НАНОМЕТРИЧЕСКИЙ ВИНТ

НАНОМЕТРИЧЕСКИЙ ВИНТ
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к прецизионным позиционирующим средствам, и может быть широко использовано, например, в прецизионных станках, высокоточных копирующих устройствах, а также в фотолитографических комплексах для электронной промышленности и иных областях техники, преимущественно, для обеспечения дискретности (шага) позиционирования объекта в нанометровом диапазоне при возможности обеспечении общего перемещения этого объекта (относительно базовой системы координат) на расстояние, по меньшей мере, в один метр.
/Из уровня техники известен магнитомеханический преобразователь (нанометрический винт, сформированный на основе магнитострикционного преобразователя), включающий корпус и ступень точного позиционирования, содержащую установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, относительно, корпуса исполнительный элемент, по меньшей мере, часть которого выполнена из магнитострикционного материала, и источник магнитного поля, выполненный в виде, по меньшей мере, одного постоянного магнита, установленного в зоне той, по меньшей мере, одной части исполнительного элемента, которая выполнена из магнитострикционного материала, с возможностью перемещения относительно последней (RU, №2075797, 1997г.).
Основным недостатком данного известного из уровня техники нанометрического устройства для позиционирования перемещаемого объекта является ограниченный диапазон перемещения упомянутого объекта с той точностъю перемещения (дискретностью щага перемещения), которую позволяет обеспечить вышеуказанное, известное из уровня техники, устройство.
В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого устройства для позиционирования перемещаемого объекта относительно базовой системы координат, которое обеспечивало бы (при перемещении упомянутого
МПК GOIB 3/18
объекта на заданное /не менее 1м/) расстояние возможность позиционирования этого объекта с нанометрической точностью, то есть обеспечивало бы шаг (дискретность) позиционирования перемещаемого объекта на заданное расстояние (относительно базовой системы координат) в нанометровом диапазоне, что в значительной степени повышает достоверность результатов известных из уровня техники методов и средств измерения при контрольных замерах положения перемеш;аемого (подвижного) объекта исследования, а также расширяет эксплуатационные возможности устройства.
Поставленная задача обеспечивается посредством того, что нанометрический винт, включающий корпус и ступень точного позиционирования, содержащую установленный с возможностью возвратнопоступательного перемещения, относительно, корпуса исполнительный элемент, по меньшей мере, часть которого выполнена из магнитострикционного материала, и источник магнитного поля, выполненный в виде, по меньшей мере, одного постоянного магнита, установленного в зоне той, по меньшей мере, одной части исполнительного элемента, которая выполнена из магнитострикционного материала, с возможностью перемещения относительно последней, согласно изобретению, снабжен ступенью грубого позиционирования, исполнительный элемент которой кинематически связан с корпусом с возможностью возвратнопоступательного перемещения, а ступень точного позиционирования кинематически связана со ступенью грубого позиционирования с возможностью автономного вовратно-поступательного перемещения ее элементов относительно ступени грубого позиционирования в процессе точного позиционирования и синхронного возвратно-поступательного перемещения с последней, в процессе грубого позиционирования объекта.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг. 1 (а) - показана принципиальная схема патентуемого устройства в начальный момент перемещения позиционируемого объекта посредством исполнительного элемента грубой ступени (пунктиром показано начальное положение опорной поверхности позиционируемого объекта).
На фиг. 1 (б) - показана принципиальная схема патентуемого устройства в конечный момент перемещения позиционируемого объекта посредством исполнительного элемента точной ступени.
Нанометрический винт включает корпус 1 и ступень точного позиционирования, содержащую установленный с возможностью возвратнопоступательного перемещения, относительно, корпуса 1 исполнительный элемент 2, по меньшей мере, часть 3 которого выполнена из магнитострикционного материала, и источник магнитного поля, выполненный в виде, по меньшей мере., одного постоянного магнита 4, установленного в зоне той, по меньшей мере, одной части 3 исполнительного элемента 2, которая выполнена из магнитострикционного материала, с возможностью перемещения относительно последней (т.е. части 3) по стрелке Si. Кроме того, нанометрический винт снабжен ступенью грубого позиционирования, исполнительный элемент 5 которой кинематически связан с корпусом 1 с возможностью возвратнопоступательного перемещения (например, посредством резьбового соединения 6). Ступень точного позиционирования кинематически связана со ступенью грубого позиционирования, например, через винт-толкатель 7 (также, например, посредством резьбового соединения 8) с возможностью автономного вовратнопостзшательного перемещения ее элементов (по стрелке Si) относительно ступени грубого позиционирования в процессе точного позиционирования объекта 9 (в направлении стрелки S или противоположном) и синхронного возвратнопоступательного перемещения с последней, в процессе грубого позиционирования объекта (т.е. при перемещении исполнительного элемента 5 грубой ступени /также в направлении стрелки S или противоположном/ посредством приложения крутящего момента / по стрелке V/ ко втулке 9, жестко связанной с исполнительным элементом 5 грубой ступени устройства).
Устройство работает следующим образом.
Для перемещения объекта 9 на заданное расстояние LI в направлении стрелки S первоначально исполнительный элемент 5 грубой ступени приводят в плотный контакт с упорной поверхностью (на чертеже условно показана пунктиром) перемещаемого объекта 9, посредством приложения к упомянутому
исполнительному элементу 5 крутящего момента по стрелке V, например, с помощью втулки 10. Таким образом обеспечивается перемещение исполнительного элемента 5 на расстояние L. Далее, аналогичным образом, обеспечивают грубое перемещение объекта 9 посредством исполнительного элемента 5 на величину L2, несколько меньшую величины заданного перемещения LI объекта 9. Затем, посредством перемещения постоянных магнитов (по стрелке Si, в том или другом направлении), например посредством вращения винта-толкателя 7 по стрелке Vi, изменяют напряженность магнитного поля в зоне расположения части 3 (выполненной из магнитострикционного материала) исполнительного элемента 2 ступени точного позиционирования. В процессе изменения напряженности магнитного поля (генерируемого постоянными магнитами 4) в зоне части 3 (выполненной из магнитострикционного материала) исполнительного элемента 2 изменяется (в данном случае увеличивается) длина этой части 3. В результате чего дальнейшее перемещение объекта 9 на величину AL обеспечивается посредством исполнительного элемента 2 ступени точного позиционирования объекта 9.
Необходимо отметить, что особенностью используемого в заявленном устройстве магнитомеханического преобразователя (т.е. ступени точного позиционирования) является то, что в качестве силового элемента (средства перемещения исполнительного элемента) используется стержень (часть 3) из материала с гигантской магнитострикцией (магнитостриктор), который помещен в магнитное поле магнитной системы, сформированной из постоянных магнитов. При изменении (по величине и/или направлению) напряженности магнитного поля магнитной системы происходит изменение линейных размеров магнитостриктора. По сравнению с широко известными магнитострикционными преобразователями (в которых магнитное поле генерируется посредством соленоида) использование в качестве источника магнитного поля постоянных магнитов позволяет в значительной мере сократить энергопотребление в рассматриваемом магнитомеханическом преобразователе, устранить его нагрев, повысить временную стабильность положения исполнительного элемента, во многих случаях обойтись без источника электропитания и, как следствие.
получить позиционирующие устройства (в частности, нановинты) со следующими эксплуатационными параметрами:
-минимальный шаг перемещения (позиционирования) - 0,01 нм;
-диапазон перемещения - до 1000 мм;
-динамический диапазон -
-усилие на исполнительном органе при его перемещении - 10 Н;
-потребляемая при работе привода мощность - до 5 Вт;
-отсутствие энергопотребления при фиксации положения исполнительного элемента.
Таким образом заявленное позиционирующее устройство может быть промышленно реализовано для обеспечения позиционирования различных объектов с точностью позиционирования (дискретностью шага позиционирования) не более 5 нм. Этим обеспечивается достижение принципиально новых технологических возможностей в области микроэлектроники, оптического приборостроения,прецизионного
машиностроения и т.п. Следовательно, патентуемое техническое решение может стать основой для создания нового поколения суперпрецизионного оборудования для технологических процессов резания, гравирования, фрезерования и т.д., а также оборудования для фотолитографических и рентгенолитографических комплексов используемых в микроэлектронной и полиграфической промышленности.