Los actuadores piezoeléctricos amplificados son actuadores específicos que utilizan materiales piezoeléctricos como material activo y tienen un diseño específico para superar las limitaciones tradicionales de los actuadores piezoeléctricos directos clásicos, [1] la carrera limitada. Como los materiales piezoeléctricos clásicos tienen una deformación del 0,1%, es prácticamente imposible alcanzar una carrera significativa sin amplificación de desplazamiento (un desplazamiento de 1 mm requeriría 1 metro de material piezoeléctrico). La solución para alcanzar una carrera de rango medio es utilizar un sistema de amplificación.
El principio se basa en la deformación de una carcasa elíptica para amplificar la deformación cerámica. La pila de cerámica está alineada con el eje mayor de la elipse . Una pequeña deformación del eje mayor crea un gran desplazamiento del eje menor. La relación de amplificación puede alcanzar típicamente 20 veces, lo que significa que estos actuadores pueden alcanzar carreras de 1 mm.
El objetivo de la carcasa elíptica no es solo amplificar el desplazamiento, sino también aplicar la pretensión correcta al material piezoeléctrico para permitir un movimiento dinámico y preciso. La otra ventaja es que este tipo de actuador flexotencional es muy fiable.
La amplificación del desplazamiento también se puede lograr mediante el uso de puntales rígidos conectados por cojinetes de flexión . Esta separación permite geometrías invertidas, lo que permite la contracción o expansión de la salida incluso si el movimiento dominante del piezo es la expansión. [2] Los actuadores de este tipo pueden tener una carrera de 2 mm.
En los amplificadores con forma de diamante, el uso de cuatro cristales piezoeléctricos en lugar de uno aumenta el control del movimiento, en particular en caso de cambios de temperatura. Más elementos impulsores generan más fuerza con un desplazamiento similar. [3]
Otro método para amplificar el movimiento piezoeléctrico es utilizar un brazo de palanca, que puede ser un mecanismo de amplificación primario o secundario, y puede utilizarse para generar desplazamientos con un aumento de 10 a 40 veces. El método de amplificación del brazo de palanca se utilizó como actuador piezoeléctrico amplificado en la década de 1980 como un elemento de impresora de impacto piezoeléctrico por T. Yano et al. de EM Precicison Technologies Ltd. (posteriormente rebautizada como Mechano Transformer Corporation). [4] Más tarde, la empresa introdujo otro tipo de mecanismo de amplificación secundario mediante el uso del brazo de palanca y la hoja de resorte. Con esta combinación, la relación de amplificación puede alcanzar más de 10 veces. [5] [6] [4] [7]
Los actuadores piezoeléctricos, y especialmente los actuadores piezoeléctricos amplificados, se han estudiado y utilizado históricamente en aplicaciones aeroespaciales. La NASA , por ejemplo, estudió y probó sus propios actuadores para aplicaciones criogénicas. [8] Otras organizaciones como la ESA o la ISRO también están estudiando este tipo de soluciones. El interés de la industria espacial en los actuadores piezoeléctricos amplificados se debe a la alta densidad de potencia de estos actuadores, la alta precisión de posicionamiento, la alta confiabilidad y las bajas pérdidas de potencia cuando se utilizan en operaciones cuasiestáticas .
Los actuadores piezoeléctricos amplificados no tienen partes deslizantes debido a las bisagras flexibles y no requieren lubricación. El rendimiento sin lubricación es importante para la criogenia , donde los lubricantes tradicionales pueden congelarse, y para aplicaciones de vacío, donde los lubricantes pueden desgasificar o atrapar gases atmosféricos.
Los actuadores piezoeléctricos también pueden fabricarse con materiales no magnéticos, lo que permite su uso en máquinas de resonancia magnética .
El control de las palas del rotor de un helicóptero mediante flaps activos se ha investigado durante algún tiempo sin que se haya llevado a cabo una producción. La tecnología más utilizada es el actuador piezoeléctrico amplificado. [3]