KR102349783B1 - Self-resonance tuning energy harvester using Adaptive clamp - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터 및 그의 작동방법. 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평방향을 따라 연장된 메인 캔틸레버; 상기 메인 캔틸레버 일단을 고정시키는 메인 고정단; 상기 메인 캔틸레버 상에 구비되어 상기 메인 캔틸레버의 진동에 의해 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자; 외부 진동주파수가 자신의 고유진동수와 대응되면 공진 진동되는 적어도 하나의 주파수 조절용 캔틸레버; 및 일단이 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 고정단에 연결되어, 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 공진에 의해 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 함께 이동되어 상기 메인 캔틸레버의 고정단을 변화시켜 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수를 가변시키는 적응형 클램프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to a self-resonant controlled energy harvester using an adaptive clamp and a method for operating the same. It relates to, and more particularly, a main cantilever extending in a horizontal direction; a main fixing end for fixing one end of the main cantilever; an energy harvesting element provided on the main cantilever to generate energy by vibration of the main cantilever; At least one frequency control cantilever for resonant vibration when the external vibration frequency corresponds to its natural frequency; and one end connected to each fixed end of the frequency control cantilever, and moved together with the frequency control cantilever by resonance of the frequency control cantilever to change the fixed end of the main cantilever to change the natural frequency of the main cantilever It relates to a self-resonance-controlled energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it includes a type clamp.
Description
본 발명은 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터에 대한 것이다. 보다 상세하게는 장치에 인가되는 추가적인 에너지 공급 혹은 압전 구조체의 변경 없이, 외부 진동의 주파수와 장치의 고유 진동수가 일치하도록 복수의 주파수 조절용 캔틸레버로 구성된 적응형 클램프를 이용하여 진동의 주파수가 가변적인 환경에서도 공명현상이 지속적으로 유지할 수 있는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터에 관한 것이다. The present invention relates to a self-resonant modulated energy harvester using an adaptive clamp. In more detail, an environment in which the frequency of vibration is variable by using an adaptive clamp composed of a plurality of frequency control cantilevers so that the frequency of external vibration and the natural frequency of the device match without additional energy supply applied to the device or change of the piezoelectric structure It relates to a self-resonant-controlled energy harvester using an adaptive clamp that can continuously maintain resonance even in the present invention.
국내 전력수요는 매년 증가하여 전력소비량이 급증하는 여름 및 겨울철에 블랙아웃 위기를 초래하고 있는 상황으로, 미래 에너지자원의 안정적 확보 및 전력수요 증대에 대응하기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있고, 신 재생 에너지에 대한 관심도 또한 폭발적으로 증가하고 있는 추세이며, 특히, 태양광, 풍력, 파력, 열, 운동 에너지 등을 전기적 에너지로 전환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술에 대한 개발이 가속화되고 있는 상황이다.Domestic electricity demand increases every year, leading to a blackout crisis in summer and winter, when electricity consumption is rapidly increasing. Interest in renewable energy is also on the rise, and in particular, the development of energy harvesting technology that converts solar, wind, wave, heat, and kinetic energy into electrical energy is accelerating. to be.
즉, 에너지 하베스터 (energy harvester)는 사용되지 않거나 소모되는 에너지를 수집하여, 유용한 전기 에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다. 특히 대형 시스템의 전력효율 향상이나 저전력 소형 전자시스템을 위한 반영구적 에너지원으로 주목 받고 있다.In other words, an energy harvester is a renewable energy source that collects unused or consumed energy and converts it into useful electrical energy. In particular, it is attracting attention as a semi-permanent energy source for improving the power efficiency of large systems or for low-power small electronic systems.
여러 에너지 하베스팅 기술 중 압전 에너지 하베스터는 외부 환경으로부터 압전 소재의 물리적인 변형을 유도, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 주위의 버려지는 충격, 압력, 진동 등의 에너지를 전기 에너지로 활용할 수 있는 일종의 에너지 발생 장치이다.Among various energy harvesting technologies, the piezoelectric energy harvester is a device that converts mechanical energy into electrical energy by inducing physical deformation of piezoelectric materials from the external environment. It is a kind of energy generating device that can.
압전 에너지 하베스팅(piezoeletric energy harvesting) 기술은 주변에서 발생되는 기계적 에너지(예를 들면, 진동, 충격, 소리 등)를 압전 소재를 이용하여 전기에너지로 변환시키고, 이렇게 변환된 전기에너지를 저장하는 친환경 에너지 기술이다. 대표적인 압전 에너지 하베스터의 예로는 캔틸레버(cantilever) 구조의 에너지 하베스터를 들 수 있으며, 캔틸레버 구조의 압전 에너지 하베스터에서는 탄성체가 진동하면서 압전 소자를 변형시킴으로써 전기에너지를 발생시키게 된다. The piezoeletric energy harvesting technology is an eco-friendly technology that converts mechanical energy (eg, vibration, shock, sound, etc.) generated in the surroundings into electrical energy using a piezoelectric material and stores the converted electrical energy. energy technology. A typical example of a piezoelectric energy harvester may include a cantilever-structured energy harvester. In the cantilevered piezoelectric energy harvester, an elastic body vibrates and deforms a piezoelectric element to generate electrical energy.
진동을 이용한 압전 에너지 하베스터의 경우, 장치의 고유 진동수를 발생되는 변위가 최대가 되는 공진 주파수에 맞춰서 구조를 설계해야 한다. 하지만 이 경우, 공진 주파수가 장치의 고정된 고유 진동수를 벗어나게 되면, 발생 변위가 크게 감소하여 압전 출력이 크게 감소하게 된다. 따라서, 구조체의 비선형적인 공진 특성을 이용하거나, 액추에이터 혹은 구조체 크기를 조절하여 고유 진동수를 변화시키는 방법 등이 종래 사용되고 있지만, 공진 주파수 이외의 주파수 대역에서는 발생되는 변위가 크게 감소하고, 외부의 추가적인 공급을 필요로 하기 때문에 에너지 측면에서 효율적이지 못하다.In the case of a piezoelectric energy harvester using vibration, the structure should be designed according to the resonance frequency at which the displacement generated is the maximum for the natural frequency of the device. However, in this case, when the resonant frequency deviates from the fixed natural frequency of the device, the generated displacement is greatly reduced and the piezoelectric output is greatly reduced. Therefore, although a method of changing the natural frequency by using the non-linear resonance characteristic of the structure or adjusting the size of an actuator or structure is conventionally used, the displacement generated in a frequency band other than the resonance frequency is greatly reduced, and the external additional supply It is not efficient in terms of energy because it requires
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 에너지 투입없이 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 매칭되는 공진주파수로 자기 조절이 가능한 에너지 하베스터를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been devised to solve the problems described above. According to an embodiment of the present invention, an energy harvester capable of self-regulating to a resonance frequency matching the vibration frequency of various external vibration sources without additional energy input. Its purpose is to provide
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 적응형 클램프 각각에 연결된 서로 다른 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버가 매칭되는 외부 진동주파수에 따라 원심력에 의해 이동되어 메인 캔틸레버의 고정단을 가변하여, 외부 진동주파수에 매칭되는 공진주파수가 되도록 자가 조절이 가능한, 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, a frequency control cantilever having different natural frequencies connected to each of a plurality of adaptive clamps is moved by centrifugal force according to a matching external vibration frequency to vary the fixed end of the main cantilever, thereby changing the external vibration frequency. An object of the present invention is to provide a self-adjustable self-regulating energy harvester using an adaptive clamp and an operating method thereof so that the resonance frequency is matched to the .
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. can be understood
본 발명의 제1목적은, 에너지 하베스터에 있어서, 수평방향을 따라 연장된 메인 캔틸레버; 상기 메인 캔틸레버 일단을 고정시키는 메인 고정단; 상기 메인 캔틸레버 상에 구비되어 상기 메인 캔틸레버의 진동에 의해 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자; 외부 진동주파수가 자신의 고유진동수와 대응되면 공진되는 적어도 하나의 주파수 조절용 캔틸레버; 및 일단이 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 고정단에 연결되어, 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 공진에 의해 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 함께 이동되어 상기 메인 캔틸레버의 고정단을 변화시켜 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수를 가변시키는 적응형 클램프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is to provide an energy harvester, comprising: a main cantilever extending in a horizontal direction; a main fixing end for fixing one end of the main cantilever; an energy harvesting element provided on the main cantilever to generate energy by vibration of the main cantilever; At least one frequency control cantilever that resonates when the external vibration frequency corresponds to its natural frequency; and one end connected to each fixed end of the frequency control cantilever, and moved together with the frequency control cantilever by resonance of the frequency control cantilever to change the fixed end of the main cantilever to change the natural frequency of the main cantilever It can be achieved as a self-resonance-controlled energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it includes a type clamp.
그리고 상기 적응형 클램프에 의해 고정된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수는 이동된 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 고유진동수와 상기 외부 진동주파수와 일치되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the natural frequency of the main cantilever fixed by the adaptive clamp may be characterized in that it coincides with the natural frequency of the moved frequency control cantilever and the external vibration frequency.
또한 상기 외부 진동주파수와 대응되지 않는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버와 적응형 클램프를 상기 메인 캔틸레버에 고정해제시키도록 하는 복귀수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the frequency control cantilever and the adaptive clamp having a natural frequency that does not correspond to the external vibration frequency may further include a return means for releasing the fixing to the main cantilever.
그리고 상기 메인 고정단은 지지대 상에 구비되며, 상기 지지대 상에 구비되는 제1측판과, 상기 제1측판과 특정간격 이격되어 상기 지지대 상에 구비되는 제2측판을 포함하고, 상기 제1측판에는 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 이동을 가이드하는 이동 가이드 홀이 형성되며, 상기 복귀수단은 상기 적응형 클램프의 타단과 상기 제2측판 사이에 구비되는 탄성수단으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.And the main fixing end is provided on the support, and a first side plate provided on the support, and a second side plate spaced apart from the first side plate by a specific distance and provided on the support, the first side plate includes A movement guide hole for guiding the movement of each of the frequency control cantilevers may be formed, and the return means may include an elastic means provided between the other end of the adaptive clamp and the second side plate.
또한, 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 자유단 일측에 구비되는 질량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.In addition, the self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it further comprises a mass provided on one side of the free end of each of the cantilever for adjusting the frequency.
그리고 상기 적응형 클램프는 상기 복귀수단에 의해 복귀된 위치에서 상기 메인 캔틸레버의 고정을 해제하는 개방단과, 외부 진동주파수와 일치되어 이동된 상태에서 상기 메인 캔틸레버를 고정하는 조절용 고정단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. and the adaptive clamp includes an open end for releasing the fixation of the main cantilever at the position returned by the return means, and a fixed end for fixing the main cantilever while moved in accordance with an external vibration frequency. can be done with
또한 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 길이방향은 상기 메인 캔틸레버의 길이방향과 직교되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, a longitudinal direction of the frequency control cantilever may be perpendicular to a longitudinal direction of the main cantilever.
그리고 상기 에너지 하베스팅 단위소자는, 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 압전소자, 및 상기 압전소자 상에 위치되는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the energy harvesting unit element may include a first electrode, a piezoelectric element positioned on the first electrode and made of a piezoelectric material, and a second electrode positioned on the piezoelectric element.
또한 상기 압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the piezoelectric material is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, at least one material selected from the group It may be characterized by including a piezoelectric mixture such as Macrofiber composite (MFC), 2-2 composite, or a polymer piezoelectric material such as PVDF and PVDF-TrFE.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 에너지 하베스터의 작동방법에 있어서, 메인 캔틸레버의 고유진동수와 매칭되는 외부 진동주파수가 인가되어 상기 메인 캔틸레버가 공진되는 제1단계; 상기 에너지 하베스팅 소자에 의해 에너지가 발생되는 제2단계; 상기 외부 진동주파수가 가변되는 제3단계; 가변된 상기 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버가 공진되는 제4단계; 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 공진에 의한 원심력에 의해 주파수 조절용 캔틸레버와, 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 연결된 적응형 클램프가 이동되어 상기 메인 캔틸레버를 고정시키는 제5단계; 고정단이 가변된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수가 상기 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되는 제6단계; 및상기 에너지 하베스팅 소자에 의해 에너지가 발생되는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 작동방법으로서 달성될 수 있다. A second object of the present invention is to provide a method of operating an energy harvester according to the first object, comprising: a first step of resonating the main cantilever by applying an external vibration frequency matching the natural frequency of the main cantilever; a second step of generating energy by the energy harvesting element; a third step of varying the external vibration frequency; a fourth step of resonating a frequency control cantilever having a natural frequency matching the changed external vibration frequency; a fifth step of fixing the main cantilever by moving a frequency control cantilever and an adaptive clamp connected to the frequency control cantilever by centrifugal force due to resonance of the frequency control cantilever; a sixth step of resonating by matching the natural frequency of the main cantilever with a variable fixed end with the variable external vibration frequency; and a seventh step in which energy is generated by the energy harvesting element.
그리고 상기 제7단계 후에, 상기 외부 진동주파수가 또 다시 가변되는 경우, 상기 제4단계 내지 제6단계에서 공진되었던 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 적응형 클램프가 복귀수단에 의해 원위치로 복귀되어 상기 메인 캔틸레버의 고정을 해제시키고, 또 다시 가변된 상기 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버가 공진되어, 원심력에 의해 상기 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버와, 상기 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버와 연결된 적응형 클램프가 이동되어 상기 메인 캔틸레버를 고정시켜, 고정단이 가변된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수가 상기 또 다시 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되는 것을 특징으로 할 수 있다. And, when the external vibration frequency is changed again after the seventh step, the frequency control cantilever and the adaptive clamp resonated in the fourth to sixth steps are returned to their original positions by a return means to reduce the pressure of the main cantilever. When the fixation is released, another frequency control cantilever having a natural frequency matching the changed external vibration frequency is resonated, and the other frequency control cantilever and the other frequency control cantilever are connected by centrifugal force by centrifugal force. The clamp is moved to fix the main cantilever, so that the natural frequency of the main cantilever whose fixed end is changed is matched with the again changed external vibration frequency to resonate.
본 발명의 실시예에 따른 자기 조절이 가능한 에너지 하베스터에 따르면, 별도의 에너지 투입없이 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 매칭되는 공진주파수로 자기 조절이 가능한 효과를 갖는다. According to the self-regulating energy harvester according to an embodiment of the present invention, there is an effect that self-regulation is possible with a resonant frequency matching the vibration frequency of various external vibration sources without additional energy input.
본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터 및 그 작동방법에 따르면, 복수의 적응형 클램프 각각에 연결된 서로 다른 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버가 매칭되는 외부 진동주파수에 따라 원심력에 의해 이동되어 메인 캔틸레버의 고정단을 가변하여, 외부 진동주파수에 매칭되는 공진주파수가 되도록 자가 조절이 가능한 효과를 갖는다. According to the self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp and an operating method thereof according to an embodiment of the present invention, centrifugal force according to an external vibration frequency to which a frequency control cantilever having different natural frequencies connected to each of a plurality of adaptive clamps is matched It has the effect of being able to self-adjust so that the fixed end of the main cantilever is changed by moving by the oscillator to achieve a resonant frequency matching the external vibration frequency.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be able
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터를 후방에서 바라본 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 작동방법의 흐름도,
도 4a는 도 1에서 제1주파수 조절용 캔틸레버가 공진되어 이동된 상태의 사시도,
도 4b는 도 4a의 후방 사시도,
도 5a는 도 4a에서 제2주파수 조절용 캔틸레버가 공진되어 이동된 상태의 사시도,
도 5b는 도 5a의 후방 사시도,
도 6a는 도 5a에서 제3주파수 조절용 캔틸레버가 공진되어 이동된 상태의 사시도,
도 6b는 도 6a의 후방 사시도를 도시한 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical spirit of the present invention together with the detailed description of the present invention, so that the present invention is limited only to the matters described in those drawings and should not be interpreted.
1 is a perspective view of a self-resonant control energy harvester using an adaptive clamp according to an embodiment of the present invention;
2 is a perspective view of a magnetic resonance control energy harvester using an adaptive clamp according to an embodiment of the present invention as viewed from the rear;
3 is a flowchart of a method of operating a self-resonant control energy harvester using an adaptive clamp according to an embodiment of the present invention;
4A is a perspective view of a state in which the first frequency control cantilever is resonated and moved in FIG. 1;
Fig. 4b is a rear perspective view of Fig. 4a;
5A is a perspective view of a state in which the second frequency control cantilever is resonated and moved in FIG. 4A;
Fig. 5b is a rear perspective view of Fig. 5a;
6A is a perspective view of a state in which a third frequency control cantilever is moved and resonated in FIG. 5A;
Fig. 6b shows a rear perspective view of Fig. 6a;
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and/or plan views, which are ideal illustrative views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the illustrative drawing may be modified due to manufacturing technology and/or tolerance. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include changes in the form generated according to the manufacturing process. For example, the region shown at a right angle may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the illustrated regions in the drawings are intended to illustrate the specific shape of the region of the device and not to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first, second, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the terms 'comprises' and/or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific contents have been prepared to more specifically describe the invention and help understanding. However, a reader having enough knowledge in this field to understand the present invention may recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known and not largely related to the invention are not described in order to avoid confusion without any reason in describing the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, the configuration and function of the self-resonance control energy harvester using the adaptive clamp according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터(100)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터(100)를 후방에서 바라본 사시도를 도시한 것이다. First, FIG. 1 is a perspective view of a self-resonance-controlled
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터(100)는 전체적으로 지지대(1)와, 메인 고정단(2)과, 하나의 메인 캔틸레버(10)와, 에너지 하베스팅 소자(20)와, 3개의 주파수 조절용 캔틸레버(30)와, 적응형 클램프(50), 탄성수단(70) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 1 and 2, the self-resonance
메인 캔틸레버(10)는 에너지 발전을 위한 캔틸레버로서, 수평방향을 따라 연장되며, 일단은 지지대(1) 상에 설치된 메인 고정단(2)에 고정되며 타단은 자유단으로 구성된다. The
그리고 에너지 하베스팅 소자(20)는 메인 캔틸레버(10) 상에 구비되어 메인 캔틸레버(10)의 진동에 의해 에너지를 발생시키게 된다. In addition, the
본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스팅 단위소자(20)는, 제1전극, 이러한 제1전극 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 압전소자, 및 상기 압전소자 상에 위치되는 제2전극을 포함하여 구성될 수 있다 The energy
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하여 구성될 수 있다. In addition, the piezoelectric material according to an embodiment of the present invention is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, the Macrofiber composite (MFC) composed of at least one material selected from the group, a piezoelectric mixture such as 2-2 composite, or PVDF, may be configured to include a polymer piezoelectric material such as PVDF-TrFE.
그리고 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 고정단(2)은 지지대(1) 상에 구비되며, 지지대(1) 상에 구비되는 제1측판(3)과, 이러한 제1측판(3)과 특정간격 이격되어 지지대(1) 상에 구비되는 제2측판(4)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. And as shown in Figures 1 and 2, the main fixed end (2) is provided on the support (1), the first side plate (3) provided on the support (1), and this first side plate (3) ) and it can be seen that it is configured to include the second side plate (4) provided on the support (1) spaced apart from each other.
또한, 주파수 조절용 캔틸레버(30)는, 외부 진동주파수가 자신의 고유진동수와 대응되면 공진 진동되며 복수로 구성될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 주파수 조절용 캔틸레버(30)는 3개 즉, 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)와, 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)와, 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있으며, 각각의 주파수 조절용 캔틸레버(30)는 서로 다른 고유진동수를 가지게 된다. 그리고 주파수 조절용 캔틸레버(30)의 길이방향은 메인 캔틸레버(10)의 길이방향과 직교되도록 구성된다. In addition, the
그리고 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 고정단(2)은 지지대(1) 상에 구비되며, 지지대(1) 상에 구비되는 제1측판(3)과, 이러한 제1측판(3)과 특정간격 이격되어 지지대(1) 상에 구비되는 제2측판(4)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 또한, 제1측판(3)상에는 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)와, 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)와, 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)의 이동을 가이드 하도록 이동 가이드 홀(5)이 형성된다. And as shown in Figures 1 and 2, the main fixed end (2) is provided on the support (1), the first side plate (3) provided on the support (1), and this first side plate (3) ) and it can be seen that it is configured to include the second side plate (4) provided on the support (1) spaced apart from each other. In addition, a
또한, 적응형 클램프(50)는 일단이 주파수 조절용 캔틸레버(30) 각각의 고정단에 연결되어, 주파수 조절용 캔틸레버(30)의 공진에 의해 주파수 조절용 캔틸레버(30)와 함께 이동되어 메인 캔틸레버(10)의 고정단을 변화시켜 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수를 가변시키도록 구성된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프(50)는 3개 즉, 제1적응형 클램프(51)와, 제2적응형 클램프(52)와, 제3적응형 클램프(53)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다. In addition, the
그리고 적응형 클램프(50) 중 어느 하나에 의해 고정된 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수는 이동된 주파수 조절용 캔틸레버(30)의 고유진동수와 외부 진동주파수와 일치되게 된다. And the natural frequency of the
또한, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 하베스터는, 외부 진동주파수와 대응되지 않는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버(30)와 적응형 클램프(50)를 메인 캔틸레버(10)에 고정해제시키도록 하는 복귀수단을 더 포함하여 구성될 수 있다. In addition, in the energy harvester according to the embodiment of the present invention, the
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복귀구단은 스프링 등과 같은 탄성수단(70)으로 구성될 수 있으며, 제1적응형 클램프(51)와 제2측판(4) 사이, 제2적응형 클램프(52)와 제2측판(4) 사이, 제3적응형 클램프(53)와 제2측판(4) 사이 각각에 구비되게 됨을 알 수 있다. 1 and 2, the return end according to the embodiment of the present invention may be composed of an
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 주파수 조절용 캔틸레버(30) 각각의 자유단 일측 끝단에 질량체(40)가 구비될 수 있다. 이러한 질량체(40)의 질량은 복수의 주파수 조절용 캔틸레버(30) 각각에 대해 서로 다르게 구성된다. Also, according to an embodiment of the present invention, the
그리고 각각의 적응형 클램프(50)는 탄성수단(70)에 의해 복귀된 위치에서 메인 캔틸레버(10)의 고정을 해제하는 개방단(61)과, 외부 진동주파수와 일치되어 이동된 상태에서 상메인 캔틸레버(10)를 고정하는 조절용 고정단(62)을 포함하여 구성된다. And each
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터(100)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, an operation method of the self-resonance
먼저 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. First, FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of operating a self-resonance-controlled energy harvester using an adaptive clamp according to an embodiment of the present invention.
먼저, 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수와 매칭되는 외부 진동주파수가 인가되면(S1), 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 메인 캔틸레버(10)가 공진되게 된다(S2). First, when an external vibration frequency matching the natural frequency of the
예를 들어, 메인 고정단(2)에 고정된 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 50Hz이고, 이에 매칭되는 외부 진동주파수가 50Hz이면 메인 캔틸레버(10)가 공진되게 된다. 메인 캔틸레버(10)가 공진됨으로써, 에너지 하베스팅 소자(20)에 의해 전류가 발생되어 에너지를 생산할 수 있게 된다(S3). For example, if the natural frequency of the
이러한 과정에서, 외부 진동주파수가 가변되게 되는 경우(S4), 가변된 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버(30)가 공진되게 된다(S5). In this process, when the external vibration frequency is changed (S4), the
그리고 주파수 조절용 캔틸레버(30)의 공진에 의한 원심력에 의해 주파수 조절용 캔틸레버(30)와, 주파수 조절용 캔틸레버(30)와 연결된 적응형 클램프(50)가 이동되어 메인 캔틸레버(10)를 고정시키게 된다(S6). Then, the
그리고 고정단이 가변된 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되게 되고(S7, S8), 메인 캔틸레버(10)가 공진됨으로써, 에너지 하베스팅 소자(20)에 의해 전류가 발생되어 에너지를 생산할 수 있게 된다(S9). And the natural frequency of the
도 4a는 도 1에서 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)가 공진되어 이동된 상태의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 4b는 도 4a의 후방 사시도를 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 외부 진동주파수가 50Hz에서 60Hz로 가변되고, 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)의 고유진동수가 60Hz인 경우, 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)가 공진되어 원심력이 작동되어 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)와 제1적응형 클램프(51)가 이동되게 된다(도 4b 기준 좌측). FIG. 4A is a perspective view illustrating a state in which the first
제1주파수 조절용 캔틸레버(31)와 제1적응형 클램프(51)의 이동에 의해 제1적응형 클램프(51)의 조절용 고정단(62)이 메인 캔틸레버(10)의 고정단을 가변시켜 결과적으로 메인 캔틸레버(10)의 길이가 조절되어 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 외부 진동주파수인 60Hz로 가변되게 된다. 따라서 메인 캔틸레버(10)가 공진되게 됨으로써 에너지를 생산할 수 있게 된다. By the movement of the first
또한, 이러한 상태에서, 외부 진동주파수가 또 다시 가변되게 되는 경우, 이전단계에서 공진되었던 주파수 조절용 캔틸레버(30)와 적응형 클램프(50)가 탄성수단(70)에 의해 원위치로 복귀되어 메인 캔틸레버(10)의 고정을 해제시키게 된다. In addition, in this state, when the external vibration frequency is changed again, the
그리고, 또 다시 가변된 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버(30)가 공진되어, 원심력에 의해 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버(30)와, 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버(30)와 연결된 적응형 클램프(50)가 이동되어 메인 캔틸레버(10)를 고정시켜, 고정단이 가변된 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 또 다시 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되게 된다. In addition, another
도 5a는 도 4a에서 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)가 공진되어 이동된 상태의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 5b는 도 5a의 후방 사시도를 도시한 것이다. FIG. 5A is a perspective view illustrating a state in which the second
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 외주 진동주파수가 60HZ에서 70Hz로 변화되는 경우, 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)의 공진이 중단되어 원심력이 해제되어 탄성수단(70)에 의해 제1주파수 조절용 캔틸레버(31)와 제1적응형 클램프(51)가 복귀되어 메인 캔틸레버(10)의 고정을 해제시키게 된다. As shown in FIGS. 5A and 5B , for example, when the outer peripheral vibration frequency is changed from 60 Hz to 70 Hz, resonance of the
그리고 동시에 70Hz의 고유진동수를 갖는 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)가 공진되어 원심력이 작동되어 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)와 제2적응형 클램프(52)가 이동되게 된다(도 5b 기준 좌측). And at the same time, the second
그리고 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)와 제2적응형 클램프(52)의 이동에 의해 제2적응형 클램프(52)의 조절용 고정단(62)이 메인 캔틸레버(10)의 고정단을 가변시켜 결과적으로 메인 캔틸레버(10)의 길이가 조절되어 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 외부 진동주파수인 70Hz로 가변되게 된다. 따라서 메인 캔틸레버(10)가 공진되게 됨으로써 에너지를 생산할 수 있게 된다. In addition, by the movement of the second
또한, 외주 진동주파수가 80Hz로 변화되는 경우, 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)의 공진이 중단되어 원심력이 해제되어 탄성수단(70)에 의해 제2주파수 조절용 캔틸레버(32)와 제2적응형 클램프(52)가 복귀되어 메인 캔틸레버(10)의 고정을 해제시키게 된다. 도 6a는 도 5a에서 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)가 공진되어 이동된 상태의 사시도를 도시한 것이고 도 6b는 도 6a의 후방 사시도를 도시한 것이다. In addition, when the outer oscillation frequency is changed to 80 Hz, the resonance of the second
그리고 동시에 80Hz의 고유진동수를 갖는 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)가 공진되어 원심력이 작동되어 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)와 제3적응형 클램프(53)가 이동되게 된다(도 6b 기준 좌측). And at the same time, the third
그리고 제3주파수 조절용 캔틸레버(33)와 제3적응형 클램프(53)의 이동에 의해 제3적응형 클램프(53)의 조절용 고정단(62)이 메인 캔틸레버(10)의 고정단을 가변시켜 결과적으로 메인 캔틸레버(10)의 길이가 조절되어 메인 캔틸레버(10)의 고유진동수가 외부 진동주파수인 80Hz로 가변되게 된다. 따라서 메인 캔틸레버(10)가 공진되게 됨으로써 에너지를 생산할 수 있게 된다. And by the movement of the third
따라서 본 발명의 실시예에 따른 자기 조절이 가능한 에너지 하베스터에 따르면, 별도의 에너지 투입없이 다양한 외부 진동원의 진동주파수에 매칭되는 공진주파수로 자기 조절이 가능하게 된다. Therefore, according to the self-regulating energy harvester according to the embodiment of the present invention, self-regulation is possible with a resonance frequency matching the vibration frequency of various external vibration sources without additional energy input.
그리고 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터 및 그 작동방법에 따르면, 복수의 적응형 클램프 각각에 연결된 서로 다른 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버가 매칭되는 외부 진동주파수에 따라 원심력에 의해 이동되어 메인 캔틸레버(10)의 고정단을 가변하여, 외부 진동주파수에 매칭되는 공진주파수가 되도록 자가 조절이 가능하게 된다. And according to the aforementioned self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp according to an embodiment of the present invention and an operating method therefor, external vibration in which a frequency control cantilever having different natural frequencies connected to each of a plurality of adaptive clamps is matched It is moved by centrifugal force according to the frequency to vary the fixed end of the
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, in the apparatus and method described above, the configuration and method of the above-described embodiments are not limitedly applicable, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made to the embodiments. may be configured.
1:지지대
2:메인고정단
3:제1측판
4:제2측판
5:이동가이드홀
10:메인 캔틸레버
20:에너지 하베스팅 소자
30:주파수 조절용 캔틸레버
31:제1주파수 조절용 캔틸레버
32:제2주파수 조절용 캔틸레버
33:제3주파수 조절용 캔틸레버
40:질량체
50:적응형 클램프
51:제1적응형 클램프
52:제2적응형 클램프
53:제3적응형 클램프
61:개방단
62:조절용 고정단
70:탄성수단
100:적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터1: Support
2: main fixed end
3: First side plate
4: second side plate
5: Movement guide hall
10: main cantilever
20: energy harvesting element
30: cantilever for frequency control
31: cantilever for adjusting the first frequency
32: cantilever for adjusting the second frequency
33: cantilever for adjusting the third frequency
40: mass
50: adaptive clamp
51: first adaptive clamp
52: second adaptive clamp
53: third adaptive clamp
61: open end
62: fixed end for adjustment
70: elastic means
100: self-resonant control energy harvester using an adaptive clamp
Claims (11)
수평방향을 따라 연장된 메인 캔틸레버;
상기 메인 캔틸레버 일단을 고정시키는 메인 고정단;
상기 메인 캔틸레버 상에 구비되어 상기 메인 캔틸레버의 진동에 의해 에너지를 발생시키는 에너지 하베스팅 소자;
외부 진동주파수가 자신의 고유진동수와 대응되면 공진되는 적어도 하나의 주파수 조절용 캔틸레버; 및
일단이 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 고정단에 연결되어, 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 공진에 의해 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 함께 이동되어 상기 메인 캔틸레버의 고정단을 변화시켜 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수를 가변시키는 적응형 클램프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
In the energy harvester,
a main cantilever extending in a horizontal direction;
a main fixing end for fixing one end of the main cantilever;
an energy harvesting element provided on the main cantilever to generate energy by vibration of the main cantilever;
At least one frequency control cantilever that resonates when the external vibration frequency corresponds to its natural frequency; and
One end is connected to a fixed end of each of the frequency control cantilevers, and the frequency control cantilever is moved together with the frequency control cantilever by resonance to change the fixed end of the main cantilever to change the natural frequency of the main cantilever. Self-resonance-controlled energy harvester using an adaptive clamp, comprising: a clamp.
상기 적응형 클램프에 의해 고정된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수는 이동된 상기 주파수 조절용 캔틸레버의 고유진동수와 상기 외부 진동주파수와 일치되는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The magnetic resonance control energy harvester using the adaptive clamp, characterized in that the natural frequency of the main cantilever fixed by the adaptive clamp coincides with the natural frequency of the moved frequency control cantilever and the external vibration frequency.
상기 외부 진동주파수와 대응되지 않는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버와 적응형 클램프를 상기 메인 캔틸레버에 고정해제시키도록 하는 복귀수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
3. The method of claim 2,
The self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it further comprises a frequency control cantilever having a natural frequency that does not correspond to the external vibration frequency and a return means for releasing the adaptive clamp from the main cantilever.
상기 메인 고정단은 지지대 상에 구비되며,
상기 지지대 상에 구비되는 제1측판과, 상기 제1측판과 특정간격 이격되어 상기 지지대 상에 구비되는 제2측판을 포함하고,
상기 제1측판에는 상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 이동을 가이드하는 이동 가이드 홀이 형성되며, 상기 복귀수단은 상기 적응형 클램프의 타단과 상기 제2측판 사이에 구비되는 탄성수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
4. The method of claim 3,
The main fixed end is provided on the support,
A first side plate provided on the support, and a second side plate spaced apart from the first side plate at a specific distance and provided on the support,
A movement guide hole for guiding the movement of each of the frequency control cantilevers is formed in the first side plate, and the return means is formed of an elastic means provided between the other end of the adaptive clamp and the second side plate. A self-resonant regulated energy harvester using an adaptive clamp.
상기 주파수 조절용 캔틸레버 각각의 자유단 일측에 구비되는 질량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The magnetic resonance control energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it further comprises a mass provided on one side of the free end of each of the frequency control cantilevers.
상기 적응형 클램프는 상기 복귀수단에 의해 복귀된 위치에서 상기 메인 캔틸레버의 고정을 해제하는 개방단과, 외부 진동주파수와 일치되어 이동된 상태에서 상기 메인 캔틸레버를 고정하는 조절용 고정단을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
4. The method of claim 3,
The adaptive clamp includes an open end for releasing the fixation of the main cantilever at the position returned by the return means, and a fixed end for fixing the main cantilever while moving in accordance with an external vibration frequency. A self-resonant regulated energy harvester using an adaptive clamp.
상기 주파수 조절용 캔틸레버의 길이방향은 상기 메인 캔틸레버의 길이방향과 직교되는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
A magnetic resonance control energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that the longitudinal direction of the frequency control cantilever is orthogonal to the longitudinal direction of the main cantilever.
상기 에너지 하베스팅 단위소자는,
제1전극, 상기 제1전극 상에 위치되며 압전물질로 구성되는 압전소자, 및 상기 압전소자 상에 위치되는 제2전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
The method of claim 1,
The energy harvesting unit element,
A self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp, comprising: a first electrode; a piezoelectric element positioned on the first electrode and made of a piezoelectric material; and a second electrode positioned on the piezoelectric element.
상기 압전물질은, PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO3, ZnO, CdS 및 AlN으로 구성된 그룹에서 선택된 하나의 압전 단결정, 상기 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 구성된 Macrofiber composite(MFC), 2-2 composite 등의 압전 혼합물, 또는 PVDF, PVDF-TrFE 등의 폴리머 압전재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터.
9. The method of claim 8,
The piezoelectric material is one piezoelectric single crystal selected from the group consisting of PZT, PZN-PT, PMN-PT, PZ-PT-PZNN, NKN, BaTiO 3 , ZnO, CdS and AlN, at least one material selected from the group A self-resonance control energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that it contains a piezoelectric mixture such as macrofiber composite (MFC), 2-2 composite, or a polymer piezoelectric material such as PVDF and PVDF-TrFE.
메인 캔틸레버의 고유진동수와 매칭되는 외부 진동주파수가 인가되어 상기 메인 캔틸레버가 공진되는 제1단계;
상기 에너지 하베스팅 소자에 의해 에너지가 발생되는 제2단계;
상기 외부 진동주파수가 가변되는 제3단계;
가변된 상기 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 주파수 조절용 캔틸레버가 공진되는 제4단계;
상기 주파수 조절용 캔틸레버의 공진에 의한 원심력에 의해 주파수 조절용 캔틸레버와, 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 연결된 적응형 클램프가 이동되어 상기 메인 캔틸레버를 고정시키는 제5단계;
고정단이 가변된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수가 상기 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되는 제6단계; 및
상기 에너지 하베스팅 소자에 의해 에너지가 발생되는 제7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 작동방법.
10. A method of operating an energy harvester according to any one of claims 1 to 9, comprising:
a first step of resonating the main cantilever by applying an external vibration frequency matching the natural frequency of the main cantilever;
a second step of generating energy by the energy harvesting element;
a third step of varying the external vibration frequency;
a fourth step of resonating a frequency control cantilever having a natural frequency matching the changed external vibration frequency;
a fifth step of fixing the main cantilever by moving a frequency control cantilever and an adaptive clamp connected to the frequency control cantilever by centrifugal force due to resonance of the frequency control cantilever;
a sixth step of resonating by matching the natural frequency of the main cantilever with a variable fixed end with the variable external vibration frequency; and
and a seventh step of generating energy by the energy harvesting element.
상기 제7단계 후에,
상기 외부 진동주파수가 또 다시 가변되는 경우,
상기 제4단계 내지 제6단계에서 공진되었던 상기 주파수 조절용 캔틸레버와 적응형 클램프가 복귀수단에 의해 원위치로 복귀되어 상기 메인 캔틸레버의 고정을 해제시키고, 또 다시 가변된 상기 외부 진동주파수와 매칭되는 고유진동수를 갖는 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버가 공진되어, 원심력에 의해 상기 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버와, 상기 또 다른 주파수 조절용 캔틸레버와 연결된 적응형 클램프가 이동되어 상기 메인 캔틸레버를 고정시켜, 고정단이 가변된 상기 메인 캔틸레버의 고유진동수가 상기 또 다시 가변된 외부 진동주파수와 매칭되어 공진되는 것을 특징으로 하는 적응형 클램프를 이용한 자기공진 조절 에너지 하베스터의 작동방법. 11. The method of claim 10,
After the seventh step,
When the external vibration frequency is changed again,
The frequency control cantilever and the adaptive clamp resonated in the fourth to sixth steps are returned to their original positions by the return means to release the fixation of the main cantilever, and the natural frequency matching the changed external vibration frequency again Another frequency control cantilever is resonated, and the other frequency control cantilever and the adaptive clamp connected to the other frequency control cantilever are moved by centrifugal force to fix the main cantilever, so that the main cantilever with a variable fixed end is moved. A method of operating a magnetic resonance regulating energy harvester using an adaptive clamp, characterized in that the natural frequency of the cantilever is matched with the changed external vibration frequency and resonates.
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|---|---|---|---|
| KR1020200043450A KR102349783B1 (en) | 2020-04-09 | 2020-04-09 | Self-resonance tuning energy harvester using Adaptive clamp |
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|---|---|
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| A novel design of a map-tuning piezoelectric vibration energy harvester, Shyh-Chin Huang 외1, Smart Mater. Struct. 21 (2012) 085014 (2012.07.20.) |
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