KR101215673B1

KR101215673B1 - 힘 발생기

Info

Publication number: KR101215673B1
Application number: KR1020087013558A
Authority: KR
Inventors: 피터 콘스탄저; 스테판 스톰
Original assignee: 유로캅터 도이칠란트 게엠베하
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2012-12-26
Also published as: CN101331339B; DE102005060779B4; CN101331339A; EP1963704A1; US20080315725A1; DE502006007613D1; EP1963704B1; WO2007073820B1; DE102005060779A1; WO2007073820A1; KR20080080298A

Abstract

본 발명은 진동을 영향 주기 위하여 구조물(3)로 진동하는 힘을 제어 가능하게 도입하기 위하여 구조물(3)로 부착이 형성되는 힘 발생기(1)에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 힘 발생기(1)는 구조물(3)로 하나 이상의 단부(10) 지점에서 고정 가능한 만곡 암(2)을 포함하고, 만곡 암(2)의 고정 단부(10)로부터 이격되어 만곡 암(2)으로 커플 결합되는 관성 질량(4)을 포함하며, 만곡 암(2)은 하나 이상의 전자기 변환기(5, 15)가 장착되고, 구동 시스템(6, 16)은 변환기(5, 15)를 위하여 제공되며, 상기 시스템은 다양한 진폭과 위상과 진동수의 진동하는 힘이 상기 구조물(3)로 도입 가능한 방식으로 변환기(5, 15)를 구동함으로써 변환기(5, 15)와 관성 암(4)을 가진 만곡 암을 구부리며 이에 의해 관성 질량(4)을 변위하도록 설정된다.

Description

힘 발생기{FORCE GENERATOR}

본 발명은 힘 발생기에 관한 것이며, 힘 발생기를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 힘 발생기는 구조물에 진동을 유도하도록(influence) 제공되고, 반대 진동이 구조물에서 전체적인 진동 레벨을 감소시키기 위하여 구조물로 도입된다. 추가적으로 본 발명은 진동을 유도하는(influence) 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 헬리콥터와 항공기에서 진동 제어를 위해 특히 적용가능하다.

힘 발생기는 사전 결정된 관성 질량(inertial mass)에 의해 목표 힘을 발생시키기 위해 제공된다. 상기 힘은 언제나 어떤 방식으로 이동된, 관성 질량의 관성으로부터 상기 내용물에 영향을 미친다. 가능한 한 큰 힘을 발생시키기 위하여, 관성 질량은 가능한 한 최대 가속도(또는 변위(displacement))로 이동될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이러한 종류의 큰 힘은 가능한 한 큰 관성 질량에 의해 또한 발생될 수 있다.

2개의 움직이는 전기 방전(electric charges) 사이의 상호 작용이 사용되는 전기역학의 원리에 기초된 힘 발생기가 이미 공지된다. 이를 위하여, 코일로 감기 고 전류 펄스(current pulse)가 제공된 전기 컨덕터는 자기장에서 형성된다. 그러므로 컨덕터 내 방전은 힘 충격을 형성하고 그 결과로 상기 코일은 움직이도록 야기된다. 본 발명에서 단점은 코일이 큰 질량(mass)을 가지는 것이고 상대적으로 작은 가속도를 발생시켜 작은 힘을 발생시키는 것이다. 사용된 질량과 발생된 힘과의 비율은 상대적으로 높다. 추가적으로 바람직하지 못한 에너지 불균형이 코일의 옴 저항(ohmic resistance)으로 인하여 전기역학 원리로 존재한다.

이러한 종류의 힘 발생기는 높은 진동 레벨을 반대로 작동시켜 이를 취소시키기 위하여 진동하는 구조물(가령, 항공기, 차량 또는 기계 구성요소)로 제어된 힘의 도입을 위해 사용된다. 진동하는 구조물의 서로 다른 작동 상태의 경우와 같이, 조절되는 구조물의 진동수(frequency) 보다 큰 정도로 또는 보다 작은 정도로 가변화될 경우 특히 본 문서에서 문제가 발생한다. 예를 들어 이러한 종류의 서로 다른 작동 상태가 서로 다른 비행 상태, 특히 이륙 및 착륙의 경우 발생한다. 공지된 장착으로, 진동은 매우 좁은 진동 범위 내에서만 일반적으로 감소될 수 있으며, 많은 응용물에 있어서 이는 불리하다.

본 발명의 목적은 사전 형성된 관성 질량으로 큰 가속도로 힘을 발생시키고 동시에 관성 질량과 발생된 힘 사이의 바람직한 비율을 가지는 힘 발생기를 형성하는 것이다. 본 발명에 따르는 힘 발생기는 양질의 발생기를 제시하기 위해 의도되며, 즉 낮은 자가 제동과 낮은 에너지 소모를 가지는 발생기를 제시하가 위해 의도된다. 추가적인 목적은 보편적이고 다양하게 사용 가능한 힘 발생기를 형성하는 것이고 즉, 특히 진동이 가능한 한 폭이 넓은 진동수 범위에 걸쳐 효율적으로 감소될 수 있는 힘 발생기를 형성하는 것이다. 추가적인 목적은 상기 힘 발생기가 작동될 수 있는 방법을 설명하는 것이다.

상기 목적은 독립항의 특징을 가지는 힘 발생기에 의해 구현될 수 있다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항에서 설명된다.

본 발명에 따르는 힘 발생기는 진동을 유도하기 위하여 구조물로 진동하는 힘을 제어 가능하게 유도하기 위하여 구조물에 대한 부착으로 형성되며, 만곡 암의 고정 단부로부터 이격되어 만곡 암으로 커플 결합되는 관성 질량뿐만 아니라 구조물로 어느 한 단부 지점에서 고정 가능한 만곡 암을 둘러싼다. 다양한 진폭과 위상(phase)과 진동수를 가진 진동하는 힘이 구조물 내에 발생될 수 있으며 상기 구조물로 고정 단부를 통하여 도입 가능되는 방식으로, 만곡 암은 전자기 변환기로 장착되며, 구동 시스템은 전자기 변환기에 제공되고, 상기 시스템은 전자기 변환기를 구동함으로써 설정되며, 관성 질량과 변환기로 만곡 암을 구부리고, 이에 의해 관성 질량을 교체한다.

상기 구동 시스템은 관성 질량과 만곡 암과 전자기 변환기를 조절 가능한 진폭과 위상과 진동수로 진동되도록 야기하기 위해 설정되는 것이 특히 이와 관련하여 유리하다. 서로 다른 진동 힘은 특히 폭 넓은 진동 범위에 걸쳐 이에 의해 계획적으로 발생될 수 있으며, 유도되도록(to be influenced) 구조물로 도입된다. 이와 관련하여 보다 낮은 진동 진폭과 이에 따른 보다 낮은 가속화와 보다 낮은 힘이 구현되도록 하기 위하여 보다 덜 강하게 변환기를 포함하는 만곡 암 및 관성 질량을 자극(excite)하거나 또는 높은 진동 진폭과 이에 따른 큰 가속화와 큰 힘이 구현되도록 하기 위하여 강하게 변환기를 포함하는 만곡 암 및 관성 질량을 자극하는 것이 가능하다. 진동 진폭의 적용에 덧붙여, 진동수뿐만 아니라 위상은 또한 다양하게 조절 가능하다.

추가적인 장점은 2개 이상의 진동수로 진동하는 힘의 도입이 동시에 가능한 방식으로 전자기 변환기가 구동될 수 있는 사실이다. 본 명세서에서 다중 진동수 또는 사전 결정된 진동수 범위에서 구동된다.

힘 발생기가 공진 진동수(또는 공진 진동수에 근접한 진동수)로 작동되는 경우, 관성 질량 변위의 역동적인 확대(exaggeration)는 특히 큰 힘을 발생시키기 위하여 이에 의해 유리하게 사용될 수 있다. 공진 진동수 영역의 자극 작동(excitation)은 관성 질량에 대한 큰 진동 진폭을 사전 결정된 관성 질량에 대하여 구현되도록 허용한다. 상대적으로 큰 힘이 관성 질량에 의해 발생될 수 있도록 하기 위하여 높은 가속도에 의해 구현된다.

유용하게, 상기 관성 질량은 힘 발생기가 상대적으로 작은 전체 질량을 가지고 높은 효율을 구현하도록 하기 위하여, 변환기를 포함하는 만곡 암의 다중 질량을 구성한다.

변환기는 바람직하게 압전 장치(piezoelectric actuator)이다. 상기 종류의 변환기는 매우 빠른 반응 특성을 가지고 변위 행정 진폭(displacement travel amplitudes)과 진동수에 있어 정밀하게 조절될 수 있다. 정확하게 사전 결정된 자극 진동수는 이와 같이 힘 발생기를 위해 설정될 수 있다. 진동하는 힘이 큰 관성 질량으로 안정적으로 발생될 수 있도록 하기 위하여, 압전 작동기(piezoelectric actuator)는 길이가 긴 변위 행정으로 작동하고 큰 반대 힘과 함께 높은 해결책으로 작동한다.

특히 바람직하게, 압전 작동기는 d33 효과(d33 effect)를 가지는 스택 형성된 압전 소자(즉, 소위 “압전 스택”)이다. 종 방향 효과로써 또한 언급되는 공지된 바와 같은 d33 효과로, 압전 요소의 길이 변화는 인가된 전기장의 방향 즉, 스택 방향을 따르거나 또는 압전 요소의 종 방향을 따라 발생된다. 이와 관련하여 형성된 길이 변화는 d31 효과와 관련한 길이 변화보다 크다고 알려지며, d31 효과에 있어 길이 변화는 인가된 전기장 방향으로 가로지르게 발생된다.

바람직한 실시예에 따라, 변환기는 만곡 암의 종 방향으로 길이 변화가 효과될 수 있도록 구동가능하다. 차례대로 관성 질량이 변위되는 결과와 함께 만곡 암의 구부러지는(warping) 점에 있어 상기와 같이 결과되어, 관성 질량을 가지는 만곡 암의 진동과 변환기는 대응 진동 힘을 발생시키기 위하여 트리거 형성된다. 상기 변환기가 만곡 암의 중심 라인을 따라 대칭으로 구성된 만곡 암과 관련하여 전개되는 중립 플라이(neutral ply)에 대해 평행하게 배열되는 경우, 중립 플라이에대해 평행하게 제공된 플라이 길이는 이와 같이 중립 플라이와 비교되면서 변경될 수 있다. 보다 큰 길이를 가지는 플라이(ply)는 보다 짧은 길이를 가지는 플라이를 향하는 방향으로의 편향을 유도한다. 길이 변화가 주기적인 간격으로 반복되는 경우, 상기 결과는 관성 질량과 변환기를 포함하는 만곡 암의 만곡 진동이다. 공진 진동수 범위에 있어 자극 작동으로, 상기 시스템은 큰 진폭에 대해 진동한다.

특히 바람직하게, 하나 이상의 변환기는 각각 상호 마주보며 위치된 중립 플라이(neutral ply) 측부 상에서 각각 배열되어, 상호 마주보게 위치된 중립 플라이 측부에 대한 편향(deflection)이 발생되고, 상기 결과와 관련하여 유리하게 관성 질량의 변위가 증가될 수 있다.

바람직하게, 변환기는 확동(positively) 및/또는 비확동(non-positively)적으로 중립 플라이에 연결된다. 한편, 이는 변환기가 고정된 방식으로 위치되고 만곡 암의 반복 가능한 정확한 구부러짐 효과를 발생시킬 수 있다. 또 한편으로, 변환기가 중립 플라이의 근접부에 위치되기 때문에, 상기 변환기는 매우 높은 진동 진폭으로 상대적으로 작게 편향된다. 이는 만곡으로부터 결과되는 기계적인 변형으로부터 상기 변환기를 보호하는 특징이 있다. 하나 이상의 변환기가 만곡 암 내측부 또는 상기 장소로 둘러싸여 배열되는 경우 상기 보호는 증강된다. 외측부로부터 기계적으로 민감한 변환기에 대한 손상은 이와 같이 용이하지 않다. 추가적으로, 열변환기의 캡슐 보호는 만곡 암 내측부에 상기 변환기의 장착에 의해 구현될 수 있으며, 이는 가령, 습식 또는 화학적으로 적극 작용하는 환경에서 힘 발생기를 사용 가능하게 하기 위함이다.

본 발명의 추가적인 선호된 실시예에 있어서, 공간 형성 요소는 관성 질량과 변환기의 한 단부 사이에서 장착된다. 상기 공간 형성 요소(spacing element)는 상기 변환기가 보다 고정적인 위치에서 위치되도록 허용한다. 상기 공간 형성 요소는 변환기를 포함하는 만곡 암의 질량과 관성 질량 사이 비율을 증가시키기 위하여, 낮은 밀도를 바람직하게 가진다. 특히, 만곡 암과 변환기와 관성 질량으로 제조된 조립체의 공진 진동수는 공간 형성 요소를 위한 재료의 적절한 선택에 의해 영향 받을 수 있다.

추가적으로, 플라이가 중립 플라이로부터 횡 방향 거리로 장착되는 보호적인 외부 플라이는 변환기에 확동(positively) 및/또는 비확동(non-positively)적으로 연결될 수 있다. 외부 플레이의 사용은 만곡 암에 대한 층이 형성된 디자인으로 형성되고 이와 같이 변환기에 대한 외부 영향으로부터 간소한 보호를 제공한다. 가령, 접착제 결합에 의한 비확동 연결(non-positive)과 가령, 볼트 결합에 의한 확동 연결(positive connection)은 서로에 대하여 상기 부분들의 정확한 위치를 보장한다.

특히 바람직하게, 만곡 암은 일체로 결합된 변환기를 가진 피버 복합 디자인으로써 구체화된다. 만곡 암은 특히 글래스 피버 강화된(glass fiber-reinforced)(GFR) 플라스틱인 피버 복합 재료를 사용하여 층이 형성된 방식으로 제조되며, 층이 형성된 구조물은 최종 가공 단계에서 가령, 공지된 수지 이송 몰딩(resin transfer molding)(RTM) 방법에 의해 수지 가공 시스템으로 침투되거나 또는 주입되어 교정된다(cured). 특히 힘 발생기를 위한 긴 서비스 수명은 이러한 종류의 피버 복합 디자인에 의해 구현된다.

변환기는 바람직하게 압축력 있게 사전 장착상태에 있다. 이러한 결과는 만곡 암의 높은 진동 진폭(가령, 과대 공진resonance exaggeration)과 함께)으로, 언제나 압축력 있는 힘이며 변환기에 대해 해로운 인장력(tensile forces)은 아니며 변환기에 대해 작동한다. 이는 압전 층(piezoceramic layers)을 포함하는 변환기에 대해 특히 중요하다. 변환기에 대해 압축의 사전 설치(compressive preload)된 상태에 있는 변환기는 큰 진동 진폭을 보다 잘 견딜 수 있다. 압축의 사전 설치는 기계적으로 영향 받을 수 있다. 그러나, 변환기는 열적으로 사전 설치될 수 있다. 이는 가령 변환기의 열 팽창 계수와 서로 다른 열 팽창 계수를 가지는 매트릭스로 유도함으로써 구현될 수 있다. 압축의 사전 설치는 매트릭스의 열적인 교정(thermal curing)으로 구현될 수 있다. 또 다른 가능성은 전기 오프셋 전압을 변환기에 인가하는 것이다. 상기 변환기는 이와 같이 언제나 압축에 노출되고, 대체로 진동 진폭에서 인장 부하(tensile loading)로부터 보호된다.

본 발명에 따르는 힘 발생기는 일반적으로 3 내지 60 센티미터(centimeters)의 길이를 가진다. 모든 구성 요소의 적합한 치수 형상으로, 관성 질량은 0.1 내지 3 센티미터의 범위에서 최대 진동 진폭을 나타내는 진동을 모든 구성 요소로 나누어 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 목적은 다양한 진폭과 상과 주파수의 진동 힘이 발생되는 방식으로 전기 기계적인 변환기의 적절한 구동에 의해 관성 질량과 변환기를 가진 만곡 암이 구부러지고 이에 의해 관성 질량이 변위되도록 전술된 바와 같은 힘 발생기를 작동시키기 위한 방법에 의해 구현된다.

본 발명의 목적은 제어 가능하게 진동 힘을 상기 구조물로 도입하기 위하여 하나 이상의 부착이 구조물로 구체화되는 진동을 촉진하기(influencing) 위한 장치에 의해 구현되며, 기술된 종류의 2개의 힘 발생기는 제 1 힘 발생기의 만곡 암이 제 2 힘 발생기의 만곡 암의 연장부를 따라 배열되는 방식으로 장착된다.

본 발명에 따르는 힘 발생기는 이와 같이 대칭적인 디자인으로 사용될 수 있으며 전술된 2개의 개별적인 힘 발생기는

관성 질량으로 커플 결합된 만곡 암의 단부가 아니라 진동에 대하여 촉진되도록 구조물로 각각 고정되는 방식으로 사용되거나 또는 어느 한 측부 즉, 만곡 암의 양 단부 지점에 장착된 관성 질량을 가지는 만곡 암을 형성하는 방식으로 서로에 대하여 연결된다. 관성 질량은 상기 구조물로부터 동일한 오프셋을 가져야 하며 즉, 만곡 암의 레버 암이 바람직하게 동일하다. 상기 장치는 관성 질량이 평행한 방식(parallel fashion)즉 동일한 방향으로 또는 역평행(antiparallel fashion) 방식 즉, 반대 방향으로 변위되도록 구동될 수 있다. 역평행 방식의 경우에, 힘 뿐만 아니라 모멘트(moments)는 상기 구조물로 도입될 수 있다.

본 발명에 따르는 힘 발생기의 추가적인 대칭 사용은 “스윙 오실레이터(swing oscillator)”로써 언급된 장치이며, 상기 장치로 제 1 힘 발생기의 만곡 암은 소위 관성 질량을 넘어 외부로 길게 형성되고, 길게 형성된 만곡 암의 자유 단부는 서로 다른 지점이지만 상기 구조물로 또한 부착된다. 다른 말로, 만곡 암이 제공되고 상기 만곡 암의 마주 보는 단부는 구조물로 고정 가능하며, 하나 이상의 관성 질량은 만곡 암의 중심 지점에 제공된다. 이러한 종류의 장치로, 힘의 도입은 자유스런 모멘트 방식으로 발생된다.

본 발명에 따르는 힘 발생기와 대칭 적용물은 특히 구조물(차량, 항공기, 기계 구성요소 등)의 활동적인 진동 제어를 위해 사용된다.

본 발명의 추가적인 장점과 특징은 수반되는 도면과 관련하여 본 발명에 따르는 실례의 다양한 실시예를 설명함으로부터 나타나며, 도면은 다음과 같다.

도 1은 정지된 위치에서 본 발명에 따르는 힘 발생기의 제 1 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 2는 편향된 위치에서 도 1의 힘 발생기의 제 1 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 3은 정지된 위치에서 본 발명에 따르는 힘 발생기의 제 2 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 4는 편향된 위치에서 도 3의 힘 발생기의 제 2 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 5는 정지된 위치에서 본 발명에 따르는 힘 발생기의 제 3 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 6은 편향된 위치에서 도 5의 힘 발생기의 제 3 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 7은 정지된 위치에서 본 발명에 따르는 힘 발생기의 제 4 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 8은 2개의 대칭적으로 장착된 힘 발생기를 둘러싸는 본 발명에 따르는 추가적인 실시예를 도식적으로 설명하는 도면.

도 9는 도 8에 대해 대안적이고, 2개의 힘 발생기의 대칭적인 장치를 도시하 는 도면.

도 1은 본 발명에 따르는 힘 발생기(force generator, 1)의 제 1 실시예를 도식적으로 설명하는 도면이다. 이는 구조물(3)로 한 단부(10) 지점에서 부착되는 만곡 암(flexural arm, 2)을 포함하고 또 다른 단부 지점에서 관성 질량(4)을 포함한다. 구조물(3)은 가령 항공기, 차량, 기계 구성 요소 또는 그 외 다른 구성 요소이고, 구조물(3)은 바람직하지 못한 방식으로 진동한다. 상기 진동을 감소시키기 위하여, 힘 발생기(1)는 구조물(3)에 연결되어, 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 진동 구조물(3)내의 전체 진동 레벨을 감소시키기 위하여, 반대 진동(counter vibration)을 구조물(3)에 의도적으로(deliberately) 도입할 수 있다.

특히 압전 작동기(piezoelectric actuator)인 전자기적인 변환기(electromagnetic transducer, 5)는 만곡 암(2)에 장착되고, 상기 장치는 구동 시스템(6)으로 전기적으로 연결된다. 구동 시스템(6)의 위치는 관성 질량(inertial mass, 4)과 변환기(5)를 포함하는 만곡 암(2)의 운동을 방해하지 않도록 변환기(5) 및 만곡 암(2)으로부터 이격된 거리에서 장착된다. 도 1에서 설명된 위치로, 변환기(5)와 관성 질량(4)과 함께 만곡 암(2)은 만곡 암(2)의 중심 라인(7)이 수평으로 전개되도록 정지된 위치에서 위치된다.

변환기(5)는 만곡 암(2)의 종 방향으로 양(positive)의 길이 변화(l)가 형성되도록 구동된다. 변환기(5)는 길이(1)가 l의 양에 의해 전개되기 위하여 변환기(5)의 길이 변화(l)가 상부 변부 피버(fiber, 8)로 이송되도록 만곡 암(2)의 상부 변부 피버(8)로 연결된다. 하부 변부 피버(9)에서 길이 변화가 없으므로, l의 길이 차이는 상부 변부 피버(8)와 하부 변부 피버(9) 사이에서 제공된다. 도 2로부터 확인되는 바와 같이, 상기 길이 변화(l)는 음의 y 방향으로 만곡 암(2)의 구부러짐(warping)을 형성한다. 만곡 암(2)으로 강성하게 연결된 관성 질량(4)은 상기 내용물(context)로 l의 양만큼 데쉬 라인(dashed line)으로 설명된 정지 위치로부터 연속된 라인(solid line)에 의해 설명된 편향 위치로 시프트 이동된다(shifted). l 양 만큼 상부 변부 피버(8)의 길이 증가의 결과로써, 이와 같이 만곡 암(2)의 중심 라인(7)은 도트 데쉬 라인(dot-dashed line, 12)에 의해 설명된 편향 위치로 수평 배향을 변화시킨다. 만곡 암(2)과 변환기(5) 사이의 적어도 비확동(non-positive) 연결로 인해, 변환기(5)는 상부 변부 피버(8)의 만곡부를 수반한다.

도 1의 화살표(1)에 의해 지시되는 바와 같이, 변환기(5)와 함께 만곡 암(2)과 관성 질량(4)이 수평으로 전개되는 중심 라인(7)에 대하여 상부 및 하부로 진동하도록, 변환기(5)의 적절한 구동에 의해, 변환기(5)와 관성 질량(4)을 포함하는 만곡 암(2)이 진동하기 위하여 결과적으로 자극될 수 있다. 진동의 진폭과 위상과 진동수는 변환기(5)의 적절한 구동(가령, U(ω) 또는 U(ω))에 의해 조절 가능하며 이는 진동 힘이 동시에 다중 진동수(multiple frequencies) 및/또는 폭 넓은 진동 범위에 걸쳐 진동의 이상적인 취소(cancellation), 감소, 구조적인 진동 및 도입된 진동의 중첩(superposition)에 의해 발생되도록 하기 위하여 구조물(3)로 부착 지 점(10)을 통하여 고의로 도입 가능하도록 하기 위함이다. 구동 시스템을 조정하기 위하여, 하나 이상의 센서(설명되지 않음)가 제공되고 상기 센서는 습득한 센서 신호의 기초로 구동 시스템(6)을 조정하기 위하여 구조물(3)의 진동을 감지한다.

변환기(5)와 관성 질량(4)과 만곡 암(2)으로 구성된 시스템의 공진 진동수의 범위에 있는 진동수로 l의 길이 변화가 수행되거나 또는 변환기(5)가 구동되는 경우, 관성 질량(4)은 과대 공진(resonance exaggeration)의 결과로써 y의 양보다 여러 배 큰 양에 의해 y 방향으로 변위될 수 있다. 실질적으로 보다 큰 힘 또는 보다 큰 진동 진폭이 발생되도록 하기 위하여 관성 질량(4)은 보다 큰 진동 진폭의 결과로써 보다 큰 가속(acceleration)을 형성한다.

도 1 및 도 2에서 설명된 실시예에 있어서, 전기 기계적인 변환기(5)는 d33 효과를 가지는 적층 압전 소자(stacked piezoelement)이다. 적층 방향은 만곡 암(2)의 종 방향 즉, 수평 방향으로 만곡 암(2)의 종 방향으로 전술된 길이 변화 l을 야기하기 위하여 실질적으로 전개된다. 변환기(5)는 가령, 접착제 결합에 의해, 만곡 암(2)으로 비확동(non-positively) 연결된다. 대안적으로, 오목부(recess)(설명되지 않음)는 만곡 암(2) 내에 제공될 수 있으며, 상기 오목부로 변환기(5)는 변환기(5)의 수평 쉬프트 이동 또는 슬라이딩(sliding)이 가능하지 않도록 하기 위하여 끼워 맞춤된다. 변환기(5)를 보호하기 위하여, 변환기(5)와 만곡 암(2)의 장치는 피버 복합 재료 장치로 둘러싸이거나 또는 보호 층(설명되지 않음)으로 장착될 수 있으며, 후자인 피버 복합 재료 장치는 도 7의 설명과 연관되어 추가적으로 상세하게 설명된다.

도 3은 본 발명에 따르는 힘 발생기의 제 2 실시예를 설명한다. 만곡 암(2)은 층이 형성된 디자인으로 구성된다. 상기 층은 만곡 암(2)의 중심 라인(7)을 따라 전개되는 중립 플라이(19)를 가진다. 중립 플라이로 평행하게, 만곡 암(2)은 상부 외부 플라이(14)와 하부 외부 플라이(18)를 가진다. 전기 기계적인 변환기(5)를 구성하는 첫번째 변환기는 상부 외부 플라이(14)와 중립 플라이(19) 사이에 장착되고, 추가적인 요소(13)이 상부 외부 플라이(14)와 중립 플라이(19) 사이 거리뿐만 아니라 관성 질량(4)과 변환기(5) 사이 거리를 차지하는 공간 형성 요소로써 언급된다. 제 2 변환기(15)와 이에 접합하는 공간 형성 요소(17)는 하부 외부 플라이(18)와 중립 플라이(19) 사이에서 동일한 방식으로 위치된다. 변환기(5)는 구동 시스템(6)으로 커플 결합되며, 제 2 변환기(15)는 구동 시스템(16)으로 커플 결합되며, 상기 시스템은 구조물(3)의 진동을 감지하기 위한 대응 센서(설명되지 않음)로부터 수신되는 센서 신호의 기능으로써 각각 조정된다. 구동 시스템(6, 16)에 대한 구동 신호는 동일할 수 있거나 또는 서로 다를 수 있으며(가령, U(ω1) 및 U(ω2)), 각각의 개별적인 변환기(5, 15)는 다중 진동수로 동시에 자극될 수 있다.

도 3에서 설명된 실시예에 있어서, 변환기(5, 15)는 압전 작동기로써 재차 구현되며, 특히 d33 효과를 가지는 적층된 압전 소자(stacked piezoelements)로써 구현된다. 압전 소자의 적층 방향 또는 종 방향은 수평으로 전개되고, 이는 변환기(5)의 적층 방향으로 전기장을 적용하여, 길이 변화가 만곡 암(2)의 종 방향으로 발생되기 위함이다. 도 3에서 설명되는 바와 같이 힘 발생기(1)의 정지 위치는 변환기(5)를 구동함으로써 편향된 위치로 쉬프트 이동될 수 있다. 변환기(5)가 길이 변화(l1)(변환기(5)의 전방 단부(20) 참조)가 있는 경우, 공간 형성 요소(13)와 상부 외부 플라이(13)와 커플링 결합으로 인하여, 상기 길이 변화(l1)는 관성 질량(4)으로 이송된다. 동시에, 평행하게 장착된 제 2 변환기(15)는 길이 변화가 발생되지 않으며(제 2 변환기(15)의 전방 단부(21) 참조), 이는 하부 외부 플라이(lower outer ply, 18)의 길이는 수정되지 않도록 함이다. 도 2에서 설명된 제 1 실시예의 경우와 같이, 만곡 암은 상기 방식으로 음(negative)의 y 방향으로 구부러진다. 힘 발생기(1)의 작동 방법과 기능은 제 1 실시예의 작동 방법과 기능에 대해 유사하다(analogous).

보다 더 효율적인 관성 질량(inertial mass, 4)의 진동은 도 5 및 도 6에서 설명된 상기 관성 힘 발생기(1)로 구현된다. 상기 제 3 실시예는 대체로 제 2 실시예와 동일하다. 어느 한 차이점은 만곡 암(2)의 정지 위치에서 양 변환기(5, 15)가 길이 변화(l2)와 동일한 양에 의해 변위되도록 즉, 사전 장착이 변환기(5, 15)로 인가되도록 구동되는 점이다. 변환기(5)는 추가적인 길이의 변화(l2)에 의해 길게 연장되며, 반면 제 2 변환기(15)는 상기 길이 변화(l2)에 의해 짧게 형성된다(도 6 참조). 그러므로, 첫번째 변환기는 l2+l2와 동일한 길이 변화의 효과를 가지며, 반면 제 2 변환기는 추가적인 길이 변화가 없다. 상기 디자인은 베이스 라인(baseline)으로부터 출발하여 상기 베이스 라인에서 전기장이 인가되지 않는 환경을 고려하며, 압전 세라믹(piezoceramic) 재료가 길게 연장될 수 있다.

도 7은 특히 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 만곡 암(2)은 피버 복합 디자인으로써 구현된다. 중립 플라이(19)와 외부 플라이(14, 18)는 피버 복합 재료로 제조되고, 특히 글래스 피버 강화된(GFR) 플라스틱으로 제조된다. 변환기(5, 15)의 어느 한 측부 상에 각각 장착된 공간 형성 요소(13, 22 및 17, 23)는 피버 복합 재료로 제조될 수 있으며, 그 외 다른 가벼운 무게의 재료(가령, 포옴 재료(foamed material)) 또는 금속으로 제조될 수 있다. 만곡 암(2)의 제조에 있어서, 접착제 결합에 의한 고정을 적용하는 경우, 우선 변환기(5, 15)는 중립 플라이(19)의 어느 한 측부 상에서 장착된다. 변환기(5, 15) 측부의 영역은 각각 대응 공간 형성 요소(13, 22 및 18, 23)로 충진될 수 있으며, 이는 다중 피버 복합 재료 플라이로 제조될 수 있다. 외부 플라이(14, 18)는 압전 작동기인 변환기(piezoelectric actuators, 5, 15)를 보호하기 위하여 적절하게 위치되고, 일반적으로 가령, RTM 방법과 같은 공지된 수지 주입 방법(resin injection method)에 의해 열의 적용과 함께 적용 되는 경우, 마지막으로 층이 형성된 피버 복합 재료 장치는 수지 시스템(resin system)과 함께 공지된 방식으로 주입되어 교정된다(cured). 외부 플라이(14 및 18)는 이물질(foreign objects)의 침투 및 습기로부터 변환기(5, 15)의 민감한 압전 세라믹 재료를 보호한다. 공간 형성 요소(13, 17, 22 및 23)의 적절한 재료 선택에 의해, 관성 질량(4)과 변환기(5, 15)를 가진 만곡 암(2)의 공진 진동수는 목표 값으로 설정될 수 있다. 특히, 가벼운 중량 장치는 변환기(5, 15)를 가진 만곡 암(2)의 질량은 관성 질량(4) 보다 더 무게가 덜 나가는 장치이며, 상기 중량 장치는 적절한 재료 선택에 의해 또한 형성될 수 있다.

진동을 촉진시키기 위한 장치를 형성하기 위하여 전술된 힘 발생기는 대칭적인 장치로 사용될 수 있다. 도 8은 2개의 힘 발생기를 가지는 제 1 실시예를 설명 하며, 2개의 힘 발생기의 만곡 암은 서로의 확장부를 따라 장착된다. 도 8에서 자명하게 설명되는 바에 따라, 각각의 힘 발생기(1)의 만곡 암(2', 2'')은 구조물(3) 상에, 진동의 측면에 있어 영향 받도록 장착되고, 관성 질량(4', 4'')이 각각의 부착 지점(10' 및 10'')으로부터 동일한 거리에 위치하도록 장착된다. 만곡 암(2, 2'')은 진동을 촉진시키기 위한 장치가 어느 한 만곡 암을 실질적으로 포함하도록 하기 위하여 일체로 바람직하게 구현되며, 상기 만곡 암의 외부 단부 지점에서 각각의 관성 질량(4' 및 4'')이 장착된다. 일체로 형성된 만곡 암은 구조물(3) 상의 중심 지점에서 바람직하게 장착된다. 관성 질량(4', 4'')이 평행한 방식 즉, 동일한 방향(가령, 양(positive)의 y 방향)이거나 또는 역 평행 방식 즉, 반대 방향으로 변위되도록, 도 8에서 설명된 장치는 만곡 암(2, 2'')에 장착된 변환기(전술된 도면과 연관하여 보다 상세하게 설명되지만 도 8에서 설명되지 않음)에 의해 구동될 수 있다. 관성 질량(4', 4'')의 평행한 변위의 경우에, 모멘트(moments) 뿐만 아니라 힘은 구조물(3)로 도입될 수 있다. 역 평행 변위로, 힘은 모멘트가 자유스런 방식으로 구조물(3)로 도입된다.

도 9는 본 발명에 따르는 힘 발생기의 추가적으로 대칭적인 장치를 설명하고, 소위 “스윙 오실레이터(swing oscillator)”장치를 도시한다. 도 9의 좌측 부분을 보게 되면, 이는 도 1 내지 도 7과 연관되어 설명되는 힘 발생기를 설명하며,

만곡 암(2')이 관성 질량(4) 즉, 도 9의 우측으로 길게 연장되는 점을 제외하고, 길게 연장된 단부는 구조물 상에 또 다른 지점(3'') 또는 추가적인 구조물(3'')로 부착된다. 또 다른 말로, 도 9에 따르는 장치는 만곡 암을 실질적으로 둘러싸며, 상기 만곡 암의 외부 단부 즉, 도 9의 좌측 및 우측은 서로 다른 지점(3' 및 3'')에서 부착된다. 관성 질량(4)은 만곡 암 평면에 대하여 수직인 방향 즉, 양의 y 방향 및 음의 y 방향으로, 상기 설명과 공통점(analogy)으로, 변위 되고 만곡 암의 중심 지점에서 장착된다. 지점(3' 및 3'')에서 진동 힘의 이러한 도입은 자유스런 모멘트 방식으로 발생된다.

Claims

구조물(3)에 대한 어느 한 단부(10) 지점에서 고정 가능한 만곡 암(2)을 포함하고,

만곡 암(2)의 고정 단부(10)로부터 이격되어 만곡 암(2)으로 커플 결합되는 관성 질량(4)을 포함하며,

만곡 암(2)은 전기장 변환기(5, 15)가 장착되고, 구동 시스템(6, 16)은 변환기(5, 15)를 위해 제공되며, 상기 시스템은 다양한 진동 진폭과 위상과 진동수의 진동하는 힘이 구조물(3)로 도입 가능한 방식으로 변환기(5, 15)를 구동시킴으로써, 변환기(5, 15)와 관성 질량(4)을 가진 만곡 암(2)을 구부리고 이에 의해 관성 질량(4)을 변위시키도록 설정되며,

진동에 영향을 미치기 위하여 상기 구조물(3)로 제어 가능하게 진동 힘을 도입하기 위하여 구조물(3)로 부착이 형성되는 힘 발생기(1)에 있어서,

외부 플라이(14, 18)는 만곡 암(2)의 중립 플라이(19)로부터 횡 방향 거리 지점에서 장착되고, 만곡 암의 중립 플라이는 만곡 암(2)의 중심 라인(7, 12)을 따라 전개되며,

공간 형성 요소(13, 17; 13, 17, 22, 23)는 변환기(5, 15)의 단부와 관성 질량(4) 사이에서 장착되고,

외부 플라이는 공간 형성 요소(13, 17; 13, 17, 22, 23) 또는 변환기(5, 15)로 확동(positively) 또는 비확동(non-positively)적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 진동 힘이 2개의 진동수로 구조물(3)로 도입 가능한 방식으로 상기 변환기(5, 15)가 구동 가능한 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 변환기(5, 15)와 관성 질량(4)을 가진 만곡 암(2)이 공진 진동수로 진동하도록 야기되는 방식으로 변환기(5, 15)가 구동 가능한 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 관성 질량(4)은 변환기(5, 15) 및 만곡 암(2)의 다중 질량(multiple of mass)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 d33 효과(d33 effect)를 가지는 적층된 압전 소자인 변환기(5, 15)인 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 만곡 암(2)의 종 방향으로 길이 변화가 효과되는 방식으로 구동 가능한 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 중립 플라이(19)에 평행하게 장착되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 7 항에 있어서, 하나 이상의 변환기(5, 15)는 중립 플라이(19)의 상호적으로 마주보게 위치된 측부 상에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 7 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 확동(positively) 또는 비확동(non-positively)적으로 중립 플라이(19)에 연결되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 하나 이상의 변환기(5, 15)는 만곡 암(2) 내측부에 장착되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 만곡 암(2)은 일체로 형성된 변환기(5, 15)를 가진 피버 복합 디자인으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 압축의 사전 장착(compressive preload)된 상태로 있는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 12 항에 있어서, 압축의 사전 장착은 기계적으로 임프레스 형성(impressed)되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 11 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 압축의 사전 장착을 발생시키기 위하여 제작을 위하여 열적으로 미리 처리되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 11 항에 있어서, 전기적인 오프셋 전압이 변환기(5, 15)에 인가되는 것을 특징으로 하는 힘 발생기(1).
제 1 항에 따르는 힘 발생기(1)를 작동시키기 위한 방법에 있어서,

다양한 진폭과 위상과 진동수의 진동하는 힘이 발생되는 방식으로, 전기 기계적인 변환기(5, 15)를 구동시킴으로써, 변환기(5, 15)와 관성 질량(4)을 가진 만곡 암(2)이 구부러짐에 따라, 관성 질량(4)이 변위되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 16 항에 있어서, 변환기(5, 15)는 다중 진동수로 구동되거나 또는 2개 이상의 진동수로 구조물(3)로 진동하는 힘을 도입하기 위하여 사전 형성된 진동수 범 위에 걸쳐 구동되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제어 가능하게 구조물(3)로 진동하는 힘을 도입하기 위하여 하나 이상의 구조물(3)로 부착이 구현되는 진동에 영향을 주기 위한 장치에 있어서,

상기 장치는 제 1 힘 발생기(1)의 만곡 암(2`)이 제 2 힘 발생기(1)의 만곡 암(2``)의 연장부를 따라 장착되는 방식으로 장착되는 제 1 항에 따르는 2개의 힘 발생기(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 18 항에 있어서, 2개의 힘 발생기(1)는 서로에 대하여 대칭적으로 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 18 항에 있어서, 제 1 만곡 암(2`)과 제 2 만곡 암(2``)은 일체로 형성되어 구현되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 18 항에 있어서, 관성 질량(4`)에 마주하여 위치된 제 1 만곡 암(2`)의 단부(10`)와 상기 관성 질량(4``)에 마주하여 위치된 제 2 만곡 암(2``)의 단부(10``)는 구조물(3)에 부착되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서, 일체로 구현된 만곡 암은 관성 질량(4`, 4``)으로 각각 의 만곡 암 외부 단부 지점에서 커플 결합되고, 2개의 관성 질량(4`, 4``) 사이 영역에서 상기 구조물(3)로 부착 가능한 것을 특징으로 하는 장치.
제 20 항에 있어서, 일체로 구현된 만곡 암은 하나 이상의 구조물(3`, 3``)로 만곡 암의 외부 단부 지점에서 커플 결합되고, 2개의 관성 질량(4`, 4``) 사이의 영역에서 구조물(3)로 부착 가능한 것을 특징으로 하는 장치.