KR20100007252A - 압전소자를 이용한 스마트 엠알댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엠알댐퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전소자를 이용하여 외부전원 및 센서가 없어도 각종 구조물의 진동을 제어할 수 있는 엠알댐퍼에 관한 것이다.

본 발명은, 일방향으로 길게 형성되는 실린더; 상기 실린더의 내부에 충전되는 엠알유체; 상기 실린더에 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동가능하게 설치되는 피스톤; 및, 상기 실린더의 내부에 마련되며, 상기 피스톤의 운동에 의해 유발되는 상기 엠알유체의 유동에 의해 가압될 수 있는 위치에 마련되는 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼를 제공한다.

Description

압전소자를 이용한 스마트 엠알댐퍼 {Smart MR(Magnetorheological Fluid) Damper using Piezoelectric Material}

본 발명은 엠알댐퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전소자를 이용하여 외부전원 및 센서가 없어도 각종 구조물의 진동을 제어할 수 있는 엠알댐퍼에 관한 것이다.

본 발명은 국가연구개발사업에 기초하여 수행한 연구로부터 도출된 것이다.

[과제고유번호]NC42190

[부처명]교육과학부

[연구사업명]신진교수사업

[연구과제명]Power Harvesting 기법을 이용한 스마트 제진 시스템 개발

[주관기관]학술진흥재단

[연구기간]2007.07.01. ~ 2008.06.30

엠알유체(Magnetorheological Fluid)는 자기유체로도 불리우며, 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론 크기의 자성을 갖는 입자들을 분산시킨 용액으로서 자기장이 가해지지 않은 경우에는 도 1a에 도시된 바와 같이 입자들이 자유롭게 움직이지만 자기장이 가해진 경우에는 도 1b 또는 도 1c에 도시된 바와 같이 입자들이 분극화를 일으켜 가해진 자기장과 평행한 방향으로 배열되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 가지는 유체이다.

엠알댐퍼란 상술한 엠알유체를 이용한 댐퍼로서, 엠알유체에 자기장을 가하면 점성이 커지는 것을 이용하여 댐퍼 내에서 유체의 이동시 유체의 마찰력을 키워 외부에서 입력된 에너지를 소산시키는 장치이다.

엠알댐퍼에는 실린더, 피스톤, 실린더의 내부에 충전되는 엠알유체, 엠알유체의 자기장을 변환시키기 위한 솔레노이드 등으로 구성되는데 엠알댐퍼의 구조에 관해서는 한국등록특허 제0416398호에 상세하게 기재되어 있으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

이러한 엠알댐퍼는 엠알유체에 인가되는 자기장을 변화시켜 엠알유체의 점성을 변화시킬 수 있는 장점이 있어서 액티브 콘트롤(active control) 등 다양한 진동제어분야에 사용되고 있는데 엠알유체에 자기장을 인가하기 위하여 전원을 공급해주는 외부전원이 필요하며 인가하는 자기장의 크기를 결정하기 위한 별도의 센서부가 필요한 단점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 한국등록특허 제0416398호에 기재된 발명의 경우 영구자석을 포함하는 전자기유도부를 포함하는 엠알댐퍼가 개시되었으나, 상기 특허에 개시된 바와 같이 전자기유도부에 상용되는 영구자석을 피스톤에 설치하는 경우 그 영구자석에 의해 엠알유체에 불필요한 자기장이 인가되어 엠알유체의 점성이 변화되는 문제점이 있었으며, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 영구 자석을 실린더의 외부에 설치하는 경우 엠알댐퍼의 크기가 커져 사용이 불편한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 외부의 전원과 별도의 센서부가 필요하지 않고 불필요한 자기장을 인가하지 않으며, 또한 외부에 영구자석을 설치할 필요가 없으므로 종래에 비해 작은 크기로 컴팩트한 엠알댐퍼를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

일방향으로 길게 형성되는 실린더;

상기 실린더의 내부에 충전되는 엠알유체;

상기 실린더에 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동가능하게 설치되는 피스톤; 및,

상기 실린더의 내부에 마련되며, 상기 피스톤의 운동에 의해 유발되는 상기 엠알유체의 유동에 의해 가압될 수 있는 위치에 마련되는 압전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼를 제공한다.

상기 압전소자는 상기 실린더의 한쪽단부의 내벽에 마련되는 것이 바람직하다.

상기 압전소자는 상기 실린더의 양쪽단부의 내벽에 각각 마련되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 점성조절수단은,

상기 피스톤에 마련되는 솔레노이드인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 압전소자를 사용하여 스스로 전원을 공급함으로써 외부 전원이 필요 없고, 센서 제어부 등의 장치가 없이도 구동이 가능한 엠알댐퍼를 제공할 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 하나의 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명의 실시를 위한 구체적 내용을 기술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 엠알댐퍼의 단면도이다.

본 실시예에 따른 엠알댐퍼는 실린더(10), 엠알유체(20), 피스톤(30), 점성조절수단, 압전소자(40)로 이루어진다.

상기 실린더(10)는 일방향으로 길게 형성되어 있다.

상기 피스톤(30)은 상기 실린더(10)의 길이방향으로 왕복운동가능하게 상기 실린더(10)에 설치된다.

상기 엠알유체(20)는 상기 실린더(10)의 내부에 충전되어 있다.

상기 피스톤(30)과 상기 실린더(10)의 내벽사이에는 유격(31)이 마련되어 있어서, 상기 피스톤(30)이 상기 실린더(10)의 내부에서 왕복운동하는 동안 그 유격(31)을 통하여 상기 엠알유체(20)가 유동한다.

상기 점성조절수단은 상기 엠알유체(20)에 자기장을 가하여 상기 엠알유체(20)의 점성을 조절하기 위한 구성으로서 본 실시예에서는 상기 피스톤(30)에 마 련되는 솔레노이드(35)이다.

상기 압전소자(40)는 잘 알려진 바와 같이, 응력을 가했을때 전기 분극을 일으켜 응력에 비례하는 전압이 발생하는 소자이다.

상기 압전소자(40)는 상기 실린더의 내부에 마련되며, 상기 피스톤(30)의 운동에 의해 유발되는 상기 엠알유체(20)의 유동에 의해 가압될 수 있는 위치에 마련되는데, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 실린더의 양쪽 단부의 내벽에 각각 마련되어 있다.

이하에서는 설명된 실시예의 작용 및 효과에 대하여 설명하도록 한다.

상기 피스톤(30)의 일단부는 상기 실린더(10)의 내부에 마련되며, 타단부는 진동을 제어하려는 구조물과 연결된다. 구조물과는 피스톤(30)의 단부는 직접 연결될 수도 있고, 별도의 연결수단이 이용될 수도 있다.

구조물이 진동함에 따라 피스톤(30)이 상기 실린더(10)의 내부에서 왕복운동을 하게 되는데, 그 피스톤(30)의 운동에 의해 엠알유체(20)가 유동하게 되며, 그 엠알유체(20)의 유동에 의한 압력이 압전소자(40)에 전달되어 압전소자(40)에서 전기가 발생하게 되며 그 전기를 솔레노이드(35)에 공급하고 그 공급된 전기에 의해 자기장이 유도됨으로써 상기 엠알유체(20)의 점성이 변하게 된다.

따라서, 별도의 외부전원이 없이도 엠알댐퍼를 구동할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 압전소자(40)에서 발생하는 전원의 크기는 압전소자(40)에 가해지는 압력에 비례하는데, 구조물과 연결된 피스톤(30)의 움직임이 빠르면 그에 따라 엠알유체(20)의 유동속도도 증가하며 그 유동속도에 비례하여 압전소자(40)에 가해지는 응력 역시 증가하게 된다.

이때 상기 압전소자(40)는 실린더(10)의 양쪽 단부의 내벽쪽에 설치되어 있어서, 피스톤(30)이 왕복하는 과정에서 모두 전하를 발생할 수 있으므로 보다 효율적인 시스템의 구축이 가능해지는 장점이 있다.

구조물의 운동속도가 빠른 경우에는 보다 큰 감쇠력이 요구되는데, 구조물의 운동속도가 빠른 경우 전술한 바와 같이 압전소자(40)에 가해지는 압력이 커지게 되어 큰 전하가 발생하게 되고 그에 따라 솔레노이드(35)에 의해 유도되는 자기장의 크기 역시 증가하므로 엠알유체(20)의 점성이 커지게 되어 큰 감쇠력을 발생하게 된다.

즉, 큰 감쇠력이 요구되는 경우 자연스럽게 큰 감쇠력이 발생하는 시스템이 구축됨으로 인해 엠알댐퍼의 감쇠력의 크기를 결정하기 위한 별도의 센서부가 필요없게 되며, 감쇠력을 조절하기 위하여 필요한 구성인 자기장의 크기를 변경하는 제어수단 역시 구비할 필요가 없게 되는 장점도 아울러 발생하게 된다.

한편, 점성조절수단이 피스톤에 마련됨으로 인해 엠알댐퍼 전체의 크기를 줄일 수 있는 장점도 발생하게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(30)의 양단부와 압전소자(40) 사이에 연결판(51)과 스프링(52)을 마련하여 피스톤(30)의 움직임에 의한 응력을 압전소자(40)에 전달하도록 구성할 수도 있다. 이 경우 단순히 유압에 의한 응력전달보다는 보다 확실한 응력전달이 가능해지는 장점이 발생한다. 물론, 설계시에는 스프링의 탄성계수도 함께 고려하여 설계하여야할 것이다.

상기에서는 점성조절수단으로서 피스톤에 설치되는 솔레노이드인 경우에 대하여 설명하였으나, 반드시 점성조절수단이 피스톤에 설치될 필요는 없으며 실린더의 외부에 마련될 수도 있다.

상기에서는 압전소자가 실리더의 양쪽단부의 내벽에 각각 설치되는 실시예에 대하여 설명하였으나 어느 한쪽 단부의 내벽에 설치되는 경우에도 본 발명이 달성하고자 하는 목적을 이를 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 위배되지 아니하는 범위 내에서 다양한 형태의 엠알댐퍼로 구현될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 엠알유체의 원리를 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 엠알댐퍼의 단면도.

** 도면의 주요부분에 대한 기호의 설명 **

10 : 실린더 20 : 엠알유체

30 : 피스톤 40 : 압전소자

35 : 솔레노이드

Claims (4)

1. 일방향으로 길게 형성되는 실린더;

   상기 실린더의 내부에 충전되는 엠알유체;

   상기 실린더에 상기 실린더의 길이방향으로 왕복운동가능하게 설치되는 피스톤;

   자기장을 가하여 상기 엠알유체의 점성을 조절하기 위한 점성조절수단; 및,

   상기 실린더의 내부에 마련되며, 상기 피스톤의 운동에 의해 유발되는 상기 엠알유체의 유동에 의해 가압될 수 있는 위치에 마련되는 압전소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼.
2. 제1항에 있어서,

   상기 압전소자는 상기 실린더의 한쪽단부의 내벽에 마련되는 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼.
3. 제1항에 있어서,

   상기 압전소자는 상기 실린더의 양쪽단부의 내벽에 각각 마련되는 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼.
4. 제1항에 있어서,

   상기 점성조절수단은,

   상기 피스톤에 마련되는 솔레노이드인 것을 특징으로 하는 엠알댐퍼.

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