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

Quando si parla di movimento lineare, in genere ci si riferisce ad 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 queste esigenze, le guide e gli azionamenti con cuscinetti a ricircolo di sfere sono la soluzione ideale. Ad esempio, la deviazione del passo per una comune vite a ricircolo di sfere di classe 5 è di 26 micron ogni 300 mm di corsa. Ma quando l'applicazione richiede un posizionamento nell'ordine dei nanometri, ovvero un miliardesimo di metro, gli ingegneri devono guardare oltre gli elementi meccanici di rotolamento e ricircolo per raggiungere 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 con motore lineare. Il meccanismo di azionamento in ciascuna di queste soluzioni è completamente privo di elementi meccanici di rotolamento o scorrimento e possono essere abbinati 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 generare movimento e forza. Esistono molti tipi di attuatori piezoelettrici, ma due comuni per il nanoposizionamento sono i motori passo-passo lineari e i motori ultrasonici lineari. I motori piezoelettrici 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 tramite attrito e la sposta in avanti mentre le gambe si estendono e si flettono. Quando questa coppia di gambe si rilascia, la coppia successiva prende il suo posto. Funzionando a frequenze estremamente elevate, i motori piezoelettrici 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 a ultrasuoni si basano su una piastra piezoelettrica. Quando viene applicata una carica elettrica alla piastra, questa si eccita alla sua frequenza di risonanza, iniziando a oscillare. Queste oscillazioni producono onde ultrasoniche nella piastra. Un giunto (o elemento di spinta) è fissato alla piastra e precaricato contro un'asta longitudinale (chiamata anche guida). Le onde ultrasoniche causano l'espansione e la contrazione ellittica della piastra, consentendo al giunto di far avanzare l'asta e produrre 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, da 100 a 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 viene applicata corrente alla bobina, si genera una forza (nota come forza di Lorentz). L'intensità 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 muova, guidata da cuscinetti ad aria o da guide a rulli incrociate. 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 a 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 a motore lineare completamente senza contatto, privo di elementi di trasmissione meccanica o attrito che possano influenzare il movimento e la precisione di posizionamento. Infatti, gli stadi a motore lineare con cuscinetti ad aria possono raggiungere una risoluzione di un singolo nanometro.

Lo svantaggio degli stadi a motore lineare per le applicazioni di nanoposizionamento è il loro ingombro, che è molto maggiore 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 medicale.