П'єзоприводи, приводи звукової котушки, каскади лінійних двигунів.

Коли ми говоримо про лінійний рух, ми зазвичай обговорюємо програми, де відстань руху становить принаймні кілька сотень міліметрів, а необхідне позиціонування знаходиться в діапазоні кількох десятих міліметра. І для цих вимог добре підходять напрямні та приводи з рециркуляційними підшипниками. Приклад: відхилення випередження для звичайного кулькового гвинта класу 5 становить 26 мікрон на 300 мм ходу. Але коли програма вимагає позиціонування в нанометровому діапазоні — одна мільярдна частина метра — інженерам доводиться дивитися не тільки на механічні елементи кочення та рециркуляційні елементи, щоб досягти необхідної роздільної здатності.

Три найпоширеніші рішення лінійного руху для нанопозиціонування — це п’єзоприводи, приводи звукової котушки та ступені лінійного двигуна. Механізм приводу в кожному з цих рішень повністю вільний від механічних елементів кочення або ковзання, і вони можуть поєднуватися з повітряними підшипниками для високої точності позиціонування та роздільної здатності.

П'єзоприводи

П’єзоприводи (також звані п’єзодвигунами) використовують переваги зворотного п’єзоелектричного ефекту для створення руху та сили. Існує багато типів п’єзоприводів, але для нанопозиціонування поширені два: лінійний кроковий і лінійний ультразвуковий. Лінійні крокові п’єзодвигуни використовують кілька п’єзоелементів, встановлених у ряд, які діють як пари «ніг». Коли прикладається електричний заряд, одна пара ніг стискає поздовжній стрижень за допомогою тертя і переміщує його вперед, коли ноги витягуються та згинаються. Коли ця пара ніг відпускається, наступна пара бере на себе. Працюючи на надзвичайно високих частотах, лінійні крокові п’єзодвигуни створюють безперервний лінійний рух із ходами до 150 мм і з роздільною здатністю рівня пікометра.

Лінійні ультразвукові п'єзодвигуни засновані на п'єзоелектричній пластині. Коли до пластини прикладається електричний заряд, вона починає збуджуватися на своїй резонансній частоті, що змушує її коливатися. Ці коливання створюють ультразвукові хвилі в пластині. Муфта (або штовхач) прикріплена до плити та попередньо натягнута на поздовжній стрижень (також званий бігуном). Ультразвукові хвилі змушують пластину розширюватися та стискатися еліптично, дозволяючи муфті просувати стрижень вперед і здійснювати лінійний рух. Лінійні ультразвукові п’єзодвигуни можуть досягати роздільної здатності від 50 до 80 нм із максимальним ходом, подібним до лінійних крокових двигунів, від 100 до 150 мм.

Актуатори звукової котушки

Іншим рішенням для застосувань нанопозиціонування є приводи звукової котушки. Подібно до лінійних двигунів, приводи звукової котушки використовують поле постійного магніту та обмотку котушки. Коли струм подається на котушку, створюється сила (відома як сила Лоренца). Величина сили визначається добутком сили струму на магнітний потік.

Ця сила змушує рухому частину (якою може бути або магніт, або котушка) рухатися, керуючи повітряними підшипниками або перехресними роликовими ковзаннями. Актуатори звукової котушки можуть досягати роздільної здатності до 10 нм, із ходом зазвичай до 30 мм, хоча деякі доступні з ходом до 100 мм.

Ступені лінійного двигуна

Коли потрібна нанометрова роздільна здатність для більших ходів, найкращим вибором є ступені лінійного двигуна з повітряними підшипниками. У той час як п’єзоприводи та приводи звукової котушки мають обмежені можливості переміщення, лінійні двигуни можуть бути розроблені для переміщення до кількох метрів. Використання повітряних підшипників як направляючої системи робить лінійний ступінь двигуна абсолютно безконтактним, без механічних елементів передачі або тертя, які впливають на рух і точність позиціонування. Насправді ступені лінійного двигуна з повітряними підшипниками можуть досягати роздільної здатності в один нанометр.

Недоліком каскадів лінійного двигуна для нанопозиціонування є їх займана площа, яка набагато більша, ніж у приводів п’єзо або звукової котушки. Хоча їх може бути складно інтегрувати в невеликі пристрої, вони добре підходять для програм, які вимагають відносно довгого ходу та високої роздільної здатності, наприклад для медичних зображень.