KR102425193B1 - 스윙형 sma 액추에이터 - Google Patents

스윙형 sma 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 스윙 가능한 부분(12)의 스윙을 허용하는 피봇(13)과, 스윙 가능한 부분(12)의 좌측 및 우측 부분에 각각 있고 피봇(13)으로부터 수직으로 분리된 2개의 연결 요소(15, 15')에 맞물리는 2개의 SMA 와이어(14, 14')에 의해 결합되는, 고정 프레임(11) 및 스윙 가능한 부분(12)을 포함하여, 상기 SMA 와이어(14, 14') 중 하나의 활성화가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 스윙 가능한 부분(12)의 스윙을 유발하는 스윙형 형상 기억 합금(SMA) 액추에이터(10)에 관한 것이다.

Description

스윙형 SMA 액추에이터
본 발명은 스윙형 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy)(SMA) 액추에이터, 및 자동차 덮개를 특별히 언급하지만 배타적이지 않은 그러한 액추에이터를 사용하는 디바이스에 관한 것이다.
액추에이터로서 SMA 와이어를 사용하는 것은 그 사용과 관련된 고도의 자동화 및 제어로 인해 점점 더 높이 평가되고 있으며, 예를 들어 출원인의 이름으로 국제 특허 출원 WO 2016/075606호에 설명된 바와 같이 카메라 모듈과 같은 광범위한 용례에서 성공적으로 이용될 수 있다.
특별한 관심 분야는 국제 특허 출원 WO 2016/156283호에 설명된 바와 같이 로킹 장치를 제어하는 또는 추가 로킹 제어로서 SMA 기반 해결책을 사용하는 것이고, 구체적으로, 예를 들어 전기 모터에 의한 자동차 덮개 자동 로킹 해제를 개시하는 국제 특허 출원 WO 2013/130691호, 및 자동차의 하우징 상에 이동 가능하게 장착된 플랩의 자동 구동과 관련된 센서의 사용을 개시하는 국제 특허 출원 WO 2013/130495호에 설명된 바와 같이, 자동차 연료 덮개 또는 충전 덮개(전기 자동차의 경우)를 제어하는 해결책을 사용하는 것이다.
일반적으로 말하면, SMA 액추에이터가 마이크로 모터를 대체할 수 있는 모든 용례에서, 예를 들어 차량용 공조기의 덕트 출구에 스윙 가능하게 지지되는 루버(louver)를 제어하기 위한 SMA 기반 시스템과 관련하여 미국 특허 출원 제2007/0123158호에 설명된 바와 같이, 지출 부담, 제어 및 신뢰성 측면에서 이점이 있다. 본 발명과 달리, US 2007/0123158호에 설명된 해결책은 로킹 장치를 위한 SMA 제어 해결책에서 대신에 필요로 하는 이동 가능한 요소의 차단/차단 해제 문제를 해결하지 않는다.
동일한 내용이, SMA 와이어에 전원을 인가하는 일 없이 안정된 평형 위치를 제공하기 위해 스윙 가능한 부분에 형성된 다수의 리세스와 맞물리는 편향 스프링에 의해 수직 로드가 지속적으로 푸시되는 동안, 수평 로드를 이동시키기 위해 반대측에서 스윙 가능한 파이 형상의 피스를 푸시하는 2개의 피봇 아암에 작용하는 SMA 와이어를 갖는 SMA 기반 스윙형 액추에이터를 개시하는 미국 특허 출원 제2007/0132551호에도 적용된다.
본 발명의 목적은 자동차 연료 덮개 자동 제어와 같은 용례에서 모터 또는 마이크로 모터를 대체할 수 있고, 제1 양태에서는 고정 프레임과 스윙 가능한 부분을 포함하는 액추에이터로 구성되는 자동 SMA 기반 액추에이터를 제공하는 것이며 스윙 가능한 부분과 고정 프레임은:
- 스윙 가능한 부분의 스윙을 허용하는 피봇 요소,
- 스윙 가능한 부분에 있고 피봇 요소로부터 수직으로 분리된 2개의 연결 요소에 맞물리는 2개의 형상 기억 합금 와이어에 의해 결합되며, 상기 연결 요소는 각각 스윙 가능한 부분의 좌측 및 우측 부분에 있고,
이동 가능한 요소는 스윙 가능한 부분에 존재하는 로킹 요소에 의해 스윙 가능한 부분에 결합된다.
본 발명은 다음 도면의 도움으로 더 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 스윙형 액추에이터를 위에서 본 개략도이고,
도 2a 및 도 2b는 쌍안정 위치 제어를 갖는 본 발명에 따른 스윙형 액추에이터의 상세를 위에서 본 개략도이며,
도 3은 본 발명에 따른 액추에이터를 위에서 본 투시도이다.
도면에서, 일부 경우에 도시된 다양한 요소의 크기 및 치수 비율은 도면을 이해하는 데에 도움이 되도록 변경되었으며, 스윙 액추에이터의 다른 요소와 관련하여 SMA 와이어 직경을 특별히 언급하지만 배타적이지는 않다. 또한, 전류 공급원과 같이 본 발명의 이해에 필요하지 않은 일부 보조 요소는 기술 분야에서 공지된 일반적인 수단이므로 도시하지 않았다.
도 1에는, 고정 프레임(11)을 포함하는 스윙형 SMA 액추에이터(10)가 도시되어 있으며, 그 위에서는 스윙 가능한 부분(12)의 원호형 이동(스윙)을 허용하는 피봇(13)을 통해 스윙 가능한 부분(12)이 피봇된다. 바람직하게는, 스윙 가능한 부분(12)은 피봇(13)에 대응하여 더 좁은 섹션과 액추에이터(10)의 상부 부분에 더 큰 섹션을 가져, T 형상 구조와 유사하다.
스윙 가능한 부분(12)의 이동은 줄 가열(Joule heating)을 통해 교대로 구동되는 2개의 대립적 형상 기억 합금 와이어(14, 14')에 의해 달성된다. 형상 기억 합금 와이어는 벤딩되고 U 형상 구성에 사용되어 더 긴 와이어 길이를 허용하므로 더 높은 힘이 가해지게 한다. 와이어(14, 14')의 말단은 피봇(13)의 양쪽에 있는 고정 지점(141, 141')에서 고정 프레임(11) 상에 각각 고정되고 와이어(14, 14')의 중심 부분은 스윙 가능한 요소(12) 위에 위치 설정된 연결 요소(15, 15')에 권취된다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 연결 요소(15, 15')는 바람직하게는 액추에이터(10)의 상부 부분(T의 수평 아암)의 스윙 가능한 요소(12) 상에 대칭적으로 배치된다.
스윙 가능한 요소(12)에는, 그 내부에 형성된 적절한 리세스(18)로 들어가서 이동 가능 요소(16)를 차단하는 로킹 요소(17)가 있다.
요소(16)의 제어된 이동은 이 경우에 형상 기억 합금 와이어(14')를 가열함으로써 달성되는 구동의 목적이며, 와이어의 단축은 스윙 가능한 부분(12)을 시계 방향으로 회전시켜 로킹 요소(17)를 이동 가능한 요소(16)의 리세스(18)로부터 맞물림 해제한다. 이는 피봇(13)과 같은 다른 요소를 더 잘 이해할 수 있도록 도 1a 및 도 1b에 나타내지 않았지만, 대신에 도 2a 및 도 2b에 도시된 예하중 스프링(19)에 의해 구동되는 요소(16)의 이동을 초래한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 쌍안정 스윙 액추에이터에 유용하게 이용되는 쌍안정 로킹 메커니즘(100)을 예시하기 위한 목적으로, 도 1b의 점선 타원형(100)으로 나타낸 스윙형 액추에이터(10)의 세부 사항의 위에서 본 개략도를 도시한다. 쌍안정 메커니즘(100)은, 맞물림 피처(102)와 정합하도록 프레임(11)의 평면으로부터 상승되는, 고정 프레임(11) 상의 엠보싱 부분(102') 및 스윙 가능한 부분(12) 상에 형성된 2개의 이동 종료 스토퍼(103, 103')를 포함한다. 이미 언급한 바와 같이, 벤딩된 구성의 형상 기억 합금 와이어(14, 14')를 사용하면 더 높은 힘이 인가될 수 있으므로, 안정성이 증가된, 즉 2개의 안정 위치 사이에서 더 높은 힘이 이동되는 것이 요구되는 쌍안정 메커니즘을 사용할 수 있다.
도 2a 및 도 2b에는 또한 요소(16)에 작용하는 스프링(19)의 원위 단부가 도시되어 있으며, 스프링(19)은, 맞물림 해제시에, 즉, 스윙 가능한 부분(12)이 형상 기억 합금 와이어(14')의 작용에 의해 시계 방향으로 풀링/스윙되는 경우에 요소(16)를 액추에이터(10)의 외측을 향해 푸시하도록 로킹 요소(17)가 맞물릴 때 압축된다.
이 회전 동안, 쌍안정 메커니즘(100)은, 맞물림 피처(102)가 형성되는 원호를 탄성적으로 변형시킴으로써, 즉 고정 엠보싱 부분(102') 아래를 통과하도록 맞물림 피처를 꽉 눌러서 도 2a의 제1 안정 위치로부터 도 2b의 제2 안정 위치로 이동한다. 역방향 이동은 SMA 와이어(14)가 활성화되고 스윙 가능한 부분(12)이 반시계 방향으로 회전할 때 발생하는 것이 명백하며, 각 방향에서의 이동 종료는 각각의 스토퍼(103, 103')에 의해 획정된다.
고정 프레임(11)과 스윙 가능한 부분(12) 사이에 위치한 변위 위치 센서, 예를 들어 홀 효과 센서, 전위차계 등을 제공함으로써 스윙 가능한 부분(12)의 정확한 위치 및 이동의 제어가 달성될 수 있다.
도 3은 보다 완전한 표현으로 본 발명에 따른 액추에이터를 위에서 본 투시도이다. 도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b를 참조하여 이미 설명된 주요 요소 및 기본 요소는 동일한 번호로 여기에서 나타낸다.
본 발명은 상기 도면에 도시된 특정 실시예로 제한되지 않고 다른 변형이 포함된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 형상 기억 합금 와이어(14, 14')는 고정 프레임(11)과 스윙 가능한 부분(12) 상에 각각 위치된 고정 지점들 사이에서 연장되는 단순한 직선 와이어일 수 있다.
본 발명은 기하학적 관점에서 직경이 0,010 mm 내지 5 mm인 SMA 와이어가 유용하게 사용되지만, 특정 유형의 형상 기억 합금 와이어로 제한되지 않는다. 이와 관련하여, 형상 기억 합금 와이어는 실제 물체이기 때문에, 원형 섹션에서 벗어나는 것이 가능하고, 이에 따라 직경이라는 용어는 가장 작은 포위 원의 직경으로 의도되어야 함을 강조하는 것이 중요하다.
본 발명은, 처리에 따라 초탄성 와이어 거동 또는 형상 기억 합금 거동을 교대로 나타낼 수 있는 니티놀과 같은 Ni-Ti 기반 합금이 바람직하지만, 임의의 특정한 형상 기억 합금 재료로 제한되지 않는다. 니티놀의 특성 및 이를 달성할 수 있는 방법은 본 기술 분야의 숙련자에게 널리 알려져 있고, 예를 들어 Dennis W. Norwich에 의해 SMST 2010 컨퍼런스에서 발표된 논문 "A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature"을 참조한다.
니티놀은 그 자체로 사용될 수 있거나 천이 온도 측면에서 그 특성은 Hf, Nb, Pt, Cu와 같은 원소를 추가함으로써 맞춤화될 수 있다. 재료 합금 및 그 특성의 적절한 선택은 본 기술 분야의 숙련자에게 일반적으로 알려져 있으며, 예를 들어 다음을 참조한다:
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
또한, 형상 기억 합금 와이어는 그 열 관리, 즉 구동 후에 그 냉각을 개선하기 위해 "그 자체로" 또는 코팅/피복과 함께 사용될 수 있다. 코팅 피복은, 열 전도체인 전기 절연 코팅에 의존하여 잔류 열을 관리하는 방법을 교시하는 미국 특허 제9068561호에 설명된 바와 같이 균일할 수 있으며, 미국 특허 제6835083호는 모든 구동 사이클 후에 냉각을 개선할 수 있는 포위 피복을 갖는 형상 기억 합금 와이어를 설명한다. 또한, 미국 특허 제8739525호에 설명된 바와 같이 상 변화 물질로 제조되거나 이를 함유하는 코팅이 유리하게 이용될 수 있다.
제2 양태에서, 본 발명은, 예를 들어 본 발명에 따른 스윙형 SMA 액추에이터를 통합하는 연료 덮개 또는 전기/하이브리드 자동차의 경우에 충전 공급 덮개와 같은 디바이스로 구성된다.

Claims (11)

  1. 고정 프레임(11) 및 스윙 가능한 부분(12)을 포함하고, 상기 고정 프레임 및 스윙 가능한 부분은
    - 스윙 가능한 부분(12)의 스윙을 허용하는 피봇(13),
    - 스윙 가능한 부분(12)에 있고 피봇(13)으로부터 반경방향으로 분리된 2개의 연결 요소(15, 15')에 맞물리는 2개의 형상 기억 합금 와이어(14, 14')
    에 의해 결합되고,
    상기 연결 요소(15, 15')는 각각 스윙 가능한 부분(12)의 좌측 및 우측 부분에 위치하여, 상기 형상 기억 합금 와이어(14, 14') 중 하나의 활성화가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 스윙 가능한 부분(12)의 스윙을 유발하며,
    액추에이터의 외부를 향해 활주 가능한 이동 가능한 요소(16)를 더 포함하는 액추에이터(10)에 있어서,
    상기 이동 가능한 요소(16)는, 스윙 가능한 부분(12)에 위치되고 상기 이동 가능한 요소(16)의 리세스(18)에 맞물리는 로킹 요소(17)의 맞물림 해제시에 편향 스프링(19)의 작용 하에 액추에이터의 외부를 향해 활주 가능하며,
    상기 맞물림 해제는 상기 스윙 가능한 부분(12)의 스윙에 의해 야기되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터(10).
  2. 제1항에 있어서, 2개의 연결 요소(15, 15')는 피봇 요소(13)에 대해 스윙 가능한 부분(12) 상에 대칭적으로 배치되는, 액추에이터(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스윙 가능한 부분(12)은 T 형상 구조를 갖는, 액추에이터(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 형상 기억 합금 와이어(14, 14')의 중간부는 연결 요소(15, 15') 위에 권취되는, 액추에이터(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스윙 제어 쌍안정 메커니즘(100)을 포함하는, 액추에이터(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고정 프레임(11)과 스윙 가능한 부분(12) 사이에 변위 위치 센서가 있는, 액추에이터(10).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이동 가능한 요소(16)는 디바이스 로킹/로킹 해제 요소로서 작용하는, 액추에이터(10).
  8. 제7항에 있어서, 상기 디바이스는 자동차 덮개, 연료 덮개, 또는 충전 공급 덮개인, 액추에이터(10).
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