JP7374161B2 - 鞭電素子及びこれを利用する鞭電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、鞭電素子及びこれを利用する鞭電発電装置に関するものであって、より詳細には、所定厚さ以上の板状プレートにピエゾ薄膜層が結合されてピエゾ素子の耐久性が向上し、音叉タイプに結合されて鞭電によるハウリング現象が発生して電気の発生が増大され、発電力が向上し得る鞭電素子及びこれを利用する鞭電発電装置に関するものである。

圧電素子とは、外部から機械的圧力を加えた場合、ＰＩＥＺＯの歪みによるＤ値とＧ値が形成され、電気分極による電位差により起電力が発生する物質を言い、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ３）、Ｂａ２ＴｉＯ４、ＢａＴｉＯ３、セラミックなどのような材料が圧電素子として使用される。

このような圧電素子は、素子自体に加えられる力、衝撃などの外力によって材質に機械的変化を与えると、電気的信号、例えば電圧が発生する特性があり、これを利用して圧電素子を発電用に利用しようとする試みが多く行われている。

従来、圧電素子は、素子自体に衝撃または外力を与え、電気エネルギーを発生させたことがある。ガスレンジの火炎点火器や、使い捨てガスライターの着火部が例となり得る。または、本出願人が開示した発電用圧電素子及びこれを利用した発電装置（韓国特許出願第１０－２０１２－０１０６２４６号）の関連技術もある。

しかし、圧電素子（ＰｉｅｚｏまたはＰＺＴ）に直接的な衝撃を与える方式は、素子が割れるなど耐久性が著しく低下し、基底板に結合された圧電素子の場合、たとえ基底板のマクロ変形であるが、圧電素子にもほぼ類似の変位量が発生するしかないため、超短波の外力によって圧電素子が裂けやすく、疲労が加重されて耐久性が弱くなるという問題点がある。

したがって、従来のガスレンジの火炎点火器や、使い捨てガスライターの着火部に使用されるＰＺＴは、割れないように厚く硬くして使用するが、これはインパルス型の電圧が発生するが、ほぼノイズに近いので蓄電用には不可能であり、超短波のインパルス型の電圧が発生するが、圧電効果すなわちＰＺＴが鯉の鱗のように反ることによって発生する圧電発電効果は、期待することができない。

また、従来の圧電素子を直接衝撃または間接的に力がかかる方式ともに、単発性、一過性の外力により圧電素子には、発生電圧が大きなピーク値のパルス信号を発生するに過ぎず、発電された電気エネルギーの総量がインパルス型で限定的であり、これにより管理、制御が困難であり、ＥＳＳ ＰＣＢ設計も難しく、キャパシタまたはバッテリーなどに保管、保存することも難解なものは、圧電素子の特性と制限されたアプリケーションなどにより、耐久性が弱く発電効率が低いという問題点がある。

韓国特許出願第１０－２０１２－０１０６２４６号

本発明は、上記のような問題点を解決するために提案されたものであって、外力が印加された時のＰｉｅｚｏの圧電効果と超短波の高い電圧の発電と広い正弦波領域の発電量を得て、耐久性を補完するために、約０．２０Ｔの薄膜のＰｉｅｚｏ（０．３５Ｔ以上の厚さのＰｉｅｚｏは反らずに割れる）を１０倍程度の厚さの約２．００Ｔ以上の素子板材にエポキシして鞭電素子を製作し、これによって高く安定的な発電起電力と耐久性が保障される。

また、圧電素子を構成するｐｉｅｚｏは、薄膜なので割れやすくなるため、板材に貼らなければならず、素子は板材を通じて外力を伝達されるので、鞭電の場合、素子を構成する板材は、伝導性、耐久性および外力をさらに効果的に伝達できるべきである。

従来は、圧電効果を目的に軟性の黄銅（銅+亜鉛）を使用したが、鞭電の場合は、超短波型の高い起電力と耐久性を目的に組織が緻密で伝達力が早く、強く、耐久性が強く、外力に敏感で、Ｐｉｅｚｏにより大きな外力を印加することができる 青銅、ステンレスなどが利用され得る。そして、鞭電には、非鉄金属または硬い平板のプラスチック、外側から引っ張られた革などが利用されることもある。

このとき、ステンレス、非鉄金属、硬い平板のプラスチック、外側から引っ張られた革などを含む非電導性素材の場合、金、銀、銅に比べて内部抵抗が大きいか、電気が通じないため、発電起電力と蓄電効率には適していないこともある。

鞭電素子においては、このような問題を解決するために組織の強い 青銅、ステンレス、ピアノ線鋼、非鉄金属、硬い平板のプラスチック、外側から引っ張られた革などの材質の板材を使用しながら、Ｐｉｅｚｏを板材にエポキシして接合するとき、板材とｐｉｅｚｏとの間に板材の上に薄膜の銅薄板（線）を挿入することにより、板材の強い組織と伝達力などの物理的な力は、非鉄金属の強い素材から得るし、電気的な特性上、上述した非鉄金属は、内部抵抗が非常に大きいが、内部抵抗の小さい銅（線）を発電出力の（－）電極として使用することにより、機械的特性の長所と電気的特性の長所を補完し得る。

また、外力が印加される時の板材の厚さを異にすることで板材の共振数を高め、長い余震を誘導して発電量をさらに追加して得ることができ、中央のｐｉｅｚｏ部は、ｐｉｅｚｏ部の外郭部をさらに薄くしてｐｉｅｚｏの繰り返しの反りの圧電効果を極大化した鞭電素子。

これは、方字銅鑼の原理を鞭電素材の板材に適用して効率を増大するものである。

さらには、既設定された厚さ以上の音叉単位体にピエゾ薄膜層が結合され、結合ベッド部の裏面または周辺を鞭電することによって、間接的に外力を印加することができるので、圧電素子（板材およびＰｉｅｚｏまたはＰＺＴ）の割れや裂けが最小化されて、疲労寿命が低減されることができ、鞭電音叉モジュールのルーター（根のV字の下部分）を薄くまたは狭くする構造により、音叉単位体にハウリングを促進させて発生電圧および持続時間が著しく増加することができ、発電される電気エネルギーの総量が増大されて発電効率が向上し得る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置を提供する。

上記のような目的を達成するための本発明による鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置は、鞭電素子の発電を誘導する多様な外力を利用し得る。

風力ハーベスティングを利用する場合、小さな風にもよく回るべきであり、その回転力は、強い力がなければならず、実験の結果、垂直抗力型ブレードが最も有効であり、風を抱いて回るブレードに風を急風（谷風）に誘導して集中させ、回ってくるブレードに抵抗として作用する風を遮断し、風を抱いて回るブレードに風向を転換する用途として外部に設けられる固定ブレード部と、前記固定ブレード部の内部に収容されるが、前記固定ブレード部に対して相対回動できるように設けられる回転ブレード部とを含む風力収集ユニットと、前記回転ブレード部に結合されるが、下方に長く延長されるように配置され、外面周りに沿って鞭電力が印加される少なくとも一つ以上の鞭電トリガーが設けられる回動シャフトと、前記風力収集ユニットの下部に設けられ、前記鞭電トリガーがヒッティングする鞭電力によって電気が発生する鞭電発生ユニットと、を含むことができる。

前記鞭電発生ユニットは、前記鞭電トリガーに相互作用されて予め設定された角度内で時計回りまたは反時計回りに回動される鞭電ヒッティング部と、一面にピエゾ薄膜層が内蔵される複数の鞭電素子を含む鞭電音叉モジュールと、を含むことができる。

前記鞭電素子は、中心から半径方向に予め設定された大きさだけ既設定された厚さを維持するが、一面に前記ピエゾ薄膜層が結合される鞭電板材と、前記鞭電板材の端区域に設けられ、前記鞭電板材を支持する支持ガイド部と、前記鞭電板材と支持ガイド部との間に介在されるが、前記鞭電板材から前記支持ガイド部に行くほど断面厚さが減るようにテーパーした響き誘導面部と、を含むことができる。

前記鞭電板材は、前記ピエゾ薄膜層の厚さに比べて１０倍前後の厚さで設けられ、前記鞭電板材の材質は、 青銅、ステンインレス-スチール、鋼鐵、非鉄金属、硬い平板のプラスチック、石、引っ張られた革のうち選択されたいずれか一つで製作され、前記響き誘導面部は、ハウリング効果が極大化されるように、中心から半径方向の外側に行くほど鍛造率が増加するように製作され得る。

前記鞭電音叉モジュールには、前記ピエゾ薄膜層と前記鞭電板材との間に陰極電線部が部分的に介在され得る。

前記固定ブレード部には、一側に凸に曲率が形成される背斜型（ａｎｔｉｃｌｉｎｅ）ベーンが設けられ、前記回転ブレード部には、前記背斜型ベーンと反対方向に湾曲されるように、他側に凹に曲率が形成される向斜型（ｓｙｎｃｌｉｎｅ）ベーンが設けられ得る。

本発明による鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置は、既設定された厚さ以上の鞭電素子にピエゾ薄膜層が結合され、鞭電板材の裏面または側面を鞭電することによって間接的な外力が加えられるので、装置耐久性が著しく向上し、従来の圧電素子の低い長波発電による放電現象が起こることと対比してパルスあたりの超短波の高い発電が起こりながら素子板材に伝達される外力は長波に伝達され、従来に比べて相対的に微視的な弾性変形および復元が発生して、圧電素子の割れや裂けが最小化されて疲労寿命が低減され得、鞭電音叉モジュールの構造によって鞭電素子にハウリングを促進させて発生電圧および持続時間が著しく増加し得、発電される電気エネルギーの総量が増大され、発電効率が向上し得る。

本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置の斜視図である。 図１における風力収集ユニットの断面斜視図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットを切開した状態の正面図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットの基本構成の概略的な斜視図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットの応用例の平面図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットの応用例の平面図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における音叉モジュールの平面図である。 図７における鞭電素子の断面図である。 本発明の他の実施例に係る鞭電発電装置を概略的に示した図である。 本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置を介して発生する電圧特性を示した写真である。

以下、添付された図面を参照して、本発明による鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置の一実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置の斜視図であり、図２は、図１における風力収集ユニットの断面斜視図であり、図３は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用鞭電発電装置における鞭電発生ユニットを切開した状態の正面図であり、図４は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットの基本構成の概略的な斜視図であり、図５および図６は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電発生ユニットの応用例の平面図であり、図７は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置における鞭電音叉モジュールの平面図であり、図８は、図７における鞭電素子の断面図である。

本明細書において、鞭電素子は、ＰＩＥＺＯ素子を利用して電気を発生するが、ＰＩＥＺＯ素子に加わる圧力に基づいて、電気を発生するのではなく、ＰＩＥＺＯ素子が結合された板材のヒッティングに応じて発生して、ＰＩＥＺＯ素子に伝達される振動や衝撃波に基づいて、電気を発生する新たな形態の電気発生素子を意味する。

本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置は、外部に設けられる固定ブレード部１１０と、前記固定ブレード部１１０の内部に収容されるが、前記固定ブレード部１１０に対して相対回動できるように設けられる回転ブレード部１２０とを含む風力収集ユニット１００と、前記回転ブレード部１２０に結合されるが、下方に長く延長されるように配置され、外面周りに沿って鞭電力が印加される少なくとも一つ以上の鞭電トリガー２１０が設けられる回動シャフト２００と、前記風力収集ユニット１００の下部に設けられ、前記鞭電トリガー２１０がヒッティングする鞭電力によって電気が発生する鞭電発生ユニット３００と、を含むことができる。

支持部１０によって風力収集ユニット１００および鞭電発生ユニット３００は、地上から所定の高さだけ上昇して配置され得る。

風力収集ユニット１００は、装置の上部に配置され得る。前記風力収集ユニット１００は、主に図１および図２に示されたように、外部に設けられる固定ブレード部１１０と、前記固定ブレード部１１０の内部に収容されるが、前記固定ブレード部１１０に対して相対回動できるように設けられる回転ブレード部１２０とを含むことができる。

前記固定ブレード部１１０は、外部の風が一次的に風力収集ユニット１００内部に進入されるように、風をガイドする部分である。このために、前記固定ブレード部１１０には、一側（一方向、図２基準に上面から見て右側に）に凸に曲率が形成される背斜型（ａｎｔｉｃｌｉｎｅ）ベーンが設けられ得る。

そして、固定ブレード部１１０の内部には、回転ブレード部１２０が回動可能に設けられ得る。前記回転ブレード部１２０には、前記背斜型ベーン１１１の曲率と反対方向に湾曲されるように、他側（図２基準に左側に）に凹に曲率が形成される向斜型ベーン１２１が設けられ得る。

すなわち、左側に吹いてくる風が固定ブレード部１１０の背斜型ベーン１１１を経て進入され、回転ブレード部１２０の向斜型ベーン１２１では、右側に力が加わって回転ブレード部１２０を反時計回りに回動させる構造に設けられ得る。

このように、背斜型ベーン１１１を経て曲面形状が向斜型ベーン１２１に 相次いで つながる構造に設けられることによって、全体の風力収集ユニット１００に偏心による外力ストレスが低減され得る。

また、固定ブレード部１１０の風の出入り空間より回転ブレード部１２０の空間の方が減って稠密度が高まることにより、収集される風の速度が回転ブレード部１２０で相対的に速くなり得る。これにより、回転ブレード部１２０の回転を容易にし、回転抵抗を著しく低減させて、微細な風でも回転ブレード部１２０が容易に回転できるので、風力収集に効率的かつ容易にすることができる。

回動シャフト２００は、図２および図３を主に参照すると、前記回転ブレード部１２０に結合されるが、下方に長く延長されるように配置され得る。前記回動シャフト２００には、外面周りに沿って鞭電力が印加される少なくとも一つ以上の鞭電トリガー２１０が設けられ得る。ここで、鞭電トリガー２１０は、後述する鞭電発生ユニット３００を駆動させる部分である。本実施例では、鞭電トリガー２１０の個数を２つに示して説明したが、本権利範囲は、個数に限定されない。

一方、圧電素子に直接的な衝撃を与える方式は、素子が割れるなど装置耐久性が著しく低下し、基底板に結合された圧電素子の場合にも、基底板だけでなく、圧電素子も巨視的な弾性変形および復元が発生するしかないため、超短波の外力によって圧電素子が裂けやすくなり、疲労寿命が加重されるという問題点があった。

そこで、本実施例では、ヒッティング、鞭電力が間接的に伝わる方式の鞭電発生ユニット３００が設けられ得る。

前記鞭電発生ユニット３００は、主に図３および図４を参照すると、前記鞭電トリガー２１０に相互作用されて予め設定された角度内で時計回りまたは反時計回りに回動される鞭電ヒッティング部３１０と、一面にピエゾ薄膜層３４０が内蔵される複数の鞭電素子３３０を含む鞭電音叉モジュール３２０と、を含むことができる。

鞭電ヒッティング部３１０は、鞭電音叉モジュール３２０と回動シャフト２００の およそ中央に配置され得る。前記鞭電ヒッティング部３１０は、胴体部分であるヒッティングハブ ３１１と、両側に並んで配置される第１、第２ヒッティングバー３１２、３１３を含むことができる。

ヒッティングハブ ３１１内には、トーションスプリング（図示せず）が内蔵されて、一方向に回動時、反対方向への復元力が加えられ得る。

このような前記鞭電ヒッティング部３１０は、鞭電トリガー２１０が第１ヒッティングバー３１２をヒッティングし、これによってヒッティングハブ ３１１およびこれに連結された第２ヒッティングバー３１３が一方向に回動して駆動され得る。

前記鞭電音叉モジュール３２０に相接して鞭電する第２ヒッティングバー３１３の先端のタッチばちは、衝撃による耐久性低下と騒音を減らすために、強くて硬い固体の金属性よりは硬い固体性金属をエポキシや生地などの衝撃緩和剤で外部を包んで仕上げられた玉を使用し得る。そして、場合によって鞭電板材３３１と前記タッチばちが接触する部分にゴムのような緩衝素材を付けることにより、 これと同様の効果を出すこともできる。

比較して、そうしたときにも、伝達された印加量は同じであり、鞭電素子の耐久性は、さらに保障され、騒音は著しく減少する。

一方、風速が強い場合には、回動シャフト２００のＲＰＭが高くなり、その加速度のため鞭電素子３３０に加わる衝撃量は非常に大きくなり、鞭電音叉モジュール３２０の耐久性が弱まり得る。これにより、鞭電発生ユニット３００には、図５に示されたように衝撃緩衝部３７０がさらに含まれ得る。

前記衝撃緩衝部３７０は、ヒッティングバーに隣接して配置される一対の支持板３７１と、支持板３７１と第１ヒッティングバー３１２との間に介在されて、第１ヒッティングバー３１２が弾性バイアスされる緩衝バネ３７２を含むことができる。

これにより、風速が大きくなる場合にも、鞭電音叉モジュール３２０に印加される速度と回数は増えても緩衝バネ３７２が外力を緩和して同じ外力を印加するようになるので、強い風速に対するブレーキの役割等で、鞭電音叉モジュール３２０の耐久性が強化され得る。

さらに、微弱な風速による外力が作用する時にも、衝撃緩衝部３７０が作用して同じ外力の印加ができ、同じ発電を実現することができるので、発電効率が向上し得る。

鞭電音叉モジュール３２０の耐久性が弱まることを補完するために、鞭電発生ユニット３００には、図６のような衝撃緩衝部３７０’がさらに含まれることもある。

前記衝撃緩衝部３７０’は、支持板３７１’と、支持板３７１’と第２ヒッティングバー３１３との間に介在される緩衝バネ３７２’および第２ヒッティングバー３１３に垂直結合されたヒッティング部材３７３を含むことができる。

回動シャフト２００が反時計回りに回転することにより、第２ヒッティングバー３１３によって緩衝バネ３７２’が圧縮され、緩衝バネ３７２’の圧縮が解除されると、ヒッティング部材３７３が鞭電素子３３０を短く切って打ってから元の状態に復帰する過程が繰り返され得る。

このようなメカニズムによると、外力が直接的に伝わらず、緩衝バネ３７２’により緩和され得、ヒッティング部材３７３が鞭電素子３３０をヒッティングする力も抑制され得るので、鞭電音叉モジュール３２０の耐久性が向上し得、発電効率も向上し得る。

一方、図５および図６の例において、梃子の原理を適用してヒッティングハブ３１１の位置や第１、第２ヒッティングバー３１２、３１３の長さなどを調節すれば、小さな力でも（すなわち、風速が弱い場合にも）高い発電効率を実現することができる。

前記鞭電素子３３０は、中心から半径方向に予め設定された大きさだけ既設定された厚さを維持するが、一面に前記ピエゾ薄膜層３４０が結合される鞭電板材３３１と、前記鞭電板材３３１の端区域に設けられ、前記鞭電板材３３１を支持する支持ガイド部３３２と、前記鞭電板材３３１と支持ガイド部３３２との間に介在されるが、前記鞭電板材３３１から前記支持ガイド部３３２に行くほど断面厚さが減るようにテーパーした響き誘導面部３３３と、を含むことができる。

鞭電板材３３１は、実質的にピエゾ薄膜層３４０に結合される基底ベース板になり得る。前記鞭電板材３３１は、前記ピエゾ薄膜層の厚さに比べて１０倍前後の厚さで設けられ、本実施例における前記鞭電板材３３１の厚さは、３．０Ｔ（ｍｍ）以上に設けられ得る。

前記鞭電板材３３１の材質は、 青銅、ステンインレス-スチール、鋼鐵、非鉄金属、硬い平面のプラスチック、石、引っ張られた革のうち選択されたいずれか一つであり得る。

支持ガイド部３３２は、前記鞭電板材３３１の端区域に設けられ、本実施例においては、支持ガイド部３３２は、およそ四角形に設けられ得る。このような支持ガイド部３３２は、前記鞭電板材３３１を支持する役割をする。

前記鞭電板材３３１と支持ガイド部３３２との間には、響き誘導面部３３３が介在され得る。前記響き誘導面部３３３は、前記鞭電板材３３１から前記支持ガイド部３３２に行くほど断面の厚さが減るようにテーパーした形状を有することができる。

前記響き誘導面部３３３は、ハウリング効果が極大化されるように、中心から半径方向の外側に行くほど鍛造率が増加するように、いわゆる鉦や銅鑼の方字技術で製作され得る。

このような響き誘導面部３３３を介して、鞭電力により鞭電素子３３０の裏面、すなわち、ピエゾ薄膜層３４０の反対面に衝撃が加わると、鞭電板材３３１が従来に比べて相対的に微視的に弾性変形が誘導され得る。ただし、鞭電板材３３１が既設定された厚さ以上に設けられているため、巨視的な変形は起こさないので、耐久性が維持され得、圧電素子が容易に裂けや疲労寿命の面で有利であり得る。

このような前記鞭電素子３３０のいずれか一つには、前記鞭電音叉モジュール３２０を弾性的に支持する音叉ハンドル３２２が連結され得る。このような音叉ハンドル３２２は、支持フレームに連結され、鞭電素子３３０は、空中に浮かんでいる状態になり得る。これにより、音叉ハンドル３２２を基準に鞭電素子３３０がハウリング現象（いわゆる、共鳴現象、ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を 実現され得る。

本実施例においては、音叉ハンドルが水平方向に設けられて複数の鞭電素子３３０が横で固定される形態であるが、これとは異なり、前記鞭電音叉モジュール３２０は、床面を基準に直立または上から吊り下げられる構造で設けられても構わないであろう。

前記鞭電音叉モジュール３２０には、前記ピエゾ薄膜層３４０と前記鞭電板材３３１との間に陰極電線部３３４が部分的に介在され得る。

このような構成の鞭電音叉モジュール３２０を介して、既設定された厚さ以上の鞭電素子３３０にピエゾ薄膜層３４０が結合され、鞭電板材３３１の裏面を鞭電することによって間接的な外力が加わることができるので、装置耐久性が著しく向上し、従来に比べて相対的に微視的な弾性変形および復元が発生されて、比較的長波が伝わることにより圧電素子の割れや裂けが最小化されて、疲労寿命が低減し得る。

また、鞭電音叉モジュール３２０の構造により鞭電素子３３０にハウリングを促進させて、発生電圧および持続時間が著しく増加し得、発電された電気エネルギーの総量が増大され、発電効率が向上し得る。

図９は、本発明の他の実施例に係る鞭電発電装置を概略的に示した図である。

本発明による鞭電発電装置は、第１実施例に係る鞭電発電装置と構成上多少差異点がある。以下、説明の重複を避けるために、前述した第１実施例の構成と差別される構成についてのみ説明することとする。

図９を主に参照すると、回動シャフト２００には、第１実施例の鞭電トリガー２１０が削除される代わりに、第１ベベルギア２１０ａが設けられ得る。ここで、第１ベベルギア２１０ａを介して、回動シャフト２００の回転運動を直線運動に変換させることができる。

これにより、前記鞭電ヒッティング部３５０は、前記第１ベベルギア２１０ａと相互作用される第２ベベルギア３５２と、偏心結合される回転ロッド３５３と、これに連結される直線ロッド３５４およびスライダー３５５と、スライダー３５５をガイドするガイドブロック３５１と、スライダー３５５の一側に設けられる鞭電体３５６と、を含むことができる。また、鞭電体３５６に対向する方向に開口が配置されるように、複数の鞭電素子３３０が設けられ得る。

このような構成を通じて、同じ速度と同じ外力で安定した発電が可能なので、非常に高い効率の発電および蓄電が可能である。すなわち、回動シャフト２００の回転運動は、直線カムまたはクランク軸のピストン往復直線運動に作用され、直線運動軸に付いた鞭電体３５６は、スライダー３５５が一方向に一定の速度で一定の距離だけ移動するとき、まるで物干し綱に洗濯物を干したように複数個が一列に並んで固定された鞭電素子３３０に同じ速度で一定かつ均一な外力が鞭電されて、高効率の発電が可能である。

一方、鞭電体３５６は、第１実施例の第１ヒッティングバー３１２と 第２ヒッティングバー３１３は同じ材質であり得る。この場合には、鞭電体３５６が往復直線運動をすることができる経路が確保されるように、複数の鞭電素子３３０は、鞭電体３５６によってヒッティングされながら移動した後、原状復帰する動作を繰り返し得る。

そして、鞭電体３５６は、第２ヒッティングバー３１２に比べて相対的に軟質材質で設けられることもある。この場合、鞭電体３５６は、図９の例のように鞭電素子３３０をヒッティングしながら反った後、原状復帰する動作を繰り返し得る。

以上で、図９を参照してみた実施例による鞭電発電装置は、プラットフォームで線路近くに設置される場合、ある程度密閉された空間であるプラットフォームに地下鉄が進出入りするときに発生する風によって鞭電素子が周期的にヒッティングされ得る。したがって、鞭電発電装置が地下鉄プラットフォームの線路近くに設置されると、屋外に設置されるのに比べて、飛躍的に高い発電効率を実現することができる。

そして、図９の鞭電発電装置は、列車やバスなど移動する交通手段の胴体に設置され、高効率の発電を実現することもできる。これは前記鞭電発電装置が列車の屋根に設置されると、列車が走る間に加わる風圧によって鞭電素子に対するヒッティングが引き続き行われるからである。

この場合には、列車の速度によって加わる風圧が強すぎて耐久性が問題になり得る。この問題を解決するために、前記鞭電発電装置内に流入される空気の量を減少させたり、減速ギアを使用することにより、複数の鞭電素子に対するヒッティング頻度と強度を調節することが必要であり得る。

図１０は、本発明の実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置を介して発生する電圧特性を示した写真である。

以下、本実施例に係る鞭電素子およびこれを利用する鞭電発電装置を利用した電気発電および発光過程を図１ないし図８および図１０を参照して詳細に説明する。

先ず、左側に吹いてくる風が固定ブレード部１１０の背斜型ベーン１１１を経て進入され、回転ブレード部１２０の向斜型ベーン１２１では、右側に力が加わって回転ブレード部１２０を反時計回りに回動させることができる。これにより、全体の風力収集ユニット１００に偏心による外力ストレスが低減され得、風力収集ユニット１００が風力収集に効率的かつ容易であり得る。

回動シャフト２００が反時計回りに回転されながら、鞭電トリガー２１０は、鞭電発生ユニット３００を駆動させる。

次に、図３および図４に示されるように、鞭電トリガー２１０が第１ヒッティングバー３１２をヒッティングし、これによりヒッティングハブ３１１およびこれに連結された第２ヒッティングバー３１３が時計回りに回動駆動され得る。１次的に、第２ヒッティングバー３１３は、図４の上方の鞭電素子３３０をヒッティングし、トーションスプリングによって反対方向に復元されながら、下方の鞭電素子３３０をヒッティングする。

すると、音叉ハンドル３２２によって支持される複数の鞭電素子３３０が鞭電力によるハウリング現象が発生して電気が発生する。図６に示された陰極電線部３３４と図に示されなかったが、ピエゾ薄膜層３４０の外面に付着された陽極電線部により通電されて電気が発生する。この時、上下の鞭電素子３３０を相互連結する残り一つの鞭電素子３３０にもハウリング振動が発生して電波および電気が発生する。

＜対照群＞
１．評判型－鞭電素子１つだけで実験

２．オシロスコープの電圧テスト測定結果、単位と鞭電方式を同一にして実験をしたとき、図１０ｂに示されたようにピーク値が５００Ｖが出るが、ピークを打っただけで、正弦波の周波数領域が持続されず、すぐに領域が終わる。

３．ＬＥＤ発光テストの結果、点滅がされた後、急速に減って残留光がなくなる。

２．オシロスコープの電圧テスト測定結果、単位を１目盛り当たり１００Ｖにして、鞭電実験をしたとき、図１０ａに示されたようにピーク値が５００V＋αと出てており、正弦波の周波数領域が広くて長い。

３．ＬＥＤ発光テストの結果、光が対照群に比べて相対的に明るく発光され、発光が一定の時間維持された後、徐々に減少する。

このような実験結果、鞭電音叉モジュール３２０の構造により鞭電素子３３０にハウリングを促進させて、発生電圧および持続時間が著しく増加され得るので、発電された電気エネルギーの総量が増大され、発電効率が向上し得る。

また、響き誘導面部３３３を介して、鞭電力によって鞭電素子３３０の裏面、すなわち、ピエゾ薄膜層３４０の反対面に衝撃が加わると、鞭電板材３３１が微視的に弾性変形が誘導され得る。ただし、鞭電板材３３１が既設定された厚さ以上に設けられているため、巨視的な変形は起こさないので、耐久性が維持され得、圧電素子の容易に裂けや疲労寿命の面で有利であり得る。

このような段階構成を通じて、既設定された厚さ以上の鞭電素子３３０にピエゾ薄膜層３４０が結合され、鞭電板材３３１の裏面を鞭電することによって間接的な外力が加わることができるので、装置耐久性が著しく向上して従来に比べて相対的に微視的な弾性変形および復元が発生されて、比較的長波が伝わるにつれて圧電素子の割れや裂けが最小化されて疲労寿命が低減され得、鞭電音叉モジュール３２０の構造によって鞭電素子３３０にハウリングを促進させて、発生電圧および持続時間が著しく増加され得るので、発電される電気エネルギーの総量が増大されて発電効率が向上し得る。

以上、本発明を望ましい実施例を使用して詳細に説明したが、本発明の範囲は、特定の実施例に限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲によって解釈されるべきであろう。また、この技術分野において通常の知識を習得した者であれば、本発明の範囲から外れることなく、かつ、多くの修正と変形が可能であることを理解すべきであろう。

１００：風力収集ユニット １１０：固定ブレード部
１２０：回転ブレード部 ２００：回動シャフト
１２１：向斜型ベーン ２１０：鞭電トリガー
３００：鞭電発生ユニット ３１０：鞭電ヒッティング部
３２０：鞭電音叉モジュール３３０：鞭電素子
３４０：ピエゾ薄膜層 ３５０：鞭電ヒッティング部
３７０，３７０’：衝撃緩衝部

Claims (9)

1. 中心から半径方向に予め設定された大きさだけ、既設定された厚さを維持し、一面にピエゾ薄膜層が結合される鞭電板材と、
   前記鞭電板材の端区域に設けられ、前記鞭電板材を支持する支持ガイド部と、
   前記鞭電板材と支持ガイド部との間に介在され、前記鞭電板材から前記支持ガイド部に行くほど断面厚さが減るようにテーパーした響き誘導面部と、を含み、
   前記響き誘導面部は、外力印加時にハウリング効果が極大化されるように、中心から半径方向の外側に行くほど鍛造率が増加するように製作されることを特徴とする、鞭電素子。
2. 前記鞭電板材は、前記ピエゾ薄膜層の厚さに比べて１０倍の厚さで設けられ、
   前記鞭電板材の材質は、青銅、ステンインレス－スチール、鋼板、非鉄金属板、硬い平板のプラスチック、平板状の石、平板状に引っ張られた革のうちから選択されたいずれか一つで製作されることを特徴とする、請求項１に記載の鞭電素子。
3. 外部に設けられる固定ブレード部と、前記固定ブレード部の内部に収容され、前記固定ブレード部に対して相対回動できるように設けられる回転ブレード部とを含む風力収集ユニットと、
   前記回転ブレード部に結合され、下方に長く延長されるように配置され、外面周りに沿って鞭電力が印加される少なくとも一つ以上の鞭電トリガーが設けられる回動シャフトと、
   前記風力収集ユニットの下部に設けられ、前記鞭電トリガーがヒッティングする鞭電力によって電気が発生する鞭電発生ユニットと、
   を含み、
   前記鞭電発生ユニットは、
   前記鞭電トリガーに相互作用されて予め設定された角度内で時計回りまたは反時計回りに回動される鞭電ヒッティング部と、
   一面にピエゾ薄膜層が内蔵される複数の鞭電素子を含む鞭電音叉モジュールと、を含み、
   中心から半径方向に予め設定された大きさだけ既設定された厚さを維持し、一面に前記ピエゾ薄膜層が結合される鞭電板材と、
   前記鞭電板材の端区域に設けられ、前記鞭電板材を支持する支持ガイド部と、
   前記鞭電板材と支持ガイド部との間に介在され、前記鞭電板材から前記支持ガイド部に行くほど断面厚さが減るようにテーパーした響き誘導面部と、を含み、
   前記響き誘導面部は、外力印加時にハウリング効果が極大化されるように、中心から半径方向の外側に行くほど鍛造率が増加するように製作される、
   ことを特徴とする、鞭電素子を利用する鞭電発電装置。
5. 前記鞭電板材は、前記ピエゾ薄膜層の厚さに比べて１０倍の厚さで設けられ、
   前記鞭電板材の材質は、青銅、ステンインレス－スチール、鋼板、非鉄金属板のうち選択されたいずれか一つで製作されることを特徴とする、請求項３に記載の鞭電素子を利用する鞭電発電装置。
6. 前記鞭電音叉モジュールには、鞭電板材と前記ピエゾ薄膜層との間に陰極電線部が部分的に介在されることを特徴とする、請求項３に記載の鞭電素子を利用する鞭電発電装置。
7. 前記固定ブレード部には、一側に凸に曲率が形成される背斜型（ａｎｔｉｃｌｉｎｅ）ベーンが設けられ、
   前記回転ブレード部には、前記背斜型ベーンと反対方向に湾曲されるように、他側に凹に曲率が形成される向斜型（ｓｙｎｃｌｉｎｅ）ベーンが設けられることを特徴とする、請求項３に記載の鞭電素子を利用する鞭電発電装置。
8. 前記鞭電発生ユニットは、衝撃緩衝部をさらに含み、
   前記衝撃緩衝部は、
   前記鞭電ヒッティング部に隣接して配置される一対の支持板と、
   前記支持板と鞭電ヒッティング部との間に介在されて、前記鞭電ヒッティング部が弾性バイアスされる緩衝バネを含むことを特徴とする、請求項３に記載の鞭電素子を利用する鞭電発電装置。
9. 外部に設けられる固定ブレード部と、前記固定ブレード部の内部に収容され、前記固定ブレード部に対して相対回動できるように設けられる回転ブレード部とを含む風力収集ユニットと、
   前記回転ブレード部に結合されるが、下方に長く延長されるように配置される回動シャフトと、
   前記風力収集ユニットの下部に設けられ、前記回動シャフトの回転運動を直線運動に変換して電気が発生する鞭電発生ユニットと、を含み、
   前記鞭電発生ユニットは、
   一面にピエゾ薄膜層が内蔵される複数の鞭電素子を含む鞭電音叉モジュールと、
   前記回転ブレード部に連結されて、一方向にスライディング前進または後退され、前記鞭電音叉モジュールを鞭電する鞭電ヒッティング部とを含み、
   前記鞭電ヒッティング部は、
   第１ベベルギアと相互作用される第２ベベルギアと、
   前記第２ベベルギアに偏心結合される回転ロッドと、前記回転ロッドに連結される直線ロッドと、
   前記直線ロッドに連結されるスライダーと、
   前記スライダーをガイドするガイドブロックと、
   前記スライダーの一側に設けられる鞭電体と、を含み、
   中心から半径方向に予め設定された大きさだけ既設定された厚さを維持し、一面に前記ピエゾ薄膜層が結合される鞭電板材と、
   前記鞭電板材の端区域に設けられ、前記鞭電板材を支持する支持ガイド部と、
   前記鞭電板材と支持ガイド部との間に介在され、前記鞭電板材から前記支持ガイド部に行くほど断面厚さが減るようにテーパーした響き誘導面部と、を含み、
   前記響き誘導面部は、ハウリング効果が極大化されるように、中心から半径方向の外側に行くほど鍛造率が増加するように製作される、
   ことを特徴とする、鞭電素子を利用する鞭電発電装置。