JP2010246248A - 機器内無線電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノートパソコン・デスクトップＰＣ・ＡＶ機器等の機器内無線給電・低速無線通信を行う。
【解決手段】側波帯を持たない単一搬送周波数で共振させることによって、機器内での無線電力伝送ができることを設計基準として提示した。
【選択図】図１

Description

本発明はノートパソコン、デスクトップＰＣ、ＡＶ機器等の機器内で、ＳＭＰＳ（スイッチングモードパワーサプライ）、Ｍ／Ｂ、ＰＣＩ Ｃａｒｄ、ＫＢ／Ｍｏｕｓｅ等に対する電源供給や双方向通信の方法に関するものである。

従来の方法は、複数の基板・ユニット・ＨＭＩ（Ｈｕｍａｎ−Ｍａｃｈｉｎｅ−Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）に対して、電源から１２Ｖ／５Ｖ／３．３Ｖなどの電圧をケーブル／コネクタを介して供給し、またＵＳＢ接続のように接続規格が電源線を含むようになっていた。機器内電源供給を無線で行う案は古くからあったが、伝送効率の確保や機器内での部品や金属での損失を克服する動作原理が確立しておらず、実用に供された例はかって無い。

特開 ２００６−２１１８０３

本発明は旧電磁気学では電磁誘導が磁気的な現象であるとされたがそれは錯誤であり、放射抵抗の関係であることを明らかにした修正電磁気学に基づいて設計された、機器内無線電力供給の装置に関するものである。この電力供給は同時に低速度の双方向通信を可能にする。この電力供給はまた近傍のＫＢ／Ｍｏｕｓｅを無線でつなぐことが出来る。

古くからあったこのような願望が実用にならなかった原因であるファラデーの電磁誘導という錯誤を改め、放射抵抗を元に構築された相互誘導の方法によって本発明の課題は解決される。相互誘導をはじめとして、旧電磁気学を見直した修正電磁気学全般が多くの電子工業製品の行き詰った問題を解決し、以後設計は適正に地球環境を維持するように行われる。

本発明は特別な先端技術を用いるのではなく、これまで知られていたようなありふれた方法で構成されているが、その発明的な価値は電磁波が乱れ飛び、また金属で覆われて電磁波が作用できず、また電波法で規制されていて近接でなければ電磁波が届かないと考えられていたノートパソコンの機器内のような環境で、鋭い共振があれば単一の周波数で整然とした秩序のもとに、またコイルが小さいほど高い共振電圧を発生できて、全く不可能であると考えられていたものが実は可能であること歴史上初めて認識ことにある。創造主はこのように小さきものも、力弱きものも、遠くにあるものも、後ろに隠されたものも等しく通じ合うように宇宙を作られているということが、本発明の記述を通して何人にも理解できるのである。

代表的にＰＣの機器内で無線電力供給を行うには、側帯波を持たない単一搬送周波数を先ず決定しなければならない。これはＭ／ＢとＣＰＵを手がけて世界市場を事実上独占し、高速バスラインの仕様決定に責任を持つものが行うことである。この単一周波数で鋭く共振するＰＣＢ基板の構造・パターンがあった場合は、その共振周波数を設計の手直しでシフトしなければならない。また基板のクロック周波数（ＦＳＢ）も、この単一搬送波周波数の高調波を出来るだけ回避するように、搬送波周波数の方を選ばねばならない。

ノートパソコン、デスクトップＰＣで機器内無線電力供給を行う範囲は、ＫＢ／Ｍｏｕｓｅが最長であり、最大１ｍまで離すことにすれば、間に１個のパッシブリピータを置くとして、Ｒ＜λ／２π＝５０ｃｍとなるように搬送周波数を選ぶことになる。即ち１００ＭＨｚ以下の搬送周波数でなければならない。

無線電力伝送に関与する有効電流や無効電流が、１つの送信コイルと複数の分散した受信コイル、および中継する共振パッシブリピータに主として流れ、その他の部品、シャーシ構造、ＩＣチップ、配線ループにはできるだけ流れないようにするためには、ループが囲む領域の面積をループのインピーダンスで割ったものに、もう一度ループの面積を掛けたもの（放射能力）が出来るだけ小さければよい。これは即ち共振すればループの面積の２乗は半径の４乗に比例し、放射抵抗も半径の４乗に比例するのでループの大きさには関係が無くなり、ループが搬送周波数では鋭い共振を持たないか、または抵抗などのインピーダンスが挿入されているかであればよい。単純な金属板などはショートリングとして放射抵抗の数千倍の大きなインダクタンスで短絡されているので影響が無い。ＩＣへの影響はＣｈｉｐのＰ−Ｓｕｂ基板の体積抵抗率が０．２Ωｍであれば、銅の体積低効率１．７Ｅ−８Ωｍより格段に大きく問題にならない。

単一搬送周波数は微弱電波レベルの側帯波を持つような変調を施して双方向のコントロール信号と双方向のＤａｔａ通信を行えるようにしなければならない。この側帯波が機器内で他の機能や動作に妨害を与えないこと、また側帯波の周波数帯域の機器内の他の部分からの放射が低速Ｄａｔａ通信に妨害を与えないことの最適化設計基準が確立されなければならない。

またＨＭＩを含むＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類やＫＢ／Ｍｏｕｓｅの配置や構成の規格化がなされなければならない。また機器内で周波数基準をこの搬送波の周波数とし、それ以外に水晶振動子を使わなくて済むようにしなければならない。

これらの要件をまとめたものを機内電力供給の構図を図１に示す。本発明の役割は、誰もが夢とするこの構図は自然界が初めから与えていて、その具体的な解法と詳細な設計を知って、誰もが合意するであろうＢｅｓｔ Ｍｏｄｅという設計定数で、創造主に代わって書き記すことである。そこには人為的なものは一切含まれておらず、また発明・発見という低次元のものではなく、２００９年に書かれても２１０９年に書かれたとしても同じ形と定数が記されるものである。

＜微小共振ループ＞
図２にアンテナ間の相互誘導に関与する放射抵抗と、金属導体の部分電流間の相互誘導の光速遅延項により発生するインダクタンスを共振容量で中和した微小ループの形状と等価回路を示す。

数式１は微小ループの相互誘導を唯一司っている放射抵抗である。
数式２は微小ループのリアクタンスである。微小ループを構成する金属導体の部分電流間の相互誘導は誘導性（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）を生じる。
数式３は微小ループのリアクタンスと放射抵抗の比であり、リアクタンスとして符号が反対の容量を装荷して、微小ループのインダクタンス分を打ち消した場合に生じる共振のＱ値を示している。アンテナが小さい程高いＱ値が得られ、微小共振ループの利得は半波長ダイポールと等しいが、狭帯域となる所以がここにある。微小ループアンテナの場合Ｑ値は巻数ｎには無関係になる。
数式４は微小ループの放射抵抗が到来電界Ｅで誘導する開放端子電圧である。アンテナが小さい程端子電圧は小さい。
数式５はリアクタンスとして符号が反対の容量を装荷して微小ループのインダクタンスを打ち消し、放射抵抗と同じ抵抗値で終端した場合の有能電力である。有能電力はアンテナの大きさとは無関係である。有能電力とは、エネルギーの流れである到来電磁界をアンテナで汲み取るというヘビサイドの観念は虚構であり、実際は負荷抵抗へ伝えられる電力と同じ量の電力をコイルから再放射する、即ち汲み取っているのではなく再放射と負荷電力の両方を到来電磁界というパラメータで新たに生み出しているのである。アンテナは再放射という電力を発生しなければ電力を負荷抵抗には与えられないのである。
到来電界Ｅと放射抵抗の放射空間温度による熱雑音の比であるＳ／Ｎは数式６で表されるが、これはアンテナの大きさに依存しない。半波長ダイポールの微小ダイポールに対する特徴は、リアクタンスを打ち消す装荷容量が不要で、共振が比較的広帯域であるに過ぎない。アンテナの機能はアンテナの大きさには関係が無く、オリバーヘビサイドの放射はエネルギーの流れであるという言い分はここで崩される。また無線電力伝送に於ける無線双方向通信の側帯波は微弱電波レベルで行われる理由がこのＳ／Ｎ式の原理にある。
給電点が増幅器ＩＣチップで終端された受信アンテナに必要なのは、通常有能電力ではなく数式７に示す共振電圧であり、アンテナの大きさが小さい方が共振電圧は大きい（このことは全てのアンテナ技術者に見落とされている）。
数式８は微小ループの到来電界Ｅに対する共振電流である。ループ径が小さい方が共振電流は大きい。
数式９は微小ループの共振電流による遠方界としての再放射である。アンテナの希望周波数に於ける再放射能力は、銅損が放射抵抗に対して無視できる範囲でアンテナの寸法に依らない。共振ループの大きさに関係なく、パッシブリピータがあれば１波長離れた場所の再放射電界は到来電界の６倍程度である。

＜微小ループの放射電磁界＞
本発明では、図３に示すように微小ループで構成され、旧電磁学で定義された近傍〜遠方の電磁界が与えられる。

旧電磁気学ではビオ＝サバールの法則から、微小アンテナの近傍〜遠方の電磁界は数式１０、数式１１、数式１２のように表される。

＜無線電力伝送の原理＞
図４に示すような２つの共振コイルを水平に配置すれば、〜５０ｃｍ（Ｒ＜λ／２π）までの距離で、１００ＭＨｚの搬送波を使って良好な効率で電力を遠隔的に供給できる。

コイル１がコイル２に与える磁界は数式１３で表される。
図５は、無線遠隔駆動の厳密な等価回路である。簡単のために充電器のコイル１と、携帯機器のコイル２を同じ形状としている。

数式１４はＬｏｏｐ１とＬｏｏｐ２のオーム則である。
入力電力、出力電力、伝送効率は数式１５で表される。
銅損は数式１６で表される。以後銅損は放射損に対して無視できるとして扱っている。また表皮厚ｄを示している。
コイル１の電流ｉ１がコイル２に誘導する電圧は数式１７である。
コイル２の電流ｉ２は数式１８で表される。
コイル１の電流ｉ１は数式１９で表される。
従って数式２０が得られる。
これによって、入力電力、出力電力が数式２１のように求められる。
従って、電力伝送効率は数式２２のようになる。
図６に水平配置距離と伝送効率の関係、及び垂直対向距離と伝送効率の関係を示す。

数式２３は垂直対向の伝送効率である。
電磁誘導が、静電的または磁気的な現象であるというファラデー以来の錯誤では、２つのコイルが密着から数ｃｍ離れると電力伝送効率は急速に低下すると考えられていた。事実ファラデー世界で設計されたトランスは磁気結合度が電力伝送効率を支配していて、結合度は数ｃｍ離れると急速に低下する。一方共振コイルを使えば１０ＭＨｚの搬送波を使い数ｍコイルが離れても電力伝送効率は低下しないことも最近知られて来た。

図６はファラデーの説明だけを錯誤として排除するが、旧電磁気学の式はそのまま厳密に適用した結果であり、０＜Ｒ＜λ／２πでは電力伝送効率がほぼ一定であることが分かる。これはインダクタンスを容量で中和した結果であり、電磁誘導とは放射抵抗の関係であることが旧電磁気学の中で示唆されているのに、１５０年間誰も気づかなかったのを明らかにしたものである。

コイル１もコイル２もそれぞれを共振容量で中和すれば、相互誘導本来の関係が直接現れ、我々が体験して来たのとは別世界が展開する。これまでのファラデー世界とは、コイル１もコイル２の巻線を接近させてインダクタンスを打ち消すと言う方法を使っていたのである。この方法では２つのコイルは密着していなければならないが広帯域である。これに対してコイル１とコイル２をそれぞれ共振容量で中和する本発明の方法では、遠隔でもよいが狭帯域で動作する違いがある。本発明ではこの超狭帯域性を、妨害を与えず、無線電力伝送世界とその他の機能動作世界に明確に隔絶するのに利用している、

＜機内の金属や部品の影響＞
従来は、機内の部品や、金属のケースや、ＰＣＢ基板のパターンや、ＩＣチップ上の微細な回路が、Ｍ／Ｂの電力伝送の送信コイルやＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の受信コイルに流れる電流によって、誘導電流が発生したり電圧差を生じて誤動作が起こり、またそのような金属や部品に阻止されて電力伝送ができないと言う固定観念が一般的であり、部品やユニットが密集して詰め込まれたノートパソコンの内部空間で無線電力伝送を行うことができると考える人は、一人もいなかった。

しかし無線電力伝送を正しく理解すれば、従来は電磁波を完全に遮断してしまうと考えられていた金属板が、実は無線電力伝送に少しの影響も与えないようなことが実際に起こることが各社の実験で分かって来たが、その理由が理解されていない。これは単純に、図７に示すように、送信のコイル１と、受信のコイル２と、ショートリングと看做せる金属板のコイル３の駆動電流／誘導電流の大小の関係の問題であることが、誘導現象が確認されて以来ここで初めて明らかになったのである。

旧電磁気学ではファラデーの錯誤により、電磁誘導とは交叉する磁束の変化量が誘導起電力を発生すると我々は百数十年騙されていて、これを誰も疑うものは一人もいなかった。従ってコイル１とコイル２とコイル３は同じような電流が流れると考えられていた。鋭い共振のない環境では確かにこのような状態が一般的であり、コイル３（金属板）で遮蔽されてしまえば、コイル１の駆動電流がコイル２に作用することはできなかった。印加した電圧や誘導起電力が電流に変換されるためのＬｏｏｐのインピーダンスとはインダクタンスのことであり、コイル１とコイル２を接近させてインダクタンスが相補的に打ち消し合わなければ、Ｌｏｏｐのインダクタンスに阻まれて電流は流れなかった。これが長く使われている鉄心トランスの動作原理である。

しかし修正電磁気学で明らかになったのは、相互誘導とは磁気的な現象ではなくまた静電的な現象でもなく、放射抵抗の関係であることが明らかになった。鉄心トランスの原理のように、1次側のインダクタンスと２次側のインダクタンスが「密な結合」によって等価的に打ち消すのではなく、1次側のインダクタンスとその共振容量が打ち消し合い、２次側のインダクタンスとその共振容量が打ち消し合えば、本来の放射抵抗に基づく相互誘導が姿を見せることが分かったのである。

その相互誘導とは、従来の電磁結合の概念では遠く離れているＲ＜λ／２πで、コイル１とコイル２に流れる電流は逆向きでほぼ同じ大きさになろうとし、足し合わせた遠方界がほぼ打ち消されようとするのである。負荷抵抗がゼロであればこれが起こり、負荷抵抗が無限大であれば相互誘導は起こらない。負荷抵抗がコイル２の放射抵抗と同程度であれば、コイル１の放射抵抗は半分だけコイル２の電流で打ち消される、即ち遠方界は半分になる。

負荷抵抗がゼロである場合、コイル１の半径を半分にすると、その電流が４倍になることが分かる。即ち電流にＬｏｏｐの面積を掛けたものは放射能力として一定になる。

コイル１とコイル２の中間に共振しないコイル３を置くと、ショートリングとしてインダクタンスに阻まれた電流が流れることが確認される。このショートリングの放射能力は共振コイルの数千分の一であり、コイル１からコイル２への電力伝送には影響を与えない。ショートリングの代わりに、金属板を置いても同じである。これらの金属板の影響がないことは、各社の実験で確認されているが、各社ともその理論的な説明ができないでいるのが現状である。

このことは、携帯電話が金属ケースの中に入っていればアクセスすることが出来ない、ＳＤＩ（科学防衛戦略構想）で鏡面仕上げされたミサイルにレーザービームが照射されても反射して破壊することができない、ステルス戦闘機が電波を吸収して透明になる、と言ったこれまでの常識が全て覆ることを意味している。即ちこれ等の相互誘導とは無関係のインダクタンスをまとったファラデー世界で設計されたものは、真の相互誘導で考えられた製品に全て駆逐されてしまうのである。

半径ａのコイルではその自己インダクタンスによるリアクタンス成分と放射抵抗の比は数式２４に示すようになる。
実際の金属板を正しくもモデル化するために、図８に示すように金属板を単純な１つのショートリングと看做すのではなく、半径が少しずつ違う分割されたショートリングの集合として扱い、より正確な近似を行う。この場合にＬｏｏｐ電流とＬｏｏｐ面積を掛け合せた放射能力という量を導入し、コイル１の放射能力やコイル２の放射能力に対して、金属板の分割同心円コイルの放射能力の和が十分に小さければ、金属板はコイル１とコイル２の間の無線電力伝送や無線低速Ｄａｔａ通信に影響を与えず、また影響を受けないと言える。コイル１やコイル２が共振リングであることを考えれば、金属板上の仮想同心コイル間の相互誘導は十分に小さいと言えるので、分割された同心コイルの放射能力を単に足し合わせれば、金属板全体の放射能力となる。

半径が波長の１／１０の金属円盤を１０の同心円に仮想的に分け、金属板の厚さか表皮の厚さと、分割幅で決まる等価的なコイルの線径を最外周の円の半径の１／１００とした場合の放射能力の総和は数式２５で表される。即ち金属板はコイル１とコイル２の間の誘導に影響を与えることはない。

＜Ｂｏａｒｄの全並列駆動と多電圧変換＞
全ての受信コイルは、図９に示すように、単一搬送周波数で鋭い共振をする。この高い無負荷Ｑによって大きな高周波電圧が発生し整流ダイオードが起動モードとしてＯＮし、整流トランジスタを駆動するパルス回路ブロックが作動し、起動整流ダイオードに代わって整流トランジスタがＶｆドロップのない同期整流を始める。整流トランジスタのＧａｔｅがＯＮする区間がＰＷＭ変調されて負荷抵抗を入力高周波電圧入力の振幅に合わせて変換し、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類毎の電圧を供給する。また１つのＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の１つのコイルから幾つかのＤＣ電圧を作り出すことができる。

＜微弱電波レベルのＡＭ変調と双方向通信＞
Ｍ／Ｂの送信コイルは電力伝送搬送波を低速Ｄａｔａ通信バスのＣｌｏｃｋ（代表的に１００ＫＨｚ）で側帯波が電波法の微弱電波になるレベルでＡＭ変調する。このＣｌｏｃｋはＭ／Ｂだけから発信され、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類からは行われない。Ｃｌｏｃｋに同期したＤａｔａを送るために、電力搬送周波数のＡＭ変調は図１０に示すように多値で行われる。Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類からのＤａｔａの送信はバックスキャターとして行われる。Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類はＳｌａｖｅ−Ａｄｄｒｅｓｓを割り振られる。ＫＢ／Ｍｏｕｓｅには常時１２８通り（７ビット）のＫｅｙＳｃａｎが行われ、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類へのＡｃｃｅｓｓとＩｎｔｅｒｌｅａｖｅしている。

＜入力ボタン類のワイヤレス化＞
ノートパソコン本体に装備されたボタン類とＬＥＤインジケーはを図１１に示すように集合基板にまとめられて、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類の１つとなる。

＜ＫＢ＞
従来ＵＳＢで有線接続されて電池を持たないＫＢ／Ｍｏｕｓｅや、ＵＳＢで無線接続されて電池を持つＫＢ／Ｍｏｕｓｅは、図１２に示すように電池を使用しない無線形式ＫｅｙＳｃａｎとなる。

またノートブックでは、図１３に示すように、ＫＢ／Ｍｏｕｓｅを本体から取り外して使用することができる。

＜Ｍｏｕｓｅ＞
マウスは図１４に示すように無線となる。

＜パッシブリピータ＞
機器内無線電力伝送を使ったＫＢ／Ｍｏｕｓｅは、図１５に示すように、パッシブリピータを間においてアクセス距離を延ばすことができる。

＜リモコン入力＞
ＢｌｕｅＲａｙの録画・再生機等に機器内無線電力が採用された場合、従来の赤外線リモコンや、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈを原点にした２．４５ＧＨｚの電波リモコンに代わって、図１６に示すように、無電池の機器内無線リモコンが〜８ｍの距離をカバーし、またパッシブリピータでその距離を延長できる。

＜チョッパーＡＣ入力＞
ＡＣコードと一体化されたＡＣ入力基板は巻線かＰＣＢパターンで形成された1次コイルを持つ。これを無線ＡＣプラグと称し、ノートパソコンのＭ／Ｂに取り付けられたハウジングに差し込まれて、図１７に示すように、巻線かＰＣＢパターンで形成されたＭ／Ｂ上の２次コイルと疎結合を持つ。

この疎結合トランスは、1次側の並列共振容量、２次側の並列共振容量、及び漏洩インダクタンスの直列共振容量によってリアクタンスは全て中和されるので、銅損を除いて無損失トランスとなる。無線ＡＣプラグのＭ／Ｂハウジング内の位置で漏洩インダクタンスが変動することに対して、自動調整が常時働いて漏洩インダクタンスと直列共振容量のリアクタンス中和が保たれる。電力伝送効率は数式２６で表される。

図１８は空芯トランスの結合係数と電力伝送効率の関係、及びコイル径を保ったときの巻数と電力伝送効率の関係である。通常の基板パターンで得られる空芯トランスの結合係数と銅損で挿入損は無視できることが分かる。

トランスを介した空芯疎結合トランスと、それを介した通信形態を図１９に示す。

＜機内妨害評価基準＞
無線電力供給は有線で１２Ｖや５Ｖの電力を供給するのと大きな差はない。過去にこの２つの方法の間にとてつもない観念の差があったのは、無線電力伝送は磁気的または静電的な関係を利用しているというファラデーの仮説が１５０年間電磁気学に居座り、誰もそれを疑わなかったからである。単純に磁気的なインダクタンスまたは静電的なキャパシタンスを装荷で打ち消して放射抵抗の関係にすれば、無線高周波電力供給は有線直流電力供給と大して違わず、特別なものではない。

ノートパソコンで基板間の電圧供給ラインが、外部ＵＳＢ端子にＤＣ電圧が付加されているのを除いて、それ以外は無線になり、また低速のコントロールバスラインもこの無線電力に重畳され、コントロールボタンやＫＢ／Ｍｏｕｓｅへの配線やコネクタがなくなれば
１）省電力
２）重量の低減
３）信頼性の向上
４）製造コストの低減
５）操作の快適さの向上
６）機能のＡｄｄ−ｏｎ性の獲得
７）真的Ｐｌａｔｆｏｒｍの確立
８）Ｓｐａｃｅメリット
が達成される。スペースに余裕が生じた分を機器の一層の小型化に振り向けることは許さず（軽薄短小には決して向かわず）、修理の作業性の向上や、無線電力仮想配線空間のアーキテクチャーの維持に向かわせるならば、その根幹の概念として必要な機内妨害評価基準が適用される。これは旅客機の客室内でＩＥＥＥ８０２．１１ｇ（無線ＬＡＮ）を使用させようとするなら、厳格な適用基準が必要となるのと同じである。Ｍ／Ｂ等の設計基準では２つの側面がある。
Ａ）設計によって相互誘導妨害が最小化できるもの
Ｂ）相互誘導妨害の最適化の対象ではなく、ただその使用方法として留意しなければならないもの
の２つを扱うことである。まず送信コイルから受信コイルへの電力伝送効率がＭ／ＢやＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の部品やＰＣＢパターンで低下する事はＡ）に属する要件であり、電力搬送超狭帯域内での鋭い共振を避けることで比較的容易に解決できる。つまり伝送効率が低下する心配はない。

Ａｄｄ−ｉｎ Ｃａｒｄ、ユニット、ドライブ、基板、部品、ＩＣチップ等が、図２０に示すように、コイル１とコイル２の間や周辺に密集して存在する場合は、それぞれの１を最大値とする放射能力の総和を取って評価すればよい。これらのボード類の放射能力の総和は、共振点などが無線電力伝送の狭帯域外にシフトされた前提では、１よりも十分に小さく、無線電力伝送がそのために減衰を受けることはない。

一方、ＰＣＢ基板上のパターンの２点間に本来生じてはならない電位差を生じないかを調べる必要がある。切れ目のない金属のＬｏｏｐやＬｉｎｅの２点間に、高周波の電位差を生じることはない。また２つのアイランドの間に電位差を生じる場合は、十分に大きな値の容量で接続すれば、高周波の電位差はなくなる。ＩＣチップがＤｉｅパッドの上にマウントされている場合は、Ｐ−Ｓｕｂの体積抵抗率に基づく高周波電位差は金属のＤｉｅパッドに接触容量でアンカーされて低減される。またチップ上面のアルミ配線のシート抵抗による高周波の電位差は、誘導電流を常に考慮して最適化される。

＜Ｓｌｅｅｐ／Ｗａｋｅｕｐ＞
従来のノートブックでは、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類が機能していないときでも通電が行われていた。これはＣＭＯＳロジックで構成されたＩＣが、状態遷移がなければ電力を消費しないという大まかな考えに基づいてシステムが設計されているからである。しかし２１世紀には、これまで大きく電力を消費していた部分が抜本的に小電力化されると、これまで無視していた部分が目立ってくる。低速バス双方向通信機能を持つ無線電力供給では、図２１に示すように、Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ全体をＳｌｅｅｐモードにすることができ、またＳｕｂ−ｂｏａｒｄの一部だけをＡｃｔｉｖｅにして置くことができる。これまでもそのようなきめ細かいＰｏｗｅｒＰｌａｎは実行できたがそのために大きなコストが掛かった。これに対して無線電力供給ではほぼゼロコストでこれを実行できる。

＜Ｂｏａｒｄの参加と退場＞
従来のＰｌｕｇ＆Ｐｌａｙの手続きが、図２２に示すように、無線で行われる。低速無線バスのＳｌａｖｅ−ＡｄｄｒｅｓｓをＭ／Ｂが登録する。新しいＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類が参加した場合は、先ずゲストアドレスでＭ／ＢがＩｎｑｕｉｒｙを行い、参加したボードがこれに答えて新規登録を行う。退場は一定間隔の結合チェックで、応答がなければ退場の手続きが取られる。

＜Ｓｅｃｕｒｉｔｙ＞
無線ＫＢ／Ｍｏｕｓｅを含む無線双方向バス通信のＳｅｃｕｒｉｔｙを確保するために、図２３に示すように、コード化されたスライスＷｉｎｄｏｗの拡散が行われる。

＜個人認証＞
従来主として指紋照合で行われていたパソコンの本人認証は、図２４に示すように、電力搬送周波数で動作するＲＦＩＤカードで行われる。図は１３．５６ＭＨｚのＲＦＩＤカードに無線電力伝送の共振コイルを付加したものである。ＲＦＩＤチップ上に書き込まれたＩＤをノートパソコンが無線で監視して、カードが無ければノートパソコンはスタンバイとなって、再認証が求められる。

＜ＦＳＢと周波数基準＞
Ｍ／Ｂは無線電力伝送の搬送波単一周波数（１００ＭＨｚ）のための水晶振動子を１つ持っている。ＡＣ入力のチョッパーは定常時には整数比でこれに同期する。Ｍ／ＢのＦＳＢは整数比でこれに同期する。Ｓｕｂ−ｂｏａｒｄ類は無線電力供給を受けるときに１００ＭＨｚの周波数基準を受け取るので同期・非同期の拘わらず、独自の水晶振動子は基本的に持たない。

本発明によって２１世紀型のＰＣ−Ｐｌａｔｆｏｒｍが形成され、省電力・省資源・自然力発電利用・利便性・リサイクル・低コスト化・故障率の低減・方式の長寿命化・フォーマットの統一と簡素化・使いやすさが究極的に追及される。ノートパソコンで最初に確立される形式が他のＡＶ機器にもそのまま適用される。

本発明の製品としての、コイルの銅線量、コイルの向き、搬送周波数の最良の形態を図２５に示す。機器内のコイル１とコイル２は垂直にした対向態位誘導か、水平にした同一面態位誘導かのどちらかが使われる。数式１と数式１６から１ｃｃの銅（１０円玉）を使った場合、半径３ｃｍで銅損と放射損が拮抗する周波数は数式２７で与えられ、６６ＭＨｚである。
最良の形態は、Ｍ／Ｂからの高周波無線電力伝送の搬送周波数は、ＣＭＯＳプロセスのＮＭＯＳ−ＰＭＯＳが十分なスイッチング動作を行える１００ＭＨｚを使い、これを基準に８００ＭＨｚのＦＳＢを形成し、それと整数比のＣＰＵのクロックを設定できるようにすることである。ＡＣ入力基板のチョッパー周波数は、ＬＣ共振自走周波数でＫｉｃｋ−ｏｆｆして、定常時には１００ＭＨｚの整数比として同期するようにすればよい。これによってＰＣシステムで十数個使われていた水晶振動子は１つになる。

本発明の製品としての実施例を図２６に示す。

ノートパソコン、デスクトップＰＣ、ＡＶ機器等の、機器内無線給電・低速無線通信に利用することができる。

は機器内電力供給の標準例である。 は高いＱの微小ループの動作原理である。 は高いＱの微小アンテナからの近傍界・遠方界放射である。 は送受信コイルの水平面内結合である。 は放射損制限領域の無線電力伝送の等価回路である。 は機器内無線電力伝送効率である。 は機器内の異物の影響である。 は機器内の金属板の影響である。 はＢｏａｒｄの並列駆動と機器内多電圧／基板内多電圧変換である。 は微弱電波レベルのＡＭ変調と双方向通信である。 はボタン／表示類のワイヤレス化である。 はＢａｔｔｅｒｙｌｅｓｓ／ＷｉｒｅｌｅｓｓのＫｅｙｂｏａｒｄである。 は取り外し可能なＫｅｙｂｏａｒｄである。 はＢａｔｔｅｒｙｌｅｓｓ／ＷｉｒｅｌｅｓｓのＭｏｕｓｅである。 はパッシブリピータである。 はＡＶ機器用の無電池・無線リモコン入力である。 は空芯疎結合トランス周りの動作定数である。 は空芯疎結合トランスの電力伝送効率である。 は非接触給電の回路構成である。 は機器内加妨害・被妨害評価基準である。 はＳｌｅｅｐ／Ｗａｋｅｕｐ機能である。 はＢｏａｒｄの参加と退場である。 はＳｅｃｕｒｉｔｙ対応Ｓｃｒａｍｂｌｅである。 はＵｓｅｒの個人認証である。 は機器内無線電力供給のＢｅｓｔ−Ｍｏｄｅである。 は本発明の具体的な実施例である。

Claims (11)

1. ノートパソコン、デスクトップＰＣ、ＡＶ機器等に於いて、機器内のＰＣＢ基板毎に巻線またはＰＣＢパターンで形成された共振コイルを持って、Ｍｏｔｈｅｒｂｏａｒｄ（Ｍ／Ｂ）からＳｕｂ−ｂｏａｒｄ、Ａｄｄ−ｉｎ Ｃａｒｄ、Ｄｒｉｖｅへ単一搬送周波数で電力を全並列無線駆動で供給し、電力供給を受けたこれらのＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類はＭ／Ｂからの遠隔誘導電圧を高周波整流して単一電圧かまたは多電圧の定電圧制御ＤＣ出力を得ること。またＭ／ＢとＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の間の低速双方向バスの通信を電力供給搬送波を使った微弱電波変調で行うこと。
2. １００〜２４０ＶのＡＣ入力を持つＳＭＰＳ（スイッチング電源）のチョッパー回路を有した絶縁空芯近接トランスの一次側をＡＣ入力基板とし、二次側をＭ／ＢのＰＣＢパターンか巻線で形成された共振コイルとして、一次側のコイルと二次側のコイルが対面して準密着非接触共振絶縁トランスとなるようにすること。このようにして、例えばノートブックパソコンはＡＣアダプタを無くしてＡＣ電源コードがＡＣ入力基板に堅牢なコネクタで直接Ｐｌｕｇ−ｉｎできるようにするか、またＡＣ入力基板とＡＣコードを堅牢に一体化し、ノートパソコンへのＰｌｕｇ−ｉｎを非接触化すること。
3. ＫＢ／ＭｏｕｓｅのＰＣＢパターンまたは巻線で形成された共振コイルにＭ／Ｂの共振コイルから無線で電力供給とキースキャンを行うこと。またノートパソコンに組み込まれて無線駆動されたＫＢやＭｏｕｓｅ機能（タッチパッド）をノートパソコン本体の定位置から取り外してもそのまま使えるようにすること。
4. Ｍ／Ｂの共振コイルからコントロールボタンをまとめたボタン類−ＬＥＤインジケータ部の共振コイルに無線で電力供給を行うこと。
5. 周辺機器や携帯電話が充電電池を持つ場合は、Ｍ／Ｂの共振コイルからこれらの周辺機器の共振コイルに無線充電が行えるようにすること。
6. ＡＶ機器のメインボードの共振コイルから〜８ｍの無電池リモコンのＫｅｙＳｃａｎ部の共振コイルに無線で電力供給を行うこと。
7. ＫＢ／Ｍｏｕｓｅ、リモコンの電力搬送波の側帯波の微弱電波レベルの順列方式ＫｅｙＳＣａｎと、それ以外のＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の微弱電波レベルの割り込み方式の双方向通信は、Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅした振幅変調または位相変調で行うこと。
8. Ｍ／Ｂの共振コイルとＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の共振コイルの間でＳｕｂ−Ｂｏａｒｄ類の参加と退場の手続きを行うこと。またＭ／Ｂの共振コイルとＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の共振コイルの間でＳｌｅｅｐ−Ｗａｋｅｕｐの手続きを行わせて、極限の省電力を達成すること。
9. Ｍ／ＢとＳｕｂ−ｂｏａｒｄ類の間の微弱電波での双方向通信が、外部からの侵入で不正に制御されないように、不正侵入を検出し、コード化されたバスクロックの周波数拡散を行い、コード化されたバスデータの振幅検出ウィンドウを設けて、Ｓｅｃｕｒｉｔｙ機能を施すこと。
10. Ｕｓｅｒが電力伝送周波数で動作するＨＦ帯のＲＦＩＤカード内に無線電力伝送共振コイルが追加された認証カードを持って、機器を操作することを許諾するようにすること。
11. 電力搬送周波数を機器内単一クロックとして使用し、水晶振動子をシステム全体で１つとすること。ＡＣ入力基板のチョッパーは自走周波数から始まり、定常時にはＭ／Ｂの水晶振動子と整数比関係にある電力搬送周波数と整数比関係を保つように絶縁空芯共振トランスを介してＡＦＣ帰還を掛けること。