Sistemi di posizionamento ad alta risoluzione e dal design miniaturizzato

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Colmare il divario tra i piezo e i piezo di tipo stepping: ora è possibile grazie ai sistemi di posizionamento Q-Motion basati sui piezo Inerzia Drives

La richiesta di posizionatori sempre più piccoli è in continuo aumento. I micro-assemblaggi industriali, la fotonica, la metrologia laser e ottica, così come gli istituti di ricerca dotati di apparati in ultra-alto vuoto e con forti campi magnetici, necessitano di sistemi di posizionamento sempre più piccoli e precisi. Anche le applicazioni di tipo commerciale sviluppate presso le Università hanno esigenze simili. Esempi tipici sono la metrologia e i dispositivi di tipo medicale e tutti quegli strumenti che necessitano di essere trasportabili. I sistemi di posizionamento basati sui motori piezo di tipo “Inerzia Drives”, rappresentano una valida soluzione. Essi infatti sono caratterizzati da un design miniaturizzato, offrono un’elevata risoluzione su corse teoricamente illimitate, sono dotati di un sistema di auto-bloccaggio e per di più hanno un ottimo rapporto qualità-prezzo.

Questi nuovi prodotti piezo forniscono una soluzione praticamente adatta per ogni applicazione per la quale si necessita un’elevata precisione e dimensioni compatte, aspetti questi direttamente legati al principio di funzionamento, che si basa sul fenomeno piezoelettrico. Un attuatore piezoelettrico infatti converte l’energia elettrica direttamente in energia meccanica, creando un movimento a livello sub-nanometrico caratterizzato da tempi di risposta molto brevi e con un’elevata accelerazione. L’effetto piezoelettrico è basato su campi elettrici, per questo motivo questi attuatori non generano campi magnetici, né vengono da essi influenzati, pertanto non sono soggetti a usura. Inoltre, dal momento che questi attuatori non richiedono l’ausilio di lubrificanti, risultano essere adatti anche per le applicazioni in vuoto.

Tuttavia, lo spostamento provocato dall’effetto piezo è solo una piccola percentuale della dimensione reale del componente. Per questo motivo il raggiungimento di corse maggiori può risultare complesso e dispendioso. PI (Physik Instrumente) ha trovato una risposta, introducendo la serie dei sistemi di posizionamento Q-Motion, migliorando la precedente tecnologia dei motori ultrasonici PILine, così come quella basata sui motori piezo del tipo stepping drive. Le unità a ultrasuoni raggiungono velocità elevate con risoluzioni di circa 50 nm, per cui i motori piezo stepping sono adatti per risoluzioni estreme fino a 0.1 nm, oltre che per sviluppare forze elevate. La serie Q-Motion è quindi sinonimo di alta risoluzione a livello nanometrico, con corse teoricamente illimitate e un design miniaturizzato, il tutto ad un prezzo competitivo. Inoltre, i sistemi basati sui piezo Inerzia Drives non risultano affatto essere “pigri” come il loro nome potrebbe suggerire. Possono essere azionati ad una frequenza di 20kHz, rendendoli pertanto silenziosi e raggiungendo velocità fino a 10 mm/s.

Un attuatore piezoelettrico si espande e muove un carrello. Nella seconda parte del ciclo del movimento l’attuatore si contrae così rapidamente che slitta lungo la parte spostata, la quale non può seguire questo movimento a causa della sua inerzia, rimanendo pertanto nella stessa posizione

Il principio di funzionamento dei sistemi basati sui piezo Inerzia Drives è molto semplice da capire: essi utilizzano l’effetto stick-slip per fare un passo con incrementi di pochi micrometri. L’attuatore si espande lentamente e muove un carrello. Nella seconda parte del ciclo di movimento l’attuatore si contrae così rapidamente che slitta lungo la parte spostata, la quale non può seguire questo movimento a causa della sua inerzia, rimanendo pertanto nella stessa posizione. Così come per le unità piezo stepping, le corse sono teoricamente illimitate, inoltre il principio di funzionamento necessita di un solo attuatore per asse, semplificando la configurazione e riducendo i costi.

Fondamentalmente il controllo elettrico dei sistemi basati sui piezo Inerzia Drives è semplice; il segnale di uscita assomiglia a un “dente di sega”. L’attuatore viene azionato ciclicamente – si espande lentamente e si contrae velocemente in una direzione di movimento, viceversa per l’altra direzione di movimento. Questo rappresenta “il cuore del movimento”. Tuttavia, una buona dose di know-how è necessaria per abbinare il funzionamento al sistema meccanico in modo che sia il movimento lento e non quello veloce ad alimentare il carrello. Nella fase di “stick” l’attuatore si comporta come qualsiasi altro attuatore piezoelettrico e, in combinazione con un encoder adeguato, può raggiungere una risoluzione di posizione di un nanometro, se non meno. Essendo i sistemi basati su dispositivi piezo inerziali auto-bloccanti, in fase di riposo non consumano energia. Nel caso di dispositivi metrologici destinati a un uso mobile, questo sistema permette di ridurre il consumo della batteria. Esempi di questo tipo li troviamo anche nella regolazione degli obbiettivi in dispositivi di misurazione ottici o durante l’iniezione di farmaci nei pazienti per mezzo di pompe.

Il principio di funzionamento offre anche grande flessibilità nella progettazione del sistema di posizionamento; esso consente infatti una facile configurazione dell’attuatore e il controllo dello stesso. Il cuore del movimento, l’unità basata su piezo, viene implementato come modulo. Questo rende possibile la realizzazione di lunghe corse oppure di un movimento rotatorio e la possibilità di combinare fra loro singoli assi, mantenendo al contempo bassi i costi di investimento per l’utente. E’ possibile inoltre realizzare un design molto compatto. L’attuatore piezoceramico, il suo montaggio e il sensore di posizione opzionale hanno tutti piccole dimensioni e, a seconda delle esigenze applicative, l’interazione con i corrispondenti componenti meccanici si traduce in sistemi di posizionamento ad alta risoluzione e con piccole dimensioni.

In combinazione con componenti meccanici idonei, il risultato è un sistema di posizionamento di dimensioni molto ridotte: La slitta di posizionamento lineare è larga solo 22 mm

PI ha creato la più piccola slitta di posizionamento lineare presente sul mercato, disponibile con una larghezza di soli 22 mm e un’altezza di 10 mm . E’ adatta per corse di 6.5, 13 o 26 mm e raggiunge una velocità di 10 mm/s, sviluppando allo stesso tempo una forza di tenuta di 1 N. Quando equipaggiata con un encoder incrementale può raggiungere una risoluzione fino a 1 nm. Questo stage di precisione miniaturizzato può essere utilizzato in una vasta gamma di campi di applicazione, soprattutto dal momento che è disponibile anche in versione da vuoto; se necessario inoltre può anche essere combinato con altri assi lineari o rotativi senza l’aggiunta di adattatori. Lo spettro di applicazione spazia dalla microscopia alla micromanipolazione, dalla biotecnologia alla tecnologia medica, fino all’automazione. Le versioni non magnetiche sono anche disponibili ad esempio per l’uso di microscopi elettronici.

Rotatore di precisione con un diametro di soli 14 mm

Anche i rotatori di precisione miniaturizzati sono altrettanto versatili nelle loro possibilità di applicazione; hanno un diametro di 14 mm e raggiungono risoluzioni in un range di 1 µrad. La forza di tenuta dello stage di posizionamento lineare arriva fino a 8 N in uno stato di diseccitazione, mentre la velocità massima è di 10 mm/s e una rotazione di 70°/s. Per le applicazioni dove i campioni, i rilevatori, i componenti ottici o gli strumenti devono essere spostati e ruotati nello spazio, la soluzione ideale sono i sistemi di posizionamento a sei assi e a cinematica parallela. Questi SpaceFab sono così piccoli che si possono tenere sul palmo della mano. Il design è basato su sistemi di posizionamento lineari combinati tra loro e può essere facilmente e velocemente adattato ai requisiti dell’applicazione, per esempio, per uso in alto o addirittura ultra-alto vuoto. I sistemi di posizionamento della serie Q-Motion possono dunque essere impiegati in un gran numero di settori di applicazione, dove la precisione, un design compatto e miniaturizzato nonché bassi costi di investimento sono elementi fondamentali.

Gianluca Poli – Sales Engineer, Physik Instrumente

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