Пьезоактуаторы, Актуаторы со звуковой катушкой, Ступени линейных двигателей.

Когда мы говорим о линейном движении, мы обычно обсуждаем приложения, в которых расстояние перемещения составляет не менее нескольких сотен миллиметров, а необходимое позиционирование находится в диапазоне нескольких десятых долей миллиметра. И под эти требования хорошо подходят направляющие и приводы с рециркуляционными подшипниками. Показательный пример: отклонение шага стандартной ШВП класса 5 составляет 26 микрон на 300 мм хода. Но когда приложение требует позиционирования в нанометровом диапазоне (одна миллиардная доля метра), инженерам приходится выходить за рамки механических подвижных и рециркуляционных элементов, чтобы достичь требуемого разрешения.

Тремя наиболее распространенными решениями для линейного движения для нанопозиционирования являются пьезоактюаторы, актуаторы со звуковой катушкой и каскады линейных двигателей. Приводной механизм в каждом из этих решений полностью лишен механических элементов качения или скольжения и может быть соединен с воздушными подшипниками для обеспечения высокой точности и разрешения позиционирования.

Пьезоактуаторы

Пьезоактуаторы (также называемые пьезодвигателями) используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания движения и силы. Существует множество типов пьезоактюаторов, но два наиболее распространенных для нанопозиционирования — линейный шаговый и линейный ультразвуковой. В линейных шаговых пьезодвигателях используются несколько пьезоэлементов, установленных в ряд, которые действуют как пары «ножек». Когда прикладывается электрический заряд, одна пара ног захватывает продольный стержень за счет трения и перемещает его вперед, когда ноги вытягиваются и сгибаются. Когда эта пара ног освобождается, следующая пара вступает во владение. Работая на чрезвычайно высоких частотах, линейные шаговые пьезодвигатели обеспечивают непрерывное линейное движение с ходом до 150 мм и разрешением пикометрического уровня.

Линейные ультразвуковые пьезодвигатели основаны на пьезоэлектрической пластине. Когда к пластине прикладывается электрический заряд, она возбуждается на своей резонансной частоте, заставляя ее колебаться. Эти колебания вызывают в пластине ультразвуковые волны. К пластине прикреплена муфта (или толкатель) и предварительно натянута на продольный стержень (также называемый бегунком). 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.

Активаторы звуковой катушки

Еще одним решением для приложений нанопозиционирования являются приводы со звуковой катушкой. Подобно линейным двигателям, приводы со звуковой катушкой используют поле постоянного магнита и обмотку катушки. Когда ток подается на катушку, создается сила (известная как сила Лоренца). Величина силы определяется произведением тока и магнитного потока.

Эта сила заставляет движущуюся часть (которая может быть либо магнитом, либо катушкой) двигаться, направляясь либо воздушными подшипниками, либо скрещенными роликовыми направляющими. Приводы со звуковой катушкой могут достигать разрешения до 10 нм с ходом обычно до 30 мм, хотя некоторые доступны с ходом до 100 мм.

Ступени линейных двигателей

Когда требуется нанометровое разрешение для более длинных ходов, линейные моторы с воздушными подшипниками обычно являются лучшим выбором. В то время как приводы с пьезоэлектрическими катушками и звуковыми катушками имеют ограниченные возможности перемещения, линейные двигатели могут быть рассчитаны на перемещение до нескольких метров. Использование воздушных подшипников в качестве направляющей системы делает ступень линейного двигателя полностью бесконтактной, без элементов механической передачи или трения, влияющих на точность движения и позиционирования. Фактически, каскады линейных двигателей с воздушными подшипниками могут достигать разрешения в один нанометр.

Недостатком каскадов линейных двигателей для приложений нанопозиционирования является их занимаемая площадь, которая намного больше, чем у пьезоактюаторов или актуаторов со звуковой катушкой. 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.