KR101969580B1 - 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터 - Google Patents

주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터 Download PDF

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Abstract

주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 관한 것이다. 에너지 하베스터는 케이스와, 압전소자 모듈과, 가이드 바와, 하부 지지부재, 및 상부 지지부재를 포함한다. 케이스는 내부에 수납부가 형성된다. 압전소자 모듈은 수납부에 일단이 고정되며, 외부의 진동에 의해 타단이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 가이드 바는 압전소자 모듈의 하부에 배치되며, 수납부의 일측에 길이 방향으로 설치된다. 하부 지지부재는 압전소자 모듈의 하부에 배치되어 압전소자 모듈을 지지하며, 가이드 바를 따라 이동 가능하게 형성된다. 상부 지지부재는 압전소자 모듈의 상부에 배치되어 압전소자 모듈의 상부를 가압하며, 하부 지지부재에 고정된다.

Description

주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터{ENERGY HARVESTER WITH FREQUENCY CHANGE}
본 발명은 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 관한 것이다.
최근 유한한 화석에너지에 의한 에너지 가격 상승과 환경 문제에 대한 대처 방안으로써, 친환경 에너지 자원 개발이 크게 요구되고 있다. 이에 따라, 환경의 훼손을 줄이면서도 기존의 화석에너지를 대체하여 안정적으로 공급할 수 있는 새로운 신재생에너지 자원 개발에 대한 연구와, 기존 에너지 효율 향상 및 에너지 저감 기술에 대한 연구가 상당히 집중 받고 있다.
전술한 문제의 대처 방안으로써 주변 환경에 존재하는 에너지를 하베스팅(harvesting)하는 기술이 이슈화로 떠오르고 있다. 예를 들어, 압전소자를 이용하면 주변 환경에서 발생되는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수확할 수 있게 된다.
이러한 에너지 하베스터에서는 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자의 공진 주파수 값이 일치하도록 하여, 최대 변위(displacement)를 발생시킴으로써 전기 에너지를 수확한다.
만약, 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자의 공진 주파수 값이 일치하지 않을 경우에는, 에너지 하베스터가 설치된 현장에서 충격 주파수 값과 일치하는 압전소자로 교체해 주어야 한다.
그러나, 압전소자를 교체하는 방법은 현장에서 직접 부품들을 일일이 분해한 후 교체를 수행하여야만 하므로, 작업공수가 늘고 작업효율이 저하되는 문제가 있었다.
특허문헌 1 : 공개특허공보 10-2016-0084269 (2016.07.13 공개)
본 발명의 과제는 압전소자 모듈의 진폭을 조정하여 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈의 공진 주파수 값을 일치시키도록 형성된 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터는 케이스와, 압전소자 모듈과, 가이드 바와, 하부 지지부재, 및 상부 지지부재를 포함한다. 케이스는 내부에 수납부가 형성된다. 압전소자 모듈은 수납부에 일단이 고정되며, 외부의 진동에 의해 타단이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 가이드 바는 압전소자 모듈의 하부에 배치되며, 수납부의 일측에 길이 방향으로 설치된다. 하부 지지부재는 압전소자 모듈의 하부에 배치되어 압전소자 모듈을 지지하며, 가이드 바를 따라 이동 가능하게 형성된다. 상부 지지부재는 압전소자 모듈의 상부에 배치되어 압전소자 모듈의 상부를 가압하며, 하부 지지부재에 고정된다.
본 발명에 따르면, 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈의 공진 주파수 값이 일치하지 않을 경우, 위치조정 볼트를 통해 압전소자 모듈의 진폭을 조절하면 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈의 공진 주파수 값을 일치시킬 수 있게 된다. 따라서, 에너지 하베스터의 전류생산 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 종래와 같이 상기 충격 주파수 값과 공진 주파수 값을 일치시키기 위하여 부품들을 일일이 분해한 후, 압전소자 모듈을 교체해주지 않아도 되므로 작업효율을 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 압전소자 모듈의 두께에 따라 상부 지지부재가 상하 방향으로 이동 가능하게 형성됨에 따라, 하나의 케이스에 다양한 두께를 갖는 압전소자 모듈을 설치할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터의 내부를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 대한 A-A' 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 대한 B-B' 단면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터의 내부를 도시한 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 대한 A-A' 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터에 대한 B-B' 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터(100)는 케이스(110)와, 압전소자 모듈(120)과, 가이드 바(130)와, 하부 지지부재(140), 및 상부 지지부재(150)를 포함한다. 여기서, 에너지 하베스터(100)는 압전효과를 이용하여 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 전자기기의 구동전원으로 사용될 수 있다.
케이스(110)는 내부에 수납부(110a)가 형성된다. 구체적으로, 케이스(110)는 사각 형상의 바닥판(111)과, 바닥판(111)의 둘레를 따라 수직방향으로 연장되어 수납부(110a)를 형성하는 벽면(112)으로 이루어질 수 있다. 그리고, 벽면(112)의 상부에는 수납부(110a)를 개폐하기 위한 덮개부(113)가 설치될 수 있다.
압전소자 모듈(120)은 수납부(110a)에 일단이 고정되며, 외부의 진동에 의해 타단이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 여기서, 수납부(110a)에는 지지부재(114)가 배치될 수 있으며, 압전소자 모듈(120)은 일단이 지지부재(114)의 상부에 지지 및 고정될 수 있다.
압전소자 모듈(120)은 판스프링(121)과, 압전소자(122)로 이루어질 수 있다.
판스프링(121)은 수납부(110a)의 내부에 일단이 고정되어 진동 변위를 발생시킨다. 즉, 판스프링(121)은 지지부재(114)에 고정되는 일단이 고정단이 되고, 타단이 자유단이 되어 외부에서 진동이 발생하면 타단이 탄성적으로 휘어져 진동 변위를 발생시킨다.
압전소자(122)는 판스프링(121)의 상부에 배치되며, 판스프링(121)의 진동 변위에 따라 변형되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
즉, 압전소자(122)는 변형을 일으키면 전류를 발생시키는 압전(piezoeletric) 효과를 이용한 것으로, 외부의 진동으로 인해 케이스(110)가 가진되면 판스프링(121)에 변위가 발생하게 된다. 그러면, 판스프링(121)에 부착된 압전소자(122) 또한 변위가 발생하게 되므로, 압전소자(122)에는 전류가 발생하게 된다. 이때, 도시하지는 않았지만 압전소자(122)의 상측 및 하측에는 전극이 각각 구비되어 있어 압전소자(122)로부터 발생된 전류를 외부 전자기기로 공급할 수 있게 된다.
이처럼 판스프링(121)에 압전소자(122)가 장착됨에 따라 압전소자(122)의 진동 변위가 증가되어, 판스프링(121)을 구비하지 않았을 때보다 압전소자(122)로부터 더욱 많은 양의 전류를 획득할 수 있게 된다.
압전소자(122)는 압전효과를 발생시키는 소재라면 어느 것이나 가능하다. 예를 들어, 압전소자(122)는 공지된 소재인 PZT(lead zirconate titanate), PVDF(polyvinylidene fluoride), BTO(barium titanate) 등과 같이 다양한 소재로 형성될 수 있다.
가이드 바(130)는 압전소자 모듈(120)의 하부에 배치되며, 수납부(110a)의 일측에 길이 방향으로 설치된다. 가이드 바(130)는 원기둥 형태로 이루어질 수 있으며, 양단이 케이스(110)의 벽면(112)에 각각 고정될 수 있다.
하부 지지부재(140)는 압전소자 모듈(120)의 하부에 배치되어 압전소자 모듈(120)을 지지하며, 가이드 바(130)를 따라 이동 가능하게 형성된다. 구체적으로, 하부 지지부재(140)는 가이드 바(130)와 대응되는 부위에 관통 홀(140a)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 관통 홀(140a)에 가이드 바(130)가 삽입되고, 하부 지지부재(140)는 가이드 바(130)를 따라 전후로 선형 이동할 수 있게 된다.
하부 지지부재(140)는 하부 지지부재(140)에 연결되는 위치조정 볼트(160)를 통해 전후로 이동할 수 있게 된다. 구체적으로, 위치조정 볼트(160)는 가이드 바(130)를 따라 하부 지지부재(140)를 이동시킬 수 있으며, 바디부(161)와, 헤드부(162)로 이루어질 수 있다.
바디부(161)는 케이스(110)의 일면을 관통하여 하부 지지부재(140)에 체결되며, 둘레에 나사산이 형성된다. 이때, 하부 지지부재(140)의 타측에는 체결 홀(140b)이 형성되어 있어, 바디부(161)가 삽입 및 체결될 수 있다.
헤드부(162)는 바디부(161)의 일단으로부터 연장되어 케이스(110)의 외부로 노출되며, 좌측 또는 우측으로 회동함에 따라 바디부(161)를 전방 또는 후방으로 이동시킨다. 여기서, 전방은 도면에서 좌측을 의미하며, 후방은 도면에서 우측을 의미한다.
예를 들어, 토크렌치와 같은 공구를 이용하여 헤드부(162)를 좌측으로 회전시키면 하부 지지부재(140)가 바디부(161)의 나사산을 따라 전방으로 이동하게 된다. 이때, 하부 지지부재(140)의 상부에는 후술되는 상부 지지부재(150)가 고정되어 있어, 하부 지지부재(140)의 이동시 상부 지지부재(150) 또한 전방으로 이동할 수 있게 된다.
반대로 헤드부(162)를 우측으로 회전시키면 하부 지지부재(140) 및 상부 지지부재(150)가 바디부(161)의 나사산을 따라 후방으로 이동하게 된다. 이때, 바디부(161)의 외주면에 베어링(163)을 설치하여 위치조정 볼트(160)의 회전을 보다 용이하게 할 수 있다.
상부 지지부재(150)는 압전소자 모듈(120)의 상부에 배치되어 압전소자 모듈(120)의 상부를 가압하며, 하부 지지부재(140)에 고정된다. 구체적으로, 상부 지지부재(150)의 양단이 하부 지지부재(140)의 양단에 고정될 수 있으며, 상부 지지부재(150)와 하부 지지부재(140) 사이에 압전소자 모듈(120)이 개재될 수 있다.
이에 따라, 하부 지지부재(140)가 전후로 이동할 때 상부 지지부재(150) 또한 전후로 이동하게 된다. 이때, 압전소자 모듈(120)은 지지부재(114)에 일단이 고정되어 있으므로, 하부 지지부재(140)와 상부 지지부재(150)가 전후로 이동하더라도 압전소자 모듈(120)은 이동하지 않게 된다.
따라서, 하부 지지부재(140) 및 상부 지지부재(150)가 후방으로 이동하게 되면 압전소자 모듈(120)의 고정단이 넓어지게 되므로, 압전소자 모듈(120)의 진폭은 작아지게 된다. 반대로 하부 지지부재(140)와 상부 지지부재(150)가 전방으로 이동하게 되면 압전소자 모듈(120)의 자유단이 넓어지게 되므로, 압전소자 모듈(120)의 진폭은 커지게 된다.
이처럼 하부 지지부재(140) 및 상부 지지부재(150)의 이동에 의해 압전소자 모듈(120)의 진폭이 조절됨에 따라, 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈(120)의 공진 주파수 값이 일치하지 않을 경우, 하부 지지부재(140)와 상부 지지부재(150)를 전후로 이동시키면 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈(120)의 공진 주파수 값을 일치시킬 수 있게 된다.
즉, 전류생산 효율을 향상시키기 위해서는 공진에 의한 발전이 이루어져야 하므로, 케이스(110) 내에는 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 일치하는 공진 주파수 값을 갖는 압전소자(122)를 장착해야만 한다.
만약, 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈(120)의 공진 주파수 값이 일치하지 않는 경우, 위치조정 볼트(160)를 통해 압전소자 모듈(120)의 진폭만 적절히 조절한다면 충격 주파수 값과 공진 주파수 값을 일치시킬 수 있게 된다. 따라서, 종래와 같이 주파수 값을 일치시키기 위하여 부품들을 일일이 분해한 후, 압전소자 모듈(120)을 교체해주지 않아도 되므로 작업효율을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 상부 지지부재(150)는 압전소자 모듈(120)의 두께에 따라 상하 방향으로 이동 가능하다. 구체적으로, 상부 지지부재(150)는 고정부재(151)와, 위치조정 부재(152)를 포함할 수 있다.
고정부재(151)는 하부 지지부재(140)에 양단이 고정되고, 전방에 개구부가 형성된다. 그리고, 고정부재(151)의 전방에는 복수의 체결 홀(151a)이 형성된다.
위치조정 부재(152)는 고정부재(151)의 개구부에 삽입되며, 체결 홀(151a)과 대응되는 부위에 상하 방향으로 길게 장홀(152a)이 형성된다. 이에 따라, 장홀(152a)을 통해 위치조정 부재(152)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있게 되므로, 다양한 두께를 갖는 압전소자 모듈(120)을 설치할 수 있게 된다.
예를 들어, 압전소자 모듈(120)의 두께에 따라 위치조정 부재(152)를 상부 또는 하부로 이동시키면, 압전소자 모듈(120)의 상부에 위치조정 부재(152)가 배치된다. 이때, 압전소자 모듈(120)과 고정부재(151) 간의 간섭을 방지하기 위하여 상부 지지부재(150)의 하측면에는 홈부(151b)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 압전소자 모듈(120)은 하부 지지부재(140)와 위치조정 부재(152) 사이에 개재된다.
이 상태에서 볼트와 같은 체결부재(10)를 장홀(152a)에 삽입시킨 후 체결 홀(151a)에 체결하면, 위치조정 부재(152)는 체결부재(10)에 의해 가압되며 고정부재(151)에 체결된다.
이처럼 에너지 하베스터(100)의 상부 지지부재(150)가 압전소자 모듈(120)의 두께에 따라 상하 방향으로 이동 가능하게 형성됨에 따라, 하나의 케이스(110)에 다양한 두께를 갖는 압전소자 모듈(120)을 설치할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110.. 케이스 110a.. 수납부
120.. 압전소자 모듈 121.. 판스프링
122.. 압전소자 130.. 가이드 바
140.. 하부 지지부재 150.. 상부 지지부재
151.. 고정부재 151a.. 체결 홀
152.. 위치조정 부재 152a.. 장홀
160.. 위치조정 볼트 161.. 바디부
162.. 헤드부

Claims (7)

  1. 내부에 수납부가 형성된 케이스;
    상기 수납부에 배치된 지지부재에 일단이 고정되며, 외부의 진동에 의해 타단이 상하 방향으로 이동 가능하게 형성된 압전소자 모듈;
    상기 압전소자 모듈의 하부에 배치되며, 상기 수납부의 일측에 길이 방향으로 설치된 가이드 바;
    상기 압전소자 모듈의 하부에 배치되어 상기 압전소자 모듈을 지지하며, 상기 가이드 바를 따라 이동 가능하게 형성된 하부 지지부재; 및
    상기 압전소자 모듈의 상부에 배치되어 상기 압전소자 모듈의 상부를 가압하며, 상기 하부 지지부재에 고정되는 상부 지지부재;
    상기 하부 지지부재에 연결되며, 상기 가이드 바를 따라 상기 하부 지지부재를 이동시키는 위치조정 볼트;를 포함하고,
    상기 상부 지지부재는 상기 압전소자 모듈의 두께에 따라 상하 방향으로 이동 가능하고,
    상기 상부 지지부재는
    상기 하부 지지부재에 양단이 고정되고, 전방에 개구부가 형성되며, 전면에 복수의 체결 홀이 형성된 고정부재와,
    상기 고정부재의 개구부에 삽입되며, 상기 체결 홀과 대응되는 부위에 상하 방향으로 길게 장홀이 형성된 위치조정 부재를 포함하며,
    상기 상부 지지부재의 하측면에는 홈부가 형성되며, 상기 하부 지지부재의 타측에는 체결홀이 형성되어 있어 바디부가 삽입 및 체결되며,
    상기 압전소자 모듈은 상기 하부 지지부재와 상기 위치조정 부재 사이에 개재되고,
    상기 하부 지지부재와 상부 지지부재를 전후로 이동시켜 압전소자 모듈의 진폭을 조절함에 따라 외부에서 가해지는 충격 주파수 값과 압전소자 모듈의 공진 주파수 값을 일치시키며,
    상기 위치조정 볼트는
    상기 케이스의 일면을 관통하여 상기 하부 지지부재에 체결되며, 둘레에 나사산이 형성되고, 외주면에 베어링이 설치된 바디부와,
    상기 바디부의 일단으로부터 연장되어 상기 케이스의 외부로 노출되며, 좌측 또는 우측으로 회동함에 따라 상기 바디부를 전방 또는 후방으로 이동시키는 헤드부를 포함하는 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자 모듈은
    상기 수납부의 내부에 일단이 고정되어 진동 변위를 발생시키는 판스프링과,
    상기 판스프링의 상부에 배치되며, 상기 판스프링의 진동 변위에 따라 변형되어 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전소자를 포함하는 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터.
KR1020170042168A 2017-03-31 2017-03-31 주파수 변경이 가능한 에너지 하베스터 KR101969580B1 (ko)

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