Consideraţii privind actuatorii piezoelectrici

Bălăşoiu Simona-Alexandra

1. Introducere

Automatizarea avansată şi miniaturizarea, întâlnite azi în toate domeniile ingineriei, impun dezvoltarea continuă a unor varietăți de acţionări sigure şi compacte în componenţa sistemelor moderne. Viteza si precizia, cu care un proces sau un sistem mecanic poate fi controlat, reprezintă parametrii de o importanţă deosebită. Actuatorii au devenit rapid elementele cheie pentru îmbunătățirea performanţelor generale ale produselor existente, adăugarea unor caracteristici suplimentare ale acestora, sau chiar pentru apariţia unor produse noi ce nu se puteau realiza anterior.

Diversitatea fenomenelor fizice care stau la baza materializării constructive a actuatorilor deschide noi orizonturi în cercetările privind proiectarea, realizarea și utilizarea acestora, stimulează luarea în considerare a unor noi principii fizice si căutarea a noi materiale cu proprietăţi deosebite prin intermediul cărora să se răspundă cerințelor de acţionare din domeniul ingineriei.

Actuatoarele sunt elemente de execuţie controlabile care transformă energia de intrare (electrică, magnetică, termică, optică sau chimică) în lucru mecanic.

Deşi actuatoarele se realizează într-o mare varietate funcţională şi constructivă, în general au caracteristică structura prezentată în fig. 1.

Fig. 1 Structura generală a unui actuator.

Conversia energiei de intrare în energie utilă de iesire se realizează prin intermediul câmpurilor electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenul piezoelectric, fenomenul magnetostrictiv, fenomenul de memorare a formei, ca urmare a dilatării corpurilor la cresterea temperaturii, a schimbărilor de fază, a efectului electro-reologic, electro-hidrodinamic, de diamagnetism. Mecanismul actuatorului transformă, amplifică şi transmite mişcarea făcând acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic.

2. Unele aspecte privind efectul piezoelectric

Descoperirea efectului piezoelectric a fost precedată şi chiar favorizată de efectul piroelectric, cunoscut înca din secolul al-XVII-lea, la cristalul de turmalină.

Piezoelectricitatea apare numai în anumite materiale izolatoare şi se manifestă prin apariţia sarcinilor electrice pe suprafeţele unui monocristal care este deformat mecanic, ca în fig.2.

Fig. 2 Ilustrare schematică a efectului piezoelectric: a) stare iniţială; b) generarea curentului elerctric prin comprimare (efect piezoelectric direct); c) dilatare la aplicarea curentului

electric (efect piezoelectric invers).

Astfel efectul piezoelectric direct constă în proprietatea unor cristale de a se încărca cu sarcină electrică pe unele dintre feţele acestora atunci când sunt supuse la solicitări de întindere sau de compresiune după o anumita direcţie.

Efectul piezoelectric invers constă în proprietatea cristalelor de a se deforma după anumite direcţii, dacă pe unele dintre feţele acestora se află o diferenţă de potenţial. Mărimea sarcinii electrice este proporţională cu mărimea forţei aplicate.

Dintre cele 32 de clase de cristale existente numai 20 pot prezenta efect piezoelectric. Cele mai reprezentative materiale, cu efect piezoelectric important datorită unei valori ridicate a constantei dielectrice, sunt titanaţii.

3. Structura actuatorilor piezoelectrici

Actuatorii piezoelectrici sunt actuatori cu elemente active cu deformaţie limitată, controlată care convertesc energia electrică in energie mecanică şi invers prin efect piezoelectric.

Actuatorii piezoelectrici exercită forţe mecanice ca efect al tensiunii electrice aplicate, prin efect piezoelectric invers. Deformaţia tipică este de ordinul a 2-3 ‰ , însă cercetările actuale sunt direcţionate spre obţinerea unei deformaţii de ordinul a 1 %.

Actuatorii trebuie sa aibă coeficieţti de cuplare piezoelectrică d mari, pentru a putea dezvolta deformaţii (curse) însemnate la variaţii mici ale curentului electric, titanaţii fiind recomandaţi ca materiale pentru actuatori (au d mare).

Actuatorii piezoelectrici funcţionează pe baza efectului piezoelectric invers. Aplicând un câmp electric unui material piezoelectric, se generează tensiuni mecanice sau mişcare. Pe baza

acestui principiu, materialele piezoelectrice pot genera oscilaţii de frecvenţă foarte înaltă. Această proprietate este utilizată în multe aplicaţii ca de exmplu: diagnosticare ultrasonică, sudare, curăţire, găurire, etc.

Actuatorii piezoelectrici, liniari sau rotativi, cu mişcare continuă sau pas cu pas, pot avea în structură unul sau mai multe elemente active. Acestea pot fi sub formă de bare, lamele, tuburi sau plăci. Deformaţia lor controlată poate fi utilizată pentru antrenarea elementului mobil al actuatorului. De asemenea, elementul mobil poate fi antrenat prin intermediul unei unde călătoare, mişcarea fiind preluată prin contact sau prin formă. În acest caz, prin suprapunerea mai multor unde staţionare generate controlat, în elementul activ ia naştere o undă călătoare ce provoacă o mişcare elipticăa punctelor în contact cu elementul mobil. Deformaţia elementelor active poate fi perpendiculară sau paralelă cu axa lor de polarizare. Elementele active din structura actuatorilor pot fi dispuse în diverse configuraţii, după cum ilustrează figura 3.

Fig. 3 Configuraţii de actuatori piezoelectrici.

În actuatorii stivă elementele active pot fi lipite sau încleiate la temperature ridicată având electrozi metalici depuşi pe ambele feţe. Forţa dezvoltată ajunge până la 5 kN, la frecvenţe de 50 kHz şi tensiuni de alimentare între 100 şi 300 V. Această variantă tehnologică de stivuire este recomandabilă la aplicaţiile la care se cere o rigiditate mare. Dacă sunt necesare deplasări mari în condiţii de gabarit redus, stivuirea se realizează alternativ prin depunere termică de straturi subţiri din material piezoelectric şi material pentru electrozi, obţinându-se aşa numiţii actuatori multistrat.

Elementul activ într-un actuator bimorf este format din două lamele piezoelectrice lipite între ele şi alimentate cu tensiuni egale şi de semn contrar. Ca urmare, are loc contracţia uneia

dintre plăci şi extensia celeilalte, întregul ansamblu curbându-se. Deplasarea capătului liber al elementelor bimorfe încastrate la un capăt este proporţională cu tensiunea de alimentare, dimensiunile lamelelor şi caracteristicile lor de material. Cursele sunt de ordinul milimetrilor însă forţele sunt relativ scăzute (~0,5 N). Forţa poate creşte semnificativ dacă se insereazăo lamelă metalică între cele două lamele piezoelectrice. De asemenea, un reazăm suplimentar plasat la jumătatea lungimii lamelelor determină dublarea forţei la capătul liber.

4. Aplicaţii ale actuatorilor piezoelectrici

Încă din 1973, IBM a dezvoltat o nouă categorie de generatoare de energie mecanică,numite motoare piezoelectrice, utilizate în principal domeniul tehnicii de calcul. Dintre acestea, cele mai larg răspândite sunt motoarele piezoelectrice cu deformaţie alternativă (ondulatorie) la rezonanţă, numite uzual motoare ultrasonore. Pe de altă parte, motoarele cu deformaţie unidirecţională, utilizează, în special, materiale electrostrictive. Principiile constructiv-funcţionale ale motoarelor ultrasonore sunt ilustrate în figura 4.

Fig. 4 Scheme de principiu ale motoarelor piezoelectrice ultrasonore: (a) principiul constructiv-funcţional general al unui motor cu subansamblele: A – sursă de curent de înaltă

frecvenţă, B - vibrator, C - cursorsau rotor; 1 - semnal electric de intrare, 2 -antrenor piezoelectric, 3 – piesă elastică, 4 - stratde fricţiune, 5 – piesă elastică de rotaţie sau translaţie, 6 - lucrumecanic dezvoltat; (b) motor cu undă staţionară: schema de principiu şi

traiectoria descrisă de capătul antrenorului piezoelectric; (c) motor cu undă deplasabilă.

Mişcarea într-un motor ultrasonor se realizează prin intermediul stratului de fricţiune al cursorului sau rotorului, frecarea fiind unicul mod de a transmite mişcarea între stator şi rotor. În cazul motorului ultrasonor cu undă staţionară (de tip „ciocănitoare”) din figura 3 (b), capătul activ al antrenorului piezoelectric generează o mişcare eliptică plană. Vibraţiile axiale şi transversale ale antrenorului sunt parţial limitate de rotor (cursor), ceea ce produce încovoierea. Capătul activ al antrenorului este astfel poziţionat încât pe porţiunea AB se deplasează cu frecare pe suprafaţa rotorului (cursorului) iar pe porţiunea BA pe elipsă (adică în gol). Ansamblul este astfel reglat încât cele două piese ating frecvenţa de rezonanţă iar motorul sau cursorul este

deplasat în direcţia săgeţii goale, imprimându-i-se un cuplu de rotaţie sau respectiv un „şoc liniar” unidirecţional intermitent.Motoarele ultrasonore rotative cu undă staţionară, cu vibrator piezoelectric cilindricşi discuri profilate, pot dezvolta turaţie maximă de 600 rot./min şi cuplu de 1 mN·m la o frecvenţă de 160 kHz.Motoarele ultrasonore liniare cu undă staţionarăpot avea diverse forme de vibrator (de exemplu în formă de „π”). Motoarele ultrasonore cu undă staţionară au cost redus şi randament ridicat însă controlul sensului de mişcare se realizează cu dificultate. În motoarele ultrasonore liniare cu undă deplasabilă (Figura 3.4 (c)), unda deplasabilă este generată prin suprapunerea a două unde staţionare cu o diferenţă de fază de 900 în timp şi spaţiu. Mişcarea eliptică a particulelor de pe suprafaţa statorului are sens opus celei de deplasare a undei, rotorul deplasându-se în sensul marcat de săgeata goală.

Principiul de funcţionare al unui motor piezoelectric liniar numit motor „inchworm” este ilustrat în figura 5 în care mişcarea de-a lungul tijei se realizează prin utilizarea a trei piezoelemente.Elementele exterioare acţionează ca nişte cleme, în timp ce elementul central creează mişcarea în trepte de-a lungul arborelui. Atunci când se aplică o tensiune elementului 1, acesta va prinde arborele. Apoi, se aplică o tensiune elementului central care se deformează în paşi cu rezoluţie nanometrică. În final, se aplică o tensiune pe elementul 3 şi se întrerupe tensiunea de pe elementul 1. Tensiunea este scăzută până când elementul 2 ajunge la lungimea sa iniţială. Apoi, elementul 1 este prins, elementul 3 liber şi secvenţa începe din nou. Aceste motoare permit deplasarea într-un domeniu de viteze de la 4 µmm/s la 2 mm/s iar forţa de propulsie ajunge la 1,5 N.

Fig. 5 Motor „inchworm”.

O aplicaţie importantă a actuatorilor piezoelectrici o reprezintă microscoapele de forţă atomică (AFM). Mecanismul de scanare din figura 6 pe bază de actuatori piezoelectrici are 3

grade de libertate controlate sub forma de translaţie. Caracteristicile de scanare sunt: cursa de scanare pe xOy este de 100 µm şi se realizează cu 8 actuatori APA50S; cursa de scanare pe z este de 8 µm şi se realizează cu un actuator piezoelectric cu prestrângere.

Fig. 6 Sistemul de poziţionare al microscopului AFM Rosseta/Midas.

Recent, a fost dezvoltat dezvoltat un concept de actuator „celular” care poate fi folosit ca muşchi artificial în dezvoltarea de roboţi biomimetici. Actuatorul înglobează o metodă nouă de amplificare a deformaţiei, folosind un mecanism multistrat în serie în formă de romb (fig. 7.a), care permite o creştere exponenţială a deformaţiei prin structura celular-ierarhică. Prototipul a arătat o deformaţie de 21% şi o forţă de 1,7 N (fig. 7.b).

Fig. 7 Structura rombică în serie propusă pentru amplificarea deformaţiei; (b)deformaţia prototipului atunci când toţi actuatorii din cele şase straturi

sunt activaţi.

5. Concluzii

Actuatoarele sunt folosite intr-un numar mare de aplicaţii care cuprind roboţi, aeronave şi fabrici de automatizare, unele actuatoare operând inclusiv in medii precum: vid, radiaţii, mediu coroziv sau subacvatic.

Actuatoarele pot fi folosite şi pentru valvele de control al fluxului, pompe, motoare, intrerupatoare. Ele de regulă fac parte din sisteme de control al mişcării şi sunt controlate cu ajutorul unui calculator.

Actuatoarele piezoelectrice au la rândul lor o gamă larga de aplicaţii. Astfel unele dintre acestea se utilizează cu succes pentru poziţionarea lentilelor şi oglinzilor în sistemele optice. Prin suprapunerea mai multor elemente poziţionate în sensuri diferite se obţin module care generează o mişcare de translaţie.

Bibliogarfie

1. V. Mătieş, D. Mândru, O. Tătar, M. Mătieş, V. Csibi, Actuatori in mecatronică, Editura Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.

2. L.G. Bujoreanu, Materiale inteligente, Editura Junimea, Iaşi, 2002.

3. C. Niţu, E. Grecu, C. D. Comeagă, N. Alexandrescu, Microactuators for Microrobots, Editura Presa Naţională, Bucureşti, 130 pg., 2006.

4. C. W. De Silva, Sensors and Actuators. Control System Instrumentation, Edition CRC Press, 2007.

5. J. Ueda , T.W. Secord, H.H. Asada, Large Effective-Strain Piezoelectrics Actuators Using Nested Cellular Architecture with Exponential Starin Amplification Mechanism, IEEE/ASM Transaction on Mechatronics, volume 15, Issue 5, 2010.