IT201900003589A1 - Attuatore multistabile basato su fili in lega a memoria di forma - Google Patents

Description

ATTUATORE MULTISTABILE BASATO SU FILI IN LEGA A MEMORIA DI FORMA

La presente invenzione è inerente ad un attuatore multistabile in lega a memoria di forma (SMA) che sfrutta le proprietà dei fili in lega a memoria di forma utilizzati in configurazione antagonistica. In generale, gli attuatori basati su fili in lega a memoria di forma presentano diversi vantaggi quali la riduzione dell'ingombro, del peso, del consumo energetico, che portano alla possibilità di ottenere un elevato grado di miniaturizzazione o la facilità di integrazione in sistemi/dispositivi più complessi.

Alcuni esempi di attuatori a filo SMA recenti sono riportati nelle domande di brevetto US 2006/9298500, 2005/0160858 e nel brevetto US 7364211. Tutti i dispositivi indicati in questi riferimenti risentono dello svantaggio che l'attuatore ha solo due posizioni stabili che una sorta di blocco meccanico accoppiato al componente attivo SMA (il filo) assicura senza necessità di alimentare potenza/corrente.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un attuatore basato sull'utilizzo di fili in lega a memoria di forma in grado di superare il limite dello stato dell'arte, in particolare non essendo limitato nel numero di posizioni stabili raggiungibili pur continuando a non richiedere alcuna alimentazione di potenza/corrente per il mantenimento di tali posizioni stabili, ed in un primo aspetto consiste in un attuatore in lega a memoria di forma comprendente un elemento mobile ed un telaio, l'elemento mobile essendo azionato da almeno un primo (1) e un secondo (2) filo in lega a memoria di forma in configurazione antagonistica e che determinano congiuntamente la posizione dell'elemento mobile, almeno una ritenuta mobile che accoppia una superficie del telaio con l'elemento mobile, lo sblocco di detta ritenuta mobile essendo controllato dall'azionamento di almeno uno di detti primi e secondi fili in lega a memoria di forma e il suo innesto essendo effettuato da una forza di ripristino fornita da almeno un meccanismo di ritorno al raffreddamento dei fili in lega a memoria di forma.

L'invenzione sarà ulteriormente illustrata con l'aiuto delle seguenti figure dove: - Le figure 1A e 1B sono viste laterali schematiche di una prima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione, mentre le figure 1C e 1D mostrano viste laterali schematiche di una variante di questa prima realizzazione,

- Le figure 2A e 2B sono viste laterali schematiche di una seconda realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 3A e 3B sono viste laterali schematiche di una terza realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 4A e 4B sono viste laterali schematiche di una quarta realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 5A e 5B sono viste laterali schematiche di una quinta realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 6A e 6B sono viste laterali schematiche di una sesta realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 7A e 7B sono viste laterali schematiche di una settima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 8A e 8B sono viste laterali schematiche di un'ottava realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 9A e 9B sono viste laterali schematiche di una nona realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione,

- Le figure 10A e 10B sono viste laterali schematiche di una decima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione, e

- La figura 11 è una vista prospettica schematica di una undicesima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione.

Nelle figure, le dimensioni e i rapporti dimensionali dei vari elementi mostrati in alcuni casi sono stati alterati per facilitare la comprensione dei disegni, con particolare ma non esclusivo riferimento al diametro del filo SMA rispetto ad altri elementi dell'attuatore; inoltre, alcuni elementi ausiliari non necessari alla comprensione dell'invenzione, come la fonte di alimentazione di corrente, gli elementi di crimpaggio/ fissaggio del filo, ecc. non sono stati mostrati in quanto sono mezzi ordinari conosciuti in campo tecnico.

Una caratteristica inventiva comune che lega tutte le forme di realizzazione della presente invenzione è l'utilizzo di almeno due fili in lega a memoria di forma in configurazione antagonistica dove il bloccaggio, lo sbloccaggio e il movimento dell'elemento mobile sono determinati dal diverso grado di attuazione dei fili in lega a memoria di forma. Più specificamente, se non c'è alimentazione elettrica è presente un bloccaggio che ne impedisce il movimento, mentre il disimpegno è dato dal riscaldamento di almeno uno dei fili in lega a memoria di forma, anche se la posizione finale è determinata dall'equilibrio derivante dalla diversa trazione dei fili SMA (cioè dal loro diverso grado di attuazione derivante dalla diversa temperatura). Una volta nella posizione desiderata, il raffreddamento simultaneo permette di mantenere la posizione raggiunta e allo stesso tempo permette l'innesto della ritenuta grazie all'azione di un meccanismo di ritorno, e quindi non è necessario nessun altro meccanismo azionato per bloccare/sbloccare l'elemento mobile.

Le figure 1A e 1B sono viste laterali schematiche di un attuatore 10 secondo la presente invenzione, la figura 1A mostra l'attuatore 10 in stato di sblocco, la figura 1B lo mostra in stato di blocco.

L'attuatore 10 comprende un telaio strutturale 11, un elemento mobile 12, in cui l'elemento mobile 12 è azionato da due fili SMA antagonisti 1 e 2, in particolare dai loro primi segmenti 131, 131' che collegano i lati opposti dell'elemento mobile 12 con diverse superfici opposte del telaio 11 per guidarlo alternativamente in direzioni opposte a seconda del diverso livello di attuazione dei fili in lega a memoria di forma 1, 2. In questo senso, più i fili in lega a memoria di forma 1, 2 sono in fase austenitica (alta temperatura) rispetto alla loro fase martensitica (bassa temperatura), più alta sarà la trazione che applicheranno all'elemento mobile 12. I dettagli dei principi di funzionamento dei fili in lega a memoria di forma sono ampiamente conosciuti da una persona di comune abilità nel ramo, si veda ad esempio il documento "Fundamental characteristics and design method for nickel-titanium shape memory", pubblicato nel 2001 su PERIODICA POLYTECHNICA SER. MECCANICA. MECH. ENG. VOL.

45, NO.1, PP.75–86.

Gli elementi flessibili 19, 19' collegano un'altra superficie del telaio stazionario 11 con l'elemento mobile 12, per fornire un supporto all'elemento mobile 12 e anche guidarlo nella direzione di spostamento impedendone il movimento in altre direzioni.

Il meccanismo di bloccaggio dell'attuatore è costituito da due fermi 3,3' che forniscono una ritenuta a frizione una volta a contatto con l'elemento mobile 12, come in figura 1B, mentre non ne limitano il movimento una volta separati da esso, come in figura 1A. Se i secondi segmenti 132, 132' dei fili in lega a memoria di forma 1, 2 non esercitano una forza sui fermi 3, 3' tramite le leve 18, 18', i fermi sono in contatto con l'elemento mobile 12 per l'azione delle molle 15, 15' che collegano i supporti 16, 16' con le leve 18, 18'. I secondi segmenti 132, 132' dei fili in lega a memoria di forma, una volta azionati, allontanano i fermi 3, 3' dall'elemento mobile 12 tirandoli verso i pilastri di appoggio 17, 17', permettendo così il movimento dell'elemento mobile 12 spinto dal diverso livello di attuazione dei fili in lega a memoria di forma 1, 2.

Per maggiore chiarezza, i primi segmenti 131, 131' dei fili in lega a memoria di forma sono quelli che vanno dall'elemento mobile 12 al vicino telaio 11, mentre i secondi segmenti 132, 132' dei fili in lega a memoria di forma vanno da detto telaio 11 alle leve di collegamento 18, 18'.

Le figure 1A e 1B evidenziano il concetto chiave della presente invenzione, cioè il fatto che è l'attivazione dei fili in lega a memoria di forma 1 e 2 che determina lo sblocco dell'elemento mobile 12, mentre il diverso livello di attuazione della lega a memoria di forma, cioè quanto di essa si trova nella sua fase austenitica, determinerà il movimento (durante il transitorio di temperatura) e la posizione finale quando il filo di trazione è alla sua temperatura finale. L'altro filo in configurazione antagonistica è mantenuto almeno ad un livello minimo di attuazione, più precisamente ad un livello di attuazione più basso rispetto al filo di trazione, per assicurare che l'elemento mobile 12 si disimpegni dalla ritenuta per attrito 3, 3'.

È da sottolineare che un attuatore secondo la presente invenzione può avere un solo fermo, come mostrato nelle viste laterali schematiche delle figure 1C e 1D, in cui la struttura dell'attuatore 10' è la stessa delle figure 1A e 1B a parte la presenza del solo "blocco" frenante sinistro, cioè il gruppo formato dal fermo 3, molla 15, supporto 16, pilastro di appoggio 17, leva 18. In questo caso, solo il filo in lega a memoria di forma 1, attraverso il suo secondo segmento 132, è responsabile, attraverso la sua attuazione, del disimpegno del fermo 3 dall'elemento mobile 12, mentre il movimento di quest’ultimo è ancora determinato dal diverso livello di attuazione dei fili in lega a memoria di forma 1, 2.

Come esemplificato nella realizzazione mostrata nelle figure 1C-1D, è possibile che i due fili antagonisti in lega a memoria di forma abbiano lunghezze diverse, anche se si preferisce che siano di uguale lunghezza e diametro (cioè con una differenza/tolleranza entro ±5%). Nel seguito, tutte le forme di realizzazione che verranno descritte avranno fili antagonisti in lega a memoria di forma di uguale lunghezza, anche se questo requisito non è una caratteristica essenziale.

Gli attuatori mostrati nelle viste schematiche delle figure 1A-1B e 1C-1D, e più in generale in tutte le configurazioni qui descritte in cui una parte del filo SMA è dedicata allo sblocco, sono tipicamente utili per soluzioni ad elevata corsa in quanto il campo di movimento, legato ad una specifica porzione dedicata di filo SMA, non è ridotto dalla capacità di auto bloccaggio; ciò significa che tutta la lunghezza del filo che va dall'elemento mobile al telaio dell'attuatore contribuisce allo spostamento dell'elemento mobile.

Le figure 2A e 2B mostrano le viste laterali schematiche di una seconda realizzazione 20 di un attuatore secondo la presente invenzione.

Come per l'attuatore 10, l'attuatore 20 è costituito da un telaio strutturale 21, un elemento mobile 22, in cui l'elemento mobile è azionato da due fili SMA antagonisti 1 e 2 con i primi segmenti 231, 231' che collegano i lati opposti dell'elemento mobile 22 con diverse superfici opposte del telaio 21 per guidarlo alternativamente in direzioni opposte. Gli elementi flessibili 29, 29' collegano un'altra superficie del telaio fisso 21 con l'elemento mobile 22, per aiutare a sostenerlo e anche per guidarlo nella direzione di spostamento dell'elemento mobile 22 impedendo il movimento nelle altre direzioni.

L'attuatore 20 comprende inoltre due distanziatori/elementi di appoggio 24, 24', due fermi per attrito e blocchi di movimento 3, 3' presenti sulla superficie superiore di un elemento di collegamento 27 che assicura un'azione sincrona dei fermi per attrito 3, 3' anche quando solo uno dei due fili in lega a memoria di forma 1, 2 è solo parzialmente azionato. Quattro molle laterali 25, 25', 25'', 25''' collegano l'elemento di collegamento 27 ai supporti 26, 26' come nel caso delle molle 15, 15' e supporti 16, 16' della prima realizzazione.

Il posizionamento verticale dell'elemento di collegamento 27 è regolato da leve 28, 28' comandate dai secondi segmenti 232, 232' dei fili in lega a memoria di forma, dette leve 28, 28' agendo sulle due molle superiori 25'' e 25''', mentre le altre due molle inferiori 25, 25' non sono comandate a leva e aiutano a guidare l'elemento di collegamento 27 in una direzione perpendicolare allo spostamento dell'elemento mobile 22 per evitare una rotazione dell'elemento di collegamento 27. La figura 2A rappresenta una situazione in cui non viene applicata alcuna forza "frenante" all'elemento mobile 22, con l'elemento di collegamento 27 appoggiato sui distanziatori 24, 24', mentre la figura 2B rappresenta una situazione in cui l'elemento di collegamento 27 viene spinto a contatto con l'elemento mobile 22, tramite i fermi 3 e 3', e quindi applica una forza di attrito e di ritenuta all'elemento mobile 22. In questo caso, il bloccaggio/sbloccaggio dell'elemento mobile 22 si ottiene attraverso l'azione combinata dell'elemento di collegamento 27 con i fermi 3 e 3', le molle 25, 25', 25'', 25''', le leve 28, 28' ed i supporti 26, 26'.

Un attuatore 30 secondo una terza realizzazione della presente invenzione è mostrato nelle viste schematiche delle figure 3A (stato sbloccato) e 3B (stato bloccato).

Anche in questa configurazione i fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2 hanno un primo segmento 331, 331' che collega il telaio strutturale 31 con l’elemento mobile 32, per l'azionamento e lo spostamento dell'elemento mobile 32, mentre i loro secondi segmenti 332, 332' sono fissati alle leve 38, 38' che agiscono su due molle laterali inferiori 35, 35'. Analogamente alle figure 2A e 2B, le altre due molle laterali superiori 35'', 35''' non sono comandate da una leva e aiutano a guidare l'elemento di collegamento 37 in una direzione perpendicolare allo spostamento dell'elemento mobile 32 per evitare una rotazione dell'elemento di collegamento 37. Le molle 35, 35', 35'', 35''' sono collegate da un lato ai supporti 36, 36', e dall'altro lato all'elemento di collegamento 37.

L'elemento di collegamento 37 è inoltre collegato all'elemento mobile 32 tramite due elementi flessibili verticali 39, 39' la cui funzione principale è quella di guidare l'elemento mobile nella direzione di spostamento, impedendo movimenti in direzioni indesiderate (cioè per evitare la rotazione).

In questa configurazione, un elemento 3 fissato sulla superficie del telaio 31 al di sotto dell'elemento mobile 32 funge da blocco per attrito una volta a contatto con esso (Figura 3B), mentre gli elementi 34 e 34' fissati sulla superficie del telaio 31 al di sopra dell'elemento di collegamento 37 fungono da fermi di fine corsa ed elementi di appoggio per detto elemento di collegamento 37.

Una quarta realizzazione secondo la presente invenzione è rappresentata nelle viste schematiche delle figure 4A e 4B. In questa realizzazione i fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2, sono utilizzati in una configurazione non segmentata che collega una superficie del telaio 41 dell'attuatore con l'elemento mobile 42, quindi in questo caso non ci sono secondi segmenti dei fili in lega a memoria di forma come nelle forme di realizzazione precedentemente descritte. Questa realizzazione non ha segmenti di filo dedicati per lo sblocco, ma i fili SMA nel loro insieme eseguono sia il posizionamento dell'elemento mobile che lo sblocco.

In questa configurazione, esiste un telaio di collegamento 47 collegato all'elemento mobile 42 tramite elementi flessibili verticali 49, 49' e ai supporti 46, 46' tramite quattro molle laterali 45, 45', 45'', 45''' che ne controllano il movimento, come nella terza realizzazione sopra descritta.

La trazione verticale esercitata dall'azionamento simultaneo dei fili in lega a memoria di forma 1, 2 solleva l'elemento mobile 42 facendogli perdere il contatto con il fermo 3 mentre l'elemento di collegamento 47 viene a contatto con il fine corsa 44' (figura 4A). La trazione orizzontale risultante dall'azionamento differenziale dei fili in lega a memoria di forma 1, 2 definisce lo spostamento in direzione orizzontale dell'elemento mobile 42.

Gli attuatori SMA mostrati nelle viste schematiche delle figure 4A-4B, e più in generale tutte le configurazioni qui descritte in cui i fili SMA sono utilizzati in una configurazione non segmentata, sono tipicamente utili per soluzioni ad elevata forza, anche se sono meno preferibili in termini di corsa realizzabile, poiché non tutta la lunghezza del filo che va dall'elemento mobile al telaio dell'attuatore contribuisce allo spostamento dell'elemento mobile.

Un altro vantaggio di questo attuatore, così come di tutte le configurazioni qui descritte che utilizzano un elemento di collegamento, è che l'elemento mobile è sicuramente sbloccato anche se uno dei due fili SMA è in uno stato di basso livello di attuazione, in modo che il livello di potenza necessario per lo sblocco è ridotto nelle configurazioni che utilizzano l'elemento di collegamento, e questo fornisce un effetto benefico per la corsa.

Una quinta realizzazione secondo la presente invenzione è mostrata nelle viste schematiche delle figure 5A e 5B. In questo caso l'attuatore 50 comprende un elemento mobile 52 collegato a due fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2, ciascuno con un primo segmento 531, 531' e un secondo segmento 532, 532'. I primi segmenti 531, 531' collegano l'elemento mobile 52 con una superficie del telaio 51 dell'attuatore sopra di esso, mentre i secondi segmenti 532, 532' collegano l'elemento mobile 52 con le leve 58, 58' sotto di esso, che sono collegate ai supporti 56, 56' attraverso le molle 55, 55'.

Se i fili in lega a memoria di forma 1, 2 non vengono azionati, le ritenute per attrito 3 e 3' (posizionate sopra le leve 58, 58' al loro bordo interno) bloccano lo spostamento dell'elemento mobile 52 (figura 5B), mentre i fili in lega a memoria di forma 1, 2 una volta azionati, sotto la trazione dei loro secondi segmenti 532, 532' sollevano il bordo esterno delle leve 58, 58' allontanando le ritenute per attrito 3 e 3' dall'elemento mobile 52 (figura 5A), mentre le leve 58, 58' entrano in contatto rispettivamente con l'estremità delle ritenute per attrito 3 e 3' dall'elemento mobile 52 (figura 5A), mentre le leve 58, 58' entrano in contatto rispettivamente con gli elementi di fine corsa 54, 54’. Anche in questa forma realizzativa, due elementi flessibili verticali 59, 59' guidano l'elemento mobile 52 nella direzione di spostamento impedendo movimenti in direzioni indesiderate (cioè per evitare la rotazione).

Una sesta realizzazione secondo la presente invenzione è mostrata nelle viste schematiche delle figure 6A e 6B. In questo caso l'attuatore 60 comprende un elemento mobile 62 azionato da due fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2 i cui punti centrali sono collegati ad un elemento mobile 62 mentre le loro estremità sono collegate rispettivamente alle molle 65, 65', 65'', 65''' ciascuna portante un elemento di bloccaggio 3, 3', 3'', 3'''. In questa specifica configurazione, pertanto, nessuna parte dei fili in lega a memoria di forma 1, 2 è collegata direttamente al telaio 61 dell'attuatore ma sono collegati ad esso tramite le molle 65, 65', 65'', 65''' ed i supporti 66, 66', 66'', 66''' su cui sono montate dette molle.

In questa realizzazione ogni filo SMA 1, 2 ha un primo segmento 631, 631' e un secondo segmento, 632, 632' che agiscono entrambi sull'elemento mobile determinandone la posizione finale in funzione dei diversi livelli di azionamento dei fili in lega a memoria di forma 1, 2 e disinserendo (figura 6A) le ritenute per attrito 3, 3', 3'', 3''' mettendole in contatto con un supporto 66, 66', 66'', 66'''. La posizione di innesto della figura 6B risulta ovviamente dall'azione delle molle 65, 65', 65'', 65''' al raffreddamento dei fili SMA 1, 2.

La presente invenzione intende comprendere anche gli attuatori rotanti, cioè attuatori che fanno ruotare un elemento mobile (ruotabile) sotto l'azione di fili antagonisti in lega a memoria di forma e che sfruttano lo stesso concetto inventivo della presente invenzione. In altre parole, l'azionamento dei fili in lega a memoria di forma determina lo sblocco dell'elemento mobile (ruotabile), mentre i diversi livelli di azionamento della lega a memoria di forma, cioè quanto di essa si trova nella sua fase austenitica, determineranno il senso e il grado di rotazione (durante il transitorio di temperatura) e la posizione finale quando i fili sono alla loro temperatura impostata, bloccandosi in detta posizione quando i fili sono contemporaneamente raffreddati per avere l'innesto del blocco.

Una prima realizzazione di un attuatore rotante secondo la presente invenzione è mostrata nelle viste laterali schematiche delle figure 7A (sbloccato) e 7B (bloccato). L'attuatore 70 comprende come elemento mobile un rullo 72 collegato ad una prima superficie (inferiore) di un telaio stazionario 71 attraverso un supporto retrattile 79 comprendente una molla 75 che si oppone alla forza di compressione esercitata dai fili in lega a memoria di forma 1, 2 al momento dell'azionamento. Le estremità dei due fili in lega a memoria di forma 1, 2 sono collegate alla periferia del rullo 72 e alla suddetta superficie del telaio 71 in modo che, una volta azionati, il rullo 72 si abbassa e perde il contatto con una ritenuta per attrito 3 fissata su una seconda superficie (superiore) del telaio 71. La posizione di bloccaggio della figura 7B risulta ovviamente dall'azione della molla 75 dopo il raffreddamento dei fili SMA 1, 2.

Un'altra forma di realizzazione di un attuatore rotante secondo la presente invenzione è rappresentata nelle viste laterali schematiche delle figure 8A e 8B. Anche in questo caso, analogamente alle figure 7A e 7B, l'attuatore 80 comprende un rullo 82 (elemento mobile) collegato a due fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2 collegati in configurazione non segmentata ai lati opposti del rullo 82 e ad una superficie del telaio 81 dell'attuatore su cui è montato il rullo 82 tramite un supporto 89.

Due leve 88 e 88' sono montate sulle superfici laterali opposte del telaio 81 tramite le molle 85, 85' e sono dotate di fermi 3,3' all'estremità superiore adiacente al rullo 82 e di perni di rotazione 800,800' all'estremità inferiore. I fili in lega a memoria di forma 1, 2 sono interposti rispettivamente tra le leve 88, 88' e i perni di rotazione 800, 800' in modo tale che, quando vengono azionati, spostano i fermi 3, 3' via dal rullo 82 e verso i pilastri di appoggio 86, 86' per raggiungere la posizione di sblocco della figura 8A. Al raffreddamento dei fili SMA 1 e 2, il movimento delle leve 88, 88' è controllato dalle molle 85, 85' per ripristinare la posizione di bloccaggio della figura 8B.

Una nona realizzazione per un ulteriore attuatore rotante secondo la presente invenzione è mostrata nelle viste laterali schematiche delle figure 9A e 9B. In questo caso, l'attuatore 90 è costituito da un elemento a T oscillante (mobile) 92 collegato tramite due bracci a L 98, 98' a due fili in lega a memoria di forma 1, 2 collegati ad una superficie di un telaio stazionario 91 dell'attuatore, sul quale l'elemento a T 92 è montato tramite un supporto 99 collegato girevolmente alla base della T. I due bracci a L 98, 98' sono collegati ad un'estremità a due molle lineari 95, 95' sporgenti dal lato inferiore della traversa dell'elemento a T 92, e all'altra estremità ai fili SMA 1, 2 attraverso ritenute per attrito 3, 3’. Distanziatori 97, 97' sono preferibilmente presenti tra gli angoli dei bracci 98, 98' e l'elemento 92, montati sul primo o sul secondo. Il controllo dell'innesto/disinnesto delle ritenute per attrito 3, 3' con le superfici curve vicine del telaio 91 dell'attuatore è fornito rispettivamente dalle molle 95, 95' e dai fili SMA 1, 2.

Una decima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione è mostrata nelle viste laterali schematiche delle figure 10A e 10B che mostrano un elemento mobile 102, sostanzialmente a forma di U con flangia superiore, accoppiato ad un telaio di collegamento 107, sostanzialmente a forma di U più grande su cui l'elemento 102 può poggiare con la sua flangia superiore, attraverso molle intermedie 105, 105', 105'', 105'''. Il movimento dell'elemento mobile 102 è controllato da una coppia di fili antagonisti in lega a memoria di forma 1, 2 composti ciascuno da tre segmenti: un primo segmento 1031, 1031' per collegare una superficie di un telaio stazionario 101 con il bordo superiore esterno dell'elemento mobile 102, un secondo segmento 1032, 1032' per collegare una superficie opposta del telaio 101 con il bordo inferiore esterno del telaio di collegamento 107, ed infine un terzo segmento 1033, 1033' che si estende tra detti due segmenti.

La posizione di bloccaggio dell'attuatore (figura 10B) si ottiene quando le ritenute per attrito 3 e 3', montate sotto il telaio di collegamento 107, sono a contatto con una superficie del telaio 101. All'azionamento dei fili in lega a memoria di forma, in particolare grazie ai terzi segmenti 1033, 1033' dei fili in lega a memoria di forma, il telaio di collegamento 107 viene sollevato in modo che le ritenute per attrito 3, 3' non siano più in contatto con detta superficie del telaio 101 (figura 10A).

Come per le figure 1A-1B, gli elementi flessibili 109, 109' collegano un'altra superficie del telaio 101, più precisamente la superficie opposta rispetto a quella con cui le ritenute per attrito 3, 3' sono in contatto nella posizione di bloccaggio, con l'elemento mobile 102 per sostenerlo e anche guidarlo nella direzione di spostamento impedendone il movimento in altre direzioni.

Un'undicesima realizzazione di un attuatore secondo la presente invenzione è mostrata nella vista prospettica schematica della figura 11 in stato di blocco, ed è in pratica una versione 3D della settima realizzazione delle figure 7A e 7B. Infatti, l'attuatore 70' comprende come elemento mobile una sfera 72' collegata ad una prima superficie (inferiore) di un telaio stazionario 71 attraverso un supporto retrattile 79 comprendente una molla 75 che si oppone alla forza di compressione esercitata dai fili in lega a memoria di forma 1, 2 al momento dell'azionamento. Le estremità dei due fili in lega a memoria di forma 1, 2 sono collegate alla periferia della sfera 72' e alla suddetta superficie del telaio 71 in modo che, una volta azionati, la sfera 72 si abbassa e perde il contatto con una ritenuta per attrito ad anello 4 fissata su una seconda superficie (superiore) del telaio 71.

Tuttavia, l'attuatore 70' comprende una seconda coppia di fili in lega a memoria di forma 1', 2' disposti in configurazione antagonistica come i fili 1, 2 ma in un piano perpendicolare al piano definito da quest'ultimi. Le estremità degli altri due fili in lega a memoria di forma 1', 2' sono collegate alla periferia della sfera 72' e alla suddetta superficie del telaio 71 nello stesso modo cosicché, una volta azionati, contribuiscono anch’essi al disimpegno della sfera 72 dalla ritenuta per attrito a forma di anello 4.

Tale disposizione fornisce chiaramente all'attuatore 70' due gradi di libertà di rotazione intorno agli assi di rotazione perpendicolari, ogni rotazione essendo definita dal grado di attuazione di una delle due coppie di fili in lega a memoria di forma 1, 2 e 1', 2'. La posizione di bloccaggio della figura 11 risulta ovviamente dall'azione della molla 75 dopo il raffreddamento dei fili SMA 1, 2 e 1', 2' con bloccaggio simultaneo di entrambi i gradi di libertà.

Come è possibile apprezzare confrontando la rappresentazione degli elementi mobili in tutte le figure, la presente invenzione non si limita ad una forma o geometria specifica per l'elemento mobile.

Va sottolineato che le forme di realizzazione mostrate nelle figure precedenti sono solo esemplificative dell’ambito della presente invenzione che non si limita alle forme di realizzazione illustrate in quelle figure ma comprende anche altre varianti immediate, ad esempio i fili in lega a memoria di forma non devono necessariamente essere identici in termini di lunghezza, diametro, composizione o posizionamento e potrebbero essere asimmetrici, come detto in precedenza.

Per quanto riguarda gli elementi di ritorno (15, 15', ...105", 105"') rappresentati nelle varie forme di realizzazione illustrate, si preferisce l'uso di elementi flessibili sottili (flexures), anche se si possono utilizzare molle classiche o altri tipi di elementi elastici, come gomme o cuscini elastomerici. Possono essere utilizzati anche altri elementi passivi per il posizionamento di bloccaggio dell’elemento mobile, come, ad esempio, magneti permanenti in combinazione con elementi ferromagnetici. Quando si utilizza un meccanismo bistabile nell'elemento di ritorno, non è necessario mantenere una tensione minima nei fili SMA durante il posizionamento dell'elemento mobile. Tutto quanto precede è comunemente noto ad una persona esperta del ramo, per esempio meccanismi bistabili adatti si possono trovare nel libro del 1994 edito da Springer-Verlag "Konstruieren mit Konstruktionskatalogen. Band 2: Kataloge".

Gli esempi riportati nelle figure utilizzano generalmente il bloccaggio per attrito dell'elemento mobile, ma si possono invece utilizzare superfici di contatto con bloccaggio di forma, producendo forze di ritenuta più elevate ma limitando il numero di possibili posizioni di bloccaggio dell'elemento mobile. Si noti anche che l'accoppiamento dell'elemento mobile con una superficie del telaio fisso attraverso la ritenuta mobile può essere realizzato sia direttamente, come nella terza, quarta, settima e undicesima realizzazione in cui la ritenuta mobile è montata sul telaio, o indirettamente come nelle altre realizzazioni in cui la ritenuta mobile è montata sul meccanismo di ritorno che fornisce la forza di ripristino per l'innesto della ritenuta (ad es. elementi 15, 15' e 16, 16' nella prima realizzazione).

I mezzi di guida dell'elemento mobile possono comprendere non solo elementi flessibili ma anche, ad esempio, cuscinetti a scorrimento o a rulli.

L'invenzione non si limita ad alcun materiale specifico in lega a memoria di forma, anche se si preferiscono leghe a base di Ni-Ti come il Nitinol descritto nei brevetti US 8152941, US 9315880, US 8430981.

Il Nitinol può presentare alternativamente un comportamento superelastico del filo o un comportamento della lega a memoria di forma a seconda della sua lavorazione. Le proprietà del Nitinol e i metodi che permettono di raggiungerle sono ampiamente noti agli esperti del ramo, 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 usato come tale o le sue caratteristiche in termini di temperatura di transizione possono essere personalizzate aggiungendo elementi come Hf, Nb, Pt, Cu. La corretta scelta della lega di materiale e le sue caratteristiche sono comunemente note ad un esperto del ramo, si veda ad 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 avente una guaina di contenimento in grado di migliorare il raffreddamento dopo ogni ciclo di azionamento. Anche un rivestimento con un'adeguata dispersione di materiali a cambiamento di fase, come descritto in WO 2019/003198 a nome della richiedente, può essere vantaggiosamente impiegato.

Per quanto riguarda il diametro del filo in lega a memoria di forma, è vantaggiosamente compreso tra 20 µm e 200 µm. È inoltre importante sottolineare che, poiché i fili in lega a memoria di forma sono oggetti reali, è possibile discostarsi da una sezione circolare, per cui con il termine "diametro" si intende il diametro del più piccolo cerchio circoscritto.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore in lega a memoria di forma (10; 10'; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 70'; 80; 90; 100) comprendente un elemento mobile (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 72'; 82; 92; 102) azionato da almeno un primo (1) e un secondo (2) filo in lega a memoria di forma disposti in una configurazione antagonistica e che determinano congiuntamente la posizione di detto elemento mobile (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 72'; 82; 92; 102), un telaio fisso (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101), almeno una ritenuta mobile (3, 3', 3'', 3'''; 4) che accoppia una superficie di detto telaio fisso (11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81; 91; 101) con l'elemento mobile (12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 72'; 82; 92; 102), il disimpegno di detta ritenuta mobile (3, 3', 3'', 3'''; 4) essendo controllato dall'azionamento di detti almeno primo (1) e secondo (2) filo in lega a memoria di forma e il suo innesto essendo effettuato da una forza di ripristino fornita da almeno un meccanismo di ritorno al raffreddamento dei fili in lega a memoria di forma (1, 2).
2. 2. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo la rivendicazione 1, in cui tutti i fili in lega a memoria di forma (1, 2) hanno lunghezza e diametro uguali.
3. 3. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il movimento impartito all'elemento mobile (12; 22; 32, 42, 52; 62; 72; 72'; 82; 92; 102) mediante l'azionamento dei suddetti almeno primo (1) e secondo (2) filo in lega a memoria di forma è lineare o rotativo o una combinazione di questi.
4. 4. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno di detti primo (1) e secondo (2) filo in lega a memoria di forma comprende un primo segmento (131, 131'; 231, 231'; 331, 331'; 531, 531') e un secondo segmento (132, 132'; 232, 232', 332, 332'; 532, 532'), in cui i primi segmenti (131, 131'; 231, 231'; 331, 331'; 531, 531') controllano congiuntamente il movimento dell'elemento mobile (12; 22; 32; 52; 102), e il disinserimento di detta ritenuta mobile (3, 3') è controllato da almeno uno di detti primi (131, 131'; 231, 231'; 331, 331'; 531, 531') e secondi (132, 132'; 232, 232', 332, 332'; 532, 532') segmenti.
5. 5. Un attuatore in lega a memoria di forma (60) secondo la rivendicazione 3, in cui ciascuno di detti primo (1) e secondo (2) filo in lega a memoria di forma comprende un primo segmento (631, 631') e un secondo segmento (632, 632') ed entrambi detti primi segmenti (631, 631') e secondi segmenti (632, 632') azionano congiuntamente l'elemento mobile (62) e controllano lo sblocco di una pluralità di ritenute mobili (3, 3', 3'', 3''').
6. 6. Un attuatore in lega a memoria di forma (40; 70; 70; 70'; 80; 90) secondo la rivendicazione 3, in cui detti primo (1) e secondo (2) filo in lega a memoria di forma sono fili non segmentati che collegano direttamente l'elemento mobile (42; 72; 72'; 82; 92) con il telaio (41; 71; 81; 91) dell'attuatore.
7. 7. Un attuatore in lega a memoria di forma (20; 100) secondo la rivendicazione 3, in cui esso comprende un elemento di collegamento (27; 107) che collega fisicamente più elementi di bloccaggio (3, 3') l'uno con l'altro.
8. 8. Un attuatore in lega a memoria di forma (10; 10'; 20; 30; 40; 50; 100) secondo la rivendicazione 3, in cui uno o più elementi elastici (19, 19'; 29, 29'; 39, 39'; 49, 49'; 59, 59'; 109, 109'), cuscinetti volventi o scorrevoli collegano l'elemento mobile (12; 22; 32; 42; 52; 102) con una superficie del telaio fisso (11; 21; 31; 41; 51; 101).
9. 9. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il meccanismo di ritorno per l'innesto delle ritenute mobili (3, 3', 3'', 3'''; 4) comprende elementi elastici (15, 15'; 25, 25’, 25’’, 25’’’; 35, 35’, 35’’, 35’’’; 45, 45’, 45’’, 45’’’; 55, 55’; 65, 65’, 65’’, 65’’’; 75; 85, 85’; 95, 95’; 105, 105’, 105’’; 105’’’).
10. 10. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, in cui il meccanismo di ritorno per l'innesto delle ritenute mobili (3, 3', 3'', 3'''; 4) comprende uno o più magneti, preferibilmente magneti permanenti.
11. 11. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il meccanismo di ritorno per l'innesto delle ritenute mobili (3, 3', 3'', 3'''; 4) comprende uno o più elementi bistabili.
12. 12. Un attuatore in lega a memoria di forma secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta ritenuta mobile (3, 3', 3'', 3'''; 4) è scelta tra ritenute ad attrito e ritenute a bloccaggio di forma.