KR100639235B1

KR100639235B1 - 자가발전형 디지털 도어락

Info

Publication number: KR100639235B1
Application number: KR1020050128751A
Authority: KR
Inventors: 김동국
Original assignee: (주)피에조랩
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2006-11-01

Abstract

본 발명은 출입문 등에 장착되어 사용되는 디지털 도어락에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디지털 도어락이 장착되는 출입문, 즉 도어의 개폐 동작시 상시 발생하게 되는 기계적인 진동을 상기 디지털 도어락의 구동에 필요한 전기에너지로 변환한 후 저장 또는 충전하여 전원으로 공급함으로써 일정시간이 경과한 후에도, 건전지나 배터리 등의 교체 없이 반영구적으로 사용할 수 있도록 한 자가발전형 디지털 도어락에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 도어의 외측에 장착되는 외부본체와, 내부연결링크를 통해 상기 외부본체와 연결되며 도어의 내측에 장착되는 내부본체와, 전원을 공급하는 전원공급부로 이루어진 디지털 도어락에 있어서, 상기 전원공급부는 기계적 진동에 의해 양면에 전하가 발생되는 판 형상의 압전소자와, 상기 압전소자의 하단에 연결되는 질량체와, 상기 압전소자의 상단에 연결되어 상기 내부연결링크에 부착되는 고정판으로 구성되는 압전발전부와; 상기 압전소자와 전기적으로 연결되어 전하를 받아들여 전기에너지로 변환하는 전하량 수집회로와; 상기 전하량 수집회로에 연결되어 전기에너지를 충전소자에 저장 또는 충전되도록 하는 충전부;로 구성되어 상기 충전부에 저장된 전기에너지를 상기 디지털 도어락의 구동에 필요한 전원으로 사용하여 반영구적으로 사용가능하도록 구성된다.

압전발전부, 전하량 수집회로, 충전부, 자가발전, 디지털 도어락

Description

자가발전형 디지털 도어락{Self Power-generated Digital Door Lock}

도 1은 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락이 설치된 상태를 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락의 외부몸체의 구성을 도시한 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 전원공급부의 회로도를 도시한 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 도어 200 : 디지털 도어락

210 : 외부본체 211 : 제어부

212 : 키입력부 220 : 내부본체

230 : 내부연결링크 231 : 내부연결링크 구동부

240 : 전원공급부 241 : 압전발전부

242 : 압전소자 243 : 질량체

244 : 고정판 245 : 전하량 수집회로

246 : 충전부 250a, 250b : 손잡이

L : 실내측 R : 실외측

본 발명은 디지털 도어락에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출입문, 즉 도어의 개폐 동작시 상시 발생하게 되는 기계적인 진동을 상기 디지털 도어락의 구동에 필요한 전기에너지로 변환한 후 전원으로 공급함으로써 일정시간이 경과한 후에도, 반영구적으로 사용할 수 있도록 한 자가발전형 디지털 도어락에 관한 것이다.

일반적으로 가정집, 상점, 정부기관, 기업 등에서는 중요한 구역으로 허가되지 않은 외부인의 출입을 제한하기 위해 단순 자물쇠에서부터 복잡한 기계적 구조를 갖는 장치 및 상기와 같은 기계적 장치에 전자적 기술이 결합된 전자장치에 이르기까지 다양한 형태의 장치가 사용되고 있다.

최근에는 통상적으로 기존의 키를 이용한 수동식 도어락의 보안기능 개선 및 향상된 편의성을 제공하기 위해 전자기 기술이 도입, 적용된 디지털 도어락이 널리 사용되고 있으며, 이러한 디지털 도어락에는 전자카드를 이용하는 방식 또는 키버튼을 통한 비밀번호 입력방식이 있으며, 사용자의 지문이나 안구 등을 인식하여 도어의 개폐 여부를 결정하는 생체인식의 첨단방식에 이르기까지 점차 확산되는 추세에 있다.

일예로, 상기 키버튼을 이용한 비밀번호 입력방식의 디지털 도어락은 키번튼을 통해 입력된 키 값을 프로그램된 값과 비교하여 출입이 허가된 자인지를 판단하고, 출입이 허가된 사람일 경우 구비된 구동장치에 의하여 잠금 상태를 해제할 수 있도록 구성된다.

상기와 같은 디지털 도어락은 작동에 필요한 주전원을 통상 4.5V ~ 9V의 건전지로부터 공급받는데, 상기 건전지는 충전된 만큼의 전원만을 공급할 수 있으므로 영구적인 전원 공급은 이루어질 수 없으며, 상기 건전지로부터의 전원 소멸시에는 수동모드로 전환하여 별도의 기계식 키를 이용하여 구동되도록 구현되나, 정확한 모드전환이 이루어지지 않고, 디지털 도어락의 오동작이 발생할 우려가 있다.

따라서, 상기 건전지로부터 전원을 공급받는 디지털 도어락의 작동 가능 시간은 건전지의 수명에 달려 있는데, 건전지의 수명이 다하면, 상기 디지털 도어락의 동작도 중단될 수밖에 없으며, 이러한 경우 건전지를 교체하거나 다른 전원을 디지털 도어락에 공급하여야 도어를 개폐할 수 있게 된다.

또한, 상기 건전지를 교체하여 넣는 건전지함은 도어의 내측에 장착되는 도어락에 위치되므로, 도어가 잠겨진 상태에서 건전지의 수명이 다할 경우에는, 상기 도어의 안쪽에 사람이 없으면 외부에서 건전지를 교체할 수 없게 된다.

이를 위해, 상기 디지털 도어락은 비상 전원을 공급받기 위한 비상단자를 외부에 구비하여 상기 단자에 건전지를 임시로 연결하여 외부에서 전원을 별도로 공급하는 방식을 취하기도 하는데, 상기 비상단자를 이용해 디지털 도어락을 한시적으로 작동시킨 후 건전지를 교체하는 방식은 건전지의 수명이 언제 다할지 모르는 상황에서 출입자가 비상용 건전지를 휴대하거나 구매하여야 하는 번거로움이 발생하는 동시에 외관상으로도 좋지않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 끝단에 질량체가 연결되어 외부로부터 전달되는 힘에 반응하여 양면에 전하가 발생되는 압전소자를 디지털 도어락이 장착되는 도어의 내부에 장착되도록 함으로써, 도어의 개폐 동작시 상시 발생하는 외력, 즉 진동을 이용하여 상기 압전소자에 전하가 발생되도록 하며, 상기 압전소자와 전기적으로 연결된 전하량 수집회로를 통해 상기 디지털 도어락의 구동에 사용가능한 전기에너지로 변환하여, 그 변환된 전기에너지를 충전기나 슈퍼커패시터에 저장 또는 충전하여 상기 디지털 도어락의 전원으로 사용함으로써 방전 즉, 전원의 소멸에 따른 디지털 도어락의 불안전한 동작 발생 및 배터리나 건전지와 같은 별도의 전원을 교체할 필요없이 반영구적으로 동작 가능하도록 한 자가발전형 디지털 도어락을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 키입력부를 통해 키 값을 전달받아 도어의 개폐를 결정하는 제어부가 내장되며 도어의 외측에 장착되는 외부본체와, 상기 제어부의 명령에 따라 도어의 개폐동작을 구동시키는 다수의 기어 및 모터를 포함하는 내부연결링크를 통해 상기 외부본체와 연결되며 도어의 내측에 장착되는 내부본체와, 상기 제어부에 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부로 이루어진 디지털 도어락에 있어서, 상기 전원공급부는 도어의 개폐시에 발생하는 기계적 진동에 의해 양면에 전하가 발생되는 판 형상의 압전소자와, 상기 기계적 진동을 증폭시키기 위해 압전소자의 하단에 연결되는 질량체와, 상기 압전소자의 상단에 연결되어 상기 압전소자가 도어의 내부 상에 상기 도어와 나란하게 지지, 장착될 수 있도록 상기 내부연결링크에 부착되는 고정판으로 구성되는 압전발전부와, 상기 압전소자와 전기적으로 연결되어 상기 압전발전부에서 발생한 전하를 받아들여 전기에너지로 변환하는 전하량 수집회로와, 상기 전하량 수집회로에 연결되어 상기 전하량 수집회로에서 발진한 전기에너지를 수용하여 충전소자에 저장 또는 충전되도록 하는 충전부로 구성되어 상기 충전부에 저장된 전기에너지를 상기 디지털 도어락의 구동에 필요한 전원으로 사용하여 반영구적으로 사용가능하도록 구성된다.

또한, 상기 압전발전부는 진동 효율을 높이기 위해 내부연결링크의 상측 또는 하측에 선택적으로 고정부착되거나, 양측 모두에 고정부착되며, 필요에 따라 양측에 다수개가 부착될 수 있으며, 상기 질량체는 도어의 개폐 동작시 상기 도어의 내부 벽면과의 충돌에 의해 상기 질량체가 파손되는 것을 방지하기 위해 상면에 완충제가 구비된다.

또한, 상기 충전소자는 충전지 또는 슈퍼커패시터로 사용된다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 더불어 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락이 설치된 상태를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락의 외부몸체의 구성을 도시한 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전원공급부의 회로도를 도시한 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락은 크게 외부본체(210)와, 내부본체(220)와, 내부연결링크(230) 및 전원공급부(240)로 구성된다.

상기 디지털 도어락(200)은 대체로 손잡이(250a, 250b)가 설치된 아래 부근에 장착되되, 몸체가 외부본체(210)와 내부본체(220)로 나뉘어 각각 설치되는데, 상기 외부본체(210)는 도어(100)를 사이에 둔 상태에서 실외측(R) 즉, 도어(100)의 외측에 장착되며, 상기 내부본체(220)는 실내측(L) 즉, 도어(100)의 내측에 장착된다.

상기 외부본체(210)는 다양한 형상으로 제작될 수 있는데, 내부에 부품들의 배치 및 장착이 용이하도록 사각형상의 외부케이스가 구비되는 것이 일반적이며, 상기 외부케이스의 내부에는 상기 디지털 도어락(200)의 구동에 관련된 주요 부품들이 배치된다.

상기 외부본체(210)의 외부케이스 상에는 키입력부(212)가 구비되는데, 이외에도 LED와, LCD 모니터 및 스피커(미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 키입력부(212)를 통해 입력되는 키 값은 상기 외부케이스의 내부에 위치되어 키입력부(212)와 전기적으로 연결된 제어부(211)에 전달되며, 상기 제어부(211)에서는 프로그램을 통해 설정된 비밀번호 즉, 이미 저장된 키 값과 입력된 키 값을 비교하여 제어 부(211)의 명령에 따라 상기 도어(100)의 개폐(도어의 시해정)를 결정하도록 구현된다.

덧붙여, 상기 LED는 야간에 디지털 도어락(200)의 위치를 시각적으로 확인할 수 있도록 하며, 상기 LCD 모니터에서는 입력된 키 값을 확인할 수 있도록 하며, 상기 스피커는 상기 키 값들이 일치하지 않을 경우 경보음이 발생하도록 하는 동시에 상기 도어(100)의 개폐동작 및 배터리의 상태 정보를 음성출력되도록 함으로써 사용자가 도어(100)의 개폐를 확실히 하지 않은 상태에서 외출하는 것을 방지하도록 한다.

상기 내부본체(220)는 외부본체(210)와 마찬가지로 다양한 형태로 제작되는 것이 가능하며, 일반적으로 사각형의 외부케이스가 구비되고 내부에 디지털 도어락의 동작에 관련된 부품들이 배치되는데, 상기 외부본체(210)와는 도어(100)의 내부를 수평상태로 관통하는 내부연결링크(230)를 통해 연결된다.

상기 내부연결링크(230)는 도어(100)의 개폐동작을 구동시키는 다수의 기어 및 모터를 포함하여 구성되는데, 상기 도어(100)의 개폐를 결정하고, 수행 명령을 내리는 제어부(211)의 제어신호를 입력받아 상기 내부연결링크(230)를 구성하는 기어 및 모터에 각각 연결되어 적절히 구동신호를 출력하는 내부연결링크 구동부(231)가 상기 내부연결링크(230)와 제어부(211)의 사이에 구비된다.

상기 내부연결링크(230)는 제어부(211)에서 도어(100)의 개폐 명령에 따라 손잡이(250a, 250b)의 조작으로 상기 도어(100)를 열 수 있도록 일부가 연결되어 있으나, 이러한 동작은 디지털 도어락(200)의 동작에서 당연한 것으로 도면에는 도 시되지 않았다.

상기 제어부(211)에는 전원공급부(240)가 연결되어 디지털 도어락(200)을 구동시키는데 필요한 전원을 공급하는데, 상기 전원공급부(240)는 크게 압전발전부(241)와, 전하량 수집회로(245)와, 충전부(246)로 이루어져 별도의 건전지 또는 배터리를 구비할 필요없이 자체적으로 전원을 충전하여 사용할 수 있도록 구성된다.

상기 압전발전부(241)는 도어(100)의 개폐동작시에 상시 발생하는 기계적 에너지가 전하로 변환되어 나타날 수 있도록 하는 진동구조물로써, 압전소자(242)와, 질량체(243)와 고정판(244)으로 구성된다.
상기 압전소자(242)는 생성되는 에너지가 상기 압전소자(242)의 크기에 비례하기에, 적층기술을 적용하여 다층구조로 제작할 경우 층수에 비례하여 에너지가 증가된다.
즉, 상기 압전소자(242)의 단면이 다수개로 층을 쌓아 다층구조를 가지도록 형성하는것이 바람직하다.
아울러, 도어락 내부에는 이러한 다층구조의 소자를 다수개 장착할 수 있는 공간이 있으므로 그 기술적 타당성은 확보될 수 있다.

상기 압전소자(242)는 언급된 바와 같이 상기 도어(100)의 개폐시에 상시 발생하게 되는 외력 즉, 기계적 진동에 의해 양면에 동일한 비율의 양전하와 음전하가 발생하는 판 형상의 압전재료로 형성되며, 압전소자(242)는 상기 도어(100)의 이동에 따른 외력을 전달받기 위해 도어(100)의 내부에 상기 도어(100)와 나란하게 즉, 수평되도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 압전소자(242)의 끝단에는 판의 이동량을 증가시켜 기계적 진동을 증폭시키기 위한 질량체(243)가 연결되며, 상기 압전소자(242)의 상단에는 고정판(244)이 일체로 연결되어 상기 압전소자(242)가 도어(100)의 내부 상에 상기 도어(100)와 나란하게 지지, 장착될 수 있도록 상기 내부연결링크(230)에 부착되도록 한다.

상기와 같이 구성된 압전발전부(241)는 도어(100)의 개폐 동작시, 진동의 증폭을 높이기 위해서 내부연결링크(230)의 상측 또는 하측에 선택적으로 고정부착되거나, 상기 내부연결링크(230)를 기준으로 상, 하측 모두에 고정부착되며, 필요에 따라 상측과, 하측에 각각 다수개가 부착되어 진동 효율을 더욱 높일 수 있도록 한다.

또한, 상기 압전발전부(241)의 질량체(243)는 도어(100)의 개폐 동작시 발생할 수 있는 도어(100)의 내부 벽면과 질량체(243)의 비정상적인 충돌에 의해 상기 질량체(243)는 물론 도어(100)의 내부 벽면이 파손되는 것을 방지하기 위해 상기 질량체(243)의 상면에 완충제(247)가 구비되며, 상기 완충제(247)는 외부로부터의 충격을 자체 흡수할 수 있는 물질로 형성되되, 상기 질량체(243)와의 결합이 용이한 물질로 선택하여 형성된다.

더욱 상세하게는, 진동구조물로서의 상기 압전발전부(241)가 디지털 도어락(200)의 공진주파수 범위내에서 설계되도록 하여 상기 도어(100)의 내부에 장착될 수 있도록 함으로써, 상기 도어(100)의 개폐시에 수반되는 기계적 에너지가 진동구조물에 전달되어 공진을 일으키고, 이에 따라 압전소자(242)에서 전하가 발생하도록 한다.
상기 압전소자(242)에서 발생되는 전하의 범위의 경우 Staner, T "Human Powered Wearable Computing", IBM System Journal, Vol.35, No.3 & 4, pp618,629,(1996) 에 따르면 사람의 팔이 자유로이 움직일 때 3W의 기계적인 파워를 발생하고 이를 압전소자를 통하여 전환시 11%의 효율로 330mW의 전기적인 파워를 얻을 수 있다고 보고하고 있다. 실제로 문을 열고 닫거나 물건을 움직일 때 필요한 사람의 파워는 도어의 무게에 비례하여 증가한다.
상기 발생되는 전하량과 현재 사용되고 있는 도어락 모터의 전력소모량을 대략적으로 계산해보면 그 기술적 가능성을 살펴볼 수 있다.
이를 수식적으로 압전소자에 외력 F가 가해질 때, 전기적에너지는 아래 식과 같이 계산된다. 즉 압전전하계수 d₃₁와 압전전압계수 g₃₁의 곱에 비례하고 소자의 크기와도 직접적인 관계가 있다.

Short Circuit Charge generated :

Open Circuit Electric Field generated :

Electrical energy generated :

상기 식에 g₃₁=200mV/N, d₃₁=20pC/N, F₁=2kN, L=15cm, W=1.0cm, T=0.5mm 를 각각 대입하여 계산하면 120mJ의 에너지가 생성된다는 것을 알 수 있다. 현재 도어락 모터의 파워는 1.2W에 해당하므로 동일한 소재를 10층으로 적층하거나, 적층이 어려울 경우 10개를 장착할 수 있다면 이론적으로 근접한 파워를 얻을 수 있다.
참고적으로, W(와트)는 에너지를 시간으로 나눈 개념으로 실제 작동하는 시간과 직접적인 관계가 있으며 실제 1초 이내의 작동시간이므로 충분한 여유분을 확보하고 있는 것이다.

상기 전하량 수집회로(245)는 압전소자(242)와 전기적으로 연결되어 압전발전부(241)에서 발생한 전하를 받아들여 전기에너지로 변환하여 상기 충전부(246)로 전달되도록 한다.
더불어, 상기 전하량 수집회로(245)는 발생되는 교류신호를 직류로 정류하는 일반적인 정류회로를 그 기본기술로 사용한다.

상기 충전부(246)는 전하량 수집회로(245)에 연결되어 상기 전하량 수집회로(245)에서 발진한 전기에너지를 수용하여 충전소자에 저장 또는 충전되도록 하는데, 상기 충전소자로는 발전 용량에 따라 소규모 충전지 또는 슈퍼커패시터가 사용되며, 상기 충전부(246)에 저장된 전기에너지는 디지털 도어락(200)의 구동에 필요 한 전원으로 사용될 수 있도록 제어부(211)로 인가된다.

따라서, 상기와 같은 반복적인 동작을 통하여 본 발명에 따른 자가발전형 디지털 도어락은 배터리 또는 건전지의 교체 없이도 반영구적인 기능을 발휘할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 도어의 개폐동작에서 발생하는 진동을 전하량으로 변환하여 디지털 도어락의 구동에 사용가능한 전기에너지로 발전한 후, 상기 전기에너지가 충전소자를 통해 충전되도록 하는 동시에 전원공급부를 통해 제어부로 연결되도록 함으로써, 기존의 주전원으로 사용되던 배터리 또는 건전지의 방전에 따라 디지털 도어락이 오동작 되거나 동작이 멈추는 것을 방지하고, 상기 배터리 또는 건전지가 가지는 교체시의 불편함을 해소하여 사용자의 편의성을 제공하며, 유지보수가 필요없이 반영구적인 사용이 가능한 이점이 있다.

Claims

키입력부(212)를 통해 키 값을 전달받아 도어(100)의 개폐를 결정하는 제어부(211)가 내장되며 도어(100)의 외측에 장착되는 외부본체(210)와, 상기 제어부(211)의 명령에 따라 도어(100)의 개폐동작을 구동시키는 다수의 기어 및 모터를 포함하는 내부연결링크(230)를 통해 상기 외부본체(210)와 연결되며 도어(100)의 내측에 장착되는 내부본체(220)와, 상기 제어부(211)에 연결되어 전원을 공급하는 전원공급부(240)로 이루어진 디지털 도어락(200)에 있어서,

상기 전원공급부(240)는 도어(100)의 개폐시에 발생하는 기계적 진동에 의해 양면에 전하가 발생되는 판 형상의 압전소자(242)와, 상기 기계적 진동을 증폭시키기 위해 압전소자(242)의 하단에 연결되는 질량체(243)와, 상기 압전소자(242)의 상단에 연결되어 상기 압전소자(242)가 도어(100)의 내부 상에 상기 도어(100)와 나란하게 지지, 장착될 수 있도록 상기 내부연결링크(230)에 부착되는 고정판(244)으로 구성되는 압전발전부(241)와;

상기 압전소자(242)와 전기적으로 연결되어 상기 압전발전부(241)에서 발생한 전하를 받아들여 전기에너지로 변환하는 전하량 수집회로(245)와;

상기 전하량 수집회로(245)에 연결되어 상기 전하량 수집회로(245)에서 발진한 전기에너지를 수용하여 충전소자에 저장 또는 충전되도록 하는 충전부(246);로 구성되어 상기 충전부(246)에 저장된 전기에너지를 상기 디지털 도어락(200)의 구동에 필요한 전원으로 사용하여 반영구적으로 사용가능하도록 한 것을 특징으로 하 는 자가발전형 디지털 도어락.
제 1항에 있어서,

상기 압전발전부(241)는 진동 효율을 높이기 위해 내부연결링크(230)의 상측 또는 하측에 선택적으로 고정부착되거나, 양측 모두에 고정부착되거나, 양측에 다수개가 부착될 수 있는 것을 특징으로 하는 자가발전형 디지털 도어락.
제 1항에 있어서,

상기 질량체(243)는 도어(100)의 개폐 동작시 상기 도어(100)의 내부 벽면과의 충돌에 의해 상기 질량체(243)가 파손되는 것을 방지하기 위해 상면에 완충제(247)가 구비되는 것을 특징으로 하는 자가발전형 디지털 도어락.
제 1항에 있어서,

상기 충전소자는 충전지 또는 슈퍼커패시터로 사용되는 것을 특징으로 하는 자가발전형 디지털 도어락.