專利名稱：主動式隔振阻尼系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種主動式隔振阻尼系統(tǒng)，該主動式隔振阻尼系統(tǒng)包括需被隔離或阻尼的有效載荷、用于檢測該有效載荷的振動的振動傳感器、用于相對于支撐該有效載荷的軸承體移動該有效載荷的致動器、以及用于為該致動器提供表示該振動的信號的控制器。
背景技術：
對于要求環(huán)境免于干擾振動的應用而言，地面振動及其他機械干擾逐漸成為此應用的限制因素。在地球上所開發(fā)的太空設備需要類似于太空中工作環(huán)境的測試環(huán)境。預期的用于諸如處理器及存儲器之類的半導體產(chǎn)品的進一步減小的尺寸，要求用于制造這些產(chǎn)品的光刻設備比目前所使用的光刻設備具有更佳的穩(wěn)定性。此外，振動妨礙了進一步改善電子顯微鏡及原子力顯微鏡的分辨率。通過使用機械彈簧、彈性體、空氣軸承或磁性軸承將平臺或者放置于其上的有效載荷及載荷與地面振動隔離開的簡單被動式方法，不能滿足目前的需求?；谡駝訙y量的主動式控制，與被動式隔離相比，能夠更好地隔離不想要的振動， 而不需要增大(被動式或主動式)隔離技術中的柔性；其中，該隔離技術僅僅調(diào)整振動源 (例如地板)與有效載荷之間的剛性耦合。主動式振動控制系統(tǒng)補償實際的機械干擾。能夠檢測不想要的振動的傳感器裝置可被設置在振動源(通常為地面或地板)上，或被設置在需與地面振動或其他機械干擾隔離的有效載荷上。相對于地板或支撐結構的、或相對于慣性參考質量塊的有效載荷的振動可通過機械、電子、光學或電磁等方式來檢測。為了此目的，傳感器可包括公眾所熟知的用于檢測加速度、速度、位置或距離的裝置。該有效載荷由彈簧或其他軸承所支撐，且該有效載荷可由諸如伺服馬達之類的致動器沿該傳感器的量測軸線所驅動。該傳感器的電子輸出(經(jīng)過濾并且)被反饋到致動器；其中，該致動器補償不想要的振動。國際專利申請WO 2004/029475公開了一種用于主動式隔振及消振的系統(tǒng)及方法。振動傳感器測量某個方向上的相對于慣性參考質量塊的有效載荷的振動；其中，該慣性參考質量塊柔順地連接至該有效載荷。所測量的振動信號被饋入控制器，該控制器計算需在該方向上施加的力。所使用的傳感器通常在一個方向上表現(xiàn)柔性(高剛性)，用于檢測該方向上的振動。更具體地說，傳感器可具有一個平動自由度。歐洲專利申請公開EP 1 870 614A1公開了這樣一種主動式隔振系統(tǒng)，其包括傳感器及致動器，其中該傳感器的有效軸線與致動器的有效軸線基本上相互平行。本技術領域的技術人員熟知，為獲得在一個以上自由度上的隔振，傳感器與致動器可進行多種組合。為獲得小幅度的良好隔振，振動傳感器優(yōu)選地設置在或固定于需隔離的有效載荷上。更具體地說，使用絕對振動傳感器且包括慣性參考質量塊的主動式振動系統(tǒng)，允許在低頻處具有良好隔振。該參考質量塊連接至傳感器機架?？稍谝粋€平動自由度上記錄該質量塊相對該傳感器機架的位移。如果在測量方向并沒有動力直接施加在該參考質量塊上，除了通過剛性耦合到該傳感器機架，那么所記錄的信號為此方向上的該傳感器機架的絕對振動的測量。但是，由于傳感器機架與有效載荷之間所有自由度上的高剛性耦合，所以該傳感器以與該有效載荷相同的方式進行平動及轉動。當振動傳感器測量具有水平自由度的振動時，重力(或重力矢量)垂直于所測量的方向，這就意味著由于缺少其他的自由度，該傳感器對此垂直力不敏感。在傳感器包括慣性參考質量塊的情況下，該質量塊在測量方向(即水平方向)上不會因重力而發(fā)生位移。由傳感器(更具體地說，是該傳感器的殼體)與有效載荷之間的剛性耦合所導致的問題被稱為“水平傾斜問題”，因為此問題主要是當有效載荷以及隨后的傳感器表現(xiàn)出沿著水平軸線的轉動振動時產(chǎn)生的。當該有效載荷圍繞水平軸線傾斜時，測量方向亦以相同的方式傾斜。在傾斜方向， 由于重力，參考質量塊在該測量方向上確實發(fā)生了位移。這就意味著對于有效載荷圍繞水平軸線傾斜的自由度而言，在水平方向上所測量的振動已不再像絕對振動那樣有效。傾斜方向上對有效載荷的干擾在另一水平方向上產(chǎn)生假振動信號，從而降低在此方向上的隔振性能。國際專利申請WO 2005/047728公開了一種水平運動隔振系統(tǒng)，該系統(tǒng)可獲得低水平固有頻率。該系統(tǒng)的軸承構件(柱)為有效載荷與機架之間的剛性構件，其包含傾斜機構，該傾斜機構具有用于圍繞水平軸線進行傾斜轉動的剛性，并且該傾斜機構允許該有效載荷進行水平平動。該申請公開了一種具有單一自由度的彈簧質量塊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可減弱高于某一頻率的有效載荷與機架之間振動。例如，由于質量塊靠近有效載荷的軸承構件中的一個，所以該被動式系統(tǒng)可被動地防止有效載荷的傾斜。但是，該系統(tǒng)并不提供可通過主動式隔振獲得的隔振等級。目前已知有若干可用于測量有效載荷的傾斜的傳感器。例如J.Winterflood， Ζ· B. Zhou,L. Lu及D. G. Blair發(fā)表的"Tilt suppression for ultra-low residual motion vibration isolation in gravitational wave detect ion "(Physics Letter (^IjSfflitl,) A 277 (2000) 143-155頁)一文中，公開了一種復雜的傳感器。這種特別設計的傳感器包括激光束，該激光束在鏡像表面之間來回反彈，進入四象光電二極管。這種傳感器雖可應用于主動式振動系統(tǒng)，但并不能提供一種相對簡單的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種主動式隔振阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)更好地將有效載荷與由環(huán)境施加在有效載荷上的干擾振動隔離開，并更好地阻尼了該有效載荷的振動。通過上述系統(tǒng)達到本發(fā)明的目的，該系統(tǒng)包括振動傳感器，其具有至有效載荷的低剛性連接，用于沿垂直于重力的軸線進行轉動，并且具有至該有效載荷的高剛性連接，用于產(chǎn)生該振動傳感器可檢測的振動。用于沿垂直于重力的軸線轉動的至有效載荷的低剛性連接的作用在于，有效載荷的傾斜不會在測量方向上產(chǎn)生對該振動傳感器的附加力，因此實際上該傳感器從傾斜振動中解耦。在根據(jù)現(xiàn)有技術的主動式振動系統(tǒng)中，該附加力被理解為具有不同于轉動的自由度的振動。在這種包括被設計成測量比如水平振動的振動傳感器的主動式隔振系統(tǒng)中，傾斜振動會被錯誤地理解為有效載荷的水平振動。因此，根據(jù)現(xiàn)有技術的系統(tǒng)的控制器為水平致動器提供信號，以水平位移該有效載荷。根據(jù)本發(fā)明的解耦可防止這種錯誤位移。
本發(fā)明基于以下認識當相關振動傳感器的移動至少部分地從有效載荷的移動中解耦時，已知的主動式隔振系統(tǒng)的進一步改良是可能的。用于某個自由度的振動傳感器的高剛性連接，意味著該傳感器主要跟蹤或測量該有效載荷、機架、軸承體或地面在該特定自由度上的振動。例如，在水平方向上的高剛性意味著該傳感器跟蹤或測量軸承的水平位移；其中，該傳感器在某個頻率范圍內(nèi)相當精確地固定于該軸承上。一般而言，高剛性連接會產(chǎn)生高于25Hz的共振頻率。用于某個自由度的振動傳感器的低剛性連接，意味著該傳感器主要獨立于有效載荷、機架、軸承體或地面在該特定自由度上的振動。例如，用于圍繞軸線轉動的低剛性連接， 意味著該傳感器在某個頻率范圍內(nèi)，并不會或僅在無關緊要的測量中跟蹤或測量該轉動。 一般而言，低剛性連接比高剛性連接低十倍。


圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的實施例的示意圖，該系統(tǒng)的一個振動傳感器在大部分自由度下固定到支撐有效載荷的機架；圖3為根據(jù)本發(fā)明的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的實施例的示意圖，該系統(tǒng)的振動傳感器在大部分自由度下固定到有效載荷；圖4示出了本發(fā)明中水平振動的特定關聯(lián)性；圖5為根據(jù)本發(fā)明的具有附加傳感器的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的實施例的示意圖；圖6示出了用于致動器到傳感器的開環(huán)傳遞函數(shù)的模型計算，以說明圖5所示的實施例的性能；圖7示出了用于干擾力到有效載荷的重心運動的閉環(huán)傳遞函數(shù)的模型計算，以說明圖5所示的實施例的性能；圖8示出了實現(xiàn)高轉動剛性的實施例；圖9示出了在低頻和高頻處具有不同轉動剛性的實施例；圖10示出了主動式隔振阻尼系統(tǒng)中，傳感器及致動器的一種可能的方向。
具體實施例方式圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)包括需被隔離或阻尼的有效載荷O)、支撐該有效載荷的軸承體(3，3')、至少一個用于檢測有效載荷的振動的振動傳感器0或4')、至少一個用于移動有效載荷的致動器(5或5')、以及用于為致動器提供信號的控制器(6或6')；其中，該信號表示具有相關自由度(平動或轉動方向) 的振動。該振動傳感器)可設置或固定在該有效載荷( 上、或者該傳感器(4)可設置或固定在該軸承體C3)上，用于測量有效載荷相對于軸承體的相對位移。該有效載荷可由諸如機械彈簧或彈性體之類的常規(guī)懸掛裝置(7)支撐。該軸承體可為用于有效載荷的任何支撐結構，包含機架、地板、墻壁或天花板。該致動器設置或固定在該軸承體上。該致動器可為比如壓電陶瓷類型的壓電致動器、磁致伸縮馬達、洛倫茲(Lorentz)馬達(音圈)或任何類型的位置致動器或馬達。圖2為根據(jù)本發(fā)明的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的實施例的示意圖，其中水平振動被隔離或阻尼。該振動傳感器(14)除了在水平方向上進行平動外，在所有自由度下固定到機架 (13')上。該機架可為支撐有效載荷的機架(1 。振動傳感器剛性連接至有效載荷，用于測量有效載荷的水平平動。表示水平振動的信號被發(fā)送至控制器(16)。當該振動傳感器僅在一個自由度上測量振動時，只要干擾傾斜振動軸線(17，17')具有垂直于傳感器(14) 的測量方向(19)的分量，即可滿足需求。盡管該傾斜振動軸線可能垂直于測量方向并位于有效載荷的平面內(nèi)，如軸線(17)所示，但是要理解的是，沿著具有垂直于重力(18)方向的分量的軸線(比如軸線(17'))的任何轉動，都會造成沿著軸線(17)的轉動。該圖中僅顯示了一個振動傳感器，但是，當在任何方向上傾斜時，優(yōu)選有兩個或三個振動傳感器。通過接收來自控制器(16)的輸入信號的至少一個致動器(1 阻尼該水平振動。剩余自由度上的振動可通過本技術領域的技術人員已知的振動傳感器來測量。這些傳感器優(yōu)選地設置在有效載荷上，但這些傳感器亦可設置在支撐有效載荷的地板上。因此，水平振動傳感器可僅在其測量方向上比如通過雙鉸鏈或柔性梁連接至有效載荷。該振動傳感器的其他五個自由度可通過線性導軌剛性連接至地面。該線性導軌可被設計為允許振動傳感器機架在測量方向上進行運動，但阻止該振動傳感器機架在其他方向上進行運動，包括當有效載荷傾斜時，該振動傳感器產(chǎn)生傾斜。圖3為根據(jù)本發(fā)明的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的其他實施例的示意圖，該系統(tǒng)包括第一振動傳感器04)，其在至多五個自由度上以高剛性與有效載荷相連接，且該傳感器被設計為用于測量水平振動。該第一振動傳感器從該有效載荷的傾斜中解耦。表示有效載荷的水平振動的信號被發(fā)送至控制器(16)，該控制器控制水平致動器(1 的位移。該系統(tǒng)進一步包括第二振動傳感器0 ，該第二振動傳感器被設計為測量在另一自由度上的振動， 例如檢測垂直振動。第二傳感器無需從傾斜振動中解耦，盡管該第二傳感器可從傾斜振動中解耦。表示有效載荷的垂直振動的信號被發(fā)送至控制器( )，該控制器控制垂直致動器 (27)的位移。要理解的是，這兩個控制器可組合成一個電子電路，以控制不同致動器的位移。盡管振動傳感器可為任何類型，但在用于以低頻(比如低于0.2Hz的頻率)隔離及阻尼振動的系統(tǒng)中，優(yōu)選包括慣性參考質量塊的振動傳感器。在此種傳感器中，在該振動傳感器可檢測的自由度上，該參考質量塊以低剛性連接至振動傳感器的外殼。由于以低剛性連接至該傳感器的外殼，故該參考質量塊對于要檢測的振動來說，為慣性質量塊。圖4示出了本發(fā)明中水平振動的特定關聯(lián)性，當用于測量水平振動的振動傳感器以角度α的幅度傾斜時，則該傾斜產(chǎn)生沿著傳感器的軸線(所假定的水平方向)的附加力，該附加力等于重力與該傾斜角的正弦的乘積F// = Fg*sin(a)。對于較小傾斜幅度，這會產(chǎn)生與重力成線性比例的力。對于垂直振動傳感器，該附加力與該傾斜角的余弦成正比。 因此，盡管產(chǎn)生相同的作用，但對主動式隔振的影響要小得多。通常比水平振動小幾個數(shù)量級的這種力，在小角度下可被忽略；其中，該小角度在最常見的干擾中是特有的。圖5為根據(jù)本發(fā)明的具有附加傳感器的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的實施例的示意圖。 通過該實施例，將說明根據(jù)本發(fā)明的主動式隔振阻尼系統(tǒng)的優(yōu)點。本實施例包括剛性有效載荷(31)，其可在一個水平方向及一個垂直方向上移動，且可圍繞同時垂直于水平平動及垂直平動的軸線轉動。在所有自由度上，即所有平動方向和轉動方向上，該有效載荷通過 5Hz的懸掛裝置(3 連接至剛性環(huán)境。該主動式振動系統(tǒng)包括三個設置于重心臂的振動傳感器，兩個振動傳感器034,3 可檢測垂直振動，另一個振動傳感器(3 可檢測水平振動。
6這三個傳感器均具有在同一方向對準的相應的力致動器(36，37，38)，該力致動器可將力施加到有效載荷。這些致動器通過一個或多個控制器(39，39'，39")控制。圖6示出了用于致動器到傳感器的開環(huán)傳遞函數(shù)的模型計算，以說明圖5所示的實施例的性能。對于這些模型計算，這三個傳感器被模型化為線性導引的質量彈簧系統(tǒng)。在該模型中，通過關閉相應的傳感器與致動器之間的控制環(huán)路，可預測慣性反饋系統(tǒng)的性能。 模擬了兩種情況，一種情況表示現(xiàn)有技術中的主動式振動系統(tǒng)，說明了重力對傳感器的作用，另一種情況表示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的情況，在后一種情況的模擬中，重力省略不計。顯示了每個致動器到每個傳感器的開環(huán)傳遞函數(shù)，實線表示包括重力作用的現(xiàn)有技術，虛線則表示未包括重力作用的本發(fā)明。在水平傳感器的低頻區(qū)域中，重力與無重力的情況之間具有明顯的差異；在有重力的情況中，與圍繞交叉頻率的相位相結合的低頻增益， 限制了可獲得的環(huán)路增益。在本實例中，當包含重力作用時，可獲得的最大環(huán)路增益約為 35dB。而在不含重力作用的情況下，在該模型中并不限制可獲得的最大環(huán)路增益；實際上， 此增益僅僅受到傳感器噪聲以及/或者更高共振的限制。圖7示出了用于干擾力到有效載荷的重心運動的閉環(huán)傳遞函數(shù)的模型計算，以說明圖5所示的實施例的性能。這些模型計算基于圖6中所示的相同假設。而且，實線表示包括重力作用(現(xiàn)有技術中的系統(tǒng))的情況，虛線表示未包括重力作用(根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng))的情況。在此模擬中，使用了相同(受重力限制)的控制器。這兩種情況之間的對角線傳遞函數(shù)大致上相同。但是，在圍繞水平軸線的力矩M0、 垂直方向上的力Fz、以及水平方向上有效載荷(payload)的運動、ayl。ad之間的非對角線關系中，可以看到柔性的大幅提高。這就意味著在該頻帶中施加力矩(或在質心的臂施加力) 時，從重心的水平運動方面來說，平面的反應明顯大于水平力與水平運動之間的實際傳遞。 當包含重力作用時，由于非對角線關系中的一個提高了柔性，因此，從有效載荷的絕對運動方面來說，明顯降低了該慣性反饋系統(tǒng)的性能。沒有重力作用時，或者通過實施所提議的解決方法，低頻帶中的性能可與有效載荷的被動式懸掛裝置一樣好。圖8示出了這樣的實施例對于至軸承體(例如機架)的連接來說，用于實現(xiàn)高轉動剛性；對于至有效載荷的連接來說，用于實現(xiàn)低剛性。通過三個彎曲機構，每個均包括位于固定到機架的鉸鏈(54)的剛性體(51)、和兩個柔性梁(52，52')，水平傳感器(5 具有至該機架的高轉動剛性連接。對于其他自由度，該傳感器剛性連接至該有效載荷。轉動軸線同時垂直于重力矢量(56)和檢測該有效載荷(5 的水平位移的水平振動傳感器的測量方向。優(yōu)選結合所降低的低頻傾斜效應(即傳感器到該機架的剛性連接)以及機架與振動傳感器之間的高頻處的弱耦合。通過位于傳感器與機架之間的輔助質量塊可獲得這種效應。圖9中顯示了這種系統(tǒng)的實施例。在該實施例中，鉸鏈(54)并未連接至機架，而是連接至輔助質量塊(57)。通過轉動剛性(58)該輔助質量塊(57)被進一步連接至機架(13)，而該質量塊的轉動軸線與傳感器(5 的轉動軸線平行。通過輔助質量塊(通常在1和IOOkg 之間)和兩個轉動剛性，可調(diào)整輔助質量塊的轉動與傳感器的轉動之間的耦合(|M|)所轉降(roll off)的頻率f；。。一般而言，輔助質量塊相對于機架的用于轉動的轉動剛性比傳感器相對于輔助質量塊的轉動剛性高出至少一個數(shù)量級。圖10示出了主動式隔振阻尼系統(tǒng)中，傳感器(61，61'，61〃)及致動器(62，62'，62")的一種可能的方向。致動器被設置在地面上或固定在支撐有效載荷(6 的機架(64)上。在包括不止一個傳感器/致動器組合的系統(tǒng)中，傳感器及致動器無需具有相同自由度。這就意味著傳感器的測量方向不必對應于任何致動器的位移方向。傳感器(61") 甚至可以以相對于重力的固定角度傾斜。本發(fā)明尤其適合用于支撐測試中的儀器(例如應用于太空中的儀器)的平臺。但是，本發(fā)明也可用于各種設備的隔振，包含但不限于望遠鏡、光刻設備及車輛等。該系統(tǒng)適合將有效載荷與外部振動(比如源自地面的振動)隔離開。此外，該系統(tǒng)也適合阻尼源自有效載荷本身的振動，即含有移動部件的設備或操作該設備的人員。振動為各種類型的移動，位移或轉動，定期地或不定期地。因此，本發(fā)明不僅涉及將有效載荷與源自其環(huán)境的振動隔離開，也涉及抵消源自其他來源(比如設置于該有效載荷上的設備)的振動。該主動式隔振系統(tǒng)包括至少一個傳感器，用于檢測需隔離或阻尼的有效載荷的振動。該傳感器不必檢測所有空間方向上的振動。實際上，優(yōu)選使用僅僅具有有限數(shù)量(例如一個或兩個)的自由度的傳感器。應注意的是，不應將本文中所用的任何術語解釋為限制本發(fā)明的范圍。具體地說， 單詞“包括(comprise^)) ”和“包括(comprising) ”并非表示要排除未具體描述的任何構件。單個構件或元件可被多個構件或元件或其等同物所替代。本技術領域的技術人員要理解的是，本發(fā)明并不限于上述實施例，在不背離如所附權利要求書中所定義的本發(fā)明的范圍的情況下，可進行多種修改及添加。
權利要求
1.一種主動式隔振阻尼系統(tǒng)(11)，包括需被隔離或阻尼的有效載荷(12)；振動傳感器(14)，用于檢測所述有效載荷的振動；致動器(15)，用于相對于支撐所述有效載荷的軸承體(1 移動所述有效載荷；以及控制器(16)，用于為所述致動器提供表示所述振動的信號；其特征在于，所述振動傳感器(14)具有至所述有效載荷(12)的低剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉動，以及至有效載荷(1 的高剛性連接，用于產(chǎn)生所述振動傳感器可檢測的振動。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述振動傳感器(14)具有至所述軸承體(13)的高剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉動。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述振動傳感器(14)的自由度中的至少一個通過高剛性連接至有效載荷(12)。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中，所述振動傳感器(14)的自由度中的至少一個通過高剛性連接至軸承體(13)。
5.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述高剛性連接包括輔助質量塊(57)，其通過第一轉動剛性連接至傳感器(5 以及通過第二轉動剛性連接至軸承體(13)。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的主動式隔振阻尼系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括至少一個用于檢測振動的附加振動傳感器(25)。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述振動傳感器04)適用于測量垂直于重力的振動，所述附加傳感器0 適用于測量重力方向上的振動。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的系統(tǒng)，其中，所述振動傳感器(14，M，25)中的至少一個包括慣性參考質量塊。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，其中，所述致動器(1 為洛倫茲致動器。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的系統(tǒng)，包括三個水平振動傳感器以及三個垂直振動傳感器。
全文摘要
一種主動式隔振阻尼系統(tǒng)(11)包括需被隔離或阻尼的有效載荷(12)；振動傳感器(14)，用于檢測該有效載荷振動；致動器(15)，用于相對于支撐該有效載荷的軸承體(13)移動該有效載荷；以及控制器(16)，用于為該致動器提供表示該振動的信號。該系統(tǒng)通過使用振動傳感器而為傾斜問題提供解決方法，該振動傳感器具有至該有效載荷(12)的低剛性連接，用于沿垂直于重力(18)的軸線(17)轉動，并且該振動傳感器還具有至該有效載荷(12)的高剛性連接，用于產(chǎn)生該振動傳感器可檢測的振動。
文檔編號G05D19/02GK102459946SQ201080026064
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權日2009年6月12日
發(fā)明者N·里恩維爾德, T·科內(nèi)尼斯·范登杜爾 申請人:荷蘭應用自然科學研究組織Tno