KR101332008B1 - Energy harvester - Google Patents

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KR101332008B1
KR101332008B1 KR1020120080694A KR20120080694A KR101332008B1 KR 101332008 B1 KR101332008 B1 KR 101332008B1 KR 1020120080694 A KR1020120080694 A KR 1020120080694A KR 20120080694 A KR20120080694 A KR 20120080694A KR 101332008 B1 KR101332008 B1 KR 101332008B1
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energy
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Inventor
박재영
박종철
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an energy harvester which converts the vibration energy of a structure into electric energy. The energy harvester includes a cantilever and an inertial element. The cantilever includes a first elastic member whose one end is connected to the structure and is bent at a preset angle, a piezoelectric member which is attached to one bent surface of the first elastic member, and electrodes which are installed on the piezoelectric member and receive the electric energy which is generated by the deformation of the piezoelectric member. The inertial element is connected to the free end of the cantilever. [Reference numerals] (AA) First axis;(BB) Third axis;(CC) Second axis

Description

에너지 하베스터{Energy harvester}Energy harvester {Energy harvester}

본 발명은 에너지 하베스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to an energy harvester, and more particularly to an energy harvester for converting the vibration energy of the structure 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 구조물(1)에 연결된 외팔보(11), 외팔보(11)의 자유 단에 부착된 관성체(14)를 포함한다. 외팔보(11)는 구조물(1)에 부착되어 관성체(14)를 지지하는 탄성부재(12)와, 탄성부재(12)에 부착된 압전부재(13)를 포함한다. 구조물(1)에 제1축 방향에 따른 진동이 가해져 구조물(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 the structure 1, and an inertial body 14 attached to the free end of the cantilever 11. The cantilever 11 includes an elastic member 12 attached to the structure 1 to support the inertial body 14 and a piezoelectric member 13 attached to the elastic member 12. When the vibration of the structure 1 is applied to the structure 1 and the structure 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 구조물(1)에 제2축 방향에 따른 진동, 즉 외팔보(11)의 길이 방향과 나란한 방향에 따른 진동이 가해지는 경우, 전기에너지의 생산이 매우 어렵다. 또한, 종래의 에너지 하베스터(10)는 강성이 높은 탄성부재(12)를 사용하기 때문에, 낮은 주파수의 진동에너지로부터 전기에너지의 수확이 용이하지 않은 문제가 있다. However, the conventional energy harvester 10 is very difficult to produce electrical energy when the structure 1 is subjected to vibration along the second axis direction, that is, vibration along the direction parallel to the longitudinal direction of the cantilever 11. In addition, since the conventional energy harvester 10 uses the elastic member 12 having high rigidity, there is a problem in that electrical energy is not easily harvested from low-frequency vibration energy.

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

본 발명의 과제는 2개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있는 에너지 하베스터를 제공함에 있다. An object of the present invention is to provide an energy harvester capable of easily harvesting electrical energy from vibration energy applied in two axial directions.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 하베스터는, 한쪽 단이 구조물에 연결되고 설정 각도로 휘어진 형태를 갖는 제1 탄성부재와, 상기 제1 탄성부재의 휘어진 양쪽 면들 중 어느 한쪽 면에 부착된 압전부재, 및 상기 압전부재에 설치되어 상기 압전부재의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는 전극들을 구비하는 외팔보; 및 상기 외팔보의 자유 단에 연결된 관성체;를 포함한다. The energy harvester according to the present invention for achieving the above object is attached to any one surface of the first elastic member having one end is connected to the structure and has a shape bent at a predetermined angle, and both curved surfaces of the first elastic member. A cantilever having a piezoelectric member and an electrode installed on 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.

본 발명에 따른 에너지 하베스터에 의하면, 2개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 따라서, 에너지 하베스터는 어느 한 평면 상에서 어디에 회전해 외치하던 전기에너지를 수확할 수 있으므로, 설치가 자유로울 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 에너지 하베스터에 의하면, 매우 낮은 주파수를 갖는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다.According to the energy harvester according to the present invention, electrical energy can be easily harvested from vibration energy applied in two axial directions. Therefore, the energy harvester can harvest the electric energy wherever it rotates on any one plane, so that the installation can be free. In addition, according to the energy harvester 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 에너지 하베스터에 대한 사시도.
도 3은 도 2의 일부 영역을 확대하여 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 있어서, 압전부재의 변형에 의해 전극들 사이에 전위차를 얻는 예를 설명하기 위한 도면.
도 5 및 도 6은 도 2의 에너지 하베스터의 작용 예를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 2의 에너지 하베스터에 의해 발생된 전기에너지를 저장하는 예를 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 3에 있어서, 전극들의 다른 예를 도시한 단면도.
도 9는 도 8에 있어서, 압전부재의 변형에 의해 전극들 사이에 전위차를 얻는 예를 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 에너지 하베스터와 종래에 따른 에너지 하베스터 간에 설치 방향에 따른 출력을 비교하기 위한 그래프.
도 11은 본 발명의 일 예에 따른 관성체를 포함한 에너지 하베스터에 대한 구성도.
도 12는 비교 예에 따른 관성체를 포함한 에너지 하베스터에 대한 구성도.
도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 에너지 하베스터들 간에 설치 방향에 따른 출력을 비교하기 위한 그래프.1 is a block diagram of an energy harvester using a conventional piezoelectric phenomenon.
2 is a perspective view of an energy harvester according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged cross-sectional view of a partial region of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of obtaining a potential difference between electrodes by deformation of a piezoelectric member in FIG. 3; FIG.
5 and 6 are views for explaining the operation example of the energy harvester of FIG.
7 is a view for explaining an example of storing the electrical energy generated by the energy harvester of FIG.
8 is a cross-sectional view showing another example of electrodes in FIG. 3;
FIG. 9 is a diagram for explaining an example of obtaining a potential difference between electrodes by deformation of a piezoelectric member in FIG. 8; FIG.
10 is a graph for comparing the output according to the installation direction between the energy harvester according to the present invention and the energy harvester according to the prior art.
11 is a block diagram of an energy harvester including an inertial body according to an embodiment of the present invention.
12 is a block diagram of an energy harvester including an inertial body according to a comparative example.
FIG. 13 is a graph for comparing the output according to the installation direction between the energy harvesters shown in FIGS. 11 and 12.

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 에너지 하베스터에 대한 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 2의 일부 영역을 확대하여 도시한 단면도이다. 2 is a perspective view of an energy harvester according to an embodiment of the present invention. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion of FIG. 2.

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

외팔보(110)는 한쪽 단이 구조물(20)에 고정된 고정 단을 이루고, 다른 쪽 단이 받쳐지지 않은 상태의 자유 단을 이룬다. 외팔보(110)의 한쪽 단은 기판과 같은 매개부재를 통해 구조물(20)에 고정되는 것도 물론 가능하다. 외팔보(110)는 제1 탄성부재(111)와, 압전부재(112)와, 전극들(113,114)을 구비한다. The cantilever 110 has a fixed end fixed to the structure 20, one end forms a free end of the other end is not supported. One end of the cantilever 110 may also be fixed to the structure 20 through an intermediate member such as a substrate. The cantilever 110 includes a first elastic member 111, a piezoelectric member 112, and electrodes 113 and 114.

제1 탄성부재(111)는 설정 각도로 휘어진 형태를 갖고, 한쪽 단이 구조물(20)에 연결되어 고정된다. 예컨대, 제1 탄성부재(111)는 플레이트 형상으로 이루어져 90도로 휘어진 형태를 갖고, 휘어진 바깥쪽 면의 한쪽 가장자리가 구조물(20)에 고정될 수 있다. 제1 탄성부재(111)는 90도로 휘어져, 관성체(120)에 고정되는 단이 제1축 방향에 나란하게 위치되고, 구조물(20)에 고정되는 단이 제2축 방향에 나란하게 위치될 수 있다. 물론, 제1 탄성부재(111)는 90도보다 조금 큰 각도로 휘어진 형태를 갖는 것도 가능하다. The first elastic member 111 has a shape bent at a set angle, one end is connected to the structure 20 is fixed. For example, the first elastic member 111 may be formed in a plate shape and bent at 90 degrees, and one edge of the curved outer surface may be fixed to the structure 20. The first elastic member 111 is bent at 90 degrees so that the ends fixed to the inertial body 120 are positioned side by side in the first axial direction, and the ends fixed to the structure 20 are positioned side by side in the second axial direction. Can be. Of course, the first elastic member 111 may have a curved shape at an angle slightly larger than 90 degrees.

구조물(20)에 진동이 가해져 구조물(20)이 진동하게 되면, 제1 탄성부재(111)는 관성체(120)에 의해 진동하면서 압전부재(112)의 표면이 인장 또는 수축 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 structure 20 to cause the structure 20 to vibrate, the first elastic member 111 may vibrate by the inertial body 120 such that the surface of the piezoelectric member 112 may cause tensile or contraction deformation. do. 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 양쪽 면들 중 어느 한쪽 면에 부착되어, 제1 탄성부재(111)가 진동하게 되면, 표면이 인장 또는 수축 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 both curved surfaces of the first elastic member 111, and when the first elastic member 111 vibrates, the surface may be stretched or shrunk. 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 안쪽 면에 부착될 수 있다. 물론, 압전부재(112)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 바깥쪽 면에 부착되는 것도 가능하다. 이 경우, 압전부재(112)의 한쪽 단이 구조물(20)에 연결되어 고정될 수 있다. 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 inner surface of the first elastic member 111. Of course, the piezoelectric member 112 may be attached to the curved outer surface of the first elastic member 111. In this case, one end of the piezoelectric member 112 may be connected to and fixed to the structure 20. 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 설치되어 압전부재(112)의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는다. 예컨대, 전극들(113,114)은 압전부재(112)의 양쪽 면에 나뉘어 형성될 수 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 압전부재(112)의 한쪽 면이 인장되고 반대쪽 면이 수축되는 변형을 하게 되면, 압전부재(112)에 가해지는 외력 방향에 수직한 방향, 즉 d31 진동 모드를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다. The electrodes 113 and 114 are installed in the piezoelectric member 112 to receive electric energy generated by the deformation of the piezoelectric member 112. For example, the electrodes 113 and 114 may be formed on both sides of the piezoelectric member 112. In this case, as shown in FIG. 4, when one side of the piezoelectric member 112 is deformed and the opposite side is deformed, the direction perpendicular to the external force applied to the piezoelectric member 112 is vibrated, that is, d31 vibration. The mode can be used to obtain electrical energy.

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 제1 탄성부재(111)보다 두께가 얇은 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 제2 탄성부재(115)는 압전부재(112)를 지지하는 효과를 지니면서도, 제1 탄성부재(111)에 발생하는 진동 변위에 대한 저항을 최소화할 수 있다. 제2 탄성부재(115)는 고분자로 형성될 수 있다. The cantilever 110 may further include 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 have a structure thinner than the first elastic member 111. Therefore, the second elastic member 115 may have an effect of supporting the piezoelectric member 112, and may minimize resistance to vibration displacement occurring in the first elastic member 111. The second elastic member 115 may be formed of a polymer.

관성체(120)는 외팔보(110)의 자유 단에 연결되어 고정된다. 관성체(120)는 외팔보(110)에 고정되어 고유진동수가 구조물(20)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 structure 20, thereby obtaining sufficient electrical energy through resonance.

전술한 에너지 하베스터(100)에 의하면, 2개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지를 용이하게 수확할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 구조물(20)에 제1축 방향으로 진동이 가해지거나, 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향으로 진동이 가해진다. According to the energy harvester 100 described above, electrical energy can be easily harvested from vibration energy applied in two axial directions. As shown in FIG. 5, vibration is applied to the structure 20 in the first axis direction, or vibration is applied in the second axis direction orthogonal to the first axis direction.

그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 관성체(120)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 부위를 중심으로 회전 진동하면서 압전부재(112)의 표면이 인장 또는 수축 변형될 수 있다. 이에 따라, 2개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 수확될 수 있다. 따라서, 에너지 하베스터(100)는 제1축-제2축 평면 상의 어디에 회전해 외치하던 전기에너지를 수확할 수 있으므로, 설치가 자유로울 수 있다. Then, as shown in FIG. 6, the surface of the piezoelectric member 112 may be stretched or contracted while the inertial body 120 rotates and rotates about the bent portion of the first elastic member 111. Accordingly, electrical energy can be harvested from vibration energy applied in two axial directions. Therefore, since the energy harvester 100 can harvest the electric energy wherever it rotates on the first axis-second axis plane, the energy harvester 100 can be installed freely.

도 7에 도시된 바와 같이, 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 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.

도 8에 도시된 바와 같이, 전극들(213,214)은 압전부재(112)의 한쪽 면에 서로 이격되어 형성될 수 있다. 전극들(213,214)은 2개뿐 아니라 3개 이상으로 이루어져 빗살 형태로 배열될 수 있다. 이 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 압전부재(112)의 한쪽 면이 인장되고 반대쪽 면이 수축되는 변형을 하게 되면, 압전부재(112)에 가해지는 외력 방향에 수평한 방향, 즉 d33 진동 모드를 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 8, the electrodes 213 and 214 may be formed spaced apart from each other on one surface of the piezoelectric member 112. The electrodes 213 and 214 may be arranged in the form of comb teeth as well as two or more. In this case, as shown in FIG. 9, when one side of the piezoelectric member 112 is deformed and the opposite surface is deformed, a direction horizontal to the external force applied to the piezoelectric member 112, that is, d33 vibration is generated. The mode can be used to obtain electrical energy.

도 10은 본 발명에 따른 에너지 하베스터와 종래에 따른 에너지 하베스터 간에 설치 방향에 따른 출력을 비교하기 위한 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. 그리고, 설치 각도는 도 5에 도시된 에너지 하베스터(100)의 위치를 기준으로 제1축-2축 평면 상에 -90도 ~ 90도로 회전시킨 각도이다. 10 is a graph for comparing the output according to the installation direction between the energy harvester according to the present invention and the energy harvester according to the prior art. 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. In addition, the installation angle is an angle rotated from -90 degrees to 90 degrees on the first axis-2 axis plane based on the position of the energy harvester 100 shown in FIG. 5.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터(100)는 제1축-2축 평면 상에 -90도 ~ 90도 사이에서 어느 각도로 설치되더라도 일정 수준 이상의 출력이 발생되지만, 종래에 따른 에너지 하베스터(10)는 -20도 ~ 20도 사이를 벗어나면 출력이 떨어지는 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 100 according to the present invention generates an output of a predetermined level or more even if it is installed at any angle between -90 degrees to 90 degrees on the first axis-2 axis plane. According to the energy harvester 10 can be seen that the output falls if the deviation between -20 degrees ~ 20 degrees. 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.

한편, 관성체(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 외팔보(110)의 한쪽 면에 고정될 수 있다. 예컨대, 관성체(120)는 제1 탄성부재(111)의 휘어진 바깥쪽 면에 제1 탄성부재(111)의 자유 단과 인접하여 고정될 수 있다. 이에 따라, 관성체(120)의 무게중심은 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축으로부터 벗어나 위치할 수 있다. 따라서, 2개의 축 방향에서 가해지는 진동에너지로부터 전기에너지가 용이하게 수확될 수 있다.On the other hand, the inertial body 120 may be fixed to one side of the cantilever 110, as shown in FIG. For example, the inertial body 120 may be fixed adjacent to the free end of the first elastic member 111 on the curved outer surface of the first elastic member 111. Accordingly, the center of gravity of the inertial body 120 may be located away from the center of gravity along the longitudinal direction of the cantilever 110. Thus, electrical energy can be easily harvested from vibration energy applied in two axial directions.

도 11 내지 도 13을 참조하여 상술하면 다음과 같다. 여기서, 도 11은 본 발명의 일 예에 따른 관성체를 포함한 에너지 하베스터에 대한 구성도이고, 도 12는 비교 예에 따른 관성체를 포함한 에너지 하베스터에 대한 구성도이다. 그리고, 도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 에너지 하베스터들 간에 설치 방향에 따른 출력을 비교하기 위한 그래프이다. A detailed description with reference to FIGS. 11 to 13 is as follows. 11 is a configuration diagram of an energy harvester including an inertial body according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a diagram illustrating an energy harvester including an inertial body according to a comparative example. And, FIG. 13 is a graph for comparing the output according to the installation direction between the energy harvesters shown in FIGS. 11 and 12.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하베스터에서, 외팔보(110)는 θ의 각도로 휘어져 한쪽 단이 구조물(20)에 고정되고, 관성체(120)는 외팔보(110)의 한쪽 면에 고정된다. 이에 따라, 관성체(120)의 무게중심(C)은 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축(P)으로부터 벗어나 위치하게 된다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 에너지 하베스터는 설치 각도에 상관 없이 일정 수준 이상의 출력이 발생됨을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 11, in the energy harvester according to the present invention, the cantilever 110 is bent at an angle of θ so that one end is fixed to the structure 20, and the inertial body 120 has one side of the cantilever 110. Is fixed to. Accordingly, the center of gravity C of the inertial body 120 is positioned away from the center of gravity axis P along the longitudinal direction of the cantilever 110. Thus, as shown in Figure 13, the energy harvester of the present invention can be seen that the output of a certain level or more, regardless of the installation angle.

도 12에 도시된 바와 같이, 비교 예에 따른 에너지 하베스터에서 관성체(120)는 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축(P)을 기준으로 외팔보(110)의 자유 단에 대칭적으로 고정된다. 이에 따라, 관성체(120)의 무게중심(C)이 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축(P) 상에 위치하게 된다. 따라서, 도 13에 도시된 바와 같이, 비교 예의 에너지 하베스터는 외팔보(110)의 휘어진 각도에 상응하는 각도로 설치되는 경우, 출력이 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 해당 각도에서 외팔보(110)의 인장/수축이 일어나지 않기 때문이다. As shown in FIG. 12, in the energy harvester according to the comparative example, the inertial body 120 is symmetrically with the free end of the cantilever beam 110 based on the center of gravity axis P along the longitudinal direction of the cantilever beam 110. It is fixed. Accordingly, the center of gravity C of the inertial body 120 is positioned on the center of gravity axis P along the longitudinal direction of the cantilever 110. Accordingly, as shown in FIG. 13, when the energy harvester of the comparative example is installed at an angle corresponding to the bent angle of the cantilever 110, it may be confirmed that no output is generated. This is because tension / contraction of the cantilever 110 does not occur at the corresponding angle.

한편, 도 11에 도시된 바와 같이, 관성체(120)의 무게중심(C)은 외팔보(110)의 길이 방향에 따른 무게중심 축(P)으로부터 벗어난 거리가 멀수록 전기에너지의 수확이 더욱 효과적일 수 있다. 이를 위해, 관성체(120)는 외팔보로부터 돌출된 길이(H)가 외팔보에 고정된 길이(W)보다 크도록, 예컨대 W:H 값이 1:5 이상의 고종횡비를 갖도록 구성될 수 있다. On the other hand, as shown in Figure 11, the center of gravity (C) of the inertial body 120 is far more away from the center of gravity axis (P) in the longitudinal direction of the cantilever 110, the more effective harvesting of electrical energy. Can be. To this end, the inertial body 120 may be configured such that the length H protruding from the cantilever beam is larger than the length W fixed to the cantilever beam, for example, a W: H value having a high aspect ratio of 1: 5 or more.

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.

20..구조물 110..외팔보
111..제1 탄성부재 112..압전부재
113,114,213,214..전극 115..제2 탄성부재
120..관성체 131..정류기
132..컨버터 133..축전지20. Structure 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

Claims (7)

고분자로 형성된 플레이트 형상으로 이루어져 한쪽 단이 구조물에 연결되고 설정 각도로 휘어진 형태를 갖는 제1 탄성부재와, 상기 제1 탄성부재의 휘어진 양쪽 면들 중 어느 한쪽 면에 부착된 압전부재와, 고분자로 형성된 플레이트 형상으로 이루어져 상기 압전부재를 사이에 두고 상기 제1 탄성부재의 반대쪽에서 상기 압전부재에 부착되는 제2 탄성부재, 및 상기 압전부재에 설치되어 상기 압전부재의 변형에 의해 발생된 전기에너지를 공급받는 전극들을 구비하는 외팔보; 및
상기 외팔보의 한쪽 면에 자유단에 인접하여 고정됨에 따라 무게중심이 상기 외팔보의 길이 방향에 따른 무게중심 축으로부터 벗어나 위치되며, 상기 외팔보로부터 돌출된 길이가 상기 외팔보에 고정된 길이보다 큰 종횡비를 갖는 관성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.A first elastic member having a plate shape formed of a polymer and having one end connected to the structure and having a shape bent at a predetermined angle, a piezoelectric member attached to one of both surfaces of the first elastic member, and a polymer A second elastic member formed in a plate shape and attached to the piezoelectric member on the opposite side of the first elastic member with the piezoelectric member interposed therebetween, and supplied to the piezoelectric member to supply electric energy generated by deformation of the piezoelectric member. A cantilever with receiving electrodes; And
The center of gravity is positioned away from the center of gravity along the longitudinal direction of the cantilever as it is fixed adjacent to a free end on one side of the cantilever beam, and the length protruding from the cantilever beam has a greater aspect ratio than the length fixed to the cantilever beam. An energy harvester comprising an inertial body. 제1항에 있어서,
상기 제1 탄성부재는 90도 휘어진 형태를 갖고,
상기 압전부재는 상기 제1 탄성부재보다 두께가 얇은 플레이트 형상으로 이루어져 상기 제1 탄성부재의 한쪽 면에 부착된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The first elastic member has a form bent 90 degrees,
The piezoelectric member is formed in a plate shape thinner than the first elastic member, the energy harvester, characterized in that attached to one side of the first elastic member. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 전극들은 상기 압전부재의 양쪽 면에 나뉘어 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.The method of claim 1,
The electrodes are energy harvester, characterized in that formed on both sides of the piezoelectric member. 제1항에 있어서,
상기 전극들은 상기 압전부재의 한쪽 면에 서로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터. The method of claim 1,
The electrodes are energy harvester, characterized in that formed on one side of the piezoelectric member spaced apart from each other. 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 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 an accumulator for storing direct current converted by the converter. 삭제delete
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