KR101553911B1

KR101553911B1 - 에너지 하비스터

Info

Publication number: KR101553911B1
Application number: KR1020140060598A
Authority: KR
Inventors: 김재훈; 이정빈
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-09-17

Abstract

본 발명에서는 진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터를 제안한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터는 하우징; 상기 하우징을 관통하여 고정된 중심축; 상기 진동에 의해 상기 중심축을 따라 왕복 운동하는 베어링부; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 베어링부에 고정되며, 상기 베어링부의 왕복 운동에 따른 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성하는 에너지 생성부; 및 상기 에너지 생성부의 외부면 및 상기 하우징의 내부면 사이에 배치되는 자성 스프링을 포함한다.

Description

에너지 하비스터{ENERGY HARVESTER}

본 발명은 에너지 하비스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 진동원에서 발생한 진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터에 관한 것이다.

기존의 철도 모니터링 시스템은 유선 센서 모니터링 기술에 의존하고 있어, 유지, 보수 및 관리 시 신뢰성 및 안정성 보장에 한계가 있었다. 특히, 철도 차량의 대차 및 주행 장치는 부품에 대한 접근 및 유선 센서 설치에 제약이 있어, 차량 자체의 주요 장치들에 대한 실시간 감시 데이터를 획득하기 어렵다는 문제가 있었다.

예를 들어, 종래의 철도 모니터링 시스템은 지상(또는 정비창)의 철도 시설물에 설치된 센서를 통해 감지된 상태 감지 정보에 따라 고장을 진단함으로써 한정된 설치 위치에서만 철도 차량 상태에 대한 진단이 가능하였다. 이에 따라, 진단 결과의 신뢰도가 떨어지며, 고장이 발생된 이후의 진단만 가능할 뿐 철도 차량 상태에 대한 실시간 감시를 통한 고장의 예측 및 방지가 불가능하다는 한계가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 철도 차량의 각 구성요소의 동작 상태를 모니터링 하는 무선 센서를 결합시키는 연구가 진행 중에 있으나, 무선 센서의 경우 전력 공급이 원활하지 않아 철도 차량에 존재하는 다양한 에너지원으로부터 자가 발전을 수행하는 자가 발전 모듈을 추가하려는 시도가 있었다.

자가 발전 모듈의 대표적인 기술 중 하나로 에너지 하비스팅(Energy Harvesting) 기술을 들 수 있다. 에너지 하비스팅 기술은 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 폐이용(scavenge)하여 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 에너지 하비스팅 기술은 자연의 빛 에너지, 인간 신체 또는 연소형 엔진으로부터의 저온 폐열 에너지, 휴대용 기기 탑재/부착 장치의 미세 진동 에너지, 인간의 신체 활동으로 인한 소산 에너지 등을 흡수하고, 열전소자 (Thermoelectric Element), 전기화학반응(Electrochemical Reaction), DC/AC 제너레이터, 피에조전기 트랜스듀서(Piezoelectric Transducer), 커패시터 트랜스듀서, 광전지 셀(Photovoltaic Cell) 등과 같은 에너지 하비스팅 소자들을 이용할 수 있다. 일반적으로, 에너지 하비스팅 기술을 통해 얻을 수 있는 전력 수준은 대략 마이크로 와트(㎼)에서 밀리 와트(㎽) 급 정도이다.

이러한 에너지 하비스팅 기술은 다양한 분야에 적용할 수 있다. 예를 들어, 고속으로 운행하는 철도 또는 차량 등에서 발생하는 진동을 활용할 수 있으며, 철도 차량에 포함되는 열차운영 시스템, 고압시스템, 견인시스템, 제동시스템, 보조전원 장치, 차체전기장치 등 다양한 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 무선 센서가 철도 차량과 결합될 수 있고, 센싱된 정보가 무선 통신 경로를 통해 전송될 수 있다.

다만, 종래 진동을 활용하는 에너지 하비스팅 기술의 경우 판 스프링과 같은 금속 탄성 부재를 주로 사용하고 있는데, 이러한 금속 탄성 부재는 지속적인 진동 또는 결합 구조 문제로 인해 마모되거나 파손될 수 있다.

또한, 임계값 이상의 진동 발생 시에만 에너지 발생을 유도할 수 있는 기계적 필터 기능을 수행할 수 있는 에너지 하비스팅 장치에 관해서는 연구가 많이 진행되고 있지 않다.

한편, 대한민국공개특허 제 10-2012-0024018호(발명의 명칭: 에너지 하비스터)에서는 외부에서 전해지는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터를 개시하고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 새로운 진동 구조에 자성 스프링을 적용하여 내부 장치들의 파손을 방지하고, 주변 에너지원 중 진동 에너지를 전기 에너지로 변환 가능한 에너지 하비스터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터는, 하우징; 상기 하우징을 관통하여 고정된 중심축; 상기 진동에 의해 상기 중심축을 따라 왕복 운동하는 베어링부; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 베어링부에 고정되며, 상기 베어링부의 왕복 운동에 따른 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성하는 에너지 생성부; 및 상기 에너지 생성부의 외부면 및 상기 하우징의 내부면 사이에 배치되는 자성 스프링을 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 외부에서 발생된 진동 에너지를 이용하여 자가 발전을 함으로써, 반영구적으로 전기 에너지를 생성할 수 있다.

또한, 내부 또는 외부의 진동원의 진동 에너지를 접촉 또는 비접촉 방식의 자성 스프링을 이용하여 전달하므로, 종래의 에너지 하비스터에서 사용되는 탄성 부재(특히, 판 스프링 타입)의 피로 파괴(fatigue failure)를 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 일부 실시예에 따르면, 에너지 하비스터에서 자성체와 코일 간의 간극 거리에 의해 임계치 이상의 진동이 발생한 경우, 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있다.

또한, 임계치 이하의 작은 진동 시 생성된 유도 기전력으로 인한 제품의 오작동을 방지할 수 있다.

또한, 전원을 추가로 장착해야 하는 무선 센서 장치와 같은 소형 전자 장치의 전원(배터리 등) 문제를 해결 가능하다.

도 1은 에너지 하비스터와 통신 모듈 및 센싱 모듈이 결합된 무선 센서 장치의 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터의 수직 단면도이다.
도 2b는 도 1의 에너지 하비스터의 수직 단면도의 사시도이다.
도 3a는 도 2a의 에너지 생성부의 개략도이다.
도 3b는 도 2a의 제 2 지지부의 확대도이다.
도 4는 도 1의 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 일 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 쉽게 발명할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사항의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

도 1은 에너지 하비스터와 통신 모듈 및 센싱 모듈이 결합된 무선 센서 장치의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 장치(100)는 에너지 하비스터(110), 통신 모듈(120) 및 센싱 모듈(130)을 포함할 수 있다. 이때, 통신 모듈(120)은 에너지 하비스터(110)로부터 변환된 에너지를 제공받고, 센싱 모듈(130)을 통해 측정된 각종 센싱 정보를 송신한다.

예를 들어, 외부에서 발생된 진동 에너지를 에너지 하비스터(110)를 이용하여 전기 에너지로 변환할 수 있다.

이때, 진동 에너지의 발생원은 기계 부품, 기계구조물 또는 운송기계(철도차량, 자동차, 항공기, 선박 등) 및 회전기계(모터, 펌프, 플랜트, 공장, 감속기/증속기, 풍력발전기 블레이드 등) 등이 이에 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터에 대하여 후술하는 과정에서 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b를 통하여 상세하게 기술하기로 한다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터의 수직 단면도이고, 도 2b는 도 1의 에너지 하비스터의 수직 단면도의 사시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터는 하우징(240), 중심축(230), 베어링부(250), 에너지 생성부(299) 및 자성 스프링(280a, 280b)을 포함할 수 있다.

중심축(230)은 하우징(240)을 관통하여 고정되어 있을 수 있다. 여기서 상술한 하우징(240)은 원기둥 형상일 수 있으나, 이는 일 실시예일뿐 이에 한정되지 않는다.

하우징(240)이 원기둥 형상인 경우, 중심축(230)은 원기둥의 윗면 및 아래 면의 중심 부근을 관통할 수 있다.

한편, 중심축(230)은 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대하여 나란히 또는 수직으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 에너지 하비스터(110)는 도 2a에 도시된 하우징(240)의 아랫면이 설치 위치와 맞닿아 배치될 수 있고, 이러한 경우 중심축(230)은 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대하여 수직으로 배치될 수 있다. 다른 예를 들면, 에너지 하비스터(110)는 도 2a에 도시된 하우징(240)의 옆면이 설치 위치와 맞닿아 배치될 수 있고, 이러한 경우 중심축(230)은 하우징(240) 이 설치되는 위치의 면에 대하여 나란하게 배치될 수 있다.

즉, 중심축(230)이 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대하여 나란히 배치되는 경우, 에너지 생성부(299)는 하우징(240)이 설치되는 위치의 면과 나란한 방향으로 왕복 운동할 수 있다. 또한, 중심축(230)이 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대하여 수직으로 배치되는 경우, 에너지 생성부(299)는 하우징(240)이 설치되는 위치의 면과 수직한 방향으로 왕복 운동할 수 있다.

도 2a의 경우 중심축(230)이 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대해 수직으로 배치된 것을 예시한 것이다.

베어링부(250)는 하우징(240)에 대해서 진동원으로부터 발생된 진동에 의해 중심축(230)을 따라 왕복 운동할 수 있다.

에너지 생성부(299)는 하우징(240) 내부에 배치되고, 베어링부(250)에 고정되며, 베어링부(250)의 왕복 운동에 따른 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성할 수 있다.

자성 스프링(280a, 280b)은 에너지 생성부(299)의 외부면 및 하우징(240)의 내부면 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 자성 스프링(280a, 280b)은 자성체 쌍으로 구현될 수 있다. 또한, 자성 스프링(280a, 280b)은 베어링부(250)의 왕복 운동의 범위를 제한할 수 있다.

구체적으로, 에너지 생성부(299)는 질량부(260), 제 1 자성체(210), 제 2 자성체(220) 및 코일부(270)를 포함할 수 있다.

질량부(260)는 내부에 소정의 공간이 존재하고, 서로 대응되는 제 1 면 및 제 2 면에 상기 베어링부(250)와 결합하는 관통홀(미도시)을 각각 구비할 수 있다.

한편, 베어링부(250)가 내부 또는 외부에서 발생된 진동에 의해 왕복 운동함에 따라, 베어링부(250)와 결합된 질량부(260)가 함께 왕복 운동할 수 있다. 일 예에 따르면, 코일부(270)는 중심축(230)에 고정된 상태일 수 있는데,이러한 경우 코일부(270)는 질량부(260)의 왕복 운동에 따라 질량부(260)에 결합된 제 1 자성체(210) 또는 제 2 자성체(220)와 질량부(260)의 내주면 사이로 인입될 수 있다. 즉, 코일부(270)가 자성체와 오버랩되거나 인입되는 움직임은 전자기 유도 현상을 발생시키고, 그에 따라 에너지 생성부(299)는 전기 에너지를 생성할 수 있다.

질량부(260)는 소정의 탄성 계수를 갖는 탄성 부재로 제작되거나 강자성체 및 반자성체와 상자성체를 포함하는 비자성체 중 어느 하나로 제작될 수 있으나 기재된 예들에 한정되지 않는다.

예를 들어, 질량부(260)가 비자성체로 형성될 경우 자계(magnetic field)를 갖는 자성체로부터 자화되지 않게 된다.

또한 강자성 재료로 구성된 주변 장치가 자계 아래 놓일 때 기계적 변형이 발생하는 것과 같은 자기변형(magnetostriction) 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)는 질량부(260) 내부의 제 1 면 및 제 2 면에 서로 대응되게 배치될 수 있으며, 중심축(230)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예시적으로 제 1 면 및 제 2 면은 질량부(260) 내부의 천정면 및 바닥면 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

코일부(270)는 질량부(260) 내부의 소정의 공간에 배치되되, 중심축(230)에 수직하게 배치될 수 있다.

또한, 코일부(270)는 제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)와 중심축(230)의 길이 방향으로 소정의 거리만큼 이격되도록 형성되되, 베어링부(250)의 왕복 운동에 의해 제 1 자성체(210) 또는 제 2 자성체(220)와 오버랩될 수 있다. 여기서 베어링부(250)와 제 1 자성체(210) 또는 제 2 자성체(220)가 오버랩되는 과정, 즉 전자기 유도 과정을 통하여 유도 기전력을 생성할 수 있다.

자성 스프링(280a, 280b)은 에너지 생성부(299)의 외부면 및 하우징(240)의 내부면 사이에 배치되어 베어링부(250)의 왕복 운동 범위를 제한할 수 있고, 하우징(240)과 에너지 생성부(299)가 서로 부딪히지 않도록 에너지 생성부(299)의 위치를 조절할 수 있다.

예를 들어, 자성 스프링(280a, 280b)은 적어도 하나 이상의 자성체 쌍으로 구성될 수 있다. 자성체 쌍은 에너지 생성부(299)의 외부면 및 하우징(240)의 내부면의 각각 대응되는 위치에 배치되어 베어링부(250)의 왕복 운동의 범위를 제한할 수 있다. 자성체 쌍의 마주보는 면의 자기극(Magnetic pole)은 모두 N극 또는 모두 S극과 같이 서로 동일한 자기극을 띄고 있으며, 이에 따라, 척력이 증가하여 탄성체로서 기능을 할 수 있게 된다.

이때, 중심축(230)이 하우징(240)이 설치되는 위치의 면에 대하여 수직으로 배치되는 경우, 특히 중력 방향과 중심축이 서로 나란하게 위치하는 경우, 에너지 생성부(299)를 기준으로 상부에 배치되는 자성체 쌍(280a)에 의한 반발력보다 하부에 배치되는 자성체 쌍(280b)에 의한 반발력이 더 클 수 있다. 위의 반발력은 질량부(260), 제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)의 중량을 고려하여 설계 가능하지만, 위에 기술된 예에 한정되지 않고, 사용자의 선택에 따라 자석의 크기 및 거리를 조절하여 최대 진동에 대한 수인 한계를 설정할 수 있다.

예를 들면, 상술된 질량부(260), 제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)의 중량이 무거운 경우, 하부로 내려오려는 힘이 상부로 올라가려는 힘보다 상대적으로 강할 수 있다. 상/하부의 자성체 쌍의 반발력이 동일하면, 유도 기전력 생성 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 이 경우 상부의 자성체 쌍(280a)에 의한 반발력보다 하부의 자성체 쌍(280b)에 의한 반발력을 더 크게 하여 상부로 올라가는 힘을 더 강하게 할 수 있고 이를 통해 유도 기전력 생성 효율을 높일 수 있다.

한편, 자성체 쌍을 이루는 자성체 들 간에도 그 크기 또는 자성이 상이하도록 설정할 수 있으며, 이를 통해 탄성력을 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 자성체 쌍을 이루는 상부 자성체의 면적이 하부 자성체의 면적보다 크게 설정하거나, 그 역으로 설정하는 것이 가능하다.

다만, 도 2a에 도시된 것처럼 상술된 자성 스프링(280a, 280b)은 자기극을 띈 자성체로 형성될 수 있으나, 이것은 일 실시예에 불과할 뿐 이를 한정하는 것은 아니다.

또한, 자성 스프링(280a, 280b)을 통해 중심축(230)에 결합된 코일부(270)와 제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)가 비진동 시, 소정의 거리만큼 이격될 수 있다.

또한, 자성 스프링(280a, 280b)을 통해 질량부(260)는 하우징(240)과 맞닿지 않고 거리를 유지할 수 있다.

한편, 내부 또는 외부의 진동을 자성 스프링(280a, 280b)을 이용하여 전달하기 때문에, 물리적 스프링(스크류 타입, 판 스프링 등)을 이용하는 경우 발생될 수 있는 스프링 피로파괴 등을 효율적으로 방지할 수 있다.

한편, 질량부(260), 제 1 자성체(210), 제 2 자성체(220) 및 자성 스프링(280a, 280b) 중 적어도 하나는 중심축(230)이 통과하도록 형성된 개구부(212a, 212b, 212c, 212d)를 포함하고, 질량부(260), 제 1 자성체(210), 제 2 자성체(220) 및 자성 스프링(280a, 280b)은 베어링부(250)의 외주면에 고정될 수 있으며, 이들 각각은 원기둥 형상일 수 있다. 다만, 개구부(212a, 212b, 212c, 212d)가 형성된 원기둥 형상은 일 예에 불과하며, 외부의 진동 발생원에 따라 배치 또는 설치될 에너지 하비스터의 형상에 의해 다양한 형상으로 제작 또는 설계될 수 있다.

도 3a는 도 2a의 에너지 생성부의 개략도이고, 도 3b는 도 2a의 제 2 지지부의 확대도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터의 코일부(270)는 중심축(230)에 결합되는 보빈(bobbin; 310)을 포함할 수 있다.

여기서, 보빈(310)은 제 1 지지부(310a), 제 2 지지부(310b), 제 1 홈(311), 제 2 홈(312) 및 코일(313)을 포함할 수 있다.

제 1 지지부(310a)는 중심축(230)으로부터 방사상으로 연장되고, 제 2 지지부(310b)는 제 1 지지부(310a)에 결합되며 질량부(260)의 내주면(도 2a의 'M' 부분)을 따라 연장될 수 있다.

이때, 제 2 지지부(310b)는 코일(313)이 권선되는 제 1 홈(311) 및 제 2 홈(312)을 더 포함할 수 있다.

또한, 도 2a 및 도 3a를 참조하고, 일 실시예에 따르면 제 2 지지부(310b)의 일단부(271)와 질량부(260)의 제 1 면의 내부면 사이의 거리(h1)는 제 1 자성체(210)의 높이 (h2)보다 길 수 있고, 제 2 지지부(310b)의 타단부(272)와 질량부(260)의 제 2 면의 내부면 사이의 거리(h3)는 제 2 자성체(220)의 높이(h4)보다 길 수 있다. 예시적으로 도 2a에 도시된 것처럼 일단부(271)는 코일부(270)의 상단부일 수 있고, 타단부(272)는 코일부(270)의 하단부 일 수 있다.

전술한 h1이 h2보다 길고, h3가 h4보다 길기 때문에 임계치 이상의 진동이 발생해야 코일부(270)의 제 1 단부(271) 및 제 2 단부(272)가 각각 제 1 자성체(210) 및 제 2자성체(220)와 관계하여 유도 기전력을 발생 시킬 수 있다.

예를 들면, 비진동 상태에서 제 1 자성체 및 제 2 자성체(210, 220)가 제 2 지지부(310b)의 일단부(271) 또는 타단부(272)에 이르지 못하는 상태가 되면, 전자기 유도 현상이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 임계치 이상의 진동이 발생해야 비로서 제 1 자성체(210) 및 제 2 자성체(220)와 코일(313) 간의 전자기 유도 현상이 발생하여 유도 기전력을 생성할 수 있다.

따라서, 에너지 하비스터에서 진동을 전기 에너지로 변화하는 전자기 유도 시 자성체와 코일 간의 간극 거리에 의해 임계치 이상의 진동 시에만 전기 에너지를 생성할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터가 철도 차량에 결합되는 경우, 이와 같은 구성에 따라 임계치 이상의 진동이 발생하는 경우에 대해서만 전기 에너지를 생성할 수 있어, 외부 노이즈에 의한 전기 발생을 차단할 수 있다.

또한, 임계치 이하의 작은 진동 시 생성된 유도 기전력으로 인한 제품의 오작동을 방지한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 하비스터는 진동의 임계값을 다양하게 변화하여 기계적 필터로써 이용될 수 있는 장점이 있다.

도 4는 도 1의 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 센서 장치(400)는 교통 수단(500)에 배치될 수 있다. 즉, 위의 무선 센서 장치(400)는 에너지 하비스터(110), 통신 모듈(120) 및 센싱 모듈(130)을 포함하고 있다. 여기서, 통신 모듈(120)은 에너지 하비스터(110)로부터 변환된 전기 에너지를 제공 받고, 센싱 모듈(130)을 이용하여 측정된 센싱 정보를 송신하며, 에너지 하비스터는 앞서 구체적으로 기술한 실시예 중 어느 하나가 적용될 수 있다.

예를 들면, 교통 수단(500)은 하나 이상의 바퀴(410)를 포함할 수 있으며, 무선 센서 장치(400)는 바퀴(410)의 일 부분에 부착되어 에너지 하비스터(110)로부터 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신할 수 있다. 여기서 교통 수단(500)은 진동을 발생 시키는 진동원으로써 차량 및 차량의 바퀴가 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

또한, 구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 에너지 하비스터 260: 질량부
230: 중심축 210: 제 1 자성체
220: 제 2 자성체 270: 코일부
280a, 280b: 자성 스프링 299: 에너지 생성부

Claims

진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터에 있어서,
하우징;
상기 하우징 내부의 상부면과 상기 하우징 내부의 하부면에 고정된 중심축;
상기 진동에 의해 상기 중심축을 따라 왕복 운동하는 베어링부;
하나 이상의 코일부, 하나 이상의 자성체 및 내부에 소정의 공간이 존재하고, 상기 소정의 공간 내에 상기 코일부와 자성체가 위치하는 질량부를 포함하고, 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 베어링부에 고정되며, 상기 베어링부의 왕복 운동에 따른 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성하는 에너지 생성부;
상기 하우징 내부의 상부면과 상기 에너지 생성부의 질량부의 상부면 사이에 배치된 제 1 자성 스프링;
상기 하우징 내부의 하부면과 상기 에너지 생성부의 질량부의 하부면 사이에 배치된 제 2 자성 스프링을 포함하되,
상기 제 1 자성 스프링 및 제 2 자성 스프링은 서로 마주보는 면의 자기극이 동일하여 척력이 발생하는 자성체 쌍을 각각 포함하고,
상기 에너지 생성부는,
상기 코일부 및 자성체 중 어느 하나가 상기 베어링부에 고정되어, 상기 진동에 따라 왕복 운동을 수행하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 하비스터.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 중심축이 상기 하우징이 설치되는 위치의 면에 대하여 수직으로 배치되는 경우,
상기 에너지 생성부를 기준으로, 상부에 배치되는 자성체 쌍에 의한 반발력보다 하부에 배치되는 자성체 쌍에 의한 반발력이 더 큰 에너지 하비스터.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 질량부는 서로 대응되는 제 1 면 및 제 2 면에 상기 베어링부와 결합하는 관통홀을 각각 구비하고,
상기 자성체는 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면에 서로 대응되게 배치된 제 1 자성체 및 제 2 자성체를 포함하며,
상기 코일부는 상기 중심축에 수직하게 고정되는 것인 에너지 하비스터.
제 5 항에 있어서,
상기 코일부는,
상기 제 1 자성체 및 상기 제 2 자성체와 상기 중심축의 길이 방향으로 소정의 거리만큼 이격되도록 형성되되, 상기 베어링부의 왕복 운동에 의해 상기 제 1 자성체 또는 상기 제 2 자성체와 오버랩되는 에너지 하비스터.
제 5 항에 있어서,
상기 코일부는
코일이 권선되고, 상기 중심축에 결합되는 보빈을 포함하고,
상기 보빈은 상기 중심축으로부터 방사상으로 연장되는 제 1 지지부; 및
상기 제 1 지지부에 결합되고, 상기 질량부의 내주면을 따라 연장되며, 상기 코일이 권선되는 제 1 홈 및 제 2 홈이 형성된 제 2 지지부를 포함하는 에너지 하비스터.
제 7 항에 있어서,
상기 제 2 지지부의 일단부와 상기 제 1 면의 내부면 사이의 거리는 상기 제 1 자성체의 높이보다 길고,
상기 제 2 지지부의 타단부와 상기 제 2 면의 내부면 사이의 거리는 상기 제 2 자성체의 높이보다 긴 것인 에너지 하비스터.
제 5 항에 있어서,
상기 질량부, 상기 제 1 자성체, 상기 제 2 자성체 및 상기 에너지 생성부 중 적어도 어느 하나는 상기 중심축이 통과하도록 형성된 개구부를 포함하며, 각각 원기둥 형상을 갖는 것인 에너지 하비스터.
진동을 전기 에너지로 변환하는 에너지 하비스터에 있어서,
하우징;
상기 하우징의 일측 내부면에 결합된 제 1 자성 스프링;
상기 하우징의 타측 내부면에 결합되고, 상기 제 1 자성 스프링과 마주 보도록 배치된 제 2 자성 스프링; 및
상기 제 1 자성 스프링과 상기 제 2 자성 스프링 사이에 배치되며, 상기 진동에 의해 유발되는 전자기 유도에 따라 전기 에너지를 생성하는 에너지 생성부를 포함하되,
상기 제 1 자성 스프링 및 제 2 자성 스프링은 서로 마주보는 면의 자기극이 동일하여 척력이 발생하는 자성체 쌍을 각각 포함하고,
상기 에너지 생성부는
하나 이상의 코일부, 하나 이상의 자성체 및 내부에 소정의 공간이 존재하고, 상기 소정의 공간 내에 상기 코일부와 자성체가 위치하는 질량부를 포함하고, 상기 진동에 의한 상기 코일부와 자성체의 상대적인 움직임에 따라 전기에너지를 생성하고,
상기 제 1 자성 스프링은 상기 하우징의 일측 내부면과 상기 에너지 생성부의 질량부의 상부면 사이에 배치되고, 상기 제 2 자성 스프링은 상기 하우징의 타측 내부면과 상기 에너지 생성부의 질량부의 하부면에 사이이에 배치되는 것인 에너지 하비스터.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 자성 스프링 및 제 2 자성 스프링 사이에 결합된 중심축을 더 포함하고,
상기 에너지 생성부는 상기 중심축을 따라 배치된 것인 에너지 하비스터.
제 11 항에 있어서,
상기 진동에 의해 상기 중심축을 따라 왕복 운동하는 베어링부를 더 포함하고,
상기 에너지 생성부는 상기 베어링부에 고정되고, 상기 베어링부의 왕복 운동에 따른 전자기 유도에 의해 전기 에너지를 생성하는 것인 에너지 하비스터.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 자성 스프링 및 제 2 자성 스프링은
적어도 하나 이상의 자성체 쌍으로 구성되고,
상기 자성체 쌍은 상기 에너지 생성부의 외부면 및 상기 하우징의 내부면에 각각 대응되는 위치에 배치되어 상기 에너지 생성부의 움직임의 범위를 제한하며,
상기 자성체 쌍의 마주보는 면의 자기극(Magnetic pole)이 서로 동일한 에너지 하비스터.
무선 센서 장치에 있어서,
청구항 1, 청구항 3, 청구항 5 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 에너지 하비스터 및
상기 에너지 하비스터로부터 변환된 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함하는 무선 센서 장치.