机电定位装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种设计作为惯性传动装置的机电定位装置，用于物体的定位，其定位精度小至原子级，定位距离大至厘米范围。此定位装置至少包括一个最好是管状的压电式致动器，用于将可电控的惯性运动传递给滑动件。本发明专利技术的对象是一种滑动件，它由至少一个质量较大的单元（质量单元）和至少一个可弹性弯曲的单元（弯曲单元）组成，通过滑动件的弯曲单元可以调整摩擦附着力的强度，而滑动件的质量单元保证定位装置有高的负荷能力。采用将这两种单元组合起来的定位装置，也可以定位较重的物体，并在用作工具时能施加必要的力。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种按权利要求1前序部分所述的机电定位装置。本专利技术具体涉及一种作为惯性传动装置的定位装置，它至少有一个最好为管状压电式的带有可运动的滑动件的致动器。致动器有用于与可变电压接通的电极，借助于此电压可以电控此滑动件的运动。必要时，此滑动件应在此压电致动器上或在此压电致动器内，按压电运动方向，沿一个最好是管状的摩擦表面运动。这类具有纳米精度、以惯性传动原理为基础借助于压电式致动器工作的定位装置，可具有至原子分辨能力地用作定位器。分析仪(例如电子光栅探测显微镜)和在显微技术与纳米技术中的工具。在这种惯性传动装置中，滑动件相对于摩擦表面的移动是通过使摩擦表面强烈加速实现的，此时滑动件的惯性力大于摩擦力，所以滑动件不再能跟随摩擦表面一起运动。一种特别紧凑的定位装置的形式是单轴惯性传动装置，如在DE3822504A1中，在PCT/EP 93/02414中和在Review Sci InsTr.63(1)(1992年1月，263/264页)中所介绍的那样。按照这些文件，借助于一个或多个压电致动器，快速地和缓慢地运动一个摩擦表面。此摩擦表面一定程度上均匀地尤其是管状地围绕着滑动件。DE 3822504A1介绍了一种显微操作器，它有多个滑动件，它们应同时支持和运动各自的物体。这些滑动件带着与之连接并直接装有物体的支承头，应压电式地可在一管状摩擦表面内移动。但是，按传统具有实心圆柱杆状和没有任何可弹性弯曲的构件的滑动件，它的摩擦力不能调整。按PCT/EP 93/02414介绍的在定位装置中的滑动件(“low-masssupport means”)具有类似于金属丝的形状，通过这种可弹性弯曲的形状可以在小的限度内调整其摩擦附着力的强度，也就是说，只能在一个狭窄的弯曲范围内调整合用的摩擦力。这种滑动件的形式只有在摩擦力很小的情况下才允许作惯性传动运动。因此，可以按传统运动一个测量探针，例如电子光栅探测显微镜的探针，而不能运动一个重的物体。此外，用这种滑动件只能施加一个极小的力，因为这个力受摩擦力强度的限制。还有，施加在按PCT/EP 93/02414的滑动件上的力，还受压电致动器功率极限的限制。从附着到滑动的过渡，除了与根据所使用的表面确定的不同的摩擦系数有关以外，主要取决于通过至少一个压电致动器传递给摩擦面上的脉冲波形的强度以及滑动件的质量。因为压电致动器在加高压时(大约略超过100伏)去极，然后便不再进行任何伸缩运动，因此，为能量供入惯性传动装置规定了一个上限。在期刊“Review Sci.Instr.”63(1)，1992年1月，263/264页中介绍了一种滑动件，它由一根沿纵向分开的圆柱杆的两个半部组成，这两个半圆柱体在一个设计为管的压电致动器内应被摩擦力固持住。为此目的，在两个半圆柱体之间装入弹簧，它的弹性力刚好大到能防止构成滑动件的圆柱体分部从管内落出，但尽管如此在压电力作用下却能沿管的纵向运动。滑动件的这种具有两个半圆柱体以及在半圆柱体之间装入难以调整的机械弹簧的这种机械式结构是如此之复杂，以致于实际上压电致动器的内径不能小于19至20毫米。由于整个装置粗大，所以它对于外界的机械干扰(例如脚步声)很敏感，因此在正常情况下，亦就是说例如没有特殊的减震系统，不可能定位物体至原子的精度。作为定位装置可在实践中使用的先决条件是，传动装置能容忍摩擦力的变化，摩擦附着力的这种变化例如是由于老化、灰尘、滑动件腐蚀、弹簧常数改变等引起的。在按期刊Review Sci.Instr.63(1)的装置中没有给出这种容忍性。在此公开文件中，只有在“Piezoelectricceramics”在50伏以上的高压下工作时，滑动件才能克服重力实施运动。因此，不可能用于克服比重力更大的力。本专利技术的目的是，消除上述滑动件形式的缺点，并由此可以获得一种单轴式惯性传动装置，它可以方便地调整在其每个传动脉冲时送进量应当遵守的误差，可以运动大的荷载和可以在物体上施加或传递大的力，以及在没有针对一般机械干扰的屏蔽装置(这意味着在普通的实验室中)的情况下，可以实施具有纳米(nm)级精度的厘米(cm)范围运动。最后，对于此定位装置还应突破一种功率极限，这是由向惯性传动装置中能量供应的上限造成的。在专利权利要求1中说明了按本专利技术的方案。本专利技术的改进和进一步设计在其余的权利要求中说明。按本专利技术的滑动件是整体式的，这指的是构成它的质量单元和弯曲单元组合后看起来成为一体。然而，各个质量单元和各个弯曲单元可以互相分开和独立加工。最好也制造从一开始便已由唯一的一体构成的滑动件。借助于至少其中一个可弹性弯曲的单元，滑动件在摩擦表面上的压力，可通过产生预紧力的弯曲快速地得到调整。由此可以在大的范围改变摩擦附着力的强度。按本专利技术的整体滑动件包括，至少一个本质上可弹性变形的弯曲单元，以及至少一个本质上重的质量单元。理论上弯曲单元也可以是重的，尽管相对于质量单元它设计为弹性的；或理论上质量单元也可能是有弹性的，尽管相对于弯曲单元它是重的。但在现有已知的固体材料中，不可能既是质量最重的，又是弹性最好的。如上所述，在压电致电器中，能量向惯性传动装置的供入有一个上限。按本专利技术通过组合在滑动件内成一体的质量单元也可以解决这一问题，因此尽管限制(合理的)能耗，也能获得一种大功率的压电致动器。采用本专利技术还可以在原则上显著提高压电致动器的效率。在恰当选择脉冲形式时，可以使一个大的滑动件质量与压电运动同步加速，如果借助于弹性弯曲单元将摩擦附着力调整得很强，但在压电运动快速改变时，由于此大的滑动件质量有大的惯性，故仍能进行滑动。大的惯性质量再加上可调整的高摩擦附着力，带来了以下一系列优点a.采用按本专利技术的滑动件也可以传送质量较大的物体。b.在静摩擦力调整得较大时，通过按本专利技术的定位装置可施加的力很大。c.由于其坚固性，按本专利技术的定位装置可在滑动件弹性弯曲单元的一个宽的弯曲变形范围起作用，这意味着滑动件的调整对于工作中的变化(污染、水分、腐蚀等)有极好的容忍度和不敏感，工作中的这些变化所起的作用相当于改变了滑动件的静摩擦力。d.为了运动按本专利技术的滑动件，在一个/多个压电致动器上加上数量级为±10伏的低电压便足够了，所以与许多传统的惯性传动装置相反，无需使用高压进行工作，从而使操作大为方便。e.本专利技术的另一个优点是，可以通过滑动件的弹性弯曲单元调整在摩擦表面上的压力，调整在滑动件与压电致动器之间每加一次电脉冲时的相对运动距离。因此，尤其可以将相对运动距离保持为小于压电致动器的调整范围，所以，即使在大的调整范围为毫米至厘米区时，任何位置仍可达到原子级的精度。f.由于按本专利技术的定位装置的坚固性，滑动件在速度达到每秒毫米的数量级的情况下均匀并具有重复性地运动。在摩擦表面与滑动件之间摩擦力的强度，除了上述机理之外，还取决于滑动件接触面的大小和性质。这一参数在加工时可以选择，然后保持常数，这一常数确定了滑动件弹性弯曲单元的调整范围。当至少有一个质量单元由一个具有这种形状的表面的机体构成时便可做到这一点，即，贴靠在摩擦表面上的面积大小可通过此表面形状选择，和/或一个或多个质量单元可用不同的材料制造并可以制有孔。对滑动件弹性弯曲单元所提出的要求，可由一种弹性的细金属丝来满足，如在PCT/本文档来自技高网...

【技术保护点】
机电定位装置，用于滑动件（５）定位，定位精度小至纳米级，定位距离大至厘米范围，此定位装置至少包括一个最好是管状的压电式致动器，致动器具有可相对于一个摩擦表面运动的滑动件和用于与可变电压接通的电极，借助于此电压可以电控此滑动件的运动，其特征为：滑动件（５）主要由至少一个本质上可弹性变形的弯曲单元（３）和至少一个与弯曲元件相比为非弹性的和比较重的质量单元（２）组成一个整体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯太凡克莱因迪克，
申请(专利权)人：福尔克克劳克，斯太凡克莱因迪克，
类型：发明
国别省市：DE[德国]