KR101652815B1 - Energy harvester using cantilever - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지 수확 효율이 향상된 캔틸레버 및 이를 이용한 하베스터에 관한 것으로서, 받침대; 받침대에 고정되는 고정단과 상기 고정단에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단이 구비된 몸체부; 몸체부의 자유단과 일단이 연결되고, 타단은 몸체부의 둘레를 따라 몸체부의 고정단 방향으로 신장된 'ㄷ' 형상의 진동부; 몸체부에 부착되고 몸체부의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체를 포함한다.The present invention relates to a cantilever having improved energy harvesting efficiency and a harvester using the cantilever. A body portion having a fixed end fixed to the pedestal and a free end extended to be bent with respect to the fixed end; Shaped vibrating part connected to one end of the free end of the body part and extending in the fixed end direction of the body part along the circumference of the body part; And a piezoelectric body attached to the body portion and generating electricity by deformation of the body portion.

Description

캔틸레버 및 이를 이용한 에너지 하베스터{ENERGY HARVESTER USING CANTILEVER}(ENERGY HARVESTER USING CANTILEVER)

본 발명은 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 캔틸레버 및 이를 이용한 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 특히 에너지 수확 효율이 향상된 캔틸레버 및 이를 이용한 에너지 하베스터에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cantilever for converting vibrational energy into electric energy and an energy harvester using the cantilever, and more particularly, to a cantilever with improved energy harvesting efficiency and an energy harvester using the cantilever.

최근 전기전자 기술의 발달과 더불어 VLSI(Very Large Scale Integration)등의 저전력 전자 소자 기술이 급속도로 발달하게 되었다. 이러한 기술의 발전은 다양한 전기장치들을 소형화하고 이러한 장치들이 마이크로 와트(㎼)의 저전력 상황에서 작동하는 것을 가능하게 하였다. Recently, with the development of electric and electronic technologies, low power electronic device technologies such as VLSI (Very Large Scale Integration) have been rapidly developed. Advances in this technology have made it possible to miniaturize a variety of electrical devices and to operate these devices in micro-wattage (low-power) situations.

특히, 건물이나 교량의 환경 진단 센서, 선박이나 항공기와 같은 기계 구조물의 안전 진단 센서, 가정 자동화 시스템의 센서 등의 소형화는 구조물들에 처음부터 센서들을 삽입하고 무선 네트워크(wireless sensor network)로 구성하여 보다 효과적이고 상시적인 센서의 작동을 가능하게 한다.Especially, miniaturization of environmental diagnosis sensors of buildings and bridges, safety diagnosis sensors of mechanical structures such as ships and airplanes, and sensors of home automation systems are implemented by inserting sensors from the beginning into a wireless sensor network Enabling more efficient and constant operation of the sensor.

이러한 무선 센서 네트워크의 상시 감시 체제는 각 센서 노드(sensor node)의 전력 공급 체계를 요구한다. 이 경우, 전력 공급 방법으로 배터리를 이용할 수 있으나, 이러한 배터리는 그 작동 수명이 짧은 단점이 있다. 또한, 무선 센서 네트워크의 센서들은 구조물에 삽입되기 때문에, 배터리를 교체하는 작업이 불가능하거나 매우 비효율적인 문제점이 있다.The continuous monitoring system of this wireless sensor network requires a power supply system of each sensor node. In this case, the battery can be used as a power supply method, but such a battery has a short operating life. In addition, since the sensors of the wireless sensor network are inserted into the structure, it is impossible to replace the battery or it is very inefficient.

이러한 문제를 해결하는 방법으로 주변의 에너지원으로부터 전력을 생산 공급하는 에너지 수확(energy harvesting) 방법이 연구되고 있다. 에너지 수확 방법 중 널리 알려진 것으로는 태양 전지(solar cell)를 이용하여 태양 에너지로부터 전력을 생산하는 방법, 제백 효과(Seeback effect)를 이용하여 열에너지로부터 전력을 발생시키는 방법, 전자기유도현상(Faraday's law of electromagnetic induction) 또는 압전 현상(piezoelectric effect)이나 자기 변형 현상(magnetostriction effect)을 이용하여 진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법 등이 있다. In order to solve this problem, an energy harvesting method of generating and supplying electric power from the surrounding energy sources is being studied. Among the energy harvesting methods, widely known are a method of generating electric power from solar energy using a solar cell, a method of generating electric power from thermal energy using a seeback effect, a Faraday's law of electromagnetic induction, or a method of producing electric power from vibration energy using a piezoelectric effect or a magnetostriction effect.

진동 에너지로부터 전력을 생산하는 방법으로, 도 1은 종래의 에너지 하베스터를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 구조물(1)에 연결되는 캔틸레버 형태의 탄성 부재(33), 탄성부재(33)에 부착된 압전 소자(34), 탄성부재의 자유단 측에 배치되는 질량체(32)를 포함하여 구성된다.As a method of producing power from vibrational energy, Figure 1 shows a conventional energy harvester. 1, a cantilever-shaped elastic member 33 connected to the structure 1, a piezoelectric element 34 attached to the elastic member 33, and a mass body 32 disposed on the free end side of the elastic member .

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 에너지 하베스터는 구조물(1)이 진동함에 따라 탄성부재(33)가 진동하면서 압전 소자(34)를 변형시키고 이러한 변형이 분극(polarization)을 일으켜서 결국 전력을 발생시키게 된다. As shown in FIG. 1, the conventional energy harvester deforms the piezoelectric element 34 while the elastic member 33 vibrates as the structure 1 vibrates, causing such deformation to cause polarization, do.

다양한 구조물의 진동으로부터 전기 에너지를 수확하는 에너지 하베스터는 캔틸레버의 고유 진동수에 대응하는 가진 주파수를 가지는 가진원(구조물)에 설치되어 공진(resonanace)에 의해 큰 전력을 얻게 된다. 이와 관련 더욱 효율적인 출력을 얻기 위해 에너지 하베스터에 관한 연구가 진행되고 있으며, 개량된 에너지 하베스터에 관한 종래 특허문헌으로 한국공개특허 제10-2009-0072767호가 있다.The energy harvester, which harvests electrical energy from the vibration of various structures, is installed in a vibrating source (structure) having a frequency corresponding to the natural frequency of the cantilever and obtains a large power by resonance. In order to obtain a more efficient output, energy harvesters have been studied, and Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2009-0072767 discloses an improved energy harvester.

그러나 종래의 캔틸레버는 공진 대역이 수백 내지 수천 헤르츠(Hz)로서, 비교적 큰 공진 주파수로 설계되기 때문에 자연환경에서 발생하는 0~40Hz 대역의 낮은 주파수의 진동에 공진하지 못하는 문제점이 있다. 보다 상세하게, 이 경우 교량이나 건물과 같은 구조물에서 발생하는 진동 주파수 대역과 공진주파수가 일치하지 않으므로 에너지 수확의 효율이 떨어지는 문제점이 있다. However, since the conventional cantilever has a resonance band of several hundreds to several thousands of hertz (Hz), it is designed to have a relatively large resonance frequency, so that it can not resonate with a low frequency vibration of 0 to 40 Hz band occurring in a natural environment. More specifically, in this case, there is a problem in that the efficiency of energy harvest deteriorates because the resonance frequency does not coincide with the vibration frequency band generated in a structure such as a bridge or a building.

따라서 본 발명은 진동 에너지가 전기 에너지로 변환되는 에너지 수확 효율이 향상된 캔틸레버를 제공하고자 한다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a cantilever having improved energy harvesting efficiency in which vibration energy is converted into electric energy.

또한, 본 발명은 공진 주파수가 상이한 한 쌍의 캔틸레버를 이용하여 넓은 주파수 대역에서 에너지 수확이 가능한 에너지 하베스터를 제공하고자 한다. Also, the present invention provides an energy harvester capable of energy harvesting in a wide frequency band using a pair of cantilevers having different resonance frequencies.

또한, 본 발명은 한 쌍의 캔틸레버를 이용하여 높은 출력 이득을 갖는 에너지 하베스터를 제공하고자 한다.
The present invention also provides an energy harvester having a high output gain using a pair of cantilevers.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 에너지 수확을 위한 캔틸레버로서, 받침대; 받침대에 고정되는 고정단과 상기 고정단에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단이 구비된 몸체부; 몸체부의 자유단과 일단이 연결되고, 타단은 몸체부의 둘레를 따라 몸체부의 고정단 방향으로 신장된 'ㄷ' 형상의 진동부; 및 몸체부에 부착되고 몸체부의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a cantilever for energy harvesting, comprising: a pedestal; A body portion having a fixed end fixed to the pedestal and a free end extended to be bent with respect to the fixed end; Shaped vibrating part connected to one end of the free end of the body part and extending in the fixed end direction of the body part along the circumference of the body part; And a piezoelectric body attached to the body portion and generating electricity by deformation of the body portion.

바람직하게 본 발명은, 진동부의 타단에 배치되는 자성체를 더 포함할 수 있다. 또한, 압전체는 PVDF 소재로 이루어질 수 있다.Preferably, the present invention may further comprise a magnetic body disposed at the other end of the vibrating part. Further, the piezoelectric body may be made of a PVDF material.

또한 본 발명은 에너지 하베스터로서, 받침대; 받침대 상에 배치되는 제1 캔틸레버; 및 제1 캔틸레버와 대향되도록 상기 받침대 상에 배치되는 제2 캔틸레버를 포함하고, 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버는, 받침대에 고정되는 고정단과 고정단에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단이 구비된 몸체부; 몸체부의 자유단과 일단이 연결되고, 타단은 몸체부의 둘레를 따라 몸체부의 고정단 방향으로 신장된 'ㄷ' 형상의 진동부; 및 몸체부에 부착되고 몸체부의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.The present invention also provides an energy harvester, comprising: a pedestal; A first cantilever disposed on the pedestal; And a second cantilever disposed on the pedestal so as to be opposed to the first cantilever, wherein the first cantilever and the second cantilever have a free end extended to be bent against a fixed end and a fixed end fixed to the pedestal A body portion; Shaped vibrating part connected to one end of the free end of the body part and extending in the fixed end direction of the body part along the circumference of the body part; And a piezoelectric body attached to the body part and generating electricity by deformation of the body part.

바람직하게, 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버는 진동부의 타단이 마주보는 방향으로 상기 받침대에 배치될 수 있다.Preferably, the first cantilever and the second cantilever may be disposed on the pedestal in a direction in which the other end of the vibrating part faces.

바람직하게 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버는, 진동부의 타단에 배치되는 질량체를 더 포함할 수 있다.Preferably, the first cantilever and the second cantilever may further include a mass disposed at the other end of the vibrating part.

바람직하게, 제1 캔틸레버의 몸체부 길이는 상기 제2 캔틸레버의 몸체부 길이보다 길게 형성될 수 있다.The length of the body of the first cantilever may be longer than the length of the body of the second cantilever.

바람직하게, 제1 캔틸레버의 몸체부 두께는 제2 캔틸레버의 몸체부 두께보다 얇게 형성될 수 있다.Preferably, the thickness of the body of the first cantilever may be less than the thickness of the body of the second cantilever.

바람직하게, 받침대는 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버의 위치 조절이 가능한 이동부재를 구비하고, 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버의 고정단은 이동부재에 고정될 수 있다.
Preferably, the pedestal has a movable member capable of adjusting the position of the first cantilever and the second cantilever, and the fixed end of the first cantilever and the second cantilever can be fixed to the movable member.

본 발명에 따른 캔틸레버에 의하면, 소형의 구조로 효율적인 에너지 수확이 가능한 이점이 있다. According to the cantilever of the present invention, there is an advantage that efficient energy harvesting is possible with a compact structure.

또한 본 발명에 따른 캔틸레버에 의하면, 낮은 공진 주파수로 설계가 가능한 이점이 있다.Further, the cantilever according to the present invention has an advantage that it can be designed with a low resonance frequency.

또한 본 발명에 따른 에너지 하베스터에 의하면, 넓은 주파수 범위에서 진동 에너지가 전기 에너지로 변환되는 에너지를 수확할 수 있는 이점이 있다.Further, according to the energy harvester according to the present invention, there is an advantage that energy in which vibration energy is converted into electric energy can be harvested in a wide frequency range.

또한 본 발명에 따른 에너지 하베스터에 의하면, 공진 주파수가 상이한 한 쌍의 캔틸레버가 상보적으로 진동하고, 그 진동의 정도가 증폭되어 높은 출력 이득을 갖는 이점이 있다.
Further, according to the energy harvester of the present invention, there is an advantage that a pair of cantilevers having different resonance frequencies are complementarily vibrated, the degree of the vibration is amplified, and a high output gain is obtained.

도 1은 종래의 에너지 하베스터를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 캔틸레버를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스터를 나타낸다.
도 4는 가진시 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버가 진동하는 모습을 나타낸다.
도 5는 가진시 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버에 의해서 출력되는 결과를 나타낸다.
도 6은 에너지 하베스터에 가해지는 가진 주파수 대역별 출력 전압의 파형을 나타낸다.1 shows a conventional energy harvester.
2 shows a cantilever according to an embodiment of the present invention.
3 shows an energy harvester according to an embodiment of the present invention.
Fig. 4 shows a state in which the first cantilever and the second cantilever are vibrating when excited.
5 shows the results outputted by the first cantilever and the second cantilever when excited.
6 shows waveforms of the output voltages of the excitation frequency bands applied to the energy harvester.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members performing substantially the same function.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 캔틸레버(1)를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 캔틸레버(1)는 받침대(10); 받침대(10)에 고정되는 고정단(301)과 상기 고정단(301)에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단(303)이 구비된 몸체부(30); 몸체부(30)의 자유단(303)과 일단이 연결되고, 타단은 상기 몸체부(30)의 둘레를 따라 몸체부(30)의 고정단(301) 방향으로 신장된 'ㄷ' 형상의 진동부(50); 및 몸체부(30)에 부착되고 몸체부(30)의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체(40)를 포함할 수 있다.Fig. 2 shows a cantilever 1 according to an embodiment of the present invention. 2, the cantilever 1 includes a pedestal 10; A body portion 30 having a fixed end 301 fixed to the pedestal 10 and a free end 303 stretched to be bent with respect to the fixed end 301; Shaped body extending in the direction of the fixed end 301 of the body 30 along the periphery of the body 30 and having one end connected to the free end 303 of the body 30, (50); And a piezoelectric body 40 attached to the body portion 30 and generating electricity by deformation of the body portion 30. [

받침대(10)는 교량이나 건물 선박 등 진동하는 구조물에 고정될 수 있다. 구조물의 진동은 받침대(10)를 통해 몸체부(30) 및 진동부(50)에 전달될 수 있다. 이 경우, 진동부(50)의 진동으로 몸체부(30)의 자유단(303)이 휘어지며 몸체부(30)에 부착된 압전체(40)에 분극을 발생시킨다.The pedestal 10 may be secured to a vibrating structure such as a bridge or a building ship. Vibration of the structure can be transmitted to the body portion 30 and the vibrating portion 50 through the pedestal 10. In this case, the free end 303 of the body part 30 is bent by the vibration of the vibration part 50, and polarization is generated in the piezoelectric body 40 attached to the body part 30.

도면에는 도시되지 않았으나 압전체(40)와 도전성 와이어 또는 도전 패턴을 통해 정류부가 전기적으로 연결될 수 있다. 정류부는 정류 소자 및 정류 소자에 의하여 정류된 전기 에너지를 저장하는 충전 소자를 포함하여 구성될 수 있다.Although not shown in the figure, the rectifying part may be electrically connected to the piezoelectric body 40 through a conductive wire or a conductive pattern. The rectifying unit may include a rectifying device and a charging device that stores electric energy rectified by the rectifying device.

몸체부(30)의 고정단(301)은 몸체부(30)가 받침대(10)에 대해서 일정 거리가 유격될 수 있도록 받침대(10)와 수직한 방향으로 형성된 지지대로 이루어질 수 있다. 이 경우, 자유단(303)은 받침대(10)와 공간을 형성하며 평행한 방향으로 신장될 수 있다.The fixed end 301 of the body 30 may be formed as a support formed in a direction perpendicular to the pedestal 10 so that the body 30 can be spaced a predetermined distance from the pedestal 10. In this case, the free end 303 forms a space with the pedestal 10 and can extend in a parallel direction.

압전체(40)는 몸체부(30)의 상면 또는 하면에 배치되며, 몸체부(30)의 자유단(303)이 휘어짐에 따라 변형되어 분극이 가능한 소자일 수 있다. 일례로, 압전체(40)는 폴리플루오린화비닐라덴(PVDF)일 수 있다. PVDF는 압전성 박막으로서 유연성이 있기 때문에 낮은 중량, 낮은 열 전도도, 높은 화학적 내식성 및 내열성을 갖는다.The piezoelectric member 40 is disposed on the upper surface or the lower surface of the body portion 30 and may be an element deformable and polarized as the free end 303 of the body portion 30 is bent. For example, the piezoelectric substance 40 may be polyfluorinated vinylidene (PVDF). PVDF has low weight, low thermal conductivity, high chemical resistance, and heat resistance because it is flexible as a piezoelectric thin film.

진동부(50)는 진동으로 자유단(303)에 보다 높은 힘(stress)이 가해질 수 있도록, 일단은 자유단(303)에 고정되면서 타단은 고정단(301) 방향으로 신장된 'ㄷ'형상일 수 있다. 이 경우, 진동부(50)의 타단이 진동하면서 자유단(303)에 높은 강도의 힘(stress)이 걸리게 된다. 이는 압전체(40)의 변형을 증가시켜 생성되는 전력을 증가시키는 효과가 있다.The vibrating part 50 is fixed to the free end 303 at one end and the other end is fixed at the free end 303 in a 'c' shape extending in the direction of the fixed end 301 so that a higher stress can be applied to the free end 303 by vibration. Lt; / RTI > In this case, the other end of the vibration portion 50 vibrates, and a high strength stress is applied to the free end 303. This has the effect of increasing the deformation of the piezoelectric body 40 and increasing the generated power.

종래의 캔틸레버(외팔보) 구조는 몸체부(30)의 길이를 길게 하여 압전체(40)의 변형을 증가시킨다. 이 경우, 캔틸레버의 크기가 커지게 되므로 소형화가 어려운 문제점이 있다. 본 실시예에 따른 진동부(50)의 구조는 생성되는 전력이 향상된 캔틸레버(1)를 소형으로 제작할 수 있는 이점이 있다.The conventional cantilever (cantilever) structure increases the deformation of the piezoelectric body 40 by lengthening the length of the body 30. In this case, since the size of the cantilever is increased, miniaturization is difficult. The structure of the vibration unit 50 according to the present embodiment is advantageous in that the cantilever 1 with improved power can be manufactured in a small size.

캔틸레버의 길이 및 두께는 캔틸레버가 동작하는 공진 주파수를 결정하는 파라미터로 작용될 수 있다. 본 실시 예에 따른 진동부(50)의 형상은, 종래의 길이를 신장시킨 캔틸레버의 출력을 소형의 구조로 생성할 수 있다. 이는 종래의 캔틸레버에 비해 동작하는 공진 주파수가 낮게 설계될 수 있음을 의미한다. 따라서, 자연에서 발생하는 낮은 주파수의 가진으로도 공진하여 높은 전력을 생성할 수 있는 이점이 있다.The length and thickness of the cantilever may serve as parameters to determine the resonant frequency at which the cantilever operates. The shape of the vibration section 50 according to the present embodiment can generate the output of the cantilever of the conventional length by a small structure. This means that the resonant frequency can be designed to be lower than that of a conventional cantilever. Therefore, there is an advantage that resonance can be generated even with a low-frequency excitation occurring in nature, and high power can be generated.

진동부(50)의 타단에는 중력에 의해서 진동의 정도를 향상시킬 수 있는 질량체(501)가 배치될 수 있다.At the other end of the vibration portion 50, a mass body 501 capable of improving the degree of vibration by gravity can be disposed.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 에너지 하베스터(3)을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 에너지 하베스터(3)는 받침대(10); 받침대(10) 상에 배치되는 제1 캔틸레버(1); 및 제1 캔틸레버(1)와 대향되도록 받침대(10) 상에 배치되는 제2 캔틸레버(2)를 포함할 수 있다.3 shows an energy harvester 3 according to an embodiment of the present invention. 3, the energy harvester 3 includes a pedestal 10; A first cantilever (1) disposed on the pedestal (10); And a second cantilever 2 disposed on the pedestal 10 so as to face the first cantilever 1.

제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)는, 받침대(10)에 고정되는 고정단(301)과 고정단(301)에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단(303)이 구비된 몸체부(30); 몸체부(30)의 자유단(303)과 일단이 연결되고, 타단은 몸체부(30)의 둘레를 따라 몸체부(30)의 고정단(301) 방향으로 신장된 'ㄷ' 형상의 진동부(50); 및 몸체부(30)에 부착되고 몸체부(30)의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체(40)를 포함할 수 있다.The first cantilever 1 and the second cantilever 2 have a fixed end 301 fixed to the pedestal 10 and a body 301 provided with a free end 303 extended to be bent against the fixed end 301 (30); Shaped vibrating part extending in the direction of the fixed end 301 of the body part 30 along one side of the free end 303 of the body part 30 and the other end along the circumference of the body part 30. [ (50); And a piezoelectric body 40 attached to the body portion 30 and generating electricity by deformation of the body portion 30. [

받침대(10)는 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)의 위치 조절이 가능한 이동부재(101)를 구비할 수 있다. 이 경우, 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)의 고정단(301)은 이동부재(101)에 각각 고정된다. 이동부재(101)에 의해서 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)의 배치 간격이 조정된다.The pedestal 10 may include a movable member 101 capable of adjusting the positions of the first cantilever 1 and the second cantilever 2. In this case, the fixed ends 301 of the first cantilever 1 and the second cantilever 2 are fixed to the movable member 101, respectively. The spacing between the first cantilever 1 and the second cantilever 2 is adjusted by the moving member 101. [

제1 캔틸레버(1)와 제2 캔틸레버(2)는 각각 다른 주파수 대역에서 공진할 수 있도록 서로 상이한 공진 주파수를 갖는다. 본 실시예로, 제1 캔틸레버(1)는 15~20Hz 사이의 공진 주파수를 갖도록 설계되고, 제2 캔틸레버(2)는 30~35Hz 사이의 공진 주파수를 갖도록 설계될 수 있다. The first cantilever 1 and the second cantilever 2 have mutually different resonance frequencies so that they can resonate in different frequency bands. In this embodiment, the first cantilever 1 is designed to have a resonant frequency between 15 and 20 Hz, and the second cantilever 2 can be designed to have a resonant frequency between 30 and 35 Hz.

캔틸레버(1, 2)의 공진 주파수 대역은 진동하는 몸체부(30, 30'), 진동부(50, 50')의 두께 및 길이에 의해서 결정될 수 있다. 보다 상세하게, 몸체부(30, 30')의 길이가 길어질수록, 두께는 얇아질수록 캔틸레버의 공진 주파수는 낮아진다. The resonant frequency band of the cantilevers 1 and 2 can be determined by the thickness and length of the oscillating body portions 30 and 30 'and vibrating portions 50 and 50'. More specifically, as the lengths of the body portions 30 and 30 'are longer and the thickness is thinner, the resonant frequency of the cantilever is lowered.

따라서, 본 실시예로 제1 캔틸레버(1)의 몸체부(30) 길이는 제2 캔틸레버(2)의 몸체부(30') 길이보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제1 캔틸레버(1)의 몸체부(30) 두께는 제2 캔틸레버(2)의 몸체부(30') 두께보다 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조상 차이로 제1 캔틸레버(1)는 제2 캔틸레버(2)보다 상대적으로 낮은 공진 주파수를 갖게 된다. Therefore, it is preferable that the length of the body portion 30 of the first cantilever 1 is longer than the length of the body portion 30 'of the second cantilever 2 in this embodiment. The thickness of the body portion 30 of the first cantilever 1 is preferably smaller than the thickness of the body portion 30 'of the second cantilever 2. Due to such a structural difference, the first cantilever 1 has a relatively lower resonance frequency than the second cantilever 2.

제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)는 진동부(50)의 타단이 마주보는 방향으로 받침대(10)에 배치되는 것이 바람직하다. 이 경우, 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)는, 진동부(50)의 타단에 배치되는 자성체(501')를 더 포함할 수 있다. It is preferable that the first cantilever 1 and the second cantilever 2 are disposed on the pedestal 10 in the direction in which the other end of the vibrating portion 50 faces. In this case, the first cantilever 1 and the second cantilever 2 may further include a magnetic body 501 'disposed at the other end of the vibration section 50.

자성체(501')는 도 2에서 상술한 질량체(501)의 역할을 하면서 자성을 띈 물체를 말한다. 자성체(501')는 서로 밀어내는 척력을 발생시킬 수 있다.The magnetic body 501 'refers to an object having a magnetism while acting as the mass body 501 described above with reference to FIG. The magnetic body 501 'can generate repulsive force to push each other.

도 4는 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)가 진동하는 모습을 나타낸다. 도 4와 같이 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)가 대향되도록 배치되는 경우, 어느 하나의 캔틸레버(1 또는 2)가 진동하면 자성체(501')의 척력에 의해서, 한 쌍의 캔틸레버(1,2)는 진동이 증폭될 수 있다.4 shows a state in which the first cantilever 1 and the second cantilever 2 vibrate. When the first cantilever 1 and the second cantilever 2 are opposed to each other as shown in FIG. 4, when one of the cantilevers 1 or 2 vibrates, the repulsive force of the magnetic body 501 ' (1, 2) can be amplified.

보다 상세하게, 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)는 자연환경에서 발생하는 낮은 대역의 주파수에서 공진이 가능하다. 또한, 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)는 각각의 공진 주파수 대역을 갖고 있으므로 각각의 공진 주파수에서 효율적인 진동이 발생하며, 어느 한 캔틸레버의 진동은 자성체(501')에 의해서 다른 캔틸레버의 진동을 증폭시킬 수 있다. 따라서, 에너지 하베스터(3)는 넓은 주파수 대역에서 효과적으로 에너지를 수확할 수 있으며 출력 이득이 향상된다.More specifically, the first cantilever 1 and the second cantilever 2 can resonate at a low frequency band occurring in a natural environment. Since the first cantilever 1 and the second cantilever 2 have respective resonance frequency bands, efficient vibrations are generated at the respective resonance frequencies, and the vibration of one cantilever is caused by the magnetic body 501 ' Can be amplified. Therefore, the energy harvester 3 can efficiently harvest energy in a wide frequency band and the output gain is improved.

도 5는 제1 캔틸레버 및 제2 캔틸레버의 진동에 의해서 출력되는 결과를 나타낸다. 도 6은 에너지 하베스터(3)에 가해지는 진동의 주파수 대역별 출력 전압의 파형을 나타낸다. 도 5 및 도 6을 참조하면, L-part는 상대적으로 낮은 공진 주파수를 갖는 제1 캔틸레버(1)의 출력을 나타내고, H-part는 상대적으로 높은 공진 주파수를 갖는 제2 캔틸레버(2)의 출력을 나타낸다.Fig. 5 shows the results outputted by the vibrations of the first cantilever and the second cantilever. 6 shows the waveform of the output voltage for each frequency band of the vibration applied to the energy harvester 3. Fig. 5 and 6, the L-part shows the output of the first cantilever 1 having a relatively low resonance frequency, the H-part shows the output of the second cantilever 2 having a relatively high resonance frequency, .

단일 캔틸레버의 사용으로 제한된 공진 주파수를 갖는 종래의 에너지 하베스터와 다르게 본 실시예에 따른 에너지 하베스터(3)는 L-part 및 H-part의 주파수 대역에서 전력을 생성할 수 있으므로 넓은 에너지 수확 범위를 갖게 된다. Unlike a conventional energy harvester having a resonant frequency limited by the use of a single cantilever, the energy harvester 3 according to this embodiment can generate electric power in the frequency bands of L-part and H-part, do.

또한, 본 실시예에 따른 에너지 하베스터(3)는, 제1 캔틸레버(1) 및 제2 캔틸레버(2)의 구성 및 배치에 의해서, 단일 캔틸레버(Only L-part, Only H-part)를 적용한 에너지 하베스터의 출력보다 높은 전력을 생성하는 것을 확인할 수 있다. The energy harvester 3 according to the present embodiment has a structure in which only a single cantilever (Only L-part, Only H-part) It can be seen that it produces higher power than the harvester's output.

결과적으로 본 발명에 따른 에너지 하베스터는 향상된 주파수 대역 및 향상된 출력이득을 갖게 되는 이점이 있다.As a result, the energy harvester according to the present invention has an advantage of having an improved frequency band and an improved output gain.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the scope of the appended claims and equivalents of the following claims.

1: 캔틸레버 1: 제1 캔틸레버
2: 제2 캔틸레버 3: 에너지 하베스터
10: 받침대 101: 이동부재
30, 30': 몸체부 301: 고정단
303: 자유단 40: 압전체
50, 50': 진동부 501: 질량체
501': 자성체1: cantilever 1: first cantilever
2: 2nd cantilever 3: energy harvester
10: pedestal 101: movable member
30, 30 ': body portion 301: fixed end
303: free end 40: piezoelectric
50, 50 ': vibrating part 501: mass
501 ': magnetic substance

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 받침대;
상기 받침대 상에 배치되는 제1 캔틸레버; 및
상기 제1 캔틸레버와 대향되도록 상기 받침대 상에 배치되는 제2 캔틸레버를 포함하고,
상기 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버는,
상기 받침대에 고정되는 고정단과, 상기 고정단에 대해서 휘어질 수 있도록 신장된 자유단을 구비한 몸체부;
상기 몸체부의 자유단과 일단이 연결되고, 타단은 상기 몸체부의 둘레를 따라 형성되어 상기 몸체부의 고정단 방향으로 신장되며, 상기 타단에 자성체를 포함하는 진동부; 및
상기 몸체부에 부착되고 상기 몸체부의 변형에 의해서 전기를 발생시키는 압전체;를 각각 포함하며,
상기 받침대는 상기 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버에 형성된 고정단에 연결된 이동부재를 더 포함하여 상기 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버의 위치를 조절하고, 상기 제1 캔틸레버의 진동부의 타단에 형성된 자성체와 상기 제2 캔틸레버의 진동부의 타단에 형성된 자성체가 마주보도록 상기 받침대에 배치됨으로써 상기 제1 캔틸레버에 형성된 자성체와 상기 제2 캔틸레버에 형성된 자성체 사이에 발생하는 척력에 의해 상기 제1 캔틸레버 및 상기 제2 캔틸레버에서 발생하는 진동이 증폭되고, 단일 캔틸레버를 구비할 때보다 더 넓은 주파수 대역에서 더 많은 양의 에너지를 수확하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.



Pedestal;
A first cantilever disposed on the pedestal; And
And a second cantilever disposed on the pedestal so as to face the first cantilever,
Wherein the first cantilever and the second cantilever are formed of a metal,
A body having a fixed end fixed to the pedestal and a free end extended to be bent with respect to the fixed end;
A vibrating part connected to one end of the free end of the body part and extending along a circumferential direction of the body part and extending in a fixed end direction of the body part and including a magnetic body at the other end; And
And a piezoelectric body attached to the body portion and generating electricity by deformation of the body portion,
The pedestal may further include a moving member connected to a fixed end formed on the first cantilever and the second cantilever to adjust a position of the first cantilever and the second cantilever, And a magnetic body formed on the other end of the vibrating part of the second cantilever, the first cantilever and the second cantilever being disposed on the pedestal so that the magnetic body formed on the other end of the vibrating part of the second cantilever faces the magnetic body, Wherein the vibration generated in the cantilever is amplified and a larger amount of energy is harvested in a wider frequency band than when a single cantilever is provided.



삭제delete 삭제delete 제 3 항에 있어서,
상기 제1 캔틸레버의 몸체부 길이는 상기 제2 캔틸레버의 몸체부 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
The method of claim 3,
And the length of the body of the first cantilever is longer than the length of the body of the second cantilever.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 캔틸레버의 몸체부 두께는 상기 제2 캔틸레버의 몸체부 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 에너지 하베스터.
The method of claim 3,
Wherein a thickness of a body portion of the first cantilever is thinner than a thickness of a body portion of the second cantilever.
삭제delete
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