KR20130020035A

KR20130020035A - 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치

Info

Publication number: KR20130020035A
Application number: KR1020110082396A
Authority: KR
Inventors: 황상훈; 한경준; 이광두; 김응주
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-27

Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치에 관한 것으로, 전원부로부터 전력을 공급받아 교류 전원을 생성하여 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부에서 출력되는 교류 전원을 입력받아 초음파 신호를 생성하여 출력하는 초음파 생성부; 및 상기 초음파 생성부에서 송출된 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 초음파 센서를 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치가 제공된다.

Description

초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치{Wireless power transmission apparatus using the ultrasonic}

본 발명은 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

IT 기술의 발달과 더불어 통신 시스템은 무선이라는 무한 확장 영역을 바탕으로 2000년대 들어 비약적인 발전을 거듭하였다.

그 결과 통신은 장소와 시간의 제약을 받지 않고 휴대하기 편리한 유저 지향적인 시스템으로 새롭게 변모하고 있다.

그러나 이러한 통신 시스템의 발전에도 불구하고 전력과 에너지의 전송은 아직도 유선 시스템에 의존하고 있어, 실제로 시스템의 사용에 있어 장소와 시간의 제약을 많이 받고 있으며, 실제 시스템의 전(Full) 무선화 개념 실현에 어려움이 있어 왔다.

이에 최근 몇 년 동안 유도 결합(Inductive Coupling) 방식, 용량 결합(Capacitive Coupling) 방식, 자기 공명(Self-Resonance) 방식, 방사(Radiation) 방식 등 전력의 무선 전송을 위한 기술들이 다양하게 소개되고 있다(국내공개특허 2010-87712, 2011-74761 등 참조).

상기 유도 결합은 무선 전력 전송 기술 중 가장 널리 알려지고 상용화에 근접한 기술로서, 송신부의 1차 코일과 수신부의 2차 코일간 전자기 유도 현상을 이용한 무선 전력 전송 방식으로 모바일 디바이스에 적용되어 상용화되고 있다.

그리고, 용량 결합 방식은 송전 측과 수전 측의 전극을 설치하고 전극 사이에 발생하는 전기장을 이용하여 에너지를 전송하는 방식으로, 유도 결합 방식과 같이 근접 거리에서 높은 효율을 얻을 수 있다.

상기 자기 공명 방식은 MIT에서 제안한 방식으로 최근의 무선 전력 전송 기술의 이슈화를 리드한 방식으로, 수 cm에서 수 m이내의 거리에서 자유도를 가지고 전력을 무선으로 충전할 수 있는 특징이 있다.

그리고, 방사 방식은 RF 신호를 이용한 방식으로 장거리 전송의 특징을 가지고 있어 태양광 우주 스테이션의 에너지 전송 등에 응용되어 왔으며 최근에는 에너지 하베스트(Harvest) 분야에서 각광받고 있다.

이런 방식들은 패러데이의 법칙에 근간하여 고출력의 전자기파를 이용하여 발생하는 전기장 혹은 자기장을 이용하여 전력을 전송하게 된다.

위에서 살펴본 바와 같이 무선 전력 전송을 위하여 다양한 방식들이 제안되었지만, 제안된 기술들은 고출력의 전기신호를 통한 전자기장을 이용하고 있어 이에 따른 인체의 유해성 및 다른 전기/전자 장치들의 파괴와 같은 문제점을 가지고 있어 이에 대한 보완적 기술을 필요로 하며, 이는 기술의 상용화에 큰 장애 요소가 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 초음파를 이용하여 무선으로 전력을 전송하도록 하여 인체에 해가 없으며 다른 전자기기에 영향을 주지 않는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전원부로부터 전력을 공급받아 교류 전원을 생성하여 출력하는 전압 제어 발진부; 상기 전압 제어 발진부에서 출력되는 교류 전원을 입력받아 초음파 신호를 생성하여 출력하는 초음파 생성부; 및 상기 초음파 생성부에서 송출된 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 초음파 센서를 포함한다.

또한, 본 발명은, 상기 초음파 센서에 접속된 부하의 전류를 센싱하여 충전이 완료된 오프 제어 신호를 출력하는 전류 센싱부; 상기 전류 센싱부에서 오프 제어 신호가 입력되면 해당 오프 제어 신호를 송신하는 수신측 통신부; 상기 수신측 통신부에서 송신된 오프 제어 신호를 수신하는 송신측 통신부; 및 상기 송신측 통신부에서 오프 제어 신호가 수신되면 상기 전압 제어 발진부를 오프시키는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 초음파 생성부는, 상기 전압 제어 발진부의 교류 전원의 주파수를 초음파 주파수를 변환하는 초음파 주파수 변환기; 및 상기 초음파 주파수 변환기에서 변환된 초음파 주파수에 따라 초음파 신호를 생성하여 출력하는 초음파 생성기를 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 초음파 생성기는, 상기 초음파 주파수 변환기에서 출력되는 신호를 증폭하는 부스타; 및 상기 부스타에서 증폭된 신호에 따라 초음파 신호를 생성하는 호른을 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 호른은 로터리 호른인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 초음파 센서에서 출력되는 전기적 신호로 정류하는 정류기; 및 상기 정류기에서 정류된 신호를 승압하여 부하로 출력하는 직류-직류 변환기를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 상기 정류기는 전파 정류기 또는 반파 정류기인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 직류-직류 변환기는 유사 공진형 플라이 백(Quasi-Resonant Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 풀-블릿지(Full-bridge) 컨버터 및 하프-브릿지(Half-bridge) 컨버터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전기장이나 자기장을 발생시키지 않아 인체에 영향이 없는 상태에서 무선으로 전력 전송이 가능하도록 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 전기장이나 자기장을 발생시키지 않아 다른 전자기기에 영향을 미치지 않은 상태에서 무선으로 전력 전송이 가능하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 송신부의 구성도이다.
도 2는 도 1의 초음파 생성부의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 수신부의 구성도이다.
도 4는 도 3의 초음파 수신부의 상세 구성도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 송신부의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 송신부는, 전원부(10), 전압 제어 발진부(20), 증폭부(30), 초음파 생성부(40), 제어부(50) 및 통신부(60)를 포함하고 있다.

상기 전원부(10)는 전압 제어 발진부(20)에 전원을 공급한다.

그리고, 전압 제어 발진부(20)는 상기 전원부(10)에서 공급되는 전원을 이용하여 제어부(50)의 제어에 따른 원하는 주파수의 교류 전원을 생성하여 출력한다.

상기 증폭부(30)는 상기 전압 제어 발진부(20)에서 생성된 교류 전원을 증폭하여 출력한다.

그리고, 초음파 생성부(40)는 상기 증폭부(30)에서 증폭된 교류 전원을 인가받아 대응하는 주파수의 초음파 신호를 생성하여 출력한다. 이러한 초음파 생성부(40)의 상세 구성은 도 2에 도시되어 있는바, 아래에서 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

한편, 제어부(50)는 통신부(60)로부터 온 제어 신호가 입력되면 상기 전압 제어 발진부(20)를 온 제어하며, 이와 동시에 원하는 주파수의 교류 전원을 생성하도록 제어한다.

그리고, 제어부(50)는 통신부(60)로부터 오프 제어 신호가 입력되면 상기 전압 제어 발진부(20)를 오프시킨다.

상기 통신부(60)는 수신측 통신부로부터 온 제어 신호 또는 오프 제어 신호를 입력받아 제어부(50)로 전달한다.

이러한 통신부(60)는 RF 통신, 지그비, 블루투스 등 다양한 근거리 통신 방식이 사용될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 송신부는 동작은 다음과 같다.

먼저, 사용자가 수신부에 휴대폰 등을 거치하여 충전 등을 원하는 경우에 수신측 통신부는 송신측 통신부(60)로 온 제어 신호를 전송하며, 송신측 통신부(60)는 전송된 온 제어 신호를 수신하여 제어부(50)로 전송한다.

그러면, 제어부(50)는 전압 제어 발진부(20)를 온시키고, 특정 주파수의 교류 전원을 생성하도록 전압 제어 발진부(20)를 제어한다.

이에 따라, 전압 제어 발진부(20)는 특정 주파수의 교류 전원을 생성하여 출력하며, 증폭부(30)는 생성된 교류 전원을 증폭하여 출력한다.

이후에, 초음파 생성부(40)는 증폭부(30)에서 출력되는 교류 전원을 입력받아 대응되는 주파수의 초음파 신호를 생성하여 출력한다.

상기 초음파 생성부(40)가 생성하는 초음파는 가청범위를 넘는 주파수로 20kH 이상의 음파를 일컫는다.

이와 같은 초음파는 주파수가 높고 강도가 보통 음파보다 현저히 크며 파장이 짧아 방향성이 있는 음속을 얻을 수 있어 전자기파를 대신해 무선 전력 전송에 응용 할 수 있다.

이처럼 초음파를 이용하여 무선 전력 전송을 수행하게 되면, 전자기파를 이용할 때와 달리 전기장 또는 자기장을 발생시키지 않아 인체에 해가 없으며, 다른 기기에 영향을 주지 않은 상태에서 전력 전송이 가능하도록 한다.

한편, 수신부에 거치된 휴대폰 등에 충전이 완료되어 수신측 통신부로부터 송신측 통신부(60)로 오프 제어 신호가 전송되면, 송신측 통신부(60)는 전송된 오프 제어 신호를 수신하여 제어부(50)로 전송한다.

그러면, 제어부(50)는 전압 제어 발진부(20)를 오프시켜 전압 제어 발진부(20)가 구동되지 않도록 한다.

도 2는 도 1의 초음파 생성부의 상세 구성도이다.

도 2를 참조하면, 도 1의 초음파 생성부는 초음파 주파수 변환기(41), 초음파 생성기(42)로 구성되며, 초음파 생성기(42)는 다시 부스타(42-1)와 호른(42-2)으로 구성되어 있다.

상기 초음파 주파수 변환기(41)는 증폭부(30)에서 출력되는 교류 전원의 교류 주파수를 초음파 주파수로 변환한다.

그리고, 상기 초음파 생성기(42)는 상기 초음파 주파수 신호를 변환된 증폭부(30)의 출력 신호를 증폭하여 초음파 신호를 생성하여 출력한다.

이와 같은 초음파 생성기에 있어서 상기 부스타(42-1)는 상기 초음파 주파수 변환기(41)에서 변환된 초음파 신호를 증폭하여 출력한다.

그리고, 상기 호른(42-2)은 상기 부스타(42-1)에서 증폭된 신호를 초음파 신호로 변환하여 출력한다. 이와 같은 호른(42-2)은 다른 공진 주파수들이 사용될 수 있지만, (반응 진동 모드에 대해) 초당 대략 20,000 내지 40,000 사이클(Hz)의 공진 주파수를 갖는다. 일예로, 호른(42-2)은 로터리 호른일 수 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 수신부의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치의 수신부는 초음파 수신부(100), 전류 센싱부(200), 통신부(300)로 구성되어 있다.

상기 초음파 수신부(100)는 송신단에서 전송된 초음파를 수신하여 증폭한 후에 정류하고 승압하여 출력한다. 이러한 초음파 수신부(100)의 구성은 도 4에 상세히 개시되어 있는바, 아래에서 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

그리고, 전류 센싱부(200)는 부하(400)의 전류를 센싱하여 충전이 요구되면 온 제어 신호를 출력하고, 충전이 완료되면 통신부(300)로 오프 제어 신호를 전송한다.

상기 통신부(300)는 상기 전류 센싱부(200)로부터 온 제어 신호가 입력되면 입력된 온 제어 신호를 송신부의 통신부(60)로 전송하여 송신부가 온되도록 한다.

이와 반대로 상기 통신부(300)는 상기 전류 센싱부(200)로부터 오프 제어 신호가 입력되면 입력된 오프 제어 신호를 송신부의 통신부(60)로 전송하여 송신부가 오프되도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 수신부의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 부하(400)가 충전기인 경우에 충전기에 휴대폰 등이 거치되면, 전류 센싱부(200)는 휴대폰 등의 거치 상태를 센싱하여 온 제어 신호를 생성하여 통신부(300)로 전송한다.

그러면, 통신부(300)는 송신측 통신부(60)로 온 제어 신호를 전송하여 송신부에서 초음파 신호가 전송되도록 한다.

이때, 상기 초음파 수신부(100)는 송신부에서 송신되는 초음파를 수신하여 정류하고 승압하여 승압된 전력을 부하(400)에 공급한다.

이처럼 부하(400)에는 수신된 초음파에 따른 전력이 공급되며, 부하(400)가 충전기인 경우에 충전기에 거치된 휴대폰등은 충전된다.

이때, 전류 센싱부(200)는 부하(400)의 전류를 센싱하여 충전이 완료되었으면, 통신부(300)로 오프 제어 신호를 전송하여 송신부가 오프되도록 한다.

상기와 같은 본 발명은 전류 센싱부(200)를 구비하고 있어 부하의 충전상태를 검출할 수 있으며, 충전이 완료된 경우에 그에 따른 오프 제어 신호를 송신부로 전송하여 오프되도록 함으로써 불필요한 전력 낭비를 방지할 수 있다.

도 4는 도 3의 초음파 수신기의 상세 블럭도이다.

도 4를 참조하면, 도 3의 초음파 수신기는 초음파 센서(110), 증폭기(120), 정류기(130), 직류-직류 변환기(140)를 포함한다.

상기 초음파 센서(110)는 송신부에서 송출된 초음파 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환하는 역할을 한다.

그리고, 증폭기(120)는 상기 초음파 센서(110)에서 수신한 초음파 신호를 소정 레벨로 증폭하는 기능을 수행하는 것으로서, 미리 설정된 이득에 따라 증폭을 수행하게 된다.

상기 정류기(130)는 상기 증폭기(120)에서 출력된 초음파 신호를 정류하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 증폭기(120)에서 출력된 초음파 신호를 정류하는 전파 정류기 또는 반파 정류기를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 직류-직류 변환기(140)는 상기 정류기(130)에서 출력되는 신호를 승압하여 출력한다. 상기 직류-직류 변환기(140)는 유사 공진형 플라이 백(Quasi-Resonant Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 풀-블릿지(Full-bridge) 컨버터 및 하프-브릿지(Half-bridge) 컨버터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 초음파 수신기는 초음파 센서(110)를 통하여 수신한 초음파 신호를 전기적인 신호로 변환한 후에, 증폭기(120)를 사용하여 증폭한 후에, 정류기(130)를 사용하여 정류하고, 직류-직류 변환기(140)를 사용하여 승압하여 부하에 공급한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

10 : 전원부 20 : 전압 제어 발진부
30 : 증폭부 40 : 초음파 생성부
50 : 제어부 60 : 통신부
41 : 초음파 주파수 변환기 42 : 초음파 생성기
42-1 : 부스타 42-2 : 호른
100 : 초음파 수신부 110 : 초음파 센서
120 : 증폭기 130 : 정류기
140 : 직류-직류 변환기 200 : 전류 센싱부
300 : 통신부

Claims

전원부로부터 전력을 공급받아 교류 전원을 생성하여 출력하는 전압 제어 발진부;
상기 전압 제어 발진부에서 출력되는 교류 전원을 입력받아 초음파 신호를 생성하여 출력하는 초음파 생성부; 및
상기 초음파 생성부에서 송출된 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 초음파 센서를 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 1항에 있어서,
상기 초음파 센서에 접속된 부하의 전류를 센싱하여 충전이 완료된 오프 제어 신호를 출력하는 전류 센싱부;
상기 전류 센싱부에서 오프 제어 신호가 입력되면 해당 오프 제어 신호를 송신하는 수신측 통신부;
상기 수신측 통신부에서 송신된 오프 제어 신호를 수신하는 송신측 통신부; 및
상기 송신측 통신부에서 오프 제어 신호가 수신되면 상기 전압 제어 발진부를 오프시키는 제어부를 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초음파 생성부는,
상기 전압 제어 발진부의 교류 전원의 주파수를 초음파 주파수를 변환하는 초음파 주파수 변환기; 및
상기 초음파 주파수 변환기에서 변환된 초음파 주파수에 따라 초음파 신호를생성하여 출력하는 초음파 생성기를 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 초음파 생성기는,
상기 초음파 주파수 변환기에서 출력되는 신호를 증폭하는 부스타; 및
상기 부스타에서 증폭된 신호에 따라 초음파 신호를 생성하는 호른을 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 호른은 로터리 호른인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초음파 센서에서 출력되는 전기적 신호로 정류하는 정류기; 및
상기 정류기에서 정류된 신호를 승압하여 부하로 출력하는 직류-직류 변환기를 더 포함하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 정류기는 전파 정류기 또는 반파 정류기인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.
청구항 6에 있어서
상기 직류-직류 변환기는 유사 공진형 플라이 백(Quasi-Resonant Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터, 풀-블릿지(Full-bridge) 컨버터 및 하프-브릿지(Half-bridge) 컨버터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 무선 전력 전송 장치.