KR102017560B1 - 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 응답 특성을 개선한 형상기억합금을 활용한 엑추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선형 응답 특성을 강화하기 위하여 각각 다른 반응 온도에서 변형되는 복수의 형상기억합금이 배치된 것으로, 이를 통해 천이온도(遷移溫度)에서도 급격하게 변형되는 것을 방지하여 부드러운 동작이 가능한 선형 응답 특성을 개선한 형상기억합금을 활용한 엑추에이터에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 일정 거리 이격되게 배치되는 제1요소와 제2요소와,
상기 제1요소와 제2요소 사이에 배치되며 양단이 제1요소와 제2요소에 각각 고정되는 복수개의 형상기억합금을 포함하되,
상기 형상기억합금은,
각각이 코일스프링 구조를 가지고,
대칭되게 배치된 한 쌍이 1개의 세트를 이루도록 배치되되,
상기 제1요소와 제2요소 사이에 적어도 2개의 세트가 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터{An actuator using a shape memory alloy with improved linear response characteristics}

본 발명은 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선형 응답 특성을 강화하기 위하여 각각 다른 반응 온도에서 복원되는 복수의 형상기억합금 코일스프링을 중첩배치하여 구성함으로써, 천이온도(遷移溫度)에서도 급격하게 변형되는 것을 방지하여 부드러운 동작이 가능한 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터에 관한 것이다.

형상기억합금(shape memory alloy)이란, 일정한 천이온도 이하에서는 마르텐사이트 상(phase)을 가져서 형상의 변형이 일어날 수 있으나, 이러한 변형이 일어난 후에 다시 위의 천이온도 이상으로 온도가 상승하는 경우에 오스테나이트 상으로 상변이가 일어나서 종전의 형상으로 되돌아가는 성질을 가진 소재이다. 이러한 형상기억합금을 이용하여 엑추에이터를 제작하면 무게가 가볍고, 값이 저렴하고, 소음이 없는 등의 장점이 많고, 이 외에도 다양한 부품분야에서 솔레노이드나 모터 등을 대체하고 있다.

이와 같은 형상기억합금 엑추에이터는 특정온도 또는 전자기선속밀도에서 변형된 형상이 복원되면서 응축력 내지 복원력이 출력되는 것이다.

도 5는 종래 형상기억합금을 이용한 액추에이터의 작동원리를 도시한 것으로, 이를 참조하면, 두 개의 작동부(10,20) 사이에 형상기억합금으로 된 와이어(30)와 대항스프링(40)이 도시되어 있다.

먼저, 도 5의 (a)를 보면, 형상기억합금 소자로 된 와이어(30)는 온도가 상승한 고온이며 따라서 이는 오스테나이트 상태이다. 그러므로 상기 와이어(30)의 수축력이 대항스프링(40)의 수축력보다 크기 때문에 와이어(30)는 수축하고 대항스프링(40)이 늘어난 상태이다.

그리고 와이어(30)를 고온으로 만들기 위해서 일반적으로는 와이어에 전류를 흘리게 되고, 전류가 흘려지면 와이어에 저항열이 발생하여 온도가 상승하고 결과적으로 와이어가 수축하게 되는 것이다. 그런데 이러한 와이어 수축상태를 유지하기 위해서는 와이어에 전원을 지속적으로 공급해야 한다.

한편, 도 5의 (b)를 보면, 제어부의 신호에 따라서 형상기억합금 소자인 와이어(30)에 전류가 단락되어 저항열이 없어져서 온도가 떨어진 상태를 보여주고 있다. 도 5의 (b)와 같이 저온에서는 상기 와이어는 마르텐사이트 상태이므로 와이어(30)가 대항스프링(40)의 수축력보다 작기 때문에 쉽게 변형되므로 대항스프링이 수축하고 형상기억합금 와이어(30)가 늘어나게 되는 것이다.

형상기억합금 액추에이터는 이러한 원리를 이용한 것으로 전기 저항열을 공급 또는 차단함으로써 수축 또는 팽창하는 성질을 이용한 것이며, 와이어 대신에 인장 또는 압축 코일스프링 형태의 형상기억합금소자를 이용하고, 바이어스 스프링 역시 인장 또는 압축스프링을 사용하기도 한다. 이러한 원리의 형상기억합금 액추에이터는 현재 자동차, 카메라 등의 부품에 사용되고 있다.

이러한 형상기억합금을 이용한 종래기술로는 [문헌1]이 제안된 바 있다.

상기 [문헌1]은 ‘형상기억합금 회전 액추에이터를 이용한 로봇 손’이 제안되어 있는데, 2개의 회전체를 힌지 결합하는 회전축에 서로 반대방향으로 감기면서 양단이 상기 각각의 회전체에 연결되는 형상기억합금 소재의 와이어로 이루어져 외부 온도가 상승함에 따라 수축현상 및 초기로 복구되는 메모리 효과를 이용하여 회전체에 양방향 동력을 발생시키는 엑추에이터를 관절마다 적용하여 사람의 손 관절의 움직임과 유사한 동작특성을 나타내도록 한 것이다.

그러나, 상기 [문헌1]에서는 형상기억합금 소재의 와이어가 천이온도에서 급격하게 변화하기 때문에 이를 통해 구현되는 움직임 역시 급격하게 발생할 수 밖에 없어 사람의 손 관절의 움직임과 유사한 부드러운 움직임을 구현하기 어려운 문제점이 있었다.

즉, 정해진 각도에 맞춰 회전하는 동작은 구현이 가능하나 회전하는 시간의 조절 또는 회전 중 정지 등의 동작을 구현할 수 없는 문제점이 있었다.

또한, 급격한 변형 및 회전에 따른 내구성의 저하 등의 문제가 발생하여 유지 보수 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

[문헌1] 대한민국 등록특허 제10-1806002호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 복수의 형상기억합금 코일스프링의 양단을 제1요소 및 제2요소에 맞닿도록 배치하되, 각각의 형상기억합금 코일스프링이 상호 소정의 각도차이를 두도록 중첩 배치함으로써, 복수의 천이온도(遷移溫度) 또는 천이 전자기선속밀도를 가지도록 하여 형상기억합금 코일스프링이 급격하게 변형되는 것을 방지하고 부드러운 동작이 가능하도록 한 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터를 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 일정 거리 이격되게 배치되는 제1요소와 제2요소와,

상기 제1요소와 제2요소 사이에 배치되며 양단이 제1요소와 제2요소에 각각 고정되는 복수개의 형상기억합금을 포함하되,

상기 형상기억합금은,

각각이 코일스프링 구조를 가지고,

대칭되게 배치된 한 쌍이 1개의 세트를 이루도록 배치되되,

상기 제1요소와 제2요소 사이에 적어도 2개의 세트가 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상기억합금의 코일스프링은,

상기 제1요소와 제2요소를 수직하게 잇는 가상의 중심축을 기준으로 중첩 배치되되,

상기 가상의 중심축 전체 360°를 분자(分子)로 하고,

배치되는 세트의 개수를 분모(分母)로 하여 나누어진 결과값을 상호간의 각도 차이값으로 하여 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 형상기억합금 코일스프링은,

각각이 서로 다른 반응 온도에서 변형되도록 서로 다른 화합구조를 가진 금속을 혼합하거나 기타 원소의 도핑이 추가되어 있는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 형상기억합금 코일스프링은,

최초 복원되는 시점부터 배치된 전체 개수의 절반 이하에서는 점진적으로 상승하는 곡률의 선형 응답 특성을 나타내고,

배치된 전체 개수의 절반 이상이 복원되는 시점부터는 상승하는 사선의 선형 응답 특성을 나타내는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 중첩되는 코일스프링의 개수가 많을수록 보다 개선된 선형 응답 특성이 가능하여 보다 부드러운 움직임을 제공할 수 있는 형상기억합금 엑추에이터를 제공할 수 있고, 이를 통해 인공관절, 카메라렌즈 초점 조절모듈, 스마트폰, 자동차 등에 부드러운 움직임과 다양한 회전각도 및 회전 중 정지 등의 동작을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금을 활용한 엑추에이터를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금을 활용한 엑추에이터를 분해 도시한 예시도.
도 3 및 4는 본 발명에 따른 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금을 활용한 엑추에이터의 선형 응답 특성을 도시한 그래프
도 5는 종래 형상기억합금을 이용한 액추에이터의 작동 원리를 도시한 예시도.
도 6은 종래 액추에이터와 본 발명의 엑추에이터의 선형 응답 특성을 도시한 그래프.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터의 바람직한 구현예를 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명에 따른 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터(1)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1요소(10)와, 제2요소(20) 및 복수의 형상기억합금 코일스프링(30)을 포함한다.

상기 제1요소(10)와 제2요소(20)는 상호 이격된 위치에서 대칭되게 배치되는 것으로, 도면 중 도시된 바로는 사각 플레이트 형상인 것을 도시하였으나 그 형상, 두께, 폭 및 소재의 제한은 없다.

여기서 상기 제1요소(10)와 제2요소(20)는 본 발명에 따른 엑추에이터가 사용되는 용도에 따라 다양하게 변형 가능하다.

그리고 상기 제1요소(10)와 제2요소(20) 중 적어도 어느 하나는 위치가 고정되고 다른 하나는 위치가 가변되도록 배치되되, 가변되는 요소는 고정된 요소에 대하여 직선(直線)으로 이동하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 복수의 형상기억합금 코일스프링(30)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 나선(螺旋)형태로 이루어져 양단이 각각 상기 제1요소(10) 및 제2요소(20)에 고정된다.

여기서 형상기억합금 코일스프링(30)은 복수개를 중첩 배치하는 것이 용이하도록 가느다란 선재를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 형상기억합금 코일스프링(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 대칭되게 배치된 한 쌍이 1개의 세트를 이루면서 배치된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 형상기억합금 코일스프링(30)은 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)과 알파-우헬릭스 코일스프링(32)이 상호 대칭되게 배치되어 1개 세트를 이루고, 베타-좌헬릭스 코일스프링(33)과 베타-우헬릭스 코일스프링(34)이 상호 대칭되게 배치되어 또 다른 1개 세트를 이루도록 배치되며, 여기서 알파와 베타는 상호 각도 차이를 두고 배치된다.

여기서 알파와 베타의 각도 차이는 상기 제1요소(10)와 제2요소(20)를 수직하게 잇는 가상의 중심축을 기준으로 전체 360°를 분자(分子)로 하고, 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 총 셋트를 분모(分母)로 하여 나누어진 값으로서, 상기 도 2에 도시된 바로는 알파와 베타의 2개 세트가 배치되기 때문에 360°를 2로 나눈 값 즉 180°의 간격을 두고 배치된다.

한편 제1요소(10)와 제2요소(20) 사이에 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 총 셋트가 증가하는 경우 이를 분모로 하여 나누어진 값을 상호간의 각도 차이값으로 하여 배치하되, 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 셋트의 최소 개수는 2개로 한다.

이는 1개의 세트가 배치되는 경우 제1요소(10) 또는 제2요소(20)의 이동이 직선으로 이동하는 것이 아니라 기울어져 이동할 수 있기 때문이다.

즉, 형상기억합금 코일스프링(30)이 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)과 알파-우헬릭스 코일스프링(32)의 1개 세트만 배치되고 양 코일스프링의 천이온도가 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)은 35°이고, 알파-우헬릭스 코일스프링(32)은 40°이고, 1개 세트가 복원시 제1요소(10)를 이동시키는 경우를 예시로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 인가된 전원에 의한 저항열이 천이온도인 35°에 도달하면 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)은 복원이 시작되고, 알파-우헬릭스 코일스프링(32)은 복원전 상태를 유지함으로써 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)의 복원은 서서히 이루어지게 되며, 온도가 상승할수록 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)의 복원력은 점차 강해지고 알파-우헬릭스 코일스프링(32)의 버티는 힘은 점점 약해지게 된다.

이후, 천이온도가 40°에 도달하면 알파-우헬릭스 코일스프링(32)의 복원이 시작되고 이미 복원 중이던 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)의 복원을 억제하던 버티는 힘이 사라짐으로써 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)은 급격하게 복원된다.

여기서 1개 세트의 형상기억합금 코일스프링(30)은 상기 제1요소(10)와 제2요소(20)를 잇는 가상의 중심축을 기준으로 상호 대칭되게 배치되는데, 이는 코일스프링(30)의 선단부와 말단부는 각각 제1요소(10) 및 제2요소(20)의 동일한 위치에 고정되되, 나선의 방향만 상호 대칭된다.

즉, 제1요소(10)에 고정된 선단부 및 제2요소(20)에 고정된 말단부는 상기 가상의 중심축을 기준으로 한 원둘레 중 어느 일지점에 고정되며 제1요소(10)에 고정된 선단부의 경우 복원시 가장 먼저 복원력이 전달되는 부위로서 이는 형상기억합금 코일스프링(30)의 복원시 제1요소(10)의 어느 일 지점(선단부가 고정된 부위)을 먼저 이동시키게 되는 것이다.

따라서, 천이온도가 40°에 도달하여 1개 세트의 형상기억합금 코일스프링(30)이 모두 복원될 때 이미 복원 중이던 알파-좌헬릭스 코일스프링(31)이 복원된 거리만큼 이동축이 틀어지게 됨으로써 결과적으로 형상기억합금 코일스프링(30)은 직선으로 이동하지 못하고 기울어져 이동하게 되며, 이는 제1요소(10) 또는 제2요소(20) 중 어느 하나를 기울어지는 방향으로 이동시키게 된다.

따라서, 상술한 바와 같이 최소 2개의 세트를 배치함으로써 제1요소(10) 및 제2요소(20)에 맞닿은 부위가 최소 대칭되는 각도를 유지하도록 함으로써 제1요소(10) 또는 제2요소(20)의 이동시 기울어져 이동하는 것을 방지할 수 있는 것이다.

또한, 보다 바람직하게는 4개의 세트가 상호 90°의 각도 차이를 두고 배치되도록 하여 제1요소(10) 또는 제2요소(20) 중 이동하는 요소에 측방향의 응력이 작용하지 않도록 하여 안정적인 수직 이동을 도모하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 형상기억합금 코일스프링(30)은 각각이 서로 다른 화합구조 또는 기타 원소의 도핑 등을 통해 서로 다른 반응 온도 즉, 천이온도 또는 전자기선속밀도를 가지도록 구현된다.

즉, 형상기억합금은 주로 니켈-티탄 합금, 동-아연 합금, 구리-아연-알루미늄합금, 금-카드뮴 합금, 인듐-탈륨 합금 등이 있는데, 여기서 니켈-티탄 합금은 니켈과 티탄을 1:1의 비율로 혼합한 것이며, 구리-아연-알루미늄합금은 아연20~25%, 알루미늄4~6%를 혼합한 것이 실용화되어 있다.

이러한 형상기억합금은 상온에서 변이되는 것으로, 본 발명에서는 서로 다른 화합구조 또는 기타 원소의 도핑을 통해 각각이 서로 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 변형되도록 한다.

이를 위해 본 발명의 형상기억합금 코일스프링(30)은 니켈-티탄합금, 구리-아연-알루미늄합금, 동-아연 합금, 금-카드뮴 합금으로 각각 형성한 뒤 이를 상술한 바와 같이 상호 각도 차이를 두고 중첩 배치한다.

여기서 천이온도는 35~60℃ 범위내에서 복원되도록 설정되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 35~45℃ 범위내에서 복원되도록 설정되는 것이다. 이는 45℃이상에서 복원되도록 설정하는 경우, 천이온도를 형성하기 위한 저항열을 높이기 위해서 소요되는 에너지의 소비를 줄이기 위한 것이다.

상기와 같이 이루어진 형상기억합금 코일스프링(30)은 도 5에 도시된 바와 같이 종래 형상기억합금의 선형 응답에 비해 개선된 선형 응답을 나타낸다.

즉 형상기억합금의 선형 응답을 그래프로 표현한 뒤 이를 복원전구간(Z1)과, 복원점(ZP)과, 복원후구간(Z2)으로 구획할 때, 도 6에 도시된 종래 형상기억합금은 복원전구간(Z1)을 유지하다가 온도 상승 후 일정한 천이온도에 도달한 순간 즉, 복원점(ZP)에 도달하면 형상기억합금은 급격하게 변화하여 복원후구간(Z2)으로 진입한다. 따라서, 종래의 형상기억합금은 천이온도에 도달하기 전과 후의 상태가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.

이에 반해 본 발명의 형상기억합금 코일스프링(30)의 선형 응답 특성은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같다.

먼저, 도 3의 (a)는 2세트의 형상기억합금 코일스프링(30)이 배치된 상태의 선형 응답 특성을 그래프화한 것으로, 여기서 1세트의 형상기억합금 코일스프링(30)은 동일한 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 복원되도록 설정되고, 2개의 세트는 서로 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 복원되도록 설정된다.

따라서, 도 3의 (a)에서는 2개의 복원점(ZP1, ZP2)을 포함하고 있다.

도 3의 (b)는 각각 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 복원되도록 설정된 4세트의 형상기억합금 코일스프링(30)이 배치되거나 2세트의 형상기억합금 코일스프링(30)이 배치된 상태의 선형 응답 특성을 그래프화한 것이다.

여기서 2세트의 형상기억합금 코일스프링(30)을 배치하되, 각각의 형상기억합금 코일스프링(30)을 구성하는 좌-헬릭스 코일스프링과 우-헬릭스 코일스프링이 서로 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 복원되도록 설정되며, 2세트 총 4개의 코일스프링은 각기 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 복원되도록 설정함으로써 2개의 세트를 통해 4개의 복원점(ZP1,ZP2,ZP3,ZP4)을 가지도록 구성할 수 있는 것이다.

이하의 상세 설명에서는 온도에 따른 변화를 기준으로 설명하도록 한다.

또한, 도 3의 (b)에서는 2세트의 형상기억합금 코일스프링(30)이 배치된 것을 예시로 설명한다.

먼저, 변형전 구간에서 제어수단인 온도(T1)가 상승하여 1번 복원점(ZP1)에 도달하면, 4개의 코일스프링 중 어느 하나는 복원이 시작되고 다른 코일스프링은 복원되지 않은 상태를 유지한다.

따라서, 복원되는 힘에 비해 버티는 힘이 강하기 때문에 1번 복원점(ZP1)에서의 복원력은 서서히 진행된다.

다음, 2번 복원점(ZP2)에 도달하면 다른 코일스프링 중 어느 하나가 복원이 시작되어 총 2개의 코일스프링이 복원되며, 다른 2개의 코일스프링은 복원되지 않은 상태를 유지한다.

여기서는 복원되는 코일스프링과 복원되지 않은 코일스프링의 힘이 세기가 유사하나 온도의 점진적인 상승에 의하여 복원되는 힘이 미세하게라도 더 강하다. 따라서 1번 복원점(ZP1)에서의 복원력에 비해 보다 강한 복원력을 가지면서 복원이 진행된다.

다음, 3번 복원점(ZP3)에 도달하면 남은 코일스프링 중 어느 하나가 복원이 시작되어 총 3개의 코일스프링이 복원되기 때문에 1번 복원점(ZP1) 및 2번 복원점(ZP2)에서의 복원력에 비해 보다 강한 복원력을 가지면서 복원되나, 남은 코일스프링의 버티는 힘에 의하여 급격하게 변형되지는 않는다.

마지막으로 제어수단인 온도가 최종 4번 복원점(ZP4)에 도달하면 남은 코일스프링도 복원이 시작되고, 이로 인해 3번 복원점(ZP3)에서 복원 중이던 3개의 코일스프링(30)의 복원력에 더해져 급격하게 복원이 진행된다.

따라서 본 발명에 따른 형상기억합금 코일스프링(30)은 최총 복원점에 도달하기 전에는 점진적으로 상승하는 복원력을 통해 복원되는 속도도 점진적으로 상승하고, 최종 복원점에 도달시 기존 복원중이던 복원력에 더해져 신속하게 복원됨으로써 형상기억합금 코일스프링(30)을 이용하여 엑추에이터의 복원속도를 제어할 수 있는 것이다.

이를 다시 설명하면, 천이온도에 도달하여 복원될 때 천이온도에 도달하지 않은 다른 형상기억합금 코일스프링은 복원되지 않은 상태를 유지하기 때문에 복원점에 도달한 형상기억합금 코일스프링은 복원전 구간을 유지하는 형상기억합금 코일스프링의 저항력에 의하여 서서히 복원되고, 이후 다음 천이온도에 도달하면 다음 형상기억합금 코일스프링이 복원되되 다른 형상기억합금 코일스프링의 저항력에 의하여 서서히 복원되기 때문에 결과적으로 본 발명에 따른 형상기억합금 코일스프링(30)의 선형 응답 특성은 상승하는 사선 방향을 가지는 그래프로 나타나는 것이다.

즉, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 형상기억합금 코일스프링(30)의 개수를 증가시키고 각각의 형상기억합금 코일스프링(30)의 천이온도의 간격을 줄이면 선형 응답 그래프는 상승하는 완만한 곡선을 형성하되, 최초 제1 변형점(ZP1)으로부터 복원되는 선형 응답 특성은 미세한 상승 곡선을 형성하고, 배치된 형상기억합금 코일스프링(30)의 전체 개수에서 절반을 넘어가는 개수를 통과하는 변형점부터는 복원력이 점차 상승하여 최종 변형점(ZPn)에 근접하면서는 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다.

여기서 'n'은 설치된 전체 형상기억합금 코일스프링(30)의 개수를 지칭하는 것이며, 이는 2 ~ 359 범위 내의 정수 중 하나이다. 그러나, 실제 설치되는 환경을 고려하여 설치되는 개수는 2~4개가 가장 바람직하다.

그리고, 'n-1'은 최소 2이상 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30) 중 가장 높은 천이온도에서 변형되는 형상기억합금 코일스프링(30)이 변형되지 않은 상태에서 다른 형상기억합금 코일스프링(30)들이 순차적으로 복원되는 과정이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 형상기억합금 코일스프링(30)은 최초 변형점에서는 복원이 서서히 이루어지다가 배치된 형상기억합금 코일스프링(30)의 개수 중 절반 이상이 복원되면서는 복원력이 상승하여 급격한 상승 곡률을 나타낸다.

한편, 도 4의 (b)는 본 발명에 따른 형상기억합금 코일스프링(30)을 다수개 배치하되, 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 천이온도의 간격은 동일하되, 각 천이온도에서 배치되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 세트 개수를 조절함으로써 최초 변형점부터 최종 변형점까지의 복원력이 급격하게 상승하는 사선을 이루는 선형 응답 특성을 가지도록 구현할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 형상기억합금 엑추에이터는 설치되는 제품에 따라 복원 요청신호가 전달시 신속하게 복원되어야 할 수도 있기 때문에 이를 위해서 배치된 각각의 형상기억합금 코일스프링(30)의 천이온도의 간격은 동일하되, 각각의 천이온도에서 복원되는 형상기억합금 코일스프링(30)의 세트 개수를 조절함으로써 신속하게 복원되는 엑추에이터를 제공할 수 있는 것이다.

일 예로서, 설치된 전체 세트의 개수 중 제1 변형점에서 복원되는 세트의 개수를 최종 변형점에서 복원되는 세트의 개수보다 많은 개수로 배치함으로써 복원 시작시 복원력을 높여 전체적으로 상승하는 사선의 그래프를 가지는 선형 응답 특성을 가지도록 할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 형상기억합금의 복원력은 일방향으로만 작동되는 특성을 가지므로, 양방향으로 작동되는 엑추에이터를 작동시키기 위해서는 한 쌍의 엑추에이터를 반대 방향으로 구성하여 양방향 출력이 가능하게 한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 본 발명에 따른 선형 응답 특성을 개선한 형상기억합금를 활용한 엑추에이터
10 : 제1요소
20 : 제2요소
30 : 형상기억합금 코일스프링
31 : 알파-좌헬릭스 코일스프링
32 : 알파-우헬릭스 코일스프링
33 : 베타-좌헬릭스 코일스프링
34 : 베타-우헬릭스 코일스프링

Claims (4)

1. 일정 거리 이격되게 배치되는 제1요소와 제2요소, 상기 제1요소와 제2요소 사이에 배치되며 양단이 제1요소와 제2요소에 각각 고정되는 복수의 코일스프링 구조의 형상기억합금을 포함하되,
   상기 형상기억합금의 코일스프링은 상호 반전되는 회전 방향을 가지는 한 쌍이 1개의 세트를 이루도록 배치되되,
   상기 제1요소와 제2요소 사이에 적어도 2개의 세트가 상기 제1요소와 제2요소 사이를 수직으로 잇는 가상의 중심축을 기준으로 대칭이 되도록 배치되고, 상기 각 세트는 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도에서 변형되어 각각의 다른 복원점을 가지는 것을 특징으로 하는 선형응답특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 형상기억합금 코일스프링(30)은 적어도
   알파-좌헬릭스 코일스프링(31)과 알파-우헬릭스 코일스프링(32)이 상호 대칭되게 배치된 1개 세트;와
   베타-좌헬릭스 코일스프링(33)과 베타-우헬릭스 코일스프링(34)이 상호 대칭되게 배치된 또다른 1개 세트;를
   포함하는 것을 특징으로 하는 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 형상기억합금 코일스프링은,
   4세트가 서로 다른 천이온도 또는 전자기선속밀도를 가지며, 상호 90°의 각도차이를 두고 배치되도록 하여,
   제1요소 또는 제2요소 중 이동하는 요소에 측방향으로 응력이 작용하지 않도록 하여 안정적인 수직이동을 도모하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 엑추에이터 2개를 한 쌍으로 구성하되, 서로 반대방향으로 구성하여 양방향 출력이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터.
   

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