SE520097C2 - Mikropositioneringsanordning - Google Patents

Description

l5 20 25 30 -520 091 iiïefiiï-*y 2 vet. Nämnda andra del är glidbart anbringad på nämnda första del, varvid glidytan är belägen i ett plan som ej är vinkelrätt mot mätspetsen. Vid applicering av exempel- vis en ságtandsformig vågform på det piezoelektriska ele- mentet sker förskjutningar mellan nämnda två delar när accelerationen överstiger gränsen för den statiska frik- tionen mellan nämnda delar. De två delarna är så anordna- de att då de glider mot varandra i nämnda glidyta för- flyttas det på den andra delen anordnade provet, så att det kommer närmare eller längre ifrån mätspetsen, samti- digt som själva provytan konstant är hållen vinkelrätt mot spetsen. Denna konstruktion är mycket kompakt, och uppvisar en rad önskvärda egenskaper, exempelvis en låg brusnivà. Konstruktionen är dock komplicerad och innefat- tar två piezoelektriska element. En mikropositioneringsa- nordning med en enklare konstruktion är därför önskvärd, vilken uppvisar en kort mekanisk loop, för att minska det mekaniska bruset i form av vibrationer i systemet. En enklare utformning av systemet bidrar dessutom till att reducera risken för att smuts och andra yttre störningar minskar eller helt eliminerar tröghetsmotorns funktion.

Dessutom är ovanstående kända konstruktion speciellt an- passad för sveptunnelmikroskopi (STM), och en mer gene- rell anordning, för användning vid exempelvis svepsond- mikroskopi (SPM) och andra applikationer är önskvärd.

Uppfinningens ändamål Följaktligen är ett ändamål med denna uppfinning att åstadkomma en mikropositioneringsanordning som uppvisar såväl en enkel utformning som en allmängiltig, kompakt och stabil konstruktion.

Sammanfattning av uppfinningen I enlighet med uppfinningen uppnås dessa och andra ändamål genom en mikropositioneringsanordning av det slag som beskrivits ovan, varvid en mellanliggande del har en första ände, som är fäst vid en accelerationsenhet, och lO 15 20 25 30 b) U'| 520 097 3 en andra ände, vilken är försedd med en väsentligen peri- feriellt sig sträckande kontaktyta, och varvid ett objekt är försett med klämelement, varvid sagda klämelement är anpassade att klämma runt sagda kontaktyta hos sagda mel- lanliggande element i svfte att fasthàlla objektet i för- hållande till den mellanliggande delen, enbart medelst klämkraft och den friktionskraft som utövas av sagda klämelement på sagda kontaktyta. Denna konstruktion möj- liggör en stabil och kompakt mikropositioneringsanordning med en enkel utformning, vilken är enkel att tillverka.

Företrädesvis är sagda infästning mellan accelera- tionsenheten och den mellanliggande delen frigörbar. Det- ta möjliggör enkelt utbyte av den mellanliggande delen, i händelse av att en olikformad mellanliggande del är önsk- värd i någon applikation, eller om den mellanliggande de- len skadas eller nöts ut. Vidare är, enligt en föredragen utföringsform, objektets klämelement frigörbart klämda runt sagda kontaktyta hos den mellanliggande delen. Detta möjliggör enkelt utbyte av objektet, såväl som eller istället för, den mellanliggande delen.

Företrädesvis innefattar sagda accelerationsenhet ett rör eller liknande, bildat av ett piezoelektriskt ma- terial, vilket tillhandahåller en enkel och vältestad me- kanism för erhållande av hastiga accelerations- eller re- tardationsrörelser.

Lämpligen är den mellanliggande delen elektriskt isolerad från det piezoelektriska röret medelst en isole- rande fästdel. På detta sätt isoleras den höga spänning som krävs för att driva det piezoelektriska röret, pà ett effektivt sätt från de övriga delarna i konstruktionen, vilken undviker oönskad uppladdning av objektet och andra delar av anordningen.

Företrädesvis utgör objektet, dess kontaktelement och den mellanliggande delen en obruten elektriskt ledan- de bana. Denna konstruktion möjliggör en effektiv urladd- ning av objektet genom att exempelvis förbinda den ledan- de banan med en jordledning. 10 15 20 25 30 U) (TI 520 097 4 Enligt en föredragen utföringsform är kontaktytan hos den mellanliggande delen en àtminstone delvis sfärisk yta. Följaktligen är objektet fritt rörligt under verkan av krafter, och är roterbart i förhållande till den mel- lanliggande delen i alla riktningar. Lämpligen innefattar kontaktelementen hos objektet ett flertal glidstänger, vilka utskjuter fràn objektkroppen, och företrädesvis är sagda glidstänger väsentligen parallella och anordnande längs periferin av sagda objektkropp. Denna utföringsform möjliggör vidare att objektet är fritt förskjutbart mot och bort fràn det piezoelektriska röret och även att det är roterbart i alla riktningar. Företrädesvis är àtmin- stone en av sagda glidstänger försedd med ett stopporgan.

Detta förhindrar objektet fràn att förskjutas för långt och följaktligen förlora dess kontakt med den mellanlig- gande delen och falla av.

Slutligen är objektet företrädesvis utformat sàsom en hàllare för ett mätprov eller dylikt. Det faktum att objektet är en provhàllare och ej själva provet, möjlig- gör att objektet kan utformas för optimal kontakt med det mellanliggande objektet och samtidigt utgöra en ändamåls- enlig hállare för ett prov eller en mätspets.

Kortfattad beskrivning av ritningen Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmarede- talj, med hänvisning till föredragna utföringsformer, vilka illustreras i bifogade ritning.

Fig l är en schematisk perspektivvy som visar en ut- föringsform av uppfinningen.

Beskrivning av föredragna utföringsformer En utföringsform av en mikropositioneringsanordning i enlighet med denna uppfinning visas i fig l. Denna ut- föringsform innefattar ett rör l av ett piezoelektriskt material, vilket utgör en accelerationsenhet. Den yttre periferiella ytan av röret l är uppdelad i fyra elekt- riskt separerade segment la-ld (ld ej visad), vilka har lO 15 20 25 30 35 520 097 5 en utsträckning i en längsgående riktning av röret 1 och vardera ockuperar ett vinkelsegment av den periferiella ytan av cirka 25% av den sammanlagda utsträckningen. Var- je segment är, medelst elektriska förbindningsorgan (ej visade) förbundet med en väggenerator, och segmentet 1a, lb, 1c och 1d kan styras oberoende av varandra.

I en ände av det piezoelektriska röret 1 är en fäst- del 3b av ett elektriskt isolerande material anordnad, varvid sagda fästdel 3b är försedd med en öppning 3b'.

När sagda fästdel 3b är placerad i änden av det piezoe- lektriska röret l är sagda öppning väsentligen centrerad med det piezoelektriska rörets 1 längsgående axel. Vidare är en förbindningsdel av ett elektriskt ledande material anordnad. En första ände av sagda förbindningsdel är an- passad att vara fast förbunden med sagda fästdel 3b, i detta fall införd i öppningen 3b' hos fästdelen 3b, och en andra ände är försedd med en väsentligen periferiell kontaktyta 3a, i detta fall en väsentligen sfärisk kon- taktyta dess monterade läge utskjuter förbindningsdelen fràn det (se fig 1), liknande en kulled. När denna är i piezoelektrisk röret 1 i det piezoelektriska rörets längdriktning. Vidare är den sfäriska kontaktytans dista- la ände avskuren, i syfte att bilda en väsentligen plan yta, vilken möjliggör en kompakt mikropositioneringsa- nordning, vilket beskrivs nedan. Tillsammans bildar sagda förbindningsdel och sagda fästdel 3b en mellanliggande del 3.

Vidare innefattar mikropositioneringsanordningen ett objekt 4, vilken är utformat som en provhàllare som har en effektiv provhällaranordning 5, vilken är pä lämpligt sätt avpassad att hålla ett mätprov. Provhàllaranordning- en 5 kan ha olika utformningar och är inte kritisk för uppfinningen, och kommer därför ej att beskrivas i närma- re detalj. Objektet är vidare försett med ett flertal klämelement 4', vilka har en stàngliknande utformning och sträcker sig väsentligen parallellt från en väsentligen plan yta hos sagda objekt 4, varvid sagda klämelement 4' lO 15 20 25 30 b.) UI 520 097 6 är monterade i en cirkel i syfte att följa en väsentligen cylindrisk yta. Sagda klämelement är tillverkade av ett eftergivligt material och är avpassade att klämma runt sagda kontaktyta 3a hos den mellanliggande delen 3 och därigenom fasthàlla objektet 4 relativt den mellanliggan- de delen 3 enbart medelst klämverkan och friktion. Följ- aktligen är objektet fritt rörligt under verkan av kraf- ter, dvs är förskjutbart mot och i riktning bort från det piezoelektriska röret 1 och roterbart i alla riktningar.

Sagda klämelement 4' är vidare försedda med stoppmedel 4", vilka förhindrar objektet från att utföra för stora rörelser i z-riktningen, vilket skulle medföra att kläm- elementen 4' hos objektet 4 skulle förlora sin kontakt med kontaktytan 3a hos den mellanliggande delen 3.

Vid drift matas segmenten la-ld hos det piezoelekt- riska röret med en elektrisk vågform, företrädesvis en cykloidliknande elektrisk våg, eftersom denna enbart alstrar hög acceleration i en riktning, men även sàgtan- dade vågor och andra typer av elektriska vågor är använd- bara. Vågformen hos driftsspänningen, som exciterar det piezoelektriska röret 1, är modulerbar i syfte att till- handahålla den önskade förflyttningen av objektet 4. And- ra lämpliga moduleringsparametrar är amplitud och fre- kvens. I enlighet med den önskade rörelsen av det piezoe- lektriska röret 1 kan samtliga segment la-ld matas med identiska vågor i syfte att erhålla en uniform förläng- ning av det piezoelektriska röret 1, eller matas med oli- ka vågor, för àstadkommande av en böjningsrörelse hos det piezoelektriska röret 1, eller mer konkret en förlängning av rörets ena sida under oförändrad längd hos rörets and- ra sida. Vid förflyttning av provet i z-led, från det pi- ezoelektriska röret 1, sker först en förlängning av rö- ret, följt av återgång till utgàngslängden. Genom att göra denna övergång sådan att det piezoelektriska röret 1 hastigt övergår från en förhållandevis stor förlängnings- hastighet till en förhållandevis stor återgångshastighet, dvs att göra övergången från förlängning till återgång så lO 15 20 25 30 520 097 7 hastig att accelerationskraften tillfälligt överstiger den sammanlagda friktions- och fjäderkraften mellan ob- jektet och de klämelementen hos objektet 4 och den mel- lanliggande delen, sker en förskjutning av objektet 4 re- lativt den mellanliggande delen, på grund av ett meka- niskt tröghetsmoment på objektet. Genom användning av en cykloidpuls förhindras dessutom en motriktad rörelse av objektet vid övergången mellan återgång och förlängning av det piezoelektriska röret, eftersom den totala accele- rationen då är mycket lägre. Genom matning av det piezoe- lektriska röret l med en inverterad cykloidvåg, åstadkom- mes motsatt rörelse, dvs en rörelse av objektet i rikt- ning mot det piezoelektriska röret 1. För att åstadkomma en vridning av objektet relativt den mellanliggande delen 3, matas ett lämpligt segment la, eller ett segmentpar hos det piezoelektriska röret, med en motsvarande cyklo- idvàg, medan de övriga segmenten lb, lc, ld lämnas oexci- terade. Således sker en förlängning av det piezoelektris- ka rörets ena sida, relativt den andra sidan, vilket resulterar i nämnda böjning av det piezoelektriska röret.

Vid återgång till oexciterat läge kommer således accele- rationskraften att överstiga friktions- och klämkraften dvs de klämelement som är anordnade på samma sida av mikroposi- enbart för en delmängd av sagda klämelement 4', tioneringsanordningen som sagda exciterade segment, vil- ket resulterar i en vridning av objektet 5 relativt den mellanliggande delen 3 vid återgången. Genom att kombine- ra olika segment är objektet i denna utföringsform flytt- bart och styrbart i tre dimensioner.

Såsom beskrivits ovan är den distala änden av den sfäriska kontaktytan 3a avskuren i syfte att forma en vä- sentligen plan yta, vilken är vänd mot objektet (se fig 1). Vidare är objektet 5 försett med en plan yta, på vil- ken sagda utskjutande klämelement 4' är anordnade., var- vid sagda yta är vänd mot motsvarande plana yta hos sagda mellanliggande del 3. Denna konstruktion resulterar i en lO 15 20 25 30 35 -f f u :n <= v, . u ,. x 2 - 1 1 1 u . , . . 1 . . m» - n» f o - f: .. <~.i a . - - , :v .- u , 1 i n . n . v \ ; - ». 1 _ » .- v. 8 kompakt konstruktion i z-riktningen, utan att försämra manövrerbarheten hos konstruktionen.

Denna utföringsformen har stora fördelar vad gäller förbind- ningarna mellan den mellanliggande delen 3 och det piezo- användbarhet, tack vare det faktum att såväl elektriska röret l som mellan den mellanliggande delen 3 och klämelementen 4' är frigörbara. Detta medger enkelt utbyte av samtliga delar som är innefattade i mikroposi- tioneringsanordningen. Exempelvis kan objektet 4 (prov- hållaren) bytas ut mot ett objekt med en annan provhålla- ranording 5, i syfte att anpassa anordningen för ett nytt experiment. Vidare kan den mellanliggande delen ersättas med en ny, om repor eller dylikt uppkommer på kontakt- ytan, vilket försämrar och stör den fria rörelsen av klämelementen 4' på sagda kontaktyta 3a. En annan möjlig- het är att byta ut den mellanliggande delen och/eller ob- jektet, mellan dessa delar i mikropositioneringsanordningen, i syfte att anpassa klämkraften och friktionen ex- empelvis genom att använda en mellanliggande del med en sfärisk kontaktyta 3a som har en något större radie än tidigare. På detta sätt kan den lätthet, med vilken den mellanliggande delen 3 och objektet förflyttas, ställas in för en specifik applikation.

De ovan beskrivna utföringsformerna är enbart givna i exemplifierande syfte och är ej avsedda att begränsa uppfinningens omfång. Ett antal modifikationer och kon- struktionsmässiga förändringar, vilka är uppenbara för fackmannen, kan naturligtvis göras utan att avvika från den grundläggande uppfinningsidén, som den definieras av krav l. Exempelvis kan det nämnas att klämelementen 4' kan ha olika former, och inte nödvändigtvis måste vara raka stänger, som i ovanstående utföringsform. Exempelvis är det möjligt att använda böjda stänger vilka mer eller mindre omger kontaktytan 3a, och på så sätt erhålla en kulledsliknande koppling. En sådan konstruktion har emel- lertid ingen naturlig rörlighet i z-riktningen, men detta kan ordnas medelst en motor eller en glidanordning mellan lO 15 20 25 520 097 9 exempelvis kopplingsdelen och fästdelen 3b hos den mel- lanliggande delen.

Vidare kan det piezoelektriska röret, vilket används i utföringsformen ovan, ersättas av exempelvis en stegmo- tor, vilken kan åstadkomma en tillräcklig hög accelera- tion hos positioneringsenheten. Vidare kan det piezoe- lektriska elementet ha andra former än det rör som be- skrivs häri, och kan exempelvis ha en rektangulär form. I det fallen kan det emellertid vara nödvändigt att använda tvä eller fler kopplade piezoelektriska element, i syfte att anordna manövrerbarhet i tre dimensioner.

Vidare kan fästdelen 3b eller den mellanliggande de- len 3 vara fäst vid insidan eller utsidan av det piezoe- lektriska röret 3, såsom i fig 1, men kan även vara glid- bart anordnad in eller pà en ytteryta av det piezoelekt- riska röret 3, i syfte att främja en ytterligare för- flyttningsmöjlighet i z-riktningen. Antalet klämelement är varierbart, och formen hos dessa klämelement är ej be- gränsad till den stàngform som visas i fig 1,. Klämele- menten kan exempelvis vara tillverkade av plätband, valv- formiga element eller liknande. Inte heller objektets form är väsentlig för uppfinningen och objektet kan såle- des mer eller mindre vara fritt anpassat till den önskade även om alla kläm- applikationen. Slutligen gäller att, element som beskrivits ovan är av fjädrande slag, är det möjligt att använda ett antal pà avstånd från varandra anordnade icke eftergivliga element.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 l. f 520 097 lO PATENTKRAV En anordning för mikropositionering av ett objekt (4), tex för användning i ett mikroskop, varvid sag- da anordning innefattar en accelerationsenhet (1) och en mellanliggande del (3), vilken förbinder sag- da accelerationsenhet (1) med sagda objekt (4), var- vid objektets position relativt accelerationsenheten (1) är varierbar vid hög acceleration eller retarda- tion av sagda accelerationsenhet (1), på grund av mekanisk tröghet hos objektet (4), k ä n n e - t e c k n a d av att sagda mellanliggande del (3) har en första ände (3'), som är fäst vid sagda acce- lerationsenhet (1), och en andra ände (3”), vilken är försedd med en väsentligen perifer kontaktyta (3a), och av att sagda objekt (4) är försett med klämelement (4'), varvid sagda klämelement (4') är anpassade att klämma runt sagda kontaktyta (3a) hos den mellanliggande delen (3) i syfte att hälla ob- jektet (4) i relation till den mellanliggande delen (3) enbart medelst klämkraft och den friktionskraft som utövas av sagda klämelement (4') på sagda kon- taktyta (3a). .En anordning enligt i krav 1, varvid sagda förbin- delse mellan accelerationsenheten (1) och den mel- lanliggande delen (3) är frigörbar. .En anordning enligt krav 1 eller 2, varvid sagda klämelement (4') hos objektet är frigörbart klämda runt sagda kontaktyta (3a) hos den mellanliggande delen (3). .En anordning enligt något av föregående krav, varvid accelerationsenheten (1) innefattar ett rör eller liknande, format av ett piezoelektriskt material. .En anordning enligt krav 4, varvid den mellanliggan- de delen (3) är elektriskt isolerad från det piezoe- lektriska röret (1) medelst en isolerande fästdel (3b). 10 15 20 lO. ll. f 520 097 ll . En anordning enligt något av föregående krav, varvid (4') och den mel~ utgör en obruten elektriskt objektet (4), dess kontaktelement lanliggande delen (3) ledande bana. .En anordning enligt något av föregående krav, varvid kontaktytan (3a) hos den mellanliggande delen (3) är en åtminstone delvis sfårisk yta. _ En anordning enligt något av föregående krav, varvid (4') flertal glidstänger, vilka utskjuter från objekts- kontaktelementen hos objektet innefattar ett kroppen. .En anordning enligt krav 8, varvid sagda glidstänger (4') är väsentligen parallella och anordnade längs objektskroppens periferi. En anordning enligt krav 9, varvid åtminstone en av sagda glidstänger (4') år försedd med en (4”)- En anordning enligt något av föregående krav, stoppenhet varvid objektet (4) år format såsom en hållare för ett måtprov (5) eller liknande.