KR20120131489A - Electric energy obtaining device and tire having it and energy supplying method using it - Google Patents

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 전기에너지 수득 장치를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an electric energy obtaining apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플렉서블 피에조 패치를 구비한 전기에너지 수득 장치의 구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전기에너지 수득 장치가 타이어에 구비된 구조를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 플렉서블 피에조 패치의 작동 구조를 도시한 작동도이고, 도 4는 타이어에 부착되는 본 발명의 제2실시예에 따른 플렉서블 피에조 패치의 구조를 도시한 단면도이며, 도 5는 타이어에 부착되는 본 발명의 제3실시예에 따른 플렉서블 피에조 패치의 구조를 도시한 단면도이고, 도 6은 타이어에 부착되는 본 발명의 제4실시예에 따른 플렉서블 피에조 패치의 구조를 도시한 단면도이며, 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기에너지 수득 장치가 작동하는 과정을 순차적으로 기재한 작동흐름도이다. 1 is a perspective view showing the structure of an electric energy obtaining device having a flexible piezo patch according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is an electric energy obtaining device according to a first embodiment of the present invention is provided in a tire 3 is a perspective view illustrating a structure of the flexible piezo patch according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an operational view showing the flexible structure according to the second embodiment of the present invention attached to a tire. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a piezo patch, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a flexible piezo patch according to a third embodiment of the present invention attached to a tire, and FIG. 6 is a fourth embodiment of the present invention attached to a tire. 7 is a cross-sectional view illustrating a structure of a flexible piezo patch according to an embodiment, and FIG. 7 is a flowchart illustrating an operation of an apparatus for obtaining electrical energy according to a first embodiment of the present invention. All.

본 발명에 따른 전기에너지 수득장치에 사용되는 에너지원은 타이어 거동 분석에 따른 타이어 내부의 가속도와 스트레인이 사용될 수 있음을 인지하고, 타이어 내부에서 3축 가속도 모두 속도에 의한 영향을 많이 받고 있음을 확인하였으며, 그 중에서도 수직축에 의한 변화량이 가장 많음을 알 수 있었다. The energy source used in the electric energy obtaining device according to the present invention recognizes that the acceleration and strain in the tire according to the tire behavior analysis can be used, and confirmed that the three-axis acceleration in the tire is affected by the speed a lot. Among them, the amount of change by the vertical axis was found to be the most.

이에 반해 타이어 내부의 스트레인은 종방향과 횡방향에 대한 테스트를 수행하였는데, 스트레인 변화 역시 타이어와 노면이 접지할 때 큰 변화를 보였다. 스트레인 변화의 경향성은 하중과 공기압에 의한 영향을 많이 받고 있다. In contrast, the strain in the tire was tested in the longitudinal and transverse directions, and the strain change also changed significantly when the tire and the road were grounded. The tendency of strain change is affected by load and air pressure.

속도의 증가에 따라 스트레인 양이 증가되는 현상이 있긴 하지만 주된 영향을 미치는 인자는 아니였으며, 전기에너지 수득장치 개발을 위해서는 사용하고자 하는 에너지원의 변화가 클수록 좋다. Although the amount of strain increases with increasing speed, it is not a major factor. The larger the energy source to be used for the development of an electric energy harvesting device, the better.

가속도량은 큰 폭의 변화가 있긴 하지만 속도에 따른 변화량이 크기 때문에 일정 영역 이내에서 사용 가능한 구조를 적용해야하는 한계가 있다. 이에 반해 속도의 변화에 크게 영향을 받지 않는 스트레인 기반의 에너지 변환 모듈이 적정 공기압 조건하에서는 회전에 따른 일정한 에너지를 변환할 수 있기 때문에 보다 적합할 것이다. Although the amount of acceleration varies greatly, there is a limit to apply a structure that can be used within a certain area because of the large amount of change in speed. On the other hand, a strain-based energy conversion module that is not significantly affected by changes in speed will be more suitable because it can convert constant energy with rotation under proper pneumatic conditions.

주변에서 발생하는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 방법으로 압전 재료나 영구 자석과 코일을 이용한 전자기 유도, 캐패시턴스에 의한 정전압 방식 등이 존재하는데, 타이어 적용을 위해서는 재료의 유연성이 요구되고, 부피의 제한이 있다. 이에 적합한 방식은 재료의 유연성 확보가 가능하며, 공간상 제약을 피할 수 있는 플렉서블 피에조 패치를 이용한 방식이다. There are piezoelectric materials, electromagnetic induction using permanent magnets and coils, and a constant voltage method based on capacitance, which converts mechanical energy generated from the surroundings into electrical energy. There is a limit. A suitable method is to use a flexible piezo patch that can secure flexibility of the material and avoid space limitations.

타이어 내부에 적용 가능한 플렉서블 피에조 패치를 이용하여 발생한 전기 에너지를 저장할 수 있는 시스템 역시 핵심 기술 중의 하나로 에너지 하베스팅을 통해 발생한 에너지양은 미세한 전류를 발생시키기에 저전력 소자의 사용과 dark current와 같은 손실 전력을 최대한 막을 수 있어야 한다. The system that can store the electric energy generated by using the flexible piezo patch applicable to the inside of the tire is also one of the core technologies. The energy amount generated through energy harvesting generates minute currents, so it is possible to use low power devices and loss power such as dark current. You should be able to stop as much as possible.

이렇게 저장된 에너지를 이용하여 타이어 내부 거동 계측을 위한 타이어 면에 부착된 LED의 전력원으로 사용하여 광방식 계측 기술 구현을 할 수 있게 된다. 또한 LED 전력원 외에도 밀폐된 공간에서 외부와의 통신이 필요한 무선 센서 시스템의 전력원으로도 사용할 수 있게 된다. Using the stored energy, it is possible to implement the optical type measurement technology by using it as a power source of the LED attached to the tire surface for measuring tire internal behavior. In addition to the LED power source, it can also be used as a power source for wireless sensor systems that require external communication in a confined space.

광방식을 이용한 타이어 거동 계측은 타이어가 외부 하중에 의해 변형이 될 때 타이어 내측 면에 부착된 LED 타겟의 이동량을 측정하여 하중량을 측정하는 방식이다. The tire behavior measurement using the optical method is a method of measuring the lower weight by measuring the amount of movement of the LED target attached to the inner surface of the tire when the tire is deformed by an external load.

즉, 타이어의 수직 방향에서는 회전 운동에 의한 원심력과 타이어와 노면 사이의 접지시에 발생하는 충격력이 존재하며, 원심력에 의한 가속도는 진행 방향의 속도의 제곱으로 증가하게 되고, 접지시에는 가속도양이 0에 가깝게 된다. That is, in the vertical direction of the tire, there is a centrifugal force due to the rotational movement and the impact force generated when the tire and the road surface are grounded, and the acceleration due to the centrifugal force is increased by the square of the speed in the traveling direction, and the acceleration amount is increased when the tire is grounded. Is close to zero.

또한, 종방향 가속도는 가속 또는 감속시 타이어 원주의 방향으로 가해지는 가속도양 역시 접지시에 가장 큰 변화량을 보여준다. In addition, the longitudinal acceleration shows the greatest amount of change in grounding when the acceleration or deceleration is applied in the direction of the tire circumference.

횡방향 가속도는 코너링이 발생할 때 크게 발생하는 것으로 직선 주행시의 크기는 속도에 따라 증가하기는 하지만 그 양은 크지 않다. 타이어 내부에서 3축 가속도 모두 속도에 의한 영향을 많이 받고 있음을 확인하였고, 수직축에 의한 변화량이 가장 많음을 알 수 있었다. Lateral acceleration occurs largely when cornering occurs, and the size of linear driving increases with speed, but the amount is not large. It was confirmed that all three-axis accelerations were affected by the speed inside the tire, and the change amount by the vertical axis was the most.

이에 반해 타이어 내부의 스트레인은 2축에 대한 테스트를 수행하였는데, 스트레인 변화 역시 타이어와 노면이 접지할 때 큰 변화를 보였다. 종방향이 횡방향보다 큰 변화를 보이고 있는 것은 접지시 원주 방향의 길이 변화가 횡방향의 길이 변화보다 크기 때문이며, 직선 구간을 이상적인 조건으로 두었기 때문이다. On the other hand, the strain inside the tire was tested on two axes, and the strain change also showed a big change when the tire and the road were grounded. The change in the longitudinal direction is larger than the transverse direction because the change in length in the circumferential direction is greater than the change in length in the circumferential direction when grounding, and the straight section is placed under ideal conditions.

스트레인 변화의 경향성은 하중과 공기압에 의한 영향을 많이 받고 있는데, 속도의 변화에 크게 영향을 받지 않는 스트레인 기반의 에너지 변환 모듈이 적정 공기압 조건하에서는 회전에 따른 일정한 에너지를 변환할 수 있기 때문에 보다 적합할 것이다. The tendency of strain change is greatly influenced by load and air pressure, which is more suitable because strain-based energy conversion module, which is not affected by speed change, can convert constant energy according to rotation under proper pneumatic conditions. will be.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 전기에너지 수득 장치(100)는, 움직임에 따라 압축과 인장이 반복적으로 발생되는 대상물체의 일측에 부착되어, 상기 대상물체의 압축과 인장에 따른 압축력과 인장력이 그 표면에 가해지면 상기 표면에서 전기적 분극이 발생되어 전기가 발생하는 박막(110)으로 구성되어 있다. As shown in FIG. 1, the apparatus 100 for obtaining electrical energy according to the first embodiment of the present invention is attached to one side of an object in which compression and tension are repeatedly generated according to movement, thereby compressing the object. When a compressive force and a tensile force according to the over-tension is applied to the surface, the electrical polarization is generated on the surface is composed of a thin film 110 that generates electricity.

박막(110)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 대상물체의 압축과 인장에 따른 압축력 및 인장력을 전달받을 수 있도록 박막(110)의 일측면은 상기 대상물체 제1접착층(120)에 의하여 부착되고, 박막(110)의 일측면과 대향하는 타측면은 제1접착층(120)보다 넓은 면적을 갖도록 구비되어 제1접착층(120)이 상기 대상물체에 부착된 부위의 주연부에 부착되는 제2접착층(130)에 의하여 상기 대물물체의 표면과 연결되어 있다. As shown in FIG. 4, the thin film 110 is attached to one side of the thin film 110 by the first adhesive layer 120 to receive the compressive force and the tensile force according to the compression and the tension of the object. The other side facing the one side of the thin film 110 is provided to have a larger area than the first adhesive layer 120 so that the first adhesive layer 120 is attached to the peripheral portion of the portion attached to the target object It is connected to the surface of the object by 130.

그리고, 박막(110)은 납과 산화 지르코늄 및 산화 티타늄의 합성물로 구성되는 합성 다기능 세라믹 재질로 형성될 수 있다. The thin film 110 may be formed of a synthetic multifunctional ceramic material composed of a compound of lead, zirconium oxide, and titanium oxide.

박막(110)은 타이어(200) 내부에 장착 가능도록 유연성이 요구되고, 부피의 제한이 있으므로, 플렉서블 피에조 패치로 구성되는 것이 바람직하며, 이에 적합한 재료로 유연성 확보가 가능하며, 얇고 좁은 박판 형태의 빔 형상을 갖고 있어 공간상 제약을 피할 수 있는 효과가 있다. Since the thin film 110 is required to be flexible to be mounted inside the tire 200 and has a limited volume, the thin film 110 is preferably composed of a flexible piezo patch. The beam shape has the effect of avoiding space constraints.

도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기에너지 수득 장치를 구비한 타이어는, 움직임에 따라 압축과 인장이 반복적으로 발생되며 외부와 차폐된 일정한 내부공간을 형성하는 타이어(200)와, 타이어(200)의 일측에 구비되어 타이어(200)의 압축과 인장에 따른 압축력과 인장력이 그 표면에 가해지면 상기 표면에서 전기적 분극이 발생되어 전기가 발생하는 박막(110)으로 이루어진 전기에너지 수득 장치(100)를 포함하여 구성되어 있다. As shown in Figures 2 and 3, the tire provided with the electric energy obtaining apparatus according to the present invention, the tire 200, which is repeatedly compressed and tension is generated as the movement and forms a constant inner space shielded from the outside And, provided on one side of the tire 200, when the compressive force and tensile force according to the compression and tension of the tire 200 is applied to the surface of the electrical energy is made of a thin film 110 to generate electrical polarization on the surface to generate electricity It comprises a obtaining apparatus 100.

타이어(200)와 접촉되는 박막(110)의 접촉면에는 제1접착층(120)이 구비되고, 제1접착층(120)에 의하여 박막(110)이 타이어(200)의 내면에 부착될 수 있다. The first adhesive layer 120 may be provided on the contact surface of the thin film 110 contacting the tire 200, and the thin film 110 may be attached to the inner surface of the tire 200 by the first adhesive layer 120.

박막(110)에는 타이어(200)의 압축 및 인장에 따른 거동을 인식할 수 있도록 박막(110)에서 발생된 전기를 공급받아 동작하는 센서 및 상기 센서에서 인식한 데이터를 외부로 송출하는 데이터송출부(140)가 전기적으로 연결될 수 있다. The thin film 110 includes a sensor that operates by receiving electricity generated from the thin film 110 and a data transmitting unit which transmits the data recognized by the sensor to the outside so as to recognize the behavior of the compression and tension of the tire 200. 140 may be electrically connected.

센서 및 상기 센서에서 인식한 데이터를 외부로 송출하는 데이터송출부(140)에 의하여 타이어(200) 내부의 이상 상태나 혹은 최적 상태를 벗어난 오 작동 상태를 파악하여 타이어(200) 내부의 환경을 제어할 수 있도록 함으로써 최상의 주행 상태를 공급할 수 있게 된다. The environment inside the tire 200 is controlled by grasping an abnormal state or a malfunction state outside the optimum state by the sensor and the data transmitting unit 140 transmitting the data recognized by the sensor to the outside. By doing so, it is possible to provide the best driving condition.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전기에너지 수득장치를 구비한 타이어의 경우에는 제1접착층(120)이 구비된 박막(110)의 일측면과 반대편에 위치한 타측면에는 상기 타측면과 타이어(200)의 내면이 접착되도록 하는 제2접착층(130)이 구비될 수 있다. As shown in FIG. 4, in the case of a tire having an electric energy obtaining device according to a second embodiment of the present invention, the other side surface of which is opposite to one side of the thin film 110 provided with the first adhesive layer 120 is provided. The second adhesive layer 130 may be provided to bond the other side and the inner surface of the tire 200 to each other.

제2접착층(130)은 박막(110)의 타측면 뿐만 아니라 타이어(200) 내면까지 도포됨으로써 타이어(200)의 거동에 의하여 발생되는 압축력이나 인장력을 박막(110)으로 전달하여 전기에너지 수득장치(100)의 수득률을 상향시키는 역할을 한다. The second adhesive layer 130 is applied to the inner surface of the tire 200 as well as the other side of the thin film 110 to transfer the compressive force or tensile force generated by the behavior of the tire 200 to the thin film 110 to obtain an electrical energy ( It serves to increase the yield of 100).

본 발명은 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 구조를 고안하고, 변환된 에너지의 효율적인 저장과 사용율을 높이는 데 목적을 두고 있다. 이에 타이어 변형 에너지가 패치에 인가되는 에너지 전달 과정에서 발생할 수 있는 가능성에 대한 고려가 필요하다. The present invention aims to devise a structure that can increase the energy conversion efficiency, and to increase the efficient storage and utilization of the converted energy. Therefore, it is necessary to consider the possibility that tire deformation energy may occur in the energy transfer process applied to the patch.

아래 그림은 패치 상하부의 구조에 따라 발생할 수 있는 에너지 전달양의 차이를 도식화한 것이다.
The figure below illustrates the difference in energy transfer that can occur depending on the structure of the upper and lower patches.

1번의 경우는 박막(110)의 상부면이 자유단 형태로 놓여 있을 경우 발생할 가능성이 높은 형태로서, 이 구조는 타이어(200)와 플렉서블 피에조 패치 사이의 접착성만을 고려하여 타이어(200)의 내면에 부착한 구조로서, 타이어(200)의 변형에 의하여 타이어(200)와 접착된 플렉서블 피에조 패치의 일측면만 변형되는 경우이다. In the first case, the upper surface of the thin film 110 is more likely to occur when the free end is placed. This structure considers only the adhesiveness between the tire 200 and the flexible piezo patch. In this case, only one side of the flexible piezo patch adhered to the tire 200 is deformed by the deformation of the tire 200.

2번 구조의 경우는 타이어 면과 동일하게 플렉서블 피에조 패치 상면도 타이어(200)의 변형에 의하여 함께 변형할 수 있는 고정단 형태로 패치에 인가할 수 있는 구조를 보여준 것으로 상면에서 발생되는 에너지량은 하면에서 발생되는 에너지의 양과 유사할 것으로 예측된다. In the case of the second structure, the flexible piezo patch upper surface also shows the structure that can be applied to the patch in the form of a fixed end that can be deformed together by the deformation of the tire 200, similar to the tire surface. It is expected to be similar to the amount of energy generated at the bottom surface.

플렉서블 피에조 패치 상부에 자유단 상태일 경우와 고정단 상태에 대한 비교 테스트를 위해 각각의 경우에 대해 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였다. Strain gages were measured for each case for comparative testing of the free end and fixed end states on top of the flexible piezo patch.

부착된 스트레인 게이지 중 타이어 면에 위치한 센서는 타이어 변형량을 측정하면서 패치 상부 자유단과 고정단 측정의 기준 데이터가 된다. Sensors located on the tire side of the attached strain gauges are used as reference data for free end and fixed end measurements of the patch top while measuring tire deformation.

위의 그래프는 타이어 공기압 33psi에서 200kgf 하중을 인가했을 때 종방향의 스트레인 값을 측정한 것으로 고정단의 경우 타이어 내측면의 변형량에 비해 인장 방향은 33% 증가가 되었고, 압축방향은 55%가 증가되었다. 이에 반해 자유단인 경우 인장의 91% 감소하고, 압축 방향은 80% 감소하여 측정되었으며, 그 결과를 표1로 나타내면 다음과 같다. The above graphs measure the strain value in the longitudinal direction when a 200kgf load is applied at 33 psi tire pressure. In the fixed end, the tension direction is increased by 33% and the compression direction is increased by 55% compared to the deformation of the tire inner surface. It became. On the contrary, the free end was reduced by 91% of the tensile strength and the compression direction was decreased by 80%. The results are shown in Table 1 below.

구분division 압력pressure 상태condition 100kgf100kgf 200kgf200kgf 300kgf300kgf 500kgf500kgf 평균Average 타이어 변형대비 고정단 증감 비율Fixed end change ratio 33psi33 psi 인장 Seal 1.375 1.375 1.329 1.329 1.178 1.178 1.216 1.216 1.275 1.275 압축 compression 1.429 1.429 1.560 1.560 1.269 1.269 1.439 1.439 1.424 1.424 22psi22 psi 인장 Seal 1.078 1.078 1.025 1.025 1.045 1.045 1.042 1.042 1.047 1.047 압축 compression 1.000 1,000 1.101 1.101 1.101 1.101 0.996 0.996 1.050 1.050 타이어 변형대비 자유단 증감 비율Free end change ratio 33psi33 psi 인장 Seal 0.087 0.087 0.089 0.089 0.091 0.091 0.103 0.103 0.092 0.092 압축 compression 0.206 0.206 0.193 0.193 0.189 0.189 0.195 0.195 0.196 0.196 22psi22 psi 인장 Seal 0.044 0.044 0.056 0.056 0.049 0.049 0.050 0.050 0.050 0.050 압축 compression 1.000 1,000 0.269 0.269 0.269 0.269 0.315 0.315 0.463 0.463

패치 상부 고정단 적용 시에는 정상 압력 33psi에서는 인장 방향으로는 약 27%가 증가하고 압축 방향으로는 42%가 증가한다. 하지만 자유단 적용 시에는 정상 압력 하에서 인장 방향은 91% 감소와 압축 방향은 81% 감소된 것으로 측정되었다.In the case of the fixed top of the patch, an increase of about 27% in the tension direction and 42% in the compression direction at 33 psi at normal pressure. However, in the free end application, the tension direction was reduced by 91% and the compression direction by 81%.

자유단의 경우는 예측한 모델과 유사한 경향을 보이지만 고정단의 경우는 예측 모델에 비해 더 증가된 스트레인 발생한 것이다. 이 결과를 이용하여 볼때 플렉서블 피에조 패치 적용을 위한 구조는 패치 상부 고정단이 존재할 때 스트레인 전달 효율을 높일 수 있을 것이다. The free end tends to be similar to the predicted model, but the fixed end is more strained than the predictive model. Using this result, the structure for applying the flexible piezo patch may increase the strain transmission efficiency when the patch upper fixing end is present.

한편, 플렉서블 피에조 패치에 인가되는 스트레인에 따른 전압 측정 결과는 아래의 그래프와 같다.On the other hand, the voltage measurement results according to the strain applied to the flexible piezo patch is shown in the graph below.

플렉서블 피에조 패치는 위의 장에서 살펴 본 봐야 같이 인가되는 스트레인과 전압은 선형적인 관계를 갖고 있는데 측정 결과에서도 동일한 경향을 보인다. 또한, 패치에서 발생하는 에너지가 전기에너지 수득 장치(100)에 효율적으로 전달되기 위해서는 플렉서블 피에조 패치와 시스템 사이의 임피던스 매칭이 필요하다. 회로의 임피던스 매칭을 하기에 앞서 가장 최적의 매칭이 되었을 시 전달되는 에너지양을 예측하기 위해 가변 저항을 이용하여 측정하였다. The flexible piezo patch has a linear relationship between the applied strain and the voltage as seen in the above chapter. In addition, impedance matching between the flexible piezo patch and the system is required for the energy generated in the patch to be efficiently transferred to the electrical energy obtaining device 100. Prior to the impedance matching of the circuit, the variable resistance was measured to predict the amount of energy delivered when the most optimal match was made.

측정 결과 패치와 연결되는 회로의 등가 저항이 약 600 kΩ일 때 가장 많은 에너지가 전달이 되고 있음을 알 수 있다. 이 저항값은 인가 스트레인 양에 따라 변하지 않았고, 이 저항값을 이용하여 각각의 인가 스트레인에 따른 에너지 양을 측정하였다. The measurement shows that the most energy is transferred when the equivalent resistance of the circuit connected to the patch is about 600 kΩ. This resistance value did not change according to the applied strain amount, and the amount of energy according to each applied strain was measured using this resistance value.

이 때, 측정된 에너지 양은 1회 회전시에 패치에 인가된 스트레인에 의해 변환를 도출한 것이다. 인가되는 스트레인 양과 변환되는 에너지량은 위의 에너지량 예측을 위한 모델링 식에서 살펴본 바와 같이, 아래 도시한 그래프처럼 2차식의 형태를 띄고 있는데 측정 결과도 예측 모델과 유사한 2차식으로 근사화시킬 수 있다. 이에 에너지 하베스팅 모델링이 실제 모델을 잘 모사하고 있음을 확인한 것이다. 향후 스트레인 기반의 에너지 하베스팅 모듈 설계시 근사 모델을 이용할 수 있을 것으로 판단된다.At this time, the measured energy amount is derived from the strain applied to the patch in one rotation. The amount of strain applied and the amount of energy transformed are quadratic, as shown in the modeling equations for energy prediction above, and the measurement results can be approximated in a quadratic fashion similar to the prediction model. This confirms that energy harvesting modeling is a good representation of the actual model. It is expected that an approximation model can be used to design strain-based energy harvesting modules.

플렉서블 피에조 패치는 타이어 내부에 장착하기 위한 목적으로 개발을 하기 때문에 전압과 스트레인 관계가 가진기를 이용할 때와 유사한 경향을 보임을 확인할 필요가 있다. 이에 테스트 지그에 적용한 동일한 접착제를 이용하여 타이어와 패치를 접착하고 타이어 면에서의 스트레인양과 전압의 관계를 측정하였다.Flexible piezo patches are developed for the purpose of mounting inside the tire, so it is necessary to confirm that the voltage and strain relationship tends to be similar to those of using an excitation device. Thus, the tire and the patch were bonded using the same adhesive applied to the test jig, and the relationship between strain amount and voltage on the tire surface was measured.

플렉서블 피에조 패치 타이어 적용 정하중 테스트는 타이어 회전시에 측정하는 것이 아닌 정해진 하중이 가해진 상태에서 일정 구간만 회전을 시켜 측정한 결과로 실제 타이어가 접지시에 발생하는 변형하는 영역을 대상으로 시험을 수행하였다.The static load test applied to the flexible piezo patch tires was performed by rotating only a certain section in a state where a fixed load was applied, not measured when the tire was rotated. .

이에 측정된 결과 그래프는 아래와 같다.The result graph is as follows.

타이어의 기계적 거동을 전기 에너지로 변환 시킬 수 있는 전기에너지 수득 장치(100)의 모듈 제작을 위해 패치 상부가 자유로운 플렉서블 피에조 패치 구조와 상부가 고정된 패치 구조 두 가지에 대한 테스트를 수행하였다. In order to manufacture a module of an electric energy obtaining device 100 capable of converting a tire's mechanical behavior into electrical energy, a test was performed on a flexible piezo patch structure having a free patch top and a patch structure having a fixed top.

변환된 전기 에너지를 저장가능하게 하는 전기에너지 수득장치과 저장된 에너지양을 무선으로 측정할 수 있는 기능을 갖고 있는 회로를 제작하여 테스트를 수행하였다. The test was performed by fabricating a circuit having an electric energy harvesting device that can store the converted electric energy and a function of wirelessly measuring the amount of stored energy.

에너지 저장을 위한 캐패시터는 517uF(470uF+47uF)을 적용하였고, 캐패시터에 저장 전압 4V 충전 기준으로 충전 시간을 측정하였다. 테스트 조건은 17인치 산타페 전용 휠과 금호타이어 P235/65R17 을 사용하였고, 타이어 공기압은 정상 압력인 33psi에서 하중 인가 조건 100,200,300,500kgf과 RPM 100,200,300,430,500이다.As a capacitor for energy storage, 517uF (470uF + 47uF) was applied, and the charging time was measured based on a storage voltage of 4V. The test conditions were 17-inch Santa Fe wheel and Kumho Tires P235 / 65R17. Tire pressure was 100,200,300,500kgf and RPM 100,200,300,430,500.

표 2는 상부 자유단 플렉서블 피에조 패치 구조에 대한 테스트 조건 하에서 측정된 결과이다. 저장 에너지와 발생 전력의 차이가 있는 것은 저장 에너지는 전기에너지 수득장치를 거쳐 저장 캐패시터에 실제 충전되어 있는 것을 말하고, 발생 전력은 저장된 에너지의 회로 입력 전단계까지를 말한다. Table 2 shows the results measured under test conditions for the upper free end flexible piezo patch structure. The difference between the stored energy and the generated power means that the stored energy is actually charged in the storage capacitor through the electric energy obtaining device, and the generated power refers to the stage before the circuit input of the stored energy.

전기에너지 수득 장치(100)와 무선 측정 시스템으로 인해 회로의 입출력 효율은 약 30%로 나머지 70% 에너지는 시스템 소자에서 손실로 발생되기 때문에 발생 전력은 저장 에너지보다 크게 된다. 이에 따라 측정된 결과 500rpm, 500kgf 인가시 4.2mW/cm3 전력이 발생하였다.Due to the electrical energy obtaining device 100 and the wireless measurement system, the input / output efficiency of the circuit is about 30%, and the remaining 70% energy is generated as a loss in the system element, so that the generated power is larger than the stored energy. As a result, 4.2mW / cm3 power was generated when 500rpm and 500kgf were applied.

타이어 압력Tire pressure RPMRPM 하중
(kgf)weight
(kgf) 충전시간
(s)Charging time
(s) 저장 에너지(mJ)Stored energy (mJ) 단위시간당저장
에너지(mJ/sec)Save per unit time
Energy (mJ / sec) 발생전력
(mW/cm3)Power generation
(mW / cm3) 33psi33 psi 100100 100100 429.101 429.101 3.680 3.680 0.009 0.009 0.397 0.397 200200 373.350 373.350 0.010 0.010 0.457 0.457 300300 406.191 406.191 0.009 0.009 0.420 0.420 500500 455.150 455.150 0.008 0.008 0.375 0.375 200200 100100 216.200 216.200 0.017 0.017 0.789 0.789 200200 178.800 178.800 0.021 0.021 0.954 0.954 300300 175.300 175.300 0.021 0.021 0.973 0.973 500500 177.750 177.750 0.021 0.021 0.959 0.959 300300 100100 138.250 138.250 0.027 0.027 1.234 1.234 200200 109.450 109.450 0.034 0.034 1.558 1.558 300300 101.900 101.900 0.036 0.036 1.674 1.674 500500 91.050 91.050 0.040 0.040 1.873 1.873 430430 100100 64.125 64.125 0.057 0.057 2.659 2.659 200200 55.133 55.133 0.067 0.067 3.093 3.093 300300 53.833 53.833 0.068 0.068 3.168 3.168 500500 50.900 50.900 0.072 0.072 3.350 3.350 500500 100100 54.533 54.533 0.068 0.068 3.127 3.127 200200 45.925 45.925 0.080 0.080 3.713 3.713 300300 43.538 43.538 0.085 0.085 3.917 3.917 500500 40.560 40.560 0.091 0.091 4.205 4.205

하지만 상부 고정단 플렉서블 패치의 경우 동일한 조건 500rpm,500kgf에서는 16.345mW/cm3 전력이 발생하였다. 자유단과의 발생 전력과 비교해 볼 때 약 4배 정도 증가되었을 알 수 있다. 표 3은 각각의 조건에서 발생 전력을 측정한 결과를 정리한 것이다.However, the upper fixed end flexible patch produced 16.345mW / cm3 power under the same conditions of 500rpm and 500kgf. Compared to the generated power with the free end, it can be seen that it increased by about four times. Table 3 summarizes the results of measuring the power generated under each condition.

타이어 압력Tire pressure RPMRPM 하중
(kgf)weight
(kgf) 충전시간
(s)Charging time
(s) 저장 에너지
(mJ)Save energy
(mJ) 단위시간당 저장
에너지(mJ/sec)Save per unit time
Energy (mJ / sec) 발생전력
(mW/cm3)Power generation
(mW / cm3) 33psi33 psi 100100 100100 58.084 58.084 3.680 3.680 0.063 0.063 2.936 2.936 200200 43.883 43.883 0.084 0.084 3.886 3.886 300300 40.100 40.100 0.092 0.092 4.253 4.253 500500 33.799 33.799 0.109 0.109 5.046 5.046 200200 100100 33.275 33.275 0.111 0.111 5.125 5.125 200200 24.733 24.733 0.149 0.149 6.895 6.895 300300 22.750 22.750 0.162 0.162 7.496 7.496 500500 20.483 20.483 0.180 0.180 8.326 8.326 300300 100100 23.350 23.350 0.158 0.158 7.304 7.304 200200 18.100 18.100 0.204 0.204 9.422 9.422 300300 16.575 16.575 0.222 0.222 10.289 10.289 500500 14.476 14.476 0.254 0.254 11.781 11.781 430430 100100 18.734 18.734 0.197 0.197 9.103 9.103 200200 13.983 13.983 0.263 0.263 12.196 12.196 300300 12.734 12.734 0.289 0.289 13.393 13.393 500500 11.100 11.100 0.332 0.332 15.364 15.364 500500 100100 18.325 18.325 0.201 0.201 9.307 9.307 200200 13.534 13.534 0.272 0.272 12.601 12.601 300300 11.925 11.925 0.309 0.309 14.301 14.301 500500 10.433 10.433 0.353 0.353 16.346 16.346

그리고, 두 가지 경우에 대한 경향성 분석을 위해 그래프로 결과를 정리하였다. 아래 그래프 모두에 대해 하중 증가에 따라 스트레인 양이 증가하고 있지만, 단위 시간 당 발전량에 대한 결과임을 볼 때 속도 증가에 더 민감한 것을 알 수 있다.
The results are summarized in graphs for trend analysis of the two cases. For all of the graphs below, the amount of strain increases with increasing load, but it is more sensitive to the increase in speed as a result of the amount of power generated per unit time.

<플렉서블 피에조 패치 자유단(좌)과 고정단(우)에 따른 발전량>
<The amount of power generated by flexible piezo patch free end (left) and fixed end (right)>

이 결과에서도 확인할 수 있듯이 상부 고정형 플렉서블 피에조 패치의 구조가 월등히 성능 면에서 우수한 구조임을 보여주고 있다. As can be seen from this result, the structure of the upper fixed flexible piezo patch is excellent in terms of performance.

도 5에 도시한 바와 같이, 전기에너지의 수득률을 더 향상시킬 수 있도록 박막(110)과 제1접착층(120) 및 제2접착층(130)이 상호 접촉하는 접촉면 사이에는 각각 제1탄성층(150)과 제2탄성층(160)이 더 구비될 수도 있다. As shown in FIG. 5, the first elastic layer 150 is provided between the contact surfaces of the thin film 110, the first adhesive layer 120, and the second adhesive layer 130, respectively, to further improve the yield of electrical energy. ) And the second elastic layer 160 may be further provided.

제1탄성층(150)과 제2탄성층(160)이 구비된 경우에는 타이어(200)가 압축되거나 혹은 인장되어 발생하는 압축력이나 혹은 인장력에 의하여 박막(110)의 표면이 변형될 수 있는 공간이 더 확보되므로 박막(110)의 변위가 더욱 커질 수 있게 되어 전기에너지의 수득률을 향상시킬 수 있게 되는 것이다. When the first elastic layer 150 and the second elastic layer 160 are provided, a space in which the surface of the thin film 110 may be deformed by the compressive force or the tensile force generated by the compression or tension of the tire 200. This is further secured so that the displacement of the thin film 110 can be further increased to improve the yield of electrical energy.

즉, 제1탄성층(150)과 제2탄성층(160)으로 인하여 박막(110)이 제1탄성층(150)과 제2탄성층(160)이 차지하고 있는 공간의 일부분까지 변형될 수 있으므로 박막(110)에서 더욱 많은 전기에너지를 발생시킬 수 있음은 물론이다. That is, the thin film 110 may be deformed to a part of the space occupied by the first elastic layer 150 and the second elastic layer 160 due to the first elastic layer 150 and the second elastic layer 160. Of course, more electrical energy may be generated in the thin film 110.

도 6에 도시한 바와 같이, 전기에너지 수득률을 더욱 향상시킬 수 있도록 제2접착층(160)은 탄성을 갖는 재질로 형성되며, 제2접착층(160)이 박막(110)과 접촉되는 접촉면 상측의 제2접착층(160) 내부에는 별도의 강성부재(170)가 구비될 수 있다. As shown in FIG. 6, the second adhesive layer 160 is formed of an elastic material to further improve the electrical energy yield, and the second adhesive layer 160 is formed on the contact surface on which the second adhesive layer 160 is in contact with the thin film 110. The second rigid layer 160 may be provided with a separate rigid member 170.

이는, 타이어(200)가 압축되거나 혹은 인장되어 발생하는 압축력이나 혹은 인장력에 의하여 박막(110) 표면이 변형시에 박막(110)의 상측에 구비된 강성부재(170)에 의하여 박막(110)의 상면이 상승됨을 방지하여 박막(110) 하면에 더욱 많은 변위가 발생되도록 하여 전기 에너지의 수득률을 높일 수 있는 효과를 유도하기 위함이다. The thin film 110 may be formed by the rigid member 170 provided on the upper side of the thin film 110 when the surface of the thin film 110 is deformed due to the compressive force or the tensile force generated by the tire 200 being compressed or stretched. This is to induce an effect of increasing the yield of electrical energy by preventing the upper surface from rising and causing more displacement to occur on the lower surface of the thin film 110.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 전기에너지 수득 장치를 이용한 전력공급방법은, 박막에서 전기를 발생시키는 단계와; 교류 파형으로 발생된 상기 전기를 양전압으로 변환시키는 단계와; 상기 양전압의 전기에서 일정 범위의 정전압을 출력시키는 단계와; 출력된 정전압을 별도의 충전소자에 저장시키는 단계와; 일정 전압을 충전 후 상기 센서 및 상기 센서에서 인식한 데이터를 외부로 송출하는 데이터송출부(140) 측으로 전력을 공급하는 단계를 순차적으로 진행한다. On the other hand, as shown in Figure 7, the power supply method using the electrical energy obtaining apparatus for achieving the above object of the present invention, the step of generating electricity in the thin film; Converting the electricity generated by the AC waveform into a positive voltage; Outputting a constant voltage in a predetermined range in the positive voltage electricity; Storing the output constant voltage in a separate charging device; After charging a predetermined voltage, a step of sequentially supplying power to the sensor and the data transmitter 140 for transmitting the data recognized by the sensor to the outside is performed.

그리고, 충전소자에 저장된 정전압이 일정 수준 이하로 떨어지면 전력 소비에 따라 일정 전압 이하에서 컷오프(cutoff)하는 기능이 더 추가되어 일정 전압 이상의 전력을 공급할 수 있도록 한다. When the constant voltage stored in the charging device falls below a predetermined level, a function of cutting off at a predetermined voltage or less according to power consumption may be added to supply power above a predetermined voltage.

위와 같은 과정을 통해 플렉서블 피에조 패치에서 발생된 전기 에너지가 충전 및 방전되어 LED를 구동하고 이 때 LED의 위치 변화를 인식하여 타이어에 인가된 하중량을 측정할 수 있게 된다. 현재 전기에너지 수득장치는 광방식 타이어 하중 측정을 위한 LED 전원 공급 용으로 사용을 목적으로 하지만 현재 시스템은 LED 구동 뿐만 아니라 타이어 내부용 TPMS나 다른 측정 센서의 구동 전원으로 사용 가능하도록 다양한 변형이 가능하다. Through the above process, the electrical energy generated from the flexible piezo patch is charged and discharged to drive the LED, and at this time, the positional change of the LED can be recognized to measure the underweight applied to the tire. Currently, the electric energy harvesting device is intended to be used for supplying LED power for optical tire load measurement, but the present system can be modified in various ways to be used not only for driving LED but also for driving power of TPMS or other measuring sensor for tire inside. .

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It is to be understood that both the technical idea and the technical spirit of the invention are included in the scope of the present invention.