KR20120019548A - Actuator using magneto rheological unit and driving method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An actuator using a magneto rheological unit and a driving method thereof are provided to control the working distance and speed of a driving unit by composing the driving unit with a smooth impact drive mechanism. CONSTITUTION: A piezo actuator(110) is expanded according to an applied voltage. A magneto rheological unit(120) is included on one side of the piezo actuator. The magneto rheological unit is movable according to the expansion and contraction of the piezo actuator. A magnetic fluid(121) is included in the magneto rheological unit. A driving unit(130) is combined with an end part of the magneto rheological unit.

Description

자기유변 유닛을 이용한 구동기 및 그 구동 방법{Actuator using Magneto Rheological Unit and Driving Method thereof}Actuator using Magneto Rheological Unit and Driving Method

본 발명은 자기유변 유닛을 이용한 구동기에 관한 것으로, 특히 자기장의 세기에 따라 강성이 변화하는 자기유변체의 성질을 이용하여 부피가 작고 응답 특성이 뛰어난 구동기 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a driver using a magnetorheological unit, and more particularly, to a driver having a small volume and excellent response characteristics by using a property of a magnetorheological body whose stiffness changes with the strength of a magnetic field, and a driving method thereof.

일반적으로 자기유변(Magneto Rheological, MR)이란 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액을 말한다. 자기장이 부하되지 않은 경우는 분산 입자가 뉴턴 유체 성질을 띠지만 자기장이 부하되면 분산 입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행한 방향으로 섬유질이 형성되어 전단력이나 유동에 대한 저항력을 갖게 된다. 따라서 자기장의 가변에 따라 강도가 변화하므로 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.In general, magnetorheological (MR) refers to a non-colloidal solution in which particles having a micron size magnetism are dispersed in a non-conductive solvent such as silicone oil or mineral oil. In the case where the magnetic field is not loaded, the dispersed particles have Newtonian fluid properties, but when the magnetic field is loaded, the dispersed particles are polarized to form fibers in a direction parallel to the loaded magnetic field, and thus have resistance to shear or flow. Therefore, the intensity is changed according to the change of the magnetic field, it is used in various industrial fields.

종래의 전자기 모터는 하나의 모터로 다자유도를 구현하기 위해 모터와 다수의 구동축 사이에 기어 등과 같은 동력 전달부가 구비되어 있고, 이러한 기어 등의 위치를 변환함으로써 모터와 필요한 구동축이 연결되도록 하였다. 이러한 동력 전달방식은 모터와 구동축을 연결해주는 기어 등과 같은 동력 전달부를 위치 변환하기 위해 별도의 구동 장치를 구비해야 하므로, 장비의 부피가 커지고 무게가 증가하는 단점이 있다. 또한, 모터와 구동축이 직접 연결되지 않고 기어 등의 동력 전달부를 거쳐 연결되므로 동력 전달 효율이 저하되는 문제가 있다.Conventional electromagnetic motors are provided with a power transmission unit such as a gear between a motor and a plurality of drive shafts to implement multiple degrees of freedom as a single motor, and the motor and necessary drive shafts are connected by converting positions of such gears. This power transmission method has to have a separate drive device for converting the position of the power transmission unit such as a gear connecting the motor and the drive shaft, there is a disadvantage that the volume of the equipment is increased and the weight is increased. In addition, since the motor and the drive shaft are connected directly through a power transmission unit such as a gear, there is a problem that the power transmission efficiency is lowered.

이를 해결하기 위해, 형상기억 합금 또는 형상기억 폴리머 등을 활용한 구동기가 개시된 바 있다. 이들은 좁은 공간에서도 다수의 자유도를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 응답 특성이 나빠 반응 속도가 느린 문제가 있다. 또한 종래의 충격 완화 드라이브 메커니즘(Smooth Impact Drive Mechanism, SIDM)을 활용한 구동기는 하나의 자유도를 얻기 위해 각각 하나의 피에조(piezo)를 사용해야 하므로, 다자유도를 얻기 위해서는 장비가 복잡해지고 부피가 커지는 문제가 있다.
In order to solve this problem, a driver using a shape memory alloy or a shape memory polymer has been disclosed. They have the advantage of obtaining a large number of degrees of freedom even in a narrow space, but the response characteristics are poor, there is a problem that the response speed is slow. In addition, drivers using the conventional Smooth Impact Drive Mechanism (SIDM) have to use one piezo to obtain one degree of freedom, which leads to complicated and bulky equipment to obtain multiple degrees of freedom. There is.

따라서 좁은 공간에서 설치 가능하도록 구조가 단순하고 빠른 응답 특성을 보이면서, 하나의 에너지원으로부터 다자유도를 구현하여 다수개의 구동 장치를 제어할 수 있는 자기유변 유닛을 이용한 구동기 및 그 구동 방법의 개발이 요구된다.Therefore, there is a demand for the development of a driver and its driving method using a magnetorheological unit capable of controlling a plurality of driving devices by implementing multiple degrees of freedom from a single energy source while showing a simple and fast response structure for installation in a narrow space. do.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 구조가 단순하여 장비의 체적을 줄여 공간적 제한이 있는 경우에도 설치 가능하며, 자기유변 유닛을 적용하여 빠른 응답 특성과 다자유도 구현으로 다수개의 구동 장치를 제어할 수 있는 자기유변 유닛을 이용한 구동기 및 그 구동 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made in view of the above-described problems, the structure is simple and can be installed even when there is a space limitation by reducing the volume of the equipment, by applying a magnetorheological unit fast response characteristics and multiple degrees of freedom implementation It is an object of the present invention to provide a driver using a magnetorheological unit capable of controlling two driving devices and a driving method thereof.

본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기는, 인가되는 전압에 따라 신축되는 피에조 액추에이터(110); 상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 구비되어 상기 피에조 액추에이터(110)의 신축에 따라 유동하되, 감지되는 자기장의 세기에 따라 강성이 변화하는 자기유변체(121)가 포함된 자기유변 유닛(120); 상기 자기유변 유닛(120)의 단부에 결합되어 구동하는 구동부(130); 를 포함하되, 상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)의 신축에 의한 구동력을 상기 자기유변체(121)의 강성 변화에 대응하여 가변적으로 상기 구동부(130)로 전달하는 것을 특징으로 한다.The driver using the magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, the piezo actuator 110 is stretched in accordance with the applied voltage; The magnetorheological unit 120 is provided on one side of the piezo actuator 110 and flows according to the expansion and contraction of the piezo actuator 110, and includes a magnetorheological body 121 whose rigidity changes depending on the strength of the detected magnetic field. ); A driving unit 130 coupled to an end of the magnetorheological unit 120 for driving; Including, the magnetorheological unit 120 is characterized in that for transmitting the driving force by the expansion and contraction of the piezo actuator 110 to the drive unit 130 in response to the stiffness change of the magnetorheological body 121. do.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기는, 상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)가 자기유변 유체, 자기유변 엘라스토머, 자기유변 겔 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In addition, the actuator using the magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, the magnetorheological body 121 included in the magnetorheological unit 120 is at least any one of a magnetorheological fluid, a magnetorheological elastomer, a magnetorheological gel. It is characterized by one or more.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기는, 상기 자기유변 유닛(120)이 상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 다수개로 구비되되, 소정 간격으로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 한다.In addition, the driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, the magnetorheological unit 120 is provided with a plurality on one side of the piezo actuator 110, characterized in that arranged at a predetermined interval spaced. It is done.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기는, 상기 구동부(130)는 상기 자기유변 유닛(120)의 단부에 결합되는 슬라이더(131)와 상기 슬라이더(131)에 결합되는 로드(132)로 구비되되, 상기 자기유변 유닛(120)에 따라 유동하는 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132) 상호간 마찰력 및 관성력의 차이에 따라 상기 슬라이더(131)의 구동 거리가 가변하는 충격 완화 드라이브 메커니즘인 것을 특징으로 한다.On the other hand, the driver using the magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, the drive unit 130 is a slider coupled to the end of the magnetorheological unit 120 and the rod coupled to the slider 131 132 is provided, the shock mitigation that the drive distance of the slider 131 is variable according to the difference between the friction force and the inertia force between the slider 131 and the rod 132 flowing along the magnetic rheological unit 120 It is characterized by a drive mechanism.

본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 구동 방법은, (a) 전압을 점진적으로 상승시키며 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시키는 제 1 입력 단계; (b) 상기 (a)단계에서 인가된 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창하는 팽창 단계; (c) 상기 (b)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창됨에 따라 발생하는 운동에너지가 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달되어 상기 슬라이더(131) 및 상기 로드(132)가 함께 구동되는 제 1 구동 단계; (d) 전압을 급격히 하강시키며 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시키는 제 2 입력 단계; (e) 상기 (d)단계에서 인가된 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격히 수축하는 수축 단계; (f) 상기 (e)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격히 수축함에 따라 발생하는 운동에너지가 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달되어 상기 슬라이더(131)는 구동되지 않고 상기 로드(132)만이 구동되는 제 2 구동 단계; 로 이루어지되, 상기 (a)단계 내지 (f)단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.A driving method of a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention includes: (a) a first input step of gradually increasing a voltage and applying a voltage to the piezo actuator 110; (b) an expansion step of gradually expanding the piezo actuator 110 according to the voltage applied in step (a); (c) the kinetic energy generated as the piezo actuator 110 is gradually expanded in step (b) is transferred to the driving unit 130 through the magnetorheological unit 120 to the slider 131 and the A first driving step in which the rod 132 is driven together; (d) a second input step of rapidly lowering the voltage and applying a voltage to the piezo actuator 110; (e) a contraction step in which the piezo actuator 110 contracts rapidly according to the voltage applied in step (d); (f) In the step (e), the kinetic energy generated as the piezo actuator 110 contracts rapidly is transferred to the driving unit 130 through the magnetorheological unit 120 so that the slider 131 is not driven. A second driving step in which only the rod 132 is driven without being driven; It consists of, characterized in that to perform the (a) to (f) step repeatedly.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 구동 방법은, 상기 (f)단계를 수행한 후, 상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)에 공급하는 자기장의 세기를 제어하여 상기 구동부(130)의 구동량을 조절하는 구동 제어 단계; 가 더 포함되고, 상기 (a)단계 내지 (f)단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the driving method of the driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, after performing the step (f), is supplied to the magnetorheological body 121 included in the magnetorheological unit 120. A driving control step of controlling the driving amount of the driving unit 130 by controlling the strength of the magnetic field; It is further included, characterized in that to perform the steps (a) to (f) repeatedly.

본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기 및 그 구동 방법은,A driver using a magnetorheological unit and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention,

첫째, 자기장의 세기에 따라 강성이 변화하는 자기유변 유닛을 거치므로, 다수개의 구동부가 구비되는 경우 각각의 자기유변 유닛에서 자기장의 세기를 조절함에 따라 각 구동부의 동작 여부 및 동작 속도 등을 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.First, since the magnetorheological unit whose stiffness is changed according to the strength of the magnetic field is passed, when a plurality of driving units are provided, the control of the operation speed and the operation speed of each driving unit is easily controlled by adjusting the strength of the magnetic field in each magnetoresistive unit. There is an advantage to this.

둘째, 자기유변 유닛에 포함된 자기유변체는 자기유변 유체(MR fluid, MRF), 자기유변 엘라스토머(MR elastomer, MRE), 자기유변 겔(MR gel, MRG)등으로 구비될 수 있어, 구동장치에서 요구되는 토크와 이동 거리 등을 고려하여 다양한 재료를 활용할 수 있다.Second, the magnetorheological body included in the magnetorheological unit may be provided as a magnetorheological fluid (MR fluid, MRF), a magnetorheological elastomer (MR elastomer, MRE), a magnetorheological gel (MR gel, MRG), the driving device Various materials can be used in consideration of the required torque and travel distance.

셋째, 자기유변 유닛이 다수개로 구비되고 소정 간격 이격되어 배열되므로, 하나의 동력원으로부터 다자유도를 구현하고 각 구동부를 별도로 제어할 수 있는 장점이 있다.Third, since a plurality of magnetorheological units are provided and arranged at predetermined intervals, there is an advantage of implementing multiple degrees of freedom from one power source and separately controlling each driving unit.

넷째, 구동부가 충격 완화 드라이브 메커니즘(이하 'SIDM'이라 함)으로 구비되는 경우, 피에조 액추에이터에 인가되는 전압의 크기 및 속도에 따라 각 구동부의 작동 거리와 속도를 조절할 수 있다.Fourth, when the driving unit is provided with a shock mitigation drive mechanism (hereinafter referred to as 'SIDM'), it is possible to adjust the operating distance and the speed of each driving unit according to the magnitude and speed of the voltage applied to the piezo actuator.

다섯째, 피에조 액추에이터로 인가되는 전압을 점진적으로 상승시키고 급격히 하강시킴에 따라 피에조 액추에이터가 점진적으로 팽창되고 급격하게 수축하고, 이에 따라 SIDM에서 로드와 슬라이더의 마찰력 및 관성력의 차이에 따라 일 방향으로 유동할 수 있는 장점이 있다.Fifth, as the voltage applied to the piezo actuator gradually rises and falls rapidly, the piezo actuator gradually expands and contracts rapidly, and accordingly, SIDM flows in one direction according to the difference between the frictional and inertial forces of the rod and slider. There are advantages to it.

여섯째, 구동기의 구동 단계를 관찰한 후 각각의 구동부에서 요구되는 구동량에 따라 각 구동부에 결합된 자기유변체의 자기장 강도를 조절하여 구동부의 동작을 ON/OFF 하거나 동작을 제어할 수 있는 장점이 있다.
Sixth, after observing the driving stage of the driver, the magnetic field strength of the magnetorheological body coupled to each driving unit is adjusted according to the driving amount required in each driving unit. have.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 개략적인 구조를 나타내는 사시도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 피에조 액추에이터에 인가되는 전압의 입력값을 나타내는 그래프.
도 3 은 도 2 에서 도시한 전압 입력에 따라 피에조 액추에이터가 신축됨을 나타내는 구조도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기에서 구동부가 충격 완화 드라이브 메커니즘으로 구비되는 경우의 동작 상태를 나타내는 구조도.
1 is a perspective view showing a schematic structure of a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing an input value of a voltage applied to a piezo actuator according to an embodiment of the present invention.
3 is a structural diagram showing that the piezo actuator is stretched in response to the voltage input shown in FIG.
4 is a structural diagram showing an operating state when a driving unit is provided as a shock mitigating drive mechanism in a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention.

일반적으로 유변(Rheological)은 전기 유변, 자기 유변 등이 있으며 전자는 전기의 입력에 따라 후자는 자기장의 입력에 따라 성질이 변화하는 것을 말한다. 자기유변(Magneto Rheological, MR)은 유체, 탄성중합체, 겔, 졸 등의 용매 속에 자기장이 인가되는 경우 자기장의 세기에 따라 상태 변화를 일으켜 경화되는 현상이다. 따라서 이는 자동차, 항공 분야를 비롯한 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 예를 들어 자동차에서 이용되는 경우 차량의 주행 조건과 운전자의 선택에 따라 감쇠 특성을 조절할 수 있는 쇽 업소버(shock absorber)에 자기유변체가 사용될 수 있다.
In general, rheology includes electric rheology and magnetic rheology, and the former means that the property changes according to the input of the magnetic field. Magnetic rheology (MR) is a phenomenon in which a state changes depending on the strength of a magnetic field when the magnetic field is applied to a solvent such as a fluid, an elastomer, a gel, or a sol, thereby curing. Therefore, it is used in various industries including the automobile and aviation sectors. For example, when used in an automobile, a magnetorheological body may be used in a shock absorber that may adjust attenuation characteristics according to a driving condition of a vehicle and a driver's selection.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 개략적인 구조를 나타내는 사시도를, 도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 피에조 액추에이터에 인가되는 전압의 입력값을 나타내는 그래프를, 도 3 은 도 2 에서 도시한 전압 입력에 따라 피에조 액추에이터가 신축됨을 나타내는 구조도를, 도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변 유닛을 이용한 구동기에서 구동부가 충격 완화 드라이브 메커니즘으로 구비되는 경우의 동작 상태를 나타내는 구조도를 나타낸다.Hereinafter, a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a perspective view showing a schematic structure of a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a graph showing the input value of the voltage applied to the piezo actuator according to an embodiment of the present invention 3 is a structural diagram showing that the piezo actuator is stretched according to the voltage input shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a case where the driving unit is provided as a shock mitigating drive mechanism in a driver using a magnetorheological unit according to an embodiment of the present invention. The structural diagram which shows the operation state of is shown.

도 1 을 참조하면 자기유변 유닛을 이용한 구동기(100)는 피에조 액추에이터(110), 자기유변 유닛(120), 구동부(130)를 포함하며, 상기 구동부(130)는 슬라이더(131)와 로드(132)로 구비될 수 있다. 상기 피에조 액추에이터(110)에 구비되는 피에조(piezo)는 전압 또는 전하에 반응하여 변형되는 공지된 재료이다. 피에조(piezo)는 인가된 제어 신호에 반응하여 길이가 변화하거나 전단(shear)되는 형태가 있으며, 길이와 전단(shear)방향으로 모두 변형되는 경우도 있다. 피에조의 길이 변화 또는 전단(shear)거리 변화는 외부 부하가 없는 조건에서 인가되는 전압에 의해 공급되는 전하량에 대해 선형적으로 변화한다. 피에조 소자를 이용한 구동 방식은 모터 구동 방식과 비교하여 상대적으로 소음과 진동이 거의 없고, 전력 소비를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 상기 피에조 액추에이터(110)는 인가되는 전압에 따라 길이와 전단 방향으로 팽창되거나 수축된다. 도 3 에서는 인가되는 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 팽창되거나 수축되는 상태를 도시하고 있다. 상기 피에조 액추에이터(110)의 팽창 또는 수축에 의한 신축이 상기 자기유변 유닛을 이용한 구동기(100)의 동력원이 된다. 따라서 상기 피에조 액추에이터(110)에는 전압을 인가할 수 있도록 전기 장비가 연결되어 있는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1, a driver 100 using a magnetorheological unit includes a piezo actuator 110, a magnetorheological unit 120, and a driver 130, and the driver 130 includes a slider 131 and a rod 132. It may be provided as). Piezos provided in the piezo actuator 110 are known materials that deform in response to voltage or charge. Piezos may have a shape that changes in length or shears in response to an applied control signal, and may be deformed in both a length and a shear direction. The change in length or shear distance of the piezo changes linearly with respect to the amount of charge supplied by the applied voltage under conditions without external load. The driving method using the piezoelectric element has relatively little noise and vibration compared to the motor driving method, and has an advantage of greatly reducing power consumption. The piezo actuator 110 is expanded or contracted in the length and shear direction according to the applied voltage. 3 illustrates a state in which the piezo actuator 110 is expanded or contracted according to an applied voltage. The expansion and contraction by the expansion or contraction of the piezo actuator 110 is a power source of the driver 100 using the magnetorheological unit. Therefore, the piezo actuator 110 is preferably connected to the electrical equipment to apply a voltage.

도 1 을 참조하면 상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 형성되며, 자기유변체(121)와 전자기체(122)가 구비되는 것이 좋다. 상기 자기유변 유닛(120)은 인가되는 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 길이 방향 및 전단 방향으로 팽창하거나 수축하면 이에 연동하여 함께 유동하게 된다. 다만, 상기 자기유변 유닛(120)은 자기장의 세기에 따라 강성이 변화하는 상기 자기유변체(121)가 포함되어 있다. 따라서 상기 자기유변 유닛(120)은 자기장이 인가되지 않을 경우 유체(fluid)나 엘라스토머(elastomer)와 같은 상태로 강성이 작으므로, 상기 자기유변 유닛(120)의 일측면에서 전달되는 구동력을 타측면으로 전달하지 않고 흡수하거나 일부만을 전달하게 된다. 반대로 상기 자기유변 유닛(120)은 자기장이 인가되는 경우 그 세기에 따라 강성이 커지게 되므로, 상기 자기유변 유닛(120)의 일측면에서 전달되는 구동력을 타측면으로 전달하기 용이하다.Referring to FIG. 1, the magnetorheological unit 120 is formed on one side of the piezo actuator 110, and a magnetorheological body 121 and an electromagnetic body 122 may be provided. When the piezo actuator 110 expands or contracts in the longitudinal direction and the shear direction according to the applied voltage, the magnetorheological unit 120 flows in conjunction with it. However, the magnetorheological unit 120 includes the magnetorheological body 121 whose rigidity changes according to the strength of the magnetic field. Accordingly, since the magnetic rheological unit 120 has a small rigidity in a state such as fluid or elastomer when no magnetic field is applied, the magnetic rheological unit 120 has a driving force transmitted from one side of the magnetic rheological unit 120 to the other side. Absorption is not delivered to the part or only part of it is delivered. On the contrary, when the magnetic field unit 120 is applied with a magnetic field, the stiffness increases according to its strength, and thus, the driving force transmitted from one side of the magnetic field unit 120 is easily transmitted to the other side.

상기 자기유변 유닛(120)이 자기장에 따라 강성 변화하는 반응 속도는 통상적으로 수 ms(millisecond)이므로 응답 특성이 뛰어나 동력 전달에 유리하다. 따라서 상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)로 인가되는 전압에 따라 팽창 또는 수축하는 구동력을 상기 구동부(130)로 전달하는 동력 전달부이다. 다만, 상술한 바와 같이 자기장에 따라 강성이 달라지는 특성에 의해, 상기 자기유변체(121)에 가해지는 자기장의 세기에 따라 강성이 달라지고 이에 대응하여 가변적으로 구동력을 전달하게 된다.The reaction rate at which the magnetorheological unit 120 changes stiffly according to a magnetic field is typically several ms (milliseconds), and thus has excellent response characteristics, which is advantageous for power transmission. Therefore, the magnetorheological unit 120 is a power transmission unit for transmitting a driving force that expands or contracts according to the voltage applied to the piezo actuator 110 to the drive unit 130. However, as described above, the stiffness varies depending on the magnetic field, and the stiffness varies according to the strength of the magnetic field applied to the magnetorheological body 121, and the driving force is variably transmitted in response thereto.

상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)는 자기유변 유체(MR fluid, MRF), 자기유변 엘라스토머(MR elastomer, MRE), 자기유변 겔(MR gel, MRG) 중 선택될 수 있으며, 이들과 다른 물질의 조합일 수 있다. 또한, 상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 다수개로 구비되되, 소정 간격으로 이격되어 배열되는 것이 바람직하다. 상기 피에조 액추에이터(110)가 동력 공급원이 되고 상기 자기유변 유닛(120)이 상기 구동부(130)로 동력을 전달하는 동력 전달부가 될 때, 하나의 피에조 액추에이터(110)에 다수개의 자기유변 유닛(120)이 구비되는 경우 하나의 동력원으로부터 다수개의 장치를 구동할 수 있는 장점이 있다. 또한, 동력 전달부인 상기 자기유변 유닛(120)마다 각각 다른 자기장을 공급하여 각각의 구동 장치를 달리 구동할 수 있으므로, 구동 장치를 제어하기 위한 자유도가 높은 장점이 있다.The magnetorheological body 121 included in the magnetorheological unit 120 may be selected from a magnetorheological fluid (MR fluid, MRF), a magnetorheological elastomer (MR elastomer, MRE), and a magnetorheological gel (MR gel, MRG). And combinations of these and other materials. In addition, the magnetorheological unit 120 is provided on one side of the piezo actuator 110 in plurality, preferably spaced apart at predetermined intervals. When the piezo actuator 110 is a power source and the magnetorheological unit 120 is a power transmission unit for transmitting power to the drive unit 130, a plurality of magnetorheological units 120 in one piezo actuator 110. ) Is provided with the advantage of driving multiple devices from one power source. In addition, since the respective driving devices can be driven differently by supplying different magnetic fields for each of the magnetic rheological units 120 which are power transmission units, there is an advantage of high degree of freedom for controlling the driving devices.

상기 자기유변 유닛(120)의 단부에는 상기 구동부(130)가 결합되어 구동된다. 따라서 사용자는 상기 피에조 액추에이터(110)로부터 발생되는 동력을 어느 하나의 구동부(130)로 전달하기 위해서는 상기 구동부(130)에 결합된 상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 전자기체(122)를 통해 자기장을 인가하면 된다. 상기 구동부(130)에서 더 큰 동력이 요구되는 경우, 동력 전달 효율이 높아지도록 더 큰 자기장을 상기 전자기체(122)를 통해 상기 자기유변체(121)로 공급하면 된다. 반대로 상기 구동부(130)가 구동하지 않도록 하거나 작은 동력을 요하는 경우, 상기 전자기체(122)를 조절하여 상기 자기유변체(121)로 공급되는 자기장을 차단하거나 크기를 줄이면 된다.The driving unit 130 is coupled to the end of the magnetorheological unit 120 to be driven. Therefore, in order to transfer the power generated from the piezo actuator 110 to any one drive unit 130, the user may use the electromagnetic body 122 included in the magnetorheological unit 120 coupled to the drive unit 130. The magnetic field can be applied through When greater power is required in the drive unit 130, a larger magnetic field may be supplied to the magnetorheological body 121 through the electromagnetic body 122 to increase power transmission efficiency. On the contrary, when the driving unit 130 is not driven or requires small power, the electromagnetic unit 122 may be adjusted to block or reduce the size of the magnetic field supplied to the magnetorheological body 121.

도 1 및 도 4 를 참조하면 상기 구동부(130)는 상기 자기유변 유닛(120)의 단부에 결합되는 상기 슬라이더(131)와 상기 슬라이더(131)에 결합되는 로드(132)로 구비될 수 있다. 상기 슬라이더(131)는 상기 로드(132)와 일정한 마찰력을 발생시키며 유동하게 된다. 상기 슬라이더(131)에 느리게 압력이 공급되는 경우, 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132) 상호간의 마찰력이 상기 슬라이더(131)의 관성력보다 커서, 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132)는 일체로 유동하게 된다. 반대로 상기 슬라이더(131)에 빠르게 압력이 공급되는 경우, 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132) 상호간의 마찰력이 상기 슬라이더(131)의 관성력보다 작아, 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132)는 일체로 유동하지 않고 상기 슬라이더(131)가 상기 로드(132)로 삽입되거나 상기 로드(132)로부터 인출되고, 상기 로드(132)는 유동하지 않거나 상대적으로 작게 유동하게 된다. 도 4 에서는 이와 같이 유동 속도에 따른 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132) 상호간의 마찰력과 관성력의 차이가 발생하고, 이러한 차이로 상기 슬라이더(131)의 구동 거리가 가변하는 충격 완화 드라이브 메커니즘(SIDM)을 도시하고 있다. 또한, 'x'는 상기 슬라이더(131) 및 상기 로드(132) 상호간의 마찰력과 관성력의 차이로 인해 생기는 단위 이동거리를 의미한다.
1 and 4, the driving unit 130 may be provided with a slider 131 coupled to an end of the magnetorheological unit 120 and a rod 132 coupled to the slider 131. The slider 131 flows while generating a constant friction with the rod 132. When the pressure is slowly supplied to the slider 131, the friction force between the slider 131 and the rod 132 is greater than the inertia force of the slider 131, so that the slider 131 and the rod 132 are It will flow in one piece. On the contrary, when the pressure is rapidly supplied to the slider 131, the frictional force between the slider 131 and the rod 132 is smaller than the inertia force of the slider 131, so that the slider 131 and the rod 132 are inclined. The slider 131 is inserted into or withdrawn from the rod 132 without the unitary flow, and the rod 132 does not flow or flows relatively small. In FIG. 4, the difference in friction and inertia between the slider 131 and the rod 132 is generated according to the flow velocity, and the shock mitigation drive mechanism having the variable driving distance of the slider 131 varies according to the difference. SIDM) is shown. In addition, 'x' refers to the unit moving distance caused by the difference between the friction force and the inertia force between the slider 131 and the rod 132.

이하에서는 상기 자기유변 유닛을 이용한 구동기(100)를 활용한 구동 방법에 대해 순차적으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, the driving method using the driver 100 using the magnetorheological unit will be described sequentially.

(a) 제 1 입력 단계(a) first input step

도 2 에서는 상기 피에조 액추에이터(110)에 입력되는 전압의 입력값을 나타내고 있다. 도 2 에서 도시한 바와 같이 입력 전압을 점진적으로 상승시키면서 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시킨다.In FIG. 2, the input value of the voltage input to the said piezo actuator 110 is shown. As shown in FIG. 2, a voltage is applied to the piezo actuator 110 while gradually increasing the input voltage.

(b) 팽창 단계(b) expansion stage

상기 (a)단계에서 인가된 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 팽창하되, 인가되는 전압이 점진적으로 증가하므로 상기 피에조 액추에이터(110)의 팽창 속도 또한 점진적으로 팽창하고, 점진적으로 구동력을 발생시키게 된다.The piezo actuator 110 is expanded according to the voltage applied in the step (a), but since the applied voltage is gradually increased, the expansion speed of the piezo actuator 110 is also gradually expanded and gradually generates a driving force. do.

(c) 제 1 구동 단계(c) first driving step

상기 (c)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창됨에 따라 발생하는 구동력 즉, 운동에너지가 동력 전달부인 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달된다. 이 때, 상기 자기유변 유닛(120)에 인가되는 자기장의 세기에 따라 강성을 조절하여 동력 전달 효율을 제어하거나 동력을 차단할 수 있음은 상술한 바와 같다. 상기 구동부(130)가 충격 완화 드라이브 메커니즘(SIDM)인 경우, 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창하므로 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132)는 일체로 유동하게 된다.In the step (c), the driving force generated as the piezo actuator 110 is gradually expanded, that is, the kinetic energy is transmitted to the driving unit 130 via the magnetorheological unit 120 which is a power transmission unit. At this time, as described above, it is possible to control the power transmission efficiency or cut off the power by adjusting the stiffness according to the strength of the magnetic field applied to the magnetic rheological unit 120. When the driving unit 130 is a shock mitigating drive mechanism (SIDM), the slider 131 and the rod 132 are integrally flowed because the piezo actuator 110 gradually expands.

(d) 제 2 입력 단계(d) second input stage

도 2 에서 도시한 바와 같이 입력 전압을 급격히 감소시키면서 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시킨다.As shown in FIG. 2, a voltage is applied to the piezo actuator 110 while rapidly decreasing the input voltage.

(e) 수축 단계(e) contraction phase

상기 (d)단계에서 급격히 감소되며 인가되는 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격히 수축되고, 급격한 수축에 의해 빠르게 구동력을 발생시키게 된다.In the step (d), the piezo actuator 110 rapidly contracts according to the applied voltage and rapidly generates a driving force by the rapid contraction.

(f) 제 2 구동 단계(f) second drive step

상기 (e)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격하게 수축됨에 따라 발생하는 구동력 즉, 운동에너지가 동력 전달부인 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달된다. 상기 자기유변 유닛(120)에서 동력 전달을 조절할 수 있음은 상술한 바와 같다. 상기 구동부(130)가 충격 완화 드라이브 메커니즘(SIDM)인 경우, 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격하게 수축하므로 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132)는 일체로 유동하지 않고, 상기 로드(132)만이 유동하여 원래의 자리로 복귀하게 된다.In step (e), the driving force, that is, the kinetic energy generated as the piezo actuator 110 is rapidly contracted, is transmitted to the driving unit 130 via the magnetorheological unit 120 which is a power transmission unit. As described above, power transmission may be adjusted in the magnetorheological unit 120. When the driving unit 130 is a shock mitigating drive mechanism (SIDM), since the piezo actuator 110 contracts rapidly, the slider 131 and the rod 132 do not flow integrally, and the rod 132 does not flow. Only flow will return to its original position.

상기 (a)단계부터 (f)단계가 1사이클이 되며 반복적으로 수행하여 구동될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 상기 (f)단계를 수행한 후, 상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)에 공급되는 자기장의 세기를 제어하여 상기 구동부(130)의 구동량을 조절할 수 있다.(구동 제어 단계) 상기 구동부(130)의 구동량이 조절되면 다시 (a)단계부터 반복적으로 수행하여 장치를 구동한다.
Steps (a) to (f) may be performed one cycle and may be repeatedly performed. In addition, as described above, after performing step (f), the driving amount of the driving unit 130 is controlled by controlling the intensity of the magnetic field supplied to the magnetorheological body 121 included in the magnetorheological unit 120. (Drive control step) When the driving amount of the drive unit 130 is adjusted, the operation is repeatedly performed from step (a) again to drive the device.

상기 자기유변 유닛을 이용한 구동기(100)는 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 이하에서 예를 들어 설명한다. 먼저 전자기기의 새로운 인터페이스 장치, 로봇 산업에서 활용될 수 있다. 특히 전자기기의 경우 휴대폰 등 통신 기기에서 햅틱 디바이스, 실물 3차원 디지털 디스플레이 액자, 점자 디스플레이 등으로 활용될 수 있다. 군수 산업에서도 전투 환경 확인, 군 배치 시뮬레이션 위한 군사 지도 등으로 활용될 수 있다. 로봇 산업에서는 로봇 매니퓰레이터의 움직임을 위한 다자유도 구동기, 로봇의 안면운동 및 피부운동을 모사하는 데 활용될 수 있다. 상술한 활용예는 일예에 불과하므로, 언급되지 않은 산업 분야에서 활용될 수 있음은 물론이다.The driver 100 using the magnetorheological unit may be utilized in various industrial fields, and will be described below with an example. First, the new interface device of the electronic device, can be utilized in the robot industry. In particular, in the case of electronic devices, communication devices such as mobile phones can be utilized as haptic devices, real 3D digital display frames, and braille displays. In the military industry, it can be used to check the combat environment and to provide military maps for military deployment simulation. In the robot industry, it can be used to simulate the multiple degree of freedom driver for the movement of the robot manipulator, the facial movement and the skin movement of the robot. Since the above-described use example is only one example, it can be used in an industrial field not mentioned.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
The technical idea should not be interpreted as being limited to the above-described embodiment of the present invention. Various modifications may be made at the level of those skilled in the art without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Therefore, such improvements and modifications fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.

100 : 자기유변 유닛을 이용한 구동기
110 : 피에조 액추에이터 120 : 자기유변 유닛
121 : 자기유변체 122 : 전자기체
130 : 구동부 131 : 슬라이더
132 : 로드
100: driver using magnetorheological unit
110: piezo actuator 120: magnetorheological unit
121: magnetorheological body 122: electromagnetic body
130: drive unit 131: slider
132: load

Claims (6)

인가되는 전압에 따라 신축되는 피에조 액추에이터(110);
상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 구비되어 상기 피에조 액추에이터(110)의 신축에 따라 유동하되, 감지되는 자기장의 세기에 따라 강성이 변화하는 자기유변체(121)가 포함된 자기유변 유닛(120);
상기 자기유변 유닛(120)의 단부에 결합되어 구동하는 구동부(130);
를 포함하되,
상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)의 신축에 의한 구동력을 상기 자기유변체(121)의 강성 변화에 대응하여 가변적으로 상기 구동부(130)로 전달하는 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기.
A piezo actuator 110 which is stretched according to an applied voltage;
The magnetorheological unit 120 is provided on one side of the piezo actuator 110 and flows according to the expansion and contraction of the piezo actuator 110, and includes a magnetorheological body 121 whose rigidity changes depending on the strength of the detected magnetic field. );
A driving unit 130 coupled to an end of the magnetorheological unit 120 for driving;
Including,
The magnetorheological unit 120 is a magnetorheological unit that transmits the driving force by the expansion and contraction of the piezo actuator 110 to the drive unit 130 in response to a change in the rigidity of the magnetorheological body 121. Driver using.
제 1 항에 있어서,
상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)는 자기유변 유체, 자기유변 엘라스토머, 자기유변 겔 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기.
The method of claim 1,
The magnetorheological body (121) included in the magnetorheological unit (120) is a driver using a magnetorheological unit, characterized in that at least one or more of a magnetorheological fluid, a magnetorheological elastomer, a magnetorheological gel.
제 2 항에 있어서,
상기 자기유변 유닛(120)은 상기 피에조 액추에이터(110)의 일측면에 다수개로 구비되되, 소정 간격으로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기.
The method of claim 2,
The magnetorheological unit (120) is provided with a plurality on one side of the piezo actuator 110, the driver using a magnetorheological unit, characterized in that arranged at a predetermined interval spaced.
제 1 항 내지 제 3 항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 구동부(130)는 상기 자기유변 유닛(120)의 단부에 결합되는 슬라이더(131)와 상기 슬라이더(131)에 결합되는 로드(132)로 구비되되,
상기 자기유변 유닛(120)에 따라 유동하는 상기 슬라이더(131)와 상기 로드(132) 상호간 마찰력 및 관성력의 차이에 따라 상기 슬라이더(131)의 구동 거리가 가변하는 충격 완화 드라이브 메커니즘인 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The drive unit 130 is provided with a slider 131 coupled to the end of the magnetorheological unit 120 and a rod 132 coupled to the slider 131,
It is characterized in that the impact relief drive mechanism is characterized in that the drive distance of the slider 131 is variable according to the difference between the friction force and inertial force between the slider 131 and the rod 132 flowing along the magnetorheological unit 120 Driver using magnetorheological unit.
제 4 항의 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 구동 방법은,
(a) 전압을 점진적으로 상승시키며 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시키는 제 1 입력 단계;
(b) 상기 (a)단계에서 인가된 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창하는 팽창 단계;
(c) 상기 (b)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 점진적으로 팽창됨에 따라 발생하는 운동에너지가 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달되어 상기 슬라이더(131) 및 상기 로드(132)가 함께 구동되는 제 1 구동 단계;
(d) 전압을 급격히 하강시키며 상기 피에조 액추에이터(110)로 전압을 인가시키는 제 2 입력 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 인가된 전압에 따라 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격히 수축하는 수축 단계;
(f) 상기 (e)단계에서 상기 피에조 액추에이터(110)가 급격히 수축함에 따라 발생하는 운동에너지가 상기 자기유변 유닛(120)을 거쳐 상기 구동부(130)로 전달되어 상기 슬라이더(131)는 구동되지 않고 상기 로드(132)만이 구동되는 제 2 구동 단계;
로 이루어지되, 상기 (a)단계 내지 (f)단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 구동 방법.
The driving method of the driver using the magnetorheological unit of claim 4,
(a) a first input step of gradually increasing the voltage and applying a voltage to the piezo actuator (110);
(b) an expansion step of gradually expanding the piezo actuator 110 according to the voltage applied in step (a);
(c) the kinetic energy generated as the piezo actuator 110 is gradually expanded in step (b) is transferred to the driving unit 130 through the magnetorheological unit 120 to the slider 131 and the A first driving step in which the rod 132 is driven together;
(d) a second input step of rapidly lowering the voltage and applying a voltage to the piezo actuator 110;
(e) a contraction step in which the piezo actuator 110 contracts rapidly according to the voltage applied in step (d);
(f) In the step (e), the kinetic energy generated as the piezo actuator 110 contracts rapidly is transferred to the driving unit 130 through the magnetorheological unit 120 so that the slider 131 is not driven. A second driving step in which only the rod 132 is driven without being driven;
The method of claim 1, wherein the steps of (a) to (f) are repeatedly performed.
제 5 항에 있어서,
상기 (f)단계를 수행한 후, 상기 자기유변 유닛(120)에 포함된 상기 자기유변체(121)에 공급하는 자기장의 세기를 제어하여 상기 구동부(130)의 구동량을 조절하는 구동 제어 단계;
가 더 포함되고, 상기 (a)단계 내지 (f)단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 자기유변 유닛을 이용한 구동기의 구동 방법.
The method of claim 5, wherein
After performing the step (f), the drive control step of controlling the driving amount of the drive unit 130 by controlling the intensity of the magnetic field supplied to the magnetorheological body 121 included in the magnetorheological unit 120 ;
Further comprising a, the method of driving a driver using a magnetorheological unit, characterized in that to perform the steps (a) to (f) repeatedly.
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