KR101844959B1 - 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 형상기억합금 재질로 이루어진 심재를 스프링 형태로 제작되게 하되, 상기 심재 외주면에 절연체를 피복하고, 상기 절연체 외주면에 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선으로 권취하여, 상기 심재, 상기 절연체 및 상기 저항선으로 이루어지는 선재를 코일 스프링 구조로 형성시킨 것이다. 이에 따라 상기 심재에서 발생하는 저항열에 상기 저항선에서 발생하는 저항열이 더해져 종래의 스프링에 비하여 전류 인가시 발생하는 저항열을 더 많이 얻을 수 있어 응답속도를 최대화하는, 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법을 제공함에 있다.

Description

저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법{shape memory alloy spring comprising a resistance wire and manufacturing method thereof}

본 발명은 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전류가 인가될 때 발생하는 저항열에 의해 수축하는 성질을 가진 형상기억합금 재질로 심재를 형성하고, 그 심재의 외주면에 저항선을 권취 후, 이를 코일 스프링 구조로 형성하여, 상기 코일 스프링에 전류를 인가시 보다 많은 저항열이 발생하도록 하여 스프링의 응답속도를 향상시키고, 불필요한 변위를 최소화하도록 스프링의 강성을 향상시킨 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관한 것이다.

생체근육은 신경세포로부터 전달되는 전기적 신호에 의해 반응한다. 이와 유사하게 외부의 전기적 입력에 의해 반응하도록 제작하여 생체근육의 대용기능을 수행하는 소재가 인공근육이다. 이러한 인공근육은 대개 자유로운 신체활동이 어려운 장애인의 팔다리 역할을 하는 재활 로봇이나, 우주 탐사 또는 해저 탐사나 원자력발전소 같이 인간이 직접 작업하기 어려운 특수 환경에서 작업을 수행하는 작업용 로봇, 더 나아가 초소형이며 고도의 복잡한 동작을 위한 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 같은 첨단 제품 등에 활용되기 위한 목적으로 제작되고 있다.

인공근육의 최우선 과제는 생체근육과 같이 유연하고 신속한 반응을 확보하는 것인데, 온도에 따라 모양이 바뀌는 형상기억합금(Shape-memory Alloy, SMA)은 이에 적합한 소재이다. 형상기억합금은 니켈과 티타늄 합금으로 이루어진 것으로서, 상술한 바와 같이 전류나 열을 가하면 변형이 일어난 후 일정 온도가 되면 원래의 형상으로 돌아가는 성질을 가지고 있다. 이러한 형상기억합금을 다양한 형상으로 제작하여 인공모듈에 사용하였는데, 그 중 하나로 형상기억합금 재질로 이루어진 와이어(Shape memory alloy wire, SMA wire)를 인공근육의 소재로 사용하였다. 형상기억합금 와이어는 큰 파워밀도를 발휘할 수 있다는 장점이 있으나, 온도 변화에 따른 변위가 작아 생체근육의 실제 변위에는 못 미치는 단점이 있다.

이에 형상기억합금 와이어의 파워밀도는 유지하고 변위는 더 향상시키기 위해 형상기억합금 재질로 이루어진 스프링이 개발되었는데, 한국공개특허공보 제10-2011-0024977호("형상기억합금 코일스프링 제조방법", 2011.03.09. 공개, 이하 종래기술)에는 형상기억합금을 이용하여 코일 스프링을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 종래기술은 코일경이 작은 코일스프링의 양단을 회전시켜 토션 변형을 가해 코일경을 작게 제조한 코일스프링에 관한 것이다. 그러나 종래기술은 단일개의 형상기억합금 원재를 코일 스프링 형상으로 가공하여 형상기억합금 와이어보다 큰 파워밀도의 발휘는 가능하나 일반 스프링보다 강성(Stiffness)이 낮아 불필요한 변위가 발생되고 스프링에 전류 인가시 발생되는 저항열에 한계가 있는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2011-0024977호("형상기억합금 코일스프링 제조방법", 2011.03.09. 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 형상기억합금으로 이루어진 심재의 외주면을 절연체로 피복하고 상기 절연체 외주면을 따라 저항열을 발생시키는 저항선을 권취하여, 상기 심재, 상기 절연체 및 상기 저항열로 이루어지는 선재를 코일 스프링 구조로 형성되게 함으로써, 동일한 전류를 인가하여도 기존에 비하여 더 많은 저항열을 발생시켜 스프링의 가열속도를 향상시킨 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링을 제공함에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 저항선을 외주면에 권취하여 강성을 향상시키고 불필요한 변위를 발생시키지 않는 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 선재는 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재; 상기 심재의 외주를 전체적으로 피복하는 절연체; 및 저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취되는 저항선; 을 포함하며, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선이 단일의 선재를 형성한다.
한편, 본 발명의 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 선재는 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재; 일정 폭을 갖는 띠형으로 형성되며, 상기 심재의 외주에 나선형으로 권취되는 절연체; 및 저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 상기 나선형으로 권취된 절연체의 상부에 권취되는 저항선; 을 포함하며, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선이 단일의 선재로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 선재는 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재; 및 저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 외주에 절연체가 피복된 저항선;을 포함하고, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며, 상기 외주에 절연체가 피복된 저항선이 상기 심재의 외주에 권취되어 단일의 선재로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 선재의 저항선은 상기 심재 보다 10배 내지 30배 더 높은 전기 저항을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 형상기억합금 스프링은 위와 같은 형상기억합금 선재를 코일 스프링 형상으로 권취하여 형성된다.
한편, 본 발명의 형상기억합금 스프링의 제작방법은 형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 전체적으로 절연체를 피복시키되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 절연체 피복 단계; 상기 절연체의 외주에 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선을 나선형으로 권취하여, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계; 상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및 상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 형상기억합금 스프링의 제작방법은 형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 일정 폭을 갖는 띠형으로 형성된 절연체를 나선형으로 권취하되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 절연체 피복 단계; 상기 나선형으로 권취된 절연체의 상부에 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선을 나선형으로 권취하여, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계; 상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및 상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 형상기억합금 스프링의 제작방법은 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선의 외주에 절연체를 피복시키되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 저항선 피복단계; 형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 상기 저항선을 권취하여, 상기 심재 및 심재의 외주에 권취된 절연체가 피복된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계; 상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및 상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 형상기억합금 스프링의 제작방법의 열처리 단계는 상기 형상기억합금 스프링에 섭씨 250도 이상 600도 이하에서 열을 가하여 수행될 수 있다.

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상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법은, 형상기억합금재질로 이루어진 심재에 상기 심재보다 더 높은 저항열을 발생시키는 저항선을 결합시켜 코일 스프링 구조로 형성한 것으로써, 동일한 전류를 인가할 경우, 종래의 형상기억합금으로 이루어진 스프링에 비하여 빠른 가열속도를 획득하여 스프링의 응답 시간이 단축되는 효과가 있다.

또한 상기 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법은, 외주면에 저항선을 권취하여 강성을 향상시키고 불필요한 변위를 발생시키지 않아 스프링 동작을 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 사시도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선재의 사시도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선재의 코일 스프링 구조 형성을 도시한 사시도
도 4는 본 발명의 이실시예에 따른 절연체 및 저항선을 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 사시도
도 6은 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 A-A' 단면도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법 공정도
도 8은 본 발명의 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법 공정도

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링 및 그 제작방법에 관하여 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 일실시예에 관하여 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

[제 1실시예] 절연체가 피복된 심재의 외주면에 저항선을 권취한 형태

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링을 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링은, 심재(100), 절연체(200) 및 저항선(300)을 포함하여 구성되며, 상기 심재(100), 상기 절연체(200) 및 상기 저항선(300)이 단일의 선재를 형성하고, 상기 심재(100), 상기 절연체(200) 및 상기 저항선(300)으로 이루어지는 상기 선재(1000)가 코일 스프링 구조로 형성된다.

상기 심재(100)는 형상기억합금(shape memory alloy, 이하 SMA)로 이루어진다. 형상기억합금은 온도 변화에 따라 열탄성 변형하는 전도성을 가지는 소재로, 저온상의 마르텐사이트에서는 팽창 변형되고 고온상의 오스테나이트에서는 수축 변형된다. 이러한 변형에 의해 발생하는 것이 바로 형상기억효과로서, 형상기억효과를 보이는 합금은 Ti-Ni, Cu-Zn-Al, Fe 등이 있지만, 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링은, 형상기억효과, 가공성, 내식성, 내마모성 및 생체적합성이 가장 우수한 Ti-Ni 합금으로 제작되는 것이 바람직하다. 좀 더 상세하게, Ni-Ti 합금(니티놀, nitinol)은 변형온도를 넓은 범위에서 제어할 수 있고 변형량이 크며, 수축시에 많은 반복 동작이 작용한 이후에도 형상기억효과 능력이 거의 변화하지 않기 때문이다. 또한 형상기억합금은 양단에 전류가 인가되면 형상기억합금에서 전기저항으로 생성되는 줄열, 즉, 저항열에 의한 열변형과 형상기억변형을 통하여 변형이 가능하기 때문에 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링에 적합한 소재이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선재의 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 절연체(200)는 상기 심재(100) 외주면에 피복되는데, 이와 같이 상기 심재(100) 외주면을 상기 절연체(200)로 피복시키는 이유는 다음과 같다. 일반적으로 전류가 흐르는 도체의 저항이 높을수록 더 많은 저항열이 발생되어 도체의 가열속도가 빨라진다. 상기 심재(100)는 상술한 바와 같이, 형상기억합금 재질로 이루어져 있어 구리와 같은 일반 금속에 비하여 저항이 4배 높아 저항열이 많이 발생하지만, 더욱 많은 저항열을 발생시켜 응답속도를 향상시키기 위하여 후술할 상기 저항선(300)을 상기 심재(100)의 외주면에 권취시킨다. 그러나 상기 심재(100)에 상기 저항선(300)을 직접 접촉시킬 경우 저항이 낮은 상기 심재(100)로 전류가 흐르기 때문에 상기 저항선(300)이 가열되지 않는다. 이에 전류의 흐름을 막아 상기 저항선(300)을 바로 가열시키기 위하여 상기 절연체(200)로 상기 심재(100)의 외주면을 피복시키는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 저항선(300)은 상기 절연체(200) 외주면에 권취되며, 상기 심재(100)보다 더 높은 저항열이 발생하는 재질로 이루어진다. 상기 저항선(300)을 상기 절연체(200)가 피복된 상기 심재(100)에 권취시키는 이유는, 상술한 바와 같이 상기 심재(100)에, 상기 심재(100) 보다 더 높은 저항열이 발생되는 상기 저항선(300)을 결합시켜 저항열에 의한 가열속도가 향상되어 추후 최종적인 형상인 코일 스프링의 응답속도를 높이기 위함이고, 다른 하나는 강성(Stiffness, spring constant)을 높여 불필요한 변위를 최소화 하기 위함이다.

이를 위하여 상기 저항선(300)이 상기 심재(100)에 권취될 때 도 2에 도시된 바와 같이, 피치(pitch)(P)를 어느 정도로 하느냐가 중요할 수 있다. 상기 저항선(300)의 피치를 넓게 이격시켜 권취하면 응답속도를 높이는 효과가 미흡할 수 있고, 상기 저항선(300)의 피치를 좁게 이격 공간없이 권취하면 필요량보다 많은 저항열이 발생되어 비효율적일 수 있기 때문이다. 예를 들면, 인공근육에 상기 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링을 장착시킬 경우, 열의 온도 또는 인가하는 전류량의 조절에 의해 상기 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링이 장착된 인공근육을 생체근육과 유사하게 자연스러운 동작으로 구현될 수 있다. 따라서 불필요한 열 또는 전류량은 오히려 자연스러운 동작 구현에 방해가 될 수 있다. 이러한 것은 상기 심재(100)에 권취되는 상기 저항선(300)의 직경과도 관련이 있는 것으로, 상기 저항선(300)은 직경이 상기 심재(100)의 직경보다 더 작은 것으로 권취되는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상술한 바와 같이, 상기 심재(100)는 온도의 변화에 따라 수축 또는 팽창하는 형상기억합금 재질로 이루어지므로 온도에 따라 길이가 변하게 된다. 만약, 상기 심재(100) 외주면에 상기 심재(100) 보다 직경이 더 큰 저항선(300)이 권취된다면 심재(100)와 저항선(300) 사이의 면접하는 영역이 더 넓어지게 되어 마찰력이 더 증가하게 되므로 상기 심재(100)의 수축과 팽창에 방해가 될 수 있기 때문이다.

따라서 단위 길이당 상기 저항선(300)의 피치는 상기 심재(100)의 직경을 기준으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 저항선(300)이 상기 심재(100) 외주면에 권취되는 단위 피치는 상기 심재(100)의 직경에 의해 결정될 수 있다. 권취되는 상기 저항선(300)은 직경이 상기 심재(100)보다 더 작은 것이 권취되기 때문에 사용하고자 하는 심재의 직경을 기준으로 상기 저항선(300)을 권취하면, 심재를 교체하여 사용할 때에도, 교체된 심재의 직경을 기준으로 피치가 결정되기 때문에 사용자가 필요한 만큼의 응답속도와 강성을 확보할 수 있다. 이 때 상기 저항선(300)은 형상기억합금 재질로 이루어지는 상기 심재(100)보다 저항이 10배 내지 30배 더 높은 니켈크롬, 철크롬, 동니켈 및 콘스탄탄 중 선택되는 어느 하나 이상인 금속 재질로 권취될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선재의 코일 스프링 구조 형성을 도시한 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 심재(100), 상기 절연체(200) 및 상기 저항선(300)으로 이루어지는 상기 선재(1000)를 권취지그(20)에 권취시켜 코일스프링 구조로 형성시킨 후 열처리를 한다. 상기 권취지그(20)는 봉(21), 와이어공급부(22), 와이어회전부(23), 스토퍼(24)를 포함하여 구성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 선재(1000)는 상기 봉(21)의 외주면에 권취되어 코일 스프링 형상으로 형성될 수 있다. 상기 봉(21)은 길이 방향으로 이송되며, 형상은 제작하고자 할 스프링 형상에 따라 원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.

상기 와이어공급부(22)는 일면에 이송된 상기 봉(21)이 통과되는 관통홀(미도시)과, 상기 선재(1000)가 통과되는 다른 관통홀(미도시)를 포함하며, 상기 봉(21)의 일단과 끼움 결합되어 상기 봉(21)의 외주면에 상기 선재(1000)가 권취되도록 상기 선재(1000)를 공급하는 역할을 한다. 상기 와이어회전부(23)는 회전 가능하게 설치되어 상기 선재(1000)가 상기 봉(21)의 외주면에 권취되도록 하는 역할을 한다. 상기 스토퍼(24)는 상기 와이어공급부(22) 및 상기 와이어회전부(23)의 양측 단부에 각각 설치되며, 도면의 좌우방향으로 이동 가능하게 설치되어 상기 선재(1000)를 고정시키는 역할을 할 수 있다. 이와 같이 이루어지는 상기 권취지그(20)를 이용하여 상기 선재(1000)를 코일 스프링 구조로 이후 상술한 바와 같이 열처리를 한다.

일반 금속으로 이루어진 코일 스프링은 봉에 권취만 하면 그 형상이 만들어지지만, 형상기억합금으로 이루어진 코일 스프링은 권취 후 열처리를 해야 완전한 형상이 만들어진다. 즉, 형상기억합금 재질로 이루어진 코일 스프링의 최종적인 형상은 열처리 때의 형상이 되는 것이다. 통상, 형상기억합금으로 코일 스프링을 만들기 위해서는 섭씨 250도 이상으로 열을 가하면 형상기억처리가 가능하지만, 가하는 온도에 따라 형상기억처리나 스프링의 탄성이 달라지므로, 사용하고자 하는 목적에 따라 250도 이상 600도 이하에서 열을 가하는 것이 일반적이다. 따라서 상기 절연체(200)는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 이에 해당하는 유리 섬유 또는 세라믹 섬유로 상기 심재(100)를 피복하는 것이 바람직하다. 설계 조건에 따라, 본 발명의 일실시 예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링은 상기 권취지그(20) 외에도 일정 직경을 가진 봉에 상기 선재(1000)를 권취하여 고정시킨 후 열처리하여 형상을 완성하거나 공업용 와이어 가공기계를 이용하여 코일 스프링 구조로 형성 후 열처리하여 형상을 완성시킬 수 있다.

상기의 과정을 거쳐 완성된 상기 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링은, 스프링의 길이 방향 최대 변위 값이 스프링의 원래 길이의 200% ~ 1600%일 수 있어 형상기억합금 와이어보다 더 인공근육 모듈에 적용하기에 더 적합하다 할 수 있다.

[제 2실시예] 절연체를 심재 외주면에 나선형으로 권취한 형태

도 4는 본 발명의 이실시예에 따른 절연체 및 저항선을 도시한 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링은 심재(100), 절연체(200) 및 저항선(300)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 이실시예를 구성하는 구성 중 상기 심재(100) 및 저항선(300)은 앞서 설명한 본 발명의 일실시예와 동일하므로, 설명은 생략하며, 상기 절연체(200)의 형태만이 다르므로 상기 절연체(200)에 대해서만 설명한 후, 그 효과에 대해서도 설명하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 절연체(200)는 상기 심재(100)의 길이 방향을 따라 상기 심재(100) 외주면에 나선형으로 권취되고, 상기 절연체(200)의 외면에 상기 저항선(300)이 밀착되어 나선형으로 권취되어 있다. 즉, 이실시예가 상기 일실시예와 다른 점은, 상기 일실시예는 상기 심재(100)의 외주면 전체에 상기 절연체(200)가 피복되어 있지만, 이실시예에서 상기 절연체(200)는 상기 심재(100)의 외주면에 권취된 형상이 나선형으로, 상기 저항선(300)이 권취되어 있는 형상과 동일하다는 점이다.

이는 일실시예에서 상술한 바와 같이, 상기 저항선(300)으로 흐르는 전류가 상기 심재(100)로 흐르지 못하게 하기 위해서이다. 상기 절연체(200)가 없을 경우, 상기 심재(100)와 저항선(300)이 접촉하는 표면은 상기 저항선(300)이 권취된 형상인 나선형상이 되게 된다. 따라서 상기 절연체(200)를 이 부분에만 감아 상기 절연체(200)의 원료를 절약할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 절연체(200)를 상기 심재(100)에 권취하는 방법은, 상기 심재(100) 외주면에 상기 절연체(200)를 나선형으로 권취 후, 상기 절연체(200)가 부착된 부위와 밀착되게 상기 저항선(300)을 권취하거나, 상기 절연체(200)의 표면에 상기 저항선(300)을 먼저 부착하여 결합시킨 후, 상기 절연체(200)와 저항선(300)을 함께 상기 심재(100)에 권취시키는 방법이 있을 수 있다.

상기한 방법을 사용할 경우, 코일 스프링형상으로 권취된 상기 심재(100)가 압축되고 팽창할 때, 마찰 또는 스프링에 가해지는 힘에 의해 상기 절연체(200)와 저항선(300)의 결합이 분리될 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 심재(100)의 표면에 상기 절연체(200) 및 저항선(300)이 권취된 형상인 나선형상으로 일정 깊이의 홈(미도시)이 함몰형성되어 상기 절연체(200) 및 저항선(300)이 권취된 위치를 유지하게 할 수 있다.

[제 3실시예] 절연체가 피복된 저항선을 심재 외주면에 권취한 형태

삼실시예는 이실시예와 동일하게 상기 절연체(200)의 형상이 변형된 것이다.

이실시예와 마찬가지로 본 발명의 일실시예와 동일한 구성은 설명을 생략하며, 일실시예 및 이실시에와 다른 형태의 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 사시도이고, 도 6은 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 A-A' 단면도이다.

상술한 바와 같이 일실시예 및 이실시예에서 상기 절연체(200)의 역할은, 상기 저항선(300)에 흐르는 전류가 상기 심재(100)로 흐르지 못하게 하기 위한 것인데 본 발명의 삼실시예는 상기 심재(100)와 저항선(300)이 서로 접촉하지 못하도록 형태가 변형되었다. 본 발명의 삼실시예는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 저항선(300)에 흐르는 전류가 상기 심재(100)로 흐르지 못하도록 상기 저항선(300)을 상기 절연체(200)로 피복하는 것이다. 즉, 상기 저항선(300)의 외주면을 상기 절연체(200)로 감싼 상태에서 상기 저항선(300)을 상기 심재(100)에 나선형으로 권취하는 것이다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 일실시예에 따흔 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법에 관하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법 공정도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법은 절연체 피복 단계(S10), 선재 형성 단계(S20), 스프링 형성 단계(S30) 및 열처리 단계(S40)를 포함한다.

상기 절연체 피복 단계(S10)는 가장 먼저 이루어지는 단계로, 먼저 형상기억합금 재질로 이루어진 상기 심재(100)의 외주면에 상기 절연체(200)를 피복시킨다. 상기 절연체 피복 단계(S10)는 상술한 본 발명에 의한 형상기억합금 스프링의 실시예에 따라 달라질 수 있다.

일실시예의 경우 단순히 심재(100)의 외주면에 상기 절연체(200)를 피복시키나, 이실시예의 경우 상술한대로 상기 절연체(200)와 저항선(300)을 서로 부착시킨 후, 상기 절연체(200)와 저항선(300)을 서로 함께 권취하는 방법을 사용할 수 있으나, 먼저 상기 절연체(200)를 상기 심재(100)의 외주면에 나선형으로 권취하는 것도 가능하다.

삼실시예의 경우 상기 저항선(300) 자체가 상기 절연체(200)로 피복된 상태에서 상기 심재(100)에 권취되므로, 삼실시예의 경우 상기 절연체 피복 단계(S10)가 생략될 수 있다.

상기 선재 형성 단계(S20)는 상기 절연체 피복 단계(S10) 이후 수행되는 단계로, 상기 절연체(200) 외주면에 상기 저항선(300)을 권취시켜, 상기 심재(100), 상기 절연체(200) 및 상기 저항선(300)으로 이루어지는 상기 선재(1000)를 형성한다.

상기 선재 형성 단계(S20) 또한 상술한 실시예들에 따라 방법상 차이가 있을 수 있으나, 상기 절연체 피복 단계(S10)에서 이미 설명했으므로, 실시예들에 따른 방법은 설명을 생략한다.

상기 스프링 형성 단계(S30)는 상기 선재 형성 단계(S20) 이후 상기 선재(1000)를 권취지그(20)에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 단계이다.

상기 열처리 단계(S40)는 최종적인 코일 스프링 형상을 완성시키기 위하여 상기 스프링에 열을 가하여 형상기억합금 스프링을 제작하는 단계이다. 이때 가하는 열의 온도는 스프링의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 스프링의 사용목적 및 설계 기준에 따라 다양한 열의 온도가 결정된다.

상기 열처리 단계(S40)까지 수행되면, 임계온도 이하에서 외적 물리력에 의해 변형된 후에도, 소정의 임계온도에 이르도록 열을 가하면 열변형과 함께 형상기억효과에 의해 원래의 모양으로 복원되는 상기 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링이 완성된다.

다음으로, 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시예와 동일한 구성 및 방법에 관한 설명은 생략하며, 다른 형태의 구성 및 방법에 대해서만 설명하기로 한다. 삼실시예에 따른 제작방법이 일실시예에 따른 제작방법과 다른 점은, 상기 절연체(200)가 피복되는 위치로, 상기 심재(100) 외주면에 피복되지 않고 상기 저항선(300)에 피복되는 것이므로 이와 관련된 단계에 대해서만 설명한 후, 그 효과에 대해서 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법 공정도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링의 제작방법은 저항선 피복 단계(S10), 선재 형성 단계(S20), 스프링 형성 단계(S30) 및 열처리 단계(S40)를 포함한다.

상기 저항선 피복 단계(S10)는, 삼실시예에 따른 제작방법에서 가장 먼저 이루어지는 단계로 상기 저항선(300) 외주면에 상기 절연체(200)를 피복시킨다.

상기 선재 형성 단계(S20)는, 상기 저항선 피복 단계(S100)에서 상기 절연체(200)가 피복된 상기 저항선(300)을 형상기억합금 재질로 이루어진 상기 심재(100) 외주면에 (300)을 권취시키고, 상기 심재(100) 및 상기 저항선(300)으로 이루어지는 상기 선재(1000)를 형성한다.

이후의 단계는 일실시예의 상기 스프링 형성 단계(S30) 및 상기 열처리 단계(S40)와 동일한 것으로 설명을 생략하며, 상기의 단계를 모두 거치면 삼실시예에 따른 저항선을 포함하는 형상기억합금 스프링이 완성된다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 선재
20 : 권취지그
21 : 봉
22: 와이어공급부
23: 와이어회전부
24 : 스토퍼
100 : 심재
200 : 절연체
300 : 저항선

Claims (12)

1. 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재;
   상기 심재의 외주를 전체적으로 피복하는 절연체; 및
   저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취되는 저항선; 을 포함하며,
   상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며,
   상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선이 단일의 선재를 형성하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 선재.
   
2. 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재;
   일정 폭을 갖는 띠형으로 형성되며, 상기 심재의 외주에 나선형으로 권취되는 절연체; 및
   저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 상기 나선형으로 권취된 절연체의 상부에 권취되는 저항선; 을 포함하며,
   상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며,
   상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선이 단일의 선재를 형성하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 선재.
   
3. 형상기억합금 재질로 이루어지는 심재; 및
   저항열이 발생하는 재질로 이루어지며, 외주에 절연체가 피복된 저항선;을 포함하고,
   상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되며,
   상기 외주에 절연체가 피복된 저항선이 상기 심재의 외주에 권취되어 단일의 선재를 형성하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 선재.
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저항선은 상기 심재 보다 10배 내지 30배 더 높은 전기 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 선재.
   
5. 제 4항의 형상기억합금 선재를 코일 스프링 형상으로 권취하여 형성되는 형상기억합금 스프링.
   
6. 형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 전체적으로 절연체를 피복시키되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 절연체 피복 단계;
   상기 절연체의 외주에 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선을 나선형으로 권취하여, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계;
   상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및
   상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제작방법.
   
7. 형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 일정 폭을 갖는 띠형으로 형성된 절연체를 나선형으로 권취하되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 절연체 피복 단계;
   상기 나선형으로 권취된 절연체의 상부에 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선을 나선형으로 권취하여, 상기 심재, 상기 심재의 외주에 권취된 절연체 및 상기 절연체의 외주에 나선형으로 권취된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계;
   상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및
   상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제작방법.
   
8. 저항열이 발생하는 재질로 이루어진 저항선의 외주에 절연체를 피복시키되, 상기 절연체는 섭씨 300도 내지 600도의 고온에 견딜 수 있는 재질로 형성되는, 저항선 피복단계;
   형상기억합금 재질로 이루어진 심재의 외주에 상기 저항선을 권취하여, 상기 심재 및 심재의 외주에 권취된 절연체가 피복된 저항선으로 단일의 선재를 형성하는 형상기억합금 선재 형성 단계;
   상기 형상기억합금 선재를 권취지그에 장착하여 코일 스프링 형상으로 권취하는 형상기억합금 스프링 형성 단계; 및
   상기 형상기억합금 스프링에 열을 가하여 형상기억 열처리를 수행하는 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제작방법.
   
9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리 단계는 상기 형상기억합금 스프링에 섭씨 250도 이상 600도 이하에서 열을 가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 스프링의 제작방법.
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