Пьезоприводы, приводы со звуковой катушкой, линейные двигательные каскады.

Когда мы говорим о линейном перемещении, мы обычно подразумеваем приложения, где расстояние перемещения составляет не менее нескольких сотен миллиметров, а требуемое позиционирование находится в диапазоне нескольких десятых долей миллиметра. Для этих требований хорошо подходят направляющие и приводы с рециркуляционными подшипниками. Например, отклонение шага обычной шарико-винтовой передачи класса 5 составляет 26 микрон на 300 мм хода. Но когда требуется позиционирование в нанометровом диапазоне — одной миллиардной метра, — инженерам приходится искать решения, выходящие за рамки механических элементов качения и рециркуляции, чтобы достичь необходимого разрешения.

Три наиболее распространённых решения для линейного перемещения в нанопозиционировании — это пьезоактюаторы, актюаторы со звуковой катушкой и линейные двигатели. Приводной механизм в каждом из этих решений полностью свободен от механических элементов качения или скольжения и может использоваться в сочетании с воздушными подшипниками для высокой точности и разрешения позиционирования.

Пьезоактюаторы

Пьезоактюаторы (также называемые пьезодвигателями) используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания движения и силы. Существует множество типов пьезоактюаторов, но два наиболее распространённых для нанопозиционирования — это 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 вперёд, вытягиваясь и сгибаясь. Когда эта пара ножек освобождается, следующая пара берёт на себя управление. Работая на чрезвычайно высоких частотах, линейные шаговые пьезодвигатели обеспечивают непрерывное линейное движение с ходом до 150 мм и разрешением на уровне пикометров.

Линейные ультразвуковые пьезодвигатели основаны на пьезоэлектрической пластине. При подаче электрического заряда на пластину она возбуждается на своей резонансной частоте, вызывая колебания. Эти колебания создают в пластине ультразвуковые волны. К пластине прикреплена муфта (или толкатель), которая предварительно нагружена на продольный стержень (также называемый бегунком). Ультразвуковые волны вызывают расширение и сжатие пластины по эллиптической траектории, позволяя муфте продвигать стержень вперед и совершать линейное движение. Линейные ультразвуковые пьезодвигатели могут достигать разрешения от 50 до 80 нм с максимальным ходом, аналогичным ходу линейных шаговых двигателей, от 100 до 150 мм.

Актуаторы звуковых катушек

Другим решением для нанопозиционирования являются актуаторы со звуковой катушкой. Подобно линейным двигателям, актуаторы со звуковой катушкой используют поле постоянного магнита и обмотку катушки. При подаче тока на катушку возникает сила (известная как сила Лоренца). Величина этой силы определяется произведением тока на магнитный поток.

Эта сила заставляет подвижную часть (которой может быть магнит или катушка) перемещаться, направляемая воздушными подшипниками или скрещенными роликовыми направляющими. Актюаторы с звуковой катушкой могут достигать разрешения до 10 нм при обычном ходе до 30 мм, хотя некоторые доступны с ходом до 100 мм.

Ступени линейных двигателей

Когда требуется нанометровое разрешение при больших длинах хода, линейные двигатели с воздушными подшипниками обычно являются наилучшим выбором. В то время как пьезоэлектрические приводы и приводы со звуковой катушкой имеют ограниченный ход, линейные двигатели могут быть спроектированы для перемещения на расстояние до нескольких метров. Использование воздушных подшипников в качестве направляющей системы делает линейный двигатель полностью бесконтактным, без механических передающих элементов или трения, влияющих на точность перемещения и позиционирования. Фактически, линейные двигатели с воздушными подшипниками могут достигать разрешения в один нанометр.

Недостатком линейных двигателей для нанопозиционирования является их значительно большая площадь, чем у пьезоэлектрических актуаторов или актуаторов с звуковой катушкой. Хотя их интеграция в небольшие устройства может быть сложной, они хорошо подходят для приложений, требующих относительно большого хода и высокого разрешения, например, для медицинской визуализации.