Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Двигатель с дюймовым червяком – это устройство, использующее пьезоэлектрические актуаторы для перемещения вала с нанометровой точностью. В простейшей форме двигатель дюймового червя использует три пьезоактуатора (2 и 3, см. Рисунок 1), установленные внутри трубки (1) и включаемые последовательно для захвата вала (4), который затем перемещается в линейном направлении. Движение вала происходит за счет расширения бокового пьезоактуатора (2), толкающего два сцепляющих пьезоактуатора (3).
The inchworm motor is a device that uses piezoelectric actuators to move a shaft with nanometer precision. In its simplest form, the inchworm motor uses three piezo actuators (2 and 3, see Figure 1.) mounted inside a tube (1) and electrified in sequence to grip a shaft (4) which is then moved in a linear direction. Motion of the shaft is due to the extension of the lateral piezo (2) pushing on two clutching piezos (3).
Операция
Процесс приведения в действие двигателя дюймового червя представляет собой шестиступенчатый циклический процесс после начальной фазы релаксации и инициализации. Изначально все три пьезоэлемента расслаблены и не расширены. Для инициализации двигателя дюймового червя электрифицируется сцепляющий пьезоэлемент, ближайший к направлению желаемого движения (который затем становится передним сцепляющим пьезоэлементом), после чего начинается шестиступенчатый цикл, описанный ниже (см. Рисунок 2):
The actuation process of the inchworm motor is a six step cyclical process after the initial relaxation and initialization phase. Initially, all three piezos are relaxed and unextended. To initialize the inchworm motor the clutching piezo closest to the direction of desired motion (which then becomes the forward clutch piezo) is electrified first then the six step cycle begins as follows (see Figure 2. ):
Шаг 1. Расширение бокового пьезоэлемента. Шаг 2. Расширение заднего сцепляющего пьезоэлемента. Шаг 3. Расслабление переднего сцепляющего пьезоэлемента. Шаг 4. Расслабление бокового пьезоэлемента. Шаг 5. Расширение переднего сцепляющего пьезоэлемента. Шаг 6. Расслабление заднего сцепляющего пьезоэлемента. Электрификация пьезоактуаторов осуществляется путем подачи высокого напряжения на актуаторы в соответствии с шестиступенчатым процессом, описанным выше. Для перемещения на большие расстояния последовательность из шести шагов повторяется многократно с высокой скоростью. Когда двигатель приблизится достаточно близко к желаемому конечному положению, его можно перевести в опциональный режим точного позиционирования. В этом режиме сцепления получают постоянное напряжение (одно высокое, другое низкое), а напряжение на боковом пьезоэлементе затем регулируется до промежуточного значения под непрерывным обратным контролем для достижения желаемого конечного положения. Неактивированное состояние этого пьезоэлектрического двигателя может быть двух типов: обычно заблокированное или обычно свободное. Тип с обычно свободным состоянием позволяет свободно перемещаться при отсутствии питания, но может быть заблокирован при подаче напряжения.
Step 1. Extension of the lateral piezo. Step 2. Extension of the aft clutch piezo. Step 3. Relaxation of the forward clutch piezo. Step 4. Relaxation of the lateral piezo. Step 5. Extension of the forward clutch piezo. Step 6. Relaxation of the aft clutch piezo. Electrification of the piezo actuators is accomplished by applying a high bias voltage to the actuators in step according to the "Six Step" process described above. To move long distances the sequence of six steps is repeated many times in rapid succession. Once the motor has moved sufficiently close to the desired final position, the motor may be switched to an optional fine positioning mode. In this mode, the clutches receive constant voltage (one high and the other low), and the lateral piezo voltage is then adjusted to an intermediate value, under continuous feedback control, to obtain the desired final position. The non powered behaviour of this piezoelectric motor is one of two options: normally locked or normally free. A normally free type allows free movement when unpowered but can still be locked by applying a voltage.
Сканирующая туннельная микроскопия
Двигатель дюймового червя широко используется в сканирующих туннельных микроскопах (СТМ). Для работы СТМ требуется нанометровый контроль сканирующего наконечника вблизи исследуемого материала. Этот контроль достигается путем соединения сканирующего наконечника с валом двигателя дюймового червя. Двигатель дюймового червя, в свою очередь, обеспечивает управление в направлении, перпендикулярном плоскости поверхности исследуемого материала. Движение по поверхности обычно называют движением в плоскости x-y, а движение перпендикулярно поверхности – движением в направлении z. Управление движением сканирующего наконечника двигателем дюймового червя может осуществляться как вручную, так и автоматически, путем подключения двигателя к системе обратной связи.
The inchworm motor is commonly used in scanning tunneling microscopes (STMs). An STM requires nanometer scale control of its scanning tip near the material it is observing. This control can be accomplished by connecting the scanning tip to the shaft of the inchworm motor. The inchworm motor, in turn, allows control in a direction normal to the plane of the observed material's surface. Movement across the surface is commonly referred to as movement in the x y plane, whereas movement normal to the surface is commonly referred to as movement in the z direction. Movement of the scanning tip by the inchworm motor is either manually controlled or automatically controlled by connecting the motor to a feedback system.
Зажимание патча
Двигатель дюймового червя может использоваться при патч-клемпинге биологических клеток. Эта техника чаще всего выполняется с использованием оптического микроскопа и микроманипулятора, удерживающего стеклянную пипетку. Двигатель дюймового червя особенно хорошо подходит для патч-клемпинга, поскольку обеспечивает оператору практически мгновенное, точное, плавное и предсказуемое движение без смещения.
The inchworm motor can be used in patch clamping of biological cells. This technique is most often performed with an optical microscope and a micromanipulator holding a glass pipette. The inchworm motor is particularly ideal in patch clamping because it provides the operator with virtually an instantaneous, precise, smooth and predictable motion without drift.