명 칭 목 적 배경(종래기술) Idea 내용 (기본도면) 그림 1. Mechanism 구성도 1. 목적: 모바일 기기에서의 진동 모터 겸용 kinetic 발전기 구조 및 동작 원리 제안 목 적 배경(종래기술) 기존의 폰에 내장되어 있는 햅틱용 진동모터와 내장용 발전기의 모터를 겸용하여 모듈의 사이즈 및 가격을 줄여 사용자 편리성을 증대시키기 위한 아이디어를 제안한다. 폰이나 MP3 기기등 모바일 기기에서의 Energy harvesting 모듈로서 진동 모터로 사용 가능한 Kinetic 발전기의 concept 및 구현 원리 제안 Idea 내용 (기본도면) 1. 목적: 본 발명은 Energy harvesting 모듈 중에서 진동 모터로서도 사용이 가능한 kinetic 발전기에 대한 컨셉 및 원리에 대한 내용이다. 보통 모바일 폰이나 MP3 등 happtic 기능이 추가되는 경우 진동모터를 사용하게 된다. 이러한 진동모터는 일정량의 편심을 가지는 추를 이용하여 진동을 발생시키는 경우가 있는데 이러한 진동모터에 기어 트레인을 부착할 경우 kinetic 발전기로서의 사용이 가능한다. 본 발명에서는 하나의 모터에 편심의 진동 추와 기어 트레인 등을 연결하여 진동과 발전의 두가지 기능을 가지는 kinetic 발전기 개념을 제안한다. 이러한 kinetic 발전기는 진동모터와 발전을 겸하기 때문에 모바일 폰이나 mp3, PMP, 노트북, 넷북과 같은 모바일 기기에서 사이즈 문제를 해결할 수 있고 가격 측면에서도 메리트를 가지게 된다. 그림 1은 제안된 진동모터 겸용 kinetic 발전기의 mechanism 구성도 이다. 보통 모터는 내구성을 고려할 경우 BLDC 모터를 사용될 수 있으나 가격 측면에서 DC모터나 스테핑 모터도 사용될 수 있다. 모터는 양방향 축이 있으며 한쪽 축은 kinetic 발전기 구조가 다른 축에는 진동모터 구조가 연결되며 이 구조 중간에는 한방향이나 양방향으로 동력이 전달되는 clutch가 연결된다. 이 클러치는 기계적 구조가 될 수 도 있고 자기유변 유체(Magneto-rheological fluid)나 마그네틱 클러치 구조의 전기적 클러치일 수 도 있다. 그림 1. Mechanism 구성도 Gear train motor 편심 추 One-way or 양방향 clutch 진동 모터 기능 kinetic 발전기 기능 사용자의 회전 축 스프링판/molding 프라스틱 구조의 기계적 클러치 자기 유변 유체/ 마그네틱 타입의 전기적 클러치 BLDC 모터/ DC 모터 / 스테핑 모터

그림 2-1. 2개의 양방향 clutch에 의한 작동방법 Idea 내용 (기본도면) 제안되는 kinetic 발전기는 다음과 같은 작동 원리에 의해서 동작한다. 그림 2-1는 2개의 양방향 clutch가 장착되는 경우에 대한 동작원리이다. 전자석 클러치나 자기 유변 유체 방식의 클러치 등의 양방향의 동력 전달이 되는 클러치의 사용이 가능하다. 이러한 클러치는 양방향으로 동력 전달이 가능하기 때문에 사용자가 어떤 방향으로 돌려도 발전이 된다는 장점이 있으나 클러치 작동을 위해 일정량의 에너지가 필요하다는 단점도 있다. 여기에 사용되는 클러치는 disable되어 있으면 (클러치에 소모전력이 없으면) 동력이 전달되고 enable되면( 클러치에 소모동력이 있으면) 동력이 전달되지 않는다. 이러한 특성의 클러치에 의해서 두 축은 동력 연결이 되어 있다가(양쪽다 disable) 사용자의 회전에 의해서 충전이 되면 charge IC를 모니터링하고 있는 MCU는 이를 알고 편심 추의 clutch를 enable시켜 편심추에 동력이 전달되지 않게 한다. 진동모드시에는 진동추 쪽만의 클러치를 disable되게 하여 진동추 쪽으로만 동력이 전달되게 한다. 이러한 방식은 사용자가 양방향으로 회전시켜도 모두 발전이 되는 방식이기 때문에 사용자 사용관점에서는 장점이 있으나 기구 구조물 및 회로가 매우 복잡해지고 가격이 올라가는 단점이 있다. 그림 2-1. 2개의 양방향 clutch에 의한 작동방법 충전시 (초기상태) Gear train motor 편심 추 양방향 clutch 사용자의 회전 MCU Disable (소모 전력 無, 동력 전달) Disable(초기, 동력 전달 가)  Enable(충전시, 동력전달 불가) (사용 전력 有) Enable (동력 전달 불가, 소모 전력 有) Disable (동력 전달) MCU 진동 모드 Gear train motor 편심 추 양방향 clutch

그림 2-1. 2개의 양방향 clutch에 의한 작동방법 Idea 내용 (기본도면) 제안되는 kinetic 발전기는 다음과 같은 작동 원리에 의해서 동작한다. 그림 2-1는 2개의 양방향 clutch가 장착되는 경우에 대한 동작원리이다. 전자석 클러치나 자기 유변 유체 방식의 클러치 등의 양방향의 동력 전달이 되는 클러치의 사용이 가능하다. 이러한 클러치는 양방향으로 동력 전달이 가능하기 때문에 사용자가 어떤 방향으로 돌려도 발전이 된다는 장점이 있으나 클러치 작동을 위해 일정량의 에너지가 필요하다는 단점도 있다. 여기에 사용되는 클러치는 disable되어 있으면 (클러치에 소모전력이 없으면) 동력이 전달되고 enable되면( 클러치에 소모동력이 있으면) 동력이 전달되지 않는다. 이러한 특성의 클러치에 의해서 두 축은 동력 연결이 되어 있다가(양쪽다 disable) 사용자의 회전에 의해서 충전이 되면 charge IC를 모니터링하고 있는 MCU는 이를 알고 편심 추의 clutch를 enable시켜 편심추에 동력이 전달되지 않게 한다. 진동모드시에는 진동추 쪽만의 클러치를 disable되게 하여 진동추 쪽으로만 동력이 전달되게 한다. 이러한 방식은 사용자가 양방향으로 회전시켜도 모두 발전이 되는 방식이기 때문에 사용자 사용관점에서는 장점이 있으나 기구 구조물 및 회로가 매우 복잡해지고 가격이 올라가는 단점이 있다. 그림 2-1. 2개의 양방향 clutch에 의한 작동방법 충전시 (초기상태) Gear train motor 편심 추 양방향 clutch 사용자의 회전 MCU Disable (소모 전력 無, 동력 전달) Disable(초기, 동력 전달 가)  Enable(충전시, 동력전달 불가) (사용 전력 有) Enable (동력 전달 불가, 소모 전력 有) Disable (동력 전달) MCU 진동 모드 Gear train motor 편심 추 양방향 clutch

그림 2-2. 2개의 one-way clutch에 의한 작동방법 Idea 내용 (기본도면) 그림 2-2는 2개의 one-way clutch가 장착되는 경우에 대한 동작원리이다. 앞서 말한 전자석 클러치나 자기 유변 유체 방식의 클러치 등의 양방향 전달이 되는 클러치의 경우 사용이 가능하지만 복잡한 구조를 가지기 때문에 기계적 방식 one way clutch를 적용할 경우 단순한 구조가 가능하다. 양쪽 축을 가지는 모터를 중심으로 양쪽에 clutch가 1개씩 장착되고(총 2개의 clutch를 장착) 그 바깥쪽에 진동추와 기어 트래인이 각각 장착된다. 충전을 하고자 할 때 사용자가 시계반대방향으로 기어트래인을 돌리면 one-way clutch에 의해서 모터는 돌고 진동추에는 동력이 전달되지 않아 모터의 역기전력을 이용하여 발전을 하게 되고 모터를 진동모드 액츄에이터로 사용할 때는 MCU에 의해 drvie IC를 통해서 모터를 시계방향으로 돌려 진동추는 회전시키고 기어트래인 쪽은 회전하지 않게 되게 한다. 그림 2-2. 2개의 one-way clutch에 의한 작동방법 충전시 (초기상태) Gear train motor 편심 추 clutch 사용자의 회전 진동 모드 Gear train motor 편심 추 clutch

그림 2-3. 1개의 one way clutch에 의한 작동방법 Idea 내용 (기본도면) 그림 2-3은 1개의 one-way clutch가 장착되는 경우에 대한 동작원리이다. 앞의 clutch 2개를 사용한 경우와는 달리 1개만을 사용하는 이유는 실제 양산 적용시 clutch의 가격 문제나 사이즈 문제를 고려하기 위함이다. 이 경우는 clutch가 모터와 기어 트래인 사이에 장착되고 진동추는 모터와 직결된다. 이렇게 되어 충전시에는 진동추와 기어트래인이 같이 돌고 진동모드일 때는 진동추만 돌게 된다. 충전시에 진동추와 기어트래인이 동시에 돌게 되면 진동추에 의해 진동이 발생되어 사용자에게 불쾌감을 줄 수 있는데 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 진동추를 적절하게 설계하여 진동모드 일 때와 발전 모드일 때의 작동 frequency 영역을 다르게 해 주어 해결할 수 있다. 이에 대한 설명은 그림 3과 같다. (a)는 발전기 사이즈가 어느정도 커서 저RPM으로 돌려도 가능한 경우로 진동모터 추의 편심을 작게 하여 고rpm에서 큰 진동을 주는 경우이며 (b)의 경우는 발전기 사이즈가 작아 고RPM으로 발전 동작시켜야 하는 경우로 이 경우에는 편심 추에 댐퍼나 스프링 등의 역할을 하는 부품을 추가적으로 장착해서 검은 선의 진동 특성을 가지게 설계해야 한다. 그림 2-3. 1개의 one way clutch에 의한 작동방법 충전시 (초기상태) Gear train motor 편심 추 clutch 사용자의 회전 진동 모드 Gear train motor 편심 추 clutch 그림 3. 주파수 영역에 따른 동작 영역 분리 발전기 동작 영역 진동모터 Low frequency Frequency 진동력 High 저 RPM 발전기 경우 진동모터 동작 영역 발전기 Low frequency Frequency 진동력 High (b) 고 RPM 발전기 경우

Idea 내용 (기본도면) 그림 4. 회로 기본 동작 원리 그림 4는 회로의 기본 동작원리를 설명하는 것이다. (a)와 같이 초기 상태는 발전 모드로 세팅되어 모터 단자가 switching circuit에 의해서 충전 회로 연결되어 있다. 따라서 사용자가 어떤 순간에나 회전해도 모터의 발전에 의해 정류된 에너지는 charge IC를 통해 배터리로 충전된다. 이 때 MCU는 charging IC의 charging status를 monitoring하게 되는데 이러한 이유는 사용자가 발전시에 전화가 오거나 터치스크린을 만지게 되어 진동모터가 작동할 경우 기계적 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 발전과 진동모드가 동시에 발생되는 경우를 막기 위해서 현재의 charge IC상태를 모니터링하는 것이며 물론 1개의 one-way clutch를 사용하는 경우(그림2-3와 같은 경우)에는 모니터링 기능이 꼭 필요하지는 않다. 그림 4. 회로 기본 동작 원리 진동 추 모터 기어 트래인 (a) 발전 모드시 (초기 상태) U,V,W 단자(BLDC 모터) 또는 +/- 단자(DC 모터) Rectifier circuit Charge IC Switching Battery Motor drive IC MCU disable Charging status monitoring 진동 추 모터 기어 트래인 (b) 진동 모드시 U,V,W 단자(BLDC 모터) 또는 +/- 단자(DC 모터) Rectifier circuit Charge IC Switching Battery Motor drive IC MCU enable

그림 5. One way clutch의 동작 원리 : 스프링 판 이용 Idea 내용 (기본도면) 그림 5는 기계적 구조의 one way clutch 구조단면을 나타낸 것이다. (a)와 같이 동력축 1이 시계방향으로 돌게 되면 동력축2에 spot 용접이나 동력 축 2의 홈에 끼워 맞추어져 있는 스프링판에 의해서 동력을 전달해 주고 동력축 1이 반시계방향으로 돌면 스프링 판에 의해서 회전이 안되는 구조로 되어 있다. 그림 5. One way clutch의 동작 원리 : 스프링 판 이용 동력 축 1 스프링 판 (동력축 2와 spot 용접 또는 홈 끼워맞춤) 동력 축 2 (a) 동력 전달할 때 (b) 동력 전달하지 않을 때 일자형 V자형 U자형 (c) 스프링 판의 다양한 형상

그림 6. 원심 clutch의 동작 원리 : 스프링 이용 Idea 내용 (기본도면) 그림 6은 기계적 구조의 원심 clutch 구조단면을 나타낸 것이다. 동력 축이 어느 RPM 이상 회전할 경우(wth)에만 원심력에 의해서 mass가 동력축2에 연결되어 동력이 전달된다. 회전이 안되면 스프링에 의해서 동력전달이 안되는 구조이다. Mass와 동력축 1사이의 스프링은 구조물의 크기나 특성에 따라 판 스프링이나 코일 스프링의 사용이 가능하며 판스프링의 경우에는 U, V, L ,I 자 형 등 다양한 형태의 구조를 넣을 수 있다. 경우에 따라서는 동력 축 2의 토크가 클 경우 mass와 동력축 2에 면적에 쇄기 형태의 음형 또는 홈을 만들어 두 축의 연결을 더 용이하게 할 수 있다. 이러한 클러치는 그림 7과 같이 연결되어 사용자의 발전 모드에서만 동력 1축이 회전 가능하여 동력이 전달되므로 발전이 되고 모터 드라이브 IC에 의해서 모터를 돌릴 경우(진동 모드)에는 동력 축 2가 회전하므로 동력전달이 안되어 진동추만 돌게 된다. 그림 6. 원심 clutch의 동작 원리 : 스프링 이용 동력 축 1 스프링 동력 축 2 mass 동력전달이 안될 때(RPM< wth ) 동력전달이 전달될 때(RPM> wth ) 그림 7. 시스템 연결도 및 동작설명 충전시 (초기상태) Gear train motor 편심 추 clutch 사용자의 회전 동력 1축 동력 2축 진동 모드 Gear train motor 편심 추 clutch

그림 8. 양방향 clutch의 동작 원리 : 마그네틱 등의 전자 클러치 Idea 내용 (기본도면) 그림 8은 양방향이 가능한 전자석 clutch에 대한 설명이다. 마그네트의 자기장을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로 자기장이 없으면 (전력공급이 없으면) 스프링에 의해서 쇄기 원리로 동작되어 동력이 전달되고 전력공급을 하면 자기장에 의해서 쇄기를 당기게 되어 동력전달을 할 수 없게 된다. 그림 8. 양방향 clutch의 동작 원리 : 마그네틱 등의 전자 클러치 축 1 축 2 쇄기 축 1 축 2 초기 상태 (전력 공급 안될 때) 초기 상태 (전력 공급 안될 때) 축 1 축 2 축 1 축 2 자기장이 가해질 때 (전력이 공급될 때) 자기장이 가해질 때 (전력이 공급될 때) Type 1 Type 2