Atuadores piezoelétricos, atuadores de bobina móvel, estágios de motores lineares.

Quando falamos de movimento linear, normalmente nos referimos a aplicações em que a distância percorrida é de pelo menos algumas centenas de milímetros e o posicionamento necessário está na faixa de alguns décimos de milímetro. Para esses requisitos, guias e acionamentos com rolamentos recirculantes são uma boa opção. Por exemplo: o desvio de passo para um fuso de esferas comum de classe 5 é de 26 micrômetros por 300 mm de curso. Mas quando a aplicação exige posicionamento na faixa de nanômetros — 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 em cada uma dessas soluções é completamente livre de elementos mecânicos de rolamento ou deslizamento, e eles podem ser combinados com mancais de ar 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 tipos de atuadores piezoelétricos, mas dois comuns para nanoposicionamento são os motores piezoelétricos de passo linear e os ultrassônicos lineares. Os motores piezoelétricos de passo linear utilizam vários elementos piezoelétricos montados em fila 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 a frente à medida que as pernas se estendem e se 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 em nível de 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, fazendo-a oscilar. Essas oscilações produzem ondas ultrassônicas na placa. Um acoplamento (ou atuador) é fixado à placa e pré-tensionado contra uma haste longitudinal (também chamada de guia). As ondas ultrassônicas fazem com que a placa se expanda e contraia de forma elíptica, permitindo que o acoplamento avance a haste e produza movimento linear. Os motores piezoelétricos ultrassônicos lineares podem atingir uma resolução de 50 a 80 nm, com um 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. Semelhantes aos motores lineares, os atuadores de bobina móvel utilizam um campo magnético permanente e um enrolamento em forma de bobina. Quando uma corrente elétrica é aplicada à bobina, uma força é gerada (conhecida como força de Lorentz). A magnitude dessa força é determinada pelo produto da corrente elétrica pelo fluxo magnético.

Essa força faz com que a parte móvel (que pode ser o ímã ou a bobina) se desloque, guiada por mancais de ar ou guias de rolos cruzados. Os atuadores de bobina móvel 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 se exige resolução nanométrica em cursos mais longos, os estágios de motores lineares com mancais de ar são geralmente a melhor opção. Enquanto os atuadores piezoelétricos e de bobina móvel têm capacidades de curso limitadas, os motores lineares podem ser projetados para cursos de até vários metros. O uso de mancais de ar como sistema de guia torna o estágio do motor linear completamente sem contato, sem elementos de transmissão mecânica ou atrito que afetem o movimento e a precisão de posicionamento. De fato, os estágios de motores lineares com mancais de ar podem atingir resolução nanométrica.

A desvantagem dos estágios de motores lineares para aplicações de nanoposicionamento é o seu tamanho, muito maior do que o 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.