Atuadores piezoelétricos, atuadores de bobina móvel, estágios de motor linear.

Quando falamos em movimento linear, normalmente nos referimos a aplicações em que o percurso 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 mancais recirculantes são uma boa opção. Um exemplo: o desvio de avanço para um fuso de esferas classe 5 comum é de 26 mícrons por 300 mm de percurso. Mas quando a aplicação exige um posicionamento na faixa nanométrica — um bilionésimo de metro — os engenheiros precisam ir além dos elementos mecânicos de rolamento e recirculação para atingir a resolução necessária.

As três soluções de movimento linear mais comuns para nanoposicionamento são atuadores piezoelétricos, atuadores de bobina móvel e estágios de motor linear. O mecanismo de acionamento de cada uma dessas soluções é completamente isento de elementos mecânicos de rolamento ou deslizamento, e podem ser combinados com mancais de ar para alta precisão e resolução de posicionamento.

Atuadores piezoelétricos

Atuadores piezoelétricos (também conhecidos como motores piezoelétricos) aproveitam o efeito piezoelétrico reverso para produzir movimento e força. Existem muitos estilos de atuadores piezoelétricos, mas dois comuns para nanoposicionamento são os de passo linear e os ultrassônicos lineares. Os motores piezoelétricos de passo linear utilizam 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 atrito e a move para frente à medida que as pernas se estendem e dobram. Quando esse 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 de nível picômetro.

Os motores piezoelétricos ultrassônicos lineares são baseados em uma placa piezoelétrica. Quando uma carga elétrica é aplicada à placa, ela é excitada em sua frequência de ressonância, causando oscilação. Essas oscilações produzem ondas ultrassônicas na placa. Um acoplamento (ou empurrador) é fixado à placa e pré-carregado contra uma haste longitudinal (também chamada de rotor). As ondas ultrassônicas fazem com que a placa se expanda e se contraia de forma elíptica, permitindo que o acoplamento avance a haste e produza movimento linear. Os motores piezoelétricos ultrassônicos lineares podem atingir resolução de 50 a 80 nm, com curso máximo semelhante ao dos 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 móvel. Semelhante aos motores lineares, os atuadores de bobina móvel utilizam um campo magnético permanente e um enrolamento de bobina. Quando uma 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 mova, com orientação fornecida por mancais de ar ou corrediças de rolos cruzados. Atuadores de bobina móvel podem atingir resolução de até 10 nm, com cursos tipicamente 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, estágios de motor linear com mancais de ar são normalmente a melhor escolha. Embora atuadores piezoelétricos e de bobina móvel tenham capacidades de deslocamento limitadas, motores lineares podem ser projetados para deslocamentos de até vários metros. O uso de mancais de ar como sistema de guia torna o estágio de motor linear completamente sem contato, sem elementos de transmissão mecânica ou atrito que afetem a precisão do movimento e do posicionamento. De fato, estágios de motor linear com mancais de ar podem atingir resolução de um nanômetro.

A desvantagem dos estágios de motores lineares para aplicações de nanoposicionamento é sua pegada, que é muito maior do que a de atuadores piezoelétricos ou de bobina móvel. Embora possam ser difíceis de integrar em dispositivos pequenos, são uma boa opção para aplicações que exigem um curso relativamente longo e alta resolução, como imagens médicas.