4.7 Attuatori piezoelettrici
Sottoponendo a tensione un piezoelettrico questo si deforma e converte energia elettrica in energia meccanica funzionando pertanto come motore. Singoli fogli di pzt possono essere utilizzati sfruttandone le deformazioni per produrre movimento nel senso dello spessore o della lunghezza (o larghezza). Accoppiando due fogli si ottengono elementi pzt più versatili in quanto possono essere usati come i monostrato oppure vi si può indurre una flessione deformando diversamente gli strati: tali oggetti sono infatti solitamente detti “bender”1.
Un’altra frequente forma per gli attuatori pzt è lo stack (catasta, colonna) in cui sottili elementi di materiale pzt sono sovrapposti in modo da sommare i minimi spostamenti ottenibili da ognuno in uno spostamento risultante più consistente.
Attuatori monostrato
Sono fogli di pzt sulle cui facce è posto uno strato conduttore che funge da elettrodo per il collegamento con il circuito elettrico che ne comanda le deformazioni. A seconda della direzione di polarizzazione si distinguono motori longitudinali (la deformazione ha la direzione del campo elettrico applicato) e trasversali (il più frequente caso complementare: la deformazione avviene trasversalmente al campo elettrico). Nel primo caso si tratta di deformazioni dell’ordine della decina di manometri, nell’altro si raggiunge la diecina di micron.
Figure 1: motore longitudinale (d33)
Figure 2: motore trasversale (d31)
Attuatori multistrato
I bender possono flettersi, espandersi o svergolare a seconda della polarizzazione e del collegamento elettrico fra gli strati. Oltre agli strati conduttivi e di ceramica pzt, è presente uno strato mediano di materiale che ne costituisce un irrigidimento.Un multistrato si comporta come un monostrato quando entrambi i fogli si fanno espandere o contrarre insieme. Normalmente in questa modalità si induce una deformazione lungo una sola direzione del piano; le deformazioni sono dell’ordine della decina di micron e le forze vanno dalla decina al centinaio di N. L’uso più frequente dei multistrato è certamente il bender vero e proprio, nel quale uno strato viene fatto contrarre mentre l’altro si espande.
La versatilità di tale esecuzione rende i bender una configurazione adattabile a molte situazioni.
Collegamenti in serie e in parallelo
Gli strati pzt sono collegati elettricamente in serie se la tensione è applicata attraverso tutti gli strati come se le facce esterne del laminato fossero le armature del condensatore. In questo caso le tensioni attraverso i singoli strati si sommano per otenere quella totale:
Il collegamento in parallelo prevede l’alimentazione separata dei layer, necessita perciò di tre fili per l’alimentazione, uno dei quali viene collegato allo spessore centrale che pertanto deve essere di materiale conduttore. Rispetto alla esecuzione in serie, un multistrato collegato in parallelo richiede un voltaggio dimezzato.
Ulteriore differenziazione è data dalla configurazione di polarizzazione:
si dice polarizzazione X il caso in cui i vettori polarizzazione nei due strati puntano l’uno verso l’altro (a formare una X):
La polarizzazione Y è quella in cui i vettori polarizzazione puntano nella stessa direzione:
