RU2297072C1

RU2297072C1 - Inertia motor

Info

Publication number: RU2297072C1
Application number: RU2005134280/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Быков (RU); Виктор Александрович Быков; Александр Олегович Голубок (RU); Александр Олегович Голубок; Владимир Валерьевич Котов (RU); Владимир Валерьевич Котов; Иван Дмитриевич Сапожников (RU); Иван Дмитриевич Сапожников
Original assignee: ЗАО "Нанотехнология-МДТ"
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2007-04-10

Abstract

FIELD: devices for mechanical displacement of part along one coordinate axis.

SUBSTANCE: proposed inertia motor has base, piezoelectric module, rod coupled with V-shaped guide, movable carriage, and hold-down device. Piezoelectric module is mounted with its first end on base and its second end is joined with triangular-shaped rod having first, second, and third faces. Carriage has V-shaped guide coupled with first and second faces of rod; hold-down device is made in the form of flat spring secured on movable carriage and coupled through its first plane with third face of rod by means of insert.

EFFECT: enhanced precision and reliability of motor.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам механического перемещения объекта вдоль одной координаты. Оно может быть использовано, например, в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) для сближения зонда и образца.The invention relates to a device for mechanically moving an object along a single coordinate. It can be used, for example, in a scanning probe microscope (SPM) to bring the probe and sample closer together.

Известен линейный инерционный шаговый двигатель, содержащий основание, на котором первыми концами закреплены три пьезотрубки, на вторых концах которых установлены сферические опоры, расположенные с возможностью взаимодействия посредством направляющих с подвижной платформой [1].Known linear inertial stepper motor containing a base on which three piezotubes are fixed at the first ends, at the second ends of which are mounted spherical bearings arranged to interact by means of guides with a movable platform [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что его нельзя использовать для вертикального перемещения объектов.The disadvantage of this device is that it cannot be used to vertically move objects.

Известен также инерционный шаговый двигатель, содержащий основание, сопряженное первой V-образной направляющей с первой и второй гранями штока квадратного сечения, третьей и четвертой гранями соединенного с подпружиненным прижимом, имеющим вторую V-образную направляющую. На штоке закреплен пьезомодуль, соединенный с подвижной кареткой, установленной посредством третьей и четвертой V-образных направляющих на пятой и шестой V-образных направляющих основания [2].An inertial stepper motor is also known, comprising a base conjugated by a first V-shaped guide with first and second faces of a square rod, third and fourth faces connected to a spring-loaded clip having a second V-shaped guide. A piezomodule is attached to the rod, connected to a movable carriage mounted by means of the third and fourth V-shaped guides on the fifth and sixth V-shaped guides of the base [2].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.

Первый недостаток этого устройства заключается в том, что прижим может иметь люфты вдоль оси перемещения, что может приводить к нестабильности шага перемещения и соответственно снижению его точности.The first disadvantage of this device is that the clamp may have backlash along the axis of movement, which can lead to instability of the step of movement and, accordingly, reduce its accuracy.

Второй недостаток связан с тем, что пьезомодуль расположен внутри кинематической цепочки устройства, что увеличивает возможность его разрушения и исключает замену.The second drawback is that the piezoelectric module is located inside the kinematic chain of the device, which increases the possibility of its destruction and excludes replacement.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и перемещения, а также в повышении надежности устройства.The technical result of the invention is to improve the accuracy and movement, as well as to increase the reliability of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что в инерционном двигателе, содержащем основание, пьезомодуль, шток, сопряженный с V-образной направляющей, подвижную каретку и прижим, пьезомодуль первым концом закреплен на основании, а вторым соединен со штоком, имеющим треугольный профиль с первой, второй и третьей гранями, при этом каретка содержит V-образную направляющую, сопряженную с первой и второй гранями штока, а прижим выполнен в виде плоской пружины, закрепленной на подвижной каретке и первой плоскостью сопряженной посредством вкладыша с третьей гранью штока.The specified technical result is achieved by the fact that in an inertial engine containing a base, a piezoelectric module, a rod coupled to a V-shaped guide, a movable carriage and a clamp, the piezoelectric module is fixed to the base by the first end and connected to the rod having a triangular profile with the first, second and third faces, while the carriage contains a V-shaped guide mating with the first and second faces of the rod, and the clamp is made in the form of a flat spring mounted on a movable carriage and the first plane mated by insert the third face of the rod.

Существует вариант, в котором плоская пружина второй плоскостью сопряжена с первым концом витой цилиндрической пружины, вторым концом сопряженной с подвижной кареткой с возможностью поджима.There is an option in which a flat spring is mated with a second plane to the first end of the coil spring, the second end being mated with a movable carriage.

Возможен вариант, где длина граней штока в направлении перемещения больше длины V-образной направляющей подвижной каретки.A variant is possible where the length of the rod faces in the direction of movement is greater than the length of the V-shaped guide of the movable carriage.

Возможен также вариант, в котором глубина микроканавок трущихся поверхностей штока, подвижной каретки и вкладыша должна быть в пределах 10-50 мкм, а сами микроканавки расположены таким образом, что их длина до ребер поверхностей минимальна.A variant is also possible in which the depth of the microgrooves of the friction surfaces of the rod, the movable carriage and the liner should be within 10-50 microns, and the microgrooves themselves are located so that their length to the edges of the surfaces is minimal.

На фиг.1 изображен инерционный двигатель - вид сверху.Figure 1 shows the inertial engine - top view.

На фиг.2 - то же, вид сбоку.Figure 2 is the same side view.

Инерционный двигатель содержит основание 1 (фиг.1, 2), на котором первым концом 2 закреплен пьезомодуль 3, вторым концом 4 соединенный со штоком 5, имеющим треугольный профиль с первой 6, второй 7 и третьей 8 гранями. На штоке 5 установлена подвижная каретка 9 с V-образной направляющей 10, сопряженной с первой 6 и второй 7 гранями. Каретка 9 может содержать корпус 11 (при этом V-образная направляющая выполнена в корпусе 11) и скобу 12, в которой закреплена плоская пружина 13, первой плоскостью 14 сопряженная посредством вкладыша 15 с третьей гранью 8. Второй плоскостью 16 пружина 13 может быть сопряжена с первым концом 17 цилиндрической пружины 18, второй конец 19 которой взаимодействует со скобой 12 через переходник 20 с возможностью поджима пружины 18 посредством винта 21. При этом жесткость цилиндрической пружины 18 должна быть больше жесткости плоской пружины 13. Пьезомодуль 3 подключен к блоку управления 22.The inertial engine contains a base 1 (FIGS. 1, 2), on which the piezo module 3 is fixed by the first end 2, connected by a second end 4 to the rod 5, having a triangular profile with the first 6, second 7 and third 8 faces. On the rod 5, a movable carriage 9 is installed with a V-shaped guide 10, conjugated with the first 6 and second 7 faces. The carriage 9 may include a housing 11 (the V-shaped guide is made in the housing 11) and a bracket 12, in which a flat spring 13 is fixed, the first plane 14 is conjugated by the insert 15 with the third face 8. The second plane 16, the spring 13 can be paired with the first end 17 of the coil spring 18, the second end of which 19 interacts with the bracket 12 through the adapter 20 with the possibility of pressing the spring 18 by means of a screw 21. In this case, the stiffness of the coil spring 18 must be greater than the stiffness of the flat spring 13. The piezoelectric module 3 is connected Access to control unit 22.

Следует заметить, что длина L₁ штока 5 должна быть больше длины l₂ корпуса 11 на величину хода каретки или больше.It should be noted that the length L _{1 of the} rod 5 should be greater than the length l _{2 of the} housing 11 by the magnitude of the carriage stroke or more.

Глубина микроканавок трущихся поверхностей штока 5, V-образной направляющей 10 и вкладыша может быть в пределах 10-50 мкм, что обеспечивается диаметром абразивных зерен порядка 20 мкм.The depth of the microgrooves of the friction surfaces of the rod 5, the V-shaped guide 10 and the liner can be in the range of 10-50 μm, which is ensured by the diameter of the abrasive grains of the order of 20 μm.

Расположение микроканавок должно быть таким, чтобы их длина до ребер трущихся поверхностей штока 5, V-образной направляющей 10 корпуса 11 и вкладыша 15 была минимальной. Это обеспечивает предварительное удаление жидкости и продуктов адгезии с трущихся поверхностей в том случае, когда устройство помещают в вакуумную камеру, откачивают ее и создают низкую температуру. Как известно из вакуумной техники, чем длиннее и уже закрытые каналы, тем сложнее и дольше происходит откачка газов. Результатом недостаточной откачки может быть залипание трущихся поверхностей вследствие смерзания их при низких температурах. В случае выполнения вкладыша 15 круглым расположение микроканавок на нем может быть любым.The location of the microgrooves should be such that their length to the edges of the friction surfaces of the rod 5, the V-shaped guide 10 of the housing 11 and the insert 15 is minimal. This provides a preliminary removal of liquid and adhesion products from rubbing surfaces when the device is placed in a vacuum chamber, pumped out and create a low temperature. As is known from vacuum technology, the longer and already closed channels, the more complicated and longer the evacuation of gases. Insufficient pumping may result in sticking of rubbing surfaces due to their freezing at low temperatures. If the liner 15 is made round, the location of the micro-grooves on it can be any.

Инерционный двигатель работает следующим образом. От блока управления 22 подают несимметричное пилообразное напряжение на пьезомодуль 3. Шток 5 при этом осуществляет возвратно-поступательное перемещение по координате Z с различными скоростями в разных направлениях. Результатом этого является инерционное проскальзывание каретки 9 по граням 6, 7 и 8 в одном направлении и перемещение вместе со штоком 5 в другом. Таким образом, каретка 9 может перемещаться по штоку 5 в двух направлениях при изменении формы управляющего напряжения. Более подробно режим инерционного перемещения см. в [1, 2, 3, 4].The inertial engine operates as follows. An asymmetrical sawtooth voltage is supplied from the control unit 22 to the piezoelectric module 3. The rod 5 in this case reciprocates along the Z coordinate with different speeds in different directions. The result of this is the inertial sliding of the carriage 9 along the faces 6, 7 and 8 in one direction and moving together with the rod 5 in the other. Thus, the carriage 9 can move along the rod 5 in two directions when the shape of the control voltage changes. For more details on the inertial displacement mode, see [1, 2, 3, 4].

Данный двигатель в зависимости от расположения штока 5 можно использовать для перемещения каретки 9 как в вертикальном (Z), так и в горизонтальном (X, Y) направлениях.This engine, depending on the location of the rod 5, can be used to move the carriage 9 in both vertical (Z) and horizontal (X, Y) directions.

Следует заметить, что если последовательно собрать три таких двигателя с расположением штоков 5 по координатам X, Y и Z, то в результате может получиться трехкоординатный инерционный двигатель.It should be noted that if three such engines are sequentially assembled with the location of the rods 5 at the coordinates X, Y and Z, the result may be a three-axis inertial engine.

Использование пьезомодуля, первым концом закрепленного на основании, а вторым соединенного со штоком, имеющим треугольный профиль с первой, второй и третьей гранями, повышает надежность устройства и точность его перемещения. Это происходит из-за того, что пьезомодуль расположен вне блока перемещения (каретки) и не имеет по сравнению с прототипом пространственных ограничений на сборку, наладку и размещение.The use of a piezoelectric module, the first end mounted on the base, and the second connected to a rod having a triangular profile with first, second and third faces, increases the reliability of the device and the accuracy of its movement. This is due to the fact that the piezoelectric module is located outside the displacement unit (carriage) and has no spatial restrictions on assembly, commissioning and placement compared to the prototype.

Использование плоской пружины, закрепленной на подвижной каретке и первой плоскостью сопряженной посредством вкладыша с третьей гранью за счет уменьшения смещений прижима по координате Z, повышает точность и надежность перемещения, особенно при смене направления перемещения.The use of a flat spring mounted on a movable carriage and the first plane conjugated by a liner with a third face by reducing the pressure offsets along the Z coordinate increases the accuracy and reliability of movement, especially when changing the direction of movement.

Применение витой цилиндрической пружины с поджимом позволяет регулировать силу трения в трущихся поверхностях и позволяет выбирать оптимальные режимы, повышает точность перемещения и стабильность величины шагов.The use of a coiled coil spring with a clamp allows you to adjust the friction force in rubbing surfaces and allows you to choose the optimal modes, increases the accuracy of movement and the stability of the steps.

Использование длины граней штока, превышающей длину V-образной направляющей подвижной каретки, позволяет за счет постоянства длины соприкасающихся поверхностей стабилизировать силу трения на всем перемещении подвижной каретки и повышает точность перемещения.Using the length of the rod faces exceeding the length of the V-shaped guide of the movable carriage allows stabilizing the friction force over the entire movement of the movable carriage due to the constancy of the length of the contacting surfaces and increases the accuracy of the movement.

Выполнение микроканавок на трущихся поверхностях штока и подвижной каретки и вкладыша с глубиной в пределах 10-50 мкм исключает их залипание и повышает надежность работы устройства.The implementation of micro grooves on the rubbing surfaces of the rod and the movable carriage and the liner with a depth in the range of 10-50 microns eliminates their sticking and increases the reliability of the device.

Минимальная длина микроканавок на трущихся поверхностях обеспечивает возможность удаления жидкости с них в случае использования двигателя в криогенных вакуумных системах, исключает их залипание в результате замерзания жидкости и соответственно повышает стабильность шага, точность перемещения и надежность устройства.The minimum length of the grooves on the rubbing surfaces provides the ability to remove liquid from them in the case of using the engine in cryogenic vacuum systems, eliminates their sticking as a result of freezing of the liquid and, accordingly, increases the stability of the step, the accuracy of movement and the reliability of the device.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент RU 2152103, 1996.1. Patent RU 2152103, 1996.

2. Патент ЕР 0823738, 1997.2. Patent EP 0823738, 1997.

3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с.99-121.3. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.

4. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.4. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. Danilov A.I., Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.

Claims

1. Инерционный двигатель, содержащий основание, пьезомодуль, шток, сопряженный с V-образной направляющей, подвижную каретку и прижим, отличающийся тем, что пьезомодуль первым концом закреплен на основании, а вторым соединен со штоком, имеющим треугольный профиль с первой, второй и третьей гранями, при этом каретка содержит V-образную направляющую, сопряженную с первой и второй гранями штока, а прижим выполнен в виде плоской пружины, закрепленной на подвижной каретке и первой плоскостью сопряженной посредством вкладыша с третьей гранью штока.1. An inertial engine containing a base, a piezoelectric module, a rod associated with a V-shaped guide, a movable carriage and a clamp, characterized in that the piezoelectric module is fixed to the base by the first end and connected to the rod having a triangular profile with the first, second and third faces, while the carriage contains a V-shaped guide, conjugated with the first and second faces of the rod, and the clamp is made in the form of a flat spring mounted on a movable carriage and the first plane mated through the liner with the third face of the rod .

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плоская пружина второй плоскостью сопряжена с первым концом витой цилиндрической пружины, вторым концом сопряженной с подвижной кареткой с возможностью поджима.2. The device according to claim 1, characterized in that the flat spring is mated with the second plane to the first end of the coil spring, the second end of which is clamped with a movable carriage.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина граней штока в направлении перемещения больше длины V-образной направляющей подвижной каретки.3. The device according to claim 1, characterized in that the length of the faces of the rod in the direction of movement is greater than the length of the V-shaped guide of the movable carriage.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что глубина микроканавок трущихся поверхностей штока, подвижной каретки и вкладыша должна быть в пределах 10-50 мкм.4. The device according to claim 1, characterized in that the depth of the microgrooves of the friction surfaces of the rod, the movable carriage and the liner should be in the range of 10-50 microns.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что микроканавки на трущихся поверхностях штока, подвижной каретки и вкладыша расположены таким образом, что их длина до ребер этих поверхностей минимальна.5. The device according to claim 1, characterized in that the micro-grooves on the friction surfaces of the rod, the movable carriage and the liner are located so that their length to the edges of these surfaces is minimal.