ШИРОКОДИАПАЗОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H02N2/02 H01L41/12 

Существуют силовые магнитострикционные нанопозиционеры, позволяющие осуществлять сверхточное (дискретный шаг позиционирования до 0,01 нм) позиционирование со значительными (до нескольких тонн) усилиями на значительной (до 1 м) базе [V.I. Rakhovsky, «Super-precise nanopositioners for nanotechnology», Proc. of the International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Micro Systems, Moscow, p.115, 2003]. Однако использование этих позиционеров осложняется тем, что конструктивно они являются двухступенчатыми, причем точная ступень допускает перемещение только в диапазоне длин 10-50 мкм. Эта особенность ограничивает их применение во многих приложениях, где требуется позиционирование с высокой точностью на достаточно протяженной базе без перехода от одной ступени перемещения к другой. Поэтому нами предлагается простое устройство, существенно расширяющее диапазон высокоточного силового позиционирования.

Учитывая, что магнитострикционные позиционеры развивают весьма значительные усилия в малом диапазоне длин позиционирования, предлагается использовать для увеличения диапазона высокоточного позиционирования с высоким (0,1-1 нм) линейным разрешением гидравлический преобразователь, принципиальная схема которого аналогична схеме хорошо известного гидравлического пресса [Роберт Вихард Поль «Механика, акустика и учение о теплоте», издательство «Наука», ГИФМЛ, Москва, 1971]. Так же, как и в гидравлическом прессе, преобразователь состоит из двух сообщающихся сосудов 1 и 2 с сильно различающимися сечениями, заполненных жидкостью 3. Каждый из сосудов закрыт поршнем соответствующего сечения 4 (см. чертеж). Однако в нашем изобретении мы предлагаем использовать для перемещения поршня в сосуде большего сечения увеличение длины магнитостриктора 5, расположенного между поршнем 4 и опорной плитой 6, вследствие изменения приложенного к нему внешнего магнитного поля, создаваемого источником магнитного поля 7, вследствие чего поршень меньшего диаметра обеспечит плавное перемещение закрепленного на нем объекта 8 на достаточно большое расстояние.

Перемещение поршня в сосуде большего сечения осуществляется вследствие усилия, возникающего при изменении длины магнитостриктора, расположенного на этом поршне, при изменении магнитного поля в объеме этого магнитостриктора. Используемый для перемещения поршня магнитостриктор изготовлен из редкоземельного сплава Terfenol-D, обладающего эффектом гигантской магнитострикции. Удлинение стриктора в этом случае будет составлять 10^-3 от его первоначальной длины в направлении вектора магнитного поля (в случае обычных магнитострикционных материалов, например Ni, такое удлинение составляет всего лишь 10^-6).

Разберем конкретный пример. При длине стриктора l=50 мм удлинение при воздействии магнитного поля напряженностью Н=0,65 Т составит L₁=50 μ. Возникающее при этом усилие составляет на каждый 1 мм² сечения стриктора 10 кг, т.е. при диаметре стриктора 5 см суммарное усилие, воздействующее на поршень, составит 19,6 т. При этом радиус сосуда большего диаметра нашего преобразователя, а значит и радиус находящегося в нем поршня, будет равен R₁=60 мм.

Если радиус сосуда меньшего диаметра будет равен R₂=4 мм, то полное перемещение поршня в этом сосуде L₂ можно определить из соотношения

При этом достижимое линейное разрешение при измерении перемещения поршня в сосуде малого диаметра будет определяться разрешением интерферометра, который будет использоваться для измерения такого перемещения.

Таким образом, наш гидропреобразователь позволит преобразовать малое перемещение, обусловленное удлинением стриктора на 0,05 мм, в перемещение малого поршня на 11,25 мм с усилием ˜ 10³ Н.

Чтобы обеспечить возможно более плавное перемещение объекта 7, закрепленного на малом поршне, необходимо избегать любых возмущений в жидкости, заполняющей преобразователь, особенно в начале движения. Для этого можно использовать жидкости с большими коэффициентами вязкости, в которых такие возмущения будут эффективно затухать. С другой стороны, т.к. движение обусловлено удлинением магнитостриктора, на который воздействует магнитное поле, то, задавая скорость нарастания этого поля, можно обеспечить как отсутствие неравномерности в начале движения, так и плавность перемещения малого поршня на всей базе перемещения.

Изобретение относится к области прецизионных позиционирующих устройств, обеспечивающих значительный непрерывный диапазон перемещения объекта (˜10 мм) с чрезвычайно высоким (˜0,1 нм) разрешением. Позиционирующее устройство включает: магнитострикционный поликристалл из материала, обладающего эффектом гигантской магнитострикции, заключенный между упорной плитой и поршнем, воздействующим на жидкость, заполняющую сообщающиеся сосуды различного диаметра. Перемещение поршня в сосуде большего сечения осуществляется вследствие усилия, возникающего при изменении длины магнитостриктора, обусловленного изменением магнитного поля в объеме магнитостриктора, которое создается источником магнитного поля. Величины перемещений поршней в сосудах большого и меньшего диаметров обратно пропорциональны квадрату отношения их диаметров, что и позволяет обеспечить непрерывное перемещение поршня в сосуде меньшего диаметра на значительное расстояние с весьма высоким линейным разрешением, определяемым удлинением магнитостриктора при изменении напряженности магнитного поля в его объеме. Задавая скорость нарастания этого поля, обеспечивают отсутствие неравномерности в начале движения и плавность перемещения малого поршня на всей базе перемещения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Прецизионный гидропреобразователь перемещения, состоящий из двух сообщающихся сосудов различного сечения, заполненных жидкостью и герметически закрытых подвижными поршнями, содержащий привод, создающий усилие на одном из поршней, отличающийся тем, что, с целью обеспечения прецизионного перемещения поршня на протяженной базе в сосуде меньшего сечения, движение поршня в сосуде большего сечения осуществляется в результате усилия, создаваемого расширяющимся магнитостриктором при изменении абсолютной величины напряженности внешнего магнитного поля, воздействующего на магнитостриктор, и/или направления вектора напряженности этого магнитного поля, генерируемого внешним источником.2. Прецизионный гидропреобразователь по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения плавности перемещения и устранения микронеравномерностей движения поршня в сосуде меньшего диаметра в качестве заполняющей преобразователь жидкости используется жидкость с высокой вязкостью.3. Прецизионный преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что для обеспечения плавности перемещения и устранения микронеравномерностей движения поршня в сосуде меньшего диаметра изменение магнитного поля, воздействующего на магнитостриктор, осуществляется по специальной программе, позволяющей избежать возникновения резкого изменения давления жидкости в момент начала движения.