KR101684904B1 - 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법 - Google Patents

저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법 Download PDF

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손영수
최상규
함상용
김세영
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윤태광
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것으로, 상세하게는 형상기억합금 보다 저항률이 높은 저항재료를 코팅한 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작함으로써 형상기억합금으로 형성된 스프링 보다 가열속도가 빨라지며, 스프링 양단에 전류를 인가시 응답속도가 향상되는 효과가 있는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것이다.
또한, 스프링을 제작시, 간단한 구성으로 구비된 스프링제작수단을 통해 제작됨으로써 스프링의 열처리가 용이하며, 다양한 직경의 봉 및 와이어가 적용 가능한 스프링제작수단을 통해 다양한 형상의 스프링이 제작 가능한 효과가 있는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것이다.

Description

저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법{Shape memory alloy spring coated resistive material and manufacturing method thereof}
본 발명은 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상기억합금 보다 저항률이 높은 저항재료를 코팅한 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작함으로써 형상기억합금으로 형성된 스프링 보다 가열속도가 빨라지며, 스프링 양단에 전류를 인가시 응답속도가 향상되는 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 스프링을 제작시, 간단한 구성으로 구비된 스프링제작수단을 통해 제작됨으로써 스프링의 열처리가 용이하며, 다양한 직경의 봉 및 와이어가 적용 가능한 스프링제작수단을 통해 다양한 형상의 스프링이 제작 가능한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 열반응 구동소자는 열에너지를 구동력이나 변위와 같은 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 소재로서 인공근육에 많이 적용되고 있다.
열반응 구동소자 중의 하나인 형상기억합금 와이어(SMA wire, Shape memory alloy wire)는 저온상인 마르텐사이트 상태에서 재료에 응력을 가하여 변형시킨 후 고온상의 오스테나이트 상태가 되도록 가열하면 원래의 형상으로 복원되는 재료이다.
그 일예로서, 일본공개특허 제3062296호("형상 기억 합금 섬유 다발에 의한 인공 근육")에서와 같이 형상기억합금을 극세의 섬유 다발로 하고, 근섬유로 구성되는 근육과 같은 형상을 만들어, 이 내외로부터 열을 더함으로써, 그 길이를 수축시켜 생물의 근육과 같은 복잡한 관절 운동의 기능을 얻으려고 하는 구성이다.
이와 같은 선행문헌은, 형상기억합금 스프링의 양단에 전류를 인가하면 형상기억합금에서 발생하는 저항열에 의해 스프링이 수축되게 된다.
이 때, 형상기억합금이 인공근육과 같은 성능을 발휘하기 위해서는 가능한 빠른 응답성이 확보되어야하며, 이를 위해서는 전기가열시 가열속도를 향상시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
또한, 형상기억합금으로 된 스프링은 열처리가 필요함에 따라 고온로 내에서 열처리가 가능하며 작은 사이즈의 간단한 구성으로 된 제작수단이 필요한 실정이다.
일본공개특허 제3062296호(공개일자 1999.07.07)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 형상기억합금 보다 저항률이 높은 저항재료를 코팅한 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작함으로써 형상기억합금으로 형성된 스프링 보다 가열속도가 빨라지며, 스프링 양단에 전류를 인가시 응답속도가 향상되는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.
또한, 스프링을 제작시, 간단한 구성으로 구비된 스프링제작수단을 통해 제작됨으로써 스프링의 열처리가 용이하며, 다양한 직경의 봉 및 와이어가 적용 가능한 스프링제작수단을 통해 다양한 형상의 스프링이 제작 가능한 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법은 형상기억합금으로 된 코어부와 상기 코어부의 외면을 감싸도록 환형으로서 저항재료로 형성된 쉘부를 포함하는 와이어; 및 상기 와이어를 권선시켜 형성된 스프링;을 포함하며, 상기 쉘부는 상기 코어부 보다 저항률이 높은 도체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스프링은 스프링제작수단에 의해 제작되되, 상기 스프링제작수단은 소정길이의 봉에 상기 와이어를 공급하는 와이어공급모듈; 상기 와이어가 상기 봉 외주연에 감기도록 회전 가능한 와이어회전모듈; 및 상기 봉 상에 배치되며 상기 와이어공급모듈 및 와이어회전모듈의 양 외측에 설치되는 스토퍼모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스프링 제작방법은 상기 코어부의 외면에 제 1 쉘부를 코팅하여 제 1 와이어로 제작되는 제 1 코팅단계; 상기 스프링제작수단을 이용하여 제 1 와이어를 제 1 스프링으로 제작하는 제 1 스프링제작단계; 및 상기 제 1 스프링을 열처리하는 제 1 열처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법은 상기 스프링제작수단을 이용하여 상기 코어부로 형성된 제 2 와이어를 제 2 스프링으로 제작하는 제 2 스프링제작단계; 상기 제 2 스프링을 열처리하는 제 2 열처리단계; 및 상기 제 2 스프링을 팽창시켜 외면에 제 2 쉘부를 코팅하는 제 2 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 쉘부는 열처리에 강한 도체이고, 상기 제 2 쉘부는 열처리에 약한 도체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 스프링제작단계는 상기 제 1 와이어를 클램핑한 상기 와이어회전모듈을 상기 봉 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 1 와이어를 상기 봉에 권선하는 단계; 및 상기 와이어공급모듈이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈의 회전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 스프링제작단계는 상기 제 2 와이어를 클램핑한 상기 와이어회전모듈을 상기 봉 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 2 와이어를 상기 봉에 권선하는 단계; 및 상기 와이어공급모듈이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈의 회전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 코팅단계는 상기 제 2 스프링을 팽창시켜 상기 제 2 스프링의 양단을 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법은 형상기억합금 보다 저항률이 높은 저항재료를 코팅한 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작함으로써 형상기억합금으로 형성된 스프링 보다 가열속도가 빨라지며, 스프링 양단에 전류를 인가시 응답속도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 스프링을 제작시, 간단한 구성으로 구비된 스프링제작수단을 통해 제작됨으로써 스프링의 열처리가 용이하며, 다양한 직경의 봉 및 와이어가 적용 가능한 스프링제작수단을 통해 다양한 형상의 스프링이 제작 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 형상기억합금 와이어의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단 측면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어공급모듈 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어회전모듈 사시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼모듈 사시도.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법 순서도.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법 순서도.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 형상기억합금 와이어의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 형상기억합금으로 된 코어부(1a)와 상기 코어부(1a)의 외면을 감싸도록 환형으로서 저항재료로 형성된 쉘부(1b)를 포함하는 와이어(1)일 수 있다.
일반적으로 전류가 흐르는 도체의 저항이 높을수록 저항열이 많이 발생하여 도체의 가열속도가 높다.
이 때, 형상기억합금(SMA)은 구리에 비하여 저항이 4배 높아 가열속도가 빠른 것으로 알려져 있다.
또한, 니켈크롬(NiCr), 철크롬, 콘스탄탄은 저항이 형상기억합금에 비하여 15배, 구리에 비해 90배 높아 전열기, 전기로 등에 적용되고 있다.
여기서, 상기 쉘부(1b)는 상기 저항재료로서, 앞서 상술된 니켈크롬, 철크롬, 콘스탄탄 등과 같은 저항률이 높은 합금이 사용될 수 있다.
이에 따라, 상기 와이어(1)는 상기 코어부(1a)의 외면에 상기 쉘부(1b)를 코팅시켜 형성됨으로써, 형상기억합금보다 가열속도 및 통전시 반응속도가 더 빠를 수 있다.
따라서, 상기 와이어(1)는 후술하는 스프링제작수단(1000)을 이용하여 스프링으로 제작하여 인공근육에 적합하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단(1000)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단(1000) 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링제작수단(1000) 측면도이다.
여기서, 도 4는 도 3에서 일측에 구비된 스토퍼모듈을 제외하고 일측방향에서 바라본 스프링제작수단(1000)의 측면도이다.
도 2, 3, 4를 참조하면, 길이방향으로 이송되며 원형 또는 다각형으로 된 봉(10)과 상기 봉(10) 외주연에 와이어(1);가 감겨 스프링이 제작되는 스프링제작수단(1000)에 있어서, 상기 스프링제작수단(1000)은 상기 봉(10)에 상기 와이어(1)를 공급하는 와이어공급모듈(100)과 상기 와이어(1)가 상기 봉(10) 외주연에 감기도록 회전 가능한 와이어회전모듈(200) 및 상기 와이어공급모듈(100) 및 와이어회전모듈(200)의 양 외측으로 상기 봉(10)에 설치되며 상기 스프링(2)의 설정 길이에 따라 조절되는 스토퍼모듈(300)을 더 포함하는 구성일 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 상기 제 1 스토퍼(310)는 상기 봉(10)을 기준으로 일단부에 배치되며, 상기 제 2 스토퍼(320)는 타단부에 배치될 수 있다.
또한, 도 3, 4를 참조하면, 상기 와이어회전모듈(200)은 상기 제 1 스토퍼(310)의 타단면과 상기 고정판(220)의 일단면이 맞닿게 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어공급모듈(100) 사시도이다.
도 3 및 5를 참조하면, 상기 와이어공급모듈(100)은 상기 봉(10)이 이송되어 통과하는 제 1 관통홀(111)이 일면에 형성된 제 1 와이어공급부(110) 및 상기 제 1 와이어공급부(110)의 일면 상단부에 구비되며 일면에 상기 와이어(1)가 통과하는 제 2 관통홀(121)이 형성된 제 2 와이어공급부(120)를 포함하는 구성일 수 있다.
자세히 알아보면, 상기 제 1 와이어공급부(110)는 소정의 두께를 지닌 플레이트의 일면에는 상기 제 1 관통홀(111)이 형성되며, 이웃하는 편평한 면에는 제 1 나사공(112)이 상기 제 1 관통홀(111)까지 형성되어 제 1 고정볼트(112a)가 결합될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 와이어공급부(110)는 상기 제 1 고정볼트(112a)에 의해 상기 봉(10)에 고정 또는 해체될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 상기 제 2 와이어공급부(120)는 상기 제 1 와이어공급부(110)의 타단면 일측부에 맞닿게 구비되며 이 때, 맞닿는 면에는 제 2 나사공(113) 및 제 3 나사공(122)이 상기 제 1 와이어공급부(110) 및 제 2 와이어공급부(120)에 각각 형성됨에 따라 제 2 고정볼트(122a)에 의해 연결되어 결합될 수 있다.
또한, 상기 제 2 와이어공급부(120)는 상기 제 1 와이어공급부(110)의 일측보다 돌출되어 구비되며, 돌출된 일면에는 제 2 관통홀(121)이 형성되어 일단방향으로 상기 와이어(1)가 통과될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어회전모듈(200) 사시도이다.
도 3 및 6을 참조하면, 상기 와이어회전모듈(200)은 일측으로 길게 형성된 플레이트 형상으로 일면에 상기 봉(10) 및 와이어가 통과하는 장공형의 제 3 관통홀(211)이 형성된 회전바(210) 및 상기 회전바(210)를 관통하는 제 4 관통홀(221)이 형성된 플레이트 형상의 고정판(220)을 포함하는 구성일 수 있다.
자세히 알아보면, 도 6에서 상기 회전바(210)는 일측으로 길게 형성된 플레이트 형상의 타측면에 수직하게 소정의 너비만큼 양 외측으로 형성된 플레이트의 일측면에 제 4 나사공(212) 및 제 5 나사공(213)이 형성될 수 있다.
이 때, 도 6의 상기 고정판(220)은 상기 제 4 관통홀(221)을 통해 상기 회전바(210)의 일측에서 타측방향으로 통과되며 상기 제 4 나사공(212) 및 제 5 나사공(213)이 맞닿는 면에 동일한 중심에 제 6 나사공(222) 및 제 7 나사공(223)이 형성되어 제 3 고정볼트(212a) 및 제 4 고정볼트(213a)로 연결되어 결합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼모듈(300) 사시도이다.
도 2 및 7을 참조하면, 상기 스토퍼모듈(300)은 상기 봉(10)의 일단부 및 타단부에 각각 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)가 구비되되, 원통형으로 일면에 상기 봉(10)이 통과하는 제 5 관통홀(311) 및 제 6 관통홀(321)이 각각 형성되는 구성일 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 외주연으로부터 상기 제 5 관통홀(311) 및 제 6 관통홀(321)까지 제 8 나사공(312) 및 제 9 나사공(322)이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제 8 나사공(312) 및 제 9 나사공(322)은 제 5 고정볼트(312a) 및 제 6 고정볼트(322a)에 의해 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)가 상기 봉(10)에 고정 또는 해체될 수 있는 역할을 할 수 있다.
다시 말해, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 상기 제 5 고정볼트(312a) 및 제 6 고정볼트(322a)로 상기 봉(10)의 외주연을 압박함으로써 고정될 수 있다.
이에 따라, 상기 스프링제작수단을 통해 제작되는 상기 스프링(2)은 상기 와이어를 권선시킨 것으로서, 인공근육에 적용시 형상기억합금으로 된 스프링(2) 보다 전기가열시 저항재료에 의해 가열속도가 더 빨라져서 응답속도를 향상시킬 수 있다.
이하는, 상기 스프링(2)을 제작하는 방법을 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 두 가지로 실시될 수 있는 방법을 설명한다.
제 1 실시예
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법 순서도이다.
도 8을 참조하면, 상기 코어부(1a)의 외면에 제 1 쉘부(5)를 코팅하여 제 1 와이어(3)로 제작되는 제 1 코팅단계(a)와 상기 스프링제작수단을 이용하여 제 1 와이어(3)를 제 1 스프링(7)으로 제작하는 제 1 스프링제작단계(b) 및 상기 제 1 스프링(7)을 열처리하는 제 1 열처리단계(c)를 포함할 수 있다.
이 때, 도 1을 참조하면, 상기 제 1 쉘부(5)는 상기 와이어보다 저항값이 큰 도체이며, 열처리에 강한 재료일 수 있다.
한편, 상기 제 1 코팅단계(a)는 상기 코어부(1a)의 외면에 상기 제 1 쉘부(5)를 저온분사코팅 시킬 수 있다.
여기서, 앞서 상술한 저온분사코팅이란, 압축 및 팽창으로 생기는 초음속 기체 기류를 이용하여 분말이 코팅 대상물에 충돌할 때 발생하는 에너지에 의해 점착되면서 코팅되는 기술. 저온 분사 코팅은 코팅용 분말을 가열해 코팅하는 기존 방식과 달리 상온에서 코팅이 가능해져 소재의 변형 및 변질을 막을 수 있고, 내마모성, 내피로성, 내열성, 내식성 등을 크게 향상시켜 자동차, 항공, 선박, 반도체 부품의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있다. 특히 플라스틱처럼 열에 약한 소재나 산화하기 쉬운 알루미늄, 구리 복합재 등 기존 고온 방식의 코팅을 적용하기 어려운 소재에도 사용할 수 있는 기술이다.
이 때, 상기 제 1 코팅단계(a)는 상기 제 1 쉘부(5)를 상기 코어부(1a)에 코팅시킬 수 있는 방법이면 다양하게 실시될 수 있다.
상기 제 1 스프링제작단계(b)는 도 1 내지 7을 참조하면, 상기 제 1 와이어(3)를 클램핑한 상기 와이어회전모듈(200)을 상기 봉(10) 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 1 와이어(3)를 상기 봉(10)에 권선하는 단계 및 상기 와이어공급모듈(100)이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈의 회전을 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제 1 와이어(3)는 상기 코어부(1a) 외면에 상기 제 1 쉘부(5)가 코팅된 와이어일 수 있다.
자세히 알아보면, 상기 제 1 스프링제작단계의 첫 번 째는, 상기 봉(10)은 상기 와이어회전모듈(200) 및 와이어공급모듈(100)에 통과되며 상기 와이어회전모듈(200) 및 와이어공급모듈(100)의 양 외측에 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)가 상기 봉(10)을 통과하며 배치되는 단계일 수 있다.
따라서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링 제작 장치(1000)의 배치는 일단에서 타단방향으로 상기 제 1 스토퍼(310), 와이어회전모듈(200), 와이어공급모듈(100) 및 제 2 스토퍼(320) 순으로 배치될 수 있다.
두 번 째는, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 설정된 상기 제 1 스프링(7)의 길이에 따라 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)의 이격거리를 조절하여 상기 봉(10)에 고정되는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 상기 제 5 및 6 고정볼트를 조임으로써 상기 봉(10)에 고정될 수 있다.
세 번 째는, 상기 제 2 와이어공급부(120)에 상기 제 1 와이어(3)가 상기 제 2 관통홀(121)을 통해 통과되어 공급되며, 상기 회전바(210)의 제 3 관통홀(211)로 연결되는 단계일 수 있다.
네 번 째는, 상기 고정판(220)이 상기 제 1 와이어(3) 및 봉(10)을 고정하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 회전바(210) 및 고정판(220)의 사이에는 상기 봉(10)이 이미 통과된 상태이며 상기 제 1 와이어(3)가 상기 제 2 관통홀(121)을 통해 상기 제 1 와이어공급부(110) 일단면에 밀착되어 도 3을 참조하면, 상기 제 1 와이어(3)가 완만하게 절곡된 상태로 공급될 수 있도록 구성될 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 제 1 와이어(3)는 상기 제 3 관통홀(211)에 통과되며 소정의 길이만큼 여유분을 남겨두고 상기 제 3 및 4 고정볼트를 조임으로써 상기 봉(10) 및 제 1 와이어(3)가 상기 와이어회전모듈(200)에 밀착 고정될 수 있다.
또한, 상기 제 1 와이어공급부(110)는 상기 제 1 와이어(3)가 감기는 동안에 상기 봉(10)을 따라 이동 가능하도록 상기 제 1 관통홀(111)은 상기 봉(10)이 부드럽게 회전할 정도의 내경으로 형성되며 상기 제 1 와이어(3)가 감기는 단계에서는 상기 제 1 고정볼트(112a)가 풀린 상태로 구성될 수 있다.
다섯 번 째는, 상기 제 1 와이어공급부(110)의 외면이 고정되며 상기 고정판(220)의 일측면이 상기 제 1 스토퍼(310)의 타측면과 맞닿으며 상기 회전바(210)를 상기 봉(10)의 원주방향으로 회전시키는 단계일 수 있다.
상기 제 1 와이어공급부(110)는 작업자의 손 또는 외부 장치에 의해 고정되며 상기 회전바(210)의 일측부를 작업자의 손 또는 외부 장치에 의해 상기 봉(10)의 외주연에 원주방향으로 회전될 수 있다.
여섯 번 째는, 상기 봉(10)에 상기 제 1 와이어(3)가 감기면서 상기 봉(10)의 타측방향으로 상기 제 1 와이어(3)가 연장되는 단계일 수 있다.
일곱 번 째는, 상기 제 1 와이어공급부(110) 타측면이 상기 제 2 스토퍼(320)의 일측면에 닿으면 상기 회전바(210)의 회전을 중지하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 스토퍼(310), 제 2 스토퍼(320) 및 와이어회전모듈(200)은 볼트로 일체화된 상태로서 상기 와이어공급모듈(100)에 대해 상대적으로 일단방향으로 이동하면서 상기 스프링이 형성되며 상기 와이어공급모듈(100)이 상기 제 2 스토퍼(320)와 접촉하게 되면 설정된 길이의 스프링이 모두 감긴 것이므로 상기 회전바(210)의 회전을 중지시킬 수 있다.
여덟 번 째는, 상기 제 1 와이어공급부(110)를 상기 봉(10)에 고정시키는 단계일 수 있다.
상기 제 1 와이어공급부(110)는 상기 봉(10)에 상기 제 1 고정볼트(112a)를 조임으로써 고정될 수 있다.
아홉 번 째는, 상기 제 1 와이어(3)의 타단을 절단 후 상기 제 2 와이어공급부(120)에 상기 제 1 와이어(3)의 타단부를 고정시키는 단계일 수 있다.
상기 제 1 와이어(3)의 절단된 타단부는 상기 제 2 고정볼트(122a) 및 상기 제 2 와이어공급부(120) 사이에 끼우며 상기 제 2 고정볼트(122a)를 조임으로써 고정될 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 열처리단계(c)는 상기 제 1 와이어(3)가 권선되어 있는 채로 상기 스프링제작수단을 고온로 내부에 넣고 열처리 시킬 수 있다.
상기 고온로는 일반적으로 종래에 사용되는 열처리 장치일 수 있다.
위와 같은 단계를 통해, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링이 제작될 수 있다.
제 2 실시예
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법 순서도이다.
도 9를 참조하면, 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법은 상기 스프링제작수단을 이용하여 상기 코어부(1a)로 형성된 제 2 와이어(4)를 제 2 스프링(8)으로 제작하는 제 2 스프링제작단계(d)와 상기 제 2 스프링을 열처리하는 제 2 열처리단계(e) 및 상기 제 2 스프링(8)을 팽창시켜 외면에 제 2 쉘부(6)을 코팅하는 제 2 코팅단계(f)를 포함할 수 있다.
상기 제 2 스프링제작단계(d)는 도 1 및 2를 참조하면, 상기 제 2 와이어(4)를 클램핑한 상기 와이어회전모듈(200)을 상기 봉(10) 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 2 와이어(4)를 상기 봉(10)에 권선하는 단계 및 상기 와이어공급모듈(100)이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈(200)의 회전을 중지하는 단계를 포함할 수 있다.
자세히 알아보면, 상기 제 2 스프링제작단계(d)의 첫 번 째는, 상기 봉(10)은 상기 와이어회전모듈(200) 및 와이어공급모듈(100)에 통과되며 상기 와이어회전모듈(200) 및 와이어공급모듈(100)의 양 외측에 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)가 상기 봉(10)을 통과하며 배치되는 단계일 수 있다.
따라서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 스프링 제작 장치(1000)의 배치는 일단에서 타단방향으로 상기 제 1 스토퍼(310), 와이어회전모듈(200), 와이어공급모듈(100) 및 제 2 스토퍼(320) 순으로 배치될 수 있다.
두 번 째는, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 설정된 상기 제 1 스프링(7)의 길이에 따라 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)의 이격거리를 조절하여 상기 봉(10)에 고정되는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 스토퍼(310) 및 제 2 스토퍼(320)는 상기 제 5 및 6 고정볼트를 조임으로써 상기 봉(10)에 고정될 수 있다.
세 번 째는, 상기 제 2 와이어공급부(120)에 상기 제 2 와이어(4)가 상기 제 2 관통홀(121)을 통해 통과되어 공급되며, 상기 회전바(210)의 제 3 관통홀(211)로 연결되는 단계일 수 있다.
네 번 째는, 상기 고정판(220)이 상기 제 2 와이어(4) 및 봉(10)을 고정하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 회전바(210) 및 고정판(220)의 사이에는 상기 봉(10)이 이미 통과된 상태이며 상기 제 2 와이어(4)가 상기 제 2 관통홀(121)을 통해 상기 제 2 와이어공급부(110) 일단면에 밀착되어 도 3을 참조하면, 상기 제 2 와이어(4)가 완만하게 절곡된 상태로 공급될 수 있도록 구성될 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 제 2 와이어(4)는 상기 제 3 관통홀(211)에 통과되며 소정의 길이만큼 여유분을 남겨두고 상기 제 3 및 4 고정볼트를 조임으로써 상기 봉(10) 및 제 2 와이어(4)가 상기 와이어회전모듈(200)에 밀착 고정될 수 있다.
또한, 상기 제 2 와이어공급부(110)는 상기 제 2 와이어(4)가 감기는 동안에 상기 봉(10)을 따라 이동 가능하도록 상기 제 1 관통홀(111)은 상기 봉(10)이 부드럽게 회전할 정도의 내경으로 형성되며 상기 제 2 와이어(4)가 감기는 단계에서는 상기 제 1 고정볼트(112a)가 풀린 상태로 구성될 수 있다.
다섯 번 째는, 상기 제 2 와이어공급부(110)의 외면이 고정되며 상기 고정판(220)의 일측면이 상기 제 1 스토퍼(310)의 타측면과 맞닿으며 상기 회전바(210)를 상기 봉(10)의 원주방향으로 회전시키는 단계일 수 있다.
상기 제 2 와이어공급부(110)는 작업자의 손 또는 외부 장치에 의해 고정되며 상기 회전바(210)의 일측부를 작업자의 손 또는 외부 장치에 의해 상기 봉(10)의 외주연에 원주방향으로 회전될 수 있다.
여섯 번 째는, 상기 봉(10)에 상기 제 2 와이어(4)가 감기면서 상기 봉(10)의 타측방향으로 상기 제 2 와이어(4)가 연장되는 단계일 수 있다.
일곱 번 째는, 상기 제 2 와이어공급부(110) 타측면이 상기 제 2 스토퍼(320)의 일측면에 닿으면 상기 회전바(210)의 회전을 중지하는 단계일 수 있다.
이 때, 상기 제 1 스토퍼(310), 제 2 스토퍼(320) 및 와이어회전모듈(200)은 볼트로 일체화된 상태로서 상기 와이어공급모듈(100)에 대해 상대적으로 일단방향으로 이동하면서 상기 스프링이 형성되며 상기 와이어공급모듈(100)이 상기 제 2 스토퍼(320)와 접촉하게 되면 설정된 길이의 스프링이 모두 감긴 것이므로 상기 회전바(210)의 회전을 중지시킬 수 있다.
여덟 번 째는, 상기 제 2 와이어공급부(110)를 상기 봉(10)에 고정시키는 단계일 수 있다.
상기 제 2 와이어공급부(110)는 상기 봉(10)에 상기 제 1 고정볼트(112a)를 조임으로써 고정될 수 있다.
아홉 번 째는, 상기 제 2 와이어(4)의 타단을 절단 후 상기 제 2 와이어공급부(120)에 상기 제 2 와이어(4)의 타단부를 고정시키는 단계일 수 있다.
상기 제 2 와이어(4)의 절단된 타단부는 상기 제 2 고정볼트(122a) 및 상기 제 2 와이어공급부(120) 사이에 끼우며 상기 제 2 고정볼트(122a)를 조임으로써 고정될 수 있다.
앞서 상술한 상기 제 2 스프링제작단계는 상기 제 1 스프링제작단계와 동일하나, 상기 제 1 스프링제작단계에서는 상기 제 1 와이어(3)가 사용되며, 상기 제 2 스프링제작단계는 상기 제 2 와이어(4)가 사용될 수 있다.
상기 제 2 열처리단계(e)는 상기 제 2 와이어(4)가 권선되어 있는 채로 상기 제 2 스프링제작수단을 고온로 내부에 넣고 열처리 시킬 수 있다.
상기 고온로는 일반적으로 종래에 사용되는 열처리 장치일 수 있다.
이어서, 상기 와이어회전모듈, 와이어공급모듈 및 스토퍼모듈을 상기 봉(10)으로부터 해체하면서, 상기 제 2 스프링(8)을 획득할 수 있다.
자세히 알아보면, 상기 제 1 스토퍼(310)는 제 5 고정볼트(312a)에 의해 상기 봉(10)으로부터 해체되고, 상기 제 3 및 4 고정볼트에 의해 상기 와이어회전모듈(200)이 상기 봉(10)으로부터 해체되며, 상기 제 2 고정볼트(122a)에 의해 상기 와이어(20)가 상기 와이어공급모듈(100)로부터 해체될 수 있다.
이 때, 상기 제 2 스프링(8)은 상기 봉(10)을 따라 외측으로 이동시킴으로써 획득될 수 있다.
또한, 상기 제 2 스프링(8)은 양단을 상기 제 2 스프링(8)의 수축된 길이보다 소정 길이 보다 긴 너비로 양단을 고정시킨 뒤 즉, 상기 제 2 스프링(8)이 팽창된 채 고정된 상태에서 상기 제 2 스프링(8) 외면에 상기 제 2 쉘부(6)을 코팅시킬 수 있다.
이 때, 상기 제 2 쉘부(6)은 상기 와이어보다 저항값이 큰 도체이며, 열처리에 약한 재료일 수 있다.
또한, 상기 제 2 코팅단계(f)는 상기 제 2 스프링(8)의 외면에 상기 제 2 쉘부(6)을 저온분사코팅 시킬 수 있다.
위와 같은 단계를 통해, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링이 제작될 수 있다.
다시 한 번 말하자면, 일반적으로 형상기억합금 와이어는 큰 파워밀도를 발휘할 수 있다는 장점이 있으나 온도변화에 따라 5%이내의 변위만을 발생시킨다. 인간근육이 최대 40% 변위를 발생시키는 것과 비교하여 발생 변위가 작아 인공근육 모듈에 적용하는데 한계로 작용한다.
따라서, 형상기억합금 와이어는 스프링으로 제작시켜 적용하면, 형상기억합금 와이어의 큰 파워밀도의 장점을 이용하면서 큰 변위를 발생시킬 수 있다.
이 때, 형상기억합금 스프링은 200~1,600%까지 변위가 발생하기 때문에 인공근육 모듈 적용에 적합하다.
여기서, 형상기억합금 스프링의 양단에 전류를 인가하면 형상기억합금에서 발생하는 저항열에 의해 스프링이 수축하게 된다.
이 때, 형상기억합금이 인공근육과 같은 성능을 발휘하기 위해서는 가능한 빠른 응답성이 확보되어야하며, 이를 위해서는 전기가열시 가열속도를 향상시킬 수 있는 방법이 필요하다.
상술된 필요를 충족시키기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링은 형상기억합금 보다 저항률이 높은 저항재료를 코팅한 형상기억합금 와이어를 스프링으로 제작함으로써 형상기억합금으로 형성된 스프링 보다 가열속도가 빨라지며, 스프링 양단에 전류를 인가시 응답속도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 스프링을 제작시, 간단한 구성으로 구비된 스프링제작수단을 통해 제작됨으로써 스프링의 열처리가 용이하며, 다양한 직경의 봉 및 와이어가 적용 가능한 스프링제작수단을 통해 다양한 형상의 스프링이 제작 가능한 효과가 있다.
이를 제작하기 위해, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법은 상기 제 1 쉘부(5)를 코팅한 상기 코어부(1a)가 포함된 제 1 와이어(3)를 상기 스프링제작수단을 이용하여 상기 제 1 스프링(7)으로 제작 후에 열처리 과정을 거쳐 완료시킬 수 있다.
한편, 상기 제 1 저항재료와는 달리, 열처리 과정에 적합하지 않은 재료인 경우에 본 발명의 제 2 실시예에 따른 저항재료가 코팅된 스프링 제작방법은 상기 제 2 와이어(4)를 상기 스프링제작수단을 통해 상기 제 2 스프링(8)으로 제작 후에 열처리 과정을 거치고, 상기 제 2 스프링(8)을 팽창시켜 상기 제 2 쉘부(6)을 코팅함으로써 완료될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1a : 코어부 1b : 쉘부
1 : 와이어 2 : 스프링
3 : 제 1 와이어 4 : 제 2 와이어
5 : 제 1 쉘부 6 제 2 쉘부
7 제 1 스프링 8 제 2 스프링
10 : 봉
100 : 와이어공급모듈 200 : 와이어회전모듈
300 : 스토퍼모듈
110 : 제 1 와이어공급부 120 : 제 2 와이어공급부
111 : 제 1 관통홀 121 : 제 2 관통홀
112 : 제 1 나사공 112a : 제 1 고정볼트
113 : 제 2 나사공 122 : 제 3 나사공
122a : 제 2 고정볼트
210 : 회전바 211 : 제 3 관통홀
220 : 고정판 221 : 제 4 관통홀
212 : 제 4 나사공 213 : 제 5 나사공
222 : 제 6 나사공 223 : 제 7 나사공
212a : 제 3 고정볼트 213a : 제 4 고정볼트
310 : 제 1 스토퍼 320 : 제 2 스토퍼
311 : 제 5 관통홀 321 : 제 6 관통홀
312 : 제 8 나사공 322 : 제 9 나사공
312a : 제 5 고정볼트 322a : 제 6 고정볼트
1000 : 스프링제작수단

Claims (9)

  1. 형상기억합금으로 된 코어부와 상기 코어부의 외면을 감싸도록 환형으로서 저항재료로 형성된 쉘부를 포함하는 와이어; 및
    상기 와이어를 권선시켜 형성된 스프링;을 포함하며,
    상기 쉘부는 상기 코어부보다 저항률이 높은 도체인 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 스프링은
    스프링제작수단에 의해 제작되되,
    상기 스프링제작수단은
    소정길이의 봉에 상기 와이어를 공급하는 와이어공급모듈;
    상기 와이어가 상기 봉 외주연에 감기도록 회전 가능한 와이어회전모듈; 및
    상기 봉 상에 배치되며 상기 와이어공급모듈 및 와이어회전모듈의 양 외측에 설치되는 스토퍼모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링.
  3. 제 2항에 의한 상기 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법에 있어서,
    상기 스프링 제작방법은
    상기 코어부의 외면에 제 1 쉘부를 코팅하여 제 1 와이어로 제작되는 제 1 코팅단계;
    상기 스프링제작수단을 이용하여 제 1 와이어를 제 1 스프링으로 제작하는 제 1 스프링제작단계; 및
    상기 제 1 스프링을 열처리하는 제 1 열처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  4. 제 2항에 의한 상기 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법에 있어서,
    상기 스프링 제작방법은
    상기 스프링제작수단을 이용하여 상기 코어부로 형성된 제 2 와이어를 제 2 스프링으로 제작하는 제 2 스프링제작단계;
    상기 제 2 스프링을 열처리하는 제 2 열처리단계; 및
    상기 제 2 스프링을 팽창시켜 외면에 제 2 쉘부를 코팅하는 제 2 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 쉘부는
    열처리에 강한 도체인 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 쉘부는
    열처리에 약한 도체인 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 제 1 스프링제작단계는
    상기 제 1 와이어를 클램핑한 상기 와이어회전모듈을 상기 봉 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 1 와이어를 상기 봉에 권선하는 단계; 및
    상기 와이어공급모듈이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈의 회전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 스프링제작단계는
    상기 제 2 와이어를 클램핑한 상기 와이어회전모듈을 상기 봉 상에서 원주방향으로 회전시켜 상기 제 2 와이어를 상기 봉에 권선하는 단계; 및
    상기 와이어공급모듈이 이웃한 상기 스토퍼모듈의 일측면에 닿으면 상기 와이어회전모듈의 회전을 중지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 제 2 코팅단계는
    상기 제 2 스프링을 팽창시켜 상기 제 2 스프링의 양단을 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항재료가 코팅된 형상기억합금 스프링 제작방법.
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