KR101827516B1

KR101827516B1 - 압전 발전기

Info

Publication number: KR101827516B1
Application number: KR1020160103524A
Authority: KR
Inventors: 박종원; 최종관
Original assignee: 주식회사 아모센스
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-02-08

Abstract

본 발명의 일 실시예에서는 케이스, 상기 케이스의 중앙에 위치하는 진동부재, 상기 진동부재에서 상기 케이스를 향해 돌출해 있는 써포터, 제1 끝 부분은 상기 써포터에 의해 지지되고, 제2 끝 부분은 상기 케이스에 고정되어 있는 압전체를 포함하고, 상기 써포터의 돌출 방향과 상기 압전체의 길이 방향은 교차하고, 상기 압전체의 길이 방향은 상기 제1 끝 부분에서 상기 제2 끝 부분을 향하는 방향이다.

Description

압전 발전기{PIEZO-ELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 압전 효과를 이용해 전기를 발전하는 압전 발전기에 관한 것으로, 보다 상세히는 전기를 만드는 압전체를 집약적으로 배치해 발전기의 크기를 소형화한 압전 발전기에 관한 것이다.

자가 발전이 가능한 압전 발전기에 대한 시장 요구가 많아짐에 따라 발전기 개발이 점차 활성화되고 있는 실정이다. 일 예로, 공장 등 기계 진동이 있는 곳에서는 안전을 위해 다양한 센서들이 운용되는데, 각 센서들을 운용하기 위해서는 별도의 전원이 필요하다. 그런데, 자가 발전이 가능한 압전 발전기를 센서의 전원으로 사용한다면, 간단히 전원을 공급할 수가 있다.

일반적으로 압전체에 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 압전체의 제1 전극에는 정(+)전하, 압전체의 제2 전극에는 부(-)전하가 유기되어 제1 및 제2 전극 간에 전압이 발생되는데, 이러한 현상을 압전 정효과라 한다. 이와 반대로, 압전체에 외부로부터 전압을 걸어주면 압전체는 기계적 왜곡현상을 일으키게 되는데, 이러한 현상을 압전 역효과라 한다. 즉, 압전체는 기계적인 힘(응력)을 전기적인 신호(전압)로, 또는 전기적 신호를 기계적인 힘으로 변환시키는 것으로 이와 같은 성질을 갖는 물질로는 현재 세라믹을 재료로 하는 압전 세라믹(piezoelectric ceramics)이 가장 많이 사용되고 있다. 이와 같은 압전 세라믹을 이용하여 전기를 발생시키는 발전기가 다양한 구조로 개발되고 있다.

일 예로, 일본 특허공개번호 제2008-192944호에서는 도 1에서 예시하는 압전 발전기를 개시하고 있다.

이 선행기술에서는 사각 모양의 케이스(30), 케이스 내부에 배치된 지지부재(21), 그리고 지지부재(21)의 한쪽 끝과 케이스(30)에 각각 고정된 압전 소자(10)를 포함해 구성되는 압전 발전기를 개시한다.

이 선행기술에서는 압전소자(10)에서 생산하는 전기의 위상이 동일하게 압전소자(10)를 지지부재(21)를 사이에 두고 대칭하도록 배치하고 있다. 이에 지지 부재(21)가 상, 하 운동을 하게 되면 지지 부재(21) 양쪽으로 대칭하게 배치된 압전 소자에 동일한 기계적 변이가 발생해, 동일한 위상을 갖는 전기를 생산할 수가 있다.

그런데, 이 선행기술처럼 압전소자(10)를 케이스(10)와 지지 부재(21) 사이에 길이 방향으로 배치하는 경우 압전소자가 공간을 많이 차지할 수 밖에 없어 발전기의 전체 크기가 커질 수 밖에 없다.

일본 특허공개번호 제2008-192944호

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전기를 생산하는 압전체를 케이스 내부에 집약적으로 배치해 발전기의 크기를 소형화하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에서는 케이스, 상기 케이스의 중앙에 위치하는 진동부재, 상기 진동부재에서 상기 케이스를 향해 돌출해 있는 써포터, 제1 끝 부분은 상기 써포터에 의해 지지되고, 제2 끝 부분은 상기 케이스에 고정되어 있는 압전체를 포함하고, 상기 써포터의 돌출 방향과 상기 압전체의 길이 방향은 교차하고, 상기 압전체의 길이 방향은 상기 제1 끝 부분에서 상기 제2 끝 부분을 향하는 방향이다.

상기 제1 끝 부분의 너비는 상기 제2 끝 부분의 너비보다 작고, 상기 압전체는 사다리꼴 모양의 평판이다.

상기 압전체의 길이 방향의 압전체 길이는 상기 제2 끝 부분의 너비보다 크다.

상기 압전체의 길이 방향은 상기 돌출방향과 직교한다.

상기 제1 끝 부분은 상기 써포터에 고정되지 않고 자유단을 이룬다.

상기 진동부재와 상기 케이스는 동일한 다각형 모양이다.

상기 써포터가 돌출된 상기 진동 부재의 제1 면과, 상기 제1 면과 마주하는 상기 케이스의 제1 면은 나란하게 배열되며, 상기 제2 끝 부분은 상기 케이스의 제1 면에 이웃하게 연결된 제2 면에 고정된다.

상기 케이스의 제2 면은 상기 진동 부재의 제1 면에서 돌출된 써포터와 나란하게 배열된다.

상기 진동 부재의 제1 면은 제1 꼭지점과 제2 꼭지점을 갖고, 상기 제1 꼭지점은 상기 제2 꼭지점보다 상기 케이스의 제2 면에 더 가깝게 위치하고, 상기 써포터는 상기 제1 꼭지점보다 상기 제2 꼭지점에 가깝게 위치한다.

상기 케이스의 제1 면과 제2 면은 직교한다.

본 발명의 일 실시예에서는 압전체를 진동부재에서 돌출 형성된 써포터에 일단을 고정하되, 압전체의 길이 방향과 써포터의 돌출 방향이 실질적으로 직교하도록 배치해 압전체가 케이스와 진동부재 사이의 공간에 집약적으로 배치되도록 한다. 이에, 장치의 부피를 줄여 소형화가 가능해진다.

도 1은 종래 기술에 따른 압전 발전기에서 압전 소자의 배치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전기의 평면 모습을 보여주는 도면이다.
도 3은 진동부재가 케이스에 결합된 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 압전체의 평면 모습을 설명하는 도면이다.
도 5는 압전체가 배치되는 공간을 설명하는 도면이다.
도 6은 압전체가 배치된 모습을 부분적으로 확대해서 보여주는 도면이다.
도 7은 종래 기술처럼 압전체를 배치한 모습을 개략적으로 보여주는 도면이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전기의 평면 모습을 보여주며, 도 3은 진동부재가 케이스에 결합된 모습을 개략적으로 보여주는 단면도이다.

이 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전기는 케이스(100), 진동 부재(200), 써포터(supporter)(300), 압전체(400)를 포함해 구성된다.

케이스(100)는 바람직한 한 형태에서 평면 모습이 4각형을 이루며, 내부에는 공간이 형성돼 있다.

진동 부재(200)는 상기 케이스(100)의 내부 중앙에 배치되어 있으며, 가이드 부재(110)에 의해 지지된다. 가이드 부재(110)는 케이스(100)에서 내부 중앙을 향해 돌출해 있으며, 상기 진동 부재(200)의 측면을 양쪽에서 지지해 진동 부재(200)가 상/하의 한정된 방향으로만 움직일 수 있도록 구속하고 있다.

진동 부재(200)는 스토퍼(210)를 포함해서 구성된다. 스토퍼(210)는 진동 부재(200)의 일 단에 형성돼 있으며, 진동 부재(200)가 상/하로 움직일 때 가이드 부재(110)로부터 이탈하는 것을 방지한다.

또한, 진동 부재(200))의 아래로는 스프링과 같은 탄성체(500)가 위치할 수도 있다.

바람직한 한 형태에서, 진동 부재(200)의 평면 모습은 케이스(100)와 마찬가지로 사각 형상으로, 4면을 갖는다.

제1 내지 제4면(200a ∼ 200d)은 케이스(100)의 제1 내지 제4 면(100a ∼ 100d)과 각각 평행하게 배치되며, 이들과 마주한다.

써포터(300)는 진동 부재(200)의 제1 내지 제4 면((200a ∼ 200d))에 각각 형성되어 있고, 각 면(200a ∼ 200d)에서 마주하고 있는 케이스(100)의 제1 내지 4면((100a ∼ 100d))을 향해 각각 돌출해 있다.

압전체(400)는 압전 효과에 의해 전기를 생산하는 구성으로, 석영, 규소 등으로 이뤄진 기판의 표면에 금속의 전극이 형성되어 있다. 바람직한 한 형태에서, 압전체(400)는 적층형 구조로 전극이 형성된 기판을 다수 적층시켜 만들 수 있다.

압전체(400)는 얇은 플레이트 형상을 가지며, 제1 끝 부분(410)은 써포터(300)에 제1 끝 부분(410)과 반대의 제2 끝 부분(420)은 케이스(100)에 각각 고정되어 있다. 여기서, 써포터(300)에 연결되는 제1 끝 부분(410)은 자유단을 이루고 있는 것도 가능하다.

압전체(400)는 진동 부재(200)와 케이스(100) 사이의 공간에 배치되며, 바람직하게 써포터(300)의 돌출 방향과 교차하는 방향으로 길게 배치된다.

이하, 압전체(400)의 배치 관계에 대해 도 4 내지 도 5를 참조로 이하에서 자세히 설명한다.

도 4는 압전체의 평면 모습을, 도 5는 압전체가 배치되는 공간을 설명하는 도면이다.

이 도면들을 참조하면, 압전체(400)는 제1 끝 부분(410)의 너비(W1)가 제2 끝 부분(420)의 너비(W2)보다 작은 사다리꼴 모양을 가지며, 중심선(CL)에 대해 거울 대칭을 이루고 있다. 여기서, 중심선은 제1 끝 부분에서 제2 끝 부분을 향하는 길이 방향과 동일한 방향의 연장선이다.

이 같은 형상을 갖는 압전체(400)는 도 5에서 예시하는 바처럼 배치가 된다. 도 5에서, 점선으로 표시한 제1 내지 제4 영역(A1∼A4)은 압전체(400)가 배치되는 영역을 표시한다.

케이스(100)의 제1 면 내지 제4 면(100a ∼100d)은 진동 부재(200)의 제1 면 내지 제4 면(200a ∼ 200d)에 각각 마주하고 있다. 또한, 제1 써포터(300a)는 진동 부재(200)의 제1 면(200a)에서 케이스(100)의 제1 면(100a)을 향해 수직하게 돌출해 있고, 제2 써포터(300b) 내지 제4 써포터(300d) 역시 제1 써포터(300a)와 동일한 형태로 돌출되어 있다.

이 실시예에서는 제1 내지 제4 압전체를 포함해 4개의 압전체가 배치되는데, 제1 영역(A1)은 제1 압전체가, 제2 영역(A2)은 제2 압전체가, 제3 영역(A3)은 제3 압전체가, 제4 영역(A4)은 제4 압전체가 배치되는 영역을 나타낸다.

제1 영역(A1)은 제1 써포터(300a)와 케이스(100)의 제2 면(100b), 케이스(100)의 제1 면(100a)과 진동 부재(200)의 제1 면(200a)에 의해 각각 정의된다.

제2 영역(A2)은 제2 써포터(300b)와 케이스(100)의 제3 면(100c), 케이스(100)의 제2 면(100b)과 진동 부재(200)의 제2 면(200b)에 의해 각각 정의된다.

제3 영역(A3)은 제3 써포터(300c)와 케이스(100)의 제4 면(100d), 케이스(100)의 제3 면(100d)과 진동 부재(200)의 제3 면(200c)에 의해 각각 정의된다.

제4 영역(A4)은 제4 써포터(300d)와 케이스(100)의 제1 면(100a), 케이스(100)의 제4 면(100d)과 진동 부재(200)의 제4 면(200d)에 의해 각각 정의된다.

이에, 제1 영역(A1)은 케이스(100)의 우측 위쪽 제1 모서리(C1)에서 도면의 x축 방향으로 길게, 제2 영역(A2)은 케이스(100)의 우측 아래쪽 제2 모서리(C2)에서 도면의 y축 방향으로 길게, 제3 영역(A3)은 케이스(100)의 좌측 아래쪽 제3 모서리(C3)에서 x축 방향으로 길게, 제4 영역(A4)은 케이스(100)의 좌측 위쪽 제4 모서리(C4)에서 y축 방향으로 길게 배치가 된다.

본 발명에서 이처럼 정의되는 제1 내지 제4 영역(A1∼A4)은 케이스와 진동 부재 사이(AL)보다는 써포터와 케이스 사이(BL)가 더 넓은 형태를 이루고 있다. 즉, 본 발명에서는 종전과 다르게 압전체(400)의 중심선 방향이 케이스의 면과 나란하게 배치해 부피를 줄이는 반면, 종래기술에서는 압전체(400)의 중심선 방향이 케이스의 면과 직교하도록 배치해 부피가 클 수 밖에 없었다.

도 6은 제1 압전체가 배치된 모습을 보여주는 도면으로, 제1 영역 만을 선택적으로 확대해서 보여준다.

도 6에서 예시하는 바처럼, 케이스의 제1 면(100a)은 진동 부재(200)의 제1 면(200a)과 마주하고 있으며, 실질적으로 이 두 면(100a, 200a)은 나란하다. 그리고, 진동 부재(200)의 제1 면(200a)에서 케이스(100)의 제1 면(100a)을 향해 돌출 형성된 제1 써포터(300a)는 케이스(100)의 제2 면(100b)과 나란하다. 여기서, 제1 써포터(300a)가 케이스(100)의 제2 면(100b)과 나란하다는 것은 제1 써포터(300a)의 중심선(PL)이 케이스(100)의 제2 면(100b)과 나란하다는 것을 말한다.

제1 압전체(400a)의 제1 끝 부분(410)은 제1 써포터(300a)에 고정되고, 제1 압전체(400a)의 제2 끝 부분(420)은 제1 써포터(300a)와 마주하는 케이스(100)의 제2 면(100b)에 고정된다.

여기서 압전체(400a)의 중심선(OL)은 제1 써포터(300a)의 중심선(PL)과 실질적으로 직교한다.

본 발명에서는 이처럼 압전체를 진동부재에서 돌출 형성된 써포터에 고정시켜 부피를 줄일 수 있다. 즉, 종래에서는 압전체를 진동부재에 바로 고정시켰는데, 압전체가 진동부재의 기계적 진동에 의해 전기 에너지를 생산하기 위해서는 기계적 진동을 잘 전달받기 위해 중심선 방향으로 긴 모양을 가질 수 밖에 없다.

그런데 도 7에서 예시하는 바처럼 종전처럼 압전체(300')의 중심선(CL)이 진동 부재(200')를 향하도록 배치하게 되면 케이스(100')와 진동 부재(200') 사이는 최소한 압전체(300')의 높이에 해당하는 길이만큼 떨어져 있어야 하므로, 발전기의 소형화에 한계가 있다.

이와 비교해서, 본 발명의 경우는 압전체를 압전체의 중심선(CL)이 써포터의 중심선(PL)과 실질적으로 직교하게 배치함(도면 기준 본 발명은 눕혀진 모양이나, 도 7과 같은 종래에서는 세워진 모양)으로써 케이스와 진동 부재 사이의 거리를 최대로 줄여 발전기의 소형화가 가능하다.

또한, 본 발명에서는 써포터의 형성 위치를 써포터와 나란하게 배열되고 제2 끝부분이 고정되는 케이스에서 가장 가까운 제1 꼭지점(AR1)보다는 가장 먼 제2 꼭지점(AR2)에 더 가깝게 배치해 압전체의 중심선 방향으로 충분한 공간을 확보하도록 하였다.

또한, 본 발명에서는 너비가 작은 제1 끝 부분(410)이 써포터(300)에 고정되는 반면, 제1 끝 부분보다 너비가 넓은 제2 끝 부분(420)이 케이스(400)에 고정된다.

압전체는 진동 부재의 기계적 진동을 전달 받아 그 진동에 의해 전기 에너지를 생산하므로, 진동 부재로부터 진동을 전달받는 제1 끝 부분(410)은 써포터(300)에 가능한 좁게 고정되어야 진동 부재(200)의 진동을 감쇠시키지 않고 압전체로 전달할 수 있다. 그리고, 제2 끝 부분(420)은 가능한 넓게 케이스(100)에 고정되어야 안정적으로 압전체를 고정할 수가 있다.

이 같은 이유로, 본 발명에서 압전체는 제1 끝 부분(410)의 너비가 제2 끝 부분(420)의 너비보다 작은 사다리꼴 모양을 갖는다.

그리고, 바람직한 한 형태에서, 제1 끝 부분(410)은 써포터(300)에 고정되는 것 보단 자유단을 이루고 있는 것이 바람직하다. 자유단을 이루게 되면, 압전체의 제2 끝부분(420)만이 케이스에 고정되어 있으므로, 그 기계적 진동을 진폭하기가 쉽다.

제1 끝 부분(410)이 자유단을 이루고 있더라도, 써포터에 의해 기계적 진동은 압전체로 전달이 되고, 오히려 제2 끝 부분(420)은 고정되어 있고 제1 끝 부분(410)은 자유단을 이루고 있어 전달된 기계적 진동을 진폭시키기가 쉽다.

Claims

다각 형상의 케이스;
상기 케이스의 중앙에 위치하고, 상기 케이스와 동일한 다각 형상의 진동부재;
상기 진동부재의 제1 면에서 상기 진동부재의 제1 면과 대향하는 상기 케이스의 제1 면을 향해 돌출해 있는 써포터;
제1 끝 부분은 상기 써포터에 의해 지지되고, 제2 끝 부분은 상기 케이스의 제1 면에 이웃하게 연결된 제2 면에 고정되어 있는 압전체를 포함하고,
상기 써포터의 돌출 방향과 상기 압전체의 제1 끝 부분에서 제2 끝 부분을 향하는 길이 방향은 교차하는 것을 특징으로 하는 압전 발전기.
제1항에 있어서,
상기 제1 끝 부분의 너비는 상기 제2 끝 부분의 너비보다 작은 압전 발전기.
제2항에 있어서,
상기 압전체는 사다리꼴 모양의 평판인 압전 발전기.
제3항에 있어서,
상기 압전체의 길이 방향의 압전체 길이는 상기 제2 끝 부분의 너비보다 큰 압전 발전기.
제1항에 있어서,
상기 압전체의 길이 방향은 상기 돌출방향과 직교하는 압전 발전기.
제1항에 있어서
상기 제1 끝 부분은 상기 써포터에 고정되지 않고 자유단을 이루는 압전 발전기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 케이스의 제2 면은 상기 진동 부재의 제1 면에서 돌출된 써포터와 나란하게 배열된 압전 발전기.
제9항에 있어서,
상기 진동 부재의 제1 면은 제1 꼭지점과 제2 꼭지점을 갖고,
상기 제1 꼭지점은 상기 제2 꼭지점보다 상기 케이스의 제2 면에 더 가깝게 위치하고,
상기 진동부재의 제1 면에서 돌출된 써포터는 상기 제1 꼭지점보다 상기 제2 꼭지점에 가깝게 위치하는 압전 발전기.
제10항에 있어서,
상기 케이스의 제1 면과 제2 면은 직교하는 압전 발전기.