тел: (495) 600-40-84

Применение пьезоприводов в системах лазерной обработки материалов и сканирующей микроскопии

Лазер является универсальным инструментом. На сегодняшний день, это незаменимый компонент в таких областях, как: обработка материалов, сканирующая микроскопия, офтальмология. Эти различные сферы применения имеют существенное сходство в том, что везде требуется точное позиционирование лазерного луча. В то же время, для задач лазерной обработки и фокусировки пьезодвигатели должны обладать такими свойствами, как: высокая динамика, надёжность, компактность, что обеспечивает их лёгкую интеграцию. Неудивительно, что пьезодвигатели часто не имеют серьёзной альтернативы для задач отклонения лазерного луча.

Актуаторы, работающие на основе пьезоэффекта, способны перемещаться с субнанометровым разрешением, при этом время отклика составляет порядка миллисекунды, что позволяет работать на частотах до 1 кГц. Приводы на основе пьезоэффекта имеют преимущество в сравнении с традиционными механическими системами благодаря отсутствию таких нежелательных эффектов, как люфт, трение. К положительным моментам стоит отнести также отсутствие необходимости в техническом обслуживании пьезоприводов ввиду отсутствия движущихся частей в привычном понимании этого слова
Deflector.JPG
Рис.1 Дефлектор, состоящий из нескольких пьезоактуаторов, объединённых с подвижной платформой (Источник: Physik Instrumente)

Более того, пьезоактуаторы не рассеивают энергию в статическом режиме. Широкий спектр аналоговых и цифровых контроллеров позволяет пользователю выбрать наиболее приемлемый вариант для обозначенной задачи. Существенным преимуществом цифровых контроллеров является то, что все параметры движения могут контролироваться с помощью использования алгоритмов. Таким образом, наряду с простотой использования, такой подход позволяет добиться высоких показателей точности и динамики.

Пьезоприводы в системах лазерной обработки материалов

Технология лазерной обработки материалов находит место в производстве электронных компонентов, в частности для производства трафаретов, использующихся для покрытия печатных плат припойной пастой (рис.2). 

Material processing.JPG

Рис.2 Установка для лазерной обработки электросхем и печатных плат (Источник: LPKF Laser & Electronics AG).

Помимо высокой производительности, необходимо обеспечивать точную обработку и выравнивание краёв трафарета. Обычно для данных задач используются традиционные системы отклонения лазерного луча, к примеру, гальванометрические сканеры, однако они имеют некоторые недостатки. Для того, чтобы существовала возможность позиционирования по двум осям, необходимо последовательное перемещение обоих зеркал с разными координатами точек вращения. Увеличение рабочего пространства снижает компактность установки. Платформы на основе пьезоприводов являются более приемлемой альтернативой, так как помимо высокой точности отклонения луча они обладают высокими динамическими характеристиками. 

Scheme of the deflector.JPG

 Рис.3 Принципиальная схема системы параллельной кинематики на основе пьезоприводов (дефлектор) для задач прецизионного отклонения лазерного луча (Источник: Physik Instrumente)

Данные платформы представляют собой систему параллельной кинематики, имеющую ряд преимуществ в сравнении с системами последовательной кинематики: единственная подвижная платформа с общей точкой вращения, более высокие показатели динамики, более компактные габариты, высокая точность отклонения луча. Интегрированные датчики высокого разрешения обеспечивают повторяемость позиционирования порядка 5 мкрад, что соответствует 0.0003°.

Пьезоприводы в сканирующей микроскопии

В сканирующей микроскопии лазерный луч также должен быть точно перемещён и сфокусирован в определённом месте образца. В то время как в большинстве случаев точность гальваносканеров достаточна для конфокальной микроскопии, она достигает своего предела в области микроскопии сверхвысокого разрешения (рис.4), где наряду с высокой динамикой требуется точность позиционирования луча порядка 10 нм. 

laser microscopy.JPG

Рис.4 Принципиальная схема лазерной сканирующей микроскопии (Источник: Physik Instrumente)

В данной схеме наиболее целесообразно применять дефлекторы. К примеру, позиционеры серии S-334 (рис.5) позволяют добиться высокой точности и динамики отклонения подвижной платформы по двум ортогональным осям с общей точкой вращения. Частота перемещения может составлять порядка 100 Гц при диапазоне отклонения до 3° в режиме с обратной связью. Управление дефлекторами серии S-334 осуществляется с помощью контроллера серии E-616.

S-334 deflector.JPG

Рис.5 Дефлектор серии S-334 (Источник: Physik Instrumente)