Che cos'è un attuatore piezoelettrico?
L'attuatore piezoelettrico è una forma di sistema elettromeccanico a microcontrollo. Si basa sull'effetto piezoelettrico con alcuni cristalli in modo tale che, quando un campo elettrico viene applicato al cristallo, crea uno stress meccanico nel suo reticolo strutturale che può essere tradotto in movimento su scala micrometrica o nanometrica. I tipi di attuatori possono variare da sistemi industriali pesanti 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 da circa 4 a 17 micron (da 0.0002 a 0.0007 pollici). Questo tipo di sistema attuatore è spesso incorporato in un estensimetro noto anche come estensimetro, che viene utilizzato per misurare livelli molto fini di contrazione ed espansione in materiali e superfici.
Esistono tre tipi generali di progetti di attuatori piezoelettrici o schemi di movimento che determinano la gamma unica di parti di attuatori piezoelettrici che compongono il movimento meccanico del dispositivo. Si tratta di attuatori cilindrici, bimorfi e unimorph o multistrato, e ciascuno ha anche una designazione di 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 a 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 a cristallo più complessa che è difficile da controllare e per la quale fabbricare sistemi.
Lo scopo per cui viene utilizzato un attuatore piezoelettrico si basa generalmente sul fatto che può avere una risposta meccanica alla forza elettrica in un intervallo di tempo di una frazione di secondo, oltre a non generare significative interferenze elettromagnetiche nel suo funzionamento. Ciò include l'uso comune dei componenti nei laser sintonizzabili e vari sensori ottici adattivi, 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 incorporato in micro-pompe per procedure come dialisi e distributori automatici di farmaci o distributori di gocce. Le arene di ricerca dipendono anche dall'attuatore piezoelettrico, ad esempio dove è un componente essenziale del microscopio a forza atomica (AFM) nel campo della nanotecnologia.
Altri campi di ricerca avanzati che utilizzano l'attuatore piezoelettrico includono lavorazioni meccaniche di precisione, controlli astronomici per telescopi, ricerca biotecnologica, ingegneria dei semiconduttori e fabbricazione di circuiti integrati. Alcuni di questi campi richiedono un attuatore piezoelettrico in grado di controllare intervalli di movimento fino al livello di 2 micron (0,0001 pollici) in un periodo di tempo inferiore a 0,001 secondi. L'attuatore piezoelettrico è un dispositivo ottimale anche per tali applicazioni perché ha diverse caratteristiche uniche tra cui un bassissimo consumo di energia, 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 utilizzato ripetutamente fino a miliardi di volte senza mostrare prove di degrado delle prestazioni.