JP2014522232A - ワイヤレス容量性給電用の伝送層 - Google Patents

Abstract

表面の一方の側面に置かれた１対の送信側電極３２１、３２２との容量性結合のための１対の受信側電極３４１、３４２と、１対の受信側電極のそれぞれと表面の他方の側面との間に置かれた変形可能な伝送層３７１、３７２とを含む電力受信側機器。電力ドライバ１１０によって生成された電力信号が、電力受信側機器内に含まれる負荷１５０に給電するように、１対の送信側電極３２１、３２２から１対の受信側電極３４１、３４２に、ワイヤレスで伝送される。

Description

本願は、２０１１年８月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／５２３，９６１号の優先権を主張する。

本発明は、概して、ワイヤレス電力伝送用の容量性給電システム、より具体的には、表面から電力を効率よく伝送のための送信側電極と受信側電極との間の伝送層に関する。

ワイヤレス電力伝送とは、電線又は接点を使用しない電力の供給を指す。したがって、電子機器の給電は、ワイヤレス媒体を介して行われる。容量性結合は、ワイヤレスで電力を伝送する１つの技術である。当該技術は、主にデータ転送及び感知用途に使用されている。例えば窓に接着されたカーラジオアンテナは、車内の感知素子に容量結合される。容量性結合技術は更に、電子機器の非接触充電にも使用されている。

本発明と見なされる主題は、本明細書の終わりにおける特許請求の範囲において具体的に指摘されかつ明確に主張される。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面と共に理解される以下の詳細な説明から明らかとなろう。

図１は、ワイヤレス電力伝送用の容量性電力伝送システムの典型的な配置である。 図２Ａは、理想的なコンデンサの概略図を示す。 図２Ｂは、空気層を有するコンデンサの概略図を示す。 図３は、本発明の一実施形態による変形可能な伝送層を有する容量性電力伝送システムを示す。 図４（Ａ）は、本発明の一実施形態による、粗面上の変形可能な伝送層を示す。 図４（Ｂ）は、本発明の一実施形態による、曲面上の変形可能な伝送層を示す。 図５は、本発明の一実施形態にしたがって誘電体層の代わりに変形可能な伝送層を使用する方法を説明する図である。 図６は、例えば水である液体を含む伝送層を示す。

なお、開示された実施形態は、本明細書における革新的な教示内容の多くの有利な用途のうちの例に過ぎないことに留意することが重要である。一般に、本願の明細書における記述は、請求された様々な発明のいずれをも必ずしも制限するものではない。更に、幾つかの記述は、ある革新的な特徴には適用されるが、他の特徴には適用されないものもある。一般に、特に明記されない限り、単数の要素は、複数であってもよく、また、複数の要素も単数であってよく、一般性は失われない。図中、同様の参照符号は、幾つかの図面に亘って同様の部分を指す。

容量性電力伝送システムは、窓、壁、床等といった平坦構造を有する大きい領域全体に電力を伝送するために使用される。図１に、当該容量性電力伝送システムの一例が、システム１００として示される。図１に示されるように、当該システムの典型的な配置は、負荷１５０及びインダクタ１６０に接続される１対の受信側電極１４１、１４２を含む。システム１００は更に、電力ドライバ１１０に接続された１対の送信側電極１２１、１２２を含む。更に絶縁層１３０がある。

送信側電極１２１、１２２は、絶縁層１３０の一方の側面に配置され、受信側電極１４１、１４２は、絶縁層１３０の他方の側面に配置される。受信側電極１４１、１４２を、絶縁層１３０の両側における送信側電極１２１、１２２に、互いに直接接触しないように、近接させることによって、負荷１５０に電力が供給される。この配置は、送信側電極１２１、１２２と、受信側電極１４１、１４２との対の間に容量性インピーダンスを形成する。したがって、ドライバ制御器１１０によって生成された電力信号は、送信側電極１２１、１２２から、受信側電極１４１、１４２にワイヤレスで伝送され、負荷１５０が給電される。したがって、負荷１５０に給電するために、機械的なコネクタ又は任意の電気的な接点が不要である。

一実施形態では、送信側電極１２１、１２２とドライバ１１０との接続は、ガルバニック接触による。別の実施形態では、ドライバ１１０と電極１２１、１２２との間に、容量性インカップリングを適用することができ、これにより、有線接続が不要となる。本実施形態は、インフラストラクチャを容易に拡張できるようにするモジュール式インフラストラクチャにおいて有利である。

図１に示されるシステムは、電力信号周波数をシステムの直列共振周波数に一致させ、これにより、電力伝送の効率を向上させる２つのオプションのインダクタ１１２、１６０を含む。

ドライバ制御器１１０は、直列にされたコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）とインダクタ１１２、１６０とからなる回路の直列共振周波数と実質的に同じ周波数を有するＡＣ電圧信号を出力する。コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は、送信側電極１２１、１２２と受信側電極１４１、１４２との容量性インピーダンス（図１では点線で示す）である。コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の容量性インピーダンスと、インダクタ１６０のインダクタンスとは、共振周波数において互いを相殺し、これにより、低オーミック回路がもたらされる。ドライバ制御器１１０は、ＡＣ信号を生成するが、その振幅、周波数及び波形が制御可能である。当該出力信号は、典型的に、数十ボルトの振幅と、最大数メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数とを有する。例示的な実施形態では、出力信号は、典型的に、５０Ｖ／４００ｋＨｚである。したがって、システム１００は、電力損失が少ない状態で負荷１５０に電力を供給できる。

非限定的な一例として、インダクタ１１２、１６０は、調整（例えばジャイレータタイプの調整）可能なインダクタである。更に、システム１００は、静電容量を制御するために、可変コンデンサ、又は、スイッチドキャパシタのバンクを含んでもよい。

一実施形態では、ドライバ１１０は、システム１００が調整されたかどうかを判断するために、その出力における電圧及び電流の位相を感知する。別の実施形態では、電圧及び電流の位相は、受信側電極１４１、１４２において測定される。いずれの実施形態においても、システム１００は、最大電流が負荷１５０を流れる場合は、調整される。つまり、直列共振周と信号周波数とが一致しない場合に調整される。感知は、動作周波数とその高調波において行われる。

負荷は、例えばＬＥＤ、ＬＥＤ列、ランプ、ディスプレイ、コンピュータ、充電器、スピーカー等である。例えばシステム１００は、壁に設置された照明器具に給電するように使用される。

絶縁層１３０は、例えば空気、紙、木材、織物、ガラス、脱イオン水等を含む任意の絶縁材料であってよい薄層基板材料である。一実施形態では、誘電率を有する材料が選択される。絶縁層１３０の厚さは、典型的、１０ミクロン（例えば塗装層）乃至数ミリメートル（例えばガラス層）である。

送信側電極１２１、１２２は、受信側電極１４１、１４２に隣接していない方の絶縁層１３０の一方の側面に配置された２つの別箇の導電性材料体から構成される。例えば図１に示されるように、送信側電極１２１、１２２は、絶縁層１３０の底面にある。別の実施形態では、送信側電極１２１、１２２は、絶縁層１３０の両面に配置されてもよい。送信側電極１２１、１２２は、例えば矩形、円形、正方形又はこれらの組み合わせを含む任意の形状であってよい。各送信側電極の導電性材料は、例えば炭素、アルミニウム、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ＰＥＤＯＴといった有機材料、銅、銀、導電性塗料、又は任意の導電性材料であってよい。

受信側電極１４１、１４２は、送信側電極１２１、１２２と同じ導電性材料であっても、異なる導電性材料から作られてもよい。システム１００の総静電容量は、対応する送信側電極及び受信側電極１２１、１４１及び１２２、１４２の重なり領域と、絶縁層１３０の厚さ及び材料特性とによって形成される。システム１００の静電容量は、図１では、Ｃ１及びＣ２として示される。電気的共振を可能とするために、システム１００は更に、誘導性素子を含むべきである。当該素子は、送信側電極又は受信側電極の一部であり、ドライバ１１０と負荷との間に分散配置された１つ以上のインダクタ（例えば図１に示されるインダクタ１６０、１１２）、絶縁層１３０内に組み込まれたインダクタ、又はそれらの任意の組み合わせの形式であってよい。一実施形態では、システム１００に使用されるインダクタは、集中コイルの形式であってよい。

負荷１５０は、ＡＣ双方向電流を流す。一実施形態では、負荷１５０は、ＤＣ電圧を局所的に生成するダイオード又はＡＣ／ＤＣコンバータを含む。負荷１５０は更に、ドライバ１１０によって生成された制御信号に基づき、負荷１５０の様々な機能を制御する又はプログラミングする電子機器を含む。このために、一実施形態では、ドライバ１１０は、ＡＣ電力信号上に変調された制御信号を生成する。例えば負荷１５０がＬＥＤランプである場合、ドライバ１１０によって出力される制御信号は、ＬＥＤランプの調光又は色設定に使用される。

負荷１５０として機能するランプの調光及び／又は色設定のための別の実施形態は、送信側電極と受信側電極とをずらして置くこと、即ち、対応する電極１２１／１４１及び１２２／１４４が互いに完全には重ならない場合を含む。この場合、電気回路は共振状態から外れ、これにより、ドライバ１１０からランプ（負荷１５０）に伝送される電力は少ない。回路が共振しないこの状態は、離調（detuning）とも呼ばれる。

システム１００を離調させる他の実施形態は、負荷１５０（例えばランプ）に又はドライバ１１０からランプへの経路に、静電容量、インダクタンス、又は抵抗を追加すること、ランプをインフラストラクチャの別の場所に配置すること、又は、ランプによって生成され、ドライバ１１０に送信されるフィードバック信号を使用することを含む。フィードバックは、ドライバ内で測定される短い離調を生成するランプ上のボタンを使用して提供される。ドライバ１１０は、当該フィードバックに基づき、出力におけるＡＣ信号の電力及び／又は周波数を変更する。

一実施形態では、送信側電極１２１、１２２に対する受信側電極１４１、１４２の正しい配置は、最大電力又は所定閾値を上回る電力が、ドライバ１１０から負荷１５０に伝送される場合の指示を提供するロケーションインジケータを使用して決定される。ロケーションインジケータは、ドライバ１１０の一部であっても、負荷１５０に組み込まれてもよい。当該指示は、例えば点灯したＬＥＤ、音、メッセージ又は伝送電力量を表示する液晶ディスプレイ等の形式であってよい。なお、ロケーションインジケータは、システム１００内の電力ホットスポットを検出するために使用されてもよい。

容量性給電システム１００は、図１に例示的に示されるように、ドライバ１１０によって給電される単一の負荷１５０を示す。しかし、ドライバ１１０は、複数の負荷も給電可能であることに留意されたい。各負荷は、異なる動作周波数に同調可能である。このような構成では、ドライバ１１０によって出力された信号の周波数が、給電されるデバイスを決定する。ドライバ１１０は更に、ＡＣスイープ信号（多様な周波数を有する信号）も生成する。周波数スイープは、十分に速い場合、ＡＣ信号の周波数が、各負荷の共振同調に一致する期間の間、デバイスに給電する。このようにすると、異なる周波数に同調された幾つかの負荷が、多重に給電される。スイープ間の電力のない間隙を補うために、電池及び／又はコンデンサを追加してもよい。

別の実施形態では、負荷のスペクトラム拡散給電が提供される。したがって、ドライバ１１０により、広帯域周波数を特徴とするＡＣ電力信号が生成されることで、複数の負荷からなるグループにおける個々の負荷は、それぞれ、様々な周波数の範囲内で同調され、したがって、個々の負荷は、それぞれ、独立して給電される。

複数の負荷を含む容量性給電システムでは、様々な負荷によって消費される電力は、互いに異なる。ＡＣ信号の電力は、最大電力を消費する負荷によって決定される。「高電力負荷」と「低電力負荷」とがシステム内で接続される場合、電力ＡＣ信号は、後者の負荷を損傷する可能性がある。この問題を解決するために、過負荷保護が必要である。

送信側電極と受信側電極との容量性結合は、電極間の距離だけでなく、電極間の伝送層の誘電特性にも依存するため、電力駆動制御器又は電力伝送側機器と電力受信側機器とは、通常、電力を効率よく伝送するために、互いに近接している。一般性を失うことなく、本明細書において言及される電力伝送側機器とは、電力を電力受信側機器に伝送する機器であり、本明細書において言及される電力受信側機器とは、電力伝送側機器から電力を受け取る機器であり、電力受信側機器が、電力を消費する負荷を含む。

しかし、実際の環境では、壁、床等といったその全面に電力が伝送されるべき平坦構造体の平坦性及び粗さを制御することは非常に困難である。床若しくは壁面、及び／又は、カバー層は、でこぼこしている又は粗いことがある。例えばインフラストラクチャ１３０として示される図１の表面及び／又はカバー層は、平坦ではなく、でこぼことした表面領域を有する。電力受信機器の電極、例えば電極１４１、１４２が、このようなでこぼことした表面上に置かれると、形成される静電容量（Ｃ１、Ｃ２）の値は一定ではない。これは、送信側電極と受信側電極との間の平均距離の変動と、例えばでこぼこな表面の特定の部分と電極との間に空気があることによる表面全体で様々な誘電率とによるものである。空気は、床面及び／又はカバー層よりもかなり低い比誘電率ε_ｒを有し、それにより、静電容量（Ｃ１、Ｃ２）が更に変動する。この結果、静電容量値に相当な広がりができ、容量性電力伝送システムの動作条件が不均一となる。

更に、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は共振回路の一部であるが、静電容量の変動による別の影響としては、回路がもはや共振状態でなくなり、これにより、容量性電力伝送システムにおける効率が下がり、及び／又は、伝送される電力が少なくなる点である。フィードバックループが、静電容量の変動の制御に多少利点を提供するが、新しい動作点において電力伝送が最適ではない、即ち、効率的でなく、不安定で、範囲外である等、静電容量は依然としてかなり変動する。

本明細書に記載される特定の実施形態は、図１に、インフラストラクチャ１３０として示される、受信側電極と表面及び／又はカバー層との間に配置された変形可能な伝送層について説明する。有利には、当該変形可能な伝送層は、例えばインフラストラクチャ１３０と送信側電極及び受信側電極との間の空気量を最小限にすることによって、静電容量を制御する。一実施形態では、当該変形可能な伝送層は、表面粗さと不完全な平坦さとに対応するように、接点間に置かれる変形可能な薄層である。１対の電極の静電容量は、電極間の距離に依存するため、変形可能な伝送層の厚さは、追加した厚さが静電容量を実質的に変えなければ、又は、容量性電力伝送システムを動作範囲から立ち退かせなければ、「薄い」と見なされる。

本明細書に開示される１つの実施形態は、表面の一方の側面に置かれた１対の送信側電極を有する送信側機器から、ワイヤレスで電力を受け取る受信側機器を含む。当該受信側機器は、１対の送信側電極との容量性結合のための１対の受信側電極と、１対の受信側電極のそれぞれと表面のもう一方の側面との間に置かれた変形可能な伝送層とを含み、電力ドライバによって生成された電力信号は、１対の送信側電極から１対の受信側電極へとワイヤレスで伝送され、電力受信側機器に含まれる負荷が給電される。

上記負荷は、電力受信側機器内でインダクタと直列にあり、電力信号の周波数は、電力受信側機器内のインダクタと、第１及び第２のコンデンサ間の容量性インピーダンスとの直列共振周波数に実質的に一致する。

上述したように、静電容量の変動は、表面の粗さ及び／又は表面の不完全な平坦性、即ち、湾曲からもたらされる。更に、受信器が移動させられる、及び／又は、機械的にずらされ（引っ張られる又は押され）ても、静電容量は動的に変化する。図２Ａは、２つの接点２０１と２０３との間に配置されたダイエレクトリカム（dielectricum、誘電体）２０２を有する理想的なコンデンサを示す。なお、ダイエレクトリカムとは、電気絶縁体であり、電場が印加されることによって分極可能な誘電媒体である。図２Ｂは、実際の状況におけるコンデンサを示し、ここでは、第１の接点が粗面を有するので、第１の接点２０１とダイエレクトリカム２０２との間には空気層２０４がある。上述したように、空気は、かなり低い比誘電率ε_ｒを有するので、静電容量が変動する。

図３は、変形可能な伝送層３７１、３７２が、受信側電極３４１、３４２のそれぞれとパネル面３３０との間に置かれ、これらの下には、送信側電極３２１、３２２がある、本発明の一実施形態を示す。効率的に電力を伝送するための変形可能な伝送層を実現するために、高ε_ｒ値を有する材料が選択される。変形可能な伝送層の材料のε_ｒが高いことによって、接点の表面の粗さ及び不完全な平坦さによる静電容量の変動が最小限にされる。一実施形態では、変形可能な伝送層は、シリコーンからなる。

図３は、受信側電極３４１、３４２のそれぞれと、パネル面３３０との間に置かれた変形可能な伝送層３７１、３７２を示す。変形可能な伝送層は、同様に、送信側電極３２１、３２２とパネルとの間に置かれてもよい。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示されるように、本発明の一実施形態では、表面の粗さ及び／又は表面の不完全な平坦性によるコンデンサ値への影響を最小限にするために、変形可能な伝送層４８１は、接点層とダイエレクトリカムとの間の中間層として使用される。図４（Ａ）は、第１の接点とダイエレクトリカムとの間に置かれた変形可能な伝送層４８１を示す。当該変形可能な伝送層４８１は、ダイエレクトリカムと第１の接点との間の任意の粗い又はでこぼことした表面領域になじむ。図４（Ｂ）は、変形可能な伝送層４８１が、第１の接点とダイエレクトリカムとの接触面の湾曲に一致することを示す。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、第１の接点とダイエレクトリカムとの間で使用される変形可能な伝送層４８１を示すが、変形可能な伝送層４８１は、同様に、第２の接点とダイエレクトリカムとの間、又は、両方に使用されてもよい。

一実施形態では、変形可能な伝送層は、弾性層である。弾性材料は、力を必要とすることなく、元の形状に戻る。様々な実施形態は、可撓性並びに適合性材料、及び、力を加えることによって元の形状に戻されることが可能な変形可能な材料といった別の材料を使用してもよい。

図５に示されるように、本発明の一実施形態では、変形可能な伝送層５８１が、ダイエレクトリカム層の代わりに使用される。ダイエレクトリカム層は、薄層であるため、システムは、当該層への損傷に非常に敏感である。

別の実施形態では、変形可能な伝送層は、軟性導電層である。本実施形態では、変形可能な伝送層は、導電性発泡体の一片である。当該軟性導電層は、送信側電極と受信側電極との間の静電容量へのでこぼこの又は粗い面の影響を有利に低減する。

図６は、変形可能な伝送層６８０内にチャンバ６８１が形成された一実施形態を示す。これらのチャンバは、８０である高いε_ｒを有する例えば水である液体で満たされる。

別の実施形態では、ハイドロゲル層が変形可能な伝送層として使用される。というのも、ハイドロゲルは可変であり、また、ハイドロゲルの最大体積分率は、高いε_ｒを有する水だからである。高いε_ｒを有する他のゲルを使用してもよい。

本発明は、幾つかの実施形態について、かなり詳細に、かつかなりの特殊性を持って説明されたが、本発明は、そのような詳細若しくは実施形態、又は、任意の特定の実施形態のいずれにも限定されるべきことを意図しておらず、むしろ、添付の特許請求の範囲を参照して、従来技術に鑑みて当該特許請求の範囲の可能な限り広義の解釈を提供し、したがって、本発明の意図する範囲を有効に包含すると解釈すべきである。更に、上記は、本発明を、発明者によって予見され、実施可能とする説明のある実施形態に関して説明するが、現在予見されていない本発明の想像上の変更も、当該実施形態に等価なものを依然として表す。

Claims (9)

1. 表面の一方の側面に置かれた１対の送信側電極を有する送信側機器から、ワイヤレスで電力を受け取る電力受信側機器であって、
   前記１対の送信側電極との容量性結合のための１対の受信側電極と、
   前記１対の受信側電極のそれぞれと前記表面の他方の側面との間に置かれた変形可能な伝送層と、
   を含み、
   電力ドライバによって生成された電力信号が、前記電力受信側機器内に含まれる負荷に給電するように、前記１対の送信側電極から前記１対の受信側電極に、ワイヤレスで伝送される、電力受信側機器。
2. 前記変形可能な伝送層は、弾性材料で作られている、請求項１に記載の電力受信側機器。
3. 前記変形可能な伝送層は、高い誘電率を有する材料で作られている、請求項１に記載の電力受信側機器。
4. 前記変形可能な伝送層は、シリコーンで作られている、請求項１に記載の電力受信側機器。
5. 前記変形可能な伝送層は、導電性材料で作られている、請求項１に記載の電力受信側機器。
6. 前記変形可能な伝送層は、ハイドロゲルで作られている、請求項１に記載の電力受信側機器。
7. 前記変形可能な伝送層は、複数のチャンバを含み、前記複数のチャンバは液体で満たされる、請求項１に記載の電力受信側機器。
8. 前記液体は水である、請求項７に記載の電力受信側機器。
9. 前記負荷は、前記電力受信側機器内のインダクタと直列にあり、前記電力信号の周波数は、前記電力受信側機器内の前記インダクタと、前記１対の送信側電極に結合された前記１対の受信側電極の容量性インピーダンスとの直列共振周波数に実質的に一致する、請求項１に記載の電力受信側機器。