ピエゾアクチュエータ、ボイスコイルアクチュエータ、リニアモーターステージ。

直線運動について話すとき、通常は移動距離が少なくとも数百ミリメートルあり、必要な位置決め精度が数十分の一ミリメートル単位であるアプリケーションについて議論します。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最適です。例えば、一般的なクラス5のボールねじのリード偏差は、移動距離300mmあたり26ミクロンです。しかし、ナノメートル単位（1メートルの10億分の1）での位置決めが求められるアプリケーションでは、エンジニアは必要な分解能を実現するために、機械的な転がり機構や循環機構だけでは不十分な点に着目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、ボイスコイルアクチュエータ、そしてリニアモーターステージです。これらのソリューションの駆動機構は、機械的な転がりや滑りの要素を一切含まず、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します。

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によく使われるのは、リニアステッピングとリニア超音波の2つです。リニアステッピングピエゾモーターは、複数のピエゾ素子を一列に並べ、それぞれが「脚」の役割を果たします。電気が加えられると、1組の脚が摩擦によって縦方向のロッドを掴み、脚が伸縮することでロッドを前方へ移動させます。この脚が解放されると、次の脚が動きを引き継ぎます。リニアステッピングピエゾモーターは、極めて高い周波数で動作することで、最大150mm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生み出します。

リニア超音波ピエゾモーターは圧電プレートをベースとしています。プレートに電荷が加えられると、プレートは共振周波数で励起され、振動します。この振動によってプレート内に超音波が発生します。プレートにはカップリング（またはプッシャー）が取り付けられ、縦方向のロッド（ランナーとも呼ばれる）にプリロードされます。超音波によってプレートが楕円形に伸縮し、カップリングがロッドを前進させて直線運動を生み出します。リニア超音波ピエゾモーターは50～80nmの分解能を実現し、最大移動量はリニアステッピングモーターと同様に100～150mmです。

ボイスコイルアクチュエータ

ナノポジショニングアプリケーションにおけるもう一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は永久磁石の磁場とコイル巻線を使用します。コイルに電流が流されると、力（ローレンツ力）が発生します。力の大きさは、電流と磁束の積によって決まります。

この力により、可動部（磁石またはコイルのいずれか）がエアベアリングまたはクロスローラースライドによってガイドされながら移動します。ボイスコイルアクチュエータは、10nmまでの分解能を実現し、ストロークは通常最大30mmですが、最大100mmのストロークを備えた製品もあります。

リニアモーターステージ

長いストロークにわたってナノメートル単位の分解能が必要な場合、エアベアリングを備えたリニアモーターステージが通常最適な選択肢です。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量は限られていますが、リニアモーターは最大数メートルの移動量に対応できる設計が可能です。ガイドシステムに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がありません。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、シングルナノメートル単位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、ピエゾアクチュエータやボイスコイルアクチュエータに比べてフットプリントがはるかに大きいことです。小型デバイスへの組み込みは難しい場合もありますが、医療用画像処理など、比較的長いストロークと高解像度が求められる用途には適しています。