Qué es un actuador piezoeléctrico : Funcionamiento y sus aplicaciones

El actuador piezoeléctrico es una parte esencial de muchos sistemas inteligentes y electromecánicos, junto con unidades de procesamiento de señales y tipos de sensores. En muchos sistemas inteligentes, los actuadores funcionan como unidades de respuesta. En la actualidad, hay muchos avances en los actuadores piezoeléctricos sin resonancia, como los motores paso a paso, los actuadores cerámicos multicapa, los motores ultrasónicos de resonancia y los motores inerciales. Estos actuadores generan un pequeño desplazamiento mediante una gran capacidad de fuerza una vez que se aplica la tensión. Se utilizan en muchas aplicaciones, como la manipulación y generación de altas presiones o fuerzas en situaciones dinámicas y estáticas, y el posicionamiento ultrapreciso, etc. Este artículo trata de una visión general de un actuador piezoeléctrico y su funcionamiento con aplicaciones.


Índice de Contenido
  1. ¿Qué es un actuador piezoeléctrico?
    1. Principio de funcionamiento y operación de los actuadores piezoeléctricos
    2. Tipos de actuadores piezoeléctricos
    3. Ventajas
    4. ¿Dónde se utilizan los actuadores piezoeléctricos?

¿Qué es un actuador piezoeléctrico?

Un actuador piezoeléctrico es un transductor que se utiliza para transformar una señal eléctrica en un desplazamiento o carrera física controlada con precisión, utilizando el efecto piezoeléctrico basado en el acoplamiento electromecánico en lugar de la inducción electromagnética. Si se evita la carrera, se desarrollará la energía utilizable. El control exacto del movimiento que ofrecen estos actuadores se utiliza principalmente para cambiar finamente herramientas de mecanizado, espejos, lentes u otros aparatos.

Un actuador piezoeléctrico se utiliza para controlar válvulas hidráulicas que funcionan como un motor de propósito especial, una bomba de pequeño volumen y en otras aplicaciones que utilizan fuerza o movimiento. El diagrama del actuador piezoeléctrico se muestra a continuación.

Actuadores piezoeléctricos

En comparación con los actuadores electromagnéticos, los actuadores piezoeléctricos tienen algunas características como un diseño flexible, un tamaño compacto y proporcionan un posicionamiento submicrométrico o nanométrico.

Principio de funcionamiento y operación de los actuadores piezoeléctricos

El principio de funcionamiento de un actuador piezoeléctrico es que, una vez que se aplica la tensión a los actuadores piezoeléctricos, éstos generan un pequeño desplazamiento con una gran capacidad de fuerza, por lo que se utilizan en muchas aplicaciones como el posicionamiento ultrapreciso, en la manipulación y generación de grandes fuerzas en condiciones estacionarias o dinámicas.

La configuración del actuador piezoeléctrico puede cambiar mucho según la aplicación. Estos dispositivos son actuadores ultrasónicos que están diseñados específicamente para generar carreras de numerosos micrómetros a frecuencias ultrasónicas superiores a 20 kHz. Se utilizan especialmente para aplicaciones de posicionamiento, control de vibraciones y conmutación rápida.

Funcionamiento de los actuadores piezoeléctricos
Funcionamiento del actuador piezoeléctrico

Las especificaciones importantes de los actuadores piezoeléctricos incluyen principalmente la fuerza, el desplazamiento y la tensión de funcionamiento. Los factores que hay que tener en cuenta al utilizar estos actuadores son la capacitancia, la rigidez y la frecuencia de resonancia.

El término rigidez se utiliza para describir la energía necesaria para conseguir una determinada deformación de una disposición. En el caso de los actuadores piezoeléctricos, la rigidez es la energía necesaria para extender el dispositivo a través de una determinada cantidad, que suele indicarse en términos de Newtons por cada micrómetro. La capacidad es una tarea de la frecuencia de la tensión de excitación y la resonancia es la frecuencia en la que los actuadores piezoeléctricos reaccionan con la mayor amplitud o/p.

Tipos de actuadores piezoeléctricos

Los actuadores piezoeléctricos están disponibles en diferentes tipos, como los apilados, los de rayas, los longitudinales, los de cizalla, los de tubo y los de contracción.

Tipos de actuadores piezoeléctricos
Tipos de actuadores piezoeléctricos

Actuadores piezoeléctricos de pila

Un actuador piezoeléctrico de pila se utiliza para proporcionar una baja carrera mediante una alta energía de bloqueo. En función de sus necesidades de diseño, este tipo de actuador es discreto o de cocción. Si es ciertamente discreto, sus complejas estructuras se diseñan utilizando discos o apilando individualmente anillos cerámicos piezoeléctricos acabados y láminas de electrodos metálicos a través de un adhesivo. La tensión de funcionamiento típica oscila entre 500 V y 1.000 V.

Si los actuadores son de pila cocida, también se conocen como pilas monolíticas que no utilizan adhesivos. Sin embargo, utilizan la sinterización a alta temperatura de la pila cerámica y el electrodo completo. La tensión de funcionamiento de estos puede ser de 200 voltios. En cualquier caso, ya sean de cocción conjunta o discreta, es posible aislarlas de forma protectora de las tensiones mecánicas y los impactos ambientales. Para conseguirlo, normalmente hay que recubrir los materiales, las pilas desnudas o cubrirlas con acero inoxidable.

Actuadores de banda

El actuador de raya es conocido como un actuador de flexión, utilizado para generar una gran deflexión mecánica, razonablemente en respuesta a una señal eléctrica. En secuencia, esta deflexión proporciona una gran carrera a través de la menor fuerza de bloqueo en comparación con el actuador de pila.

Este tipo de actuador utiliza dos finas capas cerámicas piezoeléctricas conectadas. Suelen estar en la dirección de polarización coincidente a través de una conexión eléctricamente paralela. Una vez que aplicamos una entrada eléctrica, una de las capas cerámicas se adhiere, mientras que la otra se agranda, de modo que el actuador se dobla.

Actuadores longitudinales

Los actuadores longitudinales también se conocen como pilas piezoeléctricas, que se forman recubriendo varios elementos piezoeléctricos uno encima de otro, de modo que el efecto de expansión de cada elemento genere una fuerza y un movimiento útiles. Estos tipos de actuadores utilizan el efecto piezoeléctrico para generar desplazamientos lineales que oscilan entre el 0,1 y el 0,15% de la longitud del actuador. La densidad de fuerza de estos actuadores es alta, normalmente de 30 N/mm^2, y también las frecuencias de resonancia son altas, por lo que estos actuadores se utilizan en aplicaciones dinámicas.

Actuadores de cizalla

Estos tipos de actuadores están relacionados con los de tipo longitudinal porque tienen múltiples capas de elementos piezoeléctricos, pero varían en la forma de aplicar la tensión y el tipo de movimiento que se forma. En los actuadores piezoeléctricos de cizalla, los distintos elementos están polarizados horizontalmente y el campo eléctrico puede aplicarse ortogonalmente.

El desplazamiento resultante tiene lugar dentro del plano horizontal, de modo que se puede crear un movimiento de tipo cizallamiento. La altura de estos actuadores está restringida por las tensiones de flexión y cizallamiento, aunque con frecuencia se fusionan dentro de los sistemas multieje con actuadores longitudinales.

Actuadores tubulares

Los actuadores de tubo incluyen la polarización radial y también utilizan el efecto piezoeléctrico transversal para realizar el desplazamiento. Estos tipos de actuadores experimentan un movimiento radial, axial o lateral en función de la tensión aplicada, que es relativa a los electrodos. Estos actuadores no son apropiados para generar fuerzas; sin embargo, proporcionan un desplazamiento a nivel de micras para aplicaciones de bombeo, dosificación de nanolitros y microscopios de barrido.

Actuadores de contracción

Los actuadores planos que incluyen dos elementos piezoeléctricos pueden generar un movimiento de contracción una vez que ambos elementos funcionan mutuamente. Estos tipos de actuadores utilizan el efecto piezoeléctrico transversal para generar movimiento en una sola dirección. Los actuadores piezoeléctricos de contracción tienen un pequeño desplazamiento de hasta 20 micras, pero pueden producir cientos de fuerzas de Newton.

Una vez que este tipo de actuador se monta en un sustrato o una base, se puede crear un actuador de flexión. En un actuador de tipo de flexión, la tensión aplicada puede hacer que un elemento piezoeléctrico aumente mientras el otro se contrae.

Ventajas

Las ventajas del actuador piezoeléctrico son las siguientes

  • Diseño sencillo
  • Menos piezas móviles,
  • Características de alta fiabilidad
  • Simplemente están optimizados para aplicaciones particulares, como la no magnética, la criogénica, el ultravacío y la alta rigidez.
  • Gran fuerza por cada unidad de superficieLa resolución es ilimitada
  • Compatible con la aspiración y la limpieza de espacios
  • Generación de alta fuerza
  • Sin desgaste
  • El consumo de energía es bajo
  • Sin campos magnéticos
  • Respuesta rápida
  • Funciona a temperaturas criogénicas

¿Dónde se utilizan los actuadores piezoeléctricos?

El aplicaciones de los actuadores piezoeléctricos incluyen las siguientes.

  • Un actuador piezoeléctrico se utiliza para ajustar diferentes tipos de equipos como lentes, herramientas de mecanizado, espejos, etc.
  • Se utilizan en diversas aplicaciones de precisión basadas en el control del movimiento.
  • Estos actuadores también se utilizan para controlar válvulas hidráulicas que funcionan como un motor de propósito especial o una bomba de pequeño volumen
  • Se utilizan en aplicaciones que requieren fuerza o movimiento.
  • Se utilizan en diferentes industrias como la aviación, la automoción, la electrónica de consumo, la medicina y la industria aeroespacial debido a sus numerosas ventajas.
  • Los actuadores piezoeléctricos se utilizan en máquinas de braille y de punto de precisión.
  • Los actuadores piezoeléctricos se utilizan en teléfonos móviles y cámaras de vídeo equipadas con micrófonos, debido a sus características de accionamiento silencioso.
  • Estos actuadores no necesitan lubricación para funcionar, por lo que se utilizan en entornos de vacío y criogénicos.

¿Qué son los materiales de los actuadores piezoeléctricos?

Los materiales de los actuadores piezoeléctricos más utilizados son las cerámicas de titanato de circonato de plomo modificadas.

¿Qué es un actuador piezoeléctrico?

Cuando varios elementos piezoeléctricos están dispuestos unos encima de otros, se conoce como actuador piezoeléctrico de pila. Estos actuadores funcionan en diferentes entornos, como condiciones criogénicas, vacío y presencia de campos magnéticos. Se utilizan en las industrias aeroespacial, de electrónica de consumo, de semiconductores y del automóvil.

¿Cuáles son los dos parámetros que se tienen en cuenta en los actuadores piezoeléctricos?

En los actuadores piezoeléctricos se suelen considerar dos parámetros: la fuerza de bloqueo (Fb) y la desviación libre (Xf). La fuerza de bloqueo es la mayor fuerza que puede producirse una vez que se aplica la tensión máxima y no se permite el movimiento del actuador. Del mismo modo, la deflexión libre es el movimiento que se alcanza una vez que se aplica la tensión máxima y no se genera ninguna fuerza.

¿Qué hace un actuador piezoeléctrico?

El actuador piezoeléctrico transforma una señal eléctrica en un desplazamiento físico exactamente controlado Se utiliza para controlar válvulas hidráulicas, funciona como un motor de propósito especial o una bomba de pequeño volumen, y se utiliza en aplicaciones en las que se requiere fuerza o movimiento.

Así pues, se trata de una visión general del piezoeléctrico actuador y su funcionamiento. La función principal de este actuador es el efecto piezoeléctrico inverso, ya que una vez que aplicamos tensión, el actuador se expandirá o contraerá, pero, una vez que bloqueamos el movimiento del actuador piezoeléctrico, entonces producirá una fuerza. Aquí tienes una pregunta, ¿cuáles son las desventajas de un actuador piezoeléctrico?

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