KR101489151B1 - 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템 - Google Patents

비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101489151B1
KR101489151B1 KR20130061179A KR20130061179A KR101489151B1 KR 101489151 B1 KR101489151 B1 KR 101489151B1 KR 20130061179 A KR20130061179 A KR 20130061179A KR 20130061179 A KR20130061179 A KR 20130061179A KR 101489151 B1 KR101489151 B1 KR 101489151B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
case
vibration
leaf springs
energy harvester
spring
Prior art date
Application number
KR20130061179A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140140378A (ko
Inventor
김성회
구명완
이동원
Original Assignee
우리산업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 우리산업 주식회사 filed Critical 우리산업 주식회사
Priority to KR20130061179A priority Critical patent/KR101489151B1/ko
Publication of KR20140140378A publication Critical patent/KR20140140378A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101489151B1 publication Critical patent/KR101489151B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • B60C23/041—Means for supplying power to the signal- transmitting means on the wheel
    • B60C23/0411—Piezoelectric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/025—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant characterised by having a particular shape
    • F16F1/027—Planar, e.g. in sheet form; leaf springs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

나선형의 상부 및 하부의 판 스프링에 부착된 발전소자에 의해 진동을 전기에너지로 변환하되, 상부 및 하부의 판 스프링을 서로 비대칭 구조로 형성하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및 타이어 공기압 감지 시스템에 관한 것으로서, 소정의 높이를 가지는 케이스; 스프링 나선의 일단이 상기 케이스의 상단부 일측면과 연결되어 설치되는 나선형의 상부 판 스프링; 스프링 나선의 일단이 상기 케이스의 하단부 일측면에 연결되어 설치되는 나선형의 하부 판 스프링; 및, 상기 상부 및 하부 판 스프링의 중앙에 부착되고, 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하는 PCB 기판을 포함하고, 상기 상부 및 하부 판 스프링은 위에서 바라볼 때 서로 비대칭 구조로 형성되는 구성을 마련한다.
상기와 같은 에너지 하베스터 및 타이어 공기압 감지 시스템에 의하여, 기존의 에너지 하베스팅 구조에서 비대칭 구조를 적용함에 따라 구조적인 안정성과 신뢰성을 높일 수 있고, 출력 성능의 향상 등 발전효율의 증대를 동시에 실현할 수 있다.

Description

비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템 { An energy harvester for high efficiency power generation using the asymmetric structure and the Tire Pressure Monitoring System thereof }
본 발명은 나선형의 상부 및 하부의 판 스프링에 부착된 발전소자에 의해 진동을 전기에너지로 변환하되, 상부 및 하부의 판 스프링을 서로 비대칭 구조로 형성하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 비대칭 구조의 판 스프링에 의해 진동하는 발전소자를 구비한 에너지 하베스트가 타이어의 내면의 내주연과 수직하도록 설치되는 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS)에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 타이어의 공기압이 너무 높거나 낮으면 타이어가 터지거나 차량이 쉽게 미끄러져 대형사고로 이어질 가능성이 있다. 또한 연료 소모량이 많아져 연비가 악화되고, 타이어 수명이 짧아질 뿐만 아니라, 승차감과 제동력도 많이 떨어진다. 이러한 타이어의 결함을 막기 위해 차량에 장착하는 안전장치가 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS, Tire Pressure Monitoring System])이다.
이는 타이어에 부착된 센서로 타이어의 압력과 온도를 감지한 뒤, 이 정보를 운전석으로 보내 운전자가 실시간으로 타이어의 압력 상태를 점검할 수 있게 설계되어 있다. 이 시스템을 이용하면 타이어의 내구성, 승차감, 제동력 향상은 물론, 연비도 높일 수 있고, 주행 중 차체가 심하게 흔들리는 것도 막을 수 있게 된다. 특히, 2007년 미국의 신차규격조건에 따라 타이어 내부에 TPMS 장착의 의무화로 인해 진동에너지를 이용한 자가발전 부품에 대한 시장이 급격히 조성되고 있다.
이 경우, 일반적으로는 타이어의 내부에 장착되어 타이어의 압력을 측정하여 무선으로 압력 및 기타 정보를 외부에 전송한다. 이와 같은 작업을 위해 전자 장치로 구성된 TPMS는 배터리의 탑재를 필요로 한다. 그러나 타이어의 수명이 다하기 전에 배터리의 수명이 다함으로 배터리 수명에 따라 타이어 압력 모니터링 시스템의 수명이 결정된다.
상기 문제를 해결하고자, 배터리를 탑재하는 대신, 자가발전에 의하여 전원을 공급하는 TPMS 기술들(한국특허공개 10-2011-0124910)이 제시되고 있다.
또한, 소음, 진동과 같이 반복적인 동작에서 에너지를 생산할 수 있는 하베스팅 기술로 배터리 교체문제를 해결할 수 있는 자가발전 소자가 좋은 대안이 될 수 있고 유지보수 비용을 절감시킬 수 있으며 배터리 교체의 번거로움을 해결할 수 있다.
상기와 같은 하베스팅 기술에 의한 일례가 도 1에 도시되어 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 종래기술에 의한 에너지 하베스터(1)는 케이스(2)와, 케이스(2)에 연결된 상부 및 하부 판 스프링(3,4), 발전소자(5)가 구비된 PCB 기판(6)으로 구성된다.
케이스(2)는 소정의 높이를 가지고, 상단부에는 상부 판 스프링(3)이, 하단부에는 하부 판 스프링(4)이 연결되어 구비된다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(3,4)은 서로 소정의 높이만큼 이격되어, 서로 대향하여 구비된다.
상부 및 하부 판 스프링(3,4) 모두 나선형 스프링으로 구성되고, 스프링 나선의 일단이 케이스(2)에 연결되고, 타단 또는 판 스프링의 중앙부에 PCB 기판(6)이 부착된다. 즉, PCB 기판(6)은 위 아래로 모두 상부 및 하부 판 스프링(3,4)에 부착되어 연결된다.
따라서 상부 및 하부 판 스프링(3,4)이 상하로 진동하면, 이에 부착된 PCB 기판(6)도 상하로 진동한다. PCB 기판(6) 상에는 발전소자(5)가 구비된다.
발전소자(5)는 MEMS 기반의 압전 발전 소자 등을 이용한다. 즉, 발전소자(5)는 진동을 전기에너지로 변환하는 소자로서, 진동으로부터 전력을 발생시킨다. 결국, 에너지 하베스터(1)는 상부 및 하부 판 스프링(3,4)의 상하 진동에 의하여 전력을 발전시키는 장치이다.
한편, 상부 및 하부 판 스프링(3,4)은 앞서 설명한 바와 같이 서로 대향하여 구비되되, 케이스(2)의 위에서 바라볼 때 서로 대칭되어 구성된다. 즉, 케이스(2)의 내부의 중앙의 한 점을 중심으로 점 대칭이거나, 그 점을 지나는 직선을 중심으로 선 대칭의 구조를 갖는다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상부 판 스프링(3)은 케이스(2)의 상단부의 오른쪽 측면(또는 오른쪽 중 위쪽)에 고정되고, 하부 판 스프링(4)은 케이스(2)의 하단부의 왼쪽 측면(또는 왼쪽 중 아래쪽)에 고정된다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(3,4)이 케이스(2)에 고정되는 부분이, 위에서 볼 때, 서로 대칭을 이룬다.
또한, 상부 및 하부 판 스프링(3,4)의 전체 나선 모양도 서로 대칭이고, 위에서 볼 때, 서로 대칭적으로 형성되도록 구성되고 있다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(3,4)의 진동은 측면에서 볼 때, 대칭점(또는 대칭선)을 중심으로 대칭을 이루면서 진동하게 된다.
그러나 이와 같이 상부 및 하부 판 스프링(3,4)이 서로 대칭을 이루기 때문에, 파손에 취약하고, 발전효율도 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 낮은 출력 때문에 경제성이 낮다고 인식되고 타이어와 같이 다양한 작동환경에서는 정상적인 에너지 수확이 힘들 수 있다. 그 주 원인으로 소자의 파손을 예로 들 수 있다. 이와 같은 문제점은, 판 스프링의 구조가 대칭적인 구조인 반면, 에너지 하베스터(1)에 가해지는 힘(또는 진동)은 비대칭적으로 전달되기 때문이다.
예를 들어, 약 시속 60Km/h의 130g(중력)의 가속도를 받는 주행환경에서, 기존의 에너지 하베스터의 경우 발전효율을 높이기 위해 구조적 안전장치를 하지 않으면 구조적인 불안정 및 큰 구심력으로 인해 하베스터의 파손이 쉽게 발생한다. 또한, 구조적인 안정을 위해 충격을 흡수할 수 있는 스프링을 부착하면 발전효율이 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상부 및 하부의 판 스프링에 부착된 발전소자에 의해 진동을 전기에너지로 변환하되, 상부 및 하부의 판 스프링을 서로 비대칭 구조로 형성하는, 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및 그 공기압 감지 시스템을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 목적은 판 스프링(plate spring)을 이용한 비대칭 구조의 압전 에너지 하베스터 캔틸레버 구조체를 이용하여, 안정적이며 고효율의 압전 에너지 하베스팅을 하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 비대칭 구조의 판 스프링에 의해 진동하는 발전소자를 구비한 에너지 하베스트가 타이어의 내면의 내주연과 수직하도록 설치되는, 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및 그 공기압 감지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 소정의 높이를 가지는 케이스; 스프링 나선의 일단(이하 제1 고정부)이 상기 케이스의 상단부 일측면과 연결되어 설치되는 나선형의 상부 판 스프링; 스프링 나선의 일단(이하 제2 고정부)이 상기 케이스의 하단부 일측면에 연결되어 설치되는 나선형의 하부 판 스프링; 및, 상기 상부 및 하부 판 스프링의 중앙에 부착되고, 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하는 PCB 기판을 포함하고, 상기 상부 및 하부 판 스프링은 위에서 바라볼 때 서로 비대칭 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 제1 및 제2 고정부가 상기 케이스의 동일한 측면 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 제1 및 제2 고정부가 상기 케이스의 동일한 측면의 동일한 수직선 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 판 스프링은 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하여 진동을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스터를 포함하고 타이어 내부에 설치되는 타이어 공기압 감지 시스템에 관한 것으로서, 상기 에너지 하베스터는, 소정의 높이를 가지는 케이스; 스프링 나선의 일단(이하 제1 고정부)이 상기 케이스의 상단부 일측면과 연결되어 설치되는 나선형의 상부 판 스프링; 스프링 나선의 일단(이하 제2 고정부)이 상기 케이스의 하단부 일측면에 연결되어 설치되는 나선형의 하부 판 스프링; 및, 상기 상부 및 하부 판 스프링의 중앙에 부착되고, 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하는 PCB 기판을 포함하고, 상기 상부 및 하부 판 스프링은 위에서 바라볼 때 서로 비대칭 구조로 형성되고, 상기 에너지 하베스트는 상기 타이어의 내면의 내주연과 수직하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및 그 공기압 감지 시스템에 의하면, 기존의 에너지 하베스팅 구조에서 비대칭 구조를 적용함에 따라 구조적인 안정성과 신뢰성을 높일 수 있고, 출력 성능의 향상 등 발전효율의 증대를 동시에 실현할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 신차에 적용되는 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)에 적용하여 공기압센싱 및 에너지 하베스팅이 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전자노이즈가 발생하지 않으면서도 반영구적으로 사용할 수 있어 효과적이면서도 바람직한 대체 에너지 기술로 사용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 에너지 하베스터의 사시도 및 평면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터의 사시도 및 평면도.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터의 사시도 및 평면도.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 타이어 공기압 감지 시스템의 구성도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따라 타이어 내부에서의 타이어 공기압 감지 시스템의 설치 구성도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따라 타이어 내부에서의 에너지 하베스터의 설치 구성도.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실험에 의한, 시간에 따른 출력전압 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터(10)의 구성을 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터(10)는 케이스(20)와, 케이스(20)에 연결된 상부 및 하부 판 스프링(30,40), 발전소자(51)가 구비된 PCB 기판(50)으로 구성된다.
케이스(20)는 소정의 높이를 가지고, 상단부에는 상부 판 스프링(30)이, 하단부에는 하부 판 스프링(40)이 연결되어 구비된다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(30,40)은 서로 소정의 높이만큼 이격되어, 서로 대향하여 구비된다.
상부 및 하부 판 스프링(30,40) 모두 나선형 스프링으로 구성되고, 스프링 나선의 일단(32,42)이 케이스(20)에 연결되고, 타단 또는 판 스프링의 중앙부(33,43)에 PCB 기판(50)이 부착된다. 즉, PCB 기판(50)은 위 아래로 모두 상부 및 하부 판 스프링(30,40)의 중앙부(33,43)에 부착되어 연결된다.
또한, 판 스프링(30,40)은 도 2와 같이, 사각형 형태일 수도 있고, 원형일 수도 있다.
도 2a와 같이, 상부 및 하부 판 스프링(30,40)은 나선 스프링을 지지하기 위한 지지대(31,41)가 있고, 지지대(31,41)가 케이스(20)에 고정된다. 이로써, 판 스프링(30,40)이 케이스(20)에 고정된다. 이때 지지대(31,41)에 연결되는 나선 스프링 부분을 고정부(32,42)라 부르기로 한다. 결합된 상태에서, 고정부(32,42)가 결국 케이스(20)에 고정되는 부분이므로, 고정부(32,42)가 케이스(20)에 연결되어 고정되는 부분이라고도 한다.
상기와 같은 구조로 인해, 상부 및 하부 판 스프링(30,40)이 상하로 진동하면, 이에 부착된 PCB 기판(50)도 상하로 진동한다. PCB 기판(50) 상에는 발전소자(51)가 구비된다.
발전소자(51)는 MEMS 기반의 압전 발전 소자 등을 이용한다. 즉, 발전소자(51)는 진동을 전기에너지로 변환하는 소자로서, 진동으로부터 전력을 발생시킨다. 결국, 에너지 하베스터(10)는 상부 및 하부 판 스프링(30,40)의 상하 진동에 의하여 전력을 발전시키는 장치이다.
한편, 상부 및 하부 판 스프링(30,40)은 앞서 설명한 바와 같이 서로 대향하여 구비되되, 케이스(20)의 위에서 바라볼 때 서로 비대칭으로 구성된다. 즉, 케이스(20)의 내부의 중앙의 한 점을 중심으로 비대칭이거나, 그 점을 지나는 직선을 중심으로 비대칭의 구조를 갖는다.
도 2a 또는 2b에서 보는 바와 같이, 상부 판 스프링(30)은 케이스(20)의 상단부의 왼쪽 측면(또는 왼쪽 중 아래쪽)에 고정되고, 하부 판 스프링(40)도 케이스(20)의 하단부의 왼쪽 측면(또는 왼쪽 중 아래쪽)에 고정된다. 즉, 수직선 상에서 동일한 위치에 고정되고 있다.
따라서 상부 및 하부 판 스프링(30,40)이 케이스(20)에 고정되는 부분이, 위에서 볼 때, 서로 비대칭을 이룬다. 중심점이나, 중심점을 지나는 직선을 대상으로 모두 비대칭이다.
한편, 상부 및 하부 판 스프링(30,40)의 전체 나선 모양은 서로 동일할 수 있다.
다만, 도 2b에서 보는 바와 같이, 케이스(20)에 연결하는 부분(고정부)(32,42)가 서로 비대칭이어서, 위에서 볼 때, 전체적으로 서로 비대칭적으로 형성되도록 구성된다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(30,40)의 진동은 측면에서 볼 때, 대칭점(또는 대칭선)을 중심으로 비대칭을 이루면서 진동하게 된다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터(10)의 구성을 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터(10)는 앞서 설명한 제1 실시예의 에너지 하베스터와 동일하다. 다만, 케이스(20)에 연결된 상부 및 하부 판 스프링(30,40)의 고정 형태에 차이가 난다.
도 3a 또는 3b에서 보는 바와 같이, 상부 판 스프링(30)은 케이스(20)의 상단부의 왼쪽 측면(또는 왼쪽 중 아래쪽)에 고정되고, 하부 판 스프링(40)은 케이스(20)의 하단부의 왼쪽 측면(또는 왼쪽 중 위쪽)에 고정된다. 따라서 상부 및 하부 판 스프링(30,40)이 케이스(20)에 고정되는 부분(또는 고정부)(32,42)이, 위에서 볼 때, 케이스(20)의 동일한 측면 상에 위치한다. 그러나 동일한 수직선 상에 위치하지 않을 수 있다.
그러나 앞서 제1 실시예와 같이, 제2 실시예에 따른 에너지 하베스터(10)도 위에서 바라볼 때, 서로 비대칭을 이룬다. 이때는 중심점을 중심으로 비대칭이다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따라 에너지 하베스터(10)가 자가발전 전원으로 구성되는 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS)(100)의 구성을 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 타이어 공기압 감지 시스템(100)은, 에너지 하베스터(10)와, 에너지 하베스터(10)로부터 발생된 전력이 충전되는 두 개의 커패시터(130,131)로 구성된다. 또한, 입력단의 전압이 출력단의 전압과 차이가 날 때, 이에 대한 조절을 수행한는 DC/DC 컨버터(110)와, TPMS 제어을 위한 로직 프로그램을 구비한 TPMS 제어회로(120)를 포함하여 구성한다.
이 경우, 진동 발전을 통해 발생된 전력은 TPMS 모듈이 필요로 하는 전력을 공급하기 위하여 적절한 전압 변환 및 저장을 요구한다. 이와 같은 전력저장 및 변환은 AC 형태의 발진 전력을 발생하는 전원을 정류 변환을 수행한다. 정류 변환된 전압은 다시 전압 DC 전압변환을 수행하여 TPMS 모듈에서 적용할 수 있는 전압레벨로 변환을 수행한다.
이와 같은 무전원 TPMS 전력 공급을 위한 에너지 하베스터(10) 탑재를 통해 기존의 배터리에 대한 한계를 탈피하여 계속으로 전력을 발생시켜 타이어 압력 및 기타 정보를 무선으로 전송한다. 이와 같은 구조는 무선의 전송 및 센서 신호들의 정보를 읽을 때 마다 에너지의 소모를 발생시킨다. 그리고, 이와 같은 에너지 소모는 자가발전에 의해 발생된 전력을 커패시터(130,131)에 충전시키고 이 충전된 전위(V1, V2)의 조건에 따라 정보의 무선 전송 및 센서의 정보를 읽는다.
이에 따라서, 먼저 차가 이동되면 TPMS 내부에 장착되어 있는 장치에 의해 제어로직(프로그램)이 시작된 후 V1, V2 및 압력 조건에 따라 무선 RF 송신이 이루어지게 된다.
한편, 도 5에서 보는 바와 같이, 타이어 공기압 감지 시스템(100)은 통상의 경우와 같이, 타이어 내부에 구비된다. 즉, 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS)(100)은 차량의 전륜 좌우, 후륜 좌우측 4개의 타이어(200) 내부 중 양쪽 비드(210)(또는 비드링(220))들의 사이, 즉, 타이어의 내면의 내주연(230)에 장착되는 것이 바람직하다.
이때, 바람직하게는, 도 6에서 보는 바와 같이, 에너지 하베스트(10)는 타이어의 내면의 내주연(230)과 수직하도록 설치된다.
다음으로, 본 발명에 따른 에너지 하베스터(10)의 비대칭 구조에 따른 효과 및 특징을 보다 구체적으로 설명한다.
기존의 에너지 하베스터의 충격완화를 위한 대칭구조의 스프링을 적용한 모델과 달리 비대칭구조의 스프링을 에너지 하베스터에 적용하여 응력이 불균일하게 분포되지 않고 특정한 방향으로의 편심하중 및 모멘트를 집중적으로 발생시킨다.
따라서 편심하중과 동시에 발생된 모멘트에 의해 압전재료에 기존의 구조보다 집중된 응력 및 변형을 받게 함으로써, 단순히 구조적인 안정성 향상에 그치지 않고 발전효율을 동시에 높일 수 있다.
또한, 에너지 하베스터의 장착 위치를 하나의 각도에 국한시키지 않고 다양한 각(angle)에 적용하여 구동시킬 경우, 축하중과 모멘트의 2개의 힘이 동시에 받지 않게 되어 구조물에 파손이 일어나 기능상 문제를 일으키지 않으면서도 안정적인 에너지 하베스팅이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따는 비대칭 스프링 구조의 적용은 발전효율의 향상 뿐만 아니라 충격이 인가되는 방향에 관계없이 일정하게 안정적인 출력 전압을 발생 시킨다는 큰 장점을 가진다. 따라서 TPMS 적용에서도 구심력의 영향력에 의한 캔틸레버 구조체의 휨은 최소화하면서 발전효율을 증대시키는 방향으로 장착이 가능하며, TPMS뿐만 아니라 특정 방향이 아닌 다양한 방향에서 인가되는 가속력의 효율적 활용을 위한 최적으로 구조체로 활용이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 효과를 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한다.
본 발명의 효과를 확인하기 위하여, 도 1과 같은 종래기술에 의한 에너지 하베스터(1)와 본 발명에 따른 에너지 하베스터(10)에 대하여 비교 실험을 진행하였다. 0.1g(중력) 가속도에서 각 에너지 하베스터에서 출력되는 전압을 측정하였다. 또한, 공진주파수는 125Hz로 진동을 가하였다.
도 7은 종래기술에 의한 에너지 하베스터(1)를 진동면에서 수평으로 장착한 후, 시간에 따른 출력전압 그래프를 도시한 것이다. 이때, 출력전압의 피크-피크는 0.7V 이다.
또, 도 8은 종래기술에 의한 에너지 하베스터(1)를 진동면에서 수직으로 장착한 후, 시간에 따른 출력전압 그래프를 도시한 것이다. 이때, 90ㅀ로 각도(angle)를 변경하였을 때, 공진주파수 125Hz에서 0.4V의 피크-피크 출력전압을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 수직으로 장착하면 출력전압이 수평인 경우에 비하여 상당히 감소하는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 에너지 하베스터(10)를 진동면에서 수평으로 장착한 후, 시간에 따른 출력전압 그래프를 도시한 것이다. 이때, 출력전압의 피크-피크는 1V임을 알 수 있다. 따라서 종래기술에 의한 에너지 하베스터(1)의 0.7V 보다 더 큰 출력 전압이 나오는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 10은 본 발명에 따른 에너지 하베스터(10)를 진동면에서 수직으로 장착한 후, 시간에 따른 출력전압 그래프를 도시한 것이다. 이때, 90ㅀ로 각도(angle)를 변경하였을 때, 공진주파수 125Hz에서 1.2V의 피크-피크 출력전압을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 수직인 경우의 출력전압이 수평인 경우에 비하여 더 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 종래기술에 따른 수직과 수평인 경우의 에너지 하베스터(1)의 실험 결과와는 정반대이다.
실험결과를 요약하면 다음과 같다.
- 비대칭 구조에서 판 스프링(plate spring)이 구동하는 변위는 양단 고정인 대칭 구조보다 크다.
- 비대칭 구조에서 판 스프링(plate spring)에 비틀림이 추가 발생하여 응력이 증가하는 것으로 분석된다.
- 비대칭 구조를 적용했을 경우, 각(angle) 변화에 따른 발전량 변화를 보이지 않으므로 타이어와 같은 회전운동을 하는 구조물에 적용했을 때 안정된 에너지 하베스팅이 가능할 것이라고 기대된다.
- 따라서 접힘 캔틸레버가 받는 응력은 증가하고 출력전압 및 발전량도 크다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 에너지 하베스터 20 : 케이스
30 : 상부 판 스프링 40 : 하부 판 스프링
50 : PCB 기판 51 : 발전소자
100 : 타이어 공기압 감지 시스템
110 : DC/DC 컨버터 120 : 전압변환 및 충전부
130,131 : 커패시터

Claims (5)

  1. 소정의 높이를 가지는 케이스;
    스프링 나선의 일단(이하 제1 고정부)이 상기 케이스의 상단부 일측면과 연결되어 설치되는 나선형의 상부 판 스프링;
    스프링 나선의 일단(이하 제2 고정부)이 상기 케이스의 하단부 일측면에 연결되어 설치되는 나선형의 하부 판 스프링; 및,
    상기 상부 및 하부 판 스프링의 중앙에 부착되고, 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하는 PCB 기판을 포함하고,
    상기 상부 및 하부 판 스프링은 위에서 바라볼 때 중심점을 중심으로 서로 비대칭 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정부가 상기 케이스의 동일한 측면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정부가 상기 케이스의 동일한 측면의 동일한 수직선 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 판 스프링은 원형 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터.
  5. 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하여 진동을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스터를 포함하고 타이어 내부에 설치되는 타이어 공기압 감지 시스템에 있어서,
    상기 에너지 하베스터는,
    소정의 높이를 가지는 케이스;
    스프링 나선의 일단(이하 제1 고정부)이 상기 케이스의 상단부 일측면과 연결되어 설치되는 나선형의 상부 판 스프링;
    스프링 나선의 일단(이하 제2 고정부)이 상기 케이스의 하단부 일측면에 연결되어 설치되는 나선형의 하부 판 스프링; 및,
    상기 상부 및 하부 판 스프링의 중앙에 부착되고, 진동에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전소자를 구비하는 PCB 기판을 포함하고,
    상기 상부 및 하부 판 스프링은 위에서 바라볼 때 중심점을 중심으로 서로 비대칭 구조로 형성되고,
    상기 에너지 하베스트는 상기 타이어의 내면의 내주연과 수직하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 타이어 공기압 감지 시스템.
KR20130061179A 2013-05-29 2013-05-29 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템 KR101489151B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130061179A KR101489151B1 (ko) 2013-05-29 2013-05-29 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130061179A KR101489151B1 (ko) 2013-05-29 2013-05-29 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140140378A KR20140140378A (ko) 2014-12-09
KR101489151B1 true KR101489151B1 (ko) 2015-02-03

Family

ID=52458269

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130061179A KR101489151B1 (ko) 2013-05-29 2013-05-29 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101489151B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107959440A (zh) * 2018-01-09 2018-04-24 大连理工大学 一种基于机械诱导的宽频俘能器
DE102019200049A1 (de) 2019-01-04 2020-07-09 Aktiebolaget Skf A suspension assembly
DE102019200048A1 (de) 2019-01-04 2020-07-09 Aktiebolaget Skf Aufhängungsfeder
CN110165937B (zh) * 2019-06-05 2020-08-07 南京邮电大学 一种内嵌对数螺线管的亚波长低频声波发电器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59194677A (ja) * 1983-03-28 1984-11-05 インペリアル・クレバイト・インコ−ポレイテツド 圧電変換器電源
JP2008537847A (ja) 2005-03-24 2008-09-25 エール大学 エネルギーハーベスト装置
KR100956076B1 (ko) 2008-10-02 2010-05-07 한국과학기술연구원 나선형 구조를 가지는 고효율 압전 에너지 하베스터
KR101232629B1 (ko) 2011-07-19 2013-02-13 연세대학교 산학협력단 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치, 이에 이용가능한 외팔보 진동체 및 그 제작방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59194677A (ja) * 1983-03-28 1984-11-05 インペリアル・クレバイト・インコ−ポレイテツド 圧電変換器電源
JP2008537847A (ja) 2005-03-24 2008-09-25 エール大学 エネルギーハーベスト装置
KR100956076B1 (ko) 2008-10-02 2010-05-07 한국과학기술연구원 나선형 구조를 가지는 고효율 압전 에너지 하베스터
KR101232629B1 (ko) 2011-07-19 2013-02-13 연세대학교 산학협력단 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치, 이에 이용가능한 외팔보 진동체 및 그 제작방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140140378A (ko) 2014-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101489151B1 (ko) 비대칭 구조의 진동 기반 에너지 하베스터 및, 타이어 공기압 감지 시스템
JP2008526596A (ja) タイヤモジュール及びタイヤモジュールを有する空気タイヤ
JP3790255B1 (ja) エネルギー変換装置並びにこれを備えた移動体及びエネルギー変換システム
US8922098B2 (en) Method and device for energy harvesting
JP2010038361A (ja) 懸架装置用エネルギー回生装置
CN101754874B (zh) 用于确定车辆运行期间轮胎工作参数的方法和系统
US7191653B2 (en) Tuning fork vibratory MEMS gyroscope
US8878421B2 (en) Energy harvesting/tire pressure, temperature and tire data transmitter
JP5318720B2 (ja) 電子制御装置
JP2009527212A (ja) 射出成形により形成したエネルギ獲得デバイス
CA2500281A1 (en) Power consumption protocol
US20130270659A1 (en) Angular velocity sensor
KR101740690B1 (ko) 차량 타이어용 자가 발전 장치
JP4482916B1 (ja) 発電装置
CN104929879A (zh) 一种轮胎内能量回收装置
Makki et al. Piezoelectric power generation for sensor applications: design of a battery-less wireless tire pressure sensor
JP2012023839A (ja) 静電容量変化型発電装置
JP2008030640A (ja) 車両用発電装置
CN203067649U (zh) 一种汽车减振装置
CN106452177A (zh) 轨道蓄能装置与系统
CN107650625A (zh) 复合式减振装置和车载空调
JP6095119B2 (ja) エネルギー収穫／タイヤ圧、温度、及びタイヤデータ送信器
KR20130135846A (ko) 에너지 수확/타이어 압력, 온도 및 타이어 데이터 송신기
CN104485847A (zh) 一种压电振动发电机
CN101929907A (zh) 砝码防偏摆装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180122

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190124

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200122

Year of fee payment: 6