ES2212275T3 - Dispositivo de accionamiento piezoelectrico. - Google Patents

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.