KR20140084061A - 형상 기억 액츄에이터를 갖는 쌍안정성 전기 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍안정성 전기 스위치에 관한 것으로, 스위치의 2개의 작동 위치에 대응하는 2개의 안정 위치들 사이에서 구동 요소(6)를 토글시키기 위하여 스냅-작동 스프링(4)과 일체형인 구동 요소(6) 상에 작용하는 한 쌍의 대향 SMA 와이어(1, 2)를 액츄에이터로서 포함하고, 구동 요소(6)는 SMA 와이어들 중 하나가 수축되고 다른 SMA 와이어가 수축되지 않을 때 2개의 대향 SMA 와이어(1, 2)들 사이에 존재하는 거리보다 더 짧다. 이 방식으로, 활성화된 SMA 와이어에 의해 가해지는 전체 힘은 스냅-작동 스프링(4)의 저항을 극복하기 위해 이용되어, 더 큰 회로 폐쇄 힘을 제공하여 더 좋은 전기 접촉을 보장하고 스위치의 신뢰성을 증가시키는 더 강한 스프링을 이용하는 것이 가능하다.

Description

형상 기억 액츄에이터를 갖는 쌍안정성 전기 스위치{BISTABLE ELECTRIC SWITCH WITH SHAPE MEMORY ACTUATOR}

본 발명은 쌍안정성 전기 스위치에 관한 것으로, 특히 형상 기억 합금(이하에서 "형상 기억 합금(Shape Memory Alloy)"의 두문자어인 "SMA"로 표기됨)으로 제조된 와이어들로 구성된 액츄에이터에 의해 구동 요소가 이동되는 전기 스위치에 관한 것이다. 와이어에 대한 구체적인 기준이 이하에서 설정되었지만, 언급된 것들이 대체로 매우 작은 다른 2개의 치수들보다 훨씬 큰 치수를 갖는 다른 유사한 형상, 예를 들어 스트립 등에도 또한 적용될 수 있음이 인지해야한다.

형상 기억 현상은 상기 현상을 보여주는 합금으로 제조된 기계적 피스가 온도 변화 발생시 제조시 미리 설정된 2개의 형상 사이에서 매우 짧은 시간에 중간 평형 위치(intermediate equilibrium positions)없이 변이할 수 있다는 사실로서 공지되어있다. 이 현상이 발생할 수 있는 제1 모드는, 기계적 피스가 온도 변화시 예를 들어 형상(A)로부터 형상(B)로 진행하는 것과 같이 단일 방향으로 형상을 변경할 수 있는 반면 형상(B)로부터 형상(A)로의 역변이는 기계적인 힘의 적용을 요구한다는 점에서 "일방향"이라고 불린다.

반대로, 소위 "양방향" 모드에서는 온도 변화에 의해 양방향으로 변이될 수 있고, 이는 본 발명의 경우에 해당한다. 이는 저온에서 안정적인 마르텐사이트계(martensitic)로 불리는 유형으로부터 고온에서 안정적인 오스테나이트계(austenitic)로 불리는 유형으로 진행하는 그리고 그 반대로 진행(M/A 및 A/M 변이)하는, 피스의 미세-결정질 구조의 변형 덕분에 발생한다.

SMA 와이어는 형상 기억 요소의 특징들을 보여줄 수 있도록 단련되어야 하고, SMA 와이어의 단련 공정은 대개 와이어가 가열되었을 때 재현성이 높은 방식으로 마르텐사이트/오스테나이트(M/A) 상 변이를 유도하고, 와이어가 냉각되었을 때 오스테나이트/마르텐사이트(A/M) 상 변이를 유도하는 것을 허용한다. M/A 변이에서, 와이어는 3 내지 5% 단축되며, 이는 와이어가 냉각될 때 회복되며, A/M 변이를 통해 원래 길이로 복귀된다.

가열시 수축하고 냉각시 재연장되는 SMA 와이어들의 이 특징은 매우 단순하고 소형이며 신뢰성 있고 저렴한 액츄에이터를 얻기 위해 오래전부터 이용되어 왔다. 특히, 이 유형의 액츄에이터는 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로, 또는 그 반대로 구동 요소의 이동을 수행하기 위해 일부 쌍안정성 전기 스위치에 이용된다. 용어 "구동 요소"는 본원에서 매우 포괄적인 의미를 갖는 것으로 의도되며, 그 이유는 구동 요소의 이동이 2개의 작동 위치, 즉 전기 회로의 개방과 폐쇄 사이에서의 스위치의 절환을 결정할 수 있기만 하면 구체적인 제조 요구에 따라 수많은 형상을 취할 수 있기 때문이다.

SMA 와이어의 이 구체적인 응용예의 일부 예시들이 미국 특허 제4,544,988호, 제5,977,858호 및 제6,943,653호에 개시되었다. 이들 특허에서 설명된 일부 상이한 실시예들은 2개의 안정 위치들 사이에서 구동 요소를 가압하기 위해 한 쌍의 대향 SMA 와이어의 이용을 공유한다. SMA 와이어의 단축으로부터 얻을 수 있는 작은 진행은 2개의 안정 위치들 사이에서의 전체 진행을 커버하기에 불충분할 것이기 때문에, 상기 SMA 와이어는 구동 요소를 상기 구동 요소에 연결되는 스냅-작동 스프링의 부동 중심 너머로 도달하기에 충분하고 구동 요소를 진행의 종료부까지 가져가기에 적절한 거리에만 걸쳐 이동시키기 위해 이용된다.

스냅-작동 스프링의 전형적인 예는, 상술된 특허 US 5,977,858에서 설명된 것처럼, 압축된 채로 유지되고 2개의 대칭하는 안정 위치들 사이에서 토글하도록 그 단부에서 고정된 판 스프링이다. 본원에서는, 유사한 구성을 참조하지만 다른 특허 US 4,544,988 및 US 6,943,653에 개시된 것과 같은 기타 유형의 스냅-작동 스프링이 이용될 수 있음을 명백하다.

상술된 공지의 실시예들은 구동 요소에 영구적으로 연결되거나 접촉하여 그 위에서 작용하는 2개의 SMA 와이어를 갖는 특징을 공유하고, 이는 두가지 결점을 암시한다.

첫번째로, 활성화된(즉, 수축하도록 가열된) SMA 와이어는 스프링을 다른 안정 위치로 스냅하게 하기 위해 스프링의 저항을 극복하기에 충분할 뿐만 아니라, 아직 활성화되지 않고 구동 요소와 접촉하는 다른 SMA 와이어를 인장하기에 충분한 힘을 구동 요소 상에 가해야만 한다. 즉, 활성화된 SMA 와이어에 의해 가해지는 힘은 구동 요소와 함께 이동되는 다른 SMA 와이어를 인장하는데 부분적으로 이용된다.

두번째로, 활성화되지 않은 SMA 와이어는 재료 내에서 시간이 지남에 따라 피로 문제를 야기할 수 있는 기계적 응력을 받는다. 그 결과, 스위치의 각각의 작동 싸이클에서, 양쪽 SMA 와이어들, 즉 정상적인 단축 및 재연장 사이클을 위한 활성화된 와이어 및 구동 요소를 통해 수용되는 기계적 응력을 위한 활성화되지 않은 와이어는 응력을 받는다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술된 결점들을 극복하는 쌍안정성 전기 스위치를 제공하는 것이다.

이 목적은 쌍안정성 전기 스위치 상에서 SMA 와이어들에 의해 작용되는 구동 요소가, SMA 와이어들 중 하나는 수축되고 다른 SMA 와이어는 수축되지 않을 때, 2개의 대향하는 SMA 와이어 사이에 존재하는 거리보다 짧은, 쌍안정성 전기 스위치에 의해 달성된다. 다른 유리한 특징들은 종속항에서 개시된다.

본 발명에 따른 스위치의 주요한 이득은 활성화된 SMA 와이어가 전체 힘을 스냅-작동 스프링의 저항을 극복하는데만 이용한다는 사실로부터 기인하고, 이는 활성화되지 않은 다른 SMA 와이어는 활성화된 SMA 와이어의 전체 단축 진행 전체에 걸쳐 구동요소와 접촉하지 않기 때문이다. 그 결과, 동일한 SMA 와이어가 더 큰 회로 폐쇄 힘을 제공하는 더 강한 스프링을 토글할 수 있어서 더 양호한 전기 접촉을 보장하고 스위치의 신뢰성을 증가시킨다.

이 신규한 스위치의 두번째 중요한 이득은 각각의 SMA 와이어가 활성시에 정상적인 단축 및 재연장 싸이클에 의해서만 응력을 받는 반면, 다른 SMA 와이어가 활성되었을 때 실질적으로 어떠한 기계적 응력도 받지 않는다는 사실이다. 그 결과, 스위치는 더 신뢰성 있고 그 기계적 구조는 형상 기억 효과에 의해 야기되는 부하만을 고려하면서 최적화될 수 있다.

본 발명에 따른 쌍안정성 전기 스위치의 이러한 그리고 여타의 이득들과 특성들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하의 실시예의 상세한 설명으로부터 당해 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다.

도 1은 제1 작동 위치의 스위치를 도시하는 개략도로서, 여기서 스위치가 제어하는 전기 회로는 개방되어 있고 스냅-작동 스프링은 제1 안정 위치에 있다.
도 2는 활성화된 SMA 와이어가 단축 진행을 완료하고 스냅-작동 스프링이 부동 중심 너머로 도달하여 제2 안정 위치로 스냅되기 직전의, 회로의 폐쇄쪽으로의 변이 상태에 있는 스위치를 도시하는 개략도이다.
도 3은 제2 작동 위치의 스위치를 도시하는 개략도로서, 여기서 스위치가 제어하는 전기 회로는 폐쇄되어 있고 스냅-작동 스프링은 제2 안정 위치에 있다.
도 4는 활성화된 SMA 와이어가 단축 진행을 완료하고 스냅-작동 스프링이 부동 중심 너머로 도달하여 제1 안정 위치로 스냅되기 직전을 도시하는, 도 2와 유사한 도면이다.

상기 도면들을 참조하여, 본 발명에 따른 쌍안정성 전기 스위치는 마름모(rhomb) 형상으로 구성되고 축(A)을 따라 정렬된 공통 단부 핀(3)에 고정되는 한 쌍의 대향하는 SMA 와이어(1, 2)를 액츄에이터로서 포함하는 것을 볼 수 있다.

와이어(1, 2)들에 의해 형성되는 마름모 내부에 구성되는 판 스프링(4)은 역시 축(A)을 따라 정렬된 2개의 단부 핀(5)들 사이에 고정되고, 스프링(4)이 압축되고 도 1 및 도 3에서 도시된 2개의 안정 위치만을 취할 수 있는 거리에 위치한다.

구동 요소(6)는 스위치에 의해 제어되는 전기 회로를 나타내는 한 쌍의 인접한 접점(C1, C2) 상에 작용할 수 있도록 스프링(4) 상의 중앙 위치에 직각으로 장착되거나 형성된다.

상기 설명의 관점에서, 본 발명에 따른 쌍안정성 전기 스위치의 단순하고 효과적인 작동이 쉽게 이해된다.

도 1의 개방 회로 위치에서 시작하여, SMA 와이어(1)는 가열되어(일반적으로 와이어를 통해 전류를 통과시킴에 의함) 수축하고, SMA 와이어(1)와 일체형인 구동 요소(6) 상에 작용함으로써 스프링(4)을 제2 안정 위치쪽으로 가압한다. 도 2의 위치에서 와이어(1)는 실선으로 표시된 현재 위치와 파선으로 도시된 초기 위치 사이의 차이 내에서 단축 진행을 완료하고, 스프링(4)은 축(A)의 다른 편 상에 있는 부동 중심 너머로 도달한다.

본 스위치의 신규한 측면은 상술된 단축 진행 전체에 걸쳐, 와이어(1)는 스프링(4)이 제2 안정 위치 쪽으로 스냅될 때 다른 SMA 와이어(2)와 아직 접촉하지 않는 구동 요소(6)를 통해 스프링(4)만을 가압한다는 것이다.

도 3에서 도시된 바대로, 스프링(4)이 상기 제2 안정 위치에 도달할 때, 전기 회로는 접점(C1)을 가압하여 와이어(2)를 통해 접점(C2)와 접하게 하는 구동 요소(6) 덕분에 폐쇄된다. 회로가 폐쇄되자마자, 와이어(1)는 냉각시 형상 기억 효과에 의해 원래 길이를 회복하여 최초 위치로 복귀하도록 비활성화된다.

마지막으로, 역 회로 개방 작동이 도 4에서 도시되며, 도 4는 도 2와 유사하고 도 1의 제1 안정 위치로 스프링(4)을 되돌리기 위해 활성화될 때의 와이어(2)의 단축 진행을 도시한다. 명백하게, 이 경우에도 와이어(2)는 구동 요소(6)를 통해 스프링(4)만을 가압하고, 구동 요소(6)는 스프링(4)이 상기 제1 안정 위치쪽으로 스냅될 때 아직 다른 SMA 와이어(1)와 접촉하지 않는다.

본 발명에 따른 쌍안정성 전기 스위치의 상술되고 도시된 실시예는 다양한 변경을 허용하는 하나의 예시임이 명백하다. 특히, 상술된 변형에 더하여, 2개의 대향하는 SMA 와이어(1, 2)는 기계적으로 연속적이나 전기적으로는 왼쪽(1)과 오른쪽(2), 2개의 분기로 분할되어 하나의 분기만 가열하여 활성화할 수 있는 단일 와이어로 구성될 수도 있음이 인지되어야 한다.

반대로, 2개의 와이어(1, 2)는 완전하게 분리될 수 있고 상술된 것처럼 공통 단부 핀(3)을 공유하지 않을 수 있으며, 와이어(1, 2)가 완전한 마름모를 형성하지는 않고 오직 2개의 대향하는 V형상을 형성하면 스프링(4)의 핀(5)보다 더 가까울 수 있는 단부 핀 쌍을 갖는다.

마지막으로, 스냅-작동 스프링 및/또는 구동 요소의 다른 실시예들에서 전기 회로의 폐쇄/개방이 형상 기억 액츄에이터의 작동하에서 2개의 안정 위치 사이의 스냅-작동 스프링의 토글링에 의해 야기될 수 있기만 하면, 상기 폐쇄/개방은 접점(C1)을 구부리는 구동 요소(6)에 의해 직접적으로 실행되는 대신에 다른 방법으로 실행될 수 있음이 인지되어야 한다.

Claims (4)

1. 쌍안정성 전기 스위치로서, 스위치의 2개의 작동 위치에 대응하는 2개의 안정 위치들 사이에서 구동 요소(6)를 토글시키기 위하여 스냅-작동 스프링(4)과 일체형인 구동 요소(6) 상에 작용하는 한 쌍의 대향 SMA 와이어(1, 2)를 포함하는 쌍안정성 스위치에 있어서,
   상기 구동 요소(6)는 SMA 와이어들 중 하나가 수축되고 다른 SMA 와이어가 수축되지 않을 때 상기 대향 SMA 와이어(1, 2)들 사이에 존재하는 거리보다 더 짧은 것을 특징으로 하는
   쌍안정성 전기 스위치.
2. 제1항에 있어서,
   대향하는 SMA 와이어(1, 2)들은 마름모(rhomb) 형상으로 구성되고, 축(A)을 따라 정렬되는 공통 단부 핀(3)에 고정되고, 스냅-작동 스프링(4)은 상기 마름모에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는
   쌍안정성 전기 스위치.
3. 제2항에 있어서,
   스냅-작동 스프링(4)은 상기 축(A)을 따라 정렬되는 2개의 단부 핀(5)들 사이에 고정되는 판 스프링인 것을 특징으로 하는
   쌍안정성 전기 스위치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   대향하는 SMA 와이어(1, 2)들은 기계적으로 연속적이나 전기적으로는 개별적으로 가열될 수 있는 2개의 분기로 분할되는 단일 와이어로 구성되는 것을 특징으로 하는
   쌍안정성 전기 스위치.

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