KR20030085131A - 온도제어를 개선한 형상기억합금 액츄에이터 - Google Patents

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KR20030085131A
KR20030085131A KR10-2003-7011088A KR20037011088A KR20030085131A KR 20030085131 A KR20030085131 A KR 20030085131A KR 20037011088 A KR20037011088 A KR 20037011088A KR 20030085131 A KR20030085131 A KR 20030085131A
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본베렌스피터이
페어뱅크스딜란엠
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나노머슬, 인크.
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Abstract

단단한 부재(21-23) 및 SMA 와이어(212, 213)를 갖는 SMA 엑츄에이터(20)가 제공되어 있고, 엑츄에이터의 SMA 와이어의 개선된 온도 제어는 히트 싱크에 의해 제공되고, 이 히트 싱크는 와이어의 적어도 중심부에 매우 근접하는 단단한 부재 자체일 수 있다. 선택적으로, 단단한 부재에 부착되는 와이어의 단부가 히트 싱크에 매우 근접하지 않도록 하는 크기를 히트 싱크가 갖고, 또한 그러한 위치에 위치된다. 히트 싱크가 외부에 위치되는 경우, 히트 싱크는, 엑츄에이터의 가열 사이클중에 히트 싱크로서 수동적으로 작용하고 또한 엑츄에이터의 냉각 사이클중에 능동적인 냉각 요소로서 작용하는 냉각 요소를 갖는다. 소정 수축 한계 및 전력 회로를 갖는 SMA 엑츄에이터는, 엑츄에이터가 소정 수축 한계 이하로 수축하는 때에 일반적으로 폐쇄되고 또한 소정 수축 한계에 도달하는 엑츄에이터에 의해 개방되는 스위치를 전력 공급 회로에 구비한다. 이러한 개선된 온도 제어는 더 신속한 응답 및 엑츄에이터의 연장된 작동 수명에 대해 SMA 와이어의 더 큰 냉각을 제공한다.

Description

온도제어를 개선한 형상기억합금 액츄에이터{SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATOR WITH IMPROVED TEMPERATURE CONTROL}
형상기억효과를 나타내는 부류의 재료는 1950년대에 발견되었다. 이는, 예컨대, 1998 영국 캠브리지 ISBN 0-521-44487X 의 캠브리지 대학 신문에 발표된 오쯔까 (K. Otsuka) 와 웨이만 (C.M. Wayman) 의 "형상기억재료" 에서 알 수 있다. 이들 재료는 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타낸다; 즉, 이들 재료는 마르텐사이트 상 (phase) 이며 쉽게 변태할 수 있기 때문에 소정의 천이온도 이하에서 휘기 쉽다. 온도가 천이온도를 상회하여 오르면, 재료는 큰 힘을 발생하면서 오스테나이트 상으로 그리고 이전의 형상으로 되돌아온다. 이들 재료의 예로서는, 안정성을 향상시키거나 마르텐사이트-오스테나이트 천이온도를 변경하기 위해 소량의 다른 금속을 택일적으로 포함하는 대략 50:50 원자%의 티타늄-니켈 (TiNi) 합금이 있는데, 이 합금은 형상기억효과를 나타내도록 조성 및 처리될 수 있다. 다른합금의 예로서는, β-황동으로 알려진 Cu/Al/Ni 합금 및 Cu/Al/Zn 합금이 있다. 이러한 합금은 일반적으로 형상기억합금 (SMA) 이라 불리우며, 다수의 공급처로부터 와이어 형태로 얻을 수 있는데, 그 직경은 작게는 37 ㎛ 으로부터 1 mm 이상이다. 이는, 예컨대, 미국 캘리포니아주 92715 어빈에 소재하는 다이널로이 코포레이션 (Dynalloy Corp.) 의 기술정보 팜플렛에 발표된 "플렉시놀 액츄에이터 와이어 (flexinol actuator wire) 의 기술적 특성" 에서 알 수 있다.
형상기억합금 와이어는, 마르텐사이트 상이면서 그 종축선을 따라 쉽게 신장할 수 있으며, 그럼으로써 원자결정구조가 재배열되도록 처리된 형상기억합금 와이어이다. 이 와이어는, 일단 신장되면, 결정구조가 원래의 (기억된) 오스테나이트 형상으로 복원되는 오스테나이트 천이온도를 상회하는 온도로 가열되기 까지는 유지된다. 이러한 복원은 와이어를 원래의 길이로 되돌릴 뿐만 아니라, 합금과 그 합금의 처리에 따라 달라지기는 하지만, 일반적으로 1 mm2단면적당 50 Kgf 정도의 큰 힘을 발생시킨다. 이처럼 단면적당 큰 힘이 발생하기 때문에, 형상기억합금 와이어는 통상적으로 작은 직경의 것으로 제조된다. 예컨대, 100 ㎛ 직경의 와이어는 약 250 g 의 힘을 전달할 수 있다. 보다 큰 힘을 얻기 위해서는, 와이어 두께를 더 두껍게 하거나 복수의 와이어로 하는 것이 필요하다.
형상기억합금은 1951년 이래 알려졌지만, 형상기억특성을 나타내는 물리적 처리에 어느 정도의 고유한 제한이 있기 때문에, 상업적 액츄에이터로의 적용은 제한되었다. 상업적 적용과 관련한 이러한 결점은 다음과 같은 요인들이 연관되어있기 때문이다:
(1) 제한된 변위
TiNi 형상기억합금 와이어는 열탄성 마르텐사이트로부터 오스테나이트로의 천이중에 길이가 8% 이하로 수축될 수 있다. 그러나, 이 와이어는 수명이 다하기 전까지는 수회의 사이클 동안 상기와 같은 변형 레벨에서만 유지될 수 있다. 합당한 사이클 수명동안의 최대 변형은 3-5% 범위이다. 예컨대, 합당한 사이클 수명을 가지는 액츄에이터의 경우에는, 1 cm 의 이동을 발생시키기 위해서는 25 cm 를 넘는 형상기억합금 와이어가 필요하다.
(2) 최소 굽힘 반경
긴 길이의 형상기억합금을 작은 공간에 패키징하기 위한 확실한 해결은 소정 종류의 풀리 시스템을 이용하는 것이다. 그러나 불행하게도, 형상기억합금 와이어는 날카로운 벤드 (bend) 에 놓이는 경우에는 손상될 수가 있다. 일반적으로, 형상기억합금 와이어는 와이어 직경의 50배 미만의 반경에 대하여 구부려지지 않아야 한다. 예컨대, 250 ㎛ 직경의 와이어에 대해서는 사이클 수명을 높히기 위해서는 대략 1.25 cm 의 최소 굽힘 반경이 권장된다. 여기서 언급한 "최소 굽힘 반경" 이라 함은, 형상기억합금 와이어가 손상없이 구부려질 수 있고 오스테나이트-마르텐사이트 사이클을 반복할 수 있는 범위내의 최소 반경을 의미한다. 소형의 풀리를 여러개 부가할 경우 우선 형상기억 합금을 이용하는 이점들 중의 하나를 없애면서 시스템이 기계적으로 복잡해진다. 또한, 최소 굽힘 반경의 요건에 따르면 액츄에이터 크기에 대한 최하 한계를 설정하게 된다.
(3) 사이클 시간
형상기억합금 와이어는 통상은 전류를 통전시켜 저항 가열된다. 이후, 이 와이어는 그 개시위치로 다시 신장되기 전에 Ms온도 미만까지 냉각된다. 이러한 냉각을 공기중에서의 대류에 의해 행하는 경우에는, 액츄에이터의 재사용 이전에 많은 시간이 걸릴 수 있다. 전술한 250 ㎛ 와이어는 자유 공기중에서 약 5초 이상의 최상의 사이클 시간을 갖는다. 예컨대, 형상기억합금의 통전된 걷는 곤충인 스티퀴토 (Stiquito) [콘래드 (J.M. Conrad) 및 밀스 (J.W. Mills), "스티퀴토: 단순하고 저렴한 로봇에 의한 진보적 실험", 미국 캘리포니아주 로스 알라미토스, IEEE 컴퓨터 사회 신문, ISBN 0-8186-7408-3] 는 3-10 cm/min. 만의 걷는 속도를 달성하고 있다. 냉각속도는 와이어의 부피에 대한 표면적 비율에 따라 좌우되기 때문에 와이어 직경이 변하면 사이클 시간이 영향을 받는데, 와이어 직경이 작아지면 사이클 시간이 짧아진다.
사이클 시간에 대한 문제는, 형상기억합금 액츄에이터가 반복되는 on-off 사이클을 겪는 때에, 예컨대 스티퀴토 또는 그와 유사한 장난감에서 사용되거나 또는 액츄에이터가 계속하여 사이클을 겪는 또 다른 환경에서 사용되는 경우에 더 심각하다. 따라서, 형상기억합금 소자 주위의 공기와 다른 임의의 부품이 외부의 주위온도보다 높게 가열될 수 있고, 열을 방출하고 마르텐사이트 상태로 냉각하는 형상기억합금 소자의 능력이 감소하게 된다.
완전한 수축을 달성하기 위해 급속히 가열하면, 종종, 형상기억합금 와이어의 온도가 특히 와이어의 중심부에 걸쳐 Af온도를 상당히 초과하고; 이러한 큰 온도 변동이 반복되면 와이어의 피로가 초래되고 수명이 단축되므로, 냉각을 제어하지 못하면 수명 (사이클 수) 에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
이러한 제한을 극복하기 위해, 형상기억합금계 액츄에이터는 일반적으로 기다란 직선형의 와이어 또는 코일을 사용한다. 이는, 예컨대, 하시모또 (M. Hashimoto), 다께다 (M. Takeda), 사가와 (H. Sagawa), 지바 (I. Chiba), 및 사또 (K. Sato) 의 "형상기억합금의 로보틱 액츄에이터에의 적용" (J. Robotic Systems, 2(1), 3-25 (1985)); 구리바야시 (K. Kuribayashi) 의 "TiNi 합금 와이어를 이용한 조인트 기구의 새로운 액츄에이터" (Int. J. Robotics, 4(4), 47-58 (1986)); 이꾸따 (K. Ikuta) 의 "마이크로/미니어쳐 형상기억합금 액츄에이터" (IEEE Robotics and Automation, 3, 2151-2161 (1990)); 및 이꾸따 (K. Ikuta), 쯔까모또 (M. Tsukamoto), 및 히로세 (S. Hirose) 의 "전기저항 피드백을 구비한 형상기억합금 서보 액츄에이터 및 활동 내시경을 위한 적용" (Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Information, 427-430 (1988)) 에서 알 수 있다. 명확하게는, 특히 소형화가 요구되는 여러 가지의 적용에 있어서, 기다란 직선형 와이어를 사용하는 것은 비실용적이다. 코일은, 전달되는 스트로크를 크게 증가시킨다고 하여도 두꺼워서 가용력 (이 힘은 피치각-전체의 코일 축선과 코일의 단일 꼬임부의 축선간의 각도이며 가급적 몇도 정도로 작은 각도-의 사인(sine)에 비례한다) 을 상당히 감소하고; 힘의 강하를 보상하기 위해, 보다 두꺼운 와이어를 사용하게 되는데, 이는 최종 액츄에이터의 응답성을 감소하여 여러 가지의 적용에 부적합하게 만든다.
가용 변위를 기계적으로 증폭하는데 통상적으로 이용되는 다른 기구, 즉 그랜트 (D. Grant) 및 헤이워드 (V. Hayward) 의 "형상기억합금 액츄에이터의 가변제어구조" (IEEE Control Systems, 17(3), 80-88 (1997)) 에 개시된 기구 및 미국특허 제4,806,815호에 개시된 기구는 가용력에 대한 동일한 제한을 받기 때문에, 두꺼운 와이어에 대한 요건이 필요하며, 사이클 시간과 관련하여 수반되는 문제를 안고 있다.
형상기억합금 액츄에이터를 그 천이온도까지 가열하는 통상의 방법은 펄스폭 변조 (pulse width modulation: PWM) 이다. 이 방법에서는, 소정 비율의 미리 설정된 주기동안에 고정 전압이 인가된다. 단일 주기 (듀티 사이클이라고 함) 에서의 온-타임과 오프-타임의 비율이 변함에 따라, 형상기억합금에 전달되는 총 전력량이 제어될 수 있다. 이 방법은, 액츄에이터를 구동하는데 요구되는 단일 트랜지스터가 전부여서 디지털-아날로그간의 변환 필요성이 없고 관련 증폭기가 제거되는, 디지털 시스템에서 실시될 수 있다고 하는 용이성 때문에 인기가 있다.
많은 상업적인 마이크로콘트롤러가 펄스폭 변조 신호를 발생시키기 위한 빌트-인 하드웨어를 포함하여, 콘트롤러에 있어서의 계산상의 경비를 감소시키고; 또한 펄스폭 변조 출력이 저렴한 디지털-아날로그 변환기구로서 사운드 칩 (즉, "말하는" 인사장 등에 사용되는 사운드 칩) 에 사용되어, 이들 저가의 칩을 본 발명의 형상기억합금 액츄에이터용의 콘트롤러로서 적합하게 만들기 때문에, 펄스폭 변조제어는 특히 매력적이다. 몇가지의 적용에 있어서, 완전한 펄스폭 변조 제어는 필요하지 않을 수 있으며, 요구되는 디지털 신호를 발생시키기 위하여 저렴한 타이머 칩이 사용될 수 있다. 또한, 형상기억합금 소자의 과열을 방지하기 위한 전류제한 레지스터는 필요하지 않기 때문에, 펄스폭 변조 제어는 온도 신호가 가용중인 때의 평균 전류를 감소시킨다. 또한, (모든 중실 도체를 구비하는) 형상기억합금 와이어에서의 전류 흐름은 와이어의 표면에 집중되는 경향이 있기 때문에, "핫-스폿(hot-spot)" 의 위험 및 열분포가 고르게 되지 않을 위험이 있어, 와이어의 수명이 줄어든다. 가동 전압을 펄싱하면 형상기억합금 와이어의 열전도가 보다 더 균일한 열분포로 된다. 또한, 종래의 DC 제어 시스템에서는, 형상기억합금 전류가 전류제한 레지스터에 의해 결정되기 때문에 효과적으로 일정하고 비교적 낮으며, 그 값은 형상기억합금 소자가 일단 완전히 수축되면 과열을 회피하도록 선택된다. 형상기억합금 소자를 초기에 가열하여 급속한 초기이동이 일어나도록, 저항 피드백, 고 듀티 서클을 구비하는 펄스폭 변조 또는 펄스 기구가 사용될 수 있다. 당해 형상기억합금 소자를 소망의 상태에 유지하기에 충분한 힘만을 공급하면서 형상기억합금 소자가 소망의 위치에 이를 경우, 듀티 서클은 감소될 수 있다.
형상기억합금에 있어서의 마르텐사이트 (저온) 상으로부터 오스테나이트 (고온) 상으로의 천이는 특정의 온도에서 순간적으로 발생하는 것은 아니고 온도범위에 걸쳐 점진적으로 진행한다. 도 1 은, 인장응력하에 있고 마르텐사이트 상태에서 신장되며, 가열과 전환시에 오스테나이트 상태로 수축하며, 냉각시에 재신장하여 인장응력하에 마르텐사이트 상태로 되돌아가는 전형적인 형상기억합금 와이어에 대한 변위와 온도간의 관계를 나타낸 것이다. 도 1 은, 오스테나이트 개시온도 (As) 및 오스테나이트 종료온도 (Af), 그리고 마르텐사이트 개시온도 (Ms) 및 마르텐사이트 종료온도 (Mf) 를 각각 나타내고 있다. △T 에 의해 표시된 온도범위에서는, 합금은 오스테나이트와 마르텐사이트의 혼합물로 이루어진다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 형상기억합금의 가열시에, 오스테나이트 개시온도 미만에서는 길이 변화가 거의 발생하지 않고, 오스테나이트 종료온도 초과에서는 더 이상의 길이 변화가 거의 발생하지 않는다. 이와 유사하게, 냉각시에, 마르텐사이트 개시온도 초과에서는 길이 변화가 거의 발생하지 않고, 마르텐사이트 종료온도 미만에서는 더 이상의 길이 변화가 거의 발생하지는 않으나, 일반적으로 길이-온도 곡선에는 실질적인 히스테리시스가 존재한다. 또한, 형상기억합금 와이어를 최대로 수축하기 위해서는 와이어를 오스테나이트 종료온도를 초과하는 온도까지 가열하는 것이 필요하고, 최대로 재신장시키기 위해서는 마르텐사이트 개시온도 미만의 온도까지 냉각하는 것이 필요하다. 이는, 실제적으로, 최대의 수축/재신장을 달성하기 위해서는 이와 같은 와이어가 빈번하게 마르텐사이트 개시온도 미만, 오스테나이트 종료온도 초과의 온도범위에 걸쳐 작동되는 것이 요망됨을 의미한다.
앞에서 그리고 본 출원에서 인용한 모든 간행물에 개시된 내용은 본 출원에 참고가 된다.
보다 빠른 응답 (보다 낮은 사이클 시간)과 연장된 수명 (달성가능한 보다 많은 사이클수) 을 위해 온도제어를 개선한 형상기억합금 액츄에이터를 개발하는 것이 요망된다.
본 발명은, 형상기억합금 (shape memory alloy: SMA) 액츄에이터에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 응답을 보다 빠르게 하고 수명을 연장하기 위해 온도제어를 개선한 형상기억합금 액츄에이터, 더 상세하게는 소형화가 가능한 형상기억합금 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1 은 전형적인 SMA 요소에 대한 길이 대 온도간의 그래프를 보여주고 있다.
도 2 는 SMA 와이어와 강성부재의 배치를 보여주는 적층 플레이트 SMA 엑츄에이터의 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 태양의 일 실시형태를 도시하는 적층 플레이트 SMA 엑츄에이터의 강성부재를 도시하고 있다.
도 4 는 도 3 의 강성부재를 사용하는 SMA 엑츄에이터의 실시형태의 사시도이다.
도 5A 는 팽창된 상태에 있는 도 4 의 엑츄에이터의 태양도이다.
도 5B 는 수축된 상태에 있는 도 5A 의 엑츄에이터를 도시하고 있다.
도 6 은 본 발명의 제 1 태양의 또다른 실시형태를 도시하는 본 발명의 SMA 엑츄에이터의 강성부재를 도시하고 있다.
도 7 은 본 발명의 제 1 및 제 2 태양의 실시형태를 도시하는 본 발명의 SMA 엑츄에이터의 또다른 강성부재를 도시하고 있다.
도 8A 은 본 발명의 제 1 및 제 2 태양의 또다른 실시형태를 도시하는 본 발명의 SMA 엑츄에이터의 또다른 강성부재를 도시하고 있다.
도 8B 는 본 발명의 제 1 및 제 2 태양의 또다른 실시형태를 도시하는 본 발명의 SMA 엑츄에이터의 또다른 강성부재를 도시하고 있다.
도 9 는 본 발명의 제 1 및 제 2 태양의 실시형태를 도시하는, 본 발명의 또다른 SMA 엑츄에이터의 강성부재와 SMA 와이어, 및 베이스를 도시하고 있다.
도 10 은 도 9 의 부재/와이어 조립체를 사용하는 조립된 엑츄에이터를 도시하는 태양도이다.
도 11 은 엑츄에이터가 필요한 수축한계에 도달할 때 엑츄에이터에 동력을 차단하기 위한 스위치를 갖는 본 발명의 개략도이다.
제 1 태양에서, 본 발명은 강성부재와 SMA 와이어를 포함하는 SMA 엑츄에이터를 제공하며, 적어도 와이어의 중앙부에 가까이 근접한 히트 싱크에 의해 엑츄에이터의 SMA 와이어의 온도제어가 향상된다. 강성부재가 고 열전도체인 경우(강성부재가 금속제인 경우), 히트 싱크는 강성부재 자신을 포함할 수 있어, 와이어가 적어도 와이어의 중앙부 위에 있는 강성부재에 가까이 근접할 수 있거나 히트 싱크는 엑츄에이터의 외부에 있을 수 있다. 엑츄에이터는 전형적으로 "적층 플레이트" 엑츄에이터이다. 제 2 태양에서, 강성부재에 부착되는 와이어의 단부가 히트 싱크에 가까이 근접하지 않도록 상기 히트 싱크의 크기와 위치가 정해진다. 제 3 태양에서, 본 발명은 엑츄에이터의 가열사이클 동안 히트 싱크로서 수동적으로 작동하고 엑츄에이터의 냉각사이클 동안 능동적인 냉각요소로서 작동하는 냉각요소를 포함하는 외부 히트 싱크를 갖는 형상기억합금 엑츄에이터이다. 제 4 태양에서, 본 발명은 바람직한 수축한계 및 동력공급회로를 구비한 SMA 엑츄에이터를 제공하며, 상기 동력공급회로는, 엑츄에이터가 필요한 수축한계보다 덜 수축할 때 통상적으로 폐쇄되고 소정의 수축한계에 도달할 경우 개방되는 스위치를 포함한다.
이러한 엑츄에이터에서의 향상된 온도제어는, 엑츄에이터의 더 빠른 응답 (더 짧은 주기)을 위해 SMA 와이어를 더욱 냉각하며, 와이어의 과열 및 계속적인 피로를 피할 수 있어, 엑츄에이터의 수명을 연장시킬 수 있다.
정의 및 주요 변수
"형상기억합금" 또는 "SMA"는 열탄성 마르텐사이트변태를 하는 합금이어서, 이 합금은 마르텐사이트상으로 있는 동안에 변형될 수 있고 이 합금이 오스테나이트상으로 복귀하면 상기 변형이 원상태로 복구된다. 본 발명의 상온 응용에 적합한 SMA는, 오스테나이트-마르텐사이트 변태범위가 예상되는 주위온도 보다 다소 높은, 가령 30 - 50℃의 마르텐사이트 변태종료온도(Mf)를 갖는 형상기억합금이기 때문에, 이 SMA는 가열을 하지 않는다면 마르텐사이트상으로 존재하며, 오스테나이트 종료온도(Af)는 통상의 공업용 플라스틱과 양립할 정도로 충분히 낮으며, 가령 오스테나이트 종료온도는 80 - 100℃ 이어서, 마르텐사이트-오스테나이트변태를 완료하기 위해 요구되는 가열량(예를 들어, SMA에 입력되는 전기에너지)을 최소화한다. 그러한 합금은 상업적으로 쉽게 구할 수 있다. 낮은 온도 (예를 들어,0℃미만) 또는 높은 온도 (예를 들어, 100℃이상) 에서 작동되도록 설계된 엑츄에이터에 대해서는 다른 변태온도 범위를 갖는 합금을 선택할 수 있으며, 당업자라면, 이러한 기술과 명세서를 참조하여 요구되는 목적을 위해 적당한 SMA를 선택하는데 어려움이 없을 것이다. SMA 와이어와 같은 SMA 요소가 Mf온도 아래의 복구가능한 변형의 범위내에서 변형된 후, Af온도 이상까지 가열되는 경우, 이 SMA 요소는 자신의 원래 변형되지 않은 형태로 되돌아올 것이다. 그러나, 상기 요소를 Mf온도 아래로 재냉각하여도 이 요소는 일반적으로 변형된 형태로 자발적으로 복귀하지 않을 것이다. 즉, 형상기억 효과는 일반적으로 일방향 효과이다. 따라서, SMA 요소를 Mf온도 아래로 재냉각할 때 이 요소가 변형된 형태로 복귀하기 위해서는 SMA 요소에 응력 또는 바이어스를 가할 필요가 있다. 비록, 본 발명의 SMA 엑츄에이터와 관련하여 아래에서 광범위하게 논의되지는 않을 지라도, 엑츄에이터의 SMA 요소를 Mf온도 아래로 냉각시킬때 변형된 마르텐사이트 상태로 복귀시키기 위해 엑츄에이터에 바이어스를 가하거나 또는 가할 수 있다. 이 바이어스는, 예를 들어 스프링(엑츄에이터의 수축이 증가함에 따라 증가하는 힘을 가하는 계속해서 존재하는 바이어스)을 사용하여 계속해서 존재할 수 있으며, 여기서 상기 엑츄에이터는 가열될 때 엑츄에이터가 작동되도록 스프링의 힘을 극복해야 한다; 또는 이 바이어스는 예를 들어, 반대측 엑츄에이터를 사용하여 간헐적으로 존재할 수 있다(여기서, 전형적으로 한 엑츄에이터는 가열되고 다른 엑츄에이터는 가열되지 않으나, 정확한 제어를 위해 각각의 엑츄에이터가 다른 정도로 가열될 수 있다). 계속적인 바이어스는 경제적이지만, 엑츄에이터 힘의 일부가 바이어스 스프링에 의해 흡수되어, 엑츄에이터가 외부 부하에 작용되기에 덜 유용하며, 또한 스프링 바이어스는 엑츄에이터 스트로크상에 가장 큰 한계를 제공한다; 반대측 엑츄에이터 바이어스는 더 큰 힘의 유용성을 제공하며, 반대측 엑츄에이터는 가열되지 않을 때 운동하기위해 적은 힘을 요구하기 때문에, 두 엑츄에이터가 차별적으로 전류가 통할 때 더 큰 위치감도 뿐만 아니라 증가된 동력손실과 제어의 복잡성의 비용에서의 단점을 갖는다. 계속해서 존재하는 바이어스의 대안은, 엑츄에이터가 수직으로 장착되는 곳에서 처럼, 힘이 엑츄에이터의 수축으로 일정하고, 이 엑츄에이터에 매달린 질량이 바이어스를 제공하여, 스프링 바이어스가 사용되었을 때 보다 다소 더 큰 엑츄에이터 스트로크을 허용하는 바이어스이다. 이 마지막 타입의 바이어스가 특히 흥미로우며, 이것은 가장 큰 정도의 엑츄에이터 수축을 허용하며 또한 엑츄에이터에 전류가 통하고 전원이 끊겼을 때 엑츄에이터의 가장 큰 수축 및 팽창 속도를 제공한다. 바이어스에 감소하는 힘을 제공하기 위한 적당한 기술은, 엑츄에이터가 레버(캠과 같은)를 작동시켜, 엑츄에이터 수축이 증가하면서 엑츄에이터에 대한 레버아암이 증가하거나 또는 엑츄에이터 집결이 증가하면서 바이어스에 대한 레버아암이 증가한다는 것이다. 이러한 다양한 기술은 종래 공지되어있다.
이 출원에 사용된 SMA "와이어"는 종축을 따라 수축/신장이 가능한 긴 형태의 SMA 재료를 가르킨다. 따라서, 용어 "와이어"는, 비록 전형적으로 원형의단면을 갖지만, 이 원형의 단면만을 암시하는 것이 아니라, 타원형, 정사각형, 직사각형등의 단면을 포함한다. 비-원형 단면을 갖는 SMA 와이어의 직경은 와이어의 단면적에 4/π를 곱한 것의 평방루트를 가르킨다.
SMA 와이어 절편의 "스트로크" 는 이 절편이 완전히 팽창한 길이와 완전히 수축한 길이간의 거리의 변화이다. SMA 엑츄에이터의 "스트로크" 는 엑츄에이터가 완전히 팽창한 길이와 완전히 수축한 길이간의 거리의 변화이다. 만약 와이어 또는 엑츄에이터가 와이어/엑츄에이터의 수축이나 및/또는 팽창을 한정하는 한계 걸림개를 포함한다면, "스트로크" 는 상기 한계 걸림개간의 거리가 될 것이며, 이것은 한계 걸림개가 존재하지 않는 "스트로크" 보다 더 작을 것이다.
"스트로크 확대" SMA 엑츄에이터는 엑츄에이터의 스트로크가 엑츄에이터의 팽창 또는 수축방향에서 엑츄에이터의 외부길이의 SMA 와이어의 수축 또는 팽창보다 더 큰 SMA 엑츄에이터이다.
"적층 플레이트" SMA 엑츄에이터는 일련의 강성 평면의 긴 부재("플레이트")가, 각 부재의 일단부 (제1단부) 가 SMA 와이어에 의해 그 위에서 상기 부재의 비-대응 단부 (제2단부) 에 연결된 채로 위아래로 배치되는 엑츄에이터이다. 그러한 엑츄에이터가 본 명세서에 광범위하게 도시되어 있다. 전형적인 본 발명의 적층 플레이트 엑츄에이터에서, 상기 플레이트은 금속제이며, 따라서 열적으로 그리고 전기적으로 전도체이므로, 이 플레이트들은 적층상태에서 절연층에 의해 서로 분리되어 있다.
"가까이 근접"은 SMA 와이어와 히트 싱크간의 거리가, SMA 와이어 전도성 및방사성 냉각이 히트 싱크가 없을때 히트 싱크와 동일한 온도에서 와이어 냉각이 초기에 자유공기에서 경험할 수 있는 냉각을 충분히 초과하도록(즉, 적어도 25%, 바람직하게 적어도 50%) 존재해야 한다는 것을 의미한다. 와이어 직경으로 환산하면, 적당한 공간은 10 와이어 직경이하, 바람직하게는 8 와이어 직경이하, 보다 바람직하게는 5 와이어 직경이하, 그리고 특히 4 와이어 직경이하이다. SMA 와이어와 히트 싱크와의 우연한 접촉을 방지하기 위해 일반적으로 최소한의 이격이 요구되며, 특히 히트 싱크가 전기 전도체인 경우, 약 50-100㎛(비교적 와이어 직경에 상관없이)이며, 특히 적당한 공간은 1 내지 4 와이어 직경사이, 예를 들어, 약 3 와이어 직경이다. 75㎛ 직경의 SMA 와이어에 대해, 적당한 공간은 750 ㎛ 이하, 바람직하게는 600㎛이하, 더욱 바람직하게는 400㎛이하, 그리고 특히 300㎛이하이다. 특히 적당한 공간은 100 내지 300㎛ 사이, 예를 들어 200㎛이다.
"히트 싱크"는 보통의 의미를 갖는다. 즉, 냉각될 물체와 접촉하거나 또는 적어도 가까이 근접하여 위치하는 열전도성 물질의 덩어리이다. 적당한 물질은 전형적으로 금속, 특히 알루미늄과 그 합금, 구리와 그 합금(예를 들어, 황동, 청동, "니켈 실버" 또는 "저먼 실버"와 같은 구리/아연/니켈합금)등의 고 전도체 금속이다. 열전도체가 전기전도체인 경우, 우연한 접촉을 방지하기 위해 히트 싱크는 SMA 와이어와 전기적으로 절연되는 것이 바람직하며, 이것은, 예를 들어, 절연래커등의 층으로 행해질 수 있으며; (1) 이것이 필요하지 않은 경우, 그리고 (2) 히트 싱크가 절연된 경우라도, SMA 와이어로부터 히트 싱크로의 열전달을 최대화하기 위해 가능한 절연층이 얇아야한다.
전술한 것처럼, 상기 히트 싱크는 엑츄에이터의 SMA 와이어 및 강성부재로부터 떨어진, 즉, 엑츄에이터의 외부 요소일 수 있으며, 이 경우 히트 싱크는 SMA 와이어의 냉각이 요구되는 엑츄에이터 사이클의 일부동안 전류가 통할 수 있는 액티브 냉각요소일 수 있다. 그러한 액티브 냉각요소로서 적당한 것은, 두개의 다른 금속의 접합을 통한 전류에 의해 냉각을 발생시키는 펠티어 접합요소이다. 펠티어 접합요소는 당해분야에 공지되어 있다. 상기 액티브 냉각요소가 펠티어 접합요소인 경우, 접합을 반대방향으로 작동시켜 히트 싱크에 열을 가하여 SMA 와이어에 열을 가하는 것도 가능하다. 당업자라면, SMA 엑츄에이터와 연결되는 펠티어 접합요소와 같은 액티브 냉각 또는 가열/냉각 요소를 사용하기 위해 필요한 전기회로 및 스위칭(예를 들어, 엑츄에이터에 전류가 통할 때 히트 싱크를 가열하거나 또는 엑츄에이터에 전원이 끊겼을때 엑츄에이터를 냉각하기 위해 요소를 작동시키는 것)을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
그러나, 상기 와이어를 강성부재에 가까이 근접시켜 배치함으로써 SMA 엑츄에이터의 강성부재의 열적 질량을 히트 싱크로서 사용하는 것이 가능하다; 그리고 이러한 기술은 설계를 단순화시키고 외부 히트 싱크가 필요하지 않아 비용을 감소시키는 이점을 제공하며, 와이어가 수축 및 팽창함에 따라 히트 싱크가 이동하고 자신을 새롭게 변형시켜, 히트 싱크는 항상 와이어에 대해 최적으로 된다; 그리고 이것을 본 출원에서 특히 더 설명할 것이다.
"적어도 와이어 중앙부" 가 히트 싱크에 근접 위치된다라는 말은, 강성부재에의 부착지점 사이에서 SMA 와이어의 길이의 적어도 중앙부 20%, 바람직하게는 적어도 중앙부 40%, 특히 적어도 중앙부 60%, 특히 바람직하게는 중앙부 70% 가 히트 싱크에 근접 위치됨을 뜻한다. 와이어가 강성부재에 부착되는 와이어 단부가 히트 싱크에 근접 위치하지 않도록 히트 싱크의 크기가 정해지고 또 그 배치가 이루어지는 본 발명의 제 2 태양에 따르면, 바람직하게는 와이어의 적어도 1mm 단부, 특히 1-3mm 단부는 히트 싱크에 근접 위치되지 않고, 나머지 부분은 히트 싱크에 근접 위치된다. 긴 액츄에이터에 대해서는, 강성부재에 대한 부착지점에 인접한 와이어의 1-2mm 단부가 강성부재로부터 와이어로의 전도 때문에 냉각됨으로써 발생하는 수축 손실은 크지 않을 수 있다. 하지만, 액츄에이터를 최소로 만들어 각 SMA 와이어의 작동 길이를 1cm-5cm 미만 정도, 특히 1cm-3cm 미만 정도인 경우는, 양호한 온도제어의 효과로 인해 SMA 와이어의 유효 작동길이가 크게 증가할 수 있다. 예컨대, 4cm 작동길이의 액츄에이터 와이어를 가지며 전체 길이가 4.5cm 인 액츄에이터가, 부착지점에 인접한 각 와이어의 단부는 온도(Af) 로 결코 가열되지 않아 2mm 단부손실을 받게 된다면, 와이어의 유효 작동길이의 손실은 10% 가 된다. 본 발명의 제 2 태양에 따르면, 단부 손실은 2mm 에서 1mm 로 감소하고, 또한 작동길이는 5% 증가하게 된다. 액츄에이터의 길이가 2.5cm 이고 액츄에이터 와이어의 작동길이가 2cm 이면, 본 발명의 제 2 태양에 따르지 않을 경우 손실은 20%가 되며, 따를 경우는 10% 이득이 있다. 일반적으로 와이어가 그 작동길이의 단지 3-4% 의 수축범위에서 작동함을 고려한다면, 본 발명의 제 2 태양의 경우에서와 같은 온도제어 개선은 더욱 현저하게 얻어진다. 또한, 액츄에이터가 단축되어 있어SMA 와이어의 수축을 최대로 하기 위해 와이어를 가능한 한 온도(Af) 이상으로 가열한다면, 단부를 가열하기 위해 SMA 와이어에 대한 전력공급을 증가시키는 것은 와이어 중앙부의 과열을 초래하게 되고, 이 때문에 당장은 아니더라도 많은 사이클이 지남에 따라 와이어가 손상되게 된다. 이렇게 해서, 본 발명의 제 1, 2 태양을 결합함으로써, SMA 와이어의 과열 위험을 최소화하면서 와이어의 유효 작동길이를 최대로 만들 수 있어, 액츄에이터에서 SMA 와이어를 최적으로 사용할 수 있게 된다.
SMA 액츄에이터 기술에서 잘 알려진 바와 같이, 단위 길이 당 냉각될 와이어 질량은 와이어의 단면적에 비례하고 (와이어 직경의 제곱의 함수), 냉각속도는 와이어의 표면적에 비례하게 된다 (직경의 함수). 사실, 이 비는 와이어 자체의 열전도율 때문에 더 복잡하게 되지만, 온도 (Af) 로부터 온도 (Mf) 로 와이어의 냉각속도는 와이어 직경이 감소함에 따라 실질적으로 감소하게 된다. 이로 인해 SMA 액츄에이터의 사이클 시간이 감소하게 되는데, 왜냐하면, 빠른 가열속도를 얻기 위해 충분한 전력이 공급된다면, 온도 (Mf) 로부터 온도 (Af) 로의 가열시간은 냉각속도 보다 항상 실질적으로 짧기 때문이다. 예컨대, 250㎛ 직경을 갖는 와이어 액츄에이터는 6-7 초 이상의 사이클 시간을 가지며, 50㎛ 직경을 갖는 와이어 액츄에이터는 약 1 초 미만의 사이클 시간을 가지고, 또한 37㎛ 직경을 갖는 와이어 액츄에이터는 첫번째 사이클에 대해 약 0.4 초의 사이클 시간을 갖는다.
스트로크 배가형 SMA 액츄에이터의 기본 구성은 서로 평행하게 배열되는(동심 배열도 포함) 다수의 강성(즉, 비 SMA) 부재를 포함한다. 이들 강성부재는 서로에 대해 자유롭게 슬라이딩할 수 있으며, 액츄에이터의 스트로크가 개별 SMA 와이어의 스트로크의 합과 실질적으로 동일하도록 SMA 와이어로 서로 연결되어 있다.
"적층 플레이트" 엑츄에이터에서, 액츄에이터는, 서로 전기절연되어 있고 SMA 와이어로 연결되는 일군의 적층된 평행 플레이트로 이루어져 있다. 도 2 에는 이러한 액츄에이터의 구성이 도시되어 있다.
도 2 는 적층 플레이트 액츄에이터 (2) 를 개념적으로 나타내는 도면으로, 이 액츄에이터는 두개의 SMA 와이어 (212, 223) 에 의해 연결된 3개의 강성 도전성 플레이트 (21, 22, 23) 를 포함한다. 와이어 (212) 는 부착지점 (21A) 에서 플레이트 (21) 에, 부착지점 (22B) 에서는 플레이트 (22) 에 연결되며, 와이어 (223) 는 부착지점 (22A) 에서 플레이트 (22) 에, 부착지점 (23B) 에서는 플레이트 (23) 에 연결되어 있다. 플레이트 (21, 22, 23) 는, 그들 사이에 배치된 열가소성 재료(예컨대, 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)와 같은 폴리에스테르, 나일론 같은 폴리아미드, KAPTON(등록상표)와 같은 폴리이미드, 바람직하게는 저마찰 폴리머재(예컨대, 폴리(테트라플루오로에틸렌)와 같은 플루오로 폴리머) 와 같은 폴리머재로 된 시이트, 또는 플레이트에 입혀지는 폴리머재 코팅에 의해, 서로 전기 절연된 상태로 떨어져 있으며, 따라서 플레이트들은 서로에 대해 쉽게 슬라이딩할 수 있게 된다. 플레이트 (21) 에는 와이어 부착지점 (21A) 에 인접한 단부에서 외부 부착지점(구멍(211))이 제공되어 있고, 플레이트 (23) 에는 와이어 부착지점 (23B) 에 인접한 단부에서 외부 부착지점(구멍(231))이 제공되어 있다. 전압이 플레이트(21, 23) 의 지점 사이에서 액츄에이터에 인가되면, SMA 와이어 (212, 223) 는 가열되고 수축되어, 외부 부착지점 (211, 231) 은 서로 더욱 가까워지게 움직이게 된다. 액츄에이터의 스트로크는 와이어 (212, 223) 의 수축량의 합계와 거의 같아서 개별 와이어의 수축량의 약 2배가 되는데, 하지만 가해진 힘은 각 와이어에 의해 가해진 힘보다 실질적으로 작지 않을 것이다. 물론, 액츄에이터의 스트로크는 단순히 플레이트와 와이어의 갯수를 늘려서도 증가시킬 수 있다. 이러한 액츄에이터의 원리를 보여주기 위한 도 2 에서, SMA 와이어와 강성 플레이트 사이에는 어떤 특별한 공간적 관계(즉, "근접 배치")는 나타나 있지 않다.
도 2 에 도시된 액츄에이터의 변형예가 도 3, 4, 5A 및 5B 에 나와 있는데, 이들 도면에 본 발명의 제 1 태양이 도시되어 있다.
도 3 에는 액츄에이터를 위한 "I-빔" 또는 "도그본(dogbone)" 이 도시되어 있다. 플레이트 (30) 는 장축 (31) 과 단부 (32, 33) 를 지닌다. 외부 부착지점 (32A, 33A)(예컨대, 외부 텐던이 삽입되어 연결될 수 있는 구멍)이 플레이트의 일 단부 또는 양 단부에 있을 수 있다. 최상위 플레이트의 한 단부와 최하위 플레이트의 타 단부만이 일반적으로 연결되어 엑츄에이터의 힘을 외부 로드(load)에 전달하겠지만, 모든 플레이트를 동일하게 만드는 것이 좋을 수도 있다. 또한, 단부 (32, 33) 에는 와이어 부착지점 (32B, 33B) 이 있다. 이들 부착지점은 편의상 단부의 태양에 있는 것으로 나타냈지만, 임의의 편리한 위치에 둘 수도 있다. 또한, 유사한 와이어 부착지점을 단부의 타 태양에 제공하여, 두 와이어를 각 쌍의 플레이트 사이에 연결함으로써 액츄에이터의 힘의 크기를 2배로 만들 수 있다.도 4, 5A 및 5B 에서 보는 바와 같이, SMA 와이어와 강성 플레이트 사이에는 어떤 특별한 공간적 관계 (즉, "근접 배치")도 나타나 있지 않다. 이들 도면에 도시된 액츄에이터를 만들기 위해 플레이트를 홀딩하기 위한 케이스 때문에, 비교적 큰 공간이 필요하게 된다.
도 4 는 적층된 6개의 플레이트 (41∼46) 와 5개의 SMA 와이어 (411∼456) 를 갖는 액츄에이터 (40) 를 나타내는 사시도이다. 이 도면에서, 와이어는 느슨한 상태로 나와 있고 액츄에이터는 신장된 위치에 있는 것으로 나타나 있다. 황동 같은 도전성 재료로 만들어진 플레이트 (41∼46) 는 케이스 (47) 안에 절연층(도시 안됨)에 의해 유지 및 이격되어 있으며, 케이스는 플레이트들이 서로 평행하게 움직일 수 있도록 구속한다. SMA 와이어를 위한 히트 싱크로서 작용하게 되는 케이스 (47) 는 이러한 목적에 맞는 적절한 재료, 예컨대 앞서 언급한 금속 또는 금속 합금으로 만들어지며, 절연 라커 또는 다른 절연층에 의해 플레이트로부터 전기절연되게 된다. 지점(41A)(와이어 (412) 가 플레이트 (41) 에 부착되는 지점)과 지점(46B)(와이어 (456)가 플레이트 (46) 에 부착되는 지점) 사이에서 액츄에이터에 전력이 공급될 수 있고, 또는 플레이트 (41∼46)들이 그의 어느 위치에서도 전기 전도성을 갖기 때문에, 모두 6개의 플레이트와 5개의 와이어로 회로를 완성할 수 있다.
도 5A 및 5B 는 이러한 액츄에이터를 나타내는 태양도인데, 도 5A 에는 (도 4 와 마찬가지로) 액츄에이터가 신장된 위치에 있는 것으로 나와 있으며, 도 5B 에는 수축 위치에 있는 것으로 나와 있고, 굵은 화살표는 수축방향을 나타낸다. 여기서 수축은 대칭이며, 따라서 플레이트들의 단부들이 정렬하게 되는데, 하지만 이는 필요 요건은 아니다. 이 액츄에이터의 스트로크는 개별 와이어의 수축량의 거의 5배가 되며, 액츄에이터에 의해 가해질 수 있는 힘은 어떤 와이어에 의해서도 가해진 힘 보다 실질적으로 작지 않을 것이다.
SMA 와이어가 가열될 때 액츄에이터(본 발명의 모든 SMA 액츄에이터 처럼) 는 SMA 와이어의 수축에 의해 작동하여 도 5B 처럼 액츄에이터의 길이가 줄어들게 되지만, 플레이트들 중 하나, 예컨대 부착지점(41A)을 갖는 단부의 반대쪽 단부에 연장부 (411) 가 있는 플레이트 (41) 를 연장시킬 수 있음을 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 도 5A 와 5B 에서 부착지점 (46B) 과 연장부 (411) 간의 상대 위치를 비교해 보면, 액츄에이터가 수축하면 연장부 (411) 는 부착지점 (46B) 을 훨씬 지나 있음을 볼 수 있다. 따라서, 최외곽 플레이트들 중 하나를 적절히 연장시키고 다른 최외곽 플레이트를 고정시킴으로써, 수축에 근거한 액츄에이터는 의도한 용도에 부하를 당기는 대신에 그 부하를 밀 수 있다.
도 3∼5B 에 도시된 실시예에서, 상기한 바와 같이, SMA 와이어가 단부의 일 태양에만 있는 것으로 나타나 있지만, 단부의 타 태양에도 제 2 와이어 쌍을 두어 작동력을 2배로 만들 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 필요하다면 액츄에이터의 스트로크를 증가시키기 위해 플레이트와 와이어의 갯수를 늘릴 수도 있다.
플레이트의 갯수가 증가할 때 다층 액츄에이터의 구동에 필요한 전체 전압을 최소화하기 위해 이용할 수 있는 방법은, 플레이트를 홀수 개로 하고 (SMA 와이어는 짝수 개로 한다), 최외곽 플레이트 사이에서 액츄에이터에 전압을 인가하는 대신에(플레이트 저항이 와이어 저항 보다 현저히 작다고 한다면, 액츄에이터의 저항은 모든 와이어의 저항의 합이 될 것이다), 최외곽 플레이트를 전기적으로 연결하고 이들 두 최외곽 플레이트와 중간 플레이트 사이에 전압을 인가하는 것이다(그러면, 액츄에이터의 저항은 모든 와이어의 저항의 합계의 1/4이 딜 것이다). 이렇게 하면, 액츄에이터를 흐르는 주어진 전류에 대해 더 낮은 공급전압을 사용할 수 있다. 최외곽 플레이트들이 전기적으로 연결되지 않고 최외곽 플레이트 중 하나와 중간 플레이트 사이에 전압이 인가된다면, 액츄에이터의 절반만이 전기공급을 받게 될 것이다.
물론, 각각의 SMA 와이어에 개별적으로 전기를 공급할 수 있고 또한 주어진 갯수 만큼의 (예컨대, 앞의 그래프에서 보는 바와 같이, 와이어 중 1/2 이 아닌 1/3)의 와이어에만 전기를 공급할 수도 있는데, 이러한 변형 구성 또한 본 발명의 범위에 있는 것이다.
케이스 (47) 는 와이어를 위한 히트 싱크로서 작용하게 되는데, 와이어들이 케이스에 근접해 있도록 플레이트 주변에 위치하게 된다.
도 6 은 본 발명의 SMA 액츄에이터를 위한 강성부재 ("플레이트")를 나타내는 도면으로, SMA 와이어와 강성 부재 사이의 공간적 관계를 보여주고 있다. 여기서, 강성부재는 히트 싱크로서 작용한다. 간략성을 위해, 와이어 배치에 관련있는 것(예컨대, 액츄에이터에의 전력공급에 관련된 것, 플레이트간의 상대 운동, 일부는 도 3∼5B 에 도시) 외의 강성부재의 다른 구성은 도 6∼8B 에 나타내지 않았다. 마찬가지로 간략성을 위해, SMA 와이어 (61) 는 양 단부 (62A, 62B) 에서동일 강성부재에 부착된 것으로 나타냈는데, 이는 도 7∼8B 에서도 마찬가지다. 물론 실제 액츄에이터에서 각 와이어는 인접한 두 강성부재 사이에 부착되어 이들 강성부재를 서로 간에 상대운동시키게 된다 (도 4∼5B 및 도 9 에서 보는 바와 같다).
SMA 와이어 (61) 와 강성부재 (62) 사이의 거리 "d" 는, 와이어에 가장 가까운 강성부재의 직선 가장자리 (63) 에 근접하도록 되어 있다. 실제 액츄에이터에서, SMA 와이어는 그가 연결되는 강성부재의 히트 싱크 효과로 제어되게 되고, 와이어의 중앙부에서 온도가 지나치게 높게 되는 것이 방지되며 전력 공급이 안될 때 와이어의 냉각속도가 증가하게 됨으로써, 본 발명의 제 1 태양의 효과가 얻어진다. 이는 사이클 기간 중에 이점을 주게 되며 과열의 최소화로 인해 작업 시기에 이점을 줄 것으로 기대된다 (와이어의 가열에 사용되는 방법에 따라서, 만약 가열이 수축 곡선에만 근거해서 제어된다면 큰 이점은 얻어지지 않으나, 제어가 와이어 온도 감지법에 의해 이루어지면 큰 이점을 얻을 수 있다).
SMA 와이어 (61) 가 전기전도적인 방식으로 (예컨대, 크림핑으로) 단부 (62A, 62B) 에서 강성 부재 (62) 에 부착되기 때문에, 직선 가장자리 (63) 에서 공기를 통한 강성부재 (62) 로의 전도로 인해 SMA 와이어로부터 열손실이 생기게 되고, 또한 와이어의 단부로부터 강성부재 (62) 의 단부 (62A, 62B) 로의 직접적인 전도 및 공기를 통한 단부 (62A, 62B) 로의 전도에 의해서도 열손실이 생기게 된다. 그러므로, 와이어에 전력이 공급되면 와이어를 따라 온도구배가 생기게 되어, 와이어 단부에서의 온도는 중앙부 보다 낮게 된다. 와이어 중앙부의 과열을유발하지 않고 와이어 단부를 온도(Af) 로 가열하지 못함으로 인해 SMA 와이어의 "작동 길이" (액츄에이터에 전기공급될 때 와이어의 손상이 없이 와이어가 수축할 수 있는 길이) 는 각 단부에서 약 2mm 인데, 물론 이 길이는 강성부재 (62) 및 특히 와이어 (61) 가 연결되는 단부 (62A, 62B) 의 열적 질량에 의존한다.
도 7 은 본 발명의 SMA 엑츄에이터용 강성 부재 ("플레이트") 의 평면도로서, 상기 강성 부재가 히트 싱크로서 기능하며 본 발명의 제 2 특징이 표현된, 상기 SMA 와이어와 상기 강성 부재 사이의 배치 관계를 도시한다. 상기 SMA 와이어 (71) 와 상기 강성 부재 (72) 사이의 거리 "d" 는, 예를 들어 상기 와이어의 중심 부분에 걸쳐 가장 가까운 상기 강성 부재의 직선 가장자리 (73) 부분에 상기 와이어가 "가까이 근접" (정의된 바와 같이) 하도록 되어 상기 강성 부재의 가까운 가장자리로부터 150 및 300 ㎛ 사이에 75 ㎛ 와이어가 있다. 이러한 방식으로, 상기 강성 부재의 히트 싱크 효과에 의해 상기 와이어의 온도가 제어되며, 상기 와이어의 중앙 부분에서의 과열 발생이 방지되고 상기 와이어의 냉각율이 증가되어 본 발명의 제 1 특징의 잇점을 얻게된다. 가장자리 (73) 각 단부에서 상기 강성 부재 내로 절단된 홈 (74) 으로 인해, 이 단부에서 상기 와이어로부터 상기 플레이트로의 공기를 통한 열전달이 감소할 것이며, 도 6 에서 도시된 작동 길이의 단부 손실을 감소시킬 것이다. 각 홈 (74) 의 깊이 "t" 는 예를 들어 상기 홈의 바닥 가장자리 (75) 에서 상기 와이어가 상기 강성 부재에 "가까이 근접" 하지 않도록 되어, 히트 싱크로서 기능하는 상기 강성 부재의 냉각 효과를 감소시키기위해 각 홈의 바닥 가장자리로부터 와이어 직경의 10 배 이상, 특히 와이어 직경의 15 배 이상 (예를 들어 75 ㎛ 와이어에 대해 750 ㎛ 이상, 특히 1000 ㎛ 이상) 에 상기 와이어가 있으며, 각 홈의 너비 "w" 는 상기된 단부 냉각 효과가 실용적인 범위로 감소되도록 정해진다. 사각형 홈 (74) 에 대해 비록 1 - 2 mm 가 통상적이지만 적절한 너비 "w" 는 1 mm 이상 및 대략 3 mm 까지 이른다.
도 8A 는 본 발명에 따른 SMA 엑츄에이터용의 또다른 강성 부재 ("플레이트") 의 평면도이며, 상기 강성 부재가 히트 싱크로서 기능하며 본 발명의 제 2 특징이 표현된 상기 SMA 와이어와 상기 강성 부재 간의 배치 관계를 도시한다. 상기 SMA 와이어 (81) 와 상기 강성 부재 사이의 거리 "d" 는, 상기 와이어의 중심 부분에 걸쳐 상기 와이어에 가장 가까운 상기 강성 부재의 직선 가장자리 (83) 에 상기 와이어가 "가까이 근접" 하도록 된다. 이러한 방식으로, 상기 와이어의 온도는 상기 강성 부재의 히트 싱크 효과에 의해 제어되며, 상기 와이어의 중앙 부분에서의 과열이 방지되고 상기 와이어의 냉각율이 증가되어 본 발명의 제 1 특징의 잇점을 얻을 수 있다. 직선 가장자리 (83) 의 각 단부에서의 상기 강성 부재 내로 절단된 홈 (84) 으로 인해, 이 단부에서 상기 와이어로부터 상기 플레이트로의 열전달이 감소할 것이며, 그리하여 도 6 에 도시된 작동 길이의 단부 손실을 감소시킬 것이다. 각 홈 (84) 의 깊이 "t" 는 상기 와이어가 적어도 상기 홈의 바닥 가장자리 (85) 에서 상기 강성 부재에 "가까이 근접" 하지 않도록 되어, 예를 들어, 히트 싱크로서 작용하는 상기 강성 부재의 냉각 효과를 감소시키기 위해 상기 와이어는 각 홈의 바닥 가장자리로부터 750 ㎛ 이상, 특히 1000 ㎛ 에있게되며, 각 홈의 상단의 너비 "w" 는 상기된 단부 냉각 효과가 실용적인 범위로 감소되도록 된다. 도 7 의 사각형 홈 (74) 에 대해 홈 바닥에서의 각 홈의 바닥 너비는 통상적으로 예를 들어 1 - 2 mm, 특히 1 - 1.5 mm 이며, 각 사다리꼴 홈 (84) 의 상단 너비는 통상적으로 3 mm 이지만, 적절한 너비 "w" 는 2 mm 이상 내지 대략 4 mm 까지 이를 것이다. 상기 와이어 및 강성 부재에서 상기 와이어의 직경 및 상기 강성 부재의 두께 또는 열전달율이 변함으로써 공기를 통한 상기 와이어의 상기 강성 부재에 대한 냉각이 변함에따라 보다 크거나 작은 직경의 SMA 와이어 및 보다 크거나 작은 두께 또는 열전달율의 강성 부재에 대해 상기 경성 부재의 홈 깊이는 커지거나 작아질 수 있으나, 상기 SMA 와이어 및 상기 경성 부재 사이의 설치 지점에서의 직접적인 열전달에 의해 너비가 부분적으로 결정되므로, 상기 너비는 상대적으로 작을 수 있다.
도 8B 는 도 8A 에 유사한 본 발명의 SMA 엑츄에이터용의 또다른 강성 부재 ("플레이트") 의 정면도로서, 상기 와이어의 중앙 부분에 걸쳐 상기 와이어에 가장 가까운 상기 경성 부재 (812) 의 가장자리 (813) 에 상기 SMA 와이어 (811) 가 "가까이 근접" 되어 있지만, 도 8 의 각진 모서리 홈 (84) 대신에 만곡된 홈 (814) 을 도시한다.
상기 와이어 및 경성 부재의 치수 및 그들의 열적 특성을 알고서 주위 온도 및 상기 와이어의 소정 작동 온도를 추측하여 상기 거리 "d" 및 깊이 "t" 의 상기 홈 형상, 너비 "w" 및 형태가 다음과 같은 방식으로 설계될 수 있다.
(1) 상기 와이어와 상기 경성 부재 사이의 연결부 (크림프) 에서의 상기 와이어의 냉각을 계산;
(2) 선택된 시작 경성 부재 형상 (예를 들어 도 7 의 형상) 에 대해 상기 경성 부재의 단부 및 상기 와이어에 가장 가까운 그 가장자리 양쪽으로의 상기 경성 부재로의 공기를 통해 상기 와이어의 냉각 계산;
(3) 이로부터 상기 와이어의 온도 분포 결정;
(4) 상기 강성 부재의 형상을 수정함으로써 상기 와이어를 따르는 온도 차이를 최소화 하기 위해, 반복적으로 상기 강성 부재 형상을 수정하고 상기 와이어의 온도 분포를 결정한다.
본 출원 및 본 설명에서 참조된 자료를 포함하여 당업자에 유용한 기술 및 정보를 가지고서, 본 발명에 따른 SMA 엑츄에이터의 상기 경성 부재를 위한 적절한 형상 디자인은 SMA 엑츄에이터 및 공학 분야의 당업자에 의해 즉시 실행될 수 있다.
상기 히트 싱크가 상기 엑츄에이터의 플레이트 둘레의 케이스가 아니거나 상기 엑츄에이터의 플레이트 그 자체가 아니고 상기 엑츄에이터에 대해 완전히 외부에 있을 경우, 본 발명의 제 1 태양에 대해 요구되는 모든 것은 상기 히트 싱크가 상기 엑츄에이터의 SMA 와이어에 대해 "가까이 근접" 해 있어야 한다는 점이며, 상기 설명으로부터 그러한 설계가 자명할 것이라는 점은 굳이 설명을 요하지 않는다. 바람직하다면, 상기 엑츄에이터를 향하지 않는 상기 히트 싱크 측에 냉각 팬 또는 다른 열-차단 구조물을 부가하는 것과 같이, 상기 히트 싱크의 효율을 증가시키기 위해 이 히트 싱크의 디자인을 자유롭게 변형가능 하지만, 완전히 외부의 히트 싱크를 이용하는 것은 완성된 엑츄에이터를 더욱 복잡하고 대형화되도록 한다. 외부 히트 싱크의 하나의 잇점은, 냉각 사이클동안 상기 SMA 와이어에 대해 주위 온도 이하의 환경을 제공할 수 있는 펠티어 접합 요소 (Peltier junction element) 와 같은 적극적인 냉각 효과를 가지는 히트 싱크의 이용을 가능하게 한다는 점이다. 상기 펠티어 접합 요소의 제어는 상기 SMA 엑츄에이터의 제어에 의해 조절될 수 있어, 상기 SMA 와이어에 대한 쿨다운 (cool down) 시간을 최소화 하면서, 상기 펠티어 접합 요소가 상기 SMA 와이어로부터 제거될 경우 상기 펠티어 접합 요소에 동력이 작용된다. 만약 상기 냉각 요소가 펠티어 접합 요소일 경우, 상기 와이어로부터의 열 손실을 최소화하고 상기 엑츄에이터의 사이클 속도를 증가시키기 위해 상기 엑츄에이터의 활성화동안에 상기 접합을 역방향으로 작동시키기 위해 상기 히트 싱크 및 상기 SMA 와이어에 열을 가하는 것이 또한 가능하다.
실시예-소형 스트로크 확대 엑츄에이터
도 9 는 도시되는 본 실시형태의 플레이트와 와이어의 결합체 (91) 및 상기 플레이트가 결합되는 프레임 (92) 을 확대 도시한다. 이러한 플레이트들은 플레이트 (911) 를 최하단으로하고 플레이트 (912 내지 916) 를 연속으로 이어서 플레이트 (917) 를 상단으로 하여 상기 프레임 상에 평행 배열로 적층된다. 각 플레이트는 상기 와이어를 손상시키지 않고서 (SMA 와이어의 과도한 압축은 손상 및 천이 특성의 변화를 유발한다) 크림프 조인트 (911A 및 912B 내지 916A 및 917B) 각각에서 상기 SMA 와이어 (921 내지 926) 상으로 굽혀질 수 잇도록 강성이지만 충분히 부드러운 재료로 제조된다. 상기 플레이트용으로 적절한 재료는반 경질 카트리지 황동 또는 반 경질 "니켈 은" 합금이다. 상기 와이어에 대해 다른 설치 방법이 이용될 수 있지만, 용이성, 경제성, 및 상기 결합된 엑츄에이터의 크기를 증가시키기 않는다는 점에서 크림핑은 매력적인 방법이다. 상단 플레이트 (917) 에 대해 가장 큰 거리를 가지는 상기 엑츄에이터의 플레이트인 하단 플레이트 (911) 에는 그것이 수축할 경우 상기 엑츄에이터가 당겨지는 부하를 외부 연결하기 위한 부착 지점 (913C) 및 동력 선 (도시되지 않음) 을 설치하기 위한 설치 크림프 (911D) 가 제공된다. 중간 플레이트 (914) 에는 또한 동력선 (도시되지 않음) 을 설치하기 위한 부착 크림프 (914D) 가 제공된다. 상단 플레이트 (917) 에는 예를 들어 외부 구조물에 상기 엑츄에이터를 설치하기 위해 이용되는 부착지점 (917C) 이 제공되며 동력 선 (도시되지 않음) 의 설치를 위한 설치 크림프 (917D) 역시 제공된다. 상기 베이스 (92) 는 예를 들어 공업적 열가소성 물질과 같은 열가소성 물질처럼 임의의 적절한 비-전도성 또는 단열 재료로 제조될 수 있으며, 두개의 이격된 핀 (92B 및 92C) 이 돌출하게 되는 베이스 플레이트 (92A) 를 포함한다. 상단 플레이트 (917) 에는 두개의 구멍 (숫자가 도시되지 않음) 이 제공되며 상기 각 플레이트 (911 내지 916) 에는 슬롯 (숫자가 도시되지 않음) 이 제공되고, 각 플레이트 쌍 사이의 단열층 (이것은 폴리머 시트와 같은 단열 재료의 분리된 조각일 수 있으며 또는 상기 플레이트 일측 또는 양측에 입혀진 단열층일 수 있다) 과 함께 상기 플레이트는 상기 베이스 플레이트 (92A) 상에 911 내지 917 순서로 배치되어, 상기 핀 (92B 및 92C) 이 상기 플레이트 (911 내지 916) 내의 슬롯과 플레이트 (917) 내의 구멍을 통해 놓여진다. 상기 플레이트는 도 7 또는 8 의 플레이트의 방식으로 상기 크림프 연결부 (911A 내지 917B) 에 인접하는 홈을 가지는 것으로 도시되며, 상기 와이어 (921 내지 926) 는 상기 플레이트의 대응하는 가장자리로부터 이격되어 도 6 내지 도 8 에 도시된 바와 같이 상기 와이어는 상기 가장자리에 "가까이 근접" 하게 되어 본 발명의 제 1 및 제 2 특징 모두가 도 9 및 10 에 도시되는 엑츄에이터에서 유용하게 된다. 상기 플레이트는 상기 핀 상에 지지되어 임의의 종래 방법에 의해 상기 베이스 플레이트에 대해 평행하게 놓이게 되는데, 특별히 편리한 한가지 방법은 플레이트 (917) 위로 돌출하는 핀 (92B, 92C) (도 10 에 도시됨) 의 단부를 열적으로 변형 ("스테이크") 시켜 플라스틱 부품에 대해 익히 공지된 방법 및 VELOBIND (등록상표) 바인딩 시스템에서 예시된 바와 같이 상기 핀이 상기 플레이트를 보유하게 된다.
도 10 은 결합된 엑츄에이터의 측면도이다. 비록 상기 각 플레이트 (911 내지 917) 및 상기 크림프 조인트 (911A 내지 917B) 가 도시되지만, 명료성을 위해 상기 SMA 와이어는 도시되지 않는다. 손상을 일으키지 않고 상기 플레이트에 충분한 강성을 주면서 상기 SMA 와이어의 적절한 크림핑을 허용하도록 상기 플레이트 (911 내지 917) 는 200 ㎛ 두께의 반경질 니켈은 [55.25% 구리, 27.17% 아연, 17.22% 니켈, 0.26% 망간, 및 0.02% 납; ABC 금속사, 엘름허스트 일 (Elumhurst IL), 770 합금] 으로 제조된다. 250 ㎛ PET [듀폰 테진 밀라 (Teijin MYLAR) (등록상표) A] 절연체 (931 내지 936) 가 상기 플레이트들을 서로 전기적으로 절연시키면서 상기 플레이트 사이에 배치되며 상기 엑츄에이터가 수축 및 팽창함에 따라 상기 플레이트 (911 내지 916) 가 낮은 마찰로써 미끄러지도록 한다. 상기와이어는 90℃ 변태온도를 가지는 75 ㎛ 다이날로이 프렉시놀 (Dynalloy FLEXINOL) (등록상표) TiNi 합금이며, 상기 엑츄에이터에서의 손실 운동을 일으킬 수 있는 느슨해짐을 방지하기 위해 10 g 예비하중 인장상태에서 설치된다. 크림프들 사이의 거리 (각 와이어 세그먼트의 길이) 는 27 mm 이며, 상기 플레이트는 1.0 mm 깊이, 홈 바닥에서 대략 1.2 mm 너비, 및 홈 상단에서 대략 3.0 mm 너비를 가지는 도 8B 에 유사한 홈을 각 크림프에서 가진다. 상기 와이어는 상기 플레이트로 구부려져 상기 엑츄에이터가 결합될 경우 상기 와이어는 상기 플레이트의 가장자리로부터 대략 200 ㎛ 에 위치한다. 상기 프레임용의 적절한 재료는 충진 나일론 6/6 (나일레트론 (NYLATRON) (등록상표) GS), 폴리카보네이트 등과 같은 공업용 열가소성 물질이다. 이에 의한 엑츄에이터는 4 mm 스트로크 (12% 스트로크/길이비) 를 가지면서 6.1 mm 의 길이, 5.3 mm 의 너비, 38.6 mm 의 신장된 길이 [최하단 플레이트 단부에서의 부착지점으로부터 반대편 상단 플레이트 단부에서의 동력 선용 부착 크림프], 및 34.6 mm 의 수축 길이를 가진다. 완성된 엑츄에이터는 단지 1.1 g 의 중량을 가진다. 상기 엑츄에이터는 70 g 의 수축력, 4 g 의 복귀력, 및 500 g 을 초과하는 한계 힘을 가진다. 4.0 V 에서, 최대 전류는 470 mA 이다. 플레이트, 특히 부하가 설치되는 플레이트 (91) 의 이동과 상기 엑츄에이터의 최대 팽창 및 수축을 제한하면서 상기 핀 (92B 및 92C) 이 기계적 걸리개로서 기능하도록 상기 플레이트 내의 슬롯과 상호작용한다. 이러한 방식으로 (1) 상기 엑츄에이터에 의해 작용가능한 힘보다 훨씬 큰 과도한 외부 팽창력이 작용하더라도 상기 SMA 요소를 과부하시킬 수 없으며 (2) 상기 엑츄에이터가 그 능력의 한계까지 수축하지 않으므로, SMA 요소에 대해 익히 알려진 바와 같이 상기 SMA 요소가 노후되고 회복성을 잃게될 경우에도 상기 한계 걸리개 사이의 전체 범위에 걸쳐 상기 엑츄에이터가 이동할 것이다.
본 발명의 추가적인 특징에서, 상기 엑츄에이터에는 이 엑츄에이터의 최대 팽창 또는 수축을 감지하기 위한 전기적 센서가 제공될 수 있으며, 예를 들어 상기 엑츄에이터의 최대 수축을 감지하는 상기 센서는 상기 SMA 와이어에 동력을 공급하는 회로 내의 스위치에 연결될 수 있으며, 상기 스위치는 상기 엑츄에이터가 통상적인 수축 범위에서 작동할 경우 동력이 전달되도록 하며 상기 엑츄에이터가 최대 수축에 이를 경우 동력을 차단한다.
특히 상기 엑츄에이터의 디지털 제어에 채용되는 이러한 기능을 제공하는 예시적인 회로가 도 11 에 도시된다.
도 11 에서 엑츄에이터가 (1101) 가 개략적으로 도시된다. 상기 엑츄에이터 (1101) 는 도 9 및 10 에 도시되는 유형의 플레이트 엑츄에이터로서 최하단 플레이트 (1111) 가 가장 큰 범위의 운동을 하며 (즉, 부하에 연결될 것이다), 잔여 플레이트는 도시되지 않는다. 상기 최하단 플레이트 (1111) 에 연결된 와이어 (1111A) 및 최상단 플레이트에 연결된 와이어 (1117A) 를 통해 상기 최하단 플레이트 (1111) 및 상기 최상단 플레이트를 대략 +V 동력원에 연결함으로써 동력이 상기 엑츄에이터 (1101) 에 공급된다. 와이어 (1114A) 에 의해 중간 (네번째) 플레이트는 모스펫 (MOSFET) (1105) 드레인을 통해 접지된다. 그리하여, 이 회로에서, 이전에 논의된 바와 같이 상기 최상단 및 최하단 플레이트 사이에 보다 높은 전압이 공급되기 보다, 보다 낮은 전압에서 상기 엑츄에이터의 두 "절반" 이 평행하게 작동된다. 전도성인 플레이트 (1111) 는 플레이트 (전기 회로에서 1111B 로 도시됨) 를 통해 접촉자 (1111C) 내지 접촉자 (1111D) 의 회로를 전기적으로 포함한다. 상기 엑츄에이터 (1101) 가 완전히 신장될 경우, 즉 0% 수축시에, 접촉자 (1111D) 가 핀 (1102) 을 접촉하고 외부제어 회로 (도시되지 않음) 에 의해 0% 위치를 감지하면서 +V (디지탈 "하이") 에서 0% 신호가 발생하며, 유사하게, 상기 엑츄에이터 (1101) 가 완전히 수축될 경우, 100% 수축에서 접촉자 (1111C) 가 핀 (1103) 에 접촉하고 외부 제어 회로에 의해 100% 위치를 감지하면서 +V (디지탈 "하이") 에서 100% 신호가 발생하게 된다. CTRL 신호가 작용될 경우, 이 신호가 모스펫 (1105) 의 게이트에서 전압을 상승시켜 모스펫 (1105) 이 켜지고 동력이 플레이트 (1111/1117) 및 플레이트 (1114) 사이에서 엑츄에이터 (1101) 에 공급되어, 상기 엑츄에이터 (1101) 를 활성화시키고 상기 SMA 와이어 및 상기 엑츄에이터 그 자체를 수축시킨다. 수축이 시작됨에 따라, 접촉자 (1111D) 가 핀 (1102) 으로부터 분리되고 0% 신호는 디지탈 "로우" 로 된다. 상기 엑츄에이터 (1101) 가 완전히 수축될 경우, 접촉자 (1111C) 가 핀 (1103) 을 접촉할 것이며, 100% 신호는 디지탈 "하이" 로 될 것이다. 또한 트랜지스터 (1106) 가 켜져 모스펫 게이트에서의 전압을 강하시켜 엑츄에이터 (1101) 에 대한 동력을 끄게 된다. 상기 엑츄에이터가 냉각되고 다시 팽창될 경우, 접촉자 (1111C) 가 핀 (1103) 으로부터 분리되고 모스펫 (1105) 이 다시 켜지며 상기 엑츄에이터가 다시 수축된다. 그리하여, CTRL 신호가 작용되는 동안 상기 엑츄에이터는 100% 수축으로 수축할 것이며 100% 수축에 매우 근접하여 순환하게 된다. 저항 (1104 및 1107 내지 1109) 은 상기 회로를 통해 전류를 제어한다. 도 9 및 10 에 도시되고 상세한 설명에서 상기된 상기 엑츄에이터는, 이러한 수축 및 100% 가까운 재팽창의 순환율은 대략 50 Hz 이므로, 소비되는 동력이 자가 조절되는 동안 상기 엑츄에이터 (1101) 는 완전히 수축되어 유지되는 것으로 보인다. 이러한 엑츄에이터에 대해, 적절한 저항값은 10 ㏀ 이며, 적절한 모스펫은 IRLML2502 이고 적절한 트랜지스터는 MMBT3904 이다. 상기 핀 (1102 및 1103) 과 함께 이러한 것들은 상기 엑츄에이터의 베이스의 중공부 아래 및 내부에 설치된 플렉시블 회로 상에 표면설치되어 상기 엑츄에이터 및 제어 회로의 크기를 최소화시킬 것이다.
도 11에 도시된 바와 같은 회로를 채용함으로써 발생하는 장점은:
첫째, 원하는 정도로 엑츄에이터가 수축하자마자 회로는 엑츄에이터로의 전력을 차단한다. 이러한 차단은, 엑츄에이터가 원하는 수축 한계에 도달하면, 제어 신호가 인가되느냐에 관계없이 엑츄에이터가 더 이상 전력을 소비하지 않고, 엑츄에이터가 걸림개에 대항하여 스스로 작동하거나 또는 더욱 수축될 때 발생하는 전력 소비의 최소화를 보장한다. 이러한 차단은 또한, 원하는 수축이 달성되었다 하더라도 전력의 계속적인 인가에 의해 엑츄에이터의 SMA 와이어가 과열되지 않고, 응력의 감소 및 SMA 와이어의 최대 온도의 감소가 피로를 감소시키고 또한 엑츄에이터의 작업 수명(사이클 수)을 최대화시키는 것을 보장한다. 두번째, 이러한 회로에 의해 엑츄에이터가 최소 전력 소비 및 최소 SMA 와이어 온도에서 오랜기간동안 원하는 수축 정도로 유지될 수 있다. 제어 신호가 인가되고 엑츄에이터가 완전히 수축되지 않은 동안에는, 전력이 엑츄에이터에 인가되어 엑츄에이터가 수축한다. 엑츄에이터가 완전히 수축하면, 전력은 차단된다. 그러나, SMA 와이어가 냉각되어 재신장하자마자, 엑츄에이터는 재팽창하고, 엑츄에이터로의 전력 유동은 재설정된다. 그리고 나서 엑츄에이터는 다시 수축하여 엑츄에이터로의 전력이 다시 차단된다. 온-오프 사이클링(on-off cycling)은, 최대 수축에서 엑츄에이터를 보유하는데 충분한 일정한 온도, 예를 들어 온도(Af) 이하일 수 있는 온도에 SMA 와이어가 도달하도록 충분히 빠를 수 있어서, 다시 피로를 최소화시키고 또한 엑츄에이터의 작업 수명을 최대화시킨다. 또한, SMA 와이어가 최대 수축에 도달하는데 필요한 온도에만 도달하기 때문에, 제어 신호가 차단되면, Af로 가열되었던 것 이상으로 더 신속하게 와이어가 냉각될 것이고 또한 이 와이어는 엑츄에이터의 사이클 시간을 감소시킬 것이다(사이클 속도를 증가시킴).
이러한 태양의 온도 제어 이익이 SMA 엑츄에이터의 작동의 실험에 의해서만 상세히 설명되었지만, 당업자라면, 원하는 수축이 엑츄에이터의 최대 수축 이하로 제한되고, 엑츄에이터가 오랜 기간동안 활성화된(수축된) 상태로 유지되고, 또는 더 신속한 사이클링 및/또는 엑츄에이터의 더 연장된 수명이 요구되는 바와 같은 실시형태에 의해 달성되는 이익이 필요하거나 또는 요구되는 모든 SMA 엑츄에이터에 이러한 실시형태가 적용될 수 있고; 또한, 예시된 방법 이외의 방법이 검출 및 스위칭을 달성하는데 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 이러한 제어 기술은, 엑츄에이터로부터 이격되어 작동적으로 연결된(예를 들어 엑츄에이터가 연결되는 부하에 연결된) 센서/스위치를 사용함으로써 실시될 수 있고; 또한 도 11에 도시된 트랜지스터 회로에 의해서 보다는 엑츄에이터의 최대 수축에 의해 폐쇄된 단순 스위치 및 전기 회로에 의해 완전히 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 제 4 태양은, 제 1 태양, 제 1 및 제 2 태양, 또는 본 발명의 모든 다른 태양만을 갖는 본 발명의 SMA 엑츄에이터에 쉽게 적용될 수 있다.
본 발명의 SMA 엑츄에이터를 위한 검출 및 제어 기능을 포함하는 다양한 함수를 실시하는데 필요한 소프트웨어는 SMA 엑츄에이터 및 관련 전자 공학의 당업자에 의해 쉽게 달성될 것이고, 그러한 기술에 관련된 그 용도 및 본 출원에 관련된 문서를 포함하여 그러한 사람에게 이용가능한 정보에 의해 달성될 것이다.
본 발명의 여러 태양이 개시되었지만, 각각의 태양은 SMA 엑츄에이터에 적용될 때 이익을 제공하므로, 태양중 하나의 태양의 특징으로 나타내는 SMA 엑츄에이터가 그러한 태양을 채용하지 않는 엑츄에이터를 통해 이익을 제공할 것이고, 하나 이상의 태양가 주어진 엑츄에이터에 적용될 때 적용된 태양의 이익이 추가적이므로, 본 발명의 하나 이상의 태양을 채용하는 SMA 엑츄에이터가 더 적은 태양을 채용하는 엑츄에이터보다 더 큰 이익을 나타낼 수 있다는 것이 명백할 것이다.
본 발명의 범위 및 정수를 벗어나지 않으면서 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 당업자에게 명백하게 될 것이다. 본 발명이 특정한 바람직한 실시형태와 연계하여 개시되었지만, 본 발명이 그러한 특정한 실시형태에 부당하게 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 실제로, 당업자에게는 명백한 본 발명의 다양한변형은 본 명세서 및 청구항의 범위내에 존재한다.

Claims (20)

  1. 평행하게 배열되는 3개 이상의 기다란 강성 부재를 포함하는 스트로크-확대 형상 기억 합금(SMA) 엑츄에이터로서, 각 부재는 장축을 갖고 또한 각 부재는 그 장축에 평행하게 다른 부재에 대해 미끄럼가능하고, 엑츄에이터의 스트로크가 SMA 와이어의 스트로크의 합계와 실질적으로 동일하도록 각 부재는 SMA 와이어에 의해 서로 연결되고, SMA 와이어의 적어도 중심부는 히트 싱크에 매우 근접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기다란 부재는 평행 플레이트인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 기다란 부재는 서로 절연된 적층 평행 전도성 플레이트인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 각각의 2개의 플레이트는 중합 재료층에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 플레이트는 상단 플레이트, 바닥 플레이트, 및 하나 이상의 중간 플레이트를 포함하고, 각각의 플레이트는 제 1 단부 및 제 2 단부를갖고, 모든 플레이트의 제 1 단부는 일반적으로 하나 위에 다른 하나가 정렬되고, 모든 플레이트의 제 2 단부는 일반적으로 하나 위에 다른 하나가 정렬되며, 제 1 SMA 와이어는 바닥플레이트의 제 1 단부에 인접하는 제 1 단부 연결 및 바로 그 위에서 중간플레이트의 제 2 단부에 인접하는 제 2 단부 연결을 구비하고, 제 2 SMA 와이어는 상단플레이트 바로 아래에서 중간 플레이트의 제 1 단부에 인접하는 제 1 단부 연결 및 상단플레이트의 제 2 단부에 인접하는 제 2 단부 연결을 구비하며, 하나 이상의 중간플레이트가 존재하는 경우, SMA 와이어는 각 중간플레이트의 제 1 단부에 인접하는 제 1 단부 연결 및 바로 그 위에서 중간 플레이트의 제 2 단부에 인접하는 제 2 단부 연결을 구비하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  6. 제 1 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 중심부와 히트 싱크 사이의 거리는 와이어 직경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  7. 제 6 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 중심부와 히트 싱크 사이의 거리는 와이어 직경의 8배 이하인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  8. 제 7 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 중심부와 히트 싱크 사이의 거리는 와이어 직경의 1배와 4배 사이인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  9. 제 1 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 적어도 중심 20%는 상기 히트 싱크에 가까이 근접하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  10. 제 9 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 적어도 중심 40%는 상기 히트 싱크에 가까이 근접하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  11. 제 10 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 적어도 중심 70%는 히트 싱크에 가까이 근접하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  12. 제 1 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 각 단부의 적어도 단부 1mm는 상기 히트 싱크에 가까이 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  13. 제 11 항에 있어서, 각 SMA 와이어의 각 단부의 적어도 단부 1.5mm는 히트 싱크에 가까이 근접하지 않는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 엑츄에이터의 상기 강성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  15. 제 4 항에 있어서, 상기 히트 싱크는 상기 엑츄에이터의 평행 전도성 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  16. 제 15 항에 있어서, 각 플레이트는 플레이트의 단부에 인접하는 플레이트에 부착된 SMA 와이어에 가장 가까운 장축에 평행한 가장자리를 갖고, 이 가장자리는, 각 와이어의 적어도 중심 60%가 가장자리에 가까이 근접하고 또한 플레이트에 대한 와이어의 부착 지점에 인접하는 홈을 가져서, 이 와이어가 플레이트에 대한 부착 지점으로부터 와이어의 적어도 제 1 의 1mm 에 대해 상기 가장자리에 매우 근접하지 않도록 되는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  17. 제 1 항에 있어서, 히트 싱크는 상기 엑츄에이터의 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  18. 제 17 항에 있어서, 히트 싱크는 엑티브 냉각 요소인 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  19. 제 1 항에 있어서, 소정 수축 한계를 갖고 또한 상기 엑츄에이터에 전력을 공급하여 상기 엑츄에이터가 수축하도록 하는 전력 공급 회로를 구비하는 엑츄에이터로서, 이 전력 공급 회로는 상기 엑츄에이터가 소정 수축 한계 이하로 수축될 때 일반적으로 폐쇄되고 또한 엑츄에이터가 소정 수축 한계에 도달할 때 개방되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑츄에이터.
  20. 소정 수축 한계를 갖고 또한 엑츄에이터에 전력을 공급하여 이 엑츄에이터가수축하도록 하는 전력 공급 회로를 구비하는 엑츄에이터로서, 이 전력 공급 회로는 엑츄에이터가 소정 수축 한계 이하로 수축될 때 일반적으로 폐쇄되고 또한 엑츄에이터가 소정 수축 한계에 도달할 때 개방되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 SMA 엑츄에이터.
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