RU2616678C2 - Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation - Google Patents
Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2616678C2 RU2616678C2 RU2015125088A RU2015125088A RU2616678C2 RU 2616678 C2 RU2616678 C2 RU 2616678C2 RU 2015125088 A RU2015125088 A RU 2015125088A RU 2015125088 A RU2015125088 A RU 2015125088A RU 2616678 C2 RU2616678 C2 RU 2616678C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- working chamber
- working body
- working
- rod
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
- F15B15/02—Mechanical layout characterised by the means for converting the movement of the fluid-actuated element into movement of the finally-operated member
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Tents Or Canopies (AREA)
- Air Bags (AREA)
- Fluid-Pressure Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области точного приборостроения, к приводам микроманипуляторов и может быть использовано для малого регулируемого перемещения (микроперемещения, наноперемещения) рабочего органа различных объектов, например держателей, кантилевера атомно-силового микроскопа, при разработке микро- и наноинструментов, для создания малошумящих микромоторов.The invention relates to the field of precision instrumentation, to drives of micromanipulators and can be used for small adjustable displacement (micromotion, nanomotion) of the working body of various objects, for example, holders, cantilever atomic force microscope, in the development of micro- and nano-tools, to create low-noise micromotors.
Известны способ и устройство: в способе осуществления перемещений рабочего органа в устройствах плунжерного типа изменение давления в рабочих камерах производят при постоянном объеме рабочего тела путем добавления твердотельного носителя в рабочие камеры и перемещения его между ними. Устройство снабжено, по крайней мере, одним механизмом перемещения рабочего органа – твердотельного носителя, обеспечивающего позиционирование рабочего органа при его микроперемещении (RU 2320904).A known method and device: in the method of moving the working body in the plunger type devices, the pressure in the working chambers is changed at a constant volume of the working fluid by adding a solid-state carrier to the working chambers and moving it between them. The device is equipped with at least one mechanism for moving the working body - a solid-state carrier that provides positioning of the working body during its micromotion (RU 2320904).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность микроперемещений рабочего органа, узкая область применения способа и устройства малых перемещений.The disadvantages of the data of the method and device are the lack of accuracy of micromotion of the working body, the narrow scope of the method and device of small movements.
Известно устройство для точного позиционирования (малых перемещений рабочего органа – поршня), которое содержит два сообщающихся сосуда различного сечения, заполненных упругой средой (жидкостью) и закрытых подвижными поршнями, и привод, создающий усилие на одном из поршней. По крайней мере, один из сосудов снабжен одним средством изменения его подпоршневого объема, выполненным в виде перемещаемого внутрь его сильфона или в виде размещенной в его стенке или поршне мембраны малого диаметра. В данном устройстве малых перемещений рабочего органа реализуется способ перемещения рабочего органа – поршня – за счет изменения давления упругой среды при помощи мембраны (RU 2475354).A device for precise positioning (small movements of the working body - the piston) is known, which contains two communicating vessels of different sections, filled with an elastic medium (liquid) and closed by movable pistons, and a drive that creates a force on one of the pistons. At least one of the vessels is equipped with one means of changing its piston volume, made in the form of a small-diameter membrane placed inside its bellows or in the form of a membrane of small diameter placed in its wall or piston. In this device of small displacements of the working body, a method for moving the working body - the piston - is realized by changing the pressure of the elastic medium using a membrane (RU 2475354).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность малых перемещений рабочего органа, недостаточная эффективность использования способа малых перемещений, узкая область применения способа и устройства малых перемещений рабочего органа.The disadvantages of the data of the method and device are the lack of accuracy of small displacements of the working body, the insufficient efficiency of using the method of small displacements, the narrow scope of the method and device of small displacements of the working body.
Известно устройство, в котором движение рабочему органу передается под действием давления газа или жидкости на упругую (эластичную) мембрану из резины, полиэтилена, фторопласта или тонкой пластины металла. Усилие, создаваемое давлением упругой среды на мембрану, передается на рабочий орган – шток, который производит перемещения, в том числе малые перемещения (http://geyz.ru/news/2012-02-14-475. Мембранные приводы арматуры).A device is known in which the movement of the working body is transmitted under the action of gas or liquid pressure onto an elastic (elastic) membrane made of rubber, polyethylene, fluoroplastic or a thin metal plate. The force created by the pressure of the elastic medium on the membrane is transmitted to the working body - the rod, which makes movements, including small movements (http://geyz.ru/news/2012-02-14-475. Diaphragm actuators for valves).
Для данных способа и устройства, в котором реализуется способ перемещений рабочего органа, характерными являются следующие недостатки: недостаточная точность перемещений рабочего органа, включая невозможность гарантировать точность малых перемещений рабочего органа, узкая область применения способа и устройства малых перемещений.For the data of the method and device in which the method of moving the working body is implemented, the following disadvantages are characteristic: insufficient accuracy of the movements of the working body, including the inability to guarantee the accuracy of small movements of the working body, the narrow scope of the method and device of small movements.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство мембранного типа, с помощью которого осуществляется способ малых перемещений рабочего органа. Мембранное устройство состоит из рабочей подмембранной полости, в которую подают воздух под давлением, и эластичной резиновой мембраны, соединенной с рабочим органом – со штоком. Возвратно-поступательное движение (перемещение) штока осуществляется путем подачи в подмембранную полость воздуха под давлением (http://stroy-technics.ru/article/ispolnitelnye-ustroistva. Исполнительные устройства. Пневматические исполнительные механизмы. Мембранные устройства).The closest in technical essence to the proposed technical solution is a membrane-type device with which the method of small movements of the working body is carried out. The membrane device consists of a working submembrane cavity into which air is supplied under pressure, and an elastic rubber membrane connected to the working body - with the rod. The reciprocating movement (movement) of the rod is carried out by supplying pressurized air to the submembrane cavity (http://stroy-technics.ru/article/ispolnitelnye-ustroistva. Actuators. Pneumatic actuators. Membrane devices).
Недостатками данных способа и устройства являются недостаточная точность микроперемещений рабочего органа, узкая область применения способа и устройства малых перемещений.The disadvantages of the data of the method and device are the lack of accuracy of micromotion of the working body, the narrow scope of the method and device of small movements.
В способе малых перемещений рабочего органа устройства мембранного типа изменение давления газа в рабочей камере осуществляется за счет пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещенном в рабочей камере. Устройство снабжено подвижным элементом - мембраной - и укрепленным на ней рабочим органом - штоком. Повышение давления газа, обусловленное протеканием электрического тока в проводнике внутри рабочей камеры, приводит в движение мембрану и укрепленный на ней рабочий орган - шток.In the method of small displacements of the working body of the membrane-type device, the gas pressure in the working chamber is changed by transmitting electric current pulses in a conductor located in the working chamber. The device is equipped with a movable element - a membrane - and a working body mounted on it - a rod. The increase in gas pressure due to the flow of electric current in the conductor inside the working chamber sets in motion the membrane and the working element mounted on it — the rod.
Задачей предполагаемого изобретения является осуществить в том числе и малые (до 1 мкм) контролируемые перемещения рабочего органа, повысить точность перемещения рабочего органа, повысить эффективность использования способа малых перемещений и устройства для осуществления способа, расширить область применения.The objective of the proposed invention is to implement, including small (up to 1 μm) controlled movements of the working body, to increase the accuracy of movement of the working body, to increase the efficiency of the use of the small movements method and the device for implementing the method, to expand the scope.
Технически задача решается за счет того, что в устройстве мембранного типа, содержащем корпус, рабочую камеру, заполненную газом, и эластичную мембрану, соединенную с рабочим органом, выполненным в виде штока, в рабочей камере размещен проводник электрического тока с возможностью соединения с генератором импульсов электрического тока. Устройство позволяет реализовать способ малых перемещений рабочего органа устройства мембранного типа, включающий создание воздействия на рабочий орган в виде штока с использованием эластичной мембраны, соединенной со штоком, за счет изменения давления газа в рабочей камере, причем изменение давления в рабочей камере осуществляют путем пропускания импульсов электрического тока в проводнике, размещенном в рабочей камере, выполненной с отводом в виде трубки, выход которой закрыт эластичной мембраной. Техническим результатом данного технического решения является повышение точности перемещения рабочего органа, повышение эффективности использования способа малых перемещений, расширение области применения способа и устройства малых перемещений.Technically, the problem is solved due to the fact that in a membrane-type device containing a housing, a working chamber filled with gas, and an elastic membrane connected to a working body made in the form of a rod, an electric current conductor is placed in the working chamber with the possibility of connection with an electric pulse generator current. The device allows to implement a method of small displacements of the working body of a membrane-type device, including creating an impact on the working body in the form of a rod using an elastic membrane connected to the rod by changing the gas pressure in the working chamber, and changing the pressure in the working chamber by transmitting electric pulses current in a conductor placed in a working chamber made with a tap in the form of a tube, the output of which is closed by an elastic membrane. The technical result of this technical solution is to increase the accuracy of movement of the working body, increase the efficiency of the use of the method of small movements, expand the scope of the method and device of small movements.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.The invention is illustrated in FIG. 1-5.
На фиг. 1 представлена схема устройства.In FIG. 1 shows a diagram of a device.
На фиг. 2 представлены типичные экспериментальные зависимости давления Р в рабочей камере от времени t для проводника из сплава никеля при воздействии импульса тока длительностью τ=5,5 сек с амплитудой I=0,6 А.In FIG. Figure 2 shows typical experimental dependences of the pressure P in the working chamber on time t for a nickel alloy conductor under the influence of a current pulse of duration τ = 5.5 sec with an amplitude of I = 0.6 A.
На фиг. 3 представлены экспериментальные зависимости давления от времени при протекании в проводе никелевого сплава двух последовательных токовых импульсов амплитудой I=0,36 А и длительностью τ=210 мсек.In FIG. Figure 3 shows the experimental dependences of pressure on time during the flow of two consecutive current pulses in a nickel alloy wire with an amplitude of I = 0.36 A and a duration of τ = 210 ms.
На фиг. 4 представлена стеклянная пластинка со специально расположенным дефектом (миниатюрное пятно), относительно которого при наблюдении в микроскоп определялось положение рабочего органа - штока.In FIG. Figure 4 shows a glass plate with a specially located defect (miniature spot), relative to which, when observed under a microscope, the position of the working body — the rod — was determined.
На фиг. 5 показаны три положения штока: а) до начала действия импульса электрического тока; b) в течение действия импульса длительностью τ=5,5 сек с амплитудой I=0,22 А; с) после окончания импульса.In FIG. 5 shows three stem positions: a) before the onset of an electric current pulse; b) during the action of a pulse of duration τ = 5.5 sec with an amplitude of I = 0.22 A; c) after the end of the impulse.
Устройство включает (фиг. 1) источник электрического тока (импульсного тока) 1; проводник тока 2; корпус 3; отвод 4; мембрану 5; шток 6, соединенный с мембраной 5. Внутренний объем корпуса 3 и отвода 4 образует рабочую камеру устройства.The device includes (Fig. 1) a source of electric current (pulse current) 1;
Устройство работает и способ реализуется следующим образом, суть которого ясна из нижеприведенного примера реализации способа.The device operates and the method is implemented as follows, the essence of which is clear from the following example implementation of the method.
Для реализации способа в рабочую камеру устройства (внутренняя полость запаянной стеклянной трубки диаметром 8 мм) помещался металлический проводник 2 с возможностью соединения с источником электрического тока 1. В качестве проводников от источника тока использовались провода меди. Внутри рабочей камеры использовался провод сплава никеля диаметром 100 мкм. В качестве источника электрического тока использовался генератор импульсов электрического тока с регулируемой амплитудой и длительностью импульса тока. В начале эксперимента в стеклянной трубке устанавливалось атмосферное давление воздуха. Пропускание импульса электрического тока по проводнику 2 приводило к повышению давления газа в рабочей камере и, как следствие, к прогибу мембраны 5 и малому перемещению штока 6.To implement the method, a
При реализации способа устойчиво наблюдаются «скачки» давления в окрестности проводника с током, зависящие от амплитуды и длительности импульса тока. При достаточной длительности импульса тока импульс давления «повторяет» форму импульса тока.When implementing the method, "jumps" in pressure are stably observed in the vicinity of the conductor with current, depending on the amplitude and duration of the current pulse. With a sufficient duration of the current pulse, the pressure pulse "repeats" the shape of the current pulse.
Представленные на фиг. 3 экспериментальные зависимости давления от времени при протекании в проводе никелевого сплава двух коротких последовательных одинаковых импульсов тока амплитудой I=0,36 А и длительностью τ=210 мсек показывают повторяемость характера изменения давления. За время между окончанием первого импульса тока и стартом последующего происходит установление первоначального давления.Presented in FIG. Figure 3 shows the experimental dependences of pressure on time during the flow of two short consecutive identical current pulses in a nickel alloy wire with an amplitude of I = 0.36 A and a duration of τ = 210 ms, which show the repeatability of the nature of the pressure change. During the time between the end of the first current pulse and the start of the subsequent one, the initial pressure is established.
При реализации способа было зафиксировано однозначное соответствие между амплитудой (при заданной длительности) импульсов тока, протекающих в проводнике, и амплитудой изменения давления в окружающем проводник воздушном слое.When implementing the method, an unambiguous correspondence was recorded between the amplitude (for a given duration) of the current pulses flowing in the conductor and the amplitude of the pressure change in the air layer surrounding the conductor.
Изменения давления использовались для регулируемого малого перемещения миниатюрного штока 6, который крепился к мембране 5, закрывающей выход трубки. При протекании тока в проводнике в рабочей камере происходило изменения давления воздуха в трубке, приводящее в движение мембрану и укрепленный на ней шток. Малые перемещения штока 6 наблюдались в микроскопе. Для удобства наблюдения перемещения штока 6 рядом с ним устанавливалась стеклянная пластинка с дефектом (миниатюрное пятно) (фиг. 4), относительно которого измерялось положение штока.The pressure changes were used for an adjustable small displacement of the miniature rod 6, which was attached to the membrane 5, which closed the outlet of the tube. With the current flowing in the conductor in the working chamber, air pressure in the tube changed, driving the membrane and the rod mounted on it. Small displacements of rod 6 were observed under a microscope. For convenience of observing the movement of the rod 6, a glass plate with a defect (miniature spot) was installed next to it (Fig. 4), relative to which the position of the rod was measured.
Перемещение штока на фиг. 5 составляет более 200 мкм. При меньших значениях амплитуд импульсного тока перемещение штока соответственно меньше. При применении импульсов тока с малым значением амплитуды оказалось возможным добиваться перемещений меньше 1 мкм.The movement of the stem in FIG. 5 is over 200 microns. At lower values of the amplitudes of the pulsed current, the movement of the rod is correspondingly less. When applying current pulses with a small amplitude value, it was possible to achieve displacements of less than 1 μm.
При сравнении положения штока относительно дефекта (пятна) стеклянной пластины видно, что по окончании действия импульса тока шток возвращается в начальное положение.When comparing the position of the rod with respect to the defect (spot) of the glass plate, it is seen that at the end of the current pulse the rod returns to its initial position.
Приведенный пример реализации способа и проведенные исследования позволяют предложить широкое применение способа малых перемещений. Устройство и способ обладают рядом преимуществ перед существующими. Положительные отличия заключаются в следующем:The given example of the implementation of the method and the conducted studies allow us to offer widespread use of the method of small movements. The device and method have several advantages over existing ones. The positive differences are as follows:
a) экономичность производства,a) production efficiency,
b) простота изготовления,b) ease of manufacture,
c) бесшумность работы,c) silent operation
d) малые размеры рабочего органа,d) the small size of the working body,
е) возможность удаления рабочего органа от механизма, обеспечивающего перемещения,e) the ability to remove the working body from the mechanism for moving,
f) регулируемое усилие позволяет избежать поломки микро- и нанодеталей (например, кантилеверов при нанолитографии и сканировании поверхностей).f) adjustable force avoids breakage of micro- and nano-parts (for example, cantilevers during nanolithography and surface scanning).
Очевидным является эффективное применение способа и устройства в следующих областях:Obvious is the effective application of the method and device in the following areas:
1) в нанолитографии;1) in nanolithography;
2) для регулируемой подачи держателей при микро- и наноперемещениях, в том числе и перемещениях кантилевера атомно-силового микроскопа;2) for the adjustable supply of holders during micro- and nanoscale movements, including the cantilever movements of the atomic force microscope;
3) для создания микро- и наноинструментов, различных микро- и наномеханизмов;3) to create micro- and nano-tools, various micro- and nanomechanisms;
4) для создания малошумящих микро- и наномоторов (в том числе поршневых);4) to create low-noise micro- and nanomotors (including piston);
5) для создания бесшумных воздушных компрессоров (например, для обогащения воздухом воды для обеспечения условий содержания рыбы и водных микроорганизмов).5) to create silent air compressors (for example, to enrich water with air to provide conditions for keeping fish and aquatic microorganisms).
ЛитератураLiterature
1. Патент РФ №2320904, F15B 15/00. Способ осуществления рабочего органа в устройствах плунжерного типа и устройство для его осуществления / Болгов А.Н., Ивоботенко Б.А., Пашкин М.П. Опубликован 27.03.2008. Бюл. №9.1. RF patent No. 2320904,
2. Патент РФ №2475354, B25J 7/00, F01B 25/02, H02N 2/02. Устройство для точного позиционирования / Аганин В.А., Ицексон Е.Л., Хайкин Р.З. и др. Опубликован 20.02.2013. Бюл. №5.2. RF patent No. 2475354, B25J 7/00,
3. http://geyz.ru/news/2012-02-14-475. Мембранные приводы арматуры.3.http: //geyz.ru/news/2012-02-14-475. Diaphragm actuators
4. http://stroy-technics.ru/article/ispolnitelnye-ustroistva. Исполнительные устройства. Пневматические исполнительные механизмы. Мембранные устройства. Прототип.4.http: //stroy-technics.ru/article/ispolnitelnye-ustroistva. Executive devices. Pneumatic actuators. Membrane devices. Prototype.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015125088A RU2616678C2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015125088A RU2616678C2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015125088A RU2015125088A (en) | 2017-01-10 |
| RU2616678C2 true RU2616678C2 (en) | 2017-04-18 |
Family
ID=57955742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015125088A RU2616678C2 (en) | 2015-06-25 | 2015-06-25 | Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2616678C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2702449C1 (en) * | 2018-08-31 | 2019-10-08 | Назым Нурлисламович Усманов | Device for performing reciprocating movement of working member |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0146261A1 (en) * | 1983-11-21 | 1985-06-26 | Mirko Kukolj | Axially contractable actuator |
| EP0161750A1 (en) * | 1984-04-25 | 1985-11-21 | Bridgestone Corporation | Actuator |
| SU1344962A1 (en) * | 1986-03-13 | 1987-10-15 | В.В. П тин | Energy converter |
| SU1622659A1 (en) * | 1987-06-15 | 1991-01-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт метизной промышленности | Linear motion motor |
| RU2324845C1 (en) * | 2006-10-18 | 2008-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Pneumatical/hydraulical drive |
-
2015
- 2015-06-25 RU RU2015125088A patent/RU2616678C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0146261A1 (en) * | 1983-11-21 | 1985-06-26 | Mirko Kukolj | Axially contractable actuator |
| EP0161750A1 (en) * | 1984-04-25 | 1985-11-21 | Bridgestone Corporation | Actuator |
| SU1344962A1 (en) * | 1986-03-13 | 1987-10-15 | В.В. П тин | Energy converter |
| SU1622659A1 (en) * | 1987-06-15 | 1991-01-23 | Всесоюзный научно-исследовательский институт метизной промышленности | Linear motion motor |
| RU2324845C1 (en) * | 2006-10-18 | 2008-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Pneumatical/hydraulical drive |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2702449C1 (en) * | 2018-08-31 | 2019-10-08 | Назым Нурлисламович Усманов | Device for performing reciprocating movement of working member |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015125088A (en) | 2017-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2616678C2 (en) | Actuating body small displacements method in the membrane type devices and device for its implementation | |
| Gorissen et al. | Pneumatically-actuated artificial cilia array for biomimetic fluid propulsion | |
| JP5290470B2 (en) | System and method for generating tool motion | |
| US9593578B2 (en) | Compressed gas motor and lavage system | |
| EP3150149A3 (en) | Fluid ejection device | |
| JP2012513798A (en) | Pressurized valve system for driving the tuft | |
| JP2014193375A5 (en) | ||
| JP2004513376A (en) | Apparatus and system for dispensing or aspirating / dispensing a liquid sample | |
| RU2702449C1 (en) | Device for performing reciprocating movement of working member | |
| JP2009034596A (en) | Electrostatic coating system | |
| JP6954987B2 (en) | Tightening cylinder device | |
| Pang et al. | Electrolysis-based parylene balloon actuators for movable neural probes | |
| CN112369162A (en) | A riverbed vegetation planting equipment for river lake ecological remediation | |
| CN109883639B (en) | Three-degree-of-freedom electro-hydraulic control type micro-excitation system | |
| KR20080009988A (en) | Probe micro-robot through a pipe using crawling manner | |
| WO2020165617A1 (en) | Piezoelectric micropipette | |
| JP2012100853A (en) | Fluid ejection device and medical device | |
| KR20170024060A (en) | Linear actuator and method for operating such a linear actuator | |
| US20170067493A1 (en) | Hydraulic actuator | |
| RU2687331C1 (en) | Liquid dispensing method and device for its implementation | |
| CN210232012U (en) | Municipal administration water supply line welding set | |
| RU196297U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING A WATER DISPERSION OF NANOPARTICLES | |
| CN209812324U (en) | Piezoelectric ceramic actuating bionic device for detecting dynamic emission behavior of jellyfish stab-screw capsule | |
| RU2632988C1 (en) | Pneumatic emitter | |
| Clements | Very fast drug application to dissociated cells and membrane patches |