Actuator piezoelectric
Efectul piezoelectric (Morgan Matroc Ltd; Shen 1994; Venison 1986) a fost descoperit pentru prima dată de Jacques și Pierre Curie. Principala caracteristică a unui astfel de tip de material care sunt de obicei cristale de cuarț (Fig. 13 prezintă un cristal de SiO2) este că o anumită deplasare sau deformare mecanică aplicată cristalului are ca rezultat crearea de dipoli interni microscopici și o tensiune măsurabilă în consecință la nivel macroscopic. Acest efect se numește „efect piezoelectric reciproc” și poate fi inversat la „efectul piezoelectric direct”, ceea ce înseamnă că, dacă se aplică o tensiune pe un material piezoelectric, are loc o deformare mecanică de-a lungul orientării cristalului (Ballas 2007).
Fig. 13 Principiul de lucru al unui material piezoelectric
Materialele piezoelectrice prezintă caracteristici anizotrope și, prin urmare, există o dependență direcțională de geometria câmpului de forță aplicat sau a tensiunii electrice. Luând în considerare direcțiile de deplasare a deformarii, există trei efecte majore care sunt utilizate în aplicațiile piezoelectrice: efectul longitudinal, transversal și de forfecare, unde efectul longitudinal are aceeași direcție ca efectul cauzal. De exemplu, orientarea câmpului de forță este aceeași cu câmpul electric aplicat cristalului sau vice-versa. În efect transversal, acțiunea mecanică și câmpul potențial electric sunt ortogonale, în timp ce efectul de forfecare produce o tensiune mecanică care este tangențială la planul de polarizare. O descriere completă și exhaustivă a efectului piezoelectric și o abordare matematică a problemei conversiei energiei pot fi găsite în literatură (Brissaud 1991; IEEE Standard on Piezoelectricity 1988).
Modelul unui actuator piezoelectric poate fi optimizat în funcție de aplicație. Transformarea de la energie electrică la deplasare mecanică are loc fără utilizarea pieselor mobile și se caracterizează printr-o lățime de bandă mare cu o frecvență mult mai înaltă decât toate principiile de acționare anterioare discutate în acest capitol. O altă caracteristică importantă este că acest tip de actuator are o durabilitate ridicată. În funcție de aplicație, pot fi implementate diferite modele, iar specificațiile principale pot fi de la deplasare mare/mică, rigiditate mare sau frecvență înaltă. Principalele efecte care sunt luate în considerare în timpul proiectării sunt efectele longitudinale, transversale și de forfecare (mai puțin frecvente în proiectarea actuatorului): actuatoarele stivuite folosesc efectul longitudinal pentru a genera forță statică de până la 10 kN cu o deplasare realizabilă de aproximativ 200 μm și un câmp de forță aplicat cuprins între 30 și 1.000 V; aceste actuatoare sunt realizate din straturi ceramice de polaritate opusă capsate unul deasupra celuilalt (Fig. 14a).
Fig. 14 Arhitectura în piezoacționare. Exemplu de piezoactuatoare bazat pe efect longitudinal (a) și efect transversal (b). Actuatoare ultrasonice în configurație monomodală (c) și bimodală (d).
Efectul transversal este utilizat în principal în mecanismele cantilever acţionate care au două straturi active. Aplicația necesită o tensiune relativ scăzută (10–400 V) și are ca rezultat deplasări mari (1.000 μm), dar forța de ieșire este scăzută (<10 N) (Fig. 14b). Pe lângă arhitecturile simple discutate anterior, efectul piezoelectric a permis proiectarea unor sisteme mai complexe pentru generarea mișcării și livrarea forței. Un exemplu care s-a răspândit în multe aplicații inginerești de precizie este reprezentat de motoarele pas cu pas piezoelectrice, rezonatoare și actuatoare cu unde de deplasare oscilatoare.
Rezonatoarele în formă de bară sunt proiectate să aibă un stator și un rotor (Fig. 14c–d); în principal, statorul este un piezoactuator care lucrează ca rezonator mecanic (Uchino 1997; Uhea 2001) și oscilează transferând mișcarea rotorului cu o frecvență de 25 kHz pentru o amplitudine de oscilație de 4 μm; rotația poate fi generată de diferitele moduri de vibrație ale statorului care poate fi configurat și proiectat ca rezonator monomodal (Fig. 13c) sau bimodal (Fig. 13d); primul nu permite inversarea rotației rotorului fără deplasarea statorului și poziționarea punctului de contact reciproc, în timp ce al doilea este controlat de două frecvențe însumate într-un singur semnal oscilator care permite antrenarea rotorului în ambele direcții prin schimbarea decalajului de fază între cele două moduri oscilatorii.
Actuatoarele cu undă de mișcare se bazează pe un model circular și (Uchino și Giniewitz 2003) sunt controlate de frecvențe tipice de oscilație variind de la 20 la 100 kHz. Statorul este realizat din elemente piezoelectrice polarizate alternativ și dispuse pe o structură circulară, fiecare oscilând și realizând o traiectorie eliptică și permițând formarea undei de mișcare rotativă care furnizează mișcarea rotorului printr-un cuplaj de frecare. Marele avantaj este posibilitatea de a transfera un cuplu ridicat, reducerea greutății etajului de acționare, rejectarea zgomotului electromagnetic și acuratețea ridicată a controlului poziției.
Alte arhitecturi care merită menționate sunt Uchino Motor și motoarele piezostepper. Primul este realizat dintr-un tub metalic cu două elemente piezoelectrice ortogonale care oscilează cu decalaj de fază și deformează tubul transferând mișcarea. Partea mobilă este o bobină care trece prin tub, iar contactul de frecare asigură mișcarea liniară a bobinei. Motoarele pas cu pas piezoelectrice combină efectele longitudinal și de forfecare pentru a asigura mișcarea printr-o acțiune în două faze de declanșare; ele pot fi controlate fie cu buclă deschisă, fie cu buclă de control (cu feedback necesar al encoderului suplimentar) și sunt capabile să genereze aproximativ 400–600 N de forță liniară. Pe lângă capacitatea lor de a furniza forță mare, un astfel de motor oferă o bună durabilitate și rezoluție în poziționare.
Principala aplicație în robotică este legată de micromanipulare (Umetani și Suzuky 1980) precum micro-gripper și micromișcare pentru sisteme de poziționare de înaltă precizie.