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1. (WO2019009629) DISPOSITIF DE COLLECTE D'ÉNERGIE POUVANT RÉUTILISER DES CHARGES RÉSIDUELLES À L'AIDE D'UN ÉLÉMENT PIÉZOÉLECTRIQUE
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

7   8   9   10   11  

과제 해결 수단

12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48  

발명의 효과

49   50   51   52   53  

도면의 간단한 설명

54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99  

청구범위

1   2   3   4   5  

도면

1   2   3   4   5  

명세서

발명의 명칭 : 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치

기술분야

[1]
본 발명은 에너지 수집 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 부하가 동작하기 위한 구동 전압에 대응하여 충/방전 변환부의 복수의 커패시터의 직렬 또는 병렬의 접속 상태를 변환시켜 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 부하 구동을 위한 구동 전압으로 최대한 재사용할 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치에 관한 것이다.

배경기술

[2]
최근 들어, 배터리와 같은 한시적인 전원을 사용하지 않고서도 무선으로 제어신호를 출력할 수 있는 무선 스위치에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 무선 스위치는 무전원 무선 스위치(BWS: batteryless wireless switch)로도 불리고 있으며, 스위치의 동작을 위한 별도의 배터리나 전원 공급선을 필요로 하지 않기 때문에 무선 스위치의 설치 및 유지 보수비용을 절감할 수 있게 된다.
[3]
[4]
이와 같은 무선 스위치는 통상적으로 압전소자로부터 전기 에너지를 수집하는 방식을 채택하고 있으며, 이러한 압전 소자를 누르는 행위에 의하여 발생하는 전기 에너지를 정류하고, 이를 수집한 후 레귤레이터를 통해 RF 송신회로에 전달하는 방식을 채택하고 있다. 다만, 이와 같은 과정에서 상당한 에너지 손실이 발생할 수 있는 만큼 이를 최소화할 수 있는 구성을 필요로 한다. 이와 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-1696427호는 압전소자 스위치와, 바이어스 플립 정류기와, 충방전 변환부와, 제어부, 및 레귤레이터를 포함하는 에너지 수집 장치 및 이를 이용한 무선 스위치를 선행기술 문헌으로 개시하고 있다.
[5]
[6]
이러한 선행기술 문헌에 개시되는 종래의 에너지 수집 장치는, 브릿지 정류기와, 인덕터, 및 스위칭 소자를 포함하는 바이어스 플립 정류기를 사용하여 충방전 변환부의 전단에서의 에너지 전달의 효율성을 향상시키고자 하는 방식으로 바이어스 플립의 타이밍 제어가 어렵고, 충방전 변환부의 회로 구성 또한 복잡하게 구현되는 문제가 있었다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[7]
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 압전소자와 정류기와 충/방전 변환부 및 디지털 컨트롤러를 포함하는 에너지 수집 장치에서, 충/방전 변환부에 구비되는 복수의 커패시터가 충전 모드 또는 방전 모드 하에서 직렬 또는 병렬로 변환하되, 방전 모드 하에서 부하가 구동하기 위한 구동 전압에 대응하여 디지털 신호의 제어를 통해 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차적으로 변환 연결될 수 있도록 함으로써, 부하의 구동 전압에 대응하여 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 최대한 재사용할 수 있도록 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
[8]
[9]
또한, 본 발명은, 복수의 커패시터의 접속 상태의 변경으로 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 부하의 구동 전압에 맞게 축적하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 부하의 구동 전압에 맞지 않아 사용되지 못하고 버려지는 전하의 이용을 향상시키고, 그에 따른 장시간의 사용이 가능하도록 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
[10]
[11]
뿐만 아니라, 본 발명은, 기존의 충방전 변환부의 복잡한 회로 구조를 개선하는 간단한 회로 구조를 제공하고, 디지털 신호로 간단한 제어가 가능하도록 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

과제 해결 수단

[12]
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치는,
[13]
압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치로서,
[14]
사용자의 누름 동작에 따른 교류 전류를 발생시키는 압전소자;
[15]
상기 압전소자로부터 발생된 교류 전류를 직류로 정류하여 출력하는 정류기;
[16]
상기 정류기로부터 출력되는 출력 전압을 충전 및 방전하는 복수의 커패시터를 구비하고, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 및 방전을 조절하는 충/방전 변환부; 및
[17]
상기 충/방전 변환부에 구비되는 복수의 커패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 디지털 컨트롤러를 포함하되,
[18]
상기 충/방전 변환부는,
[19]
상기 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호에 기초하여, 상기 복수의 커패시터의 충전 모드에서는 복수의 커패시터 전체가 직렬 접속되고,
[20]
상기 복수의 커패시터의 방전 모드에서는 부하가 동작하기 위한 구동 전압에 대응한 상기 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호에 기초하여, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차로 변환 연결되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
[21]
[22]
바람직하게는, 상기 정류기는,
[23]
4개의 다이오드를 포함하는 브릿지 다이오드로 구성될 수 있다.
[24]
[25]
바람직하게는, 상기 충/방전 변환부는,
[26]
상기 복수의 커패시터를 2의 배수로 증가시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
[27]
[28]
바람직하게는, 상기 충/방전 변환부는,
[29]
상기 정류기의 출력 단에 일 측 단자가 각각 병렬 접속되는 제1 내지 제4 커패시터;
[30]
상기 제2 내지 제4 커패시터의 일 측 단자와 상기 정류기의 출력 단의 사이에 각각 병렬 접속되는 제1 내지 제3 다이오드;
[31]
상기 제1 커패시터의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제1 다이오드와 제2 커패시터 사이의 연결 노드에 연결 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제1 스위칭 소자;
[32]
상기 제2 커패시터의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제2 다이오드와 제3 커패시터 사이의 연결 노드에 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제2 스위칭 소자; 및
[33]
상기 제3 커패시터의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제3 다이오드와 제4 커패시터 사이의 연결 노드에 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제3 스위칭 소자를 포함하여 구성할 수 있다.
[34]
[35]
더욱 바람직하게는, 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자는,
[36]
각각이 p-채널의 MOS 트랜지스터와 n-채널의 MOS 트랜지스터로 구현되어 양자가 상보적으로 작동하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 스위치로 구성되거나, 또는 각각이 NMOS와 PMOS 중 어느 하나의 쌍으로 구성되어 양자가 상보적으로 작동하는 MOSFET 스위치로 구성될 수 있다.
[37]
[38]
더욱 더 바람직하게는, 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자 각각은,
[39]
n-채널의 MOS 트랜지스터가 커패시터와 그라운드 접지 단자 사이에 연결 접속되어 스위칭 되고, p-채널의 MOS 트랜지스터가 커패시터와 다음 단의 병렬 접속된 다이오드와 커패시터의 연결 노드 사이에 연결 접속되어 스위칭 될 수 있다.
[40]
[41]
더욱 바람직하게는, 상기 디지털 컨트롤러는,
[42]
상기 제1 내지 제3 스위칭 소자에 ‘1 or 0’의 디지털 신호를 스위칭 제어신호로 출력하되,
[43]
상기 충/방전 변환부의 충전 모드에서는 스위칭 제어신호를 모두 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자에 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터가 직렬 접속되어 충전되도록 제어하고,
[44]
상기 충/방전 변환부의 방전 모드에서는 스위칭 제어신호를 모두 ‘1’로 하는 디지털 신호를 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자에 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터가 병렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
[45]
[46]
더욱 더 바람직하게는, 상기 디지털 컨트롤러는,
[47]
상기 충/방전 변환부의 방전 모드의 모두 병렬접속의 동작 하에서, 상기 제1 내지 제4 커패시터의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 소자 및 제3 스위칭 소자에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터가 부분 직렬로 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어하고,
[48]
상기 충/방전 변환부의 방전 모드의 부분 직렬접속의 동작 상태에서, 상기 제1 내지 제4 커패시터의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하로 더 떨어지는 경우, 상기 제2 스위칭 소자에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터가 모두 직렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 더 제어할 수 있다.

발명의 효과

[49]
본 발명에서 제안하고 있는 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치에 따르면, 압전소자와 정류기와 충/방전 변환부 및 디지털 컨트롤러를 포함하는 에너지 수집 장치에서, 충/방전 변환부에 구비되는 복수의 커패시터가 충전 모드 또는 방전 모드 하에서 직렬 또는 병렬로 변환하되, 방전 모드 하에서 부하가 구동하기 위한 구동 전압에 대응하여 디지털 신호의 제어를 통해 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차적으로 변환 연결될 수 있도록 함으로써, 부하의 구동 전압에 대응하여 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 최대한 재사용할 수 있도록 할 수 있다.
[50]
[51]
또한, 본 발명에 따르면, 복수의 커패시터의 접속 상태의 변경으로 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 부하의 구동 전압에 맞게 축적하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 부하의 구동 전압에 맞지 않아 사용되지 못하고 버려지는 전하의 이용을 향상시키고, 그에 따른 장시간의 사용이 가능하도록 할 수 있다.
[52]
[53]
뿐만 아니라, 본 발명은, 기존의 충방전 변환부의 복잡한 회로 구조를 개선하는 간단한 회로 구조를 제공하고, 디지털 신호로 간단한 제어가 가능하도록 할 수 있다.

도면의 간단한 설명

[54]
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면.
[55]
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 전체 회로 구성을 도시한 도면.
[56]
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 충/방전 변환부의 회로 구성을 도시한 도면.
[57]
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호를 도시한 도면.
[58]
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 충/방전 변환부에 구비되는 커패시터의 직렬 또는 병렬의 접속 상태를 도시한 도면.
[59]
<부호의 설명>
[60]
100: 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 수집 장치
[61]
110: 압전소자
[62]
120: 정류기
[63]
130: 충/방전 변환부
[64]
140: 디지털 컨트롤러
[65]
150: 스위치/레귤레이터
[66]
C1~C4: 제1 내지 제4 커패시터
[67]
D1~D3: 제1 내지 제3 다이오드
[68]
SW1~SW3: 제1 내지 제3 스위칭 소자
[69]
Qp: p-채널의 MOS 트랜지스터
[70]
Qn: n-채널의 MOS 트랜지스터

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[71]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
[72]
[73]
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
[74]
[75]
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 구성을 기능블록으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 전체 회로 구성을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 충/방전 변환부의 회로 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 충/방전 변환부에 구비되는 커패시터의 직렬 또는 병렬의 접속 상태를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재상용이 가능한 에너지 수집 장치(100)는, 압전소자(110), 정류기(120), 충/방전 변환부(130), 및 디지털 컨트롤러(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
[76]
[77]
압전소자(110)는, 사용자의 누름 동작에 따른 교류 전류를 발생시키는 구성이다. 이러한 압전소자(110)는 역학적으로 가해지는 압력을 전압으로 변환하는 것으로, 사용자의 압전소자(110)에 대한 누름 동작에 의하여 교류 전류를 발생하여 출력한다. 여기서, 압전소자(110)의 구성은 일반적인 구성에 해당하므로 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
[78]
[79]
정류기(120)는, 압전소자(110)로부터 발생된 교류 전류를 직류로 정류하여 출력하는 구성이다. 이러한 정류기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 다이오드를 포함하는 브릿지 다이오드(BD)로 구성될 수 있다.
[80]
[81]
충/방전 변환부(130)는, 정류기(120)로부터 출력되는 출력 전압을 충전 및 방전하는 복수의 커패시터를 구비하고, 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 및 방전을 조절하는 회로 구성이다. 이러한 충/방전 변환부(130)는 후술하게 될 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 기초하여, 복수의 커패시터의 충전 모드에서는 복수의 커패시터 전체가 직렬 접속되고, 복수의 커패시터의 방전 모드에서는 부하가 동작하기 위한 구동 전압에 대응한 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 기초하여, 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차로 변환 연결되도록 구현될 수 있다. 여기서, 충/방전 변환부(130)는 복수의 커패시터를 2의 배수로 증가시킬 수 있도록 구현될 수 있다. 이때, 복수의 커패시터의 증설에 따라 다이오드 및 스위치의 구성이 증가될 수 있다. 또한, 충/방전 변환부(130)는 부하와 연결 접속되는 출력에 스위치 또는 레귤레이터 중 어느 하나가 연결되는 스위치/레귤레이터(150)와 연결될 수 있다. 여기서, 스위치/레귤레이터(150)는 실제 회로의 구현에서 높은 전압으로 내부 소자가 파손되는 것을 방지하기 위한 스위칭 또는 전압 조정의 기능을 수행할 수 있다.
[82]
[83]
또한, 충/방전 변환부(130)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 정류기(120)의 출력 단에 일 측 단자가 각각 병렬 접속되는 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)와, 제2 내지 제4 커패시터(C2~C4)의 일 측 단자와 정류기(120)의 출력 단의 사이에 각각 병렬 접속되는 제1 내지 제3 다이오드(D1~D3)와, 제1 커패시터(C1)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 제1 다이오드(D1)와 제2 커패시터(C2) 사이의 연결 노드에 연결 접속되고, 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제1 스위칭 소자(SW1)와, 제2 커패시터(C2)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 제2 다이오드(D2)와 제3 커패시터(C3) 사이의 연결 노드에 접속되고, 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제2 스위칭 소자(SW2), 및 제3 커패시터(C3)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 제3 다이오드(D3)와 제4 커패시터(C4) 사이의 연결 노드에 접속되고, 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제3 스위칭 소자(SW3)를 포함하여 구성될 수 있다.
[84]
[85]
이러한 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 각각이 p-채널의 MOS 트랜지스터(Qp)와 n-채널의 MOS 트랜지스터(Qn)로 구현되어 양자가 상보적으로 작동하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 스위치로 구성될 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3) 각각은 n-채널의 MOS 트랜지스터(Qn)가 커패시터와 그라운드 접지 단자 사이에 연결 접속되어 스위칭 되고, p-채널의 MOS 트랜지스터(Qp)가 커패시터와 다음 단의 병렬 접속된 다이오드와 커패시터의 연결 노드 사이에 연결 접속되어 스위칭 될 수 있다, 여기서, 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)는 CMOS 스위치 이외에도, 2개의 스위치가 하나의 모듈로 구성되어 서로 반대로 스위칭 되어 패스 경로를 설정하는 스위치로도 구성될 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)는 각각이 NMOS와 PMOS 중 어느 하나의 쌍으로 구성되어 양자가 상보적으로 작동하는 MOSFET 스위치로 구성될 수도 있다. 이때, 도 3의 (b)는 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3) 각각이 NMOS를 쌍으로 하여 양자가 상보적으로 작동하는 MOSFET 스위치의 일례의 구현 예를 나타낸다. 즉, 도 3의 (b)에서 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3) 각각에 쌍으로 구현되는 NMOS 스위치 중, 동그라미 표시는 인버티드 시그널(inverted signal)로 볼 수 있으며, 실제 로직 게이트에 표시되는 동그라미는 인버터(inverter)가 결합된 구성, 혹은 인버티드(inverted)된 신호로 해석될 수 있다.
[86]
[87]
디지털 컨트롤러(140)는, 충/방전 변환부(130)에 구비되는 복수의 커패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부의 구성이다. 이러한 디지털 컨트롤러(140)는 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 ‘1 or 0’의 디지털 신호를 스위칭 제어신호로 출력하되, 충/방전 변환부(130)의 충전 모드에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어신호를 모두 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 출력하여 도 5의 (a)와 같이 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 직렬 접속되어 충전되도록 제어하고, 충/방전 변환부(130)의 방전 모드에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 스위칭 제어신호를 모두 ‘1’로 하는 디지털 신호를 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 출력하여 도 5의 (b)와 같이 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 병렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
[88]
[89]
또한, 디지털 컨트롤러(140)는 충/방전 변환부(130)의 방전 모드의 모두 병렬접속의 동작 하에서, 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제3 스위칭 소자(SW3)에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 도 5의 (c)와 같이 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 부분 직렬로 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어할 수 있다.
[90]
[91]
또한, 디지털 컨트롤러(140)는 충/방전 변환부(130)의 방전 모드의 부분 직렬접속의 동작 상태에서, 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하로 더 떨어지는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 스위칭 소자(SW2)에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 도 5의 (d)와 같이 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 모두 직렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 더 제어할 수 있다.
[92]
[93]
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 디지털 컨트롤러의 스위칭 제어신호를 나타내고 있다. 도 4는 충/방전 변환부(130)의 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)의 게이트 단자에 인가되는 디지털 신호와, 디지털 신호의 인가에 따른 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 연결 상태를 표로 나타내고 있다.
[94]
[95]
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치의 충/방전 변환부에 구비되는 커패시터의 직렬 또는 병렬의 접속 상태를 나타내고 있다. 도 5의 (a)는 충/방전 변환부(130)의 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)에 처음 전하를 축적할 때의 커패시터 직렬접속을 나타내고 있으며, 도 5의 (b) 내지 도 5의 (d)는 충/방전 변환부(130)의 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)에 축적된 전하를 방전할 때의 커패시터의 병렬, 부분 직렬, 및 직렬접속을 나타내고 있다. 도 5의 (b)는 부하의 구동 전압보다 높을 때 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 병렬 접속되어 구동 전압을 공급하는 상태를 나타내고, 도 5의 (c)는 부하의 구동 전압보다 낮아졌을 때 사용되지 못하는 잔존하는 전하를 모아 전압을 높여 구동 전원으로 공급할 수 있도록 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 부분 직렬 접속되어 구동 전압을 공급하는 상태를 나타내며, 도 5의 (d)는 부분 직렬접속 하에서도 부하의 구동 전압보다 낮아졌을 때 사용되지 못하는 잔존하는 전하를 모아 전압을 높여 구동 전원으로 공급할 수 있도록 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4) 모두가 직렬 접속되어 구동 전압을 공급하는 상태를 나타내고 있다.
[96]
[97]
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치는, 압전소자와 정류기와 충/방전 변환부 및 디지털 컨트롤러를 포함하는 에너지 수집 장치에서, 충/방전 변환부에 구비되는 복수의 커패시터가 충전 모드 또는 방전 모드 하에서 직렬 또는 병렬로 변환하되, 방전 모드 하에서 부하가 구동하기 위한 구동 전압에 대응하여 디지털 신호의 제어를 통해 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차적으로 변환 연결될 수 있도록 함으로써, 부하의 구동 전압에 대응하여 각각의 커패시터에 잔존하는 전하를 최대한 재사용할 수 있도록 할 수 있으며, 부하의 구동 전압에 맞지 않아 사용되지 못하고 버려지는 전하의 이용을 향상시키고, 그에 따른 장시간의 사용이 가능하도록 할 수 있게 된다. 또한, 기존의 충방전 변환부의 복잡한 회로 구조를 개선하는 간단한 회로 구조를 제공하고, 디지털 신호로 간단한 제어가 가능하도록 할 수 있게 된다.
[98]
[99]
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

청구범위

[청구항 1]
압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치(100)로서, 사용자의 누름 동작에 따른 교류 전류를 발생시키는 압전소자(110); 상기 압전소자(110)로부터 발생된 교류 전류를 직류로 정류하여 출력하는 정류기(120); 상기 정류기(120)로부터 출력되는 출력 전압을 충전 및 방전하는 복수의 커패시터를 구비하고, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태를 직렬 또는 병렬로 변환하여 에너지의 충전 및 방전을 조절하는 충/방전 변환부(130); 및 상기 충/방전 변환부(130)에 구비되는 복수의 커패시터의 충전 및 방전을 조절하기 위한 스위칭 제어신호를 출력하는 디지털 컨트롤러(140)를 포함하되, 상기 충/방전 변환부(130)는, 상기 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 기초하여, 상기 복수의 커패시터의 충전 모드에서는 복수의 커패시터 전체가 직렬 접속되고, 상기 복수의 커패시터의 방전 모드에서는 부하가 동작하기 위한 구동 전압에 대응한 상기 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 기초하여, 상기 복수의 커패시터의 접속 상태가 전체 병렬, 부분 직렬, 및 전체 직렬로 순차로 변환 연결되며, 상기 충/방전 변환부(130)는, 상기 정류기(120)의 출력 단에 일 측 단자가 각각 병렬 접속되는 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)와, 상기 정류부(120)의 출력 단과 각각 병렬 접속되는 제2 내지 제4 커패시터(C2~C4)와 상기 정류부(120)의 출력 단 사이에 매개되어, 상기 제2 내지 제4 커패시터(C2~C4)와 각각 직렬 접속되는 제1 내지 제3 다이오드(D1~D3)와, 상기 제1 커패시터(C1)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제1 다이오드(D1)와 제2 커패시터(C2) 사이의 연결 노드에 연결 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제1 스위칭 소자(SW1)와, 상기 제2 커패시터(C2)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제2 다이오드(D2)와 제3 커패시터(C3) 사이의 연결 노드에 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제2 스위칭 소자(SW2), 및 상기 제3 커패시터(C3)의 타 측 단자와 그라운드 접지 단자 사이 및 상기 제3 다이오드(D3)와 제4 커패시터(C4) 사이의 연결 노드에 접속되고, 상기 디지털 컨트롤러(140)의 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 되는 제3 스위칭 소자(SW3)를 포함하여 구성하고, 상기 디지털 컨트롤러(140)는, 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 ‘1 or 0’의 디지털 신호를 스위칭 제어신호로 출력하되, 상기 충/방전 변환부(130)의 충전 모드에서는 스위칭 제어신호를 모두 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 직렬 접속되어 충전되도록 제어하고, 상기 충/방전 변환부(130)의 방전 모드에서는 스위칭 제어신호를 모두 ‘1’로 하는 디지털 신호를 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)에 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 병렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어하며, 상기 디지털 컨트롤러(140)는, 상기 충/방전 변환부(130)의 방전 모드의 모두 병렬접속의 동작 하에서, 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하인 경우, 상기 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제3 스위칭 소자(SW3)에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 부분 직렬로 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 제어하고, 상기 충/방전 변환부(130)의 방전 모드의 부분 직렬접속의 동작 상태에서, 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 출력 전압이 부하가 동작하기 위한 구동 전압 이하로 더 떨어지는 경우, 상기 제2 스위칭 소자(SW2)에 ‘0’으로 하는 디지털 신호를 출력하여 상기 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)가 모두 직렬 접속되어 부하가 동작하기 위한 구동 전압을 출력하도록 더 제어하는 것을 특징으로 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치.
[청구항 2]
제1항에 있어서, 상기 정류기(120)는, 4개의 다이오드를 포함하는 브릿지 다이오드(BD)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 충/방전 변환부(130)는, 상기 복수의 커패시터를 2의 배수로 증가시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3)는, 각각이 p-채널의 MOS 트랜지스터(Qp)와 n-채널의 MOS 트랜지스터(Qn)로 구현되어 양자가 상보적으로 작동하는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 스위치로 구성되거나, 또는 각각이 NMOS와 PMOS 중 어느 하나의 쌍으로 구성되어 양자가 상보적으로 작동하는 MOSFET 스위치로 구성되는 것을 특징으로 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치.
[청구항 5]
제4항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 스위칭 소자(SW1~SW3) 각각은, n-채널의 MOS 트랜지스터(Qn)가 커패시터와 그라운드 접지 단자 사이에 연결 접속되어 스위칭 되고, p-채널의 MOS 트랜지스터(Qp)가 커패시터와 다음 단의 병렬 접속된 다이오드와 커패시터의 연결 노드 사이에 연결 접속되어 스위칭 되는 것을 특징으로 하는, 압전소자를 이용한 잔존 전하의 재사용이 가능한 에너지 수집 장치.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]