Attuatori piezoelettrici, attuatori voice coil, stadi motori lineari.

Quando parliamo di movimento lineare, di solito parliamo di applicazioni in cui la distanza percorsa è di almeno qualche centinaio di millimetri e il posizionamento richiesto è nell'ordine di pochi decimi di millimetro. E per questi requisiti, le guide e gli azionamenti con cuscinetti a ricircolo sono adatti. Caso in questione: la deviazione del passo per una comune vite a ricircolo di sfere di classe 5 è di 26 micron per 300 mm di corsa. Ma quando l’applicazione richiede un posizionamento nell’ordine dei nanometri – un miliardesimo di metro – gli ingegneri devono guardare oltre gli elementi meccanici di rotolamento e ricircolo per ottenere la risoluzione richiesta.

Le tre soluzioni di movimento lineare più comuni per il nanoposizionamento sono attuatori piezoelettrici, attuatori a bobina mobile e stadi di motori lineari. Il meccanismo di azionamento di ciascuna di queste soluzioni è completamente privo di elementi meccanici rotanti o scorrevoli e può essere abbinato a cuscinetti ad aria per un'elevata precisione e risoluzione di posizionamento.

Attuatori piezoelettrici

Gli attuatori piezoelettrici (noti anche come motori piezoelettrici) sfruttano l'effetto piezoelettrico inverso per produrre movimento e forza. Esistono molti stili di attuatori piezoelettrici, ma due comuni per il nanoposizionamento sono lo stepper lineare e l'ultrasonico lineare. I motori piezo passo-passo lineari utilizzano diversi elementi piezoelettrici montati in fila che fungono da coppie di "gambe". Quando viene applicata una carica elettrica, un paio di gambe afferra un'asta longitudinale tramite attrito e la sposta in avanti mentre le gambe si estendono e si piegano. Quando questo paio di gambe si rilascia, il paio successivo prende il sopravvento. Funzionando a frequenze estremamente elevate, i motori piezo passo-passo lineari producono un movimento lineare continuo con corse fino a 150 mm e con una risoluzione a livello di picometro.

I motori piezoelettrici lineari ad ultrasuoni si basano su una piastra piezoelettrica. Quando viene applicata una carica elettrica alla piastra, questa si eccita alla sua frequenza di risonanza, facendola oscillare. Queste oscillazioni producono onde ultrasoniche nella piastra. Un accoppiamento (o spintore) è fissato alla piastra e precaricato contro un'asta longitudinale (detta anche pattino). Le onde ultrasoniche provocano l'espansione e la contrazione della piastra in modo ellittico, consentendo all'accoppiamento di far avanzare l'asta in avanti e produrre un movimento lineare. I motori piezoelettrici lineari a ultrasuoni possono raggiungere una risoluzione compresa tra 50 e 80 nm, con una corsa massima simile ai motori passo-passo lineari, tra 100 e 150 mm.

Attuatori a bobina vocale

Un'altra soluzione per le applicazioni di nanoposizionamento sono gli attuatori a bobina mobile. Analogamente ai motori lineari, gli attuatori a bobina mobile utilizzano un campo magnetico permanente e un avvolgimento della bobina. Quando viene applicata corrente alla bobina, viene generata una forza (nota come forza di Lorentz). L'entità della forza è determinata dal prodotto della corrente e del flusso magnetico.

Questa forza fa sì che la parte mobile (che può essere il magnete o la bobina) si sposti, con la guida fornita da cuscinetti ad aria o guide a rulli incrociati. Gli attuatori a bobina mobile possono raggiungere una risoluzione fino a 10 nm, con corse tipicamente fino a 30 mm, sebbene alcuni siano disponibili con corse fino a 100 mm.

Stadi di motori lineari

Quando è richiesta una risoluzione nanometrica su corse più lunghe, gli stadi di motori lineari con cuscinetti ad aria sono in genere la scelta migliore. Mentre gli attuatori piezoelettrici e a bobina mobile hanno capacità di corsa limitate, i motori lineari possono essere progettati per corse fino a diversi metri. L'uso di cuscinetti ad aria come sistema di guida rende lo stadio del motore lineare completamente senza contatto, senza elementi di trasmissione meccanica o attrito che influenzino il movimento e la precisione di posizionamento. Infatti, gli stadi dei motori lineari con cuscinetti ad aria possono raggiungere una risoluzione di un solo nanometro.

Lo svantaggio degli stadi dei motori lineari per applicazioni di nanoposizionamento è il loro ingombro, che è molto più grande di quello degli attuatori piezoelettrici o a bobina mobile. Sebbene possano essere difficili da integrare in dispositivi di piccole dimensioni, sono adatti per applicazioni che richiedono una corsa relativamente lunga e un'alta risoluzione, come l'imaging medico.