KR20240029567A - 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서 - Google Patents

차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서에 관한 것으로, 간섭 객체 검출 센서가 장착되는 무전전력전송(WPT) 장치의 형태에 대응하여, 상기 무선전력전송 장치의 전체 상부 영역을, 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역을 형성할 수 있도록 구분하고, 연속된 한 줄로 이어지는 차동 코일을, 상기 구분한 각 위상 영역의 형태에 따라, 상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치함으로써, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 서로 대향되거나 대칭되도록 형성하며, 또한 상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치되는 상기 차동 코일이 시작되는 부분의 전극인 제1 전극과, 상기 차동 코일이 상기 각 위상 영역의 둘레를 모두 돌아 나와 끝나는 부분의 전극인 제2 전극만 노출되게 형성된다.

Description

차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서{INTERFERING OBJECT DETECTION SENSOR USING DIFFERENTIAL COIL}
본 발명은 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작은 간섭 객체에 대해서도 민감하게 감지하고, 사각형은 물론 원형으로도 구현될 수 있으며, 아날로그 회로만으로도 간섭 객체 검출 센서 시스템을 구현할 수 있도록 하는, 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서에 관한 것이다.
최근 전기차, AGV(automatic guide vehicle), 로봇 등의 다양한 분야에서 안전성을 위하여 비접점의 무선충전 기술(즉, 무선전력전송 기술)의 필요성이 증가하고 있다.
그런데 상기 무전전력전송(WPT : Wireless Power Transmission)에서는 전력 송전단(TX)과 전력 수전단(RX) 사이에 금속 성분 물체(metallic objects)가 삽입되어 있을 경우 강한 자속이 높은 주파수로 교번하므로 이로 인한 와전류가 발생하여 발열이 되고, 이로 인한 화제의 위험성이 있다.
예컨대 전기차 무선충전과 같이 송전단과 수전단 사이에 상당한 이격 거리(약 15~30cm 이상)가 존재할 때, 자성 성분을 가진 금속 성분의 물질이 삽입될 경우에는 와전류 및 자력선의 교번으로 인한 CORE LOSS로 인한 발열로 인해 무선충전 코일의 피복 손상 등, 회로가 손상될 수 있으며, 살아있는 생물체가 존재할 경우는 생명에 위협을 줄 수 있는 문제점이 있다.
따라서 상기와 같은 이유로 무선충전 시 안전성 향상을 위하여 간섭 객체 검출(예 : FOD-Foreign Object Detection, LOD-Live Object Detection)을 위한 기술이 중요한 기술로 정의되고 있으며, 이에 따라 다양한 형태의 간섭 객체 검출 기술이 연구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2022-0085711호(2022.06.22. 공개, 무선전력전송에서 공진 주파수 변이를 이용한 금속 이물질 검출 시스템)에 개시되어 있다.
상기 배경기술의 스위칭 회로(switching circuit)를 이용한 매트릭스 형태의 간섭 객체 검출 센서는, 다수의 전극이 필요하며 이 전극들을 선택하기 위한 스위칭 회로가 포함해야 하는 문제점이 있으며, 상기 문제점을 해소하기 위하여, 차동 코일에 연결된 전극(electrode)의 갯수를 최소화함으로써, 전극들 사이에 발생할 수 있는 기전력(EMF : ElectroMotive Force)을 방지하여 적은 센서 신호도 보존될 수 있도록 하고, 전극 선택을 위한 스위칭 회로를 사용하지 않음으로써 간단한 구조로 구현할 수 있도록 하면서, 작은 간섭 객체(object)에 대해서도 민감하게 감지하고, 간섭 객체 검출 센서를 사각형(quadrangle)은 물론 원형(circle)으로도 구현될 수 있으며, 아날로그(analog) 회로만으로도 간섭 객체 검출 센서 시스템을 구현할 수 있도록 하는 기술이 필요한 상황이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 작은 간섭 객체에 대해서도 민감하게 감지하고, 사각형은 물론 원형으로도 구현될 수 있으며, 아날로그 회로만으로도 간섭 객체 검출 센서 시스템을 구현할 수 있도록 하는, 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서는, 간섭 객체 검출 센서가 장착되는 무전전력전송(WPT) 장치의 형태에 대응하여, 상기 무선전력전송 장치의 전체 상부 영역을, 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역을 형성할 수 있도록 구분하고, 연속된 한 줄로 이어지는 차동 코일을, 상기 구분한 각 위상 영역의 형태에 따라, 상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치함으로써, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 서로 대향되거나 대칭되도록 형성하며, 또한 상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치되는 상기 차동 코일이 시작되는 부분의 전극인 제1 전극과, 상기 차동 코일이 상기 각 위상 영역의 둘레를 모두 돌아 나와 끝나는 부분의 전극인 제2 전극만 노출되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 상기 무전전력전송(WPT) 장치의 충전 코일의 상부에 배치되되, 상기 충전 코일로부터 전기적 및 물리적으로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 무전전력전송(WPT) 장치는, 원형 형태, 사각형 형태, 및 다각형 형태 중 적어도 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 상기 각 위상 영역의 내부에 객체가 있을 경우, 해당 위상 영역의 자기장이 변경됨으로써, 상기 변경된 자기장에 대응하는 특정 전압(XV)을 출력하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 간섭 객체 검출 센서는, 상기 차동 코일에 의해 형성된 각 위상 영역의 경계 부분에 있는 객체를 검출하기 위하여, 각각 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역이 형성된 복수의 차동 코일을, 상부와 하부에 겹쳐 다 층(multi layer)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일을 겹쳐 다 층으로 형성할 경우, 제1 층의 제1 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제2 층의 제2 차동 코일의 위상 영역의 중간이나 절반에 위치할 수 있는 형태로 형성된 차동 코일을 배치함으로써, 상기 제1,2 차동 코일의 전기적 각도 또는 위상각이 90도 차이가 발생하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 객체가 (-) 위상 영역에 있을 경우에는 (+) 위상의 출력 전압을 발생하고, 상기 객체가 (+) 위상 영역에 있을 경우에는 (-) 위상의 출력 전압을 발생하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 적어도 한 쌍의 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 1열로 형성될 수 있으며, 적어도 한 쌍의 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 2열 이상으로 형성될 경우에는 각 열이 서로 대향되거나 대칭되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 위상 영역의 크기에 비례하는 차동 전압을 출력하며, 위상 영역이 작아지면 이에 비례하여 검출 신호의 크기도 작아지고, 위상 영역이 커지면 이에 비례하여 검출 신호의 크기도 커지도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 검출할 객체의 크기와 센싱 감도를 고려하여, 상기 충전 코일의 외곽 둘레보다 더 내측으로 형성되거나, 상기 충전 코일의 외곽 둘레보다 더 외측으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 출력단 전극에 곱셈기를 사용한 위상 감지 정류 회로를 적용하여, 간섭 객체 검출 신호로서 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 피 충전체의 충전 상태에 따라 달라지는 충전 코일의 전압에 비례하여 달라지는 차동 코일의 출력 전압을 고려하여, 차동 코일의 출력 전압(Vout)을 충전 코일의 입력 전압(Vin)으로 나누어 그 비율(ratio)을 출력하는 제산 장치를 적용함으로써, 차동 코일의 출력 전압이 충전 상태에 따라 달라지지 않고, 오직 객체의 크기와 성질에 따라서만 달라지도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 원형 형태의 무전전력전송(WPT) 장치인 경우, 중심 영역과 이를 둘러싸는 외곽 영역으로 구분하고, 상기 외곽 영역 및 상기 중심 영역 내에서, 각각 상호 대칭되거나 대향되는 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역을 형성할 수 있는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 차동 코일은, 각 위상 영역이 충전 코일과 가까운 정도나 자기장의 분포에 따라, 중심부나 외곽에 형성되는 각 위상 영역의 크기나 면적이 다르게 형성되되, 충전 코일의 전선에 많이 노출되는 외곽의 위상 영역이 상대적으로 중심부의 위상 영역보다 더 작은 형태로 형성될 수 있고, 또한 상기 중심부의 위상 영역을 더 작은 크기의 대칭되는 위상 영역으로 분할하여 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 작은 간섭 객체에 대해서도 민감하게 감지하고, 사각형은 물론 원형으로도 구현될 수 있으며, 아날로그 회로만으로도 간섭 객체 검출 센서 시스템을 구현할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 7 내지 도 9는 상기 도 3에 있어서, 차동 코일에 의해 객체를 감지하는 동작 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 10은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 11은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 일 실시 예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
본 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서은, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 무전전력전송(WPT) 장치의 형태에 대응하여, 상기 무전전력전송(WPT) 장치가 원형으로 구현될 경우에 원형으로 구현될 수 있으며, 또한 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 충전 코일의 상부에 배치됨으로써, 상기 차동 코일의 상부에 있는 객체(즉, 간섭 객체)를 감지하게 된다.
이 때 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 상기 충전 코일은 충전 코일 코어(CORE)의 외측 둘레를 따라 적어도 1층(layer) 3겹으로 연속해서 감겨 있으며, 상기 차동 코일은 상기 충전 코일의 상부 측 충전 코일 하우징(HOUSING) 내에 형성됨으로써 상기 충전 코일로부터 전기적 및 물리적으로 이격된다.
또한 도 1의 (a)에 도시된 상기 차동 코일은, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 4쌍이 있는 4폴(pole) 형태(또는 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 8개가 있는 8폴(pole) 형태라고 할 수도 있음)로 구현된 것으로, (+)와 (-)의 각 위상 영역(phase sectional area)의 갯수가 서로 동일하고, (+)와 (-)의 각 위상 영역이 서로 대칭되어 있다.
참고로 본 실시 예에서 상기 폴(pole)의 갯수는 예시적인 것이므로, 실제로는 변경될 수 있음에 유의한다. 또한 상기 차동 코일은 상기 충전 코일의 내측에 형성될 수도 있으나, 상기 충전 코일의 외측에 형성될 수도 있음에 유의한다.
이에 따라 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 간섭 객체가 없을 경우, 상기 충전 코일에 의해 충전이 개시될 경우 상기 차동 코일에 인가되는 전압은 각 위상 영역에서 서로 상쇄되어 0이 된다. 즉, 상기 차동 코일의 전극(electrode)에서 검출되는 전압은 0V가 된다. 이 때 본 실시 예에서 차동 코일의 제조상의 오차에 의해 오프셋 전압이 발생할 수도 있으나, 상기 오프셋 전압은 추후 보정할 수 있는 값이므로, 설명의 편의상 간섭 객체가 없을 경우에는 이상적으로 0V가 출력된다고 가정한다.
그런데 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 차동 코일의 상부에 객체(즉, 간섭 객체)가 있을 경우, 해당 위상 영역의 자기장이 변경되므로, 상기 충전 코일에 의해 상기 차동 코일에 인가되는 전압이 상쇄되지 않게 됨으로써, 상기 변경된 자기장에 대응하는 특정 전압(XV)이 출력된다. 즉, 상기 차동 코일의 전극에서 0V 이외의 전압(XV)이 검출된다.
다시 말해 충전 코일이 작동하고 있을 때 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 자기장에 반응하는 객체가 접근할 경우, 이를 전기적 신호로 인식하기 위해서는 차동 코일에 공통모드(COMMON MODE) 전압이 없어야 하고, 차동 전압이 충분히 낮아야 하고, 동시에 수 mV 이상의 전압을 출력할 수 있어야 한다.
이에 따라 상기 충전 코일이 회전 대칭(rotational symmetry)이므로 충전 코일에 의한 자기장도 회전 대칭이라 할 수 있으며, 이에 따라 상기 차동 코일을 일정 각도에서 동일한 형태를 갖는 회전 대칭으로 구현할 수 있다.
예컨대 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 비자성의 금속 또는 유전율이 큰 생명체일 경우, 해당 위상 영역에서 렌쯔(lenz) 효과를 기대할 수 있기 때문에 자기장의 크기를 감소시켜, 상기 차동 코일에서 상기 객체가 있는 위상 영역(예 : (-) 위상 영역)의 면적이 감소하는 효과를 가지므로, 상기 충전 코일에서 상기 차동 코일에 인가되는 해당 전압이 약하게 되므로, 상기 차동 코일의 출력은 (+) 위상의 출력 전압이 발생한다. 왜냐하면, 상기 객체가 유전율이 큰 생물체(living object)이거나, 발열을 일으키는 금속체(metal object)일 경우, 해당 위상 영역에 인가되는 자기장을 방해하기 때문에 해당 위상 영역에는 감소된 기전력(EMF)이 발생하는 원리가 있기 때문이다.
이상으로 상기 도 1을 참조하여, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 (+) 위상 영역이나 (-) 위상 영역의 내부에 있을 경우, 상기 차동 코일의 전극에서 0V 이외의 전압(XV)이 검출되는 동작에 대해서 설명하였다.
그런데 상기 객체(즉, 간섭 객체)가, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역의 경계 부분에 걸쳐 있을 경우, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 없을 경우와 마찬가지로, 상기 차동 코일에 인가되는 전압은 각 위상 영역에서 서로 상쇄되어 0이 된다. 즉, 상기 차동 코일의 전극(electrode)에서 검출되는 전압은 0V가 됨으로써, 상기 객체(즉, 간섭 객체)를 검출하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
따라서 상기와 같은 문제점을 방지하기 위하여, 도 2의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 동일한 형태의 차동 코일을 2층(2 layer)으로 겹쳐 배치하되, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 층의 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제2 층의 차동 코일의 위상 영역의 중간(또는 절반)에 위치되도록 배치한다.
상기와 같이 제1 층의 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제2 층의 차동 코일의 위상 영역의 중간(또는 절반)에 위치되도록 배치함으로써, 제1,2 차동 코일의 전기적 각도 또는 위상각(electrical degree, 또는 electric phase)은 90도 차이가 발생하게 된다.
이에 따라 상기 객체(즉, 간섭 객체)가, 제1 층의 차동 코일에서는, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역의 경계 부분에 걸쳐 있지만, 제2 층의 차동 코일에서는, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, (+)나 (-)의 위상 영역 내부에 위치하게 됨으로써, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 층의 차동 코일 전극 또는 제2 층의 차동 코일 전극 중 어느 하나의 전극에서는 0V 이외의 전압(XV)이 검출된다. 즉, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 어느 위치에 있던지 검출이 가능하게 되는 것이다.
이상으로 상기 도 1과 도 2를 참조하여, 원형 차동 코일의 형태와 배치 구조 및 동작에 대해서 설명하였다.
그런데 무전전력전송(WPT) 장치가 사각형으로 구현될 경우에 이에 대응하여 차동 코일도 사각형으로 구현될 수 있으며, 동작은 원형 차동 코일과 마찬가지 방식으로 동작한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 3의 (a)에 도시된 상기 차동 코일은, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역 1쌍이 1열로 형성되어 있는 1폴(pole) 형태(또는 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역 2개가 1열로 형성되어 있는 2폴(pole) 형태라고 할 수도 있음)로 구현된 것이고, 도 3의 (b)에 도시된 상기 차동 코일은, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역 2쌍이 1열로 형성되어 있는 2폴(pole) 형태(또는 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 4개가 1열로 형성되어 있는 4폴(pole) 형태라고 할 수도 있음)로 구현된 것이며, 도 3의 (c)에 도시된 상기 차동 코일은, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역 2쌍이 2열로 형성되어 있는 2폴(pole) 형태(또는 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 4개가 2열로 형성되어 있는 4폴(pole) 형태라고 할 수도 있음)로 구현된 것이고, 도 3의 (d)에 도시된 상기 차동 코일은, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역 4쌍이 2열로 형성되어 있는 4폴(pole) 형태(또는 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 8개가 2열로 형성되어 있는 8폴(pole) 형태라고 할 수도 있음)로 구현된 것으로서, (+)와 (-)의 각 위상 영역의 갯수가 서로 동일하고, (+)와 (-)의 각 위상 영역이 서로 대칭(또는 대향)되게 형성된다.
참고로 본 실시 예에서 상기 폴(pole)의 갯수는 예시적인 것이므로, 실제로는 변경될 수 있음에 유의한다.
이에 따라 도 3의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 간섭 객체가 없을 경우, 상기 충전 코일에 의해 충전이 개시될 경우, 상기 차동 코일에 인가되는 전압은 각 위상 영역에서 서로 상쇄되어 0이 된다. 즉, 상기 차동 코일의 전극(electrode)에서 검출되는 전압은 0V가 된다.
또한 상기 차동 코일의 어느 한 위상 영역 내부에 객체(즉, 간섭 객체)가 있을 경우, 해당 위상 영역의 자기장이 변경되므로, 상기 충전 코일에 의해 상기 차동 코일에 인가되는 전압이 상쇄되지 않게 됨으로써, 상기 변경된 자기장에 대응하는 특정 전압(XV)이 출력된다.
그런데 상기 객체(즉, 간섭 객체)가, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역의 경계 부분에 걸쳐 있을 경우, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 없을 경우와 마찬가지로, 상기 차동 코일에 인가되는 전압은 각 위상 영역에서 서로 상쇄되어 0이 된다. 즉, 상기 차동 코일의 전극(electrode)에서 검출되는 전압은 0V가 됨으로써, 상기 객체(즉, 간섭 객체)를 검출하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
따라서 상기와 같은 문제점을 방지하기 위하여, 도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 차동 코일을 2층(2 layer)으로 겹쳐 배치하되, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 층의 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제1 층의 차동 코일의 위상 영역의 중간(또는 절반)에 위치될 수 있는 형태로 형성된 제2 차동 코일을, 상기 제1 차동 코일에 겹쳐 배치한다.
상기와 같이 제1 층의 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제2 층의 차동 코일의 위상 영역의 중간(또는 절반)에 위치되도록 배치함으로써, 제1,2 차동 코일의 전기적 각도 또는 위상각(electrical degree, 또는 electric phase)은 90도 차이가 발생하게 된다.
이에 따라 상기 객체(즉, 간섭 객체)가, 제1 층의 차동 코일에서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역의 경계 부분에 걸쳐 있지만, 제2 층의 차동 코일에서는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, (+)나 (-)의 위상 영역 내부에 위치하게 됨으로써, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 층의 차동 코일 전극 또는 제2 층의 차동 코일 전극 중 어느 하나의 전극에서는 0V 이외의 전압(XV)이 검출된다. 즉, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 어느 위치에 있던지 검출이 가능하게 되는 것이다.
한편 상기 도 2 및 도 4에서는 복수 개의 차동 코일을 2층(2 layer)으로 겹쳐 배치하는 방법에 대하여 설명하였다.
그런데 상기 차동 코일을 2층(2 layer)으로 겹쳐 배치하지 않고, 하나의 차동 코일을 1층(1 layer)으로 배치하되, 예상되는 객체(즉, 간섭 객체)의 크기에 따라서 상기 차동 코일의 폴(pole) 수를 변경할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조 및 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예상되는 객체(즉, 간섭 객체)의 크기가 작을 경우에는 다른 차동 코일 대비 폴(pole) 수를 증가시킬 수 있으며, 예상되는 객체(즉, 간섭 객체)의 크기가 클 경우에는 다른 차동 코일 대비 폴(pole) 수를 감소시킬 수 있다.
이 때 차동 전압은 위상 영역의 크기(면적)에 비례하므로, 폴(pole) 수가 증가되어 위상 영역이 작아지면 검출 신호의 크기도 작아지고, 폴(pole) 수가 감소되어 위상 영역이 커지면 검출 신호의 크기도 커지게 된다.
도 6은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
한편 상기 도 1 내지 도 5에서는, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 차동 코일이 상기 충전 코일의 내측에 형성되는 형태로 도시되어 있으나, 도 6의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 차동 코일이 상기 충전 코일보다 외측에 형성될 수도 있다. 다만 이상적으로는 충전 코일의 근방에 있는 객체까지 모두 센싱해야 하므로, 상기 충전 코일이 적어도 1층(layer) 3겹으로 연속해서 감겨 있는, 도 6의 (c)에 도시된 형태가 가장 바람직한 형태라고 할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 상기 도 3에 있어서, 차동 코일에 의해 객체를 감지하는 동작 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 충전 코일에 전원이 공급되어 충전이 개시될 때, 차동 코일의 (-) 위상 영역에 객체(즉, 간섭 객체)가 있을 경우, 차동 코일의 (-) 위상 면적이 감소하는 효과에 의해 차동 코일에 인가되는 해당 전압이 약화되어 차동 코일은 (+) 위상 출력이 발생한다. 이에 따라 차동 코일의 출력단 전극에 곱셈기를 사용한 위상 감지 정류 회로를 적용하여 교류 신호(ac)를 직류 신호(DC)로 변환함으로써 객체의 위치와 크기를 검출할 수 있게 된다.
참고로 차동 코일의 최대 출력은 객체의 형태와 면적이 위상 영역의 형태와 면적에 동일할 때이므로, 도 7의 (a)와 같이 객체의 형태와 면적이 위상 영역과 비슷하므로, 도 7의 (b)와 같이 비교적 큰 출력 전압을 출력한다. 만약 객체의 형태가 위상 영역의 형태와 비슷하더라도 면적이 더 적을 때는 차동 코일의 출력 전압(Vout)은 작아진다.
이 때 작동 원리는 차동 코일의 주변에 위치해 있는 충전 코일이 여자기(exciter)의 역할을 하여 자기장을 만들어 내면 차동 코일에 기전력(EMF)이 유도되는 원리이다. 여기서 표시하는 극성 표기인 +/-는 교류의 위상을 나타내는 것이므로 직류의 전극과 다른 것이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 충전 코일에 전원이 공급되어 충전이 개시될 때, 차동 코일의 (-) 위상 영역에 객체(즉, 간섭 객체)가 있을 경우, 차동 코일의 (-) 위상 면적이 감소하는 효과에 의해 차동 코일에 인가되는 해당 전압이 약화되어 차동 코일은 (+) 위상 출력이 발생한다.
도 7과 비교할 때, 도 8에 도시된 차동 코일의 폴(pole) 수가 증가되었으며, 상기와 같이 폴(pole) 수가 증가됨에 따라 위상 영역의 면적이 작아짐으로써, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 차동 코일의 출력 전압(Vout)이 감소하게 된다.
그런데 만약 객체의 크기가 커서 (-) 위상 영역과 (+) 위상 영역에 걸쳐 있게 될 경우, 이미 상술한 바와 같이 차동 코일에 인가되는 전압이 (-)와 (+) 위상 영역에서 서로 상쇄되어, 차동 코일의 출력 전압(Vout)이 0V가 된다.
따라서 다양한 크기의 객체를 검출하기 위해서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 다양한 폴(pole) 수로 형성된 복수의 차동 코일(예 : 제1 차동 코일, 제2 차동 코일)을 다 층(multi layer)으로 겹쳐 형성할 필요가 있다.
도 9의 (a)를 참조하면, 도 7에 도시된 1 폴(pole)의 차동 코일과 도 8에 도시된 2 폴(pole)의 차동 코일을 겹쳐(overlay) 형성함으로써, 다양한 크기의 객체를 효과적으로 감지할 수 있도록 한다.
그런데, 차동 코일의 출력 전압은 충전 코일의 전압에 비례하므로, 피충전체(예 : 전기차 등)의 충전 상태에 따라 충전 코일의 전압이 달라짐에 따라 상기 차동 코일의 출력 전압도 그에 비례하여 달라지는 문제점이 있다.
이에 따라 차동 코일의 출력 전압(Vout)을 충전 코일의 입력 전압(Vin)으로 나누어 그 비율(ratio)을 출력하는 제산 장치(미도시)를 적용함으로써, 차동 코일의 출력 전압이 충전 상태에 따라 달라지지 않고, 오직 객체의 크기와 성질에 따라서만 달라지게 한다.
이때 상기 제산 장치(미도시)는 전기 회로로 구성하거나 ADC(아날로그/디지철 변환기)를 거쳐 수치화할 수 있으므로 보다 유용하다.
도 10은 본 발명의 제7 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 객체(즉, 간섭 객체)가, 차동 코일에 의한 위상 영역이 형성되지 않은 빈 공간인 중심 영역(또는 차동 코일의 공통 영역)에 있을 경우, 각 위상 영역 내의 자기장에 영향을 주지 않으므로(즉, 차동 전압을 얻을 수 없으므로), 객체(즉, 간섭 객체)가 없을 경우와 마찬가지로, 상기 차동 코일의 전극(electrode)에서 검출되는 전압은 0V가 됨으로써, 상기 객체(즉, 간섭 객체)를 검출하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 방지하기 위하여, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이,차동 코일을 중심 영역(제2 영역)(또는 차동 코일의 공통 영역)과 이를 둘러싸는 외곽 영역(제1 영역)으로 구분하여(예 : 도우넛 형태나 링 형태), 외곽 영역(제1 영역) 및 중심 영역(제2 영역)에도 각각 상호 대칭되는 복수의 위상 영역을 형성한다.
이에 따라 상기 객체(즉, 간섭 객체)가, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 중심 영역(제2 영역)에 형성된 (+)나 (-)의 위상 영역에 위치하게 됨으로써, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 차동 코일 전극에서는 0V 이외의 전압(XV)이 검출된다. 즉, 상기 객체(즉, 간섭 객체)가 어느 위치에 있던지 검출이 가능하게 되는 것이다. 이 때 중심 영역(제2 영역)과 외곽 영역(제1 영역)에 형성되는 차동 코일의 폴(pole) 수는 다를 수 있다.
이상으로 도 1 내지 도 10은 차동 코일의 대칭적인 폴(pole)이 동일한 형태로 형성되는 것에 대해서 도시되어 있으나, 반드시 동일한 형태로 형성되어야 하는 것은 아니며, 차동 코일의 폴(pole)이 충전 코일과 가까운 정도(또는 자기장의 분포)에 따라 폴(pole)의 크기(면적)와 형태를 다양하게 변경할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제8 실시 예에 따른 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서의 형태와 배치 구조를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
참고로 도 11에서 모서리 부분과 중심부의 위상 영역을 (+) 위상 영역을 나타내고, 4변에 맞닿은 위상 영역은 (-) 위상 영역을 나타낸다. 다만 이는 설명을 돕기 위하여 예시적으로 도시한 것으로 실시 예에 따라 변경될 수 있음에 유의한다.
도 11에 도시된 바와 같이, (+)와 (-) 위상 영역은, 차동 코일의 폴(pole)이 충전 코일과 가까운 정도(또는 자기장의 분포)에 따라 폴(pole)의 크기(면적)를 조정할 수 있으며, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 충전 코일의 전선에 많이 노출된 각 코너의 위상 영역은 상대적으로 중심부의 위상 영역보다 더 작게 형성할 수 있다. 또한 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 구역별(예 : 중심부)로 대칭되는 위상 영역으로 작게 분할할 수도 있다.
한편 상기 도 1 내지 도 11에서 설명한 각 위상 영역을 형성하는 차동 코일은, 위상 영역별로 별도로 분리되지 않고, 하나의 코일(즉, 연속된 한 줄로 이어진 차동 코일)을 각 위상 영역의 형태에 따라 각 위상 영역의 둘레를 따라 꺾어가며, 반대되는 위상 영역이 번갈아가며(즉, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 번갈아가며) 연속적으로 대향되게 형성함으로써, 최종적으로는 두 개의 전극만 형성(즉, 차동 코일의 양 끝 부분만 전극으로 노출되게 형성)된다.
상기와 같이 본 실시 예는 전극(electrode)의 갯수를 최소화하여 상기 전극들 사이에 기전력(EMF)을 방지하여 적은 센서 신호도 보존될 수 있도록 하고, 스위칭 회로를 사용하지 않음으로써 간단한 구조로 구현할 수 있도록 하면서 작은 간섭 객체(object)에 대해서도 민감하게 감지하고, 사각형(quadrangle)은 물론 원형(circle)으로도 구현될 수 있으며, 아날로그(analog) 회로만으로도 간섭 객체 검출 센서 시스템을 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.

Claims (12)

  1. 간섭 객체 검출 센서가 장착되는 무전전력전송(WPT) 장치의 형태에 대응하여, 상기 무선전력전송 장치의 전체 상부 영역을, 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역을 형성할 수 있도록 구분하고,
    연속된 한 줄로 이어지는 차동 코일을, 상기 구분한 각 위상 영역의 형태에 따라, 상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치함으로써, (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 서로 대향되거나 대칭되도록 형성하며, 또한
    상기 각 위상 영역의 둘레를 따라가며 배치되는 상기 차동 코일이 시작되는 부분의 전극인 제1 전극과, 상기 차동 코일이 상기 각 위상 영역의 둘레를 모두 돌아 나와 끝나는 부분의 전극인 제2 전극만 노출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    상기 무전전력전송(WPT) 장치의 충전 코일의 상부에 배치되되,
    상기 충전 코일로부터 전기적 및 물리적으로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 간섭 객체 검출 센서는,
    상기 차동 코일에 의해 형성된 각 위상 영역의 경계 부분에 있는 객체를 검출하기 위하여,
    각각 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역이 형성된 복수의 차동 코일을, 상부와 하부에 겹쳐 다 층(multi layer)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 차동 코일을 겹쳐 다 층으로 형성할 경우,
    제1 층의 제1 차동 코일의 위상 영역의 경계 부분이 제2 층의 제2 차동 코일의 위상 영역의 중간이나 절반에 위치할 수 있는 형태로 형성된 차동 코일을 배치함으로써, 상기 제1,2 차동 코일의 전기적 각도 또는 위상각이 90도 차이가 발생하도록 형성된 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    객체가 (-) 위상 영역에 있을 경우에는 (+) 위상의 출력 전압을 발생하고,
    상기 객체가 (+) 위상 영역에 있을 경우에는 (-) 위상의 출력 전압을 발생하도록 형성된 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    적어도 한 쌍의 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 1열로 형성될 수 있으며,
    적어도 한 쌍의 (+) 위상 영역과 (-) 위상 영역이 2열 이상으로 형성될 경우에는 각 열이 서로 대향되거나 대칭되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    위상 영역의 크기에 비례하는 차동 전압을 출력하며,
    위상 영역이 작아지면 이에 비례하여 검출 신호의 크기도 작아지고,
    위상 영역이 커지면 이에 비례하여 검출 신호의 크기도 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    검출할 객체의 크기와 센싱 감도를 고려하여,
    상기 충전 코일의 외곽 둘레보다 더 내측으로 형성되거나,
    상기 충전 코일의 외곽 둘레보다 더 외측으로 형성되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    출력단 전극에 곱셈기를 사용한 위상 감지 정류 회로를 적용하여, 간섭 객체 검출 신호로서 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하도록 형성된 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    피 충전체의 충전 상태에 따라 달라지는 충전 코일의 전압에 비례하여 달라지는 차동 코일의 출력 전압을 고려하여,
    차동 코일의 출력 전압(Vout)을 충전 코일의 입력 전압(Vin)으로 나누어 그 비율(ratio)을 출력하는 제산 장치를 적용함으로써, 차동 코일의 출력 전압이 충전 상태에 따라 달라지지 않고, 오직 객체의 크기와 성질에 따라서만 달라지도록 형성된 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    원형 형태의 무전전력전송(WPT) 장치인 경우,
    중심 영역과 이를 둘러싸는 외곽 영역으로 구분하고,
    상기 외곽 영역 및 상기 중심 영역 내에서,
    각각 상호 대칭되거나 대향되는 적어도 한 쌍 이상의 위상 영역을 형성할 수 있는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 차동 코일은,
    각 위상 영역이 충전 코일과 가까운 정도나 자기장의 분포에 따라, 중심부나 외곽에 형성되는 각 위상 영역의 크기나 면적이 다르게 형성되되,
    충전 코일의 전선에 많이 노출되는 외곽의 위상 영역이 상대적으로 중심부의 위상 영역보다 더 작은 형태로 형성될 수 있고, 또한
    상기 중심부의 위상 영역을 더 작은 크기의 대칭되는 위상 영역으로 분할하여 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 차동 코일을 이용한 간섭 객체 검출 센서.
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