KR102362698B1 - 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보 - Google Patents

리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 종래기술로, 모터의 고정자 및 내부지지물과 접촉되는 또아리형상의 고압 다이캐스팅용 코어를 통해 열전도시켜 냉각시키는 기술의 경우에 RC서모모터의 형상과 크기에 맞게 1:1로 고압 다이캐스팅용 코어를 맞춤형으로 제조해야 하기 때문에, 설치시간이 오래걸리고, 고압 다이캐스팅용 코어를 설치하기위한 별도의 공간을 마련해야 하므로 모터하우징 자체의 부피가 커서, 크기가 작은 RC서보모터에 적용하기에는 힘든 문제점과, 모터 자체의 열을 열전도시켜 냉각시키는데에만 촛점을 맞추다보니, 심해나 고고도 상태인 모터 주위 온도가 낮은 경우에, 오히려 모터의 온도를 높여주어야 하는 상황이 발생됐을 때에는, 모터외부표면이 얼어서 모터자체의 기능을 발휘하지 못하고 고장이 나는 문제점을 개선하고자, 케이스몸체(100), 와이어 접속컨넥터부(200), RC 서보모터(300), 포텐션미터(400), 서보모터드라이버부(500), 과부하감지센서부(600), 감속기어박스부(700), 또아리형 유연 열전소자(800), 제1 온도센서(900), 방열핀(Fin)(900a), 냉각팬(Fan)(900b), 제2 온도센서(900c), 열전소자용 배터리전원부(900d), 스마트 제어부(900e)로 구성됨으로서, RC서보모터에서 발생되는 고열을 RC서보모터와 직접 접촉되는 케이싱 내부 벽면둘레를 따라 형성된 유연 열전소자를 통해 효과적으로 방열시킬 수가 있어 기존에 비해 방열효과를 1.5배~3배 향상시킬 수 있고, 스마트제어부의 제어하에 평상시에는 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 온(溫)모드로 구동되어, RC서보모터가 얼지않고, 제 기능을 심해나 고고도 상태에서도 90% 발휘할 수 있으며, 케이스몸체, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터, 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부, 스마트 제어부를 모듈화구조로 형성시켜, 슬림하게 제작할 수 있고, 이로 인해, RC 서보모터를 필요로 하는 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정의 주변기기에 설치위치와 사이즈에 맞게 1:1 맞춤형으로 장착할 수가 있고, 스마트제어부의 제어하에 체크한 충전배터리의 상태와, RC 서보모터의 과부하 상태를 무선통신모듈을 통해 제어기기쪽으로 통보할 수 있어, 사용자가 실시간으로 RC 서보모터의 상태를 실시간으로 체크할 수 있고, RC 기기의 충돌로 인한 파손을 미리 방지할 수 있으며, 최종출력기어를 구동시키는 각도에 비례하여 출력전압을 PID(Proportional Integral Differential)제어해서 출력시킬 수 있어, RC 서보모터를 정밀제어할 수 있고, 디지털 서보 드라이버 구축을 통해 하드웨어(회로)의 변경없이 제어구조의 변경이 가능하고, 회로의 부품이 작아 소비전력을 기존에 비해 70%로 향상시킬 수 있는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보{Motor cold/hot surface contact smart servo for remote control}
본 발명에서는 RC 서보모터를 필요로 하는 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정에 응용되어, 평상시에는 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시킬 수 있어, RC 서보모터의 기능을 제대로 발휘할 수 있는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보에 관한 것이다.
통상적으로 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정 등의 리모트 콘트롤(RC, Remote Control)형 기기에는 기기의 제어를 위한 서보 모터 조립체와, 상기 서보 모터 조립체에 전원을 공급하는 배터리 등이 마련된다.
이와 같은 리모트 콘트롤(RC)형 서보 모터 조립체는, 구동 모터와, 구동 모터로부터의 출력을 감속하여 출력하는 감속부와, 상기 감속부를 매개하여 상기 구동 모터에 의하여 회전되는 출력축과, 상기 출력축의 회전량을 검출하는 회전량 검출기와, 상기 회전량 검출기로부터 검출되는 신호에 따라 구동 모터의 회전을 제어하는서보 제어부로 이루어진다.
한편, 리모트 콘트롤(RC)형 서보 모터 조립체의 서보모터는 작동과정에서 회전자 및 고정자에서 고온의 열이 발생하게 되는데, 이렇게 서보모터 안의 코일 온도가 높아지면, 서보모터의 구동과 발전 효율이 급격히 저하될 뿐만 아니라, 부품이 손상될 우려가 있고, 서보모터의 구동과 발전 효율이 급격히 저하됨에 따른 동력 손실이 발생되어 관련 응용 동력계의 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인이 출원하여 등록받은 국내등록특허공보 제10-1468022호에서는 리모트 콘트롤용 스마트 서보가 제시된 바 있으나,
이는 RC서보모터용 수납공간부의 내벽둘레에는 방열냉매부재가 나사산형상으로 형성되지만, 방열냉매부재가 누출되어 냉각 효율이 저하되며, 유로의 설계 자유도가 낮음에 따라 입력단과 출력단의 유로가 서로 엇갈리게 배치되면서 써멀 크로스토크(thermal crosstalk)가 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술로, 모터의 고정자 및 내부지지물과 접촉되는 고압 다이캐스팅용 코어를 통해 열전도시켜 냉각시키는 구조가 제시된 바 있으나, 이는 RC서모모터의 형상과 크기에 맞게 1:1로 고압 다이캐스팅용 코어를 맞춤형으로 제조해야 하기 때문에, 설치시간이 오래걸리고, 고압 다이캐스팅용 코어를 설치하기위한 별도의 공간을 마련해야 하므로 모터하우징 자체의 부피가 커서, 크기가 작은 RC서보모터에 적용하기에는 힘든 문제점이 있었다.
또한, 모터 자체의 열을 열전도시켜 냉각시키는데에만 촛점을 맞추다보니, 심해나 고고도 상태인 모터 주위 온도가 낮은 경우에, 오히려 모터의 온도를 높여주어야 하는 상황이 발생됐을 때에는, 모터외부표면이 얼어서 모터자체의 기능을 발휘하지 못하고 고장이 나는 문제점이 발생하였다.
국내등록특허공보 제10-1468022호
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 RC서보모터에서 발생되는 고열을 RC서보모터와 직접 접촉되는 케이싱 내부 벽면둘레를 따라 형성된 유연 열전소자를 통해 효과적으로 방열시킬 수가 있고, 스마트제어부의 제어하에 평상시에는 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 온(溫)모드로 구동되어, RC서보모터가 얼지않고, 제 기능을 심해나 고고도 상태에서도 발휘할 수 있으며, 케이스몸체, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터, 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부, 스마트 제어부를 모듈화구조로 형성시켜, 슬림하게 제작할 수 있고, 스마트제어부의 제어하에 체크한 충전배터리의 상태와, RC 서보모터의 과부하 상태를 무선통신모듈을 통해 제어기기쪽으로 통보할 수 있어, 사용자가 실시간으로 RC 서보모터의 상태를 실시간으로 체크할 수 있고, RC 기기의 충돌로 인한 파손을 미리 방지할 수 있으며, 최종출력기어를 구동시키는 각도에 비례하여 출력전압을 PID(Proportional Integral Differential)제어해서 출력시킬 수 있어, RC 서보모터를 정밀제어할 수 있는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보는
사각블럭구조로 이루어져, 각 기기를 외압으로부터 보호하고, 지지하는 케이스몸체(100)와,
케이스몸체 하단 일측에 형성되고, 충전배터리와 접속되어 전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키고, 무선통신모듈로부터 명령신호를 수신받아 스마트제어부로 전달시키는 와이어 접속컨넥터부(200)와,
케이스몸체 내부에 삽입되고, 포텐션미터로부터 출력축의 회전각도를 수신받은 상태에서 서보모터구동드라이버부의 구동신호에 따라 회전력을 발생시켜 최종출력기어쪽으로 회전력을 전달시키는 RC 서보모터(300)와,
RC서보모터의 출력축 일측에 위치되어, RC 서보모터와 회전하면서 저항을 가변시키고, 측정되는 전압으로 출력축의 회전위치를 스마트 제어부로 전달시키는 포텐션미터(400)와,
RC 서보모터 일측에 위치되어, 스마트 제어부의 제어하에 RC 서보모터의 구동을 제어시키는 서보모터드라이버부(500)와,
RC서보모터 일측에 위치되어, RC서보모터의 과부하 상태를 감지해서 스마트제어부로 전달시키는 과부하감지센서부(600)와,
RC 서보모터의 회전축 상단 일측에 위치되어, RC 서보모터의 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시켜 최종출력기어로 출력시키는 감속기어박스부(700)로 이루어지고,
상기 리모트 콘트롤용 스마트 서보는
케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈에 안내되어 또아리형상으로 형성되고, RC 서보모터의 표면과 면접촉되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 흡열원리를 통한 열전 냉각효과, 또는 발열원리를 통한 열전 히터효과를 생성시키는 또아리형 유연 열전소자(800)와,
케이싱몸체 내부의 내벽표면 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 온도 및, 또아리형 유연 열전소자의 열전 냉각효과, 열전 히터효과에 따른 RC 서보모터의 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 제1 온도센서(900)와,
RC 서보모터 하단인 케이싱몸체 하단 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 열을 빼앗아 외부로 방열시켜 주는 방열핀(Fin)(900a)과,
방열핀 하단에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 구동되어 방열핀에서 흡수한 열, 그리고, RC 서보모터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 냉각팬(Fan)(900b)과,
케이싱몸체 외부 일측에 위치되어, 외부의 주위 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 제2 온도센서(900c)와,
케이싱몸체 하단 타측에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 또아리형 유연 열전소자쪽으로 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원을 인가시켜 전원을 공급시키는 열전소자용 배터리전원부(900d)와,
서보모터드라이버부 하단 일측에 위치되어, RC서보모터, 서보모터드라이버부, 또아리형 유연 열전소자와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 평상시에는 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어하는 스마트 제어부(900e)가 포함되어 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는
첫째, RC서보모터에서 발생되는 고열을 RC서보모터와 직접 접촉되는 케이싱 내부 벽면둘레를 따라 형성된 유연 열전소자를 통해 효과적으로 방열시킬 수가 있어 기존에 비해 방열효과를 1.5배~3배 향상시킬 수 있다.
둘째, 스마트제어부의 제어하에 평상시에는 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 온(溫)모드로 구동되어, RC서보모터가 얼지않고, 제 기능을 심해나 고고도 상태에서도 90% 발휘할 수 있다.
셋째, 케이스몸체, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터, 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부, 스마트 제어부를 모듈화구조로 형성시켜, 슬림하게 제작할 수 있고, 이로 인해, RC 서보모터를 필요로 하는 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정의 주변기기에 설치위치와 사이즈에 맞게 1:1 맞춤형으로 장착할 수가 있다.
넷WO, 스마트제어부의 제어하에 체크한 충전배터리의 상태와, RC 서보모터의 과부하 상태를 무선통신모듈을 통해 제어기기쪽으로 통보할 수 있어, 사용자가 실시간으로 RC 서보모터의 상태를 실시간으로 체크할 수 있고, RC 기기의 충돌로 인한 파손을 미리 방지할 수 있으며, 최종출력기어를 구동시키는 각도에 비례하여 출력전압을 PID(Proportional Integral Differential)제어해서 출력시킬 수 있어, RC 서보모터를 정밀제어할 수 있고, 디지털 서보 드라이버 구축을 통해 하드웨어(회로)의 변경없이 제어구조의 변경이 가능하고, 회로의 부품이 작아 소비전력을 기존에 비해 70%로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 서보모터드라이버부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자의 구성요소를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자의 구성요소를 평면방향에서 펼쳐서 도시한 분해사시도,
도 7은 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자의 구성요소를 평면방향에서 펼쳐서 도시한 결합사시도,
도 8은 본 발명에 따른 n형 반도체·p형 반도체부에 소프트(Soft) 전극·소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부로부터 (+),(-)전원이 전달되면 흡열원리의 열전 냉각효과가 생성되고, (-)(+)전원이 전달되면 발열원리의 열전 히터효과가 생성되는 것을 도시한 일실시예도,
도 9는 본 발명에 따른 온도에 따른 전극형 리퀴드메탈의 상태도를 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자(800)의 곡률반경을 도시한 그래프,
도 11은 본 발명에 따른 스마트 제어부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 12는 본 발명에 따른 냉온(冷溫)모드제어회로부의 구체적인 회로연결관계를 도시한 회로도,
도 13은 본 발명에 따른 스마트 제어부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 14는 본 발명에 따른 스텝다운 DC-DC변환제어부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 15는 본 발명에 따른 벅 변환기의 구성요소를 도시한 구성도,
도 16은 본 발명에 따른 스텝업 DC-DC변환제어부의 구성요소를 도시한 구성도,
도 17은 본 발명에 따른 스텝다운 DC-DC변환제어부와, 스텝업 DC-DC변환제어부의 동작과정을 도시한 회로도,
도 18은 본 발명에 따른 DT-CMOS 제어부의 구성요소를 도시한 회로도,
도 19는 본 발명에 따른 감속기어박스부의 구성요소를 도시한 사시도,
도 20은 본 발명에 따른 과부하감지LED표출제어부에서 RC서보모터의 출력전류가 9A이하이면, 정상구동상태임을 설정해서 RGB LED 모듈쪽으로 블루(청색)불빛을 발광시켜, RC서보모터가 정상상태임을 표출시키도록 제어하는 것을 도시한 일실시예도,
도 21은 본 발명에 따른 과부하감지LED표출제어부에서 RC서보모터의 출력전류가 9A~11A이면, 과부하 상태임을 설정해서 RGB 모듈쪽으로 레드(적색)불빛을 발광시켜, RC서보모터가 과부하상태임을 표출시키도록 제어하는 것을 도시한 일실시예도,
도 22는 본 발명에 따른 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)부(810), 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820), TE 격자홀더부(830), n형 반도체·p형 반도체부(840), 직사각홈형 패드부(850), 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860), 전극형 리퀴드메탈(870), 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880), 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)로 이루어져 또아리형상으로 형성된 또아리형 유연 열전소자의 형성과정을 도시한 일실시예도,
도 23은 본 발명에 따른 제1 온도센서로부터 RC 서보모터에서 발생되는 온도가 기준범위를 넘었을 경우에, 스마트제어부의 제어하에 냉(冷)모드인 쿨링(Cooling)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (+),(-)전원을 인가시켜, n형 반도체·p형 반도체부에서 흡열의 열전냉각효과를 생성시키도록 제어하는 것을 도시한 일실시예도,
도 24는 본 발명에 따른 제2 온도센서로부터 외부의 주위 온도가 심해나 고고도상태여서, 낮은 경우에, 스마트제어부의 제어하에, 온(溫)모드인 히터(Heater)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (-),(+)전원을 인가시켜, n형 반도체·p형 반도체부에서 발열의 열전히터효과를 생성시키도록 제어하는 것을 도시한 일실시예도,
도 25는 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 스마트 서보가 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정에 안착되어 무선통신모듈을 통해 외부의 제어기기로 충전배터리의 소모상태와 기기이상여부를 전송시키는 것을 도시한 일실시예도.
본 특허와 기존 특허와의 큰 차이점은 첫째, RC 서보모터가 수납되어 지지되는 케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈이 형성되었다는 점이고, 둘째, 그 또아리형 안내홈에 RC 서보모터의 표면과 면접촉되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 흡열원리를 통한 열전 냉각효과, 또는 발열원리를 통한 열전 히터효과를 생성시키는 또아리형 유연 열전소자가 구성되었다는 점이며, 셋째, 냉온(冷溫)모드제어회로부를 통해, 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동시키다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어시킨다는 점이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 구성도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 사시도에 관한 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보(1)의 구성요소를 도시한 분해사시도에 관한 것으로, 이는 케이스몸체(100), 와이어 접속컨넥터부(200), RC 서보모터(300), 포텐션미터(400), 서보모터드라이버부(500), 과부하감지센서부(600), 감속기어박스부(700), 또아리형 유연 열전소자(800), 제1 온도센서(900), 방열핀(Fin)(900a), 냉각팬(Fan)(900b), 제2 온도센서(900c), 열전소자용 배터리전원부(900d), 스마트 제어부(900e)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 케이스몸체(100)에 관해 설명한다.
상기 케이스몸체(100)는 사각블럭구조로 이루어져, 각 기기를 외압으로부터 보호하고, 지지하는 역할을 한다.
이는 도 3에서 도시한 바와 같이, 상단부의 외부면 좌우 일측에 각각 "C"자형 거치홀이 트윈구조로 형성되고, 중단부의 외부면 좌우 일측 및 하단부의 외부면 좌우 일측에 거치홀이 없는 민무늬 형상으로 형성되어, 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지한다.
여기서, 주변기기는 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정의 내부 전자부품 및 지지틀, 지지프레임을 말한다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 상단케이스(110), 제1 중단케이스(120), 제1 하단케이스(130)로 구성된다.
상기 제1 상단케이스(110)는 제1 중단케이스 상단에 위치되어, 감속기어박스부를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 직사각형상으로 형성되고, 좌우 일측에 수평방향으로 트윈구조의 "C"자형 거치홀(111)이 형성되며, 상단 표면 일측에 최종출력기어의 헤드부를 외부로 돌출시키는 제1 돌출홈(112)이 형성되고, 상단 표면 둘레를 따라 제1 중단케이스와 볼트체결시키는 제1 볼트삽입홈(113)이 형성된다.
상기 제1 중단케이스(120)는 제1 하단케이스 상단에 위치되어, 내부에 RC서보모터, 포텐션미터, 서보모터드라이버부, 스마트 제어부가 맞춤형으로 수납되도록 복수개의 수납공간이 형성된다.
이는 도 3에 도시한 바와 같이, 직사각형블럭구조로 형성되고, 상단 표면 일측에 감속기어박스부를 지지하는 제1 지지판(120a)이 형성되고, 내부 일측에 RC서버모터를 맞춤형으로 수납시키는 제1 RC서보모터용 수납공간부(121)가 형성되며, 제1 RC서보모터용 수납공간부 일측에 서보모터드라이버부, 스마트 제어부가 트윈형 PCB기판을 수납시키는 제1 PCB기판용 수납공간부(122)가 형성된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 RC서보모터와 접촉되는 제1 RC서보모터용 수납공간부(121)의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈(121a)이 또아리형상으로 형성된다.
그리고, 또아리형 안내홈(121a)에 또아리형 유연 열전소자가 형성되고, RC 서보모터 하단 일측에 방열핀(fin)이 형성되고, 그 방열핀(fin) 하단 일측에 냉각팬이 형성되며, 냉각팬 일측인 케이싱몸체의 하단 타측에 스마트제어부가 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 케이싱몸체는 일측에 외부의 충전배터리(2)와 연결되어, 충전배터리와 연결되는 와이어 접속컨넥터부를 통해 전원을 인가받아, 각 기기에 전원을 공급시킨다.
이때, 충전배터리(2)는 본 발명에 따른 구성 중 RC 서보모터(300), 포텐션미터(400), 서보모터드라이버부(500), 과부하감지센서부(600), 냉각팬(Fan)(900b), 스마트 제어부(900e)에 전원을 공급시킨다.
그리고, 또아리형 유연 열전소자쪽으로는 스마트제어부의 제어신호에 따라 별도의 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원을 인가시켜 전원을 공급시키는 열전소자용 배터리전원부와, 냉온(冷溫)모드제어회로부가 구성된다.
상기 제1 하단케이스(130)는 제1 중단케이스 하단에 위치되어, RC 서보모터 밑단과, PMIC부, 서보모터드라이버부를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 직사각형상으로 형성되고, 와이어 접속컨넥터부를 하단방향에서 지지하면서 볼트체결되도록 테두리둘레를 따라 복수개의 제1 볼트삽입홈(131)이 형성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 와이어 접속컨넥터부(200)에 관해 설명한다.
상기 와이어 접속컨넥터부(200)는 케이스몸체 하단 일측에 형성되고, 충전배터리와 접속되어 전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키고, 무선통신모듈로부터 명령신호를 수신받아 스마트제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 3와이어 구조로 구성된다.
상기 3와이어 구조는 검정색 와이어가 GND로 연결되고, 빨간색 와이어가 VCC로 연결되며, 노란색 와이어에 PWM 신호가 인가되도록 구성된다.
상기 와이어 접속컨넥터부(200)는 충전배터리와 접속되는 (+)단자와 (-)단자 사이에 위치되어, 기기내부로 유입되는 전류를 감지해서 스마트 제어부로 전달시키는 제1 전류감지센서부(210)가 포함되어 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 RC 서보모터(300)에 관해 설명한다.
상기 RC 서보모터(300)는 케이스몸체 내부에 삽입되고, 포텐션미터로부터 출력축의 회전각도를 수신받은 상태에서 서보모터구동드라이버부의 구동신호에 따라 회전력을 발생시켜 최종출력기어쪽으로 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
이는 내부에 DC모터가 내장되고, 출력축 일측에 포텐션미터가 구성된다.
상기 RC 서보모터(300)는 360도 회전하지 않고 대략 좌로 90도, 우로 90도, 총 180도 정도 회전이 필요한 곳에 사용된다.
이러한 특성 때문에 RC 서보모터는 RC기기 중 RC 자동차의 앞바퀴의 조향이나 RC 헬리콥터의 로터 및 뒤 날개 등을 제어할 때 사용된다.
상기 RC 서보모터의 토크(Torque)는 RC 서보모터 내부에 들어 있는 DC 모터가 낼 수 있는 토크값에 따라 달라지게 구성된다.
상기 RC 서보모터는 펄스의 폭에 의해 각도를 조절하는 모터로서, 출력축 일측에 구성된 포텐션미터를 통해 회전정보를 전달받는다.
펄스폭은 대략 0.7msec에서 2.5msec 사이의 값을 나타내며 이에 각각 상응하는 각도 0에서 180도로 값이 달라진다. 따라서 400Hz 이하의 주파수를 사용한다.
그리고, 10ms~20ms의 반송주기를 갖는 PWM 신호의 펄스폭을 조절하여 각도를 제어한다.
또한, 상기 RC 서보모터는 동작범위가 +90도~-90도까지인 180도의 회전반경을 가지며 동작하고, 내부에 감속기가 내장되며, 출력토크가 4.8V의 전원에서는 3.0Kg/cm이고, 6.0V의 전원에서는 3.5Kg/cm인 특성을 가진다.
다음으로, 본 발명에 따른 포텐션미터(400)에 관해 설명한다.
상기 포텐션미터(400)는 RC서보모터의 출력축 일측에 위치되어, RC 서보모터와 회전하면서 저항을 가변시키고, 측정되는 전압으로 출력축의 회전위치를 스마트 제어부로 전달시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 서보모터드라이버부(500)에 관해 설명한다.
상기 서보모터드라이버부(500)는 RC 서보모터 일측에 위치되어, 스마트 제어부의 제어하에 RC 서보모터의 구동을 제어시키는 역할을 한다.
이는 도 4에 도시한 바와 같이, 검출센서(510), A/D 변환기(520), D/A 변환기(530)로 구성된다.
상기 검출센서(510)는 RC 서보 모터의 출력을 검출해서 A/D 변환기로 전달시키는 역할을 한다.
상기 A/D 변환기(520)는 검출센서에서 검출한 RC 서보모터의 출력값을 디지털 신호로 변환시켜 스마트 제어부로 전달시키는 역할을 한다.
상기 D/A 변환기(530)는 스마트 제어부로부터 RC 서보모터의 구동명령신호를 전달받아 아날로그 신호로 변환시켜 RC 서보모터로 전달시키는 역할을 한다.
상기 검출센서, A/D 변환기, D/A 변환기로 이루어진 서보모터드라이버부(500)는 디지털 서보 드라이버를 구축시킬 수 있어, 하드웨어(회로)의 변경없이 제어구조의 변경이 가능하고, 소프트웨어에 의하여 하드웨어상에서 혹은 기계기구상에서 발생하는 외란을 보상할 수 있으며, 하드웨어구조가 간단하여 제작비용을 줄일 수 있고 드라이버의 크기를 작게 할 수 있고, 회로의 부품이 작아 소비전력을 기존에 비해 70%로 향상시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 과부하감지센서부(600)에 관해 설명한다.
상기 과부하감지센서부(600)는 RC서보모터 일측에 위치되어, RC서보모터의 과부하 상태를 감지해서 스마트제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 입력전류와 출력전류 일측에 센싱저항을 연결시키고, 트랜지스터를 통해 스위칭시켜 스마트 제어부로 전달시키도록 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 감속기어박스부(700)에 관해 설명한다.
상기 감속기어박스부(700)는 RC 서보모터의 회전축 상단 일측에 위치되어, RC 서보모터의 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시켜 최종출력기어로 출력시키는 역할을 한다.
이는 동작범위가 +90도~-90도까지(180도)이고, 동작속도가 6.0V에서 0.17초/60도이며, 7.4V에서 0.14초/60도이고, 출력토크가 6.0V에서 24.0kg.cm이고, 7.4V에서 30.0kg.cm인 특성을 가진다.
상기 감속기어박스부(700)는 지지틀 본체(710), 피니언기어(720), 제1 스퍼기어(730), 제2 스퍼기어(740), 제3스퍼기어(750), 최종출력기어(760)로 구성된다.
상기 지지틀 본체(710)는 사각프레임 구조로 이루어져서, 하단방향에서 각 기기를 외압으로부터 보호하고 지지하는 역할을 한다.
이는 도 19에 도시한 바와 같이, 측면둘레를 따라 투명아크릴띠테두리부(711)가 형성되고, 투명아크릴띠테두리부 내부공간에 복수개의 RGB LED모듈(711a)이 포함되어 형성된다.
여기서, RGB LED모듈(711a)은 스마트 제어부의 과부하감지LED표출제어부 제어신호에 따라 블루(청색)불빛 또는 레드(적색)불빛으로 선택점등되어 발광시킨다.
상기 피니언기어(720)는 회전 축 상단에 위치되어, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시키는 역할을 한다.
상기 제1 스퍼기어(730)는 상단, 하단의 층상 구조로 이루어지고, 상단에 피니언기어와 맞물리며 형성되어, 회전력(RPM)을 감속시키는 역할을 한다.
상기 제2 스퍼기어(740)는 피니언기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 제3 스퍼기어와 맞물리면서 RC 서보모터의 회전력(RPM)을 전달시켜, 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시키는 역할을 한다.
상기 제3스퍼기어(750)는 제2 스퍼기어와 동일선상의 회전축상에 형성되고, 상단과 하단의 층상구조로 형성되며, 하단에 최종출력기어가 맞물리면서 최종출력기어쪽으로 회전력을 전달시키는 역할을 한다.
상기 최종출력기어(760)는 제3 스퍼기어와 연결되면서, 제3 스퍼기어로부터 회전력을 전달받아 외부기기의 회전체에 회전력을 출력시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자(800)에 관해 설명한다.
상기 또아리형 유연 열전소자(800)는 케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈에 안내되어 또아리형상으로 형성되고, RC 서보모터의 표면과 면접촉되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 흡열원리를 통한 열전 냉각효과, 또는 발열원리를 통한 열전 히터효과를 생성시키는 역할을 한다.
이는 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)부(810), 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820), TE 격자홀더부(830), n형 반도체·p형 반도체부(840), 직사각홈형 패드부(850), 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860), 전극형 리퀴드메탈(870), 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880), 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)부(810)에 관해 설명한다.
상기 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)(810)는 유연한 재질로 이루어져 하단면에 위치되고, 각 소자를 지지해주면서 전달자 역할을 수행하는 역할을 한다.
이는 폴리이미드 필름으로 이루어져 유연하여 쉽게 구부릴 수 있고, 높은 온도를 견딜 수 있으며, 열을 잘 발산 하기에 200℃~400℃ 사이의 극한 온도를 견딜 수 있게 설계된다.
둘째, 본 발명에 따른 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)에 관해 설명한다.
상기 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 사각펼침구조로 도포되어 형성되어, (+),(-)전원을 인가받아 n형 반도체와 p형 반도체쪽으로 전달시키는 역할을 한다.
이는 도 6에 도시한 바와 같이, 빨간색 단자 A(821)과, 파란색 단자 B(822)이 포함되어 구성된다.
이때, 빨간색 단자 A에 열전소자용 배터리전원부의 (+)단자가 연결되고, 파란색 단자 B에 열전소자용 배터리전원부의 (-)단자가 연결되어 구성된다.
셋째, 본 발명에 따른 TE 격자홀더부(830)에 관해 설명한다.
상기 TE 격자홀더부(830)는 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors) 윗단에 형성되고, 격자홀더형상으로 형성되어 n형 반도체와 p형 반도체가 정위치되도록 형성시키는 역할을 한다.
이는 비스무스텔루라이드(Bi-Te) 기반에 유연한 재질(실리콘, 고무)이 포함되어 3D프린터를 사용하여 격자홀더형 구조로 제작된다.
이렇게 격자홀더형 구조로 제작된 TE 격자홀더부에 n형 반도체와 p형 반도체가 1mm 간격으로 형성된다.
넷째, 본 발명에 따른 n형 반도체·p형 반도체부(840)에 관해 설명한다.
상기 n형 반도체·p형 반도체부(840)는 TE 격자홀더부 상에 정위치되어, 안착되면서 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)로부터 전달된 (+),(-)전원을 통해, 흡열원리를 통해 열전 냉각효과와, 발열원리를 통해 열전 히터효과를 생성시키는 역할을 한다.
이는 TE 격자홀더부 상에서 직각면체의 형상을 갖는 n형 반도체(841)와 p형 반도체(842)가 1mm 간격으로 형성된다.
상기 n형 반도체·p형 반도체부는 도 8에 도시한 바와 같이, 소프트(Soft) 전극·소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부로부터 (+),(-)전원이 전달되면, 전류는 +극에서 -극으로 흐르게된다.
이때, n형 반도체의 전하는 전류의 흐름에 반대로 움직이기 때문에, 위에서 아래로 작용하게 되고, p형 반도체 정공 또한 위에서 아래로 이동하게 된다.
이때, 전자가 위에서 아래로 이동할 때 위에서 열을 흡수하고, 아래서 방출하므로, 위쪽은 냉각되고, 아래는 가열이 된다.
이로 인해, 전극형 리퀴드 메탈쪽으로는 열전 냉각효과가 전도되어, 외부표면에 형성된 하이드로젤과 면접촉되는 RC 서보모터 표면을 열전냉각으로 식혀주는 냉(冷)모드를 형성시킨다.
또한, 반대로, 스마트제어부의 제어신호에 따라 소프트(Soft) 전극·소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부로부터 (-),(+)전원이 전달되면, 전류는 반대로 +극에서 -극으로 흐르게 된다.
이때, n형 반도체의 전하는 전류의 흐름에 반대로 움직이기 때문에, 아래에서 위로 작용하게 되고, p형 반도체 정공 또한 아래에서 위로 이동하게 된다.
이때, 전자가 아래에서 위로 이동할 때 아래에서 열을 흡수하고, 위에서 방출하므로, 위쪽은 가열되고, 아래는 냉각이 된다.
이로 인해, 전극형 리퀴드 메탈쪽으로는 열전 히터효과가 전도되어, 외부표면에 형성된 하이드로젤 패드와 면접촉되는 RC 서보모터 표면을 열전히터로 데워주는 온(溫)모드를 형성시킨다.
다섯째, 본 발명에 따른 직사각홈형 패드부(850)에 관해 설명한다.
상기 직사각홈형 패드부(850)는 n형 반도체·p형 반도체부 윗단에 형성되어, 복수개로 형성된 직사각홈 표면에 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 부어서 PDMS를 코팅시킨 직사각홈을 형성시킨 후, 그 PDMS를 코팅시킨 직사각홈에 전극형 리퀴드 메탈을 충전되면, 직사각형구조로 밀봉되도록 형성시키는 역할을 한다.
여섯째, 본 발명에 따른 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860)에 관해 설명한다.
상기 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860)는 직사각홈형 패드에 충전되는 전극형 리퀴드메탈을 하단부위에서 밀봉시키는 역할을 한다.
이는 디메틸폴리실록산 또는 디메티콘으로도 알려진 폴리디메틸실록산으로서, 실리콘이라고 하는 고분자 유기 규소 화합물 그룹에 속한다. PDMS는 그 다양성과 특성으로 인해 많은 응용 분야로 이어지기 때문에 실리콘 기반 유기 폴리머로 사용된다. 밀도는 965kg/m³이고, 화학식은 (C2H6OSi)n이며, 끓는점은 200 ℃인 특성을 가진다.
일곱째, 본 발명에 따른 전극형 리퀴드메탈(870)에 관해 설명한다.
상기 전극형 리퀴드메탈(870)은 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 통해 코팅시킨 직사각홈형 패드의 직사각홈에 충전되어, 각 소재를 연결시키는 전극역할과 함께, n형 반도체·p형 반도체에서 생성된 열전 냉각효과를 하이드로젤쪽으로 전달시키거나, 또는 n형 반도체·p형 반도체에서 생성된 열전 히터효과를 하이드로젤쪽으로 전달시키는 역할을 한다.
이는 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부가 코팅된 직사각홈에 주사기를 사용하여 1t~3t의 두께를 갖는 사각박스형상으로 형성시키고, 그 형성시킨 사각박스형상 상단부위에 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 통해 밀봉시켜 사각박스형상으로 형성시킨다.
이때, 밀봉시킨 사각박스형상이 복수개로 형성된다.
전기 저항이 또아리형 유연 열전소자에 미치는 영향은 열전 냉각과 열전 히터 모두 나타나게 되는데 펠티에 효과를 이용한 열전 냉각에서는 냉각 능력을 나타내는 다음의 수학식 1에 따르면 전체 전기저항이 증가할수록 줄열 항에 해당하는 값이 늘어 냉각 성능이 줄어든다.
Figure 112021121176870-pat00001
여기서, N은 소재의 개수, Sp는 p형 반도체의 펠티어계수, Sn은 n형 반도체의 펠티어계수, I는 흘려준 전류, Tc는 저온부의 온도, R은 전체 전기 저항, k는 열 전도도, A는 소재의 단면적, L은 소재의 길이, TH는 고온부의 온도를 나타낸다.
또한, 열전 히터에서는 히터성능[(Qh=(S△T)2/4R)]으로 표현 가능한데 전체 전기 저항 R이 줄어들수록 전체 히터성능은 증가한다. 따라서 유연 열전소자의 전체 전기저항을 줄이는 것이 열전 냉각과 열전 히터의 성능 향상에 도움이 된다.
따라서, 본 발명에서는 벌크 기반의 유연 열전 소재를 서로 연결하는 전극형 리퀴드 메탈이 사용된다.
여기서, 전극형 리퀴드 메탈은 EGaIn(Eutectic-gallium indium alloy)로서, 갈륨과 인듐을 일정한 질량비로 합금화 한 것이다.
즉, 질량비로 갈륨 75%와 인듐 25%의 공융조성(eutectic compositions)에서 합금을 이루고 있는 금속이며, 녹는점이 15.5℃로 낮아서 상온에서 액체상태로 존재한다. EGaIn은 전도도(3.4 x 103 S/cm)가 높고, 점성 또한 물의 반 정도로 매우 낮은 특성을 갖는다.
EGaIn 자체 표면장력은 624 mN/m로 매우 크나, EGaIn의 표면에 형성되는 수 나노미터 두께의 갈륨 산화막이 표면장력을 낮춰주어 구형 이외의 모양으로 성형이 가능하며 마이크로 채널과 같은 좁은 공간에도 안정적으로 주입할 수 있다.
그리고, 표면 산화막 덕분에 표면장력 및 점성이 낮아 마이크로 패턴형성에 용이하며, 수은, 라듐 등의 다른 액체금속들에 비해 독성이 낮고 안정성이 높은 특성을 가진다.
도 9는 온도에 따른 전극형 리퀴드메탈의 상태도를 나타내는 그래프로서, 15.3도 이상에서는 EGaIn이 액체상으로 존재한다는 것을 의미한다.
전극형 리퀴드메탈의 전기 비저항은 약 29.4 μΩ-cm2으로써, 금속의 비저항과 비교하여 큰 차이가 나지 않으며, 액체인 만큼 큰 유연성을 지닌다.
본 발명에서는 또아리형 유연 열전소자의 n형 반도체와 p형 반도체 윗단에 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부가 형성되고, 그 제1 PDMS 밀봉부 윗단에 전극형 리퀴드 메탈이 형성되며, 그 전극형 리퀴드 메탈 윗단에 제2 PDMS 밀봉부가 형성되어, 전극형 리퀴드 메탈을 밀봉하여 열접촉저항이 좋으면서도 전극 저항은 기존에 비해 줄어든 새로운 형태의 또아리형 유연 열전소자가 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 전극형 리퀴드메탈이 형성되는 이유는 기존 유연 열전소자의 경우에 전극형 리퀴드메탈이 없어서, 매우 얇은 두께를 가져 소재 양단의 온도차를 확보하기가 어려워, 이로 인해, 열전 히터에서 발생되는 히터성능[(Qh=(S△T)2/4R)]이 작아지기 때문에, 직사각형구조의 두께감이 있는 전극형 리퀴드메탈이 형성된다.
여덟째, 본 발명에 따른 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880)에 관해 설명한다.
상기 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880)는 전극형 리퀴드메탈 상단부위에 위치되어, 밀봉시키는 역할을 한다.
이는 디메틸폴리실록산 또는 디메티콘으로도 알려진 폴리디메틸실록산으로서, 실리콘이라고 하는 고분자 유기 규소 화합물 그룹에 속한다. PDMS는 그 다양성과 특성으로 인해 많은 응용 분야로 이어지기 때문에 실리콘 기반 유기 폴리머로 사용된다. 밀도는 965kg/m³이고, 화학식은 (C2H6OSi)n이며, 끓는점은 200 °C인 특성을 가진다.
그리고, 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 양생하기 위해 노 내에서 60도~80도의 온도로 1.5~3시간 동안 가열한다.
열처리가 끝나게 되면, 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부 윗단에 부드럽게 휘어질 수 있는 하이드로젤(hydrogel) 패드가 형성된다.
아홉째, 본 발명에 따른 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)에 관해 설명한다.
상기 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)는 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부 윗단에 위치되어, 유연하게 휘거나 구부릴 수 있고, RC 서보모터의 표면에 면접촉되어, 전극형 리퀴드메탈로부터 전달된 열전 냉각효과와, 열전 히터효과를 RC 서보모터 표면쪽으로 전달시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자는 도에 구성한 바와 같이, 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)에 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)가 사각펼침구조로 도포되어 형성되고, 그 소프트(Soft) 전극·소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)에 비스무스텔루라이드(Bi-Te) 기반의 TE 격자홀더부가 격자홀더형상으로 형성되며, 그 TE 격자홀더부 윗단에 n형 반도체와 p형 반도체가 1mm 간격으로 형성되고, 그 n형 반도체와 p형 반도체 윗단에 직사각홈형 패드가 형성되며, 그 직사각홈형 패드의 복수개의 직사각홈에 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부가 충진되어 코팅형성되고, 그 제1 PDMS 밀봉부가 코팅된 직사각홈에 전극형 리퀴드 메탈(액체 금속)이 형성되고, 그 리퀴드 메탈(액체 금속) 윗단에 제2 PDMS 밀봉부가 형성되어, 전극형 리퀴드 메탈을 밀봉시키며, 그 제2 PDMS 밀봉부 윗단에 하이드로젤(Hydrogel)이 형성된다.
상기 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)부(810), 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820), TE 격자홀더부(830), n형 반도체·p형 반도체부(840), 직사각홈형 패드부(850), 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860), 전극형 리퀴드메탈(870), 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880), 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)로 이루어진 또아리형 유연 열전소자(800)의 곡률반경은 도 10에 도시한 바와 같다.
즉, 또아리형 유연 열전소자의 곡률반경은 X축 방향으로 22.5mm, Z축 방향으로 26.8mm로 측정되었다.
전극형 리퀴드 메탈을 밀봉하기 위한 제1 PDMS 밀봉부, 제2 PDMS 밀봉부의 강성 때문에 곡률반경은 기존 FPCB만을 사용한 유연 열전소자보다 약간 높게 나온다. 하지만, 케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈의 곡률반경이 28mm이므로, 또아리 형상으로 구부러져서 RC 서보모터에 면접촉되어, 열전 냉각 또는 열전 히터하는데 사용할 수가 있다.
또아리형 유연 열전소자의 냉각 성능 측정을 일실시예로서, 대기 온도 28도, 상대 습도 60%에서 초기 RC 서보모터의 온도는 34.7℃로 측정되었다.
5V 배터리전원부를 사용하여 가변 저항을 연결하여 또아리형 유연 열전소자에 동일한 1.33 A를 흘려준 결과, 냉각 후 RC 서보모터의 온도는 29.3도로 총 냉각 온도는 5.4K로 기존의 순수 FPCB를 사용한 유연 열전소자보다 22.72% 더 냉각됨을 알 수 있었다.
다음으로, 본 발명에 따른 제1 온도센서(900)에 관해 설명한다.
상기 제1 온도센서(900)는 케이싱몸체 내부의 내벽표면 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 온도 및, 또아리형 유연 열전소자의 열전 냉각효과, 열전 히터효과에 따른 RC 서보모터의 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 케이싱몸체 내부이 내벽표면 일측에 요홈형상으로 함몰된 구조에 위치되어, 물체의 온도를 감지하여 전기신호로 바꿔주는 센서로서, 본 발명에서는 전압의 변화량을 이용하여 온도(-60도~200도)를 측정하는 센서로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 방열핀(Fin)(900a)에 관해 설명한다.
상기 방열핀(Fin)(900a)은 RC 서보모터 하단인 케이싱몸체 하단 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 열을 빼앗아 외부로 방열시켜 주는 역할을 한다.
이는 사각박스형상의 방열몸체에 복수개의 핀(Fin)이 복수개로 돌출되어 형성된다.
여기서, 방열몸체는 Al 재질로 이루어진다.
다음으로, 본 발명에 따른 냉각팬(Fan)(900b)에 관해 설명한다.
상기 냉각팬(Fan)(900b)은 방열핀 하단에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 구동되어 방열핀에서 흡수한 열, 그리고, RC 서보모터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 제2 온도센서(900c)에 관해 설명한다.
상기 제2 온도센서(900c)는 케이싱몸체 외부 일측에 위치되어, 외부의 주위 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 역할을 한다.
이는 케이싱몸체 외부에 위치되어, 물체의 온도를 감지하여 전기신호로 바꿔주는 센서로서, 본 발명에서는 전압의 변화량을 이용하여 온도(-60도~200도)를 측정하는 센서로 구성된다.
다음으로, 본 발명에 따른 열전소자용 배터리전원부(900d)에 관해 설명한다.
상기 열전소자용 배터리전원부(900d)는 케이싱몸체 하단 타측에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 또아리형 유연 열전소자쪽으로 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원을 인가시켜 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 3.3V~5V 리튬이온배터리, 리튬폴리머배터리 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
그리고, 제2 전류감지센서부(900d-1)가 포함되어 구성된다.
상기 제2 전류감지센서부(900d-1)는 열전소자용 배터리전원부와 접속되는 (+)단자와 (-)단자 사이에 위치되어, 기기내부로 유입되는 전류를 감지해서 스마트 제어부로 전달시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 스마트 제어부(900e)에 관해 설명한다.
상기 스마트 제어부(900e)는 서보모터드라이버부 하단 일측에 위치되어, RC서보모터, 서보모터드라이버부, 또아리형 유연 열전소자와 연결되어, 각 기기의 전반적인 동작을 제어하면서, 평상시에는 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 PIC 원칩마이컴, 마이크로컴퓨터, 마이크로프로세서 중 어느 하나가 선택되어 구성된다.
본 발명에서는 마이크로프로세서로 구성된다.
즉, 도 11에 도시한 바와 같이, 전원입력단자 일측에 충전배터리가 연결되어, 충전배터리로부터 전원이 입력되고, 입력단자 일측에 제1 전류감지센서부가 연결되어, 제1 전류감지센서부(210)에서 감지된 충전배터리에서 기기내부로 유입되는 전류감지신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 제2 전류감지센서부(900d-1)가 연결되어, 제2 전류감지센서부(900d-1)에서 감지된 열전소자용 배터리전원부(900d)의 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원에 흐르는 전류감지신호가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 포텐션미터가 연결되어, 포텐션미터(400)로부터 감지한 RC 서보모터의 출력축의 회전위치신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 과부하감지센서부(600)가 연결되어, RC서보모터의 과부하 상태를 감지한 센싱신호가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 제1 온도센서(900)가 연결되어, RC 서보모터에서 발생되는 온도 및, 또아리형 유연 열전소자의 열전 냉각효과, 열전 히터효과에 따른 RC 서보모터의 온도를 센싱한 센싱신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 제2 온도센서(900c)가 연결되어, 외부의 주위 온도를 센싱한 센싱신호가 입력되고, 출력단자 일측에 서버모터드라이버부(500)가 연결되어, RC 서보모터의 구동을 제어하는 출력신호를 출력시키고, 또 다른 출력단자 일측에 열전소자용 배터리전원부가 연결되어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (+),(-)전원을 인가시키는 제1 전원출력신호를 출력시켜 흡열의 열전냉각효과를 생성시키도록 제어하고, 또 다른 출력단자 일측에 열전소자용 배터리전원부가 연결되어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (-),(+)전원을 인가시키는 제2 전원출력신호를 출력시켜 발열의 열전히터효과를 생성시키도록 제어시키며, 또 다른 출력단자 일측에 냉각팬(Fan)이 연결되어, 냉각팬을 구동시켜 RC 서보모터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 방열팬구동신호를 출력시키도록 구성된다.
상기 스마트 제어부(900e)는 도 13에 도시한 바와 같이, 스텝다운 DC-DC변환제어부(900e-1), 스텝업 DC-DC변환제어부(900e-2), DT-CMOS 제어부(900e-3), 무선데이터송수신제어부(900e-4), 과부하감지LED표출제어부(900e-5), 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)로 구성된다.
첫째, 본 발명에 따른 스텝다운 DC-DC변환제어부(900e-1)로 구성된다.
상기 스텝다운 DC-DC변환제어부(900e-1)는 일반 동작모드시 각 기기에 전원을 공급하고, 대기모드시 RC서모모터의 로드변화에 따라 전력변환 효율을 변화시키지 않고 기준설정치 범위 내에서 일정하게 유지시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 도 14에 도시한 바와 같이, 벅 변환기(900e-1a), LDO레귤레이터부(900e-1b)로 구성된다
[벅 변환기]
상기 벅 변환기(900e-1a)는 일반적인 동작 모드시에 전원을 공급시키는 역할을 한다.
이는 출력 전압과 기준 전압(Vref)를 비교하여 생긴 오차를 제1 오차 증폭기(Error Amp)로 증폭하고, 이 증폭된 전압은 비교기(comparator)에서 톱니파(saw tooth wave)와 비교되어 오차에 상응한 구형파 펄스를 생성하여 RC 서보모터구동용 스위치를 구동시켜 출력전압을 안정시킨다.
이는 도 15에 도시한 바와 같이, 제1 오차증폭기(900e-1a'), 제1 기준전압발생회로부(900e-1a'')로 구성된다.
상기 제1 오차증폭기(900e-1a')는 스마트 제어부의 출력전압과 기준전압발생회로부의 555mV를 비교하여 그 오차만큼을 증폭시키는 역할을 한다.
이는 높은 게인을 갖기 위해 폴드드 캐스코드 방식으로 구성되고, 저항을 구동해야 하므로 출력단이 커먼 소스로 구성된다.
상기 제1 기준전압발생회로부(900e-1a'')는 전원전압과 온도의 변화에 무관하게 기준전압을 만들어주는 것으로, 밴드-갭 레퍼런스(Band-gap reference)의 회로를 이용하여 구성된다.
상기 제1 기준전압발생회로부는 스마트 제어부에서 출력전압의 최소범위를 설정시키는 역할을 한다.
따라서, 넓은 출력범위를 갖기 위해 기존의 1.2V를 출력하는 제1 기준전압발생회로부가 아닌 저전압(555mV) 제1기준전압발생회로부로 구성된다.
[LDO레귤레이터부]
상기 LDO레귤레이터부(900e-1b)는 RC서보모터가 착륙 및 이륙시 저전류로 동작하는 대기모드로 변환되어 로드 변화에 따라 효율을 크게 변화시키지 않고 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
PWM방식의 SMPS는 높은 출력전류에서 높은 전력변환 효율을 갖지만 출력전류가 낮아지면 효율이 급격히 떨어진다.
RC서보모터는 대기모드에서 적은 전류를 소모한다.
상기 LDO레귤레이터부는 로드 변화에 따라 효율이 크게 변하지 않는 특성을 가진다.
이처럼, 벅 변환기(900e-1a), LDO레귤레이터부(900e-1b)로 이루어진 본 발명에 따른 스텝 다운 DC-DC 변환제어부는 도 17에 도시한 바와 같이, 일반모드에서는 SMPS(벅 변환기)로 동작하다가 단말기가 대기모드로 되면 두개의 스위치가 차단되고 LDO가 동작하게 된다.
여기서, 일반모드와 대기모드는 스마트 제어부의 제어에 의해 동작된다.
1mA의 로드전류 조건에서 벅변환기는 약 28%의 효율을 갖지만, 본 특허에 따른 LDO레귤레이터부는 약 60%의 효율을 갖음으로써, RC서보모터가 대기모드에서도 일정 이상의 효율을 유지하도록 구성된다.
둘째, 본 발명에 따른 스텝업 DC-DC변환제어부(900e-2)에 관해 설명한다.
상기 스텝업 DC-DC변환제어부(900e-2)는 RC서보모터의 출력전압을 구동시키는 역할을 한다.
이는 부스트 변환기로 구성된다.
즉, 도 17에 도시한 바와 같이, 출력 전압과 기준 전압(Vref)를 비교하여 생긴 오차를 오차 증폭기(Error Amp)로 증폭하고, 이 증폭된 전압은 비교기(comparator)에서 톱니파(saw tooth wave)와 비교되어 오차에 상응한 구형파 펄스를 생성하여 RC서보모터구동용 스위치를 구동시켜 출력전압을 안정시킨다.
이는 도 16에 도시한 바와 같이, 제2 오차증폭기(900e-2a), 제2 준전압발생회로부(900e-2b)로 구성된다.
상기 제2 오차증폭기(900e-2a)는 스마트 제어부의 출력전압과 제2 기준전압발생회로부의 555mV를 비교하여 그 오차만큼을 증폭시키는 역할을 한다.
이는 높은 게인을 갖기 위해 폴드드 캐스코드 방식으로 구성되고, 저항을 구동해야 하므로 출력단이 커먼 소스로 구성된다.
상기 제2 기준전압발생회로부(900e-2b)는 전원전압과 온도의 변화에 무관하게 기준전압을 만들어주는 것으로, 밴드-갭 레퍼런스(Band-gap reference)의 회로를 이용하여 구성된다.
상기 제2 기준전압발생회로부는 스마트 제어부에서 출력전압의 최소범위를 설정시키는 역할을 한다.
따라서, 넓은 출력범위를 갖기 위해 기존의 1.2V를 출력하는 제2 기준전압발생회로부가 아닌 저전압(555mV) 제2기준전압발생회로부로 구성된다.
상기 스텝업 DC-DC변환제어부는 PWM 제어회로에서 기준전압발생회로(Bandgap Reference Voltage Generator)를 벅변환기와 공유하여 사용함으로써 패키지를 통한 면적 감소뿐만 아니라, 레이아웃 상에서 10~15% 이상의 면적 감소효과가 있고, PWM 제어회로의 공유를 통해서 소비전력을 낮추고, 낮은 온 저항을 가진 DT-CMOS를 스위칭소자로 사용함으로써 100mA 출력 전류에서 92.1%와 95%의 효율을 높일 수가 있다.
둘째, 본 발명에 따른 DT-CMOS 제어부(900e-3)에 관해 설명한다.
상기 DT-CMOS 제어부(900e-3)는 RC서보모터 구동시, 로직천이(logic transition)시에는 낮은 문턱전압을 출력시키고, 대기상태에서는 높은 문턱전압을 출력시켜 동작속도는 빠르게 하면서 대기상태의 전력소모는 줄이는 역할을 한다.
이는 RC서보모터 접촉스위치의 온 저항에 의한 도통손실이 출력전류가 커질수록 증가되는 것을 방지하고, 회로 성능의 손실없이 저전력을 구현하기 위해 공급전압의 축소에 따라 문턱전압도 줄이도록 구성된다.
여기서, 문턱전압은 대기상태에서의 누설전류의 양 때문에 한계가 있다.
즉, 도 18에 도시한 바와 같이, RC서보모터 접촉스위치가 온 됐을 때, 다이오드 컨넥션 nMOS에 의해 RC서보모터 접촉스위치 MOS의 바디(body)전압을 제어하여 문턱전압을 낮추고, RC서보모터 접촉스위치가 오프됐을 때, 각각 pMOS와 nMOS의 바디(body)전압을 전원전압과 그라운드로 만들어 문턱전압을 높인다.
상기 DT-CMOS 제어부는 RC서보모터 접촉스위치가 온 상태에서 낮은 문턱전압으로 인해 기존의 CMOS 스위치보다 낮은 온 저항을 가진다.
또한, 다이오드 컨넥션 MOS의 사이즈를 조정하여 높은 전원전압에서도 바디 쪽 누설전류를 최소화하여, 누설전류에 의한 전원전압의 제한을 극복하도록 구성된다.
넷째, 본 발명에 따른 무선데이터송수신제어부(900e-4)에 관해 설명한다.
상기 무선데이터송수신제어부(900e-4)는 무선통신모듈을 통해 외부의 제어기기로 충전배터리의 소모상태와 기기이상여부를 전송시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 WiFi통신모듈로 구성된다.
이처럼, 스텝다운 DC-DC변환제어부, 스텝업 DC-DC변환제어부, DT-CMOS 제어부, 무선데이터송수신제어부로 이루어진 스마트 제어부는 RC서보모터에 맞는 제어신호(PWM)를 출력시켜 출력축이 설정각도(+90도~-90도로 180도)를 유지시키도록 제어하고,
와이어접속컨넥터부의 신호선은 PWM, Vcc, Gnd로 구성되며, 전원은 5V의 독립전원이 연결되어 구성된다.
상기 스마트 제어부의 제어신호는 주기적인 0.7~2.3msec 펄스로 공급되고, 펄스폭 0.7msec에서 2.3msec까지 약 100usec의 펄스를 생성시키는 프로그램을 설정한 후, 펄스를 인가하면 공급되는 펄스폭에 따라서 서보모터가 정해진 각도로 움직여 정지하고, 1.5msec에서 중심각도를 가지며 0.7msec에서 -90도의 각도로 움직이고, 2.3msec에서 +90도의 각도로 움직이도록 구성된다.
다섯째, 본 발명에 따른 과부하감지LED표출제어부(900e-5)에 관해 설명한다.
상기 과부하감지LED표출제어부(900e-5)는 과부하감지센서부로부터 전달된 RC서보모터의 과부하 상태를 기준설정치와 비교한 후, 기준설정치 이상이면, 중단케이스 측면 둘레를 따라 형성된 RGB LED 모듈쪽에 레드불빛을 발광시켜, RC서보모터가 현재 과부하 상태임을 표출시키고, 기준설정치 이하이면 RGB LED 모듈쪽에 블루불빛을 발광시켜, RC서보모터가 현재 정상구동상태임을 표출시키도록 제어시키는 역할을 한다.
이는 OP앰프, 센싱저항, 다이오드, FET 스위칭부로 구성된다.
상기 기준설정치는 9A~11A로 과부하감지전류로 설정된다.
즉, 도 20에 도시한 바와 같이, RC서보모터의 출력전류가 9A이하이면, 정상구동상태임을 설정해서 RGB LED 모듈쪽으로 블루(청색)불빛을 발광시켜, RC서보모터가 정상상태임을 표출시키도록 제어하고, 도 21에 도시한 바와 같이, RC서보모터의 출력전류가 9A~11A이면, 과부하 상태임을 설정해서 RGB 모듈쪽으로 레드(적색)불빛을 발광시켜, RC서보모터가 과부하상태임을 표출시키도록 제어한다.
여섯째, 본 발명에 따른 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)에 관해 설명한다.
상기 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)는 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동시키다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어하는 역할을 한다.
이는 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 냉(冷)모드인 쿨링(Cooling)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (+),(-)전원을 인가시켜, 흡열의 열전냉각효과를 생성시키도록 제어하고, 온(溫)모드인 히터(Heater)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (-),(+)전원을 인가시켜, 발열의 열전히터효과를 생성시키도록 제어한다.
여기서, (+),(-)전원을 인가시킨다는 것은 빨간색 단자 A과, 검정색의 (-)전원라인에 (+),(-)전원을 인가시켜서, n형 반도체에 (+) 전원을 가하고, p형 반도체에 (-)전원을 가하여, n형 반도체·p형 반도체부에서 흡열의 열전냉각효과를 생성시킨다.
상기 (-),(+)전원을 인가시킨다는 것은 빨간색 단자 A과, 검정색의 (-)전원라인에 (-),(+)전원을 인가시켜서, n형 반도체에 (-) 전원을 가하고, p형 반도체에 (+)전원을 가하여, n형 반도체·p형 반도체부에서 발열의 열전히터효과를 생성시킨다.
본 발명에 따른 n형 반도체·p형 반도체부(840) 윗단에 전극형 리퀴드 메탈(870)이 형성되고, 전극형 리퀴드 메탈(870) 윗단의 하이드로젤 패드를 통해 RC AC모터와 면접촉된다.
즉, n형 반도체·p형 반도체부(840)에서 흡열원리를 통한 열전 냉각효과가 그대로, 전극형 리퀴드 메탈(870)로 전도되어, 하이드로젤 패드를 통해 RC AC모터와 면접촉되면서 RC AC모터를 냉(冷)모드로 냉각시키거나, 또는 n형 반도체·p형 반도체부(840)에서 발열원리를 통한 열전 히터효과가 그대로, 전극형 리퀴드 메탈(870)로 전도되어, 하이드로젤 패드를 통해 RC AC모터와 면접촉되면서 RC AC모터를 온(溫)모드로 히터시킨다.
이를 위해, 본 발명에 따른 또아리형 유연 열전소자의 빨간색 단자 A과, 파란색 단자 B가 n형 반도체·p형 반도체부(840) 하단인 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)에 형성되고, n형 반도체·p형 반도체부(840) 윗단에 전극형 리퀴드 메탈(870)가 형성된다.
그리고, 빨간색 단자 A에서, 파란색 단자 B 방향으로 전류가 흐르면, n형 반도체·p형 반도체부(840)의 하단쪽이 발열부(Heat Rejection)가 되고, n형 반도체·p형 반도체부(840)의 윗단쪽이 흡열부(Active Cooling)가 되고, 전극형 리퀴드 메탈(870)은 열전 냉각효과가 생성되며, 이로 인해 하이드로젤 패드를 통해 RC AC모터와 면접촉되면서 RC AC모터를 냉(冷)모드로 냉각시킨다.
반대로, 파란색 단자 B에서 빨간색 단자 A방향으로 전류가 흐르면, n형 반도체·p형 반도체부(840)의 하단쪽이 발열부(Heat Rejection)가 되고, n형 반도체·p형 반도체부(840)의 윗단쪽이 흡열부(Active Cooling)가 되고, 전극형 리퀴드 메탈(870)은 열전 히터효과가 생성되며, 이로 인해 하이드로젤 패드를 통해 RC AC모터와 면접촉되면서 RC AC모터를 온(溫)모드로 히터시킨다.
보다 구체적으로 설명하면, 스마트 제어부(900e)는 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 출력단자(PA4)를 통하여 제1 기준 온도(VT1)를 기준으로 제1 온도센서에서 감지된 온도가 제1 기준 온도보다 크면 제1 레벨(high)의 신호를 출력하고, 제1 온도센서에서 감지된 온도가 제1 기준 온도보다 작으면 제2 레벨(low)의 신호를 출력한다. 여기서, 출력단자(PA4)를 통하여 출력되는 제1 레벨(high)은 쿨링(Cooling)신호를 말한다.
또한 스마트 제어부(900e)는 출력단자(PA3)를 통하여 제2 기준 온도(VT2)를 기준으로 제2 온도센서에서 감지된 온도가 제2 기준 온도보다 크면 제3 레벨(high)의 신호를 출력하고, 제2 온도센서에서 감지된 온도가 제2 기준 온도보다 작으면 제4 레벨(low)의 신호를 출력한다.
여기서, 출력단자(PA3)를 통하여 출력되는 제4 레벨(low)은 히팅(Heating)신호를 말한다.
냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)는 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA4)로부터 제1 레벨(high)의 신호가 입력되면 n형 반도체·p형 반도체부(840)의 빨간색 단자 A로 5V, (+)전원을 출력하고, 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA4)로부터 제2 레벨(low)의 신호가 입력되면 n형 반도체·p형 반도체부(840)의 빨간색 단자 A로 0V, 즉 (-)전원을 출력하는 제1 제어 회로(900e-6a)가 구성된다.
여기서, 제1 제어 회로(900e-6a)는 OP앰프(900e-6a'), 저항(R14), 트랜지스터(Q1), 저항(R16)으로 구성된다.
그리고, Vcc에는 열전소자용 배터리전원부(900d)가 연결되어 (+5V) 전원이 인가된다.
여기서, 제1 제어 회로(900e-6a)는 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA4)로부터 제1 레벨(high)의 신호가 입력되면, OP앰프(900e-6a')의 출력은 low 신호가 되고, 따라서 트랜지스터(Q1)은 OFF 상태가 된다. 따라서 빨간색 단자 A로 +5V, 즉 (+)전원이 인가된다.
스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA4)로부터 제2 레벨(low)의 신호가 입력되면, OP앰프의 출력은 high 신호가 되고, 따라서 트랜지스터(Q1)은 ON 상태가 된다. 따라서 빨간색 단자 A로 0V, 즉 (-)전원이 인가된다.
또한, 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)는 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA3)로부터, 제3 레벨(high)의 신호가 입력되면 n형 반도체·p형 반도체부(840)의 파란색 단자 B로 0V, 즉 (-)전원을 출력하고, 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA3)로부터, 제4 레벨(low)의 신호가 입력되면 n형 반도체·p형 반도체부(840)의 파란색 단자 B로 +5V, 즉 (+)전원을 출력하는 제2 제어 회로(900e-6b)가 구성된다.
이는 OP앰프(900e-6a''), OP앰프(900e-6a'''), 저항(R19), 트랜지스터(Q2), 저항(R20)이 구성된다.
상기 제2 제어회로(900e-6b)는 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA3)로부터, 제3 레벨(high)의 신호가 입력되면, OP앰프(900e-6a''') 출력 역시 high 신호가 된다. 이때, 트랜지스터(Q2)는 ON 상태가 된다. 따라서 파란색 단자 B로 0V, 즉 저전압이 출력된다.
또한, 스마트 제어부(900e)의 출력단자(PA3)로부터, 제4 레벨(low)의 신호가 입력되면, OP앰프(900e-6a''') 출력 역시 low 신호가 된다. 따라서 트랜지스터(Q2)는 OFF 상태가 된다. 따라서 파란색 단자 B로 +5V, 즉 고전압이 출력된다.
본 발명에 따른 스마트 제어부(900e)는 출력단자(PA4)를 통하여, RC 서보모터에서 발생되는 온도를 센싱한 제1 온도센서의 감지된 온도가 제1 기준 온도보다 크면, 제1 제어 회로쪽으로 쿨링(Cooling)신호인 제1 레벨(high)의 신호를 출력하고, 이에 맞게 출력단자(PA3) 또한, 제2 제어 회로쪽으로 제3 레벨(high)의 신호를 출력한다.
또한, 본 발명에 따른 스마트 제어부(900e)는 출력단자(PA3)를 통하여, 케이싱 몸체 외부의 주위 온도를 센싱한 제2 온도센서의 감지된 온도가 제2 기준온도보다 작으면, 제2 제어 회로쪽으로 히팅(Heating)신호인 제4 레벨(low)의 신호를 출력하고, 이에 맞게 출력단자(PA4) 또한, 제1 제어 회로쪽으로 제4 레벨(low)의 신호를 출력한다.
이러한 구성을 통해, 본 발명에 따른 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)는 RC 서보모터에서 발생되는 온도를 센싱한 제1 온도센서의 감지된 온도가 제1 기준 온도보다 크면, 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동시키다가, 케이싱 몸체 외부의 주위 온도를 센싱한 제2 온도센서의 감지된 온도가 제2 기준온도보다 작으면, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보의 구체적인 동작과정을 관해 설명한다.
먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 케이스몸체의 내부에 형성된 RC서보모터용 수납공간부에 RC서버모터를 수납시킨 후, 서보모터드라이버부를 RC서버모터에 연결시킨다.
이때, 케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈에 또아리형 유연 열전소자가 또아리형상으로 형성된다.
즉, 도 22에 도시한 바와 같이, 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)부(810), 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820), TE 격자홀더부(830), n형 반도체·p형 반도체부(840), 직사각홈형 패드부(850), 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860), 전극형 리퀴드메탈(870), 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880), 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)로 이루어져 또아리형상으로 형성된 또아리형 유연 열전소자가 형성된다.
일예로, 가로 4mm, 세로 120mm로 또아리형 유연 열전소자가 형성된다.
여기서, 가로, 세로의 길이, 그리고, 또아리형상 이외에도, 사용목적과 형태에 따라 다양하게 형성된다.
다음으로, 와이어 접속컨넥터부(200)를 통해 충전배터리와 접속되어 전원을 인가받아 각 기기에 전원을 공급시키고, 무선통신모듈로부터 명령신호를 수신받아 PMIC부로 전달시킨다.
다음으로, PMIC부의 제어하에 RC기기에서 필요한 높은 출력 전압과 낮은 출력 전압을 하나의 칩으로 제어해서 PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 출력시킨다
다음으로, 서보모터드라이버부를 통해 RC 서보모터의 구동신호를 온(ON) 시킨다.
다음으로, RC 서보모터가 서보모터드라이버부의 온신호에 따라 구동되어, 포텐션미터로부터 출력축의 회전각도를 수신받은 상태에서 서보모터구동드라이버부의 구동신호에 따라 회전력을 발생시켜 최종출력기어쪽으로 회전력을 전달시킨다.
다음으로, 포텐션미터에서 RC 서보모터와 회전하면서 저항을 가변시키고, 측정되는 전압으로 출력축의 회전위치를 스마트제어부로 전달시킨다.
다음으로, 감속기어박스부에서 RC 서보모터의 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시켜 최종출력기어로 출력시킨다.
이때, 최종출력기어에 연결된 RC기기의 프로펠러를 회전시킨다.
다음으로, 과부하감지센서부에서 RC서보모터의 과부하 상태를 감지해서 스마트제어부로 전달시킨다.
다음으로, 도 23에 도시한 바와 같이, 제1 온도센서로부터 RC 서보모터에서 발생되는 온도가 기준범위를 넘었을 경우에, 스마트제어부의 제어하에 냉(冷)모드인 쿨링(Cooling)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (+),(-)전원을 인가시켜, n형 반도체·p형 반도체부에서 흡열의 열전냉각효과를 생성시키도록 제어한다.
다음으로, 도 24에 도시한 바와 같이, 제2 온도센서로부터 외부의 주위 온도가 심해나 고고도상태여서, 낮은 경우에, 스마트제어부의 제어하에, 온(溫)모드인 히터(Heater)신호를 열전소자용 배터리전원부쪽으로 보내어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (-),(+)전원을 인가시켜, n형 반도체·p형 반도체부에서 발열의 열전히터효과를 생성시키도록 제어한다.
끝으로, 스마트 제어부에서 낮은 온 저항을 갖는 DT-CMOS소자를 통해 도통 손실을 감소시켜 저전력제어시키며, 충전배터리의 소모상태와 기기이상여부를 체크하면서, 무선통신모듈을 통해 외부의 제어기기로 충전배터리의 소모상태와 기기이상여부를 전송시키도록 제어한다.
즉, 도 25에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 리모트 콘트롤용 스마트 서보가 드론, 무인고고도비행체, 무인헬리콥터, RC 카, 무인심해잠수정에 안착되어 무선통신모듈을 통해 외부의 제어기기로 충전배터리의 소모상태와 기기이상여부를 전송시킨다.
1 : 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보
100 : 케이스몸체
200 : 와이어 접속컨넥터부
300 : RC 서보모터
400 : 포텐션미터
500 : 서보모터드라이버부
600 : 과부하감지센서부
700 : 감속기어박스부
800 : 또아리형 유연 열전소자
900 : 제1 온도센서
900a : 방열핀(Fin)
900b : 냉각팬(Fan)
900c : 제2 온도센서
900d : 열전소자용 배터리전원부
900e : 스마트 제어부

Claims (7)

  1. 사각블럭구조로 이루어져, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부, 스마트 제어부를 외압으로부터 보호하고, 지지하는 케이스몸체(100)와,
    케이스몸체 하단 일측에 형성되고, 충전배터리와 접속되어 전원을 인가받아, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부, 스마트 제어부에 전원을 공급시키고, 무선통신모듈로부터 명령신호를 수신받아 스마트제어부로 전달시키는 와이어 접속컨넥터부(200)와,
    케이스몸체 내부에 삽입되고, 포텐션미터로부터 출력축의 회전각도를 수신받은 상태에서 서보모터구동드라이버부의 구동신호에 따라 회전력을 발생시켜 최종출력기어쪽으로 회전력을 전달시키는 RC 서보모터(300)와,
    RC서보모터의 출력축 일측에 위치되어, RC 서보모터와 회전하면서 저항을 가변시키고, 측정되는 전압으로 출력축의 회전위치를 스마트 제어부로 전달시키는 포텐션미터(400)와,
    RC 서보모터 일측에 위치되어, 스마트 제어부의 제어하에 RC 서보모터의 구동을 제어시키는 서보모터드라이버부(500)와,
    RC서보모터 일측에 위치되어, RC서보모터의 과부하 상태를 감지해서 스마트제어부로 전달시키는 과부하감지센서부(600)와,
    RC 서보모터의 회전축 상단 일측에 위치되어, RC 서보모터의 회전력(RPM)을 감속시키고 토오크를 증가시켜 최종출력기어로 출력시키는 감속기어박스부(700)로 이루어진 리모트 콘트롤용 스마트 서보에 있어서,
    상기 리모트 콘트롤용 스마트 서보는
    케이싱몸체 내부의 내벽표면에 음각으로 형성된 또아리형 안내홈에 안내되어 또아리형상으로 형성되고, RC 서보모터의 표면과 면접촉되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 흡열원리를 통한 열전 냉각효과, 또는 발열원리를 통한 열전 히터효과를 생성시키는 또아리형 유연 열전소자(800)와,
    케이싱몸체 내부의 내벽표면 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 온도 및, 또아리형 유연 열전소자의 열전 냉각효과, 열전 히터효과에 따른 RC 서보모터의 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 제1 온도센서(900)와,
    RC 서보모터 하단인 케이싱몸체 하단 일측에 위치되어, RC 서보모터에서 발생되는 열을 빼앗아 외부로 방열시켜 주는 방열핀(Fin)(900a)과,
    방열핀 하단에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 구동되어 방열핀에서 흡수한 열, 그리고, RC 서보모터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 냉각팬(Fan)(900b)과,
    케이싱몸체 외부 일측에 위치되어, 외부의 주위 온도를 센싱하여 스마트제어부로 전달시키는 제2 온도센서(900c)와,
    케이싱몸체 하단 타측에 위치되어, 스마트제어부의 제어신호에 따라 또아리형 유연 열전소자쪽으로 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원을 인가시켜 전원을 공급시키는 열전소자용 배터리전원부(900d)와,
    서보모터드라이버부 하단 일측에 위치되어, RC서보모터, 서보모터드라이버부, 또아리형 유연 열전소자와 연결되어, 와이어 접속컨넥터부, RC 서보모터, 포텐션미터 서보모터드라이버부, 과부하감지센서부, 감속기어박스부, 또아리형 유연 열전소자, 제1 온도센서, 방열핀(Fin), 냉각팬(Fan), 제2 온도센서, 열전소자용 배터리전원부의 전반적인 동작을 제어하면서, 평상시에는 또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동되다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어하는 스마트 제어부(900e)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  2. 제1항에 있어서, 상기 또아리형 유연 열전소자(800)는
    유연한 재질로 이루어져 하단면에 위치되고, 각 소자를 지지해주면서 전달자 역할을 수행하는 하부 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)(810)와,
    FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 상에 사각펼침구조로 도포되어 형성되어, (+),(-)전원을 인가받아 n형 반도체와 p형 반도체쪽으로 전달시키는 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)와,
    소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors) 윗단에 형성되고, 격자홀더형상으로 형성되어 n형 반도체와 p형 반도체가 정위치되도록 형성시키는 TE 격자홀더부(830)와,
    TE 격자홀더부 상에 정위치되어, 안착되면서 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)로부터 전달된 (+),(-)전원을 통해, 흡열원리를 통해 열전 냉각효과와, 발열원리를 통해 열전 히터효과를 생성시키는 n형 반도체·p형 반도체부(840)와,
    n형 반도체·p형 반도체부 윗단에 형성되어, 복수개로 형성된 직사각홈 표면에 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 부어서 PDMS를 코팅시킨 직사각홈을 형성시킨 후, 그 PDMS를 코팅시킨 직사각홈에 전극형 리퀴드 메탈을 충전되면, 직사각형구조로 밀봉되도록 형성시키는 직사각홈형 패드부(850)와,
    직사각홈형 패드에 충전되는 전극형 리퀴드메탈을 하단부위에서 밀봉시키는 제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(860)와,
    제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 통해 코팅시킨 직사각홈형 패드의 직사각홈에 충전되어, 각 소재를 연결시키는 전극역할과 함께, n형 반도체·p형 반도체에서 생성된 열전 냉각효과를 하이드로젤쪽으로 전달시키거나, 또는 n형 반도체·p형 반도체에서 생성된 열전 히터효과를 하이드로젤쪽으로 전달시키는 전극형 리퀴드메탈(870)과,
    전극형 리퀴드메탈 상단부위에 위치되어, 밀봉시키는 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부(880)와,
    제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부 윗단에 위치되어, 유연하게 휘거나 구부릴 수 있고, RC 서보모터의 표면에 면접촉되어, 전극형 리퀴드메탈로부터 전달된 열전 냉각효과와, 열전 히터효과를 RC 서보모터 표면쪽으로 전달시키는 하이드로젤(hydrogel) 패드(890)로 구성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  3. 제2항에 있어서, 상기 TE 격자홀더부(830)는
    비스무스텔루라이드(Bi-Te) 기반에 실리콘이 포함되어 3D프린터를 사용하여 격자홀더형 구조로 제작되어 형성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전극형 리퀴드 메탈(870)은
    갈륨 75%와 인듐 25%의 질량비로 공융조성(eutectic compositions)에서 합금하여 형성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  5. 제2항에 있어서, 상기 전극형 리퀴드 메탈(870)은
    제1 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부가 코팅된 직사각홈에 주사기를 사용하여 1t~3t의 두께를 갖는 사각박스형상으로 형성시키고, 그 형성시킨 사각박스형상 상단부위에 제2 PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 밀봉부를 통해 밀봉시켜 사각박스형상으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스마트 제어부(900e)는
    전원입력단자 일측에 충전배터리가 연결되어, 충전배터리로부터 전원이 입력되고, 입력단자 일측에 제1 전류감지센서부가 연결되어, 제1 전류감지센서부(210)에서 감지된 충전배터리에서 기기내부로 유입되는 전류감지신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 제2 전류감지센서부(900d-1)가 연결되어, 제2 전류감지센서부(900d-1)에서 감지된 열전소자용 배터리전원부(900d)의 (+),(-)전원, 또는 (-),(+)전원에 흐르는 전류감지신호가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 포텐션미터가 연결되어, 포텐션미터(400)로부터 감지한 RC 서보모터의 출력축의 회전위치신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 과부하감지센서부(600)가 연결되어, RC서보모터의 과부하 상태를 감지한 센싱신호가 입력되고, 또 다른 입력단자 일측에 제1 온도센서(900)가 연결되어, RC 서보모터에서 발생되는 온도 및, 또아리형 유연 열전소자의 열전 냉각효과, 열전 히터효과에 따른 RC 서보모터의 온도를 센싱한 센싱신호가 입력되며, 또 다른 입력단자 일측에 제2 온도센서(900c)가 연결되어, 외부의 주위 온도를 센싱한 센싱신호가 입력되고, 출력단자 일측에 서버모터드라이버부(500)가 연결되어, RC 서보모터의 구동을 제어하는 출력신호를 출력시키고, 또 다른 출력단자 일측에 열전소자용 배터리전원부가 연결되어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (+),(-)전원을 인가시키는 제1 전원출력신호를 출력시켜 흡열의 열전냉각효과를 생성시키도록 제어하고, 또 다른 출력단자 일측에 열전소자용 배터리전원부가 연결되어, 또아리형 유연 열전소자의 구성 중 소프트(Soft) 전극 & 소프트 히트(Heat) 컨덕터(conductors)부(820)쪽으로, (-),(+)전원을 인가시키는 제2 전원출력신호를 출력시켜 발열의 열전히터효과를 생성시키도록 제어시키며, 또 다른 출력단자 일측에 냉각팬(Fan)이 연결되어, 냉각팬을 구동시켜 RC 서보모터에서 발생되는 열을 외부로 방출시키는 방열팬구동신호를 출력시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스마트 제어부(900e)는
    또아리형 유연 열전소자를 냉(冷)모드로 구동시키다가, 심해나 고고도 상태에서, 케이싱몸체의 온도가 심해나 고고도 상태에서의 주위 온도 보다 낮은 경우에는 또아리형 유연 열전소자를 온(溫)모드로 구동시키도록 제어하는 냉온(冷溫)모드제어회로부(900e-6)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보.
KR1020210141539A 2021-10-22 2021-10-22 리모트 콘트롤용 모터냉온(冷溫)면접촉식 스마트 서보 KR102362698B1 (ko)

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