KR20180073148A - Piezoelectric Power Generating Apparatus of Cantilever Type - Google Patents

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KR20180073148A
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Abstract

The present invention relates to a cantilever type road piezoelectric generator capable of increasing displacement of a piezoelectric body, and significantly improving generation efficiency by amplifying the displacement with an external force delivering structure operated by a lever type, and delivering the displacement to the piezoelectric body of a cantilever structure. The cantilever type road piezoelectric generator comprises a case, a load supporting plate, an elastic member, an external force delivering unit, a fixed block, a cantilever piezoelectric body, and a storage battery. The case is buried in a road. The load supporting plate is installed in an upper part of the case, and receives a load of a vehicle. The elastic member elastically supports the load supporting plate for the case. The external force delivering unit is installed inside the case to be connected to the load supporting plate, and is moved with a lever method depending on movement of the load supporting plate to a lower side. The fixed block is installed inside the case. One end of the cantilever piezoelectric body is fixed in the fixed block, and the other end of the cantilever piezoelectric body is free such that the cantilever piezoelectric body generates electric power while being bent upwardly and downwardly by the external force delivering unit. The storage battery is electrically connected to the cantilever piezoelectric body, and stores the electric power generated by the cantilever piezoelectric body.

Description

캔틸레버형 도로 압전발전장치{Piezoelectric Power Generating Apparatus of Cantilever Type}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a cantilever-

본 발명은 압전발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도로나 지반, 또는 구조물에 매설되며, 지렛대 방식으로 동작하는 외력 전달 구조물을 이용하여 캔틸레버 구조로 설치된 압전체의 자유단에 외력을 전달하여 변형시킴으로써 전력을 생성할 수 있는 캔틸레버형 도로 압전발전장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric power generating device, and more particularly, to a piezoelectric power generating device that is deformed by transmitting an external force to a free end of a piezoelectric body installed in a cantilever structure using an external force transmission structure buried in a road, a ground, To a cantilever type road-electric power generation device capable of generating electric power.

에너지 하베스팅 기술은 태양광 발전, 열전소자의 지백(Zeeback) 효과를 이용하여 온도 차로부터 전기 에너지를 얻는 열전 발전 및 압전체를 이용하여 주변의 진동이나 충격으로부터 전기 에너지를 얻는 압전 발전으로 구분될 수 있다. 이 중, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 압전체에 기계적 변형이 인가될 경우, 전기 에너지가 발생하는 효과를 이용하여 주위의 버려지는 힘, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주는 것을 말한다.Energy harvesting technology can be classified into photovoltaic power generation that uses solar energy, zeeback effect of thermoelectric element to obtain electric energy from temperature difference, and piezoelectric power generation which obtains electric energy from surrounding vibration or impact by using piezoelectric body have. Among them, energy harvesting technology using a piezoelectric body refers to the conversion of energy such as force, pressure, vibration, and the like, which surrounds the surroundings, into electric energy by utilizing the effect of generating electrical energy when mechanical deformation is applied to the piezoelectric body .

압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 다른 발전 방식 보다 작은 진동을 전기 에너지로 변환하는데 용이하다. 또한, 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술은 태양광이 없는 어두운 곳이나 밤에도 발전을 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 항상 진동이 있거나, 압력이나 힘이 작용하는 곳, 그리고 물의 흐름이 있거나 바람이 부는 곳에서도 사용될 수 있다.Energy harvesting technology using piezoelectric materials is easier to convert small vibration to electric energy than other power generation methods. In addition, energy harvesting technology using a piezoelectric body has an advantage that it can be generated in the dark in the absence of sunlight or at night. Therefore, it can be used at all times, where there is vibration, pressure or force, and where there is a flow of water or wind.

최근에는 이러한 압전체를 이용한 에너지 하베스팅 기술을 차량이 빈번히 운행하는 도로에 적용하려는 시도가 진행 중에 있다. In recent years, attempts have been made to apply energy harvesting technology using such a piezoelectric body to roads frequently operated by vehicles.

예를 들어 대한민국 등록특허 제10-0911886호에는 도로에 매설되어 양단이 고정되고 하부에 공동(空洞)이 형성된 상판 저면에 압전막이 내장된 진동판이 설치되어 차륜하중(車輪荷重)에 의한 상판의 변형 및 복원과정에서 진동판의 진동을 유도함으로써 전력을 발생하는 도로 매설형 에너지 하베스터(energy harvester)가 개시되어 있다.For example, in Korean Patent No. 10-0911886, a diaphragm having a piezoelectric film embedded in the bottom of a top plate, which is embedded in a road and has both ends fixed and a cavity at the bottom, is provided, and deformation of the top plate due to wheel load And an energy harvester for generating electric power by inducing vibration of a diaphragm during a restoration process.

그러나, 이러한 종래의 압전체를 이용한 도로 매설형 압전발전장치는 압전체의 변위가 작아서 에너지 변환 효율이 낮은 문제가 있다. However, such a conventional road-buried piezoelectric power generation device using a piezoelectric body has a problem that the displacement of the piezoelectric body is small and the energy conversion efficiency is low.

등록특허 제10-0911886호Registration No. 10-0911886 등록특허 제10-1666997호Patent No. 10-1666997 등록특허 제10-1053257호Patent No. 10-1053257 등록특허 제10-1210431호Patent No. 10-1210431 등록특허 제10-1060667호Patent No. 10-1060667

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 지렛대 방식으로 동작하는 외력 전달 구조물을 이용하여 변위를 증폭시켜 캔틸레버 구조의 압전체에 전달함으로써 압전체의 변위를 증대시키고, 발전 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 캔틸레버형 도로 압전발전장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a cantilever-type piezoelectric element which amplifies a displacement using an external force transmitting structure operated in a leverage system, And the efficiency of the cantilever-type road piezoelectric power generator can be greatly improved.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 캔틸레버형 도로 압전발전장치는, 도로에 매설되는 케이스와; 상기 케이스의 상부에 설치되어 차량의 하중을 받는 하중지지판과; 상기 케이스에 대해 하중지지판을 탄력적으로 지지하는 탄성부재와; 상기 케이스 내부에 상기 하중지지판과 연결되게 설치되며, 하중지지판이 하측으로 이동함에 따라 지렛대 방식으로 운동하는 외력전달부와; 상기 케이스 내부에 설치되는 고정블록과; 일단이 상기 고정블록에 고정되게 연결되고, 타단이 자유로운 상태로 되어 상기 외력전달부에 의해 상하로 휨 변형되면서 전기에너지를 발생시키는 캔틸레버 압전체와; 상기 캔틸레버 압전체와 전기적으로 연결되어 캔틸레버 압전체에 의해 생성된 전기에너지를 저장하는 축전지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a cantilever-type road piezoelectric power generator comprising: a case embedded in a road; A load supporting plate installed on the case to receive a load of the vehicle; An elastic member for elastically supporting the load supporting plate with respect to the case; An external force transmitting part installed inside the case so as to be connected to the load supporting plate and moving in a leverage manner as the load supporting plate moves downward; A fixing block installed inside the case; A cantilever piezoelectric body, one end of which is fixedly connected to the fixed block, and the other end of which is free to generate electric energy while being flexed up and down by the external force transmitting portion; And a capacitor electrically connected to the cantilever piezoelectric body to store electric energy generated by the cantilever piezoelectric body.

본 발명에 따르면, 차량의 하중에 의해 눌려지는 하중지지판의 변위를 지렛대 구조로 된 외력전달부를 통해 증폭하여 캔틸레버 압전체로 전달하므로, 하중지지판의 변위가 작더라도 캔틸레버 압전체의 변형량을 크게 증가시킬 수 있고, 높은 효율로 전기에너지를 생성할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, since the displacement of the load supporting plate pressed by the load of the vehicle is amplified through the external force transmitting portion having the lever structure and transferred to the cantilever piezoelectric body, the deformation amount of the cantilever piezoelectric body can be greatly increased even if the displacement of the load supporting plate is small , It is possible to generate electric energy with high efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버형 도로 압전발전장치를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 작동례를 나타낸 종단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 케이스 및 하중지지판을 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 외력전달부 및 캔틸레버 압전체를 나타낸 종단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 외력전달부 및 캔틸레버 압전체의 작동례를 나타낸 종단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 외력전달부 및 캔틸레버 압전체의 측면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 캔틸레버 압전체의 일부 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 도 1에 도시된 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 고정블록 및 충전지의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
1 is a longitudinal sectional view of a cantilever-type road piezoelectric power generator according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a longitudinal sectional view showing an operation example of the cantilever-type road piezoelectric power generator shown in Fig. 1. Fig.
3 is an exploded perspective view showing a case and a load supporting plate of the cantilever-type road piezoelectric power generator shown in Fig. 1. Fig.
4 is a longitudinal sectional view showing an external force transmitting portion and a cantilever piezoelectric body of the cantilever-type road piezoelectric power generator shown in Fig.
5 is a longitudinal sectional view showing an operation example of the external force transmitting portion and the cantilever piezoelectric body shown in Fig.
6 is a side view of the external force transmitting portion and the cantilever piezoelectric body shown in Fig.
Fig. 7 is an exploded perspective view showing a part of the configuration of the cantilever piezoelectric body of the cantilever-type road piezoelectric power generator shown in Fig. 1. Fig.
FIG. 8 is a perspective view schematically showing the configuration of a fixed block and a rechargeable battery of the cantilever-type road piezoelectric power generator shown in FIG. 1. FIG.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 캔틸레버형 도로 압전발전장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a cantilever-type road piezoelectric power generator according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캔틸레버형 도로 압전발전장치는, 도로에 매설되는 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 상부에 설치되어 차량의 하중에 의해 상하로 탄력적으로 변형하는 하중지지판(20)과, 상기 케이스(10)에 대해 하중지지판(20)을 탄력적으로 지지하는 탄성부재와, 상기 케이스(10) 내부에 설치되어 상기 하중지지판(20)이 하측으로 변형됨에 따라 지렛대 방식으로 운동하는 외력전달부와, 상기 케이스(10) 내부에 설치되는 고정블록(60)과, 일단이 상기 고정블록(60)에 고정되게 연결되어 상기 외력전달부에 의해 상하로 휨 변형되면서 전기에너지를 발생시키는 캔틸레버 압전체(50)와, 상기 캔틸레버 압전체(50)와 전기적으로 연결되어 캔틸레버 압전체(50)에 의해 생성된 전기에너지를 저장하는 축전지(70) 등을 포함한 구성으로 이루어진다.1 and 2, a cantilever-type road piezoelectric power generator according to an embodiment of the present invention includes a case 10 embedded in a road, An elastic member for elastically supporting the load supporting plate 20 with respect to the case 10 and a load supporting plate 20 provided inside the case 10 to elastically support the load supporting plate 20, An external force transmitting part for moving in a leverage mode as it is deformed downward, a fixing block 60 installed inside the case 10, and a fixing part 60 having one end fixedly connected to the fixing block 60, A cantilever piezoelectric body 50 that generates electric energy while being bent and deformed in the vertical direction and a capacitor 70 that is electrically connected to the cantilever piezoelectric body 50 to store electric energy generated by the cantilever piezoelectric body 50, U .

상기 외력전달부와 캔틸레버 압전체(50)는 고정블록(60)을 기준으로 좌우로 한 쌍이 대칭되게 배치되는 것이 바람직하다. The external force transmitting portion and the cantilever piezoelectric body 50 are preferably symmetrically arranged on the left and right sides with respect to the fixed block 60.

도 3에 도시한 것과 같이 상기 케이스(10)는 상부면이 개방된 사각형의 함체로 되어 도로의 지면(地面) 아래에 매설된다. 상기 케이스(10)는 차량의 하중을 견딜 수 있는 강도를 지닌 금속이나 콘크리트 등의 고강도 소재로 이루어진다. As shown in FIG. 3, the case 10 is a rectangular enclosure with an opened top surface, and is buried under the ground surface of the road. The case 10 is made of a high-strength material such as metal or concrete having a strength capable of withstanding the load of the vehicle.

상기 하중지지판(20)은 상기 케이스(10)의 상단부와 대응하는 크기를 갖는 사각형의 금속 평판으로 이루어진다. 상기 하중지지판(20)은 도로의 포장면(1)을 통해 차량의 하중이 가해짐에 따라 탄성부재를 하측으로 누르면서 일정 거리만큼 하강하고, 차량의 하중이 없어지면 탄성부재의 탄성력에 의해 상승하여 원위치로 복귀한다. 상기 하중지지판(20)은 차량의 하중을 충분히 견딜 수 있는 강도를 갖는데, 차량의 하중에 의해 하측으로 눌려지면 일정 정도 휨 변형이 발생하고, 차량의 하중이 없어지면 원상태로 복원되는 탄력성이 있는 금속 재질로 이루어진다. The load supporting plate 20 is formed of a rectangular metal plate having a size corresponding to the upper end of the case 10. The load supporting plate 20 is lowered by a certain distance while pushing the elastic member downward as the load of the vehicle is applied through the packing surface 1 of the road. When the load of the vehicle is lost, the load supporting plate 20 rises by the elastic force of the elastic member, Lt; / RTI > The load supporting plate 20 has a strength enough to withstand the load of the vehicle. The load supporting plate 20 is made of a metal material having elasticity which is restored to its original state when a load of the vehicle is lost, .

상기 케이스(10)의 상단부에는 케이스(10)에 대해 하중지지판(20)을 탄력적으로 지탱하는 탄성부재로서 탄성패드(30)가 설치된다. 상기 탄성패드(30)는 케이스(10)의 상단부 가장자리를 따라 설치되어 상기 하중지지판(20)의 하부면 가장자리 부분을 떠받치는며, 고무나 실리콘과 같이 유연하고 탄성력이 있는 수지 재질로 이루어진다. 물론 이 실시예와 다르게 탄성부재로서 소정의 두께를 갖는 탄성패드 이외에도 코일스프링이나 판스프링 등의 스프링을 적용할 수도 있으며, 탄성패드(30)와 스프링을 복합적으로 구성할 수도 있을 것이다. An elastic pad 30 is provided at the upper end of the case 10 as an elastic member for elastically supporting the load supporting plate 20 with respect to the case 10. [ The elastic pad 30 is provided along the upper edge of the case 10 to support the lower edge of the load support plate 20 and is made of a flexible and elastic resin material such as rubber or silicone. Of course, unlike the embodiment, a spring such as a coil spring or a leaf spring may be used in addition to the elastic pad having a predetermined thickness as the elastic member, or the elastic pad 30 and the spring may be combined.

상기 하중지지판(20)의 하강 변위는 지렛대 방식으로 동작하는 외력전달부에 의해 증폭되어 캔틸레버 압전체(50)로 전달된다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 외력전달부는 상단이 상기 하중지지판(20)에 연결되어 상하로 이동하는 하중전달부재(41)와, 상기 케이스(10) 내에서 받침부(43)를 중심으로 상하로 회전하도록 설치되며 일단이 상기 하중전달부재(41)와 연접하게 설치된 레버(42)와, 상기 레버(42)의 다른 일단부와 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부 사이에 설치되는 연결부재(44)를 포함한다. The downward displacement of the load support plate 20 is amplified by the external force transmitting portion operating in a leverage system and transmitted to the cantilever piezoelectric body 50. 4 to 6, the external force transmitting unit includes a load transmitting member 41 whose upper end is connected to the load supporting plate 20 to move up and down, A lever 42 provided to be rotatable up and down and having one end connected to the load transmitting member 41 and a connecting member 42 provided between the other end of the lever 42 and the lower end of the cantilever piezoelectric member 50, (44).

상기 하중전달부재(41)의 하단부는 상기 레버(42)에 힌지축(41a)을 매개로 연결되어 하중지지판(20)과 함께 하강하면서 레버(42)의 일단부를 하측으로 누르는 작용을 한다. The lower end of the load transmitting member 41 is connected to the lever 42 via the hinge shaft 41a and moves downward together with the load supporting plate 20 to press one end of the lever 42 downward.

상기 레버(42)는 케이스(10)의 바닥면에 받침부(43)를 중심으로 상하로 회전하도록 설치되어 하중지지판(20)의 변위를 증폭하여 캔틸레버 압전체(50)로 전달하는 지렛대로서 기능한다. 상기 레버(42)의 받침부(43)는 레버(42)의 일측으로 치우쳐서 설치되며, 받침부(43)의 상단부는 받침힌지축(43a)을 매개로 레버(42)와 연결되어 레버(42)가 받침힌지축(43a)을 중심으로 상하로 회전하게 된다. 하중전달부재(41)의 하단부가 레버(42)와 연결된 지점, 즉 연결힌지축(44b)에서부터 받침힌지축(43a) 사이의 거리(L1)와 상기 받침힌지축(43a)과 레버(42)와 연결부재(44) 간의 연결 지점인 연결힌지축(44b) 사이의 거리(L2)의 비는 1:4 인 것이 바람직하다. The lever 42 functions as a lever which is installed on the bottom surface of the case 10 so as to rotate up and down around the receiving unit 43 to amplify the displacement of the load supporting plate 20 and transmit the amplified displacement to the cantilever piezoelectric body 50 . The receiving portion 43 of the lever 42 is biased to one side of the lever 42 and the upper end of the receiving portion 43 is connected to the lever 42 via the receiving hinge shaft 43a, Is rotated up and down about the support hinge shaft 43a. The distance L1 between the lower end of the load transmitting member 41 and the supporting hinge shaft 43a from the connecting point of the lever 42 to the supporting hinge shaft 44b and the distance L1 between the supporting hinge axis 43a and the lever 42, And the distance L2 between the connecting hinge axis 44b, which is the connecting point between the connecting member 44 and the connecting hinge shaft 44, is 1: 4.

상기 연결부재(44)는 레버(42)의 일단부의 상승 운동을 캔틸레버 압전체(50)의 자유로운 일단부의 하단부로 전달하여 캔틸레버 압전체(50)의 하단부를 상승시키는 작용을 한다. 상기 연결부재(44)는 하부면 중심이 상기 레버(42)의 일단부에 설치되며 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부가 수용되는 'U'자형의 연결브라켓(44a)과, 상기 연결브라켓(44a)의 내측에 회전이 자유롭게 설치되며 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부와 접촉하도록 설치된 가압로울러(44c)를 포함한다. 상기 연결브라켓(44a)의 하부면 중심은 연결힌지축(44b)을 매개로 레버(42)의 일단부에 회전 가능하게 설치된다. The connecting member 44 acts to raise the lower end of the cantilever piezoelectric body 50 by transmitting the upward movement of the one end of the lever 42 to the lower end of the free end of the cantilever piezoelectric body 50. The connecting member 44 has a U-shaped connecting bracket 44a having a lower surface centered at one end of the lever 42 and receiving the lower end of the cantilever piezoelectric body 50, And a pressure roller 44c installed to be rotatable on the inner side of the cantilever piezoelectric body 50 so as to be in contact with the lower end of the cantilever piezoelectric body 50. The center of the lower surface of the connection bracket 44a is rotatably installed at one end of the lever 42 via a connection hinge shaft 44b.

상기 가압로울러(44c)는 상기 연결브라켓(44a) 내측에 로울러축(44d)을 중심으로 자유롭게 회전하도록 설치되어, 압전소자(51) 및 도전판(52)의 적층체로 된 캔틸레버 압전체(50)의 최하부면과 접촉하여 구름운동면서 캔틸레버 압전체(50)의 하단부를 상측으로 밀어 올려 캔틸레버 압전체(50)의 손상을 방지하면서 캔틸레버 압전체(50)에 변위를 발생시킨다. The pressure roller 44c is provided inside the connection bracket 44a so as to be freely rotatable about a roller shaft 44d so that the cantilever piezoelectric member 50 of the laminated body of the piezoelectric element 51 and the conductive plate 52 The lower end portion of the cantilever piezoelectric body 50 is pushed upward while being in contact with the lowermost surface while rolling, thereby causing displacement of the cantilever piezoelectric body 50 while preventing the cantilever piezoelectric body 50 from being damaged.

상기 연결브라켓(44a)은 연결힌지축(44b)을 매개로 레버(42)의 일단부에 상대 회전이 가능하게 연결되므로 레버(42)와 연결브라켓(44a) 간의 마모를 방지할 수 있다. Since the connection bracket 44a is relatively rotatably connected to one end of the lever 42 via the connection hinge shaft 44b, wear between the lever 42 and the connection bracket 44a can be prevented.

또한 상기 연결브라켓(44a)의 양측면과 캔틸레버 압전체(50)의 양측면 간의 간격은 대략 1㎜ 정도로 약간 이격된 상태를 유지하는 것이 바람직하다. It is preferable that the distance between the both side surfaces of the connection bracket 44a and the both side surfaces of the cantilever piezoelectric body 50 is maintained to be slightly spaced by about 1 mm.

도 7을 참조하면, 상기 캔틸레버 압전체(50)는 휨 변형에 의해 전기에너지를 생성하는 평판 형태로 된 압전소자(51)(Piezoelectric Element)와, 상기 압전소자(51)의 상부면 또는 하부면에 적층되며 상기 축전지(70)와 전기적으로 연결되는 전도성 금속 재질의 도전판(52)을 포함한다. 상기 압전소자(51)와 도전판(52)은 복수개가 상하로 적층된다. 상기 도전판(52)은 구리와 같이 전도성이 우수한 금속 재질로 이루어진다. 7, the cantilever piezoelectric body 50 includes a piezoelectric element 51 in the form of a flat plate that generates electrical energy by bending deformation, and a piezoelectric element 51 on the upper surface or the lower surface of the piezoelectric element 51 And a conductive plate 52 of a conductive metal material which is stacked and electrically connected to the battery 70. A plurality of the piezoelectric element 51 and the conductive plate 52 are laminated vertically. The conductive plate 52 is made of a metal having excellent conductivity, such as copper.

상기 압전소자(51)와 도전판(52)의 일단부는 상기 고정블록(60)의 양측면에 고정되게 연결되고, 다른 일단부는 자유로운 캔틸레버(cantilever) 구조로 되어 상기 레버(42) 및 연결부재(44)에 의해 상하로 휨 변형되면서 전기에너지를 생성하여 축전지(70)로 전달한다. One end portion of the piezoelectric element 51 and the conductive plate 52 are fixedly connected to both sides of the fixing block 60 and the other end portion has a cantilever structure freely and the lever 42 and the connecting member 44 And generates electrical energy and transmits the generated electrical energy to the battery 70.

상기 압전소자(51)는 기계적 압력을 인가하면 전압이 발생하고, 전압을 인가하면 기계적 변형이 생기는 압전기 현상을 나타낸 압전 효과를 지닌 소자이다. 즉 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가진 소자를 말한다. 상기 압전소자(51)는 공지의 세라믹 압전소자 등을 적용하여 구성할 수 있다. The piezoelectric element 51 is a piezoelectric element having a piezoelectric effect that generates a voltage when a mechanical pressure is applied and a piezoelectric phenomenon that a mechanical deformation occurs when a voltage is applied. That is, when an external force is applied, electric polarization occurs to generate a potential difference, and when a voltage is applied, a deformation or a deforming force is generated. The piezoelectric element 51 can be constructed by applying a known ceramic piezoelectric element or the like.

도 1 및 도 8에 도시한 것과 같이 상기 고정블록(60)은 대략 원통형으로 이루어져 케이스(10)의 바닥면에 고정되게 설치되며, 양측면에 상기 캔틸레버 압전체(50)가 고정되게 결합된다. 그리고 상기 고정블록(60)의 하부에는 상기 축전지(70)가 설치된다. 상기 고정블록(60)의 양측면에는 상기 캔틸레버 압전체(50)의 도전판(52)과 축전지(70)를 전기적으로 연결하는 전선(53)이 설치된다. As shown in FIGS. 1 and 8, the fixing block 60 has a substantially cylindrical shape and is fixed to the bottom surface of the case 10, and the cantilever piezoelectric body 50 is fixedly coupled to both sides. In addition, the battery 70 is installed under the fixed block 60. Electric wires 53 for electrically connecting the conductive plate 52 of the cantilever piezoelectric body 50 and the battery 70 are provided on both sides of the fixed block 60.

상기 축전지(70)는 캔틸레버 압전체(50)의 도전판(52)과 전기적으로 연결됨과 더불어, 도면에 도시하지는 않은 외부의 전력수요처 또는 전기저장장치에 전기적으로 연결되어 전력을 공급하는 작용을 할 수 있다.The storage battery 70 is electrically connected to the conductive plate 52 of the cantilever piezoelectric body 50 and is electrically connected to an external power demanding device or an electric storage device have.

이와 같이 구성된 본 발명의 캔틸레버형 도로 압전발전장치는 다음과 같이 작동한다. The cantilever-type road piezoelectric power generator of the present invention configured as above operates as follows.

도 1에 도시된 것과 같이 하중지지판(20) 위에 외력이 가해지지 않은 상태에서 외력전달부의 레버(42)는 대체로 수평한 상태를 유지하며, 연결부재(44)의 가압로울러(44c)는 캔틸레버 압전체(50)의 하부면에 가압력을 발생시키지 않은 채로 단순히 연접한 상태를 유지한다. The lever 42 of the external force transmitting portion maintains a substantially horizontal state in a state in which no external force is applied to the load supporting plate 20 as shown in Fig. 1, and the pressing roller 44c of the connecting member 44 presses the cantilever- So as to maintain a state in which they are simply connected without generating a pressing force.

이 상태에서 도 2에 도시된 것과 같이 차량이 하중지지판(20)의 상측을 지나가게 되면, 하중지지판(20)에 차량의 하중이 가해져서 하중지지판(20)이 탄성패드(30)를 누르면서 하측으로 이동하게 된다. 2, when the vehicle passes over the load supporting plate 20, a load is applied to the load supporting plate 20 so that the load supporting plate 20 presses the elastic pad 30 downward .

상기 하중지지판(20)이 하측으로 눌려져 이동함에 따라 하중전달부재(41)가 하측으로 이동하여 레버(42)의 일단부를 누르게 되고, 레버(42)가 받침힌지축(43a)을 중심으로 회전하게 된다. 이에 따라 레버(42)의 다른 일단부에 설치된 연결부재(44)가 상승하게 되고, 연결부재(44) 내의 가압로울러(44c)가 캔틸레버 압전체(50)의 하단부를 상측으로 밀어 올려 캔틸레버 압전체(50)를 휨 변형시킨다. As the load supporting plate 20 is pushed downward and moved, the load transmitting member 41 moves downward to press one end of the lever 42. When the lever 42 rotates about the receiving hinge shaft 43a do. The connecting member 44 provided at the other end of the lever 42 is lifted and the pressing roller 44c in the connecting member 44 pushes the lower end portion of the cantilever piezoelectric member 50 upward and the cantilever piezoelectric member 50 ).

상기 캔틸레버 압전체(50)가 휨 변형됨에 따라 캔틸레버 압전체(50)의 압전소자(51)에서 전기에너지가 발생하게 되고, 축전지(70)에 전기에너지가 저장된다. As the cantilever piezoelectric body 50 is flexibly deformed, electric energy is generated in the piezoelectric element 51 of the cantilever piezoelectric body 50, and electric energy is stored in the capacitor 70.

상기 캔틸레버 압전체(50)의 압전소자(51)에 의해 발생하는 전기에너지는 아래의 수학식 1과 같으며, 변위(l)가 클수록 많은 양의 전기에너지(

Figure pat00001
)가 발생하게 된다.The electric energy generated by the piezoelectric element 51 of the cantilever piezoelectric body 50 is as shown in the following Equation 1 and the larger the displacement l is,
Figure pat00001
).

Figure pat00002
Figure pat00002

위 수학식 1에서

Figure pat00003
는 전기에너지, F 는 역학적 힘, l은 변위, Y 는 탄성계수, k 는 변환계수이다. In Equation (1)
Figure pat00003
F is the mechanical force, l is the displacement, Y is the elastic modulus, and k is the transformation coefficient.

이와 같이 본 발명의 캔틸레버형 도로 압전발전장치는 차량의 하중에 의해 눌려지는 하중지지판(20)의 변위를 지렛대 구조로 된 외력전달부를 통해 증폭하여 캔틸레버 압전체(50)로 전달하므로, 하중지지판(20)의 변위가 작더라도 캔틸레버 압전체(50)의 변형량을 크게 증가시킬 수 있고, 높은 효율로 전기에너지를 생성할 수 있게 된다. As described above, the cantilever-type road piezoelectric power generator according to the present invention amplifies the displacement of the load support plate 20 pressed by the load of the vehicle through the external force transmitting portion of the lever structure and transfers the amplified displacement to the cantilever piezoelectric body 50, Is small, the deformation amount of the cantilever piezoelectric body 50 can be greatly increased, and electric energy can be generated with high efficiency.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. And it is to be understood that such modified embodiments belong to the scope of protection of the present invention defined by the appended claims.

10 : 케이스 20 : 하중지지판
30 : 탄성패드 41 : 하중전달부재
42 : 레버 43 : 받침부
43a : 받침힌지축 44 : 연결부재
44a : 연결브라켓 44b: 연결힌지축
44c : 가압로울러 50 : 캔틸레버 압전체
51 : 압전소자 52 : 도전판
53 : 전선 60 : 고정블록
70 : 축전지
10: Case 20: Load supporting plate
30: elastic pad 41: load transfer member
42: lever 43:
43a: Support hinge shaft 44: Connecting member
44a: connection bracket 44b: connection hinge shaft
44c: pressure roller 50: cantilever piezoelectric element
51: piezoelectric element 52: conductive plate
53: wire 60: fixed block
70: Battery

Claims (9)

도로에 매설되는 케이스(10)와;
상기 케이스(10)의 상부에 설치되어 차량의 하중을 받는 하중지지판(20)과;
상기 케이스(10)에 대해 하중지지판(20)을 탄력적으로 지지하는 탄성부재와;
상기 케이스(10) 내부에 상기 하중지지판(20)과 연결되게 설치되며, 하중지지판(20)이 하측으로 이동함에 따라 지렛대 방식으로 운동하는 외력전달부와;
상기 케이스(10) 내부에 설치되는 고정블록(60)과;
일단이 상기 고정블록(60)에 고정되게 연결되고, 타단이 자유로운 상태로 되어 상기 외력전달부에 의해 상하로 휨 변형되면서 전기에너지를 발생시키는 캔틸레버 압전체(50)와;
상기 캔틸레버 압전체(50)와 전기적으로 연결되어 캔틸레버 압전체(50)에 의해 생성된 전기에너지를 저장하는 축전지(70);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.
A case 10 embedded in the road;
A load supporting plate 20 installed at an upper portion of the case 10 to receive a load of the vehicle;
An elastic member for elastically supporting the load support plate (20) with respect to the case (10);
An external force transmitting unit installed inside the case 10 so as to be connected to the load supporting plate 20 and moving in a leverage manner as the load supporting plate 20 moves downward;
A fixing block 60 installed inside the case 10;
A cantilever piezoelectric body (50) fixed at one end to the fixed block (60) and free from the other end to generate electric energy while being flexed up and down by the external force transmitting portion;
A battery 70 electrically connected to the cantilever piezoelectric body 50 to store electric energy generated by the cantilever piezoelectric body 50;
Wherein the piezoelectric device is a piezoelectric device.
제1항에 있어서, 상기 축전지(70)는 상기 고정블록(60) 내에 설치되며, 상기 고정블록(60)에는 상기 캔틸레버 압전체(50)와 축전지(70)를 전기적으로 연결하는 전선(53)이 설치된 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.The battery pack according to claim 1, wherein the battery (70) is installed in the fixing block (60), and a wire (53) electrically connecting the cantilever piezoelectric member (50) Wherein the cantilever-type road-type piezoelectric power generating device is installed. 제1항에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 케이스(10)의 상단부 가장자리를 따라 설치되어 상기 하중지지판(20)의 하부면 가장자리 부분을 떠받치는 유연하고 탄성력이 있는 수지 재질의 탄성패드(30)로 된 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.The elastic pad according to claim 1, wherein the elastic member is a flexible elastic pad (30) which is provided along the upper edge of the case (10) and supports a lower edge portion of the load supporting plate (20) Wherein the cantilever-type road piezoelectric power generating device is a cantilever type road piezoelectric power generating device. 제1항에 있어서, 상기 캔틸레버 압전체(50)는 휨 변형에 의해 전기에너지를 생성하는 평판 형태로 된 압전소자(51)와, 상기 압전소자(51)의 상부면 또는 하부면에 적층되며 상기 축전지(70)와 전기적으로 연결되는 전도성 금속 재질의 도전판(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.The cantilever piezoelectric device according to claim 1, wherein the cantilever piezoelectric body (50) comprises a piezoelectric element (51) in the form of a flat plate for generating electrical energy by bending deformation, and a piezoelectric element (51) stacked on an upper surface or a lower surface of the piezoelectric element And a conductive plate (52) made of a conductive metal material electrically connected to the piezoelectric substrate (70). 제4항에 있어서, 상기 압전소자(51)와 도전판(52)은 복수개가 상하로 적층된 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.5. The cantilever-type road piezoelectric power generation device according to claim 4, wherein a plurality of the piezoelectric elements (51) and the conductive plates (52) are laminated vertically. 제1항에 있어서, 상기 외력전달부는 상단이 상기 하중지지판(20)에 연결되어 상하로 이동하는 하중전달부재(41)와, 상기 케이스(10) 내에서 받침부(43)를 중심으로 상하로 회전하도록 설치되며 일단이 상기 하중전달부재(41)와 연접하게 설치된 레버(42)와, 상기 레버(42)의 다른 일단부와 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부 사이에 설치되는 연결부재(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.The load transfer device according to claim 1, wherein the external force transmitting portion includes: a load transmitting member (41) whose upper end is connected to the load supporting plate (20) and moving up and down; And a connecting member 44 provided between the other end of the lever 42 and the lower end of the cantilever piezoelectric member 50. The lever 42 is connected to the load transmitting member 41, Wherein the piezoelectric device is a piezoelectric device. 제6항에 있어서, 상기 연결부재(44)는, 하부면 중심이 상기 레버(42)의 일단부에 설치되며 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부가 수용되는 'U'자형의 연결브라켓(44a)과, 상기 연결브라켓(44a)의 내측에 회전이 자유롭게 설치되며 상기 캔틸레버 압전체(50)의 하단부와 접촉하도록 설치된 가압로울러(44c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.The connector according to claim 6, wherein the connecting member includes: a U-shaped connecting bracket provided at one end of the lever and having a lower end and a lower end of the cantilever piezoelectric body, , And a pressure roller (44c) rotatably installed inside the connection bracket (44a) and installed to contact the lower end of the cantilever piezoelectric member (50). 제7항에 있어서, 상기 연결브라켓(44a)의 하부면 중심은 연결힌지축(44b)을 매개로 레버(42)의 일단부에 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.8. The cantilever-type road piezoelectric power generation device according to claim 7, wherein the center of the lower surface of the connection bracket (44a) is rotatably installed at one end of the lever (42) via a connection hinge shaft (44b). 제1항에 있어서, 상기 외력전달부와 캔틸레버 압전체(50)는 고정블록(60)을 기준으로 좌우로 한 쌍이 대칭되게 배치된 것을 특징으로 하는 캔틸레버형 도로 압전발전장치.
3. The cantilever-type road piezoelectric power generation device according to claim 1, wherein the external force transmitting portion and the cantilever piezoelectric body (50) are symmetrically arranged on the left and right sides with respect to the fixed block (60).
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