피에조 액추에이터, 보이스 코일 액추에이터, 선형 모터 스테이지.

일반적으로 선형 운동이라고 하면 이동 거리가 수백 밀리미터 이상이고 필요한 위치 정밀도가 수십분의 1밀리미터 범위인 응용 분야를 떠올립니다. 이러한 요구 사항에는 재순환 베어링이 있는 가이드와 드라이브가 적합합니다. 예를 들어, 일반적인 5등급 볼 스크류의 리드 편차는 300mm 이동당 26마이크론입니다. 그러나 나노미터 범위(10억분의 1미터)의 위치 정밀도가 요구되는 응용 분야에서는 엔지니어는 필요한 해상도를 달성하기 위해 기계식 구름 및 재순환 요소 이상의 것을 고려해야 합니다.

나노 포지셔닝에 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 선형 모션 솔루션은 피에조 액추에이터, 보이스 코일 액추에이터 및 선형 모터 스테이지입니다. 이러한 솔루션 각각의 구동 메커니즘은 기계적인 구름 또는 미끄럼 요소가 전혀 없으며, 높은 위치 정밀도와 해상도를 위해 공기 베어링과 함께 사용할 수 있습니다.

피에조 액추에이터

피에조 액추에이터(피에조 모터라고도 함)는 역 압전 효과를 이용하여 운동과 힘을 발생시킵니다. 피에조 액추에이터에는 여러 종류가 있지만, 나노 포지셔닝에 일반적으로 사용되는 두 가지는 선형 스테퍼 모터와 선형 초음파 모터입니다. 선형 스테퍼 피에조 모터는 "다리" 역할을 하는 여러 개의 피에조 소자가 일렬로 배열되어 있습니다. 전기 전하가 가해지면 한 쌍의 다리가 마찰력을 이용하여 세로 방향의 막대를 잡고, 다리가 늘어나고 구부러지면서 막대를 앞으로 밀어냅니다. 이 다리 쌍이 손을 떼면 다음 쌍이 작동을 이어받습니다. 선형 스테퍼 피에조 모터는 매우 높은 주파수로 회전하여 최대 150mm의 스트로크와 피코미터 수준의 해상도로 연속적인 선형 운동을 생성합니다.

선형 초음파 피에조 모터는 압전판을 기반으로 합니다. 압전판에 전기 전하가 가해지면 공진 주파수에서 진동하게 되고, 이 진동이 판 내부에서 초음파를 발생시킵니다. 커플링(푸셔)이 압전판에 연결되어 종방향 로드(러너)에 대해 예압을 받습니다. 초음파는 압전판을 타원형으로 팽창 및 수축시켜 커플링을 통해 로드를 앞으로 밀어 선형 운동을 발생시킵니다. 선형 초음파 피에조 모터는 50~80nm의 해상도를 달성할 수 있으며, 최대 이동 거리는 선형 스테퍼 모터와 유사하게 100~150mm입니다.

보이스 코일 액추에이터

나노 포지셔닝 응용 분야를 위한 또 다른 솔루션은 보이스 코일 액추에이터입니다. 선형 모터와 유사하게 보이스 코일 액추에이터는 영구 자석장과 코일 권선을 사용합니다. 코일에 전류가 흐르면 힘(로렌츠 힘)이 발생합니다. 이 힘의 크기는 전류와 자기 선속의 곱으로 결정됩니다.

이 힘으로 인해 움직이는 부분(자석 또는 코일)이 이동하며, 공기 베어링이나 교차 롤러 슬라이드가 움직임을 안내합니다. 보이스 코일 액추에이터는 10nm까지의 해상도를 달성할 수 있으며, 일반적으로 최대 30mm의 스트로크를 제공하지만, 최대 100mm의 스트로크를 제공하는 제품도 있습니다.

선형 모터 스테이지

나노미터 수준의 해상도가 요구되는 긴 스트로크의 경우, 에어 베어링을 사용하는 선형 모터 스테이지가 일반적으로 최적의 선택입니다. 피에조 및 보이스 코일 액추에이터는 이동 거리가 제한적이지만, 선형 모터는 최대 수 미터까지 이동하도록 설계할 수 있습니다. 에어 베어링을 가이드 시스템으로 사용하면 선형 모터 스테이지는 기계적 전달 요소나 마찰 없이 완전히 비접촉식으로 작동하여 동작 및 위치 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 실제로 에어 베어링을 사용하는 선형 모터 스테이지는 단일 나노미터 해상도를 달성할 수 있습니다.

나노 포지셔닝 애플리케이션에 사용되는 선형 모터 스테이지의 단점은 피에조 또는 보이스 코일 액추에이터보다 훨씬 큰 크기를 차지한다는 점입니다. 소형 장치에 통합하기는 어렵지만, 의료 영상과 같이 비교적 긴 스트로크와 높은 해상도가 요구되는 애플리케이션에는 적합합니다.