KR20120094510A

KR20120094510A - 공진 엔진

Info

Publication number: KR20120094510A
Application number: KR1020127018324A
Authority: KR
Inventors: 가이 토마스 그리니어
Original assignee: 메이플버드 엘티디
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-08-24
Also published as: CN102712365A; BR112012014628A2; AU2010332507A1; US20120248243A1; US9102407B2; GB2476380A; GB201021299D0; GB0922168D0; GB2476380B; SG181660A1; IL220331A0; WO2011073659A1; JP2013514232A; EP2512919A1

Abstract

적어도 하나의 진동 변환기(14)가 결합되는 드라이버 플레이트(12), 진동 변환기의 여기를 위해 진동 변환기에 연결되는 구동 신호 생성기, 제1 고유 공진 진동수를 가지고 드라이버 플레이트(12)에 부착되는 근단부 및 자유 말단부를 가지는 제1 스프링-질량체 공진기 및 제1 스프링-질량체 공진기에 실질적으로 대향되게 드라이버 플레이트에 부착되는 반작용 수단을 포함하는 공진 엔진이 개시된다. 진동 변환기(14)가 상기 고유 공진 진동수에 일치하거나 근접한 성분을 갖는 생성기로부터의 구동 신호에 의해 여기될 때, 제1 스프링-질량체 공진기는 드라이버 플레이트(12)에 대해 실질적으로 역-위상으로 공진 진동한다. 진동 변환기(14)의 작은 진동 변형이 제어 가능한 동적 운동으로 전환된다.

Description

공진 엔진{RESONANCE ENGINE}

본 발명은 나노 비행체(NAV)로 알려진 오니소프터(ornithopter) 비행 장치, 특히 비행과 육상 운동이 가능한 다중 모드 전자기계식 모형 곤충에 특히 적절한 공진 엔진에 관한 것이다.

제어된 제자리 비행과 육상 운동이 가능한, 효율적이고 제어 가능한 곤충 크기의 NAV를 제작하는 것은 만만치 않은 도전임이 입증되고 있다. 업계에서 일반적으로 이해하는 NAV의 규모는 7.5 ㎝의 날개폭과 10 g의 중량 미만으로 한정되지만, 현재의 디자인 활동은 3 ㎝의 날개폭과 1 g의 중량 미만의 규모를 목표로 한다.

NAV 엔진의 추력 대 중량 비는 전원 및 제어 전자장치를 부양시키는 데 필요한 만큼 충분히 높아야 하는데, 구성요소의 전력 밀도의 비선형적 규모 가변성(scalability)으로 인해 점점 축소되는 규모를 대상으로 이를 실현하는 것이 갈수록 어려워지고 있다. 추력 대 중량 비를 높게 유지하고 전력 소모를 낮게 유지하기 위해, 공중 및 육상 운동을 위한 효율적인 모터와 동력전달 시스템을 갖추는 것이 갈수록 중요해지고 있다. NAV의 규모가 축소됨으로 인해, 필적할만한 성능을 유지하기 위해서는 윙 비트(wing beat) 진동수가 그 이상으로 증가될 필요가 있다. 윙 비트 진동수가 높을수록 양력이 보다 효율적으로 제공되고 바람이 거센 조건에서도 비행 안정성이 얻어지지만, 모터와 동력전달 시스템의 증가된 마찰 에너지 손실은 효율성 및 구조 피로 엔진 고장과 연관된 엔진 수명에 불리한 결과를 초래한다.

100 mg 미만의 마이크로기계 곤충 엔진을 개발하기 위한 일반적인 NAV 연구 및 시제품은 하나 이상의 적절한 전자기계식 변환기로부터의 작은 편향을 증폭시키기 위한 굽힘 레버 조인트(flexure lever joint)가 구비된 복합적 기구적 대우(kinematic pair) 동력전달 장치를 사용하여, 전기 에너지를 곤충 모방 비행에 적절한 복합적 날개 운동으로 변형시킨다. 연구 중인 전기기계식 변환기는 압전재, 형상 기억 재료, 절연 탄성체 및 전기화학적 액츄에이터로 구성된다.

NAV의 배터리 또는 전지의 용량은 NAV가 유용한 비행 지속시간을 수행할 수 있을 정도가 되어야 한다. 원격 제어식 실내용 장난감 파리의 경우에는 2~3분의 비행이면 충분할 수 있지만, 상업적 항공 촬영의 경우에는 한 시간 이상의 비행 지속 시간이 이로울 것이다. 그러므로 대부분의 실용적 용도로 사용되는 전원은 부양시키기에는 너무 무거운 구성요소이다.

일반적으로 3 ㎝ 미만의 날개폭으로 점차 축소되는 규모에서, 충분한 추력 대 중량 비를 갖는 엔진 성능을 창출하는 것의 어려움으로 인해, 업계에서는 모터, 기체(airframe) 및 동력전달 장치의 중량을 저감시키는 한편 강도와 전력 밀도를 증가시키기 위해 상당한 노력을 기울이고 있다.

일반적으로, NAV의 필요 날개 운동이 비행 제어 파라미터를 구현하기 위해 보다 높은 운동도(degree of motion)를 사용하는 경우에는, 추가적인 동력전달 장치, 액츄에이터 및 관련 전자장치가 추가되어 엔진의 중량이 증가하고 전력 밀도가 저감된다. 육상 운동을 위한 다리와 같은 부속물이 추가된다면, 이 또한 NAV가 비행 중에 지탱해야 하는 중량을 실질적으로 증가시킬 수 있다.

비, 먼지, 열기, 추위에 노출되는 자연스러운 비행 조건 하에서의 작업성은 또 다른 관심 분야이다. 굽힘-레버 기구적 대우 동력전달 장치는 중량을 증가시키는 보호 외피가 없을 경우 모래와 먼지에 의한 미세 손상을 입기가 쉬울 수 있다. 온도 변동 및 비가 동력전달 장치에 미치는 영향 또한 비행에 방해가 될 수 있다. 현재, NAV 규모의 오니소프터 메커니즘은 어떤 형태로든 상당히 제한된 운동도를 갖는 기구적 대우 동력전달 장치를 사용하며, 따라서 제한된 비순응적 토크 모멘트에서 비롯되는 보다 높은 지지 하중으로 인해 증가된 마찰을 겪는 경향이 있다. 게다가, 이런 메커니즘은 기구적 대우 동력전달 장치(들)가 대응 작용을 위해 장착되는, 견고한 따라서 비교적 무거운 기체를 필요로 한다. 이들 플래핑(flapping) 시스템은 주로 마찰 손실을 저감하고 이에 따라 시스템이 다른 경우에 비해 보다 효율적으로 작동되도록 하는 공진 작동을 함으로써 혜택을 받는다. 그러나 기구적 대우 동력전달 장치(들)의 제한된 운동으로 인해, 시스템은, 작은 변형을 바람직한 날개 운동의 큰 변형으로 효율적으로 증폭하고 변환하는 공진 작업으로부터 직접적으로 혜택을 받지 못한다. 더 정확히 말하자면, 액츄에이터의 작은 편향으로부터 날개의 보다 큰 편향으로의 운동 증폭은 굽힘-레버 운동을 통해 기계적으로 이루어진다.

다른 공지된 NAV 장치는 부속물(날개)을 작동시키기 위해 화학적 구동을 사용한다.

상술한 이러한 엔진 설계의 난점이 실용적 NAV의 등장을 방해하고 있다.

공진 진동수는 돌발적인 구조 고장을 초래할 수 있기 때문에 일부 물리적 제품에서는 보통 기피된다. 그러나, 진동수와 진폭의 변조를 통해 기계식 공진을 적절히 제어함으로써, 특정한 크기와 방향을 갖는 유용한 기계적 편향이 마이크로기계 곤충(NAV)에 부착된 날개 및/또는 다리를 가동할 목적으로 요구에 따라 언제든 생성될 수 있다.

상술한 바와 같은 종래 기술의 비효율성 및 문제를 극복하기 위해, 본 명세서에서는 공진 운동 증폭기(RMA)로 지칭되는 공진 엔진이 제시된다.

본 발명에 따르면,

적어도 하나의 진동 변환기가 결합되는 드라이버 플레이트;

진동 변환기의 여기를 위해 진동 변환기에 연결되는 구동 신호 생성기;

드라이버 플레이트에 부착되는 근단부와 자유 말단부를 가지며 제1 고유 공진 진동수를 갖는 제1 스프링-질량체 공진기; 및

상기 제1 스프링-질량체 공진기에 실질적으로 대향되게 드라이버 플레이트에 부착되는 반작용 수단을 포함하되,

진동 변환기가 상기 고유 공진 진동수에 일치하거나 근접한 성분을 갖는 구동 신호 생성기의 구동 신호에 의해 여기될 때, 제1 스프링-질량체 공진기는 드라이버 플레이트에 대해 실질적으로 역-위상으로 공진 진동하는 것인 공진 엔진이 제공된다.

반작용 수단을 제공하고 적절히 동조된 스프링-질량체 공진기를 구비함으로써, 변환기에 입력되는 에너지는 공진기의 편향, 특히 드라이버 플레이트의 편향으로 변형되는 것에 우선하여 그 자유 말단부의 증폭된 운동으로 변형된다.

구동 신호 생성기는 가변 고조파 성분을 갖는 전기 신호를 발생시키도록 적합화될 수 있는데, 다시 말하자면, 각각 변화될 수 있는 주파수와 진폭을 갖는 주기적 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 예컨대, 구동 신호는 AC 사인파 또는 둘 이상의 사인파의 합일 수 있다. 이런 가변 신호는 엔진을 제어하는 데에 사용될 수 있다.

반작용 수단은 바람직하게는 제1 스프링-질량체 공진기에 실질적으로 대칭되게 드라이브 플레이트 상에 장착되는 제2 스프링-질량체 공진기를 포함한다. 대안예는 드라이버 플레이트 상에서 제1 스프링-질량체 공진기에 대향되는 지점에 장착되는 중량체를 대신 사용할 수 있어서, 제1 스프링-질량체 공진기는 중량체의 관성에 반작용하여 공진하게 된다. 이런 중량체가 사용되는 경우, 중량체는 바람직하게는 전원과 같은 엔진의 보조 부품으로 형성될 수 있다. 실질적으로 대칭되는 제2 스프링-질량체 공진기의 사용을 통해, 구성이 간단해지고 엔진의 중량이 최소화될 수 있는데, 이는 특히 비행 목적을 위해 중요하다. 제1 및 제2 스프링-질량체 공진기는, 공진기의 고유 공진 진동수에 일치하거나 근접한 드라이버 플레이트의 진동에 의해 감응 여기될 때, 드라이버 플레이트를 통해 역-위상 관계로 서로의 토크 모멘트에 대해 반작용한다. 그렇게 함으로써, 제1 및 제2 스프링-질량체 공진기는 실질적으로 드라이버의 변형 성분과의 역-위상 변형 관계를 드라이버 플레이트의 양측 단부에 부여하고, 따라서 드라이버 플레이트의 진동 응력-변형 성분을 주로 진동 응력으로 제한한다. 이에 따라, 드라이버 플레이트는 넓은 진동 변형을 나타내지 않고, 드라이버 플레이트의 진동 에너지 대부분은 드라이버 플레이트의 진동 응력을 통해 스프링-질량체 공진기로 전달되어 공진기의 진동 편향(즉, 변형)으로 변환된다. 이 모드는 과도한 드라이버 변형 없이 또는 활발한 기계적 진동이 반작용할 수 있도록 엔진을 지면이나 베이스 질량체에 부착시킬 필요 없이, 상기 공진기의 길이를 따라 증폭되는 점진 확대식 진동 변형을 허용한다.

바람직하게는, 제2 스프링-질량체 공진기는, 별개로 계측되는 것으로서, 제1 고유 공진 진동수와 다른 제2 고유 공진 진동수를 가진다. 제1 및 제2 공진기가 약간 다른 고유 공진 진동수로 동조되도록 함으로써, 제1 공진기는 제2 공진기에 우선하여 여기될 수 있고, 그 반대도 가능하다. 예컨대, 구동 신호가 제1 공진기의 고유 공진 진동수와 일치하는 성분을 갖는다면, 제1 공진기는 제2 공진기에 비해 증가된 진폭으로 작동할 것이다. 그 반대도 역시 성립한다. 또한, 구동 신호가 제1 및 제2 공진기의 고유 공진 진동수 사이에 속하는 주파수를 갖는 성분을 갖는다면, 상세한 설명에서 보다 철저히 설명되는 바와 같이, 공진기들의 진동수는 동기(lock)되는 경향을 가질 것이다.

바람직한 실시예에서, 하나 또는 각각의 스프링-질량체 공진기의 스프링은, 드라이버 플레이트와 함께, 드라이버 플레이트의 평면에서 볼 때 Z자형인 절곡부를 포함하는데, Z자형 절곡부의 근단부는 드라이버 플레이트와 연속한다. 이 구성은 상세한 설명에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이 특별한 장점을 가진다.

드라이버 플레이트와 제1 스프링-질량체 공진기의 스프링은 단일체로서 서로 일체로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2 스프링-질량체 공진기의 스프링은 드라이버 플레이트와 일체로 형성될 수 있다. 세 구성요소 모두가 일체로 형성될 수도 있다. 이들 실시예는 부품 개수를 줄이고 구성요소 간의 결합 지점의 잠재적 취약성을 방지하고 다른 경우에는 불가능할 수도 있는 제조 기술을 가능하게 한다는 장점을 가진다. 예컨대, 드라이버 플레이트, 제1 및 제2 스프링-질량체 공진기는 복합재를 사용하여 일체로 형성될 수 있다.

날개 및/또는 다리를 구동하기 위한 엔진, 메커니즘 및 제어부를 바람직하게는 단일한 연속 형태의 복합 RMA 부품 내에 포함시키고, 모든 날개 및 다리 모터 기능을 위해 변환기를 공유함으로써, NAV의 모터, 기체 및 동력전달 장치의 복잡성, 중량 및 크기가 실질적으로 저감되고, 따라서 높은 전력 밀도, 견고성 및 내구성을 제공한다.

몇몇 실시예에서, 개별 질량체가 하나 또는 각각의 스프링-질량체 공진기의 자유 말단부 또는 그 가까이에 부착될 수 있다. 스프링-질량체 공진기(들)를 특정 진동수로 동조하기 위한 주요 파라미터 중 하나는 공진기의 질량이다. 스프링 구성요소의 단독 질량이 충분하지 않거나 적절히 분산되지 않은 경우에는, 바람직하게는 스프링의 자유 말단부 측에 부착되는 추가 질량체에 의해 보충될 수 있다.

제1 스프링-질량체 공진기는 일반적으로 스프링의 자유 말단부에 장착되어 작업을 수행할 수 있는 제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템을 형성하는 감쇠기를 추가로 포함한다. 감쇠기는 (육상 운동을 위해) 지면과 연결되는 질량체; (액체 매질 내에서의 추력을 위한) 지느러미(fin); 또는 (공기와 같은 기체 매질 내에서의 추력을 위한) 날개를 포함하는 다양한 형태를 취할 수 있다.

제2 스프링-질량체 공진기를 갖는 실시예에서, 해당 공진기 또한 그 스프링의 자유 말단부에 장착되어 작업을 수행할 수 있는 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템을 형성하는 감쇠기를 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로, 제2 공진기는 그 자유 말단부에 부착되는 감쇠기를 구비하지 않을 수도 있는데, 이 경우에는 제2 스프링-질량체 공진기의 기능이 반작용 수단으로 역할하게 된다. 후자의 실시예에서, 제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템이 날개를 포함하는 경우에, 하나의 날개가 회전 비행을 야기한다.

제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 감쇠기와 같이, 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 감쇠기는 질량체, 지느러미 또는 날개를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템 각각이 날개를 포함하는 경우, 두 개의 날개가 (자연에서와 같이) 서로 같은 방향을 향하도록 부착될 수 있거나, 아니면 대신에 반대 방향을 향하도록 부착될 수 있다(이 경우에는 회전 운동이 유발될 것이다).

회전 실시예는 관련된 자이로 힘(gyroscopic force)으로 인해 추가적인 안정성을 가진다는 장점을 가진다. 또한, 공중을 선회할 때의 하나 또는 복수의 날개의 받음각으로 인해, 추가적인 양력이 야기될 수 있다.

다른 추가적인 스프링-질량체 공진기가 드라이버 플레이트에 부착될 수 있다. 이들 추가 공진기는 각자의 감쇠기를 각각 포함할 수 있다. 특히, 추가적인 날개 쌍이 추가될 수 있다. 추가적 또는 대안적으로, 추가 공진기는 지면에 접촉될 수 있도록 연장되는 다리를 포함할 수 있다. 다리는 육상 운동을 생성하는 방식으로 진동 가능하다.

하나 또는 각각의 추가 스프링-질량체 공진기는 제1 스프링-질량체 공진기(및 제2 스프링-질량체 공진기 또는 다른 어떤 스프링-질량체 공진기)와 상이한 각자의 고유 공진 진동수를 가질 수 있다. 제1 및 제2 공진기의 상대적인 고유 진동수에 관하여 위에서 검토한 바와 같이, 이러한 고유 진동수의 불일치는, 구동 신호의 성분에 변화를 줌으로써 선택되는 공진기가 다른 공진기에 우선하여 여기될 수 있다는 것을 의미한다. 이것이 동작 제어를 위해 어떻게 활용될 수 있는지를 보여주는 구체적인 실시예가 구체적인 설명에 수반된다.

진동 변환기는 압전재, 절연 탄성재, 전자기계적 활성재, 전자기-기계적 활성재, 야기된 진동을 동작시키는 직수집 핵전하 공급원(source of nuclear direct collected-charge-to-motion induced oscillation)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 드라이버 플레이트와 진동 변환기는 단일체로서 일체로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 드라이버 플레이트 자체가 진동 변환기를 형성할 수 있다. 이는 드라이버 플레이트가 예컨대 압전재, 절연 탄성재로 형성되거나 일체형 활성 개재물을 갖는 복합재를 포함하는 경우에 가능하다. 이런 단일체는 추가로 공진기(들)의 스프링과 합체될 수 있으며, 이로써 일체형 엔진을 형성할 수 있다. 이들 실시예는 부품 개수를 줄이고 구성요소 간의 결합 지점의 잠재적 취약성을 방지하며 다른 경우에는 불가능할 수도 있는 제조 기술을 가능하게 한다는 장점을 가진다.

배터리; 충전식 배터리; 원자력 배터리; 전지; 충전식 전지; 태양 전지; 연료 전지를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 탑재형 전원이 포함될 수 있다.

일반적으로, 적어도 하나의 전원은 상기 태양 전지에 입사되는 태양광; 상기 압전 변환기의 외부 진동 자극을 통해 발생되는 전기; 방사성 동위원소의 붕괴; 연료 전지용 연료; 열 격차에 의해 발생되는 전기; 전기 충전기와의 직접적인 전기적 결합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 에너지원에 의해 충전이 가능하다.

추가적 또는 대안적으로, 엔진은 외부의 전자기 에너지를 받아들여 전기 에너지로 정류하도록 적합화된 (예컨대, 유도 코일, 광센서, 안테나 등일 수 있는) 탑재형 리시버를 추가로 포함할 수 있다. 상술한 전원의 임의의 조합을 포함하는 하이브리드 에너지원이 사용될 수도 있다.

비행용 날개를 구비한 엔진의 실시예에서는 엔진 및 관련 보조 구성요소의 중량이 특히 중요하다. 경량 전원은 통상적으로 제한된 전력 공급 및 이에 따른 제한된 비행 시간을 의미한다, 이는 예컨대 위에 열거된 수단에 의한 전원의 충전을 가능하게 함으로써 완화될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 공진 엔진은 응력 및/또는 변형을 검출하기 위해 드라이버 플레이트에 연결되는 응력 또는 변형 센서를 공진 엔진을 포함한다. 이는 상세한 설명에서 보다 충분히 설명되는 바와 같이, 엔진 작동을 진단하기 위해 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 공진 엔진은 자세 센서, 포지션 센서, 방향 센서, 동작 센서, 위치 센서, 관성 센서, 자이로 센서, 자기 센서, 광 센서, 근접 센서, 스캐닝 센서, 고도 센서, 카메라로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서(들)로부터의 출력은 엔진 작동을 제어하기 위해 구동 신호 생성기에 대한 피드백 루프로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 특정 실시예에서는, 적어도 하나의 센서는 기준이 되는 고정 프레임에 대한 엔진의 회전 배향을 검출할 수 있다. 엔진이 회전 비행을 야기하는 구성에 특히 유용한 이런 실시예에서, 회전 배향을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서로부터의 출력은 신호 생성기로부터의 구동 신호와 엔진의 회전을 동기화하도록 피드백 루프로 구동 신호 생성기에 공급된다. 이것은 엔진을 특정 배향으로 유지하기 위해 사용될 수 있다. 추가적 또는 대안적으로, 출력은 회전의 영향을 극복할 수 있도록 다른 구성요소에 의해 사용될 수 있다. 예컨대, 카메라가 신호를 수신하여 화상 캡쳐와 엔진의 특정 배향을 동기화할 수 있으며, 이로써 카메라가 엔진과 함께 회전 중일 때에도 정지된 물체를 촬영할 수 있다.

특정한 회전 실시예에서는, 공진 엔진은 회전식 커플링에 의해 제2의 유사 엔진에 장착될 수 있다. 바람직하게는, 제2 엔진은 제1 엔진과 반대로 회전하도록 구성될 수 있고(즉, 날개가 장착되고), 이로써 제2 엔진은 기준이 되는 고정 프레임에 대해 고정된 회전 포지션을 유지하도록 제어될 수 있다.

엔진은 자동화된 자립형 방식으로 작동하기 위해 필요한 일체의 구성요소를 포함할 수 있지만, 몇몇 실시예에서, 공진 엔진은 구동 신호 생성기를 원격 작동시키기 위한 수단을 포함한다. 이 기능은 예컨대 사람 또는 가상 운전자에 의해 엔진의 원격 작동을 가능하게 한다. 일체의 작동이 자립형인 실시예와는 대조적으로, 이는 특정 구성요소가 엔진에서 제외될 수 있게 함으로써 엔진 중량을 최소화한다.

엔진이 두 개 이상의 스프링-질량체 공진기를 가지는 경우에, 개개의 스프링-질량체 공진기는 바람직하게는 각각의 스프링-질량체 공진기에 의해 발생된 토크 힘 모멘트가 실질적으로 서로 상쇄되고 드라이버 플레이트의 토크 힘 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 동조되고 배열됨으로써, 드라이버 플레이트의 실질적인 편향을 야기하는 대신에, 드라이버 플레이트에 입력되는 실질적으로 모든 에너지가 그 자유 말단부의 편향을 위해 스프링-질량체 공진기로 전달되는 시스템으로 귀결된다. 이렇게 하여, 효율적인 제어와 조합된 최적의 효율이 성취된다. 또한, 비행을 수반하는 실시예에 명백히 해로운 영향을 끼치는 (설치식 중량체와 같은) 보조 반작용 수단에 의존할 필요가 없게 된다.

본 발명은 다음의 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 엔진을 가지는 NAV의 평면도와 정면도를 각각 도시한다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b의 NAV의 등축도이다.
도 2는 날개 및 공진기 운동의 수직, 수평 및 회전 성분을 나타내는 것으로, 정적인 제자리 비행을 위해 배향된 자세를 갖는 개략적인 NAV의 네 가지 윙 스트로크 포지션을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 상향 스트로크 및 하향 스트로크시 세 가지 날개 포지션의 정면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 고양력, 저양력, 좌측 기울기 및 우측 기울기 각각을 위한 윙 스트로크 진폭을 갖는 윙 스트로크 포지션의 상부 및 저부에서의 개략적인 NAV를 각각 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 여섯 개의 다리 공진기, 전원, 원격 측정 및 관성 측정 장치의 추가에 의해 제1 실시예와 대비되는 것으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 공진 엔진이 합체된 원격 제어식 마이크로 기계 곤충의 상면도와 저면도를 각각 도시한다.
도 6은 비행 중에 나노 비행체 전체가 회전할 수 있도록 우측 날개와 정반대로 장착되는 좌측 날개를 가지는 본 발명의 추가적인 실시예를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 두 개의 스프링-질량체 공진기를 가지지만 날개는 하나뿐인 공진 엔진의 상면도와 측면도를 각각 도시한다.
도 8은 반대 방향으로 회전하는 두 개의 날개를 구동하는 두 개의 공진 엔진을 사용하는 NAV를 도시한다.
도 9a는 전원 공급부 및 제어 회로가 엔진의 중심 지점에 부착된, 피드백 감지를 위해 사용되는 전기적으로 구획된 드라이버의 영역을 갖는 하나의 공진 엔진을 사용하는 네 개의 날개를 가지는 NAV를 도시한다.
도 9b는 전원 및 제어 모듈과 센서 모듈이 공진 엔진의 중심점 밑에 장착되는, 네 개의 날개를 가지는 NAV를 도시한다.
도 10은 단 하나의 드라이버 플레이트를 사용하여 완전한 자세 및 추력 제어를 성취할 수 있도록, 여섯 개의 스프링-질량체 공진기와 네 개의 날개 감쇠기를 가지는 NAV의 상면도를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 공진 진동시, 각각의 상향 및 하향 사이클에서, 서로 대향하는 두 개의 드라이버 플레이트와 스프링의 부착점에서의 상반되는 토크 벡터를 설명적으로 도시한다.

다음의 구체적인 설명에서는 나노 비행체(NAV)의 다양한 실시예를 설명한다. 각각의 이들 실시예에는, 진동 변환기의 비교적 작은 진동을 적어도 하나의 스프링-질량체 공진기의 자유단의 비교적 큰 편향으로 증폭시키는 원리에 따라 작동하는 공진 엔진이 공통적으로 제공된다. 이런 공진 엔진은 본 명세서에서는 공진 운동 증폭기(RMA)로 지칭될 것이다.

RMA에 대한 설명이 NAV의 맥락에서 제시되어 있긴 하지만, RMA가 다른 용도에도 용이하게 적용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 날개는 액체에서 "수영"할 수 있는 (나노) 운반체를 위한 지느러미로 대체될 수 있다.

또한, 본 기술이 이런 나노 규모의 용례에 특히 이롭긴 하지만, 그 규모가 변경되어 적절히 적합화된 RMA가 보다 큰 운반체에도 사용될 수 있다.

파리나 벌 같은 곤충을 모방한 NAV(10)의 제1 실시예가 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있다. NAV(10)는 양측으로부터 대칭되게 연장되는 우측 스프링(RS)과 좌측 스프링(LS)을 구비한 드라이버 플레이트(12)를 포함하는, 경량 고인장 탄성체로 이루어진 본체를 가진다. 압전재 또는 다른 전자-기계적 반응성 재료로 이루어진 진동 변환기(14)가 예컨대 접합에 의해 드라이버 플레이트(12)에 결합된다. 이런 하나의 변환기는 드라이버 플레이트(12)의 상면 또는 저면에 있을 수도 있고, 아니면 (도시된 바와 같이) 한 쌍의 이런 변환기가 상하 양면에 있을 수도 있다. 변환기를 여기시키기 위한 구동 신호 생성기(미도시)로부터의 전기적 구동 신호를 공급하기 위해 전극 세트(16)가 변환기(14)에 전기적으로 연결된다.

하나 또는 각각의 변환기는 유니모프(unimorph)(즉, 휴지 위치로부터 멀리 한 방향으로만 절곡되는 경향이 있다) 또는 바이모프(bimorph)(즉, 휴지 위치의 양쪽 측면까지 교대로 절곡되는 경향이 있다)일 수 있다.

각각의 스프링-질량체 공진기는 드라이버 플레이트와 함께, 드라이버 플레이트(12)의 평면에서 볼 때, Z자형인 절곡부를 포함하는데, Z자형 절곡부의 근단부는 드라이버 플레이트(12)와 연속된다.

도시된 Z자형-절곡 스프링이 본 용도에 특히 적절한 것으로 입증되긴 했지만, 다른 구성도 물론 가능하다.

좌측 스프링(LS)과 우측 스프링(RS)의 자유단에는, 각각 멤브레인(18)과 지지용 시맥(vein)(20)을 포함하는 좌측 날개(LD)와 우측 날개(RD)가 부착된다.

또한 좌측 스프링(LS)과 우측 스프링(RS)의 자유단에는 개별 질량체(LM, RM)가 부착된다. 스프링(LS, RS)은 관련 질량체(LM, RM)와 함께, 진동 변환기(14)에 의해 여기되는 것으로서 드라이버 플레이트(12)에 의해 자신의 고유 진동수로 여기되는 스프링-질량체 공진기를 형성한다. 스프링-질량체 공진기는 관련 날개(LD, RD)와 조합되어, 별개로 계측되는 고유 공진 진동수를 각각 가지는 스프링-질량체-감쇠기 시스템을 함께 형성한다.

각각의 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 별개의 고유 공진 진동수는 그 치수, 중량, 중량 분포, 인장 탄성률, 관성, 내풍성(감쇠기가 날개일 경우) 등과 같은 인자의 영향을 받는다. 이에 따라, 공진 진동수는 이들 인자 중 하나 이상을 변화시킴으로써 동조될 수 있다. 좌측 스프링(LS)과 우측 스프링(RS)의 질량 및/또는 좌측 날개(LD)와 우측 날개(RD)의 질량이 추가 질량이 필요하지 않을 만큼 충분한 진동 질량을 가지는 경우에는 개별 진동 질량체(LM, RM)가 필요치 않을 수도 있다는 점을 유의해야 한다.

사용 중에 진동 변환기(14)가 여기될 때, 적어도 하나의 주기적 성분을 갖는 구동 신호 생성기로부터의 전기적 구동 신호의 공급에 의해, 변환기는 해당 주기적 성분에 반작용하여 굴곡되도록 압박된다. 이는 다음으로 드라이버 플레이트(12)에 진동 응력 및 변형을 유발한다. 이러한 드라이버 플레이트(12)의 응력 및 변형은 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 편향, 특히 각각의 스프링(LS, RS)의 자유단의 증폭된 편향, 그리고 이에 따른 날개(LD, RD)의 증폭된 편향으로 변환된다. 따라서 스프링(LS, RS)은, 공진기 감쇠기로서의 역할을 하고 윙 비트와 더불어 양력과 추력을 제공하는 부착 날개(LD, RD)에 의해 사용되는 자신의 저장 에너지에 비례하여 그 자유단에서 넓은 진폭의 진동 운동을 나타낸다.

구동 신호 생성기는 예컨대, 스프링-질량체 공진기의 기본 공진 진동수에 일치하거나 근접하고 대개 정현파의 형태를 갖는 하나 이상의 혼합 주파수 성분을 포함하는 교류를 포함하는 구동 신호를 발생시키도록 적합화된다. 이 교류(AC) 구동 신호는, 스프링-질량체 공진기의 고유 진동수와 동조되는 경우, 스프링-질량체 공진기가 드라이버 플레이트(12)와 서로에 대해 역-위상 변형 관계를 나타내는 데 기인하여 드라이버 플레이트(12)에 진동 굽힘 응력을 유발하고, 그 결과 드라이버의 변형이 크게 상쇄됨으로써, 다른 경우라면 취성 압전재를 손상시킬 수도 있는 과도한 변형이 최소화된다. 이 원리에 따르면, 스프링-질량체 공진기 부속물에 강력한 모멘텀을 부여하기 위해 PZT 응력이 드라이버 플레이트(12)를 실질적으로 변형시킬 필요가 없기 때문에, 보다 효율적인 여기가 가능해진다.

감쇠식 공진기 스프링(LS, RS)는 질량체(LM, RM) 및 날개(LD, RD)와 더불어 전극(16)에 대한 적절한 전기적 신호에 의해 여기될 때 바람직한 진동 운동을 수행할 수 있도록 그 형태와 프로파일과 위치가 정해진다. 날개 운동은 공진기 형태, 질량 분포, 인장 강도 및 드라이버의 교류 전기적 구동 신호의 고조파 성분에서 비롯된다. 이로써 최종 운동은 효과적인 비행 및 비행 제어를 위해 요구되는 여러 개의 축을 따라 이루어지는 회전 및 병진 운동의 다양한 조합일 수 있다.

좌측 스프링(LS)과 우측 스프링(RS)은 날개(LD, RD)와 더불어, 날개 회전을 포함하는 플래핑 날개 운동을 돕는 공기력에 대한 수동적 운동 순응을 허용하는 자신의 형태와 프로파일에 따라 여러 가지 탄성 자유도를 가진다.

윙 스트로크가 변할 때마다 수행되는 큰 규모의 수동적 익단 회전을 보조하기 위해, 암 세그먼트의 종횡비와 프로필은 적절한 가로 방향 회전 탄성 순응을 허용하도록 최적화될 수 있다.

적절히 구성된 스프링-질량체 공진기는, 두 개 이상의 축에서 이동하고 드라이버의 고조파 응력 성분에 의해 독립적으로 제어 가능한 두 개 이상의 공진 진동수에 반응할 수 있다. 예컨대, 전방 및 후방 날개 운동 성분은 드라이버 신호에 다른 진동수 성분을 추가하고, 바람직한 운동 반작용을 생성하는 방식으로 새로운 진동수 성분에 감응할 수 있도록 적절히 공진기를 형성함으로써 생성될 수 있다.

최적의 날개 편향은 구동 신호의 주기적 성분이 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 고유 공진 진동수(또는 그 고조파)에 일치하거나 근접할 경우에 성취될 수 있다.

각 날개의 편향 진폭이 구동 신호의 변경에 의해 제어될 수 있도록, 좌측 공진기(LS, LM)의 고유 공진은 바람직하게는 우측 공진기(RS, RM)와 유사하지만 약간 다른 진동수로 동조된다. 자유 공간에서, 하나의 유사 드라이버 진동수에 의해 여기되는 경우, 좌측 및 우측의 운동 위상은 좌측 및 우측 날개(RD, LD)가 서로 동일한 진동수의 윙 비트 진동수로 (되도록 약간 상이한 위상각으로) 플래핑되도록 동기된다. 실질적으로, 좌측 및 우측은 자체의 고유 진동수를 가지는 단일 스프링-질량 공진기 시스템을 함께 형성한다. 그러나 개개의 구성요소(즉, 좌측 및 우측)는, 드라이버 진동수가 좌측 스프링-질량체 공진기(LS, LM) 또는 우측 스프링-질량체 공진기(RS, RM)의 고유 진동수에 얼마나 근접한가에 따라 제각각 변화하는 윙 비트의 진폭으로 플래핑된다. 이에 대해서는 기울기(roll) 제어의 맥락에서 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 상세히 설명된다.

본 발명의 다른 실시예(미도시)에서는, 좌측 스프링(LS), 우측 스프링(RS) 및 드라이버 플레이트(12)가 전부 압전재, 압전 복합재 또는 다른 전자-기계적 반응성 재료로 형성되어, 전자기계적 반응성 재료로 이루어진 별도의 접합식 변환기(14)를 사용하지 않고 이들 부품 모두가 드라이버이자 공진기가 된다.

도 2는 정적인 제자리 비행을 위해 배향된 자세를 취하는 NAV의 네 개의 하향 스트로크 운동 위치(N1 내지 N4)의 측면도로서, 양력 방향(L)과 날개 배기(wing exhaust)의 순방향(E)을 보여주고 있다. (익단 진폭에 대응하는) 상-하 날개 운동 성분(D)은 전-후 날개 운동 성분(F) 및 날개 회전 운동 성분(R)과 결합하여 곤충형 비행 운동의 기본 성분을 제공한다(상술한 수동적 운동 순응으로 인해, 윙 비트는 실제로는 8자형의 프로파일로 이루어진다). 그러나 다른 운동 성분은 관련 구동 진동수 자극에 의해 감응 여기되는 적절한 형태의 RMA를 사용함으로써 실현될 수 있다. 상-하 운동 성분(D)의 진폭은 진동형 드라이버의 응력 및 변형이 공진기의 고유 진동수에 동조되는 정도와 드라이버 신호의 진폭에 직접 비례한다. 수동적 날개 회전 운동(R)은 날개의 전연 및 후연에서의 불균등한 날개 부하로 인한 것이며, 날개의 탄성 변형 및 공진기의 순응적 탄성 비틀림의 결과이다.

도 3a는 날개가 후방(K1, K2, K3)으로 회전되고 대회전점(또는 마디)(P1)을 중심으로 플래핑되는 것으로, RMA의 상향 스트로크(D1)의 세 개의 운동 위치의 정면도를 도시한다.

도 3b는 날개가 전방(K1, K2, K3)으로 회전되고 대회전점(또는 마디)(P1)을 중심으로 플래핑되는 것으로, RMA의 하향 스트로크(D2)의 세 개의 운동 위치의 대응되는 정면도를 도시한다.

도 4a 내지 도 4d는, 가변 진동수 및 전력(바람직하게는 사인파)으로 구성되고, 따라서 요구에 따라 독립적인 위상 동기 좌-우 윙 스트로크 진폭 제어를 제공하는 단 하나의 드라이버 신호에 의해 제어되는 NAV(10)를 개략적으로 도시한다. 드라이버의 전력에 변화를 줌으로써, 윙 스트로크의 진폭은 추력 제어를 위해 증가되거나 감소될 수 있는데, 추력은 윙 스트로크의 진폭과 직접적으로 연관되고 날개 배기에 대해 반대 방향이라는 점을 유의해야 한다.

실제로, 제1 및 제2 스프링-질량 공진기가, 충분한 독립된 반작용 수단(예컨대, 공진기에 의해 인가되는 힘에 반작용하기에 충분한 중량)과는 별개로, 동기된 진폭을 갖는 단일 공진기 시스템으로서 효과적으로 작동한다는 것이 실험을 통해 확인되었다. 하나의 스프링-질량 공진기가 다른 공진기와 다른 고유 공진 진동수로 동조되는 경우에, 다른 공진기로부터의 반작용이 제1 공진기에 의해 발생되는 힘을 완전히 상쇄하지 못한다. 즉, 단지 부분적으로 상쇄하거나 전혀 상쇄하지 못한다.

최선의 작동을 위해, 각각의 스프링-질량 공진기는 동일한 고유 공진 진동수를 갖는 한 세트의 공진기의 일부를 포함하는데, 이 공진기 세트는, 세트의 한 구성요소를 통해 작용하는 힘이 하나 또는 각각의 다른 세트 구성요소를 통해 작용하는 힘에 의해 상쇄되도록 배치된다. 이에 대해서는 도 10에 도시된 실시예를 참조하여 보다 충분히 설명된다. 그럼에도 불구하고, 약간 상이한 드라이브 진동수에 반작용하는 날개를 구비함으로써 비행을 제어하는 원리는 여전히 유효한데, 이에 대해서는 이하에서 설명된다.

도 4a는, 드라이버 신호 전력이 높게 설정되고, 넓은 윙 스트로크의 상부(RD1, LD1)와 넓은 윙 스트로크의 저부(RD2, LD2)에 도시되어 있는 약간 차이 나게 동조된 감쇠식 공진기들의 고유 공진 사이의 값으로 드라이버 진동수가 설정됨으로써, 윙 스트로크의 진폭(RA1, LA1)이 서로 동일한 진폭을 가지게 되고 따라서 균형 잡힌 수직 양력을 제공하는 NAV(10)를 도시한다.

도 4b는 드라이버 신호 전력이 도 4a보다 낮은 수준으로 설정된 NAV(10)를 도시한다. 드라이버 진동수는 마찬가지로, 좁은 윙 스트로크의 상부(RD3, LD3)와 좁은 윙 스트로크의 저부(RD4, LD4)에 도시되어 있는 약간 차이 나게 동조된 감쇠식 공진기들의 고유 공진 사이의 값으로 설정됨으로써, 윙 스트로크의 진폭(RA2, LA2)이 서로 동일한 진폭을 가지게 되고 따라서 균형 잡힌 수직 양력을 제공하지만, 이는 도 4a의 구동 신호에 비해 저감된 수준에서 이루어진다.

대체로, 유사하지만 약간 차이 나게 동조된 고유 진동수를 갖는 실질적으로 대칭되게 장착된 감쇠식 공진기를 구비한 RMA는, 드라이버 신호의 진동수에 감응 공진하여 위상 동기되며, 임의의 비동조 응력 성분을 좌-우 윙 스트로크의 진폭 차 및/또는 위상각 차로 나타낸다. 두 개의 감쇠식 공진기들의 고유 진동수 사이의 값으로 드라이버의 신호 진동수에 변화를 줌으로써, 기울기 제어에 유용한 차별적인 좌-우 윙 스트로크 진폭을 얻을 수 있다. 이런 위상 고정 공진기 간에는 약간의 위상각 차가 있을 수 있지만 이들 공진기는 서로 동일한 진동수로 공진하는 것이 관찰되었다.

도 4c는, 드라이버 신호 전력이 높게 설정되고 드라이버 신호 진동수가 그 사이의 값이긴 하지만 좌측 감쇠 공진기(LD5)보다 우측 감쇠 공진기(RD5)의 고유 진동수에 가깝게 설정된 것으로, 감쇠식 공진기가 윙 스트로크의 상부(RD5, LD5)와 윙 스트로크의 하부(RD6, LD6)에 도시된 NAV(10)를 도시한다. 이런 설정은 우측의 넓은 윙 스트로크 진폭(RA3)과 좌측의 좁은 윙 스트로크 진폭(LA3)을 야기하여, 윙 스트로크 진폭(RA3, LA3) 간의 격차가 존재하게 된다. 그러므로 RMA(15) 우측의 양력이 좌측에 비해 커지고, 이로 인해 NAV(10)는 좌측(L)으로 기울게 된다.

도 4D는, 드라이버 신호 전력이 높게 설정되고 드라이버 신호 진동수가 그 사이의 값이긴 하지만 우측 감쇠 공진기(RD7)보다 좌측 감쇠 공진기(LD7)의 고유 진동수에 가깝게 설정된 것으로, 감쇠식 공진기가 윙 스트로크의 상부(RD7, LD7)와 윙 스트로크의 하부(RD8, LD8)에 도시된 NAV(10)를 도시한다. 이런 설정은 좌측의 넓은 윙 스트로크 진폭(LA4)과 우측의 좁은 윙 스트로크 진폭(RA4)을 야기하여, 윙 스트로크 진폭(RA4, LA4) 간에 격차가 존재하게 된다. 따라서 RMA(15) 좌측의 양력이 우측에 비해 커지고, 이로 인해 NAV(10)는 우측(R)으로 기울게 된다.

도 5a 및 도 5b는 비행 및 지면 운동이 가능한 다중 모드 NAV로서 NAV(10a)의 제2 실시예를 도시한다. NAV(10a)는 제1 실시예의 NAV(10)와 유사하지만 추가적인 구성요소를 포함한다. 참고로 유사 부품은 제1 실시예와 동일한 참조 번호로 표기되어 있다. 또한, 본 실시예의 진동 변환기(14)는 드라이버 플레이트(12)의 바로 상측에 부착되는 일체형 요소이다.

좌측 및 우측 날개(LD, RD)에 추가하여, 그 고유 진동수가 날개 공진기와 상이한 진동수대로 동조되고 서로 약간씩 차이 나게 동조된 여섯 개의 추가 공진기가 하향으로 돌출되어, NAV가 지면에 있는 경우 지상 운동을 위한 다리 역할을 한다.

각각의 다리는 날개 공진기의 스프링과 유사하지만 그보다는 얇은 Z자형-절첩 스프링(S1 내지 S6)을 포함한다. 스프링의 근단부는 드라이버 플레이트(12)와 연속되게 연결된다. 개별 질량체(M1 내지 M6)는 스프링의 자유단에 장착된다.

개별 질량체(M1 내지 M6)를 가지는 대신에, 해당 질량이 다리 스프링(S1 내지 S6)의 질량에 포함될 수 있다. 약간 차이 나게 동조된 다리 공진기의 고유 진동수 언저리의 값으로 드라이버 신호의 진동수를 스윕함으로써, 스윕 드라이버 진동수와 가장 근접하게 동조된 다리는 덜 동조된 다리 공진기보다 언제나 강하게 반작용하게 되고, 이를 통해 지면에 대한 다리의 진동 접촉력의 독립적 제어가 가능하게 되어 원하는 방향으로 NAV(10)를 추진시킬 수 있기 때문에, 제어된 전후좌우로의 도약 진동 운동이 이루어진다.

육상 운동과 비행 간의 상호 전환이 NAV(10a)에 요구될 때는, 단지 각각의 날개 또는 다리 공진기의 고유 진동수와 동조되도록 드라이버 진동수를 변경시켜주기만 하면 된다. 모든 모터 기능을 위해 하나의 드라이버를 공유함으로써, 중량 저감이 이루어진다.

도 5a 및 도 5b는 또한 환경 및 관성 감지 피드백용으로 드라이버 플레이트(12)에 부착되는 제어 전자장치(22)를 도시한다. 배터리; 충전식 배터리; 원자력 배터리; 전지; 충전식 전지; 태양 전지; 또는 연료 전지를 포함할 수 있는 전원을 포함하는 전력 모듈(24)이 또한 드라이버 플레이트(12)에 결합된다. 태양 전지판(26)과 같은 수단이 전원 충전용으로 제공될 수 있다. 전원은 그 대신에, 태양 전지에 입사되는 태양광, 압전 변환기의 외부 진동 자극을 통해 발생되는 전기, 방사성 동위원소의 붕괴, 연료 전지용 연료, 열 격차에 의해 발생되는 전기 또는 충전기와의 직접적인 전기적 결합과 같은 적어도 하나의 에너지원에 의해 충전될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 전력 모듈(24)은 외부의 전자기 에너지를 받아들여 전기 에너지로 정류하도록 적합화된 리시버를 포함할 수 있다. 이런 리시버의 예는 유도 코일; 광센서; 안테나 등을 포함한다.

상술한 에너지원의 임의의 조합을 포함하는 하이브리드 에너지원이 사용될 수 있다.

전력 모듈(24)은 전력 제어 회로와 구동 신호 생성기(미도시)를 포함할 수 있다. 전력 모듈(24)은 전극 및 관련 전선(16)에 의해 변환기(14)에 전기적으로 연결된다.

전자 제어 회로는 예컨대 전자기 방사 원격 제어에 의해 원격 제어될 수 있고, 리시버(28)는 전력 및 제어 모듈(24)에 전기적으로 연결될 수 있다.

보다 양호한 비행 제어를 위해 장착되는 두 개 이상의 분리형 드라이버와 날개 공진기(미도시)가 대안적인 NAV의 본체에 집중될 수 있다.

보다 복잡한 접철부와 복잡한 공진기 스프링의 프로파일 특성은 윙 스트로크 전환시 순간적인 이행 변화를 유발할 수 있어서 강력하고 활발한 날개 회전과 다른 유익한 공진 진동수 운동 효과(미도시)를 가능하게 한다.

도 3a 및 도 3b를 통해, 편향 중에 스프링 암이 약간 절곡된다는 것을 알 수 있다. 절곡 반경이 스프링 암의 길이를 따라 실질적으로 균등해질 수 있도록, 스프링 암은 자유단 쪽으로 재료를 덜 사용함으로써 테이퍼진 프로파일을 가질 수 있다. 절곡부가 균일할수록 에너지 전달 효율은 높아진다.

도 6은 서로 반대 방향을 향하는 날개(30, 31)를 구비한 대향 장착된 두 개의 공진기 날개 감쇠기를 가지는 NAV(10b)의 제3 실시예를 도시하는데, 이를 통해 NAV는 날개(30, 31)의 플래핑과 회전에 의해 가동되는 회전 윙 비행체(rotary wing aircraft)가 되기 때문에, NAV는 부착된 전력 모듈(33)과 제어 전자장치 모듈(35)을 포함하여, 자이로 힘과 증가된 양력(L)에 기인하는 증대된 안정성을 위해 비행 중에 회전하게 된다.

단 하나 또는 임의의 개수의 날개, 지느러미 또는 다른 수단이 운동 능력을 제공하는 방식으로 직접 또는 간접적으로 작업을 수행하기 위해 저장된 공진기 에너지를 이용하도록 사용될 수 있다. 하나의 감쇠식 공진기가 사용되는 경우에는, 공진기가 반작용을 위한 관성 질량을 가질 수 있도록 전력 및 제어 부분의 모든 질량체가 날개의 대향측에 장착된다. 이것의 예는 단풍나무 씨앗(미도시)과 비슷한 형태의 플래핑 및 회전용 단일 날개 NAV가 될 것이다. 두 개 이상의 유사한 진동수 감쇠 공진기가 사용되고 이들이 대향되게 배치되는 경우에, 이들의 역-위상 반작용 토크가 서로 반대로 작용하게 되어 공진기의 반작용을 위한 관성 질량을 필요로 하지 않는다.

이러한 원리들은, NAV의 제4 실시예(10c)가 두 개의 스프링-질량체 공진기(LS, LM, RS, RM)를 갖지만 좌측 공진기에 부착된 하나의 날개 감쇠기(D1)만을 갖는 회전용 NAV를 포함하는 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예에서 통합된다. 좌측 공진기는 우측 공진기에 대향되게 드라이버 플레이트(12)에 장착된다. 좌측 및 우측 공진기는 유사한 진동수로 동조되고, 적절한 구동 신호의 제어 하에서, 날개(D1)를 플래핑하여 NAV(10c)가 질량체(C)의 중심부를 중심으로 회전하도록 한다. 양력(L)은 날개(D1)의 플래핑과 회전에 의해 생성된다.

이런 실시예에서, 전력 및 제어 회로 모듈(37)은 RMA의 중심부(C)에 장착된다. NAV(10c)는, NAV(10c)가 그 회전 위상을 따라 한정된 지점에서 드라이버의 여기 신호 진폭을 증가시키고 이에 따라 해당 지점에서의 양력을 순간적으로 증가시킴으로써 모든 자세 제어를 수행할 수 있도록 NVA의 회전 둘레의 상대점을 감지하는 자기 센서 및 광센서를 포함할 수 있는 센서 모듈(39)을 구비한다.

도 8은, NAV(50)가 반대로 회전하는 두 개의 날개(D1, D2)를 구동하는 두 개의 RMA를 포함하는 제5 실시예를 도시한다. 두 개의 단일 날개 RMA(60, 70)가 그 회전 중심 주위에 회전식 커플링(R)을 사용하여 상호 부착된다. 제1 RMA(60)의 날개(D1)는 반대로 돌아선 상태로 제1 RMA(70)의 날개(D2)를 향하고 있어서, 이들의 회전 방향(61, 71)은 서로 반대가 된다. 제4 실시예의 NAV(10c)와 대략 유사할 수도 있는 제1 RMA(60)는 전력 및 제어 회로 모듈(37)을 포함하고, 회전(61)시 NAV(50)에 양력(L)과 자세 교정을 제공하는 반면에, 제2 RMA(70)는 NAV(10c)의 모듈(39)과 동일한 자기 센서 및 광센서를 포함할 수 있는 센서 모듈(38)로부터의 피드백을 이용하여 주변에 대한 상대적 회전 위치를 유지하기 위해 그 날개(D2)로부터의 추력을 사용한다.

도 9a는, 변환기(14)가 NAV의 제어 전자장치 모듈(84)과 센서 모듈(86)에 연결된 두 개의 부착식 전선(81, 82)을 이용하여 응력-변형 피드백을 감지하기 위한 전기적으로 분리된 영역(80)을 가짐으로써, 최대 효율을 위한 정확한 드라이버 여기 진동수로 적절히 동조된 공진을 검출할 수 있는 NAV(10d)의 제6 실시예를 도시한다. NAV(10d)는 두 쌍의 날개, 즉, NAV의 세로 길이를 따라 형성되는 축을 중심으로 서로 대칭되게 배치되는 큰 날개 한 쌍(90)과 작은 날개 한 쌍(92)을 가진다.

도 9b는, 균형 잡힌 진동 응력-변형 성분에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전력 및 제어 모듈(24)과 센서 모듈(22)이 RMA의 중심점(C)에서 드라이버 플레이트(12)의 하측에 부착된 NAV(10e)의 제7 실시예를 도시한다.

도 10은 서로 대향되게 드라이버 플레이트(12)에 장착되는 세 쌍의 대향 스프링-질량 공진기를 가지는 NAV(10f)의 제8 실시예를 도시한다.

한 쌍의 스프링-질량체 공진기(LS, LM, RS, RM)의 2 구성요소 스프링-질량체 공진기는 드라이버 신호의 고조파 성분의 유사한 진동수 성분에 함께 반응할 수 있도록 유사한 진동수로 동조되고, NAV(10f)에 양력을 제공하기 위해 부착되는 날개 감쇠기(LD, RD)를 가진다. 2 구성요소 공진기는 드라이버 플레이트(12) 상의 축을 따라 서로 대향되게 배치됨으로써, 공진기에서 비롯되는 토크 모멘트가 서로를 상쇄한다(또한 해당 축에 작용하는 드라이버 플레이트 자체로부터의 토크 모멘트를 상쇄한다).

제2 스프링-질량체 공진기 쌍(LS2, LM2, RS2, RM2) 또한 제1 쌍의 축에서 오프셋된 드라이버 플레이트(12) 상의 다른 축을 따라 서로 대향되게 배치되는 유사하게 동조된 두 개의 구성요소를 포함한다. 제2 스프링-질량체 공진기 쌍(RS2, RM2) 중에서 오직 하나만이 그곳에 부착되는 날개 감쇠기(RD2)를 가진다. 이 날개(RD2)는 NAV에 자세 제어를 제공한다. 제2 쌍의 대향측 구성요소는 그곳에 부착되는 날개 감쇠기를 가지지 않는데, 이 구성요소의 유일한 기능은 대향측 스프링-질량체-감쇠기(RS2, RM2, RD2)에서 비롯되는 토크 모멘트를 상쇄하는 것이다. 제2 쌍(LS2, LM2, RS2, RM2)의 동조 진동수는 제1 쌍(LS, LM, RS, RM)과는 다르다.

제3 유사 동조 스프링-질량체 공진기 쌍(LS3, LM3, RS3, RM3)은 제2 쌍과 유사하지만, 우측이 아니라 좌측에 부착되고 여전히 다른 상이한 진동수로 동조되는 날개 감쇠기(LD3)를 가진다. 제3 쌍이 배치되는 축은 제2 쌍과 동일한 각도만큼 제1 쌍의 축에서 오프셋되지만, 다른 의미에서는, 이로써 NAV(10f)의 종축을 따라 대칭되는 배열을 제공한다. 제2 쌍의 단일 날개 감쇠기(RD2)와 마찬가지로, 단일 날개 감쇠기(LD3)는 NAV에 자세 제어를 제공한다.

이 구성은, 가변적 진폭(바람직하게는 사인파)을 갖는 세 개의 다른 진동수 진동 신호를 합산하여 드라이버 여기 신호를 형성하고, 이를 통해 각각의 스프링-질량체 공진기 쌍이 드라이버 신호의 고조파 성분이 자신의 진동수를 갖는 경우에만 활발한 운동으로 반응하도록 함으로써 세 쌍의 공진 스프링-질량체 부속물에 대한 독립적인 윙 스트로크의 진폭 제어를 허용한다. 드라이버의 여기 신호의 고조파 성분이 세 쌍의 스프링-질량체 공진기 중 하나 이상과 유사한 진동수 성분을 포함하는 한, 드라이버의 변형은 최소로 유지되는 반면, 드라이버의 진동 응력 에너지는 날개의 활발한 운동으로 최대한 효율적으로 변환된다.

본 실시예는 각각의 공진기 쌍이 진성 동조 쌍으로서의 역할을 함으로써, (질량체와 같은) 추가 반작용 수단을 사용할 필요 없이 각 쌍의 대향측 공진기에 의해 생성된 토크 모멘트를 상쇄한다는 점에서 특히 바람직하다. 바람직하게는, 각각의 쌍은 드라이버 플레이트(12)의 중심점을 통과하는 각각의 축을 따라 배치된다. 물론, LS3, LM3(및 LD3)과 같은 대향측 스프링-질량체(-감쇠기) 공진기로부터의 모멘트를 상쇄하기 위해 RS3, RM3와 같은 하나의 스프링-질량체 공진기가 사용되는 것이 아니라, 모두 동일한 진동수로 동조되고 그 합산된 모멘트가 대향측 스프링-질량체(-감쇠기) 공진기 모멘트를 상쇄할 수 있도록 배열되는 두 개 이상의 스프링-질량체 감쇠기가 하나의 스프링-질량체 감쇠기(RD3, RM3)를 대신할 수 있다. 예컨대, 스프링-질량체 공진기(RS3, RM3)는, 제3 쌍이 원래 정렬되어 있던 축의 양측에 서로 대칭되게 오프셋 배열되는 한 쌍의 경량 스프링-질량체 공진기에 의해 대체될 수 있으며, 대체 쌍의 모멘트의 합은 스프링-질량체 공진기(RS3, RM3)의 모멘트와 대등하다(그리고 스프링-질량체(감쇠기) 공진기(LS3, LM3)(및 LD3)의 모멘트와 대등하지만 상반되는 성질을 갖는다).

도 11a 및 도 11b는 두 개의 스프링-질량체 공진기(RS, LS, RM, LM)가 서로 대향되게 부착된 RMA의 두 위상을 공진 진동시의 상향 및 하향 사이클로 각각 도시한다.

도 11a는 상향 사이클의 종단 쪽으로 높은 위치에 있는 질량체(RM, LM)를 도시한다. 이 상태에서, 스프링-질량체 공진기는, 스프링-질량체 공진기가 드라이버 플레이트에 부착되는 지점인 드라이버 플레이트(12)의 양측 대향 단부(RC, LC) 상측으로 절곡되려고 하는 토크 힘 벡터(RSU, LSU)를 인가한다. 동시에, 드라이버 플레이트(12)의 토크 힘 벡터(RDD, LDD)는 변환기(14)의 작동 하에서 대향 단부(RC, LC) 하측으로 절곡되려고 한다.

도 11b는 하향 사이클의 종단 쪽으로 낮은 위치에 있는 질량체(RM, LM)를 도시한다. 이 상태에서, 스프링-질량체 공진기는, 드라이버 플레이트의 양측 대향 단부(RC, LC) 하측으로 절곡되려고 하는 토크 힘 벡터(RSD, LSD)를 인가한다. 동시에, 드라이버 플레이트(12)의 토크 힘 벡터(RDU, LDU)는 변환기(14)의 작동 하에 대향 단부(RC, LC) 상측으로 절곡되려고 한다.

사이클이 진행되는 내내, 스프링-질량체 공진기에 의해 인가되는 토크 힘 벡터는 드라이버 플레이트(12)에 의해 인가되는 토크 힘 벡터를 상쇄하려는 경향을 갖게 되며, 이에 따라 드라이버 플레이트의 시도된 넓은 진동 변형을 실질적으로 상쇄한다. 연결점(RC, LC)에서 드라이버 플레이트(12)에 부착된 스프링(RS, LS)의 단부는 바람직하게는 중심점(C)에 대해 최소 변형을 나타낸다. 그 결과, 진동 변환기(14)에 의해 드라이버 플레이트(12)에 유발된 응력은 드라이버 플레이트(12)의 변형(즉, 편향)으로 변환되지는 않지만, 에너지의 효율적인 전달을 통해 스프링(RS, LS)의 길이를 따라 점진적으로 확대되는 변형으로 변환된다. 이는 예컨대 날개와 같은 하나 이상의 감쇠기와 결부되어 작업을 수행하기에 적절한 넓고 활발한 편향(RO, LO)으로 귀결된다.

압전재가 변환기(14) 용으로 사용되는 경우, 이런 180° 위상 이탈 상태는 과도한 변형에 의한 손상이 방지되기 때문에 변환기가 다른 경우에 비해 보다 강하게 구동될 수 있다는 것을 의미한다. 두 개 이상의 스프링-질량체 공진기가 집단으로 드라이버 변형을 최소화하는 복수 진동수 선택 가능 변형을 일으키는 방식으로 동조되어 드라이버 플레이트(12)에 배치될 수 있다.

별도의 진동 변환기(14)가 드라이버 플레이트(12)에 접합되는 대신에, 예컨대 압전재 또는 일체형 활성 개재물을 갖는 재료로 전체를 형성함으로써 두 구성요소가 단일체로 형성될 수 있다.

대략 꿀벌 크기의 작은 규모의 경우, 현재 입수 가능한 배터리 기술의 전력 밀도가 단지 짧은 비행 지속 시간만을 제공하는 까닭에, 몇 미터 정도의 단거리 작동의 경우에는 RMA 기반 NAV가 지속 비행용으로 기내에 장착된 유도 코일에 대한 전자기 방사에 의해 전달되는 전력을 얻을 수 있고, 착륙할 필요 없이 전자기장 가까이에서 제자리 비행함으로써 비행 중에도 충전될 수 있도록 하는 방식을 고려해볼 수 있다.

물론, 상술한 다양한 실시예의 양태는 추가적인 대안적 NAV를 개발하기 위해 다른 실시예의 양태와 조합될 수 있다. 예컨대, 응력 또는 변형 센서가 임의의 다른 실시예에도 사용될 수 있다. 마찬가지로, 일 실시예의 전력 모듈 및/또는 센서 모듈은 다른 실시예의 모듈로 대체될 수 있다. 도 10의 쌍으로 동조되는 공진기의 원리는 임의의 다른 실시예에도 확대 적용될 수 있다.

일부 NAV 디자인은, 전원, 센서 및 제어 전자장치에 부착되어 각기 다른 여기 신호 진폭에 의해 독립적으로 제어됨으로써 자세 배향 제어에 적절한 공간적으로 분리된 여러 개의 추력 공급원을 제공하는 두 개 이상의 분리형 RMA로 구성될 수 있다.

RMA 엔진의 원리는 규모 면에서 광범위하게 적용될 수 있다. 예컨대, 대형 RMA가 적절히 설계된 경량의 공기-탄성 날개에 사용되어, 탑승자 등의 제어용 벨트에 부착되는 일인승 수송기로 형성될 수 있다.

작은 변형을 사용하여 작업을 수행하는 압전 구동 방식이 많은 제품에 널리 사용되고 있는 바, RMA 엔진은 일반적으로 견고한 지지용 프레임이나 반작용을 위한 질량체를 필요로 하지 않고, 그 드라이버가 일반적으로 작동 중에 경미한 변형을 나타내는 까닭에, 그 원리는 압전재를 사용하는 다수의 제품을 보다 효율적으로 만들기 위해 사용될 수 있으며 바람직하지 않은 진동, 지지용 프레임 또는 질량체를 대폭 줄일 수 있다.

일반적으로, RMA 엔진은 압전 드라이버 플레이트에 실질적으로 서로 대향되게 접합되는 두 개 이상의 스프링-질량체 공진기에 부착되는 하나 이상의 날개 감쇠기를 사용하는 NAV로 사용될 수 있다. 이러한 공진 스프링-질량체-감쇠기 시스템은 드라이버 플레이트에 의해 여기되어 공진하며, 압전 진동 응력과 일부의 잔류 변형을 증폭하여 날개의 드라이브에 적절한 큰 회전 편향으로 변환한다. 빠른 윙 비트는 공진을 감쇠시켜 에너지로서 이용하고 강력한 후류 와류(wake vortex) 추력을 생성한다. 하나의 드라이버가 모든 모터 기능을 위해 사용된다.

응력 및 작은 드라이버 변형의 폭 넓은 플래핑 날개 운동으로의 증폭은 피봇 결합되는 부품이나 다른 유형의 기구적 대우를 사용하지 않고 오로지 공진 운동 증폭에 의해서만 이루어지기 때문에, 본 엔진은 NAV 규모의 전자기계식 곤충 디자인에 이상적으로 적절한 낮은 마찰, 높은 속도 및 높은 효율성을 제공한다.

RMA 모터와 동력전달 메커니즘이 근접 배치되는 부품을 가지지 않기 때문에, 마찰로 인한 기계적 엔진 고장과 이물질 오염으로 인한 고장이 줄어든다.

공진기 부속물을 포함하여 RMA 전체가 몰딩, 3-D 프린팅, 압출 및 기타 확립된 제조 방법에 의해 일체로 형성될 수 있기 때문에, 제조 비용이 적게 든다.

적절한 형태의 공진기를 제조함으로써, 지정 가능한 양의 3차원적 수동식 순응 운동이 실현될 수 있고, 따라서 수동 날개 회전을 포함하는 복잡한 곤충 비행 운동을 돕는다.

단 하나의 일체형 RMA가 하나 이상의 드라이버 진동수에 대해 하나 이상의 공진 기계적 반작용을 하도록 형성될 수 있고, 이에 따라 정의된 운동이 비행 제어의 확장을 위한 드라이버 신호를 조절함으로써 요구에 따라 언제든 수행될 수 있기 때문에, 메커니즘의 복잡성이 줄어든다.

RMA는 부착식 서브섹션의 조립체로 형성될 수도 있지만, 바람직하게는 날개의 시맥을 포함하여 일체형으로 형성된다.

RMA와 날개 시맥은 탄소나노튜브와 그래핀과 같은 다른 재료로 이루어질 수도 있지만, 바람직하게는 탄소 및/또는 초고분자량 폴리에틸렌 섬유 복합재를 사용하는 경량의 고인장 부품으로 제조된다.

RMA의 진동식 드라이버는 하나 이상의 접착식 압전 부품으로 이루어질 수도 있지만, 바람직하게는 본체의 양면에 접합되는 두 개의 압전재층을 갖춘 바이모프로 형성된다.

각각의 공진기 쌍이 서로 대향되게 드라이브 플레이트(12) 상에 존재하는 것으로 설명되어 있긴 하지만, 하나 이상의 추가 반작용 수단(추가 질량체 또는 추가 공진기)이 힘의 상쇄를 위해 사용되지 않는 한, 덜 효율적인 배열이 될 가능성이 있다 하더라도 이런 대칭적 정렬로부터 약간 오프셋되는 배열도 물론 가능하다.

날개 드라이브용 엔진 자체와 메커니즘은 단일 복합재 부품으로 형성될 수 있다. 본 방안은 곤충 크기 장치의 중량을 저감하고 높은 윙 비트 진동수를 생성할 수 있다. 본 장치는 단일 가요성 부품을 사용하여 흉부 외골격, 곤충의 배복근 및 배측세로근을 대체한다.

단일 스프링-질량체 공진기와 드라이버는, 반대 굽힘 모멘트를 고립시키는 반작용 수단으로서의 역할을 하는 무거운 베이스(지면)에 드라이버의 대향 단부가 부착되지 않는 한, 가벼운 와이어 결선을 사용할 경우 공진시 폭 넓은 편향을 나타내지 않는다. 그러나, 두 개의 거울상 공진기가 드라이버의 양측 대향 단부에 장착되는 경우에는, 토크 힘이 역-위상을 이루어 각각의 스프링-질량체 공진기에 가상 지면을 제공하기 때문에, 두 공진기 모두 큰 날개 편향을 생성한다.

본 엔진은 독립된 드라이버 플레이트(12), 변환기(14) 및 스프링-질량체 공진기와 같은, 함께 조립되는 많은 개별 요소를 포함할 수 있거나, 경량의 고인장 탄성체로 이루어진 연속체를 사용하여 형성될 수도 있다.

Claims

적어도 하나의 진동 변환기가 결합되는 드라이버 플레이트;
상기 진동 변환기의 여기를 위하여 진동 변환기에 연결되는 구동 신호 생성기;
제1 고유 공진 진동수를 가지고 상기 드라이버 플레이트에 부착되는 근단부 및 자유 말단부를 가지는 제1 스프링-질량체 공진기; 및
상기 제1 스프링-질량체 공진기에 실질적으로 대향되게 드라이버 플레이트에 부착되는 반작용 수단을 포함하고,
상기 진동 변환기가 상기 고유 공진 진동수에 일치하거나 근접한 성분을 갖는 상기 구동 신호 생성기로부터의 구동 신호에 의해 여기될 때, 상기 제1 스프링-질량체 공진기는 상기 드라이버 플레이트에 대해 실질적으로 역-위상으로 공진 진동하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항에 있어서,
상기 구동 신호 생성기는 가변 고조파 성분으로 이루어진 전기적 신호를 발생시키도록 적합화되어 있는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 반작용 수단은 상기 제1 스프링-질량체 공진기에 실질적으로 대칭되게 상기 드라이버 플레이트에 장착되는 제2 스프링-질량체 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제3항에 있어서,
상기 제2 스프링-질량체 공진기는, 별개로 계측되는 것으로서, 상기 제1 고유 공진 진동수와 상이한 제2 고유 공진 진동수를 갖는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 또는 각각의 스프링-질량체 공진기의 스프링은, 상기 드라이버 플레이트와 함께, 드라이버 플레이트의 평면에서 볼 때 Z자형인 절곡부를 포함하되, 상기 Z자형 절곡부의 근단부가 상기 드라이버 플레이트와 연속되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드라이버 플레이트와 하나 또는 각각의 스프링은 단일체로서 서로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 또는 각각의 스프링-질량체 공진기의 자유 말단부 또는 그 가까이에 부착되는 개별 질량체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 스프링-질량체 공진기는 스프링의 자유 말단부에 장착되는 감쇠기를 추가로 포함하고, 이로써 제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제8항에 있어서,
상기 감쇠기는 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제3항에 따른 제9항에 있어서,
상기 제2 스프링-질량체 공진기는 그 스프링의 말단부에 장착되는 감쇠기를 추가로 포함하고, 이로써 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템을 형성하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제10항에 있어서,
상기 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 감쇠기는 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제11항에 있어서,
상기 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 날개는 상기 제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 날개와 동일한 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제11항에 있어서,
상기 제2 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 날개는 상기 제1 스프링-질량체-감쇠기 시스템의 날개의 반대 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제3항 또는, 제3항에 따르는 어느 한 항에 있어서,
상기 드라이버 플레이트에 부착되는 적어도 하나의 추가 스프링-질량체 공진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제14항에 있어서,
하나 또는 각각의 추가 스프링-질량체 공진기는 상기 제1 스프링-질량체 공진기와 상이한 각자의 고유 공진 진동수를 가지는 공진 엔진.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 스프링-질량체 공진기는 지면과 접촉하도록 연장되고 육상 운동을 생성하는 방식으로 진동 가능한 다리를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동 변환기는 압전재, 유전 탄성재, 전자기계적 활성재, 전자기-기계적 활성재, 야기된 진동을 동작시키는 직수집 핵전하 공급원(a source of nuclear direct collected-charge-to-motion induced oscillation)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드라이버 플레이트와 상기 진동 변환기는 단일체로서 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
배터리; 충전식 배터리; 원자력 배터리; 전지; 충전식 전지; 태양 전지; 연료 전지를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 탑재형 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제19항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전원은 상기 태양 전지에 입사되는 태양광; 상기 압전 변환기의 외부 진동 자극을 통해 발생되는 전기; 방사성 동위원소의 붕괴; 연료 전지용 연료; 열 격차에 의해 발생되는 전기; 전기 충전기와의 직접적인 전기적 결합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 에너지원에 의해 충전이 가능한 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
외부의 전자기 에너지를 받아들여 전기 에너지로 정류하도록 적합화된 탑재형 리시버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 드라이버 플레이트에 연결되어 그 힘을 검출하는 응력 또는 변형 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
자세 센서; 포지션 센서; 방향 센서; 동작 센서; 위치 센서; 관성 센서; 자이로 센서; 자기 센서; 광 센서; 근접 센서; 스캐닝 센서; 고도 센서; 카메라로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제23항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센서는 기준이 되는 고정 프레임에 대한 엔진의 회전 배향을 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제2항과 제9항 또는 제13항에 따른 제24항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센서로부터의 출력은 상기 신호 생성기로부터의 구동 신호와 엔진의 회전을 동기화하도록 피드백 루프로 구동 신호 생성기에 공급되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제25항에 있어서,
회전식 커플링에 의해 장착되는 제2 유사 엔진을 추가로 포함하되, 상기 제2 엔진은 기준이 되는 상기 고정 프레임에 대해 고정된 회전 위치를 유지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 신호 생성기를 원격에서 작동시키기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
제3항 또는, 제3항에 따른 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스프링-질량체 공진기는 각각의 스프링-질량체 공진기 공진기에 의해 발생된 토크 힘 모멘트가 서로를 실질적으로 상쇄하고 상기 드라이버 플레이트의 토크 힘 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 동조되고 배열됨으로써, 상기 드라이버 플레이트의 실질적인 편향을 야기하는 대신, 상기 드라이버 플레이트에 입력되는 실질적으로 모든 에너지가 그 자유 말단부의 편향을 위해 스프링-질량체 공진기에 전달되는 시스템으로 귀결되는 것을 특징으로 하는 공진 엔진.
첨부 도면을 참조하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 공진 엔진.