Actuadores piezoeléctricos, actuadores de bobina móvil, etapas de motor lineal.

Cuando hablamos de movimiento lineal, solemos referirnos a aplicaciones donde la distancia de recorrido es de al menos unos cientos de milímetros y el posicionamiento requerido se encuentra en el rango de unas décimas de milímetro. Para estos requisitos, las guías y los accionamientos con rodamientos recirculantes son una buena opción. Por ejemplo, la desviación de avance de un husillo de bolas común de clase 5 es de 26 micras por cada 300 mm de recorrido. Pero cuando la aplicación exige un posicionamiento en el rango nanométrico (una milmillonésima de metro), los ingenieros deben ir más allá de los elementos mecánicos de rodamiento y recirculación para lograr la resolución requerida.

Las tres soluciones de movimiento lineal más comunes para el nanoposicionamiento son los actuadores piezoeléctricos, los actuadores de bobina móvil y las etapas de motor lineal. El mecanismo de accionamiento en cada una de estas soluciones carece por completo de elementos mecánicos rodantes o deslizantes, y pueden combinarse con cojinetes de aire para lograr una alta precisión y resolución de posicionamiento.

actuadores piezoeléctricos

Los actuadores piezoeléctricos (también conocidos como motores piezoeléctricos) aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso para generar movimiento y fuerza. Existen diversos tipos de actuadores piezoeléctricos, pero dos de los más comunes para el nanoposicionamiento son los motores paso a paso lineales y los motores ultrasónicos lineales. Los motores piezoeléctricos paso a paso lineales utilizan varios elementos piezoeléctricos montados en fila que actúan como pares de "patas". Al aplicar una carga eléctrica, un par de patas sujeta una varilla longitudinal por fricción y la mueve hacia adelante a medida que se extienden y flexionan. Cuando este par de patas se libera, el siguiente toma el relevo. Al funcionar a frecuencias extremadamente altas, los motores piezoeléctricos paso a paso lineales producen un movimiento lineal continuo con recorridos de hasta 150 mm y una resolución de nivel picómetro.

Los motores piezoeléctricos ultrasónicos lineales se basan en una placa piezoeléctrica. Al aplicarle una carga eléctrica, la placa se excita a su frecuencia de resonancia, lo que provoca su oscilación. Estas oscilaciones generan ondas ultrasónicas en la placa. Un acoplamiento (o empujador) se fija a la placa y se precarga contra una varilla longitudinal (también llamada guía). Las ondas ultrasónicas hacen que la placa se expanda y contraiga de forma elíptica, lo que permite que el acoplamiento impulse la varilla hacia adelante y produzca movimiento lineal. Los motores piezoeléctricos ultrasónicos lineales pueden alcanzar una resolución de 50 a 80 nm, con un recorrido máximo similar al de los motores paso a paso lineales, de 100 a 150 mm.

actuadores de bobina móvil

Otra solución para aplicaciones de nanoposicionamiento son los actuadores de bobina móvil. Al igual que los motores lineales, estos actuadores utilizan un campo magnético permanente y un devanado. Al aplicar corriente a la bobina, se genera una fuerza (conocida como fuerza de Lorentz). La magnitud de esta fuerza viene determinada por el producto de la corriente y el flujo magnético.

Esta fuerza provoca el desplazamiento de la pieza móvil (que puede ser el imán o la bobina), guiada por cojinetes de aire o guías de rodillos cruzados. Los actuadores de bobina móvil pueden alcanzar una resolución de hasta 10 nm, con recorridos típicos de hasta 30 mm, aunque existen algunos con recorridos de hasta 100 mm.

Etapas de motores lineales

Cuando se requiere una resolución nanométrica en recorridos largos, las etapas de motor lineal con cojinetes de aire suelen ser la mejor opción. Si bien los actuadores piezoeléctricos y de bobina móvil tienen capacidades de recorrido limitadas, los motores lineales pueden diseñarse para recorridos de hasta varios metros. El uso de cojinetes de aire como sistema de guía hace que la etapa del motor lineal sea completamente sin contacto, sin elementos de transmisión mecánica ni fricción que afecten la precisión del movimiento y el posicionamiento. De hecho, las etapas de motor lineal con cojinetes de aire pueden alcanzar una resolución de un nanómetro.

La desventaja de las etapas de motor lineal para aplicaciones de nanoposicionamiento radica en su tamaño, mucho mayor que el de los actuadores piezoeléctricos o de bobina móvil. Si bien su integración en dispositivos pequeños puede resultar compleja, son ideales para aplicaciones que requieren un recorrido relativamente largo y alta resolución, como la obtención de imágenes médicas.