KR102550181B1 - 발판형 압전 발전 모듈 - Google Patents

Abstract

발판형 압전 발전 모듈이 개시된다. 상기 발판형 압전 발전 모듈은 발판; 및 내부에 압전 소자를 구비하며, 상하로 수축 및 복원되면서 상기 압전 소자를 변형시키도록 구성되고, 상기 발판의 사방 코너부에 배치되어 상기 발판을 지지하는 복수의 댐퍼를 포함하고, 상기 각각의 댐퍼는 상기 발판이 눌리면 상기 발판의 사방 코너부로 가압되어 수축되면서 상기 압전 소자를 변형시킬 수 있다.

Description

발판형 압전 발전 모듈{FOOT MAT TYPE PIEZOELECTRIC POWER MODULE}

본 발명은 압전 발전 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발판을 밟으면 발판 아래의 압전 소자가 가압되어 전기에너지를 생성하는 발판형 압전 발전 모듈에 관한 것이다.

압전물질은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 변환매체로서 다양한 응용분야를 갖는다. 현재 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 세라믹스 재료가 압전 현상을 일으키는 재료로서 알려져 있다.

압전체는 그 압전체에 가해지는 힘(압력 또는 진동)에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압을 이용하는 장치를 압전 발전기라 한다.

이러한 압전 발전기는 현재 그 이용 용도가 계속되어 확장되고 있는 추세이다.

압전 발전기의 일 예로, 발판 형태의 압전 발전기 시스템이 있으며, 그 예로, 등록특허 제10-1029297호, 압전 발전기 시스템이 있다. 이 특허는 복수의 압전 발전기용 유니트가 두 장의 탄성 매트 사이에 끼워지는 형태로 구성된다. 이러한 형태의 종래의 압전 발전기 시스템은 사람이 탄성 매트부를 밟으면 압전 발전기 유니트의 압전층에 압력이 가해져서 전기 에너지를 생성한다.

그런데, 이러한 종래의 압전 발전기 시스템은 탄성 매트부를 밟았을 때 전기 에너지 생성 효율을 높이기 위해서는 탄성 매트부의 면적 전체에 압전체가 배치되어야 하므로 압전체의 개수가 증가하며, 탄성 매트부를 대면적으로 구성하는 경우 압전체 개수가 더욱 증가하여 제작 비용을 증가시킨다.

또한, 탄성 매트부에서 사람이 밟는 영역에 따라 압력을 받는 압전체의 개수가 제한되므로 항상 동일 또는 유사한 용량의 전기 에너지를 생성하기에는 어려움이 있었다.

일 목적으로, 발판의 눌리는 부분에 상관 없이 항상 압전 소자 전체가 압력을 받아 효율적으로 전기 에너지를 생성할 수 있도록 한 발판형 압전 발전 모듈을 제공하는데 있다.

다른 목적으로, 발판의 면적 내에 압전 소자가 다수 위치하여 압전 소자의 개수가 증가하는 구조를 탈피한 구조를 이루고 있어서 압전 소자의 수가 경감하여 제작 비용이 절감될 수 있도록 한 발판형 압전 발전 모듈을 제공하는데 있다.

또 다른 목적으로, 대면적으로 구성하는 경우에도 발판의 개수에 상관 없이 항상 동일 또는 유사한 용량으로 전기 에너지 생성이 가능해지도록 한 발판형 압전 발전 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 발판; 및 내부에 압전 소자를 구비하며, 상하로 수축 및 복원되면서 상기 압전 소자를 변형시키도록 구성되고, 상기 발판의 사방 코너부에 배치되어 상기 발판을 지지하는 복수의 댐퍼를 포함하고, 상기 각각의 댐퍼는 상기 발판이 눌리면 상기 발판의 사방 코너부로 가압되어 수축되면서 상기 압전 소자를 변형시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 각각의 댐퍼는, 하면판; 상기 하면판의 상부로 일정 거리 이격되어 배치되는 상면판; 상기 하면판 및 상기 상면판 사이의 중앙에 배치되는 압전 소자; 및 상기 하면판 및 상기 상면판 사이에서 상기 압전 소자 주변에 복수 배치되고 하강된 상면판을 복귀시키는 스프링을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 각각의 댐퍼는, 상기 상면판의 안쪽면 중앙에 고정되어 상기 상면판과 함께 하강 및 상승되는 이동축; 및 상기 이동축의 말단부에 결합되는 가압부재를 더 포함하고, 상기 압전 소자는 상기 가압부재의 아래에 위치하고, 상기 가압부재는 상기 상면판 및 상기 이동축이 하강하면 상기 압전 소자를 가압하여 상기 압전 소자가 변형될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가압부재는 상기 압전 소자를 향하는 방향이 곡면 형상이고 상기 압전 소자를 가압할 때 수축 가능한 탄성 재질로 구비될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가압부재는 반구 형상이고 상기 압전 소자를 가압할 때 수축 가능한 탄성 재질로 구비될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 각각의 댐퍼는, 상기 상면판의 윗면 중앙에 상향 돌출되는 발판끼움부를 포함하고, 상기 발판은 사방 코너부가 각각의 댐퍼의 발판끼움부에 체결되어 상기 각각의 댐퍼 상에 놓일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 발판끼움부는 사방의 모서리 각각이 상기 상면판의 각각의 변을 향하는 마름모 형상을 갖고, 상기 발판의 사방 코너부 각각은 상기 발판의 사방 코너부에 배치되는 각각의 댐퍼의 발판끼움부의 마름모 형상 사방의 측면들 중 어느 하나에 체결되어 다수의 댐퍼 상에 놓일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 발판끼움부는 마름모 형상 사방의 측면들이 막힌 블록 형태로 구비되고, 상기 발판은 사방 모서리가 상기 마름모 형상 사방의 각 측면들에 대응하는 면적으로 모따기될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 발판은 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 1개 이상 증가하고, 상기 댐퍼는 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 증가한 발판 1개에 대해 2개이상 증가하며, 각 발판은 이웃하는 발판을 지지하는 2개 이상의 댐퍼를 공유할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 상면판 및 상기 하면판 사이에 배치되고 상단부가 상기 압전 소자의 높이보다 높은 2개 이상의 스토퍼를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 발판의 어느 부분이 눌리더라도 다수의 압전 소자 전체가 압력을 받을 수 있도록 압전 소자를 구비하는 댐퍼를 발판의 각 코너부에 배치하여, 발판의 눌리는 부분에 상관 없이 항상 압전 소자 전체가 압력을 받아 효율적으로 전기 에너지를 생성할 수 있고, 발판의 면적 내에 압전 소자가 다수 위치하여 압전 소자의 개수가 증가하는 구조를 탈피한 구조를 이루고 있어서 압전 소자의 수가 경감하여 제작 비용이 절감되고, 대면적으로 구성하는 경우에도 발판의 개수에 상관 없이 항상 동일 또는 유사한 용량으로 전기 에너지 생성이 가능해지는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 댐퍼를 확대 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈을 다수 조립하여 대면적으로 구성한 모습을 나타내는 평면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 아래에서 언급되는 "사방"은 4 방향으로 제한하지 않으며, 여러 방향을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 발판(100) 및 복수의 댐퍼(200)를 포함한다.

발판(100)은 복수의 댐퍼(200) 상에 놓여 복수의 댐퍼(200)를 누른다. 일 예로, 발판(100)은 사각 또는 팔각 형상일 수 있다.

복수의 댐퍼(200)는 내부에 압전 소자(230)를 구비하며, 상하로 수축 및 복원되면서 상기 압전 소자(230)를 변형시키도록 구성되고, 상기 발판(100)의 사방 코너부에 배치되어 상기 발판(100)을 지지한다.

일 예로, 각각의 댐퍼(200)는 하면판(210), 상면판(220), 압전 소자(230), 스프링(240), 이동축(250), 가압부재(260)를 포함할 수 있다.

하면판(210)은 댐퍼(200)의 바닥을 구성하며, 예를 들어, 팔각의 플레이트 형상일 수 있다.

상면판(220)은 댐퍼(200)의 상면을 구성하며, 상기 하면판(210)과 동일한 형상을 가질 수 있다.

압전 소자(230)는 하면판(210) 및 상면판(220) 사이의 중앙에 배치될 수 있다. 일 예로, 압전 소자(230)는 세라믹, 폴리머, 복합체, 마그네토-피에조일레스틱(magneto-piezoelastic) 형태일 수 있다.

스프링(240)은 하면판(210) 및 상면판(220) 사이에서 압전 소자(230) 주변에 복수로 배치되고, 하강된 상면판(220)을 복귀시킨다. 일 예로, 스프링(240)은 하면판(210) 및 상면판(220)의 코너부 각각에 배치될 수 있고, 코일 스프링 형태일 수 있다.

이동축(250)은 상면판(220)의 안쪽면 중앙에 고정되어 상면판(220)과 함께 하강 및 상승되며, 압전 소자(230)에 대향한다.

가압부재(260)는 이동축(250)의 말단부에 결합되어서 압전 소자(230)에 대향하여 이동축(250)이 하강하면 압전 소자(230)를 가압한다. 가압부재(260)는 압전 소자(230)를 향하는 방향이 곡면 형상일 수 있다. 예를 들어, 반 구 형상일 수 있고, 압전 소자(230)의 파손을 방지하기 위해 탄성 재질로 구성될 수 있다. 가압부재(260)의 재질에는 특별한 제한은 없으며, 압전 소자(230)를 가압할 때 수축될 수 있는 소재이면 모두 가능하고, 예를 들어, 고무 재질일 수 있다.

한편, 댐퍼(200)는 상면판(220)의 윗면 중앙에 상향 돌출되는 발판끼움부(270)를 포함한다. 발판끼움부(270)는 4개의 변을 갖는 형상이면 되고, 예를 들어, 사방의 모서리 각각이 상면판(220)의 각각의 변을 향하는 마름모 형상일 수 있고, 상면판(220)으로부터 돌출되는 블록 형태로 구비될 수 있다. 일 예로, 발판끼움부(270)는 마름모 형상 사방의 측면들이 막힌 블록 형태로 구비될 수 있다.

이러한 발판끼움부(270)에 발판(100)이 체결되기 위해, 발판(100)은 사방 코너부가 상기 발판끼움부(270)의 마름모 형상 사방의 각 측면들에 대응하는 면적으로 모따기되어, 발판(100)이 복수의 댐퍼(200) 상에 놓일 때 발판(100)의 모따기된 각 코너부가 발판끼움부(270)의 측면에 밀착되어 복수의 댐퍼(200)와 체결될 수 있다.

한편, 상기 상면판(220) 및 상기 하면판(210) 사이에 배치되고 상단부가 상기 압전 소자의 높이보다 높은 2개 이상의 스토퍼(280)를 더 포함할 수 있다.

상기 스토퍼(280)는 상기 상면판(220) 및 상기 이동축(250)이 하강할 때 상기 이동축(250)이 지나치게 하강하면서 상기 압전 소자(230)가 파괴되는 현상을 방지할 수 있다. 일 예로, 상기 스토퍼(280)는 상기 상면판(220) 및 상기 이동축(250)의 하강을 제한할 때 하중의 불균형이 일어나지 않도록 상기 이동축(250)을 중심으로 2개 이상의 대칭형으로 배치되어 하강하는 상면판(220)을 지지할 수 있다.

도 2에서 상기 스토퍼(280)의 형상이 직육면체 형상으로 도시되었으나 이에 제한되는 것은 아니며, 원통형 또는 다각형의 기둥 형상일 수도 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 발판(100)이 눌리면 발판(100) 사방의 각 코너부에 배치되는 댐퍼(200)들이 눌리게 된다.

일 예로, 도 1과 같이 4개의 댐퍼(200) 상에 하나의 발판(100)이 체결된 경우, 발판(100)이 눌리면 발판(100)의 각 코너부를 지지하는 4개의 댐퍼(200)는 발판(100)의 각 코너부로 눌리게 된다. 이때, 각각의 댐퍼(200)는 상면판(220)이 발판끼움부(270)와 함께 하강하고, 상면판(220)이 하강함에 따라 상면판(220)의 안쪽 중앙에 배치되는 이동축(250) 및 가압부재(260)가 상면판(220)과 함께 하강하여 가압부재(260) 아래의 압전 소자(230)를 누르게 되며, 발판(100)을 누르는 힘이 해제되면 스프링(240)에 의해 상면판(220)이 복귀되며, 이러한 과정에서 압전 소자(230)는 변형되어 압전 에너지를 생성하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 하나의 발판(100)의 각 코너부에 압전 소자(230)를 갖는 댐퍼(200)를 배치하여 발판(100)이 눌리는 위치에 관계 없이 발판(100)이 눌리기만 하면 발판(100)의 각 코너부에 배치된 댐퍼(200)가 눌려서 댐퍼(200)들 전체의 각 압전 소자(230)가 압전 에너지를 동시에 생성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈을 다수 조립하여 대면적으로 구성한 모습을 나타내는 평면도이다.

한편, 발판형 압전 발전 모듈을 대면적으로 구성하고자 하는 경우, 상기 발판(100)은 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 1개 이상 증가하고, 상기 댐퍼(200)는 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 증가한 발판 1개에 대해 2개이상 증가할 수 있고, 이때 각 발판은 이웃하는 발판을 지지하는 2개 이상의 댐퍼를 공유할 수 있다.

일 실시예로, 도 3과 같이 발판(100)을 9개 배치하고, 각각의 발판(100)의 코너부에 댐퍼(200)를 배치하여 16개의 댐퍼(200)가 구비되도록 대면적으로 구성하였다. 이러한 경우, 9개의 발판(100) 중 어느 하나의 발판(100)이 눌리면 나머지 8개의 발판(100)도 눌리게 되고, 이에 따라 각 발판(100)을 지지하고 있는 댐퍼(200)들 전체가 눌리게 되어서 댐퍼(200)들 전체의 압전 소자(230)가 압전 에너지를 생성할 수 있다.

즉, 앞서 설명한 바와 같이 발판(100)이 눌리면 발판(100)과 체결되는 발판끼움부(270)가 상면판(220)과 함께 하강하게 되므로 발판끼움부(270)와 체결된 발판(100)의 코너부도 상면판(220)과 함께 하강하게 되며, 2개 이상의 발판(100)은 이웃하는 발판(100)을 지지하는 2개 이상의 댐퍼(200)를 공유함에 따라 하나의 발판(100)이 눌리면 주변의 발판(100)들 모두 눌릴 수 있고, 댐퍼(200)들 전체가 수축될 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 발판형 압전 발전 모듈은 압전 소자(230)를 갖는 수축 및 복원되는 댐퍼(200)가 발판(100)의 각 코너부에 배치되므로 발판(100)의 어느 부분이 눌리더라도 항상 모든 댐퍼(200)가 수축되면서 압전 소자(230)를 변형시켜서 압전 에너지를 생성하게 된다. 따라서, 발판(100)의 눌림 부위에 상관 없이 항상 압전 소자(230) 전체가 전기 에너지를 생성할 수 있다.

또한, 발판(100)을 다수 배치하여 대면적으로 구성하는 경우 다수의 발판 중 하나의 발판만 눌려도 각 발판(100)을 지지하는 댐퍼(200)들 전체가 수축되면서 압전 소자(230)를 변형시켜서 압전 에너지를 생성하므로 대면적으로 구성되는 경우 눌리는 발판의 개수에 상관 없이 항상 동일 또는 유사한 용량으로 전기 에너지 생성이 가능해지는 이점이 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 발판; 및
   내부에 압전 소자를 구비하며, 상하로 수축 및 복원되면서 상기 압전 소자를 변형시키도록 구성되고, 상기 발판의 사방 코너부에 배치되어 상기 발판을 지지하는 복수의 댐퍼를 포함하고,
   상기 각각의 댐퍼는 상기 발판이 눌리면 상기 발판의 사방 코너부로 가압되어 수축되면서 상기 압전 소자를 변형시키며,
   상기 각각의 댐퍼는,
   플랫한 플레이트 형태의 하면판;
   플랫한 플레이트 형태이고, 상기 하면판의 상부로 일정 거리 이격되어 배치되는 상면판;
   상기 하면판 및 상기 상면판 사이의 중앙에 배치되고, 세라믹, 폴리머, 복합체, 마그네토-피에조일레스틱(magneto-piezoelastic) 중 어느 하나의 형태로 구비되는 단일의 압전 소자;
   상기 하면판 및 상기 상면판 사이에서 상기 하면판 및 상기 상면판의 코너부 각각에 배치되어 상기 압전 소자 주변에 배치되며, 하강된 상면판을 복귀시키는 스프링;
   상기 상면판의 안쪽면 중앙에 고정되어 상기 상면판과 함께 하강 및 상승되는 이동축;
   상기 이동축의 말단부에 결합되어 상기 압전 소자의 상부에 이격되게 위치하며, 상기 압전 소자를 향하는 방향이 곡면 형상이고 상기 압전 소자를 가압할 때 수축 가능한 탄성 재질로 구비되며, 상기 상면판 및 상기 이동축이 하강하면 상기 압전 소자를 가압하여 상기 압전 소자를 변형시키는 가압부재;
   상기 상면판의 윗면 중앙에서 상향 돌출되며, 사방의 모서리 각각이 상기 상면판의 각각의 변을 향하는 마름모 형상을 갖고, 마름모 형상의 측면들이 막힌 블록 형태로 구비되는 발판끼움부; 및
   상기 상면판 및 상기 하면판 사이에 배치되고, 상단부가 상기 압전 소자의 높이보다 높은 2개 이상의 스토퍼를 포함하고,
   상기 하면판 및 상기 상면판 사이의 측면 방향은 열려 있고,
   상기 발판은 사방 모서리가 상기 마름모 형상 사방의 각 측면들에 대응하는 면적으로 모따기 되어 있고, 상기 발판의 모따기된 사방 코너부 각각은 상기 발판의 사방 코너부에 배치되는 각각의 댐퍼의 발판끼움부의 마름로 형상 사방의 측면들 중 어느 하나에 체결되어 다수의 댐퍼 상에 놓이며,
   상기 발판은 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 1개 이상 증가하고,
   상기 댐퍼는 종방향 및 횡방향 각각의 방향에서 증가한 발판 1개에 대해 2개이상 증가하며,
   각 발판은 이웃하는 발판을 지지하는 2개 이상의 댐퍼를 공유하는,
   발판형 압전 발전 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 가압부재는 반구 형상이고 상기 압전 소자를 가압할 때 수축 가능한 탄성 재질로 구비되는,
   발판형 압전 발전 모듈.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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