KR101781932B1 - 사용자 움직임을 이용한 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템 - Google Patents

사용자 움직임을 이용한 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용자가 휴대하고 있는 스마트 폰과 같은 단말기 내부에 구비되어, 사용자의 움직임에 따라 에너지를 생산하여 단말기에 공급할 수 있도록 하는 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은 편심체 내부에 동력 발생모듈, 정류 기어모듈, 동력 저장/공급모듈, 발전모듈 및 충전모듈이 설치되어 이들이 회전 동력의 중량체를 형성함에 따라 발전 효율을 향상되는 효과를 나타낸다.

Description

사용자 움직임을 이용한 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템{Micro charging system for mobile device based on user motion}
본 발명은 휴대 장치의 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자가 휴대하고 있는 스마트 폰과 같은 단말기 내부에 구비되어, 사용자의 움직임에 따라 에너지를 생산하여 단말기에 공급할 수 있도록 하는 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템에 관한 것이다.
스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등의 휴대 장치들은 최근 들어 현대 생활에서 필수품으로 정착되고 있다. 이들 휴대 장치는 내부에 실장되거나 장착 가능한 배터리에 충전된 전류를 이용하여 구동되며, 배터리의 소모가 발생되면 충전 과정이 요구된다. 특히, 최근에는 다양한 앱을 구동하고 또 넓은 화면을 갖는 스마트폰이나 태블릿 PC가 일반화됨에 따라 배터리의 소모에 따른 잦은 충전이 요구되며, 배터리의 용량을 늘리기 위하여 그 크기도 점차 증가하고 있다.
한편, 휴대 장치는 상용 전원이 제공되지 아니하는 야외에서 배터리의 충전이 어려운 한계를 가지므로, 이를 해결하기 위한 방안으로 국내공개특허 10-2011-0023567호를 비롯한 다수의 선행문헌에서 휴대 장치에 태양전지를 부착하여 휴대 장치에 구비된 배터리를 충전하는 방법을 소개하고 있다.
그러나 이와 같이 태양전지를 이용하여 배터리를 충전하기 위해서는 태양전지에 빛이 직접 비춰지도록 하여야 함으로 사용이 번거로운 문제점이 있다. 즉, 일반적으로 휴대 장치를 사용하지 않을 때는 주머니나 가방 등에 휴대하여 빛이 닿지 않게 되므로, 휴대 장치를 충전하기 위해서는 일부러 빛이 닿는 곳에 휴대 장치를 꺼내 놓아야 하는 불편함이 있다. 또한, 태양전지를 이용하여 배터리를 충전하는 방법은 야간에는 사용하기 어려운 단점이 있다.
최근에는 오토쿼츠(autoquartz) 시스템을 이용한 발전 시스템이 소개되고 있다. 일 예로, 미국공개특허 2016/0028264호에는 'ENERGY GENERATION SYSTEM FOR WEARABLE COMMUNICATION DEVICE'가 소개된 바 있다.
오토쿼츠(autoquartz) 시스템을 이용한 발전 시스템은, 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자의 움직임(motion)에 따라 회전하는 편심추(Oscillating mass)와, 편심추의 회전 동력을 기계적 에너지로 저장하는 스프링 배럴(Spring barrel) 및 스프링 배럴의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 발전하는 마이크로 제너레이터(Micro generator)를 포함하고, 편심추와 스프링 배럴, 스프링 배럴과 마이크로 제너레이터 사이에는 회전 동력을 전달하기 위한 다수의 기어 부재(Intermediate gear)가 배치된다.
상기와 같은 구성의 발전 시스템은, 스프링 배럴, 마이크로 제너레이터 및 각종 기어 부재는 별도의 바디에 장착되어 고정된 상태에서, 편심추가 단독으로 회전하면서 동력을 발생시키게 된다.
즉, 사용자의 움직임에 따라 회전하는 편심추의 회전 동력이 기어 부재를 통하여 스프링 배럴에 전달되면서 기계적 에너지로 저장되며, 스프링 배럴에 저장된 기계적 에너지는 다시 기어 부재를 통하여 마이크로 제너레이터로 전달된다. 따라서 마이크로 제너레이터는 스프링 배럴에서 공급되는 회전 동력의 기계적 에너지를 이용하여 전기를 발생시키며, 마이크로 제너레이터에서 생산된 전기가 통신 장치와 같은 소자를 구동시키는 에너지로 공급한다.
이때, 편심추를 이용한 발전 시스템에서 편심추의 회전 동력은 관성 모멘트(I)에 비례하고, 관성 모멘트(I)는 편심추의 질량(m)과 회전축으로부터의 반경의 제곱(r2)을 모두 합한 값으로 나타난다. 따라서, 마이크로 제너레이터에서 생산되는 전기 에너지는 편심추의 질량과 반경에 의하여 좌우되므로, 편심추가 무거울수록 또는 반경이 클수록 큰 전기 에너지가 생산될 수 있다.
그러나 편심추의 질량을 늘리는 경우 발전 시스템의 전체 무게가 증가하는 불리한 점이 있으며, 편심추의 반경을 늘리는 경우 발전 시스템의 전체 크기가 증가하는 불리한 점이 발생한다. 따라서 상기 발전 시스템이 소형 휴대 장치에 적용되기 위해서는 무게와 크기에 따른 한계를 나타내고 있다.
한국공개특허 10-2011-0023567호(2011.03.08.출원공개, 이동단말기의 충전방법) 미국공개특허 2016/0028264호(2016.01.28.출원공개, ENERGY GENERATION SYSTEM FOR WEARABLE COMMUNICATION DEVICE)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 오토쿼츠를 이용한 발전 시스템에서 발전 장치 전체의 무게를 증가시키지 않으면서 전기 에너지 발전량을 향상시킬 수 있는 충전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전기 에너지 발전량을 향상시키면서 전체적인 크기가 유지되어 스마트 폰과 같은 소형 휴대 장치에 용이하게 적용될 수 있는 마이크로 충전 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이스 내부에 설치되어 사용자의 움직임에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 발전시켜 휴대 장치로 전송되도록 하는 마이크로 충전 시스템에 있어서,
소정의 길이를 갖는 중심축을 형성하며 케이스 내부에 고정되는 고정기어, 내부에 수용 공간을 형성하는 통 형상의 하우징으로 상기 고정기어를 회전 중심축으로 하면서 무게 중심이 편심되도록 상기 고정기어에 체결되는 편심체, 상기 고정기어에 맞물리도록 베이스 플레이트를 매개로 상기 편심체 내부에 설치되는 회전기어로 구성되어, 상기 고정기어를 중심축으로 상기 편심체가 편심 회전하면서 상기 회전기어에 회전 동력을 발생시키는 동력 발생모듈;
베이스 플레이트의 슬라이딩 홈을 따라 이동 가능하도록 설치되며, 상기 회전기어(130)에 맞물리도록 설치되는 능동기어, 상기 능동기어에 선택적으로 맞물리도록 설치되는 제1 수동기어, 상기 제1 수동기어에 맞물리면서 상기 능동기어에 선택적으로 맞물리도록 설치되는 제2 수동기어 및 상기 제2 수동기어의 측부에 설치되어 제2 수동기어의 역회전을 방지하는 래칫으로 구성되어, 슬라이딩 홈을 따르는 상기 능동기어의 위치에 따라 능동기어의 회전 동력이 제1 수동기어를 통하여 제2 수동기어로 전달되거나 능동기어의 회전 동력이 제2 수동기어로 직접 전달되어 동일한 방향의 회전 동력을 전달하는 정류 기어모듈;
상기 편심체의 수용 공간에 설치되며, 나선 스프링이 중심축에 감기면서 회전 동력을 저장하고 나선 스프링이 풀리면서 회전 동력을 공급하는 스프링 배럴, 나선 스프링의 상기 중심축 상단에 형성되어 상기 제2 수동기어의 회전 동력을 전달받아 나선 스프링을 감는 제1 배럴기어, 상기 스프링 배럴의 외주면에 형성되어 나선 스프링이 풀리면서 회전 동력을 발생시키는 제2 배럴기어 및 중심축을 공통으로 하면서 직경을 서로 달리하는 한 쌍의 기어를 구비하여 직경이 짧은 기어가 상기 제2 배럴기어에 맞물리도록 설치되는 증폭기어로 구성되어, 상기 정류 기어모듈에서 전달되는 회전 동력을 저장하고 저장된 회전 동력을 다시 공급하는 동력 저장/공급모듈;
상기 편심체의 수용 공간에 설치되어, 상기 동력 저장/공급모듈에서 공급되는 회전 동력을 이용하여 전력을 발생시키는 발전모듈;
상기 발전모듈에서 발생되는 전력을 저장하여 휴대 장치로 제공하는 충전모듈; 및
상기 편심체의 회전 반경 내에서 상기 케이스에 고정 설치되는 고정리브와, 상기 고정리브의 양측으로 설치되어 상기 편심체 측면을 탄성 가압하는 한 쌍의 탄성 스토퍼로 구성되어, 상기 편심체가 상기 한 쌍의 탄성 스토퍼 내의 회전각 범위에서 왕복 회전하도록 회전 방향을 변경시키는 회전 제어모듈;을 포함하여,
상기 동력 발생모듈, 정류 기어모듈, 동력 저장/공급모듈, 발전모듈 및 충전모듈이 회전 동력의 중량체를 형성하면서 발전이 이루어도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 충전모듈은 케이스 내부에 배치되는 메인 배터리로 구성되거나, 편심체 내부에 배치되는 배터리로 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 발전 장치 전체의 무게를 증가시키지 않으면서 편심체의 질량을 늘려 상대적으로 큰 전기 에너지를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 발전을 위한 각 구성들이 편심체에 일체형으로 조립됨으로써, 소형화가 가능하여 스마트 폰과 같은 소형 휴대 장치에 용이하게 적용될 수 있는 효과를 나타낸다.
도 1은 오토쿼츠 시스템을 이용한 발전 시스템의 일반적인 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 충전 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 충전 시스템을 나타낸 사시도,
도 4는 도 3의 마이크로 충전 시스템의 내부 구조의 일 예를 나타낸 평면도,
도 5는 도 3의 마이크로 충전 시스템의 내부 구조의 다른 예를 나타낸 평면도,
도 6 및 도 7은 회전 동력 전달 메커니즘을 설명하는 평면도,
도 8은 도 6 및 도 7의 주요부인 정류 기어의 다른 예를 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 충전 시스템을 나타낸 사시도,
도 10은 도 9의 마이크로 충전 시스템의 회전 동작을 설명하는 평면도,
도 11은 도 9의 마이크로 충전 시스템의 다른 예를 나타낸 사시도,
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로 충전 시스템의 내부 구조를 나타낸 사시도,
도 13은 도 12의 동력 전달 메커니즘을 설명하는 평면도.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 충전 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 충전 시스템(10)의 구성을 살펴보면, 동력 발생부(11), 동력 저장/공급부(13), 발전부(15) 및 전력 저장부(17)로 구성되며, 동력 발생부(11)와 동력 저장/공급부(13) 및 동력 저장/공급부(13)와 발전부(15) 사이에는 동력을 전달하기 위한 동력 전달수단(12)이 개입되고, 발전부(15)와 전력 저장부(17) 사이에는 생성된 전력을 전달하기 위한 전력 전달수단(14)이 개입된다.
여기서 동력 발생부(11)는 발전을 위한 동력을 생성하는 구성으로, 본 발명에서는 회전 동력을 발생시키며, 회전 동력은 사용자의 움직임으로부터 발생되도록 구성된다.
동력 저장/공급부(13)는 동력 발생부(11)에서 발생된 회전 동력을 전달받아 기계적 에너지로 저장하고 저장된 기계적 에너지를 발전부(15)로 제공하는 구성이다. 이를 위한 동력 저장/공급부(13)는 회전 동력을 저장함과 동시에 에너지를 공급할 수 있는 수단으로 구성된다. 동력 저장/공급부(13)는 동력 전달수단(12)을 매개로 동력 발생부(11)로부터 회전 동력을 전달받는다.
발전부(15)는 동력 저장/공급부(13)에서 제공되는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 구성으로, 제너레이터(generator)가 이용된다. 이러한 발전부(15)는 동력 전달수단(12)을 매개로 동력 저장/공급부(13)로부터 회전 동력(즉, 기계적 에너지)을 전달받는다.
전력 저장부(17)는 발전부(15)에서 생성되는 전기적 에너지(즉, 전력)를 저장하는 구성으로, 일반적인 전력 저장수단인 배터리가 이용될 수 있다. 전력 저장부(17)는 전력 전송수단(14)을 통하여 발전부(15)로부터 전력을 전송받으며, 전력 저장부(17)에 저장된 전력은 휴대 장치를 구동하기 위한 전원으로 사용된다.
상기와 같은 구성의 마이크로 충전 시스템은 스마트 폰이나 보조 충전장치와 같은 휴대 장치 내부 구현되며, 사용자가 휴대한 상태에서 사용자의 움직임에 따라 회전 동력을 발생시키고 이를 다시 전력으로 전환시켜 휴대 장치를 구동하도록 구성된다. 이하에서는 상기와 같은 마이크로 충전 시스템의 구체적인 구성에 대하여 다양한 실시예에 따라 상세히 살펴보기로 한다.
[ 제1실시예 ]
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 충전 시스템을 나타낸 사시도이고, 도 4 및 도 5는 도 3의 마이크로 충전 시스템의 내부 구조의 다양한 예를 나타낸 평면도이며, 도 6 및 도 7은 회전 동력 전달 메커니즘을 설명하는 평면도이며, 도 8은 도 6 및 도 7의 주요부인 정류 기어의 다른 예를 나타낸 평면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 충전 시스템(10)은 충전 장치를 형성하는 케이스(20) 내부에 설치되며, 상기 케이스(20)에 고정되는 고정기어(110), 내부에 소정의 수용 공간을 형성하면서 상기 고정기어(110)를 회전축으로 편심되어 체결되는 편심체(120), 상기 고정기어(110)와 맞물리도록 상기 편심체(120) 내부에서 베이스 플레이트(140)에 설치되는 회전기어(130)로 이루어지는 동력 발생모듈(100);과, 상기 회전기어(130)에 맞물리면서 상기 베이스 플레이트(140)의 슬라이딩 홈(141)을 따라 소정 간격으로 왕복 이동이 가능하도록 설치되는 능동기어(210), 상기 능동기어(210)의 위치에 따라 선택적으로 맞물리도록 설치되는 제1 수동기어(220) 및 제2 수동기어(230)로 이루어지는 정류 기어모듈(200);과, 원통형 하우징 내부에서 중심축을 따라 나선 스프링(spiral spring)이 감겨지는 스프링 배럴(Spring barrel, 310), 상기 제2 수동기어(230)와 맞물리도록 상기 스프링 배럴(310)의 중심축 상단에 설치되는 제1 배럴기어(320), 상기 스프링 배럴(310)의 외주면을 따라 형성되는 제2 배럴기어(330)로 이루어지는 동력 저장/공급모듈(300);과, 상기 제2 배럴기어(330)로부터 회전 동력을 공급받는 발전기어(410)를 구비하는 발전모듈(400)을 포함한다.
구체적으로 살펴보면, 전술한 동력 발생모듈(100)은 전기 에너지를 생산하기 위한 동력(energy)을 최초로 발생시키는 구성으로, 편심을 이용하여 사용자의 움직임에 따른 회전 동력이 발생되도록 구성된다. 이를 위한 동력 발생모듈(100)은 케이스(20)에 고정기어(110)가 고정배치되며, 편심체(120)가 상기 고정기어(110)를 회전 중심축으로 체결되며, 편심체(120) 내부 공간에 고정기어(110)에 맞물려 회전하는 회전기어(130)가 설치된다.
상기 고정기어(110)는 편심체(120)가 회전하는 중심축을 형성하면서 편심체(120)의 회전에 따라 회전기어(130)를 회전시키게 된다. 이를 위한 고정기어(110)는 소정의 길이를 갖는 원기둥 형상의 축을 형성하며 상부에 기어가 형성된다.
상기 편심체(120)는 소정의 두께를 가지면서 내부에 수용 공간을 형성하는 대략 반원통 형상의 하우징으로 구성되며, 평면부의 중심이 고정기어(110)에 체결되어 무게 중심이 반원통형 공간으로 편심된다. 따라서 편심체(120)는 외부의 미세한 유동으로 고정기어(110)를 중심축으로 회전하게 된다. 이때, 편심체(120)는 고정기어(110)의 상부에 형성된 기어가 편심체 내부 공간에 위치하도록 체결된다.
상기 회전기어(130)는 편심체(120)가 회전함에 따라 편심체(120) 내부에서 회전하여 회전 동력을 발생시킨다. 이러한 회전기어(130)는 고정기어(110)와 맞물리면서, 편심체(120) 내부의 베이스 플레이트(140)에 회전 가능하도록 체결된다. 따라서 편심체(120)가 고정기어(110)를 축으로 회전하는 경우 회전기어(130)는 편심체(120)와 함께 고정기어(110)의 외주면을 따라 이동함과 동시에 스스로는 편심체(120) 내부의 고정된 위치에서 고정기어(110)에 맞물려 회전하게 된다. 이때, 회전기어(130)의 회전 방향은 편심체(120)의 회전 방향에 따라 달라진다. 즉, 도 6과 같이 편심체(120)가 고정기어(110)를 축으로 반시계 방향으로 회전하는 경우 회전기어(130)도 편심체(120) 내에서 반시계 방향으로 회전하고, 도 7과 같이 편심체(120) 고정기어(110)를 축으로 시계 방향으로 회전하는 경우 회전기어(130)도 편심체(120) 내에서 시계 방향으로 회전한다.
이와 같이 동력 발생모듈(100)은, 편심체(120)가 고정기어(110)를 중심축으로 회전하고, 동시에 편심체(120) 내부에 설치된 회전기어(130)가 고정기어(110)에 맞물리면서 회전함에 따라 회전 동력이 발생하게 된다.
전술한 정류 기어모듈(200, rectifier gear)은 동력 발생모듈(100)에서 발생된 회전 동력을 동력 저장/공급모듈(300)에 전달하는 구성이며, 특히, 편심체(120)의 회전 방향에 무관하게 동일한 방향의 회전 동력을 전달하도록 구성된다. 이를 위한 정류 기어모듈(200)은 능동기어(210)가 동력 발생모듈(100)의 회전기어(130)에 맞물리도록 설치되고, 제1 및 제2 수동기어(220,230)가 능동기어(210)에 선택적으로 맞물리도록 설치된다. 이때, 제1 및 제2 수동기어(220,230)는 서로 맞물린 상태로 설치된다. 정류 기어모듈(200)을 구성하는 각 기어들은 편심체(120) 내부에서 베이스 플레이트(140)에 체결된다.
상기 능동기어(210)는 회전기어(130)의 회전 방향에 따른 회전 동력을 제1 또는 제2 수동기어(220,230)에 선택적으로 전달하는 기능을 하며, 제1 및 제2 수동기어(220,230)는 서로 다른 방향의 회전 동력을 능동기어(210)로부터 전달받아 동일한 방향의 회전 동력을 동력 저장/공급모듈(300)로 전달한다. 능동기어(210)는 소정 간격 위치 이동이 가능하도록 베이스 플레이트(140)에서 체결되며, 베이스 플레이트(140)에는 능동기어(210)의 위치 이동을 가이드하는 슬라이딩 홈(141)이 형성된다. 따라서 능동기어(210)는 슬라이딩 홈(141)의 일측 단부에 위치할 때 제1 수동기어(220)에 맞물리고, 슬라이딩 홈(141)의 타측 단부에 위치할 때 제2 수동기어(230)에 맞물리면서, 그 위치에 따라 제1 또는 제2 수동기어(220,230)에 선택적으로 맞물리게 된다.
상기와 같은 구성의 정류 기어모듈(200)의 회전 동력 전달 과정을 살펴보면, 먼저, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 편심체(120)가 반시계 방향으로 회전할 때, 회전기어(130)도 반시계 방향으로 회전하고, 능동기어(210)는 회전기어(130)에 의하여 슬라이딩 홈(141)의 일측 단부(반시계 방향 단부)로 밀려남과 동시에 제1 수동기어(220)에 맞물리고, 제2 수동기어(230)와는 분리된다. 이때, 능동기어(210)는 회전기어(130)에 맞물려 시계 방향으로 회전하고, 제1 수동기어(220)는 능동기어(210)에 맞물려 반시계 방향으로 회전하며, 제2 수동기어(230)는 제1 수동기어(220)에 맞물려 다시 시계 방향으로 회전하면서 제1 배럴기어(320)를 반시계 방향으로 회전시켜 반시계 방향의 회전 동력을 동력 저장/공급모듈(300)에 전달한다. 즉, 편심체(120)가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 회전 동력은 능동기어(210), 제1 수동기어(220) 및 제2 수동기어(230)를 거치면서, 최종적으로 동력 저장/공급모듈(300)에 반시계 방향의 회전 동력을 전달한다.
또한, 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 편심체(120)가 시계 방향으로 회전할 때, 회전기어(130)도 시계 방향으로 회전하고, 능동기어(210)는 회전기어(130)에 의하여 슬라이딩 홈(141)의 타측 단부(시계 방향 단부)로 밀려남과 동시에 제1 수동기어(220)와 분리되면서 제2 수동기어(230)에 맞물리게 된다. 이때, 능동기어(210)는 회전기어(130)에 맞물려 반시계 방향으로 회전하고, 제2 수동기어(230)는 능동기어(210)에 맞물려 시계 방향으로 회전하면서 제1 배럴기어(320)를 반시계 방향으로 회전시킨다. 즉, 편심체(120)가 시계 방향으로 회전하는 경우에도, 회전 동력은 능동기어(210) 및 제2 수동기어(230)를 거치면서, 최종적으로 동력 저장/공급모듈(300)에 반시계 방향의 동일한 회전 동력을 전달한다.
이와 같이 정류 기어모듈(200)은 능동기어(210)가 편심체(120)의 회전 방향에 따라 선택적으로 제1 수동기어(220) 또는 제2 수동기어(230)에 맞물림으로써, 최종적으로 동력 저장/공급모듈(300)에는 동일한 방향의 회전 동력을 전달하게 된다.
한편, 편심체(120)의 회전 방향이 변하면서 능동기어(210)의 위치가 변경되는 짧은 순간에 제2 수동기어(230) 또는 제1 배럴기어(320)가 순간적으로 역회전될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 정류 기어모듈(200)은 제2 수동기어(230) 또는 제1 배럴기어(320)의 역회전을 방지하기 위한 역회전 방지 래칫(240, ratchet)을 더 포함할 수 있다. 역회전 방지 래칫(240)은 제2 수동기어(230) 또는 제1 배럴기어(320)의 측부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 정류 기어모듈(200)은 편심체(120)의 회전 방향(즉, 회전기어의 회전 방향)과 무관하게 동일한 방향의 회전 동력을 전달하는 구성으로, 도 8과 같이 매직 레버를 이용한 공지의 원웨이 기어모듈로 구성될 수도 있다.
전술한 동력 저장/공급모듈(300)은 동력 발생모듈(100)에서 발생된 회전 동력을 정류 기어모듈(200)로부터 동일한 방향의 회전 동력으로 전달받아 기계적 에너지로 저장하고 이를 다시 공급하는 구성으로, 공지의 스프링 배럴 구조가 적용될 수 있다. 즉, 동력 저장/공급모듈(300)은 원통형 하우징 내부에서 중심축을 따라 나선 스프링이 감겨진 스프링 배럴(310)에, 중심축의 상단에 제2 수동기어(230)와 맞물리는 제1 배럴기어(320)가 구비되고, 스프링 배럴(310)의 외주면에 제2 배럴기어(330)가 구비되는 구조를 이룬다. 상기와 같은 구성의 동력 저장/공급모듈(300)은 정류 기어모듈(200)에서 전달되는 회전 동력을 제1 배럴기어(320)를 통하여 스프링 배럴(310) 내부의 나선 스프링을 감으면서 저장하고, 감겨진 나선 스프링이 시간차를 두면서 다시 풀리면서 생성되는 회전 동력을 제2 배럴기어(330)를 통하여 발전모듈(400)로 공급하게 된다.
또한, 동력 저장/공급모듈(300)은 회전 동력을 발전모듈(400)로 전달하기 위한 증폭기어(340)를 더 구비할 수 있다. 증폭기어(340)는 중심축을 공통으로 하면서 직경을 서로 달리하는 한 쌍의 기어모듈로 구성될 수 있으며, 각 기어는 동력 저장/공급모듈(300)의 제2 배럴기어(330)와 발전모듈(400)의 발전기어(410)에 맞물리도록 설치된다.
또한, 동력 저장/공급모듈(300)은 스프링 배럴(310)의 출력 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 스프링 배럴(310)의 출력 속도 제어로 발전모듈(400)에서의 발전량(즉, 발전기의 회전 속도)이 제어될 수 있다. 이러한 출력 속도는 발전량의 필요에 따라 등속, 가속 또는 감속 등 상황에 따라 적절히 제어될 수 탈진기 등의 제어 수단이 이용될 수 있다.
전술한 발전모듈(400)은 동력 저장/공급모듈(300)에서 공급되는 회전 동력을 이용하여 전력을 발생시키는 구성으로, 발전기어(410)를 구비하는 마이크로 제너레이터(Micro generator)로 구성될 수 있다. 발전모듈(400)에서 발생되는 전력은 전력 전송수단을 통하여 케이스(20) 내부에 마련되는 충전모듈(30)인 메인 배터리로 전송되거나 직접 휴대 장치의 전원모듈로 전송될 수 있다. 이때, 전력 전송수단은 회전하는 편심체 내의 발전모듈과 편심체 외부의 충전모듈을 전기적으로 연결하여야 하므로, 브러쉬(brush)를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성의 마이크로 충전 시스템(10)은 시스템의 각 구성들이 편심체(120)의 수용 공간에 설치되어 마이크로 충전 시스템(10)의 전체 크기나 무게를 증가시키기 않고서도 편심체(120)의 중량을 증가시키게 된다. 따라서 본 발명은 동일한 크기와 무게의 충전 시스템에 대하여 상대적으로 큰 전력을 생산할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 편심체(120) 내부에 충전모듈(30)이 더 설치될 수 있다. 편심체(120) 내부에 충전모듈(30)이 설치됨으로써, 편심체(120)의 질량을 더 증가시킬 수 있으며, 발전모듈(400)에서 발생되는 전력은 편심체(120) 내부에서 충전모듈(30)로 직접 제공될 수 있다. 즉, 충전모듈(30)은 케이스(20) 내부에 배치되는 메인 배터리로 구성되거나, 케이스(20) 내부에 배치된 메인 배터리와 함께 편심체(120) 내부에 배치되는 보조 배터리를 포함할 수 있으며, 케이스(20) 내부 또는 편심체(120) 내부에 배치될 수 있다.
한편, 도시되지는 않았지만 상기 케이스(20)는 디스플레이 창을 더 구비할 수 있다. 디스플레이 창에는 충전모듈(30)에 충전된 전력의 잔량과, 동력 저장/공급모듈(300)의 스프링 배럴에 저장된 동력의 잔량에 대한 정보가 표시되며, 상기 정보는 램프의 색상 정보, 풀-엠프티(full-empty) 정보, 막대형 잔량 정보 등과 같이 다양한 방식으로 표시될 수 있다.
[ 제2실시예 ]
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 충전 시스템을 나타낸 사시도이고, 도 10은 도 9의 마이크로 충전 시스템의 회전 동작을 설명하는 개념도이며, 도 11은 도 9의 마이크로 충전 시스템의 다른 예를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 마이크로 충전 시스템은, 도 9에 도시된 바와 같이 하우징 내부에 편심체(120)의 회전을 제어하는 회전 제어모듈(500)이 더 설치된다. 회전 제어모듈(500)은 케이스(20) 내에 고정 설치되는 판 형상의 고정리브(510)와, 상기 고정리브(510)의 양 면으로 돌출되도록 설치되는 한 쌍의 탄성 스토퍼(520)로 구성된다. 상기와 같은 회전 제어모듈(500)은 편심체(120)의 회전 반경 내에 위치하도록 설치되며, 고정리브(510)는 편심체의 회전 방향에 수직하는 방향을 향하도록 설치되고, 탄성 스토퍼(520)는 편심체(120)의 회전 방향을 향하도록 설치된다. 여기서 탄성 스토퍼(520)는 탄성 스프링으로 구성될 수 있다.
상기와 같은 회전 제어모듈(500)을 갖는 마이크로 충전 시스템은, 도 10에 도시된 바와 같이 편심체(120)가 반시계 방향으로 대략 90˚ 가까이 회전한 후, 일측 내면이 일측의 탄성 스토퍼(520)에 충격되면서 탄성 스토퍼(520)의 탄성에 의하여 반대 방향인 시계 방향으로 회전 방향이 전환된다. 그리고 시계 방향으로 회전하는 편심체(120)는 대략 -90˚ 가까이 회전한 후, 반대측 내면이 반대측의 탄성 스토퍼(520)에 충격되면서 탄성에 의하여 다시 방향이 전환된다. 이와 같이 회전 제어모듈(500)은 편심체(120)가 최대 180˚ 회전각 내에서 회전되고, 회전 방향도 반복적으로 바뀌도록 제어한다. 이때, 편심체(120)는 사용자의 움직임과 함께 탄성 스토퍼(520)의 탄성력에 의해서도 회전하게 되므로, 빠른 속도로 가속 회전되어 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 회전 제어모듈(500)을 갖는 마이크로 충전 시스템(10)은 편심체(120)가 최대 180˚ 회전각 내에서 왕복 회전하므로, 편심체(120)와 외부 충전모듈(30) 사이의 전기적으로 연결이 단순해질 수 있다. 일반적으로 회전체와 고정체 사이의 전기적인 연결을 위하여 브러쉬(brush)가 필요하다. 그러나 본 실시예에서는 회전 제어모듈(500)에 의하여 편심체(120)가 소정의 회전각 내에서만 왕복 회전하여 편심체(120)와 충전모듈(30) 사이에 플렉시블 와이어(flexible wire)를 이용한 연결이 가능하므로, 브러쉬가 요구되지 않는 장점이 있다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 회전 제어모듈(500)은 케이스(20)에서 회전하는 편심체(120) 상부에 위치하도록 설치되고, 편심체(120)의 하우징 상면에 탄성 스토퍼(520)에 충격되기 위한 충격 리브(530)가 형성된다. 상기와 같은 구성의 회전 제어모듈(500)은 편심체의 왕복 회전각을 대략 360˚로 증가시킬 수 있다.
즉, 편심체(120)가 반시계 방향으로 회전할 때 편심체(120)는 탄성 스토퍼(520)에 충격되지 않고 그 하측 공간을 지나면서 계속 회전하고 편심체(120) 상측으로 돌출된 충격 리브(530)가 탄성 스토퍼(520)에 도달하여 충격되면서 회전 방향이 전환된다. 그리고 시계 방향으로 회전 방향이 전환된 편심체(120)는 충격 리브(530)가 반대측 탄성 스토퍼(520)에 충격될 때까지 대략 360˚ 가까이 회전하면서 충격과 동시에 다시 회전 방향이 전환된다. 따라서 충격 리브(530)를 이용한 회전 제어모듈(500)은 편심체(120)의 왕복 회전각을 증가시켜 동력 저장/공급모듈(300)에서의 동력 저장 효율을 향상시킬 수 있다.
[ 제3실시예 ]
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로 충전 시스템의 내부 구조를 나타낸 사시도이고, 도 13은 도 12의 동력 전달 메커니즘을 설명하는 평면도이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로 충전 시스템은 동력 발생모듈(100)이 직선 운동을 하면서 회전 동력을 발생시키도록 구성된다. 즉, 제3실시예는 케이스(20) 내부에서 회전 운동하는 편심체(120)가 직선 운동하는 이동체(120')로 대체된다.
구체적으로 살펴보면, 도 12에 도시된 바와 같이, 마이크로 충전 시스템이 설치되는 케이스(20)는 소정의 길이를 갖는 육면체 형상을 이루고, 길이 방향을 따르는 양 측부에는 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)이 각각 나란하게 설치되고, 케이스(20)의 길이 방향의 양 측부에는 내부를 향하는 탄성체(23)가 각각 설치된다.
또한, 마이크로 충전 시스템(10)의 하우징을 형성하는 이동체(120')는 길이 방향으로 소정의 폭을 가지면서 케이스(20)의 내부 공간에 대응하는 대략 육면체 형성을 이루고, 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)에 각각 지지되도록 케이스(20) 내부에 설치된다. 이동체(120')는 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)로부터 이탈을 방지하기 위하여, 돌기 및 홈을 이용한 체결 구조를 이룰 수 있으며, 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)에 가이드 되면서 케이스(20) 내부 공간에서 길이 방향을 따라 왕복 직선 운동을 하게 된다.
또한, 이동체(120') 내부에는 본 발명의 제1 및 제2실시예와 동일한 회전기어(130)와, 정류 기어모듈(200), 동력 저장/공급모듈(300), 발전모듈(400) 및 충전모듈(30)이 설치되며, 회전기어(130)는 기어 레일(22)에 맞물리도록 설치된다.
도 13을 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 마이크로 충전 시스템의 동력 발생 시스템을 살펴보면, 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)에 의하여 가이드되는 이동체(120')는 가이드 레일(21)과 기어 레일(22)을 따라 길이 방향으로 직선 운동을 한다.
먼저, (a)에 도시된 바와 같이 이동체(120')가 도면상 좌측으로 이동하는 경우, 기어 레일(22)에 맞물린 회전기어(130)는 반시계 방향으로 회전하고, 이와 동시에 정류 기어모듈(200)의 능동기어(210)는 회전기어(130)에 의하여 슬라이딩 홈(141)을 따라 제1 수동기어(220)로 밀려나면서 제1 수동기어(220)에 맞물린다. 이때, 회전기어(130)의 회전 동력은 능동기어(210), 제1 수동기어(220) 및 제2 수동기어(230)를 통하여 동력 저장/공급모듈(300)의 제1 배럴기어(320)에 반시계 방향의 회전 동력으로 전달된다.
또한, (b)에 도시된 바와 같이 이동체(120')가 반대 방향인 도면상 우측으로 이동하는 경우, 기어 레일(22)에 맞물린 회전기어(130)는 시계 방향으로 회전하고, 이와 동시에 정류 기어모듈(200)의 능동기어(210)는 회전기어(130)에 의하여 슬라이딩 홈(141)을 따라 제2 수동기어(230)로 밀려나면서 제1 수동기어(220)와는 분리되고 제2 수동기어(230)에 맞물린다. 이때, 회전기어(130)의 회전 동력이 능동기어(210) 및 제2 수동기어(230)를 통하여 동력 저장/공급모듈(300)의 제1 배럴기어(320)에 반시계 방향의 회전 동력으로 전달된다.
따라서 제3실시예의 무선 충전 시스템(10)은 이동체(120')의 직선 운동 방향과 무관하게 회전기어(130)의 회전 동력이 동력 저장/공급모듈(300)에 동일한 반시계 방향의 회전 동력을 전달한다. 또한, 상기 이동체(120')는 사용자의 움직임으로 인한 직선 운동이 발생되고, 케이스(20) 양 단부의 탄성체에 충격되어 직선 운동 방향이 전환됨과 동시에 탄성력에 의하여 빠른 속도로 가속되어 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 무선 충전 시스템에서 상기 가이드 레일과 기어 레일은 로프나 벨트 체인으로도 구성될 수 있으며, 이동체는 원통 형상을 이룰 수도 있다. 또한, 베벨 기어를 이용하여 가이드 레일과 회전기어가 수직 구조를 이루면서 회전 동력이 발생되도록 할 수 있다. 이러한 베벨 기어 구조는 가이드 레일의 축 방향과 발전모듈의 축 방향을 일치시킬 수 있어 공간 활용에 유리하게 된다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 동력 발생모듈
110 : 고정기어 120 : 편심체
130 : 회전기어 140 : 베이스 플레이트
200 : 정류 기어모듈
210 : 능동기어 220 : 제1 수동기어
230 : 제2 수동기어 240 : 래칫
300 : 동력 저장/공급모듈
310 : 스프링 배럴 320 : 제1배럴 기어
330 : 제2 배럴기어 340 : 증폭기어
400 : 발전모듈
500 : 회전 제어모듈
510 : 고정리브 520 : 탄성 스토퍼

Claims (2)

  1. 케이스 내부에 설치되어 사용자의 움직임에 따른 기계적 에너지를 전기적 에너지로 발전시켜 휴대 장치로 전송되도록 하는 마이크로 충전 시스템에 있어서,
    소정의 길이를 갖는 중심축을 형성하며 케이스 내부에 고정되는 고정기어, 내부에 수용 공간을 형성하는 통 형상의 하우징으로 상기 고정기어를 회전 중심축으로 하면서 무게 중심이 편심되도록 상기 고정기어에 체결되는 편심체, 상기 고정기어에 맞물리도록 베이스 플레이트를 매개로 상기 편심체 내부에 설치되는 회전기어로 구성되어, 상기 고정기어를 중심축으로 상기 편심체가 편심 회전하면서 상기 회전기어에 회전 동력을 발생시키는 동력 발생모듈;
    베이스 플레이트의 슬라이딩 홈을 따라 이동 가능하도록 설치되며, 상기 회전기어(130)에 맞물리도록 설치되는 능동기어, 상기 능동기어에 선택적으로 맞물리도록 설치되는 제1 수동기어, 상기 제1 수동기어에 맞물리면서 상기 능동기어에 선택적으로 맞물리도록 설치되는 제2 수동기어 및 상기 제2 수동기어의 측부에 설치되어 제2 수동기어의 역회전을 방지하는 래칫으로 구성되어, 슬라이딩 홈을 따르는 상기 능동기어의 위치에 따라 능동기어의 회전 동력이 제1 수동기어를 통하여 제2 수동기어로 전달되거나 능동기어의 회전 동력이 제2 수동기어로 직접 전달되어 동일한 방향의 회전 동력을 전달하는 정류 기어모듈;
    상기 편심체의 수용 공간에 설치되며, 나선 스프링이 중심축에 감기면서 회전 동력을 저장하고 나선 스프링이 풀리면서 회전 동력을 공급하는 스프링 배럴, 나선 스프링이 감기는 상기 스프링 배럴의 중심축 상단에 형성되어 상기 제2 수동기어의 회전 동력을 전달받아 나선 스프링을 감는 제1 배럴기어, 상기 스프링 배럴의 외주면에 형성되어 나선 스프링이 풀리면서 회전 동력을 발생시키는 제2 배럴기어 및 중심축을 공통으로 하면서 직경을 서로 달리하는 한 쌍의 기어를 구비하여 직경이 짧은 기어가 상기 제2 배럴기어에 맞물리도록 설치되는 증폭기어로 구성되어, 상기 정류 기어모듈에서 전달되는 회전 동력을 저장하고 저장된 회전 동력을 다시 공급하는 동력 저장/공급모듈;
    상기 편심체의 수용 공간에 설치되어, 상기 동력 저장/공급모듈에서 공급되는 회전 동력을 이용하여 전력을 발생시키는 발전모듈;
    상기 발전모듈에서 발생되는 전력을 저장하여 휴대 장치로 제공하는 충전모듈; 및
    상기 편심체의 회전 반경 내에서 상기 케이스에 고정 설치되는 고정리브와, 상기 고정리브의 양측으로 설치되어 상기 편심체 측면을 탄성 가압하는 한 쌍의 탄성 스토퍼로 구성되어, 상기 편심체가 상기 한 쌍의 탄성 스토퍼 내의 회전각 범위에서 왕복 회전하도록 회전 방향을 변경시키는 회전 제어모듈;을 포함하여,
    상기 동력 발생모듈, 정류 기어모듈, 동력 저장/공급모듈, 발전모듈 및 충전모듈이 회전 동력의 중량체를 형성하면서 발전이 이루어도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전모듈은,
    케이스 내부에 배치되는 메인 배터리로 구성되거나, 편심체 내부에 배치되는 배터리로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대 장치의 마이크로 충전 시스템.
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