IT8224595A1

IT8224595A1 - Metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico e dispositivo fabbricato con questo metodo

Info

Publication number: IT8224595A1
Application number: IT1982A24595A
Authority: IT
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1982-12-03
Publication date: 1984-06-03
Also published as: SE8206951D0; NL8105502A; JPS58106881A; GB2113460B; US4460842A; FR2517889A1; DE3244526A1; GB2113460A; IT8224595A0; SE8206951L; SE453339B; IT1154623B; FR2517889B1

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"METODO DI FABBRICAZIONE DI UN DISPOSITIVO PIEZOELET-TRICO E DISPOSITIVO FABBRICATO CON QUESTO METODO"

RIASSUNTO

Un metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico comprendente una pluralit? di piastre in materiale ceramico (1) polarizzabili le quali sono tra loro impilate, con piastre metalliche intermedie che servono come elettrodi? La pila o catasta viene sottoposta ad un elevato grado di precarico mediante un elemento di precaricamento avente una caratteristica di resilienza relativamente piatta entro la gamma operativa del dispositivo piezoelettrico il quale ? formato da un alloggiamento cilindrico (figura 2) avente due serie di fessure (7, 10), sfalsate rotativamente di 90?, la forza di precarico venendo applicata alla pila mediante tappi d'estremit? filettati (4 e 5)? Le piastre in materiale ceramico vengono polarizzate solamente dopo l'assemblaggio ed il precaricamento? L'invenzione si riferisce pure ad un dispositivo piezoelettrico fabbricato mediante questo metodo? Figure 1 e 2.

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE L'invenzione si riferisce ad un metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico in cui una pluralit? di piastre piatte costruite con un materiale piezoceramico polarizzabile viene impilata ovvero accatastata, con una piastra metallica intermedia disposta fra ciascuna coppia di piastre di materiale ceramico, dopo di che la pila viene dotata ad entrambe le estremit? di una piastra terminale, le due piastre terminali essendo meccanicamente intercollegate a mezzo di uno o pi? elementi di precarico disposti in modo da sollecitare le piastre terminali l'una verso l?altra, in modo che la pila di piastre venga meccanicamente precaricata ovvero presollecitata, le piastre metalliche essendo collegate alternatamente all'uno o all'altro rispettivo elettrodo della coppia di elettrodi terminali.

Un dispositivo piezoelettrico del tipo che costituisce l'oggetto della presente invenzione ? descritto nel brevetto statunitense N. 2.473?835? Il dispositivo noto comprende una pila di piastre di materiale piezoceramico che sono disposte in un involucro cilindrico che si appoggia contro il fianco della pila senza un libero gioco. Nel dispositivo noto si verificano vibrazioni in una direzione trasversale rispetto all?asse centrale della pila e l'involucro ? dotato di una scanalatura anulare ad entrambe le estremit? in modo da ridurre ai minimo l'effetto nei confronti delle piastre terminali.

In un ulteriore dispositivo noto descritto nel brevetto britannico N. 1.387.323, si possono verificare variazioni di lunghezze in una pila di piastre ceramiche nella direzione assiale della pila stessa. Poich? tali variazioni di lunghezza possono venire trasmesse all'ambiente attraverso le piastre d'estremit?, ? molto importante che queste piastre siano in contatto con la pila senza un libero gioco e che qualsiasi gioco entro la pila venga pure eliminato per quanto possibile. Allo scopo di realizzare questo scopo, le piastre vengono sollecitate contro la pila con un precarico. A questo scopo viene fatto uso di un manicotto cilindrico il quale ? collegato alle piastre terminali e che ? sottoposto a sollecitazione di stiro fino a che viene fornito il precarico desiderato

E ' pure noto dalla prassi usuale precaricare la pila mediante un bullone centrale, le piastre d'estremit? venendo sollecitate contro la pila mediante dadi.

L?elevata rigidit? di detto involucro cilindrico come pure del bullone o tirante centrale costituisce un inconveniente; qualsiasi variazione di lunghezza nel manicotto o del bullone o tirante sar? accompagnata da un. aumento comparativamente grande della forza applicata. La pila di materiale piezoelettrico, quando viene alimentata con corrente elettrica, dovrebbe allungarsi in contrapposizione a questa forza, il che, naturalmente, ? difficile. La rigidit? del manicotto di precarico o del tirante riduce cosi la efficacia del dispositivo.

Un ulteriore inconveniente dei dispositivi noti ? che la loro fabbricazione ? comparativamente costosa; ci? ? in parte dovuto al fatto che le piastre sono normalmente dotate di elettrodi metallici e vengono polarizzate dopo l?assemblaggio.

Uno scopo dell'invenzione ? quello di fornire un metodo perfezionato di fabbricazione di un dispositivo del tipo citato che possa offrire un tipo di costruzione che sia pi? economica e migliore di quella dei dispositivi noti.

In conformit? all'invenzione viene previsto un metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico in cui una pluralit? di piastre piatte costruite con un materiale piezoceramico polarizzabile viene impilata ovvero accatastata, con una piastra metallica intermedia tra ogni coppia di piastre, dopo di che la pila viene dotata, ad entrambe le estremit?, di una piastra terminale, le due piastre terminali venendo meccanicamente intercollegate a mezzo di uno o pi? elementi di precaricamento disposti in modo da sollecitare le piastre terminali l'una verso l'altra in modo che la pila di piastre risulti precaricata, le piastre metalliche essendo collegate alternatamente all'uno o all'altro dei due rispettivi elettrodi terminali, caratterizzato dal fatto che le piastre in materiale ceramico vengono impilate in una condizione non polarizzata, le piastre metalliche venendo portate in diretto contatto con il materiale ceramico, dopo di che viene applicato un elemento di precarico in modo tale che esso eserciti una forza di prec?rico relativamente grande sulla pila e presenti una caratteristica di resilienza relativamente piatta, come qui definita, dopo di che le piastre in materiale ceramico vengono polarizzate mediante l'applicazione della necessaria tensione agli elettrodi, se necessario in combinazione con l'applicazione di calore al dispositivo. Una caratteristica di resilienza relativamente piatta deve intendersi qui di seguito come riferita come ad una forza elastica di ripristino allo stato originale che non vari in modo sostanziale, cio? per esempio che non vari pi? di circa il 20%, entro l'intervallo operativo di estensione della pila piezoelettrica.

In conseguenza dell'impiego di un elemento di precaricamento avente una caratteristica di resilienza relativamente piatta entro l'intervallo operativo del dispositivo piezoelettrico, si pu? applicare una forza di precarico relativamente grande. Una forza di precarico relativamente grande deve qui intendersi quella che ? sufficiente sostanzialmente per eliminare qualsiasi gioco nella pila, il quale gioco pu? pertanto venir effettivamente ridotto od eliminato del tutto. E' anche possibile usare piastre che non siano dotate di elettrodi e polarizzare le piastre dopo l'assemblaggio. La forza relativamente grande di precarico ? pertanto da intendersi in questo contesto come quella che ? pure sufficiente a controbilanciare sostanzialmente modifiche di forma delle piastre durante la polarizzazione e nel caso dovesse verificarsi una modifica o variazione di questo tipo, sufficiente a sollecitare le piastre metalliche intermedie contro le piastre di materiale ceramico in modo cos? fermo che possa essere sempre assicurato un adeguato contatto tra le piastre metalliche e le piastre di materiale ceramico senza la necessit? di metallizzazione delle superfici delle piastre di materiale ceramico.

Quando vengono usati ad esempio i materiali descritti nella domanda di brevetto olandese N. 7903964 e nell'equivalente domanda di brevetto europeo SN0019337, per le piastre di materiale ceramico, la polarizzazione pu? venir effettuata a temperatura ambiente.

Quando vengono usati altri materiali, pu? risultare necessario aumentare la temperatura del dispositivo fino ad un valore leggermente maggiore durante la polarizzazione.

L'invenzione si riferisce pure ad un dispositivo fabbricato mediante il metodo citato ed anche ad un dispositivo perfezionato che comprende una pluralit? di piastre piatte accatastate costruite con un materiale piezoceramico polarizzabile che sono disposte tra due piastre terminali che sono meccanicamente intercollegate mediante uno o pi? elementi di precaricamento in modo che la pila di piastre venga assoggettata ad un precarico, una sottile piastra metallica essendo disposta tra ogni coppia di piastre adiacenti di materiale ceramico, le piastre metalliche essendo collegate alternatamente ad un rispettivo elettrodo appartenente al detto gruppo di due elettrodi terminali. Un siffatto dispositivo in conformit? all'invenzione ? caratterizzato dal fatto che ognuna delle piastre metalliche ? in diretto contatto con il materiale ceramico delle piastre piatte associate, l'elemento di precaricamento esercitando una forza di precarico relativamente grande ed avendo una caratteristica di resilienza relativamente piatta come qui definita.

Un'ulteriore forma di esecuzione del dispositivo in conformit? all'invenzione ? caratterizzata dal fatto che l'elemento di precarico ? formato da un manicotto cilindrico il quale ? dotato, in ciascuno di una prima serie di piani distanziati che si estendono trasversalmente rispetto all'asse centrale del manicotto, di due zone intagliate che sono situate sull'uno e sull'altro lato delle zone di collegamento a ponte giacenti in un primo piano assiale diametrale e che ? pure analogamente dotato in ciascuno di una seconda serie di piani distanziati che si estendono trasversalmente rispetto all'asse centrale del manicotto e situati alternatamente tra piani adiacenti formanti la detta prima serie di piani, di due zone intagliate che sono situate sull'uno e sull'altro lato delle zone di collegamento a ponte giacenti in un secondo piano assiale diametrale, i detti due piani assiali diametrali essendo inclinati ovvero ruotati l'uno rispetto all'altro?

Pertanto viene previsto un manicotto cilindrico di precaricamento che pu? essere molto resistente ovvero robusto nella direzione radiale, che ? in grado di produrre il necessario precarico nella direzione assiale, e che presenta una caratteristica di resilienza relativamente piatta , come qui definita? Ci? significa che la pila di piastre pu? venire sottoposta ad un grado sostanziale di precarico in modo che venga ridotto il gioco o che quest'ultimo venga sostanzialmente eliminato, mentre un aumento in lunghezza del dispositivo piezoelettrico non verr? contrastato da un aumento inamissibilmente grande della forza di resistenza elastica?

Tra l'altro, per il fatto che il precarico deve rimanere limitato nelle forme note di costruzione, le facce d'estremit? di ciascuna delle piastre di materiale ceramico usate in queste costruzioni erano dotate di un sottile strato metallico, per esempio, un sottile strato d'argento, ad esempio ottenuto mediante deposizione in fase vapore, in modo da ottenere un adeguato contatto degli elettrodi anche con un piccolo grado di precarico. Gli elettrodi sono quindi formati da due fogli metallici che vengono disposti tra le piastre in materiale ceramico alternatamente. La metallizzazione delle facce d'estremit? di ciascuna delle piastre in materiale ceramico costituisce un'operazione molto laboriosa e quindi costosa, e presenta anche l'inconveniente consistente nel fatto che una diffusione continua di metallo entro il materiale ceramico spesso provoca cortocircuiti tra le due facce d'estremit?.

Questi inconvenienti vengono ridotti od eliminati in un dispositivo in conformit? alla presente invenzione in quanto ciascuno dei fogli metallici ? in diretto contatto con il materiale ceramico delle piastre. Ci? ? possibile poich? ? ammesso un maggior grado di precarico per sollecitare i fogli metallici contro la piastra di materiale ceramico in modo cos? fermo da ottenere cos? un intimo contatto tra gli elettrodi e le piastre di materiale ceramico anche senza la presenza di uno strato di metallo applicato.

Un ulteriore vantaggio di questo dispositivo ? che le piastre in materiale ceramico possono venire montate nel dispositivo nella condizione non polarizzata di modo che l'usuale polarizzazione delle piastre effettuata preventivamente non ? pi? necessaria. Se la polarizzazione dovesse scomparire per una qualsiasi ragione durante il funzionamento, essa pu? venire facilmente ripristinata, senza effettuare uno smontaggio, mediante applicazione della desiderata tensione agli elettrodi accompagnata, se necessario, da un aumento della temperatura del dispositivo fino al valore necessario.

Una forma di esecuzione dell?invenzione verr? ora descritta a titolo di esempio, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 ? una vista in sezione schematica di un dispositivo piezoelettrico in conformit? all'invenzione , e

le figure 2 e 3 sono viste prospettiche del manicotto cilindrico di precaricamento e della pila di piastre piezoelettriche, rispettivamente, del dispositivo illustrato nella figura 1.

La figura 4 mostra una ulteriore forma di esecuzione di un dispositivo piezoelettrico.

Il numero di riferimento 1 nel disegno st? ad indicare una pluralit? di piastre di materiale piezoceramico impilate ovvero accatastate.

Fogli metallici 2 e 3 che si incrociano tra di loro secondo un angolo di 90? vengono fatti passare tra piastre ceramiche adiacenti 1 in modo alternato in modo tale che una faccia d'estremit? di ciascuna piastra tocchi un foglio, mentre l'altra sua faccia d'estremit? impegna l'altro foglio. I fogli metallici sono in contatto con conduttori di tensione 14 e 15 che vengono alimentati attraverso un tappo terminale filettato 5.

La pila di piastre 1 ? disposta tra due tappi terminali filettati 4 e 5 che servono da piastre terminali.

I tappi terminali filettati 4 e 5 vengono avvitati entro un manicotto cilindrico 6 di precaricamento.

Per impartire una caratteristica di resilienza (cio? la relazione tra la forza di sollecitazione elastica e l'allungamento o estensione) al manicotto 6 che sia relativamente piatta entro la gamma operativa del dispositivo piezoelettrico per il desiderato precarico, il manicotto ? dotato di una prima serie di zone intagliate 7 di uguale orientazione attorno all'asse del manicotto 6, che sono situate in piani distanziati che si estendono trasversalmente rispetto all'asse centrale del manicotto e che tagliano il manicotto su entrambi i lati in modo che rimangano due porzioni di collegamento ponte 8. Tutte le porzioni di collegamento a ponte 8 sono situate in un primo piano assiale diametrale?

Il manicotto 6 ? pure dotato di una seconda serie di zone intagliate 10 aventi un'orientazione reciprocamente uguale attorno all'asse del manicotto 6, la quale ? diversa da quella delle zone intagliate 7, e le quali zone 10 tagliano esse pure il manicotto su entrambi lati in modo che rimangano due porzioni di collegamento a ponte 11 le quali sono situate in un secondo piano assiale diametrale che si estende sostanzialmente ad angolo retto rispetto al piano nel quale sono situate le porzioni di collegamento a ponte 8?

Viene cos? fornito un manicotto di precaricamento che ? molto rigido in una direzione radiale e che offre un'adeguata protezione alla pila di piastre di materiale ceramico? Il manicotto ? in grado di esercitare un grado relativamente grande di precarico nella direzione assiale, la caratteristica di resilienza essendo ci? nonostante coraparativamente piatta, entro la gamma operativa del dispositivo piezoelettrico, il che significa che un allungamento

variabile ? accompagnato solamente da un aumento relativamente piccolo della forza applicata?

Poich? pu? venire cos? applicato un elevato grado di precarico, gli elettrodi 2 e 3 possono impegnare le piastre di materiale ceramico direttamente senza la necessit? di una preventiva deposizione su di

esse di superfici metalliche. Il grado relativamente grande di precarico solleciter? gli elettrodi entro

il materiale ceramico delle piastre in modo da corrispondere in effetti al contatto del metallo di piastre placcate. Dopo l'assemblaggio, le piastre di materiale ceramico possono venire polarizzate mediante applicazione della necessaria tensione agli elettrodi 14 e 15.

In una forma di realizzazione pratica, la pila

di materiale ceramico era formata da 100 piastre aventi ciascuna un diametro esterno di 10 mm ed uno spessore di 0,5 mm. Gli elettrodi erano costituiti da un foglio di rame avente uno spessore di 20 ? ed una larghezza di 7 mm. Il manicotto di precaricemento aveva un diametro esterno di 20 mm ed uno spessore della parete di 2 mm.

La rigidit? del manicotto corrispondeva all'incirca a e un precarico di 1000 N veniva esercitato dal manicotto sulla pila.

In risposta ad una differenza di tensione di

800 V tra gli elettrodi, questo dispositivo produceva una variazione in lunghezza di 50?m in circa 100 ?s.

I vantaggi di un dispositivo in conformit? alla presente invenzione possono essere riassunti in quanto segue: un elevata efficienza, una robusta struttura solida e sostanzialmente esente da giochi in conseguenza del grado relativamente elevato di precarico meccanico senza un inamissibile carico di resistenza derivante da una crescente forza di resilienza durante il normale funzionamento, un tipo di costruzione economica derivante dall?impiego di componenti semplici e in modo rilevante dall'impiego di piastre di materiale ceramico che non hanno dovuto essere prelavorate (cio? che non sono state polarizzate e non hanno uno strato metallico applicato su di esse), ed una bassa capacit? elettrica, per cui l'assorbimento di potenza elettrica del dispositivo risulta basso?

Le piastre in materiale ceramico presenti nel dispositivo in conformit? alla presente invenzione non necessitano di venire polarizzate anticipatamente; la polarizzazione pu? venire polarizzata nella condizione montata mediante aumento della temperatura dell'intero dispositivo fino al valore richiesto, con successiva applicazione della necessaria tensione agli elettrodi.

La figura 4 mostra il modo in cui la pila di piastre di materiale piezoceramico 1 ? circondata da un manicotto cilindrico 16. La pila 1 ? racchiusa da un tappo terminale filettato 17 e da una piastra termi

Claims

RIVENDICAZIONI

1 . Metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico in cui una pluralit? di piastre piatte di materiale piezoceramico polarizzabile viene accatastata ovvero impilata, con una piastra metallica intermedia disposta tra ogni coppia di piastre di materiale piezoceramico, dopo di che la pila viene dotata in corrispondenza di entrambe le estremit? di una piastra terminale, le due piastre terminali essendo meccanicamente intercollegate a mezzo di uno o pi? elementi di precaricamento disposti in modo da sollecitare le piastre terminali l'ima verso l'altra, di modo che la pila di piastre viene precaricata, le piastre metalliche essendo collegate alternatamente all'uno o all'altro di due rispettivi elettrodi terminali, caratterizzato dal fatto che le piastre di materiale ceramico vengano impilate in una condizione non polarizzata, le piastre metalliche venendo portate in diretto con? tatto con il materiale ceramico, dopo di che viene applicato un elemento di precaricamento di modo tale che esso eserciti un grado relativamente grande di precarico sulla pila e presenti una caratteristica di resilienza relativamente piatta, come qui definita, dopo di che le piastre di materiale ceramico vengono polarizzate mediante l?applicazione della necessaria tensione elettrica agli elettrodi, se necessario in combinazione con l?applicazione di calore al dispositivo.
2. Metodo di fabbricazione di un dispositivo piezoelettrico sostanzialmente come qui descritto con riferimento ai disegni allegati.
3. Dispositivo piezoelettrico fabbricato con il metodo rivendicato nella rivendicazione 1 o nella rivendicazione 2.
4. Dispositivo piezoelettrico comprendente una pluralit? di piastre piatte impilate costruite con un materiale piezoceramico polarizzabile, le quali vengono disposte tra due piastre terminali che sono meccanicamente intercollegate a mezzo di uno o pi? elementi di precaricamento in modo che la pila di piastre sia assoggettata ad un precarico, una sottile piastra metallica essendo disposta tra ogni coppia di piastre adiacenti, le piastre metalliche essendo collegate alternatamente ad un rispettivo conduttore del detto gruppo di due conduttori di tensione elettrica, caratterizzato dal fatto che ciascuna delle piastre metalliche ? in diretto contatto con il materiale ceramico delle rispettive piastre piatte, l'elemento di precaricamento esercitando un grado relativamente grande di precarico ed avendo una caratteristica di resilienza relativamente piatta, come qui definita?
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'elemento di precarica? mento ? formato da un manicotto cilindrico il quale ? dotato, in ciascuno di una prima serie di piani distanziati che si estendono trasversalmente rispetto all'asse centrale del manicotto, di due zone intagliate che sono situate sull'uno e sull'altro lato di zone di collegamento a ponte giacenti in un primo piano assiale diametrale e che ? pure dotato analogamente, in ciascuno di una seconda serie di piani distanziati che si estendono trasversalmente rispetto all'asse centrale del manicotto e situati alternatamente tra piani adiacenti formanti la detta prima serie di piani, di due zone intagliate che sono situate sull'uno e sull'altro lato di zone di collegamento a ponte giacenti in un secondo piano assiale diametrale, i due piani assiali diametrali citati essendo inclinati ovvero ruotati angolarmente l'uno rispetto all'altro?
6. Dispositivo piezoelettrico secondo la rivendicazione 4, in cui la pila di piastre piezoelettriche ? disposta in un manicotto cilindrico, caratterizzato dal fatto che l 'elemento di precaricamente ? una molla a disco.
7. Dispositivo piezoelettrico comprendente una pluralit? di piastre piatte impilate ovvero accatastate di materiale piezoceramico polarizzabile sostanzialmente come qui descritto con riferimento ai disegni allegati.