei diesem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckförmig ist. Es sei bemerkt, daß beim Betrieb drei aktive Vibrationstrennsysteme 10 verwendet werden, um eine einzige Nutzlastmasse M (nicht gezeigt) in einer Dreibeinkonfiguration zu tragen. Das Gehäuse 300 umfaßt Seitenwände 308 und 310 und zwei weitere Seitenwände (nicht gezeigt; siehe Fig. 6-8), wobei jede derselben jeweils zu Seitenwänden 308 und 310 parallel ist. Ein oberes Ende 302 des Gehäuses 300 ist eine getrennt befestigbare Einheit. Das äußere Gehäuse 300 muß starr sein, um hohe Modenresonanzfrequenzen vorzusehen, um eine gute aktive Hochfrequenzvibrationstrennung zu erhalten. Der erste Modus der Vibration des äußeren Gehäuses 300 sollte oberhalb 1500 Zyklen pro Sekunde liegen. Um dies zu erhalten, sollte das äußere Gehäuse 300 aus einem leichten Metall, wie z. B. Aluminium, gefertigt sein, und sollte relativ dicke Wände aufweisen. Das äußere Gehäuse 300 kann aus einem Gußteil oder aus spanabhebend bearbeiteten Platten mit Bolzen zur Verbindung hergestellt sein. Vorzugsweise ist das äußere Gehäuse 300 unter Verwendung eines Druckgußverfahrens hergestellt.
  • Die obere Platte 302 ist an das äußere Gehäuse 300 unter Verwendung von Bolzen 304 gebolzt. Wie das äußere Gehäuse 300 sollte das obere Ende 302 aus einem leichten starren Material hergestellt sein, wie z. B. Aluminium oder einem anderen leichten Metall, und sollte so dick wie praktisch möglich sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke des oberen Endes 302 und der Wände des äußeren Gehäuses 300 etwa 3,8 cm (1,5 Zoll).
  • Drei Füße 306 sind an dem unteren Ende des äußeren Gehäuse 300 vorzugsweise mittels Zapfen befestigt. Dies ist derart, daß sich die Beine an die möglicherweise nicht flache Oberfläche des Bodens anpassen können. Die Füße 306 sollten jedoch nicht in der Höhe einstellbar sein. Wenn die Bodenfüße 306 bezüglich der vertikalen Höhe, wobei sich die Trennvorrichtung 10 an Ort und Stelle und die getragene Nutzlast Mp (nicht gezeigt) an Ort und Stelle auf der Abdeckplatte 320 befinden, geändert werden, wird eine Höhenänderung eines beliebigen der Bodenfüße 306 bewirken, daß sich das äußere Gehäuse der Trennvorrichtung 300 auf eine Art und Weise dreht, die eine große Scherbelastung der passiven Trennvorrichtung 20 erzeugt. Diese Scherbelastung wird ihrerseits ein großes Drehmoment an die kleine Masse (nicht gezeigt; siehe Fig. 7-9) plazieren, was seinerseits potentiell große Scherbelastungen an die piezoelektrischen Motorelemente (nicht gezeigt; siehe Fig. 7-9) plaziert. Wenn das resultierende Verwinden der kleinen Masse ausreichend groß ist, werden die piezoelektrischen Motoren bezüglich der Scherung überspannt und werden sich spalten, was die Motorelemente funktionsunfähig macht.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die passive Vibrationstrennvorrichtung 20 eine elastische Schalenbefestigung, die unter der Teilenummer UC-4300 durch die Barry Controls of Brighton, Massachusetts hergestellt wird. Eine ähnliche Trennvorrichtung kann von der Tech Products Corporation of Dayton, Ohio, erhalten werden. Die passive Trennvorrichtung 20 weist vorzugsweise eine gleiche dynamische Federsteife in allen Richtungen X, Y und Z auf, wie es in Fig. 6a identifiziert ist. Die passive Trennvorrichtung entkoppelt dynamisch die schwere getragene Nutzlastmaske Mp (siehe Fig. 1) von der kleinen Masse 18 (die in Fig. 7-9 gezeigt ist) und sieht eine Vibrationstrennung der getragenen Nutzlast in allen Richtungen der Vibration oberhalb der Frequenz vor, bei der eine gute aktive Vibrationstrennung durch die steifen Betätigungsvorrichtungen und die Kompensationsschaltungsanordnung vorgesehen ist.
  • Die Auswahl der Resonanzfrequenz der passiven Vibrationstrennvorrichtung 20 wird durch einen Kompromiß der Hochfrequenzvibrationstrennung auf der einen Seite und den dynamischen Ablenkungen der getragenen Nutzlast, die aus Kräften resultieren, die auf die getragene Nutzlast selbst wirken, gebildet. Eine spezielle bevorzugte Resonanzfrequenz für den Isolator 20 ist etwa 20 Hz.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die passive Trennvorrichtung 20 eine breite Basis 312 (Fig. 7 und 8). Der Durchmesser der Trennvorrichtung oder der Schalenbefestigung 20 nimmt ab, so wie man vertikal nach oben fortschreitet, bis man zu einer Einschnürung 314 kommt, bei der der Radius der Schalenbefestigung 20 minimal ist. Von diesem Punkt aus erstreckt sich das Profil der Schalenbefestigung 20 für eine vorbestimmte Strecke radial nach außen zu einer Lippe 316. Das Profil der Schalenbefestigung 20 krümmt sich dann konvex hin zu dem oberen Ende 318 derselben.
  • Eine obere Platte 320 ist an dem oberen Ende 318 der passiven Trennvorrichtung 20 befestigt. Die obere Platte 320 stellt sicher, daß das Gewicht der getragenen Nutzlastmasse über das gesamte obere Ende 318 der Schalenbefestigungstrennvorrichtung 20 verteilt ist. Die obere Platte 320 trägt ferner ein Gehäuse 322, das drei Geschwindigkeitsteuerschleifengeophonsensoren 26, 323 und 325 (siehe Fig. 7) enthält, wobei jeder derselben angeordnet ist, um die Bewegung der Nutzlast in der Z-, der X- bzw. der Y-Richtung zu erfassen. Die Empfindlichkeitsachsen derselben sind mit den Achsen der Ausdehnung/des Zusammenziehens von jeweiligen der steifen Betätigungsvorrichtungen 12a-c, 284 und 350 ausgerichtet.
  • Das obere Ende 302 der äußeren Einfassung 300 weist eine große Mittelöffnung 324 auf, in die eine Abstandstückplatte 326 aufgenommen ist.
  • Die getragene Nutzlastsensoreinfassung 322 sollte durch die Schalenbefestigungsabdeckplatte 320 auf eine Art und Weise derart getragen werden, daß die Resonanzfrequenzen der Platte 320, des oberen Endes der Trennvorrichtung 20 und der Gewichte der Sensoren 26, 323 und 325 hoch sind. Je höher die se Resonanzfrequenzen sind, desto besser kann die Funktion der Absolutgeschwindigkeitssteuerschleife gemacht werden.
  • In Fig. 6 sind eine radiale Entkopplungsvorrichtungshalteplatte 332 für den radialen piezoelektrischen Motor in der X-Richtung und eine konische Federhalterplatte 334 für den radialen piezoelektrischen Motor in der Y-Richtung gezeigt.
  • Die innere Struktur dieses Ausführungsbeispiels des Systems 10 ist am besten in den Fig. 7-9 dargestellt. Fig. 7 ist eine Draufsicht des aktiven Vibrationstrennsystems 10, die ausgewählte Elemente der inneren Struktur phantommäßig zeigt. Fig. 8a und 8b sind Aufrißschnittansichten, die im wesentlichen entlang der Linien 8a-8a bzw. 8b-8b von Fig. 7 vorgenommen sind. Fig. 9 ist eine Aufrißquerschnittansicht, die im wesentlichen entlang der Linie 9-9 von Fig. 7 vorgenommen ist. Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 9 ist die Abstandsstückplatte 326 durch Bolzen 336 an der kleinen Masse 18 befestigt.
  • Die kleine Masse 18 wird vollständig durch die vertikalen piezoelektrischen Motorelemente- 12a, 12b und 12c und zugeordnete vertikale Entkopplungsvorrichtungen 282a, 282b und 282c getragen. Die kleine Masse sitzt innerhalb des Hohlraums 338 und ist von dem äußeren Gehäuse 300 an allen Seiten beabstandet, derart, daß der einzigste physische Kontakt mit dem äußeren Gehäuse 300 durch die vertikalen piezoelektrischen Motorelemente 12a-12c und die radialen piezoelektrischen Motorelemente 284 und 350 (die im folgenden beschrieben sind) besteht.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die vertikalen piezoelektrischen Motorelemente 12a-12c einen Durchmesser von 1.0 Zoll mit einer vertikalen Höhe von 3,2 cm (1,26 Zoll). Diese Motoren 12a-12c besitzen eine maximale Arbeitsauslenkung von 0,25 mm (0,001 Zoll) plus oder minus. Drei vertikale Motoren 12a-12c werden verwendet, um einen Dreibein-ähnlichen Träger zu bilden, sowie um die Nutzlast zu erhöhen, die die vertikalen Motoren 12a-12c tragen können. Jede vertikale Scherentkopplungsvorrichtungsanordnung 282a-282c weist eine sehr hohe Federsteife in der vertikalen Richtung jedoch eine sehr niedrige mechanische Steife in der X- und der Y-Richtung auf; vorzugsweise beträgt das Verhältnis der axialen (vertikalen) Steife zu der radialen (X- und Y-) Steife der Scherentkopplungsvorrichtung mindestens eine und vorzugsweise zwei Größenordnungen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Scherentkopplungsvorrichtungen 282a-282c 5,08 cm (2 Zoll) und der Durchmesser der elastischen Platte oder Scheibe 340 zwischen jeder der zwei Entkopplungsvorrichtungsplatten 342 und 344 ist ebenfalls 5,08 cm (2 Zoll).
  • Die Entkopplungsvorrichtungen 282a-282c und die entsprechenden radialen Entkopplungsvorrichtungen (die im folgenden beschrieben sind) liefern wichtige Vorteile. Die piezoelektrischen Motorelemente, die bei dem aktiven Vibrationstrennsystem 10 verwendet werden, müssen immer beim Zusammendrücken belastet werden. Jede beliebige Spannungsbelastung kann die Verbindung der waferschichten aufheben oder den Gesamtmotor entpolarisieren. Um Zugspannungen zu vermeiden, müssen die Motorelemente derart konfiguriert sein, daß die Spannungsbelastung nicht bei einer Axialbelastung oder einer Biegebelastung auftritt. Die Scherbelastung der piezoelektrischen Motorelemente ist so lange möglich, sowie die Scherbelastung keine Biegemomente erzeugt, die eine Zugbelastung in Teilen des Motors erzeugen. Um die Scherbelastung innerhalb der piezoelektrischen Motorelemente 12a-c zu begrenzen, werden jeweilige Scherentkopplungsvorrichtungen 282a-c verwendet, wobei jede derselben aus zwei Platten 342 und 344 eines harten, nicht elastischen Materials besteht, wie z. B. Metall oder dergleichen, mit einer dünnen Platte, Scheibe oder Schicht 340 eines Elastomers, die dazwischen angeordnet ist.
  • Die axiale Steife jeder Scherentkopplungsvorrichtung 282a-c wird hoch gehalten, während die radiale Steife sehr niedrig gehalten wird, wenn das Verhältnis des belasteten Bereichs zu dem nicht belasteten Bereich groß ist. Die Nutzlast, die durch das System 10 getragen wird, ist senkrecht zu den Flächen der Elastomerplatten 340 und (vorzugsweise) der Stahlplatten 342 und 344, während die Scherbelastung, die durch die Bewegung von anderen Motorelementen erzeugt wird, immer im wesentlichen in der Ebene der elastischen Platten 340 liegt.
  • Eine Messung der Qualität der Scherentkopplungsvorrichtungen 282a-c ist der Formfaktor derselben, der äquivalent zu dem Verhältnis des Bereichs des Gummis oder eines anderen Elastomers unter einer Zusammendrückbelastung zu dem nicht belasteten Bereich des Gummis um den Umfang der Platte ist. Dies kann wie folgt ausgedrückt werden:
  • 0,25πD²/πDt = 0,25D/t (10)
  • D ist der Durchmesser der Gummiplatte und t ist die Dicke der Platte. Sowie der Formfaktor zunimmt, nimmt der effektive Modul des Elastomers unter Druck zu, während der effektive Modul des Elastomers bei einer Scherung unverändert bleibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt jede der Scherentkopplungsvorrichtungen 282a-c einen Durchmesser von 5,08 cm (2 Zoll), und der elastische Wafer 340 ist etwa 0,15 mm (0,06 Zoll) dick, was ein großes Durchmesser-zu-Elastomerdicke-Verhältnis und einen Formfaktor von etwa 8 erzeugt.
  • Der Motorzusammendrückmodul für die dargestellten piezoelektrischen Motoren 12a-c ist 20 GPa (3.000.000 psi), und der Motorschermodul ist etwa 6,9 GPa (1.000.000 psi). Die Zusammendrücksteife ist 33.500 Tonnen/m (1.880.000 Pfund pro Zoll) und für die Scherung ist die vertikale Motorfeder steife etwa 1.122 Tonnen/m (62.830 Pfund pro Zoll).
  • Für die vertikalen Motoren 12a-c ist das Verhältnis der Entkopplungsvorrichtungssteife zu der Motorsteife in der axialen Richtung 0,7. Das gleiche Verhältnis ist in der radialen Richtung 0,07. Obwohl dieselben nicht die gleiche Größe aufweisen, werden gleiche Zahlen für die radialen Motoren und die jeweiligen Scherentkopplungsvorrichtungen derselben (die im folgenden beschrieben sind) erhalten.
  • Hinsichtlich der großen Spannungen, die an die piezoelektrischen Motorelemente 12a-c angelegt werden, sollten die Scherentkopplungsvorrichtungselastomere 340 gegenüber Ozon widerstandsfähig sein. Ein derartiges Elastomer ist Chloroprengummi, obwohl andere ozonwiderstandsfähige Elastomere verwendet werden können. Das Chloroprengummi, das verwendet wird, um die elastischen Wafer 340 zu bilden, ist vorzugsweise ohne verstärkende Füllstoffe, wie z. B. Ruß, gebildet, um die Schersteife so niedrig wie möglich zu halten, und dennoch die hohe mechanische Stärke zu behalten. Wie dargestellt, ist jede Entkopplungsvorrichtung 282a-c zwischen einem jeweiligen Ende eines vertikalen piezoelektrischen Motorelements 12a-c und der kleinen Masse 18 positioniert, wobei dieselbe innerhalb einer Aufnahme 346 liegt, die in der kleinen Masse 18 für diesen Zweck gebildet ist. Geeignete Löcher und Kanäle (die zur Klarheit weggelassen sind) sind in dem Gehäuse 300 und der kleinen Masse 18 gebildet, um mit den piezoelektrischen Motoren 12a-c zu kommunizieren.
  • Jedes der piezoelektrischen Motorelemente 12a-c besteht aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen Platten, die voneinander durch Trennplatten getrennt sind. Die piezoelektrischen Platten sind parallel durch ein Paar von parallelen Bussen verdrahtet, die ihrerseits mit einem Paar von Hochspannungszuleitungen verbunden sind. Diese Details sind für Zwecke der Klarheit weggelassen und sind in der Technik gut bekannt.
  • Das Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Fig. 6-9 gezeigt ist, ist mit zwei radialen piezoelektrischen Motorelementen versehen: einem piezoelektrischen Motor 350, dessen Achse mit der "Y"-Richtung (siehe Fig. 9) ausgerichtet ist, und einem piezoelektrischen Motorelement 284, dessen Achse mit der "X"-Richtung (siehe Fig. 8a) ausgerichtet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die radialen Motorelemente 284 und 350 einen Durchmesser von 16 mm (0,63 Zoll) und eine Länge von 32 mm (1,26 Zoll). Der Durchmesser wird so klein wie möglich für die erforderliche Länge ausgelegt, um die Längskraft der konischen Feder auf praktischen Beträgen zu halten (die konischen Federn sind im folgenden beschrieben). Die Motoren 284 und 350 besitzen die gleichen dynamischen Auslenkungscharakteristika wie die vertikalen piezoelektrischen Motorelemente 12a-12c.
  • Das radiale Motorelement 284 ist mit einer radialen Entkopplungsvorrichtung versehen, die allgemein bei 286 gezeigt ist, und das radiale Motorelement 350 ist mit einer radialen Entkopplungsvorrichtung versehen, die allgemein bei 352 gezeigt ist. Jede Entkopplungsvorrichtungsanordnung 286, 350 umfaßt eine Vorderplatte 354, einen elastischen Wafer 356 und ein hinteres Anschlußstück oder eine Platte 358. Die Platte 354, das Anschlußstück 358 und der elastische Wafer 356 besitzen einen Durchmesser, der gleich demselben der vertikalen Entkopplungsvorrichtungsanordnungen 282a-c ist; die Platte 354 ist bezüglich der Dicke ähnlich zu den Metallplatten 344 und 342, und der elastische Wafer 356 ist ähnlich zu den elastischen Wafern 340. Jede Vorderplatte 354 ist angesenkt, um ein Ende des radialen Motors 350 oder 286 an Ort und Stelle zu halten. Ein Epoxidharzhaftmittel mit einem hohen Modul ist das bevorzugte Verfahren des Befestigens des Endes der Motorelemente 350 und 286 an den jeweiligen Platten 354 derselben. Anschlußstücke 358 sind gewindete Zylinder, die in jeweilige Seitenwände 359, 308 der äußeren Einfassung 300 gewindet sind.
  • Bezugnehmend auf Fig. 9 befindet sich auf der anderen Seite der kleinen Masse 18 physisch gegenüberliegend zu dem radialen Motor 350 und in einer axialen Ausrichtung mit demselben eine weitere radiale Entkopplungsvorrichtung, die allgemein bei 360 gezeigt ist. Die radiale Entkopplungsvorrichtung 360 umfaßt, wie die radiale Entkopplungsvorrichtungsanordnung 352, eine Metallvorderplatte 372, einen elastischen Wafer 364 und eine hintere zylindrische Komponente 366. Der Durchmesser der Komponenten 362, 364 und 366 ist ähnlich zu dem Durchmesser der vertikalen Entkopplungsvorrichtungsanordnungen 282a-c. Die Dicke der Platte 362 ist ähnlich zu derselben der Platte 344, und die Dicke der elastischen Schicht 364 ist ähnlich zu derselben der Schicht 340. Die radialen Entkopplungsvorrichtungen besitzen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich aus Kostengründen die gleiche radiale Größe wie die vertikalen Entkopplungsvorrichtungen 282a-c, und es können andere Größen verwendet werden. Die Platte 362 paßt in eine Bohrung 368 der kleinen Masse 18.
  • Eine radiale koaxiale Buchse 370 ist durch ein Rohr 374 und einen Zylinder 366 gebildet. Diese Komponenten sind vorzugsweise aus einem spanabhebend bearbeitbaren Metall, wie z. B. Stahl, Messing oder Aluminium, hergestellt. Der Zylinder 366 paßt in das Rohr 374 wobei ein kleiner Zwischenraum verbleibt, wie z. B. 1,6 mm (0,063 Zoll). Eine elastische Dichtung 378 ist zwischen dem Zylinder 366 und dem Rohr 374 geformt.
  • Die koaxiale Buchse 370 funktioniert wie die Entkopplungsvorrichtungen 282a-c und die Entkopplungsvorrichtung 352, in dem dieselbe einen großen Formfaktor in der Richtung der radialen Buchsenachse aufweist. Dies vermittelt der Buchse eine sehr große mechanische Steife in der radialen Richtung der Buchse jedoch eine sehr niedrige mechanische Steife in der axialen Richtung der Buchse. Auf diese Art und Weise kann der radiale piezoelektrische Motor 350 die kleine Masse 18 in der "Y"-Richtung mit einem kleinen Widerstand von der Federsteife der koaxialen Buchse bewegen. Die Buchse weist jedoch eine große mechanische Steife in einer Richtung auf, die radial zu der Buchsenachse ist, die eine radiale Bewegung der Buchse 370 verhindert, die aus der Bewegung der vertikalen piezoelektrischen Motoren 12a-12c resultiert.
  • Ein Geophon 17 ist in einem Empfangshohlraum 379 angeordnet, der in der kleinen Masse 18 gebildet ist. Das Geophon weist eine Achse auf, die mit der "z"-Achse des Systems 10, oder alternativ ausgedrückt, mit der Achse des Motors 12a-c ausgerichtet ist, um die vertikale Vibration der kleinen Masse 18 zu erfassen.
  • Wendet man sich kurz der Fig. 8a zu, ist der radiale piezoelektrische "X"-Motor 284 mit einer Scherentkopplungsvorrichtung 286 versehen, die ihrerseits aus einer Vorderplatte 354, einem elastischen Wafer 356 und einem hinteren Anschlußstück 358 zusammengesetzt ist, die gesamt identisch zu den ähnlichen Komponenten für die Scherentkopplungsvorrichtung 352 sein können. Auf der anderen Seite der Masse 18 ist eine radiale Federentkopplungsvorrichtungsanordnung 294 vorgesehen, um koaxial mit der longitudinalen Achse des radialen piezoelektrischen Motors 284 zu sein. Die Federentkopplungsvorrichtungsanordnung 294 umfaßt eine Vorderplatte 362, eine elastische Platte, einen Wafer oder eine Schicht 364 und eine hintere zylindrische Komponente 366, die gesamt identisch zu den ähnlich numerierten Komponenten der radialen Federentkopplungsvorrichtungsanordnung 360 sein können. Der radiale piezoelektrische "X"-Motor 284 ist ferner mit einer radialen koaxialen Buchse 500 versehen. In dem Abschnitt, der in Fig. 8b gezeigt ist, sind ferner das "X"- Geophon 502 der kleinen Masse, sowie dasselbe innerhalb der jeweiligen Aufnahme 504 desselben innerhalb der kleinen Masse 18 aufgenommen ist, und das "Y"-Geophon 506 sichtbar, das in der jeweiligen Aufnahme 508 der kleinen Masse 18 aufgenommen gezeigt ist. Die inneren Komponenten der Geophone 17, 502 und 506 sind nicht gezeigt, da diese Teile käuflich erhältlich sind. Die Sensorachse des Geophons 502 ist parallel zu der Achse des radialen piezoelektrischen Motors 284 ausgerichtet, und dieselbe ist mit demselben unter Verwendung einer Schaltung elektronisch gekoppelt, die ähnlich zu derselben ist, die in Fig. 3 gezeigt ist. Das Geophon 506 ist mit der "Y"-Achse oder der Achse des radialen piezoelektrischen Motors 350 ausgerichtet und ist mit derselben (Fig. 8) unter Verwendung der Schaltung 472 (Fig. 4) elektronisch gekoppelt.
  • Betrachtet man die Fig. 6-9 zusammen, gleicht die hohe mechanische Steife der koaxialen Buchse 370 (Fig. 9) in der radialen Richtung ferner die mechanische Steife der kleinen Masse 18 entlang der vertikalen Achse oder der "Z"-Achse aus. Daher wird eine vertikale Bewegung der kleinen Masse 18 bewirken, daß die Entkopplungsvorrichtungen 360, 352, 294 und 286 auf jeder Seite der kleinen Masse 18 in gleichen Beträgen abgelenkt werden, wodurch verhindert wird, daß sich die kleine Masse in Rollwinkeln, Steigungswinkeln oder Scherwinkeln dreht. Die radiale Steife der radialen koaxialen Buchsen 370 und 500 ist etwa gleich der radialen Steife der radialen piezoelektrischen Motoren 350 und 284. Die vertikalen Steifen, die auf alle Seiten der kleinen Masse 18 wirken, sind gleich, wodurch es ermöglicht wird, daß die kleine Masse 18 in der Ebene der oberen Enden der vertikalen piezoelektrischen Motoren 12a-12c ablenkt wird. Dies ergibt eine fast rein vertikale Translation der kleinen Masse 18, sowie die vertikalen Motoren 12a-12c bewegt werden.
  • Zurückkehrend zu Fig. 9 ist der äußere Durchmesser des koaxialen Buchsenrohrs 374 gewindet und ist in einem gewindeten Loch 380 in dem Gehäuse 300 aufgenommen. Dies ermöglicht es, daß das koaxiale Buchsenrohr 374 an Ort und Stelle in die äußere Seitenwand 310 des Gehäuses 300 geschraubt wird, um vorübergehend den radialen piezoelektrischen Motor 350 und die koaxiale Buchse 370 an Ort und Stelle unter einem leichten Zusammendrücken so lange zu halten, bis eine vorbestimmte axiale Vorlast an den radialen Motor 350 durch die Verwendung des Gehäuses der konischen Feder (das im folgenden beschrieben ist) angelegt wird.
  • Konische Federn 382a und 382b sind angeordnet, um koaxial zu dem radialen piezoelektrischen Motor 350 und auf der gegenüberliegende Seite der kleinen Masse 18 zu sein. Die Form jeder konischen Feder oder jeder Belleville-Unterlegscheibe 382 ist zur Klarheit stark übertrieben dargestellt; dieselbe ist tatsächlich wesentlich flacher. Die konischen Federn 382a-b üben eine konstante Zusammendrückkraft aus, wenn dieselben einen geeigneten Betrag zusammengedrückt werden. Konische Unterlegscheiben 382a-b werden aufgrund ihrer kompakten Größe und ihren niedrigen Kosten bevorzugt; andere Zusammendrückeinrichtungen können jedoch verwendet werden, um eine vorbestimmte Zusammendrückkraft auf dem piezoelektrischen Motor 350 zu plazieren, wie z. B. Gummi, ein Elastomer oder Stahlgußfedern oder sogar übliche Druckschraubenfedern.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei konische Unterlegscheiben 382a und 382b Stirn an Stirn positioniert, um die Reibung innerhalb der Feder für linearere Charakteristika abzusenken. Konische Unterlegscheiben dieser Art werden beispielsweise durch die Schnorr Corporation of Woodside, New York hergestellt. Der koaxiale innere Buchsenzylinder 366 (die gleiche Komponente, die ferner als ein Abschnitt der Scherentkopplungsvorrichtung 360 wirkt) ist gebildet oder spanabhebend bearbeitet, um die innere konische Unterlegscheibe 382b an Ort und Stelle zu halten. Beispielsweise kann eine Absenkung 384 in den Zylinder 366 gebohrt werden, und eine Einlage 386 kann darin plaziert werden. Dort hinein ist eine Einstellschraube oder ein Stift 388 gewindet, durch den die Unterlegscheibe 382b an Ort und Stelle gehalten wird.
  • Eine äußere Halterplatte 334 für eine konische Feder weist eine Mittelbohrung 390 auf, in die eine Schraube 392 gewindet ist, die wirkt, um die konische Unterlegscheibe 382a an Ort und Stelle zu halten. Eine andere Einrichtung zum Befestigen der konischen Unterlegscheiben 382a und 382b an Ort und Stelle kann verwendet werden. Die Halterplatte 334 für eine konische Feder ist an dem Buchsenrohr 374 (oder alternativ an der äußeren Seitenwand 310) unter Verwendung von Innensechskantkopfschrauben 394 oder dergleichen befestigt.
  • Die Verschiebung zwischen dem Koaxialbuchsenrohr 374 und dem Zylinder 366 ist derart vorausgewählt, daß, wenn die Halterplatte der konischen Feder an Ort und Stelle positioniert ist, eine Zusammendrückkraft von etwa 300 Pfund auf dem piezoelektrischen radialen Motorelement 350 plaziert wird. Die Halterplatte 334 ist durch Schrauben in die koaxiale Buchse 270 angebracht, bis ein Kontakt mit allen radialen Komponenten in der "Y"-Richtung hergestellt ist, und dann wird eine 1/4 bis 1/2 Drehung hinzugefügt, bis ein fester Kontakt hergestellt ist. Auf diese Art und Weise werden die radialen Komponenten und die kleine Masse 18 an Ort und Stelle durch eine kleine Kraft aufgrund der Axialbelastung der koaxialen Buchse gehalten, bis die konischen Unterlegscheiben 382a, 382b an Ort und Stelle und vorzusammengedrückt sind. Die Vorzusammendrückkraft wird die Trennvorrichtung 10 zusammenhalten, bis dieselbe unter der getragenen Nutzlast eingebaut ist.
  • Zurückkehrend zu Fig. 8a können die radiale Federentkopplungsvorrichtungsanordnung 294 und die radiale Koaxialbuchse 500 auf eine Art und Weise aufgebaut sein, die ähnlich zu und teilweise identisch zu der Entkopplungsvorrichtungsanordnung 360 und der koaxialen Buchse 370 (Fig. 9) sind. Die koaxiale Buchse 500 umfaßt ein gewindetes Rohr 510, das in eine geeignete Bohrung 512 in der Seitenwand 514 gewindet ist; eine äußere Abdeckung 516 ist an dem Rohr 510 mittels Kopfschrauben 518 befestigt. Eine Belleville-Unterlegscheibe ist vorgesehen, die zwei gegenüberliegende Hälften 520a und 520b aufweist. Diese Hälften werden an Ort und Stelle durch jeweilige Stifte 522 und 524 gehalten. Der Stift 522 wird innerhalb einer Einlage 526 aufgenommen, die koaxial zu der zylindrischen Komponente 366 ist. Der Stift 524 wird in einer jeweiligen koaxialen Bohrung der Endabdeckung 516 aufgenommen. Eine elastische zylindrische Schicht 530 ist zwischen der zylindrischen Buchse 366 und dem Rohr 510 gebildet.
  • Ein geeigneter flexibler Leitermantel 532 und zugeordnete Anschlußstücke sind zwischen dem Nutzlastgeophongehäuse 322 und einem Loch (nicht gezeigt) in der Seitenwand 514 des Gehäuses 300 befestigt. Der Leitermantel 532 sieht einen Raum für die Drähte vor, die an den Geophonen 26, 323 und 325 (Fig. 7) befestigt sind. Die elektrischen Verbindungen mit den Geophonen und zu den verschiedenen piezoelektrischen Motoren wurden für Zwecke der Klarheit weggelassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kompensationsschaltungsanordnung in den Fig. 3 und 4 entfernt zu der Einheit 10 positioniert, und mit der Einheit 10 durch geeignete Kommunikationskabel (nicht gezeigt) verbunden.
  • Fig. 10, 10a, 11, 12 und 13 stellen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer annähernd zylindrischen Form dar. Fig. 10 ist eine dreidimensionale Explosionsansicht eines aktiven Vibrationstrennsystems, das allgemein bei 600 gezeigt ist. Fig. 10a stellt ein Koordinatensystem für die Fig. 10 und 12 dar. Fig. 11 ist eine dreidimensionale Ansicht, die das System 600 in einem angeordneten Zustand zeigt. Fig. 12 ist eine schematische Querschnittsansicht, die im wesentlichen entlang der Linie 12-12 von Fig. 11 vorgenommen ist. Fig. 13 ist eine Draufsicht des Systems 600, die bestimmte innere Komponenten phantommäßig zeigt.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 10-13 ist das System 600 in einem zylindrischen Gehäuse 602 untergebracht, das einen Hohlraum 604 definiert. Das Gehäuse 602 ist in der äußeren Seitenwand 602 desselben konkav und ist parallel dazu auf der inneren Seitenwandoberfläche 608 desselben konvex. Eine kleine Masse 610 wird innerhalb des Hohlraums 604 aufgenommen, um von der inneren Seitenwand 608 und einem unteren Ende 612 des Gehäuses 602 beabstandet zu sein. Die kleine Masse 610 wird durch drei steife Betätigungsvorrichtungen oder piezoelektrische Motoren 614, 616, 618 getragen. Jeder vertikale piezoelektrische Motor 614-618 weist eine vertikale Scherentkopplungsvorrichtungsanordnung auf, wobei eine derselben beispielsweise in Verbindung mit dem piezoelektrischen Motor 616 bei 620 (Fig. 12) gezeigt ist. Die vertikale Entkopplungsvorrichtungsanordnung 620 ist, wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, aus einer unteren Metallplatte 622, einem elastischen Wafer oder einer elastischen Platte 624 und einer oberen Metallplatte 626 zusammengesetzt. Die Komponenten 622-626 besitzen die gleichen Abmessungen und Charakteristika wie die ähnlichen Komponenten in dem Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 6-9 gezeigt ist.
  • Nimmt man das Motorelement 616 als ein Beispiel ist das obere Ende desselben innerhalb einer Ausnehmung 628 der unteren Entkopplungsvorrichtungsanordnungsplatte 622 aufgenommen. Das untere Ende des Motorelements 616 liegt in der inneren unteren Oberfläche 612 des Gehäuses 602. Die Entkopplungsvorrichtungsanordnung 620 und das Motorelement 616 werden innerhalb einer Bohrung 630 in der kleinen Masse 610 aufgenommen. Die kleine Masse 610 ist derart gebildet, um gekrümmte Oberflächen 632 (siehe Fig. 10) aufzuweisen, um in einen Hohlraum 604 zu passen, und um ferner das Gewicht der kleinen Masse 610 zu reduzieren.
  • Die Bohrung 630 in der kleinen Masse 610 besitzt als den innersten Abschnitt derselben einen relativ kleineren Radius, um eng die obere Entkopplungsvorrichtungsanordnungsplatte 626 aufzunehmen. Die Bohrung 630 besitzt einen leicht größeren Radius über den Rest der Ausdehnung derselben, um lockerer die elastische Platte oder den elastischen Wafer 624, die untere Platte 622 und den piezoelektrischen Motor 616 aufzunehmen, was es ermöglicht, daß sich die Platte 624 und die Platte 622 lateral bezüglich der kleinen Masse 610 bewegen.
  • Wie vorher ist die kleine Masse 610 ferner von dem Gehäuse 602 in der "X"- und der "Y"-Richtung durch eine jeweilige steife Betätigungsvorrichtung oder piezoelektrische Motorelemente 634 bzw. 636 getrennt.
  • Eine Scherentkopplungsvorrichtungsanordnung 640 ist in Fig. 12 dem piezoelektrischen "Y"-Motorelement 636 zugeordnet gezeigt. Ähnlich ist eine Entkopplungsvorrichtungsanordnung 642 dem piezoelektrischen "X"-Motorelement 634 (Fig. 10) zugeordnet. Die Entkopplungsvorrichtungsanordnungen 640 und 642 umfassen jeweils eine in der Nähe liegende Metallplatte, eine elastische Platte oder einen Wafer und eine entfernte Metallplatte, und dieselben sind vorzugsweise für eine leichte Herstellung identisch zu der vertikalen Entkopplungsvorrichtungsanordnung 20.
  • Das piezoelektrische Motorelement 636 und die Entkopplungsvorrichtungsanordnung 640 sind koaxial mit der "Y"-Achse positioniert, die in Fig. 12 gezeigt ist. Ferner sind eine weitere Buchsenentkopplungsvorrichtungsanordnung, die allgemein bei 644 gezeigt ist, und eine horizontale Kraftabdeckung 646 koaxial mit der "Y"-Achse. Die Entkopplungsvorrichtungsanordnung 644 umfaßt eine in der Nähe liegende Platte 648, die, wenn dieselbe angeordnet ist, angepaßt ist, um eine flache vertikale Seitenwand der kleinen Masse 610 in Eingriff zu nehmen. Eine elastische Scheibe oder Platte 650 ist angeordnet, um benachbart zu der Metallplatte 648 zu sein. Ein zylindrisches Metallentkopplungsvorrichtungsanordnungselement 652 ist benachbart zu der elastischen Platte 650 gegenüber der in der Nähe liegenden Platte 648 positioniert.
  • Eine röhrenförmige Buchse 654 ist in eine Bohrung 656 des Gehäuses 602 geschraubt. Der innere Radius der Buchse oder des Rohrs 656 ist derart, daß es einen wesentlichen Freiraum zwischen demselben und der zylindrischen Buchsenkomponente 652 gibt.
  • Die Kraftabdeckung 646 ist mit der Mehrzahl von Bohrungen versehen, die angepaßt sind, um sich mit entsprechenden Bohrungen in der Hülse 654 auszurichten. Kopfschrauben (nicht gezeigt) werden innerhalb der gewindeten Bohrungen 658 und 660 aufgenommen, um die Kraftabdeckung 646 an der Hülse 654 zu befestigen.
  • Eine Mittelschraube 662 wird innerhalb einer axialen Bohrung 664 der horizontalen Kraftabdeckung 646 aufgenommen. Die Bohrung 664 ist gewindet. Die Schraube 662 ist eine lange Innensechskantkopfschraube und ist ausreichend lang, um innerhalb einer nicht gewindeten Spielbohrung 666 des Zylinders 652 aufgenommen zu werden. Die Einstellschraube 662 ist in die Kraftabdeckung 646 gewindet, und zwei verriegelnde Gegenmuttern 665a und 665b sind auf die Innensechskantkopfschraube 662 geschraubt. Die verriegelnden Gegenmuttern 665a und 665b werden positioniert, dann durch gemeinsames Anziehen auf der Innensechskantkopfschraube 662 verriegelt. Die verriegelte Position der Gegenmuttern 665a und 665b wird eingestellt, um zwei konische Unterlegscheiben 667 und 668 zu positionieren. Die Position der verriegelten Gegenmuttern 665a und 665b ist derart, daß wenn die zwei konischen Unterlegscheiben vorzusammengedrückt werden, die Innensechskantkopfschraube 662 nicht den Zylinder 652 kontaktiert. Die Bohrung 666 besitzt einen Durchmesser derart, daß die Innensechskantkopfschraube 662 dieselbe nicht kontaktiert. Die konischen Unterlegscheiben 667 und 668 werden auf der Innensechskantkopfschraube 662 mit dem inneren Durchmesser der Unterlegscheibe oder der konischen Feder 667 in einem Kontakt mit der Gegenmutter 668 in Position gehalten. Der äußere Durchmesser der konischen Feder 667 befindet sich in einem Kontakt mit dem äußeren Durchmesser der konischen Feder 668. Der innere Durchmesser der konischen Feder 668 wird koaxial zu der konischen Feder 667 durch den äußeren Durchmesser der Innensechskantkopfschrauben 662 gehalten. Der innere Durchmesser der konischen Feder 668 befindet sich in einem Kontakt mit dem Zylinder 652 um die Bohrung 666.
  • Alternativ können die Gegenmuttern 665a und 665b durch eine spanabhebend bearbeitete Stufe (nicht gezeigt) in der Schraube 662 ersetzt werden, derart, daß der Radius der Schraube 662 nach der Stufe reduziert ist. Die konischen Unterlegscheiben 667 und 668 werden dann auf den reduzierten Schaft der Schraube 662 geschoben, bis die Stufe erreicht wird, wobei die Stufe dann als ein physischer Anschlag in Kontakt mit dem inneren Durchmesser der Unterlegscheibe 667 wirkt.
  • Der piezoelektrische Motor 636 wird durch Anziehen der Innensechskantkopfschraube 662 um eine vorbestimmte Verschiebung abhängig von der Last gegen die Ablenkungscharakteristika der konischen Unterlegscheiben 667 und 668 vorzusammengedrückt, um eine axiale Längskraft von 300 Pfund zu erzeugen, die für das Vorzusammendrücken des piezoelektrischen Motorelements 636 erforderlich ist.
  • Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) können die dargestellten Unterlegscheiben 667 und 668 verdoppelt sein, derart, daß eine Reihe von vier, sechs oder acht Unterlegscheiben auf die Schraube 662 gereiht ist und zwischen der Gegenmutter 665 und der Bohrung 666 angeordnet ist. Diese Wiederholung der Belleville-Unterlegscheiben wird ferner in der "X"-Richtung stattfinden.
  • Ein wichtiger Aspekt von sowohl diesem als auch dem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 6 bis 9) ist das Positionieren der "Y"-Achse (und der "X"-Achse, siehe Fig. 13) hinsichtlich der vertikalen Entkopplungsvorrichtungsanordnungen 620 (eine derselben ist in Fig. 12 gezeigt). Die vertikalen Entkopplungsvorrichtungsanordnungen 620 sind derart positioniert, daß sich die "Y"-Achse des Motors 636 im wesentlichen in der horizontalen Ebene der vertikalen Scherentkopplungsvorrichtungselastomere 624a, b und c befindet. Auf diese Art und Weise erzeugt eine Kraft, die entlang der "Y"-Achse übertragen wird, kein Biegemoment oder keine Biegekraft auf die vertikalen Motorelemente 614-618 oder eine Drehung der kleinen Masse 610.
  • Auf der anderen Seite der kleinen Masse 610 paßt eine horizontale Piezostapelhalterplatte 670 in eine Aufnahme oder eine Bohrung 672 in der Seitenwand 606 des Gehäuses 602. Geeignet gewindete Bohrungen 674 und 676 (Fig. 10 und 11) sind in der Seitenwand 606 und der Halterplatte 670 gebildet, um die Halterplatte 670 an der Seitenwand 606 mit geeigneten Schrauben (nicht gezeigt) zu befestigen. Schrauben (nicht gezeigt) sind ferner innerhalb der gewindeten Bohrungen 678 (Fig. 12) aufgenommen, um eine ferne Metallplatte 680 der horizonalen Scherentkopplungsvorrichtungsanordnung 640 an der Halterplatte 670 zu befestigen. Die Struktur, die in Fig. 12 für die "Y"-Richtung dargestellt ist, ist in der "X"-Richtung wiederholt.
  • Bezugnehmend besonders auf Fig. 10 paßt eine Stapelhalterplatte 682 in eine entsprechende Aufnahme 684 in der Seitenwand 606 und ist angepaßt, um die "X"-Entkopplungsvorrichtungsanordnung 642 gegen den piezoelektrischen Motor 634 zu halten. Eine Hülse oder ein Rohr 686 ist in eine Bohrung 688 auf der gegenüberliegenden Seite der kleine Masse 610 auf der "X"-Achse schraubbar. Eine horizontale Kraftabdeckung 690 weist eine mittige Einstellschraube 692 auf, die in eine Mittelbohrung gewindet ist und sich in eine nicht gewindete Spielbohrung erstreckt, die axial in dem Zylinder 687 gebildet ist. Wie im vorhergehenden sind Gegenmuttern 698a und 698b auf die Einstellschraube 692 gewindet (alternativ können dieselben durch eine spanabhebend bearbeitete Stufe in der Schraube 692 derart ersetzt werden, daß der verbleibende Schaft der Schraube 692 einen reduzierten Radius aufweist). Ein Paar von konischen Federn oder Belleville-Unterlegscheiben 700a und 700b wird zwischen die Gegenmutter 698b und die Lippe der Mittelbohrung (wie bei der "Y"-Achsenentkopplungsvorrichtungsanordnung von Fig. 12) zusammengedrückt und wird durch den Schaft der Einstellschraube 692 an Ort und Stelle gehalten. In Fig. 10 wurden Details der Y-Achsenentkopplungsvorrichtung, einschließlich der Gegenmuttern 665a und 665b und der konischen Federn 667 und 668, zur Klarheit weggelassen.
  • Für die "X"-, die "Y"- und als auch die "Z"-Achse sind Geophone 694, 696 bzw. 697 (die in Fig. 13 am besten sichtbar sind) vorgesehen, und dieselben sind innerhalb geeigneter Hohlräume innerhalb der kleinen Masse 610 eingebaut. Drei Füße 701 umfassen jeweils einen Schaft 703, der in eine geeignet gewindete Bohrung 704 an dem unteren Ende des Gehäuses 602 geschraubt ist.
  • Eine passive Trennvorrichtung, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine elastische Schalenbefestigung 706, ist direkt an dem oberen Ende der kleinen Masse 610 über einen Flansch 708 und über Schrauben (nicht gezeigt), die in geeignete Bohrungen 710 (Fig. 10) gewindet sind, befestigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Nutzlastmasse direkt auf dem oberen Ende der Schalenbefestigung 706 und nicht auf einer beliebigen dazwischenliegenden Struktur. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner eine Nutzlastbewegungsensorrückkopplungsschleife vorgesehen, und folglich erscheinen die Sensoren und das Gehäuse, die für diesen Zweck für das in den Fig. 6-9 gezeigte Ausführungsbeispiel vorgesehen sind, hier nicht. Natürlich kann dort, wo eine Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife, um die Geschwindigkeit der Nutzlastmasse zu messen, wünschenswert ist, eine Schleife zu der Struktur, die in den Fig. 10-13 gezeigt ist, hinzugefügt werden.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel 721 der Erfindung ist in der dreidimensionalen Ansicht, die in Fig. 14 gezeigt ist, und der zugeordneten Explosionsansicht, die in Fig. 15 gezeigt ist, dargestellt. Das in den Fig. 14 und 15 gezeigte Ausführungsbeispiel ist allgemein ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 10-13 gezeigt ist, und lediglich die Hauptunterschiede werden daher erörtert. An dem äußeren Gehäuse 720 ist ein Schaltungskasten 722 befestigt, der die Kompensationsschaltungsanordnung unterbringt, die in Fig. 4 dargestellt ist. Eine Schalenbefestigung oder eine passive Trennvorrichtung 724 ist an dem oberen Ende einer kleinen Masse 726, wie im vorhergehenden, befestigt. Die Schalenbefestigung 724 ist an einer Abdeckung 728 mittels einer Mittelschraube 730 befestigt. Unterhalb der Abdeckung 728 sind Verschiebungssensoren 732, 734 und 736 sichtbar, die angeordnet sind, um die Bewegung der Nutzlast (nicht gezeigt) in jeder der drei Richtungen zu erfassen. Ein unterer Keil 738, der unterhalb einer Blattmetallabdeckung 740 angeordnet ist, wird an Ort und Stelle durch eine Mittelschraube 730 gehalten. Ein unterer Keil 744 wird unterhalb der Blattmetallabdeckung 740 durch einen L-förmigen Träger 746 gehalten. Eine Einstellschraube (nicht gezeigt) ist durch den L-förmigen Träger 746 und in eine gewindete Bohrung 748 gewindet, um den unteren Keil 744 nach innen oder nach außen zu zwingen, wodurch bewirkt wird, daß die Abdeckung 740 nach oben oder nach unten geht. Wie in Fig. 14 gezeigt, kann die Einstellschraube von einer äußeren Bohrung 750 in der Seite der Abdeckung 740 zugeführt werden. Eine elastische Platte 752 ist an dem oberen Ende der Abdeckung 740 befestigt, und dieselbe ist anpaßbar, um die Nutzlast aufzunehmen.
  • Das in den Fig. 14-15 gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht das Ausgleichen der Nutzlast durch eine geeignete Einstellung der unteren und oberen Keile 744 und 738.
  • Fig. 16 ist eine dreidimensionale Ansicht, die drei Aktiv/Passiv-Trennsysteme 721 darstellt, die in einer dreieckigen Formation verteilt sind, um bereit zu sein, eine Nutzlastmasse (nicht gezeigt) aufzunehmen. Die drei Systeme 721 sind mit einer Benutzer-Schnittstelle/Steuerung 754 derart verbunden, daß der Benutzer eine geeignete elektronische Diagnose durchführen und die Systeme 721 einrichten kann. Ein Leistungskabel (Stromkabel) 756 und Kommunikationskabel 758 verbinden die Einheiten.
  • Fig. 17 ist eine dreidimensionale Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, das sowohl eine Ge schwindigkeits- als auch eine Relativverschiebungsrückkopplungs-Schleife verwendet. Ähnliche Zeichen identifizieren ähnliche Teile zwischen den Fig. 15 und 17. Es sei die korrekte Plazierung des oberen Keils 738 und der Mittelschraube 730 bemerkt. Anstelle der Geschwindigkeits- oder Trägheitsverschiebungssensoren, die in Zuordnung zu der Nutzlast angebracht sind, wie es für die Fig. 6-8 und 14-16 der Fall ist, verwendet dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung X-, Y- und Z-Relativverschiebungssensoren 770, 772 und 774, die an einem Befestigungsträger 776 angebracht sind, der seinerseits an dem oberen Ende einer kleinen Masse 726 angebracht ist. Die Verschiebungssensoren 770, 772 und 774 können eine beliebige Art von kontaktfreien Sensoren sein, einschließlich Wirbelstromsensoren, Reluktoren oder Hall-Effekt-Sensoren. Die Sensoren 770-774 und der Befestigungsträger 776 wirken mit einem dreiachsigen Ziel oder Zielobjekt, das allgemein bei 778 gezeigt ist, zusammen. Das Ziel 778, das aus einem Ferromaterial besteht, ist an der Unterseite der Abdeckung 728 befestigt. Eine Ebene 780 des Ziels 778 wirkt mit dem Z-Sensor 774 zusammen, eine Ebene 782 wirkt mit dem Y-Sensor 772 zusammen, und eine Ebene 784 (die mit verdeckten Linien gezeigt ist) wirkt mit dem X-Sensor 770 zusammen. Bei einem zusammengebauten Zustand sind die Ebenen 782 und 784 zwischen den aufrecht stehenden Wänden des Trägers 776 und dem Z-Sensor 784 positioniert. Der Träger 676 ist an der oberen Fläche der kleinen Masse 776 angebracht, um von der passiven Trennvorrichtung 724 radial verschoben zu sein, sich jedoch innerhalb der radialen Grenze der kleinen Masse 726 zu befinden. Bei den Fällen, bei denen die Sensoren 770-774 Wirbelstromsensoren oder Reluktoren sind, wird das Ziel 778 als ferromagnetisch ausgewählt. Zuleitungen von jedem der Sensoren 770-774 sind zu der Kompensationsschaltungsanordnung vorgesehen, und Signale von diesen Sensoren werden in Kombination mit den Geophonen verwendet, die an und in der kleinen Masse 726 angebracht sind, um die steifen Betätigungsvorrichtungen 790, 792, 794, 796 und 798 zu steuern.
  • Es wurde herausgefunden, daß die Vibrationscharakteristika der Nutzlast wesentlich die Dämpfungsleistung des aktivenpassiven Vibrationstrennsystems beeinflussen. Die Verwendung einer Geschwindigkeitsrückkopplung, um die steifen Betätigungsvorrichtungen zu steuern, führt zu der starken Kopplung der Nutzlastvibrationsmoden mit dem erfaßten Ausgangssignal. Da die Verwendung von "Voreil-Nacheil"-Netzen (siehe z. B. Fig. 3) die Schleifenverstärkung hoch hält, erfordert ein Schließen der Schleife Kompensationsschaltungen, die zumindest bis zu einem gewissen Grad an die spezifische Nutzlast angepaßt sein müssen. Obwohl bei einem gegebenen dynamischen System die Polpositionen fest sind, hängen die Nullpositionen und daher die Kopplungsstärke von dem gemessenen Sensorausgangssignal ab. Die Auswahl eines Sensorausgangssignals, das zu Nullen in enger Nähe zu den Polen führt, macht die Rückkopplungsschleife gegenüber der Nutzlastdynamik unempfindlich. Dies kann durch Messen der passiven Befestigungslast oder Ablenkung durchgeführt werden.
  • Während die Verwendung einer Geschwindigkeitsrückkopplung von der Nutzlast zwei oder mehr Pole erfordern kann, die in die Kompensationsschaltung eingeführt werden müssen, die die äußere Schleife oder Geschwindigkeitsschleife aufweist, wurde herausgefunden, daß es die Verwendung von Relatiwerschiebungssensoren ermöglicht, daß die Kompensationsschaltungsanordnung relativ einfach ist.
  • Fig. 22 ist eine Blockdiagrammdarstellung der kombinierten inneren und äußeren Schleifen des Systems, wobei Relativverschiebungssensoren für die äußere Schleifenkompensation verwendet werden. Die Bodenbewegung wird als δin dargestellt. Die Zwischenmassenträgheitsverschiebung δi kann (in der vertikalen Richtung) als an dem oberen Ende der piezoelektrischen Motoren gemessen gedacht werden. (Da in Fig. 19 lediglich ein Freiheitsgrad dargestellt ist, ist es offensichtlich, daß diese Kompensationsschaltungen für die anderen Freiheitsgrade dupliziert sind). Ein "Anlagen"-Block 840 enthält die Funktion P(s), die eine Ableitung von der Verschiebung zu der Geschwindigkeit ist, die in der Kompensationssystemstruktur inhärent ist. Dies erzeugt v1, das die Absolutgeschwindigkeit der Zwischenmasse ist. Die Geophonsensordynamik wird in dem Block 842 als S(s) dargestellt. Die Absolutgeschwindigkeit der kleinen Masse ist ebenfalls eine Eingabe in den Block 844. Dieser inhärente oder "Anlagen"-Funktionsblock zeigt die dynamische Beziehung zwischen dem Eingangssignal v1 und der erfaßten Verschiebung q, die der inverse Laplace-Transformations-Operator 1/5 verarbeitet, um die Geschwindigkeit in die Verschiebung abzuleiten. Die erfaßte Verschiebung q ist ein Eingangssignal zu einem Außenschleifenkompensator C(s), der bei 846 gezeigt ist. Es wurde bestimmt, daß Cq(s) vorzugsweise gleich Cv(s) (siehe Gleichung 9.1) ist, daß heißt:
  • Der Durchlaßbereich für die Kompensationsfunktion wird wie für Cv(s) ausgewählt, und die Bode-Diagramme, die in den Fig. 21a und 21b gezeigt sind, können verwendet werden, um Cq(s) sowie Cv(s) zu definieren.
  • Ein gefiltertes Signal Sq wird mit einem Geophongeschwindigkeitssignal Sv bei einem Knoten 848 summiert, der ein kombiniertes Signal Sc erzeugt. Dies wird durch die Innenschleifenkompensationsfunktion C(s) bei einem Schritt 850 kompensiert. Die Innenschleifenkompensationsfunktion Cv(s) kann unter Verwendung der analogen Schaltungsanordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist, oder digital implementiert sein. Die Bode-Diagramme für C(s) sind in Fig. 20a und 20b gezeigt. Die Innenschleifenkompensationsfunktion C(s) erzeugt die piezoelektrische Stapelverschiebung δc, die mit der umweltbedingten Verschiebung δin an dem Knoten 852 summiert wird.
  • Die Auswahl von 1/r1 wird von der beabsichtigten Nutzlast abhängen. Die Nutzlast beeinflußt ferner die Auswahl von 1/τ2, obwohl dies in einem geringeren Grad.
  • Zusammenfassung wurde ein aktives Vibrationstrennsystem gezeigt und beschrieben. Die Trennsysteme, die beschrieben sind, positionieren eine kleine Masse zwischen der Nutzlastmasse und tragenden steifen Betätigungsvorrichtungselementen, um die Resonanzfrequenz und die notwendige Verstärkung zu reduzieren. Eine Schaltungsanordnung ist vorgesehen, um die steifen Betätigungsvorrichtungen als eine Funktion der Verschiebungssignale zu treiben, die von den Sensoren in der kleinen Masse in jeder der drei Richtungen erzeugt werden. Diese Schaltungsanordnung weist Kompensationsschaltungen innerhalb derselben auf, um bestimmte Resonanzmoden zu filtern, die der Struktur inhärent sind. Um eine passive Vibrationstrennung außerhalb des Bereichs der aktiven Vibrationstrennfrequenz vorzusehen, ist eine passive Trennvorrichtung zwischen der kleinen Masse und der Nutzlastmasse positioniert. Vorzugsweise wird die kleine Masse innerhalb eines Gehäuses aufgenommen, und wird von dem unteren Ende und den Wänden des Gehäuses durch steife "X"-, "Y"- und "Z"-Betätigungsvorrichtungselemente getragen. Das Gehäuse sieht ferner ein Verfahren zum Ausüben einer Zusammendrückkraft gegen die horizontalen piezoelektrischen Motoren vor.
  • Signalfilterverfahren werden verwendet, um eine "Kerb"-Filtercharakteristik vorzusehen, ohne die Gesamtverstärkung der Schaltung zu verändern.

Claims (25)

1. Ein aktives Vibrationstrennsystem, das eine Mehrzahl von steifen Betätigungsvorrichtungen aufweist, die jeweils auf elektrische Steuersignale ansprechen, um eine Nutzlastmasse (Mp) von einem vibrierenden Körper (F) an mindestens zwei Achsen, die in einem Winkel zueinander gebildet sind, zu trennen, wobei jede steife Betätigungsvorrichtung (12) entgegengesetzte erste und zweite Flächen (9, 14) und eine variable Länge zwischen den Flächen aufweist, wobei die Länge einen Wert aufweist, der eine Funktion von mindestens einem der elektrischen Steuersignale ist, gekennzeichnet durch
eine Mehrzahl von Scherentkopplungsvorrichtungen (640), wobei jede derselben benachbart zu der ersten Fläche jeder steifen Betätigungsvorrichtung angeordnet ist, und wobei jede derselben eine erste starre Platte (622), die benachbart zu der ersten Fläche angeordnet ist, eine zweite starre Platte (626), die fern von der ersten Fläche angeordnet ist, und eine elastische Platte (624) aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten starren Platte positioniert ist, wobei jede Scherentkopplungsvorrichtung wirkt, um eine Kraft an der steifen Betätigungsvorrichtung in jeder beliebigen Richtung, die senkrecht zu der Länge ist, zu reduzieren.
2. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 1, bei dem jede Scherentkopplungsvorrichtung einen Formfaktor von mindestens 8 aufweist.
3. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste und die zweite starre Platte Metall aufweisen.
4. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Achsen zueinander orthogonal sind.
5. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem das Steifigkeitsverhältnis von mindestens einer steifen Betätigungsvorrichtung zu einer jeweiligen Scherentkopplungsvorrichtung in einer jeweiligen axialen Richtung etwa das 10fache des Steifigkeitsverhältnisses von der steifen Betätigungsvorrichtung zu der Entkopplungsvorrichtung in einer radialen Richtung ist, die orthogonal zu der axialen Richtung ist.
6. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem jede der Mehrzahl von steifen Betätigungsvorrichtungen (12) ein piezoelektrischer Motor ist.
7. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, das ferner folgende Merkmale aufweist:
eine kleine Masse (18), wobei sich jede Serienkombination einer steifen Betätigungsvorrichtung (12) und einer Scherentkopplungsvorrichtung (640) zwischen der kleinen Masse und dem vibrierenden Körper (F) erstreckt;
eine passive Trennvorrichtung (20), die zwischen der kleinen Masse (18) und der Nutzlastmasse (Mp) positioniert ist;
eine Mehrzahl von Sensoren, die mit der kleinen Masse gekoppelt sind, und die jeweils wirksam sind, um ein Sensorsignal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewe gung der kleinen Masse parallel zu einer anderen der Achsen ist; und
eine Schaltungsanordnung (22, 24), die die Mehrzahl von Sensoren mit der Mehrzahl von steifen Betätigungsvorrichtungen koppelt und wirksam ist, um die Sensorsignale zu empfangen, wobei die Schaltungsanordnung eine Kompensationsschaltungsanordnung (24) zum Ändern der Sensorsignale, derart, daß das System über einen vorbestimmten Bereich von Vibrationsfrequenzen und Nutzlastmassen stabil ist, und eine Steuerschaltungsanordnung (22) aufweist, die mit der steifen Betätigungsvorrichtung gekoppelt ist, zum Variieren der Länge der steifen Betätigungsvorrichtung als eine Funktion der geänderten Sensorsignale.
8. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 7, bei dem die passive Trennvorrichtung aus einem Elastomer gebildet ist.
9. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Mehrzahl von Sensoren Geophone sind.
10. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Sensorsignale Geschwindigkeitssignale sind, wobei die Schaltungsanordnung einen Geschwindigkeitsintegrator zum Integrieren der Geschwindigkeitssignale, um Verschiebungssignale abzuleiten, und einen Ausgang für die Verschiebungssignale aufweist, und wobei die Kompensationsschaltungsanordnung mit dem Ausgang des Geschwindigkeitsintegrators gekoppelt ist.
11. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 10, bei dem die Kompensationsschaltungsanordnung eine Gleich-Abblockschaltung (140) zum Abblocken der Gleichspannung von der Mehrzahl von Sensoren aufweist.
12. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 11, bei dem die Gleich-Abblockschaltung (140) folgende Übertragungsfunktion aufweist:
S/S +W&sub1;
wobei S der Laplace-Transformationsoperator ist, und W&sub1; eine Frequenz von etwa 0,3 Hertz ist.
13. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 11, bei dem die Gleich-Abblockschaltung (140) eine analoge Stufe ist.
14. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7-13, bei dem die Kompensationsschaltungsanordnung (24) eine Niederfrequenzkompensationsschaltung (110) mit einer folgenden Übertragungsfunktion aufweist:
wobei S der Laplace-Transformationsoperator ist, TC1 eine vorausgewählte erste Zeitkonstante ist, und TC2 eine vorausgewählte zweite Zeitkonstante ist, die etwa 20 mal kürzer als die erste Zeitkonstante ist.
15. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 14, bei dem jeder Sensor eine Aufhängungsfrequenz aufweist, wobei TC1 etwa an die Aufhängungsfrequenz angepaßt ist.
16. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7-15, bei dem die Kompensations schaltungsanordnung (24) eine Voreilphasenerhöhungsschaltung (160) aufweist, die eine Phasenvoreilung in der Frequenzregion der Resonanz der passiven Trennvorrichtung hinzufügt.
17. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7-16, bei dem die Kompensationsschaltungsanordnung (24) eine Hochfrequenzverstärkungsreduktionsschaltung (230, 250) aufweist, die auf das Sensorsignal wirkt, um die Verstärkung desselben an einem Punkt in dem Frequenzbereich auf Eins zu reduzieren, der niedriger liegt als die Resonanzfrequenz, die durch eine Federkonstante der steifen Betätigungsvorrichtung und die kleine Masse gebildet wird.
18. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 17, bei dem die Hochfrequenzverstärkungsreduktionsschaltung (230, 250) folgende Übertragungsfunktion aufweist:
wobei S der Laplace-Transformationsoperator ist, und 1/TC3 der Punkt mit einer Verstärkung von Eins in dem Frequenzbereich ist.
19. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 7-18, bei dem die Kompensationsschaltungsanordnung eine Kerbfilterschaltung (400) mit einer Kerbe einer niedrigen Verstärkung bei einer Resonanzfrequenz aufweist, die durch die Wechselwirkung der kleinen Masse, der Nutzlastmasse und der passiven Trennvorrichtung erzeugt wird.
20. Ein aktives Vibrationstrennsystem gemäß Anspruch 19, bei dem die Kerbfilterschaltung (400) eine Gleich-Ver stärkung nahe eins aufweist.
21. Ein Verfahren zum aktiven Trennen einer Nutzlastmasse (Mp) von einer Vibration in einem vibrierenden Körper (F) , mit folgenden Schritten:
Koppeln der Nutzlastmasse (Mp) mit mindestens einer ersten und einer zweiten steifen Betätigungsvorrichtung (634, 636), wobei jede steife Betätigungsvorrichtung eine variable Länge aufweist, die mit einer jeweiligen Achse ausgerichtet ist, und wobei die Achsen in einem Winkel zueinander angeordnet sind;
Erfassen einer Bewegung, die auf die Nutzlastmasse (Mp) bezogen ist, in sowohl der ersten als auch der zweiten Richtung, die jeweils parallel zu einer der Achsen sind;
Erzeugen eines ersten Steuersignals als eine Funktion der Bewegung in der ersten Richtung;
Erzeugen eines zweiten Steuersignals als eine Funktion der Bewegung in der zweiten Richtung;
Anlegen des ersten bzw. des zweiten Steuersignals an die erste und die zweite steife Betätigungsvorrichtung; und
ansprechend auf den Schritt des Anlegens, Variieren der Länge der ersten und der zweiten steifen Betätigungsvorrichtung um Beträge, die äquivalent zu den Beträgen der Bewegung sind, die in der ersten bzw. der zweiten Richtung erfaßt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Entkoppeln der Scherkraft an der ersten steifen Betätigungsvorrichtung, die durch das Variieren der Länge der zweiten steifen Betätigungsvorrichtung bewirkt wird; und
Entkoppeln der Scherkraft an der zweiten steifen Betätigungsvorrichtung, die durch das Variieren der Länge der ersten steifen Betätigungsvorrichtung bewirkt wird.
22. Ein Verfahren gemäß Anspruch 21, das den Schritt des Koppelns der Nutzlastmasse (Mp) mit den steifen Betätigungsvorrichtungen (634, 636) über eine kleine Masse (18) aufweist, die mindestens um eine Größenordnung kleiner als ein vorbestimmter Bereich von Nutzlastmassen ist.
23. Ein Verfahren gemäß Anspruch 22, das den Schritt des Koppelns der kleinen Masse (18) mit der Nutzlastmasse (Mp) mit einer passiven Trennvorrichtung (20) und/oder das Koppeln der Nutzlastmasse (Mp) mit den steifen Betätigungsvorrichtungen mit einer passiven Trennvorrichtung (20) aufweist.
24. Ein Verfahren gemäß Anspruch 22, das den Schritt des Verwendens eines Geophons aufweist, um die Geschwindigkeit der kleinen Masse (18) zu erfassen;
25. Ein Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 21 bis 24, das ferner folgende Schritte aufweist:
Koppeln einer dritten steifen Betätigungsvorrichtung mit der Nutzlastmasse (Mp), wobei die dritte steife Betätigungsvorrichtung eine variable Länge aufweist, die mit einer dritten Achse ausgerichtet ist, die in einem Winkel zu der ersten und der zweiten Achse angeordnet ist;
Erfassen einer Bewegung, die sich auf die Nutzlastmasse (Mp) in einer dritten Richtung bezieht, die parallel zu der dritten Achse ist;
Erzeugen eines dritten Steuersignals als eine Funktion der Bewegung in der dritten Richtung;
Anlegen des dritten Steuersignals an die dritte steife Betätigungsvorrichtung;
ansprechend auf den letzten Schritt des Anlegens, Variieren der Länge der dritten steifen Betätigungsvorrichtung um einen Betrag, der äquivalent zu der Bewegung ist, die in der dritten Richtung erfaßt wird;
Entkoppeln der Scherkräfte an der dritten steifen Betätigungsvorrichtung, die durch das Variieren der Länge der ersten und der zweiten steifen Betätigungsvorrichtung bewirkt werden; und
Entkoppeln der Scherkräfte an der ersten und der zweiten steifen Betätigungsvorrichtung, die durch Variieren der Länge der dritten steifen Betätigungsvorrichtung bewirkt werden.
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