KR200434043Y1 - 전류-전압 발생용 적층형 압전소자 장착용 케이스 - Google Patents

전류-전압 발생용 적층형 압전소자 장착용 케이스 Download PDF

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Abstract

본 고안은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 압전소자를 안전하게 실장시키는 구조를 갖는 케이스에 관한 것이다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예인 압전소자 장착용 케이스는 외부로부터의 인가되는 외력을 수용하기 위한 외부하중 인가판과, 상기 외부하중 인가판이 장착되는 개구부를 갖는 제 1 케이스와, 상기 외부하중 인가판을 포함하는 형태로 상기 제 1 케이스와 체결되며, 상기 외부하중 인가판을 통하여 전달되는 기계적 에너지를 수용하는 압전소자가 안착되는 제 2 케이스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 고안에서 제안하는 압전소자 및 이를 장착한 케이스는 외부로부터 인가되는 하중을 이용하여 소정의 전기 에너지를 발생시키는 구조이므로, 소정의 전기 에너지를 사용하고자 하는 의료기기, 전자기기, 정밀기계, 및 센서 등에 모두 적용 가능하다.
압전소자, 케이스, 외부전극, 도전, 전기

Description

전류-전압 발생용 적층형 압전소자 장착용 케이스{Housing for securing multilayer piezoelectric element generating current and voltage}
도 1a내지 도 1c는 압전소자 장착용 케이스의 분해도와 그 결합시의 단면도이다.
도 2a 내지도 2c는 케이스의 다양한 형상에 대한 일예이다.
도 3은 본 고안에서 제안하는 또 다른 형상의 케이스의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100: 압전소자 210: 상부 케이스
220: 외부하중인가판 230: 하부 케이스
본 고안은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 압전소자를 안전하게 실장시키는 구조를 갖는 케이스에 관한 것이다.
널리 알려진 바와 같이, 압전세라믹은 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 인가되었을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환 가능한 재료이다.
당업게에서는 이러한 압전소자의 가역적인 변위 특성을 이용하여 의료기기, 전자기기, 정밀기계 및 센서 등에 압전소자를 이용하고 있으며, 상기 압전소자의 적층 형태에 따라 유니몰프(unimorph), 바이몰프 (bimorph) 등 다양한 형태로 분류된다. 그중에서도, 압전세라믹의 양면에 금속기판을 적층한 바이몰프 형태의 압전소자가 널리 이용되고 있다.
이러한 압전소자는 그 적용 분야가 매우 다양한데, 그 중에서도 압전소자 자체를 전류원 또는 전압원으로 사용고자 하는 의료기기, 전자기기, 정밀기계 및 센서 등에 유용하게 응용될 수 있다.
이러한 경우 소정의 전기 에너지를 발생하는 압전소자를 단독으로 사용하기에 매우 곤란하므로 상기 압전 소자를 안전하게 실장할 수 있는 구조를 갖는 케이스가 필수적으로 요구된다.
종래에도 압전 소자의 용도에 따라 다양한 형상 또는 구조의 케이스가 개시되어 있으나, 본 고안에서는 특히 외부 하중에 반응하여 전기 에너지를 생성하는 압전 소자를 효율적으로 실장할 수 있는 케이스를 제공하고자 한다.
본 고안은 상기 압전소자를 외부환경으로부터 보호하고 안정된 전류-전압특성을 나타낼 수 있는 새로운 구조의 케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예인 압전소자 장착용 케이스는 외부로부터의 인가되는 외력을 수용하기 위한 외부하중 인가판과, 상기 외부하중 인가판이 장착 되는 개구부를 갖는 제 1 케이스와, 상기 외부하중 인가판을 포함하는 형태로 상기 제 1 케이스와 체결되며, 상기 외부하중 인가판을 통하여 전달되는 기계적 에너지를 수용하는 압전소자가 안착되는 제 2 케이스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예, 상기 제 1 케이스에는 상기 압전소자로부터 발생하는 전기 에너지를 전달하기 위한 리드선이 삽입되는 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예, 상기 압전소자가 안착되는 상기 제 2 케이스의 접촉면에는 상기 압전소자를 고정시키기 위한 고정홈이 형성되고 그 고정홈의 형상 및 크기가 원형 또는 실장되는 압전소자의 형상 및 크기에 대응하는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예, 상기 제 1 케이스의 일측에는 외부의 전기기기와 연결되는 잭이 삽입되는 제 1 및 제 2 삽입홀이 형성되고, 상기 제 1 케이스의 또 다른 일측에는 상기 압전소자로부터 발생되는 전기에너지를 전달받는 제 1 및 제 2 전극부가 수용되는 제 1 및 제 2 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 1 실시예, 상기 압전소자의 외부전극과 접하는 상기 제 1 및 제 2 전극부의 각 일단은신축 가능한 탄성 도체부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 2 실시예인 압전소자 장착용 케이스는 외부로부터의 인가되는 외력을 수용하는 제 1 바디부와 상기 제 1 바디부를 지지하는 제 2 바디부로 구성되는 외부하중 인가판과, 상기 외부하중 인가판의 전체가 삽입되는 경우 상기 제 1 바디부의 일부분이 노출되는 제 1 개구부와 상기 외부하중 인가판의 상기 삽입을 가능하게 하는 제 2 개구부를 제 1 케이스와, 상기 외부하중 인가판을 포함하는 형태로 상기 제 1 케이스와 체결되며, 상기 외부하중 인가판을 통하여 전달되는 기계적 에너지를 수용하는 압전소자가 안착되는 제 2 케이스를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 고안의 바람직한 제 2 실시예에서, 상기 제 1 바디부와 상기 제 2 바디부 각각은 원통형 기둥, 사각형 기둥, 육각형 기둥, 팔각형 기둥 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 고안에 따라 구성된 압전소자의 여러 실시예들을 도시한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1a에는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 압전소자(100)와 상기 압전소자가 안착되는 케이스의 분해 사시도가 도시되어 있으며, 도 1b에는 도 1a에 도시된 상부 케이스(210)를 아래 방향에서 비스듬히 보았을 때의 사시도가 도시되어 있고, 도 1b에는 도 1a의 A-A' 라인을 따라 가로로 절단하였을 때의 단면도가 도시되어 있다.
도 1a내지 도 1c를 참조하면, 본원 발명에서 제안하는 압전소자 장착용 케이스는 덮개 역할을 하며 기계적 강도가 우수한 폴리머 또는 폴리머 합성재료로 이루어지는 상부 케이스(210)와, 상기 압전 소자(100)가 안착되는 하부 케이스(230)와, 상기 상부 케이스(210)의 중앙에 형성되어 있는 개구부(2)에 삽입되어 고정된 후 상기 상부 케이스(210)와 함께 하부 케이스(230)에 안착되는 압전소자(100)의 상부 를 누르는 외부하중 인가판(220)을 포함한다.
도시된 바와 같이, 원통형의 상부 케이스(210)의 중앙에는 상하를 관통하는 개구부(2, 5)가 형성되어 있다. 여기서, 상부 케이스(210)의 하부에서 상방으로 연장되며 형성되는 개구부(5)의 지름은 상부 케이스(210)의 상부 종단부에 형성되는 개구부(2)의 지름보다 더 길도록 형성된다. 그리고, 개구부(5)와 개구부(2)의 경계는 상부 케이스(210)의 상부 종단부가 소정의 두께를 가지고 개구부(5)의 내측 방향으로 진입한 단차부(a)에 의하여 형성된다.
외부하중 인가판(220)은 원통형의 제 1 바디부(30)와, 상기 제 1 바디부(30)보다 더 큰 지름을 가지며 상기 제 1 바디부(30)를 지지하도록 성형된 원형통의 제 2 바디부(221)로 이루어진다.
압전 소자(100)가 안착되는 하부 케이스(230)는 상기 상부 케이스(210)의 하부면을 전면적으로 커버할 수 있는 면적과 소정의 두께를 갖는 원반형으로 이루어진다.
상기 하부 케이스(230)의 상부면은 평평하게 구성될 수도 있지만 도 1a와 같이 압전소자(100)가 전후좌우로 이동하지 않도록 상부면의 대략 중앙 부분에 압전 소자(100)를 안착시키기 위한 홈(231)이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 홈(231)의 깊이는 압전소자(100)의 하단부가 안착되어 옆으로 이동하지 않을 정도이면 바람직하다.
상기 외부하중 인가판(220)은 상부 케이스(210)의 하부의 개구부(5)를 통하여 상방으로 삽입된다. 삽입된 상기 외부하중 인가판(220)의 제 1 바디부(30)는 개구부(2)를 통과한다. 이때, 외부하중 인가판(220)의 "b" 영역, 즉 제 2 바디부(221)의 상면중 상기 제 1 바디부(30)가 존재하지 않는 제 2 바디부(221)의 상부 외주면은 상기 상부 케이스(210)의 단차부(a)에 걸리게 된다.
한편, 압전소자(100)를 상기 하부 케이스(230)의 홈(231)에 안착시킨 상태에서, 상기 외부하중 인가판(220)이 삽입된 상부 케이스(210)와 상기 하부 케이스(230)를 나사 결합 또는 접착 방식 등에 의하여 체결시킴으로써, 압전소자가 장착된 케이스가 완성된다.
그리고, 상기 상부 케이스(210)의 좌우 측면에는 상기 압전소자(100)의 좌우 측면으로부터 연장되는 리드선(300)을 외부로 안내하기 위한 관통홀(3)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 리드선(300)은 압전소자로부터 발생되는 전기 에너지를 외부의 전기기기 등으로 전달하는 전송하는 역할을 한다.
상기 압전소자(100)에서 발생하는 전기 에너지는 상부 케이스(210)의 개구부(2)를 통하여 노출되어 있는 상기 외부하중 인가판(220)의 상부를 화살표 방향과 같이 하방으로 작용하는 외력이 인가되는 경우에 발생된다. 즉, 상기 외부하중 인가판(220)에 의하여 상기 외력이 상기 압전소자(100)에 전달되면 압전소자(100)에 기계적 변형이 발생하고 이는 다시 전기 에너지로 변환되어 리드선(300)을 통하여 외부의 전기기기 등으로 전달된다.
도 2a 내지도 2c에는 압전소자가 장착되는 케이스의 다양한 실시예가 도시되어 있다.
도면에서 알 수 있듯이, 도 1a의 경우에는 외부하중 인가판(220)의 제 2 바 디부(221)가 원통형이었으나, 도 2a내지 도 2c에서는 상기 외부하중 인가판(220)의 제 1 바디부(30)의 형상은 그대로 둔 상태에서 제 2 바디부를 형태를 변형시켜 각각 소정 두께를 사각판(또는 사각기둥이라고도 할 수 있다), 소정 두께를 갖는 육각판(또는 육각기중이라고도 할 수 있다), 소정 두께를 갖는 팔각판(또는 팔각기둥이라고도 할 수 있다) 등으로 구성할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 참고로, 제 1 바디부(30)는 모두 원통 형상이지만, 경우에 따라서는 제 2 바디부(222, 223, 224)의 형상과 유사하게 사각 기둥, 육각 기둥, 팔각 기중 등으로 성형할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2c에 도시되 바와 같이, 제 2 바디부(222, 223, 224)의 형상이 변하는 경우, 상기 제 2 바디부(222, 223, 224)의 외주면(즉, 상기 제 1 바디부(30)가 위치하는 이외의 영역)과 접하게 되는 상기 상부 케이스(210)의 단차부(a)의 각 형상 또한 이에 대응하여 사각형, 육각형, 팔각형 등으로 성형하는 것이 바람직하다.
한편, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명된 외부하중 인가판의 형상은 예시적인 것으로 경우에 따라서는 삼각형, 오각형 등 다양한 다각형 형상을 이용하여 제 1 및 제 2 바디부를 구현할 수 있으며, 이들은 모두 본 고안의 실시예에 속하는 개념이다.
도 3에는 본 고안에서 제안하는 또 다른 형태의 압전소자 장착용 케이스의 실시예가 단면도로 도시되어 있다.
도 1c와 달리, 도 3의 경우에는 상부 케이스(210)의 좌우 일측에는 외부 전 기기기로와 연결되는 잭(미도시)이 삽입되는 소켓부인 삽입홀(312, 322)이 각각 형성되어 있다. 상기 삽입홀(312, 322)는 상기 상부 케이스(210)의 상면에서 직하방을 향하여 형성되어 있으나, 다른 실시예로서 상부 케이스(210)의 측면에 형성할 수도 있을 것이다.
한편, 상부 케이스의 또 다른 일측에는 상기 압전 소자(100)의 외부전극(미도시: 압전소자에서 발생한 전기를 외부로 잔달하기 위하여 압전 소자의 외부에 형성되는 도전성 전극)과 탄성적으로 접촉 가능한 제 1 전극부(311)와 제 2 전극부(321)가 형성되어 있다.
상기 제 1 및 제 2 전극부(311, 321)는 상기 상부 케이스(210)의 본체에 형성되며 상기 삽입홀(312, 322)과 각각 통하는 관통홀에 삽입된다. 즉, 상기 관통홀의 일측은 상기 삽입홀(312, 322)과 연결되며, 또 다른 일측은 상기 압전소자(100)가 위치하는 방향을 향하여 오픈되도록 형성된다.
제 1 전극부(311)은 상기 관통홀에 삽입되도록 형성되며, 제 1 전극부(311)의 일측은 스프링과 같은 탄성 도체부(S1)로 이루어지며, 상기 탄성 도체부(S1)는 상기 압전소자(100)가 하부 케이스(230)에 안착된 경우에 상기 압전소자(100)의 외부전극(예컨대 +전극)과 접하게 된다.
마찬가지로, 제 2 전극부(321)은 또 다른 관통홀에 삽입되도록 형성되며, 제 2 전극부(321)의 일측은 스프링과 같이 신축 가능한 탄성 도체부(S2)로 이루어지며, 상기 탄성 도체부(S2)는 상기 압전소자(100)가 하부 케이스(230)에 안착된 경우에 상기 압전소자(100)의 외부전극(예컨대, -전극)과 접하게 된다.
따라서, 잭을 상기 삽입홀(312, 322)에 삽입하여 상기 제 1 및 제 2 전극부(311, 321)가 상호 연결되도록 하는 경우, 상기 압전소자(100)에서 발생되는 전기 에너지는 상기 제 1 및 제 2 전극부(311, 321)로 전달되고, 이렇게 전달된 전기 에너지는 상기 삽입홀(312, 322)에 삽입된 잭을 통하여 외부의 전기기기 등으로 전달된다.
도 3에 도시된 케이스 구조와 같이 소켓부 형식의 삽입홀(312, 322) 구조를 채택하는 경우 전류 및 전압 수신을 위한 외부 회로에 납땜을 하지 않아도 되는 이점이 있다.
한편, 당업자는 도 1c에서 설명한 리드선 연결 타입의 케이스와 도 3에 도시된 소켓 타입의 케이스 구조는 그 응용방법에 따라 적합한 구조를 선택하여 사용할 수 있을 것이다.
참고로, 지금까지 설명한 케이스 구조에서, 압전소자(100)를 외부환경으로부터 보호하기 위하여 상부 케이스(210)와 하부 케이스(230) 사이에 형성되는 내부 빈공간(압전소자(100)가 차지하는 영역 이외의 나머지 공간)은 에폭시 재료 등을 사용하여 몰딩하는 것이 바람직하다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안에서는 외부로부터 인가되는 하중의 영향을 받아 소정의 전기 에너지를 발생시키는 압전 소자를 안전하게 실장 또는 안착시키기 위한 케이스의 다양한 일예에 대하여 구체적인 도면과 그에 관련된 설명을 상세히 기술하였다.
본 고안에 따른 압전소자 장착용 케이스는 상부와 하부로 구분되는 케이스와 상부 케이스에 삽입되어 외부의 하중을 압전 소자로 전달하기 위한 외부하중 인가판으로 구성됨을 알 수 있었다.
상기 외부하중 인가판은 다양한 형상의 제 1 및 제 2 바디부로 구성되어 사용자의 선택 범위를 넓혔으며, 이러한 구성으로 형성하는 경우 상기 상부 케이스에 밀착되어 고정될 수 있는 이점이 있다.
또한, 리드선 타입 또는 소켓형 타입으로 상기 케이스를 형성하여 외부 전기기기와의 결합시 다양한 선택이 가능하도록 하였다.
특히, 본 고안에서 제안하는 소켓형 삽입홀을 갖는 케이스의 경우 납땜 고정 없이도 압전소자와의 전기적 연결 등이 가능하다는 이점이 있다.
한편, 본 고안에서 제안하는 압전소자 및 이를 장착한 케이스는 외부로부터 인가되는 하중을 이용하여 소정의 전기 에너지를 발생시키는 구조이므로, 소정의 전기 에너지를 사용하고자 하는 의료기기, 전자기기, 정밀기계, 및 센서 등에 모두 적용 가능하다.

Claims (7)

  1. 압전소자 장착용 케이스에 있어서,
    외부로부터의 인가되는 외력을 수용하기 위한 외부하중 인가판과,
    상기 외부하중 인가판이 장착되는 개구부를 갖는 제 1 케이스와,
    상기 외부하중 인가판을 포함하는 형태로 상기 제 1 케이스와 체결되며, 상기 외부하중 인가판을 통하여 전달되는 기계적 에너지를 수용하는 압전소자가 안착되는 제 2 케이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 케이스에는 상기 압전소자로부터 발생하는 전기 에너지를 전달하기 위한 리드선이 삽입되는 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소자가 안착되는 상기 제 2 케이스의 접촉면에는 상기 압전소자를 고정시키기 위한 고정홈이 형성되며, 상기 고정홈의 형상은 원형 또는 실장되는 상기 압전소자의 형상과 크기에 대응하는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 케이스의 일측에는 외부의 전기기기와 연결되는 잭이 삽입되는 제 1 및 제 2 삽입홀이 형성되고,
    상기 제 1 케이스의 또 다른 일측에는 상기 압전소자로부터 발생되는 전기에너지를 전달받는 제 1 및 제 2 전극부가 수용되는 제 1 및 제 2 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전소자의 외부전극과 접하는 상기 제 1 및 제 2 전극부의 각 일단은신축 가능한 탄성 도체부로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  6. 압전소자 장착용 케이스에 있어서,
    외부로부터의 인가되는 외력을 수용하는 제 1 바디부와 상기 제 1 바디부를 지지하는 제 2 바디부로 구성되는 외부하중 인가판과,
    상기 외부하중 인가판의 전체가 삽입되는 경우 상기 제 1 바디부의 일부분이 노출되는 제 1 개구부와 상기 외부하중 인가판의 상기 삽입을 가능하게 하는 제 2 개구부를 제 1 케이스와,
    상기 외부하중 인가판을 포함하는 형태로 상기 제 1 케이스와 체결되며, 상기 외부하중 인가판을 통하여 전달되는 기계적 에너지를 수용하는 압전소자가 안착되는 제 2 케이스를 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 바디부와 상기 제 2 바디부 각각은 원통형 기둥, 사각형 기둥, 육각형 기둥, 팔각형 기둥 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전소자 장착용 케이스.
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KR100980460B1 (ko) * 2008-05-15 2010-09-07 주식회사 삼전 전기에너지 발생용 압전소자 장착 케이스
KR101116366B1 (ko) * 2009-11-13 2012-03-16 한국과학기술원 압전소자를 이용한 침수감지센서 및 그 침수감지방법.
KR101218272B1 (ko) * 2010-04-01 2013-01-04 가천대학교 산학협력단 압전소자를 이용한 발전장치
KR101680846B1 (ko) * 2015-06-17 2016-12-13 한국철도기술연구원 싱크홀 감지 센서, 싱크홀 감지 센서를 이용한 싱크홀 모니터링 시스템 및 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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