Actionneurs piézoélectriques, actionneurs à bobine mobile, étages de moteurs linéaires.

Lorsqu'on parle de mouvement linéaire, on évoque généralement des applications où la course est d'au moins quelques centaines de millimètres et où le positionnement requis se situe dans la gamme des dixièmes de millimètre. Pour ces applications, les guidages et les entraînements à recirculation de roulements sont parfaitement adaptés. À titre d'exemple, le pas d'hélice d'une vis à billes de classe 5 classique est de 26 microns pour 300 mm de course. Cependant, lorsque l'application exige un positionnement de l'ordre du nanomètre (un milliardième de mètre), les ingénieurs doivent envisager des solutions plus avancées que les éléments mécaniques de roulement et de recirculation pour atteindre la résolution requise.

Les trois solutions de mouvement linéaire les plus courantes pour le nanopositionnement sont les actionneurs piézoélectriques, les actionneurs à bobine mobile et les platines à moteur linéaire. Le mécanisme d'entraînement de chacune de ces solutions est totalement exempt d'éléments mécaniques de roulement ou de glissement, et elles peuvent être associées à des paliers à air pour une précision et une résolution de positionnement élevées.

Actionneurs piézoélectriques

Les actionneurs piézoélectriques (également appelés moteurs piézoélectriques) exploitent l'effet piézoélectrique inverse pour produire un mouvement et une force. Il existe de nombreux types d'actionneurs piézoélectriques, mais deux sont couramment utilisés pour le nanopositionnement : les moteurs pas à pas linéaires et les moteurs ultrasoniques linéaires. Les moteurs pas à pas linéaires piézoélectriques utilisent plusieurs éléments piézoélectriques montés en rangée, qui agissent comme des paires de « bras ». Lorsqu'une charge électrique est appliquée, une paire de bras agrippe une tige longitudinale par friction et la déplace vers l'avant par extension et flexion. Lorsque cette paire de bras se relâche, la paire suivante prend le relais. Fonctionnant à des fréquences extrêmement élevées, les moteurs pas à pas linéaires piézoélectriques produisent un mouvement linéaire continu avec des courses allant jusqu'à 150 mm et une résolution de l'ordre du picomètre.

Les moteurs piézoélectriques ultrasoniques linéaires sont basés sur une plaque piézoélectrique. Lorsqu'une charge électrique est appliquée à la plaque, celle-ci est excitée à sa fréquence de résonance, ce qui provoque son oscillation. Ces oscillations génèrent des ondes ultrasoniques dans la plaque. Un accouplement (ou poussoir) est fixé à la plaque et précontraint contre une tige longitudinale (également appelée coulisseau). Les ondes ultrasoniques entraînent la dilatation et la contraction elliptiques de la plaque, permettant ainsi à l'accouplement d'avancer la tige et de produire un mouvement linéaire. Les moteurs piézoélectriques ultrasoniques linéaires peuvent atteindre une résolution de 50 à 80 nm, avec une course maximale similaire à celle des moteurs pas à pas linéaires, soit de 100 à 150 mm.

Actionneurs à bobine mobile

Une autre solution pour les applications de nanopositionnement consiste à utiliser des actionneurs à bobine mobile. À l'instar des moteurs linéaires, ces actionneurs exploitent un champ magnétique permanent et un enroulement. Lorsqu'un courant est appliqué à la bobine, une force est générée (la force de Lorentz). L'intensité de cette force est déterminée par le produit du courant et du flux magnétique.

Cette force provoque le déplacement de la pièce mobile (aimant ou bobine), guidée par des coussinets à air ou des glissières à rouleaux croisés. Les actionneurs à bobine mobile peuvent atteindre une résolution de 10 nm, avec des courses typiques jusqu'à 30 mm, bien que certains modèles proposent des courses allant jusqu'à 100 mm.

étages moteurs linéaires

Lorsque la résolution nanométrique est requise sur de longues courses, les platines à moteur linéaire avec paliers à air constituent généralement le meilleur choix. Alors que les actionneurs piézoélectriques et à bobine mobile ont des capacités de course limitées, les moteurs linéaires peuvent être conçus pour des courses allant jusqu'à plusieurs mètres. L'utilisation de paliers à air comme système de guidage rend la platine à moteur linéaire totalement sans contact, sans éléments de transmission mécanique ni frottement susceptibles d'affecter la précision du mouvement et du positionnement. De fait, les platines à moteur linéaire avec paliers à air peuvent atteindre une résolution nanométrique.

L'inconvénient des moteurs linéaires pour les applications de nanopositionnement réside dans leur encombrement, bien supérieur à celui des actionneurs piézoélectriques ou à bobine mobile. Bien que leur intégration dans des dispositifs de petite taille puisse s'avérer complexe, ils conviennent parfaitement aux applications exigeant une course relativement longue et une haute résolution, comme l'imagerie médicale.