CN102683145A - 压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台y轴倾转装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，包括样品杆杆身和样品载台，样品杆杆身的前端固定设置有左右两根压电陶瓷，两根压电陶瓷的前端均设置有导电光滑硬质体，样品载台上安装部位的左右两侧分别设置有弹性金属丝，样品载台通过弹性金属丝环抱夹紧安装在导电光滑硬质体上；通过在压电陶瓷上加载锯齿波电压使压电陶瓷发生时间不对称的上下振动，使样品载台发生以两个导电光滑硬质体的中心连线为转轴的旋转。本发明装置机械设计简单、结构紧凑，倾转量控制精确，大的倾转角由多步小角度倾转获得，每一步的倾转量由压电陶瓷的偏转量大小决定，精确可控。本装置可用于常规透射电子显微镜样品杆上，通用性强。

Description

压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置

技术领域

本发明涉及透射电子显微镜配件领域，尤其是一种压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置。

背景技术

透射电子显微镜中有时需要对样品相对于入射电子束的方向进行调整以获得更好的观察结果，沿着样品杆杆轴的旋转称为X轴旋转，垂直于杆轴和电子束入射方向的旋转称为Y轴旋转。一般X轴旋转由透射电子显微镜的测角台来实现，和样品杆无关，而Y轴的旋转需要在样品杆上通过旋转样品载台来实现。传统的Y轴旋转装置是将样品载台通过极细的宝石转轴嵌与样品杆前端，通过真空外伺服电机的转动驱动转动连接杆，转动连接杆过真空，并驱动样品夹具，实现倾转。技术成熟，但是存在机械结构复杂，样品载台的宝石转轴极易损坏等缺点。另外一个问题在于这种Y倾转方案，整体转动装置所占体积较大，占用了几乎整个的样品杆杆内空间，若想在样品杆上加装额外的测量装置几乎不可能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其机械部分占用体积小，倾转角度精细可控，整个结构稳定性好，经久耐用。

为实现上述目的，本发明压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，包括样品杆杆身和样品载台，样品杆杆身的前端固定设置有左右两根压电陶瓷，两根压电陶瓷的前端均设置有导电光滑硬质体，样品载台上安装部位的左右两侧分别设置有弹性金属丝，样品载台通过弹性金属丝环抱夹紧安装在导电光滑硬质体上；通过在压电陶瓷上加载锯齿波电压使压电陶瓷发生时间不对称的上下振动，使样品载台发生以两个导电光滑硬质体的中心连线为转轴的旋转。

进一步，所述压电陶瓷为压电陶瓷管或者剪切形变压电陶瓷块，所述导电光滑硬质体为导电光滑硬质小球或导电光滑硬质圆柱体。

进一步，所述压电陶瓷管内壁、外壁均镀有金属层作为电极，其中外壁电极沿轴向被等分为2份、4份或6份，相对的两个电极上分别加上极性相反的电压时，压电陶瓷管会向一侧发生弯曲。

 

进一步，所述样品载台的安装部位上设置有细孔，弹性金属丝的一端插入细孔内，另一端弯成半圆环状夹紧在导电光滑硬质体上。

进一步，所述弹性金属丝采用铍铜丝、无磁弹簧钢丝、无磁弹簧钢片、铍铜片或无磁弹簧钢片制成。

进一步，所述弹性金属丝夹紧在导电光滑硬质体上来保证所述的样品载台机械安装稳定，同时在加速旋转时所述弹性金属丝相对导电光滑硬质体的表面滑动。

进一步，所述锯齿波电压的电压上升与下降的时间不对等，所述压电陶瓷管在所述锯齿波电压作用下，发生形变和恢复形变的时间不对等，形变过程中，夹持于所述导电光滑硬质小球上的所述样品载台在惯性作用下发生转动。

进一步，所述样品杆杆身的中心设置有用于电学线缆布线的通孔，所述样品杆杆身的尾端设置有用于穿设电学电缆的线缆真空穿通。

进一步，所述样品杆杆身与压电陶瓷管之间设置有金属座，所述样品杆杆身的前端左右两侧分别通过螺丝固定设置有金属座，每一个金属座上均用导电胶粘接所述压电陶瓷管，粘接时，压电陶瓷管一对相对的电极上下对称放置用于施加驱动电压信号；所述压电陶瓷管与导电光滑硬质小球之间设置有金属柱，所述压电陶瓷管的前端通过导电粘接金属柱，金属柱上采用导电胶粘接所述导电光滑硬质小球。金属柱、金属座与压电陶瓷管外壁电极电学绝缘。

进一步，所述金属样品载台、弹性金属丝、导电光滑小球、金属柱、陶瓷管内壁、金属座、样品杆杆身均实现电学连接，样品载台与样品杆杆身等电位。

本发明的优势在于，装置机械设计简单、结构紧凑，可为透射电子显微镜样品杆节省空间安放其他部件；倾转量控制精确，大的倾转角由多步小角度倾转获得，每一步的倾转量由压电陶瓷的偏转量大小决定，精确可控。本装置可用于常规透射电子显微镜样品杆上，通用性强。

附图说明

图1为压电陶瓷驱动双倾样品杆整体结构示意图；

图2为样品杆倾转端头组成放大示意图；

图3为压电陶瓷管在锯齿波电压下振动示意图；

图4为压电陶瓷管加电示意图；

图5为驱动电压波形及压电陶瓷驱动下样品载台转动原理图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1至图5所示，本发明压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，包括样品载台1、弹性金属丝2、导电光滑硬质体、压电陶瓷和样品杆杆身8。其中，导电光滑硬质体可为导电光滑硬质小球3或导电光滑硬质圆柱体，压电陶瓷可为压电陶瓷管5或者剪切形变压电陶瓷块，本实施例中，导电光滑硬质体选用导电光滑硬质小球3，压电陶瓷选用压电陶瓷管5。

样品杆杆身8的中心设置有用于电学线缆布线的通孔，样品杆杆身8的尾端设置有用于穿设电学电缆的线缆真空穿通。样品杆杆身8的前端左右两侧分别通过螺丝7固定设置有金属座6，每一个金属座6上均粘接有压电陶瓷管5，两根压电陶瓷管5的前端均通过导电粘接有金属柱4，两个金属柱4上均采用导电胶粘接有导电光滑硬质小球3，其中，金属柱4的外径小于导电光滑硬质小球3的球体直径。

样品载台1上设置有半圆环凹坑，环状TEM样品置于样品载台1的半圆环凹坑里，用圆环弹簧片与螺丝压紧固定。样品载台1的安装部位上设置有细孔，弹性金属丝2的一端插入细孔内，弹性金属丝2与样品载台1固定安装后用于支撑样品载台1。弹性金属丝2的另一端弯成半圆环状夹紧在导电光滑硬质小球3上。弹性金属丝2采用铍铜丝、无磁弹簧钢丝、无磁弹簧钢片、铍铜片或无磁弹簧钢片制成。如图2所示，本实施例中，一个导电光滑硬质小球3对应于4根弹性金属丝2，4根弹性金属丝2将导电光滑硬质小球3上下左右夹紧，弹性金属丝2夹紧在导电光滑硬质小球3上来保证的样品载台1机械安装稳定，同时在加速旋转时弹性金属丝2可相对导电光滑硬质小球3的表面滑动。

本发明中，压电陶瓷管5的一端支撑住样品载台1，另一端机械固定于样品杆杆身8，压电陶瓷管5不仅作为运动动力部件，同时作为样品载台1的机械支撑部件。压电陶瓷管5外壁电极沿轴向被等分为2份、4份或6份，相对的两个电极上分别加上极性相反的电压时，压电陶瓷管5会向一侧发生弯曲。

样品载台1在压电陶瓷管5驱动下发生转动的原理是惯性驱动原理通过在压电陶瓷管5上加载锯齿波电压使压电陶瓷管5发生时间不对称的上下振动，使样品载台1发生以两个导电光滑硬质小球3的球心连线为转轴的旋转。

由于锯齿波电压的电压上升与下降的时间不对等，即上述的时间不对称，压电陶瓷管5在锯齿波电压作用下，发生形变和恢复形变的时间不对等，形变过程中，夹持于导电光滑硬质小球5上的样品载台1在惯性作用下发生转动。具体过程为：在锯齿波形状的电压下，压电陶瓷管5先缓慢向一侧弯曲，然后突然恢复原状。缓慢向一侧弯曲时，通过弹性金属丝2夹持在导电光滑硬质小球3上的样品载台1和压电陶瓷管5一起弯曲，压电陶瓷管5突然恢复原状时，由于时间很短，加速度很大，弹性金属丝2和导电光滑硬质小球3之间的静摩擦力不足以提供这个加速度，因此弹性金属丝2和导电光滑硬质小球3将发生相对滑动，等压电陶瓷管5恢复原状时，样品载台1与起始状态相比发生了一个小的转动。重复这一过程，即可得到想要的转动角度。

使用时，如图3所示，两根压电陶瓷管5上下表面电极分别加上极性相反的锯齿波电压信号，在一个锯齿波周期内，锯齿波上升阶段，两根陶瓷管向一侧弯曲，在锯齿波的下降沿，陶瓷管形变突然恢复，样品载台1在惯性作用下还是保持压电陶瓷管形变时的位置，金属丝2和硬质导电光滑小球3之间发生相对滑动，一个锯齿波周期内的最后效果即样品载台1相对于陶瓷管5发生了一个以两个硬质导电光滑导电小球3球心连线为转轴的小角度倾转。需要较大角度的倾转时，持续加上锯齿波电压信号，样品载台即发生持续倾转，只到到达所需角度，撤掉电压信号即可。需要向另一个方向倾转时，改变压电陶瓷管电极电压极性即可，即正电压变成负电压，负电压变成正电压。

本发明的这种通过压电陶瓷管驱动下发生转动运动的方法不仅可以用在透射电镜样品台的倾转装置中，也广泛用于所有需要精细转动的场合。

Claims (10)

1.压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，该装置包括样品杆杆身和样品载台，样品杆杆身的前端固定设置有左右两根压电陶瓷，两根压电陶瓷的前端均设置有导电光滑硬质体，样品载台上安装部位的左右两侧分别设置有弹性金属丝，样品载台通过弹性金属丝环抱夹紧安装在导电光滑硬质体上；通过在压电陶瓷上加载锯齿波电压使压电陶瓷发生时间不对称的上下振动，使样品载台发生以两个导电光滑硬质体的中心连线为转轴的旋转。

2.  如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述压电陶瓷为压电陶瓷管或者剪切形变压电陶瓷块，所述导电光滑硬质体为导电光滑硬质小球或导电光滑硬质圆柱体。

3.  如权利要求2所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述压电陶瓷管内壁、外壁均镀有金属层作为电极，其中外壁电极沿轴向被等分为2份、4份或6份，相对的两个电极上分别加上极性相反的电压时，压电陶瓷管会向一侧发生弯曲。

4.  如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述样品载台的安装部位上设置有细孔，弹性金属丝的一端插入细孔内，另一端弯成半圆环状夹紧在导电光滑硬质体上。

5.  如权利要求4所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述弹性金属丝采用铍铜丝、无磁弹簧钢丝、无磁弹簧钢片、铍铜片或无磁弹簧钢片制成。

6.  如权利要求6所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述弹性金属丝夹紧在导电光滑硬质体上来保证所述的样品载台机械安装稳定，同时在加速旋转时所述弹性金属丝相对导电光滑硬质体的表面滑动。

7.  如权利要求3所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述锯齿波电压的电压上升与下降的时间不对等，所述压电陶瓷管在所述锯齿波电压作用下，发生形变和恢复形变的时间不对等，形变过程中，夹持于所述导电光滑硬质小球上的所述样品载台在惯性作用下发生转动。

8.  如权利要求1所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述样品杆杆身的中心设置有用于电学线缆布线的通孔，所述样品杆杆身的尾端设置有用于穿设电学电缆的线缆真空穿通。

9.如权利要求3所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述样品杆杆身与压电陶瓷管之间设置有金属座，所述样品杆杆身的前端左右两侧分别通过螺丝固定设置有金属座，每一个金属座上均粘接有所述压电陶瓷管；粘接时，压电陶瓷管一对相对的电极上下对称放置用于施加驱动电压信号；所述压电陶瓷管的前端通过导电粘接金属柱，金属柱上采用导电胶粘接所述导电光滑硬质小球；金属柱、金属座与压电陶瓷管外壁电极电学绝缘。

10.如权利要求3所述的压电陶瓷驱动的透射电子显微镜用样品载台Y轴倾转装置，其特征在于，所述金属样品载台、弹性金属丝、导电光滑小球、金属柱、陶瓷管内壁、金属座、样品杆杆身均实现电学连接，样品载台与样品杆杆身等电位。

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