KR20120092210A - 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

자성체와 비자성체가 교대로 배열된 링형상의 회전코어; 양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 회전코어를 수용하는 튜브케이스; 상기 튜브케이스에 권취되고, 일정 간격으로 배치된 복수의 코일; 상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 자이로스코프.는 종래의 자이로스코프에 비해 구조가 간단하여 경량화 할 수 있고, 마찰저항이 적어 소음을 최소화 할 수 있으며, 회전속도를 초고속으로 할 수 있다는 장점이 있고 필요시에는 밀폐된 용기 내에 위치시킴으로써 마찰손실을 최소화 하고, 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

자이로스코프{Gyroscope}

본 발명은 전자기의 유도 기전력의 원리를 이용하여 고속 회전하는 경량의 저소음 자이로스코프에 관한 것이다.

자이로스코프는 각운동량 보존법칙에 근거하여 고속 회전하는 회전체의 관성을 이용한 기기로서 다양한 분야에서 사용되어 온지 매우 오래된 기술이다. 질량이 빠르게 회전할 때에는 외부에서 회전체의 방향을 바꾸는 힘이 작용하더라도 회전에 의한 각운동량 보존 성질에 따라 회전하지 않을 때 보다 회전체의 축방향 변화에 대한 저항력이 매우 커지기 때문에, 축방향이 바뀌지 않고, 원래의 방향을 유지하려는 성질이 있다.

종래의 자이로스코프는 크게 진공을 회전동력으로 사용하는 것과 전기모터를 회전동력으로 사용하는 것, 등 2가지가 있다.

이들 중 진공을 이용하는 방법은 회전체에 날개를 달아서 공기의 흐름에 따라서 자이로스코프 질량이 회전하도록 만든 것으로 자이로스코프의 구조가 비교적 간단한 상대적인 장점이 있기 때문에 주로 소형의 계측기에 주로 사용된다. 이 방법은 자이로스코프가 다른 종류의 자이로스코프와 마찬가지로 외부 지지구조물인 회전대(gimbal)에 지지되는 구조로 되어 있으나, 외부 회전대와 상대적인 회전이 일어날 때 외부와 연결된 진공호스 라인이 꼬이지 않도록 하는 방법이 어렵고, 외부에 반드시 진공펌프가 있어야만 한다.

전기모터를 이용한 방법은 원판형의 회전체가 회전축을 갖고 있고, 이 회전축은 전기모터에 직접 연결되거나, 회전 속도를 높이기 위한 가속기어를 거쳐서 전기모터에 연결되는 구조를 갖고 있으며, 회전질량의 회전축은 자유롭게 회전이 가능한 외부에 위치한 회전대(gimbal)에 지지되는 구조로 되어 있는 것은 다른 자이로스코프와 동일하다.

이러한 구조는 자이로스코프의 회전을 위한 모터가 필요하며, 휠이 직각방향으로 교차됨에 따라 부피 및 중량이 증가하게 된다. 또한 더욱 큰 문제는 소음이 심하고, 공기마찰에 따른 에너지 손실이 크다는 단점이 있으며, 외부 전기 동력 공급선이 꼬이는 것을 방지하는 방법이 복잡하다.

과거에는 계측기에 이러한 회전관성을 이용한 자이로스코프를 이용하는 것이 일반적이었지만, 오늘날에는 레이저를 이용한 보다 정밀한 방향 지시계 등이 개발, 사용되고 있어서, 기존의 회전관성을 이용한 자이로스코프의 사용이 감소하고 있다.

또한 자이로스코프를 선박에 장착하여 배의 흔들림을 감소시키는 안정화 용도로 사용하려는 시도는 오래전부터 사용되어 왔다. 그러나 현재에는 배에서도 거의 사용되지 않고 있으며, 비행기나 자동차와 같은 다른 이동수단에 적용하려는 시도는 없었다.

선박을 제외한 타 이동수단에 사용되지 못하는 가장 큰 이유는 이러한 목적으로 사용하기 위해서는 자이로스코프의 물리적 관성력이 커져야 하기 때문인데, 자이로스코프의 관성력을 키우기 위해서는 회전질량을 보다 크고, 무겁게 만들거나, 보다 고속으로 회전시켜야만 하기 때문에, 중량 증가 문제, 설치 공간 증가 문제, 고속회전에 따른 소음 발생문제 및 지속적인 에너지 공급이 필요한 에너지 공급, 손실문제, 등의 어려움이 있기 때문이다.

본 발명은 전자기의 유도 기전력의 원리를 이용하여 고속 회전하는 경량의 저소음 자이로스코프를 제작하고 이를 이용한 적용 예를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 자이로스코프는 자성체와 비자성체가 교대로 배열된 링형상의 회전코어; 양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 회전코어를 수용하는 튜브케이스; 상기 튜브케이스에 권취되고, 일정 간격으로 배치된 복수의 코일; 상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 자이로스코프는 자성체와 비자성체가 교대로 배열된 링형상의 회전코어; 상기 회전코어에 이격되어 권취되고, 일정 간격으로 배치된 복수의 코일; 상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

이때, 양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 회전코어 및 상기 코일을 수용하는 튜브케이스를 더 포함할 수 있다.

상기 일 실시예 또는 다른 실시예에서, 상기 회전코어의 자성체는, 영구자석 또는 연철인 것을 특징으로 한다.

상기 일 실시예 또는 다른 실시예에서, 상기 공간은, 밀폐되고 진공상태인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자이로스코프는 종래의 자이로스코프에 비해 구조가 간단하여 경량화 할 수 있고, 경제적인 제작이 가능하며, 진공 내에서 회전이 일어나므로 소음을 최소화 할 수 있으며, 마찰저항이 적어 에너지 사용량이 최소화 되며, 이에 따라 회전속도를 기존의 20,000rpm에서 100,000rpm이상의 초고속으로 할 수 있다는 장점이 있기 때문에 자이로스코프의 중량이 작으면서도 보다 고성능의 관성력을 발휘 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로스코프를 나타낸 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로스코프를 나타낸 평단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로스코프를 나타낸 횡단면도.
도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자이로스코프를 나타낸 평단면도.
도 5는 본 발명의 자이로스코프를 이용하여 평형을 유지 또는 자세를 교정하는 수직이착륙기.
도 6는 본 발명의 자이로스코프를 이용하여 평형을 유지 또는 자세를 교정하는 자동차.
도 7은 본 발명의 자이로스코프를 이용하여 평형을 계측하는 자세계.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 자이로스코프를 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로스코프(100)를 나타낸 평면도이고 도 2는 도 1에 도시된 자이로스코프(100)의 평단면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 자이로스코프(100)의 횡단면도이다.

본 실시예의 자이로스코프(100)는 양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간이 형성된 튜브케이스(20), 튜브케이스(20)의 내부 공간에 수용되어 그 안에서 회전하는 링형상의 회전코어(10), 튜브케이스(20)에 권취된 금속선으로 튜브케이스(20)에 일정 간격을 두고 배치된 복수의 코일(30) 및 이를 제어하는 제어부(40)로 구성된다.

본 실시예의 자이로스코프(100)는 종래의 기계식 자이로스코프와 달리 전기 모터에 의해 회전하는 것이 아니라 전자기 유도 원리를 이용하여 코일(30)에 전류를 인가함으로써 회전코어(10)가 회전하게 된다.

유도기전력이란 권취된 금속선으로 전류를 인가하면 전자의 이동에 의해 전기장과 자기장이 형성되고, 이러한 전기장과 자기장 속으로 자기장 내에서는 자성을 띠는 연철 또는 영구자석과 같은 자성체에는 힘이 가해지게 된다. 이러한 힘을 로렌츠의 힘이라고 하며, 본원 발명에서는 이 힘에 의해 회전코어(10)가 회전할 수 있다.

회전코어(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 자성체(11)와 비자성체(12)가 교대로 배열되며 자성체(11)는 상술한 바와 같이 영구자석 또는 연철과 같은 금속을 포함한다. 코일에 의하여 유도된 자장과 반응하여 회전하는 회전체는 영구자석을 사용하는 것이 일반적이지만, 자성이 유도되는 연철 등의 재료를 사용하는 것도 내부 회전코어를 회전시키는 데 아무런 문제가 없다.

자성체(11) 사이사이에 비자성체(12)가 배치되어 링형상의 회전코어(10)를 구성한다. 자성체(11)와 비자성체(12)를 교대로 배치한 것은, 내부 회전체가 자성체(11)로만 이루어지게 되면 외부에 설치된 코일(30)에서 유도되는 자장과 내부의 자성체(11)가 서로 흡인력과 반발력이 교대로 작용할 수 없는 문제를 해결하기 위한 방안이다.

도 3을 참조하면 회전코어(10)나 튜브케이스(20)의 단면이 원형으로 도시되어 있으나 반드시 원형일 필요는 없고, 회전코어(10)를 수용하는 튜브케이스(20)의 내부공간 형상에 따라 타원형, 사각형, 삼각형, 땅콩형 등 다양한 단면형상이 될 수 있어, 원형단면으로 한정되지 아니한다.

자성체(11)와 비자성체(12)의 개수는 자이로스코프(100)의 사용용도와 크기 등에 따라 달라질 수 있으며, 자성체(11)와 비자성체(12)는 교대로 배치되므로 자성체(11)와 비자성체(12)의 개수는 같다. 각각의 자성체(11)와 비자성체(12)의 크기는 반드시 일정할 필요는 없다.

비자성체(12)로서 영구자석을 이용한 실시예가 도 2에 도시되어 있으며, 각 비자성체(12)는 S극(11(a))과 N극(11(b))이 같은 방향에 놓이도록 배치한다.

튜브케이스(20)는 내부가 빈 튜브의 양단이 맞닿은 링형상의 부재로서, 내부의 링형상의 공간이 형성되고 이 공간에 회전코어(10)가 수용된다. 내부공간에서 회전코어(10)가 회전해야 하므로 내부공간의 크기는 회전코어(10)보다 조금 크게 제작되어야 한다.

회전코어(10)의 회전 시 마찰력을 최소화하기 위해 튜브케이스(20)의 공간에 마찰계수를 최소화할 수 있도록 표면처리를 하거나, 튜브케이스(20)의 공간을 진공으로 하는 방법 등이 사용될 수 있다.

특히, 튜브케이스(20)의 내부에 형성된 공간을 진공으로 하게 되면, 첫째 소음 발생을 차단할 수 있으며, 둘째 공기 마찰에 따른 에너지 손실을 없앰으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

튜브케이스(20)의 공간은 밀폐된 상태로 만드는 것이 바람직하지만, 반드시 밀폐되어야만 하는 것은 아니다. 즉 밀폐된 공간을 형성하지 않더라도, 후술할 코일(30)과 내부 회전코어(10)가 이격되어 코일(30)에 흐르는 전류에 의해 회전코어(10)가 회전 가능하면 동일한 작동 원리에 의하여 회전코어(10)를 회전시키는데 아무런 문제가 없다.

튜브케이스(20)의 재질은 회전코어(10)와 코일(30)간의 자기력선과 전기력선에 방해를 미치지 않기 위해 플라스틱, 등과 같은 비자성체(12)를 사용할 수도 있고, 자력선을 강화하기 위하여 철, 등과 같은 자기가 유도되는 재질로 구성할 수도 있다. 튜브케이스(20)는 회전코어(10)의 회전축과 수직으로 회전가능한 회전대(gymbal)과 체결하여 이동수단 또는 계측기 등에 고정된다.

코일(30)은 회전코어(10)에 이격되어 권취되며, 일정 간격으로 배치되는 금속선이다. 도 1에 도시된 바와 같이 회전코어(10)가 튜브케이스(20)에 수용된 경우, 코일(30)은 튜브케이스(20)에 권취된다. 즉, 코일(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 회전코어(10) 및 튜브케이스(20)의 링 형상을 따라 권취되며 일정 간격을 두어 복수개가 배치된다.

이때, 코일(30)의 개수는 회전코어(10)의 자성체(11) 또는 비자성체(12)의 수와 같게 할 수 있고, 필요시에는 코일의 수가 더 많거나 적게 조절할 수도 있다.

코일(30)에 전류가 흐르게 되면, 전자의 이동에 의해 전기장과 자기장이 발생하고 이로 인해 자성체(11)인 회전코어(10)는 힘을 받게 되어 회전하게 된다. 이때 가해주는 전류의 세기 및 주파수를 조절하게 되면 회전코어(10)의 회전속도와 속도 증가율을 조절할 수 있다.

제어부(40)는 자이로스코프(100)의 회전 속도, 속도 증가율, 최종 속도 등을 제어하는 장치로서, 코일(30)에 전류를 인가하는 전원(41)과 전류의 공급여부, 전류의 세기, 주파수 및 전류의 방향 등을 제어하는 역할을 하는 콘트롤러(42)를 포함한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자이로스코프(100)를 나타낸 평단면도이다. 본 실시예의 자이로스코프(100)는 회전코어(10)와 코일(30), 그리고 회전코어(10)와 코일(30)을 내부 공간에 수용하는 튜브케이스(25) 및 이를 제어하는 제어부(40)로 구성된다.

회전코어(10)는 자성체와 비자성체가 교대로 배치된 링형상의 부재이며, 전술한 실시예의 회전코어(10)와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

코일(30)은 회전코어(10)에 이격되어 권취되며, 일정 간격으로 배치되는 금속선이다. 즉, 코일(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 회전코어(10)의 링 형상을 따라 권취되며 일정 간격을 두어 복수개가 배치된다. 전술한 실시예와 달리 회전코어(10)와 코일(30) 사이에 튜브케이스가 위치하지 않으며, 회전코어(10)가 코일(30)을 내부를 지나면서 회전할 수 있도록 코일은(30) 회전코어(10)와 이격하여 권취된다.

본 실시예의 튜브케이스(25)는 전술한 실시예의 튜브케이스(30)와 달리 회전코어(10)와 코일(30)을 모두 내부 공간에 수용한다. 튜브케이스(25)는 회전코어(10)가 회전하는 내부의 공간을 보호하며, 마찰력을 최소화하고 소음을 차단하기 위해 진공상태로 만들 수 있다. 그 이외의 특성은 전술한 실시예의 튜브케이스(20)와 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

코일(30)에 흐르는 전류를 조절하여 자이로스코프(100)의 작동을 제어하는 제어부(40)는 전술한 실시예의 제어부(40)와 같다.

본 발명의 자이로스코프는 종래의 자이로스코프에 비해 구조가 간단하여 경량화 할 수 있다. 또한, 마찰저항이 적어 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 소음을 최소화 할 수 있는 동시에, 회전속도를 대폭 증가 시킬 수 있기 때문에 작은 무게로 큰 관성력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

따라서 종래에 크기가 크고 복잡하며 무거운 중량 때문에 적용하지 못하였던 항공기와 같은 경량 이동수단이나, 자동차와 같은 소형 이동수단 이외에도, 다양한 계측기에도 쉽게 적용이 가능하며, 종래의 자이로스코프와 같이 회전체의 회전을 위해 직접 모터가 작동하는 것이 아니므로 소음문제가 발생하지 않고, 에너지 효율이 높기 때문에 그 활용범위가 대폭 확대 될 것으로 기대된다.

비행기 중, 수직이착륙기는 이착륙 시 기체의 자세를 수평으로 유지하는 것이 매우 중요하고 어려운 기술이다. 기존의 기술은 제트엔진의 흡입구와 분사구를 컴퓨터로 자동 제어함으로써, 이착륙시 비행기 기체의 수평자세를 유지해 주고 있으나, 항상 일정한 안정을 유지하기 어렵고, 불안정한 기술이다.

이렇게 이착륙시 불안정한 자세를 안정화하기 위해 본 발명의 자이로스코프(100)를 적용한 수직이착륙기를 도 5에 도시하고 있다. 비행기에 부가되는 장비는 자중을 최소화해야 하는데, 본 발명의 자이로스코프(100)는 그 구조가 간단하고 경량이므로 수직이착륙기의 내부나 외부에 추가로 장착하는 것도 매우 용이하다. 도 5에 도시된 바와 같이 수직이착륙기의 본체 하면에 자이로스코프(100)를 배치한 일 실시예가 제시되어 있다.

여객기나 경비행기 등도 이착륙시에 자세 안정화가 매우 중요하 문제이고, 특히 측풍이 강한 경우에는 비행기의 흔들림이 심해서 이착륙이 매우 위험하거나 불가능한 경우도 많다. 또한 고공에서도 난기류에 들어가게 되면 기체의 흔들림이 매우 커지게 되는데, 자이로스코프를 여객기의 날개나 동체 등에 장착하게 되면 상기와 같은 여러 가지 위험하거나 흔들림이 심한 조건에서도 비행기의 자세를 안정화할 수 있다.

헬리콥터는 바람이 불게 되면 흔들림이 많거나, 심한 경우 비행이 불가능한 경우가 많고, 동시에 자체 무게를 최소화 할 필요가 있는 비행체로서, 본 발명의 자이로스코프는 그 구조가 간단하고 경량이므로 헬리콥터 본체의 하부에 자이로스코프를 장착하면, 자이로스코프의 방향 유지 성질에 의해 헬리콥터의 흔들림을 최소화할 수 있다.

차량의 흔들림을 줄이기 위하여 기존에는 스프링과 쇽업소버(쇼바)라고 하는 충격 완화장치를 사용하고 있으나, 도로 위의 맨홀 뚜껑이나 요철면을 지나갈 때는 자동차의 흔들림이 커지며, 특히 비포장도로와 같이 노면이 고르지 못하거나, 과속방지턱처럼 요철의 크기가 큰 경우에는 차량의 흔들림이 심하여 탑승자에게 상당한 불쾌감을 주기 때문에 차체의 흔들림을 최소화하는 기술이 필요하다.

도 6는 본 발명의 자이로스코프(100)를 적용한 자동차로서, 종래의 자이로스코프는 무게 및 부피가 크고, 복잡한 형상과 소음 문제 때문에 자동차에 적용이 어려웠으나, 본 발명의 자이로스코프(100)는 그 크기가 작고 소음이 적어 자동차에 적용이 쉽다.

상술한 자이로스코프(100)는 재래식 자이로스코프를 사용하는 비행기나 선박의 항법 장비인 자세계(attitude indicator)에 이용될 수 있다. 자세계는 수평바를 통해 장착된 장치의 전후좌우의 수평 여부를 알 수 있는 장치로서, 도 7은 기존의 진공식 또는 모터식 자이로스코프를 본 발명의 자이로스코프(100)로 대체 적용한 계측기의 일 실시예로서 자세계를 도시한 것이다.

자세계와 유사한 자이로스코프를 이용하는 항법 장비는 방향지시계(heading indicator), 회전상태계(turn coordinator), 등을 들 수 있다.

방향지시계는 마그네틱 나침반과 병행 사용되는 기기로서 비행기나 배의 몸체의 진행 방향을 지시해 주는 계기이다. 마그네틱 나침반의 경우에는 흔들림이 심하고 비행기가 수평이 아니면 오류가 나기 때문에 방향지시계가 항상 같이 사용된다. 이러한 기능을 구현하기 위한 것으로 방향지시계는 자이로스코프를 수직으로 세워 회전시켜 비행기의 방향을 지시하는 장치이다.

회전상태계는 비행기의 선회율과 롤레이트를 감지하는 장치로서 회전대가 비스듬하게 장착되어 자이로스코프의 회전축과 회전대의 축은 다른 평면에 위치한다.

본 발명의 자이로스코프(100)는 종래의 자이로스코프에 비해 구조가 단순하고 가벼우므로 본 발명의 자이로스코프(100)를 장착한 자세계, 방향지시계 및 회전상태계와 같은 계측계의 소형화가 가능하고 정밀도가 증가한다.

또한 본 발명의 자이로스코프와 같은 관성 유지장치는 빌딩의 상부에 설치된 내진, 제진 장치를 대체할 수 있으며, 교량의 주탑 상부에도 같은 목적으로 사용될 수 있다. 또한 현수교나 사장교와 같은 장대교의 경우 태풍에 의한 교량 상판의 휨이나 진동이 항상 문제가 되는데, 이러한 진동을 제어하기 위해서도 사용할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 회전코어
11: 자성체 12: 비자성체
20: 튜브케이스 25: 튜브케이스
30: 코일 40: 제어부
41: 전원부 42: 컨트롤러

Claims (5)

1. 자성체와 비자성체가 교대로 배열된 링형상의 회전코어;
   양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 회전코어를 수용하는 튜브케이스;
   상기 튜브케이스에 권취되고, 일정 간격으로 배치된 복수의 코일;
   상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및
   상기 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 자이로스코프.
   
2. 자성체와 비자성체가 교대로 배열된 링형상의 회전코어;
   상기 회전코어에 이격되어 권취되고, 일정 간격으로 배치된 복수의 코일;
   상기 코일에 전류를 공급하는 전원; 및
   상기 전원을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 자이로스코프.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   양단이 맞닿아 내부에 링형상의 공간을 형성하고, 상기 공간에 상기 회전코어 및 상기 코일을 수용하는 튜브케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전코어의 자성체는,
   영구자석 또는 연철인 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공간은,
   밀폐되고 진공상태인 것을 특징으로 하는 자이로스코프.
   

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