УСТРОЙСТВО ПРЕЦИЗИОННОГО ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ДЛЯ НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к области точного приборостроения, в частности к устройству нанопозиционирования объекта, где необходимо прецизионное перемещение объекта и может быть использовано для измерения с высокой точностью линейных перемещений в малогабаритных устройствах, либо для определения линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне.
Как правило, для устройств нанопозиционирования используются пьезоэлектрические приводы, т.к. они обладают компактностью, высокой жесткостью и разрешающей способностью, что способствует высокой точности позиционирования. С другой стороны, точность позиционирования будет зависеть от последействия гистерезиса, нестабильности параметров материала во времени и от изменений температуры окружающей среды. Последействие обусловлено релаксационными процессами в пьезокерамике. Гистерезис материала возникает из-за наличия диэлектрических и механических потерь, его величина для разных материалов находится в пределах 10−40%. [Jing Na, Qiang Chen, Xuemei Ren Chapter 16 - Hysteresis Dynamics and Modeling, In Emerging Methodologies and Applications in Modelling, Adaptive Identification and Control of Uncertain Systems with Non-smooth Dynamics, Academic Press, 2018, Р. 249-256. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813683-6.00021-0].
Известно устройство, описанное в патенте РФ на полезную модель №87572, МПК H01L 41/00 опуб. 10.10.2009 г. Устройство предназначено для механического перемещения подвижной платформы, выполненной в виде каретки, вдоль одной координаты и содержит неподвижное основание, механизм перемещения, выполненный в виде движителя, включающего пьезоактуатор. Согласно полезной модели движитель выполнен из двух пластин, соединенных между собой, с возможностью смещения относительно друг друга только в направлении перемещения, например, с помощью четырех упругих шарниров, причем к одной из пластин жестко пристыкована перемещаемая каретка, а другая пластина прижата к неподвижному основанию для перемещения и фрикционно с ним взаимодействует.
Однако данное техническое решение ограничивает область применения устройства: низкая скорость позиционирования объекта, ограниченная возможностями пьезоактуатора; резкая прерывистость поступательного движения; колебания перемещаемого объекта в вертикальной плоскости; отсутствие системы контроля положения позиционируемого объекта в горизонтальной плоскости.
Известно устройство для прецизионных перемещений (см. патент на полезную модель РФ № 164855, кл. МПК H01L 21/00, опуб. 20.09.2016 г.), содержащее снабженные магнитными элементами направляющую, выполненную в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, и каретку, которая содержит расположенную в полости направляющей арматуру, содержащее актуатор, соединенный с арматурой, выполненной в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, а каретка содержит площадку, соединенную с арматурой при помощи, по крайней мере, одного штифта; при этом направляющая и каретка выполнены из немагнитного материала, а магнитные элементы выполнены из постоянных магнитов и размещены на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры так, что противолежащие магнитные элементы обращены друг к другу одноименными полюсами и выполнены из полимерного магнитного материала, штифт выполнен в форме двутавра, а актуатор является пьезоэлектрическим актуатором и разрез арматуры обращен к части направляющей, лежащей напротив разреза направляющей.
Недостатком устройства является недостаточная жесткость в радиальном направлении и, как следствие, разрушение полимерного магнитного слоя при экстремальных нагрузках.
Известно устройство из патентной заявки US №2012086287, по кл. МПК Н02К41/02, опуб. 12.04.2012 г., которое состоит из направляющей и арматуры, являющейся кареткой. Направляющая выполнена из магнитного материала в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом и снабжена набором постоянных магнитов как отрицательной, так и положительной полярности, расположенных вдоль направляющей с чередованием полярности. Арматура снабжена электромагнитами и выполнена с возможностью бесконтактного перемещения в полости направляющей.
Однако, несмотря на меньшую материалоемкость и простую конструкцию, данное техническое решение выполнено с использованием электромагнитов, которые требуют использования дополнительных источников питания, что, в свою очередь, снижает надежность устройства и его энергоэффективность.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования по патенту авторов на полезную модель №214388 (МПК H01L 21/00, опуб. 25.10.2022), содержащее снабженные магнитными элементами направляющую, выполненную в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, и каретку, которая содержит расположенную в полости направляющей арматуру, пьезоэлектрический актуатор, соединенный с арматурой, выполненной в виде продольно вытянутого полого тела с продольным разрезом, а каретка содержит площадку, соединенную с арматурой при помощи, по крайней мере, одного штифта, выполненного в форме двутавра, при этом направляющая и каретка выполнены из немагнитного материала, а магнитные элементы выполнены из полимерного магнитного материала и размещены на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры так, что противолежащие магнитные элементы обращены друг к другу одноименными полюсами, разрез арматуры обращен к части направляющей, лежащей напротив разреза направляющей, и поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, а внутренняя поверхность направляющей и наружная поверхность арматуры имеют в поперечном сечении форму эллипсов, причем большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, и при этом большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения, а величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности направляющей и большой полуоси к малой полуоси у эллипса арматуры являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0.
Недостатком такой конструкции является недостаточная жесткость при эксплуатации, вызванная переменными внешними силовыми воздействиями (в том числе ударные нагрузки, превышающие допустимые осевые и радиальные нагрузки) и, следовательно, вызывающие разрушение магнитного слоя.
Технической проблемой полезной модели является оптимизация конструкции за счёт  повышения нагрузочной способности.
Технический результат полезной модели заключается в повышении жесткости конструкции за счёт увеличения основных характеристик магнитного материала.
r
с
Технический результат достигается тем, что в устройстве нанопозиционирования для прецизионного линейного перемещения, содержащем снабженные магнитными элементами направляющую и арматуру, пьезоэлектрический актуатор, соединенный с арматурой, при этом направляющая, арматура и каретка выполнены из немагнитного материала, направляющая и арматура имеют в поперечном сечении форму эллипсов, большие полуоси которых взаимно перпендикулярны, а соотношение большой полуоси к малой полуоси у эллипса направляющей и арматуры являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0, а магнитные материалы размещены на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры так, что противолежащие магнитные элементы обращены друг к другу одноименными полюсами, поверхности магнитного материала имеют антифрикционное покрытие на основе эластомеров, согласно полезной модели, магнитные элементы выполнены из магнитного материала, металлические компоненты которого изготовлены из аморфного металла, имеющего остаточную индукцию B≥0,95 Тл, и коэрцитивную силу Н>1920 кА/м.
16
76
8
В качестве аморфного металла устройство содержит магнитотвердый материал NdFeB или магнетик типа Gd-Со.
Так как слой магнитного материала, имеющий противоположное направление намагниченности и размещенный на внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры изготовлен из магнитного материала, металлические компоненты которого изготовлены из аморфного металла, имеющего лучшие основные магнитные характеристики, то это позволяет решить проблему увеличения нагрузочной способности в экстремальных условиях эксплуатации.
Заявляемая полезная модель поясняется иллюстрациями, где представлены:
на фиг. 1 – продольный разрез заявляемого устройства;
на фиг. 2 – поперечный разрез заявляемого устройства;
на фиг. 3 – кривые размагничивания аморфного сплава типа Gd-Co.
На фиг. 1-3 позициями обозначены:
1 - каретка;
2 - направляющая;
3 - магнитный элемент, расположенный на внутренней поверхности направляющей;
4 - магнитный элемент, расположенный на внешней поверхности арматуры;
5 - пьезоэлектрический наноактуатор;
6 - площадка;
7 - штифт;
8 - арматура;
9 - шток;
10 – упор;
8
92
11 – кривая размагничивания сплава типа GdCo;
16
84
12 – кривая размагничивания сплава типа GdCo;
35
65.
13 – кривая размагничивания сплава типа GdCo
Устройство нанопозиционирования для прецизионного линейного перемещения состоит из каретки 1, направляющей 2, магнитных элементов 3 и 4 и пьезоэлектрического наноактуатора 5. Каретка 1 состоит из соединенных между собой площадки 6, не менее одного штифта 7 и арматуры 8. Каретка 1 и направляющая 2 выполнены из немагнитного материала. Магнитный элемент 3 расположен на внутренней поверхности направляющей 2. Магнитный элемент 4 расположен на внешней поверхности арматуры 8. Наноактуатор 5 снабжен штоком 9, соединенным с арматурой 8 посредством упора 10.
Направляющая 2 представляет собой полое продольно вытянутое тело с сечением в форме эллипса. Арматура 8 также выполнена в виде полого продольно вытянутого тела с продольным разрезом и имеет поперечное сечение в форме эллипса. Арматура 8 размещена в полости направляющей 2 соосно вертикальной оси симметрии направляющей 2 в поперечном сечении и ориентирована частью, имеющей разрез, к части направляющей 2, лежащей напротив разреза направляющей 2.
Штифт 7, соединенный с магнитным элементом 4, размещен в области разреза направляющей 2 с зазором. Площадка 6, соединенная со штифтом 7, расположена за пределами направляющей 2 с возможностью размещения на ней обрабатываемой детали.
На внутренней поверхности направляющей 2 и наружной поверхности арматуры 8 размещены магнитные элементы 3 и 4, выполненные в виде постоянных магнитов, таким образом, что противолежащие магнитные элементы 3 и 4 обращены друг к другу одноименными полюсами для обеспечения эффекта магнитной левитации, позволяющего осуществлять бесконтактное перемещение арматуры 8 в полости направляющей 2.
При этом величины соотношений большой полуоси к малой полуоси у эллипса внутренней поверхности направляющей 2 и большой полуоси к малой полуоси у эллипса наружной арматуры 8 являются одинаковыми и находятся в диапазоне 1,2…3,0.
16
76
8
r
с
max
3
Магнитные элементы 3 и 4 содержат металлические компоненты в виде аморфного магнитотвердого материала, например, NdFeB или магнетик типа Gd-Со (фиг. 3), обеспечивающего повышенные магнитные параметры: остаточная индукция B≥0,95 Тл, коэрцитивная сила Н>1920 кА/м и максимальная магнитная энергия BH≥220 кДж/м. Это более чем в 1,5 раза превосходят аналогичный обычный магнитный материал такого же химического состава [см. Lileev A.S., Parilov А.А., Blatov V.G. Properties of hard magnetic Nd-Fe-B films versus different sputtering conditions // JMMM, 2002. Vol. 242-245 Part 2. P. 1300-1303; Андреенко А.С., Никитин С.А. Магнитные свойства аморфных сплавов редкоземельных металлов с переходными 3d-металлами // УФН, 1997. Т. 167, № 6, С. 605-622; Золотухин И. В., Калинин Ю. Е. Аморфные металлические сплавы // УФН, 1990, Т. 160, № 9, С. 75–110; Балымов К.Г. Магнитные свойства аморфных пленок Gd-Co, Tb-Co и многослойных обменносвязанных пленочных структур на их основе: дис. канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2011. 158 с.], следовательно, нагрузочная способность такой системы также увеличивается пропорционально максимальной магнитной энергии магнитных компонент по сравнению с устройством, где в качестве магнитного материала используется полимерный магнитный материал.
2
2
Например, цилиндрический магнит из аморфного материала с размерами D=25 мм и h=5 мм может удержать вес Р≈165 Н. Кроме того, у аморфных материалов твердость HV может превышать 1000 ГН/м, прочность — 4 ГН/м, что позволяет исключить разрушение магнитного материала при случайном контакте магнитных слоев или из-за образования твердых частиц в воздушном зазоре между ними. Всё это позволяет обеспечить жесткость конструкции и, как следствие, стабильные значения величин магнитной индукции и подеромоторных сил в воздушном зазоре между направляющей и арматуры системы нанопозиционирования.
]
Магнитные элементы 3 и 4 обращены друг к другу одноименными полюсами. На поверхности магнитного материала 3 и 4 нанесено антифрикционное покрытие на основе эластомеров. В качестве антифрикционных покрытий на основе антифрикционных эластомеров могут быть использованы, например, антифрикционные покрытия Molykote - Molykote 3400А; Molykote 3402С Leadfree; Molykote 7400; Molykote D-10-GBL; и др. толщиной 10…20 мкм [см., например, сайт - http://atf.ru.
Устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования функционирует следующим образом.
На площадке 6 размещают требуемую деталь или специализированный инструментарий для электронного машиностроения. Посредством пьезоэлектрического наноактуатора 5 задают требуемое линейное перемещение каретки 1 по направляющей 2. Соединение наноактуатора 5 с арматурой 8 каретки 1 посредством штока 9 и упора 10 передает линейное перемещение арматуре 8, подвешенной в магнитном поле, создаваемом магнитными элементами 3 и 4 в полости направляющей 2. При этом штифт 7, соединенный с арматурой 8, движется в области разреза направляющей 2, обеспечивая, таким образом, линейное перемещение площадки 6. Точное перемещение каретки 1 по направляющей 2 обеспечивается с помощью бесконтактного линейного движения арматуры 8 в полости направляющей 2, причем бесконтактность перемещения обеспечивают магнитные элементы 3 и 4, обращенные друг к другу одноименными полюсами, имеющие эллиптическое сечение в поперечном направлении внутренней поверхности направляющей и наружной поверхности арматуры, при котором большие полуоси эллипсов взаимно перпендикулярны, а большая полуось эллипса внутренней поверхности направляющей расположена в горизонтальной плоскости и перпендикулярна оси линейного перемещения; что и позволяет арматуре 8 за счет сил магнитного отталкивания быть “подвешенной” в полости направляющей 2 с зазором.
Для обеспечения требуемой жесткости устройства штифт 7 имеет в поперечном сечении форму, обладающую наибольшим моментом сопротивления при продольном перемещении каретки 1, например, двутавра.
Таким образом, предлагаемое устройство нанопозиционирования для прецизионного линейного перемещениярешает проблему увеличения нагрузочной способности.