Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах Советский патент 1989 года по МПК G01B17/00 

)Х«$ «|| С«1КЖ1К еАХв

ff

26 Фиг. 1

Т JQ

Изобретение относится к технике, связанной с точным измерением перемещений при контроле пол9жения обрабатывающего инструмента относительно детали, и может быть использовано в робототехнике, технологии микроэлектроники, графопостроителях, пре- исизионной обработке, например, оптических дисков, головок видеомагнито- фонов.

Целью изобретения является повышение точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика,

На фиг.1 приведено предлагаемое устройство со снятой крышкой, разрез А-А на фиг.2; фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1;.на фиг.1 - разрез В-В на фиг.1; на фиг.4 - встречно-гатьфевой преобразователь (ВШП) с направлением силовых линий электрического поля. Устройство состоит из корпуса 1 с группами гермоввода 2 и 3 в верхней и нижней стенках и крышек 4 и 5. Вдоль торцовьтх стенок корпуса 1 вы- полнены калиброванные направляющие, по которым перемещается каретка 6, выполненная в Ьиде рамы, в которой запрессован контактный штифт 7 с насадкой из твердого сплава или рубина который находится в соприкосновении с обрабатываемой поверхностью детали или режущей частью инструмента.. Межд кареткой 6 и корпусом 1 помещена в углублении пружина 8. В полости кор- пуса 1 между боковыми элементами каретки 6 в фиксированном положении с помощью 3 пар упоров 9 установлена пьезоэлектрическая пластина 10, выполненная в виде призмы, два диаго- нальных ребра которой образуют плавный переход, а на двух других помещены поглотители 11 и 12. Призма может быть выполнена из ниобата лития. На узких гранях призмы сформированы выходные ВШП 13 и 14 с согласующими плоскими спиральными катушками 15, 16 и 17, 18 индуктивности. На расстоянии, Составляющем не менее длины волны поверхностной акустической вол ны (ПАВ) и определяющем рабочий ход каретки 6, перпендикулярно направляющим установлены на боковых стенках корпуса 1 электростатические 19 и 20 и ферромагнитные 21, 22 и 23, 24 эк- раны. На противоположных краях верхней и нижней стенок корпуса 1 с фиксированным -зазором h, не превьшзающим ширины электродов ВШП, установлены

контакт}й 1е входные ВШП 25 и 26. Входной BUin 25 состоит из диэлектрической пластины 27 с канавками и электродами 28 треугольного сечения, обращенными вершинами к пьезопластине (призме) 10, ВШП 25 и.26 параллельны друг другу и широким граням пьезо- пластины 10, которая находится от вершин электродов на расстоянии h (не более ширины электродов ВШП). Диэлектрическая пластина 27 может быть изготовлена из плавленн ого кварца, а канавки в ней выполнены методом ионоплазменного травления. Входной ВШП 26 состоит из пластины 29 и электродов 30 аналогичных деталям 27 и 28 конструк1щи. Указанные формы электродов и канавки выбраны для по- вьш1ения эффективности преобразования ПАВ.

Устройство работает следующим образом,

В среднем положении каретки 6 и пьезопластины 10 входной ВШП 25 возбуждает через воздушный зазор первую ПАВ, которая распространяется вдоль поверхностного слоя верхней грани (фиг.1) пьезопластины 10, проходит через сопрягающую поверхность на левую грань и достигает выходной ВШП 13 за время

Т - V

где L - расстояние между ВШП 25 и 13 по поверхности пьезопластины 10;

V - скорость ПАВ, Аналогичным образом вторая ПАВ возбуждается входньм контактным ВШП 26, распространяется вдоль поверхностного слоя нижней грани пьезопластины 10, проходит через сопрягающую -. поверхность на правую грань и дости-. гает выходной ВШП 14 за время

Т - 111

о i V

где L - расстояние между ВШП 26 и

14 по поверхности пьезопластины 10.

Первая ПАВ преобразуется в электрический сигнал с помощью БИП 13, вторая ПАВ - с помощью ВШП 14, Фаза первого электрического сигнала равна

q, tOT, + лцр; + Л9г , - где со т, - набег фаз в линии задержки йео, и йср - изменение фазы сигнала в согласующих цепях и ВПШ 13 и 25 соответственно.

Аналогично для второго электрического сигнала фаза равна

WT,i + + UM 2 . При смещении пьезоэлектрической пластины 10 вправо (увеличены координаты X) изменяется длина пути, проходимого IIAB, и величина емкости вот 13 и 14 и согласующих индуктив- ностей 15, 16 и 17, 18 вследствие смещений ВШП 13 и 14 относительно ВШП 25, 26 и экранов 19, 20, 21-24. Фаза первого электрического сигнала при этом равна

Ч ,Ы(Т, +&Т,) +ДЦ), +&(f,, + + ,,

где cfn - приращение фазы сигнала во входном ВШП 25 вследствие изменения зазора от температуры, /itfj, - приращение фазы сигнала в выходном ВШП 13 вследствие увеличения расстояния до экрана и уменьшения емкост ВШП 14 индуктивности ка- тушек; &Т| -дополнительный интервал

времени, обусловленный смещением пьезопластины 10. Фаза второго электрического сиг- нала изменяется с противоположным знаком из-за уменьшения расстояния между ВШП 26 и 14 и уменьшения рас- стояния до экрана

tfz (Та ,,) + ACf , ч- , +

+ -Иг,

При разностной обработке и для условий Т, Tji ЛТ, ДТ АТ АЧ, &Ч 1, , ,-. йЧ г йЧ 1члЧ 2,

ЛЧ 2.

получаем

uqj 2((JiT +&4 2,).

Температурное изменение фазы во

всех элементах первой и второй линий

ных материал 1в с малым Т1СПР и ТК скорости ПАВ), малые габаритные размеры датчика 50 х 25 х 15 мм, полученные за счет использования всех четьфех граней пьезопластины в качестве рабочих.

Формула изобретения

1. Датчик микроперемещений на по- верхностньк акустических волнах, со- держаш €Й корпус, подвижную пластину с двумя встречно-штыревыми преобразователями и поглотителем поверхностных акустических волн, предназначенную для контактирования с контролируемым объектом, и неподвижный встречно-штьфевой преобразователь, отличающийся тем, что, с целые повьш1вния точности измерения микроперемещений и уменьшения габаритов, он снабжен дополнительным неподвижным встречно-штыревым преобразователем, электростатическими и ферромагнитными экранами и согласующими индуктивностями, расположенными на подвижной пьезоплзстине, над которыми на расстоянии не менее длины волны поверхностных акустических волн размещены электростатические и ферромагнитные экраны, два диагонально расположенных ребра подвижной пьезопластины образуют плавные переходы между узкими и широкими гранями, неподвижные встречно-штыревые преобразователи расположены на корпусе вдоль оси подвижной пьезопластины со стороны ее широких граней со смещением в противоположные стороны относительно середины граней, их электроды имеют в поперечном сечении форму треугольника с вершиной, обращенной к подвижной пьезопластине, и с

Изобретение относится к технике, связанной с измерением линейных- перемещений в промьшшенных установках, робототехнике, контролю линейных размеров, деталей, проверке инструмента. Цель изобретения - повышение точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика. Датчик микроперемещенйй содержит подвижную пьезопластину 10, жестко соединенную с кареткой 6, которая перемещается; по направляющим в корпусе 1. ПьезоА А л пластин которые поверхн пьезопл ем от ц входных вателя ковых г паралле пуса ус В одной мещены а на ко нитного и 26, 1 ПАВ. Вну тиной 10 отделена Электрич ется чер . Изменени относите приводит ты элект задержки 1 з.п. ф S 1 й- 1 - 2 25 2 / / / ш -ф- пластина имеет четыре рабочие грани, которые попарно сопряжены плавной поверхностью. Над щирокими гранями пьезопластины установлены со смещением от центра к боковым граням два входных встречно-щтыревых преобразователя (ВШП) 25 и 26 ПАВ, а на боковых гранях - выходные ВШП 13 и 14, параллельно которым на стенках корпуса установлены с зазором экраны. В одной плоскости с ВШП 25 и 26 размещены плоские катушки индуктивности, а на корпусе - экраны из ферромагнитного материала. Пары ВШП 25, 13 и 26, 14 образуют две линии задержки ПАВ. Внутренняя полость с пьезоплас- тиной 10 и БОШ 25, 26 и 13, 14 ПАВ отделена от внешней среды крышками. Электрическое соединение осуществляется через группы гермовводов 2 и 3. . Изменение положения пьезопластины 10 относительно ВШП 25 и 26 и экранов приводит к изменению фазы или частоты электрического сигнала в линиях задержки с противоположным знаком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 2 25 2 1 12 / / // , м 4 а Х) со ел

задержки одинаковое по знаку и в зна-45 канавками между ними, а зазор между

читальной степени компенсируется в дифференциальной схеме обработки сигналов.

Техническими преимуществами предлагаемого устройства являются высокая точность измерения микроперемещений - до 20 нм и разрешающая способность до 1 нм, широкий диапазон температур (при введении поправки на точность

50

неподвижными встречно-штьфевыми преобразователями и подвижной пьезо- пластиной не превышает половины периода электродов этих преобразователей.

измерения или использовании специальканавками между ними, а зазор между

неподвижными встречно-штьфевыми преобразователями и подвижной пьезо- пластиной не превышает половины периода электродов этих преобразователей.

Фиг. 2

Фиг.З

Ю

фиг.