CN101317080A - 用于可移动部件在检验***中定位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于可移动部件在检验***，特别是测量或者分析***中定位的方法和装置，其中，在该方法中可移动部件利用联接到可移动部件上的执行元件，通过执行元件借助驱动力运动，而从起始位置移动到末端位置内，以及可移动部件经由与可移动部件连接的固位部件被施加以将可移动部件固位在末端位置上的固位力，方法是固位部件至少部分浸入介质的储存器内并在介质内借助介质从液态到固化态的转换而固定，其中，介质借助被施加以调节参数而从液态转换成固化态。

Description

用于可移动部件在检验***中定位的方法和装置

本发明涉及一种用于可移动部件在检验***，特别是测量或者分析***中定位的方法和装置。

发明背景

部件通常利用调整元件进行定位，该调整元件用于使可移动部件相对于其他部件产生运动，后者在移动时在它那方面保持静止。在检验***中，在可移动部件移动时不运动的部件也可以视为一种类型的支座，因此下面也使用这种名称。

检验***在本申请书的意义上是一种设备、仪器或者装置，其适用于在物理、化学或者生物类型的至少一种特性方面对检验对象进行研究或者检验。这种***通常也属于所谓科学仪器制造的领域。它们的至少部分特征在于精密机械部件，特别是这一点涉及可移动部件的精确移动。

对于需要采用高位置分辨率工作的调整元件来说，例如也称为压电元件的压电运行的调整元件作为执行元件使用，其膨胀取决于所施加的电压。但其他调整元件在现有技术中作为这种执行元件也有所公开，例如液压或者感应运行的调整元件。在公开的压电元件中，实际引起部件移动的执行元件例如借助电压的调整而移动到预先确定的位置并固定在那里。因为压电元件具有迟滞，也就是说，在确定电压下的膨胀取决于移动运动的起始点，此外在切断电压后仍运动一段时间，其也称为蠕变，所以在压电元件利用电压控制运行时，测量压电元件或者可移动部件的实际偏移，并利用闭合的带调节服务于使压电元件的膨胀相对于所施加的电压线性进行。线性质量在这种情况下当然取决于所选择的距离传感器的类型，这种传感器例如可以是电容式传感器、LVDT(“Linear Variable Differential Transformer”，线性可变差动变压器)或者应变计。但也可以使用其他距离传感器，例如光学传感器。借助软件控制的校正在公开的实施中通常存在缺陷。

所要移动的部件可以或者与执行元件例如借助粘接固定连接，或者形成一个活节(Gelenk)，可移动部件利用其联接到移动时保持位置固定的其他部件上。例如使用固体式活节。在这种情况下，然后可以将压电元件夹紧在固体式活节的部件之间或者以其他方式固定在其上，移动运动借助活节的移出或者移入而引发。

此外经常使用驱动机构，以便为可移动部件的移动转换由调整元件的驱动装置产生的驱动运动。按照这种方式，达到大于驱动运动本身程度或者行程的移动行程。

在本申请书的意义上，如果通过联接到可移动部件上的执行元件在执行元件至少部分移入的移入位置与执行元件至少部分移出的移出位置之间移动，从而可移动部件的移动从起始位置到达末端位置，那么这是一种用于移动运动的直接驱动。这种直接驱动例如可以利用压电元件提供。

与此不同的是，公知的还有间接驱动。属于此类的例如包括，可移动部件的移动由此进行，即具有螺纹并联接到可移动部件上的调整元件借助螺栓在螺纹内的旋转进行移动。调整元件因此沿螺栓进行运动。但这种间接连接一般情况下导致动力性降低，且增加定位的不精确性。

但使用公知结构类型的直接驱动也导致不利的影响。执行元件寻找位置所需的移动必须维持在末端位置中。对于压电元件来说这一点意味着，由于调整电压后的随动(蠕变)，还需改变所施加的电压。执行元件的偏移此外带来噪声。例如，压电元件需要电源，其噪声虽然已经最小化，但并不能完全消失。这种噪声使可移动部件在末端位置中的定位以额定值波动。如果末端位置附加再利用一个传感器进行监测，将其信号用于控制，那么传感器的分辨率对定位精度也会产生限制。

此外，所要移动的部件在末端位置中还要通过也包括执行元件的一种可振动性的***与支座连接。如果所要移动的部件例如粘接或者以其他方式直接固定在执行元件上，那么执行元件本身就是一种弹簧质量***。如果整个***受到干扰运动，在这些干扰的频谱处于整个***的谐振频率附近或者上面的情况下，那么这一点就会出现问题。部件彼此间然后出现相对运动。

所介绍的问题特别是在测量和分析装置上出现，例如扫描探针显微镜。在这里，然后无论是显微镜的分辨率还是动力均受到限制。在这种显微镜中，一般情况下调整元件用于所有三个空间方向。由于噪声源的调整元件的不精确性限制了测量可能性。例如在100μm×100μm的侧面扫描区中，常常不能达到原子的分辨率，因为压电元件的电源产生噪声。在控制的情况下，与控制信号相加还有用于测量距离的传感器的噪声。调整元件因此具有一定程度上的位置模糊，其对上述的例子约为0.3nm。动力特别是通过所需压电元件的尺寸或者相应选择的传动比确定，从而对所期望的扫描区来说，不能任意提高速度。如果希望更高的分辨率或者更高的带宽，那么必须缩小扫描区。

发明概述

本发明的任务在于，提供一种用于可移动部件在检验***中定位的方法和装置，其中改善可移动部件在末端位置中的固定的精确度。

该任务依据本发明通过一种按独立权利要求1所述用于可移动部件在检验***中定位的方法并通过一种按独立权利要求11所述用于可移动部件在检验***中定位的装置得以实现。

本发明包括的设想是，将可移动部件固位在末端位置中，所述部件借助联接到可移动部件上的执行元件到达所述末端位置，这一点也可以称为止动或者固定，方法是与可移动部件连接的固位部件在介质的储存器内固定，固位部件至少部分浸入所述介质的储存器内，这点由此达到，即：介质从液态转换到固化态。固化态与液态相比例如由此详细说明，即介质具有与液态相比提高的粘度或者甚至显现出固体特性。按照这种方式，经由固位部件将固位力导入到末端位置中的可移动部件上。可移动部件在末端位置中相对于在静止位置上的介质的储存器止动。如果容纳器(在其中形成介质的储存器)在它那方面对于另一基准***是静止的，该基准***在检验***的情况下例如为仪器支座或者其他部件，那么可移动部件在末端位置中也相对于基准***保持静止。可能导致可移动部件以不希望的方式从末端位置外移的、对末端位置中的可移动部件的干扰影响受到抑制或者甚至完全消除。

以所提出的方式确保可移动部件在末端位置中的静止位置，可以高精密度使可移动部件的位置保持在末端位置中。这种精密度例如在与各种各样的实验研究结合下是所希望的。例如，这样可以使力-距离分光镜得到改进，因为可移动部件的干扰运动得到抑制。

依据本发明一种优选的进一步构成，作为介质使用从下列材料类型组中相应选择的至少一种材料类型：流变材料如电流变材料或者磁流变材料和宾汉(Bingham)体。宾汉体是一种非牛顿液体的介质并只有在超过流变极限，也就是确定的剪应力情况下才开始流动。非牛顿的介质例如有盐水、凝胶、高浓度的悬浮液、塑料、高分子材料的溶液或者熔液。该介质方面的流变极限是一种材料特性值，其说明为使材料流动而必须使用的最低剪应力。本申请书意义上的流变材料从液态向固化态转换，方法是施加例如电压(电场强)或者磁力(磁场强)。在这种情况下，流变极限借助改变所施加的调节参数上升。

在本发明一种依据目的的构成中可以设计，固位力借助介质从液态向固化态的转换从起始固位力连续提高到最终固位力。固位力的连续提高，也就是特别是流变极限的连续提高，可以使可移动部件逐渐“导入”固位的末端位置内。只要可移动部件在末端位置中进行意外运动，例如由执行元件意外运动而感生，这些意外运动就通过固位力的连续提高逐步抑制和限制。

依据本发明一种具有优点的实施方式，固位力构成为抑制，选择性地完全阻止，可移动部件在末端位置中的意外运动。在何种程度上抑制可移动部件在末端位置中的意外运动，可与应用相关地通过选择固位力的大小进行调整。固位力总体上作为与作用于末端位置中的可移动部件的那些力的反作用力而起作用，在固位力不足时，那些力会从它们那方面导致可移动部件从末端位置外移。

依据本发明的进一步构成，优选固位部件联接到执行元件上，以及借助介质从液态向固化态的转换固定执行元件。在这种实施方式中可以设计，执行元件用于移动可移动部件的运动通过固位部件传递到可移动部件上。在这种实施方式中，固位部件和执行元件彼此相对可移动地相互连接。可移动部件在末端位置中的固位然后可以由此实现，即利用处于固化态的介质使固位部件和执行元件固定。

在本发明一种具有优点的构成中可以设计，执行元件在可移动部件固位在末端位置中之后，从可移动部件松开；以及可移动部件在执行元件松开之后，利用固位力保持在末端位置中，选择性地仅借助固位力。在这种构成中，利用固位力特别是也可以提供足够的保持力，其抵抗重力对可移动部件的影响。可移动部件在一种可能的实施中否则会由于重力而从末端位置移出。通过执行元件从可移动部件分离，防止执行元件意外运动以不利的方式对可移动部件的末端位置产生影响。例如在压电调整装置中公知，所施加的电压由于电压的噪声会导致执行元件由此引起的运动。压电调整装置通过切断电压可以回移。

依据本发明的进一步构成，介质从液态向固化态转换，方法是在介质被施加以调节参数时，调整至少一个从下列参数组中选择的参数：温度、入射的电磁波、电压和磁力。电磁波例如可以作为光入射。特别是波的频率或者入射的能量可以调整。这些参数也可以组合使用。

依据本发明一种优选的进一步构成，可移动部件无导向地移动到末端位置内，所述导向借助产生摩擦的导向件形成。产生摩擦的导向件例如为导轨，其虽然在移动时引导所要移动的部件，但另一方面却会导致定位精度或者移动运动的自由度方面不希望的摩擦效应和限制。优选可移动部件在一种构成中利用执行元件可以在两个或者所有三个空间方向上自由定位。

在本发明一种依据目的的构成中，固位部件构成为从下列机构组中选择的机构的元件：活节式机构和伸缩式机构(Teleskopmechanismus)。例如可以设计，活节式机构至少部分浸入介质内并借助介质从液态向固化态的转换“冻住”。借助其可以实施连接的长度改变的伸缩式机构可以类似方式被“冻住”。

依据本发明一种具有优点的实施方式，利用可移动部件的移动从下列运行功能组中选择构成至少一种运行功能：移动测量试样支座和移动测量探针支座。公知各种各样的检验过程，其中测量探针和测量试样必须彼此相对运动，以便在检验开始前或者在检验本身期间产生确定的检验配置。这里所提到的特别是扫描探针显微镜。

下面详细介绍用于可移动部件在检验***中定位的装置具有优点的构成。装置实施方式的构成和优点与所属方法变化相应产生。

依据本发明一种优选的进一步构成设计，介质对应于从下列材料类型组中选择的至少一种材料类型的介质：流变材料如电流变材料或者磁流变材料和宾汉体。

在本发明一种依据目的的构成中可以设计，固位装置配置，使固位力借助介质从液态向固化态的转换从起始固位力连续提高到最终固位力。

依据本发明一种具有优点的实施方式设计，固位装置配置，使固位力抑制，选择性地完全阻止，可移动部件在末端位置中的意外运动构成。

优选本发明的一种进一步构成设计，固位部件联接到执行元件，其可借助介质从液态向固化态的转换固定执行元件。

在本发明一种具有优点的构成中设计，执行元件在可移动部件固位在末端位置中之后，可以从可移动部件松开；以及可移动部件在执行元件松开之后，利用固位力可以保持在末端位置中，选择性地仅借助固位力。一种可选择的构造，其在实施中也可以作为用于执行元件从可移动部件松开的在先阶段类型，执行元件在固位后不再被施加以驱动力，确切地说是断开这种驱动力。在电驱动的情况下，这一点例如意味着切断电驱动电压。尽管断开驱动力，执行元件然后仍可保持与可移动部件连接，例如在执行元件与可移动部件之间固定联接的情况下。

依据本发明的进一步构成可以设计，控制装置配置，以在介质被施加以调节参数时，调整至少一个从下列参数组中选择的参数：温度、入射的电磁波、电压和磁力。

依据本发明一种优选的实施方式，可移动部件可以无导向地移动到末端位置内，所述导向借助产生摩擦的导向件形成。

在本发明一种依据目的的构成中可以设计，固位部件构成为从下列机构组中选择的机构的元件：活节式机构和伸缩式机构。

依据本发明一种具有优点的实施方式设计，可移动部件实施为从下列功能部件组中选择的功能部件：测量试样支座和测量探针支座。

优选本发明的一种进一步构成设计，执行元件联接到压电运行的调整元件上，选择性地由该调整元件构成。

可以设计，用于可移动部件在上述实施中定位的装置本身可以设置在另一可移动部件上，该另一可移动部件然后从它那方面依据上述实施相对于一个固位部件移动。这种设置例如在两个也称为扫描仪的x-y-z扫描装置相互组合情况下使用。由此例如可以实施更快的扫描运动，即使只能经过较小的扫描区域。定位装置可以这样相互组合，其中定位装置用于粗调，而与其组合的另一定位装置然后用于微调。两个定位装置本身按照上述实施方式之一构成。

本发明优选实施例的描述

下面借助附图的实施例对本发明进行详细说明。其中：

图1a-1c示出在一种构成中的、具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图；

图2a和2b示出在另一种构成中的、具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图；以及

图3示出一种具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图，所述部件上面构成另一定位装置。

图1a-1b示出在一种构成中的、具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图。

依据图1a，可移动部件1经由执行元件2和弹簧3与位置固定地构成的支座4连接。弹簧3在另一种构成中(未示出)也可以取消。可移动部件1然后可以旋接或者粘接在执行元件2上。

依据图1b，通过固位部件5在所期望的末端位置中进行可逆的抑制或者运动制动，其可以在时间上可变地控制。

依据图1c，利用固位部件5然后在可移动部件1与支座4之间形成固位连接6。例如通过执行元件2可能引起的意外运动碰撞利用固位连接6消除。执行元件2和弹簧3的行为则不再重要。固位部件5到固位连接6的过渡这样设计，使利用固位部件5施加的固位力的影响不断增加并由此使执行元件的影响不断下降。按照这种方式，避免可移动部件1与支座4之间的张紧，否则所述张紧会使可移动部件1从末端位置10中移出。

图1a-1c中示出一维移动。可以类似方式设计可移动部件1的移动，其中位置变化在多于一维的空间维度中，例如在平面中，进行。固位连接的数量则不一定非得与所要止动的轴或者自由度相一致。

图2a和2b示出在另一种构成中的、具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图。

依据图1a-1c的设置中所设计的固位部件5和固位连接6由电流变液体形式的宾汉体替代。依据图2a，电流变液体储存在容器20内。容器20内浸入两个与电压源24连接的电极22、23。取决于利用电源24施加到两个电极22、23上的电压，在电流变液体21中感生出固化，其依据图2最后导致固位连接25的构成。容器20与底座4固定连接。

图3示出一种具有支座和相对于其可移动的部件的设置的示意图，在所述部件上面构成另一定位装置。对图3中相同的特征使用与前面附图中相同的附图标记。

使用两个定位装置，其在所示实施例中为扫描仪。下部扫描仪40可以依据前面所介绍的方法移动并然后固定，由此确定相对于支座4的末端位置10。带有所要运动的部件31、调整元件32和弹簧33的上部扫描仪41经由部件35联接到下部扫描仪40的可移动部件1上。按照这种方式，上部扫描仪41可以在中心位置11周围运动，而不改变或者干扰末端位置10。

图3中出于简化的原因仅示出一个轴。但也可以设计x-y扫描仪1、2、3的固位，以及设计带有较小的偏移31、32、33的快速x-y-z扫描仪的运行。

该实施的优点在于，末端位置10可以高精密度相对于支座4进行调整，同样末端位置11也可以。按照这种方式，可以充分利用不可固定的扫描仪的优点，例如像高扫描速度，而固定扫描仪不干扰运动。另一方面，可以充分利用可固定扫描仪的优点，例如像大扫描范围。

本发明上述说明书、权利要求书和附图中所公开的特征，无论是单独还是以任意组合，对本发明以其不同实施方式的实现来说均具有重要意义。

Claims (21)

1.用于可移动部件在检验***，特别是测量或者分析***中定位的方法，其中：

-所述可移动部件(1)利用联接到所述可移动部件(1)上的执行元件(2)，通过所述执行元件(2)借助驱动力运动，而从起始位置移动到末端位置(10)内，以及

-所述可移动部件(1)经由与所述可移动部件(1)连接的固位部件被施加以将所述可移动部件(1)固位在所述末端位置(10)中的固位力，方法是所述固位部件至少部分浸入介质的储存器内并在所述介质内借助所述介质从液态到固化态的转换而固定，其中，所述介质借助被施加以调节参数而从液态转换成固化态。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，作为介质使用从下列材料类型组中相应地选择的至少一种材料类型的介质：流变材料如电流变材料或者磁流变材料和宾汉体。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述固位力借助所述介质从液态到固化态的转换而从起始固位力连续提高到最终固位力。

4.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位力形成为抑制，选择性地完全阻止，所述可移动部件(1)在所述末端位置(10)中的意外运动。

5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位部件联接到所述执行元件(2)上，以及借助所述介质从液态到固化态的转换固定所述执行元件(2)。

6.按权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述执行元件(2)在所述可移动部件(1)固位在所述末端位置(10)中之后，从所述可移动部件(1)松开；以及所述可移动部件(1)在所述执行元件(2)松开之后，利用所述固位力保持在所述末端位置(10)中，选择性地仅借助所述固位力。

7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述介质从液态转换到固化态，方法是在所述介质被施加以所述调节参数时，调整至少一个从下列参数组中选择的参数：温度、入射的电磁波、电压和磁力。

8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述可移动部件(1)无导向地移动到所述末端位置(10)内，所述导向借助产生摩擦的导向件形成。

9.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述固位部件构成为从下列机构组中选择的机构的元件：活节式机构和伸缩式机构。

10.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，利用所述可移动部件(1)的移动实施至少一种从下列运行功能组中选择的运行功能：移动测量试样支座和移动测量探针支座。

11.用于可移动部件在检验***，特别是在测量或者分析***中定位的装置，具有：

-可移动部件(1)，

-联接到所述可移动部件(1)上的执行元件(2)，所述执行元件可以运动，以便将所述可移动部件(1)从起始位置移动到末端位置(10)内，以及

-固位装置，具有：

-固位部件，所述固位部件与所述可移动部件(1)连接，

-介质的储存器，所述固位部件至少可以部分浸入所述介质的储存器中，以及

-控制装置，所述控制装置配置，以对所述介质施加以调节参数，以便使所述介质在液态与固化态之间，选择性地直至固体表征，转换。

12.按权利要求11所述的装置，其特征在于，所述介质对应于从下列材料类型组中选择的至少一种材料类型的介质：流变材料如电流变材料或者磁流变材料和宾汉体。

13.按权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述固位装置配置，以将固位力借助所述介质从液态到固化态的转换地从起始固位力连续提高到最终固位力。

14.按权利要求11-13之一所述的装置，其特征在于，所述固位装置配置，以使所述固位力形成为抑制，选择性地完全阻止，所述可移动部件(1)在所述末端位置(10)中的意外运动。

15.按权利要求11-14之一所述的装置，其特征在于，所述固位部件联接到所述执行元件(2)上，其可借助所述介质从液态向固化态的所述转换固定所述执行元件(2)。

16.按权利要求11-14之一所述的装置，其特征在于，所述执行元件(2)在所述可移动部件(1)固位在所述末端位置(10)中之后，可以从所述可移动部件(1)松开；以及所述可移动部件(1)在所述执行元件(2)松开之后，可以利用所述固位力保持在所述末端位置(10)中，选择性地仅借助所述固位力。

17.按权利要求11-16之一所述的装置，其特征在于，所述控制装置配置，以在所述介质被施加以所述调节参数时，调整至少一个从下列参数组中选择的参数：温度、入射的电磁波、电压和磁力。

18.按权利要求11-17之一所述的装置，其特征在于，所述可移动部件(1)可以无导向地移动到所述末端位置(10)内，所述导向借助产生摩擦的导向件形成。

19.按权利要求11-18之一所述的装置，其特征在于，所述固位部件构成为从下列机构组中选择的机构的元件：活节式机构和伸缩式机构。

20.按权利要求11-19之一所述的装置，其特征在于，所述可移动部件(1)实施为从下列功能部件组中选择的功能部件：测量试样支座和测量探针支座。

21.按权利要求11-20之一所述的装置，其特征在于，所述执行元件(2)联接到压电运行的调整元件上。

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