УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА Российский патент 2006 года по МПК H02N2/02 G12B21/20 

Описание патента на изобретение RU2284642C1

Устройство относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для перемещения образца.

Известно устройство микроперемещений объекта (пьезосканер), представляющее собой пьезотрубку со сплошным и распределенными электродами на наружной и внутренней поверхностях [Патент US 6215121, G 01 N 13/16, 2001]. Достоинство устройства - высокая точность перемещений. Основной недостаток устройства заключается в ограниченном диапазоне перемещения.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [Патент РФ №2205474, МПК 7 H 01 L 41/09. Устройство микроперемещений / Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. и др.], содержащее основание, в котором заделана одним концом пьезоэлектрическая трубка. На другом конце трубки закреплены державка и цанговая пружина. Перемещаемый объект располагается на держателе, образующем с пружиной кинематическую пару трения. Внутри пьезотрубки трубки установлены магнит и магнитопроводы, сосредотачивающие его поле в цилиндрическом зазоре. В зазоре располагаются держатель и жестко связанная с ним катушка. Управление током в катушке позволяет осуществлять электродинамическое воздействие на держатель объекта и компенсировать негативное воздействие силы трения на точность позиционирования. Однако наличие в устройстве электродинамической системы приводит к нежелательному (в ряде случаев) увеличению уровня электромагнитных помех, создаваемых при управлении током в катушке, и повышенному тепловыделению.

Задачей изобретения являются снижение уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии.

Задача решается тем, что в устройстве имеется вспомогательный пьезоэлемент, соединенный с перемещающимся держателем. Применение дополнительного пьезоэлемента (например, трубки или пластины) для воздействия на держатель позволяет компенсировать негативное действие силы трения, повысить точность микроперемещений объекта, не увеличивая при этом уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии.

На чертеже представлено заявляемое устройство в разрезе.

Устройство содержит основание 1, в котором заделана одним концом пьезоэлектрическая трубка 2 с двумя сплошными внешним и внутренним электродами 3. На другом конце трубки закреплена державка 4 с цанговой пружиной 5, обхватывающей держатель 6 объекта. Внутри держателя 6 размещен жестко соединенный с ним дополнительный пьезоэлемент 7.

Устройство работает следующим образом. Для осуществления перемещений на пьезотрубку 2 и пьезоэлемент 7 (например, трубка) подается несимметричный пилообразный сигнал. Под воздействием данного сигнала элементы 2 и 7 подвергаются деформации сжатия-растяжения, в результате которой пружина 5 и центр масс пьезоэлемента 7 смещаются в разных направлениях. Ускорение элементов 5, 6 и центра масс элемента 7 во время пологого фронта управляющего сигнала близко к нулю, поэтому воздействие перемещающегося центра масс элемента 7 на держатель 6 незначительное. В результате действующая между элементами 5 и 6 сила трения осуществляет их синхронное перемещение. При формировании крутого среза пилообразного сигнала пьезотрубка 2 и пьезоэлемент 7 возвращаются в недеформированное состояние, перемещая с большим ускорением в противоположных направлениях соответственно пружину 5 и центр масс элемента 7. При этом к держателю 6 приложены две противоложно направленные силы - сила трения Fтр, действующая со стороны пружины 5, и сила инерции Fин, действующая со стороны пьезоэлемента 7. Подбором конструктивных параметров (например, толщины или длины) пьезоэлемента 7 можно добиться того, что равнодействующая сил Fтр и Fин, приложенных к держателю во время действия крутого среза управляющего сигнала, будет близка к нулю. Это приводит к тому, что изменение координаты держателя 6 за счет компенсации силы трения будет также близко к нулю. В результате при использовании дополнительного пьезоэлемента 7 величина, на которую перемещается держатель 6 во время формирования среза управляющего сигнала, уменьшается, что повышает точность устройства.

Таким образом, при формировании фронта пилообразного сигнала пьезоэлемент 7 не оказывает воздействия на держатель 6, который под действием силы трения перемещается синхронно с пружиной 5. При формировании среза пилообразного сигнала сила трения оказывает негативное воздействие, поскольку приводит к неконтролируемому смещению держателя 6 из положения, достигнутого в результате формирования фронта сигнала. Компенсация этого негативного воздействия с помощью силы инерции перемещающегося с большим ускорением центра масс дополнительного пьезоэлемента 7 позволяет повысить точность устройства. При этом применение для компенсации пьезоэлемента вместо электродинамической системы (используемой в прототипе) снижает ток потребления, выделение тепловой энергии и уровень создаваемых устройством помех.

Похожие патенты RU2284642C1

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2004
  • Гуляев П.В.
RU2247467C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2008
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Гуляев Павел Валентинович
  • Шелковников Юрий Константинович
  • Тюриков Александр Валерьевич
  • Кизнерцев Станислав Рафаилович
  • Гудцов Денис Вячеславович
  • Тарасов Михаил Владимирович
RU2359364C1
УСТРОЙСТВО МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ 2004
  • Липанов Алексей Матвеевич
  • Гуляев Павел Валентинович
  • Шелковников Евгений Юрьевич
  • Осипов Николай Иванович
  • Панич Анатолий Евгеньевич
RU2272350C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2004
  • Гуляев П.В.
RU2257645C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2001
  • Липанов А.М.
  • Гуляев П.В.
  • Шелковников Е.Ю.
  • Осипов Н.И.
  • Кизнерцев С.Р.
  • Тюриков А.В.
  • Коротаев М.Н.
  • Чухланцев К.А.
RU2205474C1
СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП 2002
  • Липанов А.М.
  • Шелковников Е.Ю.
  • Гуляев П.В.
  • Кизнерцев С.Р.
  • Осипов Н.И.
  • Тюриков А.В.
  • Коротаев М.Н.
  • Чухланцев К.А.
RU2218629C2
СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП 1996
  • Быков В.А.
  • Гражулис В.А.
  • Божко С.И.
  • Саунин С.А.
  • Соколов Д.Ю.
RU2152103C1
ПЬЕЗОУСТРОЙСТВО ПОШАГОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ 2012
  • Нелюбов Владимир Михайлович
  • Юкиш Виктор Алексеевич
RU2516258C1
ИНФРАНИЗКОЧАСТОТНЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УСКОРЕНИЙ 1997
  • Бехтерев И.С.
  • Галузин М.Н.
  • Григорьев Г.В.
  • Соболев Д.М.
RU2129290C1
СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП 1996
  • Быков В.А.
  • Иванов В.К.
  • Саунин С.А.
  • Соколов Д.Ю.
RU2161343C2

Реферат патента 2006 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в сканирующих зондовых микроскопах и нанотехнологических установках для перемещения. Сущность: устройство содержит пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной. В пружине установлен подвижный держатель перемещаемого объекта. Для компенсации негативного действия силы трения в устройство введен дополнительный пьезоэлемент, размещенный внутри держателя. По крайней мере один конец этого пьезоэлемента жестко соединен с держателем. Технический результат: снижение уровня электромагнитных помех и выделений тепловой энергии. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 284 642 C1

Устройство для микроперемещений объекта, содержащее пьезоэлектрическую трубку со сплошными внешним и внутренним электродами, закрепленную одним концом на основании и снабженную на другом конце державкой с цанговой пружиной, с зажатым в ней подвижным держателем, отличающееся тем, что в него введен дополнительный пьезоэлемент, при этом по крайней мере один его конец жестко соединен с держателем.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2284642C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2001
  • Липанов А.М.
  • Гуляев П.В.
  • Шелковников Е.Ю.
  • Осипов Н.И.
  • Кизнерцев С.Р.
  • Тюриков А.В.
  • Коротаев М.Н.
  • Чухланцев К.А.
RU2205474C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА 2004
  • Гуляев П.В.
RU2247467C1
СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП 1991
  • Альтфедер И.Б.
  • Володин А.П.
  • Хайкин М.С.
RU2018188C1
US 6215121 А, 10.04.2001
US 5835251 А, 10.11.1998.

RU 2 284 642 C1

Авторы

Липанов Алексей Матвеевич

Гуляев Павел Валентинович

Шелковников Евгений Юрьевич

Тюриков Александр Васильевич

Гудцов Денис Вячеславович

Панич Анатолий Евгеньевич

Даты

2006-09-27Публикация

2005-05-06Подача