압전 액추에이터, 음성 코일 액추에이터, 선형 모터 스테이지.

선형 운동에 대해 이야기할 때, 일반적으로 이동 거리가 최소 수백 밀리미터이고 필요한 위치 결정이 수십 분의 1밀리미터 범위에 있는 애플리케이션을 다룹니다. 이러한 요구 사항에는 재순환 베어링이 있는 가이드와 드라이브가 적합합니다. 예를 들어, 일반적인 클래스 5 볼 스크류의 리드 편차는 300mm 이동당 26마이크론입니다. 그러나 나노미터 범위(10억 분의 1미터)의 위치 결정이 필요한 애플리케이션의 경우, 엔지니어는 필요한 분해능을 달성하기 위해 기계적 롤링 및 재순환 요소 이외의 요소를 고려해야 합니다.

나노포지셔닝을 위한 가장 일반적인 세 ​​가지 선형 모션 솔루션은 피에조 액추에이터, 보이스 코일 액추에이터, 그리고 선형 모터 스테이지입니다. 이러한 솔루션의 구동 메커니즘은 기계적 롤링 또는 슬라이딩 요소가 전혀 없으며, 높은 위치 정확도와 분해능을 위해 에어 베어링과 결합될 수 있습니다.

압전 액추에이터

압전 액추에이터(압전 모터라고도 함)는 역압전 효과를 이용하여 운동과 힘을 생성합니다. 압전 액추에이터에는 여러 종류가 있지만, 나노 위치 제어에 널리 사용되는 두 가지 유형은 선형 스테퍼와 선형 초음파입니다. 선형 스테퍼 압전 모터는 여러 개의 압전 소자를 일렬로 장착하여 "다리" 역할을 합니다. 전하가 가해지면 한 쌍의 다리가 마찰을 통해 세로 막대를 잡고, 다리가 펴지고 구부러지면서 막대를 앞으로 움직입니다. 이 다리가 놓이면 다음 쌍의 다리가 역할을 수행합니다. 매우 높은 주파수에서 작동하는 선형 스테퍼 압전 모터는 최대 150mm 스트로크와 피코미터 수준의 분해능으로 연속적인 선형 운동을 생성합니다.

선형 초음파 압전 모터는 압전판을 기반으로 합니다. 압전판에 전하가 가해지면 공진 주파수로 여기되어 진동합니다. 이러한 진동은 판에서 초음파를 생성합니다. 커플링(또는 푸셔)이 판에 부착되고 세로 막대(러너라고도 함)에 예압됩니다. 초음파는 판을 타원형으로 팽창 및 수축시켜 커플링이 막대를 앞으로 전진시키고 선형 운동을 발생시킵니다. 선형 초음파 압전 모터는 50~80nm의 분해능을 구현할 수 있으며, 최대 이동 거리는 선형 스테퍼 모터와 유사하게 100~150mm입니다.

음성 코일 액추에이터

나노포지셔닝 응용 분야의 또 다른 솔루션은 보이스 코일 액추에이터입니다. 선형 모터와 마찬가지로 보이스 코일 액추에이터는 영구 자석 필드와 코일 권선을 사용합니다. 코일에 전류가 흐르면 로렌츠 힘이라고 하는 힘이 발생합니다. 이 힘의 크기는 전류와 자속의 곱으로 결정됩니다.

이 힘은 움직이는 부분(자석 또는 코일)이 공기 베어링이나 교차 롤러 슬라이드의 안내에 따라 움직이도록 합니다. 음성 코일 액추에이터는 최대 10nm의 분해능을 구현할 수 있으며, 스트로크는 일반적으로 최대 30mm이지만, 최대 100mm 스트로크를 지원하는 제품도 있습니다.

선형 모터 단계

긴 스트로크에서 나노미터 단위의 분해능이 필요한 경우, 일반적으로 에어 베어링을 사용한 리니어 모터 스테이지가 최선의 선택입니다. 피에조 및 보이스 코일 액추에이터는 이동 거리가 제한적인 반면, 리니어 모터는 최대 수 미터까지 이동하도록 설계할 수 있습니다. 에어 베어링을 가이드 시스템으로 사용하면 리니어 모터 스테이지가 완전히 비접촉 방식으로 작동하여 기계적 전달 요소나 마찰이 모션 및 위치 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 실제로 에어 베어링을 사용한 리니어 모터 스테이지는 단일 나노미터 단위의 분해능을 달성할 수 있습니다.

나노포지셔닝 애플리케이션에서 선형 모터 스테이지의 단점은 압전 또는 음성 코일 액추에이터보다 훨씬 큰 면적을 차지한다는 것입니다. 소형 장치에 통합하기는 어려울 수 있지만, 의료 영상처럼 비교적 긴 스트로크와 높은 해상도가 요구되는 애플리케이션에는 적합합니다.