RU2347300C2 - Inertial step motor - Google Patents
Inertial step motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2347300C2 RU2347300C2 RU2006114992/28A RU2006114992A RU2347300C2 RU 2347300 C2 RU2347300 C2 RU 2347300C2 RU 2006114992/28 A RU2006114992/28 A RU 2006114992/28A RU 2006114992 A RU2006114992 A RU 2006114992A RU 2347300 C2 RU2347300 C2 RU 2347300C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carriage
- rod
- shaped guides
- base
- displacement
- Prior art date
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- GFLBUFOVCACMEG-UHFFFAOYSA-N 2-morpholin-4-ylethyl 2-cyclohexyloxyacetate;hydrochloride Chemical compound Cl.C1COCCN1CCOC(=O)COC1CCCCC1 GFLBUFOVCACMEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Abstract
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.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 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 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 пьезомодулем, соединенным со стержнем квадратного сечения, на котором установлена каретка с возможностью перемещения вдоль оси стержня, состоящего из первого элемента с первыми V-образными направляющими и второго элемента со вторыми V-образными направляющими, при этом первые и вторые V -образные направляющие сопряжены со стержнем квадратного сечения и подпружинены относительно него, а также блок управления, подключенный к пьезомодулю [2].An inertial stepper motor is also known, comprising a base with a piezoelectric module mounted on it, connected to a square rod, on which a carriage is mounted to move along the axis of the rod, consisting of a first element with first V-shaped guides and a second element with second V-shaped guides while the first and second V-shaped guides are paired with a square rod and spring-loaded relative to it, as well as a control unit connected to the piezoelectric module [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 элементы каретки не зафиксированы друг относительно друга вдоль оси перемещения, что может приводить к нестабильности шага перемещения и соответственно повышению погрешности, а также снижению надежности работы в экстремальных условиях: таких как высокий вакуум и низкие температуры.The first disadvantage of this device is that the carriage elements are not fixed relative to each other along the axis of movement, which can lead to instability of the movement step and, accordingly, an increase in error, as well as reduced reliability in extreme conditions: such as high vacuum and low temperatures.
Второй недостаток связан с отсутствием средств, позволяющих бороться с эффектом залипания в высоком вакууме (из-за увеличения коэффициента трения трущихся поверхностей), а также замерзанием трущихся поверхностей при низких температурах. Это также снижает надежность работы и приводит к нестабильности шага перемещения.The second disadvantage is the lack of tools to combat the sticking effect in high vacuum (due to an increase in the friction coefficient of rubbing surfaces), as well as the freezing of rubbing surfaces at low temperatures. It also reduces reliability and leads to instability of the movement step.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении стабильности шага перемещения, а также в повышении надежности устройства.The technical result of the invention is to increase the stability of the move step, as well as to increase the reliability of the device.
Указанный технический результат достигается тем, что в инерционном шаговом двигателе, содержащем основание, с закрепленным на нем пьезомодулем, соединенным со стержнем квадратного сечения, на котором установлена с возможностью перемещения вдоль оси стержня каретка, состоящая из первого элемента с первыми V-образными направляющими и второго элемента со вторыми V-образными направляющими, при этом первые и вторые V-образные направляющие сопряжены со стержнем квадратного сечения и подпружинены относительно него, а также блок управления, подключенный к пьезомодулю, первый и второй элементы каретки дополнительно соединены плоскими пружинами, расположенными параллельно оси перемещения каретки.The specified technical result is achieved by the fact that in an inertial stepper motor containing a base, with a piezoelectric module mounted on it, connected to a square rod, on which a carriage is mounted that can be moved along the axis of the rod, consisting of the first element with the first V-shaped guides and the second element with second V-shaped guides, while the first and second V-shaped guides are paired with a square rod and spring-loaded relative to it, as well as the control unit, connected to the piezoelectric module, the first and second carriage elements are additionally connected by plane springs located parallel to the axis of movement of the carriage.
Существует вариант, в котором шаговый двигатель снабжен датчиком движения каретки и модулем запуска движения каретки.There is an option in which the stepper motor is equipped with a carriage movement sensor and a carriage start-up module.
Существует также вариант, в котором в шаговый двигатель введены датчики крайнего положения каретки.There is also an option in which the carriage extreme position sensors are introduced into the stepper motor.
Возможен вариант, где закрепление пьезомодуля на основании и стержне осуществлено посредством соответственно четырех первых захватов, выполненных в основании, и четырех вторых захватов, выполненных на стержне.A variant is possible where the piezomodule is fixed on the base and the rod by means of, respectively, the first four grippers made in the base and four second grippers made on the rod.
Возможен также вариант, в котором на каретке или основании закреплен фиксатор, расположенный с возможностью взаимодействия с основанием или кареткой соответственно.A variant is also possible in which a latch is mounted on the carriage or base, which is arranged to interact with the base or carriage, respectively.
На фиг.1 изображен шаговый двигатель - вид сбоку.Figure 1 shows a stepper motor - side view.
На фиг.2 - шаговый двигатель - вид сверху.Figure 2 - stepper motor - top view.
На фиг.3 показано крепление пьезомодуля к основанию и стержню.Figure 3 shows the fastening of the piezoelectric module to the base and the rod.
На фиг.4 изображены захваты шагового двигателя.Figure 4 shows the grips of a stepper motor.
Шаговый двигатель содержит основание 1 (фиг.1, фиг.2) с закрепленным на нем пьезомодулем 2, соединенным со стержнем 3 квадратного сечения. На стержне 3 установлена каретка 4, состоящая из первого элемента 5 с первыми V-образными направляющими 6 и второго элемента 7 со вторыми V-образными направляющими 8. При этом V-образные направляющие 6 и 8 сопряжены со стержнем 3 [3]. На элементах 5 и 7 закреплены плоские пружины 9, 10, 11 и 12, соединенные между собой переходниками 13. Важно, чтобы плоские пружины 9, 10, 11 и 12 помимо возможности функционального изгиба имели также возможность кручения. Для этого необходимо, чтобы при размере рабочих частей А около 5 мм толщина пружин была порядка 0,1 мм. Это может быть осуществлено также за счет выполнения в рабочих частях пружин - шарниров (не показано). Благодаря кручению пружин обеспечивается более равномерный прижим трущихся поверхностей.The stepper motor comprises a base 1 (FIG. 1, FIG. 2) with a
На основании 1 установлен шток 14, на котором закреплен ограничитель 15, расположенный в отверстии 16, например, первого элемента 5. При этом ограничитель 15 имеет возможность взаимодействия с кареткой 4. Пьезомодуль 2 подключен к блоку управления 17. Шаговый двигатель содержит датчик движения, состоящий из неподвижной части 18, закрепленной, например, на основании 1, и подвижной части 19, установленной на каретке 4. При этом они (части) подключены к модулю фиксации движения 20, входящему в состав блока 17. Датчик движения может быть выполнен в виде емкостного или индуктивного измерителя перемещений (см., например, [4, 5, 6]). В блок 17 введен модуль запуска движения 21, выполненный в виде, например, генератора синусоидального напряжения с регулируемой частотой и амплитудой [6, 7].On the
Существует вариант, в котором в шаговый двигатель введены, например, контактные датчики 22 и 23 крайнего положения [6] каретки 4, а в блок управления 17 - модуль отключения питающего напряжения 24, выполненный в виде электронного или электромеханического прерывателя питающего напряжения [6].There is an option in which, for example,
Элементы 5 и 7 могут быть дополнительно подпружинены друг относительно друга пружинами 25, сопряженными с винтами 26.
Возможен вариант закрепления пьезомодуля 2 на основании 1, используя четыре первых захвата 27 (фиг.3). Толщина В этих захватов может быть 0,1-0,2 мм, а пьезомодуль 2 закреплен посредством первого клеевого шва 28.A possible option of fixing the
Закрепление стержня 3 на пьезомодуле 2 может быть осуществлено с использованием четырех вторых захватов 26 и второго клеевого шва 30.The fastening of the
Существует вариант, в котором коэффициент трения между стержнем 3 и V-образными направляющими 6 и 8 имеют различные значения в разных направлениях перемещения каретки 4. Это достигается путем направленного формирования микрошероховатостей 31 на их поверхностях.There is an option in which the coefficient of friction between the
Существует также вариант, в котором, например, на основании 1 закреплен фиксатор, выполненный в виде упоров 32 (фиг.4) с фрикционными накладками 33, закрепленными на упругих элементах 34. При этом фрикционные накладки 33 сопряжены с первым 5 и вторым 7 элементами.There is also an option in which, for example, on the
Устройство работает следующим образом. От блока управления 17 подают пилообразное напряжение на пьезомодуль 1, который изменяет свои линейные размеры в разных направлениях по оси Z с разными скоростями. При этом каретка 4 двигается по стержню 3 вдоль оси Z в том или ином направлении. Подробнее инерционное перемещение см. в [8, 9]. В том случае, если датчик движения не фиксирует перемещения каретки 4, включают модуль 21, который, раскачивая каретку 4 на резонансной частоте, запускает ее перемещение. При достижении каретки 4 одного из крайних положений, что фиксируется датчиками 22 и 23, модуль 24 отключает питающее напряжение.The device operates as follows. A sawtooth voltage is supplied from the control unit 17 to the
Для регулировки усилия взаимодействия между V-образными 6 и 8 направляющими и стержнем 3 используют плоские пружины 9 и 10, а также пружины 25.To adjust the interaction force between the V-shaped 6 and 8 guides and the
Для увеличения усилия уменьшают толщину переходников 13, либо подтягивают винты 25.To increase the force, reduce the thickness of the adapters 13, or tighten the
Подбор необходимого коэффициента трения осуществляют направленным шлифованием поверхностей V-образных направляющих 6 и 8, а также стержня 9. После этого внедряют в микровпадины этих поверхностей графитовую смазку.The selection of the necessary coefficient of friction is carried out by directional grinding of the surfaces of the V-
При работе шагового двигателя с использованием фиксатора важным моментом является регулировка упоров 32. Эта регулировка может быть осуществлена путем подгибов упругих элементов 34. При этом необходимо добиться, чтобы при сохранении возможности перемещения были минимальными нефункциональные колебания каретки 4 на стержне 3 в плоскости, перпендикулярной координате Z.When operating a stepper motor using a clamp, an important point is the adjustment of the
Использование плоских пружин стабилизирует положение первого и второго элементов друг относительно друга по оси Z, что повышает стабильность шага перемещения каретки и надежность работы устройства.The use of flat springs stabilizes the position of the first and second elements relative to each other along the Z axis, which increases the stability of the step of moving the carriage and the reliability of the device.
Снабжение шагового двигателя датчиком движения каретки, модулем запуска движения каретки и датчиками крайнего положения каретки повышает надежность работы устройства.The supply of a stepper motor with a carriage motion sensor, a carriage start-up module, and carriage extreme position sensors increases the reliability of the device.
Использование захватов на основании и стержне для закрепления пьезомодуля повышает надежность и долговечность использования шагового двигателя.The use of grippers on the base and the rod to secure the piezoelectric module increases the reliability and durability of using a stepper motor.
Применение фиксатора, расположенного с возможностью взаимодействия с основанием или кареткой, уменьшает нефункциональные колебания каретки, что уменьшает погрешность перемещения.The use of a latch located with the possibility of interaction with the base or carriage reduces non-functional vibrations of the carriage, which reduces the error of movement.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент RU 2152103, 1996.1. Patent RU 2152103, 1996.
2. Googl, Attocube systems AG Inertial motor Driving controller ANC 150.2. Googl, Attocube systems AG Inertial motor Driving controller ANC 150.
3. Патент ЕР 0823738, 1997.3. Patent EP 0823738, 1997.
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. Ageykin, E.N. Kostina, N.N. Kuznetsova, Control and regulation sensors. 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. Г.Я. Мирский, «Электронные измерения». М., «Радио и связь», 439 с., 1986 г.7. G.Ya. Mirsky, "Electronic Measurement". M., "Radio and Communications", 439 pp., 1986
8. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с.99-121.8. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.
9. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.9. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. Danilov A.I., Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006114992/28A RU2347300C2 (en) | 2006-05-04 | 2006-05-04 | Inertial step motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006114992/28A RU2347300C2 (en) | 2006-05-04 | 2006-05-04 | Inertial step motor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006114992A RU2006114992A (en) | 2007-11-10 |
RU2347300C2 true RU2347300C2 (en) | 2009-02-20 |
Family
ID=38958010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006114992/28A RU2347300C2 (en) | 2006-05-04 | 2006-05-04 | Inertial step motor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2347300C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465712C2 (en) * | 2008-10-27 | 2012-10-27 | ЗАО "Нанотехнология МДТ" | Inertial step motor |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2461098C2 (en) * | 2008-10-06 | 2012-09-10 | ЗАО "Нанотехнология МДТ" | Inertial step motor |
-
2006
- 2006-05-04 RU RU2006114992/28A patent/RU2347300C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2465712C2 (en) * | 2008-10-27 | 2012-10-27 | ЗАО "Нанотехнология МДТ" | Inertial step motor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006114992A (en) | 2007-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7196454B2 (en) | Positioning device for microscopic motion | |
Polit et al. | Development of a high-bandwidth XY nanopositioning stage for high-rate micro-/nanomanufacturing | |
US10054519B2 (en) | Oscillating microtome with flexure drive | |
US6323483B1 (en) | High bandwidth recoiless microactuator | |
CN101681986B (en) | Fine positioning system using an inertial motor based on a mechanical amplifier | |
US6707230B2 (en) | Closed loop control systems employing relaxor ferroelectric actuators | |
US8302456B2 (en) | Active damping of high speed scanning probe microscope components | |
JP4511544B2 (en) | Scanning probe microscope | |
CN107192854A (en) | The Z scanner and probe unit and probe unit erector of AFM | |
RU2347300C2 (en) | Inertial step motor | |
Bergander et al. | Micropositioners for microscopy applications based on the stick-slip effect | |
US11290030B2 (en) | Drive device and method for linear or rotary positioning | |
CN111261480B (en) | Transmission electron microscope in-situ sample rod with double-inclination function | |
Kim et al. | Precise rotary motor by inchworm motion using dual wrap belts | |
CN103645347B (en) | The single-point tracking measurement method of micro-nano-scale Dynamic Coupling vibration | |
RU2306621C1 (en) | Two-coordinate micro-positioner | |
US20070085022A1 (en) | Scanning mechanism for scanning probe microscope | |
Bergander et al. | Development of miniature manipulators for applications in biology and nanotechnologies | |
RU2297072C1 (en) | Inertia motor | |
KR101151136B1 (en) | Scanner for scanning probe microscope | |
RU2465712C2 (en) | Inertial step motor | |
RU2461098C2 (en) | Inertial step motor | |
Arnold et al. | Piezoelectric positioning | |
Zhang et al. | A 2-dimensional impact driven precise actuator using piezoelectric bimorphs | |
JP3892184B2 (en) | Scanning probe microscope |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150505 |