ピエゾアクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、リニアモータ段。

直線運動について話す場合、通常は移動距離が少なくとも数百ミリメートルで、必要な位置決め精度が数十分の1ミリメートルの範囲にあるアプリケーションを扱います。そして、このような要件には、循環ベアリングを備えたガイドとドライブが適しています。例えば、一般的なクラス5ボールねじのリード偏差は、300mmの移動で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）の位置決めが求められる場合、エンジニアは必要な分解能を達成するために、機械的な転がり要素や循環要素以外のものを検討する必要があります。

ナノポジショニングにおける最も一般的な直線運動ソリューションは、ピエゾアクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、およびリニアモータステージの3種類です。これらのソリューションの駆動機構はいずれも機械的な転がりや滑り要素を一切含まず、高い位置決め精度と分解能を実現するためにエアベアリングと組み合わせることができます。

ピエゾアクチュエータ

ピエゾアクチュエータ（ピエゾモータとも呼ばれる）は、逆圧電効果を利用して動きと力を生み出します。ピエゾアクチュエータには多くの種類がありますが、ナノポジショニングでよく使われるのは、リニアステッピングとリニア超音波の2種類です。リニアステッピングピエゾモータは、一列に並んだ複数のピエゾ素子を「脚」のペアとして使用します。電荷が印加されると、一方の脚のペア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してロッドを前方に移動させます。この脚のペアが解放されると、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は、非常に高い周波数で動作することで、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的な直線運動を実現します。

リニア超音波ピエゾモーターは、圧電板をベースとしています。圧電板に電荷が印加されると、共振周波数で励起され、振動します。この振動によって、圧電板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）が圧電板に取り付けられ、縦方向のロッド（ランナーとも呼ばれる）に押し付けられます。超音波によって圧電板は楕円状に伸縮し、カップリングがロッドを前方に押し出すことで直線運動を実現します。リニア超音波ピエゾモーターは、50～80 nmの分解能を実現でき、最大移動距離はリニアステッピングモーターと同程度の100～150 mmです。

ボイスコイルアクチュエータ

ナノポジショニング用途におけるもう一つの解決策は、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は永久磁石の磁場とコイル巻線を利用します。コイルに電流を流すと、力（ローレンツ力として知られる）が発生します。この力の大きさは、電流と磁束の積によって決まります。

この力によって、可動部（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式スライドによってガイドされます。ボイスコイルアクチュエータは、10nmまでの分解能を実現でき、ストロークは通常30mmまでですが、中には100mmまでのストロークを持つものもあります。

直線モーターステージ

より長いストロークでナノメートル分解能が求められる場合、エアベアリングを備えたリニアモーターステージが一般的に最適な選択肢となります。ピエゾアクチュエータやボイスコイルアクチュエータは移動範囲が限られていますが、リニアモーターは数メートルまでの移動に対応できるよう設計できます。ガイドシステムとしてエアベアリングを使用することで、リニアモーターステージは完全に非接触となり、機械的な伝達要素や摩擦が動作や位置決め精度に影響を与えることはありません。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、1ナノメートルの分解能を実現できます。

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アクチュエータやボイスコイルアクチュエータよりもはるかに大きいことである。小型デバイスへの組み込みは難しい場合もあるが、医療画像処理など、比較的長いストロークと高解像度を必要とする用途には適している。