Actuador piezocerámico plano y procedimiento para fabricar el mismo.

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.

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... [Seguir leyendo]

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, caracterizadoºporque 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,

ººººººcaracterizadoºpor 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,

ººººººcaracterizado 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,

ººººººcaracterizado 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,

ººººººcaracterizado 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,

ººººººcaracterizado 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,

ººººººcaracterizado 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,

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