CN112466594B - 一种电控矢量磁场装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密致动技术领域，具体而言，涉及电控矢量磁场装置及其安装方法。包括样品台，样品台上设置有样品托；磁场控制机构，所述磁场控制机构包括移动部件和驱动所述移动部件做精密直线运动的驱动部件，所述移动部件的端部装载有永磁体，所述永磁体运动方向和极化方向的延长线正交于样品托中心。本发明通过磁场控制机构控制永磁体在一个方向上的精密致动，精确控制永磁体靠近或者远离样品托上的样品，从而实现精确控制样品的磁场强度。本发明的电控矢量磁场装置结构紧凑，制动精度高，磁场调控范围大。

Description

一种电控矢量磁场装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及精密致动技术领域，具体而言，涉及精密电控矢量磁场调节装置及其安装方法。

背景技术

精密致动是指控制负载沿着指定方向实现纳米级精度运动的技术，一般包括线性致动和转动两种。该技术在精密表面表征，光学定位调整，微纳米加工等领域得到了广泛应用。对于研究电磁场下的表面科学性质，一套集成在扫描探针显微系统扫描探头内部的磁场控制装置就极为必要。一方面，我们需要实现磁场强度和方向的连续精确调控；另一方面，装置本身必须足够紧凑坚固，以适应高抗震性扫描探针系统的基本要求。

现有室温大气下的磁场调控装置一般采用永磁体转台或者线性平推的方式。目前现存的商业化精密运动控制台体积较大，结构复杂，抗震性较差，无法兼容显微扫描探头内部的有限空间，且无法满足扫描探针技术的高抗震性要求，极大的限制了电磁场环境下的表面科学研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电控矢量磁场装置及其安装方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一方面，本申请实施例中提供了一种电控矢量磁场装置，包括：样品台、扫描探头和磁场控制机构；所述样品台上设置有样品托；所述扫描探头设置在所述样品托的上方；所述磁场控制机构包括移动部件和驱动所述移动部件做直线运动的驱动部件，所述移动部件的端部设置有永磁体，所述永磁体极化方向和运动方向的延长线正交于样品托中心。

可选地，所述磁场控制机构包括M个，M为大于0的整数，每个磁场控制机构均与样品台形成35.4度夹角。

可选地，所述磁场控制机构包括3个，且两相邻的磁场控制机构在样品台上正投影之间的夹角为120度。

可选地，所述磁场控制机构还包括固定部件，所述固定部件包括第一平面，所述第一平面包括并行设置的第一安装平面和第二安装平面；所述固定部件还包括第三安装平面，所述第三安装平面设置于第一安装平面和第二安装平面之间，且所述第三安装平面与第一平面之间形成35.4度夹角。

可选地，所述第一安装平面和第二安装平面上均设置有用于与外部框架相连的螺纹孔；所述第三安装平面上设置有用于与驱动部件相连的螺纹孔，所述固定部件通过第三安装平面与驱动部件相连。

可选地，所述驱动部件包括托槽，所述托槽的截面为梯形；所述托槽内设置有负载棱柱，所述负载棱柱与托槽之间设置有压电陶瓷堆垛，所述压电陶瓷堆垛一端与托槽固定连接，另一端与负载棱柱紧密贴合。

可选地，所述托槽包括第六安装平面，所述第六安装平面的两端分别设置有第七安装平面和第八安装平面，所述第七安装平面的两端分别设置有第六安装平面和第一延拓面，所述第一延拓面的端部设置有第四安装平面；所述第八安装平面的两端分别设置有第六安装平面和第二延拓面，所述第二延拓面的端部设置有第五安装平面，所述第一延拓面和第二延拓面互相平行，且所述第一延拓面和第二延拓面在空间上均与第六安装平面垂直；所述负载棱柱的外侧设置有第九安装平面、第十安装平面和第十一安装平面；所述第九安装平面的外侧粘接设置有第一蓝宝石片，所述第十安装平面的外侧粘接设置有第二蓝宝石片，所述第十一安装平面外侧粘接设置有第三蓝宝石片；所述第八安装平面和第一蓝宝石片之间设置有第三压电陶瓷堆垛组，所述第七安装平面与第二蓝宝石片之间设置有第一压电陶瓷堆垛组，所述第四安装平面和第五安装平面之间设置有弹性件，所述弹性件一端与第四安装平面相连，另一端与第五安装平面相连；所述弹性件与第三蓝宝石片之间设置有第二压电陶瓷堆垛组。

可选地，所述弹性件包括两个互相平行的第一弹性件和第二弹性件；所述第二压电陶瓷堆垛组一端固定在第一弹性件上，另一端固定在第二弹性件上；所述第一压电陶瓷堆垛组、第二压电陶瓷堆垛组和第三压电陶瓷堆垛组中，均包括两个极化方向平行的压电陶瓷堆垛，且每个所述压电陶瓷堆垛的两端均设置有蓝宝石片。

可选地，所述第六安装平面上设置有第一接线台；所述第七安装平面上设置有第二接线台；所述第八安装平面上设置有第三接线台。

另一方面，本申请实施例中提供了一种电控矢量磁场装置安装方法，该方法包括：将第一压电陶瓷堆垛组通过绝缘胶固定在第七安装平面内侧；将第三压电陶瓷堆垛组通过绝缘胶固定在第八安装平面内侧；将第一蓝宝石片通过绝缘胶固定在第九安装平面，将第二蓝宝石片通过绝缘胶固定在第十安装平面，将第三蓝宝石片通过绝缘胶固定在第十一安装平面；将第一蓝宝石片与第三压电陶瓷堆垛组贴合，将第二蓝宝石片与第一压电陶瓷堆垛组贴合，将第二压电陶瓷堆垛组与第三蓝宝石片贴合，并用螺栓通过改变第一弹性件和第二弹性件的形变程度调节第一压电陶瓷堆垛组与第二蓝宝石片之间的压力、第二压电陶瓷堆垛组与第三蓝宝石片之间的压力以及第三压电陶瓷堆垛组与第一蓝宝石片之间的压力；将带针脚的第一接线台通过螺栓固定到第六安装平面的外侧；将带针脚的第二接线台通过螺栓固定到第七安装平面的外侧；将带针脚的第三接线台通过螺栓固定到第八安装平面的外侧；将固定部件10通过螺栓与托槽相连，通过固定部件的第一安装平面和第二安装平面将电控矢量磁场装置与外部框架固定。

本发明的有益效果为：

本发明通过磁场控制机构控制永磁体在一个方向上的精密制动，精确控制永磁体靠近或者远离样品放置部中的样品，从而实现精确控制样品的磁场强度。本发明的电控矢量磁场装置结构紧凑，制动精度高，移动范围大。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中所述的一种电控矢量磁场装置安装结构示意图；

图2为本发明实施例中所述的磁场控制机构结构示意图；

图3为本发明实施例中所述的磁场控制机构另一方向的结构示意图；

图4为本发明实施例中所述的磁场控制机构主视示意图；

图5为本发明实施例中所述的磁场控制机构仰视示意图；

图6为本发明实施例中所述的锯齿形电压波形图。

图中标记：1、磁场控制机构；2、样品台；3、样品托；10、固定部件；20、驱动部件；30、移动部件；101、第一安装平面；102、第二安装平面；103、第三安装平面；201、第一弹性件；202、第一压电陶瓷堆垛组；203、第二压电陶瓷堆垛组；204、第三压电陶瓷堆垛组；205、第二弹性件；206、第四安装平面；207、第五安装平面；209、第一接线台；210、第二接线台；211、第三接线台；212、第六安装平面；213、第七安装平面；214、第八安装平面；215、托槽；301、负载棱柱；302、永磁体；303、第九安装平面；304、第十安装平面；305、第十一安装平面；306、第一蓝宝石片；307、第二蓝宝石片；308、第三蓝宝石片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一方面，如图1至图5所示，本实施例提供了一种电控矢量磁场装置，该装置包括样品台2、扫描探头和磁场控制机构1，所述样品台2上设置有样品托3；所述扫描探头设置在所述样品托3的上方；所述磁场控制机构1包括移动部件30和驱动所述移动部件30做直线运动的驱动部件20，所述移动部件30的端部设置有永磁体302，所述永磁体302极化方向和运动方向的延长线正交于所述样品托3中心。

具体的，所述样品台2与地面平行，所述样品托3设置在样品台2的中心，样品托3内可以放置样品。通过驱动部件20可以驱动永磁体302靠近或者远离样品托3中的样品，从而实现精确控制永磁体302与样品的距离，进而实现精确控制样品的磁场强度。

可选地，如图1所示，磁场控制机构1包括3个，每个磁场控制机构1均与样品台2形成35.4度夹角，且两相邻的磁场控制机构1在样品台2上正投影之间的夹角为120度。

通过三个磁场控制机构1在三个不同方向上的组合，在样品的周围形成强度和方向均可调节的矢量磁场区域。紧凑的电机设计可以内置在扫描探针系统的极有限空间内，有效降低整个磁场装置的体积，同时保证了永磁体302的移动范围，提高了磁场调节的量程、准确度和可操作性。

可选地，磁场控制机构1还包括固定部件10，所述固定部件10包括第一平面，所述第一平面包括并行设置的第一安装平面101和第二安装平面102；所述固定部件10还包括第三安装平面103，所述第三安装平面103设置于第一安装平面101和第二安装平面102之间，且所述第三安装平面103与第一平面之间形成35.4度夹角。

可选地，所述第一安装平面101和第二安装平面102上均设置有与外部框架相连的螺纹孔；所述第三安装平面103上设置有用于与驱动部件20相连的螺纹孔，所述固定部件10通过第三安装平面103与驱动部件20相连。

具体地，第一平面与样品台2互相平行，第一安装平面101和第二安装平面102上均设置有通孔或者螺纹孔，可以通过螺栓将磁场控制机构1与外部框架固定。外部框架与第一平面相连接的地方为与样品台2互相平行的安装平面。

可选地，所述驱动部件20包括托槽215，所述托槽215的截面为梯形；所述托槽215内设置有负载棱柱301，所述负载棱柱301与托槽215之间设置有压电陶瓷堆垛，所述压电陶瓷堆垛一端与托槽215固定连接，另一端与负载棱柱301紧密贴合。

可选地，所述托槽215包括第六安装平面212，所述第六安装平面212的两端分别设置有第七安装平面213和第八安装平面214，所述第七安装平面213的两端分别设置有第六安装平面和第一延拓面，所述第一延拓面的端部设置有第四安装平面206；所述第八安装平面214的两端分别设置有第六安装平面和第二延拓面，所述第二延拓面的端部设置有第五安装平面207，所述第一延拓面和第二延拓面互相平行，且所述第一延拓面和第二延拓面在空间上均与第六安装平面212垂直；所述负载棱柱301的外侧设置有第九安装平面303、第十安装平面304和第十一安装平面305；所述第九安装平面303的外侧粘接设置有第一蓝宝石片306，所述第十安装平面304的外侧粘接设置有第二蓝宝石片307，所述第十一安装平面305外侧粘接设置有第三蓝宝石片308；所述第八安装平面214和第一蓝宝石片306之间设置有第三压电陶瓷堆垛组204，所述第七安装平面213与第二蓝宝石片307之间设置有第一压电陶瓷堆垛组202；所述第四安装平面206和第五安装平面207之间设置有弹性件，所述弹性件一端与第四安装平面206相连，另一端与第五安装平面207相连；所述弹性件与第三蓝宝石片308之间设置有第二压电陶瓷堆垛组203。

可选地，所述弹性件包括两个互相平行的第一弹性件201和第二弹性件205；所述第二压电陶瓷堆垛组203一端固定在第一弹性件201上，另一端固定在第二弹性件205上；所述第一压电陶瓷堆垛组202、第二压电陶瓷堆垛组203和第三压电陶瓷堆垛组204中，均包括两个极化方向平行的压电陶瓷堆垛；每个压电陶瓷堆垛均包括4片交错排列的压电陶瓷片，且所述第一压电陶瓷堆垛组202、第二压电陶瓷堆垛组203和第三压电陶瓷堆垛组204的两端均设置有蓝宝石片。

可选地，所述第六安装平面212上设置有第一接线台209；所述第七安装平面213上设置有第二接线台210；所述第八安装平面214上设置有第三接线台211。

具体的，第一接线台209、第二接线台210和第三接线台211上均设置有两个正负极针脚。

本实施例中所述的电控矢量磁场装置工作过程如下：

如图6所示，对所有压电陶瓷堆垛同时加上一个锯齿形电压型信号，该锯齿形电压的上升沿非常陡峭，驱动部件20中的压电陶瓷堆垛会快速响应发生一个切向形变，此时压电陶瓷堆垛与移动部件30之间有相对移动；相对的该锯齿形电压信号的下降沿比较缓慢，驱动部件20中的压电陶瓷堆垛会慢慢恢复至原来的形状，从而使得其通过摩檫力带动移动部件30中的刚性负载棱柱301相对于原来位置在导轨方向，如图4中的A1方向上有一个微小的相对位移约几十纳米。从而整个过程之后，移动部件30就沿着A1方向向前移动了一步。不断地重复上述过程，实现移动部件30的连续步进移动。

另一方面，本实施例提供了一种电控矢量磁场装置安装方法，该方法包括步骤S100、步骤S200、步骤S300、步骤S400和步骤S500。

步骤S100.将第一压电陶瓷堆垛组202通过绝缘胶固定在第七安装平面213内侧；将第三压电陶瓷堆垛组204通过绝缘胶固定在第八安装平面214内侧；

步骤S200.将第一蓝宝石片306通过绝缘胶固定在第九安装平面303，将第二蓝宝石片307通过绝缘胶固定在第十安装平面304，将第三蓝宝石片308通过绝缘胶固定在第十一安装平面305；

步骤S300.将第一蓝宝石片306与第三压电陶瓷堆垛组204贴合，将第二蓝宝石片307与第一压电陶瓷堆垛组202贴合，将第二压电陶瓷堆垛组203与第三蓝宝石片308贴合，并用螺栓通过改变第一弹性件201和第二弹性件205的形变程度调节第一压电陶瓷堆垛组202与第二蓝宝石片307之间的压力、第二压电陶瓷堆垛组203与第三蓝宝石片308之间的压力以及第三压电陶瓷堆垛组204与第一蓝宝石片306之间的压力；

步骤S400.将带针脚的第一接线台209通过螺栓固定到第六安装平面212的外侧；将带针脚的第二接线台210通过螺栓固定到第七安装平面213的外侧；将带针脚的第三接线台211通过螺栓固定到第八安装平面214的外侧；

步骤S500.将固定部件10通过螺栓与托槽215相连，通过固定部件10的第一安装平面101和第二安装平面102将电控矢量磁场装置与外部框架相连。

本发明实施例提供的电控矢量磁场装置安装方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述装置实施例中相应内容。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电控矢量磁场装置，其特征在于，包括：

样品台(2)，所述样品台(2)上设置有样品托(3)；

扫描探头，所述扫描探头设置在所述样品托(3)的上方；以及

磁场控制机构(1)，所述磁场控制机构(1)包括移动部件(30)和驱动所述移动部件(30)做直线运动的驱动部件(20)，所述移动部件(30)的端部设置有永磁体(302)，所述永磁体(302)极化方向和运动方向的延长线正交于所述样品托(3)中心；

所述驱动部件(20)包括托槽(215)，所述托槽(215)的截面为梯形；所述托槽(215)内设置有负载棱柱(301)，所述负载棱柱(301)与托槽(215)之间设置有压电陶瓷堆垛，所述压电陶瓷堆垛一端与托槽(215)固定连接，另一端与负载棱柱(301)紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述磁场控制机构(1)包括M个，M为大于0的整数，每个磁场控制机构(1)均与样品台(2)形成35.4度夹角。

3.根据权利要求2所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述磁场控制机构(1)包括3个，且两相邻的磁场控制机构(1)在样品台(2)上正投影之间的夹角为120度。

4.根据权利要求1所述的电控矢量磁场装置，其特征在于:所述磁场控制机构(1)还包括固定部件(10)，所述固定部件(10)包括第一平面，所述第一平面包括并行设置的第一安装平面(101)和第二安装平面(102)；所述固定部件(10)还包括第三安装平面(103)，所述第三安装平面(103)设置于第一安装平面(101)和第二安装平面(102)之间，且所述第三安装平面(103)与第一平面之间形成35.4度夹角。

5.根据权利要求4所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述第一安装平面(101)和第二安装平面(102)上均设置有用于与外部框架相连的螺纹孔；所述第三安装平面(103)上设置有用于与驱动部件(20)相连的螺纹孔，所述固定部件(10)通过第三安装平面(103)与驱动部件(20)相连。

6.根据权利要求1所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述托槽(215)包括第六安装平面(212)，所述第六安装平面(212)的两端分别设置有第七安装平面(213)和第八安装平面(214)；所述第七安装平面(213)的两端分别设置有第六安装平面和第一延拓面，所述第一延拓面的端部设置有第四安装平面(206)；所述第八安装平面(214)的两端分别设置有第六安装平面和第二延拓面，所述第二延拓面的端部设置有第五安装平面(207)，所述第一延拓面和第二延拓面互相平行，且所述第一延拓面和第二延拓面在空间上均与第六安装平面(212)垂直；所述负载棱柱(301)的外侧设置有第九安装平面(303)、第十安装平面(304)和第十一安装平面(305)；所述第九安装平面(303)的外侧粘接设置有第一蓝宝石片(306)，所述第十安装平面(304)的外侧粘接设置有第二蓝宝石片(307)，所述第十一安装平面(305)外侧粘接设置有第三蓝宝石片(308)；所述第八安装平面(214)和第一蓝宝石片(306)之间设置有第三压电陶瓷堆垛组(204)，所述第七安装平面(213)与第二蓝宝石片(307)之间设置有第一压电陶瓷堆垛组(202)；所述第四安装平面(206)和第五安装平面(207)之间设置有弹性件，所述弹性件一端与第四安装平面(206)相连，另一端与第五安装平面(207)相连；所述弹性件与第三蓝宝石片(308)之间设置有第二压电陶瓷堆垛组(203)。

7.根据权利要求6所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述弹性件包括两个互相平行的第一弹性件(201)和第二弹性件(205)；所述第二压电陶瓷堆垛组(203)一端固定在第一弹性件(201)上，另一端固定在第二弹性件(205)上；所述第一压电陶瓷堆垛组(202)、第二压电陶瓷堆垛组(203)和第三压电陶瓷堆垛组(204)中，均包括两个极化方向平行的压电陶瓷堆垛，且每个所述压电陶瓷堆垛的两端均设置有蓝宝石片。

8.根据权利要求6所述的电控矢量磁场装置，其特征在于：所述第六安装平面(212)上设置有第一接线台(209)；所述第七安装平面(213)上设置有第二接线台(210)；所述第八安装平面(214)上设置有第三接线台(211)。

9.一种权利要求1-8中任意一项所述的电控矢量磁场装置安装方法，其特征在于，包括：

将第一压电陶瓷堆垛组(202)通过绝缘胶固定在第七安装平面(213)内侧；将第三压电陶瓷堆垛组(204)通过绝缘胶固定在第八安装平面(214)内侧；

将第一蓝宝石片(306)通过绝缘胶固定在第九安装平面(303)，将第二蓝宝石片(307)通过绝缘胶固定在第十安装平面(304)，将第三蓝宝石片(308)通过绝缘胶固定在第十一安装平面(305)；

将第一蓝宝石片(306)与第三压电陶瓷堆垛组(204)贴合，将第二蓝宝石片(307)与第一压电陶瓷堆垛组(202)贴合，将第二压电陶瓷堆垛组(203)与第三蓝宝石片(308)贴合，并用螺栓通过改变第一弹性件(201)和第二弹性件(205)的形变程度调节第一压电陶瓷堆垛组(202)与第二蓝宝石片(307)之间的压力、第二压电陶瓷堆垛组(203)与第三蓝宝石片(308)之间的压力以及第三压电陶瓷堆垛组(204)与第一蓝宝石片(306)之间的压力；

将带针脚的第一接线台(209)通过螺栓固定到第六安装平面(212)的外侧；将带针脚的第二接线台(210)通过螺栓固定到第七安装平面(213)的外侧；将带针脚的第三接线台(211)通过螺栓固定到第八安装平面(214)的外侧；

将固定部件10通过螺栓与托槽(215)相连，通过固定部件(10)的第一安装平面(101)和第二安装平面(102)将电控矢量磁场装置与外部框架固定。

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