Двигатель с червячным приводом — это устройство, которое использует пьезоэлектрические приводы для перемещения вала с нанометровой точностью .
В своей простейшей форме двигатель дюймового червяка использует три пьезоактюатора (2 и 3, см. Рисунок 1.), установленных внутри трубки (1) и электрифицированных последовательно для захвата вала (4), который затем перемещается в линейном направлении. Движение вала происходит за счет расширения бокового пьезоэлемента (2), толкающего два сцепляющихся пьезоэлемента (3).
Процесс приведения в действие двигателя inchworm представляет собой циклический процесс из шести шагов после начальной фазы релаксации и инициализации. Изначально все три пьезоэлемента расслаблены и не выдвинуты. Для инициализации двигателя inchworm сначала электризуется пьезоэлемент сцепления, ближайший к направлению желаемого движения (который затем становится пьезоэлементом сцепления вперед), затем начинается цикл из шести шагов следующим образом (см. рисунок 2.):
Шаг 1. Выдвижение бокового пьезоэлемента.
Шаг 2. Удлинение пьезоэлемента заднего сцепления.
Шаг 3. Ослабление пьезоэлемента передней муфты.
Шаг 4. Релаксация бокового пьезоэлемента.
Шаг 5. Выдвижение пьезоэлемента передней муфты.
Шаг 6. Ослабление пьезоэлемента задней муфты.
Электрификация пьезоактюаторов осуществляется путем подачи высокого напряжения смещения на актюаторы в соответствии с описанным выше процессом «Шесть шагов». Для перемещения на большие расстояния последовательность из шести шагов повторяется много раз в быстрой последовательности. Как только двигатель переместился достаточно близко к желаемому конечному положению, двигатель может быть переключен в дополнительный режим точного позиционирования. В этом режиме муфты получают постоянное напряжение (одно высокое, а другое низкое), а боковое пьезонапряжение затем регулируется до промежуточного значения под непрерывным контролем обратной связи для получения желаемого конечного положения.
Поведение этого пьезоэлектрического двигателя без питания может быть одним из двух: нормально заблокирован или нормально свободен . Нормально свободный тип допускает свободное движение при отсутствии питания, но его все равно можно заблокировать, подавая напряжение.
Двигатель дюймового червяка обычно используется в сканирующих туннельных микроскопах (СТМ). СТМ требует управления в нанометровом масштабе его сканирующим наконечником вблизи материала, который он наблюдает. Это управление может быть достигнуто путем соединения сканирующего наконечника с валом двигателя дюймового червяка. Двигатель дюймового червяка, в свою очередь, позволяет осуществлять управление в направлении, нормальном к плоскости поверхности наблюдаемого материала. Движение по поверхности обычно называют движением в плоскости xy, тогда как движение, нормальное к поверхности, обычно называют движением в направлении z. Движение сканирующего наконечника двигателем дюймового червяка либо управляется вручную, либо автоматически путем подключения двигателя к системе обратной связи .
Двигатель inchworm может использоваться при патч-клампе биологических клеток. Эта техника чаще всего выполняется с помощью оптического микроскопа и микроманипулятора, удерживающего стеклянную пипетку. Двигатель inchworm особенно идеален при патч-клампе, поскольку он обеспечивает оператору практически мгновенное, точное, плавное и предсказуемое движение без дрейфа.