KR101053487B1 - Vibration frequency converter, energy collector and vibration method using vibration frequency converter - Google Patents

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Abstract

저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집기에 관한 기술이 개시(disclosure)된다. 일 실시 예에 있어서, 에너지 포집기는 상기 저주파 진동에너지를 임펄스(impulse) 진동에너지로 변환하는 임펄스 생성기, 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 적어도 하나의 진동체 및 상기 임펄스 생성기와 상기 진동체 중 적어도 어느 하나에 배치되며 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환체를 포함한다. 상기 고주파는 상기 저주파보다 높은 주파수를 가진다.

Figure R1020090064500

Disclosed is a technique for an energy collector that converts low frequency vibration energy to produce electrical energy. In one embodiment, the energy collector is an impulse generator for converting the low frequency vibration energy into an impulse vibration energy, at least one vibrating body for converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy and the impulse generator and the vibrating body It is disposed on at least one of the energy converter for converting the high frequency vibration energy into electrical energy. The high frequency has a higher frequency than the low frequency.

Figure R1020090064500

Description

진동주파수 변환장치, 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집기 및 에너지 포집방법{frequency converter, energy harvester using frequency converter and method for harvesting energy}Frequency converter, energy harvester using frequency converter and method for harvesting energy}

본 명세서는 대체로 에너지 포집기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 진동주파수 변환장치, 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집기 및 에너지 포집방법에 관한 것이다.The present specification relates generally to an energy collector, and more particularly, to an energy collector and an energy collecting method using a vibration frequency converter, a vibration frequency converter.

본 명세서는 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한국연구재단의 연구지원프로그램으로 지원받은 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-0076641, 과제명 : 기계적 주파수 상향변환을 이용한 에너지 포집소자 개발].This specification is derived from the research funded by the Korea Research Foundation's research support program, which is funded by the Ministry of Education, Science and Technology. [Task Management Number: 2009-0076641, Title: Development of Energy Capture Device Using Mechanical Frequency Upconversion].

최근에, 무선 센서 네트워크(wireless sensor network)를 활용한 정보의 처리 및 전달이 활발하게 이루어지고 있다. 무선 센서 네트워크의 활용으로 기존보다 정확하고 많은 양의 자료수집 및 처리가 가능해지고 있다. 무선 센서 네트워크는 물리적 공간에 배치된 다양한 센서들에 의하여 수집된 정보를 무선 네트워크를 통하여 감지 및 관리할 수 있는 기술을 말한다. 무선 센서 네트워크는 환경 감시나 목표물 추적, 고속도로 교통 정보 관리, 건물 감시 등의 다양한 잠재적인 응용 분 야를 가질 수 있다. In recent years, processing and transmission of information using a wireless sensor network has been actively performed. The use of wireless sensor networks enables more accurate and larger data collection and processing than ever before. The wireless sensor network refers to a technology capable of detecting and managing information collected by various sensors arranged in a physical space through a wireless network. Wireless sensor networks can have a variety of potential applications, such as environmental monitoring, target tracking, highway traffic information management, and building monitoring.

무선 센서 네트워크는 이를 구동하기 위한 전원공급 매체를 필요로 한다. 무선 센서 네트워크의 비약적인 발전에 비해, 전원공급 매체의 더딘 발전속도는 전원공급 기기의 지속적인 교체 필요성과 이에 따른 유지비용의 증가라는 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 무선 센서 네트워크에 영구적인 에너지를 공급하기 위한 에너지 포집(energy harvesting) 기술에 관한 여러 연구들이 활발히 진행되고 있다. 상기 에너지 포집 기술은 센서를 구동하기에 충분한 출력 에너지를 안정적으로 제공하여야 한다. 이러한 연구 결과들 중 하나는 진동에너지를 포집하여 전기에너지로 변환 및 저장하려는 시도이다.Wireless sensor networks require a power supply medium to drive them. Compared to the rapid development of wireless sensor networks, the slow development speed of the power supply medium is causing the problem of the need for continuous replacement of the power supply and the increase in maintenance cost. In order to solve this problem, various studies on energy harvesting technology for supplying permanent energy to the wireless sensor network have been actively conducted. The energy collection technique must reliably provide enough output energy to drive the sensor. One of these findings is an attempt to capture and convert vibrational energy into electrical energy.

진동에너지를 포집하여 전기에너지로 변환 및 저장하는 기술은 자연적인 진동뿐만 아니라 인위적인 진동이 존재하는 모든 장소에서 적용이 가능하다. 따라서, 진동에너지를 포집하여 전기에너지로 변환 및 저장하는 기술은 무선 센서 네트워크에 영구적인 에너지를 공급하기 위한 유망한 후보가 되고 있다.The technology of capturing and converting vibration energy into electrical energy is applicable to all places where not only natural vibration but also artificial vibration exist. Therefore, the technology of capturing and converting vibration energy into electrical energy has become a promising candidate for supplying permanent energy to a wireless sensor network.

일 실시 예에 있어서, 저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집기가 개시된다. 상기 에너지 포집기는 상기 저주파 진동에너지를 임펄스(impulse) 진동에너지로 변환하는 임펄스 생성기, 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 적어도 하나의 진동체 및 상기 임펄스 생성기와 상기 진동체 중 적어도 어느 하나에 배치되며 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환체를 포함한다. 상기 고주파는 상기 저주파보다 높은 주파수를 가진다.In one embodiment, an energy collector for converting low frequency vibration energy to generate electrical energy is disclosed. The energy collector includes an impulse generator for converting the low frequency vibration energy into an impulse vibration energy, at least one vibrating body for converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy, and at least one of the impulse generator and the vibrating body. It is disposed and includes an energy converter for converting the high frequency vibration energy into electrical energy. The high frequency has a higher frequency than the low frequency.

다른 실시 예에 있어서, 저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집기가 개시된다. 상기 에너지 포집기는 상기 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환하는 수단, 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 수단 및 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 수단을 포함한다. 상기 고주파는 상기 저주파보다 높은 주파수를 가진다.In another embodiment, an energy collector for converting low frequency vibration energy to generate electrical energy is disclosed. The energy collector includes means for converting the low frequency vibration energy into impulse vibration energy, means for converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy, and means for converting the high frequency vibration energy into electrical energy. The high frequency has a higher frequency than the low frequency.

또 다른 실시 예에 있어서, 저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집방법이 개시된다. 상기 에너지 포집방법은 상기 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정, 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 과정 및 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 포함한다. 상기 고주파는 상기 저주파보다 높은 주파수를 가진다.In another embodiment, an energy collection method of converting low-frequency vibration energy to generate electrical energy is disclosed. The energy collection method includes converting the low frequency vibration energy into impulse vibration energy, converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy, and converting the high frequency vibration energy into electric energy. The high frequency has a higher frequency than the low frequency.

또 다른 실시 예에 있어서, 저주파 진동을 변환하여 고주파 진동을 생성하는 진동주파수 변환장치가 개시된다. 상기 진동주파수 변환장치는 저주파 진동을 임펄 스 진동으로 변환하는 수단 및 상기 임펄스 진동을 고주파 진동으로 변환하는 수단을 포함한다. 상기 임펄스 진동은 상기 저주파 진동에 의하여 생성되는 스냅 좌굴에 의하여 생성된다.In still another embodiment, a vibration frequency converter for converting low frequency vibration to generate high frequency vibration is disclosed. The vibration frequency converting apparatus includes means for converting low frequency vibration into impulse vibration and means for converting the impulse vibration into high frequency vibration. The impulse vibration is generated by snap buckling generated by the low frequency vibration.

이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments disclosed herein will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Unless otherwise indicated in the text, like reference numerals in the drawings indicate like elements. The illustrative embodiments described above in the detailed description, drawings, and claims are not meant to be limiting, other embodiments may be utilized, and other changes may be made without departing from the spirit or scope of the technology disclosed herein. Those skilled in the art can arrange, configure, combine, and designate the components of the present disclosure, that is, the components generally described herein and described in the figures, in a variety of different configurations, all of which are expressly devised and It will be readily understood that they form part of.

일 구성요소가 다른 구성요소 "와 연결" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.When one component is referred to as "connecting with" another component, the case may include a case in which the one component is directly connected to the other component, as well as a case in which additional components are interposed therebetween.

일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 배치되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 배치라는 용어는 일반적인 배치의 의미뿐만 아니라 부착의 의미도 포함할 수 있다.When one component is referred to as "positioning to" another component, it may include a case in which one component is directly disposed on the other component, as well as a case where additional components are interposed therebetween. In addition, when one component is referred to as "positioning to" another component, the term placement may include the meaning of attachment as well as the meaning of the general arrangement.

도 1은 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 진동주파수 변환장치(100)는 임펄스 생성기(110) 및 적어도 하나의 진동체(120)를 포함한다.1 is a view showing a vibration frequency converter according to an embodiment. Referring to FIG. 1, the oscillation frequency converter 100 includes an impulse generator 110 and at least one vibrator 120.

임펄스 생성기(110)는 외부의 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환한다. 상기 저주파 진동에너지의 주파수 범위는 예로서 1 ㎐에서 100 ㎐ 일 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에도 다양한 주파수 범위를 가질 수 있다. 임펄스 생성기(110)는 상기 저주파 진동에너지에 의하여 발생하는 스냅 좌굴(snap-through buckling)을 이용하여 임펄스 진동에너지를 생성할 수 있다. 스냅 좌굴은 평형상태(이하 제1 평형상태라 함)를 유지하고 있던 구조물이 외력의 변화에 의하여 갑자기 상기 제1 평형상태와는 다른 평형상태(이하 제2 평형상태라 함)로 이동하는 현상을 말한다. 이 경우, 외력이 제거되어도 구조물은 상기 제1 평형상태로 복귀하지 않는다. 상기 제1 평형상태에 놓여있는 임펄스 생성기(110)에 임계 하중 이상의 외부 진동이 전달되면 임펄스 생성기(110)는 스냅 좌굴을 일으키며, 스냅 좌굴에 의하여 임펄스 생성기(110)는 상기 제2 평형상태를 가질 수 있다. 상기 제1 평형상태에서 상기 제2 평형상태로의 이동은 매우 빠르게 일어날 수 있다. 상술한 설명과 실질적으로 동일한 방식에 의해, 임펄스 생성기(110)는 상기 제2 평형상태에서 상기 제1 평형상태로 상태가 변화할 수도 있다.The impulse generator 110 converts external low frequency vibration energy into impulse vibration energy. The frequency range of the low frequency vibration energy may be, for example, 1 Hz to 100 Hz. The above examples are examples for understanding and may have various frequency ranges in addition to the above examples. The impulse generator 110 may generate impulse vibration energy using snap-through buckling generated by the low frequency vibration energy. Snap buckling is a phenomenon in which a structure that is in an equilibrium state (hereinafter referred to as a first equilibrium state) suddenly moves to an equilibrium state (hereinafter referred to as a second equilibrium state) different from the first equilibrium state due to a change in external force. Say. In this case, even when the external force is removed, the structure does not return to the first equilibrium state. When an external vibration of more than a critical load is transmitted to the impulse generator 110 placed in the first equilibrium state, the impulse generator 110 causes snap buckling, and the impulse generator 110 has the second equilibrium state by the snap buckling. Can be. The movement from the first equilibrium state to the second equilibrium state can occur very quickly. In substantially the same manner as described above, the impulse generator 110 may change state from the second equilibrium state to the first equilibrium state.

임펄스 생성기(110)는 적어도 하나의 빔 및 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 도면에는 빔 지지대(112), 빔 지지대(112)에 연결된 하나의 빔(114) 및 빔(114)에 배치된 하나의 제1 질량체(116)를 포함하는 임펄스 생성기(110)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 임펄스 생성기(110)는 빔 지지대(112)에 연결되는 다수의 빔 및 상기 다수의 빔에 각각 배치되거나 상기 다수의 빔에 공통으로 배치되는 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 지지대(112)는 빔(114)을 지탱하고, 빔(114)이 스냅 좌굴을 일으킬 경우에 스냅 좌굴을 위한 안전한 공간을 형성해줄 수 있다. The impulse generator 110 may include at least one beam and at least one first mass. In the figure an impulse generator 110 comprising a beam support 112, one beam 114 connected to the beam support 112 and one first mass 116 disposed on the beam 114 is represented by way of example. have. In another embodiment, the impulse generator 110, unlike shown in the figure is a plurality of beams connected to the beam support 112 and at least one agent disposed in each of the plurality of beams or in common to the plurality of beams It may comprise 1 mass. The support 112 supports the beam 114 and can form a safe space for snap buckling when the beam 114 causes snap buckling.

빔(114)은 좌굴(buckling)되어 있으며, 상기 저주파 진동에너지에 의하여 스냅 좌굴을 일으킬 수 있다. 일례로, 저주파의 외부 진동에 의한 힘이 빔(114)의 좌굴 임계값을 넘어서게 되면 빔(114)은 스냅 좌굴을 일으킬 수 있다. 빔(114)의 평형상태는 스냅 좌굴에 의하여 이동하며, 빔(114)의 평형상태의 이동은 매우 빠르게 일어날 수 있다. 빔(114)은 다양한 방법에 의하여 좌굴될 수 있다. 일례로, 빔(114)은 양끝단에 인가되는 압축 응력(compressive stress)에 의하여 좌굴될 수 있다. The beam 114 is buckled and may cause snap buckling by the low frequency vibration energy. For example, when the force caused by the low frequency external vibration exceeds the buckling threshold of the beam 114, the beam 114 may cause snap buckling. The equilibrium of the beam 114 is moved by snap buckling, and the equilibrium movement of the beam 114 can occur very quickly. Beam 114 may be buckled by various methods. In one example, the beam 114 may be buckled by compressive stress applied to both ends.

제1 질량체(116)는 빔(114)에 배치될 수 있다. 도면에는 빔(114)에 직접 배치된 제1 질량체(116)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 제1 질량체(116)와 빔(114) 사이에는 추가적인 구성요소가 개재될 수 있다. 상기 추가적인 구성요소는 예로서 절연층, 압전물질 및 금속 박막 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 절연층은 예로서 산화막, 질화막 등일 수 있다. 제1 질량체(116)는 빔(114)의 적어도 어느 한 표면에 배치되며, 빔(114)에 집중하중을 줄 수 있다. 상기 저주파 진동에너지가 빔(114)에 인가될 경우에 제1 질량체(116)는 빔(114)의 스냅 좌굴을 촉진시키는 역할을 수행할 수 있다.The first mass 116 may be disposed in the beam 114. In the figure a first mass 116 disposed directly on the beam 114 is represented by way of example. In another embodiment, additional components may be interposed between the first mass 116 and the beam 114. For example, the additional component may be at least one selected from an insulating layer, a piezoelectric material, and a metal thin film. The insulating layer may be, for example, an oxide film, a nitride film, or the like. The first mass 116 is disposed on at least one surface of the beam 114 and may apply a concentrated load to the beam 114. When the low frequency vibration energy is applied to the beam 114, the first mass 116 may serve to promote snap buckling of the beam 114.

적어도 하나의 진동체(120)는 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환한다. 스냅 좌굴에 의한 임펄스 생성기(110)의 상태이동은 매우 빠르게 일어날 수 있다. 이 경우, 임펄스 생성기(110)에 배치된 진동체(120)는 임펄스 생성기(110)의 빠른 상태이동시 생성되는 임펄스 진동에 의하여 고주파로 진동할 수 있다. 일 실시 예로서, 진동체(120)는 고유의 공진주파수를 가질 수 있으며, 상기 임펄스 진동에 의하여 자유 공진 또는 자유 진동할 수 있다. 이 경우, 진동체(120)는 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환할 수 있다. 진동체(120)의 자유 공진 주파수는 진동체(120)의 재료, 크기 등을 조절하여 조절될 수 있다. 상기 고주파 진동의 주파수는 상기 저주파 진동의 주파수보다 높은 주파수를 가진다. 상기 고주파 진동의 주파수는 수 ㎑ 일 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에도 다양한 주파수 범위를 가질 수 있다.At least one vibrating body 120 converts the impulse vibration energy into high frequency vibration energy. State transition of the impulse generator 110 by snap buckling can occur very quickly. In this case, the vibrating body 120 disposed in the impulse generator 110 may vibrate at high frequency by the impulse vibration generated when the impulse generator 110 moves quickly. As an embodiment, the vibrator 120 may have a unique resonance frequency, and may be free resonance or free vibration by the impulse vibration. In this case, the vibrator 120 may convert the impulse vibration energy into high frequency vibration energy. The free resonance frequency of the vibrator 120 may be adjusted by adjusting the material, size, and the like of the vibrator 120. The frequency of the high frequency vibration has a higher frequency than the frequency of the low frequency vibration. The frequency of the high frequency vibration may be several Hz. The above examples are examples for understanding and may have various frequency ranges in addition to the above examples.

적어도 하나의 진동체(120)는 임펄스 생성기(110)에 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 임펄스 생성기(110)는 적어도 하나의 빔 및 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 도면에는 하나의 빔(114) 및 빔(114)에 배치된 하나의 제1 질량체(116)를 포함하는 임펄스 생성기(110)가 예로서 표현되어 있다. 또한, 도면에는 빔(114)에 배치된 진동체(120)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 진동체(120)는 제1 질량체(116)에 배치될 수 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 진동체(120)는 빔(114) 및 제1 질량체(116)에 배치될 수 있다.At least one vibrating body 120 may be disposed in the impulse generator 110. As described above, the impulse generator 110 may include at least one beam and at least one first mass. In the figure an impulse generator 110 comprising one beam 114 and one first mass 116 disposed in the beam 114 is represented by way of example. In addition, the vibrating body 120 arrange | positioned at the beam 114 is represented as an example in the figure. In another embodiment, the vibrating body 120 may be disposed on the first mass body 116 as shown in the drawing. As another embodiment, the vibrating body 120 may be disposed on the beam 114 and the first mass body 116 as shown in the drawing.

적어도 하나의 진동체(120)는 적어도 하나의 캔틸레버(cantilever, 122)를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 진동체(120)는 선택적으로(optionally) 적어도 하나의 제2 질량체(124)를 더 포함할 수도 있다. 도면에는 하나의 캔틸레버(122) 및 하나의 제2 질량체(124)를 포함하는 진동체(120)가 예로서 표현되어 있다. 캔틸레버(122)는 상기 임펄스 진동에 의하여 공진할 수 있다. 캔틸레버(122)의 공진주파수는 다양한 방법에 의하여 조절이 가능하다. 일례로, 캔틸레버(122)의 공진주파수는 길이, 폭, 두께 등과 같은 캔틸레버(122)의 물리적 치수를 변경하여 조절될 수 있다. 다른 예로서, 캔틸레버(122)의 공진주파수는 캔틸레버(122)에 포함되는 재료의 물성을 변경하여 조절될 수 있다. 일 실시 예로서, MEMS(micro-electro-mechanical systems) 기술을 이용하여 제작된 마이크로미터 크기의 캔틸레버(122)는 수 ㎑ 대역의 공진주파수를 가질 수 있다. The at least one vibrator 120 may include at least one cantilever 122. In some other embodiments, the vibrator 120 may optionally further include at least one second mass 124. In the drawing, a vibrating body 120 including one cantilever 122 and one second mass 124 is represented as an example. The cantilever 122 may resonate by the impulse vibration. The resonant frequency of the cantilever 122 can be adjusted by various methods. For example, the resonant frequency of the cantilever 122 may be adjusted by changing physical dimensions of the cantilever 122 such as length, width, thickness, and the like. As another example, the resonant frequency of the cantilever 122 may be adjusted by changing the physical properties of the material included in the cantilever 122. In an embodiment, the micrometer-sized cantilever 122 manufactured using micro-electro-mechanical systems (MEMS) technology may have a resonant frequency of several kHz.

제2 질량체(124)는 캔틸레버(122)의 자유단에 배치되어 캔틸레버(122)에 하중을 인가할 수 있다. 캔틸레버(122)가 상기 임펄스 진동에 의하여 공진할 경우에 제2 질량체(124)는 캔틸레버(122)의 큰 변형을 유도할 수 있다. 도면에는 캔틸레버(122)의 자유단에 배치되어 있는 하나의 제2 질량체(124)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 복수의 제2 질량체가 캔틸레버(122)에 배치될 수 있다.The second mass 124 may be disposed at the free end of the cantilever 122 to apply a load to the cantilever 122. When the cantilever 122 resonates by the impulse vibration, the second mass 124 may induce a large deformation of the cantilever 122. In the figure, one second mass 124 disposed at the free end of the cantilever 122 is represented as an example. In another embodiment, a plurality of second masses may be disposed on the cantilever 122, as shown in the drawing.

도 2는 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집기를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 에너지 포집기(200)는 임펄스 생성기(210), 적어도 하나의 진동체(220) 및 에너지 변환체(230)를 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있 어서, 에너지 포집기(200)는 선택적으로(optionally) 충전기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 에너지 포집기(200)는 선택적으로(optionally) 충전기(미도시) 및 전원공급 조절 회로(미도시)를 더 포함할 수 있다.2 is a view showing an energy collector using a vibration frequency converter according to an embodiment. 2, the energy collector 200 includes an impulse generator 210, at least one vibrator 220, and an energy converter 230. In some embodiments, energy harvester 200 may optionally further include a charger (not shown). In some other embodiments, the energy collector 200 may optionally further include a charger (not shown) and a power supply control circuit (not shown).

임펄스 생성기(210)는 외부의 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환한다. 임펄스 생성기(210)는 적어도 하나의 빔 및 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 도면에는 빔 지지대(212), 빔 지지대(212)에 연결된 하나의 빔(214) 및 빔(214)에 배치된 하나의 제1 질량체(216)를 포함하는 임펄스 생성기(210)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 임펄스 생성기(210)는 빔 지지대(212)에 연결되는 다수의 빔 및 상기 다수의 빔에 각각 배치되거나 상기 다수의 빔에 공통으로 배치되는 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 임펄스 생성기(210)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 임펄스 생성기(110)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 빔 지지대(212), 빔(214) 및 제1 질량체(216)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 빔 지지대(112), 빔(114) 및 제1 질량체(116)의 구조 및 동작과 각각 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.The impulse generator 210 converts external low frequency vibration energy into impulse vibration energy. The impulse generator 210 may include at least one beam and at least one first mass. In the figure an impulse generator 210 comprising a beam support 212, one beam 214 connected to the beam support 212 and one first mass 216 disposed on the beam 214 is represented as an example. have. In another embodiment, the impulse generator 210 is different from that shown in the drawing, and a plurality of beams connected to the beam support 212 and at least one agent respectively disposed on or in common with the plurality of beams. It may comprise 1 mass. Since the structure and operation of the impulse generator 210 are substantially the same as the structure and operation of the impulse generator 110 described above with reference to FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description. In addition, the structure and operation of the beam support 212, the beam 214 and the first mass 216 is the structure of the beam support 112, beam 114 and the first mass 116 described above with respect to FIG. And since each operation is substantially the same, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description.

적어도 하나의 진동체(220)는 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환한다. 적어도 하나의 진동체(220)는 임펄스 생성기(210)에 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 임펄스 생성기(210)는 적어도 하나의 빔 및 적어도 하나의 제1 질량체를 포함할 수 있다. 도면에는 하나의 빔(214) 및 빔(214)에 배치된 하나의 제1 질량체(216)를 포함하는 임펄스 생성기(210)가 예로서 표현되어 있다. 또한, 도면에는 빔(214)에 배치된 진동체(220)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 진동체(220)는 제1 질량체(216)에 배치될 수 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 진동체(220)는 빔(214) 및 제1 질량체(216)에 배치될 수 있다. 적어도 하나의 진동체(220)는 적어도 하나의 캔틸레버(222)를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 진동체(220)는 선택적으로(optionally) 적어도 하나의 제2 질량체(224)를 더 포함할 수도 있다. 도면에는 하나의 캔틸레버(222) 및 하나의 제2 질량체(224)를 포함하는 진동체(220)가 예로서 표현되어 있다. 캔틸레버(222)는 상기 임펄스 진동에 의하여 공진할 수 있다.At least one vibrator 220 converts the impulse vibration energy into high frequency vibration energy. At least one vibrating body 220 may be disposed in the impulse generator 210. As described above, the impulse generator 210 may include at least one beam and at least one first mass. In the figure an impulse generator 210 comprising one beam 214 and one first mass 216 disposed in the beam 214 is represented as an example. In addition, the vibrating body 220 disposed in the beam 214 is represented as an example in the figure. In another embodiment, the vibrator 220 may be disposed on the first mass 216, as shown in the drawing. In another embodiment, the vibrator 220 may be disposed on the beam 214 and the first mass 216, as shown in the drawing. At least one vibrating body 220 may include at least one cantilever 222. In some other embodiments, the vibrator 220 may optionally further include at least one second mass 224. In the drawing, a vibrating body 220 including one cantilever 222 and one second mass 224 is represented as an example. The cantilever 222 may resonate by the impulse vibration.

진동체(220)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 진동체(120)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 캔틸레버(222) 및 제2 질량체(224)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 캔틸레버(122) 및 제2 질량체(124)의 구조 및 동작과 각각 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.Since the structure and operation of the vibrator 220 are substantially the same as the structure and operation of the vibrator 120 described above with reference to FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description. In addition, the structure and operation of the cantilever 222 and the second mass 224 are substantially the same as those of the cantilever 122 and the second mass 124 described above with reference to FIG. Is omitted for convenience of description.

에너지 변환체(230)는 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나에 배치되며, 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환한다. 에너지 변환체(230)는 압전물질(piezoelectric material)일 수 있다. 압전물질은 기계적인 변형에 의하여 전하의 분극 현상이 생성되거나, 반대로 전기장에 의하여 기계적인 변형이 생기는 물질을 말한다. 이를 압전 효과라고 한다. 일례로, 진동하는 물체의 표면에 압전물질을 배치하는 경우에 물체의 진동에 따라 표면에 배치된 압전물질은 기계적 변형을 겪을 수 있다. 이 경우, 압전물질은 기계적 변형에 의하여 전하의 분극 현상을 생성할 수 있다. 다시 말하면, 물체의 표면에 압전물질을 배치하고 물체를 진동시키는 경우, 물체의 표면에 배치된 압전물질은 인장과 압축을 반복적으로 경험하게 된다. 반복적인 인장과 압축을 통해 압전물질은 교류 전기 신호를 생성할 수 있다. 교류 전기 신호의 주파수는 물체의 진동주파수일 수 있다. 도면에는 빔(214) 및 캔틸레버(222)의 상면에 배치된 에너지 변환체(230)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 에너지 변환체(230)는 캔틸레버(222)의 상면에만 배치될 수도 있다. 또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리 에너지 변환체(230)는 빔(214) 및 캔틸레버(222) 중 적어도 어느 하나의 적어도 어느 한 면에 배치될 수 있다. The energy converter 230 is disposed on at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220, and converts the high frequency vibration energy into electrical energy. The energy converter 230 may be a piezoelectric material. Piezoelectric material refers to a material in which polarization of charges is generated by mechanical deformation or mechanical deformation is caused by an electric field. This is called the piezoelectric effect. For example, when the piezoelectric material is disposed on the surface of a vibrating object, the piezoelectric material disposed on the surface may experience mechanical deformation in response to the vibration of the object. In this case, the piezoelectric material may generate a polarization phenomenon of charge by mechanical deformation. In other words, when the piezoelectric material is placed on the surface of the object and the object is vibrated, the piezoelectric material placed on the surface of the object repeatedly experiences tension and compression. Through repeated tensioning and compression, piezoelectric materials can produce alternating current electrical signals. The frequency of the AC electrical signal may be the vibration frequency of the object. In the drawing, the energy converter 230 disposed on the upper surface of the beam 214 and the cantilever 222 is shown as an example. In another embodiment, unlike the illustrated in the drawing, the energy converter 230 may be disposed only on the upper surface of the cantilever 222. As another embodiment, the energy converter 230 may be disposed on at least one surface of at least one of the beam 214 and the cantilever 222, as shown in the drawing.

에너지 변환체(230)는 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나에 배치되므로, 상기 임펄스 진동 또는 상기 고주파 진동에 의하여 기계적으로 변형될 수 있다. 기계적 변형에 의하여 에너지 변환체(230)는 교류 전기 신호를 생성할 수 있다. 생성된 교류 전기 신호의 주파수는 상기 임펄스 진동주파수 및 상기 고주파 진동주파수에 영향을 받으므로, 상기 임펄스 진동주파수 및 상기 고주파 진동주파수를 조절하여 조절할 수 있다. 이를 통하여 저주파 진동에너지로부터 전기에너지를 생성할 수 있다.Since the energy converter 230 is disposed in at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220, the energy converter 230 may be mechanically deformed by the impulse vibration or the high frequency vibration. The energy converter 230 may generate an alternating current electrical signal by mechanical deformation. Since the frequency of the generated AC electrical signal is affected by the impulse vibration frequency and the high frequency vibration frequency, the impulse vibration frequency and the high frequency vibration frequency may be adjusted by adjusting. Through this, electric energy can be generated from low frequency vibration energy.

상기 충전기는 에너지 변환체(230)와 전기적으로 연결되며, 상기 전기에너지를 저장할 수 있다. 상기 충전기는 에너지 변환체(230)에 의하여 생성되는 전류를 수신하는 적어도 하나의 다이오드(미도시) 및 상기 다이오드로부터 출력되는 전류를 저장하는 적어도 하나의 축전기(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 다이오드는 에너지 변환체(230)가 생성하는 교류 전기 신호를 정류하여 상기 축전기에 제공하며, 상기 축전기는 정류된 전기 신호로부터 전기에너지를 저장할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 전기에너지를 이용하는 무선 센서 네트워크 등과 같은 회로에서 교류 전기 신호를 직접 이용하는 경우에는 상기 충전기는 생략될 수 있다.The charger may be electrically connected to the energy converter 230 and store the electric energy. The charger may include at least one diode (not shown) that receives the current generated by the energy converter 230 and at least one capacitor (not shown) that stores the current output from the diode. The diode rectifies and provides an alternating current electrical signal generated by the energy converter 230 to the capacitor, and the capacitor may store electrical energy from the rectified electrical signal. In some other embodiments, the charger may be omitted when using an alternating current electrical signal directly in a circuit such as a wireless sensor network using electrical energy.

상기 전원공급 조절 회로는 상기 충전기에 연결되며, 저장된 상기 전기에너지를 전기적으로 연결된 외부 장치에 공급할 수 있다. 상기 전원공급 조절 회로는 상기 축전지에 저장된 전류의 양을 확인하여 충전량이 특정 값 이상이 될 경우 상기 외부 장치에 전원을 공급하도록 할 수 있다. 상기 전원공급 조절 회로로는 다양한 회로가 사용될 수 있다. 상기 전원공급 조절 회로는 예로서 디지털 또는 아날로그 제어 회로를 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 전기에너지를 이용하는 무선 센서 네트워크 등과 같은 회로에서 교류 전기 신호를 직접 이용하는 경우에는 상기 전원공급 조절 회로는 생략될 수 있다.The power supply control circuit may be connected to the charger and supply the stored electrical energy to an electrically connected external device. The power supply control circuit may check the amount of current stored in the storage battery so as to supply power to the external device when the amount of charge exceeds a certain value. Various circuits may be used as the power supply control circuit. The power supply regulation circuit can include, for example, a digital or analog control circuit. In some other embodiments, the power supply control circuit may be omitted when using an AC electrical signal directly in a circuit such as a wireless sensor network using electrical energy.

도 2를 다시 참조하면, 도면에는 에너지 변환체(230)로서 압전물질을 이용한 에너지 포집기(200)가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리, 에너지 변환체(230)는 적어도 하나의 진동체(220)의 적어도 어느 일면에 배치된 적어도 하나의 제1 전극(미도시) 및 상기 제1 전극과 이격되어 배치되는 적어도 하나의 제2 전극(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 소정의 간격을 유지하여 배치될 수 있으며, 상기 소정 의 간격에 의하여 정전 용량이 발생할 수 있다. 상기 제2 전극은 진동체(220)의 고정단이 위치하는 벽면, 에너지 포집기(200)가 배치되는 바닥면 등에 배치될 수 있다. 일례로, 진동체(220)로서 캔틸레버(222)를 사용하는 경우 상기 제2 전극은 캔틸레버(222)의 외벽면에 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이 진동체(220)가 자유 진동하는 경우 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 정전 용량이 변화하며, 이를 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다.Referring again to FIG. 2, an energy collector 200 using a piezoelectric material as the energy converter 230 is illustrated as an example. In another embodiment, unlike the drawing, the energy converter 230 may include at least one first electrode (not shown) and the first electrode disposed on at least one surface of the at least one vibrating body 220. It may include at least one second electrode (not shown) spaced apart. The first electrode and the second electrode may be arranged to maintain a predetermined interval, and the capacitance may be generated by the predetermined interval. The second electrode may be disposed on a wall surface on which the fixed end of the vibrator 220 is positioned, a bottom surface on which the energy collector 200 is disposed, and the like. For example, when the cantilever 222 is used as the vibrator 220, the second electrode may be disposed on an outer wall surface of the cantilever 222. As described above, when the vibrating body 220 vibrates freely, the capacitance between the first electrode and the second electrode changes, and electrical energy may be generated using the same.

또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리, 에너지 변환체(230)는 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나에 배치된 압전물질, 적어도 하나의 진동체(220)의 적어도 어느 일면에 배치된 적어도 하나의 제1 전극(미도시) 및 상기 제1 전극과 이격되어 배치되는 적어도 하나의 제2 전극(미도시)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 압전물질과 상기 제1 전극 간의 절연을 위한 절연층을 더 구비할 수 있다. 이 경우, 전기에너지는 압전효과 및 상기 정전 용량의 변화에 의하여 생성될 수 있다.As another embodiment, unlike the drawing, the energy converter 230 may include a piezoelectric material disposed on at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220, and at least one vibrator 220. It may include at least one first electrode (not shown) disposed on at least one surface and at least one second electrode (not shown) spaced apart from the first electrode. In this case, an insulating layer for insulating between the piezoelectric material and the first electrode may be further provided. In this case, electrical energy may be generated by the piezoelectric effect and the change in the capacitance.

또 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리, 에너지 변환체(230)는 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나에 배치된 코일(미도시) 및 상기 코일을 둘러싸는 자석(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 코일은 다양한 방법에 의하여 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있다. 예로서, 상기 코일은 반도체 공정을 이용하거나, 범용 코일을 직접 배치하는 방법에 의하여 배치될 수 있다. 상기 코일과 상기 자석을 소정의 간격을 유지하며 배치될 수 있다. 임펄스 생성기(210) 및 진동체(220) 중 적어도 어느 하나가 진동 하는 경우에 상기 코일이 진동하며, 상기 자석이 형성하는 자기장 내에서의 상기 코일의 진동은 전자기 유도 현상을 일으킨다. 상기 전자기 유도 현상에 의하여 에너지 변환체(230)는 전기에너지를 생성할 수 있다. As another embodiment, unlike shown in the drawing, the energy converter 230 may include a coil (not shown) disposed on at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220 and a magnet surrounding the coil. (Not shown). The coil may be disposed in at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220 by various methods. For example, the coil may be disposed by using a semiconductor process or by a method of directly disposing a general purpose coil. The coil and the magnet may be disposed at a predetermined interval. When at least one of the impulse generator 210 and the vibrator 220 vibrates, the coil vibrates, and vibration of the coil in a magnetic field formed by the magnet causes an electromagnetic induction phenomenon. The energy converter 230 may generate electric energy by the electromagnetic induction phenomenon.

상술한 압전효과, 정전 용량 변화 또는 전자기 유도 현상을 이용한 전기에너지를 생성하기 위한 에너지 변환체(230)는 다양한 조합으로 구성될 수 있다. 상기 조합은 당업자 수준에서 용이하게 구현 가능하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 간결하게 기술하기 위하여, 이하에서는 압전물질을 이용한 에너지 변화체(230)를 이용하여 설명하기로 한다.The energy converter 230 for generating electric energy using the above-described piezoelectric effect, capacitance change, or electromagnetic induction phenomenon may be configured in various combinations. The above combination is easily implemented at a level of ordinary skill in the art, so a detailed description thereof is omitted for convenience of description. For brevity, hereinafter, the energy changer 230 using the piezoelectric material will be described.

도 3은 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집방법을 설명하는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 310 블록에서, 진동주파수 변환장치는 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환한다. 일 실시 예로서, 상기 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정은 기계적으로(mechanically) 수행될 수 있다. 일례로, 상기 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정은 상기 저주파 진동에너지에 응답하여 스냅 좌굴을 일으키는 임펄스 생성기에 의하여 수행될 수 있다. 320 블록에서, 진동주파수 변환장치는 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환한다. 상기 고주파 진동에너지는 상기 저주파 진동에너지보다 높은 주파수를 가지는 진동이 제공하는 에너지를 말한다. 일 실시 예로서, 상기 고주파 진동에너지로 변환하는 과정은 기계적으로 수행될 수 있다. 일례로, 상기 고주파 진동에너지로 변환하는 과정은 상기 임펄스 진동에너지에 응답하여 상기 고주파 진동에너지를 생성하는 적어도 하나의 진동체에 의하여 수행될 수 있다. 330 블록에서, 에너지 변환체는 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환한다. 일 실시 예로서, 상기 전기에너지로 변환하는 과정은 압전식(piezoelectrically)으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 저주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 방법은 선택적으로(optionally) 상기 전기에너지를 저장하는 과정을 더 포함할 수 있다. 일 실시 예로서, 상기 전기에너지를 저장하는 과정은 상기 전기에너지를 정류하는 과정 및 정류된 상기 전기에너지를 저장하는 과정을 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 상기 저주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 방법은 선택적으로(optionally) 상기 전기에너지를 저장하는 과정 및 저장된 상기 전기에너지를 외부 기기에 공급하는 과정을 더 포함할 수 있다. 일 실시 예로서, 저장된 상기 전기에너지를 상기 외부 기기에 공급하는 과정은 저장된 상기 전기에너지의 충전량이 소정의 값 이상이 될 경우 상기 외부 기기에 저장된 상기 전기에너지를 공급하는 과정을 포함할 수 있다.3 is a flowchart illustrating an energy collection method using an oscillation frequency converter according to an embodiment. Referring to FIG. 3, in block 310, the vibration frequency converter converts low frequency vibration energy into impulse vibration energy. In one embodiment, the process of converting the impulse vibration energy may be performed mechanically. For example, the process of converting the impulse vibration energy may be performed by an impulse generator generating a snap buckling in response to the low frequency vibration energy. In block 320, the vibration frequency converter converts the impulse vibration energy into high frequency vibration energy. The high frequency vibration energy refers to energy provided by vibration having a higher frequency than the low frequency vibration energy. As an embodiment, the process of converting the high frequency vibration energy may be performed mechanically. For example, the converting into the high frequency vibration energy may be performed by at least one vibrating body generating the high frequency vibration energy in response to the impulse vibration energy. In block 330, the energy converter converts the high frequency vibration energy into electrical energy. In one embodiment, the process of converting into electrical energy may be performed piezoelectrically. In some embodiments, the method for converting low frequency vibration energy into electrical energy may further include optionally storing the electrical energy. In an embodiment, the storing of the electrical energy may include rectifying the electrical energy and storing the rectified electrical energy. In some other embodiments, the method for converting the low frequency vibration energy into electrical energy may further include optionally storing the electrical energy and supplying the stored electrical energy to an external device. In an embodiment, the supplying the stored electrical energy to the external device may include supplying the stored electrical energy to the external device when the stored amount of the stored electrical energy is greater than or equal to a predetermined value.

도 4는 진동주파수 변환장치를 이용하여 저주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 에너지 포집기의 개념도이며, 도 4의 (b)는 진동체 및 에너지 변환체를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 에너지 포집기(400)는 임펄스 생성기(410), 적어도 하나의 진동체(420) 및 에너지 변환체(430)을 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 에너지 포집기(400)는 선택적으로(optionally) 충전기(미도시)를 더 포함할 수 있다.4 is a view for explaining a process of converting low-frequency vibration energy into electrical energy using a vibration frequency converter. 4A is a conceptual diagram of an energy collector, and FIG. 4B is a diagram illustrating a vibrating body and an energy converter. Referring to FIG. 4, the energy collector 400 includes an impulse generator 410, at least one vibrator 420, and an energy converter 430. In some embodiments, energy harvester 400 may optionally further include a charger (not shown).

도면에는 빔 지지대(412)에 연결되고, 위쪽으로 좌굴된 빔(414)이 예로서 표현되어 있다. 빔(414)에는 제1 질량체(416)가 배치되며, 제1 질량체(416)의 측면에 는 적어도 하나의 진동체(420)가 배치되어 있다. 진동체(420)는 캔틸레버(422) 및 제2 질량체(424)를 포함할 수 있다. 캔틸레버(422)에는 에너지 변환체(430)가 배치될 수 있다. 도면에 도시된 에너지 포집기(400)의 구조 및 배치는 하나의 예시로서 이외에도 에너지 포집기(400)는 다양한 구조 및 배치를 가질 수 있다.In the figure, a beam 414, buckled upward and connected to the beam support 412, is represented as an example. The first mass 416 is disposed on the beam 414, and at least one vibrating body 420 is disposed on the side of the first mass 416. The vibrator 420 may include a cantilever 422 and a second mass 424. The energy converter 430 may be disposed on the cantilever 422. In addition to the structure and arrangement of the energy collector 400 shown in the drawings as an example, the energy collector 400 may have various structures and arrangements.

외부의 저주파 진동에너지가 제1 평형상태에 놓여있는 에너지 포집기(400)에 가해지는 경우, 임계 하중 이상의 외부 진동이 좌굴된 빔(414)에 가해지면 빔(414)은 아래쪽으로 스냅 좌굴을 일으킬 수 있다. 이 경우, 에너지 포집기(400)는 제2 평형상태로 상태이동을 하게 된다. 상기 제1 평형상태에서 상기 제2 평형상태로의 이동은 매우 빠르게 일어날 수 있으므로, 임펄스 생성기(410)에 배치된 진동체(420)은 고주파로 진동할 수 있다. 마찬가지 방식으로, 상기 제2 평형상태에 놓여있는 에너지 포집기(400)는 상기 저주파 진동에너지에 의하여 상기 제1 평형상태로 상태이동을 할 수 있다. 상기 저주파 진동에너지에 의하여 에너지 포집기(400)는 상기 제1 평형상태에서 상기 제2 평형상태로 반복적으로 상태이동을 할 수 있다. 이 경우, 진동체(420)에 배치되어 있는 에너지 변환체(430)는 반복적인 인장과 압축을 경험하게 된다. 일 실시 예로서, 에너지 변환체(430)로서 압전물질을 사용하는 경우, 반복적인 인장 및 압축에 의해, 압전물질은 교류 전기 신호를 생성할 수 있다. 상술한 과정을 통하여 상기 저주파 진동에너지는 전기에너지로 변환될 수 있다. When external low frequency vibration energy is applied to the energy collector 400 in a first equilibrium state, when external vibrations above the critical load are applied to the buckled beam 414, the beam 414 may cause snap buckling downward. have. In this case, the energy collector 400 moves to the second equilibrium state. Since the movement from the first equilibrium state to the second equilibrium state may occur very quickly, the vibrating body 420 disposed in the impulse generator 410 may vibrate at high frequency. In the same manner, the energy collector 400 placed in the second equilibrium state may move to the first equilibrium state by the low frequency vibration energy. Due to the low frequency vibration energy, the energy collector 400 may repeatedly move from the first equilibrium state to the second equilibrium state. In this case, the energy converter 430 disposed on the vibrator 420 experiences repeated tension and compression. In one embodiment, when the piezoelectric material is used as the energy converter 430, the piezoelectric material may generate an alternating current electrical signal by repetitive stretching and compression. Through the above process, the low frequency vibration energy may be converted into electrical energy.

임펄스 생성기(410)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 임펄스 생성기(110)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 빔 지지대(412), 빔(414) 및 제1 질량체(416)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 빔 지지대(112), 빔(114) 및 제1 질량체(416)의 구조 및 동작과 각각 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.Since the structure and operation of the impulse generator 410 are substantially the same as the structure and operation of the impulse generator 110 described above with reference to FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description. In addition, the structure and operation of the beam support 412, the beam 414 and the first mass 416 is the structure of the beam support 112, beam 114 and the first mass 416 described above with reference to FIG. And since each operation is substantially the same, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description.

진동체(420)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 진동체(120)의 구조 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 또한, 캔틸레버(422) 및 제2 질량체(424)의 구조 및 동작은 도 1과 관련하여 상술한 캔틸레버(122) 및 제2 질량체(124)의 구조 및 동작과 각각 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.Since the structure and operation of the vibrating body 420 are substantially the same as the structure and operation of the vibrating body 120 described above with reference to FIG. 1, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description. In addition, the structure and operation of the cantilever 422 and the second mass 424 are substantially the same as the structure and operation of the cantilever 122 and the second mass 124 described above with reference to FIG. Is omitted for convenience of description.

에너지 변환체(430)의 재료, 구조 및 동작은 도 2와 관련하여 상술한 에너지 변환체(230)의 재료, 구조 및 동작과 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. Since the material, structure, and operation of the energy converter 430 are substantially the same as the material, structure, and operation of the energy converter 230 described above with reference to FIG. 2, a detailed description thereof will be omitted for convenience of description.

상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.From the above, various embodiments of the present disclosure have been described for purposes of illustration, and it will be understood that various modifications are possible without departing from the scope and spirit of the present disclosure. And the various embodiments disclosed are not intended to limit the present disclosure, the true spirit and scope will be presented from the following claims.

도 1은 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a vibration frequency converter according to an embodiment.

도 2는 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집기를 나타내는 도면이다.2 is a view showing an energy collector using a vibration frequency converter according to an embodiment.

도 3은 일 실시 예에 따른 진동주파수 변환장치를 이용한 에너지 포집방법을 설명하는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating an energy collection method using an oscillation frequency converter according to an embodiment.

도 4는 진동주파수 변환장치를 이용하여 저주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a process of converting low-frequency vibration energy into electrical energy using a vibration frequency converter.

Claims (19)

저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집기(energy harvester)에 있어서,In an energy harvester for converting low-frequency vibration energy to generate electrical energy, 상기 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환하는 임펄스 생성기;An impulse generator for converting the low frequency vibration energy into impulse vibration energy; 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 적어도 하나의 진동체; 및At least one vibrating body converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy; And 상기 임펄스 생성기 및 상기 진동체 중 적어도 어느 하나에 배치되며, 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환체를 포함하되,Is disposed on at least one of the impulse generator and the vibrating body, including an energy converter for converting the high frequency vibration energy into electrical energy, 상기 임펄스 생성기는 상기 저주파 진동에너지에 의하여 발생하는 스냅 좌굴(snap-through buckling)을 이용하여 임펄스 진동에너지를 생성하는 에너지 포집기.The impulse generator is an energy collector for generating impulse vibration energy using snap-through buckling generated by the low frequency vibration energy. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 진동체는 상기 임펄스 진동에너지에 의하여 자유 진동하여 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 에너지 포집기.The vibrating body is an energy collector for freely vibrating by the impulse vibration energy to convert the impulse vibration energy into high frequency vibration energy. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에너지 변환체와 전기적으로 연결되며, 상기 전기에너지를 저장하는 충전기를 더 포함하되,Is electrically connected to the energy converter, further comprising a charger for storing the electrical energy, 상기 충전기는 The charger is 상기 에너지 변환체에 의하여 생성되는 전류를 수신하는 적어도 하나의 다이 오드; 및At least one diode for receiving a current generated by the energy converter; And 상기 다이오드로부터 출력되는 전류를 저장하는 적어도 하나의 축전기를 포함하는 에너지 포집기.And at least one capacitor for storing current output from the diode. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 임펄스 생성기는 The impulse generator 좌굴(buckling)되어 있으며, 상기 저주파 진동에너지에 의하여 스냅 좌굴(snap-through buckling)을 일으키는 적어도 하나의 빔(beam); 및At least one beam that is buckled and generates snap-through buckling by the low frequency vibration energy; And 상기 빔에 배치된 적어도 하나의 제1 질량체(mass)를 포함하는 에너지 포집기.An energy collector comprising at least one first mass disposed in the beam. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 진동체는 상기 빔 및 상기 제1 질량체 중 적어도 어느 하나에 배치되는 적어도 하나의 캔틸레버(cantilever)를 포함하는 에너지 포집기.The vibrator includes at least one cantilever disposed on at least one of the beam and the first mass. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 캔틸레버는 상기 캔틸레버의 자유단에 배치되어 상기 캔틸레버에 하중을 인가하는 적어도 하나의 제2 질량체를 더 포함하는 에너지 포집기.The cantilever further includes at least one second mass disposed at a free end of the cantilever to apply a load to the cantilever. 제6항 또는 제7항에 있어서,8. The method according to claim 6 or 7, 상기 에너지 변환체는 상기 빔 및 상기 캔틸레버 중 적어도 어느 하나의 적어도 어느 한 면에 배치되는 압전물질(piezoelectric material)을 포함하는 에너지 포집기.And the energy converter comprises a piezoelectric material disposed on at least one surface of at least one of the beam and the cantilever. 저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집기에 있어서,In the energy collector for converting low frequency vibration energy to generate electrical energy, 상기 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환하는 수단;Means for converting the low frequency vibration energy into impulse vibration energy; 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 수단; 및Means for converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy; And 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 수단을 포함하되,Means for converting the high frequency vibration energy into electrical energy, 상기 임펄스 생성기는 상기 저주파 진동에너지에 의하여 발생하는 스냅 좌굴(snap-through buckling)을 이용하여 임펄스 진동에너지를 생성하는 에너지 포집기.The impulse generator is an energy collector for generating impulse vibration energy using snap-through buckling generated by the low frequency vibration energy. 저주파 진동에너지를 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 포집방법에 있어서,In the energy collection method for generating electrical energy by converting low-frequency vibration energy, 상기 저주파 진동에너지를 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정;Converting the low frequency vibration energy into an impulse vibration energy; 상기 임펄스 진동에너지를 고주파 진동에너지로 변환하는 과정; 및Converting the impulse vibration energy into high frequency vibration energy; And 상기 고주파 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 포함하되,Including the process of converting the high frequency vibration energy into electrical energy, 상기 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정은 임펄스 생성기를 제공하는 과정을 포함하되,The process of converting the impulse vibration energy includes the process of providing an impulse generator, 상기 임펄스 생성기는 상기 저주파 진동에너지에 응답하여 스냅 좌굴(snap-through buckling)을 일으키며, 상기 스냅 좌굴에 의하여 상기 임펄스 진동에너지를 생성하는 방법. And the impulse generator generates snap-through buckling in response to the low frequency vibration energy, and generates the impulse vibration energy by the snap buckling. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 전기에너지를 저장하는 과정을 더 포함하는 방법.And storing the electrical energy. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 전기에너지를 저장하는 과정은The process of storing the electrical energy is 상기 전기에너지를 정류하는 과정; 및Rectifying the electrical energy; And 정류된 상기 전기에너지를 저장하는 과정을 포함하는 방법.Storing the rectified electrical energy. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 임펄스 진동에너지로 변환하는 과정은 기계적으로(mechanically) 수행되는 방법.The process of converting the impulse vibration energy is carried out mechanically (mechanically). 삭제delete 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 고주파 진동에너지로 변환하는 과정은 적어도 하나의 진동체를 제공하는 과정을 포함하되,The converting into the high frequency vibration energy may include providing at least one vibrating body. 상기 진동체는 상기 임펄스 진동에너지에 응답하여 상기 고주파 진동에너지를 생성하는 방법. The vibrating body generates the high frequency vibration energy in response to the impulse vibration energy. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 전기에너지로 변환하는 과정은 압전방식, 정전용량방식 및 전자기 유도 방식 중 적어도 어느 한 방식으로 수행되는 방법.The converting into the electrical energy is performed in at least one of piezoelectric, capacitive and electromagnetic induction. 저주파 진동을 변환하여 고주파 진동을 생성하는 진동주파수 변환장치에 있어서,In the vibration frequency converter for converting low frequency vibration to generate a high frequency vibration, 저주파 진동을 임펄스 진동으로 변환하는 수단; 및Means for converting low frequency vibrations into impulse vibrations; And 상기 임펄스 진동을 고주파 진동으로 변환하는 수단을 포함하되,Means for converting the impulse vibrations into high frequency vibrations, 상기 임펄스 진동은 상기 저주파 진동에 의하여 생성되는 스냅 좌굴에 의하여 생성되는 장치.The impulse vibration is generated by a snap buckling produced by the low frequency vibration. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 임펄스 진동으로 변환하는 수단은Means for converting the impulse vibration 좌굴(buckling)되어 있으며, 상기 저주파 진동에너지에 의하여 스냅 좌굴을 일으키는 적어도 하나의 빔(beam); 및At least one beam buckling and causing snap buckling by the low frequency vibration energy; And 상기 빔에 배치된 적어도 하나의 제1 질량체를 포함하는 장치.And at least one first mass disposed in the beam. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 고주파 진동으로 변환하는 수단은 상기 빔에 연결되는 적어도 하나의 캔틸레버를 포함하는 장치.And the means for converting into high frequency vibrations comprises at least one cantilever coupled to the beam.
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