JPH087633B2 - 能動防振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は防振且つ制御装置に関するものであり、ま
た、一般に、同一出願人の米国特許第3,701,499号に開
示されている。加速度センサおよび加速度と他の量から
導かれる信号成分を含むフィードバックループを使用す
るいろいろな防振且つ制御装置に関するものである。

【従来の技術】

前記米国特許に記載されている装置は、フィードバッ
ク信号のためのいろいろな電子的補償回路および速度セ
ンサを使用する可能性について示唆している。すべての
周波数に対して保証された安定性を有する極端に低い周
波数、すなわち０に近い周波数以上のすべての周波数に
対して伝送されるか又は誘導される振動を大巾に減少さ
せる防振装置を提供するために電子的に修正される。速
度センサから導出される信号を使用するいかなる装置も
開示ないし示唆されていない。 受動および能動の振動制御装置の組合せはアメリカ機
械工業技術者協会（American Society of Mechanical E
ngineers）発行の会報誌「機械設計ジャーナル（Journa
l of Mechanical Design）」の論文第81−DET−85号、
ガンタァおよびサンカー（Guntur and Sankar）著「能
動力発生器を使用するフェイル−セーフ振動制御（Fail
−Safe Vibratin Control Using Active Force Generat
ors）で分析されている。受動および能動の組合された
装置の一般的な形式のものはこの論文の第３図に示され
ており、いろいろな利得の値に対する速度アナログ力フ
ィードバック装置の伝送特性は第４図に示されている。
論文の内容は速度信号を導くためのセンサ又は動作周波
数範囲にわたって安定性を維持するための条件に関係な
い理論的スカイフック・ダンパーに関連している。 発明の要約 この発明によれば、±180°の位相角で利得の値を実
質的に１より小さく減少することによってすべての周波
数において不安定性を避けるための装置であって、周波
数０の近傍の超低周波数以上のすべての周波数にわたっ
て極めて高い利得を提供するようになっている電子回路
に速度を表す信号を供給する速度センサに応答して作動
する防振装置が提供される。 この装置は受動防振装置に関連して好ましい形式で作
動し、これによって実質的な力適用構成要素および付随
的な大きさのための要求とそれらの動作のための電力増
幅器の価格が最小にされる。この装置はベース運動又は
印加慣性力の伝送によって前記装置に加えられる結果と
して生じるはるかに低い絶対振動値で従来の受動装置に
よって伝送される残留振動からペイロードを防振する。 この発明によれば、実質的にすべての周波数で振動伝
送減衰（すなわち、防振）およびすべての周波数で高度
の安定性を得る結果として生じる実質的な共振応答が存
在しないことによって特徴づけられる速度フィードバッ
ク力で作動される防振且つ制御装置が提供され、ペイロ
ードに対するベース振動伝送およびパルスロードに対す
る振動応答は同じ共振周波数の受動防振装置に関連する
大きさのオーダー又はそれより好ましい大きさのオーダ
ーだけ減少される。ここで使用されるような用語“受動
防振装置”は振動を誘導する産業環境を含む地震振動を
取り除くために特別に設計された従来の装置である。 この発明の主な目的は、速度検出を使用する安定な力
フィードバック防振装置を提供することにある。 この発明の一般的な目的としては、物体の受ける振動
を無くすことであり、また例えば上述した米国特許第3,
701,499号に開示されたように航空機の操縦席の防振に
ついて或は加工面を防振するための特定の効用を有す
る。このような加工面は図書館やクリーンルームで使用
されるテーブルである得る。このようなテーブルには、
例えば材料の薄いウェーハを調べるのに使用され得る電
子顕微鏡が置かれる。この型式のテーブルは、６つの自
由度を持つプラットフォームから主として成り、且つそ
のような器具を使っての調査から正確なデータを得るた
めに６自由度での振動運動から防止されることが望まし
い。このような“加工テーブル”およびこれを支持する
関連装架ハードウェアは用語“ペイロード質量”の具体
例である。ペイロード質量の全ての可能な運動は、後述
するように３つの相互に垂直な軸沿いに（即ち軸に対し
て）測定可能である。 この発明によって提供される防振装置は能動装置であ
って、ペイロード質量に振動運動を受けさせる装置によ
ってベース上に支持されたペイロード質量を含む。ペイ
ロード質量の振動性運動を検知し、ペイロード質量の速
度の関数として変わる出力信号を発生する運動応答手段
が設けられる。出力信号は制御回路へ伝送され、この制
御回路は、運動応答手段の実効共振周波数がペイロード
質量支持装置の共振周波数より低いような仕方で上記出
力信号を変更する。最後に、変更された信号は信号印加
手段へ伝送され、この信号印加手段は、力トランスジュ
ーサを作動させて、充分な力をペイロード質量へその振
動運動を打ち消す方向で印加する。 構成の種々の新規な細部および部品の組み合わせを含
むこの発明の上記および他の特徴は添付図面を参照して
説明され、且つ特許請求の範囲に指摘される。この発明
を具体化する特定の振動制御装置が示され且つ説明され
る。この発明の原理および特色はこの発明の範囲から逸
脱することなく変更された多くの実施例に使用される。 実施例 第１図には、単一自由度の速度フィードバック力で付
勢される能動防振且つ制御装置が示されている。防振分
析のための慣用の表し方によれば、第１図に示されてい
る能動防振且つ制御装置は、スプリング定数Ｋを有する
弾性スプリング13および制動係数Ｃを有する粘性制動子
14により支持構造体12に支持されているペイロード質量
11を有している。 この能動防振且つ制御装置は、（ａ）典型的には支持
構造体12を通してペイロード質量11に伝達されるベース
運動、および、（ｂ）ペイロード質量11に直接加えられ
ている外力を含む外乱を受けやすい。 さらに、第１図には位置フィードバック装置も示され
ており、この位置フィードバック装置は量Ｕで示され支
持構造体12の位置の変化および量Ｘで示されるペイロー
ド質量11の位置の変化に対して緩慢な応答にて一般に応
動するので、位置サーボ15の出力はほゞ所定の圧縮レベ
ルにスプリング13を維持する。なお、量ＵおよびＸは全
て、自由度の仮定方向である垂直方向にある。例えば、
能動防振且つ制御装置は受動防振手段13−14によって防
振され且つ総重量等の変化のために調整される作業レベ
ルに維持される作業テーブルを表し得る。 この発明によれば、支持装置すなわち位置サーボ15に
よって支持され、且つスプリング13および粘性制動子14
によって受動的に制動されるペイロード質量11は、支持
構造体12の表面から伝えられた振動又はペイロード質量
11に直接作用する衝撃力もしくは慣性力から伝えられた
振動のために生じる振動からさらに防振される。さら
に、この防振は振動に関連する不安定性がないペイロー
ド質量11すなわち実施可能な装置に加えられる反作用力
を印加するように安定化された速度フィードバック回路
によって達成される。 この発明の基本的な能動防振且つ制御装置には、運動
の自由度の方向にペイロード質量11の速度の近似を表す
電気信号を発生するための速度センサ21が含まれてい
る。速度信号はペイロード質量11に力Fvを加える力印加
装置23を制御するために必要な伝達関数を生じる電子回
路22を介して加えられる。速度センサ21から電子回路22
を介して印加装置23へのフィードバックはネガティブフ
ィードバックであるので、力Fvの印加はトランスジュー
サすなわち速度センサ21から出力信号を発生する速度成
分を相殺することになる。 速度センサ21は変位センサ、速度センサおよび加速度
センサそれ自体のようないろいろな公知の装置から選択
できる。たゞし、変位測定トランスジューサでは測定量
を微分して速度を得ることが必要であり、加速度計では
速度量を得るために積分をする必要がある。 この余分の処理ステップを必要とする両方のセンサ
は、感度およびスレッシュホールド応答に関して別の制
限を有する。この発明によれば、速度センサ21の好まし
い形態は速度センサ受振器（geophone）として知られて
いる装置である。 速度に敏感である受振器はセンサのユニットベース又
はケースおよび試験質量と呼ばれる懸架された質量の間
の相対速度を測定する。センサはコアおよび永久磁石ア
センブリによって与えられる磁界内の極めて直線的です
なおなスプリングに懸垂された極めて細いワイヤの多く
のターンを含むワイヤコイルからなる。測定されるべき
運動はペイロード質量11の速度である。 しかしながら、実際に、電磁センサでケースに対する
試験質量の相対速度が測定されることが見出された。試
験質量およびケースの相対運動は懸架された質量の力に
よって測定される。 受振器出力電圧Evは相対速度に比例している。当業者
によって容易に理解されるように、センサ電圧応答はラ
プラス記法を用いて数学的に近似でき次式のように表せ
る。 （Ｉ） たゞし、 β電圧／インチ／秒の単位の利得で受振器の較正によ
って導かれたもの Ｓラプラス演算子 Ｘ＝受振器ケースの変位 Ｚ試験質量の変位 Ｓ（Ｘ−Ｚ）受振器ケースに対する試験質量の相対速
度 ζｇ臨界制動の受振器部分 ωｇ試験質量の共振周波数 受振器出力応答のベクトル量および関連する位相角は
測定されるべき、受振器ケースの実際の速度SXに関連し
ている。周波数面に対して式（Ｉ）を変換すると、実際
の受振器出力は次式のように表せる。（たゞしSXは時間
領域内でＸを表す）。 （II） （III） たゞしω周波数 測定されるべき速度 式（II）から出力ベクトル量が得られ、そして式（II
I）から関連する位相角が得られる。 上述した周波数応答式は、臨界制動の一部が小さいと
きには、受振器応答出力が共振周波数ωｇでピークにな
ることを示している。臨界制動の一部は粘性制動の大き
さによって制御される。共振周波数での出力応答の制御
のために供給される粘性制動は２個のソースから生じ
る。まず、試験質量コイルの懸垂は、コイルが磁界中を
移動するときに流れる渦電流によって生じさせられるい
くつかの自然で固有な粘性制動を有する。固有の制動は
小さいものではなく、典型的には、約0.3の臨界制動の
一部を生じさせる。別な制動は、受振器出力と並列に抵
抗を配設することによって容易に加えられる。制動抵抗
があるために、磁界内のコイル運動によって電圧が誘起
されるときに、ワイヤのコイルを通して電流が流れる。
この別な制動は相当に大きいものである。好ましくは、
制動抵抗は臨界制動の全体的な部分が１単位、すなわち
ζｇ＝1.0であるようにされる。この１単位の値で、出
力電圧は共振ピークを示しておらず、周波数ω＝ωｇ以
上の動作範囲への滑らかな曲線遷移を示している。さら
に、ζｇ＝1.0に対し、式（Ｉ）で与えられた伝達関数
は下記のように２つの極に因数分解される。 （IV） たゞしζｇ＝1.0 重要なことは、式（IV）のこの伝達関数によってモデ
ル化される受振器出力応答は、容易に認められるよう
に、利得とケースの測定された速度の積に等しくないこ
とである。この積には、さらに、実際の受振器出力のよ
り正確で使用可能な近似を得るために括弧付き項が乗算
される。因数分解されたこの伝達関数は、電気的な処理
回路（その出力が能動防振を行うようにフィードバック
され得る）を設計するために使用できる。このような回
路は以下に説明される。 市販の受振器には、広範囲の信号能力、周波数応答お
よび価格を持ついろいろな種類の装置がある。典型的に
は、最低周波数のモデルが最も高価なものである。この
発明の用途では、小形で比較的安価なものが望ましい。
式（IV）で数学的に表したような応答特性を有する速度
検知用受振器は市販されており、その一例はアメリカ合
衆国テキサス州、ヒューストン所在のゼオ宇宙株式会社
（Geo Space Corporation）製のモデルHS−１である。 力アクチュエータシステムのために必要とされる他の
トランスジューサは第１図に示されている力印加装置す
なわち力発生装置23である。このアクチュエータの一例
は、従来の集積回路素子を使用する制御システム回路か
ら作動するように、その特性および利用可能性のために
選択される、修正されたハイファイ拡声器アセンブリで
ある。これらの必要条件に注目して、第９図に示されて
いるようなアセンブリが使用された。第９図は従来のス
ピーカ磁石ボイスコイルアセンブリを示すものであっ
て、スチール製コア91、フェライト製永久磁石92および
コア91の直立延長部との間に空隙94を有するスケール製
環状ヨーク93を備えている。空隙94内での運動のために
取付けられているものは、多重巻コイル96が巻回されて
いる非金属製シリンダ95である。この構成は下記のこと
を提供する。 １）入力電流に比例する力出力、 ２）すべての運動軸において実質的に摩擦のない運動、 ３）受動防振装置によって与えられるスプリング率に対
してわずかに加えられたスプリング剛性。 集積回路電力増幅器は、上記第１の要件である線形応
答を満たすことができる。集積回路電力増幅器は小形且
つ安価であり、また、制御装置の電子回路の最終電力出
力段として可能であるときに使用することが極めて望ま
しい。12ワット以上の電力レベル又は２アンペアの出力
電流に対して、個別の電力増幅器は個別の電力トランジ
スタから構成されなければならないが、このことは電気
的な制御装置の回路に対して著しい複雑さと多大な費用
とを加えることになる。 摩擦力レベルがより高度のペイロード出力応答レベル
に導く力雑音源として動作できるので、第２の要件は極
めて重要なことである。恐らく、このことは、例を参照
することによってよく理解することができる。45kg（10
0ポンド）のペイロードおよび0.45kg（1/100ポンド）程
度の摩擦力を有する力発生用アクチュエータを使用し
て、Ag＝F/W＝0.01/100のＧユニットすなわち10^-4ｇユ
ニットにおける加速度レベル以下のシステム出力で振動
加速度応答レベルを制御できないことについて考えてみ
る。しかしながら、防振されたペイロードの所望の応答
レベル１μ−Ｇ以下である。１μ−Ｇ以下の振動レベル
を得るためには、力アクチュエータの摩擦レベルは該ア
クチュエータが作動する45kg（100ポンド）のペイロー
ド重量について10^-6ポンド以下でなければならない。し
たがって、力アクチュエータに対する摩擦についての要
求は極端なものであり、アクチュエータは本質的に摩擦
があってはならないことになる。 実質的に摩擦のない力トランスジューサを作り出す最
も有効な方法はコイルが移動するための正規の空隙より
広い空隙を有する高品質拡声器からの磁石およびコイル
アセンブリを使用することである。条件に合うように作
用する１つの例は、25.4cm（10インチ）の高品質ウーフ
ァー拡声器で使用される磁石である。市販用に加工され
た拡声器は、この発明によって使用されるのに適してい
る。例えば、実際のギャップ幅は増大されなければなら
ない。 磁化後、ボイスコイルは力アクチュエータのための較
正スケールファクタを得るために現場に置かれる。較正
スケールファクタは、アクチュエータのための全体的な
ループ利得および最大の力能力を生じる重要な設計パラ
メータである。典型的には、このようなアクチュエータ
は１アンペアの入力電流毎に0.9kg（２ポンド）の力を
生じることができた。 速度フィードバックで力被作動式防振且つ制御装置の
アセンブリでは、磁石又はコイルは、防振装置のベース
又はキャビネット構造に強固に付着されている残りの構
成要素により、ペイロードに対して強固に付着される。 検出および付勢手段については前述したから、次に防
振装置の動作を説明する。実現できる装置は所望の動作
にとって重要である。サーボ機械的な分析で普通に使用
されるこの用語は、その装置が安定である条件を示すも
のである。装置の安定性を決定するために、装置のオー
プンループの伝達関数を分析し、修正する必要がある。 この発明によると、速度信号フィードバックループの
安定性は、力印加装置23としてのトランスジューサに速
度センサ21としての受振器を接続する電子回路（回路
網）22の伝達関数Ｇを選択することによって確実にされ
る。このような装置における安定性は、ループを開き、
第１図に示されているように所定の入力電圧Einに応答
する出力電圧Eoを測定することによって分析され得る
が、その比はオープンループの伝達関数と呼ばれる。ス
イッチ24がこの分析の目的で第１図に示されているが、
実際の装置では、通常は不必要である。 電子回路22が、高利得増幅器を表しているだけの伝達
関数を有しているならば、その結果として不安定性が生
じる。このような不安定性は、一般的には、ある動作周
波数における過大利得および±180°の移相に関連して
いる。速度センサ21によって検出される速度は、防振装
置13−14の受動振動の共振点による増幅された振動を含
んでおり、この周波数は一般に受振器それ自体の共振周
波数に近い。電子回路22のための適切な伝達関数を見出
すことは、この効果のための補償を必要とする。 位相と利得の関係を分析すれば、受動防振装置の共振
時の増幅および移相が受振器の固有周波数よりわずかに
低い周波数で起こることが判る。受振器は、前述したよ
うに、ζ＝1.0で極めて強く制動されるから、共振増幅
を有することはない。受振器の共振周波数が、例えば１
桁だけ、受動装置の共振を下回るようにされるときに
は、その安定状態は非常に異なったものになる。受振器
の共振が、受動装置の共振よりも周波数で１桁程度低い
と、オープンループの伝達関数は、１より大きい利得が
存在する周波数に先立ち、約180°の位相遅れを生じ
る。それによって、オープンループの伝達関数が、実質
的に１より小さい利得で、±180°位相点を通過させら
れる。典型的には、前記の点における利得は大体0.3に
維持された。 受動装置の共振に関する受振器の低い共振周波数のた
めに、はるかに多くの利得が得られ、それでも安定な装
置を有する。一般に、速度フィードバック利得が高くな
ればなるほど、防振の度合いが大きくなる。最高に可能
な利得が探索されて、なおも安定であり、能動防振且つ
制御装置が良好に動作するようにされる。 ループを閉じ、より高い利得を得ることの処理が安定
化と呼ばれる。これを行うためには、これから説明する
ように、線形又は非線形の電気回路網によって受振器の
電気信号に作用することが必要である。 再び第１図を参照すると、受振器の伝達関数Ｆ（Ｓ）
は臨界制動の条件ζｇ＝1.0に対しては下記のように因
数分解される。 （Ｖ） 項ωｇ、すなわち受振器の共振周波数は、Tg＝1/ωｇ
のような時定数と呼ばれる時間周期として表せる。この
項を受振器の伝達関数に代入し、これら項を整理すると
次式のように表される。 （VI） 修正された伝達関数は、第２図に示されているような
電気回路網を介して、受振器の電気信号を供給すること
によって得られる。この回路網は２個の抵抗R_FとR_Gおよ
び容量Ｃからなるフィードバック回路網を有する２個の
演算増幅器25,26を１例として使用する２個の遅れ・進
み回路網である。 次に第２図の回路の伝達関数 ｇ（Ｓ）＝Eout/Einが決定される。 この回路で、R_F,R_GおよびＣはR_PCの値（たゞし、R_Pは
フィードバック抵抗R_Fおよび接地抵抗R_Gの両方の並列抵
抗である。）は、受振器の時定数Tgに等しいように選択
される。さらに、R_Fの値は、R_FCがR_PCより10倍大きい値
を有するように選択される。これらの値により、電子回
路22のための伝達関数は下記のように近似される。 （VII） 次に、上記の伝達関数ｇ（Ｓ）を受振器の出力と直列
に配すると、下記のような受振器の補償された伝達関数
が得られる。 （VIII） これを、極、０相殺により下記のように簡略化させ
る。 受振器の補償された応答は、実際の値より10倍低い共
振周波数を有する受振器の共振周波数と正確に等しい。
受振器に補償を加えることで、フィードバック信号の移
相が受動装置の共振周波数および運動増幅に先立って起
こる。したがって、全体的な制御装置は、位相角が±18
0°に近いときに低利得を有し、位相角が０°に近いと
きに高利得を有する。例えば、低利得は0.35より小さく
維持され、高利得は10より大きく維持される。 第２図のために分析されるようなフィードバック回路
は、第３図について説明するようにさらに修正されて、
第１図の速度力フィードバック装置に加えられる。 第３図において、速度センサ21としての受振器および
力印加装置23は第１図で前述した素子と同様のものであ
る。受振器21のコイルは、前述したように、制動抵抗31
と並列に接続される。受振器21の制動出力は演算増幅器
32への１つの入力である。この演算増幅器32の出力は、
電位差計42（そのタップが演算増幅器32の他方の入力で
ある）に加えられ、それによって速度信号の利得を制御
する。利得制御用演算増幅器32の出力は、第１の遅れ回
路網33を介して、第２図の回路25に対応する第１の遅れ
・進み回路35に加えられる。この第１の遅れ・進み回路
35の出力は、第２図の増幅器26に対応する演算増幅器36
に入力を供給する第１の進み回路網34に加えられる。演
算増幅器すなわち第２の遅れ・進み回路網36の出力は、
第２の進み回路網37を介して、第３の遅れ・進み回路38
（35および36と同様である）に与えられる。この第３の
遅れ・進み回路38の出力は、第２の遅れ回路網39に通さ
れる。この第２の遅れ回路網39からの出力信号は電力増
幅器40への入力として加えられ、次いで、この電力増幅
器40は、力印加装置23のコイルを駆動する。 第３図から理解できるように、好ましいフィードバッ
ク回路は３相回転素子を含む。第２図に示されている受
振器補償を加えることによって、より多くの速度フィー
ドバック利得が得られる一方で、第３図における第３の
遅れ・進み回路網38を付加することによって、より多く
の利得が加えられることが実験的に見出された。重要な
ことは、別な位相回転素子は、２個の素子回路に比べて
も小さい値である約1.10（第７図に示されているよう
に）に全体的な制御装置の共振伝搬度を維持する。 制御装置で使用されるループ利得は電位差計42で調整
でき、利得マージンと呼ばれる±180°の移相での利得
が0.35、位相マージンと呼ばれる単位利得での移相が±
180°から±45°であるようにセットされ得る。この条
件のため、基本装置の安定状態は極めて良好である。高
周波では、全体的な装置のある部分における小さい共振
によって、利得増幅を得ることができ、不安定条件の近
傍でフィードバックループの遅れ回路網33および39は20
0サイクル／秒以上のループ利得を低下させる。さら
に、演算増幅器のDC作動レベルにおけるエラーのために
大きなDCオフセット電圧を生じさせる遅れ・進み回路網
に関連する高DC利得は、０周波数および非常に低い周波
数信号を阻止するためにフィードバックループに直列に
接続されている２個の進み回路網34および37によって避
けられる。 ６自由度装置 第４図を参照すると、防振のためのプラットフォーム
41として使用される質量は６つの自由度を有している。
これら６つの自由度は、第４図において、垂直、ロー
ル、ピッチ、水平長軸、水平短軸およびヨー（yaw）に
相当する運動として示されている。質量のすべての可能
な運動は、３本の相互に直交する軸に沿っての並進およ
びその周囲での回転によって、これら６つの自由度にお
ける運動で説明できる。 能動防振装置を使用するプラットフォーム41のための
低振動レベルを達成するためには、６つの自由度のすべ
てを制御する能動防振を必要とする。これは３個の独立
した並進制御装置および３個の独立した回転制御装置を
用いることによってなされ得る。しかしながら、回転制
御装置は、センサおよびアクチュエータの両方の見地か
ら、機械的に実施することは難しい。したがって、６つ
の自由度のすべてを制御するという同じ目的を達するた
めに、並進制御装置だけが使用される。第４図におい
て、６つの線型力アクチュエーションのための典型的な
印加点1,2,3,4,5および６が示されている。各力アクチ
ュエーションはアクチュエータおよびセンサの組合せの
結果として生じるものであり、また、チャネルに対応し
ている。第４図において、チャネル１および２は、垂直
軸の部分およびピッチ軸のすべてを制御する。チャネル
1,2および３は、垂直軸のすべておよびロール軸のすべ
てを制御する。チャネル４は、水平長軸のすべてを制御
し、組合されたチャネル５および６は、水平短軸および
ヨー軸のすべてを制御する。 理想的には、いずれか１本の軸における運動は、他の
軸における他の運動からは完全に独立しており、例え
ば、組合された垂直軸1,2,3上で変位が生じたときに
は、他のどんな運動又は回転も、他のどの軸にも生じる
ことはない。しかしながら、自由度とのこの無関係さ
は、現実の装置で達成させることは殆ど不可能である。
構成される実際の装置では、３個の垂直なチャネルはほ
ぼ独立しており、チャネル1,2および３の組合された運
動は、水平又は回転運動が殆どなく、ほぼ純粋な垂直の
並進を生じるようにされる。ピッチおよびロールの制御
も極めて良好であり、ピッチ又はロール運動だけを発生
するように組合されたチャネル1,2および３の運動は、
ヨー又は２個の水平方向における運動を殆ど発生させな
い。しかしながら、チャネル4,5および６上のアクチュ
エータによって発生される運動は、チャネル４の運動が
ヨー運動と同様にあるロールを発生するチャネル５又は
６のいずれかによってあるピッチおよび運動を発生する
ことで軸結合を生じさせる。水平面の力アクチュエータ
の位置は、結合効果を最小にするペイロード質量上の点
に作用するように選択される。 他の結合形態は重力に起因するものであり、水平チャ
ネルにだけ存在する。水平HS−１受振器が重力に関して
正確に同一レベルにあるときには、水平方向に動作する
重力はない。しかしながら、ロール又はピッチ運動が生
じたときには、受振器の感知軸のほぼ水平面で加速度成
分が生じる。 受振器の感知軸の回転Ａの小さな角度に対して、角度
Ａの正弦は角度Ａそのものにほぼ等しい。すなわち、Ａ
＝sinAである。したがって、受振器の出力は、水平面の
回転を生じたときに、受振器自体の面で検出された速度
動作と重力によって発生されたある信号とを加えたもの
に依存する。受振器の出力の力学を無視する受振器の実
際の出力を式で示せば次のようになる。 （IX）受振器の出力＝（dx/dt）＋386At 垂直チャネルの制御運動は、ピッチ又はロールが生じ
るとき、水平センサに結合してエラー信号を出すもので
あることから、この結合効果によって水平チャネルのた
めの安定性に問題が生じる。したがって、垂直および水
平チャネル間の相互作用は重力のためにだけ存在する
が、それにもかかわらず、取扱われなければならない。
選択された解決策は、当業者には理解されるように、垂
直チャネルと対比されるような、より低い全体的なルー
プ利得と同様により高い共振周波数を有する、第３図の
より高い周波数のDC阻止進み回路網43,44を用いること
によって水平チャネル4,5および６の低周波応答を制限
することであった。 ここで第５図および第６図を参照すると、６つの自由
度を有するこの発明の実施例の平面図および立面図が示
されている。ペイロードは、４個の受動的であるが高さ
の調整される防振素子63によってフレーム62内に支持さ
れているワークテーブル61であり、防振素子63は、一般
的には、ワークテーブル61の角部の近傍に配されてい
る。 ６個の速度検出用受振器64,65,66,67,68および69は、
６つの自由度の個別的な成分を検出するために、受振器
の運動検出軸に整列されて、ワークテーブル61に取付け
られている。 フレーム62とワークテーブル61との間に取付けられて
いるものは、第９図について説明したタイプの複数個の
力アクチュエータである。したがって、第５図に示され
るように、短軸Ｙの並進およびヨーを制御するように位
置付けられている２個のアクチュエータ71および72があ
る。垂直運動、ピッチおよびロールを制御するための４
個の垂直力アクチュエータ73,74,75および76があり、ま
た、長軸Ｙの並進を制御するように位置付けられている
アクチュエータ77がある。第５図および第６図には７個
の力アクチュエータがあるけれども、これは、第４図に
ついて説明したものよりも１個だけ多いということに注
目されたい。これは、第４図に示されているピボット運
動に代えて、２個のアクチュエータ73と75との間の第３
のチャネルの運動からの信号応答を割り当てることを表
しているだけのことである。したがって、アクチュエー
タ73および75は、当業者にとっては明らかなやり方で、
第５図の回路で説明した信号に関連して修正された同じ
信号に対して共同して作動する。 第７図を参照すると、測定されたものとして第６図に
示されているこの発明の実施例の伝搬曲線が曲線81とし
て示されており、これと一緒に、受動防振装置だけの伝
搬曲線を表す比較曲線82が示されている。曲線82はほぼ
3Hzの自然共振を呈しており、ここに、その伝播運動
は、大体10の係数によって増幅されている。受動装置に
は一般的なこの現象は、この発明によって極めて効果的
に回避される。曲線81で認められるように、この装置の
共振は周波数がほぼ10の係数だけ減少されて、0.4Hzの
近傍で生じるようにされ、また、その振幅は大幅に減少
されて、約1.1倍になる。この発明の能動力速度フィー
ドバック装置によって生じられた減衰の後では、その伝
播度は1.0％をはるかに下回り、実際には、受動装置だ
けの共振周波数においては約0.1である。曲線81は受動
および能動装置に対する応答を表しており、したがっ
て、この曲線81は、この発明によって達成される実際の
結果を表している。曲線81はその伝搬度の減衰を継続し
て、30Hzの領域の近傍で、曲線82として示されているよ
うな、受動装置だけで与えられる防振と合致するように
される。 第８図を参照すると、第６図において説明したこの発
明の実施例で達成される結果の典型的な例が示されてい
る。第８図に示されている上部の曲線83は、第５図の23
kg（50ポンド）のペイロードにゴムボールを落したよう
な、1.5インチ−ポンド衝撃負荷に対する、この発明の
組合された受動および能動装置の応答を表すものであ
る。第８図に示されている曲線84は、同じ衝撃負荷に対
する受動装置だけの応答を表している。その初期偏差
は、曲線83および84においてほぼ同じであるけれども、
曲線83に示されているような能動装置の動作による回復
時間は、曲線84で示される振動的な偏差に比べてはるか
に短かく、また、その振幅は著るしく小さいものであ
る。曲線83から認められるように、この発明によって形
成された防振装置は、フィードバックによって発生され
る大きな制動力から生じる、高速の安定化時間を示す。
増加された装置の制動は、典型的な受動装置に比べて秀
れた防振を生じるだけではなく、ペイロードに加えられ
る外力から生じる装置のペイロード応答運動を大幅に減
少させる。 他の実施例 ペイロードが、外力を打消すために約0.9kg（２ポン
ド）以上の力を必要とするような性質のものであるとき
はいつでも、第９図について説明したような電磁力トラ
ンスジューサを使用することは高価になり、実用的では
ない。この発明の範囲から外れることなく、他の型式の
力付勢手段で代替できる。第10図において、ペイロード
101は上部および下部の圧力シリンダ104,105内で、隔壁
103から自由に懸架されているピストン102から支持され
ている圧搾空気装置が示されている。 シリンダ104,105内の圧力は、ペイロード101に対して
ピストン102の運動を加えるように、ピストン102の等し
い上部および下部領域の表面で作動される。この圧力
は、同様な動きをするように、ピストン102に差動圧力
を加える流量制御サーボ弁106によって制御される。 この流量制御サーボ弁106は、最終速度センサ信号に
対応するライン107での力指令信号入力を含むサーボ装
置によって制御される。該最終速度センサ信号は、差動
加算装置108において、差動圧力トランスジューサ109か
ら得られるような、シリンダ104および105における差動
圧力を表す信号と比較される。トランスジューサ109に
よって検出された差動圧力によって確立される位置に関
してライン107上の速度信号によって要求されるなんら
かの位置の偏差により、サーボ弁106を制御するように
伝達関数装置111および圧搾空気増幅器112に加えられる
エラー信号出力が生じる。したがって、第10図の装置に
よれば、ライン107上の速度信号の要求に従って、ピス
トン102から力をペイロード101に加えて、より高い値の
力が必要とされるような、この発明において説明された
結果が生じる。 この発明を特定の実施例について説明したが、この発
明を広汎な防振且つ制御装置に適用できることは当業者
にとって明らかなことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は組合された受動および速度フィードバック力で
付勢される防振装置の概略図であり、第２図は第１図の
装置に使用される信号フィードバック回路の部分概略図
であり、第３図は第１図の装置のための完全なフィード
バック回路の概略図であり、第４図は振動制御のために
対応する能動力印加に関して６つの自由度で運動するよ
うに支持される質量の表示図であり、第５図はこの発明
によって安定にされている６つの自由度を有するプラッ
トフォームの平面図であり、第６図は第５図の部分断面
正面図であり、第７図は受動共振応答および第６図の実
施例におけるこの発明の能動装置で得られる応答を示す
伝送曲線図であり、第８図は第５図の装置にペイロード
を衝撃的に印加するための応答曲線図であり、第９図は
電磁力トランスジューサにおける部品の配置を示す断面
図であり、そして第10図は圧搾空気力サーボ装置にこの
発明を応用したものの概略図である。 11はペイロード質量、12は支持構造体、13は弾性スプリ
ング、14は粘性制動子、15は位置サーボ、21は速度セン
サとしての受振器、22は電子回路、23は力印加装置、24
はスイッチである。

Claims (36)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ペイロード質量と、 ベースと、 振動運動を受け易く且つ前記運動に対抗する作動力の印
   加に応答するように、前記ペイロード質量を前記ベース
   上に支持するための支持装置であって、共振周波数を有
   する前記支持装置と、 前記ペイロード質量の振動性運動を検知し且つ前記ペイ
   ロード質量が振動性運動を受ける時に前記ペイロード質
   量の速度の関数として変化する出力信号を発生するため
   の運動応答手段と、 前記出力信号を受けるように相互接続され且つ前記運動
   応答手段の実効共振周波数が前記支持装置の共振周波数
   よりも実質的に低いように、前記出力信号を変更するた
   めに働く制御回路手段と、 前記ペイロード質量が振動する時に前記ペイロード質量
   の運動方向と対抗する方向で力を前記ペイロード質量へ
   印加するための力トランスジューサと、 前記制御回路手段からの変更された出力信号を入力信号
   として前記力トランスジューサに印加し、前記力トラン
   スジューサをして充分な力を前記ペイロード質量に印加
   させ、もって前記運動を実質的に打ち消させるための信
   号印加手段と、 を組み合わせて備えた能動防振装置。
2. 【請求項２】前記支持装置は受動防振装置である特許請
   求の範囲第１項記載の能動防振装置。
3. 【請求項３】前記運動応答手段は速度トランスジューサ
   を含む特許請求の範囲第１項又は第２項記載の能動防振
   装置。
4. 【請求項４】前記速度トランスジューサが受振器である
   特許請求の範囲第３項記載の能動防振装置。
5. 【請求項５】前記受振器は、磁気コアアセンブリの磁界
   内で線型運動をするためのスプリング懸架上に支持され
   たソレノイドを含み、このソレノイド、前記コアがそれ
   ぞれ前記ペイロード質量、前記ベースに固定されて前記
   線型運動をする特許請求の範囲第４項記載の能動防振装
   置。
6. 【請求項６】前記運動応答手段の実効共振周波数は、前
   記受動防振装置の共振周波数よりも少なくとも１桁低い
   特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか記載の能
   動防振装置。
7. 【請求項７】前記制御回路手段および前記信号印加手段
   は、フィードバックループを形成し且つ直流で事実上ゼ
   ロのフィードバック利得を持つ伝達関数を有する特許請
   求の範囲第１項ないし第６項のいずれか記載の能動防振
   装置。
8. 【請求項８】前記フィードバックループが200Hzより高
   い周波数で比較的小さいフィードバック利得を有する特
   許請求の範囲第７項記載の能動防振装置。
9. 【請求項９】前記制御回路手段によって発生された前記
   変更された出力信号は、ゼロ周波数で実質的にゼロの利
   得及び前記振動運動の周波数で１より大きい高利得を持
   つが、この利得が±180°のオープンループ位相角での
   全ての周波数に対して１よりも実質的に小さい伝達関数
   を有する特許請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか
   記載の能動防振装置。
10. 【請求項１０】前記制御回路手段は、周波数の関数とし
    て信号利得及び位相を制御するための少なくとも２個の
    直列接続された遅れ・進み段を含む特許請求の範囲第１
    項ないし第９項のいずれか記載の能動防振装置。
11. 【請求項１１】各遅れ・進み段は、第１および第２の入
    力端子並びに出力端子を有する演算増幅器と、その出力
    端子をその第１の入力端子に結合する遅れ・進みフィー
    ルドバック回路網とを含む特許請求の範囲第10項記載の
    能動防振装置。
12. 【請求項１２】前記運動応答手段の出力信号を、前記遅
    れ・進み段の直列接続された最初のものに接続された演
    算増幅器の第２の入力端子へ印加するための手段を含
    み、前記信号印加手段は、前記遅れ・進み段の直列接続
    された最後のものの演算増幅器の出力端子に現れる出力
    信号を、前記力トランスジューサの入力端子へ結合する
    ように構成されている特許請求の範囲第11項記載の能動
    防振装置。
13. 【請求項１３】前記制御回路手段が前記遅れ・進み段を
    ３個含む特許請求の範囲第11項又は第12項記載の能動防
    振装置。
14. 【請求項１４】前記出力信号を前記制御回路手段へ印加
    するための信号結合手段、及びこの信号結合手段とアー
    スの間に接続されて前記出力信号を減衰させるための抵
    抗が設けられ、この抵抗は臨界減衰の全分数値が１であ
    るような値を有する特許請求の範囲第１項ないし第13項
    のいずれか記載の能動防振装置。
15. 【請求項１５】前記受振器はケース、このケース中に懸
    架された試験質量、および前記ケースに対する前記試験
    質量の速度を検知して前記運動応答手段から前記出力信
    号を発生させるための手段を含む特許請求の範囲第４項
    又は第５項記載の能動防振装置。
16. 【請求項１６】前記受振器は、前記ケースに対する前記
    試験質量の相対速度Ｓ（Ｘ−Ｚ）を測定してこの相対速
    度に比例する出力信号を発生するための手段を含み、た
    ゞしＳがラプラス演算子であり、Ｘが前記ケースの変位
    であり、そしてＺが前記ペイロード質量が振動性運動を
    受ける時の前記試験質量の変位である特許請求の範囲第
    15項記載の能動防振装置。
17. 【請求項１７】前記制御回路手段は、前記受振器に結合
    されて前記受振器の出力信号の利得を制御するための手
    段を含む特許請求の範囲第４項、第５項、第15項又は第
    16項記載の能動防振装置。
18. 【請求項１８】前記信号印加手段は、前記変更された受
    振器出力信号を入力信号として前記力トランスジューサ
    に印加し、前記力トランスジューサをして前記ペイロー
    ド質量が振動する時に前記ペイロード質量の運動方向と
    反対の方向で力を前記ペイロード質量に印加させるよう
    になっている特許請求の範囲第17項記載の能動防振装
    置。
19. 【請求項１９】前記受振器出力信号は、ラプラス表示を
    使用する下記の式によって近似的に表され、ζｇ＝1.0
    に対し、 である。たゞし、Ev（Ｓ）は受振器伝達関数を表し、ボ
    ルト/cm/秒の単位での利得であり、Ｓは受振器ケースの
    変位であり、Ｚは試験質量の変位であり、Ｓ（Ｘ−Ｚ）
    は前記受振器ケースに対する前記試験質量の相対速度で
    あり、ｇは臨界減衰の受振器分数値であり、そしてωｇ
    は試験質量の共振周波数である特許請求の範囲第16項、
    第17項又は第18項記載の能動防振装置。
20. 【請求項２０】前記制御回路手段は、近似的に下記の伝
    達関数を有し、 たゞし、ｇ（Ｓ）は前記制御回路手段の伝達関数であ
    り、Ｓはラプラス演算子であり、Tgは時定数であって1/
    ωｇに等しく、そしてωｇは前記運動応答手段の共振周
    波数である特許請求の範囲第１項ないし第19項のいずれ
    か記載の能動防振装置。
21. 【請求項２１】前記制御回路手段は、前記受振器の出力
    信号を変更して下記のように表される補償された受振器
    伝達関数を提供し、 たゞし、Ｆ（Ｓ）は受振器伝達関数であり、ｇ（Ｓ）は
    前記制御回路手段の伝達関数であり、Tgは受振器時定数
    であり、そしてＳはラプラス演算子である特許請求の範
    囲第15項ないし第20項のいずれか記載の能動防振装置。
22. 【請求項２２】前記力トランスジューサは、電磁デバイ
    スであり且つ環状の空隙を定める第１の磁気構体および
    前記空隙中に装架された第２のコイル支持構体を有し、
    前記変更された速度トランスジューサ出力信号に応答し
    て前記第１と第２の構体間に実質的に無摩擦相対運動を
    させるスピーカ磁石ボイスコイルアセンブリを含む特許
    請求の範囲第１項ないし第21項のいずれか記載の能動防
    振装置。
23. 【請求項２３】支持構体に対して支持され且つ複数の自
    由度で不所望な振動を受けるペイロードと一緒に使用す
    るのに適し、 前記ペイロードに装架された複数個の受振器であって、
    その各々が幾つかの自由度のうちの所定の自由度で前記
    ペイロードの速度成分を検知するように配位され且つ前
    記所定の自由度で速度成分の関数として変化する受振器
    電気出力信号を発生するのに適した前記受振器と、 複数個の力トランスジューサであって、その各々が個々
    の入力信号に応答して作動することができ、前記自由度
    の１つで前記ペイロードの振動性運動とは逆に前記ペイ
    ロードへ力を印加するための前記力トランスジューサ
    と、 複数個のチャネル回路手段であって、その各々が前記制
    御回路手段の１個を含み且つ入力信号に応答してチャネ
    ル電気出力信号を発生するのに適した前記チャネル回路
    手段と、 前記受振器出力信号を入力信号として前記チャネル回路
    手段へ印加するための複数個の手段と、 前記チャネル出力信号を前記力トランスジューサへ印加
    するための手段と、 を備えた特許請求の範囲第１項ないし第22項のいずれか
    記載の能動防振装置。
24. 【請求項２４】全部の前記力トランスジューサが電磁デ
    バイスである特許請求の範囲第23項記載の能動防振装
    置。
25. 【請求項２５】前記チャネル回路手段の出力信号の各々
    は、近似的に下記のように表される補償された受振器伝
    達関数を提供し、 たゞし、Ｆ（Ｓ）は前記受振器のうちの１個の伝達関数
    であり、ｇ（Ｓ）は前記１個の受振器の出力信号が印加
    されるチャネル回路手段の伝達関数であり、Tgは前記１
    個の受振器のための時定数であり、そしてＳはラプラス
    演算子である特許請求の範囲第23項記載の能動防振装
    置。
26. 【請求項２６】前記ペイロード質量への前記振動運動の
    最大伝播率が大体１である特許請求の範囲第１項ないし
    第25項のいずれか記載の能動防振装置。
27. 【請求項２７】前記ペイロード質量は慣性衝撃力を受
    け、前記制御回路手段からの制御信号は、前記力トラン
    スジューサを作動させて前記能動防振装置の振動性応答
    の大体１サイクル以内に前記ペイロード質量の衝撃で誘
    起された偏位を実質的に打ち消させる特許請求の範囲第
    １項ないし第26項のいずれか記載の能動防振装置。
28. 【請求項２８】前記力トランスジューサが空気デバイス
    である特許請求の範囲第１項ないし第21項のいずれか記
    載の能動防振装置。
29. 【請求項２９】全部の前記力トランスジューサが空気デ
    バイスである特許請求の範囲第23項記載の能動防振装
    置。
30. 【請求項３０】前記力トランスジューサは、 前記ペイロード質量に取り付けられたピストンと、 このピストンに連結され、ダイヤフラムから自由に懸架
    され且つ第１の圧力室を有し、この第１の圧力室中の流
    体圧力の増加に応じて第１方向に前記ピストンを進め、
    また前記第１の圧力室中の流体圧力の減少に応じて反対
    の第２方向に前記ピストンを動かすための第１の空気手
    段と、 前記ピストンに連結され、前記ダイヤフラムからまた自
    由に懸架され且つ第２の圧力室を有し、この第２の圧力
    室中の流体圧力の増加に応じて前記第２方向に前記ピス
    トンを進め、また前記第２の圧力室中の流体圧力の減少
    に応じて前記第１方向に前記ピストンを動かすための第
    ２の空気手段と、 前記第１および第２の圧力室に結合され、これら室間の
    流体圧力の差を表す差圧電気信号を供給するための圧力
    センサ手段と、 前記差圧電気信号および前記速度信号の関数として変化
    する電気的流量命令信号を発生するための制御回路手段
    と、 前記第１および第２の圧力室へ流体を加えたりこれら圧
    力室から流体を排出してこれら圧力室中の流体圧力を前
    記流量命令信号に応答して前記第１および第２の空気手
    段をして前記ペイロード質量が振動する時に前記ペイロ
    ード質量の運動方向と反対の方向に前記ピストンを動か
    せる空気制御手段と、 を含む特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか記
    載の能動防振装置。
31. 【請求項３１】前記第１および第２の空気手段の各々
    は、前記ピストンに結合され、前記第１および第２の圧
    力室中の流体圧力に応じて前記ピストンへ力を印加する
    可撓性ダイヤフラムを含む特許請求の範囲第30項記載の
    能動防振装置。
32. 【請求項３２】前記制御回路手段は、前記変更された速
    度信号と前記差圧電気信号を比較してその差に応じて変
    化する出力エラー信号を発生するための信号比較手段
    と、前記出力エラー信号から前記流量命令信号を導出す
    るための手段とを含む特許請求の範囲第30項又は第31項
    記載の能動防振装置。
33. 【請求項３３】前記制御回路手段は、前記速度トランス
    ジューサの実効共振周波数が前記受動防振装置の共振周
    波数よりも大体１桁低いように前記速度信号を変更する
    特許請求の範囲第31項又は第32項記載の能動防振装置。
34. 【請求項３４】前記空気制御手段は、前記第１および第
    ２の圧力室へ流体を加えたりこれら圧力室から流体を排
    出し、もって前記圧力室中の流体圧力を変えるためのサ
    ーボ弁を含み、このサーボ弁は、前記流量命令信号の変
    化に応じて一方の圧力室へ流体を加えながら他方の圧力
    室から流体を排出するようになっており、また前記流量
    命令信号に応答して前記第１および第２の圧力室中の前
    記流体圧力を変えることにより前記ペイロード質量が振
    動する時に前記ペイロード質量の運動方向と反対の方向
    に前記ピストンを動かすように構成されている特許請求
    の範囲第30項ないし第33項のいずれか記載の能動防振装
    置。
35. 【請求項３５】前記流体が空気である特許請求の範囲第
    34項記載の能動防振装置。
36. 【請求項３６】前記第１、第２の空気手段は、前記ピス
    トンの両端の各々に結合されるそれぞれ第１、第２の可
    撓性ダイヤフラムを含み、各ダイヤフラムは力を前記ピ
    ストンへ印加するように構成され、前記第１、第２のダ
    イヤフラムによって印加される力の大きさがそれぞれ前
    記第１、第２の圧力室中の流体圧力に応じて変わる特許
    請求の範囲第34項記載の能動防振装置。