устройство для микроперемещений объекта

Формула изобретения

Устройство для микроперемещений объекта, содержащее пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешними и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, с установленным в них подвижным держателем образца, отличающееся тем, что введены магнит с магнитопроводами, катушка, устройство управления током в катушке, при этом катушка жестко связана с держателем и размещена в цилиндрическом магнитном зазоре магнитопроводов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в устройствах для перемещения с микро- и наноскопическим шагом. Оно может применяться, в частности, в сканирующих зондовых микроскопах для перемещения образца или сканирующего зонда, а также в микронных и субмикронных технологиях.

Известно устройство [1], в котором перемещаемый объект расположен в центре защемленного по краю упругого диска. Перемещающее усилие создается винтом и передается к диску через пружину. В результате величина линейного перемещения центра диска во много раз меньше величины перемещения винта и составляет 2 мкм на один оборот винта.

Недостатком данного устройства является низкая точность перемещения, влияние на него люфтов в резьбовом соединении.

Известно устройство [2], состоящее из трех связанных пьезоэлектрических трубок, надетых на металлический стержень. Крайние трубки охватывают стержень без зазора, а средняя - с зазором. Для осуществления движения одна из крайних трубок под воздействием управляющего напряжения сжимается в радиальном направлении и плотно охватывает стержень. После этого на среднюю трубку подается потенциал, деформирующий ее в направлении оси движения и перемещающий вторую крайнюю трубку, которая затем, в свою очередь, плотно охватывает стержень. В завершение шага первая ослабляет охват стержня, а средняя принимает исходное положение.

Недостатками устройства являются необходимость высокой точности изготовления устройства, возможность нарушения охвата стержня вследствие температурных деформаций и усадки пьезоэлементов и, как следствие, нарушение непрерывности движения.

Задачей изобретения является уменьшение минимальной величины шага, увеличение точности позиционирования и скорости перемещений.

Задача решается тем, что в устройстве для микроперемещений объекта, содержащем пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, введены магнит с магнитопроводами, катушка, устройство управления током в катушке, при этом катушка жестко связана с держателем и размещена в цилиндрическом магнитном зазоре магнитопроводов.

На фиг.1 представлено заявляемое устройство в разрезе, на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит основание 1, в котором заделана одним концом пьезоэлектрическая трубка 2 с двумя сплошными внешним и внутренним электродами 3. На другом конце трубки закреплена державка 4 с цанговой пружиной 5. Перемещаемый объект располагается на полом цилиндрическом держателе 6, образующем с цанговой пружиной 5 кинематическую пару трения. Внутри трубки 2 установлены магнитопроводы 7, 8, которые сосредотачивают поле магнита 9 в цилиндрическом зазоре 10 между элементами 7 и 8. В зазоре располагается держатель 6 и жестко связанная с его внутренней поверхностью катушка 11, ток в которой формируется устройством управления 12.

Устройство работает следующим образом. В кинематической паре трения 5-6 со стороны пружин 5 на держатель действует сила трения F_тр (трения покоя или трения скольжения), величина которой определяется классом чистоты трущихся поверхностей, материалами, из которых изготовлены элементы 5 и 6, и силой прижатия их друг к другу. Ускорение, которое способна придать сила трения держателю 6, ограничено величиной а₆F_тр/(m₁₁+m₆), где m₆, m₁₁ - массы держателя 6 с образцом и катушки 11 соответственно. В зависимости от величины а₅ ускорения пружины 5, вызванного деформацией пьезоэлемента 2, сила трения перемещает держатель 6 с образцом синхронно с пружиной 5, если:

a₆a₅, (1)

и с проскальзыванием, если а₆<а. Таким образом, при медленной деформации элемента 2 элемент 6 перемещается на то же расстояние, что и свободный конец 2, а при его быстрой деформации - на меньшее расстояние. При этом, чем а₆ меньше а₅, тем больше разница между абсолютным перемещением пружины 5 и держателя 6. В результате, управляя величиной a₅, можно осуществлять массово-инерционный принцип перемещений, а дополнительное воздействие (со стороны магнитной системы) на держатель 6 через жестко связанную с ним катушку 11 позволяет улучшить характеристики движения: скорость, минимальную величину шага, точность позиционирования.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

Перед началом перемещений от устройства управления 12 в катушку 11 подается электрический ток такой величины I₀ и направления, что сила воздействия поля магнита 9 на катушку F_m по модулю равна, а по направлению противоположна силе тяжести F_g (фиг.2а), действующей на держатель 6 с объектом и связанную с ним катушку 10:

|F_m| = BLI₀ = |F_g| = g(m₁₁+m₆), (2)

где В - магнитная индукция в зазоре; L - длина провода катушки, расположенного в зазоре. В результате исключается влияние силы тяжести на величину шаговых перемещений при движении в разных направлениях.

Для перемещения объекта вдоль оси Z на электроды 3 подают импульсы несимметричного пилообразного напряжения (фиг.2б) различной в зависимости от направления движения полярности. В начале формирования пологого фронта напряжения на электродах 3 устройством 12 в катушке 11 формируется ток величиной I₀+I₁ при движении вверх и I₀-I₁ при движении вниз. В результате равнодействующая сил, приложенных в направлении движения к держателю 6, возрастает на величину BLI₁ (фиг.2а), а ускорение держателя определяется выражением а₆=(F_тр0+ВLI₁)/(m₁₁+m₆), где F_тp0 - сила трения покоя в кинематической паре 5-6. Таким образом, можно увеличить ускорение свободного конца пьезоэлектрической трубки 2 с пружиной 5 на величину а₅ (и общую скорость перемещений), обеспечив при этом синхронность его перемещения с перемещением держателя 6 согласно условию (1), за счет дополнительно приложенной к держателю 6 силы F_доп=ВLI₁=а₅(m₁₁+m₆). Перед формированием крутого среза напряжения на электродах 3 устройством 12 в катушке 11 формируется ток величиной I₀+I₁ при движении вверх и I₀-I₁ при движении вниз. При этом величина и направление тока 12 выбирается так, чтобы величина дополнительного воздействия на держатель ВLI₂ (фиг. 2а) компенсировала силу трения скольжения F_трс, вызывающую перемещение держателя 6 с объектом в направлении, обратном требуемому. В результате (F_трc-ВLI₂)-->0, ускорение a₆=(F_тpc-BLI₂)/(m₁₁+m₆) снижается до минимума и перемещение держателя за короткое время формирования среза L_об (величина обратного хода, фиг.2в) ничтожно и стремиться к нулю. Таким образом, можно уменьшить величину минимального шага (и повысить точность позиционирования) устройства микроперемещений, определяемую как минимальное положительное значение разности L_пp-L_об, где L_пp - перемещение держателя 6, полученное им при формировании пологого фронта.

Предложенное устройство для микроперемещений объекта обеспечивает высокие скорость перемещений и точность позиционирования объекта, уменьшение минимального шага перемещений (по сравнению с прототипом ~ в 2 раза) за счет использования магнита с магнитопроводами, катушки и устройством управления током в катушке.

Источники информации

1. А.с. 1698914, Н 01 J 37/26. Сканирующий туннельный микроскоп. И.Б.Альтфедер, А.П.Володин, М.С.Хайкин.

2. Дж.У.Харди. Активная оптика. ТИИЭР, т. 66, 6, 1978, с.61-70.