П'єзоелектричні приводи, приводи зі звуковою котушкою, каскади лінійних двигунів.

Коли ми говоримо про лінійний рух, ми зазвичай обговорюємо застосування, де відстань переміщення становить щонайменше кілька сотень міліметрів, а необхідне позиціонування знаходиться в діапазоні кількох десятих міліметра. І для цих вимог добре підходять напрямні та приводи з рециркуляційними підшипниками. Показовий приклад: відхилення кроку для звичайного кулькового гвинта класу 5 становить 26 мікронів на 300 мм ходу. Але коли застосування вимагає позиціонування в нанометровому діапазоні — одна мільярдна частка метра — інженерам доводиться дивитися далі механічних елементів кочення та рециркуляції, щоб досягти необхідної роздільної здатності.

Трьома найпоширенішими рішеннями для лінійного руху в нанопозиціонуванні є п'єзоелектричні актуатори, актуатори зі звуковою котушкою та лінійні двигуни. Привідний механізм у кожному з цих рішень повністю вільний від механічних елементів кочення або ковзання, і їх можна поєднувати з повітряними підшипниками для високої точності та роздільної здатності позиціонування.

П'єзоелектричні актуатори

П'єзоелектричні актуатори (також відомі як п'єзодвигуни) використовують зворотний п'єзоелектричний ефект для створення руху та сили. Існує багато типів п'єзоелектричних актуаторів, але два поширених для нанопозиціонування - це лінійні крокові та лінійні ультразвукові. Лінійні крокові п'єзодвигуни використовують кілька п'єзоелементів, встановлених в ряд, які діють як пари «ніжок». Коли прикладається електричний заряд, одна пара ніжок захоплює поздовжній стрижень за допомогою тертя та переміщує його вперед, коли ніжки висуваються та згинаються. Коли ця пара ніжок звільняється, наступна пара бере на себе керування. Працюючи на надзвичайно високих частотах, лінійні крокові п'єзодвигуни забезпечують безперервний лінійний рух з ходами до 150 мм та роздільною здатністю пікометра.

Лінійні ультразвукові п'єзодвигуни базуються на п'єзоелектричній пластині. Коли до пластини прикладається електричний заряд, вона збуджується на своїй резонансній частоті, що призводить до її коливань. Ці коливання створюють ультразвукові хвилі в пластині. Муфта (або штовхач) прикріплена до пластини та попередньо натягнута до поздовжнього стрижня (також званого бігуном). Ультразвукові хвилі змушують пластину розширюватися та стискатися еліптично, що дозволяє муфті просувати стрижень вперед та створювати лінійний рух. Лінійні ультразвукові п'єзодвигуни можуть досягати роздільної здатності від 50 до 80 нм, з максимальним ходом, подібним до лінійних крокових двигунів, від 100 до 150 мм.

Приводи звукових котушок

Ще одним рішенням для застосування в нанопозиціонуванні є актуатори зі звуковими котушками. Подібно до лінійних двигунів, актуатори зі звуковими котушками використовують поле постійного магніту та обмотку котушки. Коли до котушки подається струм, генерується сила (відома як сила Лоренца). Величина сили визначається добутком струму та магнітного потоку.

Ця сила змушує рухому частину (якою може бути магніт або котушка) рухатися, а напрямок забезпечується повітряними підшипниками або перехресними роликовими повзунами. Приводи зі звуковою котушкою можуть досягати роздільної здатності до 10 нм, з ходом зазвичай до 30 мм, хоча деякі доступні з ходом до 100 мм.

Лінійні каскади двигунів

Коли потрібна нанометрова роздільна здатність для більших ходів, лінійні двигуни з повітряними підшипниками зазвичай є найкращим вибором. Хоча п'єзоелектричні та звукові приводи мають обмежені можливості переміщення, лінійні двигуни можуть бути розроблені для переміщення до кількох метрів. Використання повітряних підшипників як напрямної системи робить лінійний двигун повністю безконтактним, без механічних передавальних елементів або тертя, які впливають на рух і точність позиціонування. Фактично, лінійні двигуни з повітряними підшипниками можуть досягати роздільної здатності в один нанометр.

Недоліком лінійних двигунів для нанопозиціонування є їхня займана площа, яка набагато більша, ніж у п'єзоелектричних або звукових котушок. Хоча їх може бути складно інтегрувати в невеликі пристрої, вони добре підходять для застосувань, що вимагають відносно довгого ходу та високої роздільної здатності, таких як медична візуалізація.