ES2390604T3

ES2390604T3 - Actuador piezocerámico plano y procedimiento para fabricar el mismo

Info

Publication number: ES2390604T3
Application number: ES07801142T
Authority: ES
Inventors: Peter Wierach
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: EP2057697B1; US8461745B2; DE102006040316B4; US20100295420A1; JP2010502018A; DE202007018898U1; DK2057697T3; WO2008025315A1; EP2057697A1; DE102006040316A1; JP5318761B2

Abstract

Actuador piezoceramico plano con placas multicapa (6), que tienen un conjunto de placas piezoceramicas (3) separadas entre si mediante respectivos electrodos positivos o negativos (2a, 2b), alternandose los electrodos positivos y negativos (2a, 2b) y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas (3) y con superficies de electrodo colector (4a, 4b) para los electrodos positivos y negativos (2a, 2b), que estan unidas electricamente con los electrodos positivos o negativos (2a, 2b) asociados y que estan dispuestas en dos caras exteriores enfrentadas de las placas multicapa (6), teniendo las placas multicapa (6) forma de placa con una anchura de las placas multicapa (6), definida por la distancia entre las superficies del electrodo colector (4a, 4b) enfrentadas, bastante mayor que el espesor de las placas multicapa (6), caracterizado porque las placas multicapa (6) estan alojadas en un plastico y porque en cada caso esta prevista una superficie de electrodo colector (4a, 4b) para dos placas multicapa (6) contiguas y toman contacto en cada caso los electrodos positivos o negativos (2a, 2b) de las placas multicapa (6) contiguas.

Description

Actuador piezoceramico plano y procedimiento para fabricar el mismo.

La invencion se refiere a un actuador piezoceramico plano con placas multicapa, que tienen un conjunto de placas piezoceramicas separadas entre si mediante respectivos electrodos positivos o negativos, alternandose los electrodos positivos y negativos y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas y con superficies de electrodo colector para los electrodos positivos y negativos, que estan unidas electricamente con los electrodos positivos o negativos asociados y que estan dispuestas en dos superficies exteriores enfrentadas de las placas multicapa, teniendo las placas multicapa forma de placa con una anchura de las placas multicapa, definida por la distancia entre las superficies del electrodo colector enfrentadas, bastante mayor que el espesor de las placas multicapa.

La invencion se refiere ademas a un procedimiento para fabricar un actuador piezoceramico plano con las etapas:

a) fabricacion de un bloque ceramico paralelepipedico monolitico compuesto por un conjunto de placas

piezoceramicas separadas entre si mediante respectivos electrodos positivos o negativos, alternandose los

electrodos positivos y negativos y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas,

b) aplicacion de superficies de electrodo colector electricamente conductoras en dos lados exteriores opuestos del

actuador plano tal que las superficies del electrodo colector se unen electricamente con los correspondientes

electrodos positivos o negativos.

Los actuadores y sensores a base de materiales multifuncionales son una parte integrante esencial de las estructuras adaptivas. Como componentes integrales de la estructura, asumen los mismos en el caso mas favorable tambien la funcion de soportar cargas. Los materiales multifuncionales, denominados tambien "Smart Materials" o materiales inteligentes, son convertidores de energia, que reaccionan de una manera tecnicamente aprovechable a un estimulo exterior. Lo mas frecuente es utilizar materiales que reaccionan a un campo electrico, termico o magnetico con una variacion de sus caracteristicas mecanicas. Los representantes mas conocidos son piezoceramicas (accion de la fuerza/deformacion en el campo electrico), aleaciones con memoria de forma (accion de la fuerza/deformacion en funcion de la temperatura) o liquidos electrorreologicos y magnetorreologicos (influencia de la transmision del empuje en el campo electrico o magnetico). A menudo funciona el efecto en ambos sentidos, con lo que los correspondientes materiales pueden utilizarse no solo como actuadores sino tambien como sensores.

Debido a una serie de ventajas, las piezoceramicas son actualmente los materiales multifuncionales mas empleados al respecto. El funcionamiento de las piezoceramicas se basa en el efecto piezoelectrico, que describe la interaccion entre el estado mecanico y electrico de una clase especial de cristales. Cuando proporcionalmente a la deformacion del cristal aparecen cargas electricas, esto se denomina efecto piezoelectrico directo. Este efecto puede utilizarse sensoricamente, detectandose las cargas electricas mediante un instrumento de medida adecuado. La inversion de este efecto se denomina efecto piezoelectrico inverso, en el que el cristal modifica su forma bajo la influencia de un campo electrico. Mediante este efecto se utiliza la piezoceramica como actuador.

Los materiales piezoceramicos tienen la ventaja de que pueden utilizarse en una gran gama de frecuencias hasta muy entrada la gama de los kHz, presentan una elevada rigidez de tipicamente 60 GPa y pueden ser controlados de manera sencilla mediante un campo electrico.

Las piezoceramicas se fabrican a gran escala industrial y pueden obtenerse de distintos ofertantes en diferentes formas constructivas a un precio favorable. Un inconveniente de las piezoceramicas reside no obstante en la naturaleza de los materiales ceramicos. Las piezoceramicas son fragiles y con ello quebradizas. Mientras que soportan las cargas de compresion muy bien, han de evitarse en todos los casos cargas de traccion. Una elaboracion fiable y una integracion estructural de los materiales, por lo general muy sensibles, implica por lo tanto costes y riesgo.

Un concepto ventajoso y adecuado para la industria es por lo tanto realizar primeramente una elaboracion de los correspondientes materiales para formar componentes compactos y manejables en forma de piezocompuestos. Los piezocompuestos son materiales compuestos que constan de materiales piezoceramicos y materiales polimeros, por ejemplo resinas sinteticas. Mediante combinacion con materiales polimeros ductiles, por ejemplo mediante fundicion

o adherencia, pueden lograrse mejoras de las propiedades para determinadas aplicaciones. Los piezocompuestos asi formados se caracterizan en particular por una reducida fragilidad. Incluyendo los materiales piezoceramicos en el compuesto, pueden regularse selectivamente caracteristicas del material como por ejemplo rigidez o amortiguamiento. Ademas pueden introducirse tambien componentes adicionales necesarios, como electrodos, acometidas de energia, aisladores, etc. Solo en una segunda etapa se combinan los actuadores y sensores con el material estructural o la estructura.

Un campo de aplicacion esencial es la utilizacion de piezocompuestos en la tecnica de ultrasonidos para constituir convertidores de ultrasonido, que principalmente se utilizan en la diagnosis medica para la prueba no destructiva de materiales y en la tecnica del sonar. En la adaptronica se utilizan piezocompuestos esencialmente para reducir,

generar o detectar deformaciones de estructuras para el control del ruido, la vibracion y la forma. La adaptronica tiene un centro de gravedad especial en la sensorica y actorica distribuida. Contrariamente a los actuadores discretos, como por ejemplo los actuadores de apilamiento piezoelectrico, no se aplica la fuerza en dos puntos explicitos, sino mediante empuje a traves de una union plana, por lo general mediante una capa adhesiva. En particular para la construccion ligera poseen los actuadores/sensores planos, que a continuacion se denominaran actuadores planos, una gran importancia, ya que no son necesarios puntos masivos de aplicacion de la fuerza. Optimizando el peso y el espacio constructivo, se alojan los actuadores planos (actuadores y sensores) en estructuras de construccion ligera de paredes delgadas e influyen sobre las vibraciones y deformaciones directamente en el lugar donde aparecen. En comparacion con actuadores discretos, cuya rigidez y con ello eficiencia desciende, en base a sus principios, al aumentar la longitud, pueden realizarse actuadores planos sin perdida de la eficiencia con cualquier longitud.

Tambien aqui resulta que combinando el material ceramico fragil con un compuesto polimero pueden lograrse caracteristicas mejoradas. El relleno con el polimero se realiza por lo general a elevadas temperaturas, tipicamente de 120 aC. Debido a los distintos coeficientes de dilatacion termica del material polimero yla ceramica, asi como debido a la contraccion del polimero cuando se endurece, resulta un pretensado a compresion del material ceramico en el plano. Debido a ello pueden cargarse los piezocompuestos tambien a traccion dentro de ciertos limites.

Las ventajas esenciales cuando se utilizan piezocompuestos son asi la proteccion de la fragil piezoceramica frente a cargas exteriores, la mejor manejabilidad, la sencilla toma de contacto electrico, una actuador aislado electricamente, el pretensado a compresion de la piezoceramica debido a los distintos coeficientes de dilatacion termica del material aislante o de la masa de asiento y de la piezoceramica, la eliminacion de puntas de tension en la ceramica impidiendo la propagacion de grietas, una gran deformabilidad pasiva, una duracion mayor de los convertidores y la posibilidad de realizar arquitecturas complejas.

Los materiales de partida para fabricar actuadores planos piezoceramicos son principalmente delgadas plaquitas piezoceramicas, que tambien se denominan piezolaminas, y fibras piezoceramicas, que se fabrican con distintos procedimientos, composiciones y dimensiones.

De los tres efectos parciales piezoelectricos que dependen de la direccion

-: efecto longitudinal o efecto d33

-: efecto transversal o efecto d31

-: efecto de cizalla o efecto d15

se aprovechan para piezocompuestos en la adaptronica casi exclusivamente los efectos longitudinal y transversal. La relacion entre extension y campo electrico se describio mediante la constante de carga "d" especifica del material, partiendose simplificadamente de una relacion lineal entre extension y campo electrico. Los indices designan entonces la causa y el efecto y se refieren a direcciones de coordenadas de un sistema de coordenadas usual en la ciencia de los materiales.

En el efecto d31 se utiliza la extension que resulta transversalmente al campo electrico aplicado. El campo electrico se aplica en 3 direcciones (causa) y se utiliza en 1 direccion (efecto). La constante d31 es negativa, ya que al aplicar un campo electrico positivo en 3 direcciones se realiza una contraccion de la piezoceramica en 1 direccion. Analogamente a ello, se utiliza en el efecto d33 el alargamiento de la piezoceramica en 3 direcciones al aplicar un campo electrico positivo en 3 direcciones. Puesto que el cuerpo ceramico se alarga en esta configuracion, la constante d33 es positiva. En funcion de cual de ambos efectos se utiliza, se habla tambien de "elongadores" o "contractores".

La configuracion de los electrodos es por lo tanto decisiva en cuanto a cual de ambos efectos se utiliza. La estructura mas sencilla para un actuador plano resulta para el efecto d31. En este caso es suficiente un electrodo plano sencillo, que se aplica por ambos lados sobre una piezolamina delgada. El campo electrico se configura entonces homogeneo entre los electrodos. El espesor de la piezoceramica define no obstante la distancia entre electrodos y con ello la tension necesaria para aplicar un determinado campo electrico. Es usual un espesor de unos 0,2 mm, con el que es necesaria una tension de 200 V para generar un campo electrico de 1 kV/mm.

Los actuadores piezoceramicos planos que utilizan el efecto d31 se conocen por ejemplo por el documento WO 95/20827, US 5,894,651 A yDE 100 51 784 C1. En el documento DE 100 51 784 C1 se propone utilizar para la toma de contacto de los electrodos una fina red de hilos de cobre, que durante el proceso de fabricacion se aloja junto con la piezoceramica en un polimero y que cubre los electrodos casi por completo. De esta manera resulta en particular en la zona de transicion entre la zona activa y la pasiva una union electrica flexible y fiable, que incluso con cargas dinamicas elevadas es insensible a la aparicion de grietas. Cubriendo por completo el electrodo queda asegurado que incluso en una rotura todos los fragmentos de la rotura siguen tomando contacto y solo se influye levemente sobre la potencia de la ceramica.

Los compuestos planos d33 monoliticos se conocen por ejemplo por los documentos US 307,306 B1, DE 199 28 189 A1 y US 6,208,026 B1. Para aplicar el campo electrico en 3 direcciones se somete a mordentado un electrodo de peine en una lamina de poliamida recubierta de cobre y se cubre con la lamina. Es problematica la utilizacion de laminas monoliticas junto con electrodos de peine. Las distancias entre electrodos y la anchura del electrodo de dedo son relativamente grandes, para que la repercusion del campo electrico heterogeneo no de lugar a dafos en la ceramica durante el funcionamiento.

Se conoce tambien el rayado multiple de la piezolamina monolitica con ayuda de un laser en la direccion longitudinal del actuador, sin llegar a la separacion total. Con esta medida se logra una actuacion selectiva del convertidor, ya que la rigidez de las acanaladuras es mayor que en transversal al respecto.

Al ser heterogeneos los campos electricos, solo son adecuadas piezolaminas monoliticas en determinadas condiciones para constituir convertidores d33 con electrodos de peine.

Mediante arquitecturas a modo de fibras del material de partida piezoceramico se intenta influir favorablemente sobre las caracteristicas de resistencia duradera de piezocompuestos, ya que las grietas que aparecen en piezofibras individuales no se propagan por todo el cuerpo ceramico, sino que se detienen en los limites hacia el polimero.

En compuestos de piezofibras se funden fibras piezoceramicas en una monocapa con un polimero. La aplicacion del campo electrico se realiza de nuevo mediante un electrodo de peine utilizando vias conductoras flexibles (laminas de poliimida) generadas mediante mordentado o laminas de poliester impresas con un adhesivo conductor.

El diametro de las fibras individuales se encuentra en estos compuestos de piezofibras entre 150 y 250 !m. Un inconveniente esencial de la tecnologia reside en la costosa fabricacion. Cada fibra ha de alojarse individualmente y orientarse en el compuesto. Ademas el material de partida es varias veces mas caro que las piezolaminas.

Por el documento US 6,629,341 B2 se conoce la utilizacion de piezolaminas mas economicas para fabricar piezofibras con seccion rectangular cortando a medida las piezolaminas mediante maquina. Para el corte a medida de las piezolaminas se utilizan sierras para obleas de la industria de los semiconductores. Las piezolaminas no sometidas a electrodos, monoliticas, se sierran cortandolas en bandas delgadas y a continuacion se pegan con vias conductoras flexibles de poliimida y estructura de electrodos de peine mordentada. Al serrar la piezolaminas se reduce claramente la rigidez del actuador transversalmente a la direccion de corte, con lo que tambien resulta para este compuesto una accion de actuador orientada. Debido a la seccion rectangular de las fibras y a una geometria de electrodos optimizada resultan valores de extension tipicos de 1.600 !m para una tension de 1500 V.

Una exigencia esencial en la aplicacion de piezocompuestos como actuadores es una maxima capacidad de trabajo. Los actuadores deben por lo tanto poder generar las maximas fuerzas y trayectorias. Las maximas fuerzas y trayectorias vienen predeterminadas por el material piezoceramica. Aun cuando las extensiones y fuerzas se logran debido a la utilizacion del efecto piezoelectrico longitudinal (efecto d33), tienen las soluciones tecnicas aplicadas hasta ahora para utilizar este efecto d33, basadas en electrodos superficiales a modo de peine, una serie deinconvenientes. Estos son la heterogenea distribucion del campo en el material ceramico, la gran carga electromecanica del material piezoelectrico en zonas con elevados gradientes de campo, la aparicion de grietas en zonas con elevados gradientes de campo, la reduccion de la vida util debido a las grietas (descargas electricas), la reduccion de la rigidez del actuador debido a las grietas y con ello una reduccion de la capacidad de trabajo, las extremadamente elevadas tensiones de servicio necesarias de hasta 2 kV, para poder generar campos electricos suficientemente altos, zonas pasivas (no utilizadas) dentro de los electrodos de peine y la compleja y costosa fabricacion.

Tambien es un inconveniente que el espesor de los actuadores solo pueda ajustarse muy limitadamente. Entre la distancia entre los electrodos y el espesor del material piezoceramico existe una relacion directa. Cuanto mas grueso sea el material, tanto mayor debe elegirse tambien la distancia entre electrodos, para que el campo pueda atravesar toda la seccion. Pero con ello aumenta a la vez la tension de servicio y se vuelve inaceptablemente alta. Por ello espesores superiores a 0,2 mm no son realizables por lo general, aun cuando ello seria deseable para aumentar el efecto de la fuerza del actuador.

Cuando se utiliza el efecto piezoelectrico transversal (efecto d31) con electrodos planos, se logran campos electricos mucho mas homogeneos. De esta manera se evitan ciertamente una serie de inconvenientes. Desde luego las maximas extensiones que pueden lograrse son bastante inferiores y se encuentran en aprox. un 35% de las del efecto d33. Los actuadores gruesos dan lugar tambien aqui a un aumento de la tension de servicio. En convertidores d31 resulta la tension de servicio necesaria para generar un campo electrico exigido directamente de la distancia entre los electrodos y con ello del espesor del material piezoelectrico. Cuanto mas grueso sea el material, tanto mayor sera la tension de servicio.

El documento EP 1 090 835 A1 da a conocer un actuador plano para deformar una estructura plana elastica en la direccion normal a la superficie de la estructura plana con varios elementos actuadores alojados en la estructura plana. Los elementos actuadores estan formados a partir de un material que puede activarse y la estructura plana es elastica y anisotropa. Los elementos actuadores estan unidos en dos extremos opuestos con la estructura plana y ejercen fuerzas de traccion.

El documento EP 0 509 488 A1 da a conocer un piezoactuador en el que un conjunto de placas piezoceramicas estan apiladas una sobre otra y conectadas mediante electrodos colectores en las paredes laterales opuestas. Las superficies de los electrodos colectores estan unidas electricamente con superficies de electrodos que se encuentran entre placas piezoceramicas.

El documento W0 2005/067071 A1 da a conocer una estructura de actuador piezoceramica con barras piezoceramicas, que en su lado pequefo estan interconectadas una junto a otra para formar un elemento actuador plano.

Por lo tanto es tarea de la presente invencion lograr un actuador plano piezoelectrico mejorado que aproveche el efecto d33 y pueda generar grandes extensiones para pequefas tensiones de servicio.

La tarea se resuelve mediante el actuador piezoceramico plano del tipo citado al principio, alojando las placas multicapa en un plastico y estando prevista en cada caso una superficie de electrodo colector para dos placas multicapa contiguas, que conectan en cada caso los electrodos positivos o negativos de las placas multicapa contiguas.

Estos actuadores planos se basan en actuadores multicapa piezoceramicos, que son un desarrollo posterior de actuadores apilados piezoceramicos convencionales. Los actuadores apilados convencionales se fabrican a partir de placas piezoceramicas apiladas y pegadas entre si. Las placas estan entonces sometidas a electrodos superficialmente y se extienden al aplicar un campo electrico aprovechando el efecto d33 en la direccion de su espesor. Puesto que la extension de una placa en la direccion de su espesor es pequefa, se apilan las placas, con lo que las extensiones de todas las placas se suman. Para la toma de contacto de los electrodos se alojan en las capas adhesivas delgadas laminas de cobre, que se llevan lateralmente hacia fuera de la pila y se conectan alternadamente. Puesto que las capas adhesivas reducen la rigidez del actuador y con ello la accion de la fuerza del actuador, se desarrollaron actuadores multicapa piezoceramicos, en los que los electrodos estan aplicados como capas muy delgadas (varios !m) sobre el cuerpo de base ceramico de la piezoceramica y a continuacion se sinterizan con la piezoceramica. De esta manera el electrodo es parte integrante del cuerpo ceramico monolitico. Dado que no se necesita ningun material polimero para constituir el actuador, el actuador multicapa es claramente mas rigido que un actuador apilado convencional. Ademas posibilita esta forma constructiva una reduccion de la tension de servicio, ya que pueden alojarse mas electrodos con una distancia inferior en la pila sin que descienda drasticamente la rigidez del actuador.

Basandose en estos actuadores multicapa paralelepipedicos conocidos, se propone con la presente invencion lograr una actuador piezoceramico que no es paralelepipedico, sino que tiene forma de placa. Los espesores tipicos se encuentran en la gama de 0,1 a 0,3 mm y preferiblemente en unos 0,2 mm. Las anchuras tipicas se encuentran en la gama de 10 a 20 mm. Con ello puede utilizarse tambien para un actuador plano la ventaja de los actuadores multicapa paralelepipedicos de una distribucion del campo homogenea en las zonas activas como actuador del piezocompuesto, una reducida carga electromecanica del material piezoceramico en las zonas activas como actuador, una tension de servicio claramente inferior a igualdad de extension activa y la ausencia de la influencia del espesor de la ceramica sobre la tension de servicio. Mediante el alojamiento en un plastico, como por ejemplo un polimero, un compuesto de fibras, etc., se logra que el actuador plano se estabilice mecanicamente, sea manejable y este electricamente aislado.

Preferiblemente estan sinterizados los electrodos con las placas piezoceramicas para formar un cuerpo ceramico monolitico, a fin de constituir un bloque ceramico integral monolitico, que se utiliza en forma de una placa delgada o disco para el actuador plano.

Es especialmente ventajoso que sobre las superficies del electrodo colector para los electrodos positivos y negativos este aplicada en cada caso una superficie de contacto elastica electricamente conductora. De esta manera queda asegurada para los electrodos positivos una toma de contacto electrica a traves de la superficie del electrodo colector positiva y la superficie de contacto que se apoya encima. Correspondientemente esta prevista una superficie de contacto negativa para los electrodos negativos, que se apoya sobre la superficie del electrodo colector negativa. La superficie de contacto elastica adicional da lugar a una elevada fiabilidad y duracion del piezocompuesto. La misma impide que las grietas que pueden formarse en la piezoceramica den lugar a un fallo del actuador. Por principio resultan precisamente en los extremos de los dedos de los electrodos zonas con campos no homogeneos. Estas heterogeneidades originan una carga mecanica del material ceramico, con lo que en definitiva pueden aparecer grietas. Estas grietas no son criticas para el funcionamiento, ya que estan localmente limitadas, pero pueden dafar la superficie del electrodo colector en el borde del actuador plano. Mediante la superficie de contacto elastica se reduce el peligro de un tal dafo.

La superficie de contacto elastica electricamente conductora debe ser bastante mas gruesa que la superficie del electrodo colector. La misma puede estar formada por un material no tejido electricamente conductor, un tejido de cobre o un tejido de carbono. Especialmente ventajosa es la utilizacion de un material no tejido de poliester metalizado para la superficie de contacto.

Cuando se forma un conjunto de actuadores planos a partir de varios actuadores planos dispuestos uno junto al otro, es ventajoso unir integramente la superficie de los electrodos de contacto mediante un procedimiento de inyeccion de resina con la placa multicapa, de las que al menos hay una.

En particular para lograr una tension previa del actuador piezoceramico plano, que permita ademas de la carga a compresion tambien una carga a traccion, es ventajoso alojar al menos un actuador plano en un compuesto polimero y conectar electricamente mediante vias conductoras sobre capas del compuesto polimero. Las vias conductoras pueden por ejemplo estar impresas o mordentadas sobre las capas superior y/o inferior del compuesto polimero.

Ademas es tarea de la presente invencion lograr un procedimiento mejorado para fabricar un tal actuador piezoceramico plano, con las etapas:

electrodos positivos y negativos y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas, y

b) aplicacion de superficies de electrodo colector electricamente conductoras sobre dos caras exteriores opuestas

del bloque ceramico tal que las superficies del electrodo colector se unen electricamente con los

correspondientes electrodos positivos o negativos.

La tarea se resuelve con este procedimiento mediante las etapas adicionales:

c) cortar el bloque ceramico con forma paralelepipedica en placas multicapa con forma de placa, con lo que las

placas piezoceramicas tienen una anchura bastante mayor, definida por la distancia entre las superficies del

electrodo colector opuestas, que el espesor de las placas multicapa,

d) toma de contacto en cada caso de los electrodos positivos o negativos de las capas multicapa contiguas con una superficie de electrodo colector comun; y

e) alojamiento del actuador plano en un plastico.

Ventajosas formas de ejecucion se describen en las reivindicaciones subordinadas.

La invencion se describira a continuacion mas en detalle en a modo de ejemplo en base a los dibujos adjuntos. Se muestra en

figuras 1a) a e) esquemas del procedimiento para fabricar un actuador plano piezoceramico a partir de un bloque piezoceramico monolitico y paralelepipedico de varias capas;

figura 2 una vista de despiece en perspectiva de dos actuadores planos dispuestos uno junto a otro y alojados en un compuesto polimero;

figura 3 una curva tension-extension a modo de ejemplo de un actuador plano piezoceramico alojado en un compuesto polimero.

La figura 1 muestra en vista en perspectiva esquematicamente la fabricacion de un actuador plano piezoceramico con forma de placa.

La figura 1a) muestra un apilamiento multicapa 1 monolitico industrialmente disponible como punto de partida del procedimiento. La pila multicapa 1 es un cuerpo ceramico monolitico, en el que los electrodos positivos y negativos 2a, 2b estan sinterizados con placas ceramicas 3 para constituir un cuerpo ceramico monolitico. Los electrodos positivos y negativos 2a, 2b estan dispuestos alternandose entre en cada caso dos placas piezoceramicas 3 contiguas.

La figura 2 muestra que para la toma de contacto electrica de los distintos electrodos 2a, 2b a modo de dedos estan aplicadas respectivas superficies delgadas de electrodo colector 4a, 4b en dos lados exteriores opuestos del cuerpo ceramico monolitico 1. Las superficies del electrodo colector 4a, 4b pueden fabricarse por ejemplo mediante chisporroteo o serigrafia.

Las cargas exteriores o las extensiones generadas debido al funcionamiento activo del actuador piezoceramico plano pueden dar lugar a grietas en los delgados electrodos planos 4a, 4b. Esto originaria, segun el lugar de la grieta, un fallo parcial o total del actuador plano. Para evitar este problema se aplica, tal como se muestra esquematicamente en la figura 1c, sobre las superficies del electrodo plano 4a, 4b, una superficie de contacto elastica conductora 5a, 5b. El material de las superficies de contacto 5a, 5b es mas grueso que la superficie del electrodo colector 4a, 4b, que tambien pueden suprimirse, con lo que la propia superficie del electrodo colector 4a, 4b esta realizada como capa elastica electricamente conductora.

Para las superficies de contacto elasticas 5a, 5b se utilizan materiales no tejidos electricamente conductores, por ejemplo poliester no tejido metalizado, tejido de cobre, tejido de carbono o similares. La aplicacion del material electricamente conductor se realiza preferiblemente con un procedimiento de inyeccion de resina, siendo posibles tambien otros procedimientos. Para racionalizar el proceso se reunen varios cuerpos ceramicos 1 monoliticos multicapa para formar un bloque y a la vez se dotan de la superficie de contacto 5a, 5b elastica electricamente conductora.

En la figura 1d) puede observarse que en la siguiente etapa el cuerpo ceramico 1 monolitico asi preparado se corta con una sierra en discos delgados. Para simplificar el proceso de corte, pueden estar colocadas previamente zonas adicionales para sujetar las ceramicas.

La figura 1e) muestra un actuador piezoceramico plano con forma de placa como resultado del proceso de corte. En esta delgada placa multicapa 6 estan dispuestos los electrodos no solo superficialmente, como en los tradicionales compuestos planos d33 con electrodos superficiales, sino que penetran en la seccion casi por completo. Se forman campos electricos muy homogeneos. Las distancias entre electrodos pueden reducirse considerablemente, por ejemplo a 50 !m, con lo que resultan tambien a igualdad de extension tensiones de servicio bastante reducidas. No obstante, el espesor de la placa multicapa 6 no influye sobre la magnitud de la tension electrica necesaria. Por lo tanto puede adaptarse la superficie de seccion activa a discrecion en una amplia gama.

La placa multicapa 6 representada en la figura 1e) es desde luego muy fragil. Para la estabilizacion mecanica, el aislamiento electrico y la toma de contacto puede estar alojada la placa multicapa 6 en un compuesto polimero, tal como se representa en la figura 2. El compuesto polimero consta de dos capas exteriores 7, de las cuales solo se ha dibujado una. Sobre las capas 7 se aplican estructuras de vias conductoras. Preferiblemente se utilizan vias conductoras impresas o mordentadas sobre sustratos de poliamida o poliester. Las vias conductoras 8 estan dispuestas tal que las superficies de contacto elasticas 5a, 5b pueden colocarse exactamente sobre las mismas. Entonces pueden constituirse actuadores planos en cualquier cantidad o configuracion de placas multicapa 6, para aumentar la superficie del piezocompuesto segun sea necesario. El pegado de los distintos componentes puede realizarse directamente. En el ejemplo representado se utiliza no obstante un procedimiento de inyeccion de resina, en el que adicionalmente se utiliza un marco 9 de un material de fibra aislante, preferiblemente poliester no tejido. Este marco 9 sirve como distanciador y posiciona las placas multicapa 6 en el compuesto. Ademas posibilita el marco 9 el flujo de la resina durante el proceso de inyeccion. La utilizacion de un procedimiento de inyeccion de resina garantiza una elevada calidad de la pieza y una buena reproducibilidad.

Puesto que la explotacion del compuesto se realiza a elevadas temperaturas, preferiblemente en la gama de 120 aC a 180 aC, se forma durante el proceso de enfriamiento una ventajosa tension previa de compresion en el cuerpo ceramico. La misma es debida a los elevados coeficientes termicos de dilatacion del material polimero envolvente en comparacion con la piezoceramica.

Para racionalizar el proceso pueden fabricarse a la vez varios piezocompuestos y dividirse posteriormente. El piezocompuesto asi formado es robusto y facil de manejar y puede utilizarse como actuador plano para cualesquiera aplicaciones.

La figura 3 muestra una curva tension-extension de un actuador piezoceramico plano alojado en un compuesto polimero. La extension se muestra en la unidad !m/m en funcion de la tension de control para el actuador piezoceramico plano. Se observa claramente que para una tension del servicio de 200 V se logra una extension maxima de 1300 !m/m. No obstante, en funcion del tamafo y la estructura pueden lograrse mayores valores hasta al menos 1800 !m/m para una tension inferior a 120 V. La gama de tensiones para el control se encuentra aproximadamente entre menos 50 y 200 V. La extension media es en el ejemplo representado de unos 4,8 !m/m/V.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Actuador piezoceramico plano con placas multicapa (6), que tienen un conjunto de placas piezoceramicas (3) separadas entre si mediante respectivos electrodos positivos o negativos (2a, 2b), alternandose los electrodos positivos y negativos (2a, 2b) y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas (3) y con superficies de electrodo colector (4a, 4b) para los electrodos positivos y negativos (2a, 2b), que estan unidas electricamente con los electrodos positivos o negativos (2a, 2b) asociados y que estan dispuestas en dos caras exteriores enfrentadas de las placas multicapa (6), teniendo las placas multicapa (6) forma de placa con una anchura de las placas multicapa (6), definida por la distancia entre las superficies del electrodo colector (4a, 4b) enfrentadas, bastante mayor que el espesor de las placas multicapa (6),

caracterizado porque las placas multicapa (6) estan alojadas en un plastico y porque en cada caso esta prevista una superficie de electrodo colector (4a, 4b) para dos placas multicapa (6) contiguas y toman contacto en cada caso los electrodos positivos o negativos (2a, 2b) de las placas multicapa (6) contiguas.
2.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 1,

caracterizado porque los electrodos estan sinterizados con las placas piezoceramicas (3) para formar un cuerpo ceramico monolitico (1).
3.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado�porque las superficies del electrodo colector (4a, 4b) son elasticas.
4.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 1 o 2,

caracterizado porque sobre las superficies del electrodo colector (4a, 4b) para los electrodos positivos y negativos (2a, 2b) esta aplicada en cada caso una superficie de contacto (5a, 5b) electricamente conductora.
5.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 3,

caracterizadoporquela superficie de contacto (5a, 5b) electricamente conductora es bastante mas gruesa que la superficie del electrodo colector (4a, 4b).
6.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 3 o 4,

caracterizado porque las superficies del electrodo colector (4a, 4b) estan formadas por material no tejido electricamente conductor, como por ejemplo un material de poliester no tejido metalizado, de tejido de cobre o de tejido de carbono.
7.

Actuador piezoceramico plano segun una de las reivindicaciones 3 a 6,

caracterizado porque las superficies del electrodo colector (4a, 4b) estan unidas integralmente mediante un procedimiento de inyeccion de resina con la placa multicapa (6), de las que al menos hay una.
8.

Actuador piezoceramico plano segun una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque la placa multicapa (6), de las que al menos hay una, esta alojada en un compuesto polimero y esta(n) conectada(s) mediante vias conductoras (8) sobre capas (7) del compuesto polimero.
9.

Actuador piezoceramico plano segun la reivindicacion 8,

caracterizado porque las vias conductoras (8) estan impresas o mordentadas sobre capas superiores y/o inferiores (7) del compuesto polimero.
10.

Actuador piezoceramico plano segun una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizado porque las placas multicapa (6) se encuentran bajo una tension previa a traves de la superficie del electrodo colector (4a, 4b) o al compuesto polimero.
11.

Procedimiento para fabricar un actuador piezoceramico plano con las etapas:

a) fabricacion de un bloque ceramico paralelepipedico monolitico compuesto por un conjunto de placas piezoceramicas (3) separadas entre si mediante respectivos electrodos positivos o negativos (2a, 2b), alternandose los electrodos positivos y negativos (2a, 2b) y estando constituidos integralmente con las placas piezoceramicas (3);

b) aplicacion de superficies de electrodo colector (4a, 4b) electricamente conductoras sobre dos caras exteriores opuestas del bloque ceramico tal que las superficies del electrodo colector (4a, 4b) se unen electricamente con los correspondientes electrodos positivos o negativos (2a, 2b),

c) corte del bloque ceramico con forma paralelepipedica en placas multicapa (6) con forma de placa, con lo que las placas multicapa (6) tienen una anchura bastante mayor, definida por la distancia entre las superficies del electrodo colector (4a, 4b) opuestas, que el espesor de las placas multicapa (6),

d) toma de contacto en cada caso de los electrodos positivos o negativos de las capas multicapa contiguas con una superficie de electrodo colector comun; y

e) alojamiento del actuador plano en un plastico.
12.

Procedimiento segun la reivindicacion 11,

��caracterizado�por el sinterizado de los electrodos junto con las placas piezoceramicas (3) para formar un bloque ceramico monolitico en la etapa a).
13.

Procedimiento segun la reivindicacion 11 o 12,

��caracterizado por la aplicacion de respectivas superficies de contacto (5a, 5b) elasticas electricamente conductoras sobre los electrodos colectores para los electrodos positivos y negativos (2a, 2b).
14.

Procedimiento segun la reivindicacion 13,

��caracterizado porque la superficie de contacto (5a, 5b) elastica electricamente conductora es bastante mas gruesa que el electrodo colector (4a, 4b).
15.

Procedimiento segun una de las reivindicaciones 13 o 14,

��caracterizado porque las superficies del electrodo colector (4a, 4b) estan formadas por un material no tejido electricamente conductor, por ejemplo por un material no tejido de poliester metalizado, por tejido de cobre o tejido de carbono.
16.

Procedimiento segun una de las reivindicaciones 11 a 15,

��caracterizado por una union integral de las superficies del electrodo colector (4a, 4b) mediante un procedimiento de inyeccion de resina con las placas multicapa (6).
17.

Procedimiento segun una de las reivindicaciones 11 a 16,

��caracterizado por el alojamiento de las placas multicapa (6) en un compuesto polimero y toma de contacto electrica del actuador plano, de los que al menos hay uno, mediante vias conductoras (8) sobre capas (7) del compuesto polimero.
18.

Procedimiento segun la reivindicacion 17,

��caracterizado por la impresion o mordentado de las vias conductoras (8) sobre capas (7) superiores y/o inferiores del compuesto polimero.