KR20170033166A - 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동적으로 진동을 제어하는 장치에 있어서: 전원으로 구동되어 진동을 감쇠하는 능동형 흡진모듈(10); 및 상기 능동형 흡진모듈(10)에 전원을 제공하도록 다수의 발전모듈(20)로 연결되는 전원패널(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 진동의 발생 유무 및 진동의 크기에 따라 실시간으로 조절할 수 있고, 소비전력을 절감하면서 별도의 배선을 배제하며, 소요되는 전력에 따라 전원패널의 면적을 변동하여 출력을 증감할 수 있다.

Description

에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치{Active vibration reduction apparatus with independent energy harvesting structure}

본 발명은 독립형 능동진동 제어장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압전소자 및 MEMS 기술을 이용한 전원패널을 연계하여 전원설비로부터 자유로운 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치에 관한 것이다.

선박 등에 설치되는 일반적인 능동진동제어기의 경우, 진동을 측정하기 위한 고가의 센서부(가속도계)가 별도로 설치되어야 하며 작동용 전원을 위해 별도의 추가 배선이 필요하다. 고가의 센서부로 인하여 유지관리 비용이 증가하게 되는 단점을 감수하는 것은 물론 별도의 전원을 인가하기 위해 구조적 변경이 수반되는 등의 제약도 감수해야 한다.

이와 같은 분야에 에너지 하베스팅 기술을 접목하기 위해 한국 공개특허공보 제2015-0046815호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2015-0093091호(선행문헌 2) 등의 선행기술문헌을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 하우징; 상기 하우징에 수용되며, 상기 진동 또는 이동에 따라 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 압전모듈; 상기 압전모듈에 연결되며, 전기적 신호를 발생시키는 송신부; 상기 송신부 신호를 수신하는 수신부; 및 상기 수신부와 연결되는 전원공급부;를 포함한다. 이에, 압전모듈의 진동 에너지를 무선 송신기와 수신기를 통하여 제어하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 무선 통신 단말기를 구비한 이동체에 있어서, 상기 이동체의 본체에 장착되며 외력에 의해서 진동함으로써 상기 무선 통신 단말기의 전기에너지를 생성하는 압전 모듈을 구비하는 압전 하베스팅 시스템; 및 상기 압전 하베스팅 시스템으로부터 생성되는 전기에너지로 축전되는 축전식 배터리;를 포함한다. 이에, 하베스팅 에너지를 무선 통신 단말기의 전원으로 제공하여 주요 구조를 간소화하는 효과를 기대한다.

다만, 상기한 선행문헌에 의하면 압전 모듈을 기반으로 하는 에너지 하베스팅 기술을 제안하고 있기는 하지만 선박 등의 능동진동제어기와 접목하여 유용성을 높이는 세부적 응용 기술을 기대하기 미흡하다.

1. 한국 공개특허공보 제2015-0046815호 "압전모듈을 이용한 에너지 하베스팅 무선 제어 시스템" (공개일자 : 2015.05.04.) 2. 한국 공개특허공보 제2015-0093091호 "하이브리드 에너지 하베스팅 적용 이동체" (공개일자 : 2015.08.17.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 압전소자 및 MEMS 기술을 이용한 전원패널을 연계하여 전원설비로부터 자유로운 장점을 바탕으로 유용성을 높일 수 있는 세부적 응용 기술을 확립하기 위한 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 능동적으로 진동을 제어하는 장치에 있어서: 전원으로 구동되어 진동을 감쇠하는 능동형 흡진모듈; 및 상기 능동형 흡진모듈에 전원을 제공하도록 다수의 발전모듈로 연결되는 전원패널;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널의 발전모듈은 압전소자와 발전부를 구비하고 외부의 진동으로 전기를 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널의 발전모듈은 물림턱에 의하여 기계적으로 연결되고, 커넥터에 의하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널은 다수의 발전모듈을 직렬로 연결하는 동시에 선택적으로 병렬로 연결하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 능동형 흡진모듈의 제어기는 적어도 하나의 발전모듈에서 생성되는 전기신호로 진동상태를 판단하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 진동의 발생 유무 및 진동의 크기에 따라 제어 신호의 크기를 실시간으로 조절할 수 있고, 작동 정지 중에 아이들 상태로 대기할 필요가 없어 소비전력을 절감하고, 전력공급을 위해 메인 시스템으로 연결되는 별도의 배선이 필요 없으며, 소요되는 전력에 따라 전원패널의 면적을 변동하여 출력을 증감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 능동적으로 진동을 제어하는 장치에 관하여 제안한다. 고무 등을 이용한 수동형 흡진 방식은 고주파수 대역에서 효과적이나 저주파수 대역의 진동을 억제하는 데는 한계가 있다. 이에, 선박이나 건축물과 대형 구조물에서 능동적으로 진동을 감쇠하는 제어방식이 필요로 된다.

본 발명에 따르면 능동형 흡진모듈(10)이 전원으로 구동되어 진동을 감쇠하는 구조를 지닌다. 능동형 흡진모듈(10)은 코일의 전자기력으로 질량체를 동작시키는 방식, MR(Magneto-rheological) 유체의 점도변화를 유발하는 방식, 엑츄에이터로 댐핑력을 변동하는 방식 등을 적용할 수 있다. 어느 경우에나 전원에 의한 구동전류로 가진원의 다양한 파라미터에 대응한 진동감쇠를 수행한다.

또, 본 발명에 따르면 전원패널(30)이 상기 능동형 흡진모듈(10)에 전원을 제공하도록 다수의 발전모듈(20)로 연결되는 구조를 지닌다. 전원패널(30)은 능동형 흡진모듈(10)의 하측으로 설치되어 기계적ㆍ전기적으로 연결된다. 다수의 발전모듈(20)이 단층 또는 복층 구조의 프레임(31) 상에 종횡으로 연결되어 전원패널(30)을 구성한다. 프레임(31)은 기계적 강도 외에 적어도 국부적으로 절연성, 내열성, 내한성 등을 요한다. 이에 전원패널(30)은 필요한 전력용량 만큼 진동이 발생되는 위치에 설치되어 에너지 하베스팅 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널(30)의 발전모듈(20)은 압전소자(22)와 발전부(24)를 구비하고 외부의 진동으로 전기를 생성하는 것을 특징으로 한다. 압전소자(22)의 일예로 PZT 압전소재 및 MEMS 기반으로 600μm X 750μm 정도 크기로 생성할 수 있다. 국내외적으로 압전소재 등을 이용한 에너지 하베스팅은 활발한 개발이 진행 중에 있다. 발전모듈(20)에서 압전소자(22)의 주변으로 발전부(24)를 구성하고 선택적으로 축전부(26)를 부가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널(30)의 발전모듈(20)은 물림턱(28)에 의하여 기계적으로 연결되고, 커넥터에 의하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 물림턱(28)은 발전모듈(20)의 변부에 단턱이나 요철을 형성한 구조로서 마치 마루판과 같이 암수로 맞물린다. 종횡의 발전모듈(20)을 전기적으로 연결하기 위해 변부에 전원커넥터(33)가 형성된다. 전원커넥터(33) 외에 신호커넥터(35)를 별도로 구비할 수도 있다. 도 2에서 전원커넥터(33)와 신호커넥터(35)를 구분하지 않고 발전모듈(20)의 4변부에 형성된 상태를 예시한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전원패널(30)은 다수의 발전모듈(20)을 직렬로 연결하는 동시에 선택적으로 병렬로 연결하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 능동형 흡진모듈(10)에 소요되는 전원으로서 발전모듈(20)의 직렬연결은 소요 전압을 형성하는 반면 발전모듈(20)의 병렬연결은 소요 전류를 충족할 수 있다. 이와 같이 형성된 전원패널(30)이 능동형 흡진모듈(10)에 연결되므로 선박에서 전력공급용 메인 시스템으로 연결되는 별도의 배선을 축소 또는 배제할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 능동형 흡진모듈(10)의 제어기(15)는 적어도 하나의 발전모듈(20)에서 생성되는 전기신호로 진동상태를 판단하는 것을 특징으로 한다. 제어기(15)는 바람직하게 마이콤 회로로 형성되고 그 메모리 상에 능동형 흡진모듈(10)의 구동 알고리즘을 탑재한다. 발전모듈(20)은 진동에 대응하고 비례하여 전기를 생성하지만 그 전기적 신호는 진동상태 판단에 소요되는 가속도 센서의 역할도 지닌다. 이에 진동의 발생 유무 및 진동의 크기에 따라 제어기(15)에 의한 출력신호의 크기를 실시간으로 조절할 수 있을 뿐더러 작동 정지 중에 전력을 요하는 아이들 상태로 대기할 필요가 없어 소비전력을 절감할 수 있다.

한편, 도 1에서 제어기(15)가 능동형 흡진모듈(10) 상에 설치된 것으로 예시하지만, 제어기(15)를 전원패널(30) 상에 설치하거나 별도의 메인제어기(도시 생략)에 포함시킬 수도 있다.

설치에 있어서, 진동 발생을 최소화 시키고자 하는 위치에 능동형 흡진모듈(10)과 전원패널(30)을 설치하고, 능동형 흡진모듈(10)의 전원은 발전모듈(20)을 직렬연결한 전원패널(30)에서 공급받게 한다. 제어신호는 제어기(15)가 설치된 위치에서 근접한 곳에 배치된 발전모듈(20)로부터 공급받도록 한다. 물론 소요되는 전력에 따라 전원패널(30)의 면적과 적층수량을 변동할 수 있다.

작동에 있어서, 선박 등에서 가진원에 의하여 진동이 발생하는 동안 능동형 흡진모듈(10)이 자동으로 작동할 수 있으며, 진동이 감소하면 그에 따라 제어기(15)에서 진동 감소를 위해 소요되는 전력도 감소하므로 신호증폭을 위한 에너지 손실도 감소한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 능동형 흡진모듈 15: 제어기
20: 발전모듈 22: 압전소자
24: 발전부 26: 축전부
28: 물림턱 30: 전원패널
31: 프레임 33: 전원커넥터
35: 신호커넥터

Claims (5)

1. 능동적으로 진동을 제어하는 장치에 있어서:
   전원으로 구동되어 진동을 감쇠하는 능동형 흡진모듈(10); 및
   상기 능동형 흡진모듈(10)에 전원을 제공하도록 다수의 발전모듈(20)로 연결되는 전원패널(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전원패널(30)의 발전모듈(20)은 압전소자(22)와 발전부(24)를 구비하고 외부의 진동으로 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전원패널(30)의 발전모듈(20)은 물림턱(28)에 의하여 기계적으로 연결되고, 커넥터에 의하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 전원패널(30)은 다수의 발전모듈(20)을 직렬로 연결하는 동시에 선택적으로 병렬로 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 능동형 흡진모듈(10)의 제어기(15)는 적어도 하나의 발전모듈(20)에서 생성되는 전기신호로 진동상태를 판단하는 것을 특징으로 하는 에너지 하베스팅 방식의 독립형 능동진동 제어장치.

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