KR100828184B1 - 기계적 가변 이득 증폭기 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 입력 범위에 따라 이득을 변화시키며 입력 변위와 힘을 동시에 증폭할 수 있는 기계적 가변 이득 증폭기에 관한 것이다.
이 발명에 따른 기계적 가변 이득 증폭기는, 입력 힘 또는 변위를 증폭하는 기계적 가변 이득 증폭기에 있어서, 입력단과 출력단 및 고정단을 포함하며 입력 힘 또는 변위의 입력 범위에 따라 탄성계수가 변하는 가변탄성체와; 상기 가변탄성체의 출력단에 장착되며 외부 에너지가 입력되어 상기 외부 에너지와 상기 가변탄성체의 출력단을 통해 입력되는 힘 또는 변위를 동조하여 출력하는 출력질량체를 포함한다.
기계적 증폭기, 탄성계수, 공진주파수, 가변탄성체

Description

기계적 가변 이득 증폭기 {mechanical variable gain amplifier}
도 1은 이 발명의 기계적 가변 이득 증폭기의 개략적인 구성도,
도 2a는 입력 범위에 따라 가변되는 공진 주파수의 스펙트럼을 도시한 도면,
도 2b는 이 발명의 기계적 가변 이득 증폭기의 출력 응답의 한 예를 도시한 그래프,
도 3은 이 발명에 따른 가변탄성체의 제1실시예의 구조도,
도 4는 이 발명에 따른 가변탄성체의 제2실시예의 구조도,
도 5는 이 발명에 따른 가변탄성체의 제3실시예의 구조도,
도 6은 이 발명에 따른 가변탄성체의 제4실시예의 구조도,
도 7은 이 발명에 따른 기계적 가변 이득 증폭기의 입력범위에 따른 출력증폭률을 도시한 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
11 : 가변탄성체 12 : 출력질량체
13 : 에너지제공수단
이 발명은 기계적 이득 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력 범위에 따라 이득을 변화시키며 입력 변위와 힘을 동시에 증폭할 수 있는 기계적 가변 이득 증폭기에 관한 것이다.
기계적 이득 증폭기는 기계적 구조물을 이용하여 입력 변위 또는 힘을 증가시키는데, 그 기계적 구조물에 따라 지레를 이용하는 방식과 유연성이 높은 구조를 이용하는 방식이 있다. 기계적 이득 증폭기의 일 예로서, 관성센서에서 지레의 원리를 이용하여 센싱된 입력값을 증가시켜 고감도 및 고정도 센서를 구현하려는 연구가 진행되고 있다. 또한, 기계적 이득 증폭기의 다른 예로서, 유연성이 높은 구조를 이용하거나 기하학적인 구조변화를 이용하여 구동기의 출력을 크게 변화시키고자 하는 연구가 진행되고 있다.
이러한 기계적 이득 증폭기와 관련된 특허와 논문은 아래와 같다.
M. Ailele의 논문 "자기 성능 확인이 가능한 공진형 가속도계(Resonant Accelerometer with self-test), Sensors and Actuators A, Vol.92, pp.161-167)"에는 지레의 원리를 이용하여 입력을 증폭하는 기술이 개시되어 있다.
Richard Madden의 미합중국특허 US6,880,408, "기계적 증폭 시스템과 방법(Mechanical Amplifier System and Method)"에는 기하학적인 구조 변화를 이용하여 구동기의 출력을 증폭하는 기술이 개시되어 있다.
Sridhar Kota의 논문 "미소기계시스템에 적용 가능한 고성능 컴플라이언트 스트로크 증폭 시스템(Synthesizing High-Performance Compliant Stroke Amplification System for MEMS), Proc. 13th IEEE Inter. Conf. Micro Electro Mechanical Systems(MEMS2000), Okinawa, Japan, pp.164-169"에는 유연성이 높은 구조를 이용하여 구동기의 출력을 증폭시키는 기술이 개시되어 있다.
이러한 종래의 특허와 논문에 개시된 발명들은 기계적 구조상, 힘을 증가시키면 변위가 감소되고, 변위를 증가시키면 힘이 감소된다. 따라서, 힘 또는 변위 중 하나만을 선택적으로 증폭시킬 수 있을 뿐이다. 또한, 종래의 특허와 논문에 개시된 발명들은 모든 입력 범위에 대해 동일한 이득으로 증폭하기 때문에 특정 입력 범위에서만 높은 이득으로 증폭시킬 수 없는 단점이 있다.
J. Li의 논문 "큰 변위 증폭값을 갖는 미소기계적 증폭기(A Self-limited Large-Displacement-Ratio Micromechanical Amplifier", Proc. 13th IEEE Inter. Conf. Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems(Transducers'05), Seoul, Korea, pp.725-728"에는 유연성이 높은 구조를 이용하여 출력 변위를 증폭하는 기술이 개시되어 있다. 이 J. Li의 논문에 개시된 발명은 힘과 변위 중 변위만을 증폭하여 특정값으로 출력하는 한계가 있다.
David A. Priem의 미합중국특허 US6,474,167, "기계적 증폭기(Mechanical Amplifier)"에는 힘의 감소없이 변위를 증가시키는 기술이 개시되어 있다. 이 특허는 시스템 외부로부터 기계적 공진 에너지를 입력받아 시스템 내부 에너지를 증가시켜 출력함으로써, 힘의 크기를 감소시키지 않고 변위를 증가시켜 센서의 감도를 높일 수 있다.
그러나, 상기한 Priem의 특허에 따른 종래의 기계적 이득 증폭기는 정해진 힘에 대해서 변위가 증폭되도록 탄성계수가 고정된 탄성체를 사용하므로, 힘의 크기를 다르게 입력해야 할 경우에는 시스템 내 탄성체를 탄성계수값이 다른 것으로 교체해야 한다.
즉, 현재까지 제안된 종래의 기계적 이득 증폭기는, 힘과 변위를 동시에 증폭할 수 없고, 입력된 힘과 변위의 범위에 상관없는 동일한 이득으로 증폭하거나, 입력값이 달라질 경우에는 탄성체를 교체해야 하는 문제점이 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 이 발명의 목적은, 가변탄성체와 증폭기의 공진주파수로 가진된 외부 에너지를 이용하여, 입력 변위에 따라 이득이 가변되고 힘과 변위를 동시에 증폭하는 기계적 가변 이득 증폭기를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 기계적 가변 이득 증폭기는, 입력 힘 또는 변위를 증폭하는 기계적 가변 이득 증폭기에 있어서,
상기 입력 힘 또는 변위가 입력되는 입력단과, 상기 입력 힘 또는 변위가 증폭되어 출력되는 출력단과, 움직이지 않도록 고정된 고정단을 포함하며, 상기 입력 힘 또는 변위의 입력범위에 따라 상기 입력단과 고정단 사이 거리가 달라지는 가변탄성체와;
상기 가변탄성체의 출력단에 연결된 출력질량체와;
상기 출력질량체에 외부에너지를 공급하는 에너지제공수단을 포함하고,
상기 가변탄성체는 상기 입력 힘 또는 변위의 입력 범위에 따라 달라지는 상기 입력단과 고정단 사이의 거리에 따라 등가면적 관성 모멘트값이 변화되어 상기 출력단에서의 탄성계수가 변화하고,
상기 출력질량체는 상기 에너지제공수단으로부터 공급되는 외부에너지에 의한 움직임에 상기 가변탄성체의 출력단으로 출력되는 힘 또는 변위를 동조하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
이하, 첨부된 도면을 참조하며 이 발명의 한 실시예에 따른 기계적 가변 이득 증폭기를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 이 발명의 기계적 가변 이득 증폭기의 개략적인 구성도이다.
이 기계적 가변 이득 증폭기는 가변탄성체(11)와, 출력질량체(12)와, 에너지제공수단(13)으로 이루어진다.
가변탄성체(11)는 적어도 3단을 포함하는 바, 일단은 입력단이고, 타단은 출력질량체(12)에 연결된 출력단이고, 나머지단은 고정단이다. 이 가변탄성체(11)는 입력단으로 입력되는 힘 또는 변위의 입력 범위에 따라 그 탄성계수가 선형 또는 비선형적으로 변한다.
에너지발생수단(13)은 이 기계적 가변 이득 증폭기의 공진주파수 또는 공진주파수와 근접한 주파수로 가진된 움직임을 발생하는데, 여기서 공진주파수와 근접한 주파수의 한계 주파수는 기계적 가변 이득 증폭기의 변위증폭률이 1 이상 되게 하는 주파수이다. 기계적 가변 이득 증폭기에서 변위증폭률은 가변탄성체(11)의 출력 변위와 입력 변위의 비로 구할 수 있다. 에너지발생수단(13)의 가진 주파수를 fc라고 한다.
출력질량체(12)에는 에너지발생수단(13)에서 발생되는 가진 주파수(fc)의 움직임(에너지)과, 가변탄성체(11)의 출력단으로부터 전달되는 힘 또는 변위가 입력 되며, 이 출력질량체(12)에서 fc로 가진된 움직임과 입력 힘 또는 변위가 동조되어 출력된다.
도 2a는 입력 범위에 따라 가변되는 공진 주파수의 스펙트럼을 도시한 도면이다. 입력 범위에 따라 가변탄성체의 탄성계수가 변하며 기계적 가변 이득 증폭기의 공진주파수가 변한다. 이에 따라 가진 주파수 fc에서의 진폭이 변화된다.
도 2b는 이 기계적 가변 이득 증폭기의 출력 응답의 한 예로서, 가진 주파수 fc와 입력 변위가 동조되어 출력된 스펙트럼을 도시한다. 이 도 2b에서, 출력 신호는 파형은 입력 변위와 같고 크기는 증폭된 형태이다.
도 3은 이 발명에 따른 가변탄성체의 제1실시예의 구조도이다. 이 가변탄성체는 3개의 보(31, 32, 33)로 이루어지며, 제1보(31)와 제3보(33)는 평행하고 제2보(32)가 제1보(31)의 일단과 제3보(33)의 일단을 수직으로 연결하는 구조로 이루어진다. 제1보(31)의 타단은 고정단이고, 제3보(33)의 끝단은 입력단이며, 제1보(31)와 제3보(33)의 일단에 연결된 제2보(32)가 출력단이다.
입력단에 변위가 입력되면 제1보(31)와 제3보(33)의 사이 거리가 바뀌어 등가 면적 관성 모멘트가 변하고, 이로 인해 가변탄성체의 탄성계수가 변한다. 이 가변탄성체의 탄성계수(k) 값과 등가 면적 관성 모멘트(I) 사이의 관계식은 수학식 1과 같다.
Figure 112006075410917-pat00001
도 4는 이 발명에 따른 가변탄성체의 제2실시예의 구조도이다. 이 가변탄성체는 일단이 고정단이고 타단이 출력단인 직선형의 제1보와, 제1보에 연속적으로 수직을 이루며 연결되어 전체적으로 사각파 형태로 연결되고 최종 끝단이 입력단인 다수의 보들로 이루어진다.
도 5는 이 발명에 따른 가변탄성체의 제3실시예의 구조도이다. 이 가변탄성체는 일단이 고정단이고 타단이 출력단인 직선형 보(51)와, 직선형 보(51)에 연결되고 끝단이 입력단인 곡선형 보(52)로 이루어진다. 제3실시예의 경우, 입력단에 힘 또는 변위가 인가되면 보 사이의 거리가 바뀌어 면적 관성 모멘트값이 변화되며 이로 말미암아 가변탄성체의 탄성계수가 변한다.
도 6은 이 발명에 따른 가변탄성체의 제4실시예의 구조도이다. 이 가변탄성체는 도 3에 도시된 제1실시예와 마찬가지로 3개의 보(61, 62, 63)로 이루어지나, 서로 평행한 제1보(61)와 제3보(63)의 두께 혹은 폭이 다르다. 이와 같이 제1보와 제3보의 두께 혹은 폭이 달리하면, 가변탄성체의 입력단의 탄성계수와 출력단의 탄성계수가 다르게 되며, 이를 이용하면 변위 증폭률과 힘 증폭률의 크기를 조절할 수 있다. 예컨대, 출력단의 탄성계수가 입력단의 탄성계수보다 크도록 조절하면 힘 증폭률은 증가하나 반대로 변위 증폭률은 감소한다. 따라서, 필요에 따라 원하는 증폭률을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
또한, 가변탄성체를 이루는 보의 두께 또는 폭의 변화는 가변탄성체의 비선형성에 영향을 주어 이를 이용한 증폭기가 입력 범위에 따른 다른 이득으로 증폭하는 것을 가능하게 한다.
상술한 바와 같이 다양한 구조의 가변탄성체를 이용하여 이 발명의 기계적 가변 이득 증폭기를 구성한다. 이 기계적 가변 이득 증폭기의 변위증폭률은 출력단의 변위의 변화율(Δda)을 입력단의 변위(di)로 나눈 값이다. 또한, 이 기계적 가변 이득 증폭기의 힘 증폭률은 출력단의 힘(Fo)을 입력단의 힘(Fi)으로 나눈 값이며, 이는 수학식 2와 같다. 즉, 힘 증폭률은 기계적 가변 이득 증폭기의 가변탄성체의 출력단에서의 탄성계수(ko)와 입력단에서의 탄성계수(ki)의 비와, 변위증폭률(Δda/di)의 곱으로 표현된다.
Figure 112006075410917-pat00002
또한, 이 기계적 가변 이득 증폭기의 에너지 증폭률은 이 증폭기에 의해 출력되는 에너지를 이 증폭기에 입력되는 에너지로 나누어 구할 수 있으며, 수학식 3에 표시된 바와 같다. 즉, 이 기계적 가변 이득 증폭기의 에너지 증폭률은 가변탄성체의 출력단에서의 탄성계수(ko)와 입력단에서의 탄성계수(ki)의 비와, 변위증폭 률(Δda/di)의 제곱으로 표현된다.
Figure 112006075410917-pat00003
위에서 살펴본 바와 같이 힘 증폭률과 에너지 증폭률은 가변탄성체의 출력단에서의 탄성계수와 입력단에서의 탄성계수의 비의 함수이므로, 이 가변탄성체의 탄성계수의 비를 증가시키면 힘 증폭률 및 에너지 증폭률을 증가시킬 수 있다.
도 7은 이 발명에 따른 기계적 가변 이득 증폭기의 입력범위에 따른 출력증폭률을 도시한 그래프로서, 각 입력범위에 따라 다른 이득으로 증폭함을 볼 수 있다.
이상에서 이 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 이 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
이상과 같이 이 발명에 따르면 힘과 변위를 동시에 증폭시키고 입력 범위에 따라 이득을 가변시키므로, 센서에 적용하여 입력을 증폭시켜 감도를 높이면서 넓 은 범위에서의 측정이 가능하게 하고, 미소구동기에 적용하여 입력 범위에 따라 다른 이득으로 증폭시켜 고출력 대변위 움직임을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 입력 힘 또는 변위를 증폭하는 기계적 가변 이득 증폭기에 있어서,
    상기 입력 힘 또는 변위가 입력되는 입력단과, 상기 입력 힘 또는 변위가 증폭되어 출력되는 출력단과, 움직이지 않도록 고정된 고정단을 포함하며, 상기 입력 힘 또는 변위의 입력범위에 따라 상기 입력단과 고정단 사이 거리가 달라지는 가변탄성체와;
    상기 가변탄성체의 출력단에 연결된 출력질량체와;
    상기 출력질량체에 외부에너지를 공급하는 에너지제공수단을 포함하고,
    상기 가변탄성체는 상기 입력 힘 또는 변위의 입력 범위에 따라 바뀌는 상기 입력단과 고정단 사이의 거리에 따라 등가면적 관성 모멘트값이 변화되어 상기 출력단에서의 탄성계수가 변화하고,
    상기 출력질량체는 상기 에너지제공수단으로부터 공급되는 외부에너지에 의한 움직임에 상기 가변탄성체의 출력단으로 출력되는 힘 또는 변위를 동조하여 출력하는 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 외부에너지는 상기 기계적 가변 이득 증폭기의 변위증폭률이 1 이상 되게 하는 주파수로 가진된 움직임인 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가변탄성체는
    3개의 보를 포함하며, 제1보와 제3보는 평행하고 제1보의 일단과 제3보의 일단을 제2보가 수직으로 연결하는 구조로 이루어지며,
    상기 제1보의 타단이 고정단이고 상기 제3보의 타단이 입력단이고 상기 제1보의 일단 및 제3보의 일단에 연결된 제2보가 출력단인 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가변탄성체는,
    일단이 고정단이고 타단이 출력단인 직선형의 제1보와,
    상기 제1보에 연속적으로 수직을 이루며 연결되어 전체적으로 사각파 형태로 연결되고 최종 끝단이 입력단인 다수의 보들로 이루어진 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 가변탄성체는,
    일단이 고정단이고 타단이 출력단인 직선형 보와,
    상기 직선형 보에 연결되고 끝단이 입력단인 곡선형 보로 이루어진 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변탄성체를 구성하는 보들 중 적어도 하나의 보의 폭 또는 두께는 나머지 보의 폭 또는 두께와 다른 것을 특징으로 하는 기계적 가변 이득 증폭기.
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