Il design intelligente del microinterruttore bilancia in modo elegante i compromessi tradizionali

Fondamentalmente, l'ingegneria combina arte e abilità di trovare un compromesso tra caratteristiche quali dimensioni, peso, potenza, costo, prestazioni e producibilità. Questa è la sfida che deve affrontare chi progetta sia componenti di piccole dimensioni che grandi sistemi. Uno sguardo attento alla riprogettazione di una famiglia di piccoli interruttori per soddisfare i requisiti automotive illustra l'attenzione sull'innovazione e le particolarità della progettazione e della produzione.

Il dilemma degli interruttori di finecorsa per il settore automotive

Gli interruttori bistabili e a contatto momentaneo sono dispositivi di base monofunzione che esistono da sempre e che possono sembrare semplici da progettare e da realizzare. Lo sviluppo di un interruttore che soddisfi i numerosi requisiti elettrici e meccanici, che sia affidabile e possa essere prodotto in grandi quantità è invece una cosa sorprendentemente complessa. Questi interruttori devono soddisfare una serie di esigenze riguardanti dimensioni, corrente di contatto, forza di attivazione, angolo di attuazione e altre ancora.

Queste sono state le sfide che hanno dovuto affrontare i progettisti di Omron Corp. quando hanno iniziato a sviluppare un piccolo interruttore che segnalasse se la portiera di un'auto era aperta o chiusa. Le portiere delle auto moderne sono molto più sottili di un tempo e dotate di numerose altre funzioni, quindi era fondamentale che avessero un fattore di forma compatto.

L'azione del pulsante è pertanto di pochi millimetri, per garantire che non vi sia contatto con la struttura dell'interruttore di finecorsa; diversamente, il normale sbattere delle portiere lo danneggerebbe. I problemi di affidabilità e un grado di protezione IP67 per la resistenza all'acqua e alla polvere in ambienti operativi difficili complicano ulteriormente le cose.

In questo caso sono richiesti interruttori di finecorsa a scatto rapido. Hanno una corsa interna limitata, sono sensibili e vengono offerti in molti stili, tra cui con pistoncini o astine regolabili, levetta, levetta con braccio, rullo, cono, lamella, attuatore rotante, molla, baffo o cavo. Gli interruttori ultra-subminiaturizzati e a tenuta stagna di oggi, come quelli della famiglia D2SW di Omron (Figura 1), discendono dal classico microinterruttore sviluppato negli anni '30 e ancora molto diffuso. Per progettazione interna e funzionamento sono diversi dagli interruttori on-off utilizzati negli elettrodomestici o negli strumenti da banco.

Figura 1: La famiglia D2SW esemplifica il classico interruttore di finecorsa a scatto rapido che ha reso per decenni un servizio egregio ai progettisti. (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

Il team Omron ha esaminato le disposizioni di attivazione degli interruttori esistenti, come l'azione orizzontale con un levetta, senza levetta e con una camma angolata. Ognuna presentava vantaggi ma anche compromessi inaccettabili legati all'offset angolare quando si preme il pulsante di commutazione, al volume fisico, ai punti di usura a lungo termine e altri ancora.

Un nuovo modo di pensare indica la strada

Per superare le sfide legate alla progettazione di un interruttore di finecorsa più piccolo e affidabile che soddisfi le esigenze delle portiere delle automobili (e non solo), i progettisti Omron hanno adottato un approccio innovativo per la famiglia D2EW di interruttori normalmente aperti (NA) e normalmente chiusi (NC) (Figura 2), come il modello NA D2EW-B03H e il modello NC D2EW-B02L complementare. Questi interruttori compatti e a tenuta stagna possono essere azionati in più direzioni e a più angoli.

Figura 2: Una progettazione innovativa consente di azionare gli interruttori a tenuta stagna ultraminiaturizzati della famiglia D2EW da più angoli di attuazione. (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

Il team Omron si è reso conto che un pulsante triangolare avrebbe consentito il funzionamento orizzontale senza una levetta consuma-spazio. Ha quindi stabilito l'angolo ottimale di inclinazione del pulsante per realizzare una forma che può essere premuta in modo sicuro dall'alto. Ciò consente di aprirlo e chiuderlo con una corsa minima e senza dover prevedere una camma orizzontale e far fronte al problema del relativo spazio richiesto e della complessità.

Questa progettazione del pulsante permette di azionare l'interruttore da più angoli senza levetta. Può aprire e chiudere i contatti orizzontalmente con una corsa di pochi millimetri (Figura 3, in alto) e può essere azionato anche quando premuto dalla direzione verticale (Figura 3, in basso).

Figura 3: Il pulsante dell'interruttore D2EW è progettato per ridurre al minimo le dimensioni e la distanza della corsa (in alto) e può essere azionato dall'alto, con un'angolazione e da sinistra o da destra (in basso). (Immagine per gentile concessione di Omron Corp.)

Conformità agli standard IP67

Non sorprende che questa nuova forma del pulsante abbia comportato nuovi problemi. L'insolita forma triangolare rendeva estremamente difficile sigillarlo ermeticamente. I tradizionali pulsanti rotondi utilizzano il fissaggio termico, in cui la costola in resina è inclinata verso il pulsante e si incastra nel cappuccio di gomma per stringerlo. Il pulsante D2EW è però circa quattro volte più grande di quello rotondo, per cui anche il cappuccio in gomma è più grande e non vi è spazio per una parete in resina.

La soluzione è stata il frutto di analisi, tentativi ed errori. I progettisti hanno optato per la tenuta dell'involucro e del cappuccio in gomma a scatto, in cui il cappuccio è inserito tra l'involucro e il coperchio con una pressione sufficiente a soddisfare i requisiti IP67. Tuttavia, a differenza del cappuccio rotondo, dove è possibile applicare uniformemente la pressione in tutte le direzioni, la base ovale di questo cappuccio può presentare variazioni di tenuta. Per ovviare a questo problema, il team ha ideato una forma per rendere l'alberino del pulsante il più simile possibile a un cerchio. Sono intervenuti anche sulla forma del cappuccio in gomma e sullo spessore della gomma per compensare le variazioni del carico. Dopo diversi mesi di tentativi ed errori, hanno trovato la forma ottimale.

Hanno anche apportato modifiche interne. I dispositivi D2EW hanno un pulsante con un cursore nella parte inferiore che scorre lateralmente quando il pulsante viene premuto. Un pulsante convenzionale e un cursore si muovono invece all'unisono. L'integrazione delle superfici di contatto in un'unica superficie ha portato a una struttura facile da assemblare e in grado di aprire e chiudere i punti di contatto con il minor numero possibile di componenti.

Conclusione

L'esclusivo e innovativo cappuccio del pulsante e il design interno della famiglia D2EW ne consentono l'attivazione con una semplice pressione sia diritta che da qualsiasi angolazione, nonostante l'attuatore abbia solo pochi millimetri di corsa. Il design lo rende perfetto per le portiere più sottili e dotate di maggiori funzionalità delle auto di oggi, consentendogli anche di resistere allo sbattere delle portiere e a condizioni estreme.