KR20100092806A - 압전소자를 구비하는 발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 휴대용 압전 발전 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 보행이나 주행 시에 발생되는 자유진동 혹은 자력에 의해 발생되는 강제진동을 전기에너지로 변환하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 케이싱, 케이싱에 가장자리가 고정되는 압전 진동자, 직선 운동 가능하게 케이싱 내에 위치하는 무게추, 무게추 및 압전 진동자의 중앙부를 관통하며 각각과 연결되어 무게추와 압전 진동자 중앙부의 움직임을 동기화시키는 진동자 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치를 제공한다.
압전세라믹, 자가발전, 휴대용충전
Description
본 발명은 압전진동자를 이용한 휴대용 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 보행 혹은 주행 시 발생되는 진동에너지나 자력(自力)에 의해 강제로 발생시킨 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전소자를 구비하는 발전장치에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기의 사용비중이 꾸준히 늘어나고 있으며 이를 위한 충전장치의 사용도 늘어나고 있다. 일반적인 휴대용 전자기기의 경우 소형 축전지를 사용하여 전자기기를 구동하게 되는데 그 경우 수명이 제한되어 있으며 환경오염을 야기시킬 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 발전장치가 고안 되었는데, 그 중 하나인 전자기를 이용한 발전장치가 대한민국 특허 공개공보 10-2002-0026488 및 대한민국 등록 실용신안 공보 20-0363771에 개시되어 있다. 도 1을 참조하면, 전자기를 이용한 발전장치의 경우 고정축(802)을 따라 영구자석(803)이 이동하여 유도코일(804)에 전자기를 유도하여 전기에너지를 발생시키는 방식이다. 이러한 방식 의 발전장치는 영구자석의 이동범위가 길어야 하기 때문에 운동변위가 높게 요구되므로 자력(自力)에 의한 강제진동으로 전기에너지를 발생시켜야 한다.
기계적인 진동에너지를 전기적인 에너지로 변환시킬 수 있는 또 다른 방법은 압전소자를 이용하는 것이 있다. 압전소자는 페로브스카이트(perovskite)의 분자구조를 가짐으로 인해 소자 자체에 외력을 가하면 전기에너지가 발생하게 된다. 압전소자를 이용한 발전장치는, 특히 연성이 좋은 압전소자를 금속의 단면에 증착한 유니몰프(unimorph) 혹은 바이몰프(bimorph)형태의 압전 진동자를 이용한 발전장치이다. 유니몰프 압전 진동자는 금속재질의 단면에 박형 압전소재를 증착한 구조로 연성과 탄성이 뛰어나며 금속판에 변형이 일어나게 되면 압전소자가 수축 혹은 팽창되어 전기적 에너지를 발생시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이 바이몰프형 압전 진동판은 중심이 타공된 금속진동판(202)의 상부에 중심이 타공된 압전소자(201)를 부착한 형태이다.
압전 진동자에 외력을 가하여 전기에너지를 발생시키는 구조를 이용하는 경우, 압전소자가 충분히 두껍지 않으면 파손의 위험이 있다. 두꺼운 압전소자의 경우 전압은 높게 발생하지만 생성되는 전류의 양이 매우적어 전력원으로 충분하지가 못하다는 단덤이 있으며. 이와는 반대로 두께가 얇은 압전소자의 경우 변형이 크고 전력발생이 비교 높으나 타격에 의한 파손의 위험이 크다는 단점이 있다.
본 발명은 보행 혹은 주행, 특히 조깅이나 등산과 같은 활등을 할 때 발생되는 운동에너지를 전기적인 에너지로 변환하여 전자기기를 구동하거나 축전지를 충전하는데 이용할 수 있는 휴대용 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 화재발생 시 혹은 정전, 등산등과 같이 일반 전력원을 사용할 수 없을 때 비상전원의 발전장치로 사용할 수 있는 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 케이싱, 케이싱에 가장자리가 고정되는 압전 진동자, 직선 운동 가능하게 케이싱 내에 위치하는 무게추, 무게추 및 압전 진동자의 중앙부를 관통하며 각각과 연결되어 무게추와 압전 진동자 중앙부의 움직임을 동기화시키는 진동자 축을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 압전 진동자가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 태양으로서, 무게추를 중심으로 양측에 동일한 개수로 압전 진동자가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치를 제공한다.
본 발명이 제공하는 압전소자를 구비하는 발전장치는 바이몰프형 압전 진동판의 가장자리를 케이스에 고정하고 중심부를 무게추와 연결된 진동자축에 고정시 키는 구조를 가진다. 케이스를 진동시켰을 때 케이스를 따라 이동되는 압전 진동자의 가장자리와 무게추의 관성에 의해 멈춰있는 진동자의 중심부로 인하여 압전 진동자에 변형이 발생되고 케이스를 멈추었을 경우 반대로 케이스에 고정된 진동자의 가장자리가 멈추고 무게추와 연결된 진동자 축에 고정된 압전 진동자의 중심부는 무게추의 관성에 의해 진동자 축을 따라 이동하게 되어 다시 한번 변형이 발생하게 된다. 이러한 변형은 압전 진동자에 전기적인 에너지를 발생시킨다.
본 발명은 압전 소자에 직접 충격을 가하지 않고 무게추에 연결된 진동자 축이 압전 진동자를 변형시킴으로써 전기 에너지가 발생되므로 진동자의 파손의 위험이 줄어드는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 무게추와 진동자 축이 가이드를 따라 이동하게 되어 다양한 방향에서 진동이 발생할 시에도 진동의 방향을 직선으로 바꾸어 주어 진동판에 굽힘을 일으키는 방향으로 진동이 가해지게 되므로 전자기 발전장치에 비해 발전장치의 자유진동에 의한 전기에너지가 발생될 가능성이 높다.
또한, 본 발명은 전자기 발전장치와 같은 코일을 이용하지 않으므로 구조가 간단하고 제작이 용이하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전장치의 구성을 나타내는 사시 도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자를 구비하는 발전장치(100)는, 서로 결합되는 하부 케이스(101) 및 상부 케이스(102), 하부 케이스(101) 및 상부 케이스(102)에 의해 형성되는 공간에 장착되는 복수 개의 압전 진동자(200), 복수 개의 압전 진동자(200)를 관통하는 진동자 축(302), 진동자 축(302)에 결합되어 진동자 축(302)을 진동 시키는 무게추(301) 및 진동자 축(302)와 상, 하부 케이스(101, 102)의 충격을 완충시키는 완충재(401)를 포함한다. 복수 개의 압전 진동자(200)는 가장자리가 상, 하부케이스(101, 102)에 형성된 슬롯에 삽입되어 고정된다. 압전 진동자(200)의 중앙에는 진동자 축(302)이 관통하고 있으며, 진동자 축(302)의 중앙부에는 무게추(301)가 설치되어 있다. 압전 발전장치의 상, 하부 케이스(101, 102)는 진동자축(302)이 직선운동에서 이탈되지 않도록 가이드 된다. 즉, 상, 하부 케이스(101, 102)에는 무게추(301)의 중심이 일정하게 유지되며, 직선 운동을 하도록 무게추(301)의 외경에 대응하는 크기 및 형상의 내경을 가지며, 무게추(301)의 길이보다 더 긴 길이의 무게추 가이드(103)이 마련된다. 무게추(301)는 무게추 가이드(103)를 따라서 직선 운동 하게되므로, 무게추(301)와 진동차 축(302)의 움직임이 안내되어, 압전소자를 구비하는 발전장치(100)에 상,하,좌,우의 무질서한 진동이 가해지더라도, 무게추(301), 진동자 축(302) 및 압전 진동자(200)의 중앙부는 직선 운동만을 하게 된다. 압전 진동자(200)는 가장 자리가 케이스(101, 102)에 고정되어 움직이지 않으나, 무게추(301)는 케이스(101, 102)에 의해 반경 방향의 움직임이 제한된 채, 축방향으로 직선운동을 하게 된다. 한편 케이스(101, 102)의 양 단부에는 진동자축(302)이 케이스(101, 102)와 충돌시 발생되는 충격을 완충시키기 위한 고무 재질의 완충재(401)가 부착되어 있다.
본 발명에 따른 압전 발전 장치는 케이스(101,102)에 진동이 발생하면, 무게추(301)와 압전 진동자(200)의 중심부는 관성에 의해 원래의 위치, 또는 운동 상태를 유지하며, 케이스(101, 102)에 고정된 압전 진동자(200)의 가장자리는 케이스(101, 102)를 따라 진동하게된다. 즉 케이스(101, 102)가 멈춰있는 상태에서 움직임이 시작되면, 무게추(301)와 압전 진동자(200)의 중심부는 원래의 위치에 있고, 압전 진동자(200)의 가장자리는 움직인 위치에 있게 된다. 또한 케이스(101, 102)가 상하로 진동하는 경우, 무게추(301)와 압전 진동자(200)의 중심부는 상방으로 이동하고 있는데, 압전 진동자(200)와 케이스(101, 102)는 하방으로 움직이는 등의 거동을 보인다. 케이스(101, 102)가 상,하,좌,우 모두 진동하는 경우는 앞서 설명한 바와 마찬가지로 무게추(301)가 무게추 가이드(103)에 의해 직선 운동만 하게되므로 마찬가지의 거동을 보인다. 따라서 케이스(101, 102) 와 거동을 같이하는 압전진동자(200)의 가장자리와 무게추(301)의 관성에 의한 거동을 같이하는 압전진동자(200)의 중심부로 인하여 압전진동자(200)에 변형이 발생된다. 이러한 변형에 의해 압전진동자(200)의 압전소자(201)가 전기적인 에너지를 발생된다.
압전 발전장치의 발전원리는 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 분극방향이 동일한 압전 소자(201)의 상부를 동일한 전선(501)으로 연결하고, 압전소자(201)의 하부와 연결된 금속판(202)을 또 다른 동일한 전선(502)으로 연결한다. 도 5에서 도시된 바와 같이 압전소자를 구비하는 발전장치(100)의 케이스(101, 102)를 화살표 방향으로 이동시켰을 때 무게추(301)의 관성 에 의해 진동자 축(302)은 케이스(101, 102)의 양 단부에 부착된 완충재(401)에 닿을 때까지 이동하지 않게 된다. 그러므로 가장자리가 케이스(101, 102)에 고정되어 있고 중심이 진동자축(302)에 연결된 압전 진동자(200)는 도 5와 같은 변형이 발생하게 된다. 그러면 압전소자(201)의 상부에서는 -전하가 발생하게 되고 압전소자(201)의 하부에서는 +전하가 발생하게 된다. 이와는 반대로 도 6에 도시된 바와 같이 발전장치의 케이스(101, 102)를 화살표 방향으로 이동시키게 되면 압전진동자(200)는 도 6에서와 같은 변형이 발생하게 되어 반대방향의 전하가 압전소자(201)에 발생하게 된다. 발생된 전하는 도 7에 도시된 바와 같이 구성된 회로를 통해 부하(703)에 전달된다. 압전진동자(201)의 변형 형상에 따라 발생되는 전하의 방향이 바뀌게 되므로 정류장치(701)를 거쳐 동일한 방향으로 전류로 흐를 수 있도록 바꾸어 준다. 이를 직류전원으로 사용하기 위해 커패시터(702)를 연결하여 평활 시키고 정전압회로(704)를 통해 정전압원으로 변환시켜 부하(703) 단에 전압을 공급하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전장치가 휴대 전화기에 장착된 예를 도시한 것이다. 도 7의 회로도에서, 휴대 전화기(800)가 부하단(703)이 되며, 휴대 전화기(800)의 배터리(축전지) 대신 압전소자를 구비하는 발전장치(100)가 휴대 전화기(800)에 장착된다. 휴대 전화기(800) 등에 사용되는 경우, 휴대 전화기(800)의 형상이 요구하는 것에 맞추어 본 발명의 압전소자를 구비하는 발전장치(100)는 케이스(101, 102), 압전 진동자(200) 및 무게추(301) 등은 원형, 또는 원통형이 아니라 사각형, 직육면체 형으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전장치가 휴대 전화기에 장착된 다른 일 예를 도시한 것이다. 본 발명의 압전소자를 구비하는 발전장치(100)는 휴대 전화기(800)에 부착되는 배터리(900; 축전지)를 충전하는 전원으로 이용되며, 도 7의 회로도에서의 부하단(703)은 배터리(900)가 된다.
휴대 전화기, 휴대용 mp3 플레이어 등의 소형 휴대용 전기기기들은 사용자가 휴대하고 움직이면서 필연적으로 진동이 발생하게 되므로, 본 발명의 압전 발전장치가 전원 또는 축전지 충전원으로 이용되는 경우, 별도로 상용 전원과 연결하여 충전시킬 필요가 없다. 또한 휴대용 전기기기들을 장시간 진동이 없는 곳에 방치하여 배터리가 소전된 경우, 휴대용 전기기기들을 진동시켜 주는 것만으로 간편하게 충전, 또는 사용이 가능하므로 배터리의 소전으로 인해 당장 사용이 필요한 휴대용 전기기기들을 이용하지 못하게 되는 경우를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전자기를 이용한 휴대용 발전장치의 내부를 보여주는 도면,
도 2는 도 1의 압전 발전장치에 사용되는 압전진동자의 사시도,
도 3은 본 발명의 압전 발전장치를 나타내는 사시도,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 압전 발전장치의 원리를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명의 압전 발전장치를 활용하기 위한 전기회로도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전장치가 휴대 전화기에 장착된 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 발전장치가 휴대 전화기에 장착된 다른 일 예를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 압전소자를 구비하는 발전장치 101: 하부 케이스
102: 상부 케이스 200: 압전 진동자
201: 압전 소자 202: 금속진동판
203: 압전소자의 분극방향 301: 무게추
302: 진동자축 401: 완충재
501: 상부전선 502: 하부전선
701: 정류장치 702: 커패시터 703: 부하단 704: 정전압 회로 801: 케이스 802: 고정축 803: 영구자석 804: 유도코일
Claims (3)
- 케이싱;케이싱에 가장자리가 고정되는 압전 진동자;직선 운동 가능하게 케이싱 내에 위치하는 무게추; 및무게추 및 압전 진동자의 중앙부를 관통하며 각각과 연결되어 무게추와 압전 진동자 중앙부의 움직임을 동기화시키는 진동자 축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치.
- 제1항에 있어서,압전 진동자가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치.
- 제1항에 있어서,무게추를 중심으로 양측에 동일한 개수로 압전 진동자가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 압전소자를 구비하는 발전장치.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |