Mecanismos de Precisão e Atuadores Piezo

Mecanismos de Precisão e Atuadores Piezo-elétricos
para Controle de Deslocamentos Nanométricos(1)
Alex Sandro Pereira(2); André Roberto de Sousa(3)
Resumo Expandido
Trabalho executado com recursos do Edital PIPICIT da Pró-Reitoria de Pesquisa do IFSC
(2)
Acadêmico do Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial do IFSC - Campus Florianópolis
(3)
Professor do Departamento de Metal Mecânica do do IFSC - Campus Florianópolis
(1)
RESUMO: Este resumo extendido apresenta os resultados parciais de uma pesquisa em desenvolvimento
em que atuadores piezoelétricos de baixo custo foram combinados com mecanismos flexíveis de alta
precisão para comandar deslocamentos sub micrométricos. Após pesquisar o comportamento de atuadores
piezo de baixo custo e analisar modelos de mecanismos flexíveis (flexures) de precisão, foi projetado um
conjunto atuador para realizar deslocamentos de magnitude nanométrica.
Palavra Chave: Nanotechnology. Piezoelectric. Flexures.
CONTROLE DE MOVIMENTO EM
SISTEMAS DE ULTRA PRECISÃO
A era da nanotecnologia é grandemente
dependente de sistemas de ultra-precisão que
consigam controlar movimentos nesta ordem e,
nesta escala dimensional, pequenos detalhes nas
características dos materiais, na concepção e
construção de mecanismos, no desempenho de
sensores e de atuadores assumem proporções
imensas (Hsu, 2008).
Nesse contexto, atuadores piezoelétricos e
mecanismos flexíveis têm sido empregados como
uma alternativa eficiente no controle de
deslocamentos tão pequenos. Como principais
vantagens podem ser destacadas: Elevada
sensibilidade na relação estímulo resposta, com alta
reposta dinâmica; Ausência de atrito entre partes
móveis e estabilidade com o tempo; Capacidade de
deslocamento submicrométricos, dentre outros.
A capacidade de controlar movimentos da
ordem de nanometros (10-9 m) é um requisito para
expandir tecnologias de ultra-precisão em diversas
áreas. Nesta escala imperfeições desprezíveis em
sistemas mecânicos comuns assumem um nível de
influência muito grande. A figura 1 ilustra de modo
comparativo algumas dimensões usuais do nosso
dia a dia com os requisitos de precisão de sistemas
empregados na era da nanotecnologia.
Sistemas a laser empregados em cirurgias
oftalmológicas,
por
exemplo,
empregam
micromecanismos para direcionar o feixe de laser
para operar os olhos dos pacientes. O micro
deslocamento de espelhos tem que ser feito com
extrema rapidez e exatidão, sob pena de problemas
cirúrgicos. Este é somente um dos casos que
podem ser citados como dependentes das
tecnologias modernas de ultraprecisão.
Célula do Sangue
(~0,007 mm)
Fio de cabelo
(~0,05 mm)
1 micrometro
(0,001 mm)
1 nanometro
(ampliado
1000 vezes)
Figura 1 - Escala comparativa de dimensões
ATUADORES PIEZOELÉTRICOS E
MECANISMOS FLEXÍVEIS
Para o acionamento e controle de micro
movimentos é necessário atuadores com a
capacidade provocar deslocamentos extremamente
pequenos nos mecanismos, com baixa histerese e
alta velocidade de resposta, e influências térmicas
mínimas (figura 2). Em muitas das aplicações são
empregados atuadores piezoelétricos (Doebelin,
2003).
Figura 2 - Atuadores piezoelétrico com Mecanismos
flexíveis comercialmente disponíveis
Estes atuadores são compostos por um
material com a capacidade de se expandir quando
submetido a uma tensão elétrica. Para que a
movimentação gerada ocorra de maneira eficiente
há a necessidade de mecanismos de precisão com
concepção mecânica que minimizem folgas e
atritos, dois dos grandes problemas em
micromecanismos.
adequado para se aprofundar na sua utilização
prática. A pequena capacidade de deslocamento
forçou que se desenvolvesse um dispositivo com
vários atuadores em série, em um arranjo mecânico
multi camadas. Os testes também revelaram uma
particularidade na resposta dos atuadores, ou seja,
cada um possui, um tipo de resposta próprio, sendo
necessário uma calibração individualizada.
Neste sentido, a utilização de mecanismos
flexíveis (flexures) tem sido muito frequente em
aplicações que requerem a movimentação em
pequenos cursos (Smith, 2000). Atrito e folgas
desprezíveis, alta repetibilidade no posicionamento
e alta rigidez são algumas de suas características.
DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE
ATUADORES PIEZOELÉTRICOS
Motivado
por
estas
características
operacionais
dos
materiais
piezoelétricos,
pesquisou-se a utilização de atuadores de baixo
custo, disponíveis comercialmente na forma de
discos de cobre revestidos com cerâmica,
conhecidas como piezo buzzer. Para avaliar o
comportamento destes dispositivos, montou-se uma
bancada de testes composta de sistemas de
alimentação elétrica para estimular o piezo
composto de uma fonte de tensão e um gerador de
funções.
Para avaliar a resposta do piezo, empregouse um sistema de medição de deslocamentos da
empresa alemã Heindenhain, com a capacidade de
resolução nanométrica. Com este aparato
experimental, foram avaliados diversos atuadores,
excitando-os com a fonte de tensão e medindo o
seu deslocamento resultante (figura 3).
Figura 3 - Bancada de testes e
Figura 4 - Resposta típica de atuadores
piezoelétricos avaliados
PROJETO DE PROTÓTIPO DE MICROATUADOR
Após avaliar o comportamento do atuador
piezoelétrico foram pesquisados diversos modelos
de mecanismos flexíveis que pudessem ser
acoplados ao atuador para compor um módulo de
deslocamento com a capacidade de controle de
deslocamentos em escala sub micrométrica.
Diversas concepções de mecanismo foram
analisadas, chegando-se algumas configurações
que aliam eficiência operacional com viabilidade de
fabricação com os meios disponíveis no IFSC. A
figura 4 ilustra um mecanismo de molas paralelas
com capaz de realizar movimentos verticais quando
acionado pelo atuador piezo, e outro mecanismo
composto por alavancas em série capazes de
amplificar o movimento do atuador. Em comum
estes mecanismos possuem a capacidade de
realizar deslocamentos de baixa magnitude sem
atrito e com excelente repetibilidade. Os
mecanismos estão em fase de construção e
montagem e os resultados experimentais que
demonstrem suas qualidades serão apresentados
em artigos futuros.
Molas paralelas
O comportamento típico dos dispositivos pode
ser observado no gráfico na figura 4, onde se
percebe uma boa sensibilidade ao deslocamento e
uma característica de histerese típica destes
atuadores. O deslocamento máximo com um único
atuador sob a tensão de 30 V ficou próximo a 0,005
mm ou 5000 nm. Os muitos testes realizados
revelaram alta capacidade dinâmica e boa
estabilidade temporal. No entanto, a histerese
presente no atuador requer um tratamento
Alavancas em série
Figura 4 - Mecanismos flexíveis projetados
CONCLUSÕES
Este trabalho de pesquisa, apoiado pelo edital
universal de pesquisa do IFSC, explora alternativas
de baixo custo para aplicação no comando e
controle de movimentos em escala micrométrica.
Estão sendo pesquisados atuadores piezoelétricos
de baixo custo, avaliando-se a sua resposta em
deslocamento frente a excitação elétrica. Os testes
até o momento revelam boa capacidade destes
atuadores em efetuar deslocamentos até 0,005 mm,
no entanto com alta histerese típica dos materiais
piezo.
Este comportamento faz com que a utilização
destes atuadores para controle de movimentos
necessite de sensores de posicionamento para
realizado o controle em malha fechada. Estão
sendo pesquisados sensores capacitivos para esta
função, sendo buscadas alternativas de custo viável
para a atual pesquisa. Devido a esta baixa
capacidade de deslocamento, projetou-se um
atuador composto por diversos piezoelétricos em
série compondo um atuador piezo multicamadas.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio do CNPq e da
Pro Reitoria de Pesquisa, Pós-graduação e
Inovação do IFSC pelo apoio na realização desta
pesquisa.
REFERÊNCIAS
Hsu, Tai Ran. MEMS & Microsystems: Design,
Manufacture, and Nanoscale Engineering. Ed.
Wiley, 2008 ISBN-10: 0470083018.
Doebelin, E. Measurement Systems : Application
and Design. ISBN: 007292201X. McGraw-Hill,
2003.
Smith. S. Flexures: Elements of Elastic
Mechanisms. ISBN-10: 9056992619. CRC Press,
2000.