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KR101232629B1 - self resonant frequency tunable vibration energy converting device, cantilever vibrator available at this and method for fabrication thereof - Google Patents

self resonant frequency tunable vibration energy converting device, cantilever vibrator available at this and method for fabrication thereof Download PDF

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KR101232629B1
KR101232629B1 KR1020110071336A KR20110071336A KR101232629B1 KR 101232629 B1 KR101232629 B1 KR 101232629B1 KR 1020110071336 A KR1020110071336 A KR 1020110071336A KR 20110071336 A KR20110071336 A KR 20110071336A KR 101232629 B1 KR101232629 B1 KR 101232629B1
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cantilever
vibrating body
vibration energy
self
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김용준
조성은
김명수
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치는, 외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치에 있어서, 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보가 구비되는 외팔보 진동체; 및 제1, 2외팔보의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면을 구비하여 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부에 결합되며, 외팔보 진동체를 수평방향으로 이동가능하게 가이드하는 외팔보 고정체;를 포함한다.Disclosed is a vibration energy converter capable of self-adjusting a resonance frequency. In the vibration energy conversion device capable of self-adjusting the resonant frequency according to the embodiment of the present invention, in the vibration energy conversion device using the cantilever, first and second cantilever beams having different lengths having free ends facing in opposite directions are provided. Cantilever vibrating body; And a cantilever fixture which is coupled to the cantilever interpolation portion of the cantilever vibrator having a contact surface that is capable of restraining bending deformations of the first and second cantilever beams and guiding the cantilever vibrator to be movable in a horizontal direction.

Description

공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치, 이에 이용가능한 외팔보 진동체 및 그 제작방법{self resonant frequency tunable vibration energy converting device, cantilever vibrator available at this and method for fabrication thereof}Self resonant frequency tunable vibration energy converting device, cantilever vibrator available at this and method for fabrication

본 발명은 일상생활에서 발생하는 진동을 전기적 에너지로 변환하기 위한 소형 에너지 변환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부진동 주파수 변화에 따라 고유주파수를 자동으로 변화시킬 수 있는 진동에너지 변환 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a small energy conversion device for converting vibration generated in everyday life into electrical energy, and more particularly, to a vibration energy conversion device that can automatically change the natural frequency in response to changes in external vibration frequency. .

정보통신 기술의 발달에 따라 이동통신기기, 휴대용 단말기 등이 널리 사용되고 있다. 이러한 기기들의 전원 공급수단으로 충전지를 사용하는 경우에는 충전지를 충전하기 위한 전력이 요구되는데, 야외 등 충전을 위한 설비가 마련되어 있지 않은 장소에서는 전력 공급이 어려워 그 사용에 제약이 따르게 된다.With the development of information and communication technology, mobile communication devices and portable terminals are widely used. When the rechargeable battery is used as a power supply means of these devices, power for charging the rechargeable battery is required. In a place where no facility for charging is provided, such as outdoors, power supply is difficult, and thus the use of the rechargeable battery is restricted.

이러한 불편함을 해결하기 위하여 별도의 전력 공급 설비가 마련되어 있지 않은 장소에서도 충전지를 충전할 수 있도록 하는 소형 발전기가 다양한 구조로 제안되고 있으며, 이러한 목적의 제안 기술로서 압전체를 이용하여 전기를 발생시키는 에너지 변환 기술이 개시되어 있다.In order to solve this inconvenience, a small generator for charging a rechargeable battery even in a place where a separate power supply is not provided has been proposed in various structures, the energy for generating electricity using a piezoelectric element as a proposed technology for this purpose. Conversion techniques are disclosed.

일반적으로 압전체는 외부에서 특정 방향으로 힘을 가하면 내부에서 발생하는 응력에 대응하여 일측 전극에는 정(+)전하, 타측 전극에는 부(-)전하가 유기(有機)되어 양전극 간에 전압이 발생되는데 이러한 현상을 압전 정효과라 하며, 이와 반대로 압전체에 전압을 걸어주어 압전체가 기계적 왜곡현상을 일으키게 되는 현상을 압전 역효과라 한다.In general, when a piezoelectric force is applied in a specific direction from the outside, a positive charge is induced on one electrode and a negative charge is induced on the other electrode to generate a voltage between the two electrodes. The phenomenon is called the piezoelectric positive effect. On the contrary, the phenomenon in which the piezoelectric body causes mechanical distortion by applying a voltage to the piezoelectric body is called a piezoelectric adverse effect.

압전체는 상기와 같이 기계적인 힘(응력)을 전기적 신호(전압)로, 또는 전기적 신호를 기계적인 힘으로 변환시키는 성질을 이용해, 전기를 발생시키는 발전장치로서 다양한 구조로 개발되고 있다.The piezoelectric body has been developed in various structures as a power generating device that generates electricity by using a property of converting a mechanical force (stress) into an electrical signal (voltage) or an electrical signal into a mechanical force as described above.

진동에너지 수확소자의 에너지변환 효율은 주변 진동의 주파수가 수확소자의 공진주파수와 일치할 시 극대화되는데, 일상 진동원들의 주파수는 대부분 시간에 따라 변화(time variant)하므로, 이러한 시변 주파수 진동 환경에서 효과적으로 에너지를 변환하기 위해서는 실시간 및 자동적으로 수확소자의 공진주파수를 조정하는 자가 튜닝(self tuning) 기술이 요구된다.The energy conversion efficiency of the vibratory energy harvesting device is maximized when the frequency of the surrounding vibration matches the resonant frequency of the harvesting device. Since the frequency of the daily vibration sources is mostly time variant, it is effective in such a time-varying frequency vibration environment. In order to convert energy, a self tuning technique that adjusts the resonant frequency of the harvesting device in real time and automatically is required.

에너지 수확소자의 공진주파수 튜닝(tuning)기술은 크게 능동적 튜닝(active tuning)과 수동적 튜닝(passive tuning)으로 분류될 수 있다.Resonant frequency tuning techniques of energy harvesting devices can be classified into active tuning and passive tuning.

압전 액추에이터(piezoelectric actuator) 등을 사용하는 능동적 튜닝은 튜닝된 주파수를 유지, 제어하기 위한 에너지가 상시 소모되는 반면, 이동가능한 프루프 매스(movable proof mass) 등을 사용하는 수동적 튜닝은 튜닝된 공진주파수를 유지, 제어하기 위한 추가적인 에너지 소모가 없다.Active tuning using piezoelectric actuators and the like consumes energy at all times to maintain and control the tuned frequency, while passive tuning using movable proof mass and the like tunes the tuned resonance frequency. There is no additional energy consumption to maintain and control.

그러나, 수동적 튜닝에 의하면, 에너지 수확소자의 동작이 멈추어진 상태에서 공진주파수의 튜닝이 수동적으로 이루어진 후 다시 재가동시키는 과정을 거쳐야 하므로, 주변 주파수의 변화에 맞추어 실시간으로 튜닝하기 어렵다는 단점이 있다.However, according to the manual tuning, since the tuning of the resonant frequency is manually performed in the state where the operation of the energy harvesting device is stopped, it has to be restarted again, and thus it is difficult to tune in real time according to the change of the surrounding frequency.

이러한 종래기술들에 의하면 에너지 변환장치의 공진주파수가 변환장치의 디자인 과정에서 결정된 경우에는, 상기와 같이 별도의 물리적, 전기·전자적 제어요소에 의존하지 않고서는 에너지 변환장치의 공진주파수를 변화시킬 수 없어 시변 주파수 진동 환경에서 에너지 변환을 효과적으로 구현할 수 없다는 한계가 있었다.
According to these prior arts, when the resonant frequency of the energy converter is determined in the design process of the converter, the resonant frequency of the energy converter can be changed without relying on separate physical, electrical and electronic control elements as described above. As a result, energy conversion cannot be effectively implemented in a time-varying frequency vibration environment.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 별도의 물리적, 전기·전자적 제어요소를 이용하지 않고도 외부진동 주파수에 따라 실시간 및 자동으로 공진주파수가 조정되며 시변 주파수 진동 환경에서 효과적으로 에너지를 변환할 수 있는 진동에너지 변환장치, 이에 이용가능한 외팔보 진동체 및 그 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention devised to solve the problems described above, the resonant frequency is adjusted in real time and automatically according to the external vibration frequency without using a separate physical, electrical, electronic control element and effectively energy in a time-varying frequency vibration environment An object of the present invention is to provide a vibration energy converting apparatus that can be converted, a cantilever vibrating body usable therein, and a manufacturing method thereof.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치에 있어서, 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보(110, 120)가 구비되는 외팔보 진동체(100); 및 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면을 구비하여 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)에 결합되며, 상기 외팔보 진동체(100)를 수평방향으로 이동가능하게 가이드하는 외팔보 고정체(200);를 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the object as described above, in the vibration energy conversion device using a cantilever, the cantilever vibrating body is provided with the first, second cantilever (110, 120) of different lengths in which the free ends are directed in opposite directions 100; And a contact surface capable of restraining bending deformation of the first and second cantilever beams 110 and 120, coupled to the cantilever interpolation connection 130 of the cantilever vibration body, and capable of moving the cantilever vibration body 100 in a horizontal direction. The cantilever fixed body 200 to guide the guide; and a vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonant frequency including the technical gist.

여기서, 상기 외팔보 진동체(100)는, PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 같은 압전 폴리머를 포함하여 구성될 수 있다.The cantilever vibrating body 100 may include a piezoelectric polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF).

또한, 상기 외팔보 진동체(100)는, 다수의 상기 제1외팔보(110)가 연속하여 배치되어 형성된 제1외팔보군(110C); 및 다수의 상기 제2외팔보(120)가 연속하여 배치되어 형성된 제2외팔보군(120C);을 포함할 수 있다.In addition, the cantilever vibrating body 100 includes: a first cantilever group (110C) formed by arranging a plurality of the first cantilever (110) in series; And a plurality of second cantilever groups 120C formed by continuously arranging a plurality of the second cantilever 120s.

또한, 상기 외팔보 진동체(100)는, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면에 결합되는 전극(140);을 더 포함할 수 있다.In addition, the cantilever vibrating body 100 is formed of a conductive material capable of forming a movement path of polarized charges in the first and second cantilever beams 110 and 120, so that the first cantilever beam 110 and the second cantilever beam are formed. An electrode 140 coupled to one or both surfaces of the cantilever 120 may be further included.

또한, 상기 외팔보 진동체(100)는, 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)의 자유단부에 결합되는 프루프 매스(proof mass)(150);를 더 포함할 수 있다.In addition, the cantilever vibrator 100 may further include a proof mass 150 coupled to free ends of the first cantilever 110 and the second cantilever 120.

또한, 상기 외팔보 진동체(100)는, 상기 외팔보 고정체(200)상에서의 상대위치에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단부측 일부가 선택적으로 구속될 수 있다.In addition, the cantilever vibrating body 100 may be selectively constrained to a portion of the fixed end side of the first and second cantilever beams 110 and 120 according to a relative position on the cantilever fixture 200.

또한, 상기 외팔보 고정체(200)는, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향으로 왕복가능하게 가이드하는 가이드홈(211)이 형성된 가이드부(210); 및 상기 외팔보 진동체(100)를 사이에 두고 상기 가이드부(210)에 결합되며, 상기 가이드부의 가이드홈(211)과 함께 상기 외팔보 진동체(100)의 수직방향 굴곡 변형을 구속가능한 슬릿형 공간부 및 접촉면을 형성하는 고정부(220);를 포함할 수 있다.In addition, the cantilever fixture 200 is formed with a guide groove 211 for reciprocating the cantilever interlocking connection 130 of the cantilever vibrating body in the longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120. Guide unit 210; And a slit-shaped space coupled to the guide part 210 with the cantilever vibrating body 100 interposed therebetween, and capable of restraining vertical bending deformation of the cantilever vibrating body 100 together with the guide groove 211 of the guide part. And a fixing part 220 forming a part and a contact surface.

또한, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)상에 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향으로 연장형성된 슬릿(131); 및 상기 슬릿(131)을 관통하도록 상기 가이드홈(211)상에 돌출형성되어 상기 슬릿(131)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 범프(bump)(212);를 더 포함할 수 있다.In addition, the slit 131 extending in the longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120 on the cantilever interpolation connecting portion 130 of the cantilever vibration body; And a bump 212 protruding from the guide groove 211 to penetrate the slit 131 to form a horizontal movement limit of the slit 131.

또한, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)상에 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향과 직각을 이루는 방향으로 돌출형성되는 리브(rib)(132); 및 상기 외팔보 고정체(200)상의 상기 리브(132)에 대응되는 위치에 지정너비로 형성되어 상기 리브(132)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 연장가이드홈(213);을 더 포함할 수 있다.In addition, ribs (132) protruding in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the first, second cantilever (110, 120) on the cantilever interlocking portion 130 of the cantilever vibrating body; And an extension guide groove 213 formed at a designated width at a position corresponding to the rib 132 on the cantilever fixture 200 to form a horizontal movement limit of the rib 132. .

또한, 상기 제1외팔보(110)는, 상기 외팔보 진동체(100)의 수평방향 이동에 의해 신축 변형되는 길이범위 중 최단 길이가, 상기 제2외팔보(120)의 최장 길이 보다 긴 길이를 가질 수 있다.In addition, the first cantilever 110, the shortest length of the length range that is stretched and deformed by the horizontal movement of the cantilever vibrating body 100 may have a length longer than the longest length of the second cantilever 120. have.

또한, 상기 제1외팔보(110)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 일측으로 이동된 제1동작상태; 및 상기 제2외팔보(120)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 타측으로 이동된 제2동작상태;를 가질 수 있다.In addition, a first operating state in which the cantilever vibrating body 100 is moved to one side of the cantilever fixture 200 such that the first cantilever 110 has the longest length; And a second operating state in which the cantilever vibrating body 100 is moved to the other side of the cantilever fixing body 200 so that the second cantilever 120 has the longest length.

또한, 본 발명은, 외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치에 있어서, 자유단부가 서로 반대방향을 향하도록 연결된 서로 다른 길이의 외팔보(110, 120)가 구비되며, 외부진동 주파수의 변화에 따른 상기 외팔보(110, 120)간의 관성력 차에 의해 자동으로 슬라이딩 이동되며 위상이 변화되는 외팔보 진동체(100);를 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치를 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, in the vibration energy conversion device using a cantilever, cantilever beams 110 and 120 having different lengths connected to free ends toward each other are provided, and the cantilever beam according to a change in an external vibration frequency ( The vibration energy conversion device capable of self-adjustment of the resonant frequency, including; cantilever vibrating body 100 that is automatically sliding and shifted in phase by the inertia force difference between 110 and 120 as another technical gist.

여기서, 상기 외팔보 진동체(100)는, 슬라이딩 이동 위치에 따라 상기 외팔보(110, 120)의 고정단부의 위치가 달라지며 상기 외팔보(110, 120)의 길이 및 고유주파수가 변화될 수 있다.Here, the cantilever vibrating body 100, the position of the fixed end of the cantilever beam (110, 120) varies depending on the sliding movement position and the length and natural frequency of the cantilever beam (110, 120) can be changed.

또한, 본 발명은, 외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치의 외팔보 진동체(100)에 있어서, 제1외팔보(110); 상기 제1외팔보(110)와 다른 길이를 가지며, 자유단부가 상기 제1외팔보(110)와 반대되는 방향을 향하여 배치되는 제2외팔보(120); 및 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)의 고정단부를 상호 연결하며, 일방향으로 슬라이딩 이동가능한 연속된 외면을 가지는 외팔보간 연결부(130);를 포함하는 진동에너지 변환장치의 외팔보 진동체(100)를 또 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, in the cantilever vibrating body 100 of the vibration energy conversion device using the cantilever, the first cantilever 110; A second cantilever 120 having a length different from that of the first cantilever 110 and having a free end facing in a direction opposite to the first cantilever 110; Cantilever vibration of the vibration energy conversion device comprising; and the cantilever interlocking portion 130 interconnecting the fixed ends of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 and having a continuous outer surface slidable in one direction. Sieve 100 is another technical gist.

또한, 본 발명은, 외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치의 제작방법에 있어서, 필름형 압전소자를 패터닝하여 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보(110, 120)가 구비된 형태의 외팔보 구조체(100a)를 제작하는 구조체형성단계; 상기 외팔보 구조체(100a)의 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면에 전도성 소재를 코팅하여 전극(140)을 형성하는 전극형성단계; 및 상기 외팔보 구조체(100a)의 단부에 프루프 매스(proof mass)(150)를 결합하여 외팔보 진동체(100)의 골조를 완성하는 매스결합단계;를 포함하는 진동에너지 변환장치 제작방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, in the method for manufacturing a vibration energy conversion device using a cantilever, the first and second cantilever beams 110 and 120 of different lengths having the free ends toward the opposite direction by patterning the film-type piezoelectric element is provided A structure forming step of manufacturing a cantilevered structure 100a having a shape; An electrode forming step of forming an electrode 140 by coating a conductive material on a surface of one or both sides of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 of the cantilever structure 100a; And a mass coupling step of coupling a proof mass 150 to an end of the cantilever structure 100a to complete a frame of the cantilever vibrator 100. Make a point.

여기서, 상기 매스결합단계 이후에, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면과 수평방향으로 가이드하는 가이드홈(211)을 구비한 외팔보 고정체(200)상에 결합하는 고정체결합단계;를 더 포함할 수 있다.
Here, after the mass coupling step, the guide groove 211 for guiding the bent interpolation connecting portion 130 of the cantilever vibrating body in the horizontal direction with the restrained contact surface of the first, second cantilever (110, 120) A cantilever coupling step of coupling on the cantilever fixture 200 provided with a; may further include.

상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, 외부 환경의 진동주파수 변화에 따른 외팔보간 원심력 차에 의해 외팔보 진동체가 자동으로 이동하게 되고, 이와 함께 외팔보 진동체에 구비된 외팔보의 길이 또한 신축 변화하는 작동원리를 구현하게 된다.According to the present invention according to the above configuration, the cantilever vibrating body is automatically moved by the cantilever interpolation centrifugal force difference according to the change of vibration frequency of the external environment, and the operation of the cantilever beam also provided in the cantilever vibrating body is also stretched and changed. The principle will be implemented.

이에 따라, 별도의 물리적, 전기·전자적 외부 제어요소 없이도, 외부 환경의 진동주파수에 따라 외팔보의 공진주파수가 실시간 및 자동으로 변화, 조정되며, 특정한 주파수 대역대에만 한정되지 않고, 보다 폭넓은(다수의) 주파수 대역대에 걸쳐 에너지 수확을 구현할 수 있다.
Accordingly, the resonant frequency of the cantilever can be changed and adjusted in real time and automatically according to the vibration frequency of the external environment without a separate physical, electrical, or electronic external control element, and is not limited to a specific frequency band. I) Energy harvesting can be implemented over a frequency band.

도 1 - 본 발명의 제1실시예에 따른 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치의 제1동작상태를 도시한 개념도
도 2 - 본 발명의 제1실시예에 따른 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치의 제2동작상태를 도시한 개념도
도 3 - 도 1, 2의 요부 종단면도
도 4a, 4b, 4c - 외팔보 진동체 제작과정을 도시한 개념도
도 5 - 외팔보 고정체 제작과정을 도시한 개념도
도 6 - 외팔보 진동체를 외팔보 고정체에 조립하는 과정을 도시한 분해사시도
도 7 - 본 발명의 실시예에 따라 제작된 진동에너지 변환장치의 사진
도 8 - 제1동작상태에서 제2동작상태로의 전환과정에서 리브 이동 상태를 촬상한 사진
도 9 - 제2동작상태에서 제1동작상태로의 전환과정에서 리브 이동 상태를 촬상한 사진
도 10 - 제1외팔보가 평형을 이루는 상태를 촬상한 사진
도 11 - 제1외팔보가 최대로 하향굴곡된 상태를 촬상한 사진
도 12 - 제1외팔보가 최대로 상향굴곡된 상태를 촬상한 사진
도 13 - 외팔보의 굴곡 변형에 따른 단부의 이동궤적, 수평 및 수직방향 변위를 나타낸 개념도
도 14 - 본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환장치에서 제1, 2외팔보의 진동에 따라 작용하는 관성력을 나타낸 개념도
도 15 - 본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환장치의 공진주파수 변동특성 확인을 위한 실험장치의 사진
도 16 - 도 15의 모식도
도 17 - 제1동작상태에서 주파수대에 따라 제1, 2외팔보에 작용하는 수평방향 관성력을 나타낸 그래프
도 18 - 제2동작상태에서 주파수대에 따라 제1, 2외팔보에 작용하는 수평방향 관성력을 나타낸 그래프
도 19 - 제1동작상태에서 외부진동주파수를 증가시켜 제2동작상태로 전환되고, 제2동작상태에서 외부진동 주파수를 감소시켜 제1동작상태로 전환되는 과정에서의 제1외팔보의 시간에 따른 공진주파수 변화를 나타낸 그래프
도 20 - 종래기술에 따른 외팔보형 진동에너지 변환장치의 주파수대에 따른 에너지 변환정도를 나타낸 그래프
도 21 - 본 발명의 실시예 따른 진동에너지 변환장치 중 제1외팔보의 주파수대에 따른 에너지 변환정도를 나타낸 그래프
1-A conceptual diagram showing a first operating state of a vibration energy conversion apparatus capable of self-adjusting the resonant frequency according to the first embodiment of the present invention
2 is a conceptual diagram showing a second operating state of a vibration energy converter capable of self-adjusting a resonance frequency according to a first embodiment of the present invention;
3-longitudinal sectional view of the main part of FIGS.
4a, 4b, 4c-conceptual diagram showing the manufacturing process of the cantilever vibrating body
5-conceptual diagram showing a cantilever fixture manufacturing process
Figure 6-exploded perspective view showing the process of assembling the cantilever vibrating body to the cantilever fixture
7 is a photograph of a vibration energy conversion device manufactured according to an embodiment of the present invention.
8-Photographed image of the rib moving state in the process of switching from the first operating state to the second operating state
9-a photograph photographing the rib moving state in the process of switching from the second operating state to the first operating state
10-Photographed image of the first cantilever in equilibrium
11-Photographed image of the first cantilever beam bent downward maximum
12-Picture photographing a state in which the first cantilever is bent upwardly
Fig. 13-A conceptual diagram showing the movement trajectory, horizontal and vertical displacement of the end portion according to the bending deformation of the cantilever beam
14 is a conceptual diagram showing an inertial force acting according to the vibration of the first and second cantilever beams in the vibration energy converter according to the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a photograph of an experimental apparatus for resonant frequency variation characteristics of a vibration energy converter according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.
Figure 16-schematic diagram of Figure 15
17-A graph showing the horizontal inertial forces acting on the first and second cantilever beams according to frequency bands in a first operating state.
18-A graph showing the inertial forces in the horizontal direction acting on the first and second cantilever beams according to frequency bands in a second operating state.
19-In accordance with the time of the first cantilever beam in the process of switching to the second operating state by increasing the external vibration frequency in the first operating state, and switching to the first operating state by decreasing the external vibration frequency in the second operating state. Graph showing change in resonant frequency
20-Graph showing the energy conversion degree according to the frequency band of the cantilever type vibration energy converter according to the prior art
21 is a graph showing the energy conversion degree according to the frequency band of the first cantilever beam of the vibration energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 외부진동 주파수가 다양하게 증감변화되는 시변 주파수 환경에서 에너지를 수확하기 위한 진동에너지 변환 장치에 관한 것으로, 별도의 물리적, 전기·전자적 제어요소에 의존하지 않고, 외부진동 주파수 변화에 따라 고유주파수(공명주파수)를 자가적으로 변화시키며 보다 향상된 에너지 변환 효율을 구현할 수 있는 진동에너지 변환 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vibration energy conversion device for harvesting energy in a time-varying frequency environment in which the external vibration frequency is variously changed and varied, and does not depend on a separate physical, electrical or electronic control element, and inherently changes according to the external vibration frequency change. The present invention relates to a vibration energy conversion device capable of changing the frequency (resonance frequency) by itself and realizing more improved energy conversion efficiency and a method of manufacturing the same.

본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환 장치는, 외부 진동의 영향으로 자유단부가 상, 하로 반복하여 굴곡 변형되며 진동되고, 굴곡 변형에 의한 내부 응력에 대응하여 전하가 분극되며 전압을 발생(전기 에너지로 변환)가능한 압전소자로 구성되며, 그 길이에 따라 고유주파수(공진주파수)가 변화되는 외팔보(cantilever)를 이용한다.Vibration energy conversion device according to an embodiment of the present invention, the free end is repeatedly bent and deformed and vibrated under the influence of external vibration, and the charge is polarized in response to the internal stress caused by the bending deformation to generate a voltage (electric It consists of a piezoelectric element that can be converted into energy, and uses a cantilever whose natural frequency (resonant frequency) changes with its length.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1, 2는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치의 제1동작상태, 제2동작상태를 도시한 개념도이고, 도 3은 도 1, 2의 요부 종단면도이다.1 and 2 are conceptual views illustrating a first operating state and a second operating state of a vibration energy converter capable of self-adjusting a resonant frequency according to a first embodiment of the present invention, respectively. Main part longitudinal section view.

본 발명의 제1실시예에 따른 진동에너지 변환장치는, 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보(110, 120)를 구비한 외팔보 진동체(100)와, 상기 외팔보 진동체(100)를 수평방향으로 이동가능하게 가이드하는 외팔보 고정체(200)로 이루어진다.In the vibration energy converter according to the first embodiment of the present invention, the cantilever vibrating body (100) having the first and second cantilever beams (110, 120) of different lengths with free ends facing in opposite directions, and the cantilever beam It consists of a cantilever fixture (200) for guiding the vibrating body (100) to be movable in a horizontal direction.

상기 외팔보 진동체(100)는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)와, 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)의 고정단부를 상호 연결하며 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향에 해당되는 일방향으로 슬라이딩 이동가능한 연속된 외면을 가지는 외팔보간 연결부(130)로 이루어진다.The cantilever vibrating body 100 connects the fixed ends of the first and second cantilever beams 110 and 120 to the first and second cantilever beams 110 and 120, and the first and second cantilever beams 110. , 120 is made of a cantilever interpolation connecting portion 130 having a continuous outer surface that is slidable in one direction corresponding to the longitudinal direction of.

상기 외팔보 진동체(100)를 PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 같이 수 GPa 이하의 영률(Young`s modulus)(유연성, 탄성)을 가지는 압전 폴리머 등을 포함한 압전소자로 구성하거나, 다른 유연성 소재로 상기 외팔보 진동체(100)의 골조에 해당되는 외팔보 구조체를 제작한 후 압전 폴리머를 그 일부 또는 전반에 걸쳐 결합함으로써 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 수확 특성을 부여할 수 있다.The cantilever vibrating body 100 is composed of a piezoelectric element including a piezoelectric polymer having a Young's modulus (flexibility, elasticity) of several GPa or less, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), or the cantilever with other flexible materials. After fabricating the cantilever structure corresponding to the skeleton of the vibrating body 100, the piezoelectric polymer may be bonded to a part or the whole thereof, thereby giving energy harvesting characteristics for converting vibration energy into electrical energy.

상기 제1, 2외팔보(110, 120)는 하나씩 구비될 수도 있으나, 본 발명의 제1실시예와 같이 다수의 상기 제1외팔보(110)가 연속하여 배치되어 형성된 제1외팔보군(110C)과, 다수의 상기 제2외팔보(120)가 연속하여 배치되어 형성된 제2외팔보군(120C)을 형성할 수도 있다.The first and second cantilever beams 110 and 120 may be provided one by one, but as shown in the first embodiment of the present invention, a plurality of the first cantilever beams 110C are formed in succession and the first cantilever group 110C is formed. In addition, a plurality of second cantilever 120 may be formed in succession to form a second cantilever group 120C.

상기 제1, 2외팔보군(110C, 120C)을 구비하면, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)를 하나씩 구비한 경우와 비교해 에너지 수확가능한 분극 면적의 확대에 의해 에너지 수확효율을 보다 향상시킬 수 있으면서도, 대면적의 일체화된 구조체와 비교해 하나의 상기 제1, 2외팔보(110, 120)와 동일한 정도로 유연성을 구현할 수 있다.When the first and second cantilever groups 110C and 120C are provided, the energy harvesting efficiency can be further improved by expanding the polarization area capable of energy harvesting, as compared with the case where the first and second cantilever groups 110 and 120C are provided one by one. While flexible, it is possible to implement the same degree of flexibility as one of the first and second cantilever beams 110 and 120 compared to a large area integrated structure.

외부진동의 영향으로 굴곡 변형 및 진동하게 되는 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면에는, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성하는 전극(140)이 결합된다.On one or both surfaces of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 that are bent and vibrated under the influence of external vibration, polarization is performed at the first and second cantilever 110 and 120. The electrodes 140 forming the movement path of the charge are combined.

상기 전극(140)은 상기 제, 2외팔보(110, 120)상에의 결합 면적에 비례하여 상기 제1, 2외팔보(110, 120)에서 생성된 전기 에너지의 수확 효율을 증가시킬 수 있으며, 백금, 금, 은, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄, ITO, IGO, AGO, 또는 황화합물 등의 전도성 소재가 적용될 수 있다.The electrode 140 may increase the harvesting efficiency of the electrical energy generated by the first and second cantilever 110 and 120 in proportion to the bonding area on the first and second cantilever 110 and 120, and platinum Conductive materials such as, gold, silver, copper, chromium, nickel, aluminum, ITO, IGO, AGO, or sulfur compounds may be applied.

상기 전극(140)의 전도성 소재를 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 표면에 결합함에 있어서, 고상의 구조체 형태가 아니라, 페이스트(paste) 형태로 스크린 프린트(screen print) 방식으로 형성하면 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 유연한 변형을 저해하지 않으면서도 연속된 전하 이동경로를 명확하게 형성할 수 있다.When bonding the conductive material of the electrode 140 to the surface of the first, second cantilever (110, 120), if not formed in the form of a solid structure in the form of a screen (paste) screen print (screen print) method The continuous charge transfer path can be clearly formed without inhibiting the flexible deformation of the first and second cantilever 110 and 120.

상기 제1, 2외팔보(120)의 자유단부에는 프루프 매스(proof mass)(150)가 결합되며, 상기 프루프 매스(150)는 상기 제1, 2외팔보(120) 자유단부의 자체 질량에 추가로 질량을 부여함으로써 관성력이 보다 명확하게 작용하도록 하기 위한 것으로, 상기 제1, 2외팔보(120)상에 동일한 질량(예를 들어, 0.1g)으로 결합될 수도 있으며, 서로 다른 질량으로 결합될 수도 있다.Proof mass 150 is coupled to the free ends of the first and second cantilever 120, and the proof mass 150 is in addition to its own mass at the free ends of the first and second cantilever 120. In order to make the inertial force work more clearly by giving a mass, the first and second cantilever 120 may be combined with the same mass (for example, 0.1 g) or may be combined with different masses. .

상기 외팔보 고정체(200)는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면을 구비하여 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)에 결합되며, 본 발명의 제1실시예에서는 상기 외팔보간 열결부(130)의 일측면상에 결합되는 가이드부(210)와 타측면상에 결합되는 고정부(220)로 이루어진 구조를 가진다.The cantilever fixture 200 has a contact surface that can restrain the bending deformation of the first and second cantilever beams 110 and 120, and is coupled to the cantilever interpolation connecting portion 130 of the cantilever vibration body. In the example has a structure consisting of a guide portion 210 is coupled to one side of the cantilever interlocking portion 130 and a fixing portion 220 is coupled to the other side.

상기 가이드부(210)에는 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향으로 왕복가능하게 가이드하는 가이드홈(211)이 형성된다.The guide portion 210 is formed with a guide groove 211 for reciprocating the cantilever interlocking portion 130 of the cantilever vibrating body in the longitudinal direction of the first, second cantilever (110, 120).

상기 고정부(220)는 상기 외팔보 진동체(100)를 사이에 두고 상기 가이드부(210)와 결합되며, 상기 가이드부(210)와 결합된 상태에서 상기 가이드부의 가이드홈(211)과 함께 상기 외팔보 진동체(100)의 수직방향 굴곡 변형을 구속가능한 슬릿형 공간부 및 접촉면을 형성한다.The fixing part 220 is coupled to the guide part 210 with the cantilever vibrating body 100 interposed therebetween, with the guide groove 211 of the guide part being coupled to the guide part 210. The slit-shaped space portion and the contact surface which can restrain the vertical bending deformation of the cantilever vibrating body 100 are formed.

상기와 같은 구성에 의해 상기 외팔보 진동체의 제1, 2외팔보(110, 120)는 상기 외팔보 고정체(200)의 양단부를 기준으로 하여 자유단부가 수평방향(도 1, 2, 3상에서 좌우방향)으로 돌출된 형상을 가지게 되며, 상기 외팔보 고정체(200)의 양단부는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속하게 되어, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단부는 상기 외팔보 고정체(200)의 양단부에 해당되는 지점이 된다.By the above configuration, the first and second cantilever beams 110 and 120 of the cantilever vibrating body have a free end portion in a horizontal direction based on both ends of the cantilever fixing body 200 (FIGS. 1, 2 and 3 in left and right directions). It has a protruding shape, and both ends of the cantilever fixture 200 is constrained the bending deformation of the first, second cantilever (110, 120), of the first, second cantilever (110, 120) The fixed end is a point corresponding to both ends of the cantilever fixture (200).

상기와 같이 상기 외팔보 진동체(100)는 상기 외팔보 고정체(200)상에서의 상대위치에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단부측 일부가 상기 외팔보 고정체(200)상에 선택적으로 구속되며 상기 외팔보 고정체(200) 외부로 돌출된 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이가 결정된다.As described above, the cantilever vibrating body 100 has a fixed end side portion of the first and second cantilever beams 110 and 120 according to a relative position on the cantilever fixing body 200 on the cantilever fixing body 200. The lengths of the first and second cantilever beams 110 and 120 that are selectively restrained and protrude out of the cantilever fixture 200 are determined.

상기 외팔보 고정체(200) 외부로 노출된 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 자유단부는 납작한 종단면형상과 상기 외팔보 고정체(200) 구성 소재의 유연성에 의해 수직방향(도 1, 2, 3의 상하방향)으로 젖혀지는 굴곡 변형이 가능하며, 외부진동에 의해 상기와 같은 형태로 진동 내지 공진하게 된다.The free ends of the first and second cantilever beams 110 and 120 exposed to the outside of the cantilever fixture 200 are vertical in the vertical direction due to the flat longitudinal section shape and the flexibility of the material of the cantilever fixture 200. , Up and down direction of 3) can be bent deformation, and the vibration or resonance in the form as described above by the external vibration.

상기 제1, 2외팔보(110, 120)는 그 길이의 차에 따라 서로 다른 고유주파수(공진주파수)를 가지므로, 동일한 외부진동 주파수대에서도 그 중 일측만 진동되거나 서로 다른 정도로 진동하는 것과 같이 그 진동형태가 서로 다르며, 이에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 각각에 수평방향으로 작용하는 힘 또한 서로 달라지게 된다.Since the first and second cantilever beams 110 and 120 have different natural frequencies (resonant frequencies) according to differences in their lengths, the first and second cantilever beams 110 and 120 have different natural frequencies (resonant frequencies). The shapes are different from each other, and thus the forces acting in the horizontal direction on the first and second cantilever beams 110 and 120 are also different from each other.

도 13은 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형에 따른 단부의 이동궤적, 수평 및 수직방향 변위를 나타낸 개념도이고, 도 14는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 진동에 따라 작용하는 관성력을 나타낸 개념도이다.FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating movement trajectories, horizontal and vertical displacements of end portions of the first and second cantilever beams 110 and 120 according to the bending deformation of the first and second cantilever beams 110 and 120, and FIG. 14 illustrates vibrations of the first and second cantilever beams 110 and 120. This is a conceptual diagram showing the inertial force acting upon.

도 13, 14를 참조하면, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)는 상기와 같은 형태로 진동 시 고정단부를 기준으로 하여 자유단부가 일정한 거리를 두고 원형 궤적(trajectory)을 이루게 되므로 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 각각에는 원심력(가속도 운동(예를 들어, 원운동) 시 발생되는 관성력)(도 14상에서 F1, F2)이 작용하게 된다.Referring to FIGS. 13 and 14, the first and second cantilever beams 110 and 120 have a circular trajectory at a predetermined distance with respect to the fixed end when the vibration is performed as described above. Centrifugal force (inertial force generated during acceleration motion (for example, circular motion)) (F 1 , F 2 in FIG. 14) is applied to each of the 1 and 2 cantilever beams 110 and 120.

상기 제1, 2외팔보(110, 120)에 작용하는 수평방향 원심력(도 14상에서 Fx1, Fx2) 중 상기 제1외팔보(110)측에 작용하는 수평방향 원심력이 상대적으로 클 경우에는, 도 1, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같은 제1동작상태(phase 1)를 유지하거나 상기 제1동작상태측으로 전환되며, 상기 제2외팔보(120)측에 작용하는 수평방향 원심력이 상대적으로 클 경우에는, 도 2, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같은 제2동작상태(phase 2)를 유지하거나 상기 제2동작상태측으로 전환된다.When the horizontal centrifugal force acting on the first cantilever 110 side among the horizontal centrifugal forces (F x1 , F x2 in FIG. 14) acting on the first and second cantilever 110 and 120 is relatively large, FIG. 1, the first operating state (phase 1) as shown in (a) of FIG. 3 is maintained or switched to the first operating state side, the horizontal centrifugal force acting on the second cantilever 120 side is relatively If large, the second operation state (phase 2) as shown in Figs. 2 and 3 (b) is maintained or is switched to the second operation state side.

도 1, 도 3의 (a)에 도시된 상기 제1동작상태는 상기 제1외팔보(110)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 일측으로 이동된 상태이며, 도 2, 도 3의 (b)에 도시된 상기 제2동작상태는 상기 제2외팔보(120)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 타측으로 이동된 상태이다.In the first operating state illustrated in FIGS. 1 and 3A, the cantilever vibrator 100 moves to one side of the cantilever fixture 200 such that the first cantilever 110 has the longest length. 2 and 3 (b), the cantilever vibrating body 100 is the cantilever fixture 200 so that the second cantilever 120 has the longest length. It is moved to the other side of.

상기 제1동작상태에서, 외부진동 주파수의 변화에 의해 상기 제1외팔보(110)에 작용하는 수평방향 관성력보다 상기 제2외팔보(120)에 작용하는 수평방향 관성력이 커지는 경우에는, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)간의 관성력 차에 의해 상기 외팔보간 연결부(130)가 상기 외팔보 고정체(200)상에서 자동으로 슬라이딩 이동되며 상기 외팔보 진동체(100)의 위상이 상기 제2동작상태측으로 변화하게 된다.In the first operating state, when the horizontal inertial force acting on the second cantilever 120 is greater than the horizontal inertial force acting on the first cantilever 110 by the change of the external vibration frequency, the first, The cantilever interlocking portion 130 is automatically slid on the cantilever fixing body 200 by the inertia force difference between the two cantilever beams 110 and 120, and the phase of the cantilever vibrating body 100 changes to the second operating state side. Done.

반대로, 상기 제2동작상태에서, 외부진동 주파수의 변화에 의해 상기 제2외팔보(120)에 작용하는 수평방향 관성력보다 상기 제1외팔보(110)에 작용하는 수평방향 관성력이 커지는 경우에는, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)간의 관성력 차에 의해 상기 외팔보간 연결부(130)가 상기 외팔보 고정체(200)상에서 자동으로 슬라이딩 이동되며 상기 외팔보 진동체(100)의 위상이 상기 제1동작상태측으로 변화하게 된다.On the contrary, when the horizontal inertial force acting on the first cantilever 110 becomes larger than the horizontal inertial force acting on the second cantilever 120 by the change of the external vibration frequency in the second operating state, The cantilever interlocking portion 130 is automatically slid on the cantilever fixture 200 by the inertia force difference between the 1 and 2 cantilever beams 110 and 120, and the phase of the cantilever vibrating body 100 is in the first operating state. Will change to the side.

본 발명의 제1실시예에서 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)상에는 슬릿(131)이 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향(도 1, 2, 3상에서 좌우방향)으로 연장형성되고, 상기 외팔보 고정체의 가이드홈(211)상에는 상기 슬릿(131)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 범프(bump)(212)가 상기 슬릿(131)을 관통가능하도록 돌출형성된다.In the first embodiment of the present invention on the cantilever interlocking connection 130 of the cantilever vibrating body slit 131 is the longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120 (left and right directions in Figs. 1, 2 and 3 phases). And a bump 212 protruding from the slit 131 to form a horizontal movement limit of the slit 131 on the guide groove 211 of the cantilever fixture.

이에 따라, 상기 슬릿(131)과 범프(212)간의 수평방향 너비 차이가 상기 외팔보 진동체(100)의 최대 이동 변위를 결정하게 되며, 상기 슬릿(131) 또는 범프(212)의 상대적 형성위치가 상기 제1동작상태와 제2동작상태에서의 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이를 결정하게 된다.Accordingly, the horizontal width difference between the slit 131 and the bump 212 determines the maximum displacement of the cantilever vibrating body 100, and the relative forming position of the slit 131 or the bump 212 is determined. The lengths of the first and second cantilever beams 110 and 120 in the first and second operating states are determined.

또한, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)의 직각방향(상기 제1, 2외팔보의 길이방향과 직각되는 수평방향) 측면부상에는 다수의 리브(rib)(132)가 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향과 직각을 이루는 방향으로 돌출형성되고, 상기 외팔보 고정체(200)상에는 상기 리브(132)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 연장가이드홈(213)이 상기 리브(132)에 대응되는 위치에 지정너비로 형성된다.In addition, a plurality of ribs 132 may be formed on the side portions of the cantilever interlocking portions 130 of the cantilever vibrating body in a right angle direction (a horizontal direction perpendicular to the longitudinal direction of the first and second cantilever beams). The extension guide groove 213 is formed to protrude in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cantilever (110, 120), the horizontal guide groove 213 on the cantilever fixture 200 to form a horizontal movement limit of the rib (132) 132 is formed in a designated width at a position corresponding to 132.

상기 리브(132)와 연장가이드홈(213) 또한, 상기 슬릿(131)과 범프(212)의 경우와 마찬가지로, 그 수평방향(상기 제1, 2외팔보의 길이방향) 너비 차이가 상기 외팔보 진동체(100)의 최대 이동 변위를 결정하게 되며, 상기 리브(132)와 연장가이드홈(213)의 상대적 형성위치가 상기 제1동작상태와 제2동작상태에서의 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이를 결정하게 된다.Like the case of the slit 131 and the bump 212, the rib 132 and the extension guide groove 213, the width difference in the horizontal direction (the longitudinal direction of the first and second cantilever beams) is the cantilever vibrating body Determine the maximum displacement of the movement of the (100), the relative forming position of the rib 132 and the extension guide groove 213 is the first, second cantilever 110, in the first and second operating state 120) to determine the length.

상기 슬릿(131)과 범프(212), 다수의 리브(132)와 연장가이드홈(213)의 구조는 각각 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)의 중간부와, 직각방향 좌, 우측부, 길이방향 전, 후측부에 해당되는 다수의 개소에서 상기 외팔보 진동체(100)의 지정 변위내 수평방향(상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향) 슬라이딩 이동을 안정적으로 가이드하게 된다.The slits 131 and the bumps 212, the plurality of ribs 132, and the extension guide grooves 213 may be formed in the middle of the cantilevered oscillator and the interpolated connecting part 130 of the cantilever oscillator, respectively, in a right and left direction. In order to stably guide the sliding movement in the horizontal direction (the longitudinal directions of the first and second cantilever beams 110 and 120) within a predetermined displacement of the cantilever vibrating body 100 at a plurality of places corresponding to the front and rear sides in the longitudinal direction. do.

상기 외팔보 진동체(100)는 상기와 같이 외부진동 주파수의 변화에 따라 상기 외팔보 고정체(200)상에서 자동으로 이동하게 되며, 상기 외팔보 고정체(200)상에서의 슬라이딩 이동 위치에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 고정단부의 위치가 달라지게 되고, 이와 동시에 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 각각의 길이 및 고유진동수 또한 실시간으로 변화하게 된다.The cantilever vibrating body 100 is automatically moved on the cantilever fixture 200 according to the change of the external vibration frequency as described above, and according to the sliding movement position on the cantilever fixture 200. The positions of the fixed ends of the cantilever beams 110 and 120 are changed, and at the same time, the lengths and natural frequencies of the first and second cantilever beams 110 and 120 are also changed in real time.

다음으로, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제1실시예에 따른 진동에너지 변환장치의 제작방법에 대해 설명하기로 한다.Next, a manufacturing method of the vibration energy converter according to the first embodiment of the present invention having the above configuration will be described.

도 4a의 (a), (b), 4b, 4c는 상기 외팔보 진동체(100)의 제작과정을 도시한 개념도이고, 도 5의 (a), (b), (c)는 상기 외팔보 고정체(200)의 제작과정을 도시한 개념도이며, 도 6은 상기 외팔보 진동체(100)를 상기 외팔보 고정체(200)에 조립하는 과정을 도시한 분해사시도이다.(A), (b), 4b, 4c of Figure 4a is a conceptual diagram showing the manufacturing process of the cantilever vibrating body 100, Figure 5a, (b), (c) is the cantilever fixture FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a manufacturing process of the 200, and FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a process of assembling the cantilever vibrating body 100 to the cantilever fixing body 200.

상기 본 발명의 제1실시예에 따른 진동에너지 변환장치는, 상기 외팔보 진동체(100)를 제작하는 과정인 구조체형성단계, 전극형성단계, 매스결합단계와, 상기 외팔보 진동체(100)를 상기 외팔보 고정체(200)와 결합하는 고정체결합단계를 거쳐 제작될 수 있다.In the vibration energy conversion device according to the first embodiment of the present invention, the structure forming step, the electrode forming step, the mass coupling step and the cantilever vibrating body 100, which is a process of manufacturing the cantilever vibrating body 100, The cantilever fixture 200 may be manufactured through a fixture coupling step of coupling with the fixture.

도 4a를 참조하면, 상기 구조체형성단계에서는, PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 같이 유연성을 가지는 필름형 압전소자(예를 들어, 두께 : 110㎛, 0.5mm 이하 등)(도면부호 미표기)를 레이저(laser) 등을 이용해 패터닝하여 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 상기 제1, 2외팔보(110, 120)가 구비된 형태의 외팔보 구조체(100a)를 제작한다.Referring to FIG. 4A, in the structure forming step, a film-type piezoelectric element having flexibility such as PVDF (polyvinylidene fluoride) (eg, thickness: 110 μm, 0.5 mm or less, etc.) (not shown) is lasered. The cantilever structure 100a having a shape having the first and second cantilever beams 110 and 120 having different lengths having free ends facing in the opposite direction is manufactured by patterning the same.

도 4b를 참조하면, 상기 전극형성단계에서는, 전도성 소재로 구성된 페이스트를 스크린 프린트 공정에 의해 상기 외팔보 구조체(100a)의 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면 및 외팔보간 연결부(130)에 연속적으로 코팅하여 전극(140)을 형성한다.Referring to FIG. 4B, in the electrode forming step, a paste made of a conductive material may be formed on the surface of one or both of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 of the cantilever structure 100a by a screen printing process. The electrode 140 is formed by continuously coating the cantilever interpolation connector 130.

본 발명의 제1실시예에서 상기 외팔보간 연결부(130)상에 형성된 상기 전극(140)은 상기 다수의 리브(132) 중 상기 슬릿(131)과 인접하지 않은 일부까지 형성된 구조를 가지나, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)와 외부장치와의 전기적 연결 경로를 형성한다면 특정한 구조와 형상으로 한정되지 않는다.In the first embodiment of the present invention, the electrode 140 formed on the cantilever interpolation connecting portion 130 has a structure formed up to a part of the plurality of ribs 132 that is not adjacent to the slit 131, If the electrical connection path between the first and second cantilever (110, 120) and the external device is formed is not limited to a specific structure and shape.

상기 전극(140)은 리드선 등으로 에너지 회수를 위한 전자회로(미도시)에 연결되며, 상기 외팔보 구조체(100a)의 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측에서 분극된 전하(변환된 전기에너지)는 상기 외팔보간 연결부(130)를 통해 상기 전자회로측으로 전달된다.The electrode 140 is connected to an electronic circuit (not shown) for energy recovery using a lead wire, and is polarized at one or both sides of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 of the cantilever structure 100a. Charge (converted electrical energy) is transferred to the electronic circuit side through the cantilever interpolation connector 130.

도 4c를 참조하면, 상기 매스결합단계에서는, 상기 외팔보 구조체(100a) 중 수직방향 진동 변위를 가지는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 자유단부에 상기 프루프 매스(150)를 결합하여, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 자체 질량 및 프루프 매스(150)에 의한 추가 질량에 의해 작용하게 되는 관성력에 의해 상기 외팔보 진동체(100)의 수직방향 진동을 명확하고 안정적으로 유도한다.Referring to FIG. 4C, in the mass coupling step, the proof mass 150 is coupled to the free ends of the first and second cantilever beams 110 and 120 having a vertical vibration displacement among the cantilever structures 100a. The inertial force acting by the masses of the first and second cantilever beams 110 and 120 and the additional mass by the proof mass 150 clearly and stably induces the vertical vibration of the cantilever vibration body 100. .

도 5를 참조하면, 상기 외팔보 고정체(200)는 PMMA(Polymethly Methacrylate)와 같이 성형성, 가공성, 경도 및 표면광택이 우수한 아크릴수지 등을 소재로 하여 감광액코팅단계, 노광단계, 현상단계, 양생단계, 절연막분리단계를 거쳐 제작할 수 있다.Referring to FIG. 5, the cantilever fixture 200 has a photoresist coating step, an exposure step, a developing step, and a curing process using an acrylic resin having excellent formability, processability, hardness, and surface gloss, such as polymethly methacrylate (PMMA). It can be produced through the step, insulating film separation step.

상기 감광액코팅단계에서는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 판상의 PMMA 구조물(structure)(도면부호 미표기)상에 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 감광물질(photoresist)(예를 들어, SU-8 등의 네거티브 감광물질(negative photoresist) 등 식각액에 용융가능한 소재를 코팅(deposition)한다.In the photoresist coating step, a photoresist (for example, as shown in FIG. 5B) is formed on a plate-shaped PMMA structure (not shown) as shown in FIG. 5A. A meltable material is coated on an etchant such as a negative photoresist such as SU-8 and SU-8.

상기 노광단계에서는 상기 가이드홈(211), 범프(212), 연장가이드홈(213)에 대응되는 형상의 채널이 형성된 포토마스크를 상기 감광물질 상측에 두고 상기 감광물질을 노광하며, 상기 현상단계에서는 상기 PMMA 구조물을 현상액에 담궈 상기 감광물질 중 노광되지 않는 부분을 제거함으로써, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 PMMA 구조물 표면에 상기 가이드홈(211), 범프(212), 연장가이드홈(213)에 대응되는 형상의 홈부를 형성한다.In the exposing step, a photomask having a channel corresponding to the guide grooves 211, the bumps 212, and the extension guide grooves 213 is disposed above the photosensitive material to expose the photosensitive material. By immersing the PMMA structure in a developer solution to remove the unexposed portion of the photosensitive material, as shown in (c) of FIG. 5, the guide grooves 211, bumps 212, extension guides on the surface of the PMMA structure. A groove portion having a shape corresponding to the groove 213 is formed.

도 6을 참조하면, 상기 고정체결합단계에서는, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 사이에 두고, 상기 외팔보 고정체의 가이드부(210)와 고정부(220)를 상호 결합한다.Referring to FIG. 6, in the fixing unit coupling step, the cantilever interlocking unit 130 of the cantilever vibrating body is interposed therebetween, and the guide unit 210 and the fixing unit 220 of the cantilever fixing unit are coupled to each other.

본 발명의 제1실시에에서 상기 고정부(220)는 상기 가이드부(210)와 접촉되는 일면이 평탄한 판상형을 가지며, 상기 외팔보 고정체의 가이드부(210)와 고정부(220)간의 접촉은, 상기 가이드홈(211), 범프(212), 연장가이드홈(213)을 제외한, 도 5의 (c)에 도시된 상태의 상면에 대응되는 부분에서 이루어지게 된다.In the first embodiment of the present invention, the fixing portion 220 has a flat plate-like surface in contact with the guide portion 210, the contact between the guide portion 210 and the fixing portion 220 of the cantilever fixture In addition, the guide grooves 211, bumps 212, and extension guide grooves 213 may be made at portions corresponding to the upper surface of the state shown in FIG.

상기 가이드부(210)와 고정부(220)는 상기 외팔보 진동체(100)를 사이에 두고 상호 결합된 상태에서 상기 가이드부의 가이드홈(211) 내부에 위치하게 되는 상기 외팔보 진동체(100)의 굴곡 변형을 구속가능한 슬릿형 공간부를 형성하게 된다.The guide part 210 and the fixing part 220 of the cantilever vibrating body 100 are positioned inside the guide groove 211 of the guide part in a state where the cantilever vibrating body 100 is interposed therebetween. The slit-shaped space portion can be formed to constrain the bending deformation.

상기 외팔보 고정체(200)상에 슬릿형 공간부를 형성함에 있어서는 상기 가이드부(210)와 고정부(220) 양측 모두에 상기 가이드홈(211)을 형성할 수도 있으나, 상기 가이드부(210)와 고정부(220) 중 일측에만 상기 가이드홈(211)을 형성하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 과정을 상기 가이드부(210)에만 적용함으로써 보다 간단하게 제작할 수 있다. In forming the slit-shaped space portion on the cantilever fixture 200, the guide groove 211 may be formed on both the guide portion 210 and the fixing portion 220, but the guide portion 210 and When the guide groove 211 is formed on only one side of the fixing part 220, the process shown in FIG. 5 may be more simply manufactured by applying the process as shown in FIG. 5 only to the guide part 210.

도 7은 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작한 진동에너지 변환장치의 사진이며, 도 8은 실제로 제작한 진동에너지 변환장치의 주파수 변환 특성 실험 중에 상기 제1동작상태에서 상기 제2동작상태로 전환된 상태에서 상기 리브(rib)(132)를 확대하여 촬상한 사진이다.7 is a photograph of the vibration energy conversion device actually manufactured according to the embodiment of the present invention as described above, Figure 8 is the second operation in the first operating state during the frequency conversion characteristics of the vibration energy conversion device actually manufactured It is a photograph taken by enlarging the rib 132 in the state switched to the state.

도 9는 상기 제2동작상태에서 상기 제1동작상태로 전환된 상태에서 상기 리브(132)를 확대하여 촬상한 사진이며, 도 10, 11, 12는 각각 상기 제1외팔보(110)가 평형을 이루는 상태, 최대로 하향굴곡된 상태, 최대로 상향굴곡된 상태를 촬상한 사진이다.9 is an enlarged photograph of the rib 132 in a state in which the second operating state is switched to the first operating state. FIGS. 10, 11, and 12 show that the first cantilever 110 equilibrates with each other. It is the photograph which photographed the state which achieves, the state which bends down maximum, and the state which bends up maximum.

도 7을 참조하면, 투명한 PMMA 소재로 상기 외팔보 고정체(200)를 형성하고, SU-8 소재로 상기 가이드홈(211), 범프(212) 및 연장가이드홈(213)을 포함한 홈부를 제작가능한 것을 확인할 수 있으며 도 6과 비교하여, 상기 다수의 리브(132) 중 상기 전극(140)(흰색) 형성된 일부가 상기 외팔보 고정체(200) 외부로 노출되게 형성된 구조를 가진다.Referring to FIG. 7, the cantilever fixture 200 may be formed of a transparent PMMA material, and a groove part including the guide groove 211, the bump 212, and the extension guide groove 213 may be manufactured from a SU-8 material. 6, a portion of the plurality of ribs 132 formed in the electrode 140 (white) is exposed to the outside of the cantilever fixture 200.

상기와 같이 상기 전극(140)을 상기 외팔보 고정체(200) 외부로 노출시킴으로써 리드선 등을 이용해 용이하게 외부의 전자회로(미도시)와 연결할 수 있다.As described above, the electrode 140 may be exposed to the outside of the cantilever fixture 200 to easily connect with an external electronic circuit (not shown) using a lead wire or the like.

상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)를 서로 다른 길이로 형성함에 있어서는, 상기 외팔보 진동체(100)의 수평방향 이동에 의해 신축 변형되는 상기 제1외팔보(110)의 길이범위 중 최단 길이가, 상기 제2외팔보(120)의 최장 길이 보다 긴 길이를 가지도록 형성한다(예를 들어, 상기 제1외팔보(110)의 길이범위 12~14mm, 상기 제2외팔보(120)의 길이범위 9.5~11.5mm).In forming the first cantilever beam 110 and the second cantilever beam to have different lengths, the length of the first cantilever beam elastically deformed by the horizontal movement of the cantilever vibration body 100. The shortest length is formed to have a length longer than the longest length of the second cantilever 120 (for example, the length range of 12 ~ 14mm of the first cantilever 110, the length of the second cantilever 120 Range 9.5 ~ 11.5mm).

도 8, 9를 참조하면, 상기 리브(132)는 상기 제1동작상태에서 상기 연장가이드홈(213)상의 일측에 편중되게 위치하고, 상기 제2동작상태에서 상기 연장가이드홈(213)상의 타측에 편중되게 위치하는 것을 확인할 수 있다.8 and 9, the ribs 132 are located on one side on the extension guide groove 213 in the first operating state, and on the other side on the extension guide groove 213 in the second operating state. We can see that we are located biasedly.

상기 리브(132)를 형성함에 있어서, 도 8, 9에 도시된 바와 같이, 상기 제1동작상태에서의 위치와 제2동작상태에서의 위치 사이에 상기 리브(132)의 왕복 이동경로측으로 볼록하게 돌출된 형상의 요철부(도면부호 미표기)를 형성하면, 상기 요철부에 의해 상기 리브(132)가 상기 제1동작상태에서 상기 제2동작상태에 이르는 전경로에 걸쳐서 안정적으로 위치되기 어려워 상기 제1동작상태 또는 제2동작상태만을 선택적으로 구현하게 된다.In forming the rib 132, as shown in Figs. 8 and 9, it is convex toward the reciprocating movement path side of the rib 132 between the position in the first operating state and the position in the second operating state. When the uneven portion (not shown) of the protruding shape is formed, the rib 132 is difficult to be stably positioned over the foreground path from the first operating state to the second operating state by the uneven portion. Only the first operation state or the second operation state is selectively implemented.

도 10, 11, 12를 참조하면, 상기 제1외팔보(110)의 고정단에서 자유단까지의 거리가 14mm의 길이를 가지는 경우, 최대로 하향, 상향굴곡된 상태에서도 그 거리가 각각 13.1mm, 13.6mm로써 1mm이하의 미세한 차이를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라, 상기 제1외팔보(110) 진동 시 고정단을 기준으로 하여 자유단이 일정한 거리를 두고 원형 궤적(trajectory)을 이룬다고 근사화할 수 있다.10, 11, and 12, when the distance from the fixed end to the free end of the first cantilever 110 has a length of 14mm, the distance is 13.1mm, even in the maximum downward and upward bending state, respectively It can be seen that there is a slight difference of less than 1mm as 13.6mm, according to this, it can be approximated that the free end forms a circular trajectory at a certain distance with respect to the fixed end during the vibration of the first cantilever 110. Can be.

도 13, 14를 참조하여 외부진동의 인가에 의해 진동중인 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 수평방향 및 수직방향 성분을 구체적으로 분석하면, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)는 외부진동 F0sin(2πft)의 인가에 의해 자유단부가 수평변위 Δ와 수직변위 δB를 가지며, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단 A에 가장 큰 굽힘 모멘트가 작용하게 된다.Referring to FIGS. 13 and 14, when the horizontal and vertical components of the first and second cantilever beams 110 and 120 are vibrated by the application of external vibration in detail, the first and second cantilever beams 110 and 120 may be analyzed. The free end has a horizontal displacement Δ and a vertical displacement δ B by the application of external vibration F 0 sin (2πft), so that the largest bending moment acts on the fixed ends A of the first and second cantilever beams 110 and 120. do.

상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 자유단 B는 실제 타원 형태의 궤적으로 운동하게 되나, 변형된 길이 AB는 외팔보의 변형전 길이 L와 비교해 그 차이를 무시할 수 있을 정도로 근접하므로, 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 자유단 궤적의 휨 커브(deflection curve)는 원형 호를 이룬다고 가정할 수 있다.The free ends B of the first and second cantilever beams 110 and 120 move in the shape of an actual elliptic trajectory, but the modified length AB is close enough to ignore the difference compared to the length L of the cantilever beam before deformation. It may be assumed that the deflection curves of the free end trajectories of the first and second cantilever 110 and 120 form a circular arc.

상기 수평(x축)변위 Δ는,The horizontal (x-axis) displacement Δ,

Figure 112011055454009-pat00001
가 되며,
Figure 112011055454009-pat00001
Respectively,

상기 수직(y축)변위 δB는,The vertical (y-axis) displacement δ B is

Figure 112011055454009-pat00002
Figure 112011055454009-pat00002

상기

Figure 112011055454009-pat00003
는 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 감쇠비(damping ratio)이고, k는 스프링 상수이며, fn은 공진주파수이다.remind
Figure 112011055454009-pat00003
Is a damping ratio of the first and second cantilever 110 and 120, k is a spring constant, and f n is a resonance frequency.

또한, 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 자유단부의 선속도 v는,In addition, the linear velocity v of the free ends of the first and second cantilever (110, 120),

Figure 112011055454009-pat00004
Figure 112011055454009-pat00004

상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 자유단에 결합된 상기 프루프 매스(150)의 질량 m1과 m2는 각각 원심력 F1과 F2를 받으며, 상기 외팔보 진동체(100)는 원심력 F1과 F2의 수평성분 Fx1과 Fx2의 차이에 따라 수평이동이 가능하다.The mass m 1 and m 2 of the proof mass 150 coupled to the free ends of the first and second cantilever 110, 120 receive centrifugal forces F 1 and F 2 , respectively, and the cantilever vibrating body 100 has a centrifugal force. The horizontal movement is possible according to the difference between the horizontal components F x1 and F x2 of F 1 and F 2 .

외부진동 주파수 f에 따른 Fx1과 Fx2를 구하기 위하여, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 변형은 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단 A에서 주로 발생하며(

Figure 112011055454009-pat00005
), 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 자유단의 수직변위 δB가 일반적인 스프링-질량-댐퍼(spring-mass-damper) 시스템을 따른다고 가정하면, 수평 관성력 Fx1, Fx2는,In order to obtain F x1 and F x2 according to the external vibration frequency f, deformation of the first and second cantilever beams 110 and 120 mainly occurs at the fixed end A of the first and second cantilever beams 110 and 120 (
Figure 112011055454009-pat00005
), Assuming that the vertical displacement δ B of the free ends of the first and second cantilever beams 110 and 120 follows a general spring-mass-damper system, horizontal inertia forces F x1 and F x2 are

Figure 112011055454009-pat00006
Figure 112011055454009-pat00006

을 통해 수식적으로 근사화할 수 있다.It can be approximated by using.

상기 수식들에 근거하여, 다수의 시제품을 제작, 실험한 후 수정하는 번거로운 과정을 반복적으로 거치지 않고도, 본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환장치가 지정범위의 공진주파수 대역대를 가지도록 설계할 수 있다.Based on the above formulas, the vibration energy converter according to the embodiment of the present invention can be designed to have a resonant frequency band in a specified range without repeatedly undergoing a cumbersome process of making, experimenting and modifying a plurality of prototypes. Can be.

도 15는 상기 본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환장치의 공진주파수 변동특성 확인을 위한 실험장치의 사진이고, 도 16은 도 15의 모식도이다.FIG. 15 is a photograph of an experimental apparatus for resonant frequency variation characteristics of a vibration energy converter according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a schematic diagram of FIG. 15.

도 15, 16을 참조하면, 신호발생기(function generator)와 가진기(vibration source, excitor), 부하 저항(load resistance), 오실로스코프(oscilloscope) 등의 실험 기구(setup)를 통하여 외부진동 주파수를 증감 변화시키며 본 발명에 따른 진동에너지 변환장치의 특성을 실험하였다.Referring to FIGS. 15 and 16, the external vibration frequency is increased or changed through a setup such as a function generator, a vibration source, an excitor, a load resistance, an oscilloscope, and the like. The characteristics of the vibration energy converter according to the present invention were tested.

본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작한 상기 외팔보 진동체(100)는, 수평방향 이동에 의해 신축 변형되는 상기 제1외팔보(110)의 길이범위 중 최단 길이가 상기 제2외팔보(120)의 최장 길이 보다 긴 길이를 가지도록 형성하였다.The cantilever vibrating body 100 actually manufactured according to an embodiment of the present invention has the shortest length among the length ranges of the first cantilever 110 that is elastically deformed by horizontal movement. It was formed to have a length longer than the length.

즉, [상기 제1동작상태에서의 상기 제1외팔보(110)의 길이 L1 > 상기 제2동작상태에서의 상기 제1외팔보(110)의 길이 L1' > 상기 제2동작상태에서의 상기 제2외팔보(120)의 길이 L2' > 상기 제1동작상태에서의 제2외팔보(120)의 길이 L2가 되도록 제작하였으며, 이하 도 17 내지 도 21은 이러한 구조에 따른 외부진동 주파수 대역별 실험 결과를 정리한 것이다.That is, [the length L 1 of the first cantilever 110 in the first operating state> the length L 1 ′ of the first cantilever 110 in the second operating state> the length of the first cantilever 110 in the second operating state. The length L 2 ′ of the second cantilever 120 is manufactured such that the length L 2 of the second cantilever 120 in the first operating state is described below. FIGS. 17 to 21 show the external vibration frequency bands according to the structure. The results of the experiment are summarized.

도 17, 18은 각각 상기 제1동작상태, 제2동작상태에서 주파수대에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120)에 작용하는 수평방향 관성력을 나타낸 그래프이다.17 and 18 are graphs showing horizontal inertia forces acting on the first and second cantilever beams 110 and 120 according to frequency bands in the first and second operating states, respectively.

도 17을 참조하면, 상기 제1동작상태에서의 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 각각의 공진주파수 f1과 f2는 f1<f2가 되며, 상기 제1동작상태에서 외부진동 주파수 f를 f1보다 낮은 주파수 대역대에서 f2보다 높은 주파수 대역대로 점차 증가시키는 경우, f1에 해당되는 주파수 대역대에서 상기 제1외팔보(110)의 수평 관성력 Fx1는 최대가 되고, f2에 해당되는 주파수 대역대에서 상기 제2외팔보(120)의 수평 관성력 Fx2는 최대가 된다.Referring to FIG. 17, the resonant frequencies f 1 and f 2 of the first and second cantilever 110 and 120 in the first operating state are f 1 <f 2 , and the external vibration is performed in the first operating state. When the frequency f is gradually increased from a frequency band lower than f 1 to a frequency band higher than f 2 , the horizontal inertia force F x1 of the first cantilever 110 becomes maximum in the frequency band corresponding to f 1 , and f In the frequency band corresponding to 2 , the horizontal inertial force F x2 of the second cantilever 120 becomes maximum.

외부진동 주파수 f가 점차 증가하여 f2에 근접하게 될수록 상기 제1외팔보(110)의 진폭(수평 관성력 Fx1)은 감소하고, 상기 제2외팔보(120)의 진폭(수평 관성력 Fx2)의 진폭이 증가하므로, Fx2가 Fx1보다 큰 값을 갖는 외부진동 주파수 fs(f1<fs<f2)가 존재한다. As the external vibration frequency f gradually increases and approaches f 2 , the amplitude of the first cantilever 110 (horizontal inertia force F x1 ) decreases, and the amplitude of the second cantilever 120 (horizontal inertia force F x2 ). Since this increases, there is an external vibration frequency f s (f 1 <f s <f 2 ) in which F x2 is larger than F x1 .

외부진동 주파수 fs에서 상기 외팔보 진동체(100)는 Fx2 방향으로 수평 이동하게 되며, 그 위상이 상기 제1동작상태에서 상기 제2동작상태측으로 변경된다. 상기 외팔보 진동체(100)의 수평 이동거리를 d라고 하면, 상기 제1외팔보(110)의 길이는 L1-d가 되며, 상기 제2외팔보(120)의 길이는 L2+d 로 변하며, 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 공진주파수는 각각 f1′ 와 f2′로 튜닝(tuning)된다.The cantilever vibrating body 100 moves horizontally in the direction F x2 at an external vibration frequency f s , and its phase is changed from the first operating state to the second operating state side. When the horizontal moving distance of the cantilever vibrating body 100 is d, the length of the first cantilever 110 is L 1 -d, and the length of the second cantilever 120 is changed to L 2 + d, Resonant frequencies of the first and second cantilever 110 and 120 are tuned to f 1 ′ and f 2 ′, respectively.

도 18을 참조하면, 상기 제2동작상태에서의 상기 제1, 2외팔보(110, 120) 각각의 공진주파수 f1'와 f2'는, 도 17의 그래프와 비교해, f1<f1'<f2'<f2가 되며, 상기 제2동작상태에서 외부진동 주파수 f'를 f2보다 높은 주파수 대역대에서 f1보다 낮은 주파수 대역대로 점차 감소시키는 경우, f2'에 해당되는 주파수 대역대에서 상기 제2외팔보(120)의 수평 관성력 Fx2'는 최대가 되고, f1에 해당되는 주파수 대역대에서 상기 제1외팔보(110)의 수평 관성력 Fx1는 최대가 된다.Referring to FIG. 18, the resonant frequencies f 1 ′ and f 2 ′ of the first and second cantilever 110 and 120 in the second operation state are compared with the graph of FIG. 17, and f 1 <f 1 ′. <f 2 '<f 2 , and in the second operating state, when the external vibration frequency f ′ is gradually reduced from the frequency band higher than f 2 to the frequency band lower than f 1 , the frequency band corresponding to f 2 ′. In the past, the horizontal inertial force F x2 ′ of the second cantilever 120 becomes maximum, and the horizontal inertial force F x1 of the first cantilever 110 becomes maximum in the frequency band corresponding to f 1 .

외부진동 주파수 f가 점차 감소하여 f1에 근접하게 될수록 상기 제2외팔보(120)의 진폭(수평 관성력 Fx2)은 감소하고, 상기 제1외팔보(110)의 진폭(수평 관성력 Fx1)이 증가하므로, Fx1이 Fx2보다 큰 값을 갖는 외부진동 주파수 fs'(f1'<fs'<f2')가 존재한다. As the external vibration frequency f gradually decreases and approaches f 1 , the amplitude (horizontal inertial force F x2 ) of the second cantilever 120 decreases, and the amplitude (horizontal inertial force F x1 ) of the first cantilever 110 increases. Therefore, there is an external vibration frequency f s '(f 1 '<f s '<f 2 ') in which F x1 is larger than F x2 .

도 17, 18을 참조하면, 상기 제1동작상태에서 f1, f2는 각각 24Hz, 40Hz이고, 상기 제2동작상태로 변경되는 경계 주파수 fs는 35Hz이며, 상기 제2동작상태에서 f1', f2'는 각각 32Hz, 34Hz이고, 상기 제1동작상태로 변경되는 경계 주파수 fs'는 33Hz였다.17 and 18, f 1 and f 2 in the first operating state are 24 Hz and 40 Hz, respectively, and the boundary frequency f s changed to the second operating state is 35 Hz, and f 1 in the second operating state. ', f 2 ' were 32 Hz and 34 Hz, respectively, and the boundary frequency f s ' changed to the first operating state was 33 Hz.

상기 제1동작상태에서 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수는 24Hz에서 32Hz로 실시간 자가 튜닝되었으며, 상기 제2동작상태에서 상기 제2외팔보(120)의 공진주파수는 34Hz에서 40Hz로 실시간 자가 튜닝 되었다.The resonant frequency of the first cantilever 110 in the first operating state is real-time self-tuning from 24 Hz to 32 Hz, and the resonant frequency of the second cantilever 120 in the second operating state is real-time self tuning from 34 Hz to 40 Hz It became.

외부진동 주파수가 주로 24Hz에서 32Hz범위의 변동 대역대를 가지는 경우, 상기 제1외팔보(110)를 이용한 에너지 수확을 주요하게 설정하고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 전극(140)을 상기 제1외팔보(110)측에만 형성함으로써, 24Hz 또는 32Hz와 같은 특정한 주파수 대역대에만 한정되지 않고, 24Hz에서 32Hz 주파수 대역대에 걸친 보다 폭넓은(다수의) 주파수 대역대상에서 에너지 수확을 구현할 수 있다.When the external vibration frequency mainly has a fluctuation band in the range of 24 Hz to 32 Hz, energy harvest using the first cantilever 110 is mainly set, and as shown in FIG. By forming only on the side of the cantilever 110, energy harvesting can be realized in a wider (multiple) frequency band target not only in a specific frequency band such as 24 Hz or 32 Hz, but also in a 24 Hz to 32 Hz frequency band.

상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 튜닝 범위는 상기 제1동작상태와 제2동작상태간의 이동거리(예를 들어, 5Hz-> d=2mm)에 따라 설계할 수 있다.The tuning range of the first and second cantilever 110 and 120 may be designed according to a moving distance between the first and second operating states (for example, 5 Hz-> d = 2 mm).

도 19는 상기 제1동작상태에서 외부진동주파수를 증가시켜 상기 제2동작상태로 전환되고, 상기 제2동작상태에서 외부진동 주파수를 감소시켜 다시 상기 제1동작상태로 전환되는 과정에서의 상기 제1외팔보(110)의 시간에 따른 공진주파수 변화를 나타낸 그래프이다. 19 is the first operation state in which the external vibration frequency is increased to the second operation state in the first operation state, and the external vibration frequency is reduced in the second operation state and the second operation state is switched back to the first operation state. 1 is a graph showing the change in the resonant frequency with time of the cantilever 110.

도 19에 도시된 그래프의 좌측 세로축, 우측 세로축, 가로축은 각각 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수, 외부진동 주파수, 시간(time)을 나타내며, 상기 제1동작상태에서 개시하여 외부진동 주파수 범위를 10Hz 이하에서 40Hz 이상까지 증가시키고 다시 10Hz 이하로 감소시키며 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수를 연속적으로 측정하였다.The left vertical axis, the right vertical axis, and the horizontal axis of the graph shown in FIG. 19 represent the resonant frequency, the external vibration frequency, and the time of the first cantilever 110, respectively. The external vibration frequency range starts from the first operating state. Was increased from 10 Hz or less to 40 Hz or more and again decreased to 10 Hz or less, and the resonance frequency of the first cantilever 110 was continuously measured.

도 19를 참조하면, 외부진동 주파수가 10Hz에서 40Hz로 증가하고 다시 감소하는 변화에 따라 상기 외팔보 진동체(100)의 동작 상태가 수초만에 상기 제1동작상태에서 상기 제2동작상태로(외부진동 주파수 35Hz에서), 상기 제2동작상태에서 다시 제1동작상태로(외부진동 주파수 33Hz에서) 실시간으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 19, as the external vibration frequency increases from 10 Hz to 40 Hz and then decreases again, the operating state of the cantilever vibrating body 100 changes from the first operating state to the second operating state in a few seconds (externally). It can be seen that the vibration frequency is changed in real time from the second operating state back to the first operating state (at the external vibration frequency 33 Hz) at 35 Hz).

상기 제1동작상에서 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수는 24Hz였으며, 상기 제2동작상태로 변화하면서 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수는 32Hz로 변화하고, 상기 제1동작상태로 다시 변화하면서 상기 제1외팔보(110)의 공진주파수는 다시 24Hz로 변화하였다.In the first operation, the resonant frequency of the first cantilever 110 was 24 Hz, and the resonant frequency of the first cantilever 110 changed to 32 Hz while changing to the second operating state, and returned to the first operating state. While changing, the resonant frequency of the first cantilever 110 was changed back to 24 Hz.

도 20은 종래기술에 따른 외팔보형 진동에너지 변환장치의 주파수대에 따른 에너지 변환정도를 나타낸 그래프이고, 도 21은 상기 제1외팔보(110)의 주파수대에 따른 에너지 변환정도를 나타낸 그래프이다.20 is a graph showing the energy conversion degree according to the frequency band of the cantilever type vibration energy conversion device according to the prior art, Figure 21 is a graph showing the energy conversion degree according to the frequency band of the first cantilever 110.

도 20, 21을 참조하면, 자가 튜닝(self tuning)을 구현하지 못하는 일반적인 외팔보형 에너지 수확소자의 경우 24Hz에서 단 하나의 출력 피크(output peak)를 가지나, 본 발명의 실시예와 같이 자가 튜닝을 구현하는 경우 24Hz와 32Hz에 해당되는 2개의 영역에서 출력 피크를 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 20 and 21, a general cantilever energy harvesting device that does not implement self tuning has only one output peak at 24 Hz, but performs self tuning as in the embodiment of the present invention. In the implementation, we can see that the output peak is in two regions corresponding to 24Hz and 32Hz.

도 20, 21의 비교에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 진동에너지 변환장치가 특정한 주파수 대역대에만 한정되지 않고, 24Hz에서 32Hz 주파수 대역대에 걸친 보다 폭넓은(다수의) 주파수 대역대상에서 에너지 수확을 구현할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.20 and 21, the vibration energy converter according to the embodiment of the present invention is not limited to a specific frequency band, but energy in a wider (multiple) frequency band object covering a frequency band from 24 Hz to 32 Hz. You can see that the harvest can be implemented.

본 발명의 제1실시예에서 상기 연속가이드홈(213)의 직각방향 단부상에는, 도 8, 9에 도시된 바와 같이, 상기 리브(132)의 상기 제1동작상태에서의 위치와 제2동작상태에서의 위치 사이에 상기 리브(132)의 왕복 이동경로측으로 볼록하게 돌출된 형상의 하나의 요철부(도면부호 미표기)를 형성한 구조를 가진다.On the perpendicular end of the continuous guide groove 213 in the first embodiment of the present invention, as shown in Figs. 8 and 9, the position and the second operation of the rib 132 in the first operating state It has a structure in which one uneven part (not shown) of the shape which protrudes convexly toward the reciprocation movement path side of the said rib 132 is formed between the positions in the state.

상기 리브(132)의 상기 제1동작상태에서의 위치와 제2동작상태에서의 위치 사이에 다수의 요철부를 형성하면, 상기 리브(132)가 다수의 요철부 사이에 선택적으로 위치할 수 있게 되어, 상기 제1동작상태에서의 위치와 제2동작상태에서의 위치 사이에 해당되는 보다 다양한 위치(동작상태)에서 상기 외팔보 진동체(100)의 이동을 안정화시킬 수 있을 것이다.Forming a plurality of uneven portions between the position in the first operating state and the second operating state of the rib 132 allows the rib 132 to be selectively positioned between the plurality of uneven portions. In addition, the movement of the cantilever vibrating body 100 may be stabilized at a more various position (operation state) corresponding to the position in the first operation state and the position in the second operation state.

도 17 내지 도 21에 나타난 바와 같은 다양한 실험들을 통하여, 비대칭적이며 수평이동 가능한 구조를 가지는 본 발명의 실시예에 따른 상기 외팔보 진동체(100)가 공진주파수를 바꾸기 위한 추가 에너지원 없이 외부진동 주파수의 변동에 연동하여 자동으로 이동(상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이가 변화)하면서 실시간으로 자가 튜닝(tuning)되는 것을 확인하였다.Through various experiments as shown in FIGS. 17 to 21, the cantilever vibrating body 100 according to the embodiment of the present invention having an asymmetrical and horizontally movable structure has an external vibration frequency without an additional energy source for changing the resonance frequency. It was confirmed that the self-tuning (tuning) in real time while automatically moving in conjunction with the change of (the length of the first, second cantilever (110, 120) changes).

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and the claims and detailed description of the present invention together with the embodiments in which the above embodiments are simply combined with existing known technologies. In the present invention, it can be seen that the technology that can be modified and used by those skilled in the art are naturally included in the technical scope of the present invention.

100 : 외팔보 진동체 100a : 외팔보 구조체
110 : 제1외팔보 110C : 제1외팔보군
120 : 제2외팔보 120C : 제2외팔보군
130 : 외팔보간 연결부 131 : 슬릿
132 : 리브 140 : 전극
150 : 프루프 매스 200 : 외팔보 고정체
210 : 가이드부 211 : 가이드홈
212 : 범프 213 : 연장가이드홈
220 : 고정부
100: cantilever vibrating body 100a: cantilever structure
110: first cantilever 110C: first cantilever
120: second cantilever 120C: second cantilever
130: cantilever interpolation connection 131: slit
132: rib 140: electrode
150: proof mass 200: cantilever fixture
210: guide portion 211: guide groove
212: bump 213: extension guide groove
220: fixed part

Claims (16)

외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치에 있어서,
자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보(110, 120)가 구비되는 외팔보 진동체(100); 및
상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면을 구비하여 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)에 결합되며, 상기 외팔보 진동체(100)를 수평방향으로 이동가능하게 가이드하는 외팔보 고정체(200);
를 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
In the vibration energy converter using the cantilever beam,
A cantilever vibrating body (100) having first and second cantilever beams (110, 120) of different lengths having free ends facing in opposite directions; And
It has a contact surface that can restrain the bending deformation of the first and second cantilever (110, 120) is coupled to the cantilever interpolation connecting portion 130 of the cantilever vibrating body, the cantilever vibrating body 100 is movable in a horizontal direction Guide cantilever fixture 200;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency comprising a.
제1항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
PVDF(Polyvinylidene fluoride)와 같은 압전 폴리머를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever vibrating body 100,
Vibration energy conversion device capable of self-adjustment of the resonant frequency, characterized in that it comprises a piezoelectric polymer such as PVDF (Polyvinylidene fluoride).
제1항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
다수의 상기 제1외팔보(110)가 연속하여 배치되어 형성된 제1외팔보군(110C); 및
다수의 상기 제2외팔보(120)가 연속하여 배치되어 형성된 제2외팔보군(120C);
을 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever vibrating body 100,
A first cantilever group (110C) formed by continuously arranging a plurality of the first cantilever beams (110); And
A second cantilever group (120C) formed by continuously arranging a plurality of the second cantilever beams (120);
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency comprising a.
제1항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
상기 제1, 2외팔보(110, 120)에서 분극(polarization)된 전하의 이동경로를 형성가능한 전도성 소재로 구성되어 상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면에 결합되는 전극(140);
을 더 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever vibrating body 100,
The first and second cantilever (110, 120) is composed of a conductive material that can form a movement path of the polarized (polarized) charge on the surface of one or both of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 An electrode 140 coupled;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency further comprising.
제1항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)의 자유단부에 결합되는 프루프 매스(proof mass)(150);
를 더 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever vibrating body 100,
A proof mass 150 coupled to the free ends of the first cantilever 110 and the second cantilever 120;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency further comprising a.
제1항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
상기 외팔보 고정체(200)상에서의 상대위치에 따라 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 고정단부측 일부가 선택적으로 구속되는 것을 특징으로 하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever vibrating body 100,
Vibration energy conversion device capable of self-adjustment of the resonant frequency, characterized in that the part of the fixed end side of the first, second cantilever (110, 120) is selectively restrained in accordance with the relative position on the cantilever fixture (200).
제1항에 있어서,
상기 외팔보 고정체(200)는,
상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향으로 왕복가능하게 가이드하는 가이드홈(211)이 형성된 가이드부(210); 및
상기 외팔보 진동체(100)를 사이에 두고 상기 가이드부(210)에 결합되며, 상기 가이드부의 가이드홈(211)과 함께 상기 외팔보 진동체(100)의 수직방향 굴곡 변형을 구속가능한 슬릿형 공간부 및 접촉면을 형성하는 고정부(220);
를 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The cantilever fixture 200,
A guide part 210 having a guide groove 211 for reciprocating the cantilever interlocking part 130 of the cantilever vibrating body in a longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120; And
The slit-shaped space portion coupled to the guide portion 210 with the cantilever vibrating body 100 interposed therebetween and capable of restraining vertical bending deformation of the cantilever vibrating body 100 together with the guide groove 211 of the guide portion. And a fixing part 220 forming a contact surface.
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency comprising a.
제7항에 있어서,
상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)상에 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향으로 연장형성된 슬릿(131); 및
상기 슬릿(131)을 관통하도록 상기 가이드홈(211)상에 돌출형성되어 상기 슬릿(131)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 범프(bump)(212);
를 더 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 7, wherein
A slit 131 extending in the longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120 on the cantilever interpolation portion 130 of the cantilever vibration body; And
A bump 212 protruding from the guide groove 211 to penetrate the slit 131 to form a horizontal movement limit of the slit 131;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency further comprising a.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)상에 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 길이방향과 직각을 이루는 방향으로 돌출형성되는 리브(rib)(132); 및
상기 외팔보 고정체(200)상의 상기 리브(132)에 대응되는 위치에 지정너비로 형성되어 상기 리브(132)의 수평방향 이동 한계를 형성하는 연장가이드홈(213);
을 더 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
9. The method according to claim 7 or 8,
Ribs 132 protruding on the cantilever interlocking portion 130 of the cantilever vibrating body in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the first and second cantilever beams 110 and 120; And
An extension guide groove 213 formed at a position corresponding to the rib 132 on the cantilever fixture 200 to define a horizontal movement limit of the rib 132;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency further comprising.
제1항에 있어서,
상기 제1외팔보(110)는,
상기 외팔보 진동체(100)의 수평방향 이동에 의해 신축 변형되는 길이범위 중 최단 길이가, 상기 제2외팔보(120)의 최장 길이 보다 긴 것을 특징으로 하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
The first cantilever 110,
Vibration energy conversion device capable of self-adjustment of the resonant frequency, characterized in that the shortest length of the length range that is stretched and deformed by the horizontal movement of the cantilever vibrating body 100 is longer than the longest length of the second cantilever 120. .
제1항에 있어서,
상기 제1외팔보(110)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 일측으로 이동된 제1동작상태; 및
상기 제2외팔보(120)가 최장 길이를 가지도록 상기 외팔보 진동체(100)가 상기 외팔보 고정체(200)의 타측으로 이동된 제2동작상태;
를 가지는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 1,
A first operating state in which the cantilever vibrating body 100 is moved to one side of the cantilever fixing body 200 such that the first cantilever 110 has the longest length; And
A second operating state in which the cantilever vibrating body 100 is moved to the other side of the cantilever fixing body 200 so that the second cantilever 120 has the longest length;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonant frequency having a.
외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치에 있어서,
자유단부가 서로 반대방향을 향하도록 연결된 서로 다른 길이의 외팔보(110, 120)가 구비되며, 외부진동 주파수의 변화에 따른 상기 외팔보(110, 120)간의 관성력 차에 의해 자동으로 슬라이딩 이동되며 위상이 변화되는 외팔보 진동체(100);
를 포함하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
In the vibration energy converter using the cantilever beam,
The cantilever beams 110 and 120 of different lengths are connected to each other so that the free ends face in opposite directions, and are automatically slid by a difference in inertia force between the cantilever beams 110 and 120 according to a change in an external vibration frequency. Cantilever vibrating body 100 to be changed;
Vibration energy converter capable of self-adjustment of the resonance frequency comprising a.
제12항에 있어서,
상기 외팔보 진동체(100)는,
슬라이딩 이동 위치에 따라 상기 외팔보(110, 120)의 고정단부의 위치가 달라지며 상기 외팔보(110, 120)의 길이 및 고유주파수가 변화되는 것을 특징으로 하는 공진주파수의 자가조정이 가능한 진동에너지 변환장치.
The method of claim 12,
The cantilever vibrating body 100,
The position of the fixed ends of the cantilever beams 110 and 120 varies according to the sliding movement position, and the vibration energy converter capable of self-adjusting the resonant frequency, characterized in that the length and the natural frequency of the cantilever beams 110 and 120 are changed. .
외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치의 외팔보 진동체(100)에 있어서,
제1외팔보(110);
상기 제1외팔보(110)와 다른 길이를 가지며, 자유단부가 상기 제1외팔보(110)와 반대되는 방향을 향하여 배치되는 제2외팔보(120); 및
상기 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120)의 고정단부를 상호 연결하며, 일방향으로 슬라이딩 이동가능한 연속된 외면을 가지는 외팔보간 연결부(130);
를 포함하는 진동에너지 변환장치의 외팔보 진동체(100).
In the cantilever vibrating body 100 of the vibration energy converter using the cantilever,
First cantilever 110;
A second cantilever 120 having a length different from that of the first cantilever 110 and having a free end facing in a direction opposite to the first cantilever 110; And
A cantilever interlocking portion 130 which interconnects the fixed ends of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 and has a continuous outer surface slidable in one direction;
Cantilever vibrating body 100 of the vibration energy converter comprising a.
외팔보를 이용한 진동에너지 변환장치의 제작방법에 있어서,
필름형 압전소자를 패터닝하여 자유단부가 서로 반대방향을 향하는 서로 다른 길이의 제1, 2외팔보(110, 120)가 구비된 형태의 외팔보 구조체(100a)를 제작하는 구조체형성단계;
상기 외팔보 구조체(100a)의 제1외팔보(110)와 제2외팔보(120) 중 일측 또는 양측의 표면에 전도성 소재를 코팅하여 전극(140)을 형성하는 전극형성단계;
상기 외팔보 구조체(100a)의 단부에 프루프 매스(proof mass)(150)를 결합하여 외팔보 진동체(100)의 골조를 완성하는 매스결합단계; 및
상기 매스결합단계 이후에, 상기 외팔보 진동체의 외팔보간 연결부(130)를 상기 제1, 2외팔보(110, 120)의 굴곡 변형을 구속가능한 접촉면과 수평방향으로 가이드하는 가이드홈(211)을 구비한 외팔보 고정체(200)상에 결합하는 고정체결합단계;
를 포함하는 진동에너지 변환장치 제작방법.
In the manufacturing method of the vibration energy converter using the cantilever beam,
A structure forming step of fabricating a cantilever structure 100a having a first and second cantilever beams 110 and 120 having different lengths having free ends facing in opposite directions by patterning a film type piezoelectric element;
An electrode forming step of forming an electrode 140 by coating a conductive material on a surface of one or both sides of the first cantilever 110 and the second cantilever 120 of the cantilever structure 100a;
A mass coupling step of coupling a proof mass 150 to an end of the cantilever structure 100a to complete a frame of the cantilever vibrating body 100; And
After the mass coupling step, the cantilever interpolation connecting portion 130 of the cantilever vibrating body is provided with a guide groove 211 for guiding the bending deformation of the first and second cantilever beams 110 and 120 in a horizontal direction with a restrainable contact surface. Fixture coupling step of coupling on the cantilever fixture 200;
Vibration energy conversion device manufacturing method comprising a.
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