KR20230149819A - 비대칭 쌍안정 형상 기억 합금 관성 액추에이터 - Google Patents
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Abstract
환경 온도 변동에 의해 야기되는 우발적인 작동을 방지하지만 온도-관련 안전 특징을 보존할 수 있는 비대칭 쌍안정 형상 기억 합금 관성 액추에이터 및 장치에서의 그의 사용.
Description
본 발명은 비대칭 쌍안정 관성 액추에이터, 그의 동작 방법 및 장치에서의 그의 사용에 관한 것이고, 특히 피동 요소가 형상 기억 합금(하기에 "SMA"로 표시됨)으로 이루어지는 하나 이상의 와이어에 의해 이동되는 액추에이터에 관한 것이다.
형상 기억 현상은, 상기 현상을 나타내는 합금으로 이루어진 기계적 단편이, 온도 변화 시에, 매우 짧은 시간 내에 그리고 중간 평형 위치 없이, 제조 시에 미리설정된 2개의 형상 사이에서 전이될 수 있다는 사실에 있는 것으로 공지되어 있다. 상기 현상이 발생할 수 있는 제1 모드는, 기계적 단편이 온도 변화 시에 단일 방향으로 형상을 변경할 수 있는, 예를 들어, 형상 A에서 형상 B로 넘어갈 수 있는 반면, 형상 B에서 형상 A로의 역 전이는 기계적 힘의 적용을 필요로 한다는 점에서 "일방향"이라 불린다.
대조적으로, 소위 "양방향" 모드에서, 양쪽 모두의 전이는 온도 변화에 의해 야기될 수 있고; 이는 더 저온에서 안정한 마르텐사이트라고 불리는 유형으로부터 더 고온에서 안정한 오스테나이트라고 불리는 유형으로 넘어가며 및 그 반대도 마찬가지인(M/A 및 A/M 전이) 단편의 미세결정질 구조의 변환으로 인해 일어난다. 이들 전이는 4가지 온도를 특징으로 한다: 마르텐사이트 최종(Mf), 마르텐사이트 시작(Ms), 오스테나이트 시작(As), 오스테나이트 최종(Af).
SMA 와이어는 그 형상 기억 요소의 특징을 나타낼 수 있도록 처리되어야 하고, SMA 와이어의 처리 과정(training process)은 통상적으로 와이어가 가열될 때 매우 반복가능한 방식으로 마르텐사이트/오스테나이트(M/A) 상 전이를 유도하고 와이어가 냉각될 때 오스테나이트/마르텐사이트(A/M) 상 전이를 유도하는 것을 허용한다. M/A 전이에서, 와이어는 와이어가 냉각될 때 회복되는 3 내지 5%만큼의 단축을 겪고 A/M 전이를 통해 그 원래 길이로 복귀한다.
가열 시 수축되고 이어서 냉각 시 재연장되는 SMA 와이어의 이러한 특성은 매우 간단하고, 소형이고, 신뢰할 수 있으며, 저렴한 액추에이터를 얻기 위해 오랜 시간 이래 이용되어 왔다. 특히, 이 유형의 액추에이터는 구동 요소의 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로의 이동 및 그 반대의 경우를 수행하기 위해 일부 쌍안정 전기 스위치에서 사용된다. 용어 "구동 요소"는, 해당 요소의 이동이 2개의 안정한 동작 위치 사이의 스위치의 정류(commutation)를 결정하는 요소인 한, 특정 제조 요구에 따라 무수한 형상을 취할 수 있기 때문에 여기서 매우 일반적인 의미를 갖는 것으로 의도된다는 것에 유의해야 한다.
쌍안정 SMA 와이어 액추에이터의 일부 예는 출원인 명의의 US 4544988, US 5977858, US 6943653 및 EP 2735013에 기재되어 있으며, 이들 모두는 2개의 SMA 와이어를 갖는 해결책을 기재한다.
쌍안정 SMA 액추에이터의 다른 예는 US 4965545(여기서, 쌍안정 거동은 대립 구성의 SMA 와이어의 사용을 통해 달성됨), EP 1593844(안정성 로커로서 스프링과 함께 회전 요소 상에 작용하는 SMA 와이어를 사용함), 또는 GB 2558618(그의 중간 부분에 배치된 고정된 피벗 요소를 갖는 로커의 경사를 스위칭하기 위해 대립 구성의 2개의 SMA 와이어를 나타냄)에 기재되어 있다.
상이한 원리를 이용하는 SMA 기반 해결책이 관성 질량이 액추에이터 본체로부터 분리되고 임펄스 활성화에 의해 더 긴 거리에 걸쳐 구동되는 관성 액추에이터를 개시하는 US 8656713에 기재되어 있다. 이는 복귀 기구를 적절하게 설계하기 위한 고도의 맞춤화, 및 시스템이 시작 위치에서 스위치 백될 필요가 있을 때의 불가피한 지연, 뿐만 아니라 특정 용례, 예를 들어 이후에 기재되는 바와 같은 유동 전환기(flow diverter)에서의 그의 성공적인 사용을 방해할 수 있는 2개의 안정한 구성 사이의 "대칭"의 결여를 의미한다.
쌍안정 관성 액추에이터에 대한 다른 SMA-기반 해결책이, 액추에이터를 2개의 안정 상태 사이에서 스위칭하기 위해 SMA 와이어에 의해 관성 요소에 인가되는 힘이 본질적으로 동일한 대칭 유형의 액추에이터를 기재하는, 출원인 명의의 WO2021/197980에 기재되어 있다. 본 발명에 따른 액추에이터는 상기 출원에 기재된 것과, 모든 쌍안정-기반 해결책에 통상적으로 존재하는 소위 "오버런(overrun)"의 필요성을 크게 감소시키는 이점을 공유한다.
관성 거동에 의해 구동되는 오직 하나의 전이만을 갖는 한편 시작 위치로의 복귀 전이는 상이하게 구동되는 것이 유리한 특징인 일부 특정한 용례가 존재한다. 예를 들어, 액추에이터는 액추에이터를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키기 위해 줄 효과를 이용하고, 이어서 전류 제어를 거쳐 또는 환경 온도의 증가(T>Af)를 통해 SMA 작동을 제1 위치로의 스위치-백(switch-back)을 위한 적합한 기구로서 사용한다. 이 개념의 예시적인 유리한 용례는 온도가 너무 높고 위험한 상황(화재)을 나타내는 경우 액추에이터의 자동 결합해제가 있는 전기 릴레이이다.
본 발명의 목적은 특히 환경 온도 변동에 연관되는 우발적인 작동을 방지하지만 온도-관련 안전 특징을 보존하는 능력과 관련하여 선행 기술 액추에이터의 단점을 극복하는 것이고, 본 발명의 제1 양태는 청구항 1에 언급된 요소를 포함하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터로 이루어진다.
바람직하게는, 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터는 d2/d1 비가 0.05 내지 0.70, 바람직하게는 0.10 내지 0.30에 포함되도록 구성되며, d1은 제1 안정 위치에서의 크랭크 핀과 크랭크-및-로드 기구의 사점(dead center) 사이의 거리로서 정의되고, d2는 제2 안정 위치에서의 유사한 거리로서 정의된다.
2개의 액추에이터 안정 위치에서의 상이한 거리는 본 발명의 핵심 개념이고, 액추에이터의 비대칭 거동을 보장한다. 특히, (제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로의) 하나의 전이에서, 크랭크-및-로드 기구 상에 존재하는 질량(M)이 사점을 통과하기에 충분한 운동량을 얻도록 사점으로부터 충분한 거리를 갖는 것이 중요하고, 반면에 (제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의) 복귀 주행에서, 전이는 SMA 와이어 작동에 의해서만 제공되지 않는 추가의 힘에 의해 구동된다. 그러한 힘은 다음에 의해 주어질 수 있다:
· 질량(M)의 중량 힘, 또는
· 질량(M) 및/또는 크랭크-및-로드 기구가 자성 또는 강자성 물질로 이루어지고 액추에이터가 적어도 하나의 적합한 고정 자석을 포함할 때의 자기력.
상기 정의에 따라, 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로의 전이는 형상 기억 합금 와이어의 빠른 작동 시에만 발생할 수 있고 본질적으로 단지 관성-구동식인 반면, 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 복귀 또는 스위치-백은 SMA 와이어 작용에 대한 적어도 제2 힘 기여를 요구하며, 이러한 추가의 힘은 중량 또는 적어도 하나의 자석, 또는 중량과 자기 작용의 합에 의해 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면의 도움으로 하기 예시적인 실시예를 통해 추가로 예시될 것이다.
· 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 1c는 사점에 대응하는 중간 불안정 위치에서의 상기 액추에이터의 개략도이다.
· 도 2a 내지 도 2d는 액추에이터에 존재하는 형상 기억 합금 와이어를 위한 일부 바람직한 연결 배열의 개략도이다.
· 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 그의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금의 개략도이다.
· 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 바람직한 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 1c는 사점에 대응하는 중간 불안정 위치에서의 상기 액추에이터의 개략도이다.
· 도 2a 내지 도 2d는 액추에이터에 존재하는 형상 기억 합금 와이어를 위한 일부 바람직한 연결 배열의 개략도이다.
· 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 그의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 2개의 안정 위치에서의 개략도이다.
· 도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금의 개략도이다.
도면을 더 쉽게 이해하기 위해, 요소의 치수 및 치수 비는 일부 경우에 특히 및 비배타적으로 관성 질량의 크기 및 SMA 와이어의 단축과 관련하여 변경되었다. 또한, SMA 와이어를 위한 전류원과 같은, 본 발명의 이해나 그 특성화에 필수적이지 않은 일부 요소는 표시되지 않았다.
본 발명에 따른 비대칭 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100)의 제1 실시예의 개략도가 도 1a(제1 안정 위치) 및 도 1b(제2 안정 위치)에 도시되어 있다. 액추에이터(100)는 고정 지지부(11), 제1 단부(12') 및 제2 단부(12")를 갖는 이동가능 슬라이더(12), 고정 지지부(11)에 고정된 슬라이더 가이드(13), 및 회전가능 레버(14)를 포함하며, 회전가능 레버의 하나의 구속되지 않은 말단은 단부-정지부(111)를 통해 고정 지지부(11)와 접촉하고 다른 하나는 피벗(14')을 통해 고정 지지부(11)에 고정된다. 회전가능 레버(14)의 구속되지 않은 말단은 또한 이동가능 슬라이더(12)의 제1 단부(12')와 접촉하고 U자형 구성을 갖는 형상 기억 합금 와이어(15)의 작동시 제1 단부를 제1 방향으로(도시되는 예에서 우측으로) 이동시키며, 형상 기억 합금 와이어의 말단은 단자(15')를 통해 고정 지지부(11) 상에 고정되고 형상 기억 합금 와이어의 중앙 부분은 회전가능 레버(14)에 연결된다.
슬라이더(12)는 슬라이더(12)에 연결된 제1 단부(16') 및 고정 지지부(11)에 연결된 제2 단부(16")를 갖는 스프링(16)에 의해 제1 안정 위치를 향해 편향되고, 상기 편향 스프링(16)은 슬라이더(12) 내의 적합한 캐비티 내에 머무른다. 다른 대안적인 수단, 예컨대 자기 수단 또는 중력 수단(예를 들어, 도르래 위를 통과하는 케이블에 의해 제1 단부(12')에 연결된 질량)이 상기 편향 작용을 수행하는데 사용될 수 있다.
액추에이터(100)는 크랭크 핀에, 즉, 크랭크와 로드 사이의 수직 이동가능 피벗 연결부에 배열된 질량(M)의 관성 요소(19)의 이동을 제어하기 위한 크랭크-및-로드 기구(17)를 포함한다. 더 구체적으로, 크랭크-및-로드 기구(17)의 제1 이동가능 아암(17')은 크랭크로서 작용하고 요소(19)와 지지부(11)에 고정된 제1 피벗(18') 사이에 연결되고, 크랭크-및-로드 기구(17)의 제2 이동가능 아암(17")은 연결 로드로서 작용하고 요소(19)와 적합한 커플러(170)를 거쳐 슬라이더(12)에 고정된 제2 피벗(18") 사이에 연결된다.
이러한 방식으로, 크랭크-및-로드 기구(17) 및 슬라이더(12)는 역전된 슬라이더-크랭크 링키지를 형성하고, 여기에서 도 1a의 제1 안정 위치로부터 시작되는 제1 방향에서의 가이드(13)를 따른 슬라이더(12)의 활주 이동은 피벗(18') 주위의 크랭크(17')의 반시계 방향 회전을 가져온다.
형상 기억 합금 와이어(15)의 작동은 제1 크랭크-및-로드 이동가능 아암(17')이 제2 크랭크-및-로드 이동가능 아암(17")과 정렬된 상태로 크랭크-및-로드 기구(17)가 그의 사점(도 1c)에 이르게 한다. 거기서부터, 액추에이터(100)는 SMA 와이어(15)가 빠르게 작동되고 질량(M)의 관성 요소(19)가 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로 이동하도록 가속되는 경우에만 제1 안정 위치(도 1a)로부터 제2 안정 위치(도 1b)로 이동할 수 있다.
제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 스위치-백은 스프링(16)의 저항에 대항하는 형상 기억 합금 와이어(15)의 작동에 의해 다시 한번 달성되어, 피벗(18') 주위의 크랭크(17')의 시계방향 회전을 통해 크랭크-및-로드 기구(17)를 그의 사점으로 가져온다. 이 경우, 크랭크-및-로드 기구(17)를 사점으로부터 벗어나게 하고, 결과적으로 슬라이더(12)를 도 1a의 제1 안정 위치로 오게 하는 것은 질량(M)의 관성 요소(19)에 작용하는 중량 힘이다.
상기 설명은 본 발명에 따른 관성 액추에이터에 대한 비대칭의 개념을 설명하는데, 즉 제1 안정 위치와 제2 안정 위치 사이의 스위칭은 단지 기하학적으로 크랭크-및-로드 기구(17)를 그의 사점으로 가져오는 SMA 작동에 의해 가해지는 힘에만 관련되고, 사점으로부터 제2 안정 위치를 향한 요소(19)의 이동은 항상 그리고 유일하게 관성력(SMA 와이어(15)의 빠른 작동)에 의해 주어진다.
한편, 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로 스위치 백하는 것(switching back)은 크랭크-및-로드 기구(17)를 그의 사점으로 가져오는 SMA 와이어 작동에 기인하고, 반면에 사점으로부터 제1 안정 위치를 향한 요소(19)의 이동은 추가의 힘 기여, 더 구체적으로는 도 1a 및 도 1b의 실시예에서 중력을 요구한다. 이는 크랭크-및-로드 기구(17)가 실질적으로 수직 평면 내에 배열되고 제2 안정 위치가 제1 안정 위치보다 높고 사점에 더 근접함을 암시한다.
기본적으로, 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 전이는 SMA 와이어 작동만을 요구하며, 모드(줄(Joule) 또는 주변 환경으로부터의 가열) 또는 그 작동 속도에 관계없다.
본 발명은 SMA 와이어(15)를 회전가능 레버(14)에 연결하는 특정 방식으로 제한되지 않는다. 더 통상적인 구성 중 일부가 도 2a 내지 도 2d의 개략도에 도시되어 있다.
더 구체적으로, 도 2a는 도 1a 및 도 1b에서 사용된 연결을 도시하며, U 구성의 SMA 와이어(15)는 회전가능 레버(14) 위에 권취된다.
도 2B에서, U 구성의 SMA 와이어(15)는 로드(141)에 의해 회전가능 레버(14)에 연결된 아일릿(141') 상에 권취된다.
도 2c에서, SMA 와이어(15)는 소위 "V-형상 구성"으로 회전가능 레버(14)에 직접 고정된다.
도 2d는 직선 구성의 SMA 와이어(15)를 갖는 가장 간단한 대안을 도시한다.
SMA 와이어 연결 및 수와 관련하여, 원칙적으로 2개 이상의 SMA 와이어가 관성 질량(19)을 가속시키도록 회전가능 레버(14) 상에 동시에 작용할 수 있지만, 실제로 그러한 SMA 와이어 동시 작동 및 제어는 달성하기에 실용적이지도 용이하지도 않다는 것이 강조되어야 한다.
본 발명에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터는 다른 실시예에서 실현될 수 있다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(300)의 2개의 안정 위치에서의 제2 실시예의 개략도를 도시한다. 이 경우에, 슬라이더(32)의 제2 단부(32")는 그 스트로크를 증폭시키는 액추에이터의 "도달범위"를 연장시키도록 피벗(320)을 통해 지지부(31) 상에 장착된 레버(321)를 구동한다. 도 3a 및 도 3b에 도시되는 다른 차이점은, 크랭크-및-로드 기구(37)의 제1 피벗(38')이 슬라이더(32)의 제1 단부(32')에 대한 단부-정지부로서 작용하고, 제2 피벗(38")이 슬라이더(32)에 직접 연결되어, 아암(37', 37") 및 관성 요소(39)의 양쪽 모두가 도 3b의 제2 안정 위치에서 슬라이더(32) 내에 위치된다는 사실이다.
도 4a 및 도 4b는 관성 쌍안정 액추에이터(400)가 고정 지지부(41)보다 더 긴 슬라이더(42)를 포함하는 본 발명의 제3 실시예의 개략도를 도시한다. 더 구체적으로, 도 4a의 제1 안정 위치에서, 슬라이더(42)의 제1 단부(42')는 지지부(41)의 좌측으로부터 돌출되고, 반면에 도 4b의 제2 안정 위치에서, 제2 단부(42")는 지지부(41)의 우측으로부터 돌출된다. 이 경우, 회전가능 레버(44)는 제1 단부(42')보다는 슬라이더의 적합한 내부 핀(420)에 충돌함으로써 슬라이더(42)에 작용한다.
쌍안정 비대칭 관성 액추에이터(400)는 또한 SMA 와이어(45)가 비활성화되면 회전가능 레버를 단부-정지부(411)에 닿는 시작 위치로 되돌아가게 하도록 회전가능 레버(44) 상에 작용하는 복귀 스프링(440)을 제공한다. 이러한 방식으로, SMA 와이어(45)는, 처음 2개의 실시예에서와 같이, 느슨한 와이어에 의해 접촉될 수 있는 인접한 요소의 문제를 야기할 수 있는 경우에, 액추에이터가 제2 안정 위치에 있을 때 느슨하게 유지되지 않는다.
도 5a 및 5b는 관성 쌍안정 액추에이터(500)가 고정 지지부(51)보다 훨씬 더 짧은 슬라이더(52)를 포함하는 본 발명의 제4 실시예의 개략도를 도시한다. 더 구체적으로, 크랭크-및-로드 기구(57)는 슬라이더(52)의 측면에 위치되는데, 즉 제1 피벗(58')은 제1 단부(52')의 좌측에 있고, 제2 피벗(58")은 제1 단부에 직접 연결되며, 형상 기억 합금 와이어(55)는 크랭크-및-로드 기구(57)의 크랭크(57')에 직접 연결되어, 이전의 실시예에서 사용된 회전가능 레버를 생략한다.
도 6a 및 6b는 관성 쌍안정 액추에이터(600)가 크랭크-및-로드 기구의 제1 및 제2 아암(67', 67")을 결합하는 관성 요소(69)에 직접 연결되는 슬라이더(62)를 포함하는 본 발명의 제5 실시예의 개략도를 도시한다. 슬라이더(62)는 한쪽 단부에서 연결되는 관성 요소(69)의 이동 방향을 따라 연장되고, 반대쪽 단부는 가이드 요소(63) 사이에 위치된다. 2개의 레버(64, 64')는, 그의 근위 단부에서 크랭크-및-로드 기구의 제1 및 제2 피벗(68', 68")에 각각 연결되고, 그의 대향하는 원위 부분에서 고정 지지부(61) 상에 고정된 스토퍼(640, 640')에 각각 연결된다.
상기 스토퍼(640, 640')에 대해 더 원위의 위치에서 레버(64, 64') 사이에 연결된 형상 기억 합금 와이어(65)의 작동 및 결과적인 단축은 스토퍼(640, 640')와 슬라이더(62) 사이의 위치에서 레버(64, 64')를 내부적으로 연결하는 당김 스프링(66)의 저항을 극복하는 레버(64, 64')의 상단 단부로부터의 개방을 초래한다. 결과적으로, 크랭크(67') 및 연결 로드(67")는 각각 반시계방향 및 시계방향 회전으로 상향 회전하고, 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(600)는 도 6a의 제1 안정 위치로부터 도 6b의 제2 안정 위치로 이동된다.
모든 실시예에서, SMA 와이어의 작동은 수 밀리초 정도로 매우 빠르고 짧아서, 이는 단지 사점을 통과하기에 충분히 크랭크-및-로드 기구를 가속시키는 초기 임펄스를 제공하고, 따라서 이는 제2 안정 위치를 향한 액추에이터의 이동에 대항하지 않는다는 것에 유의해야 한다. 예를 들어, 제4 실시예에서, SMA 와이어(55)가 크랭크(57')와 정렬되도록 도달할 때 그것은 이미 더 이상 활성화되어 있지 않고, 제2 안정 위치를 향한 크랭크(57')의 반시계방향 회전에 대항하지 않는다. 이는 다른 실시예에서도 동일하게 적용되는데, 즉 크랭크-및-로드 기구가 사점에 도달할 때, SMA 와이어는 이미 비활성화되어 있다.
말할 필요도 없이, 상기 예시된 다양한 실시예는 본 발명의 범위 및 효과를 벗어나지 않으면서 도면에 나타내지 않은 추가의 실시예를 수득하기 위해 상이하게 조합될 수 있다. 예를 들어, 제2 실시예의 피벗식 레버(321)는 또한 제1, 제3 및 제4 실시예에서 사용될 수 있거나, 크랭크에 직접 연결되는 SMA 와이어를 갖는 제4 실시예의 무레버 구성이 또한 처음 3개의 실시예에서 사용될 수 있다.
또 다른 즉각적인 변형예는 모든 실시예에 묘사된 바와 같이 크랭크 핀의 부분 또는 구성성분이 아니라 단순히 크랭크-및-로드 기구에 연결되는 관성 질량(M)에 의해 주어진다. 또한, 관성 질량(M)은 액추에이터에 존재하는 일련의 질량으로부터의 등가 질량, 즉 바람직하게는 대칭 위치에서 액추에이터 내에 배치된 2개 이상의 질량의 기여의 합일 수 있다. 가장 일반적인 변형예에서, 관성 질량(M)은 크랭크 및 로드 상의 크랭크 핀에 대해 대칭적으로 배치되고 그 위에 연결되는 2개의 질량에 의해 주어진다.
상기 모든 실시예에서, 제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로의 이동은 SMA 와이어의 빠른 작동에 의해 야기되고, 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 복귀는 SMA 와이어의 작동 속도에 관계없이 관성 질량(M)과 연관된 중량 힘에 의해 가능해진다. 말할 필요도 없이, 이는, 중량 힘의 방향이 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로 지향될 것이고 이는 (평면에 대한 기준점으로서 관성 질량의 중심을 취하여) 크랭크-및-로드 기구 및 이에 따른 관성 질량(M)이 제1 안정 위치와 제2 안정 위치 사이에서 이동하는 평면에 본질적으로 평행할 것이기 때문에, 액추에이터가 장착되는 방식에 대해 제약을 부과한다. 이와 관련하여, 용어 "본질적으로 평행한"은 상기 요소가 평행하거나 45° 이하, 바람직하게는 20° 미만의 각도를 형성하는 상황을 나타낸다.
본 발명의 변형예에 따른 비대칭 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터는 또한 자성이거나 자기장에 반응할 수 있는, 즉, 자기 요소 자체이거나 자석에 의해 끌어당겨질 수 있는 관성 요소 및/또는 크랭크-및-로드 기구를 사용함으로써 더 높은 정도의 장착 자유도를 허용할 수 있다.
도 7은, 또한 액추에이터가 상기 언급된 45° 한계를 넘어 장착될 때, 관성 요소(79) 및 결과적으로 슬라이더(72)의 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 비-관성 복귀를 허용하도록 고정 지지부(71) 상에 고정된 자석(79')의 추가를 갖는 제2 안정 위치에서의 도 1b의 액추에이터의 복제물인 관성 비대칭 쌍안정 형상 기억 액추에이터(700)를 도시한다. 이 경우에, 관성 요소(79)는 반대 극성의 자기 요소 또는 자석(79')에 의해 끌어당겨질 수 있는 강자성 물질로 이루어지거나 이를 포함한다.
유사하게, 도 8은 고정 지지부(81) 상에 고정되고 관성 요소(89)에 대해 대칭으로 위치되어 관성 요소 및 결과적으로 슬라이더(82)의 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치로의 비-관성 복귀를 허용하는 한 쌍의 자석(89', 89")의 추가를 갖는 제2 안정 위치에서의 도 6b의 액추에이터의 복제물인 관성 비대칭 쌍안정 형상 기억 액추에이터(800)를 도시한다. 또한 이 경우에, 관성 요소(89)는 반대 극성의 자기 요소 또는 자석(89' 및 89")에 의해 끌어당겨질 수 있는 강자성 요소로 이루어지거나 이를 포함한다.
도 7 및 도 8은 각각 제1 및 제5 실시예에 대한 1개 또는 2개의 자석의 추가를 나타내지만, 다른 실시예에도 동일한 추가가 이루어질 수 있고 자석의 정확한 개수 및 배열이 액추에이터의 특정 성능 요건에 적합화될 수 있음이 명백하다. 일반적으로, 본 발명의 "자기" 변형예에 대해, 자석(들)은 바람직하게는 이전에 정의된 바와 같은 거리(d1)의 1/10과 9/10 사이에 포함된 사점으로부터의 거리에서 크랭크 핀의 제1 안정 위치와 사점 사이에 배치되고, 자석(들)은 바람직하게는 크랭크 핀에 대해 대칭 위치에 배열된다.
자석(들)의 도움으로, 크랭크-및-로드 기구가 수평면에서 이동하고 중량 힘이 제1 안정 위치로의 스위치-백에 기여하지 않는 경우에도, 액추에이터는 어떠한 배향으로도 동작할 수 있다. 영구 자석이 사용될 때, 자석(들)의 배열 및 강도는 스위치-백의 완료에 대항하는 "제동" 자기 작용을 최소화하면서(제1 안정 위치로부터 제2 안정 위치로의 이동은 매우 빠르고 관성력은 매우 높아서 자기 작용이 상당한 제동을 초래하지 않음) 사점을 통과하는데 요구되는 크랭크-및-로드 기구에 대한 견인력을 제공하도록 설계될 것임이 명백하다. 그렇지 않으면, 액추에이터의 비용 및 복잡성의 약간의 증가와 함께, SMA 와이어의 짧은 작동과 유사하게, 필요할 때에만 자기 견인력을 제공하도록 활성화 및 비활성화되는 전자석을 사용하는 것이 또한 가능하다.
통상의 기술자는 형상 기억 합금 와이어의 빠른 작동을, 전형적으로 5 내지 25 ms에 포함되는 시간 내에 달성하는 방법을 알고 있다는 것이 강조되어야 하며, 이는 예를 들어 Vollach 등에 의해 Experimental Mechanics에 2010년 공개된 논문 "The Mechanical Response of Shape Memory Alloys Under a Rapid Heating Pulse" 또는 Motzki 등에 의해 Smart Materials and Structures에 2018년 공개된 문헌 "High-speed and high-efficiency shape memory alloy actuation"을 참조한다.
작동 시간은 형상 기억 합금 와이어를 형상 기억 합금 와이어가 오스테나이트 상에 있는 온도, 소위 Af 온도로 만드는데 필요한 시간을 의미한다. 그러한 효과를 달성하기 위해, 얇은 와이어, 예컨대 100 μm 미만의 직경을 갖는 와이어의 경우에도, 일부 전자 회로가 SMA 와이어 전류 공급장치, 예컨대 콘덴서 등과 연관될 수 있으며, 배터리도 그러한 빠른 작동 시간을 달성할 수 있다. SMA 와이어를 위한 일부 예시적인 빠른 작동 회로가 US2016/0186730 또는 여전히 미공개된 이탈리아 특허 출원 102021000024875에 설명되어 있다. SMA 와이어의 빠른 작동을 위한 수단은 액추에이터 자체에 장착될 수 있거나 액추에이터가 이러한 수단에 적합한 케이블링을 통해 연결된다.
용어 "고정"은 이동가능 시스템 또는 장치 상에 장착될 수 있는 액추에이터의 맥락에서 해석되어야 하며, 고정 요소(예컨대, 지지부, 자석)는 형상 기억 합금 와이어의 작동시 이동/변위되지 않는 것임이 강조되어야 한다.
본 발명은 임의의 특정 형상 기억 합금 물질로 제한되지 않지만, 그 처리에 따라 초탄성 거동 또는 형상 기억 합금 거동을 교대로 나타낼 수 있는 니티놀과 같은 Ni-Ti-기반 합금이 바람직하다. 니티놀의 특성 및 이를 달성할 수 있는 방법은 통상의 기술자에게 널리 공지되어 있으며, 예를 들어 SMST 2010 콘퍼런스에서 제시된 Dennis W. Norwich에 의한 논문 "A Study of the Properties of a High Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to Austenite Transformation Temperature"를 참조한다.
니티놀은 그 자체로 사용될 수 있거나, 또는 전이 온도의 관점에서의 그의 특성이 Hf, Nb, Pt, Cu와 같은 원소를 첨가함으로써 조정될 수 있다. 물질 합금 및 그의 특성의 적절한 선택은 통상의 기술자에게 통상적으로 공지되어 있으며, 예를 들어 다음을 참조한다:
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
또한 형상 기억 합금 와이어는 그의 열 관리, 즉 작동 후 그의 냉각을 개선하기 위해 "그 자체로" 또는 코팅/피복과 함께 사용될 수 있다. 코팅 피복은 열 전도체인 전기 절연 코팅에 의존함으로써 잔류 열을 어떻게 관리하는지를 교시하는 미국 특허 9.068.561에 기재된 바와 같이 균일할 수 있으며, 한편 미국 특허 6.835.083은 매 작동 사이클 후에 냉각을 개선시킬 수 있는 둘러쌈 피복을 갖는 형상 기억 합금 와이어를 기재한다. 또한, 출원인 명의의 WO 2019/003198에 기재된 바와 같은 상 변화 물질의 적합한 분산액을 갖는 코팅이 유리하게 채용될 수 있다.
본 발명에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터의 사용은, 덮개, 셔터, 래치, 로커, 핀-풀러에서 특히 유리하지만, 특정 용례로 제한되지 않는다.
Claims (12)
- 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800)로서,
· 고정 지지부(11; 31; 41; 51; 61; 71; 81),
· 상기 고정 지지부(11; 31; 41; 51; 61; 71; 81) 상에 이동가능하게 장착되는 슬라이더(12; 32; 42; 52; 62; 72; 82),
· 고정 지지부(11; 31; 41; 51; 61; 71; 81) 상에 장착되고 상기 이동가능 슬라이더(12; 32; 42; 52; 62; 72; 82)에 연결되는 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)로서, 상기 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)는 그의 사점에 대해 대향 측면에 위치되는 제1 및 제2 안정 위치를 갖는, 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57),
· 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)에 커플링되거나 그의 일부를 형성하는 총 질량(M)의 하나 이상의 관성 요소(19; 39; 69; 79; 89),
· 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)를 그의 제1 안정 위치로부터 그의 제2 안정 위치로 스위칭하고 그 반대도 마찬가지로 하도록 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)에 직접 또는 간접적으로 작용하는 형상 기억 합금 와이어(15; 45; 55; 65), 및
· 상기 슬라이더(12; 32; 42; 52; 62; 72; 82)를 제1 안정 위치를 향해 편향시키는 편향 수단을 포함하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800)에 있어서,
크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)의 크랭크(17'; 37'; 57')와 로드(17"; 37"; 57")를 연결하는 이동가능 피벗이 제2 안정 위치에서의 유사한 거리(d2)보다 큰 제1 안정 위치에서의 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)의 사점으로부터의 거리(d1)를 가지며, 액추에이터는 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57) 상에 작용하는 오직 하나의 형상 기억 합금 와이어(15; 45; 55; 65)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800) - 제1항에 있어서,
d2와 d1 사이의 비가 0.05 내지 0.70, 바람직하게는 0.10 내지 0.30에 포함되는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)는 제1 피벗(18'; 38'; 58')을 통해 고정 지지부(11; 31; 51)에 연결되는 크랭크(17'; 37'; 57') 및 제2 피벗(18"; 38"; 58")을 통해 이동가능 슬라이더(12; 32; 42; 52; 72)에 연결되는 로드(17"; 37"; 57")를 포함하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 700). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
편향 수단은 이동가능 슬라이더(12; 32; 42; 52; 72)에 연결되는 제1 단부(16') 및 고정 지지부(11; 31; 41; 51; 71)에 연결되는 제2 단부(16")를 갖는 스프링(16)으로 구성되는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 700). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
형상 기억 합금 와이어(15; 45)는 피벗(14')을 통해 고정 지지부(11; 31; 41; 71)에 연결되는 제1 단부 및 제1 단부(12'; 32')에서 또는 내부 핀(420)에서 이동가능 슬라이더(12; 32; 42; 72)와 접촉하는 제2 단부를 갖는 회전 레버(14; 44)를 통해 크랭크-및-로드 기구(17; 37) 상에 간접적으로 작용하여, 바람직하게는 상기 회전 레버(14; 44)의 피벗(14')에 근접한 위치에서 상기 회전 레버(14; 44)에 연결되는 형상 기억 합금 와이어(15; 45)의 작동시 크랭크-및-로드 기구(17; 37)를 2개의 안정 위치 사이에서 스위칭하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 700). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
형상 기억 합금 와이어(55)는 크랭크-및-로드 기구(57)의 크랭크(57')에 연결되는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(500). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
슬라이더(62)는 크랭크-및-로드 기구의 크랭크(67')와 로드(67")를 연결하는 이동가능 피벗에 연결되고 상기 이동가능 피벗의 이동 방향을 따라 연장되며, 액추에이터는 근위 단부에서 크랭크-및-로드 기구의 제1 피벗(68') 및 제2 피벗(68")에 각각 연결되고 대향 원위 부분에서 고정 지지부(61) 상에 고정된 스토퍼(640, 640')에 각각 연결되는 2개의 레버(64, 64')를 더 포함하며, 형상 기억 합금 와이어(65)는 그의 작동이 상기 근위 단부의 벌어짐을 초래하도록 상기 스토퍼(640, 640')에 대해 더 원위의 위치에서 상기 레버(64, 64') 사이에 연결되는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(600; 800). - 제7항에 있어서,
편향 수단은 상기 스토퍼(640, 640')와 슬라이더(62) 사이의 위치에서 레버(64, 64') 사이에 연결된 견인 스프링(66)으로 구성되어, 그 작용이 근위 단부의 근접을 초래하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(600; 800). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
거리(d1)의 1/10 내지 9/10에 포함되는 크랭크-및-로드 기구의 사점으로부터의 거리에서 제1 안정 위치와 사점 사이의 위치에서 고정 지지부(71; 81)에 고정된 적어도 하나의 자석(79'; 89', 89")을 더 포함하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(700; 800). - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
중량 힘의 배향은 제2 안정 위치로부터 제1 안정 위치를 향하고, 그의 방향은 크랭크-및-로드 기구의 이동 평면과 45° 이하, 바람직하게는 20° 미만의 각도를 형성하는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800). - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
관성 요소(19; 39; 69; 79; 89)는 크랭크-및-로드 기구(17; 37; 57)의, 바람직하게는 그 이동가능 피벗의 일부인 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800). - 장치 로킹 특징부와 해제가능하게 결합하기 위한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800)의 사용이며, 상기 장치는 바람직하게는 덮개, 셔터, 래치, 로커, 핀-풀러로부터 선택되는 비대칭 관성 쌍안정 형상 기억 합금 액추에이터(100; 300; 400; 500; 600; 700; 800)의 사용.
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