KR101736284B1 - 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로서, 전기 에너지를 초음파로 변환하여 전송하는 초음파 발생장치; 및 상기 초음파를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 초음파 수신장치를 포함하되, 상기 초음파 발생장치는 복수의 초음파 소자가 배치된 방사판을 구비하고, 상기 초음파 수신장치가 초음파의 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 상기 복수의 초음파 소자를 온오프하여 상기 방사판의 유효면적을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템{System for Transferring Wireless Power Using Ultrasound}
본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체에 유해성이 적으면서도 에너지 전달 효율이 높은 초음파를 이용하여 무선으로 에너지를 전달하는 데 있어서, 초음파 발생장치와 초음파 수신장치가 일정한 거리를 두고 배치되어 있을 때, 초음파 발생장치가 두 장치 사이의 거리를 고려하여 자신의 방사판의 유효면적을 변화시켜 레일리 거리(Rayleigh Distance)를 조절하고, 이를 통해 에너지 전달 효율을 극대화하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
무선으로 에너지를 전달하는 방식에는 크게 세 가지가 있다. 첫째, 전자기(Electromagnetic) 유도를 이용하여 전력을 전달하는 방식, 둘째, 무선 주파수(Radio Frequency)를 이용하여 전력을 전송하는 방식, 셋째, 초음파를 이용하여 전력을 전달하는 방식이 있다.
첫째, 전자기 유도를 이용하여 전력을 전달하는 방식은 미국공개특허 제28/0265835호(Wireless Power Transfer System, Daniel P Reed)와 국내출원특허 제2007-0092435호(무접점 충전 시스템, LG전자 김성일)에 개시되어 있다. 이러한 방식은 외부 전원을 이용하여 충전 전력을 발생시키는 충전 모체와, 충전 모체로부터 전자기 유도 현상을 통해 충전 전력을 공급받는 전력 수신 모듈로 구성된다. 전자기 유도 방식은 그 효율성에 있어서 장점이 커 상용화에 근접해 있는 기술 수준이다.
그러나, 전자기파는 공기 중에서 거리에 따라 전달 에너지가 거리제곱에 반비례하는 정도로 급격히 줄어들어 충전 모체로부터 거리가 수 cm 이내의 가까운 거리에서 사용하는 것으로 제한된다. 작동 거리를 크게 하기 위해서는 소자의 크기를 키워야 하는데, 한 가지 예로, 1 m의 전송거리에서 고효율로 전송하기 위해서는 소자가 1 m 수준의 크기가 돼야 한다. 또한, 충전 전력을 발생시키는 장치는 큰 전력을 요구하므로 전력 발생장치 근처에서의 인체 유해성에 대한 논란이 있다.
둘째, 무선 주파수를 이용하여 전력을 전송하는 방식은 미국공개특허 제 2007-0109121호(Harvesting ambient radio frequency electromagnetic energy for powering wireless electronic device, sensors and sensor networks and applications thereof, Marc H. Cohen)에 개시되어 있다. 위 발명은 전파거리가 매우 긴 RF에서의 에너지를 모아서 전자장치나 센서, 센서 네트워크 등에 활용하는 것에 관한 특허이다. RF는 공기 중에도 많이 존재하며, 그 전파거리가 매우 넓어 유리한 점이 있으나, 그 에너지 밀도 자체나 너무 낮아 에너지 변환 후에도 에너지량이 너무 적어 실재적인 효용성이 떨어지게 된다.
셋째, 초음파를 이용하여 전력을 전달하는 방식은 미국등록특허 제6,798,716 B1호(System and Method for wireless electrical power transmission, Arthur Charych, BC system Inc.)에 개시되어 있다. 위 발명은 초음파 발생장치 부분을 배열화하고, 이들의 위상을 제어하여 중앙으로 빔이 모이도록 하는 방법과 위상 제어를 통해 빔의 방향을 조정할 수 있는 방법을 개시하고 있다.
또한, 미국공개특허 제2010/0164433A1호(wireless battery charging systems, battery systems and charging apparatus, Anand Janefalkar, Motorola Inc.)는 초음파 발생장치를 이용하여 배터리 충전이 가능한 시스템을 장착한 휴대단말기를 충전하는 것을 개시하고 있다.
그러나, 종래의 초음파를 이용하여 전력을 전달하는 방식은 초음파의 위상 제어 또는 방향을 제어하여 초음파를 집중시키는 반면, 본 발명에서와 같이 초음파 발생장치의 방사판의 유효면적을 조절하여 에너지 전달 효율을 극대화하는 것은 전혀 개시하고 있지 않다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 초음파 수신장치가 매질에서 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 초음파 발생장치의 방사판의 유효면적을 조절하여 에너지 전달 효율을 최적화할 수 있는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템은, 전기 에너지를 초음파로 변환하여 전송하는 초음파 발생장치; 및 상기 초음파를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 초음파 수신장치를 포함하되, 상기 초음파 발생장치는 복수의 초음파 소자가 배치된 방사판을 구비하고, 상기 초음파 수신장치가 초음파의 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 상기 복수의 초음파 소자를 온오프하여 상기 방사판의 유효면적을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 초음파 수신장치가 매질에서 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 초음파 발생장치의 방사판의 유효면적을 조절하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템을 제공함으로써, 초음파 수신장치가 근접장에 위치하게 되어 초음파 에너지를 초음파 수신장치에 집중시킬 수 있고, 이에 따라 초음파 에너지의 효율성을 높일 수 있으며, 초음파 에너지의 효율을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 초음파의 주파수 및 유효면적에 따른 레일리 거리(Rayleigh Distance) 및 방사 현상을 보여주기 위한 도면,
도 2는 레일리 거리 이후 구형 방사로 인한 음압 감소를 보여주기 위해 방사 중심축에서의 SPL(Sound Pressure Level) 값을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 방사판의 유효면적에 따른 레일리 거리 및 집중 빔 방사 형상의 변화를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 초음파 발생장치의 정렬을 위한 X, Y 및 팬/틸트 방향 제어를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 초음파 발생장치 내의 개별 초음파 소자의 작동에 의한 위치 및 방사 빔 형상 제어를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 패드 형태의 초음파 발생장치에서 무선 에너지를 전송하는 예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 초음파 발생장치가 이동성이 있는 전자장치에 무선 에너지를 전송하는 예를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 초음파의 주파수 및 유효면적에 따른 레일리 거리(Rayleigh Distance) 및 방사 현상을 보여주기 위한 도면이고, 도 2는 레일리 거리 이후 구형 방사로 인한 음압 감소를 보여주기 위해 방사 중심축에서의 SPL(Sound Pressure Level) 값을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 초음파 발생장치(110)에서 발생되는 초음파의 방사 형상은 수학식 1에서와 같이 사용하는 주파수와 방사판의 면적, 매질에서의 음속에 의해 결정된다.
Figure 112010083463784-pat00001
여기서, a는 방사판의 지름, c는 음압, P0는 기준점, z는 기준점에서의 거리, la는 음압의 감쇠 거리, ω, f는 동작 주파수를 나타낸다.
레일리 거리로 정의되는 구간은 근접장 구간이라고 하며, 이 구간에서 음압은 도 2에 도시된 바와 같이, 상쇄 보강 현상을 반복적으로 하게 되어, 초음파의 방사 형태는 점점 초점이 맞춰지듯이 집중적인 빔 형태를 가지게 된다. 그러나 레일리 거리를 벗어나면 도 1에 도시된 바와 같이, 음파는 구형 방사로 바뀌면서 퍼지는 빔 형상을 갖게 된다.
따라서, 빔이 퍼지기 전에 빔이 가장 집중되는 거리에 초음파 수신장치(120)를 위치시킨다면, 초음파 수신장치(120)는 가장 큰 초음파 에너지를 받을 수 있게 된다. 본 발명에서는 이러한 빔의 방사 특성을 이용하기 위해 초음파 발생장치(110)가 방사판의 유효면적을 변화시킴으로써 레일리 거리를 조절하고, 이를 통해 에너지 전달 효율이 극대화되는 방법을 제공한다. 여기서, 레일리 거리(D)는 수학식 2에 의해 정의된다.
Figure 112010083463784-pat00002
여기서, k = 2πf/c, f는 주파수, c는 음속, a는 방사판의 지름을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템에서 방사판의 유효면적에 따른 레일리 거리 및 집중 빔 방사 형상의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템은 초음파 발생장치(110) 및 초음파 수신장치(120) 등을 포함한다.
초음파 발생장치(110)는 전기 에너지를 초음파로 변환하여 초음파 수신장치(120)로 전송한다.
본 발명에 따른 초음파 발생장치(110)는 복수의 초음파 소자(112a)가 배치된 방사판(112)을 구비하고, 초음파 수신장치(120)가 초음파의 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 초음파 발생장치(110)와 초음파 수신장치(120) 사이의 거리에 따라 복수의 초음파 소자(112a)를 온오프하여 방사판(112)의 유효면적을 조절한다. 여기서, 초음파 발생장치(110)는 초음파를 이용한 시간차나 위상차를 이용하여 초음파 발생장치(110)와 초음파 수신장치(120) 사이의 거리를 측정하거나 별도의 거리 센서를 이용하여 초음파 발생장치(110)와 초음파 수신장치(120) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 복수의 초음파 소자(112a)는 대칭 구조를 갖는 원형 또는 다각형 형태로 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 초음파 발생장치(110)와 초음파 수신장치(120) 사이의 거리에 따라 방사판(112)의 유효면적이 달라지는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 발생장치의 정렬을 위한 X, Y 및 팬/틸트 방향 제어를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 초음파 수신장치(120)를 포함하는 TV, 휴대단말 및 로봇 등의 전자기기가 초음파 발생장치(110)와 방향이 일치하지 않아 정렬이 필요할 때, 초음파 발생장치(110)는 수동 또는 모터를 이용하여, X, Y 및 팬/틸트 방향으로 조절될 수 있다. 예를 들면, 초음파 수신장치(120)를 내장한 TV를 벽에 걸어 사용할 경우, 초음파 수신장치(120)를 포함하는 TV의 위치에 따라 초음파 발생장치(110)를 X, Y 및 팬/틸트 방향으로 정렬한다.
또한, 초음파 발생장치(110)는 초음파 수신장치(120)와 초음파 발생장치(110)가 정렬이 잘 되었을 때, LED나 소리 등을 통해 정렬 정도를 표시하는 표시 장치와 연동될 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파 발생장치 내의 개별 초음파 소자의 작동에 의한 위치 및 방사 빔 형상 제어를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 초음파 수신장치(120)를 포함하는 전자기기가 초음파 발생장치(110)와 옵셋을 두고 위치할 경우, 초음파 발생장치(110)는 초음파 수신장치(120)를 기준으로 중심점을 선택하고, 이 중심점에서 초음파 수신장치(120)와의 거리를 계산하여 초음파 발생장치(110)의 개별 초음파 소자(112a) 중 일부를 작동시켜 유효면적을 최적화한다.
따라서, 초음파 수신장치(120)를 포함하는 로봇이나 단말기 등의 전자기기가 초음파 발생장치(110) 가까이에 오더라도 완벽히 중앙부에 정렬되지 않을 때, 상기 방법을 적용하면, 초음파 발생장치(110)와 초음파 수신장치(120) 사이에 최적화된 에너지 전달을 이룰 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 패드 형태의 초음파 발생장치에서 무선 에너지를 전송하는 예를 보여주는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 발생장치(110)는 패드 형태로 구성될 수 있고, 이 패드(610) 위에 초음파 수신장치(120)를 포함하는 전자장치(600)가 접촉되거나 일정 거리의 간격을 두고 위치하여 충전될 수 있다.
따라서, 사용자가 패드(112) 위의 임의의 위치나 임의의 거리에 단말기나 전자장치(600)를 두더라도 개별 초음파 소자(612)의 작동에 의해 에너지 전달 효율을 최적화할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 초음파 발생장치가 이동성이 있는 전자장치에 무선 에너지를 전송하는 예를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 초음파는 전달 매질이 공기뿐만 아니라 물이 될 수도 있다.
본 발명에 따른 초음파 발생장치(110)는 물속에서 초음파 수신장치(120)를 포함하는 물고기 로봇 등과 같은 이동성이 있는 전자장치(700)에 에너지를 공급할 수 있다. 이동성이 있는 전자장치(700)는 에너지 전달 효율이 최대가 되는 초음파 발생장치(110) 근처로 이동하여 초음파 발생장치(110)로부터 에너지를 효과적으로 전달받을 수 있다. 이를 위해, 이동성이 있는 전자장치(700)는 초음파를 이용하여 초음파 발생장치(110)의 위치를 인식한다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
110: 초음파 발생장치 112: 방사판
112a: 초음파 소자 120: 초음파 수신장치

Claims (9)

  1. 전기 에너지를 초음파로 변환하여 전송하는 초음파 발생장치; 및
    상기 초음파를 수신하여 전기 에너지로 변환하는 초음파 수신장치;
    를 포함하되,
    상기 초음파 발생장치는 복수의 초음파 소자가 배치된 방사판을 구비하고, 상기 초음파 수신장치가 초음파의 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치에 위치하도록 상기 복수의 초음파 소자를 온오프하여 상기 방사판의 유효면적을 조절하고,
    상기 복수의 초음파 소자 중 온(on) 상태를 갖는 초음파 소자는 상기 초음파를 방사하고, 오프(off) 상태를 갖는 초음파 소자는 초음파를 방사하지 않는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생장치는 자신과 상기 초음파 수신장치 사이의 거리에 따라 상기 방사판의 유효면적을 조절하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 발생장치는 초음파를 이용한 시간차나 위상차를 이용하여 상기 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 초음파 발생장치는 거리 센서를 이용하여 상기 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 초음파 소자는 대칭 구조를 갖는 원형 또는 다각형 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생장치는 상기 초음파 수신장치를 기준으로 초음파가 방사되는 수직면에서 X, Y 또는 팬/틸트 방향으로 조절되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 수신장치가 상기 초음파 발생장치와 옵셋을 두고 위치할 경우, 상기 초음파 발생장치는 상기 초음파 수신장치를 기준으로 중심점을 선택하고, 선택된 중심점에서 상기 초음파 수신장치와의 거리를 계산하며, 상기 복수의 초음파 소자들 중 일부를 온(on) 하여 상기 초음파 수신장치로의 상기 초음파가 전송되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 발생장치는 패드 형태로 구성되고, 상기 초음파 수신장치는 패드와 접촉하거나 소정의 거리를 두고 위치하여 상기 패드로부터 초음파를 수신하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 수신장치는 초음파를 이용하여 상기 초음파 발생장치의 위치를 인식하고, 상기 초음파 발생장치 근처의 초음파의 구형 방사로 인한 퍼짐 효과가 가장 적은 위치로 계속해서 이동하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 시스템.
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