Atuadores Piezo, Atuadores de bobina de voz, Estágios de motor linear.

Quando falamos sobre movimento linear, normalmente discutimos aplicações onde a distância percorrida é de pelo menos algumas centenas de milímetros e o posicionamento necessário está na faixa de alguns décimos de milímetro. E para esses requisitos, guias e acionamentos com rolamentos recirculantes são uma boa opção. Caso em questão: o desvio de avanço para um fuso de esferas comum de classe 5 é de 26 mícrons por 300 mm de curso. Mas quando a aplicação exige posicionamento na faixa nanométrica – um bilionésimo de metro – os engenheiros precisam olhar além dos elementos mecânicos de laminação e recirculação para alcançar a resolução necessária.

As três soluções de movimento linear mais comuns para nanoposicionamento são atuadores piezoelétricos, atuadores de bobina de voz e estágios de motor linear. O mecanismo de acionamento em cada uma dessas soluções é completamente livre de elementos mecânicos rolantes ou deslizantes e pode ser combinado com rolamentos pneumáticos para alta precisão e resolução de posicionamento.

Atuadores piezoelétricos

Os atuadores piezoelétricos (também chamados de motores piezoelétricos) aproveitam o efeito piezoelétrico reverso para produzir movimento e força. Existem muitos estilos de atuadores piezoelétricos, mas dois comuns para nanoposicionamento são o de passo linear e o ultrassônico linear. Os motores piezoelétricos de passo linear usam vários elementos piezoelétricos montados em uma fileira que atuam como pares de “pernas”. Quando uma carga elétrica é aplicada, um par de pernas agarra uma haste longitudinal por meio de fricção e a move para frente à medida que as pernas se estendem e dobram. Quando este par de pernas se solta, o próximo par assume o controle. Operando em frequências extremamente altas, os motores piezoelétricos de passo linear produzem movimento linear contínuo com cursos de até 150 mm e resolução em nível de picômetro.

Os motores piezoelétricos ultrassônicos lineares são baseados em uma placa piezoelétrica. Quando uma carga elétrica é aplicada à placa, ela fica excitada em sua frequência de ressonância, fazendo-a oscilar. Essas oscilações produzem ondas ultrassônicas na placa. Um acoplamento (ou empurrador) é preso à placa e pré-carregado contra uma haste longitudinal (também chamada de corredor). As ondas ultrassônicas fazem com que a placa se expanda e contraia de maneira elíptica, permitindo que o acoplamento avance a haste para frente e produza movimento linear. Os motores piezoelétricos ultrassônicos lineares podem atingir resolução de 50 a 80 nm, com deslocamento máximo semelhante aos motores de passo lineares, de 100 a 150 mm.

Atuadores de bobina de voz

Outra solução para aplicações de nanoposicionamento são os atuadores de bobina de voz. Da mesma forma que os motores lineares, os atuadores de bobina por voz usam um campo magnético permanente e um enrolamento de bobina. Quando a corrente é aplicada à bobina, uma força é gerada (conhecida como força de Lorentz). A magnitude da força é determinada pelo produto da corrente e do fluxo magnético.

Essa força faz com que a parte móvel (que pode ser o ímã ou a bobina) se desloque, com orientação fornecida por rolamentos pneumáticos ou corrediças de rolos cruzados. Os atuadores de bobina de voz podem atingir resolução de até 10 nm, com cursos normalmente de até 30 mm, embora alguns estejam disponíveis com cursos de até 100 mm.

Estágios de motor linear

Quando a resolução nanométrica é necessária em cursos mais longos, os estágios do motor linear com rolamentos pneumáticos são normalmente a melhor escolha. Embora os atuadores piezoelétricos e de bobina de voz tenham capacidades de deslocamento limitadas, os motores lineares podem ser projetados para deslocamentos de até vários metros. O uso de rolamentos pneumáticos como sistema de guia torna o estágio do motor linear completamente sem contato, sem elementos de transmissão mecânica ou fricção que afetem o movimento e a precisão do posicionamento. Na verdade, os estágios do motor linear com rolamentos pneumáticos podem atingir resolução de nanômetro único.

A desvantagem dos estágios de motor linear para aplicações de nanoposicionamento é sua pegada, que é muito maior do que a dos atuadores piezoelétricos ou de bobina de voz. Embora possa ser difícil integrá-los em dispositivos pequenos, eles são adequados para aplicações que exigem um curso relativamente longo e alta resolução, como imagens médicas.