KR100913333B1 - Resonance type energy harvester using piezoelectric film - Google Patents

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KR100913333B1
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최동호
이승재
박완순
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한양대학교 산학협력단
주식회사 승화이엔씨
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Abstract

A resonance-type energy harvester is provided to maximize power productivity and a piezoelectric effect by responding to vibration of various frequencies through piezoelectric resonant plates of various lengths. A plurality of resonant plates is attached on a coupling plate(10). A plurality of resonant plates has a different length. Each resonant plate comprises a piezoelectric film and an elastic plate. The coupling plate is attached in a construction structure. An output terminal is positioned in the coupling plate. The output terminal is electrically connected to the piezoelectric film. An attaching plate(17) supports the coupling plate. A charging part(30) is positioned in a rear surface of the coupling plate. An insulation layer is laminated on a surface of the coupling plate. A conductive layer is laminated on a surface of the insulation layer. The conductive layer is connected to the output terminal. An electrode is exposed to a fixed end of the resonant plate. The electrode is connected to the piezoelectric film. If the resonant plate is bonded with the coupling plate, the electrode is contacted with the conductive layer.

Description

압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터{Resonance type energy harvester using piezoelectric film}Resonance type energy harvester using piezoelectric film}

본 발명은 교량, 대형 건축물 및 송전탑 등 반복적인 진동에 노출되는 건설 구조물에 부착되는 압전식 에너지 하비스터(energy harvester)에 관한 것으로, 단부질량을 변화하여 고유진동수를 미세하게 조절할 수 있는 다양한 길이의 캔틸레버(cantilever)형 압전 공진판을 다수 내장하여 다양한 주파수의 진동에 응답할 수 있도록 함으로써, 압전효과 및 전력생산성을 극대화 한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric energy harvester attached to a construction structure exposed to repetitive vibration, such as bridges, large buildings and transmission towers, of various lengths capable of finely controlling the natural frequency by changing the end mass. By embedding a large number of cantilever type piezoelectric resonator plates to respond to vibrations of various frequencies, the piezoelectric effect and power productivity are maximized.

에너지 하비스터란 자연상태에서 변형 또는 소멸되는 에너지를 획득하여 가용의 에너지 형태로 변환하는 장치를 일컫는 것으로, 버려지는 에너지를 수집한다는 의미에서 에너지 스캐빈저(energy scavenger)라고도 불리운다.An energy harvester is a device that acquires energy that is transformed or dissipated in nature and converts it into an available form of energy. It is also called an energy scavenger in the sense of collecting waste energy.

에너지 하비스터는 그 용어 자체의 사용이 비교적 근래이 이루어졌을 뿐, 인류가 고대로부터 사용하던 에너지획득 방식과 일맥상통하는 것으로, 수차(水車)나 풍차(風車)도 광의의 에너지 하비스터라 할 수 있으나, 수력발전 또는 풍력발전 등 대규모 설비를 필요로 하는 산업용 발전시설과의 구분을 위하여 비교적 간소한 구성으로 단위 장치당 소량의 전력을 생산하는 수단을 협의의 에너지 하비스터로 구분하고 있다.Energy harvesters are relatively recent in terms of their use, and are in line with the methods of obtaining energy used by mankind from ancient times. Aberrations and windmills are also widely used energy harvesters. In order to distinguish it from industrial power generation facilities that require large-scale facilities such as hydroelectric power or wind power generation, the energy harvester is negotiated as a means of producing a small amount of power per unit in a relatively simple configuration.

이러한 에너지 하비스터용 발전(發電)수단으로서 압전체(壓電體)를 들 수 있는데, 압전체는 물리적 변형을 전력으로 변환하는 것으로, 발전을 위한 장치 구성이 간단할 뿐 아니라 공해를 배출하지 않으므로 에너지 하비스터의 도입 취지에 가장 부합되는 발전수단이라 할 수 있다.A piezoelectric body is a power generation means for an energy harvester. A piezoelectric body converts physical deformation into electric power, and since the device configuration for power generation is not only simple and does not emit pollution, it is an energy harvester. It can be said to be the power generation means that best meets the purpose of introducing the STER.

압전체란 외력에 의한 변형이 발생되면 분극(分極)이 유도되고 이 분극에 의하여 전기장이 형성되는 압전효과(piezoelectric effect)가 발현되는 물체를 일컫는 것으로, 대표적인 예로서 납-지르코늄-티타늄 복합산화물(PZT, lead zirconate titanate)을 들 수 있다.A piezoelectric body refers to an object that exhibits a piezoelectric effect in which polarization is induced when an external force is generated and an electric field is formed by the polarization. A representative example is a lead-zirconium-titanium composite oxide (PZT). lead zirconate titanate).

압전막은 막상(膜狀)으로 성형된 압전체로서, 압전막에 인장 및 압축력이 작용함에 따라 서로 반대방향의 전류가 발생되는데, 통상 도 1에서와 같이 캔틸레버(cantilever) 형태로 구성되어 변형이 반복됨에 따라 교류전류를 출력하게 된다.The piezoelectric film is a piezoelectric body formed in a film shape, and currents in opposite directions are generated as the tensile and compressive forces act on the piezoelectric film, and as shown in FIG. 1, the piezoelectric film is formed in a cantilever shape and deformation is repeated. As a result, AC current is output.

즉, 도 1은 캔틸레버형 압전막(21)의 자유단에 외력을 가하여 변형시킨 후 외력을 해제하여 진동을 유발한 것으로, 하방으로 변형시 캔틸레버의 상부면 및 하부면에 각각 인장응력 및 압축응력이 발생되고, 상방으로 변형시 반대로 캔틸레버의 상부면 및 하부면에 각각 압축응력 및 인장응력이 발생되는 바, 캔틸레버의 진동이 소멸되는 시점까지 변형(δ)과 동위상(同位相) 또는 대칭위상의 교류전류가 발생된다.In other words, Figure 1 is applied to the free end of the cantilever-type piezoelectric film 21 and deformed after the external force is released to cause vibration, and when deformed downward tensile stress and compression stress on the upper and lower surfaces of the cantilever, respectively When the strain is generated upward, conversely, compressive and tensile stresses are generated on the upper and lower surfaces of the cantilever, respectively, so that the strain (δ) is in phase or symmetrical phase until the vibration of the cantilever disappears. AC current of is generated.

이러한 압전체, 특히 캔틸레버형 압전막(21) 방식의 발전은 유도전류를 이용하는 전통적인 발전 방식에 비하여 기계적 측면에서 간소한 구성이 가능하기 때문에, 에너지 하비스터의 발전수단으로서 활용되고 있으며, 일례로 압전체를 이용한 도로 매설식 발전기를 들 수 있다.The piezoelectric, in particular, the cantilever-type piezoelectric film 21 is generated as a power generation means of the energy harvester because it can be simplified in terms of the mechanical structure compared to the conventional power generation using the induction current. The road-mounted generator used can be mentioned.

즉, 캔틸레버형 또는 양단지지형 압전막(21)을 도로에 매설하고, 도로 표면에 노출되어 차량이 통과함에 따라 압축력을 압전막(21)에 전달하는 스위치 형태의 노출부재를 설치하여, 차륜하중에 의한 압전막(21)의 직접 변형을 유도함으로써 발전을 수행하는 방식을 들 수 있다.That is, the cantilever-type or both-end supporting piezoelectric film 21 is embedded on the road, and a switch-type exposure member is provided to transmit the compressive force to the piezoelectric film 21 when the vehicle is exposed to the road surface and passes. And a method of generating power by inducing direct deformation of the piezoelectric film 21.

전술한 도로 매설형 발전장치와 같은 종래의 건설 구조물용 에너지 하비스터는 압전막(21)에 직접 하중을 작용하는 방식으로서 하중 전달과정에서의 충격이 압전막(21)의 에 직접 전달되어 피로파괴를 촉진할 뿐 아니라, 구조물에 매설 또는 매입되는 방식으로 시공되는 바, 기존 구조물에 설치할 경우 구조물이 손상될 수 밖에 없는 심각한 문제점이 있었다.The conventional energy harvester for construction structures such as the above-described road buried power generator is a method of directly applying a load to the piezoelectric film 21, and the impact during the load transfer process is transmitted directly to the piezoelectric film 21 to destroy the fatigue. As well as to promote the construction of the buried or embedded in the structure bar, there was a serious problem that can not be damaged when installed in the existing structure.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 건설 구조물 부착형 에너지 하비스터(energy harvester)에 있어서, 휨변형에 의하여 전류가 발생되는 압전막(21)과 탄성판(22)이 적층되는 다수의 공진판(20)과, 이들 공진판(20)의 일단이 부착되고 공진판(20)의 압전막(21)과 전기적으로 연결된 출력단자(14)가 설치되어 건설 구조물에 부착 및 고정되는 결합판(10)으로 이루어지되, 상기 다수의 공진판(20)은 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터로서, 결합판(10)의 표면에는 절연층(12)이 적층되고, 절연층(12)의 표면에는 출력단자(14)와 연결되는 도전층(13)이 적층되며, 공진판(20)의 고정단에는 압전막(21)과 연결된 전극(24)이 노출되어, 공진판(20)을 결합판(10) 표면에 접합하면 전극(24)과 도전층(13)이 접촉되고, 상기 공진판(20)의 자유단에는 착탈식 중량부(29)가 결합되며, 탄성판(22)의 형상은 양단부에서 중심측으로 단면이 점차 축소되는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems. In an energy harvester attached to a construction structure, a plurality of piezoelectric films 21 and elastic plates 22, in which current is generated by bending deformation, are stacked. The resonator plate 20 of the resonator plate 20 and one end of the resonator plate 20 attached thereto and an output terminal 14 electrically connected to the piezoelectric film 21 of the resonator plate 20 are installed and fixed to the construction structure. The resonant energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that the plate 10, the plurality of resonant plate 20 has a different length, the insulating layer 12 on the surface of the coupling plate 10 The conductive layer 13 connected to the output terminal 14 is stacked on the surface of the insulating layer 12, and the electrode 24 connected to the piezoelectric film 21 is exposed at the fixed end of the resonance plate 20. When the resonator plate 20 is bonded to the surface of the coupling plate 10, the electrode 24 and the conductive layer 13 are in contact with each other. And the free end of the resonance plate 20 is coupled with a removable weight portion 29, the shape of the elastic plate 22 is a resonant energy harvester using a piezoelectric film that is a cross-section gradually reduced from the both ends toward the center.

또한, 상기 공진판(20)은 수평으로 설치되고, 인장상태의 긴장선(39) 양단이 공진판(20)의 상부면 양단부에 고정됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터이며, 상기 공진판(20)의 자유단에는 측방으로 돌출된 걸림턱(28)이 형성되고, 중량부(29)에는 공진판(20)의 자유단과 일치하는 형상의 체결홈(25) 및 나사공(26)이 형성되어, 중량부(29)의 체결홈(25)과 공진판(20)의 자유단이 결합되고 체결홈(25)에 체결나사(27)가 체결되어 중량부(29)가 공진판(20)에 고정됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터이다.In addition, the resonator plate 20 is horizontally installed, both ends of the tension line 39 in the tension state is a resonant energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that fixed to both ends of the upper surface of the resonator plate 20, At the free end of the resonator plate 20, a locking projection 28 protruding laterally is formed, and the weight portion 29 has a fastening groove 25 and a screw hole 26 having a shape corresponding to the free end of the resonator plate 20. ) Is formed, and the fastening groove 25 of the weight portion 29 and the free end of the resonance plate 20 are coupled, and the fastening screw 27 is fastened to the fastening groove 25 so that the weight portion 29 is the resonance plate. Resonant energy harvester using a piezoelectric film characterized in that the fixed to (20).

본 발명을 통하여, 간소한 구성으로도 압전막에 직접적인 충격을 가하지 않으면서 효과적인 발전이 가능하여, 압전막의 내구성 및 전체 설비의 유지관리 편의성을 확보하는 효과를 얻을 수 있다.Through the present invention, even a simple configuration can be effectively developed without direct impact on the piezoelectric film, it is possible to obtain the effect of ensuring the durability of the piezoelectric film and the convenience of maintenance of the entire equipment.

특히, 기설 구조물에 적용시 구조물 손상을 최소화하면서도 용이한 시공이 가능하여, 구조물 계측기기 전원으로 사용되는 등 다양한 방식의 적용이 가능하다.In particular, when applied to the existing structure can be easily constructed while minimizing the damage to the structure, it can be applied in a variety of ways, such as used as a power supply for the structure measuring device.

본 발명의 상세한 구성 및 작동원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.The detailed configuration and operation principle of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예를 도시한 사시도로서, 동 실시예 는 표면에 다수의 공진판(20)이 부착된 결합판(10)과 이를 지지하는 부착판(17)으로 구조체가 구성되며, 결합판(10)의 이면에는 공진판(20)에서 생산된 전력을 충전하고 충전된 전력을 외부로 송출하는 송출단자(31)가 구성된 충전부(30)가 부착된다.2 and 3 are perspective views showing an embodiment of the present invention, which is a coupling plate 10 having a plurality of resonance plates 20 attached to a surface thereof and an attachment plate 17 supporting the same. The structure is configured, and the charging unit 30 is provided on the back of the coupling plate 10 is configured with a discharge terminal 31 for charging the electric power produced by the resonator plate 20 and outputs the charged power to the outside.

즉, 도 4에서와 같이, 부착판(17)에 의하여 구조물에 고정되는 결합판(10)에 다양한 길이의 캔틸레버형 공진판(20)이 다수 부착된 구조를 가진다.That is, as shown in FIG. 4, the cantilever-type resonator plate 20 having various lengths is attached to the coupling plate 10 fixed to the structure by the attachment plate 17.

도 4는 본 발명이 교량에 부착되어 변형 등을 측정하는 계측센서(49)의 전원으로 사용되는 상태를 도시한 것으로, 지속적인 전력공급을 필요로 하는 특성상 외부 전원의 유선 연결이 필수적이었던 구조물 계측센서(49)에 본 발명을 전원으로 적용함으로써 전체 계측 시스템의 구성을 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 장기간의 계측도 용이하게 수행할 수 있다.4 is a view illustrating a state in which the present invention is used as a power source of the measurement sensor 49 for measuring deformation and the like attached to a bridge, and a structure measurement sensor in which a wired connection of an external power source is essential due to the need for continuous power supply. By applying the present invention to 49, not only the configuration of the entire measurement system can be simplified, but also long-term measurement can be easily performed.

본 발명에 적용되는 압전막(21)은 앞서 설명한 바와 같이, 휨변형에 따라 교류전류를 발생할 뿐 아니라, 휨변형을 유발하는 진동이 소멸함에 따라 전류 또한 소멸되는 불규칙한 특성을 가지므로, 전원으로서 직접사용하기에는 무리가 있으며, 따라서 교류를 직류로 변환하고 파형을 평활화하는 정류과정을 거쳐 충전지에 충전하는 충전부(30)를 구성하는 것이 바람직하다.As described above, the piezoelectric film 21 applied to the present invention has an irregular characteristic that not only generates an alternating current according to the bending deformation, but also the current disappears as the vibration causing the bending deformation disappears. It is difficult to use, and therefore, it is preferable to configure the charging unit 30 to charge the rechargeable battery through the rectification process of converting alternating current into direct current and smoothing the waveform.

이러한 정류 내지 충전을 수행하기 위한 회로 및 충전지 등의 구성은 개별 에너지 하비스터에 각각 설치하거나, 다수의 에너지 하비스터에 통합 충전부(30)를 연결하는 등 다양한 형태의 구성이 가능하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 선택 실시할 수 있는 사항이므로 청구범위의 구체적인 한 정은 하지 않는다.The configuration of the circuit and the rechargeable battery for performing such rectification or charging may be configured in various forms, such as to be installed in each individual energy harvester, or to connect the integrated charging unit 30 to a plurality of energy harvesters, which is the present invention. It is a matter that can be carried out by those of ordinary skill in the art that the specific scope of the claims are not limited.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 교량 등의 건설구조물에 노출되어 부착되는 방식으로 시공되는 본 발명에는 일종의 전기 부품이라 할 수 있는 공진판(20)에 수밀성을 부여하기위한 하우징(housing)(19)을 설치할 수도 있다.On the other hand, as shown in Figures 2 and 3, the present invention is constructed in such a way that is exposed to and attached to construction structures such as bridges in the housing for imparting watertightness to the resonance plate 20, which is a kind of electrical component ( Housing 19 may be provided.

도 5는 구조물에 부착된 본 발명의 작동상태를 도시한 대표단면도로서, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 풍하중 또는 차륜하중(車輪荷重) 등에 의하여 구조물에 진동이 발생됨에 따라 공진판(20)이 공진(共振)하면서 공진판(20)에 내장된 압전막(21)에 의하여 전력이 생산된다.Figure 5 is a representative cross-sectional view showing the operating state of the present invention attached to the structure, as can be seen through the figure, as the vibration is generated in the structure due to wind load or wheel load (車輪 荷重) resonator plate 20 Power is produced by the piezoelectric film 21 embedded in the resonator plate 20 while the resonance is caused.

즉, 구조물에 고정된 결합판(10)에 부착되고 상대적으로 박형(薄型) 단면을 가지는 캔틸레버형 공진판(20)이 구조물로부터 전달되는 탄성파에 응답함으로써, 공진판(20)에 진동이 발생되고 압전막(21)으로부터 전력이 발생되는 것이다.That is, when the cantilever-type resonator plate 20 attached to the coupling plate 10 fixed to the structure and having a relatively thin cross section responds to the elastic wave transmitted from the structure, vibration is generated in the resonator plate 20. Electric power is generated from the piezoelectric film 21.

이때, 공진판(20)은 그 고유진동수가 구조물에 빈번하게 발생되는 진동의 주파수와 일치하도록 구성함으로써 공진효과 및 압전량을 극대화한다.At this time, the resonance plate 20 is configured so that the natural frequency matches the frequency of the vibration frequently generated in the structure to maximize the resonance effect and the piezoelectric amount.

이러한 공진판(20)의 고유진동수 설정을 위하여 설치대상 구조물에 대한 진동 실측을 선행함으로써 더욱 효과적인 운용이 가능하다.In order to set the natural frequency of the resonator plate 20, more effective operation is possible by preceding the vibration measurement of the structure to be installed.

한편, 캔틸레버형 공진판(20)의 고정단이 고정되는 결합판(10)은 구조물에 견고하게 고정되어 구조물에 발생되는 진동을 가감없이 공진판(20)에 전달할 필요성이 있는데, 결합판(10)의 강성이 빈약하여 결합판(10) 자체에 불요(不要) 진동이 발생될 경우 구조물의 진동을 공진판(20)에 효과적으로 전달할 수 없을 뿐 아니라, 공진판(20)의 진동을 상쇄할 수 있기 때문에 결합판(10)과 이를 구조물에 고정하는 부착판(17) 간 견고한 구조적 연결이 필요한 바, 도 3 및 도 5에서와 같이 결합판(10)과 부착판(17)의 연결부위에 보강리브(補强rib)(18)를 형성함으로써 구조적 강성을 확보한다.On the other hand, the coupling plate 10 is fixed to the cantilever-type resonator plate 20 is fixed to the structure is firmly fixed to the structure there is a necessity to transfer the vibration generated in the structure to the resonator plate 20, the coupling plate 10 ), When the vibration of the coupling plate 10 itself is poor due to poor rigidity, the vibration of the structure cannot be effectively transmitted to the resonance plate 20, and the vibration of the resonance plate 20 can be canceled out. Since there is a need for a solid structural connection between the coupling plate 10 and the attachment plate 17 fixing it to the structure, as shown in Figs. 3 and 5 reinforce the connection portion of the coupling plate 10 and the attachment plate 17 By forming ribs 18, structural rigidity is secured.

본 발명의 공진판(20)은 변형에 의한 전력생산을 직접 담당하는 압전막(21)과 이와 적층되어 압전막(21)을 보강하는 탄성판(22), 탄성판(22)의 말단부에 형성되어 캔틸레버에 단부질량을 부여함으로써 진폭을 확장하는 중량부(29) 등으로 구성되는데 그 구체적인 구성이 도 3에 도시되어 있다.The resonator plate 20 of the present invention is formed at the end portions of the piezoelectric film 21 directly responsible for power generation by deformation, and the elastic plate 22 and the elastic plate 22 which are laminated thereto to reinforce the piezoelectric film 21. It is composed of a weight portion 29 and the like to expand the amplitude by applying the end mass to the cantilever, the specific configuration is shown in FIG.

도 3에 도시된 실시예에서는 압전막(21)의 양면에 탄성판(22)이 부착되는데, 탄성판(22)은 금속 또는 합성수지 등의 탄성소재로 구성하여 상대적으로 취성소재인 압전막(21)을 보강하게되며, 진동에 의한 변형을 극대화하기 위하여 양단부에서 중심측으로 단면이 점차 축소되도록 형성한다.In the embodiment shown in Figure 3, the elastic plate 22 is attached to both sides of the piezoelectric film 21, the elastic plate 22 is composed of an elastic material such as metal or synthetic resin, the piezoelectric film 21 is a relatively brittle material ) And the cross section is gradually reduced from the both ends to the center side in order to maximize the deformation caused by vibration.

도시된 실시예에서 공진판(20)이 부착되는 결합판(10) 이면에는 충전부(30)가 연결되는 출력단자(14)가 구성되는데, 이 출력단자(14)와 공진판(20)의 압전막(21) 간의 전기적 연결수단으로서, 전극(24) 및 도전층(13) 등이 공진판(20) 및 결합판(10)에 각각 구성된다.In the illustrated embodiment, an output terminal 14 to which the charging unit 30 is connected is formed on the rear surface of the coupling plate 10 to which the resonance plate 20 is attached, and the piezoelectric elements of the output terminal 14 and the resonance plate 20 are formed. As the electrical connection means between the films 21, the electrode 24, the conductive layer 13, and the like are formed on the resonator plate 20 and the coupling plate 10, respectively.

도 3, 도 5 및 도 6에서와 같이, 공진판(20)에는 공진판(20)과 직각방향의 접합부(23)가 형성되어 결합판(10) 표면에 접합부(23)가 접합됨으로써 공진판(20)이 결합판(10)에 캔틸레버 형태로 부착되는데, 이러한 공진판(20)의 고정단에는 압전막(21)과 연결된 전극(24)을 설치하여 압전막(21)에서 발생된 전류를 결합판(10) 표면의 도전층(13)으로 출력하게 된다.3, 5 and 6, the resonator plate 20 is formed in the resonator plate 20 and the junction 23 in the direction perpendicular to the resonator plate 20 is bonded to the resonator plate 10 is bonded to the resonator plate 10 surface 20 is attached to the coupling plate 10 in the form of a cantilever, and the electrode 24 connected to the piezoelectric film 21 is installed at the fixed end of the resonator plate 20 so as to generate a current generated in the piezoelectric film 21. It is output to the conductive layer 13 on the surface of the coupling plate 10.

즉, 도 5의 타원내 확대부 및 도 6을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 공진판(20)의 접합부(23)를 결합판(10) 표면에 부착하게되면, 결합판(10) 표면에 형성된 도전층(13)에 공진판(20) 고정단의 전극(24)이 접촉되면서 결합판(10) 이면의 출력단자(14)와 압전막(21)이 전기적으로 연결되는 것이다.That is, as can be seen in the elliptic enlargement of FIG. 5 and FIG. 6, when the junction 23 of the resonance plate 20 is attached to the surface of the coupling plate 10, the surface of the coupling plate 10 is formed. As the electrode 24 of the fixed end of the resonance plate 20 contacts the conductive layer 13, the output terminal 14 and the piezoelectric film 21 on the rear surface of the coupling plate 10 are electrically connected to each other.

이때 결합판(10)에는 불요 진동을 방지하고 구조물에 견고한 고정이 가능하도록 일정수준 이상의 강성이 소요되는 바, 강철 등의 도전성 금속으로 제작될 개연성이 크므로, 도전층(13)과 결합판(10) 표면 사이에 절연층(12)을 구성하여 결합판(10)과 전극(24)간 절연상태를 유지한다.In this case, the coupling plate 10 requires a certain level of stiffness to prevent unnecessary vibration and to allow a firm fixing to the structure, and thus has a high probability of being made of a conductive metal such as steel, so that the conductive layer 13 and the coupling plate ( 10) The insulating layer 12 is formed between the surfaces to maintain the insulating state between the bonding plate 10 and the electrode 24.

이러한, 절연층(12), 도전층(13) 및 전극(24)의 구성으로 별도의 전선을 결속하지 않고도 공진판(20)의 부착만으로 결합판(10)의 출력단자(14)와 다수의 공진판(20)간 전기적 연결이 가능하다.In this configuration, the insulating layer 12, the conductive layer 13, and the electrode 24 have a plurality of output terminals 14 and a plurality of output terminals 14 of the coupling plate 10 only by attaching the resonance plate 20 without binding a separate wire. Electrical connection between the resonator plates 20 is possible.

한편, 본 발명이 설치되는 교량, 송전탑, 대형 건축물 등의 건설 구조물은 원동기(原動機) 등의 진동 기계와 달리 일정한 주파수의 진동을 발진하는 것이 아니라 온도 또는 작용 하중조건 등에 따라 다양한 주파수의 진동이 나타날 수 있으므로, 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 다양한 길이의 공진판(20)을 구성하여 다양한 주파수의 진동에 응답할 수 있도록 함은 물론, 발생 빈도가 큰 주파주의 진동에 공진할 수 있도록 공진판(20) 자유단의 중량부(29)를 착탈식으로 구성함으로써 단부질량을 조정할 수 있도록 한다.On the other hand, construction structures such as bridges, transmission towers, large buildings, etc., to which the present invention is installed, do not oscillate at a constant frequency, unlike vibration machines such as prime movers, but may exhibit vibrations of various frequencies depending on temperature or working load conditions. As such, as shown in the accompanying drawings, the resonator plate 20 may be configured to respond to vibrations of various frequencies by configuring the resonant plate 20 having various lengths, as well as to resonate with the vibration of a frequency frequency having a high frequency. (20) The end portion mass can be adjusted by detachably configuring the weight portion 29 of the free end.

이렇듯 공진판(20)의 단부질량을 조정할 수 있는 구체적 실시예가 도 7에 도시되어 있다.Thus, a specific embodiment in which the end mass of the resonator plate 20 can be adjusted is shown in FIG. 7.

도 7의 실시예에서는 탄성판(22)의 자유단에 양측으로 돌출된 걸림턱(28)을 형성하고, 걸림턱(28)이 형성된 탄성판(22)의 자유단과 일치하는 형상의 체결홈(25)과 나사공(26)을 중량부(29)에 형성하여, 체결홈(25)과 탄성판(22)의 자유단을 결합한 후 나사공(26)에 체결나사(27)를 체결함으로써 중량부(29)를 탄성판(22)에 고정하게 된다.In the embodiment of FIG. 7, a locking groove 28 protruding to both sides is formed at a free end of the elastic plate 22, and a locking groove having a shape corresponding to the free end of the elastic plate 22 on which the locking jaw 28 is formed ( 25) and the threaded hole 26 is formed in the weight portion 29, and the free end of the fastening groove 25 and the elastic plate 22 is combined, and then the fastening screw 27 is fastened to the screw hole 26 by weight The portion 29 is fixed to the elastic plate 22.

도시된 실시예에서는 체결나사(27)로서 두부(頭部)가 확장되지 않은 소켓헤드형나사(socket head cap screw)를 적용함으로써, 체결시 체결나사(27)가 외부로 노출되지 않도록 하였으며, 중량부(29)의 치수에 따라 나사공(26)의 연장이 변화하여도 동일한 체결나사(27)를 체결할 수 있도록 하여, 체결나사(27)의 교체로 인한 단부질량의 변화를 방지하였다.In the illustrated embodiment, by applying a socket head cap screw in which the head is not extended as the fastening screw 27, the fastening screw 27 is not exposed to the outside during fastening. The same fastening screw 27 can be fastened even if the extension of the screw hole 26 is changed according to the dimension of the part 29, and the change of the end mass by the replacement of the fastening screw 27 was prevented.

도 8은 3개의 결합판(10)을 서로 직교하도록 구성하고, 이들 결합판(10)에 각각 공진판(20)들을 부착함으로써, 다양한 방향으로 입사하는 진동에 효과적으로 응답할 수 있도록 한 것이다.In FIG. 8, the three coupling plates 10 are orthogonal to each other, and the resonance plates 20 are attached to each of the coupling plates 10 to effectively respond to vibrations incident in various directions.

이러한 다축형 결합판(10) 및 공진판(20)이 적용될 경우, 도시된 실시예에서와 같이, 조합된 결합판(10) 내부 공간에 충전부(30)를 설치함으로써 소형화가 가능하다.When the multi-axial coupling plate 10 and the resonance plate 20 is applied, as shown in the illustrated embodiment, it is possible to miniaturize by installing the charging unit 30 in the combined space of the coupling plate 10.

한편, 도 9는 수평상태로 설치된 공진판(20) 상부면에 일종의 프리스트레스트(prestressed) 긴장재인 긴장선(緊張線)(39)을 설치하여 자중에 의한 과도 변형을 억제한 실시예로서, 인장상태의 긴장선(39) 양단을 공진판(20) 상부면의 양단부에 고정함으로써, 캔틸레버구조물로서 거동하는 공진판(20)의 불요(不要) 변형을 소거할 수 있도록 한 것이다.On the other hand, Figure 9 is an embodiment in which the tension strain 39, which is a kind of prestressed tension material on the upper surface of the resonance plate 20 installed in a horizontal state to suppress the transient deformation caused by its own weight, tension By fixing both ends of the tension line 39 in the state to both ends of the upper surface of the resonance plate 20, it is possible to eliminate the unnecessary deformation of the resonance plate 20 that acts as a cantilever structure.

이러한 긴장선(39)의 구성은 건설 구조물의 저주파 진동에 응답하기 위하여 공진판(20)의 연장을 길게 구성할 경우 특히 유용하다.The configuration of the tension line 39 is particularly useful when the extension of the resonance plate 20 is configured to respond to the low frequency vibration of the construction structure.

도 1은 캔틸레버형 압전막 설명도1 is an explanatory diagram of a cantilever type piezoelectric film

도 2는 본 발명의 사시도2 is a perspective view of the present invention

도 3은 본 발명의 분해사시도3 is an exploded perspective view of the present invention

도 4는 본 발명의 설치상태 사시도4 is a perspective view of the installation state of the present invention

도 5는 본 발명의 설치상태 대표단면도5 is a representative cross-sectional view of the installation state of the present invention

도 6은 본 발명의 공진판 접합방식 설명도6 is an explanatory diagram of a resonance plate bonding method of the present invention;

도 7은 본 발명의 공진판 분해사시도Figure 7 is an exploded perspective view of the resonance plate of the present invention

도 8은 본 발명의 다축형 실시예 사시도8 is a perspective view of a multi-axis embodiment of the present invention

도 9는 공진판 긴장선이 적용된 본 발명의 일 실시예 사시도9 is a perspective view of an embodiment of the present invention to which the resonance plate tension line is applied

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

10 : 결합판10: binding plate

12 : 절연층12: insulation layer

13 : 도전층13: conductive layer

14 : 출력단자14: Output terminal

17 : 부착판17: attachment plate

18 : 보강리브(補强rib)18: reinforcement rib

19 : 하우징(housing)19: housing

20 : 공진판20: resonance plate

21 : 압전막21: piezoelectric film

22 : 탄성판22: elastic plate

23 : 접합부23: junction

24 : 전극24: electrode

25 : 체결홈25: fastening groove

26 : 나사공26: screw hole

27 : 체결나사27: tightening screw

28 : 걸림턱28: jamming jaw

29 : 중량부29 parts by weight

30 : 충전부30: charging part

31 : 송출단자31: Outgoing terminal

39 : 긴장선(緊張線)39: tension line

49 : 계측센서49: measuring sensor

Claims (6)

삭제delete 건설 구조물 부착형 에너지 하비스터(energy harvester)로서, 휨변형에 의하여 전류가 발생되는 압전막(21)과 탄성판(22)이 적층되는 다수의 공진판(20)과, 이들 공진판(20)의 일단이 부착되고 공진판(20)의 압전막(21)과 전기적으로 연결된 출력단자(14)가 설치되어 건설 구조물에 부착 및 고정되는 결합판(10)으로 이루어지되, 상기 다수의 공진판(20)은 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터에 있어서,An energy harvester attached to a construction structure, comprising a plurality of resonant plates 20 in which a piezoelectric film 21 and an elastic plate 22 are stacked, in which current is generated due to bending deformation, and these resonant plates 20 One end is attached to the output terminal 14 is electrically connected to the piezoelectric film 21 of the resonator plate 20 is installed consists of a coupling plate 10 is attached and fixed to the construction structure, the plurality of resonator plate ( 20) is a resonance type energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that having a different length, 결합판(10)의 표면에는 절연층(12)이 적층되고, 절연층(12)의 표면에는 출력단자(14)와 연결되는 도전층(13)이 적층되며;An insulating layer 12 is laminated on the surface of the bonding plate 10, and a conductive layer 13 connected to the output terminal 14 is laminated on the surface of the insulating layer 12; 공진판(20)의 고정단에는 압전막(21)과 연결된 전극(24)이 노출되어;An electrode 24 connected to the piezoelectric film 21 is exposed at the fixed end of the resonance plate 20; 공진판(20)을 결합판(10) 표면에 접합하면 전극(24)과 도전층(13)이 접촉됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터.A resonant energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that the electrode 24 and the conductive layer 13 are contacted when the resonator plate 20 is bonded to the surface of the coupling plate 10. 삭제delete 건설 구조물 부착형 에너지 하비스터(energy harvester)로서, 휨변형에 의하여 전류가 발생되는 압전막(21)과 탄성판(22)이 적층되는 다수의 공진판(20)과, 이들 공진판(20)의 일단이 부착되고 공진판(20)의 압전막(21)과 전기적으로 연결된 출력단자(14)가 설치되어 건설 구조물에 부착 및 고정되는 결합판(10)으로 이루어지되, 상기 다수의 공진판(20)은 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터에 있어서,An energy harvester attached to a construction structure, comprising a plurality of resonant plates 20 in which a piezoelectric film 21 and an elastic plate 22 are stacked, in which current is generated due to bending deformation, and these resonant plates 20 One end is attached to the output terminal 14 is electrically connected to the piezoelectric film 21 of the resonator plate 20 is installed consists of a coupling plate 10 is attached and fixed to the construction structure, the plurality of resonator plate ( 20) is a resonance type energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that having a different length, 상기 탄성판(22)의 형상은 양단부에서 중심측으로 단면이 점차 축소되는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터.The shape of the elastic plate 22 is a resonance type energy harvester using a piezoelectric film is gradually reduced in cross section from both ends to the center side. 건설 구조물 부착형 에너지 하비스터(energy harvester)로서, 휨변형에 의하여 전류가 발생되는 압전막(21)과 탄성판(22)이 적층되는 다수의 공진판(20)과, 이들 공진판(20)의 일단이 부착되고 공진판(20)의 압전막(21)과 전기적으로 연결된 출력단자(14)가 설치되어 건설 구조물에 부착 및 고정되는 결합판(10)으로 이루어지되, 상기 다수의 공진판(20)은 서로 다른 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터에 있어서,An energy harvester attached to a construction structure, comprising a plurality of resonant plates 20 in which a piezoelectric film 21 and an elastic plate 22 are stacked, in which current is generated due to bending deformation, and these resonant plates 20 One end is attached to the output terminal 14 is electrically connected to the piezoelectric film 21 of the resonator plate 20 is installed consists of a coupling plate 10 is attached and fixed to the construction structure, the plurality of resonator plate ( 20) is a resonance type energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that having a different length, 공진판(20)은 수평으로 설치되고, 인장상태의 긴장선(39) 양단이 공진판(20)의 상부면 양단부에 고정됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터.Resonator plate 20 is installed horizontally, both ends of the tension line 39 in the tension state is a resonant energy harvester using a piezoelectric film, characterized in that fixed to both ends of the upper surface of the resonator plate (20). 건설 구조물 부착형 에너지 하비스터(energy harvester)로서, 휨변형에 의하여 전류가 발생되는 압전막(21)과 탄성판(22)이 적층되는 다수의 공진판(20)과, 이들 공진판(20)의 일단이 부착되고 공진판(20)의 압전막(21)과 전기적으로 연결된 출력단자(14)가 설치되어 건설 구조물에 부착 및 고정되는 결합판(10)으로 이루어지되, 상기 다수의 공진판(20)은 서로 다른 길이를 가지며, 상기 공진판(20)의 자유단에는 착탈식 중량부(29)가 결합됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터에 있어서,An energy harvester attached to a construction structure, comprising a plurality of resonant plates 20 in which a piezoelectric film 21 and an elastic plate 22 are stacked, in which current is generated due to bending deformation, and these resonant plates 20 One end is attached to the output terminal 14 is electrically connected to the piezoelectric film 21 of the resonator plate 20 is installed consists of a coupling plate 10 is attached and fixed to the construction structure, the plurality of resonator plate ( In the resonant energy harvester using a piezoelectric film 20 has a different length, the free end of the resonator plate 20, the removable weight portion 29 is coupled, 공진판(20)의 자유단에는 측방으로 돌출된 걸림턱(28)이 형성되고;On the free end of the resonator plate 20 is formed a locking projection 28 protruding laterally; 중량부(29)에는 공진판(20)의 자유단과 일치하는 형상의 체결홈(25) 및 나사공(26)이 형성되어;In the weight portion 29, the fastening groove 25 and the screw hole 26 of the shape corresponding to the free end of the resonance plate 20 is formed; 중량부(29)의 체결홈(25)과 공진판(20)의 자유단이 결합되고 체결홈(25)에 체결나사(27)가 체결되어 중량부(29)가 공진판(20)에 고정됨을 특징으로 하는 압전막을 이용한 공진형 에너지 하비스터.The fastening groove 25 of the weight portion 29 and the free end of the resonance plate 20 are coupled and the fastening screw 27 is fastened to the fastening groove 25 so that the weight portion 29 is fixed to the resonance plate 20. Resonant energy harvester using a piezoelectric film characterized in that.
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