CN103424303B - 一种真空精密位移装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空精密位移装置，包括：底法兰(1)；顶法兰(2)；连接二法兰的波纹管(7)；用于安装顶法兰(2)的位移台(3)，顶法兰(2)能够相对位移台(3)平动；用于驱动顶法兰(2)的运动机构，其包括第一运动装置(5)和第二运动装置(6)。第一运动装置(5)能够使顶法兰(2)相对位移台(3)平动，第二运动装置(6)能够使位移台(3)相对底法兰(1)纵向运动。其中，第二运动装置(6)连接底法兰(1)与位移台(3)并且至少有两组，它们以大致均匀间隔的方式设置在底法兰(1)上，在使位移台(3)运动的同时支撑位移台(3)。这种位移装置具有结构简单，占用面积小，成本低，力学性能较好的特点。

Description

一种真空精密位移装置

技术领域

本发明涉及真空仪器，特别涉及一种真空精密位移装置。

背景技术

在某些特殊领域的科学研究和工业生产中，有时为了保证材料的纯度和排除外界的干扰，人们需要在真空环境下进行材料制备或者科学实验。这种真空条件通常是利用一个真空腔体和一组真空泵来实现并维持的。在真空腔体内部，样品通常被安装在一个专用的样品台上。借助这种样品台，人们可以通过离子溅射和高温退火对样品进行表面清洁清理，也可以使用蒸发源对样品进行蒸镀。同时，为了进行不同的测试，样品还需要在不同腔体内传递。这些操作都需要精确的对准样品，需要对真空腔内的样品位置进行精确的调节。

现有的真空内样品位置调节装置包括各种类型的位移台，例如中国实用新型专利CN201355324Y公开的“三维超高真空位移台”。这种位移装置具有X向位移台与Y向位移台，分别装有X向和Y向调整装置。该位移台还包括法兰盘，在法兰盘与X向位移台或Y向位移台之间装有Z向调整螺杆。这种位移台的支撑需要通过与法兰盘连接的其它机构实现。独立的支撑机构使得位移装置的整体结构变得复杂从而增加了生产成本，而且还让整个位移装置结构在纵向或Z向的投影面积较大，从而使得位移装置安装的占用空间较大。真空腔体的外表面尺寸是有限的，人们为进行生产或实验通常需要在真空腔体上安装多个仪器和装置。如果安装的占用空间过大，位移装置可能将无法安装在真空腔体上，或者导致其它仪器或装置无法安装，这对利用真空的生产或实验的进行造成很大不便。

另外，独立的支撑机构不利于位移装置的力学平衡。支撑机构与调整螺杆连接在位移台的不同位置，使得支撑力的作用点与调整螺杆产生的力的作用点相隔一定距离。在拧动调整螺杆进行调节时，位移台会因来自支撑力与调整螺杆产生的力的不同而产生翻转力矩。这不利于位移台在进行纵向或Z向运动时的平衡与稳定。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的真空精密位移装置，该装置在驱动位移台纵向或Z向运动时能够同时起到支撑和驱动的功能，具有结构简单，成本低，占用空间小及力学特性好的优点。

为实现上述目的，本发明的构思是提供一种真空精密位移装置，包括：安装在真空腔上的底法兰；顶法兰；连接底法兰与顶法兰的波纹管，波纹管的轴线方向定义为纵向方向；用于安装顶法兰的位移台，顶法兰能够相对位移台平动；以及用于驱动顶法兰运动的运动机构。运动机构包括第一运动装置和第二运动装置，第一运动装置能够使顶法兰相对位移台平动，第二运动装置能够使位移台相对底法兰发生纵向运动。其中，第二运动装置连接底法兰与位移台。真空精密位移装置包括至少两组第二运动装置，它们以大致均匀间隔的方式设置在底法兰上，并且在使位移台运动的同时支撑位移台。

根据本发明的一个方案，这种真空精密位移装置的第二运动装置包含螺纹运动装置。螺纹运动装置包括分别具有相互配合的内螺纹件和外螺纹件。内螺纹件和外螺纹件其中一方与位移台连接，而另一方与底法兰连接。通过螺纹配合，第二运动装置在位移台相对底法兰运动的同时可以对位移台进行支撑。

根据本发明的一个方案，这种真空精密位移装置的内螺纹件包括固定连接底法兰上并具有螺纹孔的支撑杆，而外螺纹件包括可转动地连接位移台并与螺纹孔配合的螺杆。并且，位移台和底法兰在侧面分别具有相应的安装至少两组第二运动装置的凸台和凸块。支撑杆在一端固定连接在凸块上，并在另一端具有螺纹孔。螺杆可旋转不可滑动地连接在位移台的凸台上。第二运动装置上具有能够指示位移距离的刻度。

根据本发明的另一个方案，这种真空精密位移装置的内螺纹件包括固定连接到位移台并具有螺纹孔的固定套筒，外螺纹件包括可转动地连接底法兰并与螺纹孔配合的螺杆。并且，位移台和底法兰在侧面分别具有相应的安装至少两组第二运动装置的凸台和凸块。固定套筒固定在凸台上。螺杆一端连接凸块并穿过凸台与固定套筒中的螺纹孔配合。第二运动装置上具有能够指示位移距离的刻度。

优选地，这种真空精密位移装置上的第二运动装置的刻度精确至0.01毫米。这有利于极大地提高纵向的位移调整精度。

根据本发明的一个方案，这种真空精密位移装置还包括连接位移台和底法兰、并能够引导位移台相对底法兰的纵向运动的导向杆。导向杆除能够进行引导外，还可以抵消位移台的翻转力矩，有利于进一步改善位移装置的力学特性，进一步实现纵向运动的平衡与稳定。可选地，这种真空精密位移装置可以包括两组第二运动装置和两根导向杆，它们均匀交替间隔地设置在底法兰上。

根据本发明的一个方案，这种真空精密位移装置的底法兰在侧面具有四个中心对称分布的凸块，其中两个对置的凸块分别用于连接两组第二运动装置，其余两个凸块分别用于连接两根导向杆。

通过采用以上方案，根据本发明的真空精密位移装置具有如下技术效果：

通过大致均匀间隔设置的至少两组第二运动装置实现了位移台在底法兰上的支撑，同时实现了位移台相对于底法兰的纵向位移，取消了独立的支撑机构。这在很大程度上简化了真空位移装置的结构，使真空位移装置的结构更加紧凑，有利于节省安装所占面积，便于在真空腔内进行生产和实验。

每组第二运动装置在驱动位移台运动的同时支撑该位移台，使得驱动时的作用力与支撑力作用在位移台上的同一点，避免了可能因驱动作用力与支撑力的不同而产生的翻转力矩，改善了位移装置的力学性能，有利于调节的稳定与顺畅。

通过刻度指示纵向位移，特别是通过高精度的刻度指示纵向位移，更有利于控制样品在真空中的位置从而有利于开展有关的生产和实验。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明一实施例的真空精密位移装置的立体图。

图2是图1示出的真空精密位移装置的底法兰的俯视图。

具体实施方式

本发明总体上提供一种真空精密位移装置，包括：安装在真空腔上的底法兰1；顶法兰2；连接底法兰1与顶法兰2的波纹管7，波纹管7的轴线方向定义为纵向方向；用于安装顶法兰2的位移台3，顶法兰2能够相对位移台3平动；用于驱动顶法兰2运动的运动机构。运动机构包括第一运动装置5和第二运动装置6，第一运动装置5能够使顶法兰2相对位移台3平动，第二运动装置6能够使位移台3相对底法兰1发生纵向运动。其中，第二运动装置6连接底法兰1与位移台3。真空精密位移装置包括至少两组第二运动装置6，它们以大致均匀间隔的方式设置在底法兰1上，并且在使位移台3运动的同时支撑位移台3。

图1示出了本发明的一个具体实施例。在本实施例中，底法兰1大致呈圆形板状，顶法兰2大致呈长方形板状。底法兰1中部有开口(见图2)，通过该开口与真空腔(未示出)连通。顶法兰2中部可以设有观察窗，以便人们观察真空侧样品的形态和位置。顶法兰2和底法兰1分别与波纹管7的一端固定连接，例如通过焊接的方式固定连接。因此，在波纹管7内部得以维持真空状态。该底法兰1和顶法兰2优选由刀口法兰制成，特别优选地由超高真空刀口法兰制成。可以理解的是，底法兰1和顶法兰2也可以由其它能够维持真空环境的法兰制成。定义波纹管的轴向方向为纵向，即图中的竖直方向。

在本实施例中，位移台3大致呈长方体，横向尺寸大于顶法兰2。顶法兰2安装在位移台3上侧，并与位移台3通过两个直线导轨4滑动配合。可选地，两个直线导轨4分别设置与位移台3上部贴靠顶法兰2的两条对置的边框内侧，顶法兰2在分别与两条边框贴靠的两个侧面设有与该直线导轨4配合的导向键，以使顶法兰2相对位移台2沿一个横向方向来回移动。其它类型的设置，例如位移台3的边框上设置引导键，顶法兰2在对应位置设置引导槽，以及其它类型的能够使顶法兰2相对位移台3滑动的装置也是可能的。

在本实施例中，人们通过操纵第一运动装置5驱动顶法兰2相对位移台3滑动，该第一运动装置2由设于位移台3和顶法兰2滑动方向上的一侧的微分头构成。该微分头例如包括固定套筒，即图中直径较细的部分，该固定套筒固定在位移台3边缘向上延伸出的挡块上。该微分头例如还包括螺杆，该螺杆的端面与位移台3通过例如轴套(不可见)连接，螺杆在轴套中转动的同时推动顶法兰2发生位移。该微分头例如还包括活动套筒，即图中微分头直径最粗的部分，其与螺杆固定连接，从而能够操纵螺杆转动。固定套筒与螺杆之间通过螺纹配合，旋动该微分头的活动套筒，螺杆可以向固定套筒外伸出或向固定套筒内缩进，从而推动顶法兰2相对位移台3发生给定距离和方向的横向位移。

该螺纹的螺距优选为0.5mm，从而活动套筒或螺杆每转动一周即沿轴向相对固定套筒移动0.5mm。另外，固定套筒上可以具有直线刻度，活动套筒上可以具有周向的微分刻度，微分刻度优选为50个，从而使活动套筒每转动一个微分刻度，即每转动360°/50，螺杆轴向移动0.5m/50=0.01mm，即该第一运动装置5的刻度精确至0.01毫米。

可以理解的是，刻度及螺距的设置并不限于此。例如螺杆与固定套筒配合螺纹的螺距可以为1mm，微分刻度可以具有25个，此时每转动一个微分刻度螺杆轴向移动1mm/25=0.04mm，此时该第一运动装置5的刻度精确至0.04mm。另外，活动套筒可以不设微分刻度，仅凭借直线刻度指示位移，例如精确至1毫米的直线刻度。直线刻度除设置在固定套筒上以外，还可以设置在螺杆上。

另外，需要注意的是，尽管本具体实施例示出的第一运动装置5只能沿一个横向方向推动顶法兰2，但是本发明的位移装置还包括可以在两组相互垂直的横向方向上调节顶法兰2运动的第一运动装置5。例如通过在位移台3与顶法兰2之间加装一个次位移台，使位移台3与次位移台之间能够通过一组第一运动装置5实现一个横向方向的相对移动，而次位移台与顶法兰2之间能够通过另一组第一运动装置5实现另一个垂直的横向方向的相对移动。

在本实施例中，长方形的位移台3的两个对角上各具有一个凸台13，底法兰1在纵向与该凸台13对齐的位置分别具有一个凸块14。两组第二运动装置6分别连接该两对凸台13和凸块14，从而驱动位移台3相对底法兰1进行纵向运动。并且，由于第二运动装置6关于位移台3对称设置，所以该第二运动装置6可以在驱动位移台3的同时起支撑作用，因而使本发明不需要其它的支撑机构来对位移台3或顶法兰2进行支撑或者辅助支撑。可以理解的是，除了这种对称设置，第二运动装置6其它大致均匀间隔的设置也是可能的，例如三组第二运动装置6均匀分布在底法兰的周向上，形成等边三角形的支撑面来支撑位移台3。

在本实施例中，凸块14与凸台13中分别设有共轴的安装孔。第二运动装置6分别通过底法兰1和位移台3各自的安装孔对二者进行连接。第二运动装置6优选为螺纹运动机构，该螺纹运动机构包含内螺纹件和外螺纹件。在本实施例中，外螺纹件由螺杆12构成。螺杆12直接延伸至位移台1上的凸台13处，与凸台13中的安装孔(见图2)连接，并且螺杆12可在凸台13中转动而不可滑动。实现这一可转动不可滑动的连接的方式可以是，在螺杆上设置凸缘，并在安装孔内的相应位置设置与该凸缘配合的环槽的方式，或者通过轴承连接的方式。内螺纹件由支撑杆9构成。支撑杆9下端固定在凸块14中的安装孔内，固定方式可以是焊接、螺纹连接、热胀冷缩连接等，上端具有螺纹孔。螺杆12穿过凸台13中的安装孔与支撑杆9上的螺纹孔连接，使螺杆12的外螺纹与支撑杆9的螺纹孔配合。

在螺杆12与支撑杆9的连接处可以设置刻度，该刻度的设置方式与第一运动装置5的刻度相似。例如在螺杆12上设置直线刻度，在支撑杆9上设置微分刻度，从而使纵向位移的调节精确至例如0.01毫米。

借此，人们可以同时转动两组第二运动装置6的螺杆12使螺杆12沿该支撑杆9上升或下降，从而带动位移台3上升或下降。只要两组第二运动装置6的螺杆12转动角度大致相同，就能使位移台3平稳地上升或下降。

根据本发明的一个可选方案，第二运动装置6可以由微分头构成，即外螺纹件可以由该微分头的螺杆构成，而内螺纹件由该微分头的固定套筒构成。固定套筒通过螺钉固定在凸台13上。螺杆固定连接套设于固定套筒外的活动套筒。螺杆的自由端穿过凸台13连接凸块14，连接方式可以是通过轴套相对于底法兰1可转动不可移动地连接。该第二运动装置6的微分头的其它特征与第一运动装置5微分头的相应特征相同，同样也可以精确至例如0.01毫米。

在本实施例中，位移台3长方形的另外两个对角上设有沿纵向延伸的导向孔10。优选地，在该两个对角位置处安装直线轴承，由该直线轴承孔构成导向孔10。导向杆8穿设于导向孔10中并与其滑动配合，该导向杆8优选由例如表面经过光滑处理的光轴制成。导向杆8的一端与底法兰1上的凸块14固定连接，固定方式可以是螺纹、铆接或者热胀冷缩连接。借此，通过导向杆8的引导，位移台3运动的方向更加准确。并且，导向杆8还能起到抵消位移台3翻转力矩的作用。

如图2所示，图1中实施例的底法兰1具有周向上间隔的四个凸块14。通过该图可以直观地看出，由于多个第二运动装置6的大致均匀间隔的设置，使得底法兰1的底面积只相对于普通的圆盘形的法兰多出凸块14部分的底面积。因而根据本发明的精密位移装置在安装后不会占用大面积的真空腔外壁，进而减小了位移装置的占用空间。

在本实施例中，该底法兰1上的四个凸块大致形成了矩形的四个顶点。从图中右上角的凸块14开始，分别沿顺时针的周向方向将该四个凸块定义为第一凸块14a、第二凸块14b、第三凸块14c和第四凸块14d。其中，第一凸块14a与第三凸块14c分别连接两根导向杆8，第二凸块14b与第四凸块14d分别连接两组第二运动装置6。四个凸块14所形成的矩形的中点与底法兰1上开口的中点大致重合，而底法兰1的开口中点与位移台3的重心在横向上基本重合。因此，无论是两根导向杆8引导位移台3运动时产生的作用力，还是两组第二运动装置6驱动和支撑位移台3时产生的作用力，都能大致经过位移台3的重心。这有利于实现稳定、平衡的驱动和支撑。

尽管以上对本发明的具体实施例的结构、特征和位置作出了详细描述，但是这些描述仅能够起解释说明本发明的作用，不得被解释为限制本发明。本领域普通技术人员在本发明的精神下对本发明做出的任何显而易见的改进和变化都是可能的，并且这些改进和变化都没有超出本发明的保护范围。本发明的保护范围仅由所附权利要求书确定。

Claims (10)

1.一种真空精密位移装置，包括：安装在真空腔上的底法兰(1)；顶法兰(2)；连接所述底法兰(1)与所述顶法兰(2)的波纹管(7)，所述波纹管(7)的轴线方向定义为纵向方向；用于安装所述顶法兰(2)的位移台(3)，所述顶法兰(2)能够相对所述位移台(3)平动；以及用于驱动所述顶法兰(2)运动的运动机构，所述运动机构包括第一运动装置(5)和第二运动装置(6)，所述第一运动装置(5)能够使所述顶法兰(2)相对所述位移台(3)平动，所述第二运动装置(6)能够使所述位移台(3)相对所述底法兰(1)发生纵向运动，其特征是，所述第二运动装置(6)连接所述底法兰(1)与所述位移台(3)，所述真空精密位移装置包括至少两组所述第二运动装置(6)，它们以均匀间隔的方式设置在所述底法兰(1)上，所述至少两组第二运动装置(6)在使所述位移台(3)运动的同时支撑所述位移台(3)。

2.根据权利要求1所述的真空精密位移装置，其特征是，所述第二运动装置(6)包含螺纹运动装置，所述螺纹运动装置包括分别具有相互配合的内螺纹件和外螺纹件，所述内螺纹件和所述外螺纹件其中一方与所述位移台(3)连接而另一方与所述底法兰(1)连接。

3.根据权利要求2所述的真空精密位移装置，其特征是，所述内螺纹件包括固定连接所述底法兰(1)并具有螺纹孔的支撑杆(9)，所述外螺纹件包括可转动地连接所述位移台(3)并与所述螺纹孔配合的螺杆(12)。

4.根据权利要求3所述的真空精密位移装置，其特征是，所述位移台(3)和所述底法兰(1)在侧面分别具有相应的安装所述至少两组所述第二运动装置(6)的凸台(13)和凸块(14)，所述支撑杆(9)在一端固定连接在所述凸块(14)上并在另一端具有所述螺纹孔，所述螺杆(12)可旋转不可滑动地连接在所述位移台(3)的凸台(13)上，所述第二运动装置(6)上具有能够指示位移距离的刻度。

5.根据权利要求2所述的真空精密位移装置，其特征是，所述内螺纹件包括固定连接到所述位移台(3)并具有螺纹孔的固定套筒，所述外螺纹件包括可转动地连接所述底法兰(1)并与所述螺纹孔配合的螺杆。

6.根据权利要求5所述的真空精密位移装置，其特征是，所述位移台(3)和所述底法兰(1)在侧面分别具有相应的安装所述至少两组所述第二运动装置(6)的凸台(13)和凸块(14)，所述固定套筒固定在所述凸台(13)上，所述螺杆一端连接所述凸块(14)并穿过所述凸台(13)与所述固定套筒中的螺纹孔配合，所述第二运动装置(6)上具有能够指示位移距离的刻度。

7.根据权利要求4或6所述的真空精密位移装置，其特征是，所述刻度精确至0.01毫米。

8.根据权利要求1所述的真空精密位移装置，其特征是，所述真空精密位移装置还包括连接所述位移台(3)和所述底法兰(1)并能够引导所述位移台(3)相对所述底法兰(1)的纵向运动的导向杆(8)。

9.根据权利要求8所述的真空精密位移装置，其特征是，所述真空精密位移装置包括两组所述第二运动装置(6)和两根所述导向杆(8)均匀交替间隔地设置在所述底法兰(1)上。

10.根据权利要求9所述的真空精密位移装置，其特征是，所述底法兰(1)在侧面具有四个中心对称分布的凸块(14)，其中两个对置的所述凸块(14)分别用于连接所述两组第二运动装置(6)，其余两个凸块(14)分别用于连接所述两根导向杆(8)。