Principios, selección y diseño con actuadores piezoeléctricos

Los hermanos Curie demostraron el efecto piezoeléctrico directo a finales del siglo XIX, mostrando cómo la aplicación de tensión a materiales cristalinos naturales como el cuarzo produce una carga eléctrica (figura 1a). También existe un efecto inverso: la aplicación de un campo eléctrico a un material con propiedades piezoeléctricas provoca una distorsión física (figura 1b), que se traduce en un desplazamiento de unas pocas micras.

Desde las investigaciones de Curies, se han desarrollado diversos materiales piezoeléctricos sintéticos, o cerámicas ferroeléctricas. Éstos suelen tener una constante piezoeléctrica mucho mayor que los materiales naturales. Tras la sinterización, los dipolos de la estructura cristalina se orientan de forma aleatoria. A continuación, se aplica un fuerte campo eléctrico para polarizar los dipolos. Una vez eliminado el campo, persiste una polarización residual que confiere a la cerámica sus propiedades piezoeléctricas.

Entre estos materiales sintéticos, el PZT, o titanato de circonato de plomo (Pb (Zr, Ti) O3), tiene una alta sensibilidad y una elevada temperatura de funcionamiento que permiten su uso en aplicaciones prácticas. Sus propiedades piezoeléctricas directas se aprovechan en dispositivos como sensores de presión, vibración, aceleración y choque, receptores ultrasónicos y equipos de diagnóstico, instrumentos de sonar, buscadores de peces, equipos de ensayos no destructivos y micrófonos.

Por otro lado, el aprovechamiento del efecto piezoeléctrico inverso para manipular las dimensiones del cristal permite crear actuadores como etapas de posicionamiento industrial de precisión, válvulas, motores de lentes de cámaras para el zoom y el autoenfoque, fuentes ultrasónicas y altavoces.

Se pueden construir varios tipos de actuadores para producir diferentes tipos de movimiento aplicando una tensión en dirección longitudinal o transversal para provocar un desplazamiento. La figura 2 compara elementos longitudinales, transversales y longitudinales apilados, mostrando la dirección del desplazamiento, y un elemento transversal bimorfo que produce un desplazamiento de flexión.

El tipo de efecto longitudinal requiere un gran voltaje para obtener el desplazamiento porque el espacio entre los electrodos es largo. El tipo de efecto transversal puede reducir el voltaje porque el espacio entre los electrodos puede ser más corto que el tipo de efecto longitudinal, pero la cantidad de desplazamiento es menor porque se utiliza el desplazamiento en la dirección perpendicular a la dirección de polarización. El tipo apilado tiene un espaciado de electrodos corto y utiliza el desplazamiento en la dirección de polarización, por lo que el desplazamiento puede obtenerse con un voltaje bajo, pero existe el inconveniente de tener que apilar cada cerámica piezoeléctrica. Además, el tipo bimorfo puede obtener un gran desplazamiento con un bajo voltaje, pero como utiliza el desplazamiento en la dirección de flexión, no se puede obtener una gran fuerza generada, y hay un problema en la durabilidad de la conducción repetida.

Los actuadores piezoeléctricos multicapa de disparo integral superan estos problemas haciendo que el espacio entre los electrodos sea extremadamente fino, consiguiendo así un gran desplazamiento a un voltaje lo suficientemente bajo para su uso práctico.

En comparación con los actuadores electromagnéticos, como los pequeños motores eléctricos o solenoides que podrían utilizarse para crear movimientos controlados con precisión, los actuadores piezoeléctricos tienen una serie de ventajas. El tiempo de respuesta es extremadamente rápido. Además, el actuador no produce ruido electromagnético, lo que puede simplificar el diseño del sistema, eliminar componentes de apantallamiento y filtrado de la lista de materiales y facilitar las pruebas de conformidad con la CEM (Compatibilidad Electromagnética). La gestión térmica también puede simplificarse en gran medida, ya que se genera un calor mínimo. La compacidad y el peso ligero son otras ventajas y los actuadores piezoeléctricos permiten un control preciso con alta resolución. La tabla compara los aspectos clave que deben tenerse en cuenta al diseñar con actuadores electromagnéticos y piezoeléctricos.

A pesar de tener unas características generalmente excelentes, se recomienda cierto cuidado al diseñar con actuadores multicapa. La actuación repetitiva puede provocar la rotura del elemento, ya que la zona aislante no activa entre los electrodos internos positivos y negativos se expande y contrae de forma diferente a las zonas activas, introduciendo tensiones mecánicas. Los actuadores de “electrodo completo” soportan mejor la actuación repetitiva. Al extender el electrodo a lo largo de toda la anchura de cada placa e introducir un aislante de vidrio entre los electrodos (figura 3), se elimina la zona no activa y se evitan así las tensiones causadas por la expansión diferencial.

Además, los factores ambientales, como la alta humedad, pueden acortar la vida útil del actuador. Los actuadores sellados herméticamente pueden ofrecer una mayor fiabilidad en aplicaciones expuestas a entornos adversos. Pueden contener un material piezoeléctrico de alto desplazamiento alojado en una caja metálica completamente sellada (figura 4). La caja tiene una estructura de fuelle precargada que puede expandirse y contraerse con el elemento y puede proporcionar una brida metálica para simplificar el montaje.

El cambio de dimensión del elemento piezoeléctrico puede utilizarse para producir un desplazamiento lineal para diversos efectos, como el funcionamiento de bombas, válvulas y el control de mecanismos de posicionamiento de precisión. La figura 5 muestra cómo los actuadores piezoeléctricos instalados en tres ejes pueden controlar los mecanismos para la posición de la etapa x-y y el enfoque de la lente en un instrumento de inspección de precisión.

La figura 6 muestra cómo un actuador piezoeléctrico puede controlar la dispensación de adhesivo y garantizar una dosificación de precisión adecuada para el montaje a alta velocidad de productos como los smartphones.

Los actuadores circulares recubiertos de resina son adecuados para aplicaciones de posicionamiento, como el ajuste fino de la longitud de onda y la fase del láser en resonadores Fabry-Perot de alta precisión para aplicaciones como la interferometría (figura 7). El control de la expansión y contracción del actuador piezoeléctrico permite variar la longitud de onda del láser.

La figura 8 muestra cómo se puede utilizar el cambio de longitud del actuador en un controlador de flujo másico. Para los equipos de formación de películas y los equipos de grabado utilizados en la fabricación de semiconductores, estos actuadores proporcionan un control ultrapreciso del flujo de gas en dichos controladores de flujo másico.

Con un mínimo de piezas móviles, y aprovechando características como la construcción multicapa y de electrodo completo, los actuadores piezoeléctricos ofrecen ventajas de fiabilidad inherentes frente a alternativas como los actuadores electromecánicos. Para maximizar su fiabilidad y rendimiento, los usuarios pueden tener en cuenta algunas sencillas pautas de diseño. Al diseñar la fijación, evite que los actuadores se doblen, se retuerzan o se sometan a fuerza de tracción. Como regla general, cualquier fuerza de torsión debe ser inferior a 3 × 10-1 N・m para un actuador que genera una fuerza de (resistencia a la compresión) de 800 N. La fuerza de tracción debe limitarse a 50 N o menos. El actuador debe instalarse de forma que el eje central del desplazamiento generado esté alineado con el eje central de la carga.

En cuanto al accionamiento del actuador, la cantidad de desplazamiento es aproximadamente proporcional a la tensión aplicada. Se necesita un controlador que genere el patrón de tensión requerido y que accione el actuador a través de un amplificador que produzca las tensiones de accionamiento necesarias. En aplicaciones de posicionamiento de alta precisión, la retroalimentación en bucle cerrado puede mejorar el control sobre el desplazamiento. No deben aplicarse tensiones inversas.

Al diseñar el circuito de accionamiento deben tenerse en cuenta la histéresis, el anillamiento, la deformación y otros fenómenos similares. Para evitar un anillamiento intenso, que puede provocar la rotura del actuador, la subida o bajada de la tensión aplicada debe limitarse a menos de 1/3 de la frecuencia de resonancia del elemento actuador.

El accionamiento del actuador piezoeléctrico es similar a la inyección de cargas eléctricas en un condensador relativamente grande. Se necesita una gran corriente eléctrica para realizar la respuesta de alta velocidad del actuador. Para el accionamiento por impulsos, el diseño del controlador debe tener en cuenta la generación de autocalentamiento, la corriente de carga/descarga y la impedancia de la fuente de alimentación.

Los actuadores piezoeléctricos permiten un control de movimiento sencillo y preciso, aportando ventajas como el bajo consumo de energía, el bajo ruido y las dimensiones compactas a los productos industriales, médicos y de consumo. Los actuadores multicapa, apilados con todos los electrodos, producen un gran desplazamiento en relación con la tensión aplicada y son muy resistentes a las tensiones de la actuación repetida.