KR101034500B1

KR101034500B1 - Shape memory alloy actuator

Info

Publication number: KR101034500B1
Application number: KR1020090056106A
Authority: KR
Inventors: 지광구; 김윤배; 한준현
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-05-17
Also published as: KR20100137864A; WO2010150962A1

Abstract

본 발명은 일정거리 이격되어 평행하게 배치되는 제1 부재와 제2 부재; 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되는 제1 형상기억합금소자; 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되며, 상기 제1 형상기억합금소자와 교차해서 배치된 제2 형상기억합금소자; 및 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되는 스프링;을 포함하는 형상기억합금 엑츄에이터에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 구성에 의해서, 엑츄에이터가 작동되는 순간에만 전원이 필요하다는 장점이 있어서 전원을 절약할 뿐 아니라 엑츄에이터 반응속도가 빨라지는 장점이 있다. The present invention is a first member and a second member spaced at a predetermined distance and arranged in parallel; A first shape memory alloy element having both ends coupled to each of the first and second members; A second shape memory alloy element coupled to each of the first and second members, the second shape memory alloy element disposed to intersect the first shape memory alloy element; And a spring having both ends coupled to each of the first and second members. The present invention has the advantage that power is required only at the moment when the actuator is operated, thereby saving power as well as increasing the actuator response speed.

형상기억합금, 엑츄에이터, 스프링, 바이어스 스프링 Shape Memory Alloy, Actuator, Spring, Bias Spring

Description

Shape Memory Alloy Actuator {SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATOR}

본 발명은 형상기억합금을 이용한 액츄에이터에 관한 것이며, 상세하게는 두 지점의 변위에서 안정적인 스프링과 형상기억합금을 이용하여 반응속도가 빠르고 작동순간에만 전원을 필요로하는 액츄에이터에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator using a shape memory alloy, and more particularly to an actuator using a spring and a shape memory alloy that is stable at two points of displacement and requires a power supply only at the moment of operation.

형상기억합금(shape memory alloy)이란, 일정한 천이온도 이하에서는 마르텐사이트 상(phase)을 가져서 형상의 변형이 일으날 수 있으나, 이러한 변형이 일어난 후에 다시 위의 천이온도 이상으로 온도가 상승하는 경우에 오스테나이트 상으로 상변이가 일어나서 종전의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 소재이다. 이러한 형상기억합금을 이용하여 액츄에이터를 제작하면, 무게가 가볍고, 값싸고, 소음이 없는 등 장점이 많아서, 다양한 부품분야에서 솔레노이드나 모터 등을 대체하고 있다. Shape memory alloy is a shape memory alloy that has a martensite phase below a certain transition temperature, but after such a deformation, if the temperature rises above the above transition temperature again, It is a material that has a property of phase shifting to austenite phase and returning to the previous shape. When the actuator is manufactured using the shape memory alloy, the weight is light, inexpensive, and there is no noise. Thus, the solenoid or the motor is replaced in various parts.

도 1은 종래의 형상기억합금을 이용한 액츄에이터의 작동원리를 보여주고 있다. 이를 참조하면, 두개의 작동부(10,20) 사이에 형상기억합금으로 된 와이어(30)와 대항스프링(40)이 도시되어 있다. Figure 1 shows the operating principle of the actuator using a conventional shape memory alloy. Referring to this, there is shown a wire 30 and a counter spring 40 made of a shape memory alloy between two actuating portions 10, 20.

먼저 도 1의 (a)를 보면, 상기 형상기억합금 소자로 된 와이어(30)는 온도가 상승한 고온이며 따라서 오스테나이트 상태이다. 그러므로 상기 와이어(30)의 수축력이 대항스프링(40)의 수축력보다 크기 때문에, 와이어(30)는 수축하고 대항스프링(40)이 늘어나게 된다. 그리고, 상기 와이어(30)를 고온으로 만들기 위해서 일반적으로 와이어에 전류를 흘리게 된다. 그러면, 와이어에 저항열이 발생하여 온도가 상승하고, 결과적으로 와이어가 수축하게 되는 것이다. 그런데 이러한 와이어 수축상태를 유지하기 위해서는, 와이어에 전원을 계속하여 공급하여야 한다.First, as shown in FIG. 1A, the wire 30 made of the shape memory alloy element has a high temperature at which the temperature rises and thus is in an austenite state. Therefore, since the contracting force of the wire 30 is greater than the contracting force of the counter spring 40, the wire 30 is contracted and the counter spring 40 is extended. In order to make the wire 30 at a high temperature, a current is generally flowed through the wire. Then, heat of resistance is generated in the wire, the temperature rises, and the wire shrinks as a result. However, in order to maintain such a wire contraction state, power must be continuously supplied to the wire.

한편 도 1의 (b)를 보면, 제어부의 신호에 따라서 형상기억합금 소자인 상기 와이어(30)에 전류가 단락되어 저항열이 없어져서 온도가 떨어진 상태를 보여주고 있다. 도 1 (b)와 같이 저온에서는 상기 와이어는 마르텐사이트 상태이므로 와이어(30)가 대항스프링(40)의 수축력보다 작아 쉽게 변형되므로 대항스프링이 수축하고 형상기억합금 와이어(30)가 늘어나게 된다. On the other hand, Figure 1 (b), according to the signal of the control unit shows a state in which the temperature is dropped because the current is short-circuited to the wire 30, which is a shape memory alloy element disappears. As shown in FIG. 1B, since the wire is in a martensite state, the wire 30 is easily deformed because the wire 30 is smaller than the shrinkage force of the counter spring 40, so that the counter spring contracts and the shape memory alloy wire 30 is elongated.

형상기억합금 액츄에이터는 이러한 원리를 이용한 것으로 전기 저항열을 공급 또는 차단함으로써 수축 또는 팽창하는 성질을 이용한 것이며, 와이어 대신에 인장 또는 압축 코일스프링 형태의 형상기억합금소자를 이용하고, 바이어스 스프링 역시 인장 또는 압축스프링을 사용하기도 한다. 이러한 원리의 형상기억합금 액츄에이터는 현재 자동차, 카메라 등 부품에 사용되고 있다Shape memory alloy actuator is based on this principle and uses the property of contracting or expanding by supplying or blocking electric resistance heat, and using shape memory alloy element in the form of tension or compression coil spring instead of wire. Compression springs are also used. Shape memory alloy actuators based on this principle are currently used in parts such as automobiles and cameras.

이와 같은 형상기억합금 액츄에이터도 몇 가지 문제점을 갖고 있어 그 용용 범위가 제한을 받고 있다. 그 하나는 전력의 문제이다. 앞의 도 1에서 보는 바와 같이 형상기억합금 소자가 수축한 도 1의 (a) 상태를 유지하기 위해서는 형상기억합금 소자에 계속 전원이 가해져 오스테나이트 상태를 유지해야 한다는 점이다. 만 일 전원이 끊어지면 도 1의 (b)와 같은 상태로 돌아간다. 소형 배터리를 쓰는 휴대폰이나 카메라 등에는 이러한 문제 때문에 응용에 제한을 받게 된다. The shape memory alloy actuator also has some problems, and its application range is limited. One is the problem of power. As shown in FIG. 1, in order to maintain the state of FIG. 1A in which the shape memory alloy element contracts, power is applied to the shape memory alloy element to maintain the austenite state. If the power is cut off, it returns to the state as shown in FIG. For mobile phones and cameras that use small batteries, these problems limit their applications.

또 다른 한가지의 장해요소는 가열속도 및 냉각속도이다. 형상기억합금 소자가 가급적 빨리 가열되고 적절한 온도로 일정하게 유지되어야 하는데 적절한 전류 값을 결정하기 어렵다. 전류가 높으면 가열은 빠르나 계속된 가열로 형상기억합금 소자가 과열될 우려가 있고, 전류가 낮으면 과열을 피할 수는 있어도 가열에 시간이 많이 소요된다. 그리고, 전류공급을 중단하면 형상기억합금 소자는 빨리 냉각되어 곧바로 마르텐사이트 상으로 되어야 바람직하나, 형상기억합금 소자는 공기의 대류에 의한 냉각되므로 시간이 걸리고 특히 와이어가 굵고 밀폐된 공간에서는 적용이 어려워진다.Another obstacle is the heating rate and cooling rate. The shape memory alloy element should be heated as quickly as possible and kept constant at an appropriate temperature, making it difficult to determine the appropriate current value. If the current is high, the heating is fast, but the shape memory alloy element may be overheated by continuous heating. If the current is low, the heating takes a long time even if overheating is avoided. In addition, when the current supply is stopped, the shape memory alloy element should be cooled down quickly and become martensite immediately. However, the shape memory alloy element is cooled by the convection of air, which takes time, and it is difficult to apply especially in a thick and enclosed space. Lose.

본 발명은 반응속도가 빠른 형상기억합금 엑츄에이터를 공급하는 것을 목적으로 하며, 또한 엑츄에이터에 계속하여 전원을 공급하여야 하는 문제점을 해결하기 위해서 엑츄에이터가 작동하는 순간에만 전원을 공급하는 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a shape memory alloy actuator with a fast reaction rate, and to provide a means for supplying power only at the moment of operation of the actuator in order to solve the problem of continuously supplying power to the actuator. It is done.

상기 목적을 위해서, 본 발명은 일정거리 이격되어 평행하게 배치되는 제1 부재와 제2 부재; 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되는 제1 형상기억합금소자; 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되며, 상기 제1 형상기억합금소자와 교차해서 배치된 제2 형상기억합금소자; 및 상기 제1 및 제2 부재 각각에 양단이 결합되는 스프링;을 포함하는 형상기억합금 엑츄에이터를 제공한다.To this end, the present invention is a first member and a second member spaced at a predetermined distance and arranged in parallel; A first shape memory alloy element having both ends coupled to each of the first and second members; A second shape memory alloy element coupled to each of the first and second members, the second shape memory alloy element disposed to intersect the first shape memory alloy element; And springs having both ends coupled to each of the first and second members.

상기 구성에 의해서, 엑츄에이터의 동작의 초기에만 전원을 공급하면 작동이 원활하게 이루어지게 된다.According to the above configuration, if power is supplied only at the beginning of the operation of the actuator, the operation is performed smoothly.

그리고, 상기 스프링은 두 개의 지점에서 안정한 스프링이며, 다시 말하면 제1 안정지점 및 제2 안정지점에서 안정한 바이어스 스프링이며, 상기 제2 부재는 상기 제1 안정지점과 제2 안정지점 사이를 평행하게 이동가능한 형상기억합금 엑츄에이터이다.The spring is a spring that is stable at two points, that is, a bias spring that is stable at the first and second stable points, and the second member moves in parallel between the first and second stable points. Possible shape memory alloy actuators.

상기 제1 안정지점에서, 상기 제1 형상기억합금과 상기 바이어스 스프링의 기울어진 경사방향이 같고, 제2 형상기억합금의 경사방향은 반대인 형상기억합금 엑츄에이터이다.At the first stable point, the inclined inclination direction of the first shape memory alloy and the bias spring is the same, and the inclination direction of the second shape memory alloy is the shape memory alloy actuator opposite.

그리고, 상기 제1 안정지점에서, 상기 제1 형상기억합금소자에 전원이 공급되면 수축력이 발생하며, 이때 제1 형상기억합금소자의 수축력은 상기 바이어스 스프링의 저항력을 이기고 상기 제2 부재를 상기 제2 안정지점으로 이동시키는 형상기억합금 엑츄에이터이다.In addition, when the power is supplied to the first shape memory alloy element at the first stable point, a contraction force is generated, wherein the contraction force of the first shape memory alloy element overcomes the resistance force of the bias spring and the second member is attached to the first member. 2 Shape memory alloy actuator to move to stable point.

그리고, 상기 제2 안정지점에서, 상기 제2 형상기억합금과 상기 바이어스 스프링의 기울어진 경사방향이 같고, 상기 제1 형상기억합금의 경사방향은 반대인 형상기억합금 엑츄에이터이다.At the second stable point, the inclined inclination direction of the second shape memory alloy and the bias spring is the same, and the inclination direction of the first shape memory alloy is the opposite shape memory alloy actuator.

그리고, 상기 제2 안정지점에서, 상기 제2 형상기억합금소자에 전원이 공급되면 수축력이 발생하며, 이때 제2 형상기억합금소자의 수축력은 상기 바이어스 스프링의 저항력을 이기고 상기 제2 부재를 상기 제1 안정지점으로 이동시키는 형상기억합금 엑츄에이터이다.In addition, when the power is supplied to the second shape memory alloy element at the second stable point, shrinkage force is generated, wherein the shrinkage force of the second shape memory alloy element overcomes the resistance force of the bias spring and the second member is formed as the second member. 1 Shape memory alloy actuator to move to stable point.

그리고, 제1 및 제2 형상기억합금은 코일 스프링 형태인 형상기억합금 엑츄에이터를 제공한다.The first and second shape memory alloys provide a shape memory alloy actuator in the form of a coil spring.

상기 구성에 의해서, 본 발명의 형상기억합금 액츄에이터는 두 개의 형상기억합금 소자와 두 개의 형상이 안정한 바이어스 스프링 구조로 되어 있어서, 엑츄에이터가 작동되는 순간에만 전원이 필요하다는 장점이 있어서 전원을 절약할 뿐 아니라 엑츄에이터 반응속도가 빨라지는 장점이 있다. According to the above configuration, the shape memory alloy actuator of the present invention has two shape memory alloy elements and two bias spring structures in which the shapes are stable, so that power is needed only at the moment when the actuator is operated, thereby saving power. In addition, the actuator response speed is an advantage.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a specific embodiment of the present invention.

본 발명은, 두 가지의 형태가 안정한 바이어스 스프링의 구조와 두 개의 형상기억합금소자를 이용하여 이상적으로 선형적인 작동을 하는 형상기억합금 액츄에이터에 관한 것이다. 일반적인 스프링은 한 가지 형상만이 안정하다. The present invention relates to a shape memory alloy actuator having an ideal linear operation using a structure of a bias spring in which two forms are stable and two shape memory alloy elements. A typical spring is only stable in one shape.

먼저 위에서 언급한 두 가지 형태가 안정한 바이어스 스프링에 대해 살펴본다. 인장스프링의 경우를 보면 밀착된 형상에서 스프링은 안정하고 스프링이 늘어나게 되면 불안정하게 된다. 이와 같이 일반적인 스프링은 어느 하나의 형상에서만 안정한 상태를 유지하고 다른 형상에서는 불안정한 상태를 유지하고 있다. 이것은 압축스프링, 토션스프링 등도 마찬가지이며, 한 가지의 형상만이 안정하다. First, we will look at the bias springs of the two types mentioned above. In the case of tension springs, the spring is stable in tight shape and becomes unstable when the spring is extended. In this way, the general spring maintains a stable state in only one shape and unstable in another shape. The same applies to compression springs, torsion springs, and the like, and only one shape is stable.

그런데, 두 가지 형상이 안정된 선형적인 바이어스 스프링도 생각해 볼 수 있는데, 도 2와 같이 두 개의 판재(A, A')가 서로 일정한 거리를 두고 평행하게 겹쳐 있으며, 각각의 판재는 레일에 의해서 구속됨과 동시에 서로 평행하게 움직일 수 있다. 즉, 도 2의 각각의 판재(A,A')은 그림에서 보아 상하로 움직일 수는 없으나 좌우로는 움직일 수 있다. 이 상태에서 두 개의 판재가 압축스프링(50)으로 연결된다. By the way, a linear bias spring in which the two shapes are stable can also be considered. As shown in FIG. 2, two plates A and A 'overlap each other in parallel at a predetermined distance, and each plate is constrained by a rail. At the same time, they can move parallel to each other. That is, each of the plate (A, A ') of Figure 2 can not move up and down as shown in the figure, but can move left and right. In this state, two plates are connected to the compression spring 50.

먼저 도 2의 (a)상태를 보면 이때 스프링(50)은 안정된 상태로 인장력이나 압축력이 작용하지 않는 상태이다. 스프링이 안정된 도 2의 (a)상태에서 위의 판재(A)를 고정하고 아래쪽 판재(A')을 그림에서 보아 오른쪽으로 이동시키면 압축스프링(50)의 길이가 짧아지면서 저항을 받게 된다. 압축스프링의 길이가 가장 짧은 도 2의 (b)상태에서 팽창하려는 힘은 최대가 된다. 이때 아래쪽 판재(A')을 오른쪽으로 조금 더 이동시키면 스프링(50)이 원상으로 펴지면서 스스로 오른 쪽으로 움직여 도 2의 (c)형상이 된다. 이 과정에서, 두 개의 판재(A,A')의 거리는 계속 늘어나지만 압축스프링은 원래 상태인(a)에서 (b)까지는 줄었다가 (c)에서는 원래 상태로 돌아오는 일반적을 스프링 기능을 한 것이다. 그리고, 아래쪽 판재(A')를 왼쪽으로 이동시키면 유사한 과정을 거치면서 (c)에서 (b)를 거쳐 (a)로 되돌아 온다. 위의 스프링(50)을 보면, 상태(a)와 상태(c) 두 경우에서 안정된 모습을 보이고 있다.First, as shown in the state (a) of FIG. In the state of FIG. 2 (a) where the spring is stabilized, if the upper plate A is fixed and the lower plate A 'is moved to the right as shown in the figure, the length of the compression spring 50 is shortened and is subjected to resistance. In the state of (b) of FIG. 2 where the length of the compression spring is the shortest, the force to expand is maximum. At this time, if the lower plate (A ') to move a little more to the right, the spring 50 is unfolded in the original shape and moves to the right by itself to the shape of Figure 2 (c). In this process, the distance of the two plates (A, A ') continues to increase, but the compression spring is reduced from the original state (a) to (b) and then returns to the original state at (c). . Then, if the lower plate (A ') is moved to the left through a similar process to return to (a) through (c) to (b). Looking at the spring (50), it shows a stable state in both the state (a) and state (c).

이렇게 두 가지 형상이 안정된 스프링에 대해서, 위에서는 스프링의 형상에 주목하여 두 가지 '형상이 안정'된 스프링이라고 하였으나, 두 개의 판재 사이에 스프링이 결합된 모습을 기준으로 보면, 아래쪽 판재가 이동하여 위치하는 두 지점에서 스프링이 안정되므로, 스프링은 두 개의 안정지점을 갖는다고 할 수도 있을 것이다. 이하에서는 이를 제1 안정지점 및 제2 안정지점이라고 부르기로 한다. 즉, 스프링은 제1 안정지점 및 제2 안정지점에서 안정한 상태를 가지며, 도 2의 판재(A,A')는 상기 제1 안정지점과 제2 안정지점 사이를 평행하게 이동하는 것이다.As mentioned above, two 'stable' springs were noted for the shape of the spring. However, based on the combination of the springs between the two plates, the lower plate moved. Since the spring is stable at two locations, the spring may have two stability points. Hereinafter, this will be referred to as a first stable point and a second stable point. That is, the spring has a stable state at the first and second stable points, the plate (A, A ') of Figure 2 is to move in parallel between the first and the second stable point.

도 3은 두 개의 판재(A,A')사이에 일반적인 C자 형 스프링(60)을 결합하여 두 개의 안정지점을 갖는 스프링을 만드는 예를 보여 준 것이며, 구체적인 작동원리에 대해서는 도 2에서 설명한 것과 과 같기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다. Figure 3 shows an example of making a spring having two stable points by combining a common C-shaped spring 60 between two plate (A, A '), the specific operation principle and the Since it is the same as the detailed description thereof will be omitted.

도 4에서는 도 2 내지 도 3에서 보인 두 가지 지점에서 안정한 바이어스 스 프링을 힘-변위 곡선으로 그려본 것이다. 처음 안정한 (a)에서 바이어스 스프링을 변형시키면 저항력이 커지게 된다. 어느 정도가 변위가 커져 (b)상태를 넘으면 변위가 스스로 변하게 돼 다른 형상의 안정한 변위 (c)에 오게 된다. 동일한 원리에 의해서, 안정한 (c)에서 반대방향으로 변형시키면 (b)를 지나서 다시 최초의 형상인 (a)형상으로 돌아가게 된다. 즉 이러한 바이어스 스프링은 (a) 또는 (c)의 두 가지 변위가 안정하게 된다.In FIG. 4, the bias spring stable at two points shown in FIGS. 2 to 3 is drawn as a force-displacement curve. When the bias spring is deformed at the first stable (a), the resistance becomes large. To some extent, the displacement becomes larger (b) and the displacement changes by itself, resulting in a stable displacement (c) of another shape. By the same principle, the deformation in the opposite direction from stable (c) returns to the original shape (a) after passing through (b). That is, such a bias spring is stabilized two displacements of (a) or (c).

도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터(100)를 도시한 것으로, 제1 부재(110)와 제2 부재(120) 및 이들 사이에 배치된 스프링(150)과 두개의 형상기억합금소자(130,140)를 도시하고 있다. 도 6 내지 도 8은 도 5에서 보인 형상기억합금 엑츄에이터의 이해를 돕기 위해서 일부 구성만을 도시한 것이다. 즉, 도 6은 도 5의 구성 중 제1 부재(110)와 제2 부재(120) 및 이들 사이에 구비된 제1 형상기억합금소자(130)만을 도시한 것이며, 도 7은 도 5의 구성 중 제1 부재(110)와 제2 부재(120) 및 이들 사이에 구비된 제2 형상기억합금소자(140)만을 도시한 것이며, 도 8은 도 5의 구성 중 제1 부재(110)와 제2 부재(120) 및 이들 사이에 구비된 스프링(150)만을 도시한 것이다. 그리고, 도 5 내지 도 8에서 (a),(b),(c)는 각각 동일한 지점(상태)를 나타내고 있다.5 illustrates a shape memory alloy actuator 100 according to an embodiment of the present invention, wherein the first member 110 and the second member 120 and the spring 150 disposed between them and two shapes The memory alloy elements 130 and 140 are shown. 6 to 8 show only some components in order to help the understanding of the shape memory alloy actuator shown in FIG. That is, FIG. 6 illustrates only the first member 110, the second member 120, and the first shape memory alloy element 130 provided therebetween, and FIG. 7 shows the configuration of FIG. 5. Only the first member 110 and the second member 120 and the second shape memory alloy element 140 provided therebetween are shown, and FIG. 8 shows the first member 110 and the first member of FIG. Only the two members 120 and the spring 150 provided therebetween are shown. 5 to 8, (a), (b) and (c) indicate the same points (states), respectively.

도 5 내지 도 8을 참고하여 구체적으로 보면, 본 발명에 따른 형상기억합금 엑츄에이터(100)는 일정거리 이격되어 평행하게 배치되는 제1 부재(110)와 제2 부재(120)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 부재 사이에는 제1 형상기억합금소자(130), 제2 형상기억합금소자(140) 및 스프링(150)이 구비된다. 그리고, 상기 제1 형상기 억합금소자(130), 제2 형상기억합금소자(140) 및 스프링(150)는 각각의 양단이 상기 제1 부재(110)와 제2 부재(120)에 결합된다. 상기 스프링(150)은 바이어스 스프링인 것이 바람직하다.Specifically, referring to FIGS. 5 to 8, the shape memory alloy actuator 100 according to the present invention includes a first member 110 and a second member 120 disposed in parallel with a predetermined distance therebetween. A first shape memory alloy element 130, a second shape memory alloy element 140, and a spring 150 are provided between the first and second members. In addition, both ends of the first shape memory alloy element 130, the second shape memory alloy element 140, and the spring 150 are coupled to the first member 110 and the second member 120, respectively. . The spring 150 is preferably a bias spring.

도 5와 도 8에서 도시한 바와 같이, 상기 스프링(150)은 (a)와 (c)의 두 상태에서 안정된 상태를 가지며, 이때 (a)와 (c) 지점을 각각 제1 안정지점과 제2 안정지점이라고 한다. As shown in FIGS. 5 and 8, the spring 150 has a stable state in two states (a) and (c), wherein the points (a) and (c) are respectively defined as the first stable point and the first stable point. 2 It is called a stable point.

도 5 내지 도 8의 (a) 상태(제1 안정지점)에서는 제1 형상기억합금(130)은 늘어나 있고 제2 형상기억합금(140)은 줄어져 있으며 바이어스 스프링(150)은 안정된 상태에 있다. 그리고 이때에는 제1 및 제2 형상기억합금소자(130,140)들에는 전원이 공급되지 않아서 작용력이 매우 작다. 제1 부재(110)가 일정한 위치에 고정되어 있다고 하면, 이 상태에서 제1 형상기억합금소자(130)을 수축시키면, 제2 부재(120)는 제1 형상기억합금의 수축력을 받아서 그림에서보아 오른쪽으로 이동하게 된다. 제1 형상기억합금에 짧은 시간 동안 전원이 흐르면 전기 저항에 의해 열이 발생하고 온도가 올라가서 수축하게 되는데, 이때 제1 형상기억합금소자(130)의 수축력이 제2 형상기억합금소자(140)과 스프링(150)의 저항력보다 커면 제2 부재(120)가 오른쪽으로 이동하게 된다. 선경이 0.3mm, 코일경이 3.0mm, 형상회복온도가 70도인 Ni-Ti계 형상기억합금 코일의 경우 20도의 상온에서 약 1.8A 내지 2A의 전류를 1초 동안 흘려주면 온도가 90도 정도 달하여 작동하게 된다.In the state (a) of the first stable point of FIGS. 5 to 8, the first shape memory alloy 130 is extended, the second shape memory alloy 140 is reduced, and the bias spring 150 is in a stable state. . In this case, since the power is not supplied to the first and second shape memory alloy elements 130 and 140, the working force is very small. Assuming that the first member 110 is fixed at a certain position, when the first shape memory alloy element 130 is contracted in this state, the second member 120 receives the contraction force of the first shape memory alloy and is seen in the figure. Will move to the right. When power flows to the first shape memory alloy for a short time, heat is generated by the electrical resistance and the temperature rises to contract. At this time, the contracting force of the first shape memory alloy element 130 is reduced to the second shape memory alloy element 140. If greater than the resistance of the spring 150, the second member 120 is moved to the right. Ni-Ti shape memory alloy coils with wire diameter of 0.3mm, coil diameter of 3.0mm, and shape recovery temperature of 70 ° C operate when current of about 1.8A to 2A flows for 1 second at 20 ° C. Done.

이때 제2 형상기억합금소자(140)은 저온의 마르텐사이트 상태이기 때문에 쉽게 변형되고, (b)의 상태를 넘게 되면 스프링(150)은 제1 형상기억합금소자(130)의 작동을 도와 제2 부재(120)를 오른쪽으로 이동시키므로, 제1 형상기억합금소자(130)에 공급되는 전원이 없어도 (c)상태에 도달할 수 있다. 즉, 제2 안정지점에 도달할 수 있게 된다. 이상과 같이, 본 발명에 따른 엑츄에이터의 경우에는 상기 제1 형상기억합금소자(130)에 약 1초 정도만 전원을 가하면 작동이 가능하게 된다. At this time, the second shape memory alloy element 140 is easily deformed because it is a low-temperature martensite state. Since the member 120 is moved to the right, it is possible to reach the state (c) even when no power is supplied to the first shape memory alloy element 130. That is, the second stable point can be reached. As described above, in the case of the actuator according to the present invention, the first shape memory alloy element 130 can be operated by applying power for about 1 second.

그리고, (c)의 상태에서는 즉, 제2 안정지점에서는 상기 바이어스 스프링(150)이 안정된 상태로 있기 때문에, 제1 형상기억합금소자에 전원을 더 이상 공급할 필요가 없어져서 형상기억합금소자가 냉각될 수 있는 여유가 있게 된다. 다시 말하면, 종래에는 형상기억합금의 수축상태를 유지시키기 위해서 계속하여 전원을 공급하여야 하여야 하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 동작 개시 순간에만 전원을 공급하면 되어 편리한 것이다. 그리고, 제1 형상기억합금소자(130)가 25도의 상온으로 냉각되기 위해서는 대략 10초 정도가 소요된다. In the state of (c), that is, the bias spring 150 is in a stable state at the second stable point, it is no longer necessary to supply power to the first shape memory alloy element so that the shape memory alloy element can be cooled. I can afford it. In other words, conventionally, there has been a problem that power must be continuously supplied in order to maintain the contraction state of the shape memory alloy, but in the present invention, it is convenient to supply power only at the start of operation. Then, the first shape memory alloy element 130 takes about 10 seconds to cool to room temperature of 25 degrees.

그리고, (c)의 상태(제2 안정지점)에서 다시 (a)의 상태(제1 안정지점)으로 되돌리기 위해서는 제2 부재(120)를 그림에서 보아 왼쪽으로 이동시켜야 한다. 이를 위해서 제2 형상기억합금소자(140)에 전원을 공급하여 가열시켜서 수축력이 발생하도록 한다. 이때 발생하는 제2 형상기억합금소자의 수축력이 바이어스 스프링 및 제1 형상기억합금소자의 저항력을 이겨야 하는데 제1 형상기억합금소자가 냉각되어 있으면 저항력이 작아서 이러한 작동이 용이하게 이루어진다. In addition, in order to return from the state of the (c) (the second stable point) back to the state of the (a) (the first stable point), the second member 120 must be moved to the left in the figure. To this end, power is supplied to the second shape memory alloy element 140 to be heated to generate a contractive force. At this time, the contracting force of the second shape memory alloy element generated must overcome the resistance force of the bias spring and the first shape memory alloy element. If the first shape memory alloy element is cooled, the resistive force is small so that such an operation is easily performed.

기존의 형상기억합금 액츄에이터는 형상기억합금 소자의 전원이 꺼지면서 바로 늘어나야 하므로 충분히 냉각이 되지 않아서 작동이 원할치 않고 따라서 빠른 반응을 기대할 수 없었으나, 본 발명에 따른 엑츄에이터는 동작시에만 전원을 공급 하고 계속하여 전원을 공급하는 것이 아니기 때문에 충분히 냉각이 이루어진 후에 다음 동작이 이루어지므로 반응속도가 빠르게 되는 것이다.Existing shape memory alloy actuators need to be expanded immediately when the power of the shape memory alloy is turned off, so they are not sufficiently cooled, so the operation is not desired, and therefore, a quick response cannot be expected. However, the actuator according to the present invention supplies power only during operation. Because it is not supplying power, the next operation is made after cooling is enough, so the reaction speed is faster.

도 1은 종래의 형상기억합금을 이용한 액츄에이터의 작동원리를 보여주며,Figure 1 shows the operating principle of the actuator using a conventional shape memory alloy,

도 2는 압축스프링이 두 지점에서 안정상태를 가지는 것을 보여주며, 2 shows that the compression spring is stable at two points,

도 3은 C형 스프링이 두 지점에서 안정상태를 가지는 것을 보여주며,3 shows that the C-type spring is stable at two points,

도 4는 두 지점에서 안정한 바이어스 스프링의 힘-변위 곡선이며,4 is a force-displacement curve of a bias spring stable at two points,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터를 보여주며,Figure 5 shows a shape memory alloy actuator according to an embodiment of the present invention,

도 6 내지 도 8은 도 5의 형상기억합금 엑츄에이터의 일부 구성을 각각 도시하고 있다.6 to 8 show some components of the shape memory alloy actuator of FIG. 5, respectively.

Claims

A first member and a second member spaced at a predetermined distance and arranged in parallel;

A first shape memory alloy element having both ends coupled to each of the first and second members;

A second shape memory alloy element coupled to each of the first and second members, the second shape memory alloy element disposed to intersect the first shape memory alloy element; And

And a spring coupled to both ends of each of the first and second members.

The method of claim 1,

The second member, the shape memory alloy actuator, characterized in that movable in parallel with the first member.

The method of claim 2,

And the spring is a bias spring that is stable at a first stable point and a second stable point, and wherein the second member is movable in parallel between the first stable point and the second stable point.

The method of claim 3, wherein

And said first shape memory alloy is inclined inclined direction of said bias spring and said inclined direction of said second shape memory alloy is opposite.

The method of claim 4, wherein

The shape memory alloy actuator, characterized in that the shrinkage force occurs when the power is supplied to the first shape memory alloy element at the first stable point.

The method of claim 5,

The contracting force of the first shape memory alloy element, the shape memory alloy actuator, characterized in that to overcome the resistance of the bias spring and to move the second member to the second stable point.

The method of claim 3, wherein

And said second shape memory alloy is inclined inclined direction of said bias spring and said inclined direction of said first shape memory alloy is opposite.

The method of claim 7, wherein

The shape memory alloy actuator, characterized in that the contraction force is generated when the power is supplied to the second shape memory alloy element at the second stable point.

The method of claim 8,

The contracting force of the second shape memory alloy element, the shape memory alloy actuator, characterized in that to overcome the resistance of the bias spring and to move the second member to the first stable point.

The method according to any one of claims 1 to 9,

The shape memory alloy actuator, characterized in that the first and second shape memory alloy is in the form of a coil spring.