KR102498082B1 - 전기기계 액츄에이터의 또한 그에 관한 개선 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기기계 액츄에이터에 관한 것이다. 구체적으로 하지만 비배타적으로, 본 발명은 복수의 자유도로 작동 가능한 액츄에이터에 관한 것이다. 표준 질량체(proof-mass)(2) 및 적어도 2개의 코일(10)을 포함하는 액츄에이터가 제공되는 바, 코일(10)은 이 코일에 전류가 흐르면 표준 질량체에 작용하는 힘이 발생되도록 배치되어 있고, 표준 질량체(2)는 적어도 2개의 자유도로 움직일 수 있도록 장착되며, 적어도 2개의 자유 중의 하나는 병진 자유도이다.

Description

전기기계 액츄에이터의 또한 그에 관한 개선
본 발명은 전기기계 액츄에이터에 관한 것이다. 구체적으로 하지만 비배타적으로, 본 발명은 복수의 자유도로 작동 가능한 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 액츄에이터를 포함하는 구조체 및 그러한 액츄에이터를 사용하여 구조체에서 진동을 감쇠시키는 방법에 관한 것이다.
전기기계 액츄에이터는 전류에 반응하여 움직임을 발생시키기 위해 다양한 용례에서 사용되고 있다.
액츄에이터가 사용되는 많은 경우, 예컨대 항공 우주 또는 선박의 용례에서, 공간이 제한된다. 그러므로, 더욱 컴팩트한 액츄에이터를 제공하는 것이 유리할 것이다.
일반적으로, 주어진 경우에서의 특정 액츄에이터의 사용은, 그 액츄에이터의 힘 밀도, 즉 액츄에이터가 그의 질량에 비례하여 발생시킬 수 있는 힘의 크기에 의해 결정될 것이다. 그러므로, 증가된 힘 밀도를 갖는 액츄에이터틀 제공하는 것이 유리할 것이다.
액츄에이터가 사용되는 많은 용례에서는, 움직임이 하나 이상의 자유도로 발생되어야 한다. 일반적으로, 복수의 자유도를 갖는 움직임을 발생시키기 위해, 복수의 단일 자유도 액츄에이터가 사용되며, 각 개별 액츄에이터는 그 자신의 자유도의 운동을 제공한다. 이런 방식으로 설계되는 액츄에이터 시스템은 비교적 부피가 크다. 더욱이, 시스템의 복잡성(기계적 및 제어적인 면 모두에서)으로 인해, 제조비가 증가될 수 있고 그리고/또는 신뢰성이 저하될 수 있다.
액츄에이터의 일 특정한 용례는 능동 진동 제어인데, 이 경우, 구조체의 진동을 줄이기 위해 액츄에이터를 사용하여 그 구조체에 힘을 가할 수 있다. 이 힘은 표준 질량체(proof-mass)를 움직여 발생될 수 있다. 진동적인 움직임은 복수의 자유도로 일어날 수 있고, 모두 6개의 자유도의 운동을 포함할 수 있다. 그러므로, 그러한 진동의 영향을 줄이기 위해 복수의 자유도를 생성할 수 있는 액츄에이터 시스템을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로 이는 복수의 액츄에이터(위에서 논의한 바와 같은) 및 복수의 표준 질량체를 필요로 한다. 이런 방식으로 설계되는 능동 진동 시스템은 일반적으로 부피가 크고 비교적 낮은 힘 밀도를 갖는다.
본 발명은 위에서 언급한 문제를 완화시키고자 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 본 발명은 개선된 액츄에이터, 특히, 능동 진동 제어에 사용되는 개선된 액츄에이터를 제공하고자 한다.
제 1 양태에 따르면, 본 발명은 표준 질량체(proof-mass) 및 적어도 2개의 코일을 포함하는 액츄에이터를 제공하는 바, 상기 코일은 코일에 전류가 흐르면 상기 표준 질량체에 작용하는 힘이 발생되도록 배치되어 있고, 상기 표준 질량체는 적어도 2개의 자유도로 움직일 수 있도록 장착되며, 적어도 2개의 자유도 중의 하나는 병진 자유도이다. 코일에 전류가 흐르면, 표준 질량체는 적어도 2개의 자유도 중 임의의 조합된 자유도로 움직일 수 있다. 따라서, 액츄에이터는 복수 자유도의 운동을 제공할 수 있다. 하나 이상의 자유도로 움직일 수 있는 단일 표준 질량체를 가짐으로써, 종래 기술의 설계 보다 컴팩트한 액츄에이터의 설계가 용이하게 된다. 코일에 전류가 흐름으로써 발생되는 표준 질량체의 움직임은, 적어도 2개의 코일 중의 어떤 것에 전류가 흐르는지, 코일에 흐르는 전류의 방향 및 표준 질량체에 대한 코일의 위치에 달려 있음을 이해할 것이다.
여기서 사용되는 "자유도"는, 3차원 공간에서 제 1 위치에서 제 2 위치로 가는 어떤 물체의 운동을 기술하는데 사용될 수 있는 6개의 독립적인 파라미터를 말하는 것이다. 따라서, 어떤 자유도는 3개의 병진(X, Y, Z) 중의 하나이거나 또는 3개의 회전 운동(p, q, r 또는 Rx, Ry, Rz) 중의 하나일 수 있다.
위에서 논의한 바와 같이, 표준 질량체는 적어도 2개의 자유도로 움직일 수있도록 장착되며, 적어도 2개의 자유도 중의 하나는 병진 자유도이다. 적어도 2개의 자유도 중의 다른 것은 회전 자유도일 수 있다. 적어도 2개의 자유도 중의 다른 것은 제 2 병진 자유도일 수 있다.
표준 질량체는 코일에 대해 움직일 수 있도록 장착될 수 있다. 대안적으로, 각 코일은 표준 질량체와 함께 움직이도록 장착된다. 예컨대, 각 코일은 표준 질량체에 강성적으로 연결될 수 있다. 표준 질량체는 강자성 재료, 예컨대 강으로 만들어질 수 있다. 표준 질량체는 2 내지 10 kg, 예컨대 3 내지 6 kg, 예컨대 4 내지 5 kg의 질량을 가질 수 있다. 액츄에이터는 단일 표준 질량체를 포함할 수 있다.
액츄에이터는 적어도 2개의 자석을 포함할 수 있다. 예컨대, 액츄에이터는 적어도 2개의 전자석을 포함할 수 있다. 각 전자석은 강자성 코어 주위에 감기는 적어도 2개의 코일 중의 하나를 포함할 수 있다. 각 전자석은 복수의 코일을 포함할 수 있다. 액츄에이터는 적어도 2개의 영구 자석, 예컨대 4개의 영구 자석을 포함할 수 있다. 액츄에이터는 2개의 영구 자석 극 쌍으로서 배치되는 적어도 4개의 영구 자석을 포함할 수 있다.
액츄에이터는 표준 질량체의 표면에 대해 접선 방향인 또는 법선 방향인 자기력을 독립적으로 제어하도록 배치되는 직교 코일을 포함할 수 있다.
액츄에이터는 영구 자석을 포함하지 않을 수 있다. 그러면 액츄에이터는 자기 저항력(reluctance force)에 의존하여 표준 질량체를 제어할 수 있다.
상기 액츄에이터는 적어도 2개의 영구 자석 극(pole) 쌍을 포함하고, 상기 극 쌍의 자기장이 존재하는 상태에서 상기 코일에 전류가 흐르면 상기 표준 질량체에 작용하는 힘이 유도되도록 각 코일이 대응하는 극 쌍과 관련되어 있다. 따라서, 표준 질량체에 작용하는 힘은, 영구 자석의 자기장이 존재하는 상태에서 상기 코일에 전류가 흐름으로 해서 발생되는 힘, 예컨대 로렌츠 힘일 수 있다. 코일에 흐르는 전류와 극 쌍의 자기장 간의 상호 작용으로 발생되는 어떤 원동력도 코일과 극 쌍 모두에 작용하게 됨을 알 것이다. 자기장의 존재 하에서 흐르는 전류에 의해 힘이 발생되는 경우, 그 발생된 힘은 자기장의 방향 및 전류 방향 모두에 직교하게 됨을 알 것이다. 예컨대, 극 쌍이 실질적으로 평평한 경우, 발생된 힘은 극 쌍의 표면에 평행할 것이다.
극 쌍은 표준 질량체와 함게 움직이도록 장착되는데, 예컨대 그 표준 질량체에 강성적으로 연결될 수 있다. 극 쌍은 표준 질량체와 함께 움직이도록 장착될 수 있고 표준 질량체는 코일에 대해 움직이도록 장착된다. 따라서, 코일에 흐르는 전류가 극 쌍의 자기장과 상호 작용하여, 극 쌍을 통해 표준 질량체 작용하는 힘이 발생되도록 각 코일이 대응하는 극 쌍과 관련될 수 있다.
각 코일은 표준 질량체와 함게 움직이도록 장착되는데, 예컨대 그 표준 질량체에 강성적으로 연결될 수 있다. 각 코일은 표준 질량체와 함께 움직이도록 장착될 수 있고 표준 질량체는 극 쌍에 대해 움직이도록 장착된다. 따라서, 코일에 흐르는 전류가 극 쌍의 극 쌍의 자기장과 상호 작용하여, 코일을 통해 표준 질량체 작용하는 힘이 발생되도록, 각 코일이 대응 극 쌍과 관련될 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 각 코일은 전자석의 일부분을 형성할 수 있다. 따라서, 액츄에이터는 적어도 2개의 전자석을 포함할 수 있다. 코일에 전류가 흐르면 자기장이 발생되도록 각 코일이 강자성 코어 주위에 형성될 수 있다. 표준 질량체는 강자성 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 표준 질량체에 작용하는 힘은, 적어도 부분적으로 적어도 2개의 코일 중의 하나에 의해 형성되는 전자석과 강자성 재료, 예컨대 강자성 표준 질량체 사이의 자기적 인력일 수 있다. 강자성 코어는 강자성 로드, 예컨대 강 로드일 수 있다. 표준 질량체는 로드에 대해 움직이도록 장착된다. 검검 질량체는 전자석의 강자성 코어일 수 있고 액츄에이터는 강자성 재료로 만들어진 추가의 본체를 포함한다. 표준 질량체는 그의 표면에서 치형 구조를 포함할 수 있다. 그러면 표준 질량체는 스위치식 자기 저항 모터의 일부분을 형성할 수 있다.
액츄에이터는 자기 저항력 및 영구 자석 힘 모두를 사용하여 표준 질량체를 제어할 수 있다.
액츄에이터가 2개의 코일 및 2개의 대응하는 극 쌍을 포함하는 경우, 표준 질량체의 양측에 있는 두 코일에 전류를 흘리면 병진이 일어날 수 있다. 단일 코일에 전류를 흘리면 회전 운동이 일어날 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 회전 운동은, 표준 질량체의 양측에 있는 두 코일에 서로 반대 방향으로 전류를 흘리면 일어날 수 있다. 따라서, 2-코일 액츄에이터는 회전 자유도 및 병진 자유도 모두로 움직임을 제공할 수 있다. 두개 이상의 코일을 갖는 액츄에이터는 2 자유도 이상의 운동을 제공할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 3개, 4개, 5개 또는 6개의 코일(및 대응하는 극 쌍)은 3, 4, 5 또는 6 자유도의 운동을 각각 발생시킬 수 있다.
액츄에이터는 추가 코일을 포함할 수 있는데, 예컨대 액츄에이터는 3개, 4개, 5개 또는 6개 이상의 코일을 포함할 수 있다. 액츄에이터는 추가 극 쌍을 포함할 수 있는데, 예컨대 액츄에이터는 3개, 4개, 5개 또는 6개 이상의 극 쌍을 포함할 수 있다. 액츄에이터는 추가 전자석을 포함할 수 있는데, 예컨대 액츄에이터는 3개, 4개, 5개 또는 6개 이상의 전자석을 포함할 수 있다. 코일에 전류가 흐르면 상기 표준 질량체에 작용하는 힘이 유도되도록 각 코일이 자석과 관련되어 있을 수 있다. 예컨대, 극 쌍의 자기장이 존재하는 상태에서 상기 코일에 전류가 흐르면 상기 표준 질량체에 작용하는 힘이 유도되도록 각 코일이 극 쌍과 관련되어 있을 수 있다. 자석과 관련되는 코일은 그 자석과 대향하여 위치될 수 있다.
표준 질량체는 추가의 자유도로 움직이도록 장착될 수 있는데, 예컨대, 표준 질량체는 3, 4, 5 또는 6 자유도로 움직이도록 장착될 수 있다.
상기 액츄에이터는 6개의 영구 자석 극 쌍 및 6개의 코일을 포함하고, 상기 코일에 흐르는 전류가 극 쌍의 자기장과 상호 작용하여 표준 질량체에 작용하는(예컨대, 코일 또는 극 쌍을 통해) 힘이 발생되도록 각 코일이 극 쌍과 관련되어 있을 수 있고, 표준 질량체는 6 자유도로 움직이도록 장착된다. 따라서, 액츄에이터는 모두 6개의 자유도의 표준 질량체의 운동을 제공할 수 있다. 모두 6개의 자유도로 움직일 수 있는 단일 표준 질량체를 가짐으로써, 종래 기술의 액츄에이터 설계 보다 더 컴팩트하고 더 높은 힘 밀도를 갖는 액츄에이터의 설계가 용이하게 될 수 있다.
각 코일은, 코일에 흐르는 전류가 표준 질량체에 대해 반경 방향으로 작용하는 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다. 예컨대, 코일이 표준 질량체의 평평한 면과 관련되어 있으면, 코일은 코일에 흐르는 전류가 평평한 면에 수직인 방향으로 작용하는 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다.
각 코일은, 코일에 흐르는 전류가 표준 질량체의 표면에 대해 접선 방향으로 작용하는 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다. 예컨대, 코일이 표준 질량체의 평평한 면과 관련되어 있으면, 코일은 코일에 흐르는 전류가 평평한 면에 평행한 방향으로 작용하는 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다.
적어도 2개의 코일 중의 적어도 하나는 표준 질량체의 제 1 영역, 예컨대 평평한 면에 접선 방향 힘을 발생시키도록 배치될 수 있고, 적어도 2개의 코일 중의 적어도 하나는 표준 질량체의 동일 영역, 예컨대 동일 면에 반경 방향 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다.
따라서, 적어도 2개의 코일은, 표준 질량체에 반경 방향으로, 접선 방향으로 또는 반경 방향과 접선 방향 모두로 작용하는 힘을 발생시키도록 배치될 수 있다.
각 극 쌍은 2개의 영구 자석, 예컨대 2개의 SmCo26 자석을 포함할 수 있다. 각 영구 자석은 외부면을 가질 수 있다. 이 외부면은 극성을 가질 수 있다. 예컨대, 영구 자석은 외부 북극면 및 외부 남극면을 가질 수 있다. 각 극 쌍은 외부 북극면을 갖는 제 1 자석 및 외부 남극면을 갖는 제 2 자석을 포함할 수 있다. 극 쌍의 제 1 및 2 자석의 외부면들은 동일한 방향을 향할 수 있다. 각 영구 자석은 외부면의 반대편에 있는 내부면을 가질 수 있다. 영구 자석은 내부면을 통해 액츄에이터에 부착될 수 있다.
표준 질량체가 극 쌍에 대해 움직일 수 있게 장착되는 경우, 극 쌍의 각 자석의 외부면은 표준 질량체 쪽을 향할 수 있다. 각 극 쌍이 표준 질량체에 부착되어 있는 경우, 각 자석의 외부면은 표준 질량체로부터 멀어지는 방향을 향할 수 있다. 이러한 경우, 각 자석의 내부면은 표준 질량체 쪽을 향할 수 있다.
각 영구 자석의 길이와 폭은 그의 두께 보다 실질적으로 클 수 있다. 각 영구 자석은 실질적으로 평평하다. 각 자석의 내부면은 표준 질량체에 부착될 수 있다. 각 자석은 접착제를 사용하여 표준 질량체에 부착될 수 있다. 각 자석은 표준 질량체의 표면의 일부분에 걸쳐 연장되어 있을 수 있다. 표준 질량체의 표면 영역의 대부분은 자석으로 덮힐 수 있다. 각 극 쌍은 표준 질량체의 다른 면에 위치될 수 있다. 각 극 쌍은 표준 질량체의 다른 면의 반대편에 위치될 수 있다. 표준 질량체의 적어도 하나의 면은 하나 이상의 극 쌍과 관련될 수 있다.
표준 질량체는 적어도 2개의 평평한 면을 가질 수 있다. 표준 질량체는 액츄에이터의 코일과 동일한 수의 평평한 면을 가질 수 있다. 각 코일은 표준 질량체의 평평한 면과 관련될 수 있다. 표준 질량체는 실질적으로 입방형일 수 있다. 유리하게, 입방형 표준 질량체는, 표준 질량체가 중립 위치에 있을 때, 복잡한 기계 가공에 대한 필요성 없이, 코일과 대응 극 쌍 및/또는 표준 질량체 사이에 일정한 폭의 공기 틈을 갖는 설계를 용이하게 할 수 있다. 예컨대, 입방형 표준 질량체는 실질적으로 평평한 극 쌍 및 코일과 함께 사용될 수 있다. 표준 질량체는 예컨대 모따기된 코너 또는 가장자리를 가질 수 있고 그러면서도 실질적으로 입방형이라고 생각될 수 있음을 이해할 것이다. 코일 및 대응 극 쌍은 입방형 표준 질량체의 각 면과 관련될 수 있다. 입방형 표준 질량체를 사용하면, 액츄에이터의 효율적인 패킹이 용이하게 될 수 있고 그래서 액츄에이터의 크기를 줄일 수 있다. 극 쌍은 입방형 표준 질량체의 각 면에 위치될 수 있다. 코일은 입방형 표준 질량체의 각 면과 대향하여 위치될 수 있다.
상기 액츄에이터는 코일에 대한 전류 흐름을 제어하는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 사인 함수적으로 변하는 전류를 제공하도록 배치될 수 있다. 제어 시스템은 코일에 흐르는 전류를 스위치 온/오프시키고 전류 흐름을 증가시키고 그리고/또는 전류 흐름의 방향을 변화시키도록 배치될 수 있다. 제어 시스템은 액츄에이터 내의 표준 질량체의 위치를 검출하도록 배치되어 있는 하나 이상의 센서, 예컨대 홀 효과 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서는 홀 효과 센서일 수 있다. 하나 이상의 센서는 코일에서 기전력을 측정하여 표준 질량체의 위치를 감지할 수 있다. 코일 중의 하나 이상은 개방 턴(turn)을 포함할 수 있고 하나 이상의 센서는 그 개방 턴(들)을 통해 자속의 변화를 측정하여 표준 질량체의 위치를 측정할 수 있다. 표준 질량체의 위치의 검출을 가능하게 해주는 추가적인 코일이 제공될 수 있다. 제어 시스템은 피드백 루프를 포함할 수 있다. 상기 센서로부터 얻은 데이타를 사용하여, 피드백 시스템의 일부분으로서 각 코일에 대한 전류 흐름을 조절할 수 있다.
액츄에이터는 프레임을 포함할 수 있다. 표준 질량체는 그 프레임에 대해 움직일 수 있게 장착된다. 각 코일은 프레임에 대해 움직일 수 있게 장착될 수 있다. 대안적으로, 각 코일은 프레임에 부착될 수 있다. 각 자석, 예컨대 각 극 쌍은 프레임에 대해 움직일 수 있게 장착될 수 있다. 각 자석, 예컨대 각 극 쌍은 프레임에 부착될 수 있다.
각 코일은 코어, 예컨대 강 구조체 주위에 형성될 수 있다. 각 코일은 코어 주위에 감기는 전도성 와이어, 예컨대 구리 와이어를 포함할 수 있다. 코일은 이 코일의 단 직경 보다 상당히 큰 장 직경을 가질 수 있다. 즉, 코일은 타원형 또는 장방형일 수 있다. 코일은 대응하는 자석의 외부면에 평행한 면 내에서 연장되어 있을 수 있다. 각 코어는 슬롯을 포함할 수 있다. 각 슬롯은 대응하는 자석의 외부면에 평행하게 연장되어 있을 수 있다. 각 코일은 코일의 일부분이 슬롯 내에 위치되도록 코어 주위에 형성될 수 있다. 각 코어는 한쌍의 평행한 슬롯을 포함할 수 있다. 코일의 제 1 부분은 한쌍의 슬롯 중의 하나에 위치될 수 있고 코일의 제 1 부분은 한쌍의 슬롯 중의 다른 하나에 위치될 수 있다. 각 슬롯에 위치하는 코일의 상기 부분은 단면도에서 볼 때 정사각형일 수 있다. 코어는 강자성 재료로 만들어질 수 있다. 따라서, 액츄에이터가 영구 자석을 포함하는 경우, 그 영역 자석은 슬롯 구조체에 부착될 수 있다. 액츄에이터는 상기 끌어당김을 보상하도록 배치 및 구성된 현가 시스템을 포함할 수 있다.
상기 엑츄에이터는 표준 질량체를 중앙 위치로 복귀시키도록 편향되는 현가 시스템을 포함할 수 있다. 중앙 위치는, 표준 질량체가 액츄에이터의 코일 및/또는 자석에 대해 등거리로 있는 위치로 정의될 수 있다. 예컨대, 표준 질량체가 코일에 대해 움직일 수 있게 장착되어 있는 경우, 중앙 위치는, 표준 질량체가 코일에 대해 등거리로 있는 위치로 정의될 수 있다. 현가 시스템은, 표준 질량체를 중앙 위치 쪽으로 편향시키도록 배치된 복수의 영구 자석을 포함할 수 있다. 따라서, 표준 질량체에는 자성 공중 부양 지지부가 제공될 수 있다. 현가 시스템은, 표준 질량체를 중앙 위치 쪽으로 편향시키도록 배치된 복수의 탄성 부재, 예컨대 코일 스프링을 포함할 수 있다. 각 탄성 부재는 표준 질량체에 연결될 수 있다. 각 탄성 부재는 표준 질량체와 프레임 사이에 연장되어 있을 수 있다. 각 탄성 부재는 표준 질량체의 정점의 영역에서 표준 질량체에 연결될 수 있다. 현가 시스템은 8 개의 탄성 부재, 예컨대 8 개의 코일 스프링을 포함할 수 있고, 각 탄성 부재는 입방형 표준 질량체의 각 정점에 위치된다. 현가 시스템의 탄성 부재의 중의 일부는, 중력의 영향을 보상하기 위해, 예컨대 다른 탄성 부재에 대해 다른 길이 및/또는 강성을 가질 수 있다. 현가 센서, 예컨대 스트레인 게이지 또는 로드 셀(load cell)이 현가 시스템의 탄성 부재에 부착될 수 있다. 현가 센서는 현가 시스템의 각 탄성 부재에 부착될 수 있다. 각 현가 센서는 제어 시스템에 피드백을 제공할 수 있다.
표준 질량체는 코일에 의해 규정되는 공간의 내부에 위치될 수 있다. 즉, 코일은 표준 질량체의 외측면 주위에 위치될 수 있다. 표준 질량체를 코일에 의해 규정되는 공간의 내부에 위치함으로써, 조립 및/또는 유지가 더 용이한 액츄에이터 설계 및/또는 더 컴팩트한 액츄에이터 설계가 용이하게 될 수 있다. 표준 질량체는 극 쌍에 의해 규정되는 공간의 내부에 위치될 수 있다.
표준 질량체는 코일에 의해 규정되는 공간의 외부에 위치될 수 있다. 즉, 코일은 표준 질량체에 의해 규정되는 공간의 내부, 예컨대 표준 질량체에 형성되어 있는 공동부의 내부에 위치될 수 있다. 따라서, "인사이드-아웃" 구성이 제공될 수 있다.
자석 및 코일은 표준 질량체의 외측면 주위에 위치될 필요는 없음을 알 것이다. 예컨대, 중공 표준 질량체가 자석과 코일을 에워쌀 수 있다. 극 쌍은 표준 질량체에 의해 규정된 공간 내부, 예컨대 표준 질량체에 형성된 공동부 내에 위치될 수 있다. 표준 질량체는 중공형일 수 있다.
액츄에이터는 각 자석과 대응 코일 사이에서 공기 틈을 포함할 수 있다. 이 공기 틈의 폭은 5 mm 내지 20 mm, 예컨대 7 mm 내지 15 mm, 예컨대 약 10 mm일 수 있다.
제 2 양태에 따르면, 제 1 양태에 따른 액츄에이터를 포함하는 구조체가 제공된다.
액츄에이터는 적어도 부분적으로 구조체로 형성될 수 있다. 예컨대, 액츄에이터의 구성품은 구조체의 기능부를 형성할 수 있다. 구조체는 표준 질량체일 수 있다. 구조체는 장치의 하우징일 수 있다. 하우징은 표준 질량체일 수 있다. 코일과 극 쌍(존재한다면)은 하우징 내부에 위치될 수 있다.
액츄에이터는 구조체와는 별개로 형성될 수 있다. 예컨대, 액츄에이터는 구조체에 연결되는, 예컨대 볼트 체결되는 별개의 개체일 수 있다. 액츄에이터의 프레임은 구조체에 연결될 수 있다. 표준 질량체는 구조체에 대해 움직일 수 있도록 장착될 수 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 표준 질량체 및 적어도 2개의 코일을 포함하는 액츄에이터를 사용하여 구조체에서 진동을 감쇠시키는 방법이 제공되는 바, 이 방법은, 상기 코일 중의 2개에 전류를 흘려 상기 표준 질량체를 제 1 자유도로 병진시키는 단계; 및 상기 코일 중의 적어도 하나에 전류를 흘려 상기 표준 질량체를 제 2 자유도로 움직이게 하는 단계를 포함한다.
구조체에서 진동을 감쇠시키는 방법은 능동 진동 제어일 수 있다. 감쇠는 특히 임계 진동수에서 진동 크기의 감소로 정의될 수 있다. 따라서, 진동을 감쇠시키는 것은, 주어진 진동수 범위, 예컨대 "통상적인" 또는 "가용" 진동수 범위에서 경험되는 진동의 최대 진폭을 줄이는 것을 포함할 수 있다.
적어도 2개의 코일 중의 적어도 하나에 전류를 흘려 발생되는 힘에 의해, 표준 질량체가 제 1 위치로부터 제 2 위치로 움직일 수 있다. 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 운동은 표준 질량체의 병진을 포함할 수 있다. 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 운동은 표준 질량체의 회전을 포함할 수 있다. 따라서, 본 방법은 코일 중의 적어도 하나에 전류를 흘려 표준 질량체의 회전 운동을 일으키는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 위치로부터 제 2 위치로의 운동은, 표준 질량체의 병진과 회전 모두를 포함할 수 있다. 따라서, 본 방법은 코일에 전류를 흘려 표준 질량체의 회전과 병진을 동시에 일으키는 단계를 포함할 수 있다.
표준 질량체는 감쇠될 구조체의 일부분일 수 있다. 감쇠될 구조체를 표준 질량체로서 사용함으로써, 액츄에이터를 수용하는데 필요한 공간의 양을 줄일 수 있다.
상기 액츄에이터는 적어도 2개의 영구 자석 극 쌍을 포함하고, 각 극 쌍은, 극 쌍의 자기장이 존재하는 상태에서 상기 코일에 전류가 흐르면 힘이 발생되도록 배치되어 있다. 따라서, 극 쌍의 자기장이 존재하는 상태에서 코일에 전류를 흘리면 표준 질량체가 움직일 수 있다.
표준 질량체는 감쇠될 구조체와는 별개일 수 있다. 어떤 경우에, 감쇠될 구조체와는 별개의 개체로서 형성된 액츄에이터를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 액츄에이터를 김쇠될 구조체와 분리시킴으로써, 액츄에이터의 개장(retro-fitting)이 용이하게 될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태와 과련하여 설명한 특징은 본 발명의 다른 양태에 결합될 수 있음을 알 것이다. 예컨대, 본 발명의 방법은 본 발명의 장치를 참조하여 설명한 특징들 중의 어떤 것이라도 포함할 수 있고 그 반대도 마찬가지다.
본 발명을 액츄에이터를 참조하여 설명했지만, 여기서 설명한 장치는 어떤 구성으로도 발전기로서 기능할 수 있다. 즉, 검검 질량체의 운동이 코일에 전류를 유도하도록 적어도 2개의 코일이 배치될 수 있다. 따라서, 적어도 2개의 자유도로 움직일 수 있도록 장착되는 표준 질량체 및 적어도 2개의 코일을 포함하는 발전기가 제공되고, 상기 적어도 2개의 자유도 중의 하나는 병진 자유도이고, 상기 코일은 표준 질량체의 움직임에 의해 상기 적어도 2개의 코일에 전류가 유도되도록 배치된다. 발전기는 자석, 예컨대 전술한 바와 같은 한쌍의 영구 자석 또는 전자석을 포함할 수 있다. 복수 자유도의 발전기를 제공함으로써, 파에너지 채취 장치와 같은, 복수의 자유도의 운동을 하는 시스템으로부터의 전기의 더 효율적인 발생이 용이하게 될 수 있다. 본 발명에 따른 발전기는 액츄에이터를 참조하여 전술한 특징들을 포함할 수 있다.
이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 예시적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 액츄에이터의 사시도를 나타낸다.
도 2는 제 1 실시 형태에 따른 액츄에이터의 단면도를 나타낸다.
도 3a 내지 3f는 제 1 실시 형태에 따른 액츄에이터의 표준 질량체의 전방면, 후방면, 좌측면, 우측면, 정상면 및 바닥면에 있는 자석의 배향을 각각 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 액츄에이터의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 액츄에이터의 개략도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 제 1 액츄에이터(1)의 절취 사시도를 나타낸다. 이 실시예에서, 액츄에이터(1)는 약 4.8 kg의 강 입방체(2)를 포함하며, 이 강 입방체는 각각의 정점에서 각 측을 따라 약 168 mm인 입방형 지지 프레임(6)에 스프링(4)에 의해 부착된다. 각 스프링(4)은 3.5 N/mm의 강성을 갖는다. 중력의 영향을 보상하고 강 입방체(2)를 지지 프레임(6)의 중앙에 배치하기 우해, 상측 스프링은 하측 스프링 보다 짧게 되어 있다. 액츄에이터의 내부 구조가 보일 수 있도록, 지지 프레임(6)의 전방 부분, 정상 부분 및 좌우측 부분은 도 1에 나타나 있지 않다. 실질적으로 평평한 6개의 영구자석 극(pole) 쌍(8) 중의 하나가 입방체(2)의 각 면에서 중앙에 위치되어 있고 그 면에 걸쳐 연장되어 있다. 각 극 쌍(8)은 실질적으로 평평한 2개의 사마리움 코발트(SmCo26) 자석을 포함하는데, 한 평평한 자석(8a)은 그의 남극이 입방체(2)의 표면으로부터 바깥쪽으로 향하도록 배향되어 있고, 다른 평평한 자석(8b)은 그의 북극이 입방체(2)의 표면으로부터 바깥쪽으로 향하도록 배향되어 있다. 따라서 액츄에이터(1)는 총 12개의 자석(8a, 8b)를 포함한다. 6개의 장방형 코일(10) 중의 하나가 표준 질량체(2)의 각 면과 대향하여 적층 강 구조체(14)를 통해 프레임(6)에 부착되어 있다. 각 코일(10)의 면 및 대응하는 평평한 자석(8a, 8b)의 외부면 사이의 틈은 약 10 mm 이다. 각 코일(10)은 강 구조체(14) 주위에 110번 감겨 있는 4개의 스트랜드 24 AWG(American Wire Gauge) 구리 와이어로 형성되어 있다. 각각의 강 구조체(14)는 한쌍의 평행한 슬롯(12)을 포함하는데, 이 슬롯 안에 각 타원형 코일(10)의 두 장변이 위치된다. 평평한 자석(8a, 8b)은 평면도에서 볼 때 직사각형이고, 각 자석(8a, 8b)의 장변은 대응하는 타원형 코일(10)의 길이 방향 축선에 평행하다. 액츄에이터의 내부 구조가 보일 수 있도록, 전방, 정상 및 좌우측 코일(10) 및 슬롯(12)을 포함하는 강 구조체는 도 1에 나타나 있지 않다. 제어부(미도시)가 각 코일(10)에 대한 전류 흐름을 제어한다.
사용시, 코일(10)의 중의 어느 하나에 전류가 흐르면, 대응하는 극 쌍(8a, 8b)의 자기장 내에서 이동하는 전하가 존재하기 때문에, 극 쌍(8)에 작용하고 또한 이 극 쌍을 통해 강 질량체(2)에도 작용하는 로렌츠(Lorentz) 힘이 발생하게 된다(자석을 강 코어 쪽으로 끝어 당기는 법선 방향 힘도 있고, 서로 대향하는 코일이 쌍으로 작용하면 그 힘은 상쇄될 수 있지만, 또한 또는 대안적으로 추가적인 힘으로서 이용될 수도 있음). 발생된 힘은 자석(8)의 면에 평행하다. 6개의 코일(10) 각각에 흐르는 전류 흐름을 제어하여, 강 입방체(2)는 6개의 자유도 중의 어느 하나로 움직일 수 있다. 입방체(2)가 어떤 주어진 방향으로 움직임에 따라, 자석들 중의 하나 이상은 대향하는 강 슬롯(12)에 더 가깝게 움직일 수 있고, 그래서 자석(8)과 강 구조체(14) 사이의 인력이 커지게 된다. 스프링(4)은 이 힘에 반대로 작용하고, 코일(10) 중의 어느 하나에 전류가 더 이상 흐르지 않으면 입방체(2)를 중앙 위치로 복귀시키게 된다.
따라서, 본 실시 형태에 따른 액츄에이터는 표준 질량체가 6 자유도로 움직일 수 있게 해준다. 위의 실시 형태에 따른 액츄에이터는 비교적 컴팩트한 설게를 가지고 있어, 힘도 밀도가 증가된다.
도 2는 제 1 실시 형태의 액츄에이터의 단면도를 나타낸다. 도 2의 단면은 장방형 코일(10) 중의 2개의 길이 방향 축선에 수직인 평면에서 취한 것이다.
도 3a - 3f는 표준 질량체의 전방면, 후방면, 좌측면, 우측면, 정상면 및 바닥면에 있는 자석의 배향을 각각 나타낸다. 각 자석은 도 3의 평면도에서 볼 때 직사각형이고, 북극면(N) 또는 남극면(S)인 실질적으로 평평한 외부면을 가지고 있다. 도 3a는, 전방면에서 각 자석의 장변이 수평이고 북극면(N)이 남극면(S) 위쪽에 있는 것을 보여준다. 도 3b는, 후방면에서 자석의 길이 방향 축선이 전방면에서와 같이 배향되어 있지만 남극면(S)이 북극면(N) 위쪽에 있는 것을 보여준다. 좌우측에 있는 각 자석의 장변(도 3c 및 3d 참조)은 수직이고, 정상면과 바닥면에 있는 각 자석의 장변은 전후 방향으로 있다(도 3e 및 3f 참조). 이 실시예에서, 모든 면의 자석은, 다른 극성을 갖는 외부면들이 입방체에서 서로 대향하여 위치하도록 배치된다(그러나, 이는 자속이 이웃 자석에 복귀할 때는 필요치 않다).
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 제 2 액츄에이터(101)의 개략적인 단면도를 나타내는데, 여기서 유사한 참조 번호는 도 1과 유사한 요소를 나타낸다. 이 설명은 제 1 실시 형태와 다른 제 2 실시 형태의 요소에 촛점을 둘 것이다. 이 실시예에서, 액츄에이터(101)는 중공의 강 입방체(102)를 포함한다. 6개의 영구 자석(108)이 중공 입방체(102)의 내부 표면(102a)에 장착되어 있다. 경량의 지지부(116)가 중공 입방체(102)의 공동부의 내에서 중앙에 위치되어 있다. 6개의 코일(110)이 경량 지지부(116)에 위치되어 있고, 각 코일(110)은 대응하는 자석(108)과 대향하여 위치된다. 현가 시스템(미도시)이 중공 강 입방체(102)의 내부 표면(102a)과 경량 지지부(116) 사이에 연장되어 있고 경량 지지부(116)를 도 4에 나타나 있는 바와 같은 중앙 위치 쪽으로 편향시킨다.
사용시, 대응하는 극 쌍(108)의 자기장이 존재하는 상태에서 코일(110)에 전류가 흐르면, 자석(108)을 통해 표준 질량체(102)에 전달되는 힘이 발생된다. 어떤 작동 환경에서는, 코일(108)과 자석(110)을 사용 중에 손상으로부터 보호하기 위해 그 코일과 자석을 입방체(102) 내부에 위치시키는 것이 유리할 수 있다(이러한 경우, 입방체는 강으로 만들어지지 않고, 자석은 용이한 자속 복귀 경로가 얻어지도록 강 받침부를 필요할 것이다. 그래서, 예컨대 우측 자석의 단면을 좌측에서 우측 방향으로 볼 때, 강 층, 자석 층, 그리고 비자성 입방체의 벽, 공개 틈 및 적층된 강 코어 내의 코일이 있다).
도 5는 본 발명에 따른 예시적인 제 3 액츄에이터의 개략도를 나타낸다. 여기서도, 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다. 이 설명은 제 1 실시 형태와 다른 제 3 실시 형태의 요소에 촛점을 둘 것이다. 이 실시예에서, 제 1 실시예의 강 입방체(2)는 기계(220)의 하우징(202)으로 대체되었다. 기계(220)는 스프링(218)으로 나타나 있는 현가 시스템에 스프링 장착된다. 코일 지지 프레임워크(미도시)에 의해 지지되는 코일(210)이 각 극 쌍과 대향하여 위치되어 있다. 명료성을 위해 전방측 코일은 도 5에 포함되어 있지 않다
사용시, 코일(210)에 흐르는 전류를 사용하여, 자석(208)을 통해 하우징(202)에 작용하는 힘을 발생시켜 기계(220)의 진동을 제어할 수 있다. 감쇠될 기계(220)의 하우징(202)을 표준 질량체로서 사용하여, 액츄에이터(201)에 필요한 추가적인 공간을 줄일 수 있고 또한 부품의 수가 감소됨으로써 제조비를 줄일 수 있다.
특정 실시 형태를 가지고 본 발명을 설명하고 예시하였지만, 당업자는 본 발명은 여기서 구체적으로 도시되지 않은 다른 많은 변형예가 가능함을 알 것이다. 지금부터, 어떤 가능한 변형예를 단지 예로서 설명하도록 한다.
엑츄에이터는 모든 6개의 자유도의 움직임을 제공할 필요는 없음을 알 것이다. 예컨대, 어떤 용례에서는, 액츄에이터가 2, 3, 4 또는 5개의 자유도의 움직임을 제공하는 것이 더 적절할 수 있다.
표준 질량체는 자석에 강성적으로 연결될 수 있고 코일에 대해 움직일 수 있도록 장착될 수 있고(도 1과 관련하여 전술한 바와 같이) 또는 그 반대로 가능함을 알 것이다.
전술한 설명에서, 알려져 있는 명백한 또는 예상 가능한 등가물을 갖는 완전체 또는 요소가 언급되는 경우, 그러한 등가물은 마치 개별적으로 언급된 것 처럼 본 명세서에 통합된다. 본 발명의 진정한 범위를 결정하기 위해서는 청구 범위를 참조해야 하며, 그 범위는 그러한 등가물도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 독자는 예커대 바람직하거나, 유리하다거나 편리하다고 설명된 본 발명의 완전체 또는 특징은 선택적인 것이며 독립 청구항의 범위를 한정하지 않음을 알 것이다. 더욱이, 그러한 선택적인 완전체 또는 특징은 본 발명의 어떤 실시 형태에서는 유리할 수 있지만 다른 실시 형태에서는 바람직하지 않을 수 있어 없을 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (18)

  1. 진동 감쇠 장치로서,
    입방형 지지 프레임; 및
    액츄에이터를 포함하고,
    상기 액츄에이터는,
    6개의 자유도로 움직일 수 있도록 상기 입방형 지지 프레임에 연결되는 표준 질량체(proof-mass) - 상기 6개의 자유도 중의 적어도 하나는 병진 자유도임 -;
    상기 표준 질량체의 표면에 또는 입방형 지지 프레임의 표면에 부착되는 6개의 영구 자석 극(pole) 쌍; 및
    각기 상기 6개의 영구 자석 극 쌍 중의 대응하는 극 쌍과 대향하여 위치되는6개의 코일을 포함하고,
    각 코일은, 각각의 극 쌍의 자기장의 존재 하에서 각각의 코일에 흐르는 전류가 상기 표준 질량체에 작용하는 힘을 유도하도록, 6개의 영구 자석 극 쌍 중의 하나의 자석 극 쌍과 관련되어 있는, 진동 감쇠 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 코일은, 코일에 흐르는 전류에 의해, 상기 표준 질량체의 면에 대해 반경 방향으로, 표준 질량체의 면에 대해 접선 방향으로, 또는 표준 질량체의 면에 대해 반경 방향 및 접선 방향 모두로 작용하는 힘이 발생되도록, 배치되어 있는, 진동 감쇠 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표준 질량체는 입방형이고, 코일은 그 입방형 표준 질량체의 각 면에 작용하는 힘을 유도하는, 진동 감쇠 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 표준 질량체 외측면 주위에 위치되는, 진동 감쇠 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    복수의 탄성 부재를 더 포함하고, 각 탄성 부재는 상기 표준 질량체에 연결되고, 상기 표준 질량체를 입방형 지지 프레임 내부의 중앙 위치로 복귀시키도록 편향되는, 진동 감쇠 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함하는, 진동 감쇠 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 표준 질량체는 입방형이고, 각 코일 스프링은 입방형 표준 질량체의 각 정점에 위치되는, 진동 감쇠 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일에 흐르는 전류를 제어하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 진동 감쇠 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 입방형 지지 프레임 내의 표준 질량체의 위치를 검출하도록 배치되어 있는 하나 이상의 센서를 포함하는, 진동 감쇠 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입방형 지지 프레임에 연결되는 구조체를 더 포함하고, 상기 액츄에이터는 그 구조체의 진동을 줄이기 위해 그 구조체에 힘을 가하도록 구성되어 있는, 진동 감쇠 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 표준 질량체를 중앙 구성으로 복귀시키도록 편향되는 현가(suspension) 시스템을 더 포함하는, 진동 감쇠 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 입방형 지지 프레임은 적어도 2개의 평행한 슬롯을 포함하고, 코일의 적어도 2개의 변은 상기 적어도 2개의 평행한 슬롯 안에 위치되는, 진동 감쇠 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    각 극 쌍은 상기 표준 질량체의 각 표면에서 중앙에 위치되고 또한 그 표면에 걸쳐 연장되어 있는, 진동 감쇠 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 극 쌍에 있는 자석 중의 하나는 그의 남극이 표준 질량체의 표면으로부터 바깥쪽으로 향하도록 배향되어 있고, 동일한 극 쌍에 있는 다른 자석은 그의 북극이 표준 질량체의 표면으로부터 바깥쪽으로 향하도록 배향되어 있는, 진동 감쇠 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 극 쌍 중의 하나에 있는 자석은 6개의 자석 극 쌍 중 다른 자석 극 쌍에 있는 자석과 대향하여 위치되며, 서로 대향하여 위치되는 자석들은 다른 극성을 갖는, 진동 감쇠 장치.
  16. 입방형 지지 프레임 및 액츄에이터를 사용하여 구조체에서 진동을 감쇠시키는 방법으로서, 상기 액츄에이터는, 6개의 자유도로 움직일 수 있도록 상기 입방형 지지 프레임에 연결되는 표준 질량체(proof-mass) - 상기 6개의 자유도 중의 적어도 하나는 병진 자유도임 -; 상기 표준 질량체의 표면에 또는 입방형 지지 프레임의 표면에 부착되는 6개의 영구 자석 극 쌍; 및 각기 상기 6개의 영구 자석 극 쌍 중의 대응하는 극 쌍과 대향하여 위치되는 6개의 코일을 포함하고, 각 코일은, 상기 극 쌍의 자기장의 존재 하에서 상기 코일에 흐르는 전류가 상기 표준 질량체에 작용하는 힘을 유도하도록, 자석과 관련되어 있고, 상기 표준 질량체는 6개의 자유도로 움직일 수 있도록 장착되며,
    상기 방법은,
    상기 코일 중의 적어도 2개에 전류를 흘려 상기 표준 질량체를 제 1 자유도로 병진시키는 단계; 및
    상기 코일 중의 적어도 하나에 전류를 흘려 상기 표준 질량체를 제 2 자유도로 움직이게 하는 단계를 포함하는, 구조체에서 진동을 감쇠시키는 방법.
  17. 발전기로서,
    입방형 지지 프레임; 및
    발전기 유닛을 포함하고,
    상기 발전기 유닛은,
    6개의 자유도로 움직일 수 있도록 상기 입방형 지지 프레임에 연결되는 표준 질량체 - 상기 6개의 자유도 중의 적어도 하나는 병진 자유도임 -;
    상기 표준 질량체의 표면에 또는 입방형 지지 프레임의 표면에 부착되는 6개의 영구 자석 극 쌍; 및
    각기 상기 6개의 영구 자석 극 쌍 중의 대응하는 극 쌍과 대향하여 위치되는 6개의 코일을 포함하고,
    각 코일은, 표준 질량체의 운동에 의해 각각의 코일에 전류가 흐르도록 자석과 관련되어 있는, 발전기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 표준 질량체는 입방형이고, 상기 코일은 입방형 표준 질량체의 각 면에 작용하는 힘을 유도하는, 발전기.
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