ES2212275T3 - Dispositivo de accionamiento piezoelectrico. - Google Patents
Dispositivo de accionamiento piezoelectrico.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN ACCIONADOR CONTROLADO ELECTRICAMENTE QUE COMPRENDE, COMO MINIMO, DOS HOJAS COPLANARES FORMADAS POR EMBUTICION DE UNA CHAPA EN U. LA EXTREMIDAD DE UNA DE LAS HOJAS (60) SE UTILIZA COMO MONTURA PARA EL ACCIONADOR, SIRVIENDO LA EXTREMIDAD DE LA OTRA HOJA (85) DE SUPERFICIE DE ACCIONAMIENTO. SE FIJA UN MATERIAL PIEZOCERAMICO A LAS SUPERFICIES OPUESTAS DE LAS DOS HOJAS CON EL FIN DE HACER FLEXIONAR LA SUPERFICIE DE ACCIONAMIENTO RESPECTO A LA SUPERFICIE FIJA. LA INVENCION SE REFIERE A UN RELE ELECTRICO O A UN DISPOSITIVO DE CORRIENTE RESIDUAL QUE INTEGRA ESTE ACCIONADOR.
Description
Dispositivo de accionamiento piezoeléctrico.
Se conoce el uso de construcciones piezocerámicas
para la producción de movimiento pequeño de alta precisión y
seguridad. El factor limitador en aplicaciones más amplias es que
el nivel de movimiento es generalmente menor de lo que pueden
soportar la mayor parte de las tolerancias de fabricación de costo
bajo y medio. El uso de maquinado de precisión también hace que los
dispositivos sean prohibitivamente caros y así estén limitados a
usos de mayor valor añadido.
El movimiento de los dispositivos piezocerámicos
se puede incrementar mediante la utilización de estructuras de
capas múltiples, pero hay pérdidas de eficiencia significativas
entre cada capa y la ganancia en movimiento es desproporcionada a
costa de la fuerza. Para aplicaciones tal como señales y reflexión
de luz el uso de capas muy finas puede crear movimiento
considerable, pero este acercamiento es inaceptable para mecanismos
que tienen que superar rozamiento y otras fuerzas, puesto que los
elementos finos se distorsionan bajo carga y así pierden su efecto.
El uso de articulaciones amplificadoras rígidas no es aceptable
porque las pérdidas en los pivotes son grandes en comparación con
el movimiento inicial del componente flector. Por lo tanto, el reto
es amplificar el movimiento sin perder potencia y combinar el
movimiento y la función de liberación con el mínimo de pivotes y
articulaciones asociadas. Además, para ofertar mecanismos
comercialmente viables, el dispositivo general debe ser compacto y
robusto.
Según la presente invención reivindicada en la
reivindicación 1 se facilita un accionador de dos hojas construido
con dos piezas cerámicas para crear una deflexión significativa de
una cara operativa dentro de una construcción metálica y cerámica
monocapa.
Para que la presente invención se entienda más
fácilmente, ahora se describirá una realización de la misma a modo
de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en los que:
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de
un accionador según la presente invención.
Las figuras 2A-2C muestran el
accionador de la figura 1 en diferentes condiciones de
accionamiento.
Las figuras 3A y 3 B muestran diagramas básicos
para explicar un uso preferido del accionador de la figura 1.
Las figuras 4A a 4D muestran diagramáticamente el
uso preferido del accionador de la figura 1.
Las figuras 5A a 5C muestran en perspectiva
varios componentes utilizados en la realización de la figura 4.
La figura 6 muestra una vista en perspectiva de
otra forma de accionador según la presente invención.
Las figuras 7A a 7B muestran un uso de un
accionador según la presente invención.
La figura 8 muestra un uso para una pluralidad de
accionadores según la presente invención.
Y la figura 9 muestra una construcción para una
pluralidad de accionadores según la presente invención.
Con referencia a la figura 1, se facilita un
elemento de accionamiento generalmente plano (5), compuesto de dos
hojas dispuestas en forma de U. Cada una de las hojas del
accionador incluye una porción de flexión (10) y una porción rígida
(15). La porción rígida se puede hacer alterando el grosor del
material, plegando bordes como se representa o por el relieve de un
perfil de refuerzo, lo que se prefiera. Las porciones de flexión se
representan paralelas, pero se pueden inclinar para lograr otros
movimientos. A cada porción de flexión (10) se adhiere por otro
método adecuado una pieza de material piezocerámico (12, 13),
conectada a un suministro adecuado, que será típicamente capaz de
descargar un pulso corto de un voltaje justo suficiente para hacer
que el material se contraiga, pero no suficiente para hacer que se
violen las propiedades dieléctricas. En términos de la tecnología
cerámica corriente, el voltaje de descarga máximo está entre 500 y
1000V por mm de material.
Los materiales piezocerámicos reciben una carga
eléctrica durante la fabricación, un proceso llamado inversión de
conductores. Como resultado de este proceso, las moléculas ovoides
del material responden a un campo eléctrico y se alinean en una
dirección. En consecuencia, la dimensión del material cambia bajo
el voltaje aplicado con respecto a cuando no hay voltaje y las
moléculas se orientan aleatoriamente. Una pieza sustancialmente
plana de material, que tiene considerablemente mayor longitud que
anchura y mayor anchura que fondo, se alargará en tales
condiciones. Fijando porciones planas de estos materiales a una
base estable, tal como una tira de metal, la extensión y contracción
se convierte en una curvatura exactamente de la misma forma que un
bimetal termostático cuyo uso es conocido. La cerámica se adhiere al
anverso de la primera parte de flexión (12) y al reverso de la
segunda parte de flexión (13) porque de esta forma la flexión es
acumulativa.
En la realización representada, la polaridad de
cada pieza es tal que el mismo polo para cada una toque la hoja, de
manera que la hoja, cuando se haga de material conductor, pueda
actuar como un polo para el proceso de carga y descarga. Las caras
exteriores de las rodajas son así también de la misma polaridad y
se pueden enlazar eléctricamente, si se desea. Mediante esta
disposición, las piezas cerámicas se expandirán y contraerán juntas
en proporción al voltaje a través de ellas y su polaridad.
La porción de flexión del accionador opera como
sigue, con referencia a las figuras 2A a 2C que son vistas
laterales diagramáticas del dispositivo mostrado en la figura
1.
El accionador se fija en el punto (60) a una
superficie inmóvil adecuada. En la figura 2A las porciones de
accionamiento se representan no energizadas, mientras que en la
figura 2B se aplica voltaje al primer elemento de flexión para hacer
que se curve bajo la contracción de la cerámica. El desplazamiento
en el extremo de la sección de curva es amplificado por la sección
rígida para crear un desplazamiento inicial (d1). Dado que la
segunda porción de flexión del accionador está conectada
rígidamente a la primera por la sección de seno (35), asume el
mismo ángulo que el extremo de la viga de la primera porción, de tal
manera que la parte recta esté en un tangente al radio de
curvatura. En la figura 2C, ahora se aplica el mismo voltaje a la
segunda rodaja cerámica, haciendo que esta pata también se curve.
Dado que la cerámica de la segunda pata está en el otro lado del
montaje, las dos distorsiones se suman, creando un desplazamiento
final (d2) del extremo libre (85) de la U que es doble que el de
una pata única. Las variaciones de las relaciones de longitud pueden
crear diferentes equilibrios de fuerza y desplazamiento para
adecuación a aplicaciones específicas.
El proceso antes descrito no crea un movimiento
absoluto, sino uno relativo, siendo un cambio de rigidez del
conjunto de viga general. El punto de inicio y fin del extremo
libre (85) lo dicta así la carga inicial en el plano de deflexión.
Cambiar la carga hará que la viga se flexione. Para lograr
consistencia dentro de las tolerancias de fabricación, el accionador
se debe cargar perpendicular a la dirección de deflexión.
El montaje más simple es el representado en las
figuras 3, 3A y 3B, por lo que hay una articulación pivotante (27)
cuya longitud es tal que cuando el accionador (5) esté en su estado
no excitado, forme un elemento de compresión para crear una viga
soportada simplemente, con una carga (29) como se representa en la
figura 3A. A la excitación, la punta se aleja del extremo de la
viga, permitiéndole girar alrededor del pivote (28), como se
representa en la figura 3B. Esta construcción funciona, pero tiene
la desventaja de ser voluminosa, colocándose los componentes
perpendiculares entre sí.
Para reducir el volumen general de un mecanismo,
se representa una disposición diferente en las figuras 4A a 4D. Como
se representa en estas figuras, se ha dispuesto un disparador (90).
El disparador (90) tiene un eje (71) hecho de cualquier forma
adecuada, un diente de trinquete (73) que es concéntrico con el eje
y una cara de gatillo (74) que también es concéntrica con el
eje.
El eje (71) está conectado a una primera viga
montada sobre resorte (30) que es empujada a la posición A por una
fuente de energía adecuada tal como un muelle (78) o flexión
inherente del material. Se denominará posición A DESCONEXIÓN.
Se ha dispuesto una segunda viga montada sobre
resorte (41) que tiene un empuje por muelle más fuerte (42) que la
primera viga (30) que opera en la dirección contraria. Si las dos
vigas están unidas pivotantemente pasando mediante la posición
representada en la figura 4B, la fuerza resultante de los muelles
pondrá la viga pivotante (30) en la posición B representada en la
figura 4C, que se denominará CONEXIÓN. El segundo brazo (41) tiene
como parte de su construcción un diente de retención (75), colocado
de manera que pase por debajo del diente de trinquete (73) en el
disparador, como se ve en la figura 4B.
Un accionador piezocerámico (5) tal como el
representado en la figura 1 está fijado a la segunda viga montada
sobre resorte (41) de tal manera que sea radial al pivote de la
segunda viga, tangencial al eje del eje, apuntando su extremo libre
(85) en dirección contraria al centro de rotación de la viga. En la
configuración representada en la figura 4C el diente de retención
(75) está delante del eje del disparador y la punta de accionador
está detrás de él de tal manera que el diente de retención imparta
una rotación que ejerce una fuerza de compresión sobre la punta de
accionador. La construcción del accionador es tal que dicha fuerza
sea demasiado pequeña para flexionar o pandear las patas de
accionador.
En la figura 4A, la viga pivotante está libre del
brazo (41) y así es empujada a la posición DESCONEXIÓN. El
disparador es empujado por medio de un muelle de manera que sea
ampliamente perpendicular a la viga pivotante. Alternativamente, el
disparador puede estar provisto de caras excéntricas auxiliares que
lo hacen girar a posición cuando se aproxima a la condición de la
figura 4B.
En la figura 4B, el segundo brazo se presiona
hacia abajo de alguna manera convencional por ejemplo con la mano u
otra fuerza motriz (51) hasta que el diente de retención (75) pasa
sobre el diente de trinquete del disparador (73). La distancia
radial de la cara de gatillo del eje es mayor que la distancia
radial del eje de disparador en la punta del accionador (85) en esta
posición. Al llegar al punto de enganche donde el diente de
trinquete ha pasado completamente por el diente de retención, el
disparador gira y la punta del accionador cae contra la cara de
gatillo 74, evitando su rotación para rodar sobre el diente de
retención en su recorrido hacia arriba.
A la liberación de la fuerza motriz usada para
poner los dos brazos en enganche, la fuerza elástica del segundo
brazo empuja ambos brazos hacia arriba en una acción
paralelográmica, dado que el disparador es incapaz de girar debido a
la presencia del accionador contra la cara de gatillo. La primera
viga está ahora en la posición CONEXIÓN. Esto se representa como la
figura 4c.
El mecanismo se libera en la figura 4D por la
distorsión del accionador 5 que es suficiente para hacer que la
punta (85) del accionador salga de la cara de gatillo (74),
dejando que el trinquete de disparador (73) gire alejándose del
diente de retención (75) y el mecanismo se aplaste.
Aunque los diagramas muestran porciones de pivote
y rígida convencionales, esto es a modo de ilustración solamente. La
figura 5A muestra cómo el accionador (5), la cara de liberación
(85), el muelle "activado" (42) y el diente de retención (75)
se pueden formar a partir de una sola pieza estampada de lámina
metálica, mientras que la figura 5B muestra que la primera viga
(30) y su función de muelle (78) se pueden formar de otro
componente único.
En el uso de tal dispositivo a efectos de
protección eléctrica, la viga pivotante pueden ser dos vigas
conductoras únicas enlazadas por un puente aislante al que está
conectado el disparador, proporcionando unos medios convenientes de
abrir y cerrar los contactos, como se representa en la figura 5C,
teniendo los contactos móviles (33) en la primera viga (30) y los
contactos fijos (34) formados en una parte no móvil según sea
apropiado, incluyendo una placa de circuitos o la pieza moldeada
que soporta las partes rígidas para el mecanismo propiamente
dicho.
Por la introducción de un ángulo tangente en la
interface entre el accionador piezocerámico (5) y la cara de gatillo
(85) es posible hacer el montaje inherentemente inestable, de tal
manera que se deba aplicar potencia a los componentes
piezocerámicos para reforzar la viga y poder reposicionar el
dispositivo.
El dispositivo mostrado en la figura 1 se puede
hacer más rígido incrementando el número de dientes o patas, como
se representa en la figura 6.
Como en el caso del dispositivo mostrado en la
figura 1, el accionador se forma como una pieza estampada de lámina
metálica o material rígido similar. Se utilizan los mismos números
de referencia para designar partes idénticas o similares en la
figura 1 y 6 y así no se expondrá una descripción detallada. Baste
decir que la cara de extremo 85 se forma como una pared de extremo
de una estructura rectangular cuyas paredes laterales se forman por
dos lengüetas 62 cuya pared de extremo opuesto se refuerza como
representa el número de referencia 15 por los métodos descritos con
relación a la figura 1.
El extremo 60 de la lengüeta central 63 se fija
como antes, pero en este caso la lengüeta central 63 es más corta
que las lengüetas 62 que forman las paredes laterales. Se notará
que los dispositivos piezocerámicos en las lengüetas 62 que forman
las paredes laterales están en la misma superficie del dispositivo
mientras que la piezocerámica en la lengüeta central 63 está en el
lado opuesto.
Esta construcción es capaz de operación
bidireccional y tiene mayor rigidez que el accionador representado
en la figura 1.
Los dispositivos accionadores representados en
las figuras 1, 5 y 6 se pueden usar en cualquier dispositivo
electromecánico adecuado y ahora se describirá algunas
construcciones posibles del dispositivo electromecánico, asumiéndose
que se incorpora un dispositivo accionador piezoeléctrico como el
representado en las figuras 1, 5 ó 6 según sea apropiado.
Con referencia en primer lugar a las figuras 7A y
7B, se muestra diagramáticamente la construcción básica de un
dispositivo de corriente residual (RCD) también denominado
indicador de pérdida de corriente a tierra (GFCI). En este caso, el
dispositivo accionador piezoeléctrico está representado por el
número de referencia 70.
El mecanismo incluye una superficie de soporte 71
mediante la que se extiende una parte de establecimiento en forma
de un botón pulsador 72 que tiene un émbolo 73. El botón pulsador
72 es empujado hacia arriba por un muelle 74.
El extremo del émbolo 72 está provisto de una
parte de retén 74 (representada con más detalle en la figura 7B)
que engancha una parte de retén correspondiente 75 en el extremo de
una viga montada rotativamente 76 que es empujada por un muelle 77
alejándola de la superficie 71 en la dirección contraria al empuje
en el botón pulsador 72.
El accionador piezoeléctrico 70 está fijado a la
parte de retén 75 y está dispuesto de tal manera que un agujero 80
(figura 7B) en el extremo 85 del accionador esté dispuesto de modo
que reciba un saliente 81 en el extremo de la parte de retén
74.
Las partes de retén 74 y 75 interenganchan por
medio de superficies 74A y 75A y el ángulo de interface a es tal
que se cree una fuerza de explosión H debido a los muelles 74 y 77.
Dicha fuerza H es resistida por el accionador 70 que actúa en el
pasador 81 del accionador 70, el extremo 85 del accionador se tiene
que mover en la dirección de la flecha I en la figura 7A y esto se
puede lograr por la energización o desenergización apropiada del
accionador piezocerámico 70.
En el caso de un RCD o relé, los contactos
móviles se pueden mover en respuesta al movimiento del émbolo 73
dirigiéndose junto a una extensión del émbolo o indirectamente
mediante cualquier mecanismo adecuado.
El muelle 77 puede tener la forma de la
elasticidad inherente del material utilizado para la viga 76.
Otro dispositivo que utiliza el accionador
representado en la figura 1 se representa en la figura 8. Ésta
muestra cómo se podría amplificar mecánicamente el movimiento del
extremo 85 del accionador 5.
En este caso, hay dos accionadores 5 fijados a un
soporte adecuado 80 y dispuestos para mover sus extremos libres 85
en direcciones contrarias. Se ha dispuesto un pivote 86 en el
soporte 80 y dos brazos 87 y está montado en el pivote 86. Los
brazos tienen superficies excéntricas 88 que están dispuestas para
enganchar con los extremos libres 85 del accionador 5.
La energización simultánea de los accionadores 5
hará que los brazos se aproximen uno a otro con una acción de
agarre. Se pueden hacer volver a una condición abierta por medio de
un empuje proporcionado por una fuerza elástica o por energización
de los accionadores 5 en la dirección contraria.
La construcción anterior del accionador es útil
para obtener un dispositivo accionador de salidas múltiples de forma
simple y de costo razonable como ejemplifica el dispositivo
representado en la figura 9. En esta realización se forman varios
accionadores generalmente idénticos con sus extremos fijos 50
conectados a lo largo de la longitud de una tira 90. El extremo
libre 85 de cada accionador puede entrar y/o salir así
individualmente del plano del plano del papel.
La tira 90 se utiliza para montar el dispositivo
accionador de cualquier manera conveniente dependiendo del uso que
haya de darse al dispositivo. Por ejemplo, la tira 90 se podría
curvar en una posición en dos brazos fijos de los accionadores como
se indica con la línea de trazos 91 de manera que los extremos de
los accionadores estén en espacio libre.
Si se disponen dos de tales dispositivos uno
enfrente de otro, se puede formar un agarrador múltiple parecido al
mostrado en la figura 8.
Se verá que la construcción básica del accionador
es capaz de proporcionar gran número de accionadores controlados
eléctricamente de diseño diferente para efectos diferentes. Dado
que los accionadores se hacen de piezas estampadas de material
laminar, se puede formar formas diferentes de accionador o
diferentes combinaciones de accionadores. Por ejemplo, se podría
formar dos accionadores para proporcionar control de movimiento en
dos direcciones.
Claims (14)
1. Un accionador controlado eléctricamente
incluyendo una pluralidad de hojas (10) cada una de las cuales se
extiende desde una porción de seno (35) para formar un sustrato
plano sustancialmente en forma de U (5) que tiene superficies
principales opuestas, estando provista cada hoja de un material
cerámico piezoeléctrico (12, 13) sobre parte de su longitud,
estando el material cerámico de una hoja en una superficie
principal del sustrato, y estando el material cerámico de la otra
hoja en la otra superficie principal del sustrato, estando
dispuesto el extremo libre de una de las hojas para formar un
montaje (60) para el accionador, formando el extremo libre de la
otra hoja la porción de activación (85) del accionador.
2. Un accionador según la reivindicación 1, donde
la porción de seno (35) está rigidizada.
3. Un accionador según la reivindicación 1 ó 2,
donde la porción de accionamiento (85) está rigidizada.
4. Un accionador según la reivindicación 2 ó 3,
donde la rigidización se logra plegando porciones del sustrato
plano.
5. Un accionador según la reivindicación 1, donde
el sustrato plano es generalmente rectangular y tiene forma de un
bastidor que encierra una lengüeta central alargada que se extiende
desde un extremo del bastidor rectangular.
6. Un accionador según la reivindicación 5, donde
el extremo libre de la lengüeta central (63) forma el montaje para
el accionador.
7. Un accionador según la reivindicación 6, donde
los extremos del bastidor están rigidizados.
8. Un dispositivo accionador, donde una
pluralidad de accionadores según la reivindicación 1 tienen sus
respectivas porciones de montaje (60) conectadas a un carril común
(90) formando un montaje para todos los sustratos.
9. Un dispositivo accionador según la
reivindicación 8, donde las hojas conectadas al carril común (90)
se curvan en una posición espaciada de la unión entre las hojas y
el carril por lo que las porciones de accionamiento de los
elementos accionadores individuales están en espacio libre.
10. Un dispositivo controlado eléctricamente
incluyendo un accionador controlado eléctricamente o dispositivo
accionador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
11. Un dispositivo según la reivindicación 10,
donde un mecanismo de retención se retiene en una condición retenida
usando el accionador.
12. Un dispositivo según la reivindicación 10,
donde el movimiento de la porción de accionamiento (85) del
accionador es amplificado mecánicamente por medio de uno o varios
elementos de palanca.
13. Un dispositivo según la reivindicación 12,
donde se han previsto dos accionadores, que operan en direcciones
contrarias entre sí.
14. Un dispositivo según la reivindicación 13,
donde cada uno de los accionadores contacta un elemento de palanca
respectivo para formar un dispositivo de agarre.
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