Cos'è un attuatore piezoelettrico?

L'attuatore piezoelettrico è una forma di sistema elettromeccanico di micro-controllo.Si basa sull'effetto piezoelettrico con alcuni cristalli in modo tale che, quando viene applicato un campo elettrico al cristallo, crea sollecitazione meccanica nel suo reticolo strutturale che può essere tradotto in movimento su una scala micrometrica o nanometrica.I tipi di attuatori possono variare da pesanti sistemi industriali che sono alimentati da una forza pneumatica o idraulica fino a piccoli attuatori piezoelettrici, che hanno una gamma di movimento molto limitata ma controllata con precisione.Un tipico attuatore piezoelettrico genererà un movimento longitudinale quando viene applicata la forza elettrica all'unità di un albero o altro collegamento meccanico con un intervallo di spostamento di circa 4 a 17 micron (0,0002 a 0,0007 pollici).Questo tipo di sistema di attuatori è spesso incorporato in un calibro di deformazione noto anche come estensometro, che viene utilizzato per misurare livelli molto fini di contrazione ed espansione nei materiali e nelle superfici.

Esistono tre tipi generali di progetti di attuatori piezoelettrici o schemi di movimento che determinano la gamma unica di parti dell'attuatore piezoelettrico che costituiscono il movimento meccanico del dispositivo.Si tratta di attuatori cilindrici, bimorfo e unimorfa o multistrato, e ognuno ha anche una designazione in modalità che dipende dal tipo di coefficiente piezoelettrico per lo stress meccanico indotto.Un attuatore multistrato a 33 modalità è progettato per generare movimento lungo il percorso del campo elettrico applicato, mentre un attuatore cilindrico a 31 modalità presenta un movimento perpendicolare alla forza elettrica.Un attuatore a 15 modalità utilizza la deformazione di taglio nel cristallo per la forza diagonale, ma non sono così comuni come altri tipi di attuatore piezoelettrico, poiché la deformazione a taglio è una reazione cristallina più complessa che è difficile da controllare e per cui produrre sistemi.

Lo scopo per il quale viene utilizzato un attuatore piezoelettrico si basa generalmente sul fatto che può avere una risposta meccanica alla forza elettrica in un periodo di tempo di una frazione di secondo, oltre a non generare una significativa interferenza elettromagnetica nel suo funzionamento.Ciò include un uso comune per i componenti nei laser sintonizzabili e vari sensori di ottica adattiva, nonché il controllo a livello micro delle valvole in cui la portata del carburante è fondamentale per la quantità di spinta generata, come nei sistemi di iniezione di carburante e nei controlli avionici.L'attuatore piezoelettrico ha anche molti usi nel campo della medicina in cui è integrato in micro-pompe per procedure come dialisi e distributori di farmaci automatizzati o distributori di gocce.Le arene di ricerca dipendono anche dall'attuatore piezoelettrico, come dove è un componente essenziale del microscopio a forza atomica (AFM) nel campo della nanotecnologia.

Altri campi avanzati di ricerca che utilizzano l'attuatore piezoelettrico includono la lavorazione di precisione, i controlli di astronomia per telescopi, la ricerca biotecnologica, nonché l'ingegneria dei semiconduttori e la produzione integrata del circuito.Alcuni di questi campi richiedono un attuatore piezoelettrico in grado di controllare i movimenti fino al livello di 2 micron (0,0001 pollici) in un periodo di tempo inferiore a 0,001 secondi.L'attuatore piezoelettrico è anche un dispositivo ottimale per tali applicazioni perché ha diverse caratteristiche uniche tra cui un consumo di energia molto basso, non genera campi magnetici e può funzionare a temperature criogeniche.Probabilmente la più grande caratteristica utile del dispositivo, tuttavia, è che si tratta di un dispositivo a stato solido che non richiede ingranaggi o cuscinetti, in modo che possa essere ripetutamente gestito fino a miliardi di volte senza mostrare prove di degrado delle prestazioni.