Actuadores piezoeléctricos, actuadores de bobina móvil, etapas de motores lineales.

Cuando hablamos de movimiento lineal, solemos referirnos a aplicaciones con recorridos de al menos unos cientos de milímetros y un posicionamiento requerido de unas pocas décimas de milímetro. Para estos requisitos, las guías y los accionamientos con rodamientos de recirculación 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. Sin embargo, cuando la aplicación requiere un posicionamiento en el rango nanométrico (una milmillonésima de metro), los ingenieros deben buscar más allá de los elementos mecánicos de rodadura 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 de cada una de estas soluciones está completamente libre 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 producir movimiento y fuerza. Existen muchos estilos de actuadores piezoeléctricos, pero dos comunes para el nanoposicionamiento son los motores paso a paso lineales y los 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 las patas se extienden y se doblan. Cuando este par de patas 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 recorridos de hasta 150 mm y una resolución de nivel picómetro.

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, provocando su oscilación. Estas oscilaciones producen ondas ultrasónicas en la placa. Un acoplamiento (o empujador) se fija a la placa y se precarga contra una varilla longitudinal (también llamada corredera). Las ondas ultrasónicas provocan la expansión y contracción elíptica de la placa, lo que permite que el acoplamiento avance 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, los actuadores de bobina móvil 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 la fuerza se determina mediante el producto de la corriente por el flujo magnético.

Esta fuerza hace que la pieza móvil (que puede ser el imán o la bobina) se desplace, 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 típicamente de hasta 30 mm, aunque algunos están disponibles con recorridos de hasta 100 mm.

Etapas del motor lineal

Cuando se requiere una resolución nanométrica en recorridos más 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 permite que la 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 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 ser difícil, son ideales para aplicaciones que requieren un recorrido relativamente largo y alta resolución, como la imagenología médica.