Пьезоактюаторы, актюаторы со звуковой катушкой, линейные двигательные каскады.

Когда мы говорим о линейном движении, мы обычно обсуждаем приложения, где расстояние перемещения составляет не менее нескольких сотен миллиметров, а требуемое позиционирование находится в диапазоне нескольких десятых миллиметра. И для этих требований направляющие и приводы с рециркуляционными подшипниками хорошо подходят. Показательный пример: отклонение шага для обычного шарико-винтового привода класса 5 составляет 26 микрон на 300 мм перемещения. Но когда приложение требует позиционирования в нанометровом диапазоне — одной миллиардной метра — инженерам приходится выходить за рамки механических вращающихся и рециркуляционных элементов, чтобы достичь требуемого разрешения.

Три наиболее распространенных решения линейного движения для нанопозиционирования — это пьезоактюаторы, актюаторы со звуковой катушкой и линейные моторные ступени. Приводной механизм в каждом из этих решений полностью свободен от механических элементов качения или скольжения, и они могут быть сопряжены с воздушными подшипниками для высокой точности позиционирования и разрешения.

Пьезоприводы

Пьезоприводы (также называемые пьезодвигателями) используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания движения и силы. Существует множество типов пьезоприводов, но два распространенных для нанопозиционирования — линейные шаговые и линейные ультразвуковые. Линейные шаговые пьезодвигатели используют несколько пьезоэлементов, установленных в ряд, которые действуют как пары «ног». При подаче электрического заряда одна пара ножек захватывает продольный стержень посредством трения и перемещает его вперед, когда ножки вытягиваются и сгибаются. Когда эта пара ножек освобождается, следующая пара берет на себя управление. Работая на чрезвычайно высоких частотах, линейные шаговые пьезодвигатели производят непрерывное линейное движение с ходом до 150 мм и разрешением на уровне пикометра.

Линейные ультразвуковые пьезодвигатели основаны на пьезоэлектрической пластине. Когда электрический заряд подается на пластину, она возбуждается на своей резонансной частоте, заставляя ее колебаться. Эти колебания производят ультразвуковые волны в пластине. Муфта (или толкатель) прикреплена к пластине и предварительно нагружена на продольный стержень (также называемый бегуном). Ультразвуковые волны заставляют пластину расширяться и сжиматься эллиптически, позволяя муфте продвигать стержень вперед и производить линейное движение. Линейные ультразвуковые пьезодвигатели могут достигать разрешения от 50 до 80 нм с максимальным ходом, аналогичным линейным шаговым двигателям, от 100 до 150 мм.

Приводы звуковых катушек

Другим решением для приложений нанопозиционирования являются приводы с звуковой катушкой. Подобно линейным двигателям, приводы с звуковой катушкой используют постоянное магнитное поле и обмотку катушки. При подаче тока на катушку возникает сила (известная как сила Лоренца). Величина силы определяется произведением тока и магнитного потока.

Эта сила заставляет подвижную часть (которая может быть либо магнитом, либо катушкой) двигаться, направляемая либо воздушными подшипниками, либо перекрестными роликовыми направляющими. Приводы с звуковой катушкой могут достигать разрешения до 10 нм, с ходами обычно до 30 мм, хотя некоторые доступны с ходами до 100 мм.

Ступени линейного двигателя

Когда требуется нанометровое разрешение для более длинных ходов, линейные моторные ступени с воздушными подшипниками обычно являются наилучшим выбором. В то время как пьезоэлектрические и звуковые катушечные приводы имеют ограниченные возможности перемещения, линейные моторы могут быть спроектированы для перемещения на расстояние до нескольких метров. Использование воздушных подшипников в качестве направляющей системы делает линейную моторную ступень полностью бесконтактной, без механических передающих элементов или трения, влияющих на точность перемещения и позиционирования. Фактически, линейные моторные ступени с воздушными подшипниками могут достигать разрешения в один нанометр.

Недостатком линейных моторных ступеней для приложений нанопозиционирования является их площадь, которая намного больше, чем у пьезоэлектрических или звуковых катушечных приводов. Хотя их может быть сложно интегрировать в небольшие устройства, они хорошо подходят для приложений, требующих относительно длинного хода и высокого разрешения, таких как медицинская визуализация.