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KR101228557B1 - 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치 Download PDF

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KR101228557B1
KR101228557B1 KR1020100120330A KR20100120330A KR101228557B1 KR 101228557 B1 KR101228557 B1 KR 101228557B1 KR 1020100120330 A KR1020100120330 A KR 1020100120330A KR 20100120330 A KR20100120330 A KR 20100120330A KR 101228557 B1 KR101228557 B1 KR 101228557B1
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KR
South Korea
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coil
wireless power
axis
short distance
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정춘길
국윤상
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유한회사 한림포스텍
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Abstract

본 발명은, 제 1 축에 수직으로 형성되는 제 1 코일; 상기 제 1 축에 수직인 제 2 축에 수직으로 설치되는 제 2 코일; 및 상기 제 1 축 및 제 2 축과 각각 수직인 제 3축에 수직으로 설치되는 제 3 코일을 포함하는, 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.

Description

근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치{COIL RESONANT COUPLER FOR SHORT DISTANCE WIRELESS POWER TRANSMISSION AND APPARATUS FOR TRANSMITTING POWER IN SHORT DISTANCE THEREOF}
본 발명은, 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, PDA, PMP, DMB단말기, MP3 또는 노트북과 같은 휴대용 장치들은 일반 가정 전원을 이용할 수 없어, 일회용 배터리를 장착하거나 충방전이 가능한 배터리가 장착된다.
그리고 이러한 휴대용장치의 배터리에 전기를 충전시키기 위한 충전기는 일반전원으로부터 전기를 공급받아 배터리에 전원공급단자를 통하여 배터리팩에 전원을 공급하는 단자공급방식이 이용되고 있다. 하지만 이러한 단자 공급방식으로 전원을 공급하면, 충전기와 배터리가 서로 결합되거나 분리될 경우, 양측의 단자들이 서로 다른 전위차를 가지고 있어서 순간방전현상이 발생된다. 이로써 양측 단자들에는 점점 이물질이 쌓이게 되며, 이로 인해서 화재가 발생할 우려가 있는 것이다. 또한 습기가 묻어 자연 방전되는 등 충전기 및 배터리의 수명 및 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
이와 같은 단자공급방식의 문제점을 해결하기 위하여, 무접점 충전기가 개발되었다. 이러한 종래기술에 따른 무접점 충전기는 무접점충전기의 1차코일의 상부로, 충전하고자 하는 배터리가 내재된 단말기을 위치시키면, 배터리의 2차코일에 의하여 충전이 된다. 즉 1차코일에서 발생되는 자기장에 의해 2차코일에서는 유도기전력으로 유도되는 전기를 충전하는 것이다.
그러나, 이러한 종래의 무접점 충전기는 충전기로부터 무선전력 수신장치가 매우 근접하여야만 충전 동작이 가능하다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 근거리 무선 전력 통신 시스템이 개발되었다. 그 중에서도, 전자기파 문제가 적은 자기 공명식 무선 전력 통신 시스템이 각광을 받고 있다.
본 발명은, 자기 공명식 근거리 무선 전력 통신에 있어서, 무선 전력 전송 효율을 높이고, 근거리 무선 전력 수신 장치가 근거리 무선 전력 전송 장치에 대하여 어느 방향에 있더라도, 효율적인 근거리 무선 전력 통신이 이루어지도록 하기 위한 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치를 제공하기 위함이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예인 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 컨버터는, 제 1 축에 수직으로 형성되는 제 1 코일; 상기 제 1 축에 수직인 제 2 축에 수직으로 설치되는 제 2 코일; 상기 제 1 축 및 제 2 축과 각각 수직인 제 3축에 수직으로 설치되는 제 3 코일을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1 코일, 상기 제 2 코일, 상기 제 3 코일은 동일한 형태의 환형 코일일 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1 코일과 동일 평면상으로 형성되고, 상기 제 1 코일의 내측에 설치되는 자기 집속판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 자기 집속판은, 페라이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 자기 집속판은, 메타 메터리얼 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 코일의 단면은, 정사각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예인 근거리 무선 전력 전송 장치는, 근거리 무선 전력 통신용 공진 커플러를 포함하는 1차측 코어; 무선 전력 수신 장치의 위치를 감지 하여 위치 정보를 발생하는 위치 감지부; 및 상기 위치 감지부로부터 수신되는 위치 정보에 기초하여, 상기 1차측 코어를 제어하는 전송 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 일태양에 의하면, 상기 전송 제어부는, 상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 전력 신호가 발생하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 일태양에 의하면, 상기 전송 제어부는, 상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 디커플링 되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 일태양에 의하면, 상기 위치 감지부는, 상기 제 1 코일 및 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 펄스 신호를 발생시키고, 상기 펄스 신호에 대한 응답 신호를 상기 제 1 내지 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 수신하고, 이를 분석하여 상기 위치 감지 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 일태양에 의하면, 상기 위치 감지부는, 초음파 센서일 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 자기 공명식 근거리 무선 전력 통신에 있어서, 무선 전력 수신 장치가 어느 방향에 놓이더라도, 무선 전력을 수신할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 자기공명식 근거리 무선 전력 통신에 있어서, 전송 효율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련 있는 자기 공명식 무선 전력 충전시스템을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예인 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 개략 블록도.
도 3은 도 2의 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 상세 블록도.
도 4는 도 2의 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 1차측 코어인 코일 공진 커플러의 사시도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
우선, 도 1을 참조하여, 근거리 무선 전력 통신 시스템에 대하여 간단하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련 있는 자기 공명식 무선 전력 충전시스템을 설명하기 위한 개념도이다. 도시된 바와 같이, 자기 공명식 무선 전력 충전 시스템은, 충전기인 무선 전력 전송 장치(A)와 무선 전력 수신장치(B)로 구성될 수 있다.
공명이란, 진동계가 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받으면 그 진폭이 뚜렷하게 증가하는 것을 말한다. 이러한 공명에는 역학적 진동 뿐만 아니라, 전기적 진동을 포함하는데, 전기적 공명일 때에는 공진이라고 한다. 전기적 공진에 의하면, 일정거리 내에 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공명하게 되며, 이 경우, 복수의 진동체들간에는 저항이 감소하게 된다.
이와 같은 전기적 공명 원리를 이용하여, 무선 전력 전송 장치(A)의 1차측 코어에서 발신되는 전기장 또는 자기장에 의한 공명신호를 통해 전력 신호가 무선 전력 수신 장치(B)로 전송되고, 이러한 전력 신호를 수신한 무선 전력 수신 장치(B)는 상기 전력 신호를 정류하여 배터리를 충전하거나, 기타 연결 전자기기를 동작하게 하는 전원 공급부로서의 역할을 하게 된다.
이하에서는, 이러한 자기 공명식 무선 전력 시스템에 있어서의 무선 전력 충전 장치에 대하여 도 2 및 도 3을 통해 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 개략 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 자기 공명식 무선 전력 충전 장치는, 전송 제어부(20)와, 1차측 코어(30)와 위치 감지부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 1차측 코어(30)는 전송 제어부(20)의 제어를 받아 공명신호를 발생시키는 것으로서, 1차측 코어(30)는 3개의 코일을 포함하는 공진 커플러(100)를 포함할 수 있다. 이 공진 커플러(100)에 대해서는 도 4에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
위치 감지부(40)는 무선 전력 수신 장치(B)의 위치를 감지하여 위치 정보를 발생시키는 장치이다. 여기서, 위치 감지부(40)는 초음파 센서일 수도 있고, 상기 공진 커플러를 통해 펄스 신호가 발생되면, 이에 대응되는 응답신호를 수신하고, 이 응답신호의 위상 변화나, 딜레이 타임을 이용하여 상기 위치 정보를 생성할 수도 있다. 즉, 상기 제 1 코일 및 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 펄스 신호를 발생시키고, 상기 펄스 신호에 대한 응답 신호를 상기 제 1 내지 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 수신하고, 이를 분석하여 상기 위치 감지 정보를 생성할 수 있다.
상기 전송 제어부(20)는 상기 위치 감지부(40)로부터 수신되는 위치 정보에 기초하여, 상기 1차측 코어를 제어한다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 전송 제어부(20)는, 상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 공진 커플러(100)에 포함되는 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 전력 신호가 발생하도록 제어한다. 즉, 상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 전력 신호가 발생하면, 상기 무선 전력 수신 장치(B) 쪽으로 자기장을 형성하도록 함으로써 자기 공명이 보다 잘 발생하도록 제어할 수 있다. 즉, 벡터 정보는 X축, Y축, 및 Z축 정보를 포함하고, 각 축에 대응하는 코일(제 1 코일(110) 제 2 코일(120) 및 제 3 코일(130))에서 발생되는 자기장이 합성되어 상기 벡터 정보에 대응하는 자기장을 형성하도록 전송 제어부(20)가 제어한다. 경우에 따라서는, 상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 디커플링 되도록 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 통해 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 상세 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 무선 전력 충전 장치(B)의 전송 제어부는, 메인 제어부(21), 출력 신호 변환 모듈(22), 공진형 컨버터(23) 및 수신 신호 처리 모듈(24)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 메인 제어부(21)는 상기 위치 감지부(40)에서 생성된 위치 정보를 전송받아 확인하고, 1차측 코어(30)를 통해 공명 전력신호를 송출하기 위하여, 출력 신호 변환 모듈(22) 및 공진형 컨버터(23)를 제어하는 역할을 한다. 즉, 수신 신호 처리 모듈(24)로부터 처리되는 응답신호에 기초하여, 전송하고자 하는 전력 신호를 결정하고, 이에 따라, 상기 출력 신호 변환 모듈(22)을 제어하여 공진형 컨버터를 통해 1차측 코어(30)에 상기 응답신호에 맞는 공명 전력 신호가 전송되도록 한다.
출력 신호 변환 모듈(22)은, 상기 메인 제어부(21)의 제어 신호에 의하여, 후술하는 공진형 컨버터(23)의 동작을 제어하는 역할을 한다.
상기 공진형 컨버터(23)는 출력 신호 변환 모듈(22)의 제어에 의해 송출하고자 하는 전력신호를 발생하기 위한 송출 전원을 생성하여 상기 1차측 코어(30)로 공급하는 것이다. 다시 말해, 메인 제어부(21)가 요구되는 전력값을 갖는 전력 신호의 송출을 위한 전력 제어 신호를 출력 신호 변환 모듈(22)로 전송하면, 상기 출력 신호 변환 모듈(22)는 전송된 전력제어신호에 대응하여 공진형 컨버터(23)의 동작을 제어하고, 상기 공진형 컨버터(23)는 출력 신호 변환 모듈(22)의 제어에 의하여 요구되는 전력값에 대응하는 송출전원을 1차측 코어(30)에 인가함으로써, 요구되는 세기의 공명 무선 전력 신호가 송출되도록 하는 것이다.
또한, 상기 공진형 컨버터(23)는 출력 신호 변환 모듈(22)의 제어에 의해, 초기에, 1차측 코어(30)를 통해 무선 전력 수신 장치(B)의 위치 파악을 위한 펄스 신호를 발생시키기 위해 전원을 공급하기도 한다.
수신 신호 처리 모듈(24)은 무선 전력 수신 장치(B)로부터 전송되는 수신 신호를 처리하는 모듈이다. 즉, 초기에 상기 펄스 신호에 상기 무선 전력 수신 장치(B)가 응답하여 응답신호를 송출하고, 이 응답신호를 수신 신호 처리 모듈(24)이 수신하여, 이에 따라, 무선 전력 수신 장치가 무엇인지를 확인하는 기능을 하게 되고, 그 다음 공명 무선 전력 신호가 전송 중에는, 무선 전력 수신 장치로부터 충전 상태 신호를 수신하여 이를 처리하고, 이에 따라 메인 제어부(21)는 출력신호 변환 모듈(22)을 제어하여 출력 공명 전력 신호를 조절하게 된다.
이하에서는 상술한 구성을 가지는 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 1차측 코어에 이용되는 코일 공진 커플러의 구조에 대하여 도 4를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 도 2의 자기 공명식 무선 전력 충전 장치의 1차측 코어인 코일 공진 커플러의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일 공진 커플러는, 제 1 축에 수직으로 형성되는 제 1 코일(110), 상기 제 1 축에 수직인 제 2 축에 수직으로 설치되는 제 2 코일(120), 상기 제 1 축 및 제 2 축과 각각 수직인 제 3축에 수직으로 설치되는 제 3 코일(130), 이들 코일의 중심축을 중심으로 한 원판형상의 자기 집속판(140), 상기 자기 집속판(140)을 상기 제 2코일(120)에 고정시키기 위한 고정 막대(150)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(110), 상기 제 2 코일(120), 및 상기 제 3 코일(130)은 동일한 형태의 환형 코일로서, 각각 X축, Y축, Z축으로 자속을 발생시키게 된다. 이들의 합성 자기장을 통해 공명 전력 신호가 무선 전력 수신 장치(B)로 전송되게 되는 것이다.
여기서, 자기 집속판(140)은 전력 신호 송신 효율을 높이기 위한 것으로서, 상기 자기 집속판(140)은, 페라이트를 포함할 수 있다. 페라이트는, 900℃ 이하에서 안정한 체심입방결정의 철에 합금원소 또는 불순물이 녹아서 된 고용체이다. 철강의 금속조직학상의 용어로서, α철을 바탕으로 한 고용체이므로, 외관은 순철과 같으나, 고용된 원소의 이름을 붙여 실리콘 페라이트 또는 규소철이라고도 한다. 현미경으로 보면 단상이며, 탄소가 조금 녹아 있는 페라이트의 흰 부분과 펄라이트의 검게 보이는 부분이 섞여 나타난다. 이러한 페라이트는, 저주파에서 수백 MHz의 주파수 범위에서 고투자율을 갖게 되므로, 자기 공명식 근거리 전력 전송에 있어서, 전력 전송 효율을 높이는 기능을 하게 된다.
한편, 상기 자기 집속판(140)은, 메타 메터리얼 구조를 갖을 수 있다. 메타 메터리얼이란 일반적인 자연상태에서 갖지 못하는 전자기학적인 특성을 인위적인 방법으로 만들어 놓은 물질로서, 음의 굴절률을 갖는 물질을 말한다. 이 메타물질의 특이한 점은 음의 굴절률을 가지고 있어서 빛이 보통 물질에서 휘는 방향과는 반대로 휜다는 것이다. 이러한 음의 굴절율을 가지므로, 자속을 집중할 수 있게 되어서 전송 효율을 높게 할 수 있다. 도시된 바와 같이, 상기 자기 집속판(140)은 제 1 코일(110)과 동일한 평면에 배치될 수 있다.
상기 고정 막대(150)는, 상기 자기 집속판(140)을 제 2 코일(120)에 대하여 고정하기 위한 구성요소로서, 자기장의 영향을 받지 않는 비전도성 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 상기 환형태를 띠는 제 1, 제 2 및 제 3 코일(110, 120, 130)의 수직 단면은, 정사각형, 원형 또는 타원형일 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 자기 공명식 근거리 무선 전력 통신에 있어서, 무선 전력 수신 장치가 어느 방향에 놓이더라도, 무선 전력을 수신할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 자기공명식 근거리 무선 전력 통신에 있어서, 전송 효율을 높일 수 있게 된다.
상기와 같은 근거리 무선 전력 통신용 코일 공진 커플러 및 이를 포함하는 근거리 무선 전력 전송 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
A : 무선 전력 전송 장치
B : 무선 전력 수신 장치
20 : 전송 제어부
30 : 1차측 코어
40 : 위치 감지부
100 : 공진 커플러

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  7. 제 1 축에 수직으로 형성되는 제 1 코일과, 상기 제 1 축에 수직인 제 2 축에 수직으로 형성되는 제 2 코일과, 상기 제 1 축 및 상기 제 2 축에 각각 수직인 제 3 축에 수직으로 설치되는 제 3 코일을 포함하는 1차측 코어;
    무선 전력 수신 장치로부터 수신되는 응답신호로 상기 무선 전력 수신 장치의 위치를 감지하여 위치 정보를 발생하는 위치 감지부; 및
    상기 위치 감지부로부터 수신되는 위치 정보에 기초하여, 상기 1차측 코어를 통해 상기 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송하게 제어하는 전송 제어부를 포함하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전송 제어부는,
    상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 디커플링 되도록 제어하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전송 제어부는,
    상기 위치 정보에 포함되어 있는 위치 벡터 정보에 기초하여, 상기 제 1 코일 내지 제 3 코일 중 적어도 하나에 대하여 전력 신호가 발생하도록 제어하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치 감지부는,
    상기 제 1 코일 및 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 펄스 신호를 발생시키고, 상기 펄스 신호에 대한 응답 신호를 상기 제 1 내지 제 3 코일 중 하나 이상을 통해 수신하고, 이를 분석하여 위치 감지 정보를 생성하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치 감지부는,
    상기 제 1 코일, 상기 제 2 코일 및 상기 제 3 코일로 각각 수신되는 상기 응답신호의 위상 변화로 위치 정보를 발생하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치 감지부는,
    상기 제 1 코일, 상기 제 2 코일 및 상기 제 3 코일로 각각 수신되는 응답신호의 딜레이 타임으로 위치 정보를 발생하는, 근거리 무선 전력 전송 장치.
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