KR20110125514A - 형상기억합금 이중 스프링 및 이를 구비한 형상기억합금 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상기억합금 액츄에이터의 출력을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 형상기억합금 이중 스프링 및 이를 구비한 형상기억합금 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 형상기억합금 이중 스프링은 형상기억합금으로 이루어지며, 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

형상기억합금 이중 스프링 및 이를 구비한 형상기억합금 액츄에이터{Shape memory alloy double spring and shape memory alloy actuator having the same}

본 발명은 형상기억합금을 이용한 액츄에이터와, 이 액츄에이터에 이용되는 형상기억합금 스프링에 관한 것이다.

형상기억합금(shape memory alloy; SMA)의 열탄성 특성이 1930년대 이후 공지된 후, 상업적으로 실행 가능한 사용에 대해서는 1990년대까지 과제로 남아 있었다. 최근 들어, SMA 재료는 자동차 산업으로부터 의학 산업까지 다양한 산업분야에 적용된다. 그 중 하나의 적용은 액츄에이터용으로 SMA 재료를 사용하는 것이다.

종래의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 스프링(또는 코일) 구조로 된 형상기억합금(S)에 전류를 인가하면, 발생하는 열에 의해 형상기억합금의 온도가 변화되고, 이에 따라 형상기억합금이 열탄성 변형되는데, 이때의 변형량을 액츄에이터의 출력으로 이용하였다.

하지만, 종래의 형상기억합금 스프링의 구조로 얻을 수 있는 열탄성 변형량에 한계가 있어서, 액츄에이터의 출력에 한계가 존재한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 형상기억합금 액츄에이터의 출력을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 형상기억합금 이중 스프링 및 이를 구비한 형상기억합금 액츄에이터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 형상기억합금 이중 스프링은 형상기억합금으로 이루어지며, 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 형상기억합금 액츄에이터는 형상기억합금으로 이루어지며, 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 형상기억합금 이중 스프링과, 상기 형상기억합금 이중 스프링이 열탄성 변형 되도록 상기 형상기억합금 이중 스프링에 전원을 인가하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 스프링에 비하여 형상기억합금 이중 스프링의 단위길이당 변형량이 증가하므로, 더 큰 출력을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 형상기억합금 액츄에이터에 이용되는 형상기억합금 스프링의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터의 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 형상기억합금 이중 스프링의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 형상기억합금 이중 스프링을 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터에 관하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터의 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 형상기억합금 이중 스프링의 개략적인 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 형상기억합금 이중 스프링을 제작하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 형상기억합금 액츄에이터(100)는 형상기억합금 이중 스프링(10)과, 전원부(20)와, 출력부(30)를 포함한다.

형상기억합금 이중 스프링(10)은 형상기억합금 액츄에이터의 구동력을 발생시키는 것으로, 형상기억합금(shape memory alloy; SMA) 소재로 이루어진다. 형상기억합금은 온도변화에 따라 '팽창 형태'와 '수축 형태' 사이에서 열탄성 변형하는 소재로, '팽창 형태'란 형상기억합금이 마르텐사이트 상(martensite phase)으로 연신되어 있음을 의미하며, 반대로 '수축 형태'란 형상기억합금이 오스테나이트 상(austenite phase)으로 짧아져 있음을 말하는 것이다. 그리고, 이때의 변형량이 액츄에이터의 출력으로 이용된다. 이하, 형상기억합금 이중 스프링을 제작하는 과정과 함께 형상기억합금 이중 스프링의 구조를 설명하기로 한다.

먼저, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 형상기억합금 소재로 이루어진 와이어를 제1코어(1) 둘레를 따라 나선형으로 감아 1차스프링(11)을 형성한 다음, 이 1차스프링(11)을 열처리한 후 1차스프링에서 제1코어(1)를 빼낸다. 이후, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1코어(1)보다 큰 직경을 가지는 제2코어(2) 둘레를 따라 1차스프링을 나선형으로 감으면 이중 스프링 구조가 형성되며, 이후 열처리 한 다음 제2코어(2)를 빼내면 형상기억합금 이중 스프링(10)의 제작이 완료된다.

그리고, 이와 같이 이중 스프링 구조로 이루어지면, 도 1에서와 같이 단일 스프링 구조로 되어 있을 때보다 스프링의 변형량(길이방향으로 변형량)이 증가하게 된다. 실험결과, 형상기억합금의 종류와 코어의 직경에 따라 조금씩 상이하기는 하지만, 이중 스프링 구조를 형성하였을 때 단일 스프링 구조에 비하여 단위길이당 약 2배의 변형을 보이는 사실이 확인되었다.

전원부(20)는 형상기억합금 이중 스프링(10)으로 전원을 인가하기 위한 것으로, 전기단자를 통해 형상기억합금 이중 스프링과 전기적으로 연결된다. 전원부(20)에서 형상기억합금 이중 스프링으로 전류를 공급하면, 형상기억합금 이중 스프링이 자체적으로 발열하면서 온도가 변하게 되고, 이에 따라 형상기억합금 이중 스프링이 열탄성 변형하게 된다. 그리고, 이 전원부에는 형상기억합금 이중 스프링에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 제어스위치(도면 미도시) 등이 추가적으로 구성될 수도 있다.

출력부(30)는 형상기억합금 이중 스프링의 변형량(직선운동)을 원하는 운동형태로 출력하기 위한 것으로, 형상기억합금 이중 스프링의 단부에 연결된다. 출력부(30)는 형상기억합금 이중 스프링(10)의 변형량을 직선 운동 형태로 그대로(또는 증폭하여) 출력할 수 있으며, 회전운동으로 변환하여 출력할 수도 있다. 이를 위해, 출력부(30)는 링크 등을 포함하여 적절하게 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 형상기억합금 이중 스프링(10)을 이용하면 기존의 스프링에 비하여 단위 길이당 변형량이 2배 정도 증가하므로, 종래보다 더 큰 출력을 얻을 수 있다. 게다가, 형상기억합금 이중 스프링을 제작하는 단계가 기존에 비하여 훨씬 더 복잡한 것이 아니고, 기존의 제작장비를 그대로 이용하여 제작가능할 것으로 예상되는바, 용이하게 생산하여 실제 제품에 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

예를 들어, 본 실시예에서는 이중 스프링 구조로 스프링을 제작하였으나, 필요에 따라서는 3중 스프링 구조로 스프링을 제작할 수도 있다. 이 경우, 더 큰 출력을 얻을 수 있을 것으로 예상되나, 제작과정이 보다 더 복잡해지고, 스프링의 변형량을 정밀화하는 과정이 복잡해질 것으로 예측된다.

100...형상기억합금 액츄에이터
10...형상기억합금 이중 스프링 20...전원부
30...출력부 1...제1코어
2...제2코어 11...제1스프링

Claims (2)

1. 형상기억합금으로 이루어지며, 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 이중 스프링.
2. 형상기억합금으로 이루어지며, 일방향으로 길게 형성된 와이어가 나선형으로 감겨져 형성된 1차스프링이 다시 한번 나선형으로 감겨져 이중의 스프링 구조를 가지는 형상기억합금 이중 스프링; 및
   상기 형상기억합금 이중 스프링이 열탄성 변형 되도록 상기 형상기억합금 이중 스프링에 전원을 인가하는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액츄에이터.

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