ITTO980320A1 - Attuatore elettrostatico a passo, con ciglia motrici a memoria di form a. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Attuatore elettrostatico a passo, con ciglia motrici a memoria di forma",

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai motori elettrostatici di bassa potenza e piccole dimensioni adatti all'impiego come attuatori in applicazioni di tecnologia microelettronica, per l'azionamento di dispositivi meccanici e simili in condizioni in cui si verificano vibrazioni, come ad esempio in campo automobilistico.

In siffatte applicazioni sono stati proposti motori-attuatori elettrostatici di tipo piezoelettrico, in cui la conversione di energia elettromeccanica è basata sull'effetto piezoelettrico inverso. Questi motori presentano diversi inconvenienti, tra cui un costo di realizzazione relativamente elevato ed una scarsa affidabilità, richiedono tensioni di alimentazione abbastanza elevate e sono dotati di un rendimento non sufficientemente elevato. Conseguentemente, l'impiego di questi motori piezoelettrici non è generalmente soddisfacente per gli impieghi menzionati sopra, particolarmente a bordo di autoveicoli .

Sono anche noti motori elettrostatici a passo, comprendenti :

- uno statore piano,

- un traslatore piano guidato parallelamente allo statore ad una distanza predeterminata da esso, - una pluralità di lamine flessibili, o ciglia, interposte fra lo statore ed il traslatore, aventi ciascuna almeno un'estremità assicurata allo statore o al traslatore,

uno strato isolante applicato a ciascuna delle due superfici affacciate dello statore e del traslatore, ciascuna ciglia avendo porzioni in contatto rispettivamente con lo strato isolante dello statore e con lo strato isolante del traslatore,

- almeno un elettrodo associato allo statore o al traslatore, disposto al di sotto del relativo strato isolante, e

- mezzi di alimentazione per applicare impulsi di tensione fra le ciglia e detto elettrodo, per deformare elasticamente dette ciglia per effetto elettrostatico e produrre un passo di traslazione del traslatore parallelamente allo statore, dette ciglia riprendendo la loro configurazione di partenza al cessare dell'impulso di tensione.

Nei motori-attuatori elettrostatici di questo tipo, l'impiego di un gran numero di ciglia consente di ottenere un rapidissimo effetto di cattura elettrostatica, il che assicura un'elevatissima affidabilità operativa che in pratica non viene influenzata da vibrazioni, difetti di planarità dello statore, eventuale presenza di polvere. Per tale motivo, questi attuatori sono considerati adatti per l'applicazione a sistemi microelettronici installati a bordo di autoveicoli.

Lo scopo della presente invenzione è quello di perfezionare ulteriormente gli attuatori del tipo sopra specificato, particolarmente dal punto di vista della potenza e della rapidità di risposta.

In vista di raggiungere tale scopo, l'invenzione ha per oggetto un attuatore elettrostatico a passo avente le caratteristiche sopra indicate e caratterizzato inoltre dal fatto che almeno alcune delle suddette ciglia sono costituite da un materiale a memoria di forma, e che i suddetti mezzi di alimentazione sono atti inoltre ad alimentare impulsi di tensione a dette ciglia in modo da riscaldarle per effetto Joule e provocarne un accorciamento che produce un incremento del passo impartito al traslatore.

In una forma preferita di attuazione, l'attuatore comprende un secondo elettrodo, il suddetto primo elettrodo ed il secondo elettrodo essendo associati rispettivamente allo statore e al traslatore, o viceversa, e i suddetti mezzi di alimentazione essendo atti ad applicare impulsi di tensione tra il secondo elettrodo e le ciglia, in modo tale da aiutare per effetto elettrostatico un ritorno delle ciglia nella condizione di partenza dopo ogni passo del traslatore.

I materiali a memoria di forma cambiano la loro struttura contraendosi o allungandosi a seconda della temperatura. La presente invenzione consente di sviluppare attuatori a memoria di forma che scambiano rapidamente il calore con l’ambiente, essendo costituiti da lamine molto sottili: il tempo di risposta degli attuatori a memoria di forma noti è in generale elevato a causa del lento raffreddamento. Un importante vantaggio della presente invenzione consiste dunque nel tempo di risposta più rapido. Inoltre, l'utilizzazione simultanea dell'effetto elettrostatico consente di applicare la forza esercitata dalla memoria di forma senza dissipazione di energia e salvaguardando la lamina da possibili rotture causate da vincoli meccanici meno flessibili.

Il migliore tempo di risposta rispetto agli attuatori a memoria di forma noti e l'applicazione dell'effetto a memoria di forma in combinazione con l'effetto elettrostatico costituiscono pertanto i punti fondamentali dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1 è una vista schematica ed in sezione di un attuatore secondo l'invenzione,

la figura 2 illustra l'attuatore della figura 1 con il traslatore spostato di un passo,

le figure 3A, 3B illustrano diagrammi relativi al principio di funzionamento dell'attuatore,

la figura 4 illustra schematicamente una possibile applicazione dell 'attuatore secondo l'invenzione ad un organo rotante,

le figure 5-9 illustrano schematicamente alcune varianti di realizzazione, e

la figura 10 illustra uno schema del circuito di alimentazione utilizzato nell'attuatore secondo l 'invenzione.

Nei disegni, il numero di riferimento 1 indica nel suo insieme un attuatore elettrostatico lineare a passo, comprendente uno statore piano 2 ed un traslatore piano 3 che è guidato parallelamente allo statore 2 ad una distanza predeterminata da esso. I mezzi di guida del traslatore 3 sono rappresentati schematicamente nella figura 1 in forma di piedi 4 sporgenti inferiormente dal traslatore 3 ed atti a strisciare sopra la superficie superiore dello statore 2. E' evidente, che tale rappresentazione è del tutto schematica e che i mezzi di guida possono essere realizzati in qualunque modo.

Il traslatore 3 è costituito da una lamina 5 di materiale plastico (o anche di metallo) sulla quale è applicato, ad esempio per evaporazione, uno strato conduttivo 6, ad esempio di alluminio o di altri materiali conduttori quali argento, nichel, oro, leghe a base di rame, con spessore di qualche decina o centinaia di nano metri. Lo strato 6 può anche essere applicato mediante serigrafia con opportune piastre conduttive. Sullo strato conduttore 6 viene serigrafato uno strato isolante dielettrico o ferroelettrico 7 di spessore compreso fra 0.1 micron e qualche decina di micron, in funzione delle caratteristiche dielettriche del materiale e delle specifiche richieste.

Lo statore 2 è composto da una lamina 8 con caratteristiche analoghe a quelle del traslatore 3, ma sulla quale lo strato conduttivo non è uniformemente distribuito, bensì diviso in elettrodi 9 (uno solo dei quali è visibile nel disegno) di forma rettangolare o triangolare o diversamente sagomati, in funzione del campo elettrico che si vuole realizzare. In corrispondenza degli elettrodi 9 sono disposte lamine flessibili, o ciglia, 10 di forma rettangolare, triangolare o anche di forma diversa (come risulterà più chiaro nel seguito) in relazione alle caratteristiche di carico dell 'attuatore. Le ciglia 10 presentano ciascuna un’estremità 10a assicurata allo statore 2 e l'estremità opposta 10b liberamente appoggiate al traslatore 3.

Secondo una caratteristica importante dell'invenzione, le ciglia 10 sono costituite da un materiale a memoria di forma, ed hanno uno spessore compreso fra frazioni di micron e qualche micron e sono elettricamente isolate sia dagli elettrodi 9 disposti sotto lo strato isolante 7 associato allo statore 2, sia dall'elettrodo costituito dallo strato conduttivo 6 associato al traslatore 3. Come visibile nella figura 1, gli elettrodi 6, 9 e le ciglia 10 sono connessi elettricamente a mezzi di alimentazione 11 illustrati solo schematicamente nei disegni atti ad alimentare alternativamente impulsi di tensione fra le ciglia e l'elettrodo 6 e fra le ciglia e gli elettrodi 9. Tale ciclo di funzionamento è visibile nella figura 3 ove sono illustrate nella parte superiore la tensione tra l'elettrodo 6 e le ciglia 10 e nella parte inferiore la tensione fra gli elettrodi 9 e le ciglia 10, in funzione del tempo. Durante l'applicazione di impulsi di tensione fra le ciglia 10 e lo strato conduttivo 6, si provoca una deformazione elastica delle ciglia 10, per effetto elettrostatico, in modo tale per cui le ciglia assumono la configurazione illustrata nella figura 2. Poiché le estremità 10b delle ciglia aderiscono per effetto elettrostatico al traslatore 3, esse provocano con la loro deformazione l'avanzamento di un passo di lunghezza A del traslatore, parallelamente allo statore 2. Al cessare di detto impulso di tensione le ciglia 10 ritornano nella condizione di partenza, strisciando con le loro estremità superiori 10b contro la superficie inferiore del traslatore cosi da predisporsi per provocare un nuovo passo di quest ’ultimo.

Nell'attuatore secondo l'invenzione, l'effetto di contrazione delle ciglia 10 è esaltato per il fatto che tali ciglia sono costituite da un materiale a memoria di forma. Come già indicato (vedere figura 3A), nell'intervallo di tempo t1-t2 viene alimentato un impulso di tensione allo strato conduttivo 6, in modo da ottenere una deformazione della ciglia 10 per effetto elettrostatico. Tuttavia, nel caso della presente invenzione (vedere figura 3B), durante lo stesso intervallo di tempo t1-t2 viene alimentata una tensione uc ai capi della ciglia 10 a memoria di forma, in modo da provocarne un riscaldamento per effetto Joule ed un conseguente accorciamento che incrementa la lunghezza del passo compiuto dal traslatore 3. Successivamente a tale fase, la tensione Uc ai capi della ciglia a memoria di forma viene tolta, così da consentirne un raffreddamento. In tale fase, il ritorno della ciglia 10 nella condizione indeformata può essere ottenuto semplicemente sfruttando l’elasticità della ciglia, oppure preferibilmente predisponendo l'elettrodo 9 e dando tensione fra tale elettrodo e la ciglia 10. Con riferimento alla figura 10, ciò viene ottenuto con il circuito in essa illustrato chiudendo alternativamente i due micro-interruttori 20 e il micro-interruttore 21. Nel primo caso si ottiene l'applicazione della tensione V fra l'elettrodo 6 e la ciglia 10 e l'applicazione della tensione Uc alla ciglia 10 (fase di deformazione e accorciamento della ciglia). La chiusura del microinterruttore 21 provoca invece l'applicazione della tensione V fra la ciglia 10 e l'elettrodo 9 (ritorno della ciglia 10 nella condizione di partenza.

Infine, per accelerare il raffreddamento della ciglia 10 dopo ogni fase di riscaldamento si può prevedere di ottenere tale raffreddamento per effetto Peltier.

Da questo punto di vista, risulta particolarmente vantaggioso utilizzare ciglia 10 relativamente sottili, in quanto questo facilita una variazione rapida della temperatura delle ciglia stessa, cosi da garantire tempi di risposta immediati .

Naturalmente, l 'attuatore secondo l'invenzione è applicabile sia per provocare lo spostamento di un organo mobile linearmente, sia per provocare la rotazione di un organo girevole, ad esempio un disco girevole, come illustrato schematicamente nella figura 4. In questo caso, naturalmente, le ciglia 10 sono disposte tangenzialmente rispetto allasse di rotazione .

E' altresi possibile esaltare la spinta dell 'attuatore prevedendo una struttura multistrato del tipo illustrato nella figura 5, con diversi strati sovrapposti di ciglia 10. E' pure possibile prevedere ciglia orientate in senso opposto, come illustrato nella figura 6, per ottenere la possibilità di spostare il traslatore 2 in direzioni opposte.

La conformazione delle ciglia può essere qualsiasi. Inoltre è anche possibile prevedere che ciascuna ciglia presenti entrambe le estremità opposte fissate allo statore e al cursore ed una posizione intermedia in contatto con l'elemento affacciato, come illustrato nella figura 7. Anche la forma in pianta della ciglia può essere in questo caso di vario tipo. Le figure 8, 9 illustrano due possibili realizzazioni.

E' anche possibile prevedere una configurazione simile a quella della figura 1, con le ciglia 10 fissate ad entrambe le estremità al cursore e allo statore, qualora si voglia utilizzare 1'attuatore per provocare un movimento alternativo. In questo caso, la distanza tra statore e cursore può essere molto ridotta ed è preferibile predisporre fori in tali elementi al fine di favorire il raffreddamento delle ciglia.

Naturalmente, fermo restando al principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Attuatore elettrostatico a passo, comprendente : - uno statore piano (2), un traslatore piano (3) guidato parallelamente allo statore (2) ad una distanza predeterminata da esso, - una pluralità di lamine flessibili o ciglia (10), interposte fra lo statore (2) ed il traslatore (3), aventi ciascuna almeno un'estremità assicurata allo statore o al cursore, - uno strato isolante (7) applicato a ciascuna delle due superfici affacciate dello statore (2) e del traslatore (3), ciascuna ciglia avendo porzioni in contatto rispettivamente con lo strato isolante (7) dello statore (2) e con lo strato isolante (7) del traslatore (3), almeno un elettrodo (6) associato allo statore (2) o al traslatore (3), disposto al di sotto del relativo strato isolante (7), e - mezzi di alimentazione (11) per applicare impulsi di tensione fra le ciglia (10) e detto elettrodo (6), per deformare elasticamente dette ciglia (10) per effetto elettrostatico e produrre un passo di traslazione del traslatore (3) parallelamente allo statore (2), dette ciglia (10) riprendendo la loro configurazione di partenza al cessare dell'impulso di tensione, caratterizzato dal fatto che almeno alcune di dette ciglia (10) sono costituite da un materiale a memoria di forma, e che i suddetti mezzi di alimentazione (11) sono atti inoltre ad alimentare impulsi di tensione (Uc) a dette ciglia (10) in modo da riscaldarle per effetto Joule e provocarne un accorciamento che produce un incremento del passo impartito al traslatore (3).
2. 2. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto attuatore comprende un secondo elettrodo (9) associato a ciascuna ciglia (10), il primo ed il secondo elettrodo (6, 9) essendo associati rispettivamente allo statore (2) e al traslatore (3), o viceversa, e detti mezzi di alimentazione (11) essendo atti ad applicare impulsi di tensione tra il secondo elettrodo (9) e le ciglia (10), in modo tale da aiutare per effetto elettrostatico il ritorno delle ciglia nella condizione di partenza dopo ogni passo del traslatore.
3. 3. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che presenta una configurazione multi-strato, con più strati di ciglia (10) fra loro sovrapposti.
4. 4. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che presenta due serie di ciglia (10) orientate in modo opposto, per provocare un movimento in direzioni opposte del traslatore (3).
5. 5. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna ciglia presenta solo un'estremità (10a o 10b) assicurata allo statore (2) o al traslatore (3).
6. 6. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna ciglia presenta entrambe le estremità assicurate allo statore (2) e/o al traslatore (3).
7. 7. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna ciglia presenta una forma in pianta rettangolare.
8. 8. Attuatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna ciglia (10) presenta una forma in pianta triangolare. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.