KR101700650B1

KR101700650B1 - 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구

Info

Publication number: KR101700650B1
Application number: KR1020160102855A
Authority: KR
Inventors: 조성호; 김장규; 김락환; 박우성; 임동빈; 장성범; 김준영
Original assignee: 조성호
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-02-01

Abstract

본 발명은 제한된 각도에서 정역 운동을 반복하는 스텝퍼를 이용하여 운동을 하는 경우 스텝퍼 발판의 정역 운동을 한쪽 방향으로 360도 연속회전이 가능하도록 변환함에 의해, 발전기 모듈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키고, 여기서 발생된 전기에너지를 제어하여 이를 다양한 종류의 기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있는 기능과 출력단자를 구비한 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구를 제공한다.

Description

자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구{STEPPER SPORTING APPARATUS WHICH HAVING A INDEPENDENT ELECTRICITY GENERATOR}

본 발명은 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제한된 각도에서 정역 운동을 반복하는 스텝퍼를 이용하여 운동을 하는 경우 스텝퍼 발판의 정역 운동을 한쪽 방향으로 360도 연속회전이 가능하도록 변환함에 의해, 발전기 모듈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키고, 여기서 발생된 전기에너지를 제어하여 이를 다양한 종류의 기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있는 기능과 출력단자를 구비한 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 관한 것이다.

최근, 생활의 윤택과 여유시간의 증가는 웰빙이라는 새로운 성향을 불러 일으켰고, 이와 더불어 건강에 대한 관심을 집중시켰다.

이로 인해 운동이 부족한 현대인들이 실내에서 운동을 할 수 있는 운동기구(헬스기구)들이 개발되어 있다.

이러한 운동기구들로서 실내자전거, 런닝머신, 스텝터 등의 다양한 운동기구들이 알려져 있음은 주지된 사실이다.

또한, 이러한 운동기구들을 이용하여 운동을 할 때 발전기에서 전기에너지를 생산하는 발전 기능을 부가함으로서, 사용 편리성을 증진시키도록 한 것들이 있는데, 이는 실내자전거에만 적용된다. 즉, 사용자가 페달의 회전력을 발전기에 전달하여 발전을 하는데, 신체 단련을 위해 페달을 회전시키면 이와 동시에 발전기를 구동할 수 있는 구조를 취하고 있다.

이러한 발전 기능이 부가된 운동기구로서, 대한한국 실용신안 등록번호 20-381106호와, 대한민국 실용신안 등록번호 20-396982호, 대한한국 특허 공개번호 10-2005-94306호 등이 있다.

대한한국 실용신안 등록번호 20-381106호는, 운동 시 발전장치를 이용하여 생산되는 전기로 헬스기구는 물론 다른 전기기구도 사용할 수 있도록 하는 것이고, 대한한국 실용신안 등록번호 제396982호는, 발전기 작동으로 발전한 전기를 TV, 라디오, 비상 램프 등에 분배하도록 한 것이고, 대한한국 특허 공개번호 10-2005-94306호는, 직류 모터를 이용하여 전기에너지를 생산하도록 구성된다.

인용된 문헌에서는 배터리(축전지)와 인버터를 구비하여, 발전된 전기를 이용하여 축전지에 충전된 전기를 이용할 수 있도록 하거나, 발전된 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸어 주는 인버터를 이용하여 전기 기기에 상용 교류 전원을 공급할 수 있도록 하는 등 헬스운동기구에서 생산된 발전 전기의 활용범위를 넓게 하고 있다.

그러나 인용된 문헌의 운동기구들은 모두 헬스기구(실내자전거)에만 적용되는 구성으로, 체중과 다리의 힘을 이용하여 계단 밟기 운동을 하면서 하체를 강화시키는 운동을 할 수 있는 스텝퍼와 같은 운동기구에는 적용될 수 없다.

예컨대, 스텝퍼는 계단 오르내리기를 제자리에서 할 수 있도록 만들어 놓은 운동기구로서, 탄력있는 몸매 유지가 가능하며, 근력 운동과 체지방 감량 운동 효과를 볼 수 있고, 처진 힙을 업 시켜 주는 유산소 운동을 할 수 있으며, 실내자전거와 런닝머신에 비해 가격이 저렴하고 점유하는 공간이 작아 그 활용도가 실내자전거와 런닝머신과 비교하여 유리한 장점을 갖는다.

그러나 이와 같은 장점을 갖는 스텝퍼는 발판이 정역 운동하기 때문에 어느 한 방향으로 회전력을 전달하지 못하여 발전기를 구동시키기 위한 회전력을 얻을 수 없었고, 이로 인해 전기발전기를 설치할 수 없는 단점이 있다.

국내 실용신안 등록번호 20-381106호, 자가발전장치가 구비된 헬스기구. 국내 실용신안 등록번호 20-396982호, 발전기능을 갖는 자전거 헬스머신. 국내 특허 공개번호 10-2005-94306호, 발전기능을 갖춘 헬스 사이클.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제한된 각도에서 정역 운동을 반복하는 스텝퍼를 이용하여 운동할 때, 스텝퍼 발판의 정역 운동을 한쪽 방향으로 360도 연속회전이 가능하도록 변환함에 의해, 발전기 모듈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키고, 여기서 발생된 전기에너지를 제어하여 이를 다양한 종류의 기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있는 기능과 출력단자를 구비한 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 한 개의 중심축을 기준으로 제한된 범위 내에서 한쪽이 내려가면 다른 쪽이 올라가도록 서로 교차되는 각도 운동을 하도록 상기 중심축의 좌우에 서로 대칭되게 설치되어 각각 20~30도의 범위 내에서 정역 운동을 반복하는 좌우측 발판; 상기 좌우측 발판이 제한된 범위 내에서 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 한쪽 방향으로 연속 회전될 수 있도록 상기 중심축의 양단에 각각 설치된 좌우측 회전축; 상기 좌우측 회전축의 회전력을 전달받아 회전되면서 전기를 발생시키는 발전기축을 구비하고, 발생된 전기를 제어하여 외부기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있도록 출력단자를 구비하는 발전기 모듈; 및 상기 발전기 모듈에 구비되는 발전기축을 상기 좌우측 발판의 각도 운동에 의해 회전시키도록 설치되되, 상기 좌우측 회전축의 회전수를 증속시켜 회전력을 전달할 수 있도록 설치된 회전수 증속 전달 모듈;을 포함하고, 상기 회전수 증속 전달 모듈은: 상기 좌우측 회전축에 각각 설치되어 좌우측 회전축과 함께 회전되는 좌우측 제1 기어; 상기 좌우측 제1 기어에 맞물려 회전되는 좌우측 제2 기어; 상기 좌우측 제2 기어가 설치되어 좌우측 제2 기어와 함께 회전되는 좌우측 동력전달축; 상기 좌우측 동력전달축에 설치되되, 상기 좌우측 제2 기어와는 소정 거리를 두고 설치되어 상기 좌우측 제2 기어에 의해 회전되는 좌우측 동력전달축과 함께 회전되는 좌우측 제3 기어; 상기 좌우측 제3 기어에 맞물려 회전되는 좌우측 제4 기어; 상기 좌우측 제4 기어가 좌우측에 각각 설치되어 상기 좌우측 제4 기어와 함께 회전되는 구동축; 상기 구동축에 설치되되, 상기 좌우측 제4 기어의 사이에 중앙으로 배치되어 상기 좌우측 제4 기어에 의해 회전되는 구동축과 함께 회전되는 구동바퀴; 상기 구동바퀴의 외주면에 접하여 상기 구동바퀴에 의해 회전되게 설치되되, 상기 발전기축에 결합되어 상기 발전기 모듈에서 전기를 발생시키도록 발전기축을 한쪽 방향으로 연속 회전시킬 수 있는 종동바퀴; 및 상기 좌우측 회전축과 상기 좌우측 제1 기어의 사이에 각각 대칭으로 설치되어 회전방향을 한쪽 방향으로 동력 전달이 가능하도록 하는 원웨이클러치 베어링:으로 이루어지되, 상기 좌우측 발판이 각각 20~30도의 범위 내에서 정역 운동을 반복하면서 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 상기 좌우측 발판이 서로 교차하여 정역회전이 변환하는 순간에 상기 회전축에 일시적인 멈춤 현상이 발생되어도 상기 발전기축으로 전달되는 회전력에는 영향을 주지 않도록 상기 좌우측 제1 기어와, 상기 좌우측 제2 기어, 상기 좌우측 제3 기어, 상기 좌우측 제4기어, 상기 구동바퀴, 상기 종동바퀴의 일련의 동력 전달과정에서 회전수를 증속시켜 회전력을 전달할 수 있게 하고자, 상기 좌우측 제1 기어와 상기 좌우측 제2기어는 4:1의 기어비를 갖도록 구성되고, 상기 좌우측 제3 기어와 상기 좌우측 제4기어는 6:1의 기어비를 갖도록 구성되며, 상기 구동바퀴와 종동바퀴의 지름은 3:1 내지 5:1의 비율로 이루어지되, 상기 구동바퀴와 종동바퀴는 고무, 실리콘, 우레탄 재질 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 발전기 모듈은: 발전기 모듈에서 발생하는 전자기력을 DC전압으로 변환을 하기 위한 전파정류회로와 전압의 크기를 조절할 수 있는 전압제어 회로를 구성하되, 전파정류회로와 전압제어 회로는: 교류 전압을 전파정류화 하기 위한 정파정류 회로와, 전파정류된 전기를 평활화하기 위한 1000uF/50V 전해캐패시터와, 평활된 DC전압을 정전압화기 위한 스텝-다운 방식의 정전압회로로 이루어지고, 전자기기 또는 통신기기에서 필요한 전원을 안정되게 공급하기 위하여 전자기기 또는 통신기기 종류에 따라 출력전압을 변환할 수 있는 인버터회로를 구성함과 아울러 기기에 적합한 출력단자를 설치하여 사용자로 하여금 선택 사용하도록 하며, 상기 좌우측 발판의 각도 운동에 의한 운동량을 모니터링 할 수 있도록 마이크로 스위치와 압력센서를 설치하고, 신호를 받아 마이크로컨트롤러에서 처리하여 디스플레이하는 것이 바람직하다.

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본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 의하면, 제한된 각도에서 정역 운동을 반복하는 스텝퍼를 이용하여 운동할 때, 스텝퍼 발판의 정역 운동을 한쪽 방향으로 360도 연속회전이 가능하도록 변환함에 의해, 발전기 모듈을 회전시켜 전기에너지를 발생시키고, 여기서 발생된 전기에너지를 제어하여 이를 다양한 종류의 기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 스텝퍼로 운동을 하는 동안 전자기기와 통신기기에 필요한 전기를 자체적으로 생산함으로써 운동을 통하여 체력 향상뿐만이 아니라 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 걸음을 걷는 동작을 하면서 운동을 하는 스텝퍼에 맞는 연결부만 설계 제작하여 조립을 할 경우 누구든지 전기에너지를 만들어 운동을 할 뿐만 아니라 전자기기 또는 통신기기를 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구를 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 평면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 정면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 측면도이고,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 동작 상태를 여러 방향에서 보아 도시한 도면이고,
도 9는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 원웨이클러치 베어링을 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 자가발전 시스템의 구성 블록도이고,
도 11은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 정류회로 및 전압회로, 저장 회로도이고,
도 12는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 운동량 모니터링 및 출력전압 변환 회로도이고,
도 13은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 위에서 찍은 실물 사진이고,
도 14는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 앞에서 찍은 실물 사진이고,
도 15 내지 도 17은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 동작 상태를 여러 방향에서 찍은 실물 사진이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 정면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 보인 측면도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 동작 상태를 여러 방향에서 보아 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 원웨이클러치 베어링을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 자가발전 시스템의 구성 블록도이고, 도 11은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 정류회로 및 전압회로, 저장 회로도이고, 도 12는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 구비되는 운동량 모니터링 및 출력전압 변환 회로도이고, 도 13은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 위에서 찍은 실물 사진이고, 도 14는 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 구성을 앞에서 찍은 실물 사진이고, 도 15 내지 도 17은 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구의 동작 상태를 여러 방향에서 찍은 실물 사진이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에는 좌우측 발판(110a,110b)이 구비되어 있다.

이러한 좌우측 발판(110a,110b)은 한 개의 중심축(102)을 기준으로 제한된 범위 내에서 한쪽 발판이 내려가면 다른 쪽 발판이 올라가도록 서로 교차되는 각도 운동을 하도록 상기 중심축(102)의 좌우에 서로 대칭되게 설치되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 좌우측 발판(110a,110b)은 각각 20~30도의 범위 내에서 정역 운동을 반복하도록 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 좌우측 발판(110a,110b)은 통상의 스톱퍼에 구비되는 구성을 갖는다. 즉, 좌우측 발판이 소정 각도 만큼 각도 운동을 하도록 좌우측 발판이 작동되는 구성(예컨데 실리더 및 스프링 등)은 통상의 스톱퍼 구성이고, 도면 중 미설명 부호 100은 케이스를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에는 좌우측 회전축(120a,120b)이 구비되어 있다.

이러한 좌우측 회전축(120a,120b)은 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 제한된 범위 내에서 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 한쪽 방향으로 연속 회전될 수 있도록 상기 중심축(102)의 양단에 각각 설치된다.

이와 같이 상기 좌우측 회전축(120a,120b)이 좌우측 발판(110a,110b)의 정역 운동에 의해 한쪽 방향으로 연속 회전되도록 하기 위하여 원웨이클러치 베어링(390a,390b)이 설치되는 것이 바람직하다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에는 발전기 모듈(200)이 구비되어 있다.

이러한 발전기 모듈(200)은 상기 좌우측 회전축(120a,120b)의 회전력을 전달받아 회전되면서 전기를 발생시키는 발전기축(202)을 구비하고, 발생된 전기를 제어하여 외부기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있도록 출력단자(204a,204a,204b)를 구비하는 것이 바람직하다.

이와 같은 발전기 모듈(200)은 발생하는 전자기력을 DC전압으로 변환을 하기 위한 전파정류회로와 전압의 크기를 조절할 수 있는 전압제어 회로를 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 전자기기 또는 통신기기에서 필요한 전원을 안정되게 공급하기 위하여 전자기기 또는 통신기기 종류에 따라 출력전압을 변환할 수 있는 인버터회로를 구성하고, 기기에 적합한 출력단자(204a,204a,204b)를 설치하여 사용자로 하여금 선택 사용하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 운동량을 모니터링 할 수 있는 마이크로 스위치(206)와 압력센서(208)를 설치하고, 신호를 받아 마이크로컨트롤러에서 처리하여 디스플레이할 수 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에는 회전수 증속 전달 모듈(300)이 구비되어 있다.

이러한 회전수 증속 전달 모듈(300)은 상기 발전기 모듈(200)에 구비되는 발전기축(202)을 회전시키도록 상기 좌우측 회전축(120a,120b)의 회전력을 전달시 회전수를 증속시켜 전달할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 회전수 증속 전달 모듈(300)은 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 서로 교차하여 정역회전이 변환하는 순간 회전축에 일시적인 멈춤 현상이 발생되는데, 이를 상기 발전기축(202)으로 전달되는 회전력에는 영향을 주지 않도록 상기 좌우측 회전축(120a,120b)의 회전수를 증속시켜 회전력을 전달할 수 있도록 한다.

상기 회전수 증속 전달 모듈(300)은 좌우측 제1 기어(310a,310b)가 구비되어 있다. 이러한 좌우측 제1 기어(310a,310b)는 상기 좌우측 회전축(120a,120b)에 각각 설치되어 좌우측 회전축(120a,120b)과 함께 회전되게 설치된다.

또한, 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)에는 좌우측 제2 기어(320a,320b)가 맞물리게 설치되어 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)에 의해 좌우측 제2 기어(320a,320b)가 회전된다.

이와 같은 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)는 좌우측 동력전달축(330a,330b)에 설치되어 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)의 회전에 의해 상기 좌우측 동력전달축(330a,330b)이 함께 회전되도록 설치된다.

이때, 상기 좌우측 동력전달축(330a,330b)에는 좌우측 제3 기어(340a,340b)가 설치되는데, 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)는 좌우측 제2 기어(320a,320b)와 소정 거리를 두고 설치되어 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)에 의해 회전되는 좌우측 동력전달축(330a,330b)과 함께 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)가 회전된다.

이와 같은 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)에는 좌우측 제4 기어(350a,350b)가 맞물리게 설치되어 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)에 의해 회전되는 좌우측 동력전달축(330a,330b)과 함께 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)가 회전된다. 즉, 상기 좌우측 동력전달축(330a,330b)에 제2 기어와 제3 기어가 설치되어 동력전달축과 제2 기어 및 제3 기어가 함께 회전된다.

또한, 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)는 하나의 구동축(360)에 좌우측으로 각각 설치되어 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)에 의해 상기 구동축(360)이 정지됨이 없이 지속적으로 회전된다. 즉, 상기 제1 내지 제4 기어에 의해 좌우측에서 교대로 전달되는 회전력으로 하나의 구동축(360)을 정지됨이 없이 지속적으로 회전시킨다.

이와 같은 구동축(360)에는 구동바퀴(370)가 설치되어 상기 구동축(360)과 함께 상기 구동바퀴(370)가 회전되는데, 상기 구동바퀴(370)는 구동축(360)의 중앙부에 위치되도록 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 구동축(360)의 좌우측으로 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)가 각각 설치되고, 그 좌우측 제4 기어(350a,350b)의 사이에 구동바퀴(370)가 배치되도록 설치되어 제4 기어와 구동축(360) 및 구동바퀴(370)가 함께 회전된다.

또한, 상기 구동바퀴(370)의 외주면에는 종동바퀴(380)가 접하도록 설치되어 상기 구동바퀴(370)에 의해 상기 종동바퀴(380)가 회전되는데, 상기 구동바퀴(370)와 종동바퀴(380)의 재질은 마찰계수가 큰 고무, 실리콘, 우레탄 재질 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직다.

이와 같이 구동바퀴(370)에 의해 회전되는 상기 종동바퀴(380)는 발전기 모듈(200)에 구비되는 발전기축(202)에 결합되어 상기 발전기축(202)을 한쪽 방향으로 회전시키면서 발전기 모듈(200)에서 전기를 발생시키도록 한다.

이때, 상기 발전기축(202)을 한쪽 방향으로 연속 회전시킬 수 있도록 상기 좌우측 발판(110a,110b)의 정역 운동을 한쪽 방향으로 회전되는 회전력으로 전달하도록 하고자, 상기 좌우측 회전축(120a,120b)과 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)의 사이에 원웨이클러치 베어링(390a,390b)이 개재되는 것이 바람직하다.

이러한 원웨이클러치 베어링(390a,390b)에 의해 회전방향을 한쪽 방향으로 동력 전달이 가능하도록 한다. 즉, 상기 원웨이클러치 베어링(390a,390b)이 좌우측 회전축(120a,120b)과 좌우측 제1 기어(310a,310b)의 사이에 각각 대칭으로 설치되어, 회전방향을 한쪽 방향으로 동력 전달이 가능하도록 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구에 대하여 그 구성을 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 스텝퍼에 구비되는 좌우측 발판(110a,110b)은 좌,우로 대칭되도록 구성되어 있다. 또한, 좌우측 회전축(120a,120b)은 좌,우 동일한 중심에 있으며, 회전할 수 있도록 스텝퍼 발판이 지지되어 있다.

이러한 스텝퍼에서 좌측 발판(110a)의 일측에 좌측 제1 회전축(120a)이 결합되어 있고, 상기 좌측 제1 회전축(120a)에는 좌측 제1 기어(310a)가 결합되며, 상기 좌측 발판(110a)의 각도 운동시 상기 좌측 제1 기어(310a)도 각도 운동을 하게 된다.

또한, 상기 좌측 제1 기어(310a)와 맞물려 있는 좌측 제2 기어(320a)는 상기 좌측 제1 기어(310a)가 회전하면 따라서 회전을 한다. 이때, 상기 좌측 제2 기어(320a)가 결합되어 있는 좌측 동력전달축(330a)에 조립되어 있는 좌측 제3 기어(340a)도 함께 회전을 하게 된다.

그리고 상기 좌측 제3 기어(340a)와 맞물려 있는 좌측 제4 기어(350a)가 따라서 회전을 하게 되면, 상기 좌측 제4 기어(350a)가 결합되어 있는 구동축(360)이 회전하고, 상기 구동축(360)에 결합되어 있는 구동바퀴(370)가 회전을 하게 된다.

이와는 대칭으로 설치되어 있는 우측 발판(110b)도 역시 동일한 방법으로 회전을 하게 된다.

그런데 여기에서 커다란 차이점은 바로 좌우측 제1 기어(310a,310b)에 각각 결합되어 있는 원웨이클러치 베어링(390a,390b)에 있다.

즉, 좌측 발판(110a)이 아래로 내려갈 때 상기 좌측 제1 기어(310a)는 시계방향으로 회전을 하고, 반대편의 우측 발판(110b)이 위로 올라가게 되는데, 이때에도 우측 제2 기어(310b)도 시계방향으로 회전을 하게 된다.

이는 간단하게 생각하면, 물리적으로 불가능해 보이지만 원웨이클러치 베어링(390a,390b)의 구조를 이해하면 쉽게 이해할 수 있다.

여기서, 원웨이클러치 베어링(390a,390b) 구조에 대하여 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9에 도시되어 있는 원웨이클러치 베어링(390a,390b) 단면 구조를 보면, 바깥면에 하우징이 있고, 내측에 다수의 스프링과 여기에 다수의 핀이 접속되어 있으며, 내측에 회전축이 조립이 가능한 구조로 되어 있다.

도 9에서 좌측의 도면을 보면, 내측의 축이 시계반대방향으로 회전시 핀이 하우징과 축 사이에 끼이게 되므로 락(LOCK) 상태가 되어 동력전달이 가능하다.

반대로, 도 9에서 우측의 도면을 보면, 내측의 축이 시계방향으로 회전시 핀이 끼이지 않으므로 락(LOCK) 상태가 아니므로 동력전달이 안된다. 즉, 축이 공회전을 하게 되는 것이다.

이러한 특징을 이용하여 좌우측 제1 기어(310a,310b)에 각각 원웨이클러치 베어링(390a,390b)을 방향이 반대가 되도록 삽입하여 설치를 한다. 그러면, 좌우측 발판(110a,110b)을 아래 방향으로 동작시킬 때에는 동력 전달이 되고, 위 방향으로 동작시킬 때에는 공회전을 하게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 구동바퀴(370)가 회전을 하게 되면, 여기에 접촉하고 있는 종동바퀴(380)도 회전을 하게 되고, 상기 종동바퀴(380)는 발전기 모듈(200)에 구비되는 발전기축(202)에 결합되어 있음으로, 발전기축(202)을 한쪽 방향으로 연속회전시켜 전기를 발생시키게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 대략 20~30도 정도의 각도운동을 다수의 기어를 이용하여 발전기 모듈의 연속회전을 크게 할 수 있는 것이 매우 중요하다.

그 이유는, 좌우측 발판(110a,110b)이 교차하는 순간(정역회전 변환 순간) 일시적인 멈춤현상이 발생하게 된다.

이때에는 순간적이기는 하지만 발전기 모듈의 회전도 정지하게 되며, 전기가 발생하지 않게 된다. 그렇게 되면 전자기기 또는 통신기기에서 필요로 하는 전원이 정상적으로 공급이 안 되는 문제점이 발생하게 된다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 회전수 증속 전달 모듈(300)에 의해 회전수를 증가시켰다.

도시된 바와 같이, 상기 회전수 증속 전달 모듈(300)은 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)와, 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b), 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b), 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b), 상기 구동바퀴(370), 상기 종동바퀴(380)의 일련의 동력 전달과정에서 회전수를 증가시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 이를 위한 구성으로 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)와 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)는 4:1의 기어비를 갖도록 구성되는 것이 바라직하고, 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)와 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)는 6:1의 기어비를 갖도록 구성되는 것이 바람직하며, 상기 구동바퀴(370)와 종동바퀴(380)의 지름은 3:1 내지 5:1의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 20~30도의 각도 운동시 좌우측 제1 기어(310a,310b)의 기어치를 120개로 하면, 30도 회전시 10개의 기어치 만큼 회전을 하게 된다.

또한, 상기 좌우측 제1 기어(310a,310b)와 맞물려 있는 좌우측 제2 기어(320a,320b)의 기어치를 30개로 하면, 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)는 1/3회전 할 수 있다.

한편, 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)와 동일한 축(좌우측 동력전달축)에 조립되어 있는 좌우측 제3 기어(340a,340b)의 기어치는 72개로 하고, 상기 좌우측 제3 기어(340a,340b)와 맞물려 있는 좌우측 제4 기어(350a,350b)의 기어치는 12개로 하여, 상기 좌우측 제2 기어(320a,320b)와 좌우측 제3 기어(340a,340b)가 1/3 회전시 2회전을 하도록 한다.

그리고, 상기 좌우측 제4 기어(350a,350b)와 동일한 축(구동축)에 조립되어 있는 구동바퀴(370)의 지름을 120mm로 하고, 종동바퀴(380)의 지름은 40mm로 하면, 상기 구동바퀴(370)의 1회전시 종동바퀴(380)는 3회전을 한다.

따라서, 최종적으로 좌우측 제4 기어(350a,350b)가 2회전을 하게 될 때 상기 종동바퀴(380)는 3배, 즉 6회전을 하게 되므로, 회전수를 증속하여 전달할 수 있다.

따라서, 상기 좌우측 발판(110a,110b)이 30도의 각도 운동을 할 때, 그 30도의 각도 운동이 발전기 모듈(200)을 6회전을 할 수 있도록 함으로써, 안정된 전기발생을 구현할 수 있다.

이상은 본 발명의 기구적인 특징을 설명하였으며, 본 발명에서 전기적 특징은 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서 발전기 모듈(200)에서 발생된 전기를 전자기기 또는 통신기기에서 필요로 하는 전원으로 변환하기 위해서는 아래와 같은 요소들로 회로 구성이 필요하다. AC 발전기의 발전 방식에 따라 회로의 구성을 제시한다. DC발전기의 경우 AC발전기의 일부 회로가 제거될 수 있다.

도 10의 블록도에서 보는 바와 같이, 발전기 모듈(200)에서 발생하고 있는 교류 전기를 전자기기나 통신기기에 공급하기 위해서는 직류(DC) 전압으로 변환을 해야한다.

도 11의 회로를 가지고, 상세하게 설명하면,

1단계에서는 교류 전압을 전파정류화 하기 위해 전파정류 회로를 구성한다.

2단계에서는 전파정류된 전기를 평활화하기 위해 캐패시터를 구성한다.

캐패시터는 발전기의 출력 용량에 따라 사용값이 다를 수 있다.

본 발명에서는 1000uF/50V 전해캐패시터를 사용한다. 용량이 큰 것을 사용하는 목적은 스텝퍼의 동작 시간에 따라 변동이 크게 발생하는 평활 신호의 안정성을 확보하기 위해서이다.

3단계에서는 평활된 DC전압을 정전압화하기 위해 스텝-다운 방식의 정전압회로를 구성한다.

제시한 3단계를 거치면 전자기기나 통신기기에 사용한 직류전압을 만들 수 있다.

도 12는 스텝퍼의 운동량 모니터링 및 각 종 휴대용 전자기기를 사용할 수 있는 필요한 전원을 안정되게 공급하기 위한 장치를 구성한 회로이다.

스텝퍼에 마이크로스위치(206)와 압력센서(208)를 장착하여 스텝퍼 작동시 운동회수와 부하량을 측정하여 측정된 값을 마이크로컨트롤러에서 처리하여 디스플레이를 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전자기기 또는 통신기기 종류에 따라 출력전압이 다양하기 때문에 전압을 변환할 수 있는 인버터회로를 구성하고 출력단자를 설치하여 사용자로 하여금 선택사용이 가능하도록 할 수 있다.

이상 설명에서와 같은 본 발명의 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구는, 스텝퍼 고유의 운동효과를 충족시킬 뿐만 아니라 자기발전 및 제어, 충전, 변환기능이 구비된 스텝퍼 운동기구로서, 그 목적은 별도의 전원공급 없이 사용자의 기구적인 운동에 따른 자기발전을 통해 전자기기 또는 통신기기에 필요한 전기를 발생시키도록 하는 것이 특징이다.

이를 위하여, 사용자가 올라가서 걸음을 걷듯이 움직일 수 있는 운동기구인 스텝퍼 장치가 필요하며, 이러한 스텝퍼의 구조는 통상의 기술이다.

스텝퍼의 구조 특성상 좌우가 대칭으로 발판이 형성되어 있으며, 발판은 한 개의 동일한 중심축을 기준으로 각도운동을 한다. 즉, 오른쪽 발판이 내려가면 왼쪽 발판이 위로 올라가는 구조이다.

이러한 특징을 갖고 있기 때문에 종래의 실내자전거에 구비되는 페달구조와 다르게 연속적으로 360도 회전을 할 수 없으며, 이로 인해 발전기 모듈을 접속할 수 없다. 만약, 발전기 모듈을 스텝퍼 운동기구에 접속하더라도 전기를 발생하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있으며, 이를 위해 제한된 각도운동을 한쪽 방향으로 연속회전을 할 수 있는 구조를 구현하였으며, 작은 각도 예컨대, 좌우측 발판이 대략 20~30도의 변위로 작동되어도 많은 회전수를 전달시킬 수 있도록 회전수 증속 전달 모듈을 구비한 것이 본 발명의 특징이다.

또한, 본 발명은 이러한 기구적인 작동을 통하여 발생된 전기를 정류 및 제어하고, 변환하고, 운동량을 모니터링 할 수 있는 회로를 구비하여, 사용자로 하여금 광범위한 전자기기 또는 통신기기를 이용할 수 있다.

이상에서와 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제가 달성되는 것이며, 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 여기에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것임은 물론이다.

110a,110b - 좌우측 발판 120a,120b - 좌우측 회전축
200 - 발전기 모듈 300 - 회전수 증속 전달 모듈
310a,310b - 좌우측 제1 기어 320a,320b - 좌우측 제2 기어
330a,330b - 좌우측 동력전달축 340a,340b - 좌우측 제3 기어
350 - 좌우측 제4 기어 360 - 구동축
370 - 구동바퀴 380 - 종동바퀴
390a,390b - 원웨이클러치 베어링

Claims

한 개의 중심축을 기준으로 제한된 범위 내에서 한쪽이 내려가면 다른 쪽이 올라가도록 서로 교차되는 각도 운동을 하도록 상기 중심축의 좌우에 서로 대칭되게 설치되어 각각 20~30도의 범위 내에서 정역 운동을 반복하는 좌우측 발판;
상기 좌우측 발판이 제한된 범위 내에서 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 한쪽 방향으로 연속 회전될 수 있도록 상기 중심축의 양단에 각각 설치된 좌우측 회전축;
상기 좌우측 회전축의 회전력을 전달받아 회전되면서 전기를 발생시키는 발전기축을 구비하고, 발생된 전기를 제어하여 외부기기에 맞는 전기량으로 변환하여 사용할 수 있도록 출력단자를 구비하는 발전기 모듈; 및
상기 발전기 모듈에 구비되는 발전기축을 상기 좌우측 발판의 각도 운동에 의해 회전시키도록 설치되되, 상기 좌우측 회전축의 회전수를 증속시켜 회전력을 전달할 수 있도록 설치된 회전수 증속 전달 모듈;을 포함하고,
상기 회전수 증속 전달 모듈은:
상기 좌우측 회전축에 각각 설치되어 좌우측 회전축과 함께 회전되는 좌우측 제1 기어;
상기 좌우측 제1 기어에 맞물려 회전되는 좌우측 제2 기어;
상기 좌우측 제2 기어가 설치되어 좌우측 제2 기어와 함께 회전되는 좌우측 동력전달축;
상기 좌우측 동력전달축에 설치되되, 상기 좌우측 제2 기어와는 소정 거리를 두고 설치되어 상기 좌우측 제2 기어에 의해 회전되는 좌우측 동력전달축과 함께 회전되는 좌우측 제3 기어;
상기 좌우측 제3 기어에 맞물려 회전되는 좌우측 제4 기어;
상기 좌우측 제4 기어가 좌우측에 각각 설치되어 상기 좌우측 제4 기어와 함께 회전되는 구동축;
상기 구동축에 설치되되, 상기 좌우측 제4 기어의 사이에 중앙으로 배치되어 상기 좌우측 제4 기어에 의해 회전되는 구동축과 함께 회전되는 구동바퀴;
상기 구동바퀴의 외주면에 접하여 상기 구동바퀴에 의해 회전되게 설치되되, 상기 발전기축에 결합되어 상기 발전기 모듈에서 전기를 발생시키도록 발전기축을 한쪽 방향으로 연속 회전시킬 수 있는 종동바퀴; 및
상기 좌우측 회전축과 상기 좌우측 제1 기어의 사이에 각각 대칭으로 설치되어 회전방향을 한쪽 방향으로 동력 전달이 가능하도록 하는 원웨이클러치 베어링:으로 이루어지되,
상기 좌우측 발판이 각각 20~30도의 범위 내에서 정역 운동을 반복하면서 서로 교차되는 각도 운동을 할 때, 상기 좌우측 발판이 서로 교차하여 정역회전이 변환하는 순간에 상기 회전축에 일시적인 멈춤 현상이 발생되어도 상기 발전기축으로 전달되는 회전력에는 영향을 주지 않도록 상기 좌우측 제1 기어와, 상기 좌우측 제2 기어, 상기 좌우측 제3 기어, 상기 좌우측 제4기어, 상기 구동바퀴, 상기 종동바퀴의 일련의 동력 전달과정에서 회전수를 증속시켜 회전력을 전달할 수 있게 하고자,
상기 좌우측 제1 기어와 상기 좌우측 제2기어는 4:1의 기어비를 갖도록 구성되고,
상기 좌우측 제3 기어와 상기 좌우측 제4기어는 6:1의 기어비를 갖도록 구성되며,
상기 구동바퀴와 종동바퀴의 지름은 3:1 내지 5:1의 비율로 이루어지되,
상기 구동바퀴와 종동바퀴는 고무, 실리콘, 우레탄 재질 중 어느 하나로 이루어지고,
상기 발전기 모듈은:
발전기 모듈에서 발생하는 전자기력을 DC전압으로 변환을 하기 위한 전파정류회로와 전압의 크기를 조절할 수 있는 전압제어 회로를 구성하되,
전파정류회로와 전압제어 회로는:
교류 전압을 전파정류화 하기 위한 정파정류 회로와, 전파정류된 전기를 평활화하기 위한 1000uF/50V 전해캐패시터와, 평활된 DC전압을 정전압화기 위한 스텝-다운 방식의 정전압회로로 이루어지고,
전자기기 또는 통신기기에서 필요한 전원을 안정되게 공급하기 위하여 전자기기 또는 통신기기 종류에 따라 출력전압을 변환할 수 있는 인버터회로를 구성함과 아울러 기기에 적합한 출력단자를 설치하여 사용자로 하여금 선택 사용하도록 하며,
상기 좌우측 발판의 각도 운동에 의한 운동량을 모니터링 할 수 있도록 마이크로 스위치와 압력센서를 설치하고, 신호를 받아 마이크로컨트롤러에서 처리하여 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 자가발전기가 구비된 스텝퍼 운동기구.
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