Piezo aktüatörler, Ses bobini aktüatörleri, Lineer motor aşamaları.

Doğrusal hareketten bahsettiğimizde, genellikle hareket mesafesinin en az birkaç yüz milimetre ve gerekli konumlandırmanın milimetrenin birkaç onda biri aralığında olduğu uygulamaları ele alırız. Bu gereksinimler için, devridaimli rulmanlı kılavuzlar ve tahrik üniteleri iyi bir seçimdir. Örnek olarak, yaygın bir sınıf 5 bilyalı vidanın kılavuz sapması, 300 mm hareket başına 26 mikrondur. Ancak uygulama nanometre aralığında (metrenin milyarda biri) konumlandırma gerektirdiğinde, mühendislerin gerekli çözünürlüğü elde etmek için mekanik yuvarlanma ve devridaim elemanlarının ötesine bakmaları gerekir.

Nano konumlandırma için en yaygın üç doğrusal hareket çözümü piezo aktüatörler, ses bobini aktüatörleri ve doğrusal motor kademeleridir. Bu çözümlerin her birindeki tahrik mekanizması, mekanik yuvarlanan veya kayan elemanlardan tamamen arındırılmış olup, yüksek konumlandırma doğruluğu ve çözünürlüğü için hava yataklarıyla eşleştirilebilirler.

Piezo aktüatörler

Piezo aktüatörler (piezo motorlar olarak da bilinir), hareket ve kuvvet üretmek için ters piezoelektrik etkiden yararlanır. Birçok piezo aktüatör stili vardır, ancak nano konumlandırma için yaygın olan ikisi doğrusal adımlı ve doğrusal ultrasoniktir. Doğrusal adımlı piezo motorlar, "bacak" çiftleri gibi davranan, sıra halinde monte edilmiş birkaç piezo eleman kullanır. Elektrik yükü uygulandığında, bir bacak çifti uzunlamasına bir çubuğu sürtünme yoluyla kavrar ve bacaklar uzayıp büküldükçe ileri doğru hareket ettirir. Bu bacak çifti serbest kaldığında, bir sonraki çift devreye girer. Son derece yüksek frekanslarda çalışan doğrusal adımlı piezo motorlar, 150 mm'ye kadar stroklarla ve pikometre düzeyinde çözünürlükle sürekli doğrusal hareket üretir.

Doğrusal ultrasonik piezo motorlar, bir piezoelektrik plakaya dayanır. Plakaya elektrik yükü uygulandığında, rezonans frekansında uyarılır ve salınım yapar. Bu salınımlar plakada ultrasonik dalgalar üretir. Plakaya bir kaplin (veya itici) takılır ve uzunlamasına bir çubuğa (aynı zamanda koşucu olarak da adlandırılır) önceden yüklenir. Ultrasonik dalgalar, plakanın eliptik bir şekilde genişleyip daralmasına neden olarak, kaplinin çubuğu ileri doğru hareket ettirmesini ve doğrusal hareket üretmesini sağlar. Doğrusal ultrasonik piezo motorlar, 100 ila 150 mm'de doğrusal adım motorlarına benzer maksimum hareket mesafesiyle 50 ila 80 nm çözünürlüğe ulaşabilir.

Ses bobini aktüatörleri

Nano konumlandırma uygulamaları için bir diğer çözüm ise ses bobini aktüatörleridir. Doğrusal motorlara benzer şekilde, ses bobini aktüatörleri de kalıcı bir mıknatıs alanı ve bir bobin sargısı kullanır. Bobine akım uygulandığında bir kuvvet üretilir (Lorentz kuvveti olarak bilinir). Kuvvetin büyüklüğü, akım ve manyetik akının çarpımı ile belirlenir.

Bu kuvvet, hareketli parçanın (mıknatıs veya bobin olabilir) hava yatakları veya çapraz makaralı kızaklar tarafından sağlanan kılavuzlukla hareket etmesini sağlar. Ses bobini aktüatörleri, genellikle 30 mm'ye kadar stroklarla 10 nm'ye kadar çözünürlük sağlayabilir, ancak bazıları 100 mm'ye kadar stroklara sahip olabilir.

Doğrusal motor aşamaları

Daha uzun stroklarda nanometre çözünürlüğü gerektiğinde, hava yataklı lineer motor kademeleri genellikle en iyi seçimdir. Piezo ve ses bobinli aktüatörler sınırlı hareket kabiliyetlerine sahipken, lineer motorlar birkaç metreye kadar hareket kabiliyeti için tasarlanabilir. Kılavuz sistem olarak hava yataklı lineer motor kademesi, hareket ve konumlandırma doğruluğunu etkileyecek mekanik iletim elemanları veya sürtünme olmadan tamamen temassız hale gelir. Aslında, hava yataklı lineer motor kademeleri tek nanometre çözünürlüğe ulaşabilir.

Nano konumlandırma uygulamaları için doğrusal motor kademelerinin dezavantajı, piezo veya ses bobini aktüatörlerinden çok daha büyük olan ayak izleridir. Küçük cihazlara entegre edilmeleri zor olsa da, tıbbi görüntüleme gibi nispeten uzun strok ve yüksek çözünürlük gerektiren uygulamalar için idealdirler.