Actuadores de piezo, actuadores de bobina de voz, etapas de motor lineal.

Cuando hablamos de movimiento lineal, generalmente discutimos las aplicaciones donde la distancia de viaje es de al menos unos pocos cientos de milímetros, y el posicionamiento requerido está en el rango de unas pocas décimas de un milímetro. Y para estos requisitos, las guías y unidades con cojinetes de recirculación son un buen ajuste. Caso en cuestión: la desviación de plomo para un tornillo de pelota de clase 5 común es de 26 micras por 300 mm de viaje. Pero cuando la aplicación requiere posicionamiento en el rango nanométrico, una mil millones de medidores, los ingenieros tienen que mirar 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 nanoposición son los actuadores piezográficos, los actuadores de la bobina de voz y las etapas motoras lineales. El mecanismo de accionamiento en cada una de estas soluciones está completamente libre de elementos mecánicos de rodamiento o deslizamiento, y se pueden combinar con cojinetes de aire para una alta precisión y resolución de posicionamiento.

Actuadores piezo

Los actuadores piezoéticos (también conocidos como motores piezoal) aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso para producir movimiento y fuerza. Hay muchos estilos de actuadores piezográficos, pero dos comunes para el nanoposición son paso a paso lineales y ultrasónicos lineales. Los motores piezados de paso lineales usan varios elementos piezos montados en una fila que actúan como pares de "piernas". Cuando se aplica una carga eléctrica, un par de piernas agarra una varilla longitudinal a través de la fricción y la mueve hacia adelante a medida que las piernas se extienden y se doblan. Cuando este par de piernas se lanza, el siguiente par se hace cargo. Al correr a frecuencias extremadamente altas, los motores piezográficos de paso lineales producen un movimiento lineal continuo con trazos de hasta 150 mm y con resolución a nivel de picómetro.

Los motores piezográficos ultrasónicos lineales se basan en una placa piezoeléctrica. Cuando se aplica una carga eléctrica a la placa, se excita a su frecuencia de resonancia, lo que hace que oscile. Estas oscilaciones producen ondas ultrasónicas en la placa. Un acoplamiento (o empujador) se une a la placa y se precisa contra una barra longitudinal (también llamada corredor). Las ondas ultrasónicas hacen que la placa se expanda y se contraiga de manera elíptica, lo que permite que el acoplamiento avance la barra hacia adelante y produzca movimiento lineal. Los motores piezográficos ultrasónicos lineales pueden lograr una resolución de 50 a 80 nm, con un viaje máximo similar a los motores paso a paso lineales, a 100 a 150 mm.

Actuadores de bobina de voz

Otra solución para aplicaciones de nanoposición son los actuadores de la bobina de voz. De manera similar a los motores lineales, los actuadores de la bobina de voz usan un campo de imán permanente y un devanado de bobina. Cuando la corriente se aplica a la bobina, se genera una fuerza (conocida como la fuerza Lorentz). La magnitud de la fuerza está determinada por el producto de la corriente y el flujo magnético.

Esta fuerza hace que la parte móvil (que puede ser el imán o la bobina) viaja, con la guía proporcionada por los cojinetes de aire o los portaobjetos de rodillos cruzados. Los actuadores de la bobina de voz pueden lograr una resolución de hasta 10 nm, con accidentes cerebrovasculares típicamente de hasta 30 mm, aunque algunos están disponibles con trazos de hasta 100 mm.

Etapas de motor lineal

Cuando se requiere una resolución nanométrica en trazos más largos, las etapas del motor lineal con cojinetes de aire suelen ser la mejor opción. Mientras que los actuadores de bobina de piezo y voz tienen capacidades de viaje limitadas, los motores lineales se pueden diseñar para viajar hasta varios metros. El uso de cojinetes de aire como sistema de guía hace que una etapa de motor lineal sea completamente sin contacto, sin elementos de transmisión mecánica ni fricción para afectar el movimiento y la precisión del posicionamiento. De hecho, las etapas del motor lineal con cojinetes de aire pueden lograr una resolución de un solo nanómetro.

La desventaja de las etapas motoras lineales para las aplicaciones de nanoposicionamiento es su huella, que es mucho más grande que la de los actuadores de bobina de piezo o de voz. Si bien pueden ser difíciles de integrarse en dispositivos pequeños, son una buena opción para aplicaciones que requieren un accidente cerebrovascular relativamente largo y una alta resolución, como las imágenes médicas.