KR20110066645A - 진동 에너지 하베스트 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 진동 에너지 하베스트 소자는 기계적 증폭기를 이용하여 베이스에 가진되는 진동의 크기를 증폭시켜 상기 증폭된 진동에 의해 캔틸레버의 진동 변위가 커지도록 하며, 이에 따라 소자의 크기를 거의 그대로 유지하면서도 증폭된 진동 에너지에 의해 출력 전력을 높일 수 있는 효과가 있다.
진동 에너지 하베스트 소자, 출력 전력, 공진, 증폭, 캔틸레버, 바이모프
Description
본 발명은 진동 에너지 하베스트 소자에 관한 것으로, 더 자세하게는 베이스에 가진되는 진동의 크기를 증폭시켜 출력 전력을 높일 수 있는 구조의 진동 에너지 하베스트 소자에 관한 것이다.
진동 에너지 하베스트 소자(vibratory energy harvesting device)는 주변 진동의 주파수와 소자의 공진 주파수가 일치하는 경우 변위의 증폭이 발생하여 공진 주파수에서 가장 큰 전기 에너지를 발생시키는 소자이다.
하지만, 일반적으로 주변 환경에서 발생하는 진동의 세기는 다음의 표 1에서와 같이 매우 작은 경우가 대부분이다.
일예로, 가정에서 사용되는 소형 마이크로웨이브 오븐을 작동할 때 발생되는 진동의 경우, 주파수가 121Hz, 가속도의 크기가 2.25m/s2일 때 가장 큰 진동이 발생된다.
그러나, 이러한 작은 진동으로부터 얻어지는 전기 에너지는 그 크기가 매우 작아 IC를 구동하기 위한 전력으로는 충분하지 않다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 진동 에너지 하베스트 소자의 크기를 크게 하여 IC 구동에 필요한 전력을 얻는 방안을 생각해 볼 수 있지만, 진동 에너지 하베스트 소자는 적용 환경에 영향을 많이 받기 때문에 소자의 크기가 제한을 받는 경우가 대부분이므로, 진동 에너지 하베스트 소자의 크기를 소형화하면서도 충분한 전력을 얻을 수 있는 수단이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 소형화가 가능하면서 출력 전력을 높일 수 있는 구조의 진동 에너지 하베스트 소자를 제공하는 것이다.
보다 구체적으로, 기계적 증폭기를 이용하여 베이스에 가진되는 진동의 크기를 증폭하고 그 증폭된 진동 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 소형화가 가능하면서 출력 전력을 높일 수 있는 구조의 진동 에너지 하베스트 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 진동 에너지 하베스트 소자는, 베이스에 일단이 고정된 심(shim); 상기 심의 상부와 하부에 각각 형성된 제1, 2 압전층; 및 상기 베이스에 연결되어 상기 베이스에 가진되는 진동의 크기를 기계적으로 증폭시키는 기계적 증폭기(mechanical amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 진동 에너지 하베스트 소자는 기계적 증폭기를 이용하여 베이스에 가진되는 진동의 크기를 증폭시켜 상기 증폭된 진동에 의해 캔틸레버의 진동 변위가 커지도록 하며, 이에 따라 소자의 크기를 거의 그대로 유지하면서도 증 폭된 진동 에너지에 의해 출력 전력을 높일 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하거나 간략하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자(100)를 나타낸 도면이다.
설명의 편의를 위해 본 발명의 진동 에너지 하베스트 소자가 압전 에너지 하베스트 소자인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자(100)는 캔틸레버(cantilever) 형태를 가지며, 베이스(110)에 일단이 고정된 심(shim)(130)과, 상기 심(110)의 상부와 하부에 각각 형성된 제1, 2 압전층(150a, 150b)과, 상기 베이스(110)에 연결되어 상기 베이스(110)에 가진되는 진동의 크기를 기계적으로 증폭시키기 위한 기계적 증폭기(mechanical amplifier, 170)를 포함한다. 그리고, 경우에 따라 공진 주파수를 보정하기 위한 질량추(proof mass, 190)를 더 포함할 수도 있다.
상기 심(130)은 상기 제1, 2 압전층(150a, 150b)의 강성을 보강하기 위한 것으로, 두께와 탄성률을 조절하여 캔틸레버 팁의 변위를 최대화시키는 것도 가능하 다.
상기 제1, 2 압전층(150a, 150b)은 두께 방향으로 분극되어 진동이 발생되면 압전 효과에 의해 전압을 생성하며, PZT 등의 압전 세라믹, PMN-PT/PZN-PT 등의 압전 단결정, PVDF 등의 압전 폴리머 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 기계적 증폭기(170)는 가진되는 진동의 크기를 기계적으로 증폭하여 상기 베이스(110)에 전달하며, 이에 따라 상기 증폭된 진동에 의해 캔틸레버의 변위가 커져 출력 전력이 높아지게 된다.
본 발명의 진동 에너지 하베스트 소자(100)는 상기 기계적 증폭기(170)에 의해 상기 베이스(110)에 가진되는 진동의 크기를 증폭시켜 높은 출력 전력을 얻을 수 있는 것에 특징이 있으며, 이에 대하여 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 진동하는 물체 위에 본 발명의 캔틸레버형 진동 에너지 하베스트 소자(100)가 놓이게 되면, 본 발명의 진동 에너지 하베스트 소자(100)에서는 주변 진동의 주파수와 유사한 공진 주파수가 발생된다.
이렇게 주변 진동의 주파수와 소자의 공진 주파수가 매칭되는 경우, 소자 자체의 Q 인자 만큼 변위의 크기가 증폭되어 증폭된 변위의 크기에 의해 출력 전력이 생성된다.
이 때, 가진되는 진동을 조화 진동(harmonic oscillation), 즉 하모닉 또는 sin파 진동으로 가정하면, 외부에서 상기 베이스(110)에 가진되는 가속도(A)는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기에서, F는 공진 주파수, umax는 최대 변위 크기, (2*PI*F)는 각가속도를 각각 나타낸다.
상기 수학식 1에서 공진 주파수(F)가 결정되는 경우 가속도(A)는 최대 변위 크기(umax)에 비례하게 된다.
그리고, 압전 에너지 하베스트 소자의 경우 상기 최대 변위 크기(umax)는 상기 제1, 2 압전층(150a, 150b)에 걸리는 스트레인의 크기에 비례한다.
즉, 상기 최대 변위 크기(umax)가 커지면 상기 제1, 2 압전층(150a, 150b)에서 생성되는 전기 에너지가 커지게 되어 출력 전력을 높일 수 있다.
따라서, 본 발명의 진동 에너지 하베스트 소자(100)는 상기 기계적 증폭기(170)를 이용하여 상기 베이스(110)에 가진되는 진동의 크기를 증폭시켜 상기 증폭된 진동에 의해 캔틸레버의 진동 변위가 커지도록 하며, 이에 따라 소자의 크기를 거의 그대로 유지하면서도 증폭된 진동 에너지에 의해 출력 전력을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자(100A)를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자(100A)는 도 1에 도시된 진동 에너지 하베스트 소자(100)와 비교하여 기계적 증폭기(170)가 제1, 2 압전층(150a, 150b)과 유사하게 캔틸레버형으로 구성된 점을 제외하고는 다른 구성요소는 동일하다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 진동 에너지 하베스트 소자를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 100A : 본 발명의 진동 에너지 하베스트 소자
110 : 베이스
130 : 심
150a, 150b : 제1, 2 압전층
170 : 기계적 증폭기(mechanical amplifier)
190 : 질량추(proof mass)
Claims (1)
- 베이스에 일단이 고정된 심(shim);상기 심의 상부와 하부에 각각 형성된 제1, 2 압전층; 및상기 베이스에 연결되어 상기 베이스에 가진되는 진동의 크기를 기계적으로 증폭시키는 기계적 증폭기(mechanical amplifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 에너지 하베스트 소자.
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| KR20110066645A true KR20110066645A (ko) | 2011-06-17 |
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|---|---|---|---|---|
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2009
- 2009-12-11 KR KR1020090123387A patent/KR20110066645A/ko not_active Application Discontinuation
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