Actuadores piezoeléctricos, Actuadores de bobina móvil, Etapas de motor lineal.

Cuando hablamos de movimiento lineal, normalmente hablamos de aplicaciones en las que la distancia de recorrido es de al menos unos pocos cientos de milímetros y el posicionamiento requerido está en el rango de unas pocas décimas de milímetro. Y para estos requisitos, las guías y los accionamientos con cojinetes de recirculación son una buena opción. Un ejemplo: la desviación del avance de un husillo de bolas común de clase 5 es de 26 micras por 300 mm de recorrido. Pero cuando la aplicación requiere un posicionamiento en el rango nanométrico (una milmillonésima parte de un metro), los ingenieros tienen que mirar más allá de los elementos mecánicos rodantes y de 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 está completamente libre de elementos mecánicos rodantes o deslizantes, y se pueden combinar con cojinetes de aire para una alta precisión y resolución de posicionamiento.

Actuadores piezoeléctricos

Los actuadores piezoeléctricos (también conocidos como motores piezoeléctricos) aprovechan el efecto piezoeléctrico inverso para producir movimiento y fuerza. Hay muchos estilos de actuadores piezoeléctricos, pero dos comunes para el nanoposicionamiento son los lineales paso a paso y los lineales ultrasónicos. Los motores piezoeléctricos paso a paso lineales utilizan varios elementos piezoeléctricos montados en una fila que actúan como pares de "patas". Cuando se aplica una carga eléctrica, un par de piernas agarra una varilla longitudinal mediante fricción y la mueve hacia adelante a medida que las piernas se extienden y doblan. Cuando este par de piernas se suelta, el siguiente par toma el control. Al funcionar a frecuencias extremadamente altas, los motores piezoeléctricos paso a paso lineales producen un movimiento lineal continuo con carreras de hasta 150 mm y con una resolución de nivel picómetro.

Los motores piezoeléctricos ultrasónicos lineales se basan en una placa piezoeléctrica. Cuando se aplica una carga eléctrica a la placa, ésta se excita a su frecuencia de resonancia, lo que hace que oscile. Estas oscilaciones producen ondas ultrasónicas en la placa. Se fija un acoplamiento (o empujador) a la placa y se precarga contra una varilla longitudinal (también llamada corredor). Las ondas ultrasónicas hacen que la placa se expanda y contraiga de manera elíptica, lo que permite que el acoplamiento haga avanzar la varilla hacia adelante y produzca un 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. De manera similar a los motores lineales, los actuadores de bobina móvil utilizan un campo magnético permanente y un devanado de bobina. Cuando se aplica corriente a la bobina, se genera una fuerza (conocida como fuerza de 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) se desplace, guiada por cojinetes neumáticos o por guías de rodillos cruzados. Los actuadores de bobina móvil pueden alcanzar una resolución de hasta 10 nm, con carreras normalmente de hasta 30 mm, aunque algunos están disponibles con carreras de hasta 100 mm.

Etapas de motor lineal

Cuando se requiere una resolución nanométrica en carreras más largas, las etapas de motor lineal con cojinetes de aire suelen ser la mejor opción. Mientras que los actuadores piezoeléctricos y de bobina móvil tienen capacidades de recorrido limitadas, los motores lineales pueden diseñarse para recorrer hasta varios metros. El uso de cojinetes de aire como sistema de guía hace que la etapa del motor lineal no tenga contacto, sin elementos de transmisión mecánica ni fricción que afecten el movimiento y la precisión del posicionamiento. De hecho, las etapas de motor lineal con cojinetes de aire pueden alcanzar una resolución de un solo nanómetro.

La desventaja de las etapas de motor lineal para aplicaciones de nanoposicionamiento es su huella, que es mucho mayor que la de los actuadores piezoeléctricos o de bobina móvil. Si bien puede resultar complicado integrarlos en dispositivos pequeños, son una buena opción para aplicaciones que requieren un recorrido relativamente largo y alta resolución, como las imágenes médicas.