RU2465712C2

RU2465712C2 - Inertial step motor

Info

Publication number: RU2465712C2
Application number: RU2008142257/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Быков (RU); Виктор Александрович Быков; Андрей Викторович Быков (RU); Андрей Викторович Быков; Владимир Валерьевич Котов (RU); Владимир Валерьевич Котов
Original assignee: ЗАО "Нанотехнология МДТ"
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2012-10-27
Also published as: RU2008142257A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention may be used, for instance, in a scanning probe microscope (SPM) for approach of a probe and a specimen, or for movement of samples in plants of electron, ion, probe or other effect. The inertial step motor comprises a base with the first piezomodule, connected with the piezomodule holder, a pusher, a guide, a movable carriage and a control unit. A clamp is mounted on a base. The piezomodule holder is "П"-shaped and is fixed on the clamp. The movable carriage is installed on guides on the base. The pusher is coupled with the movable carriage, fixed on the piezomodule holder and may be made either from a solid alloy, have a plate shape or as a cylinder or a ball. The piezomodule holder may be fixed on the clamp as capable of rotation around it. The clamp may contain a flat spring and be coupled with a controlled stop. The first piezomodule may have the first pad coupled with the first arm of the "П"-shaped holder, or the second pad, coupled with the second arm of the "П"-shaped holder. The movable carriage may be equipped with a polycor or a ceramic plate coupled with the pusher. The second piezomodule may be introduced between the first piezomodule and the piezomodule holder.

EFFECT: improving device operation stability and reliability.

11 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам механического перемещения объектов вдоль одной координаты. Оно может быть использовано, например, в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) для сближения зонда и образца либо для перемещения образцов в установках электронного, ионного, зондового или иного воздействия.The invention relates to devices for the mechanical movement of objects along one coordinate. It can be used, for example, in a scanning probe microscope (SPM) to bring the probe and the sample closer, or to move the samples in electronic, ionic, probe or other installations.

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 из-за одностороннего расположения опор относительно платформы его нельзя использовать для вертикального перемещения объектов.The disadvantage of this device is that due to the one-sided arrangement of the supports relative to the platform, it cannot be used for vertical movement of objects.

Известен также инерционный шаговый двигатель, содержащий основание, с закрепленным на нем посредством держателя пьезомодулем, соединенным с толкателем в виде направляющей, на которой установлена каретка с возможностью перемещения вдоль ее оси, а также блок управления, подключенный к пьезомодулю [2].Also known is an inertial stepper motor containing a base, with a piezomodule mounted on it by means of a holder, connected to a pusher in the form of a guide on which a carriage is mounted to move along its axis, as well as a control unit connected to the piezomodule [2].

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

Первый недостаток этого устройства связан с внутренними люфтами в цепочке: основание - пьезомодуль - направляющая, что может приводить к нестабильности перемещения каретки. Вторым недостатком является возможность разрушения пьезомодуля при ударных нагрузках.The first drawback of this device is associated with internal backlashes in the chain: the base - the piezoelectric module - the guide, which can lead to instability of movement of the carriage. The second disadvantage is the possibility of the destruction of the piezoelectric module under shock loads.

Технический результат изобретения заключается в повышении стабильности работы двигателя и его надежности.The technical result of the invention is to increase the stability of the engine and its reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в инерционный шаговый двигатель, включающий основание, с первым пьезомодулем, соединенным с держателем пьезомодуля, толкатель, направляющую, подвижную каретку и блок управления, введен прижим, установленный на основании, держатель пьезомодуля имеет П-образную форму и закреплен на прижиме, подвижная каретка установлена на направляющих на основании, а толкатель сопряжен с подвижной кареткой и закреплен на держателе пьезомодуля.The specified technical result is achieved by the fact that in the inertial stepper motor, including the base, with the first piezoelectric module connected to the holder of the piezoelectric module, a pusher, a guide, a movable carriage and a control unit, a clamp is installed, mounted on the base, the piezoelectric module holder is U-shaped and fixed on the clip, the movable carriage is mounted on the rails on the base, and the pusher is paired with the movable carriage and mounted on the piezoelectric module holder.

Существует вариант, в котором толкатель выполнен из твердого сплава.There is an option in which the plunger is made of hard alloy.

Существуют варианты, в которых толкатель имеет форму пластины, либо цилиндра, либо шара.There are options in which the pusher is in the form of a plate, either a cylinder or a ball.

Существует также вариант, в котором держатель пьезомодуля закреплен на прижиме с возможностью вращения относительно него.There is also an option in which the piezomodule holder is mounted on a clip with the possibility of rotation relative to it.

Возможен вариант, в котором прижим содержит плоскую пружину и сопряжен с регулируемым упором.A variant is possible in which the clamp comprises a flat spring and is coupled with an adjustable stop.

Возможны варианты, в которых первый пьезомодуль имеет первую накладку, сопряженную с первым плечом П-образного держателя, либо первый пьезомодуль имеет вторую накладку, сопряженную со вторым плечом П-образного держателя.Variants are possible in which the first piezomodule has a first pad paired with the first arm of the U-shaped holder, or the first piezomodule has a second pad paired with the second arm of the U-shaped holder.

Возможен также вариант, в котором подвижная каретка снабжена поликоровой или керамической пластиной, сопряженной с толкателем.A variant is also possible in which the movable carriage is provided with a multicore or ceramic plate mated to a pusher.

Существует также вариант, где в устройство введен второй пьезомодуль, расположенный между первым пьезомодулем и держателем пьезомодуля.There is also an option where a second piezoelectric module is inserted into the device, located between the first piezoelectric module and the holder of the piezoelectric module.

Инерционный шаговый двигатель содержит основание 1 (фиг.1), на котором посредством направляющих 2 установлена подвижная каретка 3 с поликоровой или пьезокерамической пластиной 4, закрепленной на ней посредством клея. Высота микронеровностей поверхности 5 пластины 4 может составлять величину порядка 1-5 мкм. На основании 1 закреплен П-образный держатель пьезомодуля 6 с первым пьезомодулем 7. Держатель 6 закреплен на прижиме 8 с возможностью подвижки относительно и, в частности, вращения в зазорах крепления между держателем 6 и винтами 9. Пьезомодуль 7 имеет первую накладку 10, сопряженную с первым плечом 11 держателя 6. Поджим первого плеча 11 к накладке 10 осуществляют винтом 12 и благодаря ее пружинным свойствам. Накладка 10 может иметь упорный элемент 13 с радиусом порядка 1 мм. Усилие поджима, обеспеченное винтом 12, может быть в диапазоне 10-100 кг.The inertial stepper motor comprises a base 1 (Fig. 1), on which, by means of the guides 2, a movable carriage 3 is installed with a multicore or piezoceramic plate 4 fixed to it by glue. The height of the microroughness of the surface 5 of the plate 4 may be of the order of 1-5 microns. On the base 1, a U-shaped holder of the piezoelectric module 6 with the first piezoelectric module 7 is fixed. The holder 6 is fixed on the clip 8 with the possibility of movement relative to and, in particular, rotation in the mounting gaps between the holder 6 and the screws 9. The piezoelectric module 7 has a first plate 10, paired with the first shoulder 11 of the holder 6. The pressing of the first shoulder 11 to the pad 10 is carried out by a screw 12 and due to its spring properties. The pad 10 may have a thrust element 13 with a radius of the order of 1 mm. The clamping force provided by the screw 12 may be in the range of 10-100 kg.

Накладка 10, пьезомодуль 7, а также второе плечо 14 держателя 6 могут быть закреплены клеем.The pad 10, the piezoelectric module 7, as well as the second shoulder 14 of the holder 6 can be fixed with glue.

Прижим 8 содержит крепежный элемент 15 с винтами 16, плоский упругий элемент 17, например, с размерами (10×5×0,5 мм), площадку 18, для закрепления держателя 6 и выступ 19 сопряженный с регулируемым упором 20, закрепленным на основании 1 (не показано). Упор 20 может содержать корпус 21, винт 22, пружину 23 и сферическую опору 24. На первом плече 11 держателя 6 закреплен, посредством винтов 25, твердосплавный толкатель 26, сопряженный закруглением 27 с пластиной 4. Толкатель 26 может быть выполнен в виде пластины, цилиндра или шара (не показано).The clamp 8 contains a fastener 15 with screws 16, a flat elastic element 17, for example, with dimensions (10 × 5 × 0.5 mm), a pad 18, for fixing the holder 6 and the protrusion 19 mated with an adjustable stop 20 fixed on the base 1 (not shown). The stop 20 may include a housing 21, a screw 22, a spring 23 and a spherical support 24. On the first shoulder 11 of the holder 6 is fixed, by means of screws 25, a carbide pusher 26, mated with a rounding 27 with the plate 4. The pusher 26 can be made in the form of a plate, a cylinder or ball (not shown).

Один из вариантов направляющих 2 может содержать планки 28 (фиг.2), закрепленные на основании 1 винтами (не показано), с первыми V-образными опорами 29, сопряженными посредством шариков 30 (или роликов) со вторыми V-образными опорами 31 каретки 3.One of the options for the guides 2 may include straps 28 (figure 2), fixed on the base 1 with screws (not shown), with the first V-shaped supports 29, interfaced by balls 30 (or rollers) with the second V-shaped supports 31 of the carriage 3 .

На фиг.1 направляющие 2 с целью упрощения чертежей показаны условно.In figure 1, the guides 2 in order to simplify the drawings are shown conditionally.

На фиг.3 представлен вариант (показан условно), в котором двигатель снабжен вторым пьезомодулем 32, соединенным через переходник 33 с первым пьезомодулем 7. При этом между вторым пьезомодулем 32 и держателем 34 может находиться вторая накладка 35.Figure 3 presents a variant (shown conditionally) in which the engine is equipped with a second piezoelectric module 32 connected via an adapter 33 to the first piezoelectric module 7. In this case, a second plate 35 can be located between the second piezoelectric module 32 and the holder 34.

Существует вариант, в котором первый пьезомодуль 7 может использоваться с первой 10 и второй 35 накладками без применения второго пьезомодуля 32 (не показано).There is an option in which the first piezoelectric module 7 can be used with the first 10 and second 35 pads without using the second piezoelectric module 32 (not shown).

Первый 7 и второй 32 пьезомодули подключены к блоку управления 36, в который может входить модуль регулируемого напряжения 37 [3].The first 7 and second 32 piezoelectric modules are connected to the control unit 36, which may include an adjustable voltage module 37 [3].

Устройство может иметь датчик перемещения, содержащий подвижную часть 38, закрепленную на каретке 3, и неподвижную часть 39, закрепленную на основании 1, соединенные с анализатором перемещения 40 [4, 5, 6].The device may have a displacement sensor containing a movable part 38, mounted on a carriage 3, and a fixed part 39, mounted on a base 1, connected to a displacement analyzer 40 [4, 5, 6].

Устройство работает следующим образом. Устанавливают держатель 6 таким образом, что дуга перемещения закругления 27 была симметрична пластине 4. В данной конструкции это соответствует углу α между толкателем 26 и пластиной 4 порядка 75°.The device operates as follows. The holder 6 is mounted so that the arc of curvature 27 is symmetrical to the plate 4. In this design, this corresponds to the angle α between the pusher 26 and the plate 4 of the order of 75 °.

При этом скорости перемещения каретки 3 в ту и другую стороны будут равными, при высокой стабильности ее перемещения. Возможны изменения величины α, например если необходимо движение каретки 3 под углом к горизонту вверх в направлении X, то угол α может быть уменьшен, например, до 50°.In this case, the speed of movement of the carriage 3 on both sides will be equal, with high stability of its movement. Changes in α are possible, for example, if it is necessary to move the carriage 3 at an angle to the horizontal up in the X direction, then the angle α can be reduced, for example, to 50 °.

Если α<75°, то при движении по направлению X будет осуществляться небольшой прижим толкателя 26 к пластине 4. Тем самым облегчится перемещение вверх. При перемещении каретки 3 в обратном направлении недостаточное усилие между толкателем 26 и пластиной 4 будет компенсироваться весом каретки 3.If α <75 °, then when moving in the X direction, a small push of the pusher 26 to the plate 4 will be carried out. This will facilitate upward movement. When moving the carriage 3 in the opposite direction, insufficient force between the pusher 26 and the plate 4 will be compensated by the weight of the carriage 3.

Регулируя упор 20, обеспечивают прижатие толкателя 26 к пластине 4 с усилием порядка 0,5-3 кг. На пьезомодуль 7 подают пилообразное напряжение, в результате чего толкатель 26 осуществляет дугообразное перемещение и инерционно перемещает каретку 3 по направляющим 2.By adjusting the stop 20, the pusher 26 is pressed against the plate 4 with a force of the order of 0.5-3 kg. A sawtooth voltage is supplied to the piezoelectric module 7, as a result of which the pusher 26 carries out an arcuate movement and inertially moves the carriage 3 along the guides 2.

Следует заметить, что закругление 27 образуется само собой после 2-3-часовой работы двигателя в результате истирания твердого сплава по поликору или керамике.It should be noted that the rounding 27 is formed by itself after 2-3 hours of operation of the engine as a result of abrasion of the hard alloy by polycor or ceramic.

Второй пьезомодуль 32 (фиг.3) можно включать в режиме плавной подачи напряжения. Благодаря этому будет производиться плавное перемещение каретки 3.The second piezoelectric module 32 (figure 3) can be switched on in the mode of smooth voltage supply. Due to this, a smooth movement of the carriage 3 will be made.

При использовании двух двигателей, установленных один на другом, можно осуществлять двухкоординатное перемещение образца.When using two engines mounted on top of each other, two-coordinate movement of the sample can be carried out.

Более подробно режим инерционного перемещения описан в [7, 8].The mode of inertial displacement is described in more detail in [7, 8].

Введение в устройство прижима, выполнение держателя пьезомодуля П-образной формы и сопряжение толкателя с подвижной кареткой за счет оптимизации усилий позволяет повышать стабильность работы двигателя.Introduction to the clamping device, the implementation of the holder of the piezoelectric module of the U-shape and pairing the pusher with the movable carriage due to the optimization of efforts allows to increase the stability of the engine.

Использование в качестве толкателя цилиндра повышает долговечность его работы, а шарообразный толкатель проще в сопряжении с пластиной.The use of a cylinder as a pusher increases the durability of its operation, and a spherical pusher is easier to mate with the plate.

Подвижка держателя пьезомодуля относительно прижима, а значит, и относительно каретки позволяет выбирать режимы перемещения и расширяет функциональные возможности устройства.The movement of the holder of the piezoelectric module relative to the clip, and therefore relative to the carriage, allows you to choose the modes of movement and extends the functionality of the device.

Использование плоской пружины прижима позволяет регулировать усилие между толкателем и кареткой и повышает стабильность работы двигателя.The use of a flat clamp spring allows you to adjust the force between the pusher and the carriage and increases the stability of the engine.

Использование первой и второй накладок уменьшает нефункциональные их перемещения относительно плеч держателя.The use of the first and second pads reduces their non-functional movements relative to the shoulders of the holder.

Перемещение каретки с использованием второго пьезомодуля расширяет функциональные возможности устройства.Moving the carriage using the second piezoelectric module expands the functionality of the device.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент RU2152103, 1996.1. Patent RU2152103, 1996.

2. Googl, Attocube systems AG Initial motor Driving controller ANC 150.2. Googl, Attocube systems AG Initial motor Driving controller ANC 150.

3. Г.Я.Мирский, «Электронные измерения». М., «Радио и связь», 439 с., 1986 г.3. G.Ya. Mirsky, “Electronic Measurements”. M., "Radio and Communications", 439 pp., 1986

4. Г.Ф.Афанасьев, А.Н.Еремин. Повышение точности и разрешающей способности емкостных и индуктивных датчиков. Журнал «Датчики и системы», №6, с.17-19, 2003 г.4. G.F. Afanasyev, A.N. Eremin. Improving the accuracy and resolution of capacitive and inductive sensors. Sensors and Systems Magazine, No. 6, pp. 17-19, 2003

5. Д.И.Агейкин, Е.Н.Костина, Н.Н.Кузнецова, Датчики контроля и регулирования. М., 1965 г.5. D.I. Ageikin, E. N. Kostina, N. N. Kuznetsova, Sensors of control and regulation. M., 1965

6. В.А.Долгов, А.В.Кедин. Электронные датчики для автоматических систем контроля. М., 1968 г.6. V.A. Dolgov, A.V. Kedin. Electronic sensors for automatic control systems. M., 1968

7. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с.99-121.7. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al. Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.

8. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И. Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.8. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. Danilov A.I. Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.

Claims

1. Инерционный шаговый двигатель, включающий основание с первым пьезомодулем, соединенным с держателем пьезомодуля, толкатель, направляющую, подвижную каретку и блок управления, отличающийся тем, что в него введен прижим, установленный на основании, держатель пьезомодуля имеет П-образную форму и закреплен на прижиме, подвижная каретка установлена на направляющих на основании, а толкатель сопряжен с подвижной кареткой и закреплен на держателе пьезомодуля.1. An inertial stepper motor, including a base with a first piezoelectric module connected to the holder of the piezoelectric module, a pusher, a guide, a movable carriage and a control unit, characterized in that a clamp is mounted on the base, the piezoelectric module holder is U-shaped and fixed to clip, the movable carriage is mounted on the rails on the base, and the pusher is paired with the movable carriage and mounted on the piezoelectric module holder.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель выполнен из твердого сплава.2. The device according to claim 1, characterized in that the pusher is made of hard alloy.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель имеет форму пластины.3. The device according to claim 1, characterized in that the pusher is in the form of a plate.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель имеет форму цилиндра.4. The device according to claim 1, characterized in that the pusher has the shape of a cylinder.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель имеет форму шара.5. The device according to claim 1, characterized in that the pusher has the shape of a ball.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель пьезомодуля закреплен на прижиме с возможностью вращения относительно него.6. The device according to claim 1, characterized in that the holder of the piezoelectric module is mounted on the clip with the possibility of rotation relative to it.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прижим содержит плоскую пружину и сопряжен с регулируемым упором.7. The device according to claim 1, characterized in that the clamp comprises a flat spring and is coupled with an adjustable stop.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый пьезомодуль имеет первую накладку, сопряженную с первым плечом П-образного держателя.8. The device according to claim 1, characterized in that the first piezoelectric module has a first pad associated with the first shoulder of the U-shaped holder.

9. Устройство по п.9, отличающееся тем, что первый пьезомодуль имеет вторую накладку, сопряженную со вторым плечом П-образного держателя.9. The device according to claim 9, characterized in that the first piezoelectric module has a second pad associated with the second shoulder of the U-shaped holder.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижная каретка снабжена поликором или керамической пластиной, сопряженной с толкателем.10. The device according to claim 1, characterized in that the movable carriage is equipped with a polycor or ceramic plate associated with a pusher.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен второй пьезомодуль, расположенный между первым пьезомодулем и держателем пьезомодуля. 11. The device according to claim 1, characterized in that a second piezoelectric module is inserted into it, located between the first piezoelectric module and the holder of the piezoelectric module.