KR102274007B1 - 무선 충전 장치에 적용되는 위치 검출 유닛 - Google Patents

Abstract

무선 충전 장치에 적용되어 충전 대상체의 위치를 검출하는 위치 검출 유닛은 충전 대상체에 제1 신호를 송신하고, 제1 신호에 응답된 제2 신호를 수신하는 감지 코일부, 수신된 제2 신호의 신호 레벨을 판단하는 레벨 판단부, 감지 코일부가 제1 신호를 송신하도록 구형파를 생성하고, 레벨 판단부에서 판단된 제2 신호의 신호 레벨을 기초로 충전 대상체의 위치를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

무선 충전 장치에 적용되는 위치 검출 유닛{POSITION DETECTION UNIT APPLIED TO WIRELESS CHARGING DEVICE}

본 발명은 무선 충전 장치에 적용되는 위치 검출 유닛에 관한 것으로, 무선 충전 장치에 충전 대상체의 존재 여부와 충전 대상체 내 수전코일의 중심위치를 검출하는 방법에 대한 것이다.

전자기기는 전기 에너지원으로 작동되는 장치로서, 최근에는 집적기술의 발달로 기기들의 크기가 소형화되고 휴대화가 가능하게 되면서 이러한 휴대용 전자기기들에게 전기 에너지를 공급하기 위한 에너지 원으로 배터리(battery)를 이용하는 방식들이 다양하게 적용되고 있다.

배터리는 일정량의 전기 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 전자기기에 공급하므로 전자기기의 지속적인 사용을 위해서는 배터리를 정기적으로 충전하여야 한다.

따라서, 휴대용 전자기기 사용에 필수적인 배터리의 충전 시점에도 전자기기의 사용 편의성을 더욱 높이기 위해 기존의 유선충전 방식에서 벗어나 무선 충전 기술(wireless charging technology)을 이용한 충전 방식들이 다양하게 개발되고 있다.

이러한 무선 충전 기술은 전원 코드나 충전용 커넥터를 사용하지 않고 무선으로 배터리의 충전에 필요한 전력을 전송하는 기술로서 종래에는 전동 칫솔이나 가정용 무선 전화, 전동 공구 등의 한정적인 용도에 머물고 있었다.

그러나, 최근 스마트폰 시장의 증가로 무선 충전 기술의 수요가 더욱 확대되었으며, 수요에 따라 다양한 충전 방식이 개발 되었으며 최근에는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식이 주로 이용되고 있다.

무선 충전은 교류 전원(AC) 또는 고주파 전류가 흐르는 코일에 의해 발생한 전자기장이 인접한 코일의 출력 단자에 기전력을 발생한다는 패러데이 법칙에 기반한 형태로 구현된다.

따라서, 스마트폰을 예로 들면 무선 충전 수신 모듈을 장착한 스마트폰이 무선 충전 송신 모듈이 구성된 무선 충전 장치의 충전 면(charging surface) 위에 놓이면 충전을 담당하는 회로들이 동작하여 기기 내에 장착된 배터리를 충전하게 된다.

무선 충전이 이루어지기 위해서는 충전 대상체와 무선 충전 장치가 물리적으로 인접할 것을 요하며 구체적으로 전기 에너지를 송수신 하는 모듈이 서로 인접할수록 무선 충전 효율이 달라지게 된다.

일반적으로 무선 충전 장치의 충전 면에 대하여 내부적으로 위치한 송신 코일의 굵기, 송전 수전 코일 수전코일 중심의 정렬 정도, 송전 수전 두 코일 모양의 일치 정도는 충전 효율을 결정하는 주요 변수가 될 수 있다.

따라서, 무선 충전 장치의 충전 효율을 극대화하기 위해서는 우선 충전 면에서 충전 대상체의 실제 위치를 인식하는 구성이 필요하며, 불필요한 전자파 방출을 방지하기 위해 충전 대상체의 존재 판단도 선행적으로 필요할 수 있다.

본 발명은 상술한 요구에 만족하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 충전 장치에서 충전 대상체가 충전 가능 영역에 들어왔는지 여부와 충전 대상체의 구체적인 위치 검출을 하기 위한 위치 검출 유닛을 제공함에 있다.

무선 충전 장치에 적용되어 충전 대상체의 위치를 검출하는 위치 검출 유닛은 상기 충전 대상체에 제1 신호를 송신하고, 상기 제1 신호에 응답된 제2 신호를 수신하는 감지 코일부, 상기 수신된 제2 신호의 신호 레벨(signal level)을 판단하는 레벨 판단부, 상기 감지 코일부가 제1 신호를 송신하도록 구형파(square wave)를 생성하고, 상기 레벨 판단부에서 판단된 제2 신호의 신호 레벨을 기초로 상기 충전 대상체의 위치를 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 감지 코일부는 상기 제1 신호를 송신 및 상기 제2 신호를 수신하기 위한 제1 루프코일과 제2 루프코일을 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 제1 루프코일과 제2 루프코일은 소정의 간격을 두고 서로 직교하여 격자무늬의 형태로 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일이 순차적으로 상기 충전 대상체에 제1 신호를 송신하도록 구형파를 상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일로 분산하여 전달하는 신호 전달부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 신호를 증폭시키는 송신 증폭기 및 상기 감지 코일부에서 수신된 제2 신호를 증폭시키는 수신 증폭기를 더 포함할 수 있고, 상기 레벨판단부는 증폭된 제2 신호를 기초로 제2 신호의 신호 레벨을 판단할 수 있다.

또한, 상기 수신 증폭기는 상기 감지 코일부에 포함된 상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일와 함께 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 신호를 송신할 때에는 상기 수신 증폭기와 상기 감지 코일부 사이의 신호를 차단하고, 제2 신호를 수신할 때는 상기 수신 증폭기와 상기 감지 코일부 사이의 신호를 연결하는 신호 조절부를 더 포함하고, 상기 신호차단부는 상기 구형파에 기초로 동기화되어 동작할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수 개의 루프코일을 이용하여 충전 대상체의 위치를 정확하게 판단할 수 있는 효과가 있다.

한정된 면적의 PCB에서 인쇄배선의 교차 및 밀도, 간섭 등의 문제를 극복할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 감지 코일부에 포함된 모든 루프를 이용함으로써, 인덕턴스를 증대하여 수신 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 감지 코일부의 송신하는 상태와 수신하는 상태를 구분하여, 수신 증폭기와 감지 코일부 사이의 연결을 차단하거나 연결함으로써, 과부하되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 방법의 사용예를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 유닛을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 루프코일 및 제2 루프코일을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 유닛의 감지코일을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전달부를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 증폭기를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 증폭기를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 증폭기의 신호흐름을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 유닛의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.

이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시 되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템(1000)의 사용예를 나타낸 예시도이다.

도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템(1000)은 무선 충전 장치(100), 충전 대상체(200) 및 위치 검출 유닛(300) 모두 또는 일부를 포함할 수 있다.

무선 충전 장치(100)는 무선으로 충전 대상체(200)의 배터리를 충전하는 기능을 수행할 수 있다. 무선 충전 장치(300)는 인접한 위치에 놓인 충전 대상체(200)의 배터리를 무선으로 충전할 수 있다. 여기서, 무선 충전 장치(100)는 자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 방식 등을 통해 충전 대상체(200)의 배터리를 충전할 수 있으나 여기서는 자기유도 방식을 사용한다. 구체적인 충전 방식에 관해서는 현재 주지된 기술을 이용할 수 있으므로 구체적인 설명을 생략하며, 이하에선 자기유도 방식의 무선 충전 장치(300)를 기초로 설명한다.

구체적으로 도 1의 무선 충전 장치(100)는 내부에 트레이(tray) 형의 충전 공간을 마련하고, 실제 충전 대상체(200)의 수전코일 중심 또는 전체 면적이 트레이 내에 임의 거치될 때 위치 가능한 영역을 스크로크 존(stroke zone)으로 설정할 수 있다.

즉, 트레이 면적 대비 실제 충전에 필요한 충전 대상체(200)의 수전코일이 위치할 수 있는 실제 영역을 스트로크 존으로 설정하고, 스크로크 존 내에서 위치 검출 유닛(300)은 전력을 수신하는 충전 대상체(200)의 수전코일(미도시)의 정확한 중심 위치를 결정할 수 있다.

스크로크 존 내 결정된 위치에 따라 충전을 위한 전력을 송신하는 무선 충전 장치(100)의 송전 코일(미도시)은 결정된 위치로 이동하여 충전을 진행할 수 있다.

충전 대상체(200)는 전자 장치나 전기 장치를 의미할 수 있다. 구체적으로, 충전 대상체(200)는 휴대 가능한 장치로 배터리를 포함하고 있으며, 예를 들어 자기유도 방식의 무선 충전을 위해 내외부에 수전코일을 포함하고 있을 수 있다.

충전 대상체(200)는 휴대폰, 태블릿 및 PDA 등을 포함할 수 있으며, 수전 모듈은 내부에 구성될 수 있다.

위치 검출 유닛(300)은 무선 충전 장치(100)의 충전 가능 영역에 충전 대상체(200)가 들어왔는지 여부를 판단하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 위치 검출 유닛(300)은 무선 충전 장치(100)에서 충전 대상체(200)의 수전코일의 중심 위치를 판단할 수 있다. 여기서, 위치 검출 유닛(300)은 주파수 영역의 신호 해석을 통하여 충전 대상체(200)의 존재 및 위치를 판단할 수 있다.

구체적으로, 주파수 영역의 신호해석에서 입력신호를 I(S), 출력신호를 R(S), 전달함수를 H(S) 라 할 때 입력신호에 대한 출력신호는 R(S) = I(S) X H(S)과 같이 표현할 수 있다.

여기에서 임펄스를 입력신호로 사용하면 I(S)=1로 놓을 수 있으므로 R(S)=H(S)가 된다. 즉, 전달함수에 해당하는 신호가 출력되며, 이를 기초로 위치 검출 유닛(300)은 위치 검출 유닛(300)의 전달함수를 가지는 수전코일의 존재 여부 및 위치를 판단하여 궁극적인 충전 대상체(200)의 존재 여부 및 위치를 판단할 수 있다. 따라서, 수전코일은 충전 대상체(200)의 내부의 일 위치에 존재할 수 있다.

한편, 임펄스 신호는 이론적으로 신호의 폭이 0인 신호지만, 공진주파수 주기에 비하여 매우 짧은 펄스 폭을 가지는 구형파 신호를 대치 사용하여도 공학적으로 유사한 임펄스 신호로 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명은 이하에서 임펄스 신호에 대응하는 구형파를 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.

이하에서, 도 2를 참조하여, 위치 검출 유닛(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 유닛(300)을 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 위치 검출 유닛(300)은 감지 코일부(310), 신호 전달부(320), 송신 증폭기(330), 수신 증폭기(340), 신호 조절부(350), 레벨 판단부(360), 제어부(370)를 모두 또는 일부만을 포함할 수 있다.

감지 코일부(310)는 구형파를 송수신하는 채널 경로가 된다 할 수 있다. 구체적으로, 감지 코일부(310)는 충전 대상체(200)의 수전코일로 구형파를 송신할 수 있고, 송신된 구형파의 응답 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 수신된 응답 신호는 충전 대상체(200)의 수전코일에서 발생될 수 있으며, 시간 지연된 에코 신호 형태로 감지 코일부(310)에 수신될 수 있다. 이하에서, 감지 코일부(310)를 통해 송신되는 구형파를 제1 신호로 정의하고, 해당 구형파에 응답되어 감지 코일부(310)에 수신된 신호를 제2 신호로 정의하도록 한다.

감지 코일부(310)는 복수개의 루프코일이 격자형태로 이루어져 형성될 수 있으며, 이와 관련하여, 도 3 및 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)을 나타낸 예시도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 검출 유닛(300)의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)로 구성된 감지 코일부감지 코일부(310)를 나타낸 예시도이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 감지 코일부(310)는 (a)와 같이 가로로 길쭉한 형태로 코일이 1회전되어 구현된 제1 루프코일(311)과 (b)와 같이 세로로 길쭉한 형태로 코일이 1회전되어 구현된 제2 루프코일(312)로 이루어질 수 있다.

여기서, 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)의 형태는 일 실시예이며, 무선 충전 장치(100)의 크기나 내부 공간 등에 따라 달라질 수도 있다. 이와 같이 코일을 1회전만 하여 형성됨으로써, 한정된 면적의 PCB에서 인쇄배선의 교차 및 밀도, 간섭 등의 문제를 극복할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 감지 코일부(310)는 제5 고저파에 해당하는 900KHz 내외의 제2 신호를 수신할 수 있다.

추가적으로 도 4를 참조하면, 감지 코일부(310)는 적어도 하나 이상의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)이 소정 간격을 두고 교차된 격자 구조로 배치되어 형성될 수 있다. 즉, 감지 코일부(310)는 각각의 개별적인 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)을 적어도 하나 이상을 포함하고, 적어도 하나 이상의 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)로 이루어진 루프코일의 그리드 구조로 형성될 수 있다. 즉, 감지 코일부(310)는 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)이 소정의 간격을 두고 서로 직교하여 격자무늬의 형태로 배치되어 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 4와 같이 감지 코일부(310)는 세로 방향으로 제1 루프코일(311)을 31개, 가로 방향으로 제2 루프코일(312)을 26개가 소정 간격을 두고 교차되어 총 57개의 개별적인 루프코일로 이루어진 그리드 형태로 형성될 수 있다.

이 때 루프 그리드 형태를 위하여 각각의 단위 제1 루프코일(311) 들은 도 4를 기준으로 세로 방향으로 소정 간격으로 배치될 수 있으며, 도시되지는 않았으나 세로 방향으로 배치될 때 배치되는 면에 대한 수직 방향에서는 상하로 교번하여 배치될 수 있도록 하여 위치 분해능(resolution)을 높이기 위해 회로 배선을 조밀하게 회로 배선을 해도 인접 루프코일이 서로 닿아 쇼트되지 않도록 하는 다층보드(Multi-layer board) 구조를 취하는 특징을 가지며 높이도 최소화할 수 있다.

같은 방법으로 제2 루프코일(312)의 경우는 가로 방향으로 소정 간격에 따라 배치되고, 가로 방향으로 배치될 때 상하로 교번하여 높은 분해능의 회로 배선을 위해 조밀하게 배치될 수 있다.

또한, 제1 루프코일(311) 각각은 상층과 하층, 제2 루프코일(312) 각각은 상층과 하층으로 4개의 레이어 형태로 적층될 수 있으며 4단 구성으로 보다 조밀하고 얇은 그리드 형태를 구현할 수 있다.

보다 상세하게는, 긴 육각형 모양의 각 루프코일(311, 312)의 위치 분해능을 높이기 위해서는 분해능만큼 루프코일을 서로 떨어뜨려 겹치는 적층구조로 회로를 설계하되 이들 겹치는 루프코일들이 맞닿아 쇼트되는 일이 없도록 하여 한 바퀴 돌면서 루프회로를 형성하도록 설계를 해야 할 수 있다. 예를 들어, 루프코일부(310)의 제1 루프코일(311)들은 1층과 4층 레이어로 연결되도록 하여 루프회로를 형성하도록 하고, 제2 루프코일(312)들은 2층과 3층 레이어로 연결되도록 하되 루프코일이 한 바퀴 돌 때 긴 육각형 모서리에 5개씩의 비어(via)를 두어, 말하자면 구멍을 뚫어, 다른 층으로 내려갔다가 다시 올라 올 수 있는 배선구조로 하되 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)과도 서로 맞닿지 않는 구조가 되도록 비어들을 통해 각각 독립적인 회로선들로 안전하게 기능하도록 설계할 수 있다. 감지 코일부(310)는 개별적인 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)로 이루어짐으로써, 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312) 각각 제1 신호를 충전 대상체(200)에 송신할 수 있으며, 이에 응답되는 제2 신호를 수신할 수 있다.

예를 들어, 제1 루프코일(311)인 a, b, c와 제2 루프코일(312)인 d, e, f로 이루어진 감지 코일부(310)는 a, b, c, d, e 및 f의 각 루프코일 별로 제1 신호를 충전 대상체(200)에 송신할 수 있다. 즉, 감지 코일부(310)에 포함된 복수의 루프코일은 순차적으로 선택되어 개별적으로 제1 신호를 송신하며, 송신한 제1 신호에 응답된 제2 신호를 순차적으로 수신할 수 있다. 여기서, 충전 대상체(200)에 제1 신호를 송신할 루프코일은 제어부(370) 또는 신호 전달부(320)에 의해 선택될 수 있다.

또한, 감지 코일부(310)는 제1 신호를 송신할 때에는 각각의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)에서 순차적으로 송신하고, 송신한 제1 신호에 응답된 제2 신호를 수신할 때에는 감지 코일부(310)에 포함된 모든 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)을 통해서 수신할 수 있다.

즉, 충전 대상체에 제1 신호를 송신하는 시점에는 송신하는 루프코일 이외의 루프코일들은 회로에서 분리되고, 제2 신호를 수신하는 시점에는 감지 코일부(310)에 포함된 모든 루프코일이 결합되어 수신될 수 있다.

이와 같이, 제2 신호를 수신할 때, 감지 코일부(310)에 포함된 모든 루프를 이용함으로써, 인덕턴스를 증대하여 수신 감도를 높일 수 있다.

상술한 본원 발명에 따르면, 적은 턴을 가진 루프 코일로도 높은 인덕턴스를 가질 수 있어 경제적이며 구조적으로 효율적일 수 있다.

또한, 감지 코일부(310)는 제1 루프코일(311)과 제1 루프코일(311) 사이, 제2 루프코일(312)과 제2 루프코일(312) 사이 또는 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312) 사이 간의 간격이 좁아질수록, 좁은 간격으로 제1 신호를 충전 대상체(200)로 송신할 수 있으며 보다 정밀하게 충전 대상체(200)를 감지할 수 있다.

또한, 도 4를 참조하면 감지 코일부(310)의 중앙 영역에서는 코일의 회전방향을 기준으로 돌아오는 방향의 코일 선과 나가는 방향의 코일 선이 교번하여 배치되므로 보다 분해능을 향상시키고 정밀한 감지가 가능하게 된다.

즉, 감지 코일부(310)의 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312) 사이의 소정 간격은 감지 코일부(310)의 분해능을 결정할 수 있다.

따라서, 감지 코일부(310)의 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312) 사이의 소정 간격은 충전 대상체(200)의 크기, 수전코일의 크기와 충전 대상체(200)에 대한 위치검출 정밀도에 따라 결정될 수 있다.

예를 들어, 수전코일의 크기가 작은 경우, 충전 대상체(200)의 정확한 위치를 찾기 위해선 보다 좁은 소정 간격으로 결정될 수 있다.

또는 충전 대상체(200)의 크기와 충전에 이용될 무선 충전 장치(100)의 충전 면의 너비를 고려하여 상대적인 비율에 따라 간격을 결정하는 것도 가능하다.

구체적으로 충전 면으로 무선 충전 장치(100)의 전체 면적을 고려하되, 실제 다양한 크기의 충전 대상체(200) 내 수전코일의 위치를 이용하여 유효 충전이 가능한 영역을 충전 대상 면적 또는 유효 충전 면으로 설정하여 비율에 따라 간격을 결정하는 것도 가능하다.

이 때, 간격은 도 4와 같이 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312)의 배치 시에 결정되어 고려될 수 있을 뿐만 아니라, 최소 간격으로 배치하되 주로 이용되는 충전 대상체(200)의 크기를 직접 입력 받거나 학습(기계 학습 등)하여 제1 신호의 송신에 이용되는 루프코일을 선택적으로 소정 간격을 두고 활성화 함으로써 소프트웨어적으로 간격을 설정하는 것도 가능하다.

다시, 도 2를 참조하면, 신호 전달부(320)는 구형파를 감지 코일부(310)에 전달하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 신호 전달부(320)는 감지 코일부(310)를 구성하는 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)이 순차적으로 충전 대상체(200)에 제1 신호를 송신하도록 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)로 구형파를 순차적으로 분산하여 전달하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 신호 전달부(320)로 소프트웨어 부담을 경감시키기 위해 링 카운터(ring counter)가 적용될 수 있으며, 소자 수를 축소하기 위해, 표준 TTL인 74HC4017을 사용할 수도 있다.

이와 관련하여 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 전달부(320)를 나타낸 예시도이다.

도 4에서 예를 들어 언급한 바와 같이 감지 코일부(310)는 총 57개의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)으로 구성됨으로, 총 7개의 74HC4017을 도 5와 같이 확장모드로 연결하여 57비트의 하이 액티브(High Active) 링 카운터로 구현될 수도 있다. 여기서 (a)는 제어부(370)에서 생성한 구형파일 수 있다.

또한, 신호 전달부(320)의 변환한 구형파는 신호 조절부(350) 또는 레벨 판단부(360)의 동작에도 이용될 수 있으며, 이와 관련한 구체적인 내용은 추후에 설명한다.

송신 증폭기(330)는 구형파가 왜곡되지 않도록 증폭하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 송신 증폭기(330)는 신호 전달부(320)에서 감지 코일부(310)로 구형파를 전달하는 사이에서 구형파가 왜곡되지 않도록 증폭하는 기능을 수행할 수 있다.

여기서, 송신 증폭기(330)는 입력 임피던스가 높은 이미터 폴로어(emitter follower) 구조의 회로가 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6을 참조하면, 신호 전달부(320)에서 전달되는 구형파는 입력 임피던스가 높은 이미터 폴로어 구조의 회로를 거친 후, 감지 코일부(310)에 포함된 제1 루프코일과 제2 루프코일로 전달될 수 있다. 이러한 구조는 회로를 동작 준비상태로 두기 위한 바이어스를 요구하지 않아 전체 시스템 소모전력을 절감시킬 수 있다.

수신 증폭기(340)는 감지 코일부(310)에서 수신된 제2 신호를 증폭하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 수신 증폭기(340)는 충전 대상체(200)의 수전코일에서 발생되어, 시간 지연된 에코 신호 형태로 감지 코일부(310)에 수신된 제2 신호의 레벨을 판단할 수 있도록 증폭할 수 있다. 여기서, 수신 증폭기(340)는 약 20dB 내외의 이득을 가질 수 있다.

또한, 수신 증폭기(340)는 감지 코일부(310)에 연결 될 때 감지 코일부(310)에 포함된 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312) 각각이 별도로 연결되는 것이 아니라, 모든 루프코일이 하나의 수신 증폭기(340)에 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 증폭기(340)를 나타낸 예시도이다.

도 7을 참조하면, 감지 코일부(310)에 포함된 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)은 병렬로 하나의 수신 증폭기(340)에 함께 연결될 수 있다. 이 때, 각 루프코일의 수신된 신호는 다이오드를 이용하여 결합될 수 있다.

즉, 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)은 하나의 노드로 연결되어 수신 증폭기(340)에 연결될 수 있다. 이러한 구조는 제1 루프코일(311)과 제2 루프코일(312) 각각에 수신 증폭기(340)를 연결하는 구조보다 필요로 하는 소자의 수를 절감시켜 회로복잡도와 그에 따른 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312) 각각의 인덕턴스 값이 작아도 커플링 효과로 임피던스가 증대되는 효과를 얻을 수 있다.

신호 조절부(350)는 수신 증폭기(340)와 감지 코일부 사이의 신호를 조절하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 신호 조절부(350)는 감지 코일부(310)에서 제1 신호를 충전 대상체(200)로 송신할 때, 수신 증폭기(340)와 감지 코일부(310) 사이의 신호 흐름을 차단하는 기능을 수행할 수 있다.

또한, 신호 조절부(350)는 감지 코일부(310)에서 충전 대상체(200)로부터 제2 신호를 수신할 때, 수신 증폭기(340)와 감지 코일부(310) 사이의 신호 흐름을 연결하는 기능을 수행할 수 있다.

즉, 신호 조절부(350)는 감지 코일부(310)의 송신하는 상태와 수신하는 상태를 구분하여, 수신 증폭기(340)와 감지 코일부(310) 사이를 차단하거나 연결할 수 있다.

본 발명은 감지 코일부(310) 하나로 제1 신호를 송신하고 제2 신호를 수신하므로, 감지 코일부(310)에 연결되는 수신 증폭기(340)에 상대적으로 큰 레벨의 제1 신호가 유입되면 수신 증폭기(340)가 과부하로 포화되어 상대적으로 미약한 레벨의 응답 신호인 제2 신호의 증폭기능을 방해하는 문제점이 발생할 수 있는데 신호 조절부(350)를 이용함으로써 이러한 문제점을 방지할 수 있는 효과가 있다.

신호 조절부(350)는 신호 전달부(320)에서 변형된 구형파에 기초로 동기화되어 동작할 수 있다. 이를 통해, 신호 조절부(350)는 루프 코일이 제1 신호를 송신하거나 제2 신호를 수신하는 시점에 자동으로 선택적인 동작을 수행할 수 있다.

한편, 레벨 판단부(360)는 제2 신호의 신호 레벨을 판단하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 레벨 판단부(360)는 수신 증폭기(340)에서 증폭된 제2 신호를 기초로 제2 신호의 신호 레벨을 판단할 수 있다. 여기서, 신호 레벨은 임의의 점에서 신호 전류의 세력을 의미하며, 데시벨(dB)로 나타낼 수 있다.

또한, 레벨 판단부(360)는 각 신호를 판단하기 전에 방전 처리를 수행할 수도 있다.

구체적으로, 레벨 판단부(360)는 제2 신호의 신호 레벨을 판단한 후 다음 번의 제2 신호를 판단하기 전에 이전의 신호를 방전할 수 있으며, 제어부(370)에서 생성된 구형파에 동기화되어 동작될 수 있다.

이와 관련하여 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8을 참조하면, (a)는 감지 코일부(310)에서 제1 신호를 송신할 때, 신호 전달부(320)에서 변형된 구형파 신호를 나타낸 것이며, (b)는 레벨 판단부(360)에 수신된 신호를 나타낸 것이다.

여기서, 레벨 판단부(360)는 제2 신호(ㄱ)를 수신한 후, 신호 레벨을 판단하고, 구형파에 의해 이전에 수신된 제2 신호(ㄱ)를 방전할 수 있다. 그리고, 레벨 판단부(360)는 방전 후, 다음 신호인 제2 신호(ㄴ)의 신호 레벨을 판단할 수 있다. 즉, 레벨 판단부(360)는 감지 코일부(310)에서 제1 신호를 송신할 때, 기존의 수신된 제2 신호를 방전할 수 있다.

구체적으로 레벨 판단부(360)는 신호 전달부(320)에서 변형된 구형파에 동기화되어 이전에 수신된 제2 신호를 방전하는 기능을 수행할 수 있다.

이와 같이, 레벨 판단부(360)는 각 신호를 판단하기 전에 방전 구간을 포함함으로써, 수신되어 신호 레벨 판단이 끝난 제2 신호가 누적되어 다음에 수신되는 제2 신호를 왜곡하지 않도록 할 수 있다.

제어부(370)는 구형파를 생성하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 제어부(370)는 감지 코일부(310)가 제1 신호를 충전 대상체(200)로 송신하도록 구형파를 생성할 수 있다.

또한, 제어부(370)에서 생성된 구형파는 신호 전달부(320)를 거쳐서 감지 코일부(310)로 전달될 수 있다. 또한, 제어부(370)에서 생성된 구형파는 신호 조절부(350)와 레벨 판단부(360)의 동작을 제어하는 기능을 수행할 수도 있다.

또한, 제어부(370)는 충전 대상체(200)의 위치(위치 좌표)를 판단하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 제어부(370)는 레벨 판단부(360)에서 판단된 제2 신호의 신호 레벨을 기초로 충전 대상체(200)의 위치를 판단할 수 있다.

예를 들어, 복수의 제1 루프코일(311)의 신호 레벨이 10dB, 15dB, 20dB이고, 복수의 제2 루프코일(312)의 신호 레벨이 10dB, 15dB, 20dB인 경우, 제어부(370)는 충전 대상체(200)가 신호 레벨이 20dB인 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)에 인접하게 위치하고 있다고 판단할 수 있다.

이어서, 도 9를 참조하여 위치 검출 유닛(300)의 충전 대상체(200)의 위치를 판단하는 방법을 설명한다.

도 9를 참조하면, 위치 검출 유닛(300)의 제어부(370)는 충전 대상체(200)의 위치를 판단하기 위해 구형파를 생성할 수 있다(S100).

위치 검출 유닛(300)의 신호 전달부(320)는 제어부(370)에서 생성한 구형파를 기초로 감지 코일부(310)를 구성하는 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)로 구형파를 순차적으로 분산하여 전달할 수 있다(S200).

여기서, 신호 전달부(320)에 의해 변형된 구형파는 송신 증폭부(330)를 거쳐 감지 코일부(310)로 전달될 수 있다.

위치 검출 유닛(300)의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)은 충전 대상체(200)로 제1 신호를 송신할 수 있다(S300). 구체적으로, 제1 신호를 송신하는 단계(S300)에서 제1 신호를 송신하는 제1 루프코일(311) 또는 제2 루프코일(312)를 제외한 다른 루프코일들은 분리된 상태로 제1 신호가 송신될 수 있다.

송신 후 위치 검출 유닛(300)의 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)은 충전 대상체(200)로부터 제2 신호를 수신할 수 있다(S400).

구체적으로, 제2 신호를 수신 받는 단계(S400)에서 감지 코일부(310)는 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312) 모두가 연결된 상태로 제2 신호를 수신할 수 있다. 이를 통해서, 감지 코일부(310)의 수신감도를 높일 수 있다.

위치 검출 유닛(300)의 레벨 판단부(360)는 수신된 제2 신호의 신호 레벨을 판단할 수 있다(S500). 여기서, 레벨 판단부(360)는 수신 증폭기(340)에 의해 증폭된 제2 신호를 기초로 신호 레벨을 판단할 수 있다.

제1 신호를 송신하는 단계(S300) 및 제2 신호를 수신 받는 단계(S400)에서 신호 조절부(350)는 감지 코일부(310)의 송신하는 상태와 수신하는 상태를 구분하여, 수신 증폭기(340)와 감지 코일부(310) 사이를 차단하거나 연결할 수 있다. 이를 통해서, 제1 신호가 유입되어 수신 증폭기(340)가 과부하로 포화되는 문제점을 해결할 수 있다.

이상의 과정을 통해 위치 검출 유닛(300)의 제어부(370)는 판단된 신호 레벨을 기초로 충전 대상체의 위치를 판단할 수 있다(S600).

예를 들어, 충전 대상체의 위치를 판단하는 단계(S600)에서 제어부(370)는 판단된 신호 레벨 중 가장 높게 나온 제1 루프코일(311) 및 제2 루프코일(312)에 인접하게 충전 대상체(200)가 존재한다고 판단할 수 있다.

한편, 본 발명은 제어부(370)와 신호 전달부(320)를 분리하여 설명하였으나, 하나의 구성으로 동작할 수도 있다.

이상 상술한 본 발명에 따르면, 복수 개의 루프코일을 이용하여 충전 대상체의 위치를 정확하게 판단할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 한정된 면적의 PCB에서 인쇄배선의 교차 및 밀도, 간섭 등의 문제를 극복할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 감지 코일부에 포함된 모든 루프를 이용함으로써, 인덕턴스를 증대하여 수신 감도를 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 감지 코일부의 송신하는 상태와 수신하는 상태를 구분하여, 수신 증폭기와 감지 코일부 사이의 연결을 차단하거나 연결함으로써, 과부하되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 명세서 및 청구범위에서 "제 1", "제 2", "제 3" 및 "제 4" 등의 용어는, 만약 있는 경우, 유사한 구성요소 사이의 구분을 위해 사용되며, 반드시 그렇지는 않지만 특정 순차 또는 발생 순서를 기술하기 위해 사용된다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 시퀀스로 동작할 수 있도록 적절한 환경하에서 호환 가능한 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 여기서 방법이 일련의 단계를 포함하는 것으로 기술되는 경우, 여기에 제시된 그러한 단계의 순서는 반드시 그러한 단계가 실행될 수 있는 순서인 것은 아니며, 임의의 기술된 단계는 생략될 수 있고/있거나 여기에 기술되지 않은 임의의 다른 단계가 그 방법에 부가 가능할 것이다.

또한 명세서 및 청구범위의 "왼쪽", "오른쪽", "앞", "뒤", "상부", "바닥", "위에", "아래에" 등의 용어는, 설명을 위해 사용되는 것이며, 반드시 불변의 상대적 위치를 기술하기 위한 것은 아니다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 방향으로 동작할 수 있도록 적절한 환경 하에서 호환 가능한 것으로 이해될 것이다. 여기서 사용된 용어 "연결된"은 전기적 또는 비 전기적 방식으로 직접 또는 간접적으로 접속되는 것으로 정의된다. 여기서 서로 "인접하는" 것으로 기술된 대상은, 그 문구가 사용되는 문맥에 대해 적절하게, 서로 물리적으로 접촉하거나, 서로 근접하거나, 서로 동일한 일반적 범위 또는 영역에 있는 것일 수 있다. 여기서 "일 실시예에서"라는 문구의 존재는 반드시 그런 것은 아니지만 동일한 실시예를 의미한다.

또한 명세서 및 청구범위에서 '연결된다', '연결하는', '체결된다', '체결하는', '결합된다', '결합하는' 등과 이런 표현의 다양한 변형들의 지칭은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 무선 충전 장치 200 : 충전 대상체
300 : 위치 검출 유닛 310 : 감지 코일부
311 : 제1 루프코일 312 : 제2 루프코일
320 : 신호 전달부 330 : 송신 증폭기
340 : 수신 증폭기 350 : 신호 조절부
360 : 레벨 판단부 370 : 제어부
1000: 무선 충전 시스템

Claims (6)

1. 무선 충전 대상체의 위치를 검출하는 위치 검출 유닛에 있어서,
   상기 충전 대상체에 제1 신호를 송신하고, 상기 제1 신호에 응답된 제2 신호를 수신하기 위한 제1 루프코일과 제2 루프코일을 적어도 하나 이상 포함하는 감지 코일부;
   상기 수신된 제2 신호의 신호 레벨(signal level)을 판단하는 레벨 판단부; 및
   상기 감지 코일부가 제1 신호를 송신하도록 구형파(square wave)를 생성하고, 상기 레벨 판단부에서 판단된 제2 신호의 신호 레벨을 기초로 상기 충전 대상체의 위치를 판단하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제1 루프코일과 상기 제2 루프코일은 각각 상층 레이어와 하층 레이어로 구성되어 분해능(resolution)만큼 서로 수직 방향으로 이격되어 적층되며,
   상기 제1 루프코일은 상층 레이어와 하층 레이어에서 상하로 교번되어 서로 수평 방향으로 이격되어 배치되고, 상기 제2 루프코일은 상층 레이어와 하층 레이어에서 상하로 교번되어 서로 수평 방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 루프코일과 제2 루프코일은 소정의 간격을 두고 서로 격자 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일이 순차적으로 상기 충전 대상체에 제1 신호를 송신하도록 구형파를 상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일로 분산하여 전달하는 신호 전달부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 신호를 증폭시키는 송신 증폭기; 및
   상기 감지 코일부에서 수신된 제2 신호를 증폭시키는 수신 증폭기;를 더 포함하고,
   상기 레벨 판단부는 증폭된 제2 신호를 기초로 제2 신호의 신호 레벨을 판단하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 수신 증폭기는 상기 감지 코일부에 포함된 상기 제1 루프코일 및 제2 루프코일과 연결되는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1 신호를 송신할 때에는 상기 수신 증폭기와 상기 감지 코일부 사이의 신호를 차단하고, 상기 제2 신호를 수신할 때는 상기 수신 증폭기와 상기 감지 코일부 사이의 신호를 연결하는 신호 조절부;를 더 포함하고,
   상기 신호 조절부는 상기 구형파에 기초로 동기화되어 동작하는 것을 특징으로 하는 위치 검출 유닛.

Images