CN2089208U

CN2089208U - 一种新型的扫描隧道显微镜体

Info

Publication number: CN2089208U
Application number: CN 91214028
Authority: CN
Inventors: 舒启清; 王云良; 郑小林
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 1990-12-29
Filing date: 1990-12-29
Publication date: 1991-11-20

Abstract

一种新型的扫描隧道显微镜体，其微调采用差动压缩弹簧，多级齿轮减速和二级调速步进电机驱动电路，提高了调节精度。隔振除采用弹簧悬挂式平台外，还采用了排斥性磁阻尼，增强了抗外界振动干扰的能力。试样支承采用了移动式结构，增大了被测试样的移动范围。它能在空气和液体环境中工作，因此可在机械、电子和生物工程等领域中作为微位移机构使用。

Description

本实用新型是一种新型的扫描隧道显微镜体，它属于一种测量表面形貌电子装置。

现有的一种扫描隧道显微镜是由通过三个球支点结合在一起的上、下两块园块组成。两块园块用两根拉伸弹簧固定，带探针的压电陶瓷管安装在上园块上，试样安装在下园块上，探针与试样的间距用螺杆改变球支点的高度来实现。两个球支点用作进给粗调节，第三个球支点用作进给细调节，细调节螺杆由电机驱动，当探针与试样间一出现隧道电流，电机自动停止。这种扫描隧道显微镜探针试样的间隔调节精度低，镜体抗振能力差，被测试样移动范围小，因而限制了它的使用。

本实用新型的目的在于针对上述不足，研制了一种间隔调节精度高，被测试样的移动范围大，抗外界振动干扰能力强的扫描隧道显微镜体。

图1为本实用新型的结构装配图。

图2是图1所示扫描隧道显微镜体沿A－A线剖视图。

图3为本实用新型的二级调速电机驱动原理图。

在图1和图2中，1为基座，2为磁阻尼器，3为限位开关，4为微进给传动齿轮，5为微进传动螺杆，6为微进给螺母座，7为可动托环，8为差动弹簧组，9为微进给滑动支承，10为顶杆支承钢球，11为悬吊立柱，12为可调悬吊弹簧支承，13为立柱紧定环，14为屏蔽铝罩，15为压电陶瓷固定板，16为压电陶瓷管，17为试样，18为可换试样固定板，19为试样支承，20为试样固定基础板，21为尼龙连结立柱，22为探针试样间隙粗调旋纽，23为尼龙柱固定钢圈，24为齿轮组固定座，25为多级减速齿轮组，26为步进电机，27为电机固定圈，28为电机固定基础板，29为O型密封圈。

在图3中，30为时基电路，31为环形分配器，32为功率放大电路。

为了提高探针与试样间的间隙的调节精度，其微调结构是在原来杠杆减速的基础上，再采用差动压缩弹簧8，多级减速齿轮组25和二级调速步进电机驱动电路；为了增强抗外界振动干扰的能力，隔振采用弹簧悬吊平台和排斥性磁组尼器2；为了增加被测试样的移动范围，试样支承19用移动式结构。微调机构是通过步进电机26启动后带动总减速比为1：15－50的多级减速齿轮组25减速后，由微进给传动齿轮4，带动微进传动螺杆5在微进给螺母座6内低速旋转，使倔强系数不同的差动压缩弹簧8受压缩，微进给滑动支承9上升，使位于微进给滑动支承9上的一颗钢球10向上顶压电陶瓷固定板15孔内的垫块。由于微进给支承9上的钢球心位于两个探针试样间隙粗调旋纽22上的钢球心连线的垂直平分线上，此时压电陶瓷固定板15以试样固定基础板的探针试样间隙粗调旋纽22上对称分布的两颗钢球为支点缓慢上升。与此同时，分布在压电陶瓷固定板15上的3个孔内的连接压缩弹簧受弹力的作用，减缓压电陶瓷固定板15上升。当微进传动螺杆5反转下降时，压电陶瓷固定板15绕上述支点下降。为了控制微进传动螺杆5的上升与下降行程，在微进给传动齿轮4下面的限位器座板上面安装了限位开关3。微进传动螺杆5的一端端部安装在微进给传动齿轮4中心轴线通孔内，并使其端面伸出孔外，于是它能与限位开关接触。微进给传动齿轮4通过螺钉固定在传动螺杆5上。微进给传动齿轮4沿纵向轴线加工成两段：第一段为齿轮，与多级减速齿轮组的低速齿轮啮合；另一段为柱形，在柱形表面沿径向方向钻一螺纹孔与沿中心轴线的通孔相通。微进传动螺杆5的外表面沿同一轴线加工成三段：第一段为柱形，其端部表面有一螺纹孔，用于固定微进给传动齿轮4；第二段是能在微进给螺母座6内旋转运动的螺纹段；第三段为支托钢球段，沿其端面中心线有一支托钢球的锥形孔，钢球的球心应高出锥形孔的端面3－5mm。微进给螺母座6与试样固定基础板20用螺纹连接。微进给螺母座6沿纵向同一中心线为一通孔。孔内壁的一部分为螺纹段，用来与微进传动螺杆5配合。在微进给螺母座6的孔内，依次装微进传动螺杆的支托钢球段、钢球、差动压缩弹簧中的微动弹簧8的弹簧座、一个差动压缩弹簧8和微进给滑动支承9。微进给螺母座6的外表面沿纵向中心线分成四段：第一段为螺纹段，与试样固定基础板20连接；第二段表面为柱形，该段的一部分装入试样固定基础板20的孔内；第三段和第四段表面均为柱形。第二段的外形尺寸应比第一段的外形尺寸大，第三段的外形尺寸应比第二段的外形尺寸大。在第四段的端部用螺钉固定有一微动螺栓座帽。微进给滑动支承9加工成两段柱形：在第一段柱形端面的中心线上有一锥形孔用于支托钢球10；第二段柱形装在差动弹簧组8中的一个根弹簧上。支托压电陶瓷固定板15的钢球10为三颗，分布在直径为90mm的园周上。微进给滑动支承9上的那颗钢球与另外两颗钢球所夹园心角均为131°，从而使得微进给滑动支承上的钢球心与另外两颗钢球心连线的距离与探针尖到该连线距离之比为40：1。三个圈数和直径均相同的连接压缩弹簧，分别装入压电陶瓷固定板15的三个阶梯形通孔内，再用螺钉穿过弹簧和弹簧下面的通孔，与试样固定基础板20上相对应的螺纹孔连接。压电陶瓷固定板15上的三个装弹簧的阶梯形通孔和试样固定基础板20上与之相对应的三个螺纹通孔分别同心，分布在以二板的中心为园心，直径为130mm的园周上，它们所夹园心角与三颗钢球所夹园心角相等且每颗钢球心和与之相邻的弹簧孔的中心连线在同一条径向线上。试样固定基础板20以其中心为园心，直径为90mm的园周上，加工三个螺纹孔，分别与微镜给螺母座6和两个探针试样间隙粗调旋纽相配合。步进电机驱动电路由时基电路30，环形分配器31，功率放大电路32组成。控制电机转速的时基电路是一个两级可调的电频率振荡器，它由集成块CD4060的1－7脚和13－15脚组成10档可供选择的频率输出，同时调节82K电位器还可改变每档频率的值。与环行分配器连接的开关用于改变电机旋转方向。

镜体的隔振除采用由3根悬吊立柱11和3根可调弹簧所组成的平台以外，还采用了三对互成120°圆心角的磁阻尼器。每对磁阻尼器由极性相同的两块排斥磁体组成。每对磁阻尼器中一块装入盒中，安装在基座1上，另一块装入盒中对应地安装在悬吊平台的电机固定基础板28上。

在压电陶瓷固定板15上，沿两个探针试样间隙粗调旋纽22上的钢球支点连线平分线方向，加工一以该垂直平分线为对称轴且过板中心的方形槽，在方形槽靠板边缘一侧的对称轴上再加工一个梯形的孔，安装压电陶瓷管16。与上述压电陶瓷固定板15上的的方形槽相对应，在试样固定基础板20上加工一个与上述方形槽同方位的另一个方形槽，在该槽与压电陶瓷固定板上的压电陶瓷管16对应位置上加工一阶梯形的通孔，用于固定试样支承滑座，并在其上安装能调整试样位置的试样支承19，在试样支承上安装可换试样固定板18，试样17置于可换试样固定板18上，以达到增加被测试样移动范围的目的。

选择一台最大静转矩为0.8Kg－cm，步矩为1.5°／3°常州微电机厂生产的步进电机26，多级减速齿轮组25共3对其总减速比约为1：16，3对齿轮的模数均为0.5，齿数分别为Z₁＝17，Z₂＝42，Z₃＝17，Z₄＝42，Z₅＝17，Z₆＝45；微进传动螺杆5总长为100mm，杆上部直径为11mm。螺纹段为M10×0.5，杆下部的直径为8mm，差动弹簧和连接压簧的簧丝直径均为1.2mm，弹簧外径分别为10.8mm和9.4mm，差动弹簧的有效圈数为10圈，连接压簧为12圈；微进给滑动支承9的高度为15mm，上段圆柱高度为12mm，两段直径分别为11mm，8.2mm；微进给螺母座长为80，外形最大直径为48mm，内螺纹为M10×0.5，外螺纹为M24×1；每对磁阻尼器采用两块极性相同、直径均为16mm的圆柱形磁铁组成；压电陶瓷固定板15下表面的方形槽和试样固定基础板20的方形槽宽度为40mm；三颗钢球10的直径为11.5mm；并按图1、图2和图3的位置结构，制作的新型扫描隧道显微镜体微位移精度是：当差动弹簧组8的传动位移比为3：1，步进电机26步进3°时，探针与试样间的距离缩小约100A（即10^－8cm）。

本实用新型的微调采用了差动压缩弹簧，多级齿轮减速，二级调速步进电机驱动电路；隔振采用弹簧悬挂式平台和排斥性磁阻尼；试样支承采用了可移动式结构。它具有调节间距精度高，抗振能力强和被测试样移动范围大的特点，可以在机械、电子和生物工程等领域中作为微位移机构使用。

Claims

1、一种新型的扫描隧道显微镜体，是由粗调装置，微调装置，隔振装置，试样支撑装置及二级调速驱动电路组成，其特征在于微调机构是通过由时基电路30，环行分配器31，功率放大电路32组成二级调速电机驱动电路以控制步进电机转速，带动总减速比为1∶15-50的多级减速齿轮组25减速后使微进传动螺杆5在微进给螺母座6内旋转，差动压缩弹簧8受压缩，微进给滑动支承9上升，位于微进给滑动支承9锥形孔上的一个钢球10顶着压电陶瓷固定板15上的垫块，以试样固定基础板20的探针试样间隙粗调旋纽上对称分布的两颗钢球10为支点，支点连线两侧的支臂比为40∶1，从而使压电陶瓷固定板15缓慢上升或下降；在微进给传动齿轮4的下面，限位器座板上面安装了限位开关3，限制微进传动螺杆5的行程；三对互成120°园心角且每对极性相同的磁阻尼器2分别安装在基痤1和悬吊平台的电机固定基础板28上；在压电陶瓷固定板15上，沿两个探针试样间隙粗调旋纽22上的钢球支点连线的垂直平分线方向，加工一以该垂直平分线为对称轴且过板中心的方形槽，槽内有一孔用于安装压电陶瓷管；在试样固定基础板20上与上述方形槽相对应的位置有另一方形槽，在槽内与压电陶瓷固定板上的压电陶瓷管16对应位置上加工一阶梯形通孔，安装试样支承装置。

2、根据权利要求所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于微进给传动齿轮4沿其中心轴线加工一通孔，其外表面加工成两段；一段为齿轮，另一段为柱形，在该柱形表面沿经向方向钻一螺纹孔。

3、根据权利要求1所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于微进传动螺杆5的外表面沿同一轴线加工成三段；第一段为柱形，其端部表面有一螺纹孔，第二段为螺纹段，第三段为支托钢球段，其端面为一锥形孔。

4、根据权利要求1所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于微进给螺母座6沿纵向同一中心线为一通孔，其中一部分为与微进传动螺杆5配合的螺纹孔；另外，其外表面沿同一纵向中心线为四段：第一段为螺纹，第二、第三和第四段为不同尺寸的柱形。

5、根据权利要求1所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于在试样固定基础板20上，在以板中心为园心，直径为90mm和130mm的两个园周上各加工三个螺孔，其中小园周上的螺孔为通孔，分别与微进给螺母座6和两个探针试样间隙粗调旋纽22相配合，而大园周上的螺孔与压电陶瓷固定板15穿过的三根固定压缩弹簧的螺杆相配合；大小园周上的各三个螺孔分别成对，位于这两个同心园的同一半径上；一个方形槽位于其中的两条这样的半径夹角的正中间；方形槽上有一梯形孔，安装试样支承装置。

6、根据权利要求1所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于压电陶瓷固定板15，在以板中心为园心，直径为90mm和130mm的两个园周上，各，加工三个梯形孔，其中小园周上的孔分别安装三个钢球10的支承，大园周上的孔分别安装压缩弹簧，这六个梯形孔与试样固定基础板20上的六个螺孔一一对应；其下表面上的方形槽与试样固定基础板20上的方形槽相对应。

7、根据权利要求1所述的一种新型扫描隧道显微镜体，其特征在于试样支承装置由安装在试样固定基础板20的方形槽内的试样支承滑座，能在滑座上移动试样位置的支承和能在其上放置试样17的可换试样固定板18组成。