Piezo-toimilaitteet, puhekelatoimilaitteet, lineaarimoottorivaiheet.

Kun puhumme lineaariliikkeestä, käsittelemme tyypillisesti sovelluksia, joissa liikematka on vähintään muutama sata millimetriä ja vaadittava paikannus on muutaman kymmenesosan millimetrin luokkaa. Näihin vaatimuksiin sopivat hyvin ohjaimet ja käyttölaitteet, joissa on kiertolaakerit. Esimerkkinä tästä: yleisen luokan 5 kuularuuvin nousupoikkeama on 26 mikronia 300 mm:n liikematkaa kohden. Mutta kun sovellus vaatii nanometrien – metrin miljardisosan – paikannusta, insinöörien on katsottava mekaanisten vierintä- ja kiertoelementtien ulkopuolelle saavuttaakseen vaaditun resoluution.

Kolme yleisintä lineaariliikkeen ratkaisua nanopaikannukseen ovat pietsosähköiset toimilaitteet, äänikelatoimilaitteet ja lineaarimoottorivaiheet. Kunkin näistä ratkaisuista käyttömekanismi on täysin vapaa mekaanisista vierintä- tai liukuelementeistä, ja ne voidaan yhdistää ilmalaakereihin korkean paikannustarkkuuden ja -resoluution saavuttamiseksi.

Piezo-toimilaitteet

Pietsosähköiset toimilaitteet (joita kutsutaan myös pietsosähköisiksi moottoreiksi) hyödyntävät käänteistä pietsosähköistä ilmiötä liikkeen ja voiman tuottamiseksi. Pietsosähköisiä toimilaitteita on monenlaisia, mutta kaksi yleistä nanopaikannukseen soveltuvaa toimilaitetta ovat lineaarinen askelmoottori ja lineaarinen ultraäänimoottori. Lineaariset askelmoottori-pietsosähköiset moottorit käyttävät useita riviin asennettuja pietsosähköisiä elementtejä, jotka toimivat "jalkoina". Kun sähkövaraus kohdistetaan, yksi jalkapari tarttuu pitkittäiseen tankoon kitkan avulla ja liikuttaa sitä eteenpäin jalkojen ojentuessa ja taipuessa. Kun tämä jalkapari vapautuu, seuraava pari ottaa ohjat. Toimimalla erittäin korkeilla taajuuksilla lineaariset askelmoottori-pietsosähköiset moottorit tuottavat jatkuvaa lineaarista liikettä jopa 150 mm:n iskunpituuksilla ja pikometritason tarkkuudella.

Lineaariset ultraääni-pietsosähköiset moottorit perustuvat pietsosähköiseen levyyn. Kun levyyn kohdistetaan sähkövaraus, se virittyy resonanssitaajuudellaan, jolloin se alkaa värähdellä. Nämä värähtelyt tuottavat levyyn ultraääniaaltoja. Levyyn on kiinnitetty kytkentä (tai työntölaite) ja se on esikuormitettu pitkittäistä tankoa (jota kutsutaan myös juoksijaksi) vasten. Ultraääniaallot saavat levyn laajenemaan ja supistumaan elliptisesti, jolloin kytkentä voi työntää tankoa eteenpäin ja tuottaa lineaarista liikettä. Lineaariset ultraääni-pietsosähköiset moottorit voivat saavuttaa 50–80 nm:n resoluution ja lineaaristen askelmoottoreiden kaltaisen maksimiliikematkan, 100–150 mm.

Äänikelatoimilaitteet

Toinen ratkaisu nanopaikannussovelluksiin ovat puhekelatoimilaitteet. Lineaarimoottorien tavoin puhekelatoimilaitteet käyttävät kestomagneettikenttää ja käämitystä. Kun käämiin kohdistetaan virta, syntyy voima (tunnetaan Lorentzin voimana). Voiman suuruus määräytyy virran ja magneettivuon tulon perusteella.

Tämä voima saa liikkuvan osan (joka voi olla joko magneetti tai kela) liikkumaan joko ilmalaakereiden tai ristikkäisten rullaluistien ohjaamana. Puhekelatoimilaitteilla voidaan saavuttaa jopa 10 nm:n resoluutio, ja iskunpituus on tyypillisesti jopa 30 mm, vaikka joitakin on saatavana jopa 100 mm:n iskunpituuksilla.

Lineaarimoottorivaiheet

Kun pidemmillä iskuilla vaaditaan nanometritarkkuutta, ilmalaakereilla varustetut lineaarimoottoreiden alustat ovat tyypillisesti paras valinta. Vaikka pietsosähköisten ja äänikelatoimilaitteiden liikeradat ovat rajalliset, lineaarimoottoreiden liikeradat voidaan suunnitella jopa useiden metrien matkalle. Ilmalaakereiden käyttö ohjausjärjestelmänä tekee lineaarimoottoreiden alustasta täysin kosketuksettoman, eikä siinä ole mekaanisia voimansiirtoelementtejä tai kitkaa, jotka vaikuttaisivat liikkeeseen ja paikannustarkkuuteen. Itse asiassa ilmalaakereilla varustetut lineaarimoottoreiden alustat voivat saavuttaa yhden nanometrin tarkkuuden.

Lineaarimoottorivaiheiden haittapuolena nanopaikannussovelluksissa on niiden jalanjälki, joka on paljon suurempi kuin pietsosähköisten tai puhekelatoimilaitteiden. Vaikka niiden integrointi pieniin laitteisiin voi olla haastavaa, ne sopivat hyvin sovelluksiin, jotka vaativat suhteellisen pitkän iskun ja korkean resoluution, kuten lääketieteelliseen kuvantamiseen.