ITMI20081542A1 - Motore rotativo movimentato da attuatori piezoelettrici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:

"MOTORE ROTATIVO MOVIMENTATO DA ATTUATORI PIEZZOELETTRICI"

1. introduzione

La presente invenzione concerne una soluzione per la costruzione di motori rotativi azionati da attuatori piezoelettrici.

Un attuatore piezoelettrico è un oggetto di materiale particolare, che soggetto ad una differenza dì tensione Figura 1 è in grado di distoreere la sua struttura cristallina in modo da ottenere come effetto macroscopico: una deformazione, una forza se vincolato in modo non potersi deformare oppure entrambe.

Negli attuatori piezoelettrici la deformazione è utilizzata per spostare con precisione del millesimo del millimetro o addirittura del nanometro, oggetti di varia natura come sarà descritto in seguito nella sezione dedicata alle applicazioni, in generale possiamo affermare che gli attuatori piezoelettrici sono utilizzati per realizzare dispositivi di posizionamento o movimentazione micrometrici e nanometrici.

Gli attuatori piezoelettrici sono inoltre in grado di esercitare forze notevoli, la correlazione tra forza, spostamento e alimentazione in tensione è complessa, soprattutto se si considera correttamente il comportamento non lineare di questi dispositivi, per intuire la loro mutua interazione è sufficiente dire che la forza esercitata è direttamente proporzionale all'alimentazione in tensione e inversamente proporzionale alla deformazione, ossia, se si giunge alla deformazione massima a fronte di una data alimentazione in tensione la forza esercitata sarà nulla, al contrario se si impedisce la deformazione la forza esercitata sarà quella massima, lo schema di Figura 2 chiarisce il concetto.

Visivamente tali dispositivi o perlomeno quelli che suggerisco per la realizzazione della invenzione oggetto di questo documento hanno forma cilindrica a base circolare o rettangolare, l'aspetto è monolitico anche se costituiti da numerosi "fogli" di materiale piezoelettrico incollati, dal quale prendono anche l'ulteriore nome di: "attuatori piezoceramici impilati".

Le deformazioni che si è in grado di ottenere con i dispositivi piezoelettrici si distinguono in tre tipi Figura 3, la deformazione assiale consta in un allungamento lungo l'asse del dispositivo ( per asse si intende la direzione del campo elettrico che nasce all'applicazione della differenza di potenziale), quella trasversale invece avviene nella direzione perpendicolare all'asse, infine la deformazione a taglio è un movimento in direzione opposta delle facce perpendicolari all'asse.

Per la descrizione dell'invenzione oggetto di questo documento ci si riferirà alla deformazione di tipo assiale mentre le altre serviranno per comprendere il funzionamento di altri tipi di motori che tratterò nella discussione dello stato dell'arte.

2, Applicazioni

I campi di applicazione dei dispositivi di posizionamento micrometrico e nanometrico sono molteplici:

• CAMPO BIOMEDICO: orientamento delle ottiche dei microscopi, movimentazione di ferri delle dimensioni paragonabili a quelle delle cellule;

• CAMPO MEDICO: azionamento dei ferri per la microchirurgia;

• CAMPO DEI SEMICONDUTTORI, TRANSISTORI, CPU E DISPOSITIVI IN SILICIO: posizionamento dei componenti, micro e nano lavorazioni;

• CAMPO ASTROFISICO: orientamento delle ottiche dei telescopi;

• CAMPO DELLE APPLICAZIONI LASER: calibrazione delle ottiche dei laser.

Si possono immaginare numerose altre applicazioni soprattutto per il fatto che al giorno d'oggi l'alta tecnologia punta sulla miniaturizzazione sempre più spinta.

L'invenzione oggetto di questo documento è dedicata a quelle applicazioni dove si desidera realizzare movimenti principalmente rotatori ma anche traslatori molto precìsi e soprattutto continui, ossia senza limiti in termini di numero di rotazioni massime o corse massime, la potenza trasmessa, sarà proporzionale alla taglia degli attuatori piezoelettrici scelti,

3. Stato dell'arte

Attualmente esistono svariate soluzioni con attrattori piezoelettrici per le applicazioni citate, le distinguo in due principali ed una secondaria.

3.1 Prima soluzione

La prima soluzione realizza il movimento sfruttando direttamente la deformazione degli attuatori piezoelettrici, tale deformazione consente un posizionamento lineare ovvero lo spostamento di oggetto lungo una linea.

lo spostamento è molto preciso ma non è continuo, la corsa è limitata a qualche decimo di millimetro e nel caso si adottino sistemi meccanici di amplificazione del movimento comunque gli spostamenti non sono oltre qualche millimetro.

3.2 Seconda soluzione

La seconda soluzione vede l'uso di motori lineari con attuatori piezoelettrici, a differenza della prima essi possono eseguire un posizionamento ovvero uno spostamento lungo una linea continuo con ampi limiti di corsa debordine del decimetro e oltre, è doveroso spiegare come i motori lineari funzionano per mettere in evidenza la loro complessità rispetto alla soluzione oggetto dell'invenzione trattata in questo documento a tal riguardo ci si riferisca alla Figura 4 A dove distinguiamo:

1. La parte fissa o statorica del motore;

2. Un attuatore piezoelettrico del tipo assiale;

3. Un attuatore piezoelettrico del tipo a taglio;

4. Un attuatore+ ++++++++trico del tipo assiale;

5. Un attuatore piezoelettrico del tipo assiale;

6. La parte del motore che trasla ovvero la parte mobile.

Lo spostamento della parte mobile del motore è ottenuto azionando in successione gli attuatori 2, 3, 4, 5 ossia facendo in modo che si deformino nella direzione indicata dalle frecce, di seguito si commenta più in dettaglio il funzionamento.

Nella Figura 4 A l'attuatore 2 è alimentato e tiene premuto l'attuatore 3 sulla parte mobile mentre gli attuatori 4 e 5 non sono a contatto con tale parte.

Nella Figura 4 B si alimenta l'attuatore 3 che essendo di tipo a taglio determina la traslazione della parte mobile.

Quindi, in Figura 5 A l'attuatore 2 è disattivato mentre si attiva il 4, pertanto l'attuatore 3 non è più a contatto con la parte mobile mentre lo sarà il 5.

Nella Figura 5 B l'attuatore 5 stavolta trasla la parte mobile comportandosi come l'attuatore 3 in precedenza, l'alternanza dei movimenti degli attuatori 2, 3, 4 e 5 determinano un movimento continuo della parte mobile.

Tale soluzione (Figura 4 , Figura 5) presenta dei limiti, tra i più importanti:

1. il primo è quello di avere due attuatori piezoelettrici collegati assieme per realizzare il movimento prima assiale (Figura 4-A, attuatore 2) e dopo trasversale (Figura 4-B attuatore 3) , l'attuatore di tipo assiale (attuatore 2) non può essere soggetto a sollecitazioni di taglio, che sono proprio le sollecitazioni generate dall'attuatore del tipo a taglio e ad esso connesso (attuatore 3), questo aspetto rende molto complesso e costoso non solo costruire il dispositivo ma raggiungere le specifiche di affidabilità, robustezza e capacità di trasmettere forze.

2. Il secondo riguarda la forza trasmissibile essendo questa dovuta unicamente all'attrito tra attuatori e parte mobile.

3.2.1 motori rotativi derivanti dalle soluzioni precedenti

Per quanto riguarda i motori rotativi, si utilizzano attuatori piezoelettrici o motori lineari con attuatori piezoelettrici dotati di meccanismi di conversione del moto da lineare ad angolare ma con la forte limitazione che non possono eseguire infiniti giri attorno ad un asse di rotazione, infatti sia nel caso dell'attuatore piezoelettrico sia nel caso del motore lineare la corsa è limitata pertanto lo sarà anche la rotazione derivante da tale movimento.

Inoltre esistono motori rotativi movimentati da attuatori piezoelettrici basati sul principio di funzionamento dei motori lineari (Figura 4_Figura 5] in questo caso la parte mobile non è lineare ma è un cilindro e gli attuatori agendo su di essa ne provocano la rotazione, i limiti di questa soluzione sono gli stessi elencati per i motori lineari.

4. Elementi innovativi dell'invenzione

L'invenzione oggetto di questo documento ha le seguenti caratteristiche innovative:

• È una soluzione diversa da quelle esistenti per costruire un motore rotativo azionato da attuatori piezoelettrici in grado di poter compiere infiniti giri attorno ad un asse di rotazione;

• È costruita con attuatori piezoelettrici commerciali disponibili a catalogo; • È costruita con attuatori piezoelettrici di un solo tipo, NON connessi tra di loro ma indipendenti, non ha pertanto gli svantaggi discussi nel primo limite del motore lineare, paragrafo 3.2;

• La soluzione è composta da meno elementi rispetto ai motori lineari pertanto molto più economica e semplice da realizzare;

• La trasmissione della coppia può avvenire mediante attrito oppure tramite l'adozione di dentature all'interfaccia tra rotore e statore, consentendo una trasmissione di coppia maggiore rispetto alla soluzione con motori lineari; • Il motore può ruotare in senso orario e antiorario senza invertire la differenza di potenziale applicata agli attuatori ma invertendo solo l'ordine di accensione di questi.

Tali caratteristiche rendono l'invenzione unica.

5. Funzionamento dell'invenzione

Per comprendere il funzionamento dell'invenzione si considerino due corone circolari concentriche, le corone hanno diametro differente e quella più piccola che si definisce; interna è contenuta in quella più grande che si definisce: esterna; la corona interna è fatta rotolare sulla circonferenza interna di quella esterna come illustrato in Figura 6.

in Figura 6, due frecce sulle corone indicano due punti solidali rispettivamente alla corona interna e alla corona esterna, nella Figura 6-A , la posizione di partenza, giacciono sulla stessa retta indicando che tali punti sono coincidenti, mentre nelle B-C-D-E indicano che a seguito del rotolamento c'è una rotazione relativa tra parta fissa, ossia la corona esterna e la parte rotante, la corona interna.

La corona interna ha una circonferenza esterna più piccola della circonferenza interna della corona esterna, quando la corona interna rotolando avrà percorso l'intera sua circonferenza esterna non sarà ritornata nella posizione di partenza (Figura 6-A, posizione di partenza) ma il punto solidale a tale corona indicato dalla freccia si troverà indietro di una quantità pari alla differenza tra la circonferenza esterna della corona interna e quella interna della corona esterna, dovrà rotolare ulteriormente percorrendo tale differenza per giungere alla posizione indicata dalla Figura 6-E che è simile alla Figura 6-A ma i punti solidali alle due corone non sono più coincidenti.

Osservando in successione le Figura 6-A-B-C-D-E si evince che alla fine di un rotolamento completo la corona interna si trova ruotata di un angolo che sottende la corda pari alla differenza tra la circonferenza interna della corona esterna e la circonferenza esterna della corona interna Figura 6-E.

Inserendo un qualsiasi dispositivo (come si vedrà in seguito) che costringe la corona interna a rotolare sulla corona esterna si realizza un motore rotativo dove l'albero motore è costituito dalla corona interna e la rotazione è quella relativa tra le due corone.

Il dispositivo che propongo per far rotolare la corona interna lungo quella esterna è costituito da un gruppo di quattro attuatori piezoelettrici come illustrato in Figura 7

Per far rotolare la corona interna sulla corona esterna è necessario azionare gli attuatori in successione come indicato in ordine dalle Figura 7 A-B-C-D-E, passando infatti dalla A alla B si disattiva l'attuatore 1 e si attiva il 2 il punto di contatto tra corona interna e corona esterna si sposta di un quarto di circonferenza quindi si continua commutando l'attuatore 3 (Figura 7-C), il 4 e infine l'I per ritornare alla configurazione di partenza ma con la corona interna ruotata rispetto a quella esterna dell'angolo a (Figura 7-E), l'arco sotteso da tale angolo è proprio la differenza tra la circonferenza esterna della corona mobile e la circonferenza interna della corona fissa.

La commutazione tra due attuatori contigui è una operazione nella quale entrambi gli attuatori sono sincronizzati in modo che la corona interna continui a rotolare su quella esterna come evidenziato dalla Figura 8 che mostra la condizione intermedia tra Figura 7 A e B durante l'attivazione dell'attuatore 2 e la disattivazione del l 1

Per recuperare il moto rotazionale relativo della corona interna rispetto a quella esterna sarà necessario adottare un giunto (per esempio a soffietto) in modo da riportare tale moto in un albero montato su cuscinetti, tale giunto non è oggetto di questo documento in quanto esistono molteplici soluzioni in commercio adeguate al nostro scopo.

Il giunto è necessario in quanto trasmette il moto di rotazione della corona interna che non ha un asse di rotazione fisso ad un albero con asse di rotazione fisso che sarà l'albero rotante del motore dal quale prelevare la potenza.

La trasmissione della coppia può avvenire in due modi:

1. per attrito tra la corona interna e quella esterna spinte una contro l'altra dall'attuatore piezoelettrico che è in grado di esercitare spinte notevoli anche dell'ordine delle tonnellate (con attuatori commerciali);

2. con l'ingranamento di denti tra la corona interna e corona esterna che costituirebbero in questo caso di una vere e propria coppia di ruote dentate, in questo caso sarebbe opportuno amplificare l'escursione degli attuatori con delle leve, infatti per via della limitata escursione degli attuatori piezoelettrici, la differenza tra le circonferenze in rotolamento è molto piccola e si avrebbero più che difficoltà tecnologiche nel realizzare i denti dell'ingranaggio costi elevati.

Claims (1)

1. 6. Rivendicazioni 1. Motore rotativo movimentato da attuatori piezoelettrici in grado di eseguire infinite rotazioni attorno al proprio asse e funzionante in base al rotolamento tra due corone come descritto nel paragrafo 5; 2. Motore rotativo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di avere gli attuatori piezoelettrici NON collegati tra loro per realizzare moti composti come descritto nel funzionamento del motore lineare al paragrafo 3 2; 3. Motore rotativo secondo la rivendicazione 1 e 2 con attuatori piezoelettrici direttamente prementi sulla corona interna rotolante; 4. Motore rotativo secondo la rivendicazione 1 e 2 in questo caso non direttamente prementi sulla corona interna rotolante ma prementi su dispositivi a leva allo scopo di amplificarne la deformazione che a loro volta poggiano sulla corona interna rotolante; le soluzioni a leva per amplificare la deformazione non sono oggetto di questo documento in quanto in letteratura ne esistono di infinite soluzioni molte delle quali adatte allo scopo; 5. Motore rotativo secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4 caratterizzato dal fatto di trasmettere la coppia grazie all'attrito tra corona rotolante interna e corona fissa esterna; 6. Motore rotativo secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4 caratterizzato dal fatto di trasmettere la coppia grazie all utilizzo di dentatura ricavata sulla circonferenza esterna della corona rotolante interna e sulla circonferenza interna della corona esterna fissa, in questo caso, corona esterna e corona interna costituiscono una vera e propria coppia di ruote dentate a dentatura interna; 7. Motore rotativo secondo le rivendicazioni 1, 2,3,4, 5,6 in grado di poter ruotare in senso orario ed antiorario senza invertire il segno della differenza di potenziale applicata agli attuatori piezoelettrici ma invertendo solamente l'ordine di azionamento di questi come commentato nel paragrafo 5, questo consente di semplificare sensibilmente l'elettronica di comando del dispositivo; 8. Motore rotativo secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6,7 caratterizzato dal fatto di invertire i ruoli tra corona rotolante e corona fissa, in questo caso la corona rotolante che trasmette il moto di rotolamento sarebbe quella esterna, mentre quella fissa quella interna, questa configurazione è migliore in quanto riduce il problema dell'attrito che nasce tra la corona interna e gli attuatori piezoelettrici.