KR101332006B1 - Omnidirectional vibration based energy harvester - Google Patents

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KR101332006B1
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박재영
박종철
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

An omnidirectional vibration-based energy harvester includes at least one cantilever and an inertial body. The cantilever includes a first elastic member one end of which is extended longer than the width while being fixed on a substrate and the other end of which is curved higher than the first end; a piezoelectric member which is attached to either the curved top or bottom surface of the first elastic member; multiple electrodes which are attached to the piezoelectric member and receive electrical energy generated by the deformation of the elastic member. The inertial body is connected to the free end of the cantilever and has a high aspect ratio when the width direction and the height direction of the cantilever are defined as the transverse direction and the longitudinal direction, respectively. By doing so, electrical energy can be harvested from the omnidirectional vibration energy. [Reference numerals] (AA) Second axis;(BB) First axis;(CC) Third axis

Description

전방향 진동 기반 에너지 하베스터{Omnidirectional vibration based energy harvester}Omnidirectional vibration based energy harvester

본 발명은 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스터에 관한 것이다.The present invention relates to an energy harvester, and more particularly to an energy harvester for converting vibration energy into electrical energy.

통신기술 및 집적회로기술의 발전으로 인해, 전자기기는 소형화가 가능하게 됨과 아울러, 마이크로 와트(㎼) 단위의 저전력하에서 작동이 가능하게 되었다. 이러한 기술을 바탕으로, 건물이나 교량 등의 건축 구조물의 환경 진단 모니터링, 선박이나 항공기 등의 기계 구조물의 안전 진단 모니터링, 생산 자동화 시스템 등의 구조물의 모니터링 등에, 소형화된 무선센서를 이용한 무선센서네트워크의 구성이 활발하게 연구되고 있다.With the development of communication technology and integrated circuit technology, electronic devices can be miniaturized, and can be operated at low power in microwatt units. Based on these technologies, the wireless sensor network using miniaturized wireless sensors is used for environmental diagnostic monitoring of building structures such as buildings and bridges, safety diagnostic monitoring of mechanical structures such as ships and aircrafts, and monitoring of structures such as production automation systems. The composition is actively studied.

이러한 무선센서네트워크는 수많은 센서 노드의 집합체로 구성되며, 센서 노드에 전력을 공급하기 위해 배터리를 이용하고 있으나, 이 경우 센서 노드는 구조물에 삽입되어야 하기 때문에 배터리의 교체가 불가능하거나, 배터리의 제한된 수명으로 인해 매우 비효율적이다. 따라서, 센서 노드가 상시적으로 동작하기 위해서 보다 효과적인 전력공급이 요구되고 있다.The wireless sensor network is composed of a large number of sensor nodes and uses a battery to supply power to the sensor node. However, in this case, the sensor node has to be inserted into the structure so that the battery cannot be replaced or the battery has a limited lifetime. This is very inefficient. Therefore, a more effective power supply is required for the sensor node to operate at all times.

에너지 하베스터는 주변에서 지속적으로 발생/소멸되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 에너지 스케빈저(scavenger) 혹은 자가발전소자라고도 불린다. 이러한 에너지 하베스터는 센서 노드와 같이 저전력하에서 동작하는 기기의 상시적인 운용을 가능하게 한다. 에너지 하베스터 중 널리 알려진 것으로는 태양전지가 있다. 하지만, 태양전지는 직사광선이 없는 실내 및 지하와 같은 어두운 환경에서의 응용이 제한적이다. 따라서, 최근에는 압전, 정전력, 전자기력 등을 이용하여, 주변의 진동에너지로부터 전기에너지를 생산하는 다양한 형태의 에너지 하베스터가 연구되고 있다.An energy harvester is a device that converts energy continuously generated / dissipated in the surroundings into electric energy, also called an energy scavenger or a self-powered device. This energy harvester enables the constant operation of devices operating under low power, such as sensor nodes. One widely known energy harvester is a solar cell. However, solar cells have limited application in dark environments such as indoors and underground where there is no direct sunlight. Therefore, recently, various types of energy harvesters have been researched that produce electric energy from surrounding vibration energy using piezoelectric, electrostatic force, electromagnetic force, and the like.

도 1은 종래의 압전 현상을 이용한 에너지 하베스터에 대한 구성도이다. 도 1에 도시된 에너지 하베스터(10)는 구조물에 고정된 기판(1)에 연결된 외팔보(11), 외팔보(11)의 자유 단에 부착된 관성체(14)를 포함한다. 외팔보(11)는 기판(1)에 부착되어 관성체(14)를 지지하는 탄성부재(12)와, 탄성부재(12)에 부착된 압전부재(13)를 포함한다. 기판(1)에 제1축 방향에 따른 진동이 가해져 기판(1)이 진동하게 되면, 관성체(14)에 의해 탄성부재(12)가 진동하면서 압전부재(13)의 표면이 인장 또는 수축 변형을 일으키고, 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으켜 전기에너지를 발생시키게 된다.1 is a block diagram of an energy harvester using a conventional piezoelectric phenomenon. The energy harvester 10 shown in FIG. 1 includes a cantilever 11 connected to a substrate 1 fixed to a structure, and an inertial body 14 attached to a free end of the cantilever 11. The cantilever 11 includes an elastic member 12 attached to the substrate 1 to support the inertial body 14 and a piezoelectric member 13 attached to the elastic member 12. When vibration in the first axial direction is applied to the substrate 1 and the substrate 1 vibrates, the surface of the piezoelectric member 13 is deformed in tension or shrinkage while the elastic member 12 vibrates by the inertia 14. This deformation causes polarization to generate electrical energy.

그런데, 종래의 에너지 하베스터(10)는 기판(1)에 제2축 방향에 따른 진동, 즉 외팔보(11)의 길이 방향과 나란한 방향에 따른 진동이 가해지는 경우, 및/또는 제1,2축 방향에 모두 직교하는 제3축 방향에 따른 진동이 가해지는 경우, 전기에너지의 생산이 매우 어렵다. 그리고, 종래의 에너지 하베스터(10)는 설치 위치 및 방향에 따라 발생하는 전력이 일정치 않다. 또한, 종래의 에너지 하베스터(10)는 소형화로 인해 낮은 주파수의 진동에너지 수확이 용이하지 않으며, 외팔보(11)에 부착된 압전부재(13) 및 전극 등에 의한 에너지 손실이 존재하기 때문에 높은 효율을 얻기 힘들다.However, the conventional energy harvester 10 has a vibration along the second axis direction, that is, vibration along the direction parallel to the longitudinal direction of the cantilever 11, and / or the first and second axes on the substrate 1. When vibration along the third axis direction orthogonal to all directions is applied, the production of electrical energy is very difficult. In the conventional energy harvester 10, the power generated by the installation position and the direction is not constant. In addition, the conventional energy harvester 10 is not easy to harvest low-frequency vibration energy due to miniaturization, and high efficiency is obtained because there is energy loss due to piezoelectric members 13 and electrodes attached to the cantilever 11. Hard.

등록번호 제10-1061591호(2011.09.02 공고)Registration No. 10-1061591 (2011.09.02 notice)

본 발명의 과제는 전방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있는 전방향 기반 에너지 하베스터를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide an omni-directional energy harvester that can easily harvest the electrical energy from the vibration energy applied in all directions.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전방향 기반 에너지 하베스터는, 한쪽 단이 기판 상에 고정된 상태에서 폭보다 큰 길이로 연장되되 다른 쪽 단이 상기 한쪽 단보다 높게 휘어진 형태를 갖는 제1 탄성부재와, 상기 제1 탄성부재의 휘어진 상하 면들 중 어느 한쪽 면에 부착된 압전부재, 및 상기 압전부재에 부착되어 상기 압전부재의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는 전극들을 구비하는 적어도 하나의 외팔보; 및 상기 외팔보의 자유 단에 연결되며, 상기 외팔보의 폭 방향과 높이 방향이 횡 방향과 종 방향으로 각각 정의될 때 고종횡비의 단면을 갖는 관성체;를 포함한다.The omni-directional energy harvester according to the present invention for achieving the above object, the first end is extended to a length greater than the width while the one end is fixed on the substrate, the other end has a form bent higher than the one end At least one having an elastic member, a piezoelectric member attached to one of the curved upper and lower surfaces of the first elastic member, and electrodes attached to the piezoelectric member to receive electric energy generated by deformation of the piezoelectric member. Of cantilever; And an inertial body connected to the free end of the cantilever beam and having a high aspect ratio cross section when the width direction and the height direction of the cantilever beam are defined in the transverse direction and the longitudinal direction, respectively.

본 발명에 따르면, 3개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 따라서, 에너지 하베스터는 3차원 공간에서 어디에 회전해 외치하던 전기에너지를 수확할 수 있으므로, 설치가 자유로울 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 매우 낮은 주파수를 갖는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다.According to the present invention, electrical energy can be easily harvested from vibration energy applied in three axial directions. Therefore, the energy harvester can harvest the electric energy wherever it rotates in three-dimensional space, and thus can be installed freely. In addition, according to the present invention, electrical energy can be easily harvested from vibration energy having a very low frequency.

도 1은 종래의 압전 현상을 이용한 에너지 하베스터에 대한 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 기반 에너지 하베스터에 대한 사시도.
도 3은 도 2의 외팔보를 일부 확대하여 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 있어서, 제2 탄성부재를 더 구비한 예를 도시한 단면도.
도 5는 도 2에 있어서, 제1 축 방향 또는 제2 축 방향으로 가해지는 진동에 의한 에너지 하베스터의 작용 예를 설명하기 위한 사시도.
도 6은 도 2에 있어서, 제3 축 방향으로 가해지는 진동에 의한 에너지 하베스터의 작용 예를 설명하기 위한 사시도.
도 7은 도 2의 에너지 하베스터에 의해 발생된 전기에너지를 저장하는 예를 설명하기 위한 구성도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터에 대한 사시도.
도 9는 도 8에 있어서, 저주파 진동자의 작용 예를 설명하기 위한 사시도.
도 10는 종래의 에너지 하베스터의 설치 각도에 따른 출력 변화를 나타낸 그래프.
도 11은 도 2의 에너지 하베스터의 설치 각도에 따른 출력 변화를 나타낸 그래프.1 is a block diagram of an energy harvester using a conventional piezoelectric phenomenon.
Figure 2 is a perspective view of the omni-directional energy harvester according to an embodiment of the present invention.
3 is a partially enlarged cross-sectional view of the cantilever beam of FIG. 2.
4 is a cross-sectional view showing an example further comprising a second elastic member in FIG.
FIG. 5 is a perspective view for explaining an operation example of an energy harvester caused by vibration applied in the first axial direction or the second axial direction in FIG. 2. FIG.
FIG. 6 is a perspective view for explaining an operation example of an energy harvester caused by vibration applied in the third axial direction in FIG. 2. FIG.
7 is a configuration diagram for explaining an example of storing the electrical energy generated by the energy harvester of FIG.
8 is a perspective view of an energy harvester according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view for explaining an operation example of a low frequency vibrator in FIG. 8; FIG.
10 is a graph showing a change in output according to the installation angle of the conventional energy harvester.
11 is a graph showing a change in output according to the installation angle of the energy harvester of FIG.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 기반 에너지 하베스터에 대한 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2의 외팔보를 일부 확대하여 도시한 단면도이다.2 is a perspective view of the omni-directional energy harvester according to an embodiment of the present invention. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of the cantilever beam of FIG. 2.

도 2 및 도 3을 참조하면, 전방향 기반 에너지 하베스터(100)는 외팔보(110) 및 관성체(120)를 포함한다.2 and 3, the omnidirectional energy harvester 100 includes a cantilever 110 and an inertial body 120.

외팔보(110)는 한쪽 단이 기판(101)에 고정된 고정 단을 이루고, 다른 쪽 단이 받쳐지지 않은 상태의 자유 단을 이룬다. 기판(101)은 구조물에 고정될 수 있다. 구조물의 진동은 기판(101)을 통해 외팔보(110)로 전달될 수 있다. 외팔보(110)는 제1 탄성부재(111)와, 압전부재(112)와, 전극들(113,114)을 구비한다.The cantilever 110 forms a fixed end on which one end is fixed to the substrate 101, and forms a free end without the other end being supported. The substrate 101 may be fixed to the structure. The vibration of the structure may be transmitted to the cantilever 110 through the substrate 101. The cantilever 110 includes a first elastic member 111, a piezoelectric member 112, and electrodes 113 and 114.

제1 탄성부재(111)는 한쪽 단이 기판(101) 상에 고정된 상태에서 폭보다 큰 길이로 연장되되 다른 쪽 단이 한쪽 단보다 높게 휘어진 형태를 갖는다. 예컨대, 제1 탄성부재(111)는 한쪽 단이 기판(101) 상에 고정된 상태에서 일정한 폭과 일정한 두께를 갖고 제1축 방향을 따라 길게 연장되면서 제2축 방향을 따라 휘어진 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 탄성부재(111)는 제1,2축 방향으로 연장된 길이가 제3축 방향의 폭보다 크게 설정된다. 제1 탄성부재(111)에서 폭과 두께의 비는 5:1로 설정될 수 있다. 제1 탄성부재(111)에서 길이와 폭의 비는 10~100:1로 설정될 수 있다.The first elastic member 111 has a form in which one end is extended to a length greater than the width in a state where the one end is fixed on the substrate 101, and the other end is bent higher than one end. For example, the first elastic member 111 may have a predetermined width and a predetermined thickness in a state where one end is fixed on the substrate 101 and extend in the first axial direction while being bent along the second axial direction. have. Here, the length of the first elastic member 111 extending in the first and second axis directions is set larger than the width in the third axis direction. The ratio of the width and the thickness in the first elastic member 111 may be set to 5: 1. The ratio of length and width in the first elastic member 111 may be set to 10 ~ 100: 1.

그리고, 제1 탄성부재(111)는 소정의 곡률반경을 갖게 휘어질 수 있다. 제1 탄성부재(111)는 기판(101)에 고정되는 단이 제1축 방향에 나란하게 위치되고, 관성체(120)에 고정되는 단이 제2축 방향에 나란하게 위치될 수 있다. 물론, 제1 탄성부재(111)는 관성체(120)에 고정되는 단이 제2축 방향에 대해 경사지게 휘어진 형태를 갖는 것도 가능하다.The first elastic member 111 may be bent to have a predetermined radius of curvature. The first elastic member 111 may have end portions fixed to the substrate 101 side by side in the first axial direction, and end portions fixed to the inertial body 120 may be side by side in the second axial direction. Of course, the first elastic member 111 may have a form in which the end fixed to the inertial body 120 is bent inclined with respect to the second axial direction.

제1 탄성부재(111)는 기판(101)에 고정되는 단에 고정 패드(111a)가 연결된 구조로 이루어질 수 있다. 고정 패드(111a)는 제1 탄성부재(111)의 폭보다 넓은 폭과 길이를 갖고 기판(101) 상에 고정됨으로써, 제1 탄성부재(111)를 보다 안정되게 지지할 수 있다.The first elastic member 111 may have a structure in which a fixing pad 111a is connected to a stage fixed to the substrate 101. The fixing pad 111a has a width and a length wider than the width of the first elastic member 111 and is fixed on the substrate 101 to thereby more stably support the first elastic member 111.

기판(101)에 진동이 가해져 기판(101)이 진동하게 되면, 제1 탄성부재(111)는 관성체(120)에 의해 진동하면서 압전부재(112)의 표면이 인장 또는 수축 또는 뒤틀림 변형을 일으킬 수 있게 한다. 제1 탄성부재(111)는 고분자로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 탄성부재(111)는 낮은 강성으로 외팔보(110)의 스프링 상수를 낮춤으로써 외팔보(110)와 관성체(120)에 따른 고유진동수를 낮출 수 있다. 그 결과, 에너지 하베스터(100)는 매우 낮은 주파수를 갖는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다.When vibration is applied to the substrate 101 to cause the substrate 101 to vibrate, the first elastic member 111 vibrates by the inertial body 120 and causes the surface of the piezoelectric member 112 to be deformed or contracted or distorted. To be able. The first elastic member 111 may be formed of a polymer. Accordingly, the first elastic member 111 may lower the natural frequency of the cantilever 110 and the inertial body 120 by lowering the spring constant of the cantilever 110 with low rigidity. As a result, the energy harvester 100 can easily harvest electrical energy from vibration energy having a very low frequency.

압전부재(112)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 상하 면들 중 어느 한쪽 면에 부착되어, 제1 탄성부재(111)가 진동하게 되면, 표면이 인장 또는 수축 또는 뒤틀림 변형될 수 있다. 압전부재(112)는 압전기 현상을 일으키는 소재, 예컨대 압전 세라믹 등으로 형성된다. 압전기 현상이란 압전부재(112)에 일정한 방향에서 외력을 가할 때 그 외력에 비례해서 양, 음의 전하가 나타나는 현상이다.The piezoelectric member 112 may be attached to one of the curved upper and lower surfaces of the first elastic member 111, and when the first elastic member 111 is vibrated, the surface may be deformed in tension, shrinkage, or distortion. The piezoelectric member 112 is formed of a material causing a piezoelectric phenomenon, for example, a piezoelectric ceramic. The piezoelectric phenomenon is a phenomenon in which positive and negative charges appear in proportion to the external force when an external force is applied to the piezoelectric member 112 in a predetermined direction.

압전부재(112)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 상면에 부착될 수 있다. 물론, 압전부재(112)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 하면에 부착되는 것도 가능하다. 압전부재(112)는 제1 탄성부재(111)보다 두께가 매우 얇은 플레이트 형상으로 이루어질 수 있다. 따라서, 압전부재(112)는 압전기 현상을 발생시키면서도, 제1 탄성부재(111)에 발생하는 진동 변위에 대한 저항을 최소화할 수 있다.The piezoelectric member 112 may be attached to the curved upper surface of the first elastic member 111. Of course, the piezoelectric member 112 may be attached to the curved lower surface of the first elastic member 111. The piezoelectric member 112 may have a plate shape that is much thinner than the first elastic member 111. Therefore, the piezoelectric member 112 may minimize the resistance to vibration displacement occurring in the first elastic member 111 while generating a piezoelectric phenomenon.

전극들(113,114)은 압전부재(112)에 부착되어 압전부재(112)의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극들(113,114)은 압전부재(112)의 양쪽 면에 나뉘어 부착될 수 있다. 전극들은 다양한 형태로 전술한 기능을 수행하는 범주에서 다양하게 구성될 수 있음은 물론이다.The electrodes 113 and 114 are attached to the piezoelectric member 112 to receive electric energy generated by the deformation of the piezoelectric member 112. For example, as shown in FIG. 3, the electrodes 113 and 114 may be dividedly attached to both surfaces of the piezoelectric member 112. The electrodes may be variously configured in the range of performing the above functions in various forms.

관성체(120)는 외팔보(110)의 자유 단에 연결되어 고정된다. 관성체(120)는 외팔보(110)에 고정되어 고유진동수가 기판(101)의 고유진동수와 동일하거나 근접하게 설정됨으로써, 공진을 통한 충분한 전기에너지를 얻을 수 있게 한다.The inertial body 120 is connected to and fixed to the free end of the cantilever 110. The inertial body 120 is fixed to the cantilever 110 so that the natural frequency is set to be the same as or close to the natural frequency of the substrate 101, thereby obtaining sufficient electric energy through resonance.

관성체(120)는 외팔보(110)의 폭 방향과 높이 방향이 횡 방향과 종 방향으로 각각 정의될 때 고종횡비의 단면을 갖는다. 즉, 관성체는 종 길이(H)가 횡 길이(W)에 비해 크도록, 예컨대 H:W 값이 10~100:1의 고종횡비를 갖도록 구성될 수 있다. 그리고, 관성체(120)는 직육면체 형상으로 이루어지고, 제1축 방향을 따라 연장된 길이(L)가 횡 길이(W)보다 대략 50배 정도 클 수 있다. 관성체(120)가 고종횡비의 단면을 가짐에 따라, 제3축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 용이하게 수확될 수 있다. The inertial body 120 has a high aspect ratio cross section when the width direction and the height direction of the cantilever 110 are defined in the transverse direction and the longitudinal direction, respectively. That is, the inertial body may be configured such that the longitudinal length H is larger than the lateral length W, for example, the H: W value has a high aspect ratio of 10 to 100: 1. In addition, the inertial body 120 may have a rectangular parallelepiped shape, and the length L extending along the first axial direction may be about 50 times larger than the horizontal length W. As the inertial body 120 has a high aspect ratio cross section, electrical energy may be easily harvested from vibration energy applied in the third axis direction.

관성체(120)는 무게중심이 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축으로부터 벗어나 위치할 수 있게 외팔보(110)의 자유 단에 고정될 수 있다. 이에 따라, 제1,2축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 보다 용이하게 수확될 수 있다. 전기에너지의 수확 효과를 보다 높이기 위해, 외팔보(110)의 자유 단은 관성체(120)의 하면 선단에 고정될 수 있다.The inertial body 120 may be fixed to the free end of the cantilever beam 110 so that the center of gravity may be located off the center of gravity along the longitudinal direction of the cantilever beam 110. Accordingly, the electrical energy can be more easily harvested from the vibration energy applied in the first and second axis directions. In order to further increase the harvesting effect of the electrical energy, the free end of the cantilever 110 may be fixed to the lower end of the inertial body (120).

도 4에 도시된 바와 같이, 외팔보(110)는 제2 탄성부재(115)를 더 포함하여, 압전부재(112)를 지지하는 효과를 높일 수 있다. 제2 탄성부재(115)는 플레이트 형상으로 이루어져, 압전부재(112)를 사이에 두고 제1 탄성부재(111)의 반대쪽에서 압전부재(112)에 부착될 수 있다. 제2 탄성부재(115)는 고분자로 형성되며, 제1 탄성부재(111)보다 두께가 얇은 구조로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 4, the cantilever 110 further includes a second elastic member 115 to increase the effect of supporting the piezoelectric member 112. The second elastic member 115 may have a plate shape and may be attached to the piezoelectric member 112 on the opposite side of the first elastic member 111 with the piezoelectric member 112 interposed therebetween. The second elastic member 115 may be formed of a polymer, and may have a thinner structure than the first elastic member 111.

전술한 전방향 기반 에너지 하베스터(100)에 의하면, 전방향, 즉 3개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 기판(101)에 제1축 방향 또는 제2축 방향으로 진동이 가해진다. 그러면, 관성체(120)는 제3축 방향을 중심으로 회전 진동하면서 압전부재(112)의 표면이 인장 또는 수축 변형될 수 있다. 즉, 제1,2축 방향의 진동에 의한 고유진동모드로부터 압전부재(112)의 표면이 인장 또는 수축 변형됨으로써, 제1,2 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 수확될 수 있다. According to the omni-directional energy harvester 100 described above, electrical energy can be easily harvested from vibration energy applied in all directions, that is, three axial directions. That is, as shown in FIG. 5, vibration is applied to the substrate 101 in the first axis direction or the second axis direction. Then, the surface of the piezoelectric member 112 may be stretched or shrunk while the inertial body 120 rotates about the third axis direction. That is, since the surface of the piezoelectric member 112 is stretched or contracted from the natural vibration mode caused by the vibration in the first and second axis directions, electrical energy may be harvested from the vibration energy applied in the first and second axis directions.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(101)에 제3축 방향으로 진동이 가해진다. 그러면, 관성체(120)는 제2축 방향으로 회전 진동하면서 압전부재(112)의 표면이 비틀림 변형될 수 있다. 즉, 제3축 방향의 진동에 의한 고조파모드로부터 압전부재(112)의 표면이 비틀림 변형됨으로써, 제3 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 수확될 수 있다. 따라서, 전방향 기반 에너지 하베스터(100)는 제1,2,3축에 의해 한정된 3차원 공간의 어디에 위치하던 전방향 진동에너지로부터 전기에너지를 수확할 수 있으므로, 설치가 자유로울 수 있다.As shown in FIG. 6, vibration is applied to the substrate 101 in the third axis direction. Then, the surface of the piezoelectric member 112 may be twisted and deformed while the inertial body 120 rotates and vibrates in the second axis direction. That is, since the surface of the piezoelectric member 112 is twisted and deformed from the harmonic mode caused by the vibration in the third axial direction, electrical energy may be harvested from the vibration energy applied in the third axial direction. Therefore, since the omnidirectional energy harvester 100 can harvest electrical energy from the omnidirectional vibration energy located in the three-dimensional space defined by the first, second, and third axes, the installation can be free.

도 7에 도시된 바와 같이, 전방향 기반 에너지 하베스터(100)에 의해 발생된 전기에너지는 저장부(130)에 의해 저장될 수 있다. 여기서, 저장부(130)는 정류기(131)와, 컨버터(132), 및 축전지(133)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 7, electrical energy generated by the omnidirectional energy harvester 100 may be stored by the storage 130. Here, the storage unit 130 may include a rectifier 131, a converter 132, and a storage battery 133.

정류기(131)는 전극들(113,114)로부터 흐르는 교류를 직류로 변환한다. 정류기(131)로는 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 컨버터(132)는 정류기(131)에 의해 변환된 직류를 설정 크기의 직류로 변환한다. 압전부재(112)의 출력전류는 ㎂급 미세한 양이므로, 컨버터(132)에 의해 전력사용 장치의 가동을 위한 충분한 크기의 전류로 변환한다. 컨버터(132)는 DC-DC 컨버터가 사용될 수 있다. 축전지(133)는 컨버터(132)에 의해 변환된 직류를 저장해서 전력사용 장치로 공급한다. 축전지(133)는 콘덴서를 포함하여 구성될 수 있다.The rectifier 131 converts alternating current flowing from the electrodes 113 and 114 into direct current. The rectifier 131 may include a diode. The converter 132 converts the direct current converted by the rectifier 131 into a direct current having a set magnitude. Since the output current of the piezoelectric member 112 is a small amount, it is converted by the converter 132 into a current of sufficient magnitude for the operation of the power-using device. The converter 132 may be a DC-DC converter. The storage battery 133 stores the direct current converted by the converter 132 and supplies the converted direct current to the power usage device. The storage battery 133 may be configured to include a capacitor.

한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 하베스터에 대한 사시도이다.On the other hand, Figure 8 is a perspective view of an energy harvester according to another embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 에너지 하베스터(200)는 도 2에 도시된 관성체(120)와 연결된 외팔보(110)가 기판(101)에 다수 집적된 상태에서 저주파 진동자(140)를 더 구비한다. 저주파 진동자(140)는 외팔보(110)의 소형화에 따른 높은 고유진동으로 인해 낮은 주변 진동에너지의 획득을 용이하게 한다. 이를 위해, 관성체(120)는 자화가 되기 쉬운 니켈(Ni) 혹은 철(Fe) 등과 같은 강자성 물질로 형성된다. 그리고, 저주파 진동자(140)는 외팔보(110)와 관성체(120)에 따른 고유진동 주파수보다 낮은 고유진동 주파수를 갖도록 구성된다.Referring to FIG. 8, the energy harvester 200 may further include a low frequency vibrator 140 in a state in which cantilever 110 connected to the inertial body 120 illustrated in FIG. 2 is integrated in the substrate 101. The low frequency vibrator 140 facilitates the acquisition of low ambient vibration energy due to high natural vibration due to the miniaturization of the cantilever 110. To this end, the inertial body 120 is formed of a ferromagnetic material such as nickel (Ni) or iron (Fe) that is easy to magnetize. In addition, the low frequency vibrator 140 is configured to have a natural vibration frequency lower than the natural vibration frequency according to the cantilever 110 and the inertial body 120.

저주파 진동자(140)는 기판(101)에 고정된 지지 프레임(141)과, 관성체(120)의 상측에 배치된 자석(142), 및 자석(142)을 지지 프레임(141)에 연결하는 스프링 부재(143)를 구비한다. 지지 프레임(141)은 기판(101)과 일체화될 수 있다. 자석(142)은 플레이트 형상으로 이루어지고 자석 지지부재(142a)에 고정되어 지지될 수 있다.The low frequency vibrator 140 includes a support frame 141 fixed to the substrate 101, a magnet 142 disposed above the inertial body 120, and a spring connecting the magnet 142 to the support frame 141. The member 143 is provided. The support frame 141 may be integrated with the substrate 101. The magnet 142 may have a plate shape and may be fixedly supported by the magnet support member 142a.

스프링 부재(143)는 한쪽 단이 지지 프레임(141)에 고정되고 다른 쪽 단이 자석 지지부재(142a)에 고정될 수 있다. 스프링 부재(143)는 지그재그 형태로 이루어질 수 있다. 스프링 부재(143)는 자석(142)을 안정되게 지지할 수 있게 복수 개로 구비될 수 있다. 스프링 부재(143)는 비교적 낮은 스프링 상수를 갖도록 구성됨으로써 저주파 진동자(140)의 고유진동 주파수를 낮출 수 있다. 스프링 부재(143)는 전술한 기능을 수행하는 범주에서 다양하게 구성될 수 있으므로, 예시된 바에 한정되지 않는다.The spring member 143 may have one end fixed to the support frame 141 and the other end fixed to the magnet support member 142a. The spring member 143 may be formed in a zigzag form. The spring member 143 may be provided in plural numbers so as to stably support the magnet 142. The spring member 143 may be configured to have a relatively low spring constant to lower the natural vibration frequency of the low frequency vibrator 140. The spring member 143 may be configured in various ways to perform the above-described functions, and thus is not limited thereto.

전술한 저주파 진동자(140)는 도 9에 도시된 바와 같이, 기판(101)에 진동이 가해져 지지 프레임(141)에 진동이 전달되면 스프링 부재(143)에 매달린 자석(142)이 움직이게 된다. 자석(142)의 움직임에 따라 자기장의 변화가 유도됨으로써, 외팔보(110)의 자유 단에 부착된 관성체(120)가 움직이게 된다. 이때, 관성체(120)의 진동 주파수가 자석(142)의 진동에 의해 낮아짐으로써, 에너지 하베스터(200)는 외팔보(110)와 관성체(120)에 따른 고유진동 주파수보다 낮은 진동의 수집이 가능하고, 에너지 하베스터(200)의 소형화에 따른 집적 및 배열이 용이할 수 있다. 그리고, 에너지 하베스터(200)는 외팔보(110)와 관성체(120)의 조합 구성을 다수 구비함으로써, 에너지 출력을 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 9, when the vibration is transmitted to the support frame 141 as shown in FIG. 9, the magnet 142 suspended on the spring member 143 is moved. By inducing a change in the magnetic field according to the movement of the magnet 142, the inertial body 120 attached to the free end of the cantilever 110 moves. At this time, the vibration frequency of the inertial body 120 is lowered by the vibration of the magnet 142, so that the energy harvester 200 can collect vibrations lower than the natural vibration frequency according to the cantilever 110 and the inertial body 120. In addition, integration and arrangement according to the miniaturization of the energy harvester 200 may be easy. In addition, the energy harvester 200 may improve energy output by providing a plurality of combination configurations of the cantilever 110 and the inertial body 120.

도 10는 종래의 에너지 하베스터의 설치 각도(Installation angle)에 따른 출력 변화를 나타낸 그래프이며, 도 11은 도 2의 에너지 하베스터의 설치 각도(Installation angle)에 따른 출력 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 본 발명에 따른 에너지 하베스터(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 구성되고, 종래에 따른 에너지 하베스터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 구성된 것이다.10 is a graph illustrating a change in output according to an installation angle of a conventional energy harvester, and FIG. 11 is a graph illustrating a change in output according to an installation angle of the energy harvester of FIG. 2. Here, the energy harvester 100 according to the present invention is configured as shown in Figure 2, the energy harvester 10 according to the prior art is configured as shown in FIG.

도 10에 도시된 바와 같이, 종래에 따른 에너지 하베스터(10)는 설치 각도(Installation angle, degree)에 따라 출력(Normalized Power, arb.unit)이 민감하게 변하는 것을 확인해볼 수 있다. 반면, 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터(100)는 어느 설치 각도(Installation angle, degree)로 설치되더라도 일정 수준 이상의 출력((Normalized Power, arb.unit)이 발생되는 것을 확인해볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 에너지 하베스터(100)는 종래에 따른 에너지 하베스터(10)보다 설치가 자유로울 수 있다.As shown in FIG. 10, the energy harvester 10 according to the related art may check that the output (Normalized Power, arb.unit) is sensitively changed according to an installation angle. On the other hand, as shown in Figure 11, the energy harvester 100 according to the present invention is confirmed that the output ((Normalized Power, arb. Unit) above a certain level is generated even if any installation angle (Installation angle, degree) Therefore, the energy harvester 100 according to the present invention may be installed more freely than the energy harvester 10 according to the related art.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation and that those skilled in the art will recognize that various modifications and equivalent arrangements may be made therein. It will be possible. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.

101..기판 110..외팔보
111..제1 탄성부재 112..압전부재
113,114,213,214..전극 115..제2 탄성부재
120..관성체 131..정류기
132..컨버터 133..축전지
140..저주파 공진자 142..자석
143..스프링 부재101. Substrate 110. Cantilever
111. First elastic member 112. Piezoelectric member
113,114,213,214 .. Electrode 115..Second elastic member
120. Inertia 131. Rectifier
132. Converter 133 Battery
140. Low frequency resonator 142 Magnet
143..Spring member

Claims (6)

한쪽 단이 기판 상에 고정된 상태에서 폭보다 큰 길이로 연장되되 다른 쪽 단이 상기 한쪽 단보다 높게 휘어진 형태를 갖는 제1 탄성부재와, 상기 제1 탄성부재의 휘어진 상하 면들 중 어느 한쪽 면에 부착된 압전부재, 및 상기 압전부재에 부착되어 상기 압전부재의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는 전극들을 구비하는 적어도 하나의 외팔보; 및
상기 외팔보의 자유 단에 연결되며, 상기 외팔보의 폭 방향과 높이 방향이 횡 방향과 종 방향으로 각각 정의될 때 고종횡비의 단면을 갖는 관성체;
를 포함하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.One end is extended to a length larger than the width in a fixed state on the substrate, the other end is a first elastic member having a shape that is bent higher than the one end, and one of the curved upper and lower surfaces of the first elastic member At least one cantilever beam having an attached piezoelectric member, and electrodes attached to the piezoelectric member to receive electrical energy generated by deformation of the piezoelectric member; And
An inertial body connected to the free end of the cantilever beam and having a cross-section having a high aspect ratio when the width direction and the height direction of the cantilever beam are defined in a transverse direction and a longitudinal direction, respectively;
Omnidirectional vibration-based energy harvester comprising a. 제1항에 있어서,
상기 제1 탄성부재는 소정의 곡률반경을 갖게 휘어진 형태인 것을 특징으로 하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The first elastic member is an omnidirectional vibration-based energy harvester, characterized in that the curved shape having a predetermined radius of curvature. 제1항에 있어서,
상기 관성체의 고종횡비는 10 ~ 100인 것을 특징으로 하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The high aspect ratio of the inertial omnidirectional vibration-based energy harvester, characterized in that 10 to 100. 제1항에 있어서,
상기 외팔보는,
상기 압전부재를 사이에 두고 상기 제1 탄성부재의 반대쪽에서 상기 압전부재에 부착되는 제2 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The cantilever-
And a second elastic member attached to the piezoelectric member on the opposite side of the first elastic member with the piezoelectric member interposed therebetween. 제1항에 있어서,
상기 전극들로부터 흐르는 교류를 직류로 변환하는 정류기와,
상기 정류기에 의해 변환된 직류를 설정 크기의 직류로 변환하는 컨버터, 및
상기 컨버터에 의해 변환된 직류를 저장하는 축전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.The method of claim 1,
A rectifier for converting alternating current flowing from the electrodes into direct current;
A converter for converting the direct current converted by the rectifier into a direct current of a predetermined size, and
And a storage battery storing a direct current converted by the converter. 제1항에 있어서,
상기 관성체는 강자성 물질로 형성되며;
상기 기판에 고정된 지지 프레임과, 상기 관성체의 상측에 배치된 자석, 및 상기 자석을 상기 지지 프레임에 연결하는 스프링 부재를 구비하여, 상기 외팔보와 관성체에 따른 고유진동 주파수보다 낮은 고유진동 주파수를 갖는 저주파 진동자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 진동 기반 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The inertial body is formed of a ferromagnetic material;
A natural vibration frequency lower than a natural vibration frequency according to the cantilever and the inertial body, having a support frame fixed to the substrate, a magnet disposed above the inertial body, and a spring member connecting the magnet to the support frame. The omnidirectional vibration-based energy harvester further comprising a low frequency oscillator having a.
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