Pietsotoimilaitteet, äänikelatoimilaitteet, Lineaarimoottoriportaat.

Lineaarisesta liikkeestä puhuttaessa puhutaan tyypillisesti sovelluksista, joissa kulkuetäisyys on vähintään muutama sata millimetriä ja vaadittu asemointi on muutaman millimetrin kymmenesosien luokkaa. Ja näihin vaatimuksiin ohjaimet ja käyttölaitteet, joissa on kierrätyslaakeri, sopivat hyvin. Esimerkki: yleisen luokan 5 kuularuuvin johdinpoikkeama on 26 mikronia 300 mm:n liikettä kohti. Mutta kun sovellus vaatii paikannusta nanometrin alueella – metrin miljardisosalla – insinöörien on katsottava mekaanisten pyörivien ja kierrättävien elementtien ulkopuolelle saavuttaakseen vaaditun resoluution.

Kolme yleisintä lineaarisen liikkeen ratkaisua nanoasemointiin ovat pietsotoimilaitteet, äänikelatoimilaitteet ja lineaarimoottorivaiheet. Kaikissa näissä ratkaisuissa käyttömekanismi on täysin vapaa mekaanisista vierintä- tai liukuelementeistä, ja ne voidaan liittää ilmalaakereihin korkean paikannustarkkuuden ja -resoluution saavuttamiseksi.

Piezo-toimilaitteet

Pietsosähköiset toimilaitteet (kutsutaan myös pietsomoottoriksi) hyödyntävät käänteistä pietsosähköistä vaikutusta liikkeen ja voiman tuottamiseksi. Pietsotoimilaitteita on monia tyylejä, mutta kaksi yleistä nanoasemointiin ovat lineaarinen stepperi ja lineaarinen ultraääni. Lineaariset stepper-piezomoottorit käyttävät useita peräkkäin asennettuja pietsoelementtejä, jotka toimivat "jalkapareina". Kun sähkövaraus kohdistetaan, yksi jalkapari tarttuu pitkittäiseen sauvaan kitkan kautta ja siirtää sitä eteenpäin jalkojen ojentuessa ja taipuessa. Kun tämä jalkapari vapautuu, seuraava pari ottaa vallan. Äärimmäisen korkeilla taajuuksilla toimivat lineaariset pietsomoottorit tuottavat jatkuvaa lineaarista liikettä jopa 150 mm:n iskuilla ja pikometritason resoluutiolla.

Lineaariset ultraäänipiezomoottorit perustuvat pietsosähköiseen levyyn. Kun levyyn kohdistetaan sähkövaraus, se virittyy resonanssitaajuudellaan ja saa sen värähtelemään. Nämä värähtelyt tuottavat ultraääniaaltoja levyyn. Kytkin (tai työntäjä) on kiinnitetty levyyn ja esikuormitettu pitkittäistankoa (kutsutaan myös jakopalkkia) vasten. Ultraääniaallot saavat levyn laajenemaan ja supistumaan elliptisesti, jolloin kytkin voi viedä sauvaa eteenpäin ja tuottaa lineaarista liikettä. Lineaariset ultraäänipietsomoottorit voivat saavuttaa 50 - 80 nm:n resoluution ja maksimimatkan, joka on samanlainen kuin lineaarisilla askelmoottoreilla, 100 - 150 mm.

Äänikelan toimilaitteet

Toinen ratkaisu nanopaikannussovelluksiin ovat puhekelan toimilaitteet. Lineaarimoottorien tapaan äänikelatoimilaitteet käyttävät kestomagneettikenttää ja kelakäämiä. Kun käämiin syötetään virtaa, syntyy voima (tunnetaan nimellä Lorentz-voima). Voiman suuruus määräytyy virran ja magneettivuon tulon mukaan.

Tämä voima saa liikkuvan osan (joka voi olla joko magneetti tai kela) liikkumaan joko ilmalaakereiden tai ristikkäisten rullaluistimien ohjaamana. Puhekelatoimilaitteet voivat saavuttaa resoluution 10 nm asti, iskuilla tyypillisesti jopa 30 mm, vaikka joitakin on saatavana jopa 100 mm:n iskunpituuksilla.

Lineaarimoottorin vaiheet

Kun nanometriresoluutiota vaaditaan pidemmillä iskuilla, lineaarimoottorin vaiheet ilmalaakereilla ovat tyypillisesti paras valinta. Pietso- ja äänikelatoimilaitteilla on rajalliset liikkumismahdollisuudet, mutta lineaarimoottorit voidaan suunnitella jopa useiden metrien matkaa varten. Ilmalaakereiden käyttö ohjausjärjestelmänä tekee lineaarisesta moottorivaiheesta täysin kosketuksettoman, ilman mekaanisia voimansiirtoelementtejä tai kitkaa, jotka vaikuttavat liikkeeseen ja paikannustarkkuuteen. Itse asiassa lineaarimoottorin vaiheet ilmalaakereilla voivat saavuttaa yhden nanometrin resoluution.

Lineaaristen moottorivaiheiden haittapuolena nanosijoitussovelluksissa on niiden jalanjälki, joka on paljon suurempi kuin pietso- tai äänikelatoimilaitteiden. Vaikka niitä voi olla haastavaa integroida pieniin laitteisiin, ne sopivat hyvin sovelluksiin, jotka vaativat suhteellisen pitkän iskun ja korkean resoluution, kuten lääketieteellisen kuvantamisen.