KR101572227B1 - 음향 복사력을 이용한 추진 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치는 운행 대상 물체의 일측에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체에 추진력을 제공하는 초음파 발생부; 및 상기 초음파 발생부의 일측에 결합되고, 상기 초음파 발생부에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 초음파 제어부를 포함한다.

Description

음향 복사력을 이용한 추진 장치 및 그 제어 방법{PROPELLANT DEVICE BASED ON ACOUSTIC RADIATION FORCE AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 초음파의 음향 복사력을 이용하여 강력한 추진력을 제공할 수 있는 음향 복사력을 이용한 추진 장치에 관한 것이다.
기존 초소형 무선 비행체의 추진 방법으로는 프로펠러 방식과 날개 방식이 있다. 상기 프로펠러 방식은 소형 모터를 이용해서 프로펠러를 회전시켜 이로부터 발생하는 공기 흐름의 반대 방향으로 추력을 얻는다. 상기 날개 방식은 동물의 날개짓을 모사하는 방법을 이용한다. 인공 근육을 다양한 방법으로 만들어서 가벼운 날개를 휘저어서 추력을 얻게 된다.
상기 프로펠러 방식은 효율적이지만, 모터를 이용하는 단점이 있다. 상기 모터는 코일 및 회전체, 영구자석으로 구성되어 있으므로, 크기에 제약을 받는다. 이는 초소형 비행체를 만드는데 큰 제약이 된다. 따라서, 5cm 미만의 초소형 비행체의 경우 날개 방식으로 연구가 진행 중이다. 하지만, 이 방법은 제작 방법이 복잡하고, 날개의 구동에 복잡성이 따르므로, 실제 상용화에는 어려움이 있다.
한편, 초음파는 소리의 일종이나 우리 귀에는 전혀 들리지 않는 음파로서 20KHz 이상을 의미하며 인간의 고막이 진동속도를 따르지 못하며 작은 진동으로 큰 파워를 전달하므로 기계적 가공이나 세척 등에 이용되고 있으며 특성인 지향성과 직진성에 의하여 먼 거리까지 음파가 전달된다.
특히, 2006년에는 초음파 발생기와 반사 장치를 이용해 그 사이에 음파 압력 장을 만들어냄으로써, 초음파 발생기가 20밀리미터 파장(17KHz)의 음파를 발생시켰고 그 결과 각종 살아 있는 동물들이 떠오르는 것이 확인된 바 있다.
극초음파는 초당 진동수가 500MHz를 넘는 음파를 말하는 것으로서 현재 극초음파 권총과 극초음파 음향효과 등에 이용되고 있으며, 강한 소음에 수초 이상 노출되면 청력을 잃고 신체가 손상될 정도라고 알려져 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 초음파의 음향 복사력을 이용하여 운행 대상 물체에 강력한 추진력을 제공할 수 있는 추진 장치를 제안하고자 한다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0054728호(발명의 명칭: 원환형 압전 초음파 공진기 및 그를 이용한 압전 초음파회전모터, 공개일자: 2009년 6월 1일)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 초음파의 음향 복사력을 이용하여 운행 대상 물체에 강력한 추진력을 제공할 수 있는 추진 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치는 운행 대상 물체의 일측에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체에 추진력을 제공하는 초음파 발생부; 및 상기 초음파 발생부의 일측에 결합되고, 상기 초음파 발생부에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 초음파 제어부를 포함한다.
상기 초음파 제어부는 상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어할 수 있다.
상기 초음파 제어부는 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브일 수 있다.
상기 초음파 제어부는 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser)일 수 있다.
상기 초음파 발생부는 상기 운행 대상 물체가 운행하는 방향의 반대쪽 끝부분에 설치될 수 있다.
상기 초음파 발생부는 100kHz 이상의 고주파 초음파를 발생하는 고주파 초음파 소자일 수 있다.
상기 초음파 발생부는 상기 초음파 제어부의 초음파 강도 제어를 고려하여, 상기 운행 대상 물체의 운행 속도에 따라 상기 초음파의 발생을 위한 주파수를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 제어 방법은 운행 대상 물체의 일측에 설치되는 초음파 발생부에서, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체에 추진력을 제공하는 단계; 및 상기 초음파 발생부의 일측에 결합되는 초음파 제어부에서, 상기 초음파 발생부에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 단계를 포함한다.
상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 단계는 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브를 통해, 상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 단계는 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser)를 통해, 상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파의 음향 복사력을 이용하여 운행 대상 물체에 강력한 추진력을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존에 프로펠러형 및 날개형 초소형 추진체를 대체하는 고효율의 초소형 추진체를 구현할 수 있다.
도 1은 초음파의 음향 복사력을 이용하여 추진력을 제공하는 추진 장치의 개요를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 다른 실시 형태를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 시뮬레이션을 통해서 계산된 공기의 흐름을 보여주기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
기존에는 기계적인 방법으로 공기를 움직였다면, 본 발명의 일 실시예에서는 음향학적인 방법으로 공기의 흐름을 일으켜 이를 통해 추진력을 얻을 수 있다. 고주파 초음파 소자(>100kHz)의 크기가 파장에 비해서 매우 클 때, 한 방향으로 초음파를 발산한다. 상기 발산된 초음파는 공기 중에서 감쇠가 되고, 이러한 감쇠에 비례해서 공기는 체적력(Volume Force)을 받게 된다. 이 힘에 의해 공기는 밀려나고, 그에 대한 반작용으로 트렌스듀서는 힘을 받게 된다.
이러한 원리를 이용하여 추진력을 제공하는 추진 장치에 대해서 도 1을 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 초음파의 음향 복사력을 이용하여 추진력을 제공하는 추진 장치의 개요를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 얇고 가벼운 초음파 소자(A)의 크기가 발생하는 초음파의 파장보다 매우 클 경우, 초음파(B)는 방향성을 가지고 발산하게 된다. 발산하는 초음파의 강도에 비례해서, 공기는 소리의 방향에 따른 체적력(C)를 받게 되고, 이에 따라서 공기는 D와 같은 흐름을 가지게 된다. 결과적으로 초음파 소자(A), 즉 초음파 트렌스듀서는 공기를 한쪽으로 밀어내게 되고, 이에 따라서 소리의 방향과 반대 방향으로 추진력을 얻게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다. 그리고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 다른 실시 형태를 도시한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치(100)는 초음파 발생부(110) 및 초음파 제어부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 초음파 발생부(110)는 운행 대상 물체(101)의 일측에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체(101)에 추진력을 제공한다.
여기서, 상기 운행 대상 물체(101)는 초소형 무인 비행체, 마이크로 로봇 등과 같이 작고 가벼운 운반체를 포함할 수 있다. 이러한 운행 대상 물체(101)에 설치되는 상기 초음파 발생부(110)는, 상기 운행 대상 물체(101)의 뒤쪽, 즉 운행 방향의 반대쪽 끝부분에 설치됨으로써 상기 운행 대상 물체(101)에 추진력을 제공할 수 있다.
상기 초음파 발생부(110)는 100kHz 이상의 고주파 초음파를 발생하는 고주파 초음파 소자로 구현될 수 있다.
상기 초음파 발생부(110)에서 발생된 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체(101)에 추진력을 제공하는 원리는, 위에서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같으므로 여기서는 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
참고로, 상기 초음파 발생부(110)만으로 구성된 평판 추진 장치의 경우에도 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체(101)에 추진력을 제공할 수 있지만, 이러한 경우 공기가 좌우로 유입되어 추진력이 감소되는 효과가 나올 수 있다.
따라서, 초음파의 진행을 방해하지 않으면서 유입되는 공기의 흐름을 조절하는 방법이 필요하다. 본 발명의 일 실시예에서는 상기 초음파 제어부(120)를 상기 초음파 발생부(110)의 일측에 결합함으로써 공기의 흐름을 조절하고, 이를 통해 상기 추진력을 증가시킬 수 있다.
이하에서는 상기 추진력을 증가시키기 위한 구성으로서, 상기 초음파 제어부(120)에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
상기 초음파 제어부(120)는 상기 초음파 발생부(110)의 일측에 결합되고, 상기 초음파 발생부(110)에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 증가시키는 역할을 한다.
이를 위해, 상기 초음파 제어부(120)는 상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어함으로써, 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 증가시킬 수 있다.
일례로서, 상기 초음파 제어부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브(tube)로 구현될 수 있다.
상기 초음파 제어부(120)를 상기 튜브로 구현하게 되면, 공기가 좌우로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 초음파의 진행을 방해하지 않으면서 유입되는 공기의 흐름을 조절할 수 있다.
이로 인하여 상기 초음파 발생부(110)로부터 발생된 초음파의 강도를 크게 할 수 있으며, 결과적으로 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 증가시킬 수 있게 된다.
다른 예로서, 상기 초음파 제어부(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser)로 구현될 수 있다.
상기 초음파 제어부(120)를 상기 포커서로 구현하게 되면, 도 3의 튜브와 마찬가지로 공기가 좌우로 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해 초음파의 진행을 방해하지 않으면서 유입되는 공기의 흐름을 조절할 수 있다.
이로 인하여 상기 포커서의 중앙 부분(반경이 가장 작은 부분)에서 공기의 흐름을 증가시켜 상기 초음파 발생부(110)로부터 발생된 초음파의 강도를 증대시킴으로써, 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 더욱 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 초음파 발생부(110)는 상기 초음파 제어부(120)의 초음파 강도 제어를 고려하여, 상기 운행 대상 물체(101)의 운행 속도에 따라 상기 초음파의 발생을 위한 주파수를 조정할 수 있다.
즉, 상기 초음파 발생부(110)는 상기 초음파 제어부(120)에 의한 추진력 증가분을 고려하여 상기 운행 대상 물체(101)의 운행 속도에 따라 초음파 발생을 위한 주파수를 조정함으로써, 상기 추진 장치(100)를 통해 상기 운행 대상 물체(101)의 속도를 필요에 따라 제어할 수 있도록 한다.
도 5 내지 도 7은 시뮬레이션을 통해서 계산된 공기의 흐름을 보여주기 위한 도면이다. 특히, 도 5는 평판 추진 장치, 즉 평판형 초음파 트렌스듀서 상단의 공기 흐름을 보여주는 도면이고, 도 6은 튜브와 결합한 추진 장치(튜브형 추진 장치)의 공기 흐름을 보여주는 도면이며, 도 7은 포커서와 결합한 추진 장치(포커서형 추진 장치)의 공기 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7에 적용된 모든 트렌스듀서(추진 장치)는 반경 1mm의 원형이고 두께가 0.5mm의 실리콘으로 구성되어 있다. 이 소자의 계산된 무게는 약 3.7mg이다.
먼저 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 공기의 최고 속도의 변화는 그 차이가 미미하지만, 유입되는 공기의 흐름은 도 5의 평판 추진 장치의 경우에 비해서 도 6의 튜브형 추진 장치의 경우에 확연히 증가했음을 알 수 있으며, 이를 통해 상기 튜브형 추진 장치가 유입되는 공기의 흐름을 보다 효율적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
참고로, 평판형 초음파 트렌스듀서의 경우, 반경 0.5mm영역에서 약 30m/s 이상의 공기가 발산이 되고, 이러한 공기의 흐름으로 얻을 수 있는 추력은 약 0.0884N이며, 이는 9g의 무게에 해당된다. 따라서, 본 시뮬레이션은 평판형 초음파 트렌스듀서의 경우, 자기 무게의 약 2400배에 해당하는 추진력을 낼 수 있는 것을 볼 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 포커서형 추진 장치의 경우, 매우 작은 영역에서 160m/s의 강력한 유속이 발생하는 것을 볼 수 있다. 상기 포커서형 추진 장치는 이러한 강력한 유속을 통해서 강한 추진력을 얻을 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 제어 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 단계(810)에서 상기 추진 장치(100)의 초음파 발생부(110)는 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체(101)에 추진력을 제공한다.
다음으로, 단계(820)에서 상기 추진 장치(100)의 초음파 제어부(120)는 상기 초음파 발생부(110)에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 증가시킬 수 있다.
즉, 상기 추진 장치(100)의 초음파 제어부(120)는 상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어함으로써, 상기 운행 대상 물체(101)에 제공되는 추진력을 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 추진 장치(100)의 초음파 제어부(120)는 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브(tube)로 구현될 수 있으며(도 3 참조), 또 달리 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser)로 구현될 수도 있다(도 4 참조).
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
101: 운행 대상 물체
110: 초음파 발생부
120: 초음파 제어부

Claims (10)

  1. 운행 대상 물체의 일측에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체에 추진력을 제공하는 초음파 발생부; 및
    상기 초음파 발생부의 일측에, 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브 또는 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser) 형태로 결합되고, 상기 튜브 또는 상기 포커서 형태의 구조를 기반으로 상기 초음파 발생부에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 초음파 제어부
    를 포함하고,
    상기 초음파 발생부는
    상기 초음파 제어부의 초음파 강도 제어에 따른 추진력 증가분을 고려하여, 상기 운행 대상 물체의 운행 속도에 따라 상기 초음파의 발생을 위한 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 음향 복사력을 이용한 추진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 제어부는
    상기 초음파의 진행 방향으로 유입되는 공기의 흐름을 조절하여 상기 초음파의 강도를 제어하는 것을 특징으로 하는 음향 복사력을 이용한 추진 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는
    상기 운행 대상 물체가 운행하는 방향의 반대쪽 끝부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 음향 복사력을 이용한 추진 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생부는
    100kHz 이상의 고주파 초음파를 발생하는 고주파 초음파 소자인 것을 특징으로 하는 음향 복사력을 이용한 추진 장치.
  7. 삭제
  8. 운행 대상 물체의 일측에 설치되는 초음파 발생부에서, 초음파를 발생하여 상기 초음파의 음향 복사력을 통해 상기 운행 대상 물체에 추진력을 제공하는 단계;
    상기 초음파 발생부의 일측에, 길이 방향으로 반경이 일정한 형태의 단면적을 가지는 튜브 또는 길이 방향으로 반경이 점진적으로 작아지는 형태의 단면적을 가지는 포커서(focuser) 형태로 결합되는 초음파 제어부에서, 상기 튜브 또는 상기 포커서 형태의 구조를 기반으로 상기 초음파 발생부에 의해 발생된 상기 초음파의 강도를 제어하여 상기 운행 대상 물체에 제공되는 추진력을 증가시키는 단계; 및
    상기 초음파 발생부에서, 상기 초음파 제어부의 초음파 강도 제어에 따른 추진력 증가분을 고려하여, 상기 운행 대상 물체의 운행 속도에 따라 상기 초음파의 발생을 위한 주파수를 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 복사력을 이용한 추진 장치의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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