KR20170025328A

KR20170025328A - 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치

Info

Publication number: KR20170025328A
Application number: KR1020150121653A
Authority: KR
Inventors: 하동호
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-08
Also published as: KR101721470B1

Abstract

본 발명은 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치에 관한 것으로서, 질량체; 상기 질량체를 구조물에 연결하는 탄성부재; 상기 질량체를 지지하고 가이드하는 가이드부; 및 상기 질량체의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는, 구조물의 진동을 줄일 수 있고, 동시에 진동에너지를 전기에너지로 최대한 변환하고 전기에너지를 충전시킴으로써, 교량이나 구조물의 유지관리를 위한 센서, 구조적 특성의 장기변화 및 구조의 손상을 미리인지하여 사고를 미연에 방지할 수 있는 모니터링 장치, 및 시설물의 전력자원으로 활용할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 교량이나 구조물의 낭비되는 진동에너지를 전기에너지로 재활용할 수 있으므로 친환경적인 대체에너지로서 활용되는 효과가 있다.

Description

압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치{Tuned Mass Damper with a Piezoelectric element}

본 발명은 동조질량감쇠장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 수직진동 또는 수평진동을 줄이기 위하여 구조물 진동부에 설치되어 구조물에서 발생하는 진동을 감소시키는 동조질량감쇠장치 내에 종래의 감쇠기 대신 다수개의 압전소자와 가진판을 구비함으로서 구조물의 진동을 줄임과 동시에 구조적 특성의 변화를 모니터링할 수 있고, 진동에너지를 전기에너지로 최대한 변환하여 활용토록 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치에 관한 것이다.

일반적으로 현대사회에서 전기는 생활의 일부가 된 필수적 에너지 형태이나 자원의 고갈과 에너지 생산의 한계성, 발전시스템에 의해 동반되는 환경오염 등 많은 문제점을 안고 있다. 따라서 최근 이러한 문제를 인식한 각국은 대체에너지 개발에 대한 투자를 꾸준히 증가시켜가고 있는 실정이며, 대표적으로 중점 개발되고 있는 대체 에너지는 태양광을 이용한 태양전지이다.

하지만, 태양전지를 이용한 전력 생산은 낮은 효율과 광량에 따라 발전량이 큰 차이가 생기고 밤에는 생산하지 못하는 단점이 있어 주 에너지원으로서 역할은 할 수 없고 보조적이거나 시험적인 에너지원이 될 수밖에 없다.

또한, 조력과 풍력, 수력발전으로 인한 에너지 생성장치는 자연조건이 적합한 지역에서만 보조전원으로 사용하는 것이 가능하고, 초기시설투자 비용이 막대하여 일반적이라고 할 수 없다.

이에 따라 대체 에너지원으로 에너지의 재활용에 대한 연구와 관심은 더욱 증가하고 있으며, 이러한 에너지의 재활용의 일환 중의 하나가 교량이나 고층구조물에서 발생하는 진동에너지를 전기에너지로 변환시키는 것에 관한 것이다.

전국의 교량은 약 30,000여 개로 앞으로 상기 교량의 수는 더욱 증가할 것이며, 점차적으로 그 규모 및 길이 역시 커지고 있는 실정이다. 또한, 63빌딩, 테크노마트과 같은 고층건물도 급격히 증가하고 있다.

이와 같은 교량과 고층건물 등의 구조물은 바람, 차량, 사람, 기계 등에 의해 상시 진동이 발생하고 있는 바, 사용자에게 불안감을 주고 각 구조물에 피로손상을 발생시켜 사용수명을 단축시키곤 한다. 최근의 예를들면 2014년 현수교인 이순신대교에서 진동이 발생하여 통행이 제한된 바 있었으며, 2011년 테크노마트의 상층부에서도 진동이 발생하여 사람들이 피신하는 등의 문제가 발생한 바 있다.

이러한 구조물의 진동을 줄이기 위하여 동조질량감쇠장치(TMD), 감쇠기(damper) 등 다양한 장치가 사용되고 있으며, 이중 가장 많이 사용되는 장치는 질량동조감쇠장치로 그 작동원리를 살펴본다.

도 1은 종래의 질량동조감쇠장치가 장착된 구조물 시스템을 간략하게 모델링하여 도시한 것으로, 지반에 건설되어 있는 교량, 토목 및 건축구조물 또는 기계장치와 같은 주구조물을 질량 탄성체로 보아 이를 모델링하여 개념적으로 도시하면, 도 1의 (a)와 같이, 소정 질량(m1)을 가진 주구조물 질량체, 그리고 소정 탄성계수(k1)를 가진 탄성스프링과 소정 감쇠계수(c1)를 가진 감쇠기로 도시하거나, 도 1의 (b)와 같이, 소정 질량(m1)을 가진 주구조물 질량체, 그리고 소정 탄성계수(k1)를 가진 탄성스프링으로 도시할 수 있다.

또한, 질량동조감쇠장치는 주구조물에 장착되는데, 소정 질량(m2)의 부가질량체, 소정 탄성계수(k2)를 가진 스프링부재 및 소정 감쇠계수(c2)를 가진 감쇠기로 구성되며, 각각의 구성부재(스프링부재, 감쇠기, 부가질량체) 자체 및 이들의 구체적인 기계적 결합관계는 공지되어 있다. 도 1에서 x1, x2는 각각 주구조물 질량체와 부가질량체의 변위 방향을 나타낸다.

지진하중과 같은 진동하중이 주구조물에 가해지게 되면 주구조물 질량체는 x 또는 x1 방향으로 움직여 진동하게 된다. 그에 따라 부가질량체 역시 x2 방향으로 진동하게 되는데, 주구조물 질량체의 변위와 부가질량체의 변위 사이에 소정의 위상차가 발생하게 되면, 부가질량체에 의하여 반력이 작용하므로써 주구조물 질량체의 변위가 억제되어 진동을 감소시키게 된다. 질량동조감쇠장치는 이러한 원리에 의하여 주구조물 질량체 즉, 주구조물의 진동을 제어하게 되는 것이다.

종래에는 이러한 질량동조감쇠장치를 통해 구조물에 미치는 충격력에 의한 진동을 감소시키기만 할 뿐 발생되는 진동 에너지를 재활용하지 못하고 낭비하고 있는 실정이었다. 더욱이 구성부재 중 감쇠기는 일반적으로 실린더와 피스톤으로 이루어진 가장 고가의 부재로써, 진동에너지를 열에너지로 변환 및 소산시키는 역할을 한다.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-1069155호에는 압전소자를 교량 탄성받침에 적용하여 교량의 진동에너지를 전기 에너지로 재활용할 수 있도록, 교량상판의 저면에 고정된 어퍼플레이트와, 교각 상면에 고정된 베이스플레이트, 어퍼플레이트와 베이스플레이트에 각각 체결볼트에 의해 체결 고정되는 상부고정판 및 하부고정판, 상기 상,하부 고정판에 상하 양면이 각각 열융착 고정되는 고무패드, 및 고무패드 내부에 구비된 다수의 강철판과 압전소자로 구성된 탄성교량받침이 게재되어 있다.

그러나, 이 종래특허는 교량상판에 발생된 진동력이 고무패드로 전달되고 전달된 진동력이 고무패드 내의 강철판과 압전소자에 전달되어 압전소자에 의해 전기에너지가 발생되는 구조 및 팽창이 용이하지 않은 고무패드 구조이기 때문에 교량상판의 진동력을 감쇠시키는 효과 및 이를 전기에너지로 변환시키는 효율이 낮다고 할 것이다.

또한, 한국등록특허 제10-1053256호에는 구조물에 연결된 제1 탄성부재와 제1 질량체, 제1 질량체에 연결된 제2 탄성부재와 제2 질량체, 제2 탄성부재에 부착된 압전소자로 이루어진 에너지 하베스터가 게재되어 있으나, 압전소자가 구비된 제2 탄성부재가 제1 질량체에 연결되는 갯수에는 치수적 한계가 있고, 더욱이 제2 탄성부재에 진동변위를 증폭시키기 위해 연결되는 제2 질량체로 인하여 공간적 제한이 따르므로, 진동에너지에서 전기에너지로 변환되는 양을 크게 증폭시키기에는 구성상 단점이 있다 할것이다.

한국등록특허 제10-1069155호 한국등록특허 제10-1053256호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각종 구조물에서 발생하는 진동에너지를 재활용할 수 있도록 구조물 진동부에 설치되는 동조질량감쇠장치 내에 다수개의 압전소자를 구비함으로서 구조물의 진동을 줄임과 동시에 구조적 특성의 변화를 모니터링할 수 있고, 진동에너지를 전기에너지로 최대한 변환하여 활용토록 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치를 제공하고자 하는 것이다.

상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는

질량체(10);

상기 질량체(10)를 구조물에 연결하는 탄성부재(20);

상기 질량체(10)를 지지하고 가이드하는 가이드부(30); 및

상기 질량체(10)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치에서,

상기 질량체(10)는

이동하는 방향과 평행한 면에 다수개의 제1 가진판(11)이 이격되게 구비되고, 상기 제1 가진판(11) 각각에는 압전소자(12)가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 탄성부재(20)는

스프링으로 이루어지며, 상기 질량체(10) 또는 상기 질량체(10)의 지지암(3)에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부(30)는

양 단부가 구조물 또는 케이스(2)의 내측에 고정되는 가이드레일(31)과 상기 질량체(10)의 진행을 저지시키는 스토퍼(32)로 구성되고,

상기 질량체(10)에는 롤러(14)가 구비되어 상기 가이드레일(31)에서 슬라이딩 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부(30)의 가이드레일(31)은

봉 형상의 레일, 또는 단면이 T자형 또는 후크형인 레일로 구성될 수 있으며,

상기 롤러(14)는 상기 봉형상 레일에 끼워지는 중공의 원통형상의 롤러, T자형레일에 끼워지는 후크형 롤러, 또는 후크형 레일에 끼워지는 T자형롤러로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전기에너지 발생부(40)는

상기 질량체(10)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(11);

상기 제1 가진판(11) 각각에 부착된 압전소자(12);

상기 질량체(10)의 다수개의 제1 가진판(11)이 구비된 면과 마주보는 지지프레임 또는 케이스(2)의 내측면에 구비되되, 상기 다수개의 제1 가진판(11)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(41); 및

상기 제2 가진판(41)에 부착된 압전소자(42);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 가진판(11)과 제2 가진판(41)은 각각의 말단이 서로 겹쳐지도록 구성되어, 상기 질량체(10)의 이동에 따라 상기 제1 가진판(11)은 상기 제2 가진판(41)에, 상기 제2 가진판(41)은 상기 제1 가진판(11)에 타격력 또는 진동력을 줄 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 가진판(11) 또는 상기 제2 가진판(41) 중 어느하나에 압전소자가 부착되지 않고, 압전소자가 부착되지 않은 제1 가진판(11) 또는 상기 제2 가진판(41)은 타격체가 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는,

질량체(100);

상기 질량체(100)를 구조물에 연결하는 탄성부재(200);

상기 질량체(100)를 지지하고 가이드하는 가이드부(300); 및

상기 질량체(100)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(400);를 포함하여 구성되며,

상기 가이드부(300)는 평면상에 동일한 높이로 배치되는 직선형태의 가이드레일, 또는 높이차를 가진 직경사선형태의 가이드레일, 또는 높이차를 가진 반포물선형태의 가이드레일 중 어느 하나를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 전기에너지 발생부(400)는

상기 질량체(100)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(110);

상기 제1 가진판(110) 각각에 부착된 압전소자(120);

상기 질량체(100)의 다수개의 제1 가진판(110)이 구비된 면과 마주보는 지지대(5)의 면에 구비되되, 상기 다수개의 제1 가진판(110)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(410); 및

상기 제2 가진판(410)에 부착된 압전소자(420);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드부(300)에 구비된 가이드레일의 형태에 대응되도록 상기 지지대(5)의 형태 및 상기 지지대(5)에 구비되는 다수개의 제2 가진판(410)의 배열이 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 지지대(5)는

상기 지지대(5)에 부착된 제2 가진판과 상기 질량체에 부착된 제1 가진판의 말단이 서로 겹쳐지도록 위치가 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.

진자운동을 하는 질량체(10');

상기 질량체(1000)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40');를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 질량체(10')는

구조물에 연결된 케이블(20')에 의해 진자운동을 하거나, 또는 내부에 곡면의 가이드홈이 구비된 가이드부(30')를 따라 이동하면서 진자운동을 하는 것을 특징으로 한다.

상기 전기에너지 발생부(40')는

상기 질량체 자체 또는 상기 질량체에 부착된 타격체와,

상기 질량체 자체 또는 타격체에 의해 타격되도록 소정위치에 구비된 제2 가진판과 상기 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 전기에너지 발생부(40')는

상기 질량체 자체 또는 상기 질량체에 부착된 타격체와,

상기 질량체 자체 또는 타격체에 의해 타격되도록 상기 가이드부(30')의 가이드홈의 저면, 또는 측면, 또는 전면에 구비된 다수개의 제2 가진판과 상기 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치를 사용함으로써, 구조물의 진동을 줄일 수 있고, 동시에 진동에너지를 전기에너지로 최대한 변환하여 에너지 변환부를 통해 충전시킴으로써, 교량이나 구조물의 유지관리를 위한 센서, 구조적 특성의 장기변화 및 구조의 손상을 미리인지하여 사고를 미연에 방지할 수 있는 모니터링 장치, 및 시설물의 전력자원으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 교량이나 구조물의 낭비되는 진동에너지를 전기에너지로 재활용할 수 있으므로 친환경적인 대체에너지로서 활용되는 효과가 있다.

도 1의 (a),(b)는 종래의 질량동조감쇠장치가 장착된 구조물 시스템을 간략하게 모델링하여 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치에 구비된 가전판과 그위에 부착된 압전소자의 결합관계를 개략적으로 나타낸 확대도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a),(b),(c)는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에서 '구조물'은 교량이나 고층건물, 시설물 등을 총칭하는 용어이다.

도 2는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제1 실시예를 나타낸 도면, 도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치에 구비된 가전판과 그위에 부착된 압전소자의 결합관계를 개략적으로 나타낸 확대도면, 도 4는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제2 실시예를 나타낸 도면, 도 5의 (a),(b),(c)는 본 발명에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는 질량체(10)와, 질량체(10)를 구조물에 연결하는 탄성부재(20)와, 질량체(10)를 지지하고 가이드하는 가이드부(30)와, 질량체(10)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40)를 포함하여 구성된다. 여기서, 동조질량감쇠장치는 구조물에 고정된 케이스(2) 내부나 지지프레임 내부에 내장될 수도 있다.

또한, 도 2에 도시된 동조질량감쇠장치는 연직방향으로 진동하는 것을 도시한 수직으로 설치된 것을 나타낸 것이나, 이는 수평면상에 설치하여 수평방향의 진동에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다.

질량체(10)는 이동하는 방향과 평행한 면인 정면 또는 배면에 다수개의 제1 가진판(11)이 이격되게 구비되고, 제1 가진판(11) 각각에는 압전소자(12)가 부착되며, 이동하는 방향과 평행한 양측면에는 롤러가 구비되어 가이드부(30)의 가이드레일에 구속되어 상하방향으로 슬라이동 이동하도록 구성될 수 있다.

질량체(10)의 양측면에는 슬라이딩 이동을 보조하도록 지지암(13)을 더 형성할 수 있으며, 지지암(13)의 말단부에는 롤러를 구비하여 가이드부(30)의 가이드레일을 따라 구속되어 상하방향으로 이동하도록 구성될 수 있다.

이때, 압전소자가 부착되는 제1 가진판(11)은 두께에 비해 폭이 넓고 길이가 긴 형태의 캔틸레버이고, 플렉시블한 스틸판재질인 것이 바람직하다. 이는 타격에 의해 진동이 효율적으로 밴딩되어 진동에너지 발생을 최대화 시키기 위한 것이다.

또한, 질량체(10)의 다수개의 제1 가진판은 압전소자가 부착되지 않은 강건한 스틸판재질로 구성하여 타격체 역할을 하도록 할수 있다. 이때 다수개의 타격체 각각의 강도(stiffness)를 다르게 하면 질량체의 슬라이딩 이동에 의해 반복적으로 접촉되어 타격하는 플렉시블한 가진판에 부착된 압전소자에 타격량의 변화를 주게되고 이로 인하여 진동을 증대시키므로 전기에너지발생에 효율적이게 된다.

탄성부재(20)는 질량체(10)를 구조물에 연결시키는 부재로 구조물에 가해진 충격력에 따라 질량체(10)를 구동시켜 충격에너지를 진동에너지로 변환시키는 것이다. 탄성부재로는 통상 스프링이 사용되나 이에 국한되는 것이 아니고 탄성복원력을 가진 부재라면 어느것이든 상관없다.

본 발명에서는 탄성부재(20)가 질량체(10)의 지지암(13)의 하부측에만 연결된 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 질량체(10)의 지지암(13)의 상부측에도 연결될 수 있고, 질량체의 이동하는 방향과 수직한 면인 상부면이나 하부면, 또는 기타 다른 부분에 직접 연결될 수 있음은 물론이다.

가이드부(30)는 질량체(10)를 지지하고 질량체(10)가 상하방향으로 슬라이딩 이동이 가능하도록 가이드하는 것으로, 수직으로 배치되는 가이드레일(31) 형상으로 구비될 수 있으며, 가이드레일의 양 단부, 즉 상단부 및 하단부는 구조물 또는 케이스(2)의 상부 내측 및 하부 내측에 고정된다. 또한, 가이드부(30)의 소정위치에는 질량체(10)의 상하방향의 진행을 저지시키는 스토퍼(32)가 구비되는 것이 바람직하다. 이는 질량체(10)가 구조물에 직접 충격되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.

또한, 스토퍼(32)의 상부면 또는 하부면에는 탄성재(미도시)를 부착하여 질량체 또는 질량체의 지지암(13)과의 충돌시 충격을 흡수하거나 피드백시키도록 하는 것이 바람직하다.

가이드레일은 단면이 다면체인 봉 형상의 레일로 구비될 수도 있고, 또는 단면이 T자형 또는 후크형인 레일로 구비될 수도 있다. 또한, 레일에 구속되어 질량체가 상하방향으로 슬라이딩하도록 질량체(10)의 하부 또는 질량체의 지지암(13)의 말단부에 구비되는 롤러(14)는 레일의 형상에 따라 봉에 끼워지는 중공의 원통형상의 롤러, T자형레일에 끼워지는 후크형 롤러, 또는 후크형 레일에 끼워지는 T자형롤러로 구성될 수 있다. 지지암(13)과 지지암 말단부의 롤러(14)는 체결구조이거나 또는 일체로 구성될 수 있다.

또한, 탄성부재(20)가 질량체(10)에 직접연결되는 경우에는, 질량체에 지지암을 구비할 필요없이 가이드레일에 구속되어 슬라이딩하는 롤러(14)를 질량체 하부에 직접 부착체결할 수 있다.

전기에너지 발생부(40)는 질량체(10)의 이동에 의해 전기에너지를 발생시키는 것으로, 질량체(10)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(11)과, 제1 가진판(11) 각각에 부착된 압전소자(12)와, 질량체(10)의 다수개의 가진판이 구비된 면과 마주보는 지지프레임(미도시) 또는 케이스(2)의 내측면에 구비되되, 다수개의 제1 가진판(11)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(41)과, 제2 가진판(41)에 부착된 압전소자(42)로 구성될 수 있다.

여기서, 제1 가진판(11)과 제2 가진판(41)은 각각의 말단이 서로 튕겨주며 타격할 수 있을 만큼 일정치수 겹쳐지도록 구성되어, 질량체(10)의 상하이동에 따라 제1 가진판(11)은 제2 가진판(41)에, 제2 가진판(41)은 제1 가진판(11)에 타격력 또는 진동력을 주며, 각각에 부착된 압전소자(12, 42)에는 타격력 또는 진동력이 전달되어 진동에너지를 전기에너지로 변환할 수 있게 된다.

또한, 전기에너지 발생부(40)는 질량체(10)에 구비된 다수개의 제1 가진판(11) 또는 지지프레임(미도시) 또는 케이스(2)의 내측면에 구비된 다수개의 제2 가진판(41) 중 어느하나에 압전소자가 부착되지 않고, 압전소자가 부착되지 않은 제1 가진판(11) 또는 상기 제2 가진판(41)이 타격체 역할만 하도록 구성할 수 있다.

이때, 타격체 역할을 하는 제1 가진판 또는 제2 가진판은 상대적으로 강도가 센 스틸판재질로 이루어질 수 있다.

여기서, 압전소자는 타격체에 의한 타격력에 의해 제1 가진판 또는 제2 가진판으로부터 쉽게 떨어지지 않고 밀착결합하도록 얇은 필름형인 것이 바람직하나 이와 같은 형상에 한정되는 것이 아님은 물론이다. 압전소자는 가진판에 밀착결합됨으로써, 가진판의 진동을 충분히 흡수할 수 있고 궁극적으로 진동에너지를 전기에너지로 효율적으로 변환시키게 된다.

또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는 질량체(100)와, 질량체(100)를 구조물에 연결하는 탄성부재(200)와, 질량체(100)를 지지하고 가이드하는 가이드부(300)와, 질량체(100)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(400)를 포함하여 구성된다.

도 4에 도시된 동조질량감쇠장치는 수평방향으로 진동하는 것을 도시한 평면상에 설치된 것을 나타낸 것이나, 이는 수직면 상에 설치하여 연직방향의 진동에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다.

또한, 가이드레일의 구조를 반포물선구조로 구성하고, 그에 맞추어 지지대에 구비된 압전소자를 대응되게 배열함으로써 수평방향 및 연직방향의 진동에 대해 진동을 흡수하여 감쇠시킴과 동시에 진동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.

질량체(100)는 양측면에 다수개의 가진판(110)이 이격되게 구비되고, 각 가진판(110)에는 압전소자(120)가 부착되어 있으며, 하부면에는 롤러(미도시)가 형성되어 가이드부(300)의 가이드레일에 구속되어 레일을 따라 전후방향으로 이동하도록 구성될 수 있다.

여기서, 압전소자(120)와 가진판(110)의 구조는 제1 실시예에서와 같다.

탄성부재(200)는 질량체(100)를 구조물에 이격되게 부착되어 있는 고정대(3)에 연결시키는 부재로 구조물에 가해진 충격력에 따라 질량체(100)를 구동시켜 충격에너지를 진동에너지로 변환시키는 것이다.

가이드부(300)는 질량체(100)를 지지하고 질량체(10)가 평면상에서 슬라이딩 이동이 가능하도록 가이드하는 것으로, 평면상에 동일한 높이로 배치되는 직선형태의 가이드레일(310), 또는 높이차를 가진 직경사선형태의 가이드레일, 또는 높이차를 가진 반포물선형태의 가이드레일 중 어느 하나로 구비될 수 있으며, 가이드레일의 전단부 및 후단부는 고정대(3)에 고정된다. 또한, 가이드부(300)의 전단부 및 후단부측의 고정대(3) 위치에는 반력체(4)를 더 구비하여 질량체(100)가 전후진 이동하면서 가하는 충격력을 흡수하고 질량체(100)에 반발력으로 피드백시키도록 하는 것이 바람직하다. 이는 질량체(100)가 구조물에 직접 충격되는 것을 방지하도록 하기 위함이다.

또한, 질량체(100)와 충돌하는 고정대(3) 부위 또는 반력체(4) 부위, 및 질량체 부위에는 대응되는 돌기(q)를 부착하여 서로 충돌시 충돌면적을 감소시키는 것이 바람직하다.

가이드레일이나 가이드레일에 끼워지는 롤러의 구조는 제1 실시예와 동일하며, 레일이나 롤러의 형상이 본 발명에 예시된 것에 국한되는 것이 아님은 물론이다. 롤러는 질량체 하부면에 체결되는 구조이거나 또는 일체로 형성될 수 있다.

가이드레일이 높이차를 가진 직경사선형태 또는 반포물선형태인 경우 구조물의 수평방향 및 연직방향의 진동에 대응되어 질량체는 경사선 또는 반포물선을 따라 이동하면서 진동을 흡수할 수 있음은 물론이다.

전기에너지 발생부(400)는 질량체(100)의 이동에 따른 타격에 의해 아번소자에서 전기에너지를 발생시키는 것으로, 질량체(100)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(110)과, 제1 가진판(110)에 부착된 압전소자(120)와, 질량체(100)의 다수개의 가진판이 구비된 면과 마주보는 지지대(5)의 면에 구비되되, 다수개의 제1 가진판(110)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(410)과, 제2 가진판(410)에 부착된 압전소자(420)로 구성될 수 있다.

이때, 고정대(3)에는 지지대(5)가 볼트로 체결되는 장방형홈(3a)이 형성되고 장방형홈(3a)의 하부에는 인디케이터(3b)가 구비되어, 질량체(100)의 제1 가진판(110)과 지지대(5)의 제2 가진판(410)이 서로 타격할 수 있을 만큼 겹쳐지는 거리를 조절하고 진동 유효폭을 파악할 수 있다.

또한, 지지대(5)는 가이드부(300)의 가이드레일(310)의 형태에 대응되게 형성되는 것으로, 가이드레일이 직선 형태이면, 지지대(5) 역시 직선 형태이고, 가이드레일이 높이차를 가진 직경사선 형태이면 지지대 역시 직경사선 형태이고, 가이드레일이 반포물선 형태이면 지지대 역시 반포물선 형상인 것이 바람직하다.

또한, 지지대(5)에 구비되는 다수개의 제2 가진판(410)의 배열 역시 가이드레일(310)의 형태에 대응되게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 가이드레일을 따라 진동하는 질량체에 구비된 제1 가진판과 지지대에 구비된 제2 가진판이 서로 타격을 줄 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 전기에너지 발생부(400)는 질량체(100)에 구비된 다수개의 제1 가진판(110) 또는 지지대(5)의 면에 구비된 다수개의 제2 가진판(410)이 타격체 역할만 하도록 구성할 수 있음은 물론이다.

또한, 도 6의 (a),(b),(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치는 질량체(10')와, 질량체(10')의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40')를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 질량체(10')는 구조물에 연결된 케이블(20')에 의해 진자운동을 하거나, 또는 내부에 곡면의 가이드홈(31')이 구비된 가이드부(30')를 따라 이동하면서 진자운동을 하도록 구비될 수 있다.

이때, 질량체(10')는 구형이나 육면체 또는 다면체로 구성될 수 있다.

가이드부(30')는 내부에 일정폭의 가이드홈(31')이 곡면으로 형성된 것으로, 질량체가 내부 곡면을 따라 이동하면서 진자운동을 하도록 한다. 가이드부(30')의 양 말단부에는 반력체 또는 탄성재(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 전기에너지 발생부(40')는 케이블에 연결된 질량체(10') 자체 또는 질량체에 부착된 타격체와, 질량체가 운동에너지만 갖는 평형지점 또는 위치에너지만 갖는 좌우 소정위치에 위치했을때 타격되도록 평형위치 또는 좌우 소정위치의 질량체 하부 소정위치에 구비된 제2 가진판과 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성될 수 있으며, 또한 질량체(10') 자체 또는 질량체에 부착된 타격체와, 질량체가 곡면의 가이드홈을 따라 진자운동하면서 타격되도록 가이드홈의 저면 또는 측면 또는 전면에 구비된 제2 가진판과 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 동조질량감쇠장치는 구조물의 진동이 발생되는 곳에 구비되는 것으로, 구조물에서 발생된 진동에 의해 질량체가 이동 또는 왕복운동하면서 다수개의 압전소자를 타격하게 되고 타격력 또는 타격력에 의한 진동에너지를 전달받은 각각의 압전소자는 진동에너지를 전기에너지로 변환하게 되는 것이다.

이와 같은 다수개의 압전소자가 반복적으로 타격됨으로써 변환되어 발생하게 되는 전기에너지의 양은 매우 크다 할것이며, 이 압전소자에서 발생하는 전류의 세기에 따라 교량 상판의 상재하중 변화를 확인함으로서 차량의 중량을 간접적으로 계측하는데 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 압전소자에서 발생하는 전류의 변동 신호를 이용하여 구조물의 건전성 평가에 필요한 정보를 제공할 수 있게 된다. 본 발명에서는 압전소자의 전기적 연결구조는 생략하였다.

본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10,100,10': 질량체 11,110: 제1 가전판
12,120,42,420: 압전소자 13: 지지암
14: 롤러 20,200: 탄성부재
20': 케이블 30, 30': 가이드부
31: 가이드레일 31': 가이드홈
32: 스토퍼
40,400,40': 전기에너지 발생부 41,410: 제2 가전판
2: 케이스 3: 고정대
3a: 장방형홈 3b: 인디케이터
4: 반력체 5: 지지대
q: 돌기

Claims

질량체(10);
상기 질량체(10)를 구조물에 연결하는 탄성부재(20);
상기 질량체(10)를 지지하고 가이드하는 가이드부(30); 및
상기 질량체(10)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제1 항에 있어서, 상기 질량체(10)는
이동하는 방향과 평행한 면에 다수개의 제1 가진판(11)이 이격되게 구비되고, 상기 제1 가진판(11) 각각에는 압전소자(12)가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제1 항에 있어서, 상기 탄성부재(20)는
스프링으로 이루어지며, 상기 질량체(10) 또는 상기 질량체(10)의 지지암(3)에 연결되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제1 항에 있어서, 상기 가이드부(30)는
양 단부가 구조물 또는 케이스(2)의 내측에 고정되는 가이드레일(31)과 상기 질량체(10)의 진행을 저지시키는 스토퍼(32)로 구성되고,
상기 질량체(10)에는 롤러(14)가 구비되어 상기 가이드레일(31)에서 슬라이딩 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제4 항에 있어서,
상기 가이드부(30)의 가이드레일(31)은
봉 형상의 레일, 또는 단면이 T자형 또는 후크형인 레일로 구성될 수 있으며,
상기 롤러(14)는 상기 봉형상 레일에 끼워지는 중공의 원통형상의 롤러, T자형레일에 끼워지는 후크형 롤러, 또는 후크형 레일에 끼워지는 T자형롤러로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제1 항에 있어서, 상기 전기에너지 발생부(40)는
상기 질량체(10)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(11);
상기 제1 가진판(11) 각각에 부착된 압전소자(12);
상기 질량체(10)의 다수개의 제1 가진판(11)이 구비된 면과 마주보는 지지프레임 또는 케이스(2)의 내측면에 구비되되, 상기 다수개의 제1 가진판(11)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(41); 및
상기 제2 가진판(41)에 부착된 압전소자(42);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1 가진판(11)과 제2 가진판(41)은 각각의 말단이 서로 겹쳐지도록 구성되어, 상기 질량체(10)의 이동에 따라 상기 제1 가진판(11)은 상기 제2 가진판(41)에, 상기 제2 가진판(41)은 상기 제1 가진판(11)에 타격력 또는 진동력을 줄 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1 가진판(11) 또는 상기 제2 가진판(41) 중 어느하나에 압전소자가 부착되지 않고, 압전소자가 부착되지 않은 제1 가진판(11) 또는 상기 제2 가진판(41)은 타격체가 되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
질량체(100);
상기 질량체(100)를 구조물에 연결하는 탄성부재(200);
상기 질량체(100)를 지지하고 가이드하는 가이드부(300); 및
상기 질량체(100)의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(400);를 포함하여 구성되며,
상기 가이드부(300)는 평면상에 동일한 높이로 배치되는 직선형태의 가이드레일, 또는 높이차를 가진 직경사선형태의 가이드레일, 또는 높이차를 가진 반포물선형태의 가이드레일 중 어느 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제9 항에 있어서, 상기 전기에너지 발생부(400)는
상기 질량체(100)에 이격되게 구비된 다수개의 제1 가진판(110);
상기 제1 가진판(110) 각각에 부착된 압전소자(120);
상기 질량체(100)의 다수개의 제1 가진판(110)이 구비된 면과 마주보는 지지대(5)의 면에 구비되되, 상기 다수개의 제1 가진판(110)과 대응되게 구비된 다수개의 제2 가진판(410); 및
상기 제2 가진판(410)에 부착된 압전소자(420);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제10 항에 있어서,
상기 가이드부(300)에 구비된 가이드레일의 형태에 대응되도록 상기 지지대(5)의 형태 및 상기 지지대(5)에 구비되는 다수개의 제2 가진판(410)의 배열이 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제10 항에 있어서, 상기 지지대(5)는
상기 지지대(5)에 부착된 제2 가진판과 상기 질량체에 부착된 제1 가진판의 말단이 서로 겹쳐지도록 위치가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
진자운동을 하는 질량체(10');
상기 질량체(10')의 이동에 따른 타격에 의해 압전소자에서 전기에너지를 발생시키는 전기에너지 발생부(40');를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제13 항에 있어서, 상기 질량체(10')는
구조물에 연결된 케이블(20')에 의해 진자운동을 하거나, 또는 내부에 곡면의 가이드홈이 구비된 가이드부(30')를 따라 이동하면서 진자운동을 하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제13 항에 있어서, 상기 전기에너지 발생부(40')는
상기 질량체 자체 또는 상기 질량체에 부착된 타격체와,
상기 질량체 자체 또는 타격체에 의해 타격되도록 소정위치에 구비된 제2 가진판과 상기 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.
제14 항에 있어서, 상기 전기에너지 발생부(40')는
상기 질량체 자체 또는 상기 질량체에 부착된 타격체와,
상기 질량체 자체 또는 타격체에 의해 타격되도록 상기 가이드부(30')의 가이드홈의 저면, 또는 측면, 또는 전면에 구비된 다수개의 제2 가진판과 상기 제2 가진판에 부착된 압전소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비한 동조질량감쇠장치.