(57)【要約】      （修正有）【課題】多重コイルタイプの無線電力伝送装置において、各伝送コイルと受信コイルとの間の磁気結合度の差を最小化する多重コイル構造を提供する。【解決手段】無線電力伝送用多重コイル（ｂ）は、多層に積層される第１伝送コイル＃１と、多層に積層され、第１伝送コイル＃１と外郭が重畳する第２伝送コイル＃２で構成され、第１伝送コイル＃１と第２伝送コイル＃２の各層は、交互に積層することができる。第１伝送コイル＃１及び第２伝送コイル＃２の各層は、螺旋形形状の電線を形成し、螺旋形形状の電線の内側末端及び外側末端に形成されたビアを介して前の層及び次の層と接続することができる。したがって、受信装置を無線充電器の充電領域内のいずれの位置に置いても、充電効率を均一にすることができるようになり、これにより、充電中に、受信装置が移動しても、充電効率の低下を最小化して、充電時間を短縮することができるようになる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層に積層される第１伝送コイルと、
多層に積層され、前記第１伝送コイルと外郭が重畳する第２伝送コイルと、を含んで構成され、
前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルの各層は、交互に積層されることを特徴とする、無線電力伝送用多重コイル。
【請求項２】
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの各層は、多層ＰＣＢの製造工程で製造され、かつ、螺旋形形状の電線を形成することを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項３】
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの各層は、前記多層ＰＣＢの製造工程で、回路の印刷、エッチング及びレジスト剥離工程を経て形成されることを特徴とする、請求項２に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項４】
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの各層は、前記螺旋形形状の電線の内側末端及び外側末端に形成されたビアを介して前の層及び次の層と接続されることを特徴とする、請求項２に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項５】
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの偶数層において、
前記螺旋形電線の内側末端は、前記前の層と接続され、
前記螺旋形電線の外側末端は、前記次の層と接続され、
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの奇数層において、
前記螺旋形電線の内側末端は、前記次の層と接続され、
前記螺旋形電線の外側末端は、前記前の層と接続される、または
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの偶数層において、
前記螺旋形電線の外側末端は、前記前の層と接続され、
前記螺旋形電線の内側末端は、前記次の層と接続され、
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの奇数層において、
前記螺旋形電線の外側末端は、前記次の層と接続され、
前記螺旋形電線の内側末端は、前記前の層と接続されることを特徴とする、請求項４に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項６】
前記第１伝送コイル及び前記第２伝送コイルの各層は、多層ＰＣＢの製造工程で製造され、かつ、一部の区間が切れて２つの末端を有する単一の閉曲線形状の電線で形成され、
前記２つの末端のうち１つは、ビアを介して、前の層と接続され、他の１つは、ビアを介して次の層に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項７】
各層で前記２つの末端の位置は、層が進行するにつれて、前記閉曲線形状に沿って同じ方向に前記２つの末端の間の間隔だけ移動する、または、
各層で前記２つの末端の位置は、同じであり、前記閉曲線形状の電線は、前記２つの末端に接続される方向が奇数層と偶数層で交互に異なることを特徴とする、請求項６に記載の無線電力伝送用多重コイル。
【請求項８】
交流電流によって磁界を変化させる多重伝送コイルであって、
多層に積層される第１伝送コイルと、
多層に積層され、前記第１伝送コイルと外郭が重畳する第２伝送コイルと、を含んで構成される、多重伝送コイルと、
前記多重伝送コイルから発生する磁界の電波を制限するための遮蔽部と、
前記多重伝送コイル及び前記遮蔽部を包むケースと、を含んで構成され、
前記第１伝送コイルと前記第２伝送コイルの各層は、交互に積層されることを特徴とする、無線電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力伝送用多重コイルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信及び情報処理技術が発達するにつれて、スマートフォンなど、スマート端末の使用が徐々に増加しているが、現在、スマート端末に多く適用される充電方式は、電源に接続されたアダプタをスマート端末に直接接続して、外部電源の供給を受け、充電したり、またはホストのＵＳＢ端子を介してスマート端末に接続して、ホストのＵＳＢ電源の供給を受け、充電する方式である。
【０００３】
最近では、接続線を介してアダプタまたはホストにスマート端末を直接接続する不便さを減らすために、電気的接触なしに、磁気結合を用いて、バッテリーを無線で充電する無線充電方式が徐々にスマート端末に適用されている。
【０００４】
電力受信装置が伝送装置の表面上で移動して、伝送効率が低下する問題を解決し、伝送装置の表面上の無線充電の領域を広げるために、誘導結合方式の無線電力伝送装置に伝送コイルを複数重畳するように配置する多重コイルタイプの伝送装置が発売されている。
【０００５】
多重コイルタイプの無線電力伝送装置は、中央に配置される伝送コイルと外側に配置される伝送コイルを外郭領域の一部が互いに重畳するように配置するので、位置ごとに伝送コイルと受信コイルの間の磁気結合度に差が発生し、受信コイルの近くに配置される伝送コイルからの伝送効率が高い反面、受信コイルと相対的に遠く配置される伝送コイルからの伝送効率が低くなる問題が発生する。
【０００６】
図１は、多重コイル方式の無線電力伝送装置の上に置かれた電子機器の位置が変わることを示したものである。
【０００７】
多重コイル方式の無線電力伝送装置は、位置が異なる複数の伝送コイル（または１次コイル）を含み、複数の電子機器に同時に電力を伝送することができる。図１のようにＴｘ Ｃｏｉｌ＃１〜Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃３のような３つの１次コイルを含む多重コイル方式の無線電力伝送装置で、中央に配置されたＴｘ Ｃｏｉｌ＃２を介してスマートフォンで無線で電力を伝送する途中にスマートフォンが移動して、Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２の中央からずれてＴｘ Ｃｏｉｌ＃３を介してスマートフォンへ無線で電力を伝送することになると、Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２とスマートフォンの受信コイルとの間の磁気結合度に比べてＴｘ Ｃｏｉｌ＃３と受信コイルとの間の磁気結合度が低いため、電力伝送効率が落ちて充電時間が長くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような状況を勘案したものであり、本発明の目的は、多重コイルタイプの無線電力伝送装置において、各伝送コイルと受信コイルとの間の磁気結合度の差を最小化する多重コイル構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の課題を実現するための本発明の一実施の形態に係る無線電力伝送用コイルは、多層に積層される第１伝送コイルと、多層に積層され、第１伝送コイルと外郭が重畳する第２伝送コイルと、を含んで構成され、第１伝送コイルと第２伝送コイルの各層は、交互に積層されることを特徴とする。
【００１０】
一実施の形態において、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの各層は、多層ＰＣＢの製造工程で製造され、螺旋形形状の電線を形成することができる。
【００１１】
一実施の形態において、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの各層は、多層ＰＣＢの製造工程で回路印刷、エッチング及びレジスト剥離工程を経て形成されることができる。
【００１２】
一実施の形態において、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの各層は、螺旋形形状の電線の内側末端及び外側末端に形成されたビアを介して前の層及び次の層と接続することができる。
【００１３】
一実施の形態において、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの偶数層において、螺旋形電線の内側末端は、前の層と接続され、螺旋形形状の電線の外側末端は、次の層と接続され、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの奇数層において、螺旋形電線の内側末端は、次の層と接続され、螺旋形形状の電線の外側末端は、前の層と接続される、または、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの偶数層において、螺旋形電線の外側末端は、前の層と接続され、螺旋形形状の電線の内側末端は、次の層と接続され、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの奇数層において、螺旋形電線の外側末端は、次の層と接続され、螺旋形形状の電線の内側末端は、前の層と接続されることができる。
【００１４】
一実施の形態において、第１伝送コイル及び第２伝送コイルの各層は、多層ＰＣＢの製造工程で製造され、かつ、一部の区間が切れて２つの末端を有する単一の閉曲線形状の電線で形成され、２つの末端のうちいずれか１つは、ビアを介して、前の層と接続され、他の１つは、ビアを介して次の層に接続されることができる。
【００１５】
一実施の形態において、各層で２つの末端の位置は、層が進行するにつれて閉曲線形状に沿って同じ方向に２つの末端の間の間隔だけ移動する、または、各層で２つの末端の位置は、同じであり、閉曲線形状の電線は、２つの末端に接続される方向が奇数層と偶数層で交互に異なることがある。
【００１６】
本発明の他の実施の形態に係る無線電力伝送装置は、交流電流によって磁界を変化させる多重伝送コイルであって、多層に積層される第１伝送コイルと、多層に積層され、第１伝送コイルと外郭が重畳する第２伝送コイルとを含んで構成される、多重伝送コイルを含んで構成され、第１伝送コイルと第２伝送コイルの各層は、交互に積層されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
したがって、受信装置を無線充電器の充電領域内の任意の位置に置いても、充電効率を均一にすることができ、これにより、充電中に、受信装置が移動しても、充電効率の低下を最小化して、充電時間を短縮することができるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】多重コイル方式の無線電力伝送装置の上に置かれた電子機器の位置が変わることを示す図である。
【図２】無線電力伝送装置から電子機器に電力が無線で伝送されることを概念的に示した図である。
【図３】電磁誘導方式で電力を無線で伝送するための伝送装置の電力変換部の回路構成を概念的に示す図である。
【図４】無線電力伝送装置と受信装置が電力とメッセージを送受信するための構成を示す図である。
【図５】無線電力伝送装置と受信装置との間の電力伝送を制御するためのループをブロックで示す図である。
【図６】従来の３つの伝送コイルを使用する多重コイル方式の無線電力伝送装置のコイル配置構造を示す図である。
【図７】多層構造を適用した従来の多重コイルの断面を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に基づいて交互に積層した多重コイルの断面を、順次積層した多重コイルの断面と比較して示す図である。
【図９】受信コイルが移動するとき、各伝送コイルと受信コイルの結合係数の変化をグラフで示す図である。
【図１０】伝送コイルと受信コイルの間の最大結合係数を示す図である。
【図１１】多層の伝送コイルをＰＣＢ製造工程で製造する際に、各層を前の層と次の層にビアを介して接続するための２つの末端の位置を示す図である。
【図１２】多層の伝送コイルをＰＣＢ製造工程で製造する際に、各層を前の層と次の層にビアを介して接続するための２つの末端の位置を示す図である。
【図１３】多層に積層するが、隣接する伝送コイルと交互に積層した多重コイルを備える充電器の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る無線電力伝送用多重コイルの実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図２は、無線電力伝送装置から電子機器に電力が無線で伝送されることを概念的に示した図である。
【００２１】
無線電力伝送装置１００は、無線電力受信装置または電子機器２００が必要とする電力を無線で伝達する電力伝達装置である、または、無線で電力を伝達することにより、電子機器２００のバッテリーを充電するための無線充電装置で有り得て、接触しない状態で電源が必要な電子機器２００に電力を伝達する多様な形態の装置に実現されることができる。
【００２２】
電子機器２００は、無線電力伝送装置１００から無線で電力を受信して動作が可能な機器で、無線で受信される電力を用いてバッテリーを充電することもできる。無線で電力を受信する電子機器は、携帯が可能な電子機器、例えば、スマートフォンやスマート端末、タブレットコンピュータ、マルチメディア端末、キーボード、マウス、映像または音声の補助装置などの入出力装置、補助バッテリーなどを含むことができる。
【００２３】
無線電力伝送装置１００の無線電力信号による電磁誘導現象に基づいた誘導結合方式、すなわち無線電力伝送装置１００から伝送する無線電力信号によって電子機器２００で共振が発生し、共振現象によって、無線電力伝送装置１００から電子機器２００に接触せずに無線で電力が伝達されることができる。
【００２４】
無線電力伝送装置１００の１次コイルに流れる電流の強さが変化すると、その電流によって１次コイルまたは伝送コイル（primary coil、TX coil）を通過する磁場が変化し、変化した磁場は、電子機器２００内の２次コイルまたは受信コイル（secondary coil、RX coil）側に誘導起電力を発生させる。
【００２５】
無線電力伝送装置１００側の１次コイルと電子機器２００側の２次コイルが近接するように、無線電力伝送装置１００及び電子機器２００を配置し、無線電力伝送装置１００を１次コイルの電流が変化するように制御すれば、電子機器２００は、２次コイルに誘導された起電力を用いて、バッテリーのような負荷に電力を供給する。
【００２６】
誘導結合方式による無線電力伝達の効率は、無線電力伝送装置１００と電子機器２００との間の配置と距離の影響を受けることになるので、無線電力伝送装置１００は、平らなインターフェース表面を含むように構成され、インターフェース表面の下部には、１次コイルが装着され、インターフェース表面の上部に１つ以上の電子機器を置くことができる。インターフェース表面の下部に装着された１次コイルとインターフェース表面の上部に位置する２次コイルとの間のスペースを十分に小さくすることによって、誘導結合方式による無線電力伝達の効率を上げることができる。
【００２７】
インターフェース表面の上部には、電子機器が置かれる位置を指示するマークが表示されることがあり、インターフェース表面の下部に装着された１次コイルと２次コイルとの間の配列が適切に行われるようにする電子機器の位置を指示することができる。電子機器の位置を案内するための突出形状の構造物がインターフェース表面の上部に形成されることもあり、インターフェース表面の下部に磁石のような磁性体を形成して、電子機器の内部に設けられた他の極の磁性体との引力によって、１次コイルと２次コイルがよく配列されるように案内することもできる。
【００２８】
図３は、電磁誘導方式で電力を無線で伝送するための伝送装置の電力変換部の回路構成を概念的に示したものである。
【００２９】
無線電力伝送装置は、大きく、電源及びインバータと共振回路で構成される電力変換部を含んで構成されることがあるが、電源は電圧源や電流源になることがあり、電力変換部は電源から供給される電力を無線電力信号に変換して受信装置に伝達する。無線電力信号は、共振特性を有する磁場または電磁場の形で形成され、共振回路は、無線電力信号を発生させるコイルを含む。
【００３０】
インバータは、スイッチング素子と制御回路を介して直流入力を所望する電圧と周波数の交流波形に変換するが、図２においてはフルブリッジ（Full-bridge）インバータを示すものであり、ハーフブリッジインバータなど他の種類のインバータも可能である。
【００３１】
共振回路は、磁気誘導方式で電力を伝送する１次コイル（Ｌｐ）とキャパシタ（Ｃｐ）を含んで構成されるが、コイルとキャパシタが電力伝送の基本共振周波数を決定する。１次コイルは、電流の変化に応じて、無線電力信号に対応する磁場を形成し、平板型またはソレノイドの形で実現されることができる。
【００３２】
インバータによって変換された交流電流が共振回路を駆動させることで、１次コイルに磁場が形成されるが、インバータが含まれたスイッチのオン／オフのタイミングを制御して、共振回路の共振周波数に近い周波数の交流を生成して伝送装置の伝送効率を高めることができ、インバータを制御することにより、伝送装置の伝送効率を変更することができる。
【００３３】
図４は、無線電力伝送装置と受信装置が電力とメッセージを送受信するための構成を示したものである。
【００３４】
電力変換部は、受信装置の受信状態に関係なく、一方的に電力を伝送するだけなので、受信装置の状態に合うように電力を伝送するためには、受信装置から受信状態に関連するフィードバックを受けるための構成が無線電力伝送装置に必要である。
【００３５】
無線電力伝送装置１００は、電力変換部１１０、第１通信部１２０、第１制御部１３０及び電源部１４０を含んで構成されることができ、無線電力受信装置２００は、電力受信部２１０、第２通信部２２０及び第２制御部２３０を含んで構成されることができ、受信される電力が供給される負荷２５０をさらに含んで構成されることができる。
【００３６】
電力変換部１１０は、図３のインバータと共振回路で構成され、無線電力信号を形成するために使用される周波数、電圧、電流などの特性を調整することができる回路をさらに含むように構成されることができる。
【００３７】
第１通信部１２０は、電力変換部１１０に接続されて、伝送装置１００から磁気誘導によって無線で電力を受信する受信装置２００によって変調される無線電力信号を復調して電力制御メッセージを検出することができる。
【００３８】
第１制御部１３０は、第１通信部１２０が検出するメッセージに基づいて、電力変換部１１０の動作周波数、電圧、電流のいずれか１つ以上の特性を決定し、電力変換部１１０を制御して電力変換部１１０がメッセージに適合した無線電力信号を生成するようにすることができる。第１通信部１２０と、第１制御部１３０は、１つのモジュールで構成されることができる。
【００３９】
電力受信部２１０は、電力変換部１１０の１次コイルで発生する磁場の変化に応じて誘導起電力が発生する２次コイルとキャパシタで構成されるマッチング回路を含み、２次コイルに流れる交流電流を整流して直流電流を出力する整流回路を含むことができる。
【００４０】
受信装置の第２通信部２２０は、電力受信部２１０に接続され、ＤＣでの抵抗負荷及び／またはＡＣでの容量性負荷を調節する方法で電力受信部の負荷を調節することにより、伝送装置と受信装置との間の無線電力信号を変化させて電力制御メッセージを伝送装置に伝送することができる。
【００４１】
受信装置の第２制御部２３０は、受信装置に含まれた各構成要素を制御するために、電力受信部２１０の出力を電流または電圧の形で測定し、これを根拠に通信部２２０を制御して、無線電力伝送装置１００に電力制御メッセージを伝達することができる。メッセージは、無線電力伝送装置１００にとって、無線電力信号の伝達を開始するかまたは終了するように指示することができ、また、無線電力信号の特性を調整するようにすることができる。
【００４２】
伝送装置の電力変換部１１０によって形成された無線電力信号は、電力受信部２１０によって受信され、受信装置の第２制御部２３０は、無線電力信号を変調するように、第２通信部２２０を制御するために、第２制御部２３０は、第２通信部２２０のリアクタンス（reactance）を変更させることで、無線電力信号から受信する電力量が変化するようにする変調過程を実行することができる。無線電力信号から受信される電力量が変われば、無線電力信号を形成する電力変換部１１０の電流及び／または電圧も変わり、無線電力伝送装置１００の第１通信部１２０は、電力変換部１１０の電流及び／または電圧の変更を感知して復調過程を行うことができる。
【００４３】
受信装置の第２制御部２３０は、無線電力伝送装置１００に伝達しようとするメッセージを含むパケットを生成し、生成されるパケットを含むように、無線電力信号を変調し、伝送装置の第１制御部１３０は、第１通信部１２０を介して抽出したパケットをデコードして、電力制御メッセージを獲得することができ、受信装置の第２制御部２３０は、受信されるパワーを調節するために電力受信部２１０を介して受信される電力量に基づいて、無線電力信号の特性の変更を要求するメッセージを伝送することができる。
【００４４】
図５は、無線電力伝送装置と受信装置との間の電力伝送を制御するためのループをブロックで示す図である。
【００４５】
伝送装置１００の電力変換部１１０で発生する磁場の変化に応じて、受信装置２００の電力受信部２１０から電流が誘導されて、電力が伝送され、受信装置の制御部２３０は、所望の制御点、すなわち、所望の出力電流及び／または電圧を選択し、電力受信部２１０を介して受信される電力の実際の制御点を決定する。
【００４６】
受信装置の第２制御部２３０は、電力が伝送される間に所望する制御点と実際の制御点を用いて、制御エラー値を計算するのに、例えば、２つの出力電圧または電流の差を制御エラー値に取ることができる。所望の制御点に到達するために、少ない電力が要求されると、例えば、負（−）の値となり、所望の制御点に到達するために、さらに多くの電力を必要とすれば正（＋）の値になるように制御エラー値を決定することができる。受信装置の第２制御部２３０は、第２通信部２２０を介して電力受信部２１０のリアクタンスを時間に応じて変更する方法で計算された制御エラー値を含むパケットを生成して伝送装置１００に伝送することができる。
【００４７】
伝送装置の第１通信部１２０は、受信装置２００によって変調される無線電力信号に含まれるパケットを復調して、メッセージを検出するが、制御エラー値を含む制御エラーパケットを復調することができる。
【００４８】
伝送装置の第１制御部１３０は、第１通信部１２０を介して抽出された制御エラーパケットをデコードして制御エラー値を得て、電力変換部１１０に、実際に流れる実際の電流値と制御エラー値を用いて、受信装置が所望する電力を伝送するための新しい電流値を決定することができる。
【００４９】
伝送装置の第１制御部１３０は、受信装置から制御エラーパケットを受信する過程が安定化されると、１次コイルに流れる実際の電流値が新しい電流値になるように、新しい動作点、すなわち１次コイルに印加されるＡＣ電圧の大きさ、周波数、デューティ比などが新しい値に達するよう、電力変換部１１０を制御し、受信装置が追加で制御情報や状態情報を通信できるように、新しい動作点を継続維持するようにする。
【００５０】
無線電力伝送装置１００と無線電力受信装置２００との間の相互作用は、選択（selection）、ピング（ping）、識別／構成（identification＆configuration）及びパワー伝送（power transfer）を含む４つの段階からなることができる。選択段階は、伝送装置がインターフェース表面上に置かれた対象物を発見するための段階であり、ピング（ping）段階は、対象物が受信装置を含むかどうかを確認する段階であり、識別／構成段階は、受信装置に電力を送るための準備段階で受信装置から適切な情報を受信し、これに基づいて、受信装置と電力伝送契約（Power Transfer Contract）を締結し、パワー伝送段階は、伝送装置と受信装置との相互作用で実際に電力を無線で受信装置に伝送する段階である。
【００５１】
ピング段階においては、受信装置２００が１次コイルと受信コイルの磁束結合程度を指す信号強度パケット（Signal Strength Packet、ＳＳＰ）を共振波形の変調を介して伝送装置１００に伝送するが、信号強度パケット（ＳＳＰ）は、受信装置で整流した電圧を監視して生成されるメッセージであり、伝送装置１００は、これを受信装置２００から受信して電力伝送のための初期駆動周波数を選定することに活用することができる。
【００５２】
識別／構成段階においては、受信装置２００のバージョン、メーカーコード、装置識別情報などを含む識別パケット（Identification Packet）、受信装置２００の最大パワー、パワー伝送方法などの情報を含む構成パケット（Configuration Packet）などを受信装置２００が伝送装置１００に伝送する
【００５３】
パワー伝送段階においては、受信装置２００が、電力信号を受信する動作点とパワー伝送契約で定めた動作点との差を指す制御エラーパケット（Control Error Packet、ＣＥＰ）、受信装置２００がインターフェース表面を介して受信するパワーの平均値を指す受信パワーパケット（Received Power Packet、ＲＰＰ）などを受信装置２００が伝送装置１００に伝送する。
【００５４】
受信パワーパケット（ＲＰＰ）は、受信装置の電力受信部２１０の整流電圧、負荷電流、オフセット電力などを勘案した受信電力量データで、受信装置２００によって電力を受信中に継続して伝送装置１００に伝送され、伝送装置１００は、これを受信して、電力制御のための演算因子として使用する。
【００５５】
伝送装置の第１通信部１２０は、共振波形の変化からパケットを抽出し、第１制御部１３０は、抽出されるパケットをデコードして、メッセージを得て、これに基づいて、電力変換部１１０を制御して受信装置２００が要求するとおり、パワー伝送特性を変えながら電力を無線で伝送することができる。
【００５６】
一方、誘導結合によって電力を無線で伝達する方式では、その効率は、周波数特性による影響は少ないが、伝送装置１００と受信装置２００との間の配列と距離の影響を受けることになる。
【００５７】
無線電力信号が到達できる領域を２つに分けることができるが、伝送装置１００が受信装置２００に無線で電力を伝送するとき、高効率の磁場が通過することができるインターフェース表面の部分を活動領域とすることができ、伝送装置１００が受信装置２００の存在を感知することができる領域を感知領域とすることができる。
【００５８】
伝送装置の第１制御部１３０は、受信装置２００が活動領域または感知領域に配置／削除されたかどうかについて感知することができるが、電力変換部１１０で形成される無線電力信号を利用したり、別に備えるセンサによって、受信装置２００が活動領域または感知領域に配置されたかどうかを検出することができる。
【００５９】
例えば、伝送装置の第１制御部１３０は、感知領域に存在する受信装置２００により無線電力信号が影響を受け、無線電力信号を形成するための電力の特性が変化するかどうかを監視することにより、受信装置２００の存在を検出することができる。伝送装置の制御部１３０は、受信装置２００の存在を検出した結果に基づいて、受信装置２００を識別するプロセスを実行したり、無線電力伝送を開始するかどうかなどを決定することができる。
【００６０】
伝送装置の電力変換部１１０は、位置決め部をさらに含むことができるが、位置決め部は、誘導結合方式による無線電力伝達の効率を高めるために、１次コイルを移動または回転させることができ、特に受信装置２００が伝送装置１００の活動領域内に存在しない場合に使用することができる。
【００６１】
位置決め部は、伝送装置１００の１次コイルと受信装置２００の２次コイルの中心間距離が一定の範囲内になるように１次コイルを移動させたり、１次コイルと２次コイルの中心が重畳するように１次コイルを移動させる駆動部を含むように構成することができる。このため、伝送装置１００は、受信装置２００の位置を感知するためのセンサや感知部をさらに備えることができ、伝送装置の第１制御部１３０は、感知部のセンサから受信する受信装置２００の位置情報に基づいて位置決め部を制御することができる。
【００６２】
または、伝送装置の第１制御部１３０は、第１通信部１２０を介して受信装置２００との配列または距離の制御情報を受信し、これを基礎に位置決め部を制御することもできる。
【００６３】
また、伝送装置１００は、複数の複数の１次コイルを含むように形成され、複数の１次コイルのうち受信装置２００の受信コイルと適合に配列される一部のコイルを選択的に用いて伝送効率を上げることができるが、この場合、位置決め部は複数の１次コイルのうちどれが電力供給のために使用されるかを決定することができる。
【００６４】
活動領域を通過する磁場を形成する単一の１次コイルまたは１つ以上の１次コイルの組み合わせを主セル（primary cell）と称することができるが、伝送装置の第１制御部１３０は、受信装置２００の位置を感知し、これを基礎に活動領域を決定し、活動領域に対応する主なセルを構成する伝送モジュールを接続し、その伝送モジュールの１次コイルと受信装置２００の２次コイルが誘導結合されるように制御することができる。
【００６５】
一方、受信装置２００は、スマートフォンまたはマルチメディア再生端末のような電子機器に内蔵され、電子機器が伝送装置１００のインターフェース表面上に垂直または水平方向に一定しない方向や位置に置かれるので、伝送装置は、広い活動領域を必要とする。
【００６６】
活動領域を広げるために、複数の１次コイルを使用する場合、１次コイル数だけ駆動回路が必要であり、複数の１次コイルの制御が複雑になるので、製品化するときに伝送装置、すなわち無線充電器のコストの増加が発生する。また、活動領域を拡大するために伝送コイルの位置を変える方式を適用する場合にも、１次コイルの位置を移すための移送機構を備えるべきなので、体積と重量が大きくなって製作費用が多くなる問題がある。
【００６７】
位置が固定された１つの１次コイルを持って活動領域を拡張する方法があると効果的であるが、単純に１次コイルの大きさを大きくしたら、１次コイルの単位面積当たりの磁束密度が落ち、送受信コイルの間の磁気結合力が弱くなって、期待するほど活動領域が増加することもなく、伝送効率も落ちることになる。
【００６８】
このように、活動領域の拡大と伝送効率の向上のために、１次コイルの適切な形状と大きさを決定することが重要である。複数の１次コイルを採用する多重コイル方式が無線電力伝送装置の活動領域を拡大する方法として効果的である。
【００６９】
図６は、従来の３つの伝送コイルを使用する多重コイル方式の無線電力伝送装置のコイル配置を鳥瞰図と平面図で示したものである。
【００７０】
無線充電領域を広げるために、複数の伝送コイルを配置するが、無線充電領域に置かれた受信装置が電力を受信することができないデッドゾーン（Dead zone）がないようにするために、従来は、図６のように、例えば、３つの伝送コイル（Ｔｘ Coil＃１、Ｔｘ Coil＃２、Ｔｘ Coil＃３）をｘ方向に配列し、中央の第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の左外郭と右外郭がそれぞれ第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）と第３伝送コイル（Ｔｘ Coil＃３）の外郭と重畳するように配置する。
【００７１】
図６において、無線電力伝送装置の上部に電力受信装置の受信コイル（Ｒｘ Coil）が置かれるので、外側に配置された第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）と第３伝送コイル（Ｔｘ Coil＃１３）を下に配置し、中央に配置された第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）を、その上に配置して、第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）が受信コイル（Ｒｘ Coil）と最も近くなるようにする。
【００７２】
図７は、多層構造を適用した従来の多重コイルの断面を示したもので、２つのコイルが重畳する部分だけを拡大して示したものである。図７において、（ａ）は、各コイルを４つの層で積層した構造であり、（ｂ）は、それぞれのコイルを２つの層で積層した構造であり、（ｃ）は、それぞれのコイルが１つの層にのみ行われた場合である。
【００７３】
数百ｋＨｚ級高周波で電力を伝送するとき、コイル単線に発生する表皮効果を考慮して、図７のように多層構造でコイルを製作して交流抵抗成分を下げようとする試みがあるが、図７で最も高い位置のコイル層と下基板（例えば、フェライトシートや遮蔽シート又はこれらを積層して形成された基板）との間の間隔（ta）は、すべて同じである。
【００７４】
例えば、１００ｋＨｚで動作する場合、表皮効果による表皮効果の深さ（Skin Effect Depth）は２００μmで、当該厚さ以上は電流が流れないので、４００μｍの厚さの銅箔を多層（ｍｕｌｔｉ  ｌａｙｅｒ）構造で実現することが交流抵抗を減らす面で有利であることができる。
【００７５】
しかし、充電領域を広げるために、一部の外郭が重畳するようにする構造で伝送コイルを配置する時、従来の電力伝送装置は、図７のように、電力伝送装置の外郭に位置する第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）を先に多層に積層した後、電力伝送装置の中央に位置する第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）をその上に多層に積層する。すなわち、従来の電力伝送装置は、隣接する２つの伝送コイルが重畳する領域で、１つの伝送コイルを他の伝送コイルの上に積層する順次積層構造を多重コイルの積層構造として採択した。
【００７６】
これにより、下に配置された第１または第３伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１またはＴｘ Ｃｏｉｌ＃３）と受信コイルとの間の磁気結合度ｋｒ１またはｋｒ３と、相対的に上に配置された第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）と受信コイルとの間の磁気結合度ｋｒ２との差が発生し、ｋｒ２＞ｋｒ１＝ｋｒ３の関係が成立する。
【００７７】
伝送コイルと受信コイルの間の磁気結合度が伝送効率を決定する重要な因子であるので、順次積層構造の多重コイル方式の無線電力伝送装置は、第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）付近の領域では、伝送効率が高い反面、第１または第３伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１またはＴｘ Ｃｏｉｌ＃３）付近の領域では、相対的に伝送効率が低くなる。
【００７８】
本発明においては、多重コイル方式の電力伝送装置で交流抵抗を減らすために、各伝送コイルを多層に積層するとき、互いに隣接して外郭が重畳する複数の伝送コイルを交互方式で積層して、それぞれの伝送コイルと受信コイルとの間の磁気結合度の差を減らすことができる。
【００７９】
図８は、本発明の実施の形態に基づいて交互に積層した多重コイルの断面を順次積層した多重コイルの断面と比較して示したもので、（ａ）は、隣接する２つの多層伝送コイルを順次積層した構造であり、（ｂ）は、本発明に基づいて隣接する２つの多層伝送コイルを交互に積層した構造である。
【００８０】
伝送コイルを順次積層すれば、下に積層される伝送コイルは、受信コイルとの距離が上に積層される伝送コイルより遠いので、受信コイルとの磁気結合度が低い。このような問題を解決するために、各伝送コイルを層ごとに交互に積層することにより、各伝送コイルと受信コイルの距離のばらつきを低減し、磁気結合度の差も減らすことができる。
【００８１】
図８の（ｂ）において、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第１の層を基板上に形成し、第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の第１の層を第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第１の層の上に形成し、再び第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第２の層を第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第１の層の上に形成し、再び第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の第２の層を第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第２の層の上に形成する方式で、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）と第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）を交互に積層することができる。
【００８２】
図９は、受信コイルが移動するとき、各伝送コイルと受信コイルの結合係数の変化をグラフで示したものであり、図１０は、伝送コイルと受信コイルの間の最大結合係数を示したものである。
【００８３】
図８の（ｂ）のように、多重伝送コイルのそれぞれを多層に積層するが、隣接する第２伝送コイルの各層を交互に積層した無線電力伝送装置において、受信コイルをｘ方向に移動させるときの各伝送コイルと受信コイルとの磁気結合度は、図９のとおりである。ｋｒ１は、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）と受信コイル（Ｒｘ Ｃｏｉｌ）との間の磁気結合度、ｋｒ２は、第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）と受信コイル（Ｒｘ Ｃｏｉｌ）との間の磁気結合度、ｋｒ３は、第３伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃３）と受信コイル（Ｒｘ Ｃｏｉｌ）との間の磁気結合度を指す。
【００８４】
電力受信装置の受信コイルは、無線で電力を受け取るために、３つの伝送コイルのうち、受信コイルとの磁気結合度が最も高い１つの伝送コイルと結合するので、電力受信装置をｘ方向に移動させながら、磁気結合度を測定すると、図１０のように、磁気結合度が変わることが確認できる。自己結合度の変化率をΔｋｒ＝ｋｒ２、ｍａｘ−ｋｒ１、ｍａｘで定義するとき、自己結合度の変化率が図１０に示される。
【００８５】
コイルの厚さが１２Ｏｚであり、各伝送コイルが単一層である構造を１２−１Ｌ、コイルの厚さが６Ｏｚであり、各伝送コイルの層が２つであり、順次積層した構造を６―２ＬＳ、コイルの厚さが６Ｏｚであり、各伝送コイルの層が２つであり、隣接する伝送コイル同士を交互に積層した構造を６＿２ＬＡとするとき、３つの構造の自己結合の変化率はそれぞれ０．０５８、０．０４６、０．０３８で、交互に積層した構造が自己結合度の変化率において最も優れていることが確認できる。ここで、１Ｏｚは３５μｍを指す。
【００８６】
一方、リッツ（Litz）電線を巻いて多層の伝送コイルを形成する場合、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の電線を１回転巻いて第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第１の層を形成し、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第１の層の上に第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の電線を１回転巻いて第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の第１の層を形成し、第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の第１の層の上に第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の電線を再び１回転巻いて第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第２の層を形成し、第１伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃１）の第２の層の上に第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の電線を再び１回転巻いて第２伝送コイル（Ｔｘ Ｃｏｉｌ＃２）の第２の層を形成することができる。
【００８７】
また、多層に順次積層される多重コイルを多層ＰＣＢ（Printed Circuit Board）の製造工程で製造することもある。この場合、順次積層される多重コイルのそれぞれの層毎に、回路印刷、エッチング、レジスト剥離、絶縁層積層、ビアホール加工の工程を実行して、その層の線または銅箔を形成し、接着剤を用いて、各層を積層することができる。
【００８８】
各伝送コイルを多層ＰＣＢ工程で多層に形成するが、各層ごとに電線の形状と大きさを同様に、例えば、同じサイズの円形、正方形または正三角形に、形成する際、各層に形成される電線または銅箔は、他の層の電線と接続、すなわち、前の層及び次の層と直列に接続しなければならない。
【００８９】
各伝送コイルの各層の電線を螺旋状（またはspiral形状）にする場合、その層の電線の内側末端と外側末端を介して、前の層（または下の層）と次の層（上の層）または次の層と前の層に接続することができる。多層の伝送コイルから各層の電線に電流が同じ方向に流れるべきなので、偶数層では、内側の末端を介して、前の層と接続して、外側の末端を介して次の層に接続し、奇数層では、外側末端を介して、前の層と接続し内側の層を介して次の層と接続することができる。その逆も可能である。各層で電線の末端にビア（Ｖｉａ）を形成して、前の層または次の層と接続することができる。
【００９０】
一方、伝送コイルの各層を螺旋状形状にせず、単一の閉曲線で形成する場合、各層の電線は、前の層と次の層に直列に接続できるように、当該伝送コイルの形状に対応する閉曲線で、一部の区間を切断して２つの末端を形成し、ビアを介して２つの末端の内いずれか１つは、前の層に接続し、他の１つは、次の層に接続することができる。
【００９１】
多層の伝送コイルに電流が同じ方向に流れるべきで、同じ形の電線が形成される各層が上下層と直列に接続するべきなので、図１１のように各層でビアが形成される２つの末端（Ｔｄ、Ｔｕ）の位置を、層が進行するにつれて、当該伝送コイルの形状に対応する閉曲線に沿って同じ方向に２つの末端の間の間隔だけ移動させるか、または図１２に示すように、各レイヤでビアが形成される２つの末端（Ｔｄ、Ｔｕ）の位置を固定するが、奇数層であるか偶数層であるかによって閉曲線がビアに接続する方向を交互に異なるようにすることができる。
【００９２】
図１１において、コイルが第１層から第２層を経て第３層に進行すると、２つの末端が形成される位置は、時計方向に２つの末端の間の間隔だけ移動するが、前の層（Layer＃１）の上方末端（Ｔ１ｕ）と現在の層（Layer＃２）の下方末端（Ｔ２ｄ）の位置が同じで、現在の層（Layer＃２）の上方末端（Ｔ２ｕ）と次の層（Layer＃３）の下方末端（Ｔ３ｄ）の位置が同じである。
【００９３】
図１２においては、各レイヤでの２つの末端の位置は同じだが、上方末端（Ｔｕ）と下方末端（Ｔｄ）の位置が奇数層と偶数層で互いに変わって、電線が上方末端と下方末端に接続される方向が奇数層と偶数層で互いに異なるようになる。第１層及び第３層（Layer＃１＆＃３）、すなわち奇数層において、下方末端（Ｔｄ）は円形の閉曲線の外側に位置し、上方末端（Ｔｕ）は円形の閉曲線の内側にある。また、第２層（Layer＃２）、すなわち偶数層において、下方末端（Ｔｄ）は円形の閉曲線の内側に位置し、上方末端（Ｔｕ）は円形の閉曲線の外側にある。
【００９４】
図１３は、多層に積層するが、隣接する伝送コイルと交互に積層した多重コイルを備える充電器の分解斜視図である。
【００９５】
図１３の充電器３００は、誘導電力を提供する無線電力伝送装置を含み、上面に充電対象である受信装置を含む電子機器が置かれ、動作領域を有する安着面が形成されることができ、安着面に電子機器が置かれれば充電器がこれを感知して、無線充電を開始することができる。
【００９６】
充電器３００は、前面ケース３１１と後面ケース３１２の間に、図８のように交互に積層される多層の多重伝送コイル３２０が装着されることができ、多重伝送コイル３２０の下に遮蔽部３３０が形成されることができる。つまり、遮蔽部３３０は、充電器３００の後面ケース３１２と、多重伝送コイル３２０の間に形成されることができ、多重伝送コイル３２０の外郭に基づいて少なくとも一部が超過するように形成することができる。
【００９７】
遮蔽部３３０は、多重伝送コイル３２０の動作により、回路基板（図示せず）に装着されたマイクロプロセッサ、メモリなどの素子が電磁気的影響を受けたり、回路基板に装着された素子の動作によって多重伝送コイル３２０が電磁気的影響を受けることを防止することができ、メッキが不要なステンレスやチタン材質からなることができる。
【００９８】
また、多重伝送コイル３２０と回路基板（図示せず）との間にフェライトシート（図示せず）が設けられ、多重伝送コイル３２０や回路基板から発生する渦電流（Eddy current）などの電磁波障害が他の部品に影響を及ぼさないようにすることができる。
【００９９】
充電器３００は、多重伝送コイルを含む電力変換部、通信部、制御部、電源部などが１つのボディに備えられる構造で形成されるか、多重伝送コイル３２０と遮蔽部３３０が装着される第１ボディと、第１ボディと接続され、多重伝送コイル３２０の動作を制御するための変換部、通信部、制御部、電源部などを含む第２ボディに分離されて構成されることができる。
【０１００】
また、充電器３００のボディには、ディスプレイやスピーカのような出力部とユーザ入力部、電源を供給するためのソケットや外部機器が結合されるインターフェースなどが配置されることができる。ディスプレイは、前面ケース３１１の上面に形成されることができ、ユーザ入力部とソケットなどはボディ側面に配置されることができる。
【０１０１】
したがって、無線電力受信装置が充電器の充電領域内のいずれの位置に置かれても、充電効率の大きな変化なしに電力伝送装置が電力を伝送することができるようになる。
【０１０２】
本発明は、記載された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく様々に修正及び変形できることは、この技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。したがって、そのような修正例または変形例は、本発明の特許請求の範囲に属するべきである。
【図１】
2019212912.tif 000003
【図２】
2019212912.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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