ES2299614T3 - Estructura de dispositivo dielectrico de accionamiento o deteccion y metodo para fabricar el mismo. - Google Patents

Abstract

Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector que comprende: una primera hoja de material elastómero (8) que tiene al menos una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9); una segunda hoja de material elastómero (8) que tiene al menos una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9); un primer electrodo (12) que se deposita sobre la segunda superficie (9) de la primera hoja (8), y un segundo electrodo (12) que se deposita sobre la segunda superficie (9) de la segunda hoja (8) , caracterizada porque las hojas (8) se laminan juntas con sus segundas superficies (9) descubiertas, y porque el volumen de la estructura permanece sustancialmente constante cuando la estructura aumenta de longitud.

Description

Estructura de dispositivo dieléctrico de accionamiento o detección y método para fabricar el mismo.

El presente invento se refiere a dispositivos dieléctricos de accionamiento de la clase en la que la atracción electrostática entre dos electrodos situados sobre un cuerpo elastómero da lugar a una compresión del cuerpo en una primera dirección y a una extensión correspondiente del cuerpo en una segunda dirección. Tales dispositivos de accionamiento se podrían emplear como detectores de fuerzas haciendo que funcionen los electrodos como las placas de un condensador. En este modo de funcionamiento, la compresión del cuerpo elastómero por la acción de una fuerza externa reducirá la distancia entre electrodos, ocasionando un aumento en la capacitancia del condensador electrodo que se puede medir para indicar la intensidad de la fuerza.

El documento US 4.036.833 describe un conjunto de medida capacitiva para determinar fuerzas y/o presiones que incluye al menos tres superficies de condensador planas y paralelas con la intercalación de un dieléctrico entre ellas. Las superficies de condensador se pueden desplazar unas con respecto a otras contra la acción de fuerzas elásticas de reposición del dieléctrico, estando una superficie principal en relación de oposición con todas las superficies restantes, y cubriéndolas parcialmente con la intercalación de un dieléctrico entre las mismas. La superficie principal se puede desplazar en direcciones perpendicular y paralela con respecto a las superficies restantes, de tal manera que, a partir de los valores individuales de capacidad entre la superficie principal y las superficies restantes, se pueden medir o eliminar tanto las fuerzas que actúan perpendicularmente entre la superficie principal y las superficies restantes como las fuerzas que actúan paralelamente con las superficies de condensador.

El documento introduce, como se ha ilustrado en la Figura 5, que las superficies de condensador 10, 14 y 15 se prensan sobre las hojas 30 y 31. Luego, cada una de las hojas 30 y 31 se pega a un dieléctrico compresible (elastómero) 20 ó 21, uniéndose los dieléctricos 20 y 21 uno tras otro. Los dieléctricos 20 y 21 tienen coeficientes de temperatura opuestos entre sí con respecto a sus propiedades eléctricas y están dimensionados de tal manera que la temperatura no afecta a la capacidad de los condensadores individuales.

Un segundo documento EP 0855307 describe un detector para el asiento de un vehículo a motor que incluye una capa compresible, preferiblemente de espuma, dispuesta entre dos hojas conductoras. En una realización, se mide la capacitancia entre las hojas conductoras para determinar qué y si un objeto está dispuesto en el detector, mientas que en otra aplicación, se han practicado unos orificios a través de la capa compresible para permitir que las hojas conductoras establezcan contacto entre sí a través de los orificios.

Se describen realizaciones que tienen una resistividad relativamente baja para producir un cortocircuito, y una realización que tiene una resistividad mayor en la que se podría usar la magnitud del cambio y la resistencia para determinar la naturaleza de un objeto.

Las figuras 1 y 2 muestran que la construcción básica preferida del detector es un estratificado de cinco capas, aunque podría ser adecuada cualquier estructura por capas apropiada. En el sistema preferido de cinco capas, la construcción básica comprende los elementos siguientes: una primera capa de tela conductora 10; una capa de adhesivo 12; una capa de espuma compresible 14; una capa de adhesivo 16; y una segunda capa de tela conductora 18.

Un objeto del invento es proveer una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector que es fácil de producir y tolerante de defectos de producción tales como picaduras, grietas e inclusiones en el cuerpo de la misma. Un objeto adicional del invento es proveer un método de construir una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector que proporciona un rendimiento elevado mientas que al mismo tiempo tiene las ventajas de simplicidad y economía.

De acuerdo con un aspecto del invento, una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector comprende una primera hoja de material elastómero que tiene al menos una superficie lisa y una segunda superficie y una segunda hoja de material elastómero que tiene al menos una superficie lisa y una segunda superficie. Las hojas se laminan juntas con sus segundas superficies descubiertas, y se ha provisto un primer electrodo sobre la segunda superficie de la primera hoja y un segundo electrodo sobre la segunda superficie de la segunda hoja.

De acuerdo con otro aspecto del invento, un método de fabricar una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector comprende las etapas de: a) proveer un molde generalmente plano, b) colar una capa de material elastómero en el molde, c) dar lugar a que la capa tenga una superficie lisa y una segunda superficie, d) curar la capa, y e) retirar del molde la capa para obtener una hoja elastómera que tenga una superficie lisa y una segunda superficie. Estas etapas se repiten en una etapa e) para proveer una segunda hoja elastómera que tenga una superficie lisa y una segunda superficie. Los electrodos se construyen sobre las hojas en una etapa f) de depositar al menos una capa eléctricamente conductora en la segunda superficie de cada hoja conductora. Las hojas se ensamblan en una estructura acabada de dispositivo de accionamiento/detector mediante la etapa g) laminar las hojas elastómeras juntas con sus segundas superficies descubiertas.

La estructura laminada es un factor fundamental en la obtención de "robustez" en la producción. Considérese, por ejemplo, la existencia de defectos poco importantes tales como picaduras, grietas o inclusiones en cada hoja. Aún cuando se observe limpieza en la producción de las hojas, podrían existir un número significativo de dichos defectos, aunque solamente fuese un número pequeño, En un dispositivo de accionamiento/detector de una sola hoja, tales defectos podrían reducir la tensión de ruptura entre los electrodos tanto como en un 95% o incluso causar un cortocircuito directo de los electrodos.

La laminación de dos hojas juntas para formar la estructura final elimina sustancialmente este problema. Como punto de partida, típicamente se puede asegurar mediante un adecuado control de la producción que sólo existirá un número poco importante de defectos y que se dispersarán de forma aleatoria a través de cada hoja. Esto a su vez hace que sea muy poco probable que dos defectos estén co-ubicados en la estructura ensamblada. Por tanto, incluso aunque una capa de la estructura ensamblada tenga un defecto en un lugar determinado, muy probablemente la otra capa de la estructura estará exenta de defectos en el mismo lugar. Como consecuencia, la probabilidad de cortocircuitos directos se reduce a cero para todas las consideraciones prácticas, y la reducción de la tensión de ruptura de las inclusiones se limita al 50% como máximo.

En resumen, el presente invento se refiere a una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector que comprende:

una primera hoja de material elastómero que tiene al menos una superficie lisa y una segunda superficie;

una segunda hoja de material elastómero que tiene al menos una superficie lisa y una segunda superficie;

un primer electrodo que se deposita sobre la segunda superficie de la primera hoja, y

un segundo electrodo que se deposita sobre la segunda superficie de la segunda hoja, caracterizada porque

las hojas se laminan juntas con sus segundas superficies descubiertas, y porque el volumen de la estructura permanece sustancialmente constante cuando la estructura aumenta de longitud.

A continuación se describen realizaciones preferidas del invento con referencia a los dibujos adjuntos.

La Figura 1 muestra un molde generalmente plano que tiene una superficie micro-ondulada.

La Figura 2 muestra un volumen de material elastómero curable vertido en el molde.

La Figura 3 muestra el efecto de rotar el molde para alisar la superficie libre del material elastómero.

La Figura 4 presenta el material elastómero retirado del molde como una hoja y provisto de un electrodo en su superficie ondulada.

La Figura 5 muestra dos hojas laminadas juntas para formar una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector.

La Figura 6 ilustra la pasivación de defectos tales como picaduras e inclusiones en virtud de la construcción laminada de la estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector.

El molde 1 generalmente plano de la Figura 1 tiene una superficie micro-ondulada 2 con nervios 3 y acanaladuras 4. Los nervios y las acanaladuras discurren en paralelo a lo largo de una dirección que es transversal al plano del papel. La amplitud pico a pico de las ondulaciones 3, 4 está típicamente está típicamente entre 1 y 10 micrómetros, mientras que el tamaño máximo del molde está en el intervalo de 5-10 centímetros a través de la superficie ondulada, o más. Es obvio que el dibujo no está a escala, y que se han exagerado las ondulaciones a título ilustrativo. El molde se podría fabricar de cualquier material adecuado como metal o silicio, y la ondulación se podría producir mediante procedimientos fotolitográficos u holográficos convencionales.

En la Figura 2, un volumen de material elastómero curable se ha vertido en el molde 1. El material podría ser caucho de siliconas, por ejemplo.

En la Figura 3, el material elastómero 5 se ha conformado en una capa en forma de hoja que tiene una superficie superior lisa 6, mediante la rotación del molde según se ha indicado en 7. Dichos procedimientos de rotación son bien conocidos en la técnica de la fotolitografía. Una forma alternativa de causar la formación de una superficie superior lisa 6 sobre la capa elastómera 5 sería prensándola para darle forma con una matriz plana lisa. Una vez que se ha rotado o conformado por presión, se cura la capa elastómera, operación que podría consistir justamente en dejarla asentarse en el molde durante un período de tiempo determinado, que depende de las características del material.

La Figura 4 muestra la capa elastómera 5 retirada del molde para formar una hoja 6 y vuelta del revés. La retirada de la hoja del molde ha dejado al descubierto su segunda superficie 9, que está configurada con unas ondulaciones 10 y 11 como la superficie del molde. Un electrodo 12 se ha depositado sobre la superficie 9. Esto podría hacerse mediante la deposición de vapor de un metal tal como plata, o mediante técnicas electrolíticas, por ejemplo.

La hoja 8 típicamente tiene un espesor de aproximadamente 10-50 micrómetros y los electrodos tienen un espesor de alrededor de 20-100 nanómetros.

La Figura 5 muestra una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector ensamblada a partir de dos hojas de la clase y estructuradas según se acaba de describir. Las hojas se han laminado juntas con sus superficies lisas 6 tocándose entre sí, y sus segundas superficies 9 al descubierto. Preferiblemente, la laminación se realiza bajo vacío, para prevenir la inclusión de burbujas de gas entre las hojas.

La ondulación de las superficies descubiertas hace que el conjunto laminado sea muy anisótropo en su comportamiento elástico. En este sentido, se prefiere laminar las hojas juntas con las ondulaciones de ambas hojas discurriendo en paralelo. En operación, se aplica una tensión alta entre los electrodos sobre las superficies onduladas. Entonces, la atracción electrostática entre los electrodos tiende a comprimir la estructura. Facilitada por las ondulaciones, esta compresión dará lugar a que la estructura aumente de longitud aunque su volumen tenderá a mantenerse constante. Sustancialmente no se producirá ningún cambio transversal de dimensiones (transversal al plano del papel) debido a la presencia de los electrodos metálicos sobre las ondulaciones anisótropas.

La Figura 6 ilustra los efectos beneficiosos de la estructura laminada con respecto a defectos e inclusiones. Cada hoja se muestra con una picadura 13, 14 y una inclusión 15, 16 de un objeto metálico. En una estructura de una sola capa, la presencia de picaduras 13 ó 14 daría lugar a un cortocircuito entre los electrodos 12 porque la deposición de electrodo discurre hacia abajo en las picaduras como se muestra en 17. Las inclusiones metálicas reducen el espesor remanente del material elastómero 5, que sirve como un aislante entre los electrodos 12. En una estructura de una sola capa, esto podría reducir gravemente la tensión de ruptura entre los electrodos.

Sin embargo, en la estructura laminada de la Figura 6, existe todavía una capa única de material elastómero exenta de defectos entre los electrodos 12 y cada defecto 13, 14, 15, 116. Esto reduce sustancialmente hasta cero la aparición de cortocircuitos, y limita la reducción de la tensión de ruptura hasta el 50% como máximo. Por supuesto, no hay nada que impida la co-ubicación accidental de dos defectos, pero con una limpieza adecuada aplicada a la producción con carácter general, el riesgo de que esto ocurra será realmente muy pequeño, y mucho menor que el riesgo de defectos en una estructura de una sola capa.

Merece la pena mencionar que la construcción laminada podría aplicarse igualmente de un modo beneficioso a estructuras dieléctricas de dispositivo de accionamiento/detector que tengan electrodos configurados sobre superficies descubiertas lisas para facilitar la extensión longitudinal, en lugar de electrodos macizos sobre superficies descubiertas onduladas.

Claims (10)

1. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector que comprende:

una primera hoja de material elastómero (8) que tiene al menos una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9);

una segunda hoja de material elastómero (8) que tiene al menos una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9);

un primer electrodo (12) que se deposita sobre la segunda superficie (9) de la primera hoja (8), y

un segundo electrodo (12) que se deposita sobre la segunda superficie (9) de la segunda hoja (8), caracterizada porque

las hojas (8) se laminan juntas con sus segundas superficies (9) descubiertas, y porque el volumen de la estructura permanece sustancialmente constante cuando la estructura aumenta de longitud.

2. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector como la reivindicada en la reivindicación 1, en la que las segundas superficies (9) son onduladas (10, 11).

3. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector de acuerdo con la reivindicación 1, en la que al menos uno de los electrodos (12) primero y segundo consiste esencialmente en un depósito de metal, tal como plata, que se ha depositado por deposición de vapor o mediante procedimientos electrolíticos.

4. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, en la que al menos una de las hojas primera y segunda (8) de metal elastómero consiste esencialmente en caucho de siliconas.

5. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la amplitud pico a pico de las ondulaciones (10, 11) está entre 1 y 10 micrómetros.

6. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que los electrodos (12) tienen un espesor de aproximadamente 20-100 nanómetros.

7. Un método de elaborar una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende las etapas de:

a) proveer un molde (1) generalmente plano;

b) colar una capa de material elastómero (5) en el molde;

c) dar lugar a que la capa tenga una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9);

d) curar la capa;

e) retirar del molde la capa para obtener una hoja elastómera (8) que tenga una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9);

f) repetir las etapas a) hasta e) para obtener una segunda hoja elastómera (8) que tenga una superficie lisa (6) y una segunda superficie (9);

g) depositar al menos una capa (12) eléctricamente conductora sobre la segunda superficie (9) de cada hoja elastómera (8); y

h) laminar las hojas elastómeras (8) juntas con sus segundas superficies (9) descubiertas.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la etapa g) comprende depositar por deposición de vapor o por un procedimiento electrolítico.

9. Un método de acuerdo con las reivindicaciones 6 ó 7, en el que la etapa h) se realiza bajo vacío.

10. Una estructura dieléctrica de dispositivo de accionamiento/detector como las reivindicadas en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que las hojas primera y segunda (8) y sus respectivos electrodos (12) son sustancialmente idénticos.