KR101312409B1 - 영구자석을 이용한 가변형 탄성체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석을 이용한 가변형 탄성체에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 내부가 비어있는 형태의 하부 실린더와, 상기 하부 실린더의 내부에 배치되며, 상기 하부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결된 제1 영구자석과, 내부가 비어있는 형태를 가지며, 하단의 내주면 또는 외주면이 상기 하부 실린더의 상단의 외주면 또는 내주면에 삽입되어 상하 이동 가능한 상부 실린더와, 상기 상부 실린더의 내부에 배치되고, 상기 하부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 제1 영구자석과 동일 극성 간이 서로 대향하고 있는 제2 영구자석과, 상기 제2 영구자석의 하측에 배치되며, 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 상부 실린더의 단면 방향에 대해 회전 가능하게 결합되어 있는 차폐수단, 및 상기 상부 또는 하부 실린더에 가해지는 외력의 크기에 대응하여 상기 차폐수단의 회전 각도를 조절하는 제어부를 포함하는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체를 제공한다.
상기 영구자석을 이용한 가변형 탄성체에 따르면, 외력의 크기에 따라 차폐량을 조절하여 두 영구자석 간의 척력을 변경시키는 동시에 두 실린더 사이의 탄성 계수를 가변시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

영구자석을 이용한 가변형 탄성체{Variable elastic body using permanent magnet}

본 발명은 영구자석을 이용한 가변형 탄성체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 스프링과 같은 탄성 수단을 대체하여 사용할 수 있는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체에 관한 것이다.

일반적으로 탄성체는 외력에 따라 압축, 신장 및 복원이 가능한 소재로서 충격 완화, 진동 감소 등의 목적으로 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

기존의 스프링 등과 같은 탄성체는 장기간 사용 시에 탄성 계수가 저하되는 문제점이 있으며 탄성 한계 이상으로 사용 시에는 소성 변형되어 초기의 탄성 능력을 유지할 수 없게 된다. 따라서, 기존의 일반적인 탄성체와는 달리 탄성 능력을 지속적으로 유지할 수 있으며 영구적인 사용 및 재사용이 가능한 탄성체가 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개실용신안공보 제1998-065788호(1998.12.05 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 기존의 스프링과 같은 탄성 수단을 대체하여 영구적으로 사용할 수 있는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 내부가 비어있는 형태의 하부 실린더와, 상기 하부 실린더의 내부에 배치되며, 상기 하부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결된 제1 영구자석과, 내부가 비어있는 형태를 가지며, 하단의 내주면 또는 외주면이 상기 하부 실린더의 상단의 외주면 또는 내주면에 삽입되어 상하 이동 가능한 상부 실린더와, 상기 상부 실린더의 내부에 배치되고, 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 제1 영구자석과 동일 극성 간이 서로 대향하고 있는 제2 영구자석과, 상기 제2 영구자석의 하측에 배치되며, 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 상부 실린더의 단면 방향에 대해 회전 가능하게 결합되어 있는 차폐수단, 및 상기 상부 또는 하부 실린더에 가해지는 외력의 크기에 대응하여 상기 차폐수단의 회전 각도를 조절하는 제어부를 포함하는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체를 제공한다.

여기서, 상기 회전 각도의 조절 시에 상기 제1 및 제2 영구자석 간의 척력이 가변하는 동시에 상기 상부 실린더 또는 하부 실린더에 이동 변위가 발생하여 상기 상부 실린더 및 하부 실린더 간의 탄성 계수가 변경될 수 있다.

그리고, 상기 제어부는, 상기 외력 크기에 따라 상기 차폐 수단의 회전 각도를 연산하는 각도 연산부와, 상기 연산된 회전 각도로 상기 차폐수단을 회전시키는 모터 구동부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 차폐수단은, 원형 또는 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점을 연결하는 복수의 직사각형 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 영구자석을 이용한 가변형 탄성체에 따르면, 외력의 크기에 따라 차폐량을 조절하여 두 영구자석 간의 척력을 변경시키는 동시에 두 실린더 사이의 탄성 계수를 가변시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석을 이용한 가변형 탄성체의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 차폐수단의 다른 예를 나타낸다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석을 이용한 가변형 탄성체의 일부 절개 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 가변형 탄성체(100)는 하부 실린더(110), 제1 영구자석(120), 상부 실린더(130), 제2 영구자석(140), 차폐수단(150) 및 제어부를 포함한다.

상기 하부 실린더(110)는 내부가 비어있는 형태를 가지고 있다. 상기 제1 영구자석(120)은 상기 하부 실린더(110)의 내부에 배치되고 하부 실린더(110)의 내부의 두 지점 사이에 연결되어 있다.

상기 상부 실린더(130) 또한 내부가 비어있는 형태를 가진다. 상부 실린더(130)는 그 하단의 내주면 또는 외주면이 상기 하부 실린더(110)의 상단의 외주면 또는 내주면에 삽입되어 상하 이동 가능하다.

도 1의 실시예는 상기 상부 실린더(130)가 하부 실린더(110) 보다 큰 직경을 갖는 예를 나타낸다. 물론, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제2 영구자석(140)은 상기 상부 실린더(130)의 내부에 배치되고, 상기 상부 실린더(130)의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 제1 영구자석(120)과 동일 극성 간이 서로 대향하고 있다. 본 실시예의 경우 두 영구자석(120,140)의 N극이 서로 대향하는 예이다.

만약 두 영구자석(120,140) 간의 척력이 증가할 경우 두 실린더(110,130)는 멀어지는 방향으로 위치 변이가 일어나게 되며, 척력이 감소하면 그 반대의 동작이 일어나게 된다. 이러한 원리로 두 실린더(110,130)는 탄성체 역할을 수행할 수 있으며 그에 대응하는 탄성 계수를 가질 수 있다.

상기 차폐수단(150)은 상기 상부 실린더(130) 내에서 상기 제2 영구자석(140)의 하측에 배치되며, 상기 상부 실린더(130)의 내부의 두 지점 사이에 연결되어 있다. 이러한 차폐수단(150)는 자장에 대한 차폐 능력이 조절되도록 상기 상부 실린더(130)의 단면 방향에 대해 회전 가능하게 결합되어 있다(화살표 방향 참조). 상기 차폐수단(150)은 철, 쇠 등과 같은 자화 가능한 금속 재질로 형성될 수 있다.

만약, 도 1과 같이 차폐수단(150)의 표면이 수평 상태이면 그 표면을 기준으로 상부 영역과 하부 영역 간의 차폐 능력(차폐량)이 최대가 되고 두 영구자석(120,140) 간의 척력은 최소가 된다. 여기서, 차폐수단(150)이 점차 회전하게 되면 차폐량이 점차 감소하게 되면서 두 영구자석(120,140) 간의 척력은 점차 증가하게 된다. 또한, 차폐수단(150)이 완전히 90°로 회전하여 그 표면이 수직 상태로 되면 차폐 능력이 최소가 되고 두 영구자석(120,140) 간의 척력은 최대가 된다. 즉, 차폐수단(150)의 회전시 그 개폐정도에 따라 차폐량이 결정되고 두 영구자석(120,140) 사이의 척력이 조절된다.

상기 제어부(미도시)는 상기 상부 실린더(130) 또는 하부 실린더(110)에 가해지는 외력(ex, 외부 충격)의 크기에 대응하여 상기 차폐수단(150)의 회전 각도를 조절하는 역할을 한다. 이러한 제어부는 상기 외력 크기에 따라 차폐수단(150)의 회전 각도를 연산하는 각도 연산부(미도시), 그리고 상기 연산된 회전 각도로 상기 차폐수단을 회전시키는 모터 구동부(M)를 포함할 수 있다.

그 예로서, 만약 상부 실린더(130)에 외력(F)이 가해진다고 가정할 때, 제어부는 상기 상부 실린더(130)에 가해지는 외력의 크기가 클수록 차폐수단(150)의 회전 각도를 증가시켜서 두 실린더(110,130) 사이의 탄성 계수를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 상부 실린더(130)에 외력(F)이 가해질 경우 외력 크기는 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.

여기서, b는 댐핑 계수(공기 저항에 의해 결정되는 기 공지된 값), k는 탄성 계수, k는 상기 탄성 계수, x는 상부 실린더(130)의 이동 변위를 의미한다.

m은 상부 실린더(130)의 질량과, 이 상부 실린더(130)에 설치된 각종 구성 요소(ex, 제2 영구자석(140), 차폐수단(150))들의 질량과, 상기 상부 실린더(130)의 상부에 장착될 타겟 물체의 질량을 모두 합산한 총 질량을 나타낸다. 만약 본 실시예가 의족에 적용될 경우, 상부 실린더(130)의 상단은 다리의 말단 부위(타겟 물체)에 장착될 수 있다. 이때 외력 즉, 외부 충격량은 걸을 때보다 뛸 때 더 증가하게 된다.

이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 상부 실린더(130) 또는 하부 실린더(110)에 가해지는 외력의 크기에 대응하여 차폐수단(150)의 회전 각도를 조절하되, 상기 회전 각도의 조절 시, 상기 제1 및 제2 영구자석(120,140) 간의 척력이 가변하는 동시에 상기 상부 실린더(130) 또는 하부 실린더(110)에 이동 변위가 발생하여 상기 상부 실린더(130) 및 하부 실린더(110) 간의 탄성 계수가 변경되는 원리를 사용한 것이다.

상기 외력(F)과 상기 회전 각도(θ)의 관계는 아래의 수학식 2로 정의된다.

여기서, F(d)는 상기 제1 영구자석(120) 및 제2 영구자석(140) 간의 거리(d)에 따른 상기 척력의 크기, A는 상기 차폐수단(150)의 단면적이다.

수학식 2에서 A·sinθ는 자성이 투과되는 단면적을 의미하는 것으로서, θ에 따라 투과 단면적이 달라짐을 확인할 수 있다. 물론, 그 반대 개념인 A·cosθ의 경우는 자성이 차폐되는 단면적에 해당된다.

여기서, 상기 상부 실린더(130) 및 하부 실린더(110) 사이의 탄성 계수(k)는 아래의 수학식 3으로 정의될 수 있다.

이와 같이 두 실린더(110,130) 간의 탄성 계수는 두 영구자석(120,140) 간의 거리 d에 반비례하고 두 영구자석(120,140) 간의 척력 F(d)에 비례함을 알 수 있다.

즉, 본 실시예에서는 외부에서 작용하는 힘의 크기에 따라 차폐량을 조절하여 두 영구자석(120,140) 간의 척력을 조절하는 동시에 두 실린더(110,130) 사이의 탄성 계수를 가변시킬 수 있다. 즉, 외부 충격량이 강할 때에는 척력을 증가시켜 탄성 계수를 증가시키고 그 반대의 경우는 척력을 감소시켜 탄성 계수를 감소시킨다.

앞서 수학식 2와 수학식 3에서 두 영구자석(120,140) 간의 척력인 F(d)는 아래의 수학식 4로 정의될 수 있다.

이러한 수학식 4는 각 영구자석(120,140)의 길이가 L이고 각 영구자석(120,140)의 길이가 그 단면의 반지름보다 큰 것을 가정한 것이다. 여기서, Q_m은 자기 모멘트로서 일반적으로 자석 스펙에 기재되어 있는 Br(잔류자속밀도) 값에 해당된다. 그리고, μ₀는 공기 중의 투자율로서 4π*10^-7이다.

이상과 같은 도 1의 실시예에서는 두 실린더(110,130)가 원형인 경우를 예시하고 있으나 실린더의 형상이 반드시 이에 한정되지 않는다. 또한, 도 1에서는 차폐수단(150)이 실린더의 형상에 대응되는 원형을 가지고 있으나, 실린더의 형상이 변경될 경우 차폐수단(150)의 형상, 구조 또한 그에 대응되어 변경 가능함은 물론이다.

도 2는 도 1에 도시된 차폐수단의 다른 예를 나타낸다. 이러한 도 2는 직사각형 형태의 다각형의 상부 실린더(230) 내에 직사각형 형태의 복수의 차폐수단(250)이 나란히 배치된 형태이다.

도 2의 (a)는 차폐수단(150)이 폐쇄된 상태이고, (b)는 45°각도로 개방된 예이다. 각각의 차폐수단(250)은 상부 실린더(230)의 내부의 두 지점을 연결하는 직사각형 형태로 서로 인접하게 배열되어 있다. 이러한 도 2의 실시예는 차폐수단(150)을 여러 개로 배치하고 각각을 회전시켜서 차폐량을 조절하게 된다.

앞서 도 1의 실시예에서 상부 실린더(130)의 상판과 하부 실린더(110)의 하판은 각각 폐쇄된 형태를 가지고 있으나 본 발명이 반드시 이에 한정되지는 않는다. 또한, 이와 같이 상판과 하판이 폐쇄된 경우 실린더의 이동이 보다 원활하도록 상기 상판과 하판에 공기 구멍이 형성될 수도 있다.

이러한 본 실시예에 따른 가변형 탄성체(100)는 완충이 필요한 각종 수단(의족, 차량의 시트 등)에 활용될 수 있다. 이상과 같은 본 발명에 따른 가변형 탄성체에 따르면, 외력의 크기에 따라 차폐량을 조절하여 두 영구자석 간의 척력을 변경시키는 동시에 두 실린더 사이의 탄성 계수를 가변시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 영구자석을 이용한 가변형 탄성체
110: 하부 실린더 120: 제1 영구자석
130: 상부 실린더 140: 제2 영구자석
150: 차폐수단

Claims (4)

1. 내부가 비어있는 형태의 하부 실린더;
   상기 하부 실린더의 내부에 배치되며, 상기 하부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결된 제1 영구자석;
   내부가 비어있는 형태를 가지며, 하단의 내주면 또는 외주면이 상기 하부 실린더의 상단의 외주면 또는 내주면에 삽입되어 상하 이동 가능한 상부 실린더;
   상기 상부 실린더의 내부에 배치되고, 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 제1 영구자석과 동일 극성 간이 서로 대향하고 있는 제2 영구자석;
   상기 제1 영구자석의 상측과 상기 제2 영구자석의 하측 사이에 배치되며, 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점 사이에 연결되며, 상기 상부 실린더의 단면 방향에 대해 회전 가능하게 결합되어 있는 차폐수단; 및
   상기 상부 또는 하부 실린더에 가해지는 외력의 크기에 대응하여 상기 차폐수단의 회전 각도를 조절하는 제어부를 포함하는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 각도의 조절 시에 상기 제1 및 제2 영구자석 간의 척력이 가변하는 동시에 상기 상부 실린더 또는 하부 실린더에 이동 변위가 발생하여 상기 상부 실린더 및 하부 실린더 간의 탄성 계수가 변경되는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 외력 크기에 따라 상기 차폐 수단의 회전 각도를 연산하는 각도 연산부;
   상기 연산된 회전 각도로 상기 차폐수단을 회전시키는 모터 구동부를 포함하는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 차폐수단은,
   원형 또는 상기 상부 실린더의 내부의 두 지점을 연결하는 복수의 직사각형 형태로 형성되는 영구자석을 이용한 가변형 탄성체.

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