Scaling of piezoelectric actuators: a comparison with traditional and other new technologies

Abstract

[EN] Miniaturization is not a logical trend in actuator systems. Unlike actuators, sensors intrinsically perform more efficiently upon miniaturization. This is a logical consequence of the exchange of energy in the transduction process when applying sensors: measurement ideally should not influence the system being measured, thus the minimum exchange of energy is necessary and this intrinsically leads to miniaturization. In actuators, a transduction process is likewise established but the aim is to impose a mechanical state on a system. It is of particular interest not having this state influenced by perturbations, thus there are strong requirements on power delivered by the actuator. In view of current trends towards miniaturization, it is worth inquiring how the performance of piezoelectric actuators is affected by reducing their size. We are not concerned here with the domain of micro-actuators, i.e. actuators with sizes in the micrometer range. The analysis in this paper focuses on studying how four useful parameters for describing the performance of actuators are influenced by miniaturization: resonance frequency, force density, response time (bandwidth), stroke and energy density per cycle. In so doing, the analysis is restricted to non resonant piezoelectric actuators, i.e. stack, multimorph and inchworm actuators, but reference to other piezoelectric, emerging and traditional actuators is included for comparison.

[ES] La miniaturización de los dispositivos actuadores no es una tendenca lógica de su naturaleza de operación. Al contrario que los actuadores, los sensores si presentan esta tendencia a la miniaturización fundamentada en la naturaleza de su operación: dado que en el proceso de medida el intercambio energético debe ser mínimo para no afectar el proceso de medida, cuanto menor sea el sensor menor será también su efecto sobre la medición. En el caso de los actuadores el objetivo es el opuesto, se pretende imponer el estado mecánico de un sistema y que este estado no sea perturbado por agentes externos de forma que los requisitos sobre la potencia del actuador son estrictos. En vista de la tendencia actual a la miniaturización de las aplicaciones, conviene preguntarse como se ven afectadas las características de operación de los actuadores cuando son miniaturizados. El análisis presentado en este trabajo se centra en determinar como evolucionan las características principales de los actuadores (frecuencia de resonancia, densidad de fuerza, tiempo de respuesta, máximo desplazamiento y densidad de energía por ciclo) al ser miniaturizados. El análisis se restringe a actuadores piezoelectricos no resonantes, en concreto multicapa, multimorfos y cíclicos, pero se ponen en contexto con otros actuadores piezoeléctricos, con otras tecnologías emergentes y con tecnologías tradicionales.