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

Lorsqu'on parle de mouvement linéaire, on évoque généralement des applications où la distance de déplacement est d'au moins quelques centaines de millimètres et le positionnement requis de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre. Pour ces exigences, les guidages et entraînements à roulements à recirculation sont parfaitement adaptés. Par exemple, l'écart de pas d'une vis à billes de classe 5 courante est de 26 microns pour 300 mm de course. Mais lorsque l'application exige un positionnement de l'ordre du nanomètre (un milliardième de mètre), les ingénieurs doivent aller au-delà des éléments mécaniques de roulement et de recirculation pour obtenir 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 moteurs linéaires. Le mécanisme d'entraînement de chacune de ces solutions est totalement exempt d'éléments mécaniques de roulement ou de glissement, et peut être associé 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 mouvement et force. Il existe de nombreux types d'actionneurs piézoélectriques, mais les deux plus courants pour le nanopositionnement sont les moteurs pas à pas linéaires et les moteurs ultrasoniques linéaires. Les moteurs piézoélectriques pas à pas linéaires utilisent plusieurs éléments piézoélectriques montés en ligne qui agissent comme des paires de « jambes ». Lorsqu'une charge électrique est appliquée, une paire de jambes saisit une tige longitudinale par friction et la fait avancer en s'étendant et en se pliant. Lorsque cette paire de jambes se relâche, la paire suivante prend le relais. Fonctionnant à des fréquences extrêmement élevées, les moteurs piézoélectriques pas à pas linéaires 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, elle est excitée à sa fréquence de résonance, ce qui la fait osciller. Ces oscillations produisent des ondes ultrasonores dans la plaque. Un accouplement (ou poussoir) est fixé à la plaque et précontraint contre une tige longitudinale (également appelée patin). Les ondes ultrasonores provoquent la dilatation et la contraction elliptiques de la plaque, permettant à l'accouplement de faire 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, de 100 à 150 mm.

Actionneurs à bobine mobile

Les actionneurs à bobine mobile constituent une autre solution pour les applications de nanopositionnement. À l'instar des moteurs linéaires, ils 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'intensité de cette force est déterminée par le produit du courant et du flux magnétique.

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

Étages de moteurs linéaires

Lorsqu'une résolution nanométrique est requise sur des courses plus longues, les platines de moteur linéaire à paliers à air constituent généralement la meilleure solution. 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 paliers à air comme système de guidage permet d'obtenir une platine de moteur linéaire totalement sans contact, sans éléments de transmission mécanique ni frottements susceptibles d'affecter le mouvement et la précision du positionnement. De fait, les platines de moteur linéaire à paliers à air peuvent atteindre une résolution de l'ordre du nanomètre.

L'inconvénient des platines à moteur linéaire pour les applications de nanopositionnement réside dans leur encombrement, bien plus important que celui des actionneurs piézoélectriques ou à bobine mobile. Bien que leur intégration dans des dispositifs de petite taille puisse s'avérer complexe, elles conviennent parfaitement aux applications nécessitant une course relativement longue et une haute résolution, comme l'imagerie médicale.