IT201800006584A1 - Attuatore oscillante in lega a memoria di forma - Google Patents
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Description
ATTUATORE OSCILLANTE IN LEGA A MEMORIA DI FORMA
La presente invenzione riguarda un attuatore in lega a memoria di forma (Shape Memory Alloy=SMA) di tipo oscillante e i dispositivi che lo utilizzano, con particolare, ma non esclusivo, riferimento ai coperchi dei veicoli.
L’utilizzo dei fili SMA come attuatori è sempre più apprezzato grazie all’elevato grado di automazione e controllo associato al loro utilizzo, che consente loro di essere impiegati con successo in un ampio campo di applicazioni, come nei moduli di fotocamere, come descritto ad esempio nella domanda di brevetto internazionale WO 2016/075606 a nome della richiedente.
Un settore di particolare interesse è l’utilizzo di soluzioni basate su SMA per il controllo delle serrature o come controllo aggiuntivo delle serrature, come descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 2016/156283, e in particolare soluzioni per il controllo dei coperchi carburante o di ricarica (nel caso di auto elettriche) delle auto, come descritto ad esempio nella domanda di brevetto internazionale WO 2013/130691 che mostra coperchi per auto con sblocco automatico mediante motore elettrico, e nella domanda di brevetto internazionale WO 2013/130495 che mostra l’utilizzo di un sensore associato all’azionamento automatico di uno sportello montato in modo mobile su un alloggiamento di un’auto.
In generale, in qualsiasi applicazione in cui l’attuatore SMA può sostituire un micromotore, ci sono vantaggi in termini di ingombri, controllo e affidabilità, come ad esempio descritto nella domanda di brevetto statunitense numero US 2007/0123158 per quanto riguarda un sistema basato su SMA per il controllo delle griglie che sono supportate in modo orientabile all’uscita di un condizionatore d’aria per veicoli. Diversamente dalla presente invenzione, la soluzione descritta in US 2007/0123158 non affronta il problema del blocco/sblocco di un elemento mobile, come invece richiesto nelle soluzioni per serrature controllate da SMA.
Scopo della presente invenzione è fornire un attuatore automatico basato su SMA in grado di sostituire motori o micromotori in applicazioni quali il controllo automatico del coperchio del carburante per auto e consiste, in un primo aspetto, in un attuatore comprendente un telaio fisso e una parte girevole in cui la parte girevole e il telaio fisso sono accoppiati tramite:
- un elemento rotante che consente di ruotare una parte girevole,
- due fili in lega a memoria di forma agganciati a due elementi di collegamento presenti sulla parte girevole e separati verticalmente dall’elemento rotante, tali elementi di collegamento trovandosi rispettivamente su una parte sinistra e destra della parte girevole,
in cui un elemento mobile è accoppiato alla parte girevole per mezzo di un elemento di bloccaggio presente sulla parte girevole.
L’invenzione sarà ulteriormente illustrata con l’aiuto delle seguenti figure dove: - Le figure 1A e 1B sono viste schematiche dall’alto di un attuatore di tipo oscillante secondo la presente invenzione,
- Le figure 2A e 2B sono viste schematiche dall’alto di un dettaglio di un attuatore di tipo oscillante secondo la presente invenzione con un controllo di posizione bistabile, e
- La figura 3 è una vista dall’alto in trasparenza di un attuatore secondo la presente invenzione.
Nelle figure le dimensioni ed i rapporti dimensionali dei vari elementi riportati sono stati in alcuni casi modificati per facilitare la comprensione dei disegni, con particolare ma non esclusivo riferimento al diametro del filo SMA rispetto ad altri elementi dell’attuatore oscillante. Inoltre, alcuni elementi ausiliari non necessari per la comprensione dell’invenzione, come una fonte di alimentazione di corrente, non sono stati mostrati in quanto si tratta di mezzi ordinari noti in campo tecnico.
In figura 1 è illustrato un attuatore oscillante di tipo SMA 10, comprendente un telaio fisso 11, sul quale è imperniata una parte girevole 12 mediante un perno 13 che consente il movimento ad arco (oscillazione) della parte girevole 12. La parte girevole 12 ha preferibilmente una sezione più stretta in corrispondenza del perno 13 e una sezione più grande nella parte superiore dell’attuatore 10, simile ad una struttura a T.
Il movimento della parte girevole 12 si ottiene mediante due fili antagonisti in lega a memoria di forma 14, 14’ che vengono azionati alternativamente tramite il riscaldamento Joule. I fili in lega a memoria di forma sono piegati e utilizzati in una configurazione a U per consentire una maggiore lunghezza del filo e quindi una maggiore forza applicata. Le estremità dei fili 14, 14’ sono fissate rispettivamente al telaio fisso 11 nei punti di ancoraggio 141, 141’, su entrambi i lati del perno 13, e una parte centrale dei fili 14, 14’ è avvolta sugli elementi di collegamento 15, 15’, posizionati sopra l’elemento girevole 12.
Come illustrato nelle figure 1A e 1B, gli elementi di collegamento 15, 15’ sono preferibilmente disposti simmetricamente sull’elemento girevole 12 nella parte superiore dell’attuatore 10 (bracci orizzontali della T).
Sull’elemento girevole 12 è presente un elemento di bloccaggio 17 che blocca un elemento mobile 16 inserendosi in un’apposita rientranza 18 ricavata in esso.
Il movimento controllato dell’elemento 16 è lo scopo dell’azionamento, in questo caso ottenuto riscaldando il filo in lega a memoria di forma 14’, il cui accorciamento provoca la rotazione in senso orario della parte girevole 12, disinnestando così l’elemento di bloccaggio 17 dalla rientranza 18 dell’elemento mobile 16. Ne risulta un movimento dell’elemento 16 che viene azionato da una molla precaricata 19, non mostrata nelle figure 1A-1B per consentire una migliore valutazione di altri elementi, come il perno 13, ma invece indicata nelle figure 2A-2B.
Le figure 2A e 2B mostrano schematicamente dall’alto un dettaglio dell’attuatore oscillante 10 come indicato dall’ovale tratteggiato 100 della Fig.1B, con lo scopo di illustrare un meccanismo di bloccaggio bistabile 100 utilmente impiegato in un attuatore oscillante bistabile secondo la presente invenzione. Il meccanismo bistabile 100 è costituito da una parte in rilievo 102’ sul telaio fisso 11, che sale dal piano del telaio 11 in corrispondenza di un elemento d’innesto 102 e da due terminali di arresto 103, 103’ formati sulla parte girevole 12. Come già accennato l’utilizzo di fili in lega a memoria di forma 14, 14’ in configurazione piegata permette di esercitare una forza maggiore, permettendo quindi di utilizzare un meccanismo bistabile con una maggiore stabilità, cioè richiedendo una forza maggiore per spostarlo tra le due posizioni stabili.
Nelle figure 2A e 2B è mostrata anche la parte terminale della molla 19 che agisce sull’elemento 16, la molla 19 essendo compressa quando l’elemento di bloccaggio 17 è inserito in modo da spingere l’elemento 16 verso l’esterno dell’attuatore 10 al disinnesto, cioè quando la parte girevole 12 è tirata/ruotata in senso orario dall’azione del filo in lega a memoria di forma 14’.
Durante questa rotazione, il meccanismo bistabile 100 si sposta dalla prima posizione stabile della Fig.2A alla seconda posizione stabile della Fig.2B deformando elasticamente l’arco su cui è ricavato l’elemento di innesto 102, cioè spingendolo verso il basso in modo che passi sotto la parte fissa in rilievo 102’. Ovviamente, il movimento inverso si verifica quando il filo SMA 14 è attivato e la parte girevole 12 ruota in senso antiorario, la fine della corsa in ogni direzione essendo definita dal rispettivo fermo 103, 103’.
Il controllo della corretta posizione e del movimento della parte girevole (12) può essere ottenuto fornendo un sensore di posizione dello spostamento situato tra il telaio fisso (11) e la parte girevole (12), come un sensore ad effetto Hall, un potenziometro o simili.
La figura 3 è una vista dall’alto in trasparenza di un attuatore secondo la presente invenzione in una rappresentazione più completa. Gli elementi principali e fondamentali che sono già stati descritti con riferimento alle figure 1A, 1B, 2A, 2B sono qui indicati con gli stessi numeri.
Resta inteso che la presente invenzione non si limita alla specifica forma realizzativa rappresentata nelle figure precedenti, ma comprende anche altre varianti. Ad esempio, i fili in lega a memoria di forma 14, 14’ possono essere semplici fili dritti che si estendono tra punti di ancoraggio situati rispettivamente sul telaio fisso 11 e sulla parte girevole 12.
La presente invenzione non si limita ad un tipo specifico di filo in lega a memoria di forma, anche se da un punto di vista geometrico sono utilmente utilizzati fili SMA con un diametro compreso tra 0,010 mm e 5 mm. A questo proposito è importante sottolineare che poiché i fili in lega a memoria di forma sono oggetti reali, è possibile discostarsi da una sezione circolare, quindi il termine diametro è da intendersi come il diametro del più piccolo cerchio circoscritto.
L’invenzione non è limitata ad alcun materiale specifico in lega a memoria di forma, anche se si preferiscono leghe a base di Ni-Ti come il Nitinol, che possono presentare alternativamente un comportamento superelastico del filo o un comportamento della lega a memoria di forma in base alla sua lavorazione. Le proprietà del Nitinol e i metodi per ottenerle sono ampiamente conosciuti dagli esperti del settore, si veda ad esempio l’articolo "A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and below its Martensite to Austenite Transformation Temperature" di Dennis W. Norwich presentato alla conferenza SMST 2010.
Il Nitinol può essere utilizzato in quanto tale o le sue caratteristiche in termini di temperatura di transizione possono essere adattate aggiungendo elementi quali Hf, Nb, Pt, Cu. La scelta corretta della lega di materiale e le sue caratteristiche sono comunemente noti aD una persona esperta in materia, si veda per esempio:
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures Anche i fili in lega a memoria di forma possono essere utilizzati "di per sé" o con un rivestimento/guaina per migliorare la loro gestione termica, cioè il loro raffreddamento dopo essere stati azionati. La guaina di rivestimento può essere uniforme, come descritto nel brevetto US 9068561 che insegna a gestire il calore residuo ricorrendo ad un rivestimento elettricamente isolante che è un conduttore di calore, mentre il brevetto US 6835083 descrive un filo in lega a memoria di forma con una guaina di contenimento in grado di migliorare il raffreddamento dopo ogni ciclo di azionamento. Anche un rivestimento fatto con o contenente materiali a cambiamento di fase, come descritto nel brevetto US 8739525, può essere impiegato in modo vantaggioso.
In un secondo aspetto, l’invenzione consiste in un dispositivo, come ad esempio un coperchio del carburante o un coperchio dell’alimentazione di carica nel caso di veicoli elettrici/ibridi, che incorpora un attuatore oscillante SMA secondo la presente invenzione.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Un attuatore (10) comprendente un telaio fisso (11) e una parte girevole (12) che sono accoppiati tra loro tramite: - un perno (13) che consente l’oscillazione di tale parte girevole (12), - due fili in lega a memoria di forma (14, 14’) agganciati a due elementi di collegamento (15, 15’) presenti sulla parte girevole (12) e separati verticalmente dal perno (13), detti elementi di collegamento (15, 15’) trovandosi rispettivamente su una parte sinistra e destra della parte girevole (12), in modo tale che l’attivazione di uno di detti fili in lega a memoria di forma (14, 14’) provochi l’oscillazione della parte girevole (12) in senso orario o antiorario, caratterizzato dal fatto che l’attuatore comprende inoltre un elemento mobile (16) scorrevole verso l’esterno dell’attuatore sotto l’azione di una molla di richiamo (19) al disinnesto, causato da detta oscillazione della parte girevole (12), di un elemento di bloccaggio (17) posto sulla parte girevole (12) e inserito in una rientranza (18) di detto elemento mobile (16).
- 2. Un attuatore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui i due elementi di collegamento (15, 15’) sono disposti simmetricamente sulla parte girevole (12) rispetto all’elemento di imperniamento (13).
- 3. Un attuatore (10) secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui la parte girevole (12) ha una struttura sostanzialmente a T.
- 4. Un attuatore (10) secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui i fili in lega a memoria di forma (14, 14’) hanno un diametro compreso tra 0,010 mm e 5 mm.
- 5. Un attuatore (10) secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui una parte intermedia dei fili in lega a memoria di forma (14, 14’) è avvolta sopra gli elementi di collegamento (15, 15’).
- 6. Un attuatore (10) secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente un meccanismo bistabile di controllo della oscillazione (100).
- 7. Un attuatore (10) secondo la rivendicazione 6, in cui tale meccanismo bistabile (100) comprende un elemento in rilievo (102’) sul telaio fisso (11) e una sporgenza corrispondente (102) e due terminali di arresto (103, 103’) sulla parte girevole (12).
- 8. Un attuatore (10) secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui tra il telaio fisso (11) e la parte girevole (12) è presente un sensore di posizione di spostamento.
- 9. Un attuatore secondo la rivendicazione 8, in cui tale sensore è un sensore Hall.
- 10. Uso di un attuatore (10) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento mobile (16) funge da elemento di blocco/sblocco di un dispositivo.
- 11. Uso secondo la rivendicazione 10, in cui detto dispositivo è un coperchio per auto, preferibilmente un coperchio per il carburante o un coperchio per l’alimentazione di carica.
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