KR20240046548A - 형상 기억 합금 와이어에 의해 제어되는 작동기 서브조립체, 복수의 이러한 서브조립체를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템의 제어 방법 - Google Patents

형상 기억 합금 와이어에 의해 제어되는 작동기 서브조립체, 복수의 이러한 서브조립체를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상 기억 합금 와이어(130, 130')에 의해 제어되는 작동기 서브조립체(100), 복수의 이러한 서브조립체를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 형상 기억 합금 와이어(130, 130')는 소위 대항적 구성이다.

Description

형상 기억 합금 와이어에 의해 제어되는 작동기 서브조립체, 복수의 이러한 서브조립체를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템의 제어 방법
본 발명은 형상 기억 합금(SMA) 와이어에 의해 제어되는 작동기 서브조립체, 복수의 이러한 서브조립체를 포함하는 시스템 및 이러한 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 말해서, SMA 와이어를 작동 요소로 사용하면 가장 전형적으로는 적절한 전류 공급을 통한 줄(Joule) 효과에 의해 가열될 때 적절하게 길들여진 SMA 와이어가 짧아지는 기능을 통해 중량, 전력 소비, 및 비용 측면에서 다른 작동 시스템에 대하여 다양한 이점이 제공된다.
SMA 와이어 및 보다 일반적으로 SMA 기술의 상기와 같은 이점은 다양한 기술 분야, 예를 들어 US 10514593에 설명된 카메라 모듈 작동기, 또는 EP 3877650에 설명된 양방향 개별 작동기, 또는 국제 특허 출원 WO 2021/197980 및 PCT/EP2022/054601에 설명된 쌍안정 관성 작동기, 또는 국제 특허 출원 PCT/EP2022/061170에 설명된 유체 밸브 및 유체 밸브 서브조립체(상기의 것은 전부 본 출원인의 명의의 것임), 또는 US 20100295417에 설명된 통합 작동 장치가 있는 다중 세그먼트 스파인 또는 US 9205593에 설명된 접이식 구조에서 활용되어 왔다.
일반적으로 말해서, SMA 기반의 작동기에는 변위 가능한 아이템의 양방향 움직임을 보장하기 위해 SMA 작동식 컴포넌트의 동작에 반대되는 복귀 수단이 필요하다. 복귀 수단은 US 2012/104292에 설명된 플러그 작동기의 다양한 실시예에서의 선형 또는 코일형 스프링과 같은 수동 탄성 요소, 또는 제1 요소에 대해 반대로 작용하는, 소위 대항적(antagonistic) 구성의 SMA 컴포넌트와 같은 다른 능동 요소일 수 있다. 작동기에서의 SMA 기반의 대항적 컴포넌트의 일부 예는 앞서 설명한 US 10514593 및 EP 3877650, EP 3908753, US 4544988 및 US 2012/151913에 제공되어 있다.
SMA 기반의 작동기에서 흔히 인식되는 다른 특징은 앞서 설명한 국제 특허 출원 WO 2021/197980 및 PCT/EP2022/054601에 설명된 것과 같은 쌍안정 기계적 제어의 가능성이다.
본 발명의 목적은 쌍안정 및 대항적 구성의 SMA 와이어를 기초로 하는 SMA 작동기로 공지 기술의 한계를 극복하는 것이며, 그 제1 양태에서는, 4개의 코너 커넥터를 갖는 사각형 프레임, 상기 프레임의 중심에 대응하여 배치되며 탄성적으로 변형 가능한 암에 의해 연결되는 가동 요소, 2개의 대향 코너 커넥터 상에 고정되며 상기 가동 요소의 제1 표면에 접촉하는 제1 형상 기억 합금 와이어, 다른 2개의 대향 코너 커넥터 상에 고정되며 상기 가동 요소의 제2 표면에 접촉하는 제2 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 작동기 서브조립체로 구성되며, 상기 제2 표면은 상기 제1 표면에 대향된다.
가장 일반적인 실시예에서, 제1 표면은 가동 요소의 상부 표면이고, 제2 표면은 가동 요소의 하부 표면이다.
"상기 프레임의 중심에 대응"이라는 표현은 실제 디바이스의 그 제조 공차의 맥락에서 해석되어야 한다는 점을 강조하는 것이 중요하다. 따라서, 프레임 중심과 가동 요소 중심 사이의 이상적인 정렬이 바람직하지만, 가동 요소 대칭축(존재하는 경우)이 제1 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 평면과 제2 형상 기억 합금 와이어를 포함하는 평면 사이의 교차점에 위치되지 않고 오히려 가동 요소 전체가 이러한 평면 교차점을 차단하는 경우에도 시스템은 작동할 수 있다.
본 발명은 다음 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다:
· 도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 작동기 서브조립체를 위에서 본 개략도이고;
· 도 1b 및 도 1c는 그 2개의 안정된 위치에 있는 도 1a의 작동기 서브조립체의 A-A 선을 따른 개략적인 단면도이고;
· 도 2a는 도 1a에 따른 복수의 작동기 서브조립체를 포함하는 시스템을 위에서 본 개략도이고;
· 도 2b는 도 2a의 시스템의 A-A' 선을 따른 개략적인 단면도이고;
· 도 3a는 제2 실시예에 따른 복수의 작동기 서브조립체를 포함하는 시스템을 위에서 본 개략도이고;
· 도 3b 및 도 3c는 서로 다른 평형/안정 조건에 있는 작동기 서브조립체를 갖는 도 3a의 시스템의 A-A' 선을 따른 개략적인 단면도이며,
· 도 3d는 도 3a의 시스템의 B-B' 선을 따른 개략적인 단면도이고;
· 도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 24개의 작동기 서브조립체를 포함하는 시스템의 상부 및 하부 SMA 와이어를 각각 제어하는 데 적절한 전자 개략도이다.
일부 경우에, 도면에 도시된 다양한 요소의 크기와 치수 비율이 도면의 이해를 돕기 위해 변경되었으며, 특히 SMA 와이어 직경과 탄성적으로 변형 가능한 암의 두께에 대한 특정한 참조는 배타적인 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 더욱이, SMA 와이어에 전류/전압을 공급하는 수단은 본 기술 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있으며 본 발명의 이해에 필요하지 않기 때문에 도시되지 않는다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 작동기 서브조립체의 위에서 본 개략도가 도 1a에 도시되는 한편, 그 2개의 단면도가 도 1b 및 도 1c에 도시되어 있다. 작동기 서브조립체(100)는, 그 코너에 대응하여 4개의 고정 요소(120, 120', 120'', 120''')를 갖고, 제1 대각선을 따르는 대향 요소(120', 120''')가 제1 형상 기억 합금 와이어(130)를 고정하는 데 사용되는 반면, 다른 대각선을 따르는 대향 요소(120, 120'')가 제2 형상 기억 합금 와이어(130')를 고정하는 데 사용되는, 특히 정사각형 형상의 사각형 프레임(110)을 포함한다.
형상 기억 합금 와이어(130, 130')는 소위 대항적 구성이며, 이는 특정 컴포넌트에 반대 방향으로 힘을 인가한다는 것을 의미하며, 본 경우의 특정 컴포넌트는 위로는 와이어(130)가 통과하는 반면 그 아래로 와이어(130')가 통과하는 가동 요소(160)이다. 가동 요소(160)의 상부 표면에는 제1 SMA 와이어(130)를 제자리에 유지하기 위한 가이드(1310)가 있고, 한편 제2 SMA 와이어(130')는 플런저(170)가 연결되는 가동 요소(160)의 하부 표면에 형성된 가이드(도시되지 않음)에 유지되며, 제2 SMA 와이어(130')가 이들 사이를 통과한다.
제1 SMA 와이어(130)는 프레임(110) 위에 놓이는 반면, 제2 SMA 와이어(130')는 프레임(110) 아래에 놓이고, 앞서 설명한 US 10514593, EP 3877650, EP 3908753, US 2012/151913 및 US 4544988에 도시된 구성과 달리, 프레임(110)이 도면에 예시된 바람직한 정사각형 형상을 가질 경우 이들 와이어는 서로 직교하는 서로 다른 평면에 놓인다.
특히, 2개의 SMA 와이어가 각각 사각형 프레임의 대향 코너에 연결되는 본 발명과 달리, US 2012/151913은 대항적 구성의 두 쌍의 SMA 와이어를 보여주며, 각각의 SMA 와이어는 평행육면체 프레임의 2개의 인접 코너에 연결되어 있다. US 4544988은 US 2012/151913에서와 같이 SMA 대항적 와이어가 인접 코너에 유사하게 연결되어 있는 프레임 없는 구조를 갖는다. 또한, 앞서 설명한 US 2012/0104292는 본질적으로 동일한 평면에 놓이는 대항적 구성의 2개의 SMA 와이어가 있는 일 실시예를 가지며, 즉, 이들의 2개의 말단은 조립체 커버의 동일한 대향 벽에 연결된다.
서로 직교하는 또는 거의 직교하는 평면에 놓이는 동시에 대항적 구성인 SMA 와이어를 사용하면, 작동기의 2개의 안정된 위치 사이를 전환하는 동안 가동 구조가 기울어지는 것이 방지된다. SMA 와이어 평면은 SMA 와이어 및 그 코너 커넥터를 포함하는 평면으로 정의되고, SMA 와이어 평면 사이의 이러한 실질적인 직교성 조건은 SMA 와이어가 사각형 프레임의 대향 코너에 연결되어 그 평면들이 90°±20°의 각도로 교차하게 되는 것에 의해 달성된다. 이러한 조건은 앞서 설명한 US 2012/151913 및 US 4544988의 인접한 SMA 와이어 연결에 의해서는 달성될 수 없으며, US 2012/104292에서 본질적으로 동일한 평면에 놓이는 대항적 구성의 SMA 와이어에 의해서도 달성될 수 없다.
이러한 양태는 가동 요소 재료가 단단하지 않고 SMA 와이어의 다수의 작동시 변형될 수 있는 경우 특히 관련이 있다. 더욱이, 실질적으로 직교하는 배열은 유동 및 전환 타이밍을 조절하기 위해 두 와이어를 가열하는 동작을 단순화한다. 동일한 방향을 따라 두 와이어가 응력을 받으면 부착 지점이 완벽하게 정렬되어 있지 않을 경우 경사 모멘트가 발생할 수 있고, 이는 실제 디바이스에서와 같이 SMA 와이어의 평면들이 본질적으로 평행하지만 완벽하게 평행하지는 않은 경우에 발생한다. 대항적 와이어를 갖는 앞서 설명된 US 2012/104292의 구성이 특히 이러한 문제를 드러내는 경향이 있다.
반면에, US 2012/151913의 가동 구조는 그 평행육면체 프레임의 내부 표면에 형성된 채널에 꼭 맞게 끼워 맞추는 것에 의해 기울어지거나 비틀리는 것을 방지하며, 2개의 안정된 위치 사이의 원활한 통과를 방해할 위험이 있다. US 4544988에도 유사한 배열이 개시되어 있으며, 2개의 안정된 위치 사이에서 가동 구조의 움직임을 안내하기 위한 가이드 레일을 제공하고, 상기 가동 구조는 탄성적으로 변형 가능한 암에 의해서조차 그 프레임에 연결되지 않고 SMA 와이어 자체에 의해서만 연결된다.
본 발명은 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 대항적 SMA 와이어(130, 130')와 견고한 접촉이 가능한 2개의 대향 표면을 갖는 한, 가동 요소(160)에 대한 임의의 특정 형상 또는 기하학적 구성으로 제한되지 않는다. 플런저(170)는 가동 요소(160)와 연결되어 작동기 서브조립체가, 예를 들어 많은 수의 테스트 셀 또는 테스트 웰(가능한 수치 범위는 상당히 넓고 일반적으로 6개 내지 1536개임)을 포함하는 테스트 마이크로플레이트와 같은 유체 디바이스 또는 분석 장비에 사용되기 쉽도록 만든다. 이러한 디바이스는 널리 공지되고 확산되어 있으며, 예를 들어 논문 "Fully integrated rapid microfluidic device translated from conventional 96-well ELISA kit"(by M. Jalal Uddin et al, Scientific Reports volume 11, Article number: 1986 (2021))를 참조한다.
도 1a 내지 도 1c의 작동기 서브조립체(100)는 프레임 측면의 중간 위치에서 가동 요소(160)를 정사각형 프레임(110)에 연결하는 4개의 탄성적으로 변형 가능한 암(140, 140', 140'', 140''')을 통해 쌍안정 동작을 달성하고, 상기 탄성적으로 변형 가능한 암(140, 140', 140'', 140''') 각각은 도 1b(상부) 및 도 1c(하부)에 도시된 바와 같이 2개의 안정된 위치, 즉, 상부 위치 및 하부 위치를 갖는다. SMA 와이어(130, 130')의 대체 작동은 탄성적으로 변형 가능한 암(140, 140', 140'', 140''')을 스냅온 평형 위치 너머로 이동시키기에 충분하기만 하면 되고, 즉, 가동 요소(160)의 전체 이동은 SMA 와이어 푸시의 효과와 변형 가능한 암의 스냅 효과의 조합이라는 점에 유의해야 한다. 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 가요성 암은 프레임(110)에 연결된 제1 직선형 강성 부분(1400) 및 가동 요소(160)에 연결된 제2 탄성적으로 변형 가능한 부분(1410)을 가질 수 있다.
바람직하게는, 2개의 SMA 와이어(130, 130')는 서로간의 최대 거리가 2.5 내지 15 mm이고, 이는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 구성에서 가동 요소(160)의 높이에 대응하고, 이는 SMA 와이어(130 및 130')가 각각 가동 요소의 상부 및 하부 표면과 접촉하기 때문이다. 바람직하게는, 프레임 대각선을 따른 프레임 코너 커넥터 사이의 거리는 25 내지 100 mm이다.
가동 요소(160)의 위치는 마지막으로 작동된 SMA 와이어, 즉, 상승된 구성의 플런저(170)에 대한 하부 SMA 와이어(130')(도 1b)와 하강된 구성의 플런저(170)에 대한 상부 SMA 와이어(130)(도 1c)에 따라 달라진다. 탄성적으로 변형 가능한 암(140, 140', 140'', 140''')에 의해 인가되는 힘은 SMA 와이어(130, 130')를 작동할 필요 없이 작동기 서브조립체를 그 안정된 위치에 유지하여, 작동기 서브조립체를 하나의 안정된 위치에서 다른 안정된 위치로 전환하는 경우에만 적절한 SMA 와이어에 전력이 제공된다는 점에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 작동기 서브조립체는 독립형 작동기의 능동 부분으로 사용될 수 있음에도 불구하고, 그 이점은 소위 매트릭스 구성, 즉, 복수의 작동기 서브조립체가 행과 열로 함께 연결되는 구성에서 충분히 활용된다. 이 경우, 단일 SMA 와이어가 대각선으로 정렬된 다수의 작동기 서브조립체에서 동작할 수 있으며, 인접한 서브조립체는 하나 또는 2개의 공통 프레임 코너 커넥터를 공유한다.
도 2a는 도 1a에 따른 16개의 작동기 서브조립체, 즉, 각각의 행에 4개 및 각각의 열에 4개로 구성된 이러한 시스템(200)을 위에서 본 개략도를 도시한다. 도 2b에 도시된, 예를 들어 A-A' 선을 따른 주어진 행의 단면도는 행을 구성하는 4개의 서브조립체(201, 202, 203, 204)가 어떻게 서로 다른 상태로 될 수 있는지, 즉, 플런저(170)가 작동기 서브조립체(201, 203, 204)에서는 상승되고 대신에 작동기 서브조립체(202)에서는 하강되는지를 예시한다.
도 2a의 앞서 설명된 작동기 서브조립체 시스템의 변형이 작동기 서브조립체를 포함하는 시스템(300)을 예시하는 도 3a 내지 도 3d에 도시되어 있으며, 여기서 가동 요소(360)는 십자형 수직 단면을 갖고 탄성적으로 변형 가능한 암(340, 340')은 통합형 코너 커넥터(320, 320', 320'', 320''' 및 320iv)를 갖는 프레임(310)과 가동 요소(360)를 연결하는 변형 가능한 직선 요소이다.
도 3a의 A-A' 선을 따른 단면도를 나타내는 도 3b 및 도 3c의 비교에 의해 도시된 바와 같이, 대향 프레임 코너 커넥터 사이의 전압 차이를 설정하여 특정 작동기 서브조립체를 구동하는 것이 가능하다. 도 3b에 예시된 경우에서, 제2 및 제4 서브조립체는 각각 SMA 와이어(331 및 333)의 작동을 통해 하강되고 변형 가능한 암의 동작에 의해 해당 위치에 유지되는 가동 요소(360)를 갖는다. 이를 다시 상부 위치로 가져오기 위해, SMA 와이어(331' 및 333')는 각각 커넥터(320'/320'' 및 320'''/320iv)를 통한 전류의 통과에 의해 활성화되어서, 가동 요소(360)가 도 3c에 도시된 바와 같이 상향으로 밀리도록 한다.
이러한 단면도에서 SMA 요소(330, 331, 332, 333, 330', 331', 332', 333')는 도 2a의 시스템에서와 같이 모두 다른 와이어이지만, 단일 SMA 와이어가 도 3a의 B-B' 선을 따라 취해진 개략적인 단면도인 도 3d에 도시된 바와 같이 시스템 대각선을 따라 배치된 복수의 작동기 서브조립체를 제어할 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 이 경우, 하부 SMA 요소는 모두 단일 형상 기억 합금 와이어(333')의 부분인 반면, 상부 SMA 요소(330, 331, 332, 333)는 모두 서로 다른 SMA 와이어이다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 SMA 와이어는 복수의 작동기 서브조립체를 연결하며, 그 수는 6개 내지 96개인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 시스템을 동작하는 방법과 관련하여, 임의의 프레임 코너 커넥터에 인가되는 전압을 독립적으로 제어하여, 대향 프레임 코너 커넥터 사이의 적절한 전압 차이에 의해, 더 많은 작동기 서브조립체를 연결하는 SMA 와이어의 경우 SMA 와이어 또는 SMA 와이어 부분이 되는 형상 기억 합금 요소가 작동기 서브조립체를 다른 안정된 위치로 변경하도록 작동(짧아짐)되게 할 수 있는 것이 중요하다. 말할 필요도 없이, 작동기 서브조립체를 이전의 그 안정된 위치로 다시 전환해야 할 필요가 발생할 때까지, 그 대항적 SMA 요소에는 어떠한 전류도 공급되지 않는다.
다수의 작동기 서브조립체의 상단 및/또는 하단 평면에 동일한 와이어를 사용하면 상당한 제조 및 비용 이점을 얻을 수 있다. 이를 실현하려면 각각의 서브조립체에서 접지선에 연결된 2개의 인접한 프레임 코너 커넥터가 존재하고 각각의 대향 프레임 코너 커넥터가 활성화 전압과 절연 상태 사이를 토글링하는 각각의 하드웨어 스위치에 연결되는 레이아웃을 준비하는 것이 중요하다. 토글링 전기 스위치는 바람직하게는 고체 반도체, 릴레이 또는 전기 기계 스위치로 구현될 수 있다. 이는 동일한 연속 SMA 와이어를 사용하여 인접한 프레임에 전류가 흐르지 않게 유지하거나 또는 전도성이 있는 개별 SMA 와이어들을 공통 커넥터에 연결하여 단일 와이어처럼 만든다.
또한, 시스템 프레임은 도 1b 및 도 1c, 도 2b, 도 3b 내지 도 3d의 단면도에 도시된 바와 같이(예를 들어, 프레임을 이중층 PCB로 만드는 것에 의해), 각각의 커넥터의 상부 및 하부 부분이 서로 절연되도록 시스템 프레임을 구성한다는 점에 유의해야 한다.
6x4 매트릭스로 배열된 24개의 작동기 서브조립체를 포함하는 시스템의 SMA 요소에 전력을 공급하기 위한 바람직한 전자 개략도가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 작동기 서브조립체의 2개의 인접한 행에 공통 접지선을 사용하여 전기 구성을 단순화한 것을 관찰할 수 있다. 시스템은 2개의 개별 전환 접지선을 사용하여 작동하며, 즉, 접지 전위는 접지1(ground1)/접지2(ground2)로부터 무전위(개방)로 전환 가능해야 하며, 접지1과 접지2는 서로 절연된(갈바닉 분리된) 2개의 개별 접지 레벨이어야 한다.
상기의 해결책에 의하면 시스템의 각각의 모든 작동기 서브조립체를 정확히 동시에 동작할 수는 없지만, 전기 스위치의 적절한 동작으로 최소 동작 지연을 적용함으로써 동작의 관점에서는 동시 작동(즉, 상태 변경)이 달성될 수 있으며, 이러한 지연은 밀리초 정도이고 시스템의 성능에 영향을 미치지 않는다는 점을 고려한 것이라는 점이 강조되어야 한다.
더 자세하게는, 도 4a의 개략도(410)는 제1(상부) SMA 와이어를 제어하기 위한 것이며, 각각의 서브조립체의 SMA 와이어 또는 SMA 와이어 부분을 제어하기 위한 핀이 좌측 상단 핀과 우측 하단 핀이고, 이들에는 와이어가 연결되지 않기 때문에 이로써 도 4a에서는 핀 7과 핀 29는 빠져 있다. 유사하게, 도 4b의 개략도(420)는 제2(하부) SMA 와이어를 제어하기 위한 것이며, 각각의 서브조립체의 SMA 와이어 또는 SMA 와이어 부분을 제어하기 위한 핀이 우측 상단 핀과 좌측 하단 핀이고, 이들에는 와이어가 연결되지 않기 때문에 이로써 도 4b에서는 핀 1과 핀 35는 빠져 있다.
작동기 서브조립체의 구성적 세부사항과 관련하여 이미 언급한 바와 같이, 바람직한 용도 중 하나는 분석 장비 내에서의 용도이다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 시스템에 적용되는 제어 방법은 분석 장비에서 테스트 웰의 선택적 제어(개폐)를 가능하게 하고, 테스트 웰의 수는 일반적으로 6개, 12개, 14개, 48개, 96개 및 384이며 ANSI/SBS 1-2004, ANSI/SBS 2-2004, ANSI/SBS 3-2004, ANSI/SBS 4-2004에 따른 ANSI 표준으로 생체분자 과학 협회(Society for Biomolecular Sciences)에 의해 지정되었다.
비록 직경이 30 μm 및 200 μm인 와이어를 사용하는 것이 바람직할지라도, 본 발명은 특정 SMA 와이어 크기에 제한되지 않는다. 유사하게, 비록 니티놀(Nitinol)과 같은 Ni-Ti 기반의 합금이 바람직할지라도, 본 발명은 SMA 와이어에 대하여 특정 재료로 제한되지 않는다.
마지막으로, 대항적 와이어를 동작하고 제어하는 방법과 관련하여, 이 정보는 본 기술 분야의 숙련자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 논문 "An accurately controlled antagonistic shape memory alloy actuator with self-sensing"(by Wang et al., published in 2012 in Sensors, 12, 7682-7700)을 참조한다. 대항적 와이어라는 용어는 작동이 변위 가능한 요소에 반대 방향으로 움직임을 전달하는 SMA 와이어를 의미한다는 점을 강조하는 것이 중요하다.

Claims (10)

  1. 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204)이며,
    - 4개의 코너 커넥터(120, 120', 120'', 120'''; 320, 320', 320'', 320''', 320iv)를 갖는, 바람직하게는 정사각형 형상의 사각형 프레임(110; 310),
    - 상기 사각형 프레임(110; 310)의 중심에 대응하여 배치되며 탄성적으로 변형 가능한 암(140, 140', 140'', 140'''; 340, 340')에 의해 연결되는 가동 요소(160; 360),
    - 대향하는 위치에 위치된 2개의 상기 코너 커넥터 상에 고정된 제1 형상 기억 합금 와이어(130; 330, 331, 332, 333), 및
    - 형상 기억 합금 와이어를 그 관련 코너 커넥터와 함께 각각 포함하는 2개의 와이어 평면이 90°±20°의 각도로 교차하도록, 다른 2개의 대향 코너 커넥터 상에 고정된 제2 형상 기억 합금 와이어(130'; 330', 331', 332', 333')를 포함하고,
    상기 제1 형상 기억 합금 와이어(130; 330, 331, 332, 333)는 상기 가동 요소(160; 360)의 제1 표면과 접촉하며, 상기 제2 형상 기억 합금 와이어(130'; 330', 331', 332', 333')는 가동 요소(160; 360)의 제2 표면과 접촉하고, 상기 제2 표면은 상기 제1 표면에 대향되어 2개의 형상 기억 합금 와이어가 가동 요소(160; 360)에 반대 방향으로 힘을 인가하는 대항적 구성으로 배열되도록 하는, 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204).
  2. 제1항에 있어서, 플런저(170)가 가동 요소(160; 360)의 제2 표면에 연결되고 제2 형상 기억 합금 와이어(130')가 그 사이를 통과하는, 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 형상 기억 합금 와이어(130; 330, 331, 332, 333)와 제2 형상 기억 합금 와이어(130'; 330', 331', 332', 333') 사이의 최대 거리는 2.5 내지 15 mm인, 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 프레임 대각선을 따른 코너 커넥터(120, 120', 120'', 120'''; 320, 320', 320'', 320''', 320iv) 사이의 거리는 25 내지 100 mm인, 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204).
  5. 상부 및 하부 부분이 서로 절연된 공통 코너 커넥터를 공유하는 인접한 서브조립체와 함께 매트릭스 구성으로 배열되는, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 복수의 작동기 서브조립체(100; 201, 202, 203, 204)를 포함하는 시스템(200; 300)이며, 각각의 서브조립체는 접지선에 연결된 2개의 인접한 코너 커넥터 및 활성화 전압과 절연 상태 사이를 토글링하는 각각의 하드웨어 스위치에 연결된 각각의 대향 코너 커넥터를 가지며, 상기 토글링 스위치는 고체 반도체, 릴레이 또는 전기 기계 스위치로 구현되는 것이 바람직한, 시스템(200; 300).
  6. 제5항에 있어서, 공통 접지선은 작동기 서브조립체의 2개의 인접한 행에 대해 사용되고, 시스템이 적어도 2개의 개별 공통 접지선을 포함하는 경우 이들 각각은 다른 접지 레벨로부터 절연되는 개별 접지 레벨이며 접지 전위로부터 무전위로 전환 가능한, 시스템(200; 300).
  7. 제6항에 있어서, 제1 형상 기억 합금 와이어(330, 331, 332, 333) 중 적어도 하나는 대각선으로 정렬된 다수의 가동 요소(160; 360)의 상부 표면과 접촉하고 제2 형상 기억 합금 와이어(330', 331', 332', 333') 중 적어도 하나는 대각선으로 정렬된 다수의 가동 요소(160; 360)의 하부 표면과 접촉하며, 단일 형상 기억 합금 와이어(330, 331, 332, 333; 330', 331', 332', 333')에 의해 접촉되는 가동 요소(160; 360)의 수는 6개 내지 96개인 것이 바람직한, 시스템(200; 300).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 복수의 제1 형상 기억 합금 와이어(330, 331, 332, 333)는 서로 평행하고, 복수의 제2 형상 기억 합금 와이어(330', 331', 332', 333')는 서로 평행한, 시스템(200; 300).
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 시스템(200; 300)을 제어하는 방법이며, 특정 형상 기억 합금 와이어(330, 331, 332, 333; 330', 331', 332', 333')의 작동은 상기 와이어가 고정되는 대향 코너 커넥터 사이의 전압 차이를 설정함으로써 달성되는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 이러한 방법은 분석 장비에서 테스트 웰의 선택적 개폐를 제어하기 위해 채택되고, 상기 테스트 웰의 수는 6개 내지 384개인 것이 바람직한, 방법.
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CN117587951B (zh) * 2024-01-18 2024-04-16 广东工业大学 一种自复位耗能支撑

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4544988A (en) 1983-10-27 1985-10-01 Armada Corporation Bistable shape memory effect thermal transducers
US20100295417A1 (en) 2009-05-21 2010-11-25 President And Fellows Of Harvard College Multi-Segmented Spine with Integrated Actuation
US9205593B2 (en) 2010-04-16 2015-12-08 GM Global Technology Operations LLC Surface texturing using foldable structures and active material actuation
US9038983B2 (en) 2010-10-27 2015-05-26 GM Global Technology Operations LLC Active drain plug for high voltage battery applications
US8851443B2 (en) 2010-12-15 2014-10-07 Autosplice, Inc. Memory alloy-actuated apparatus and methods for making and using the same
IT201600125596A1 (it) 2016-12-13 2018-06-13 Actuator Solutions GmbH Stabilizzatore d'immagine ottico
IT201900003589A1 (it) 2019-03-12 2020-09-12 Actuator Solutions GmbH Attuatore multistabile basato su fili in lega a memoria di forma
IT201900025057A1 (it) 2019-12-20 2021-06-20 Actuator Solutions GmbH Attuatore discreto basato su lega a memoria di forma
US11788517B2 (en) 2020-03-30 2023-10-17 Saes Getters S.P.A. Bistable shape memory alloy inertial actuator

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