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#Tendenze
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Sistemi lineari per nanoposizionamento
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Attuatori piezoelettrici, attuatori a bobina mobile, stadi motore lineari.
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Quando si parla di movimento lineare, in genere si parla di applicazioni in cui la distanza di spostamento è di almeno qualche centinaio di millimetri e il posizionamento richiesto è nell'intervallo di qualche decimo di millimetro. E per questi requisiti, le guide e gli azionamenti con cuscinetti a ricircolo di sfere sono una buona soluzione. Un esempio: la deviazione del piombo per una comune vite a sfere di classe 5 è di 26 micron per 300 mm di corsa. Ma quando l'applicazione richiede un posizionamento nel campo nanometrico di un miliardesimo di metro, gli ingegneri devono guardare oltre gli elementi meccanici a rotolamento e a ricircolo di sfere 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 motore lineari. Il meccanismo di azionamento in ciascuna di queste soluzioni è completamente privo di elementi meccanici di rotolamento o di scorrimento e può essere accoppiato con cuscinetti ad aria per un'elevata precisione di posizionamento e risoluzione.
Attuatori piezoelettrici
Gli attuatori piezoelettrici (chiamati anche motori piezoelettrici) sfruttano l'effetto piezoelettrico inverso per produrre movimento e forza. Ci sono molti stili di attuatori piezoelettrici, ma due comuni per il nanoposizionamento sono il passo-passo lineare e l'ultrasonico lineare. I motori piezoelettrici lineari passo-passo utilizzano diversi elementi piezoelettrici montati in fila che agiscono come coppie di "gambe" Quando viene applicata una carica elettrica, un paio di gambe afferrano un'asta longitudinale per attrito e la spostano in avanti mentre le gambe si estendono e si piegano. Quando questa coppia di gambe si rilascia, la coppia successiva prende il sopravvento. Funzionando a frequenze estremamente elevate, i motori piezoelettrici lineari passo-passo producono un movimento lineare continuo con corse fino a 150 mm e con risoluzione a livello di picometro.
I motori piezoelettrici lineari ad ultrasuoni sono basati su una piastra piezoelettrica. Quando una carica elettrica viene applicata alla piastra, questa si eccita alla sua frequenza di risonanza, facendola oscillare. Queste oscillazioni producono onde ultrasoniche nella piastra. Un giunto (o spintore) è fissato alla piastra e precaricato contro un'asta longitudinale (chiamata anche pattino). Le onde ultrasoniche fanno sì che la piastra si espanda e si contragga in modo ellittico, permettendo all'accoppiamento di far avanzare l'asta in avanti e di produrre un movimento lineare. I motori piezoelettrici lineari ad ultrasuoni possono raggiungere una risoluzione da 50 a 80 nm, con una corsa massima simile a quella dei motori lineari passo-passo, 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 a magneti permanenti e un avvolgimento a bobina. Quando viene applicata corrente alla bobina, viene generata una forza (nota come forza di Lorentz). L'entità della forza è determinata dal prodotto della corrente e dal flusso magnetico.
Questa forza fa sì che la parte mobile (che può essere sia il magnete che la bobina) si sposti, con una guida fornita sia da cuscinetti ad aria che da guide a rulli incrociati. Gli attuatori a bobina possono raggiungere una risoluzione fino a 10 nm, con corse tipicamente fino a 30 mm, anche se alcuni sono disponibili con corse fino a 100 mm.
Stadi motori lineari
Quando è richiesta una risoluzione nanometrica su corse più lunghe, gli stadi del 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'uso di cuscinetti ad aria come sistema di guida rende uno stadio del motore lineare completamente senza contatto, senza elementi di trasmissione meccanica o attrito per influenzare il movimento e la precisione di posizionamento. Infatti, gli stadi del motore lineare con cuscinetti ad aria possono raggiungere la risoluzione di un singolo nanometro.
L'aspetto negativo degli stadi motori lineari per applicazioni di nanoposizionamento è la loro impronta, che è molto più grande di quella degli attuatori piezoelettrici o delle bobine mobili. Anche se possono essere difficili da integrare in dispositivi di piccole dimensioni, si adattano bene ad applicazioni che richiedono una corsa relativamente lunga e un'alta risoluzione, come l'imaging medico.