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

Cuando hablamos de movimiento lineal, solemos referirnos a aplicaciones donde la distancia de desplazamiento es de al menos unos cientos de milímetros y el posicionamiento requerido se sitúa en el rango de unas décimas de milímetro. Para estos requisitos, las guías y los accionamientos con rodamientos recirculantes son una buena opción. Un ejemplo claro: la desviación de paso de un husillo de bolas común de clase 5 es de 26 micras por cada 300 mm de recorrido. Sin embargo, cuando la aplicación exige un posicionamiento en el rango de los nanómetros (una milmillonésima de metro), los ingenieros deben buscar soluciones más allá de los rodamientos mecánicos y los elementos recirculantes para lograr la resolución necesaria.

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 de cada una de estas soluciones carece por completo de elementos mecánicos de rodadura o deslizamiento, 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 muchos 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 paso a paso lineales utilizan varios elementos piezoeléctricos montados en fila que actúan como pares de brazos. Al aplicar una carga eléctrica, un par de brazos sujeta una varilla longitudinal mediante fricción y la mueve hacia adelante al extenderse y flexionarse. Cuando este par de brazos se libera, el siguiente toma el relevo. Al funcionar a frecuencias extremadamente altas, los motores paso a paso lineales producen un movimiento lineal continuo con carreras de hasta 150 mm y una resolución a nivel de picómetros.

Los motores piezoeléctricos ultrasónicos lineales se basan en una placa piezoeléctrica. Al aplicar una carga eléctrica a la placa, esta 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 haga avanzar la varilla 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. Al igual que los motores lineales, estos actuadores utilizan un campo magnético permanente y un devanado de bobina. 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 carreras que suelen llegar a los 30 mm, aunque existen algunos con carreras de hasta 100 mm.

Etapas de motor lineal

Cuando se requiere una resolución nanométrica en carreras 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 recorridos de hasta varios metros. El uso de cojinetes de aire como sistema de guiado hace que una etapa de 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 solo nanómetro.

La principal desventaja de las etapas de motor lineal para aplicaciones de nanoposicionamiento es 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 una carrera relativamente larga y alta resolución, como la imagen médica.