ITSA20070025A1 - Attuatore a lamine intercambiabili, che vibrano a flessione, basato su un trasduttore di tipo langevin - Google Patents

Description

"Attuatare a lamine intercambiabili,, che vibrano a flessione basato su un trasduttore di tipo Langevin"

La presente invenzione riguarda un attuatore a lamine, intercambiabili, che vibrano a flessione, basato su un trasduttore di tipo Langevin.

Più in particolare la présente invenzione si riferisce ad un attuatore piezoelettrico capace di eccitare un moto flessionale in una lamina d'acciaio il sistema complessivo ha un elevato rendimento basse perdite ed elevata robustezza meccanica. Le applicazioni del dispositivo sono principalmente in estetica e dermatologia.

E' nota una tipologia di attuatori piezoelettrici capaci di eccitare un moto flessionale in una lamina d'acciaio.

Le applicazioni del dispositivo sono in estetica dermatologica ed in particolare può essere utilizzato per:

- esfoliazione dello strato carneo più superficiale (ad esempio cellule morte, sebo); sterilizzazione batterica (causa di brufoli ed acne);

- aumento dell'irrorazione sanguigna;

stimolazione del turnover cellulare; idratazione;

eliminazione delle macchie brune non patologiche degli strati superficiali (ad esempio cloasma); - riequilibrio del metabolismo Ideale;

rimozione delle rughe;

rimozione dei punti neri.

L'efficacia del trattamento è ottenuta facendo vibrare una lamina,di acciaio ad una frequènza, di circa 25 kHz.

Per mettere in vibrazione la lamina , l'attuale stato dell'arte prevede l'uso del dispositivo riportato In figura Il dispositivo è costituito dalle seguenti parti:

lamina vibrante l' in acciaio;

- quattro ceramiche piezoelettriche 2' ; e

- base in acciaio 3',

Il moto viene indotto sfruttando il modo radiale dalle ceramiche piezoelettriche 2' : le ceramiche poste sulla superficie superiore della base 3' sono eccitate con un segnale, sinuseidale in controfase rispetto a quelle poste sulla superficie, inferiore, forzando la base stessa a fletterai; questo moto viene quindi trasferito alla lamina vibrante 1'.

Il fatto di eccitare nelle ceramiche piezoelettriche un modo trasversale, cioè un modo in cui la direzione del moto è ortogonale a quella del campo elettrico applicato, è proprio uno dei problemi dell'attuatore in figura 1; i modi traversali presentano infatti un'efficienza di traduzione inferiore a quelli longitudinali, ovvero quelli in cui la direzione del moto è parallela a quella ;del campo elettrico applicato.

Un altro problema è rappresentato dal modo con cui la lamina 1' è vincolata alla base 3': nel dispositivo attuale la giunzióne viene realizzata attraverso brasatura nel funzionamento dell'attuatare, proprio questa si è rivelata la parte più debole si è osservato infatti un cedimento, con conseguente distacco della lamina 1' dalla base 3'; questo fenomeno riduce notevolmente la vita utile,del dispositivo.

Ancora, gli stress a cui il dispositivo della tecnica anteriore è sottoposto possono portare alla depolarizzazione dalla ceramiche piezoelettriche, nonché al loro distacco (sono solo incollate alla base).

Infine, il fatto che il trasduttore e la lamina siano un elemento unico esclude la possibilità Ricambiare la lamina in relazione alle zone del corpo da trattare.

Scopo della presente invenzione è quello dì fornire un attuatore piezoelettrico capace di eccitare un moto flessionale in una lamina d'acciaio. che risolva in tutto o in parte i problemi della tecnica anteriore e eviti gli inconvenienti sopra descritti ,

E' oggetto della presente invenzione un attuatole a lamine vibranti a flessione, comprendente :

un trasduttore di tipo "langevin", connesso ad una

lamina, con una direzione di estensione longitudinale principale,

caratterizzato dal fatto che:

il trasduttore è tale da eccitare modi, longitudinali, ovvero modi In cui là. direzione del moto prodotto è parallela a quella del campo elettrico applicato;

la lamina è posta in modo tale che la sua direzione di estensione longitudinale principale è sostanzialmente perpendicolare a detta direzione del moto prodotto da detto trasduttore.

Preferibilmente secondo l'invenzione, la connessione tra trasduttore e lamina è realizzata tramite un supporto. che ha una dimensione superficiale sostanzialmente uguale alla sezione dell'estremità del trasduttore che sì connette alla lamina e l'altra dimensione,superficiale pari alla, larghezza della lamina in corrispondenza della zona di connessione.

Preferibilmente secondo l'invenzione, la lamina ed il supporto sono formati in un solo pezzo.

Preferibilmente secondo invenzione, detto trasduttore ha una forma allungata e comprende una testa ed una coda tra le quali sono posti elementi piezoelettrici.

Preferibilmente secondo l'invenzione, detta, testa è detta coda sono in acciaio, e detti elementi piezoeletrici sono in ceramica.

Preferibilmente secondo l'invenzione, detto trasduttore comprende ulteriormente un concentratore posto tra la lamina e la testa del trasduttore, detto concentratore avendo sezione trasversale inferiore alla sezione trasversale di detta resta.

Preferibilmente secondo l'invenzione, la lunghezza totale del trasduttore è sostanzialmente pari alla metà della lunghezza d'onda λ nel materiale, calcolata alla frequenza di lavoro.

Preferibilmente secondo l' invenzione, lo spessore di detto supporto è compreso tra 1 mm e 5

mm.

Preferibilmente secondo l'invenzione, detto supporto presenta un'apertura filettata e l'estremità del trasduttore che si connette alla lamina presenta un perno per realizzare tale connessione insieme ad un bullone posto sul supporto, in modo da diminuire gli stress su tale giuntura e consentire con semplicità la sostituzione da parte dell'utente dell'insieme lamina supporto. 1

Preferibilmente secondo l'invenzione, la resta è provvista di un perno con fa quale si connettetagli elementi piezoeletrici e alla coda che fa da bullone,

Preferibilmente secondo l'invenzione, la testa ed il concentratore sono formati in un solo pezzo.

Preferibilmente secondo l'invenzione, tra gli elementi piezoelettrici sono posti sottili anelli di rame tramite i quali sono realizzati i collegamenti elettrici tra l'attuatore ed un circuito di eccitazione esterno.

Preferibilmente secondo l'Invenzione, i contatti elettrici sono ulteriormente fisseti tra loro ed alla testa e coda per mezzo di una resina epossidica .

Preferibilmente secondo l'invenzione, gli elementi piezoelettrici sono quattro.

Preferibilmente secondo l'invenzione, gli elementi piezoelettrici sono connessi elettricamente tre loro in parallelo ed in modo tale che la testa e la coda siano a potenziale nullo.

L'invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui:

la figura 1 mostra uno schema di un attuatole piezoelettrico tradizionale, in sezione (a) ed in pianta (b);

la figura 2 mostra la distribuzione dell'intensità degli stress nel dispositivo tradzionale secondo la figura 1, calcolata tramite simulazione alla frequenza di lavoro 123,6 KHz);

la figura 3 mostra uno schema di una forma di realizzazione dell'attuato re piezoelettrico secondo l'invenzione;

la figura 4 mostra la distribuzione degli sposamenti nell' attuatore piezoeletrico secondo la figura 3, calcolati tramite simulazione alla frequenza di 26,1 KHz ;

la figura 5 mostra la distribuzione degli stress nell'attuatote piezoeletrico secondo la figura 3, calcolati tramite simulazione; alla frequenza di lavoro (26,1 KHz).

La ricerca dì una nuova soluzione di attuatore piezoelettrico con lamine che vibrano a flessione è stata preceduta da indagini sulla stabilità meccanica della soluzione della tecnica anteriore.

Per verificare se la fragilità del dispositivo delle tecnica anteriore (figura 1) è bevuta a problemi strutturali o ad una sua reattiva realizzazione, ne è stato simulato il funzionamento tramite il codice ΑΝSYS che implementa un metodo di analisi agli elementi finiti {FEM).

I risultati ottenuti tramite l'analisi FEM sono mostrati nella figura 2 ed hanno evidenziato il massimo dello stress meccanico proprio alla giuntura tra base 3' e lamina 1'. Lo stress in questa zona, calcolato imponendo una tensione di alimentazione di ampiezza pari a 250 V {tipica per queste applicazioni), varia, a seconda della frequenza,di eccitazione, tra 120 e 150 MPa ed è dello stesso ordine di grandezza del carico di snervamento, dì circa 500 MPa per l'acciaio di cui sono costituite base e lamina.

Infine, il fatto che la giuntura sia realizzata per brasatura fa crescere ulteriormente il rischio di rottura; in tal caso infatti il carico di snervamento, è ben al disotto di quello del materiale.

Si può quindi concludere che la ragione della breve vita del dispositivo della tecnica anteriore è insita nella sua configurazione e quindi è di tipo strutturale .

In figura 2 si possano anche osservare delle regioni, al confine tra le ceramiche e la base, interessate anch'esse da uno stress elevato, tra 1 e 20 MPa; le cause sona da imputare principalmente ad una serie di submodi naturali, i quali si sovrappongono al modo principale di interesse, e sottopongono le ceramiche a lievi torsioni laterali che si traducono in maggiore stress sulle medesime. La conseguenza negativa dì questo valore elevato dello stress è una sollecitazione eccessiva della colla tramite la quale le ceramiche sono vincolate alla base, con conseguente distacco delle ceramiche stesse, fenomeno che si è verificato su alcuni campioni dell'attuatore.

Infine, sempre in figura 2, si nota, al centro delie ceramiche più lontane dalla lamina uno stress che può arrivare anche a 37 MPa, cioè superare il valore limite (30 MPa) oltre ilquale le ceramiche si depolarizzano e quindi perdono le proprietà piezoelettriche, rendendo il dispositivo inefficace.

Il dispositivo secondo la presente invenzione sfrutta l'azione delle ceramiche piezoelettriche in maniera completamente diversa rispetto al dispositivo attuale.

In particolare, il moto flessionale della lamina viene indotto eccitando le ceramiche nel modo a spessore ("thickness mode"}, che, essendo un modo longitudinale, permette di ottónefé; una migliore efficienza di trasduzione.

Il dispositivo proposto è mostrato in figura 3; esso ècostituito dalle seguenti parti:

lamina vibrante 1 in acciaio;

supporto 2 in acciaio della lamina; concentratore 3 a gradino dell'attuatore Langevin, in acciaio;

- coda 4 dell'attuatore Langevin, in acciaio; testa 5 dell'attuatore Langevin, in acciaio; ceramiche piezoelettriche 6.

Le parti 3, 4, 5 e 6 costituiscono un trasduttore o attuatore piezoelettrico di tipo "Langevin", completo di concentratore 3. Con "attuatore" si intende anche l'insieme del dispositivo illustrato.

Il supporto 2 è necessario per trasferire il moto dal trasduttore 20 alla lamina 1; per questo motivo la sua larghezza è pari a quella della lamina.

1, mentre la lunghezza è pari al diametro del concentratore 3,

I parametri di progetto dell'attuatore secondo l'invenzione sono la dimensione longitudinale del corpo del trasduttore (coda 4, testa 5 e ceramiche piezoelettriche 6}, il rapporto tra la lunghezza della coda 4 e della testa 5, il rapporto tra il raggio della testa 5 e quello del concentratore 3. Là lunghezza del corpo del trasduttore ne determina lafrequenza di risonanza, il numero e le dimensioni delle ceramiche piezoelettriche l'efficienza. di traduzione, mentre il rapporto tra le dimensioni della testa e della coda sposta la zona in cui gli spostamenti in direzione longitudinale sono massimi.

Infine il concentratore ha il compito di amplificare gli spostamenti dell'estremità collegata alla lamina; il fattore di amplificazione è pari al rapporto tra il raggio della testa e quello del concentratore.

La lunghezza corpo del trasduttore {parti 4, 5 e 6) e del concentratore (parte 3.) vengono in genere dimensionate in modo da essere, complessivamente (quindi la lunghezza complessiva del trasduttore 201, pari alla lunghezza d'onda {λ) nel materiale, calcolata alla frequenza di lavoro: 25 kHz nel prototipo realizzato dalla Richiedente.

Il comportamento del dispositivo è stato studiato mediante l'uso del codice ANSYS e si è verificato che se la lunghezza,totale é pari a metà delia lunghezza d'onda (λ/2), calcolata; alla frequenza di lavoro, l'ampiezza degli spostamenti della lamina vibrante 1 è maggiore di quella ottenuta progettando il trasduttore in modo che la sua dimensione sia pari a λ. Utilizzando la struttura a (λ/2), l'attuatore si comporta meglio anche da un punto di vista elettrico, nel senso che la risonanza elettrica è più marcata, e quindi ci si aspetta una maggiore efficienza di questa soluzione.

Questi risultati consentono di ridurrel'ingombro longitudinale del dispositivo.

Infine, tramite ANSYS è stato anche possibile dimensionare lo spessore del supporto 2 della lamina in acciaio in modo da trasferire in maniera ottima il moto del trasduttore alla lamina ad esempio, con una lamina 1 dello spessore di 0,5 mm lo spessore del supporto 2 deve essere di 3 mm.Sono state verificate: varie dimensioni del supporto 2 e la soluzione scelta consente di ottenere un moto flessionele uniforme della lamina.

In figura 4 viene mostrato il campo degli spostamenti, calcolato tramite ANSYS alla frequenza, di 26,1 kHz; come già sottolineato, il trasduttore "Langevin" ha una lunghezza pari a λ/2 a quella frequenza. Come si vede, la lamina 1 si muove uniformemente a flessione e gli spostamenti hanno ampiezza massima proprio in corrispondenza del suo estremo libero. Inoltre gli spostamenti nell 'attcstare di tipo "'Langevin" sono trascurabili rispetto a quelli della lamina, e quindi ci si aspetta una buona robustezza di tutta la struttura.

Per verificare se effettivamente la struttura proposta è più robusta dii quella lttualmente utilizzata, sono stati calcolati anche gli stress ai suo interno eccitandola, a 26,1 kHz, con una tensione sinusoidale di ampiezza pari a 250 V. In figura 5 è riportato il campo degli Stress lungo la struttura Come si vede, solo in una piccola parte, al centro della zona di contatto tra lamina 1 e supporto 2, lo stress arriva a circa 100 MPa, mentre nella rimanente parte è al dì sotto di 76 MPa e addirittura scende sotto i 13 MPa nelle zone esterne. Rispetto alla soluzione tradizionale il miglioramento è quindi notevole.

Anche lo stress sulle ceramiche piezoelettriche è molto piccolo, al di sotto dei 15 MPa; questo mette al riparo dalla, depolarizzazione delle ceramiche. Infine, il massimo dello,.stress si ha sulla lamina, ma non supera i 140 MPa ed quindi ben al di sotto dello stress limite dell'acciaio.

Per quanto riguarda la possibilità di utilizzare lamine vibranti di forma, e dimensione diversa da quella, mostrata in figura 3 e nelle simulazioni ANSYS (figure 4 e 5), la soluzione è molto semplice, basta semplicemente sostituire la lamina 1 ed il supporto 2 con la nuova lamina completa del proprio supporto.

Per descrivere ancora più in la realizzazione pratica del dispositivo secondo l'invenzione si fa riferimento alla figura 3, dove sono evidenziate le varia rti che lo costituiscono.

Le modalità di assemblaggio sono le seguenti: la lamina vibrante 1 ed il supporto 2 sono preferibilmente realizzati in un unico blocco di acciaio armonico e il supporto ha al centro un foro; a sua volta l'estremità superiore del concentratore,a gradino 3 dell'attuatore ha un perno filettato che attraversa il supporto 2 e permette di fissare le due parti tramite un bullone posto sopra il supporto.

Questo sistema per fissare la lamina all'attuabore ha il vantaggio di diminuire gli stress sulla giuntura, difatti qui la lamina non viene brasata lateralmente sul supporto, come nel dispositivo attuale, bensì sovrapposta ad esso; inoltre offre all'utente la possibilità di sostituire facilmente lamina e supporto, in modo da utilizzare la lamina più adatta alla zona da trattare.

Il concentratore a gradino 3 e la testa 5 dell'attuatone sono realizzati in un unico pezzo in acciaio; come sopra accennato, l'estremità superiore del concentratore 3 é dotata di un perno per potervi fissare la lamina 1 con il supporto 2, l'estremità inferiore del concentratore 3 è ench'essa dotata di un perno filettato che si va ad avvitare,sulla coda 4 dell'attuatore, che a sua volta funge anche da bullone di serraggio. Il perno inferiore ha anche il compito di serrare le ceramiche piezoelettriche 6, che sono degli anelli, tra la testa e la coda del dell'attuarore "Langevin" e permettere quindi di realizzare un dispositivo unico.

Tra le ceramiche 6 sono posizionati dei sottili anelli di rame, della stessa superficie i delle ceramiche, tramite i quali sono realizzati i collegamenti elettrici tra l'attuatore e il circuito d'eccitazione.

Tramite la coppia meccanica con cui testa e coda del "Langevin" sono serrate tra loro si regola anche il pre stress delle piezoceramiche; il prestress serve a migliorare le prestazioni di tutto il dispositivo.

Infine, le ceramiche ed i contatti elettrici sono ulteriormente fissati tra loro ed alle parti 5 e 4 per mezzo di una resina epossidica, la quale garantisce un serraggio, perfetto della struttura, evita eventuali allentamenti dovuti alle vibrazioni, ma soprattutto evita la presenza di aria tra le varie parti dell'attuato re, il che avrebbe effetti disastrosi sulla propagazione delle onde elastiche nella struttura.

Per quanto riguarda le ceramiche piezoelettriche, si è scelto di utilizzarne quattro; come detto questa scelta influenza il rendimento dell''attuatore, nel senso che maggiore è il numero delle ceramiche maggiore sarà il rendimento, d'altra parte un numero eccessivo fa diminuire troppo la capacità elettrica del dispositivo, ne aumenta quindi l'impedenza d' ingresso e ne rende difficile il pilotaggio da un punto dì vista elettrico.

Proprio per limitare l'impedènza elettrica d'ingresso del dispositivo,le piezoceramiche sono tra loro connesse in parallelo ed in modo tale che le parti 4 è 5 in figura 3 siano a potenziale nullo; quest'ultimo accorgimento consente anche di evitare rischi di esposizione a scariche elettriche nell'utilizzo del dispositivo.

In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state. suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore lamine vibranti a flessione, comprendente: un trasduttore {20) di tipo "Langevin", connesso ad una lamina (1) con una direzione di estensione longitudinale principale ; caratterizzato dal fatto che: il trasduttore (20) è tale da eccitare modi longitudinali, ovvero modi in cui la direzione del moto prodotto è parallela a quella del campo elettrico applicato; la lamina (1) è posta in modo tale che la sua direzione di estensione longitudinale principale è sostanzialmente perpendicolare a detta direzione del moto prodotto da detto, trasduttore 20 .
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la connessione tra trasduttore {203 e lamina {1) è realizzata tramite ori supporto {2) che ha una dimensione superficiale sostanzialmente uguale alla sezione dell'estremità del trasduttore (20)che si connette alla lamina (1} e l'altra dimensione superficiale pari alla larghezza della lamina (1) in corrisporidenza della zona di connessione.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la lamina (1) ed il supporto (2} sono formati in unisolo pezzo. A . Attuatore secondo una qualsiasi, delle rivendicazioni da 1 a 3,caratterizzato dal fatto che detto trasduttore (20) ha una forma allungata e comprende una testa (5) ed una coda (4) tra le quali sono posti elementi piezoelettrici (6). 5. Attuar ore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta testa (5) e detta coda (4) sono in acciaio, e detti elementi piezoeletrici sono in ceramica. S. Attuatone secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che detto trasduttore (20) comprende ulteriormente un concentratore (3) posto tra la lamina (1) e la testa (5) del trasduttore, detto concentratore avendo sezione trasversale inferiore alla sezione trasversale di detta testa (5). 7. Attuatore secondo, una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, quando dipendenti dalla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la lunghezza totale del trasduttore è sostanzialmente pari alla metà della lunghezza d'onda λ nel materiale, calcolata alla frequenza di lavoro. 8. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, quando dipendenti della rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che lo spessore di detto supporto {2} è compreso tra 1 mm e 5 mm. 9. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 8, quando dipendenti dalla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto supporto (2) presenta, un'apertura filettata e l'estremità del trasduttore (20) che si connette alla lamina (1) presenta un perno per realizzare tale connessione insieme ad un bullone posto sul supporto (2), in modo da diminuire gli stress su tale giuntura, e consentire con semplicità la sostituzione da parte dell'utente dell'insieme lamina (1} supporto (2). 10, Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9 , quando dipendenti, dalla rivendica zione 6, caratterizzato dal fatto che la testa (5) è provvista di un perno con la quale si connette agli elementi piezoeletrici (6) e alla coda (4) che fa da bullone. 11. Attuatore secondo una qualsiasi, delle rivendica zioni da 6 a 10, quando dipendente dalla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la testa (5) ed il concentratore (3) sono formati in un solo pezzo. 12. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 11, quando dipendente dalla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che tra gli elementi piezoelettrici (6) sono posti sottili anelli dì rame tramite i quali sono realizzati i collegamenti elettrici tra l'attuatore {10) ed un circuito di eccitazione esterno. 13. Attuatore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che i contatti elettrici sono ulteriormente fissati tra loro ed alla testa (5) e coda (4) per mezzo di una resina epossidica. 14. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 13, quando dipendente dalla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che gii elementi piezoelettrici sono quattro. 15. Attuatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 14, quando dipendente dalia rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che gli elementi piezoelettrici sono connessi elettricamente tra loro in parallelo ed in modo tale che la testa (5) e la coda (4) siano a potenziale nullo.