KR102480383B1 - 콤팩트한 모듈형 무선 센서 - Google Patents

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Abstract

무선 센서 조립체는 하우징과, 무선 전원과, 및 전자구성부를 포함한다. 하우징은 내부 공간과 적어도 하나의 외부 센서를 수납할 크기의 적어도 하나의 구멍을 형성한다. 무선 전원이 하우징 내부에 장착된다. 전자구성부는 하우징 내부에 장착되어 무선 전원으로부터 전력을 받아 외부 센서와 전기적 통신을 하도록 구성된다. 전자구성부는 무선 통신 부품과, 무선 통신 부품이 0.5 mW 미만의 전력 소비량을 가지도록 무선 통신 부품으로부터 외부 장치로의 데이터 전송 속도를 관리하도록 구성된다. 전자구성부는 전적으로 무선 전원으로만 급전되고, 무선 센서 조립체는 약 2 in3 미만의 용적을 차지한다.

Description

콤팩트한 모듈형 무선 센서
관련 출원들과의 상호 참조
본원은 2017년 2월 16일자로 출원된 미국특허가출원 제62/459,698호에 대한 우선권을 주장한다. 위 출원의 개시사항은 그 전체로서 이 명세서에 참고로 포함되어 있다.
기술분야
본원은 일반적으로 센서 조립체에 관한 것으로, 더 구체적으로는 무선 센서 조립체에 관한 것이다.
이 부분의 내용은 단지 본 발명에 관한 배경 정보를 제공하는 것이므로 종래기술을 구성하지 않을 수도 있다.
작동 및 환경 특성들을 감시하기 위해 아주 다양한 작동 환경들에 센서들이 사용된다. 이 센서들은 예를 들어 온도, 압력, 속도, 위치, 동작, 전류, 전압, 및 임피던스 센서들을 포함한다. 이 센서들은 감시될 작동 환경에 위치되고 감시되는 작동 또는 환경 특성의 변화에 따라 전기 신호를 생성하거나 전기적 특성에 변화를 가지도록 설계된다. 센서에 있어서의 전기적 특성의 변화는 임피던스, 전압, 또는 전류의 변화가 될 수 있다.
센서는 전형적으로 탐침(probe)과 처리 유닛(processing unit)을 포함한다. 탐침은 환경으로부터 데이터를 취득하여 이 데이터를 처리 유닛으로 전송하고, 이는 이어서 측정치(measurement)를 결정하여 사용자에게 판독치(reading)를 제공한다. 처리 유닛은 일반적으로 데이터 처리 동안 전원(power source)으로부터 상당한 양의 전력(power)을 요구한다. 이 전원은 통합된 배터리 또는 센서에 배선으로 연결된 외부 전원이 될 수 있다. 통합된 배터리와 처리 유닛을 가지는 센서는 소형으로 제조될 수 없다. 센서가 외부 전원에 배선으로 연결되는 경우는 센서를 가혹한 환경에 사용하거나 복잡한 구조를 가지는 장치에 센서를 적절히 장착하기 어렵다.
일부 공지의 처리 유닛들은 저전력 마이크로프로세서들을 포함하지만, 이 마이크로프로세서들은 시동(start-up) 동안 많은 양의 전력을 소비한다. 에너지 회수(energy harvesting)가 중요한 일부 적용분야들에서는, 저전력 프로세서가 시동시 소비하는 전력의 초기 양이 과도한 양의 에너지를 방출시켜 시동 실패를 야기할 수 있다.
전기 센서들의 작동에 관련된 문제들 중에서 이 전력 소모와 회수의 문제가 본 발명에 의해 해결된다.
(본 발명의) 한 실시예에서 무선 센서 조립체가 제공되는데, 이는 하우징(housing)과, 무선 전원(wireless power source)과, 및 전자구성부(electronics)를 포함한다. 하우징은 내부 공간과 적어도 하나의 외부 센서를 수납할 크기의 적어도 하나의 구멍(aperture)을 형성(define)한다. 무선 전원은 하우징 내에 장착된다. 전자구성부는 하우징 내에 장착되어 무선 전원으로부터 전력을 받고 외부 센서와 전기적 통신(electrical communication)하도록 구성된다. 전자구성부는 무선 통신 부품과, 무선 통신 부품으로부터 외부 장치로의 데이터 전송 속도를 관리하여 무선 통신 부품이 약 0.5 mW 미만의 전력 소비량을 가지게 하도록 구성된 펌웨어를 포함한다. 전자구성부는 전적으로 무선 전원으로만 급전되며(powered), 무선 센서 조립체는 2 in3 미만의 용적을 차지한다(define).
(본 발명의) 다른 실시예에서, 저전력 무선 센서 시스템이 제공되는데, 이는 복수의 무선 센서 조립체들을 포함하며, 무선 네트워크가 무선 센서 조립체들의 각각을 작동상 연결(operatively connecting)하여 각 무선 센서 조립체들 간에 데이터를 송신 및 수신하도록 작동될 수 있다.
다른 적용 가능한 영역들은 이하에 제공되는 설명으로부터 명확해질 것이다. 이 설명과 특정한 예들은 단지 예시의 목적을 의도한 것이며 본 발명의 범위를 한정하고자 의도한 것이 아님을 이해해야 할 것이다.
본 발명은 (이하의) 상세한 설명과 첨부된 도면들로 더 완전히 이해될 수 있을 것인데, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따라 구성된 두 무선 센서 조립체들의 사시도;
도 2는 본 발명의 교시에 따른 전자구성부와 무선 전원의 한 실시예를 보이는 개략 블록도;
도 3은 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 다른 사시도;
도 4는 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 다른 변형;
도 5는 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 또 다른 변형:
도 6은 도 4의 무선 센서 조립체의 다른 사시도;
도 7은 하우징 내의 구성부품들을 보이는, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 부분 상세도;
도 8은 센서가 하우징의 하부에 연결된, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 하부의 상면 사시도;
도 9는 센서가 하우징의 하부에 연결된, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 하부의 저면 사시도;
도 10은 하우징 내부의 구성부품들이 보이도록 하우징의 상부를 제거한, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 사시도;
도 11은 도 10의 부분 확대도;
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 사시도'
도 13은 하우징 내부의 구성부품들이 보이도록 하우징의 상부를 제거한, 제2 실시예의 무선 센서 조립체의 사시도;
도 14는 하우징 내부의 구성부품들이 보이도록 하우징의 상부를 제거한, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 다른 사시도;
도 15는 하우징 내부의 구성부품들이 보이도록 하우징의 상부를 제거한, 제1 실시예의 무선 센서 조립체의 또 다른 사시도;
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 사시도;
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 사시도;
도 18은 제4 실시예의 무선 센서 조립체의 부분 단면도;
도 19는 본 발명의 제5 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 사시도;
도 20은 하우징 내부의 구성부품들이 보이도록 하우징의 상부를 제거한, 제5 실시예의 무선 센서 조립체의 사시도;
도 21은 본 발명의 제6 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 사시도;
도 22는 본 발명의 제6 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체의 분해도;
도 23은 제6 실시예의 무선 센서 조립체 내부의 구성부품들이 보이도록 캡을 제거한 무선 센서 조립체의 전면도;
도 24는 제6 실시예의 무선 센서 조립체의 하우징 내부에 위치하는 전기 및 전자 부품들의 사시도;
도 25는 도 24의 전기 및 전자 부품들의 다른 사시도; 그리고
도 26은 도 24의 전기 및 전자 부품들의 저면 사시도이다.
대응하는 참조번호들은 여러 도면들에서 대응하는 부분들을 지시한다.
이하의 설명은 그 성질상 단순히 예시적이며 본 발명과, 적용분야 또는 용도들을 한정하고자 의도한 것이 아니다.
제1 실시예
도 1에서, 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체(wireless sensor assembly; 10)는 일반적으로 하우징(housing; 12)과 센서(sensor; 14)를 포함한다. 센서(14)는 구멍(aperture)(도 1에는 도시 안 됨)에 삽입되어 하우징 내부의 전기 및 전자 부품들에 연결될 수 있다. 이와는 달리, 본 발명의 제1 실시예의 변형에 따른 무선 센서 조립체(10')는 하우징(12')과, 센서(14')와, 및 센서(14')를 하우징(12') 내부의 전기 및 전자 부품들에 연결하는 배선(wire; 16')을 포함할 수 있다. 하우징(12')은 하우징(12')을 인접 장착 구조(도시 안 됨)에 장착하는 한 쌍의 탭(tab; 17')들을 더 포함할 수 있다. 센서(14 또는 14')는 예를 들어 온도 센서, 압력 센서, 가스 센서, 및 광학 센서일 수 있다.
도 2에는, 다른 구성부품들 중에서도 하우징(12/12') 내부의 예시적 전자 구성부품들이 개략적 형태로 도시되어 있다. 전자구성부(electronics; 15)는 일반적으로, 블루투스 무선 전송기(Bluetooth® RF Transmitter)로 도시된 무선 통신 부품(wireless communications component; 16)과, 무선 통신 부품(16)으로부터 외부 장치(도시 안 됨)로의 데이터 전송 속도를 관리하도록 구성된 펌웨어(firmware; 17)를 포함한다. 펌웨어(17)는 이 실시예에서 마이크로프로세서에 탑재된다. 전자구성부(15)에 전력을 제공하는 무선 전원(wireless power source; 19)이 더 도시되어 있다. 전원(19)은 뒤에 더 상세히 설명할 바와 같이 배터리를 포함하여 다양한(any number of) 형태를 취할 수 있다. 이 실시예에서, 전원(19)은 (뒤에 더 상세히 설명할) 진동 또는 열 발전기(power generator)와, 출력 조절기(power conditioner)와, 및 과잉 에너지(excess energy)를 저장하는 저장 부품을 포함하는 "에너지 재생(energy harvesting)" 구조를 가진다.
펌웨어(17)는 또한 마이크로프로세서의 초기 시동(start-up)에서 소비되는 전력을 관리하도록 구성될 수 있다. 저전력 마이크로프로세서는 전형적으로, 실제 저전력 모드로 진입하기 전의 시동 동안 1초 이하 정도에서 초기 매우 급등적으로(large burst of) 전력을 소비한다. 적절히 기능하는 마이크로프로세서의 저전력 모드에 의존하는 에너지 회수 적용분야에서, 초기 시동 전력 급등(burst)은 해결 불가능(insurmountable)한 것으로 입증되었는데, 초기 전력 급등의 종료 전에 저장된 에너지를 방출하여 시동 실패를 야기한다. 초기 시동 급등(surge)의 이 문제를 해결하기 위해, 펌웨어(17)는 초기 에너지 급등을 시간에 걸쳐(over time) 분산(spread out)시키도록 변경하여 평균 전력 소비량이 에너지 재생 구조의 능력 이내에 있도록 변경할 수 있다. 시간에 걸친 에너지의 이 분산이 마이크로프로세서의 시동을 지연시키겠지만, 저장된 에너지가 방출되지 않아 시동 실패를 방지할 것이다.
다른 실시예에서, 추가 회로가 마이크로프로세서에 추가되어, 저장 장치에 에너지 회수 부품/모듈이 초기 전력 급등을 통과(get through)할 만큼의 충분한 저장 에너지가 존재할 때까지 출력 논리 신호의 생성(asserting)을 지연시킬 수 있다. 이는 외부 지연 요소 또는 전력 조절 칩을 가지는 마이크로프로세서의 일부의 형태를 취할 수 있다. 한 실시예에서, 충분한 진동 또는 열 에너지가 사용 가능하면 시동이 에너지 급등의 분산 없이 개시될 수 있는 반면, 진동 또는 열 에너지가 거의 없으면 에너지 급등은 시간에 걸쳐 분산될 수 있다. 다시 말해, 전자구성부는 초기 전력 급등을 지원할 충분한 저장 에너지가 존재할 때까지 출력 논리 신호의 생성을 지연시키도록 구성될 수 있다. 프로세서와 펌웨어(17) 내의 이들 및 다른 데이터 관리 기능들은 뒤에 더 상세히 설명된다.
도 3에서, 하우징(12)은 각각 제1 구멍(22)(도 6에 도시됨)과 제2 구멍(24)을 형성하는, 반대쪽의(opposing) 제1 및 제2 단부(18, 20)들을 가진다. 센서(14)는 제1 구멍(22)에 삽입되는 종방향 단부를 가지며, 하우징(12) 내부에 장착된 전기 및 전자 구성부품들에 연결된다. 통신 커넥터(communication connector; 26)가 제2 구멍(24) 내에 위치하여 대응(mating) 통신 커넥터(도시 안 됨)를 수납하도록 구성된다. 제2 구멍(24)과 통신 커넥터(16)는 연결될 대응 통신 커넥터의 종류에 따라 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어 통신 커넥터(26)는 특히, 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus: USB) 포트(도 3), USB-C 포트, 이더넷(Ethernet) 포트(도 4), 계측제어기 통신망(Controller Area Network: CAN) 버스 포트(도 5), 및 어스피레이티드 TIP/이더넷(Aspirated TIP/Ethernet) 포트를 형성하도록 구성될 수 있다. 하우징(12)의 외형은 이에 따라 통신 커넥터(26)의 형상을 수용하도록 구성될 수 있다. 대응 통신 커넥터는 선택적이며, 센서(14)로 취득된 미가공(raw) 감지 데이터를 네트워크를 통해 외부 또는 원격 장치(도시 안 됨)로 추가적 처리를 위해 전송하는 데 사용될 수 있다. 이와는 달리 센서(14)로 취득된 미가공 데이터가 무선으로 외부 또는 원격 장치에 전송될 수 있을 것인데, 이는 뒤에 더 상세히 설명될 것이다.
도 3에 더 도시된 바와 같이, 하우징(12)은 상부(upper portion; 30)와 하부(lower portion; 32)를 포함하는데, 각 부분들은 내부 부품들을 수용하고 반대측 단부(18, 20)들에서 외부 구성부(feature)들을 수용하는 대응 쐐기(mating wedge)들을 형성한다(define). 하우징(12)의 하부(32)는 제 1 구멍(22)을 형성하는 반면, 하우징(12)의 제2 구멍(22)을 형성할 수 있고, 역도 마찬가지다. 상부(30)와 하부(32)의 대응 쐐기들은 반대측의 횡방향 측벽(35)들을 따라 밀봉 접촉면(sealing interface; 34)를 형성한다. 상부 및 하부(30, 32) 사이의 밀봉 접촉면(34)이 경사를 가져 제1 구멍(22)은 상부 및 하부(30, 32) 함께가 아니라 단지 하부(32)만으로(또는 이와 달리 상부(30)만으로) 형성된다. 이와 같이 함으로써, 센서(14)가 복수의 부품들(즉 상부(30) 및 하부(32) 모두)이 아니라 단지 하부(32)에 대해서만 밀봉되므로 하우징(12)에 대한 센서(14)의 밀봉이 비교적 용이하게 이뤄질 수 있다.
도 6 및 7에서, 무선 센서 조립체(10)는 센서(14)를 하우징(12)에 장착하는 장착 조립체(36)를 더 포함한다. 장착 조립체(36)는 보스(boss; 38)와, 보스(38)의 자유단의 압축 밀봉(40)과, 및 너트(42)를 포함한다. 센서(14)는 보스(38)와, 압축밀봉(40)과, 및 너트(42)를 통해 삽입된다. 너트(42)를 보스(38) 및 압축 밀봉(40) 둘레에 고정함으로써 센서(14)가 하우징(12)에 고정 및 밀봉된다. 너트(42)는 보스(38)에 나사 연결, 강제압입(press-fit), 또는 푸시온(push-on) 연결을 통해 고정될 수 있다. 보스(38)는 제1 구멍(22)에 삽입되는 별도의 부품으로 형성되거나 하우징(12)의 하부(32)의 일체적 부분으로 형성될 수 있다.
도 8에서, 무선 센서 조립체(10)는 하우징(12) 내부, 특히 하부(32) 내에 위치하여 센서(14)가 진동에 노출될 때 센서(14)의 회전을 방지하는 회전 방지 기구(anti-rotation mechanism; 44)를 더 구비한다. 회전 방지 기구(44)는 하부(32)의 내면으로부터 돌출하는 U-형 시트(seat)(46)와, 시트(46) 내에 위치하는 회전 방지 너트(48)를 포함한다.
무선 센서 조립체(10)는 하부(32)를 상부(30)에 고정하는 고정부(securing features; 50)를 더 포함한다. 고정부(50)는 도 8에 도시된 바와 같이, 나사 및 구멍들이 될 수 있다. 이와는 달리, 상부 및 하부(30, 32)들은 진동 용접, 스냅 맞춤(snap-fit), 또는 당업계에 알려진 다른 어떤 결합 방법으로 고정될 수도 있다. 상부 및 하부(30, 32)들은 또한 조립 동안 상부 및 하부(30, 32)를 정합시키는 정합부(alignment features) 역시 포함할 수 있다.
도 9에서, 하부(32)는 저면(bottom surface)에 형성된 홈(recess; 50)과 이 홈(50)에 수납된 자석(52)을 더 구비할 수 있다. 외부 자석(52)은 하우징(12) 내부의 전기 및 전자 부품들과 통신하여 센서(14)를 디스에이블 및 이네이블(disable and enable)시키도록 작동될 수 있다. 배터리가 하우징(12) 내부에 제공된다면, 자석(52)은 선적(shipping) 동안 하우징 내부에 위치한 리드 스위치(reed switch)를 개방시켜 센서(14)를 디스에이블 시킴으로써 배터리 수명을 보전하는 데 사용될 수 있다. 선적 동안, 접착테이프의 작은 조각이 자석(52) 위에 위치될 수 있다. 센서(14)를 작동 가능하게 하려면, 접착테이프와 자석(52)을 제거하여 배터리로부터 센서(14)로 전원 공급이 허용된다. 전기 및 전자 부품들은 센서(14)가 다시 강한 자기장을 만나 디스에이블 되지 않도록 방지하는 잠금 회로(latching circuitry)를 포함할 수 있다. 또한 홈(50) 둘레의 인입된 영역은 센서(14)의 기능 상태를 보이는데 사용될 수 있는 지시등 LED(indicator LED)의 "광도파관(light pipe)"으로 기능할 수 있다. 이 영역의 플라스틱 하우징 재질은 하우징(12)의 다른 부분들보다 더 얇게 구성되어 지시등 LED가 플라스틱 하우징 재질을 통해 보일 수 있게 할 수 있다.
도 10 및 11에서, 무선 센서 조립체(10)는 하우징(12)으로 형성된 내부 공간 내에 위치하는 전기 및 전자 부품들과, 및 통신 커넥터(26)(도 3에 도시됨)를 포함한다. 전기 및 전자 부품들은 통신 기판(communication board; 60)과, 무선 전원(wireless power source; 62), 무선 통신 부품과, 펌웨어(도시 안 됨)와, 및 센서(14)를 통신 기판(60)에 연결하는 센서 커넥터(66)를 포함할 수 있다. 통신 기판(60)은 인쇄회로기판이다. 무선 전원(62)과, 무선 통신 부품과, 및 펌웨어는 통신 기판(60) 상에 장착된다.
센서(14)로부터의 신호들은 센서 커넥터(66)를 통해 통신 기판(60)으로 전송된다. 도 11에 명확히 보이는 바와 같이, 센서(14)의 배선(68)이 통신 기판(60) 상에 장착된 센서 커넥터(66)에 직접 연결된다. 통신 기판(60) 상의 무선 통신 부품은 데이터 처리를 위해 외부 장치(즉 외부 처리 장치)로 데이터를 전송한다. 외부 장치는 데이터 로깅(data logging), 연산의 기능을 수행하거나, 또는 추가적 처리를 위해 다른 원격 장치로 데이터를 재전송한다. 센서(14)는 휴지(sleep)에 진입하기 전에 단지 미가공 데이터(raw data)를 수집하여 이 미가공 데이터를 외부 또는 원격 장치로 전송하기만 한다. 모든 감지 연산(sensing calculation), 검정 조정(calibration adjustment), 오류검사(error checking) 등은 외부 또는 원격 장치에서 수행되어, 하우징(12) 내부에 위치한 무선 전원(62)에 저장된 에너지를 고갈(use up)시키지 않는다. 이와 같이 하여 배터리 수명이 보전될 수 있다.
하우징(12) 내부의 전기 및 전자 부품들은 무선 전원(62)으로부터 전력을 받아 센서(14)와 전기적 통신하도록 구성된다. 무선 통신 부품은 0.5 mW 미만의 전력 소비량을 가진다. 하우징(12) 내부에 위치한 전기 및 전자 부품들은 전적으로 무선 전원(62)으로만 급전된다(powered). 무선 전원(62)은 특히 배터리 또는 자가발전(self-powering) 장치이다. 자가발전 장치는 열전소자(thermoelectric device) 또는 외팔 지지된(cantilevered) 기판에 장착된 압전소자(piezo-electric device)를 구비하는 진동 장치가 될 수 있다.
한 실시예에서, 무선 센서 조립체(10)는 2 in3 미만의 용적을 차지한다(define). 무선 통신 부품은 외부 센서(14)로부터 미가공 데이터를 태블릿, 스마트폰, 개인용 컴퓨터, 클라우드(cloud) 컴퓨터 센터, 또는 무선 통신 부품으로부터 전송된 데이터를 처리할 수 있는 어떤 처리 장치 등의 외부 또는 원격 장치로 전송하도록 구성된다. 무선 통신 부품은 블루투스 모듈, WiFi 모듈, 및 LiFi 모듈로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 펌웨어는 무선 통신 부품으로부터 외부 또는 원격 장치로 전송되는 데이터의 속도를 관리하도록 구성된다. 펌웨어는 무선 통신 부품으로부터 전송되는 데이터의 속도를 배터리 수명의 함수로 제어한다. 펌웨어는 또한 무선 전원에 대한 보전하도록 프로세서 클록(clock)을 제어한다. 뿐만 아니라 펌웨어는 무선 전원(62)에 저장된 에너지를 감시하여 저장된 에너지의 양의 함수로서 무선 통신 부품으로부터의 전송 속도를 조정한다. 이는 저장 에너지를 보존하기 위한 저출력 모드와 유사할 수 있다. 이와 같이 하여, 배터리 수명이 보전되는 한편, 센서(14)가 전력의 손실로 꺼지거나 적어도 지연되는 것을 방지할 수 있다. 데이터 전송 속도는 더 많은 열 또는 진동 에너지가 무선 전원(62)을 재충전시키는 데 사용될 수 있을 때까지 소정의 정상 속도(normal rate)로 복귀할 수 있다.
제2 실시예
도 12 내지 15에서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 무선 센서 조립체(110)는 하우징 및 센서의 구조를 제외하면 도 1의 무선 센서 조립체(10)와 유사한 구조를 가진다. 유사한 구성부품들은 유사한 참조번호로 지시될 것이며 명료성을 위해 그 상세한 설명은 여기서는 생략된다.
더 구체적으로, 무선 센서 조립체(110)는 하우징(112)과 센서(114)(도 15에 도시됨)를 포함한다. 하우징(112)은 상부(130)와 하부(132)를 포함한다. 하부(132)는 하우징(112)을 인접 장착 구조에 장착할 한 쌍의 탭(133)들을 포함한다. 센서(114)는 기판 장착 센서이다. 하우징(112) 내부에 수납된 전기 및 전자 부품들은 통신 기판(60)과 통신 기판(60) 상에 장착된 도터 기판(daughter board; 166)을 포함한다. 기판 장착 센서(114)는 또한 도터 기판(166) 상에 장착된다. 도터 기판(166)은 일단이 하우징(112) 외부로 연장되고 타단이 하우징(112) 내부로 연장되도록 제1 구멍(22)을 통해 연장된다. 센서(114)로부터의 신호들은 도터 기판(166)을 통해 통신 기판(60)으로 전송된다. 도터 기판(166)은 한 쌍의 고무 개스킷(rubber gasket; 168)들로 지지된다. 한 쌍의 개스킷(168)들은 또한 도터 기판(166)과 하우징(112)의 하부(132) 사이에 압축 밀봉을 제공한다.
제3 실시예
도 16에서, 본 발명의 제3 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체(210)는 일반적으로, 통신 커넥터를 수납하여 통신 포트를 형성할 제2 구멍이 하우징(212)에 형성되지 않는 점을 제외하면 제1 실시예의 하우징(12)과 유사한 구조를 가지는 하우징(212)을 포함한다. 제1 및 제2 실시예의 무선 센서 조립체(10, 110)들과 무선 센서 조립체(210)는 외부 또는 원격 장치와 무선 통신하여 센서(14, 114)로부터의 미가공 데이터를 외부 또는 원격 장치로 전송하는 유사한 전기 및 전자 부품들을 포함한다. 이와 같이 함으로써 통신 포트가 필요 없다.
제4 실시예
도 17 및 18에서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 무선 센서 조립체(310)는 하우징(312)과 한 쌍의 배선(68)을 가지는 센서(14)를 포함한다. 하우징(312)은 상부 하우징 부(top housing portion 316)와, 히트싱크 구조(heat sink structure; 318)와, 하부 베이스(lower base; 320)를 포함한다. 상부 하우징 부(316)는 제1 실시예의 하부(32)와 유사한 구조를 가지지만 도립된 형태로 히트싱크 구조(318)에 부착되어 있다. 히트싱크 구조(318)와 하부 베이스(320) 사이에는 절연층(322)이 위치한다. 하부 베이스(320)에는 하우징(312)을 인접 장착 구조에 장착하는 한 쌍의 탭(321)들이 형성되어 있다.
이 실시예에서, 무선 센서 조립체(310)는 배터리를 포함하지 않는다. 그 대신, 하우징(310) 내부의 전기 및 전자 부품들과 하우징(312) 외부의 센서(14)는 예를 들어 하우징(312) 내에 위치하는 열전 발전기(thermoelectric generator; TEG)(324) 등으로 자가발전 된다. 지벡 발전기(Seebeck generator)로도 지칭되는 TEG(324)는 지벡 효과로 지칭되는 현상을 통해 열(온도차이)을 직접 전기 에너지로 변환하는 고체소자(solid state device)이다. TEG(324)는 히트싱크 구조(318)에 인접하고 절연층(322) 위에 위치한 제1 금속판(316)과 절연층(322) 밑에 위치한 제2 금속판(318)을 포함한다. 절연층(322)이 제1 및 제2 금속판(326, 328)들을 분리한다. 전기 및 전자 부품들에서 생성된 열의 일부가 제1 금속판(326)으로 전도되어 히트싱크 구조(318)에 의해 소산된다. 하우징(312) 내부의 전기 전자 부품에 의해 생성된 열의 다른 부분이 제2 금속판(328)으로 전도된다. 제1 및 제2 금속판(326, 328)들 사이에 온도차이가 발생됨으로써 하우징(312) 내부의 전기 및 전자 부품들과 하우징(312) 외부의 센서(14)에 급전할 전기가 생성된다.
제5 실시예
도 19 및 20에서, 본 발명의 제5 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체(410)는 자가발전 장치가 다를 뿐, 제4 실시예와 유사한 구조를 가진다. 이 실시예에서, 자가발전 장치는 기계적 변형(mechanical strain)을 하우징 내부의 전기 및 전자 부품과 하우징 외부의 센서(14)에 급전할 전류 또는 전압으로 변환하는 압전 발전기(piezoelectric generator; PEG)(421)이다. 변형은 인체 동작, 저주파 지진 진동, 음향 잡음 등의 많은 다른 소스(source)에서 유래할 수 있다. 이 실시예에서 PEG(421)는 전력 전송 인쇄회로기판(PCB)(422)과, 금속판(424)과, 및 금속판(424)의 단부에 부착된 웨이트(weight; 426)를 포함한다. 금속판(424)은 단부에 위치한 웨이트(426)가 금속판(424)에 기계적 변형을 유발하는 외팔지지(cantilevered) 기판으로 기능한다. 금속판(424)에 형성된 기계적 변형은 전력/전기로 변환되고, 이는 전력 전송 PCB(422)를 통해 통신 기판(도 20에는 도시 안 됨)으로 전송된다. 전력 전송 PCB(422)는 히트싱크 구조(318)와 금속판(424) 사이에 물려있다. 제4 실시예의 하우징(312)처럼, 이 실시예의 하우징(412)은 상부 하우징 부(416)와, 히트싱크 구조(418)와, 및 하부 베이스(420)를 포함한다. 그러나 이 실시예에서의 히트싱크 구조(418)는 전기의 생성에 열이 효과가 없으므로 단지 센서(14) 및 PEG(421)의 장착 구조로만 기능한다. 그러므로 히트싱크 구조(418)와 하부 베이스(420) 사이에 절연층이 구비되지 않는다.
금속판(424)에 기계적 변형을 유발하도록 금속판(424)에 부착된 웨이트(426)는 금속판(424)에 진동과 기계적 변형을 증가시키도록 연산된 주파수들에서 PEG(421)에 공진(resonance)을 생성할 수 있게 다양하고 적절히 선택됨으로써 이로부터 생성되는 전기를 증가시킨다.
제6 실시예
도 21 내지 26에서, 본 발명의 제6 실시예에 따라 구성된 무선 센서 조립체(510)는 하우징(512)과, 하우징(512) 내부의 전기 및 전자 부품들과 배선(514)으로 연결되는 센서(도시 안 됨)를 포함한다. 하우징(512)은 직사각형 구조를 가진다. 무선 센서 조립체(510)는 하우징(512)의 한 단부에 위치하는 센서 커넥터(516)와, 하우징(512)의 다른 단부에 위치하는 캡(cap; 518)을 더 포함한다. 제5 실시예의 무선 센서 조립체(410)에서와 마찬가지로, 무선 센서 조립체(510)는 하우징(512) 내부에 위치하는 전기 및 전자 부품들을 포함한다. 이 전기 및 전자구성부는 통신 기판(520)과, 압전 발전기(PEG)(522) 형태의 자가발전 장치를 포함할 수 있다. 이 PEG(522)는 금속판(524)과, 금속판(524)의 단부에 부착된 웨이트(526)를 포함할 수 있다. 금속판(524)은 단부에 위치한 웨이트(526)가 금속판(524)에 기계적 변형을 유발하는 외팔지지 기판으로 기능한다. 금속판(524)에 형성된 기계적 변형은 전력/전기로 변환되고, 이는 통신 기판(520)으로 전송되어 센서와 다른 전기/전자 부품들을 급전한다.
이 명세서에 설명된 모든(any) 실시예들에서, 센서(14)로 취득된 미가공 감지 데이터는 랩탑, 스마트폰, 또는 태블릿 등의 외부 연산 장치로 전송될 수 있어, 미가공 감지 데이터의 처리가 외부적으로 이뤄질 수 있다. 미가공 감지 데이터들이 외부적으로 처리되므로 무선 센서 조립체들은 정력 소비가 감소되는 이점을 가진다. 또한 데이터의 처리와 연산이 외부 또는 원격 장치 상에서 수행되므로, 외부 또는 원격 장치 상에서 더 완전한 고해상도 룩업 테이블(look-up table)이 사용될 수 있어서, 센서 내의 ROM이 사용 가능한 제한된 공간에 기인하는 더 작은 ROM에 저장된 덜 정확한 다항식 곡선 피팅(fitting)과는 대조적으로 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한 무선 센서 조립체들은 센서들의 회로를 변경할 필요 없이 검정 곡선(calibration curve)과 룩업 테이블들을 업데이트할 수 있는 이점을 가진다. 현장에서 교체되는(field replacement) 센서들은 RFID 태그 또는 바코드 등의 식별(identification; ID) 정보 또는 코드(code)가 할당된다. 무선 센서 조립체의 설치 또는 교체 동안, 외부 센서(14)의 검정 정보가 외부 장치를 통해 무선 센서 조립체와 무선 통신으로 액세스될 수 있다. ID 정보를 스캔하거나 입력(entering)함으로써, 센서(14)는 네트워크 연결을 통해 소정의 검정 곡선에 링크될 것이다. 또한 룩업 테이블과 검정 정보가 편이(drift)들을 해결하도록 주기적으로 업데이트될 수 있음으로써 센서(14)의 수명에 걸쳐 센서(14)의 측정 정확도가 향상된다.
이 명세서에 개시된 무선 센서 조립체들의 한 실시예에서, 하우징의 크기는 대략 1.75 in. L x 1.25 in. W x .68 in. H이다. 배터리가 사용되는 경우는 하우징이 더 커질 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서 0.170μW 미만인, 무선 부품으로서의 블루투스 부품의 낮은 전력소비 덕분에 센서(14)는 선택된 배터리로 매초마다 데이터를 전송하면서 적어도 2년간 작동될 수 있다. 낮은 전력소비는 또한 자자발전을 가능하게 한다. 뿐만 아니라, 이 명세서에 기재된 모든 무선 센서 조립체들에서, 통신 기판이 저장 또는 생성된 에너지의 양을 검출할 수 있어, 센서기 사용 가능한 또는 사용 가능할 것으로 예측되는 전력의 양에 기반하여 미가공 감지 데이터의 전송 속도를 자동으로 조정할 수 있도록 한다.
어떤 실시예에 따른 무선 센서 조립체는 디지털 미가공 데이터를 외부 장치 또는 원격 장치로 전송할 수 있는 디지털 감지 제품일 수 있다. 무선 센서 조립체는 호환 가능한 구성부들을 포함하여 복수의 구성으로의 용이한 조립을 허용함으로써 "모듈형(modular)" 구성을 제공한다. 이 명세서에 기재된 무선 센서 조립체들의 각각은 유선 또는 무선 연결과 다양한 장착 및 센서 입력 옵션을 제공하도록 변경될 수 있다.
모든 실시예들에서의 무선 센서 조립체가 단지 하나의 센서(14)를 포함하는 것으로 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 둘 이상(more than one) 센서들이 하우징 내의 전기 및 전자 부품들에 연결될 수 있다. 예를 들어, 둘 이상의 센서(14)들이 제1 구멍(22)에 삽입되어 도 6에 도시된 장착 조립체(36)로 장착되고 두 센서 커넥터(66)에 의해 통신 기판(60)에 연결될 수 있다.
제7 실시예
본 발명의 제7 실시예에 따라 구성된 저전력 무선 센서 시스템은 복수의 무선 센서 조립체들과, 무선 센서 조립체들의 각각에 작동상 연결되어 무선 센서 조립체들의 각각 사이에 데이터를 송수신하도록 작동되는 무선 네트워크를 포함할 수 있다. 무선 센서 조립체들은 제1 내지 제6 실시예들에 설명된 무선 센서 조립체들의 어떤 것의 형태가 될 수 있고 그들 자체 간 또는 태블릿, 스마트폰, 또는 퍼스널 컴퓨터 등의 외부 장치와 통신할 수 있다.
본 발명은 예로서 설명 및 도시된 실시예에 한정되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 설명된 것 및 그 이상에 대한 아주 다양한 변경은 당업계에 통상의 기술을 가진 자의 지식의 일부이다. 이들 및 다른 변경들과 함께 기술적 등가물로의 대체는 본 발명과 이 특허의 보호 범위를 벗어나지 않고 (이 명세서의) 설명과 도면들에 추가될 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 내부 공간과 적어도 하나의 외부 센서를 수납할 크기의 적어도 하나의 구멍을 형성하는 하우징과;
    상기 하우징 내에 장착된 무선 전원과; 그리고
    상기 하우징 내에 장착되어 상기 무선 전원으로부터 급전되고 상기 외부 센서와 전기적 통신을 하는 전자구성부로:
    무선 통신 부품과; 및
    상기 무선 통신 부품이 0.5 mW 미만의 전력 소비량을 가지도록, 상기 무선 통신 부품으로부터 외부 장치로의 데이터 전송 속도를 관리하도록 구성되고, 그리고 시동 동안 초기 에너지 급등을 분산시키거나 출력 논리 신호의 생성을 지연시키도록 더 구성된 펌웨어를 포함하는, 전자구성부를 구비하고,
    상기 전자구성부가 전적으로 상기 무선 전원에 의해서만 급전되고, 2 in3 미만의 용적을 차지하는 무선 센서 조립체.
  2. 청구항 1에서,
    상기 무선 전원이 자가발전 장치, 열전소자, 및 배터리로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 무선 센서 조립체.
  3. 청구항 2에서,
    상기 자가발전 장치가 외팔지지 기판에 장착된 압전소자를 구비하는 진동 장치인 무선 센서 조립체.
  4. 청구항 1에서,
    상기 하우징이 상부와 하부를 형성하고, 상기 상부와 하부 각각이 내부 구성부품들과 반대측 단부들에서의 외부 구성부를 수용하는 대응 쐐기들을 형성하는 무선 센서 조립체.
  5. 청구항 4에서,
    상기 하우징의 상기 하부가 상기 외부 센서를 수납하는 적어도 하나의 구멍을 포함하고, 상기 대응 쐐기를 통해 상기 상부의 복수의 다른 구성들을 수납하도록 구성되는 무선 센서 조립체.
  6. 청구항 1에서,
    상기 하우징의 상기 적어도 하나의 구멍과 반대측의 제2 구멍으로, 커넥터를 포함하여 대응 통신 커넥터를 수납하도록 구성된 제2 구멍과; 그리고
    상기 전자구성부와 상기 제2 구멍 내의 커넥터에 작동상 연결되는 통신 부품을
    더 구비하는 무선 센서 조립체.
  7. 청구항 6에서,
    상기 통신 커넥터가 USB, USB-C, 이더넷, CAN, 및 어스피레이티드 TIP/이더넷으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 무선 센서 조립체.
  8. 청구항 1에서,
    상기 외부 센서가 온도 센서, 압력 센서, 가스 센서, 및 광학 센서로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 무선 센서 조립체.
  9. 청구항 1에서,
    상기 하우징이 외부 자석이 수납되도록 구성된 홈을 형성하고, 상기 외부 자석이 상기 전자구성부와 상기 무선 전원을 디스에이블 및 이네이블 시키도록 작동하는 무선 센서 조립체.
  10. 청구항 1에서,
    상기 무선 통신 부품이 블루투스 모듈, WiFi 모듈, 및 LiFi 모듈로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 무선 센서 조립체.
  11. 복수의 청구항 1에 따른 무선 센서 조립체들과, 그리고
    상기 무선 센서 조립체들의 각각을 작동상 연결하여 상기 무선 센서 조립체들의 각각 간에 데이터를 송수신하도록 작동하는 무선 네트워크를
    구비하는 저전력 무선 센서 시스템.
  12. 청구항 1에서,
    상기 외부 센서가 식별 코드를 포함하고, 상기 무선 센서 조립체의 설치 또는 교체 동안 상기 외부 센서의 검정 정보가 상기 무선 센서 조립체와의 무선 통신으로 외부 장치를 통해 액세스될 수 있는 무선 센서 조립체.
  13. 청구항 12에서,
    상기 식별 코드가 RFID 태그와 바코드 중의 적어도 하나인 무선 센서 조립체.
  14. 청구항 12에서,
    상기 무선 통신 부품이 상기 외부 장치로 데이터를 전송하고, 상기 외부 장치가 데이터 로깅, 연산, 및 처리를 위한 원격 장치로의 재전송으로 구성되는 그룹 중에서 선택된 기능들을 수행하는 무선 센서 조립체.
  15. 청구항 1에서,
    상기 무선 전원이 배터리이고, 상기 펌웨어가 상기 무선 통신 부품으로부터의 데이터 전송 속도를 상기 배터리 수명의 함수로 제어하는 무선 센서 조립체.
  16. 청구항 1에서,
    상기 센서로부터의 미가공 데이터가 상기 무선 통신 부품을 통해 원격 장치로 처리를 위해 송신되는 무선 센서 조립체.
  17. 청구항 1에서,
    상기 펌웨어가 프로세서 클록을 제어하여 상기 무선 전원의 전력을 보전하는 무선 센서 조립체.
  18. 청구항 1에서,
    상기 펌웨어가 상기 무선 전원 내에 저장된 에너지를 감시하여 상기 무선 통신 부품으로부터의 데이터 전송 속도를 상기 저장된 에너지의 양의 함수로서 조정하는 무선 센서 조립체.
  19. 청구항 1에서,
    상기 펌웨어가 상기 전자구성부 내의 마이크로프로세서의 초기 시동에서 소비되는 전력을 관리하도록 구성되는 무선 센서 조립체.
  20. 청구항 1에서,
    상기 전자구성부가 초기 전력 급등을 지탱하기에 충분한 저장 에너지가 존재할 때까지 출력 논리 신호의 생성을 지연시키는 회로를 가지는 마이크로프로세서를 더 구비하는 무선 센서 조립체.
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