ピエゾアクチュエーター、ボイスコイルアクチュエーター、リニアモーターステージ。

直線運動について話すときは、通常、移動距離が少なくとも数百ミリメートルで、必要な位置決めが数十分の一ミリメートルの範囲にあるアプリケーションについて議論します。これらの要件には、再循環ベアリングを備えたガイドとドライブが最適です。好例: 一般的なクラス 5 ボールねじのリード偏差は、移動量 300 mm あたり 26 ミクロンです。しかし、アプリケーションでナノメートル範囲 (10 億分の 1 メートル) での位置決めが必要な場合、エンジニアは必要な分解能を達成するために、機械的な回転要素や再循環要素以外にも目を向ける必要があります。

ナノ位置決めのための最も一般的な 3 つの直線運動ソリューションは、ピエゾ アクチュエーター、ボイス コイル アクチュエーター、およびリニア モーター ステージです。これらの各ソリューションの駆動機構には、機械的な回転要素や滑り要素がまったく含まれておらず、エア ベアリングと組み合わせることで、高い位置決め精度と分解能を実現できます。

ピエゾアクチュエータ

ピエゾ アクチュエータ (ピエゾ モーターとも呼ばれる) は、逆圧電効果を利用して動きと力を生成します。ピエゾ アクチュエータには多くのスタイルがありますが、ナノ位置決めに一般的な 2 つはリニア ステッパとリニア超音波です。リニア ステッピング ピエゾ モーターは、「脚」のペアとして機能する、一列に取り付けられた複数のピエゾ素子を使用します。電荷が印加されると、1 対の脚が摩擦によって縦方向のロッドを掴み、脚が伸びたり曲がったりするときにロッドを前方に動かします。このペアの脚が解放されると、次のペアが引き継ぎます。リニア ステッピング ピエゾ モーターは、非常に高い周波数で動作することにより、最大 150 mm のストロークとピコメートル レベルの分解能で連続直線運動を生成します。

リニア超音波圧電モーターは圧電プレートをベースとしています。プレートに電荷が印加されると、プレートはその共振周波数で励起され、振動を引き起こします。これらの振動によりプレート内に超音波が発生します。カップリング (またはプッシャー) がプレートに取り付けられ、縦方向のロッド (ランナーとも呼ばれます) に対して予荷重がかけられます。超音波によりプレートが楕円形に伸縮し、カップリングがロッドを前方に前進させて直線運動を生み出すことができます。リニア超音波ピエゾ モーターは、リニア ステッピング モーターと同様の 100 ～ 150 mm の最大移動量で、50 ～ 80 nm の分解能を達成できます。

ボイスコイルアクチュエーター

ナノ位置決めアプリケーションのもう 1 つのソリューションは、ボイス コイル アクチュエータです。リニア モーターと同様に、ボイス コイル アクチュエーターは永久磁石界とコイル巻線を使用します。コイルに電流が流れると、力が発生します (ローレンツ力として知られています)。力の大きさは電流と磁束の積で決まります。

この力により、可動部分 (磁石またはコイルのいずれか) が移動し、エア ベアリングまたはクロス ローラー スライドのいずれかによって案内されます。ボイスコイルアクチュエータは、通常最大 30 mm のストロークで最小 10 nm の分解能を達成できますが、最大 100 mm のストロークで利用可能なものもあります。

リニアモーターステージ

より長いストロークにわたってナノメートルの分解能が必要な場合は、通常、エアベアリングを備えたリニアモーターステージが最適な選択です。ピエゾ アクチュエータやボイス コイル アクチュエータの移動能力は限られていますが、リニア モータは最大数メートルの移動を想定して設計できます。ガイド システムとしてエア ベアリングを使用すると、リニア モーター ステージは完全に非接触になり、動きや位置決めの精度に影響を与える機械的伝達要素や摩擦がなくなります。実際、エアベアリングを備えたリニアモーターステージは、シングルナノメートルの解像度を達成できます。

ナノポジショニング用途におけるリニアモーターステージの欠点は、その設置面積がピエゾまたはボイスコイルアクチュエーターよりもはるかに大きいことです。小型デバイスに組み込むのは難しい場合がありますが、医療用画像など、比較的長いストロークと高解像度を必要とするアプリケーションには適しています。