KR101598888B1 - Device for energy harvesting - Google Patents
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- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
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Abstract
본 발명은 피접착면의 형태에 따라 피접착면에 부착된 상태에서 외부로부터 전달되는 변형을 진동을 변환하여 에너지를 수집할 수 있는 에너지 수집장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 에너지 수집장치는, 가요성 재질로 이루어지고, 피접착면에 부착되며, 상기 피접착면이 변형되면 상기 변형된 피접착면을 따라 변형되는 기판(12)(22)(32)과, 상기 기판(12)(22)(32)에 일측 단부, 양단 또는 둘레가 연결되고, 상기 기판(12)(22)(32)이 변형되면 진동하면서 전류가 출력되는 진동부재(11)(21)(21')(31)를 포함한다.The present invention relates to an energy collecting device capable of collecting energy by converting vibrations transmitted from the outside in a state of being attached to a surface to be adhered in accordance with the form of an adhered surface.
The energy collecting apparatus according to the present invention comprises a substrate 12, 22, 32 made of a flexible material, attached to an adherend surface and deformed along the deformed adherend surface when the adherend surface is deformed, And a vibrating member 11 (a vibrating member) for vibrating when the substrate 12 (12), 22 (32) is connected to one end, both ends or the periphery of the substrate 12 21) 21 '(31).
Description
본 발명은 소자의 변형을 진동으로 변환하여 에너지를 수집하는 에너지 수집장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피접착면의 형태에 따라 피접착면에 부착된 상태에서 외부로부터 전달되는 변형을 진동으로 변환하여 에너지를 수집할 수 있는 에너지 수집장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an energy collecting apparatus for collecting energy by converting a deformation of an element into vibration, and more particularly to an energy collecting apparatus for converting a deformation transmitted from the outside into a vibration To an energy collecting device capable of collecting energy.
주변에 존재하는 에너지 중에서 활용되지 못하는 에너지를 이용가능한 형태로 수집하기 위한 각종 연구가 활발히 진행되고 있다.Various studies have been actively carried out to collect energy that can not be utilized among the energy existing in the surroundings in a usable form.
예컨대, 인체의 움직임, 체온 등으로부터 얻어지는 미량의 에너지를 수집하기 위한 종래기술에 따른 에너지 수집장치의 일례로서, 에너지 수집장치의 내부에 형성된 채널에서 자유롭게 운동하는 매스(mass)와, 2개의 압전소자로 이루어져 상기 채널방향으로 인가되는 진동에 따라 상기 매스가 상기 압전소자에 충돌하면서 진동이 유발되도록 하는 장치가 개발되었다. 그러나, 상기와 같은 에너지 수집장치에 따르면 불규칙한 인체의 움직임이 정해진 채널의 숫자로 한정되어 수집되므로 상기 압전소자에 채널 방향의 진동을 제대로 가해주지 못하는 문제점이 있다.As an example of an energy collecting device according to the prior art for collecting a small amount of energy obtained from human body motion, body temperature, etc., there is a mass which freely moves in a channel formed inside the energy collecting device, And the mass is caused to collide with the piezoelectric element according to the vibration applied in the channel direction, thereby causing vibration to be generated. However, according to the energy collecting apparatus as described above, since the irregular human motion is limited to a predetermined number of channels, vibration of the channel direction can not be properly applied to the piezoelectric element.
다른 예의 종래기술의 에너지 수집장치는, 쉘구조의 기판으로된 압전소자를 이용하여, 상기 압전소자의 빠른 변형속도와 큰 변형이 입력되면, 상기 압전소자에서 출력되는 전류의 전압이 커지도록 하고 있다. 그러나, 이러한 에너지 수집장치에서는 굽힘 등의 움직임이 있을 때, 짧은 시간동안 피크가 한번 발생하는 상황에서는 유리하지만, 운동의 빈도가 상대적으로 낮은 인체에 적용시에는 출력되는 전력이 크지 않은 문제점이 있다.Another example of prior art energy collecting apparatus uses a piezoelectric element made of a substrate having a shell structure so that a voltage of a current outputted from the piezoelectric element becomes larger when a fast deformation speed and a large deformation of the piezoelectric element are inputted . However, in such an energy collecting apparatus, when there is motion such as bending, it is advantageous in a situation where a peak occurs once for a short time, but there is a problem that the output power is not large when applied to a human body having a relatively low frequency of exercise.
또한 반복되는 변형에 의해 쉘 구조의 곡률이 점차 감소하여 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
In addition, there is a problem that the curvature of the shell structure gradually decreases due to repeated deformation, resulting in poor durability.
한편, 하기의 선행기술문헌은 '다중 재생에너지 수집 장치'에 관한 것으로서, 태양전지, 진동에너지 또는 열에너지 등과 같은 주변의 재생에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 수집소자에 관한 기술이 개시되어 있다.
On the other hand, the following prior art document relates to a 'multiple regenerative energy collecting device', and discloses a technology relating to an energy collecting device for converting the renewable energy of the environment such as a solar cell, vibration energy or thermal energy into electric energy.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 인체의 움직임에 따른 변형을 진동으로 변환하여 입력 주파수나 변형되는 가속에 상관없이 수 Hz의 낮은 주파수 대역에 해당하는 인체의 움직임을 에너지로 수집할 수 있는 에너지 수집장치를 제공하는데 목적이 있다.Disclosure of the Invention The present invention has been developed in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to convert a deformation according to a motion of a human body into a vibration to generate a motion of a human body corresponding to a low frequency band of several Hz, And to provide an energy collection device that can be collected.
또한, 본 발명의 다른 목적은 인체의 피부에 용이하게 부착할 수 있도록 인체의 피부 등과 같이, 피접착면의 곡면형태에에 맞게 유연한 재질을 갖는 에너지 수집장치를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide an energy collecting apparatus having a flexible material adapted to a curved surface shape of a surface to be adhered, such as the skin of a human body, so as to be easily attached to the skin of a human body.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 수집장치는, 가요성 재질로 이루어지고, 피접착면에 부착되며, 상기 피접착면이 변형되면 상기 변형된 피접착면을 따라 변형되는 기판과, 상기 기판에 일측 단부, 양단 또는 둘레가 연결되고, 상기 기판이 변형되면 진동하면서 전류가 출력되는 진동부재를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an energy collecting apparatus comprising: a substrate, made of a flexible material, attached to an adherend surface and deformed along the deformed adherend surface when the adherend surface is deformed; And an oscillation member to which one end, both ends, or a periphery are connected to the substrate, and a current is output while being vibrated when the substrate is deformed.
상기 진동부재는 상기 기판으로 입력되는 변형을 전력으로 출력하는 압전소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.And the vibrating member is composed of a piezoelectric element that outputs a deformation input to the substrate as electric power.
상기 진동부재에 설치되고, 상기 기판으로 입력되는 변형이 설정된 값 이내이면 상기 진동부재를 상기 기판에 고정시키고, 상기 기판으로 입력되는 변형이 설정된 값을 초과하면 상기 진동부재를 상기 기판으로부터 이격되게 하는 고정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the vibrating member is fixed to the substrate when the deformation inputted to the substrate is within a set value and the vibrating member is moved away from the substrate when the deformation inputted to the substrate exceeds a set value Further comprising fixing means.
상기 고정수단은, 상기 기판 또는 상기 진동부재 중 어느 일측에 구비되는 자석과, 그 나머지 일측에 구비되고, 상기 자석의 자력에 의해 부착되는 자성체이거나 또 다른 자석인 것을 특징으로 한다. The fixing means is a magnet provided on either one side of the substrate or the oscillating member and a magnetic body provided on the other side of the magnet and attached by the magnetic force of the magnet or another magnet.
상기 진동부재는 상기 진동부재의 일단이 상기 기판에 외팔보의 형태로 연결되고, 상기 고정수단은 상기 진동부재의 타단에 설치되는 것을 특징으로 한다.Wherein the oscillating member is connected at one end of the oscillating member to the substrate in the form of a cantilever beam, and the securing means is installed at the other end of the oscillating member.
상기 진동부재의 타단에는 자석이 설치되고, 상기 기판에 상기 자성체가 설치되는 것을 특징으로 한다.A magnet is provided at the other end of the vibration member, and the magnetic body is installed on the substrate.
상기 진동부재는 상기 진동부재의 양단이 상기 기판에 양단보의 형태로 연결되고, 상기 고정수단은 상기 진동부재의 중간에 설치되는 것을 특징으로 한다.Both ends of the oscillating member are connected to the substrate in the form of both ends, and the oscillating member is installed in the middle of the oscillating member.
상기 진동부재의 중간부분의 상부면에는 자석이 설치되고, 상기 기판에서 상기 자석이 투영되는 위치에 자성체가 설치되는 것을 특징으로 한다.A magnet is provided on an upper surface of an intermediate portion of the vibration member, and a magnetic body is installed at a position where the magnet is projected from the substrate.
상기 진동부재는, 상기 기판으로부터 이격되게 위치하고, 둘레가 상기 기판에 연결되는 멤브레인으로 형성되고, 상기 고정수단은, 상기 멤브레인에 설치되는 자석과 상기 기판상에 상기 자석이 투영되는 위치에 설치되는 자성체인 것을 특징으로 한다. Wherein the vibrating member is formed of a membrane that is spaced apart from the substrate and that is circumferentially connected to the substrate, and the fixing unit includes a magnet provided on the membrane, and a magnetic body disposed on a position where the magnet is projected on the substrate .
상기 진동부재의 저면에는 상기 자석이 설치되고, 상기 기판에는 상기 자석이 외부에서 그 내부 사이를 왕복운동하여 유도전류가 출력되도록 권취된 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The magnet may be installed on a bottom surface of the vibrating member, and the coil may be wound on the substrate so that the magnet reciprocates between the inside and the outside to induce an induced current.
상기 기판에는 상기 기판을 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 관통공의 내부에 상기 코일의 일단이 위치하도록 상기 코일이 설치되는 것을 특징으로 한다.
The substrate is provided with a through hole passing through the substrate, and the coil is installed inside the through hole so that one end of the coil is positioned.
상기 기판에서 관통공이 형성된 부분의 저면에는 자성체가 설치되는 것을 특징으로 한다.And a magnetic substance is provided on a bottom surface of a portion where the through hole is formed in the substrate.
상기 기판과 진동부재는, PVC(polyvinyl chloride), PET(polyethylene terephthalate resin), 폴리에틸렌(polyethylene), EVA(ethylene vinyl acetate), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리아미드(polyimide)를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
The substrate and the vibration member may be at least one member selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polyethylene terephthalate resin, polyethylene, EVA (ethylene vinyl acetate), polydimethylsiloxane (PDMS) And the like.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 에너지 수집장치에 따르면, 인체의 움직임에 따라 진동부재가 진동하도록 하여, 인체의 움직임을 진동으로 변환하여 진동부재로부터 전력이 출력되도록 함으로써, 에너지를 수집할 수 있다.According to the energy collecting apparatus of the present invention having the above-described structure, the vibration member is caused to vibrate according to the movement of the human body, and the movement of the human body is converted into the vibration to output the electric power from the vibration member. have.
또한, 인체의 움직임을 변형의 속도 또는 주파수와는 상관없이 변형에 의한 에너지를 수집할 수 있다. Also, the energy of deformation can be collected regardless of the speed or frequency of deformation of the human body.
아울러, 진동부재는 인체의 움직임이 과도하더라도 충격이나 인장력을 받지 않아 과도한 변형이 생지기 않아 내구성이 우수하다.In addition, the vibration member is excellent in durability because it does not undergo excessive deformation because it is not subjected to impact or tensile force even when the movement of the human body is excessive.
그리고, 기판이 가요성의 재질로 형성되기 때문에, 부착되는 부위의 형상에 상관없이 용이하게 부착하여 사용할 수 있다.Since the substrate is formed of a flexible material, it can be easily attached and used regardless of the shape of the attached portion.
본 발명에 따른 에너지 수집장치는 패치의 형태로 직접 인체의 피부에 접착하거나 의복에 적용함으로써, 인체의 움직임에 따라 에너지를 수집할 수 있고, 인체나 의복뿐만 아니라, 변형이 일어나는 부위이면 어느 곳이든지 접착하여 에너지를 수집할 수 있다.
The energy collecting apparatus according to the present invention can collect energy according to the movement of the human body by applying directly to the skin of the human body in the form of a patch or by applying it to the clothes and it is possible to collect energy not only in the human body and clothing, The energy can be collected by bonding.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치의 작동을 도시한 단면도.
도 5은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 단면도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치의 작동을 도시한 단면도.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 부분절개 사시도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치를 도시한 사시도.
도 11는 도 10의 요부 확대도.
도 12는 도 10의 단면도.
도 13은 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치에서, 기판에 형성된 관통공에 코일이 설치되고, 상기 코일의 내부에 자석이 위치한 상태를 확대 도시한 부분확대도.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치에서 자석이 코일의 내부에서 왕복운동하는 상태를 도시한 개념도.1 is a perspective view showing an energy collecting apparatus according to a first embodiment of the present invention;
2 is a sectional view showing an energy collecting apparatus according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 3 and FIG. 4 are sectional views showing the operation of the energy collecting apparatus according to the first embodiment of the present invention; FIG.
5 is a perspective view showing an energy collecting apparatus according to a second embodiment of the present invention;
6 is a sectional view showing an energy collecting apparatus according to a second embodiment of the present invention;
7 and 8 are sectional views showing the operation of an energy collecting apparatus according to a second embodiment of the present invention;
9 is a partially cutaway perspective view showing an energy collecting apparatus according to a third embodiment of the present invention;
10 is a perspective view showing an energy collecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention;
11 is an enlarged view of the main part of Fig.
12 is a sectional view of Fig. 10; Fig.
13 is a partially enlarged view of an energy collecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention in which a coil is provided in a through hole formed in a substrate and a magnet is disposed inside the coil.
14 is a conceptual diagram showing a state in which a magnet reciprocates inside a coil in an energy collecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention;
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 에너지 수집장치에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, an energy collecting apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 에너지 수집장치는, 가요성 재질로 이루어져 피접착면의 변형에 따라 변형되는 기판(12)(22)(32)과, 상기 기판(12)(22)(32)에 일단, 양단, 또는 둘레가 연결되어 외부로부터 상기 기판(12)(22)(32)으로 변형이 입력되면 진동하는 진동부재(11)(21)(21')(31)를 포함한다. The energy collecting apparatus according to the present invention comprises a
기판(12)(22)(32)은 가요성의 재질로 이루어져 피접착면에 부착된다. 상기 기판(12)(22)(32)이 가요성의 재질로 이루어지기 때문에, 본 발명에 따른 에너지 수집장치가 피접착면의 곡면에 밀착되게 접착할 수 있다. 예컨대, 상기 에너지 수집장치를 인체의 피부에 부착하는 경우에도, 부착되는 부위에 상관없이 부착할 수 있다. The
진동부재(11)(21)(21')(31)는 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)의 일단, 양단 또는 둘레가 상기 기판(12)(22)(32)에 연결된다. 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)는 압전소자로 이루어지고, 외부로부터 변형이 전달되거나, 변형이 제거됨에 따라 상기 기판(12)(22)(32)상에서 진동하면서, 상기 변형에 의한 전력을 출력값으로 출력하게 된다. 상기 기판(12)(22)(32)에 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)를 설치하여, 외부로부터 전달되는 변형에 의해 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 진동되거나, 외부로부터 전달된 변형이 제거될 때 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 진동하면서 변형에 의한 전력이 출력되도록 함으로써, 변형의 방향, 변형의 주파수에 상관없이 에너지를 수집할 수 있다.The vibrating
예컨대, 인체의 움직임에 따른 에너지를 수집하기 위해서 본 발명에 따른 에너지 수집장치를 인체에 부착하는 경우, 인체의 움직임은 방향성이 불규칙하고, 인체의 움직임에 따른 주파수는 수 Hz 내지 십 수 Hz 정도로 그 대역이 낮고 입력값의 상한과 하한이 없는데, 본 발명에 따른 에너지 수집장치는 압전소자를 적용하여 변형을 진동으로 변환하여 에너지를 수집할 수 있게 된다.For example, when the energy collecting apparatus according to the present invention is attached to a human body in order to collect energy according to the movement of the human body, the human body moves irregularly and the frequency depending on the movement of the human body is about several Hz to ten Hz. The band is low and there is no upper limit and lower limit of the input value. However, the energy collecting apparatus according to the present invention can apply the piezoelectric element to convert deformation into vibration and collect energy.
상기 기판(12)(22)(32)과 진동부재(11)(21)(21')(31)는 PVC(polyvinyl chloride), PET(polyethylene terephthalate resin), 폴리에틸렌(polyethylene), EVA(ethylene vinyl acetate), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리아미드(polyimide)를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기의 재질을 이용하여 플라스틱 필름, 폴리머 소재 등의 형태로 상기 기판(12)(22)(32)과 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)를 제작한다.The
고정수단은 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 정해진 범위 이내의 변형에 대해서는 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 상기 기판(12)(22)(32)에 고정되어 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 상기 기판(12)(22)(32)과 같은 형태를 유지하도록 하고, 정해진 범위를 초과하는 변형에 대해서는 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 상기 기판(12)(22)(32)으로부터 이격되도록 한다. 또는, 외부로부터 변형이 입력되었을 때에는 상기 진동부재(11)(21)(21')(31) 상기 기판(12)(22)(32)에 접촉되도록 하였다가, 변형이 제거되면 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 진동하도록 한다. The fixing means may be arranged such that the vibrating
상기 고정수단의 구체적인 예의 하나로서, 자석(13)(23)(33)과 상기 자석의 자력에 의해 상기 자석(13)(23)(33)에 부착될 수 있는 자성체(14)(24)(34)를 들 수 있다. 상기 자석(13)(23)(33) 또는 자성체(14)(24)(34)가 상기 기판(12)(22)(32)과 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)에 각각 설치되어, 외부로부터 입력되는 변형이 상기 자석(13)(23)(33)의 인력(引力)보다 작으면 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)는 상기 기판(12)(22)(32)에 고정된 상태에서 진동하게 되고, 외부로부터 입력되는 변형이 상기 자석의 인력보다 크면 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)는 상기 기판(12)(22)(32)으로부터 이격된 상태에서 진동한다.As a specific example of the fixing means, a magnetic body 14 (24) (24) which can be attached to the magnet (13) (23) (33) by the magnetic force of the magnet 34). The
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 진동부재(11)의 일측에 자석(13) 이 설치되고, 상기 기판(12)에 상기 자성체(14)가 설치되도록 구성할 수 있다. 아울러, 그 반대로, 상기 진동부재(11)에 자성체(14)를 설치하고, 상기 기판(12)에 자석(13)을 설치할 수도 있다. For example, as shown in FIG. 1, a
또한, 상기 자성체(14)(24)(34) 대신에 또 다른 자석이 설치되어, 상기 기판(12)(22)(32)과 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)에 모두 자석이 설치될 수 도 있다. 이와 같이, 상기 기판(12)(22)(32)과 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)에 모두 자석(13)(23)(33)이 설치되는 경우에는 초기 상태에서는 서로 다른 극이 인접하도록 하여 접촉된 상태를 유지하다가, 외부로부터 상기 자석(13)(23)(33)간의 인력보다 큰 외력이 입력되면 상기 기판(12)(22)(32)과 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)에 각각 설치된 자석이 서로 이탈하면서 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 진동하게 된다.22 and 32 and the
한편, 상기 고정수단은 벨크로테이프 또는 접착제를 사용할 수도 있다. 상기 벨크로테이프 또는 접착제를 사용하는 경우도 외부로부터 전달되는 변형과, 상기 벨크로테이프 또는 접착제의 접착력의 크기에 따라 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 상기 기판(12)(22)(32)과 함께 변형하거나, 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 상기 기판(12)(22)(32)에서 일측이 이격된 상태에서 진동하게 된다. On the other hand, the fixing means may use a Velcro tape or an adhesive. (21 ') and (31') are arranged on the
여기서 고정수단으로 자석-자성체, 벨크로, 접착제에 대하여 설명하였으나, 상기 고정수단은 일정한 범위의 변형까지는 상기 고정수단에 의해서 상기 기판(12)(22)(32)에 진동부재(11)(21)(21')(31)를 고정시켜 고정된 상태에서 상기 진동부재(11)(21)(21')(31)가 변형하도록 하고, 상기 범위를 벗어나는 크기의 변형에 대해서는 상기 기판(12)(22)(32)으로부터 진동부재(11)(21)(21')(31)가 이격되면서 자유롭게 진동할 수 있도록 하는 것이면 어느 것이나 무방하다.
Although the magnet-magnetic material, the Velcro and the adhesive have been described as the fixing means, the fixing means can prevent the vibrating
이하에서는 본 발명에 따른 에너지 수집장치의 각 실시예에 대하여 구체적으로 살펴보기로 한다.Hereinafter, each embodiment of the energy collecting apparatus according to the present invention will be described in detail.
도 1 내지 도 4에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치가 도시되어 있다.1 to 4 show an energy collecting apparatus according to a first embodiment of the present invention.
본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 가요성 재질의 기판(12)과, 상기 기판(12)에 외팔보의 형태로 설치되는 진동부재(11)를 포함한다.1 and 2, the energy collecting apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a
기판(12)은 가요성의 재질로 이루어져, 다양한 곡면의 형태로 형성되는 피접착면에 밀착될 수 있도록, 상기 피접착면의 형태로 변형될 수 있다.The
진동부재(11)는 상기 기판(12)에 외팔보의 형태로 설치된다. 즉, 상기 진동부재(11)의 일단은 상기 기판(12)에 연결되고, 상기 진동부재(11)의 타단은 상기 기판(12)의 표면에 인접하게 위치하되 상기 기판(12)에 연결되지 않게 설치된다. 따라서, 상기 진동부재(11)는 상기 기판(12)이 연결된 일단을 중심으로 상기 기판(12)에 연결되지 않은 타단이 자유롭게 진동할 수 있다.The vibration member (11) is installed in the form of a cantilever beam on the substrate (12). That is, one end of the
한편, 상기 기판(12)과 상기 진동부재(11)에 설치되는 고정수단을 더 포함할 수있다.In addition, it may further include fixing means provided on the
고정수단은 외부로부터 입력되는 변형의 크기에 따라 상기 진동부재(11)의 타단이 상기 기판(12)에 고정되도록 하거나, 상기 기판(12)과 이격되도록 한다. 상기 고정수단은 앞서 살펴본 자석(13)과 자성체(14)로 이루어져, 상기 자석(13)이 상기 진동부재(11)의 일측에 설치되고, 상기 자성체(14)는 상기 기판(12)에서 상기 자석(13)이 투영된 위치에 설치됨으로써, 상기 진동부재(11)의 타단이 변형의 크기에 따라 상기 기판(12)이 고정되거나 이격되도록 하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 자석(13)은 진동부재의 검증질량 역할을 하며, 상기 진동부재(11)의 타단이 상기 기판(12)으로부터 분리되었을 때, 상기 진동부재(11)가 고유 진동수로 진동하도록 한다.The fixing means fixes the other end of the oscillating
한편, 상기와 반대로 상기 자석(13)과 자성체(14)는 각각 기판(12)과 진동부재(11)에 설치될 수도 있다. 또한, 2개의 자석이 상기 기판(12)과 진동부재(11)에 각각 설치될 수도 있다.On the other hand, the
도 3 및 도 4에는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 수집장치가 외부로부터 입력되는 변형의 크기에 따른 작동상태가 도시되어 있다.3 and 4 illustrate operation states of the energy collecting apparatus according to the first embodiment of the present invention having the above-described configuration according to the magnitude of deformation inputted from the outside.
도 3에는 외부로부터 입력되는 변형이 정해진 크기, 즉 상기 자석(13)과 자성체(14)의 인력보다 작은 경우 상기 에너지 수집장치가 작동하는 상태가 도시되어 있다.3 shows a state in which the energy collecting device operates when a deformation inputted from the outside is smaller than a predetermined size, that is, smaller than the attracting force of the
변형이 크지 않은 경우에는 상기 진동부재(11)는 상기 기판(12)과 함께 변형된다. 이 경우에는 에너지 수집장치는 피접착면에 접착된 상태에서 피접착면이 변형하는 범위 Ⅰ-Ⅰ선 참조)이내서 변형하게 되므로 화살표 B방향으로 변형이 전달되더라도 상기 기판(12)에 상기 진동부재(11)가 고정된 상태, 즉 상기 진동부재(11)의 일단은 상기 기판(12)의 일단에 연결되게 설치되고, 타단은 상기 고정수단에 의해 기판(12)에 고정된 상태를 유지한다. In the case where the deformation is not large, the
도 4에는 외부로부터 입력되는 변형이 정해진 크기보다 큰 경우에 에너지 수집장치가 작동하는 상태가 도시되어 있다. 외부로부터 입력되는 변형이 크면, 에너지 수집장치가 초기에 설치된 곡면(Ⅰ-Ⅰ선 참조)보다 화살표 B방향으로 변형하게 되면서, 상기 자석(13)과 자성체(14)가 서로 분리되면서, 상기 진동부재(11)의 타단이 상기 기판(12)으로부터 이격된다. Fig. 4 shows a state in which the energy collecting apparatus is operated when the deformation inputted from outside is larger than a predetermined size. The
상기와 같이, 상기 진동부재(11)의 타단이 상기 기판(12)으로부터 이격되면, 상기 진동부재(11)는 그 타단이 화살표 V방향(도 4 참조)으로 진동하면서, 외부로부터 입력된 외력에 의해 변형이 발생하면 출력값을 출력하게 된다. 이때, 상기 진동부재(11)에 설치되는 자석(13)은 질량이 확인된 상태이므로, 상기 진동부재(11)는 고유 진동수로 진동하게 되면서, 상기 진동은 상기 진동부재(11)의 타단이 상기 기판(12)으로부터 분리되는 순간의 굽힘정도, 즉 외부로부터 입력되는 변형의 크기에만 영향을 받게되며, 변형의 속도 또는 주파수 등의 영향을 받지는 않는다.As described above, when the other end of the
상기와 같은 에너지 수집장치는, 예컨대 인체의 피부에 부착함으로써, 인체의 움직임으로부터 발생하는 미량의 에너지를 수집하여 활용할 수 있다.Such an energy collecting device can collect and utilize a small amount of energy generated from the movement of the human body, for example, by attaching to the skin of the human body.
뿐만 아니라, 피접착면이 변형되는 곳에 상기 에너지 수집장치를 부착함으로써, 외부로부터 입력되는 변형을 에너지의 형태로 수집할 수 있다.
In addition, by adhering the energy collecting device to a place where the adherend surface is deformed, deformation inputted from outside can be collected in the form of energy.
도 5 내지 도 8에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치가 도시되어 있다.5 to 8 show an energy collecting apparatus according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치는, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 가요성 재질의 기판(22)과, 상기 기판(22)에 양단에 연결되게 설치되는 진동부재(21)와, 상기 기판(22)과 진동부재(21)에 설치되는 고정수단을 포함한다.5 to 6, the energy collecting apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a
기판(22)은 상기 앞선 실시예에서와 같이, 가요성 재질로 이루어진다.The
진동부재(21)는 압전소자로 제공되고, 양단이 상기 기판(22)에 연결되며, 상기 진동부재(21)는 양단보의 형태로 형성된다. 상기 진동부재(21)는 변형이 작은 경우에는 상기 기판(22)과 함께 변형되고, 변형이 큰 경우에는 고유 진동수로 진동함으로써, 외부로 입력된 변형을 진동을 형태로 변형하여 에너지를 수집한다.The vibrating
고정수단은, 예컨대 자석(23)-자성체(24)로 제공되어, 상기 자석(23)은 상기 진동부재(21)에 설치되고, 상기 자성체(24)는 상기 기판(22)이 설치되는 것이 바람직하다. 특히, 본 실시예에서 상기 진동부재(21)는 양단이 상기 기판에 설치된 양단보의 형태를 가지므로, 변형에 대하여 충분히 진동할 수 있는 공간이 확보되도록, 상기 자석(23)은 상기 진동부재(21)의 상부면에 설치되는 것이 바람직하다.It is preferable that the fixing means is provided with a
이러한 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 수집장치는 초기상태 또는 변형이 작은 상태에서는 자석(23)과 자성체(24)가 서로 이격된 상태를 유지하게 된다.In the energy collecting apparatus according to the second embodiment of the present invention, the
한편, 외부로부터 입력되는 외력이 크면, 도 7에 도시된 바와 같이, 가요성의 기판(22)이 변형되면서(화살표 B 참조), 상기 자석(23)과 자성체(24)가 인력(引力)에 의해 서로 붙게 된다. 외력이 제거되면, 상기 기판(22)이 원래 상태로 평평하게 펴지게 되고, 상기 자석(23)과 자성체(24)가 분리되면서 상기 진동부재(21)가 진동한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 진동부재(21)는 화살표 V방향으로 진동하면서, 변형에 의한 출력값을 출력하게 된다.
7, when the
한편, 도 9에는 상기 제2 실시예를 변형한 본 발명의 제3 실시예가 도시되어 있다.On the other hand, FIG. 9 shows a third embodiment of the present invention in which the second embodiment is modified.
본 발명에 따른 제3 실시예에서는, 기판(22)과, 상기 기판(22)과 이격되게 멤브레인의 형태로 구비되고 둘레가 상기 기판(22)이 연결되는 진동부재(21')로 에너지 수집장치가 구성된다.In the third embodiment according to the present invention, a
기판(22)은 앞서 살펴본 두 실시예에서와 마찬가지로 가요성의 재질로 형성되어, 피접착물의 표면에 밀착되게 부착된다.The
진동부재(21')는 상기 기판(22)과 이격되게 위치하는 멤브레인으로 하되, 그 둘레가 상기 기판(22)에 연결되도록 한다.The vibrating member 21 'is a membrane positioned so as to be spaced apart from the
상기 진동부재(21')의 상부면에는 자석(23)이 설치되고, 상기 자석(23)이 투영되는 위치에 자성체(24)가 설치되되, 바람직하게는 상기 진동부재(21')의 중심과 상기 기판(22)의 중심에는 각각 자석(23)과 자성체(24)가 설치된다.A
본 발명의 제3 실시예에서는 상기 제2 실시예에서와 마찬가지로, 초기상태 또는 변형이 작은 경우에는 자석(23)과 자성체(24)가 이격된 상태를 유지하다가, 외부로부터 전달되는 변형이 입력되면 상기 자석(23)과 자성체(24)가 서로 붙었다가, 변경이 제거되면 상기 자석(23)과 자성체(24)가 분리되면서 상기 진동부재(21')가 진동하면서 변형에 의한 출력값이 출력된다.
In the third embodiment of the present invention, as in the second embodiment, when the initial state or the deformation is small, the
도 10 내지 도 14에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치가 도시되어 있다.10 to 14 show an energy collecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치는, 가요성 재질로 이루어지고 관통공(32a)이 형성되는 기판(32)과, 상기 기판(32)에 양단에 연결되게 설치되는 진동부재(31)와, 상기 진동부재(31)에 설치되는 자석(33)과, 상기 기판(32)의 저면에 설치되는 자성체(34)와, 상기 기판(32)에 설치되고 외부에서 그 내부로 상기 자석(33)이 왕복운동하는 코일(35)을 포함한다.The energy collecting apparatus according to the fourth embodiment of the present invention includes a
앞서 살펴본 실시예에서는 상기 진동부재(11)(21)가 진동하면서, 압전소자로 이루어진 상기 진동부재(31)로부터 변형에 의한 출력값이 출력되었으나, 본 발명의 제4 실시예에서는 상기 진동부재(31)에 의한 압전현상와 함께, 상기 코일(35)의 외부와 내부 사이를 왕복운동하는 영구자석(33)에 의해 상기 코일로부터 유도전력이 출력되게 하는 전자기 유도 현상을 이용한다.In the above-described embodiment, while the
기판(32)은 가요성의 재질로 이루어져 다양한 형태의 곡면을 갖는 피접착면과 동일한 곡면으로 변형될 수 있도록 한다. 이때, 상기 기판(32)의 내부에는 상기 기판(32)을 관통하는 관통공(32a)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 관통공(32a)은 후술되는 코일이 설치될 뿐만 아니라, 영구자석(33)이 진동하는 공간을 확보해준다.The
진동부재(31)는 양단이 상기 기판(32)에 연결되어 양단보의 형태로 형성되고, 변형이 입력되면, 중앙부분의 최대의 진폭으로 진동하게 된다. 상기 진동부재(31)는 압전소자로 이루어져, 변형에 의한 출력값을 출력한다.Both ends of the oscillating
자석(33)은 영구자석의 형태로 제공되고, 상기 진동부재(31)의 중간부분의 저면에 설치된다. 상기 자석(33)은 상기 진동부재(31)의 진동에 따라 코일(35)의 내부에서 왕복운동하므로, 상기 자석(33)은 상기 진동부재(31)의 중간부분의 저면에 설치되는 것이 바람직하다.The
자성체(34)는 상기 기판(32)의 저면에 설치되는데, 상기 관통공(32a)이 형성된 부분의 기판(32)의 저면에 설치된다. 상기 기판(32)의 관통공(32a)은 상방으로는 개방된 상태이나, 하방으로는 상기 자성체(34)에 의해 폐쇄된 상태가 된다. 상기 자성체(34)는 외부로부터 변형이 입력되면, 상기 자석(33)이 상기 자성체(34)에 붙었다가 변형이 제거되면 상기 자석(33)이 자성체(34)로부터 이탈하면서, 상기 진동부재(31)가 진동한다.The
코일(35)은 상기 기판(32)에 형성된 관통공(32a)의 내부, 바람직하게는 상기 관통공(32a)의 내측벽에 그 일단이 위치하도록 설치되고, 그 내부로 상기 자석(33)이 왕복운동하도록 한다. 예컨대, 상기 코일(35)의 하단은 상기 관통공(32a)의 내측벽에 위치하고, 상단은 상기 기판(32)과 진동부재(31) 사이의 공간에 위치하도록 설치된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 코일(35)의 내부에서 상기 자석(33)이 왕복운동하면, 전자기 유도현상에 의해서 코일에서는 전류가 출력되는데, 이를 수집함으로써, 결과적으로 에너지를 수집하게 된다. The
특히, 본 실시예(제4 실시예)에서는 상기 진동부재(31)에서도 변형이 진동으로 변환되어 변형에 의한 출력값이 상기 진동부재(31)로부터도 출력되는 바, 상기 코일(35)의 내부에서 자석(33)이 왕복운동함에 따라 출력되는 출력값과 더불어 복합적인 방식에 의해 에너지를 수집할 수 있다.Particularly, in the present embodiment (fourth embodiment), the deformation is converted into the vibration even in the
즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 수집장치에 따르면, 외부로부터 변형이 입력되면, 상기 기판(32)은 피접착면의 변형에 대응하여, 피접착면과 동일한 곡면을 유지하도록 변형된다.That is, according to the energy collecting apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, when a deformation is inputted from the outside, the
이때, 상기 기판(32)이 변형됨에 따라, 압전소자로 이루어지는 상기 진동부재(31)에 설치된 자석(33)이 상기 자성체(34)에 붙었다가, 외력이 제거되어 상기 진동부재(31)가 복원하면서 진동하게 되면서, 상기 진동부재(31)로부터 출력이 발생한다.At this time, as the
또한, 상기 진동부재(31)가 진동할 때, 상기 진동부재(31)에 설치된 자석(33)도 진동하면서, 상기 코일(35)의 내부에서 왕복운동하게 된다. 상기 자석(33)이 코일(35)의 내부에서 왕복운동을 함에 따라 상기 코일(35)로부터 전자기 현상에 의한 유도전력도 출력된다.When the oscillating
따라서, 본 실시예에서는 외부로부터 변형이 입력되었다가 제거되면, 상기 진동부재(31)는 진동하고, 상기 코일(35)의 내부에서는 자석이 왕복운동하면서 각각 변형으로부터 기인한 전력을 수집함으로써, 복합적으로 에너지를 수집할 수 있다.
Therefore, in the present embodiment, when the deformation is inputted and removed from the outside, the
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 에너지 수집장치는 패치의 형태로 제작되어, 인체의 피부에 직접 접착시켜 인체의 움직임에 따라 에너지를 수집하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 의복에도 에너지 수집장치가 구비함으로써 마찬가지로 인체의 움직임에 따라 에너지를 수집할 수 있다As described above, the energy collecting apparatus according to the present invention can be manufactured in the form of a patch, and directly attached to the skin of the human body to collect energy according to the movement of the human body. In addition, energy can be collected according to the motion of the human body by equipping the garment with the energy collecting device
아울러, 인체의 움직임으로부터 에너지를 수집하는 것이 아니라, 본 발명의 에너지 수집장치에 변형을 가할 수 있는 부위를 가진 피접착물이 있다면, 상기 피접착물에 상기 에너지 수집장치를 부착함으로써, 상기 피접착물의 작동에 따라 발생하는 에너지가 수집되도록 할 수 있다. 예컨대 일방향으로 개방되는 출입문에 적용함으로써, 상기 출입물의 개폐에 따라 상기 에너지 수집장치가 변형되면서, 에너지를 수집할 수 있게 된다.
In addition, if there is an adherend having a site capable of deforming the energy collecting apparatus of the present invention, rather than collecting energy from the movement of the human body, by attaching the energy collecting apparatus to the adherend, So that the energy generated in accordance with the present invention can be collected. For example, the present invention is applied to a door opened in one direction, so that energy can be collected while the energy collecting apparatus is deformed according to opening and closing of the entrance and exit.
11, 21, 21', 31 : 진동부재 12, 22, 32 : 기판
32a : 관통공 13, 23, 33 : 자석
14, 24, 34 : 자성체 35 : 코일11, 21, 21 ', 31: vibrating
32a: through
14, 24, 34: magnetic body 35: coil
Claims (14)
상기 기판에 일측 단부, 양단 또는 둘레가 연결되고, 상기 기판이 변형되면 진동하면서 전류가 출력되는 진동부재를 포함하고,
상기 진동부재는 상기 기판으로 입력되는 변형을 전력으로 출력하는 압전소자로 이루어지며,
상기 진동부재에 설치되고, 상기 기판으로 입력되는 변형이 설정된 값 이내이면 상기 진동부재를 상기 기판에 고정시키고, 상기 기판으로 입력되는 변형이 설정된 값을 초과하면 상기 진동부재를 상기 기판으로부터 이격되게 하는 고정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.A substrate made of a flexible material and adhered to an adherend surface and deformed along the deformed adherend surface when the adherend surface is deformed;
And an oscillation member having one end, both ends, or a periphery connected to the substrate and outputting a current while vibrating when the substrate is deformed,
Wherein the vibrating member is composed of a piezoelectric element that outputs a deformation input to the substrate as electric power,
Wherein the vibrating member is fixed to the substrate when the deformation inputted to the substrate is within a set value and the vibrating member is moved away from the substrate when the deformation inputted to the substrate exceeds a set value Further comprising fixing means.
상기 고정수단은,
상기 기판 또는 상기 진동부재 중 어느 일측에 구비되는 자석과,
그 나머지 일측에 구비되고, 상기 자석의 자력에 의해 부착되는 자성체이거나 또 다른 자석인 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.The method according to claim 1,
Wherein,
A magnet provided on either the substrate or the oscillating member,
And a magnetic body provided on the other side thereof and attached by the magnetic force of the magnet or another magnet.
상기 진동부재는 상기 진동부재의 일단이 상기 기판에 외팔보의 형태로 연결되고,
상기 고정수단은 상기 진동부재의 타단에 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.5. The method of claim 4,
Wherein one end of the oscillating member is connected to the substrate in the form of a cantilever beam,
And the fixing means is installed at the other end of the vibration member.
상기 진동부재의 타단에는 자석이 설치되고,
상기 기판에 상기 자성체가 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.6. The method of claim 5,
A magnet is provided at the other end of the vibration member,
And the magnetic substance is installed on the substrate.
상기 진동부재는 상기 진동부재의 양단이 상기 기판에 양단보의 형태로 연결되고,
상기 고정수단은 상기 진동부재의 중간에 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.5. The method of claim 4,
Wherein the vibrating member has both ends of the vibrating member connected to the substrate in the form of both end beams,
And the fixing means is installed in the middle of the vibration member.
상기 진동부재의 중간부분의 상부면에는 자석이 설치되고,
상기 기판에서 상기 자석이 투영되는 위치에 자성체가 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.8. The method of claim 7,
A magnet is provided on an upper surface of an intermediate portion of the vibration member,
Wherein a magnetic body is disposed at a position where the magnet is projected from the substrate.
상기 진동부재는, 상기 기판으로부터 이격되게 위치하고, 둘레가 상기 기판에 연결되는 멤브레인으로 형성되고,
상기 고정수단은, 상기 멤브레인에 설치되는 자석과 상기 기판상에 상기 자석이 투영되는 위치에 설치되는 자성체인 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.5. The method of claim 4,
Wherein the oscillating member is spaced apart from the substrate and is formed of a membrane having a periphery connected to the substrate,
Wherein the fixing means is a magnetic body provided at a position where the magnet is projected on the substrate and a magnet provided on the membrane.
상기 기판은,
PVC(polyvinyl chloride), PET(polyethylene terephthalate resin), 폴리에틸렌(polyethylene), EVA(ethylene vinyl acetate), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리아미드(polyimide)를 포함하는 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 수집장치.The method according to claim 1,
Wherein:
And a material comprising at least one selected from the group consisting of polyvinyl chloride (PVC), polyethylene terephthalate resin, polyethylene, ethylene vinyl acetate (EVA), polydimethylsiloxane (PDMS) Characterized by an energy collecting device.
Priority Applications (1)
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KR101234562B1 (en) * | 2011-12-07 | 2013-02-19 | 재단법인 포항산업과학연구원 | Vibration generating module with external vibration permission structure and bending stress induced hole for hibrid energy harvesting |
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2013
- 2013-10-29 KR KR1020130129220A patent/KR101598888B1/en active IP Right Grant
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KR101870278B1 (en) | 2017-05-23 | 2018-06-22 | 연세대학교 산학협력단 | Triboelectric Energy Harvester and Portable Self-Powered Active Triboelectric Environmental Sensor Using the Frequency Lifting Mechanism |
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