KR102479777B1 - 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기 - Google Patents

형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기 Download PDF

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Abstract

형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기가 개시된다. 선형 작동기는, 베이스, 상기 베이스에 대해 선형 이동 가능하게 형성되는 이동 부재 및 일단이 상기 베이스와 연결되고, 타단이 상기 이동 부재와 연결되며, 외부로부터 전달된 전력에 의해 온도가 변하는 SMA(shape memory alloy) 스프링을 포함하고, 상기 SMA 스프링은 온도 변화에 따른 변형에 기초하여 상기 이동 부재의 이동을 견인할 수 있다.

Description

형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기{LINEAR ACTUATOR USING A SHAPE MEMORY ALLOY}
다양한 실시 예들은 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기에 관한 것이다.
선형 움직임을 가지는 우주 구조물 또는 모핑 구조물을 제어하기 위한 선형 작동기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히, 우주 구조물 또는 모핑 구조물에 적용되는 선형 작동기는 보조익, 방향타, 승강타 등의 트림 탭(trim tab)을 직접 제어하는 기능을 수행하게 되므로, 우주 구조물 또는 모핑 구조물의 안정된 비행을 위해서는 반복적인 동작에도 고장 빈도가 낮게 설계되어야 한다.
또한, 대형 우주 구조물 또는 대형 모핑 구조물에 적용되는 선형 작동기는 부피가 작고, 무게가 가벼우면서 정비 교범에 규정된 최대 작동 범위를 갖도록 설계되어야 한다.
삭제
한국등록특허공보 제101271485호 (2013.05.30. 등록)
본 발명의 다양한 실시 예들은, 간단한 구조를 가지고, 최대 작동 범위의 변형에 따른 하중이 급격히 증가하지 않는 선형 작동기를 제공한다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기는, 베이스, 상기 베이스에 대해 선형 이동 가능하게 형성되는 이동 부재 및 일단이 상기 베이스와 연결되고, 타단이 상기 이동 부재와 연결되며, 외부로부터 전달된 전력에 의해 온도가 변하는 SMA(shape memory alloy) 스프링을 포함하고, 상기 SMA 스프링은 온도 변화에 따른 변형에 기초하여 상기 이동 부재의 이동을 견인할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기는 금속 스프링을 더 포함하고, 상기 이동 부재는, 내측 공간부가 형성되는 제1 이동 부재, 상기 제1 이동 부재의 내측 공간부에 수용되고, 상기 제1 이동 부재에 대해 선형 이동 가능하게 형성되고, 내측 공간부가 형성되는 제2 이동 부재, 및 상기 제2 이동 부재에 대해 선형 이동 가능하게 형성되고, 상기 금속 스프링을 통해 상기 베이스와 연결되는 제3 이동 부재를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 제1 및 제2 이동 부재는 상기 금속 스프링을 통과시키는 개구부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 제1 이동 부재 및 상기 제2 이동 부재 사이에 개재되며, 양단이 상기 베이스에 결합되는 제1 와이어를 더 포함하고, 상기 제1 와이어는 상기 제1 이동 부재와 상기 베이스 사이의 간격에 따라 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 제2 이동 부재 및 상기 제3 이동 부재 사이에 개재되며, 양단이 상기 베이스에 결합되는 제2 와이어를 더 포함하고, 상기 제2 와이어는 상기 제2 이동 부재와 상기 베이스 사이의 간격에 따라 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 베이스 및 상기 이동 부재 사이에 배치되어 상기 베이스와 상기 이동 부재 간의 접촉을 방지하는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 SMA 스프링은 기준 온도 이상에서, 외력이 없는 경우의 상기 SMA 스프링의 초기 형상으로 복원될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 SMA 스프링은 기준 온도 미만에서, 변형된 길이를 가진 상태로 형상이 유지될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 상기 제1 및 제2 이동 부재는 각각 일 측이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다.
본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy, SMA) 압축 스프링을 이용한 선형 작동기로써, SMA 압축 스프링에 흐르는 전력을 조절하는 간단한 방법으로 SMA 압축 스프링의 온도를 증가 또는 감소시켜 선형으로 이동할 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 변형된 형상을 외력 없이 유지할 수 있고, 간단한 구조에 의해 반복적인 동작에도 고장 빈도를 현저히 줄일 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 저전력 구동이 가능하므로, 에너지 절감 효과를 구현하는 동시에 선형 작동기의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기(100)의 단면도를 간략하게 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선형 작동기(100)의 작동 범위가 변형되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 변화에 따라 SMA 스프링의 길이가 변형되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기(100)의 단면도를 간략하게 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 선형 작동기(100)는 베이스(10), 이동 부재(20), SMA 스프링(30), 금속 스프링(40), 제1 와이어(50), 제2 와이어(60) 및 댐퍼(70)를 포함한다.
베이스(10)는 사각형의 판 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스(10)는 플라스틱, 폴리카보네이트(PC), 알루미늄 재질, 금속 재질 등을 이용해 제조될 수 있다. 베이스(10)의 내측 또는 외측에는 후술되는 SMA 스프링(30)으로 전력을 공급하거나, 열을 공급하기 위한 장치가 구비될 수 있다. 예를 들어, 전력을 공급하기 위한 장치로는 전원 공급 장치(power supply)를 포함할 수 있고, 열을 공급하기 위한 장치는 히팅 필름(heating film), 히팅 코일(heating coil) 등을 포함할 수 있다. 전력을 공급하기 위한 장치 또는 열을 공급하기 위한 장치는 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스(10)에는 SMA 스프링(30)으로 전력 또는 열을 공급하기 위한 다양한 장치가 구비될 수 있다.
이동 부재(20)는 베이스(10)에 대해 선형적으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 이동 부재(20)는 베이스(10)와 근접하거나, 또는 베이스(10)로부터 이격하도록 형성될 수 있다.
도 1의 실시 예와 같이, 이동 부재(20)는 제1 이동 부재(21), 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 이동 부재(21), 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23)는 베이스(10)와 근접하도록 차례로 적층되거나, 또는 후술되는 SMA 스프링(30)의 변형에 의해 베이스(10)로부터 차례로 이격될 수 있다.
즉, 이동 부재(20)가 베이스(10)와 근접하는 경우에 제1 이동 부재(21) 및 제2 이동 부재(22) 사이의 간격과, 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23) 사이의 간격은 상대적으로 작게 형성되고, 이동 부재(20)가 베이스(10)로부터 이격되는 경우에 제1 이동 부재(21) 및 제2 이동 부재(22) 사이의 간격과, 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23) 사이의 간격이 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
제1 이동 부재(21)와 제2 이동 부재(22)는 내측 공간부를 포함하고, 일 측이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 이동 부재(21)의 폭은 제2 이동 부재(22)의 폭보다 크게 형성될 수 있고, 따라서 이동 부재(20)가 베이스(10)와 근접하는 방향으로 이동하는 경우에 제2 이동 부재(22)가 제1 이동 부재(21)의 내측 공간부로 수용될 수 있다. 반대로, 이동 부재(20)가 베이스(10)와 이격하는 방향으로 이동하는 경우에 제2 이동 부재(22)는 제1 이동 부재(21)의 외측 방향으로 선형적으로 이동할 수 있다.
제3 이동 부재(23)는 제2 이동 부재(22)의 개방된 일 측을 통해 제2 이동 부재(22)의 내측 공간부로 수용될 수 있다. 예를 들어, 제3 이동 부재(23)의 폭은 제2 이동 부재(22)의 개방된 일 측 폭보다 좁거나, 동일하게 형성될 수 있다. 따라서, 이동 부재(20)가 베이스(10)와 근접하는 방향으로 이동하는 경우에 제2 이동 부재(22)의 개방된 일 측을 통해 제3 이동 부재(23)가 제2 이동 부재(22)의 내측에 수용될 수 있다. 반대로, 이동 부재(20)가 베이스(10)와 이격하는 방향으로 이동하는 경우에 제3 이동 부재(23)는 제2 이동 부재(22)의 외측 방향으로 선형적으로 이동할 수 있다.
즉, 이동 부재(20)는 베이스(10)에 대한 이동 방향에 따라 서로 겹겹이 적층되어 형성되거나, 또는 이동 부재(20) 간의 간격이 점차 증가되도록 서로 이격하여 형성될 수 있다. 한편, 도 1 내지 도 2c에서 이동 부재(20)는 제1 이동 부재(21), 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23)로 구성되는 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 선형 작동기(100)가 적용되는 장치의 작동 범위에 따라 이동 부재를 추가할 수도 있다.
SMA 스프링(30)은 일단이 베이스(10)와 연결되고, 타단이 이동 부재(20)와 연결될 수 있다. SMA 스프링(20)은 전도성 분말을 섞은 형상 기억 합금(shape memory alloy, SMA)을 이용한 금속 재질의 압축형 스프링일 수 있다. 예를 들어, 형상 기억 합금(SMA)은 열-기계적 특성에 의해 초기의 SMA 스프링(30) 형상을 기억하여 유리전이온도(glass temperature, Tg) 이상이 되면 변형 전의 초기 형상을 기억하여 복원되려는 특성을 가질 수 있고, 반대로 유리전이온도(Tg) 이하에서는 형상을 변형시키면 그 변형된 형상을 유지하고 있을 수 있다.
즉, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이하에서 외력을 가하면 압축된 형상을 유지할 수 있고, 유리전이온도(Tg) 이상의 온도를 가하면 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 초기 형상으로 복원되고자 할 수 있다. 즉, SMA 스프링(30)은 형상 기억 합금(SMA)의 성질을 이용해 선형 작동기(100)의 전체 길이를 자유롭게 조절할 수 있다.
이를 구현하기 위해, SMA 스프링(30)과 연결된 베이스(10)의 내측 또는 외측에는 SMA 스프링(30)으로 전력을 공급하거나, 열을 공급하기 위한 장치가 구비될 수 있다. 예를 들어, 전력을 공급하기 위한 장치로는 전원 공급 장치(power supply)를 포함할 수 있고, 열을 공급하기 위한 장치는 히팅 필름(heating film), 히팅 코일(heating coil) 등을 포함할 수 있다. 전력을 공급하기 위한 장치 또는 열을 공급하기 위한 장치는 이에 한정되는 것은 아니며, 베이스(10)에는 SMA 스프링(30)으로 전력 또는 열을 공급하기 위한 다양한 장치가 구비될 수 있다. 이하에서는, SMA 스프링(30)에 전력을 공급하여 SMA 스프링(30)의 온도를 증가 또는 감소하는 경우에 대해 설명하기로 한다.
일 실시 예에서, SMA 스프링(30)은 베이스(10)의 내측 또는 외측으로부터 인가되는 전력의 크기에 따라 온도가 증가하거나 또는 감소할 수 있고, 특정 온도에서 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 형태가 변형되거나, 유지될 수 있다.
예를 들어, SMA 스프링(30)은 외부로부터 공급된 전력에 의해 미리 설정된 유리전이온도(glass temperature, Tg) 이상이 되는 경우, 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 초기 형상으로 복원되고자 할 수 있다. 즉, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이상에서 SMA 스프링(30)의 복원력이 커져서, 이 복원력이 SMA 스프링(30) 압축에 사용된 외력보다 커져 초기 형상으로 복원됨에 따라 압축된 반대 방향으로 길이가 늘어날 수 있다. SMA 스프링(30)의 길이가 늘어남에 따라, 이동 부재(20)가 베이스(10)의 외측 방향으로 선형적으로 이동할 수 있다. 즉, 베이스(10)와 이동 부재(20) 사이의 간격은 상대적으로 넓어질 수 있다.
반대로, SMA 스프링(30)으로 전력이 공급되지 않음으로써, SMA 스프링(30)의 온도가 유리전이온도(Tg) 이하가 되는 경우, 변형된 형상으로 유지될 수 있다. 즉, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이하에서 외력에 의해 압축된 형상을 유지할 수 있고, 베이스(10)와 이동 부재(20) 사이의 간격은 SMA 스프링(30)의 길이가 늘어난 것과 비교하여 상대적으로 좁게 형성될 수 있다.
금속 스프링(40)은 이동 부재(20)와 결합하여 SMA 스프링(30)에 외력을 인가하기 위한 스프링으로서, 복수 개로 구비될 수 있다. 본 실시 예에서, 금속 스프링(40)은 일단이 베이스(10)와 연결되고, 타단이 베이스(10)로부터 가장 이격된 이동 부재(20)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 이동 부재(20)가 제1 이동 부재(21), 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23)의 3단의 이동 부재(20)로 구성되는 경우에 금속 스프링(40)의 일단은 베이스(10)에 결합되고, 타단은 제3 이동 부재(23)에 결합될 수 있다. 이 경우, 제1 이동 부재(21)와 제2 이동 부재(22)는 금속 스프링(40)을 통과시키기 위한 개구부를 포함할 수 있다.
본 실시 예에 따르면, 유리전이온도(Tg) 이하에서는 금속 스프링(40)의 탄성력이 SMA 스프링(30)의 복원력보다 크게 되고, 이 탄성력이 SMA 스프링(30)에 외력으로 작용하여 SMA 스프링(30)을 압축함에 따라, 선형 작동기(100)는 최초 형상으로 있을 수 있다. 유리전이온도(Tg) 이상에서는 SMA 스프링(30)의 복원력이 금속 스프링(40)의 탄성력보다 크게 형성되어 이동 부재를 밀어 올려서 선형 작동기(100)의 전체 길이를 증가시킬 수 있다. 이후 SMA 스프링(30)의 온도가 유리전이온도(Tg) 이하가 되는 경우, 금속 스프링(40)의 탄성력이 SMA 스프링(30)의 복원력보다 커져, SMA 스프링(30)이 압축되면서 선형 작동기(100)는 최초 형상으로 되돌아올 수 있다.
제1 와이어(50)와 제2 와이어(60)는 이동 부재(20)의 선형적 이동에 따라 형상이 탄성적으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 제1 와이어(50) 및 제2 와이어(60)는 수축 및 복원력이 뛰어난 탄성 재질인 탄소 섬유, 유리 섬유 등으로 제조될 수 있고, 와이어가 내장된 수지, 실리콘, 고무, 등과 같은 연성의 재질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 와이어(50) 및 제2 와이어(60)는 차례로 적층된 이동 부재(20) 사이에 각각 형성되고, 양단이 베이스(10)에 결합될 수 있다. 구체적으로, 제1 와이어(50)는 양단이 베이스(10)에 결합되고, 제1 이동 부재(21) 및 제2 이동 부재(22) 사이에 배치되어 이동 부재(20)의 이동에 따라 형상이 탄성적으로 변형될 수 있다. 제2 와이어(60)는 양단이 베이스(10)에 결합되고, 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23) 사이에 배치되어 이동 부재(20)의 이동에 따라 형상이 탄성적으로 변형될 수 있다.
예를 들어, 유리전이온도(Tg) 이상에서 SMA 스프링(30)이 늘어남에 따라 이동 부재(20)가 베이스(10)와 멀어지는 방향으로 이동하는 경우에 제1 와이어(50)는 제1 이동 부재(21)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제2 이동 부재(22)를 제1 이동 부재(21)의 외측 방향으로 밀어낼 수 있다. 연속하여, 제2 와이어(60)는 제2 이동 부재(22)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제3 이동 부재(23)를 제2 이동 부재(22)의 외측 방향으로 밀어낼 수 있다. 즉, 유리전이온도(Tg) 이상에서 SMA 스프링(30)의 복원력은 금속 스프링(40)의 탄성력보다 크게 형성됨으로써, 이동 부재(20)를 베이스(10)의 외측 방향으로 밀어낼 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 와이어(50) 및 제2 와이어(60)의 두께를 두껍게 형성하거나 또는 얇게 형성하여 이동 부재(20)의 이동 속도를 조절할 수도 있다.
반대로, SMA 스프링(30)의 온도가 유리전이온도(Tg) 이하가 되는 경우, 금속 스프링(40)의 탄성력이 SMA 스프링(30)의 복원력보다 커져 이동 부재(20)는 베이스(10)와 근접하는 방향으로 이동할 수 있다. 이 경우, 제3 이동 부재(23)는 제2 이동 부재(22)의 내측 공간부에 수용되고, 연속하여 제2 이동 부재(22)는 제1 이동 부재(21)의 내측 수용부에 수용될 수 있다. 즉, 유리전이온도(Tg) 이하에서 금속 스프링(40)의 탄성력은 SMA 스프링(30)의 복원력보다 크게 형성되어 선형 작동기(100)를 최초 형상으로 되돌릴 수 있다.
댐퍼(70)는 베이스(10)와 이동 부재(20) 간의 직접적인 접촉을 방지할 수 있다. 예를 들어, 댐퍼(70)는 복수 개로 구비되어 베이스(10)의 양단에 각각 설치될 수 있고, 이동 부재(20)가 베이스(10)와 근접하는 방향으로 이동하는 경우에 이동 부재(20)와의 충돌에 의한 충격 에너지가 감쇄되도록 고무 등의 재질로 제조될 수 있다.
일 실시 예에서, 댐퍼(70)는 제2 이동 부재(22)가 수용되는 제1 이동 부재(21)의 내측면과 제3 이동 부재(23)가 수용되는 제2 이동 부재(22)의 내측면에 각각 형성될 수 있다. 예를 들어, SMA 스프링(30)의 형상 변형에 의하여 선형 작동기(100)의 길이가 늘어났다 줄어드는 경우에 제1 이동 부재(21)의 내측면에 형성된 댐퍼(70)는 제2 이동 부재(22)와의 충돌에 의한 충격 에너지를 흡수하고, 제2 이동 부재(22)의 내측면에 형성된 댐퍼(70)는 제3 이동 부재(23)와의 충돌에 의한 충격 에너지를 흡수할 수 있다. 즉, 댐퍼(70)는 베이스(10) 및 이동 부재(20) 간의 충돌에 의한 충격과 진동을 완화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 선형 작동기(100)는 가변 형상을 가지는 SMA 스프링(30)을 이용해 우주 구조물 또는 모핑 구조물 등에 결합될 수 있다. 이하에서는, SMA 스프링(30)의 길이에 따라 전체 길이가 변형된 선형 작동기(100)에 대해 보다 구체적으로 상술하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따라, SMA 스프링(30)의 길이 변화에 따라 작동 범위가 변형되는 선형 작동기(100)를 도시한 도면이다.
도 1과 함께 도 2a를 참조하면, 외부로부터 전력이 공급되지 않은 경우에 SMA 스프링(30)의 온도는 미리 설정된 기준온도(예를 들어, 유리전이온도) 이하가 되고, 이 경우 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 형상을 변형시키면 변형된 형상을 유지할 수 있다. 예를 들어, 유리전이온도(Tg) 이하에서 금속 스프링(40)의 탄성력을 이용하여 SMA 스프링(30)을 압축하는 경우에 SMA 스프링(30)은 압축된 형상 및 길이를 유지할 수 있다. 즉, 유리전이온도(Tg) 이하에서 선형 작동기(100)는 전체 길이(H)를 유지할 수 있다. 이 경우, SMA 스프링(30)의 복원력은 금속 스프링(40)의 탄성력보다 작게 형성될 수 있다. 또한, SMA 스프링(30)이 압축된 길이를 유지함에 따라 이동 부재(20)는 베이스(10)와 상대적으로 가장 근접하여 배치될 수 있다. 즉, 제3 이동 부재(23)는 제2 이동 부재(22)의 내측에 수용되고, 제2 이동 부재(22)는 제1 이동 부재(21)의 내측 공간부에 수용됨으로써, 선형 작동기(100)의 최초 상태를 유지할 수 있다.
이후에 도 1과 함께 도 2b를 참조하면, 외부로부터 전력이 공급되는 경우에 SMA 스프링(30)의 온도는 유리전이온도(Tg) 이상이 되고, 이 경우 형상 기업 합금(SMA)의 성질에 의해 압축되지 않은 변형 전의 초기 형상으로 점차 변형될 수 있다. 예를 들어, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이상에서 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 초기 형상으로 변할 수 있고, 이에 따라 선형 작동기(100)의 전체 길이(H)는 늘어날 수 있다. 이 경우, SMA 스프링(30)의 복원력은 금속 스프링(40)의 탄성력보다 크게 형성될 수 있고, 금속 스프링(40)의 길이는 SMA 스프링(30)의 늘어난 길이에 대응하여 늘어날 수 있다. SMA 스프링(30)의 길이가 늘어남에 따라 이동 부재(20)와 베이스(10) 사이의 간격이 길어질 수 있다.
즉, SMA 스프링(30)의 길이가 늘어남에 따라 제1 와이어(50)는 제1 이동 부재(21)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제2 이동 부재(22)를 제1 이동 부재(21)의 외측 방향으로 밀어내고, 제2 와이어(60)는 제2 이동 부재(22)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제3 이동 부재(23)를 제2 이동 부재(22)의 외측 방향으로 밀어낼 수 있다. 즉, 제3 이동 부재(23)는 제2 이동 부재(22)의 외측 방향으로 점진적으로 멀어지고, 제2 이동 부재(22)는 제1 이동 부재(21)의 외측 방향으로 점진적으로 멀어짐으로서, 선형 작동기(100)의 전체 길이(H)가 점차 늘어날 수 있다.
이후에 도 1과 함께 도 2c를 참조하면, SMA 스프링(30)의 온도 증가에 의해 선형 작동기(100)의 전체 길이는 최대로 변형될 수 있다. 예를 들어, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이상에서 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 초기 형상의 길이로 늘어나고, 이에 따라 선형 작동기(100)의 전체 길이(H')는 최대로 늘어날 수 있다. 이 경우, SMA 스프링(30)의 복원력은 금속 스프링(40)의 탄성력보다 크게 형성될 수 있고, 금속 스프링(40)의 길이는 SMA 스프링(30)의 늘어난 길이에 대응하여 늘어날 수 있다.
SMA 스프링(30)의 길이가 최대로 늘어남에 따라 이동 부재(20)는 베이스(10)와 상대적으로 멀어질 수 있다. 즉, SMA 스프링(30)의 길이가 최대로 늘어남에 따라 제1 와이어(50)는 제1 이동 부재(21)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제2 이동 부재(22)를 제1 이동 부재(21)의 외측 방향으로 밀어내고, 제2 와이어(60)는 제2 이동 부재(22)의 이동에 의해 형상이 탄성적으로 변형되어 제3 이동 부재(23)를 제2 이동 부재(22)의 외측 방향으로 밀어낼 수 있다. 이 경우, 제1 이동 부재(21) 및 제2 이동 부재(22) 사이에 형성된 제1 와이어(50)는 제1 이동 부재(21)의 상부면과 일직선을 이루고, 제2 이동 부재(22) 및 제3 이동 부재(23) 사이에 형성된 제2 와이어(60)는 제2 이동 부재(22)의 상부면과 일직선을 이룰 수 있다. 즉, 선형 작동기(100)의 전체 길이(H')는 SMA 스프링(30)의 길이가 늘어남에 따라 베이스(10)와 이동 부재(20)의 간격을 늘려, 선형 작동기(100)의 작동 범위가 최대로 변형될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도 변화에 따라 SMA 스프링의 길이가 변형되는 것을 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 3의 (a)는 외력이 가해지지 않은 초기 형상의 SMA 스프링을 도시한 것이고, 도 3의 (b)는 외력에 의해 압축된 형상을 가진 SMA 스프링을 도시한 것이며, 도 3의 (c)는 초기 형상으로 변형되는 SMA 스프링을 각각 도시한 것이다. 여기에서 외력은 이동 부재(20)를 누르는 힘 또는 금속 스프링(40)의 탄성력에 의한 외력일 수 있다.
도 1 내지 도 2c와 함께 도 3을 참조하면, 유리전이온도(Tg) 이하에서 SMA 스프링(30)은 압축하여 변형된 형상을 유지할 수 있고, 유리전이온도(Tg) 이상에서는 형상 기억 합금(SMA) 성질에 의해 초기 형상으로 복원될 수 있다.
예를 들어, 형상 기억 합금(SMA)은 열-기계적 특성에 의해 초기의 SMA 스프링(30) 형상을 기억하여 유리전이온도(glass temperature, Tg) 이상이 되면 변형 전의 초기 형상을 기억하여 복원되려는 특성을 가질 수 있고, 반대로 유리전이온도(Tg) 이하에서는 변형된 형상을 유지하려는 특성을 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유리전이온도(Tg) 이하에서 외력에 의해 SMA 스프링(30)의 길이를 L0에서 L0-ΔL로 압축하여 변형하는 경우, SMA 스프링(30)은 압축된 길이로 유지될 수 있다.
이후에 외부로부터 공급된 전력에 의해 SMA 스프링(30)의 온도가 미리 설정된 유리전이온도(Tg) 이상이 되는 경우, 형상 기억 합금(SMA)의 성질에 의해 SMA 스프링(30)은 초기 형상으로 복원됨에 따라 길이가 늘어날 수 있다. 즉, SMA 스프링(30)은 유리전이온도(Tg) 이상에서 복원력이 증가하여 SMA 스프링(30)의 초기 형상으로 복원될 수 있고, 따라서 SMA 스프링(30)은 L0 길이로 복원될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 형상 기억 합금(Shape Memory Alloy, SMA) 압축 스프링을 이용한 선형 작동기로써, SMA 압축 스프링에 흐르는 전력을 조절하는 간단한 방법으로 SMA 압축 스프링의 온도를 증가 또는 감소시켜 선형으로 이동할 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 변형된 형상을 외력 없이 유지할 수 있고, 간단한 구조에 의해 반복적인 동작에도 고장 빈도를 현저히 줄일 수 있다.
또한, 본 개시에서 제안하는 선형 작동기는 저전력 구동이 가능하므로, 에너지 절감 효과를 구현하는 동시에 선형 작동기의 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 선형 작동기 10: 베이스
20: 이동 부재 30: SMA 스프링
40: 금속 스프링 50: 제1 와이어
60: 제2 와이어 70: 댐퍼

Claims (9)

  1. 형상 기억 합금을 이용한 선형 작동기로서,
    베이스;
    상기 베이스에 대해 선형 이동 가능하게 형성되는 이동 부재;
    일단이 상기 베이스와 연결되고, 타단이 상기 이동 부재와 연결되며, 외부로부터 전달된 전력에 의해 온도가 변하는 SMA(shape memory alloy) 스프링; 및
    금속 스프링을 포함하고,
    상기 SMA 스프링은 온도 변화에 따른 변형에 기초하여 상기 이동 부재의 이동을 견인하고,
    상기 이동 부재는,
    내측 공간부가 형성되는 제1 이동 부재;
    상기 제1 이동 부재의 내측 공간부에 수용되고, 상기 제1 이동 부재에 대해 선형 이동 가능하게 형성되고, 내측 공간부가 형성되는 제2 이동 부재; 및
    상기 제2 이동 부재의 내측 공간부에 수용되고, 상기 제2 이동 부재에 대해 선형 이동 가능하게 형성되고, 상기 금속 스프링을 통해 상기 베이스와 연결되는 제3 이동 부재를 포함하는, 선형 작동기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이동 부재 및 상기 제2 이동 부재는 상기 금속 스프링을 통과시키는 개구부를 포함하는, 선형 작동기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 이동 부재 및 상기 제2 이동 부재 사이에 개재되며, 양단이 상기 베이스에 결합되는 제1 와이어를 더 포함하고,
    상기 제1 와이어는 상기 제1 이동 부재와 상기 베이스 사이의 간격에 따라 탄성적으로 변형되는, 선형 작동기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 이동 부재 및 상기 제3 이동 부재 사이에 개재되며, 양단이 상기 베이스에 결합되는 제2 와이어를 더 포함하고,
    상기 제2 와이어는 상기 제2 이동 부재와 상기 베이스 사이의 간격에 따라 탄성적으로 변형되는, 선형 작동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 및 상기 이동 부재 사이에 배치되어 상기 베이스와 상기 이동 부재 간의 접촉을 방지하는 댐퍼를 더 포함하는, 선형 작동기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 SMA 스프링은 기준 온도 이상에서, 외력이 없는 경우의 상기 SMA 스프링의 초기 형상으로 복원되는, 선형 작동기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 SMA 스프링은 기준 온도 미만에서, 변형된 길이를 가진 상태로 형상이 유지되는, 선형 작동기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 이동 부재는 각각 일 측이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되는, 선형 작동기.
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