KR20170059386A

KR20170059386A - Vibration energy harvesting device and operating method thereof

Info

Publication number: KR20170059386A
Application number: KR1020160135951A
Authority: KR
Inventors: 모상현; 최원규; 박찬원; 김현석; 방효찬; 정재영; 한규원
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2017-05-30

Abstract

A vibration energy harvesting device and an operation method thereof are disclosed. The vibration energy harvesting device comprises: a vibrating external vibration structure; a first permanent magnet attached to the vibration structure; second and third permanent magnets facing the first permanent magnet; and a coil positioned among the first permanent magnet and second and third permanent magnets.

Description

TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a vibrating energy harvesting apparatus and a vibrating energy harvesting apparatus,

본 발명은 진동 에너지 하베스팅 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a vibration energy harvesting apparatus and an operation method thereof.

전기 에너지는 다양한 전자 기기를 구동하는 핵심 동력으로서 수력, 화석 연료, 핵연료 등 다양한 형태의 에너지 원료를 통해 얻어지며, 전기 에너지는 배터리 등에 저장되어 사용되고 있다. 그러나 이러한 에너지 원료들은 고갈되고 화석 연료, 핵연료 등은 공해 물질을 발생시킨다. 이에 따라 깨끗하고 무한정 사용할 수 있는 새로운 에너지원인 에너지 하베스팅에 대한 관심이 집중되고 있다. 에너지 하베스팅이란 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같은 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지로 전환하여 수확하는 기술을 말한다. Electrical energy is a key driving force for various electronic devices. It is obtained from energy sources such as hydro power, fossil fuel, nuclear fuel, and electric energy is stored in batteries. However, these energy sources are depleted and fossil fuels and nuclear fuels generate pollutants. As a result, interest in energy harvesting, a new energy source that can be used cleanly and indefinitely, has been attracting attention. Energy Harvesting refers to the technology of harvesting energy from natural energy sources such as sunlight, vibration, heat, and wind power into electrical energy.

한편, 전자 기술의 발전으로 인해 전자기기들은 점점 소형화되고 있으며, 이로 인해 소형 전자기기를 구동하는 에너지도 감소함에 따라, 작은 규모의 소형 발전에 대한 관심이 증가하고 있다. 소형 발전에서는 '에너지 하베스팅', 'Power harvesting' 또는 'Energy Scavenging'과 같은 용어로 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 20세기에는 나노기술이 발전함에 따라 기존에 버려졌던 미세한 에너지까지 효과적으로 수확할 수 있는 단계에 이르고 있다. On the other hand, electronic devices are becoming smaller and smaller due to the development of electronic technology, and as a result, the energy for driving small electronic devices is also decreasing, so that interest in small-sized miniature power generation is increasing. In small power generation, much research has been done on terms such as 'energy harvesting', 'power harvesting' or 'energy scavenging'. In particular, as nanotechnology evolves in the 20th century, it has reached a stage where it can effectively harvest fine energy that has been abandoned.

일반적으로 전자기기는 배터리를 통해 구동되며, 외부의 전력 공급원 이용하여 배터리를 충전한다. 배터리의 에너지 밀도는 꾸준히 증가하고 있지만 배터리가 차지하는 부피와 무게가 크며, 배터리가 방전되는 경우 배터리를 충전하거나 교체해야 하는 문제점이 있다. 미래에 많이 사용될 것으로 예측되는 사물 인터넷(Internet of Things, IoT)은 저전력 CMOS를 이용한 무선통신 모듈과 센서를 부착한 IoT 장치들을 넓은 지역에 배치시키며, IoT 장치들은 센싱자료를 무선으로 보낸다. 이러한 IoT 장치들은 주기적으로 배터리를 교체해야 하는 문제점이 있다. 넓은 지역에 분포된 센서노드를 전선으로 연결하는 것은 현실적으로 불가능하므로, 배터리를 사용하는 경우에는 배터리를 주기적으로 교환하는 어려움과 배터리 교체로 인한 공해 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, IoT 디바이스에 대한 에너지 하베스팅 기술이 핵심 기술로 부각되고 있다. IoT 응용의 90% 정도는 에너지 하베스팅 기술 없이는 구현될 수 없을 것으로 예상된다. Generally, an electronic device is driven by a battery and charges the battery using an external power source. Although the energy density of the battery is steadily increasing, the volume and weight of the battery is large and there is a problem that the battery must be charged or replaced when the battery is discharged. The Internet of Things (IoT), which is expected to be widely used in the future, places wireless communication modules using low-power CMOS and IoT devices with sensors on a large area, and IoT devices send sensing data wirelessly. Such IoT devices have a problem in that the batteries must be periodically replaced. Since it is practically impossible to connect sensor nodes distributed over a wide area by electric wires, there is a problem in that the battery is periodically replaced when the battery is used and that the battery is replaced. To solve these problems, energy harvesting technology for IoT devices is becoming a key technology. About 90% of IoT applications are not expected to be implemented without energy harvesting technology.

에너지 하베스팅 기술은 풍력 또는 수력을 이용하는 거시적(Macro) 에너지 변환 기술과 빛, 열 또는 진동을 이용하는 미소적(Micro) 에너지 변환 기술이 있다. 특히, 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술은 정전기 방식, 전자기 방식, 그리고 압전 방식이 대표적이다. 현재까지 기술은 한계가 존재하며, 에너지 하베스팅 기술이 더 많은 분야에 적용되기 위해서는 출력 성능을 높일 필요가 있다. Energy harvesting techniques include macroscopic energy conversion using wind or hydraulic power and micro energy conversion using light, heat or vibration. In particular, technologies for converting vibration energy into electric energy are representative of electrostatic, electromagnetic, and piezoelectric methods. To date, there is a limit to technology, and energy harvesting technology needs to improve output performance in order to be applied to more fields.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 변환 효율을 향상시키는 진동 에너지 하베스팅 장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a vibration energy harvesting apparatus and an operation method thereof for improving energy conversion efficiency.

본 발명의 실시예에 따르면, 진동 에너지 하베스팅 장치가 제공된다. 상기 진동 에너지 하베스팅 장치는, 외부의 진동에 의해 움직이는 진동 구조체, 상기 진동 구조체 부착된 제1 영구 자석, 상기 제1 영구 자석과 대향하는 제2 영구 자석,상기 제1 영구 자석과 대향하는 제3 영구 자석, 그리고 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 및 제3 영구 자석 사이에 위치하는 코일을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a vibration energy harvesting apparatus is provided. The vibration energy harvesting apparatus includes a vibration structure moving by external vibration, a first permanent magnet attached with the vibration structure, a second permanent magnet facing the first permanent magnet, a third permanent magnet facing the first permanent magnet, A permanent magnet, and a coil positioned between the first permanent magnet and the second and third permanent magnets.

상기 진동 구조체는 상기 외부의 진동에 의해 상하로 수직 운동하는 캔틸레버일 수 있다. The vibration structure may be a cantilever which vertically moves vertically by the external vibration.

상기 코일에 가까운 곳에 위치하는 상기 제1 영구 자석의 극성과 상기 제2 영구 자석의 극성은 서로 다르며, 상기 코일에 가까운 곳에 위치하는 상기 제1 영구 자석의 극성과 상기 제3 영구 자석의 극성은 서로 동일할 수 있다. Wherein a polarity of the first permanent magnet positioned close to the coil and a polarity of the second permanent magnet are different from each other, and a polarity of the first permanent magnet and a polarity of the third permanent magnet, Can be the same.

상기 제1 영구 자석은 N극이 S극보다 상기 코일로부터 가까운 곳에 위치하고, 상기 제2 영구 자석은 S극이 N극보다 상기 코일로부터 가까운 곳에 위치하며, 상기 제3 영구 자석은 N극이 S극보다 상기 코일로부터 가까운 곳에 위치할 수 있다. Wherein the first permanent magnet is located closer to the coil than the S pole, and the second permanent magnet is located closer to the coil than the N pole, and the third permanent magnet has an N pole and an S pole The coil may be located closer to the coil than the coil.

상기 제2 영구 자석은 상기 진동 구조체를 기준으로 상기 제3 영구 자석보다 상부에 위치할 수 있다. The second permanent magnet may be located above the third permanent magnet with respect to the vibration structure.

상기 진동 구조체가 상향으로 진동하는 경우 상기 코일의 자속 밀도가 증가하며, 상기 진동 구조체가 하향으로 진동하는 경우 상기 코일의 자속 밀도가 감소할 수 있다. The magnetic flux density of the coil increases when the vibration structure vibrates upward and the magnetic flux density of the coil decreases when the vibration structure vibrates downward.

상기 코일의 양단에 연결되며 상기 코일에서 발생되는 전압을 정류하는 정류기를 더 포함할 수 있다. And a rectifier connected to both ends of the coil and rectifying a voltage generated in the coil.

상기 진동 구조체의 일단은 고정부에 고정되고 타단은 자유일 수 있다. One end of the vibration structure may be fixed to the fixing part and the other end may be free.

상기 제1 영구 자석은 상기 진동 구조체의 하부에 부착될 수 있다. The first permanent magnet may be attached to a lower portion of the vibration structure.

상기 코일 내부에 위치하는 스플릿 링 공진기를 더 포함할 수 있다. And a split ring resonator located inside the coil.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 외부의 발생되는 진동을 에너지로 변환하는 진동 에너지 하베스팅 장치가 동작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 진동에 의해 움직이는 제1 영구 자석과 인력을 발생시키는 제2 영구 자석을 통해, 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석 사이에 위치하는 코일에 자속 밀도를 증가시키는 단계, 상기 제2 영구 자석과 척력을 발생시키는 제3 영구 자석을 통해, 상기 코일에 자속 밀도를 감소시키는 단계, 그리고 상기 코일의 양단에 발생되는 전압을 정류하는 단계를 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for operating a vibration energy harvesting apparatus that converts external generated vibration into energy. Increasing the magnetic flux density in a coil positioned between the first permanent magnet and the second permanent magnet through a first permanent magnet moving by the vibration and a second permanent magnet generating a force, Reducing the magnetic flux density in the coil through a second permanent magnet and a third permanent magnet generating a repulsive force, and rectifying the voltage generated across the coil.

상기 증가시키는 단계는, 상기 제1 영구 자석이 상향으로 진동하는 경우, 상기 인력을 통해 상기 자속 밀도를 증가시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 감소시키는 단계는, 상기 제2 영구 자석이 하향으로 진동하는 경우, 상기 척력을 통해 상기 자속 밀도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. Wherein increasing the magnetic flux density may include increasing the magnetic flux density through the attraction force when the first permanent magnet vibrates upwardly, , Reducing the magnetic flux density through the repulsive force.

상기 제1 영구 자석은 상기 진동에 의해 상하로 수직 운동할 수 있다. The first permanent magnet can vertically move up and down by the vibration.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 진동 에너지 하베스팅 장치가 제공된다. 상기 진동 에너지 하베스팅 장치는, 외부의 진동에 의해 움직이는 진동 구조체, 상기 진동 시에 전압을 발생시키는 코일, 상기 진동 구조체에 부착되며 상기 진동에 의해 전압을 발생시키는 압전 소자, 상기 진동 구조체에 부착된 제1 영구 자석, 상기 제1 영구 자석과 대향하며 상기 제1 영구 자석의 상향 진동 시에 상기 코일의 자속 밀도를 증가시키는 제2 영구 자석, 그리고 상기 제1 영구 자석과 대향하며 상기 제1 영구 자석의 하향 진동 시에 상기 코일의 자속 밀도를 감소시키는 제3 영구 자석을 포함할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a vibration energy harvesting apparatus is provided. The vibration energy harvesting apparatus includes a vibration structure moving by external vibration, a coil generating a voltage at the time of vibration, a piezoelectric element attached to the vibration structure and generating a voltage by the vibration, A second permanent magnet facing the first permanent magnet and increasing the magnetic flux density of the coil at the time of upward vibration of the first permanent magnet, and a second permanent magnet facing the first permanent magnet, And a third permanent magnet for reducing the magnetic flux density of the coil at the time of downward vibration of the coil.

상기 코일은 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 및 제3 영구 자석 사이에 위치할 수 있다. The coil may be positioned between the first permanent magnet and the second permanent magnet and the third permanent magnet.

상기 코일의 양단에 연결되며 상기 코일에서 발생되는 전압을 정류하는 제1 정류기, 그리고 상기 압전 소자의 양단에 연결되며 상기 압전 소자에서 발생되는 전압을 정류하는 제2 정류기를 더 포함할 수 있다. A first rectifier connected to both ends of the coil and rectifying a voltage generated in the coil, and a second rectifier connected to both ends of the piezoelectric element and rectifying a voltage generated in the piezoelectric element.

본 발명의 실시예에 따르면 영구 자석의 배치를 통해 코일의 자속 변화를 최대화 함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the change of the magnetic flux of the coil is maximized through the arrangement of the permanent magnets, thereby improving the energy conversion efficiency.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코일 내부에 스플릿 링 공진기를 위치시킴으로써, 에너지 변환 효율을 더욱 증가시킬 수 있다. According to another embodiment of the present invention, by placing the split ring resonator inside the coil, the energy conversion efficiency can be further increased.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 전자기 방식으로 생성된 전압과 압전 방식으로 생성된 전압을 동시에 수확하여, 하나의 진동 에너지원으로부터 더 큰 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다. According to another embodiment of the present invention, a voltage generated by an electromagnetic method and a voltage generated by a piezoelectric method can be simultaneously harvested to obtain a greater energy conversion efficiency from one vibration energy source.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버가 상향 진동하는 경우 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버가 하향 진동하는 경우 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치를 나타내는 도면이다. FIG. 1 illustrates a vibration energy harvesting apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 2A is a view illustrating a method of operating a vibrational energy harvesting apparatus when the cantilever is upwardly vibrated according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is a diagram illustrating a vibrating energy harvesting apparatus in a case where a cantilever according to an embodiment of the present invention vibrates downward. Fig.
3 is a view illustrating a vibration energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.
4 is a view illustrating a vibration energy harvesting apparatus according to another embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, .

또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Also, throughout the specification, when a portion is referred to as being "connected" to another portion, it is not necessarily the case that it is "directly connected," but also includes "electrically connected" do. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

이제 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치 및 그 동작 방법에 대해서 설명한다. A vibration energy harvesting apparatus and an operation method thereof according to an embodiment of the present invention will now be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)를 나타내는 도면이다. 1 is a view showing a vibration energy harvesting apparatus 1000 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)는 고정부(100), 캔틸레버(cantilever, 200), 영구 자석(300), 코일(400), 제1 영구 자석(500a), 제2 영구 자석(500b), 고정부(600), 그리고 정류기(700)를 포함한다. 1, a vibration energy harvesting apparatus 1000 according to an embodiment of the present invention includes a stationary section 100, a cantilever 200, a permanent magnet 300, a coil 400, And includes a magnet 500a, a second permanent magnet 500b, a fixing portion 600, and a rectifier 700.

고정부(100)는 캔틸레버(200)의 일단이 부착되며 캔틸레버(200)의 일단을 고정시킨다. 즉, 고정부(100)는 켈틸레버(200)의 한쪽 단을 고정시키는 장치이다. One end of the cantilever 200 is attached to the fixing part 100 and the one end of the cantilever 200 is fixed. That is, the fixing unit 100 fixes one end of the celtic lever 200.

캔틸레버(200)는 외부의 진동에 의해 움직이는 진동 구조체이다. 캔틸레버(200)의 일단은 고정부(100)에 의해 고정되며 캔틸레버(200)의 타단은 자유인 돌출형태의 구조체이다. 이를 통해, 캔틸레버(200)는 외부에서 진동이 발생하는 경우 상하 수직 운동을 하게 된다. 한편, 캔틸레버(200)의 하단에는 영구 자석(300)이 부착된다. The cantilever 200 is a vibrating structure moving by external vibrations. One end of the cantilever 200 is fixed by the fixing part 100, and the other end of the cantilever 200 is a free end protruding structure. Thus, the cantilever 200 performs up-and-down vertical movement when vibration occurs from the outside. The permanent magnet 300 is attached to the lower end of the cantilever 200.

영구 자석(300)은 캔틸레버(200)의 하단에 부착되며 캔틸레버(200)의 진동 시에 영구 자석(300)도 진동한다. 즉, 캔틸레버(200)의 수직 운동 시, 영구 자석(300)도 수직 운동을 한다. 영구 자석(300)은 N극과 S극을 가지며, N극이 S극보다 코일(400)로부터 가까운 곳에 위치한다. The permanent magnet 300 is attached to the lower end of the cantilever 200 and also vibrates the permanent magnet 300 when the cantilever 200 vibrates. That is, when the cantilever 200 is vertically moved, the permanent magnet 300 also performs vertical motion. The permanent magnet 300 has an N pole and an S pole, and the N pole is located closer to the coil 400 than the S pole.

코일(400)은 영구 자석(300)과 제1 및 제2 영구자석(500a, 500b) 사이에 위치하며 코일(400)의 양단(AC+, AC-)은 각각 정류기(700)에 연결된다. 코일(400)은 내부의 자속(magnetic flux)의 변화 시에 양단(AC+, AC-)에 교류 전압을 발생시킨다. 이러한 코일(400)은 원동형 구리 코일로 구현될 수 있다. The coil 400 is positioned between the permanent magnet 300 and the first and second permanent magnets 500a and 500b and both ends AC + and AC- of the coil 400 are connected to the rectifier 700, respectively. The coil 400 generates an AC voltage at both ends (AC +, AC-) when the magnetic flux of the inside changes. The coil 400 may be embodied as a circular copper coil.

제1 및 제2 영구 자석(500a, 500b)는 캔틸레버(200)로부터 코일(400)의 반대편에 위치하며 고정부(600)에 각각 고정된다. 고정부(600)는 제1 및 제2 영구 자석(500a, 500b)을 고정 시시키는 역할을 수행하고, 제1 영구 자석(500a)는 캔틸레버(200)를 기준으로 고정부(600)의 상단에 위치하며 제2 영구 자석(500b)는 캔틸레버(200)를 기준으로 고정부(600)의 하단에 위치한다. 제1 및 제2 영구 자석(500a, 500)은 각각 N극과 S극을 가진다. 제1 영구 자석(500a)의 S극은 N극보다 코일(400)로부터 더 가까운 곳에 위치하며, 제2 영구 자석(500a)의 N극은 S보다 코일(400)로부터 더 가까운 곳에 위치한다. 이러한 제1 및 제2 영구 자석(500a, 500b)은 캔틸레버(200)의 진동 시에 코일(400)의 자속 변화량을 더욱 증가시키는 역할을 수행한다. The first and second permanent magnets 500a and 500b are located on the opposite side of the coil 400 from the cantilever 200 and fixed to the fixing portion 600, respectively. The first and second permanent magnets 500a and 500b are fixed to the fixing part 600 and the first permanent magnet 500a is fixed to the upper end of the fixing part 600 with reference to the cantilever 200. [ And the second permanent magnet 500b is positioned at the lower end of the fixing part 600 with respect to the cantilever 200. [ The first and second permanent magnets 500a and 500 have N poles and S poles, respectively. The S pole of the first permanent magnet 500a is located closer to the coil 400 than the N pole and the N pole of the second permanent magnet 500a is located closer to the coil 400 than the S pole. The first and second permanent magnets 500a and 500b further increase the magnetic flux variation of the coil 400 when the cantilever 200 vibrates.

정류기(700)는 코일(400)의 양단(AC+, AC-)에 연결되며 코일(400)의 양단(AC+, AC-)의 전압을 정류하여 출력 전압(VDD)를 생성한다. 정류기(700)에서 출력되는 출력 전압(VDD)이 진동 에너지 하베스팅 장치(100)가 생성하는 에너지이다. 도 1에서는 정류기(700)의 구체적인 구성은 나타내지 않았지만 정류기(700)는 반파 정류기 또는 전파 정류기로 구현될 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있는바 구체적인 설명은 생략한다. The rectifier 700 is connected to both ends AC + and AC- of the coil 400 and rectifies the voltage of both ends AC + and AC- of the coil 400 to generate the output voltage VDD. The output voltage VDD output from the rectifier 700 is the energy generated by the vibrating energy harvesting apparatus 100. 1, the rectifier 700 may be implemented by a half-wave rectifier or a full-wave rectifier, although it will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the specific configuration Is omitted.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)는 진동하는 물체에 설치되어 에너지를 생성한다. 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)가 설치된 물체의 진동에 의해, 캔틸레버(200) 및 영구 자석(300)이 수직 운동을 하게되며, 코일(400)의 자속(magnetic flux) 양이 시간에 따라 변하게 된다. 이에 따라, Faraday's Law와 Lenz's Law에 의해, 코일(400)의 양단(AC+, AC-)에 교류 전압이 발생한다. 이와 같이 발생된 교류 전압은 정류기(700)를 통해 직류 전압(VDD)으로 변환되며, 직류 전압(VDD)은 최종적으로 IoT 디바이스 등에 사용될 수 있다. The vibration energy harvesting apparatus 1000 according to the embodiment of the present invention is installed in an oscillating object to generate energy. The cantilever 200 and the permanent magnet 300 are vertically moved by the vibration of the object provided with the vibrating energy harvesting apparatus 1000 and the amount of the magnetic flux of the coil 400 changes with time . Accordingly, AC voltages are generated at both ends (AC +, AC-) of the coil 400 by Faraday's Law and Lenz's Law. The AC voltage thus generated is converted into a DC voltage (VDD) through the rectifier (700), and the DC voltage (VDD) can be finally used in an IoT device or the like.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)는 제1 및 제2 영구 자석(500a, 500b)를 통해 코일(400)의 자속 변화량을 증가시키며, 이를 통해 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. 이에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다. Meanwhile, the vibration energy harvesting apparatus 1000 according to the embodiment of the present invention increases the amount of magnetic flux change of the coil 400 through the first and second permanent magnets 500a and 500b, thereby increasing the energy conversion efficiency . This will be described in more detail with reference to FIGS. 2A and 2B.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버가 상향 진동하는 경우 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이며, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 캔틸레버가 하향 진동하는 경우 진동 에너지 하베스팅 장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다. FIG. 2A is a view illustrating a method of operating a vibrational energy harvesting apparatus when the cantilever is upwardly vibrated according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is a diagram illustrating a vibrating energy harvesting apparatus in a case where a cantilever according to an embodiment of the present invention vibrates downward. Fig.

도 2a에 나타낸 바와 같이, 캔틸레버(200)가 상향 진동하는 경우, 영구 자석(300)과 제1 영구 자석(500a)에 의해 코일(400) 속의 자속 밀도가 증가한다. 즉, 영구 자석(300)의 N극과 제1 영구 자석(500a)의 S극에 의한 인력에 의해, 코일(400) 속의 자속 밀도가 증가한다. 캔틸레버(200)에 부착된 영구 자석(300)은 코일(400) 방향 쪽으로 N극이 배치되고, 코일(400) 반대편에 위치한 제1 영구 자석(500a)도 코일(400) 방향쪽으로 S극이 배치된다. 이에 따라, 영구 자석(300)의 N극에서 발산된 자기장이 제1 영구 자석(500a)의 S극으로 수렴하게 되어, 코일(400) 속의 자속 밀도가 증가하게 된다. As shown in FIG. 2A, when the cantilever 200 vibrates upward, the magnetic flux density in the coil 400 is increased by the permanent magnet 300 and the first permanent magnet 500a. That is, the magnetic flux density in the coil 400 increases due to the N pole of the permanent magnet 300 and the attraction force of the S pole of the first permanent magnet 500a. The permanent magnet 300 attached to the cantilever 200 is arranged such that the N pole is arranged toward the coil 400 and the S pole is arranged toward the coil 400 in the first permanent magnet 500a located on the opposite side of the coil 400 do. Accordingly, the magnetic field emitted from the N pole of the permanent magnet 300 converges to the S pole of the first permanent magnet 500a, and the magnetic flux density in the coil 400 increases.

도 2b에 나타낸 바와 같이, 캔틸레버(200)가 하향 진동하는 경우, 영구 자석(300)과 제2 영구 자석(500b)에 의해 코일(400) 속의 자속 밀도가 감소한다. 즉, 영구 자석(300)의 N극과 제2 영구 자석(500b)의 N극에 의한 척력에 의해, 코일(400) 속의 자속 밀도가 감소한다. 캔틸레버(200)에 부착된 영구 자석(300)은 코일(400) 방향 쪽으로 N극이 배치되고, 코일(400) 반대편에 위치한 제2 영구 자석(500b)도 코일(400) 쪽으로 N극이 배치된다. 이에 따라, 영구 자석(300)의 N극에서 발산된 자기장이 제2 영구 자석(500a)의 N극에서 발산된 자기장에 의해 상쇄되어, 코일(400) 속의 자속 밀도가 감소하게 된다. As shown in FIG. 2B, when the cantilever 200 vibrates downward, the magnetic flux density in the coil 400 is reduced by the permanent magnet 300 and the second permanent magnet 500b. That is, the magnetic flux density in the coil 400 is reduced by the N pole of the permanent magnet 300 and the repulsive force of the N pole of the second permanent magnet 500b. The permanent magnet 300 attached to the cantilever 200 is disposed with N poles toward the coil 400 and the second permanent magnet 500b located opposite to the coil 400 is disposed with N poles toward the coil 400 . Accordingly, the magnetic field emitted from the N pole of the permanent magnet 300 is canceled by the magnetic field emitted from the N pole of the second permanent magnet 500a, so that the magnetic flux density in the coil 400 is reduced.

도 2a에 나타낸 바와 같이 캔틸레버(200)가 상향 진동하는 경우에는 자속 밀도가 극대화 되고, 도 2b에 나타낸 바와 같이 캔틸레버(200)가 하향 진동하는 경우에는 자속 밀도가 극소화 된다. 이에 따라, 시간에 따른 코일(400) 내의 자속의 변화가 최대화 된다. 아래의 수학식 1과 같이, 시간에 따른 자속의 변화를 최대화 함으로써 본 발명의 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000)는 최대의 전력(전압)을 얻을 수 있다. As shown in FIG. 2A, the magnetic flux density is maximized when the cantilever 200 vibrates upwardly, and the magnetic flux density is minimized when the cantilever 200 vibrates downward as shown in FIG. 2B. Thus, the change of the magnetic flux in the coil 400 with time is maximized. The vibration energy harvesting apparatus 1000 according to the embodiment of the present invention can obtain the maximum power (voltage) by maximizing the change of the magnetic flux with time as shown in the following Equation 1.

상기 수학식 1에서 V는 코일(400)의 양단에 생성되는 전압을 나타내고, Φ_B는 코일(400)의 자속을 나타내고, t는 시간을 나타내며, N은 코일(400)의 턴 수를 나타낸다. Where V represents the voltage generated across the coil 400, _B represents the magnetic flux of the coil 400, t represents the time, and N represents the number of turns of the coil 400. [

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')를 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a vibration energy harvesting apparatus 1000 'according to another embodiment of the present invention.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')는 코일(400)안에 스플릿 링 공진기(split ring resonator, SRR)(410)가 추가적으로 위치하는 것을 제외하고 도 1의 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')와 동일하다. 따라서, 아래의 설명에서 중복되는 설명은 생략한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')는 메타 인공 물질을 이용한 스플릿 링 공진기(SRR)를 이용하여 전자기 방식의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 3, a vibrational energy harvesting apparatus 1000 'according to another embodiment of the present invention may include a split ring resonator (SRR) 410 in addition to a split ring resonator Is the same as the vibration energy harvesting apparatus 1000 'of FIG. Therefore, overlapping description will be omitted in the following description. That is, the vibration energy harvesting apparatus 1000 'according to another embodiment of the present invention can improve the energy conversion efficiency of the electromagnetic system by using a split ring resonator (SRR) using a meta-artificial material.

스플릿 링 공진기(410)은 코일(400)의 내부에 위치한다. 스플릿 링 공진기(410)는 전자기적으로 인덕턴스 성분과 분포 커패시턴스 성분을 가지는 코일 또는 LC 공진 회로와 같은 LC 공진 회로의 일종으로서, 투자율을 증가시킨다. 즉, 도 2a와 같은 캔틸레버(200)의 상향 진동 시에, 스플릿 공진기(410)는 코일(400) 내의 자속 밀도를 더욱 증가시킨다. 캔틸레버(200)가 상향 진동하는 경우 영구 자석(300)의 N극에서 발산된 자기장이 제1 영구 자석(500a)의 S극으로 수렴하며, 이때 스플릿 공진기(410)는 코일(400) 내의 자속을 집속시키는 역할을 수행한다. 이로 인해 자속의 변화량이 증가하게 되고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')가 수확하는 전력량도 증가하게 된다. The split ring resonator 410 is located inside the coil 400. The split ring resonator 410 is a kind of LC resonance circuit such as a coil or an LC resonance circuit having an electromagnetic inductance component and a distributed capacitance component, thereby increasing the permeability. That is, when the cantilever 200 as shown in FIG. 2A vibrates upward, the split resonator 410 further increases the magnetic flux density in the coil 400. When the cantilever 200 vibrates upwards, the magnetic field emitted from the N pole of the permanent magnet 300 converges to the S pole of the first permanent magnet 500a. At this time, the split resonator 410 generates magnetic flux in the coil 400 It is also responsible for focusing. As a result, the amount of change in magnetic flux is increased, and the amount of power harvested by the vibration energy harvesting apparatus 1000 'according to another embodiment of the present invention also increases.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000'')를 나타내는 도면이다. 4 is a diagram illustrating a vibration energy harvesting apparatus 1000 " in accordance with another embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000'')는 진동으로부터 전자기 방식뿐만 아니라 압전 방식으로도 동시에 에너지를 수확하는 하이브리드 방식이다. 도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000'')는 압전 소자(210), 2개의 정류기(710, 720)를 사용하는 것을 제외하고 도 3의 진동 에너지 하베스팅 장치(1000')와 동일하다. 따라서 이하의 설명에서 중복되는 설명은 생략한다. A vibration energy harvesting apparatus 1000 '' according to another embodiment of the present invention is a hybrid system that simultaneously harvests energy from vibration in a piezoelectric manner as well as an electromagnetic way. 4, the vibration energy harvesting apparatus 1000 '' according to yet another embodiment of the present invention includes the piezoelectric element 210, the vibration of FIG. 3 except that two rectifiers 710 and 720 are used. Is the same as the energy harvesting device 1000 '. Therefore, a duplicate description will be omitted in the following description.

압전 소자(piezoelectric material)(210)는 캔틸레버(200)의 상부에 부착되며 캔틸레버(200)의 진동 시에 전압(전기 에너지)를 발생시킨다. 압전 소자(210)는 기계적인 변형이 가해지면 전기 에너지를 발생시키는 물질이다. 캔틸레버(200)가 진동 운동을 하는 경우 캔틸레버(200)가 위아래로 휘어지게 된다. 이때 압전 소자(210)에 압축 또는 인장의 기계적인 변경이 가해지며, 압전 소자(210)의 양단(AC'+, AC'-)에 전압이 발생하게 된다. 한편, 압전 소자(210)의 양단(AC'+, AC'-)은 제1 정류기(710)에 연결되며, 압전 소자(210)에서 발생한 전압은 제1 정류기(710)에 입력된다. A piezoelectric material 210 is attached to the upper portion of the cantilever 200 and generates a voltage (electric energy) when the cantilever 200 vibrates. The piezoelectric element 210 is a material which generates electrical energy when a mechanical deformation is applied. When the cantilever 200 vibrates, the cantilever 200 is bent upward and downward. At this time, a mechanical change of compression or tension is applied to the piezoelectric element 210, and a voltage is generated at both ends (AC '+, AC'-) of the piezoelectric element 210. Meanwhile, both ends AC '+ and AC'- of the piezoelectric element 210 are connected to the first rectifier 710, and the voltage generated in the piezoelectric element 210 is input to the first rectifier 710.

제1 정류기(710)는 압전 소자(210)로부터 입력된 전압을 정류하여 출력 전압(VDD1)을 발생시킨다. 그리고 제2 정류기(720)는 도 1의 정류기(700)와 동일하게 코일(400)의 양단의 전압을 정류하여 출력 전압(VDD2)를 생성한다. 제1 정류기(710)의 출력 전압(VDD1)과 제2 정류기(720)의 출력 전압(VDD2)의 합(VDD1 + VDD2)이 최종 출력 전압(VDD)이 된다. The first rectifier 710 rectifies the voltage input from the piezoelectric element 210 to generate the output voltage VDD1. The second rectifier 720 rectifies the voltage at both ends of the coil 400 in the same manner as the rectifier 700 of FIG. 1 to generate the output voltage VDD2. The sum (VDD1 + VDD2) of the output voltage VDD1 of the first rectifier 710 and the output voltage VDD2 of the second rectifier 720 becomes the final output voltage VDD.

이와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동 에너지 하베스팅 장치(1000'')는 전자기 방식으로 생성된 전압과 압전 방식으로 생성된 전압을 동시에 수확할 수 있으므로, 하나의 진동 에너지원으로부터 더 큰 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다. As described above, the vibration energy harvesting apparatus 1000 '' according to another embodiment of the present invention can simultaneously harvest the electromagnetic-generated voltage and the piezoelectric-generated voltage, Energy conversion efficiency can be obtained.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.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, It belongs to the scope of right.

Claims

A vibration structure moving by external vibration,
A first permanent magnet attached with the vibration structure,
A second permanent magnet facing the first permanent magnet,
A third permanent magnet facing the first permanent magnet, and
And a coil positioned between said first permanent magnet and said second and third permanent magnets.

The method according to claim 1,
Wherein the vibrating structure is a cantilever which vertically moves vertically by the external vibration.

The method according to claim 1,
Wherein a polarity of the first permanent magnet positioned close to the coil and a polarity of the second permanent magnet are different from each other, and a polarity of the first permanent magnet and a polarity of the third permanent magnet, The same vibration energy harvesting device.

The method of claim 3,
Wherein the first permanent magnet is located closer to the coil than the S pole, and the second permanent magnet is located closer to the coil than the N pole, and the third permanent magnet has an N pole and an S pole Wherein the vibrating energy harvesting device is located closer to the coil than the vibrating energy harvesting device.

The method of claim 3,
Wherein the second permanent magnets are positioned above the third permanent magnets with respect to the vibration structure.

The method according to claim 1,
Wherein the magnetic flux density of the coil increases when the vibration structure vibrates upward and the magnetic flux density of the coil decreases when the vibration structure vibrates downward.

The method according to claim 1,
And a rectifier connected to both ends of the coil and rectifying a voltage generated in the coil.

The method according to claim 1,
Wherein one end of the vibrating structure is fixed to the fixing portion and the other end is free.

The method according to claim 1,
Wherein the first permanent magnet is attached to a lower portion of the vibrating structure.

The method according to claim 1,
Further comprising a split ring resonator located within said coil.

A method for operating a vibrating energy harvesting apparatus for converting external generated vibrations into energy,
Increasing a magnetic flux density in a coil located between the first permanent magnet and the second permanent magnet through a first permanent magnet moving by the vibration and a second permanent magnet generating a attraction force,
Reducing the magnetic flux density in the coil through the second permanent magnet and a third permanent magnet generating a repulsive force, and
And rectifying a voltage generated across the coil.

12. The method of claim 11,
Wherein a polarity of the first permanent magnet positioned close to the coil and a polarity of the second permanent magnet are different from each other, and a polarity of the first permanent magnet and a polarity of the third permanent magnet, The same method of operation.

13. The method of claim 12,
Wherein the first permanent magnet is located closer to the coil than the S pole, and the second permanent magnet is located closer to the coil than the N pole, and the third permanent magnet has an N pole and an S pole Wherein the coil is located closer to the coil than the coil.

12. The method of claim 11,
Wherein increasing the magnetic flux density comprises increasing the magnetic flux density through the attraction force when the first permanent magnet vibrates upward,
Wherein the reducing includes reducing the magnetic flux density through the repulsive force when the second permanent magnet vibrates downward.

12. The method of claim 11,
Wherein the first permanent magnet is vertically moved by the vibration.

A vibration structure moving by external vibration,
A coil for generating a voltage at the time of oscillation,
A piezoelectric element attached to the vibration structure and generating a voltage by the vibration,
A first permanent magnet attached to the vibration structure,
A second permanent magnet facing the first permanent magnet and increasing the magnetic flux density of the coil when the first permanent magnet vibrates upwardly, and
And a third permanent magnet facing the first permanent magnet and reducing the magnetic flux density of the coil at the time of downward vibration of the first permanent magnet.

17. The method of claim 16,
Wherein the coil is positioned between the first permanent magnet and the second and third permanent magnets.

17. The method of claim 16,
Wherein a polarity of the first permanent magnet positioned close to the coil and a polarity of the second permanent magnet are different from each other, and a polarity of the first permanent magnet and a polarity of the third permanent magnet, The same vibration energy harvesting device.

19. The method of claim 18,
Wherein the first permanent magnet is located closer to the coil than the S pole, and the second permanent magnet is located closer to the coil than the N pole, and the third permanent magnet has an N pole and an S pole Wherein the vibrating energy harvesting device is located closer to the coil than the vibrating energy harvesting device.

17. The method of claim 16,
A first rectifier connected to both ends of the coil and rectifying a voltage generated in the coil,
And a second rectifier connected to both ends of the piezoelectric element and rectifying a voltage generated in the piezoelectric element.