KR101232805B1 - 작동 온도 범위가 넓은 형상 기억 합금으로 제조된 액츄에이터 - Google Patents

작동 온도 범위가 넓은 형상 기억 합금으로 제조된 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

기능적 요소(11)가 형상 기억 합금으로 제조되고, 외부 온도가 높아질 때 상기 기능적 요소로 인가되는 하중을 증대시키기 위한 수단(14, 18)을 포함함으로써, 결과적인 변이 온도 변화가 상기 기능적 요소의 이력 사이클을 특성을 제공하도록 하는, 액츄에이터(10)가 제공된다.

Description

작동 온도 범위가 넓은 형상 기억 합금으로 제조된 액츄에이터{ACTUATOR COMPRISING ELEMENTS MADE OF SHAPE MEMORY ALLOY WITH BROADENED RANGE OF WORKING TEMPERATURES}
본 발명은 유사한 공지된 액츄에이터 보다 더 넓은 온도 범위에서 기능을 유지할 수 있는 형상 기억 합금으로 제조된 요소를 포함하는 액츄에이터에 관한 것이다.
형상 기억 합금은 소위 당업계에서 "SMA"라는 두문자어로 일반적으로 공지되어 있다. 여러 가지 SMAs 조성이 공지되어 있지만, 실질적으로 이용되는 것들은 Ni-Ti 조성의 형상 기억 합금이며, 바람직하게는 54 내지 55.5 중량%의 니켈과 나머지 티타늄을 포함하는 형상 기억 합금이다(미량(trace)의 다른 성분들도 포함할 수 있을 것이다).
공지된 바와 같이, Ni-Ti 합금으로 제조된 기계적 부분(mechanical part)은, 합금 미세조직의 상 변이(phase transition)를 유발하는 온도 변화의 결과로서, 2가지 형상 사이에서 변경될 수 있을 것이다. 보다 높은 온도에서 안정한 상을 오스테나이트라 지칭하는 한편, 보다 낮은 온도에서 안정한 상을 마르텐사이트라 지칭한다. 2개의 상 사이의 변태는 온도-변형 그래프의 이력 사이클(hysteresis cycle)에 따라서 발생되며, 이하의 4개의 온도 값에 의해서 특징지어질 수 있을 것이다: 즉, 가열될 때, 마르텐사이트 상이 안정한 낮은 온도로부터 시작하여, 오스테나이트 상으로의 변태가 시작되는 온도(As)에 도달하며, 이어서 오스테나이트로의 변태가 완료되는 온도(Af)(이때, Af>As)에 도달한다; 냉각시에, 오스테나이트 상이 안정한 온도로부터 시작하여, 마르텐사이트 상으로의 변태가 시작되는 온도(Ms)에 도달하고, 그 후에 그러한 변태가 완료되는 온도(Mf)(이때, Mf < Ms)에 도달한다. 이러한 이력 사이클의 그래프가 예를 들어 US 4,896,955 및 EP 807276에 도시되어 있다.
SMAs로 제조된 능동 요소를 포함하는 장치 또는 성분(이하에서는, 간략히 SMA 액츄에이터라 규정한다)이 공지되어 있으며, 예를 들어 차량의 록(locks)에서 전기 모터를 채용하는 액츄에이터를 대체하기 위해서 주로 자동차 분야에서 연구되고 있으며; 본원 명세서의 이하의 상세한 설명은 특히 와이어 형상을 가지는 SMA 요소에 대해서 이루어질 것이나, 본 발명의 액츄에이터는 스트립 또는 다른 유사 형태로 성형된 이들 요소들을 채용할 수도 있을 것이다. 이제까지의 SMA 액츄에이터에서, 일반적으로 와이어 내부로 전류를 유동시킴으로써 와이어 가열이 달성되며; 결과적인 형상 변이가 자발적으로 이루어지고 그리고 적절한 힘(strength)을 발생시켜, 그 와이어에 연결된 이동가능한 부분에 대해서 운동을 전달할 수 있을 것이다. 전류 유동의 차단시에 와이어의 자연적인 냉각의 결과로서 마르텐사이트 상으로의 반대 변이가 발생되고, 바람직하게 힘의 인가(예를 들어, 편향 스프링 또는 유사한 방법)에 의해서 초기 형상 조건으로 복귀될 것이다.
이제까지, 자동차 산업에서의 요구사항으로 인해서 자동차 산업에서 SMA 액츄에이터를 이용하는 것이 제한되어 왔는데, 그러한 요구 사항은 이동가능한 부분의 경우에 -20 내지 +80 ℃의 온도 범위에서 적어도 50,000 사이클(예를 들어, 록킹 메카니즘의 경우에 개방-폐쇄 사이클)의 수명을 제공할 수 있어야 한다는 것이다. 통상적으로, Ni-Ti 합금으로 제조된 SMA 와이어는 Mf < 80 ℃이며, 그 결과로서 마르텐사이트 상으로의 변이가 매우 어렵게 이루어지거나 또는 전혀 이루어지지 않게 되고 액츄에이터가 완전한 작동 사이클을 수행하지 못하게 된다.
SMA 와이어로 인가되는 하중을 증대시킴으로써, 보다 높은 온도로 이력 곡선을 이동시킬 수 있다는 것이 공지되어 있으며; 그에 따라 원칙적으로는, 와이어로 적절하게 예비-인장을 인가함으로써 80 ℃에서도 정확하게 작동할 수 있는 SMA 액츄에이터를 제공할 수 있을 것이나; 일정한(constant) 높은 하중은 와이어를 조기에 약화시키는 단점을 제공할 것이며, 그에 따라 몇천 번의 사이클 후에 액츄에이터가 고장나거나 또는 그 기능을 상실하게 될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 단점들을 극복한 SMA 액츄에이터를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 액츄에이터에 의해서 달성되며, 그러한 액츄에이터는:
- 가열시에 형상이 변화될 수 있는 형상 기억 합금으로 제조된 제 1 요소로서, 고정된 제 1 단부와 제어되는 기계적 부분에 연결되는 제 2 단부를 구비하는, 제 1 요소;
- 형상 기억 합금의 제 1 요소를 가열하기 위한 수단; 그리고
- 냉각 중에 제 1 요소가 최초 형상으로 복귀할 수 있게 하는 편향 수단으로서, 이러한 수단이 상기 제 1 요소의 제 2 단부에 연결된 제 1 단부 및 액츄에이터의 내측 구속부(restraint)에 연결된 제 2 단부를 구비하는, 편향 수단; 을 포함하며,
상기 액츄에이터는 상기 액츄에이터의 내측 구속부를 이동시킬 수 있고 그리고 외부 온도가 상기 형상 기억 합금의 제 1 요소의 값(Mf)을 초과하였을 때 상기 편향 수단으로 인가되는 하중을 증대시킬 수 있는 적절한 수단을 추가로 포함한다.
본 발명은, 최종 용도에서 비교적 높은 테스트 온도 요건을 요구하는 경우에도, 그러한 온도는 SMA 액츄에이터의 일정한 작동 온도들이 아니라는 관찰결과를 기초로 하며; 일반적으로 최종 용도에서 액츄에이터는 높은 온도에서 사이클의 일부만을 실행할 것이고, 그리고 다른 사이클은 그 보다 낮은 온도에서 실행될 것이다. 따라서, 이력 사이클이 각각의 값에 대해서 외부 온도 위쪽에서 전개(develop)되도록 하는 방식으로, 기능적인 SMA 요소에 인가되는 하중이 온도에 따라 변화될 수 있는 액츄에이터를 디자인하고 채용할 수 있을 것이다. 본 발명에 따라, 과다하게 그리고 유용하지 않은 방식으로 요소에 스트레스를 인가하지 않기 위해서 비교적 낮은 외부 온도에서는 기능적인 SMA 요소에 적은 하중이 인가되고, 그리고 예를 들어 외부 온도가 +80 ℃와 같은 한계치를 초과하는 경우에 그보다 높은 하중이 인가된다.
편향 수단으로 인가되는 그리고 그에 따라, 간접적으로, 기능적인 SMA 요소로 인가되는 하중을 증대시키기 위한 수단은 다양할 수 있을 것이다. 원칙적으로, 심지어는 액츄에이터가 더 이상 정확하게 작동하지 않는다는 것을 발견하였을 때 조작자가 이동시킬 수 있는 레버와 같은 수동적인 수단도 가능할 것이다. 보다 일반적으로, 하중을 증대시키기 위한 수단은 외부 온도의 증가에 자동적으로 반응하는 것이 될 수 있을 것이며; 예를 들어, 온도 센서에 연결된 모터; 온도가 높아질 때 연신되는(elongate) 충분한 길이의(예를 들어, 나선형으로 감긴) 금속 부분; 또는 한계 온도에 도달하였을 때 형상이 변화되는 바이메탈 부분을 채용할 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 액츄에이터의 내측 구속부를 이동시키기 위한 그리고 편향 수단에 인가되는 하중을 증대시키기 위한 수단은 주변 분위기와 열적으로 평형을 이루고 그리고 고정 단부 및 액츄에이터의 내측 구속부에 연결된 단부를 가지는 제 2 형상 기억 요소로서 형성되며; 이러한 제 2 SMA 요소는, 가열의 결과로 인한 변이 동안에, 제 1 SMA 요소와 관련하여 보다 큰 힘(strength)을 발휘하도록 그 치수가 결정(dimensioned)되어야 할 것이다. 이하에서는 본원 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 액츄에이터를 도시한 도면으로서; 특히 부분 a)는 낮은 온도 조건에서의 액츄에이터를 도시한 것이고, 부분 b)는 높은 온도 조건에서의 액츄에이터를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면으로서; 부분 a)는 낮은 온도 조건에서의 액츄에이터를 도시한 것이고, 부분 b)는 높은 온도 조건에서의 액츄에이터를 도시한 것이다.
도 1의 a)는 낮은 온도 조건에서의 본 발명의 액츄에이터를 개략적으로 도시한 것으로서, 50 ℃ 미만과 같이 상대적으로 낮은 외부 분위기의 온도(Tal)에서 작동하는 경우를 도시한 것이다.
액츄에이터(10)는 SMA 와이어(11)로 구성되고, 상기 와이어(11)는 앞서 설명한 바와 같이 SMA의 제 1 요소를 형성하고 그리고 도면에서 벽(12)으로 개략적으로 도시한 바와 같은 고정 부분에 결합된 제 1 단부(도면의 좌측 부분) 및 예를 들어 후크(13)를 통해서 제어되는 기계적 부분(도시하지 않음)에 연결되는 제 2 단부를 구비하며; 상기 제어되는 기계적 부분은 예를 들어 록(lock)의 부분과 같이 회전 또는 병진 운동을 통해서 기능을 실행할 수 있는 어떠한 타입도 될 수 있을 것이며; 도면에는, 화살표로 도시된 바와 같이 좌측을 향해서 이동함으로써 해당 작용(action)을 수행하는 후크(13)의 경우가 예시되어 있다. 와이어(11)의 제 2 단부는 편향 수단의 제 1 단부에 연결되고, 상기 편향 수단은, 냉각될 때, 낮은 온도에서 안정한 크기 또는 형상으로 와이어(11)가 복귀하는 것을 도우며; 이러한 편향 수단이 일반적으로 스프링(14)으로 구성되는 경우가 예시되어 있다. 스프링의 제 2 단부가 액츄에이터의 내측 구속부를 형성하는 슬라이더(slider; 15)에 고정된다. 슬라이더(15)는 실린더(16) 내에 수용되고, 다시 액츄에이터의 외부에서 해당 액츄에이터의 외부 고정 구속부를 형성하는 벽(17)에 고정된다. 스프링(14)의 반대쪽에 위치하는 슬라이더(15)의 측부에서, 실린더 내에 수용된 제 2 SMA 요소(18)가 고정되며; 특히 상기 제 2 SMA 요소는 슬라이더(15)에 고정된 제 1 단부 및 실린더 바닥에 고정된 제 2 단부를 구비하고; 요소(18)는 도면에 스프링으로 도시되어 있으나, 어떠한 형상도 가질 수 있을 것이며, 예를 들어 와이어(11) 보다 큰 지름의 와이어 또는 스트립이 될 수도 있을 것이다. 액츄에이터(10) 내의 SMA 요소들 모두 즉, 와이어(11) 및 요소(18)는 가열시에 수축되도록 제조 단계 중에 계획된다(educated). 와이어(11)는 가열을 위한 수단과 결합되고; 도면에서 그러한 수단은 전도체(19, 19')로 도시되어 있으며, 상기 전도체는 전류 유동에 의해서 와이어(11)를 가열하기 위해서 그리고 그에 따라 상 전이를 유발하기 위해서 전원(도시하지 않음)에 연결된다. 반대되는 요소(18)는 주변 분위기와 열적으로 평형이 된다. 요소(18)에 의해서 발휘되는 당김 힘(pull strength)이 와이어(11)의 당김 힘 보다 크도록, 그리고 다시 스프링(14)에 의해서 발휘되는 당김 힘 보다 크도록, 와이어(11), 스프링(14) 및 요소(18)의 치수가 결정된다. 와이어(11) 상의 하중(load)은 스프링(14)의 당김에 상응하며; 적은 하중이 인가된 상태에서 Ni-Ti 합금 와이어에 대한 온도(Mf)의 값이 약 65 ℃ 이기 때문에, 표시된 온도(Tal)(50 ℃)에서 전체 이력 사이클이 외부 온도의 위쪽에서 전개되고 그리고 액츄에이터는 정확하게 작동될 수 있으며, 이때 와이어(11)는 와이어 자체를 통한 전류 유동에 의해서 가열되고 그리고 자연적으로 냉각된다.
도 1b는 외부 온도가 상승되고 예를 들어 약 80 ℃의 값에 도달하였을 때의 액츄에이터(10)를 도시한다. 이러한 온도에서, 외부와 열적으로 평형인 요소(18)는 상 변이되고 그리고 수축에 의해서 형상이 변화되며; 슬라이더(15)가 도면의 우측으로 이동되며(슬라이더의 최초 위치가 점선으로 도시되어 있다), 그에 따라 스프링(14)의 인장력(tension)을 증대시키며; 이는 와이어(11) 상의 증대된 하중을 포함하고, 그 결과로서 와이어(11)의 이력 사이클의 높은 온도로의 이동을 초래하면서도, 와이어(11)가 연장될 수 없기 때문에, 제어될 부분은 이동하지 않게 된다. 요소(18) 및 스프링(14)의 치수를 적절하게 결정함으로써, 이러한 이동에 의해서 Mf > 80 ℃가 되게 할 수 있으며, 그에 따라 전체 이력 사이클이 외부 온도의 위쪽에서 전개되고 그리고 와이어(11)가 자연 냉각에 의해서 오스테나이트 상으로부터 마르텐사이트 상으로 변화될 수 있게 하는 조건을 시스템이 가지게 할 수 있으며, 따라서 80 ℃에서도 액츄에이터(10)가 정확하게 기능할 수 있게 할 수 있다.
외부 온도가 감소될 때, 요소(18)는 마르텐사이트 상으로 되돌아 가고 그리고 전체 시스템은 도 1a에 도시된 구성으로 복귀하며, 그에 따라 와이어(11) 상의 하중을 완화시키고(slackening) 그리고 와이어의 파괴 또는 취약화를 방지하며, 상기와 같은 와이어의 파괴 또는 취약화는 액츄에이터가 도 1b의 구성 상태로 항상 유지되는 경우에 일정한 높은 하중에 의해서 유발될 수도 있을 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 액츄에이터의 다른 실시예를 도시한다. 도 2a에서, 액츄에이터는 낮은 온도에서의 구성 상태로 도시되어 있다. 액츄에이터(20)는 고정 구속부(27)(시스템 외부의 벽)에 견고하게 고정되고 그리고 SMA로 제조된 와이어(21)를 포함하며, 상기 와이어는 고정형의 제 1 단부(예를 들어, 벽(22)에 결합됨) 및 슬라이더(25')에 연결된 제 2 단부를 구비하고, 상기 제 2 단부는 다시 후크(23)를 통해서 제어되는 기계적 부분(도시하지 않음)에 연결된다. 와이어(21)는 수단(29, 29')(도면에서는, 와이어(21) 자체를 통한 전류 유동을 공급하기 위한 전기 전도체로서 예시되어 있다)을 통해서 가열될 수 있고 그리고 가열시에 수축되도록 제조 단계 동안에 계획된다(educated). 또한, 슬라이더(25')가 스프링(14)의 제 1 단부에 연결되어 시스템의 편향 수단을 제공한다(간단 명료한 도시를 위해서, 이 경우에 스프링(24)을 단면으로 도시하였다). 각각의 주어진 온도에서, 슬라이더(25')는 압축 상태로 작동하는 스프링(24)의 힘에 의해서 결정되는 특정 위치를 가진다. 액츄에이터는 또한 도면에서 제 2 스프링(28)(간단 명료한 도시를 위해서 단면으로 도시하였다)으로 도시되고 SMA로 제조된 제 2 요소를 포함하며, 상기 제 2 스프링은 기능적으로 균등하다면 어떠한 형상도 가질 수 있을 것이다. 제 2 SMA 요소(28)가 구속부(27)와 일체인 실린더(26)의 내측 벽에 고정된 제 1 단부 그리고 제 2 슬라이더(25)에 고정된 제 2 단부를 구비하고, 상기 제 2 슬라이더는 실린더(26) 내에서 자유롭게 이동될 수 있고 그리고 상기 제 2 슬라이더에는 스프링(24)의 제 2 단부가 고정된다. 제 2 슬라이더(25)는 액츄에이터의 내측 구속부를 형성한다. 실린더(26)는 요소(24, 25, 25' 및 28)들의 전체 조립체를 수용한다. 요소(28)는 가열시에 팽창되도록 제조 단계 동안에 계획된다. 또한, 이러한 경우에, 요소(28)에 의해서 발휘되는 당김(pull)이 와이어(21)의 당김 보다 크도록, 그리고 다시 스프링(24)에 의해서 발휘되는 당김 보다 크도록, 요소(21, 24 및 28)들의 치수가 결정된다. 와이어(21)가 완전한 이력 사이클을 달성할 수 있는 액츄에이터 외부 온도 범위에서, 시스템은 단지 수단(29, 29')을 통한 가열의 결과로서의 와이어(21)의 수축 그리고 자연 냉각의 결과로서의 연신에 따라서 작동한다.
도 2b는 특히 와이어(21)가 자연 냉각에 의해서 마르텐사이트 상으로 더이상 복귀할 수 없는 T 값 이상으로 외부 온도가 상승하였을 때의 액츄에이터(20)의 구성을 나타낸다. 이러한 상황에서, 제 2 SMA 요소(28)는 연신에 의해서 상 변이를 실행하고 그리고 제 2 슬라이더(25)를 도면의 우측으로 이동시키며; 이는 스프링(24)의 압축을 유발하고, 이는 다시 제 1 슬라이더(25')를 우측으로 이동시키며, 그에 따라 와이어(21) 상의 하중을 증대시키고 다시 전체 이력 사이클이 외부 온도의 위쪽에서 전개될 수 있는 조건이 되게 하며, 따라서 이러한 높은 온도의 제 2 조건에서도 액츄에이터(20)가 정확하게 기능할 수 있게 한다.
2개의 실시예를 참조하여 본원 발명을 설명하였지만, 이른바 당업자라면 본원 발명의 범위에 포함되는 다른 많은 변형예들도 가능하다는 것을 이해할 것이며; 예를 들어, 액츄에이터의 특정 구조에 따라서, 2개의 SMA 요소들 각각이 서로 독립적으로 가열시에 수축 또는 연신되도록 계획될 수 있을 것이며; 2개의 SMA 요소의 각각은 서로 독립적으로 와이어 형상, 스트립 형상, 스프링 형상 또는 특정 목적에 적합한 다른 기능적인 형상을 가질 수 있을 것이며; 본원에서 스프링으로서 설명된 편향 수단은 기능적으로 목적에 적합한 어떠한 형상도 가질 수 있을 것이고; 그리고 특허청구범위의 독립항에 상응하는 본원 발명의 가장 넓은 범위에 포함되는 일반적인 조건들을 충족시킬 수 있다면, 액츄에이터의 여러 부분들 사이의 기하학적 관계는 필요에 따라 변화될 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 형상 기억 합금으로 제조된 요소들을 포함하는 액츄에이터(10; 20)로서:
    - 가열시에 형상이 변화될 수 있는 형상 기억 합금으로 제조된 제 1 요소(11; 21)로서, 제어되는 기계적 부분에 연결되는 고정형 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하는, 제 1 요소;
    - 형상 기억 합금으로 제조된 상기 제 1 요소를 가열하기 위한 수단(19, 19'; 29, 29'); 그리고
    - 냉각 중에 상기 제 1 요소가 최초 형상으로 복귀할 수 있게 하는 편향 수단(14; 24)으로서, 상기 제 1 요소의 제 2 단부에 연결된 제 1 단부 및 액츄에이터의 내측 구속부(15; 25)에 연결된 제 2 단부를 구비하는, 편향 수단; 을 포함하는 액츄에이터에 있어서,
    외부 온도가 형상 기억 합금으로 제조된 상기 제 1 요소의 마르텐사이트 상으로의 완전한 변태가 이루어지는 값(Mf)을 초과하였을 때 상기 편향 수단 상에 인가되는 하중을 증대시키기 위해서 상기 액츄에이터의 내측 구속부를 이동시킬 수 있는 수단을 더 포함하는
    것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하중을 증대시키기 위한 수단이 수용(containing) 요소(16; 26) 내에 수용되는
    것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 구속부를 이동시킬 수 있는 수단이 수동 작동식 수단, 온도 센서에 연결된 모터, 가열시에 연신되는 금속 부분 또는 바이메탈 요소 중에서 선택되는
    것을 특징으로 하는 액츄에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내측 구속부를 이동시킬 수 있는 수단이 주변 분위기와 열적으로 평형을 이루고 형상 기억 합금으로 제조된 제 2 요소(18; 28)로 형성되고,
    상기 제 2 요소는 가열의 결과로 인한 변이 동안에 형상 기억 합금으로 제조된 상기 제 1 요소에 의해서 발휘되는 힘 보다 큰 힘을 발휘하도록 그 치수가 결정되고 그리고 상기 액츄에이터의 내측 구속부에 연결된 제 2 단부 및 제 1 고정 단부를 가지는
    것을 특징으로 하는 액츄에이터.
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