KR20100090432A - Wireless self power generator and charging apparatus by using piezoelectric material with magnetic material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 포괄적으로는 압전재료를 이용한 에너지 하베스트에 관한 것이며, 구체적으로는 자기력을 이용한 외부의 진동에 의한 압전자성복합체의 무선 자가발전 충전장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates generally to energy harvesting using piezoelectric materials, and more particularly, to a wireless self-powered charging device for piezoelectric composites caused by external vibration using magnetic force.
무선장치들의 지속적인 발전에도 불구하고 이에 요구되는 전원, 예를 들면 배터리의 성능 및 용량의 한계가 노출되고 있다. 무선장치에 자발적으로 또는 무선으로 직접 전기에너지를 제공하거나 또는 다른 저장장치에 공급할 수 있는 수단 및 장치가 요망된다. 이에 대한 이상적인 해결책은 외부 환경으로부터 자연적인 물리적 에너지를 공급받아 자발적으로 전력을 생성하여 이를 이용하는 시스템일 것이다. 이러한 외부 환경을 이용하는 전력 솔루션에 따르면, 현존하는 유선에 의한 전력공급설비가 실질적으로 불가능하거나 고비용이 요구되는 장소에서 충분한 전력 공급 및 저장이 가능하고, 안전하고도 고청정의 전력을 공급할 수 있다. 특히, 신체내부에 적용되는 각종 센서, 무선장치 또는 생체장치 등에 영구적인 전원을 제공 할 수 있는 등의 매우 유익한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 압전재료를 이용한 에너지 하베스트란 압전재료의 특성 가운데, 기계적 진동, 압력 등의 외부에너지로 인해 압전재료에 변위가 주어지면 스스로 전기를 발생하는 원리를 이용하여, 전기. 전자 제품을 동작시키거나, 또는 충전 배터리 등에 전기를 저장하는 시스템, 장치 및 방법을 지칭한다. 외부에너지, 특히 기계적 에너지로 압전재료로부터 전기에너지를 유도하는 선행자료들로는 다음과 같은 기술들을 확인할 수 있다.Despite the continued development of wireless devices, there is a limit to the performance and capacity of the required power supply, such as a battery. There is a need for means and apparatus that can provide electrical energy either spontaneously or wirelessly to a wireless device or to supply other storage devices. The ideal solution would be a system that spontaneously generates power using natural physical energy from the external environment. According to the power solution using the external environment, sufficient power supply and storage can be provided in a place where existing wired power supply facilities are practically impossible or costly, and a safe and high clean power supply can be provided. In particular, it will be possible to obtain a very beneficial result, such as to provide a permanent power supply to various sensors, wireless devices or biological devices applied to the body. Energy Harvesting Using Piezoelectric Materials Among the characteristics of piezoelectric materials, electric power is generated using the principle of generating electricity when displacement is given to piezoelectric materials due to external energy such as mechanical vibration and pressure. A system, apparatus, and method for operating an electronic product or storing electricity in a rechargeable battery or the like are referred to. Prior arts for inducing electrical energy from piezoelectric materials with external energy, especially mechanical energy, can identify the following techniques.
대한민국 실용신안 20-0261123 에는 “ 압전 세라믹을 이용한 자력충전지”라는 명칭의 기술이 개시된 바 있고, 이에 의하면 압전 세라믹에 분극 방향이 같도록 접합하여 발전체를 만들고 상기 발전체를 지지대로 고정하고 발전체에 변위를 주기 위하여 충전수단이 되는 돌기가 구비된 회전체로 구성된다. 한편, 대한민국 특허 출원번호 10-2008-0070629 에는 “주파수 정류를 이용한 에너지 수확장치” 라는 기술이 개시되어 있으며, 이에 따르면, 적어도 하나 이상의 빔을 포함한 에너지 발생기 및 금속 바에 부착된 정류기를 포함한 주파수 정류기로 구성된다.Korean Utility Model No. 20-0261123 discloses a technology called “magnetic charge battery using piezoelectric ceramic”, which joins piezoelectric ceramics in the same polarization direction to make a power generating body, and fixes the power generating body as a support. It is composed of a rotating body provided with a projection to be a charging means to give a displacement. Meanwhile, Korean Patent Application No. 10-2008-0070629 discloses a technology called “energy harvesting device using frequency rectification,” and accordingly, a frequency rectifier including an energy generator including at least one beam and a rectifier attached to a metal bar. It is composed.
이러한 종래 기술의 공통적인 특징은 발전체와 외부에너지를 제공하는 수단은 서로 부딪치거나 닿아서 상기 발전체에 물리적 변위를 주어야만 한다는 것이다. 이러한 상황이 계속적으로 발생할 경우 상기 발전체 내에 존재하는 압전재료가 파손되는 등 수명이 단축되는 문제점이 있다.A common feature of this prior art is that the generator and the means for providing external energy must impinge physical displacement on the generator by bumping or touching each other. If this situation occurs continuously, there is a problem in that the lifespan is shortened, such as the piezoelectric material existing in the power generator being damaged.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기 충전수단, 즉 외부에너지 발생수단이 상기 발전체에 변위를 부여할 때, 종래기술과 같이 물리적으로 접촉하지 않고 발전부, 특히 압전재료에 변위를 유발시켜, 발전체의 수명을 보다 늘리고, 더욱 강한 변위를 일으키므로서 효율적인 전력을 생성하고자 하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention for solving the above-mentioned problems is that, when the charging means, i.e., the external energy generating means impart a displacement to the generator, it does not physically contact as in the prior art, the power generation unit, in particular piezoelectric By causing displacement in the material, the life of the power generator is further extended, and the displacement is generated to produce an efficient electric power.
따라서, 본 발명의 일 목적은, 외부에너지 발생수단이 압전재료와 접촉하지 아니하면서도 고효율의 전력을 생성, 저장할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 압전재료의 수명이 연장된 영구적인 무선자가발전 충전장치를 제안하는 것이다.Accordingly, one object of the present invention is to provide an apparatus capable of generating and storing high-efficiency electric power without the external energy generating means being in contact with the piezoelectric material. It is still another object of the present invention to propose a permanent radio self-powered charging device with an extended lifetime of piezoelectric material.
본 발명은 분극방향에 상관없이 금속판에 평행하게 접합된 단층 또는 복층의 압전재료층을 포함한 발전부 및 상기 압전재료층과 유격하게 배치되는 운동에너지 발생수단으로 구성된 무선 자가발전 충전장치을 제공한다. 이때, 상기 운동에너지 발생수단은 하나 이상의 회전판 및 회전판을 구동시키는 구동부를 포함하며, 상기 회전판에는 하나 이상의 자성체가 부착되어, 회전판 회전운동에 따라 자성체로부터의 자력이 상기 금속판에 교번하게 인가되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 분극방향에 상관없이 자성체에 평행하게 접합된 단층 또는 복층 압전재료층을 포함한 발전부 및 상기 압전재료와 유격하게 배치되는 운동에너지 발생부로 구성된 무 선 자가발전 충전장치를 제공하며, 이때 상기 운동에너지 발생부는 하나 이상의 회전판 및 회전판을 구동시키는 구동부를 포함하며, 상기 회전판에는 하나 이상의 자성체 또는 금속판이 부착되어, 회전판 회전에 따라 발전부의 자성체로부터의 자력이 상기 회전판 상의 자성체 또는 금속판에 교번하게 인가되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에서는 비제한적으로 다음과 같은 특징의 무선 자가발전 충전장치을 개시하는 것이다.The present invention provides a wireless self-powered charging device comprising a power generation unit including a single layer or a plurality of piezoelectric material layers bonded in parallel to a metal plate irrespective of the polarization direction, and kinetic energy generating means spaced apart from the piezoelectric material layer. In this case, the kinetic energy generating means includes at least one rotating plate and a driving unit for driving the rotating plate, wherein the rotating plate is attached with one or more magnetic bodies, magnetic force from the magnetic body is alternately applied to the metal plate in accordance with the rotating plate rotational movement. It is done. In addition, the present invention provides a wireless self-powered charging device comprising a power generation unit including a single layer or a multilayer piezoelectric material layer bonded in parallel to a magnetic body irrespective of the polarization direction, and a kinetic energy generating unit disposed to be spaced apart from the piezoelectric material. In this case, the kinetic energy generating unit includes at least one rotating plate and a driving unit for driving the rotating plate, wherein the rotating plate is attached with one or more magnetic bodies or metal plates, and the magnetic force from the magnetic body of the power generation unit alternates with the magnetic body or the metal plate on the rotating plate as the rotating plate rotates. It is characterized in that it is applied. In addition, the present invention discloses a wireless self-powered charging device having the following features without limitation.
본 발명에서 금속판 또는 자성체와 접착된 압전재료을 포함한 발전부에는 리드선 및 이에 연결된 정류장치를 더욱 포함하며, 본 발명에서 회전판이 두 개인 경우에는, 상기 회전판은 발전부의 압전재료 상부 및 하부에 배치되는 것을 특징으로 하며, 이때 상부 회전판 및 하부 회전판에 부착된 자성체 또는 금속판은 구동부 축 길이방향으로 상호 어긋나게 배치된 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 운동에너지 발생부에서의 구동부는 본 분야의 기술자가 고려할 수 있는 기구적인 구성을 포함할 수 있으며, 예를 들면 래크와 피니언 기어 구성 및 외부에서 래크를 구동할 수 있는 푸쉬스위치 수단으로 구성될 수 있다. 더 나아가, 상기 기구적 구성에 있어서, 회전방향과 회전 힘의 조절을 위해 웜기어 및 베벨기어가 더욱 포함될 수 있다. 한편, 본 발명에서의 발전부에 포함된 상기 정류장치는 브릿지 회로, 다이오드 및 커패시터로 구성될 수 있으며, 상기 정류장치는 케이싱의 내부에 하우징될 수 있고, 상기 커패시터에서 나오는 리드선이 케이싱 외부의 박막전지와 연결 가능하도록 구성될 수 있다.In the present invention, the power generation unit including a piezoelectric material bonded to a metal plate or magnetic material further includes a lead wire and a stop connected thereto. In the present invention, when there are two rotating plates, the rotating plate is disposed above and below the piezoelectric material of the power generation unit. In this case, the magnetic body or the metal plate attached to the upper rotary plate and the lower rotary plate is characterized in that the mutually arranged in the longitudinal direction of the drive shaft. In the present invention, the driving unit in the kinetic energy generating unit may include a mechanical configuration that can be considered by those skilled in the art, for example, a rack and pinion gear configuration and a push switch means capable of driving the rack from the outside. Can be. Furthermore, in the mechanical configuration, the worm gear and the bevel gear may be further included for adjusting the rotation direction and the rotation force. On the other hand, the stop value included in the power generation unit in the present invention may be composed of a bridge circuit, a diode and a capacitor, the stop value may be housed in the casing, the lead wire from the capacitor and the thin film battery outside the casing It may be configured to be connectable.
본 발명에서 적용가능한 상기 압전재료는, PZT, PLZT, Pb(Mg⅓Nb⅔)O3 (PMN), Pb(Zn⅓Nb⅔)O3 (PZN), (Ba, Sr) Ti03 (BST), PbTi03 (PT), BaTi03 (BT), PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 압전재료 군에서 선택되거나 이들의 복합물로 구성되며, 이때 The piezoelectric material applicable in the present invention is PZT, PLZT, Pb (Mg⅓Nb⅔) O3 (PMN), Pb (Zn⅓Nb⅔) O3 (PZN), (Ba, Sr) Ti03 (BST), PbTi03 (PT), BaTi03 (BT ), Selected from the group of piezoelectric materials consisting of PMN-PT and PZN-PT, or a composite thereof.
PZT = xPbTiO3-(1-x)PbZrO3, 0.47≤x≤0.52PZT = xPbTiO3- (1-x) PbZrO3, 0.47≤x≤0.52
PZN-PT = (PbZn⅓Nb⅔O3)(1-x)-(PbTiO3)x, 0.02≤x≤0.09PZN-PT = (PbZn⅓Nb⅔O3) (1-x) -(PbTiO3) x, 0.02≤x≤0.09
PMN-PT = (1-x)Pb⅓(MgO+Nb2O5)+xPbTiO2, 0.20≤x≤0.50 으로 정의된다.PMN-PT = (1-x) Pb⅓ (MgO + Nb2O5) + xPbTiO2, defined as 0.20 ≦ x ≦ 0.50.
또한, 본 발명에 의한 금속판 또는 자성체가 접착된 압전재료는, 달리 압전재료의 전극을 자성체로 증착을 하여 사용할 수 있다. 압전재료의 분극 방향은 모든 것에 같은 결과 값을 얻을 수 있기에 중요한 변수로 두지 않는다. 상기 발전부 또는 회전판에 포함되는 자성체는 바람직하게는 약 200㎛ SUS 판 정도의 강도 및 25∼50MGOe (KJ/㎥)의 자력을 가질 수 있다.In addition, the piezoelectric material to which the metal plate or the magnetic body adhered to the present invention can be used by depositing an electrode of the piezoelectric material as a magnetic body. The polarization direction of the piezoelectric material is not an important variable because it gives the same result for everything. The magnetic body included in the power generation unit or the rotating plate may preferably have a strength of about 200 μm SUS plate and a magnetic force of 25-50 MGOe (KJ / m 3).
여기서 상기 발전부는 도전용 리드선; 및 상기 리드선에서 나오는 교류 전기를 직류로 변환하여 주는 교류?직류 정류장치; 상기 정류기에서 나오는 전기를 저장하는 슈퍼캐패스터 또는 박막 전지를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 교류?직류 정류장치는 4개의 다이오드; 및 1개의 캐패시터를 포함하며, 재질은 쇼트키 다이오드를 사용할 수 있다. Wherein the power generation unit comprises a conductive lead wire; And an AC / DC stop value for converting AC electricity from the lead wire into DC. It may include a supercapacitor or a thin film battery for storing the electricity coming from the rectifier. Here, the alternating current and DC stop values are four diodes; And one capacitor, the material of which may be a Schottky diode.
본 발명에 의한 무선 자가발전 충전 장치는, 간단한 기구적 구성들을 활용하여 자체적인 운동에너지를 이용하여 발전, 충전할 수 있고, 규격화된 케이싱의 내부에 장착하여 다양한 전기.전자 장치에 적용시킬 수 있다.The wireless self-powered charging device according to the present invention can be generated and charged using its own kinetic energy using simple mechanical configurations, and can be applied to various electric and electronic devices by being mounted inside a standardized casing. .
본 발명에 따르면, 압전재료를 가지는 발전부 및 운동에너지 발생장치와 직접적으로 접촉하지 않으므로써 압전재료가 손상되는 문제점을 해결하면서도, 높은 전압과 전류를 발생시키는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of generating a high voltage and current while solving the problem that the piezoelectric material is damaged by not directly contacting the power generation unit having a piezoelectric material and the kinetic energy generator.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 압전 자성 복합체의 무선 자기 발전 충전 장치의 구성 및 동작을 상세히 설명한다. 본 명세서에서, 압전자성복합체는 금속판 또는 자성체가 압전재료와 결합된 프로파일을 언급하는 것이다. 또한, 본원에 있어서, 압전자성복합체의 단층 구성이라 함은 하나의 압전재료 및 금속판 또는 자성체가 적층된 구조체를 언급하는 것이고, 복층 구조체라 함은 둘 이상의 압전재료 및 금속판 또는 자성체가 접착된 구조로 정의된다. 또한 압전자성복합체라는 용어는 반드시 자성체 및 압전재료만의 적층 구조체가 아닌, 이에 상응되는 회전판에 장착된 구성요소에 따라 자성체는 금속판으로 대체될 수 있으나, 상세한 설명의 이해를 위하여 이를 자성체로 대표하여 압전자성복합체로 정의하여 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail the configuration and operation of the wireless magnetic power charging device of the piezoelectric magnetic composite according to an embodiment of the present invention. In this specification, a piezoelectric composite refers to a profile in which a metal plate or a magnetic body is bonded with a piezoelectric material. In addition, in the present application, the single layer structure of the piezoelectric composite refers to a structure in which one piezoelectric material and a metal plate or a magnetic body are laminated, and the multilayer structure is a structure in which two or more piezoelectric materials and a metal plate or magnetic body are bonded to each other. Is defined. In addition, the term piezoelectric composite is not necessarily a layered structure of magnetic material and piezoelectric material, but the magnetic material may be replaced with a metal plate according to the components mounted on the corresponding rotating plate. It will be defined as a piezoelectric complex.
우선, 도 1은 통상적인 압전재료의 특성을 도시한다. 압전재료는 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 정(+)과 부(-) 전하가 유기되어 양 전극 간에 전압이 발생되며, 이러한 현상을 압전정효과라 하고, 이와 반대로, 압전재료에 외부로부터 전압을 걸어주면 압전재료는 기계적 왜곡현상을 일으키데 되는데, 이러한 현상을 압전역효과라 한다. 즉, 압전재료는 기계적인 힘을 전기적 신호 또는 전기적 신호를 기계적 신호로 변환시킬 수 있는 소자이다. First, FIG. 1 shows the characteristics of a conventional piezoelectric material. When a piezoelectric material is exerted in a specific direction from the outside, positive and negative charges are induced in response to the internally generated stress to generate voltage between the two electrodes. This phenomenon is called the piezoelectric effect. When the voltage is applied to the piezoelectric material from the outside, the piezoelectric material causes mechanical distortion, which is called the piezoelectric effect. In other words, the piezoelectric material is an element capable of converting a mechanical force into an electrical signal or an electrical signal into a mechanical signal.
본 발명은 금속판 또는 자성체에 평행하게 접합된 단층 또는 적층 압전재료층 (압전자성복합체)을 포함한 발전부 및 상기 금속판 또는 자성체과 유격하게 배치되는 운동에너지 발생부로 구성된 무선 자가발전 충전장치에 있어서, 상기 운동에너지 발생부는 하나 이상의 회전판 및 회전판을 구동시키는 구동부를 포함하며, 상기 회전판에는 하나 이상의 자성체 또는 금속체가 부착되어, 회전판 회전에 따라 자성체로부터의 자력이 상기 금속판에 교번하게 인가되는 것 무선 자가 발전 충전장치를 제공하는 것이다.The present invention provides a wireless self-powered charging device comprising a power generation unit including a single layer or a layer of piezoelectric material (piezoelectric composite) bonded in parallel to a metal plate or a magnetic body, and a kinetic energy generating unit disposed to be spaced apart from the metal plate or the magnetic body. The energy generating unit includes at least one rotating plate and a driving unit for driving the rotating plate, wherein the rotating plate is attached with one or more magnetic bodies or metal bodies, such that magnetic force from the magnetic bodies is alternately applied to the metal plates as the rotating plate rotates. To provide.
본 발명에서 압전자성복합체는 도 2 내지 도 5와 같이, 압전재료 및 금속체 또는 자성체의 적층구조로 구성된다. 도 2 내지 도 4는 자성체 및 압전재료의 다양한 구성을 도시하고 있으나, 자성체는 하기될 운동에너지 발생장치에서 회전판에 자성체가 부착되는 경우 금속체로 대체될 수 있음은 물론이다. 본 발명은 압전자성복합체에 물리적으로 접촉되지 아니하는 자기력에 의해 내부 응력을 변화시켜 발전하기 위한 구성이며, 따라서 압전자성복합체는 반드시 자성체 및 압전재료만의 적층 구조체가 아닌, 회전판에 장착된 구성요소에 따라 자성체는 금속판으로 대체될 수 있으나, 상세한 설명의 이해를 위하여 이를 자성체로 대표하여 압전자성복합체로 설명하고자 하는 것이다. 자성체 및 압전재료의 배열은 변경될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 압전재료 및 자성체가 단층으로 구성될 수 있으며, 압전재료 또는 자성체가 복층으로 배열될 수 있다. 또한, 이들 구성들은 동일한 형상일 수 있거나 또는 다른 형상일 수 있다. 예를 들면, 도 3에는 중간층에 배치된 자성체 일 부는 상하층의 압전재료층에서 돌출되어 있을 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 자성체를 전극으로 적층시켜 압전재료의 스트레스의 변수를 최적으로 제조할 수 있다. 선택될 수 있는 압전재료는 압전 전압 상수를 비교하여 고려될 수 있으며, 압전 재료의 종류는 PZT, PZN-PT, PMN-PT, 또는 이의 복합체가 적용될 수 있으며, 예를 들면, PZT, PLZT, Pb(Mg⅓Nb⅔)O3 (PMN), Pb(Zn⅓Nb⅔)O3 (PZN), (Ba, Sr) Ti03 (BST), PbTi03 (PT), BaTi03 (BT), PMN-PT 및 PZN-PT로 이루어진 압전재료 군에서 선택되거나 이들의 복합물로 구성된 압전재료일 수 있다. 특히, 상기에서,In the present invention, the piezoelectric composite is composed of a laminated structure of a piezoelectric material and a metal or magnetic body, as shown in FIGS. 2 to 4 illustrate various configurations of the magnetic body and the piezoelectric material, the magnetic body may be replaced by a metal body when the magnetic body is attached to the rotating plate in the kinetic energy generator to be described below. The present invention is a configuration for generating power by changing the internal stress by a magnetic force that is not physically in contact with the piezoelectric composite, and therefore the piezoelectric composite is not necessarily a laminated structure of magnetic materials and piezoelectric materials, but components mounted on a rotating plate. According to the magnetic material may be replaced by a metal plate, but for the purpose of understanding the detailed description will be described as a piezoelectric composite by representing the magnetic material. The arrangement of the magnetic body and the piezoelectric material may be changed. As shown in FIG. 2, the piezoelectric material and the magnetic body may be configured in a single layer, and the piezoelectric material or the magnetic body may be arranged in a multilayer. In addition, these configurations may be the same shape or may be different shapes. For example, in FIG. 3, a portion of the magnetic material disposed in the intermediate layer may protrude from the piezoelectric material layers of the upper and lower layers. In addition, as shown in FIG. 5, the magnetic body may be stacked as an electrode to optimally prepare a parameter of stress of the piezoelectric material. The piezoelectric material which may be selected may be considered by comparing the piezoelectric voltage constants, and the type of piezoelectric material may be PZT, PZN-PT, PMN-PT, or a composite thereof. For example, PZT, PLZT, Pb In the piezoelectric material group consisting of (Mg⅓Nb⅔) O3 (PMN), Pb (Zn⅓Nb⅔) O3 (PZN), (Ba, Sr) Ti03 (BST), PbTi03 (PT), BaTi03 (BT), PMN-PT, and PZN-PT Piezoelectric material selected or composed of a composite thereof. In particular, in the above,
PZT = xPbTiO3-(1-x)PbZrO3, 0.47≤x≤0.52,PZT = xPbTiO3- (1-x) PbZrO3, 0.47≤x≤0.52,
PZN-PT = (PbZn⅓Nb⅔O3)(1-x)-(PbTiO3)x, 0.02≤x≤0.09, 및 PZN-PT = (PbZn⅓Nb⅔O3) (1-x) -(PbTiO3) x, 0.02≤x≤0.09, and
PMN-PT = (1-x)Pb⅓(MgO+Nb2O5)+xPbTiO2, 0.20≤x≤0.50로 정의된다. PMN-PT = (1-x) Pb⅓ (MgO + Nb2O5) + xPbTiO2, defined as 0.20 ≦ x ≦ 0.50.
또한, 압전재료와 복합될 수 있는 자성체로는 바람직하게는 약 200㎛ SUS 판 정도의 강도를 가질 수 있다.In addition, the magnetic material that may be composited with the piezoelectric material may preferably have a strength of about 200 μm SUS plate.
본 발명의 실시예로서, 고정수단에 의해 일단이 고정된 압전자성복합체는 정류회로 및 충전배터리와 함께 발전부 또는 발전체의 일부를 구성하며, 상기 압전자성복합체 하부 및/또는 상부에는 복합체의 물리적 변위를 유발하기 위한 운동에너지 발생장치가 구비된다. 일 예에 의하면, 운동에너지 발생장치는 회전판 및 회전판을 구동시키는 구동부로 구성되되, 회전판 일면에는 하나 또는 그 이상의 자성체 또는 금속판이 부착될 수 있다. 자성체 또는 금속판은 유격되어 회전판에 고정되 며, 이들 부착 부재들의 간극은 압전자성복합체의 최적 응답에 이르도록 설계될 수 있다. 도 6에 의하면, 회전판 상부에는 도 7에 도시된 바와 같은 자성체 또는 금속판이 부착될 수 있으며 이들 부착부재들은 원주를 따라 균등한 각(angular) 위치를 가지고 배열될 수 있다. 다른 예에서, 회전판은 동일한 또는 다른 구동부에 의해 연결된 2 이상의 회전판을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 9에 따르면, 도 6과 비교하여, 연장된 구동축에 다른 하나의 회전판을 더욱 포함하고 있다. 추가된 다른 하나의 상부 회전판은 하부 회전판과의 사이에 압전자성복합체가 위치되도록 구성되며, 도 10에 도시된 바와 같은 배열의 부착부재를 포함할 수 있으며, 이는 도 7에 도시된 하부 회전판 상의 부착부재 배열과 비교할 때 구동축 길이방향에서 상호 어긋하는 구성임을 알 수 있다. 도 8 및 도 11은 각각 하나의 회전판 및 두 개의 회전판 운동에 의해 압전자성복합체에서 발생된 전압 프로파일을 도시한 것이다. 도 12는 본 발명에 의한 회전판 및 발전부 간의 상대적인 위치를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 기본적인 착상은 자성체 또는 금속판을 포함하는 회전판의 회전에 의하여 이와 상관되는 압전자성복합체와의 상호 작용을 일으켜 궁극적으로 복합체의 물리적 변위를 유발하는 것임을 고려할 때, 이러한 목적을 달성하기 위한 다양한 배열을 예측할 수 있을 것이다.As an embodiment of the present invention, the piezoelectric composite, one end of which is fixed by the fixing means, forms a part of a power generating unit or a power generating unit together with a rectifying circuit and a charging battery, and the physical and physical properties of the piezoelectric complex are below and / or above the piezoelectric complex. A kinetic energy generator for inducing displacement is provided. According to one example, the kinetic energy generating device is composed of a rotating plate and a driving unit for driving the rotating plate, one or more magnetic material or metal plate may be attached to one surface of the rotating plate. The magnetic body or metal plate is spaced and fixed to the rotating plate, and the gap of these attachment members can be designed to reach the optimum response of the piezoelectric composite. According to FIG. 6, a magnetic material or a metal plate as shown in FIG. 7 may be attached to the upper part of the rotating plate, and these attachment members may be arranged at equal angular positions along the circumference. In another example, the turntable may include two or more turntables connected by the same or different drives. For example, according to FIG. 9, compared with FIG. 6, the rotary drive shaft further includes another rotating plate. The other upper rotary plate added is configured such that the piezoelectric composite is positioned between the lower rotary plate and may include an attachment member in an arrangement as shown in FIG. 10, which is attached to the lower rotary plate shown in FIG. 7. Compared with the member arrangement, it can be seen that the configuration shifts each other in the drive shaft longitudinal direction. 8 and 11 show the voltage profile generated in the piezoelectric composite by one rotating plate and two rotating plate motions, respectively. Figure 12 schematically shows the relative position between the rotating plate and the power generation unit according to the present invention. Given that the basic idea of the present invention is that the rotation of a rotating plate comprising a magnetic body or a metal plate causes interaction with the correlated piezoelectric composite and ultimately causes a physical displacement of the composite, various arrangements for achieving this object You can predict
상기 운동에너지 발생장치의 구동부는 본 분야 기술자에 의해 예측될 수 있는 기구적 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 직선운동을 회전으로 바꾸어 래크와 피니언 구성일 수도 있고, 이때 래크는 푸쉬스위치를 사용하여 구동될 수 있다. 또한, 회전력을 증가하기 위하여 웜 및 웜기어를 사용할 수도 있으며, 구조에 따라 서 베벨기어 등을 장착할 수 있으나, 이는 무선자가 발전충전장치의 용도에 따라 당업자로부터 용이하게 변경될 수 있을 것이다.The driving unit of the kinetic energy generating device may include mechanical configurations that can be predicted by those skilled in the art. For example, the rack and pinion configuration may be changed by converting linear motion into rotation, and the rack may be driven using a push switch. In addition, worms and worm gears may be used to increase the rotational force, and bevel gears may be mounted depending on the structure, but the radio may be easily changed by those skilled in the art according to the use of the power generation and charging device.
이하, 본 발명에 의한 작동을 설명한다.Hereinafter, the operation according to the present invention will be described.
수동으로, 예를 들면 푸쉬스위치를 눌러 래크의 병진 운동을 개시하고, 병진운동은 피니온 등에 의해 회전운동으로 변환된다. 이에 따라 구동부의 구동축이 회전되고 일단에 부착된 회전판은 회전을 개시한다. 회전판 일측에 배치된 자성체 또는 금속체가 발전부 압전자성복합체의 자성체 또는 금속판을 당기거나 밀어내어 압전재료에 물리적 변위를 일으킨다. 이에 따라 발전부는 전하를 발생시키는데, 전하들은 리드선을 통해 교류-직류 정류기에 존재하는 브릿지 회로 및 뒷단에 있는 캐패스터를 거치면서 직류 전압을 발생시킨다. 이어 직류 전압 뒷단에 박막 전지 및 슈퍼 캐패스터를 연결하여 전력을 충전할 수 있다.Manually, for example, by pressing a push switch, the translational motion of the rack is started, and the translational motion is converted into rotational motion by pinion or the like. Accordingly, the drive shaft of the drive unit rotates, and the rotating plate attached to one end starts rotation. The magnetic body or the metal body disposed on one side of the rotating plate pulls or pushes the magnetic body or the metal plate of the piezoelectric composite of the power generation unit to cause physical displacement in the piezoelectric material. Accordingly, the power generation unit generates charges. The charges generate a DC voltage through a bridge circuit existing in the AC-DC rectifier and a capacitor at the rear end through the lead wire. Then, a thin film battery and a super capacitor can be connected to the rear of the DC voltage to charge the power.
하기 실험예를 기재한다. 단층 구성의 압전자성복합체, 즉 하나의 압전재료 (PMn-PT) 및 금속판 (크기: 8 × 25 × 0.3 mm3)이 적층된 구조체에 대하여 4개의 동일한 크기의 자성체 (크기: 10 × 12 × 1 mm3 )가 부착된 회전체를 초당 100회 회전시켜, 약 400Hz 내지 600Hz 영역에서 압전자성복합체 변위를 제공하였다. 하기 표 1은 다양한 크기, 즉 두께가 다른 8 × 15 × (0.1 내지 0.4) mm3 압전재료들에서 발생되는 진폭, 최대전압 및 전류를 정리한 것이다.The following experimental example is described. Four equally sized magnetic bodies (size: 10 × 12 × 1) for a single layered piezoelectric composite, that is, a structure in which one piezoelectric material (PMn-PT) and a metal plate (size: 8 × 25 × 0.3 mm 3 ) are laminated The rotor attached to mm 3 ) was rotated 100 times per second to provide piezoelectric composite displacement in the region of about 400 Hz to 600 Hz. Table 1 summarizes the amplitudes, maximum voltages, and currents generated in 8 x 15 x (0.1 to 0.4) mm 3 piezoelectric materials having various sizes, that is, thicknesses.
상기 표에서, 압전재료 두께에 따라서 발생 전압 및 전류가 달라지며, 특히 금속체에 비례하여 압전재료층이 얇을 경우 전압은 많이 나오나 전류가 약하며, 압전재료층이 두꺼워질 경우 전압 및 전류 하강이 동시에 발생된다. 이러한 결과로부터, 본 발명에 의한 무선 자가발전 충전장치에 있어서, 적용되는 금속체 및 압전재료층은 바람직하게는 유사한 두께로 구성되어야 한다.In the above table, the generated voltage and current vary according to the thickness of the piezoelectric material. In particular, when the piezoelectric material layer is thin in proportion to the metal body, the voltage is high but the current is weak. When the piezoelectric material layer is thick, the voltage and current drop simultaneously. Is generated. From these results, in the wireless self-powered charging device according to the present invention, the metal body and the piezoelectric material layer to be applied should preferably be of similar thickness.
본 발명의 상세한 설명은 바람직한 예를 기초로 설명되었으나, 본원 분야의 당업자는 본 발명의 사상에 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 변형을 이룰 수 있을 것이다. 예를들면, 본 발명은 압전재료에 부착되는 자성체의 수를 하나 또는 둘의 경우를 설명하였으나, 셋 이상의 자성체가 적용되는 것 역시 가능하며, 운동에너지 발생부가 회전체에 대하여 하나 장착된 예를 기초로 설명되었으나, 그 이상의 운동에너지 발생부의 설치, 예를들면 90°각도로 상호 이격 장착되는 4개의 운동에너지 발생부들의 예를 고려할 수 있음은 물론이다.Although the detailed description of the invention has been described based on the preferred examples, those skilled in the art will be able to make various changes and modifications without departing from the spirit of the invention. For example, although the present invention has described one or two cases of the number of magnetic bodies attached to the piezoelectric material, it is also possible to apply three or more magnetic bodies, based on the example in which the kinetic energy generating unit is mounted on the rotating body. Although described as, the installation of more kinetic energy generating unit, for example, may be considered an example of the four kinetic energy generating units which are mounted to be spaced apart from each other at 90 ° of course.
도 1 은 압전재료의 특징을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing the characteristics of a piezoelectric material.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 의한 압전자성복합체의 다양한 구성의 예들을 개략적으로 도시한 것이다.2 to 5 schematically show examples of various configurations of the piezoelectric composite according to the present invention.
도 6 은 본 발명에 의한 무선자가발전충전장치의 일 예의 개략적 단면도이다.6 is a schematic cross-sectional view of an example of a wireless self-powered charging device according to the present invention.
도 7은 도 6에서의 회전판 평면도이다.7 is a plan view of the rotating plate in FIG. 6.
도 8은 도 6 예에 의해 발생된 전압 출력 프로파일을 도시한 것이다.8 illustrates the voltage output profile generated by the example of FIG. 6.
도 9 는 본 발명에 의한 무선자가발전충전장치의 두 개의 회전판을 가지는 예의 개략적 단면도이다.9 is a schematic cross-sectional view of an example having two rotating plates of a wireless self-powered charging device according to the present invention.
도 10은 도 9에서의 상하 회전판들에 부착된 자성체들의 상대 위치를 개략적으로 보이는 도면이다.FIG. 10 is a view schematically showing the relative positions of the magnetic bodies attached to the up and down rotating plates in FIG. 9.
도 11은 도 9 예에 의해 발생된 전압 출력 프로파일을 도시한 것이다.11 shows the voltage output profile generated by the example of FIG. 9.
Claims (11)
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