KR20100099014A - 에너지 하베스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 설치될 가진원 구조물에서 발생하는 가진 주파수의 대역폭에 다수의 고유 진동수가 포함되도록 조절이 가능하여 전력 출력을 증강시킬 수 있는 에너지 하베스터를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터로서, 상기 캔틸레버 조립체는, 폭에 비해 두께가 얇은 판상의 부재인 복수의 캔틸레버; 각각의 캔틸레버의 일면 또는 양면에 설치된 압전 소자; 및 각각의 캔틸레버마다 설치된 질량체를 포함하고, 상기 질량체는 상기 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지는 에너지 하베스터를 제공한다.
에너지 하베스터, 압전 소자, 공진
Description
본 발명은 에너지 하베스터(Energy harvester)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력 발생이 원활한 공진 주파수의 범위를 조절할 수 있어서 다양한 가진 주파수를 가지는 가진원에 손쉽게 적용될 수 있으며, 대량 생산 방식에 적합한 에너지 하베스터에 관한 것이다.
본 발명은 한국과학재단 및 서울대학교산학협력단의 신기술 연구 개발 지원 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 0420-2008-0011, 과제명: 다물리 복합 구조시스템의 창의적 설계를 위한 멀티스케일 패러다임]
전기·전자 기술의 발달과 더불어 저전력 DPS{Digital Single Processor}기술과 VLSI{Very Large Scale Integration}기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화{miniaturization}하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(μW)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. 특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 그리고 다양한 종류의 센서의 소형화는 이 러한 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 하였다. 이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력공급 체계를 요구한다. 이러한 전력 공급방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧다는 단점을 지닌다. 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리를 교체하는 것은 불가능하거나 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 개발되어 왔다. 에너지 하베스팅 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 그리고 전자기유도현상(Faraday effect) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자왜현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다.
이 중에서 압전 현상을 이용하여 진동 에너지를 이용하는 방법의 원리는 다음과 같다. 즉, 진동에 의한 기계적 에너지가 압전 소자를 변형시키고 이러한 변형이 분극{polarization}을 일으키고 결국 전압을 발생하는 압전소자의 물리적 성질을 이용하는 것이다. 이러한 압전 소자의 동작 원리는 오래 전에 알려졌고 널리 활용되고 있다. 그러나 생성되는 전력의 한계로 에너지 하베스터로서의 실질적 이용은 최근에야 가능하게 되었다. 압전 소자를 이용한 에너지 하베스터는 외팔보(cantilever beam) 형태와 막(membrane) 형태 등이 있으나, 그 원리는 동일하다. 구조물의 진동이 구조물에 부착된 에너지 하베스터의 고정 구조에 전달되고, 이렇게 전달된 구조물의 진동에너지가 결국 외팔보에 전달되어 외팔보나 막의 변형을 일으킨다. 이러한 변형은 외팔보나 막에 부착된 압전소자의 변형으로 직접적으로 연결되어 결국 전압이 발생하는 것이다. 이렇게 발생한 전압은 전압 혹은 전류를 정류하고 저장하는 전기 회로를 통해 무선 센서 노드에 전력을 공급하게 된다.
외팔보와 외팔보에 부착된 압전소자를 이용하여 다양한 구조물의 진동으로부터 전기에너지를 수확하는 에너지 하베스터에 대한 연구가 진행된 바 있다. 이러한 압전 소자를 이용한 에너지 하베스터의 단점은 외팔보 구조물의 고유 진동수에 대응하는 가진 주파수를 가지는 가진원에 설치되는 경우에는 공진(resonance)에 의해 충분한 전력을 얻을 수 있지만, 고유 진동수를 벗어나면 전력의 출력이 급격히 감소한다는 점이다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 설치될 구조물의 고유 진동수에 대응하는 고유 진동수를 가지도록 조절이 가능하여 전력 출력을 증강시킬 수 있는 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은,
구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조 립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터로서,
상기 캔틸레버 조립체는,
폭에 비해 두께가 얇은 판상의 부재인 복수의 캔틸레버;
각각의 캔틸레버의 일면 또는 양면에 설치된 압전 소자; 및
각각의 캔틸레버마다 설치된 질량체를 포함하고,
상기 질량체는 상기 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지며,
상기 고정 구조는,
복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 지지하는 제1고정부;
복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 가압하는 제2고정부;
상기 제1고정부와 상기 제2고정부 사이의 간격을 조절하여 상기 제1고정부 및 제2고정부에 의해 복수의 캔틸레버 조립체를 착탈 가능하게 고정하는 클램핑 유닛을 포함하는 에너지 하베스터를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 캔틸레버 조립체에는 가이드홈이 형성되고,
일단은 가이드홈을 따라 이동 가능하게 설치되고, 타단은 상기 고정 구조에 회전 가능하게 연결되는 조절 링크를 더 포함하며,
상기 가이드홈에서 상기 조절 링크의 일단이 움직이는 궤적 상 각 지점과, 상기 고정 구조와 상기 조절링크가 연결되는 지점 사이의 거리가 상이하도록 상기 가이드홈이 형성되어서, 상기 조절 링크의 회동에 따라 상기 캔틸레버 조립체와 상기 고정 구조의 거리가 변동될 수 있다.
여기서, 각각의 캔틸레버 조립체를 고정 구조에 연결하는 복수의 조절 링크들을 동시에 조작할 수 있도록 서로 연결하는 연결 링크를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고정 구조는 상기 판상의 캔틸레버가 위치하는 평면을 기준 단면의 형상이 캔틸레버 조립체의 가장 넓은 폭보다 좁은 간격만큼 개방되어 "C"자형의 폐곡선을 이루고,
개방된 부분의 폭을 조절하여 복수의 캔틸레버들에서 상기 고정 구조에 의해 고정된 지점으로부터 자유단인 단부까지의 거리를 조절할 수 있다.
여기서, 상기 고정 구조에는 상기 고정 구조로부터 상기 캔틸레버 조립체의 질량 중심이 멀어지는 방향으로 상기 캔틸레버 조립체를 밀어내는 압출부; 및
상기 압출부가 상기 캔틸레버 조립체를 밀어내는 방향과 반대 방향으로 상기 캔틸레버 조립체를 당기는 스프링을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압출부는, 상기 고정 구조에 형성된 나사공에 나사 결합되어 회전하면서 상기 캔틸레버 조립체의 상기 고정 구조에 삽입된 단부를 누르는 나사일 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,
구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터로서,
상기 캔틸레버 조립체는,
폭에 비해 두께가 얇은 판상의 부재인 복수의 캔틸레버;
각각의 캔틸레버의 일면 또는 양면에 설치된 압전 소자; 및
각각의 캔틸레버마다 고정되어 설치된 질량체를 포함하고,
상기 질량체는 상기 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지며,
상기 캔틸레버 조립체에 필요에 따라 착탈가능하게 설치되는 하나 이상의 부가 질량체를 포함하는 에너지 하베스터를 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 에너지 하베스터는 요구되는 각각의 사용 환경의 맞춰 최적의 고유 진동수를 가지도록 조절 가능하기 때문에 사용 환경에 맞춰 단품으로 제조하는 방식이 아닌 대량 생산 방식으로 제조하는 데에 적합하다.
또한, 본 발명의 에너지 하베스터를 구성하는 복수의 외팔보는 크기와 형태가 동일하기 때문에 대량 생산 방식으로 제작할 때에 그 설계 및 제작이 용이하다.
또한, 본 발명의 에너지 하베스터는 복수 개의 외팔보를 구비하고 각각의 외팔보의 고유 진동수가 조금씩 차이가 나므로, 하나의 외팔보를 구비하는 형태에서는 얻을 수 없는 복수의 고유 진동수를 가지게 되어 고유 진동수를 일정 영역으로 연속적으로 조절이 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 에너지 하베스터의 구성을 보여주는 분리 사시도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 에너지 하베스터는, 각기 다른 고유 진동수를 가지는 캔틸레버(11)들을 포함하는 캔틸레버 조립체(10), 상기 캔틸레버 조립체(10)들의 일측 단부를 클램핑하는 고정 구조를 포함한다.
상기 고정 구조는 캔틸레버 조립체(10)들의 일측 단부를 하측에서 지지하는 제1고정부(20), 캔틸레버 조립체(10)들의 일측 단부를 상측에서 가압하는 제2고정부(30) 및 상기 제2고정부(30)와 상기 제1고정부(20)를 서로 착탈 가능하게 연결하는 클램핑 유닛(1)을 포함할 수 있다. 아래에서 다시 설명되겠지만 클램핑 유닛(1)이 제1고정부(20)와 제2고정부(30)를 착탈 가능하게 연결하는 것은 캔틸레버 조립체(10)가 제1고정부(20) 및 제2고정부(30) 사이에 물리는 길이를 조절하기 위한 것으로, 이러한 길이의 조정이 필요하지 않은 경우에는 클램핑 유닛(1)에 의해 제1고정부(20)와 제2고정부(30)가 견고하게 고정될 수도 있다. 클램핑 유닛(1)은 도 1에서는 제1고정부(20)와 제2고정부(30)가 마주하는 부분의 둘레를 감싸는 형태로 도시되어 있는데, 이와 같은 방식으로 형상 결합에 의해 제1고정부(20)와 제2고정부(30)를 결합할 수도 있지만, 제1고정부(20)와 제2고정부(30)의 외측으로 돌출되어 설치되는 죔쇠나 나사 구조 등으로 만들어질 수도 있다.
상기 캔틸레버 조립체(10)의 자세한 구성과 작용에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 아래에서 다시 설명하기로 한다.
이외에도 본 발명에 따른 에너지 하베스터는, 상기 캔틸레버 조립체(10)들과 전기적으로 연결되어 상기 캔틸레버 조립체(10)들에서 진동 에너지를 이용하여 생산하는 전력을 제어하여 외부로 공급하는 회로부(50), 상기 캔틸레버 조립체(10)들의 고유 진동수의 변화를 외부에서 인식할 수 있도록 보여주는 표시부(70), 상기 회로부(50)를 보호하는 커버(60)를 더 포함할 수 있다. 회로부(50)가 외부로부터 차단된 상태로 배치되도록 하기 위해, 도 1에 도시된 것과 같이 상기 제2고정부의 상면이 폐쇄된 형태로 만들어지고, 커버(60)와 제2고정부 사이에 스페이서(35)가 측벽으로 설치된 후, 상기 커버(60)가 스페이서(35)의 상부를 덮도록 배치될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 에너지 하베스터에 포함되는 복수의 캔틸레버 조립체(10)들의 부채꼴 형상 배치를 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 상기 복수의 캔틸레버 조립체(10)들은 각각 부채꼴 형상으로 만들어져서 서로 소정 간격을 두고 배치되어서, 각각의 캔틸레버(11)가 놓인 평면을 기준으로 전체적으로 폐곡선(바람직하게는 원형)을 이룰 수 있다.
도 3에는 개별 캔틸레버 조립체(10)의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이 개별 캔틸레버 조립체(10)는 캔틸레버(11), 압전 소자(12, 14) 및 질량체(13)를 포함한다.
상기 캔틸레버(11)는 소정 두께를 가지는 부재로서 일측 단부는 상기 고정 구조에 의해 클램핑 되고, 타측 단부는 자유단이 된다. 각각의 캔틸레버 조립체(10)들에 포함되는 캔틸레버(11)는 실질적으로 동일한 길이와 두께 형상을 가질 수 있다.
상기 압전 소자(12, 14)는 변형에 의해 전류를 발생시키는 기능을 하는 부재이다.
각각의 캔틸레버 조립체(10)에 설치되는 질량체(13)들은 동일한 재질로 만들어지고, 각각의 캔틸레버 조립체(10)에 대해 각기 다른 크기를 가지도록 만들어 질 수 있다. 이는 각각의 캔틸레버 조립체(10)들이 서로 다른 고유 진동수를 가지도록 하기 위한 것이다. 따라서 반드시 동일한 재질이나 다른 크기여야 하는 것은 아니고, 각각의 캔틸레버 조립체(10)들이 서로 다른 고유 진동수를 가지도록 할 수 있다면 크기뿐 아니라 재질도 다르게 만들어질 수 있고, 질량체(13)의 캔틸레버 상에서의 설치 위치가 캔틸레버 조립체(10)마다 상이할 수도 있다.
각각의 질량체(13)들은 체적에 비해 무게가 큰 것이 공간을 적게 차지하면서도 질량을 추가하는 효과를 극대화 할 수 있으므로, 비중이 큰 황동이나 텅스텐으로 만들어지는 것이 바람직하다.
도 4에는 도 3의 IV 부분을 확대한 확대 단면도로서, 압전 소자(12, 14)의 구성을 보다 상세히 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 4에 도시된 실시예에서는 압전 소자(12, 14)에서 발생되는 전류를 극대화 하기 위해 압전 소자(12, 14)가 캔틸레버(11)의 상하면에 각각 부착된다. 다만, 압전 소자가 캔틸레버(11)의 일면에만 부착된 경우도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.
도 4에 도시된 것과 같이, 상기 압전 소자(12, 14)는 각각 압전체(12b, 14b)와 이 압전체(12b, 14b)에 부착된 전극(12a, 12c, 14a, 14c)들을 포함한다.
상기 캔틸레버(11)가 외부의 진동에 의해 벤딩 방향으로 진동할 때 상기 압전체(12, 14)들도 상기 캔틸레버(11)와 함께 벤딩 방향으로 진동하면서 반복적으로 미세 변형을 일으킨다. 압전체(12, 14)들은 변형을 일으키면 전류를 방생하는 성질을 가지므로 캔틸레버 조립체(10)의 진동에 의해 압전체(12, 14)들은 전류를 발생시키고, 이 전류는 압전체(12, 14)에 부착된 전극을 통해 회로부(50)로 전달된다. 각각의 캔틸레버 조립체(10)의 진동의 진폭은 구조물의 고유 진동수와 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수가 동일할 때 공진(resonance) 현상에 의해 가장 커진다. 진폭이 클수록 벤딩 방향의 변형량이 크므로 더 큰 전류가 발생할 수 있다.
이하에서는 이상의 구조를 가지는 에너지 하베스터에서 캔틸레버 조립체(10)들의 고유 진동수를 변화시키는 방식에 대해 설명한다.
도 5는 도 3의 V 부분의 확대 단면도로서, 캔틸레버 조립체(10)가 고정 구조에 의해 물리는 길이를 변화시키는 방식을 보여주는 부분 단면도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터에서는 제1고정부(20)와 제2고정부(30) 사이에 위치하는 캔틸레버 조립체(10)의 수평 방향의 위치를 조절하여 개별 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수를 변화시킬 수 있다. 즉, 제1고정부(20) 및 제2고정부(30)에 의해 클램핑 되는 각각의 캔틸레버 조립체(10)에서 제1고정부(20) 및 제2고정부(30)에 의해 물리는 길이를 조절하면 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수를 변화시킬 수 있다. 도면을 참조하여 설명하면 실선으로 표시된 위치에서 캔틸레버 조립체를 고정하는 것과 점선으로 표시된 위치에서 캔틸레버 조립체를 고정하는 경우에 캔틸레버 조립체의 고유 진동수가 다르게 된다.
이와 같은 방법으로 본 발명의 에너지 하베스터가 설치될 구조물의 고유 진동수에 에너지 하베스터를 구성하는 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수가 거의 일치하도록 조정할 수 있다. 물론 본 실시예에서와 같이 고정 구조에 의해 물리는 캔틸레버 조립체(10) 길이를 조절하는 방식으로 고유 진동수를 변화시키는 경우에는, 나사 구조나 죔쇠 등과 같이 제1고정부(20)와 제2고정부(30) 사이의 간격을 느슨하게 풀었다가 조일 수 있는 구성이 클램핑 유닛으로서 필요할 것이다.
도 6 내지 도 9에는 이상의 구조를 가지는 에너지 하베스터에서 고유 진동수를 변화시킬 수 있는 여러 실시예들을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
아래에서 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하는 실시예들은 도 5에 도시된 것과 같이 고정 구조에 의해 고정되는 캔틸레버(11)의 길이를 조절하여 캔틸레버 조립체(10)들의 고유 진동수를 변화시키는 구성이고, 도 9를 참조하여 설명하는 실시예는 캔틸레버 조립체(10)가 고정 구조에 의해 고정된 상태를 변경하지 않은 상태로 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수를 변화시키는 방식이다. 먼저 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 에너지 하베스터가 둘레 방향으로 일부분이 개방된 형태의 제1고정부 및 제2고정부(31)를 구비할 수 있다. 도 6에서 제1고정부는 제2고정부(31)에 의해 가려져서 보이지 않는다. 상기 제1고정부 및 상기 제2고정부(31)는 탄성 변형이 가능한 재질로 만들어진다. 이와 같은 구성을 가지는 경우에는 개방된 부분의 폭을 조절하여 제1고정부 및 제2고정부(31)에 의해 형성되는 C자형 단면의 평균 직경을 조절할 수 있다. 개방된 부분의 폭이 축소되어 이 C자형 단면의 평균 직경이 작아진 경우에 캔틸레버 조립체들을 고정하면, 캔틸레버 조립체(10)들의 고정단으로부터 자유단까지의 길이가 짧아진다. 반대로 이 C자형 단면의 평균 직경이 커진 상태에서 캔틸레버 조립체들을 고정하는 경우에는 캔틸레버 조립체(10)들의 고정단으로부터 자유단까지의 길이가 길어지게 된다. 이와 같은 방식으로 캔틸레버 조립체(10)들의 고유 진동수를 변화시킬 수 있다.
도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 에너지 하베스터를 구성하는 각각의 캔틸레버(11)에 가이드홈(11a)이 형성되고, 이 가이드 홈(11a)에 조절 링크(32a)의 일측 단부가 삽입된 상태로 이 가이드 홈(11a)을 따라 이동 가능하게 설치된다. 상기 조절 링크(32a)의 타측 단부는 고정 구조를 이루는 제2고정부(32) 또는 제1고정부 중의 하나에 회전 가능하게 고정된다. 상기 조절 링크(32a)가 고정 구조에 회전 가능하게 고정된 지점을 기준으로 상기 가이드 홈(11a) 내의 각 지점까지의 거리는 서로 상이하다. 즉, 조절 링크(32a)가 가이드홈을 따라 이동할 때, 캔틸레버 조립체(10)의 고정 구조에 대한 상대 위치가 변화된다. 이에 따라 조절 링크(32a)를 회전시키면 각각의 캔틸레버 조립체(10)의 고 정 구조로 부터의 거리가 변화되므로, 원하는 거리에 놓인 상태에서 고정 구조로 캔틸레버 조립체(10)들을 고정하면 캔틸레버 조립체(10)들의 고유 진동수를 조절하는 것이 가능하다.
한편, 조절 링크(32a)를 이용하여 복수의 캔틸레버 조립체(10)를 개별적으로 조절하도록 할 수도 있지만, 둘 이상의 조절 링크(32a)를 연결 링크(32b)에 의해 서로 연결되도록 하고 이 연결 링크(32b)를 조절하면 한 번에 둘 이상의 조절 링크를 회전시킬 수 있다. 즉, 연결 링크(32b)를 조작하면 한 번에 둘 이상의 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수의 조절이 가능하도록 구성할 수 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 캔틸레버 조립체(10)의 질량 중심이 고정 구조로부터 멀어지는 방향으로 상기 캔틸레버 조립체(10)를 밀어내도록 힘을 가할 수 있는 압출부(33b)와, 상기 압출부(33b)가 상기 캔틸레버 조립체(10)를 밀어내는 방향과 반대 방향으로 상기 캔틸레버 조립체(10)를 당기는 스프링(33d)을 더 포함한다.
상기 압출부(33b)는 상기 캔틸레버 조립체(10)를 직접 밀도록 구성될 수도 있고, 도면에 도시된 것과 같이 캔틸레버 조립체(10)의 고정단측 단부와 맞닿도록 배치되는 방향 전환 블록(33c)을 밀도록 구성될 수도 있다. 방향 전환 블록(33c)을 더 포함하는 경우에는 방향 전환 블록(33c)에 경사면이 형성되고 상기 압출부(33b)가 이 경사면을 가압함에 따라 방향 전환 블록(33c)이 고정 구조로부터 밀려나가는 방향으로 이동하도록 구성된다.
물론 도 8에 도시된 것과는 다르게, 압출부가 캔틸레버 조립체(10)의 길이 방향으로 이동 가능하게 상기 고정 구조에 배치되고 방향 전환 블록이 생략된 형태로 제작도 가능하다. 다만, 복수 개의 캔틸레버 조립체(10)들을 길이를 동시에 조절하는 구조를 구현하기 위해서는 도 8에 도시된 것과 같이 캔틸레버 조립체(10)의 길이 방향과 교차하는 방향으로 압출부가 이동하도록 배치되는 것이 더 바람직할 수 있다. 즉, 압출부의 이동 방향을 도면에 도시된 것과 같이 도면을 기준으로 상하방향으로 구성하는 경우에는 인접한 캔틸레버 조립체들을 함께 조절하기 위해 위에서 상하 방향으로 힘을 가하는 구조를 구현하기 용이하다. 물론, 어떤 경우라도 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기 압출부(33b)는 도면에 도시된 것과 같이 상기 고정 구조에 형성된 나사공(33a)에 나사 결합되어 회전하면서 상기 캔틸레버 조립체(10)의 상기 고정 구조에 삽입된 단부를 누르는 나사 형태로 구현될 수 있다. 나사 형태로 압출부를 형성하는 경우에는 비교적 미세 조정이 용이한 장점이 있다.
도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는 캔틸레버 조립체(10)는 고정 구조에 대해 상대적으로 이동하지 않고 고정된 상태로 유지된다. 이 상태에서 하나 이상의 부가 질량체(34a)가 캔틸레버 조립체(10)에 부가적으로 부착된다. 부착되는 방식은 착탈 가능한 방식이라면 어떤 형태라도 가능하겠지만, 특히 집게 형태로 캔틸레버(11)의 상하면을 가압하는 형태로 제작하는 것이 간결하면서도 제작에 용이한 구조이다.
물론 더 큰 폭의 고유 진동수의 변화가 필요한 경우에는, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 것과 같이 고정 구조에 대해 상대적으로 이동하여 그 길이가 변화 될 수 있도록 하는 방식과 도 9를 참조하여 설명한 부가 질량체(34a)를 캔틸레버 조립체(10)에 부가하는 방식을 병용할 수 있을 것이다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 에너지 하베스터의 구성을 보여주는 분리 사시도.
도 2는 본 발명의 에너지 하베스터에 포함되는 복수의 캔틸레버 조립체들의 부채꼴 형상 배치를 보여주는 평면도.
도 3은 개별 캔틸레버 조립체의 구성을 보여주는 사시도.
도 4는 도 3의 IV 부분을 확대한 확대 단면도로서, 압전 소자의 구성을 보다 상세히 보여주는 도면.
도 5는 도 3의 V 부분의 확대 단면도로서, 캔틸레버 조립체가 고정 구조에 의해 물리는 길이를 변화시키는 방식을 보여주는 부분 단면도.
도 6 내지 도 9는 본 발명에 따른 에너지 하베스터에서 고유 진동수를 변화시킬 수 있는 여러 실시예들을 보여주는 부분 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 클램핑 유닛 10: 캔틸레버 조립체
11: 캔틸레버 12, 14: 압전 소자
12a, 12c, 14a, 14c: 전극 12b, 14b: 압전체
13; 질량체 20: 제1고정부
30, 31, 32, 33, 34: 제2고정부 32a: 조절 링크
32b: 연결 링크 33a: 나사공
33b: 압출부 33c: 방향 전환 블록
33d: 스프링 34a: 부가 질량체
35: 스페이서 50: 회로부
60: 커버 70: 표시부
Claims (7)
- 구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터로서,상기 캔틸레버 조립체는,폭에 비해 두께가 얇은 판상의 부재인 복수의 캔틸레버;각각의 캔틸레버의 일면 또는 양면에 설치된 압전 소자; 및각각의 캔틸레버마다 설치된 질량체를 포함하고,상기 질량체는 상기 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지며,상기 고정 구조는,복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 지지하는 제1고정부;복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 가압하는 제2고정부;상기 제1고정부와 상기 제2고정부 사이의 간격을 조절하여 상기 제1고정부 및 제2고정부에 의해 복수의 캔틸레버 조립체를 착탈 가능하게 고정하는 클램핑 유닛을 포함하는 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,상기 캔틸레버 조립체에는 가이드홈이 형성되고,일단은 가이드홈을 따라 이동 가능하게 설치되고, 타단은 상기 고정 구조에 회전 가능하게 연결되는 조절 링크를 더 포함하며,상기 가이드홈에서 상기 조절 링크의 일단이 움직이는 궤적 상 각 지점과, 상기 고정 구조와 상기 조절링크가 연결되는 지점 사이의 거리가 상이하도록 상기 가이드홈이 형성되어서, 상기 조절 링크의 회동에 따라 상기 캔틸레버 조립체와 상기 고정 구조의 거리가 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
- 제2항에 있어서,각각의 캔틸레버 조립체를 고정 구조에 연결하는 복수의 조절 링크들을 동시에 조작할 수 있도록 서로 연결하는 연결 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,상기 고정 구조는 상기 판상의 캔틸레버가 위치하는 평면을 기준 단면의 형상이 캔틸레버 조립체의 가장 넓은 폭보다 좁은 간격만큼 개방되어 "C"자형의 폐곡선을 이루고,개방된 부분의 폭을 조절하여 복수의 캔틸레버들에서 상기 고정 구조에 의해 고정된 지점으로부터 자유단인 단부까지의 거리를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
- 제1항에 있어서,상기 고정 구조에는 상기 고정 구조로부터 상기 캔틸레버 조립체의 질량 중심이 멀어지는 방향으로 상기 캔틸레버 조립체를 밀어내는 압출부; 및상기 압출부가 상기 캔틸레버 조립체를 밀어내는 방향과 반대 방향으로 상기 캔틸레버 조립체를 당기는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
- 제5항에 있어서,상기 압출부는,상기 고정 구조에 형성된 나사공에 나사 결합되어 회전하면서 상기 캔틸레버 조립체의 상기 고정 구조에 삽입된 단부를 누르는 나사인 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
- 구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터로서,상기 캔틸레버 조립체는,폭에 비해 두께가 얇은 판상의 부재인 복수의 캔틸레버;각각의 캔틸레버의 일면 또는 양면에 설치된 압전 소자; 및각각의 캔틸레버마다 고정되어 설치된 질량체를 포함하고,상기 질량체는 상기 캔틸레버 상에 설치되는 위치, 질량 및 크기 중 어느 한 가지 이상이 상이하여 복수의 캔틸레버 조립체 중 하나 이상이 다른 캔틸레버 조립체와 서로 다른 고유 진동수를 가지며,상기 캔틸레버 조립체에 필요에 따라 착탈가능하게 설치되는 하나 이상의 부가 질량체를 포함하는 에너지 하베스터.
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