CN219120201U - 一种亚微米步进升降机构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种亚微米步进升降机构，其通过步进驱动器驱动电机旋转，通过丝杆将旋转转化为上升下降，利用光栅编码器构成闭环反馈，对转速、力矩、位移量进行检测，并根据反馈量对驱动器进行精细化控制，从而实现竖直方向上的亚微米位移，使得采用该机构的扫描隧道显微镜在操作过程中不容易使针尖与样品或样品台发生碰撞本申请；该机构同时采用了第一减震件、第二减震件以及第三减震件，形成三级减震环节，从而减小了机构升降时XY轴位移量的干扰，能够有效隔绝XY轴产生的振动给Z轴带来的影响，同时能够稳定XY轴，保证了位移精度。

Description

一种亚微米步进升降机构

技术领域

本申请涉及光学平台升降机构的技术领域，尤其是涉及一种亚微米步进升降机构。

背景技术

目前步进升降机构在AFM(特别是STM扫描隧道显微镜)以及光学平台上升下降等粗调领域具有重要的作用，例如，目前的扫描隧道显微镜通常包括样品台以及检测探针，通过调节样品台或者检测探针的水平位置和竖直高度对置于样品台上的样品进行检测，而调节竖直高度主要依靠步进升降机构实现。但是，扫描隧道显微镜作为高精密度的检测装置，在操作过程中易使针尖与样品或样品台发生碰撞，需要经常调整，且由于扫描隧道显微镜内的部件细小且精密，在扫描隧道显微镜多次使用后容易发生碰撞导致易位或变形，进而导致扫描隧道显微镜损坏或者得出误差较大的检测结果。

实用新型内容

针对上述扫描隧道显微镜作为高精密度的检测装置，在操作过程中易使针尖与样品或样品台发生碰撞，需要经常调整，且由于扫描隧道显微镜内的部件细小且精密，在扫描隧道显微镜多次使用后容易发生碰撞导致易位或变形，进而导致扫描隧道显微镜损坏或者得出误差较大的检测结果的技术问题,本申请提出了一种亚微米步进升降机构，采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提出了一种亚微米步进升降机构，包括基座，所述基座上设置有升降台以及驱动升降台升降步进驱动组件，所述步进驱动组件包括光栅编码器、步进驱动器、步进电机以及丝杆，所述升降台与丝杆连接，所述丝杆与步进电机驱动连接，所述步进驱动器与步进电机电连接，所述光栅编码器与步进驱动器信号连接，所述亚微米步进升降机构还包括减震组件，所述减震组件包括设置在升降台和步进电机之间的第一减震件。

通过采用上述技术方案，步进驱动器驱动电机旋转，通过丝杆将旋转转化为上升下降，利用光栅编码器构成闭环反馈，对转速、力矩、位移量进行检测，并根据反馈量对驱动器进行精细化控制，从而实现竖直方向上的亚微米位移，使得采用该机构的扫描隧道显微镜在操作过程中不容易使针尖与样品或样品台发生碰撞；且在升降台和步进电机之间设置有第一减震件，从而减少步进电机带动升降台上升与下降时带来的冲击，进而使得扫描隧道显微镜不容易损坏或者不容易得出误差较大的检测结果。

优选的，所述基座上设置有电机安装座，所述步进电机设置在电机安装座内，所述第一减震件设置在电机安装座与升降台之间。通过采用上述技术方案，设置有电机安装座可以避免升降台直接冲击步进电机。

优选的，所述第一减震件为精密弹簧。通过采用上述技术方案，通过精密弹簧不仅可以减少步进电机带动升降台上升与下降时带来的冲击，而且可以减轻在行程范围内电机所需升力。

优选的，所减震组件还包括第二减震件，所述第二减震件设置在步进电机靠近升降台的一侧，且所述第二减震件位于步进电机和电机安装座之间。

优选的，所述第二减震件为硅胶垫。

优选的，所减震组件还包括第三减震件，所述基座包括机构底座，所述第三减震件设置在电机安装座远离升降台的一侧，且所述第三减震件位于机构底座和电机安装座之间。

优选的，所述光栅编码器具有4000个刻度。

优选的，所述亚微米步进升降机构的位移总行程为8mm，所述亚微米步进升降机构的单步行程为160nm。

优选的，所述丝杆的导程为0.64mm。

优选的，所述亚微米步进升降机构包括用于对升降台进行导向的精密导轨。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.步进驱动器驱动电机旋转，通过丝杆将旋转转化为上升下降，利用光栅编码器构成闭环反馈，对转速、力矩、位移量进行检测，并根据反馈量对驱动器进行精细化控制，从而实现竖直方向上的亚微米位移，使得采用该机构的扫描隧道显微镜在操作过程中不容易使针尖与样品或样品台发生碰撞；

2.在升降台和步进电机之间设置有精密弹簧，通过精密弹簧不仅可以减少步进电机带动升降台上升与下降时带来的冲击，而且可以减轻在行程范围内电机所需升力；

3.该机构同时采用了第一减震件、第二减震件以及第三减震件，形成三级减震环节，从而减小了机构升降时XY轴位移量的干扰，能够有效隔绝XY轴产生的振动给Z轴带来的影响，同时能够稳定XY轴，保证了位移精度。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本申请的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是本申请实施例一种亚微米步进升降机构的整体结构示意图。

图2是本申请实施例一种亚微米步进升降机构的俯视图。

图3是本申请实施例一种亚微米步进升降机构的剖面示意图。

图4是本申请实施例一种亚微米步进升降机构的电路原理示意图。

附图标记说明：1、导轨转接件固定螺栓；2、导轨转接件；3、导轨连接件；4、精密法兰轴承；5、精密法兰连接螺栓；6、底座固定螺栓；7、限位器固定螺栓；8、机构外壳固定螺栓；9、限位器；10、机构底座；11、机构外壳；12、步进电机；13、导轨连接螺栓；14、精密导轨；15、第一减震件；16、第二减震件；17、电机安装座；18、步进电机/光栅编码器出线口；19、第三减震件；22、升降台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参照图1，本申请实施例公开的一种亚微米步进升降机构，包括基座，基座包括机构底座10和机构外壳11，机构外壳11固定设置在机构底座10上，基座在机构外壳11的中间设置有安装腔。

亚微米步进升降机构包括升降台22以及驱动升降台22升降步进驱动组件，升降台22和步进驱动组件均设置在安装腔内。

参照图1和图2，亚微米步进升降机构包括用于对升降台22进行导向的精密导轨14，在安装腔侧壁上设置有与精密导轨14相互配合的导轨连接件3。

在具体的实施例中，精密导轨14通过导轨转接件2安装在升降台22上，精密导轨14与导轨转接件2固定连接，导轨转接件2通过导轨转接件固定螺栓1固定安装在升降台22上。

参照图3和图4，步进驱动组件包括光栅编码器、步进驱动器、步进电机12以及丝杆，升降台22与丝杆连接，具体的，升降台22的中部设置有与丝杆相互配合的丝杆副。步进电机12与丝杆驱动连接用于带动丝杆旋转，步进驱动器与步进电机12电连接用于驱动步进电机12旋转，光栅编码器与步进驱动器信号连接用于对步进驱动器进行精细化控制。亚微米步进升降机构还包括与光栅编码器和步进驱动器信号连接的PC机。

参照图4，在具体的实施例中，由PC机下发指令，通过RS485通讯发送数据给驱动电路，驱动器驱动电机旋转，通过丝杆将旋转转化为上升下降，利用光栅编码器构成闭环反馈，对转速、力矩、位移量进行检测，并根据反馈量对驱动器进行精细化控制，从而实现竖直方向上的亚微米位移。

参照图2和图3，升降台22上设置有限位器9，限位器9主要用于控制升降台22的位移行程。限位器9可以采用光电传感器、红外传感器等来实现限位。在具体的实施例中，限位器9通过限位器固定螺栓7安装在升降台22上。

在具体的实施例中，该机构的位移行程为8mm，单步行程达到160nm。该机构采用导程为0.64mm的丝杆，配合具有4000个刻度的光栅编码器，使步进电机12实现极限大小为160nm的亚微米步进升降。即使考虑到驱动器可能存在的误差限制，该机构实际使用精度也可达到300nm左右。

在具体的实施例中，亚微米步进升降机构还包括减震组件，减震组件包括设置在升降台22和步进电机12之间的第一减震件15。

在具体的实施例中，基座上设置有电机安装座17，步进电机12设置在电机安装座17内，第一减震件15设置在电机安装座17与升降台22之间。在具体的实施例中，第一减震件15为精密弹簧，精密弹簧设置为两个，两个精密弹簧分别设置在丝杆的两侧。通过设置精密弹簧来减少步进电机12带动升降台22上升与下降时带来的冲击，同时可以减轻在行程范围内电机所需升力。

在具体的实施例中，减震组件还包括第二减震件16，第二减震件16设置在步进电机12靠近升降台22的一侧，第二减震件16位于步进电机12和电机安装座17之间。在具体的实施例中，在步进电机12的端部边缘设置有用于容置第二减震件16的环形安装槽，第二减震件16呈环状设置在环形安装槽内。在具体的实施例中，第二减震件16为硅胶垫。

在具体的实施例中，减震组件还包括第三减震件19，所述第三减震件19设置在电机安装座17远离升降台22的一侧，第三减震件19位于机构底座10和电机安装座17之间。在具体的实施例中，电机安装座17通过螺栓与机构底座10固定连接，第三减震件19为硅胶垫。

该机构同时采用了第一减震件15、第二减震件16以及第三减震件19，形成三级减震环节，从而减小了机构升降时XY轴位移量的干扰，能够有效隔绝XY轴产生的振动给Z轴带来的影响，同时能够稳定XY轴，保证了位移精度。

在具体的实施例中，光栅编码器设置在电机安装座17内，且光栅编码器位于步进电机12远离升降台22的一侧。

在具体的实施例中，在电机安装座17的侧壁上开设有步进电机/光栅编码器出线口18。

在具体的实施例中，在升降台22上设置有精密法兰轴承4，精密法兰轴承4通过精密法兰连接螺栓5安装在升降台22上，设置精密法兰轴承4主要用于安装XY轴位移台等部件。

在具体的实施例中，在机构底座10上设置有底座固定螺栓6以及机构外壳固定螺栓8。

本申请实施例一种亚微米步进升降机构适用于如AFM(特别是STM扫描隧道显微镜)以及光学平台上升下降等粗调领域。该机构较其他电动升降台22，在实现亚微米位移的同时，降低了生产成本，且结构简单，易实现。

以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种亚微米步进升降机构，其特征在于：包括基座，所述基座上设置有升降台(22)以及驱动升降台(22)升降的步进驱动组件，所述步进驱动组件包括光栅编码器、步进驱动器、步进电机(12)以及丝杆，所述升降台(22)与丝杆连接，所述丝杆与步进电机(12)驱动连接，所述步进驱动器与步进电机(12)电连接，所述光栅编码器与步进驱动器信号连接，所述亚微米步进升降机构还包括减震组件，所述减震组件包括设置在升降台(22)和步进电机(12)之间的第一减震件(15)。

2.根据权利要求1所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述基座上设置有电机安装座(17)，所述步进电机(12)设置在电机安装座(17)内，所述第一减震件(15)设置在电机安装座(17)与升降台(22)之间。

3.根据权利要求2所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述第一减震件(15)为精密弹簧。

4.根据权利要求3所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所减震组件还包括第二减震件(16)，所述第二减震件(16)设置在步进电机(12)靠近升降台(22)的一侧，且所述第二减震件(16)位于步进电机(12)和电机安装座(17)之间。

5.根据权利要求4所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述第二减震件(16)为硅胶垫。

6.根据权利要求4所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所减震组件还包括第三减震件(19)，所述基座包括机构底座(10)，所述第三减震件(19)设置在电机安装座(17)远离升降台(22)的一侧，且所述第三减震件(19)位于机构底座(10)和电机安装座(17)之间。

7.根据权利要求1所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述光栅编码器具有4000个刻度。

8.根据权利要求7所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述亚微米步进升降机构的位移总行程为8mm，所述亚微米步进升降机构的单步行程为160nm。

9.根据权利要求8所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述丝杆的导程为0.64mm。

10.根据权利要求1所述的一种亚微米步进升降机构，其特征在于：所述亚微米步进升降机构包括用于对升降台(22)进行导向的精密导轨(14)。

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