¿Qué es un actuador piezoeléctrico?

Los actuadores piezoeléctricos son un tipo de actuador eléctrico que utiliza el efecto piezoeléctrico para crear fuerza mecánica. Esto se hace aplicando un voltaje eléctrico a través de dos electrodos, lo que provoca la formación de un campo eléctrico. Cuando este campo se aplica a ciertos materiales, como los cristales, el material se deformará en respuesta al campo eléctrico. Esta deformación se puede utilizar para crear fuerza mecánica, que se puede aprovechar para alimentar varios dispositivos. En este artículo, discutiremos qué son los actuadores piezoeléctricos y algunas de sus aplicaciones comunes.

¿Qué es un actuador piezoeléctrico?

Consiste en un material piezoeléctrico, generalmente cerámico o polímero, intercalado entre dos placas de metal (electrodos). Cuando una corriente eléctrica pasa a través de los electrodos, el material piezoeléctrico sufre deformaciones físicas y produce una fuerza que hace que el actuador se mueva.

Los actuadores piezoeléctricos tienen varias ventajas sobre los actuadores tradicionales basados ​​en motores. Son más pequeños en tamaño y más livianos que sus contrapartes, lo que significa que requieren menos espacio para su instalación. También pueden operar en temperaturas extremas sin requerir sistemas de enfriamiento o lubricantes complejos. Además, son muy eficientes ya que se pierde muy poca energía en la producción de calor, lo que significa que requieren menos energía para funcionar. [1], [2], [3]

Tipos de actuadores piezoeléctricos

Hay varios tipos de actuadores piezoeléctricos, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. En esta sección, discutiremos algunos de los tipos más populares disponibles, que incluyen:

Actuadores de pila piezoeléctricos

Esta expansión y contracción genera un movimiento lineal, que se puede utilizar para diversas aplicaciones, como el control de válvulas o motores, el posicionamiento de elementos ópticos o la generación de vibraciones para imágenes de ultrasonido.

Los actuadores de pila piezoeléctrica ofrecen numerosas ventajas sobre las tecnologías de actuadores tradicionales, como alta densidad de fuerza, tiempos de respuesta rápidos, control de posición de precisión, bajo consumo de energía, ciclo de vida infinito (sin desgaste), amplio rango de temperaturas de funcionamiento y un diseño resistente. Además, requieren componentes externos mínimos, como controladores o amplificadores, para funcionar, ya que son elementos activos autónomos y tienen capacidades de control integradas.

Los actuadores de pila piezoeléctrica se aplican en una variedad de industrias, incluidas la automotriz, médica, robótica y aeroespacial; se pueden encontrar en robots, sistemas fluídicos, instrumentación de precisión y muchas otras aplicaciones que requieren un control de posición preciso. Ofrecen una solución ideal para aplicaciones donde se requiere alta fuerza, tiempo de respuesta rápido y precisión.

Actuadores de rayas

Los actuadores de rayas son un tipo de actuador piezoeléctrico que utiliza una forma única similar a una tira para generar una carga eléctrica cuando se aplica presión. Esta energía se puede convertir luego en un movimiento de salida, lo que la hace útil en aplicaciones como microposicionamiento y control de vibraciones. Los actuadores de banda generalmente consisten en dos o más capas paralelas de material piezoeléctrico intercaladas con electrodos en cada lado. A medida que las capas internas se expanden y contraen con la aplicación de un voltaje, hacen que todo el dispositivo (y cualquier componente adjunto) se mueva rápidamente en respuesta.

En comparación con otros tipos de diseños de actuadores piezoeléctricos, los actuadores de banda tienen varias ventajas. Requieren menos componentes externos, lo que facilita su integración en muchos tipos de sistemas. Además, su forma única permite una mayor flexibilidad en términos de rango de movimiento y velocidad. Esto hace que los actuadores de banda sean ideales para aplicaciones que requieren movimientos precisos en una amplia gama de velocidades o cargas.

Actuadores longitudinales

Un actuador longitudinal es un sistema electromecánico que utiliza un material piezoeléctrico para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Los materiales piezoeléctricos son sustancias que producen electricidad en respuesta a la aplicación de presión o tensión. Los actuadores longitudinales funcionan creando y amplificando vibraciones a lo largo del eje de su construcción, generalmente en una sola dirección. Este tipo de sistema se usa con mayor frecuencia en aplicaciones como dispositivos de diagnóstico médico, soldadura ultrasónica, automatización industrial y sistemas aeroespaciales debido a su capacidad para producir fuerzas relativamente grandes con pequeños desplazamientos y bajo consumo de energía.

Los actuadores longitudinales se componen de una pila de elementos piezoeléctricos intercalados entre dos placas de metal que forman lo que se conoce como bimorfo. Se aplica un voltaje de excitación a este conjunto, lo que da como resultado un campo de tensión que hace que la pila de actuadores vibre a lo largo de su eje longitudinal. A medida que aumenta la amplitud de la vibración, el actuador se moverá desde un extremo de su rango de movimiento (análogo a un pistón) y viceversa.

Actuadores de corte

Los actuadores de cizallamiento son un tipo de diseño de actuador piezoeléctrico que involucra el uso de dos capas piezoeléctricas que están conectadas y dispuestas en una configuración compensada. Cuando se aplica un voltaje, las dos capas se expanden a diferentes velocidades, lo que crea una fuerza de corte entre ellas. Este tipo de actuador tiene muchos beneficios debido a su diseño simple, operación confiable y alta precisión al controlar pequeños desplazamientos.

Los actuadores de cizalla se pueden utilizar en aplicaciones tales como sistemas de posicionamiento de precisión y mecanismos de control de vibraciones. Por lo general, se fabrican con materiales cerámicos o poliméricos según los requisitos de la aplicación. Las configuraciones más comunes son diseños de un solo eje o de dos ejes en los que las capas piezoeléctricas se pueden organizar para producir un movimiento lineal o giratorio según la orientación del material en capas.

Actuadores de tubo

Los actuadores de tubo son dispositivos que se utilizan para mover y controlar una variedad de componentes mecánicos. Consisten en una cámara de aire, generalmente de aluminio u otros materiales livianos, con dos cámaras de aire concéntricas. El tubo interior contiene el pistón, que está conectado a un extremo de los tubos exteriores; mientras que en el otro extremo de los tubos exteriores hay un punto de unión para una varilla o enlace que se usará para transmitir el movimiento del actuador.

Los actuadores de tubo pueden funcionar con presión de aire (neumático), fluido hidráulico, motores eléctricos o mecanismos de arranque manual. Según el tipo de aplicación, hay varios tipos disponibles, como cilindros de simple y doble efecto, actuadores lineales y rotativos, cilindros telescópicos y actuadores de piñón y cremallera. Cada tipo tiene sus propias características únicas, ventajas y desventajas que deben tenerse en cuenta al seleccionar el adecuado para una aplicación en particular.

Los principales beneficios de usar actuadores de tubo son su tamaño compacto, bajo peso, alta relación fuerza/par, movimientos rápidos y fácil instalación. También se pueden usar en espacios reducidos donde los cilindros más grandes no cabrían debido a su pequeño diámetro. Además, son muy versátiles y, a menudo, permiten una amplia gama de movimientos, como movimientos lineales o angulares.

Actuadores de contratación

Los actuadores de contracción son dispositivos mecánicos que controlan la apertura y el cierre de las válvulas de control de fluidos. Se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como controlar el flujo de agua, aceite o aire en tuberías y otros equipos industriales. Los actuadores pueden ser manuales o automatizados según la aplicación. Los actuadores manuales requieren la intervención humana para abrir y cerrar una válvula, mientras que los actuadores automáticos utilizan una señal eléctrica para hacerlo. Los actuadores automáticos se pueden clasificar en tipos eléctricos, neumáticos, hidráulicos y basados ​​en motores paso a paso.

Los actuadores varían en términos de tamaño (desde pequeñas unidades en miniatura hasta grandes modelos industriales), así como en su tipo de funcionamiento (como lineal o rotativo). La selección del actuador adecuado para una aplicación determinada dependerá de varios factores, como el par (fuerza) necesario que se aplicará, la velocidad de funcionamiento, la temperatura del medio y el entorno ambiental.

Los actuadores se utilizan en una amplia gama de industrias, incluida la producción de alimentos y bebidas, procesamiento químico, productos farmacéuticos, producción/distribución de petróleo y gas, fabricación de automóviles y servicios HVAC. Además, también se pueden utilizar para sistemas de automatización del hogar que requieran un control preciso sobre la apertura y el cierre de varias válvulas u otros dispositivos. [1], [2], [3]

Aplicaciones piezoeléctricas

Ahora que sabe qué son los actuadores piezoeléctricos, analicemos algunas de sus aplicaciones más comunes. La principal ventaja de los actuadores piezoeléctricos es que son capaces de proporcionar movimientos muy precisos, lo que les permite utilizarse en una amplia gama de aplicaciones exigentes.

Aeroespacial

Los actuadores piezoeléctricos se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial debido a su robustez y capacidad para operar con precisión en condiciones extremas. En los aviones, normalmente se utilizan como parte del sistema de piloto automático donde controlan el timón, los alerones y otros controles de vuelo. Además, se encuentran comúnmente en vehículos aéreos no tripulados (UAV) para tareas de automatización como estabilización, navegación y aterrizaje.

Medicamento

Los actuadores piezoeléctricos se han adoptado en varios Aplicaciones médicas debido a su precisión y bajos niveles de vibración. Por ejemplo, se pueden utilizar para manipular instrumentos quirúrgicos en miniatura dentro del cuerpo durante una cirugía mínimamente invasiva o para controlar los sistemas de válvulas que regulan la administración de fármacos.

Aplicaciones basadas en control de movimiento de precisión

Uno de los usos más comunes de los actuadores piezoeléctricos es en aplicaciones de control de movimiento de precisión. Estos incluyen sistemas de microposicionador, escaneo óptico y operaciones de recoger y colocar, donde el tamaño pequeño y la precisión de la actuación piezoeléctrica los convierte en opciones ideales. Además, son mucho menos costosos que otros tipos de actuadores que se utilizarían en estas aplicaciones. La capacidad de controlar con precisión la posición y la velocidad también permite su uso en robótica, equipos médicos e incluso sistemas de automatización industrial.

Aplicaciones donde se requiere fuerza o movimiento

Los procesos de fabricación de precisión, como las operaciones de mecanizado y taladrado, a menudo requieren la aplicación de una cantidad muy precisa de fuerza. Los actuadores piezoeléctricos son adecuados para satisfacer esta necesidad, lo que los hace ideales para su uso en la fabricación de semiconductores o el ensamblaje de dispositivos médicos. Además, se pueden usar en sistemas ópticos que requieren un control de posicionamiento preciso, como los que se encuentran en los microscopios.

Industria automotriz

En la industria automotriz, Los actuadores piezoeléctricos se utilizan en sistemas de seguridad como ABS (sistemas de frenos antibloqueo) y ESC (control electrónico de estabilidad). La capacidad del actuador para mover rápidamente un componente significa que puede ajustar rápidamente los frenos y otras partes de un vehículo para mantener un rendimiento óptimo. Esta tecnología también se usa en la electrónica automotriz para proporcionar un movimiento preciso de componentes como solenoides.

Industria médica

Los actuadores piezoeléctricos se pueden utilizar en la industria medica para crear movimientos de alta precisión, especialmente en aplicaciones como la cirugía robótica. Los robots médicos están diseñados para realizar cirugías complejas con un nivel de exactitud y precisión que es difícil de replicar para los cirujanos humanos. Los actuadores piezoeléctricos ayudan a estos robots a realizar ajustes increíblemente finos durante los procedimientos, lo que reduce el riesgo de complicaciones o errores.

Otros usos de la industria médica para los actuadores piezoeléctricos incluyen sistemas de administración de medicamentos, herramientas de endoscopia e incluso prótesis.

Teléfonos móviles

Otra de las aplicaciones más comunes de los actuadores piezoeléctricos es en teléfonos móviles.

Por ejemplo, cuando presiona un botón en su teléfono inteligente o activa una función tocándola con el dedo, un pequeño actuador piezoeléctrico puede ser responsable de proporcionar la retroalimentación háptica que siente. De manera similar, el sonido emitido por el altavoz de su teléfono puede provenir de su actuador piezoeléctrico incorporado.

Aeroespacial

Los actuadores piezoeléctricos son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial debido a su robustez y capacidad para operar con precisión en condiciones extremas. En los aviones, normalmente se utilizan como parte del sistema de piloto automático donde controlan el timón, los alerones y otros controles de vuelo. Además, se encuentran comúnmente en vehículos aéreos no tripulados (UAV) para tareas de automatización como estabilización, navegación y aterrizaje. [1], [2]

Ventajas de los actuadores piezoeléctricos

Las principales ventajas de los actuadores piezoeléctricos son su pequeño tamaño, precisión y respuesta de alta velocidad. Requieren energía mínima para funcionar, haciéndolos altamente eficientes, y pueden ser utilizados en una amplia gama de aplicaciones debido a su flexibilidad y robustez. Además, son relativamente económicos en comparación con otros tipos de actuadores, lo que los convierte en una opción atractiva para muchas industrias.

Pueden operar a temperaturas criogénicas, haciéndolos ideales para su uso en la exploración aeroespacial y espacial. Además, se pueden utilizar para controlar el flujo de fluidos en sistemas de microfluidos, proporcionando una forma más precisa de controlar el flujo que las válvulas o bombas tradicionales.

En general, los actuadores piezoeléctricos brindan una solución eficiente y confiable para muchas aplicaciones donde se requiere fuerza o movimiento. Son ideales para procesos de fabricación de precisión, equipos médicos y robótica, así como para aplicaciones de la industria aeroespacial y automotriz. Además, su pequeño tamaño los hace muy versátiles y adecuados para su uso en una amplia variedad de entornos industriales. Con su robustez y precisión combinadas con bajo costo y alta eficiencia, no sorprende que estos actuadores se hayan vuelto tan populares entre los ingenieros.

Respuesta rápida también es algo digno de mención, ya que los actuadores piezoeléctricos pueden reaccionar y ajustarse a los cambios en el entorno casi al instante. Esto los hace ideales para aplicaciones donde el tiempo es esencial, como la cirugía robótica médica o los sistemas ABS. Finalmente, no requieren mantenimiento y tienen una larga vida útil, lo que los convierte en una opción económica a largo plazo. [1], [2], [3]

Preguntas más frecuentes

¿Qué dispositivo utiliza piezoeléctrico?

Los dispositivos piezoeléctricos se utilizan en una variedad de aplicaciones, que incluyen imágenes médicas y diagnóstico, micromecanizado, transductores acústicos, controladores de vibración, sistemas de control de movimiento de precisión, sistemas de adquisición de datos y más. En términos generales, se utilizan en situaciones en las que se desea una alta precisión y confiabilidad.

En diagnóstico e imágenes médicas, los transductores piezoeléctricos se pueden usar para crear imágenes de ultrasonido de órganos o tejidos internos que son demasiado pequeños o profundos para que los métodos de imágenes de rayos X tradicionales los detecten. Los actuadores piezoeléctricos también se emplean para el control de vibraciones en maquinaria industrial, como centros de mecanizado y máquinas herramienta. Estos actuadores ayudan a reducir la cantidad de ruido generado por la maquinaria al tiempo que proporcionan una regulación precisa de la velocidad con una vibración mínima.

En los sistemas de adquisición de datos, los transductores piezoeléctricos se pueden usar para medir la presión, la fuerza y ​​la aceleración de objetos o líquidos en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las pruebas automotrices, la investigación biomédica y la ciencia de los materiales. Además, la tecnología se emplea a menudo para el control de movimiento preciso en sistemas microelectromecánicos (MEMS) y otros dispositivos en miniatura, como dispositivos electrónicos de consumo portátiles como teléfonos inteligentes y tabletas.

¿Cómo funciona un actuador piezoeléctrico?

Este tipo de actuador utiliza la capacidad natural de ciertos materiales, como cristales y cerámica, para producir una pequeña carga eléctrica cuando se somete a tensión mecánica. Este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico.

Los componentes básicos de un actuador piezoeléctrico incluyen un material piezoeléctrico (piezocerámica o cristal), electrodos, resortes y una carcasa/marco. Cuando se aplica una corriente eléctrica a los electrodos a ambos lados del piezoelemento, se produce un desplazamiento debido a la diferencia de carga entre ellos. Este desplazamiento crea presión sobre los resortes circundantes, que luego hacen que el actuador se mueva.

Los actuadores piezoeléctricos se utilizan en una serie de aplicaciones, como dispositivos médicos, automatización industrial, robótica e incluso sistemas de guía de misiles debido a su pequeño tamaño y alta precisión. Se pueden utilizar para un posicionamiento preciso y tiempos de respuesta rápidos. Además, requieren menos energía que los motores tradicionales, lo que los hace ideales para aplicaciones que funcionan con baterías donde el peso y el espacio son limitados.

¿Cuál es el significado de actuadores piezoeléctricos?

Los actuadores piezoeléctricos son dispositivos electromecánicos que utilizan la propiedad piezoeléctrica de ciertos materiales para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. El tipo más común de actuador piezoeléctrico es un bimorfo, que tiene dos capas de material piezoeléctrico unidas entre sí y entre dos electrodos. Cuando se aplica un voltaje eléctrico a través de los electrodos, las dos capas se expanden o contraen en direcciones opuestas, lo que da como resultado un movimiento de flexión. Este movimiento se puede utilizar para generar salidas de fuerza lineal o movimiento rotatorio dependiendo de cómo esté montado y accionado.

¿Para qué se utiliza un dispositivo piezoeléctrico?

Un dispositivo piezoeléctrico es un tipo de actuador que convierte la electricidad en energía mecánica. Se puede utilizar para accionar o mover mecanismos como motores, válvulas y bombas. Los actuadores piezoeléctricos se utilizan ampliamente en muchas industrias porque ofrecen alta precisión y tiempos de respuesta rápidos. También se pueden utilizar para aplicaciones de posicionamiento de precisión como escaneo médico o robótica.

El tipo más común de actuador piezoeléctrico es el tipo transductor, que utiliza una pila de discos cerámicos para generar un campo eléctrico cuando se le aplica voltaje. Este campo eléctrico hace que los discos cerámicos se expandan o contraigan dependiendo de la dirección de la corriente que los atraviesa. Al conectar estos discos en una serie circular, el actuador puede producir un movimiento lineal así como un movimiento de rotación.

Los actuadores piezoeléctricos también se utilizan en sistemas de amortiguación de vibraciones para reducir el ruido y mejorar la estabilidad de la maquinaria. Al utilizar transductores piezoeléctricos, estos sistemas pueden detectar cualquier vibración no deseada y luego ajustar su respuesta en consecuencia. Esto asegura que todos los componentes permanezcan estables incluso cuando están sujetos a perturbaciones de alta frecuencia.

¿Cuál es la ventaja de utilizar actuadores piezoeléctricos?

Los actuadores piezoeléctricos ofrecen varias ventajas sobre los actuadores lineales tradicionales. Son más pequeños, más livianos y requieren menos energía para operar que la mayoría de los otros tipos de motores. Tampoco generan ninguna EMI (interferencia electromagnética) que pueda causar problemas con otros componentes electrónicos. El uso de materiales piezoeléctricos también permite velocidades más altas y una mayor precisión durante la operación.

Además, estos actuadores a menudo se pueden operar en vacío o a temperaturas extremas y, al mismo tiempo, ofrecen un rendimiento confiable. Los actuadores piezoeléctricos brindan un control preciso sobre el movimiento, lo que los hace ideales para aplicaciones robóticas o equipos de laboratorio donde se deben realizar movimientos exactos. Finalmente, requieren un mantenimiento relativamente bajo en comparación con otras tecnologías de motores, ya que los principales componentes de desgaste son cerámicos, en lugar de metálicos.

Video útil: Actuadores piezoeléctricos 1

Conclusión

Los actuadores piezoeléctricos se han convertido en una parte esencial de muchas industrias en los últimos años, proporcionando una forma confiable y eficiente de mover piezas a posiciones precisas. Estos actuadores son duraderos y requieren muy poco mantenimiento, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere precisión. Los actuadores piezoeléctricos también se pueden usar en combinación con otros componentes para crear sistemas de control de movimiento complejos.

El uso de materiales piezoeléctricos está aumentando a medida que más investigaciones revelan sus diversas ventajas en diferentes campos. A medida que la tecnología continúa desarrollándose, los actuadores piezoeléctricos continuarán expandiéndose a más áreas de la industria, mejorando el rendimiento y reduciendo los costos.

Esta guía ha proporcionado información sobre qué son los actuadores piezoeléctricos y cómo funcionan. Ha destacado sus diversas aplicaciones y discutido las ventajas de utilizar materiales piezoeléctricos. Con suerte, esta guía ha brindado información útil para aquellos interesados ​​en aprender qué es un actuador piezoeléctrico y cómo se puede usar.

¡Gracias por leer! Esperamos que este artículo lo haya ayudado a comprender qué es un actuador piezoeléctrico y por qué es una parte tan importante de la industria moderna. Si tiene más preguntas o desea obtener más información, ¡no dude en comunicarse con nosotros!

Referencias

1. https://www.elprocus.com/actuador-piezoelectrico/
   

2. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuadores.html
3. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/piezoelectric-actuator