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 passo-passo piezoelettrici 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. Grazie al funzionamento a frequenze estremamente elevate, i motori passo-passo piezoelettrici 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 applicazioni di nanoposizionamento è il loro ingombro, che è molto maggiore 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'alta risoluzione, come l'imaging medicale.