KR101234562B1

KR101234562B1 - 외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈

Info

Publication number: KR101234562B1
Application number: KR1020110130502A
Authority: KR
Inventors: 노명현; 박규식; 박찬희
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-02-19

Abstract

본 발명은 압전방식과 전자기 유도 방식 그리고 외부 진동인가 구조에 의해 증대된 전기 에너지를 수확할 수 있는 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 판상형으로 서로 마주하는 한 쌍의 상,하부 베이스와; 상기 상,하부 베이스의 양쪽 또는 어느 한 쪽에 위치되어 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 전자기유도 코일부와; 상기 상부 베이스와 하부 베이스의 사이에 배치되어 어느 한쪽에 대해 고정되고 다른 한쪽에 대해 이동 가능하게 설치되어 있는 통형의 고정블록과; 일측 고정단이 상기 고정블록에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부에 위치되어 방사상으로 배열되고, 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단에서 최대 진폭으로 진동하도록 설치된 다수의 진동기판과; 상기 진동기판에 설치되어 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전류를 생성하는 하나 이상의 단위 압전소자와; 상기 다수의 진동기판의 자유단측에 설치되어 외부 진동에 의해 진동하여 상기 전자기유도 코일부를 삽통하는 자성체; 및 외부 충격이나 진동이 상기 고정블록을 포함한 상기 상부 베이스 또는 상기 하부 베이스에 인가되기 위해 고정블록의 이동 방향쪽에 설치된 다수의 진동 유도스프링을 포함하고, 상기 진동기판에는 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구 또는 일정 영역내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀이 형성되고, 상기 응력집중 개구 또는 상기 응력집중홀이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자가 적층으로 집적되며, 상기 진동기판은 그 빗변측에 상기 응력집중 개구 또는 상기 응력집중홀로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈을 제공한다.

Description

외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈{Vibration generating module with external vibration permission structure and bending stress induced hole for hibrid energy harvesting}

본 발명은 진동 에너지로부터 전기 에너지를 획득할 수 있도록 한 진동 발전 모듈에 관한 것으로, 특히 압전방식인 다수 개의 단위 발전소자를 휨응력이 집중되는 영역에 집적하고 동시에 자성체가 코일의 중심에서 방사상으로 집중되게 배열 통과되도록 배치하여 압전방식과 전자기 유도 방식 그리고 상,하부 진동 인가구조에 따라 증대된 전기 에너지를 수확할 수 있는 외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈에 관한 것이다.

광의의 에너지 수확기술은 생산되는 전력량에 따라 주위 환경(일상의 외력)을 에너지원으로 하여 발전, 발생된 에너지를 포집 및 저장하는 에너지 하베스팅 기술(Micro 발전)과 태양광, 태양열, 풍력, 수력, 파랑, 지열 등의 친환경 에너지원으로부터 전력을 생산하는 신재생에너지 발전 기술(Macro 발전)로 분류할 수 있다.

여기서 에너지 하베스팅은 소비되거나 미활용되는 에너지를 수확(Harvesting) 또는 폐이용(Scavenging)하여 에너지를 재생산하는 것으로 정의할 수 있다.

또한 주변의 에너지를 전력으로 변환하는 에너지 하베스팅 소자에 있어 진동을 기반으로 하는 소자에는 압전, 정전, 전자기 유도를 이용한 하베스터가 있다.

이중 압전기반 진동방식으로 에너지 수확을 함에 있어 발전 전력의 극대화를 위한 기술은 공진 주파수 튜닝 기술, 대역폭 확대 기술, 수확에너지 증폭 기술 및 발전소자 하이브리드화 기술 등이 제시되고 있다. 예로 발전소자 하이브리드화 기술로는 미국특허 제7397169호, 미국특허 제7800278호, 미국특허 제7116036호, 한국 공개특허 제2011-26644호가 있다.

또한 전자기유도 방식의 에너지 하베스팅 기술은 가장 전통적인 발전기술인 전자기유도 방식을 이용한 에너지 수확기술로서 영구자석 또는 코일의 이동을 주변의 진동을 이용하는 방식, 방향과 무관하게 에너지를 수확할 수 있는 기술 등이 제안되고 있다. 이러한 기술로는 대한민국 공개번호 제2011-54860호, 동 공개번호 제2011-29930호, 동 공개번호 2010-31357호가 있다.

그러나 이러한 배경기술들은 하나의 방식을 채택하여 적용된 것으로 에너지 수확의 증대를 위해 한계를 갖는 문제가 있다.

미국특허 제6858970호에 서로 다른 주 주파수에 공진하는 압전 재료로 피복된 구조 부재를 가지는 에너지 하베스터 발전소자가 제시되어 있다. 대한민국 특허 공개번호 제2010-99014호에는 각각의 캔틸레버에 설치된 질량체는 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지는 에너지 하베스터가 제시되어 있다. 대한민국 특허 공개번호 제2010-125090호에는 어느 방향으로 구조물이 진동하는 경우라도 원활하게 전력을 발생할 수 있으며 전력 생산이 원활한 공진주파수의 범위를 쉽게 확장할 수 있어 다양한 가진주파수를 가지는 가진원에 쉽게 적용될 수 있는 에너지 하베스터 단위 모듈이 제시되어 있다. 일본 특허 공개번호 제2008-67451호에는 압전소자의 길이방향이 반경방향이 되도록 방사상으로 배치하고 압전판이 서로 접촉하지 않도록 길이방향의 한쪽 끝을 원주상의 제1지지부재로 통합 지지하고 다른 한쪽 끝을 제2윤상의 지지부재로 통합 지지하여 진동에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환하는 에너지 변환장치가 제시되어 있다. 그러나 이들 특허문헌들은 압전 소자를 이용한 단일 방식일 뿐만아니라 적은 인가 진동에 대해 보다 높은 휨응력이 발생하도록 유도하여 에너지 수확량을 증대시키는 기술이 제시되어 있지 않다.

본 발명은 압전방식인 다수 개의 단위 발전소자를 휨응력이 집중되는 영역에 집적하고 동시에 자성체가 코일의 중심에서 방사상으로 집중되게 배열 통과되도록 배치하여 압전방식과 전자기 유도 방식 그리고 외부 진동인가 구조에 의해 증대된 전기 에너지를 수확할 수 있는 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면,

판상형으로 서로 마주하는 한 쌍의 상,하부 베이스와;

상기 상,하부 베이스의 양쪽 또는 어느 한 쪽에 위치되어 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 전자기유도 코일부와;

상기 상부 베이스와 하부 베이스의 사이에 배치되어 어느 한쪽에 대해 고정되고 다른 한쪽에 대해 이동 가능하게 설치되어 있는 통형의 고정블록과;

일측 고정단이 상기 고정블록에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부에 위치되어 방사상으로 배열되고, 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단에서 최대 진폭으로 진동하도록 설치된 다수의 진동기판과;

상기 진동기판에 설치되어 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전류를 생성하는 하나 이상의 단위 압전소자와;

상기 다수의 진동기판의 자유단측에 설치되어 외부 진동에 의해 상기 전자기유도 코일부를 삽통하는 자성체; 및

상기 외부 충격이나 진동이 상기 고정블록을 포함한 상기 상부 베이스 또는 상기 하부 베이스에 인가되기 위해 고정블록의 이동 방향쪽에 설치된 다수의 진동 유도스프링을 포함하고,
상기 진동기판에는 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구 또는 일정 영역내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀이 형성되고,
상기 응력집중 개구 또는 상기 응력집중홀이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자가 적층으로 집적되며, 상기 진동기판은 그 빗변측에 상기 응력집중 개구 또는 상기 응력집중홀로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈을 제공한다.

또한, 상기 진동 유도스프링은 하부 베이스와 상기 고정블록의 하단면의 사이에 위치되어 하부 고정/상부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정블록은 상,하부 베이스에 모두 고정되고;

상기 상부 베이스의 중앙에는 자성체에 당접되어 이동 가능한 진동판이 설치되고;

상기 진동 유도스프링은 상기 진동판의 복귀 동작을 유도하도록 설치되어 하부 고정/상부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동 유도스프링은 상부 베이스와 상기 고정블록의 상면의 사이에 위치되어 상부 고정/하부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

판상형으로 서로 마주하는 한 쌍의 상,하부 베이스와;
상기 상,하부 베이스의 양쪽 또는 어느 한 쪽에 위치되어 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 전자기유도 코일부와;
상기 상부 베이스와 하부 베이스의 사이에 배치되어 어느 한쪽에 대해 고정되고 다른 한쪽에 대해 이동 가능하게 설치되어 있는 통형의 고정블록과;
일측 고정단이 상기 고정블록에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부에 위치되어 방사상으로 배열되고, 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단에서 최대 진폭으로 진동하도록 설치된 다수의 진동기판과;
상기 진동기판에 설치되어 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전류를 생성하는 하나 이상의 단위 압전소자와;
상기 다수의 진동기판의 자유단측에 설치되어 외부 진동에 의해 상기 전자기유도 코일부를 삽통하는 자성체; 및
외부 충격이나 진동이 상기 고정블록을 포함한 상기 상부 베이스 또는 상기 하부 베이스에 인가되기 위해 고정블록의 이동 방향쪽에 설치된 다수의 진동 유도스프링을 포함하고,
상기 진동 유도스프링은 상부 베이스와 상기 고정블록의 상면의 사이에 위치되고,

이와 동시에 상기 자성체에 형성된 돌기를 연속적으로 타격하여 자성체를 강제 진동시키는 회전 날개와;

상기 상부 베이스를 삽통하여 상기 회전날개에 풍압을 도입하는 풍압덕트를 포함하여 상부 고정/하부 및 외부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자성체는 다수의 진동기판의 자유단에 각기 개별적으로 설치되도록 분할 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자성체는 다수의 진동기판의 자유단에 공통적으로 연결되도록 단일 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자기유도 코일부는,

원통형을 이루는 내측 코일과;

상기 내측 코일의 둘레에 원통형으로 형성되어 배치된 외측 코일로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전자기유도 코일부는 다수의 자성체에 각기 개별적으로 대응되는 개별 코일로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판은 자유단측에서 고정단측으로 단면이 증가되는 부채꼴 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판은 자유단측에서 고정단측으로 단면이 증가되는 직각삼각형 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판은 단층 구조로 설치되거나 상,하부로 분리되어 상호 일정한 간격을 갖고 복층 구조로 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판에는 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구가 형성되고;

상기 응력집중 개구에 다수의 단위 압전소자가 적층으로 집적되어져 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판에는 일정 영역내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀이 형성되고;

상기 응력집중홀이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자가 적층으로 집적되어져 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판은 그 빗변측에 상기 응력집중 개구로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진동기판은 그 빗변측에 상기 응력집중홀이 형성된 영역으로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈은, 압전방식인 다수 개의 단위 발전소자를 휨응력이 집중되는 영역에 집적하고 동시에 자성체가 코일의 중심에서 방사상으로 집중되게 배열 통과되도록 배치하여 압전방식과 전자기 유도 방식 그리고 외부 진동 또는 충격에 고감도로 작동하는 진동구조에 의해 증대된 전기 에너지를 수확할 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈의 정단면도.
도 2a는 도 1의 A-A선에서 본 단면도.
도 2b는 도 2a에서 자성체와 코일의 변형예를 보여주는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 적용되는 자성체와 코일의 다양한 구성을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 적용되는 진동기판의 일 예를 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 적용되는 진동기판의 다른 예를 나타낸 평면도.
도 6a 및 도 6b는 단위 압전소자가 적층된 상태에서의 도 5의 B-B선 단면도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈의 정단면도.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈의 정단면도.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈의 정단면도.
도 10은 본 발명에 적용되는 진동기판의 변형된 설치 예를 나타낸 평면도.
도 11은 도 10에서 단위 압전소자의 설치 구조를 보여주는 진동기판의 평면도.
도 12는 도 11의 변형예를 보여주는 평면도.
도 13은 도 12의 D-D선 단면도로서 단위 압전소자가 적층된 상태를 나타내는 도면.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈은 고정 방법 및 진동 인가 구조에 따라 4가지 실시예로 구현될 수 있다.

<제1 실시예>

본 발명의 제1 실시예에 따른 '외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈'은 하부 고정/상부 진동인가 구조에 따른 것이다.

제1 실시예는 도 1 내지 도 2b와 같이 각기 일정한 두께를 갖는 판상형의 상부 베이스(20a)와 하부 베이스(20b)가 구비된다. 하부 베이스(20b)는 원판 형태로 구성되어 있으나 이러한 형태에 제한되는 것은 아니다. 상,하부 베이스(20a,20b)는 후술할 자성체(70)가 흡착되는 것을 방지하기 위해 비철금속을 제외한 소재로 제작된다.

상,하부 베이스(20a,20b)에는 각기 전자기유도 코일부(30)가 배치되어 있다. 전자기유도 코일부(30)는 각기 상,하부 베이스(20a,20b)의 상면 및 하면의 중앙부에 고정 지지된다. 전자기유도 코일부(30)는 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 코일을 갖는다. 전자기유도 코일부(30)는 일 형태로서 도 3a와 같이 원통형을 이루는 내측 코일(32)과 상기 내측 코일(32)의 둘레에 원통형으로 형성되어 배치된 외측 코일(34)로 구성된다. 이들 내측 코일(32)과 외측 코일(34)은 각기 코일이 권취되어 동일 중심축상에 배치된다. 코일의 권취 횟수는 내,외측 코일(32,34)이 동일하거나 서로 다르게 할 수도 있다. 이때 내측 코일(32)의 외주면과 외측 코일(34)의 내주면 사이에는 후술할 자성체(70)가 자유롭게 삽통할 수 있는 원통형 공극을 갖는다. 또한 전자기 유도코일부(30)는 다른 형태로서 도 2a 및 도 3a와 같이 다수의 자성체(70)에 각기 개별적으로 대응되는 개별 코일(130a)로 구성될 수도 있다.

상부 베이스(20a)와 하부 베이스(20b)의 사이에는 고정블록(40)이 배치되어 있다. 고정블록(40)은 상부 베이스(20a)에 고정되어 있고 하부 베이스(20b)에 상대적으로 이동가능하게 설치되어 있다. 이때 고정블록(40)은 하부 베이스(20b)의 상면에 대해 수직 방향으로 이동가능하게 설치된다. 이를 위해 고정블록(40)의 하면에 끼움축을 형성하여 하부 베이스(20b)를 삽통하는 구조를 갖거나 이의 반대 방향으로 축 구조를 가질 수 있다. 고정블록(40)은 후술할 진동기판(50)의 방사상 배열을 위해 원통형으로 구성되어 있으나 이러한 형태에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 고정블록(40)이 진동기판(50)을 복층으로 설치하기 위해 복수개가 적층된 구조로 설치되어져 고정수단인 볼트(44)에 의해 고정되어져 한 몸체로 조립된다.

고정블록(40)에는 동일 평면상으로 다수 개의 진동기판(50)이 설치되어 있다. 다수의 진동기판(50)은 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단이 최대폭을 갖고 상하 진동하도록 설치된다. 즉, 진동기판(50)은 외팔보 형태로 일측 고정단이 고정블록(40)에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부(30)에 위치되어 있다. 따라서 다수개의 진동기판(50)은 자성체(70)의 집적도를 높이기 위해 전자기유도 코일부(30)의 내측 코일(32)을 중심으로 방사상으로 배열되어 있다. 진동기판(50)은 탄성력으로 휨모멘트에 저항하고 휨모멘트 제거시 탄성복원력으로 복귀가 가능한 소재로 제작된다. 본 실시 예에서 진동기판(50)은 그 고정단이 진동기판(50)의 진동시 지지력을 크게 하기 위해 바람직하게 자유단측에서 고정단측으로 단면이 증가되는 부채꼴 형태로 구성하였으나 본 발명은 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.

여기서 진동기판(50)은 2가지 형태의 구조로 설치될 수 있다. 제1 형태는 진동기판(50)을 단층 구조로 설치하는 것이고, 제2 형태는 도 1과 같이 상호 일정한 간격을 갖고 복층 구조로 설치하는 것이다. 이와 같이 진동기판(50)을 복층 구조로 설치할 경우 후술할 단위 압전소자(60)를 더욱 고밀도화시켜 단위 면적당 에너지 수확 효율을 증대시킬 수 있다.

진동기판(50)에는 각기 하나 이상의 단위 압전소자(60)가 설치된다. 단위 압전소자(60)는 진동기판(50)의 진동시 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전위차가 발생하여 전류를 생성한다. 단위 압전소자(60)는 이미 알려진 수정, 로셀염, 티탄산바륨, 세라믹 등의 물질로 제작된 것이 될 수 있다. 이때 단위 압전소자(60)는 진동기판(50)의 응력집중 구조에 따라 2가지 구조로 설치될 수 있다.

그 첫 번째 구조는, 도 4와 같이 진동기판(50)의 고정단에서 가까운 위치에 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구(52)를 형성하고, 이 응력집중 개구(52)에 다수의 단위 압전소자(60)가 적층 구조로 집적되어진 것이다. 이때 하나의 단위 압전소자(60)는 진동기판(50)의 상하 이동방향에 따른 압축과 인장력을 받아 전류를 발생시킨다. 도 4에는 응력집중 개구(52)가 하나로 구성되어 있으나 몇 개로 분할된 형태로 나타날 수도 있다.

두 번째 구조는, 도 5 및 도 6과 같이 진동기판(50)의 일정 영역(51)내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀(54)이 형성되고, 응력집중홀(54)이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자(60)가 적층 구조로 집적되어진 것이다. 이때 응력집중홀(54)의 크기는 상대적으로 응력집중 개구(52)보다 작다.

이같이 응력집중 개구(52) 또는 응력집중홀(54)을 갖는 영역(51)에 단위 압전소자(60)를 설치하는 이유는 진동기판(50)의 진동시 휨응력이 집중되어 변위가 크게 발생되도록 하기 위함이다.

진동기판(50)에는 외부 진동에 의해 진동하는 자성체(70)가 설치되어져 있다. 자성체(70)는 진동기판(50)의 자유단측에 설치되어 전자기유도 코일부(30)에 가까이 설치되어져 있다. 자성체(70)는 내측 코일(32)과 외측 코일(34)의 사이에 형성된 원통형 공극에 원형으로 배열되어 있다. 자성체(70)는 외부 진동과 공진하기 위해 외부 진동을 직접 받을 수 있다. 자성체(70)는 2가지 형태로 구성될 수 있다. 제1 형태의 자성체(70)는 도 3b와 같이 다수의 진동기판(50)의 자유단에 각기 개별적으로 설치되도록 분할 형태를 이루는 것이고, 제2 형태의 자성체(70)는 도 3a와 같이 다수의 진동기판(50)의 자유단에 공통적으로 연결되도록 단일 형태를 이루는 것이다. 따라서 제 2형태의 경우 자성체(70)는 원통형으로 구성된다.

외부 충격이나 진동이 상기 고정블록(40)을 포함한 상부 베이스(20a)에 인가되기 위해 고정블록(40)의 이동 방향쪽에 다수의 진동 유도스프링(80)이 설치된다. 즉, 진동 유도스프링(80)은 하부 베이스(20b)와 고정블록(40)의 하면측에 설치된다. 이때 진동 유도스프링(80)은 원주상으로 일정 간격마다 설치됨이 바람직하다. 바람직하게 진동 유도스프링(80)은 외부에서 인가되는 진동 주기에 일치하여 자성체(70)의 공진이 유도될 수 있는 스프링상수를 갖는 것이 선택된다.

이와 같이 구성된 제1 실시예의 작용을 설명한다.

먼저, 외부 충격이나 진동이 상부 베이스(20a)에 인가되면, 고정블록(40)이 상부 베이스(20a)와 함께 진동하게 되고 동시에, 고정블록(40)에 연결되어 있는 진동기판(50)도 함께 진동하게 된다.

이때 진동기판(50)은 상하 복층 구조로서 고정단을 중심으로 하여 자유단이 상하로 최대 진폭을 가지고 이동하게 된다. 따라서 진동기판(50)의 자유단에 설치된 자성체(70)가 진동기판(50)과 함께 공진하게 된다. 즉, 자성체(70)는 고정블록(40)측을 고정단으로 하여 상하로 운동을 반복하게 된다. 따라서 자성체(70)는 내외측 코일(32,34)을 반복적으로 삽통하면서 상대적 속도가 발생되고 이로 인해 내,외측 코일(32,34)에 기전력이 발생되어 전류가 생성된다. 이때 자성체(70)는 내측 코일(32)의 중심을 두고 방사상으로 집중적으로 배치되어 있어 내,외측 코일(32,34)에 발생되는 기전력의 크기가 증대된다.

이와 동시에 진동기판(50)의 자유단 공진에 따른 단위 압전소자(60)가 설치된 응력집중 개구(52) 또는 응력집중홀(54)을 갖는 영역(51)에 보다 높은 휨응력이 발생된다. 따라서 단위 압전소자(60)에서 얻는 전류의 수확량이 증대된다. 더욱이 진동기판(50)이 복층 구조로 설치되어 단위 압전소자(60)가 더욱 고밀도화되어 단위 면적당 에너지 수확 효율이 증대된다.

< 제2 실시예>

본 발명의 제2 실시예에 따른 '외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈'은 하부 고정/상부 진동인가 구조에 따른 것으로 도 7에 도시되어 있다. 도 7에서 도면 부호는 제1 실시예와 동일 또는 동등한 부분은 동일 부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 '외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈'은 제1 실시예와 동일한 구성 요소를 갖는다. 다만, 고정블록(40)이 상,하부 베이스(20a,20b)에 모두 고정되어 있고, 상부 베이스(20a)의 중앙에는 자성체(70)에 당접되어 이동 가능한 진동판(22)이 설치되고, 진동 유도스프링(80)은 진동판(22)의 복귀 동작을 유도하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

따라서 제2 실시예에서는 외부 충격이나 진동이 상부 베이스(20a)에 인가되면 고정블록(40)은 고정된 상태에서 진동판(22)이 상하로 반복적으로 이동운동을 하게 되고, 진동판(22)에 당접되어 있는 자성체(70)가 상하로 연동하여 전자기유도 코일부(30)를 삽통하면서 진동하게 되어 전자기유도 코일부(30)에 전류가 얻어진다.

이같이 제2 실시예의 경우에도 외부 진동이 인가되어 도 4 및 도 5와 같이 단위 발전소자인 진동기판(50)의 자유단 진동에 따른 단위 압전소자(60)가 설치된 응력집중 개구(52) 또는 응력집중홀(54)을 갖는 영역(51)에 보다 높은 휨응력이 발생된다. 따라서 단위 압전소자(60)에서 얻는 전류의 수확량이 증대된다. 더욱이 진동기판(50)이 복층 구조로 설치되어 단위 압전소자(60)가 더욱 고밀도화되어 단위 면적당 에너지 수확 효율이 증대된다.

< 제3 실시예>

본 발명의 제3 실시예에 따른 '외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈'은 하부 고정/상부 진동인가 구조에 따른 것으로 도 8에 도시되어 있다. 도 8에서 도면 부호는 제1 실시예와 동일 또는 동등한 부분은 동일 부호를 사용하여 설명한다.

제3 실시예의 경우는 제1 실시예의 구성과 동일하며 도 8과 같이 단지 진동 유도스프링(80)의 위치가 반대 방향으로 설치된 것이다. 즉, 도 8에서와 같이 진동 유도스프링(80)이 상부 베이스(20a)와 상기 고정블록(40)의 상면의 사이에 위치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서 상부측 상부 베이스(20a)가 고정된 상태에서 하부측 하부 베이스(20b)에 진동 또는 충격이 인가되는 구조이다.

먼저, 외부 충격이나 진동이 하부 베이스(20b)에 인가되면, 고정블록(40)이 상부 베이스(20a)와 함께 진동하게 되고 동시에, 고정블록(40)에 연결되어 있는 진동기판(50)도 함께 진동하게 된다.

이때 진동기판(50)은 고정단을 중심으로 하여 자유단이 상하로 최대 진폭을 가지고 이동하게 된다. 따라서 진동기판(50)의 자유단에 설치된 자성체(70)가 진동기판(50)과 함께 진동하게 된다. 즉, 자성체(70)는 고정블록(40)측을 고정단으로 하여 상하로 운동을 반복하게 된다. 따라서 자성체(70)는 내외측 코일(32,34)을 반복적으로 삽통하면서 상대적 속도가 발생되고 이로 인해 내,외측 코일(32,34)에 기전력이 발생되어 전류가 생성된다. 이때 자성체(70)는 내측 코일(32)의 중심을 두고 방사상으로 집중적으로 배치되어 있어 내,외측 코일(32,34)에 발생되는 기전력의 크기가 증대된다.

이와 동시에 제1 실시예와 동일하게 진동기판(50)의 자유단 진동에 따른 단위 압전소자(60)가 설치된 응력집중 개구(52) 또는 응력집중홀(54)을 갖는 영역(51)에 보다 높은 휨응력이 발생된다. 따라서 단위 압전소자(60)에서 얻는 전류의 수확량이 증대된다. 더욱이 진동기판(50)이 복층 구조로 설치되어 단위 압전소자(60)가 더욱 고밀도화되어 단위 면적당 에너지 수확 효율이 증대된다.

<제4 실시예>

본 발명의 제4 실시예에 따른 '외부 진동 인가 구조 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈'은 상부 고정/하부 및 외부 진동인가 구조에 따른 것으로 도 9에 도시되어 있다. 도 9에서 도면 부호는 제1 실시예와 동일 또는 동등한 부분은 동일 부호를 사용하여 설명한다.

제4 실시예는 제3 실시예와 동일한 구성과 구조를 가지며 부가적으로 외부 진동 인가구조를 더 갖는 것을 특징으로 하고 있다.

즉, 도 9에서와 같이 진동 유도스프링(80)은 상부 베이스(20a)와 상기 고정블록(40)의 상면의 사이에 위치되고, 이와 동시에 자성체(70)에 형성된 돌기(71)를 연속적으로 타격하여 자성체(70)를 강제 진동시키는 회전 날개(90), 상부 베이스(20a)를 삽통하여 회전날개(90)에 풍압을 도입하는 풍압덕트(92)를 더 포함하여 구성한 것이다. 이때 풍압덕트(92)의 토출구는 회전날개(90)에 회전이 일어나도록 편향되게 구성될 수 있다.

또한 자성체(70)는 예로 원통형을 직경 방향으로 절단하여 2분할로 구성한 것이 될 수 있다. 회전 날개(90)는 자성체(70)의 배치 영역에서 중앙측에 위치하여 회전이 자유롭도록 설치된다. 회전날개(90)는 풍압덕트(92)를 통해 유입된 풍속에 의해 일방향으로 회전한다. 이때 풍압덕트(92)는 외부에서 발생된 풍속을 회전날개(90)측으로 도입시키는 역할을 한다.

따라서 회전날개(90)가 일방향으로 회전하게 되면, 양쪽의 분할된 자성체(70)는 서로 상하 방향을 달리하면서 진동 운동을 하게 된다. 이때 회전날개(90)는 자성체(70)의 내면에 돌출시킨 돌기(71)를 연속적으로 타격하게 되고 동시에 진동기판(50)의 탄성복원력에 의해 진동기판(50)이 고정단을 지점으로 하여 외팔보 진동하게 된다. 따라서 자성체(70)는 전자기유도 코일부(30)를 반복적으로 삽통하게 되어 전류가 발생된다. 이와 동시에 하부 베이스(20b)가 진동 유도스프링(80)에 의해 진동하게 되어 자성체(70)는 전자기유도 코일부(30)내로 깊숙하게 삽통하게 되어 전기에너지 수확량이 증대된다.

또한 제1 실시예와 동일하게 진동기판(50)의 자유단 진동에 따른 단위 압전소자(60)가 설치된 응력집중 개구(52) 또는 응력집중홀(54)을 갖는 영역(51)에 보다 높은 휨응력이 발생된다. 따라서 단위 압전소자(60)에서 얻는 전류의 수확량이 증대된다. 더욱이 진동기판(50)이 복층 구조로 설치되어 단위 압전소자(60)가 더욱 고밀도화되어 단위 면적당 에너지 수확 효율이 증대된다.

여기서 자성체(70)는 분할형이 아니라 단일 형태로 구성될 수도 있다. 이럴 경우 회전날개(90)는 자성체(70)의 어느 한쪽 부분만을 연속적으로 타격되도록 하여 동일한 작용을 얻을 수 있다.

다른 한편, 본 발명은 상기 실시예의 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈에서와 같이 외관이 원형을 이루는 형태로 구성하였으나 도 10과 같이 사각 형태로 구성할 수도 있다. 사각 형태로 구성할 경우 상,하부 베이스(20a,20b)는 사각판 형태가 되고, 고정블록(40)은 사각 통형 구조를 갖게 되고 다른 구성요소는 동일하게 구성되되, 다수의 진동기판(50)은 빗변을 갖는 직각 삼각형 형태를 갖게 된다. 이때 그 빗변측에 도 11과 같이 응력집중 개구(52)로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈(152)이 더 형성될 수 있다. 또한 진동기판(50)은 도 12와 같이 그 빗변측에 응력집중홀(54)이 형성된 영역(51)으로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈(152)이 더 형성될 수 있음은 물론이다. 따라서 단위 압전소자(60)의 휨 변형량이 증대되어 전기 에너지의 수확량이 향상된다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

20a: 상부 베이스
20b: 하부 베이스
32: 내측 코일
34: 외측 코일
40: 고정블록
50: 진동기판
52: 응력집중개구
54: 응력집중홀
60: 압전소자
70: 자성체
80: 진동 유도스프링
90: 회전날개
92: 풍압덕트
132: 개별 코일
152: 응력집중 유도홈

Claims

판상형으로 서로 마주하는 한 쌍의 상,하부 베이스(20a,20b)와;
상기 상,하부 베이스(20a,20b)의 양쪽 또는 어느 한 쪽에 위치되어 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 전자기유도 코일부(30)와;
상기 상부 베이스(20a)와 하부 베이스(20b)의 사이에 배치되어 어느 한쪽에 대해 고정되고 다른 한쪽에 대해 이동 가능하게 설치되어 있는 통형의 고정블록(40)과;
일측 고정단이 상기 고정블록(40)에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부(30)에 위치되어 방사상으로 배열되고, 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단에서 최대 진폭으로 진동하도록 설치된 다수의 진동기판(50)과;
상기 진동기판(50)에 설치되어 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전류를 생성하는 하나 이상의 단위 압전소자(60)와;
상기 다수의 진동기판(50)의 자유단측에 설치되어 외부 진동에 의해 진동하여 상기 전자기유도 코일부(30)를 삽통하는 자성체(70); 및
외부 충격이나 진동이 상기 고정블록(40)을 포함한 상기 상부 베이스(20a) 또는 상기 하부 베이스(20b)에 인가되기 위해 고정블록(40)의 이동 방향쪽에 설치된 다수의 진동 유도스프링(80)을 포함하고,
상기 진동기판(50)에는 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구(52) 또는 일정 영역내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀(54)이 형성되고,
상기 응력집중 개구(52) 또는 상기 응력집중홀(54)이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자(60)가 적층으로 집적되며,
상기 진동기판(50)은 그 빗변측에 상기 응력집중 개구(52) 또는 상기 응력집중홀(54)로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈(152)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 진동 유도스프링(80)은 하부 베이스(20b)와 상기 고정블록(40)의 하단면의 사이에 위치되어 하부 고정/상부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 고정블록(40)은 상,하부 베이스(20a,20b)에 모두 고정되고;
상기 상부 베이스(20a)의 중앙에는 자성체(70)에 당접되어 이동 가능한 진동판(22)이 설치되고;
상기 진동 유도스프링(80)은 상기 진동판(22)의 복귀 동작을 유도하도록 설치되어 하부 고정/상부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 진동 유도스프링(80)은 상부 베이스(20a)와 상기 고정블록(40)의 상면의 사이에 위치되어 상부 고정/하부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
판상형으로 서로 마주하는 한 쌍의 상,하부 베이스(20a,20b)와;
상기 상,하부 베이스(20a,20b)의 양쪽 또는 어느 한 쪽에 위치되어 외부 자력 변화에 유도되어 전류를 생성시키는 전자기유도 코일부(30)와;
상기 상부 베이스(20a)와 하부 베이스(20b)의 사이에 배치되어 어느 한쪽에 대해 고정되고 다른 한쪽에 대해 이동 가능하게 설치되어 있는 통형의 고정블록(40)과;
일측 고정단이 상기 고정블록(40)에 고정되어 있고 타측 자유단이 전자기유도 코일부(30)에 위치되어 방사상으로 배열되고, 외력과 탄성 복원력에 의해 자유단에서 최대 진폭으로 진동하도록 설치된 다수의 진동기판(50)과;
상기 진동기판(50)에 설치되어 휨 변형에 따른 압력 변화를 받아 전류를 생성하는 하나 이상의 단위 압전소자(60)와;
상기 다수의 진동기판(50)의 자유단측에 설치되어 외부 진동에 의해 진동하여 상기 전자기유도 코일부(30)를 삽통하는 자성체(70); 및
외부 충격이나 진동이 상기 고정블록(40)을 포함한 상기 상부 베이스(20a) 또는 상기 하부 베이스(20b)에 인가되기 위해 고정블록(40)의 이동 방향쪽에 설치된 다수의 진동 유도스프링(80)을 포함하고,
상기 진동 유도스프링(80)은 상부 베이스(20a)와 상기 고정블록(40)의 상면의 사이에 위치되고,
이와 동시에 상기 자성체(70)에 형성된 돌기를 연속적으로 타격하여 자성체(70)를 강제 진동시키는 회전 날개(90)와;
상기 상부 베이스(20a)를 삽통하여 상기 회전날개(90)에 풍압을 도입하는 풍압덕트(92)를 포함하여 상부 고정/하부 및 외부 진동하는 인가 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성체(70)는 다수의 진동기판(50)의 자유단에 각기 개별적으로 설치되도록 분할 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자성체(70)는 다수의 진동기판(50)의 자유단에 공통적으로 연결되도록 단일 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자기유도 코일부(30)는,
원통형을 이루는 내측 코일(32)과;
상기 내측 코일(32)의 둘레에 원통형으로 형성되어 배치된 외측 코일(34)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자기유도 코일부(30)는,
다수의 자성체(70)에 각기 개별적으로 대응되는 개별 코일(130a)로 구성된 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동기판(50)은 자유단측에서 고정단측으로 단면이 증가되는 부채꼴 형태인 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동기판(50)은 자유단측에서 고정단측으로 단면이 증가되는 직각삼각형 형태인 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진동기판(50)은 단층 구조로 설치되거나 상,하부로 분리되어 상호 일정한 간격을 갖고 복층 구조로 설치된 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제5항에 있어서,
상기 진동기판(50)에는 일정한 크기로 관통된 응력집중 개구(52)가 형성되고;
상기 응력집중 개구(52)에 다수의 단위 압전소자(60)가 적층으로 집적되어져 있는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제5항에 있어서,
상기 진동기판(50)에는 일정 영역내에 다수개로 분포되어 있는 응력집중홀(54)이 형성되고;
상기 응력집중홀(54)이 형성된 영역에 다수개의 단위 압전소자(60)가 적층으로 집적되어져 있는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제 13항에 있어서,
상기 진동기판(50)은 그 빗변측에 상기 응력집중 개구(52)로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈(152)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.
제 14항에 있어서,
상기 진동기판(50)은 그 빗변측에 상기 응력집중홀(54)이 형성된 영역으로 휨응력을 유도하는 응력집중 유도홈(152)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 외부 진동 인가 및 휨응력 유도홀을 갖는 하이브리드 에너지 하베스팅 진동 발전 모듈.