KR20010112076A - 자기스프링구조 및 이 자기스프링구조를 사용한진동완화기구 - Google Patents

Abstract

(과제) 종래보다 간이한 구조이며 저렴한 가격으로 제조할 수 있는 자기스프링구조 및 진동완화기구를 제공하는 것이다.

(해결수단) 자기스프링구조 (10) 는 서로 인접하는 타측에 대하여 자극 방향을 반대로 하고 또한 각각 소정의 간극을 두고 배치된 복수의 고정자석 (12,13) 사이에 고정자석 (12,13) 의 자계 영향에 의해 고정자석 (12,13) 의 자화방향과 평행한 방향으로 탄성지지되는 탄성재료로 형성된 이동체 (14) 를 배치한 구성이다. 이 소정의 위치관계로 배치된 고정자석 (12,13) 과 이동체 (14) 로 구성된 자기회로구성만으로 감쇠장치로서 이용할 수 있으며, 또한 금속스프링이나 고무 등의 완충부재를 조합한 전체의 스프링상수를 의사적으로 약 0 으로 설정할 수 있다.

Description

자기스프링구조 및 이 자기스프링구조를 사용한 진동완화기구{MAGNETIC SPRING STRUCTURE AND VIBRATION RELIEF MECHANISM HAVING SAME INCORPORATED THEREIN}

본 발명은 자기스프링구조 및 이 자기스프링구조를 사용한 진동완화기구에 관한 것으로서, 특히 자동차, 전차, 선박 등의 탈 것의 시트에 사용되는 서스펜션 유닛이나 엔진마운트 등에 있어서의 진동완화구조에 설치하기에 적합한 자기스프링구조 및 이 자기스프링구조를 사용한 진동완화기구에 관한 것이다.

강성을 확보하기 위하여, 내부감쇠가 적은 재료로 구성되는 경우가 많은 기계나 구조물의 진동·소음대책으로서, 여러 진동완화재, 진동완화기, 제어방법이 제안되어 있다.

특히, 탈 것에 대해서는 고속화가 진행되고, 인체의 진동폭로에 의한 육체나 신경계의 손상이 문제로 되고 있다. 이들은 피로, 두통, 어깨결림, 요통, 시력저하 등의 증상으로서 나타난다. 통상, 진동절연에 대해서는 금속스프링, 공기스프링, 고무, 점탄성재료, 댐퍼라는 스프링과 감쇠재를 최적으로 조합하여 사용하는데, 이 조합은 동배율 (動倍率) 과 손실계수와 같이 배반관계에 있는 경우가 많다. 즉, 저주파특성을 개선하기 위하여 동배율을 작게 하면, 손실계수가 작은 단단한 스프링으로 되어 고주파특성이 악화된다. 고주파특성을 개선하기 위하여 손실계수를 높이면, 감쇠재에 가깝고 동배율이 큰 부드러운 스프링으로 되어 저주파특성이 악화된다. 따라서, 동흡진기 (動吸振器) 를 포함한 수동 (受動) 진동완화장치나 준능동·능동제어에 의해 진동을 억제하는 시도가 많이 이루어지고 있다.

이러한 상황에서 최근 감쇠장치로서 자기스프링구조를 사용한 것이 알려져 있다. 또한, 자기스프링구조에 금속스프링이나 고무 등의 완충부재를 조합함으로써, 전체의 스프링상수를 의사적으로 거의 0 으로 설정할 수 있는 진동완화기구도 시도되고 있다. 그러나, 비용이나 유지를 고려하면, 보다 간이한 구성으로 감쇠장치로서 이용할 수 있고, 또한 완충부재와 조합한 스프링상수를 의사적 (擬似的) 으로 거의 0 으로 할 수 있는 새로운 자기스프링구조의 개발이 항상 요망되어지고 있다. 이러한 기구가 개발되면, 서스펜션 유닛이나 엔진마운트 등의 구조를 간소화하여 소형화할 수 있고, 또한 보다 고성능의 제어가 가능해짐과 동시에유지 작업도 용이해진다.

한편, 자석의 반발력을 이용하여 임의의 물체를 들어올리는 부상기구에 자기스프링구조가 이용되는 경우가 있는데, 부하질량을 자석의 반발력을 이용하여 상대적으로 부상시킨 상태에서 지지하기 위해서는, 자석만으로는 불안정하기 때문에 링크기구나 가이드기구 등이 필요해진다. 그러나, 링크기구 등을 설치한 경우에는 부품구성이 복잡해져서 장치가 대형화된다. 또한, 흔들림이나 링크부재의 마찰저항 등이 정밀한 제어의 방해가 되어 유지 작업도 더욱 복잡해진다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 소정 자기회로구성만으로 감쇠장치로서 이용할 수 있고, 또한 금속스프링이나 고무 등의 완충부재를 조합한 전체 스프링상수를 의사적으로 거의 0 으로 설정할 수 있고, 종래보다 간이한 구조로 또한 저렴하게 제조할 수 있는 자기스프링구조 및 진동완화구조를 제공하는 것을 과제로 한다. 또한, 자기회로구성만으로 부하질량을 상대적으로 부상시킬 수 있는 자기스프링구조를 제공하는 것을 과제로 한다.

도 1 은 본 발명의 일실시형태에 관한 자기스프링구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 2 는 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조의 하중-변위특성을 나타낸 그래프이다.

도 3 은 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상 (浮上) 기구의 일례를 나타낸 모식도이다.

도 4 는 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상기구의 다른 예를 나타낸 모식도이다.

도 5 는 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상기구의 다른 예를 나타낸 모식도이다.

도 6 은 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상기구의 다른 예를 나타낸 모식도이다.

도 7 은 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상기구의 다른 예를 나타낸 모식도이다.

도 8 은 상기 실시형태에 관한 자기스프링구조를 응용한 부상기구의 또다른 예를 나타낸 사시도이다.

도 9 는 도 8 에 나타낸 부상기구의 고정자석 배치를 설명하기 위한 도면이다.

도 10 은 자기스프링구조가 장착된 진동완화기구의 일례로서의 진동완화모델을 나타낸 정면도이다.

도 11 은 도 10 의 진동완화모델의 측면도이다.

도 12 는 도 10 의 진동완화모델의 개략 단면도이다.

도 13 은 자기스프링구조의 이동체로서 영구자석을 사용한 경우의 정(靜)특성을 나타낸 하중-변위곡선의 그래프이다.

도 14 는 자기스프링구조의 이동체로서 영구자석을 사용한 경우의 진동전달율을 나타낸 그래프이다.

도 15 는 자기스프링구조의 이동체로서 철을 사용한 경우의 정특성을 나타낸 하중-변위곡선의 그래프이다.

도 16 은 자기스프링구조의 이동체로서 철을 사용하며, 진폭 0.2㎜ 로 가진 (加振) 하였을 때의 진동전달율을 나타낸 그래프이다.

도 17 은 자기스프링구조의 이동체로서 철을 사용하며, 진폭 1.0㎜ 로 가진하였을 때의 진동전달율을 나타낸 그래프이다.

도 18 은 자기스프링구조의 이동체로서 철을 사용하며, 진폭 2.0㎜ 로 가진하였을 때의 진동전달율을 나타낸 그래프이다.

도 19 는 자기스프링구조를 구성하는 고정자석과 이동체의 형상 또는 배치를 변화시킨 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 20 은 자기스프링구조를 구성하는 고정자석과 이동체의 형상 또는 배치를 변화시킨 다른 예를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 21 은 고정자석의 다른 예를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 자기스프링구조 12,13,16,18,51,52,53 : 고정자석

14,17,20,21,61,62 : 이동체 30 : 진동완화모델

34 : 연결로드 35 : 상하동작부재

36 : 부하질량 지지부재 40 : 코일스프링

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자가 검토한 바, 고정자석에 대하여 자성재료로 이루어진 이동체를 소정 위치관계로 배치함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 청구항 1 에 기재된 본 발명에서는, 자성재료로 형성된 이동체와, 상기 이동체의 외주에 배치되고, 이동체의 통로로 되는 틈을 형성하고, 자계의 영향에 의해 상기 이동체를 탄성지지하는 고정자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 2 에 기재된 본 발명에서는, 상기 고정자석이, 배치면방향으로 서로 소정 틈을 두고 배치된 복수로 구성되고, 상기 틈이 상기 이동체의 통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 3 에 기재된 본 발명에서는, 배치면방향에 인접하는 상기 고정자석 끼리의 자극 방향이 서로 반대로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 2 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 4 에 기재된 본 발명에서는, 상기 고정자석이 통형으로 형성되어 있고, 그 내부 틈이 상기 이동체의 통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 5 에 기재된 본 발명에서는, 상기 각 고정자석이 복수장 적층되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 6 에 기재된 본 발명에서는, 상기 이동체는 그 자화방향이 상기 고정자석의 자화방향과 직교하도록 설치된 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 7 에 기재된 본 발명에서는, 상기 이동체는 그 자화방향이 상기 고정자석의 자화방향과 평행해지도록 설치된 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 8 에 기재된 본 발명에서는, 상기 이동체가 복수장 적층되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 9 에 기재된 본 발명에서는, 상기 이동체가 강자성체로 이루어지고, 탄성지지방향을 따른 변위범위내에서 스프링상수가 정/부 (正負) 사이에서 반전하는 개소를 복수 구비한 것임을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 10 에 기재된 본 발명에서는, 상기 이동체가 강자성체로 이루어지고, 탄성지지방향을 따라 변위할 때에 자극반전을 나타내는 것임을 특징으로 하는 청구항 1 에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 11 에 기재된 본 발명에서는, 상기 고정자석의 자계의 영향에 의해 탄성지지되는 상기 이동체가, 상기 탄성지지방향에 있어서의 스프링상수가 정 (正) 의 값을 나타내는 범위에 있어서의 소정 위치에서 안정적으로 지지하는 부상기구로서 사용되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 ∼ 10 중 어느 한 항에 기재된 자기스프링구조를 제공한다.

청구항 12 에 기재된 본 발명에서는, 청구항 1 ∼ 10 중 어느 한 항에 기재된 자기스프링구조와, 상기 자기스프링구조의 이동체에 직접 또는 간접으로 지지되는 부하질량의 상대적인 동작방향을 거의 따른 탄성력을 발휘할 수 있는 요동부재를 구비하고, 상기 고정자석의 자계의 영향에 의해 탄성지지되는 상기 이동체를, 상기 탄성지지방향에 있어서의 스프링상수가 부 (負) 의 값을 나타내는 범위내에서 변위가능하게 설치하고, 상기 완충부재와 중첩하여 얻어지는 전체의 스프링상수가 의사적으로 거의 0 으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동완화기구를 제공한다.

발명의 실시형태

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 도 1 은 본 발명의 자기스프링구조의 실시형태를 나타낸 개념도이다. 이 자기스프링구조 (10) 는 비자성재료로 이루어진 지지부재 (11) 상에 배치면방향을 따라 서로 이간하여 배치한 2 개의 영구자석으로 이루어진 고정자석 (12,13) 을 갖고 있다. 고정자석 (12,13) 은, 자화방향 (착자 (着磁) 방향) 이 도 1 에 있어서 상하방향 (연직방향) 으로 되도록 착자되어 있음과 동시에 서로 자극 방향이 반대로 되도록 배치되어 있다.

고정자석 (12,13) 과의 사이에는, 예컨대 비자성재료로 이루어진 지지부재 (14a) 에 지지되어 이동체 (14) 가 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 이 이동체 (14) 는 영구자석을 사용하고 있고, 그 착자방향이 고정자석 (12,13) 의 착자방향과 직교하는 방향으로 되도록 배치하고 있다. 그리고, 이동체 (14) 는, 자성재료로 형성되어 고정자석 (12,13) 과 함께 자기회로를 형성하고, 고정자석 (12,13) 의 자계의 영향에 의해 이동체 (14) 의 통로로 되는 고정자석 (12,13) 사이의 틈을 따라 (본 실시형태에서는 고정자석 (12,13) 의 자화방향과 평행한 방향 (탄성지지방향) 을 따라) 탄성지지되는 것이면 되고, 영구자석으로 한정되지 않고 철, 페라이트 등의 강자성체를 사용할 수도 있다.

도 2 는 자기스프링구조 (10) 의 하중-변위특성을 나타낸 도면이다. 이 데이터를 측정할 때에 사용한 자기스프링구조 (10) 의 구성은, 도 1 에 나타낸 바와 같다. 또한, 고정자석 (12,13) 의 크기는 모두 70 ×35 ×t10 이고, 이동체(14) 의 크기는 60 ×10 ×t10 이었다. 고정자석 (12,13) 에는 네오딤 (Nd)·철·보론자석 (이하, 경우에 따라 간단히「네오딤자석」이라 함) 을 사용하였다. 또한, 이동체 (14) 로서는 네오딤·철·보론자석을 사용한 경우, 강자성체인 철 (Fe) 을 사용한 경우, 페라이트를 사용한 경우에 대하여 측정하였다.

또한, 고정자석 (12,13) 은, 도 1 에 나타낸 바와 같이 지지부재 (11) 에 지지시켰으나, 지지부재 (11) 에는 고정자석 (12,13) 사이의 틈에 대응하는 부위에 관통부가 형성되어 있고, 이동체 (14) 를 상측에서 고정자석의 자화방향에 평행한 방향을 따라 이동체 (14) 의 통로가 되는 고정자석 (12,13) 사이의 틈 및 지지부재 (11) 의 관통부를 통과시키고, 이 때에 발생하는 고정자석 (12,13) 과 이동체 (14) 사이의 반발력 및 흡인력을 하중으로서 측정한다. 또한, 영구자석인 네오딤자석으로 이루어진 이동체 (14) 의 경우에는, 고정자석 (12,13) 사이에 상측에서 삽입할 때에, 고정자석 (12,13) 상측의 자극에 흡인되는 방향으로 하여 이동시킨다. 예컨대, 도 1 과 같이 우측에 배치한 고정자석 (12) 의 상측이 S 극이고, 좌측에 배치한 고정자석 (13) 의 상측이 N 극으로 되어 있는 경우에는, 이동체 (14) 를 구성하는 영구자석은, 우측의 고정자석 (12) 에 대하여 N 극이 대향하고, 좌측의 고정자석 (13) 에 대하여 S 극이 대향하는 방향으로 하여 이동시킨다. 하중의 정의 값은 고정자석과 이동체 사이의 반발력을, 부의 값은 고정자석과 이동체 사이의 흡인력을 나타낸다. 이동체 (14) 의 이동속도는 100 ㎜/min 으로 하고, 변위스트로크 110 ㎜ 로 왕복시킨다.

도 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 이동체 (14) 가 네오딤자석인 경우에는,고정자석 (12,13) 에 접근함에 따라 흡인력이 커지고, 흡인력이 최대로 되는 a 점에서 고정자석 (12,13) 사이의 자화방향의 소정 위치에서 반발력이 최대로 되는 b 점에 이를 때까지, 거의 선형의 스프링특성을 나타냄과 동시에 변화곡선의 기울기로서 나타나는 스프링상수가 정의 값을 나타낸다. 더욱 이동하면, 하향의 반발력이 최대로 되는 c 점에 이른다. 따라서, b-c 점 사이에서는 거의 선형의 스프링특성을 나타내는 한편, 스프링상수는 부의 값으로 된다.

이동체 (14) 가 철 (Fe) 인 경우에는, 고정자석 (12,13) 에 접근함에 따라 흡인력이 커지고, 흡인력이 최대로 되는 d 점에서 더욱 이동하면 스프링상수값이 정에서 부로 반전하는 피크 (c 점) 에 이르고, 그 후 고정자석 (12,13) 사이의 자화방향의 소정 위치에서 다시 흡인력의 피크 (f 점) 가 나타난 후, 스프링상수값이 정에서 부로 반전하는 다음 피크 (g 점) 를 거쳐 다음 흡인력의 피크 (h 점) 가 나타난다. 즉, 탄성지지방향을 따라 변위하면, 고정자석 (12,13) 의 자계의 영향이 미치는 범위에서는 스프링상수가 정에서 부로 반전하는 2 개의 피크 (e 점 및 g 점) 와 스프링상수가 부에서 정으로 반전하는 3 개의 피크 (d 점, f 점 및 h 점) 를 갖는 특성을 나타낸다. 또한, 스프링상수가 정에서 부로 반전하는 2 개의 피크 (e 점 및 g 점) 를 경계로 어느 쪽으로 변위하여도 선형의 스프링특성을 나타내고, d-e 점 사이 및 f-g 점 사이에서는 정의 스프링상수를, c-f 점 사이 및 g-h 점 사이에서는 부의 스프링상수를 각각 나타낸다.

이동체 (14) 가 페라이트인 경우에는, 상측에서 하측을 향해 이동할 때에는 고정자석 (12,13) 사이의 소정 위치에서 반발력이 최대로 되지만, 스프링상수는 그다지 크게 나타나지 않는다. 그러나, 페라이트인 경우에는 왕복스트로크중에 갈 때 및 올 때 자극반전이 일어나고, 히스테리시스손실이 크다는 특성을 갖는다.

이동체 (14) 가 네오딤자석 또는 철인 경우에는, 상기한 바와 같이 서로 다른 특성을 나타내지만, 모두 왕복의 스트로크에서 거의 동일한 궤적을 거친다. 따라서, 스프링특성이 선형으로 변화하는 범위를 이용하여, 본 실시형태에 나타낸 자기회로로 이루어진 부상기구나 스프링상수가 의사적으로 거의 0 의 특성을 구비한 진동완화기구에 사용하기 적합하다. 즉, 모든 경우에 스프링상수가 정의 값을 나타내는 범위를 이용함으로써 물체를 들어올리는 부상기구로서 이용할 수 있고, 또한 스프링상수가 부의 값을 나타내는 범위를 이용하도록 설정하고, 금속스프링이나 고무 등의 선형의 정의 스프링상수를 구비한 완충부재와 조합함으로써, 양자를 중첩한 전체의 스프링상수가 소정 변위범위에서 거의 0 으로 되는 진동완화기구를 형성할 수 있다 (도 13 참조).

한편, 페라이트의 경우에는, 상기한 바와 같이 히스테리시스손실이 크기 때문에, 특히 금속스프링 등의 완충부재와 조합한 의사적으로 거의 0 의 스프링상수를 구비한 진동완화기구를 형성하기 어려운 면이 있다. 그러나, 자극반전에 의한 히스테리시스손실에 의해 큰 감쇠력을 발휘할 수 있다. 따라서, 페라이트의 경우에는 자기스프링구조로서 단독으로 사용하거나 또는 부하질량에 따라서는 금속스프링 등의 완충부재와 조합한 후에 감쇠기구로서 이용하기에 적합하다.

도 3 ∼ 도 7 은, 상기 자기스프링구조 (10) 의 부상기구로서의 응용예를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3 에 나타낸 태양에서는, 이동체 (14) 로서 영구자석 (네오딤자석) 을 사용하고 있으며, 우측에 배치한 고정자석 (12) 의 상측을 N 극으로 하고, 좌측에 배치한 고정자석 (13) 의 상측을 S 극으로 하여, 고정자석 (12,13) 을 지지하기 위하여 그 하면에 지지부재 (11) 를 더욱 배치하고 있다. 또한, 이동체 (14) 를 도 3 에 있어서 상방향으로 변위시키고자 할 때에, 이동체 (14) 를 구성하는 영구자석은 우측의 고정자석 (12) 에 대하여 S 극을 대향시키고, 좌측의 고정자석 (13) 에 대하여 N 극을 대향시키고 있다. 그 결과, 우측 고정자석 (12) 의 하측에 위치하는 S 극과 이동체 (14) 의 S 극 사이 및 좌측 고정자석 (13) 의 하측에 위치하는 N 극과 이동체 (14) 의 N 극 사이에 반발력이 작용하여 이동체 (14) 는 상방향으로 이탈하려고 변위한다. 한편, 변위한 이동체 (14) 에는 우측 고정자석 (12) 의 상측에 위치하는 N 극과 이동체 (14) 의 S 극 사이 및 좌측 고정자석 (13) 의 상측에 위치하는 S 극과 이동체 (14) 의 N 극 사이에 흡인력이 작용한다. 따라서, 반발력과 흡인력이 균형이 잡혀서 이동체 (14) 는 소정량 상방향으로 변위한 부상상태에서 안정적으로 지지되게 된다. 이 균형이 잡힌 위치, 즉 부상상태에서 안정적으로 지지되는 위치가 도 2 의 a-b 점 사이에서 하중 O 의 눈금과의 교차점으로 된다.

본 실시형태의 자기스프링구조 (10) 를 사용한 부상기구에 의하면, 링크기구나 가이드기구 등을 사용하지 않고, 이동체 (14) 를 안정되게 부상시킬 수 있다. 따라서, 종래의 부상기구와 비교하여 구성을 간략화하여 소형화가 가능함과 동시에 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 링크기구 등을 구비하고 있지 않기 때문에, 유지 작업도 용이해진다.

그리고, 이동체 (14) 는, 통로로 되는 고정자석 (12,13) 사이의 틈에 배치되고, 이 틈을 따라 변위할 수 있으면 되고, 그 폭이 반드시 고정자석 (12,13) 사이의 틈에 거의 일치하고 있을 필요는 없지만, 도 3 에 나타낸 바와 같이 거의 일치하는 경우에는, 고정자석 (12,13) 이 이동체 (14) 의 변위시의 가이드로서 도움이 된다. 또한, 고정자석 (12,13) 사이에서의 이동체 (14) 의 동작을 보다 원활하게 하기 위하여, 도 4a, 도 4b 에 나타낸 바와 같이 고정자석 (12,13) 의 내측면 또는 이동체 (14) 의 외면에 마찰저항을 저감하는 재료 (예컨대, 테프론 (상품명) 등) (15) 를 도포, 점착 등에 의해 고착할 수도 있다.

도 3 에 나타낸 바와 같이, 고정자석 (12,13) 및 이동체 (14) 가 단층인 영구자석으로 구성되는 경우에는, 고정자석 (12,13) 과 대향하는 극성에 의해 이동방향은 어느 한측으로 되는데, 이동체 (14) 로서 철 등의 강자성체를 사용한 경우에는, 도 5a, 도 5b, 도 5c 에 나타낸 바와 같이, 고정자석 (12,13) 이 단층이어도 그 자계의 영향에 의한 자화방향에 따라 도 5 에 있어서 상하 모든 방향으로 이동한 상태에서 안정적으로 지지된다는 특성을 구비한다. 즉, 도 2 의 d-e 점 사이, f-g 점 사이 및 h-i 점 사이에서 하중 0 의 눈금과의 교차점에서 균형이 잡힌다.

그리고, 상기 설명에서는 자기스프링구조 (10) 를 구성하는 고정자석 (12,13) 으로서 영구자석을 사용하고 있으나, 도 6 에 나타낸 바와 같이 영구자석 대신에 전자석을 사용할 수도 있다. 전자석을 사용한 경우에는, 이동체 (14) 의 이동동작을 전자석으로의 여자전류의 ON/OFF 전환으로 제어할 수 있다. 또한, 상기 설명에서는 배치면방향을 따라 소정 간격을 두고 배치한 2 개의 고정자석 (12,13) 사이에 1 개의 이동체 (14) 를 배치한 구성을 나타내고 있으나, 도 7 에 나타낸 바와 같이 배치면방향을 따라 3 개의 고정자석 (12,13,16) 을 인접하는 것끼리 소정 간격을 두고 배치하고, 각 틈에 이동체 (14,17) 를 배치하는 구성으로 할 수도 있다. 물론, 보다 많은 고정자석 및 이동체를 배치하는 구성으로 할 수도 있다.

또한, 자기스프링구조 (10) 를 구성하는 고정자석이나 이동체의 배치방식으로서는, 상기한 바와 같이 배치면방향으로 일렬로 병렬시키는 경우로 한정되지 않고, 도 8 및 도 9 에 나타낸 바와 같이, 예컨대 지지부재 (11) 상에 4 개의 고정자석 (12,13,16,18) 을 인접하는 것끼리의 자극 방향이 반대로 되도록 균등간격으로 격자상으로 배치하고, 각 고정자석 사이에 이동체 (14,17,20,21) 로 되는 영구자석을, 그 착자방향이 고정자석의 착자방향에 대하여 직교하는 방향으로 배치하는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 4 개의 이동체 (14,17,20,21) 가 동시에 또한 확실하게 각 고정자석 사이에서 동작하도록, 이들 이동체 (14,17,20,21) 는 예컨대 십자형상으로 형성한 지지부재 (22) 에 지지시킬 수 있다. 그리고, 영구자석으로 이루어진 각 이동체 (14,17,20,21) 의 자력이 각 고정자석에 대하여 효과적으로 작용하도록, 지지부재 (22) 는 합성수지 등의 비자성재료로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 도 8 및 도 9 에 나타낸 자기스프링구조 (10) 를 부상기구로서 이용하는 경우에는, 지지부재 (22) 에서의 이동체 (14,17,20,21) 가 지지되고 있는 면과 반대측인 단면에 추가로 지지부재 (22) 를 지지하는 기초대 (23) 를 설치하고, 이 기초대 (23) 에 상기 각 고정자석 (12,13,16,18) 에 동일 극을 대향시킨 영구자석 (24,25,26 : 한편 하나는 도시되지 않음) 을 설치할 수도 있다. 그럼으로써 고정자석 (12,13,16,18) 과 영구자석 (24,25,26) 사이에서 반발자계가 형성되고, 이동체 (14,17,20,21) 의 부상상태에서의 위치를 더 안정적으로 할 수 있다.

이어서, 본 발명의 자기스프링구조를 이용한 진동완화기구의 실시형태에 대해서 설명한다. 도 10 ∼ 도 12 는 상기한 자기스프링구조 (10) 가 장착된 진동완화기구의 일례로서의 진동완화모델 (30) 을 나타낸 도면이다. 도면에서 부호 (31) 는 베이스판으로, 실제로는 예컨대 차체 프레임 등에 고정되지만, 이 진동완화모델 (30) 을 사용하여 가진 (伽振) 시험을 하는 경우에는 시험장치의 테이블 (도시되지 않음) 에 고정된다. 베이스판 (31) 에는 전면 및 후면 개구의 대략 박스형의 케이스 (32) 가 부착되어 있다. 케이스 (32) 내의 바닥부 부근에는 대좌부 (33) 가 고정되어 있고, 이 대좌부 (33) 에 자기스프링구조 (10) 를 구성하는 고정자석 (12,13) 이 지지되고 있다. 즉, 대좌부 (33) 에 지지부재인 비자성재료로 이루어진 지지부재 (11) 가 고정되어 이 지지부재 (11) 에 소정 간격을 두고 1쌍의 고정자석 (12,13) 이 고착되어 있다. 그리고, 고정자석 (12,13) 사이에 위치하도록 이동체 (14) 가 배치되어 있다.

이동체 (14) 는 연결로드 (34) 선단에 지지되어 있고 연결로드 (34) 상단에는 상하동작부재 (35) 의 일단이 연결되고, 그리고 상하동작부재 (35) 의 타단에는 부하질량 지지부재 (36) 가 부착되어 있다. 부하질량 지지부재 (36) 는 그 상부에 부하질량을 지지 가능하게 되어 있다. 상하동작부재 (35) 의 양측부에는 케이스 (32) 내에 상하방향을 따라 배치된 레일부재 (37) 에 걸어맞춰 슬라이딩하는 슬라이드가이드 (35a) 가 돌출 설치되어 있어 상하동작부재 (35) 의 상하동작을 안정화시킨다.

부하질량 지지부재 (36) 는 대략 ㄷ 자 형으로 형성되며 케이스 (32) 의 상벽 (32a) 을 상측에서 감싸는 형태로 상하동작부재 (36) 에 연결되어 있으며, 케이스 (32) 의 상벽 (32a) 과 부하질량 지지부재 (36) 의 상벽 (36a) 사이에는 간극이 형성되어 있다. 그리고, 이 진동완화모델 (30) 에서는 이 간극에 코일스프링 (40) 을 설치하고 있다. 코일스프링 (40) 은 연결로드 (34), 상하동작부재 (35) 및 부하질량 지지부재 (36) 를 통해 지지되는 부하질량의 상대적인 동작방향, 즉 고정자석 (12,13) 에 대한 이동체 (14) 의 상대적인 이동방향 (탄성지지방향) 을 거의 따라서 탄성변형이 가능한 완충부재를 구성하는 것이다. 완충부재로는 금속스프링이나 고무 등을 들 수 있다. 또, 이동체 (14) 의 상대적인 이동방향을 거의 따라서 탄성변형이 가능한한 설치위치도 한정되는 것이 아니라, 예컨대 케이스 (32) 내부에 설치할 수도 있다.

도 13 은 이동체 (14) 로서 네오딤·철·보론자석 (네오딤자석) 을 사용한 상기 진동완화모델 (30) 의 정 (靜) 특성을 나타내는 하중-변위 곡선의 시험데이터이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 선형의 정 스프링상수를 나타내는 코일스프링 (40) 의 탄성력에 대하여 도 2 에 나타낸 b-c 점 사이에서는 자기스프링구조 (10) 의 정 스프링상수를 나타내는 범위가 중첩되고, 도 13 에 나타낸 바와 같이 b-c 점사이에서 변위량이 증가해도 하중이 거의 변동되지 않아 곡선 기울기로 나타내는 스프링상수가 약 0 이 된다. 따라서, 부하질량을 지지한 상태에서 자기스프링구조 (10) 에서의 이동체 (14) 의 고정자석 (12,13) 에 대한 상대적인 변위범위가 도 2 에 나타낸 b-c 점 사이가 되도록 설정함과 동시에 코일스프링 (40) 의 스프링상수와 자기스프링구조 (10) 에서의 도 2 의 b-c 점 사이의 스프링상수의 절대값을 거의 일치하도록 조정하면 전체의 탄성력이 변화되지 않아 진동전달을 효과적으로 감쇄시킬 수 있다.

도 14 는 진동전달 특성을 나타낸 도면이다. 시험예 1 ∼ 3 은 모두 도 13 의 시험에 사용된 이동체 (14) 로서 네오딤자석을 사용한 진동완화모델 (30) 의 데이터이다. 이 시험은 부하질량 지지부재 (36) 에 부하질량을 지지한 상태에서 이동체 (14) 의 위치가 도 2 의 b-c 점 사이에서의 거의 중립이 되는 위치에 초기 설정한 후 베이스판 (31) 을 가진장치의 테이블에 고정시켜 가진하며 주파수에 대한 부하질량의 진동전달율을 측정한 것이다. 또 비교하기 위해서 종래 엔진마운트에 사용되고 있는 고무마운트 중에 액체를 밀봉한 감쇠기구인「액체밀봉마운트」에 대해서 소정 질량을 지지시키며 진동전달율을 측정하였다. 또, 도면에서 예컨대 「1.0㎜p-p」이란 한쪽으로 기울었을 때와 다른 쪽으로 기울었을 때의 피크간 거리가 1.0㎜ 임을 나타낸 것이다.

도 14 에서 알 수 있듯이 본 실시형태의 진동완화모델 (30) 에서는 시험예 1 ∼ 3 의 어떠한 경우에도 비교예인 액체밀봉마운트의 진동전달율보다 어느 주파수영역에서도 매우 낮았다. 특히, 시험예의 경우에는 비교예와 비교하여 공진봉(共振峰) 이 저주파영역으로 이행되며 인체가 민감하게 느끼는 3Hz 이상에서 고주파영역까지의 넓은 범위의 진동을 저감하고 있다.

도 15 는 진동완화모델 (30) 을 구성하는 자기스프링구조 (10) 의 이동체 (14) 로서 강자성체인 철을 사용한 경우의 정특성을 나타내는 하중-변위 곡선의 데이터이다. 시험방법은 도 13 에 나타낸 경우와 동일하다. 도 2 에 나타낸 바와 같이 이동체 (14) 로서 철을 사용한 경우에는 부의 스프링상수를 두군데서 나타낸다. 따라서, 도 15 에서 알 수 있듯이 선형의 정의 스프링상수를 나타내는 코일스프링 (40) 의 탄성력에 대하여 도 2 에 나타낸 e-f 점 사이 및 g-h 점 사이의 두군데서 자기스프링구조 (10) 의 부의 스프링상수를 나타내는 범위가 중첩되고, 변위량이 증가해도 하중이 거의 변동되지 않아 곡선 기울기로 나타낸 스프링상수가 약 0 이 된다.

따라서, 다른 부하질량 (M0 또는 MO+M1) 을 지지한 상태에서 자기스프링구조 (10) 에서의 이동체 (14) 의 고정자석 (12,13) 에 대한 상대적인 변위 범위가 도 2 에 나타낸 e-f 점 사이 또는 g-h 점 사이가 되도록 설정함과 동시에, 코일스프링 (40) 의 스프링상수와, 자기스프링구조 (10) 에서의 도 2 의 e-f 점 사이 또는 g-h 점 사이의 스프링상수의 절대값을 거의 일치하도록 조정하면, 각각의 범위에서 전체의 탄성력이 변화되지 않아 진동전달을 효과적으로 감쇄할 수 있다.

도 16 ∼ 도 18 은 진동완화모델 (30) 을 구성하는 자기스프링구조 (10) 의 이동체 (14) 로서 철을 사용한 경우 진동특성을 나타내는 도면으로, 각각 피크간 진폭을 0.2㎜, 1.0㎜, 2.0㎜ 로 변화시켜 측정한 것이다. 또, 시험예 4 는부하질량을 M0+M1 으로 한 경우의 데이터이고, 시험예 5 는 부하질량을 M0 으로 한 경우의 데이터이다. 비교하기 위해서 도 14 와 마찬가지로 액체밀봉마운트에 소정 질량을 올린 경우의 측정 데이터를 나타낸다. 또, 시험방법은 도 14 의 경우와 동일하다.

도 16 ∼ 도 18 에서 알 수 있듯이, 모두 비교예보다 진동전달율이 대폭으로 저감되어 진동완화효과가 높음을 알 수 있다.

본 발명의 자기스프링구조 및 진동완화기구는 상기한 실시형태에 한정된 것이 아님은 물론이며, 예컨대 자기스프링구조에 사용되는 고정자석과 이동체 형상 또는 배치를 도 19 및 도 20 과 같이 설정할 수도 있다. 어떠한 경우라도 고정자석의 이동체에 대한 자계 작용이 이동체의 변위위치에 따라 변화하기 때문에, 이동체를 적어도 어느 일측으로 탄성지지할 수 있어 자기스프링구조로서 기능한다. 따라서, 어떠한 경우에도 간단한 구성으로 부상기구나 진동완화기구를 형성할 수 있다는 상기 실시형태와 동일한 작용 효과를 구비한 것이다.

구체적으로는 도 19a 에 나타낸 것은 배치면 방향으로 이간되어 배치된 한쌍의 고정자석 (51,52) 을 각각 2 장의 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 을 적층시킴으로써 구성한 것이다. 또, 각 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 은 모두 착자 방향을 배치면 방향을 따라 배치하고 있으며, 이동체 (61) 는 한쌍의 고정자석 (51,52) 사이의 간극에 착자방향이 각 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 의 착자방향으로 평행이 되도록 배치하고 있다.

도 19b 는 고정자석 (51,52) 및 이동체 (61) 의 착자방향이 모두 상하방향이되도록 배치한 것이다. 도 19c 는 도 19a 와 동일하게 고정자석 (51,52) 을 각각 2 장의 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 을 적층하여 구성하는 한편, 이동체 (61) 를 그 착자방향이 고정자석 (51,52) 의 각 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 의 착자방향과 직교하는 방향이 되도록 배치한 것이다.

도 20a 는 도 1 과 마찬가지로 고정자석 (51,52) 의 착자방향에 대하여 이동체 (61) 의 착자방향이 직교하도록 배치되어 있으나, 이동체 (61) 를 두 자석 (61a,61b) 을 적층하여 구성하고 있다는 점에서 다르다. 이동체 (61) 가 두 자석 (61a,61b) 의 적층체이기 때문에 변위 범위에서 스프링상수의 정/부의 부호가 반전되는 복수의 피크값을 가지며, 도 5 에 나타낸 철 등의 강자성체를 사용한 경우와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다.

도 20b 는 도 19a 와 마찬가지로 고정자석 (51,52) 을 각각 두 자석 (51a,51b 및 52a,52b) 의 적층체로 구성함과 동시에, 그리고 이동체 (61) 를 두 자석 (61a,61b) 의 적층체로 구성한 것이다. 도 20c 의 경우에는 또한, 고정자석 (51,52) 을 세 자석 (51a,51b,51c 및 52a,52b,52c) 의 적층체로 구성한 것이다. 도 20d 는 고정자석 (51,52) 을 세 자석 (51a,51b,51c 및 52a,52b,52c) 의 적층체로 구성하는 한편, 이동체 (61) 를 그 착자방향이 각 자석 (51a,51b,51c 및 52a,52b,52c) 의 착자방향에 직교하는 방향이 되도록 배치한 것이다. 모두 이동체 (61) 의 변위 범위에서 복수 개소에서 반발력이 강해지거나 약해지기 때문에 스프링상수값의 부호가 정/부로 반전되는 피크값을 복수개 갖고 있다.

또, 도 19 및 도 20 에서 복수개의 자석을 적층한 구조의 고정자석 또는 이동체를 사용한 것이 있으나, 이들 경우 자석의 적층수는 한정된 것이 아님은 물론이다.

또한, 이동체 외주에 배치된 고정자석은, 도 1 에 나타낸 바와 같이 다른 부재로 이루어진 경우에는 배치면 방향을 따라 이동체를 사이에 두도록 배치할 필요가 있지만, 도 21 에 나타낸 고정자석 (53) 과 같이 원기둥이나 각기둥 등의 원통형으로 형성하여 그 내부 간극 (53a) 을 이동체 (62) 의 통로로서 이용하는 구성으로 할 수도 있다. 또, 이러한 원통형으로 하는 경우에도, 고정자석 (53) 이나 이동체 (62) 를 구성하는 자석은 여러 레이아웃으로 배치할 수 있다. 단, 고정자석 (53) 을 원통형으로 하는 경우에는 그 형태적인 제약에서 이동체 (62) 를 사이에 두고 자극이 대상이 되는 것, 예컨대 도 19b, 19c, 도 20d 와 같은 경우에 한정되는 것은 말할 것도 없다.

또, 상기한 진동완화모델 (30) 에서는 완충부재로서 코일스프링 (40) 을 사용하고 있다. 그러나, 본 발명에서는 진동완화기구를 구성하는 완충부재로는 부하질량의 상대적인 동작방향을 거의 따른 탄성력을 발휘할 수 있는 것이면 되고, 이러면 금속스프링 또는 고무 등에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 도 8 에 나타낸 바와 같이 자기스프링구조 (10) 의 고정자석 (12,13,16,18) 에 동일극을 대향시킨 영구자석 (24,25,26) 을 배치하고, 양자간에 형성된 반발자계를 구비한 자기회로로 이루어진 완충기구를 완충부재로서 이용할 수도 있다. 이 경우에는 금속스프링 등과 비교하여 선형의 스프링특성은 잘 나타나지 않지만, 자기스프링구조 (10) 를 형성하는 고정자석 (12,13,16,18) 및 이동체 (14,17,20,21) 및 이 고정자석과 함께 완충기구를 구성하는 영구자석 (24,25,26) 의 각 자계의 강도나 밸런스 등을 적절하게 조정함으로써 전체로서의 스프링상수가 약 0 이 되는 범위를 설정할 수 있게 된다. 완충부재를 이러한 자기회로로 구성한 경우에는 진동완화기구 전체를 자기회로만으로 형성할 수 있으며, 구조의 간소화, 유지 작업의 용이화를 도모할 수 있다. 한편, 자기회로로 이루어진 완충기구를 구성하는 고정자석 및 영구자석의 설치수나 배치 등은 임의이고, 도 8 에 나타낸 것에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

본 발명의 자기스프링구조는 자성재료로 형성된 이동체 외주에 이동체 통로가 되는 간극을 형성함과 동시에 자계 영향에 따라 상기 이동체를 탄성지지하는 고정자석을 배치한 구성이다. 이 소정 위치관계로 배치된 고정자석과 이동체로 구성된 자기회로구성만으로 감쇠장치로서 이용할 수 있으며, 또한 금속스프링이나 고무 등의 완충부재를 조합한 전체의 스프링상수를 의사적으로 거의 0 으로 설정할 수 있다. 따라서, 종래보다 간이한 구조이며 저렴한 가격으로 제조할 수 있는 자기스프링구조 및 진동완화기구를 제공하는 것이다. 또한, 자기회로구성만으로 부하질량을 상대적으로 부상시키는 부상기구를 구성할 수 있으며, 종래의 자석간의 반발력을 이용한 부상기구에 필요한 링크기구나 가이드기구를 불필요로 하며 구조를 간소화시켜 제조비용의 저감, 유지 작업의 용이화에 도움이 된다.

Claims (12)

1. 자성재료로 형성된 이동체; 및

   상기 이동체의 외주에 배치되고, 상기 이동체의 통로로 되는 틈을 형성하고, 자계의 영향에 의해 상기 이동체를 탄성지지하는 고정자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자석이 배치면방향으로 서로 소정 틈을 두고 배치된 복수로 구성되고, 상기 틈이 상기 이동체의 통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 배치면방향에 인접하는 상기 고정자석 끼리의 자극 방향이 서로 반대로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자석이 통형으로 형성되어 있고, 그 내부 틈이 상기 이동체의 통로를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 각 고정자석이 복수장 적층되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체는 그 자화방향이 상기 고정자석의 자화방향과 직교하도록 설치된 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체는 그 자화방향이 상기 고정자석의 자화방향과 평행해지도록 설치된 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체가 복수장 적층되어 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체가 강자성체로 이루어지고, 탄성지지방향을 따른 변위범위내에서 스프링상수가 정/부 (正負) 사이에서 반전하는 개소를 복수 구비한 것임을 특징으로 하는 자기스프링구조.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 이동체가 강자성체로 이루어지고, 탄성지지방향을 따라 변위할 때에 자극반전을 나타내는 것임을 특징으로 하는 자기스프링구조.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자석의 자계의 영향에 의해 탄성지지되는 상기 이동체가, 상기 탄성지지방향에 있어서의 스프링상수가 정 (正) 의 값을 나타내는 범위에 있어서의 소정 위치에서 안정적으로 지지하는부상기구로서 사용되는 것을 특징으로 하는 자기스프링구조.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 자기스프링구조; 및

    상기 자기스프링구조의 이동체에 직접 또는 간접으로 지지되는 부하질량의 상대적인 동작방향을 거의 따라서 탄성력을 발휘할 수 있는 완충부재를 구비하고,

    상기 고정자석의 자계의 영향에 의해 탄성지지되는 상기 이동체를, 상기 탄성지지방향에 있어서의 스프링상수가 부 (負) 의 값을 나타내는 범위내에서 변위가능하게 설치하고, 상기 완충부재와 중첩하여 얻어지는 전체의 스프링상수가 의사적 (擬似的) 으로 거의 0 으로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 진동완화기구.