피에조 액츄에이터, 보이스 코일 액츄에이터, 리니어 모터 스테이지.

선형 모션에 관해 이야기할 때 일반적으로 이동 거리가 최소 수백 밀리미터이고 필요한 위치 지정이 수십 밀리미터 범위에 있는 애플리케이션에 대해 논의합니다. 그리고 이러한 요구 사항에는 재순환 베어링이 있는 가이드와 드라이브가 적합합니다. 적절한 사례: 일반적인 클래스 5 볼 스크류의 리드 편차는 300mm 이동당 26미크론입니다. 그러나 응용 분야에서 나노미터 범위(10억분의 1미터)의 위치 지정이 필요한 경우 엔지니어는 필요한 분해능을 달성하기 위해 기계적 롤링 및 재순환 요소 이상을 살펴봐야 합니다.

나노포지셔닝을 위한 가장 일반적인 세 ​​가지 선형 모션 솔루션은 압전 액추에이터, 음성 코일 액추에이터 및 선형 모터 스테이지입니다. 이러한 각 솔루션의 구동 메커니즘에는 기계적 롤링 또는 슬라이딩 요소가 전혀 없으며, 높은 위치 정확도와 분해능을 위해 에어 베어링과 쌍을 이룰 수 있습니다.

피에조 액츄에이터

피에조 액추에이터(피에조 모터라고도 함)는 역압전 효과를 활용하여 동작과 힘을 생성합니다. 압전 액츄에이터에는 다양한 스타일이 있지만 나노포지셔닝에 사용되는 일반적인 두 가지 유형은 선형 스테퍼와 선형 초음파입니다. 선형 스테퍼 피에조 모터는 한 쌍의 "다리" 역할을 하는 일렬로 장착된 여러 피에조 요소를 사용합니다. 전하가 가해지면 한 쌍의 다리가 마찰을 통해 세로 막대를 잡고 다리가 늘어나고 구부러질 때 세로 막대가 앞으로 이동합니다. 이 다리 쌍이 풀리면 다음 쌍이 대신하게 됩니다. 극도로 높은 주파수에서 작동함으로써 선형 스테퍼 피에조 모터는 최대 150mm의 스트로크와 피코미터 수준의 분해능으로 연속적인 선형 모션을 생성합니다.

선형 초음파 피에조 모터는 압전판을 기반으로 합니다. 판에 전하가 가해지면 공진 주파수에서 여기되어 진동하게 됩니다. 이러한 진동은 플레이트에 초음파를 생성합니다. 커플링(또는 푸셔)이 플레이트에 부착되고 세로 로드(러너라고도 함)에 미리 하중이 가해집니다. 초음파로 인해 플레이트가 타원형 방식으로 팽창 및 수축되어 커플링이 로드를 앞으로 전진시키고 선형 운동을 생성할 수 있습니다. 선형 초음파 피에조 모터는 100~150mm에서 선형 스테퍼 모터와 유사한 최대 이동 거리로 50~80nm의 분해능을 달성할 수 있습니다.

보이스 코일 액츄에이터

나노포지셔닝 애플리케이션을 위한 또 다른 솔루션은 보이스 코일 액추에이터입니다. 선형 모터와 마찬가지로 보이스 코일 액추에이터는 영구 자석장과 코일 권선을 사용합니다. 코일에 전류가 가해지면 힘(로렌츠 힘이라고 함)이 생성됩니다. 힘의 크기는 전류와 자속의 곱에 의해 결정됩니다.

이 힘은 에어 베어링이나 크로스 롤러 슬라이드의 안내에 따라 움직이는 부품(자석 또는 코일일 수 있음)을 이동시킵니다. 보이스 코일 액츄에이터는 최대 10nm의 분해능, 일반적으로 최대 30mm의 스트로크를 달성할 수 있지만 일부는 최대 100mm의 스트로크를 사용할 수 있습니다.

리니어 모터 스테이지

더 긴 스트로크에 걸쳐 나노미터 분해능이 필요한 경우 일반적으로 에어 베어링이 있는 선형 모터 스테이지가 최선의 선택입니다. 피에조 및 보이스 코일 액츄에이터는 이동 기능이 제한되어 있지만 선형 모터는 최대 수 미터까지 이동하도록 설계할 수 있습니다. 가이드 시스템으로 에어 베어링을 사용하면 리니어 모터 스테이지가 완전히 비접촉식으로 만들어지며 기계적 전달 요소나 마찰이 없어 모션과 위치 정확도에 영향을 줍니다. 실제로 에어 베어링이 있는 선형 모터 스테이지는 단일 나노미터 분해능을 달성할 수 있습니다.

나노포지셔닝 애플리케이션을 위한 선형 모터 스테이지의 단점은 설치 공간이 압전 또는 음성 코일 액추에이터보다 훨씬 크다는 것입니다. 소형 장치에 통합하기는 어려울 수 있지만 의료 영상과 같이 상대적으로 긴 스트로크와 높은 해상도가 필요한 응용 분야에 적합합니다.