CN103996417A - 真空系统兼容的同轴精密线性推进装置 - Google Patents

Abstract

一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，包括：一波纹管和一波纹管的同轴线性驱动组件；该波纹管的同轴线性驱动组件包含一左旋驱动件、一连接件、以及一右旋驱动件，该连接件的两端分别连接该左旋驱动件以及该右旋驱动件，该左旋驱动件、该连接件以及该右旋驱动件均为中空式结构，且形成一容置空间，该波纹管设置在该容置空间内，且该波纹管的两端分别固定在该左旋驱动件和该右旋驱动件上。

Description

真空系统兼容的同轴精密线性推进装置

技术领域

本发明涉及一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，尤其适用于电子束蒸发源（EBE）、电子加热式蒸发源、可移动式样品台以及真空内光学聚焦调节等需要进行真空精密线性推进操作的系统。

背景技术

“真空”是指低于一个大气压的气体状态，气压越低真空度越高。在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其它粒子之间的相互碰撞也随之减少。这些特点被广泛应用于科研、生产的许多部门中。例如：加速器，电子器件，大规模集成电路，热核反应，空间环境模拟，真空冶炼，食品包装等。

另外，在真空环境中，样品表面吸附了很少的分子，能够使样品长时间处于比较干净的状态，对于研究样品表面的物理、化学、生物等性质非常关键。在真空环境下，对样品进行生长、制备、表征和物性测量等操作所构成的真空系统越来越多的广泛应用于物理、化学、材料、半导体和生命科学等各个研究领域。

在真空系统中，不可避免的要对样品进行线性推进、角度旋转等机械操作，目前多数真空系统兼容的线性推进装置功能比较单一，不能提供真空导入功能。而唯一一种同时提供线性推进和真空导入功能的，是John T.Yates,Jr在1997年编纂的图书《Experimental Innovations in Surface Science：AGuide to Practical Laboratory Methods andInstruments》P27所介绍的装置。但是由于偏轴驱动的设计，使得线性推进过程中施力不均匀，线性推进精度偏低，并且对安装角度有一定的要求，特别在空间比较有限的地方的应用就受到了限制，从而在使用效果和安装的方便性上大大折扣。

发明内容

针对上述真空系统兼容的线性推进装置存在的问题，本发明提供一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，包括：一波纹管和一波纹管的同轴线性驱动组件；该波纹管的同轴线性驱动组件包含一左旋驱动件、一连接件、以及一右旋驱动件，该连接件的两端分别连接该左旋驱动件以及该右旋驱动件，该左旋驱动件、该连接件以及该右旋驱动件均为中空式结构，且形成一容置空间，该波纹管设置在该容置空间内，且该波纹管的两端分别固定在该左旋驱动件和该右旋驱动件上。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该连接件设置在该左旋驱动件以及该右旋驱动件的外侧。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该连接件设置在该左旋驱动件以及该右旋驱动件的内侧。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该左旋驱动件外壁含有一左旋外螺纹，该右旋驱动件外壁含有一右旋外螺纹，在该连接件一端内侧含有一左旋内螺纹，另一端内侧含有一右旋内螺纹。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该左旋驱动件外壁含有一左旋外凹槽，该右旋驱动件外壁含有一右旋外凹槽，在该连接件一端内侧含有一左旋内凹槽，另一端内侧含有一右旋内凹槽，该左旋外凹槽与该左旋内凹槽之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠；该右旋外凹槽与该右旋内凹槽之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该波纹管与该左旋驱动件通过多个固定点固定，该多个固定点均匀的分布在一个圆周上；该波纹管与该右旋驱动件通过多个固定点固定，这些固定点均匀的分布在一个圆周上。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该左旋驱动件与该右旋驱动件两者以相同的步调相对连接件旋转。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该左旋内螺纹、该右旋内螺纹、该左旋外螺纹以及该右旋外螺纹均采用精密螺纹副。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中在该左旋驱动件和右旋驱动件的外壁上设有一推进刻度；该连接件外侧圆周设有n等分刻度，n为大于1的整数。

上述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其中该左旋驱动件及该右旋驱动件上设有法兰盘，且该法兰盘通过多个螺钉固定在该左旋驱动件和该右旋驱动件上。

本发明实现了线性推进和真空导入两种功能，由于整体圆周对称的设计使得波纹管受力均匀，从而可以实现平稳的线性推进，刻度尺以及连接件等分圆周的设计可以可控的实现微米量级的线性推进从而使得线性推进精度得到了极大的提高。另外整体圆周对称的设计在安装过程中没有任何角度要求，从而极大地增加了使用的方便性，波纹管通过外面的同轴驱动组件保护，能有效地防止空气中的粉尘、颗粒破坏，延长了使用寿命。因此，本发明将会在电子束蒸发源（EBE）、离子枪、可移动式样品台以及其他需要进行真空精密线性推进操作的系统中发挥重要作用。

附图说明

图1A是本发明一实施例中真空系统兼容的同轴精密线性推进装置的正视图；

图1B是沿图1a正视图的中心得到的剖面图；

图1C是本发明一实施例中真空系统兼容的同轴精密线性推进装置的侧视图；

图2A、2B为线性驱动组件的工作原理图；

图3为本发明一实施例中真空系统兼容的同轴精密线性推进装置剖面示意图；

图4为一个真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于电子束加热蒸发源的简易示意图；

图5为一个真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于蒸发源、闸板阀联合系统的示意图；

图6为一个真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于真空内凸透镜调焦的示意图。

其中，附图标记：

1      左旋驱动件  11、41  螺钉

12、42 法兰盘      13      左旋外螺纹

2      连接件      21      左旋内螺纹

22     右旋内螺纹  3       波纹管

4      右旋驱动件  43      右旋外螺纹

5      容置空间    6       法兰孔

7      推进刻度    8       n等分刻度

3a     左旋外凹槽  3b      右旋外凹槽

3c     滚珠        3d      左旋内凹槽

3e     右旋内凹槽                          4a      高压真空导入接口

4b     真空系统兼容的同轴精密线性推进装置；

4c     转接口                              4d      高压杆

4e     金属源棒                            4f      热屏蔽罩

4g     发射热电子的灯丝                    4h      挡板

5a     真空腔体                            5b      闸板阀；

5c     旁抽法兰接口

5d     真空系统兼容的同轴精密线性推进装置的一种较大型号版本

5e     蒸发源

5f     真空系统兼容的同轴精密线性推进装置的一种小型号版本

6a     玻璃观察窗

6b     本发明真空系统兼容的同轴精密线性推进装置

6c     光线导向管                          6d      凸透镜

6e     凸透镜的焦点                        6f      样品

具体实施方式

为使本领域技术人员能够更清楚的理解本发明，特举以下实施例进行说明。实施例1

请参照图1A-图2B，图1A为真空系统兼容的同轴精密线性推进装置的正视图。图1B是沿图1a正视图的中心得到的剖面图。该真空系统兼容的同轴精密线性推进装置包括：波纹管3和波纹管3的同轴线性驱动组件。该波纹管的同轴线性驱动组件包括左旋驱动件1、连接件2、右旋驱动件4。波纹管3即可以实现线性推进功能，又可以在其中心实现真空导入。基于真空导入为本领域的公知技术，这里不再赘述。该连接件2的两端分别连接该左旋驱动件1以及该右旋驱动件4。该左旋驱动件1、该连接件2以及该右旋驱动件4均为中空式结构，形成一容置空间5，且该波纹管3设置在该容置空间5中。且该连接件设置在该左旋驱动件以及该右旋驱动件的外围。该波纹管3的两端分别固定在该左旋驱动件1和该右旋驱动件4上。

该左旋驱动件1外壁含有一左旋外螺纹13，右旋驱动件4外壁含有一右旋外螺纹43，连接件2一端内侧含有一左旋内螺纹21，另一端内侧含有一右旋内螺纹22。这种左旋右旋螺纹的结合，保证了该连接件2沿一个方向旋转时，该左旋驱动件1与该右旋驱动件4的相对距离缩短，如图2A所示。反之，该连接件2沿相反方向旋转时，左旋驱动件1右旋驱动件4的相对距离伸长，如图2B所示。这样由于该波纹管3与该同轴线性驱动组件同步线性移动，当固定住波纹管3的一端时，另外一端就可以实现线性的伸长、收缩功能。

该波纹管3与该左旋驱动件1通过多个固定点固定，该多个固定点均匀的分布在一个圆周上；该波纹管3与该右旋驱动件4通过多个固定点固定，这些固定点均匀的分布在一个圆周上。这样可以保证该波纹管3均匀受力，线性推进平稳前进。另外，同轴驱动组件在外面包裹着波纹管3，能够很好的保护波纹管3免受外界意外的机械撞击的损伤，还能防止空气中的粉尘、颗粒破坏，从而提高了使用稳定性，延长了使用寿命。

为了更好的实现左旋驱动件1、右旋驱动件4之间发生线性相对移动的功能，较佳的，可以使该左旋驱动件1、该右旋驱动件4两者之间不发生相对转动，保证两者以相同的步调相对连接件2旋转。

为了可控的实现高精度的线性推进，首先，左旋螺纹、右旋螺纹均采用精密螺纹副，保证该连接件2旋转一周时，该左旋驱动件1、右旋驱动件4相对距离精确地变化一定的值（比如1mm）。其次，在左旋驱动件1、右旋驱动件4的外壁面切出一个平面来做上刻度7，另外将该连接件2的外侧圆周10等分或者100等分或是n等分，n为大于1的整数，从而控制实现微米量级的线性推进。

在本实施例中，可以在该左旋驱动件1上安装法兰盘12，在该右旋驱动件4上安装法兰盘42。通过螺钉11、22使该法兰盘11、42固定在该左旋驱动件1和该右旋驱动件4上。其中螺钉数量可由实际需要而定。

同时本实施例的最佳方案为该连接件2的内侧左半部分为该左旋内螺纹21，右半部分为该右旋内螺纹22.但是本申请并不仅限于此，该连接件2内侧的该左旋内螺纹21与该右旋内螺纹22的分布情况，可以根据实际情况所决定。

在本实施例中，该连接件2设置在该左旋驱动件1以及该右旋驱动件4的外围。但是根据本领域技术人员可知，该连接件2也可以设置在该左旋驱动件1以及该右旋驱动件4的内侧。而且如果该连接件2也可以设置在该左旋驱动件1以及该右旋驱动件4的内侧时，相关内外螺纹的设置也需要相应的调整。

实施例2：

图3为本申请又一实施例的示意图。在本实施例中，仅有部分与实施例1不同。在此只描述不同部分，其余相同部分不再赘述。

其不同部分为：如图3所示，该左旋驱动件1外壁含有一左旋外凹槽3a。该右旋驱动件4外壁含有一右旋外凹槽3b。该连接件2一端内侧含有一左旋内凹槽3d，另一端内侧含有一右旋内凹槽3e。该左旋外凹槽3a与该左旋内凹槽3d之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠3c，使得该左旋外凹槽3a与该左旋内凹槽3d能够通过这些滚珠3c在通道内的滚动而相对转动，从而使得该左旋驱动件1向左或向右线性移动；该右旋外凹槽3b与该右旋内凹槽3e之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠3c，使得该右旋外凹槽3b与该右旋内凹槽3e能够通过这些滚珠3c在通道内的滚动而相对转动，从而使得该右旋驱动件4向左或向右线性移动。这种左旋右旋凹槽与滚珠的结合，保证了连接件2沿一个方向旋转时，左旋驱动件1和右旋驱动件4的相对距离缩短。反之，连接件2沿相反方向旋转时，左旋驱动件1右旋驱动件4的相对距离伸长。当我们固定住波纹管3的一端时，另外一端就可以实现线性的伸长、收缩功能。这样的本实施例中的该左旋驱动件1与该右旋驱动件4的结构与实施例1中相比的优点在于，将螺纹间的滑动摩擦转化为滚珠的滚动摩擦。在达到了更稳定，更精密的同时，也增加了部件的使用寿命。

虽然本发明中该左旋驱动件1、该连接件2、该右旋驱动件4之间，仅公开了如实施例1、2中的相互工作的方式，但是任何本领域技术人员可知，只要能够通过上述三个工作组件来实现线性推进的方法，均包含在本发明所要求的保护范围之内。

实施例3：

本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以应用于电子束加热蒸发源。如图4所示为真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于电子束加热蒸发源的简易示意图，其中4a为SHV高压真空导入接口；4b为本发明一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置；4c为转接口，主要是为电子束加热蒸发源其他功能提供接入口；4d为高压杆，将高压导入到金属源棒，并起到支撑金属源棒的作用；4e为要蒸发的金属源棒；4f为热屏蔽罩，一般配有水冷系统保证蒸发过程不会使周围环境温度升高；4g为发射热电子的灯丝；4h为挡板。在电子束加热蒸发源工作过程中，中间金属源棒4e带正高压，灯丝4g接地，灯丝4g发射的热电子通过高压加速撞击中间的金属源棒4e，从而使金属源棒4e升温实现金属源的蒸发。随着中间金属源棒4e的消耗，金属源棒4e与灯丝4g之间的距离变大，发射电流变小，蒸发过程逐渐变弱。为了维持稳定的蒸发束流，必须将中间的金属源棒4e继续向前推进，保证有充足的发射电流将能量注入金属源棒4e。因此，对于电子束加热蒸发源系统，中心金属源棒4e线性推进功能是必不可少的。本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置很好的满足了这个要求，整体圆周对称的设计施力均匀使推进过程平稳进行，对安装角度没有要求。线性推进距离的控制可以达到微米量级的精度，相信会在电子束加热蒸发源系统得到广发的应用。

实施例4：

本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以应用于蒸发源、闸板阀联合系统。如图5所示为真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于蒸发源、闸板阀联合系统的示意图。其中5a为真空腔体，里面可以进行样品制备、表征；5b为闸板阀；5c为旁抽法兰接口；5d为蒸发源，可以是电子束加热蒸发源、电阻加热式蒸发源，热辐射蒸发源等；5e为本发明真空系统兼容的同轴精密线性推进装置。这种联合系统与单一的蒸发源直接接在真空腔上相比，在更换、维修蒸发源5e的时候会更加方便。只需要将蒸发源5d从真空腔5a里移出，关闭闸板阀5b，就可以更换、维修蒸发源5d。当新的蒸发源5d换上之后，首先通过旁抽法兰接口5c对蒸发源5d进行抽真空、烘烤，待达到真空状态时再打开插板阀5b，将蒸发源5d插入真空腔内进行样品制备过程。因此可以看出要发挥这种联合系统的优势，蒸发源一定范围的线性移动是必不可少的。本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置很好的满足了这个要求，整体圆周对称的设计施力均匀使推进过程平稳进行，对安装角度没有要求。可以很好地实现将蒸发源插入和抽出真空腔的功能，并能够精确调节蒸发源前端到样品的距离，从而可以更加方便的制备各种所需要的样品。

当然通过与本实施例类似的配置，本发明一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以实现样品台、样品处理、表征仪器的线性推进功能，特别是需要精确控制移动距离的地方，会表现出更多的优势。

实施例5：

本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以应用于真空腔内凸透镜的调焦。如图6所示为真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于真空内凸透镜调焦的示意图。在实际过程中，由于凸透镜6d、附属结构件6c，6f的加工误差，凸透镜的焦点很难正好处于样品6f表面仪器可以深入观察的区域，因此在实验过程中，凸透镜与样品之间沿着凸透镜主光轴方向的距离的微调是必不可少的。另外，大多数表面观测手段只是探测样品表面很小的一块区域的物理、化学、生物等性质，因此对凸透镜与样品之间距离的调控精度有很高的要求。本发明的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以很好地实现调节凸透镜和样品之间距离的功能，并且可以控制实现微米量级的线性推进，相信会在真空透镜调焦方面发挥重要作用。

当然在本实施例中，我们考虑的是入射光经过凸透镜汇聚在样品表面的例子。同样的装置也可以用来收集样品表面发出的光线，通过凸透镜转化成平行光导出到光探测器上。另外也可以将凸透镜换为其他光学器件，如半透玻璃，棱镜，凹透镜，偏振片等。

虽然本申请仅仅举了实施例3、4、5来说明实施例中的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置应用于实际需求的例子，但是任何本领域技术人员可知，该真空系统兼容的同轴精密线性推进装置可以应用于任何有精密线性推进需求的装置之上。同时在本申请中，实施例3、4、5均是使用实施例1中的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，但是实施例3、4、5也同样可以使用实施例2中所描述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置。即任何有精密线性推进需求的装置均可使用实施例2中所描述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置。

Claims (10)

1.一种真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，包括：一波纹管和一波纹管的同轴线性驱动组件；该波纹管的同轴线性驱动组件包含一左旋驱动件、一连接件、以及一右旋驱动件，该连接件的两端分别连接该左旋驱动件以及该右旋驱动件，该左旋驱动件、该连接件以及该右旋驱动件均为中空式结构，且形成一容置空间，该波纹管设置在该容置空间内，且该波纹管的两端分别固定在该左旋驱动件和该右旋驱动件上。

2.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该连接件设置在该左旋驱动件以及该右旋驱动件的外侧。

3.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于该连接件设置在该左旋驱动件以及该右旋驱动件的内侧。

4.根据权利要求2所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该左旋驱动件外壁含有一左旋外螺纹，该右旋驱动件外壁含有一右旋外螺纹，在该连接件一端内侧含有一左旋内螺纹，另一端内侧含有一右旋内螺纹。

5.根据权利要求2所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该左旋驱动件外壁含有一左旋外凹槽，该右旋驱动件外壁含有一右旋外凹槽，在该连接件一端内侧含有一左旋内凹槽，另一端内侧含有一右旋内凹槽，该左旋外凹槽与该左旋内凹槽之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠；该右旋外凹槽与该右旋内凹槽之间正好可以形成一通道，在该通道中配有多个滚珠。

6.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该波纹管与该左旋驱动件通过多个固定点固定，该多个固定点均匀的分布在一个圆周上；该波纹管与该右旋驱动件通过多个固定点固定，这些固定点均匀的分布在一个圆周上。

7.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该左旋驱动件与该右旋驱动件两者以相同的步调相对连接件旋转。

8.根据权利要求2所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该左旋内螺纹、该右旋内螺纹、该左旋外螺纹以及该右旋外螺纹均采用精密螺纹副。

9.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，在该左旋驱动件和右旋驱动件的外壁上设有一推进刻度；该连接件外侧圆周设有n等分刻度，n为大于1的整数。

10.根据权利要求1所述的真空系统兼容的同轴精密线性推进装置，其特征在于，该左旋驱动件及该右旋驱动件上设有法兰盘，且该法兰盘通过多个螺钉固定在该左旋驱动件和该右旋驱动件上。