KR20150047355A - 에너지 하비스터 및 이를 포함하는 무선 센서 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하비스터는 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 1 탄성부, 상기 제 1 탄성부에 결합된 제 1 질량부, 상기 제 1 질량부에 결합된 제 1 자성체, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 2 탄성부, 상기 제 2 탄성부에 결합된 제 2 질량부, 상기 제 2 질량부에 결합된 제 2 자성체, 상기 제 1 탄성부, 제 2 탄성부, 제 1 질량부, 제 2 질량부, 제 1 자성체 및 제 2 자성체가 결합되는 중심축, 상기 제 1 질량부와 제 2 질량부 사이에 결합된 제 3 탄성부 및 상기 중심축을 따라 배치되며 상기 제 1 자성체 또는 제 2 자성체가 상기 제 1 탄성부 또는 제 2 탄성부의 진동에 따라 각각 인입되도록 형성된 코일부를 포함한다.
Description
본 발명은 에너지 하비스터에 관한 것으로서, 구체적으로 에너지 하비스터 및 이와 결합된 통신모듈을 포함하는 무선 센서 장치에 관한 것이다.
기존의 철도 모니터링 시스템은 유선 센서 모니터링 기술에 의존하고 있어, 유지, 보수 및 관리시 신뢰성 및 안정성 보장에 한계가 있었다. 특히, 철도 차량의 대차 및 주행 장치는 부품에 대한 접근 및 유선 센서 설치에 제약이 있어, 차량 자체의 주요 장치들에 대한 실시간 감시 데이터를 획득하기 어렵다는 문제가 있었다.
예를 들어, 종래의 철도 모니터링 시스템은 지상(또는 정비창)의 철도 시설물에 설치된 센서를 통해 감지된 상태 감지 정보에 따라 고장을 진단함으로써 한정된 설치 위치에서만 철도 차량 상태에 대한 진단이 가능하였다. 이에 따라, 진단 결과의 신뢰도가 떨어지며, 고장이 발생된 이후의 진단만 가능할 뿐 철도 차량 상태에 대한 실시간 감시를 통한 고장의 예측 및 방지가 불가능하다는 한계가 있었다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 철도 차량의 각 구성요소의 동작 상태를 모니터링 하는 무선 센서를 결합시키는 연구가 진행 중에 있으나, 무선 센서의 경우 전력 공급이 원활하지 않아 철도 차량에 존재하는 다양한 에너지원으로부터 자가 발전을 수행하는 자가 발전 모듈을 추가하려는 시도가 있었다.
자가 발전 모듈의 대표적인 기술 중 하나로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 기술을 들 수 있다. 에너지 하베스팅 기술은 주변에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 폐이용(scavenge)하여 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 기술이다. 에너지 하베스팅 기술은 자연의 빛 에너지, 인간 신체 또는 연소형 엔진으로부터의 저온 폐열 에너지, 휴대용 기기 탑재/부착 장치의 미세 진동 에너지, 인간의 신체 활동으로 인한 소산 에너지 등을 흡수하고, 열전소자 (Thermoelectric Element), 전기화학반응(Electrochemical Reaction), DC/AC 제너레이터, 피에조전기 트랜스듀서(Piezoelectric Transducer), 커패시터 트랜스듀서, 광전지 셀(Photovoltaic Cell) 등과 같은 에너지 하베스팅 소자들을 이용할 수 있다. 일반적으로, 에너지 하베스팅 기술을 통해 얻을 수 있는 전력 수준은 대략 마이크로 와트(㎼)에서 밀리 와트(㎽) 급 정도이다.
이러한 에너지 하베스팅 기술은 다양한 분야에 적용할 수 있다. 예를 들어, 고속으로 운행하는 철도 또는 차량 등에서 발생하는 진동을 활용할 수 있으며, 철도 차량에 포함되는 열차운영 시스템, 고압시스템, 견인시스템, 제동시스템, 보조전원 장치, 차체전기장치 등 다양한 시스템의 상태를 모니터링하기 위한 무선 센서가 철도 차량과 결합될 수 있고, 센싱된 정보가 무선 통신 경로를 통해 전송될 수 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2013-0011471호(발명의 명칭: 다자유도 진동기반 광대역 에너지 수확장치)는 강체가 다자유도로 진동하도록 하여 그 복수의 고유주파수들이 인접하여 나타나도록 함으로써 외부 진동에 대한 공진 주파수 대역이 넓어지도록 함으로써 광대역 주파수 범위에서 효율적으로 전기를 얻을 수 있는 기술을 개시하고 있다.
다만, 위 선행기술은 고속 및 저속 구간의 진동 주파수를 모두 고려하고 있지 않으므로, 발전 가능한 주파수 대역을 확장하는데 한계가 있다. 따라서, 고속 및 저속 구간의 진동 주파수를 모두 고려한 에너지 하비스터 및 이와 결합된 무선 센서 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 고속 구간에서의 진동 주파수 및 저속 구간에서의 진동 주파수를 설정하고, 해당 주파수에 맞게 진동하며, 주변 에너지원 중 진동 에너지를 이용하여 자가 발전을 수행하는 에너지 하비스터 및 원활한 무선 통신을 위해 통신 모듈이 결합된 무선 센서 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하비스터는 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 1 탄성부, 상기 제 1 탄성부에 결합된 제 1 질량부, 상기 제 1 질량부에 결합된 제 1 자성체, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 2 탄성부, 상기 제 2 탄성부에 결합된 제 2 질량부, 상기 제 2 질량부에 결합된 제 2 자성체, 상기 제 1 탄성부, 제 2 탄성부, 제 1 질량부, 제 2 질량부, 제 1 자성체 및 제 2 자성체가 결합되는 중심축, 상기 제 1 질량부와 제 2 질량부 사이에 결합된 제 3 탄성부 및 상기 중심축을 따라 배치되며 상기 제 1 자성체 또는 제 2 자성체가 상기 제 1 탄성부 또는 제 2 탄성부의 진동에 따라 각각 인입되도록 형성된 코일부를 포함한다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하비스터는 제 1 중심축, 상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 1 탄성부, 상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 1 탄성부에 결합된 제 1 질량부, 상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 1 질량부에 결합된 제 1 자성체, 상기 제 1 중심축과 동일한 축을 따라 배치된 제 2 중심축, 상기 제 2 중심축을 따라 배치되며, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 2 탄성부, 상기 제 2 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 2 탄성부에 결합된 제 2 질량부, 상기 제 2 중심축을 따라 배치되며 상기 제 2 질량부에 결합된 제 2 자성체, 상기 제 1 중심축과 제 2 중심축을 연결하는 댐핑부 및 상기 제 1 중심축 및 제 2 중심축을 따라 배치되며 상기 제 1 자성체 또는 제 2 자성체가 상기 제 1 탄성부 또는 제 2 탄성부의 진동에 따라 각각 인입되는 코일부를 포함한다.
또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 무선 센서 장치는 에너지 하비스터, 상기 에너지 하비스터로부터 변환된 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 가진원으로부터 발생된 진동 에너지를 이용하여 자가 발전을 함으로써, 반영구적으로 무선 센서 네트워크 시스템을 사용할 수 있다.
또한, 고속 구간에서의 진동 주파수와 저속 구간에서의 진동 주파수를 모두 고려하므로, 발전 가능한 주파수 대역을 확장할 수 있다.
도 1은 에너지 하비스터와 통신모듈이 결합된 무선 센서 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하비스터 단면의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터 단면의 정면도이다.
도 4는 코일부를 도시한 도면이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터와 지지판이 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무선 센서 장치 단면의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하비스터 단면의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터 단면의 정면도이다.
도 4는 코일부를 도시한 도면이다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터와 지지판이 결합된 모습을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무선 센서 장치 단면의 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 무선 센서 장치가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 에너지 하비스터와 통신모듈이 결합된 무선 센서 장치(10)를 도시한 도면이다.
에너지 하비스터는 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환한다. 그리고 탄성 부재(20)는 진동을 전달받도록 배치된다. 이때, 탄성 부재(20)의 배치 위치는 도 1과 같이 에너지 하비스터의 윗면일 수 있으나, 가진원으로부터 발생된 진동을 전달받을 수 있는 위치라면 특별히 제한되지 않는다.
구체적으로, 탄성부재(20)는 스프링(21), 질량체(22) 및 댐퍼(23)를 포함할 수 있다. 스프링(21)은 통신 모듈(30)의 성능에 따라 미리 설정된 고유 주파수를 가지고, 주파수의 범위를 제한할 수 있다. 질량체(22)는 스프링(21) 상에 배치되어 가속도의 크기를 제한할 수 있으며, 통신 모듈(30)에 가해지는 진동의 가속도가 제한되기 때문에 통신 모듈(30)이 안정적으로 무선 통신을 수행할 수 있고, 성능 감소를 최소화할 수 있다.
댐퍼(23)는 스프링(21) 및 질량체(22)의 이동 변위를 제한할 수 있으며, 스프링(21) 및 질량체(22)의 주변에 배치되어 이들의 이동 변위를 제한하기 때문에, 스프링(21) 및 질량체(22)에 의한 제한 효과를 향상시킬 수 있다.
통신 모듈(30)은 상술한 탄성부재(20)에 의해 고정되어 에너지 하비스터로부터 케이블(40)을 통해 변환된 전기를 제공받고, 여러 센서로부터 측정된 센싱 정보를 송신한다.
이와 같이 에너지 하비스터는 통신모듈과 결합하여 무선 센서 장치(10)로 활용될 수 있으며, 이하에서는 본 발명에 따른 에너지 하비스터 및 본 발명에 따른 에너지 하비스터가 적용된 무선 센서 장치에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 하비스터(100) 단면의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터(100) 단면의 정면도이며, 도 4는 에너지 하비스터(100)에 포함된 코일부를 도시한 도면이다.
먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 에너지 하비스터(100)는 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하며, 제 1 탄성부(110), 제 1 질량부(120), 제 1 자성체(130), 제 2 탄성부(140), 제 2 질량부(150), 제 2 자성체(160), 중심축(170), 제 3 탄성부(180) 및 코일부(190)를 포함하고 있다. 이때, 가진원이란 넓은 주파수 대역에 걸쳐서 진동을 발생시키는 근원지로서, 기계 부품, 기계구조물 또는 운송기계(철도차량, 자동차, 항공기, 선박 등) 및 회전기계(모터, 펌프, 플랜트, 공장, 감속기/증속기, 풍력발전기 블레이드 등) 등이 이에 포함될 수 있다.
제 1 탄성부(110)는 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된다. 즉, 제 1 탄성부(110)는 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 제 1 탄성계수(k1)를 갖도록 설계되어 진동에 반응하게 된다.
제 1 질량부(120)는 제 1 탄성부(110)와 결합되어 있으며, 제 1 자성체(130)는 제 1 질량부(120)와 결합되어 있다. 제 1 질량부(120)는 제 1 탄성부(110)와 결합되어 있으므로, 제 1 탄성부(110)가 진동할 때 함께 진동한다. 이때, 제 1 자성체(130)는 제 1 질량부(120)와 결합되어 있으므로, 제 1 질량부(120)가 진동함에 따라 함께 진동하여 아래에서 설명하는 바와 같이 코일부(190)에 인입된다.
제 2 탄성부(140)는 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된다. 즉, 제 2 탄성부(140)는 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 제 2 탄성계수(k2)를 갖도록 설계되어 진동에 반응하게 된다.
제 2 질량부(150)는 제 2 탄성부(140)와 결합되어 있으며, 제 2 자성체(160)는 제 2 질량부(150)와 결합되어 있다. 제 2 질량부(150)는 제 2 탄성부(140)와 결합되어 있어, 제 2 탄성부(140)가 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동할 때 함께 진동한다. 이때, 제 2 자성체(160)는 제 2 질량부(150)와 결합되어 있으므로, 제 2 질량부(150)가 진동할 때 함께 진동하여 코일부(190)에 인입된다.
한편, 제 1 진동 주파수는 기 설정된 제 1 속도 이상의 경우, 제 2 진동 주파수는 기 설정된 제 2 속도 이하의 경우에 대응하는 진동 주파수에 해당할 수 있다. 이때, 제 1 속도는 제 2 속도보다 빠른 속도값을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)는 고속 구간에서의 진동 주파수와 저속 구간에서의 진동 주파수를 모두 고려하고 있으므로, 발전 가능한 주파수 대역을 확장할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)는 고속 구간 및 저속 구간이 분명하게 나누어진 환경뿐만 아니라 중심 주파수가 변하는 환경에서도 적용할 수 있다. 예를 들어 철도차량, 자동차 등의 운송기계의 경우, 운송기계의 속도가 변함에 따라 중심 주파수가 변할 수 있으므로, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)를 적용할 수 있다. 또한, 모터나 펌프 등의 회전기계의 경우, 회전기계에 작동 부하가 많이 걸리게 되면 진동 주파수가 변하게 되므로, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)를 적용할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)는 적용되는 주파수의 범위가 넓거나, 이중 주파수가 적용되는 경우 등 다양한 조건에서 전력을 생산할 수 있다.
제 1 탄성부(110), 제 2 탄성부(140), 제 1 질량부(120), 제 2 질량부(150), 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)는 중심축(170)과 결합되어 있다. 이때, 제 1 탄성부(110), 제 2 탄성부(140), 제 1 질량부(120), 제 2 질량부(150), 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)는 중심축(170)이 통과하도록 형성된 개구부를 포함하고 있으며, 각각 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 제 1 탄성부(110) 및 제 2 탄성부(140)의 외측면은 방사형 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 중심축(170)을 중심으로 십자 형태로 뻗어나간 방사형 형태로 형성될 수 있다.
한편, 개구부가 형성된 원기둥 형상은 일 예시에 불과하며, 가진원의 형상 및 목적에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 탄성부(110) 및 제 2 탄성부(140)의 형상은 십자 방사 형태뿐만 아니라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이와 더불어, 제 1 질량부(120) 및 제 2 질량부(150)는 코일부(190)와 미리 설정된 간격만큼 이격되도록 형성될 수 있다. 코일부(190)와 이격되도록 형성됨으로써 제 1 질량부(120) 또는 제 2 질량부(150)가 진동함에 따라 제 1 자성체(130) 또는 제 2 자성체(160)가 코일부(190)에 인입될 수 있다.
제 3 탄성부(180)는 제 1 질량부(120)와 제 2 질량부(150) 사이에 결합되어 있다. 이때, 제 3 탄성부(180)의 상측면은 제 1 질량부(120)와 결합될 수 있으며, 제 3 탄성부(180)의 하측면은 제 2 질량부(150)와 결합될 수 있다. 제 3 탄성부(180)의 상측면과 결합된 제 1 질량부(120)는 제 1 탄성부(110)의 하부에 결합되고, 제 1 자성체(130)는 제 1 질량부(120)의 하부에 결합되어 코일부(190)의 상부에 인입될 수 있다. 또한, 제 3 탄성부(180)의 하측면과 결합된 제 2 질량부(150)는 제 2 탄성부(140)의 상부에 결합되고, 제 2 자성체(160)는 제 2 질량부(150)의 상부에 결합되어 코일부(190)의 하부에 인입될 수 있다.
도 4를 참조하면, 코일부(190)는 중심축(170)을 따라 배치되며 제 1 자성체(130) 또는 제 2 자성체(160)가 제 1 탄성부(110) 또는 제 2 탄성부(120)의 진동에 따라 각각 인입되도록 형성된다. 즉, 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동이 발생한 경우 제 1 탄성부(110)가 진동함에 따라 제 1 질량부(120)와 결합되어 있는 제 1 자성체(130)가 코일부(190)에 선택적으로 인입되고, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동이 발생한 경우 제 2 탄성부(140)가 진동함에 따라 제 2 질량부(150)와 결합되어 있는 제 2 자성체(160)가 코일부(190)에 선택적으로 인입된다. 이때, 제 1 자성체(130) 또는 제 2 자성체(160)가 선택적으로 인입된다는 의미는 가진원으로부터 제 1 진동 주파수 또는 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동이 발생한 경우, 제 1 자성체(130) 또는 제 2 자성체(160)가 코일부(190)에 들어간 후 다시 나오는 인입 및 인출 과정이 반복적으로 수행되는 것을 말한다.
이때, 코일부(190)는 제 1 자성체(130)가 인입되는 일측면과 제2 자성체(160)가 인입되는 타측면에 각각 형성된 중공부(191, 193)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제 1 자성체(130)와 제 2 자성체(160)가 코일부(190)의 내부에 선택적으로 인입될 수 있다. 다만, 도 1 및 도 2에 도시된 코일부(190)는 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)가 인입되는 중공부(191, 193)가 분리되어 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 중공부가 형성되어 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)가 선택적으로 인입될 수 있다.
또한, 코일부(190)는 제 1 질량부(120)의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 1 홈, 제 2 질량부(150)의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 2 홈 및 제 1 홈과 제 2 홈에 각각 감긴 코일을 포함할 수 있다. 즉, 코일부(190)는 보빈(bobbin) 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이 코일부(190)는 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)가 인입될 수 있도록 중공부(191, 193)가 형성되어 있고, 보빈 형태로 형성되고 코일이 감겨 있어 제 1 자성체(130) 및 제 2 자성체(160)가 진동에 따라 선택적으로 인입됨으로써 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환할 수 있다.
도 5는 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터(100)와 지지판이 결합된 모습을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 에너지 하비스터(100)는 지지판이 결합됨으로써 가진원에 고정되어 설치될 수 있다. 이를 위해, 에너지 하비스터(100)는 하부 지지판(101), 측면 지지판(103) 및 상부 지지판(105)을 포함할 수 있다.
하부 지지판(101)은 가진원에 고정되어 설치되며, 중심축(170)과 연결되어 고정되고, 제 2 탄성부(140)와 이격하여 형성될 수 있다. 그리고 측면 지지판(103)은 하부 지지판(101)과 연결되며, 제 1 질량부(120) 및 제 2 질량부(150)의 둘레면과 이격하여 형성될 수 있다. 상부 지지판(105)은 중심축(170)과 연결되어 고정되고, 측면 지지판(103)과 연결되며, 제 1 탄성부(110)와 이격하여 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(200)의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(200)의 정면도이다.
본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)는 제 1 중심축(271), 제 1 탄성부(210), 제 1 질량부(220), 제 1 자성체(230), 제 2 중심축(273), 제 2 탄성부(240), 제 2 질량부(250), 제 2 자성체(260), 댐핑부(275) 및 코일부(290)를 포함한다.
본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)는 중심축이 제 1 중심축(271) 및 제 1 중심축(271)과 동일한 축을 따라 배치된 제 2 중심축(273)으로 분리되어 형성된다. 그리고 제 1 실시예에 포함된 제 3 탄성부(180) 대신 제 1 중심축(271)과 제 2 중심축(273)을 연결하는 댐핑부(275)가 형성되어 가진원으로부터 발생된 진동을 흡수할 수 있다.
제 1 탄성부(210)는 제 1 중심축(271)을 따라 배치되며, 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된다. 즉, 제 1 탄성부(210)는 제 1 탄성계수(k1)를 갖도록 설계되어 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응한다.
제 1 질량부(220)는 제 1 중심축(271)을 따라 배치되며, 제 1 탄성부(210)와 결합되어 있다. 제 1 자성체(230)는 제 1 중심축(271)을 따라 배치되며, 제 1 질량부(220)와 결합되어 있다. 제 1 질량부(220)는 제 1 탄성부(210)와 결합되어 있으므로, 제 1 탄성부(210)가 진동할 때 함께 진동한다. 이때, 제 1 자성체(230)는 제 1 질량부(220)와 결합되어 있으므로, 제 1 질량부(220)가 진동함에 따라 함께 진동하여 코일부(290)에 선택적으로 인입된다.
제 2 탄성부(240)는 제 2 중심축(273)을 따라 배치되며, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된다. 즉, 제 2 탄성부(240)는 제 2 탄성계수(k2)를 갖도록 설계되어 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응한다.
제 2 질량부(250)는 제 2 중심축(273)을 따라 배치되며, 제 2 탄성부(240)와 결합되어 있다. 제 2 자성체(260)는 제 2 중심축(273)을 따라 배치되며, 제 2 질량부(250)와 결합되어 있다. 제 2 질량부(250)는 제 2 탄성부(240)와 결합되어 있어, 제 2 탄성부(240)가 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동할 때 함께 진동한다. 이때, 제 2 자성체(260)는 제 2 질량부(250)와 결합되어 있으므로, 제 2 질량부(250)가 진동할 때 함께 진동하여 코일부(290)에 인입된다.
이와 같은 제 1 탄성부(210), 제 2 탄성부(240), 제 1 질량부(220), 제 2 질량부(250), 제 1 자성체(230) 및 제 2 자성체(260)는 제 1 중심축(271) 또는 제 2 중심축(273)이 통과하도록 형성된 개구부를 포함하고 있으며, 각각 원기둥 형상이 되도록 형성될 수 있다. 다만, 개구부가 형성된 원기둥 형상은 일 예시에 불과하며, 가진원의 형상 및 목적에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이와 더불어 제 1 탄성부(210) 및 제 2 탄성부(240)의 외측면은 방사형 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 중심축(271)을 중심으로 십자 형태로 뻗어나간 방사형 형태로 형성될 수 있다. 한편, 제 1 탄성부(210) 및 제 2 탄성부(240)의 형상은 십자 방사 형태뿐만 아니라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
코일부(290)는 제 1 중심축(271) 및 제 2 중심축(273)을 따라 배치되며 제 1 자성체(230) 또는 제 2 자성체(260)가 제 1 탄성부(210) 또는 제 2 탄성부(240)의 진동에 따라 각각 선택적으로 인입된다. 이때, 제 1 자성체(230) 또는 제 2 자성체(260)가 선택적으로 인입된다는 의미는 가진원으로부터 제 1 진동 주파수 또는 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동이 발생한 경우, 제 1 자성체(230) 또는 제 2 자성체(260)가 코일부(290)에 들어간 후 다시 나오는 인입 및 인출 과정이 반복적으로 수행되는 것을 말한다.
코일부(290)는 제 1 자성체(230)가 인입되는 일측면과 제2 자성체(260)가 인입되는 타측면에 각각 형성된 중공부(291, 293)를 포함하고 있다. 이에 따라, 제 1 자성체(230)와 제 2 자성체(260)가 코일부(290)의 내부에 선택적으로 인입될 수 있다. 다만, 도 5 및 도 6에 도시된 코일부(290)는 제 1 자성체(230) 및 제 2 자성체(260)가 인입되는 중공부(291, 293)가 분리되어 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 중공부가 형성되어 제 1 자성체(230) 및 제 2 자성체(260)가 선택적으로 인입될 수 있다.
또한, 코일부(290)는 제 1 질량부(220)의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 1 홈, 제 2 질량부(250)의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 2 홈 및 제 1 홈과 제 2 홈에 각각 감긴 코일을 포함할 수 있다. 즉, 코일부(290)는 도 3과 같은 보빈(bobbin) 형태로 형성될 수 있다.
이와 더불어, 코일부(290)는 제 1 질량부(220) 및 제 2 질량부(250)와 미리 설정된 간격만큼 이격되도록 형성될 수 있다. 코일부(290)가 제 1 질량부(220) 및 제 2 질량부(250)와 이격되도록 형성됨으로써 제 1 질량부(220) 또는 제 2 질량부(250)가 진동함에 따라 제 1 자성체(230) 또는 제 2 자성체(260)가 코일부(290)에 선택적으로 인입될 수 있다.
이와 같이 코일부(290)는 제 1 자성체(230) 및 제 2 자성체(260)가 인입될 수 있도록 중공부(291, 293)가 형성되어 있고, 보빈 형태로 형성되고 코일이 감겨 있어 제 1 자성체(230) 및 제 2 자성체(260)가 진동에 따라 선택적으로 인입됨으로써 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환할 수 있다.
한편, 제 1 진동 주파수는 기 설정된 제 1 속도 이상의 경우, 제 2 진동 주파수는 기 설정된 제 2 속도 이하의 경우에 대응하는 진동 주파수에 해당한다. 이때, 제 1 속도는 제 2 속도보다 빠른 속도값을 가진다. 이와 같이, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)는 고속 구간에서의 진동 주파수와 저속 구간에서의 진동 주파수를 모두 고려하고 있으므로, 발전 가능한 주파수 대역을 확장할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)는 고속 구간 및 저속 구간이 분명하게 나누어진 환경뿐만 아니라 중심 주파수가 변하는 환경에서도 적용할 수 있어, 넓은 주파수 대역의 환경이나, 이중 주파수가 적용되는 경우 등 다양한 조건에서 전력을 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)는 지지판이 결합되어 가진원과 고정되어 설치될 수 있다. 이를 위해, 에너지 하비스터(200)는 하부 지지판, 측면 지지판 및 상부 지지판을 포함할 수 있다.
하부 지지판은 가진원에 고정되어 설치되며, 제 2 중심축(273)과 연결되어 고정되고, 제 2 탄성부(240)와 이격하여 형성될 수 있다. 그리고 측면 지지판은 하부 지지판과 연결되며, 제 1 질량부(220) 및 제 2 질량부(250)의 둘레면과 이격하여 형성될 수 있다. 상부 지지판은 제 1 중심축(271)과 연결되어 고정되고, 측면 지지판과 연결되며, 제 1 탄성부(210)와 이격하여 형성될 수 있다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(200)와 지지판이 결합된 형상은 제 1 실시예에 따른 에너지 하비스터(100)와 지지판이 결합된 도 4와 같은 형태로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 하비스터(200)의 적층 구조는 다음과 같이 형성될 수 있다. 댐핑부(275)의 일측면은 제 1 중심축(271)의 하부면과 연결되고, 댐핑부(275)의 타측면은 제 2 중심축(273)의 상부면과 연결될 수 있다. 그리고, 제 1 질량부(220)는 제 1 탄성부(210)의 하부에 결합되고, 제 1 자성체(230)는 제 1 질량부(220)의 하부에 결합되어 코일부(290)의 상부에 인입될 수 있다. 또한, 제 2 자성체(260)는 제 2 질량부(250)의 상부에 결합되고, 제 2 질량부(250)는 제 2 탄성부(240)의 상부에 결합되어 코일부(290)의 하부에 인입될 수 있다.
즉, 에너지 하비스터(200)의 상부에는 제 1 중심축(271)을 중심으로 제 1 탄성부(210), 제 1 질량부(220) 및 제 1 자성체(230)의 순서로 결합될 수 있으며, 하부에는 제 2 중심축(273)을 중심으로 제 2 탄성부(240), 제 2 질량부(250) 및 제 2 자성체(260)의 순서로 결합될 수 있다. 그리고 제 1 중심축(271)와 제 2 중심축(273)의 사이에는 댐핑부(275)가 연결된다. 다만, 에너지 하비스터(200)의 적층 순서는 이에 한정되는 것이 아니며, 상부와 하부가 바뀌어 결합될 수도 있으며, 사용되는 목적에 따라 다양한 형태로 적층되어 결합될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무선 센서 장치(300) 단면의 사시도이며, 도 9는 도 8에 도시된 무선 센서 장치(300)가 설치되는 위치의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 무선 센서 장치(300)는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(100) 및 통신 모듈(30)을 포함하고 있다. 이때, 통신 모듈(30)은 에너지 하비스터(100)로부터 변환된 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신한다. 에너지 하비스터와 통신 모듈이 포함된 무선 센서 장치는 도 1과 같은 구조로 형성될 수 있다.
한편, 에너지 하비스터(100)는 도 8과 같이 하부 지지판(101), 상부 지지판(105)과 측면 지지판(103)이 둘러싸인 상태로 무선 센서 장치(300) 내부에 삽입될 수 있으며, 통신 모듈(30)은 원통형 형상의 하우징부(31)로 둘러싸인 상태로 무선 센서 장치(300)의 내부에 삽입될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 무선 센서 장치(300)는 교통 수단(400)에 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 무선 센서 장치(300)는 통신 모듈 및 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(100) 및 통신 모듈(30)을 포함하고 있다. 통신 모듈(30)은 에너지 하비스터(100)로부터 변환된 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신한다. 이때, 교통 수단(400)은 하나 이상의 바퀴(410)를 포함할 수 있으며, 무선 센서 장치(300)는 바퀴(410)의 일 부분에 부착되어 에너지 하비스터(100)로부터 에너지를 제공받고, 측정된 센싱 정보를 송신할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무선 센서 장치의 통신 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
무선 센서 장치(300)는 가진원으로부터 발생된 에너지 하비스터(100)에 의해 변환된 전기를 제공받아 구동된다(S110). 이때, 에너지 하비스터는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 에너지 하비스터(100, 200)가 적용될 수 있다.
다음으로, 진동을 전달받도록 배치된 탄성 부재(20)에 의해 고정된 무선 센서 장치(300) 내 통신 모듈(30)이 센서로부터 전달된 센싱 정보를 송신한다(S120).
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20 : 탄성 부재
21 : 스프링
22 : 질량체 23 : 댐퍼
30 : 통신 모듈 40 : 케이블
100: 에너지 하비스터 101: 하부 지지판
103: 측면 지지판 105: 상부 지지판
110: 제 1 탄성부 120: 제 1 질량부
130: 제 1 자성체 140: 제 2 탄성부
150: 제 2 질량부 160: 제 2 자성체
170: 중심축 180: 제 3 탄성부
190: 코일부 191, 193: 중공부
271: 제 1 중심축 273: 제 2 중심축
275: 댐핑부 300: 무선 센서 장치
400: 교통수단 410: 바퀴
22 : 질량체 23 : 댐퍼
30 : 통신 모듈 40 : 케이블
100: 에너지 하비스터 101: 하부 지지판
103: 측면 지지판 105: 상부 지지판
110: 제 1 탄성부 120: 제 1 질량부
130: 제 1 자성체 140: 제 2 탄성부
150: 제 2 질량부 160: 제 2 자성체
170: 중심축 180: 제 3 탄성부
190: 코일부 191, 193: 중공부
271: 제 1 중심축 273: 제 2 중심축
275: 댐핑부 300: 무선 센서 장치
400: 교통수단 410: 바퀴
Claims (13)
- 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하비스터에 있어서,
제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 1 탄성부,
상기 제 1 탄성부에 결합된 제 1 질량부,
상기 제 1 질량부에 결합된 제 1 자성체,
제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 2 탄성부,
상기 제 2 탄성부에 결합된 제 2 질량부,
상기 제 2 질량부에 결합된 제 2 자성체,
상기 제 1 탄성부, 제 2 탄성부, 제 1 질량부, 제 2 질량부, 제 1 자성체 및 제 2 자성체가 결합되는 중심축,
상기 제 1 질량부와 제 2 질량부 사이에 결합된 제 3 탄성부 및
상기 중심축을 따라 배치되며 상기 제 1 자성체 또는 제 2 자성체가 상기 제 1 탄성부 또는 제 2 탄성부의 진동에 따라 각각 인입되도록 형성된 코일부를 포함하는 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
제 1 탄성부, 제 2 탄성부, 제 1 질량부, 제 2 질량부, 제 1 자성체 및 제 2 자성체는 상기 중심축이 통과하도록 형성된 개구부를 포함하며, 각각 원기둥 형상을 갖는 것인 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 진동 주파수는 기 설정된 제 1 속도 이상의 경우, 상기 제 2 진동 주파수는 기 설정된 제 2 속도 이하의 경우에 대응하는 진동 주파수로서, 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도보다 빠른 속도값을 갖는 것인 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
상기 코일부는 상기 제 1 질량부의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 1 홈, 상기 제 2 질량부의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 2 홈 및 상기 제 1 홈 및 제 2 홈에 각각 감긴 코일을 더 포함하는 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
상기 가진원에 고정되어 설치되며, 상기 중심축과 연결되어 고정되고, 상기 제 2 탄성부와 이격하여 형성된 하부 지지판,
상기 하부 지지판과 연결되며, 상기 제 1 질량부 및 상기 제 2 질량부의 둘레면과 이격하여 형성된 측면 지지판 및
상기 중심축과 연결되어 고정되고, 상기 측면 지지판과 연결되며, 상기 제 1 탄성부와 이격하여 형성된 상부 지지판을 더 포함하는 에너지 하비스터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 탄성부의 상측면과 결합한 상기 제 1 질량부는 상기 제 1 탄성부의 하부에 결합되고, 상기 제 1 자성체는 상기 제 1 질량부의 하부에 결합되어 상기 코일부의 상부에 인입되며,
상기 제 3 탄성부의 하측면과 결합한 상기 제 2 질량부는 상기 제 2 탄성부의 상부에 결합되고, 상기 제 2 자성체는 상기 제 2 질량부의 상부에 결합되어 상기 코일부의 하부에 인입되는 에너지 하비스터. - 가진원으로부터 발생된 진동을 전기로 변환하는 에너지 하비스터에 있어서,
제 1 중심축,
상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 제 1 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 1 탄성부,
상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 1 탄성부에 결합된 제 1 질량부,
상기 제 1 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 1 질량부에 결합된 제 1 자성체,
상기 제 1 중심축과 동일한 축을 따라 배치된 제 2 중심축,
상기 제 2 중심축을 따라 배치되며, 제 2 진동 주파수를 중심 주파수로 하는 진동에 반응하여 진동하도록 설계된 제 2 탄성부,
상기 제 2 중심축을 따라 배치되며, 상기 제 2 탄성부에 결합된 제 2 질량부,
상기 제 2 중심축을 따라 배치되며 상기 제 2 질량부에 결합된 제 2 자성체,
상기 제 1 중심축과 제 2 중심축을 연결하는 댐핑부 및
상기 제 1 중심축 및 제 2 중심축을 따라 배치되며 상기 제 1 자성체 또는 제 2 자성체가 상기 제 1 탄성부 또는 제 2 탄성부의 진동에 따라 각각 인입되는 코일부를 포함하는 에너지 하비스터. - 제 7 항에 있어서,
제 1 탄성부, 제 2 탄성부, 제 1 질량부, 제 2 질량부, 제 1 자성체 및 제 2 자성체는 상기 제 1 중심축 또는 제 2 중심축이 통과하도록 형성된 개구부를 포함하며, 각각 원기둥 형상을 갖는 것인 에너지 하비스터. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 진동 주파수는 기 설정된 제 1 속도 이상의 경우, 상기 제 2 진동 주파수는 기 설정된 제 2 속도 이하의 경우에 대응하는 진동 주파수로서, 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도보다 빠른 속도값을 갖는 것인 에너지 하비스터. - 제 7 항에 있어서,
상기 코일부는 상기 제 1 질량부의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 1 홈, 상기 제 2 질량부의 내측 둘레면을 따라 형성된 제 2 홈 및 상기 제 1 홈 및 제 2 홈에 각각 감긴 코일을 더 포함하는 에너지 하비스터. - 제 7 항에 있어서,
상기 가진원에 고정되어 설치되며, 상기 제 2 중심축과 연결되어 고정되고, 상기 제 2 탄성부와 이격하여 형성된 하부 지지판,
상기 하부 지지판과 연결되며, 상기 제 1 질량부 및 상기 제 2 질량부의 둘레면과 이격하여 형성된 측면 지지판 및
상기 제 1 중심축과 연결되어 고정되고, 상기 측면 지지판과 연결되며, 상기 제 1 탄성부와 이격하여 형성된 상부 지지판를 더 포함하는 에너지 하비스터. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 중심축의 하부면은 상기 댐핑부의 일측면과 연결되고, 상기 제 2 중심축의 상부면은 상기 댐핑부의 타측면과 연결되며,
상기 제 1 질량부는 상기 제 1 탄성부의 하부에 결합되고, 상기 제 1 자성체는 상기 제 1 질량부의 하부에 결합되어 상기 코일부의 상부에 인입되며,
상기 제 2 질량부는 상기 제 2 탄성부의 상부에 결합되고, 상기 제 2 자성체는 상기 제 2 질량부의 상부에 결합되어 상기 코일부의 하부에 인입되는 에너지 하비스터. - 무선 센서 장치에 있어서,
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 에너지 하비스터 및
상기 에너지 하비스터로부터 변환된 에너지를 제공 받고, 측정된 센싱 정보를 송신하는 통신 모듈을 포함하는 무선 센서 장치.
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