Attuatori piezoelettrici, attuatori a bobina mobile, stadi per motori lineari.

Quando parliamo di movimento lineare, in genere parliamo di applicazioni in cui la distanza di spostamento è di almeno qualche centinaio di millimetri e il posizionamento richiesto è nell'ordine di pochi decimi di millimetro. Per questi requisiti, guide e azionamenti con cuscinetti a ricircolo di sfere sono una buona soluzione. Un esempio concreto: la deviazione del passo per una comune vite a 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 a rotolamento e a ricircolo per ottenere la risoluzione richiesta.

Le tre soluzioni di movimento lineare più comuni per il nanoposizionamento sono gli attuatori piezoelettrici, gli attuatori a bobina mobile e gli stadi per 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 tipi di attuatori piezoelettrici, ma due comuni per il nanoposizionamento sono i motori passo-passo lineari e quelli lineari a ultrasuoni. I motori passo-passo lineari utilizzano diversi elementi piezoelettrici montati in fila che fungono da coppie di "gambe". Quando viene applicata una carica elettrica, una coppia di gambe afferra un'asta longitudinale per attrito e la muove in avanti mentre si estendono e si piegano. Quando questa coppia di gambe si rilascia, la coppia successiva subentra. Operando a frequenze estremamente elevate, i motori passo-passo lineari piezoelettrici producono un movimento lineare continuo con corse fino a 150 mm e una risoluzione a livello di picometro.

I motori piezoelettrici lineari a ultrasuoni si basano su una piastra piezoelettrica. Quando una carica elettrica viene applicata alla piastra, questa viene eccitata alla sua frequenza di risonanza, causandone l'oscillazione. Queste oscillazioni producono onde ultrasoniche nella piastra. Un giunto (o spintore) è fissato alla piastra e precaricato contro un'asta longitudinale (chiamata anche runner). Le onde ultrasoniche provocano l'espansione e la contrazione ellittica della piastra, consentendo al giunto di far avanzare l'asta e generare un movimento lineare. I motori piezoelettrici lineari a ultrasuoni possono raggiungere una risoluzione da 50 a 80 nm, con una corsa massima simile a quella dei motori passo-passo lineari, compresa tra 100 e 150 mm.

Attuatori a bobina mobile

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 a bobina. Quando si applica corrente alla bobina, viene generata una forza (nota come forza di Lorentz). L'intensità di questa forza è determinata dal prodotto della corrente per il flusso magnetico.

Questa forza fa muovere la parte mobile (che può essere il magnete o la bobina), guidata da cuscinetti ad aria o da 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 del motore lineare

Quando è richiesta una risoluzione nanometrica su corse lunghe, gli stadi con motore lineare 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'utilizzo di cuscinetti ad aria come sistema di guida rende uno stadio con motore lineare completamente senza contatto, senza elementi di trasmissione meccanica o attrito che influenzino la precisione di movimento e posizionamento. Infatti, gli stadi con motore lineare con cuscinetti ad aria possono raggiungere una risoluzione di un singolo nanometro.

Lo svantaggio degli stadi con motore lineare per applicazioni di nanoposizionamento è il loro ingombro, molto più ampio rispetto a 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'elevata risoluzione, come l'imaging medicale.