KR20020065505A - 전력 소자가 구비된 센서 소자 - Google Patents

전력 소자가 구비된 센서 소자 Download PDF

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KR20020065505A
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시게오 야마모토
쿠니타카 아리무라
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인테그레이티드 비즈니스 씨오., 엘티디.
시게오 야마모토
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Abstract

공간에서 이동하는 진동 에너지가 에너지 원으로서 이용되고 장시간 주기 동안 사용될 수 있으며 보다 안정적인 전력을 공급하는 전원 소자를 구비한 센서 소자가 제공된다. 부하에 전력을 공급하기 위한 전원은 공간에서 이동하는 진동 에너지를 수신하기 위한 커플러(310), 및 커플러에 의해 수신된 진동 에너지를 전력으로서 내부에 저장하기 위한 전기 배가층 캐패시터(341)를 구비한다.

Description

전력 소자가 구비된 센서 소자{SENSOR DEVICE PROVIDED WITH A POWER DEVICE}
일반적으로, 진입 제어 시스템 등의 도어-록 해제(door-lock release)용 센서 소자로서 사용되는 것과 같은 장치에는 고정되고 제어되는 공간에서 전자기파, 음파, 광파와 같은 진동을 방출하는 방출 소자가 구비되어 있다. 진동을 수신한 후에 응답 신호를 송신하는 응답 소자, 및 응답 신호를 수신하고 이 신호를 수집하는 응답 신호 수신 장치는 이미 공지되어 있다. 예를 들어, 이와 같은 센서 소자의 구성에서, 일본 미심사 특허공개 제S58-57796호에 설명된 활성 소자 또는 일본 미심사 특허공개 제S58-151572호에 설명된 비접촉 센서 시스템에 기초한 장치가 이용되고 있다.
응답 신호를 방출하는데 필요한 전력을 유지하는 수단은 이와 같은 센서 시스템의 응답 소자에서 가장 중요한 필수 소자이다.
상기 일본 미심사 특허공개 제S58-151572호에 설명된 센서 소자는, 내부 배터리가 소자를 인에이블시켜 양호한 레벨의 일정한 전력을 유지하더라도, 소자의 활성 동작 시간이 소자의 내부 배터리의 제한 수명으로 인해 제한된다는 문제점이 있다.
상기 일본 미심사 특허공개 제S58-57796호에 설명된 센서 소자에서는, 전력으로서의 역할을 하기 위해 진동이 캐패시터에 에너지로서 축적되기 때문에 어떠한 특별한 전원도 존재하지 않는다.
본 발명은 공기를 통해 진동을 방출하는 진동 방출 소자(vibration-emitting device), 진동을 수신한 후 응답 신호를 송신하는 응답 소자(response device), 및 응답 신호를 수신하고 이를 수집하는 응답 신호 수신 장치(response-signal receiving device)를 구비한 센서 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 센서 소자를 도시하는 개략도,
도 2는 본 발명의 한 실시예의 센서 소자의 회로를 도시하는 회로도,
도 3은 도 2의 응답 소자를 도시하는 개략도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 센서 소자의 회로를 도시하는 개략도, 및
도 5는 도 4의 응답 소자를 도시하는 개략도.
상기 설명한 캐패시터에 축적된 전력은 전력이 사용될 때마다 순간적으로 방전될 것이다. 따라서, 만일 회로에서 전력 손실이 발생하면, 전력의 부족으로 어떠한 응답 신호도 방출되지 않는 결과가 된다.
본 발명의 목적은, 공기를 통해 진동을 전달하는 전력 발생 소자를 사용하여 센서 소자에 전력를 공급함으로써 전력원으로서의 역할을 하게 하며, 이로 인해 센서 소자가 오랜 시간 주기에 걸쳐 안정한 전력을 유지하게 하여 상기 문제점을 해결하는 것이다.
청구항 1에 설명된 발명은, 전력을 부하에 공급하며, (1) 공간을 통해 전달되는 전자기 진동을 수신하는 커플러, 및 (2) 커플러로부터 수신된 진동을 전력으로서 축적하기 위한 전기 배가층(electrin double-layer) 캐패시터를 갖는 전력 소자이다.
전기 배가층 캐패시터는, 전력을 순간적으로 방전시키는 일반적인 캐패시터보다 상당히 큰 정적 캐패시턴스 (0.1 내지 수 farads)를 갖기 때문에 반복되는 재충전을 가능하게 하는 보조 배터리 유형이다. 결국, 전극 그 자체는 용이하게 전해되는 특성을 가지며, 전극들은 이온화 경향과 무관하다. 전극들 사이에 스페이서가 위치되어 단지 작은 이온(들)만이 그 구멍을 통과할 수 있게 된다.
예로서, 폴리프로필 재료가 스페이서로 사용되고, 황산이 전해질로서 사용된다.
근래, 광범위한 전기 배가층 캐패시터의 연구과 개발 결과로서, 수 밀리미터 두께의 저-ESR 박막형 캐패시터가 사용된다.
청구항 1에 설명된 바와 같이, 본 발명의 전력 소자에는, (a) 공기를 통해 전달되는 진동을 수신하는 코일, 및 (b) 센서에 의해 수신되는 진동으로부터 변환되는 전력을 저장하는 전기 배가층 캐패시터가 구비된다. 따라서, 공기를 통해 전달되는 진동으로부터 변환되는 전기 에너지원으로서 오랜 시간 주기 동안 사용될 수 있다.
전기 배가층 캐패시터는 일반적인 캐패시터에 의해 저장될 수 있는 것보다 훨씬 많은 양의 전력을 순간적으로 저장할 수 있음은 물론 비교적 급속한 전기 충전이 가능한 장점을 가지고 있기 때문에, 상술한 센서의 코일로부터 수신된 진동을 전력으로서 저장할 수 있고, 따라서 안정적인 전력 흐름을 부하에 제공할 수 있다.
제1 요청 절에서 설명한 본 발명은, (1) 전기 배가층 캐패시터의 출력 전압을 조정하는 전력 조정기, 및 (2) 부하가 보조 배터리에 접속된 채, 전력 조정기를 거쳐 전기 배가층 캐패시터에 접속된 보조 배터리를 제공하는 것에 특징을 갖는 전력 소자이다.
제2 요청 절에 따르면, 전기 배가층 캐패시터의 출력 전압을 조정하는 전압 조정기, 및 부하가 보조 배터리에 접속된 채 전압 조정기를 거쳐 전기 배가층 캐패시터에 접속된 보조 배터리가 존재한다. 보조 배터리는 전기 배가층 캐패시터에 저장된 전력에 의해 충전되고, 부하에는 보조 배터리로부터의 전력이 공급된다. 따라서, 전력이 안정하게 유지된다.
전기 배가층 캐패시터에 의해 충전되는 보조 배터리의 전압은, 전기 배가층 캐패시터가 방전됨에 따라 전기 배가층 캐패시터의 전압이 명확하게 감소되기 때문에 효율적으로 사용되도록 조정되어야 한다. 이는 전압 조정기에 의해 사용된다.
전기 배가층 캐패시터로부터 보조 배터리를 충전할 때, 만일 전기 배가층 캐패시터의 출력 전압과 보조 배터리의 전압 간에 큰 차이가 존재하면 과잉 전류가 흐르기 때문에, 전기 배가층 캐패시터의 전압을 보조 배터리보다 약간 높게 유지하는 것이 좋다.
청구항 3항에 청구된 본 발명은, (1) 공기를 통해 진동을 방출하는 진동 방출 소자, (2) 진동을 수신하고 응답 신호를 송신하는 응답 소자, 및 (3) 응답 신호를 수신하고 이를 수신하는 응답 신호 수신 소자가 제공된 센서 소자가, (a) 진동 방출 소자에 의해 방출된 진동을 수신하는 커플러, (b) 상기 응답 신호를 발생하는응답 신호 발생 회로, (c) 상기 응답 신호를 송신하는 커플러, 및 (d) 상기 제1 및 제2 요청절에서 설명된 전력 소자를 구비한다. 이때 전력은 전력 소자의 응답 신호 발생 회로로부터 공급된다.
이와 같이, 본 요청 절의 센서 소자에 따르면, 이 응답 소자는 진동 방출 소자에 의해 방출된 진동을 수신하기 위한 커플러, 응답 신호 발생 소자, 응답 신호를 발생하는 커플러, 및 상기 제1 또는 제2 요청 절에 설명된 전원 소자를 갖는다. 따라서, 응답 신호 방출 회로에는 상기 전원 소자로부터의 전력이 공급될 수 있고, 공간을 통해 전달되는 진동을부터 변환되는 에너지를 사용하기 때문에 오랜 시간 주기에 걸쳐 전력이 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 내장된 비충전가능 배터리를 갖는 응답 소자의 경우에, 그 배터리의 제한된 수명 때문에 제한된 작업 수명을 갖는 응답 소자의 불편함을 피할 수 있다.
본 발명에 따르면, 또한 진동이 전기 에너지 원일 때 캐패시터에 저장된 전력이 순간적으로 소비되고, 따라서 회로에 전력의 손실이 발생할 때 전력의 부족으로 인해 응답 신호를 방출할 수 없는 결과가 되기 때문에, 전력 부족 때문에 응답 신호를 방출할 수 없는 불편함을 피할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이하에 상세히 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 센서 소자(1)는 공기를 통해 진동을 방출하는 진동 방출 소자(2), 진동을 수신하고 응답 신호를 송신하는 응답 소자(3), 응답 신호를 수신하고 검증하는 응답 신호 수신 소자(4)를 구비한다. 이들은 진입 제어 시스템의 도어-록 해제에 사용된다.
다른 말로 표현하여, 진동 방출 소자(2)는 도어의 근처의 영역에서 항상 진동을 방출하고, 지정된 사람은 응답 소자(3)를 소지한다. 만일 이 사람이 도어에 가까이 가면, 응답 소자(3)는 진동 방출 소자(2)로부터 진동을 수신한 다음, 응답 신호를 송신한다. 응답 신호를 수신하는 응답 신호 수신 장치(4)는 응답 신호를 검증한다. 도어 록은 응답 신호가 검증될 때 열린다.
상기 설명한 진동 방출 소자(2)에는 진동을 생성하는 진동 발생 회로(210), 및 진동을 방출하는 진동 방출 안테나(220)가 구비된다.
더우기, 상기 설명한 응답 소자(3)에는 진동 수신 커플러(310), 응답 신호 발생 회로(320), 응답 신호 송신 커플러(330), 전력을 응답 신호 발생 회로(320)에 공급하는 전원 소자, 브레이커 소자(350)가 구비된다. 또한, 전류가 역으로 흐르지 못하게 하는 브레이커(350) 및 다이오드(360)의 콘텍트(351)가 존재한다.
응답 소자(3)의 구조는, (a) 그 진동 수신 커플러(310)가 진동 에너지를 수신할 때 그 전력 소자가 전력을 저장하며, (b) 전력 소자에 저장된 전력을 사용하여 그 응답 신호 발생 회로(320)가 진동 신호를 발생하게 하며, (c) 응답 신호 발생 회로(320)에 의해 발생되는 응답 신호를 그 응답 신호 발생 커플러(330)가 송신하게 하도록 구성된다.
상기 전력 소자는, (a) 진동 수신 커플러(310)에 의해 수신된 진동 에너지를 전력으로서 저장아흔 전기 배가층(double-layer) 캐패시터(341), 및 전기 배가층 캐패시터(341)로부터의 전압을 조장하는 전압 조정기(342)를 구비한다. 전력의 구조는, 전력이 전압 조정기(342)에 의해 조정되는 동안, 전기 배가층 캐패시터(341)에 저장된 전력이 응답 신호 발생 회로(320)에 공급되도록 구성된다.
진동 수신 커플러(310)에 수신된 진동으로 인해 일부 전하가 전기 배가층 캐패시터(341)에 저장될 것이다. 더우기, 이 전기 배가층 캐패시터(341)은 순간적으로 전력을 방전시키는 다른 일반적인 캐패시터와는 다른 엄청나게 큰 정적 캐패시턴스를 갖는다. 전기 배가층 캐패시터(341)은 진동을 전력으로서 축적할 것이다.
특히, 전기 배가층 캐패시터(341)은 크기가 26mm x 50mm이고 두께가 2mm의 얇은 박막 형태를 가지며, 0.1 farad의 캐패시턴스와 5volts의 사용 전압을 가지며, 그 캐패시턴스 레벨이 제로일 때에도 약 1초 동안 진동 에너지를 수신함으로서 완전히 충전될 수 있도록 설계되어 있다. 또한, 전기 배가층 캐패시터(341)가 완전히 충전될 때, 적어도 4 - 6 초 동안 일정한 전압으로 응답 신호 발생 회로(320)에전력이 공급될 수 있다.
전기 배가층 캐패시터(341)이 완전히 충전되면, 브레이커 소자(350)는 진동 수신 코일(310)과 전기 배가층 캐패시터(341) 간의 접속을 차단하는 역할을 한다. 브레이커 소자(350)는 응답 신호 발생 회로(320)로부터의 신호에 의해 동작되며, 브레이커 소자(350)는 또한 신호를 응답 신호 발생 회로(320)에 다시 송신한다.
더욱이, 응답 신호 수신 소자(4)는 응답 소자(3)로부터 발생된 응답 신호를 수신하는 응답 신호 수신 커플러(420)와, 응답 신호 센서 회로(410) 모두를 갖는다.
또한, (진동 방출 소자(2)의) 진동 방출 커플러(220)와 (응답 신호 수신 소자(4)의) 응답 신호 수신 커플러(420) 모두는 동일한 커플러(코일)를 공유(즉, 공통으로 사용)할 수 있다. 즉, 진동 방출 회로(210) 및 응답 신호 센서 회로(410) 모두는 진동이 방출될 때에는 이전의 소자(210)에 의해 그리고 응답 신호가 수신될 때에는 후자의 소자(410)에 의해 사용될 하나의 커플러에 접속될 수 있다.
본 구조에 따르면, 응답 소자(3)는 매우 오랜 시간 주기 동안 교체되지 않고 응답 신호를 발생하고 전원을 사용할 수 있다. 결국, 진입 제어 시스템의 신뢰성이 크게 증가될 수 있다.
도 3은 응답 소자의 위치를 도시한다.
도 3에 도시된 응답 소자는 얇은 카드형태로 형성되고, IC 칩인 응답 신호 발생 회로(320)와, 두께가 약 1mm이고 폭 및 길이 모두가 몇 cm인 전기 배가층 캐패시터는 플라스틱으로 된 회로 기판 상에 정렬된다.
또한, 흔히 응답 신호 발생 커플러(330)가 진동 수신 커플러(310)와는 개별적으로 위치되더라도 진동 수신 커플러(310)와 동일한 커플러로 응답 신호 발생 커플러(330)를 만들 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 전력원 소자에 따르면, 전력은 공기를 통해 전달되는 진동을 수신하는 커플러와, 커플러에 의해 수신된 진동을 전력으로서 오랜 시간 동안 저장하는 전기 배가층 캐패시터 모두를 갖기 때문에 안정할 것이다.
이 소자는 전기 배가층 캐패시터에 상당한 급속 전하를 저장할 수 있고 또한 순간적으로 방전되는 몇 farads의 일반적인 캐패시터보다 훨씬 큰 전력을 저장할 수 있기 때문에 안정적인 전력을 부하에 공급할 수 있다.
또한, 본 센서 소자에 따르면, 응답 소자는 (1) 진동 방출 소자에 의해 방출되는 진동을 수신하는 커플러, (2) 응답 신호 발생 회로, (3) 응답 신호를 발생하는 커플러, (4) 및 전력을 응답 신호 발생 회로에 공급하는 전원 소자를 갖는다. 또한, 전원 소자에는 진동의 에너지 원으로서, 커플러에 의해 수신된 진동으로부터 변환된 전력을 저장하는 전격 배가층 캐패시터가 구비된다. 따라서, 응답 소자는 진동 에너지로부터 변환된 전력을 이용하여, 긴 시간 주기 동안 일정한 전력을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 그 배터리의 제한된 수명 때문에 제한된 작업 수명을 갖는 응답 소자의 불편함으로 피할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기 에너지원인 진동을 이전 경우에서와 같이, 캐패시터에 저장된 전력이 순간적으로 소비되어 회로 내에 전력 손실이 있을 때 전력의 부족으로 인해 응답 신호를 방출할 수 없기 때문에, 전력의 부족으로 인해 응답 신호를 방출할 수 없는 불편함으로 피할 수 있다.
다음은 도 4 및 5를 기초한 설명이다.
도면에 도시된 바와 같이, 전원 소자는 전압 조정기(342)를 거쳐 전기 배가층 캐패시터(341)에 접속된 보조 배터리(343)를 가지며, 또한 보조 배터리(343)는 응답 신호 발생 회로(320)에 접속돈다. 다른 기본 구조가 상기 설명한 것과 동일하므로, 동일한 기능을 공유하는 구성요소에 대해 동일한 도면부호가 부여되고 상세한 설명은 생략한다.
전원 소자는 (1) 에너지 커플러(310)에 의해 변환되는 전력을 저장하는 전기 배가층 캐패시터(341), (2) 전기 배가층 캐패시터(341)의 출력 전압을 조정하는 전압 조정기(342), (3) 전압 조정기(342)를 거쳐 전기 배가층 캐패시터(341)에 접속된 보조 배터리(343)를 구비한다. 부수적으로, 보조 배터리(343)는 응답 신호 발생 회로(320)에 더 접속된다.
보조 배터리(320)는 전기 배가층 캐패시터(341)에 저장된 전력에 의해 충전되는 재충전가능 배터리이다.
보조 배터리(320)로서 리드(lead) 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 니켈-수소 배터리 또는 리듐 배터리가 사용될 수 있다.
전기 배가층 캐패시터(341)의 출력 전압은 전압 조정기(342)로 인해 보조 배터리(343)보다 높은 레벨로 유지될 것이다.
전압 조정기(342)는 비교기를 사용하여 구성되고, 전기 배가층캐패시터(341)의 출력은 펄스 상태로 변환될 것이고, 그후 이 출력은 보조 배터리(343)에 전력을 공급하기 위한 직류 형태일 것이고, 흔히 전압 조정기(342)의 전압은 보조 배터리(343)보다 약간 높은 레벨로 유지될 것이다.
따라서, 보조 배터리(343)는 전기 배가층 캐패시터(341)에 저장된 전력으로 인해 충분히 충전될 것이고, 응답 신호가 응답 신호 발생 회로(320)로부터 방출될 때 보조 배터리(343)로부터 안정한 전력이 방출될 것이다.
상기 설명한 바와 같이, 이 전력 소자는 (1) 공기를 통해 전달된 진동을 수신하는 커플러, (2) 상기 커플러로 인해 상기 설명한 진동을 전력으로서 축적하는 전기 배가층 캐패시터, (3) 전기 배가층 캐패시터의 출력 전압을 조정하는 전력 조정기, 및 (4) 전압 조정기를 거쳐 전기 배가층 캐패시터에 접속하는 보조 배터리를 가지며, 전기 배가층 캐패시터에 축적된 전력을 사용하여 보조 배터리를 충전할 수 있기 때문에, 안정한 전력을 부하에 제공한다.
이 센서 장치에 따르면, 응답 소자는 (1) 진동 방출 소자에 의해 방출된 진동을 수신하는 커플러, (2) 응답 신호를 발생하는 응답 신호 발생 회로, (3) 응답 신호를 발생하는 커플러, 및 (4) 응답 신호 발생 회로에 전력을 공급하는 전력 소자를 갖는다. 또한, 전력 소자에는 커플러에 의해 수신되는 진동을 전력으로서 저장하는 전기 배가층 캐패시터가 구비되고, 전압 조정기는 전기 배가층 캐패시터 및 전압 조정기를 거쳐 전기 배가층 캐패시터에 접속된 보조 배터리 모두의 전력을 조정하고, 따라서, 응답 소자는 그 전기 에너지 원으로서 상기 설명한 진동을 사용하면서 장시간 동안 안정한 전력을 얻을 수 있다.
제1 요청 절에서 설명한 본 발명은, 전력을 부하에 공급하고 공기를 통해 전달된 진동을 수신하는 커플러와 커플러에 의해 수신된 진동을 전력으로서 축적하는 전기 배가층 캐패시터 모두를 갖는 전력 소자로, 이로 인해 안정한 전력을 얻을 수 있고, 그 에너지원으로서 공기를 통해 전달된 진동을 사용하므로서 인해 장시간 기간 동안 소자를 사용할 수 있다.
제2 요청 절에 설명한 본 발명은, 전기 배가층 캐패시터, 및 부하가 보조 배터리에 접속된 채 전력 조정기를 거쳐 전기 배가층 캐패시터에 접속된 보조 배터리 모두를 조정하는 전력 조정기를 갖는 전력 소자이다. 이 구조에 따르면, 보조 배터리는 전기 배가층 캐패시터에 저장된 전력으로부터 충전되고, 부하에는 보조 배터리에 의해 전력이 공급되어, 그 결과 장시간 동안 안정한 전력을 유지한다.
제3 요청 절에 설명한 본 발명은, 공기를 통해 진동을 방출하는 진동 방출 소자, 진동을 수신하고 응답 신호를 송신하는 응답 소자, 및 응답 신호를 수신하고 이를 수집하는 응답 신호 수신 소자가 구비된 센서 소자이다. 더욱이, 응답 소자는 진동 방출 소자에 의해 방출된 진동을 수신하는 커플러, 상기 설명한 응답 신호를 발생하는 응답 신호 발생 회로, 응답 신호를 발생하는 커플러, 및 전력 소자가 전력 소자로부터 응답 신호 발생 회로에 공급되는 상기 제1 및 제2 요청 절에서 설명된 전력 소자를 갖는다. 이 구조에 따르면, 진동이 전기 에너지 원으로서 사용되기 때문에, 응답 소자는 오랜 시간 주기 동안 동작을 유지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 부하에 전력을 공급하는 전력 소자에 있어서,
    (a) 공간을 통해 전달되는 진동을 수신하는 커플러, 및
    (b) 상기 커플러에 의해 전력으로서 수신되는 상기 진동의 에너지를 축적하는 전기 배가층 캐패시터
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 소자가 구비된 센서 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 부하가 보조 배터리에 접속된 채, 상기 전기 배가층 캐패시터, 및 전력 조정기를 거쳐 상기 전기 배가층 캐패시터에 접속된 보조 배터리 모두의 출력 전압을 조정하는 전력 조정기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 소자가 구비된 센서 소자.
  3. 공기를 통해 진동을 방출하는 진동 방출 소자, 진동을 수신하고 응답 신호를 송신하는 응답 소자, 및 응답 신호를 수신하고 이를 수집하는 응답 신호 수신 소자를 구비한 센서 소자에 있어서,
    상기 응답 소자는 상기 진동 방출 소자에 의해 방출된 진동을 수신하는 커플러,
    상기 응답 신호를 발생하는 응답 신호 발생 회로,
    상기 응답 신호를 발생하는 커플러, 및
    상기 응답 신호 발생 회로가 상기 전력 소자에 의해 제공된 청구항 1 및/또는 2항에 청구된 전력 소자
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 소자가 구비된 센서 소자.
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