KR20150074590A - 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치 - Google Patents
크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치 Download PDFInfo
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Abstract
크랭크로드와 기어를 이용한 진동구조물용 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동구조물의 측면에 구비되어 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보와, 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드와, 크랭크로드의 타단부에 연결되어 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어와, 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어와, 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재를 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진동구조물의 측면에 구비되어 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보와, 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드와, 크랭크로드의 타단부에 연결되어 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어와, 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어와, 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재를 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치에 관한 것이다.
압전 에너지 하베스팅은 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전기분극이 나타나는 현상을 이용한 압전 재료(piezoelectric materials)를 매개체로 하여, 외부의 기계적 에너지를 압전 재료의 변형에 의하여 전기 에너지로 변환시키는 것을 말한다.
특히, 진동이 발생되는 구조물(이하, '진동구조물'이라 함)에 설치되어 압전 에너지 하베스팅을 수행하는 장치를 생각해 볼 수 있다.
하지만, 주변에서 흔히 볼 수 있는 대부분의 진동구조물의 경우 100 Hz 이하의 주파수를 가지거나 약한 힘(낮은 가속도 조건)을 가지는 열악한 조건의 진동환경을 가지고, 또한 진동 방향이 단일 축으로 진동 하기 때문에 자연적인 진동을 외부 에너지 요인으로 작동하는 전통적인 캔틸레버형 압전 에너지 하베스팅 장치의 경우 에너지 변환을 이용한 전기에너지 수집량이 미미하여 보다 큰 에너지를 수집하기에는 어려움이 따른다.
따라서, 열악한 진동환경 조건하에서, 상기 진동구조물의 미세 변위 진동을 증가시켜 필요한 양의 전기 에너지를 손쉽게 획득해 낼 수 있는 새로운 방안이 모색되고 있다.
본 발명은 미세한 변위를 가지며 단일 축으로 진동하는 구조물의 기계적 에너지를 회전 타격 에너지로 변환시킨 후, 상기 회전 타격 에너지에 의해 다수의 압전부재가 동시에 변형되도록 해주어 필요한 양의 전기 에너지를 생성시킬 수 있는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기의 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용하여 열악한 진동환경 조건을 가지는 진동구조물로부터 필요한 정보를 스스로 검출하고 진단해 낼 수 있는 자가 발전식 센싱 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 진동구조물의 측면에 구비되어 상기 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보; 상기 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 상기 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드; 상기 크랭크로드의 타단부에 연결되어 상기 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어; 상기 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 상기 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어; 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재;를 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치를 제공한다.
상기 복수 개의 압전부재 각각의 일단부는 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니와 상호 간섭되도록 상기 제2톱니기어의 중심을 향해 돌출하여 배치되며, 상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부는 바닥에 고정될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부를 원호 방향으로 이격시켜 고정하는 베이스몸체를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 베이스몸체는, 상기 제1톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제1지지부재와, 상기 제2톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제2지지부재를 포함할 수 있다.
그리고 상기 압전부재는, 압전판과, 상기 압전판의 상, 하면 중 적어도 일면에 구비되는 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전판은, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극은, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 티타늄 질화물(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 진동구조물의 측면에 구비되어 상기 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보; 상기 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 상기 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드; 상기 크랭크로드의 타단부에 연결되어 상기 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어; 상기 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 상기 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어; 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재; 및 상기 압전부재로부터 발생된 전기 에너지를 이용하여 상기 진동구조물의 내부 조건을 검출하는 센싱유닛를 포함하는 자가 발전식 센싱 장치를 제공할 수 있다.
상기 센싱유닛에서 검출된 신호를 외부로 무선 전송하는 무선송수신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 압전부재 각각의 일단부는 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니와 상호 간섭되도록 상기 제2톱니기어의 중심을 향해 돌출하여 배치되며, 상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부는 바닥에 고정될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부를 원호 방향으로 이격시켜 고정하는 베이스몸체를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 베이스몸체는, 상기 제1톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제1지지부재와, 상기 제2톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제2지지부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전부재는, 압전판과, 상기 압전판의 상, 하면 중 적어도 일면에 구비되는 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압전판은, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극은, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 티타늄 질화물(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 미세한 변위를 가지며 단일 축으로 진동하는 구조물의 기계적 에너지를 크랭크로드와 이에 연동하여 회전하는 톱니기어들을 이용하여 회전 타격 에너지로 변환시킨 후, 회전하는 톱니와 간섭되도록 배치된 다수의 압전부재를 타격하여 필요한 전기 에너지를 더 많이 발생시킬 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 상기와 같은 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용하여 열악한 진동환경 조건을 가지는 진동구조물에 대한 필요한 정보를 자가 발전식으로 검출할 수 있으며, 검출된 정보를 무선으로 전송할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 간략히 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치의 작동도.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 내에서 복수 개의 압전부재의 배치 형상을 나타낸 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용한 진동구조물의 자가 발전식 센싱 장치를 간략히 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치의 작동도.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 내에서 복수 개의 압전부재의 배치 형상을 나타낸 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용한 진동구조물의 자가 발전식 센싱 장치를 간략히 도시한 개념도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
그리고 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치를 에 관하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
압전 에너지 하베스팅은, 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전기분극이 나타나는 현상을 이용한 압전 재료(piezoelectric materials)(이하, '압전부재'라 함)를 매개체로 하여, 외부의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 방식을 의미한다.
다만, 열악한 진동환경 조건을 가지는 진동구조물의 미세 변위 진동을 이용할 경우, 관용적으로 알려진 압전 에너지 하베스팅 방식을 이용할 경우 목표 수준의 전기 에너지를 획득해 내기에는 어려움이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치는 이러한 문제를 해결하기 위한 목적으로 안출된 것으로 횡 방향 미세 변위 진동을 회전 타격 에너지로 변환시켜 복수 개의 압전부재를 효과적으로 타격할 수 있으며, 이로써 복수 개의 압전부재에 대한 동시 변형을 발생시켜 목표 수준의 전기 에너지를 생성해 낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치(이하, '압전 에너지 하베스팅 장치'라 함)(100)는 캔틸레버보(110), 크랭크로드(120), 제1톱니기어(130), 제2톱니기어(140) 및 복수 개의 압전부재(150)를 포함한다.
상기 캔틸레버보(110)는 진동구조물(1)의 측면에 구비될 수 있다.
여기서, 상기 진동구조물(1)은 미세 변위 진동을 갖는 구조물로서, 구체적인 예로 교량 등의 시설물이 이에 해당될 수 있으며, 또는 변압기 등과 같은 진동발생설비 역시 이에 포함될 수 있다. 더 나아가, 상기 진동구조물(1)의 종류 및 형태에 대해서는 제한될 필요가 없다.
상기 캔틸레버보(110)는 횡 방향(또는 좌우 방향) 미세 변위 진동을 나타내는 진동구조물(1)의 측면에 구비되어 상기 진동구조물(1)의 진동을 그대로 전달받는다. 그 결과, 상기 캔틸레버보(110)에서는 상기 진동구조물(1)과 동일 유사한 횡 방향 미세 변위 진동이 나타나게 된다.
상기 크랭크로드(120)는 관용적으로 알려진 바와 같이, 직선 운동을 회전 운동으로 전환하는 동력부재로서, 그 재질, 크기 및 형상은 특정 형태로 제한될 필요가 없다.
상기 크랭크로드(120)는 일단부가 상기 캔틸레버보(110)의 돌출된 자유단에 연결될 수 있으며, 상기 캔틸레버보(110)에서 전달되는 횡 방향 미세 변위 진동에 연동하여 설정된 방향으로 구동할 수 있게 구성될 수 있다.
그리고 상기 크랭크로드(120)의 타단부는 상기 제1톱니기어(130)에 연결될 수 있다.
즉, 상기 캔틸레버보(110)의 횡 방향 미세 변위 진동에 의해 상기 크랭크로드(120)가 설정된 방향으로 구동하게 되며, 상기 크랭크로드(120)의 구동에 연동하여 상기 제1톱니기어(130)가 회전하는 메커니즘을 따른다.
도 1에 도시된 이들 간의 결합 및 연결 관계는 예시적인 형태로서 간략히 도시한 것일 뿐, 실시예에 따라 도시된 구성 간의 결합 및 연결 관계는 조금씩 변경되어도 무방하다.
상기 제2톱니기어(140)는 상기 제1톱니기어(130)에 치합되어 회전 가능하도록 구성될 수 있다.
특히, 상기 제2톱니기어(140)는 상기 제1톱니기어(130)에 비해 큰 톱니수를 가지는 것이 바람직한데, 이는 상기 제2톱니기어(140)가 상기 제1톱니기어(130)에 비해 더 큰 회전 운동을 할 수 있도록 해주기 위한 것이다.
그리고 상기 복수 개의 압전부재(150)는 상기 회전하는 제2톱니기어(140)의 톱니(140a)에 의해 타격을 받아 변형이 유발되며, 이를 통해 전기 에너지를 발생시키도록 구비될 수 있다.
상기 복수 개의 압전부재(150)는 그 종류 및 형태에 특별히 제한될 필요가 없으며, 하나의 예로서 압전 세라믹 소자를 이용할 수 있다.
특히, 상기 복수 개의 압전부재(150) 각각의 세부 구성은 별도로 도시하지 않았으나 압전판과 압전판의 상, 하면 중 적어도 일면에 구비되는 전극을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 압전판은 Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성될 수 있다.
그리고 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 티타늄 질화물(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
그 외에도 관용적으로 알려진 다양한 압전부재가 본 발명의 실시예에서의 복수 개의 압전부재(150)로 이용될 수 있음은 당연하다.
한편, 상기 복수 개의 압전부재(150) 각각의 일단부(예: 상단부)는 상기 회전하는 제2톱니기어(140)의 톱니(140a)와 상호 간섭되도록 상기 제2톱니기어(140)의 중심(C2)을 향해 돌출하여 배치될 수 있다.
반대로, 상기 복수 개의 압전부재(150) 각각의 타단부(예: 하단부)는 바닥에 고정되는 형태로 제공될 수 있다.
나아가, 상기 복수 개의 압전부재(150) 각각의 타단부를 원호 방향으로 이격시켜 고정하기 위하여 베이스몸체(101)가 더 구비될 수 있다.
그리고 상기 베이스몸체(101)는 상기 제1톱니기어(130)의 중심축(C1)에 연결되어 지지하는 제1지지부재(103)와, 상기 제2톱니기어(140)의 중심축(C2)에 연결되어 지지하는 제2지지부재(105)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스몸체(101)와 제1, 2 지지부재(103, 105)의 재질 및 형상, 그리고 구조는 특별히 제한되지 않고 다양한 형태로 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치의 작동도 이다.
도시된 바와 같이, 상기 진동구조물(1)에서 나타나는 횡 방향 미세 변위 진동(V1)은 이의 측면에 구비된 상기 캔틸레버보(110)를 통해 전달된다. 이에 따라 상기 캔틸레버보(110)를 통해서는 횡 방향 미세 변위 진동(V2)이 나타날 수 있다.
상기 크랭크로드(120)는 상기 캔틸레버보(110)의 횡 방향 미세 변위 진동(V2)에 의해 설정된 방향으로 구동하며 상기 제1톱니기어(130)를 설정된 방향으로 회전(R1)시킨다. 즉, 상기 크랭크로드(120)와 상기 제1톱니기어(130)에 의해 횡 방향 미세 변위 진동은 회전 에너지로 전환된다.
그리고 상기 제1톱니기어(130)는 이보다 큰 톱니수를 갖는 제2톱니기어(140)와 상호 연동하여 회전 가능하게 치합되어, 상기 제2톱니기어(140)를 더 크게 회전(R2) 운동시킨다.
한편, 이러한 구동 메커니즘에 의해 상기 제2톱니기어(140)가 회전하는 경우, 상기 제2톱니기어(140)의 톱니(140a) 사이로 적어도 하나씩 돌출된 복수의 압전부재(150)는 동시에 타격을 받아 변형될 수 있다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 상기 회전하는 제2톱니기어(140)의 돌출된 톱니(140a) 부위가 상기 압전부재(150)의 일단부(예: 상단부)에 타격을 가하여 압전부재의 변형을 유발시킨다. 일 예로서, 변형된 압전부재(150')는 점선 형태의 모습으로 나타날 수 있다. 이와 같은 방식으로 변형된 압전부재를 통해 전기 에너지가 생성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 내에서 복수 개의 압전부재의 배치 형상을 나타낸 모식도이다.
도시된 바와 같이, 상기 복수 개의 압전부재(150)는 상기 베이스몸체(101)의 상부, 즉 원호 형상으로 곡면 형성되는 베이스몸체의 상부면(101a)을 통해 설정된 간격을 두고 하나씩 고정될 수 있다.
그리고 상기 압전부재(150)는 상기 제2톱니기어(140)의 톱니(140a) 사이로 하나씩 돌출 형성되어, 상기 제2톱니기어(140)의 회전 시 각각의 톱니(140a)에 의해 상기 복수 개의 압전부재(150)가 타격을 받아 변형될 수 있도록 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용한 진동구조물의 자가 발전식 센싱 장치를 간략히 도시한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동구조물의 자가 발전식 센싱 장치는 전술한 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치(100)를 이용하며, 이에 더하여 진동구조물(1)에 장착되어 필요한 정보를 검출하는 센싱유닛(200)을 포함한다.
상기 센싱유닛(200)은 압전 에너지 하베스팅 장치(100)에 의해 생성된 전기 에너지를 공급받아 상기 진동구조물(1)의 다양한 정보를 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 센싱유닛(200)을 통해 검출된 다양한 정보는 무선송수신부(300)를 이용하여 전송될 수 있으며, 이러한 진동구조물(1)의 다양한 정보는 별도의 통합서버(400)로 무선 전송될 수 있다. 그 결과, 진동구조물의 해석 및 진단에 필요한 모든 정보를 사용자는 원격 상에서 모니터링 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 미세한 변위를 가지며 단일 축으로 진동하는 구조물의 기계적 에너지를 크랭크로드와 이에 연동하여 회전하는 톱니기어들을 이용하여 회전 타격 에너지로 변환시킨 후, 회전하는 톱니와 간섭되도록 배치된 다수의 압전부재를 타격하여 필요한 전기 에너지를 더 많이 발생시킬 수 있는 효과를 가져온다.
그리고 상기와 같은 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치를 이용하여 열악한 진동환경 조건을 가지는 진동구조물에 대한 필요한 정보를 자가 발전식으로 검출할 수 있으며, 이의 무선 전송 기능까지 구현해 낼 수 있다.
지금까지 본 발명인 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치 및 이를 이용한 자가 발전식 센싱 장치에 관한 구체적인 실시예에 관하여 살펴보았으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그리고 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 진동구조물
100: 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치
101: 베이스몸체
103: 제1지지부재
105: 제2지지부재
110: 캔틸레버보
120: 크랭크로드
130: 제1톱니기어
140: 제2톱니기어
140a: 톱니
200: 센싱유닛
300: 무선송수신부
400: 통합서버
100: 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 에너지 하베스팅 장치
101: 베이스몸체
103: 제1지지부재
105: 제2지지부재
110: 캔틸레버보
120: 크랭크로드
130: 제1톱니기어
140: 제2톱니기어
140a: 톱니
200: 센싱유닛
300: 무선송수신부
400: 통합서버
Claims (15)
- 진동구조물의 측면에 구비되어 상기 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보;
상기 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 상기 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드;
상기 크랭크로드의 타단부에 연결되어 상기 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어;
상기 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 상기 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어;
상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재;를 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 일단부는 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니와 상호 간섭되도록 상기 제2톱니기어의 중심을 향해 돌출하여 배치되며,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부는 바닥에 고정되는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부를 원호 방향으로 이격시켜 고정하는 베이스몸체를 더 구비하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 베이스몸체는,
상기 제1톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제1지지부재와,
상기 제2톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제2지지부재를 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 압전부재는,
압전판과,
상기 압전판의 상, 하면 중 적어도 일면에 구비되는 전극을 포함하는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 압전판은,
Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성되는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 전극은,
백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 티타늄 질화물(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성되는 크랭크로드와 기어를 이용한 압전 하베스팅 장치.
- 진동구조물의 측면에 구비되어 상기 진동구조물의 횡 방향 진동을 전달받는 캔틸레버보;
상기 캔틸레버보의 돌출된 자유단에 일단부가 연결되며 상기 캔틸레버보의 횡 방향 진동에 의해 구동하는 크랭크로드;
상기 크랭크로드의 타단부에 연결되어 상기 크랭크로드의 구동에 연동하여 회전하는 제1톱니기어;
상기 제1톱니기어보다 큰 톱니수를 가지며, 상기 제1톱니기어에 치합되어 회전하는 제2톱니기어;
상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니로부터 타격을 받아 변형되어 전기 에너지를 생성하는 복수 개의 압전부재; 및
상기 압전부재로부터 발생된 전기 에너지를 이용하여 상기 진동구조물의 내부 조건을 검출하는 센싱유닛를 포함하는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 센싱유닛에서 검출된 신호를 외부로 무선 전송하는 무선송수신부를 더 포함하는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 일단부는 상기 회전하는 제2톱니기어의 톱니와 상호 간섭되도록 상기 제2톱니기어의 중심을 향해 돌출하여 배치되며,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부는 바닥에 고정되는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 복수 개의 압전부재 각각의 타단부를 원호 방향으로 이격시켜 고정하는 베이스몸체를 더 구비하는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제11항에 있어서,
상기 베이스몸체는,
상기 제1톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제1지지부재와,
상기 제2톱니기어의 중심축에 연결되어 지지하는 제2지지부재를 포함하는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 압전부재는,
압전판과,
상기 압전판의 상, 하면 중 적어도 일면에 구비되는 전극을 포함하는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 압전판은,
Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Zn,Nb)O3, (Ba,Bi,Na)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3＋Pb(Ni,Nb)O3, (Na,K)NbO3-(Li,Na,K)TaO3, Pb(Zr,Ti)O3＋PVDF 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3＋실리콘 폴리머, Pb(Zr,Ti)O3+에폭시 폴리머 중 선택된 하나로 형성되는 자가 발전식 센싱 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 전극은,
백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 탄탈륨 질화물(TaN) 및 티타늄 질화물(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성되는 자가 발전식 센싱 장치.
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