KR101333048B1 - Actuator using shape memory alloy - Google Patents
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Abstract
중공이 형성된 튜브형상의 형상기억합금의 중공이 복수 개의 셀로 분할 형성되고 각각의 셀에 서로 다른 온도의 유체가 주입됨으로써 형상기억합금의 변형 방향을 정밀하게 조종할 수 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 작동기가 개시된다. The hollow shape of the tubular shape memory alloy in which the hollow is formed is divided into a plurality of cells, and fluids of different temperatures are injected into each cell to precisely control the deformation direction of the shape memory alloy. The actuator used is disclosed.
Description
본 발명은 형상기억합금을 이용한 작동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반응속도를 향상시키는 형상기억합금을 이용한 작동기 관한 것이다.The present invention relates to an actuator using a shape memory alloy, and more particularly, to an actuator using a shape memory alloy to improve the reaction speed.
일반적으로, 형상기억합금(Shape memory alloy:SMA)은 상변태(Phase Transformation)에 의해 약 10%에 이르는 큰 변형률을 소성변형 없이 회복할 수 있는 금속재료를 말한다.In general, shape memory alloy (SMA) refers to a metal material that can recover a large strain of up to about 10% without plastic deformation by phase transformation (Phase Transformation).
형상기억합금 작동기는 전기구동 모터나 유압 작동기에 비해 구조가 단순하고, 무게가 작아 단위 질량당 작동력이 크며, 소음이 적을 뿐만 아니라 윤활이나 밀봉 등에 대한 문제가 없다. 이런 이유로 각종 기계장치나 자동차 및 항공기 등에서 사용되어 온 종래의 구동장치를 형상기억합금을 이용한 작동기로 대체하는 연구가 활발히 진행되고 있다.The shape memory alloy actuator is simpler in structure than an electric drive motor or a hydraulic actuator, and has a small weight, a large operating force per unit mass, a low noise, and no lubrication or sealing problems. For this reason, researches are being actively conducted to replace the conventional driving devices used in various machinery, automobiles, and aircrafts with actuators using shape memory alloys.
무응력상태의 형상기억합금은 고온에서 오스테나이트(austenite) 상을 갖는데 이후 냉각되면 저온에서 마르텐사이트(martensite) 상으로 변태한다. 마르텐사이트 상의 형상기억합금이 하중을 받아 변형된 후 재가열되면 다시 오스테나이트 상이 되어 변형 전 원래의 형상으로 돌아가게 되는데 이를 형상기억효과(Shape Memory Effect:SME)라고 한다. The shape-memory alloy in a stress-free state has an austenite phase at a high temperature and then transforms into a martensite phase at a low temperature when cooled. When the shape memory alloy on martensite is deformed under load and then reheated, the shape memory alloy becomes an austenite phase and returns to its original shape before deformation. This is called a shape memory effect (SME).
고온일 때의 형상 하나만을 기억하는 경우를 일방향 형상기억(one-way memory)이라고 한다. 재료를 고온과 저온 사이에서 변형 및 회복을 반복시키면 두 가지 형상을 모두 기억할 수 있는데 이를 양방향 형상기억(tow-way memory)이라고 한다.The case of storing only one shape at high temperature is called one-way memory. Repeating the deformation and recovery of the material between high and low temperatures can remember both shapes, which is called tow-way memory.
양방향 형상기억 효과에서 냉각에 의한 형상회복(역방향 회복)은 가열에 의한 형상회복(순방향 회복)보다 회복력이 작으며 반응속도도 느린 특성을 보인다. In the bidirectional shape memory effect, the shape recovery (reverse recovery) by cooling is smaller than the shape recovery (forward recovery) by heating, and the reaction speed is slow.
이런 이유로 양방향 형상기억합금은 제한적으로 사용되고 있으며, 일방향 형상기억합금에 스프링을 결합한 작동기가 널리 이용되고 있다.For this reason, bidirectional shape memory alloys are used in a limited manner, and actuators in which springs are combined with one-way shape memory alloys are widely used.
종래의 형상기억합금 작동기의 가열은 주로 합금선 작동기에 통전하여 자체저항에 의한 온도상승으로 이루어지나, 냉각은 별도의 장치 없이 자연대류에 의해 이루어져 전체 반응속도를 제한하는 요인이 되어 왔으며, 이로 인해 빠른 반응속도가 요구되는 동적 작동기 분야에 활용이 어려운 문제점이 있었다.Conventional shape memory alloy actuator heating is mainly made of alloy wire actuator, and the temperature rise by self-resistance, but cooling is caused by natural convection without a separate device, which has been a factor limiting the overall reaction speed. There was a problem that it is difficult to use in the dynamic actuator field that requires a fast reaction speed.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 냉각동작이 가열동작 속도이상으로 빠르게 작동할 수 있는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide an actuator using a shape memory alloy capable of operating the cooling operation faster than the heating operation speed.
상기 및 기타 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 형상기억합금을 중공이 형성된 튜브형상으로 제작하고, 형상기억합금을 가열하는 가열수단과, 냉각하는 냉각수단을 이용하여 온도조절을 하는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In order to achieve the above and other objects of the present invention, the present invention provides a shape memory alloy in the shape of a tube formed hollow, heating means for heating the shape memory alloy, and a shape for temperature control using a cooling means for cooling It provides an actuator using memory alloy.
또한, 가열수단으로 전기를 사용하고, 냉각수단으로 유체를 사용하여 온도를 조절하는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In addition, the present invention provides an actuator using a shape memory alloy that uses electricity as a heating means and adjusts temperature by using a fluid as a cooling means.
또한, 상기 중공은 두 개의 셀로 형성되어 상기 가열수단과 냉각수단으로 사용되는 유체를 각각의 상기 셀에 주입함으로써 형상기억합금이 다양한 방향으로 휘어지는 것이 가능한 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In addition, the hollow is formed of two cells to provide an actuator using a shape memory alloy capable of bending the shape memory alloy in various directions by injecting the fluid used as the heating means and the cooling means into each of the cells.
또한, 중공이 형성된 튜브형 형상기억합금을 코일 스프링의 형상으로 제작하여 사용하는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In addition, the present invention provides an actuator using a shape-memory alloy, in which a hollow tubular shape-memory alloy is formed into a coil spring.
또한, 중공이 형성된 튜브형상의 형상기억합금의 양단이 밀폐되고, 외주연에 다수 개의 구멍이 형성된 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.Further, both ends of the tubular shape memory alloy in which the hollow is formed are sealed, and an actuator using the shape memory alloy having a plurality of holes formed in the outer circumference thereof is provided.
또한, 상기 중공은 복수 개의 셀을 형성하고, 상기 셀에 다른 온도의 유체를 각각 통과시킴으로써 변형의 방향을 보다 정밀하게 조종할 수 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In addition, the hollow provides an actuator using a shape memory alloy, which can form a plurality of cells and control the direction of deformation more precisely by passing fluids of different temperatures through the cells.
또한, 형상기억합금으로 제작된 합금선; 및 상기 합금선과 소정 간격을 두고 상기 합금선의 외주연을 감싸는 튜브형 피복재를 포함하되, 상기 피복재의 내부에는 상기 합금선과 소정간격을 유지하기 위한 소정형상의 돌기가 복수 개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공한다.In addition, an alloy wire made of a shape memory alloy; And a tubular sheath covering the outer periphery of the alloy wire at a predetermined distance from the alloy wire, wherein a plurality of protrusions having a predetermined shape for maintaining a predetermined distance with the alloy wire are formed inside the sheath. It provides an actuator using memory alloy.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 냉각동작이 가열동작 속도이상으로 빠르게 작동할 수 있는 형상기억합금을 이용한 작동기를 제공할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to provide an actuator using a shape memory alloy that can operate the cooling operation faster than the heating operation speed.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형으로 제작된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중의 셀을 갖는 중공이 형성된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 코일형상의 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면.
도 4는 양단이 밀폐되고 외주연에 구멍이 형성된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면.
도 5는 내부에 복수 개의 돌기가 형성된 피복재로 합금선를 감싼 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면. 1 is a view showing an actuator using a shape memory alloy made of a tubular shape according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an actuator using a hollow shape memory alloy having a double cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an actuator using a shape memory alloy tubular coil shape according to an embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating an actuator using a shape memory alloy whose both ends are sealed and a hole is formed in an outer circumference thereof.
5 is a view showing an actuator using a shape memory alloy wrapped with an alloy wire with a coating material having a plurality of protrusions formed therein.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 작동기를 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, an actuator using a shape memory alloy according to a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형으로 제작된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중의 셀을 갖는 중공이 형성된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 코일형상의 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면이며, 도 4는 양단이 밀폐되고 외주연에 구멍이 형성된 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면이며, 도 5는 내부에 복수 개의 돌기가 형성된 피복재로 합금선를 감싼 형상기억합금을 이용한 작동기를 도시한 도면이다.
1 is a view showing an actuator using a shape memory alloy made of a tubular shape according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a shape memory alloy having a hollow having a double cell according to an embodiment of the present invention Figure 3 is a view showing the actuator used, Figure 3 is a view showing the actuator using the tubular coil-shaped shape memory alloy according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a shape memory with both ends sealed and holes formed in the outer periphery FIG. 5 is a view illustrating an actuator using an alloy, and FIG. 5 is a view illustrating an actuator using a shape memory alloy wrapped with an alloy wire with a coating material having a plurality of protrusions formed therein.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 형상기억합금을 중공(200)이 형성된 튜브형상으로 제작하고, 형상기억합금을 가열하는 가열수단과, 냉각하는 냉각수단을 이용하여 온도조절을 하는 형상기억합금을 이용한 작동기(100)를 제공한다.
As shown in FIG. 1, the present invention manufactures a shape memory alloy into a tube shape in which a hollow 200 is formed, and uses a heating means for heating the shape memory alloy, and a shape memory for temperature control using a cooling means for cooling. It provides an
형상기억합금을 이용하여 길이방향으로 중공(200)이 길게 형성된 튜브형의 작동기(100)를 제작한다. 튜브형의 작동기(100)는 양단이 개방되어 있고, 개방된 양단에 가열수단과 냉각수단을 사용하여 온도를 조절함으로써 원하는 온도와 원하는 방향으로 형상이 유지되는 작동기(100)를 제작할 수 있다.Using the shape memory alloy to produce a
상기 가열수단에는 전기를 이용하여 통전하거나, 가열유체를 중공(200)에 주입함으로써 작동기(100)를 가열할 수 있다.The heating means may be energized using electricity, or the
상기 냉각수단에는 종래에는 대류를 이용하여 냉각했지만, 반응속도의 향상을 위해 냉각유체를 중공(200)에 주입함으로써 작동기(100)를 냉각할 수 있다.The cooling means is conventionally cooled using convection, but the
도 2에 도시된 바와 같이, 튜브형상의 형상기억합금의 중공(200)을 두 개의 셀(220)로 형성하여 상기 가열수단과 냉각수단으로 사용되는 유체를 각각의 상기 셀(220)에 주입함으로써 형상기억합금이 다양한 방향으로 휘어지는 것이 가능한 형상기억합금을 이용한 작동기(100)를 제공한다.
As shown in FIG. 2, the hollow 200 of the tubular shape memory alloy is formed into two
냉각속도를 빠르게 하기 위한 수단으로 형상기억합금을 이용한 작동기(100)를 단면 형상이 단일 셀(220)(single-cell) 또는 다중 셀(220)(multi-cell)을 갖는 튜브형상으로 제작하여 냉각수단으로 냉각유체를 상기 셀(220)에 주입하여 통과시킴으로써 강제냉각이 가능하게 한다.As a means for speeding up the cooling rate, the
강제냉각에는 일반적으로 기체를 사용하는 것이 경량화 및 구조의 단순화에 유리하지만, 액체도 가능하다. 따라서, 상기 냉각유체는 기체와 액체를 통칭한다고 볼 수 있다.
Although forced gas is generally advantageous to use gas for weight reduction and simplified structure, liquid is also possible. Accordingly, the cooling fluid may be referred to collectively as gas and liquid.
도 3에 도시된 바와 같이, 형상기억합금의 형상은 용도에 따라 원형, 사각형 및 다양하게 제작될 수 있다. 또한, 작동거리를 늘리기 위해 중공(200)이 형성된 튜브형 작동기(100)은 코일 스프링의 형상으로 제작하여 사용할 수 있다.
As shown in Figure 3, the shape of the shape memory alloy can be manufactured in a variety of circles, squares and various depending on the application. In addition, the
도 4에 도시된 바와 같이, 중공(200)을 갖는 튜브형 작동기(100)는 양단이 밀폐된 경우에는 외주연에 다수의 구멍(240)을 형성하여 다수의 구멍(240)을 통하여 공기를 주입하거나 배출함으로써 냉각할 수 있다.
As shown in FIG. 4, the
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예로서 형상기억합금으로 제작된 합금선(320); 및 상기 합금선(320)과 소정 간격을 두고 상기 합금선(320)의 외주연을 감싸는 튜브형 피복재(300)를 포함하되, 상기 피복재(300)의 내부에는 상기 합금선(320)와 소정간격을 유지하기 위한 소정형상의 돌기(340)가 복수 개 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 작동기(100)를 제공한다.
As shown in Figure 5, as another embodiment of the present
종래에 사용되어 온 형상기억합금을 이용한 합금선(320)에 내부에 소정형상의 돌기(340)를 복수 개 형성한 피복재(300)를 상기 합금선(320)의 외주연에 소정의 간격을 두고 둘러쌈으로써 튜브형상의 피복재(300) 내에 합금선(320)이 내재하는 형상기억합금을 이용한 작동기(100)가 된다.A
따라서, 상기 피복재(300)의 양단으로 가열유체나 냉각유체를 주입하여 반응속도가 향상된 형상기억합금을 이용한 작동기(100)를 제공할 수 있다.
Accordingly, the
본 발명의 일실시예에 따른 형상기억합금을 이용한 작동기(100)의 작동원리에 대해 살펴보기로 한다.The operation principle of the
도 1에 도시된 바와 같이, 마르텐사이트 상의 형상기억합금을 이용한 작동기(100)에 통전하게 되면 온도는 오스테나이트 온도 이상으로 상승하게 되어 오스테나이트 상에서의 형상인 원래의 형상으로 복귀한다. 이때, 다시 마르텐사이트 상으로 돌아가기 위해서는 냉각이 필요하며, 도 1에 도시된 바와 같이 중공(200)에 찬 공기를 주입하면 작동기(100)의 냉각이 빠르게 진행되어 신속한 양방향 제어가 가능하게 된다. 또한, 복원용 스프링을 사용하는 일방향 기억효과 기능만을 갖는 작동기에도 적용이 가능하다.
As shown in FIG. 1, when the
도 2에 도시된 바와 같이, 이 중의 셀(220)을 갖는 작동기(100)는 형상의 변화를 다양하게 할 수 있다. 도 2에 도시된 것과 같은 두 개의 셀(220)을 구비하는 작동기의 마르텐사이트 상의 두 개의 셀(220)에 모두 뜨거운 공기를 주입하면 작동기(100)가 전체적으로 오스테나이트 상으로 변태하게 되어 직선 상태로 된다. 하지만, 도 2의 (a),(b)를 참조하면, 뜨거운 공기를 주입한 셀(220) 쪽은 오스테나이트 상으로 변태하여 수축하게 되고, 찬 공기를 주입한 셀(220) 쪽은 마르텐사이트로 변태하여 팽창하게 되므로 굽힘 모멘트가 작용하여 찬 공기를 주입한 셀(220) 쪽이 볼록하게 되고, 뜨거운 공기를 주입한 셀(220) 쪽이 오목하게 된다.As shown in FIG. 2, the
한편, 셀(220)의 수를 증가시켜 뜨거운 공기와 찬 공기의 주입을 달리하면 변형의 방향을 보다 정밀하게 조종할 수 있다.
On the other hand, by increasing the number of
도 3에 도시된 바와 같이, 비교적 큰 변위가 요구되는 경우에 본 발명의 기본 개념은 코일 스프링 형태로 적용될 수 있다. 스프링의 단면을 튜브형상으로 제작하여 온도조절용 유체를 주입함으로써 반응속도를 빠르게 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 3, the basic concept of the present invention may be applied in the form of a coil spring when a relatively large displacement is required. By making the cross section of the spring into a tube shape, the reaction speed can be improved quickly by injecting a fluid for temperature control.
도 3에 도시된 바와 같이 오스테나이트 상의 스프링 작동기(100)에 찬 공기를 주입하면 양방향 기억효과에 의해 스프링 작동기(100)는 긴 마르텐사이트 상의 스프링 작동기(100)로 변형하게 된다.As shown in FIG. 3, when cold air is injected into the
도 4에 도시된 바와 같이, 양단이 밀폐된 튜브형 작동기(100)를 사용해야 하는 경우에는 상기 작동기(100)의 강도에 영향을 주지 않는 한도에서 외주연에 복수 개의 구멍(240)을 형성하여 일부 구멍(240)에는 공기를 주입하고 나머지 구멍(240)에는 공기를 배출하도록 할 수 있다.As shown in FIG. 4, when both ends of the
한편, 구멍(240)의 개수는 원활한 공기의 주입과 배출을 위해 조절할 수 있다.
On the other hand, the number of
도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 형상기억합금 합금선(320)으로 제작된 합금선 작동기의 반응속도를 증가시키기 위해서 합금선 작동기를 유연한 튜브형 피복재(300)에 삽입하여 사용한다.As shown in Figure 5, in order to increase the reaction rate of the alloy wire actuator made of a conventional shape memory
즉, 기존의 합금선 작동기를 신축성이 있는 유연한 재질로 된 피복재(300) 내부에 삽입하여 두 재료 사이의 공간에 공기를 주입함으로써 냉각 또는 가열이 가능하게 한다.That is, the conventional alloy wire actuator is inserted into the covering 300 made of a flexible material having elasticity to inject air into the space between the two materials, thereby enabling cooling or heating.
한편, 피복재(300)의 내부에는 공기의 흐름이 가능하고 합금선(320)을 적절히 고정하는 동시에 합금선(320)과의 상대적 운동이 가능하도록 내부에 돌기(340)가 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 돌기(340)의 개수와 형상은 합금선(320)의 크기나 모양에 따라 조절 가능하다.
On the other hand, it is preferable that the
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 즉, 그러한 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. That is, such modifications will have to belong to the claims of the present invention.
100:작동기 200:중공
220:셀 240:구멍
300:피복재 320:합금선
340:돌기100: actuator 200: hollow
220: cell 240: hole
300: cladding 320: alloy wire
340: protrusion
Claims (7)
The hollow shape of the tubular shape memory alloy in which the hollow is formed is divided into a plurality of cells, and fluids of different temperatures are injected into each cell to precisely control the deformation direction of the shape memory alloy. Used actuator.
The actuator according to claim 1, wherein the hollow is divided into two cells, and fluid used as a heating means and a cooling means is injected into each of the cells.
상기 중공이 형성된 튜브형상의 형상기억합금의 외형은 코일 스프링의 형상인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 작동기.The method according to claim 1 or 3,
An outer shape of the tube-shaped shape memory alloy in which the hollow is formed is an actuator using a shape memory alloy, characterized in that the shape of the coil spring.
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JPH07167036A (en) * | 1993-12-15 | 1995-07-04 | Tokin Corp | Actuator |
JPH10176651A (en) * | 1996-12-18 | 1998-06-30 | Tokin Corp | Driving element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20130005989A (en) | 2013-01-16 |
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