المحركات الكهروإجهادية، ومحركات الملف الصوتي، ومراحل المحرك الخطي.

عند الحديث عن الحركة الخطية، فإننا عادةً ما نتناول التطبيقات التي لا تقل فيها مسافة الحركة عن بضع مئات من المليمترات، وتكون دقة تحديد الموضع المطلوبة في حدود بضعة أعشار من المليمتر. لهذه المتطلبات، تُعدّ الموجهات والمحركات المزودة بمحامل إعادة تدوير خيارًا مناسبًا. على سبيل المثال، يبلغ انحراف الخطوة في لولب كروي من الفئة 5 الشائعة 26 ميكرونًا لكل 300 مليمتر من الحركة. ولكن عندما يتطلب التطبيق تحديد موضع في نطاق النانومتر - أي جزء من مليار من المتر - يتعين على المهندسين البحث عن حلول تتجاوز عناصر الدوران وإعادة التدوير الميكانيكية لتحقيق الدقة المطلوبة.

تُعدّ المحركات الكهروإجهادية، ومحركات الملف الصوتي، ومراحل المحركات الخطية، من أكثر حلول الحركة الخطية شيوعًا في تحديد المواقع النانوية. وتتميز آلية الحركة في كلٍّ من هذه الحلول بخلوها التام من عناصر الدوران أو الانزلاق الميكانيكية، ويمكن دمجها مع محامل هوائية لتحقيق دقة عالية في تحديد المواقع.

المحركات الكهرضغطية

تستغل المحركات الكهروإجهادية (المعروفة أيضًا باسم محركات بيزو) التأثير الكهروإجهادي العكسي لتوليد الحركة والقوة. تتعدد أنواع المحركات الكهروإجهادية، ولكن من أكثرها شيوعًا في تحديد المواقع النانوية المحرك الخطي المتدرج والمحرك الخطي فوق الصوتي. يستخدم المحرك الخطي المتدرج عدة عناصر كهروإجهادية مثبتة في صف واحد، تعمل كأزواج من "الأرجل". عند تطبيق شحنة كهربائية، يمسك أحد أزواج الأرجل بقضيب طولي عن طريق الاحتكاك، ويحركه للأمام مع تمدد الأرجل وانحنائها. وعندما يتحرر هذا الزوج من الأرجل، يتولى الزوج التالي المهمة. وبفضل تردداتها العالية للغاية، تُنتج المحركات الخطية المتدرجة حركة خطية مستمرة بأشواط تصل إلى 150 مم وبدقة تصل إلى مستوى البيكومتر.

تعتمد المحركات الكهروإجهادية الخطية فوق الصوتية على صفيحة كهروإجهادية. عند تطبيق شحنة كهربائية على الصفيحة، تُثار عند تردد رنينها، مما يؤدي إلى تذبذبها. تُنتج هذه التذبذبات موجات فوق صوتية في الصفيحة. يتم توصيل وصلة (أو دافع) بالصفيحة وتُحمّل مسبقًا مقابل قضيب طولي (يُسمى أيضًا بالعجلات). تتسبب الموجات فوق الصوتية في تمدد الصفيحة وانكماشها بشكل بيضاوي، مما يُمكّن الوصلة من دفع القضيب للأمام وإنتاج حركة خطية. يمكن للمحركات الكهروإجهادية الخطية فوق الصوتية تحقيق دقة تتراوح من 50 إلى 80 نانومتر، مع أقصى مسافة حركة مماثلة لمحركات الخطوة الخطية، تتراوح من 100 إلى 150 مليمترًا.

مشغلات الملف الصوتي

تُعدّ المحركات الصوتية حلاً آخر لتطبيقات تحديد المواقع النانوية. وكما هو الحال في المحركات الخطية، تستخدم هذه المحركات مجالاً مغناطيسياً دائماً وملفاً لولبياً. عند تطبيق تيار كهربائي على الملف، تتولد قوة (تُعرف بقوة لورنتز). ويُحدد مقدار هذه القوة بضرب التيار الكهربائي في التدفق المغناطيسي.

تتسبب هذه القوة في تحريك الجزء المتحرك (الذي قد يكون المغناطيس أو الملف)، مع توفير التوجيه إما بواسطة محامل هوائية أو منزلقات أسطوانية متقاطعة. يمكن لمشغلات الملف الصوتي تحقيق دقة تصل إلى 10 نانومتر، مع أشواط تصل عادةً إلى 30 ملم، على الرغم من توفر بعضها بأشواط تصل إلى 100 ملم.

مراحل المحرك الخطي

عند الحاجة إلى دقة نانومترية على مسافات أطول، تُعدّ محركات خطية مزودة بمحامل هوائية الخيار الأمثل. فبينما تتمتع المحركات الكهروإجهادية ومحركات الملف الصوتي بقدرات حركة محدودة، يمكن تصميم المحركات الخطية لقطع مسافات تصل إلى عدة أمتار. وبفضل استخدام المحامل الهوائية كنظام توجيه، تُصبح المحركات الخطية خالية تمامًا من التلامس، فلا توجد عناصر نقل ميكانيكية أو احتكاك يؤثر على الحركة ودقة تحديد المواقع. في الواقع، يمكن للمحركات الخطية المزودة بمحامل هوائية تحقيق دقة نانومترية واحدة.

من عيوب محركات الخطية في تطبيقات تحديد المواقع النانوية حجمها الكبير، الذي يفوق بكثير حجم محركات بيزو أو محركات الملف الصوتي. ورغم صعوبة دمجها في الأجهزة الصغيرة، إلا أنها مناسبة تمامًا للتطبيقات التي تتطلب شوطًا طويلًا نسبيًا ودقة عالية، مثل التصوير الطبي.