Di motori elettrici ne esistono di ogni forma e dimensione. La Piezo Motor, una piccola azienda con sede a Uppsala (Svezia), ha utilizzato il fenomeno della piezoelettricità per costruire un motore lineare, o microattuatore, che è il più piccolo e preciso del mondo.

Il più recente prodotto della Piezo Motor si chiama Piezo LEGS, ha la forma di una zolletta di zucchero e la sua risoluzione è nell’ordine del nanometro: minuscolo ma potente.

La parola «piezo» deriva dal greco piezin, cioè premere. La piezoelettricità è il fenomeno per cui certi cristalli rilasciano una corrente elettrica se deformati da una pressione fisica dall’esterno. Anche il fenomeno contrario si verifica: i cristalli cioè cambiano forma se attraverso di essi si conduce una corrente elettrica.

Come un cane a passeggio
La Piezo Motor utilizza queste proprietà piezoelettriche per fare muovere un’asta attraverso un alloggiamento di acciaio inox avvalendosi della corrente fornita da una batteria da nove volt.

Il materiale ceramico piezoelettrico si espande e si contrae, si solleva e si abbassa in un movimento simile a quello di gambe che camminano. Piezo LEGS è un motore senza parti mobili di tipo convenzionale ed è quindi esente da manutenzione.

Sul sito web della Piezo Motor si spiega che il motore LEGS ha dimensioni simili a quelle di una formica ma è 1000 volte più forte. Ovviamente questo prodotto è distante mille miglia dai normali motorini elettromagnetici utilizzati in ogni genere di oggetti, dai giocattoli agli elettrodomestici ed alle autovetture.

«Il nostro motore lineare funziona come un cane che passeggia – dice Per Oskar Lithell, direttore della Piezo Motor – Ciascuno dei nostri elementi piezoelettrici ha quattro gambe che camminano muovendosi a due a due quando si applica l’elettricità. La cosa veramente interessante è che possono fare passi piccolissimi».

Tradizionalmente, un motore lineare si serve di un meccanismo a vite per trasformare un movimento rotatorio in uno lineare (in altre parole, un movimento di va e vieni). In applicazioni senza limitazioni di spazio, questa soluzione funziona. Se però si tratta di applicazioni più piccole, questi motori sono ingombranti perché richiedono ingranaggi e meccanismi di innesto. Inoltre il numero di parti mobili crea problemi di precisione, specie sulle piccole corse.

Precisione al nanometro
Un motore lineare piezoelettrico non presenta rotazione e la precisione del movimento lineare può essere controllata e misurata in nanometri. Sulle basse impostazioni, il movimento dell’asta di ossido di alluminio nella più recente unità per dimostrazioni della Piezo Motor è addirittura invisibile a occhio nudo. Sull’impostazione minima, l’asta impiega un’ora a spostarsi 0,7 millimetri.

D’altra parte, basta aumentare la frequenza e l’asta sfreccia a 20 millimetri al secondo, con una forza di 8 N. In altre parole, pur pesando solo 20 grammi, questo motore può spingere o tirare con una forza equivalente a quella necessaria per sollevare 800 grammi.

«La nostra idea è essere un complemento di ciò che già è disponibile sul mercato – dice Lithell – E trovare una nicchia in cui altri motori non funzionano. Siamo nel segmento delle tolleranze nanometriche.”

Capitale innovativo
La Piezo Motor è nata da un’idea di Stefan Johansson e Mats Bexell. Bexell stava lavorando alla sua tesi di laurea in micromeccanica all’Università di Uppsala, dove Johansson era (ed è ancora) professore. Nel 1995 i due svilupparono un micromotore piezoelettrico rotante che misurava quattro millimetri di lunghezza e quattro di diametro.

Nel 1996 ottennero grazie al loro lavoro la Dagens Industri Innovation Cup, un prestigioso riconoscimento conferito dal più importante quotidiano finanziario svedese.

Ben presto Bexell e Johansson si resero conto del potenziale commerciale della loro innovazione. La Piezo Motor è stata fondata nel 1997 con l’aiuto di capitali di rischio. Da allora l’azienda, che oggi ha 11 dipendenti, ha mantenuto un profilo molto basso nella fase di sviluppo delle caratteristiche piezoelettriche necessarie a creare un motore lineare.

«Durante i primi due anni ci siamo concentrati sulla tecnologia – dice Lithell – Vogliamo espanderci, ma con prudenza».

Applicazioni di precisione
La Piezo Motor ha la sua sede in un parco industriale alla periferia di Uppsala. Qui l’azienda ha un laboratorio di prova, un’officina per i prototipi ed apparecchiature di produzione. Il materiale piezoelettrico utilizzato viene acquistato sotto forma di una polvere ceramica e poi lavorato. Oggi la Piezo Motor ha sei brevetti statunitensi e ce ne sono altri in arrivo.

Nel novembre 2002 la Piezo Motor ha fatto il suo debutto ufficiale  alla fiera SPS IPC Driver a Norimberga (Germania), avviando numerosi contatti. Comunque, dice Lithell, i motori lineari dell’azienda sono già in collaudo presso svariate aziende multinazionali americane e svedesi.

Tra le possibili applicazioni dei motori piezoelettrici, dice Lithell, figurano sistemi di dosaggio per diverse industrie. Un motore piezoelettrico potrebbe per esempio essere utilizzato per fecondare un uovo nel settore biotecnico, oppure per montare componenti su circuiti stampati.

La richiesta di motori microelettrici aumenta di continuo. Qualunque sia l’applicazione (aviazione, apparecchiature mediche, automobili, strumenti di laboratorio, telecomunicazioni) i motori elettrici ed i componenti che li circondano diventano sempre più piccoli e precisi.

La Ericsson Network Technologies, per esempio, ha provato i prodotti Piezo Motor nelle sue unità robotizzate per la giunzione di cavi a fibre ottiche.

Motori su misura
«Le esigenze di precisione per questo tipo di apparecchiatura sono enormi – dice Lithell – Una volta si usavano per lo più motori elettromagnetici convenzionali. Ma, trattandosi di motori meccanici, esiste sempre un certo gioco nel sistema che li rende meno precisi. I nostri motori hanno risoluzioni nell’ordine del nanometro. Inoltre, non occorrono innesti o ingranaggi».

Una volta avviata in pieno la sua attività, la Piezo Motor non ha intenzione di costruire prodotti standard. Dato che le applicazioni per questa tecnologia sono molto specializzate, l’azienda prevede di realizzare motori su misura per i suoi clienti.

«Per noi è difficile avere una gamma di prodotti standard – dice Lithell – Ogni progetto è specifico per un dato cliente. Ma almeno abbiamo dimostrato che ciò è possibile».