KR20170035519A - 밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선충전기는 케이스(20) 내부에 코일이 형성된 피씨비(PCB) 기판(30)을 장착하고, 그 위에 덮개(25)를 덮는 구조를 가지고. 피씨비 기판(30)에는 코일만 형성될 뿐 아니라, 제어부, 발진기, 신호 처리부등 무선 충전기에 필요한 무선 충전기의 기능을 수행하는 부품(36)이 장착되게 되고, 코일이 형성된 기판과 무선 충전기에 필요한 부품이 형성된 기판을 일체로 하며, 받침부(21)(22)를 구비하여 상기 피씨비 기판(30)을 상기 받침부에 장착하게 되므로서, 동일 피씨비 기판에 복수의 코일을 중첩하여 형성하므로서 자속 밀도가 균일하도록 하거나 자속 밀도를 강화할 수 있고, 적은 크기로 효율 좋은 무선 충전기를 만들 수 있는 효과를 가지게 된다.

Description

밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기{The Wireless Charger that have the battery mounting space}

본 발명은 무선(무접점 방식, 비접촉 방식) 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 충전대상이 놓여지는 위치에 따른 충전효율을 높이기 위한 설계 구조와 밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기에 관한 것이다.

일반적으로, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, PDA 등과 같은 휴대형 전자기기는 내부에 축전지를 구비하여 사용자가 이동하면서 사용가능하도록 구성되어 있다. 그러나, 이러한 휴대형 전자기기는 축전지의 충전을 위하여 별도의 충전기를 구비하며, 충전기는 일반 상용 전원과 접속되어 휴대형 전자기기의 축전지에 충전 전류를 제공함으로써 충전을 행한다. 한편, 충전기가 충전 전류를 휴대형 전자기기의 축전지에 제공하기 위해서는 충전기를 구성하는 충전 모체와 휴대형 전자기기의 축전지는 전기적으로 연결되어야 한다. 충전 모체와 휴대형 전자기기의 축전지를 전기적으로 연결하기 위하여 유선(접점 방식) 충전기에서는, 충전 모체와 휴대형 전자기기 또는 축전지에 각각 별도의 접속 단자를 구성하였다. 따라서, 휴대형 전자기기의 축전지를 충전하고자 할 때에는 휴대형 전자기기 또는 축전지의 접속 단자와 충전 모체의 접속 단자를 상호 접속시켜야 한다.

그러나, 상기와 같은 접속 단자 방식은 기기에 따라 단자의 규격과 모양이 다르게 되어, 사용자는 매번 새로운 충전 장치를 구입해야 하는 어려움이 따르게 되며, 이러한 방식은 새로운 기기를 구입하게 되면 종래 충전기는 폐기하게 되는 새로운 문제를 발생시키게 된다.

그리고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 비 접촉식 자기 유도 방법, 즉 무선 충전 방식이 고안되었다. 비접촉식 충전 방법은 고주파로 동작하는 1차 회로를 충전 모체에 구성하고 2차 회로를 축전지측 즉, 휴대형 전자기기 내 또는 축전지 내에 구성함으로써, 충전 모체의 전류 즉, 에너지를 유도 결합에 의하여 휴대형 전자기기의 축전지에 제공하는 방식이다. 유도 결합을 이용한 비접촉식 충전 방식은 이미 일부 응용분야(예: 전동 칫솔, 전기 면도기 등)에 이용되고 있다.

그러나 휴대전화, 휴대형 MP3 플레이어, CD 플레이어, MD 플레이어, 카세트 테이프 플레이어, 노트북 컴퓨터, PDA 등의 휴대형 전자기기에 응용하고자 할 경우에는, 축전지 측에 추가되는 부피와 무게가 작아야 한다는 요구 조건 이외에도, 휴대형 전자기기 또는 축전지가 놓여지는 위치에 따른 충전효율의 편차를 개선하여야 한다.

그리고, 휴대폰이나 스마트폰에 적용할 경우 편차 개선 뿐 아니라 정해진 면적과 두께 내에서 최적의 효율을 보이기 위한 최적화된 설계 구조 또한 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은, 무선충전기의 정해진 면적과 두께 내에서 최적의 효율을 보이기 위한 최적화된 설계 구조를 제공하고자 하며, 이를 위해 무선 충전기에서 코일의 배치와 설계 방법 혹은 부품의 배치 등을 정하는 방법을 정하고자 한다.

상기 목적은, 무선충전기는 케이스(20) 내부에 코일이 형성된 피씨비(PCB) 기판(30)을 장착하고, 그 위에 덮개(25)를 덮는 구조를 가지고. 피씨비 기판(30)에는 코일만 형성될 뿐 아니라, 제어부, 발진기, 신호 처리부등 무선 충전기에 필요한 무선 충전기의 기능을 수행하는 부품(36)이 장착되게 되고, 코일이 형성된 기판과 무선 충전기에 필요한 부품이 형성된 기판을 일체로 하며, 받침부(21)(22)를 구비하여 상기 피씨비 기판(30)을 상기 받침부에 장착하게 되므로서 달성된다,

그리고, 비접촉식 자기유도를 이용한 무선 충전기에 있어서, 상기 무선 충전기는 전력을 무선으로 송신하는 기기이며, 상기 무선 충전기 내부에 코일이 형성된 기판이 구비되고, 상기 코일은 복수개의 코일 즉 제 1 코일, 제 2 코일 및 제 N 코일 등으로 형성될 때, 상기 코일들은 일정 면적으로 서로 중첩되며, 즉, 제 1 코일과 제2 코일이 중첩될 때 상기 제 1 코일과 제 2 코일 사이에 절연막 혹은 기판 존재하고, 제 N-1 코일과 제 N 코일이 중첩될 때에도 제 N-1 코일과 제 N 코일 사이에도 절연막 혹은 기판이 존재하게된다.

또한, 상기 기판은 피씨비 기판 혹은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 코일과 코일 혹은 코일과 기판의 사이의 설계 기준을 최적화 하므로서 무선충전기의 정해진 면적과 두께 내에서 최적의 효율을 보이기 위한 최적화된 설계 구조를 제공할 수 있게 된다. 즉, 동일 피씨비 내에 자속 밀도를 증가시킬 수도 있고, 자속을 강화 시킬 수도 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 무선충전기 구조를 나타낸 도면이다.
도 2내지 도 5는 본 발명의 기판을 나타낸 도면이다.
도 6과 도 7은 기판과 코일의 형상을 나타낸 도면이다.
도 8은 기판과 코일의 면적 비율을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 무선 충전기의 설계 구조에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 무선충전기 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명에서 무선 충전기는 무선으로 전력을 송신하는 기기을 의미한다, 그리고, 도면에서처럼 무선충전기는 케이스(20) 내부에 코일이 형성된 피씨비(PCB) 기판(30)을 장착하고, 그 위에 덮개(25)를 덮는 구조를 가진다. 그리고. 피씨비 기판(30)에는 코일만 형성될 뿐 아니라, 제어부, 발진기, 신호 처리부등 무선 충전기에 필요한 무선 충전기의 기능을 수행하는 부품(36)이 장착되게 된다.

이때, 본 발명에서는 최적의 형상이 되기 위해, 코일이 형성된 기판과 무선 충전기에 필요한 부품이 형성된 기판을 일체로 한다. 그리고 받침부(21)(22)를 구비하여 상기 피씨비 기판(30)을 상기 받침부에 장착하게 된다. 한편, 피씨비 기판(30)과 덮개(25)는 최대한 밀착 시켜야 하므로 상기 부품(36)은 기판의 아래쪽에 장착되어야 한다.

그리고, 상기 덮개(25)를 덮게 되면, 무선 충전기가 만들어 지고, 만들어진 무선 충전기에 밧테리, 스마트폰, 휴대용 단말기, 혹은 휴대 기기 등이 올려지어 충전이 이루어지게 된다.

한편, 상기 피씨비 기판(30)은 내열성 플라스틱 수지 등으로 제조된 플렉서블(Flexible) 기판으로 대체 될 수 있음은 당연하다.

도 2내지 도 5는 본 발명의 기판을 나타낸 도면이다.

도 2와 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에서는 외부 코일(31a, 31b, 31c, 31d)과 내부 코일(32a, 32b, 32c, 32d)이 각각 2 개 이상 형성되는 구조를 가진다. 본 발명의 도면에서는 외부 코일과 내부 코일이 각각 4 개씩 형성되었으나, 그이상의 숫자 즉, 복수의 N 가 형성될 수 있음은 당연하다.

무선 충전에서 코일은 자속 밀도를 만들기 위해 형성되는 데, 이때 자속 밀도의 편차를 줄이기 위해 외부 코일(31)과 내부 코일(32)을 형성하게 된다. 그리고, 단어 그대로 외부 코일(31)의 내부에 형성된 것이 내부 코일(32)이 된다.

또한, 배선(34)도 구비되며, 본 발명의 기판(30)에서는 무선 충전기 부품(36)이 장착되는 영역(35)도 마련되어 있게 된다. 물론 본 발명에서는 별도의 면적이 구별하여 상기 영역(35)을 설정하였지만, 실제는 각각의 부품이 코일 사이에 혹은 가장자리에 존재하도록 하여도 가능하다.

한편, 코일은 표면이 절연재로 피복된 동선을 사용하는 것이 일반적이나, 금, 은, 알루미늄 등 도전성이 우수한 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 나아가, 각 코일은 단선(單線)의 도선이 감긴 것이어도 되나, 다수의 가는 단선을 복수 개 집합시킨 리츠(Litz)선을 사용하는 것도 고주파 전류를 이용한 충전에 바람직하다.

또한, 각 코일은 도선이 감긴 형태가 아닌 도체 패턴으로 이루어질 수도 있다. 즉, 각 코일은 PCB 기판 또는 폴리이미드와 같은 플렉시블한 절연 필름(기재 필름) 상에 동, 알루미늄 등의 도전성이 우수한 금속 박막을 적층하고 이를 도 2나 3에 도시된 바와 같은 패턴으로 에칭하여 형성된 도체 패턴일 수 있다.

한편, 외부 코일과 내부 코일은 직렬로 연결되어 1차측 전류를 인가할 수 있도록 배치될 수 있으나, 각각 별체로 형성되어 각각에 별도의 1차측 전류를 인가하도록 배치될 수도 있다.

그리고, 상기 코일로 제조된 무선 충전기 제작에 사용된 사양으로, 전송 주파수는 6.78 MHz, 파워(Power)는 19V(300mA)로 할 수가 있다. 물론 주파수와 코일을 감는 권선수를 다양하게 할 수 있다. 예를들어 6.5Mhz를 사용할 수도 있고, 외각에 있는 코일의 크기는 38mm x 42mm로 할 수 있고, 중앙부에 배열된 내부 코일의 크기는 19mm x 24mm로 할 수도 있다.

한편, 권선수는 총 4회전(turns)으로 외곽 사각형 코일부에 2회(turns), 중앙부의 작은 코일부에 2회(turns)를 만들어, 권선수를 2 turns를 하였다. 이 결과 코일의 인덕턴스는 1uH 이하의 값을 가졌다. 이때, 권선수는 그 이상으로 할 수 있음은 당연하다.

도 2는 기판을 앞면에서 관찰한 도면이고, 도 3은 기판을 뒷 면에서 관찰한 도면이다.

도 4는 단면 개요도이다. 중첩되는 코일의 단면 구조를 나타내었다. 즉, 피시비 기판 혹은 플렉서블 기판(30)에 복수개의 코일이 형성되는 단면 구조를 나타낸 도면이 된다. 제 1 코일(31a)과 제 2 코일(31b) 사이에 절연층(33)이 구비되고, 제 3 코일(31c)과 제 4 코일(31d) 사이에도 절연층(33)이 구비된다. 즉, 제 N-1코일과 제 N코일 사이에 절연층이 구비된다는 것이다. 그리고, 피씨비 기판이 반대 면에도 코일(31d)이 형성될 수 있음은 물론이다.

따라서, 결과적으로 제 1 코일(31a)과 제 2 코일(31b) 사이와 제 N-1코일과 제 N코일 사이에 절연층(33)이 구비되지만, 기판이 구비될 수도 있다는 것이다. 한편, 통상 절연층(33)은 Sio2(산화규소)나 수지등이 사용된다. 그러나 본 발명에서 절연층(33)이 의미하는 것은 전기가 통하지 않도록 하는 특징을 가진 코팅층은 모두 해당된다고 할 수 있다. 본 발명은 절연층에 대한 발명이 아니라 종래 절연층을 본 발명에 적용하는 것이기 때문이다.

당연히 N 개의 모든 코일을 피씨비 기판의 한쪽 편(예를 들면 앞면 혹은 뒷면)에 만 형성할 수 있고, 피씨비 기판의 앞면과 뒷면에 나누어 형성할 수도 있다.

그리고, 무엇보다 중요한 부분은 외부 코일(31a, 31b, 31c, 31d)과 내부 코일(32a, 32b, 32c, 32d)이 각각 한 쌍을 이루며, 같은 쌍을 이루는 외부 코일과 내부 코일 예를 들어 “31a” 와 “32a"는 동일층에 형성되게 된다는 것이다.

당연히, 외부 코일 내에 형성되는 내부 코일이 반드시 한 개 일 필요는 없으며, 2개 혹은 그 이상으로 임의의 N 개가 형성 될 수가 있다, 이 경우에는 외부 코일 하나와 N 개의 내부 코일은 함께 쌍을 이루게 되며, 하나의 쌍을 이루게 된 코일은 동일한 층에 형성된다는 것이다.

도 4b는 중첩되는 코일의 정확한 위치를 나타낸 실시예의 도면이다. 코일을 중첩시키는 이유는 자속 밀도의 균일성을 증가시키기 위한 것이기도 하지만, 자속의 강도를 강화시키기 위한 방법으로 사용될 수도 있다. 그리고, 도 4b는 자속의 강도를 강화시키기 위한 실시예의 도면이다.

자속의 강도를 강화시키기 위해서는 코일을 일치시키는 배열이 필요하다. 즉, 맨 위의 내부 코일(32a)은 아래의 내부 코일(32b)과 일치 시키고, 맨위의 외부 코일(31a)은 맨 아래의 외부 코일(31c)와 일치 시킨다. 그리고, 도면에서 처럼 각각의 내부 혹은 외부 코일이 일치된다.

하지만, 일치되는 정도의 오차 범위를 생각할 수가 있다. 즉 코일의 두께를 "dc"라고 하고, 상기 "dc"의 두배 정도 만큼의 오차 범위를 생각할 수가 있는 것이다, 즉, 서로 위치가 일치되는 코일이 길이의 두배 만큼 만 벗어나지 않는다면 구조적으로 원래의 자속의 세기를 유지시킬 수 있기 때문이다.

도 5는 내부 코일이 형성되지 않은 경우의 실시예이며, 따라서 외부 코일(31a, 31b, 31c)이 2 개 이상 복수개 형성되는 것이고, 그에 대한 실시예와 구조는 도 2에서 4에 형성된 경우와 같게 된다.

도 6과 도 7은 기판과 코일의 형상을 나타낸 도면이다.

앞의 도면에서는 기판(피씨비 혹은 플렉서블 기판)의 모양과 코일의 모양을 직사각형의 형상으로 한 실시예를 나타내었으나, 무선 충전기의 모양이나 디자인 형상에 따라 마름모 형상 원형 및 다각형 등으로 다양하게 그 모양을 할 수 있음은 당연하다. 도 6은 피씨비 기판의 다양한 모양을 나타낸 도면이고, 도 7은 코일의 다양한 모양을 나타낸 도면이다.

이때, 면적의 최적화를 위해서는 피씨비 기판과 코일의 형상이 비슷한 모양을 가지는 것이 좋다. 즉, 도 2와 도 5의 실시예에서와 같이 피씨비 기판이 사각형이면 코일의 모양도 사각형의 형상을 가지는 것이 좋다는 것이다. 그렇게 하므로서 피씨비 기판의 면적을 효율적으로 이용하여 코일을 형성할 수가 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 피씨비 기판을 예로 들었지만, 하나의 판 형상에 코일이나 전극을 형성할 수 있는 구조이면, 본 발명의 실시예에 포함된다고 할 수 있다.

도 8으 기판과 코일의 면적 비율을 나타낸 도면이다.

예를들어, 기판의 크기가 1890mm²(45mm x 42 mm)이고, 코일(31)의 면적(A)이 960mm²(30mm x 32mm) 이라면, 기판(30)에서 차지하는 코일의 면적(A)가 차지하는 비율은 50.7 % 이다. 이때 실제로 코일은 완전한 직사각형은 아니고 각각의 모서리를 잘나낸 형상을 가지므로 그 부분의 면적 감소를 고려할 수 있다. 즉 각 모서리에서 4.5 mm² 의 면적 만큼 씩 절개하면, 코일의 면적은 942mm² 가 되며, 이 경우 기판(30)에서 코일(31)이 차지하는 면적 비율은 약 50% 정도가 되게 된다.

하지만, 연결 배선(34)의 위치에 따라, 코일의 면적 A를 756 mm² 로 할 수 있고, 그 경우에는 기판(30)에서 코일(31)이 차지하는 면적 비율은 약 40 %가 된다,

즉, 코일이 면적이 최소 40% 혹은 50 % 이상은 되어야 기판의 면적을 효율적으로 사용하는 것이 된다. 그리고, 경우에 따라서는 기판(30)이 가장자리에 최대한 가깝게 코일(31)을 형성할 수가 있다. 따라서 기판에서 코일이 차지하는 면적은 최대로 99%에 달할 수가 있다.

물론 코일의 면적을 생각할 때, 사각형 형태의 거리 비율로 생각할 수가 있다. 예를들면, PCB 기판의 길이가 10cm x 5cm 이고, 코일의 길이가 6cm x 3cm 이면, 코일 면적 비율은 36 %가 된다.

즉, 본 발명은 무선 전력을 전송하는 PCB 기판의 실시예를 나타낸 경우이다, 그리고 본 발명의 무선 전력 송신기(무선충전기) 상단에 무선으로 전력을 수신하는 수신부를 장착할 때, 사용자의 편의성을 고려하면 코일의 길이는 PCB의 길이가 60% 정도는 되어야 적당하다고 할 수 있다. 즉 PCB 한변의 길이의 60% 정도가 코일의 길이가 되는 것이며, 이 경우 코일이 차지하는 면적 비율은 36%가 된다. 따라서 무선충전기의 피씨비 가판에서 코일이 차지하는 면적 비율은 36% 이상이 될 수 있다는 것이다.

그리고, 상기 36 %의 비율은 복수개의 코일이 사용되었을 때에도 적용된다. 즉 전체 피씨비 면적에서 복수개의 코일의 면적이 36% 이라는 것이다. 마찬가지로 중첩되는 경우도 상기 36%는 적용된다.

20 : 케이스
21, 22 : 받침대
25 : 덮개
30 ; 기판
31a, 31b, 31c, 31d : 내부 코일
32a, 32b, 32c, 32d : 외부 코일
35 : 부품 장착 기판

Claims (3)

1. 무선충전기는 케이스(20) 내부에 코일이 형성된 피씨비(PCB) 기판(30)을 장착하고, 그 위에 덮개(25)를 덮는 구조를 가지고.
   피씨비 기판(30)에는 코일만 형성될 뿐 아니라, 제어부, 발진기, 신호 처리부등 무선 충전기에 필요한 무선 충전기의 기능을 수행하는 부품(36)이 장착되게 되고,
   코일이 형성된 기판과 무선 충전기에 필요한 부품이 형성된 기판을 일체로 하며, 받침부(21)(22)를 구비하여 상기 피씨비 기판(30)을 상기 받침부에 장착하게 되는 것을 특징으로 하는 밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기.
2. 제 1항에 있어서, 비접촉식 자기유도를 이용한 무선 충전기에 있어서, 상기 무선 충전기는 전력을 무선으로 송신하는 기기이며, 상기 무선 충전기 내부에 코일이 형성된 기판이 구비되고, 상기 코일은 복수개의 코일 즉 제 1 코일, 제 2 코일 및 제 N 코일 등으로 형성될 때,
   상기 코일들은 일정 면적으로 서로 중첩되며, 즉, 제 1 코일과 제2 코일이 중첩될 때 상기 제 1 코일과 제 2 코일 사이에 절연막 혹은 기판 존재하고, 제 N-1 코일과 제 N 코일이 중첩될 때에도 제 N-1 코일과 제 N 코일 사이에도 절연막 혹은 기판이 존재하는 것을 특징으로 하는 밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기
3. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 피씨비 기판 혹은 플렉서블 기판인 것을 특징으로 하는 밧테리 장착 공간이 구비된 무선충전기.
   
   

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