Пьезоэлектрические актуаторы, актуаторы со звуковой катушкой, линейные мотор-приводы.

Когда мы говорим о линейном перемещении, мы обычно обсуждаем приложения, где расстояние перемещения составляет не менее нескольких сотен миллиметров, а требуемое позиционирование находится в диапазоне нескольких десятых миллиметра. И для таких требований хорошо подходят направляющие и приводы с подшипниками скольжения. Например: отклонение шага для обычного шарикового винта 5-го класса составляет 26 микрон на 300 мм перемещения. Но когда приложение требует позиционирования в нанометровом диапазоне — одной миллиардной доли метра — инженерам приходится искать решения, выходящие за рамки механических катящихся и рециркуляционных элементов, чтобы достичь требуемой точности.

Три наиболее распространенных решения для линейного перемещения в нанопозиционировании — это пьезоэлектрические актуаторы, актуаторы с звуковой катушкой и линейные мотор-приводы. Приводной механизм в каждом из этих решений полностью свободен от механических элементов качения или скольжения, и их можно использовать в паре с воздушными подшипниками для обеспечения высокой точности и разрешения позиционирования.

Пьезоэлектрические актуаторы

Пьезоэлектрические актуаторы (также называемые пьезомоторами) используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания движения и силы. Существует множество типов пьезоэлектрических актуаторов, но два наиболее распространенных для нанопозиционирования — это линейные шаговые и линейные ультразвуковые. Линейные шаговые пьезомоторы используют несколько пьезоэлементов, установленных в ряд, которые действуют как пары «ножек». При подаче электрического заряда одна пара ножек за счет трения захватывает продольный стержень и перемещает его вперед, вытягивая и сгибая ножки. Когда эта пара ножек освобождается, следующая пара берет на себя управление. Работая на чрезвычайно высоких частотах, линейные шаговые пьезомоторы обеспечивают непрерывное линейное движение с ходом до 150 мм и разрешением на уровне пикометров.

Линейные ультразвуковые пьезомоторы основаны на пьезоэлектрической пластине. При подаче электрического заряда на пластину она возбуждается на своей резонансной частоте, вызывая колебания. Эти колебания создают ультразвуковые волны в пластине. К пластине крепится муфта (или толкатель), которая предварительно прижимается к продольному стержню (также называемому направляющей). Ультразвуковые волны заставляют пластину расширяться и сжиматься по эллиптической траектории, позволяя муфте продвигать стержень вперед и создавать линейное движение. Линейные ультразвуковые пьезомоторы могут достигать разрешения от 50 до 80 нм, с максимальным перемещением, аналогичным линейным шаговым двигателям, составляющим от 100 до 150 мм.

Приводы с звуковой катушкой

Еще одним решением для нанопозиционирования являются актуаторы с звуковой катушкой. Подобно линейным двигателям, актуаторы с звуковой катушкой используют поле постоянного магнита и обмотку катушки. При подаче тока на катушку возникает сила (известная как сила Лоренца). Величина силы определяется произведением тока и магнитного потока.

Эта сила приводит в движение подвижную часть (которая может быть либо магнитом, либо катушкой), направляемая либо воздушными подшипниками, либо перекрестными роликовыми направляющими. Приводы со звуковой катушкой могут обеспечивать разрешение до 10 нм, с ходом обычно до 30 мм, хотя существуют и модели с ходом до 100 мм.

Линейные моторные ступени

Когда требуется нанометровое разрешение на больших расстояниях, линейные мотор-платформы с воздушными подшипниками обычно являются наилучшим выбором. В то время как пьезоэлектрические и звуковые катушечные актуаторы имеют ограниченные возможности перемещения, линейные двигатели могут быть спроектированы для перемещения на несколько метров. Использование воздушных подшипников в качестве направляющей системы делает линейную мотор-платформу полностью бесконтактной, без механических элементов передачи или трения, влияющих на движение и точность позиционирования. Фактически, линейные мотор-платформы с воздушными подшипниками могут достигать разрешения в один нанометр.

Недостатком линейных моторных приводов для нанопозиционирования является их занимаемая площадь, которая значительно больше, чем у пьезоэлектрических или звуковых катушечных актуаторов. Хотя их интеграция в небольшие устройства может быть сложной, они хорошо подходят для применений, требующих относительно большого хода и высокого разрешения, таких как медицинская визуализация.