KR101775710B1 - Power generation apparatus using piezoelectric element stacked by multilayer structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있도록 구성되는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하여, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키도록 구성됨으로써, 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있도록 구성되는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generating device using a piezoelectric element stacked in a multi-layered structure, which is constructed so that a cantilever assembly including a piezoelectric element and a cantilever is stacked in multiple layers to increase power generation efficiency against space. A plurality of cantilevers which are fixed to the upper and lower ends of the upper cantilever and fixed to the upper and lower cantilevers and are disposed between the upper and lower cantilevers, A piezoelectric vibrator connected to the other end of the cantilever and having a predetermined weight, a bonding material for coupling the piezoelectric element and the cantilever, a piezoelectric element attached to the upper surface of the upper cantilever, and a piezoelectric element attached to a lower surface of the lower cantilever, Comprising a coating of a thermoplastic material formed, The cantilever is made to vibrate and the piezoelectric element is configured to generate a current by the vibration of the cantilever in the up and down direction so that the cantilever assembly including the piezoelectric element and the cantilever is stacked in multiple layers to increase the space- A power generating device using a piezoelectric element laminated in a multilayer structure is provided.
Description
본 발명은 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더 상세하게는, 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 높일 수 있도록 구성되는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a power generating device using a piezoelectric element stacked in a multilayer structure, and more particularly, to a multi-layered structure in which a cantilever assembly including a piezoelectric element and a cantilever is stacked in multiple layers, And more particularly to a power generating device using a stacked piezoelectric element.
최근, 전기통신기술의 발달로 다양한 종류의 전자 장치들이 등장하고 있다. 예를 들어, 휴대용 전자기기들과 같은 전자 장치는 사용자 중심의 유비쿼트스(Ubiquitous) 컴퓨팅을 구현함에 따라, 그 수요가 폭발적으로 증가하는 추세에 있다. 휴대용 전자기기들은 배터리와 같은 휴대 전원을 포함할 수 있고, 배터리 기술은 일회성을 갖거나 주기적인 충전이 필요하므로 그 한계가 있다. 이로 인해 전자 장치에 있어서, 에너지 하베스팅의 필요성이 대두되고 있다. BACKGROUND ART [0002] In recent years, various types of electronic devices have emerged due to the development of telecommunication technologies. For example, electronic devices such as portable electronic devices are increasingly in demand as they implement user-centric ubiquitous computing. Portable electronic devices can include a portable power source such as a battery, and battery technology has limitations because it requires a one-time or periodic charging. This has led to the need for energy harvesting in electronic devices.
이러한 에너지 하베스팅(energy harvesting)은 자연에서 버려지고 있는 진동 에너지, 즉 기차의 진동, 진공 펌프의 진동, 기계모터의 진동, 자동차 엔진의 진동, 사람의 동작에 의한 진동 등의 버려지는 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 기술을 의미한다. 압전 에너지 하베스팅 소자는 주변 진동의 주파수와 그들의 공진 주파수가 일치하는 경우, 변위의 증폭이 발생하여 공진 주파수에서 가장 큰 전기 에너지가 발생한다. This energy harvesting is an energy harvesting technique that uses abandoned mechanical energy such as vibration of a train, vibration of a vacuum pump, vibration of a mechanical motor, vibration of an automobile engine, To electrical energy. When the resonance frequency of the piezoelectric energy harvesting device is equal to the frequency of the ambient vibration, amplification of the displacement is generated, and the largest electric energy is generated at the resonance frequency.
한편, 압전 현상이란 어떤 종류의 결정판(結晶板)에 일정한 방향에서 압력을 가하면 판의 양면에 외력에 비례하는 양, 음의 전하가 나타나는 현상으로, 결정판에는 고유의 진동이 있고, 탄성진동과 전기진동이 일치하면 압전소자와 결합되어 더욱 강한 진동이 일어난다. On the other hand, the piezoelectric phenomenon is a phenomenon in which positive and negative electric charges proportional to external force appear on both sides of a plate when a certain kind of crystal plate is pressurized in a certain direction. There are intrinsic vibrations in the crystal plate, When the vibrations are matched, they are combined with the piezoelectric elements, resulting in stronger vibration.
기본적으로 압전소자를 이용한 발전장치는 캔틸레버(cantilever)가 구조물에 설치되어 구조물의 진동 에너지를 전기 에너지의 형태로 활용하도록 하는 장치이다. 캔틸레버에 외부 진동이 작용하면 상기 캔틸레버는 변형을 일으키게 되는데, 이때의 변형력을 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 것이면 어떤 것이라도 적용될 수 있다. Basically, a power generation device using a piezoelectric element is a device in which a cantilever is installed in a structure to utilize the vibration energy of the structure in the form of electric energy. If an external vibration is applied to the cantilever, the cantilever is deformed. Anything can be applied as long as the cantilever can convert the deformation force into electric energy.
예를 들면, 압전(piezoelectric) 소자, 정전기(electrostatic), 전자기(electromagnetic), 자기변형(magnetostriction) 등의 원리를 이용한 형태가 사용될 수 있다. For example, a piezoelectric element, electrostatic, electromagnetic, magnetostriction, or the like may be used.
상기 압전소자는 변형에 의해 전류를 발생시키는 기능을 하는 부재로서, 압전 현상을 나타내는 소자이며, 피에조 전기소자라고도 한다. The piezoelectric element is a member functioning to generate a current by deformation, which is a piezoelectric element, and is also referred to as a piezoelectric element.
한편, 화석연료의 고갈에 따라 이를 대체할 수 있는 에너지 자원의 개발에 관심이 집중되고 있다. 화석연료를 대체할 수 있는 자연에너지원으로는 풍력, 태양력, 조력 등 다양한 것이 있으며, 이러한 자연에너지원으로부터 전기를 얻기 위한 수단의 하나로 압전소자를 이용한 발전장치가 있다. 이러한 압전발전장치는 압전물질을 이용한 것으로, 압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 변환기로서 다양한 응용분야에 사용되고 있다. On the other hand, attention is focused on the development of energy resources that can replace them due to depletion of fossil fuels. There are various kinds of natural energy sources that can replace fossil fuels such as wind power, solar power, and tidal power. There is a power generation device using piezoelectric elements as a means for obtaining electricity from such a natural energy source. Such a piezoelectric power generation device uses a piezoelectric material, and a piezoelectric material is used as a converter for converting mechanical energy into electric energy in various applications.
압전소자를 이용한 발전장치는 다른 발전 방식보다 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이할 뿐만 아니라 에너지의 변환 효율 또한 높은 장점을 가진다. A power generation apparatus using a piezoelectric element is advantageous not only in that it can convert a small vibration into electric energy, but also has a high energy conversion efficiency.
또한, 압전소자를 이용한 발전장치는 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다. In addition, a power generation apparatus using a piezoelectric element has an advantage that power generation can be performed in a dark place without night light or at night. Therefore, it can be used at all times, where there is vibration, pressure or force, and where there is a flow of water or wind.
이러한 압전물질을 이용한 발전장치는 통상적으로 얇은 판체 형상의 압전소자에 외부에서 기계적인 변형을 주어 전기를 발생시키는 것으로 진동판에 얇은 압전소자를 설치하여 진동판이 외부의 힘에 의해 진동되어 압전소자가 기계적 변형을 일으키게 함으로써 전기가 발생하게 하는 것이다. Generally, a power generating device using such a piezoelectric material typically generates a thin, plate-shaped piezoelectric element by mechanically deforming the piezoelectric element from the outside, so that a thin piezoelectric element is installed on the diaphragm, so that the diaphragm is vibrated by an external force, Thereby causing electricity to be generated.
더 상세하게는, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 압전소자(12)를 이용한 발전장치(10)의 구성을 보여주는 구성도이다. More specifically, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a
도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 압전소자(12)를 이용한 발전장치(10)는 구조물(16)에 직접 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성부재(11), 이 탄성부재(11)에 부착된 압전 소자(12), 그리고, 선택적으로 탄성부재(11)의 자유단 측에 배치된 질량체(14)를 포함한다. 1, a conventional electric
구조물(16)이 진동함에 따라 상기 탄성부재(11)가 진동하면서 압전 소자(12)를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으키고 결국 전력을 발생시키게 된다. As the
압전 소자에서 발생하는 전압은 교류(AC) 형태로 출력된다. 교류 전압은 직류(DC) 전압으로 변환되어 사용될 수 있다. The voltage generated in the piezoelectric element is output in the form of alternating current (AC). The alternating voltage can be converted to a direct current (DC) voltage and used.
직류 전압은 수퍼커패시터나 배터리를 충전하거나, 집적 회로(IC) 등의 구동에 사용된다. The DC voltage is used to charge a supercapacitor or a battery, or to drive an integrated circuit (IC) or the like.
그러나 주변 환경에서 발생하는 미세 진동으로부터 얻어지는 전기에너지는, 그 크기가 매우 작아 집적 회로를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않고, 수퍼커패시터나 배터리를 충전하는데도 시간이 오래 걸린다.However, the electric energy obtained from the microvibration generated in the surrounding environment is very small, so that the power for driving the integrated circuit is not sufficient, and it takes a long time to charge the supercapacitor and the battery.
따라서 압전소자를 이용한 발전장치에 있어서, 압전소자의 개수 증가에 비례하는 출력전력을 발생시켜 출력전류를 크게 하여 수퍼커패시터나 배터리를 빠르게 충전할 수 있고, 좁은 공간에서 사용되면서 구동에 필요한 충분한 전력을 생산하기 위한 기술개발의 필요성이 제기되고 있다. Therefore, in a power generation apparatus using a piezoelectric element, an output power proportional to the increase in the number of piezoelectric elements is generated to increase the output current, so that the supercapacitor and the battery can be charged quickly, and sufficient power required for driving while being used in a narrow space There is a need for technology development for production.
[선행기술문헌] [Prior Art Literature]
1. 한국 등록특허공보 제10-1065025호 1. Korean Patent Registration No. 10-1065025
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 즉, 본 발명의 목적은, 압전소자 및 이를 기계적으로 변형 가능하게 지지하는 캔틸레버로 구성된 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킨 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 제공하고자 하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a cantilever assembly comprising a piezoelectric element and a cantilever which mechanically deformably supports the cantilever assembly. And a power generating device using the piezoelectric elements stacked in an improved multi-layer structure.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버의 상면 및 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, there is provided a cantilever comprising: a plurality of cantilevers, one end of which is fixed to a fixing part and has elasticity, A piezoelectric vibrator disposed on a lower surface of the lower cantilever for generating a current by vibration, a vibrating weight coupled to the other end of the cantilever and having a predetermined weight, a bonding material for coupling the piezoelectric element and the cantilever, And a coating material of a thermoplastic material formed on a surface of a piezoelectric element attached to a lower surface of the lower cantilever, wherein the piezoelectric element vibrates the cantilever with the vibration added thereto by an external force, and the piezoelectric element vibrates in a vertical direction of the cantilever And a current is generated by the piezoelectric element The power generation device is provided with.
또한, 본 발명에 따르면, 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 2개의 캔틸레버, 상기 캔틸레버 사이에 배치되는 금속 기판, 상단 캔틸레버의 상면과 하단 캔틸레버의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자, 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추, 상기 압전소자와 상기 캔틸레버를 결합하는 본딩재, 상기 캔틸레버와 상기 금속 기판을 결합하는 SUS 본딩재 및 상기 상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자와 상기 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. In addition, according to the present invention, there are provided two cantilevers, one end of which is fixed to the fixing portion, the other is a resilient and arranged at a certain distance from each other, the metal substrate disposed between the cantilevers, and the upper and lower cantilevers A vibration member connected to the other end of the cantilever and having a predetermined weight, a bonding material for coupling the piezoelectric element and the cantilever, a SUS bonding material for bonding the cantilever and the metal substrate, And a coating material of a thermoplastic material formed on a surface of a piezoelectric element attached to a lower surface of the lower cantilever, wherein the piezoelectric element vibrates the vibration added cantilever by an external force, And a current is generated by the vibration in the vertical direction of the cantilever The developing apparatus using a piezoelectric element laminated to the multilayer structure is provided.
또한, 본 발명에 따르면, 일단이 고정부에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버, 각 캔틸레버 내부에 설치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자 및 상기 캔틸레버의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추가 상기 캔틸레버를 진동시키고, 상기 압전소자는 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. According to the present invention, there is provided a cantilever comprising: a plurality of cantilevers, one end of which is fixed to a stationary portion and which has elasticity and is disposed at a predetermined distance from the upper and lower sides; a piezoelectric element provided inside each cantilever, And a vibrating weight having a predetermined weight and vibrating the cantilever with the vibration added thereto by an external force so that the piezoelectric element generates a current by vibrating the cantilever in the vertical direction, There is provided a power generation apparatus using a stacked piezoelectric element.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 캔틸레버가 스프링강, 구리, 황동, 청동 및 섬유강화플라스틱(FIBER REINFORCED PLASTICS: FRP) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a power generation apparatus using a piezoelectric element which is stacked in a multilayer structure, wherein the cantilever is made of any one of spring steel, copper, brass, bronze and fiber reinforced plastics (FRP) do.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속 기판이 티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a power generating apparatus using a piezoelectric element laminated in a multilayer structure, wherein the metal substrate is made of any one of alloy stainless steel (SUS) of titanium or titanium.
또한, 본 발명에 따르면, 최상단 캔틸레버의 상면 및 최하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 상기 압전소자들이 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. According to the present invention, the piezoelectric elements attached to the upper surface and the lower surface of the lower cantilever of the uppermost cantilever are coated with glass fiber reinforced plastic (GFRP) or carbon fiber reinforced plastic (CFRP) The piezoelectric element being stacked in a multilayer structure.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 캔틸레버가 판재형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. Further, according to the present invention, there is provided a power generation apparatus using a piezoelectric element which is stacked in a multilayer structure, wherein the cantilever is in the form of a plate.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 압전소자가 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치가 제공된다. Further, according to the present invention, it is preferable that the piezoelectric element is composed of any one of lithium decarbonate, lithium niobate, zirconia titanate-based ceramics, barium titanate, ammonium dihydrogen phosphate, ethylenediamine tetra tartrate, fluoropolymer and PMN-PT The present invention provides a power generating device using piezoelectric elements stacked in a multilayer structure.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체의 크기와 형태가 동일하므로 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합한 효과가 있다. As described above, according to the present invention, since the size and shape of a plurality of cantilever assemblies constituting a power generation apparatus using a piezoelectric element stacked in a multilayer structure are the same, there is an effect suitable for mass production.
또한, 본 발명에 따르면, 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버의 변형이 진동추에 의해 연장되게 함으로써 압전소자의 기계적 변형이 지속되고, 그로 인해 압전소자로부터 발생되는 전기의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. Further, according to the present invention, the deformation of the cantilever, which is vibrated and deformed by external vibration, is extended by the vibration weight, so that the mechanical deformation of the piezoelectric element is continued, thereby improving the efficiency of electricity generated from the piezoelectric element There is an effect.
또한, 본 발명에 따르면, 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, according to the present invention, there is an effect that the cantilever assembly including the piezoelectric element and the cantilever can be stacked in multiple layers to improve the power generation efficiency against space.
도 1은 종래의 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 일례의 상면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치의 또 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 매립된 압전소자가 적층된 발전장치의 일례의 측면을 나타내는 단면도이다. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a power generation device using a conventional piezoelectric element.
2 is a cross-sectional view showing an example of a power generating apparatus using a piezoelectric element stacked in a multilayer structure according to the present invention.
3 is a cross-sectional view showing an upper surface of an example of a power generating apparatus using a piezoelectric element laminated in a multilayer structure according to the present invention.
4 is a cross-sectional view showing another example of a power generating apparatus using a piezoelectric element stacked in a multilayer structure according to the present invention.
5 is a cross-sectional view showing still another example of a power generating apparatus using a piezoelectric element stacked in a multilayer structure according to the present invention.
6 is a cross-sectional view showing an example of a side view of an example of a power generation device in which a buried piezoelectric element is stacked according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)의 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)의 일례의 상면을 나타내는 단면도가 도시되어 있다. 2 and 3, there is shown a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a
본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 일단이 고정부(27)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(cantilever)(21), 각 캔틸레버(21) 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버(21)의 상면 및 하단 캔틸레버(21)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(22), 상기 캔틸레버(21)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(25), 상기 압전소자(22)와 상기 캔틸레버(21)를 결합하는 본딩재(24) 및 상기 상단 캔틸레버(21)의 상면에 부착되는 압전소자(22)와 상기 하단 캔틸레버(21)의 하면에 부착되는 압전소자(22)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(23)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(25)가 상기 캔틸레버(21)를 진동시키고, 상기 압전소자(22)는 상기 캔틸레버(21)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다. As shown in Figs. 2 and 3, the
본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)는 캔틸레버 조립체(예를 들어, 캔틸레버, 진동추 및 압전소자로 구성됨)가 외부의 진동에 의해 벤딩 방향으로 진동할 때, 상기 압전소자(22)도 상기 캔틸레버 조립체와 함께 벤딩 방향으로 진동하면서 반복적으로 미세 변형을 일으킨다. The
압전소자(22)는 변형을 일으키면 전류를 발생하는 성질을 가지므로, 캔틸레버 조립체의 진동에 의해 압전소자(22)는 전류를 발생시키고, 캔틸레버(21)의 타단에 진동추(25)를 설치하여 캔틸레버(21)의 진동시간을 장시간 지속시킴으로써 압전소자(22)의 발전효율을 더욱 상승시킬 수 있다. The
복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 압전소자(22)와 캔틸레버(21)를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다. Since the plurality of cantilever assemblies are the same in size and shape, the cantilever assembly is suitable for manufacturing in a mass production manner, and the cantilever assembly including the
또한, 상기 캔틸레버(21)는 스프링강, 구리, 황동, 청동 및 섬유강화플라스틱(FIBER REINFORCED PLASTICS: FRP) 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것이 바람직하고, 파이버 강화 플라스틱으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. The
또한, 상기 이격된 캔틸레버(21) 사이에 배치되는 상기 압전소자(22)는 본딩재(24)로 서로 결합되고, 상기 본딩재(24)는 전도성을 가지는 접착제가 사용될 수 있으며, 이를 위해 실버페이스트를 포함하는 것이 바람직하게 이용될 수 있다. The
상기 본딩재(24)는 실버페이스트, 에틸렌-아세트산(Ethylenevinylacetate), 파라핀 왁스(Paraffine wax), 스테아르산(Stearic acid), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alchole), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral)과 같은 화합물로 구성될 수 있다. The
또한, 최상단 캔틸레버(21)의 상면 및 최하단 캔틸레버(21)의 하면에 부착되는 상기 압전소자들(22)은 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 코팅되어 내충격성, 내식성 및 내마모성 등이 향상된다. The
섬유강화플라스틱의 특성은 뛰어난 기계적 특성, 내식성 및 우수한 성형성의 특성을 토대로 새로운 구조용 재료 및 기능재료로 주목을 받고 있다. 구체적으로 유리섬유강화플라스틱 및 탄소섬유강화플라스틱은 유리 및 카본 섬유로 강화된 플라스틱계 복합재료로, 가볍고, 내구성, 내충격성, 내마모성 등이 우수하며, 녹슬지 않고, 열전도율이 낮으며, 가공하기 쉽다는 것이다. The properties of fiber-reinforced plastics are attracting attention as new structural and functional materials based on their excellent mechanical properties, corrosion resistance and excellent moldability. Specifically, glass fiber-reinforced plastic and carbon fiber-reinforced plastic are plastic-based composite materials reinforced with glass and carbon fiber. They are lightweight, excellent in durability, impact resistance and abrasion resistance, are rustproof, have low thermal conductivity, will be.
이러한 우수한 특성을 지닌 유리섬유강화플라스틱 또는 탄소섬유강화플라스틱으로 코팅된 압전소자는 내구성, 내충격성, 내식성 및 내마모성 등이 향상되어 압전소자의 변형을 방지하여 파손이 방지되는 효과가 있다. The piezoelectric element coated with glass fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic having such excellent properties has the effect of preventing durability, impact resistance, corrosion resistance and wear resistance by preventing deformation of the piezoelectric element and preventing breakage.
압전 소자(22)를 사용하는 본 실시예에서는 캔틸레버 조립체가 압전효과를 가진 재료로 이루어진 압전소자(22)를 포함한다면 어떠한 구조를 취하든 무방하나, 다만 미세진동에도 충분히 반응하여 전력유도를 최대한 끌어낼 수 있도록 두께에 비해 폭이 넓고, 폭에 비해 길이가 긴 캔틸레버 형태가 바람직하다 할 수 있다. 또한, 캔틸레버(21)에 발생되는 응력이 클수록 압전효과에 의해 전력유도를 최대한 끌어낼 수 있다. In the present embodiment using the
도 2에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(22)에서 발생되는 전류를 극대화하기 위해 압전 소자(22)가 캔틸레버(21)의 상하면에 각각 부착될 수 있다. 또한, 상기 캔틸레버(21)는 캔틸레버(21)의 상하면에 압전소자(22)가 부착될 수 있도록 판재형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 2, the
또한, 상기 캔틸레버 조립체에는 캔틸레버 조립체에 발생된 변형이 보다 오래 지속되게 하기 위한 수단으로 진동추(25)가 설치된 것을 특징으로 한다. 상기 진동추(25)는 체적에 비해 무게가 큰 것이 공간을 적게 차지하면서도 질량을 추가하는 효과를 극대화할 수 있으므로, 비중이 큰 황동이나 텅스텐으로 만들어지는 것이 바람직하다. In addition, the cantilever assembly is characterized in that a
또한, 상기 진동추(25)는 외부의 진동에 의해 캔틸레버 조립체가 진동하면 진동추(25)가 진동하고, 이렇게 진동하는 진동추(25)는 관성에 의해 수차 진동하여 캔틸레버 조립체의 진동시간을 보다 지속시킬 수 있는 것이다. When the cantilever assembly vibrates due to external vibrations, the vibrating
상기 캔틸레버 조립체에 부착되는 진동추(25)는 착탈가능한 방식이라면 어떤 형태로도 가능하겠지만, 특히 캔틸레버 조립체의 상하면을 가압하는 형태로 제작하는 것이 간결하면서도 제작에 용이한 구조이다. 이러한 진동추(25)의 크기나 무게 등은 캔틸레버 조립체의 탄성 등을 고려하여 조절될 수 있다. The vibrating
또한, 본 발명의 상기 캔틸레버 조립체는 고정부(27)에 스크류 또는 볼트 등의 체결부재(26)에 의해 고정될 수 있다. The cantilever assembly of the present invention may be fixed to the fixing
상기 캔틸레버 조립체가 외부의 진동에 의해 진동하면 기계에너지가 전기에너지로 변환되되, 전기에너지로의 변환을 응력에 비례하여 변환시키기 위해 압전소자(22)로 구성되고, 이러한 압전소자(22)를 이용하여 전기에너지로 발전하기 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있다. When the cantilever assembly vibrates due to external vibrations, the mechanical energy is converted into electric energy, and the
또한, 상기 압전소자(22)는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다. The
본 발명의 상기 압전소자(22)는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나의 얇은 판(진동편)에 일정한 방향에서 압력을 가하면, 판의 양면에 외력에 비례하는 양, 음의 전하가 나타나 압전효과에 의하여 진동되면서 안정된 주파수를 공급한다. The
상기와 같이 구성된 본 발명의 다층구조로 적층된 압전소자(22)를 이용한 발전장치(20)를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버(21)의 변형이 진동추(25)에 의해 연장되게 함으로써 압전소자(22)의 기계적 변형이 지속되며, 그로 인해 압전소자(22)로부터 발생되는 전기의 효율을 높일 수 있는 것이다. Since the plurality of cantilever assemblies constituting the
또한, 본 발명은 압전소자(22)와 캔틸레버(21)를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 압전소자(22)의 개수 증가에 비례하여 출력전력이 증가하게 되고, 이로 인해 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the present invention stacks the cantilever assemblies including the
도 4에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(32)를 이용한 발전장치(30)의 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(32)를 이용한 발전장치(30)는 일단이 고정부(37)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(31), 각 캔틸레버(31) 사이에 배치되고, 상단 캔틸레버(31)의 상면 및 하단 캔틸레버(31)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(32), 상기 캔틸레버(31)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(35), 상기 압전소자(32)와 상기 캔틸레버(31)를 결합하는 본딩재(34) 및 상기 상단 캔틸레버(31)의 상면에 부착되는 압전소자(32)와 상기 하단 캔틸레버(31)의 하면에 부착되는 압전소자(32)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(33)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(35)가 상기 캔틸레버(31)를 진동시키고, 상기 압전소자(32)는 상기 캔틸레버(31)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 4 is a cross-sectional view showing another example of a side surface of a
도 5에는 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(42)를 이용한 발전장치(40)의 또 다른 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다층구조로 적층된 압전소자(42)를 이용한 발전장치(40)는 일단이 고정부(47)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 2개의 캔틸레버(41), 상기 캔틸레버(41) 사이에 금속 기판(48)이 배치되고, 상단 캔틸레버(41)의 상면 및 하단 캔틸레버(41)의 하면에 배치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(42), 상기 캔틸레버(41)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(45), 상기 압전소자(42)와 상기 캔틸레버(41)를 결합하는 본딩재(44) 및 상기 상단 캔틸레버(41)의 상면에 부착되는 압전소자(42)와 상기 하단 캔틸레버(41)의 하면에 부착되는 압전소자(42)의 표면에 형성된 열가소성 재질의 코팅재(43)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(45)가 상기 캔틸레버(41)를 진동시키고, 상기 압전소자(42)는 상기 캔틸레버(41)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 5 is a cross-sectional view showing still another example of a power generation device 40 using a
상기 금속기판(48)의 강성이 상기 캔틸레버(41)의 강성보다 상대적으로 크기 때문에 상기 캔틸레버(41) 사이에 포함되는 상기 금속기판(48)은 멀티 적층 기판의 강성을 보강하는 효과를 가져올 수 있다. 반면, 캔틸레버로만 적층하여 강성을 키울 수는 있지만, 이 경우 전체적인 두께가 두꺼워질 수 있고, 비용이 증가할 수 있기 때문에 상기 캔틸레버(41) 사이에 상기 얇은 금속기판(48)을 추가하여 강성을 증가시키는 것이 바람직하다. Since the rigidity of the
또한, 상기 금속 기판(48)은 티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다. In addition, the
또한, 상기 이격된 캔틸레버(41) 사이에 배치된 상기 금속 기판(48)은 SUS 본딩재(49)로 서로 결합되고, 상기 SUS 본딩재(49)는 전도성을 가지는 접착제가 사용될 수 있으며, 이를 위해 실버페이스트를 포함하는 것이 바람직하게 이용될 수 있다. The
상기 SUS 본딩재(49)는 실버페이스트, 에틸렌-아세트산(Ethylenevinylacetate), 파라핀 왁스(Paraffine wax), 스테아르산(Stearic acid), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alchole), 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral)과 같은 화합물로 구성될 수 있다. The
또한, 상기 금속기판(48)에 홈을 내어 표면조도(surface roughness)를 향상시킴으로써, 부착성능을 높일 수 있다. In addition, by improving the surface roughness by grooving the
도 6에는 본 발명에 따른 매립된 압전소자(52)가 적층된 발전장치(50)의 일례의 측면을 나타내는 단면도가 도시되어 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 매립된 압전소자(52)가 적층된 발전장치(50)는 일단이 고정부(55)에 고정되고, 탄성을 가지며 상하로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 캔틸레버(51), 각 캔틸레버(51) 타단 내부에 설치되어 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자(52) 및 상기 캔틸레버(51)의 타단에 결합되고, 일정 중량을 가지는 진동추(53)를 포함하고, 외력에 의해 상기 진동추(53)가 상기 캔틸레버(51)를 진동시키고, 상기 압전소자(52)는 상기 캔틸레버(51)의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 6 is a cross-sectional view showing an example side view of a
상기와 같이 구성된 본 발명의 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치를 구성하는 복수의 캔틸레버 조립체는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하고, 외부의 진동에 의해 진동 및 변형되는 캔틸레버의 변형이 진동추에 의해 연장되게 함으로써 압전소자의 기계적 변형이 지속되며, 그로 인해 압전소자로부터 발생되는 전기의 효율을 높일 수 있는 것이다. Since the plurality of cantilever assemblies constituting the power generation apparatus using the piezoelectric elements stacked in the multilayer structure of the present invention having the above-described structure are the same in size and shape, they are suitable for mass production, And the deformation of the deformed cantilever is caused to be extended by the vibrating weight so that the mechanical deformation of the piezoelectric element is continued, thereby increasing the efficiency of electricity generated from the piezoelectric element.
또한, 본 발명은 압전소자와 캔틸레버를 포함하는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하여 압전소자의 개수 증가에 비례하여 출력전력이 증가하게 되고, 이로 인해 공간 대비 발전 효율을 향상시킬 수 있다. Further, according to the present invention, a cantilever assembly including a piezoelectric element and a cantilever is stacked in multiple layers, and the output power increases in proportion to the number of piezoelectric elements.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. will be. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
20, 30, 40, 50. 발전장치 21, 31, 41, 51. 캔틸레버
22, 32, 42, 52. 압전소자 23, 33, 43. FRP 코팅층
24, 34, 44. 본딩재 25, 35, 45, 53. 진동추
26, 36, 46, 54. 체결부재 27, 37, 47, 55. 고정부
48. 금속 기판 49. SUS 본딩재 20, 30, 40, 50.
22, 32, 42, 52.
24, 34, 44.
26, 36, 46, 54. Fastening
48.
Claims (6)
상기 캔틸레버의 내부에 내장되어 상기 캔틸레버의 상하방향의 진동에 의해 전류를 발생하는 압전소자; 및
일정 중량을 가지고 상기 캔틸레버의 타단에 결합되어 외력에 의해 상기 캔틸레버를 진동시키는 진동추를 포함하여 구성되고,
상기 압전소자가 내장된 상기 캔틸레버를 상하로 일정간격 이격되도록 적어도 2개 이상 배치하여 이루어지는 캔틸레버 조립체를 다층으로 적층하고 각각의 상기 캔틸레버의 타단에 상기 진동추를 연결하도록 구성됨으로써 공간 대비 발전효율을 향상시킬 수 있도록 구성되며,
상단 캔틸레버의 상면에 부착되는 압전소자 및 하단 캔틸레버의 하면에 부착되는 압전소자의 표면이 유리섬유강화플라스틱(GFRP: glass fiber reinforced plastic) 또는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP: carbon fiber reinforced plastic)으로 이루어지는 열가소성 재질의 코팅재로 코팅됨으로써, 내충격성, 내식성 및 내마모성이 향상될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
A cantilever which is formed in the form of a plate material having elasticity by using fiber reinforced plastic (FRP) and has one end fixed to the fixing part;
A piezoelectric element embedded in the cantilever and generating a current by a vibration of the cantilever in a vertical direction; And
And a vibration weight coupled to the other end of the cantilever with a predetermined weight to vibrate the cantilever by an external force,
A cantilever assembly in which at least two or more cantilevers having the piezoelectric elements built therein are arranged so as to be spaced apart from each other by a predetermined distance are laminated in multiple layers and the vibrating weight is connected to the other end of each of the cantilevers, Respectively,
The piezoelectric element attached to the upper surface of the upper cantilever and the surface of the piezoelectric element attached to the lower surface of the lower cantilever are made of thermoplastic resin such as glass fiber reinforced plastic (GFRP) or carbon fiber reinforced plastic (CFRP) Wherein the coating layer is coated with a coating material to improve impact resistance, corrosion resistance and abrasion resistance.
상기 캔틸레버는,
상기 섬유강화플라스틱 이외에, 스프링강, 구리, 황동 및 청동 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
The method according to claim 1,
The cantilever includes:
Wherein the laminated piezoelectric element is made of one of spring steel, copper, brass and bronze in addition to the fiber-reinforced plastic.
상기 발전장치는,
각각의 상기 캔틸레버 사이에 설치되는 금속기판; 및
각각의 상기 캔틸레버와 상기 금속기판을 결합하는 SUS 본딩재를 더 포함하여 구성되고,
상기 금속 기판은,
티타늄 또는 티타늄의 합금 SUS(STEEL SPECIAL USE STAINLESS) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
The method according to claim 1,
The power generation device includes:
A metal substrate provided between each of the cantilevers; And
Further comprising an SUS bonding material for bonding each of the cantilevers and the metal substrate,
Wherein the metal substrate comprises:
Titanium, or titanium alloy. The power generating device according to claim 1, wherein the piezoelectric element is a multilayer structure.
상기 압전소자는 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬, 지르코산 티탄산연계 세라믹스, 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민, 불소수지 폴리머 및 PMN-PT 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치.
The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric element is composed of any one of lithium decarbonate, lithium niobate, zirconia titanate-based ceramics, barium titanate, ammonium dihydrogen phosphate, ethylenediamine tetra tartrate, fluoropolymer and PMN-PT. Generating device using the piezoelectric element.
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