KR20190027428A - 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터 - Google Patents

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    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Abstract

한번의 외력에 의해 복수회 에너지 하베스팅이 수행될 수 있는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터가 개시된다. 개시된 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터는 제1플레이트; 일면에 압전소자가 부착되며, 일단이 제1플레이트의 일면에 결합된 제2플레이트; 지렛대; 상기 지렛대의 일단에 부착되어, 상기 제2플레이트의 타단과 마주보는 제1자석; 및 상기 지렛대를 지지하는 지렛대 지지부를 포함한다.

Description

압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터{ENERGY HARVESTER USING PIEZOELECTRONIC ELEMENT}
본 발명은 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한번의 외력에 의해 복수회 에너지 하베스팅이 수행될 수 있는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터에 관한 것이다.
근래에는 에너지 자원의 부족에 따라 다양한 에너지 생산 방법들이 연구되고 있는데, 특히, 최근에는 에너지 하베스트(energy harvest)라는 개념으로 일상 생활에서 버려지는 에너지를 회수하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
에너지 하베스트는 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미하는데, 이러한 에너지 하베스트는 매우 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 에너지 하베스팅 기술의 한 종류로서, 압전 소자를 이용한 기술이 개발되고 있는데, 이는 반복적으로 전달되는 외부 압력을 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 압전 소자에 기반한 에너지 하베스팅 기술을 이용하는 다양한 어플리케이션에 관한 연구가 이루어지고 있으며, 압전 소자의 발전량이 높은 편은 아니기 때문에, 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터의 발전효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로 일본 공개특허 제2007-282304호 및 제2005-318774호가 있다.
본 발명은 발전 효율이 증가된 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 제공하기 위한 것이다.
특히 본 발명은 한번의 외력에 의해 복수회 에너지 하베스팅이 수행될 수 있는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1플레이트; 일면에 압전소자가 부착되며, 일단이 제1플레이트의 일면에 결합된 제2플레이트; 지렛대; 상기 지렛대의 일단에 부착되어, 상기 제2플레이트의 타단과 마주보는 제1자석; 및 상기 지렛대를 지지하는 지렛대 지지부를 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1플레이트; 일면에 압전소자가 부착되는 제2플레이트; 상기 제1플레이트 상에 위치하며, 상기 제2플레이트의 일단에 결합되어 상기 제2플레이트를 지지하는 플레이트 지지부; 지렛대; 상기 지렛대의 일단에 부착되어, 상기 제2플레이트의 타단과 마주보는 제1자석; 및 상기 지렛대를 지지하는 지렛대 지지부를 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 지렛대와 자석을 이용하여, 한번의 외력에 의해 복수회 에너지 하베스팅이 수행됨으로써, 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터의 1차 발전을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터의 2차 및 3차 발전을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 하베스터는 제1 및 제2플레이트(110, 120), 지렛대(130), 제1자석(140) 및 지렛대 지지부(150)를 포함한다.
제2플레이트(120)는 제1플레이트(110)에 결합된다. 제2플레이트(120)가 휘어질 수 있도록 제2플레이트(120)의 일단은 제1플레이트(110)의 일면에 결합될 수 있다. 또한 제2플레이트(120)는 제1자석(140)과 붙을 수 있으며 탄성력을 가진 금속인 철, 니켈, 코발트 등으로 제작될 수 있고, 또는 제1자석(140)에 붙는 금속을 함유하는 다양한 재질로 제작될 수 있다. 제2플레이트(120)의 일면에는 압전 소자(160)가 부착된다.
제1자석(140)은 지렛대(130)의 일단에 부착된다. 제1자석(140)은 제1플레이트(110)와 결합된 일단의 반대쪽 끝단인 제2플레이트(120)의 타단과 마주보도록 설치된다. 제1자석(140)은 지렛대(130)의 타단에 외력이 인가되지 않는 초기 상태에서, 자력에 의해 제2플레이트(120)와 붙어 있는 상태를 유지한다. 즉, 제1자석(140)은 지렛대(130)와는 접착제 등과 같은 고정 수단에 의해 부착되며 따라서 지렛대(130)의 움직임에 종속된다. 하지만, 제1자석(140)과 제2플레이트(120)는 자력에 의해 서로 붙었다가 떨어질 수 있다.
지렛대 지지부(150)는 지렛대(130)를 지지한다. 지렛대 지지부(150)의 지지 위치는 실시예에 따라서 다양하게 결정될 수 있는데, 지렛대(130)의 타단에 인가되는 외력이 사라지는 경우 지렛대(130)가 원래 상태로 복원될 수 있도록, 그리고 지렛대(130)의 일단의 변위가 커질수 있도록, 지렛대 지지부(150)는 지렛대(130)의 중심 위치 보다 우측, 즉 지렛대(130)의 중심 위치와 타단 사이에서 지렛대(130)를 지지하는 것이 바람직하다.
제1자석(140)이 부착된 지렛대(130)의 일단의 반대쪽인 지렛대(130)의 타단에 외력이 인가되면, 제2플레이트(120)와 붙어있는 제1자석(140)에 의해 제2플레이트(120)가 휘어지면서 압전 소자(160) 역시 휘어지고, 따라서 압전소자(160)에 의해 1차 발전이 일어날 수 있다. 또한 제2플레이트(120)가 제1자석(140)에서 떨어지면서 제1플레이트(110)를 타격하고, 이러한 타격에 의해 압전소자(160)가 2차 발전을 수행할 수 있다. 그리고 외력이 사라지면, 지렛대(130)가 초기 상태로 복원되면서 지렛대(130)의 제1자석(140)이 제2플레이트(120)를 타격하고, 이러한 타격에 의해 압전 소자(160)가 3차 발전을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스터의 발전 과정을 도 2 및 도 3을 이용하여 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터의 1차 발전을 설명하기 위한 도면이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 하베스터의 2차 및 3차 발전을 설명하기 위한 도면이다.
최초 도 1과 같은 초기 상태에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 지렛대(130)의 타단에 화살표와 같이 외력이 인가되면, 지렛대(130)의 일단이 상승한다. 제2플레이트(120)의 타단이 제1자석(140)에 붙어있기 때문에, 제2플레이트(120)는 제1자석(140)의 이동에 따라 지렛대(130) 방향으로 휘어진다. 즉 제2플레이트(120)는 제1자석(140)에 의해 지렛대(130) 방향으로 휘어지면서, 1차 발전이 발생한다.
이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1자석(140)에 의해 제2플레이트(120)가 휘어진 상태에서 외력이 증가하여 임계값을 초과하는 경우, 제2플레이트(120)는 제1자석(140)과 떨어진다. 임계값은 제1자석(140)의 자력의 세기나, 제2플레이트(120)의 탄성력 길이 등에 따라 달라질 수 있다. 다시 말해, 제1자석(120)과 제2플레이트(120)가 떨어질 수 있는 외력의 크기는 제1자석(140)의 자력의 세기나, 제2플레이트(120)의 탄성력, 길이 등에 따라 달라질 수 있다.
제2플레이트(120)가 제1자석(130)과 떨어지면, 탄성력에 의해 도 1과 같이 초기 상태로 복원하면서 제1플레이트(110)를 타격하고, 타격에 의한 진동 등에 의해 압전 소자(160)가 2차 발전을 수행한다.
이후, 지렛대(130)가 도 1과 같이 초기 상태로 복원하면서, 지렛대(130)의 제1자석(140)이 제2플레이트(120)를 타격하고, 이러한 타격에 의해 압전 소자(160)가 3차 발전을 수행할 수 있다.
결국 본 발명에 따르면, 자석과 지렛대를 이용하여, 지렛대의 타단에 인가되는 한번의 외력에 의해 복수회 에너지 하베스팅이 수행될 수 있으며, 따라서 발전 효율이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하베스터는 일실시예로서 사람 또는 차량이 이동하는 도로 등에 매설될 수 있으며, 지렛대의 타단에 사람 또는 차량의 하중이 집중될 수 있도록 매설될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터는 도 1에 도시된 에너지 하베스터와 달리 제2자석(440)을 더 포함한다.
제2자석(440)은 제1플레이트(110)로부터 돌출된 제2플레이트(120)의 타단의 하부에 부착된다. 제2자석(440)은 제1자석(140)과의 사이에서 척력이 아닌 인력이 생성될 수 있도록 제2플레이트(120)에 부착될 수 있다. 제2자석(440)에 의해 전술된 2차 발전 이후, 4차 발전까지 수행될 수 있다. 도 4의 에너지 하베스터의 1차 및 2차 발전 과정은 전술된 도 1의 에너지 하베스터의 1차 및 2차 발전 과정과 동일하다.
다만, 도 4의 에너지 하베스터에 따르면, 제1자석(140)과 제2플레이트(120)가 떨어진 이후에 외력이 사라져 지렛대(130)의 일단이 제2플레이트(120) 방향으로 이동하는 경우, 제1 및 제2자석(140, 440) 사이의 인력에 의해 제2플레이트(120)가 지렛대(130) 방향으로 휘어지면서 3차 발전이 수행될 수 있다. 그리고 지렛대(130)가 도 4와 같은 초기 상태로 복원되면서 제2플레이트(120)가 제1플레이트(110)를 타격하여 4차 발전이 수행된다.
다시 말해, 도 3의 상태에서 외력이 소멸되면 지렛대(130)의 일단이 하강하며, 하강에 의해 제1자석(140)과 제2자석(440)의 거리가 가까워지는데, 이 때, 제1 및 제2자석(140, 440)의 인력에 의해 제2플레이트(120)가 재차 지렛대(130) 방향으로 휘어질 수 있는 것이다. 즉, 도 4의 에너지 하베스터에 따르면, 제2플레이트(120)는 지렛대(130)의 일단이 상승할 때 휘어질 뿐만 아니라 하강할때도 휘어지기 때문에, 한차례 더 발전이 수행될 수 있으며, 발전 효율이 더욱 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터는 도 4에 도시된 에너지 하베스터와 달리 막대(510) 및 막대 지지부(520)를 더 포함한다.
막대(510)는 지렛대(130)와 압전 소자(160) 사이에 위치하며, 막대 지지부(520)는 제1플레이트(110) 또는 제2플레이트(120)에 결합되어 막대를 지지한다.
제2플레이트(120)가 도 2에 도시된 바와 같이 휘어질 때, 막대(510)를 기준으로 압전 소자(160)의 우측 부분, 즉 지렛대 지지부(150)를 향하는 부분은 더 이상 휘어지지 않고 좌측 부분만이 휘어진다. 다시 말해, 지렛대(130)의 일단이 상승할 때, 막대(510)에 의해 압전 소자(160)는 꺽이게 되며, 이러한 꺽임은 보다 큰 압력을 압전 소자(160)에 제공하기 때문에, 압전 소자(160)의 발전량이 더욱 증가할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터는 도 1 내지 도 4에 도시된 에너지 하베스터와 달리, 외팔보 구조의 플레이트에 압전 소자가 부착된다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터는 일면에 압전 소자(160)가 부탁되는 제2플레이트(620)를 지지하는 플레이트 지지부(610)를 더 포함하며, 제2플레이트(620)는 제1플레이트(110)의 일면에 결합되지 않는다.
플레이트 지지부(610)가 제1플레이트(110)의 일면에 위치하며, 제2플레이트(620)의 일단에 결합됨으로써, 제2플레이트(620)를 지지한다.
제2플레이트(620)는 도 1 내지 도 5의 제2플레이트(120)와 같이, 제1플레이트의 일단으로부터 돌출된 형태로 플레이트 지지부(610)에 결합될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1플레이트;
    일면에 압전소자가 부착되며, 일단이 제1플레이트의 일면에 결합된 제2플레이트;
    지렛대;
    상기 지렛대의 일단에 부착되어, 상기 제2플레이트의 타단과 마주보는 제1자석; 및
    상기 지렛대를 지지하는 지렛대 지지부
    를 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1자석은
    상기 지렛대의 타단에 외력이 인가되지 않는 초기 상태에서, 자력에 의해 상기 제2플레이트와 붙어 있는
    압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2플레이트는
    상기 지렛대의 타단에 외력이 인가되는 경우, 상기 제2플레이트와 붙어 있는 상기 제1자석에 의해 상기 지렛대 방향으로 휘어지는
    압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2플레이트는
    상기 제1자석에 의해 휘어진 상태에서 상기 외력이 임계값을 초과하는 경우, 상기 제1자석과 떨어지는
    압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1플레이트로부터 돌출된 상기 제2플레이트의 타단의 하부에 부착되는 제2자석
    을 더 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2플레이트는
    상기 제1자석과 상기 제2플레이트가 떨어진 이후에 상기 지렛대의 일단이 상기 제2플레이트 방향으로 이동하는 경우, 상기 제1 및 제2자석 사이의 인력에 의해 상기 지렛대 방향으로 휘어지는
    압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지렛대와 상기 압전 소자 사이에 위치하는 막대; 및
    상기 제1플레이트 또는 상기 제2플레이트에 결합되어 상기 막대를 지지하는 막대 지지부
    를 더 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  8. 제1플레이트;
    일면에 압전소자가 부착되는 제2플레이트;
    상기 제1플레이트 상에 위치하며, 상기 제2플레이트의 일단에 결합되어 상기 제2플레이트를 지지하는 플레이트 지지부;
    지렛대;
    상기 지렛대의 일단에 부착되어, 상기 제2플레이트의 타단과 마주보는 제1자석; 및
    상기 지렛대를 지지하는 지렛대 지지부
    를 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2플레이트의 타단의 하부에 부착되는 제2자석
    을 더 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 지렛대와 상기 압전 소자 사이에 위치하는 막대; 및
    상기 제1플레이트에 부착되어 상기 막대를 지지하는 막대 지지부
    를 더 포함하는 압전 소자를 이용하는 에너지 하베스터.
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