JP2010279239A - 無線電力伝送装置および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無線電力伝送装置および電子装置を提供する。
【解決手段】本発明の無線電力伝送装置は、高周波の電流が入力される電源コイルと、磁気誘導によって前記高周波の電流が誘導され、共振周波数が外部の少なくとも一つのターゲット装置の共振周波数である際に非放射形電磁波を発生する伝送コイルと、前記伝送コイルの共振周波数を調整するための共振周波数調整装置と、を含む。本発明による無線電力伝送装置は、共振周波数が同一である際に電力が伝送されるように具現されることによって、渦電流による過熱が発生しなく、デザインも容易に変更することができるようされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線電力伝送装置および電子装置に関する。

最近、電子製品の性能及び種類がだいぶ増えてきた。特に、携帯用電子装置は、半導体及びディスプレー技術の成長によって小型化された。しかし、電子装置の短所は、電力が線を通じて供給されなければならないことである。充電器を使用する場合もあるが、充電容量の限界のため、一定時間の使用後にはまた電線を通じて電力を供給しなければならない。この短所を補完するために無線に充電する技術がだいぶ発展してきた。例えば、ＲＦ（Radio Frequency）を使用する、或いは磁気誘導（magnetic induction）を使用する場合などがある。

特に磁気誘導を利用した場合は、フィリップス社で生産したカミソリなどに商用化された。無線に電力を供給する場合に、水によるショートの可能性がなくなるので、安全に使用することができ、面倒な線をなくすことができて美観にも良くなる。しかし、磁気誘導は、作用する距離が短いので、色々な不便なことがあった。これを克服するために、ＲＦを使用する、或いは共振型無線電力伝送技術を使用した。

ＲＦを使用する場合には、電波を一ヶ所に集中させる装置が必要で、予め決められた方向のみに電力を伝送すべきであるという制限がある。また、高出力のＲＦ信号が身体に及ぼす有害な効果などに対しては、今後に検討されなければならない。

韓国特許公開公報第２００９−００２５９６０号明細書 米国特許公開公報第２００９−００１５０７５号明細書

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、無線電力伝送装置および電子装置を提供することにある。

本発明のまた他の目的は、異質物による過熱発生及びデザインの自由度問題を解決するための無線電力伝送装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態による無線電力伝送装置は、高周波の電流が入力される電源コイルと、磁気誘導によって前記高周波の電流が誘導され、共振周波数が外部の少なくとも一つのターゲット装置の共振周波数である際に、非放射形電磁波を発生する伝送コイルと、前記伝送コイルの共振周波数を調整するための共振周波数調整装置と、を含む。

実施形態において、前記共振周波数調整装置は、前記伝送コイルの間隔を調節することによって、前記伝送コイルの共振周波数を補正する。

実施形態において、前記共振周波数調整装置は、前記伝送コイルの間に誘電体を挿入することによって、前記伝送コイルの共振周波数を補正する。

本発明の実施形態による無線電力伝送装置から電力が伝送される電子装置は、共振周波数が前記無線電力伝送装置の共振周波数である際に、前記無線電力伝送装置から発生される非放射形電磁波を通じて前記電力が伝送される受信コイルと、磁気誘導によって前記受信コイルから電力が伝送されて前記各々のターゲット装置に電源を供給する負荷コイルと、を含み、前記受信コイルは、スパイラル（Spiral）構造である。

実施形態において、前記電子装置は、前記供給される電源を直流電源に変換する直流変換器をさらに含む。

無線電力伝送装置からターゲット装置へ電力を伝送する無線電力伝送システムの電力伝送方法は、前記無線電力伝送装置が交流電源を発生する段階と、前記発生された交流電源を無線伝送が可能な高周波帯域に変調する段階と、前記無線電力伝送装置の共振周波数が前記ターゲット装置の共振周波数である際に、発生される非放射形電磁波を通じて前記変調された電源を伝送する段階とを含み、前記無線電力伝送装置は、共振周波数が前記ターゲット装置の共振周波数と一致するように調節可能である。

上述のように本発明による無線電力伝送装置は、共振周波数が同一である際に、電力が伝送されるように具現されることによって、渦電流による過熱が発生しなく、デザインも容易に変更することができるようになる。

本発明の実施形態による無線電力伝送システムに対する概念を説明するための図である。 図１に示した無線電力伝送システムの平面図である。 伝送コイルの間隔を変化させる共振周波数調整装置に対する実施形態を示す図である。 伝送コイルの間に誘電体を挿入させる共振周波数調整装置に対する実施形態を示す図である。 本発明によるターゲット装置の第１実施形態を示す図である。 本発明によるターゲット装置の第２実施形態を示す図である。 共振周波数と受信コイルのターン数の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態による無線電力伝送方法を示すフローチャートである。

以下、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者が本発明の技術的な思想を容易に実施することができるように本発明の実施形態を添付された図面を参照して説明する。

本発明による無線電力伝送装置は、無線電力伝送装置とターゲット装置との間の共振周波数が同一である際に電力が伝送されるように具現される。これによって、本発明の無線電力伝送装置は、従来と比較して、渦電流による過熱が発生しなく、デザインも容易になる。

図１は、本発明の実施形態による無線電力伝送システムの概念を説明するための図である。図１を参照すると、無線電力伝送システム１０は、電力を供給する無線電力伝送装置１００及び無線電力伝送装置１００から電力が無線に伝送されて使用する複数のターゲット装置２００を含む。本発明の無線電力伝送装置１００は、共振周波数がターゲット装置２００の共振周波数と同一である際に電力が伝送されるように具現される。

図１に示したターゲット装置は３個であるが、これは、断面図に示したようにターゲット装置の個数のことである。図２に示した無線電力伝送システム１０の平面図を参照すると、ターゲット装置２００は５個である。一方、本発明のターゲット装置は、必ず５個に限定される必要はない。本発明による無線電力伝送システム１０は、共振周波数が一致する際に無線電力伝送装置１００から電力が伝送されるための少なくとも一つのターゲット装置を含めばいい。

本発明の無線電力伝送システム１０は、非放射形の無線エネルギ伝送技術（Non-radiative wireless energy transfer technology）によって伝送される。このような非放射形の無線エネルギ伝送技術は、従来の電磁誘導（electromagnetic induction）より遠い距離で、電磁放射（electromagnetic radiation）より高い効率にエネルギを伝送することができる。非放射形の無線エネルギ伝送技術は、二つの媒体が同一の周波数に共振する場合に電磁波が近距離電磁場を通じて、一つの媒体から他の一つの媒体へ移動するエバネッセント波結合（evanescent wave coupling）に基盤をおいている。この場合に、二つの媒体の間の共振周波数が同一である際のみにエネルギが伝えられ、使われないエネルギは、空気中に放射されなくて電磁場に再吸収される。これによって、他の電磁波とは異なって周辺の他の機械と人体に無害である。

無線電力伝送装置１００は、ターゲット装置２００に無線に電力を伝送するための装置である。ここで、伝えられる電力は、特定周波数の電磁波である。また、無線電力伝送装置１００は、少なくとも一つ以上の周波数を有する電磁波を伝送するように具現されることができる。また、無線電力伝送装置１００は、不連続的に電力を伝えるように具現される。特に、本発明の無線電力伝送装置１００は、ターゲット装置２００と共振周波数が同一である際に発生される非放射形電磁波を通じて電力が伝送されるように具現される。

無線電力伝送装置１００は、電源モジュール１２０と、電源コイル１４０と、伝送コイル１６０と、共振周波数調整装置１８０と、を含む。

電源モジュール１２０は、交流電源を高周波数帯域に変調する回路である。電源モジュール１２０は、６０Ｈｚ交流電源でメガヘルツＭＨｚ帯域に周波数を変調する高周波発生器（図示せず）と、高電源増幅器（図示せず）と、を含むことができる。また、電源モジュール１２０は、無線電力伝送システム１０のインピーダンスマッチングが可能になるようにマッチング回路（図示せず）が内蔵されることができる。このようなマッチング回路は、電力が最大で伝送されるようにする。

電源コイル１４０は、抵抗による損失を減らすために直径が３ｍｍ以上であるコイルを使用する。電源コイル１４０のターン数（turn number）は、１回である。図１に示した電源コイル１４０のターン数が１回であるが、本発明の電源コイルのターン数がここに限定される必要はない。

伝送コイル１６０は、抵抗による損失を減らすために直径が３ｍｍ以上であるコイルを使用する。伝送コイル１６０は、目標とする共振周波数に合うようにターン数及びターン間隔が調節される。例えば、伝送コイル１６０では、ターン数が３〜１０回であり、ターン間隔が２〜１０ｃｍ程度が適当である。伝送コイル１６０は、磁気誘導によって電力伝送が行われるので、電源コイル１４０に最大限に近く位置するように具現される。伝送コイル１６０は、図１に示したように、ヘリカル（Helical）構造に具現される。

共振周波数調整装置１８０は、伝送コイル１６０の共振周波数を補正するための装置である。一般的に同一である周波数の物体が近く位置すると、共振周波数の分離が発生されうる。共振周波数調整装置１８０は、このような微細な共振周波数の分離をやり直すための装置である。共振周波数調整装置１８０は、伝送コイル１６０の間隔を変化させる、或いは伝送コイル１６０の間に誘電体を挿入することによって共振周波数を可変することができる。

図３は、伝送コイルの間隔を変化させる共振周波数調整装置に対する実施形態を示す図である。図３を参照すると、共振周波数調整装置１８０は、共振周波数の補正のために垂直方向に動くクランプを利用することによって、伝送コイル１６０の間隔を調節する。可変キャパシタＣｖは、共振ループを形成するために伝送コイル１６０に直列に連結される。

図４は、伝送コイルの間に誘電体を挿入させる共振周波数調整装置に対する実施形態を示す図である。図４を参照すると、共振周波数調整装置１８０ａは、伝送コイル１６０の間隔を固定させる固定部１８１と、前記固定部１８１を通過して伝送コイル１６０の間に挿入される誘電体部１８２と、を含む。共振周波数調整装置１８０ａは、共振周波数の補正のために伝送コイル１６０の間に誘電体部１８２が挿入されるように具現される。一方、本発明の固定部１８１は、図３に示した共振周波数調整装置１８０のように伝送コイル１６０の間隔を調節するように具現されることができる。

ターゲット装置２００は、無線電力伝送装置１００から無線に電力が伝送される装置である。特に、本発明のターゲット装置２００は、非放射形電波を通じて伝送される電力を受信するように具現される。ターゲット装置２００には、移動通信端末機（Mobile Phone）、携帯用コンピュータ（Potable Computer）などの多様な種類の電子装置（Electric Device）がある。一方、このような電子装置には、非放射形電磁波を通じて受信された電力に充電されるバッテリが具備される。

ターゲット装置２００は、無線電力伝送装置１００の伝送コイル１６０と磁気誘導効果がないように十分に離隔され、また、共振型無線電力伝送効率が優秀な距離内に存在するように具現される。ここで、このような離隔距離ｄは、一般的に１０〜３０ｃｍ程度になる。

一般的な無線電力伝送装置は、磁気誘導技術によって具現された。一般的な無線電力伝送装置で電力は、無線電力伝送装置内にあるモジュールによって、プライマリコイル（Primary coil）に供給される。プライマリコイルとセコンダリコイル（Secondary coil）は、磁気誘導によって電力を伝送するようになる。セコンダリコイルに供給された電源は、デバイスを駆動するのに使われる。しかし、磁気誘導を利用した無線電力の伝達は、距離が非常に近い場合のみに伝送効率が高い。一般的に伝達距離は、１ｍｍ程度である。従って一般的な無線電力伝送装置では、無線電力伝送装置とターゲット装置を最大限に密接させなければならない。

また、磁気誘導は、電気を通す物質であると効果が現れ、特に磁性体物質では、その効果が大きく現れる。従って、一般的な無線電力伝送装置で異質物がソースコイルの上に落ちる場合、渦電流による熱が発生するようになる。これによって、無線電力伝送装置が毀れる場合が発生される。また、一般的な無線電力伝送装置は、無線電力伝送装置とターゲット装置が密接な距離を維持しなければならないので、装置をデザインするのに難しさが発生する。

反面に、本発明による無線電力伝送システム１０は、共振周波数を利用して無線電力伝送装置とターゲット装置との間に電力伝送動作が実行されるように具現される。その結果、本発明の無線電力伝送システム１０は、磁気誘導を利用して電力を伝送した従来と比較して、無線電力伝送装置に異質物が落ちても渦電流が発生されない。その結果、過熱が発生されない。また、本発明の無線電力伝送システム１０は、共振周波数を利用して電力伝送動作を実行するので、無線電力伝送装置とターゲット装置との間の距離を調節することができるようになる。その結果、本発明の無線電力システム１０は、装置に対するデザイン自由度が増加される。

図５Ａは、本発明の実施形態によるターゲット装置を示す図である。図５Ａを参照すると、ターゲット装置２００は、受信コイル２１２と、負荷コイル２１４と、直流変換器２１６と、を含む。

受信コイル２１２は、共振周波数が同一である際に無線電力伝送装置１００の伝送コイル１６０から電力が伝送される。受信コイル２１２は、図２に示したようにスパイラル構造に使用する。これは、ターゲット装置２００が携帯することができるように薄くて軽くなければならないためである。一般的に、ヘリカル構造よりスパイラル構造のコイルが相対的に占める体積が小さい。

受信コイル２１２は、超音波を利用して瞬間的に溶かしたＰＣ基板２１１に直径が０．０５〜０．２０ｍｍ内外の薄いコイルを挿入することによって具現される。ここで、基板２１１は、必ずＰＣ基板を利用する必要はない。基板２１１は、熱的特性が優秀であるＦＲＢ基板を使用することができる。ターゲット装置２００は、大きさが小さいので、受信コイル２１２のターン数は４０回程度までするべきである。

本発明の受信コイル２１２が必ず超音波を利用して具現される必要はない。受信コイル２１２は、図５Ｂに示したように銅（copper）鍍金を利用して具現されることができる。

負荷コイル２１４は、受信コイル２１２と磁気誘導に電力を伝送するので、隣接に連結される。負荷コイル２１４は、抵抗を減らすために直径３ｍｍ内外の１ターンコイルが使われる。負荷コイル２１４は、ターゲット装置２００に実際的な電源を供給するようになる。

直流変換器２１６は、負荷コイル２１４によって伝送される交流電源を直流電源に変換させる回路である。このような直流変換器２１６は、ターゲット装置２００に含まれる、或いは含まれない。

図６は、共振周波数と受信コイルのターン数の関係を示すグラフである。図６を参照すると、受信コイルのターン数が増加するほど共振周波数は小さくなる。また、受信コイルの直径が大きいほど共振周波数は小さくなる。例えば、直径が１０６ｍｍであるコイルが最も小さい共振周波数を有し、直径が９２ｍｍであるコイルが中間の共振周波数を有し、直径が８４ｍｍであるコイルが最も低い共振周波数を有する。

図７は、本発明の実施形態による無線電力伝送方法を示すフローチャートである。図１乃至図７を参照すると、無線電力伝送方法は次のとおりである。

無線電力伝送装置１００は、交流電源を発生する（ステップ１１０）。この際に発生された交流電源は、高周波発生器によって無線に伝送されるための高周波帯域に変調される（ステップ１２０）。無線電力伝送装置１００と無線電力伝送装置１００の上に置かれたターゲット装置の共振周波数が同一である際に非放射形電磁波が発生され、発生された非放射形電磁波を通じて変調された電源がターゲット装置に伝送される（ステップ１３０）。この際、共振周波数調整装置１８０/１８０ａは、伝送コイル１６０の共振周波数がターゲット装置の共振周波数と同一になるように調整動作を実行する。

以上、本発明を、実施形態を参照しながら説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

１０、１００ 無線電力伝送装置
２００ ターゲット装置
１２０ 電源モジュール
１４０ 電源コイル
１６０ 伝送コイル
１８０、１８０ａ 共振周波数調整装置
２１２ 受信コイル
２１４ 負荷コイル
２１６ 直流変換器
２１１ 基板

Claims (4)

1. 高周波の電流が入力される電源コイルと、
   磁気誘導によって前記高周波の電流が誘導され、共振周波数が外部の少なくとも一つのターゲット装置の共振周波数である際に、非放射形電磁波を発生する伝送コイルと、
   前記伝送コイルの共振周波数を調整するための共振周波数調整装置と
   を含むことを特徴とする無線電力伝送装置。
2. 前記共振周波数調整装置は、前記伝送コイルの間隔を調節することによって、前記伝送コイルの共振周波数を補正することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
3. 前記共振周波数調整装置は、前記伝送コイルの間に誘電体を挿入することによって、前記伝送コイルの共振周波数を補正することを特徴とする請求項１に記載の無線電力伝送装置。
4. 無線電力伝送装置から電力が伝送される電子装置において、
   超音波を通じて瞬間的に溶かしたＰＣ基板に挿入され、共振周波数が前記無線電力伝送装置の共振周波数である際に、前記無線電力送信装置から発生される非放射形電磁波を通じて前記電力が伝送される受信コイルと、
   磁気誘導によって前記受信コイルから電力が伝送されて、前記各々のターゲット装置に電源を供給する負荷コイルとを含み、
   前記受信コイルは、スパイラル構造であることを特徴とする電子装置。

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