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

Lorsque nous parlons de mouvement linéaire, nous discutons généralement d'applications dans lesquelles la distance de déplacement est d'au moins quelques centaines de millimètres et le positionnement requis est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre. Et pour ces exigences, les guidages et les entraînements avec roulements à recirculation conviennent parfaitement. Exemple concret : l’écart de pas pour une vis à billes courante de classe 5 est de 26 microns par 300 mm de course. Mais lorsque l'application nécessite un positionnement dans la plage nanométrique (un milliardième de mètre), les ingénieurs doivent regarder au-delà des 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 acoustique et les étages de moteur linéaire. Le mécanisme d'entraînement de chacune de ces solutions est totalement exempt d'éléments mécaniques roulants ou coulissants, et ils peuvent être associés à des roulements à air pour une précision et une résolution de positionnement élevées.

Actionneurs piézo

Les actionneurs piézoélectriques (également appelés moteurs piézoélectriques) profitent de l'effet piézoélectrique inverse pour produire du mouvement et de la force. Il existe de nombreux styles d'actionneurs piézoélectriques, mais les deux plus courants pour le nanopositionnement sont le pas à pas linéaire et les ultrasons linéaires. Les moteurs piézo-électriques pas à pas linéaires utilisent plusieurs éléments piézoélectriques montés en rangée qui agissent comme des paires de « pattes ». Lorsqu'une charge électrique est appliquée, une paire de pattes saisit une tige longitudinale par friction et la fait avancer à mesure que les pattes s'étendent et se plient. Lorsque cette paire de jambes se libère, la paire suivante prend le relais. En fonctionnant à des fréquences extrêmement élevées, les moteurs piézo-électriques pas à pas linéaires produisent un mouvement linéaire continu avec des courses allant jusqu'à 150 mm et avec une résolution de niveau picométrique.

Les moteurs piézoélectriques linéaires à ultrasons sont basés sur une plaque piézoélectrique. Lorsqu’une charge électrique est appliquée à la plaque, celle-ci est excitée à sa fréquence de résonance, la faisant osciller. Ces oscillations produisent des ondes ultrasonores dans la plaque. Un accouplement (ou poussoir) est fixé à la plaque et préchargé contre une tige longitudinale (également appelée glissière). Les ondes ultrasonores provoquent l'expansion et la contraction de la plaque de manière elliptique, permettant à l'accouplement de faire avancer la tige et de produire un mouvement linéaire. Les moteurs piézo-électriques linéaires à ultrasons peuvent atteindre une résolution de 50 à 80 nm, avec une course maximale similaire aux moteurs pas à pas linéaires, de 100 à 150 mm.

Actionneurs à bobine mobile

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

Cette force provoque le déplacement de la pièce mobile (qui peut être soit l'aimant, soit la bobine), guidée soit par des coussinets d'air, soit par des glissières à rouleaux croisés. Les actionneurs à bobine mobile peuvent atteindre une résolution allant jusqu'à 10 nm, avec des courses allant généralement jusqu'à 30 mm, bien que certains soient disponibles avec des courses allant jusqu'à 100 mm.

Étages de moteur linéaire

Lorsqu'une résolution nanométrique est requise sur des courses plus longues, les étages de moteur linéaires avec roulements à air sont généralement le meilleur choix. Alors que les actionneurs piézoélectriques et à bobine mobile ont des capacités de déplacement limitées, les moteurs linéaires peuvent être conçus pour des déplacements allant jusqu'à plusieurs mètres. L'utilisation de roulements à air comme système de guidage rend l'étage de moteur linéaire totalement sans contact, sans éléments de transmission mécanique ni friction susceptibles d'affecter la précision du mouvement et du positionnement. En fait, les étages de moteurs linéaires équipés de roulements à air peuvent atteindre une résolution d’un seul nanomètre.

L’inconvénient des étages de moteurs linéaires pour les applications de nanopositionnement est leur encombrement, qui est bien plus grand que celui des actionneurs piézoélectriques ou à bobine mobile. Bien qu’ils puissent être difficiles à intégrer dans de petits appareils, ils conviennent parfaitement aux applications nécessitant une course relativement longue et une haute résolution, telles que l’imagerie médicale.