KR102542787B1 - 대면적 확장 가능한 고 공진 무선 전력 코일 - Google Patents

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KR102542787B1
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마이클 에이. 드 루지
위엔저 장
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이피션트 파워 컨버젼 코퍼레이션
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Abstract

넓은 표면적에 사용하기에 적합한 확장 가능한 공진 무선 전력 코일 구조. 이 구조는 인접한 루프가 서로 분리되어 단일 부재의 일부를 형성하는 복수의 단일 턴 루프를 포함한다.

Description

대면적 확장 가능한 고 공진 무선 전력 코일
본 발명은 무선 충전을 위한 코일 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 분리(decouple)되어 있지만 단일 구조의 일부로서 연결된 복수의 단일 턴(single turn) 코일을 갖는 고 공진(highly resonant) 무선 전력 코일 구조에 관한 것이다.
최근에, 고 공진(highly resonant) 전자기 유도를 이용하는 무선 전력 전송 시스템("에너지 전송 시스템"이라고도 함)에 있어서 많은 발전이 있었다. 일반적으로, 이러한 시스템은 전원 및 송신 코일뿐만 아니라 전력을 공급받을 장치(즉, 부하)에 연결된 수신 코일을 포함한다. 무선 전력 전송 시스템의 아키텍처는, 에너지를 소스에서 부하로 전달하는데 이용되는 고주파 교류 자기장을 생성하기 위한 코일의 사용에 중점을 둔다. 전원은 전압과 전류의 형태로 에너지를 송신 코일에 전달하고, 이는 코일 주위에 자기장을 생성하며 인가된 전압과 전류가 변함에 따라 변화한다. 전자기파는 자유 공간(free space)을 통해 코일에서부터 부하에 연결된 수신 코일로 이동한다. 전자기파가 수신 코일을 통과함에 따라 수신 코일에는 전류가 유도되며 이는 수신 코일이 포착하는 에너지에 비례한다.
무선 전력 전송 시스템을 위한 종래의 코일 레이아웃은 기본 나선형 루프이다. 도 1은 기본 나선형 루프 코일을 나타낸다. 기본 나선형 루프 코일에서 코일의 인덕턴스 L은 N2에 비례하고, 여기서 N은 코일의 회전 수를 나타낸다. 이러한 유형의 코일은 일반적으로 20W 미만의 소형 저전력 시스템에 사용된다.
다른 종래의 코일 레이아웃은 기본적인 인터리브드 나선형 루프(interleaved spiral loop)이다. 도 2는 2개의 인터리브드 루프 권선을 포함하는 기본형 인터리브드 나선형 루프 코일을 도시한다. 하나의 권선은 하나의 연속선으로 표시된다. 다른 권선은 쇄선(dash line)으로 표시된다. 이 도면과 다른 도면들에서는 개별적인 권선들을 서로 식별하기 위해 연속선, 쇄선 및 점선이 표시된다. 쇄선과 점선은 권선들 자체가 물리적으로 대시(dash) 또는 점(dot) 형태로 형성되었음을 의미하지 않는다.
도 2에서, 2개의 권선은 높은 인덕턴스를 위해 직렬로 또는 낮은 인덕턴스를 위해 병렬로 구성될 수 있다. 이러한 유형의 루프 코일은 일반적으로 무선 전력 송신기(즉, 전원 측)에서 사용된다. 도 2에 도시된 거울상(mirror image) 패턴은 충전 표면(코일로부터 특정 거리)에서 거의 균일한 자기장을 제공한다. 이러한 유형의 루프 코일은 중간 전력 애플리케이션(최대 70W 시스템)에서 사용된다. 코일의 물리적 크기는 약 12인치 사각형으로 제한된다.
또 다른 종래의 코일 레이아웃은 단일 턴 루프(single turn loop)이다. 도 3은 각각 직경이 동일한 2개의 단일 턴 루프 코일들이 중첩된 구성을 도시한다. 2개의 루프 코일은 동일한 직경을 가질 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 중심 거리(두 코일의 중심 사이의 거리)가 약 0.766X코일직경일 때, 2개의 루프는 디커플링된다; 즉, 그들은 서로에게 영향을 줄 수 없다; 다른 방식으로 말하면 상호 인덕턴스는 0에 가까워진다. 상기 커플링은 약 -95dB(S12, S21) 정도로 낮을 수 있다. 다시 말해, 도 3의 좌측 루프가 안테나 1이고 도 3의 우측 루프가 안테나 2라면, 안테나 1에 1W(0dB)가 전달되면 안테나 2에서 수신되는 전력량은 -95dB이며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 루프의 직경이 반드시 동일할 필요는 없다.
2개의 분리된 루프가 직렬로 연결되면, 인덕턴스는 어느 루프에서의 전류의 방향에 관계없이 루프 인덕턴스의 합이 될 것이다. 각 루프의 전류 방향이 동일하면 자기장(페이지 바깥 또는 안쪽으로 향하는)이 동일할 것이다. 각 루프가 전력 전송에 필요한 필드의 일부를 생성하므로 이는 무선 전력 전송에 유용하다. 유한 요소 분석(finite element analysis) 소프트웨어를 사용하여 도 3의 코일들의 정확한 중심 거리가 결정될 수 있다.
또 다른 종래의 코일 레이아웃은 3개의 디커플링된 단일-턴 루프이다. 도 4는 3개의 디커플링된 단일-턴 루프를 도시하는데, 기본적으로 도 3에 도시된 구성의 확장, 2개에서 3개의 루프로의 확장을 도시한다. 3개의 루프의 완전한 디커플링은 루프들 사이의 거리에 따라 다르다. 직경이 동일한 루프를 사용하면 루프를 디커플링하기 위한 루프 사이의 거리를 쉽게 찾을 수 있지만, 루프를 디커플링 하기 위해 동일한 크기의 루프가 필요한 것은 아니다.
본 발명은 디커플링된 루프가 단일의(연속적인) 코일로 병합되고, 다수의 루프 코일이 클러스터로 구성될 수 있다는 점에서 종래 기술의 확장이다.
본 발명은 서로 디커플링된 다수의 턴 또는 루프의 단일 코일을 제공함으로써, 넓은 표면적에 걸쳐 사용하기에 적합한, 확장 가능한(scalable) 고 공진(highly resonant) 무선 전력 구조를 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 다음의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1은 기본 나선형 루프 코일을 도시한다.
도 2는 2개의 인터리브드 루프 권선을 포함하는 기본적인 인터리브드 나선형 루프 코일을 도시한다
도 3은 각각 직경이 동일한 2개의 단일 턴 루프 코일들이 중첩된 구성을 도시한다.
도 4는 각각 직경이 동일한 3개의 단일 턴 루프가 중첩된 구성을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 디커플링된 루프를 갖는 단일 코일을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 디커플링된 루프를 갖는 단일 코일을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터로 형성된 다중 루프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 더 넓은 면적의 단일 권선을 형성하기 위해 직렬로 연결된 2개의 코일 클러스터를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있는 중첩된 코일 클러스터를 도시한다.
도 10은 루프가 중첩 및 분리될 수 있는 방법과 유사한, 본 발명의 실시예에 따른 코일 클러스터가 중첩 및 분리될 수 있는 방법을 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터를 형성하기 위한 권취 방법(winding method)을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 클러스터의 직렬 또는 병렬 연결을 허용하는 코일 클러스터 설계를 도시한다.
도 13은 등가 영역 무선 전력 코일에 대한 자기장 플럭스의 비교 -전통적인 권선 구조 대 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터 구조의 비교- 를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 PCB에 형성된 코일 권선 경로를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 PCB 상단의 코일 권선 경로를 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 PCB 하단의 코일 권선 경로를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 PCB에 형성된 비아(via) 위치를 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터상의 공진 튜닝 커패시터의 배치를 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 PCB에서의 리세스(recess) 영역의 배치를 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 연결점들을 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 수평으로(나란히) 연결된 코일 클러스터를 도시한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 수직으로(상하로) 연결된 코일 클러스터를 도시한다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 도체 경로의 스트랜드(strands)를 도시한다.
다음의 상세한 설명에서 특정 실시예들에 대한 참조가 이루어진다. 이들 실시예는 당업자가 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고 다양한 구조적, 논리적 및 전기적 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 특정 실시예들은 에너지 전송 시스템과 관련하여 설명되었지만, 여기에 기술된 특징은 일반적으로 다른 유형의 회로에 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 디커플링된 루프를 갖는 단일 코일을 도시한다. 상기 3개의 루프는 단일 루프 인덕턴스의 3배의 인덕턴스를 갖는 단일 코일로 결합된다. 모든 루프가 원형이고 동일한 직경 인 경우 루프의 중심은 서로 디커플링을 위해 약 0.766X직경 이상의 거리로 떨어져 있어야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 디커플링된 루프를 갖는 단일 코일을 도시한다. 도 6의 실시예에서, 다수의 코일로 형성된 루프(왼쪽)는 다수의 루프의 단일 코일(오른쪽)로 결합된다. 루프가 다수의 코일로 형성되면(왼쪽), 쇄선으로 표시된 루프나 점으로 표시된 루프와 같이, 일부 루프를 완전히 서로 디커플링할 수 없다. 도 6의 좌측에서 쇄선(1)으로 도시된 루프, 점선(2)으로 도시된 루프, 및 중심 루프(3)는 서로 디커플링 되어있다. 그러나 쇄선(1)으로 도시된 각 루프들과 점선(2)으로 도시된 각 루프들 사이에는 커플링이 있다. 다수의 코일을 다수의 루프로 된 단일 코일로 결합하면(오른쪽), 결합된 루프들은 동일한 영역으로 설계된 나선형 코일과 비교하여 낮은 인덕턴스를 갖는 코일로 결합된다. 오른쪽의 각 작은 루프는 단순히 일련의 커패시터를 추가함으로써 개별적으로 조정될 수 있다. 이렇게 하면 루프의 임피던스가 낮아지며 인접하지 않은 루프를 디커플링할 수 있다. 또한, 고형 외부금속물질과 같은 외부 요인으로 인한 디튜닝(가상 임피던스 시프트)에 대한 내성이 향상된다.
루프의 디커플링으로, 직렬 연결된 작은 루프(오른쪽)의 조합으로 인한 인덕턴스는 동일한 크기의 권선 코일(왼쪽)에 비해 상대적으로 낮다. 로우 인덕션 코일(low induction coil)은 가상 임피던스 변동에 대한 환경의 영향이 적기 때문에 무선 전력 전송에 유리한다. 간단히 말해서, 고리가 작을수록 환경 요인에 더 강건하다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터로 형성된 다중 루프를 도시한다. 도 7의 코일 클러스터는 PCB 상의 다중 루프의 단일 코일(10)을 사용하여 형성된다. 단일 코일(10)은 다수의 원형 루프의 패턴을 형성하도록 PCB 상에 권취된다. 다수의 원형 루프가 직렬로 연결된다. 코일 클러스터는 다수의 원형 루프의 패턴을 유지하기 위해 제공되며, 여기서 루프는 x 및 y 방향으로 각각의 인접한 루프로부터 등거리(equidistant)에 있다. 이는 코일 클러스터들이 중첩되어 코일 클러스터가 다른 코일 클러스터와 디커플링될 때 코일 루프의 패턴이 유지되도록 한다. 이는 또한 연결된 코일 클러스터의 인접한 루프들 각각이 서로 디커플링 되도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 단일 권선을 형성하도록 직렬로 연결된 2개의 코일 클러스터(11, 12)를 도시한다. 코일 클러스터 간의 상호 연결은 점으로 표시된다. 코일을 나타내기 위해 사용된 쇄선 및 점선에 관해서 상기 언급된 바와 같이, 도 8의 점선은 코일들(11a, 12a) 사이의 상호연결 위치를 간단히 나타내기 위해 사용된다. 상기 점선은 물리적으로 점으로 파쇄된 코일 경로를 이용하여 상호연결이 이루어졌음을 의미하지 않는다. 각각의 코일 클러스터(11, 12)는 PCB(PCBa, PCBb) 상의 단일 코일(11a, 12a)을 사용하여 형성된다. 본 실시예에서, 2개의 코일 클러스터(11, 12)의 PCB는 부분적으로 중첩되어(a), 연결된 코일(11a, 12a)의 루프가 각각의 루프가 인접한 루프와 등거리인 패턴을 유지할 수 있도록 한다.
튜닝에 사용되는 공액 임피던스(conjugate impedance)를 매칭시키기 위해 커패시터는 연결된 코일(11a, 12a)에 결합될 수 있다. 커패시터는 점으로 도시된 코일(11a, 12a) 간 상호연결 위에 배치될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 커패시터는 상기 연결된 코일 클러스터의 전압 밸런스 및 필드 균일성을 향상시키기 위해 각 코일 클러스터로부터 전기적 등거리(electrical equidistant) 위치에 배치될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 중첩된 코일 클러스터를 도시한다. 도 9의 실시예에서, 2개의 코일 클러스터(11, 12)는 거의 완전히 겹쳐진다. 각 클러스터의 코일은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 각 코일 클러스터는 서로 다른 루프 패턴을 가질 수 있다. 그러나 코일 클러스터의 설계를 단순화하기 위해 동일한 패턴의 루프가 이용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 루프가 중첩 및 디커플링되는 방법과 유사한, 본 발명의 코일 클러스터가 중첩 및 디커플링되는 방법을 도시한다. 코일 클러스터를 디커플링 하려면 클러스터의 자기장이 각 루프와 유사한 방식으로 서로를 완전히 상쇄(cancel)해야 한다. 이는 도 10에 도시된 바와 같이 코일 클러스터의 중첩을 요구할 수 있다. 자기장의 클러스터 중심은 코일 클러스터(11, 12) 사이의 위치 및 거리를 결정하고, 코일 클러스터가 얼마나 중첩되어야 하는지(b)를 결정한다. 자기장의 중심이 어디에 위치하는지를 결정하기 위해 자기장 분석 도구가 필요할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 권선 경로(winding path)를 도시한다. 도 11에서, 쇄선(13)으로 도시된 코일은 PCB의 일측에 감겨지고 연속선(14)을 사용하여 도시된 코일은 PCB의 반대측에 감겨진다. 도 11의 코일(13)과 코일(14)은 PCB에 형성된 다수의 비아(vias)를 통해 서로 연결된다. 도 11에서, 비아는 코일(13) 및 코일(14) 상에 회색 점(15)으로 도시되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 전체 코일 권선은 "펜"을 들어 올리지 않고 트레이스 될 수 있다(즉, 한번에 그릴 수 있다). 또한, 전체 코일은 단일 세그먼트를 반복하지 않고 트레이스 될 수 있도록 PCB에 권취된다.
당업자는 도 11의 실시예가 다양하게 변형될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 코일 클러스터는 2층 인쇄회로기판(PCB) 또는 이와 가요성의 등가물을 이용하여 설계될 수 있다. 이러한 구성에서, 단일 코일은 도 11에 점선으로 도시된 패턴을 형성하기 위해 PCB의 상단 또는 상부층 PCB에 권취된다. 또한 단일 코일은 하단 PCB 또는 하부층 PCB까지 연장되어, 도 11에 연속선으로 도시된 패턴을 형성한다. 당업자는 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 권선 경로가 많은 경로를 따라 동일한 최종 결과를 산출할 수 있음을 쉽게 인식할 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 직렬 또는 병렬 연결을 허용하는 코일 클러스터 설계를 도시한다. 동일한 코일 레이아웃(예를 들어, 실질적으로 유사하거나 동일한 코일 레이아웃 패턴을 갖는 코일 클러스터)을 이용함으로써, 도 12의 실시예는 제품 구성 요소 변동 카운트의 감소를 허용한다.
도 12에서, 2개의 코일 클러스터(11, 12)는 부분적으로 중첩되어(c) 나란히 배치되며, 2개의 코일 클러스터의 패턴이 결합되어 더 큰 크기의 동일한 패턴을 형성할 수 있다. 중첩된 코일 클러스터(11, 12)의 좌측에 분해도로 도시된 원형 영역(20)은, 2개의 코일 클러스터(11, 12)의 코일(11a, 12a)이 어떻게 직렬로 연결되는지를 도시한다. 도 11과 유사하게, 쇄선(25)으로 도시된 코일은 PCB의 일측에 감긴 코일을 반영하고, 연속선(26)을 사용하여 도시된 코일은 PCB의 다른 측에 감긴 코일을 반영한다.
도 12의 실시예에서, 영역(20)의 코일(25)은 왼쪽 코일 클러스터(11)에 감긴 코일, 특히 왼쪽 코일 클러스터의 PCB의 상단에 감긴 코일의 일부이다. 본 실시예에서, 좌측 코일 클러스터(11)는 우측 코일 클러스터(12)와 중첩하여 좌측 코일 클러스터(11)의 중첩 부분(c)이 우측 코일 클러스터(12) 위에 배치되도록 한다. 영역(20)의 코일(26)은 오른쪽 코일 클러스터의 PCB 하단에 감긴 코일이다. 따라서 영역(20)의 코일(26)은 좌측 코일 클러스터(11)의 PCB 하단에 위치한 코일이다.
두 코일 클러스터(11, 12) 각각은 다수의 비아를 포함하고, 코일이 PCB를 관통하여 PCB의 어느 일측에 권취되거나 PCB의 다른 측에 권취된 코일과 연결되기 위한 경로를 제공한다. 비아는 코일 트레이스 상에 회색 점들로 표시되며, 중첩되는 코일 클러스터(11, 12)에 왼쪽으로 도시되어있다. 영역 20에 도시된 바와 같이, 왼쪽 코일 클러스터(11)의 코일(25)은 비아(21)로 진입하여 오른쪽 코일 클러스터(12)의 코일과 연결된다. 비아(21)로 들어가는 코일(25)의 단부는 미늘(barb) 형상이다. 유사하게, 우측 우측 코일 클러스터(12)의 하부에 감긴 코일의 일부인, 좌측 코일 클러스터(11)의 하부에서부터 비아(22)로 진입하는 코일(26)은 미늘 형상 단부를 갖는다. 영역(20)의 코일의 미늘형 단부는 플럭스 상쇄(flux cancellation)를 보장하고, 원래의 전류 경로를 변하지 않게 하면서, 연결된 코일 클러스터의 필드 균일성을 유지하기 위해 화살표 형태로 형성된다.
비아(21)로 들어가는 코일(25)과 비아(22)로 들어가는 코일(26)은 물리적으로 연결되며 연결점이 이상적인 권선 경로로부터 멀어지게 만드는 공간을 차지한다. 다양한 PCB, 기판 및/또는 루프 각각에서, 연결점으로 들어오고 나가는 전류를 플럭스 상쇄함으로써, 연결점을 이상적인 경로에서 멀어지게 하는 영향을 줄일 수 있다. 플럭스 상쇄는, 동일한 전류를 전달하지만 반대 방향으로 흐르는 도체를 실질적으로 중첩시킴으로써 이루어진다. 도 12에 도시된 미늘형 단부는 플럭스를 상쇄시킨다. 또한 상기 연결점은 코일 전류 경로(23)를 연속시키는 마지막 클러스터 연결의 연결점 역할을 한다.
도 12의 원형 영역(30)은 완전히 중첩되는 2개의 코일 클러스터의 코일이 병렬로 연결될 수 있는 영역을 반영한다. 다시 한번, 당업자는 이 과정이 많은 변형을 가짐을 인식할 것이다. 이는 또한 코일에 전력을 공급하는 증폭기의 연결점 역할을 한다.
도 13은 등가 크기의 무선 전력 코일에 대한 단면적 자기장 플럭스의 비교를 나타낸다 --종래의 권선 구조는 좌측에 도시되어 있고, 본 발명의 실시예의 코일 클러스터 구조는 우측에 도시되어있다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 코일 클러스터 구조는 전통적인 권선 구조를 갖는 종래의 전력 코일보다 짧은 자기장 방사 패턴을 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 유리한 점은 다음과 같다:
● 루프를 작게 만들 수 있다. 루프 직경은 무선 전력 거리(코일에서 충전 표면까지의 거리)로 변환된다. 작은 루프 직경으로 짧은 전송 거리가 가능하다.
● 본 발명의 실시예의 코일 루프 구조는 넓은 표면적에 걸쳐 확장 가능하다.
● 본 발명의 실시예의 전력 코일은, 폴리이미드(polyimide) 기반의 플렉시블 회로와 같은 플렉스 회로(루프 직경의 함수에 따른 굽힘 반경으로 제한됨)로 만들어질 수 있다.
● 직렬 커패시터를 추가함으로써 각 개별 루프는 독립적으로 조정될 수 있다. 이는 루프의 임피던스를 낮춰서 인접하지 않은 루프를 디커플링할 수 있게 있다. 또한 외부금속물질과 같은 환경 요인으로 인한 디튜닝(가상 임피던스 시프트)에 대한 내성을 증가시킨다.
● 다수의 조정된(tuned) 또는 조정되지 않은(untuned) 코일 클러스터를 병렬로 연결할 수 있다
● 본 발명의 일 실시예의 전력 코일은 종래의 무선 전력 코일에서 통상적으로 겪게 되는 가상 코일 임피던스의 큰 변화를 야기할 수 있는 환경적인 작동 조건에 대해 높은 내성을 갖는다. 코일 크기가 커질수록 고체 금속 물체와 같은 환경적 요인에 더 민감하고 인덕턴스에 큰 변화를 보일 가능성이 높다. 본 발명의 실시예는 비교적 작은 루프 직경 및 짧은 전송 거리로 인해, 고체 금속에 의한 영향을 받을 가능성이 적다.
● 본 발명의 실시예의 전력 코일은 무선 전력 전송을 위한 자기장 크기 거리를 상당히 감소시킨다. 이는 구체적인 흡수율(SAR)이 문제가 되는 고전력 대면적 설계에 유용하다.
● 본 발명의 실시예의 코일 루프 구조는 송신기(소스) 및 수신기(장치) 모두에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 루프 코일과 자기 공명 영상(MRI) 코일의 가장 중요한 차이점은 다음과 같다:
● MRI 루프는 단일(singular), 즉 하나의 수신기에 대해 하나의 루프이다.
● 다수의 단일 루프를 포함하는 MRI 루프가 송신기로서 사용될 수도 있다. 이는 전송 전력 요구사항을 크게 감소시킨다. 반대로, 본 발명의 실시예는 단일 코일로부터 다수의 루프를 가질 수 있어서 전송 전력을 증가시킬 수 있다.
● MRI 루프는 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 패턴을 가질 수 있다. MRI 루프는 다중 턴을 갖지 않는다.
● MRI 루프는 일반적으로 직렬 또는 병렬로 연결되지 않으며, 이는 자기장을 분배하는 것이 목표인 무선 전력 시스템의 주요 특징이다. 본 발명에서, 다수의 루프는 함께 연결되어 더 크고 균일한 분산 필드를 생성한다.
● MRI 시스템은 루프, 특히 서로 인접하지 않은 루프(예를 들어, 도 6의 녹색 또는 파란색 루프)를 추가로 디커플링 하기 위해 수신기 또는 송신기와 함께 매우 낮은 임피던스 부하를 사용한다. 무선 전력 시스템은 부하 및 환경 조건이 변함에 따라 큰 임피던스 변동을 수용하도록 특별히 설계된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 루프를 갖는 무선 전력 시스템은 부하 및 환경 조건 변화에 대해 더 높은 내성을 가지며 이미지를 재구성하기 위해 최고 품질의 정보를 추구하는 MRI 시스템의 엄격한 디커플링 요건을 갖지 않는다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCB에 형성된 지그-재그(zig-zag) 권선 방법인 코일 권선 경로를 도시한다. 도 14의 화살표는 특정 시점에서 도 14의 코일 패턴을 형성하기 위한 권선 경로의 방향을 반영한다. 지그-재그 권선 방법에 따라 형성된 코일 패턴은 더 잘 정의된 전자기장을 가지므로, 코일 클러스터는 전기장으로 인해 최소 공통 모드 커플링을 갖도록 서로 적절하게 연결될 수 있다.
도 15 및 도 16은 각각 도 14에 도시된 지그-재그 방법에 따라 PCB의 상단 및 하단에 감겨진 코일의 권선 경로를 도시한다. 도 15에서, 루핑 패턴(looping pattern)은 진입 화살표(31)에서 시작하여 출구 화살표(32)로 종료되며, 도 16과 조합하여 트레이스 되면 "펜"을 들어 올리거나 동일한 위치를 두 번 긋지 않고 그려질 수 있다. 유사하게, 도 16에서 루핑 패턴은 진입 화살표(41)에서 시작하여 출구 화살표(42)에서 종료된다. 도 20 내지 22에 도시된 바와 같이, 진입 화살표(31, 41) 및 출구 화살표(32, 42)는 또한 다른 코일 클러스터와의 연결점으로서의 역할을 할 수 있으며, 이는 도 15 및 16의 코일 클러스터에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 15의 PCB 상단의 루핑 패턴은, 적어도 부분적으로, 도 16의 PCB 하단의 루핑 패턴과 겹친다. 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 도 15 및 16의 PCB에 형성된 비아(vias)의 위치를 도시한다. 도 15의 PCB의 상단의 코일과 도 16의 PCB의 하단의 코일은 각 루프의 교차 위치에서 비아를 통해 연결되며, 이는 도 17에 점으로 도시되어 있다. 비아는 PCB의 반대측에 감긴 코일들을 서로 연결하고 코일 루핑 설계의 연속성을 보장한다.
도 15, 16 및 17에서, 비아는 펜을 들어올리지 않고도 도 15의 PCB 상단 및 도 16의 PCB 하단의 패턴을 트레이스 할 수 있도록 전략적으로 배치된다. 서로 겹치는 PCB의 양측에 패턴을 형성함으로써 PCB의 구리 함량은 두 배가 된다. 이는 패턴의 저항을 감소시킨다.
또한, 도 15 및 도 16의 권선 패턴으로, 코일의 다양한 위치에 걸친 전압은 낮게 유지되어 전기장(E-field) 생성을 낮게 유지한다. 이는 격리된 중첩 타일이 포텐셜과 매칭되어야 하는 넓은 영역을 만들 때 중요하다. 나아가, 이는 전기장 균일성과 전기적 필드 생성을 향상시키며 코일 클러스터에 걸친 튜닝을 보다 쉽게 분배할 수 있도록 한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터 상의 커패시터 배치를 도시한다. 본 실시예에서, 커패시터는 코일 클러스터의 PCB의 상단 또는 하단을 튜닝하기 위해 코일 클러스터의 일측에 배치될 수 있다. 도 18의 커패시터(61 내지 64)는 동일한 커패시턴스 값을 보장하고, 코일 양단의 전압 차이를 감소시키고, 원치 않는 전자기 방사를 감소시키기 위해 권선 경로를 따라 전자기적인 등거리 지점들(electromagnetic equidistant points) 근처에 위치한다. 도 18의 커패시터는 코일 클러스터의 전압 위상을 변경한다. 예를 들어, 권선 경로를 따라 이동함에 따라 전압이 증가한다. 커패시터는 해당 전압을 음의 값으로 반전시키고 다음 권선 경로는 상기 전압을 다시 증가시킨다. 이러한 방식으로, 전체 코일 또는 전자장의 유효 전압이 감소된다.
커패시터로 커버된 각 영역은 사각형(71 내지 74)으로 표시된다. 도 18에서, 코일 클러스터 상단의 커패시터(63, 64)는, 도 18의 코일 클러스터에 연결된 코일 클러스터가 없는 경우에는 생략될 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCB의 리세스(recess) 영역의 배치를 도시한다. 플랫(flat) 레이아웃을 달성하기 위해 리세스 영역(81 내지 84)은 도 19의 코일 클러스터에 연결된 다른 코일 클러스터의 커패시터를 수용한다(pocket). 코일 클러스터는 도 19의 코일 클러스터에 x 방향 및/또는 y 방향으로 연결될 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 연결점을 도시한다. 도 20에서, 코일 클러스터에 대한 연결점(51 내지 54)은 코일 클러스터의 좌측, 하측, 우측 및 상측에 제공된다. 연결점(51 내지 54)은 코일 클러스터를 x 또는 y 방향으로 직렬 연결하는데 사용된다. 연결될 인접한 코일이 없는 경우, 전류 경로 연속성을 보장하기 위해 해당 연결을 효과적으로 폐쇄(단락)해야 한다. 사용하지 않는 튜닝 커패시터 위치에 대해서도 마찬가지이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 수평 타일 연결의 상세를 도시한다. 도 21에서, 코일 클러스터(81)와 코일 클러스터(82)는 부분적으로 서로 중첩되고 수평으로 연결된다. 점선으로 표시된 코일 클러스터(81)의 일부는 쇄선으로 표시된 코일 클러스터(82)의 일부에 수평으로 연결되고, 전류는 수평으로 연결점(85, 86)을 통과한다. 코일 클러스터(81, 82)의 직렬 연결은, 상기 코일 클러스터(81, 82)의 패턴과 동일한 패턴으로 더 큰 크기의 코일 클러스터를 형성한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 클러스터의 수직 타일 연결의 상세를 도시한다. 도 22에서, 코일 클러스터(91)와 코일 클러스터(92)는 부분적으로 중첩되고 서로 수직으로 연결된다. 쇄선으로 표시된 코일 클러스터(91)의 일부는 점선으로 표시된 코일 클러스터(92)의 일부에 수직으로 연결되고, 전류는 수직으로 연결점(95, 96)을 통과한다. 코일 클러스터들은 개별적인 코일과 동일한 루프 패턴을 갖는 더 큰 크기의 코일 클러스터를 형성하기 위해, 도 21에 도시된 것처럼 수평으로 나란히 연결될 수 있고, 도 22에 도시된 것처럼 수직으로 상하로 연결될 수 있다. 더 큰 크기의 코일 클러스터의 코일 패턴을 포함하는 더 작은 루프를 이용해, 필드 균일성이 더 쉽게 달성된다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따라 코일 클러스터를 형성하기 위해 PCB 상에 감긴 코일의 스트랜드(strands)를 도시한다. 도 23에서, 층당 3개의 스트랜드가 코일 클러스터의 단일 도체(conductor) 경로(코일)를 형성하기 위해 사용된다. 도체 경로가 PCB의 양측에 형성되는 경우, 3개의 나란한 스트랜드는 PCB의 상부 및 하부 모두에 사용될 수 있다. 다중 스트랜드를 사용하면, 코일 클러스터의 유효 도체 경로가 단일 스트랜드 도체 경로보다 넓어져 도체의 근접 효과가 감소한다. 더 넓은 도체 경로는 도체와 교차하는 더 많은 플럭스 라인으로 자기장 패턴을 변경함으로써 와상 전류(eddy current) 생성을 증가시키고 손실을 감소시킨다.
도체 경로를 형성하는 스트랜드는 효과적으로 병렬 연결된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 경로는 2축, 즉 수직 및 수평으로 나뉠 수 있다. 다수의 "스트랜드(strands)" 구성 실시예는 고주파 손실을 감소시킨다.
이상의 설명과 도면들은 본 명세서에 설명된 특징 및 장점들을 달성하기 위한 본 발명의 특정 실시예를 예시하는 것으로 간주되어야 한다. 본 발명에 대한 변형 및 대체가 이루어질 수 있다. 따라서, 여기에서 기술된 본 발명의 실시예는 전술한 설명과 도면에 의해 제한되는 것으로 간주되지 않는다.

Claims (15)

  1. 무선 전력 시스템용 안테나에 있어서,
    복수의 비아들을 가지는 제1 기판; 및
    적어도 3개의 중첩된, 원형 단일 턴 루프들의 패턴을 형성하기 위해 상기 제1 기판 상에 권취된 단일 연속 코일을 포함하고, 상기 단일 연속 코일의 상기 3개의 원형 단일 턴 루프들은 서로 중첩되도록, 상기 코일의 인덕턴스를 감소시키고, 상기 코일의, 단일 균일한 자기장을 생성하기 위해 서로 전자기적으로 분리(decouple)되도록, 상기 코일의 원형 단일 턴 루프들의 각 단일 턴 루프의 중심은 상기 코일의 3개의 원형 단일 턴 루프들의 다른 단일 턴 루프들의 중심들과 등거리에 있고,
    상기 코일은 연속적이고, 자체적으로 트레이스 되지 않고, 코일의 세그먼트가 반복되지 않도록, 상기 단일 연속 코일의 단일 턴 루프들은 상기 코일이 상기 제1 기판의 비아들을 통과하는 권취 경로를 가지는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 원형 단일 턴 루프들의 직경은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 3개의 원형 단일 턴 루프들의 중심 간 거리는, 상기 3개의 원형 단일 턴 루프의 직경의 0.766배인 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 원형 단일 턴 루프들의 중심 간 거리는, 상기 3개의 원형 단일 턴 루프들의 루프들을 서로 분리하기 위해 요구되는 거리와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단일 연속 코일은 상기 제1 기판의 양측에 권취되어 상기 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기판은 비아들을 포함하고, 이를 통해 상기 제1 기판의 일측에 권취된 단일 연속 코일은 상기 제1 기판의 다른 측에 권취된 단일 연속 코일에 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기판의 양측 패턴은 서로 적어도 부분적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단일 연속 코일은 수평으로 권취되어 상기 패턴의 제1 부분을 형성하고, 수평으로 권취되어 상기 제1 부분 아래에 상기 패턴의 제2 부분을 형성하고,
    상기 패턴의 제1 부분은 한 방향으로 흐르는 전류의 경로를 형성하고 상기 패턴의 제2 부분은 반대 방향으로 흐르는 전류의 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단일 연속 코일에 결합되며 상기 단일 연속 코일로부터 전자기적으로 등거리인(electromagnetically equidistant) 지점에 위치한 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 기판; 및
    상기 단일 연속 코일의 상기 3개의 원형 단일 턴 루프들과 실질적으로 동일한 패턴을 형성하기 위해 상기 제2 기판에 권취된 단일 연속 코일을 포함하되,
    상기 제1 기판의 단일 연속 코일과 상기 제2 기판의 단일 연속 코일은 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 기판의 단일 연속 코일들 중 적어도 하나와 결합되고, 상기 제1 및 제2 기판의 코일들과 전자기적으로 등거리인 지점에 위치한 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은, 상기 제1 및 제2 기판의 코일들에 의해 형성된 단일 턴 루프들을 분리하기 위해 적어도 부분적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 연결점을 포함하고,
    상기 제1 기판 상에 권취된 단일 연속 코일 및 상기 제2 기판 상에 권취된 단일 연속 코일은 상기 연결점을 통해 연결되고,
    상기 제1 기판의 연결점으로 들어가는 단일 연속 코일의 단부와 상기 제2 기판의 연결점으로 들어가는 단일 연속 코일의 단부는, 동일한 전류를 반대 방향으로 전달하여 플럭스(flux)를 상쇄하기 위해 실질적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  14. 제10항에 있어서,
    단일 연속 코일들 중 제1 단일 연속 코일은 상기 제1 기판의 양측에 권취되어 적어도 3개의 원형 루프의 패턴을 형성하고,
    단일 연속 코일들 중 제2 단일 연속 코일은 상기 제2 기판의 양측에 권취되어 적어도 3개의 원형 루프의 패턴을 형성하고,
    상기 제1 단일 연속 코일 및 제2 단일 연속 코일은 연결점을 통해 물리적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단일 연속 코일은 적어도 2개의 병렬 코일 스트랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
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