JP2011530047A - アクチュエータに作用する負荷力を除去するために設計された振動絶縁システム - Google Patents

Abstract

振動絶縁システムとともに使用される能動減衰システムを設け、能動減衰システムは、地上に配置されるアクチュエータと、アクチュエータに支持され動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点として作用する中間質量を備える。能動減衰システムはまた、受動減衰要素と支持ばねを備え、両者は一端で負荷に連結され、他端で中間質量に連結される。少なくとも一つの除荷ばねが、中間質量と地面との間に配置され、アクチュエータに作用する負荷からの重量を部分的に支持している。センサが中間質量に取り付けられ、その後の中間質量への作用のためにアクチュエータにフィードバック信号を発生して中間質量が安定点として作用するようにしている。このような能動ダンパを使用して動的力を絶縁するシステム及び方法も提供している。

Description

本発明は、支持された負荷から振動を絶縁するためのシステム及び方法に関し、特に振動絶縁に際し、アクチュエータに作用する支持された負荷力を除去するためのシステム及び方法に関するものである。

振動絶縁産業のニーズは、精密機器の精度や使用頻度の増大とともに大きくなっている。その結果、周囲あるいは外部の振動のような動的力を抑制したり絶縁するニーズが増大し、精密機器に作用するそのような力の許容範囲はますます小さくなっている。例えば、極めて高い精度を維持しながら前例のない複雑さで半導体製造を行うために、最小サイズは減少し続けているので、製造時に紫外線ステッパや半導体整列機や他の装置等の装置が作動する略振動のない環境を提供することが重要であり、その重要性は明らかである。

音声コイルダンパやモータ等の能動ダンパが振動解消のため使用されている。特に、これらの能動ダンパを、比較的高い補償力を発生するのに使用してもよく、絶縁された負荷に配置されたセンサとともに、高加速度で移動する重い負荷により生じた力を補償することができる。しかしながら、能動ダンパはまた、非常に制限された能動バンド幅ゲインを持つ。特に、負荷共振がセンサ出力と結合すると安定余裕が損なわれる。この制限は、多様な共振を感知する絶縁された架台に振動センサが取り付けられることで制限されるサーボループ安定性に起因する。

半導体製造産業では、最小サイズを小さくする要望に加えて、昨今のニーズに応えて、製造されるウェーハ全体のサイズが大きくなっている。例えば、製造されるウェーハのサイズは今や約３００ｍｍから４５０ｍｍとなっている。このように大きいウェーハを製造するためには、移動ステージ、ウェーハ装填機等の装置は大きくて重たいものを使用する必要がある。これらの大きくて重たい装置を使用すると、その部品の移動により発生する動的力や、結果として生じる振動もまた大幅に増大する。

このような大きくて重たい装置が発生する振動を許容レベルまで抑制し絶縁するためには、アクチュエータ等の移動装置は重たい装置を支持できるばかりでなく、装置に作用する力を補償するための十分な変位を生じる必要があり、こうすることで振動を許容レベルまで抑制することができる。アクチュエータは、通常その面の一つに固定された負荷を作動させるように設計された装置である。その機能には、支持された負荷の移動や位置決めや安定化がある。負荷の作動は、アクチュエータの力学的接触面に対応し、作動軸を形成する二つの作動点により行われる。作動点の一つは負荷に固定され、作動点の他方は力学的質量として作用し反力に対抗するベースに固定される。作動は、通常アクチュエータの自由度に相当する作動方向と呼ばれる少なくとも一つの方向に沿って行われ、二つの作動点間におけるアクチュエータの変形により行われる。

大きくて重たい装置（すなわち、負荷）を支持できるばかりでなく、発生した振動を許容レベルまで抑制して絶縁することが可能な大きくてパワーのあるアクチュエータを使用すれば、非常に高くつく。

場合によっては、アクチュエータに作用する支持負荷の重量（すなわち、静的力）を減少するために、振動絶縁システムは支持ばねを使用している。一般に、そのような支持ばねは、能動ダンパシステムに平行に配置されており、そのアクチュエータは、一つの構成要素であり、支持負荷から地上に延びてアクチュエータに作用する負荷の重量を取り去る。支持ばねを採用した振動絶縁システムの例が、特許文献１や特許文献２に開示されている。

米国特許公開第２００７／０２７３０７４号公報 米国特許第６，７５２，２５０号公報

しかしながら、支持ばねを設けることで、アクチュエータに作用する支持負荷の重量を軽減するものの、振動絶縁システムの効率を実際には損なっている。特に、支持ばねが地上から負荷まで延在しているので、外部振動あるいは地上からの振動が負荷に伝わり、能動ダンパシステムの振動絶縁プロセスが損なわれることになっている。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、作用する支持負荷の重量を軽減し（すなわち、支持負荷の重量を取り去り）、振動絶縁プロセスを損なうことなく、費用効率が高く効率的に周囲からの外部の振動あるいは構成部品の振動を能動的に絶縁することができる振動絶縁システムを提供することを目的としている。

本発明は、システム性能を損なうことなく、広い周波数バンド幅に渡って負荷に作用するある範囲の動的力を減衰させ能動的に抑制しながら、アクチュエータに作用する支持負荷から静的力（すなわち、重量）を取り去ることができる能動振動減衰システムを提供する。支持負荷から重量を取り去ることで、本発明に係るシステムは、振動絶縁プロセスを損なうことなく、比較的小さいアクチュエータを使用して実質的に同じサイズの負荷を支持することができる。あるいは、実質的に同じサイズのアクチュエータを使用して、作用する動的力の絶縁を損なうことなくより大きい負荷を支持することができる。

振動減衰システムは、一実施の形態では、絶縁架台等の負荷質量と、地面、床、外部ケーシング、あるいは振動基台等の動的力あるいは振動源との間に配置された能動絶縁ダンパを備え、負荷からの動的力を減衰し絶縁する。能動絶縁ダンパ（能動減衰システム）は、ある実施の形態では、地面、床、外部ケーシング、あるいは基台に取り付けられるアクチュエータを備える。アクチュエータはシステムに作用する動的力を補償するために使用される。能動ダンパは、アクチュエータ装置に支持されて動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点を提供する中間質量を備える。一実施の形態では、中間質量は負荷とは別個に弾性的に分離されている。能動ダンパは、一端で負荷に連結され他端で動的力が減衰される安定点として作用する中間質量に連結された受動減衰要素をさらに備える。ある実施の形態では、受動減衰要素は、動的力が減衰される安定点に負荷からの動的力を加えるように作用する。加えて、中間質量と地面との間に少なくとも一つの除荷ばねが配置され、アクチュエータに作用する負荷からの重量が伝わるようにしている。特に、除荷ばねはアクチュエータに作用する負荷の重量を部分的に支持する。また、センサが中間質量に取り付けられ、アクチュエータに対しフィードバック信号を発生して中間質量上に安定点を発生させる。様々な補償回路を含むモジュールも設けられており、センサからの信号を統合してアクチュエータが中間質量上に安定点を発生するようにしている。

別の実施の形態では、振動絶縁システムとともに使用される能動減衰システムが設けられている。能動減衰システムは、一端が地面、床、外部ケーシング、あるいは基台に取り付けられ、他端が安定点として作用する中間質量に連結されたアクチュエータを備える。一実施の形態におけるアクチュエータは、比例的に減少した力がある場合には、負荷に加えられるストロークを増大するように設計された増幅アクチュエータであってもよい。能動減衰システムはまた、一端で負荷に連結され他端で中間質量に連結され、動的力から支持負荷を安定させる受動減衰要素を備えている。中間質量と地面との間には、アクチュエータ装置に作用する負荷からの重量を部分的に支持する少なくとも一つの除荷ばねが配置されている。また、センサが中間質量に取り付けられ、アクチュエータ装置に対しフィードバック信号を発生して中間質量上に安定点を発生させる。負荷と中間質量の間には、受動減衰要素と平行に支持ばねが設けられており、負荷の重量を支持している。支持ばねは、受動減衰要素とともに、支持負荷を中間質量から弾性的に分離するように作用する。

さらに別の実施の形態では、絶縁架台に支持された負荷から振動を絶縁する方法が提供される。この方法では、負荷を支持するように設計された絶縁架台の下方の基台あるいは地面にアクチュエータをまず配置する。次に、中間質量をアクチュエータ装置上に配置し、中間質量に安定点を発生させる。ある実施の形態では、安定点は、振動や他の動的力が中間質量に加えられ、そのような振動や動的力を減衰し負荷から絶縁する。中間質量は負荷とは別個に弾性的に分離されるように設計されている。中間質量を所定の位置に配置した後、少なくとも一つの除荷ばねが中間質量の下方の基台上に配置される。除荷ばねを設けたことで、アクチュエータ装置に作用する負荷からの重量を部分的に支持することができる。その後、受動ダンパの一端が絶縁架台に連結され、他端が中間質量上に安定点が発生する領域に連結される。また、受動ダンパと平行に負荷と中間質量の間に支持ばねが設けられ、支持された負荷を安定させる。各構成要素が所定の位置に配置されると、これらの構成要素により加えられる動的力に起因する中間質量の動作が感知され、中間質量の動作に応じたフィードバック信号が発生する。このフィードバック信号に基づいて、アクチュエータの長さが変化し、動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点を中間質量上に発生させて維持する。

図１は本発明の実施の形態に係る能動振動絶縁及び減衰用システムを示している。 図２Ａは図１のシステムと関連して使用される能動減衰システムの概略図である。 図２Ｂは図２Ａに示される能動減衰システムの一部の斜視図である。 図３は本発明の別の実施の形態に係る能動振動絶縁及び減衰用能動減衰システムを示している。 図４は本発明の別の実施の形態に係る能動振動絶縁及び減衰用システムを示している。 図５は３次元振動絶縁あるいは減衰システム用の運動センサ、補償回路及びアクチュエータ間の電気接続を示す概略ブロック図である。 図６は二つの軸に沿った能動振動減衰システムの簡略化された概略ブロック図を示している。

図１は本発明の実施の形態に係る能動振動絶縁及び減衰用システム１０を示している。本実施の形態に係るシステム１０は、（ｉ）絶縁された負荷１２（すなわち、絶縁架台と架台上に支持された負荷）と、（ii）床、外部ケース、振動基台１４等の振動源との間に位置する能動減衰システム１１を備え、振動や他の動的力が負荷１２に伝わるのを抑制したり絶縁する。システム１０はまた、能動減衰システム１１に連結され、能動減衰システム１１の部品に直接作用する支持負荷１２からの重量を取り去るように設計された機構１５を備えている。当然のことながら、図１は３次元の一つにおける能動あるいは動的振動絶縁に対処するためのシステムを示している。このように簡略化したのは、説明を容易にするためである。しかしながら、当然のことながら、システム１０は能動振動絶縁を６自由度のすべてに使用できる。

絶縁架台１２と、地面、床、外部ケース、振動基台１４等の振動源あるいは動的力との間に位置し、負荷１２から動的力を減衰したり絶縁するように作用する能動減衰システム１１は、基台１４に連結されるアクチュエータ１６と、アクチュエータ１６上に支持される小さな中間質量１７を備え、負荷１２と中間質量１７との間には受動減衰要素１８と支持ばね２０が設けられ、負荷１２からの動的減衰力（すなわち、振動）に加えて、負荷１２の静的力（すなわち、重量）を支持している。能動減衰システム１１はまた、中間質量１７に取り付けられた運動センサ１９を備え、中間質量１７の動作で発生した信号は能動フィードバック補償ループ１９１の一部として補償され、振動周波数の所定の範囲にわたり中間質量１７を安定化させる。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、本発明に係るシステム１０と関連して使用される能動減衰システム２０の実施の形態が図示されている。図１の能動減衰システム１１と同様、能動減衰システム２０は、その一つの形態では、外力あるいはシステム１０の部品により生じた振動や他の動的力が負荷１２に伝わらないように減衰あるいは絶縁するために使用される。図示された能動減衰システム２０は、基台あるいは地面１４に位置するアクチュエータ２１と、アクチュエータ２１上に支持され、動的力が受動減衰要素（受動ダンパ）２３を介して減衰されるとともに、支持ばね２７を介して静的力が加えられる安定点（すなわち、振動のない点）として作用する中間質量２２を備えている。図示されているように、受動減衰要素２３と支持ばね２７の両方は、一実施の形態において、その一端で負荷２４（すなわち、絶縁架台とその上に支持された負荷）に連結され、その他端で安定点として作用する中間質量２２に連結されている。能動減衰システム２０はまた、中間質量２２と地面１４（あるいは基台）との間に位置しアクチュエータ２１に作用する負荷２４からの何らかの重量を部分的に支える少なくとも一つの除荷ばね２５と、中間質量２２に取り付けられ中間質量２２の動作に応じて信号を発生して、中間質量２２上に安定点を発生させるためにアクチュエータ２１にフィードバックするセンサ２６とを備えている。

ある実施の形態のアクチュエータ２１は、振動基台あるいは地面１４に取り付けられた下端２１１を有する。アクチュエータ２１はまた、基台あるいは地面１４の動きを、例えば０．０１倍の動きに減少させるために、略移動しない状態あるいはそれに近い状態に維持される上端２１２を有する。本発明に係る能動減衰システム２０は、アクチュエータ２１と関連して、アクチュエータ２１の移動軸に実質的に平行なＺ軸に沿って基台あるいは地面１４の振動を負荷から絶縁するように設計されている。

本発明の一実施の形態では、アクチュエータ２１は圧電素子を積層したものであってもよい。そのような実施の形態では、アクチュエータ２１は、Ｚ軸に沿ってある長さを有し、印可された制御信号に応じて可変である積層体２１３等の実質的に剛性のある第１の素子を有する。本発明の一実施の形態では、アクチュエータ２１は、積層体の最大相対移動量のピーク値が約０．００１〜約０．００５インチであるように設計される。

圧電積層体としてのアクチュエータ２１は、十分に剛性のあるモータばね２１４として作製されていてもよい。その軸に沿ったばね２１４の剛性により、アクチュエータ２１は、印可された指令信号に応じて負荷２４の重量（すなわち、静的力）とは独立して容易に伸縮することができる。ばね２１４の剛性は、除荷ばね２５の剛性より少なくとも一桁高く、好ましくは少なくとも二桁高い。例えば、ばね２１４の剛性は約１９０万ポンド／インチであるのに対し、電圧に対する移動量の関係は、ピーク値で約１００万ボルト／インチである。

ある種の圧電アクチュエータ、特に一方向にのみ力を発生するアクチュエータの場合、アクチュエータ２１に予め荷重をかけ、実際の作動時、アクチュエータ２１が伸長した状態にならないように防止して「復帰」力が加わるようにする必要がある。したがって、ばね２１４は、アクチュエータ２１に予め荷重を加えるために使用される。ある実施の形態では、ばね２１４はスチールばねであり、例えばＺ軸等の圧縮軸に沿って負荷２４に発生する動的力よりも大きい圧縮荷重を予め付与するために使用される。ばね２１４は、圧縮位置決めねじや他の手段（図示せず）を使用して予め荷重をかけることもでき、圧縮方向に所要ポンドの背分力を付与することができる。

アクチュエータ２１は圧電アクチュエータとして図示されているが、アクチュエータが能動減衰システム２０と関連して使用できる限り、アクチュエータ２１はどのようなアクチュエータでもよい。例えば、機械式、電気式、空圧式、油圧式あるいは電磁式アクチュエータや、市販のアクチュエータや、この種の産業で公知のアクチュエータを使用することができる。場合によっては、負荷に加えられるアクチュエータのストロークを増大することが望ましく、特に出力の小さいアクチュエータにより力が加えられたり、このようなアクチュエータに力が加えられる場合に望ましい。また、負荷２４の質量を支えるとともに、動的力に対処するアクチュエータに比べて出力が小さいアクチュエータが使用される場合、システム１０の全コストを低減することができる。このため、図２Ｂに示されるアクチュエータ２１と同様な増幅アクチュエータが使用される。このような増幅アクチュエータは、場合によっては、負荷が小さいときにはストロークを大きくする一方、負荷が大きいときにはストロークを小さくするように適合する。

一例として、支持された負荷Ｍｐがアクチュエータ２１で直接支持されていれば、負荷質量Ｍｐが、例えば約１０００ポンドの場合、負荷の共振周波数は約１３０サイクル／秒であり、この共振周波数は振動絶縁ゲインを減少する。望ましいゲインは、負荷の共振周波数−この場合、１３０サイクル／秒−の近傍の周波数で得るのは難しいし、不可能な場合もある。加えて、補正しなければ、システムは負荷の共振周波数で振動を大きく増幅し、振動絶縁の効果の殆どは失われる。

この問題に対処するため、能動減衰システム２０は、アクチュエータ２１と支持された負荷２４との間に位置する中間質量２２を備えている。一実施の形態の中間質量２２は、支持ばね２７と受動ダンパ２３を介して負荷２４から弾性的に分離されており、動的力が減衰される能動的絶縁点（振動のない点）として作用し、地面１４やシステム１０の他の部材からの動的力が負荷２４に伝達されないように絶縁されている。ある実施の形態では、中間質量２２は質量値Ｍｓを持ち、この質量値は、システム１０がＭｐを支持したり絶縁するために設計された質量範囲より少なくとも一桁あるいはそれ以上（例えば、二桁）小さい。図２Ａに示される中間質量２２は、上面２２１と底面２２２を有する実質的に平坦な部材である。中間質量２２は、その底面２２がアクチュエータ２１の上端部２１２に直接配置されている。場合によっては、中間質量２２の位置をアクチュエータ２１全体に渡って固定し、中間質量２２の横方向あるいは径方向への移動を極力低減するのが望ましい。このため、この分野で公知の機構を使用して、中間質量２２をアクチュエータ２１に実質的に固定し、中間質量２２の横方向あるいは径方向への移動を極力低減している。

本発明のある実施の形態では、アクチュエータ２１はシステム１０の構成部材あるいは地面１４に発生する振動及び他の動的力が負荷２４に伝達されるのを絶縁するとともに、同時に負荷２４の質量（すなわち、重量）が発生する静的力にも対処して、アクチュエータ２１に加わる負荷２４の質量を低減する必要があるので、除荷ばね２５が設けられる。図２Ａに示されるように、一実施の形態における除荷ばね２５は、中間質量２２の下方でアクチュエータ２１の両側に配置されて、各除荷ばね２５の上端２５１は中間質量２２に連結される一方、各除荷ばね２５の下端は地面１４に位置している。除荷ばね２５を設けたことで、アクチュエータ２１に作用する負荷２４の重量が除荷ばね２５に伝達される。換言すれば、除荷ばね２５は、アクチュエータ２１に作用する負荷２４の重量を部分的に支えるように作用する。

除荷ばね２５は二つ図示されているが、本発明は、当然のことながら除荷ばね２５を一つあるいはそれ以上使用するのが望ましいこともある。例えば、除荷ばね２５を一つのみ使用する場合、除荷ばね２５は中間質量２２の下方でアクチュエータ２１の周囲に配置される。しかしながら、三つあるいはそれ以上の除荷ばね２５を使用する場合、負荷２４からの重量が除荷ばね２５に十分に伝達されるように配置される。当然のことながら、ばね２５が中間質量２２の下方に位置する限り、ばね２５はアクチュエータ２１の近傍のどこに配置してもよい。

ある実施の形態における除荷ばね２５は金属ばね、コイルばね、ダイスプリングあるいは他の同様なばねであってもよい。さらに、除荷ばね２５は、アクチュエータ２１に加えられる負荷２４の重量を軽減するために設けられるので、アクチュエータ２１の剛性要素ほどの剛性は必要ではない。ある実施の形態では、除荷ばね２５の剛性は、アクチュエータ２１の剛性より少なくとも一桁小さい。

当然のことながら、除荷ばね２５があることで、アクチュエータ２１に作用する負荷２４の重量を部分的に支えることができる。したがって、除荷ばね２５を設けると、負荷２４の質量が増加しても、必要な減衰動作を十分に達成するために必要なアクチュエータ２１を一つあるいは小数のアクチュエータ２１を能動減衰システム２０に設ければよい。さらに、動的力に対処するとともに、負荷２４の質量を支えるアクチュエータ２１よりも安価でパワーの小さいアクチュエータを使用することもできる。勿論、動的力に対処し、負荷２４の質量を支えるアクチュエータ２１と同程度のパワーを持つアクチュエータを使用すると、増幅アクチュエータからの付加的パワーは、許容レベルへの必要な振動減衰を行うために、動的力に対処できるとともに、例えば少なくとも２倍重たい負荷を実質的に支持するために使用される。

しかしながら、能動減衰システム２０に除荷ばね２５を設けることで、負荷２４に影響を与える動的力の絶縁を損なうこともある。特に、除荷ばね２５は、各除荷ばね２５の下端部が地面１４に接触するように配置されているので、地面１４からの振動あるいは動的力は、除荷ばね２５を介して中間質量２２に伝達され、受動ダンパ２３を介して最終的に負荷２４に伝達される。

システム要素（すなわち、基台あるいは地面１４）で発生した振動あるいは動的力が負荷２４に伝達されるのを極力低減するために、能動減衰システム２０には、図１に示される補償ループ１９１と同様のフィードバック補償ループが組み込まれている。一実施の形態における補償ループはセンサ２６を持つ。図示されたセンサ２６は、中間質量２２の上に配置され、中間質量２２の動作あるいは変位を得るために処理されるフィードバック信号を提供するように作用する。特に、センサ２６からのフィードバック信号は、図１のモジュール１９２と同様のモジュールに送信され、モジュールはその信号を統合して変位とブーストゲインを入手している。ある実施の形態のモジュール１９２は、アクチュエータ２１に指令信号を与えるように設計され、例えば、それ相応に伸縮するために圧電アクチュエータ２１に可変電圧を送る。

一実施の形態におけるセンサ２６は、サーボ加速度計やジオホンのような他の振動センサであってもよい。ある実施の形態では、センサ２６からの信号は、センサの内部あるいは外部の「浮標（free floating）」慣性質量に対する相対加速度、速度あるいは位置に比例する。本発明と関連して使用されるセンサ２６や補償回路は、米国特許第５，８２３，３０７号に開示されているものと同様のものでもよく、この米国特許の内容は、これを参照することによりここに盛り込まれていることとする。

センサ２６からのフィードバック信号は、除荷ばね２５や地面１４やシステム１０の他の要素からの動的力に応答して、中間質量２２に作用すると、中間質量２２が安定点（すなわち、振動のない点）として作用する周波数で、アクチュエータ２１が十分に伸縮するように使用される。安定点として作用する中間質量は、ある実施の形態では、動的力を減衰し、そのような力が受動ダンパ２３を介して負荷２４に伝達されるのを絶縁するために使用される。特に、負荷２４は受動ダンパ２３により支持されるので、安定点として作用する中間質量２２上に実質的に直接配置された受動ダンパ２３の位置は、地面１４あるいは他の要素からの振動あるいは他の動的力が受動ダンパ２３を介して負荷２４から絶縁され負荷２４に伝達されないようにしている。例えば、支持ばね２７は意図的に、支持された負荷２４の安定性を損なう共振周波数で高レベルの増幅を発生させてもよく、受動ダンパ２３は、負荷２４に作用したり負荷２４から作用するそのような力や他の僅かな動的力を中間質量２２、すなわち安定点に向けるように作用する。その結果、負荷２４は、例えば床あるいは地面１４が発生する振動や他の動的力を実質的に受けることがない。

図２Ａに示される支持ばね２７は、負荷２４と中間質量２２との間で受動ダンパ２３に実質的に平行に離隔して配置されている。一実施の形態における支持ばね２７は、負荷２４の重量を支えることで、負荷２４からの静的力に対処するように作用する。加えて、支持ばね２７は、能動周波数バンド幅より上の高周波数絶縁を提供する。特に、支持ばね２７は安定点として作用する中間質量２２上に実質的に直接配置されているので、地面１４や他の要素からの振動や動的力は負荷２４から絶縁される。これは、そのような振動は中間質量２２で減衰され、支持ばね２７を介して負荷２４に伝達されることがないからである。その結果、負荷２４は、例えば床あるいは地面１４で発生する振動及び他の動的力を実質的に受けないように維持される。さらに、支持ばね２７があることで、負荷２４を中間質量２２に対し実質的に平行に維持するように作用する。図２Ａにおいては、支持ばね２７は一つのみ図示されているが、例えば負荷２４の質量に対する支持ばね２７の剛性に応じて別の支持ばね２７を使用することもできる。したがって、負荷２４を中間質量２２に対し実質的に平行に維持できる限り、支持ばね２７を二つあるいはそれ以上使用してもよい。ある実施の形態における支持ばね２７の剛性は、アクチュエータの剛性よりも二桁ほど小さく、金属ばね、コイルばね、ダイスプリング、受動空気ばね、能動レベル制御付き空気ばね、あるいは、他の同様なばねであってもよい。

本発明の別の実施の形態によれば、受動ダンパと中間質量は互いに一体化されて、受動ダンパと中間質量の両方が実質的に単一ユニットとして一体的に構成されている。図３を参照すると、中間質量３１と受動ダンパ３５を組み込んだ単一ユニット３０が図示されている。中間質量３１は、一実施の形態では、アクチュエータ２１の頂部に直接配置されており、負荷２４から弾性的に分離されている。アクチュエータ２１上の中間質量３１の位置を保持して中間質量３１の横方向あるいは径方向の移動を極力低減するために、外部ケーシング３３が設けられており、その中にアクチュエータ２１と中間質量３１が配置されている。一実施の形態では、ケーシング３３は、Ｚ軸に沿って軸方向に互いに移動可能な上部３３１と下部３３２を備えている。留め具３４をケーシング３３の内部に設けてもよく、その間に中間質量３１を配置して中間質量３１の横方向あるいは径方向の移動をさらに低減してもよい。当然のことながら、この分野で公知の他の機構を使用して中間質量３１の横方向あるいは径方向の移動を低減することもでき、例えば中間質量３１とケーシング３３との間に挟持されたＯリングを設けてもよい。図３に示される実施の形態では、留め具３４はファスナ３４１によりケーシング３３に固定されており、中間質量３１は留め具３４の間にファスナ３４１を使用して固定されている。一実施の形態の留め具３４は可撓性材料で作製され、ケーシング３３の下部３３２に対する上部３３１の僅かな軸方向の動きを吸収するようにしている。

図３をさらに参照すると、受動ダンパ３５は中間質量３１と絶縁架台との間に介在しており、中間質量３１の一部であってもよい。しかしながら、図２Ａに示されるように、中間質量とは独立した別体の受動ダンパを設けることもできる。上述したように、中間質量３１と受動ダンパ３５を設けることで、動的力が減衰する能動的に絶縁された点（すなわち、振動のない点）を提供し、さらに非常に高い周波数でのフィードバックゲインを許容する。これは、受動ダンパ３５がこのような高い周波数での受動振動絶縁を提供できるからである。

図３に示される実施の形態においては、受動ダンパ３５は弾性流体ダンパでもよく、中間質量３１のあるハウジング３２内に、ある量のオイル、シリコンオイル、他の粘性流体等の粘性流体３５１を収容している。受動ダンパ３５はまた、実質的に垂直方向にＺ軸に沿ってハウジング３２内の粘性流体に向かって延びるピストン３５２を有する。ピストン３５２をハウジング３２内に収容するために、開口部３２４が設けられている。一実施の形態におけるピストン３５２は、負荷を支える絶縁架台に取り付けるための外端３５４と、粘性流体３５１内に配置される内端３５５を有するロッド３５３を備えている。ある実施の形態のロッド３５３は、Ｚ軸等の動作軸方向に強くて剛性があるのに対し、ロッド３５３に実質的に垂直な面に沿っては剛性が劣る。ピストン３５２はさらに、ロッド３５３の内端３５５にプレート３５６のような幅広の面を有する。システム１０からの振動があると、プレート３５６は、受動ダンパ３５が必要な減衰効果を発生できるように作用する。プレート３５６は、ある実施の形態では固体板である。しかしながら、プレート３５６は、減衰効果を調節するための開口部を有するものでもよい。受動ダンパ３５は流体ダンパと記載したが、この分野で公知のどのような受動ダンパであってもよい。

ピストン３５２は、ハウジング３２内で上下に移動して必要な減衰効果を発生させるので、ハウジング３２内からの離脱を極力低減するために、プレート３５６は、その幅がハウジング３２の開口部３２４より大きくなるように作製されている。さらに、ピストン３５２の移動中に中間質量３１のハウジング３２内から粘性流体３５１が流失する可能性があることから、柔軟膜等のカバー３２６が開口部３２４に設けられている。カバー３２６を使用する場合、カバー３２６に穴（図示せず）を形成し、ピストン３５２のロッド３５３がその穴を通過できるようにする必要がある。一実施の形態の穴は、ピストン３５２のロッド３５３とともに実質的に密封できるほど十分に小さい。

ある実施の形態では、ばね３６は、アクチュエータ２１が予め荷重を加えられた圧縮状態に押圧するために使用され、ハウジング３２の周囲に配置される。ハウジング３２の周囲にばね３６を保持するために、ばね３６は、中間質量３１とケーシング３３の内部との間のスペースにある留め具３４の間に配置される。

図示されていないが、ユニット３０は、図２Ａ及び図２Ｂに示される除荷ばね２５と同様の除荷ばねを備えている。これらの除荷ばねは、ある実施の形態では、中間質量３１のハウジング３２とケーシング３３の下部３３２のベースとの間に配置される。加えて、除荷ばね２５と同様、これらの除荷ばねは、アクチュエータに作用する負荷重量を軽減するために使用される。特に、除荷ばねは、機械式、電子式、空圧式、油圧式あるいは電磁式アクチュエータや、市販のアクチュエータや、この種の産業で公知のアクチュエータと関連して使用される。

図４を参照すると、上述したように、絶縁架台上に支持された負荷の多くは、負荷に作用して振動させる力を発生する移動機械要素を有する。したがって、負荷に誘発された力に起因する支持負荷の動作に減衰システムを対処させたり、そのような動作を極力低減させるのが望ましい。そうするために、第２の運動センサ４１がシステム１０とともに使用される。センサ４１は、絶対速度センサや相対変位センサでもよく、絶縁架台１３上に取り付けられる。センサ４１からの信号は、中間質量１７上のセンサ１９からの信号と組み合わされて統合され、絶縁架台１３の振動制御を向上させる。

別の実施の形態では、システム１０は振動基台１４あるいは床に取り付けられた第３の運動センサ４２を備えている。センサ４２からの信号はモジュール１９２に送信され、モジュール１９２は信号を統合して変位やブーストゲインを得る。統合された信号は、その後様々な補償回路を有するモジュール１９２により処理され、フィードフォワード信号として使用されて、アクチュエータ１６の伸縮を制御することで振動基台の動きを補償する。

図４をさらに参照すると、システム１０はまた、一端が絶縁架台１２に取り付けられ、他端が受動ダンパ１８に直列に取り付けられたばね４３を有する。このように取り付けることで、ばね４３は支持ばね４４の共振周波数よりも少なくとも一桁高い共振周波数を有し、高周波数でシステム１０への振動絶縁ゲインを高める。

本発明に係る中間質量及びシステムは、一つの軸、すなわちＺ軸に沿って振動を能動的に絶縁するように図示したが、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々に沿った振動を能動的に絶縁するように設計してもよい。図５を参照すると、３次元振動減衰システムの運動センサ、補償回路、アクチュエータ間の電気接続を示す高度な電気回路概略図が図示されている。５０で示される電子コントローラは補償回路５１，５２，５３を有する。これらの補償回路の各々は、米国特許第５，８２３，３０４号に開示されたものと同様のものでもよく、この米国特許の内容は、これを参照することによりここに盛り込まれていることとする。

補償／制御回路５１は、一実施の形態では、Ｚ軸に沿った負荷の動作を感知するＺ軸方向の縦負荷センサ４１からのセンサ信号と、Ｚ軸に沿った中間質量の動作を感知するＺ軸方向の縦中間質量センサ１９からのセンサ信号を受信するために設けられている。一方、補償／制御回路５２は、Ｙ軸に沿った負荷の動作を感知するＹ軸方向の横負荷センサ５４からのセンサ信号と、中間質量のＹ方向の動作を感知するＹ軸方向の中間質量センサ５５からのセンサ信号を受信する。補償／制御回路５３は、Ｘ軸方向の横負荷センサ５６１からの信号と、Ｘ軸方向の中間質量センサ５７からの信号を受信する。

当然のことながら、本発明に係る補償回路はアナログ形体でもデジタル形体でもよい。加えて、このような補償回路は、図３に示されるセンサ３２のように、振動基台に配置されたセンサからの信号を受信する。さらに、補償回路は、６自由度の各々からの動作信号を受信して振動を補償することができる単一モジュールとして採用されている。あるいは、複数個、例えば６個の補償モジュールを使用することもでき、それぞれが６自由度の各々に対して設けられる。

図６を参照すると、能動振動減衰システム６０の簡略図が２次元で図示されている。システム６０は、受動ダンパ６１に配置された支持負荷Ｍを有し、受動ダンパ６１は中間質量６２に支持されている。剪断分離器６３が、中間質量６２と縦アクチュエータ６４との間に介在している。システム６０は、負荷により加えられた力に直交する方向、すなわちＹ軸に沿って能動振動絶縁を提供する。この絶縁は、圧電モータ等の径方向アクチュエータ６５と、アクチュエータ６５と中間質量６２との間に位置する径方向剪断分離器６６を使用して行われる。径方向アクチュエータ６５は、ある実施の形態では、振動床、外部ケーシングあるいはベースＦに何らかの方法で取り付けられる。未負荷域に対する負荷域の比が大きい場合は、各剪断分離器の軸方向剛性は高く維持されるのに対し、径方向剛性は比較的低く維持される。本発明の実施の形態では、各剪断分離器の径方向剛性に対する軸方向剛性の比は、少なくとも一桁で、二桁あるいはそれ以上が好ましい。

中間質量６２はＺ軸に沿って動き、縦アクチュエータ６４の伸縮に伴って回転しないのが好ましいので、剪断分離器６６は、中間質量６２の反対側で剪断分離器６８とばね要素６７によりバランスを保たれている。図６に示されるばね要素６７は、例えば床の延長部、外部ケーシングあるいは振動ベースＦ等の振動源と剪断分離器６８との間に配置されており、剪断分離器６８は、ばね要素６７と中間質量６２との間に位置している。径方向アクチュエータ６５と剪断分離器６６と剪断分離器６８とばね要素６７の直線状配置は、図６では紙面に直交する方向、すなわちＸ軸方向に複数あり、３次元すべてで６自由度に沿って振動絶縁を達成している。

一実施の形態におけるばね要素６７は、Ｙ軸に沿った剛性が比較的低いのに対し、Ｙ軸に直交するすべての方向の径方向剛性が比較的高くなるように設計される。このようにばね要素６７を設計することで、径方向アクチュエータ６５は、印可された指令信号に応じて容易に伸縮することができる。さらに、径方向アクチュエータ６５と中間質量６２との間に分離器６６を介在させたので、例えば負荷支持用縦アクチュエータ６４の動作等により生じる剪断たわみを、例えば径方向アクチュエータ６５の動作の約０．７％に低減することができる。

要約すると、本願には、能動振動減衰システムが図示されるとともに開示されている。本発明の実施の形態に係る振動減衰システムは、発生した動的力を抑制し、負荷に伝達されるのを絶縁するとともに、アクチュエータに作用する負荷の重量を軽減する。特に、システムは負荷質量（すなわち、絶縁架台）と振動源（すなわち、基台）との間に能動絶縁ダンパを介在させ、共振周波数と必要なゲインを低減する。能動ダンパは、動的振動に対処するために設計され、少なくとも一つのアクチュエータと、アクチュエータに支持された中間質量と、中間質量と絶縁架台との間に設けられた受動ダンパと、アクチュエータに平行に中間質量と地面との間に配置された除荷ばねとを備える。中間質量は、アクチュエータによりＺ軸に沿って縦方向に支持されるばかりでなく、Ｘ軸及びＹ軸に沿って別のアクチュエータにより径方向に支持されている。システムには回路も設けられており、中間質量のセンサが発生する変位信号に応じてアクチュエータを縦方向あるいはＸ、Ｙ、Ｚの各方向に駆動する。ある実施の形態では、少なくとも一つの除荷ばねが使用されているので、本発明の能動ダンパとともに使用されるアクチュエータは、負荷の重量をアクチュエータで支持する必要がある場合、従来の振動絶縁システムで使用されるものに比べて比較的小さく安価である。

以上、本発明を実施の形態を参照しながら説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者は様々な変形例を作製したり等価物と置換できることは当然である。加えて、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、特定の状況、材料、構成に適合する多くの変形例も可能であり、このような変形例はここに添付した請求の範囲に含まれる。

Claims (22)

1. 振動絶縁システムとともに使用される能動減衰システムであって、
   負荷の反対側の床あるいは基台上に配置され、振動絶縁システムに作用する動的力を補償するアクチュエータと、
   アクチュエータに支持され、動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点として作用する中間質量と、
   一端で負荷に連結され他端で安定点として作用する中間質量に連結された受動減衰要素と、
   中間質量と基台との間に配置され、アクチュエータに作用する負荷からの重量が伝わる少なくとも一つの除荷ばねと、
   中間質量に取り付けられ、中間質量の動作に応じて信号を発生し、その後の中間質量への作用のためにアクチュエータにフィードバックして中間質量が安定点として作用するようにしたセンサと、
   を備えた能動減衰システム。
2. アクチュエータが、圧電アクチュエータ、機械式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、電磁式アクチュエータ、増幅アクチュエータ、及び他のアクチュエータのいずれか一つである請求項１に記載の能動減衰システム。
3. 中間質量が負荷とは別個に弾性的に分離されている請求項１に記載の能動減衰システム。
4. 除荷ばねがアクチュエータの近傍に配置されている請求項１に記載の能動減衰システム。
5. 除荷ばねがアクチュエータの周囲に配置されている請求項１に記載の能動減衰システム。
6. アクチュエータの近傍に少なくとも一つの除荷ばねをさらに備えた請求項５に記載の能動減衰システム。
7. 除荷ばねは作動機構より剛性が低い請求項１に記載の能動減衰システム。
8. 除荷ばねは、基台、地面あるいは他の構成要素からの動的力を安定点として作用する中間質量に加えるように作用し、安定点で動的力が減衰され動的力が負荷に伝達されるのを絶縁するようにした請求項１に記載の能動減衰システム。
9. センサがサーボ加速度計及び振動センサのいずれか一つである請求項１に記載の能動減衰システム。
10. 受動ダンパと平行に、負荷と負荷を支える中間質量との間に配置された支持ばねをさらに備えた請求項１に記載の能動減衰システム。
11. 支持された負荷から振動を絶縁するシステムであって、
    負荷の反対側の床あるいは基台上に配置されたアクチュエータと、
    アクチュエータに支持され、動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点として作用する中間質量と、
    一端で負荷に連結され他端で安定点として作用する中間質量に連結された受動減衰要素と、
    中間質量と基台との間に配置され、アクチュエータに作用する負荷からの重量が伝わる少なくとも一つの除荷ばねと、
    受動ダンパと平行に、負荷と受動ダンパ上に支持された負荷を安定させる中間質量との間に配置された支持ばねと、
    中間質量に取り付けられ、中間質量の動作に応じて信号を発生し、その後中間質量上に安定点を発生するためにアクチュエータにフィードバックするセンサと、
    を備えたシステム。
12. アクチュエータが、圧電アクチュエータ、機械式アクチュエータ、空圧式アクチュエータ、油圧式アクチュエータ、電磁式アクチュエータ、及び他のアクチュエータのいずれか一つである請求項１１に記載のシステム。
13. アクチュエータが、負荷に加えられるストロークを増大することができる増幅アクチュエータである請求項１１に記載のシステム。
14. 中間質量が負荷とは別個に弾性的に分離されている請求項１１に記載のシステム。
15. 除荷ばねがアクチュエータの近傍に配置されている請求項１１に記載のシステム。
16. 除荷ばねがアクチュエータの周囲に配置されている請求項１１に記載のシステム。
17. 除荷ばねは、基台、地面あるいは他の構成要素からの動的力を中間質量に加えるように作用し、動的力は中間質量上の安定点で減衰され動的力が負荷に伝達されるのを絶縁するようにした請求項１１に記載のシステム。
18. 除荷ばねの剛性はアクチュエータの剛性より少なくとも一桁低い請求項１１に記載のシステム。
19. センサをアクチュエータに連結する回路を有する補償モジュールをさらに備え、センサからの信号に基づいてアクチュエータを伸縮させ、安定点を中間質量上に発生させて維持し、絶縁架台を振動周波数の所定の範囲に渡って安定させる請求項１１に記載のシステム。
20. 基台に連結され、基台の動作に応じて信号を発生する運動センサをさらに備え、運動センサは補償モジュールと交信して運動センサからの信号をフィードフォワード信号として使用して基台からの振動を補償するようにした請求項１１に記載のシステム。
21. 絶縁架台に支持された負荷から振動を絶縁する方法であって、
    支持ばねと平行に離隔して基台上にアクチュエータを配置し、
    アクチュエータ上に中間質量を配置し、振動や他の動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点を中間質量に発生させ、
    少なくとも一つの除荷ばねを中間質量の下方で基台上に配置し、
    受動ダンパの一端を絶縁架台に連結し、受動ダンパの他端を中間質量上に安定点が発生する領域に連結し、
    様々な構成要素により中間質量に加えられる動的力に起因する中間質量の動作を感知し、中間質量の動作に応じてフィードバック信号を発生し、
    フィードバック信号に基づいて、アクチュエータの長さを変化させ、動的力が減衰され負荷から絶縁される安定点を中間質量上に発生させて維持する、
    ようにした方法。
22. 受動ダンパと平行に負荷と中間質量の間に支持ばねを配置し、受動ダンパ上に支持された負荷を安定させる請求項２１に記載の方法。

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