CN103162825B - 狭缝装置及四刀狭缝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四刀狭缝及其狭缝装置，所述狭缝装置包括：主体基板（1）；第一滑台（9）和第二滑台（2）；分别设置于第一滑台（9）和第二滑台（2）的两相对内侧的第一狭缝刀片（7）和第二狭缝刀片（5）；用于驱动第一滑台（9）相对于主体基板（1）滑动的主驱动机构；固定连接于第一滑台（9），用于驱动第二滑台（2）相对于主体基板（1）滑动的副驱动机构。本发明可以大大减小两根丝杠独立运动的误差，从而获得更高的狭缝开口精度，并可获得十几微米级别的狭缝。

Description

狭缝装置及四刀狭缝

技术领域

本发明涉及属于光学仪器领域，尤其涉及一种可用于各种中子散射谱仪系统，或其他的光谱仪器系统中要求狭缝宽度可高精度宽范围调整的狭缝装置及具有该狭缝装置的一种四刀狭缝。

背景技术

中子散射技术是在上个世纪四五十年代发展起来的，由于中子具有较强的穿透能力、一定的静止质量和不带电等特性，被人们用来研究物质中的原子位置和排列方式以及分子构型等，它的实验方法包括中子衍射、中子小角散射和中子反射等技术，作为一种研究工具，它的应用已涉足于物理、化学、化工、生物、地矿和材料科学等研究领域。

在中子散射实验中，需要通过几组水平和竖直设置的狭缝截取出具有高度准直性的中子束，通过分析散射前、后中子束的动量和能量变化来获取物质的微观结构和动力学信息。在这一过程中狭缝起到了非常重要的作用，狭缝开口范围一般要求从几十毫米到几十微米可调，狭缝刀片定位精度、狭缝开口精度以及刀片平行性要求很高。

现有技术中，宽度可调狭缝装置主要有以下几类：

1、使用一根两端旋向不同的丝杠同时带动左右刀片一起朝相反方向运动实现狭缝的宽窄调节。例如公开号为CN1967208A、申请人为北京光学仪器厂、名称为“新型狭缝装置”的中国发明专利申请，公开了一种狭缝装置，这种狭缝装置的狭缝开口范围较大，但主要缺点是：对于十几微米级别的狭缝开口很难控制，狭缝开口精度不高，且狭缝闭合的中心位置固定，不方便现场调节。

2、利用弹性铰链作为狭缝的传动机构实现狭缝宽度双向可调，例如公开号为CN101532876A、申请人为中国科学技术大学，名称为“缝宽可调节的小型精密狭缝装置”的中国发明专利申请所公开的狭缝装置，这种狭缝装置的狭缝开口精度较高，但是主要缺点是狭缝开口在毫米以下，开口范围太小，且不方便自动控制。

3、目前在国内外中子散射谱仪上使用较多的狭缝装置，主要通过使用两根独立的丝杠分别带动狭缝的两个刀片朝着相反的方向运动实现狭缝的宽窄调节。这种狭缝装置的狭缝开口范围较大，单个刀片的定位精度也很高，但是主要缺点是：两个独立的刀片运动系统，会导致两个刀片整体的定位精度降低，从而很难达到更高的狭缝开口精度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种狭缝装置，以解决现有技术狭缝装置在狭缝开口范围大时狭缝开口精度不高，在狭缝开口精度高时狭缝开口范围却又太小的问题。

本发明的另一目的，是提供一种具有本发明狭缝装置的四刀狭缝。

为达上述目的，本发明的一较广义实施例为提供一种狭缝装置，用于光谱仪器系统，所述狭缝装置包括：主体基板；第一滑台和第二滑台；分别设置于第一滑台和第二滑台的两相对内侧的第一狭缝刀片和第二狭缝刀片；用于驱动第一滑台相对于主体基板滑动的主驱动机构；固定连接于第一滑台，用于驱动第二滑台相对于主体基板滑动的副驱动机构。

本发明的四刀狭缝，包括水平设置和竖直设置的两狭缝装置，两狭缝装置为本发明的狭缝装置。

本发明的有益效果在于，本发明的狭缝装置，把下狭缝刀片的驱动机构与上滑台固定连接在一起，可以保证当主丝杠转动时上下狭缝刀片位置相对固定，并朝同一方向运动，之后再使用副丝杠带动下狭缝刀片靠近或远离上狭缝刀片来改变狭缝的大小，这样可以大大减小两根丝杠独立运动的误差，从而获得更高的狭缝开口精度，并可获得十几微米级别的狭缝；并且与单根丝杠带动狭缝的两个刀片开合的结构相比，这种结构的狭缝开口范围大，狭缝的中心位置可调，方便安装。本狭缝装置的宽度调节范围最小可达五十微米以下，最大可到几十毫米以上，狭缝开口精度可达4微米以下，满足实际应用的需求。

进一步的，部分实施例中，通过使用步进电机驱动丝杠转动，使用光栅尺测量刀片位置进行反馈控制，可以实现狭缝的自动控制，并获得更高精度的狭缝开口。

进一步的，部分实施例中，通过丝杠螺母、副螺母和压簧共同组成的张紧机构可以消除丝杠和丝杠螺母之间的间隙，保证狭缝开合精确。

进一步的，部分实施例中，上狭缝刀片和下狭缝刀片在垂直于主体基板的方向上错位布置，可以保证狭缝开口为零时上下狭缝刀片不碰撞。

附图说明

图1是本发明实施例的狭缝装置的主视图。

图2是本发明实施例的狭缝装置的右视图。

图3为本发明实施例的狭缝装置的仰视图。

图4和图5为本发明实施例的狭缝装置的等轴测视图。

图6为图1中的A-A剖视图。

图7为本发明实施例的四刀狭缝的主视图。

图8和图9为本发明实施例的四刀狭缝的等轴测视图。

图10为本发明实施例的四刀狭缝的俯视图。

图11和图12为本发明实施例的四刀狭缝的等轴测视图。

图13为本发明实施例的四刀狭缝的后视图。

图14-图23为本发明四刀狭缝的测试数据图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，然其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的四刀狭缝，可具有本发明各实施例的狭缝装置，即水平设置和竖直设置的狭缝装置均为本发明实施例的狭缝装置。

下面结合附图对本发明实施例的狭缝装置作详细说明，本实施例是以竖直设置的狭缝装置为例进行说明。在本实施例中，滑台和狭缝刀片均以上下进行区分，如果是在水平设置的狭缝装置中，则滑台和狭缝刀片则以左右进行区分。

如图1-图6所示，本发明实施例的狭缝装置，主要包括主体基板1、上滑台9、下滑台2、上狭缝刀片7、下狭缝刀片5、作为主驱动机构的主丝杠10和主丝杠螺母13、以及作为副驱动机构的副丝杠26和副丝杠螺母25。

如图1所示，主体基板1的一侧表面（面向上滑台9和下滑台2的一面）的两边对称固定连接两条直线导轨副6，左右两条直线导轨副6各具有两个滑块29，分别用于连接上滑台9和下滑台2。上滑台9的设置上狭缝刀片7的表面和下滑台2的设置下狭缝刀片5的表面共面并与主体基板1的设置直线导轨副6的表面平行。而主驱动机构和副驱动机构则分别设置于主体基板1的两侧。

上滑台9分别与左右两条直线导轨副6的在上的滑块29固定连接，因此上滑台9可以在与主体基板1的设置直线导轨副的表面平行的平面上沿着直线导轨副6来回做直线运动，上狭缝刀片7设置在上滑台9与下滑台2相对的一侧，如图4所示，上狭缝刀片7通过上刀片压板8与上滑台9固定相连。上刀片压板8内侧的上狭缝刀片7的后端设置有刀片基准板30，以便于上狭缝刀片7的安装定位。

下面再介绍一下驱动上滑台9的主驱动机构，其包括主丝杠10、主丝杠螺母13、主电机连接板15、轴承17、主电机法兰20和主电机21，主丝杠螺母13固定连接于上滑台9的一侧边，且设置主丝杠螺母13的侧边与设置上狭缝刀片7的侧边垂直，主丝杠10与直线导轨副6平行，主丝杠10的一端与主丝杠螺母13螺纹连接，主丝杠10与主电机法兰20通过一对轴承17相连，主电机法兰20通过主电机连接板15与主体基板1固定连接，主丝杠10的轴承安装端通过联轴器19与主电机21相连。

下滑台2分别与左右两条直线导轨副6的在下的滑块29固定连接，因此下滑台2也可以在与主体基板1设置导轨的平面平行的平面上沿着直线导轨副6来回做直线运动，在下滑台2与上滑台9相对的一侧边设置有下狭缝刀片5，下狭缝刀片5通过下刀片压板4与下滑台2固定连接，下狭缝刀片5的刀口与上狭缝刀片7的刀口平行并与直线导轨副6垂直。下狭缝刀片5与下滑台2之间垫设有刀片垫板40，以便于下狭缝刀片5的安装定位。

下面再介绍一下驱动下滑台2的副驱动机构，其包括副丝杠26、副丝杠螺母25、副电机法兰24、副电机连接板22、轴承17和副电机23，下滑台2一侧与副丝杠螺母25固定连接，副丝杠26与直线导轨副6平行，副丝杠26的一端与副丝杠螺母25螺纹连接，副丝杠26与副电机法兰24通过一对轴承17相连，副电机法兰24通过副电机连接板22与上滑台9固定连接，副丝杠26的轴承安装端通过联轴器19与副电机22相连。

如图1所示，主丝杠10和副丝杠26的轴承安装端设置有锁紧螺母18和轴承压板16以分别限制主丝杠10和副丝杠26的轴向和径向窜动。

主丝杠螺母13和副丝杠螺母25内均设置有副螺母11和压簧12组成张紧机构以消除丝杠和丝杠螺母之间的间隙。

如图2和图4所示，上滑台9和下滑台2均呈U形，在临近主丝杆10的一侧的上滑台9和下滑台2的U形弯折端面（与主体基板1的设置直线导轨副6的面平行的那一面）均粘有光栅尺27（如图2、图3和图5所示），主体基板1上固定连接有主读数头支架14，上滑台9上固定连接有副读数头支架3，主读数头支架14与副读数头支架3上均设置有光栅尺读数头28（如图5所示）。

如图4所示，上狭缝刀片7和下狭缝刀片5在垂直于主体基板1的方向上错位布置，狭缝闭合时上下狭缝刀片不会碰撞。

上狭缝刀片7和下狭缝刀片5由碳化硼材料制成，碳化硼材料可用于吸收中子。

下面再介绍本发明实施例的狭缝装置的具体调节过程：当主电机21转动时，主电机21通过联轴器19带动主丝杠10转动，通过主丝杠螺母13把旋转运动转化为直线运动，带动与主丝杠螺母13固定相连的上滑台9沿着直线导轨副6做直线运动，固定于上滑台9上的上狭缝刀片7也随着上滑台9做直线运动，通过设置于主读数头连接板14上的光栅尺读数头28实时读取位于上滑台9侧面的光栅尺27以获得上狭缝刀片7的位置，同时由于下狭缝刀片5的驱动机构与上滑台9固定相连，因此下狭缝刀片5和上狭缝刀片7的位置相对固定并同朝一个方向做直线运动；上狭缝刀片7找准位置后，主电机21停转，副电机23开始转动，副电机23通过联轴器19带动副丝杠26转动，通过副丝杠螺母25把旋转运动转化为直线运动，带动与丝杠螺母25固定相连的下滑台2沿着直线导轨副6做直线运动，固定于下滑台2上的下狭缝刀片5朝着上狭缝刀片7做直线运动，此时由上狭缝刀片7和下狭缝刀片5组成的狭缝宽度减小，当需要增大狭缝时，则副电机23反转并带动下狭缝刀片5朝着上狭缝刀片7的反方向运动，此时狭缝增大，通过设置于副读数头连接板3上的光栅尺读数头28实时读取位于下滑台2侧面的光栅尺27以获得下狭缝刀片5的位置，找准上下狭缝刀片位置后则可得到所需的狭缝开口位置和大小。

本发明狭缝装置尤其适用于中子散射谱仪系统。

本发明实施例的四刀狭缝，如图7-图13所示，其水平设置和竖直设置的狭缝装置均为本发明实施例的狭缝装置。图中指示了水平设置和竖直设置的狭缝装置的部分部件，其中水平设置的狭缝装置包括主体基板1’、左狭缝刀片7’、右狭缝刀片5’，而竖直设置的狭缝装置包括主体基板1、上狭缝刀片7、下狭缝刀片5。

上述的水平设置的狭缝装置和竖直设置的狭缝装置共同安装在一个花岗岩基座31上，其材质例如为花岗岩。在基座31上设置有两连接座32、35，连接座32、35分别通过螺栓33、34固定连接于基座31，而主体基板1’固定连接于连接座32，而主体基板1则固定连接于连接座35。

在安装好水平设置的狭缝装置和竖直设置的狭缝装置后，两者的刀片之间的距离大约为16mm，而两者的刀片压板之间的最小距离大约可为2mm。

如图7和图13所示，所需的四刀狭缝即由上狭缝刀片7、下狭缝刀片5、左狭缝刀片7’和右狭缝刀片5’共同组成的矩形区域。

以下介绍一个本发明实施例的四刀狭缝的测试报告的相关情况。

以下图14-图23的截图部分均为RENISHAW XL80激光干涉仪使用软件采集的原始数据，折线图均为使用原始数据为本项目应用所做的分析图表，其中横坐标单位为毫米，纵坐标单位为微米。

一、水平部分

图14为水平运动部分检测数据，图15为正向重复定位精度分析表，图16为负向重复定位精度分析表，图17为双向重复定位精度分析表，图18为水平方向的微步距检测数据。

由上述数据可知，水平运动部分在正方向单向及负方向单向的重复定位精度分别为0.47μm和0.36μm，双向全行程的重复定位精度为1.52μm（±0.76μm），符合应用要求。

微步距定位精度为0.4μm，且步距分明，符合应用要求。

二、垂直运动部分

图19为竖直运动部分检测数据，图20为正向重复定位精度分析表，图21为负向重复定位精度分析表，图22为双向重复定位精度分析表，图23为竖直方向的微步距检测数据。因为软件设置的问题，图23中的纵坐标单位为纳米。

以上数据表明，垂直运动部分在正向、反向重复精度分别为0.95μm和0.68μm，双向重复定位精度为1.23μm(±0.62μm)，符合应用要求。该部分正反向数据与双向数据差异不大，全行程一致性较好，同样也有检测手段带来的扭摆误差，但并不明显。

微步距重复定位精度为0.18μm，符合应用要求。

三、结论

通过上述数据可以看出，水平运动部分和垂直运动部分的重复定位精度均<±1μm，随机进行0.05mm微步距测试时无爬行现象，且精度都小于±0.5μm，检测结果符合应用要求。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种狭缝装置，用于光谱仪器系统，其特征在于，所述狭缝装置包括：

主体基板(1)；

第一滑台(9)和第二滑台(2)；

分别设置于第一滑台(9)和第二滑台(2)的两相对内侧的第一狭缝刀片(7)和第二狭缝刀片(5)；

用于驱动第一滑台(9)相对于主体基板(1)滑动的主驱动机构；

固定连接于第一滑台(9)，用于驱动第二滑台(2)相对于主体基板(1)滑动的副驱动机构；

其中，第一滑台(9)和第二滑台(2)共面并与主体基板(1)平行；主体基板(1)的面向第一滑台(9)和第二滑台(2)的一面的两边对称固定连接左右两条直线导轨副(6)，左右两条直线导轨副(6)各包含两个滑块(29)，第一滑台(9)分别与左右两条直线导轨副(6)的在上的滑块(29)固定连接以便第一滑台(9)能够在主体基板(1)的设置直线导轨副(6)的表面平行的平面上沿着直线导轨副(6)来回做直线运动，第二滑台(2)分别与左右两条直线导轨副(6)的在下的滑块(29)固定连接以便第二滑台(2)能够在主体基板(1)的设置直线导轨副(6)的表面平行的平面上沿着直线导轨副(6)来回做直线运动，第二狭缝刀片(5)的刀口与第一狭缝刀片(7)的刀口平行并与直线导轨副(6)垂直。

2.根据权利要求1所述的狭缝装置，其特征在于，所述主驱动机构包括主丝杠(10)、主丝杠螺母(13)、主电机连接板(15)、第一轴承、主电机法兰(20)和主电机(21)，第一滑台(9)一侧与主丝杠螺母(13)固定连接，主丝杠(10)与主丝杠螺母(13)螺纹连接，主丝杠(10)与主电机法兰(20)通过一对第一轴承相连，主电机法兰(20)通过主电机连接板(15)与主体基板(1)固定连接，主丝杠(10)的轴承安装端通过第一联轴器与主电机(21)相连；

所述副驱动机构包括副丝杠(26)、副丝杠螺母(25)、副电机法兰(24)、副电机连接板(22)、第二轴承(17)和副电机(23)，副丝杠(26)与副丝杠螺母(25)螺纹连接，副丝杠(26)与副电机法兰(24)通过一对第二轴承(17)相连，副电机法兰(24)通过副电机连接板(22)与第一滑台(9)固定连接，副丝杠(26)的轴承安装端通过第二联轴器与副电机(23)相连。

3.根据权利要求2所述的狭缝装置，其特征在于，主丝杠(10)和副丝杠(26)与直线导轨副(6)平行设置，且分别设置在主体基板(1)的两侧。

4.根据权利要求3所述的狭缝装置，其特征在于，主丝杠(10)和副丝杠(26)的轴承安装端均设置有锁紧螺母(18)和轴承压板(16)以分别限制主丝杠(10)和副丝杠(26)的轴向和径向窜动。

5.根据权利要求2所述的狭缝装置，其特征在于，主丝杠螺母(13)和副丝杠螺母(25)内均设置有副螺母(11)和压簧(12)组成的张紧机构以分别消除主丝杠(10)和主丝杠螺母(13)之间、副丝杠(26)和副丝杠螺母(25)之间的间隙。

6.根据权利要求2所述的狭缝装置，其特征在于，第一滑台(9)和第二滑台(2)的同一侧的与主体基板(1)平行的平面上都粘有光栅尺(27)，在与主体基板(1)固定连接的主读数头支架(14)和与第一滑台(9)固定连接的副读数头支架(3)上均设置有光栅尺读数头(28)，光栅尺读数头(28)实时读取光栅尺(27)以获得第一狭缝刀片(7)和第二狭缝刀片(5)的实时位置。

7.根据权利要求1所述的狭缝装置，其特征在于，第一狭缝刀片(7)和第二狭缝刀片(5)为碳化硼材料制成。

8.根据权利要求1所述的狭缝装置，其特征在于，第一狭缝刀片(7)和第二狭缝刀片(5)在垂直于主体基板(1)的方向上错位布置。

9.一种四刀狭缝，包括水平设置和竖直设置的两狭缝装置，所述狭缝装置为权利要求1-8任一所述的狭缝装置。