KR20170107938A - 초음파 무선 전력충전 방법. - Google Patents

초음파 무선 전력충전 방법. Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시 예에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템 및 초음파 무선 전력충전 방법이 개시된다.
송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서의 공진 주파수을 이용하여 무선전력 송신과 외부 수신 트랜스듀서와 통신을 수행하고, 외부 수신 트랜스듀서로 무선으로 전력을 전송하며, 외부 트랜스듀서의 개수 및 위치에 따라 최적의 충전환경을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있으며, 외부 전원을 이용하며 초음파 무선 전력전송을 하는 송신 트랜스듀서로부터 무선 전력을 통해 전력을 공급받아 수신 트랜스듀서 내부의 축전부를 충전하는 장치를 포함하여 이루어지며, 자동차나 휴대형 전자기기의 본체에 별도 유선으로 전원을 공급하지 않도록 하며 기존 무선 전력 장치의 무선 감도나 환경에 영향을 주지 않도록 하는 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템이 개시된다.
본 발명에 따른 초음파 무선 전력충전 방법의 일 예는, 초음파 무선전력 수신장치 사용자의 정보를 수신하는 단계; 수신된 사용자(가입자) 정보를 외부 서버로 전송하여 해당 사용자(가입자) 인증을 수행하는 단계; 초음파 무선전력 수신장치로부터 무선 전력전송을 위한 정보(충전상황, 수량, 위치, 수신 장치의 ID)를 수신하는 단계; 및 수신된 정보에 기초하여 초음파 무선전력 수신장치의 축전부를 충전 수행하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.

Description

초음파 무선 전력충전 방법. {Ultrasonic wireless charging method}
본 발명은 초음파 전력 전송에 관한 것으로, 특히 다수의 수신 트랜스듀서(transducer)들을 이용하여 수신하며, 송신 트랜스듀서(transducer)가 송신하는 전력을 일정하게 유지하는 효과와 높은 전력 전송 효율을 갖도록 하는 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템 및 초음파 무선 전력충전 방법이다.
구체적으로는 전력을 송신하는 초음파 송신 트랜스듀서를 통해 수신 트랜스듀서의 전기부하에 무선으로 전력을 공급하는 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는, 특히 전력을 송신하는 초음파 송신 트랜스듀서를 이용하여 단일 혹은 복수개의 수신 트랜스듀서가 수신하는 전력량을 일정하게 유지하며 높은 전력 전송 효율을 갖도록 하는 무선 전력전송 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 일상생활에서 버려지거나 소모되는 에너지(태양광, 수력, 풍력, 조력, 배기 열, 진동)를 모아 전력으로 재활용하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술로 상기 소모되는 에너지를 초음파를 이용하여 무선으로 전력을 설치된 수신 트랜스듀서에 전력을 전송하는 기술에 관한 것이다.
추가적으로, 초음파 무선 전력충전에 필요한 통신 프로토콜을 제공하여 관리 및 그 운용의 효율을 높이는 기술에 관한 것이다.
무선 전력 전송 기술들은 그 기술 분야로서 RF(radio frequency)를 이용한 방식과 자기장을 이용하는 방식이 있으며, 이중 자기장을 이용하는 방식은 자기장 유도 기반 비접촉식 전력 전송 방식, 자기장 빔(beam) 셰이핑(shaping) 기반 근거리 전력 전송 방식, 자기장 공진기반 근거리 전력전송 방식이 있다.
비접촉식 방식은 휴대용 전자기기, 휴대단말기, 충전 패드(pad), 등으로 점차 이용이 늘어나고 있는 추세에 있는 기술이다. 앞으로 더욱 많은 휴대용 장치에 적용될 예정이지만 전력전송 거리가 매우 짧다는 문제가 있다.
자기장 공진기반 무선 전력전송 기술은 송수신기가 서로 공진 하도록 설계함으로써 전송효율을 상당히 높인 기술이지만, 송수신기 사이의 거리가 멀어질수록 전송 효율이 급감하는 단점이 있다.
RF를 이용한 방식의 경우 현재 RFID(radio frequency identification)와 같은 형태로 상당히 많이 이용되고 있는 기술이며, 종래 기술은 최대 전력 전송량이 매우 작은 문제와 임상시험과 검증시험의 유무해성이 입증되지 않은 기술로 차후 생리학적 접근이 필요한 기술이다.
자기장 빔 셰이핑 기반 근거리 전력전송 방식은 페라이트를 이용한 관계로 그 크기가 크고 무게가 무겁다는 단점으로 전기자동차나 전동차 등에 적용이 가능 하지만, 휴대용 소형 전자기기에 적용이 용이하지 못한 단점이 있다.
상기 방식들은 패러데이의 법칙에 기반하여 전기장, 전자기파, 자기장을 이용한 기술로 보다 효율성과 지향성을 높이는 기술이 필요한 실정이다.
또한, 일반적인 초음파 전송 장치 혹은 어레이 구조의 초음파 전송 장치를 이용하여 전력을 전송하는 방법은 미국등록특허 제6,798,716 B1호에 개시된 특허에서는 초음파 전송 장치를 어레이화 하고, 이들의 위상을 제어하여 중앙으로 빔이 모이도록 하고, 위상 제어를 통해 빔의 방향을 조정하는 기술이 명시되어 있으며, 대한민국 공개특허 10-2012-0073973에 명시한 방사판의 상판과 하판 사이에 공간을 두어 고유 진동수를 높여 고차 모드에서 초음파를 방사시키는 초음파 전송장치를 제공하는 기술로 방사판의 두께를 경량화와 강성을 높이는 기술이며, 대한민국 공개특허 10-2013-0119837에 명시한 초음파 충전 전원 모듈 및 이를 포함하는 다면체 구조의 초음파 충전 전원 장치는 초음파 충전 전원 모듈 및 이를 포함하는 다면체 구조의 초음파 충전 전원 장치에 관한 것으로서, 초음파 수신 소자에 의해 변환된 전기 에너지를 기 설정된 크기의 전기 에너지로 변환하는 회로 기판; 및 상기 패키징 내에 형성되고, 상기 회로 기판에 의해 변환된 전기 에너지를 저장하는 이차전지를 포함하고, 상기 패키징, 상기 유연 힌지 및 상기 수신 진동판은 티타늄 합금으로 제작을 하는 기술로 다양한 변형이나 소형화가 요구되는 휴대용 기기에는 다소 연구가 필요한 기술이다.
또한, 상기 기술은 인체 조직인 피부, 근육층 또는 지방층을 잘 통과하는 초음파를 이용하여 무선으로 인체 외부에서 내부로 전기 에너지를 전송하는 한정된 기술로 근거리 무선 전력전송에는 다소 적용이 용이하지 못한 단점과 어려움이 예상된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적인 과제는 자기장 공진 기반 무선 전력전송 기술이나 자기장 빔 셰이핑 기반 근거리 전력 전송방식은 원거리의 전력 전송효율이 다소 저하되는 점과 1, 2차 코일을 공간상 이격시켜 무선전송을 구현하여 공기중에서 거리에 따라 전달 에너지가 거리제곱에 반비례하여 급격히 줄어 그 실용성에 있어 문제점 등이 있으며, 자기장이나 전파를 이용한 공간상의 무선전력 전송이 타 통신에 의한 간섭이나 인체와 전자기기 등에 영향을 줄 수 있으므로 많은 주의와 개선이나 감시가 필요한 실정이다.
본 발명은 초음파 근거리 무선 전력전송(공진기반)에서 높은 지향성의 송신 트랜듀서(transducer)를 이용하여 다수 수신 트랜듀서(transducer)의 위치에 따른 전력 전송 효율의 변화를 감소시키고 공진 주파수를 이용하여 높은 전력 전송효율을 갖는 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 최적의 근거리 전력전송을 제공함으로써 전력 전송효율을 높일 수 있는 초음파 기반 근거리 무선 전력전송의 차량, 전기 자전거, 스마트 폰(smart phone), LED 조명, 스마트 태블릿, 스마트 PC, 스마트 TV, 스마트 안경, MP3 / MP4 플레이어 등 각종 전자기기의 무선충전 및 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최적의 초음파 기반 근거리 무선 전력전송을 제공함으로써 충전효율을 높일 수 있는 초음파 무선 전력충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최적의 충전환경을 제공함으로써 초지향성 초음파를 이용하여 충전효율을 높일 수 있는 초음파 무선 전력충전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 초음파 무선 전력충전의 효율적인 관리 및 운용을 위한 통신 방법 및 환경을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 초음파 무선 전력충전을 이용하는 사용자의 편의를 위한 환경을 제공함과 초음파 무선 전력충전을 운용하는 사업자의 서비스 환경을 제공하는 방법 및 그를 위한 시스템을 제공하는 것이다.
개괄적으로 설명되고 첨부된 도면에 도시되는바, 본 발명 개시의 구성 요소는 광범위하게 다양한 상이한 구조로 배열 및 설계될 수 있다. 따라서 후술 되는 상세한 설명은, 도면에 나타낸 바와 같이 본 발명 개시의 범위를 한정하는 것이 아니며 상기 구성이 되는 요소의 예시적인 조합을 나타내는 것이다.
상기 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 특징은 초음파 무선 전력충전을 이용하는 사용자의 편의를 위한 환경을 제공함과 초음파 무선 전력충전을 운용하는 사업자의 서비스 환경을 제공하는 방법 및 그를 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일면에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템은 외부 송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서의 송수신 부의 공진 주파수가 매칭되도록 구성되며, 상호 공진 주파수를 이용하거나 송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서 간에 통신 수단을 구비하여 통신을 수행을 한다.
상기 통신 수단은 광대역, 무선랜(Wifi), 블루투스(Bluetooth), 지그비, NFC(Near Field Communication), IRDA (Infrared Data Association), 비콘 (Beacon), 울트라 광대역(UWB) 중 어느 하나일 수 있다.
여기서 비콘(Beacon)에 관련하여 간략하게 설명하자면, 비콘(Beacon)은 근거리 위치인식 기술을 적용시킨 무선 센서로 비콘을 특정장소에 설치해 놓으면 이 장소에서 블루투스 기술을 탑재한 스마트 기기 등이 접근할 경우 비콘과 스마트 기기 간에 상호 인식을 통해 각종 정보와 실내 측위용 블루투스 서비스 등을 제공해 주는 통신이다.
본 발명의 실시 예에 따른 초음파 기반 무선 전력전송 시스템은 수신기의 위치에 따른 전력 전송 효율의 변화를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 즉, 사용자가 이동 중 모바일 기기를 사용할 때에도 지속적인 사용이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.
특히, 복수의 전력 송신기들은 각각 다른 위상에서 구동하여 종래의 무선 전력 전송 시스템보다 높은 전력 전송효율로 전력을 전송할 수 있다.
본 발명의 초음파 무선 전력충전 방법에 따르면, 차량, 전기 자전거, 스마트폰(smart phone), LED 조명, 스마트 태블릿, 스마트 PC, 스마트 TV, 스마트 안경, MP3 / MP4 플레이어, 지능형 CCTV 등 각종 전자기기의 무선충전 및 무선 전력전송 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 초음파 무선 전력충전에 필요한 통신 프로토콜을 제공하여 관리 및 그 운용의 효율을 높이는 효과가 있다.
추가적으로, 상기 초음파 무선전력 수신장치에 부여된 가입자 정보와 인증을 단계별로 처리하여 초음파 무선 전력 송신장치와 초음파 무선 전력 수신장치의 어느 하나에 있어서 외부서버에 결제를 가능하도록 하여 초음파 무선 충전을 이용하는 사용자의 편의를 도모할 수 있다.
첨부된 도면들은 축척에 따라 그려지는 것으로는 의도되지 않는다.
도면에서 여러 도면들에서 도시되어 있는 동일하거나 거의 동일한 컴포넌트 부호나 무 표기로 표시된다.
보다 명확하게 하기 위하여, 모든 도면에서 모든 컴포넌트 부호가 부가되어 있지는 않다는 것을 유의바라며, 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아님을 유의하기 바란다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 송신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서를 이용한 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템을 이용한 초음파 기반 근거리 무선 전력전송의 개략적인 블록구성도이다.
도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 이벤트 신호, PWM 발생기 및 감지부의 구성을 보인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템의 송신 트랜스듀서를 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 초음파 송신 트랜스듀서와 연결된 송신모듈의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 수신 트랜스듀서의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 수신 트랜스듀서의 구성을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신장치와 수신장치로 구성된 초음파 무선전력 충전방법을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다수의 수신장치를 동시 충전방법을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 초음파 송신장치와 수신장치의 전체적인 통신 흐름을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 초음파 무선 전력충전 범위 내 인식과 인증, 업데이트, 결제수행을 절차로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 초음파 무선 전력충전 방법에서의 전체적인 통신 흐름의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명의 초음파 근거리 무선 전력 전송을 설명하자면, 송신 트랜스듀서(transducer)의 고유 진동수와 같은 수신 트랜스듀서(transducer)에 외력을 지속적으로 받으면 그 진폭이 뚜렷하게 증가하는 것을 말한다. 이러한 공명에는 기계적 진동뿐만 아니라, 전기적 진동을 포함하는데, 여기서 전기적 공진을 설명하자면 일정거리 내에 떨어져 있는 복수의 압전체들이 서로 동일한 주파수를 갖은 초음파로 진동하는 경우, 상기 수신 트랜스듀서(transducer) 압전체들은 상호 공명하게 되며, 송신 트랜스듀서(transducer)의 고유 진동수와 같은 수신 트랜스듀서 (transducer)간에 저항이 감소하게 된다.
본 발명의 여러 구성들이 아래에서 설명된다. 여기서의 설명들은 매우 다양한 형태들로 구현될 수 있다는 점과 여기서 설명되는 임의의 특정 구조, 기능, 또는 그 둘 모두는 단지 대표적인 것들이라는 점이 자명할 것이다.
상술한 설명들에 기초하여 당업자라면 여기서 설명된 구성이 임의의 다른 구성과 상관없이 구현될 수 있다는 점과 이러한 구성들 중 둘 이상의 구성들이 여러 방식들로 결합 될 수 있다는 점을 인지할 것이다.
예컨대, 여기서 설명되는 구성들 중 임의의 수의 구성들을 사용하여 장치가 구현될 수 있거나 방법이 실시될 수 있다.
여기서 설명된 구성들 중 하나 이상의 구성들에 추가하여 혹은 그것들 이외의 다른 구성들에서 다른 구조, 기능, 또는 구조 및 기능을 사용하여 이러한 장치가 구현될 수 있거나 이러한 방법이 실시될 수 있다.
그리고, 송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서의 구성 중 같은 명칭이 있을 수 있다. 예를 들자면, 송신 트랜스듀서의 축전부, 통신부, 감지부, 압전체는 수신 트랜스듀서의 축전부, 통신부, 감지부, 압전체와 명칭이 일치하여 부호의 설명에서 자세히 분류를 한 점을 참고하기 바란다.
본 발명 개시의 구성요소 및 구성과 작용을 첨부된 도면으로 설명하자면,
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 송신 트랜스듀서와 초음파 수신 트랜스듀서를 이용한 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템의 개략적인 블록 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이, 초음파 송신 트랜스듀서(10)는 외부전원 입력단에 EMI FILTER가 전기적으로 연결되진 컨버터(101), 컨트롤러(105), 변조부(103), 증폭부 (104)와 송신모듈(100)을 포함한다.
여기서, 상기 컨버터(101)는 교류전원에서 직류전원으로 변환하는 컨버터나 직류전원에서 교류전원으로 변환하는 인버터 또는 직류전원에서 직류전원으로 변환하는 컨버터를 선택하여 구성할 수 있다.
상기 컨트롤러(105)는 충전부(106)와 감지부(108), 보조 전원 입력단자(102), 통신부(107)의 정보를 입력받아 처리하는데, 상기 컨버터(101)나 보조 전원 입력단자(102)에 의해 입력된 전원을 기 설정된 크기의 전기 에너지로 변환하는 충전부 및 저전압 차단회로로 구성된 축전부(109)가 더 포함하며,
상기 축전부로부터 상태 정보(충전전압, 충전용량, 온도 등)를 수신하여 처리하는 충전기능과 통신부(107)에서 입력된 이벤트 신호(120)를 판단하여 상기 증폭기의 출력되는 전력 값을 조절하는 기능과 통신부(107)나 감지부(108)를 통해 감지되는 수신 트랜스듀서의 존재 유무를 판단 및 처리하여 상기 송신 트랜스듀서(10)의 전원을 차단하거나 수신 트랜스듀서의 신호를 받기 위한 저 전력 대기상태로 전환되도록 구성도 가능하다.
또한, 상기 컨트롤러(105)는 도 1에서 통신부(107)나 감지부(108)를 통해 감지되는 수신 트랜스듀서가 존재 유무 판단을 수행하며, 상기 통신부(107)에서 감지된 복수 수신 트랜스듀서의 전력량을 감지하여 전력량을 분배하는 전력량 분배부를 추가 구성도 가능하며, 상기 컨트롤러(105) 내부 메모리에 상기 이벤트 신호(120), 축전부의 상태, 축전부의 교환이력, 전력 사용량, 감지부의 활성상태나 이력, 통신부에서 감지된 수신 트랜스듀서의 사용이력 등을 정보로 갱신 후 저장하는 것이 바람직하다.
상기 컨트롤러(105)는 보조 전원 입력단자(102)를 포함하여 외부 보조전원을 보다 용이하게 대체 공급하기 위한 기능을 추가하였다. 여기서, 외부 보조전원으로는 USB 전원, 통신 선로에 잠재한 전원, 솔라셀(태양광 발전), 풍력발전, 압전 에너지를 이용한 에너지 하베스팅을 이용한 보조 전원공급도 가능하다.
상기 충전부(106)는 축전부(109)의 상태 정보를 수신하여 컨트롤러(105)에 전달하며, 축전부 상태 정보에 근거하여 상기 축전부(109)에 인가되는 충전용 전압을 감지하여 축전부 상태를 최적화하도록 제어한다.
상기 설명한 바와 같이, 축전부(109)의 정격 전압, 정격 전류, 충전 용량, 사용 잔량 등 및 전압 센서의 센싱 정보로 제공되며, 축전부(109)의 충전 전압을 일정하게 하기 위한 정전류 회로나 정전압 회로가 더 포함하여 구비되는 것이 바람직하다.
상기 통신부(107)는 수신 트랜스듀서의 존재 유무 등을 감지하는 수단으로 사용되는데, 통신부에서 감지되는 수신 트랜스듀서가 복수인 경우와 상기 이벤트 신호를 판단하여 수신 트랜스듀서의 측정된 개수(수량), 수신되는 전력량, 수신율 또는 위치 정보를 판단하여 정하는 우선순위 판단을 할 수 있도록 상기 컨트롤러(105)에 이벤트 신호를 전달하는 기능을 수행하며, 여기서 우선순위(우선권)는 초기 선 감지된 수신 트랜스듀서나 전력량이 부족한 순위, 수신 트랜스듀서의 정보를 추가하여 판단할 수 있다.
상기 감지부(108)의 주된 목적과 기능은 상기 송신모듈(100)의 초음파 발생 시 반송된 초음파 신호가 허용 범위를 이하이거나 이상일 경우를 판단하며, 반송된 초음파 신호의 양을 판단하여 상기 변조부나 증폭부, 송신 트랜스듀서에 공급되는 전원을 제어하도록 구성하여 공급되는 전원을 생성하거나 차단하여 초음파 방출량을 조절(제어)하거나 차단하는 신호로 상기 컨트롤러의 기준 신호가 된다.
상기 변조부(103)와 증폭부(104)의 주요한 기능은 상기 변조부(103)에서 변조된 신호는 초음파 근거리 무선 전력전송에 필요한 공진 주파수대(임피던스 매칭 과정)로 변조나 발진을 하는데 20Khz ~ 20Mhz 범위에서 매질(공기, 물, 가스)에 따라 필요한 공진 주파수 대역을 형성한다.
여기서, 상기 변조부(103)는 컨트롤러에서 공급된 전원을 변조된 신호는 유효전력이 아니어서 필요한 전력으로 증폭하는 과정이 필요하다.
또한, 변조부(103)는 고주파 대역이나 저주파 대역을 선택하여 변조과정을 수행하도록 추가적인 구성도 가능하다.
상기 변조부(103)에서 변조과정을 수행한 신호는 유효전력으로 변환하는 증폭부로 입력되고 증폭부의 전력을 상기 송신모듈(100)로 전달되어 초음파 무선 전력송신을 수행한다.
도 1a는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템을 이용한 초음파 기반 근거리 무선 전력전송의 개략적인 블록구성도이다.
상기 도 1a는 반송파가 생성되는 일련의 과정은 도면을 참조하여 설명한다.
상기 도시된 송신 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서의 동작 과정을 보인 흐름도로서, 본 발명의 다른 실시 예인 반송파의 생성과정과 공진 주파수의 흐름과 통신부의 통신예시를 구현한 구성도이다.
상기 반송파는 도플러 효과에 의한 반송된 초음파 신호의 양을 판단하여 송신 트랜스듀서의 송신모듈(100)의 장애물이나 이물질을 감지할 수 있으며, 반송파의 신호가 설정된 허용치 이상으로 감지되면 송신 트랜스듀서의 전원을 대기 상태나 조건차단으로 전환하도록 설정하는 것이 바람직하다.
도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 이벤트 신호, PWM 발생기 및 감지부의 구성을 보인 블록도이다.
본 발명 개시의 구성 요소 및 구성과 작용을 첨부된 도 1b로 설명하자면,
본 발명의 초음파 근거리 무선 전력 전송을 위한 신호를 발생하는 변조부(103)와 증폭부(104)의 실시 예에 따르면, PWM 방식으로 공급되는 전류 및 전압을 증폭부(104)에 공급한다.
상기 변조부(103)의 변환신호는 펄스폭 변조(PWM)를 제어하는 PWM 발생기(121)로 구성되어 특정 주파수 대역(공진 주파수)으로 변환 효율을 최적으로 향상시킬 수 있고, 유효 전력으로 변환하기 위한 변조부(103)의 듀티(Duty) 조절에 따라 증폭부 (104)에 구비된 스위칭 구동하는 스위칭 소자(미도시)로 구비된다.
상기 변조부의 신호는 톱니파, 펄스파, 구형파 등으로 변환이나 대체도 가능하며, 기기의 구성 중 변조부는 발진부로 대체도 가능하다.
실시 예에 따른 상기 컨트롤러(105)는, 컨버터(101)나 보조 전원입력 단자(102)의 전압수치가 설정 값 이하일 경우, 상기 축전부(109)의 전원으로 구동되도록 전환할 수 있는 전환부(122)(전환수단)가 구비되어 포함한다.
또한, 상기 보조 전원입력 단자(102)로 입력되는 전압의 수치가 설정값 이상일 경우, 보조 전원입력 단자로 입력되는 전원으로 상기 변조부 및 증폭부의 전원을 공급하도록 설정하고, 상기 보조 전원입력 단자의 전압수치가 설정 값 이하일 경우, 상기 컨버터 전원으로 복귀되도록 구성을 할 수 있다.
여기서, 상기 축전부(109)의 전압을 수신하여 설정 값 이상 시 컨버터(101) 전원에서 축전부의 전원으로 전환이 가능하고 반대로 축전부의 전압을 센싱하여 설정 값 이하 시 축전부의 전원에서 컨버터 전원으로 전환이 가능하도록 상기 컨트롤러(105)에서 제어도 가능하다.
상기 구성은 도시된 바와 같이, 보조 전원 입력단자(102)의 전압레벨을 감지하는 수단을 구비하여 전압 변동의 히스테리 값을 설정하여 근거리 무선 전력전송의 성능과 감도에는 영향을 주지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 1b는 이벤트 신호(120)가 컨트롤러(105)에 입력되는 일예를 설명하기 위해 도시한 블록도이며, 상기 이벤트 신호(120)는 후술할 도 2에서 보다 상세한 설명을 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템의 송신 트랜스듀서를 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하여 순서도를 설명하면, 본 발명에 따른 송신 트랜스듀서의 무선 전력전송 시스템은 먼저, 건물이나 가로등, 실내, 공장, 왕래가 많은 공공건물 등 내부의 구조물에 설치되어 외부 수신 트랜스듀서를 감지하여 소정의 위치에 존재하는 유무를 감지한다(S200).
감지되는 수신 트랜스듀서가 존재하면, 해당 기기가 송신 트랜스듀서가 인식할 수 있는 기기인지 기존 감지대상에 설정된 값이나 부여된 특정 아이디(ID)의 기 설정된 값으로 상기 외부 수신 트랜스듀서를 인식한다(S210).
외부의 수신 트랜스듀서를 인식한 후에 해당 기기와 통신을 수행하여 수신 트랜스듀서에 저장된 전력량, 부하율, 공진 주파수 등의 정보를 판단하여 초음파 무선 전력전송의 가능 여부를 수행한다(S220).
이때, 외부의 수신 트랜스듀서와 통신 수행가능 유무를 판단하여(N) 저 전력 대기 상태로 전환되고(S240), 통신 수행완료 시(Y) 통신정보로 수신 트랜스듀서의 측정 개수, 수신율, 위치, 우선순위 등의 이벤트 신호(120)를 입력받아 판단한다(S230).
상기 이벤트 신호(120)는 수신 트랜스듀서의 초음파 무선 전력 수신상태와 전송 효율 등을 포함할 수 있다.
이벤트 신호를 판단한 후에 상기 해당 수신 트랜스듀서가 복수일 때, 전력량을 계산하여 전력량 분배를 수행(S250)하는데 이는 송신 트랜스듀서의 총 공급 전력을 감안한 전력을 고효율 상태와 특정 수신 트랜스듀서로 전력이 집중되는 상황을 감쇠하기 위함이다.
무선 전력전송 시스템은 방해물질의 존재유무, 장애물로 간섭을 일으키는 경우를 들 수 있는데 송신 트랜스듀서와 연결된 송신모듈(100)의 초음파 전송 시 상기 방해물질이나 장애물, 송신모듈(100)의 이물질 등을 감지하기 위한 반송파 허용수치 초과 감지하여(S260) 송신모듈의 이물질이나 방해물질, 장애물 등을 감지하여 활성상태일 때(Y)는 송신 트랜스듀서에 알람표시(S270)와 더불어 저 전력 대기 (S240) 상태로 전환되는데 이는 송신 트랜스듀서의 보호목적과 기기의 수명과도 연관된다.
상기 반송파 허용수치 초과 감지는 실시간으로 확인할 필요가 있다.
이후, 반송파 허용수치 초과 감지가 비활성 상태(N)를 인식한 후에 해당 수신 트랜스듀서와 공진 주파수를 형성하여 수행하고(S280) 초음파 무선 전력전송을 시작한다(S290). 여기서, 전송할 대역과 공진 주파수 매칭 여부를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 초음파 송신 트랜스듀서와 연결된 송신모듈의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 초음파 근거리 무선 전력전송 시스템의 송신모듈(100)은 증폭부의 전기적 수신신호를 초음파로 변환하는 압전체(32), 상기 압전체의 기계적인 진동 에너지를 초음파로 변환하는 진동판(33)과 이를 수용하는 플랫폼(31)으로 구성된다.
여기서, 압천체(32)는 단층이나 복층으로 이루어질 수 있으며, 상기 진동판(33)과 상기 플랫폼(31)은 제조가 용이한 다이케스팅으로 제조도 가능하며 상기 송신모듈(100)의 압전체 재료는 PMN-PT계, PML-PT계 또는 PZN-PT계 물질 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
특히, 상기 진동판은 다각형(삼각, 사각, 오각, 육각, 팔각)형태나 벌집 모양으로 다각형 중심부가 외주면의 형태로 천공되는 형태가 바람직하며, 압전체의 초음파 에너지를 기계적인 진동에너지로 변환하여 초음파 방사 에너지를 극대화 한다.
추가적으로 상기 송신모듈이나 플랫폼은 초음파의 최적 주파수나 최적 입사각도를 자동으로 조정할 수 있도록 추가적인 구성도 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 수신 트랜스듀서의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 외부 송신 트랜스듀서의 초음파 신호를 전기적 수신 신호로 변환하는 단일 또는 복수개의 수신모듈로 조합이 가능하다.
상기 압전성의 성능 요구사항은, 이용하고자 하는 외부 환경 고유의 공진주파수와 해당 주파수(공진 주파수)를 정밀하게 매칭 하는 기술을 필요로 하는데, 소재의 원료조성과 높은 효율의 발전 수신율을 제공하기 위해 최적화, 발전특성과 최대진동, 최대 변위를 만족시킬 수 있도록 설명하고자 한다. 이러한 기술과 높은 구조해석을 통한 충전부 회로설계 또한 성능개선이 필요하며, 다양한 형태로 초음파 수신모듈을 구현시킬 필요가 있다.
상기 압전성의 성능 요구사항에 만족하는 초음파 수신모듈(410)의 구성과 최적화한 회로를 도 4를 기초로 설명을 하자면, 초음파 수신모듈(410)은 상기 수신모듈 (410)의 몸체 표면이나 몸체 중심부에 진동판이 형성되어 진동판 하면에 상기 압전체(420)가 형성되어, 초음파 수신으로 발생 되는 기계적 진동을 전기 에너지로 변환하기 위한 상기 압전체(420)와 진동판(421)은 일정한 이격 거리로 결합(복층 구조)되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 초음파 근거리 무선전력 전송 시스템의 초음파 수신 트랜스듀서의 구성을 나타낸 블록 구성도를 설명한다.
상기 초음파 수신 트랜스듀서(20)는 수신모듈(410)과 전기적으로 연결되진 컨버터(411), 제어부(412), 출력부(413), 통신부(414), 감지부(415), 충전부(416), 축전부(417)와 수신모듈(410)을 포함한다.
여기서, 상기 컨버터(411)는 교류전원에서 직류전원으로 변환하는 컨버터나 직류전원에서 교류전원으로 변환하는 인버터 또는 직류전원에서 직류전원으로 변환하는 컨버터를 선택하여 구성할 수 있다.
상기 컨버터(411)의 주요한 기능은 상기 수신모듈(410)에서 수신된 전력을 정류하여 수신모듈(410)의 출력된 교류전원을 제어부(412)에 공급 가능한 직류전원으로 변환을 수행하며, 상기 컨버터와 수신모듈 사이나 컨버터와 제어부 사이에 정류부(418)가 더 포함될 수 있다.
상기 컨버터에서 정류와 변조과정을 수행한 전원은 수신전원으로 변환하여 제어부로 입력되고, 상기 출력부(413)와 충전부(416)로 전달되어 초음파 무선 전력수신을 수행한다.
또한, 컨버터(411)는 수신모듈(410)에서 수신된 전력을 고주파 대역이나 저주파 대역으로 선택하여 변조과정을 수행하도록 추가적인 구성도 가능하다.
초음파 근거리 무선 전력전송 시스템에 전력 수신의 필요한 공진 주파수대(임피던스 매칭)로 20Khz ~ 20Mhz 범위에서 상기 송신모듈(100)이나 수신모듈(410)에 설정된 값으로 필요한 공진 주파수 대역을 형성할 수 있다.
상기 제어부(412)는, 충전부(416)와 감지부(415), 보조전원 입력부(402),통신부 (414)의 정보를 입력받아 처리하는데, 상기 컨버터(411)나 보조전원 입력부(402)에 의해 입력된 전원을 기 설정된 크기의 전기 에너지로 변환하는 충전부 및 저전압 차단회로로 구성된 축전부(417)가 더 포함하며, 상기 축전부(417)로부터 상태 정보(충전 전압, 충전용량, 온도 등)를 수신하여 처리하는 충전기능과 통신부(414)에서 입력된 외부 송신 트랜스듀서의 정보를 판단하여 상기 제어부(412)와 출력부(413)의 출력되는 전력 값을 조절하는 기능과 통신부(414)나 감지부(415)를 통해 감지되는 송신 트랜스듀서의 존재 유무를 판단 및 처리하여 상기 수신 트랜스듀서(20)의 전원을 차단하거나 송신 트랜스듀서의 신호를 받기 위한 저 전력 대기상태로 전환되도록 구성도 가능하다.
또한, 상기 제어부(412)는 도 4에서 통신부(414)나 감지부(415)를 통해 감지되는 송신 트랜스듀서가 존재 유무 판단을 수행하며, 상기 통신부(414)에서 감지된 송신 트랜스듀서의 전력량을 감지하여 수신되는 전력량을 파악하여 축전부(417)의 충전전력을 조절하는 충전 조절부 및 충전 판단부를 추가 구성도 가능하며, 상기 제어부(412)는 내부 메모리에 상기 축전부 상태, 전력 사용량, 감지부 활성상태나 이력, 통신부에서 감지된 송신 트랜스듀서의 사용 이력 등을 정보로 갱신 후 저장하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(412)는 보조전원 입력부(402)를 포함하여 외부 보조전원을 보다 용이하게 대체 공급하기 위한 기능을 추가하였다. 여기서, 외부 보조전원으로는 솔라셀(태양광 발전), USB 전원, 풍력발전, 압전 에너지를 이용한 에너지 하베스팅을 이용한 보조 전원공급도 가능하다.
상기 제어부(412)는, 컨버터(411)나 보조 전원 입력부(402)의 전압 수치가 설정 값 이하일 경우, 상기 축전부(417)의 전원으로 구동되도록 전기적으로 스위칭하여 전환할 수 있는 전환 수단(미도시)이 구비되어 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조 전원 입력부(402)로 입력되는 전압의 수치가 설정 값 이상일 경우, 보조 전원 입력부로 입력되는 전원으로 상기 제어부(412) 및 출력부(413)의 전원을 공급하도록 설정하고, 상기 보조 전원 입력부(402)의 전압수치가 설정 값 이하일 경우, 상기 컨버터 전원으로 복귀되도록 구성을 할 수 있다.
여기서, 상기 축전부(417)의 전압을 센싱 하여 설정 값 이상 시 컨버터 전원에서 축전부의 전원으로 전환이 가능하고 반대로 축전부의 전압을 센싱을 하여 설정 값 이하 시 축전부의 전원에서 컨버터 전원으로 전환이 가능하도록 상기 제어부(412)에서 처리도 가능하며, 보조 전원 입력부(402)와 축전부(417)의 실시간 전압레벨을 감지하는 수단과 전압 변동의 히스테리 값을 설정하여 구성하는 것이 가능하다.
이하, 상기 전환부의 상세 설명과 도면은 도 1b에서 유사 혹은 동일한 내용으로 설명이 되어 생략하기로 한다.
상기 충전부(416)는 축전부(417)의 상태 정보를 수신하여 제어부(412)에 전달하며, 축전부의 상태 정보에 수집하여 상기 축전부(417)에 인가되는 충전용 전력을 수신하여 저장 및 제어한다.
상기 설명한 바와 같이, 축전부(417)의 정격 전압, 정격 전류, 충전 용량, 사용 잔량, 온도가 허용범위 이상이나 이하 등 및 전압 센서의 센싱 정보로 제공되며, 축전부(417)의 충전 전압을 용이하게 저장하기 위한 정전류 회로나 정전압 회로와 축전부의 온도가 허용범위 이상이거나 이하 시 입력된 전원을 차단이나 제어하는 것 더 포함하여 구성된다.
상기 통신부(414)는 송신 트랜스듀서의 존재 유무 등을 감지하는 수단으로 사용되는데, 통신부에서 감지되는 송신 트랜스듀서가 복수인 경우와 측정된 개수(수량), 송수신 되는 전력량을 판단하여 전력 송신을 요청한다.
또한 송신 트랜스듀서 위치정보를 판단하며 복수의 수신 트랜스듀서가 존재할 경우, 먼저 전력 송출 요청을 수행한 수신 트랜스듀서의 우선순위 판단을 할 수 있도록 상기 송신 트랜스듀서에 정보를 전달하는 기능을 수행하며, 여기서 우선순위(우선권)는 초기 선 감지된 수신 트랜스듀서나 수신 트랜스듀서의 전력량이 부족한 순위, 수신 트랜스듀서의 정보를 판단 후 선택하여 전송할 수 있다.
상기 감지부(415)의 주된 목적과 기능은 상기 수신모듈(410)의 초음파 수신 시 초음파 신호가 허용 범위를 이하이거나 이상일 경우를 판단하며, 수신되는 초음파 신호의 양을 판단하여 상기 수신 트랜스듀서에 제어부(412)나 출력부(413), 충전부 (416)에 공급되는 전원을 제어하도록 구성하여 공급되는 전원을 생성하여 조절하거나 차단하는 신호로 상기 제어부(412)의 기준신호가 된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 수신 트랜스듀서의 구성을 나타낸 순서도이다.
본 발명에 따른 수신 트랜스듀서의 순서도를 예시한 일 예는, 기본적으로 전술한 도 2의 일 예에서 중복되는 부분 즉, 도 5의 순서도는 도 2의 외부 송신 트랜스듀서와 외부 수신트랜스듀서 중 반송파 허용수치 초과 감지, 이벤트 신호를 판단영역을 제외하고 대동소이한바 상기 반송파 허용수치 초과 감지, 이벤트 신호판단을 제외한 설명을 인용하고, 이하에서는 상이한 영역부분을 위주로 설명한다.
본 발명에 따른 수신 트랜스듀서의 무선 전력전송 시스템은, 외부 송신 트랜스듀서를 감지하여 소정의 위치에 존재하는 유무를 감지한다(S500).
상기 송신 트랜스듀서가 설치된 장소에 수신 트랜스듀서가 인식할 수 있는 기기인지 설정된 값이나 부여된 특정 아이디(ID)의 기 설정된 값으로 상기 외부 수신 트랜스듀서를 인식한다(S510).
상기 송신 트랜스듀서를 인식한 후에 해당 기기와 통신을 수행하여 송신 트랜스듀서에 저장된 부여된 아이디(ID) 공진 주파수 등의 정보를 판단하여 초음파 무선 전력수신의 가능 여부를 수행한다(S520).
여기서, 상기 송신 트랜스듀서와 통신 수행가능 유무를 판단하여 수행불가의 판단에서 저 전력 대기상태로 전환(N)되고(S540), 통신 수행완료 시(Y) 통신정보로 송신 트랜스듀서의 전송되는 전력량, 수신율, 위치, 수신상태와 전송효율 등의 신호를 입력받아 판단한다(S520).
상기 수신 트랜스듀서의 통신정보는 예를 들어, 송신 트랜스듀서의 자기진단 및 송신되는 전력의 단가정보, 부여된 ID 정보 등을 더 포함할 수 있으며, 상기 S520 단계에서 전송되는 통신정보는 이미지, 음성, 문자 등으로 변환하여 상기 수신 트랜스듀서에 표시(디스플레이)부에 정보를 제공할 수도 있다.
이후, 상기 송신 트랜스듀서의 통신정보를 전송받아 관련 정보를 처리하여 공진주파수 수신선택을 수행하며(S530), 다음 단계로 해당 송신 트랜스듀서와 공진 주파수를 형성하여 수행한다(S540).
S540 단계 이후에 상기 해당 송신 트랜스듀서의 송신 가능한 전력량을 감지 및 전력량 분배를 수행(S560) 하는데, 이는 송신 트랜스듀서의 잉여 공급 전력을 감안한 전력상태와 지역 내 다른 복수의 수신 트랜스듀서가 존재할 경우 상기 수신 트랜스듀서의 축전부에 공급되는 전력량을 계산하여 충전 가능을 판단을 하며, 수신되는 전력량에 대한 획득한 정보를 통해, 수신 트랜스듀서의 축전부 충전이 불가(N)할 시 알람표시(S550) 단계로 전환되고 상기 송신 트랜스듀서나 수신 트랜스듀서는 저 전력 대기상태(S540)로 전환되며, 상기 축전부의 충전이 가능할 시(Y) 다음 단계로 전환되어 초음파 무선 전력수신을 시작한다(S570). 여기서, 상기 도 2에서 전술한 바와 같이 전송할 대역과 공진 주파수 매칭 여부를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신장치와 수신장치로 구성된 초음파 무선전력충전 방법을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
수신장치 사용자가 상기 송신장치를 통해 자신의 수신장치의 축전부를 충전시키고자 하는 경우, 상기 송신장치가 설치된 지역에서 진입 시 상기 송신장치와 수신장치의 통신부를 통해 발생 된 신호로 범위 내 송신장치 및 수신장치를 감지하는 단계를 포함하여 통신신호를 인식한다(S800).
여기서, 상기 인식방법으로는 예를 들어, 광대역, 무선 랜, 블루투스, 지그비, NFC, IRDA, 비콘 (Beacon), 울트라 광대역 등으로 인식하는 방법 등 다양한 방법이 이용될 수 있다.
상기 송신장치는 수신장치의 고유 ID 확인 정보를 감지하여(S810), 초음파 무선전력 충전에 필요한 송신장치와 수신장치의 정보를 송수신(S820)하여 획득한 정보를 통해, 송신장치와 수신장치의 감지된 신호 정보를 상호 응답신호로 전송하는 단계를 처리한다(S830).
상기 응답신호를 판단결과를 포함한 송신장치와 수신장치 사이 공진 주파수 형성과정과 매칭과정을 진행(단계) 처리한다(S840).
상기 S840 단계에서 송신장치와 수신장치의 주파수대는, 전송하는 전력을 공급 및 수신받기 위한 공진 주파수대로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수신장치는 공진 주파수가 형성되면, 다음 단계로 상기 송신장치로 송신전력 요청하는 단계를 수행한다(S850).
S850 단계에서 송신장치와 수신장치의 사이에 형성되는 공진 주파수가 형성 및 매칭되지 않는 경우, 송신 전력 요청단계를 해제 요청을 할 수 있다.
송신장치는 S850 단계에서 수신되는 정보에 기초로 하여, 송신전력 전송을 한다(S860).
이후, S870 단계에서 송신장치의 공진 주파수를 통해 전송되는 전력을 수신하여 상기 수신장치에 내장된 축전부를 충전시키는 충전단계를 더 포함하며, 수신장치는 충전개시를 처리하여 송신장치에 수신 충전상태를 확인하여 응답신호로 전송한다(S880).
상기 과정에서, 송신장치는 수신장치 사용자가 송신전력 중단이나 종료 및 송신장치가 설치된 지역을 이탈 시 송신전력을 중단하거나 종료할 수 있다.
이와 함께, 송신장치와 수신장치는 상기 S810 단계의 무선전력 송신/수신 감지신호 요청에 대응되는 응답이 없으면 송신장치나 수신장치의 전력량을 조절하여 대기상태로 전환한다.
도 7은 본 발명의 다수의 수신장치를 동시 충전방법을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
다수의 수신장치가 존재할 경우, 상기 송신장치는 각각의 수신장치에서 전송되는 통신신호를 감지한다(S900).
이때, 송신장치 및 수신장치의 수신감지 통신신호가 전송되지 않을 경우(NO) 각 송신장치와 수신장치는 대기상태로 전환되고 상기 통신신호를 감지할 경우(YES), 각 수신장치는 송신장치로 송신전력 요청을 전송한다(S901).
이후, 송신장치는 각 수신장치의 고유 ID 확인을 과정을 진행하고 송신전력을 전송하게 되는데, 송신장치의 송신전력은 초음파로 변환하여 전송하는 방식으로 송신장치와 수신장치의 사이 이물질이나 장애물 등이 존재할 시 반송파가 송신장치로 전달될 수 있다. 여기서, 송신장치는 반송파 검출과정(S902)을 수행하는데, 기 설정된 반송파의 허용치를 감지하여 반송파 초과(YES)일 경우 송신장치와 각 수신장치는 대기상태로 전환되며, 상기 송신장치에서 반송파 검출이 허용치나 검출이 안 될 경우(NO), 공진 주파수 형성과정과 각 수신장치에 송신전력 전송 단계를 수행한다(S903). 또한, 송신장치는 반송된 초음파 신호의 양을 판단하여 송신장치의 전원을 차단이나 전원의 양을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 과정에서, 송신장치는 초음파에 의한 송신전력 전송과정 수행을 하며, 각 수신장치의 수신 정보요청을 진행하며(S904) 각 수신장치의 수량, 위치정보, 고유 ID 정보, 충전상황 등을 수신 및 저장을 한다(S905).
S905 단계에서, 송신장치는 수신장치의 충전상태 신호를 전송받아 상기 송신장치가 인식하는 단계를 포함하며, 각 수신장치는 사용자의 편익을 위해 충전량 표시 등을 더 포함할 수 있으며, 각 수신장치 중 충전완료 요청이 전송되면, 상기 송신장치는 해당 수신장치에 충전완료에 대한 응답신호 및 수신종료 정보를 전송하여 해당 수신장치는 수신대기 한다(S907).
여기서, 전술한 도 6과 후술한 도 7은 동일 혹인 유사한 내용은 송신장치와 수신장치의 기본적인 기능을 서술하는 과정에서 유사성 내지는 동일한 구조나 구성을 포함하였기 때문이다.
전술한 도 6과 후술한 도 7의 차이는, 기본적인 구성은 동일할 수 있으며 송신장치의 반송파 검출과정과 수신장치의 충전정보를 송신장치에 제공하는 것과 송신전력 중단 및 대기과정, 다수의 수신장치의 동시 충전방법 등이 도 7에서 명시가 되었다.
도 8은 본 발명의 초음파 송신장치와 수신장치의 전체적인 통신 흐름을 설명하기 위해 절차로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 기본적인 통신신호는 송신장치와 수신장치의 사이에서 이루어진다. 다만, 필요에 따라 다른 구성이 중간에 더 이용될 수 있는데 중간 다른 구성은 송신장치와 외부 서버로 통신하여 수신장치로 통신신호를 전송할 수 있으며, 반대로 수신장치와 외부 서버로 통신하여 송신장치로 통신 신호를 전송 및 응답신호를 전송할 수도 있다.
상기 전술한 바와 같이, 송신장치와 수신장치의 무선전력 송신/수신 감지 단계(S1000)는 ID 수신 및 인식과정에서 정보요청을 송신 및 수신하는데, 기기 상호간 호환가능 유무를 판단하여 송신장치의 송신전력이 수신장치로 전송되며(S1010), 공진 주파수 형성과정과 수신장치의 수신정보 요청이 이루어진다(S1020).
상기 S1020 과정단계에서 수신장치의 종류나 부하율을 통신부를 통해 수신된 신호를 기초로 공진 주파수 값을 조절하여 송신장치와 수신장치 사이의 공진 주파수를 매칭시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 수신장치의 응답신호를 송신장치로 전송하는 과정에서 수신장치의 축전부 온도를 센싱한 값, 충전량에 대한 충전상태, 충전이 이뤄지고 있는 해당 충전 전력량 등의 정보를 전송하며 송신장치는 수신장치의 정보 중 충전상황, 수신수량(수신장치 수량), 수신위치(수신장치 위치 및 장소) 등의 정보를 저장하는 단계를 처리 한다(S1030).
추가적으로, 상기의 과정단계(S1030)에서 수신장치는 충전상황을 제어하는 디스플레이부가 더 구비되어 사용자가 충전에 관련된 정보를 확인할 수 있다. 충전에 관련된 정보를 표시하는 과정은 예를 들어, 충전가능 예상시간, 충전량 인디케이터(indicator), 저전압 인디케이터(indicator), 만충전 인디케이터(indicator) 등을 표시 할 수 있다.
또한, 상기 과정(S1030) 중 충전이 가능한 수신장치 정보, 유지보수에 관련 정보, 다수의 수신장치가 존재할 경우 우선권 부여 순위, 수신장치의 사용 가능 유무, 온도검출에 대한 충전불가 정보, 수신장치의 전력 사용량에 대한 요금계산 정보, 송신장치의 감지 위치 및 수량 정보, 안전에 관한 정보 중 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
이후, 상기의 과정단계(S1030)에서 수신장치의 축전부의 정보를 기초로 송신장치는 수신장치로부터 전송되는 충전완료 정보(신호)나 축전부 온도이상(허용범위 이상이거나 이하) 정보(YES)를 판단 및 처리하여 송신전력 차단신호, 대기상태로 전환 및 전송하는 단계를 더 포함한다(S1050). 추가적으로 상기 S1050 단계에서 충전완료 정보를 제공받기 이전과 이후에 수신장치 사용자가 임의로 송신되는 전력전송을 중단하거나 재요청도 가능하다.
도 9는 본 발명의 초음파 무선 전력충전 범위 내 인식과 인증, 업데이트, 결제수행을 절차로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하여 설명하자면, 송신장치가 설치된 장소에 수신장치 사용자가 무선전력 송신 서비스 지역에 진입 시 수신장치는 송신장치에 ID 확인 요청과정을 진행한다(S1100).
이때, 송신장치는 ID 확인 요청에 대한 응답으로 고유 ID 확인 과정을 수행하는데, 약속된 고유 ID 확인이 아니면(NO) 각 송신장치와 수신장치는 대기상태로 전환되며 약속된 고유 ID 확인을 인식하면(YES) 송신장치는 해당 응답신호를 수신장치에 전송한다(S1120).
여기서, 상기 수신장치의 종류를 구분하기 개별적으로 고유 ID가 할당되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 송신장치는 수신장치 수량, 위치, 충전상황, 충전량 등을 파악하여 무선 전력송신이(충전개시) 허용된 각각의 수신장치에 고유 ID를 할당 저장하며, 각 수신장치에 대해 미리 약속된 값으로 구분될 수 있다.
상기 수신장치의 고유 ID는, 각각의 식별하기 위한 고유 ID 정보, 사용자 정보, 사용 가입자 정보로 식별자를 의미한다. 그리고 수신장치의 응답신호는 개별적으로 고유 ID(아이디)로 할당되는 것과 송신장치와 수신장치는 각각의 통신부를 내장하여 구성하는 것이 바람직하다.
상기 수신장치의 통신부에서 획득한 정보를 통해 송신장치의 통신부는 해당 사용자의 인증을 외부서버에 인증 데이터(DATA)를 전송 단계(S1130)를 진행하며 전송된 수신장치의 인증 데이터를 송신장치는 외부서버로 인증요청(사용자 인증)을 전송하여 해당 인증을 수행하는 단계를 포함한다. 그 결과 사용자 고유 ID 정보가 인증 실패(NO)시 송신장치와 수신장치는 대기상태나 재인증을 요청을 수행할 수 있다.
S1140 단계에서 외부서버는 수신장치의 고유 ID 정보, 사용자 정보, 사용 가입자 정보(사용자 인증), 사용기록 정보, 인증요청 이력 정보 등을 저장 및 전송하며, 상기 기 저장된 정보를 기초로 인증을 수행하는 단계를 더 포함한다.
이후, 외부서버로부터 인증확인 응답(해당 인증 데이터)을 전송받은 송신장치는 판단결과를 송신장치나 수신장치로 전송하는 단계를 포함하여 인증응답의 결과 (YES)를 통보 한다(S1140). 그 결과, 상기 송신장치나 수신장치는 외부서버로부터 인증 데이터를 수신하는 단계로 진행되며 여기서, 사용자 인증을 기초로 판단하여 인증 유무 관련된 문자 또는/및 음성을 출력하는 단계와 인증 유무를 판단하여 상기 수신장치에 내장된 축전부의 충전가능 유무를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수신장치는 다음 단계로 송신장치로 송신전력 요청을 전송하고(S1150), 전송된 요청에 대응하여 송신장치는 송신전력 전송을 수행단계를 진행한다(S1160).
S1160 단계에서, 송신전력을 전송받는 동안 수신장치는 상기 외부서버에 기 저장된 최신 버전의 정보를 업데이트 요청한다(S1170). 이때, 외부서버에 기 저장된 업데이트 이력과 비교하여 최신 버전의 정보보다 송신장치 및 수신장치의 버전 정보가 오래된 정보일 때, 기초정보를 다운로드 하여 송신장치와 수신장치로 업데이트 수행단계를 진행한다(S1180).
상기 S1160 단계 이후, 수신장치는 충전완료가 되면 송신장치로 충전완료 신호를 전송하며 송신장치나 수신장치는 전력 사용량을 계산하여 외부서버로 전송하는 단계를 수행한다(S1190). 상술한 과정을 통하여 외부서버는 송신장치 및 수신장치의 사용기록 정보, 사용정보, 결제정보 및 업데이트 이력 저장을 전송받아 저장을 수행한다.
상기에서, 수신장치나 송신장치는 전력 사용량 및 사용기록 정보를 기초로 미리 기 등록된 결제수단을 통해 결제절차 수행 여부에 대한 요청 및 응답을 통하여 결제(사용량 계산)를 수행하는 단계를 진행한다(S1200).
그 밖에 외부서버와 통신을 수행하는 과정에서, 사용기록 정보, 사용자 정보, 사용 가입자 정보(사용자 인증), 결제정보 및 업데이트 이력저장, 고유 ID 정보, 인증 요청이력 정보는 암호화 키 값에 대한 정보 등이 포함될 수 있다.
상기 외부서버에서 기 저장된 사용기록 정보, 사용자 정보, 사용 가입자 정보(사용자 인증), 결제정보 및 업데이트 이력 저장, 고유 ID정보, 결제절차 정보를 암호화한 후 상기 송신장치나 수신장치에 전송단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 암호화 키 값에 대한 알고리즘은 향후 업데이트 등을 통하여 확장 변경도 가능할 것이다.
또한, 외부서버는 운영에 관련된 통신 프로토콜을 효율적으로 등록 및 변경할 수 있어야 한다.
이상 상술한 본 발명에 따르면, 송신장치와 수신장치는 초음파 무선전력 충전 서비스 사업자가 해당 초음파 무선전력 수신장치의 사용자(가입자) 정보를 인증을 통하여 충전, 충전량, 사용자 정보, 결제 정보 등을 외부서버에 통신하여 결제 등을 수행할 수 있으며 통신 패킷 데이터로 변환하여 결제 수행가능하다.
도 10은 본 발명의 초음파 무선 전력충전 방법에서의 전체적인 통신 흐름의 일예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
상기 송신장치와 수신장치의 사이에는 필요한 통신환경을 제공하는 통신부가 존재한다. 통신부는 기기들을 통신으로 연결해 원격 관리하는 외부서버와 연결되어 구축될 수 있다.
또한, 통신부, 송신장치와 수신장치는 통신을 위해 광대역, 무선 랜, 블루투스, 지그비, NFC, IRDA, 비콘(Beacon), 울트라 광대역 통신 등을 이용할 수 있다.
그 밖에, 외부 서버는 송신장치와 수신장치의 사이에 동일 혹은 다른 통신 프로토콜을 이용할 수도 있으며, 상기 외부 서버는 업데이트 이력저장, 결제 정보, 사용기록 정보, 사용자 정보, 수신장치 및 송신장치의 고유 ID 정보 등을 이력을 저장 관리한다.
그리고, 상기 송신장치나 수신장치는 외부 서버와 TCP/IP, CDMA, CAN, RS-485, RS-232 등 서로 다른 통신 프로토콜을 이용할 수 있으며, 근래 새롭게 제공되는 통신기술인 LTE(Long Term Evolution), LTE-A와 같은 통신 프로토콜로 사용될 수 있다. 상기 통신 프로토콜은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예로서, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 이에 광범위하게 설명되고 청구되는바, 그의 구조, 방법, 또는 기타 본질적인 특징들로부터 벗어나지 않는 한 기타 구체적인 형태로 구체화될 수 있다. 상세히 설명된 실시 예들은 예시적인 것으로서 제한적으로 고려되어서는 아니 되며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명이 아닌 첨부된 특허 청구의 범위에 의하여 지시된다.
특허 청구의 범위의 구성요소는 광범위하게 다양한 상이한 구조로 배열, 설계 및 범위 내에 속하는 모든 구성 변경은 그들의 범위 내에 포함되는 것으로 간주 된다.
10: 송신 트랜스듀서 20: 수신 트랜스듀서
31: 플랫폼 32: 압전체 (송신모듈) 33: 진동판(송신모듈)
100: 송신모듈 101: 컨버터 102: 보조전원 입력단자
103: 변조부 104: 증폭부 105:컨트롤러
106: 충전부(송신 트랜스듀서) 107: 통신부(송신 트랜스듀서)
108: 감지부(송신 트랜스듀서) 109: 축전부(송신 트랜스듀서)
120: 이벤트 신호 121: PWM 발생기 122: 전환부
410: 수신모듈 411: 컨버터 412: 제어부
413: 출력부 414: 통신부(수신 트랜스듀서)
415: 감지부(수신 트랜스듀서) 416: 충전부(수신 트랜스듀서)
417: 축전부(수신 트랜스듀서) 418: 정류부
420: 압전체(수신모듈) 421: 진동판(수신모듈)

Claims (1)

  1. 송신장치와 수신장치로 구성된 초음파 무선전력 충전 방법에 있어서,
    송신장치와 수신장치의 통신부를 통해 발생 된 신호로 범위 내 송신장치 및 수신장치를 감지하는 단계;
    상기 송신장치의 감지된 신호를 상기 수신장치로 전송하는 단계;
    상기 수신장치의 응답신호를 송신장치로 전송하는 단계;
    상기 송신장치와 수신장치 사이에 공진 주파수를 매칭시키는 공진 주파수 형성단계;
    상기 수신장치의 충전상태 신호를 전송받아 상기 송신장치가 인식하는 단계;
    상기 송신장치의 공진 주파수를 통해 전송되는 전력을 수신하여 상기 수신장치에 내장된 축전부를 충전시키는 충전단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 무선전력 충전 방법.
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CN113491832A (zh) * 2020-03-18 2021-10-12 宇能全球 利用超声波医疗仪器的体内插入仪器的无线充电系统

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