KR20100125090A - 에너지 하베스터 단위 모듈, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체 및 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체 - Google Patents
에너지 하베스터 단위 모듈, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체 및 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 목적은 어떤 방향으로 구조물이 진동하는 경우라도 원활하게 전력을 발생할 수 있으며, 제작이 용이하고, 전력 생산이 원활한 공진 주파수의 범위를 쉽게 확장할 수 있어서 다양한 가진 주파수를 가지는 가진원에 손쉽게 적용될 수 있고, 대량 생산 방식에 적합한 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 하베스터 단위 모듈로서, 상기 고정 구조는, 복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 지지하는 제1고정부; 및 복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 가압하는 제2고정부를 포함하고, 상기 제1고정부 또는 제2고정부 중 하나는 상기 캔틸레버들이 배열된 평면 방향으로 측면에 연장된 형성된 결합부를 구비하며, 상기 결합부에는 상기 에너지 하베스터 단위 모듈의 단위 모듈들의 결합이 가능하도록 하는 결합 수단이 배치된 에너지 하베스터 단위 모듈과, 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체 및 이를 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체를 제공한다.
에너지 하베스터, 압전 소자
Description
본 발명은 에너지 하베스터(Energy harvester)에 관한 것으로서, 어떤 방향으로 구조물이 진동하는 경우라도 원활하게 전력을 발생할 수 있으며, 제작이 용이하고, 전력 생산이 원활한 공진 주파수의 범위를 쉽게 확장할 수 있어서 다양한 가진 주파수를 가지는 가진원에 손쉽게 적용될 수 있고, 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. 이러 한 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 이러한 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 성 질을 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.
또한, 실제 구조물에 작용하는 진동은 다양한 방향인 경우가 많은데, 기존의 에너지 하베스터는 거의 한 방향의 진동만을 고려한 형태이기 때문에 설계 및 설치 시에 고려하지 않은 방향의 진동에 대해서는 전력을 생산하지 못하는 단점이 있어왔다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 어떤 방향으로 구조물이 진동하는 경우라도 원활하게 전력을 발생할 수 있으며, 제작이 용이하고, 전력 생산이 원활한 공진 주파수의 범위를 쉽게 확장할 수 있어서 다양한 가진 주파수를 가지는 가진원에 손쉽게 적용될 수 있고, 대량 생산 방식에 적합한 에너지 하베스터를 제공하는 것이다.
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 하베스터 단위 모듈로써,
상기 캔틸레버 조립체는,
상기 고정 구조에 의해 일단이 고정된 상태에서 외부의 진동에 의해 변형될 때 전류가 발생하는 부재이고,
상기 고정 구조는,
복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 지지하는 제1고정부; 및
복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 가압하는 제2고정부를 포함하고,
상기 제1고정부 또는 제2고정부 중 하나는 상기 캔틸레버들이 배열된 평면 방향으로 측면에 연장된 형성된 결합부를 구비하고,
상기 결합부에는 상기 에너지 하베스터 단위 모듈의 단위 모듈들의 결합이 가능하도록 하는 결합 수단이 배치된 에너지 하베스터 단위 모듈을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 제1고정부와 상기 제2고정부 사이의 간격을 조절하여 상기 제1고정부 및 제2고정부에 의해 복수의 캔틸레버 조립체를 착탈 가능하게 고정하는 클램핑 유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 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 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2고정부는 평면 형상의 외곽선이 4분의 1 원형에 대응하는 부채꼴 형상이고,
상기 제1고정부는 상기 제2고정부의 형상에 대응하는 부채꼴 부분에 더하여 양변 중 하나의 변에서 평면 방향으로 외측으로 돌출되어 형성된 결합부를 더 구비하며,
상기 캔틸레버들은 상기 제1고정부 및 제2고정부의 원호 부분에 의해 고정되고 꼭지점 부분을 향하여 연장되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 위에서 설명한 에너지 하베스터 단위 모듈에 대해서, 두 개 이상의 에너지 하베스터 단위 모듈을 서로 직교하는 방향으로 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체를 제공함으로써 달성될 수 있다.
여기서, 3개의 에너지 하베스터 단위 모듈을 서로 수직하게 배열하여 결합하여, X, Y, Z 축의 모든 방향으로 작용하는 진동에 대해 전력 생산이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 위에서 설명한 다축 에너지 하베스터 조립체에 대하여, 두 개 이상의 다축 에너지 하베스터 조립체를 결합하여 만들어진 다축 에너지 하베스터 다중 조립체를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 에너지 하베스터는 어떤 방향으로 구조물에 진동이 작용하더라도 전력을 생산할 수 있다.
또한, 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 형태에서 는 얻을 수 없는 복수의 고유 진동수를 가지게 되어 고유 진동수를 일정 영역으로 연속적으로 조절이 가능하다.
또한, 동일한 방향의 진동에 대해 전력 생산을 담당하는 단위 모듈에 대해서도 서로 담당하는 고유 진동수의 영역을 상이하게 제작하고 이를 합체하여 사용하는 경우에는, 단위 모듈들의 간편한 조립만으로 모든 방향에 대해 넓은 범위의 진동에 대해 전력 생산이 가능하도록 할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 다축 에너지 하베스터 조립체의 일실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 다축 에너지 하베스터 조립체(500)는, 3개의 에너지 하베스터 단위 모듈(100, 200, 300)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 3축 에너지 하베스터 조립체(500)는, X-Y 평면에 평행하게 설치되는 하나의 단위 모듈(100), Y-Z 평면에 평행하게 설치되는 하나의 단위 모듈(200), Z-X 평면에 평행하게 설치되는 하나의 단위 모듈(300)을 포함할 수 있다. 3개의 에너지 하베스터 단위 모듈은 서로 실질적으로 직각을 이루면서 결합된다.
본 발명에서 "다축"은 2축 또는 3축을 포함하는 의미로 사용되며, 공간에서 X, Y, Z의 세 방향 중 두 방향 이상으로 작용하는 진동에 대해 전력 생산이 가능하다는 것을 강조하기 위해 "다축"이라는 표현을 "에너지 하베스터"의 앞에 사용한다 는 점을 밝혀둔다.
도 2에는 본 발명에 따른 3축 에너지 하베스터 조립체에 포함되는 에너지 하베스터 단위 모듈의 사시도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 에너지 하베스터 단위 모듈(100)은 복수 개의 개별 캔틸레버 조립체(10a, 10b, 10c), 제1고정부(20) 및 제2고정부(30)를 포함한다. 개별 캔틸레버 조립체는 제1고정부(20) 및 제2고정부(30)에 의해 상하방향으로 눌리면서 고정된다. 상기 제1고정부(20)에는 다른 에너지 하베스터 단위 모듈과 결합되는 결합부(20a)가 형성되어 있다. 상기 결합부는 도면에 도시된 것과 같이 제1고정부(20)의 측방향으로 돌출된 형태로 형성되고, 결합부와 다른 에너지 하베스터 단위 모듈 간에는 돌기(20b)와 홈을 각각 형성하여 끼워 맞추는 방식으로 결합될 수 있다. 단, 결합 방법은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 도면에 도시된 것과 같이, 상기 제2고정부(30)는 평면 형상의 외곽선이 4분의 1 원형에 대응하는 부채꼴 형상일 수 있고, 상기 제1고정부(20)는 상기 제2고정부(30)의 형상에 대응하는 부채꼴 부분에 더하여 양변 중 하나의 변에서 평면 방향으로 외측으로 돌출되어 형성된 결합부를 더 구비할 수 있으며, 상기 캔틸레버 조립체(10a, 10b, 10c)들이 상기 제1고정부(20) 및 상기 제2고정부(30)의 원호 부분에 의해 고정되고 꼭지점 부분을 향하여 연장되도록 배치될 수 있다. 본 발명에서 "부채꼴"이라는 용어는 사전적인 부채꼴 형상 외에 부채꼴의 꼭지점 부근이 없는 모양도 포함하는 의미로 사용한다.
도 3에는 도 2의 에너지 하베스터 단위 모듈에 포함되는 개별 캔틸레버 조립 체의 확대 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 극대화하기 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 하베스터 단위 모듈(100) 에서는 제1고정부(20)와 제2고정부(30) 사이에 위치하는 캔틸레버 조립체(10)의 수평 방향(에너지 하베스터 단위 모듈이 놓인 평면 방향)의 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 조립체(10)를 고정하는 것과 점선으로 표시된 위치에서 캔틸레버 조립체(10)를 고정하는 경우에 캔틸레버 조립체(10)의 고유 진동수가 다르게 된다.
이와 같은 방법으로 본 발명의 다축 에너지 하베스터 조립체가 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. 클램핑 유닛으로는 제1고정부(20) 및 제2고정부(30) 중의 하나에 회전 가능하게 나사가 고정되고, 다른 하나에는 나사가 체결될 수 나사공이 형성되어 있어서, 이 나사를 회전시키면 제1고정부(20)와 제2고정부(30) 사이의 간격이 벌어지거나 조여질 수 있는 형태의 클램핑 유닛이 사용될 수 있다. 클램핑 유닛으로는 그 외에 여러 가지 공지의 클램핑 수단이 사용될 수 있다.
이상과 같은 구성을 가지는 3축 에너지 하베스터 조립체는, 각각 X, Y, Z축 을 담당하는 에너지 하베스터 단위 모듈을 구비하므로, 설치되는 구조물에 어느 축 방향으로 진동이 가해지는 경우라도 전력의 생산이 가능하다.
도 6에는 본 발명에 따른 다축 에너지 하베스터 다중 조립체의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 다축 에너지 하베스터 다중 조립체(1000)는 도 1에 도시된 것과 같은 다축 에너지 하베스터 조립체(500)를 복수 개 포함한다.
각각의 3축 에너지 하베스터 조립체의 구성은 앞서 설명한 것과 같고, 각각의 3축 에너지 하베스터 조립체 간의 결합은 홈과 돌기를 형성하여 끼워 맞추는 방식으로 만들어질 수 있고, 그 외의 다양한 공지의 결합 방식이 사용될 수 있다. 또한, 별도의 하우징을 만들어 3축 에너지 하베스터 조립체들을 하우징에 조립하는 방식으로도 만들어질 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같은 부채골 형상의 외관을 가지는 에너지 하베스터 단위 모듈을 결합하여 도 6에 도시된 것과 같은 다축 에너지 하베스터 다중 조립체를 제작하는 경우에는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체의 외관이 실질적으로 반구(班球)에 유사한 형태가 된다.
도 6에 도시된 것과 같은 다축 에너지 하베스터 다중 조립체의 경우에는 X, Y, Z 축 중 하나의 방향으로 작용하는 진동에 대해 전력을 생산할 수 있는 에너지 하베스터 단위 모듈이 여러 개 존재한다. 예를 들어, 도 6의 경우에는 각 축방향 의 진동에 대해 4개씩의 에너지 하베스터 단위 모듈이 전력을 생산할 수 있다. 이 때, 각 축에 대응하는 에너지 하베스터 단위 모듈을 동일한 공진 주파수에서 작동하는 것으로 제작하는 경우에는 해당 공진 주파수 범위는 비교적 좁지만 생산할 수 있는 전력량은 배가될 수 있는 이점이 있다.
또한, 각 축에 대응하는 에너지 하베스터 단위 모듈들을 서로 다른 공진 주파수에서 작동하는 것으로 제작하여 조립하는 경우에는 다축 에너지 하베스터 다중 조립체가 전력을 생산할 수 있는 공진 주파수의 범위를 크게 확장할 수 있는 이점이 있다.
한편, 지금까지 본 발명을 설명하면서, 본 발명의 실시예로 각각의 방향축에 대응하는 에너지 하베스터 단위 모듈이 각각 하나인 3축 에너지 하베스터 조립체(도 1)를 설명하고, 각각의 방향축에 대응하는 에너지 하베스터 단위 모듈이 각각 네 개인 3축 에너지 하베스터 다중 조립체(도 6, 전체적으로 반구 형상)만을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
즉, 두 개의 에너지 하베스터 단위 모듈만이 결합되어 2축 방향으로 작용하는 에너지 하베스터 조립체의 경우에도 본 발명의 범위에 속할 수 있다. 특정 구조물의 경우에는 주로 2축 방향으로만 진동이 작용하는 경우가 있을 수 있고, 이러한 경우에는 두 개의 에너지 하베스터 단위 모듈만이 결합되어 2축 방향으로 작용하는 에너지 하베스터 조립체를 적용하는 것이 보다 경제적일 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 것과 같이 반구 형상으로 3축 에너지 하베스터 다중 조 립체를 구성하는 경우만이 아니라, 1/4구의 형상으로 만들어지는 경우도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
본 발명의 에너지 하베스터 단위 모듈을 조립하여 다축 에너지 하베스터 조립체를 구성하는 방식을 사용하는 경우에는 에너지를 수확할 수 있는 외부 진동수를 다양하게 고려 할 수 있고, 에너지 하베스터의 집적도를 높혀 수확 에너지를 증가시킬 수 있다는데 큰 의의가 있다.
또한, 본 발명을 설명하면서 에너지 하베스터 단위 모듈이 부채꼴 형상에 가까운 경우만을 도시하고 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 사각형 등 다른 다각형 모양에 가까운 형상을 가지는 경우도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
다만, 지금까지 설명한 것과 같은 부채꼴 형상의 단위 모듈의 경우에는 단위 모듈에 포함되는 캔틸레버들의 형상이 고정단 부분으로부터 자유단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상이어서, 비교적 오랜 시간 사용하여도 피로에 의한 파괴 가능성이 낮은 형상이 될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 에너지 하베스터를 아주 작은 크기로 제작하고자 하는 경우에는, 반도체 소자를 제작할 때 주로 사용하는 방식을 사용할 수 있다. 통상 반도체 웨이퍼의 형상은 웨이퍼 제조 공정의 특성상 얇은 두께의 원판으로 제조되기 때문에, 본 발명에서 지금까지 설명한 것과 같이 부채꼴에 가까운 형상을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 한 장의 웨이퍼를 사용하여 4개의 단위 모듈에 포함될 캔틸레버들을 제조하는 경우에는 부채꼴에 가까운 형상을 가지기 때문에 재료의 손실을 최소화 할 수 있게 된다. 또한, 고정단을 이루는 제1고정부 또는 제2고정부 중의 하나와 복수의 캔틸레버들을 일체로 형성하여서 작은 크기의 부품을 조립하는 불편을 피하면서 에너지 하베스터 단위 모듈들을 제작할 수 있다.
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 3축 에너지 하베스터 조립체의 일실시예의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명의 에너지 하베스터 단위 모듈의 구성을 보여주는 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 에너지 하베스터 단위 모듈에 포함된 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 6은 본 발명에 따른 3축 에너지 하베스터 다중 조립체의 일실시예의 구성을 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 10a, 10b, 10c: 캔틸레버 조립체 11: 캔틸레버
12, 14: 압전 소자 12a, 12c, 14a, 14c: 전극
12b, 14b: 압전체 13; 질량체
20: 제1고정부 20a: 결합부
20b: 돌기 30: 제2고정부
100, 200, 300: 에너지 하베스터 단위 모듈
500: 3축 에너지 하베스터 조립체
1000: 3축 에너지 하베스터 다중 조립체
Claims (7)
- 구조물에 설치되고 구조물의 진동에 따라 진동하는 하나 이상의 캔틸레버 조립체와, 이 캔틸레버 조립체의 일측 단부를 구조물에 고정하는 고정 구조를 포함하는 에너지 하베스터 단위 모듈로서,상기 캔틸레버 조립체는,상기 고정 구조에 의해 일단이 고정된 상태에서 외부의 진동에 의해 변형될 때 전류가 발생하는 부재이고,상기 고정 구조는,복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 지지하는 제1고정부; 및복수 개의 캔틸레버들의 일측 단부를 가압하는 제2고정부를 포함하고,상기 제1고정부 또는 제2고정부 중 하나는 상기 캔틸레버들이 배열된 평면 방향으로 측면에 연장된 형성된 결합부를 구비하고,상기 결합부에는 상기 에너지 하베스터 단위 모듈의 단위 모듈들의 결합이 가능하도록 하는 결합 수단이 배치된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터 단위 모듈.
- 제1항에 있어서,상기 제1고정부와 상기 제2고정부 사이의 간격을 조절하여 상기 제1고정부 및 제2고정부에 의해 복수의 캔틸레버 조립체를 착탈 가능하게 고정하는 클램핑 유 닛을 포함하는 에너지 하베스터 단위 모듈.
- 제1항에 있어서,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 가지는 에너지 하베스터 단위 모듈.
- 제3항에 있어서,상기 제2고정부는 평면 형상의 외곽선이 4분의 1 원형에 대응하는 부채꼴 형상이고,상기 제1고정부는 상기 제2고정부의 형상에 대응하는 부채꼴 부분에 더하여 양변 중 하나의 변에서 평면 방향으로 외측으로 돌출되어 형성된 결합부를 더 구비하며,상기 캔틸레버들은 상기 제1고정부 및 제2고정부의 원호 부분에 의해 고정되고 꼭지점 부분을 향하여 연장되도록 배치된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터 단위 모듈.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 에너지 하베스터 단위 모듈에 대해서,두 개 이상의 에너지 하베스터 단위 모듈을 서로 직교하는 방향으로 결합하여 만들어지는 다축 에너지 하베스터 조립체.
- 제5항에 있어서,3개의 에너지 하베스터 단위 모듈을 서로 수직하게 배열하여 결합하여,X, Y, Z 축의 모든 방향으로 작용하는 진동에 대해 전력 생산이 가능하도록 한 다축 에너지 하베스터 조립체.
- 제6항의 다축 에너지 하베스터 조립체에 대하여,두 개 이상의 다축 에너지 하베스터 조립체를 결합하여 만들어진 다축 에너지 하베스터 다중 조립체.
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