KR20150145096A - 능동적 진동에너지 수집장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전효과(piezoelectric effect)를 이용한 진동에너지 발전시스템을 제공하는 것이다.

Description

능동적 진동에너지 수집장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ENERGY HARVESTING}

본 발명은 능동적 진동에너지 수집장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 세계 주요 에너지 관련기구들이 화석연료 고갈 시점 임박에 대한 연이은 보고서를 발간하고, 지구온난화 등의 환경문제에 따른 친환경 기술개발이 주요한 이슈로 부각됨에 따라, 광전효과(photoelectric effect), 열전효과(thermoelectric effect), 압전효과(piezoelectric effect), 연료전지(fuel cell) 등을 이용하여 전력을 생산하는 신재생 에너지 분야에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 이루어져 왔다.

압전효과를 이용한 발전시스템의 경우, 차량통행에 의한 교각 및 도로의 진동, 철도레일의 진동, 차량 엔진과 선박, 항공기 엔진 등의 내연기관으로부터 발생되는 진동, 보행운동에 의한 진동, 빗방울의 자유낙하 운동에너지를 이용한 진동, 수상에서 파력(wave force)을 이용한 진동 등 다양한 종류의 진동에너지원을 이용한 자가발전시스템들이 발표된 바 있다. 그러나, 이러한 발전시스템들은 진동수가 낮고 진동발생주기가 불규칙적인 자연진동을 이용하기 때문에 발전효율이 떨어지며, 이에 따라 필연적으로 시간당 전력생산효율이 낮아 응용분야가 제한적이다.

한편, 압전효과를 이용한 발전시스템 중에서 하루를 기준으로 킬로 와트(kW)급 이상의 대전력을 생산하는 자가발전시스템이 지하철 역사, 톨게이트 등 진동이 상존하는 특수한 환경에 적용된 바 있다. 그러나 이러한 시스템은 발전량을 늘리기 위해 부족한 진동수를 대신하여 압전소자의 면적을 넓히거나 인가되는 힘을 증가하는 방식으로 응용되어 왔다. 이러한 대전력 자가발전시스템의 발전량을 예로 들면, 하루 통행 차량 1만대 기준의 톨게이트 바닥에 진동에너지 변환소자인 압전소자가 적층된 보도블록 형태의 압전블록을 다수 설치하여 24시간 기준으로 110kW 전력을 생성하고 있는 예가 있다. 이는 7Watt 정격의 조명용 LED 1,000개를 15시간 동안 구동할 수 있는 발전량에 해당한다. 그러나 압전효과를 이용하여 이러한 대전력을 생산하는 발전시스템에서는 압전소자의 응력 한계치가 낮아 파손방지를 위한 완충장치가 요구되고, 옥외환경에 적용됨에 따라 요구되는 고도의 방진 및 방습 처리 등으로 인해 시스템 가격이 매우 고가이므로 발전량 대비 경제성이 현저히 떨어져 상용화 수준은 미미한 실정이다.

현재까지 상용화된 압전소자의 에너지변환효율 자체는 상용의 태양광 발전시스템에 사용되는 광전소자의 에너지변환효율의 이론적 한계인 25%를 3배 이상 초과할 정도로 높다. 그럼에도 불구하고 압전효과를 이용한 발전시스템이 태양광 발전시스템과 달리 효율적인 대체에너지 생산수단으로써 활용되지 못하는 가장 본질적인 이유는 바로 진동에너지원의 항상성 문제에 기인한다. 태양광 발전의 경우 에너지원 자체가 옥외(outdoor) 어디에나 존재하고, 악천후를 제외하면 하루 평균 일조량 4시간 기준으로 지속적인 발전이 가능하다. 그러나 진동에너지를 수확하는 경우는 차량 통행이 빈번한 톨게이트와 같이 진동에너지가 상존하는 특수한 환경에서도 하루 통행차량 1만대를 기준으로 해도 8초에 한 번 꼴로 진동이 발생하며, 이를 시간 축에서 연속적인 진동으로 치환하면 하루 동안 진동에너지를 수확할 수 있는 시간은 2시간여 정도에 불과하다. 이러한 진동수 부족으로 인한 낮은 발전효율을 압전소자 면적의 증가와 인가되는 압력을 증대시켜 보완하려는 방식으로 접근함에 따라, 자동차 무게와 같은 큰 중량을 분산 시키기 위한 완충장치 및, 옥외 환경 적용에 따른 고도의 방진, 방습 처리에 고가의 비용이 소모되어 발전량 대비 경제성이 현저히 떨어지게 된다. 따라서, 비주기적이며 불규칙하고 하루 중 발생빈도가 낮은 특성을 갖는 자연진동을 이용한 진동에너지 발전시스템은 압전소자의 뛰어난 에너지 변환 효율에도 불구하고 산업상 이용가능성의 관점에서 바라볼 때 근본적으로 그 응용범위와 용도가 매우 제한적이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 불규칙하고 비주기적인 자연 진동에 의존하지 않고, 탄성에너지를 이용하여 주기적이고 연속적인 강제진동을 유발하여 발전효율을 극대화할 수 있는 조건에서 압전소자를 구동하고, 이러한 강제진동을 발생시키는데 있어 상용 교류전원을 포함한 어떠한 외부 전력공급이 요구되지 않으며, 생성된 전력의 급속 충전 가능한 축전장치를 이용하여 전력변환을 통해 외부 부하(load)에 대한 전력공급의 지속성을 유지하고, 뛰어난 발전효율을 바탕으로 소형 경량화를 통해 기존의 상용 교류전원을 통해 동작전력을 공급받거나, 1차 전지 및 2차 전지를 통해 동작전력을 공급받던 다양한 전지전자기기에 적용 가능하게 함으로써 일상생활 전반에 걸쳐 매우 광범위한 응용이 가능하며, 이를 통해 막대한 에너지절감 효과를 획득할 수 있는 새로운 형태의 진동에너지 발전시스템에 관한 것 이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자연진동에 의존하는 기존의 진동에너지 발전시스템의 단점을 개선하여 외부 진동에너지원의 존재여부와 무관하게 적용이 가능하고, 상용의 전기전자기기에 적용할 수 있는 수준의 발전량을 달성함과 동시에, 기존 자연진동을 이용하는 진동에너지 발전시스템에 비해 전력공급의 안정성 및 지속성을 현저히 개선하고, 소형경량화를 통해 다양한 전자기기에 내장 가능한 새로운 형태의 압전효과(piezoelectric effect)를 이용한 진동에너지 발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 탄성에너지를 저장한 태엽장치, 상기 태엽장치로부터 방출된 상기 탄성에너지를 전달하는 동력전달장치, 상기 탄성에너지 방출 템포(tempo)를 목적에 맞게 일정하게 제어할 수 있는 기계적 제어장치, 기계적 변위를 전기에너지로 변환하거나, 전기적 변위를 기계적 변위로 변환하는 압전소자, 상기 압전소자가 일정한 크기로 규격화되어 적어도 하나 적층될 수 있고, 상기 압전소자에 일률적으로 진동을 인가할 수 있는 구조체인 압전소자적층모듈, 상기 압전소자에 의해 생성된 전력의 일부를 이용하여 외부 부하(load)가 요구하는 정격전력으로 형성하는 외부전력공급부, 상기 압전소자에 의해 생성된 전력의 일부를 이용하여 본 발명의 내부기기에 동작전력을 공급하는 내부전력공급부, 상기 태엽장치, 상기 동력전달장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 압전소자 및 압전소자적충모듈, 상기 외부전력공급부, 상기 내부전력공급부의 상태와 동작을 감시하고 제어하는 전기적 제어장치를 구비한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상용 교류전원을 포함한 일체의 외부 전력공급이 제거된 상태에서 연속적이고 주기적인 강제진동을 유발하여 진동수의 부족으로 인해 낮은 발전량을 갖는 기존 진동에너지 발전시스템의 발전효율을 현저히 개선할 수 있는 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 진동에너지원의 존재유무에 따른 환경적 제약을 받는 진동에너지 발전시스템의 응용분야를 확장하여 자연 발생적인 진동에너지원의 존재유무와 무관하게 적용할 수 있는 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소형경량화를 통해 상용의 교류전원을 사용하고 교류를 직류로 변환하는 회로를 이용하여 동작하는 전기전자기기 및, 1차전지 또는 2차전지를 사용하는 전기전자기기에 내장 또는 외장형태로 적용되어 기기의 동작전력을 공급할 수 있는 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법은, 탄성에너지를 저장한 적어도 하나의 정밀한 태엽장치를 구비하고, 상기 태엽장치에 저장된 탄성에너지를 전달하기 위하여 기계적으로 맞물린 적어도 하나의 치차(gear) 조합으로 구성된 동력전달장치, 상기 동력전달장치로부터 탄성에너지를 전달받아 상기 태엽장치에 저장된 탄성에너지가 짧은 시간에 한꺼번에 소진되지 않도록 상기 탄성에너지가 방출되는 템포(tempo)를 일정하게 제어하는 기능을 수행하는 기계적 제어장치, 상기 기계적 제어장치로부터 일정하게 제어된 탄성에너지를 전달받아 압전효과에 의해 전기에너지를 생성하는 압전소자, 상기 압전소자를 일정한 크기와 형태로 형성하여 적어도 하나 이상 적층할 수 있고, 상기 압전소자에 주기적이고 연속적인 진동을 일률적으로 인가할 수 있는 압전소자적층모듈, 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부를 이용하여 상용의 부하(load)가 요구하는 전력레벨로 일정하게 규격화 하는 외부전력공급부, 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부를 이용하여 본 발명을 구성하는 내부기기에 전력을 공급하는 내부전력공급부, 상기 태엽장치, 상기 동력전달장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 압전소자적층모듈 및, 압전소자, 상기 외부전력공급부, 상기 내부전력공급부의 동작과 상태를 감시하고 제어할 목적의 전기적 제어장치를 구비한다.

본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 태엽장치는, 기계적 탄성이 우수한 나선형 구조의 메인 스프링(main spring)을 포함하고, 상기 메인 스프링과 기계적으로 연결되어 상기 메인 스프링이 풀릴 때 발생되는 탄성에너지로 구동되는 메인 기어(main gear) 및, 상기 메인 스프링의 외부이탈을 방지하기 위한 태엽 통(barrel) 및 덮개, 상기 메인 스프링이 풀릴 때 양방향으로 발생되는 탄성에너지로 인해 상기 메인 기어가 역회전을 하지 못하도록 고정하는 기능을 수행하는 클릭(click), 상기 메인 스프링의 동력이 소진되었을 시 이를 되감기 위한 수단으로 상기 메인 기어와 기계적으로 맞물리는 되감기 기어(rewinding gear), 상기 되감기 기어와 기계적으로 연결되어 태엽을 되감는 일련의 동작을 수행하는데 있어 손잡이 기능을 수행하는 용두(crown) 및, 상기 용두와 상기 되감기 기어를 기계적으로 연결하는 축 역할을 하는 용심(winding stem)을 더 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 기계적 동력전달장치는, 상기 태엽장치가 풀릴 때 발생되는 탄성에너지를 전달하기 위해 적어도 하나의 치차 조합(gear train)을 포함하며, 상기 치차조합은 각각 전달되는 토크(torque) 및 회전 수, 동력의 전달방향을 목적에 맞게 조절하기 위하여 다양한 형태의 범용 기어와 다양한 기어 비(gear ratio)로 구성될 수 있는 것을 포함한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 기계적 제어장치는, 상기 태엽장치에 저장된 탄성에너지가 아무런 제어 없이 자연방출 되어 짧은 시간에 한꺼번에 소진되는 것을 방지하고, 상기 태엽장치가 저장하고 있는 탄성에너지가 일정한 템포를 유지하여 방출할 수 있도록 제어하기 위한 목적의 적어도 하나의 기계적 부품 조합으로써, 상기 기계적 제어장치는, 탄성에너지를 가지고 마치 진자(pendulum) 운동과 같이 주기적인 이완과 수축운동을 반복하는 나선형 구조의 헤어 스프링(hair spring), 상기 헤어 스프링과 기계적으로 맞물려 헤어 스프링의 주기적인 이완과 수축운동을 이어 받아 일정한 궤도를 반복하여 움직이는 원형의 바퀴 형태의 밸런스 휠(balance wheel), 상기 밸런스 휠의 중심을 가로질러 상기 밸런스 휠의 내측을 상호 연결하여 상기 밸런스 휠을 지지하는 막대 형상의 밸런스 바(balbance bar), 상기 밸런스 바에 볼(ball) 형상으로 형성되는 롤러(roller), 상기 롤러와 기계적으로 맞물리고 이탈하는 운동을 주기적으로 반복하는 삼지창 형상의 포크(fork), 상기 포크와 정반대 방향에 상기 포크와 일체형으로 닻(anchor) 모양으로 형성되는 팔레트(pallete), 원형의 치차 형태로 형성되어 상기 팔레트가 주기적으로 맞물리고 이탈하는 동작을 반복할 수 있도록 상기 치차의 외주연에 일정한 주기를 갖는 갈고리 형상의 톱니(teeth)가 형성되어 있는 탈진바퀴(escape wheel), 상기 헤어 스프링, 상기 밸런스 휠, 상기 밸런스 바에 대한 공통적인 중심 축 역할을 수행하는 밸런스 축(balance axis) 및, 상기 헤어 스프링의 유효길이를 조정하여 상기 헤어 스프링의 주기적인 수축과 이완운동의 템포(tempo)를 조정하는 기능을 수행하는 레귤레이터(regulator)를 구비한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 압전소자는, 결정구조를 가지며, 전기 쌍극자(electric dipole)를 가지며, 기계적 변위를 인가하면 상기 전기 쌍극자의 모메트(moment) 변화로 인한 전기장의 변화를 유발하는 압전효과 및, 이와 반대로 전기장의 변위를 인가하면 전기적인 인력 또는 척력에 의해 상기 전기 쌍극자의 모멘트 변화를 유발하고, 결과적으로 기계적 변위를 유발하여 물리적 변형을 일으키는 역압전효과를 갖는 물질을 지칭한다. 본 발명에 사용되는 상기 압전소자는, 다결정 압전소자, 단결정 압전소자, EAP(electrically Activated Polymer) 소자, 압전복합체 소자, 나노선(nano wire) 기반의 압전소자 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 압전소자적층모듈은, 상기 압전소자가 일정한 크기로 규격화되어 생성된 전력을 외부로 전달하기 위한 전기적 결선을 포함하여 적어도 하나 적층될 수 있고, 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자에 일괄적인 진동을 반복적으로 인가할 수 있는 구조, 예를 들어 원통형 실린더 구조일 수 있다. 또한, 상기 압전소자가 상기 압전소자적층모듈에 적층될 시에는 외팔보(clamped beam) 형태의 구조물에 전도성 에폭시(epoxy)를 이용하여 장착된 후, 상기 압전소자적층모듈 내측 또는 외측에 고정장치를 이용하여 고정되는 형태인 것을 포함하며, 상기 압전소자적층모듈 내측 중심에는 회전운동을 하는 중심축을 포함하고, 상기 중심축에는 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자를 일괄적으로 타격하기 위한 적어도 하나의 회전날개가 설치되는 것을 더 포함하며, 상기 회전날개의 날개 엽은 적어도 하나인 것을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 내부전력공급부는, 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자에 의해 생성된 전력의 일부를 이용하여 후술되는 상기 전기적 제어장치에 공급하기 위한 정격구동전력을 형성한다. 이를 위해 상기 내부전력공급부는, 상기 압전소자 각각의 교류 출력전력을 직류전력으로 정류하기 위한 적어도 하나의 제1정류기(rectifier), 상기 제1정류기의 전기적 출력을 일정하게 제한하기 위한 적어도 하나의 제1레귤레이터(regulator), 상기 제1레귤레이터 각각의 출력 전력을 전기적으로 중첩(superposition)하여 더 큰 전기적 출력을 형성하기 위한 제1중첩회로, 상기 제1중첩회로의 출력전력을 이어받아 일정하게 규격화하는 제2레귤레이터(regulator), 상기 제2레귤레이터의 출력전력을 일시적으로 저장하기 위한 적어도 하나의 제1축전기, 상기 제1축전기의 전기적 출력을 이어받아 전력변환을 수행하는 적어도 하나의 제1전력변환기를 구비할 수 있다. 상기 제1축전기는 2차전지이거나 슈퍼콘덴서일 수 있고, 상기 제1전력변환기는 SoC(system on chip) 타입의 DC-DC 컨버터일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 외부전력공급부는, 상기 압전소자적층모듈에 적층된 상기 압전소자에 의해 생성된 전력의 일부를 이용하여 외부 부하(load)를 구동하기 위한 정격전력을 형성하여 외부 부하에 공급한다. 이때, 상기 외부 부하는 1차전지 및 2차전지를 사용하여 동작전력을 공급하는 전기전자기기이거나, 상용 교류전원으로부터 전력을 공급받아 교류를 직류로 전환하는 회로를 포함하는 전기전자기기일 수 있다. 상기 외부전력공급부는, 상기 압전소자 각각의 교류 출력전력을 직류전력으로 정류하기 위한 적어도 하나의 제2정류기(rectifier), 상기 제2정류기의 전기적 출력을 일정하게 제한하기 위한 적어도 하나의 제3레귤레이터(regulator), 상기 제3레귤레이터 각각의 출력 전력을 전기적으로 중첩(superposition)하여 더 큰 전기적 출력을 형성하기 위한 제2중첩회로, 상기 제2중첩회로의 출력전력을 이어 받아 일정하게 제한하는 제4레귤레이터(regulator), 상기 제4레귤레이터의 출력전력을 일시적으로 저장하기 위한 적어도 하나의 제2축전기, 상기 제2축전기의 전기적 출력을 이어 받아 전력변환을 수행하는 적어도 하나의 제2전력변환기를 구비할 수 있다. 상기 제2전력변환기는, SoC (System on Chip) 형태의 DC-DC 컨버터(converter)를 포함하여 인버터(inverter)와 DC멀티플라이어(DC multiplier)를 더 포함할 수 있고, 상기 제2축전기는 2차전지이거나 슈퍼콘덴서 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 전기적 제어장치는, 상기 태엽장치, 상기 동력전달장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 압전소자적층모듈, 상기 압전소자, 상기 내부전력공급부, 상기 외부전력공급부의 동작을 감시하고 제어하기 위해 범용의 마이크로프로세서 및, 상기 마이크로프로세서를 구동하기 위한 그 주변회로를 포함하고, 상기 마이크로프로세서에 동작전력을 공급하는 적어도 하나의 보조전원장치을 포함하며, 상기 보조전원장치의 출력전력을 이어받아 상기 마이크로프로세서가 요구하는 정격전력을 형성하기 위한 dc-dc 컨버터를 더 포함할 수 있고, 상기 보조전원장치는 슈퍼콘덴서일 수 있다.

또한, 상기 전기적 제어장치는, 상기 태엽장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 동력전달장치, 상기 압전소자적층모듈, 상기 압전소자, 상기 내부전력공급부 및 상기 외부전력공급부의 상태정보와 제어정보를 획득하기 위해 시스템 내부 적재적소에 적어도 하나의 전압센서 및 전류센서를 설치하는 것을 포함하며, 상기 태엽장치의 이상으로 수동으로 되감지 못하는 상황이 발생할 경우, 상기 보조전원장치를 이용하여 자동으로 되감기 위한 적어도 하나의 마이크로 모터와, 상기 보조전원정치의 출력전력을 상기 마이크로 모터가 요구하는 정격전력으로 변환하는 dc-dc 컨버터를 더 포함할 수 있고, 획득된 시스템 상태정보 및 제어정보를 사용자에게 제공하기 위해 LED 또는 LCD 디스플레이 장치 중 어느 하나를 포함하는 사용자 인터페이스를 구비하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법은 상용의 표준 교류전원을 포함하여 외부 전력 공급이 모두 제거된 상태에서 독립적으로 상용 기기의 동작 전력을 생성하여 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법은, 상기 태엽장치, 상기 동력전달장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 압전소자, 상기 압전소자적층모듈, 상기 외부전력공급부 및, 상기 내부전력공급부를 하나의 모듈로 구성하고, 상기 모듈 2개가 쌍(pair)을 이루어 상기 전기적 제어장치를 더 포함하여 하나의 시스템 단위를 구성하고, 상기 시스템 단위로 발전용량을 확장하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 시스템내의 상기 모듈은 각각 메인(main) 모듈과 보조(complementary)모듈로 구분될 수 있다.

또한, 상기 메인 모듈과 상기 보조모듈은 내부 구성요소가 동일하므로, 이후 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 대해 기술할 경우, 상기 메인 모듈의 구성요소와 상기 보조 모듈의 구성요소를 구분하여 지칭하고자 할 때, 상기 메인 모듈에 포함된 구성요소일 경우에는 예를 들어 주 태엽장치, 주 동력전달장치와 같이 지칭되고, 상기 보조 모듈에 포함된 구성요소일 경우에는 예를 들어 보조 태엽장치, 보조 동력전달장치와 같이 지칭될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 메인 모듈과 상기 보조 모듈은 그 동작이 서로 상보(complementary) 관계에 있는 것을 특징으로 한다. 보다 상세하게는, 상기 주 태엽장치에 저장된 탄성에너지가 방출을 개시한 후 완전히 소진되기 전 어느 특정 단계에서, 상기 전기적 제어장치가 상기 메인 모듈 적재적소에 설치된 상기 전압센서 및 전류센서로부터 상기 주 태엽장치에 저장된 탄성 에너지 소진 임박에 대한 상태정보를 획득하고, 상기 전기적 제어장치가 상기 상태정보를 이어 받아 상기 보조 태엽장치의 잠금장치를 해제하여 탄성에너지 방출을 개시함으로써, 전력생성절차가 상기 메인 모듈에서 상기 보조모듈로 전환되어 전력생성의 항상성을 유지할 수 있다. 이후, 상기 전기적 제어장치는 탄성에너지가 소진된 상기 주 태엽장치의 상태정보를 상기 사용자 인터페이스로 출력하고, 이를 통해 상기 주 태엽장치는 사용자에 의해 수동으로 다시 탄성에너지가 충전된 후 대기상태에 놓인다. 또한, 상기 보조 모듈이 상기 메인 모듈로부터 전력생성절차를 넘겨 받아 동작 중에, 상기 보조 태엽장치가 저장된 탄성에너지를 소진하기 직전 어느 특정단계에서, 상기 전기적 제어장치의 제어 하에 상술한 바와 같은 동일한 절차를 거쳐 대기 상태이던 상기 메인 모듈로 전력생성절차가 재차 전환될 수 있고, 상기 메인 모듈과 상기 보조 모듈 간의 이러한 스위칭 동작은 주기적으로 반복될 수 있다. 또한, 상기 주 태엽장치 또는 보조 태엽장치 중 어느 하나의 이상으로 수동으로 탄성에너지를 재충전 할 수 없는 경우에는, 상기 전기적 제어장치에 의해 전기적 동력을 이용하여 재충전 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법은, 상기 메인 모듈과 상기 보조모듈에 포함된 주 태엽장치와 보조 태엽장치를 각각 미리 감아 놓아 탄성에너지가 충전된 상태에서, 상기 주 태엽장치의 잠금장치가 해제되어 탄성에너지가 방출되는 단계, 상기 탄성에너지가 상기 주 동력전달장치에 의해 전달되는 단계, 상기 주 동력전달장치에 의해 전달된 탄성에너지가 상기 주 기계적 제어장치에 의해 일정하게 규격화되는 단계, 상기 주 기계적 제어장치에 의해 규격화된 탄성에너지가 상기 주 압전소자적층모듈 중심에 설치된 상기 중심축에 전달되어 상기 중심축이 회전을 개시하고, 상기 중심축에 설치된 상기 회전날개가 상기 주 압전소자적층모듈에 규격화되어 적층된 적어도 하나의 상기 주 압전소자를 일괄적으로 타격하여 진동을 유발하는 단계, 상기 주 압전소자적층모듈에 적층된 적어도 하나의 상기 주 압전소자가 인가된 진동에 의해 일괄적으로 전력을 생성하는 단계, 상기 주 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부가 상기 주 내부전력공급부를 통해 규격화 되여 상기 전기적 제어장치에 공급되는 단계, 상기 주 내부전력공급부를 통해 공급된 전력을 이어 받아 상기 전기적 제어장치가 기동을 개시하고, 미리 프로그램 된 절차에 따라 상기 메인 모듈과 상기 보조 모듈의 상태를 점검하여 전력생성절차를 감시하고 제어하기 위한 초기화를 시행하는 단계, 상기 주 압전소자적층모듈에 적층된 상기 주 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부를 이용하여 상기 주 외부전력공급부를 통해 외부 부하(load)의 정격에 맞는 정격전력을 형성하여 상기 외부 부하에 공급하는 단계, 상기 전기적 제어장치가 상기 메인 모듈 적재적소에 설치된 상기 전류센서 및 상기 전압센서로부터 상태정보를 전달받아, 상기 주 태엽장치의 탄성 에너지가 소진되기 전 어느 특정 시점에서 상기 보조 태엽장치의 잠금 장치를 해제하여 탄성에너지 방출을 개시하고, 전력생성절차를 상기 메인 모듈에서 상기 보조 모듈로 전환하는 단계, 상기 주 태엽장치의 탄성에너지 소진 정보를 상기 전기적 제어장치의 제어 하에 상기 사용자 인터페이스를 통해 사용자에게 전달하는 단계, 상기 주 태엽장치가 사용자에 의해 수동으로 되감아져 탄성에너지를 충전하고 대기상태에 놓이는 단계, 상기 보조 태엽장치의 탄성에너지가 상기 보조 동력전달장치에 의해 전달되는 단계, 상기 보조 동력전달장치에 의해 전달된 탄성에너지가 상기 보조 기계적 제어장치에 의해 일정하게 규격화되는 단계, 상기 보조 기계적 제어장치에 의해 규격화된 탄성에너지가 상기 보조 압전소자적층모듈 중심에 설치된 상기 중심축과, 상기 중심축에 설치된 상기 회전날개에 전달되어 상기 보조 압전소자적층모듈에 규격화되어 적층된 적어도 하나의 상기 보조 압전소자를 일괄적으로 타격하여 진동을 유발하는 단계, 상기 보조 압전소자적층모듈에 적층된 적어도 하나의 상기 보조 압전소자가 인가된 진동에 의해 일괄적으로 전력을 생성하는 단계, 상기 보조 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부가 상기 보조 내부전력공급부를 통해 규격화 되여 상기 전기적 제어장치에 공급되는 단계, 상기 보조 압전소자적층모듈에 적층된 상기 보조 압전소자로부터 생성된 교류전력의 일부를 이용하여 상기 보조 외부전력공급부를 통해 외부 부하(load)의 정격에 맞는 정격전력을 형성하여 공급하는 단계, 상기 전기적 제어장치가 상기 보조 모듈 적재적소에 설치된 상기 전류센서 및 상기 전압센서로부터 상태정보를 전달받아 상기 보조 태엽장치의 탄성 에너지가 소진되기 전 어느 특정 시점에서 상기 주 태엽장치의 잠금 장치를 해제하여 탄성에너지 방출을 개시하고, 전력생성절차를 상기 메인 모듈에서 상기 보조 모듈로 전환하는 단계, 상기 전기적 제어장치가 상기 보조 태엽장치의 탄성에너지 소진 상태를 상기 사용자 인터페이스를 통해 사용자에게 전달하는 단계, 상기 주 태엽장치 및 상기 보조 태엽장치 중 어느 하나의 오작동으로 수동으로 되감는 것이 불가능한 상황이 발생할 때, 상기 전기적 제어장치에 포함된 상기 마이크로 모터를 이용하여 전기적 동력으로 되감는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 동일한 물리적 조건에서 자연진동을 이용하는 기존 진동에너지 발전시스템에 비해 단위 시간 당 전력생성 효율을 극대화할 수 있는 효과를 얻는다.

본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상용 교류전원을 포함하여 일체의 외부전력 공급이 제거된 상태에서 독립적으로 상용 전기전자기기의 동작전력을 생성하여 공급하도록 함으로써, 막대한 에너지절감효과를 얻는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 소형경량화를 통해 기존에 상용 교류전원을 이용하고 교류전력을 직류로 변환하여 전력을 공급하는 전기전자기기 및, 1차전지 또는 2차전지를 이용하여 동작 전력을 공급하던 전기전자기기에 적용함으로써, 일상생활 전반에 전력공급원으로써 광범위하게 응용될 수 있다는 효과도 얻는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 기존 자연진동에 의존하여 진동이 상존하는 환경에만 적용할 수 있었던 기존의 진동에너지 발전시스템과 달리, 진동에너지원의 존재여부와 무관하게 응용분야를 확장할 수 있는 효과를 얻는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 태엽장치, 동력전달장치 및 기계적 제어장치의 구성을 보이는 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 기계적 제어장치의 보다 상세한 구성을 보이는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 압전소자적층모듈 및 압전소자의 구성을 보이는 도면이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 압전소자가 압전소자적층모듈에 체결되는 방법을 보이는 도면이다
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 내부전력공급부의 구성을 보이는 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 외부전력공급부의 구성을 보이는 보여주는 도면이다
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 전기적 제어장치의 구성을 보이는 도면이다.
도 7a는 주기적이고 연속적인 진동에 대한 압전소자의 출력전력 예를 도시한 도면이다.
도 7b는 비주기적이고 불규칙한 자연진동에 대한 압전소자의 출력전력 예를 보인 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하는데 있어서, 상기 메인 모듈과 상기 보조 모듈은 그 기능과 구성요소가 동일하므로, 중복 설명을 피하기 메인 모듈과 동일한 기능과 구성요소를 갖는 보조 모듈에 대해 별도로 기술하지 않고, 메인 모듈에 대해서만 첨부된 도면을 참조하여 그 기능과 구성요소를 기술하는 것으로써 상기 보조 모듈에 대한 기술을 대신할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 전체 구성을 도시한 블록도이고, 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에서, 기계적인 동작이 상호 긴밀한 연계성을 갖는 태엽장치, 동력전달장치 및 기계적 제어장치를 함께 도시한 도면이다. 도 2b는 기계적 제어장치에 대한 보다 상세한 도면을 도시한 것이다. 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 압전소자적층모듈을 도시한 도면이고, 도3b는 압전소자가 압전소자적층모듈에 체결되는 방법을 보이는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 내부전력공급부를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 외부전력공급부를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법의 전기적 제어장치를 도시한 도면이다. 도 7a는 주기적이고 연속적인 진동에 의한 압전소자의 전력출력 예를 보인 도면이고, 도 7b는 불규칙하고 비주기적인 자연진동에 의한 압전소자의 전력출력 예를 보인 도면이다.

도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법은, 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자적층모듈 및 압전소자, 내부전력공급부, 외부전력공급부 및, 전기적 제어장치를 구비한다.

본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 최초 수동으로 감겨진 태엽장치에 포함된 메인 스프링의 잠금 장치(미도시)가 해제 됨에 따라 메인 스프링에 저장된 탄성에너지가 방출된다.

상기 태엽장치는, 우수한 기계적 탄성을 갖는 나선형 구조의 메인 스프링, 메인 스프링과 기계적으로 연결되어 메인 스프링이 풀리는 힘으로 회전하는 메인 기어, 메인 스프링의 외부이탈을 방지하기 위한 태엽 통(미도시) 및 덮개(미도시), 메인 스프링이 풀릴 때 메인 기어가 역회전을 하지 못하도록 고정하는 기능을 수행하는 클릭(미도시), 메인 스프링이 풀려 저장된 탄성에너지가 완전히 소진되었을 때 메인 스프링을 되감기 위해 메인 기어와 기계적으로 맞물려 있는 되감기 기어, 상기 되감기 기어와 기계적으로 연결되어 메인 스프링을 되감는 일련의 동작을 수행하는데 있어 손잡이 기능을 수행하는 용두 및, 상기 용두와 상기 되감기 기어를 기계적으로 연결하는 축 역할을 하는 용심을 포함한다.

상기 태엽장치는, 장난감 완구 류에 사용된다는 일반의 인식과 달리 역사가 매우 오래되고 신뢰성 있는 기계적 동력기관이다. 예를 들어, 고급 수제시계에 동력을 제공하는 태엽은 우수한 기계적 탄성을 갖는 특수한 합금을 이용하여 제작되며, 다양한 종류의 동력전달기어와 조합되어 저장된 탄성에너지를 1/10초 간격으로 나눌 수 있을 정도로 정밀한 제어가 가능하다. 또한, 시계에 사용되는 태엽 스프링은 탄성계수가 높은 특수한 합금으로 제작되어 손목시계와 같은 작은 크기의 태엽용량만으로도 시계를 구동하기 위한 토크 기준으로 평균적으로 72시간 내지 240시간 분량의 탄성에너지를 저장할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 정밀도와 탄성에너지 저장능력을 갖춘 기계식 시계에 사용되는 태엽을 본 발명의 목적에 맞게 변형하여 일정 시간 동안 연속적이고 주기적인 진동을 유발하는 진동에너지원으로 활용할 수 있다.

상기 동력전달장치는, 도 2a에 도시한 바와 같이 태엽장치로부터 발생된 탄성에너지를 전달받아 기계적 제어장치를 거쳐 압전소자적층모듈 내측에 형성된 중심축까지 전달하기 위한 일련의 치차조합(gear train)이며, 동력전달 방향과 회전 비, 토크 등을 고려하여 목적에 맞는 적어도 하나의 치차로 구성될 수 있다. 동력전달장치를 구성하는 상기 치차조합은 서로 다른 회전 비를 갖도록 구성되는데, 이러한 목적은 태엽장치에 포함된 메인 스프링이 방출하는 미약한 탄성에너지만으로도 동력전달장치 종단에 위치한 마지막 치차가 고속으로 회전하도록 하고, 이와 기계적으로 연결된 압전소자적층모듈 내측에 설치된 중심축을 고속으로 회전시키고, 이러한 중심축의 회전 수와 중심축에 설치된 회전날개의 회전 수 조합이 적어도 60Hz 이상의 진동을 발생할 수 있도록 제어하기 위한 것이다. 이를 통해 압전소자적층모듈에 적층된 압전소자에 적어도 60회/sec 이상의 주기적인 진동을 인가할 수 있다.

상기 기계적 제어장치는, 동력전달장치를 통해 전달된 탄성에너지를 이어 받아 태엽장치에 포함된 메인 스프링이 아무런 제어 없이 한꺼번에 풀려 짧은 시간에 저장된 탄성에너지가 모두 소진되는 것을 방지하고, 메인 스프링이 탄성에너지 방출을 개시한 후 저장된 탄성에너지를 완전히 소진하게 되는 1회 주기 동안 메인 스프링이 저장한 탄성에너지를 낭비 없이 효율적으로 나누어 사용하기 위한 목적의 기계적 장치이다. 이를 위하여 기계적 제어장치는, 도2a 및 도2b에 도시한 바와 같이 탈진바퀴, 팔레트 및 포크, 헤어 스프링, 밸런스 휠 및 밸런스 바, 밸런스 축, 롤러 및, 레귤레이터를 구비한다.

상기 탈진바퀴는, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같은 상용의 스퍼(spur) 기어와 유사한 형태의 기어로써, 기어의 외주 연에 갈고리 형태의 톱니(teeth)가 형성된다. 탈진바퀴는 동력전달장치에 포함된 일련의 치차조합이 메인 스프링으로 부터 발생된 탄성에너지 전달을 주목적으로 하는 것과 달리, 후술되는 팔레트와의 상호 기계적 연계동작을 통해 메인 스프링으로부터 방출되는 비선형성이 강한 탄성에너지가 방출되는 템포(tempo)를 일정하게 제어하는 기능을 수행한다.

상기 팔레트는, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 탈진바퀴 외주 연에 형성된 톱니의 한 주기(pitch)와 기계적으로 맞물리는 닻(anchor) 형태의 기구로써, 일정한 길이를 갖는 닻 모양의 기구가 탈진바퀴 외주 연에 형성된 톱니의 한 주기와 맞물리는 동작과 이탈하는 동작을 등시성을 가지고 주기적으로 반복하여 메인 스프링에 저장된 탄성에너지가 짧은 시간에 한꺼번에 소실되는 것을 방지하고 일정한 주기로 풀리도록 기계적으로 강제하는 역할을 수행한다.

상기 포크는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 팔레트와 일체형으로 형성된 기구로서, 팔레트와 정 반대 방향에 형성되어 후술되는 롤러와 기계적 연계동작을 통해, 상술한 바 있는 팔레트와 탈진바퀴의 기계적 연계동작이 이루어질 수 있는 운동에너지를 전달하는 역할을 수행한다.

상기 헤어 스프링은, 도2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 팔레트와 탈진바퀴 및, 포크와 롤러의 연계동작을 통해 탈진바퀴의 외주 연에 형성된 톱니바퀴의 한 주기씩 차례로 맞물리는 동작과 이탈하는 동작을 주기적으로 반복할 수 있도록 팔레트와 포크에 스프링의 탄성력을 이용하여 수축과 이완이 반복적으로 이루어지는 동력을 제공하는 역할을 수행한다. 보다 상세하게는, 헤어 스프링이 이완될 때 헤어 스프링과 기계적으로 연결되어 있는 밸런스 휠이 헤어 스프링의 이완에 따라 일정 거리를 회전하고, 이에 따라 밸런스 바에 형성된 롤러가 이동하면서 롤러와 기계적으로 맞물린 포크가 정해진 궤도를 이동한다. 이에 따라 포크와 일체형으로 형성된 팔레트가 탈진바퀴의 외주연에 형성된 톱니(tooth)와 맞물리게 된다. 이와 반대와 헤어 스프링이 수축되어 원래대로 되돌아 올 때는 상술한 과정의 정 반대과정을 거쳐 팔레트가 탈진바퀴 외주연에 형성된 톱니와 맞물림 상태를 벗어나서 이탈할 수 있도록 한다. 이러한 주기적인 동작은 팔레트의 정 반대방향에 형성된 포크와 롤러의 상호 연계작용의 경우에도 동일하게 적용된다. 헤어 스프링의 이러한 주기적인 이완과 수축운동이 마치 진자운동과 같이 등시성을 가지고 주기적으로 반복되고, 이러한 주기를 후술하는 레귤레이터를 이용하여 조정함으로써 팔레트가 탈진바퀴의 회전속도를 일정하게 제어한다. 결과적으로 이는 메인 스프링이 저장하고 있는 탄성에너지가 풀리는 주기를 제어하는 효과가 있다.

상기 밸런스 휠은, 도2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 헤어 스프링과 기계적으로 연결되는 원형의 금속바퀴로써, 헤어 스프링이 진자운동과 같은 주기적인 이완과 수축운동을 반복할 때 안정감을 더해줌과 동시에, 나선형으로 감겨 있는 헤어 스프링이 반복적인 수축과 이완 운동 시 헤어 스프링의 중심축이 틀어지지 않도록 고정하는 역할을 수행한다.

상기 밸런스 바는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 원형의 밸런스 휠의 중심을 가로질러 밸런스 휠의 내측 한쪽 끝과 반대편 내측 끝을 연결하여 밸런스 휠을 지지하는 막대이다. 밸런스 바는 밸런스 휠이 규칙적인 진자운동을 반복하는 동안 중심축이 어긋나지 않도록 유지하는 기능을 수행한다.

상기 밸런스 축은, 도 2a 및 도 2b에 도신된 바와 같이, 헤어 스프링, 밸런스 휠, 밸런스 바에 대해 그 동작에 있어 공통적인 중심 축 기능을 수행하는 고정장치 이다.

상기 롤러는, 도 2a 및 도 2b에 도신된 바와 같이, 밸런스 바에 형성된 볼(ball) 형상의 돌출된 기구로서, 헤어 스프링의 주기적인 수축과 팽창으로 진자운동을 반복하는 동안 그 힘을 이용하여 포크와 맞물리고 이탈하는 동작을 반복하여, 결과적으로 포크의 정 반대방향에 형성된 팔레트가 탈진바퀴와 맞물리고 이탈하는 동작을 반복할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

상기 레귤레이터는, 도 2a 및 도 2b에 도신된 바와 같이, 헤어 스프링의 중심축과 기계적으로 연결된 핀(pin) 또는 스크류(skrew) 형태의 기구로써, 레귤레이터를 풀거나 조이는 방식으로 헤어 스프링의 유효길이를 조정하여 헤어 스프링의 이완과 수축범위를 일정하게 제한하는 역할을 수행한다. 이에 따라 팔레트가 탈진바퀴 외주연에 형성된 톱니에 맞물리고 이탈하는 템포(tempo)를 조절할 수 있다.

상기 압전소자적층모듈은, 도 3a에 도시된 바와 같이 단위면적 당 최대한 많은 수의 규격화된 압전소자를 적층할 수 있고, 기계적 제어장치로 부터 전달된 탄성에너지를 이용하여 일률적으로 주기적이고 연속적인 진동을 반복하여 인가할 수 있는 구조, 예를 들면 도 3a에 도시된 바와 같은 원통형 실린더 구조일 수 있다. 또한, 압전소자적층모듈 중심에는 도 3a에 도시한 바와 같이 회전운동이 가능한 중심축이 설치될 수 있고, 중심축에는 적어도 하나의 회전날개가 설치될 수 있다. 또한, 압전소자가 압전소자적층모듈에 적층될 시에는, 생성된 전력을 외부로 전달하기 위한 전기적 결선을 포함하여 목적에 맞는 일정한 크기로 규격화된 후, 이를 단위소자로 하여 도 3b에 도시한 바와 같은 체결방식으로 외팔보 형태의 구조물에 부착되어 원통형 실린더 구조의 압전소자적층모듈에 적어도 하나 이상 적층될 수 있다.

상기 압전소자적층모듈 내측 중심에 설치된 중심축은, 동력전달장치로 부터 탄성에너지를 전달받아 회전운동을 개시한다. 이러한 중심축의 회전에 따라 중심축에 설치된 적어도 하나의 회전날개가 동시에 회전하면서, 압전소자적층모듈 내측에 적층된 적어도 하나의 압전소자에 일률적으로 주기적이고 연속적인 진동을 인가하게 된다. 이에 따라 압전소자적층모듈에 적층된 적어도 하나의 압전소자는 일률적으로 압전효과에 의해 전력 생성을 개시한다. 이때, 압전소자에 인가되는 진동은 기계적 제어장치와 압전소자적층모듈 내측 중심에 설치된 중심축 및, 중심축에 설치된 회전날개의 기계적 연계동작에 의해 적어도 60Hz 이상으로 제어된다. 예를 들어, 기계적 제어장치에 포함된 탈진바퀴의 외주 연에 형성된 톱니의 한 피치(pitch) 길이와 압전소자적층모듈에 포함된 중심축의 원둘레가 8 대 1의 비율이고, 중심축에 설치된 회전날개의 날개 엽이 8개이면, 팔레트가 탈진바퀴의 한 피치(pitch)와 맞물리고 이탈하는 1회 주기 동안 압전소자에는 초당 64회의 주기적이고 연속적인 진동이 인가된다. 이에 따른 압전소자의 출력 전력은, 비주기적이고 불연속적인 자연진동을 이용하는 기존 진동에너지 발전시스템과 달리 단순히 교류신호의 실효 값 정리를 이용하여 계산될 수 있다. 이는 압전소자의 물리적 규격이 동일한 조건에서 단위 시간 당 달성 가능한 발전량 측면에서 볼 때, 진동 발생주기가 불규칙하고 불연속적인 특성을 갖는 자연진동을 이용하는 기존의 진동에너지 발전시스템과 대비되는 본 발명의 중요한 특징 중 하나이다. 보다 상세하게는, 일정한 진폭을 갖고 초당 60회 이상의 주기적이고 연속적인 진동이 유지되는 동안 규격화된 압전소자 하나의 출력전력은 도 7a에 보인 바와 같이 일정한 주기를 갖는 교류신호이다. 이러한 교류전력과 등가인 DC 전력은 잘 알려진 실효 값 정리에 따라 (피크(peak)전력/root2)가 된다. 그러므로 압전소자의 개수가 N개 이면 전기적 중첩의 원리에 따른 DC 중첩 출력전력은 (피크전력/root2) x N 이 된다. 반면, 불연속적이고 비주기적인 자연진동의 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이 불과 수~수십 밀리세컨드(msec) 이하에 해당되는 순간적인 단 진동이 불규칙하게 발생하기 때문에 주기적인 교류신호의 실효 값 정리에 따른 단순한 전력계산이 적용되지 않으며, 자연발생적인 진동에 대한 이러한 전력계산이 사실상 불가능하기 때문에 일정한 용량의 축전지가 완충되는 시간을 역으로 환산하여 발전량을 추정하게 된다. 또한, 이러한 발전량은 단위 시간 동안 주기적이고 연속적인 진동이 인가되는 경우에 비해 현저히 작다.

상기 압전소자는, 기계적 변위를 인가했을 때 전기장 변위를 유발하는 압전효과 및, 전기장 변위를 인가했을 때 기계적 변위를 유발하는 역압전효과를 갖는 에너지변환소자를 지칭한다. 상기 압전효과에 의한 압전소자의 전하생성량은 Q = d x F 로 정의되며, 여기서 Q는 전하생성량, d는 고유 압전상수, F는 인가되는 외부 힘이다. 압전소자는 상기 압전상수가 같을 때, 면적과 외부에서 인가되는 힘이 증가하면 이에 비례하여 출력전력이 증가하는 특성을 갖는다. 본 발명에 사용되는 압전소자는, 다결정(multi crystal) 압전소자, 단결정(single crystal) 압전소자, EAP(electro active polymer) 소자, 압전 복합체(composite) 소자, 나노선(nano wired) 구조의 압전소자 중 어느 하나일 수 있다.

상용의 압전소자 성능을 살펴보면, 상기 다결정 압전소자의 경우 현재까지 가장 성능이 우수하다고 알려진 PZT-5H 계열의 경우를 예로 들면, 실험적으로 100원 동전 크기에 해당하는 직경 1.5cm 정도의 디스크(disc) 타입의 상기 PZT-5H 계열의 다결정 압전소자에 성인의 손가락으로 가볍게 치는 힘에 해당되는 단진동을 인가 했을 경우 발생되는 피크(peak) 전력은 구동 정격전력이 수V~십 수V/수mA~10mA 이내의 범위에 있는 신호용 LED를 켤 수 있을 정도이다. 또 다른 예를 들면, 상기 PZT-5H 계열의 다결정 압전소자를 적용한 상용의 무선 스위치의 경우, 2.5cm x 2.5cm 크기에 성인의 손가락으로 1회 가볍게 누르는 힘에 의해 AC 15V/20mA 정도의 피크(peak) 전력을 생성하고, 이를 이용하여 무선 트랜시버(transceiver)를 작동시켜 15m 반경 내에 있는 조명 스위치를 원격으로 제어 할 수 있다.

상기 단결정 압전소자는, 상기 다결정 압전소자에 비해 현저히 높은 압전상수와 전기-기계결합 계수를 갖는다. 이에 따라 상기 PZT-5H 다결정 압전소자와 같은 물리적 규격에서 동일한 토크의 진동을 인가했을 때 평균 20배 정도의 발전성능을 나타낸 것으로 학계에 보고된 바 있다. 상기 단결정 압전소자의 에너지변환효율은 전기-기계 결합계수 k = 0.9를 기준으로 할 때 80% 이상으로, 이는 신재생에너지분야에서 주도적인 위치를 차지하고 있는 태양광 발전에 이용되는 광전소자 에너지변환효율의 이론적 한계인 25%에 3배가 넘는 수치이다. 이러한 에너지변환효율이 뛰어난 상기 단결정 압전소자에 본 발명에서와 같이 주기적이고 연속적인 강제진동을 인가할 경우, 불규칙적이고 비주기적인 자연 진동을 이용하는 경우와 비교할 때 현저히 높은 수준의 단위 시간 당 발전량 달성이 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 에너지 수집장치 및 그 방법에 따른 압전소자적층모듈에 2.5cm x 2.5cm 크기로 규격화된 상기 단결정 압전소자를 30개 적층하고 60Hz 이상의 주기적이고 연속적인 진동을 일률적으로 인가할 경우, 상기 단결정 압전소자의 발전성능이 상술한 바 있는 (참고문헌 1)에 보고된 바와 같이 상기 PZT-5H 다결정 압전소자의 평균 20배에 이른다는 점에 근거하여 2.5cm x 2.5cm 크기의 상기 단결정 압저소자 하나의 단위 출력을 AC 피크 30V/150mA로 가정하면, 이러한 압전소자적층모듈의 단위 시간 당 발전량은 정류 과정을 거쳐 DC 영역에서 중첩의 원리에 따라 중첩되어 실효 값 정리에 따라 실시간으로 DC 21.21V/3.18A에 이른다. 이는 DC 20V/3A 정격의 60W급 상용 노트북을 실시간으로 구동할 수 있는 전력에 해당하며, 이러한 전력을 1시간 생성하여 저장할 경우 7Watt 정격의 조명용 LED를 8.5시간 구동할 수 있다. 또한, 압전소자적층모듈에 적층되는 규격화된 압전소자의 개수를 늘리거나, 본 발명의 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 따른 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자적층모듈, 압전소자, 내부전력공급부, 외부전력공급부를 하나의 모듈로 묶어 이러한 모듈 단위로 확장하면 보다 큰 발전용량으로의 확장이 용이하다. 따라서 이러한 발전량을 바탕으로 소형 경량화를 통해 다양한 전자기기의 전력공급원으로 활용할 수 있다. 본 발명에서 발전량을 최우선적으로 고려할 경우, 압전소자는 상기 단결정 압전소자인 것이 바람직하다.

상기 EAP 소자는, 기존 압전소자가 취성이나 물리적 단단함 때문에 물리적 충격에 약한 단점을 극복하기 위해 폴리머(polymer) 소자를 융합한 소자로서, 대표적으로 PVDF(polyvinylidene-fluoride)가 있다. PVDF는 성형이 자유롭고 신축성이 뛰어나며 대면적 제작이 가능하여 기존 압전소자로는 시도할 수 없었던 새로운 형태의 응용, 예를 들면, 인간의 호흡을 이용한 에너지 수확장치, 의복에 부착하여 인간의 행동에 따른 에너지 수확장치, 파력(wave force)을 이용한 대규모 발전시스템 등의 응용이 가능하다.

상기 압전 복합재료(composite)는, 유연성 있는 폴리머와 우수한 압전 특성을 가지는 세라믹재료를 결합함으로써 상호 단점을 보완하여 유연성을 가지면서도 비교적 우수한 압전 특성을 나타내도록 제작된 재료이며, 대표적으로 AFC(active fiber composite)와 MFC(macro fiber composite)가 있다.

상기 나노선(nano wire) 구조의 압전소자는, 기존 압전물질에 나노기술을 적용한 소자로서, 압전 효율이 높고 아주 미세한 압력과 진동에도 반응하기 때문에 인체 내장형 의료기기의 전원용 에너지 수확장치 등, 응용 분야가 매우 광범위한 장점이 있다. 대표적으로 산화아연 (ZnO)을 이용한 나노 구조체가 있는데, 이는 압전성과 반도성을 동시에 가지면서도 1차원 나노선 구조의 성장제어가 용이하기 때문에 이를 기반으로 하는 다양한 응용 시스템이 활발히 연구되고 있다.

상기 압전소자적층모듈에 이어지는 내부전력공급부는, 도4에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 제1정류기를 포함하고, 적어도 하나의 제1레귤레이터, 제1중첩회로, 제2레귤레이터, 제1축전기 및, 전력변환기를 더 포함하여 구성될 수 있다. 압전소자에 의해 생성된 연속적이고 주기적인 교류전력의 일부는 내부전력공급부에 전달되어 압전소자와 1 대 1 대응 관계에 있는 제1정류기를 통해 각각 직류전력으로 변환된 후, 제1레귤레이터에 의해 일정하게 규격화 된다. 이는 적어도 하나 이상의 압전소자 각각의 출력전력을 직류 영역에서 중첩하여 더 큰 전력을 형성하기 위한 것이며, 통상적으로 직류영역에서의 전기적 중첩이 교류영역에서의 전기적 중첩보다 용이하게 이루어진다.

상기 내부전력공급부에 포함된 제1중첩회로는, 제1레귤레이터의 개별적인 직류출력을 공통접지를 기준으로 전기적 결선을 통해 중첩하여 더 큰 전력을 형성한다. 예를 들어, 압전소자적층모듈에 적층된 압전소자의 개수가 N 개이고, 압전소자와 1 대 1 대응관계에 있는 제1레귤레이터 의 직류 출력전압이 A, 그리고 직류출력전류가 B라 하면, 제1중첩회로의 출력 단에서 전압은 DC A로 일정하고 전류는 DC B x N이 된다. 제1중첩회로를 통해 중첩된 전력은 제2레귤레이터를 통해 재차 일정한 크기로 제어된 후 제1축전기에 저장된다. 상기 제1축전기는, 상용의 2차전지 및 슈퍼콘덴서(super capacitor) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 2차전지는 상기 슈퍼콘덴서에 비해 완충(full charge) 시 출력전압이 상대적으로 높은 장점이 있다. 반면, 내부저항이 높아 대 전류 유입 시 발열 및 폭발의 위험이 따르기 때문에 정격 입력전력을 유지하여 충전이 되어야 한다. 따라서 압전소자적층모듈을 통해 대용량의 전류를 생성하더라도 상기 2차전지의 완충에는 상대적으로 오랜 시간이 소요된다. 한편, 상기 슈퍼콘덴서는 상기 2차전지에 비해 내부저항이 현저히 낮아 단시간에 대용량 전류로 순간적인 충전이 가능하다. 예를 들어, 같은 축전용량일 경우 상기 2차전지가 충전에 1시간이 소요된다면, 상기 슈퍼콘덴서는 불과 수 초 이내에 충전이 가능하다. 반면, 상용의 상기 슈퍼콘덴서는 용량에 관계없이 완충 시 출력전압이 DC 2.8V에 불과해 이러한 전압으로 구동할 수 있는 상용의 부하(load)는 제한적이다. 따라서 동작전압이 상기 슈퍼콘덴서의 출력전압을 초과하는 상기 부하에 적용하기 위해서는 적어도 하나의 상기 슈퍼콘덴서의 전기적 직렬연결을 통해 전압을 승압하거나, 전력변환기를 이용할 수 있다. 상기 전력변환기는, 일정한 범위의 가변적인 전력을 입력으로 받아 입력전력과 다른 전력을 출력하는 전력변환 소자로써, SoC(system on chip) 형태의 DC-DC 컨버터일 수 있다.

상기 외부전력공급부는, 도 5에 도시된 바와 같이, 내부전력공급부와 그 구성요소와 동작이 동일하다. 다만, 내부전력공급부는 전기적 제어장치에 동작전력을 공급하는 것을 목적으로 하고, 외부전력공급부는 상용의 외부 부하(load)에 동작전력을 공급하기 위한 목적으로 구성된다는 점이 다르다. 이때, 상기 외부 부하(load)는 전력공급을 위해 1차전지 및 2차전지를 사용하는 전기전자기기이거나, 상용교류 전원을 이용하고 교류를 직류로 변환하는 회로를 이용하여 직류로 구동되는 전기전자기기 중 어느 하나일 수 있다.

상기 외부전력공급부는, 압전소자적층모듈에 적층된 압전소자에 의해 생성된 교류전력의 일부를 이어받아 압전소자와 1대 1 대응관계에 있는 적어도 하나의 제2정류기를 통해 직류전력으로 변환된 후, 제2정류기의 전기적 출력을 일정하게 제한하기 위한 적어도 하나의 제3레귤레이터를 거쳐, 제3레귤레이터 각각의 출력 전력을 전기적 공통접지를 기준으로 전기적으로 중첩(superposition)하여 더 큰 전기적 출력을 형성하기 위한 제2중첩회로로 전달된다. 이후, 제2중첩회로의 출력전력은 제4레귤레이터를 거쳐 일정하게 제한된 후, 제2축전기에 저장된다. 제2축전기가 충전된 후, 제2축전기의 출력전력은 제2전력변환기를 거쳐 외부 부하(load)가 요구하는 정격전력으로 변환되어 상기 외부 부하(load)에 공급된다. 상기 제2축전기는 상용의 2차전지 및 슈퍼콘덴서(super capacitor) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 제2전력변환기는, SoC (System on Chip) 형태의 DC-DC 컨버터(converter)및 인버터(inverter)를 포함하여 DC멀티플라이어(DC multiplier)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 능동적 진동에너지 수집장치 및 그 방법에 의하면, 상기 외부전력공급부는, 도 5에 도시된 것과 동일한 구성에서 제2축전기를 제외한 형태로 구성될 수도 있다.

상기 전기적 제어장치는, 내부전력공급부로부터 동작전력을 공급받아 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자적층모듈, 압전소자, 내부전력공급부 및 외부전력공급부의 동작을 감시하고 제어하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이 범용의 마이크로프로세서와 그 주변회로(미도시)를 포함하여 LED 및 LCD 디스플레이 중 어느 하나일 수 있는 사용자 인터페이스를 포함하고, 태엽장치, 기계적 제어장치, 동력전달장치, 압전소자적층모듈 및 압전소자, 내부전력공급부 및, 외부전력공급부의 상태정보를 획득하기 위해 적재적소에 적어도 하나의 전압센서(미도시) 및 전류센서(미도시)를 설치하는 것을 포함하며, 태엽장치의 이상으로 수동으로 되감지 못하는 상황이 발생할 경우 전기적 동력을 이용하여 자동으로 되감기 위한 상용의 마이크로 모터를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 내부전력공급부로부터 동작전력을 공급받아 예비전력을 축적하기 위해 적어도 하나의 보조전원장치를 더 포함할 수 있고, 보조전원장치의 출력전력을 변환하기 위해 DC-DC 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조전원장치는 슈퍼콘덴서인 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로 모터는 DC 모터, BLDC(Brushless DC)모터 및, 초음파 모터 중 어느 하나일 수 있다.

상기 전기적 제어장치는, 시스템 동작의 안정성과 전력생성의 항상성을 유지하기 위하여 주 태엽장치와 보조 태엽장치의 탄성에너지 소진여부, 주 태엽장치와 보조 태엽장치에 포함된 고정 장치(미도시)의 기동과 기동상태여부, 주 태엽장치 와 보조 태엽장치 각각의 이상 유무 및 전력생성의 이상 유무 등을 감시하고 제어한다. 이러한 시스템 동작에 관한 상태 정보는 다음과 같은 방식에 따라 획득될 수 있다.

먼저, 주 태엽장치 및 보조 태엽장치와 같은 기계적 요소에 대한 상태감시는 주 동력전달장치와 보조 동력전달장치의 회전 궤도에 전압센서(미도시)를 설치하여 주 태엽장치와 보조 태엽장치에서 방출된 탄성에너지에 의한 회전운동이 지속되는 동안 회전 토크에 의해 일정한 전압을 발생하게 하고, 이 전압의 크기를 정규화하여 플립-플롭(flip-flop)(미도시)을 이용한 래치(미도시)와 연동하여 이의 상태반전(toggle) 신호를 제어를 위한 상태정보로 활용할 수 있다. 압전소자적층모듈에 포함된 중심축과 회전날개와 같은 다른 기계적 구성요소의 다른 감시 방법으로는, 압전소자적층모듈에 적층된 전력생성용 압전소자 중 적어도 하나를 상태감시용으로 할당할 수도 있다. 만약 주 태엽장치와 보조 태엽장치, 또는 중심축 및 회전날개에 이상이 생길 경우 이들에 의해 구동되는 압전소자에 진동이 전달되지 않으므로 결국 전력이 발생되지 않게 된다. 따라서, 압전소자적층모듈에 포함된 압전소자 중 임의로 선택된 적어도 하나의 압전소자 출력을 감시하여 기계적 구성요소에 대한 상태정보를 획득할 수 있게 된다.

또한, 내부전력공급부 및 외부전력공급부 등과 같은 기계적 구성요소가 아닌 전력계통의 상태정보는, 각 구성요소의 특정부분에 적어도 하나의 전류센서(미도시) 및 전압센서(미도시)를 설치하여 출력전력을 감시하여 미리 정한 특정기준 값(threshold) 이상 또는 이하의 출력상태에 따라 전력계통의 이상 유무를 판단하는 상태정보로 사용할 수 있다. 이외에, 안정적이고 원활한 시스템 동작을 유지하기 위해 감시와 제어가 필요하다고 판단되는 부분에 대해 전술한 바와 같이 전류센서(미도시) 및 전압센서(미도시)를 이용하는 방식을 통해 추가적인 감시 및 상태정보를 생성할 수 있다.

상기 전기적 제어장치가 주 태엽장치에서 보조 태엽장치로의 전환, 또는 이와 반대로, 보조 태엽장치에서 주 태엽장치로의 전환에 대한 감시 및 상태정보를 획득하는 방법은, 주 태엽장치와 보조 태엽장치에 포함된 잠금장치(미도시)의 해제 시점으로부터 주 태엽장치, 또는 보조 태엽장치가 탄성에너지를 모두 소진하기까지의 1회 주기에 해당하는 미리 알고 있는 시간정보(running time)를 이용하여, 상기 마이크로프로세서가 주 태엽장치 또는 보조 태엽장치 중 어느 하나의 탄성에너지가 완전히 소진되기 전 어느 특정시간에 소진이 임박한 주 태엽장치 또는 보조 태엽장치에서 대기중인 보조 태엽장치 또는 주 태엽장치로 동력공급원을 전환하고, 이러한 상태정보를 사용자 인터페이스를 통해 출력할 수 있다.

또한, 주 태엽장치 또는 보조 태엽장치가 사용자에 의해 수동으로 탄성에너지 재 충전이 불가능한 상황이 발생할 경우, 상기 전기적 제어장치는 내부전력공급부에 의해 공급되는 전력의 일부를 저장한 보조전원장치를 이용하여 상기 마이크로 모터를 구동하여 탄성에너지가 소진된 주 태엽장치 또는 보조 태엽장치 중 어느 하나를 되감을 수 있으며, 이러한 동작은 필요에 따라 반복될 수 있다.

능동적 진동에너지 수집장치는 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자 및 압전소자적층모듈, 내부전력공급부, 외부전력공급부를 하나의 단위모듈로 취급하고, 상기 단위모듈 2개가 하나의 쌍(pair)을 이루어 상기 전기적 제어장치를 포함하여 하나의 단위 시스템을 구성하고, 상기 단위 시스템을 적어도 하나 구비하여 상용의 부하(load)에 동작전력을 공급한다.

단위 시스템에 포함된 상기 단위모듈은, 그 동작에 있어 상호 보완 관계(complementary relation)에 있는 것을 특징으로 하고, 상기 전기적 제어장치의 제어 하에, 쌍(pair)을 이루고 있는 상기 단위모듈 중 어느 하나의 태엽동력이 소진될 경우 대기 중이던 상호 보완관계에 있는 다른 단위모듈로 전력생성 동작이 전환된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11: 태엽장치 12: 동력전달장치
13: 기계적 제어장치 14: 압전소자적층모듈
15: 압전소자 16: 내부전력공급부
17: 외부전력공급부 18: 전기적 제어장치

Claims (10)

1. 탄성 에너지를 저장한 나선형 구조의 스프링(spring)을 포함하는 적어도 하나의 태엽장치;
   상기 태엽장치에 저장된 탄성에너지를 외부로 전달하기 위한 적어도 하나의 치차(gear);를 포함하고,
   상기 치차의 조합으로 구성되어 동력전달 방향을 따라 상기 치차의 회전 비가 점차 증가하는 형태로 구성되는 동력전달장치;
   상기 태엽장치에 저장된 상기 탄성에너지가 아무런 제어 없이 자유방출 되어 짧은 시간에 소진되는 것을 방지하고, 상기 탄성에너지가 방출되는 주기가 일정한 템포(tempo)를 유지하여 방출될 수 있도록 제어하는 기계적 제어장치;
   결정구조를 가지며, 전기 쌍극자(electric dipole)를 가지며, 기계적 변위를 인가하면 상기 전기 쌍극자의 모메트(moment) 변화로 인한 전기장의 변화를 유발하는 압전효과, 또는, 이와 반대로 전기장의 변위를 인가하면 전기적인 인력 또는 척력에 의해 상기 전기 쌍극자의 모멘트 변화를 유발하고, 결과적으로 기계적 변위를 유발하여 물리적 변형을 일으키는 역압전효과를 갖는 압전소자;
   전기에너지를 외부로 전달하기 위한 전극 및 전선을 포함하여 일정한 크기로 규격화된 상기 압전소자; 및,
   상기 압전소자가 적어도 하나 적층될 수 있는 원통형 실린더 형상의 구조체;
   상기 구조체 중심에는 회전운동이 가능한 중심축;이 설치되는 것을 포함하고,
   상기 중심축에는 적어도 하나의 회전날개;가 설치되는 것을 더 포함하며,
   상기 회전날개의 회전에 의해 상기 구조체에 적층된 상기 압전소자가 일률적으로 타격될 수 있는 구조를 갖는 압전소자적층모듈;
   상기 압전소자적층모듈에서 생성된 전력의 일부를 이용하여 정류, 전력제한, 전기적 중첩, 축전 및 전력변환 과정을 거쳐 목적에 맞는 일정한 정격전력을 형성하기 위한 전기 및 전자소자와 전기회로를 구비하는 내부전력공급부;
   상기 압전소자적층모듈에서 생성된 전력의 일부를 이용하여 정류, 전력제한, 전기적 중첩, 축전 및 전력변환 과정을 거쳐 목적에 맞는 일정한 정격전력을 형성하기 위한 전기 및 전자소자와 전기회로를 구비하여 상용의 외부 부하(load)에 동작전력을 공급하는 외부전력공급부;
   상기 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자적층모듈, 내부전력공급부 및 외부전력공급부의 동작을 감시하고 제어하기 위해 상용의 마이크로프로세서;와 그 주변회로;를 포함하고,
   적어도 하나의 전류센서; 및 전압센서;를 포함하며,
   상기 태엽장치 간의 동력원을 상호 전환하고, 필요한 때에 소진된 태엽동력을 수동이 아닌 전기적 동력으로 되감기 위한 적어도 하나의 마이크로 모터;를 구비하여 전력생성 절차 및 시스템 이상 유무를 제어하는 전기적 제어장치;
   상기 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자 및 압전적층모듈, 내부전력공급부, 외부전력공급부 및 전기적 제어장치를 구비하여 상용 교류전원을 포함한 일체의 외부전력공급을 제거한 상태에서 독립적으로 상용의 부하(load)에 동작전력을 공급하는 능동적 진동에너지 수집장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 태엽장치는,
   기계적 탄성이 우수한 나선형 구조의 메인 스프링(main spring);
   상기 메인 스프링의 외부이탈을 방지하기 위한 태엽 통(barrel) 및 덮개;
   상기 메인 스프링과 기계적으로 연결되어 상기 메인 스프링이 풀리는 힘으로 구동되는 메인 기어(main gear);
   상기 메인 스프링이 풀릴 때 양방향으로 발생되는 탄성에너지로 인해 상기 메인 기어가 역회전을 하지 못하도록 고정하는 기능을 수행하는 클릭(click);
   상기 메인 스프링의 동력이 소진되었을 시 이를 되감기 위한 상기 메인 기어와 기계적으로 맞물려 있는 되감기 기어(rewinding gear);
   상기 되감기 기어와 기계적으로 연결되어 상기 메인 스프링을 되감는 일련의 동작을 수행하는데 있어 손잡이 기능을 수행하는 용두(crown);
   상기 용두와 상기 되감기 기어를 기계적으로 연결하는 축 역할을 하는 용심(winding stem)을 구비하는 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기계적 제어장치는,
   탄성에너지를 가지고 진자운동과 유사하게 수축과 이완을 반복하는 나선형 구조의 헤어 스프링;을 포함하고,
   상기 헤어 스프링과 기계적으로 연결되어 상기 헤어 스프링의 주기적인 수축과 이완운동에 따라 일정한 원형의 궤도를 형성하여 상기 궤도를 주기적으로 왕복 운동하는 원형의 바퀴인 밸런스 휠(balance wheel);을 포함하고,
   상기 밸런스 휠의 중심을 통과하여 상기 밸런스 휠의 어느 한 내측과 다른 내측 사이를 연결하는 밸런스 바(balance bar);를 포함하고,
   상기 밸런스 바에 볼(ball) 형상으로 설치되는 롤러(roller);를 포함하고,
   상기 롤러가 상기 밸런스 휠의 주기적인 왕복운동을 따라 움직일 때 상기 롤러와 주기적으로 맞물리고 이탈하는 동작을 반복하는 포크(fork);를 포함하고,
   상기 포크와 일체형이며, 상기 포크의 정 반대방향에 닻(anchor) 모양으로 형성되는 팔레트(palate);를 포함하고,
   원형의 치차(gear)이고, 상기 치차의 외주 연에 일정한 주기(pitch)를 갖는 갈고리 모양의 톱니(teeth)가 형성되며, 상기 치차의 중심축은 상기 동력전달장치와 기계적으로 맞물리며, 상기 톱니는 상기 팔레트와 맞물리고 이탈하는 동작을 반복하는 탈진바퀴;를 포함하고,
   상기 헤어 스프링, 상기 밸런스 휠, 상기 밸런스 바의 공통적인 중심축인 밸런스 축;을 포함하고,
   상기 헤어 스프링의 수축과 이온의 유효길이를 조정하는 레귤레이터(regulator);를 더 포함하여,
   상기 헤어 스프링, 상기 밸런스 휠, 상기 밸런스 바, 상기 밸런스 축, 상기 포크 및 팔레트, 상기 탈진바퀴, 상기 레귤레이터의 상호 기계적 연계동작을 통해 결과적으로 상기 태엽장치에 저장된 상기 탄성에너지가 아무런 제어 없이 자유방출 되어 짧은 시간에 소진되는 것을 방지하고, 상기 탄성에너지가 풀리는 주기가 일정한 템포(tempo)를 유지할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 능동적 에너지 수집장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 압전소자는,
   다결정 압전소자;
   단결정 압전소자;
   EAP(electrically Activated Polymer) 소자;
   압전복합체 소자;
   나노선(nano wire) 기반의 압전소자; 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 압전소자적층모듈은,
   상기 압전소자를 일정한 크기로 규격화되어 전기에너지를 외부로 전달하기 위한 전극 및 전선을 설치한 후, 외팔보 형태의 구조물에 전도성 에폭시를 이용하여 부착되는 단위 압전소자; 및,
   상기 단위 압전소자를 적어도 하나 적층할 수 있는 원통형 실린더 형상의 구조체;
   상기 구조체 중심에 설치되어 회전할 수 있는 중심축;
   상기 중심축에 설치되는 적어도 하나의 회전날개;를 구비하여 상기 회전날개의 회전에 의해 상기 단위 압전소자를 일률적으로 타격할 수 있는 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 내부전력공급부는,
   교류전력을 직류전력으로 변환하는 적어도 하나의 제1정류기;
   상기 정류기의 전기적 출력을 일정하게 규격화하는 적어도 하나의 제1레귤레이터;
   상기 제1레귤레이터의 출력을 전기적으로 중첩하여 더 큰 전력을 형성하는 제1중첩회로;
   상기 제1중첩회로의 출력을 일정하게 규격화하는 제2레귤레이터;
   상기 제2레귤레이터의 출력전력을 저장하는 적어도 하나의 제1축전기;
   상기 축전기의 출력전력을 다른 전력레벨로 변환하는 제1전력변환기;를 구비하여 정류, 전력제한, 전기적 중첩, 전력제한, 전력축전, 전력제한의 전기적 신호처리를 수행하고, 상기 축전기는 상용의 2차전지;
   또는, 슈퍼콘덴서(super capacitor); 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 외부전력공급부는,
   교류전력을 직류전력으로 변환하는 적어도 하나의 제2정류기;
   상기 제2정류기의 전기적 출력을 일정하게 규격화하는 적어도 하나의 제3레귤레이터;
   상기 제3레귤레이터의 출력을 전기적으로 중첩하여 더 큰 전력을 형성하는 제2중첩회로;
   상기 제2중첩회로의 출력을 일정하게 규격화하는 제4레귤레이터;
   상기 제4레귤레이터의 출력전력을 저장하는 적어도 하나의 제2축전기;
   상기 제2축전기의 출력전력을 다른 전력레벨로 변환하는 제2전력변환기;를 구비하여 정류, 전력제한, 전기적 중첩, 전력제한, 전력축전, 전력제한의 전기적 신호처리를 수행하고, 상기 축전기는 상용의 2차전지;
   또는, 슈퍼콘덴서(super capacitor); 중 어느 하나인 것을 특징으로 하여 외부 부하(load)에 동작전력을 공급하는 능동적 진동에너지 수집장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전기적 제어장치는,
   마이크로프로세서; 및 그 주변회로;
   적어도 하나의 전류센서; 및 전압센서;
   적어도 하나의 마이크로 모터;
   LED 또는 LCD 디스플레이 장치 중 어느 하나일 수 있는 사용자 인터페이스;를 구비하여 상기 태엽장치, 동력전달장치, 기계적 제어장치, 압전소자, 압전소자적층모듈, 내부전력공급부 및 외부전력공급부의 상태정보를 수집하여 전력생성절차를 감시 및 제어하고, 필요에 따라 탄성에너지가 소진된 상기 태엽장치를 수동이 아닌 전기적 동력으로 되감을 수 있는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.
9. 제1항 내지 8항에 있어서,,
   상기 태엽장치, 상기 동력전달장치, 상기 기계적 제어장치, 상기 압전소자적층모듈, 상기 내부전력공급부, 상기 외부전력공급부를 포함하여 하나의 단위 모듈로 하고, 상기 단위모듈과 동일한 구성을 갖는 다른 모듈을 포함하여 2개의 단위 모듈이 쌍(pair)으로 구성되어 상기 전기적 제어장치를 더 포함하여 하나의 시스템으로 구성되는 능동적 진동에너지 수집장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 외부 부하(load)는,
    상용 교류전원을 이용하고 교류를 직류로 변환하는 회로를 이용하여 동작전력을 공급하는 전기전자기기; 및,
    1차전지 또는 2차전지를 이용하여 구동전력을 공급하는 전기전자기기;인 것을 특징으로 하는 능동적 진동에너지 수집장치.

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