KR101478446B1 - 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기 - Google Patents

대변위 진동을 이용한 에너지 수확기 Download PDF

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석종원
김필기
정지현
이수영
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

높은 에너지 수확 효율을 갖는 에너지 수확기를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기는, 고정단과 자유단을 갖는 캔틸레버; 캔틸레버의 자유단에 설치되고, 기설정된 질량을 갖는 연자성 물질; 연자성 물질과 제1 거리만큼 이격되어 있고, 캔틸레버의 길이 방향에 수직하도록 설치되되, 서로 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자석부; 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전류를 발생시키는 전류 발생부; 및 발생된 전류를 저장하는 축전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

대변위 진동을 이용한 에너지 수확기{ENERGY HARVESTER USING LARGE-AMPLITUDE VIBRATION}
본 발명은 압전소자를 이용하여 외부의 운동에 의해 발생하는 에너지를 전력으로 변환하는 에너지 수확기에 관한 것으로, 구체적으로는 외부의 운동에 의해 발생하는 에너지를 수확하는 구조물의 대변위 진동을 유발하도록 하여 높은 수확 효율을 갖는 에너지 수확기에 관한 것이다.
최근 에너지 절약 및 신재생 에너지 관련 사업의 발전이 가속화되고 있다. 이에 따라서, 소비되는 에너지를 수확하여 전력 등의 이용 가능한 에너지로 변환함으로써, 에너지 절약 및 새로운 에너지 수확원을 이용하기 위한 연구가 계속되고 있다.
이 중, 외부의 운동에 의해 발생하는 운동 에너지를 수확하여 전력을 발생하는 에너지 수확기에 대한 연구 역시 널리 이루어지고 있다. 즉, 압전 소자를 포함하도록 하여 외부의 진동을 통해 질량을 갖는 소자가 이동하면서 압전 소자의 압전 효과에 따라서 외부의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하거나, 소자의 운동에 의한 전자기 유도 현상에 의해 발생되는 유도 기전력을 전기 에너지로 변환하는 기술이 대표적인 에너지 수확기로서 사용되고 있다.
기존의 에너지 수확기에서는, 하나의 이동 가능한 압전 소자가, 하나의 영구자석을 이용하여, 압전 효과에 의해 발생된 전류를 저장하고 저장된 전기 에너지를 사용하도록 하고 있다.
이러한 에너지 수확기의 구조는 캔틸레버 구조의 선단 자석과 고정 자석 사이의 반발 자기력을 이용하고 있으며, 이 경우 선단 자석과 고정 자석 사이에 하나의 안정상태(stable state)를 갖고 있는 포텐셜 에너지의 형태를 가지고 있으며, 이에 따라서 선단 자석은 포텐셜 에너지의 에너지 웰(well) 안에서 이동하면서 에너지를 발생시킬 수 있다.
이러한 구조는, 선단 자석의 이동량에 제한이 발생하며, 이에 따라서 선단 자석의 대변위 이동이 불가능해져 많은 양의 에너지를 수확하기에는 한계가 있다. 이에 따라서, 캔틸레버 구조의 선단에 위치한 물질의 대변위 운동이 가능하도록 하여, 높은 수확 효율을 갖는 에너지 수확기를 개발할 필요성이 증가하고 있다.
이에 본 발명은, 캔틸레버 구조의 대변위 운동이 가능하도록 하는 에너지 수확기 구조를 제안하여, 높은 효율의 에너지 수확기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기는, 고정단과 자유단을 갖는 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단에 설치되고, 기설정된 질량을 갖는 연자성 물질; 상기 연자성 물질과 제1 거리만큼 이격되어 있고, 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직하도록 설치되되, 서로 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자석부; 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전류를 발생시키는 전류 발생부; 및 상기 발생된 전류를 저장하는 축전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캔틸레버의 표면에는 압전물질이 덮혀짐으로써, 상기 전류 발생부는, 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 상기 압전 물질의 압전 효과에 따라 전류를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석이 상기 캔틸레버가 틸팅되지 않은 상태에서 상기 캔틸레버를 중심으로 서로 상기 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 연자성 물질과 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석이 형성하는 포텐셜 에너지의 웰 포인트가 2 이상이 되도록 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석이 마주하는 양 극이 서로 다르게 설치되는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석의 양 극이 형성하는 방향이, 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직하도록 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기는, 고정단과 자유단을 갖는 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 자유단에 설치되고, 기설정된 질량을 갖는 제1 영구자석; 상기 제1 영구자석과 제1 거리만큼 이격되어 있고, 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직하도록 설치되되, 서로 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 제2 영구자석 및 제3 영구자석을 포함하는 자석부; 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전류를 발생시키는 전류 발생부; 및 상기 발생된 전류를 저장하는 축전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 캔틸레버의 표면에는 압전물질이 덮혀짐으로써, 상기 전류 발생부는, 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 상기 압전 물질의 압전 효과에 따라 전류를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제2 영구자석과 상기 제3 영구자석이 상기 캔틸레버가 틸팅되지 않은 상태에서 상기 캔틸레버를 중심으로 서로 상기 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석이 형성하는 포텐셜 에너지의 웰 포인트가 2 이상이 되도록 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 설정하는 것이 바람직하다.
상기 자석부는, 상기 제1 영구자석이 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석과 같은 극을 마주하고 있어 상기 제1 영구자석이 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석에 대한 반발력에 의해 이동하도록 설치된 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 두 개의 영구자석과 캔틸레버의 자유단에 설치된 연자성 물질 또는 영구자석의 인력 또는 반발력에 의해 캔틸레버 구조가 틸팅되면서 이동 시, 두 개의 영구자석과 연자성 물질 또는 영구자석에 의해 2개 이상의 안정 상태를 갖는 포텐셜 에너지 구조가 넓은 변위에 걸쳐 형성되기 때문에, 안정 상태를 의미하는 에너지 웰(Energy-well) 사이의 변위에 따라서 캔틸레버 구조가 틸팅되면서 이동하기 때문에, 기존의 에너지 수확기 모델보다 대변위 진동이 유발될 수 있으며, 진동에 따른 전력 발생량이 늘어나게 되어, 높은 수확 효율을 갖는 에너지 수확기를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 각 실시예에 따라 제1 거리 및 제2 거리와 형성되는 에너지 웰의 수 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라서 캔틸레버가 틸팅되는 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 각 실시예에 따라서 캔틸레버의 틸팅과 영구자석에 의해 형성되는 에너지 웰 사이의 관계를 도시한 것이다.
도 6 및 7은 본 발명의 각 실시예에 따라 형성될 수 있는 다중 안정 상태의 포텐셜 에너지 구조의 예를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기에 대하여 설명하기로 한다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기(이하 본 발명의 에너지 수확기라 한다.)는, 캔틸레버(10), 연자성 물질(20), 자석부(30), 전류 발생부(미도시) 및 축전부(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 전류 발생부(미도시)는, 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써, 전류를 발생시키는 기능을 수행한다.
예를 들어, 캔틸레버의 표면에 압전 물질이 덮혀져 있는 경우, 전류 발생부는 캔틸레버가 외력 또는 이하에 설명할 연자성 물질(20)과 자석부(30)의 상호 작용에 따라서 틸팅될 때, 압전 물질의 압전 효과에 따라서 전류를 발생시키도록 구성될 수 있다.
다른 예에서, 전류 발생부는 유도 코일 등을 포함함으로써, 캔틸레버가 상기에서 언급한 요인에 의해 틸팅될 때, 연자성 물질(20)과 자석부(30)의 전자기 유도 현상에 의해 발생되는 유도 기전력을 전류로 변환하는 독립적인 구성으로 구성될 수 있다.
본 발명에서 축전부(40)는 상기 언급한 전류 발생부에 의해 생성되는 전류를 저장하는 기능을 수행한다.
한편, 캔틸레버(10)는 일반적으로 하나의 고정단과 하나의 자유단으로 이루어진 물질을 의미한다. 캔틸레버(10)는 본 발명의 기능을 위해 전도성이 있는 물질로 이루어질 수 있다.
캔틸레버(10)의 자유단에는 도 1에 도시된 바와 같이 연자성 물질(20)이 설치될 수 있다. 본 발명에서의 연자성 물질(20, soft magnetic material)은 알려진 바와 같이 철, 니켈, 코발트 등의 물질을 포함할 수 있으며, 이 외에도 연자성을 띄는 모든 물질이 연자성 물질(20)로서 사용될 수 있다.
연자성 물질(20)은 기설정된 질량을 갖고 있어, 연자성 물질(20)을 끌어당기는 자석부(30)와의 상호 작용에 의해, 인력, 관성력, 캔틸레버(10)의 탄성력 등에 의해 캔틸레버(10)가 연속적으로 틸팅 및 복원 운동을 하도록 할 수 있다. 캔틸레버(10)의 운동에 따라서 연자성 물질(20) 역시 이동될 것이다.
자석부(30)는 제1 영구자석(310) 및 제2 영구자석(320)으로 이루어져 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 영구자석(310) 및 제2 영구자석(320)은, 연자성 물질(20)과 제1 거리(d)만큼 이격되도록 설치되며, 캔틸레버(10)의 길이 방향에 수직하도록 설치되어 있다. 제1 영구자석(310) 및 제2 영구자석(320)은 서로 제2 거리(dg)만큼 이격되도록 설치될 수 있다.
이때, 제1 영구자석(310)과 제2 영구자석(320)은 캔틸레버(10)가 틸팅되지 않은 상태에서, 캔틸레버(10)를 중심으로 제2 거리(dg)만큼 이격되도록 설치될 수 있다.
즉, 캔틸레버(10)의 중심으로부터 제1 영구자석(310)은 dg/2만큼, 제2 영구자석(320)은 제1 영구자석(310)과 반대방향으로 dg/2만큼 거리를 두고 설치될 수 있다.
제1 거리(d)와 제2 거리(dg)에 따라서 연자성 물질(20)과 제1 및 제2 영구자석(310, 320)에 형성되는 포텐셜 에너지 웰 구조가 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 각 실시예에 따라 제1 거리(d) 및 제2 거리(dg)와 형성되는 에너지 웰의 수 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
에너지 웰 구조는 다른 말로 정적 평형상태를 의미하며, 평형상태는 불안정 평형상태와 안정 평형상태로 구성되기 때문에, 에너지 수확기는 다중 안정 포텐셜 웰을 갖는 것으로 알려져 있다.
상기 언급한 바와 같이 하나의 영구자석으로 이루어진 종래의 에너지 수확기의 구조는, 하나의 에너지 웰을 갖고 있어, 하나의 안정 평형상태만을 가지고 있다. 이러한 경우, 최초 외력에 의해 캔틸레버가 진동을 하더라도, 해당 에너지 웰 사이에서만 진동이 가능하기 때문에, 진동폭이 매우 좁아, 진동에 의해 발생하는 전류 역시 적은 양이 된다.
그러나, 본 발명에서는, 제1 거리(d)와 제2 거리(dg)의 조절에 의해, 도 3에 기재된 그래프에서 2w, 3w, 4w 및 5w와 같이, 다중의 안정 포텐셜 웰이 형성되도록 할 수 있으며, 제1 거리(d) 및 제2 거리(dg)에 따라서 형성된 포텐설 웰의 개수가 늘어남에 따라서 캔틸레버(10)의 진동폭이 늘어날 수 있도록 할 수 있다.
이하 설명하는 바와 같이, 캔틸레버(10)의 진동폭은 포텐셜 웰의 개수 및 캔틸레버(10)에 가해지는 외력에 의해 캔틸레버(10)에 인가되는 포텐셜 에너지의 크기에 따라서 달라지게 된다. 이때, 포텐셜 웰의 개수가 2 이상이 되고, 캔틸레버(10)에 인가되는 포텐셜 에너지가 포텐셜 웰 사이를 이동할 수 있는 정도가 되면, 캔틸레버(10)의 진동폭이 기존의 에너지 수확기에 비하여 크게 향상되어 대변위 이동이 가능하기 때문에, 이에 따라서 발생되는 전류 역시 크게 증가할 수 있는 것이다.
이에 본 발명은 제1 거리(d) 및 제2 거리(dg)를 설정하여, 연자성 물질(20)과 제1 영구자석(310) 및 제2 영구자석(320)이 형성하는 포텐셜 웰이 다수가 되도록 하고, 외력에 의해 웰 사이를 이동할 수 있도록 함으로써, 대변위 이동이 가능하도록 하고 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서 자석부(30)는 제1 영구자석(310)과 제2 영구자석(320)이 마주하는 양 극이 서로 다르도록 설치할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 영구자석(310, 320)은, 도 1에 도시된 바와 같이 양 극이 형성하는 방향이 캔틸레버(10)의 길이 방향에 수직하도록 설치될 수 있다. 이에 의해, 연자성 물질(20)이 제1 영구자석(310)과 제2 영구자석(320)에 의해 끌어당겨지면서, 즉 인력을 받으면서 최초 외력에 의해 캔틸레버(10)가 틸팅되면서 연자성 물질(20)이 이동 시, 지속적으로 진동이 계속되고, 이에 따라서 전류 발생이 지속적으로 이루어질 수 있다.
상기 언급한 바와 같이 캔틸레버(10)가 틸팅되는 예가 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라서 캔틸레버(10)가 틸팅되는 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 캔틸레버(10)의 자유단에는 연자성 물질(20)이 설치되어 있으며, 외력에 의해 최초로 캔틸레버(10)가 진동을 하게 되면, 연자성 물질(20)은 캔틸레버(10)의 진동에 의해 함께 이동을 하게 된다. 이때 외력에 따라서 xt 또는 그 이상의 거리만큼 연자성 물질(20)이 이동을 하게 되면, 외력의 에너지에 따라서 도 5와 같은 형태로 지속적인 대변위 진동이 가능하다.
도 5는 본 발명의 각 실시예에 따라서 캔틸레버(10)의 틸팅과 영구자석(310, 320)에 의해 형성되는 에너지 웰 사이의 관계를 도시한 것이다.
도 5의 그래프를 참조하면, 제1 안정 상태 변위(x2)는 캔틸레버(10)가 틸팅되지 않은 상태에서 연자성 물질(20)과 제1 및 제2 영구자석(310, 320)에 의해 형성되는 포텐셜 웰의 안정 상태를 의미한다. 한편, 제1 거리(d) 및 제2 거리(dg)에 따라서, 제2 및 제3 안정 상태 변위(x1, x3)가 형성된다.
외력 및 자력에 의해 연자성 물질(20)이 제2 안정 상태 변위(x1)에 위치하도록 틸팅될 수 있다(201에 해당). 이 경우, 캔틸레버(10)의 탄성력(복원력)이 제2 안정 상태 변위(x1)와 제1 안정 상태 변위(x2) 사이를 이동할 수 있는 에너지가 될 수 있다. 즉, 제2 안정 상태 변위(x1)와 제1 안정 상태 변위(x2) 사이의 임계 포텐셜 에너지(도 5에서는 x1과 x2 사이의 포텐셜 에너지의 최대값)보다 큰 에너지가 인가되는 경우, 연자성 물질(20)은 x1으로부터 x2로 이동할 수 있다. 이는, x2에서 x1으로 이동 시에도 최초의 외력이 가해져 연자성 물질이 20에서 201의 위치로 이동 시, 외력의 에너지가 제2 안정 상태 변위(x1)와 제1 안정 상태 변위(x2) 사이의 임계 포텐셜 에너지보다 클 때의 경우로 마찬가지로 정의될 수 있다.
최초의 외력이 가해지고, 캔틸레버(10)의 탄성력, 연자성 물질(20)의 질량에 의한 관성력 및 제1 및 제2 영구자석(310, 320)에 의한 인력에 의해 지속적인 진동을 하는 동안, 상기 언급한 바와 같이 진동 포텐셜 에너지가 임계 포텐셜 에너지(x1, x2, x3 사이의 각 에너지의 최대값)보다 큰 경우, 캔틸레버(10)는 웰 사이를 이동하도록 틸팅될 수 있으며, 이에 따라서 연자성 물질(20)의 진동폭이 커 지고, 이에 따라 발생하는 전류 역시 커지게 된다.
제1 및 제2 영구자석(310, 320)에 의해 상기 언급한 바와 같이 포텐셜 에너지의 웰이 다수가 되고, 외력에 따라서 다수의 웰 사이를 연자성 물질(20)이 이동할 수 있기 때문에, 캔틸레버(10)의 대변위 진동이 가능해져, 높은 효율로 에너지를 수확할 수 있게 될 것이다.
도 6 및 7은 본 발명의 각 실시예에 따라 형성될 수 있는 다중 안정 상태의 포텐셜 에너지 구조의 예를 도시한 것이다.
상기 언급한 바와 같이, 연자성 물질(20) 및 제1 및 제2 영구자석(310, 320)에 의해 다중 안정 상태(평형상태)를 갖는 포텐셜 에너지 구조가 형성될 수 있다. 이때 포텐셜 에너지 구조의 웰의 개수, 웰의 포텐셜 에너지의 최소값(pw) 및 웰 사이의 포텐셜 에너지의 최대값(pc, 임계 포텐셜 에너지)는 제1 거리(d)및 제2 거리(dg)에 따라서 달라질 수 있다.
도 6 및 7의 그래프에서 세로축은 포텐셜 에너지, 가로축은 캔틸레버(10)의 진동에 따른 연자성 물질(20)의 변위(x)를 의미한다.
이때, 도 6의 그래프에서는 캔틸레버(10)가 틸팅되지 않은 때, 즉 x가 0일 때의 웰의 pw가 가장 작고, 캔틸레버(10)가 틸팅됨에 따른 변위 범위에서 형성되는 다른 웰(x가 0.2일 때)의 pw가 x가 0일때의 웰의 pw보다 크도록 포텐셜 에너지 구조가 형성됨을 알 수 있다.
이때, 외력, 캔틸레버(10)의 탄성력, 연자성 물질(20)의 관성력, 연자성 물질(20)에 가해지는 인력(자력)에 따라서, 틸팅되는 토크에 대응하는 포텐셜 에너지가 임계 포텐셜 에너지(pc)를 초과하는 경우, 캔틸레버(10) 및 연자성 물질(20)은 도 6에 도시된 3개의 웰 사이를 이동하게 된다.
이에 의하여, 웰이 1개일 때보다 더욱 큰 진동폭을 같도록 대변위 진동이 되기 때문에, 발생되는 전류(전기 에너지)가 더욱 커지게 될 것이며, 이에 따라서 더욱 높은 효율을 갖는 에너지 수확기를 제공할 수 있다.
한편 도 7은 도 6과 달리, 캔틸레버(10)가 틸팅되지 않은 때, 즉 x가 0일 때의 웰의 pw가 가장 크고, 캔틸레버(10)가 틸팅됨에 따른 변위 범위에서 형성되는 다른 웰(x가 0.2일 때)의 pw가 x가 0일때의 웰의 pw보다 작도록 포텐셜 에너지 구조가 형성됨을 확인 수 있다.
이때, 도 6과 마찬가지로 외력, 캔틸레버(10)의 탄성력, 연자성 물질(20)의 관성력, 연자성 물질(20)에 가해지는 인력(자력)에 따라서, 틸팅되는 토크에 대응하는 포텐셜 에너지가 임계 포텐셜 에너지(pc)를 초과하는 경우, 캔틸레버(10) 및 연자성 물질(20)은 도 7에 도시된 3개의 웰 사이를 이동하게 된다.
(제2 실시예)
제2 실시예에 관한 이하의 설명에서는, 도 1, 3 내지 7에 대한 설명과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 1, 3 내지 7과, 도 2에서 동일한 식별 번호는 동일한 구성을 의미한다. 한편, 이하의 설명에서 제2 영구자석과 제3 영구자석은 제1 실시예에 관한 설명에서 제1 영구자석 및 제2 영구자석과 각각 같은 구성으로 이해되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 도 1과 달리, 캔틸레버(10)의 자유단에는 기설정된 질량을 갖는 제1 영구자석(21)이 설치됨을 확인할 수 있다. 제1 영구자석(21)은 캔틸레버(10)의 길이 방향으로 양 극이 형성되도록 설치될 수 있다.
한편 도 1과 달리, 자석부(31)에는 제2 영구자석(311) 및 제3 영구자석(321)이 설치될 수 있다.
물론, 도 1과 동일하게, 제1 영구자석(21)과 제1 거리(d)만큼 이격되도록 설치되며, 제2 영구자석(311)과 제3 영구자석(321)은 서로 제1 거리(dg)만큼 이격되면서, 캔틸레버(10)가 틸팅되지 않은 상태에서, 캔틸레버(10)를 중심으로 제2 거리(dg)만큼 이격되도록 설치될 수 있다.
이때 제2 영구자석(311)과 제3 영구자석(321)은, 제1 영구자석(21)이 제2 영구자석(311) 및 제3 영구자석(321)과 같은 극을 마주하고 있어 상기 제1 영구자석(21)이 상기 제2 영구자석(311) 및 제3 영구자석(321)에 대한 반발력에 의해 이동하도록 설치될 수 있다.
즉, 제1 실시예에서는 연자성 물질이 캔틸레버(10)에 가해지는 외력, 캔틸레버(10)의 탄성력(복원력), 연자성 물질의 질량에 의한 관성력 및 연자성 물질에 가해지는 인력에 의해 이동되었다. 그러나 제2 실시예에서는, 제1 영구자석(21)이 캔틸레버(10)에 가해지는 외력, 캔틸레버(10)의 탄성력(복원력), 제1 영구자석(21)의 질량에 의한 관성력 및 제1 영구자석(21)에 가해지는 반발력에 의해 이동하게 되는 것이다.
이를 통해, 제1 실시예에서 언급한 바와 같이 제2 영구자석(311) 및 제3 영구자석(321)에 의해 형성되는 다수의 포텐셜 웰 사이를 이동하면서, 캔틸레버(10)의 틸팅에 따라서 전류를 발생하게 된다. 전류가 발생되는 흐름에 대한 설명은 제1 실시예에서 언급한 전류 발생부 및 축전부(40)에 대한 설명에서 언급한 바 이는 생략하기로 한다. 제1 실시예와 마찬가지로 캔틸레버(10)의 대변위 진동이 가능해지기 때문에, 기존에 비하여 높은 효율로 에너지가 수확되는 효과를 기대할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 적어도 하나로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 고정단과 자유단을 갖는 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 자유단에 설치되고, 기설정된 질량을 갖는 연자성 물질;
    상기 연자성 물질과 각각 제1 거리만큼 이격되어 설치되는 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 자석부;
    상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전류를 발생시키는 전류 발생부; 및
    상기 발생된 전류를 저장하는 축전부;를 포함하고,
    상기 제1 영구자석에서 상기 제2 영구자석을 향하는 방향이 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직되며, 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석은 서로 제2 거리만큼 이격되도록 설치되되, 상기 연자성 물질과 상기 제1 영구자석 및 상기 제2 영구자석이 형성하는 포텐셜 에너지의 웰 포인트가 2 이상이 되도록 상기 제1 거리와 상기 제2 거리가 설정되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 표면에는 압전물질이 덮혀짐으로써, 상기 전류 발생부는, 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 상기 압전 물질의 압전 효과에 따라 전류를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자석부는,
    상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석이 상기 캔틸레버가 틸팅되지 않은 상태에서 상기 캔틸레버를 중심으로 서로 상기 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자석부는,
    상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석이 마주하는 양 극이 서로 다르게 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자석부는,
    상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석의 양 극이 형성하는 방향이, 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  7. 고정단과 자유단을 갖는 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 자유단에 설치되고, 기설정된 질량을 갖는 제1 영구자석;
    상기 제1 영구자석과 각각 제1 거리만큼 이격되어 설치되는 제2 영구자석 및 제3 영구자석을 포함하는 자석부;
    상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킴으로써 전류를 발생시키는 전류 발생부; 및
    상기 발생된 전류를 저장하는 축전부;를 포함하고,
    상기 제2 영구자석에서 상기 제3 영구자석을 향하는 방향이 상기 캔틸레버의 길이 방향에 수직되며, 상기 제2 영구자석과 상기 제3 영구자석은 서로 제2 거리만큼 이격되도록 설치되되, 상기 제1 영구자석과 상기 제2 영구자석 및 상기 제3 영구자석이 형성하는 포텐셜 에너지의 웰 포인트가 2 이상이 되도록 상기 제1 거리와 상기 제2 거리가 설정되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 표면에는 압전물질이 덮혀짐으로써, 상기 전류 발생부는, 상기 캔틸레버의 틸팅에 따른 상기 압전 물질의 압전 효과에 따라 전류를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 자석부는,
    상기 제2 영구자석과 상기 제3 영구자석이 상기 캔틸레버가 틸팅되지 않은 상태에서 상기 캔틸레버를 중심으로 서로 상기 제2 거리만큼 이격되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 자석부는,
    상기 제1 영구자석이 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석과 같은 극을 마주하고 있어 상기 제1 영구자석이 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석에 대한 반발력에 의해 이동하도록 설치된 상기 제2 영구자석 및 제3 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 대변위 진동을 이용한 에너지 수확기.
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