KR101500359B1

KR101500359B1 - 압전 발전기

Info

Publication number: KR101500359B1
Application number: KR1020130077308A
Authority: KR
Inventors: 강찬희; 손현수; 오선미; 유찬세; 한승호; 이형규; 강형원
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 전자부품연구원
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-03-10
Also published as: US20150008795A1; KR20150004491A; CN104283459B; CN104283459A

Abstract

본 발명은 압전 발전기가 적용되는 부품의 크기에 상관없이 용이하게 적용할 수 있고, 캔틸레버 다수개를 병렬로 연결할 때 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치함으로써 매스(mass)의 무게 중심이 가운데 위치하도록 할 수 있는 압전 발전기에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기는, 모프(morph) 구조 캔틸레버(cantilever) 압전 발전기로서, 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치된 적어도 2개 이상의 캔틸레버; 상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버 각각의 벤딩(bending)을 위해 적용되는 한 몸체로 이루어진 매스(mass);를 포함할 수 있다.

Description

압전 발전기 {Piezoelectric power generator}

본 발명은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 압전 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 압전 발전기는 외부의 기계적 에너지(예; 바람, 기기의 진동, 인간의 동작 등)를 전기적 에너지로 변환하는 압전 효과를 이용한 발전기이다.

압전 효과를 나타내 주는 압전 소자는 외부의 기계적 에너지에 대한 깨짐성에 취약하다. 외부 힘에 의한 압전 소자의 변형을 유도할 때 압전 소자만으로는 깨지기 쉽기 때문에, 압전 소자가 깨지지 않도록 탄력이 좋은 기판(예; 보통 금속 또는 플라스틱 등)과 접합하여 일체화시킨 모프(morph) 구조 캔틸레버(cantilever)로 제작한다.

도 1에 모프 구조 캔틸레버로 제작된 압전 발전기의 일례를 개념적으로 나타내 보였다.

도 1에서 부재번호 12, 14는 압전소자를 지시하며, 부재번호 20은 압전소자(12, 14)가 깨지지 않도록 하기 위한 기판을 지시하며, 30은 압전소자와 기판이 접합된 구조의 캔틸레버를 지시하고, 40은 외부 힘에 대해 벤딩(bending)을 유도하여 압전소자(12, 14)에 변형을 일으키는 매스(mass)를 지시한다. 이하, 캔틸레버는 압전소자와 기판이 접합된 구조를 일컫는 것으로 정의한다.

이러한 압전 발전기에 있어서, 모프 구조는 상기 언급한 기판(20)을 중심으로 접합하는 압전 소자의 개수에 따라 모노 모프(유니 모프) 또는 바이 모프(도 1의 형태)로 분류된다.

모프 구조 캔틸레버는 압전 발전기 구조 중 가장 일반화 되어 있는 구조이다.

도 1에 도시한 바와 같은 압전소자(12, 14)와 기판(20)이 접합된 구조의 모프 구조 캔틸레버(30)에 외부 힘을 인가하면, 압전효과에 따라 교류(AC) 전기가 발생된다. 발생된 교류전기는 정류회로를 이용하여 DC 전기로 변환된 후 고용량 축전기 또는 배터리 등에 충전되어 필요 시 활용할 수 있게 된다.

일반적인 모프 구조 캔틸레버의 경우, 한쪽(fixed end)을 고정시킨 후, 다른 한쪽(free end) 끝단에 매스(mass)를 장착하여 외부 힘에 대해 캔틸레버의 벤딩을 유도하여 압전 소자에 변형을 일으키게 한다.

즉, 종래기술의 실시예에 따른 압전 발전 모듈의 모프 구조 캔틸레버는 자유단(free end) 쪽에 매스를 장착하여 외부 힘에 의한 벤딩을 더 크게 할 수 있다. 이때 상기 매스의 무게를 증가시키면 무게 증가에 따라 모프 구조 캔틸레버는 벤딩을 더욱 크게 할 수 있게 되고, 이로 인한 압전 소자의 큰 변형은 발전량을 더욱 증가시킬 수 있다.

그런데, 매스의 무게 증가는 압전 발전 모듈의 높이 증가로 귀결되기 때문에 매스의 무게를 증가시키는 데는 공간적 제약이 따르게 된다.

즉, 종래기술의 실시예에서 압전 발전 모듈의 발전량을 증가시킬 목적으로 매스 무게를 증가시키면 매스의 크기와 높이가 증가하고, 매스의 높이가 증가한다는 것은 압전 발전기의 전체 크기, 높이가 커지게 됨을 의미한다. 이와 같이 압전 발전기의 크기와 높이가 증가하면, 공간적 제약 때문에 소형 부품(예; TPMS(tire pressure monitoring system))의 발전기로서 적용하기 어려워지게 된다.

한편 압전 발전기의 발전량은 발전기를 병렬 연결하여 증가시킬 수 있는데, 이때 캔틸레버의 자유단(free end)이 같은 방향일 경우 발전 모듈의 무게 중심이 한쪽으로 치우치게 되는 문제, 즉 매스가 자유단 쪽으로 치우치는 현상이 발생하여 발전 전압이 안정되지 못하는 문제가 있을 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 압전 발전기가 적용되는 부품의 크기에 상관없이 용이하게 적용할 수 있고, 캔틸레버 다수개를 병렬로 연결할 때 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치함으로써 매스(mass)의 무게 중심이 가운데 위치하도록 할 수 있는 압전 발전기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기는, 모프(morph) 구조 캔틸레버(cantilever) 압전 발전기에 있어서, 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치된 적어도 2개 이상의 캔틸레버; 상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버 각각의 벤딩(bending)을 위해 적용되는 한 몸체로 이루어진 매스(mass);를 포함할 수 있다.

상기 캔틸레버의 자유단을 지지하도록 상기 매스에 설치되되, 캔틸레버의 벤딩시 상기 자유단이 상기 매스에 유동가능하게 지지되도록 고리 형상으로 이루어진 자유단 지지대;를 더 포함할 수 있다.

상기 자유단 지지대는 나사에 의해 상기 매스에 고정될 수 있다.

상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버 각각의 고정단(fixed end)을 고정하기 위한 고정단 지지대를 더 포함하고, 상기 고정단은 나사 또는 접착제에 의해 상기 고정단 지지대에 고정 결합될 수 있다.

상기 매스가 적어도 2층 이상으로 적층될 수 있다.

상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버는 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.

상기 적어도 2층 이상으로 적층된 매스들은 병렬 연결될 수 있다.

상기 매스는 원판 또는 사각 등 대칭 형상일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 발전기가 적용되는 부품의 크기에 상관없이 압전 발전기를 용이하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 발전기의 캔틸레버 다수개를 병렬로 연결할 때 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치함으로써 매스(mass)의 무게 중심이 가운데 위치하도록 할 수 있어 발전을 안정되게 효율적으로 할 수 있다.

도 1은 일반적인 모프 구조 캔틸레버 압전 발전기의 개념적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 캔틸레버의 자유단(free end) 지지대의 형상을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 일층 구조의 압전 발전기의 외관 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복층 구조의 압전 발전기의 외관 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 압전 발전기의 구조를 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 두께 및 크기를 과장되게 나타내었다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도 2 내지 도 7를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기를 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 외관 사시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기는, 제한된 공간에서 최대의 발전량을 생산할 있도록 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하여 배치하도록 구성한 압전 발전기이다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기는, 모프(morph) 구조 캔틸레버(cantilever) 압전 발전기로서, 캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치된 적어도 2개 이상의 캔틸레버(200a, 200b); 상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버(200a, 200b) 각각의 벤딩(bending)을 위해 적용되는 한 몸체로 이루어진 매스(mass; 100);를 포함할 수 있다.

상기 매스(100)는 바람직하게 원판 형상으로 될 수 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 상기 매스(100)는 설계적인 측면을 고려하여 원판 형상 이외에 사각형, 육각형 등의 형상으로 될 수도 있다.

상기 매스(100)에는 도시한 바와 같이 적어도 2개 이상의 캔틸레버(200a, 200b)가 일정 간격을 두고 위치하여 벤딩하는데 지장을 받지 않도록 상기 캔틸레버의 개수에 대응하는 수만큼 홈이 형성된다.

도 2에는 캔틸레버가 2개 있는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 즉, 본 발명의 실시예에서 캔틸레버는 적어도 2개 이상으로 구성할 수 있지만, 이하 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 캔틸레버가 2개 있는 것으로 해서 설명한다.

상기 캔틸레버의 자유단(free end; 202a, 202b)은 자유단 지지대(300a, b)에 의해 상기 매스(100)에 유동가능하게 지지된다.

즉, 캔틸레버의 자유단(202a, 202b)은 도 3에 도시한 바와 같이 절곡된 고리 형상을 한 자유단 지지대(300a, b)에서 벤딩(bending) 시 화살표 방향으로 유동 가능할 수 있다.

상기 자유단 지지대(300a, b)의 형상을 도 2 및 도 3에 절곡된 형태로 도시하였지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되서는 안된다. 자유단 지지대(300a, b)는 절곡된 형태 또는 라운드된(rounded) 형태 등으로 다양하게 할 수 있다.

상기 자유단 지지대(300a, b)는 도시한 바와 같이 나사에 의해 상기 매스(100)에 고정 결합될 수 있다. 또는 상기 자유단 지지대(300a, b)는 설계적인 측면 등을 고려하여 접착제에 의해 상기 매스(100)에 고정 접착될 수도 있다.

도 2에 도시한 바와 같이 상기 자유단 지지대(300a, b)에 의해 지지되는 캔틸레버 자유단(202a, b)은 상호간에 대향되게 배치된다. 이로써, 매스(100)가 움직일 때, 매스(100)의 무게 중심이 도 7에 도시한 바와 같이 중앙에 오게 됨으로써 압전 발전기의 발전이 안정되게 이루어질 수 있다.

상기 캔틸레버 각각의 고정단(fixed end; 204a, b)은 고정단 지지대(400a, b)에 의해 고정 지지된다. 고정단 지지대(400a, b)는 캔틸레버(200a, b)의 각 고정단(204a, b)를 고정 지지할 수 있는 구조이면, 형태, 형상 및 구조에 상관없이 본 발명의 사상이 적용될 수 있다.

상기 캔틸레버 고정단(204a, b)은 도시한 바와 같이 나사에 의해 고정단 (400a, b)에 결합 고정된다. 또한, 상기 캔틸레버 고정단(204a, b)은 설계적인 측면을 고려하여 접착제에 의해 고정단 (400a, b)에 결합 고정될 수도 있다.

도 2 및 도 4에 도시된 2개의 캔틸레버들은 전기적으로 병렬 연결되어 필요한 전원을 출력할 수 있음은 물론이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복층 구조의 압전 발전기의 외관 구성도이다.

도 5에 도시한 복층 구조의 압전 발전기는 도 2 및 도 4에 도시한 압전 발전기가 2층으로 적층된 구조이다. 이러한 구조는 고정단 지지대에 캔틸레버 고정단을 2층으로 고정 결합시킴으로써 용이하게 구성할 수 있다는 것은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 5에 도시된 복층 구조의 매스들에 구성된 캔틸레버들은 전기적으로 병렬 연결되어 필요한 전원을 출력할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

예를 들어 본 발명의 실시예에 따른 압전 발전기의 매스(100)인 원판에 기계적 에너지(예; 기기의 진동)가 가해지면, 원판의 상하 진동에 의해 6에 도시한 바와 같이 캔틸레버 (200a,b) 각각은 원판 매스(100)의 중심점을 기준으로 서로 반대 방향으로 벤딩하게 되고, 이에 따라 압전 소자에서는 전기 에너지가 발생하게 된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 원판 매스(mass)
200a,b: 캔틸레버(cantilever)
202a, b: 캔틸레버 자유단(free end)
204a, b: 캔틸레버 고정단(fixed end)
300a, b: 자유단 지지대
400a, b: 고정단 지지대

Claims

모프(morph) 구조 캔틸레버(cantilever) 압전 발전기에 있어서,
캔틸레버의 자유단(free end)이 상호간에 대향하도록 배치된 적어도 2개 이상의 캔틸레버;
상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버 각각의 벤딩(bending)을 위해 적용되는 한 몸체로 이루어진 매스(mass);
상기 자유단을 지지하도록 상기 매스에 설치되되, 캔틸레버의 벤딩시 상기 자유단이 상기 매스에 유동가능하게 지지되도록 고리 형상으로 이루어진 자유단 지지대;
를 포함하는 압전 발전기.
삭제
제1항에서
상기 자유단 지지대는 나사 또는 접착제에 의해 상기 매스에 고정되는 것을 특징으로 하는 압전 발전기
제1항에서,
상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버 각각의 고정단(fixed end)을 고정하기 위한 고정단 지지대를 더 포함하고,
상기 고정단은 나사 또는 접착제에 의해 상기 고정단 지지대에 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 압전 발전기.
제1항에서,
상기 매스가 적어도 2층 이상으로 적층된 것을 특징으로 하는 압전 발전기.
제1항에서,
상기 적어도 2개 이상의 캔틸레버는 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 발전기.
삭제
제1항에서,
상기 매스는 원판 또는 사각형의 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 압전 발전기.