UA71044C2 - Мікроманіпулятор - Google Patents

Мікроманіпулятор Download PDF

Info

Publication number
UA71044C2
UA71044C2 UA2002064866A UA2002064866A UA71044C2 UA 71044 C2 UA71044 C2 UA 71044C2 UA 2002064866 A UA2002064866 A UA 2002064866A UA 2002064866 A UA2002064866 A UA 2002064866A UA 71044 C2 UA71044 C2 UA 71044C2
Authority
UA
Ukraine
Prior art keywords
micromanipulator
drive
frequency
ring
piezo element
Prior art date
Application number
UA2002064866A
Other languages
English (en)
Russian (ru)
Inventor
Сергій Федорович Петренко
Сергей Федорович Петренко
Original Assignee
Сергій Федорович Петренко
Сергей Федорович Петренко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергій Федорович Петренко, Сергей Федорович Петренко filed Critical Сергій Федорович Петренко
Priority to UA2002064866A priority Critical patent/UA71044C2/uk
Priority to AU2003234955A priority patent/AU2003234955A1/en
Priority to CA002527502A priority patent/CA2527502A1/en
Priority to PCT/UA2003/000017 priority patent/WO2003106113A1/ru
Priority to US10/876,296 priority patent/US7405508B2/en
Publication of UA71044C2 publication Critical patent/UA71044C2/uk

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/12Constructional details
    • H02N2/123Mechanical transmission means, e.g. for gearing
    • H02N2/126Mechanical transmission means, e.g. for gearing for conversion into linear motion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J7/00Micromanipulators
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/32Micromanipulators structurally combined with microscopes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
    • H02N2/002Driving devices, e.g. vibrators using only longitudinal or radial modes
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/101Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145Large signal circuits, e.g. final stages
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/02Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a plurality of sample containers moved by a conveyor system past one or more treatment or analysis stations
    • G01N35/04Details of the conveyor system
    • G01N2035/0474Details of actuating means for conveyors or pipettes
    • G01N2035/0475Details of actuating means for conveyors or pipettes electric, e.g. stepper motor, solenoid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)

Abstract

Мікроманіпулятор містить рухливий столик, з'єднаний із приводом, підключеним до блока керування, причому привід виконаний у вигляді вала з ротором, зв'язаним через штовхачі з кільцевими п'єзоелементами, один із яких установлений на валу, а другий установлений на корпусі. Блок керування кожного п'єзоелемента виконаний у вигляді послідовно з'єднаних генератора високочастотних імпульсів збудження п'єзоелемента, керованого ключа і підсилювача, приєднаного до відповідного п'єзоелемента.

Description

відповідного п'єзоелементу.
Додатково, послідовно з'єднані блок формування частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелемента і блок формування тривалості пачки імпульсів збудження, підключений до керуючого входу ключа.
Частота пачок імпульсів збудження більше 2кГц, а до керуючого входу кожного блоку формування тривалості пачки імпульсів збудження п'єзоелемента підключений джойстик, при цьому тривалість пачки імпульсів збудження на виході блоку формування тривалості пропорційна "відхиленню", або логарифму "відхилення" джойстика, а один з виходів генератора високочастотних імпульсів збудження п'єзоелемента підключений до входу блоку формування частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелемента.
Додатково, блок керування постачений блоком формування одиночної пачки імпульсів збудження п'єзоелемента, підключеним до керуючого входу ключа.
Кільцеві п'єзоелементи виконані у виді кільцевих резонаторів з радіальною формою коливань, зовнішня циліндрична поверхня яких охоплена хвильовою оболонкою, на якій установлені штовхачі, що упираються у внутрішню поверхню ротора.
Кільцеві п'єзоелементи поляризовані по нормалі до їх плоских торцевих поверхней, а електроди нанесені на плоскі торцеві поверхні, а їхні параметри задовольняють співвідношенню 0/4-2, д/2-п, де О- зовнішній діаметр кільцевого п'єзоелемента, а-внутрішній діаметр кільцевого п'єзоелемента, п-висота кільцевого п'єзоелемента, а частота генератора високочастотних імпульсів збудження п'єзоелементів відповідає нульовій моді радіальних коливань п'єзоелемента.
Хвильова оболонка виконана у вигляді тонкостінного циліндра з відверненими з двох сторін полями, що утворюють кільцеві ребра жорсткості, причому згадані ребра жорсткості розсічені щілинами, у яких одним кінцем закріплені штовхачі, причому штовхачі можуть бути встановлені під кутом до радіального напрямку, і на штовхачі встановлені оболонки зі звукоїзоляційного матеріалу.
Ротор виконаний у виді двох тонкостінних циліндрів, установлених на осьовій системі, що виконана у виді циліндричного підшипника ковзання зі звукоізоляційного матеріалу з центральним фланцем, на якому закріплені тонкостінні циліндри.
Кріплення другого п'єзоелементу, установленого на корпусі привода виконано у виді гумового кільця, встановленого в нарізний паз у корпусі привода, фторопластового кільця, встановленого в нарізний паз у притискному фланці, і стійок кріплення притискного фланця до корпуса привода, а кріплення першого п'єзоелемента, установленого на валу привода виконано у виді гумового кільця, встановленого в нарізний паз на фланці, жорстко з'єднаному з валом, фторопластового кільця, встановленого в нарізний паз у притискному фланці, і стійок кріплення притискного фланця до жорстко з'єднаного з валом фланця.
Корпус приводу виконаний у виді жорсткого квадратного фланця з циліндричними проточками і додатково обладнаний кожухом, причому кожух виконаний у виді товстостінного циліндра, що закінчується аналогічним товстим фланцем, що жорстко з'єднані між собою.
Вал двигуна встановлюється в підшипники качіння, один із яких встановлений у корпусі, а інший в кожусі і виходить з боку корпуса.
Рухливий столик виконаний у лінійних направляючих і з'єднаний із приводом через гвинт-гайку.
Рухливий столик виконаний у виді робочої поверхні з посадковими місцями, зі зворотної сторони якої виконаний посадковий отвір для гайки з гвинтом і цільний подовжній кронштейн із посадковою площиною, перпендикулярною робочій поверхні столика і паралельній осі посадкового отвору для гайки з гвинтом, а з іншої сторони встановлений аналогічний кронштейн із можливістю його попередньої орієнтації в площині, паралельній площині столу, при цьому на обидві посадкові площини кожного кронштейна встановлені направляючі з можливістю їхньої попередньої орієнтації в посадкових площинах, перпендикулярних площині столу. Направляючі рухливого столика сполучені через кульки або ролики з бічними направляючими, що закріплені на площинах прямокутних косинців з можливістю їхньої попередньої орієнтації в цих площинах, а косинці закріплені ортогональними площинами на рамі з можливістю їхньої попередньої орієнтації в площині рами.
Рама виконана у виді цільного прямокутного кронштейна з фланцем для кріплення привода і бічних ребер жорсткості. Сполучення бічних косинців, привода й інших елементів з рамою здійснюється через спеціальні уступи-п'яти, виконані на посадкових площинах рами, з можливістю утворення міжплощинних повітряних зазорів.
Гайка жорстко закріплена на рухливому столику, гвинт сполучений з гайкою й одним кінцем через кульку упирається в нерухомий кронштейн, закріплений на рамі, а іншим кінцем з'єднаний з валом двигуна, причому між різьбою і елементом кріплення гвинта до вала виконаний пружний зв'язок у виді ряду прорізів з утворенням тонких пружних пластинчастих елементів, зміщених друг щодо друга на 90".
Рухливий столик двома симетричними пружинами, що працюють на розтягання, і одним кінцем закріпленими на нерухомому кронштейні, а іншим на рухливому столику, притискається через кульку до нерухомого кронштейна.
Додатково, мікроманіпулятор постачений пристроєм автоматичного відключення відповідного напрямку обертання п'єзоелектричного двигуна в крайніх положеннях.
Пристрій автоматичного відключення виконано у виді двох мікроперемикачів, розташованих на рамі на осі руху переміщення рухливого столика і рухливого кулачка, закріпленого на рухливому столику і розташованого між мікроперемикачами, причому кожен мікроперемикач приєднаний до відповідного кільцевого п'єзоелементу таким чином, що у вихідному стані він комутує ланцюг живлення відповідного п'єзоелемента, і розриває ланцюг живлення відповідного п'єзоелемента при спрацьовуванні мікроперемикача.
Додатково такий же третій мікроманіпулятор установлений на другому таким чином, що всі три осі переміщення рухливих столиків ортогональні.
Усі мікроманіпулятори сполучаються між собою через спеціальні уступи-п'яти, виконані на перехідних елементах, рухливих столиках і рамах, з можливістю утворення міжплощинних повітряних зазорів.
Перший мікроманіпулятор установлений на рухливій вертикальній осі, що кріпитися на струбцині, таким чином, що його вісь переміщення спрямована уздовж поперечної координати столу, а сполучення мікроманіпулятора з віссю виконано через рухливий столик.
Вісь переміщення другого мікроманіпулятора спрямована уздовж подовжньої координати столу, а його сполучення з рамою першого мікроманіпулятора виконано через рухливий столик.
Вісь переміщення третього мікроманіпулятора спрямована вертикально площині столу, а його кріплення виконане через косинець з бічними ребрами жорсткості, що сполучається з рамою другого мікроманіпулятора і рамою третього мікроманіпулятора.
Рухливий столик може бути виконаний у вигляді нерухомого кронштейну, який жорстко сполучений з валом приводу.
Додатково, на такому рухливому столику встановлений другий такий же мікроманіпулятор, причому вали приводів ортогональні між собою.
Додатково, на рухливому столику зі зсувом щодо вала встановлений другий мікроманіпулятор таким чином, що вали приводів паралельні між собою.
Додатково, на рухливому столику другого мікроманіпулятора встановлений третій мікроманіпулятор таким чином, що вал третього мікроманіпулятора ортогонален валу другого мікроманіпулятора.
На фіг.1 зображена кінематична схема мікроманіпулятора - прототипу і блок - схема його керування (1 - рухливий столик, 2 - підшипникові направляючі, З - мікрометрична гвинт-гайка, 4 - рухлива муфта, 5 - п'єзоелектричний привод, б - ротор; 7, 8 - кільцеві п'єзоелементи, 9 - штовхачі; 10 - генератор високочастотних імпульсів збудження п'єзоелементів; 11 - керований ключ; 12 - джерело живлення; 13 - формувач частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелементів.
На фіг.2 зображена кінематична схема запропонованого мікроманіпулятора і блок-схема керування мікроманіпулятором (1 - рухливий столик; 2 - лінійні направляючі; З - люфтовибірні пружини; 4 - мікрометрична гайка; 5 - гвинт; 6 - пружний зв'язок; 7 - вал п'єзоелектричного приводу; 8 - п'єзоелектричний привід; 9 - ротор; 10, 11 - кільцеві п'єзозлементи; 12 - штовхачі; 13 - корпус; 14 - підсилювачі; 15 - керовані ключі; 16 - генератори високочастотних імпульсів збудження п'єзоелементів; 17 - блоки формування частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелементів; 18 - блоки формування тривалості пачки імпульсів збудження п'єзоелементів; 19 - джойстики (наприклад, резистивні); 20 - блок формування одиночної пачки імпульсів збудження п'єзоелементів.
На фіг.3 зображені епюри сигналів, що пояснюють роботу пристрою (Шу - сигнал на виході генератора 16 високочастотних імпульсів збудження п'єзоелементів; Огшаг - сигнал на виході блоку 17 формування частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелементів; Охи - сигнал на виході блоку 18 формування тривалості пачки імпульсів збудження п'єзоелементів; Ос - сигнал п'єзоелементів; Огшаг - сигнал на виході блоку 17 формування частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелементів; Отси - сигнал на виході блоку 18 формування тривалості пачки імпульсів збудження п'єзоелементів; Ос - сигнал на виході керованого ключа 15; Опз - сигнал на п'єзоелементі; І. - мікропереміщення рухливої каретки; Ф - кутове мікропереміщення вала привода).
На фіг.4 зображена конструкція п'єзоелектричного приводу з високочастотним режимом керування, високим рівнем роздільної здатності і мінімальним рівнем супутніх механічних мікрозбурювань (1, 2 - кільцеві п'єзоелементи; З - хвильові оболонки; 4 - штовхачі; 5, 6 - тонкостінні циліндри ротора; 7 - осьова система ротора; 8 - гумові кільця; 9 - фторопластові кільця; 10 - корпус; 11 - кожух; 12 - притискні фланці; 13 - осьовий фланець; 14 - вал; 15 - підшипники).
На фіг.4а представлена конструкція п'єзоелектричного осцилятора (1(2) - кільцевий п'єзоелемент, виконаний у виді кільцевого резонатора з радіальною формою коливань; З - хвильова оболонка; 4 - штовхачі; 16 - плоский електрод; 17 - напрямок поляризації; 18 - тонкостінний циліндр; 19 - ребра жорсткості; 20 - щілини; О - зовнішній діаметр кільцевого резонатора; а - внутрішній діаметр кільцевого резонатора; Пп - висота кільцевого резонатора).
На фіг.4б представлена конструкція ротора п'єзоелектричного приводу (5, 6 - тонкостінні циліндри; 7 - осьова система; 21 - циліндричний підшипник ковзання; 22 - центральний фланець).
На фіг.4в представлена конструкція осцилятора зі звукоїзоляційними оболонками (1 - кільцевий п'єзоелемент; З - хвильова оболонка; 4 - штовхачі; 23 - звукоізоляційні оболонки, або баласти).
На фіг.Аг представлена конструкція вузла кріплення нерухомого кільцевого п'єзоелемента 2 до корпуса приводу (2 - кільцевий п'єзоелемент; 8 - гумове кільце; 9 - фторопластове кільце; 10 - корпус; 12 - притискний фланець; 15 - підшипник качіння; 24, 25 - нарізні фіксуючі пази; 26 - стійки кріплення; 28 - внутрішня циліндрична проточка; 29 - зовнішня циліндрична проточка).
На фіг4д представлена конструкція вузла кріплення рухливого кільцевого п'єзоелемента до вала приводу (1 - кільцевий п'єзоелемент; 8 - гумове кільце; 9 - фторопластове кільце; 12 - притискний фланець; 13 - осьовий фланець; 14 - вал; 15 - підшипник качіння; 25, 27 - нарізні фіксуючі пази; 26 - стійки кріплення).
На фіг.5 представлена конструкція одноосьового лінійного мікроманіпулятора (1 - рухливий столик; 2 - лінійні направляючі; З - п'єзоелектричний привід; 4 - прецизійний гвинт; 5 - посадкові місця; 10 - настановні гвинти; 20 - міжплощинні повітряні зазори).
На фіг.5а представлена конструкція складеного рухливого столика (1 - рухливий столик; 2 - лінійні направляючі; б - посадковий отвір для гайки з гвинтом; 7 - цільний подовжній кронштейн; 8 - рухливий кронштейн; 9, 10 - настановні гвинти; 30 - посадкові отвори для кріплення кулачка).
На фіг.5б6, 5в представлені елементи конструкції лінійного мікроманіпулятора (2 - лінійні направляючі; З - п'єзоелектричний привід; 11 - кульки; 12 - сепаратор; 13 - прямокутні косинці; 14 - настановні гвинти; 15 - рама; 16 - отвори в рамі для настановних гвинтів для кріплення косинців; 17 - фланець рами; 18 - ребра жорсткості рами; 19 - уступи - п'яти; 20 - міжплощинні повітряні зазори; 21 - прецизійна гайка; 22 - опірна кулька; 23 - нерухомий кронштейн; 24 - люфтовибірний гвинт; 25 - пружний зв'язок; 26 - люфтовибірні пружини; 27 - регулювальні гвинти, 28 - кріпильний кронштейн; 29 - мікроперемикачі).
На фіг.б6 представлена конструкція двохосьового лінійного мікроманіпулятора (1, 4 - п'єзоелектричні приводи; 2, 5 - рухливі столики; 3, 6 - рами; 7 - перехідна пластина; 12 - перехідні уступи - п'яти; 13 - міжплощинні повітряні зазори; 14 - вертикальна вісь; 15 - струбцина).
На фіг.7 представлена конструкція тривісного лінійного мікроманіпулятора (1, 4, 8 - п'єзоелектричні приводи; 2, 5, 9 - рухливі столики; 3, 6, 10 - рами; 7 - перехідна пластина; 11 - перехідний прямокутний кронштейн; 13 - міжплощинні повітряні зазори; 14 - вертикальна вісь; 15 - струбцина).
На фіг.8 представлена конструкція мікроманіпулятора з одним обертальним ступенем рухомості (1 - струбцина; 2 - привід; З - столик).
На фіг.ва представлена конструкція мікроманіпулятора з двома обертальними ступенями рухомості (1 - струбцина; 2, 4 - приводи; 3, 5 - столики).
На фіг.9 представлена конструкція мікроманіпулятора з плоскою полярною системою координат (1 - струбцина; 2, 4 - приводи; 3, 5 - столики).
На фіг.9а представлена конструкція мікроманіпулятора з циліндричною системою координат (1 - струбцина; 2, 4, 6 - приводи; 3, 5, 7 - столики).
Сутність запропонованого технічного рішення полягає в зменшенні рівня супутніх механічних вібрацій і одночасного підвищення роздільної здатності, зменшенні одиничних мікропереміщень, розширенні діапазону регулювання по швидкості, розширенні функціональних можливостей мікроманіпулятор за рахунок комплексних схемотехнічних і конструкційних методів, пов'язаних між собою. 1. Схемотехнічний метод передбачає насамперед перехід у високочастотну область керування при формуванні мікропереміщень. Перехід у високочастотну область передбачає підвищення частоти проходження кроків, або частоти пачок імпульсів збудження п'єзоелементів.
Експериментально встановлено, що при формуванні мікропереміщень, частотний діапазон, вільний від вібрацій, починається при частоті проходження кроків Ешаг2кгц. При такому режимі керування, період проходження кроків не повинний перевищувати 500мкс. Однак тут настає явне протиріччя, що зв'язане із суперпозицією загасаючих електромеханічних коливань на п'єзоелементі від попереднього збудження і коливань, обумовлених новим пакетом збудження. Оскільки п'єзоелектричний привід резонансна і досить добротна система, то час загасання коливань на п'єзоелементі Їзат звичайно складає кілька сотень мікросекунд, унаслідок чого відбувається накладення старих(загасаючих) коливань на нові(збудливі).
Розбіжність фаз загасаючих і збудливих коливань приводить до значних дестабілізаційних ефектів, що супроводжуються детонацією, вібрацією й ударами аж до зупинки привода і втрати працездатності.
Забезпечення стійкої роботи мікроманіпулятора при проходженні пакетів збудження з періодом іїсізат, реалізується за допомогою мікроманіпулятора, представленого на фіг.2. Основний принцип, закладений у даний пристрій керування, заснований на безперервному відстеженні фази коливань на п'єзоелементі й у синфазному збудженні п'єзоелемента відповідно до контрольованого сигналу. Це досягається за допомогою безупинно працюючого генератора 16 (сигнал Од епюра «А» фіг.3), що настроєний на частоту хо збудження п'єзоелемента і фаза коливань якого завжди збігається з фазою загасаючих коливань на п'єзоелементі (сигнал Опз, епюра «Д» фіг.3). Керований ключ 15 по зовнішній команді пропускає сигнал Од з генератора 16 високочастотних імпульсів збудження п'єзоелемента. Сигнал підсилюється підсилювачем 14 до потрібного рівня і надходить на п'єзоелемент. На відповідному п'єзоелементі, наприклад п'єзоелементі 10, збуджуються радіальні коливання. Коливання від п'єзоелемента передаються в штовхачі 12, які відштовхуючись від фрикційно - загальмованого штовхачами нижнього п'єзоелемента 11 ротора 9, створюють момент обертання валу 7. При зміні напрямку обертання працює п'єзоелемент 11. При цьому обертаючий момент, переданий штовхачами цього п'єзоелемента ротору 9 передається через фрикційний контакт штовхачів верхнього п'єзоелемента 10 і далі у вал і навантаження.
При цьому крок приводу, чи кут розвороту вала АФ пропорційний тривалості пачки збудження ту, чи що теж саме, тривалості сигналу керування на вході керованого ключа. Кутове мікропереміщення за допомогою мікрометричного гвинта 5 і гайки 4 перетвориться в поступальний рух, що передається рухливому столику 1.
Таким чином, одиничне мікропереміщення рухливого столика Лі, буде визначатися кроком приводу і передатним відношенням гвинта-гайки, а результуюча швидкість при заданій частоті проходження кроків
Ешаг2кГц буде регулюватися зміною величини кроку А (АФ). Ці функції і реалізуються в блоці 17 і 18. Блок 17 формує частоту Ешаг проходження кроків (сигнал Огшас епюра «Б» фіг.3), а в блоці 18 формується тривалість імпульсів керування ту відповідно до частоти Ешаг (сигнал Оти епюра «В» фіг.3). Сформований сигнал керування надходить на керований ключ 15, з виходу якого йдуть пачки імпульсів збудження на резонансній частоті п'єзоелементів (сигнал Ос епюра «Г» фіг.3). При цьому в кожному наступному циклі збудження фаза імпульсів у новому пакеті збудження і загасаючих імпульсів на п'єзоелементі (сигнал Ш пз, епюра «Д» фіг.3) збігаються, що і забезпечує стійку роботу системи. Крок п'єзопривода Аф (чи одиничне мікропереміщення А рухливого столика) пропорційний тривалості імпульсу керування ту (епюра «Е», фіг.3).
Швидкість переміщення при заданій частоті проходження імпульсів керування Ешаг, буде визначатися величиною мікроподачі АЇ. Змінюючи ту - змінюють швидкість. Тому для зручності керування до керуючого входу блоку 18 підключається джойстик, за допомогою якого змінюють ти. Звичайно в таких системах використовуються резистині або оптичні джойстики. У резистивному джойстику кут відхилення 9 джойстика звичайно пропорційний збільшенню опору, чи що теж саме, керуючому сигналу (у оптичному джойстику замість кута відхилення використовується лінійне відхилення).
У мікроманіпуляторі може бути використано два режими керування.
Перший режим, це коли тривалість пачки імпульсів збудження ти змінюється пропорційно відхиленню ручки джойстика, тобто ли-К"О (де К - коефіцієнт пропорційності). При такому режимі керування мікроманіпулятором швидкість змінюється рівномірно у всьому діапазоні в залежності від відхилення джойстика.
Другий режим керування, це коли тривалість пачки імпульсів збудження ти змінюється пропорційно логарифму відхилення ручки джойстика, тобто лу-К"Іпб. При такому нелінійному режимі керування підвищується чутливість керування від відхилення джойстика в області малих швидкостей (що, дуже важливо при мікроманіпулюванні з мікрооб'єктами) і загрублюється чутливість керування в області високих швидкостей.
З метою формування фазової прив'язки імпульсів Огєшаг з блоку формування частоти 17 (епюра «Б») до імпульсів на п'єзоелементі Шлз, епюра «Д» фіг.3, додатково введена синхронізація блоком 16 блока 17, шляхом введення додаткового опорного зв'язку, що забезпечує стабільність кроку при малих тривалостях пачки імпульсів збудження п'єзоелемента.
Для формування одиничних кроків у необмеженому діапазоні до блоку 15 може підключатися генератор одиночних імпульсів 20 з необмеженим діапазоном зміни ту. Цей режим необхідний, наприклад, для пробою мембрани яйцеклітини при внутрішній ін'єкції і т.д 2. Конструкційні методи передбачають перш за все перехід на конструкцію привода з високочастотним режимом керування.
Високочастотний режим керування системи різко обмежує діапазон регулювання по швидкості. Як згадувалося вище, при фіксованій частоті проходження кроків Ешаг величина швидкості змінюється шляхом зміни величини самого кроку АФ, чи в системі шляхом зміни тривалості пачки збудження ту. Отже, у нашому випадку Ешаг2кГц, тому верхня межа регулювання по ту обмежена величиною тутах 1/Еша--500мкс. По швидкості це буде режим безперервного обертання, чи максимальна швидкість. Мінімальна швидкість мікропереміщення буде визначатися мінімально можливою величиною кутового кроку приводу АрФфтіп, причому цьому значенню кроку повинно відповідати як можна менше значення ту"",
Виходячи з необхідних мінімальних швидкостей мікропереміщень (-0,5мкм/с), необхідної роздільної здатності (70,001мкм) і плавності регулювання можна сформулювати основні вимоги на п'єзоелектричний привід з високочастотним режимом керування: - мінімальний кутовий крок (кутова роздільна здатність) Афтіп"0,бкут.с (сучасний рівень у відповідних габаритах -1Окут.с); - даному кутовому кроку Афтіп повинна відповідати тривалість пакета збудження ти""--50мкс (сучасний рівень «150...200мкс); - мінімальний рівень супутніх мікрозбурювань при роботі п'єзоелектричного привода.
Конструкція такого п'єзоелектричного приводу представлена на фіг.4. Такий п'єзоелектричний привід працює на радіальних коливаннях, тому кільцеві п'єзоелементи 1, 2 виконані у виді кільцевих резонаторів з радіальною формою коливань.
Процес формування кутових мікропереміщень з наступним їхнім утриманням у пропонованому приводі умовно можна розділити на два підпроцеса: процес формування резонансних ультразвукових радіальних коливань в кільцевому резонаторі, і процес трансформації цих коливань в односпрямоване мікропереміщення ротора.
Перший процес у порядку причинно-наслідкового зв'язку - це процес формування резонансних ультразвукових радіальних коливань у кільцевому резонаторі. При радіальній формі коливань осьова лінія залишається круговою з періодично змінним радіусом, а набір власних частот ут може бути визначений відповідно до залежності (Довідник машинобудівника / За редакцією С.В. Серенсена. Изд. Машинобудівної літератури. Москва. 1962. Том 3, с.417):
Ут -5 ГЕ увяте)(т-ом,28.) т у яв де Е - модуль Юнга матеріалу п'єзоелемента;
А - серединний радіус кільця п'єзоелемента; рг - щільність матеріалу п'єзоелемента; т - номер моди коливань.
Експериментально встановлено, що при високочастотному режимі керування найбільш ефективно працює привід на нульовій моді (т-0), тому що на цій моді вдається досягти максимальної амплітуди коливань (-0,01...1,0мкм) на зовнішній циліндричній поверхні кільцевого резонатора і тим самим забезпечити стабільний запуск ("старт") привода. Але щоб забезпечити необхідну тривалість запуску "старту" ця мода повинна знаходитись в діапазоні 50...120кГц, що визначається габаритами резонатора. С другого боку така система повинна мати унікальні гальмові ("стопні") характеристики. Для цього, як було встановлено експериментально, час загасання коливань в ультразвуковому діапазоні збудження не повинен перевищувати 5...10 періодів збудження, що в перерахуванні на добротність резонатора О-луот (де хо - власна частота збудження, т - час загасання коливань у є раз) повинно складати величину «1...10.
Щоб у кільцевому резонаторі збудилися радіальні моди коливань, він повинний мати, з одного боку, визначену вісьосиметричну конфігурацію. Особливо це важливо при мінімізації п'єзоелектричних приводів, а отже і резонаторів. Експериментально встановлені параметри для кільцевих п'єзоелектричних резонаторів з зовнішнім діаметром ОЮО«20мм, складають: 0/4-2; а/2-Пп (де 4 - внутрішній діаметр кільцевого резонатора, Пп - висота кільцевого резонатора), що відповідає товстому кільцю, наприклад 22021075. З іншого боку, у такому резонаторі повинна збуджуватися рівномірна ультразвукова деформація по всьому кільцю. Це досягається плоскою системою електродів, сформованою на плоских торцевих поверхнях і поляризацією по нормалі до торцевих поверхонь, фіг.4а.
Зовнішні циліндричні поверхні п'єзоелементів охоплені хвильовими оболонками 3, на яких установлені штовхачі 4, що упираються у внутрішню поверхню роторів 5, 6, фіг.4. Первинні радіальні коливання, трансформуючись в хвильовій оболонці й у штовхачах, здійснюють мікропереміщення ротора.
Хвильова оболонка, фіг.4а, виконана у виді металевого тонкостінного циліндра 18 з відверненими з двох сторін полями, що утворюють кільцеві ребра жорсткості 19, причому згадані ребра жорсткості розсічені щілинами 20, у яких одним кінцем закріплені пластини-штовхачі 4. Така конфігурація хвильової оболонки здійснює розщеплення нульової моди радіальних коливань уо на дві складові - низькочастотну хо" і високочастотну хо", які рознесені між собою на 1...3кКГц4. Експериментально встановлено, що частота хо" відповідає резонансу моменту (хо" - резонанс швидкості) і на частоті уо" вдається досягти набагато меншого кутового кроку і меншої тривалості імпульсу збудження ту"", Тому частота генератора 16, фіг.2 звичайно відповідає хо".
Другий процес здійснює перетворення коливального руху в односпрямоване мікропереміщення ротора за рахунок збудження в штовхачах коливань по двох взаємо-перпендикулярних напрямках. При цьому радіальні коливання резонатора і хвильової оболонки трансформуються в подовжні коливання штовхачів, а поперечні згинні коливання збуджуються механічним шляхом за рахунок взаємодії штовхачів з поверхнею ротора, у яку вони упираються під гострим кутом і притискаються із силою Р. Саме ця сила і формує на визначеному радіусі ротора момент самогальмування Мсам, що утримує мікро переміщення і формує "стопні" характеристики. Експериментально встановлений момент самогальмування для одержання роздільної здатності в мікронних і субмікронних діапазонах повинний знаходитися на рівні -0,08...1,00НУм.
Такий момент самогальмування у відповідних габаритах можна забезпечити лише при зовнішнім розташуванні штовхачів, фіг.4а, за умови їхнього упора у внутрішню поверхню ротора. При накладенні двох взаємо-перпендикулярних коливань з однаковою частотою, обумовленою частотою збудження резонатора, "крапка" торкання штовхачів з ротором починає рухатися за плоскою еліптичною кривою, частина якої лежить на поверхні ротора, передаючи йому односпрямовані імпульси мікропереміщень.
Динаміка формування кутового кроку під дією цих імпульсів мікропереміщень передбачає ділянки розгону і гальмування, що визначаються, насамперед, інерційними властивостями рухливих елементів приводу. Неважко показати, що найбільш інерційною ланкою є ротор. Тому з метою мінімізації інерційних властивостей ротора штовхачі в пропонованому приводі розміщаються під кутом, фіг.4а, фіг.4в (щілини 20 прорізані під кутом до радіального напрямку), що дозволяє зменшити ротор у діаметрі максимально наблизивши його внутрішню поверхню до хвильової оболонки. З метою зниження маси, сам ротор виконано у виді двох тонкостінних циліндрів 5, 6, установлених на легкій осьовій системі 7 (фіг.4, фіг.46). Усе це в комплексі дозволяє зменшити момент інерції ротора, зменшити тривалість розгону і гальмування системи, зменшити тривалість імпульсу збудження ту", збільшити роздільну здатність системи.
Виконані оцінки показують, що при частоті збудження уо-70кГц, амплітуді збудження «0,5мкм (яка задається підсилювачем 14, фіг.2), сумарному моменті самогальмування Месам-0,1Н"м, внутрішньому діаметрі ротора «ЗОмм, мінімальний кутовий крок склав Афтіп0,5кут.с при ту""-50мкс, що добре погодиться з експериментом.
З метою мінімізації рівня шкідливих низькочастотних коливань на ротор і на привід у цілому, виникаючих на штовхачах, і супутніх робочим високочастотним коливанням, на штовхачі можуть бути встановлені оболонки 23, або баласти 23 зі звукоїзоляційного матеріалу, наприклад гуми чи поліхлорвінілу, фіг.Ав. Однак ці оболонки не повинні впливати на розповсюдження подовжніх робочих ультразвукових коливань у штовхачах. Тому сполучення оболонок чи баластів зі штовхачами здійснюється по бічним торцевим поверхням штовхачів, фіг.4в.
З метою ізоляції ультразвукових коливань ротора від вала двигуна, а також однієї працюючої частини ротора від іншої, ротор виконаний складеним, фіг.4б. Елементи ротора (тонкостінні циліндри 5, б) сполучаються між собою через осьову систему 7, що виконана у виді циліндричного підшипника ковзання 21 з центральним фланцем 22 зі звукоїзоляційного матеріалу, наприклад капралона, для кріплення циліндрів. Експериментально було підтверджено, що така конструкція і компонування ротора значно знижує рівень супутніх мікрозбурювань при роботі п'єзоелектричного приводу.
З метою ізоляції ультразвукових коливань другого кільцевого п'єзоелемента від корпуса приводу, а також забезпечення необхідної жорсткості кріплення, що усуває люфт у приводі і підвищую його точність, вузол кріплення кільцевого п'єзоелемента 2, фіг.4, фіг.4г, установленого на корпусі 10, виконаний у виді гумового кільця 8, встановленого в нарізний фіксуючий паз 24 у корпусі 10, фторопластового кільця 9, встановленого в нарізний фіксуючий паз 25 у притискному фланці 12, і стійок кріплення 26 притискного фланця 12 до корпуса 10 приводу. Гумове кільце забезпечує ультразвукову ізоляцію в широкому спектрі частот, а фторопластове кільце забезпечує жорстке утримання п'єзоелемента в процесі його роботи, і одночасно не впливає на параметри коливань резонатора (зберігає його ступеня рухомості). Це здійснюється за рахунок «ковзних» властивостей фторопласта. Таке конструкційне сполучення гуми і фторопласта дозволило забезпечити високий рівень роздільної здатності приводу при одночасній ізоляції корпуса приводу від ультразвукових вібрацій.
З метою ізоляції ультразвукових коливань першого кільцевого п'єзоелемента від вала приводу, а також забезпечення необхідної жорсткості кріплення, що усуває люфт у системі і підвищує його точність, вузол кріплення кільцевого п'єзоелемента 1, фіг.4, фіг.4д, установленого на валу 14 приводу, виконаний у виді гумового кільця 8, встановленого в нарізний фіксуючий паз 27 в осьовому фланці 13, запресованому на валу, фторопластового кільця 9, встановленого в нарізний фіксуючий паз 25 у притискному фланці 12, і стійок кріплення 26 притискного фланця 12 до осьового фланця 13 приводу. Гумове кільце забезпечує ультразвукову ізоляцію осьового фланця, а отже і вала, у широкому спектрі частот, а фторопластове кільце забезпечує стабільне утримання п'єзоелемента в процесі його роботи, одночасно не впливаючи на параметри коливань резонатора (зберігає його ступеня рухомості) за рахунок «ковзних» властивостей фторопласта. Таке конструкційне сполучення гуми і фторопласта дозволило забезпечити високий рівень роздільної здатності приводу при одночасній ізоляції вала приводу від ультразвукових вібрацій.
З метою зменшення ультразвукових коливань корпуса і супутніх їм мікрозбурювань при роботі п'єзоелектричного приводу, корпус приводу виконаний у виді жорсткого квадратного фланця 10, з циліндричними проточками 28, 29, фіг.4, фіг.4г, додатково встановлений кожух 11 виконаний у виді товстостінного циліндра, що закінчується аналогічним товстим фланцем, з'єднаним з корпусом. Таке сполучення квадратних і циліндричних контурів створює більший динамічний опір акустичним коливанням низькочастотного й ультразвукового діапазонів і тим самим різко знижує мікрозбурювання на корпусі при роботі п'єзоелектричного приводу.
З метою мінімізації ультразвукових коливань вала, шляхом ізоляції його від корпуса, вал 14 встановлений у підшипниках качіння 15, один із яких встановлений у корпусі 10, фіг.4, фіг.4Аг, а інший в кожусі 11, фіг.4, фіг.4г, причому робоча частина вала виходить з боку корпуса приводу. Використання підшипників качіння обумовлено меншою передачею ультразвукових коливань у вал, а їхній рознос у просторі дозволив рівномірно розподілити навантаження по усьому валу, підвищити його радіальну жорсткість і тим самим точність приводу. Вихід робочої частини вала з боку корпуса дозволяє знизити ультразвукову вібрацію вала за рахунок підвищеної жорсткості корпуса з одного боку, а з іншого боку - за рахунок конструктивного видалення основного джерела ультразвукових коливань у вал - кільцевого п'єзоелемента 1. 3. Конструкційні методи передбачають також перехід на конструкцію віброізольованої направляючої з підвищеною точністю.
Конструкція рухливого столика мікроманіпулятора визначається його функціональним призначенням (лінійні й обертальні мікропереміщення) і може реалізовуватися різними способами.
Пропонована конструкція лінійного мікроманіпулятора, фіг.5, включає рухливий столик 1 у лінійних направляючих 2 (наприклад кулькових), причому рухливий столик 1 з'єднаний з п'єзоелектричним приводом
З через прецизійний гвинт 4 з гайкою. При цьому мікрометрична гайка 4 установлена на рухливому столику 1, фіг.2, що виключає рухливу муфту 4, фіг.1 (джерело додаткового люфту), і що дозволило перейти на безлюфтовий пружний зв'язок 6, фіг.2.
З метою підвищення точності направляючої й одночасного зменшення рівня супутніх механічних збурювань при роботі приводу, направляючі виконані складеними (тому що складені конструкції мають велике демпфірування ультразвукових коливань за рахунок тертя в мікрозазорах), з елементами підвищеної жорсткості і віброізоляції.
З цією метою рухливий столик 1, фіг.5, фіг.5а виконаний у виді робочої поверхні з посадковими місцями 5, зі зворотної сторони якого виконаний посадковий отвір б для гайки з гвинтом і цільний подовжній кронштейн 7 з посадковою площиною, перпендикулярною робочій поверхні столика і паралельною осі посадкового отвору б для гайки з гвинтом. З іншого боку встановлений аналогічний кронштейн 8 з можливістю його попередньої орієнтації в площині, паралельній площині столу, при цьому на обидві посадкові площини кожного кронштейна встановлені направляючі 2 з можливістю їхньої попередньої орієнтації на посадкових площинах, перпендикулярних площині столу. Точність направляючої визначається насамперед точністю установки направляючих 2 у просторі (їхньою паралельністю). Це досягається їхньою відносною установкою при зборці (попереднім розворотом і зсувом у площинах, перпендикулярних площині столу) на посадкових площинах за допомогою гвинтів 9, і попередньою установкою при зборці кронштейна 8 (попереднім розворотом і зсувом у площині, паралельній площині столу) за допомогою гвинтів 10, фіг.5, фіг.5а. При цьому отвори під гвинти 9, 10 виконані з можливістю зсуву гвинтів у них.
Направляючі рухливого столика сполучені через кульки 11 у сепараторі 12, фіг.5б, 5в, з бічними направляючими 2, що закріплені на площинах прямокутних косинців 13 з можливістю їхньої попередньої орієнтації в цих площинах за допомогою гвинтів 14. Косинці закріплені ортогональними площинами на рамі з можливістю їхньої попередньої орієнтації в площині рами за допомогою гвинтів, встановлюваних в отвори 16, фіг.5в. Таке компонування бічних направляючих дозволяє виконати їхню установку з практично повним виключенням люфтів по двох площинах.
З метою ослаблення низькочастотних механічних збурювань, що виникають при кроковому режимі роботи приводу, рама 15, фіг.5б6, 5в, виконана у виді цільного прямокутного кронштейна з фланцем 17 для кріплення приводу і бічних ребер жорсткості 18.
З метою ослаблення високочастотних механічних збурювань, що супроводжують роботу п'єзоелектричного приводу, сполучення бічних косинців 13, приводу З і інших елементів з рамою здійснюється через спеціальні уступи-п'яти 19, виконані на посадкових площинах рами, фіг.5в, з можливістю утворення міжплощинних повітряних зазорів 20, фіг.5, фіг.5б. При цьому здійснюється ослаблення ультразвукових мікровібрацій за рахунок зменшення площі сполучення контактуємих поверхонь.
Гайка 21, фіг.56, 5в, жорстко закріплена на рухливому столику 1, фіг.5, у посадковому отворі 6, фіг.5а.
Гвинт 4 сполучений з гайкою 21 і одним кінцем через кульку 22 упирається в нерухомий кронштейн 23, закріплений на рамі 15, через люфтовибірний гвинт 24, фіг.5б6, 5в. Іншим кінцем гвинт 4 з'єднаний з валом приводу 3, причому між прецизійною різьбою гвинта 4 і елементом кріплення гвинта до вала виконаний пружний зв'язок 25 у виді ряду прорізів з утворенням тонких пружних пластинчастих елементів товщиною 100...200мкм, зміщених друг щодо друга на 907". Таке компонування забезпечує стійку високочастотну віброізоляцію гвинта 4 від корпуса через кульку 22 і гвинта 4 від вала приводу З через пружний зв'язок 25 при одночасному виключенні "мертвого ходу" у системі При цьому підвищується точність мікроманіпулятора також за рахунок компенсації шкідливих моментів, що виникають при лінійних і кутових зсувах вала приводу щодо гвинта 4.
Рухливий столик двома симетричними пружинами 26, що працюють на розтягання, і одним кінцем закріпленими на нерухомому кронштейні 23, фіг.5б, 5в за допомогою регулювальних гвинтів 27, а іншим - на рухливому столику за допомогою кронштейна 28, притискається через кульку 22 до нерухомого кронштейна 23. Таке компонування з використанням двох пружин на розтягання є найбільш ефективним демпфером супутнім мікромеханічним збурюванням від приводу й одночасно більш стійка до бічних моментів, що виникають через можливі неспіввісності при роботі приводу, а отже має менше відхилень від лінійності переміщення і підвищену точність.
Оскільки п'єзоелектричний привід має досить великий питомий момент, то не виключене заклинювання в крайніх положеннях рухливого столика мікроманіпулятора на гвинті-гайці, або "розрив" пружного зв'язку за рахунок «скручування». У зв'язку з цим у конструкції мікроманіпулятора додатково передбачений пристрій автоматичного відключення відповідного напрямку обертання п'єзоелектричного приводу в крайніх положеннях рухомого столика. Цей пристрій може бути виконаний у виді двох мікроперемикачів 29, фіг.5в, розташованих на рамі 15 на осі переміщення рухливого столика. Спрацьовування мікроперемикачів здійснюється за допомогою рухливого кулачка, закріпленого на столику 1 за допомогою посадкових отворів 30, фіг.5а, і розташованого між мікроперемикачами. При цьому, кожен мікроперемикач приєднаний до відповідного кільцевого п'єзоелементу таким чином, що у вихідному стані він комутує ланцюг живлення відповідного п'єзоелемента (підсилювача 14, фіг.2), і розриває ланцюг живлення відповідного п'єзоелемента при спрацьовуванні мікроперемикача.
На фігб представлений двохосьовий мікроманіпулятор, у якому додатково такий же другий мікроманіпулятор установлений на першому таким чином, що їхні осі переміщення перпендикулярні між собою. Такий мікроманіпулятор включає привід 1 першого мікроманіпулятора, рухливий столик 2 першого мікроманіпулятори, лінійні направляючі і всі інші елементи якого розташовані на рамі 3, привід 4 другого мікроманіпулятори, рухливий столик 5 другого мікроманіпулятора і раму 6 другого мікроманіпулятора.
Причому рухливий столик 5 другого мікроманіпулятора закріплений на рамі З першого мікроманіпулятори через перехідну пластину 7 під кутом 90". Такий мікроманіпулятор дозволяє вільно маневрувати в плоскому просторі за допомогою двох лінійних осей.
На фіг.7 представлений тривісний мікроманіпулятор, у якому додатково такий же третій мікроманіпулятор установлений на другому таким чином, що всі три осі переміщення ортогональні між собою. Рама 10 третього мікроманіпулятора закріплена на корпусі 6 другого мікроманіпулятора під кутом 907 за допомогою прямокутного кронштейна 11. Такий мікроманіпулятор дозволяє вільно маневрувати в тривимірному просторі за допомогою трьох лінійних осей.
З метою зменшення ступеня проникнення високочастотних ультразвукових коливань з однієї координати на іншу, всі координати сполучаються між собою через спеціальні уступи-п'яти 12, виконані на перехідних елементах, рухливих столиках і рамах, з можливістю утворення міжплощинних повітряних зазорів 13, фіг.б, фіг.7.
При компонуванні мікроманіпулятора, найбільше «жорсткими» виходять осі, що ближче розташовуються до місця кріплення мікроманіпулятора (до струбцини). Найбільше «жорсткими» повинні бути координати, що працюють у площині столу мікроскопа. Тому перший мікроманіпулятор (із приводом 1), представлений на фіг.б, фіг.7, установлений на рухливій вертикальній осі 14 (з метою розвороту в площині столу), що кріпиться на струбцині 15, таким чином, що вісь переміщення першого мікроманіпулятора спрямована уздовж поперечної координати столу, а сполучення мікроманіпулятора з віссю 14 виконано через рухливий столик 2.
При вищевказаному компонуванні перша координата виходить найбільш «жорсткою», а отже і найбільш інерційною, тому що на ній установлюються всі наступні координати. Найбільш рухомою повинна бути подовжня координата, тому що саме цією координатою здійснюються основні маневри (наприклад, підхід до клітки, пробій мембрани клітки). Тому вісь переміщення другого мікроманіпулятора з приводом 4, фіг.б, фіг.7 спрямована уздовж подовжньої координати столу, а його сполучення з рамою З першого мікроманіпулятора виконано через рухливий столик 5.
Третя координата працює по «висоті», чи по фокусу мікроскопа і виходить найменш "жорсткою". Тому вісь переміщення третього мікроманіпулятора з приводом 8, фіг.7, спрямована вертикально площині столу.
З метою підвищення "жорсткості", її кріплення виконане через прямокутний кронштейн 11 з бічними ребрами жорсткості що сполучається з рамою б другого мікроманіпулятора і рамою 10 третього мікроманіпулятора.
З метою забезпечення обертальних ступенів рухомості мікроманіпулятора, рухливий столик може жорстко сполучатися безпосередньо з валом приводу. Конструкція мікроманіпулятора з одним обертальним ступенем рухомості представлена на фіг.8, із двома обертальними ступенями рухомості - на фіг.ва (вали приводів ортогональні між собою). Привід 2 здійснює розворот у площині столу, а привід 4 - у вертикальній площині.
З метою забезпечення роботи мікроманіпулятора в полярній системі координат, пропонується конструкція, представлена на фіг.9. У такому мікроманіпуляторі на рухливому столику З зі зсувом щодо вала першого приводу 2 установлений другий мікроманіпулятор таким чином, що вал приводу 4 паралельний валу приводу 2. За допомогою приводу 2 здійснюється розворот у площині столу мікроскопа, а за допомогою приводу 4 змінюється радіус цього розвороту.
З метою забезпечення «прокачування» по висоті мікроманіпулятора в полярній системі координат, додатково на столик 5 другого мікроманіпулятора, фіг.За, установлений третій мікроманіпулятор таким чином, що вал приводу 6 перпендикулярен валу приводу 4.
Як показали виконані оцінки, пропонований мікроманіпулятор дозволяє одержати наступні основні технічні характеристики: лінійна роздільна здатність 0,001...0,1мкм кутова роздільна здатність О,5кут.с лінійний діапазон переміщення 10...100мм кутовий діапазон переміщення 180...36бОкут.град лінійні діапазони по швидкостях 0,01...300мкм/с кутові діапазони по швидкостях О,5кут.с/с...3бОкут.град/с лінійна стабільність позициювання 0,005мкм/год при 2070 кутова стабільність позициювання 2кут.с/год при 2070 споживана потужність 2...3вт
Такі мікроманіпулятори знайдуть широке використання серед вчених і фахівців, що займаються живою кліткою в мікроскопічному полі. А широкі функціональні можливості таких мікроманіпуляторів, виконаних відповідно до пропонованого пристрою, дозволять широко їх використовувати не тільки в унікальних медико-біологічних технологіях, але й у різних сферах науки та техніки.
ї є з х 5457 З
В нн оре Гру х Порти
У Бекудтія ие све н ' і и Н АК ШКН ЖН
Ї 1 хе з щини а
Її г і НУ І х і і рр
Кн янв
ША Я т. пз адсь КИ ин:
СОМ свахи и ОС
КАШ АН В ВІН ЗИ жін ок, Н т І еВ МНН ще : т аа ще ; Н НЕ Ок.
ПУ коня : 5 | оо З
СЕ ую жмут уми. : ІРР:
СЕК ти ! інь! і ВЕОЕ
Мр Сбажм пил 14 14
Ел не Й
МЕІИ сли 1 Н Н Е Н Н 1
І НЕ Н АК Мя | Н Н БАН фон Могенннння | БО ; ї ! тео сг : знан ! і і Е Е Що
Н т віннн В НЕ НК о га
Н Н 51533 1. тк, з
Н Й МАМ же в хх фі
З КУ ку» ШО юЧ п ; я
ЦЕ які : : Ірма здеги : і миши шк шк шк плетених
Меодвшис : : : : ен ШІ В М НЕ І М А її пн ни о п в п В ше ин и о нн ин
СОЯ ССО СОС ЩЕ що . и на осо ЕВ Сов З ММ СОСНУ ти в ше я ко ко книжн ши ши - ВО ее ве ми щі у: рум о : 5 о з Ї ще й і ше НЕ нн нн по п ор Рацаяь о ен нс о и В ОХ і ж.
4 р
Мт 4 ПАК
З Ті т о Ах
ОА о Нв
ЕН Неси обу сек йони Ай соуці ОКУ НА «ПАК ех КК
ЖІ ом ях 1 ЗИ С НИК
Кі сен ЩІ КНУ З х ї х я т, БОКИ жи - З БЕ
Як і і А АКА
АХ са У Я КЕ ит и
І МИ я ДК ДАХ м ВІ 1 кт о Я че , маша ще в х зе
Ха ні ККУ, я «У КК У іч оч о и в ВМ щ Ся шк А м Мет ОХ Ух ха Р шах Хе
Кк КОДАК аа ж кеух хх й х
У Ен іа чи кОм ха ха АчННЯ ча ха х
Я
У жк «ОЗ, тав ки УА
Я
, «в За Ух, о Кк х л й ч Б К
Ку ой
Я я ши мк ее 127, г. М се М У КОХ СЗЧч Й в и уОши Фо дх сх ми З що и У й г ЦЕ ЕНКЙ се с й КІ М М
Е стек в Я Кк
З ле і А АК
І де М мая тх СЕ ЧА а Я -щ ше ШО А
У В КУ ИН
МЕ ера КУ .
У ЗМК де У чу
Б ча ОХ о Я
ОТ: У м й ко в
Зо М. ЗМ г рожа на я б я
А
Фу ди що тт. ще
СО
СКМ аО Я жк с
А ВУ
АСМАХУЄ и 2 чо у С З й
Мах Ух З. ре нн ку «В, .
КА ДЮ х й Е хо Ук ен М ак
МОЯ в яд й ооя ву ке ух хи, де
ДА В : по ДИ КН І х ще АНЯ ; вк М 1 в и ВА св - МО КО ка я
Беї в ку ВВ ко рух Фа
ККУ ЯК
СИ Де ша ех р. Ав ха вс ч че
4 ше - в лек -у се хх й АГАТ) рей ее єща дн ня сода
Ах ЛИШ фен срок Ши 22 р З цк аг)
Фк - Ж вм й ак й - ий 4 пи ; з
С а З : ; 2кй ще Ку Я г шо бу
Е 7 й; ві Це сь кола: іе-7 ще я
Гея че - МЕ А п У «- ВИЙ У зе КК : (и
ШИЯ ЛЬ: з ви фг Кк щ
Й -- я в ВА чл ув й у КО ХХ ши у КК сив ч як ;
МИ вк м и Щй ги с ЦЕ. зв, й й ; в ща
Ж я з я й 4 ле що ж ом яв з. с, Й ж Є а Я 25 щем й Те я шк. - МВ
Й В Я и В ВИШ: Е
Пи и чі я Кк: ж щі С це с
Фрайд -й 5
А з й 23
Мк 7 ве я с /
Мн ді СО й
А й ЕЕ пох :
ШУ, ЗМОЖУ под ж
В КК й з й
ЕЕ а дит ті у, 4 асо и а НН ь ЕК Усна г рев їй
Н ПН КУ р уЯ у
Ме че в ре чі
МКМ І Кк В: раль і
М : р ока
І Хв Шен
З то й - поса ше ще с Ди
МІ саке т ч нс і В ее р тях
ТОМ че века Б - ша ИЙ шу о Ба о а а ТІ я р і Аби Мн є 4 р: | ту Да
А в Мая Й | 7 й йй че р дж че ра
Ка Ох ре кг анна щи
ФІ й хе
Ів КЕ нен ЧК а у й
ТОМ Ок Соя т
ОВ сп
І к вк ше Си и ОО ам, ос Я ном оце я вес Ше 8 БОМ ОЗ Вч в ВО В чо Кох де. ВВ тк коса , в аньЯ нас т К но їК зу с а чі о мае: «Ви; и В нг те ворона НВ ох бе во а АННУ ее а КЕ Ух лит і в з ж й х МИТУХ, Я их В ГІ тя х, « не: аа вича в Нами
АД. б ка м хо ОЩИя ше и пи ца яд жи х ї -х м а хх НЯ
ОКА УЛ.
ОА о АЙ а а и и а УА Ди Ав
МКУ шт ї-» ДА, а КУ: щ ща - тя оо ни
НІЙ бай Б я
Я і НКЗх, ц Тр. ки
З не: С,
ОА НД с оан ню в ой що Х У я им
І А аа о а зов о ши ОМ
Е НЕ НОЯ жд Ху А 1, ва З КВ п, І ОВО
М шк й СУ і 7 ! а нак НИ п а: ИН щ р і зу, ши ши ту, ЗІ яку полин я ЩЕ вил М М й НЕК ко а Я т НЯ по м з чи Би їй пули ле: а иа ху за
ЗІКА де чо ча реа З я 7 Я й р нт х ; 1А у с ох
РИ М т ЖІ
Її -у" я лик В
КИ их ра ря от ро Н ра 2 ї а вн Не щит й хх Я що ке и и ЧИ 1 - нт я їк х рій ХЕ
Як а хе ті мі
У ч КО мя, х до ки дешеч МДЕ я яко г а й Кс ЗА ро З я
ІН а УМ ВЕ Бей й -
НИ аю ШЕ Ду и ї2 нини: ОО «НЕ ак ї я ав ни М о ее ННЯ яр кул ої ОК вод ка ОК у я хх. я ува ри
Еш о и о ен Я ни Об шлю ВМ М у
БО Ж сою ІВ ВН ВАК,
В я сома и КО Ре;
ОЇ жк ех ої тиме сом, ЗОН ї х М во Я дк Зо КІ
В з ху з
Мо ше Б иа Чо аа с а п в а одн ра С ИЙ
Аа; ї2 ех У НИ ет Ов ов бр м
ІЗ АК с МВ ов дю»
У ОА я че яю ре ДІ ВИС й ; ма т вчу поь Ку Ма ун нн в ья веде хв
Ти. ту ув Ки 7 І оч - ВЕ р о й з їж м шк їх? мая Бай
МИ їх йо ме як коша та я в АВ р Кк хі
Я Я 5 СлУДн ох в ї ї х б в УА й Я - Бо ЧУ
Ще й й й - к-т че ооо й
Ме дв 2 Я й г» 7
Дт и ки соя Ки ши, в й енд щи дея кан ОР А
Ж че КК як з срееоикя св я З вия
У де 000 КИЙ
ВО кит і У
Км, я йо во
НИ пе мі я ВО щі ФВ чай ГКУ Ки де ве и
КД не ч й о КО я
Дн ОД мова ня с і я
ЗБЕ Ся явх ЧЕ
ВО з шк У я и их в я я ій в; де Даша щХ ше пудра
УТ м. т ті с
А и т их, а й КОЖ и и ай кА І С Ку ши, 4 щі ви ї- Яку зх мн в я
Кай ВИ В
Ока ел а пра и іа и ня х
ЕІ НН о чи С НИ Є ох || г
Мол ие НИ і;
БО
ВІЧНИЙ их о ВИЗ
ПОС ІІ у
ВМ ЖИ
- ОН» щу ; МО й
Ше те Кор
Фк : У 5 й
І ТК се
КУ
ЕК ИКЕ й --й я ще У
ЕК НК май 3. ЛАК й Ї й
ТАК в п Ж Но в НН о ше НИ В ЛКК КИ, ве ИН, ПИ» : ж КОВІ ЕТ
Б. коня вч і кни аа Н
КУ і Го с Ти : сум я РЕЯ : ше Ше их 0 ян . Н й НИ Н ше а Ви и и СУ 8
БИ а Ії Як . Н і ща 15 і і аа | ж ! а В СТ Ин пд в в НЯ де х ях у ї На фе Сосу аа Пи АС 7 ж
Ве и в ць ще ех
Ні ЧИ кава я Ду ОО ще ЗВ Ну ва . ЕУ І. 14 хм Я їм Н ! ще
Ж Ха р: щ- я ек
У Виза щ й й веде ія : ума аесе Н Кі ває В ТИМИ а ума се НК
Ви ! кар Н ? в! щи КЕ а Н
Я ши ПИШИ ЩЕ; ким; ЧИНИВ -
Ми ай лю рів Я
Е в ЯН р її ї пул чн ИН
М ті Киї - я ж ві НИ ННШШНН пе і дв НН
НУ ще
ФУ Ще оон ее ї іон «й
ТЗ КК ККК
КЛИМ й а Ка и я я я
Кз ГУ я г. іч Ба в т Ше
В оте В миши мя СЯ и 4 ти Ве ШИЯ
ПИКУКААИХ Й
ТОНН ЕНН ОЬ -
ПУЗНЕННННВ 7,
ЕН лі г ИЙ КИх я
МЖК
Н «ХЕ ХМ 1 7 Н
Уа а
ОКО і іа й ет
Цех. ди шо:
УЧНІ В оч на ВЕ ВН
Ко РІЙ
КЕ Я
У тт УСНЕ
Й Є СЗЗ в ОКІЙ 7 ке Ж Я - я
БИ і
НО
ВД с. ес зо ди у ци пі
М
Фу.
й
АХА ее во и о
АБМЖОК НВ са :
КЕ ж
КО ИЙ асИ з з о ій ді» жи МТ - и
ЕХ ОКА й вк ЩІ ї р еще ДЯ я а В чи я о а с ма ий он ИЙ с си сао Же ДИНИ я Й
ВПАЛА ЛИ ЦІМ А
ДП, м я ЖК іх те ож а і М СУ І а
А; Ех й А ни ж . т несе р НИ а і та
Н У 1
Оле се ВІ
УВУ Я п ОВ я и ь
Нас а
Н Кк х ик и - ек я о ексжит
УК тва
Кк я й ян їн к г рсу ТКА «КТ ни - ВАНІ 7 Щ и ВУ ами
Шк СЗМННК ек с ра ой а й. з І
БІ рей ой еще яри ни А
КИ - ра їх М а и ак З
АК си АЦ -7и її я З ше в ще доби ва шк какао реч в т рос ЯН; й КК І ме кА ННЯ й й ЕН
ШЕ ву
Бо А КАМИ я і в: АКА і й НЕ ! їх. ве ЛА і і я. Знищ
Ж Н с і х ! їж
Н БРАМІ
Он
РР а У
Ку се
З Ком,
КОЛА й я Ще з і вк | Н Н вод я я «ще. х фо ї дику оо
МИ
ЯУУ 1 ле са
ЯН БИБЕН
Те КИ а ТТН 3 НН НИДН пк НШЕЕЕАНННЕ
Іден
Я СОВА ВЕК
-- и хх ІНН : те - й А ю і Кл зх КМ. ї ї
Я нн - о 5 У ну до ЩЕпМНИиМуИр Й ит г ай зі і --
ОК ТИ дня ВК рн ? х ЗБАНН ї ря их
АННУ Їпеорюотнюву «дня
ЖЕН рн во Й ОА
УНН; МЕ и ї Б
Її и била ті т й
ПЕН т кн ТИ АКА й
ЛАКІВ пе т АВ я Ей
ОВ я ВУ я : ВН осмее вН щі
Ме си т вон и З й щі МУ ЩІ с В Фа Ей т т ся 7 ї рр 11 ІОиИ ої ж, (Я
Би - пн су нннллл вин ваз; ст а есеї ще Ясон ї на
Н «Я У їх ж Що їй ще Ві з Ж:
ШЕ ЗМЕН іш;
Еш са ее с: хе:
ІНН Ії ші 1
ЕН 1: хі 1
М ша!
ЩЕ
ВЗ є КК сего о оч
КУКИ КЕ КК й
КУЛЛАЛИНАМ щу ВАНН
UA2002064866A 2002-06-13 2002-06-13 Мікроманіпулятор UA71044C2 (uk)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2002064866A UA71044C2 (uk) 2002-06-13 2002-06-13 Мікроманіпулятор
AU2003234955A AU2003234955A1 (en) 2002-06-13 2003-05-22 Micromanipulator
CA002527502A CA2527502A1 (en) 2002-06-13 2003-05-22 Micromanipulator
PCT/UA2003/000017 WO2003106113A1 (en) 2002-06-13 2003-05-22 Micromanipulator
US10/876,296 US7405508B2 (en) 2002-06-13 2004-06-24 Micromanipulator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2002064866A UA71044C2 (uk) 2002-06-13 2002-06-13 Мікроманіпулятор

Publications (1)

Publication Number Publication Date
UA71044C2 true UA71044C2 (uk) 2004-11-15

Family

ID=34102283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
UA2002064866A UA71044C2 (uk) 2002-06-13 2002-06-13 Мікроманіпулятор

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7405508B2 (uk)
AU (1) AU2003234955A1 (uk)
CA (1) CA2527502A1 (uk)
UA (1) UA71044C2 (uk)
WO (1) WO2003106113A1 (uk)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005044087A1 (de) * 2005-09-08 2007-03-15 Schott Ag Aktor zur Bewegung eines Werkzeuges
UA84065C2 (uk) * 2006-11-09 2008-09-10 Сергей Федорович Петренко П'єзоелектричний генератор механічних коливань і п'єзоелектричний двигун на його основі (варіанти)
FR2913829B1 (fr) * 2007-03-14 2014-09-05 Cedrat Technologies Systeme de positionnement fin par moteur inertiel a base d'amplificateur mecanique
JP5165289B2 (ja) * 2007-06-29 2013-03-21 オリンパスイメージング株式会社 駆動装置
JP5197101B2 (ja) * 2008-03-31 2013-05-15 日本トムソン株式会社 可動テーブル装置
US9138892B2 (en) 2009-11-06 2015-09-22 Sensapex Oy Compact micromanipulator
FI20116111A7 (fi) 2011-11-10 2013-05-11 Sensapex Oy Mikromanipulaattorijärjestely
RU2626024C1 (ru) * 2016-03-17 2017-07-21 Владимир Александрович Жаботинский Устройство для прецизионных перемещений

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4019109A (en) * 1974-05-13 1977-04-19 Hughes Aircraft Company Alignment system and method with micromovement stage
AT384912B (de) * 1982-04-16 1988-01-25 Ki Polt I Piezoelektrischer motor
AT382262B (de) * 1982-04-16 1987-02-10 Ki Polt I Piezoelektrischer motor
SU1504090A1 (ru) * 1986-10-13 1989-08-30 Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса Устройство дл управлени прецизионным микроманипул тором
RU2041480C1 (ru) * 1992-04-22 1995-08-09 Сергей Федорович Петренко Микроманипулятор
US6404104B1 (en) * 1997-11-27 2002-06-11 Canon Kabushiki Kaisha Vibration type actuator and vibration type driving apparatus
US6736361B2 (en) * 2001-09-04 2004-05-18 Nline Corporation Semiconductor wafer positioning system and method
JP4353781B2 (ja) * 2003-02-27 2009-10-28 株式会社日本自動車部品総合研究所 ピエゾアクチュエータ駆動回路
US6867532B2 (en) * 2003-07-17 2005-03-15 The Brady Group Inc. Long life piezoelectric drive and components
US6977461B2 (en) * 2003-12-15 2005-12-20 Asml Netherlands B.V. System and method for moving an object employing piezo actuators

Also Published As

Publication number Publication date
WO2003106113A1 (en) 2003-12-24
US7405508B2 (en) 2008-07-29
US20050023930A1 (en) 2005-02-03
CA2527502A1 (en) 2003-12-24
AU2003234955A1 (en) 2003-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0993231A2 (en) Sound generating device
JP6103151B2 (ja) 気体制御装置
DE102012222988B4 (de) Mikromechanische Resonatoranordnung
US11009110B2 (en) Screw-based nanometric motion control mechanism
US20100101906A1 (en) Device for damping vibrations
US20050052094A1 (en) Ultrasonic lead screw motor
UA71044C2 (uk) Мікроманіпулятор
US20110252887A1 (en) Electrical Damping for Isolation and Control of Mems Sensors Experiencing High-G Launch
JP2006087984A (ja) 気泡噴射装置
US5760528A (en) Vibration actuator
EP3913415B1 (en) Optical device actuator and lens barrel provided with same
Yazdi et al. Robust sliding-mode control of electrostatic torsional micromirrors beyond the pull-in limit
CN112217415A (zh) 一种框架式三自由度压电谐振自致动机构及其激励方法
EP0381983A2 (en) Constant velocity scanning apparatus
Krylov et al. Bouncing mode electrostatically actuated scanning micromirror for video applications
Driesen et al. Energy consumption of piezoelectric actuators for inertial drives
KR20070004523A (ko) 초음파 리드 나사 모터
JPH0965674A (ja) 振動アクチュエータ
EP0981448B1 (en) A droplet generator for a continuous stream ink jet print head
JP5273915B2 (ja) 振動型リニア駆動装置及びカメラレンズ
KR20040084532A (ko) 액적 발생장치
EP4513245A1 (en) Optical device actuator and lens barrel provided with same
Yan et al. Piezoelectric energy harvesting system via impact and vibration–a review
Somasundaram et al. Active vibration control of flexible plates using piezoelectric actuators
Kim et al. Development of a large-amplitude piezoelectric torsional actuator