JP2013511255A - ローカルコンピューティング環境での無線電力の利用 - Google Patents

Abstract

無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境の種々の実施形態を説明する。無線で電力供給されるローカルコンピューティング環境は、多くの適切に構成された機器に電力を無線で供給するように構成された少なくとも１つの近距離場磁界共鳴（ＮＦＭＲ）電源を含む。説明される実施形態において、ＮＦＭＲ電源から電力を無線で受信するように構成された機器は、ＮＦＭＲ電力送信機の特徴的なサイズの数倍の距離Ｄ以上ではない近距離場として既知である領域に配置されなければならない。一般に距離Ｄは、１ｍのオーダである。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、一般にポータブルコンピューティング環境において無線電力伝送を利用することに関する。

従来、電力を無線で伝送することはかなり限られた応用に対して良好な結果を得てきた。特に、無線電源及び無線電力受信機が互いに非常に近接して配置される応用のみがその成功例である。この構成において、無線電源及び無線電力受信機は、一般に、電源及び受信機の双方が関連する磁場を介して誘導結合される。相対的に低電力（ｍＷのオーダ）を必要とする応用には非常に適しているが、この同一の処理は、より多くの電力（少なくとも数ワット〜数百ワットのオーダ）を必要とする応用又は電源及び電力受信機が例えば互いに数インチ〜数フィート離れて配置される応用には適さない。

しかし、近距離場と呼ばれる距離内に配置された電源から受信機に使用可能な電力を無線で伝送できることが発見されている（非特許文献１）。近距離場とは、伝送に関与した双方の物体の距離より数倍長い距離内（殆どの応用の場合、約１ｍほど）で相対的に大きな電力量（少なくとも数ワットのオーダ）を満足いく効率で無線ソース装置と受信機との間で伝送できることを意味する。このように、限られた応用に適した距離にわたり使用可能な量の電力を無線で伝送する現実的で実際的な手法を実現できる。一般に、無線電子機器等のバッテリ駆動型機器の各々は、通常は交流（ＡＣ）電源コンセントである自身の充電器及び電源を必要とする。多くの機器を充電する必要がある場合、そのような有線構成は非現実的になる。

充電される電子機器に結合された送信機と受信機との間の種々の無線電力伝送が実施されている。種々の無線電力伝送は、一般に２つのカテゴリに分類される。１つのカテゴリは、充電される機器上の送信アンテナと受信アンテナとの間での平面波放射結合に基づいている。受信アンテナは、バッテリを充電するために放射電力を集め、それを整流する。一般にアンテナは、結合効率を改善するために共振長のアンテナである。この手法は、電力結合がアンテナ間の距離と共に迅速に低下するという影響を受けるため、適度な距離（例えば、１〜２ｍ未満）にわたり充電することが困難になる。

他の技術は、「充電用」マット又は表面等に埋め込まれた送信アンテナと充電される電子機器に埋め込まれた受信アンテナ（加えて整流回路）との間の誘導結合に依存する。この手法は、送信アンテナと受信アンテナとの間の空間が非常に近接しなければならない（例えば、１０００分の数ｍ以内）という欠点を有する。この手法は同一のエリアにおいて多数の機器を同時に充電する機能を有するが、一般にこのエリアは、非常に狭く、ユーザが機器を特定のエリアに正確に配置することを必要とする。

無線電力伝送を使用する場合、電力伝送効率を改善するために変動する電力レベル及び多重時間で無線電力を伝送し且つ中継する機器及び方法が必要である。

また、無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境において周辺機器間の効率的で分かりやすい相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）のための方法、システム及び機器が望まれる。特に、ユーザの経験を向上し、効率的に電力を利用するために、無線電力環境の状況において複数の周辺機器間の連携が望まれる。

Ｋａｒａｌｉｓ他「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｍｉｄ−ｒａｎｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ」、Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ３２３ （２００８年）、Ｐ３４〜３８。

本発明は、コンピューティング環境において無線近距離場磁界共鳴（ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＮＦＭＲ）電力伝送を利用するシステム及び方法を提供する。

種々の実施形態において、無線電源から電力を無線で受信する複数の周辺機器間で相互作用する方法、システム及び機器を説明する。一実施形態において、仮想充電エリアが作成される。仮想充電エリアは、ＮＦＭＲ電源を内蔵する中央局から約１ｍに及ぶ。仮想充電エリアは、ＮＦＭＲ電源と周辺機器に含まれるＮＦＭＲ共振器回路との間に形成されたＮＦＭＲチャネルを介して電力を好適に受信できるよう周辺機器、例えばマウス及びキーボード等が設定された領域に規定できる。このように、ＮＦＭＲ電源及びＮＦＭＲ共振器回路の双方が互いに同調する場合、２つの共振装置間に形成された導電チャネルを介して使用可能な電力を伝送できる。

いくつかの実施形態において、周辺機器のうちの少なくとも１つは、変化できる値を有する少なくとも１つの回路素子（例えば、抵抗器、インダクタ又はコンデンサ）を有する可変同調共振器回路を有することができる。このように、ＮＦＭＲ電源の共振周波数に関連して可変同調共振器回路を離調することにより、ＮＦＭＲ電源から可変同調共振器回路を切り離すことができる。こうして、可変同調回路の実効Ｑ値は、実質的に電力が伝送されない点まで低下する。一実施形態において、複数の周辺機器のうちの少なくとも１つは、他の周辺機器に対して使用可能な電力を伝送できるＮＦＭＲチャネルを確立することにより、複数の周辺機器のうちの別の１つの周辺機器に電力を再共振するように適合された二次的なＮＦＭＲ共振器回路を含むことができる。いくつかの実施形態において、ＮＦＭＲ電源は、周波数等の共振特性を変更することにより、仮想充電エリアにおけるあらゆるボイド（ｖｏｉｄｓ）を除去できる。

電力送信アンテナの近距離場内に電磁場の第１の結合モード領域を作成し、結合モード領域内で電磁場と第１の受信機の受信アンテナとを結合し、第１の受信機の送信アンテナの近距離場内で第１の結合モード領域とは異なる電磁場の第２の結合モード領域を作成し、第１の受信機の送信アンテナの近距離場において電磁場を第２の受信機の受信アンテナに結合し、電磁場の第１の結合モード領域を使用して電力送信アンテナを介して電源から第１の受信機に電力を無線で供給し、第１の受信機に無線で供給された電力のうちの少なくとも一部が、電磁場の第２の結合モード領域を使用して第１の受信機の送信アンテナを介して、少なくとも一部の電力を第２の受信機に無線で再伝送することにより供給される、電力を無線で伝送する方法を実施できる。

含まれる図面は、例示するためのものであり、可能な構造及び構成の例を開示される実施形態に提供するためだけに提供される。これらの図面は、実施形態の趣旨及び範囲から逸脱せずに当業者により説明される実施形態に対して行われる形態及び詳細のどのような変更も一切限定しない。
実施形態に係る代表的な可変同調共振器回路を示す図である。 実施形態に係る代表的な仮想充電エリアを示す図である。 実施形態に係る代表的なハイブリッド電力回路を示す図である。 実施形態に従って電力を供給する代表的な時分割多重化を示す図である。 種々の例示的な実施形態に係る無線伝送システム又は無線充電システムを示す図である。 無線電力伝送システムを示す簡略化された概略図である。 本明細書において「磁気的」アンテナとも呼ばれる「ループ」アンテナとして構成された例示的な実施形態において使用されるアンテナを示す図である。 実施形態に係る処理８００を詳細に説明するフローチャートである。

無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境の種々の実施形態を説明する。無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境は、多数の好適に構成された機器のうちのいずれかに電力を無線で供給するように構成された少なくとも１つの近距離場磁界共鳴（ＮＦＭＲ）電源を含む。説明される実施形態において、ＮＦＭＲ電源から電力を無線で受信するように構成された機器は、ＮＦＭＲ電力送信機の特徴的なサイズの数倍となる距離Ｄ以上ではない近距離場として既知である領域に配置される。一般に距離Ｄは、１ｍのオーダである。

図１は、説明される実施形態に係る種々の代表的な可変同調回路を示す。代表的な可変同調回路は、直列ＲＬＣ（抵抗器（Ｒ）、インダクタ（Ｌ）、コンデンサ（Ｃ））回路１０２を含む。この構成において、素子の値のうちのいずれかを変更することで共振周波数を同調（すなわち、変更）できる。例えば、回路１０２、コンデンサＣは、回路１０２を同調するために使用された可変コンデンサである。同様に、回路１０４（ハートレー発振回路として既知である）は、ＬＣ回路１０６を同調するように、実施形態に記載の可変同調回路として使用できる。

図２は、実施形態に係る代表的な仮想充電エリア２００を示す。仮想充電エリア２００は、領域Ｒ内に置かれた好適に構成された機器に充電の領域Ｒを提供する。ＮＦＭＲ電源は、デスクトップコンピュータ等の中央装置に配置される。このように、デスクトップコンピュータは、ＮＦＭＲ電源に計算リソースを提供できる。尚、近距離場磁界共鳴（ＮＦＭＲ）電源は、電力を伝送するための、電源の共振とシンクの共振との間に形成された共振チャネルを介した近距離場磁界結合に依存する高Ｑ回路を含むことができる。ＮＦＭＲ電源は、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ及びタブレットコンピュータ等に含まれたスタンドアロンユニットである。他の実施形態において、ＮＦＭＲ電源は、デスクトップコンピュータ等の従来の装置に接続されることにより装置を改良する機能を提供できるドングル等の携帯型ユニットの形態をとることができる。更に他の実施形態において、ＮＦＭＲ電源を取り囲むために使用される筐体又は筐体の一部は、ＮＦＭＲ電源の有効範囲を拡張するように作用できる。

このように、好適に構成された周辺機器は、ＮＦＭＲ電源から直接電力供給される。そのようにする際、適切な周波数に同調される周辺機器は、ＮＦＭＲ電源から電力を無線で受信できる。その際に、適切に同調された周辺機器は、ＮＦＭＲ電源及びそのように同調された他のあらゆる周辺機器を含むことができる共振回路の一部であると考えられる。そのような回路の一部分として、各機器は、ＮＦＭＲ電源が感知できる対応する負荷をそれと関連付けている。従って、共振回路は、共振回路に対して機器を追加又は削除することにより変化可能な特徴的な負荷を有することができる。例えば、ポータブルメディアプレーヤ等の好適に構成された機器がＮＦＭＲ電源の範囲内にもたらされる場合、ポータブルメディアプレーヤが適切に同調される際（及び場合）にポータブルメディアプレーヤと関連付けられた負荷はＮＦＭＲ電源により感知される。尚、場合によっては、ＮＦＭＲ電源の範囲に移動されている機器は、ＷｉＦｉ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の標準的な通信プロトコルを使用して最初の存在を知らせることができる。しかし、共振回路に組み入れられると、機器は、以下に詳細に説明する通信バックチャネルを使用できる。したがって、共振回路の特徴的な負荷率のあらゆる変化は、例えば電力を分配すること等により共振回路における種々の機器を制御するために、ＮＦＭＲ電源により使用できる情報を伝達できる。

いくつかの実施形態において、周辺機器のうちのいくつかは、ＮＦＭＲ電源から直接電力を受信できる再共振器回路を含むように構成される。そのような機器は、受信した電力の一部を周辺機器のうちの他の周辺機器に更に伝送できる。例えば、図２に示されるように、仮想充電エリア２００は、ＮＦＭＲ電源を含む中央装置２０２（デスクトップコンピュータ）、キーボード２０４、マウス２０６及びポータブルメディアプレーヤ２０８を含む。一実施形態において、キーボード２０４は、デスクトップコンピュータ２０２に含まれたＮＦＭＲ電源から直接電力を受信するように構成される。マウス２０６及びポータブルメディアプレーヤ２０８（範囲Ｒ内に配置される場合）も同様に構成される。

いくつかの例において、例えば、マウス２０６に直接電力を供給するデスクトップコンピュータ２０２の機能は、多くの要因のために低下される可能性がある。例えばそのような要因は、ＮＦＭＲ電源からの電力を必要とする他の機器を領域Ｒに追加すること及びＮＦＭＲとマウス２０６との間に形成された直接電力チャネルと干渉する障害物等を含む。この場合、キーボード２０４は、ＮＦＭＲ電源からキーボード２０４に供給された電力の一部をキーボード２０４の再共振器送信ユニット（不図示）を介して渡せるように再共振器として動作可能である。このように、マウス２０６が経験したあらゆる電力損失は、キーボード２０４から受信した電力により改善される。この構成は、一時的なものであってよく、あるいはマウス２０６がＮＦＭＲ電源から直接十分な電力を受信できない限り継続される。他の例において、領域Ｒ内にポータブルメディアプレーヤ２０８を配置することでキーボード２０４及びマウス２０６に対して使用可能な電力量を減少する。この例において、キーボード２０６のバッテリがフル充電されている（又は更なる充電が必要ない）場合、キーボード２０６は、再共振器回路がマウス２０６に電力を供給するようにしたまま充電回路を切り離すことができる。

いくつかの実施形態において、ドングル２１０は、デスクトップコンピュータ２０２に接続される（例えば、ＵＳＢポート又はケーブルを介して）。そのように接続される結果、ドングル２１０は、ＮＦＭＲ電源に対して範囲拡張器として動作可能である。このように、ドングル２１０は、デスクトップコンピュータ２０２に含まれたＮＦＭＲ電源が電力を供給できる範囲を拡張できる。ドングル２１０は、いくつかの例においてＮＦＭＲ電源から既に受信した電力を再共振でき、他の例において自身のＮＦＭＲ電源を含むことができる。自身のＮＦＭＲ電源を有することにより、ドングル２１０は、デスクトップ２０２に含まれたＮＦＭＲ電源により供給された電力とは別に、仮想充電エリア２００内でこれらの機器に更なる電力を無線で供給できる。尚、いくつかの実施形態において、デスクトップコンピュータ２０２の筐体（又はその一部）は、ＮＦＭＲ電源の一部である共振器として使用される。

図３は、実施形態に係る代表的なハイブリッド電力回路３００を示す。説明するように、ハイブリッド電力回路３００は、ＮＦＭＲ電源の低電力供給機能を、リチウムイオンポリマ（ＬｉＰＯ）電池等の長期間蓄積デバイスに対して必要な大電力要求にマッチできる。携帯電話及びポータブルメディアプレーヤ等の機器のバッテリは、充電のためにＮＦＭＲ電源から入手可能な電力量より大きな相対的に大きな電力量を必要とする。従って、ＮＦＭＲ電源を使用してＬｉＰＯ等のこれらの大容量バッテリを充電することは困難である。しかし、ＮＦＭＲ電源により供給された電力で充電される短期間電荷蓄積デバイス（例えば、コンデンサ及びウルトラコンデンサ等）は、バッテリに渡される前に電荷を一時的に蓄積するために使用される。このように、十分な電荷が短期間電荷蓄積デバイスに蓄積されると、蓄積された電荷は、長期間電荷蓄積デバイス（例えば、ＬｉＰＯ電池）を充電するために使用される。例えば図３は、コンデンサ３０２、コンデンサ充電回路３０４（ＮＦＭＲ電源から電力Ｐを受信できる）、長期間蓄電ユニット３０６（バッテリ３０６の形態をとりうる）及びバッテリ充電回路３０８を有する代表的なハイブリッド電力回路３００を示す。実施形態において、ＮＦＭＲ電源により供給された電力Ｐはコンデンサ３０２を「トリクル（ｔｒｉｃｋｌｅ）」充電できる。十分な電荷がコンデンサ３０２に蓄積されると、コンデンサ充電回路３０４は、コンデンサ電圧ＶＣを感知し、バッテリ充電回路３０８を介してフル充電されたコンデンサ３０２をバッテリ３０６に切り替える。このように、コンデンサ３０２に蓄積された電荷Ｑは、バッテリ３０６の電荷を増加させるために使用される。コンデンサ３０２は、放電される（コンデンサ充電回路３０４により判定されたように）と、ＮＦＭＲ電源から電力Ｐを再度受信できる。

無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境の利点の１つは、向上したユーザ経験を提供する潜在能力である。例えば、使用しにくく煩わしいケーブルを破棄し、バッテリを交換する必要性を排除することにより、使用し易く効率的なローカルコンピューティング環境をユーザに提供できる。しかし、この向上したユーザ経験を提供するために、無線で電力供給されたローカルコンピューティング環境を構成する種々の機器が互いに及びＮＦＭＲ電源と相互作用できることが有利となる。例えばそのような相互作用は、いかなる量であれ必要とされる範囲内でＮＦＭＲ電源により機器のうちのいずれかに電力を供給することを含む。例えば、ＮＦＭＲ電源（第１の共振器回路を有する）と受信機（第２の共振器回路を有する）との間で伝送された電力量は、上述した線に沿って第２の共振器回路を同調（又は離調）することで制御される。尚、機器が同調される場合、同調された機器は共振回路の一部となる。共振回路の一部として、機器と関連付けられた負荷は、ＮＦＭＲ電源により「確認」される。そして、この負荷は、共振回路の電力要求及び共振回路に含まれる種々の機器間に要求された電力を供給すべき方法を判定するためにＮＦＭＲ電源により使用される。一方、機器は、「離調する」場合、ＮＦＭＲ電源と共振せず、共振回路から効率的に除去され、更なる電力を殆ど又は全く受信しない。

尚、種々の環境要因は、ＮＦＭＲ電源から共振回路に含まれた機器への電力伝送の効率に対して影響を及ぼす。例えば、ＮＦＭＲ電源と電力を無線で受信する機器との間の磁気結合と干渉可能なあらゆる物体（例えば、金属性）は、供給された電力量及び電力伝送の効率の双方に悪影響を及ぼす。伝送された電力又は電力伝送効率のこのような低下は、ＮＦＭＲ電源に過度の負担をかけ、特定の機器が最高効率で動作し且つ重要な機能を実行するために十分な電力を有さないか、あるいは場合によっては全く動作できないという可能性が高まる。一実施形態において、機器がＮＦＭＲ電源に提供するフィードバックが、機器がより多くの電力を必要とするかあるいは電力の低下を経験したことを示すと、ＮＦＭＲ電源は、機器がこのような電力の低下を経験した１つ又は複数の理由を確認する。例えば、機器がボイド領域（ボイドは、非常に低下した電力伝送又は効率要素を有する領域として規定される）内で移動している場合、ＮＦＭＲ電源は、選択された共振要素（例えば、共振周波数）を変更することによりボイド領域を移動することを試みて、ボイド領域を移動する（望ましくは、ＮＦＭＲ電源に無線で結合された機器の動作領域の範囲を超えて）効果をなす。一実施形態において、ＮＦＭＲ電源は、例えば影響を受けた機器からのフィードバックに基づいて電力伝送効率が機器に対する閾値を割り込んだことを判定できる。これに応答して、ＮＦＭＲ電源は、電力効率が閾値を上回って回復するまで磁界共鳴信号の周波数を変更するか、電力を増加させるか、あるいは場合によってはより多くの電力を必要とする機器に提供される電力を利用可能にするように、あまり重要でない機器又はあまり使用されない機器を離調させる（それにより、共振回路から除去させる）ことにより応答できる。尚、これらの動作は、ユーザが実行されている動作に気付かないようにバックグラウンドで実行可能である。更に別の実施形態において、電源は、電力供給を最適化するために他のリンクに対して位相、周波数及び／又は信号振幅を変更できる。

ＮＦＭＲ電源と結合された種々の機器間でより多くの堅牢性のある通信を提供するために、各機器は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）又はＷｉＦｉ等の直接通信チャネルを使用してＮＦＭＲ電源に積極的なフィードバックを提供できる。しかし、間接通信チャネルが更に使用可能である。そのような間接通信チャネルは、ＮＦＭＲ電源と無線で結合された機器の数（及び種類）を介して調節された共振回路負荷を使用して形成される。各機器が関連付けられた共振負荷（すなわち、機器が適切な共振周波数に同調される際にＮＦＭＲ電源により知覚された負荷）を有するため、間接通信チャンネルは共振回路における機器又は機器の負荷状態により調節され、ＮＦＭＲ電源と通信を確立する。例えばＮＦＭＲ電源は、全体的な共振負荷（すなわち、共振回路上の感知負荷）を確認することで共振回路の特定の負荷状態を明らかにする。負荷状態に対するあらゆる変化は、共振回路の状況の変化を示すことができる。その結果、以前に共振回路に含まれた（すなわち、ＮＦＭＲ電源共振周波数に同調された）機器のうちの１つ以上が離脱又は離調したことを推測できる。場合によっては、モールス符号のような通信プロトコルがＮＦＲＭ電源と各機器との間に確立される。モールス符号のような通信プロトコルは、識別可能なパターンを使ってデバイス自身を同調及び離調させることに基づく。このように、例えば簡単な機器識別子は、ＮＦＭＲ電源に伝えられる。この構成を使用することにより、自身を離調し且つ自身を共振回路から取り去ることを決定した機器は、ＮＦＭＲ電源にその意図と自身の識別を信号で伝える。このように、ＮＦＲＭ電源は、共振回路及びそこに含まれた機器の状態をより明確に理解できる。このような機器間の通信チャネル（バックチャネルとも呼ばれる）は、簡単な情報を通信できる。例えばそのような情報は、機器識別子及び同期フラグ等を含むことができる。尚、この通信チャネルは、ＷｉＦｉ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等により提供された他の通信チャネルとは無関係であり別のものである。

例えばキーボードは、バッテリを充電するためにＮＦＭＲ電源により無線で供給された電力を使用している場合、バッテリがほぼフル充電されると判定する際、ＮＦＭＲ電源からの電力が必要ない（少なくともバッテリがプリセットレベルに放電するまで）ことを判定できる。この場合、キーボードは、電力を必要としない（又は少なくとも将来のある時点で電力を必要とすることを信号伝送するまで）ことをＮＦＭＲ電源に通知できる。この場合、ＮＦＭＲはキーボードの電力を遮断することができ（例えば、ＮＦＭＲ電源が多くの周波数範囲又は帯域上で電力を伝送するように装備される場合に異なる共振周波数を使用して）、あるいはキーボードは、自身を離調することで自身を共振回路から取り去ることができる（単独で又は指示されるように）。このように、共振回路の負荷を軽減できることで共振回路におけるより多くの電力を他の機器に無線で供給できる。尚、効率及び環境上の理由のため、ＮＦＭＲ電源は、必要な量の電力しか供給しない。例えば、バッテリを充電する時、より少ない電力が必要である。このように、バッテリの充電状態は、キーボードに供給された電力を減少、又はすなわち抑制することにより応答できるＮＦＭＲ電源に通信される。

尚、機器は、離調処理により共振回路から取り去られるが、それを同調することで共振回路に追加可能である。同調（及び離調の逆）とは、回路特性（例えば、抵抗）が変更された結果、回路Ｑが同調する場合に増加し、あるいは離調する場合に減少することを意味する。尚、回路に対するＱの相対的な増加又は減少は、回路及び回路が使用される応用例に依存する。

機器が電源の範囲Ｒ内にもたらされる場合、電源の負荷は機器に対応する量まで増加する。こうして、動きが起きたことをトリガすることが起きて、近接検出が行われたものとして考えられる。例えば、ポータブルメディアプレーヤがデスクトップコンピュータの範囲Ｒ内にもたらされる場合、電源の負荷の変化により発生された近接信号により、デスクトップコンピュータは例えばポータブルメディアプレーヤとデスクトップコンピュータとの間で同期処理を開始できる。

共振回路において種々の機器間に確立された通信チャネルは、機器がそれら機器のうちＮＦＭＲ電源により供給された電力に関してどの機器を優先するか判定するために使用可能である。他の例において、ホスト装置（ＮＦＭＲ電源及び関連するあらゆる計算リソースを含む）はアグリゲータ（ａｇｇｒｅｇａｔｏｒ）として動作可能である。アグリゲータとは、ホスト装置が、電力を受信する機器の優先度、受信する電力の量及び期間を判定できることを意味する。尚、いくつかの機器及び／又は機器が実行したいくつかの動作は、他の機器及び／又は動作より高い優先度を有することができる。例えば、高優先度機器は、動作のために電力を保証されることを必要とする（例えば、マウスを使用すること対ポータブルメディアプレーヤを充電すること）。ホスト装置は、適切なあらゆる優先度機構（例えば、ラウンドロビン）を使用できる。

別の実施形態において、電力を受信する機器は、優先度を有する機器を判定するためにそれら機器間で通信できる。機器は、自身の動作点、例えばある特定の機能を実行するための最小電力量、全ての機能を実行するために必要な最大電力を把握する。このように、各機器は、所望の電力量、実行できる機能のリスト及び動作に必要な最小電力量を提供できる。ソースは、どれくらいの電力量が供給できるか及びどの機器が必要とする電力を取得できるか判定することができる。いくつかの例において、機器自体が優先度を設定し、他の例において、ホスト装置が優先度を設定する。機器は、電力を受信していない場合、離調により自身を共振回路から取り去り、再同調により回路に戻る。

尚、ＮＦＭＲ電源は、共振回路に含まれた種々の機器に電力を無線で供給するために多くのプロトコルを使用できる。例えばＮＦＭＲ電源は、各々が特定の周波数で共振するように構成された複数の共振器回路を含むことができる。このように、ＮＦＭＲ電源は、種々の周波数帯域を使用して電力を直交に供給できる。このように、機器は、ＮＦＭＲ電源により提供された周波数帯域を利用するために多くの共振周波数を有することができる。例えばＮＦＭＲ電源は、複数の機器の各々が自身を特定の周波数に同調可能な多くの周波数帯域を使用して電力を無線で供給できる。このように、周波数シフト技術は、ＮＦＭＲ電源の範囲内で複数の機器により効率的に電力を伝送するために使用される。

図４に示されるように、単一のＮＦＭＲ電源が２つ以上の機器に電力を個別に伝送する他の機構には時分割多重化を含む。示されるように、機器４００、４０２及び４０４の各々は、１度に機器のうちの１つのみが電力を受信するようにそれぞれ順番に自身を同調及び離調できる。例えば期間１の間、機器４００は、自身を使用可能な共振周波数のうちの少なくとも１つに同調させることで電力を受信し、機器４０２及び４０４は離調される。機器４００が電力サイクルを完了すると、機器４００は自身を離調し、機器４０２は、自身を同調させ、ＮＦＭＲ電源から電力を無線で受信する。機器４０２が電力サイクルを完了すると、機器４０２は自身を離調し、機器４０４は、ＮＦＭＲ電源から電力を受信するために共振周波数のうちの少なくとも１つに自身を同調させる。他の実施形態において、ＮＦＭＲ電源は、各自が特定の機器に同調されるいくつかの周波数の間でＮＦＭＲが切り換え可能な周波数分割多重化を使用できる。機器は、電源の現在の周波数で共振するときのみ電力を受信できる。

閉ループ制御は共振回路において、機器の動作モードに更に影響を与える。例えばキーボードは、ソースとキーボードとの距離（及びあらゆる干渉物体の存在）に依存するソースから受信された電力量を判定できる。受信した電力が閾値を下回る場合、キーボードは、より多くのバッテリ電源を使用できるか、あるいはソースが電力を増加させることを要求できる。場合によっては、キーボードの現在の動作条件を満たすまで供給された電力を増加できない場合、キーボードは、例えばバックライトを低減すること等で電力要求を低減する措置を取る。尚、上述したように、キーボードが受信した電力の減少は、距離の増加以外の多くの他の要因により発生する。そのような要因は、例えばボイド、物体及び回路に追加された他の機器等の存在を含む。

図５は、種々の例示的な実施形態に係る無線伝送システム又は無線充電システム５００を示す。入力電力５０２は、エネルギーを伝送するために放射界５０６を生成する送信機５０４に提供される。受信機５０８は、放射界５０６に結合し、出力電力５１０に結合された機器（不図示）が蓄積又は消費する出力電力５１０を発生する。送信機５０４及び受信機５０８の双方は、距離５１２だけ離される。例示的な一実施形態において、送信機５０４及び受信機５０８は相互共振関係に従って構成され、受信機５０８の共振周波数と送信機５０４の共振周波数とが非常に近接する場合、受信機５０８が放射界５０６の「近距離場」に配置される場合に送信機５０４と受信機５０８との間の伝送損失は最小である。

送信機５０４は、エネルギー伝送のための手段を提供する送信アンテナ５１４を更に含み、受信機５０８は、エネルギー受信のための手段を提供する受信アンテナ５１８を更に含む。送信アンテナ及び受信アンテナは、それらに関連づけられる応用及び機器に従ってサイズ変更される。上述したように、電磁波のエネルギーの殆どを遠距離場に伝播するのではなく、送信アンテナの近距離場におけるエネルギーの大部分を受信アンテナに結合することにより、効率的なエネルギー伝送が行われる。この近距離場において、結合モードは送信アンテナ５１４と受信アンテナ５１８との間に現れる。この近距離場結合が発生するアンテナ５１４及び５１８の周囲のエリアを本明細書において結合モード領域と呼ぶ。

図６は、無線電力伝送システムを示す簡略化された概略図である。送信機６０４は、発振器６２２、電力増幅器６２４、並びにフィルタ及び整合回路６２６を含む。発振器は、調整信号６２３に応答して調整される所望の周波数を発生するように構成される。発振信号は、制御信号６２５に応答する増幅量で電力増幅器６２４により増幅される。フィルタ及び整合回路６２６は、高調波又は他の望ましくない周波数を除外するようにされ、送信機６０４のインピーダンスを送信アンテナ５１４に整合させる。

受信機６０８は、整合回路６３２、並びに整流器及びスイッチング回路６３４を含み、図６に示されるようにバッテリ６３６を充電するかあるいは受信機に結合された機器（不図示）に電力供給するためにＤＣ電力出力を発生する。整合回路６３２は、受信機５０８のインピーダンスを受信アンテナ５１８に整合するようにされる。受信機５０８及び送信機５０４は、別個の通信チャネル６１９（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ｚｉｇｂｅｅ、セルラ等）上で通信してもよい。

図７に示されるように、例示的な実施形態において使用されたアンテナは、本明細書において「磁気的」アンテナとも呼ばれる「ループ」アンテナ７５０として構成される。ループアンテナは、空心又はフェライトコア等の物理コアを含むように構成される。空心ループアンテナは、コアの近傍に置かれた外部からの物理的デバイスに対してより許容できる。更に空心ループアンテナは、コア領域内に他の構成要素を置くことを許容できる。更に空心ループは、送信アンテナ５１４（図５、図６）の結合モード領域がより強力である送信アンテナ５（図５、図６）の平面内に受信アンテナ５１８（図５、図６）をより簡単に置くことができる。

上述したように、送信機５０４と受信機５０８との間で共振を整合又はほぼ整合させる間に送信機１０４と受信機５０８との間でエネルギーが効率的に伝送される。しかし、送信機５０４と受信機５０８との共振が整合されない場合でも、エネルギーはより低い効率で伝送されてもよい。送信アンテナからのエネルギーを自由空間に伝播するのではなく、送信アンテナの近距離場からのエネルギーをこの近距離場が確立される近隣に常駐する受信アンテナに結合することにより、エネルギーの伝送が行われる。

ループアンテナ又は磁気的アンテナの共振周波数は、インダクタンス及びキャパシタンスに基づいている。一般に、ループアンテナのインダクタンスは、単にループにより作成されたインダクタンスであり、キャパシタンスは、所望の共振周波数で共振構造を作成するようにループアンテナのインダクタンスに追加される。限定しない例として、コンデンサ７５２及びコンデンサ７５４は、共振信号７５６を発生する共振回路を作成するようにアンテナに追加される。それに応じて、より大きな直径のループアンテナの場合、ループの直径又はインダクタンスが増加するにつれ、共振を誘起するのに必要なキャパシタンスのサイズは小さくなる。また、ループアンテナ又は磁気的アンテナの直径が増加するにつれ、近距離場の効率的なエネルギー伝送エリアは広がる。当然、他の共振回路が可能である。別の限定しない例として、コンデンサは、ループアンテナの２つの終点間に並列に置かれてもよい。また、送信アンテナの場合、共振信号７５６がループアンテナ７５０への入力であることは当業者により理解される。

本発明の例示的な実施形態は、互いの近距離場にある２つのアンテナの間で電力を結合することを含む。上述したように、近距離場は、電磁場が存在するがアンテナから伝播又は放射されないアンテナの周囲のエリアである。一般に電磁場は、アンテナの物理ボリュームに近いボリュームに限定される。本発明の例示的な実施形態において、磁界近距離場振幅が、電気的アンテナ（例えば、微小ダイポール）の電気近距離場と比較して磁気的アンテナの方がより高い傾向にあるため、シングルターンループアンテナ及びマルチターンループアンテナ等の磁気的アンテナは、送信（Ｔｘ）アンテナシステム及び受信（Ｒｘ）アンテナシステムの双方に対して使用される。これにより、その対の間で潜在的により高い結合が可能になる。また、「電気的」アンテナ（例えば、ダイポール及びモノポール）又は磁気的アンテナと電気的アンテナとの組合せが更に考えられる。

Ｔｘアンテナは、上述した遠距離場及び帰納的アプローチで可能であるより非常に長い距離で小型Ｒｘアンテナに適切に結合（例えば、＞−４ｄＢ）するのに十分に大きいアンテナサイズ、並びに十分に低い周波数で動作される。Ｔｘアンテナが適正にサイズ変更される場合、ホスト装置上のＲｘアンテナが駆動Ｔｘループアンテナの結合モード領域（すなわち、近距離場における）内に置かれる際に高結合レベル（例えば、−１〜−４ｄＢ）を達成できる。

図８は、説明される実施形態に係る処理８００を詳細に説明するフローチャートを示す。処理８００は、電力送信アンテナの近距離場内の電磁場の第１の結合モード領域を作成することにより８０２において開始する。次に８０４において、電磁場及び第１の受信機の受信アンテナは、結合モード領域で結合される。８０６において、第１の結合モード領域とは異なる電磁場の第２の結合モード領域は、第１の受信機の送信アンテナの近距離場で作成される。８０８において、電磁場は、第１の受信機の送信アンテナの近距離場において第２の受信機の受信アンテナに結合される。８１０において、電力は、電磁場の第１の結合モード領域を使用して電力送信アンテナを介して電源から第１の受信機に無線で供給される。８１２において、第１の受信機に無線で供給された電力のうちの少なくとも一部は、電磁場の第２の結合モード領域を使用して第１の受信機の送信アンテナを介して第２の受信機に無線で再伝送される。

Claims (11)

1. 無線を使って電力供給されるローカルコンピュータシステムであって、距離Ｄの近距離場内で使用可能なエネルギーを共振回路へ転送するための共振チャンネルを使用するように構成された近距離場磁界共鳴（ＮＦＭＲ）無線電源を備え、前記距離Ｄは前記ＮＦＭＲ電源の最外部までの範囲を規定しており、前記ローカルコンピュータシステムは、
   前記ＮＦＭＲ電源へ処理リソースを提供する中央処理部と、
   前記ＮＦＭＲ電源から電力を無線で受信するように適合された可変同調共振回路を有する複数の周辺機器とを備え、
   前記複数の機器の少なくとも一つが前記ＮＦＭＲ電源の範囲内にあると、前記機器は前記共振回路を前記ＮＦＭＲ電源の共振周波数の少なくとも一つへ同調し、その後にＮＦＭＲ電源へ機器識別子を提供するために共振回路負荷要素の変化を使って前記共振回路を離調することを特徴とする
   ローカルコンピュータシステム。
2. 前記周辺機器の少なくとも一つは再共振回路を有し、前記再共振回路は、前記ＮＦＭＲ電源から前記周辺機器により受信された前記電力の一部を少なくとも一つの他の周辺クライアント機器へ無線で供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のローカルコンピュータシステム。
3. 充電回路であって、
   無線で供給された電力を受信するよう構成された第１のノードと、
   第１の電荷容量を有する短期間電荷蓄積デバイスと、
   第２の電荷容量を有する長期間電荷蓄積デバイスとを備え、
   前記第２の電荷容量は前記第１の電荷容量より十分に大きく、
   前記長期間電荷蓄積デバイスは、
   （Ａ）前記第１のノードにおいて無線で受信された前記電力に相当する電荷を前記短期間電荷蓄積デバイスへ蓄積し、
   （Ｂ）前記蓄積された電荷が前記第１の電荷容量に等しくなると、前記蓄積された電荷を前記短期間電荷蓄積デバイスから前記長期間電荷蓄積デバイスへ移動し、
   （Ｃ）前記長期間電荷蓄積デバイスの前記蓄積された電荷が前記第２の電荷容量に等しくなるまで、上記（Ａ）（Ｂ）を繰り返して
   前記長期間電荷蓄積デバイスを充電することを特徴とする充電回路。
4. 前記短期間電荷蓄積デバイスはウルトラキャパシタであり、前記長期間電荷蓄積デバイスはＬｉＰＯ電池であることを特徴とする請求項３に記載の充電回路。
5. 無線電力送信方法であって、
   電力送信アンテナの近距離場内に電磁場の第１結合モード領域を形成する工程と、
   前記結合モード領域内で前記電磁場と第１の受信機の受信アンテナを結合する工程と、
   前記第１の受信機の送信アンテナの近距離場内で前記第１結合モード領域とは異なる前記電磁場の第２結合モード領域を生成する工程と、
   前記第１の受信機の前記送信アンテナの近距離場において前記電磁場を第２の受信機の受信アンテナへ結合する工程と、
   前記電磁場の前記第１結合モード領域を使って前記電力送信アンテナを介して前記第１の受信機へ電源から電力を無線で供給する工程と、
   前記第１の受信機へ無線で供給された前記電力の一部を、前記電磁場の前記第２結合領域を使い、前記第１の受信機の送信アンテナを介して、前記電力の一部を前記第２の受信機へ再送信することにより無線で供給する工程とを
   備えることを特徴とする無線電力送信方法。
6. 前記第１の受信機がキーボードであることを特徴とする請求項５に記載の無線電力送信方法。
7. 前記第１の受信機がマウスであることを特徴とする請求項６に記載の無線電力送信方法。
8. 前記電源がホストコンピュータ装置に内蔵されていることを特徴とする請求項７に記載の無線電力送信方法。
9. 前記第２の結合モード領域が前記キーボードと前記マウスとの間であることを特徴とする請求項８に記載の無線電力送信方法。
10. 前記第１の結合モード領域が前記ホストコンピュータ装置と前記キーボードとの間であることを特徴とする請求項９に記載の無線電力送信方法。
11. 前記第１結合モード領域が前記ホストコンピュータ装置と前記マウスとの間であることを特徴とする請求項９に記載の無線電力送信方法。

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