KR102139819B1 - 압전소자를 이용한 자가발전기 - Google Patents

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정재환
정주영
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(주)일렉콤
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Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 자가 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 압전소자는 상, 하측 플레이트에 배치되고, 압전소자를 가압할 수 있는 요철 플레이트는 상, 하측플레이트 사이에 배치되고, 요철 플레이트를 승, 하강시키는 가압플레이트는 동력부에 동력에 의해 회전하는 캠의 원리에 의해 승, 하강 됨으로써 요철 플레이트의 승, 하강 반복의 가압에 따른 압전소자에서 전류가 발생하는 압전소자를 이용한 자가 발전기에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은 풍력, 수차 및 전력에 의해 전기를 생산하는 압전소자를 이용한 자가 발전기 본체(100) 상부에는 캠(111)을 갖는 캠부(110), 상기 캠(111)과 연결된 캠축(112)의 전방에는 캠축(112)의 동력을 전달하는 동력부(170)를 포함하는 압전소자를 이용한 자가 발전기에 있어서,
상기 캠축(112)과 결합된 캠(111) 중앙에는 캠축(112)과 회전하면 캠(111)의 끝단이 캠(111)을 수용하는 캠하우징(114)의 상, 하측면과 접촉하면서 캠(111)이 수직의 승, 하강 작동범위를 한정하는 트랙구멍(113); 상기 캠(111)에 의해 수직의 승, 하강이 되는 캠하우징(114)과 일체로 된 가압플레이트(120);상기 가압플레이트(120)의 측면과 요철 플레이트(130)의 측면을 결합부재로 연동판(121)을 연결하되, 가압플레이트(120)와 요철 플레이트(130)의 사이에 배치된 상측 플레이트(140) 측면에는 상기 연동판(121)이 관통하도록 형성된 연동구멍(141); 상기 요철 플레이트(130)의 하측에 배치된 하측 플레이트(150)의 양측면과 상기 상측 플레이트(140)의 양측면에 결합부재로 고정되는 고정판(180);상기 상측 플레이트(140)의 하측면과 하측 플레이트(150)의 상측면 각각에 배치된 압전소자부(160)는 격자형으로 된 압전소자모듈(161)과 결합하는 가이드판(163);상기 가이드판(163)에 형성된 걸림턱(164)에는 압전소자 모듈(161)이 접착되도록 접착부(162)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

압전소자를 이용한 자가발전기{self-generating device using piezoelectric elementbn}
본 발명은 압전소자를 이용한 자가 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 압전소자는 상, 하측 플레이트에 배치되고, 압전소자를 가압할 수 있는 요철 플레이트는 상, 하측플레이트 사이에 배치되며, 요철 플레이트를 승, 하강시키는 가압플레이트는 동력부에 동력에 의해 회전하는 캠의 원리에 의해 승, 하강 됨으로써 요철 플레이트의 승, 하강 반복의 가압에 따른 압전소자에서 전류가 발생하는 압전소자를 이용한 자가 발전기에 관한 것이다.
전기에너지는 다양한 기기를 구동하는 핵심동력으로 수력, 화석연료 등 다양한 형태에서 얻어지는데 에너지 원료가 고갈되고 있는 동시에 환경문제가 대두되고 있기 때문에 깨끗하고 무한정 사용할 수 있는 에너지 하베스팅에 대한 관심이 증폭되고 있다.
반도체 기술의 발전으로 전자 소자 및 부품이 점차 소형화, 고집적화, 저전력화가 급속히 이루어 짐에 따라서, 전자제품도 대형화에서 소형화와 휴대화가 빠르게 진행되고 있으며, 레져 활동 인구도 증가되어 소형화 전자제품의 수요도 증가하고 있다.
이로 인하여 배터리 기술과 함께, 휴대용 수동발전기의 수요가 늘어남에 따라 시장 규모도 빠르게 증가하고 있다.
최근에는 수정*?*로셸염*?*티탄산바륨 등의 결정에 변형력을 가하면 그 힘에 비례하는 전하가 생기고 또 전기장 속에 두면 기계적인 변형이 생기는 현상을 이용하는 압전소자를 이용한 자가 발전기로서 픽업 마이크로폰, 기계적 필터 등에 응용되고 있다.
이와 같이 다양한 분야에서 사용되고 있는 압전소자는 새로운 전기에너지 생산방식으로도 주목받고 있는데 이에 대한 선행기술로는 등록특허 10-1821888에 도시된 바와 같이, 고정부 내부의 다수개의 삽입홈에는 압전소자층이 삽입되고, 다수의 압전소자층 사이에는 변형가이드가 배치되며, 고정부 하부에 는 하부 돌출부가 돌출되어 있고, 고정부 상부에 배치된 탄성조절부에는 스프링 하우징 내에 설치된 탄성스프링 배치되며, 고정부 하부에는 상기 하부 돌출부와 접촉하는 다수의 골과 마루가 있는 하부 구동부가 배치되어 있다.
상기와 같이 구성된 압전소자 모듈 및 이를 이용한 소형 발전기는 하부 구동부가 회전하면 복수의 골과 마루가 하부 돌출부와 접촉이 반복되어 고정부가 수직왕복운동을 함과 동시에 그 내부에 있는 변형가이드가 압전소자층을 변형시켜 압전 전압이 발생하는 것으로 되어 있다.
그러나 상기에 있어, 하부 구동부의 골과 하부 돌출부와 접촉하면 고정부가 하측으로 이동하면서 탄성 스프링이 탄성되고, 마루와 하부 돌출부가 접촉하면 고정부가 상측으로 이동하면서 스프링은 수축하는 것으로 되어 있는데, 이때 도시된 바와 같이, 스프링 하우징의 단부와 고정부의 상측면이 밀착되어 있어 스프링이 수축이 되지 않는 구조로 되어 있어 구조적인 문제점이 있다 하겠다.
또한, 하부 구동부의 골과 마루가 하부 돌출부와 반복 접촉하면서 압전소자층에서 고전력이 생산이 가능하다고 설명하고 있으나, 도시된 바와 같이, 하부 구동부의 골과 마루가 하부 돌출부와 반복 접촉하면 고정부 승, 하강함과 아울러 그 내부에 있는 압전소자층은 고정부와 같이 승, 하강하는 것으로 되어 있다. 이는 압전소자의 가압에 의한 효율적인 고전력이 생산하는 것과 반하는 것으로 되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적으로는 압전소자를 이용한 발전기 본체에는 캠의 원리에 의해 승, 하강하는 요철 플레이트가 압전소자가 부착된 상, 하측 플레이트를 반복적으로 직접 가압함으로써, 압전소자에서 고전력의 생산량을 높일 수 있는 것을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압전소자를 이용한 자가 발전기는 특정한 장소를 가리지 않고 설치되는 것으로서, 자동차, 전신주 및 고층 빌딩의 건물 등 자연에 동력이 있으면 모두 해당되는 것을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 캠을 회전시키는 동력은 물을 이용한 수차 또는 바람을 이용한 풍력 또는 전기모터 등 자연 및 전력의 동력으로 회전시키는 것을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압전소자 모듈을 다수로 블록화하여 고전력의 생산함으로써, 소형에서부터 중, 대형발전기를 제작할 수 있는 것을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 풍력, 수차 및 전력에 의해 전기를 생산하는 압전소자를 이용한 자가 발전기 본체(100) 상부에는 캠(111)을 갖는 캠부(110), 상기 캠(111)과 연결된 캠축(112)의 전방에는 캠축(112)의 동력을 전달하는 동력부(170)를 포함하는 압전소자를 이용한 자가 발전기에 있어서,
상기 캠축(112)과 결합된 캠(111) 중앙에는 캠축(112)과 회전하면 캠(111)의 끝단이 캠(111)을 수용하는 캠하우징(114)의 상, 하측면과 접촉하면서 캠(111)이 수직의 승, 하강 작동범위를 한정하는 트랙구멍(113);
상기 캠(111)에 의해 수직의 승, 하강이 되는 캠하우징(114)과 일체로 된 가압플레이트(120);
상기 가압플레이트(120)의 측면과 요철 플레이트(130)의 측면을 결합부재로 연동판(121)을 연결하되, 가압플레이트(120)와 요철 플레이트(130)의 사이에 배치된 상측 플레이트(140) 측면에는 상기 연동판(121)이 관통하도록 형성된 연동구멍(141);
상기 요철 플레이트(130)의 하측에 배치된 하측 플레이트(150)의 양측면과 상기 상측 플레이트(140)의 양측면에 결합부재로 고정되는 고정판(180);
상기 상측 플레이트(140)의 하측면과 하측 플레이트(150)의 상측면 각각에 배치된 압전소자부(160)는 격자형으로 된 압전소자모듈(161)과 결합하는 가이드판(163);
상기 가이드판(163)에 형성된 걸림턱(164)에는 압전소자 모듈(161)이 접착되도록 접착부(162)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 압전소자부(160)의 압전소자 모듈(161)과 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 접착제로 접착된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 압전소자부(160)의 압전소자 모듈(161)과 요철 플레이트(130)의 돌기(132)가 이격된 것을 특징으로 한다.
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이상과 같이 본 발명은 상, 하측으로 배열된 플레이트 또는 좌, 우측으로 배역된 플레이트의 표면에 배열된 격자형의 다수의 압전소자를 승 하강 또는 좌, 우측으로 이동하는 요철 플레이트의 돌기가 압전소자를 가압과 인장을 반복하면서 압전소자에서 고전력의 생산량을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기의 결합 사시도.
도 3은 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기의 측면도.
도 4는 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기의 정면도.
도 5는 본 발명에 적용된 캠의 작용에 의해 요철 플레이트가 하측으로 이동되어 상, 하측 플레이트에 부착된 압전소자를 잡아당기고, 하측 플레이트에 부착된 압전소자 모듈은 가압하는 상태의 정면도.
도 6은 도 5의 a 부분 확대도.
도 7은 본 발명에 적용된 캠의 작용에 의해 요철 플레이트가 상측으로 이동되어 상측 플레이트에 부착된 압전소자를 가압하고, 하측 플레이트에 부착된 압전소자를 잡아당기는 상태의 정면도.
도 8은 도 7의 b부분 확대도.
도 9는 본 발명에 적용된 요철 플레이트 돌기의 다른 실시예로서, 요철 플레이트가 하측으로 이동된 상태의 확대도.
도 10은 본 발명에 적용된 요철 플레이트 돌기의 다른 실시예로서, 요철 플레이트가 상측으로 이동된 상태의 확대도.
도 11은 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기를 90° 각도로 기울어진 상태의 측면도.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 압전소자를 이용한 발전기 본체(100)는
캠부(110), 가압플레이트(120), 요철 플레이트(130), 상, 하측 플레이트(140)(150), 압전소자부(160), 및 동력부(170)로 크게 구획되어 있다.
상기 캠부(110)에는 동력부(170)에 의해 회전하는 캠축(112)과 캠축(112)을 중심으로 회전하는 캠(111)이 배치되고, 캠축(112)의 승, 하강 작동범위가 설정된 트랙구멍(113) 및 캠(111)을 수용하면서 캠(111)의 끝단의 상, 하측과 접촉하는 캠하우징(114)으로 구성되어 있다.
상기 가압 플레이트(120)는 상기 캠 하우징(114)과 일체로 되어 있고, 가압 플레이트(120)에 결합된 연동판(121)은 요철 플레이트(130)와 결합되되, 상기 연동판(121)은 상측 플레이트(140)의 연동구멍(141)을 관통하여 설치된다, 여기서 연동판(121)은 사방 4곳에 배치된 것이 바람직하다.
상기 요철 플레이트(130)의 상, 하측면에 다수개의 돌기(132)과 다수의 홈(133)으로 형성되어 있다.
상기 상, 하측 플레이트(140)(150)의 양측면에는 상, 하측 플레이트(140)(150)를 하나의 블록으로 이루어지게 한 고정판(180)이 결합되어 있다.
상기 압전소자부(160)는 상, 하측 플레이트(140)(150)표면에 다수개의 압전소자 모듈(161)이 격자형으로 배열되어 있으며, 압전소자 모듈(161)의 내측면과 상, 하측 플레이트(140)의 외측면 사이에는 압전소자 모듈(161)이 상, 하측 플레이트(140)에서 접착이 가능한 접착부(162)가 부착되어 있다.
또한 압전소자 모듈(161)은 요철 플레이트(130)의 돌기(132)와 접착되어 있다.
그리고 상기 압전소자 모듈(161)은 단수 또는 복수로 적층하여 설치가 가능하다.
또한 상기 압전소자 모듈(161)은 압전 효과가 높은 압력 의존형 전도성 고무(pressure-sensitive or pressure-activated conductive rubber), 티탄산바륨(barium titanate), 인산이수소 암놈(Potassium Dihydrogen Phosphate), 및 타르타르산 에틸렌디아민 (tartaric acid ethylenediamine) 중에 어느 하나로 설치가 가능하다.
또한 상기 접착부(162)는 접착성이 우수한 재질로 된 것으로서, 아크릴 양면테이프, 양면 점착 폼 테이프 및 벨크로 테이프 중에 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기 동력부(170)는 물을 이용한 수차 또는 바람을 이용한 풍력 또는 전력을 이용한 전기모터 중에 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 "압전소자를 이용한 자가 발전기"의 실시예는 다음과 같다.
첨부도면 도 5 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 본체(100)의 정면으로 바람이 세기 또는 물의 수차에 의해 동력부(170)에 있는 날개(171)가 구동하거나 캠축(112)에 전기모터의 동력으로 구동시킨다.
상기와 같이 캠축(112)이 구동되면 캠(111)의 끝단이 캠 하우징(114)의 하측과 접촉함과 동시에 캠 하우징(114)을 하측으로 밀어 내리게 된다. 이때 캠축(112)은 트랙구멍(113)의 상측으로 이동하개 된다.
상기와 같이 캠 하우징(114)이 하측으로 이동하면 이와 일체로 되어 있는 가압플레이트(120)가 하측으로 이동함과 동시에 연동판(121)과 결합된 요철 플레이트(130)가 연동하면서 (L1) 거리 만큼 하강하게 된다.
이때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 상, 하측 플레이트(140)(150)의 압전소자 모듈(161)과 접착되어 있는바, 상측 플레이트(140)에 있는 압전소자 모듈(161)은 잡아 당겨지고, 하측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)은 가압한 현상이 발생한다.
따라서 가압 또는 인장의 변형에 의한 압전소자 모듈(161)에서 전류가 생산되는 것이다.
계속하여 회전하는 캠축(112)에 의해 캠(111)이 회전하여 캠(111)의 끝단이 캠 하우징(114)과 접촉하면 첨부도면 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 캡 하우징(114)을 상측으로 끌어 올리게 되고, 캠축(112)은 트랙구멍(113)에서 하측으로 이동하게 된다.
상기와 같이 캠 하우징(114)이 상측으로 이동하면 이와 일체로 되어 있는 가압플레이트(120)가 상측으로 이동함과 동시에 연동판(121)과 결합된 요철 플레이트(130)가 연동하면서 (L2) 거리 만큼 상승하게 된다.
이때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 상, 하측 플레이트(140)(150)의 압전소자 모듈(161)과 접착되어 있는바, 상측 플레이트(140)에 있는 압전소자 모듈(161)은 가압하고 하측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)은 잡아 당겨지는 현상이 발생한다.
따라서 가압 또는 인장의 변형에 의한 압전소자 모듈(161)에서 전류가 생산되는 것이다.
상기와 같이와 같이 "압전소자를 이용한 자가 발전기"에 적용된 요철 플레이트(130)가 승, 하강 왕복하면서 압전소자 모듈(161)의 가압 또는 인장의 변형에 의한 압전소자 모듈(161)에서 많은 전류가 생산되면 감압성 고분자의 물성을 갖는 다수의 압전소자 모듈(161)에서 얻어진 전류는 교류/직류변화기에 축전지로 집합한 뒤 직류공급을 통하여 필요에 따라 부하에 설치된 LED 조명등을 점등할 수가 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 첨부도면 도 9 또는 도 10에 도시된 바와 같이, 상, 하측 플레이트(140)(150) 사이의 공간에 요철 플레이트(130)가 배치되어 있으며, 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 압전소자 모듈(161)과 분리되어 있다.
첨부도면 도 9는 캠(111)이 회전하여 캠 하우징(114)이 하측으로 이동할 때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)가 하측으로 이동하여 하측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)을 가압하는 상태가 된다.
첨부도면 도 10은 캠(111)이 회전하여 캠 하우징(114)이 상측으로 이동할 때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)가 상측으로 이동하여 상측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)을 가압하는 상태가 된다.
한편 본 발명의 압전소자를 이용한 자가 발전기 본체를 첨부도면 도 11에 도시된 바와 같이 본체(100)를 90° 각도로 기울어진 상태로서, 캠축(112)이 구동되면 캠(111)의 끝단이 캠 하우징(114)의 우측과 접촉함과 동시에 캠 하우징(114)을 우측으로 밀게 된다. 이때 캠축(112)은 트랙구멍(113)의 반대 방향인 우측으로 이동하게 된다.
상기와 같이 캠 하우징(114)이 우측으로 이동하면 이와 일체로 되어 있는 가압플레이트(120)가 우측으로 이동함과 동시에 연동판(121)과 결합된 요철 플레이트(130)가 연동하면서 우측으로 이동하게 된다.
이때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 좌, 우측 플레이트(140)(150)의 압전소자 모듈(161)과 접착되어 있는바, 좌측 플레이트(140)에 있는 압전소자 모듈(161)은 잡아 당겨지고, 우측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)은 가압한 현상이 발생한다.
따라서 가압 또는 인장의 변형에 의한 압전소자 모듈(161)에서 전류가 생산되는 것이다.
계속하여 회전하는 캠축(112)에 의해 캠(111)이 회전하여 캠(111)의 끝단이 캠 하우징(114)과 좌측에 접촉하면 캡 하우징(114)이 좌측으로 이동하고, 캠축(112)은 트랙구멍(113)에서 반대 방향인 좌측으로 이동하게 된다.
상기와 같이 캠 하우징(114)이 좌측으로 이동하면 이와 일체로 되어 있는 가압플레이트(120)가 좌측으로 이동함과 동시에 연동판(121)과 결합된 요철 플레이트(130)가 연동하면서 좌측으로 이동하게 된다.
이때 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 좌, 우측 플레이트(140)(150)의 압전소자 모듈(161)과 접착되어 있는바, 좌측 플레이트(140)에 있는 압전소자 모듈(161)을 가압하고 우측 플레이트(150)의 압전소자 모듈(161)은 잡아 당겨지는 현상이 발생한다.
따라서 가압 또는 인장의 변형에 의한 압전소자 모듈(161)에서 전류가 생산되는 것이다.
100: 압전소자를 이용한 발전기 본체 110: 캠부
111: 캠 112: 캠축
113: 트랙구멍 114: 캠 하우징
120: 가압플레이트 121: 연동판
132: 돌기 133: 홈
140: 상측 플레이트 141: 연동구멍
150: 하측 플레이트 160: 압전소자부
161: 압전소자 모듈 162: 접착부
170: 동력부 180: 고정판

Claims (12)

  1. 풍력, 수차 및 전력에 의해 전기를 생산하는 압전소자를 이용한 자가 발전기 본체(100) 상부에는 캠(111)을 갖는 캠부(110), 상기 캠(111)과 연결된 캠축(112)의 전방에는 캠축(112)의 동력을 전달하는 동력부(170)를 포함하는 압전소자를 이용한 자가 발전기에 있어서,
    상기 캠축(112)과 결합된 캠(111) 중앙에는 캠축(112)과 회전하면 캠(111)의 끝단이 캠(111)을 수용하는 캠하우징(114)의 상, 하측면과 접촉하면서 캠(111)이 수직의 승, 하강 작동범위를 한정하는 트랙구멍(113);
    상기 캠(111)에 의해 수직의 승, 하강이 되는 캠하우징(114)과 일체로 된 가압플레이트(120);
    상기 가압플레이트(120)의 측면과 요철 플레이트(130)의 측면을 결합부재로 연동판(121)을 연결하되, 가압플레이트(120)와 요철 플레이트(130)의 사이에 배치된 상측 플레이트(140) 측면에는 상기 연동판(121)이 관통하도록 형성된 연동구멍(141);
    상기 요철 플레이트(130)의 하측에 배치된 하측 플레이트(150)의 양측면과 상기 상측 플레이트(140)의 양측면에 결합부재로 고정되는 고정판(180);
    상기 상측 플레이트(140)의 하측면과 하측 플레이트(150)의 상측면 각각에 배치된 압전소자부(160)는 격자형으로 된 압전소자모듈(161)과 결합하는 가이드판(163);
    상기 가이드판(163)에 형성된 걸림턱(164)에는 압전소자 모듈(161)이 접착되도록 접착부(162)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자부(160)의 압전소자 모듈(161)과 요철 플레이트(130)의 돌기(132)는 접착제로 접착된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가 발전기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자부(160)의 압전소자 모듈(161)과 요철 플레이트(130)의 돌기(132)가 이격된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 자가 발전기.


  12. 삭제
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