מפעילי פיזו, מפעילי סליל קול, שלבי מנוע ליניארי.

כאשר אנו מדברים על תנועה ליניארית, אנו דנים בדרך כלל ביישומים שבהם מרחק הנסיעה הוא לפחות כמה מאות מילימטרים, והמיקום הנדרש הוא בטווח של כמה עשיריות המילימטר. ולדרישות אלה, מדריכים והנעים עם מיסבים חוזרים מתאימים. מקרה לדוגמא: סטיית העופרת עבור בורג כדור נפוץ מסוג 5 היא 26 מיקרון לכל 300 מ"מ של מהלך. אך כאשר האפליקציה דורשת מיקום בטווח הננומטר - מיליארדית המטר - על המהנדסים להסתכל מעבר לאלמנטים מכניים של גלגול ומחזר על מנת להשיג את הרזולוציה הנדרשת.

שלושת פתרונות התנועה הלינארית הנפוצים ביותר לננו-מיקום הם מפעילי piezo, מפעילי סליל קול ושלבים מוטוריים ליניאריים. מנגנון ההנעה בכל אחד מהפתרונות הללו נקי לחלוטין מאלמנטים מכניים של גלגול או הזזה, וניתן לשייך אותם למיסבי אוויר לדיוק ורזולוציה גבוהים של מיקום.

מפעילי פיזו

מפעילי פייזו (המכונה גם מנועי piezo) מנצלים את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך כדי לייצר תנועה וכוח. ישנם סגנונות רבים של מפעילי piezo, אך שניים נפוצים עבור מיקום ננו הם סטפר ליניארי ואולטרסאונד ליניארי. מנועי פייזו צעדים ליניאריים משתמשים במספר אלמנטים פייזו המורכבים בשורה הפועלים כזוגות של "רגליים". כאשר מופעל מטען חשמלי, זוג רגליים אחד אוחז במוט אורכי באמצעות חיכוך ומניע אותו קדימה כשהרגליים מתארכות ומתכופפות. כאשר זוג הרגליים הזה משתחרר, הזוג הבא משתלט. על ידי ריצה בתדרים גבוהים במיוחד, מנועי פיזו צעד ליניאריים מייצרים תנועה ליניארית רציפה עם מהלומות של עד 150 מ"מ וברזולוציה ברמת פיקומטר.

מנועי piezo אולטרסאונד ליניאריים מבוססים על לוח piezoelectric. כאשר מטען חשמלי מופעל על הצלחת, היא מתרגשת בתדר התהודה שלה, מה שגורם לה להתנודד. תנודות אלו מייצרות גלים קוליים בצלחת. צימוד (או דוחף) מחובר לצלחת ומוטען מראש כנגד מוט אורכי (נקרא גם רץ). הגלים האולטראסוניים גורמים לצלחת להתרחב ולהתכווץ בצורה אליפטית, מה שמאפשר לצימוד לקדם את המוט קדימה ולייצר תנועה ליניארית. מנועי piezo ליניאריים קוליים יכולים להשיג רזולוציה של 50 עד 80 ננומטר, עם תנועה מקסימלית בדומה למנועי צעד ליניאריים, ב-100 עד 150 מ"מ.

מפעילי סליל קול

פתרון נוסף ליישומי מיקום ננו הם מפעילי סליל קול. בדומה למנועים ליניאריים, מפעילי סליל קול משתמשים בשדה מגנט קבוע ובסליל. כאשר זרם מופעל 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, עם הנחייה מסופקת על ידי מיסבי אוויר או מגלשות רולר מוצלבות. מפעילי סליל קול יכולים להשיג רזולוציה של עד 10 ננומטר, עם תנועות בדרך כלל עד 30 מ"מ, אם כי חלקם זמינים עם תנועות של עד 100 מ"מ.

שלבים מוטוריים לינאריים

כאשר נדרשת רזולוציה ננומטרית לאורך מהלומות ארוכות יותר, שלבי מנוע ליניאריים עם מיסבי אוויר הם בדרך כלל הבחירה הטובה ביותר. בעוד שלמפעילי פייזו וסליל קול יש יכולות נסיעה מוגבלות, מנועים ליניאריים יכולים להיות מתוכננים לנסיעה של עד כמה מטרים. השימוש במיסבי אוויר כמערכת ההנחיה הופך את שלב המנוע ליניארי ללא מגע לחלוטין, ללא רכיבי העברה מכניים או חיכוך המשפיעים על התנועה ועל דיוק המיקום. למעשה, שלבי מנוע ליניאריים עם מיסבי אוויר יכולים להשיג רזולוציה של ננומטר בודד.

החיסרון של שלבי מנוע ליניאריים עבור יישומי מיקום ננו הוא טביעת הרגל שלהם, שהיא הרבה יותר גדולה מזו של מפעילי פייזו או סליל קול. למרות שהם יכולים להיות מאתגרים לשילוב במכשירים קטנים, הם מתאימים ליישומים הדורשים שבץ ארוך יחסית ורזולוציה גבוהה, כגון הדמיה רפואית.