KR101588713B1 - 양방향 압축하중을 이용한 에너지 수확장치 및 자가발전 무선 센서 모듈 - Google Patents

양방향 압축하중을 이용한 에너지 수확장치 및 자가발전 무선 센서 모듈 Download PDF

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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Abstract

본 발명은 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자, 및 상기 케이스 내에 상대 이동 가능하게 설치되며 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재를 포함하는 에너지 수확장치 및 이를 이용한 무선 센서 모듈을 개시한다.

Description

양방향 압축하중을 이용한 에너지 수확장치 및 자가발전 무선 센서 모듈 {ENERGY HARVESTER AND SELF POWERED WIRELESS SENSOR MODULE USING 2-WAY COMPRESSION LOAD}
본 발명은 기계적 힘으로부터 전기 에너지를 수확하는 전기 에너지 수확장치와, 외부 공급 전원 없이 외부 진동으로부터 자가 발전한 전력을 이용하여 동작하는 자가발전 무선센서 모듈에 관한 것이다.
에너지 수확(Energy Havesting) 기술은 자연에서 버려지고 있는 진동에너지(즉, 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적 에너지)를 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다.
이러한 에너지 수확 기술은 의료, 군사 분야 및 빌딩 자동화를 위한 무선 센서 네트워크 등의 분야에 응용하기 위해 많은 연구가 시도되고 있다. 무선 센서 네트워크의 센서 노드에는 상시적인 전력 공급이 필요한데, 여기에 외부 진동을 이용하여 전력을 생산하는 압전 수확 기술을 적용하는 것이다.
에너지 수확 기술의 대표적인 예로서 압전소자를 이용하여 에너지를 수확하는 기술을 들 수 있으며, 등록특허공보 제10-1301695호는 압전재료를 이용한 에너지 수확장치의 일 예로서 캔틸레버 타입 에너지 수확장치를 개시하고 있다. 이에 따르면 캔틸레버 타입 에너지 수확장치는 자유단 측에 질량체가 배치된 캔틸레버에 압전소자를 부착하여 캔틸레버의 진동에 따른 압전소재의 변형에 따라 전기 에너지를 발생시키는 구성을 갖는다.
캔틸레버 타입 에너지 수확장치의 경우 수십 Hz의 낮은 주파수에서 공진을 이용하여 압전소자에 작용하는 변형률을 증폭시킬 수 있는 장점이 있으나, 압전소자의 '31' 모드(재료의 분극 방향과 변형률 발생 방향이 수직인 모드)를 이용하므로, '33' 모드(재료의 분극 방향과 변형률 발생 방향이 평행인 모드)를 이용하는 에너지 수확장치에 비하여 에너지 변환 효율이 작은 단점이 있다. 아울러 압전소자로 주로 사용되는 PZT, PMN-PT와 같은 재료의 파단 강도가 작기 때문에 큰 변형률이 발생하도록 설계하기 어려우며, 그에 따라 수확 에너지를 증가시키는데 한계가 있다. 나아가 캔틸레버 타입 에너지 수확장치는 충격 및 피로에 따른 압전소자의 내구성 문제로 인하여 상용화하는데 많은 제약이 있다.
압전재료의 경우 인장에 따른 파단 강도보다 압축에 따른 파단 강도가 상당히 큰 특성이 있다. 따라서 압전소자의 압축 모드를 이용하여 전기 에너지를 수확할 경우 큰 변형률을 발생시켜 전기 에너지의 수확량을 증대시킬 수 있다 할 것이다.
등록특허공보 제10-1301695호 (2013.08.30)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 에너지 수확장치의 압전소자가 모든 경우에 압축하중만을 받으며 '33' 모드를 이용하도록 구성하여 에너지 수확장치의 에너지 수확량을 증대시키고 에너지 수확장치의 내구성을 향상시키기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자, 및 상기 케이스 내에 상대 이동 가능하게 설치되며 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재를 포함하는 에너지 수확장치 및 이를 이용한 무선 센서 모듈을 개시한다.
상기 진동 전달 부재는, 제1 및 제2면과 평행한 방향을 길이 방향으로 가지며 상기 케이스 내에 상기 길이 방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 이동축과, 상기 이동축 상에 형성되며 상기 이동축의 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압 플레이트를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
이러한 경우 상기 압전소자는 상기 제1면으로부터 제2면을 관통하는 관통홀을 구비하며, 상기 이동축은 상기 관통홀 내에 이동 가능하게 설치될 수 있다. 이와 달리 상기 압전소자는 상기 이동축 주변을 따라 복수개로 배열되는 구성을 가질 수도 있다.
상기 이동축은 상기 케이스의 외부로 연장되어 진동원과 연결되는 구성을 가질 수도 있다.
상기 에너지 수확장치는, 상기 케이스의 내부에 상기 이동축과 마주하게 설치되는 자석과, 상기 이동축의 외주에 권선되며 상기 자석에 대한 상기 이동축의 상대 이동에 따라 유도 기전력을 발생시키는 도전성 코일을 더 포함하는 구성을 가질 수 있다.
한편 상기 진동 전달 부재는, 상기 압전소자의 외곽을 감싸도록 형성되며 상기 케이스와 압전소자에 대해 상대 이동 가능하게 설치되는 본체부와, 상기 본체부의 양단에 각각 형성되며 상기 본체부의 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압부를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 이러한 경우 상기 케이스의 양측 내면에는 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 지지하는 돌출부가 형성될 수 있다.
상기 압전소자의 제1 및 제2면과 상기 케이스의 양측 내면 사이에는 절연성 부싱이 개재될 수 있으며, 이와 달리 케이스와 진동 전달 부재를 절연성 재질로 형성하는 것도 가능하다.
한편 상기 케이스의 내부에는 상기 압전소자가 일정 이상 압축되지 않도록 압전소자의 변형을 제한하는 스토퍼가 추가로 형성될 수 있다.
또한 케이스의 내부에는 상기 압전소자에서 발생한 전기 에너지를 수집하는 에너지 수집 유닛이 추가로 설치될 수 있다.
아울러 상기 압전소자와 상기 케이스의 내면 사이에는 스프링이 추가로 설치될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 전달되는 진동을 전기 에너지로 변환하기 위하여 압전소자의 '33' 모드를 이용함과 동시에 압전소자가 양방향으로 압축 하중만을 받도록 구성함으로써 전기 에너지의 수확량을 증대시키고 에너지 수확장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
특히 에너지 수확기술이 적용된 무선 센서 모듈의 경우 센싱 대상 장비의 수명 주기 동안 무선센서에 전기를 공급해야 하므로 에너지 수확장치의 내구성이 중요한데, 상기와 같은 에너지 수확장치의 구성이 적용된 무선센서모듈의 경우 기존의 캔틸레버 타입 에너지 수확장치의 구성이 적용된 것에 비해 매우 높은 내구성 향상 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도.
도 2는 본 발명에 적용 가능한 압전소자의 여러 실시 형태를 나타내는 도면.
도 3 및 4는 도 1에 도시된 에너지 수확장치의 작동 상태도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도.
도 9는 본 발명과 관련된 무선센서 모듈의 개념도.
이하, 본 발명과 관련된 양방향 압축하중을 이용한 에너지 수확장치 및 자가발전 무선센서 모듈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 에너지 수확장치는 케이스(110), 압전소자(120), 진동 전달 부재(130)을 포함한다.
케이스(110)는 에너지 수확장치의 외관을 구성하며, 압전소자(120) 등 내부 부품을 수용하기 위한 내부 공간을 구비한다. 케이스(110)는 외부 충격 및 오염 물질로부터 압전소자(120)를 보호하는 기능을 한다. 케이스(110)는 원통 형태, 다각형 기둥(삼각기둥, 사각기둥 등)의 형태, 다면체 형태 등 다양한 형상으로 형성 가능하다.
압전소자(120)는 물리적 변형에 의해 전기 에너지를 발생시키는 소재로 형성되며, 이러한 압전소재로서 PZT, PMN-PT, PVDF 등 다양한 소재가 사용될 수 있다.
압전소자(120)는 케이스(110)의 내부에 수용되며, 케이스(110)의 양측 내면(inner surface)에 의해 각각 지지되도록 설치된다. 케이스(110)의 내부에는 압전소자(120)와 연결되는 에너지 수집 유닛(160)이 설치될 수 있으며, 에너지 수집 유닛(160)은 압전소자(120)에서 수확된 전기 에너지를 수집하는 기능을 한다.
도 2는 본 발명에 적용 가능한 압전소자의 여러 실시 형태를 나타내는 도면이다.
압전소자(120)는 서로 반대 방향을 향하는 제1면(S1)과 제2면(S2)을 구비하며, 압전소자(120)의 제1면(S1)과 제2면(S2)은 케이스(110)의 양측 내면에 각각 지지된다.
본 실시예는 압전소자(120)의 제1면(S1)이 케이스의(110)의 상측 내면에 지지되고, 압전소자(120)의 제2면(S1)이 케이스의(110)의 하측 내면에 지지된 형태를 예시하고 있다.
아울러 본 실시예는 압전소자(120)가 다른 구조(절연성 부싱: 141,142)를 매개로 케이스의(110)의 양 내측면에 지지된 것을 예시하고 있으며, 본 명세서에서 말하는 압전소자(120)와 케이스(110) 사이의 지지 구조는 압전소자(120)가 케이스(110)에 직접적으로 지지된 구조뿐 아니라 상기 구조까지 포괄한다 할 것이다.
진동 전달 부재(130)는 케이스(110) 내에 상대 이동 가능하게 설치되며, 진동원(10)의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 압전소자(120)의 제1면(S1)과 제2면(S2)을 각각 가압하도록 구성된다. 여기서, 진동원(10)는 진동을 발생시키는 대상물을 의미하며, 이는 자동차, 플랜트, 풍력 발전기, 항공기 등 다양한 대상물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 진동 전달 부재(130)는 이동축(131), 제1가압 플레이트(132), 및 제2가압 플레이트(133)을 포함하는 구성을 갖는다.
이동축(131)은 제1 및 제2면(S1,S2)과 평행한 방향을 길이 방향으로 가지며, 케이스(110) 내에 그 길이 방향을 따라 이동 가능하게 설치된다.
압전소자(120)에는 제1면(S1)으로부터 제2면(S2)을 관통하는 관통홀(121)이 형성될 수 있으며, 이러한 경우 이동축(131)은 관통홀(121) 내에 이동 가능하게 설치된다.
진동 전달 부재(130)는 진동원(10)과 직접적으로 연결될 수 있으며, 이러한 경우 케이스(110)의 외부로 연장되어 진동원(10)에 연결된다. 이 때 케이스(110)는 이동축(131)이 외부로 연장될 수 있도록 일부 영역이 개방된 형태를 가질 수 있다. 이는 진동원(10)이 진동 전달 부재(130)을 가진하는 형태이며, 케이스(110)는 주위의 대상물에 고정되어 있거나 주위의 대상물에 고정되지 않고 자유로운 상태에 있을 수 있다.
이 때 케이스(110)의 질량과 압전소자(120)의 강성을 고려한 에너지 수확장치의 고유 진동수가 진동원(10)의 고유 진동수와 일치되도록 하여 공진 현상이 발생하도록 함으로써 전기 에너지 수확량을 최대화할 수 있다. 이와 같은 고유 진동수의 조정은 케이스(110)의 질량과 압전소자(120)의 강성을 조정함에 의해 가능할 것이다.
한편 진동 전달 부재(110)가 진동원(10)과 직접적으로 연결된 형태 뿐 아니라 케이스(110)를 진동원(10)에 고정하여 케이스(110)가 가진되는 구성도 가능하다. 이 때 진동 전달 부재(130)는 주위의 대상물에 고정되어 있거나 주위의 대상물에 고정되지 않고 자유로운 상태에 있을 수 있다.
제1 및 제2가압 플레이트(132,133)는 이동축(131) 상에 형성되며, 이동축(131)의 왕복 이동에 따라 제1면(S1)과 제2면(S2)을 각각 가압하도록 구성된다.
한편 도 2를 참조하면, 압전소자(120)는 도 2의 (a) 및 (d)와 같이 원기둥의 형태, 도 2의 (b) 및 (c)와 같이 다각형 기둥(사각 기둥, 삼각 기둥 등)의 형태 등을 가질 수 있다. 또한 도 2의 (d)와 같이 복수의 압전소자(120)가 적층된 형태를 갖는 것도 가능하다 할 것이다.
압전소자(120)의 관통홀(121) 또한 도 2의 (a),(b),(d)와 같이 원형홀의 형태, 도 2의 (c)와 같이 다각형 홀(사각형, 삼각형 등)의 형태를 가질 수 있다.
한편 도 2의 (e)와 같이 복수의 압전소자(120)가 이동축(131)의 주변을 따라 배열되는 구성도 가능하다. 이러한 경우 각 압전소자(120)의 단면은 도 2의 (a) 내지 (d)의 경우보다 작은 크기를 갖는다.
다시 도 1을 참조하면, 압전소자(120)와 케이스(110)의 사이에는 절연성 부싱(141,142)이 개재될 수 있다. 압전소자(120)의 제1면(S1)과 케이스(110)의 한쪽 내측면 사이에는 제1부싱(141)이 개재되며, 압전소자(120)의 제2면(S2)과 케이스(110)의 다른쪽 내측면 사이에는 제2부싱(142)이 개재된다.
케이스(110)가 도전성 재질로 형성되는 경우, 절연성 부싱(141,142)은 압전소자(120)와 케이스(110) 사이를 절연시켜 압전소자(120)에서 수확된 전기 에너지가 케이스(110)를 통해 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 기능을 한다.
절연성 부싱(141,142)은 플레이트의 형태로 형성되며, 이동축(131)이 관통하는 관통홀을 갖는다. 절연성 부싱(141,142)은 이동축(131)에 대해 상대 이동 가능한 구조를 갖는다.
절연성 부싱(141,142)이 설치되는 경우 진동 전달 부재(130)의 제1 및 제2가압 플레이트(132,133)는 제1 및 제2부싱(141,142)을 가압하도록 구성된다. 제1 및 제2부싱(141,142))은 진동 전달 부재(130)의 제1 및 제2가압 플레이트(132,133)의 하중을 압전소자(120)에 전달하는 기능을 한다.
한편 케이스(110)의 내부에는 압전소자(120)가 일정 이상 압축되지 않도록 압전소자(120)의 변형을 제한하는 스토퍼(150)가 구비될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 스토퍼(150)는 케이스(110)의 내측벽에서 내측 방향으로 연장되는 제1연장부(151)와, 제1연장부(151)의 단부로부터 양측 방향으로 연장되어 제1 및 제2부싱(141,142)의 이동을 제한하는 제2연장부(152)를 포함하는 구성을 갖는다. 이와 같은 구성에 따르면 제2연장부(152)는 압전소자(120)가 압축 방향에 수직한 방향(즉, 수평 방향)으로 유동하지 않도록 압전소자(120)를 가이드하는 기능을 수행하기도 한다. 스토퍼(150)의 구성은 이러한 구성에 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형 실시 가능하다.
도 3 및 4는 도 1에 도시된 에너지 수확장치의 작동 상태도이다.
도 3 및 4는 진동원(10)이 진동하여 상측과 하측으로 이동한 상태를 각각 나타내고 있다.
도 3과 같이 진동원(10)의 상측으로 이동하면, 그에 연결된 진동 전달 부재(130)가 상측으로 이동하게 된다. 그에 따라 압전소자(120)의 제1면(S1)이 케이스(110)의 상측 내면에 지지된 상태에서 진동 전달 부재(130)의 제2가압 플레이트(133)가 압전소자(120)의 제2면(S2)을 가압하게 된다. 따라서 압전소자(120)에 압축 하중이 인가되어 압전소자(120)에 압축 변형이 발생하게 되며, 그에 따라 압전소자(120)로부터 전기 에너지를 수확할 수 있다. 도 3에 따르면 진동원(10)의 상승에 따라 스토퍼(150)가 제2부싱(142)의 이동을 제한하고 있다.
도 4와 같이 진동원(10)이 하측으로 이동하여 진동 전달 부재(130)가 하측으로 이동하게 되면, 압전소자(120)의 제2면(S2)이 케이스(110)의 하측 내면에 지지된 상태에서 진동 전달 부재(130)의 제1가압 플레이트(132)가 압전소자(120)의 제1면(S1)을 가압하게 된다. 이 또한 압전소자(120)에 압축 하중을 발생시켜 압축 변형이 발생하도록 하며, 이로써 압전소자(120)에서 전기 에너지를 수확되게 된다.
이와 같이 진동원(10)의 진동에 따른 진동 전달 부재(130)의 왕복 직선 운동에 의해 압전소자(120)에 양 방향 압축하중을 발생하게 되며, 이와 같은 구조는 압전소자(120)가 모든 경우에 압축 하중만을 받게 되므로 그만큼 에너지 수확량 및 내구성을 증대시킬 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도이다.
본 실시예에 따른 에너지 수확장치는 앞선 실시예의 구성과 동일한 구성을 갖되 절연성 부싱(141,142)를 생략한 구성을 갖는다. 본 실시예에 따르면, 케이스(110)와 진동 전달 부재(130)가 절연성 재질로 형성되며, 그에 따라 절연성 부싱(141,142)을 사용할 필요가 없게 된다.
이와 같은 구성에 따라 앞선 실시예 대비 에너지 수확장치의 크기 및 무게를 줄일 수 있으며, 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도이다.
본 실시예의 에너지 수확장치는 앞선 실시와 작동 원리는 동일하나 진동 전달 부재의 구성에 있어 다른 구성을 갖는다.
앞선 실시예의 경우 이동축(131)이 압전소자(120)의 관통홀(121) 상에 이동 가능하게 설치되는 구성을 가지나, 본 실시예의 경우 압전소자(120)에 관통홀(121)이 형성되어 있지 않다.
본 실시예의 경우 케이스(110)에 진동원(10)이 연결되어 진동원(10)의 가진에 의해 케이스(110)가 진동하는 구성을 가지며, 이에 따라 케이스(110)는 외부와 밀폐된 구성을 갖는 것이 가능하다. 본 실시예는 진동원(10)이 케이스(110)의 하부에 설치된 것을 예시하고 있다. 다만 이와 달리 케이스(110)를 개방된 형태로 형성하고 진동 전달 부재(130)를 진동원(10)과 연결한 구성도 가능하다 할 것이다.
케이스(110)의 양측 내면에는 압전소자(120)의 제1 및 제2면을 각각 지지하는 돌출부(111,112)가 형성될 수 있다.
진동 전달 부재(130)는 본체부(134)와, 제1 및 제2가압부(135,136)를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
본체부(134)는 압전소자(120)의 외곽을 감싸도록 형성되며, 케이스(110)와 압전소자(120)에 대해 상대 이동 가능하게 설치된다. 본체부(134)는 압전소자(120)가 수용되는 공간(홀)이 형성된 기둥의 형태로 형성 가능하다.
본체부(134)의 내면에는 에너지 수집 유닛(160)의 설치를 위한 설치홈(137)이 형성될 수 있다. 에너지 수집 유닛(160)은 설치홈(137)에 고정되게 설치되며, 플렉서블한 연결수단(케이블 등)에 의해 압전소자(120)와 연결된다.
제1 및 제2가압부(135,136)는 본체부(134)의 양단에 각각 형성되며, 본체부(134)의 이동에 따라 제1면(S1)과 제2면(S2)을 각각 가압하도록 구성된다. 제1 및 제2가압부(135,136)는 관통홀이 형성된 플레이트의 형태를 가질 수 있으며, 본체부(134)의 양단에 체결되는 구성을 가질 수 있다. 제1 및 제2가압부(135,136)의 관통홀은 돌출부(111,112)의 직경보다 크고 압전소자(120)의 직경보다는 작은 직경을 갖도록 형성된다.
본 실시예는 진동 전달 부재(130)가 케이스(110)의 내부에서 왕복 이동하는 구조이므로, 진동 전달 부재(130)는 케이스(110) 내부 공간의 높이보다 작은 높이를 갖도록 형성된다.
본 실시예의 경우에도 제1실시예와 마찬가지로 압전소자(120)와 케이스(110)의 사이에 절연성 부싱(143,144)이 개재될 수 있으며, 본 실시예의 경우 절연성 부싱(143,144)은 관통홀이 형성되어 있지 않다.
절연성 부싱(143,144)는 돌출부(111,112)와 압전소자(120) 사이에 개재되며, 진동 전달 부재(130)의 제1 및 제2가압부(135,136)에 의해 하중을 전달받는 구조를 갖는다.
본 실시예에 따르면 진동원(10)의 가진에 따라 케이스(110)가 상하로 진동하게 되며, 그에 따라 진동 전달 부재(130)가 케이스(110)의 내면에 대해 상대 이동하여 왕복 직선 운동하게 된다. 진동 전달 부재(130)가 상측으로 이동한 경우 압전소자(120)의 제1면(S1)이 제1돌출부(111)에 의해 지지된 상태에서 제2가압부(136)가 압전소자(120)의 제2면(S2)을 가압하게 되며, 진동 전달 부재(130)가 하측으로 이동한 경우 압전소자(120)의 제2면(S2)이 제2돌출부(112)에 의해 지지된 상태에서 제1가압부(135)가 압전소자(120)의 제1면(S1)을 가압하게 되는 것이다.
본 실시예의 경우 케이스(110)의 양측 내면이 압전소자(120)가 일정 이상 변형되지 않도록 하는 스토퍼로서의 기능을 한다. 진동 전달 부재(130)가 일정 이상 이동하는 경우 케이스(110)의 내면에 의해 그 이동이 제한되어 압전소자(120)가 더 이상 압축 변형되지 않도록 한다.
본 실시예에 따르면 압전소자(120)에 별도의 관통홀(121)을 가공할 필요가 없으므로 제작에 용이하며, 별도의 스토퍼 구조를 제작할 필요가 없는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도이다.
본 실시예에 따른 에너지 수확장치는 제1실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성에 스프링(170)이 추가로 설치된 구성을 갖는다.
스프링(170)은 압전소자(120)와 케이스(110)의 내면 사이에 설치되며, 구체적으로 압전소자(120)의 제1면(S1) 또는 제2면(S2)과 케이스(110)의 내면 사이에 설치된다. 본 실시예는 스프링(170)이 압전소자(120)의 제2면(S2)과 케이스(110)의 하측 내면 사이에 설치된 구성을 예시하고 있다. 절연성 부싱(141,142)이 적용된 경우 두 개의 부싱 중 하나가 스프링(170)의 한쪽 끝을 지지하게 된다.
본 실시예에 따르면 진동 전달 부재(130)를 지지하는 구조의 스프링 강성을 조정하여 저주파수 대역에서도 공진이 일어나도록 하는 것이 가능하게 된다. 이에 따라 압전소자(120)에 걸리는 압축력을 증대시킬 수 있어 수확 에너지의 양을 증가시킬 수 있게 된다.
한편 본 실시예의 경우에도 제3실시예와 마찬가지로 케이스(110)가 진동원(10)에 연결된 구성의 에너지 수확장치를 예시하고 있으며, 진동원(10)이 케이스(110)의 상측에 연결된 구조를 예시하고 있다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 에너지 수확장치의 개념도이다.
본 실시예에 따른 에너지 수확장치는 제3실시예에 따른 에너지 수확장치의 구성에 자석(181)과 도전성 코일(182)이 추가로 구비된 구성을 갖는다.
자석(181)은 케이스(110)의 내부에 진동 전달 부재(130)의 이동축(131)과 마주하게 설치된다. 구체적으로 자석(181)은 이동축(131)의 단부를 향하게 설치되어 이동축(131)의 이동에 따라 이동축(131)과의 거리가 가변될 수 있게 구성된다.
도전성 코일(182)는 이동축(131)의 외주에 권선되며, 자석(181)에 대한 이동축(131)의 상대 이동에 따라 유도 기전력을 발생시킨다. 도전성 코일(182)에는 에너지 수집유닛(160)이 연결되며, 도전성 코일(182)에서 발생한 전기 에너지가 에너지 수집유닛(160)에 수집된다.
본 실시예에 따르면, 이동축(131)의 왕복 이동에 따라 압전소자(120)에 양방향 압축이 발생하여 전기 에너지가 발생할 뿐 아니라 도전성 코일(182)을 통과하는 자속 변화에 따라 유도 기전력이 발생하게 된다. 이와 같이 압전 효과 뿐 아니라 전자기 효과를 통해 전기 에너지를 추가로 수확할 수 있는 구조를 통해 전기 에너지 수확량을 보다 증대시킬 수 있다.
본 실시예는 제4실시예에 따른 구조에 자석(181)과 도전성 코일(182)을 적용한 구성을 예시하고 있으나, 제1 내지 제3실시예에도 동일하게 적용 가능하다 할 것이다.
도 9는 본 발명과 관련된 무선센서 모듈의 개념도이다.
본 실시예에 따른 무선 센서 모듈은 외부 환경의 진동을 이용하여 전기 에너지를 수확하여 이를 무선 센서의 전력원으로 사용하는 자가발전 무선 센서 모듈이며, 제1실시예에 따른 에너지 수확장치를 무선 센서 모듈에 적용한 것을 예시하고 있다.
본 실시예에 따른 무선 센서 모듈은 무선센서(190)를 수용하는 케이스(110)와, 케이스(110)의 내부에 수용되는 압전소자(120)와, 케이스(110) 내에 직선 이동 가능하게 설치되는 진동 전달 부재(130)와, 압전소자(120)와 무선센서(190)에 연결되는 에너지 수집 유닛(160)을 포함하는 구성을 갖는다.
케이스(110), 압전소자(120), 진동 전달 부재(130), 및 에너지 수집 유닛(160)의 구성 및 작동 방식은 제1실시예에 개시된 사항와 동일하므로 이에 대한 설명은 앞선 설명에 갈음하기로 한다.
무선센서(190)는 외부 환경의 물리적인 양이나 그 변화를 감지하거나 구분 및 계측하여 일정 신호를 무선으로 송신하기 위한 것으로서, 본 발명의 무선센서(190)는 진동센서, 온도센서, 압력센서, 음향센서 등 다양한 형태의 센서를 포함한다.
에너지 수집 유닛(160)은 압전소자(120)에서 수확된 전기 에너지를 수집하여 무선센서(190)에 공급함으로써 무선 센서 모듈에 별도의 외부 전원을 공급할 필요없이 자가 발전에 의한 동작이 가능케 한다.
본 실시예는 제1실시예의 구조가 적용된 무선 센서 모듈을 예시하고 있으나, 무선 센서 모듈에 제2 내지 제5실시예의 구조를 적용하는 것도 가능하다 할 것이다.
이상에서 설명한 양방향 압축하중을 이용한 에너지 수확장치 및 자가발전 무선센서 모듈은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있으며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자; 및
    상기 케이스 내에 상대 이동 가능하게 설치되며, 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재를 포함하고,
    상기 진동 전달 부재는,
    제1 및 제2면과 평행한 방향을 길이 방향으로 가지며, 상기 케이스 내에 상기 길이 방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 이동축; 및
    상기 이동축 상에 서로 이격된 위치에 형성되며, 상기 이동축의 왕복 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 제1면으로부터 제2면을 관통하는 관통홀을 구비하며,
    상기 이동축은 상기 관통홀 내에 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 이동축 주변을 따라 복수개로 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동축은 상기 케이스의 외부로 연장되어 진동원과 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 상기 이동축과 마주하게 설치되는 자석; 및
    상기 이동축의 외주에 권선되며, 상기 자석에 대한 상기 이동축의 상대 이동에 따라 유도 기전력을 발생시키는 도전성 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  7. 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자; 및
    상기 케이스 내에 상대 이동 가능하게 설치되며, 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재를 포함하고,
    상기 진동 전달 부재는,
    상기 압전소자의 외곽을 감싸도록 형성되며, 상기 케이스와 압전소자에 대해 상대 이동 가능하게 설치되는 본체부; 및
    상기 본체부의 양단에 각각 형성되며, 상기 본체부의 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 케이스의 양측 내면에는 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 지지하는 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 압전소자의 제1 및 제2면과 상기 케이스의 양측 내면 사이에는 절연성 부싱이 개재되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 케이스와 진동 전달 부재는 절연성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 형성되며, 상기 압전소자가 일정 이상 압축되지 않도록 압전소자의 변형을 제한하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  12. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 압전소자에서 발생한 전기 에너지를 수집하는 에너지 수집 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자와 상기 케이스의 내면 사이에는 스프링이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수확장치.
  14. 무선센서를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자;
    상기 케이스 내에 직선 이동 가능하게 설치되며, 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재; 및
    상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 압전소자의 압축 변형에 의해 수확된 전기 에너지를 수집하여 상기 무선센서에 공급하는 에너지 수집 유닛을 포함하고,
    상기 진동 전달 부재는,
    제1 및 제2면과 평행한 방향을 길이 방향으로 가지며, 상기 케이스 내에 상기 길이 방향을 따라 이동 가능하게 설치되는 이동축; 및
    상기 이동축 상에 서로 이격되게 형성되며, 상기 이동축의 왕복 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선센서 모듈.
  15. 무선센서를 수용하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수용되며, 상기 케이스의 양측 내면에 각각 지지되는 제1 및 제2면을 구비하는 압전소자;
    상기 케이스 내에 직선 이동 가능하게 설치되며, 진동원의 진동에 따른 왕복 직선 운동에 의해 상기 압전소자의 제1 및 제2면을 각각 가압하여 상기 압전소자에 양 방향 압축하중을 발생시키는 진동 전달 부재; 및
    상기 케이스의 내부에 설치되며, 상기 압전소자의 압축 변형에 의해 수확된 전기 에너지를 수집하여 상기 무선센서에 공급하는 에너지 수집 유닛을 포함하고,
    상기 진동 전달 부재는,
    상기 압전소자의 외곽을 감싸도록 형성되며, 상기 케이스와 압전소자에 대해 상대 이동 가능하게 설치되는 본체부; 및
    상기 본체부의 양단에 각각 형성되며, 상기 본체부의 이동에 따라 상기 제1면과 제2면을 각각 가압하는 제1 및 제2가압부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가발전 무선센서 모듈.
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