(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2013년02월06일
(11) 등록번호 10-1230597
(24) 등록일자 2013년01월31일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H02N 2/18 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2011-0072640
(22) 출원일자 2011년07월21일
심사청구일자 2011년07월21일
(65) 공개번호 10-2013-0011471
(43) 공개일자 2013년01월30일
(56) 선행기술조사문헌
US7057330 B2
GB2326275 A
US4051395 A
US4467236 A
(73) 특허권자
한국과학기술원
대전광역시 유성구 대학로 291(구성동)
한국과학기술연구원
서울특별시 성북구 화랑로14길 5 (하월곡동)
(72) 발명자
장선준
서울특별시 은평구 응암로 263, 502호 (응암동)
이윤표
경기도 안양시 동안구 임곡로 43, 주공아파트 10
2동 505호 (비산동)
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
장한특허법인
전체 청구항 수 : 총 1 항 심사관 : 이승주
(54) 발명의 명칭 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치
(57) 요 약
본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)는, 외부진동에 반응하여 다자유도로 진동하도록
설치되는 질량체(10); 및 질량체(10)의 진동에 반응하여 질량체(10)와 함께 진동하도록 설치되는 압전체(41,
42); 를 포함하여, 압전체(41, 42)에서 발생되는 전기를 수확하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 질량체
(10)가 다자유도로 진동하여 그 고유주파수가 인접하여 복수군데에서 나타나기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주
파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있게 된다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1230597
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(72) 발명자
윤석진
서울특별시 도봉구 창1동 삼성아파트 111-1204
정형조
대전광역시 유성구 문지로 14, 과기원교수아파트
1-105 (도룡동)
김인호
서울특별시 용산구 원효로35가길 21 (원효로3가)
등록특허 10-1230597
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특허청구의 범위
청구항 1
외부진동에 반응하여 다자유도(multi degree of freedom)로 진동하도록 설치되는 질량체; 및
상기 질량체의 진동에 반응하여 상기 질량체와 함께 진동하도록 설치되는 압전체; 를 포함하여, 상기 압전체에
서 발생되는 전기를 수확하되,
상기 질량체는 두 개의 캔틸레버에 좌우 양측이 매달리도록 설치되고, 상기 두 개의 캔틸레버는 상하방향으로
진동 가능하도록 설치되어 상기 질량체의 상하 병진운동에 기하여 동일 위상으로 상하 진동하고 상기 질량체의
좌우측으로 기울어지는 회전운동에 기하여 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도로 진동하며, 상기
압전체는 상기 캔틸레버의 진동에 따라 함께 진동하도록 상기 캔틸레버 각각에 설치되고,
상기 캔틸레버는 두 개가 같은 높이에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치되며, 그 각각은 수평판 형상을 하
며,
상기 캔틸레버 각각에는 수직바가 설치되고, 상기 질량체는 상기 수직바 사이에 놓여 그 양단이 상기 수직바에
연결되며, 상기 수직바와 상기 질량체 사이에는 상기 질량체가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어
링이 설치되는 것을 특징으로 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치.
청구항 2
삭제
청구항 3
삭제
청구항 4
삭제
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 에너지 수확장치에 관한 것으로서, 특히 강체가 다자유도로 진동하도록 하여 그 복수의 고유주파수[0001]
(natural frequency)들이 인접하여 나타나도록 함으로써 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어지도록 하여
광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있도록 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치에
관한 것이다.
배 경 기 술
에너지 수확(energy harvesting)이란 시설물 주위의 태양에너지, 풍력에너지, 진동에너지 등을 이용하여 전기에[0002]
너지를 얻는 것을 말한다. 이 중에서 진동기반 에너지 수확방식은 일반적으로 1-자유도(single degree-of-
freedom, SDOF)로 진동하는 시스템을 이용하여 왔다. 이는 빔(beam)에 압전체를 부착하고 빔의 끝단에 부착된
질량(proof mass)이 외부진동에 의해 한 방향, 즉 1-자유도로 진동될 때에 빔에 부착되어 있는 압전체가 받는
인장 및 압축력을 통해서 전기를 얻는 것을 말한다. 이 때 얻을 수 있는 최대전력은 외부진동에 의한 주파수와
고유주파수가(natural frequency)가 일치하는 지점에서 공진(resonance)이 일어나 발생하게 되는데, 1-자유도
진동기반의 경우에는 고유주파수가 한 개만 존재하기 때문에 이렇게 공진이 일어나는 주파수 대역이 좁아서 전
기발전이 매우 제한적이다.
발명의 내용
등록특허 10-1230597
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해결하려는 과제
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 강체가 다자유도로 진동하도록 하여 그 복수의 고유주파수(natural[0003]
frequency)들이 인접하여 나타나도록 함으로써 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어지도록 하여 광대역
주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있도록 하는 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치를 제공하
는 데 있다.
과제의 해결 수단
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치는, [0004]
외부진동에 반응하여 다자유도(multi degree of freedom)로 진동하도록 설치되는 질량체; 및[0005]
상기 질량체의 진동에 반응하여 상기 질량체와 함께 진동하도록 설치되는 압전체; 를 포함하여, 상기 압전체에[0006]
서 발생되는 전기를 수확하는 것을 특징으로 한다.
상기 질량체는 두 개의 캔틸레버에 좌우 양측이 매달리도록 설치되고, 상기 두 개의 캔틸레버는 상하방향으로[0007]
진동 가능하도록 설치되어 상기 질량체의 상하 병진운동에 기하여 동일 위상으로 상하 진동하고 상기 질량체의
좌우측으로 기울어지는 회전운동에 기하여 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도로 진동하며, 상기
압전체는 상기 캔틸레버의 진동에 따라 함께 진동하도록 상기 캔틸레버 각각에 설치될 수 있다.
상기 캔틸레버는 두 개가 같은 높이에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치되는 것이 바람직하면, 그 각각은[0008]
수평판 형상을 하는 것이 바람직하다.
상기 캔틸레버 각각에는 수직바가 설치되고, 상기 질량체는 상기 수직바 사이에 놓여 그 양단이 상기 수직바에[0009]
연결되며, 상기 수직바와 상기 질량체 사이에는 상기 질량체가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어
링이 설치되는 것이 바람직하다.
[0010]
발명의 효과
본 발명에 의하면 강체가 다자유도로 진동하여 그 복수의 고유주파수(natural frequency)들이 인접하여 나타나[0011]
기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를
얻을 수 있게 된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)를 설명하기 위한 도면;[0012]
도 2 및 도 3은 도 1의 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)의 특성을 측정하기 위한 실험장치를 설
명하기 위한 도면;
도 4는 도 2의 실시장치를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성과 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치의
주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프;
도 5는 도 2의 실시장치에 대해서 수학적 계산으로 얻어지는 주파수-전압 특성과 실험적으로 오실로스코프(93)
를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명[0013]
의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상
내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는
안 된다.
등록특허 10-1230597
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도 1은 본 발명에 따른 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)를 설명하기 위한 도면으로서, 2-자유도[0014]
의 경우를 예로 든 것이다. 도 1을 참조하면, 지지대(20)에 두 개의 캔틸레버(cantilever, 31, 32)가 같은 높이
에서 나란하게 수평방향으로 뻗도록 설치된다. 캔틸레버(31, 32)는 상하방향으로 진동이 가능하도록 수평판 형
상을 한다. 즉, 캔틸렌버(31, 32)는 지지대(20)와의 결합부위를 축으로 하여 상하로 진동하는 판스프링 역할을
한다. 캔틸레버(31, 32) 각각은 탄성계수 k1 및 k2를 갖는다.
캔틸레버(31, 32) 각각에는 수직바(51, 52)가 설치되고, 수직바(51, 52) 사이에는 질량체(10)가 설치된다. 질량[0015]
체(10)는 강체(rigid body)로서 질량 m과 관성모멘트(moment of inertia) J를 가진다. 켄틸레버(31, 32)는 질
량체(10)의 중심에서 양측으로 거리 d 만큼의 위치에 설치된다.
질량체(10)의 양단은 수직바(51, 52)에 연결되며, 이 때 수직바(51, 52)와 질량체(10)의 연결부위에는 질량체[0016]
(10)가 수평축을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 베어링(61, 62)이 설치된다. 베어링(61, 62)을 설치하는 이
유는 후술한다. 캔틸레버(31, 32)에는 캔틸레버(31, 32)의 진동에 따라 함께 진동하도록 압전체(41, 42), 예컨
대 PZT가 시트(sheet) 형태로 캔틸레버(31, 32)에 부착 설치된다.
에어콘 실외기, 냉장고, 세탁기 등에서 발생하는 외부진동이 본 발명에 따른 에너지 수확장치(100)에 가해지면,[0017]
질량체(10)가 상하로 병진운동하거나, 또는 좌우측으로 기울어지는 회전운동을 하게 된다. 질량체(10)가 상하
병진운동하면 두 개의 켄틸레버(31, 32)는 동일 위상으로 상하 진동하고, 질량체(10)가 좌우측으로 기울어지는
회전운동을 하면 두 개의 캔틸레버(31, 32)는 서로 다른 위상으로 상하 진동함으로써 2-자유도 진동(two
degree-of-freedom vibration, 2-DOF vibration)이 이루어진다.
외부진동으로서 의 조화진동(harmonic excitation)이 가해진다고 하면, 질량체(10) 중심에서의[0018]
정규화 응답(normalized response)은 X는 아래의 수학식 1과 같이 주어진다.
[수학식 1][0019]
[0020]
여기서, 는 , , , , ,[0021]
, , , ,
, 이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치(100)의 특성을 측정하기 위한 실험장치를 설[0022]
명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 질량체(10)로는 0.12kg의 질량을 가지는 것을 사용하였으며,
두 개의 캔틸레버(31, 32)는 각각 50mm x 40mm x 0.2mm, 50mm x 35mm x 0.2mm의 길이 x 폭 x 두께를 가지며 T-
304 스테인리스 재질의 것을 사용하였다. 압전체(41, 42)로는 20mm x 15mm의 PSI-5A4E 압전시트를 사용하였다.
외부 진동을 가하기 위하여 1.5m/s
2
의 공칭입력 가속도를 가지는 쉐이커(shaker, 80)가 지지대(20)를 흔들도록[0023]
설치되었으며, 그 실제 가속도값을 측정하기 위하여 쉐이커(80)의 위에 가속도계(accelerometer, 70)를 설치하
였다. 쉐이커(80)를 통해 0.5~20Hz의 외부 진동수를 가했으며, 이러한 외부 진동은 신호발생기(function
generator, 91)를 통해서 에물레이트된(emulated) 조화신호(harmonic signal)를 전력증폭기(power amplifier,
92)를 통해 증폭하여 쉐이커(80)에 제공함으로써 이루어졌다. 쉐이커(80)에 의한 외부 진동에 대해서 압전체
(41, 42)에서 발생하는 전압응답(voltage response)은 오실로스코프(oscilloscope, 93)를 통해서 측정하였다.
아래의 표 1은 압전체(41, 42)와 캔틸레버(31, 32)의 구체적인 파라미터를 정리한 것이며, 여기서 모드 31은 쉐[0024]
이커(80)에 의해 진동되는 주동작 모드(main working mode)이다.
등록특허 10-1230597
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[표 1][0025]
[0026]
도 4는 도 2의 실시장치를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성과 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치의[0027]
주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치는 10.9Hz에서 외부 진동과 공진(resonance)이 일[0028]
어나 하나의 출력전압 피크(peak)를 갖는 반면에, 본 발명에 따른 2-자유도 진동기반 에너지 수확장치(100)는
75V/g 근처에서 두 개의 출력전압 피크를 가지고 55V/g 레벨에서는 종래의 1-자유도 진동기반 에너지 수확장치
에 비하여 280% 정도의 대역폭(bandwidth)을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이는 2-자유도의 경우가 1-자유도의 경
우에 비하여 공진주파수 대역이 더 넓다는 것을 의미하는 것이다.
도 5는 도 2의 실시장치에 대해서 수학적 계산으로 얻어지는 주파수-전압 특성과 실험적으로 오실로스코프(93)[0029]
를 통해서 얻어지는 주파수-전압 특성을 비교 설명하기 위한 그래프이다. 계산치는 앞선 수학식 1을 통하여 얻
을 수 있다. 도 5의 네모난 박스 안에 확대 도시된 바와 같이, 실험치(파란색 실선)의 경우 계산치(빨간색
점선)와 비교하여 볼 때 공진 피크의 위치가 약간 차이가 나고, 또한 첫 피크 다음에 출력전압의 감소가 더디게
이루어짐을 알 수 있다.
즉, 두 피크 사이의 최대전압레벨이 실험치의 경우가 계산치에 비하여 더 크며 이로 인해 실험적인 경우가 두[0030]
피크 사이의 외부 진동 주파수에서 공진이 더 잘 일어나 더 큰 출력전압이 발생한다는 것이다. 실험치와 계산치
의 이러한 차이는 캔틸레버(31, 32)의 비선형성(non-linearity)에 기인한 것이다.
두 개의 출력 피크가 너무 많이 떨어져 분리되면 공진대역이 분리되기 때문에 바람직하지 않게 된다. 만약 베어[0031]
링(61, 62)이 설치되지 않으면 질량체(10)가 수평축을 회전축으로 하여 회전하려는 경향을 가질 때 켄틸레버
(31, 32)가 꼬여 뒤틀리려는 힘의 성분을 받게 되므로 두 개의 피크가 몰려 있지 못하고 떨어져 위치할 우려가
있다. 따라서 이러한 현상을 방지하기 위하여 베어링(61, 62)을 설치하는 것이다.
위에서는 2-자유도의 경우에 대해서만 예를 들었지만 3-자유도의 경우에는 출력전압 피크가 3개가 생길 것이고,[0032]
6-자유도의 경우에는 출력전압 피크가 6개가 생길 것이다. 따라서 자유도의 수가 많아질수록 공진 주파수 대역
이 더 넓어질 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 질량체(10)가 다자유도로 진동하여 그 고유주파수(natural frequency)가 인[0033]
접하여 복수군데에서 나타나기 때문에 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어진다. 따라서 광대역 주파수
범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있게 된다.
부호의 설명
10: 질량체[0034]
20: 지지대
31, 32: 캔틸레버(cantilever)
41, 42: 압전체
51, 52: 수직바
등록특허 10-1230597
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61, 62: 베어링
70: 가속도계(accelerometer)
80: 쉐이커(shaker)
91: 신호발생기(function generator)
92: 전력증폭기(power amplifier)
93: 오실로스코프(oscilloscope)
100: 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치
도면
도면1
등록특허 10-1230597
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도면2
등록특허 10-1230597
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도면3
등록특허 10-1230597
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도면4
도면5
등록특허 10-1230597
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