RU2297078C1 - Three-coordinate positioner - Google Patents
Three-coordinate positioner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2297078C1 RU2297078C1 RU2005134279/28A RU2005134279A RU2297078C1 RU 2297078 C1 RU2297078 C1 RU 2297078C1 RU 2005134279/28 A RU2005134279/28 A RU 2005134279/28A RU 2005134279 A RU2005134279 A RU 2005134279A RU 2297078 C1 RU2297078 C1 RU 2297078C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coordinate
- pushers
- piezoelectric
- object holder
- metal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам преобразования электрического напряжения в механическое перемещение и может быть использовано в сканирующей зондовой микроскопии.The invention relates to piezoelectric devices for converting electrical voltage into mechanical movement and can be used in scanning probe microscopy.
Известен позиционер (сканер), например, для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) с полем сканирования до 100×100×10 мкм3, построенные на основе пьезотрубок [1].A known positioner (scanner), for example, for a scanning probe microscope (SPM) with a scanning field of up to 100 × 100 × 10 μm 3 , built on the basis of piezotubes [1].
Недостатком этого устройства является малый диапазон перемещения, особенно по координате (Z), по сравнению с перемещением в плоскости (XY).The disadvantage of this device is the small range of movement, especially along the coordinate (Z), compared with the movement in the plane (XY).
Известен также позиционер трехкоординатный, содержащий корпус, на котором установлены пьезобиморфы перемещения по координатам Х и Y, а также пьезотрубка для перемещения по координате Z, соединенные упругими стержнями с перемещаемым сердечником. Объект при этом закреплен на пьезотрубке [2].Also known is a three-coordinate positioner containing a housing on which piezobimorphs of movement along the X and Y coordinates are installed, as well as a piezotube for moving along the Z coordinate, connected by elastic rods with a movable core. In this case, the object is mounted on a piezotube [2].
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что диапазон его перемещений по координатам X, Y, Z не превышает 30×30×5 мкм3.The first disadvantage of this device is that the range of its movements along the coordinates X, Y, Z does not exceed 30 × 30 × 5 μm 3 .
Второй недостаток - это низкая надежность, связанная с хрупкостью пьезокерамики, особенно в местах соединения с металлическими элементами конструкции.The second disadvantage is the low reliability associated with the fragility of piezoelectric ceramics, especially in places of connection with metal structural elements.
Третий недостаток - использование дополнительно пьезотрубки для движения по координате Z, что усложняет конструкцию и также уменьшает ее надежность.The third drawback is the use of an additional piezotube to move along the Z coordinate, which complicates the design and also reduces its reliability.
Технический результат предложенного решения заключается в увеличении диапазона сканирования и повышении надежности устройства.The technical result of the proposed solution is to increase the scanning range and increase the reliability of the device.
Сущность изобретения заключается в том, что в позиционере трехкоординатном, состоящем из держателя объекта и корпуса, на котором закреплены первый привод по первой координате, содержащий, по меньшей мере, один первый биморфный элемент, соединенный посредством первого гибкого толкателя с подвижным элементом, второй привод по второй координате, содержащий, по меньшей мере, один второй биморфный элемент, при этом третий привод по третьей координате соединен третьим гибким толкателем с подвижным элементом, в качестве первого и второго биморфного элементов используют пакеты, каждый из которых содержит пьезоэлектрический диск (первый и второй), соединенный по плоскости с металлической мембраной (первой и второй), при этом третий привод выполнен в виде пакета, содержащего третий пьезоэлектрический диск, соединенный по плоскости с третьей металлической мембраной, и закрепленной на корпусе, причем держатель объекта установлен на подвижном элементе.The essence of the invention lies in the fact that in the three-coordinate positioner, consisting of an object holder and a housing, on which a first drive is fixed in a first coordinate, comprising at least one first bimorph element connected by a first flexible pusher to a movable element, the second drive in the second coordinate containing at least one second bimorph element, while the third drive along the third coordinate is connected by a third flexible pusher with a movable element, as the first and second bimorph The components are used in packages, each of which contains a piezoelectric disk (first and second) connected in a plane with a metal membrane (first and second), while the third drive is made in the form of a package containing a third piezoelectric disk connected in a plane with a third metal membrane , and mounted on the housing, and the holder of the object is mounted on a movable element.
Существует вариант, в котором держатель объекта установлен на подвижном элементе посредством рычага.There is an option in which the object holder is mounted on the movable element by means of a lever.
Возможен вариант, в котором толкатели имеют различную жесткость.A variant is possible in which the pushers have different stiffness.
Существует также вариант, в котором пьезоэлектрические диски и металлические мембраны имеют отверстия в зоне соединения их с гибкими толкателями, а металлические мембраны закреплены на корпусе накидными фланцами.There is also an option in which piezoelectric disks and metal membranes have holes in the area where they are connected with flexible pushers, and metal membranes are mounted on the body with flanges.
На фиг.1 изображен позиционер трехкоординатный.Figure 1 shows the three-coordinate positioner.
На фиг.2 изображен позиционер трехкоординатный в составе сканирующего зондового микроскопа.Figure 2 shows the three-coordinate positioner as part of a scanning probe microscope.
Позиционер трехкоординатный содержит корпус 1, на котором закреплены первый 2, второй 3 и третий 4 приводы соответственно по первой X, второй Y и третьей Z координатам. Каждый привод выполнен в виде пакета (биморфного элемента), состоящего из пьезокерамического диска (первого 5, второго 6 и третьего 7), соединенного по плоскости с первой 8, второй 9 и третьей 10 металлическими мембранами. В качестве материалов мембран можно использовать бронзу или, например, нержавеющую сталь. Диски 5, 6, 7 с мембранами 8, 9, 10 могут быть соединены посредством клея, например «UHUplus endfest 300», а мембраны 8, 9, 10 с корпусом 1 - с использованием пайки, точечной сварки или накидных фланцев (на фиг.1 не показаны).The three-coordinate positioner contains a housing 1, on which the first 2, second 3 and third 4 drives are mounted, respectively, along the first X, second Y and third Z coordinates. Each drive is made in the form of a package (bimorph element), consisting of a piezoceramic disk (first 5, second 6 and third 7), connected in a plane with the first 8, second 9 and third 10 metal membranes. As the membrane materials, bronze or, for example, stainless steel can be used. Disks 5, 6, 7 with membranes 8, 9, 10 can be connected by means of glue, for example, “UHUplus endfest 300”, and membranes 8, 9, 10 with housing 1 can be soldered, spot-welded or union flanges (in FIG. 1 are not shown).
В дисках 5, 6 и 7 могут быть выполнены отверстия 11, а на мембранах 8, 9 и 10 закреплены переходники 12, 13 и 14, например, посредством пайки, точечной сварки или крепежных винтов (не показаны). В мембранах 8, 9 и 10 также могут быть выполнены отверстия (условно не показаны) для закрепления в них переходников. Переходники 12, 13 и 14 соединены с первым 15, вторым 16 и третьим 17 упругими толкателями, изготовленными из пружинного материала. Следует заметить, что, по меньшей мере, один толкатель может содержать упругие шарниры 18 и 19 для подбора оптимальной жесткости. На толкателях 15, 16 и 17 закреплен подвижный элемент 20, на котором, например, посредством рычага 21 установлен держатель 22 объекта 23. Детали 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 22 могут быть соединены посредством прессовых посадок, сварки, пайки, клея и т.п.Holes 11 can be made in disks 5, 6 and 7, and adapters 12, 13 and 14 are fixed on membranes 8, 9 and 10, for example, by soldering, spot welding or fixing screws (not shown). In the membranes 8, 9 and 10 can also be made holes (not shown conditionally) for fixing adapters in them. Adapters 12, 13 and 14 are connected to the first 15, second 16 and third 17 elastic pushers made of spring material. It should be noted that at least one pusher may contain elastic joints 18 and 19 to select the optimal stiffness. A movable element 20 is fixed on the pushers 15, 16 and 17, on which, for example, by means of the lever 21 is mounted the
Следует заметить, что для выполнения точных характеристик позиционера необходимо соблюдать определенные соотношения жесткостных характеристик его подвижных элементов.It should be noted that in order to fulfill the exact characteristics of the positioner, certain ratios of the stiffness characteristics of its moving elements must be observed.
Обозначим изгибную жесткость пакетов (пьезоэлектрический диск - металлическая мембрана) для осей X, Y и Z - как К1, изгибную жесткость толкателей 15 и/или 16 соответственно по координатам Х и Y обозначим К2 (считаем их одинаковыми), изгибную жесткость толкателя 17 по координате Z обозначим К3, а продольную жесткость толкателей 15 и 16 обозначим К2*, К3* соответственно. Тогда для обеспечения перемещения, например, вдоль координаты Z необходимо, чтобы выполнялось соотношениеWe denote the bending stiffness of the packages (piezoelectric disk - metal membrane) for the X, Y, and Z axes as K1, the bending stiffness of the pushers 15 and / or 16, respectively, by the X and Y coordinates, we denote K2 (we consider them the same), the bending stiffness of the pusher 17 by coordinate Z is denoted by K3, and the longitudinal stiffness of the pushers 15 and 16 is denoted by K2 *, K3 *, respectively. Then, to ensure movement, for example, along the Z coordinate, it is necessary that the relation
А для перемещения вдоль оси Х или Y необходимо, чтобыAnd to move along the X or Y axis, it is necessary that
В последнем случае толкатель 17 не изгибается, а изгибается привод 4 (пакет), на котором установлен толкатель 17, при этом точка его соединения с приводом 4 играет роль шарнира, вокруг которого поворачивается толкатель 17. В описываемой конструкции должно быть обеспечено соотношениеIn the latter case, the pusher 17 does not bend, but the actuator 4 (package) is bent, on which the pusher 17 is mounted, while the point of its connection with the actuator 4 plays the role of a hinge around which the pusher 17 rotates. In the described construction, the relation
Это сделано для того, чтобы при резких перемещениях по координате Z при работе в СЗМ уменьшить неконтролируемые смещения в плоскости X, Y. Действительно, при условии, что толкатели 15 и 16 не изменяют своей длины, толкатель 17 должен был бы изгибаться под действием силы привода 4. Однако при выполнении условия (3) толкатель 17 не изгибается, а заставляет выгибаться приводы 2 и 3, двигаясь при этом прямолинейно.This is done in order to reduce uncontrolled displacements in the X, Y plane during sharp movements along the Z coordinate when working in the SPM. Indeed, provided that the pushers 15 and 16 do not change their length, the pusher 17 would have to bend under the action of the drive force 4. However, when condition (3) is satisfied, the pusher 17 does not bend, but drives 2 and 3 to bend, moving in a straight line.
Позиционер трехкоординатный 24 (фиг.2) может быть использован в составе сканирующего зондового микроскопа, содержащего систему предварительного сближения 25, блок управления 26 с держателем 27 зонда 28 и образец 29, закрепленный на держателе 22. Возможен вариант, в котором на держателе 22 может быть закреплен зонд, а на держателе 27 - образец (не показано). Кроме этого на корпусе 1 с целью крепления мембран могут быть установлены накидные фланцы 30 и 31.The three-coordinate positioner 24 (Fig. 2) can be used as part of a scanning probe microscope containing a
Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего напряжения на один из пьезокерамических дисков, например 5, он изменяет свои размеры, и мембрана 8 прогибается под действием сил с его стороны, двигая прикрепленный к ней толкатель 15. При этом толкатели 16 и 17 изгибаются и не препятствуют этому движению. Кроме того, мембраны 9 и 10 также слегка изгибаются, образуя гибкие безлюфтовые шарниры. Подвижный элемент 20 совершает сложное движение по координате X, близкое к прямолинейному. При подаче напряжений на другие диски соответствующие толкатели перемещаются пропорционально приложенным напряжениям независимо друг от друга, и элемент 20 совершает перемещение по координатам Y, Z. Перемещаемый держатель 22 движется вместе с концом рычага 21. При этом перемещение в горизонтальной плоскости больше, чем по вертикали, вследствие эффекта рычага. Одно плечо рычага это толкатель 17, другое плечо рычага - элемент 21.The device operates as follows. When a control voltage is applied to one of the piezoceramic disks, for example 5, it changes its size, and the membrane 8 bends under the action of forces from its side, moving the pusher 15 attached to it. In this case, the pushers 16 and 17 are bent and do not impede this movement. In addition, membranes 9 and 10 are also slightly bent, forming flexible backlash-free joints. The movable element 20 makes a complex motion along the X coordinate, close to rectilinear. When voltage is applied to other disks, the corresponding pushers move in proportion to the applied stresses independently of each other, and the element 20 moves along the coordinates Y, Z. The
В составе СЗМ (фиг.2) позиционер 24 перемещает образец 29 относительно зонда 28, благодаря чему можно осуществлять анализ поверхности образца и локальное воздействие на нее (подробнее работу СЗМ см. в [3, 4, 5]).As part of the SPM (figure 2), the
Использование пакетов, состоящих из пьезокерамических дисков и металлических мембран, увеличивает диапазон перемещения устройства при тех же его размерах (порядка 40 мм в диаметре) до 150×150×30 мкм2 и его надежность за счет присутствия в пакете металла. Кроме этого закрепление металлических мембран на корпусе, а также соединение их с переходниками более надежно, чем в прототипе, у которого это соединение осуществлено через хрупкую керамику.The use of packages consisting of piezoceramic disks and metal membranes increases the range of movement of the device with the same dimensions (about 40 mm in diameter) to 150 × 150 × 30 μm 2 and its reliability due to the presence of metal in the package. In addition, the attachment of metal membranes to the housing, as well as their connection with the adapters is more reliable than in the prototype, in which this connection is made through brittle ceramics.
Использование в устройстве по одному пакету по каждой координате увеличивает линейность позиционирования за счет исключения несогласованности перемещений пар пьезобиморфов как в прототипе.Using in the device one packet for each coordinate increases the linearity of positioning by eliminating inconsistencies in the movements of pairs of piezobimorphs as in the prototype.
Использование рычага в приводе увеличивает диапазон перемещения объекта и позволяет его регулировать.Using the lever in the drive increases the range of movement of the object and allows you to adjust it.
Применение толкателей с различной жесткостью позволяет повысить точность перемещения при больших значениях за счет оптимизации взаимовлияния толкателей.The use of pushers with different stiffness allows to increase the accuracy of movement at high values by optimizing the mutual influence of the pushers.
Выполнение отверстий в пьезоэлектрических дисках и металлических мембранах повышает надежность устройства за счет уменьшения их силового взаимодействия в процессе длительной эксплуатации, возникающего в результате пластической деформации дисков и мембран.Making holes in piezoelectric disks and metal membranes increases the reliability of the device by reducing their force interaction during long-term operation resulting from plastic deformation of disks and membranes.
Использование накидных фланцев обеспечивает электробезопасность и снижает электрические наводки от пьезоэлектрических дисков.The use of union flanges ensures electrical safety and reduces electrical interference from piezoelectric disks.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Патент RU 2199171, 2003.1. Patent RU 2199171, 2003.
2. А.С. SU № 1453475, 1989.2. A.S. SU No. 1453475, 1989.
3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т.12, № 1, 1998 г., с.99-121.3. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov et al., Sensory Systems, vol. 12, No. 1, 1998, pp. 99-121.
4. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.4. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. Danilov A.I., Advances in Chemistry, 64 (8), 1995, p. 818-833.
5. Scanning tunneling microscope instrumentation. Y. Kyk, P. Sulverman. Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.5. Scanning tunneling microscope instrumentation. Y. Kyk, P. Sulverman. Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134279/28A RU2297078C1 (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Three-coordinate positioner |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134279/28A RU2297078C1 (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Three-coordinate positioner |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2297078C1 true RU2297078C1 (en) | 2007-04-10 |
Family
ID=38000465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005134279/28A RU2297078C1 (en) | 2005-11-08 | 2005-11-08 | Three-coordinate positioner |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2297078C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548163C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Three-coordinate movement device |
WO2016044094A1 (en) * | 2014-09-16 | 2016-03-24 | Thorlabs, Inc. | Amplified piezo actuator with motorized adjustment screw |
RU196011U1 (en) * | 2019-12-13 | 2020-02-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Three-axis positioning device |
-
2005
- 2005-11-08 RU RU2005134279/28A patent/RU2297078C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2548163C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Three-coordinate movement device |
US9520548B2 (en) | 2014-08-15 | 2016-12-13 | Thorlabs, Inc. | Amplified piezo actuator with motorized adjustment screw |
WO2016044094A1 (en) * | 2014-09-16 | 2016-03-24 | Thorlabs, Inc. | Amplified piezo actuator with motorized adjustment screw |
RU196011U1 (en) * | 2019-12-13 | 2020-02-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Three-axis positioning device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3830515B2 (en) | Electromechanical positioning unit | |
CN106195541B (en) | A kind of Three Degree Of Freedom Piezoelectric Driving micro-nano locating platform | |
US5656769A (en) | Scanning probe microscope | |
CN1934723A (en) | Positioner device | |
US7141914B2 (en) | Micromanipulator including piezoelectric benders | |
JPH1190867A (en) | Micromanipulator | |
RU2297078C1 (en) | Three-coordinate positioner | |
Breguet et al. | Applications of piezo-actuated micro-robots in micro-biology and material science | |
CN109079767A (en) | A kind of three-dimensional can beat high speed and precision micromotion platform | |
CN110910947B (en) | Single-layer double-station four-degree-of-freedom compliant micromanipulator | |
Bergander et al. | Micropositioners for microscopy applications based on the stick-slip effect | |
US20110307980A1 (en) | High-speed and high-resolution atomic force microscope | |
TWI442692B (en) | Piezoelectric acuating device | |
JP5166545B2 (en) | Stage drive device | |
EP1752756A1 (en) | Scanning mechanism for scanning probe microscope | |
Bergander et al. | Development of miniature manipulators for applications in biology and nanotechnologies | |
CN209036528U (en) | A kind of three-dimensional can beat high speed and precision micromotion platform | |
US7994688B2 (en) | Mechanical design of laminar weak-link mechanisms with centimeter-level travel range and sub-nanometer positioning resolution | |
US8569932B2 (en) | Multi-axis actuating apparatus | |
CN109650329B (en) | Two-rotation one-translation large-stroke coupling-free parallel piezoelectric micromotion platform | |
JP3884288B2 (en) | Micro displacement device | |
CN111613507A (en) | Electron microscope in-situ sample rod with high-resolution multi-dimensional manipulation and electrical measurement | |
CN116013402B (en) | Two-dimensional micro-positioning platform | |
Cai et al. | A mini review of the key components used for the development of high-speed atomic force microscopy | |
Wang et al. | Recent developments in testing techniques for elastic mechanical properties of 1-D nanomaterials |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121109 |