КООРДИНАТНЫЙ СТОЛ

Координатный стол относится к устройствам точной механики и может быть использован в системах сближения зонда и образца в сканирующей зондовой микроскопии.

Известен координатный стол, содержащий первый базовый элемент с первой направляющей по первой координате X, на котором установлен второй базовый элемент со второй направляющей по первой координате X и третий базовый элемент с третьей направляющей 6 по первой координате X, содержащий также каретку с четвертыми направляющими по первой координате X, пятыми направляющими по первой координате X и шестыми направляющими по первой координате X, при этом первая направляющая сопряжена с четвертыми направляющими, вторая направляющая сопряжена с пятыми направляющими, а третья направляющая сопряжена с шестыми направляющими, содержащий также привод по первой координате X с толкателем, имеющим первую продольную ось, расположенную вдоль первой координаты, и содержащий также пружинный элемент, имеющий вторую продольную ось, расположенную вдоль первой координаты X, закрепленный на первом базовом элементе и сопряженный с кареткой, причем толкатель сопряжен с кареткой по поверхности контакта в первой точке контакта, а пружинный элемент сопряжен с кареткой во второй точке контакта (Патент RU 2255321). Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Недостатки этого устройства заключаются в низкой точности перемещения, связанной с повышенными зазорами в люфтах между направляющими.

Задача изобретения заключается в обеспечении гарантированного бесконтактного сближения зонда и образца в сканирующей зондовой микроскопии.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности перемещения каретки координатного стола.

Указанный технический результат достигается тем, что в координатном столе, содержащем первый базовый элемент с первой направляющей по первой координате X, на котором установлен второй базовый элемент со второй направляющей по первой координате X и третий базовый элемент с третьей направляющей 6 по первой координате X, содержащий также каретку с четвертыми направляющими по первой координате X, пятыми направляющими по первой координате X и шестыми направляющими по первой координате X, при этом первая направляющая сопряжена с четвертыми направляющими, вторая направляющая сопряжена с пятыми направляющими, а третья направляющая сопряжена с шестыми направляющими, содержащий также привод по первой координате X с толкателем, имеющим первую продольную ось, расположенную вдоль первой координаты, и содержащий также пружинный элемент, имеющий вторую продольную ось, расположенную вдоль первой координаты X, закрепленный на первом базовом элементе и сопряженный с кареткой, причем толкатель сопряжен с кареткой по поверхности контакта в первой точке контакта, а пружинный элемент сопряжен с кареткой во второй точке контакта, первая точка контакта толкателя и вторая точка контакта разнесены по третьей координате Z, перпендикулярной поверхности, образованной первой координатой X и второй координатой Y, при этом вторая направляющая и третья направляющая обращены навстречу друг другу, а угол α между ними находится в диапазоне 1-179°.

Существует вариант, в котором вторая направляющая расположена под углом β к первой направляющей, а третья направляющая расположена под углом γ к первой направляющей, при этом угол β не равен углу γ.

Существует также вариант, в котором четвертые направляющие включают первую пару вкладышей и вторую пару вкладышей, разнесенных по первой координате X и сопряженных с первой направляющей, пятые направляющие включают пятый вкладыш и шестой вкладыш, разнесенные по первой координате X и сопряженные со второй направляющей, шестые направляющие включают седьмой вкладыш и восьмой вкладыш, разнесенные по первой координате X и сопряженные с третьей направляющей.

Существует также вариант, в котором модуль упругости материала первой пары вкладышей, дальней от первой точки контакта, превышает модуль упругости второй пары вкладышей, а модули упругости шестого вкладыша и восьмого вкладыша, ближних к первой точке контакта, превышают модули упругости пятого вкладыша и седьмого вкладыша, при этом первая точка контакта расположена дальше от первой направляющей, чем вторая точка контакта.

Существует также вариант, в котором вторая пара вкладышей, пятый вкладыш и седьмой вкладыш подпружинены соответственно относительно первой направляющей, второй направляющей и третьей направляющей.

Существует также вариант, в котором толкатель выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси и имеет сферический торец, взаимодействующий с поверхностью контакта, а поверхность контакта расположена под углом η к первой продольной оси толкателя и перпендикулярна плоскости XZ, причем первая точка контакта смещена по координате X относительно второй точки контакта в положительном направлении на большую величину и угол η меньше 90°, при этом существует смещение по координате Z между первой продольной осью и первой точкой контакта.

Существует также вариант, в котором толкатель выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси и имеет сферический торец, взаимодействующий с поверхностью, а поверхность контакта каретки расположена под углом ε к первой продольной оси толкателя и перпендикулярна плоскости XY, при этом существует смещение с по координате Y между первой продольной осью и первой точкой контакта.

На фиг. 1 изображен общий вид координатного стола.

На фиг. 2 изображен вариант координатного стола с направляющими, выполненными в виде вкладышей.

На фиг. 3 - фиг. 6 изображены различные варианты координатного стола с угловым расположением поверхности контакта с толкателем по отношению к направлению перемещения.

Координатный стол содержит первый базовый элемент 1 с первой направляющей 2 по первой координате X, на котором установлен второй базовый элемент 3 со второй направляющей 4 по первой координате X и третий базовый элемент 5 с третьей направляющей 6 по первой координате X. Второй базовый элемент 3 и третий базовый элемент 5 могут быть закреплены на первом базовом элементе 1 посредством крепежных винтов (не показаны). Первая направляющая 2, вторая направляющая 4 и третья направляющая 6 могут быть закреплены на соответствующем базовом элементе посредством клея (эпоксидной смолы). Координатный стол содержит также каретку 10 с четвертыми направляющими 11 по первой координате X, пятыми направляющими 12 по первой координате X и шестыми направляющими 13 по первой координате X, закрепленными на каретке 10 посредством клея (эпоксидной смолы). Материалом всех направляющих может служить поликор. Возможен вариант, в котором пары трущихся направляющих могут быть поликор - сталь ШХ15. Стальные направляющие на соответствующем базовом элементе или каретке 10 могут быть закреплены винтами. Первая направляющая 2 сопряжена с четвертыми направляющими 11, вторая направляющая 4 сопряжена с пятыми направляющими 12, а третья направляющая 6 сопряжена с шестыми направляющими 13. Для обеспечения безлюфтового сопряжения каретки 10 с базовыми элементами можно использовать подвижки второго базового элемента 3 и третьего базового элемента 5 в зазорах крепежных винтов (не показано). Координатный стол содержит также привод 19 по первой координате X с толкателем 20, имеющим первую продольную ось 22, расположенную вдоль первой координаты X. В качестве привода 19 можно использовать шаговый двигатель. Координатный стол содержит также пружинный элемент 25, имеющий вторую продольную ось 26, расположенную вдоль первой координаты X, закрепленный на первом базовом элементе 1 и сопряженный с кареткой 10. В качестве пружинного элемента 25 можно использовать стальную пружину растяжения. Толкатель 20 сопряжен с кареткой 10 по поверхности контакта 23 в первой точке контакта 24, а пружинный элемент 25 сопряжен с кареткой 10 во второй точке контакта 30. При этом первая точка контакта 24 толкателя 20 и вторая точка контакта 30 разнесены по третьей координате Z, перпендикулярной поверхности, образованной первой координатой X и второй координатой Y на величину а. Причем вторая направляющая 4 и третья направляющая 5 обращены навстречу друг другу, а угол α между ними находится в диапазоне 1-179°.

Существует вариант, в котором вторая направляющая 4 расположена под углом β к первой направляющей 2 (фиг. 2), а третья направляющая 6 расположена под углом γ к первой направляющей 2, при этом угол β может быть не равен углу γ.

Существует также вариант, в котором четвертые направляющие 11 включают первую пару вкладышей 35 и вторую пару вкладышей 40, разнесенных по первой координате X и сопряженных с первой направляющей 2. Пятые направляющие 12 включают пятый вкладыш 45 и шестой вкладыш 46, разнесенные по первой координате X и сопряженные со второй направляющей 4, шестые направляющие 13 включают седьмой вкладыш 50 и восьмой вкладыш 55, разнесенные по первой координате X и сопряженные с третьей направляющей 6. Вкладыши могут быть изготовлены из бронзы и закреплены в каретке 10 посредством эпоксидной смолы.

Существует также вариант, в котором модуль упругости материала первой пары вкладышей 35, дальней от первой точки контакта 24, превышает модуль упругости второй пары вкладышей 40. При этом модули упругости шестого вкладыша 46 и восьмого вкладыша 55, ближних к первой точке контакта 24, превышают модули упругости пятого вкладыша 45 и седьмого вкладыша 50. В качестве материала первой пары вкладышей 35, шестого вкладыша 46 и восьмого вкладыша 55 можно использовать бронзу. В качестве материала второй пары вкладышей 40, пятого вкладыша 45 и седьмого вкладыша 50 можно использовать фторопласт.

Существует также вариант, в котором вторая пара вкладышей 40, пятый вкладыш 45 и седьмой вкладыш 50 подпружинены соответственно относительно первой направляющей 2, второй направляющей 4 и третьей направляющей 6. В этом случае эти направляющие могут быть изготовлены из капролона и с натягом установлены в координатный стол. Возможен также вариант, в котором между этими вкладышами и кареткой 10 установлены витоновые эластичные прокладки толщиной 1-3 мм (не показаны).

Существует также вариант, в котором толкатель 20 выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси 22 (фиг. 3 - фиг. 4) и имеет сферический торец 21, взаимодействующий с поверхностью контакта 23. При этом поверхность контакта 23 расположена под углом η к первой продольной оси 22 толкателя 20 и перпендикулярна плоскости XZ. Причем первая точка контакта 24 смещена по координате X относительно второй точки контакта 30 в положительном направлении на большую величину и угол η меньше 90°. При этом существует смещение в по координате Z между первой продольной осью 22 и первой точкой контакта 24. На каретке 10 может быть установлен через переходник 60 не симметричный продольной оси 22 рычаг 61 с зондом 62, включающий острие 63.

Существует также вариант, в котором толкатель 20 выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси 22 (фиг. 5 - фиг. 6) и имеет сферический торец 21, взаимодействующий с поверхностью 23. При этом поверхность контакта 23 каретки 10 расположена под углом ε к первой продольной оси 22 толкателя 20 и перпендикулярна плоскости XY. Причем существует смещение с по координате Y между первой продольной осью 22 и первой точкой контакта 24. На каретке 10 может быть установлен через переходник 60 рычаг 61 с зондом 62, включающий острие 63.

Координатный стол работает следующим образом. Включают привод 19. Толкатель 20, выдвигаясь в положительном направлении по координате X, осуществляет перемещение каретки 10 по координате X в этом же направлении. При перемещении толкателя 20 в отрицательном направлении по координате X за счет использования пружинного элемента 25 возникает поджим каретки 10 к толкателю 20 и происходит перемещение каретки 10 в отрицательном направлении по координате X. Пружинный элемент 25 в процессе перемещения каретки 10 в положительном направлении по координате X создает перекос (поворот) каретки 10 в плоскости XZ против часовой стрелки, тем самым выбирая люфты между направляющими. При перемещении каретки 10 в отрицательном направлении по координате X этот перекос и выбор люфтов между направляющими сохраняется.

То, что первая точка контакта 24 толкателя 20 и вторая точка контакта 30 разнесены по третьей координате Z, перпендикулярной поверхности, образованной первой координатой X и второй координатой Y, создает принудительный перекос каретки 10 в плоскости XZ по часовой стрелке и устранение люфтов между направляющими при перемещении каретки. Это повышает точность перемещения каретки 10. То, что направляющая 4 и третья направляющая 5 обращены навстречу друг другу, а угол α между ними находится в диапазоне 1-179°, позволяет в каждом конкретном случае выбирать оптимальный угол для большей точности перемещения каретки 10. Например, если на каретке 10 закрепляют крупногабаритный и массивный образец, угол α целесообразно выбирать более 90°, а если на каретке закрепляют зонд 62 сканирующего зондового микроскопа, вес которого часто не превышает одного грамм, то угол α может быть менее 90°.

То, что вторая направляющая 4 расположена под углом β к первой направляющей 2, а третья направляющая 6 расположена под углом γ к первой направляющей 2, при этом угол β не равен углу γ, позволяет выбирать оптимальное соотношение этих углов при различных нагрузках по координате Y и повышает точность перемещения каретки 10. Если нагрузка направлена по координате Y в положительном направлении (фиг. 1, фиг. 2), то угол β должен быть меньше угла γ.

Четвертые направляющие 11 включают первую пару вкладышей 35 и вторую пару вкладышей 40, разнесенных по первой координате X и сопряженных с первой направляющей 2, пятые направляющие 12 включают пятый вкладыш 45 и шестой вкладыш 46, разнесенные по первой координате X и сопряженные со второй направляющей 4, шестые направляющие 13 включают седьмой вкладыш 50 и восьмой вкладыш 55, разнесенные по первой координате X и сопряженные с третьей направляющей 6. Выполнение направляющих в виде вкладышей минимизирует люфты при перемещении каретки 10 и повышает точность ее перемещения.

То, что модуль упругости материала первой пары вкладышей 35, дальней от первой точки контакта 24, превышает модуль упругости второй пары вкладышей 40, а модули упругости шестого вкладыша 46 и восьмого вкладыша 55, ближних к первой точке контакта 24, превышают модули упругости пятого вкладыша 45 и седьмого вкладыша 50, минимизирует люфты при перемещении каретки 10 и повышает точность ее перемещения.

То, что вторая пара вкладышей 40, пятый вкладыш 45 и седьмой вкладыш 50 подпружинены соответственно относительно первой направляющей 2, второй направляющей 4 и третьей направляющей 6, минимизирует люфты при перемещении каретки 10 и повышает точность ее перемещения.

То, что толкатель 20 выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси 22 и имеет сферический торец 21, взаимодействующий с поверхностью контакта 23, а поверхность контакта 23 расположена под углом η к первой продольной оси 22 толкателя 20, за счет трения в точке контакта 24 разворачивает в пределах люфтов направляющих каретку 10 по часовой стрелке в плоскости YZ (фиг. 4) при вращении толкателя 20 по часовой стрелке. Это повышает точность перемещения каретки 10, сопряженной с не симметричным продольной оси 22 рычагом 51. В этом случае при остановке каретки 10 минимизируется упругий довод зонда 62 по координате X (доворот в плоскости XY) за счет релаксации накопившихся напряжений. Это исключает несанкционированное касание острия 63 с измеряемым в СЗМ образцом (не показаны).

То, что толкатель 20 выполнен с возможностью вращения вокруг первой продольной оси 22 и имеет сферический торец 21, взаимодействующий с поверхностью контакта 2323, а поверхность контакта 23 каретки 10 расположена под углом ε к первой продольной оси 22 толкателя 20, за счет трения в точке контакта 24 разворачивает в пределах люфтов направляющих каретку 10 против часовой стрелки (фиг. 5) в плоскости XZ при вращении толкателя 20 против часовой стрелки. Это повышает точность перемещения каретки 10, сопряженной с не симметричным продольной оси 22 рычагом 51. В этом случае при остановке каретки 10 минимизируется упругий довод зонда 62 по координате X (доворот в плоскости XZ) за счет релаксации накопившихся напряжений. Это исключает несанкционированное касание острия 63 с измеряемым в СЗМ образцом (не показаны).