RU226198U1

RU226198U1 - Устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования

Info

Publication number: RU226198U1
Application number: RU2024106272U
Authority: RU
Inventors: Ольга Алексеевна Черкасова; Александр Александрович Скрипкин
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2024-05-24

Abstract

Полезная модель относится к области точного приборостроения, в частности к системе нанопозиционирования объекта, где необходимо прецизионное перемещение объекта, и может быть использована для измерения с высокой точностью линейных перемещений в малогабаритных устройствах, либо для определения линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне. Технический результат заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя материала на основе моноэлектрета на поверхностях рабочих поверхностей направляющей и арматуры. 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 решению, в качестве магнитных элементов используют моноэлектрет. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области точного приборостроения, в частности к системе нанопозиционирования объекта, где необходимо прецизионное перемещение объекта, и может быть использована для измерения с высокой точностью линейных перемещений в малогабаритных устройствах, либо для определения линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне.

Уровень техники.

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 при изменении 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 прецизионного перемещения (см. патент РФ № 2537363, МПК F16C29/02, опубл. 10.01.2015 г.), содержащее направляющую, выполненную из монокристаллического материала, каретку, сопряженную с ней, а также привод, установленный на направляющей и сопряженный с кареткой. В устройство введен базовый элемент, на котором закреплены направляющая и привод, а каретка содержит первый фрагмент и второй фрагмент, расположенные под углом друг к другу.

Недостатком известного устройства является необходимость сохранения прямолинейного перемещения в одной плоскости, исключая криволинейное, а также и линейное в поперечной плоскости.

Известно устройство для прецизионных перемещений (см. патент РФ № 164855, МПК H01L21/00, опубл. 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. Устройство содержит 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.

Недостатком известного устройства является недостаточная жесткость в радиальном направлении и, как следствие, разрушение полимерного магнитного слоя при экстремальных нагрузках.

Наиболее близким к заявляемому является устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования (см. патент РФ №217619, МПК H01L21/00, опубл. 07.04.2023 г.), содержащее 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 эллипса направляющей и арматуры является одинаковым и находиться 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.

Недостатком такой конструкции является большая сложность и трудоемкость изготовления наружных и внутренних магнитных элементов, а также сложность обеспечения равномерного намагничивания магнитных элементов в индукторе, что в итоге может привести к неравномерности перемещения при измерениях под действием внешнего силового воздействия (в том числе ударные нагрузки, превышающие допустимые осевые и радиальные нагрузки).

Раскрытие сущности полезной модели

Технической проблемой полезной модели является оптимизация конструкции заявляемого устройства за счёт снижения сложности и трудоемкости изготовления.

Технический результат заключается в уменьшении вероятности разрушения слоя материала на основе моноэлектрета на поверхностях рабочих поверхностей направляющей и арматуры.

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 решению, в качестве магнитных элементов используют моноэлектрет.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлено: на фиг. 1 – продольный разрез заявляемого устройства; на фиг. 2 – поперечный разрез заявляемого устройства.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - каретка;

2 - направляющая;

3 - слой моноэлектрета, расположенный на внутренней поверхности направляющей;

4 - слой моноэлектрета, расположенный на внешней поверхности арматуры;

5 - пьезоэлектрический наноактуатор;

6 - площадка;

7 - штифт;

8 - арматура;

9 - шток;

10 - упор;

11 - антифрикционное покрытие.

Осуществление полезной модели

Устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования состоит из каретки 1, направляющей 2, моноэлектрета 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. Моноэлектрет 3 расположен на внутренней поверхности направляющей 2. Моноэлектрет 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 со слоем моноэлектрета 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 слои моноэлектретов 3 и 4, имеющие заряд одного знака и величины, что обеспечивает кулоновское взаимодействие (отталкивания), позволяющего осуществлять бесконтактное перемещение арматуры 8 в полости направляющей 2 и исключая потери энергии в случае использование магнитных материалов. Слои 3 и 4 обращены друг к другу и имеют антифрикционное покрытие 11 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].

Наличие на поверхности моноэлектретов 3 и 4 антифрикционного покрытия 11 из эластомера предотвращает возможность разрушения слоя из моноэлектрета, не только при механическом воздействии, но и вибрационном. Так как антифрикционные покрытия представляют собой дисперсии твердых смазочных материалов, равномерно распределенных в смеси растворителей и связующих веществ, то помимо снижения трения при случайном контакте рабочих поверхностей направляющей 2 и арматуры 8, они упрочняют поверхностный слой моноэлектрета 3 и 4, гасят вибрации и, тем самым, предотвращают разрушение слоя моноэлектрета от вибрационной нагрузки. Это повышает надежность и долговечность работы устройства.

Величина основной характеристики электретов – поверхностной плотности зарядов σ (10^-8…10^-4 Кл/м²) – определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя [Марценюк, В. В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В. В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. – 2021. – № 78-2. – с. 56-59. – DOI 10.18411/trnio-10-2021-54.].

В качестве моноэлектрета, нанесенного на внутреннюю поверхность направляющей 2 и наружную поверхность арматуры 8, могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И. О. Волков, Д. Р. Тур, А. И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2002. – Т. 44. – № 5. – С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, T.A. et al. Thermodynamic properties of poly[bis(trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. – Vol. 95, pp. 229–234, URL: https://doi.org/10.1007/s10973-008-9038-7] толщиной, например, 100…300 мкм.

Отметим, что принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных), что намного дешевле в технологическом плане, чем изготовление магнитных материалов.

Таким образом, предлагаемое устройство прецизионного линейного перемещения для нанопозиционирования решает проблему уменьшения сложности и трудоемкости изготовления.

Устройство работает 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 электрическом поле, создаваемом слоями моноэлектретов 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 слои моноэлектретов 3 и 4, обращенных друг к другу одноименными зарядами, имеющими 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 электрического 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 перемещения решает проблему увеличения нагрузочной способности.

Так как на рабочие поверхности направляющей и арматуры нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, то из-за этого уменьшается сложность и трудоемкость изготовления магнитных элементов, т.к. ранее содержащие слои аморфного магнитного материала имели значительную толщину, а также сложность обеспечения равномерного намагничивания магнитных слоев в индукторе, что в итоге исключает неравномерность магнитного поля, а также повышает надежность и долговечность устройства при экстремальных условиях эксплуатации.

Заявляемое устройство также обеспечивает возможность равномерного перемещения площадки при экстремальных воздействиях.

Claims

Устройство нанопозиционирования для прецизионного линейного перемещения, содержащее 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, отличающееся тем, что в качестве магнитных элементов используют моноэлектрет.