ITTO980935A1 - Attuatore piezo-elettrostatico, a passo. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Attuatore piezo-elettrostatico, a passo",

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai motori elettrostatici di bassa potenza e piccole dimensioni adatti all'impiego come attuatori in applicazioni di tecnologia microelettronica, per l'azionamento dì dispositivi meccanici e simili in condizioni in cui si verificano vibrazioni, come ad esempio in campo automobilistico.

In siffatte applicazioni, sono stati proposti motori-attuatori elettrostatici di tipo piezoelettrico, in cui la conversione di energia elettromeccanica è basata sull'effetto piezoelettrico inverso. Questi motori presentano diversi inconvenienti, tra cui un costo di realizzazione relativamente elevato ed una scarsa affidabilità, richiedono tensioni di alimentazione abbastanza elevate e sono dotati di un rendimento non sufficientemente elevato. Conseguentemente, l'impiego di questi motori piezoelettrici non è generalmente soddisfacente per gli usi menzionati sopra, particolarmente a bordo di autoveicoli.

Sono anche noti attuatori elettrostatici a passo, comprendenti uno statore piano, un traslatore piano guidato parallelamente allo statore ad una distanza predeterminata da esso, almeno un elettrodo associato al traslatore, una pluralità di lamine flessibili o ciglia, elettricamente conduttrici, aventi ciascuna un'estremità associata allo statore e l'estremità opposta adiacente al traslatore, e mezzi di alimentazione elettrica per applicare impulsi di tensione fra le ciglia e detto elettrodo associato al traslatore, così da far aderire dette ciglia al traslatore durante ogni impulso di tensione, per effetto elettrostatico. In tali dispositivi, l'attivazione delle ciglia provoca anche una deformazione elastica di queste ultime che dà luogo ad un passo di traslazione del traslatore parallelamente allo statore, dette ciglia riprendendo la loro configurazione di partenza al cessare dell'impulso di tensione.

Un attuatore del tipo sopra indicato è ad esempio descritto in Dyatlov V. L., Konyaskin V. V., Potapov B. S. e Pyankov Yu. A. "Prospects of thè employment of synchrotron radiation in film electrostatic actuator technology", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A359 (1995), pagine 394-395.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un nuovo attuatore a passo che sfrutti in modo ottimale sia l'effetto piezoelettrico, sia ciglia ad adesione elettrostatica del tipo sopra descritto .

In vista di raggiungere tale scopo, l'invenzione ha per oggetto un attuatore a passo, comprendente :

uno statore piano,

un traslatore piano guidato parallelamente allo statore ad una distanza predeterminata da esso, almeno un elettrodo associato al traslatore,

una pluralità di lamine flessibili o ciglia, elettricamente conduttrici, aventi ciascuna un'estremità associata allo statore e l'estremità opposta adiacente al traslatore, e

mezzi di alimentazione elettrica per applicare impulsi di tensione fra le ciglia e detto elettrodo associato al traslatore, così da far aderire dette ciglia al traslatore durante ogni impulso di tensione, per effetto elettrostatico, caratterizzato dal fatto che dette ciglia sono associate allo statore con l'interposizione di mezzi piezoelettrici che sono attivabili mediante applicazione di impulsi di tensione in modo tale da assumere alternativamente una prima configurazione, in cui le ciglia entrano in contatto con il traslatore, così da potervi aderire mediante il suddetto effetto elettrostatico, ed una seconda configurazione, in cui le ciglia si allontanano dal traslatore mantenendosi però con le loro estremità in unione con esso, in modo tale per cui dette estremità compiono un movimento che ha una componente nella direzione di spostamento del traslatore, così da provocare un passo del traslatore in detta direzione.

In una prima forma di attuazione dell'invenzione, le suddette ciglia sono sopportate dallo statore tramite un primo attuatore piezoelettrico disposto al di sotto di esse che è attivabile in modo tale da impartire alle ciglia un movimento alternativo in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore. Inoltre, in adiacenza a dette ciglia, fra statore e traslatore è interposto un organo distanziatore che è assicurato allo statore e che è in contatto di strisciamento con il traslatore. Sotto detto organo distanziatore è disposto un secondo attuatore piezoelettrico che è attivabile in modo tale da impartire all'organo distanziatore un movimento alternativo in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore, in controfase rispetto a detto primo attuatore piezoelettrico. Preferibilmente, inoltre, è prevista una pluralità di primi e secondi attuatori piezoelettrici del tipo sopra indicato, disposti alternati fra loro, con ciascun primo attuatore piezoelettrico portante delle ciglia e ciascun secondo attuatore piezoelettrico portante un organo distanziatore .

In una seconda forma di attuazione dell'invenzione, le suddette ciglia sono sopportate dallo statore mediante una lamina flessibile parallela al traslatore, sopportata a sbalzo dallo statore e portante le ciglia sulla sua estremità libera, detta lamina includendo mezzi piezoelettrici attivabili per provocare una flessione alternativa della lamina in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore .

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: la figura 1 è una vista schematica in sezione di una prima forma di attuazione dell'attuatore secondo l'invenzione,

le figure 2 a 5 illustrano la stessa sezione della figura 1 in quattro diverse condizioni di funzionamento dell'attuatore secondo l'invenzione, la figura 6 illustra dei diagrammi relativi alla variazione della tensione elettrica alimentata ai vari terminali dell'attuatore della figura 1, la figura 7 è una vista schematica in sezione dì una seconda forma di attuazione dell'attuatore secondo l'invenzione,

la figura 8 illustra una variante della figura 7,

la figura 9 è una vista prospettica schematica della variante della figura 8,

le figure 10-13 illustrano quattro diverse condizioni di funzionamento dell'attuatore della figura 7,

la figura 14 illustra due diagrammi relativi al funzionamento dell'attuatore della figura 7, e

la figura 15 è una variante della figura 14. Nella figura 1, il numero di riferimento 1 indica nel suo insieme un attuatore a passo, comprendente uno statore S piano, ed un traslatore piano R guidato parallelamente allo statore S, ad una distanza predeterminata da esso. Nell'esempio illustrato, lo statore S comprende una piastra di base 2, ad esempio di allumina o di acciaio, sul quale vengono depositati uno strato conduttore, che viene suddiviso in una pluralità di elettrodi separati 3, 4 ed uno o più strati piezoelettrici 5, ad esempio mediante serigrafia, dipping, spin coating, o per elettrodeposizione. Al di sopra dello strato piezoelettrico 5 viene depositato un ulteriore strato conduttore suddiviso in elettrodi separati 6, 7 che vengono poi isolati tramite uno strato dielettrico o piezoelettrico 8. Lo spessore complessivo della struttura dello statore S è preferibilmente compreso tra qualche micrometro e qualche centinaia di micrometri. Le coppie di elettrodi 3, 6 e 4, 7 fra loro affacciate definiscono insieme con lo strato piezoelettrico 5 una pluralità di attuatori piezoelettrici, alternativamente indicati nella figura 1 con A e B. Sopra ciascun attuatore piezoelettrico A sono depositate ciglia (o petali) metalliche elettrostatiche 9 aventi ciascuna un'estremità assicurata allo strato dielettrico 8 dello statore S e l'estremità opposta libera ed adiacente al traslatore R. Le ciglia hanno preferibilmente uno spessore di 0.5-3 micrometri e una lunghezza di qualche micrometro. In corrispondenza degli attuatori piezoelettrici B, al di sopra dello strato dielettrico 8 è depositato un organo distanziatore 10 costituito da uno strato di materiale resistente all'attrito e con basso coefficiente di attrito, dello spessore di circa 1/10 della lunghezza delle ciglia 9. Ciascun organo distanziatore 10 è assicurato in contatto di strisciamento con il traslatore R.

Il traslatore R è costituito da una lamina 11 di materiale metallico. Alternativamente, la lamina 11 può essere di materiale plastico ed essere resa conduttiva mediante uno strato realizzato per evaporazione (alluminio o altri materiali conduttori quali argento, nichel, oro, ITO (Indium Tin Oxide), leghe a base di rame) con uno spessore di qualche decina o centinaia di nanometrì, o per serigrafia con opportune paste conduttive. Sullo strato conduttore viene serigrafato uno strato isolante dielettrico o ferroelettrico 12 di spessore compreso fra 1/10 di micrometro e qualche decina di micrometri, in funzione delle caratteristiche dielettriche del materiale e delle specifiche richieste.

Le figure 2-6 illustrano il principio di funzionamento dell'attuatore della figura 1.

Nel funzionamento, gli elettrodi 4, 7 di ciascun attuatore piezoelettrico A vengono alimentati con una tensione alternata, come illustrato nel primo diagramma della figura 6, in modo tale per cui ciascun attuatore piezoelettrico A passa alternativamente fra una condizione allungata (vedere figure 2, 3) ed una condizione contratta (figure 4, 5), producendo quindi un movimento alternativo delle ciglia 9 in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore R. Analogamente, gli elettrodi 3, 6 di ciascun attuatore piezoelettrico B vengono alimentati con una tensione alternata, come illustrato nel secondo diagramma dall'alto nella figura 6, in controfase rispetto alla tensione di alimentazione degli elettrodi 4, 7, in modo tale per cui anche gli attuatori piezoelettrici B si spostano alternativamente fra una configurazione allungata ed una configurazione contratta producendo un movimento alternativo di- avvicinamento e di allontanamento degli organi distanziatori 10 dal traslatore R (vedere figure 2-5).

Inoltre, durante l'ultima fase di allungamento degli attuatori piezoelettrici A e durante tutta la contrazione degli attuatori A, tra le ciglia 9 e il traslatore R è presente una tensione elettrica (vedere terzo diagramma dall'alto della figura 6) che garantisce l'adesione per effetto elettrostatico delle ciglia 9 al traslatore R. In tal modo, quando le ciglia 9 sono in prossimità della loro posizione di massimo sollevamento (figura 2) esse aderiscono al traslatore R (figura 3) per poi rimanere attaccate ad esso durante la fase di contrazione (figura 4). Nel rimanente periodo di tempo la tensione elettrica è applicata tra le ciglia 9 e gli elettrodi 7 (ultimo diagramma in basso nella figura 6), così da ottenere un'adesione per effetto elettrostatico di una porzione maggiore delle ciglia 9 sullo strato dielettrico 8. Le fasi illustrate nelle figure 2, 3, 4 e 5 sono rispettivamente indicate con le lettere a, b, c, d nella figura 6. La fase c, illustrata nella figura 4, è la fase attiva. In tale fase, le estremità superiori delle ciglia 9 compiono un movimento che ha una componente nella direzione di spostamento del traslatore R, per cui quest'ultimo è costretto a compiere un passo dH. In tale fase, gli organi distanziatori 10 oltre ad assolvere la funzione di distanziamento e di guida per il traslatore R servono anche per amplificare lo spostamento di quest'ultimo. Infatti, quando le estremità inferiori delle ciglia 9 si spostano verso il basso, le estremità superiori sono costrette a spostarsi verso destra (data la lunghezza costante delle ciglia) per il fatto che il traslatore R è mantenuto verticalmente fisso dagli organi distanziatori 10.

La figura 7 illustra una seconda forma di attuazione dell'invenzione. In tale figura, le parti comuni alla figura 1 sono indicate con lo stesso numero di riferimento. Anche in questo caso è previsto un traslatore R costituito da una lamina 11 di materiale metallico o di materiale plastico reso conduttivo con uno strato realizzato per evaporazione o per serigrafia con opportune paste conduttive. Anche in questo caso sullo strato conduttore 11 viene serigrafato uno strato isolante dielettrico o ferroelettrico 12 di spessore analogo a quello della figura 1. Sempre come nel caso della figura 1, lo statore S è realizzato su una base di allumina o di acciaio 2. Su tale base vengono depositati per serigrafia, dipping, spin coating, più strati di materiale resistente all'attrito e con basso coefficiente di attrito, così da costituire blocchi 13, che servono sia come distanziatori, e per la guida del movimento del traslatore R, sia come sopporti per lamine flessibili 14, una delle quali è visibile nella figura 7. Nell'esempio di attuazione della figura 7, ciascuna lamina 14 è in realtà costituita da un piezoelettrico bimorfo avente due terminali 15. Le dimensioni del piezoelettrico bimorfo 14 possono variare da qualche centinaia di micrometri a qualche decina di millimetri di lunghezza, da qualche decina di micrometri a qualche millimetro di larghezza e lo spessore è compreso fra qualche micrometro e qualche centinaia di micrometri. Il bimorfo 14 utilizzato può essere sia del tipo in serie, cioè costituito da due strati 14a, 14b di piezoelettrico polarizzati in modo opposto lungo la direzione dello spessore, sia del tipo in parallelo, con i due strati di piezoelettrico 14a, 14b polarizzati nella stessa direzione. Le figure 8, 9 si riferiscono ad una variante in cui in luogo del piezoelettrico bimorfo 14 si utilizza una lamina di acciaio 140 dello spessore di qualche decina di micrometri, opportunamente tagliata, su cui viene depositato per serigrafia, dipping o spin coating uno strato di materiale piezoelettrico 141 di spessore compreso fra qualche micrometro e qualche centinaio di micrometri. Sullo strato piezoelettrico 141 si realizza per evaporazione un elettrodo 142. In entrambi i casi illustrati nelle figure 7 e 8, 9, l'estremità libera di ciascuna lamina flessibile 14, 140 sopporta una o più ciglia elettrostatiche 9 del tipo già descritto con riferimento alla figura 1, aventi uno spessore di 0,5-3 micrometri e una lunghezza di qualche micrometro, che sono isolati mediante uno strato di materiale dielettrico o ferroelettrico dall'elettrodo 142.

Nel funzionamento (figure 10-13 e 14), applicando un impulso elettrico alternato il piezoelettrico bimorfo 14 (o la lamina 140 nel caso della figura 8) viene deflessa alternativamente in avvicinamento ed in allontanamento dal traslatore R, per cui le ciglia 9 si avvicinano ed allontanano alternativamente dal traslatore R. Il movimento di allontanamento ha una componente nella direzione dello spostamento del traslatore R che genera un passo dH del traslatore, in quanto durante l'ultima fase di avvicinamento è presente una tensione elettrica fra le ciglia 9 ed il traslatore R che garantisce l'adesione delle ciglia sulla superficie del traslatore anche durante la fase iniziale dell'allontanamento del piezoelettrico bimorfo o della lamina dalla superficie. Le ciglia si incollano alla superficie del traslatore per effetto elettrostatico e quando il piezoelettrico bimorfo o la lamina iniziano ad allontanarsi dalla superficie trascinano il traslatore del passo dH. Durante la fase finale di allontanamento la tensione fra ciglia e traslatore si annulla in modo da garantire il distacco delle ciglia dal traslatore (figura 13). Per favorire il distacco delle ciglia dalla superficie del traslatore si può applicare una tensione tra le ciglia e l'elettrodo del piezoelettrico, come illustrato nella variante della figura 15. In questo modo si può utilizzare tutta la fase dell'allontanamento del piezoelettrico per muovere il traslatore (figura 15). Nelle figure 14, 15 le fasi indicate con a, b, c, d corrispondono rispettivamente alle condizioni illustrate nelle figure 10, 11, 12 e 13.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore a passo, comprendente: uno statore piano (S), un traslatore piano (R) guidato parallelamente allo statore (S) ad una distanza predeterminata da esso, almeno un elettrodo (11) associato al traslatore (R), una pluralità di lamine flessibili o ciglia (9), elettricamente conduttrici, aventi ciascuna un'estremità associata allo statore (S) e l'estremità opposta adiacente al traslatore (R), e mezzi di alimentazione elettrica per applicare impulsi di tensione fra le ciglia (9) e detto elettrodo (11) associato al traslatore, così da far aderire dette ciglia (9) al traslatore (R) durante ogni impulso di tensione, per effetto elettrostatico, caratterizzato dal fatto che dette ciglia (9) sono associate allo statore (S) con l'interposizione di mezzi piezoelettrici (A; 14, 141) che sono attivabili mediante applicazione di impulsi di tensione in modo da assumere alternativamente una prima configurazione, in cui le ciglia (9) entrano in contatto con il traslatore (R), così da potervi aderire mediante il suddetto effetto elettrostatico, ed una seconda configurazione, in cui le ciglia (9) si allontanano dal traslatore (R) mantenendosi però con le loro estremità in unione con questo, in modo tale per cui tali estremità compiono un movimento che ha una componente (dH) nella direzione di spostamento del traslatore, così da provocare un passo del traslatore in detta direzione.
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette ciglia (9) sono sopportate dallo statore (S) tramite un primo attuatore piezoelettrico (A) disposto sotto di esse ed attivabile in modo tale da impartire alle ciglia (9) un movimento alternativo in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che in adiacenza a dette ciglia (9), fra statore (S) e traslatore (R) è interposto un organo distanziatore (10) che è assicurato allo statore (S) e che è in contatto di strisciamento con il traslatore (R), e che sotto detto organo distanziatore (10) è disposto un secondo attuatore piezoelettrico (B) che è attivabile in modo tale da impartire all'organo distanziatore (10) un movimento alternativo in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore (R), in controfase rispetto a detto primo attuatore piezoelettrico (A).
4. 4. Attuatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che è prevista una pluralità di primi e secondi attuatori piezoelettrici (A, B) disposti alternati fra loro, con ciglia (9) sopra ciascun primo attuatore piezoelettrico (A) ed un organo distanziatore (10) sopra ciascun secondo attuatore piezoelettrico (B).
5. 5. Attuatore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che lo statore (S) comprende una piastra di base (2) su cui sono sovrapposti uno o più strati di materiale piezoelettrico (5) con una pluralità di elettrodi contrapposti (4, 7; 3, 6) situati sulle due facce opposte dello strato di materiale piezoelettrico (5), in modo tale per cui le corrispondenti porzioni di detto strato comprese fra ciascuna coppia di elettrodi contrapposti costituiscono i suddetti primi e secondi attuatori piezoelettrici (A, B).
6. 6. Attuatore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i suddetti organi distanziatori (10) sono costituiti ciascuno da uno o più strati di materiale a basso coefficiente di attrito.
7. 7. Attuatore secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che dette ciglia (9) sono sopportate dallo statore (S) mediante una lamina flessibile (14; 140) parallela al traslatore, sopportata a sbalzo dallo statore (S) e portante le ciglia (9) sulla sua estremità libera, detta lamina includendo mezzi piezoelettrici (14, 141) attivabili per provocare una flessione alternativa della lamina in avvicinamento ed allontanamento dal traslatore.
8. 8. Attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta lamina (14) è costituita da un organo piezoelettrico bimorfo (14a, 14b) sopportato a sbalzo da un organo distanziatore (13) connesso a detto statore (S).
9. 9. Attuatore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta lamina comprende una lamina di acciaio (140) su cui è applicato uno strato dì materiale piezoelettrico (141), detta lamina di acciaio (140) essendo sopportata a sbalzo da un organo distanziatore (13) connesso allo statore (S). Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.