KR20180135908A - 발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터 - Google Patents

Abstract

기전력이 증가하고 또한 제조비용을 억제하여 대량생산을 가능하게 하는 역자왜식 발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터를 제공한다. 본 발명의 발전소자는, 자성재료로 이루어지고 폐자기회로를 형성하기 위한 굴곡부를 갖는 프레임 요크와, 상기 프레임 요크의 일부에 형성되는 자성부와, 자왜재료로 이루어지는 자왜판과, 코일과, 자석을 구비하는 역자왜식 발전소자에 있어서, 상기 자성부는 상기 자왜판에 똑같은 압축력 또는 인장력을 가하기 위한 강성 및 형상을 갖음과 아울러 상기 자석의 자기 바이어스에 의하여 자기포화되어 있고, 상기 자왜판은 상기 자성부와 평행하게 되도록 상기 프레임 요크에 부착되고 있고, 상기 코일은 상기 자왜판과 상기 자성부로 이루어지는 평행 빔부 및/또는 상기 프레임 요크에 감겨 있고, 외력의 부가에 의하여 상기 자왜판이 신장 또는 수축되어 발전한다.

Description

발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터

본 발명은 역자왜(逆磁歪)효과를 이용하는 발전소자(發電素子)에 관한 것으로, 특히 기전력이 증가하고 또한 제조비용을 억제하여 대량생산을 가능하게 하는 발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터에 관한 것이다.

최근 일상의 진동을 이용하여 발전하는 기술의 개발이 진행되고 있고, 그 기술의 하나로 강자성체의 자왜효과를 이용하는 것이 있다.

자왜효과라고 하는 것은 강자성체에 자장을 부여하였을 때(강자성체가 자화되었을 때)에 변형하는 효과를 가리키고, 자왜효과에 의한 변형량이 큰 재료는 자왜재료라고 불린다.

자왜재료는 또한 외력의 부가에 기인하여 그 내부에 발생하는 압축/인장응력에 의해 변형되어서 자화(자력선)을 크게 변화시키는 역자왜효과도 구비하고 있어, 예를 들면 압축력을 받아서 1테슬라 이상이나 자력선이 변화되는 재료도 존재한다. 역자왜효과에 의한 자속의 시간적 변화를 이용하는 발전소자는 작은 외력의 부가에 대하여 고효율로 발전할 수 있기 때문에 관심이 높아지고 있다(특허문헌1 및 2).

도33에 역자왜효과를 이용하는 발전소자의 일반적인 구성을 나타낸다.

이 발전소자(200)는, 발전부(201)와 프레임(202)과 자석(203)으로 개략적으로 구성되어 있다.

발전부(201)은, 자왜재료로 이루어지는 자왜봉(201a), 자왜봉(201a)에 감긴 코일(201b), 자왜봉(201a)에 똑같은 압축력 또는 인장력을 가하기 위한 강성 및 형상을 갖고 있고, 자왜봉(201a)와 평행하게 배치되는 자성봉(201c)으로 개략적으로 구성된다.

프레임(202)은 ㄷ자모양으로 굴곡된 자성재료로 이루어지고, 상기 굴곡된 부분을 사이에 두고 일방의 단부가 고정단으로 되고, 타방의 단부가 자유단으로 된다. 프레임(202)의 외측면의 일부를 절단함으로써 오목부가 형성되어 있고, 자왜봉(201a)을 이 오목부에 끼워서 그 양단을 솔더링이나 용접 등에 의해 프레임(202)에 접합하고 있다. 또한 프레임(202)의 내측면에 자석(203)을 부착함으로써 프레임(202)의 일부를 백 요크(back yoke)로서 기능하게 함과 아울러 상기 자석(203)을 부착하지 않는 측의 내측면과 상기 자석(203) 사이에 공극(204)을 형성하고 있다.

그리고 프레임(202)의 일부에 외력을 부가함으로써 프레임(202)을 진동시켜서, 역자왜효과를 이용하여 발전부(201)에서 발전하는 구조로 되어 있다.

특허문헌1: 일본국 특허 제4905820호 공보 특허문헌2: 국제공개 제2015/141414호

그러나 상기에서 설명한 종래기술에서는 다음과 같은 문제가 발생한다.

즉 발전부에서의 기전력(전압)을 증가시키는 수단으로서 코일의 권수를 크게 하는 것을 들 수 있지만, 코일을 자왜봉와 자성봉 사이의 공간 내에 수용할 필요가 있기 때문에, 코일의 권수를 대폭적으로 증가시키는 것이 곤란하다는 문제가 있다. 또한 코일의 선지름을 작게 함으로써 권수를 증가시키는 것도 고려할 수 있지만, 선지름을 작게 것에 의하여 코일의 저항이 증가하게 된다는 문제가 있다.

또한 자왜봉의 양단을 프레임에 대하여 솔더링이나 용접 등에 의하여 접합할 때의 온도상승에 따라 코일의 피복이 녹아버린다는 문제도 있다.

또한 프레임의 일부를 절단하여 오목부를 형성하는 등 형상이 복잡하게 되기 때문에, 프레임의 제조에 와이어 방전가공 등의 손이 많이 가는 작업이 필요하게 되고, 이것이 발전소자의 제조비용을 증가시키는 하나의 요인으로 되고 있다.

본 발명은, 이러한 문제를 고려하여 기전력이 증가하고 또한 제조비용을 억제하여 대량생산을 가능하게 하는 역자왜식 발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발전소자는, 자성재료로 이루어지며 폐자기회로를 형성하기 위한 굴곡부를 갖는 프레임 요크와, 상기 프레임 요크의 일부에 형성되는 자성부와, 자왜재료로 이루어지는 자왜판과, 코일과, 자석을 구비하는 역자왜식 발전소자에 있어서, 상기 자성부는 상기 자왜판에 똑같은 압축력 또는 인장력을 가하기 위한 강성 및 형상을 갖음과 아울러 상기 자석의 자기 바이어스에 의해 자기포화되어 있고, 상기 자왜판은 상기 자성부와 평행하게 되도록 상기 프레임 요크에 부착되어 있고, 상기 코일은 상기 자왜판과 상기 자성부로 이루어지는 평행 빔부 및/또는 상기 프레임 요크에 감겨 있고, 외력의 부가에 의하여 상기 자왜판이 신장 또는 수축되어 발전하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 평행 빔부는 상기 자성부의 표면상에 상기 자왜판이 적층되어 이루어지는 적층부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 ㄷ자모양의 백 요크를 구비하고 있고, 상기 자석이 상기 백 요크의 각 단부에 부착되어 있고, 상기 양 자석이 상기 프레임 요크의 측면에 대하여 공극을 둔 상태에서 끼워져 위치되도록, 상기 백 요크가 상기 프레임 요크에 지지되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프레임 요크의 상기 양 자석에 끼워져 있는 부분의 폭이 변화되어 있고, 백 요크가 이동함으로써 상기 공극의 폭이 변화되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 코일의 공심부 내와 상기 평행 빔부 사이에 공극을 유지하도록 상기 코일이 상기 프레임 요크의 고정단측에 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프레임 요크가 2개 이상의 부재를 연결하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프레임 요크의 일부가 그 폭방향으로 좁게 및/또는 두께방향으로 얇게 되어 있고, 이 좁게 및/또는 얇게 되어 있는 부분을 자성부라고 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 자성부의 폭과 상기 자왜판의 폭이 동일하고, 또한 상기 프레임 요크 중 상기 자성부 이외로서 상기 폐자기회로의 자로로서 기능하는 부분의 폭이, 상기 자성부의 폭의 2배 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프레임 요크가 상기 자유단을 2개 이상, 상기 고정단을 1개 구비하고 있고, 상기 평행 빔부를 1개 이상의 상기 자유단측에 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 자석이 전자석인 것을 특징으로 한다.

또한 외력을 부가하기 위한 스위치 기구를 상기 프레임 요크의 일부에 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발전소자의 제조방법은, 상기 발전소자의 제조방법에 있어서, 상기 프레임 요크를 소성가공에 의하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 프레임 요크를 절곡가공에 의하여 ㄷ자모양으로 성형하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 코일을 상기 프레임 요크의 단부로부터 삽입하고, 상기 평행 빔부까지 이동시켜서 고정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 액추에이터는, 상기 발전소자와 동일한 구조를 구비하고 있고, 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써 상기 자왜판이 신축되어서, 상기 프레임 요크의 자유단이 진동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발전소자에서는 자성부를 자석의 자기 바이어스에 의하여 자기포화시킨다. 가령 자성부가 자기포화되어 있지 않은 상태에서 발전소자를 진동시키면, 자왜판으로부터 나온 자속이 자성부로 흐름으로써 새로운 루프가 형성되어 버리고, 기전력이 작아져 버린다. 자성부를 자기포화시킴으로써 상기 새로운 루프가 형성되는 것을 방지하여 기전력을 크게 할 수 있다.

도34에 자화곡선의 그래프를 나타낸다.

이 그래프는 FeGa합금의 무부하(0MPa), 압축(-20MPa) 및 인장(20MPa)에 있어서의 자화곡선과, SPCC재의 자화곡선의 관계를 나타내고 있다.

압축(-20MPa)과 인장(20MPa)은 외력부가에 따른 발전소자의 진동하에서의 변형이고, 이 정도의 응력에서 자속밀도가 변화된다는 것을 알 수 있다.

SPCC재는 자성재료로서 자왜재료가 아니기 때문에, 응력이 발생하더라도 자화곡선은 변화되지 아니한다.

평행 빔부의 FeGa합금의 자왜판과 SPCC재의 프레임 요크의 자성부가 같은 길이인 경우, FeGa합금과 SPCC재에는 자기 바이어스에 의하여 동일한 자계가 부가된다. 예를 들면 점선(3kA/m정도)의 자계를 부가하면, FeGa합금은 응력의 영향에 의하여 ○-○ 사이에서 자속밀도가 변화함에 비하여, SPCC재의 자성부는 자기포화의 상태이기 때문에, □에서 나타내는 바와 같이 응력의 영향을 거의 받지 않고, 자속밀도가 거의 변화하지 아니한다.

한편 프레임 요크 중 자성부 이외의 부분은 ■의 상태에서 자왜판 및 자성부(평행 빔부)의 2배 이상의 폭을 차지하고 있기 때문에, 자기포화의 상태가 아니고, 자속의 변화를 통과시키는 기능을 갖는 것을 알 수 있다.

본 명세서에 있어서 자성부가 「자기포화되어 있다」라고 하는 것은, 도면에서 점선의 테두리로 둘러싼 상태를 가리키며 진동에 따른 자왜판의 자속밀도변화와 비교하여 자성부의 자속밀도가 그다지 변화되지 않는 경우(예를 들면 10％ 이하)에 자성부가 자기포화되어 있다고 한다.

또한 상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 발전소자에서는 코일을 자왜봉(자왜판)에만 감고 있었기 때문에, 자왜봉와 자성봉에 끼워진 공간 내에 코일을 수용할 필요가 있었다.

한편, 본 발명의 발전소자는 평행 빔부나 프레임 요크에 코일을 감기 때문에, 코일의 두께에 제약이 없어 코일의 권수를 대폭적으로 증가시킬 수 있다. 또한 선지름이 굵은 코일을 사용할 수 있다. 따라서 기전력을 크게 하면서 코일의 저항을 작게 할 수 있다.

또한 상기에서 설명한 바와 같이, 종래의 발전소자에서는 자왜봉에 공심의 코일을 삽입한 후에, 자왜봉의 양단을 프레임 요크에 대하여 용접 등에 의하여 접합하고 있었기 때문에, 코일의 피복이 녹는다는 문제가 있었다.

한편 본 발명의 발전소자에서는, 평행 빔부에 코일을 감을 경우, 자왜판의 양단을 프레임 요크에 접합한 후에, 공심의 코일을 프레임 요크의 단부로부터 삽입하여 평행 빔부까지 이동시키면 되기 때문에, 코일의 피복이 열에 의해 녹는 경우가 없다. 이에 따라 발전소자의 제조비용을 억제하여 대량생산이 가능하게 된다.

특히 평행 빔부 중, 자성부의 표면에 자왜판을 적층하여 이루어지는 적층부를 이용함으로써, 자왜판을 프레임 요크(자성부)에 견고하게 고정시킬 수 있다. 또한 자왜판의 양단을 프레임 요크에 접합하는 구성과 비교하여, 적층부의 경우에는 자왜판의 양단에 응력집중이 발생하거나 진동시에 평행 빔부가 뒤틀리는 변형을 하거나 하는 경우가 없으므로, 진동을 발생시키기 쉽게 할 수 있다.

또한 ㄷ자모양의 백 요크를 사용하고, 백 요크의 양단부에 부착한 각 자석을 프레임 요크의 측면에 대하여 공극을 둔 상태에서 끼워서 배치하여도 좋다.

자석을 프레임 요크의 내면측에 배치하는 경우에, 진동시에 프레임 요크가 자력에 의하여 끌어당겨짐으로써 변형되어 자석과 프레임 요크 사이의 공극이 없어지는(자석이 프레임 요크에 접촉하는) 사태가 상정된다.

그래서 ㄷ자모양의 백 요크의 양 단부에 부착한 자석을 사용하여 프레임 요크의 측면과 자석 사이에 공극을 형성함으로써 진동시에 자석이 프레임 요크와 접촉하는 사태를 방지할 수 있다.

또한 백 요크를 ㄷ자모양으로 하는 경우에는 그 두께를 증가시켜 강성을 높임으로써 백 요크의 변형량을 적게 하여 공극을 작게 할 수 있다.

백 요크에 자석을 2개 배치하여 프레임 요크를 사이에 두는 구조로 함으로써 자력에 의한 인장력의 영향을 상쇄할 수 있고, 또한 자로의 면적을 2배로 할 수 있기 때문에 자기저항을 절반으로 할 수 있다.

또한 프레임 요크의 일부로서 백 요크에 있어서의 2개의 자석에 끼워져 있는 부분의 폭을 변화시킴과 아울러, 백 요크를 이동시켜서 양 자석의 위치를 변화시킴으로써 공극의 폭을 변화시키는 것으로 하더라도 좋다.

이 경우에, 공극의 폭이 변화되면 자속밀도가 변화되므로, 이것을 이용하여 자성부의 자기 바이어스를 조정할 수 있다.

또한 코일을 프레임 요크의 고정단측에 고정하여 코일의 공심부 내와 평행 빔부 사이에 공극을 유지하도록 하면, 진동하는 평행 빔부가 코일과 간섭하지 않는 구조로 할 수 있다. 이에 따라 진동주파수를 증가시켜 발생전압을 증가시킬 수 있다.

또한 프레임 요크를, 2개 이상의 부재를 연결하여 구성하더라도 좋다. 예를 들면 프레임 요크를, 고정단을 포함하는 제1부재와 자유단을 포함하는 제2부재를 연결하여 구성하더라도 좋다. 진동을 발생시키기 쉽게 하기 위해서는 프레임 요크를 일체의 부재로 성형하는 것이 바람직하지만, ㄷ자모양 등으로 프레임 요크를 절곡가공할 때에, 굴곡부분에 균열이 생기기 쉬워지는 등 내구성이 저하되거나 제조비용이 증가하거나 하는 문제가 있다. 따라서 절곡가공을 적게 하여 내구성 향상과 제조비용의 억제를 도모하는 관점에서는, 프레임 요크를 복수의 부재로 분할하는 것이 바람직하다.

또한 복수의 부재로 분할함으로써 공심의 코일을 각 부재의 단부로부터 삽입하거나 또는 권선기에 의하여 평행 빔부에 코일을 직접적으로 감을 수 있으므로, 생산성이나 구조의 자유도가 향상된다.

또한 일반적으로 프레임 요크의 단면은 코일의 저항을 작게 할 목적으로부터 가능한 한 정사각형에 가깝게 하는 것이 좋다. 제1부재와 제2부재로 프레임 요크를 구성한 경우, 예를 들면 평행 빔부가 형성되는 제1부재의 단면을 편평하게 함으로써 자왜판의 신장ㆍ수축량을 증가시키고, 코일을 감는 제2부재의 단면을 정사각형으로 하는 등 제1부재와 제2부재에 있어서 기능에 따라 단면형상을 변경할 수 있다.

제1부재와 제2부재는, 상호 접촉면적을 넓게 잡아서 접합하면, 프레임 요크를 일체의 부재로 성형한 경우와 동등한 기능을 얻을 수 있다.

또한 프레임 요크의 일부를 그 폭방향으로 좁게 및/또는 두께방향으로 얇게 하여, 이 좁게 및/또는 얇게 되어 있는 부분을 자성부로 하더라도 좋다.

자왜판과 자성부 사이에 공간을 둔 일반적인 평행 빔부의 경우에, 자왜판의 양단과 프레임 요크의 접합부분에 진동에 기인한 박리나 균열이 생길 가능성이 있다.

그래서 본 발명의 일례로서 예를 들면 도35(a)∼(d)에 나타내는 바와 같이, 프레임 요크(30)의 일부를 폭방향으로만 얇게 하여 두께방향으로 얇게 하지 않고, 이 얇게 되어 있는 부분을 자성부(31)로 한 경우, 평행 빔부(80)는 자성부(31)의 표면에 자왜판(20)이 밀착된 구조가 된다. 이 상태에 있어서 평행 빔부(80)의 길이방향과 직교하는 평면에 있어서의 단면형상은 거의 T자모양으로 된다. 자왜판(20)과 자성부(31)를 밀착시켜서 평행 빔부(80)의 단면형상을 T자모양으로 하면 평행 빔부(80)의 내구성을 높일 수 있다.

또 본 발명에서는, 자왜판의 길이방향과 자성부의 길이방향이 평행하게 되어 있는 경우에 자왜판과 자성부는 평행하다고 하고, 이 상태에서 자왜판과 자성부에 의하여 형성되는 부위를 「평행 빔부」라고 표기한다.

또한 자성부의 폭과 자왜판의 폭을 동등하게 하고, 프레임 요크 중 자성부 이외로서 상기 폐자기회로의 자로로 기능하는 부분의 폭을 상기 자성부의 폭의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 자석의 자기 바이어스에 의하여 자성부를 자기포화시키지만, 자왜판, 코일, 프레임 요크 중 자성부 이외의 부분은 자기포화시키지 아니한다. 즉 자로로서 기능하는 이것들의 부분의 폭을 자성부의 폭의 2배 이상 확보하여 두면, 이것들의 부분이 자기포화되는 것을 방지할 수 있다.

또한 프레임 요크에 자유단을 2개 이상, 고정단을 1개 구비하고, 평행 빔부를 1개 이상의 자유단측에 설치하더라도 좋다. 이 경우, 프레임 요크의 형상이 소리굽쇠에 근사한 것으로 되어, 진동시에 2개의 자유단이 동 위상으로 변형되므로 진동을 지속시킬 수 있다.

또한 자석으로서 영구자석이 아니라 전자석을 사용하더라도 좋다. 전자석의 코일에 흐르는 전류를 조정함으로써 자성부의 자기 바이어스의 량을 조정할 수 있다는 이점이 있다.

또한 발전소자를 대형화하는 경우에, 네오디뮴 철 보론계의 영구자석을 이용하는 것이 곤란하게 된다. 대형의 영구자석은 고가이고, 또한 강력한 자력이 작용하기 때문에 조립하기가 곤란하게 된다는 것이 이유다. 이와 같이 대형의 발전소자에는 전자석을 사용하는 것이 적합한다.

또한 외력을 부가하기 위한 스위치 기구를 프레임 요크의 일부로 구비하는 것으로 하면, 발전소자를 진동원 등에 고정하지 않더라도 스위치 기구의 조작에 의하여 프레임 요크에 진동을 가하여 발전할 수 있다.

또한 상기 발전소자의 제조방법으로서 프레임 요크를 소성가공에 의하여 제조하더라도 좋다. 소성가공으로서는 절곡이나 프레스 가공 등의 주지의 방법을 들 수 있다.

자성부재로 이루어지는 금속판에 대하여 자성부가 되는 부분을 제작하고, 이에 대하여 프레스 가공 등에 의하여 프레임 요크의 원형을 펀칭하고 이것에 절곡가공 등을 실시함으로써, 프레임 요크를 용이하게 제조할 수 있다. 또 프레임 요크의 원형을 펀칭한 후에 자성부를 형성하는 등, 공정은 제조의 용이 및 비용을 고려하여 적절하게 변경하면 좋다.

특히 프레임 요크를 절곡가공으로 ㄷ자모양으로 성형하는 것으로 하면, 부품수가 적어지게 되고, 또한 적은 공정으로 고효율의 발전소자를 제조할 수 있다.

또한 공심의 코일을 프레임 요크의 단부로부터 삽입하여 평행 빔부까지 이동시켜서 고정하는 방법을 채용하면, 평행 빔부의 주위에 코일을 감는 방법과 비교하여, 제조비용을 억제할 수 있다.

상기 구성의 발전소자에 대하여, 프레임 요크를 진동시키는 것이 아니라 코일에 전류를 흐르게 하는 것으로 하면, 코일로부터 발생하는 자계에 의하여 자왜판이 신축되어 프레임 요크의 자유단이 진동하므로, 액추에이터로서 기능하게 할 수 있다.

도1은, 제1실시형태의 발전소자의 A-A'선 단면도(a), 측면도(b), B-B'선 단면도(c) 및 측면도로서 평행 빔부의 구조를 알 수 있도록 코일의 일부를 제거한 도(d)이다.
도2는, 진동 전의 자력선의 흐름을 나타내는 측면도(a) 및 정면도(b), 진동 중의 자력선의 흐름을 나타내는 측면도(c) 및 정면도(d)이다.
도3은, 진동 중의 프레임 요크의 변형상태를 나타내는 도(a) 및 도(b)이다.
도4는, 발전소자의 제조방법을 나타내는 도(a)~(g)이다.
도5는, 제2실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도6은, 제3실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도7은, 제4실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도8은, 제5실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도(a) 및 그 변형예를 나타내는 측면도(b)이다.
도9는, 제6실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도(a) 및 그 변형예를 나타내는 측면도(b)이다.
도10은, 제7실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도(a), 배면도(b) 및 프레임 요크의 고정단측의 평면도(c)이다.
도11은, 제8실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도12는, 제9실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도13은, 제10실시형태의 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도14는, 제11실시형태의 발전소자를 나타내는 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도15는, 발전소자의 제조방법을 나타내는 평면도이다.
도16은, 자유단을 2부분에 형성한 상태를 나타내는 평면도(a), 측면도(b) 및 굴곡시키기 전의 프레임 요크를 나타내는 평면도(c)이다.
도17은, 회로소자를 설치한 상태를 나타내는 평면도이다.
도18은, 프레임 요크를 봉모양 부재와 굴곡부재의 2개의 부재로 구성한 상태를 나타내는 평면도(a) 및 측면도(b)이다.
도19는, 제12실시형태의 발전소자를 나타내는 평면도(a), A-A'선 단면도(b) 및 굴곡시키기 전의 프레임 요크를 나타내는 평면도(c)이다.
도20은, 실시예1에서 사용한 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도21은, 전압분포를 나타내는 그래프이다.
도22는, 실시예2에서 사용한 발전소자를 나타내는 사진이다.
도23은, 발전소자를 나타내는 측면도이다.
도24는, 발생전압과 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도25는, 발전소자의 변형예를 나타내는 측면도이다.
도26은, 실시예3의 발전소자를 나타내는 평면도(a1) 및 A-A'선 단면도(a2), 발전소자의 비교예를 나타내는 평면도(b1), (c1) 및 (d1), A-A'선 단면도(b2), (c2) 및 (d2)이다.
도27은, 변형과 자속의 관계를 나타내는 그래프(a) 및 (b)이다.
도28은, 실시예4에서 사용한 발전소자를 나타내는 사진이다.
도29는, 전압/진동가속도의 주파수응답을 나타내는 그래프이다.
도30은, 전압 및 이동가속도의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도31은, 실시예5에서 사용한 발전소자를 나타내는 사진이다.
도32는, 발생전압의 시간변화를 나타내는 그래프이다.
도33은, 종래의 발전소자의 측면도(a) 및 측면도로서 평행 빔부의 구조를 알 수 있도록 코일의 일부를 제거한 도(b)이다.
도34는, 자왜판과 프레임 요크의 자화곡선을 나타내는 그래프이다.
도35는, 프레임 요크의 변형예 및 그 제조방법을 나타내는 도(a)~(d)이다.

[제1실시형태]

다음에, 본 발명의 발전소자의 제1실시형태에 대하여 설명한다.

도1(a)~(d)에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 발전소자(發電素子)(1)는, 자왜판(磁歪板)(20), 프레임 요크(frame yoke)(30), 자성부(磁性部)(31), 백 요크(back yoke)(40), 자석(50), 코일(60)로 개략적으로 구성되고, 외력의 부가에 의하여 자왜판(20)을 신장 또는 수축시킴으로써 역자왜(逆磁歪)효과를 이용하여 발전한다. 또 도1(d)에서는 코일(60)의 일부를 제거함으로써 평행 빔부(80)의 구조를 알 수 있도록 하고 있다. 이하의 각 도면에 있어서도 동일한다.

자왜판(20)은 자왜재료로 구성되는 봉모양 부재이다. 자왜판(20)은 외력을 받아서 수축/신장하기 때문에 연성을 갖는 자왜재료 로 구성하는 것이 바람직하다. 자왜재료의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 철 갈륨 합금(iron-gallium alloy)을 사용할 수 있고, 다른 것으로는 예를 들면 철 코발트 합금(iron-cobalt alloy)이라도 좋고, Fe-Al, Fe-Si-B 합금 등 주지의 자왜재료를 이용할 수 있다. 또한 결정상태의 재료뿐만 아니라, 비결정질(amorphous)상태의 재료라도 좋다. 또한 인장응력에 대한 자화(磁化)의 변화를 크게 하기 위해서, 미리 응력소둔처리(應力燒鈍處理)를 실시하는 함으로써 압축응력을 부가한 자왜재료를 사용하더라도 좋다. 자왜판(20)의 형상은 봉모양이라면 좋고, 예를 들면 직육면체를 들 수 있다.

자왜판(20)은 프레임 요크(30)의 자유단측의 상면에 솔더링 접합, 브레이징, 저항용접, 레이저용접, 초음파접합 등의 주지의 방법에 의하여 부착된다.

프레임 요크(30)는, 굴곡부(屈曲部)(200)를 구비하는 측면에서 볼 때 ㄷ자모양이며 자성재료로 이루어진다. 프레임 요크(30)용 자성재료로서 탄소강(SS400, SC, SK재), 페라이트계 스테인레스(SUS430) 등을 이용할 수 있다.

프레임 요크(30)는, 그 길이방향(전후방향)이 거의 수평이 되도록 또한 굴곡부(200)를 사이에 두고 일방의 단부(端部)가 고정단, 타방의 단부가 자유단이 되도록 소위 외팔보의 상태로 고정 지지된다. 본 발명에 있어서 「ㄷ자모양」에는 프레임 요크(30)의 자유단측으로부터 고정단측으로 매끄러운 커브를 그리며 구부러지는 소위 「U자모양」도 포함되고, 또한 자유단측과 고정단측의 간격이 굴곡부분으로부터 자유단측의 단부 및 고정단측의 단부를 향함에 따라 점차 넓어지는 소위 「V자모양」도 포함되는 것으로 한다.

또한 프레임 요크(30)의 자유단측에는 공진주파수를 조정하기 위한 추(錘)나 진동판(70)이 부착되어 있고, 고정단측에는 발전소자를 진동원(振動源)(71)에 고정시키기 위한 금구(金具)(72)가 부착되어 있다.

자성부(31)는 프레임 요크(30)의 일부로서 자왜판(20)과 평행한 위치에 형성되고, 자성부(31)과 자왜판(20)에 의하여 평행 빔부(80)를 구성하고 있다.

본 실시형태에서는, 프레임 요크(30)의 자유단측의 일부를 두께방향(상하방향)으로 얇게 함으로써 자성부(31)를 형성하고 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 프레임 요크(30)는 자성재료로 이루어지기 때문에, 자성부(31)도 자성재료로 구성된다.

자성부(31)는, 프레임 요크(30)에 외력이 부가되었을 때에 자왜판(20)의 단면에 똑같은 압축력 또는 인장력을 가할 수 있도록 하는 강성 및 형상을 갖고 있다. 즉 외력의 부가에 의하여 이 평행 빔부(80)가 휘어질 때에, 중립축(응력이 제로가 됨으로써 수축/신장하지 않는 축)을 자왜판(20)의 단면(斷面) 외에 위치시키기 위하여 필요한 강성 및 형상을 구비하도록 자성부(31)가 설계되어 있다.

상세한 설명은 후술하지만, 자성부(31)는 후술하는 자석(50)의 자기 바이어스(magnetic bias)에 의하여 자기포화(磁氣飽和)의 상태로 유지되어 있다.

백 요크(40)는, 측면에서 볼 때 ㄷ자모양으로 굴곡된 자성재료로 이루어지며 그 일부에 자석(50)이 부착된다. 백 요크(40)의 「ㄷ자모양」에 대해서도, 상기에서 설명한 바와 마찬가지로 「U자모양」이나 「V자모양」도 포함되는 것으로 한다.

구체적으로는 도1(c)에 나타내는 바와 같이 백 요크(40)는, 그 굴곡부분의 내측면에서 프레임 요크(30)의 자유단측의 상면에 고정(접합)되어 있다. 백 요크(40)의 양 단부의 내측면에는 자석(50)이 부착되어 있다. 각 자석(50)은 프레임 요크(30)의 고정단측의 측면에 대하여 공극(空隙)(90)을 둔 상태에서 좌우로부터 끼워지도록 부착위치가 조절되어 있다.

공극(90)은, 진동시에 자석(50)과 프레임 요크(30)가 간섭하여 마찰이 발생하지 않는 범위내에서 자기저항을 작게 하기 위하여 가능한 한 좁게 하는 것이 바람직하다.

자석(50)은 자왜판(20)을 자화시킴과 아울러 자성부(31)를 자기포화의 상태로 자화하기 위하여 백 요크(40)에 부착된다. 본 실시형태에서는 자석(50)으로서 영구자석(50)을 사용하고 있다.

상세한 설명은 후술하지만, 도2에 나타내는 바와 같이 좌우의 자석(50)으로부터의 자력선(자속)이 백 요크(40), 자왜판(20) 및 자성부(31)를 통과하는 하나의 폐자기회로가 형성된다.

코일(60)은 평행 빔부(80)에 감긴 상태에서 고정되어 있어, 전자유도(電磁誘導)의 법칙에 따라 자왜판(20)내를 통과하는 자력선의 시간변화에 비례하여 전압을 발생시킨다. 코일(60)의 재질은 특별하게 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 동선(銅線)을 사용할 수 있다. 또한 코일(60)의 권수를 변경함으로써 전압의 크기를 조정할 수 있다.

도2(a) 및 도2(b)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 자석(50)의 기자력에 의하여 자속이 공극(90), 백 요크(40), 평행 빔부(80)를 포함하는 프레임 요크(30)로 흐르고, 다시 자석(50)으로 되돌아옴으로써 자기 루프(磁氣 loop)를 형성하고 있고, 이에 따라 각 부에 자기 바이어스가 걸린 상태로 되어 있다.

평행 빔부(80)을 구성하는 자왜판(20)과 자성부(31) 중 자왜판(20)에는 적절한 자속밀도의 자속이 흐르고 있어, 자성부(31)는 자기포화의 상태에 있다. 「적절한 자속밀도」라고 하는 것은, 자기포화에 이르지 않는 정도의 자속밀도라면 좋고, 바람직하게는 포화자속밀도의 절반 정도를 가리킨다. 예를 들면 Fe-Ga합금의 경우에, 포화자속밀도가 1.5T 정도이기 때문에, 그 절반의 0.7T~0.8T 정도가 바람직한 적절한 자속밀도에 해당한다.

도3에 나타내는 바와 같이 발전소자(1)를, 금구(72)를 사이에 두고 진동원(71)에 고정시킨 상태에서 외력을 부가하여 여진(勵振)시키면, 추(70)에는 그 질량과 진동가속도에 비례하는 관성력이 작용한다. 예를 들면 관성력이 상방으로 향하는 경우에, 평행 빔부(80)는 그 외력이 만드는 화살표의 휨 모멘트에 의하여 굴곡되어, 프레임 요크(30)의 양 단부가 열리도록 변형된다(도3(a)). 이때 평행 빔부(80)의 중립축(응력이 제로가 된다)은 자왜판(20)과 자성부(31) 사이에 있고, 그 결과 자왜판(20) 내부의 응력은 압축으로 된다. 한편, 관성력이 하방을 향하는 경우에, 화살표의 휨 모멘트에 의하여 프레임 요크(30)의 양 단부가 닫히도록 변형된다(도3(b)). 이때 자왜판(20) 내부의 응력은 똑같은 인장으로 된다. 그 결과, 역자왜효과에 따라 자왜판(20)을 흐르는 자속이 전자에서는 감소하고, 후자에서는 증가한다.

또 자왜판 내의 응력이 똑같은 인장 혹은 압축으로 되기 위한 조건은, 응력이 제로가 되는 중립축이 평행 빔부의 공극 혹은 자성부에 존재하는 것이다.

이 자속의 변화에 관한 것으로서, 도2(c) 및 도2(d)에 나타내는 바와 같이 자성부(31)에는 변화가 거의 발생하지 않고, 대부분은 점선으로 나타내는 공극(90), 백 요크(40), 자왜판(20), 프레임 요크(30)(자성부(31)를 제외한 부분)로 구성된 루프에서 환류한다. 변화된 자속이 자성부(31)로 흐르지 않는 것은, 자기포화되어 있는 자성부(31)는 그 투자율이 매우 작은 상태에 있어서, 자기저항이 크기 때문이다.

결과적으로 자왜판(20)에 발생하는 자속의 변화는 코일(60)이 감긴 평행 빔부(80)의 쇄교자속의 변화와 동일하게 되어서, 그 시간변화에 따라 코일(60)에 기전력(유도전압 또는 유도전류)이 발생한다.

이와 같이 본 발명은, 자성부(31)를 자기포화시킨다는 점에 큰 특징이 있다. 가령 자성부(31)가 자기포화되어 있지 않은 상태에서 발전소자(1)을 여진시키면, 자왜판(20)으로부터 나간 자속이 자성부(31)로 흐름으로써 새로운 루프가 형성되어 버리고, 이에 따라 상기 쇄교자속이 줄어들어서 기전력이 작아지게 되어 버리기 때문이다.

또 본 발명에서는 자성부를 자석의 자기 바이어스에 의하여 자기포화시키지만, 이것은 환언하면 자왜판, 백 요크, 프레임 요크 중 자성부 이외의 부분은 자석의 자기 바이어스에 의하여 자기포화시키지 않는 것을 의미한다.

자성부(31)의 형상은, 발전소자(1)에서 발전을 실시할 때의 정격의 진동하에 있어서, 상기 자성부(31)가 자기포화되고, 또한 자왜판(20)에 똑같은 압축 또는 인장의 응력을 부여할 수 있는 형상으로 할 필요가 있다. 일례로서, 자왜판(20)의 재료로서 Fe-Ga합금을 이용한 경우에, 자성부(31)의 좌우의 폭 2mm, 상하의 두께 0.5mm 정도가 바람직하다. 또한 프레임 요크(30)의 재료로서 SUS430 혹은 SS400, SC50강을 이용한 경우에, 자성부(31)의 좌우의 폭 2mm, 상하의 두께 0.5mm, 평행 빔부(80)(자왜판(20) 및 자성부(31))의 길이 7mm, 자왜판(20)과 자성부(31)의 공간은 1mm 정도가 바람직하다.

다음에 도4를 참조하여 본 실시형태의 발전소자의 제조방법을 설명한다.

우선 자성재료로 이루어진 금속판을 프레스가공에 의하여 봉모양으로 펀칭한다. 이 때에 일부를 절단함으로써 얇아지게 된 부분이 자성부(31)가 된다(도4(a) 및 도4(b)).

다음에 봉모양 부재를 그 중앙부근에서 절곡함으로써 프레임 요크(30)를 형성한다(도4(c)). 프레임 요크(30)의 굴곡부분이 굴곡부(200)에 해당한다.

프레임 요크(30)에는, 필요에 따라 가공변형의 제거, 탄성의 회복, 인장강도(스프링성)를 높일 목적에서 소둔 등의 열처리를 실시하고, 이후 방청용 표면처리를 실시하는 것이 바람직하다.

그리고 별도로 제작한 자왜판(20)을 자성부(31) 근방에 용접 등에 의하여 접합한 후에, 필요에 따라 도금 등의 방청처리 등을 실시함으로써 평행 빔부(80)를 형성한다(도4(d)).

그 후에는 프레임 요크(30)의 단부측으로부터 코일(60)을 삽입하고(도4(e)), 2개의 자석(50)을 부착한 ㄷ자모양의 백 요크(40)를 프레임 요크(30)의 자유단측에 부착하고(도4(f)), 고정단측에 진동원(71)에 대한 고정 금구(72), 자유단측에 필요에 따라 추(70) 등을 부착하여 발전소자(1)를 완성한다(도4(g)).

이와 같이 본 발명의 발전소자(1)는 평행 빔부(80)에 코일(60)을 감고 있기 때문에, 코일(60)의 권수를 대폭적으로 증가시킬 수 있다.

또 본 실시형태에서는 코일(60)을 자유단측에 감았지만, 코일(60)은 진동을 피하는 관점으로부터 고정단측에 설치하거나 백 요크(40)에 감거나 하더라도 좋다. 또한 평행 빔부(80)와 프레임 요크(30)의 양자, 프레임 요크(30)와 백 요크(40)의 양자 또는 평행 빔부(80)와 백 요크(40)의 양자에 코일(60)을 감아도 좋다. 또한 평행 빔부(80), 프레임 요크(30) 및 백 요크(40)의 3자에 코일(60)을 감아도 좋다. 특별히 명기하지 않는 한, 이하의 각 실시형태에 있어서도 동일하다.

또한 본 실시형태에서는 평행 빔부(80)를 프레임 요크(30)의 자유단측에 설치하였만, 이에 한정되지 않고 고정단측이라도 좋다.

[제2실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제2실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 제1실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도5에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(2)는, 평행 빔부(80)를 프레임 요크(30)의 굴곡부(200)에 설치한다는 점에 특징을 갖는다.

평행 빔부(80) 중 자왜판(20)을 프레임 요크(30)의 굴곡부분의 전면(외면)에 부착하고, 자성부(31)를 프레임 요크(30)의 굴곡부분의 후면(내면)에 설치하고 있다.

이 발전소자(2)에 대한 외력의 부가는 자유단측의 단부에 실시하더라도 좋고, 혹은 제1실시형태와 마찬가지로 고정단측의 단부에 진동체를 부착하고, 상기 진동체에 의하여 실시하더라도 좋다.

본 실시형태와 같이 굴곡부(200)에 평행 빔부(80)를 설치함으로써, 진동시에 자유단측의 길이방향(전후방향)에 대하여 수직으로 작용하는 힘에 따라 휨 모멘트만이 평행 빔부(80)에 작용하게 되므로 발전효율을 향상시킬 수 있다.

[제3실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제3실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도6에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(3)는, 백 요크(40)가 프레임 요크(30)의 자유단측의 내면에 부착되고, 백 요크(40)의 선단에 자석(50)이 부착되어 있다는 점에 특징을 갖는다.

이러한 구조를 구비하는 경우에, 프레임 요크(30)의 양 단부가 열리도록 변형되고 있는 동안에는 공극(90)이 넓어지고 자기저항이 커지게 되므로 자왜판(20)의 자속밀도가 감소한다. 또한 상기에서 설명한 바와 같이 압축응력에 의하여 자왜판(20)의 자속밀도가 감소한다. 한편 프레임 요크(30)의 양 단부가 닫히도록 변형되고 있는 동안에는 공극(90)이 좁아져서 자기저항이 작아지므로 자왜판(20)의 자속밀도가 증가한다. 또한 상기에서 설명한 바와 같이 인장응력에 의하여 자왜판(20)의 자속밀도가 증가한다. 이와 같이 공극(90)의 폭의 증가/감소에 따른 자속밀도의 감소/증가와, 자왜봉에 발생하는 압축응력/인장응력의 변화에 따른 자속밀도의 감소/증가를 일치시킬 수 있기 때문에 기전력을 더욱 증가시킬 수 있다.

[제4실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제4실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도7에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(4)는, 프레임 요크(30)의 자유단측의 단부가 상방으로 굴곡되어 있다는 점에 특징을 갖는다. 굴곡부분에 추(70)를 부착하더라도 좋다.

상기 제1실시형태는 프레임 요크(30)의 자유단측에 대하여 연직방향(상하방향)으로부터 외력이 작용하는 경우에 적당한 구조이지만, 본 실시형태는 자유단측의 단부에 대하여 수평방향(전후방향)으로부터 외력이 작용하는 경우에도 대응할 수 있는 구조가 된다. 자유단측의 단부에 대하여 수평방향으로부터 외력이 작용하면, 상방으로 굴곡된 부분에 휨 모멘트가 작용하고, 이 휨 모멘트에 의하여 프레임 요크(30) 전체가 진동하고, 자왜판(20)에 인장/압축응력이 작용하게 된다. 또 자유단측의 단부의 굴곡부분의 위치를 고정지지부분의 바로 위로 하면 고정지지부분에 발생하는 휨 모멘트와 전단력을 최대한으로 작게 할 수 있어서, 진동을 발생시키기 쉽게 할 수 있다.

[제5실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제5실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도8(a)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(5)는, 프레임 요크(30)가 고정단을 포함하는 제1부재(30a)와 자유단을 포함하는 제2부재(30b)를 연결하여 구성되어 있다. 그리고 자유단측이 되는 제2부재(30b)의 단부에 자석(73)을 구비함과 아울러, 고정단측이 되는 제1부재(30a)의 일부로부터 길이방향으로 연장되는 스위치판(switch板)(74)을 구비한다는 점에 특징을 갖는다.

스위치판(74)은 자석(73)과 착탈가능한 자성재료로 이루어진다. 스위치판(74)에 자석(73)이 자기적으로 부착된 상태로부터 스위치판(74)을 화살표로 나타내는 바와 같이 하방으로 밀어내림으로써 자기적인 부착이 해제되어서, 자유단측이 상방으로 뛰어오름으로써 진동하는 구조로 되어 있다. 이에 따라 스위치를 온/오프하는 원 클릭 동작에 의하여 전력을 용이하게 얻는 것이 가능하게 된다. 또 이 구성에서는 스위치판(74)은 발전소자(5)와는 별도의 부품으로 되지만, 도8(b)에 나타내는 바와 같이 스위치판(74)의 일부에 자석(50)을 부착함으로써 스위치판(74)을 백 요크(40)로서 이용할 수도 있다.

[제6실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제6실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도9(a)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(6)는, 프레임 요크(30)가 자유단을 2개, 고정단을 1개 구비하고 있고, 평행 빔부(80)를 2개의 자유단측의 각각에 설치한다는 점에 특징을 갖는다.

구체적으로는 프레임 요크(30)가 고정단을 포함하는 제1부재(32)와, 자유단을 포함하는 제2부재(33) 및 제3부재(34)를 연결하여 구성되어 있고, 전체적으로 소리굽쇠(tuning fork)에 근사한 형상으로 되어 있다. 이 경우, 진동시에 2개의 자유단이 동(同) 위상으로 변형되므로 진동을 지속시킬 수 있다.

또한 도9(b)에 나타내는 바와 같이 프레임 요크(30)가 자유단을 2개 이상(예를 들면 4개) 구비하고 있더라도 좋다.

[제7실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제7실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도10(a)~(c)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(7)는, 프레임 요크(30)의 고정단측이 선단을 향함에 따라 폭이 좁아지고 있으며 백 요크(40) 및 2개의 자석(50)의 위치를 변경할 수 있다는 점에 특징을 갖는다.

백 요크(40) 및 자석(50)의 위치를 변경하기 위한 기구로서는 특별하게 한정되지 않지만, 예를 들면 백 요크(40)의 내측면에 좌우방향으로 연장되는 볼록부를 형성하고 프레임 요크(30)의 자유단측의 표면에 좌우방향으로 연장되는 오목부를 형성하여, 볼록부를 오목부에 끼움으로써 백 요크(40)의 좌우방향으로의 이동을 오목부에 의하여 안내하는 구조로 하면 좋다.

백 요크(40)를 좌우방향으로 이동시키면 2개의 자석(50)의 위치가 변경되고, 이에 따라 공극(90)의 폭이 변화된다. 공극(90)의 폭이 변화되면 자속밀도가 변화되므로, 이를 이용하여 자성부(31)의 자기 바이어스를 조정할 수 있다.

[제8실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제8실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도11에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(8)는, 제3실시형태의 발전소자(3)에 있어서 백 요크(40)에 부착한 자석(50) 대신에 전자석(51)을 코일(60)과 함께 프레임 요크(30)의 자유단에 감는다는 점에 특징을 갖는다.

전자석(51)의 코일에 흐르는 전류를 조정함으로써 자성부(31)의 자기 바이어스의 량을 조정할 수 있다.

[제9실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제9실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도12에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(9)는, 프레임 요크(30)를 봉모양 부재(35)와 굴곡부재(36)로 구성하고 있다.

봉모양 부재(35)의 일방의 단부는 진동원(71)에 부착되어 있고, 타방의 단부에는 추(70)가 부착되어 있다. 봉모양 부재(35)의 중앙에는 평행 빔부(80)가 설치되어 있고, 이 평행 빔부(80)에 코일(60)을 감고 있다. 진동원(71)으로부터의 진동이 봉모양 부재(35)로 전달되고 평행 빔부(80)에서 발전된다.

본 실시형태의 발전소자(9)는 추(70)에 의하여 공진주파수를 조정할 수 있고, 또한 일반적인 외팔보와 마찬가지로 취급할 수 있다.

[제10실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제10실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도13에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(10)는, 제9실시형태의 발전소자(9)의 상하를 반전시킴과 아울러 굴곡부재(36)의 단부를 연장하여 추(70)를 부착한다는 점에 특징을 갖는다.

[제11실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제11실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도14(a) 및 도14(b)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(11)는, 자성부(201)의 표면에 자왜판(20)을 적층함으로써 적층부(202)를 구성한다는 점에 특징을 갖는다.

즉 상기 제1실시형태 등에서는, 프레임 요크(30)의 일부를 두께방향(상하방향)으로 얇게 함으로써 자성부(31)로 하였지만, 본 실시형태에서는 프레임 요크(203)의 두께를 균일하게 하고 있고, 그 폭을 좁게(가늘게) 한 부분을 자성부(201)로 하고 있다. 그리고 이 자성부(201)의 표면에 자왜판(20)을 평행하게 적층함으로써 적층부(202)를 구성하고 있다. 이와 같이 적층부(202)는 평행 빔부(80)의 하위개념으로서, 환언하면 적층부(202)는 평행 빔부(80)에 포함된다.

이 발전소자(11)의 제조방법은, 우선 도15에 나타내는 바와 같이 일방의 단부가 가늘어지도록 판재를 프레스가공 등의 주지의 방법에 의하여 잘라내고, 점선부분에서 상방으로 구부림으로써 U자모양의 프레임 요크(203)를 형성한다.

가늘어져 있는 부분이 자성부(201)에 해당한다.

자왜판(20)의 폭은 자성부(201)의 폭과 동일하게 되어 있고, 또한 프레임 요크(203) 중 자성부(201) 이외로서 폐자기회로의 자로로 기능하는 부분의 폭이 자성부(201)의 폭의 2배 이상으로 되어 있다.

그리고 접착제나 용접 등의 주지의 방법에 의하여 자성부(201)의 표면에 자왜판(20)을 고착시킴으로써 자성부(201)과 자왜판(20)을 적층한다.

다음에 코일(60)을 자유단측의 단부로부터 삽입하고, 적층부(202)를 덮는 위치까지 이동시켜서 고정한다. 또한 추가로 1개의 코일(60a)를 고정단측의 단부로부터 삽입하고, 적층부(202)의 하방에서 고정시킴으로써 상하의 2부분에서 발전하는 구성으로 되어 있다. 또 코일은 상하 중 어느 1부분만이더라도 좋다.

프레임 요크(203)의 고정단측의 단부를 U자모양으로 하여 이 부분에 볼트의 축(도면에 나타내는 것을 생략)을 삽입함으로써 발전소자(11)를 고정시킬 수 있다.

본 실시형태의 발전소자(11)는, 적층부(202)의 주위에 코일(60)을 부착하므로 코일(60)의 층두께(권수)를 크게 할 수 있다. 또한 코일(60, 60a)을 프레임 요크(203)의 단부로부터 삽입하고 이동시키기만 하면 좋기 때문에 제조비용을 더욱 억제하여 대량생산이 가능하게 된다.

또한 자성부(201)의 폭을 다른 부분보다 가늘게 함으로써 자성부(201)가 자기포화되기 쉽게(자속을 통과시키기 어렵게) 되고, 다른 부분이 자기포화되기 어렵게(자속을 통과시키기 쉽게) 된다. 또한 프레임 요크(203)의 고정단측의 폭이 자유단측의 폭과 비교하여 상대적으로 커지게 되므로, 접착제나 양면 테이프로 고정시키기 쉽게 된다.

또한 자성부(201)의 표면에 자왜판(20)을 적층하기 때문에, 제1실시형태에 나타낸 발전소자(1)와 같이 자왜판(20)의 양 단부만을 프레임 요크(30)의 상면에 부착하는 경우와 비교하여, 자왜판(20)을 프레임 요크(203)(자성부(201))에 견고하게 고정시킬 수 있다. 또한 제1실시형태의 발전소자(1)에서는 진동시에 자왜판(20)의 양 단부에 응력집중이 발생하거나, 자왜판(20)이 자성부(31)와 다른 뒤틀림 변형을 할 가능성이 있지만, 본 실시형태의 발전소자(11)에서는 응력집중이 발생하거나, 자왜판(20)이 뒤틀리는 변형을 하는 경우가 없으므로, 진동을 발생시키기 쉽게 할 수 있다.

또 도16(a)~(c)에 나타내는 바와 같이 자유단을 2부분에 형성하더라도 좋다. 이 경우, 자성부(201)에 해당하는 부분이 2개가 되도록 판재를 잘라내고 각 자성부(201)에 자왜판(20)을 적층하여 코일(60)을 감는다. 각 자유단측의 단부에 부착되는 추(104)의 무게를 조절하거나, 혹은 자유단의 길이를 조절하거나 하여 2개의 자유단의 공진주파수를 다르게 함으로써 폭넓은 주파수에서 발전할 수 있다. 자유단을 3부분 이상 형성하더라도 좋다. 또한 도16(d)에 나타내는 바와 같이 적층부(202)를 1개만 형성하는 것으로 하더라도 좋다.

또한 도17에 나타내는 바와 같이 프레임 요크(203)의 고정단측에 회로소자(204)를 설치하거나 발전소자(11)를 프레임 요크(203)의 고정단측의 단부에서만 고정시키는 경우에, 일부를 가늘게 함으로써 진동에너지의 소실을 방지하거나 할 수도 있다.

또한 도18(a) 및 도18(b)에 나타내는 바와 같이 프레임 요크(205)를, 판모양 부재(205a)와 굴곡부재(205b)의 2개의 부재로 구성하더라도 좋다.

판모양 부재(205a)는, 그 일방의 단부가 자유단이고 타방의 단부가 고정단이며 중앙에 적층부(202)와 코일(60)을 구비한다.

굴곡부재(205b)의 일방의 단부에는 자석(50)이 부착되어 있고, 타방의 단부는 판모양 부재(205a)의 고정단의 근방에 고정되어 있다.

그 외에도 도18(c) 및 도18(d)에 나타내는 바와 같이, 상하 2장의 판모양 부재(205c) 사이에 연결부(205d)를 접합하거나 도18(e)에 나타내는 바와 같이 굴곡부를 포함한 1장의 판모양 부재(205e)로 구성하거나 하더라도 좋다.

[제12실시형태]

다음에 본 발명의 발전소자의 제12실시형태에 대하여 설명하지만, 상기 각 실시형태와 동일한 구조로 되는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여서 그 설명을 생략한다.

도19(a)~(c)에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 발전소자(12)는, 1장의 판재가 프레임 요크(206)와 스위치 기구(207)의 일부를 겸한다는 점에 특징을 갖는다.

구체적으로는 도19(c)에 나타내는 바와 같이, 판재의 일부를 ㄷ자모양으로 잘라냄으로써 프레임 요크(206)의 자유단과 스위치판(207a)을 형성하고, 이것을 U자모양으로 구부림으로써 스위치판(207a) 이외의 부분을 프레임 요크(206)로 한다.

도19(a) 및 도19(b)에 나타내는 바와 같이, 스위치판(207a)의 하면에 요크(207b)를 부착하고, 요크(207b)의 일부에 자석(50)을 부착한다. 자석(50)은 프레임 요크(206)의 자유단에 대하여 자기적으로 부착된다. 스위치판(207a)의 상면에는 조작부(207c)를 부착한다.

조작부(207c)을 눌러내리면 프레임 요크(206)의 자유단이 자석(50)으로부터 떨어져 자유진동하므로 적층부(202)에서 발전할 수 있다.

실시예1

도20에 나타내는 발전소자(100)에 대하여 단일 권선의 픽업 코일(pickup coil)(101)의 감는 위치를 변화시켜서 그 발생전압을 비교하였다.

구체적으로는 ㄷ자모양의 프레임 요크(102)의 자유단측의 내면에 백 요크(103)를 부착하고, 그 단부에 추(104)를 부착하였다. 또한 프레임 요크(102)의 고정단측에 평행 빔부(105)를 설치하고, 그 단부를 진동원(106)에 고정시켰다. 픽업 코일(101)은 자왜판(107), 자성부(108), 평행 빔부(105)(자왜판(107)+자성부(108)), 프레임 요크(102)의 각각에 감겨 있다.

각 부의 재질 및 치수는 이하와 같다.

ㆍ자왜판(107): 철 갈륨 합금으로서 폭 2mm, 두께 0.5mm, 길이 13mm(접합부 양단 3mm, 솔더링에 의하여 프레임 요크(102)에 접합).

ㆍ프레임 요크(102): 재질은 SK2재(경화 탄소강, 자성체), 폭 2mm, 두께 1mm. 추(104), 백 요크(103) 및 자성부(108)를 일체로 성형.

ㆍ자성부(108): 폭 2mm, 두께 0.3mm.

ㆍ평행 빔부(105): 자왜판(107)과 자성부(108) 사이의 공간의 두께 0.7mm.

ㆍ자석(109): 영구자석으로서 재질은 네오디뮴 철 보론. 폭 2mm, 길이 3mm, 두께 1mm. 프레임 요크(102)와의 공극(110)의 두께 0.5mm.

진동원(106)을 공진주파수 322Hz에서 구동하면, 자왜판(107) 내에 똑같은 인장과 압축의 응력이 교대로 발생하고, 역자왜효과에 따라 교번(交番)적으로 자속의 변화가 발생한다. 그리고 자속의 시간변화에 비례하여 전압이 발생한다. 픽업 코일(101)의 발생전압은 자속의 시간변화와 일치하므로, 이것에 권수를 곱하면 발생(개방)전압을 시산(試算)할 수 있다.

도21에 전압분포를 나타낸다.

자왜판(107)과 평행 빔부(105)(자왜판(107)+자성부(108))의 전압은 거의 같지만, 자성부(108)의 전압은 작아졌다. 이것은, 자성부(108)가 자기포화의 상태에 있기 때문에 자속의 변화가 발생하기 어렵게 되어 있는 것을 나타내고 있다. 즉 평행 빔부(105)(자왜판(107)+자성부(108))의 발생전압이 자왜판(107)의 발생전압과 거의 같아지는 것은, 자성부(108)가 자기포화의 상태에 있기 때문이다.

이와 같이 종래의 역자왜식의 발전소자와 같이 자왜판(107)에만 코일을 감았을 경우에 코일의 두께가 평행 빔부(105)의 공간의 두께에 의하여 제약을 받는 것임에 대하여, 본 발명과 같이 평행 빔부(105) 전체에 코일을 감음으로써 이러한 제약을 없앨 수 있다는 원리가 실증되었다.

또 프레임 요크(102)의 전압은 자왜판(107)과 동일하게 된다고 기대하였지만, 본 실시예의 구성에서는 프레임 요크(102)의 전압은 자왜판(107)의 전압보다 작았다. 이것은 자속의 누설이 발생하였기 때문이라고 추측할 수 있다. 자속의 누설은 자기회로를 개량함으로써 작게 할 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 코일을 평행 빔부(105)에 감았을 경우에, 코일을 자왜판(107)에 감았을 경우와 같은 정도의 전압을 얻을 수 있으며 코일을 프레임 요크(102)에 감은 경우에도 어느 정도의 전압을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.

실시예2

도22에 나타내는 바와 같이 제11실시형태에서 나타낸 발전소자(11)를 제작하여 상하 2개의 코일의 전압을 측정하였다. 도23은 본 실시예의 발전소자의 구성을 도식적으로 나타낸 도면이다.

프레임 요크는 U자모양으로서 SPCC(냉간압연재)의 0.5mm두께의 판으로부터 성형되었다. 자왜판의 형상은 폭 2mm, 두께 0.5mm, 길이 16mm이고, 자성부, 즉 자왜판을 적층하는 부분의 폭이 동일하게 2mm, 프레임 요크의 자성부 이외의 부분의 폭은 6mm이다. 상측의 코일(60)(코일1)은 선지름(線徑) 0.05mm, 층두께 1mm, 길이 7mm, 권수 1700, 하측의 코일(60a)(코일2)은 선지름 0.05mm, 층두께 1mm, 길이 9mm, 권수 1800이다. 영구자석은 폭 2mm, 길이 3mm, 두께 2mm로 하였다. 또한 프레임 요크의 자유단측의 단부에는 추를 부착하기 위한 L자형 부재를 부착하였다.

프레임 요크의 고정단측을 볼트로 고정하고 자유단측을 튕김으로써 자유진동시켜 발생한 전압을 측정한 결과를 도24에 나타낸다. 180Hz의 주파수로 진동하고, 코일1에서는 최대 2V 정도의 전압이 발생하였다. 또한 코일1과 코일2의 전압파형은 대략 동일하고, 코일2의 전압은 코일1보다 작아졌지만, 이것은 누설자속 때문이다.

이상 누설자속에 의하여 약간 전압은 감소하지만, 자왜판에서 변화된 자속은 U자모양의 프레임 요크를 흐름으로써 코일2에도 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

또 발생전압을 증가시키기 위해서는 진동주파수를 증가시키는 것이 좋지만, 실제로는 적층부에 감긴 코일1이 추(錘)가 되기 때문에 주파수를 증가시키기 어렵다. 이에 대한 해결안으로서, 도25와 같이 적층부(202)와 코일1(60) 사이에 공극을 형성하여, 진동하는 적층부(202)이 코일1과 간섭하지 않는 구조(코일1의 공심부(空芯部) 내를 적층부(202)가 진동하는 구조)로 하는 것이 좋다. 이 경우에, 코일1의 하측을 프레임 요크의 고정단측에 스페이서 등을 통하여 고정시키고, 또 프레임 요크의 고정단측의 전체도 고정시키는 것이 좋다.

실시예3

도26에 나타내는 바와 같이 4종류의 발전소자(A~D)를 제작하여 변형과 자속의 관계를 그래프화하였다.

발전소자(A~D)의 각 프레임 요크의 폭(T)은 6mm이고, 자기 바이어스를 부여하는 영구자석으로서 2×3×2mm의 네오디뮴 자석을 이용하였다.

도26(a1) 및 도26(a2)의 발전소자(A)는 자성부와 자왜판을 적층한 구성이다. 자성부는 자기포화되어 있고, 프레임 요크 중 자성부 이외의 부분은 자기포화되어 있지 않다. 자성부의 폭은 2mm이다.

도26(b1) 및 도26(b2)의 발전소자(B)는, 프레임 요크 중 굴곡부분까지 자성부와 같은 폭 2mm로서 가늘게 한 구성이다. 자성부 및 굴곡부분은 자기포화되어 있다.

도26(c1) 및 도26(c2)의 발전소자(C)는 프레임 요크의 두께를 발전소자(A)의 프레임 요크의 두께의 2배로 함과 아울러 굴곡부분까지 자성부와 같은 폭 2mm로서 가늘게 한 구성이다. 자성부 및 굴곡부분은 자기포화되어 있지 않다.

도26(d1) 및 도26(d2)의 발전소자(D)는 발전소자(A)와 동일한 형상이지만, 프레임 요크를 비자성재료(SUS304)로 형성한 구성이다. 다만, 프레임 요크가 자기회로의 역할을 하지 않기 때문에, 영구자석을 적층부의 양단에 배치하고 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 발전소자(A)는 본 발명에 포함되고, 발전소자(B~D)는 본 발명의 발전소자에 포함되지 않고 비교예가 된다.

발전소자(A~D)에 있어서, 자왜판은 모두 2×0.5×16mm의 Fe-Ga합금으로 하고, 프레임 요크는 발전소자(A 및 B)에서는 0.5mm두께의 SPCC판, 발전소자(C)에서는 1mm두께의 SPCC판, 발전소자(D)에서는 SUS304의 판으로 성형하였다.

발전소자(A~D)의 각 자왜판의 중앙에 스트레인 게이지를 접착하였다. 또한 발전소자(A~C)에서는 적층부와 프레임 요크의 고정단측에 각각 단일 권선의 픽업 코일(1,2)을 감았다. 발전소자(D)에서는 적층부에 단일 권선의 픽업 코일을 감았다.

발전소자(A~D)의 고정단측을 가진기(加振機)에 고정하여 여진(勵振)시키고, 이 때의 변형(적층부 및 프레임 요크의 변형)과 자속의 변화의 관계를 측정하였다(도27(a) 및 도27(b)).

발전소자(A)의 적층부는, 발전소자(B~D)에 비하여 변형에 대하여 자속이 크게 변화되고 있다. 발전소자(A)의 프레임 요크의 고정단측에 대해서도 적층부와 같은 정도의 자속의 변화가 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.

발전소자(B)의 자속의 변화가 적층부 및 프레임 요크의 고정단측의 양자에서 대폭적으로 작은 것은, 자성부 및 이것에 이어지는 굴곡부까지가 자기포화되어 있어서 폐자로(閉磁路)의 역할을 하지 않기 때문이다.

발전소자(C)의 자속의 변화가 적층부 및 프레임 요크의 고정단측의 양자에서 대폭적으로 작은 것은, 자성부와 자왜판이 모두 자기포화의 상태가 아니므로, 자왜판의 자속변화가 자성부를 역류하여 자왜판으로 되돌아온다는 국소적인 폐자로를 형성하기(전체적으로 외부에 나타나는 자속변화를 소거하기) 때문이다.

발전소자(D)의 자속의 변화가 적층부 및 프레임 요크의 고정단측의 양자에서 대폭적으로 작은 것은, 비자성판이 자속을 통과시키지 않고 폐자로를 형성하지 않기 때문이다.

이상에서 본 발명의 효과가 실증되었다.

실시예4

도28에 나타내는 발전소자를 형성하여, 도29에 나타내는 전압/진동가속도의 주파수응답의 그래프와, 도30에 나타내는 전압 및 이동가속도의 시간변화의 그래프를 얻었다.

구체적으로는 자왜판은 Fe-Ga합금 4mm(폭)×0.5mm(두께)×13mm(길이)로, 프레임 요크는 SPCC 0.5mm두께로 성형되고, 자성부의 폭은 자왜판과 같은 4mm로, 그 이외의 부분은 12mm로 하였다. 자성부는 자기포화되어 있고, 자성부 이외의 부분은 자기포화되어 있지 않다.

적층부에는 선지름 0.05mm, 층두께 2mm, 길이 7mm, 권수 3456턴(turn)의 공심코일을 뒤로부터 삽입하여 실리콘으로 고정시켰다. 바이어스용 영구자석으로서 4×3×2mm(두께)의 네오디뮴 자석을 이용하였다.

프레임 요크의 자유단에는 7g의 추를 L자의 금구를 통하여 부착하였다. 프레임 요크의 굴곡부의 곡률반경은 1.5mm이고, 굴곡부의 변형을 억제하기 위하여 굴곡부의 내면측에 지름 3mm의 철봉를 접착하였다.

프레임 요크의 고정단의 끝을 나사로 고정시키고, 가진기에 의하여 정현파로 진동을 가하였다.

도29에 나타내는 바와 같이 전압/진동가속도(가속도 픽업(acceleration pickup)에 의해 측정)의 주파수응답에서 공진주파수가 38.2Hz에 있고, 공진이 뾰족하다(높은 Q값)는 특성을 갖는다.

다음에 38.2Hz, 0.1G의 정현파로 진동을 가하였는데, 도30에 나타내는 바와 같이 최대 1.34V의 개방전압을 발생하였다. 코일의 저항이 400Ω이기 때문에 개방전압의 제곱/(4×저항)에 따라 계산되는 발생전력은 1.12mW로 산출된다.

이상에서 교량이나 자동차의 엔진, 컴프레서, 생산기계 등에서 발생하는 30Hz, 0.1G정도의 미소한 가속도라도 무선 센서 시스템을 자립적으로 동작시키기 위하여 충분히 실용적인 전압 및 전력을 공급할 수 있는 진동 발전 디바이스의 실현에 성공하였다.

또 본 실시예에서는 프레임 요크의 판재로서 냉간압연재 SPCC를 이용하였지만, 스프링성이 높은 베이나이트(bainite)강이나 SK재를 이용함으로써 프레임 요크의 기계손실이 줄어들고, 감도를 더욱 상승시킬 수 있다고 생각된다.

실시예5

도31에 나타내는 발전소자를 형성하였다. 이 발전소자는 도28의 발전소자와 거의 동일한 구성이지만, 공진주파수를 높게 하기 위하여 자유단측에 추를 구비하지 않는 점과 굴곡부의 내면측에 철봉을 구비하지 않는 점이 다르게 된다.

리모콘의 케이싱을 상정한 아크릴 플레이트에 발전소자의 고정단측을 나사로 고정시켰다. 아크릴 플레이트를 들고 선단을 손가락(손톱)으로 튕겼는 바, 발전소자는 자유진동하여, 도32에 나타내는 바와 같이 최대 27V, 769Hz로 자유진동하는 개방전압이 발생하였다. 진동은 0.1초 정도 발생하였다. 프레임 요크를 U자모양으로 하고 적층부를 설치함으로써 진동이 지속된다.

전압을 제곱하고 시간적분한 값을 저항으로 나누어서 얻어지는 발생에너지는 1.8mJ이 되고, 이것은 리모콘에서 1회의 무선송신에 필요한 에너지 0.2mJ를 크게 상회하는 값이다.

이 발전소자에 배전압 정류회로(倍電壓 整流回路)와 커패시터를 부착하여 전압을 직류화한 것을 리모콘용 무선모듈(IM315TX: 인터플랜(Interplan)사 제품)에 공급하였는데, 1회 튕길 때마다 모듈이 동작하여 신호송신하는 것에 성공하였다.

이상에서 전지를 필요로 하지 않는 리모콘의 실현에 성공하였다.

산업상 이용가능성

본 발명은, 기전력이 증가하고 또한 제조비용을 억제하여 대량생산을 가능하게 하는 역자왜식 발전소자, 발전소자의 제조방법 및 액추에이터에 관한 것으로서 산업상 이용가능성을 구비한다.

1~12:발전소자
20:자왜판
30:프레임 요크
30a:제1부재
30b:제2부재
31:자성부
32:제1부재
33:제2부재
34:제3부재
35:봉모양 부재
36:굴곡부재
40:백 요크
50:자석
51:전자석
60:코일
60a:코일
70:추, 진동판
71:진동원
72:금구
73:자석
74:스위치판
80:평행 빔부
90:공극
100:발전소자
101:픽업 코일
102:프레임 요크
103:백 요크
104:추
105:평행 빔부
106:진동원
107:자왜판
108:자성부
109:자석
110:공극
200:굴곡부
201:자성부
202:적층부
203:프레임 요크
204:회로소자
205:프레임 요크
205a:판모양 부재
205b:굴곡부재
205c:판모양 부재
205d:연결부
205e:판모양 부재
206:프레임 요크
207:스위치 기구
207a:스위치판
207b:요크
207c:조작부

Claims (15)

1. 자성재료로 이루어지고 폐자기회로(閉磁氣回路)를 형성하기 위한 굴곡부를 갖는 프레임 요크(frame yoke)와, 상기 프레임 요크의 일부에 형성되는 자성부(磁性部)와, 자왜재료로 이루어지는 자왜판(磁歪板)과, 코일과, 자석을 구비하는 역자왜식 발전소자(逆磁歪式 發電素子)에 있어서,
   상기 자성부는 상기 자왜판에 똑같은 압축력 또는 인장력을 가하기 위한 강성(剛性) 및 형상(形狀)을 갖음과 아울러 상기 자석의 자기 바이어스(磁氣 bias)에 의하여 자기포화(磁氣飽和)되어 있고,
   상기 자왜판은 상기 자성부와 평행하게 되도록 상기 프레임 요크에 부착되어 있고,
   상기 코일은 상기 자왜판과 상기 자성부로 이루어지는 평행 빔부(parallel beam部) 및/또는 상기 프레임 요크에 감겨 있고,
   외력의 부가에 의하여 상기 자왜판이 신장 또는 수축되어 발전하는
   것을 특징으로 하는 발전소자(發電素子).
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 평행 빔부는 상기 자성부의 표면상에 상기 자왜판이 적층되어 이루어지는 적층부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   ㄷ자모양의 백 요크(back yoke)를 구비하고 있고,
   상기 자석이 상기 백 요크의 각 단부(端部)에 부착되어 있고, 상기 양 자석이 상기 프레임 요크의 측면에 대하여 공극(空隙)을 둔 상태에서 끼워져 위치되도록, 상기 백 요크가 상기 프레임 요크에 지지되는
   것을 특징으로 하는 발전소자.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 프레임 요크가 상기 양 자석에 끼워져 있는 부분의 폭이 변화되어 있고, 상기 프레임 요크가 이동함으로써 상기 공극의 폭이 변화되는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 코일의 공심부(空芯部)내와 상기 평행 빔부 사이에 공극을 유지하도록 상기 코일이 상기 프레임 요크의 고정단측에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 프레임 요크가 2개 이상의 부재를 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 프레임 요크의 일부가 그 폭방향으로 좁게 및/또는 두께방향으로 얇게 되어 있고, 이 좁게 및/또는 얇게 되어 있는 부분을 상기 자성부로 하는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 자성부의 폭과 상기 자왜판의 폭이 동일하고, 또한 상기 프레임 요크 중 상기 자성부 이외로서 상기 폐자기회로의 자로로 기능하는 부분의 폭이, 상기 자성부의 폭의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 프레임 요크가 상기 자유단을 2개 이상, 상기 고정단을 1개 구비하고 있고, 상기 평행 빔부를 1개 이상의 상기 자유단측에 형성하는 것을 특징으로 하는 발전소자.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 자석이 전자석인 것을 특징으로 하는 발전소자.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    외력을 부가하기 위한 스위치 기구(switch 機構)를 상기 프레임 요크의 일부에 구비하는 것을 특징으로 하는 발전소자.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서,
    상기 프레임 요크를 소성가공에 의해 제조하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 프레임 요크를 절곡가공에 의해 ㄷ자모양으로 성형하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
    
14. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 발전소자의 제조방법에 있어서,
    상기 코일을 상기 프레임 요크의 단부로부터 삽입하고, 상기 평행 빔부까지 이동시켜서 고정하는 것을 특징으로 하는 발전소자의 제조방법.
    
15. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 따른 발전소자와 동일한 구조를 구비하고 있고, 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써 상기 자왜판이 신축(伸縮)되어서, 상기 프레임 요크의 자유단이 진동하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
    

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