Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах

. С О 1 В 17/ОО,СССР1985.СР1986,е, еасГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) ДАТЧИК МИКРОПЕРЕИЕЦ 1 ЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ(57) Изобретение относится к техниксвязанной с измерением линейных пермещений в промьппленных установках,робототехнике, контролю линейных размеров, деталей, проверке инструментаЦель изобретения - повышение точности измерения микроперемещений иуменьшение габаритов датчика. Датчикмикроперемещений содержит подвижнуюпьезопластину 10, жестко соединеннуюс кареткой б, которая перемещаетсяпо направляющим в корпусе 1. Пьезопластина имеет четыре рабочие грани,которые попарно сопряжены плавнойповерхностью. Над широкими гранямипьезопдастины установлены со смещением от центра к боковым граням двавходных встречно-штыревых преобразователя (ВШП) 25 и 26 ПАВ, а на боковых гранях - выходные ВШП 13 и 14,параллельно которым на стенках корпуса установлены с зазором экраны.В одной плоскости с ВШП 25 и 26 размещены плоские катушки индуктивности,а на корпусе - экраны из ферромагнитного материала. Пары ВШП 25, 13и 26, 14 образуют две линии задержкиПАВ, Внутренняя полость с пьезоплтиной 10 и ВШП 25 26 и 13, 14 ПАВотделена от внешней среды крьппками.Электрическое соединение осуществляется через группы гермовводов 2 и 3.Изменение положения пьезопластины 10относительно ВШП 25 и 26 и экрановприводит к изменению фазы или частоты электрического сигнала в линияхзадержки с противоположным знаком.1 з.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к технике,связанной с точным измерением перемещений при контроле положения обрабатывающего инструмента относительнодетали, и может быть использованов робототехнике, технологии микроэлектроники, графопостроителях, прецизионной обработке, например, оптических дисков, головок видеомагнитоФоков,Целью изобретения является повыше ние точности измерения микроперемещений и уменьшение габаритов датчика.На фиг.1 приведено предлагаемое 15устройство со снятой крышкой, разрезА-А на Фиг,2; Фиг,2 - разрез Б-Б наФиг.1;,на фиг,3 - разрез В-В наФиг.1; на фиг.4 - встречно-штыревойпреобразователь (ВШП) с направлением 20силовых линий электрического поля.Устройство состоит из корпуса 1с группами гермоввода 2 и 3 в верхней и нижней стенках и крышек 4 и 5.Вдоль торцовых стенок корпуса 1 выполнены калиброванные направляющие,по которым перемещается каретка 6,выполненная в виде рамы, в которойзапрессован контактный штифт 7 с насадкой из твердого сплава или рубина, 30который находится в соприкосновениис обрабатываемой поверхностью деталиили режущей частью инструмекта Междукареткой 6 и корпусом 1 помещена вуглублении пружина 8. В полости корпуса 1 между боковыми элементами каретки 6 в фиксированном положениис помощью 3 пар упоров 9 установленапьезоэлектрическая пластина 10, выполненная в виде призмы, два диагональных ребра которой образуют плавный переход, а на двух других помещены поглотители 11 и 12. Призма может быть выполнена из ниобата лития.На узких гранях призмы сформированывыходные ВШП 13 и 14 с согласующимиплоскими спиральными катушками 15,16 и 17, 18 индуктивности, На расстоянии, составляющем не менее длиныволны поверхностной акустической волны (ПАВ) и определяющем рабочий ходкаретки 6, перпендикулярно направляющим установлены на боковых стенкахкорпуса 1 электростатические 19 и 20и Ферромагнитные 21, 22 и 23, 24 экраны, На противоположных краях верхней и нижней стенок корпуса 1 с Фиксированным зазором Ь, не превышающимширины электродов ВШП, установлены контактные входные ВШП 25 и 26, Входной В 111 П 25 состоит из диэлектрическойпластины 27 с канавками и электродами 28 треугольного сечения, обращенными вершинами к пьезопластине(призме) 10. ВШП 25 и.26 параллельныдруг другу и широким граням пьеэопластины 10, которая находится отвершин электродов на расстоянии Ь(не более ширины электродов ВШП),Диэлектрическая пластина 27 можетбыть изготовлена из плавленного кварца, а канавки в ней выполнены методом ионоплазменного травления. Входной ВШП 26 состоит из пластины 29и электродов 30 аналогичных деталям27 и 28 конструкции. Указанные формыэлектродов и канавки выбраны для повышения эффективности преобразования ПАВ.Устройство работает следующим образом,В среднем положении каретки 6 ипьезопластины 10 входной ВШП 25 возбуждает через воздушный зазор первуюПАВ, которая распространяется вдольповерхностного слоя верхней грани(фиг.1) пьезопластины 10, проходитчерез сопрягающую поверхность на левую грань и достигает выходной ВШП 13за времяТУгде Ь, - расстояние между ВШП 25 и 13по поверхности пьезопластины 10;Ч - скорость ПАВ.Аналогичным образом вторая ПАВ возбуждается входным контактным ВШП 26, распространяется вдоль поверхностного слоя нижней грани пьезопластины 10, проходит через сопрягающую поверхность на правую грань и дости-. гает выходной ВШП 14 за времяЕТ1Фгде 1 - расстояние между ВШП 26 и14 по поверхности пьезопластины 10.Первая ПАВ преобразуется в электрический сигнал с помощью ВШП 13, вторая ПАВ - с помощью ВШП 14. Фаза первого электрического сигнала равнаЧ = 1 Т( + 6, +Иге гдето Т, - набег Фаз в линии задержки, 4 о и Ьц - изменение Фазы сигналав согласующих цепях и ВШП13 и 25 соответственно.1 О Аналогично для второго электрического сигнала фаза раннаР, =от, + Ь, -ЬсР,.При смещении пьезоэлектрической пластины 10 вправо (увеличены координаты Х) изменяется длина пути, проходимого ПАВ, и величина емкости ВШП 13 и 14 и согласующих индуктивностей 15, 16 и 17, 18 вследствие смещений ВШП 13 и 14 относительно ВШП 25, 26 и экранов 19, 20, 21-24. Фаза первого электрического сигнала при этом равнаЯ, =И(Т, + ДТ,) +Ь(у, +6, + 15 +Ч + Ч,где Ч я - приращение фазы сигнала вовходном ВШП 25 вследствиеизменения зазора от температуры; 20Ьс, - приращение фазы сигнала ввыходном ВШП 13 вследствиеувеличения расстояния доэкрана и уменьшения емкостиВШП 14 индуктивности катушекЬТ - дополнительный интервалвремени, обусловленный смещением пьезопластины 10,Фаза второго электрического сиг- ЗО нала изменяется с противоположным знаком из-за уменьшения расстояния между ВШП 26 и 14 и уменьшения рас - стояния до экранаЯг =И(Т ) + , + ч 1 + ф 35"1 1 ЧЙФПри разностной обработке и для условий Т, = Т, ЬТ, = ЬТ = ЬТ АЧ 1 = =И Ч=ьЧ" ь =М ЧМг 40 получаемЬ( = 2 (ЯТ + И 1 )Температурное изменение фазы во всех элементах первой и второй линий задержки одинаковое по знаку и в значительной степени компенсируется в дифференциальной схеме обработки сигналов.Техническими преимуществами пред - лагаемого устройства являются высокая 550 точность измерения микроперемещений - до 20 нм и разрешающая способность до 1 нм, широкий диапазон температур (при введении поправки на точность измерения или использовании специаль 55 ных материалов с малым ТКЛР и ТК скорости ПЛВ), малые габаритные размеры датчика 50 х 25 х 15 ммэ, полученные за счет использования всех четырех граней пьеэопластины в качестве рабочих.Формула иэ обретения1. Датчик микроперемещений на поверхностных акустических волнах, содержащий корпус, подвижную пластину с двумя встречно-штыревыми преобразователями и поглотителем поверхностных акустических волн, предназначенную для контактирования с контролируемым объектом, и неподвижный - встречно-штыревой преобразователь, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности измерения микроперемещений и уменьшения габаритов, он снабжен дополнительным неподвижным встречно-штыревым преобразователем, электростатическими и ферромагнитными экранами и согласующими индуктивностями, расположенными на подвижной пьезопластине, над которыми на расстоянии не менее длины волны поверхностных акустических волн размещены электростатические и ферромагнитные экраны, два диагональ" но расположенных ребра подвижной пьезопластины образуют плавные переходы между узкими и широкими гранями, неподвижные встречно-штыревые преобразователи расположены на корпусе вдоль оси подвижной пьеэопластины со стороны ее широких граней со смещением в противоположные стороны относительно середины граней, их электроды имеют в поперечном сечении форму треугольника с вершиной, обращенной к подвижной пьезопластине, и с канавками между ними, а зазор между неподвижными встречно-штыревыми преобразбвателями и подвижной пьезопластиной не превышает половины периода электродов этих преобразователей.2. Датчик по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что согласующие индуктивности выполнены в виде плоских спиралей,1469351 9 723 10 27 це ректор И.Шароши едактор Т.Парфено Заказ 1349/47 Тираж 683 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР133035, Москва, Ж, Раущская наб,д. 4/5 нно-издательский зво 2 2 Составитель В.КольцоТехред Л.Сердюкова; мбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,10