ITMI20111974A1 - Interruttore elettrico bistabile con attuatore a memoria di forma - Google Patents

Description

INTERRUTTORE ELETTRICO BISTABILE CON ATTUATORE A MEMORIA DI FORMA

La presente invenzione riguarda gli interruttori elettrici bistabili, ed in particolare un interruttore elettrico in cui l’elemento di azionamento à ̈ mosso da un attuatore costituito da fili realizzati in lega a memoria di forma (indicata nel seguito con “SMA†, acronimo di “Shape Memory Alloy†). Si noti che sebbene nel seguito si faccia specifico riferimento ai fili quanto detto si applica anche ad altre forme analoghe con una dimensione molto maggiore delle altre due che sono generalmente molto piccole, ad esempio piattine o simili.

Come à ̈ noto, il fenomeno della memoria di forma consiste nel fatto che un pezzo meccanico realizzato con una lega che presenti tale fenomeno à ̈ in grado di transire, in seguito ad un cambiamento di temperatura, tra due forme predefinite al momento della produzione, in tempi ridottissimi e senza posizioni intermedie di equilibrio. Una prima modalità nella quale il fenomeno può presentarsi à ̈ detta “ad una via†poiché il pezzo meccanico può deformarsi in un unico senso in seguito al cambiamento di temperatura, per esempio passando dalla forma A alla forma B, mentre la transizione inversa dalla forma B alla forma A richiede l’applicazione di una forza meccanica.

Invece nella modalità cosiddetta “a due vie†entrambe le transizioni possono essere provocate da cambiamenti di temperatura, questo essendo il caso della applicazione della presente invenzione. Ciò avviene grazie alla trasformazione della struttura microcristallina del pezzo che passa da un tipo detto martensitico, stabile a temperature più basse, ad un tipo detto austenitico, stabile a temperature più alte, e viceversa (transizione M/A e A/M).

Un filo SMA deve essere educato affinché esso possa esprimere le proprie caratteristiche di elemento a memoria di forma, e il processo di educazione di un filo SMA consente di indurre in modo altamente ripetibile una transizione di fase martensite/austenite (M/A) allorché il filo viene riscaldato e di indurre una transizione di fase austenite/martensite (A/M) allorché il filo viene raffreddato. Nella transizione M/A il filo subisce un accorciamento dell’ordine del 3-5% che viene recuperato quando il filo si raffredda e attraverso la transizione A/M ritorna alla sua lunghezza originale.

Questa caratteristica dei fili SMA di contrarsi per riscaldamento e poi ri-estendersi per raffreddamento à ̈ sfruttata da lungo tempo per ottenere degli attuatori molto semplici, compatti, affidabili ed economici. In particolare, questo tipo di attuatore à ̈ usato in alcuni interruttori elettrici bistabili per attuare lo spostamento di un elemento di azionamento da una prima posizione stabile ad una seconda posizione stabile e viceversa. Si noti che il termine “elemento di azionamento†à ̈ qui inteso avere un significato molto generico poiché esso può assumere innumerevoli forme a seconda delle specifiche esigenze costruttive, fintantoché esso à ̈ l’elemento il cui movimento determina la commutazione dell’interruttore tra due posizioni operative ovvero l’apertura o chiusura di un circuito elettrico.

Alcuni esempi di questa specifica applicazione dei fili SMA sono descritti nei brevetti statunitensi nn.4.544.988, 5.977.858 e 6.943.653. Le numerose differenti forme realizzative illustrate in questi brevetti condividono l’uso di una coppia di fili SMA contrapposti per spingere un elemento di azionamento tra due posizioni stabili. Si noti che poiché la piccola corsa ottenibile con il limitato accorciamento di un filo SMA sarebbe insufficiente a coprire l’intera corsa tra le due posizioni stabili, tale filo SMA viene usato solo per spostare l’elemento di azionamento di una distanza sufficiente a superare il punto morto di una molla a scatto collegata a detto elemento di azionamento ed atta a portarlo fino alla fine della corsa.

Un tipico esempio di una molla a scatto à ̈ una molla a balestra fissata alle estremità in modo da restare compressa e oscillare tra due posizioni simmetriche stabili, come illustrato nel summenzionato brevetto US 5.977.858. Nella presente descrizione si farà specifico riferimento ad un’analoga soluzione ma à ̈ chiaro che altri tipi di molle a scatto possono essere utilizzati, come quelli descritti negli altri brevetti US 4.544.988 e US 6.943.653.

Le suddette forme realizzative note condividono la caratteristica di avere due fili SMA permanentemente collegati o in contatto con l’elemento di azionamento su cui agiscono, e ciò implica un doppio inconveniente.

In primo luogo, il filo SMA che viene attivato (ovvero riscaldato per contrarsi) deve esercitare sull’elemento di azionamento una forza non solo sufficiente a vincere la resistenza della molla per farla scattare nell’altra posizione stabile ma sufficiente anche a mettere in tensione l’altro filo SMA che non à ̈ attivato ma à ̈ comunque in contatto con l’elemento di azionamento. In altre parole, la forza esercitata dal filo SMA attivato viene in parte destinata a mettere in tensione l’altro filo SMA che viene spostato insieme all’elemento di azionamento.

Secondariamente, il filo SMA che non à ̈ attivato subisce comunque una sollecitazione meccanica che nel tempo può causare problemi di fatica del materiale. Ne consegue che ad ogni ciclo di funzionamento dell’interruttore entrambi i fili SMA vengono sollecitati: il filo attivato per il suo normale ciclo di accorciamento e riestensione ed il filo non attivato per la sollecitazione meccanica ricevuta attraverso l’elemento di azionamento.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi quello di fornire un interruttore elettrico bistabile che supera i suddetti inconvenienti.

Tale scopo viene conseguito per mezzo di un interruttore elettrico bistabile in cui l’elemento di azionamento su cui agiscono i fili SMA à ̈ più corto della distanza esistente tra i due fili contrapposti quando uno dei fili SMA à ̈ contratto e l’altro filo SMA non à ̈ contratto. Altre vantaggiose caratteristiche sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

Il vantaggio principale dell’interruttore secondo l’invenzione deriva dal fatto che il filo SMA attivato usa tutta la sua forza solo per vincere la resistenza della molla a scatto, poiché l’altro filo SMA non attivato non à ̈ in contatto con l’elemento di azionamento durante l’intera corsa di accorciamento del filo SMA attivato. Ne risulta che uno stesso filo SMA à ̈ in grado di far oscillare una molla più forte che fornisce una maggiore forza di chiusura del circuito assicurando così un migliore contatto elettrico ed incrementando l’affidabilità dell’interruttore.

Un secondo significativo vantaggio di questo innovativo interruttore risiede nel fatto che ciascun filo SMA viene sollecitato solo dal suo normale ciclo di accorciamento e ri-estensione quando viene attivato, mentre non subisce sostanzialmente alcuna sollecitazione meccanica quando à ̈ l’altro filo SMA ad essere attivato. Di conseguenza l’interruttore à ̈ più affidabile e la sua struttura meccanica può essere ottimizzata tenendo conto solo dei carichi dovuti agli effetti della memoria di forma.

Questi ed altri vantaggi e caratteristiche dell’interruttore elettrico bistabile secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente dettagliata descrizione di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:

la Fig.1 à ̈ una vista schematica che mostra l’interruttore in una prima posizione operativa in cui il circuito elettrico da esso comandato à ̈ aperto e la molla a scatto à ̈ in una prima posizione stabile;

la Fig.2 à ̈ una vista schematica che mostra l’interruttore in una fase di transizione verso la chiusura del circuito, al momento in cui il filo SMA attivato ha completato la sua corsa di accorciamento e la molla a scatto ha superato il punto morto e sta per scattare verso la seconda posizione stabile;

la Fig.3 à ̈ una vista schematica che mostra l’interruttore in una seconda posizione operativa in cui il circuito elettrico da esso comandato à ̈ chiuso e la molla a scatto à ̈ in detta seconda posizione stabile; e

la Fig.4 Ã ̈ una vista analoga alla Fig.2 in cui il filo SMA attivato ha completato la sua corsa di accorciamento e la molla a scatto ha superato il punto morto e sta per scattare verso la prima posizione stabile.

Facendo riferimento alle suddette figure, si vede che un interruttore elettrico bistabile secondo la presente invenzione comprende come attuatori una coppia di fili SMA contrapposti 1, 2 disposti a forma di rombo e fissati a comuni perni di estremità 3 allineati lungo un asse A.

Una molla a balestra 4, disposta all’interno del rombo formato dai fili 1 e 2, à ̈ fissata tra due perni di estremità 5 allineati anch’essi sull’asse A e posti ad una distanza tale che la molla 4 risulta compressa e può assumere solo le due posizioni stabili illustrate nelle figure 1 e 3.

Un elemento di azionamento 6 à ̈ montato o ricavato in posizione centrale sulla molla 4, perpendicolarmente ad essa, in modo da poter agire su una coppia di adiacenti contatti C1, C2 che rappresentano il circuito elettrico comandato dall’interruttore.

Alla luce della descrizione sopra riportata, il semplice ed efficace funzionamento dell’interruttore elettrico bistabile secondo l’invenzione risulta immediatamente comprensibile.

Partendo dalla posizione di circuito aperto di Fig.1, il filo SMA 1 viene riscaldato (tipicamente facendovi passare una corrente) in modo che si contragga e spinga la molla 4 verso la seconda posizione stabile agendo sull’elemento di azionamento 6 ad essa solidale. Nella posizione di Fig.2 il filo 1 ha completato la sua corsa di accorciamento, consistente nella distanza tra la sua posizione attuale in linea continua e la sua posizione iniziale in linea tratteggiata, e la molla 4 ha superato il suo punto morto essendo sull’altro lato dell’asse A.

L’aspetto innovativo del presente interruttore à ̈ dato dal fatto che lungo tutta la suddetta corsa di accorciamento il filo 1 ha solo spinto la molla 4 attraverso l’elemento di azionamento 6, che ancora non ha toccato l’altro filo SMA 2 al momento in cui la molla 4 scatta verso la seconda posizione stabile.

Come mostrato in Fig.3, quando la molla 4 raggiunge detta seconda posizione stabile il circuito elettrico viene chiuso grazie all’elemento di azionamento 6 che preme sul contatto C1, attraverso il filo 2, e lo manda in battuta sul contatto C2. Non appena il circuito viene chiuso, il filo 1 viene disattivato in modo che raffreddandosi recuperi la sua lunghezza originale ritornando alla posizione iniziale grazie all’effetto di memoria di forma.

Infine, l’operazione inversa di apertura del circuito à ̈ illustrata in Fig.4 che à ̈ analoga alla Fig.2 e mostra la corsa di accorciamento del filo 2 quando esso viene attivato per riportare la molla 4 nella prima posizione stabile di Fig.1. Ovviamente anche in questo caso il filo 2 spinge solo la molla 4 attraverso l’elemento di azionamento 6, che ancora non ha toccato l’altro filo SMA 1 al momento in cui la molla 4 scatta verso detta prima posizione stabile.

È chiaro che la forma realizzativa dell’interruttore elettrico bistabile secondo l’invenzione sopra descritta ed illustrata costituisce solo un esempio suscettibile di numerose variazioni. In particolare, oltre alle possibili varianti sopra accennate, si noti che i due fili SMA contrapposti 1, 2 potrebbero essere costituiti anche da un unico filo meccanicamente continuo ma elettricamente separato in due rami, sinistro 1 e destro 2, così da poter scaldare solo il ramo da attivare.

Al contrario, i due fili 1, 2 potrebbero essere completamente separati e non condividere dei perni di estremità 3 comuni come sopra illustrato, avendo ciascun filo una propria coppia di perni di estremità che potrebbero essere anche più vicini dei perni 5 della molla 4 se i fili 1, 2 non formano un rombo completo ma solo due V contrapposte.

Infine, si noti che in altre forme realizzative della molla a scatto e/o dell’elemento di azionamento la chiusura/apertura del circuito elettrico (ovvero la commutazione di posizione operativa dell’interruttore) può essere realizzata in un altro modo invece che direttamente dall’elemento di azionamento 6 che flette il contatto C1, fintantoché tale chiusura/apertura à ̈ causata dall’oscillazione della molla a scatto tra due posizioni stabili sotto l’azione di un attuatore a memoria di forma.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Interruttore elettrico bistabile comprendente una coppia di fili SMA contrapposti (1, 2) che agiscono su un elemento di azionamento (6) solidale ad una molla a scatto (4) in modo da farla oscillare tra due posizioni stabili corrispondenti a due posizioni operative dell’interruttore, caratterizzato dal fatto che detto elemento di azionamento (6) à ̈ più corto della distanza esistente tra detti fili SMA contrapposti (1, 2) quando uno dei fili SMA à ̈ contratto e l’altro filo SMA non à ̈ contratto.
2. 2. Interruttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i fili SMA contrapposti (1, 2) sono disposti a forma di rombo e fissati a comuni perni di estremità (3) allineati lungo un asse (A), la molla a scatto (4) essendo racchiusa da detto rombo.
3. 3. Interruttore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la molla a scatto (4) à ̈ una molla a balestra fissata tra due perni di estremità (5) allineati su detto asse (A).
4. 4. Interruttore secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che i fili SMA contrapposti (1, 2) sono costituiti da un unico filo meccanicamente continuo ma elettricamente separato in due rami che possono essere scaldati individualmente.