JP6140428B2

JP6140428B2 - 電力送信コイル及び無線電力送信装置

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Publication number: JP6140428B2
Application number: JP2012248725A
Authority: JP
Inventors: チュンキルジュン
Original assignee: ハンリムポステックカンパニーリミテッド
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2032-11-12
Also published as: US20130119779A1; KR101356623B1; EP4092701A1; US9472336B2; JP2013106045A; EP2595162A3; CN103107008A; EP2595162B1; KR20130051659A; EP2595162A2; CN103107008B

Description

本発明は、無線で電力を送信するのに使用される電力送信コイル、及び前記電力送信コイルを使用して無線で電力を送信する無線電力送信装置に関する。

一般に、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの各種携帯端末機には、電力を充電して動作電力を供給するバッテリパックなどの受電装置が取り付けられる。前記受電装置は、外部の充電装置から供給される電力を充電し、充電した電力を前記携帯端末機に供給して当該携帯端末機を動作させるためのものである。

前記受電装置は、電力を充電するバッテリセルモジュールや、前記外部の充電装置から供給される電力を前記バッテリセルモジュールに充電させ、前記バッテリセルモジュールに充電させた電力を放電させて前記携帯端末機に供給する充放電回路などを含む。

前記充電装置と前記受電装置とを電気的に接続する方式としては、前記充電装置の電力を出力するための端子と前記受電装置の電力を入力するための端子とをケーブルを介して直接接続する端子接続方式が知られている。

しかしながら、前記端子接続方式においては、前記充電装置の端子と前記受電装置の端子の間に電位差があるので、前記充電装置の端子と前記受電装置の端子とを接続又は分離する際に瞬間放電現象が起こる。

前記瞬間放電現象は、前記充電装置の端子及び前記受電装置の端子を摩耗させる。また、前記充電装置の端子及び前記受電装置の端子に異物が溜まっている場合は、前記瞬間放電現象により前記異物が発熱して火災などの事故が発生する恐れがあった。

また、湿気などにより、前記受電装置のバッテリセルモジュールに充電された電力が当該受電装置の端子から外部に自然放電され、それにより、前記受電装置の使用寿命の短縮や性能の低下を招くという問題があった。

近年、このような端子接続方式の様々な問題を解決するために、受電装置に無線で電力を送信する無線電力送信装置が提示されている。

前記無線電力送信装置は、例えば電磁誘導方式を用いて無線で電力を送信する。また、前記受電装置は、前記無線電力送信装置が無線で送信する電力を受信し、受信した電力をバッテリセルモジュールに充電させる。

前記無線電力送信装置は安定かつ高効率に無線で電力を送信することができるようにし、かつ、前記受電装置は前記無線電力送信装置が送信する電力を最大限受信してバッテリセルモジュールに充電させることができるようにするのに多くの努力がなされてきた。

前記無線電力送信装置はコアアセンブリを含む。前記無線電力送信装置のコアアセンブリは、コアと、前記コアに収容されて電力を送信する電力送信コイルとを含む。

また、前記受電装置もコアアセンブリを含む。前記受電装置のコアアセンブリは、コアと、前記コアに収容されて前記無線電力送信装置が送信する電力を受信する電力受信コイルとを含む。

前記無線電力送信装置のコアアセンブリに含まれる電力送信コイルと、前記受電装置のコアアセンブリに含まれる電力受信コイルとは、それぞれの特性上、サイズが異なる。

すなわち、前記受電装置の電力受信コイルは、前記受電装置が携帯端末機に接続されて充電機能を提供しなければならないので、前記受電装置のサイズによって前記電力受信コイルのサイズが決定されるという制限がある。

それに対して、前記無線電力送信装置の電力送信コイルは、前記受電装置が取り付けられた携帯端末機全体を搭載しなければならないので、前記無線電力送信装置の電力送信コイルのサイズが前記携帯端末機のサイズより大きくなければならないという制限がある。

このようなサイズ制限により、前記無線電力送信装置及び前記受電装置のそれぞれに備えられた主な構成要素である、コアアセンブリのコア及び電力送受信コイルのサイズに違いが生じる。

これに加えて、前記携帯端末機は通常長方形状に形成されるので、前記無線電力送信装置のコアアセンブリに備えられる電力送信コイルは、円形にすることが困難であり、通常楕円形又は長方形状に形成され、前記無線電力送信装置のコアアセンブリに備えられるコアも、正方形ではなく、長方形又は楕円形状に形成される。

それに対して、前記携帯端末機に取り付けられる受電装置は通常正方形状に形成されるので、前記受電装置のコアアセンブリに備えられる電力受信コイルは通常円形状に形成され、前記電力受信コイルが収容されるコアも通常四角形又は円形状に形成される。

前記無線電力送信装置のコアアセンブリと前記受電装置のコアアセンブリとのサイズの違いは、前記受電装置が受信する電力のばらつきをもたらす。すなわち、前記無線電力送信装置の上部に前記受電装置が載置される場合、当該受電装置のコアアセンブリが載置される位置によって、前記無線電力送信装置のコアアセンブリの電力送信コイルに流れる電流で発生する磁束により前記受電装置のコアアセンブリの電力受信コイルに誘導される電力が異なる。

前記電力受信コイルに誘導される電力のばらつきは、前記無線電力送信装置と前記受電装置との間で送受信されるデジタルデータの通信にも悪影響を及ぼす。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、無線電力送信装置のコアアセンブリの上部に載置される受電装置のコアアセンブリの位置に関係なく、前記無線電力送信装置のコアアセンブリから前記受電装置のコアアセンブリに最適な状態で電力を送信することのできる、電力送信コイル及び無線電力送信装置を提供することにある。

また、本発明が解決しようとする課題は、無線電力送信装置のコアアセンブリの上部に載置される受電装置のコアアセンブリの位置自由度を高めることのできる、電力送信コイル及び無線電力送信装置を提供することにある。

本発明による電力送信コイルは、電力を送信する場合に第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、前記第１コイルの外側に配置され、電力を送信する場合に前記第１方向とは相反する第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルとを含む。

また、本発明による無線電力送信装置は、直流電力をスイッチングして交流電力を生成する電力送信ユニットと、前記電力送信ユニットが生成した交流電力を無線で送信するコアアセンブリとを含み、前記コアアセンブリは、前記交流電力が印加される電力送信コイルと、前記電力送信コイルが収容されるコアとを含み、前記電力送信コイルは、電力を送信する場合に第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、前記第１コイルの外側に配置され、電力を送信する場合に前記第１方向とは相反する第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルとを含む。

前記電力送信ユニットは、電力送信を制御する電力送信制御部と、前記電力送信制御部の制御により電力送信のための駆動信号を発生する駆動ドライバと、前記駆動ドライバが発生した駆動信号に応じて前記直流電力をスイッチングして前記電力送信コイルに交流電力を供給する直列共振型コンバータとを含む。

さらに、本発明による無線電力送信装置は、直流電力をスイッチングして交流電力を生成する電力送信ユニットと、前記電力送信ユニットが生成した交流電力を無線で送信するための電力送信コイル、及び前記電力送信コイルが収容されるコアを含むコアアセンブリと、前記電力送信ユニットと前記コアアセンブリの電力送信コイルとの間に備えられ、前記交流電力をスイッチングするスイッチング部とを含み、前記電力送信コイルは、電力を送信する場合に第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、前記第１コイルの外側に配置され、電力を送信する場合に前記第１方向とは相反する第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルとを含み、前記スイッチング部は、前記電力送信ユニットの制御により前記交流電力をスイッチングして前記第１コイル及び前記第２コイルに選択的に供給する。

前記電力送信ユニットは、電力送信を制御し、前記スイッチング部のスイッチング動作を制御する電力送信制御部と、前記電力送信制御部の制御により電力送信のための駆動信号を発生する駆動ドライバと、前記駆動ドライバが発生した駆動信号に応じて前記直流電力をスイッチングして前記スイッチング部に出力する直列共振型コンバータとを含む。

また、本発明による無線電力送信装置は、前記電力送信制御部の制御により受電装置に情報を要求する要求信号を生成して前記電力送信コイルから前記受電装置に送信する信号送信部と、前記受電装置からの信号を前記電力送信コイルから受信して前記電力送信制御部に提供する信号受信部とをさらに含む。

前記直列共振型コンバータは、前記電力送信コイルの上部に載置される受電装置の電力受信コイルの位置によって、前記第１コイル及び前記第２コイルに選択的に交流電力を供給する。

前記電力送信制御部は、前記電力送信コイルの上部に載置される受電装置の電力受信コイルの位置によって前記スイッチング部を制御して、前記第１コイル及び前記第２コイルに選択的に交流電力を供給する。

前記第１コイル及び前記第２コイルを合わせた内周面と外周面との直線距離は、無線で電力を受信する電力受信コイルの直径より大きい。

前記第１コイルと前記第２コイルとは反対方向に巻回される。

また、前記第１コイル及び前記第２コイルは、絶縁性材料が被覆された１本の導線が連続的に巻回される。

また、前記第１コイル及び前記第２コイルは、絶縁性材料が被覆された導線がそれぞれ巻回され、前記第１コイルの外側端部と前記第２コイルの内側端部とが半田付けされて電気的に直列接続される。

また、前記第１コイル及び前記第２コイルは、同一平面上に同心円状に配置される。

本発明においては、電力送信コイルが、第１方向に巻回される第１コイルと、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイルとを含むので、受電装置が電力送信コイルのどの位置に載置されても最適な状態で電力を送信することができ、それにより、電力を充電する受電装置の位置自由度を高めることができる。

また、無線電力送信装置と受電装置とがデジタルデータを円滑に送受信することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施形態により詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。なお、一部の図においては、同一構成要素に同一符号を付す。

無線電力送信装置のコアアセンブリの電力送信コイルから受電装置のコアアセンブリの電力受信コイルに電力が送信される動作を説明するための図である。無線電力送信装置のコアアセンブリの電力送信コイルから受電装置のコアアセンブリの電力受信コイルに電力が送信される動作を説明するための図である。電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。本発明による電力送信コイルの一実施形態の構成を示す図である。本発明による電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。本発明による電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。本発明による電力送信コイルの上部に載置された電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。本発明による電力送信コイルの上部に載置される電力受信コイルの位置による電圧利得−周波数応答特性を測定して示すグラフである。本発明による電力送信コイルの他の実施形態の構成を示す図である。本発明による電力送信コイルのさらに他の実施形態の構成を示す図である。本発明による無線電力送信装置の一実施形態の構成を示す図である。本発明による電力送信コイルのさらに他の実施形態の構成を示す図である。本発明による無線電力送信装置の他の実施形態の構成を示す図である。本発明による無線電力送信装置の他の実施形態におけるスイッチング部のスイッチング動作により電力送信コイルの第１コイル及び第２コイルに流れる電流の方向を説明するための図である。本発明による無線電力送信装置の他の実施形態におけるスイッチング部のスイッチング動作により電力送信コイルの第１コイル及び第２コイルに流れる電流の方向を説明するための図である。本発明による無線電力送信装置の他の実施形態におけるスイッチング部のスイッチング動作により電力送信コイルの第１コイル及び第２コイルに流れる電流の方向を説明するための図である。本発明による無線電力送信装置の他の実施形態におけるスイッチング部のスイッチング動作により電力送信コイルの第１コイル及び第２コイルに流れる電流の方向を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、これは例示に過ぎない。なお、本発明の原理と概念は有用かつ簡単な説明を目的として提供される。

よって、本発明の基本的な理解のための必要以上の詳細な構造は提供せず、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が実施できる本発明の実施形態を図面に例示する。

図１ａ及び図１ｂは、無線電力送信装置のコアアセンブリの電力送信コイルから受電装置のコアアセンブリの電力受信コイルに電力が送信される動作を説明するための図である。同図において、符号１００は、無線電力送信装置のコアアセンブリに備えられて電力を送信する電力送信コイルであり、符号１１０は、受電装置のコアアセンブリに備えられて電力を受信する電力受信コイルである。

電力送信コイル１００及び電力受信コイル１１０は、絶縁性材料が被覆された導線が例えば時計方向（又は反時計方向）に巻回されたものである。電力送信コイル１００と電力受信コイル１１０とは異なる形状を有する。また、それぞれの特性上、電力送信コイル１００は、一般に電力受信コイル１１０に比べてサイズが非常に大きい。

一例として、電力送信コイル１００は、楕円形状に形成され、当該楕円の横幅が約５７ｍｍ、縦幅が約７０ｍｍであり、電力受信コイル１１０は、円形状に形成され、外径が約３２ｍｍである。

受電装置に送信する電力が電力送信コイル１００に供給されると、図１ａに示すように、電力送信コイル１００には、上側領域（図の上側）に流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}、右側領域（図の右側）に流れる右側電流Ｉ_{ＴｘＲｉｇｈｔ}、下側領域（図の下側）に流れる下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側領域（図の左側）に流れる左側電流Ｉ_{ＴｘＬｅｆｔ}が第１方向、例えば時計方向に流れて磁束が発生する。

そして、電力送信コイル１００の上部に電力受信コイル１１０が載置されると、電力送信コイル１００から発生する磁束が電力受信コイル１１０と鎖交することにより、図１ｂに示すように、電力受信コイル１１０には、上側領域（図の上側）に流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}、右側領域（図の右側）に流れる右側電流Ｉ_{ＲｘＲｉｇｈｔ}、下側領域（図の下側）に流れる下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側領域（図の左側）に流れる左側電流Ｉ_{ＲｘＬｅｆｔ}が時計方向に流れる。

図２ａに示すように、電力送信コイル１００の中央位置に電力受信コイル１１０が載置された場合は、電力送信コイル１００に流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}、右側電流Ｉ_{ＴｘＲｉｇｈｔ}、下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側電流Ｉ_{ＴｘＬｅｆｔ}と、電力受信コイル１１０に誘導されて流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}、右側電流Ｉ_{ＲｘＲｉｇｈｔ}、下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側電流Ｉ_{ＲｘＬｅｆｔ}との方向が全て一致する。

従って、電力送信コイル１００と電力受信コイル１１０とが全体として磁束鎖交が円滑になるようにリンクされ、電力受信コイル１１０は最適な状態で電力を受信することができる。

しかし、受電装置の電力受信コイル１１０が電力送信コイル１００の中央位置に正確に載置されないこともあり、受電装置の電力受信コイル１１０が電力送信コイル１００の中央位置に正確に載置されたが、前記受電装置が取り付けられた携帯端末機に振動が発生して前記受電装置の電力受信コイル１１０が電力送信コイル１００の中央位置から離れることもある。

図２ｂに示すように、電力送信コイル１００の上側位置、すなわち電力送信コイル１００において上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}が流れる位置の上部に電力受信コイル１１０が載置された場合は、電力送信コイル１００に流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}と電力受信コイル１１０に誘導されて流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}とは流れる方向が一致するが、電力受信コイル１１０に流れる下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}の位置では電力送信コイル１００の上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}が流れて互いに反対方向となる。

従って、電力送信コイル１００に流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}と電力受信コイル１１０に流れる下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}とが磁束鎖交が相殺されるようにリンクされ、電力受信コイル１１０に誘導される電力は、図２ａに示す場合に比べて相対的に少なくなる。

図２ｃに示すように、電力送信コイル１００の下側位置、すなわち電力送信コイル１００において下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}が流れる位置の上部に電力受信コイル１１０が載置された場合は、電力送信コイル１００に流れる下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}と電力受信コイル１１０に誘導されて流れる下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}とは流れる方向が一致するが、電力受信コイル１１０に流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}の位置では電力送信コイル１００の下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}が流れて互いに反対方向となる。

従って、電力送信コイル１００に流れる下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}と電力受信コイル１１０に流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}とが磁束鎖交が相殺されるようにリンクされ、電力受信コイル１１０に誘導される電力は、図２ａに示す場合に比べて相対的に少なくなる。

このように、電力受信コイル１１０が載置される位置によって、電力送信コイル１００から電力受信コイル１１０に送信される電力の強度が異なるため、電力送信コイル１００に載置される電力受信コイル１１０の位置自由度が非常に制限され、従って、これを改善する必要がある。

図３は、本発明による電力送信コイルの一実施形態の構成を示す図である。同図において、符号２００は、コア（図示せず）の中央部に収容される第１コイルである。第１コイル２００は、第１方向、例えば反時計方向に巻回されたものであり、電力を送信する場合に第１方向に電流が流れる。

符号２１０は、前記コアの上部に収容され、第１コイル２００の外側に配置される第２コイルである。第２コイル２１０は、前記第１方向とは相反する第２方向、例えば時計方向に巻回される。また、第２コイル２１０は、図３の部分拡大図に示すように第１コイル２００と直列に接続されてもよく、電力を送信する場合に第１コイル２００に流れる電流とは相反する第２方向、例えば時計方向に電流が流れる。

ここで、前記電力送信コイルの製造方法は様々である。例えば、絶縁性材料が被覆された１本の導線を連続的に巻回して第１コイル２００及び第２コイル２１０を形成することにより、第１コイル２００と第２コイル２１０とを直列接続してもよい。また、絶縁性材料が被覆された導線をそれぞれ巻回して第１コイル２００及び第２コイル２１０を形成し、第１コイル２００及び第２コイル２１０のいずれか一方をひっくり返し、半田付け２３０により第１コイル２００の外側端部と第２コイル２１０の内側端部とを直列接続してもよい。さらに、所定の専用巻線機械を用いて、前記巻線機械を作業条件に合わせて適切にセッティングし、その後、一連の巻回工程で、又は第１コイルの巻回を完了した後に巻回方向を変更して第２コイルの巻回を行う方式などで製造してもよい。前記電力送信コイルのより具体的な製造方法については、本発明の意図と異なるのでその詳細な説明は省略する。

また、第１コイル２００及び第２コイル２１０を合わせた内周面と外周面との直線距離は、受電装置に備えられた電力受信コイルの直径より大きい。

このような構成を有する本発明による電力送信コイルにおいては、電力を送信する場合に第１コイル２００及び第２コイル２１０に交流電力が印加される。

すると、第１コイル２００には第１方向、例えば反時計方向に電流が流れ、電力受信コイルに電力を送信する。

また、第２コイル２１０には前記第１方向とは反対方向である第２方向、例えば時計方向に電流が流れ、電力受信コイルに電力を送信する。

図４ａ〜図４ｃは、本発明による電力送信コイルの上部に載置される電力受信コイルの各位置で電力受信コイルに誘導されて流れる電流を説明するための図である。

図４ａを参照すると、第１コイル２００及び第２コイル２１０からなる電力送信コイルの中央位置に電力受信コイル２２０が載置された場合、電力受信コイル２２０は第１コイル２００の上部に位置する。

すると、第１コイル２００に流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}、右側電流Ｉ_{ＴｘＲｉｇｈｔ}、下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側電流Ｉ_{ＴｘＬｅｆｔ}と、電力受信コイル２２０に誘導されて流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}、右側電流Ｉ_{ＲｘＲｉｇｈｔ}、下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}、及び左側電流Ｉ_{ＲｘＬｅｆｔ}との方向が全て一致する。

従って、第１コイル２００と電力受信コイル２２０とが全体として磁束鎖交が円滑になるようにリンクされ、電力受信コイル２２０は最適な状態で電力を受信することができる。

図４ｂを参照すると、第１コイル２００及び第２コイル２１０からなる電力送信コイルの上側位置に電力受信コイル２２０が載置された場合、第１コイル２００の上部には電力受信コイル２２０の下端が位置し、第２コイル２１０の上部には電力受信コイル２２０の上端が位置する。

すると、第２コイル２１０及び第１コイル２００にそれぞれ流れる上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}と、電力受信コイル２２０に誘導されて流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}及び下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}との方向が一致する。

従って、第２コイル２１０及び第１コイル２００の上側電流Ｉ_{ＴｘＴｏｐ}と、電力受信コイル２２０の上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}及び下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}との磁束鎖交が一致するようにリンクされ、それにより、図４ａに示す場合に比べて相対的に若干少ないこともあり得るが、電力受信コイル２２０は最適な状態で電力を受信することができる。

図４ｃを参照すると、第１コイル２００及び第２コイル２１０からなる電力送信コイルの下側位置に電力受信コイル２２０が載置された場合、第１コイル２００の上部には電力受信コイル２２０の上端が位置し、第２コイル２１０の上部には電力受信コイル２２０の下端が位置する。

すると、第１コイル２００及び第２コイル２１０にそれぞれ流れる下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}と、電力受信コイル２２０に誘導されて流れる上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}及び下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}との方向が一致する。

従って、第１コイル２００及び第２コイル２１０の下側電流Ｉ_{ＴｘＢｏｔｔｏｍ}と、電力受信コイル２２０の上側電流Ｉ_{ＲｘＴｏｐ}及び下側電流Ｉ_{ＲｘＢｏｔｔｏｍ}との磁束鎖交が一致するようにリンクされ、それにより、図４ａに示す場合に比べて相対的に若干少ないこともあり得るが、電力受信コイル２２０は最適な状態で電力を受信することができる。

このような本発明による電力送信コイルの第１コイル２００及び第２コイル２１０の上部に載置される電力受信コイル２２０の位置の変動による周波数応答特性を測定するために、可変周波数による電圧利得の特性分析実験を行い、次の表１のような結果が得られた。

表１において、相互インダクタンスは、数式Ｖ_Ｒｘ＝ｗＭＩ_Ｔｘを用いて算出されたものである。

また、本発明による電力送信コイルの第１コイル２００及び第２コイル２１０の上部に載置される電力受信コイル２２０の位置による電圧利得−周波数応答特性を測定した結果から、図５に示すようなグラフが得られた。ここで、実験に使用された電力受信コイル２２０の位置は、図４ｂに示す電力送信コイルの上側位置、図４ｃに示す電力送信コイルの下側位置、及び図４ａに示す電力送信コイルの中央位置の３つの場合を基準としたものである。

表１及び図５に示すように、電力送信コイルの上部に載置される電力受信コイル２２０の位置による共振周波数の変動が少なく、また、電圧利得の変動幅が１ｄＢ以下であって従来の電力送信コイルに比べて非常に小さい。さらに、このような非常に小さい電圧利得の変動幅から相互インダクタンスの変動幅が相対的に非常に小さいことが分かる。

それに対して、図２ａ〜図２ｃに示すような従来の場合は、電力送信コイル１００の上部に載置される電力受信コイル１１０の位置による電圧利得及び相互インダクタンスの変動幅が次の表２のように非常に大きい。

以上、本発明が１つの電力送信コイルを備える場合を例に挙げて説明した。

しかし、これに限定されるものではなく、本発明を実施するにあたっては、図６に示すように、１つのコア３００の上部に第１電力送信コイル３１０及び第２電力送信コイル３２０を備えるようにしてもよい。

この場合、本発明においては、第１電力送信コイル３１０は、第１方向に巻回される第１コイル３１２と、第１コイル３１２の外側に配置され、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイル３１４とを備え、第２電力送信コイル３２０は、第１方向に巻回される第１コイル３２２と、第１コイル３２２の外側に配置され、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイル３２４とを備えるようにしてもよい。

また、本発明を実施するにあたっては、図７に示すように、１つのコア４００の上部に第１電力送信コイル４１０、第２電力送信コイル４２０、及び第３電力送信コイル４３０を備えるようにしてもよい。

この場合も、本発明においては、第１電力送信コイル４１０は、第１方向に巻回される第１コイル４１２と、第１コイル４１２の外側に配置され、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイル４１４とを備え、第２電力送信コイル４２０は、第１方向に巻回される第１コイル４２２と、第１コイル４２２の外側に配置され、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイル４２４とを備え、第３電力送信コイル４３０は、第１方向に巻回される第１コイル４３２と、第１コイル４３２の外側に配置され、前記第１方向とは相反する第２方向に巻回される第２コイル４３４とを備えるようにしてもよい。

図８は、本発明による無線電力送信装置の一実施形態の構成を示す回路図である。なお、図３、図６及び図７に示す電力送信コイルの構造による回路図の構成例及びその変形例は、当業者であれば後述する図８の説明から容易に変形して実施できるので、これについての詳細な説明は省略する。ここでは、本発明の理解のために、１つの電力送信コイルを使用する図８の場合について代表的に説明する。

図８に示すように、本発明による無線電力送信装置は、外部から入力される商用交流電力を直流電力に変換する交流／直流コンバータ５００と、無線で送信する電力を供給する電力送信ユニット５１０と、無線で電力を送信するコアアセンブリ５２０とを含む。

本実施形態においては、交流／直流コンバータ５００が本発明による無線電力送信装置に一体に備えられた場合を例に挙げるが、本発明を実施するにあたっては、交流／直流コンバータ５００が本発明による無線電力送信装置の外部に別に備えられて電力送信ユニット５１０に直流電力を供給するようにしてもよい。

電力送信ユニット５１０は、交流／直流コンバータ５００が変換した直流電力をスイッチングし、スイッチングした電力をコアアセンブリ５２０に備えられた第１コイル５２１及び第２コイル５２３に供給して無線で電力が送信されるようにする。

電力送信ユニット５１０は、電力送信制御部５１１、駆動ドライバ５１３、直列共振型コンバータ５１５、信号送信部５１７、及び信号受信部５１９を含んでもよい。

電力送信制御部５１１は、コアアセンブリ５２０の第１コイル５２１及び第２コイル５２３から無線で電力を送信するように制御する。

駆動ドライバ５１３は、電力送信制御部５１１の制御により、コアアセンブリ５２０の第１コイル５２１及び第２コイル５２３から電力を送信するための駆動信号を発生する。

直列共振型コンバータ５１５は、駆動ドライバ５１３が発生した駆動信号に応じて、交流／直流コンバータ５００が出力する直流電力をスイッチングし、第１コイル５２１及び第２コイル５２３に供給する。

信号送信部５１７は、電力送信制御部５１１の制御により、受電装置の情報を要求する要求信号を発生し、発生した要求信号を第１コイル５２１及び第２コイル５２３から前記受電装置に送信する。

信号受信部５１９は、前記受電装置が送信した情報信号や充電状態信号などを第１コイル５２１及び第２コイル５２３から受信し、電力送信制御部５１１に提供する。

このような構成を有する本発明による無線電力送信装置においては、電力を送信する場合、まず、受電装置の電力受信部が電力を受信できるか否かを判断しなければならない。すなわち、無線電力送信装置に備えられたコアアセンブリ５２０の位置に受電装置の電力受信部が位置するか否かを判断しなければならない。

このために、電力送信ユニット５１０の電力送信制御部５１１は、駆動ドライバ５１３が負荷変動を検出するための駆動信号を発生するように制御する。

駆動ドライバ５１３が発生した駆動信号は直列共振型コンバータ５１５に入力される。

直列共振型コンバータ５１５は、複数のトランジスタ又は複数のＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を備えており、駆動ドライバ５１３が発生した駆動信号に応じて複数のスイッチング素子が選択的にスイッチングされることにより直流電力をスイッチングして交流電力を生成する。

直列共振型コンバータ５１５が生成した交流電力は、コアアセンブリ５２０の第１コイル５２１及び第２コイル５２３に出力され、第１コイル５２１及び第２コイル５２３は、直列共振型コンバータ５１５が生成した交流電力により直列共振する。

この状態で、信号受信部５１９は、第１コイル５２１及び第２コイル５２３の信号を受信し、受信した信号を電力送信制御部５１１に出力する。

電力送信制御部５１１は、信号受信部５１９の信号を入力し、入力した信号を用いてコアアセンブリ５２０の第１コイル５２１及び第２コイル５２３に負荷変動が生じるか否かを判断する。

すなわち、コアアセンブリ５２０に受電装置の電力受信部を近接させていない場合は、第１コイル５２１及び第２コイル５２３にインピーダンス変化が生じない。

すると、信号受信部５１９は、駆動ドライバ５１３が発生する駆動信号に応じた周波数の信号のみを受信し、電力送信制御部５１１は、信号受信部５１９の信号に基づいて第１コイル５２１及び第２コイル５２３に負荷変動が生じていないと判断する。

そして、使用者が受電装置に電力を充電するために、コアアセンブリ５２０の第１コイル５２１及び第２コイル５２３に受電装置を近接させると、第１コイル５２１及び第２コイル５２３にインピーダンス変化が生じる。前記生じたインピーダンス変化に応じて、第１コイル５２１及び第２コイル５２３に印加された、負荷変動を検出するための駆動信号の周波数が変動する。

すると、信号受信部５１９は、前記インピーダンス変化に応じて変動した周波数の信号を受信し、電力送信制御部５１１は、信号受信部５１９の信号に基づいて第１コイル５２１及び第２コイル５２３に負荷変動が生じたと判断する。

第１コイル５２１及び第２コイル５２３に負荷変動が生じたと判断された場合、電力送信制御部５１１は、信号送信部５１７を制御して受電装置の情報を要求する要求信号、例えば前記受電装置のＩＤを要求する要求信号を発生し、発生した要求信号を第１コイル５２１及び第２コイル５２３から前記受電装置に送信する。

そして、電力送信制御部５１１は、信号受信部５１９の信号を入力し、前記受電装置のＩＤ信号が受信されるか否かを判断する。

なお、第１コイル５２１及び第２コイル５２３にインピーダンス変化が生じる原因は様々である。例えば、前述したように第１コイル５２１及び第２コイル５２３に前記受電装置を近接させた場合にインピーダンス変化が生じる。また、第１コイル５２１及び第２コイル５２３に前記受電装置以外に他の異物が近接した場合もインピーダンス変化が生じることがある。

前記異物によりインピーダンス変化が生じた場合、第１コイル５２１及び第２コイル５２３から電力を送信すると、無駄な電力が消費されることになる。

従って、電力送信制御部５１１は、第１コイル５２１及び第２コイル５２３に負荷変動が生じたと判断された場合、ＩＤを要求する要求信号を前記受電装置に送信し、前記要求信号に応じて前記受電装置からＩＤ信号が受信された場合、前記受電装置により第１コイル５２１及び第２コイル５２３にインピーダンス変化が生じたと判断する。

前記ＩＤ信号が受信された場合、電力送信制御部５１１は、第１コイル５２１及び第２コイル５２３に前記受電装置が近接したと判断し、駆動ドライバ５１３を制御して電力を送信するための駆動信号を発生させる。

駆動ドライバ５１３が発生した駆動信号に応じて直列共振型コンバータ５１５のスイッチング素子がスイッチングされることにより直流電力をスイッチングして交流電力を生成し、生成した交流電力が第１コイル５２１及び第２コイル５２３に印加され、第１コイル５２１及び第２コイル５２３から前記受電装置に無線で電力が送信される。

この状態で、電力送信制御部５１１は、信号受信部５１９の信号を入力し、前記受電装置から充電完了信号が受信されるか否かを判断し、充電完了信号が受信された場合、駆動ドライバ５１３を制御して電力送信を終了する。

以上、本発明による電力送信コイルが第１コイル及び第２コイルから構成されて直列接続される場合を例に挙げて説明した。

かし、これに限定されるものではなく、本発明を実施するにあたっては、図９に示すように、電力送信コイルを、第１方向に巻回される第１コイル６００と、前記第１方向とは反対方向である第２方向に巻回される第２コイル６１０とから構成し、送信する電力を第１コイル６００及び第２コイル６１０のそれぞれに選択的に供給するようにしてもよい。

このような構成を有する本発明のさらに他の実施形態においては、電力送信コイルの上部に載置される受電装置の電力受信コイルの位置によって、直列共振型コンバータ５１５が第１コイル６００及び第２コイル６１０に選択的に電力を供給するようにすることが好ましい。

例えば、電力受信コイルが第１コイル６００の上部にのみ載置された場合は、直列共振型コンバータ５１５が第１コイル６００にのみ電力を供給して受電装置に送信する。

また、電力受信コイルが第２コイル６１０の上部にのみ載置された場合は、直列共振型コンバータ５１５が第２コイル６１０にのみ電力を供給して受電装置に送信する。

さらに、電力受信コイルが第１コイル６００の上部及び第２コイル６１０の上部にわたって載置された場合は、直列共振型コンバータ５１５が第１コイル６００及び第２コイル６１０の両方に電力を供給して受電装置に送信する。

ここで、前記電力送信コイルの上部に載置される前記電力受信コイルの位置を検出する動作は一般的なものであるので、具体的な動作説明は省略する。

図１０は、本発明による無線電力送信装置の他の実施形態の構成を示す図である。図１０を参照すると、本発明による無線電力送信装置の他の実施形態においては、直列共振型コンバータ５１５とコアアセンブリ７００に備えられた第１コイル６００及び第２コイル６１０との間に、複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０からなるスイッチング部７１０をさらに含む。また、スイッチング部７１０に備えられた複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０は、電力送信制御部５１１の制御によりそれぞれスイッチングされるようにする。

このような構成を有する本発明による無線電力送信装置の他の実施形態においては、電力送信制御部５１１がスイッチング部７１０に備えられた複数のスイッチＳＷ１〜ＳＷ１０のスイッチングを制御することにより、第１コイル６００及び第２コイル６１０に選択的に電力を供給して無線で送信することができ、また、第１コイル６００及び第２コイル６１０に流れる電流の方向を選択的に変更することができる。

図１１ａ〜図１１ｄは、本発明による無線電力送信装置の他の実施形態におけるスイッチング部のスイッチング動作により電力送信コイルの第１コイル及び第２コイルに流れる電流の方向を選択的に変更できることを簡単に説明するための図である。

図１１ａを参照すると、電力送信制御部５１１がスイッチング部７１０を制御してスイッチＳＷ１、ＳＷ４を接続させた場合は、第１コイル６００にのみ電力が供給されるので、第１コイル６００から無線で電力を送信することができる。また、スイッチＳＷ５、ＳＷ８を接続させた場合は、第２コイル６１０にのみ電力が供給されるので、第２コイル６１０から無線で電力を送信することができる。

図１１ｂを参照すると、電力送信制御部５１１がスイッチング部７１０を制御してスイッチＳＷ２、ＳＷ３を接続させた場合は、第１コイル６００にのみ電力が供給されるので、第１コイル６００から無線で電力を送信することができる。また、スイッチＳＷ６、ＳＷ７を接続させた場合は、第２コイル６１０にのみ電力が供給されるので、第２コイル６１０から無線で電力を送信することができる。このとき、第１コイル６００及び第２コイル６１０には、図１１ａの場合とは反対方向に電流が流れる。

図１１ｃを参照すると、電力送信制御部５１１がスイッチング部７１０を制御してスイッチＳＷ１、ＳＷ６、ＳＷ１０を接続させた場合は、第１コイル６００及び第２コイル６１０の両方に電力が供給されるので、第１コイル６００及び第２コイル６１０の両方から無線で電力を送信することができる。このとき、第１コイル６００と第２コイル６１０とには反対方向に電流が流れ、互いに反対方向の磁束が発生する。

図１１ｄを参照すると、電力送信制御部５１１がスイッチング部７１０を制御してスイッチＳＷ３、ＳＷ８、ＳＷ９を接続させた場合は、第１コイル６００及び第２コイル６１０の両方に電力が供給されるので、第１コイル６００及び第２コイル６１０の両方から無線で電力を送信することができる。このとき、第１コイル６００と第２コイル６１０とには反対方向に電流が流れ、互いに反対方向の磁束が発生する。

以上、代表的な実施形態により本発明を詳細に説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の範疇から逸脱しない範囲内で前述した実施形態の様々な変形が可能であることを理解するであろう。

よって、本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲とその均等物により定められるべきである。

１００電力送信コイル
１１０、２２０電力受信コイル
２００、３１２、３２２、４１２、４２２、４３２、５２１、６００第１コイル
２１０、３１４、３２４、４１４、４２４、４３４、５２３、６１０第２コイル
３１０、４１０第１電力送信コイル
３２０、４２０第２電力送信コイル
４３０第３電力送信コイル
３００、４００コア
５００交流／直流コンバータ
５１０電力送信ユニット
５１１電力送信制御部
５１３駆動ドライバ
５１５直列共振型コンバータ
５１７信号送信部
５１９信号受信部
５２０、７００コアアセンブリ
７１０スイッチング部
ＳＷ１〜ＳＷ１０スイッチ

Claims

第１方向に巻回され、第１電力を送信する場合に前記第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、
前記第１コイルと同一平面上に前記第１方向とは相反する第２方向に前記第１コイルの縁に同心円状に巻回されて前記第１コイルと外形的に一つのコイルで構成され、第２電力を送信する場合に前記第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルと
を含み、
前記第１電力及び前記第２電力は、電力受信コイルの位置によって前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれに選択的に供給され、
前記電力受信コイルが前記第１コイルと前記第２コイルとの両方で検出される場合、前記第１電力と前記第２電力とは、前記第１コイルと前記第２コイルとにそれぞれ供給され、
前記電力受信コイルが前記第１コイルだけから検出される場合、前記第１コイルだけに前記第１電力が供給され、
前記電力受信コイルが前記第２コイルだけから検出される場合、前記第２コイルだけに前記第２電力が供給される、電力送信コイル。
前記第１コイル及び前記第２コイルを合わせた内周面と外周面との直線距離は、無線で電力を受信する電力受信コイルの直径より大きい、請求項１に記載の電力送信コイル。
前記第１コイル及び前記第２コイルは、絶縁性材料が被覆された導線がそれぞれ巻回される、請求項１又は請求項２に記載の電力送信コイル。
直流電力をスイッチングして交流電力を生成する電力送信ユニットと、
前記電力送信ユニットが生成した交流電力を無線で送信するコアアセンブリとを含み、前記コアアセンブリは、
前記交流電力が印加される電力送信コイルと、
前記電力送信コイルが収容されるコアとを含み、
前記電力送信コイルは、
第１方向に巻回され、第１電力を送信する場合に前記第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、
前記第１コイルと同一平面上に前記第１方向とは相反する第２方向に前記第１コイルの縁に同心円状に巻回されて前記第１コイルと外形的に一つのコイルで構成され、第２電力を送信する場合に前記第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルと
を含み、
前記第１電力及び前記第２電力は、前記電力送信コイルの上部に載置される電力受信コイルの位置によって前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれに選択的に供給され、
前記電力受信コイルが前記第１コイルと前記第２コイルとの両方で検出される場合、前記第１電力と前記第２電力とは、前記第１コイルと前記第２コイルとにそれぞれ供給され、
前記電力受信コイルが前記第１コイルだけから検出される場合、前記第１コイルだけに前記第１電力が供給され、
前記電力受信コイルが前記第２コイルだけから検出される場合、前記第２コイルだけに前記第２電力が供給される、無線電力送信装置。
前記電力送信ユニットは、
電力送信を制御する電力送信制御部と、
前記電力送信制御部の制御により電力送信のための駆動信号を発生する駆動ドライバと、
前記駆動ドライバが発生した駆動信号に応じて前記直流電力をスイッチングして前記電力送信コイルに交流電力を供給する直列共振型コンバータと、
を含む、請求項４に記載の無線電力送信装置。
前記電力送信制御部の制御により受電装置に情報を要求する要求信号を生成して前記電力送信コイルから前記受電装置に送信する信号送信部と、
前記受電装置からの信号を前記電力送信コイルから受信して前記電力送信制御部に提供する信号受信部と
をさらに含む、請求項５に記載の無線電力送信装置。
直流電力をスイッチングして交流電力を生成する電力送信ユニットと、
前記電力送信ユニットが生成した交流電力を無線で送信するための電力送信コイル、及び前記電力送信コイルが収容されるコアを含むコアアセンブリと、
前記電力送信ユニットと前記コアアセンブリの電力送信コイルとの間に備えられ、前記交流電力をスイッチングするスイッチング部とを含み、
前記電力送信コイルは、
第１方向に巻回され、第１電力を送信する場合に前記第１方向に電流が流れる少なくとも１つの第１コイルと、
前記第１コイルと同一平面上に前記第１方向とは相反する第２方向に前記第１コイルの縁に同心円状に巻回されて前記第１コイルと外形的に一つのコイルで構成され、第２電力を送信する場合に前記第２方向に電流が流れる少なくとも１つの第２コイルとを含み、
前記スイッチング部は、
前記電力送信ユニットの制御により前記交流電力をスイッチングして前記第１コイル及び前記第２コイルに選択的に供給し、
前記電力送信ユニットは、
前記電力送信コイルの上部に載置される電力受信コイルの位置によって前記スイッチング部を制御して前記第１コイル及び前記第２コイルのそれぞれに前記第１電力及び前記第２電力を選択的に供給し、
前記電力受信コイルが前記第１コイルと前記第２コイルとの両方で検出される場合、前記第１電力と前記第２電力とを前記第１コイルと前記第２コイルとにそれぞれ供給し、
前記電力受信コイルが前記第１コイルだけから検出される場合、前記第１コイルだけに前記第１電力を供給し、
前記電力受信コイルが前記第２コイルだけから検出される場合、前記第２コイルだけに前記第２電力を供給する、無線電力送信装置。
前記電力送信ユニットは、
電力送信を制御し、前記スイッチング部のスイッチング動作を制御する電力送信制御部と、
前記電力送信制御部の制御により電力送信のための駆動信号を発生する駆動ドライバと、
前記駆動ドライバが発生した駆動信号に応じて前記直流電力をスイッチングして前記スイッチング部に出力する直列共振型コンバータと、
を含む、請求項７に記載の無線電力送信装置。
前記電力送信制御部の制御により受電装置に情報を要求する要求信号を生成して前記電力送信コイルから前記受電装置に送信する信号送信部と、
前記受電装置からの信号を前記電力送信コイルから受信して前記電力送信制御部に提供する信号受信部と、
をさらに含む、請求項８に記載の無線電力送信装置。