מפעילי פיאזו, מפעילי סליל קולי, שלבי מנוע ליניאריים.

כשאנחנו מדברים על תנועה ליניארית, אנחנו בדרך כלל דנים ביישומים שבהם מרחק התנועה הוא לפחות כמה מאות מילימטרים, והמיקום הנדרש הוא בטווח של כמה עשיריות המילימטר. ולדרישות אלו, מדריכים ומניעים עם מיסבים מסתובבים מתאימים. דוגמה לכך: סטיית העוקף עבור בורג כדורי מסוג 5 נפוץ היא 26 מיקרון לכל 300 מ"מ של מהלך. אבל כאשר היישום דורש מיקום בטווח הננומטרי - מיליארדית המטר - מהנדסים צריכים להסתכל מעבר לאלמנטים מכניים של גלגול וסחרור על מנת להשיג את הרזולוציה הנדרשת.

שלושת פתרונות התנועה הליניארית הנפוצים ביותר עבור ננו-פוזיציונר הם מפעילי פיאזו, מפעילי סליל קולי ושלבי מנוע ליניאריים. מנגנון ההנעה בכל אחד מהפתרונות הללו נקי לחלוטין מאלמנטים מכניים של גלגול או הזזה, וניתן לשלב אותם עם מיסבי אוויר לקבלת דיוק ורזולוציה גבוהים של מיקום.

מפעילי פיאזו

מפעילי פיאזו (המכונים גם מנועי פיאזו) מנצלים את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך כדי לייצר תנועה וכוח. ישנם סגנונות רבים של מפעילי פיאזו, אך שניים נפוצים לננו-פוזיציונר הם מנוע צעד ליניארי ואולטרסאונד ליניארי. מנועי פיאזו ליניאריים מסוג צעד משתמשים במספר אלמנטים פיאזו המורכבים בשורה ופועלים כזוגות של "רגליים". כאשר מופעל מטען חשמלי, זוג רגליים אחד אוחז במוט אורכי באמצעות חיכוך ומניע אותו קדימה כאשר הרגליים נמתחות ומתכופפות. כאשר זוג רגליים זה משתחרר, הזוג הבא משתלט. על ידי פעולה בתדרים גבוהים במיוחד, מנועי פיאזו ליניאריים מסוג צעד מייצרים תנועה ליניארית רציפה עם מהלכים של עד 150 מ"מ ועם רזולוציה ברמת פיקומטר.

מנועי פיאזו-אולטרסאונד ליניאריים מבוססים על לוח פיאזואלקטרי. כאשר מטען חשמלי מופעל על הלוח, הוא מתעורר בתדר התהודה שלו, וגורם לו לתנודות. תנודות אלו מייצרות גלי אולטרסאונד בלוח. צימוד (או דוחף) מחובר ללוח וטעון מראש כנגד מוט אורכי (הנקרא גם ראנר). גלי האולטרסאונד גורמים ללוח להתרחב ולהתכווץ בצורה אליפטית, מה שמאפשר לצימוד לקדם את המוט קדימה ולייצר תנועה ליניארית. מנועי פיאזו-אולטרסאונד ליניאריים יכולים להגיע לרזולוציה של 50 עד 80 ננומטר, עם מהלך מרבי דומה למנועי צעד ליניאריים, בטווח של 100 עד 150 מ"מ.

מפעילי סליל קולי

פתרון נוסף עבור יישומי ננו-פוזיציונר הוא מפעילי סליל קולי. בדומה למנועים ליניאריים, מפעילי סליל קולי משתמשים בשדה מגנטי קבוע ובסליל. כאשר מופעל זרם על הסליל, נוצר כוח (המכונה כוח לורנץ). גודל הכוח נקבע על ידי מכפלת הזרם והשטף המגנטי.

כוח זה גורם לחלק הנע (שיכול להיות המגנט או הסליל) לנוע, כשהכוונה מספקת מיסבי אוויר או גלילים מוצלבים. מפעילי סליל קול יכולים להשיג רזולוציה של עד 10 ננומטר, עם מהלכים בדרך כלל עד 30 מ"מ, אם כי חלקם זמינים עם מהלכים של עד 100 מ"מ.

שלבי מנוע ליניאריים

כאשר נדרשת רזולוציה ננומטרית לאורך מהלכים ארוכים יותר, שלבי מנוע ליניאריים עם מיסבי אוויר הם בדרך כלל הבחירה הטובה ביותר. בעוד שלמפעילי פיאזו וסליל קולי יש יכולות מהלך מוגבלות, ניתן לתכנן מנועים ליניאריים למהלך של עד מספר מטרים. השימוש במיסבי אוויר כמערכת הנחיה הופך את שלבת המנוע הליניארית לבלתי מגעית לחלוטין, ללא רכיבי תמסורת מכניים או חיכוך המשפיעים על דיוק התנועה והמיקום. למעשה, שלבי מנוע ליניאריים עם מיסבי אוויר יכולים להשיג רזולוציה של ננומטר בודד.

החיסרון של שלבי מנוע ליניאריים עבור יישומי ננו-פוזיציונר הוא טביעת הרגל שלהם, שהיא גדולה בהרבה מזו של מפעילי פיאזו או סלילי קול. למרות שהם יכולים להיות מאתגרים לשילוב במכשירים קטנים, הם מתאימים היטב ליישומים הדורשים מהלך ארוך יחסית ורזולוציה גבוהה, כגון הדמיה רפואית.