Un motor piezoeléctrico o piezomotor es un tipo de motor eléctrico basado en el cambio de forma de un material piezoeléctrico cuando se aplica un campo eléctrico , como consecuencia del efecto piezoeléctrico inverso. Un circuito eléctrico produce vibraciones acústicas o ultrasónicas en el material piezoeléctrico, más a menudo zirconato titanato de plomo y ocasionalmente niobato de litio u otros materiales monocristalinos , que pueden producir un movimiento lineal o rotatorio según su mecanismo. [2] Los ejemplos de tipos de motores piezoeléctricos incluyen motores de gusano , motores paso a paso y motores deslizantes, así como motores ultrasónicos que pueden clasificarse además en motores de ondas estacionarias y motores de ondas viajeras. Los motores piezoeléctricos suelen utilizar un movimiento paso a paso cíclico, que permite que la oscilación de los cristales produzca un movimiento arbitrariamente grande, a diferencia de la mayoría de los otros actuadores piezoeléctricos donde el rango de movimiento está limitado por la tensión estática que puede inducirse en el elemento piezoeléctrico.
El crecimiento y la formación de cristales piezoeléctricos es una industria bien desarrollada , que produce una distorsión muy uniforme y consistente para una diferencia de potencial aplicada dada . Esto, combinado con la escala diminuta de las distorsiones, le da al motor piezoeléctrico la capacidad de realizar pasos muy finos. Los fabricantes afirman que la precisión alcanza la escala nanométrica . La alta tasa de respuesta y la rápida distorsión de los cristales también permiten que los pasos se produzcan a frecuencias muy altas, superiores a 5 MHz . Esto proporciona una velocidad lineal máxima de aproximadamente 800 mm por segundo, o casi 2,9 km/h.
Una característica única de los motores piezoeléctricos es su capacidad de funcionar en campos magnéticos intensos. Esto amplía su utilidad a aplicaciones en las que no se pueden utilizar motores electromagnéticos tradicionales, como el interior de antenas de resonancia magnética nuclear . La temperatura máxima de funcionamiento está limitada por la temperatura de Curie de la cerámica piezoeléctrica utilizada y puede superar los +250 °C.
Las principales ventajas de los motores piezoeléctricos son la alta precisión de posicionamiento, la estabilidad de la posición cuando no reciben alimentación y la posibilidad de fabricarlos en tamaños muy pequeños o con formas inusuales, como anillos finos. Las aplicaciones habituales de los motores piezoeléctricos incluyen sistemas de enfoque en lentes de cámaras, así como el control de movimiento de precisión en aplicaciones especializadas, como la microscopía.
Los motores ultrasónicos se diferencian de otros motores piezoeléctricos en varios aspectos, aunque ambos suelen utilizar algún tipo de material piezoeléctrico. La diferencia más obvia es el uso de resonancia para amplificar la vibración del estator en contacto con el rotor en los motores ultrasónicos.
En general, existen dos formas diferentes de controlar la fricción a lo largo de la interfaz de contacto entre el estator y el rotor: la vibración de onda viajera y la vibración de onda estacionaria . [3] Algunas de las primeras versiones de motores prácticos de la década de 1970, por ejemplo, de Sashida, utilizaban la vibración de onda estacionaria en combinación con aletas colocadas en ángulo con respecto a la superficie de contacto para formar un motor, aunque uno que rotara en una sola dirección. Los diseños posteriores de Sashida e investigadores de Matsushita , ALPS, Xeryon y Canon hicieron uso de la vibración de onda viajera para obtener un movimiento bidireccional y descubrieron que esta disposición ofrecía una mejor eficiencia y un menor desgaste de la interfaz de contacto. Un motor ultrasónico de "transductor híbrido" de par excepcionalmente alto utiliza elementos piezoeléctricos con polos circunferenciales y axiales juntos para combinar la vibración axial y torsional a lo largo de la interfaz de contacto, lo que representa una técnica de accionamiento que se encuentra en algún lugar entre los métodos de accionamiento de onda estacionaria y viajera.
El motor de gusano utiliza cerámica piezoeléctrica para impulsar un estator mediante un movimiento similar al de un andador. Estos motores piezoeléctricos utilizan tres grupos de cristales: dos "de bloqueo" y uno "motriz" que se conecta permanentemente a la carcasa del motor o al estator (no a ambos). El grupo motriz, intercalado entre los otros dos, proporciona el movimiento.
El comportamiento sin alimentación de este motor piezoeléctrico es de dos opciones: "normalmente bloqueado" o "normalmente libre". Un tipo normalmente libre permite el movimiento libre cuando no recibe alimentación, pero puede bloquearse aplicando un voltaje.
Los motores de gusano pueden lograr un posicionamiento a escala nanométrica variando el voltaje aplicado al cristal motor mientras un conjunto de cristales de bloqueo está activado.
El proceso de accionamiento del motor de gusano es un proceso cíclico de varios pasos: [2]
No debe confundirse con el motor paso a paso electromagnético de nombre similar , estos motores son similares al motor de gusano, sin embargo, los elementos piezoeléctricos pueden ser actuadores bimorfos que se doblan para alimentar el control deslizante en lugar de usar un elemento de expansión y contracción separado. [4]
El mecanismo de los motores deslizantes se basa en la inercia combinada con la diferencia entre la fricción estática y dinámica. La acción de avance por pasos consta de una fase de extensión lenta en la que no se supera la fricción estática, seguida de una fase de contracción rápida en la que se supera la fricción estática y se cambia el punto de contacto entre el motor y la pieza móvil.
El motor piezoeléctrico de accionamiento directo crea movimiento mediante vibración ultrasónica continua. Su circuito de control aplica una onda cuadrada o sinusoidal de dos canales a los elementos piezoeléctricos que coincide con la frecuencia de resonancia de flexión del tubo roscado, que normalmente es una frecuencia ultrasónica de 40 kHz a 200 kHz. Esto crea un movimiento orbital que impulsa el tornillo.
Un segundo tipo de motor, el motor de giro, utiliza elementos piezoeléctricos unidos ortogonalmente a una tuerca. Sus vibraciones ultrasónicas hacen girar un tornillo de avance central.
Se pueden fabricar motores paso a paso de acción simple muy simples con cristales piezoeléctricos. Por ejemplo, con un eje-rotor duro y rígido recubierto con una capa delgada de un material más blando (como una goma de poliuretano ), se puede disponer una serie de transductores piezoeléctricos en ángulo (véase la figura 2). Cuando el circuito de control activa un grupo de transductores, estos empujan el rotor un paso. Este diseño no puede lograr pasos tan pequeños o precisos como los diseños más complejos, pero puede alcanzar velocidades más altas y es más económico de fabricar.
La primera patente estadounidense que describe un motor accionado por vibración puede ser "Método y aparato para suministrar energía vibratoria" (Patente estadounidense n.º 3.184.842, Maropis, 1965). La patente de Maropis describe un "aparato vibratorio en el que las vibraciones longitudinales en un elemento de acoplamiento resonante se convierten en vibraciones torsionales en un elemento terminal resonante de tipo toroidal". Los primeros piezomotores prácticos fueron diseñados y producidos por V. Lavrinenko en el Laboratorio de Piezoelectrónica, a partir de 1964, Instituto Politécnico de Kiev , URSS. Otras patentes importantes en el desarrollo temprano de esta tecnología incluyen: