KR20090082527A - Piezoelectric vibration harvester, generating device with piezoelectric vibration energy harvester and driving method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전소자, 압전소자를 이용한 발전장치와 그 구동방법에 대한 것으로, 압전재료를 폴리머로 구성하여 외부의 진동에 대한 파손을 방지하면서, 끝부분만을 진동시켜 전기에너지를 발생시키는 압전소자와 압전소자에 대한 평면운동을 상하수직운동으로 변환함으로써 진동의 전달을 원활하게 하여 전력을 출력할 수 있게 하는 압전소자를 이용한 발전장치에 대한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric element, a power generation device using the piezoelectric element, and a driving method thereof. The piezoelectric element is composed of a piezoelectric material made of polymer and prevents damage to external vibration, while only a piezoelectric element vibrates at the end to generate electrical energy. The present invention relates to a power generation apparatus using a piezoelectric element that converts a planar motion of a piezoelectric element into a vertical and vertical motion to smoothly transmit vibration and output power.
압전물질은 압전 발전기의 핵심요소로서 다양한 응용분야를 갖는다. 무기물 및 유기물을 포함하는 많은 수의 재료가 압전현상을 일으키는 재료로서 알려져 있으며, PZT, BaTiO3, Ba2TiO4 등과 같은 재료들이 압전물질로 흔히 사용된다. Piezoelectric materials are a key element of piezoelectric generators and have various applications. A large number of materials including inorganic and organic materials are known as piezoelectric materials, and materials such as PZT, BaTiO 3 and Ba 2 TiO 4 are commonly used as piezoelectric materials.
위와 같은 압전물질로 제조된 압전체는 그 압전체에 가해지는 힘에 의해 전압을 발생시키며, 그 인가된 힘의 크기에 따라 발생되는 전압의 양이 변화된다. The piezoelectric material made of the piezoelectric material as described above generates a voltage by the force applied to the piezoelectric material, and the amount of generated voltage is changed according to the magnitude of the applied force.
이와 같은 압전체를 이용하여 압전 발전기를 제작하는 데 있어서는 외부의 충격 또는 진동에 대하여 압전체에 손실을 최소화하여 효과적으로 전달하는 것이 중요하다. In manufacturing a piezoelectric generator using such a piezoelectric material, it is important to effectively reduce the loss to the piezoelectric body against external shock or vibration.
또한 과도한 충격이 압전체에 전달되어 압전체가 파손될 수 있으므로 외부의 기계적 에너지는 효과적으로 전달하면서도 과도한 충격이 전달되는 것을 방지할 수 있는 구조가 요구된다. 특히, 세라믹으로 된 압전체의 경우에는 취성이 강하므로 기계적에너지를 효과적으로 전달하면서도 동시에 과도한 외력으로부터 압전체의 파손을 방지할 수 있는 하우징이 필요하다. In addition, since the excessive shock may be transmitted to the piezoelectric body and the piezoelectric body may be broken, a structure capable of effectively transmitting external mechanical energy while preventing excessive shock is transmitted. In particular, in the case of a ceramic piezoelectric body, brittleness is strong, and thus a housing capable of effectively transmitting mechanical energy and preventing damage to the piezoelectric body from excessive external force is required.
그리고 상하 방향의 진동이 아닌 단순한 평면 상의 움직임을 바탕으로 한 발전에는 압전발전기에 효과적으로 진동을 전달할 수 있는 장치를 갖추어야 한다는 문제점이 있었다. In addition, there is a problem in that power generation based on a simple planar movement, not vibration in the up and down direction, must be provided with a device capable of effectively transmitting vibration to the piezoelectric generator.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 폴리머 재질의 압전재료를 사용함으로서 파손을 예방하고, 기계적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 압전소자를 제공하고자 하는 것이 본 발명의 제 1 목적이다.The present invention has been made in order to solve the above problems, it is to provide a piezoelectric element capable of preventing damage and converting mechanical energy into electrical energy by using a piezoelectric material of a polymer material. 1 purpose.
본 발명의 제 2 목적은 평면 운동상태의 움직임을 통해서 상하 수직 방향의 진동을 발생시키고 이러한 진동을 전기적 에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있는 발전장치와 그 구동방법을 제공하는 것이다.It is a second object of the present invention to provide a power generating apparatus and a driving method thereof capable of generating power by generating vibration in the vertical direction through the movement in a planar motion state and converting the vibration into electrical energy.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들, 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명하여질 것이다. Other objects, specific advantages, and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings.
본 발명에 따른 압전소자는 폴리머 재질로 구성되어 있는 제 1 압전판(10); 제 1 압전판(10)과 병렬로 연결되어 있는 제 2 압전판(20); 및 제 1 압전판(10)과 제 2 압전판(20) 사이에 보강재(30)를 포함하고, 보강재(30)의 길이가 더 긴 것을 특징으로 한다. The piezoelectric element according to the present invention includes a first
특히, 제 1 압전판과 제 2 압전판의 재료는 PVDF로 구성되어 있다.In particular, the material of the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate is composed of PVDF.
특히, 보강재의 재료는 스테인레스 스틸판, 황동판, PET중 어느 하나이다.In particular, the material of the reinforcing material is any one of stainless steel plate, brass plate, PET.
특히, 제 1 압전판과 제 2 압전판은 고정단 측에서 자유단 측으로 갈수록 폭이 증가하는 형상으로 구성된다.In particular, the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate are configured to have a width that increases from the fixed end side to the free end side.
제 1 압전판과 제 2 압전판은 고정단 측에서 자유단 측으로 2/3 되는 지점이 폭이 가장 큰 형상이다.The first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate have a shape having the largest width at a
홈을 가지고 있는 판에 위치하는 폴리머 재질이 구슬; 구슬이 측부 표면에 밀착되어 있는 축; 축의 단부에 위치하는 톱니바퀴; 톱니바퀴의 톱니 사이에 일단이 물려있는 압전소자로 구성된다.A polymer material bead located in the grooved plate; An axis in which the beads are in close contact with the side surface; A cog wheel positioned at the end of the shaft; It consists of a piezoelectric element with one end held between the teeth of a cog wheel.
판과 수직하게 위치하는 바퀴; 바퀴의 중심을 관통하는 축; 축을 중심으로 하여 회전하는 톱니바퀴; 톱니바퀴의 톱니사이에 일단이 물려 있는 압전소자로 구성된다. Wheels located perpendicular to the plate; An axis penetrating the center of the wheel; A gear that rotates about an axis; It consists of a piezoelectric element with one end sandwiched between the teeth of a cog wheel.
특히, 압전소자에서 출력되는 전기에너지를 직류로 변환하는 정류기; 상기 정류기에서 나온 전기에너지를 저장하는 콘덴서; 콘덴서에 저장된 전하량을 모니터링하는 배터리 모니터링칩; 배터리모티너링 칩으로부터 나온 전압데이터로부터 충전과정을 수행하는 레귤레이터를 더 포함한다.In particular, a rectifier for converting the electrical energy output from the piezoelectric element into a direct current; A capacitor for storing electrical energy from the rectifier; A battery monitoring chip for monitoring the amount of charge stored in the capacitor; It further includes a regulator for performing a charging process from the voltage data from the battery monitoring chip.
특히, 레귤레이터에서 출력되는 전압은 2.4~3V이다.In particular, the voltage output from the regulator is 2.4V to 3V.
특히, 판과 바퀴사이에 베어링을 더 포함하고 있어서 판의 수직방향을 중심축으로 하여 바퀴가 360°회전이 가능하다.In particular, further comprising a bearing between the plate and the wheel allows the wheel to rotate 360 ° around the vertical axis of the plate.
특히 톱니바퀴의 톱니는 타원형의 형상이다.In particular, the teeth of the cog wheels are oval-shaped.
본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구동방법은 압전소자를 이용한 발전장치의 평면 운동단계(S110); 평면운동에 따라 판의 홈을 통해서 나와 있는 구슬이 회전을 하고, 회전에 따른 회전력을 축에 전달하는 단계(S210); 축(540)에 전달된 회전력을 이용하여 톱니바퀴(540)를 회전시키는 단계(S310); 톱니바퀴(520) 의 회전으로 톱니바퀴(520)와 물려있는 압전소자가 진동하는 단계(S410); 압전소자의 진동으로 발생한 전기에너지를 직류로 정류하는 단계(S510); 저장된 전기에너지를 출력하는 단계(S610)로 이루어진다.The driving method of the power generator using the piezoelectric element according to the present invention comprises a plane motion step (S110) of the power generator using the piezoelectric element; The ball coming out through the groove of the plate rotates in accordance with the plane motion, and transmitting the rotational force according to the rotation to the shaft (S210); Rotating the
본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구동방법은 판의 아래에 있는 바퀴가 회전하는 단계(S120); 바퀴의 회전으로 중심에 축과 축에 연결된 톱니바퀴가 회전하는 단계(S220); 톱니바퀴의 회전으로 톱니바퀴와 물려있는 압전소자가 진동하는 단계(S320); 압전소자의 진동으로 발생한 전기에너지를 직류로 정류하는 단계(S420); 직류로 정류된 전기에너지를 콘덴서에 저장하는 단계(S520); 저장된 전기에너지를 출력하는 단계(S620);로 이루어진다.Method of driving a power generation apparatus using a piezoelectric element according to the present invention comprises the steps of rotating the wheel under the plate (S120); Rotating the gear wheel is connected to the axis and the axis in the center of the rotation of the wheel (S220); Vibrating the cogwheel and the piezoelectric element that is bitten by the rotation of the cogwheel (S320); Rectifying the electrical energy generated by the vibration of the piezoelectric element with a direct current (S420); Storing electrical energy rectified by DC in a condenser (S520); Outputting the stored electrical energy (S620); consists of.
본 발명에 따른 압전재료를 이용한 압전소자는 압전재료를 폴리머 재질로 구성함으로써 톱니바퀴의 회전에 따른 진동에 의해서 파손되지 않고 사용할 수 있다. The piezoelectric element using the piezoelectric material according to the present invention can be used without being damaged by vibration caused by the rotation of the cogwheel by configuring the piezoelectric material with a polymer material.
압전소자에 외력이 평면운동 방향인 경우, 이를 수직진동으로 바꾸어 평면운동만으로도 전력생산이 가능하다. 뿐만 아니라, 이러한 압전소자를 이용한 발전장치에서 출력되는 전류를 저장하였다가 사용자가 설정한 전압으로 출력하는 것이 가능하므로 소형전자기기의 보조 전원으로써 응용이 가능하다.When the external force in the piezoelectric element is in the direction of planar motion, it is converted into vertical vibration and thus power can be produced by planar motion alone. In addition, since the current output from the power generation device using the piezoelectric element can be stored and output at a voltage set by the user, it can be applied as an auxiliary power source for small electronic devices.
여기에 유한요소 해석프로그램(FEM)과 최적화 알고리즘을 사용하여 제한 조건하에서 많은 전류가 출력되도록 설계할 수 있다.In addition, a finite element analysis program (FEM) and an optimization algorithm can be used to design a large current output under limit conditions.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용에 대하여 설명하면 다 음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the configuration and operation of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 압전소자의 구성을 보여주는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 압전소자는 발전장치가 고정될 수 있는 지지대(60)와 이 지지대(60)에 결합되어 있는 제 1,2 압전판(10,20)과 이러한 제 1, 2 압전판(10,20)의 사이에는 외부의 응력에 대한 파손방지를 위한 보강재(30)로 구성되어 있다.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a piezoelectric element according to the present invention. As shown in FIG. 1, the piezoelectric element includes a
이러한 제 1,2 압전판(10,20)과 보강재(30)사이에는 도전성구리테이프(40)가 위치한다. 그리고 이러한 도전성구리테이프(40)는 전선(50)을 통해서 외부의 전하저장수단과 연결되어 있다. The
압전소자(100)의 일단은 보강재(30)의 길이가 제 1, 2 압전판(10,20)에 비하여 더 길게 구성되어 있는 바, 보강재(30)가 돌출된 형상이다. 이때 보강재(30)가 돌출된 부분이 자유단이고, 다른 한 쪽이 고정단이 된다. 이러한 제 1, 2 압전판(10,20)은 평판의 형태이다. 그리고 이러한 제 1, 2 압전판(10,20)의 구성물질로는 PZT와 같은 압전재료를 사용할 수 있다.One end of the
압전재료는 압전효과를 보이는 재료를 말한다. 여기서 압전효과는 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 현상을 말한다. 다시 말해 압력이나 진동을 가하면 전기가 생기고, 전기를 흘려주면 진동이 생기는 효과를 통칭한다. Piezoelectric material is a material exhibiting a piezoelectric effect. Here, the piezoelectric effect refers to a phenomenon in which mechanical energy and electrical energy are mutually converted. In other words, when pressure or vibration is applied, electricity is generated.
수정, 전기석, 로셀염 등이 예로부터 알려져 있는 것 외에 티탄산 바륨, 인산이수소암모늄, 타르타르산에틸렌디아민 등의 인공결정이 현저하게 압전성을 나타낸다.Crystals, tourmalines, roselle salts and the like are known from the past, and artificial crystals such as barium titanate, ammonium dihydrogen phosphate and ethylenediamine tartarate show remarkable piezoelectricity.
이러한 재료 중에서 본 발명에 따른 압전소자는 제 1, 2 압전판(10,20)으로 PVDF(Polyvinylidine fluride)라는 재료를 사용한다. PVDF는 사방정계 결정구조로 길이가 서로 다른 3개의 직교하는 결정축을 가지며, 주축에 평행한 2개의 대칭축이 있다. 광학적으로는 비등방성이며 2축성이다. Among such materials, the piezoelectric element according to the present invention uses a material called polyvinylidine fluride (PVDF) as the first and second
하지만 비닐과 같은 유연성이 있으므로 헤드폰, 스피커에 응용된다. But it has the same flexibility as vinyl, so it is applied to headphones and speakers.
[표 1]은 압전 재료에 필요한 물성을 나타내는 테이블이다.Table 1 is a table showing the physical properties required for piezoelectric materials.
[ 표 1]에서 보는 바와 같이, 높은 변형율과 전기기계 결합계수를 가지게 되면 기계적 에너지에서 전기적 에너지로 변환 능력이 우수하다. As shown in [Table 1], having a high strain rate and an electromechanical coupling coefficient is excellent in converting mechanical energy into electrical energy.
d33, k33의 값이 d31, k31의 값보다 크므로, d33 모드 압전 발전기가 더 우수한 물성을 보인다. 그러나 현실적으로 분극방향과 같은 방향으로 얇은 압전재료에 균일한 힘을 가하기가 곤란하기 때문에 특수목적을 제외한 대부분 압전 발전기(100)는 d31모드로 작동되도록 제작한다. Since the value of d 33 , k 33 is greater than the value of d 31 , k 31 , d 33 Mode piezoelectric generator shows better physical properties. However, in reality, since it is difficult to apply uniform force to the thin piezoelectric material in the same direction as the polarization direction, most of the
도 2a,2b는 압전소자(100)에서 작동이 가능한 d31모드와 d33모드를 보여주는 모식도이다. 도 2a,2b에 도시된 바와 같이, d31 , d33 은 압전소자(100)의 동작모드를 나타낸다. 도 2a에 도시된 모드는 d31모드이다. 이러한 d31은 외력이 가해지는 축과 분극축이 수직인 모드이다. 반면에 도 2b에 도시된 모드는 d33모드이다. 이러한 d33은 외력이 가해지는 축과 분극축이 평행한 모드이다. 2A and 2B are schematic diagrams showing a mode d 31 and mode d 33 that can be operated in the
일반적으로 압전재료의 임피던스는 매우 높아 작은 변형에도 높은 전압과 낮은 전류가 발생한다. 따라서 임피던스를 낮추기 위해 압전 발전기(100)에는 유전율이 높은 재료가 선호된다. In general, the piezoelectric material has a very high impedance, which generates high voltages and low currents even at small deformations. Therefore, a material having a high dielectric constant is preferred for the
탄성계수는 압전소자(100)의 강성에 영항을 주어 1차 고유 진동수를 변화시킨다. 압전 발전기(100)의 최대 출력은 가진 주파수와 고유진동수가 같아지는 공진일 때이나, 최대 응력이 인장강도를 넘어서면 소성변형의 가능성이 있으므로 재료의 선정시 이것을 유의하여야 한다.The elastic modulus affects the stiffness of the
분극은 외부에서 고전압이 가해졌을 때 이에 대응하여 쌍극자 들이 배열되는 현상을 말한다. 이렇게 분극된 압전재료에 압력을 가하면, 쌍극자 간의 길이를 변화시켜 분극에 영향을 미치며, 재료가 압축됨에 따라 발생한 분극의 영향으로 결정양단의 전류밀도가 증가한다. 이때 도전성구리테이프(40) 양단이 분리되어 있으면, 전압차가 발생하며 양단의 도전성구리테이프(40)가 접촉되어 있으면 전류가 흐르게 된다. Polarization refers to a phenomenon in which dipoles are arranged in response to high voltage from the outside. When pressure is applied to the polarized piezoelectric material, the length between the dipoles is changed to affect the polarization, and the current density at both ends of the crystal increases due to the polarization generated as the material is compressed. At this time, if both ends of the
압전재료 하나로만 압전소자(100)를 만들면, 중립축이 압전재료 내부에 있게 되어, 위, 아래면에 인장, 압축이 동시에 발생한다. 결국 하나의 압전재료에 두 개의 분극이 생기면서 전류가 거의 흐르지 않는다. 그래서 대부분의 압전소자(100)는 금속판 위에 압전재료를 붙이거나 보강재(30)없이 압전재료 두 개를 위, 아래로 붙여서 사용하게 된다. 이때 연결한 분극 방향에 따라 직렬연결과 병렬연결로 나뉜다. When the
도 3a,b는 본 발명에 따른 압전 재료를 직렬 연결한 경우와 병렬 연결한 경우의 전압이 걸리는 방향을 나타내는 모식도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 압전재료를 직렬로 연결할 때에는 분극 방향이 마주보게 되고, 압전재료를 병렬로 연결할 때는 분극 방향이 평행하게 된다.3A and 3B are schematic diagrams showing a direction in which voltage is applied when the piezoelectric materials according to the present invention are connected in series and when connected in parallel. As shown in FIG. 3A, the polarization directions face each other when the piezoelectric materials are connected in series, and the polarization directions are parallel when the piezoelectric materials are connected in parallel.
도 3a는 압전소자의 직렬연결을 나타낸다. 직렬연결의 경우에는 중립면을 중심으로 반대 분극 방향이 되도록 압전재료를 부착하며, 도전성 접착제를 사용하지 않으면, 접착면에도 도전성구리테이프(40)를 붙여 전선(50)을 연결해야 하므로 전선(50)은 2개 이상이 필요하다. 진동할 때 윗면과 아랫면이 반대 전압분포를 가지므로 열린 회로에서는 병렬연결일 때보다 전압 분포가 2배 차이난다. 외부에서 가하는 전압이 층마다 분산되므로 주로 압전모터에 사용된다. 3A shows a series connection of piezoelectric elements. In the case of series connection, piezoelectric material is attached so as to be in the opposite polarization direction with respect to the neutral surface, and if the conductive adhesive is not used, the
도 3b는 압전소자(100)의 병렬연결을 나타낸다. 병렬연결은 중립면을 중심으로 같은 분극 방향이 되도록 압전재료를 부착하며, 전선(50)은 3개가 필요하다. 열린회로에서 전압분포는 직렬연결의 1/2이지만 발전기로 사용할 때는 위, 아래면에서 같은 위상의 전류가 나온다. 따라서 단일 면일 때보다 전류는 2배, 전력은 4배가 출력된다. 3B shows a parallel connection of the
본 발명에 따른 압전 발전기(100)의 경우에는 PVDF라는 매우 유연한 폴리머를 압전재료로 사용한다. 이에 따라 보강재(30)를 사용한다. 이러한 보강재(30)로 사용되는 것은 PET이다. 또한 스테인레스 스틸판이나 황동판을 보강재(30)로 사용하는 것도 가능하다. In the
도 4는 본 발명에 따른 압전소자의 출력부분에 연결된 정전압 출력 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 압전소자(100)의 도전성구리테이프(40)을 통해서 출력되어 나온 전류는 정류기(410)에서 직류전류로 변환된다. 4 is a constant voltage output circuit diagram connected to an output portion of a piezoelectric element according to the present invention. As shown in FIG. 4, the current output through the
그러나 압전소자(100)의 출력전류는 ㎂급 미세한 양이므로 레귤레이터(440)를 바로 가동할 수 없다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 일정량의 전하를 콘덴서(420)에 저장한 후 레귤레이터(440)로 보내주는 회로인 비교기, 또는 배터리 모니터링 칩(430)이 필요하다. 배터리 모니터링 칩(430)에 부착한 외부 저항값을 조절하면 저장 콘덴서(420)의 전압에 따라 레귤레이터(440)의 가동여부를 결정할 수 있다. 이와 같은 저장 콘덴서(420)의 전압은 2.4~3V으로 구성되어 있다.However, since the output current of the
(( 실시예Example 1) One)
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 압전소자(100)를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 볼마우스를 이용한 강제진동장치의 경우에는 폴리머 재질로 되어 있는 구슬(510)과 이러한 구슬(510)의 회전에 따른 회전수를 확인할 수 있는 톱니바퀴(520)로 구성되어 있다. 여기에 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 경우에는 이러한 톱니바퀴(520)의 톱니(530)에 한측면이 위치하고 다른 한 측면은 지지대(60)의 끝에 결합되어 있다.5 is a schematic diagram showing the configuration of a power generator using the
또한 이러한 구슬(510)의 경우에는 판(200)의 위에 위치하고 있는 데 구슬(510)의 직경보다 작은 크기의 직경을 가지고 있는 홈(미도시)을 통해서 바닥에 닿도록 되어 있다. 이것은 이 강제 진동장치를 전후 좌우로 움직였을 때, 구슬(510)을 회전시키도록 하기 위한 것이다. In addition, the
이와 같이 구성되어 있는 강제진동장치는 판(200)위에 위치하는 구슬(510)이 회전하면 구슬(510)의 측면에 연결되어 있는 축이 돌면서 톱니바퀴(520)를 회전시킨다. Forced vibration device configured as described above rotates the
이러한 톱니바퀴(520)의 톱니(530)사이에 압전소자(100)가 있어서 톱니바퀴(520)의 회전시 압전소자(100)의 일단이 상하 진동한다. 이것이 압전발전을 일으키는 구동력이 된다.The
이때 압전재료인 PVDF는 병렬연결이 되어 있으며, 이러한 PVDF사이에는 보강재(30)로 PET가 놓여진다. 그런데 이러한 보강재(30)가 PVDF보다 길이가 더 길도록 구성되어 있다. At this time, the piezoelectric material PVDF is connected in parallel, PET is placed as a reinforcing
이것은 압전재료에 진동을 전달하되 직접적인 충격이 전달되어 압전재료인 PVDF가 파손되는 것을 막기 위함이다.This is to transmit the vibration to the piezoelectric material, but to prevent the piezoelectric material from breaking the PVDF due to the direct impact.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 측단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 폴리머 재질로 되어 있는 구슬(520)을 사이에 두고, 바닥으로부터 수직하게 뻗은 지지대(60)가 돌출되어 있다. 그리고 이러한 지지대(60)의 중앙에는 압전소자(100)가 결합된다. 이와 동시에 구슬(510)의 측면에는 톱니바퀴(520)와 연결되어 있는 축(540)이 있다. 그래서 구슬(510)이 회전하면 톱니바퀴(520)와 연결되어 있는 축(540)이 회전한다. 그러면 톱니바퀴(520)의 톱니(530)사이에 물려있는 압전소자(100)의 보강재(30)가 진동을 받게 되고, 이러한 진동이 압전소자(100)에 전달된다. 이처럼 전달된 진동은 압전소자(100)의 입력인 기계적 에너지가 되고, 이것이 압전소자(100)의 상하면에 전위차를 발생시켜 전류를 흐르게 한다.6 is a side sectional view showing the configuration of a power generation apparatus using a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the
도 6에서는 톱니바퀴(520)의 톱니(530)의 형상을 통상의 형상과 다르게 타원형의 형태로 표현하였다. 이것은 톱니바퀴(520)의 톱니(530)가 사다리꼴의 형태이던 것에 비해 소음을 발생시키지 않는 효과를 얻을 수 있다.In FIG. 6, the shape of the
이러한 압전소자(100)를 이용한 발전장치의 구동방법은 이하와 같다. 먼저 압전소자(100)를 이용한 발전장치가 평면운동을 한다(S110). 이러한 평면운동에 따라 판(200)의 홈을 통해서 나와 있는 구슬(510)이 회전한다. 이러한 구슬(510)이 회전하면, 회전력이 축(540)에 전달된다(S210). 이렇게 축(540)에 회전력이 전달되면, 톱니바퀴(520)가 회전하게 된다(S310). 이러한 톱니바퀴(520)의 회전은 압전소자(100)의 진동을 유도한다(S410). 그리고 이러한 진동은 압전소자(100)에 전달되면서 제 1 압전판(10)과 제 2 압전판(20)의 사이에 전압을 발생시킨다(S510). The driving method of the power generator using the
그리고 이러한 교류 전압은 정류기(410)를 통해서 직류로 정류된다(S610). 그리고 이렇게 직류로 정류된 전기에너지는 콘덴서(420)에 저장된다(S710). 이렇게 저장된 전기에너지는 강제 진동장치 부착형 압전발전기의 필요시에 전력을 출력할 수 있도록 구성되어 있다(S810).The AC voltage is rectified to DC through the rectifier 410 (S610). And the electric energy rectified by the direct current is stored in the condenser 420 (S710). The electrical energy stored in this way is configured to output power when necessary for the forced vibration device attached piezoelectric generator (S810).
(( 실시예Example 2) 2)
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 판(200)에는 베어링(810)을 끼우기 위한 홈(730)을 구비하고 있다. 여기에 바퀴지지대(720)가 수직으로 결합되어 있으며, 이러한 바퀴지지대(720)의 아래에는 바퀴(710)가 위치하고 있어서, 바퀴(710)의 중앙에 축(540)이 관통하도록 되어 있다. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation apparatus using a piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the
그리고 이러한 바퀴(710)의 외측면으로는 톱니바퀴(520)의 톱니(530)가 위치하고 있어서 압전소자(100)의 끝부분과 연결되도록 구성되어 있다. 도 5에서와 마찬가지로 이러한 톱니바퀴(520)의 톱니(530)에는 압전소자(100)의 자유단이 위치하고 있고, 이러한 자유단의 끝에는 보강재(30)가 돌출되어 있어서 PVDF에 진동이 직접 전달되는 것을 막는다. And the outer surface of the
그리고 도 5,6에서와 마찬가지로 톱니바퀴(520)의 톱니(530)의 형상을 사다리꼴의 형태가 아니라 타원형의 형태로 구성하여 소음을 줄일 수 있다. 5 and 6, the shape of the
제 2 실시예에 따른 압전소자(100)는 이러한 톱니바퀴(520)의 축(540)에 수직이 되도록 배치된다. 그래서 톱니바퀴(520)가 회전할 때 진동이 압전소자(100)에 전달되도록 구성되어 있다. The
이러한 장치는 판(200)과 바퀴지지대(720) 사이에는 베어링(810)이 연결되어 있어서 판(200)에 대하여 바퀴지지대(720)가 360°회전이 가능하다. In such a device, a
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 압전소자(100)를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 측단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 판(200)이 전후좌우로 움직이면, 지면에 밀착한 바퀴(710)가 같이 회전하면서, 공유된 축(540)에 부착된 톱니바퀴(520)가 같이 회전한다. 8 is a side cross-sectional view showing the configuration of a power generator using the
이러한 톱니바퀴(520)의 톱니(530) 사이에는 압전소자(100)가 위치하고 있어서 톱니바퀴(520)의 톱니(530)의 진동이 압전소자(100)에 전달된다. 이러한 진동으로 인해 압전소자(100)에서 전류가 생성된다. 도 8에서는 단지 하나의 압전소자(100)가 설치되어 있는 것을 보여주고 있지만 지지대(60)의 위치를 변경하여 여러 개의 압전소자(100)를 설치하는 것도 가능하다. The
도 8과 같은 캐스터 바퀴에 응용이 가능한 압전소자(100)를 이용한 발전장치의 구동방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. 판(200)의 아래에 있는 바퀴(710)가 회전하기 시작한다(S120). 이러한 바퀴(710)의 회전으로 중심의 축(540)과 이러한 중심의 축(540)에 연결된 톱니바퀴(520)가 회전한다(S220). 이러한 톱니바퀴(520)의 회전으로 톱니바퀴(520)에 물려 있는 압전소자(100)가 진동하기 시작한다(S320). 이러한 압전소자(100)의 진동은 도 6에서와 마찬가지로 전기에너지를 발생시킨다(S420). Referring to the driving method of the power generator using the
이때 발생한 전기에너지는 정류기(420)에서 직류로 정류된다(S610). 그리고 이렇게 직류로 정류된 전기에너지를 저장한다(S710). 이렇게 저장된 전기에너지는 강제진동장치 부착형 압전발전기의 출력이 된다(S810).Electrical energy generated at this time is rectified by the DC in the rectifier 420 (S610). And it stores the electrical energy rectified by the direct current (S710). The electrical energy thus stored becomes the output of the forced vibration device attached piezoelectric generator (S810).
도 9는 압전소자(100)를 설계하기 위하여 제한 조건하에서 목적함수를 최대화하는 최적설계방법을 보여주는 흐름도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 매트랩(MATLAB)이라는 프로그램 언어를 사용하여 유한 요소 해석으로 계산된 전류량을 호출하고, SQP알고리즘을 사용하여 최적화 과정을 수행한다. 압전 발전기(100)의 표면을 3 또는 4등분 한 후, 해당하는 폭의 길이를 설계 변수로 결정하고, 폭 양끝을 스플라인 곡선으로 연결하여 형상을 묘사한다. 9 is a flowchart showing an optimal design method for maximizing an objective function under constraint conditions for designing the
먼저 매트랩에서는 초기 형상의 폭을 결정한 후 유한요소 해석프로그램(ANSYS)를 호출하여 초기 형상의 면적, 출력 전류량, 응력을 계산한다(S10). 이러한 해석값을 근거로 설계 변수 상하한, 최대 축차 횟수, 유한 차분법의 설계 변수의 Δx, 수렴조건의 공차, 제한 조건을 설정한 후(S20,S30,S40) 조화해석을 실시한다(S50). 조화해석의 범위는 평면 운동시 톱니바퀴(520)의 톱니(530)가 약 1000Hz이하에서 진동하는 상태를 가정한다. 제한 조건은 초기 PVDF의 면적이내로 제한하는 경우와 면적 제한 조건없이 설계 변수 상하한 값이내로 제한하는 경우로 나눈다.First, the matlab determines the width of the initial shape and then calls the finite element analysis program (ANSYS) to calculate the area, the output current amount, and the stress of the initial shape (S10). Based on these analysis values, the harmonic analysis is performed after setting upper and lower design variables, maximum number of sequential numbers, Δx of design variables of the finite difference method, tolerance of convergence conditions, and constraint conditions (S20, S30, S40). . The range of the harmonic analysis assumes a state in which the
이때 압전소자의 평균전류가 최대화되도록 최적화설계를 한다. 이때 평균 전류는 테스트하고자 하는 10~1000Hz사이에서 샘플링된 값들의 평균을 말한다.At this time, the optimization design to maximize the average current of the piezoelectric element. The average current is the average of the values sampled between 10 and 1000 Hz.
이러한 작업을 수행하고 나서, 제한조건과 수렴조건 만족여부를 점검한 후, 설계변수를 변경하는 작업을 반복한다(S60,S61).After performing such a task, after checking whether the constraint condition and the convergence condition are satisfied, the task of changing the design variable is repeated (S60 and S61).
설계변수 수를 4개에서 5개로 변경하여도 자유단 쪽으로 재료가 몰리는 현상은 유사하게 반복된다. 이러한 과정을 통해서 평균전류를 최대화하는 목적함수가 수렴하는 것을 확인하면 매트랩을 사용한 최적설계 프로그램의 구동은 종료된다(S70).Even if the number of design variables is changed from four to five, the material drift toward the free end is similarly repeated. If the objective function maximizing the average current through this process converges, the driving of the optimal design program using the matlab is terminated (S70).
도 10및 도 11은 초기 넓이 이내로 제한하는 조건하에서 매트랩과 유한 요소 해석프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자(100)의 형상을 보여주는 사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이 넓이가 제한되었을 때에는 고정단으로부터 2/3인 지점에 가장 큰 폭을 갖도록 설계된다. 이때의 구조 역시 도 10에 도시된 바와 같이 제 1 압전판(10)과 제 2 압전판(20)의 사이에는 보강재(30)가 위치하고 있다. 10 and 11 are perspective views showing the shape of the
도 12 및 도 13은 초기 넓이 이내로 제한하는 조건이 없을 때 매트랩과 유한 요소 해석프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자(100)의 형상을 보여주는 단면도이다. 도 13에 도시된 바와 같이 압전재료가 자유단에 많이 분포하도록 설계되는 것이 최대 전류를 얻는데 유리하다. 그리고 이러한 초기 넓이 이내의 제한 조건이 없을 때 압전소자의 형상은 고정측에서 자유단 측으로 갈수록 폭이 증가하였다가 다시 폭이 감소하는 형상이 된다.12 and 13 are cross-sectional views showing the shape of the
이로부터 압전 발전기(100)를 사용하여 전하를 저장하고, 많은 전류를 출력할 수 있는 압전재료의 형상에 대한 설계가 가능하다.From this, the
도 1은 본 발명에 따른 압전소자의 구성을 보여주는 단면도1 is a cross-sectional view showing the configuration of a piezoelectric element according to the present invention
도 2a,b는 압전소자에서 작동이 가능한 d31모드와 d33모드를 보여주는 모식도.Figure 2a, b is a schematic diagram showing the d 31 mode and d 33 mode that can be operated in the piezoelectric element.
도 3a,b는 본 발명에 따른 압전 발전기를 직렬 연결한 경우와 병렬 연결한 경우의 전압이 걸리는 방향을 나타내는 모식도.3A and 3B are schematic diagrams showing directions in which voltage is applied when the piezoelectric generators according to the present invention are connected in series and in parallel.
도 4는 본 발명에 따른 압전소자의 출력부분에 연결된 정전압 출력 회로도.Figure 4 is a constant voltage output circuit connected to the output portion of the piezoelectric element according to the present invention.
도 5는 본 발명의 제 1실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 모식도.5 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation apparatus using a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 측단면도.Figure 6 is a side cross-sectional view showing the configuration of a power generator using a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 모식도7 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation apparatus using a piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 제 2실시예에 따른 압전소자를 이용한 발전장치의 구성을 보여주는 측단면도.Figure 8 is a side cross-sectional view showing the configuration of a power generator using a piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention.
도 9는 압전소자의 형상에 따른 전류의 최적화를 위한 설계방법을 보여주는 흐름도. 9 is a flow chart showing a design method for optimizing the current according to the shape of the piezoelectric element.
도 10은 넓이를 제한하고 매트랩과 유한 요소해석 프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자의 형상을 보여주는 사시도.Fig. 10 is a perspective view showing the shape of the piezoelectric element obtained by limiting the width and using the matlab and the finite element analysis program.
도 11은 넓이를 제한하고 매트랩과 유한 요소해석프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자의 형상을 보여주는 단면도. 11 is a cross-sectional view showing the shape of the piezoelectric element obtained by using a matlab and a finite element analysis program to limit the width.
도 12는 초기 넓이 제한 조건이 없을 때, 매트랩과 유한 요소해석프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자의 형상을 보여주는 사시도.12 is a perspective view showing the shape of a piezoelectric element obtained using a matlab and a finite element analysis program when there is no initial width constraint.
도 13은 초기 넓이 이내로 제한하는 조건이 없을 때 매트랩과 유한 요소 해석프로그램을 사용하여 얻어진 압전소자(100)의 형상을 보여주는 단면도.FIG. 13 is a cross-sectional view showing the shape of the
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
10:제 1 압전판, 20:제 2 압전판,10: first piezoelectric plate, 20: second piezoelectric plate,
30:보강재, 40:도전성구리테이프,30: reinforcing material, 40: conductive copper tape,
50:전선, 60:지지대,50: wire, 60: support,
70:톱니바퀴 지지대, 100:압전소자,70: gear support, 100: piezoelectric element,
200:판, 410:정류기, 420:콘덴서, 430: 배터리모니터링 칩, 440:레귤레이터, 450:역전류 방지용 다이오드, 510:구슬, 520:톱니바퀴, 530:톱니, 540:축,200: plate, 410: rectifier, 420: capacitor, 430: battery monitoring chip, 440: regulator, 450: reverse current prevention diode, 510: bead, 520: gear, 530: tooth, 540: shaft,
710:바퀴, 720;바퀴 지지대,710: wheels, 720; wheel support,
730:홈, 810;베어링,730: groove, 810; bearing,
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KR1020080008327A KR20090082527A (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Piezoelectric vibration harvester, generating device with piezoelectric vibration energy harvester and driving method |
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