JP2017077166A - コイル装置とコイル装置の製造方法及びコイル装置を含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置｛Ｃｏｉｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ｝ - Google Patents

コイル装置とコイル装置の製造方法及びコイル装置を含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置｛Ｃｏｉｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ｝ Download PDF

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Abstract

【課題】インダクタンスは増加し、抵抗は減少して良好度を増加させることができる、無電電力伝送システムのコイル装置を提供する。
【解決手段】コイル装置は、第１及び第２端子を含む基板１２０と、基板の一面に少なくとも一回り巻かれて配置された第１コイル１１０とを含む。前記第１コイルは、基板上に積層されるようにセルフボンディングされた複数のワイヤー１１１（１１２、１１３）を含み、複数のワイヤーの一側は第１端子に共通に連結され、他側は第２端子に共通に連結される
【選択図】図６

Description

本発明は、コイル装置とコイル装置の製造方法及びコイル装置を含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置に関する。
一般的に、各種電子機器にはバッテリーが備えられ、バッテリーに充電された電力によって駆動される。この際、電子機器からバッテリーを交替したり、再充電させることができる。このために、電子機器は、外部の充電装置と接触するための接触端子を備えている。すなわち電子機器は、接触端子を介して、充電装置と電気的に連結される。ところが、電子機器から接触端子が外部に露出されているので、異質物によって汚染されたり湿気によって短絡(short)する虞がある。そのような場合、接触端子と充電装置との間に接触不良が発生し、電子機器においてバッテリーが充電されない問題点がある。
上記した問題点を解決するために、無線で電子機器を充電するための無線電力伝送(Wireless Power Transfer：WPT)が提案されている。
無線電力伝送システムは、空間を介して無線で電力を伝達する技術として、モバイル(Mobile)機器及びデジタル家電機器に対する電力供給の便宜性を最大化した技術である。
無線電力伝送システムは、リアルタイム電力使用制御を通じたエネルギー節約、電力供給空間の制約の克服及びバッテリーの再充電を利用した廃乾電池排出量の削減などのメリットを有する。
無線電力伝送システムの具現方法として、代表的に磁気誘導方式と磁界共振方式がある。磁気誘導方式は、２つのコイルを近接させ、一方のコイルに電流を流し、それによって発生した磁束を媒介として、他方のコイルにも起電力が発生する非接触エネルギー伝送技術として、数百kHzの周波数を使用することができる。磁界共振方式は、電磁波や電流を利用せず、電場または磁場のみを利用する磁気共鳴技術として、電力伝送可能な距離が数メートル以上で、数MHz帯域を利用することができる。
無線電力伝送システムは、無線で電力を伝送する送信装置と、電力を受信してバッテリーなど負荷を充電する受信装置を含む。この際、受信装置の充電方式、すなわち磁気誘導方式と磁界共振方式のいずれか１つの充電方式を選択することができ、受信装置の充電方式に対応して、無線で電力を伝達できる送信装置が開発されている。
このような無線電力伝送システムは、コイル上に誘導される起電力を無線で伝達する方式で電力を伝送することができる。
最近、無線電力伝送システムの小型化傾向に伴い、コイルを配置できる空間上の制約の問題があり、コイルの巻数を増加させるためにコイルを薄くする場合、抵抗が増加して充電効率が落ちる問題があった。
実施例は、インダクタンスは増加し、抵抗は減少して良好度を増加させることができる、無電電力伝送システムのコイル装置を提供することを目的とする。
また、実施例は、基板上のコイルの実装面積を減らしてコイルの巻数を増加させることができる、無電電力伝送システムのコイル装置を提供することを目的とする。
実施例に係るコイル装置は、基板と、前記基板の一面に少なくとも一回り巻かれて配置されたコイルとを含み、前記基板の一面と垂直な前記コイルの断面の高さは、前記基板の一面と平行な前記コイルの断面の幅より長いコイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記コイルは、前記基板上の第１と第２端子との間に連結され、セルフボンディング(self-bonding)された複数のワイヤーを含む、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記複数のワイヤーのそれぞれは、単線(Solid Wire)である、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記コイルは、平角銅線である、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記複数のワイヤーのそれぞれは、リッツ(Litz)ワイヤーである、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記コイルは、誘導コイルまたは共振コイルである、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置は、第１及び第２端子を含む基板と、前記基板の一面に少なくとも一回り巻かれて配置された第１コイルとを含み、前記第１コイルは、前記基板上に積層されるようにセルフボンディングされた複数のワイヤーを含み、前記複数のワイヤーの一側は第１端子に共通に連結され、他側は第２端子に共通に連結されるコイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記複数のワイヤーのそれぞれは、単線(Solid Wire)である、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記複数のワイヤーのそれぞれは、リッツ(Litz)ワイヤーである、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記複数のワイヤーのそれぞれは、平角銅線である、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記第１コイルは、誘導コイルである、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の前記基板上に積層されるようにセルフボンディングされた複数のワイヤーを含む第２コイルをさらに含み、前記第２コイルは共振コイルである、コイル装置及びこれを含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の製造方法は、第１及び第２端子を備えた基板を用意するステップと、複数のワイヤーが相互前記基板上に積層されるように前記複数のワイヤーをセルフボンディングするステップと、前記複数のワイヤーを前記基板上に配置して前記第１及び第２端子に連結するステップとを含む、コイル装置の製造方法を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の製造方法の前記複数のワイヤーのそれぞれは単線(Solid Wire)である、コイル装置の製造方法を提供することができる。
また、実施例に係るコイル装置の製造方法の前記複数のワイヤーのそれぞれはリッツ(Litz)ワイヤーである、コイル装置の製造方法を提供することができる。
実施例は、基板上に垂直方向に積層されるように複数のワイヤーをセルフボンディングし、セルフボンディングされたコイルを基板上に配置することで、インダクタンスを増加させ、抵抗を減少させて良好度を増加させることができ、基板上に占めるコイルの面積を減らすことができる、無電電力伝送システムのコイル装置を提供する。
磁気誘導方式の等価回路である。 磁界共振方式の等価回路である。 無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、送信装置を示したブロック図である。 無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、送信装置を示したブロック図である。 無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、受信部を示したブロック図である。 無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、受信部を示したブロック図である。 第１及び第２実施例に係るコイル装置の上面図である。 第１実施例に係るコイル装置として、図５のA-B線断面図である。 第２実施例に係るコイル装置として、図５のA-B線断面図である。 セルフボンディングされるワイヤーを概略的に示した図面である。 セルフボンディングされるワイヤーを概略的に示した図面である。 第３及び第４実施例に係るコイル部の上面図である。 第３実施例に係るコイル部として、図１０のC-D線断面図である。 第４実施例に係るコイル部として、図１０のC-D線断面図である。 ＮＦＣコイルをさらに含むコイル部を示した断面図である。 比較例に係るコイル部の断面図である。 比較例に係るコイル部の断面図である。 コイル上の電流に応じた充電効率を示したグラフである。
以下、本発明の実施例に係るコイル装置とコイル装置の製造方法及びコイル装置を含む無線電力伝送装置、そして無線電力受信装置を図面を参考にして詳しく説明する。以下に開示される実施例は、当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするための例であり、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、他の形態で具体化することができる。そして、図面における装置の大きさ及び厚さなどは、説明の便宜を図って誇張表現されることもある。明細書全体にわたり、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
実施例は、無線電力を伝送するために、低周波(５０kHz)から高周波(１５MHz)までの多様な種類の周波数帯域を選択的に使用し、システムを制御するために、データ及び制御信号を交換できる通信システムを含むことができる。
実施例は、バッテリーを使用または必要とする電子機器を用いる携帯端末産業、スマート時計産業、コンピュータ及びノートブック産業、家電機器産業、電気自動車産業、医療機器産業、ロボット産業など多様な産業分野に適用可能である。
実施例は、１つまたは複数個の伝送コイルを用いて、１つ以上の多数の機器に電力伝送が可能なシステムを考慮することができる。
実施例によれば、スマートフォン、ノートブックなどモバイル機器におけるバッテリー不足問題を解決でき、一例としてテーブルに無線充電パッドを置き、その上でスマートフォン、ノートブックを使用すると、自動的にバッテリーが充電され長時間使用できることになる。また、カフェ、空港、タクシー、事務室、食堂など公の場所に無線充電パッドを設置すれば、モバイル機器のメーカー別に異なる充電端子に関係なく、多様なモバイル機器を充電することができる。また、無線電力伝送技術が掃除機、扇風機などの生活家電製品に適用されると、電源ケーブルを探し回る必要がなくなり、家庭内で複雑な電線が消えることで建物内の配線が減り、空間活用の幅も広くなる。また、現在の家庭用電源で電気自動車を充電する場合多くの時間が必要とされるが、無線電力伝送技術を介して高電力を伝送すれば、充電時間を減らすことができ、駐車場の底に無線充電施設を設置すれば、電気自動車の周辺に電源ケーブルを用意しなければならないという不都合を解消することができる。
実施例で使用される用語と略語は、次のようである。
無線電力伝送システム(Wireless Power Transfer System)：磁場領域内で無線電力伝送を提供するシステム。
送信装置(Wireless Power Transfer System-Charger；Power Transfer Unit：PTU)：磁場領域内で電力受信機に無線電力伝送を提供し、システム全体を管理する装置として、送信装置または送信機と称することができる。
受信装置(Wireless Power Receiver System-Device；Power Receiver Unit：PRU)：磁場領域内で電力送信機から無線電力伝送を受ける装置として、受信装置または受信機と称することができる。
充電領域(Charging Area)：磁場領域内で実際の無線電力伝送が行われる地域であり、応用製品の大きさ、要求電力、動作周波数によって変わる。
Ｓパラメータ(Scattering parameter)：Sパラメータは、周波数の分布上で入力電圧：出力電圧の比として、入力ポート：出力ポートの比(Transmission；S２１)またはそれぞれの入／出力ポート自体の反射値、すなわち自体の入力によって反射して帰ってくる出力値(Reflection；S１１、S２２)を意味することができる。
品質指数Ｑ(Quality factor)：共振において、Ｑ値は周波数選択の品質を意味し、Ｑ値が高いほど共振特性がよく、Ｑ値は共振器において貯蔵されるエネルギーと失われるエネルギーの比で表すことができる。
無線で電力を伝送する原理としては、磁気誘導方式と磁界共振方式に大別することができる。
磁気誘導方式は、ソースインダクタ(Ls)と負荷インダクタ(Ll)を相互近接させ、一方のソースインダクタ(Ls)に電流を流すと、発生する磁束を媒介に負荷インダクタ(Ll)にも起電力が発生する非接触エネルギー伝送技術である。そして、磁界共振方式は、２つの共振器を結合することで２つの共振器間の固有周波数による磁界共振が発生し、同一周波数で振動しながら同一波長範囲で電場及び磁場を形成させる共鳴技法を活用して、エネルギーを無線で伝送する技術である。
図１は、磁気誘導方式の等価回路である。
図１に示すように、磁気誘導方式の等価回路において、送信装置は、電源を供給する装置によるソース電圧(Vs)、ソース抵抗(Rs)、インピーダンスマッチングのためのソースキャパシタ(Cs)、そして受信部との磁気的結合のためのソースコイル(Ls)から具現され、受信部は、受信部の等価抵抗である負荷抵抗(Rl)、インピーダンスマッチングのための負荷キャパシタ(Cl)、そして送信装置との磁気的結合のための負荷コイル(Ll)から具現され、ソースコイル(Ls)と負荷コイル(Ll)の磁気的結合程度は、相互インダクタンス(Msl)で表すことができる。
図１で、インピーダンスマッチングのためのソースキャパシタ(Cs)と負荷キャパシタ(Cl)がない、コイルロのみからなる磁気誘導等価回路から入力電圧：出力電圧の比(S２１)を求め、これから最大電力伝送条件を探せば最大電力伝送条件は、以下の数式１を満たす。
Ls／Rs＝Ll／Rl （数式１）
前記数式１から、送信コイル(Ls)のインダクタンスとソース抵抗(Rs)の比と負荷コイル(Ll)のインダクタンスと負荷抵抗(Rl)の比が同一であるとき、最大電力伝送が可能である。インダクタンスのみが存在するシステムでは、リアクタンスを補償できるキャパシタが存在しないため、最大電力伝達が行われる地点で入／出力ポート自体の反射値(S１１)は０になれず、相互インダクタンス(Msl)値によって電力伝達効率が大きく変化することがある。そして、インピーダンスマッチングのための補償キャパシタとして、送信装置にソースキャパシタ(Cs)が付加され、受信部に負荷キャパシタ(Cl)が付加される。前記補償キャパシタ(Cs、Cl)は、例えば受信コイル(Ls)及び負荷コイル(Ll)のそれぞれに直列または並列に連結される。また、インピーダンスマッチングのために送信装置及び受信部のそれぞれには、補償キャパシタだけでなく、キャパシタ及びインダクタのような受動素子がさらに付加されてもよい。
図２は、磁界共振方式の等価回路である。
図２に示すように、磁界共振方式の等価回路において、送信装置は、ソース電圧(Vs)、ソース抵抗(Rs)、そしてソースインダクタ(Ls)の直列連結で閉回路を構成するソースコイル(Source coil)と、送信側共振インダクタ(L１)と送信側共振キャパシタ(C１)の直列連結で閉回路を構成する送信側共振コイル(Resonant coil)から具現され、受信部は、負荷抵抗(Rl)と負荷インダクタ(Ll)の直列連結で閉回路を構成する負荷コイル(Load coil)と、受信側共振インダクタ(L２)と受信側共振キャパシタ(C２)の直列連結で閉回路を構成する受信側共振コイルから具現され、ソースインダクタ(Ls)と送信側インダクタ(L１)は、K０１の結合係数で磁気的に結合され、負荷インダクタ(Ll)と負荷側共振インダクタ(L２)は、K２３の結合係数で磁気的に結合され、送信側共振インダクタ(L１)と受信側共振インダクタ(L２)は、K１２の結合係数で磁気的に結合される。別の実施例の等価回路では、ソースコイル及び／または負荷コイルを省略し、送信側共振コイルと受信側共振コイルから構成されてもよい。
磁界共振方式は、２つの共振器の共振周波数が同一である時には、送信装置の共振器のエネルギーの殆どが受信部の共振器に伝達され、電力伝達効率が向上し、磁界共振方式における効率は、以下の数式２を満たすときよくなる。
k／Γ>>１(kは結合係数、Γは減衰率) （数式２）
磁界共振方式において、効率を増加させるためにインピーダンスマッチングのための素子を付加することができ、インピーダンスマッチング素子はインダクタ及びキャパシタのような受動素子からなることができる。
このような無線電力伝送の原理を基に、磁気誘導方式または磁界共振方式で電力を伝達するための無線電力伝送システムを説明する。
<送信装置>
図３ａ及び図３ｂは、無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、送信装置を示したブロック図である。
図３ａに示すように、実施例に係る無線電力伝送システムは、送信装置１０００と、前記送信装置１０００から無線で電力を受信する受信部２０００を含むことができる。前記送信装置１０００は、入力される交流信号を電力変換して交流信号として出力する送信側電力変換部１０１と、前記送信側電力変換部１０１から出力される交流信号に基づいて磁場を生成して充電領域内の受信部２０００に電力を提供する送信側共振回路部１０２及び前記送信側電力変換部１０１の電力変換を制御し、前記送信側電力変換部１０１の出力信号の振幅と周波数を調節し、前記送信側共振回路部１０２のインピーダンスマッチング行い、前記送信側電力変換部１０１及び前記送信側共振回路部１０２からインピーダンス、電圧、電流情報をセンシングし、前記受信部２０００と無線通信できる送信側制御部１０３を含むことができる。前記送信側電力変換部１０１は、交流信号を直流に変換する電力変換部、直流のレベルを可変して直流を出力する電力変換部、直流を交流に変換する電力変換部の少なくとも１つを含むことができる。そして、前記送信側共振回路部１０２は、コイルと、前記コイルと共振できるインピーダンスマッチング部を含むことができる。また、前記送信側制御部１０３は、インピーダンス、電圧、電流情報をセンシングするためのセンシング部と、無線通信部を含むことができる。
また、図３ｂに示すように、前記送信装置１０００は、送信側交流／直流変換部１１００、送信側直流／交流変換部１２００、送信側インピーダンスマッチング部１３００、送信コイル部１４００、そして送信側通信及び制御部１５００を含むことができる。
送信側交流／直流変換部１１００は、送信側通信及び制御部１５００の制御下で、外部から提供される交流信号を直流信号に変換する電力変換部として、前記送信側交流／直流変換部１１００は、サブシステムとして整流器１１１０と送信側直流／直流変換部１１２０を含むことができる。前記整流器１１１０は、提供される交流信号を直流信号に変換するシステムとして、これを具現する実施例として、高周波数動作時に相対的に高い効率を持つダイオード整流器、ワンチップ(one-chip)化が可能な同期整流器またはコスト及び空間節約が可能でデッドタイム(Dead time)の自由度が高いハイブリッド整流器を挙げることができが、これに限定されるものではなく、交流を直流に変換するシステムあれば適用可能である。また、前記送信側直流／直流変換部１１２０は、送信側通信及び制御部１５００の制御下で前記整流器１１１０から提供される直流信号のレベルを調節するものとして、これを具現する例として、入力信号のレベルを低下させる降圧型コンバータ(Buck converter)、入力信号のレベルを高める昇圧型コンバータ(Boost converter)、入力信号のレベルを低下または高めることができる昇降圧型コンバータ(Buck Boost converter)またはCukコンバータ(Cuk converter)を挙げることができる。また、前記送信側直流／直流変換部１１２０は、電力変換制御機能をするスイッチ素子と、電力変換媒介の役割または出力電圧平滑機能をするインダクタ及びキャパシタ、電圧利得を調節または電気的な分離機能(絶縁機能)をするトランスなどを含むことができ、入力される直流信号に含まれたリップル成分または脈動成分(直流信号に含まれた交流成分)を除去する機能をすることができる。そして、前記送信側直流／直流変換部１１２０の出力信号の指令値と実際出力地との誤差は、フィードバック方式を介して調節することができ、これは前記送信側通信及び制御部１５００によって行われる。
送信側直流／交流変換部１２００は、送信側通信及び制御部１５００の制御下で送信側交流／直流変換部１１００から出力される直流信号を交流信号に変換し、変換された交流信号の周波数を調節できるシステムとして、これを具現する例として、ハーフブリッジインバータ(Half bridge inverter)またはフルブリッジインバータ(Full bridge inverter)がある。そして、無線電力伝送システムは、直流を交流に変換する多様な増幅器が適用され、例えばＡ級、Ｂ級、ＡＢ級、Ｃ級、Ｅ級Ｆ級増幅器がある。また、前記送信側直流／交流変換部１２００は、出力信号の周波数を生成するオシレーター(Ocillator)と、出力信号を増幅するパワー増幅部を含むことができる。
前記交流／直流変換部(１１００)及び送信側直流／交流変換部１２００の構成は、交流電力供給機にて代替することができ、省略また他の構成にて代替することもできる。
送信側インピーダンスマッチング部１３００は、相互異なるインピーダンスを持った地点で反射波を最小化して信号の流れをよくする。送信装置１０００と受信部２０００の両コイルは、空間的に分離しており磁場の漏洩が多いので、前記送信装置１０００と受信部２０００の両連結端との間のインピーダンス差を補正して電力伝達効率を向上させることができる。前記送信側インピーダンスマッチング部１３００は、インダクタ、キャパシタ、そして抵抗素子のうち少なくとも１つからなることができ、通信及び制御部１５００の制御下で前記インダクタのインダクタンスとキャパシタのキャパシタンスそして抵抗の抵抗値を可変してインピーダンスマッチングのためのインピーダンス値を調整することができる。そして、無線電力伝送システムが磁気誘導方式で電力を伝送する場合、送信側インピーダンスマッチング部１３００は、直列共振構造または並列共振構造を有することができ、送信装置１０００と受信部２０００との間の誘導結合係数を増加させてエネルギー損失を最小化することができる。そして、無線電力伝送システムが磁界共振方式で電力を伝送する場合、送信側インピーダンスマッチング部１３００は、送信装置１０００と受信部２０００との間の離隔距離の変化、金属性異質物(FO；Foreign Object)、多数のデバイスによる相互影響などによって、コイルの特性の変化でエネルギー伝送線上のマッチングインピーダンス変化によるインピーダンスマッチングのリアルタイム補正を可能とすることができ、その補正方式として、キャパシタを利用したマルチマッチング方式、マルチアンテナを利用したマッチング方式、マルチループを利用した方式などをあげられる。
送信側コイル１４００は、複数個のコイルまたは単一コイルで具現することができ、送信側コイル１４００が複数個からなる場合、これらは相互離隔または相互重なるように配置することができ、これらが重なって配置される場合、重なる面積は磁束密度の偏差を考慮して決めることができる。また、送信側コイル１４００を製作する際に、内部抵抗及び放射抵抗を考慮して製作することができ、この際抵抗成分が小さいと品質指数(Quality factor)が高まり伝送効率が上昇することになる。
通信及び制御部１５００は、送信側制御部１５１０と送信側通信部１５２０を含むことができる。前記送信側制御部１５１０は、受信部２０００の電力要求量、現在の充電量、受信部の整流器出力端の電圧(Vrect)、複数受信部の各充電効率、そして無線電力方式の少なくとも１つ以上を考慮して、前記送信側交流／直流変換部１１００の出力電圧(または送信コイルに流れる電流(Itx_coil))を調節する役割をすることができる。そして、最大電力伝送効率を考慮して、前記送信側直流／交流変換部１２００を駆動するための周波数及びスイッチング波形を生成し、伝送される電力を制御することができる。また、受信部２０００の貯蔵部(図示されない)から読み出した制御に要求されるアルゴリズム、プログラムまたはアプリケーションを利用して、受信部２０００の動作全般を制御することができる。一方、前記送信側制御部１５１０は、マイクロプロセッサ、マイクロコントロールユニット(Micro Controller Unit)またはマイコン(Micom)と称することができる。前記送信側通信部１５２０は、受信側通信部２６２０と通信を行うことができ、通信方式の一例として、ブルートゥース（登録商標）、ＮＦＣ、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）などの近距離通信方式を利用することができる。前記送信側通信部１５２０と受信側通信部２６２０は、相互充電状況情報及び充電制御指令などの送受信を行うことができる。そして、前記充電状況情報としては、受信部２０００の個数、バッテリーの残量、充電回数、使用量、バッテリーの容量、バッテリーの比率、そして送信装置１０００の伝送電力量などを含むことができる。また、送信側通信部１５２０は、受信部２０００の充電機能を制御する充電機能制御信号を送信することができ、前記充電機能制御信号は、受信部２０００を制御して充電機能をイネーブル(enabled)またはディセーブル (disabled)させる制御信号からなることができる。
このように、送信側通信部１５２０は、別途のモジュールで構成されるアウトオブバンド(out-of-band)形式で通信できるが、これに限定されるものではなく、送信装置が伝送する電力信号を利用して受信部が送信装置に伝達するフィードバック信号を利用し、送信装置が伝送する電力信号の周波数シフト(Frequency shift)を利用して、送信装置が受信部に信号を伝送するインバンド(in-band)形式で通信を行うこともできる。例えば、受信部は、フィードバック信号を変調して、充電開始、充電終了、バッテリー状態などの情報を、フィードバック信号を介して送信機に伝達することもできる。また、前記送信側通信部１５２０は、前記送信側制御部１５１０と別途に構成することができ、前記受信部２０００も、受信側通信部２６２０が受信装置の制御部２６１０に含まれたり別途に構成されてもよい。
また、実施例に係る無線電力伝送システムの送信装置１０００は、検出部１６００をさらに備えることができる。
前記検出部１６００は、送信側交流／直流変換部１１００の入力信号、送信側交流／直流変換部１１００の出力信号、送信側直流／交流変換部１２００の入力信号、送信側直流／交流変換部１２００の出力信号、送信側インピーダンスマッチング部１３００の入力信号、送信側インピーダンスマッチング部１３００の出力信号、送信側コイル１４００の入力信号または送信側コイル１４００上の信号のうち少なくとも１つを検出することができる。一例として、前記信号は、電流に対する情報、電圧に対する情報またはインピーダンスに対する情報のうち少なくともいずれか１つを含むことができる。検出された信号は、通信及び制御部１５００にフィードバックされ、これを基に前記通信及び制御部１５００は、送信側交流／直流変換部１１００、送信側直流／交流変換部１２００、送信側インピーダンスマッチング部１３００を制御することができる。また、前記検出部１６００の検出結果を基づいて、前記通信及び制御部１５００はＦＯＤ(Foreign object detection)を行うことができる。そして、前記検出される信号は、電圧及び電流のうち少なくとも１つである。一方、前記検出部１６００は、通信及び制御部１５００と異なるハードウェアで構成されてもよく、１つのハードウェアから具現されてもよい。
<受信部>
図４ａ及び図４ｂは、無線電力伝送システムを構成するサブシステムの１つとして、受信部(または受信装置)を示したブロック図である。
図４ａに示すように、実施例に係る無線電力伝送システムは、送信装置１０００と、前記送信装置１０００から無線で電力を受信する受信部２０００を含むことができる。前記受信装置２０００は、前記送信装置１０００から伝送される交流信号を受信する受信側共振回路部２０１と；前記受信側共振回路部２０１からの交流電力を電力変換して直流信号として出力する受信側電力変換部２０２と；前記受信側電力変換部２０２から出力される直流信号を受信して充電される負荷２５００、そして前記受信側共振回路部２０１の電流電圧をセンシングしたり、前記受信側共振回路部２０１のインピーダンスマッチングを行ったり、前記受信側電力変換部２０２の電力変換を制御して前記受信側電力変換部２０２の出力信号のレベルを調節したり、前記受信側電力変換部２０２の入力または出力電圧や電流をセンシングしたり、前記受信側電力変換部２０２の出力信号の前記負荷２５００への供給を制御したり、前記送信装置１０００と通信できる受信側制御部２０３と；を含むことができる。そして、前記受信側電力変換部２０２は、交流信号を直流に変換する電力変換部、直流のレベルを可変して直流を出力する電力変換部、直流を交流に変換する電力変換部を含むことができる。
また、図４ｂに示すように、実施例に係る無線電力伝送システムは、送信装置１０００と、前記送信装置１０００から無線で電力を受信する受信部(または受信装置)２０００を含むことができ、前記受信部２０００は、受信側コイル部２１００及び受信側インピーダンスマッチング部２２００から構成された受信側共振回路部２１２０、受信側交流／直流変換部２３００、直流／直流変換部２４００、負荷２５００及び受信側通信及び制御部２６００を含むことができる。そして、前記受信側交流／直流変換部２３００は、交流信号を直流信号に整流する整流部と称することができる。
受信側コイル部２１００は、磁気誘導方式または磁界共振方式を介して電力を受信することができる。このように電力受信方式に応じて、誘導コイルまたは共振コイルのうち少なくとも１つ以上を含むことができる。
一実施例として、受信側コイル部２１００は、ＮＦＣ(Near Field Communication)と一緒に携帯端末に配置することができる。そして、前記受信側コイル部２１００は、送信側コイル部１４００と同一であってもよく、受信アンテナのサイズは、受信部２００の電気的特性によって可変できる。
受信側インピーダンスマッチング部２２００は、送信機１０００と受信機２０００との間のインピーダンスマッチングを行う。
前記受信側交流／直流変換部２３００は、受信側コイル部２１００から出力される交流信号を整流して直流信号を生成する。そして、前記受信側交流／直流変換部２３００の出力電圧は、整流電圧(Vrect)と称することができ、受信側通信及び制御部２６００は、前記受信側交流／直流変換部２３００の出力電圧を検出したり変更することができ、前記受信側交流／直流変換部２３００の出力電圧の最小値である最小整流電圧(Vrect_min)(または最小出力電圧(Vrect_min))、最大値である最大整流電圧(Vrect_max)(または最大出力電圧(Vrect_max))、前記最小値と最大値の間のいずれか１つの電圧値を持つ最適整流電圧(Vrect_set)(または最適出力電圧(Vrect_set))に対する情報のような状態パラメータ情報を送信装置１０００に伝送することができる。
受信側直流／直流変換部２４００は、受信側交流／直流変換部２３００から出力される直流信号のレベルを負荷２５００の容量に合うように調整することができる。
前記負荷２５００は、バッテリー、ディスプレイ、音声出力回路、メインプロセッサ、バッテリー管理部、そして各種センサーを含むことができる。そして前記負荷２５００は、図４ａのように、少なくともバッテリー２５１０及びバッテリー管理部２５２０を含むことができる。前記バッテリー管理部２５２０は、前記バッテリー２５１０の充電状態を感知して前記バッテリー２５１０に印加される電圧と電流を調節することができる。
受信側通信及び制御部２６００は、送信側通信及び制御部１５００からウェイクアップ電力によって活性化され、前記送信側通信及び制御部１５００と通信を行い、受信部２０００のサブシステムの動作を制御することができる。
前記受信部２０００は、単一または複数個に構成され、送信装置１０００から同時にエネルギーを無線で受信することができる。すなわち、磁界共振方式の無線電力伝送システムでは、１つの送信装置１０００から複数のターゲット受信部２０００に電力を供給することができる。このとき、前記送信装置１０００の送信側マッチング部１３００は、複数個の受信部２０００の間のインピーダンスマッチングを適応的に行うことができる。これは、磁気誘導方式において、相互独立的な受信側コイル部を複数個備える場合にも、同様に適用可能である。
また、前記受信部２０００が複数個から構成された場合、電力受信方式は、同一または相互異なる種類のシステムであってもよい。この場合、送信装置１０００は、磁気誘導方式または磁界共振方式で電力を伝送するシステムであってもよく、両方式を混用したシステムであってもよい。
一方、無線電力伝送システムの信号の大きさと周波数の関係において、磁気誘導方式の無線電力伝送の場合、送信装置１０００において、送信側交流／直流変換部１１００は、数十または数百V(例えば１１０V〜２２０V)の数十または数百Hz(例えば６０Hz)の交流信号を受信して、数V〜数十V、数百V(例えば１０V〜２０V)の直流信号に変換して出力することができ、送信側直流／交流変換部１２００は、直流信号を受信してKHz(例えば１２５KHz)の交流信号を出力することができる。そして、受信部２０００の受信側交流／直流変換部２３００は、KHz(例えば１２５KHz)の交流信号を受信して、数V〜数十V、数百V(例えば１０V〜２０V)の直流信号に変換して出力することができ、受信側直流／直流変換部２４００は、負荷２５００に適合した、例えば５Vの直流信号を出力して前記負荷２５００に伝達することができる。
そして、磁界共振方式の無線電力伝送の場合、送信装置１０００において、送信側交流／直流変換部１１００は、数十または数百V(例えば１１０V〜２２０V)の数十または数百Hz(例えば６０Hz)の交流信号を受信して、数V〜数十V、数百V(例えば１０V〜２０V)の直流信号に変換して出力することができ、送信側直流／交流変換部１２００は、直流信号を受信してMHz(例えば６.７８MHz)の交流信号を出力することができる。そして、受信部２０００の受信側交流／直流変換部２３００は、MHz(例えば６.７８MHz)の交流信号を受信して、数V〜数十V、数百V(例えば１０V〜２０V)の受信側直流信号に変換して出力することができ、直流／直流変換部２４００は、負荷２５００に適合した、例えば５Vの直流信号を出力して前記負荷２５００に伝達することができる。
<コイル装置>
図５は第１及び第２実施例に係るコイル装置の上面図であり、図６は第１実施例に係るコイル装置として、図５のA-B線断面図であり、図７は第２実施例に係るコイル装置として、図５のA-B線断面図であり、図８及び図９はセルフボンディングされるワイヤーを概略的に示した図面である。
図５に示すように、第１実施例に係るコイル装置１００は、送信側コイル部１４００または受信側コイル部２１００の少なくともいずれか１つのコイル部である。
コイル装置１００は、コイル１１０と、前記コイル１１０が実装される基板１２０を含むことができる。
前記コイル１１０は、誘導コイルまたは共振コイルからなることができる。また、前記コイル１１０は、第１及び第２コイルを含むことができ、前記第１コイルは誘導コイルで、前記第２コイルは共振コイルであってもよい。
そして、前記コイル１１０は、前記基板１２０の一面と垂直な方向への前記コイル１１０の断面の長さ、すなわち前記コイル１１０の断面の幅は、前記基板１２０の一面と平行な方向への前記コイル１１０の断面の長さ、すなわち前記コイル１１０の高さより長い。また、前記コイル１１０は、基板１２０上に形成された第１と第２端子１１５、１１６の間に連結されたワイヤー１１１を含むことができる。
前記ワイヤー１１１は、基板１２０の一面に少なくとも一回り巻かれて(ターン(turn)しながら)前記基板１２０に配置される。
また、前記ワイヤー１１１は、第１端子１１５から延長され、基板１２０の外側領域から前記基板１２０の内側領域方向に複数回ターンし、前記基板１２０の内側領域から第２端子１１６まで延長される。従って、前記コイル１１０は、１つの層、すなわち単一層で前記基板１２０上に配置される。この場合、ワイヤー１１１が前記内側領域から前記第２端子１１６まで延長されるとき、複数回巻かれてワイヤー上部方向に引き出されるか、複数回巻かれてワイヤー下部方向、すなわち前記基板１２０に面接触しながら延長される。
また、前記コイル１１０は、円形形状、楕円形状、レーストラック(racetrack)形状、四角形形状、三角(triangular)形状にて基板１２０上に少なくとも一回ターン(turn)しながら配置される。
前記基板１２０は、磁性シートからなることができる。そして、前記コイル装置１００が送信側コイル部１４００である場合、送信側直流／交流変換部１２００の出力端子に連結された第１及び第２端子１１５、１１６には、前記送信側直流／交流変換部１２００の交流信号が印加される。そして、前記第１端子１１５に入力された信号は、ワイヤー１１１を経由して前記第２端子１１６に出力され、前記第２端子１１６に入力された信号は、ワイヤー１１１を経由して前記第１端子１１５に出力される。また、前記コイル装置１００が受信側コイル部２１００である場合、コイル１１０に誘導された電力は、第１及び第２端子１１５、１１６を介して前記第１及び第２端子１１５、１１６に入力端子が連結された受信側交流／直流変換部２３００に伝達される。
図８及び図９に示すように、前記コイル１１０は、前記第１と第２端子１１５、１１６の間に２本のワイヤーが連結される。すなわち、図８のように、第１ワイヤー１１２と第２ワイヤー１１３のそれぞれは、第１と第２端子１１５、１１６の間に連結される。すなわち第１及び第２ワイヤー１１２、１１３の一側は共通で前記第１端子１１５に連結され、第１及び第２ワイヤー１１２、１１３の他側は共通で前記第２端子１１６に連結される。そして図９のように、前記第１及び第２ワイヤー１１２、１１３は、セルフボンディング(self-bonding)されてもよい。前記コイル１１０は、２本のワイヤー１１２、１１３から形成されているが、これに限定されるものではなく、２本のワイヤーより多い数のワイヤーからなってもよく、３本以上のワイヤーは、相互セルフボンディングされて、一側が第１端子１１５に共通連結され、他側が第２端子１１６に共通連結される。
図６に示すように、ワイヤー１１１が２本のワイヤー、すなわちセルフボンディングされた第１及び第２ワイヤー１１２、１１３である場合、前記第１及び第２ワイヤー１１２、１１３は、基板１２０の一面と垂直な方向に積層される。従って、ワイヤー１１１は、高さ(h)方向の長さは、厚さ(t)(即ち、基板１２０と平行な方向へのワイヤー１１１の幅(t))方向の長さより長い。
また、前記ワイヤー１１１がセルフボンディングされた３本以上のワイヤーからなっている場合、すべてのワイヤーは、基板１２０の一面と垂直な方向に積層される。この場合、ワイヤー１１１の高さ(h)方向の長さは増加するが、厚さ(t)(即ち、基板１２０と平行な方向へのワイヤー１１１の幅(t))は近似的にほぼ同じく維持される。
図７に示すように、第２実施例に係るコイル装置１００のワイヤー１１１は、平角銅線からなることができる。前記平角銅線は四角形形状、具体的には一面と前記一面と垂直な面の幅が異なる長方形形状を有することができる。
前記平角銅線１１１の高さ(h)方向の長さは、厚さ(t)(即ち、基板１２０と平行な方向への平角銅線１１１の幅(t))方向の長さより長い。すなわち、前記平角銅線１１１の断面の長軸は基板１２０の一面と垂直であり、前記平角銅線１１１の断面の短軸は前記基板１２０の一面と平行である。
図１０は第３及び第４実施例に係るコイル部の上面図であり、図１１は第３実施例に係るコイル部として、図１０のC-D線断面図であり、図１２は第４実施例に係るコイル部として、図１０のC-D線断面図である。
図１０に示すように、ワイヤー１１１は、第１端子１１５から延長され、基板１２０の外側領域から前記基板１２０の内側領域方向に複数回ターンし、前記基板１２０の内側領域から再び前記基板１２０の外側領域方向に複数回ターンして、第２端子１１６まで延長される。従って、前記コイル１１０は、２層にて前記基板１２０上に配置される。また、前記ワイヤー１１１は、２層ではなく、３層以上で前記基板１２０上に配置されてもよい。
図１１に示すように、第３実施例に係るコイル装置１００は、少なくとも２本のワイヤー１１２、１１３がセルフボンディングされ、２層にて基板１２０上に配置される。
また、図１２に示すように、第４実施例に係るコイル装置１００のワイヤー１１１は、平角銅線からなることができ、２層にて基板１２０上に配置される。
一方、第１及び第３実施例に係る第１及び第２ワイヤー１１２、１１３のそれぞれは、単線(Solid Wire)のエナメル銅線からなることができ、エナメル銅線である第１及び第２ワイヤー１１２、１１３が、基板１２０上に積層される形態で配置されるようにセルフボンディングされてもよい。また、前記第１及び第３実施例に係る第１及び第２ワイヤー１１２、１１３のそれぞれは、リッツ(litz)ワイヤーからなることができる。前記リッツワイヤーは、極細の複数のエナメル銅線を一定ピーチで捩った銅線を意味する。前記リッツワイヤーの２つは、基板１２０の一面で積層されるようにセルフボンディングされる。
図１３は、ＮＦＣコイルをさらに含むコイル部を示した断面図である。
図１３に示すように、実施例に係るコイル装置１００は、コイル１１０を囲んで基板１２０上に配置されるＮＦＣコイル１３０をさらに含むことがある。
一方、実施例に係るコイル装置１００の製造方法は、第１及び第２端子１１５、１１６を備えた基板１２０を用意するステップと、複数のワイヤー１１２、１１３が相互前記基板１２０上に積層されるように、具体的には前記基板１２０の一面と垂直な方向に配置されるように前記複数のワイヤー１１２、１１３をセルフボンディングするステップと、前記複数のワイヤー１１２、１１３を前記基板１２０上に配置して前記第１及び第２端子１１５、１１６に連結するステップとを含むことができる。また、前記コイル装置１００は、無線電力伝送装置１０００の送信コイル部１４００であってもよく、無線電力受信装置２０００の受信コイル部２１００であってもよい。
図１４及び図１５は比較例に係るコイル部の断面図であり、図１６はコイル上の電流に応じた充電効率を示したグラフである。
図６及び図１４に示すように、比較例である図１４におけるワイヤー１１１のように、セルフボンディングされた第１及び第２ワイヤー１１２、１１３を基板１２０の一面と水平な方向に配置した場合、ワイヤー１１１の高さ(h)方向の長さは厚さ(t)方向の長さより短い。従って、図６の第１実施例に係るコイル装置１００は、基板１２０の内側領域で対向する内側ワイヤー１１１の間の距離Ｌ１は、図１４の対応する距離Ｌ３より長い。従って、基板１２０の内側領域の面積が増えるので、同一基板１２０の面積において、実施例はより多くのコイルを巻くことができる長所がある。
同様に、図７及び図１５に示すように、比較例である図１５における平角銅線１１１の短軸方向が基板１２０の一面と垂直であり、長軸方向が基板１２０の一面と平行である場合、平角銅線１１１の高さ(h)方向の長さは、厚さ(t)方向の長さより短い。従って、図７の第２実施例に係るコイル装置１００は、基板１２０の内側領域で対向する内側ワイヤー１１１の間の距離Ｌ２は、図１５の対応する距離Ｌ４より長い。従って、基板１２０の内側領域の面積が増えるので、同一基板１２０の面積において、実施例はより多くのコイルを巻くことができる。
Figure 2017077166
また、表１に示すように、図６及び図７による本発明の実施例は、図１４及び図１５のような比較例に比べて、インダクタンス(L)値が大きく現れ、抵抗(R)値がより減ることがわかる。従って、実施例は、比較例に比べて、品質指数である良好度(Q)が増加することがわかる。また、図１６によれば、実施例は比較例に比べて、コイル１１０上に流れる同一電流下で、より高い充電効率を見せるということがわかる。従って、実施例と比較例が同一量の金属物質、例えば同じ量の銅を利用してワイヤーを製作してコイル部を構成する場合、実施例は比較例に比べて、少ない抵抗値を持つので、電力損失が少なく、ワイヤーをさらに薄くすることができ、基板１２０の空間上の制約を克服することができる。そして、充電効率を１％上昇させることが技術的にかなり困難であることを考慮した場合、実施例は比較例に比べて、同一電流下で１％に近い充電効率を向上させることができる著しい効果がある。
以上で説明した本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当業者であれば、後述される特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び技術領域を逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更して実施できるはずである。従って、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって決定されるべきである。
１０１：電力変換部
１０２：送信側共振回路部
１０３：制御部
１１００：送信側交流／直流変換部
１１１０：整流器
１１２０：送信側直流／直流変換部
１２００：送信側直流／交流変換部
１３００：送信側インピーダンスマッチング部
１４００：送信コイル部
１５００：送信側通信及び制御部
１５１０：送信側制御部
１５２０：送信側通信部
１６００：検出部
２０００：受信装置
２１００：受信側コイル部
２０１、２１２０：受信側共振回路部
２２００：受信側インピーダンスマッチング部
２０２：受信側電力変換部
２３００：受信側交流／直流変換部
２４００：受信側直流／直流変換部
２５００：負荷部
２５１０：バッテリー
２５２０：バッテリー管理部
２６００：受信側通信及び制御部
２０３、２６１０：受信側制御部
２６２０：受信側通信部
１００：コイル装置
１１０：コイル
１１１：ワイヤー、平角銅線
１１２：第１ワイヤー
１１３：第２ワイヤー
１１５：第１端子
１１６：第２端子
１２０：基板
１３０：ＮＦＣコイル

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板の一面に少なくとも一回り巻かれて配置されたコイルと、
    を含み、
    前記基板の一面と垂直な前記コイルの断面の高さは、前記基板の一面と平行な前記コイルの断面の幅より長いことを特徴とするコイル装置。
  2. 前記コイルは、前記基板上の第１と第２端子との間に連結され、セルフボンディング(self-bonding)された複数のワイヤーを含むことを特徴とする請求項１に記載のコイル装置。
  3. 前記複数のワイヤーのそれぞれは単線(Solid Wire)であることを特徴とする請求項２に記載のコイル装置。
  4. 前記コイルは平角銅線であることを特徴とする請求項１に記載のコイル装置。
  5. 前記複数のワイヤーのそれぞれはリッツ(Litz)ワイヤーであることを特徴とする請求項２に記載のコイル装置。
  6. 前記コイルは誘導コイルまたは共振コイルであることを特徴とする請求項１に記載のコイル装置。
  7. 第１及び第２端子を含む基板と、
    前記基板の一面に少なくとも一回り巻かれて配置された第１コイルと、
    を含み、
    前記第１コイルは、前記基板上に積層されるようにセルフボンディングされた複数のワイヤーを含み、
    前記複数のワイヤーの一側は第１端子に共通に連結され、他側は第２端子に共通に連結されることを特徴とするコイル装置。
  8. 前記複数のワイヤーのそれぞれは単線(Solid Wire)であることを特徴とする請求項７に記載のコイル装置。
  9. 前記複数のワイヤーのそれぞれはリッツ(Litz)ワイヤーであることを特徴とする請求項７に記載のコイル装置。
  10. 前記複数のワイヤーのそれぞれは平角銅線であることを特徴とする請求項７に記載のコイル装置。
  11. 前記第１コイルは誘導コイルであることを特徴とする請求項７に記載のコイル装置。
  12. 前記基板上に積層されるようにセルフボンディングされた複数のワイヤーを含む第２コイルをさらに含み、
    前記第２コイルは共振コイルであることを特徴とする請求項１１に記載のコイル装置。
  13. 第１及び第２端子を備えた基板を用意するステップと、
    複数のワイヤーが相互前記基板上に積層されるように前記複数のワイヤーをセルフボンディングするステップと、
    前記複数のワイヤーを前記基板上に配置して前記第１及び第２端子に連結するステップと、
    を含むことを特徴とするコイル装置の製造方法。
  14. 前記複数のワイヤーのそれぞれは単線(Solid Wire)であることを特徴とする請求項１３に記載のコイル装置の製造方法。
  15. 前記複数のワイヤーのそれぞれはリッツ(Litz)ワイヤーであることを特徴とする請求項１３に記載のコイル装置の製造方法。
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