KR100691796B1 - Vibration generator using permanent magnet and piezoelectric ceramics and generating method using thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 은 종래 기술에 따른 압전성 캔틸리버 진동 발전기이다. 1 is a piezoelectric cantilever vibration generator according to the prior art.
도 2 는 본 발명에 따른 압전성 캔틸리버 진동 발전기의 간략 단면도이다. 2 is a simplified cross-sectional view of a piezoelectric cantilever vibration generator according to the present invention.
도 3 은 록인 증폭기를 이용하여 도 1 및 도 2 의 압전성 캔틸리버 진동발전기의 공명진동수를 측정한 그래프이다. 3 is a graph measuring the resonance frequency of the piezoelectric cantilever vibrator of FIGS. 1 and 2 using a lock-in amplifier.
도 4 는 록인 증폭기를 이용하여 측정된 공명진동수로 피에조스피커를 진동시켰을 때 발생하는 압전세라믹의 시그널을 보여주는 그래프이다. 4 is a graph showing a piezoceramic signal generated when the piezospeaker is vibrated with a resonance frequency measured using a lock-in amplifier.
도 5 는 도 4 의 시그널을 루트 민 스퀘어를 통하여 다시 나타낸 그래프이다. FIG. 5 is a graph again showing the signal of FIG. 4 through the root min square. FIG.
본 발명은 압전세라믹을 이용한 진동 발전기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 압전성 캔틸리버에 자석 진동추가 장착된 진동 발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a vibration generator using a piezoceramic, and more particularly to a vibration generator equipped with a magnet vibration addition to the piezoelectric cantilever.
유비쿼터스 기술의 진전과 더불어 무선통신기기 및 무선 센서의 중요성이 점점 더 대두되면서 이들을 구동시킬 새로운 에너지원의 개발이 요구되고 있다. 즉, 지금까지는 무선기기를 작동시키는데 주로 배터리를 이용하였지만 배터리는 주기적으로 교체해야 한다는 문제가 있었다. 따라서 일단 설치한 후에는 에너지원 교체와 같은 수고가 필요 없는 태양전지가 대안이 될 수도 있지만 비용이 많이 들고 설치 지역과 시간에 따른 제약이 존재한다는 단점이 있다. With the development of ubiquitous technology, the importance of wireless communication devices and wireless sensors is increasing, and the development of new energy sources to drive them is required. That is, until now, a battery was mainly used to operate a wireless device, but the battery had to be replaced periodically. Therefore, once installed, a solar cell that does not require any trouble such as energy source replacement may be an alternative, but it is expensive and has limitations due to installation area and time.
이에 비하여 진동에너지는 시간과 장소에 관계없이 항상 어디서나 존재하며 대용량의 경제적인 에너지 생산은 어렵지만 소량의 에너지는 무한히 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 전기에너지 생산과정에 있어서 어떠한 유해 물질도 배출하지 않는 안전하고 깨끗한 발전 시스템이므로 시급히 개발할 필요가 있다.On the other hand, vibration energy is always present everywhere regardless of time and place, and it is difficult to produce large amount of economical energy, but there is an advantage that infinite amount of energy can be obtained. In addition, there is an urgent need to develop a safe and clean power generation system that does not emit any harmful substances in the production of electrical energy.
진동발전기는 무선 센서 구동을 위한 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 주기적인 교체 또는 충전이 필요 없으므로 유지보수를 위한 인력이 필요 없고, 또한 간단한 기계 장비이기 때문에 고장의 우려가 거의 없다는 장점이 있다. 또한 환경 친화적인 장비라는 잇점이 있다. Vibration generators can reduce the energy cost for driving the wireless sensor, there is no need for regular replacement or charging, no manpower for maintenance, and also because there is little risk of failure because it is a simple mechanical equipment. It also has the advantage of being environmentally friendly equipment.
이러한 진동에너지를 전기로 변환하기 위한 방안으로 압전세라믹을 위한 발전 방식이 개발되어 왔다. As a method for converting the vibration energy into electricity, a power generation method for piezoelectric ceramics has been developed.
도 1 은 압전세라믹을 종래의 압전세라믹을 이용한 압전성 캔틸리버 진동 발전기를 도시하고 있다. 도 1 에서와 같이, 압전세라믹으로 이루어진 압전성 캔틸리버(10)의 일단이 고정부(30)에 의해서 고정되고, 다른 말단에 진동성을 확대시키기 위한 진동추(20)가 설치되어 있다. 상기 진동추(20)의 진동이 압전성 캔틸리버에 전해지면서 전기가 생성되고, 생성된 전기는 연결된 회로(도시되지 않음)를 통해서 빠져나가게 된다. 이러한 진동 발전기는 진동에너지가 전기에너지로 변환되는 효율 을 높이기 위해서, 무거운 진동추를 사용할 수 좋은 효율을 나타내게 된다. 1 shows a piezoelectric cantilever vibration generator using a piezoceramic as a conventional piezoceramic. As shown in Fig. 1, one end of the
압전세라믹을 이용한 진동 발전기에 있어서 사용되는 무거운 진동추는 진동에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율을 높이는 효과가 있지만, 소형이면서 경량인 장치를 제조할 수 없다는 문제가 있어왔다. The heavy vibration weight used in the vibration generator using the piezoelectric ceramic has the effect of increasing the efficiency of converting the vibration energy into electrical energy, but there has been a problem in that a compact and lightweight device cannot be manufactured.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 압전성 캔틸리버에 부착된 진동추가 자력을 가짐으로서, 경량화된 추를 사용하면서도 고효율의 변환이 가능하도록 구성된 진동 발전기를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a vibration generator configured to enable high-efficiency conversion while using a light weight, in order to solve the problem as described above, by having a magnetic vibration force attached to the piezoelectric cantilever.
본 발명의 다른 목적은 압전성 캔틸리버에 부착된 진동추가 자력을 가짐으로서 경량화된 추를 사용하면서도 고효율의 변환이 가능한 진동 발전 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a vibrating power generation method capable of converting high efficiency while using a weight that is lightened by having a vibrating weight attached to a piezoelectric cantilever.
본 발명의 또 다른 목적은 진동판에 자력을 가지는 진동추를 부착함으로서, 고유진동수 및 진폭을 변화시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a method capable of changing the natural frequency and amplitude by attaching a vibration weight having magnetic force to the diaphragm.
본 발명의 또 다른 목적은 진동판에 자력을 가지는 진동추를 부착함으로서, 진동판이 고유 진동수로 진동하도록 유지하는 방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a method of attaching a vibrating weight having magnetic force to a diaphragm, thereby maintaining the vibrating plate vibrating at a natural frequency.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, In order to achieve the above object,
본 발명은 압전성 캔틸리버에 부착된 진동부재가 상기 진동부재의 주변에 설치된 고정부재와 자력에 의한 상호작용을 하면서 전기를 발전시키는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for generating electricity while the vibration member attached to the piezoelectric cantilever interacts with the fixed member installed around the vibration member by magnetic force.
본 발명에 있어서, 압전성 캔틸리버에 부착된 진동부재와 상기 진동부재의 주변에 설치된 고정부재 사이에 상호 작용하는 자력은 상기 진동 부재와 상기 고정부재 중 적어도 하나가 자석이면서, 다른 하나가 자성체 또는 자석으로 이루어짐으로서 제공된다. In the present invention, the magnetic force interacting between the vibrating member attached to the piezoelectric cantilever and the fixing member provided around the vibrating member is at least one of the vibration member and the fixing member, while the other is a magnetic material or a magnet. It is provided as being made.
본 발명에 있어서, 상기 자석은 기기에 간결성을 제공할 수 있도록 영구자석을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 자성체는 자력에 의해서 인력이 작용하는 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 철을 이용하는 것이 좋다. In the present invention, it is preferable that the magnet uses a permanent magnet to provide simplicity to the device. In the present invention, it is preferable to use a metal in which the attractive force acts by magnetic force, and more preferably iron.
본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 진동부재는 영구 자석이며, 상기 고정부재는 영구 자석 또는 자성체로 이루어져 양자간에 자력이 상호 작용하게 된다. In one embodiment of the present invention, the vibrating member is a permanent magnet, the fixing member is made of a permanent magnet or a magnetic body is a magnetic force between the two interaction.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 진동부재와 고정부재는 둘 다 자석일 수 있다. 이 경우 상기 진동부재와 고정부재 사이에는 인력 또는 척력이 작용할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, both the vibration member and the fixing member may be a magnet. In this case, an attractive force or repulsive force may act between the vibration member and the fixing member.
본 발명에 있어서, 상기 진동부재의 형태는 특별한 제한이 없으며, 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 상기 진동부재는 종래 진동발전기에서 사용되는 진동추의 형상일 수 있다. 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 진동부재는 자석편일 수 있다. In the present invention, the shape of the vibration member is not particularly limited, in one preferred embodiment of the invention, the vibration member may be in the shape of a vibration weight used in the conventional vibration generator. In another preferred embodiment of the invention, the vibration member may be a magnet piece.
본 발명에 있어서, 상기 진동부재의 주변에 설치되어 상기 진동부재와 자기적 상호작용을 하는 고정부재는 상기 진동부재가 진동하는 경로의 상, 하단에 설치되는 것이 바람직하다. In the present invention, the fixing member which is installed around the vibrating member and has a magnetic interaction with the vibrating member is preferably installed at the upper and lower ends of the vibrating path of the vibrating member.
본 발명은 일 측면에서 진동부재가 부착된 압전성 캔틸리버 및 상기 진동부재와 자기적 상호작용을 하는 고정부재를 포함하는 진동 발전기를 제공한다. The present invention provides a vibration generator including a piezoelectric cantilever having a vibration member attached thereto and a fixing member that magnetically interacts with the vibration member.
본 발명에 있어서, 상기 압전세라믹은 가해지는 압력에 의해서 전기가 발생하도록 구성되는 통상의 압전세라믹을 이용할 수 있다. 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 압전세라믹은 바이모프 형태의 압전세라믹이다. In the present invention, the piezoceramic may use a conventional piezoelectric ceramic configured to generate electricity by the pressure applied thereto. In a preferred embodiment of the invention, the piezoceramic is a bimorph piezoceramic.
본 발명에 있어서, 상기 압전성 캔틸리버에 부착된 진동부재와 상기 진동부재의 주변에 설치된 고정부재 사이에는 상기 진동 부재와 상기 고정부재 중 적어도 하나가 자석이면서, 다른 하나가 자성체 또는 자석으로 이루어짐으로서 상호간에 자기적 상호작용이 형성된다. In the present invention, between the vibration member attached to the piezoelectric cantilever and the fixing member provided around the vibration member, at least one of the vibration member and the fixing member is a magnet, and the other is made of a magnetic material or a magnet. Magnetic interaction is formed.
본 발명에 있어서, 상기 자석은 기기에 간결성을 제공할 수 있도록 영구자석을 이용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 자성체는 자력에 의해서 인력이 작용하는 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 철을 이용하는 것이 좋다. In the present invention, it is preferable that the magnet uses a permanent magnet to provide simplicity to the device. In the present invention, it is preferable to use a metal in which the attractive force acts by magnetic force, and more preferably iron.
본 발명에 있어서, 상기 진동부재의 형태는 특별한 제한이 없으며, 발명의 바람직한 일 실시에 있어서, 상기 진동부재는 종래 진동발전기에서 사용되는 진동추의 형상일 수 있다. 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 진동부재는 자석편일 수 있다. In the present invention, the shape of the vibration member is not particularly limited, in one preferred embodiment of the invention, the vibration member may be in the shape of a vibration weight used in the conventional vibration generator. In another preferred embodiment of the invention, the vibration member may be a magnet piece.
본 발명에 있어서, 상기 진동부재의 주변에 설치되어 상기 진동부재와 자기적 상호작용을 하는 고정부재는 상기 진동부재가 진동하는 경로의 상, 하단에 설치되는 것이 바람직하다. In the present invention, the fixing member which is installed around the vibrating member and has a magnetic interaction with the vibrating member is preferably installed at the upper and lower ends of the vibrating path of the vibrating member.
본 발명은 일측면에 있어서, 압전성 캔틸리버에 부착된 진동부재가 상기 진동부재의 주변에 설치된 고정부재와 자력에 의한 상호작용을 하면서 진동함으로서, 압전세라믹 캔틸리버의 진동특성, 바람직하게는 고유진동수 및 진폭이 변화되는 방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, a vibration member attached to a piezoelectric cantilever vibrates while interacting with a fixed member installed around the vibration member by magnetic force, thereby vibrating characteristics of the piezoceramic cantilever, preferably natural frequency. And how the amplitude is changed.
본 발명에 있어서, 상기 진동특성의 변화에 있어서 상기 고유진동수는 낮아지는 방향으로 변화되는 것이 바람직하다. 또한 상기 진통특성의 변화에 있어서, 상기 진폭은 커지는 방향으로 변화되는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the natural frequency is changed in a lowering direction in the change of the vibration characteristic. In addition, in the change of the analgesic characteristic, the amplitude is preferably changed in the direction of increasing.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 진동특성의 변화, 바람직하게는 고유진동수가 낮아지고, 진폭이 커지는 변화에 의해서 압전세라믹에 의해서 발생하는 전기적 에너지가 커지게 된다. 이론에 한정되는 것은 아니지만, 고유진동수가 낮아지고 진폭이 커짐으로서 외부의 진동원에 의해서 캔틸리버가 보다 용이하게 고유진동이 가능하고 그 진폭 또한 커지게 됨으로서 동일한 압전성 캔틸리버로부터 생산되는 전류의 양이 증가되는 것이다. In the practice of the present invention, the electrical energy generated by the piezoceramic becomes large due to the change in the vibration characteristic, preferably the low natural frequency and the change in amplitude. Although not limited to theory, the lower natural frequency and the larger amplitude make the cantilever more easily viable by the external vibration source, and the amplitude becomes larger, so that the amount of current generated from the same piezoelectric cantilever is increased. It is increased.
본 발명은 일측면에 있어서, 압전세라믹에 연결된 진동판에 부착된 진동부재와 상기 진동부재의 주변에 설치되어 진동부재와 자력에 의한 상호작용을 하는 고정부재의 거리를 조절함으로서, 상기 압전세라믹이 고유진동수로 진동하게 하는 방안을 제공한다. The present invention, in one aspect, by adjusting the distance between the vibration member attached to the vibration plate connected to the piezoelectric ceramic and the fixing member which is installed around the vibration member and interacts with the vibration member by magnetic force, the piezoelectric ceramic is inherent It provides a way to vibrate at a frequency.
진동발전기에서는 캔틸리버의 진동을 고유진동으로 유지할 수 있는 장치가 사용될 수 있다. 종래 진동발전기에서는 캔틸러버의 진동을 고유진동을 유지하기 위해서는 별도의 회로가 필요하였으나, 본 발명에서는 진동부재와 고정부재의 거리 조절에 의해서 고유진동수로 진동이 가능하게 된다. 본 발명에 실시에 있어서, 고유진동수 진동을 유도하는 상기 진동부재와 고정부재 사이의 거리는 양자사이에 작용하는 자력등을 고려하여 조절될 수 있다. In the vibration generator, a device capable of maintaining the vibration of the cantilever in natural vibration may be used. In the conventional vibration generator, a separate circuit is required to maintain the natural vibration of the cantilever, but in the present invention, the vibration can be performed at a natural frequency by controlling the distance between the vibration member and the fixing member. In the embodiment of the present invention, the distance between the vibration member and the fixed member for inducing natural frequency vibration can be adjusted in consideration of the magnetic force acting between them.
이하 본 발명에 따른 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.
본 발명에 있어서, 도 2 는 본 발명에 따른 압전성 캔틸리버 진동 발전기의 간략 단면도이며, 도 3 은 록인 증폭기를 이용하여 도 1 및 도 2 의 압전성 캔틸리버 진동발전기의 공명진동수를 측정한 그래프이며, 도 4 는 록인 증폭기를 이용하여 측정된 공명진동수로 피에조스피커를 진동시켰을 때 발생하는 압전세라믹의 시그널을 보여주는 그래프이고, 도 5 는 도 4 의 시그널을 루트 민 스퀘어를 통하여 다시 나타낸 그래프이다.In the present invention, Figure 2 is a simplified cross-sectional view of the piezoelectric cantilever vibration generator according to the present invention, Figure 3 is a graph measuring the resonance frequency of the piezoelectric cantilever vibration generator of Figures 1 and 2 using a lock-in amplifier, FIG. 4 is a graph showing a piezoceramic signal generated when the piezospeaker is vibrated with a resonance frequency measured using a lock-in amplifier. FIG. 5 is a graph showing the signal of FIG.
도 2 에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 발전기는 바이모프로 이루어진 압전성 캔틸리버(10)의 일단에 자석으로 이루어진 진동추(20)이 부착된다. 캔틸리버(10)의 일단은 고정부(30)에 의해서 고정되어 있고, 진동에 의해서 발생되는 전기가 흐르는 회로(도시되지 않음)가 캔틸리버에 연결되어 구성된다. 진동추(20)의 하단에는 상기 진동추(20)와 자기적 작용을 하는 고정부재(40)가 형성된다. As shown in Figure 2, the vibration generator according to the present invention is attached to the
본 발명에 따른 진동발전기가 종래의 진동발전기보다 양호한 전환효율을 나타나는지를 확인하기 위해, 종래 진동 발전기와 본 발명에 따른 진동 발전기 고정부(30)의 하단에는 피에조스피커(50)이 연결되어 있다. 성능을 시험하기 위해서 록인 증폭기를 이용하여 피에조스피커(50)에 사인함수를 가하고 캔틸리버(10)가 진동하면서 발생하는 에너지를 록인증폭기로 분석하였다. In order to confirm whether the vibration generator according to the present invention exhibits a better conversion efficiency than the conventional vibration generator, the
도 3 에서는 록인 증폭기를 이용하여 종래의 진동발전기와 본 발명에 따른 진동 발전기의 공명진동수를 측정한 결과이다. 도 3 에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 발전기는 진동추(20)와 고정부재(30) 사이에 작용하는 자기장의 영향으로 공명진동수가 낮아지고 그 진폭이 커지게 된다.3 is a result of measuring the resonance frequency of the conventional vibration generator and the vibration generator according to the present invention using a lock-in amplifier. As shown in FIG. 3, the vibration generator according to the present invention has a resonance frequency lowered due to the influence of a magnetic field acting between the
도 4 에서는 공명진동수로 피에조스피커(50)를 진동시켰을 때 발생하는 압전세라믹의 시그널을 도시한 것이며, 도 5 는 이 시그널을 루트 민 스퀘어를 통해서 다시 도시한 것이며, 본 발명에 따른 진동 발전기가 에너지 변환 효율이 더 빨리 증가하는 것을 나타내고 있다.Figure 4 shows the signal of the piezoceramic generated when the
도 2 에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 진동 발전기의 경우 공명진동수의 진폭이 증가되며, 진동수가 감소하게 되어, 동일한 진동원에 의해서 보다 높은 효율의 발전이 가능하게 되며, 외부 회로를 통해 고유진동수로 상기 압전세라믹을 진동시키게 되면 보다 높은 에너지 변환이 일어나게 된다. As shown in Figure 2, in the case of the vibration generator according to the present invention the amplitude of the resonance frequency is increased, the frequency is reduced, it is possible to generate higher efficiency by the same vibration source, the natural frequency through the external circuit By vibrating the piezoelectric ceramics, higher energy conversion occurs.
본 발명에 의해서, 압전성 캔틸리버에 부착된 진동추가 자력을 가짐으로서, 경량화된 추를 사용하면서도 고효율의 변환이 가능하도록 구성된 진동 발전기가 제공되었다. According to the present invention, a vibration generator attached to a piezoelectric cantilever has a magnetic force, thereby providing a vibration generator configured to enable high efficiency conversion while using a light weight.
또한 발명에 의해서, 압전성 캔틸리버에 부착된 진동추가 자력을 가짐으로서 경량화된 추를 사용하면서도 고효율의 변환이 가능한 진동 발전 방법이 제공되었다. In addition, the present invention provides a vibration generation method capable of high efficiency conversion while using a weight that is lightweight by having a magnetic vibration force attached to a piezoelectric cantilever.
또한 본 발명에 의해서, 압전성 캔틸리버에 자력을 가지는 진동추를 부착함 으로서, 고유진동수 및 진폭을 변화시킬 수 있는 방법이 제공되었다. In addition, according to the present invention, by attaching a vibration weight having a magnetic force to the piezoelectric cantilever, there is provided a method capable of changing the natural frequency and amplitude.
또한 본 발명에 의해서, 압전성 캔틸리버에 자력을 가지는 진동추를 부착함으로서, 진동판이 고유 진동수로 진동하도록 유지하는 방법이 제공되었다. In addition, according to the present invention, by attaching a vibration weight having a magnetic force to the piezoelectric cantilever, there is provided a method for maintaining the diaphragm to vibrate at a natural frequency.
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