Actuadores piezoeléctricos

Cada vez más, los actuadores piezoeléctricos y los motores encuentran un mayor número de aplicaciones. Estos dispositivos presentan unas prestaciones dinámicas excelentes, una precisión que baja hasta los nanometros y unas dimensiones físicas minúsculas.

Motor Elliptec X15G

En el año 1880, los hermanos Jacques y Pierre Curie, descubrieron la carga que se generaba en cristales de turmalina cuando se les aplicaba una presión. Esto se denominó efecto piezoeléctrico. También se observó el fenómeno inverso, ciertos materiales cambian de forma de modo característico cuando se les aplica una tensión.

El efecto piezoeléctrico se observó en muchos materiales como el cuarzo: si se aplica una presión a lo largo de un eje particular del cristal (el denominado eje polar), se puede medir una tensión en los extremos de las correspondientes caras opuestas. Si se aplica una tensión en los extremos del cristal, éste se contrae o se expande, lo cual se conoce como efecto piezoeléctrico inverso. Existen materiales sintéticos que presentan incluso mejores características que el cuarzo. El Titanato zirconato de plomo (PZT), un material cerámico, puede polarizarse, lo que significa que el eje y la polaridad del efecto piezoeléctrico se pueden determinar según se desee. El material cerámico está compuesto de un gran número de cristales individuales fundidos juntos. Bajo un campo eléctrico fuerte, la orientación del eje polar se puede desplazar hasta un total de 180°. Si el material cerámico se enfría desde el estado líquido, los cristales individuales quedan orientados de manera aleatoria y el material en conjunto no presenta el efecto piezoeléctrico. Bajo un campo eléctrico fuerte, los ejes polares de los cristales individuales se alinean polarizados en la misma dirección y en un eje preferido en el material.

Válvula piezoeléctrica de una bomba de inyección de un motor diesel. El actuador piezoeléctrico gris de la derecha mueve la aguja del inyector.

Los actuadores piezoeléctricos de un moderno motor de inyección directa de gasoil, tienen una forma similar a una válvula. Con elllos se consiguen presiones de hasta 2.000 bares con tan sólo apilar elementos piezoeléctricos que mueven la aguja, dentro del inyector. Cuando se necesita una pequeña gota de combustible (de unos pocos microlitros), éste se inyecta en un cilindro. Comparados con los pulverizadores de inyección convencional, que utilizan válvulas magnéticas, los actuadores piezoeléctricos son unas tres veces más rápidos y permiten múltiples inyecciones por cada una de las explosiones del cilindro. Esto hace más óptimo el proceso de quemado del combustible.

Una mirada más cercana al cristal de cuarzo

El efecto piezoeléctrico se puede explicar rápidamente con referencia al cuarzo (SiO2). Los átomos del cuarzo forman una rejilla regular, con cada átomo de silicio rodeado por una configuración tetraédrica de átomos de oxígeno (Figura A). Los átomos de oxígeno tienden a atraer electrones de los átomos de silicio, haciendo que los átomos de silicio se carguen de forma positiva y los átomos de oxígeno tiendan a cargarse de manera negativa.

Si se aplica presión al cristal de cuarzo a lo largo del eje que une y sobresale del tetraedro, hacia la mitad de la base opuesta, las cargas opuestas son empujadas relativamente muy cerca unas de otras, lo que hace que aparezca un campo eléctrico (Figura B), con lo que se puede medir una diferencia de potencial. Este eje distinguido del cristal de cuarzo se denomina "eje polar". Si la presión se aplica de manera perpendicular a este eje, el cristal de cuarzo se expande a lo largo de este eje polar debido a su elasticidad.

Por su parte, las cargas se mueven en la dirección opuesta, lo que produce la aparición de un campo eléctrico polarizado de forma opuesta (Figura C).

El efecto piezoeléctrico no está presente en todas las estructuras de cristal. Si las cargas positivas y negativas están configuradas en los lados de un cubo, como en la sal de cocinar, los movimientos de las cargas, de media, tienen un valor nulo sobre el cristal completo y, en consecuencia, la sustancia no presenta el efecto piezoeléctrico.

El efecto piezoeléctrico es (casi exclusivamente) lineal, lo que significa que si se dobla la presión ejercida, le corresponde una intensidad doble del campo eléctrico.

Esta etapa de deslizamiento se mueve gracias un disco piezoeléctrico. ( Phisik Instrumente (Pl) GMBH & Co. KG)

En un motor piezoeléctrico dependiendo de la polaridad de la tensión aplicada a lo largo del eje polar, el material se encogerá o se expandirá en torno al 0,1 5% de su tamaño. Utilizando una tensión alterna o pulsante, el material puede comenzar a oscilar. Los elementos piezoeléctricos pueden fabricarse para oscilar de forma que varíe su longitud, su espesor, su curvatura transversal, etc.

Los elementos piezoeléctricos de los actuadores realizan un pequeño movimiento de unos pocos micrometros cuando se les aplica una tensión. Este movimiento puede incrementarse utilizando un sistema de palanca o colocando una serie de actuadores en una pila.

Los actuadores piezoeléctricos se utilizan para accionar microbombas, capaces de bombear desde unos pocos nanolitros a unos pocos microlitros de fluido. Estos dispositivos se utilizan en impresoras de chorro de tinta y en aplicaciones de análisis químico.

Un motor piezoeléctrico no produce campos magnéticos y, por lo tanto, puede usarse en máquinas de termografía de resonancia sensibles al campo magnético nuclear. Los motores piezoeléctricos también pueden utilizarse como sensores de presión, nivel de líquidos, caudal y aceleración y en teclados, micrófonos, micrómetros para el uso en máquinas herramientas, micromanipuladores, microscopios, etc.

Este circuito de control de motor piezoeléctrico, de la empresa Trinamics, ofrece cuatro canales de señales de salida.

En un motor piezoeléctrico la oscilación del elemento piezoeléctrico fijo (el estator) debe transferirse a la parte que se mueve (el rotor). En principio, el rotor puede empujarse de manera periódica, mediante un movimiento lineal del estator y quedar fijo entre los distintos empujones (El llamado principio de gusano), o puede continuar en movimiento en la misma dirección debido a su inercia. Los modelos más avanzados son los denominados motores de ultrasonidos. En estos motores el elemento piezoeléctrico tiene una tensión aplicada en una cara y se pone a oscilar utilizando, por ejemplo, una señal de onda cuadrada. La resonancia se consigue a una frecuencia entre 30 y 1.000 KHz, de aquí el nombre de motor de ultrasonidos.

El material tiene una forma determinada de manera que las dos oscilaciones (una oscilación de curvatura y una oscilación de extensión) están superpuestas, lo que hace que el final del estator se mueva siguiendo un camino elíptico. En un punto de este camino elíptico el estator toca el rotor, haciendo que este último se mueva durante unos pocos micrometros. A una diferencia de frecuencia dada, las dos componentes de oscilación están superpuestas, de manera tal que el movimiento elíptico se produce en la dirección inversa y el motor gira en sentido contrario.

Este principio se utiliza en un motor fabricado por la compañía Elliptec. La unidad compacta está formada por una pieza de aluminio, de 2 Cm de largo, que incorpora un elemento piezoeléctrico con un resorte en uno de sus extremos. El resorte presiona sobre el elemento piezoeléctrico y su extremo libre empuja sobre una pequeña rueda o sobre un pequeño rodillo de plástico. Se utiliza un microcontrolador para controlar el motor, generando una onda senoidal o una onda cuadrada de una amplitud comprendida entre 5 y 8 V. El controlador debe de tener una resolución de 1 KHz. La mejor opción es utilizar un microcontrolador con la función PWM incorporada internamente. La señal de onda cuadrada debe ser amplificada utilizando dos transistores, al mismo tiempo que se filtra utilizando una bobina para eliminar los armónicos provenientes de la señal que se envía hacia el dispositivo.

A una frecuencia de unos 79 KHz, el motor Elliptec gira hacia adelante, mientras que a una frecuencia de unos 97 KHz, gira en sentido opuesto. El motor genera una fuerza de entre unos 0,2 y 0,4 Newtons. El tamaño del paso es de 10 micrómetros. Una aplicación para este diminuto motor es el modelismo; la casa Márklin lo ha usado para subir lentamente (y al mismo tiempo de modo realista) el pantográfico de una locomotora eléctrica.

Diagrama de un motor de onda de desplazamiento. En medio se encuentra el estator, cuya segmentación puede verse fácilmente.

El principio del motor de onda de desplazamiento, fue desarrollado a principios de los años 80 del pasado siglo en Japón, y puede usarse para obtener un movimiento de rotación preciso. El estator de forma de anillo está fabricado con elementos piezoeléctricos individuales con polarizaciones alternadas, conectadas entre sí con un contacto metálico continuo. Si se aplica una tensión continua de unos 200 voltios, los elementos piezoeléctricos se estiran y se contraen de manera alternativa, deformando el anillo del estator en forma de onda. Una tensión alterna senoidal cambia las ondas de posición. Para poder crear una onda de desplazamiento el anillo se divide en dos zonas aisladas eléctricamente y estimuladas de manera separada.

El rotor, que generalmente tiene la forma de cruz, del mismo tamaño que el estator, se presiona dentro del estator mediante un anillo que siempre tiene varios puntos de contacto. El rotor está movido por la componente tangencial de la fuerza proveniente de la onda de desplazamiento. Los distintos motores prácticos realizados por varios fabricantes, alcanzan pares de motor que van desde los 0,0003 Nm hasta los 2 Nm, con diámetros del estator desde los 3 hasta los 90 mm. La velocidad de rotación está en el rango de las 2.000 vueltas por minuto (rpm), bajando hasta las 70 rpm, con frecuencias de trabajo que van desde los 650 hasta los 42 KHz.

Estos motores de onda de desplazamiento se utilizan para ajustar lentes en aparatos de enfoque automático.

Las fotografías y los textos del artículo proceden de la revista Elektor.