JP2015008628A

JP2015008628A - 無線充電のための適応型電力制御

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Publication number: JP2015008628A
Application number: JP2014181105A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・エイチ・フォン・ノヴァク; Novak William H Von; スタンレー・エス・トンシチ; S Toncich Stanley; スタントン・シー・ブレイデン; C Braden Stanton; イアン・ジェイ・フェヴリエ; J Fevrier Ian
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: KR20150013363A; US20140361741A1; TW201042876A; KR101578966B1; JP2012516131A; EP2389718A2; CN104485722A; CN102292896B; CN104485722B; KR20170091781A; US9559526B2; US8497658B2; KR20150020710A; WO2010085701A3; CN102292896A; JP5921625B2; KR20110106456A; WO2010085701A2; KR101614260B1; US8823319B2

Abstract

【課題】無線電力システム内に配置され得る受信器デバイスに電力を割り当てる方法を提供する。
【解決手段】例示的実施形態は無線電力伝達を対象にする。送信器(202)は、送信アンテナ(204)を使用して、共振周波数で送信アンテナの近接場内に結合モード領域を生成するように電磁場を生成する。この送信器は、電磁場をオンオフキーイングすることにより、繰返し期間の始めを、繰返し期間の同期部分を通じて定義する。この送信器は、繰返し期間の送電部分を通じて、電磁場の一部分を、結合モード領域内の様々な受信器デバイスの別々の受信アンテナに結合する。この送信器は、また、結合モード領域内に配置された様々な受信器デバイスに対する繰返し期間内の電力割当てを求めて、受信器デバイスから受け取られた電力要求に応じて近接場放射の電力レベルを調節する。
【選択図】図８

Description

本発明は、一般に無線充電に関し、より詳細には、無線電力システム内に配置され得る受信器デバイスに電力を割り当てることに関係するデバイス、システム、および方法に関する。

米国特許法第119条による優先権主張
本出願は、米国特許法第119条(e)による以下の出願に対する優先権を主張するものである。
2009年1月22日に出願された「POWER SHARING FOR WIRELESS POWER DEVICES」という名称の米国仮特許出願第61/146,586号。
2009年2月9日に出願された「DYNAMIC POWER CONTROL METHODOLOGY FOR WIRELESS CHARGING」という名称の米国仮特許出願第61/151,156号。
2009年6月3日に出願された「ADAPTIVE POWER CONTROL FOR WIRELESSLY CHARGING DEVICES」という名称の米国仮特許出願第61/183,907号。

一般に、無線電子デバイスなどの各電池式デバイスは、それ自体の充電器と通常は交流(AC)電力出力である電源とを必要とする。多くのデバイスの充電が必要なとき、このような配線式の構成は使いにくくなる。

送信器と充電される電子デバイスに結合された受信器との間の無線式送電すなわち無線送電を使用する手法が開発されている。このような手法は、一般に2つのカテゴリに分類される。1つは、送信アンテナと充電されるデバイスの受信アンテナとの間の平面波放射(遠視野放射とも称される)の結合に基づくものである。受信アンテナは、放射された電力を収集して、バッテリーを充電するために整流する。アンテナは、カップリング効率を向上させるために、一般に共振長である。この手法は、電力結合がアンテナ間の距離に伴って急速に減少するため、適切な距離(例えば1から2メートル未満)を超えると充電することが困難になるという事実に苦しむ。さらに、送信システムが平面波を放射するので、無作為の放射がフィルタリングによって適切に制御されなければ、他のシステムと干渉することがある。

無線エネルギー伝送技術の他の手法は、例えば“充電”マットまたは表面に埋め込まれた送信アンテナと、充電される電子デバイスに埋め込まれた受信アンテナ(および整流回路)との間の電磁結合に基づくものである。この手法には、送信アンテナと受信アンテナとの間の間隔が、非常に近くなければならない(例えば1000分の1メートル以内)という不都合がある。この手法には、同時に同一の領域の複数のデバイスを充電する能力があるが、この領域は一般に非常に小さく、デバイスを特定の領域に正確に配置することをユーザに要求する。

米国実用特許出願第12/249,873号米国実用特許出願第12/249,861号米国実用特許出願第12/249,866号米国実用特許出願第12/249,875号

多くの無線充電システムについては、ソースから伝送される電力が単一レベルに固定されており、したがって、一般に、電力レベルは、別々の最大ピーク電力レベルを有するデバイスに適合するように調節され得ない。これは、充電され得るデバイスのタイプを限定する。固定された放射電力レベルは、デバイスの現在のバッテリーレベルの関数として調節され得ないという別の問題がある。バッテリーが充電するのにつれて、充電を完了するのに必要な電力がますます低減するので、これは電力を浪費する。デバイスによって吸収されない送信器からの放射電力は、特定の吸収率(SAR)のレベルを増加させる可能性がある。固定された送信器電力は、充電されているデバイスの送信器への結合が弱いとき生じる最悪の場合に対してSAR要件が満たされなければならないことを要求する。したがって、優れた結合を有するデバイスが、弱い結合を有するデバイスによって規定された電力レベルに限定され、このことは、優れた結合を有するデバイスに対して充電時間の増加をもたらす可能性がある。複数のデバイスを充電する場合に、固定された送信器電力は、各デバイスにとってどのような充電レベルが最適であるかということにかかわらず、すべてのデバイスに同一の電力レベルが与えられなければならないことを意味する。前述のように、これは、放射電力の浪費をもたらす可能性がある。

無線送電に関して、送電効率を向上するために、様々な電力レベルおよび時分割で無線電力を伝送し、かつ中継するための装置および方法の必要性がある。

無線電力伝達システムの簡易ブロック図である。無線電力伝達システムの簡易概略図である。本発明の例示的実施形態で使用するループアンテナの概略図である。本発明の例示的実施形態による送信器の簡易ブロック図である。本発明の例示的実施形態による受信器の簡易ブロック図である。送信器と受信器との間のメッセージ伝達を実行するための送信回路の一部分の簡易概略図である。送信器の電力レベルを調節するための送信回路の一部分の簡易概略図である。送信器に電力を供給するのに使用され得るAC/DC電源の簡易ブロック図である。 2つのNチャンネルトランジスタを駆動して同期式バックコンバータを形成するパルス幅変調器(PWM)コントローラを示す図である。マイクロコントローラを使用する例示の同期式バックコンバータを示す図である。送信アンテナを有し、かつ近くに配置された受信器デバイスを含むホストデバイスを示す図である。送信器と受信器との間の通信用および送電用のメッセージプロトコルを示す簡易タイミング図である。送信器と受信器との間の通信用および送電用のメッセージプロトコルを示す簡易タイミング図である。送信アンテナを有するホストデバイスと、送信アンテナに対して別々の位置に配置された受信器デバイスを含めて示す図である。送信アンテナを有するホストデバイスと、送信アンテナに対して別々の位置に配置された受信器デバイスを含めて示す図である。送信アンテナを有するホストデバイスと、送信アンテナに対して別々の位置に配置された受信器デバイスを含めて示す図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。

「例示的」という単語は、本明細書では「実例、例、または具体例として役立つ」ことを意味するのに用いられる。本明細書で「例示的」として説明されるいかなる実施形態も、必ずしも他の実施形態より好ましい、または有利であるように解釈されるべきではない。

以下で添付図に関連して示される詳細な説明は、本発明の例示的実施形態の説明として意図されており、本発明が実施され得る唯一の実施形態を表すようには意図されていない。この説明の全体にわたって用いられる用語「例示的」は、「実例、例、または具体例として役立つ」を意味し、必ずしも他の例示的実施形態より好ましい、または有利であるように解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の例示的実施形態の十分な理解をもたらすために特定の詳細を含んでいる。本発明の例示的実施形態が、これら特定の詳細なしで実施され得ることが当業者には明らかであろう。いくつかの例では、本明細書で示される例示的実施形態の斬新性が不明瞭にならないようにするために、周知の構造体およびデバイスがブロック図の形態で示されている。

単語「無線電力」は、本明細書では、電場、磁場、電磁場、またはそうでなければ送信器から受信器の間で、物理的な電磁気の導体を使用することなく伝送されるものに関連したエネルギーのあらゆる形態を意味するように用いられる。

図1は、本発明の様々な例示的実施形態による、無線の伝送または充電のシステム100を示す。エネルギー伝達をもたらすための放射場106を生成するために、入力電力102が送信器104に供給される。受信器108は、放射場106へ結合し、出力電力110に結合されたデバイス(図示せず)による蓄積または消費のための出力電力110を生成する。送信器104および受信器108の両方が、距離112だけ離されている。例示の一実施形態では、送信器104および受信器108は、相互に共振する関係によって構成されており、受信器108の共振周波数と送信器104の共振周波数が非常に近いと、放射場106の「近接場（near field）」に受信器108が配置されるとき、送信器104と受信器108との間の伝送損失は最小限である。

送信器104は、エネルギー伝送の手段をもたらすための送信アンテナ114をさらに含み、受信器108は、エネルギーを受け取るための手段をもたらすための受信アンテナ118をさらに含む。送信アンテナおよび受信アンテナは、関連する用途およびデバイスに従ったサイズに作製される。前述のように、効率的なエネルギー伝達は、非近接場へ大部分の電磁波のエネルギーを伝搬させるのではなく、送信アンテナの近接場で受信アンテナへエネルギーの大部分を結合することにより生じる。この近接場では、送信アンテナ114と受信アンテナ118との間で結合モードが拡張され得る。この近接場結合が生じ得るアンテナ114および118の辺りの領域は、本明細書では結合モード領域と称される。

図2は、無線電力伝達システムの簡易概略図を示す。送信器104は、発振器122、電力増幅器124ならびにフィルタおよび整合回路126を含む。発振器は、所望の周波数を生成するように構成され、それは、調節信号123に応答して調節され得る。発振器の信号は、電力増幅器124によって増幅され得ると共に、増幅量は制御信号125に応答し得る。フィルタおよび整合回路126は、高調波または他の望ましくない周波数をフィルタリングし、かつ送信器104のインピーダンスを送信アンテナ114に一致させるために含まれ得る。

受信器108は、整合回路132ならびに整流器およびスイッチング回路134を含み得ると共に、図2に示されるように、バッテリー136を充電するか、または受信器(図示せず)に結合されたデバイスに給電するために、直流電力出力を生成し得る。受信器108のインピーダンスを受信アンテナ118に整合させるために、整合回路132が含まれ得る。受信器108と送信器104は、個別の通信チャンネル119(例えばブルートゥース、ジグビー、セルラーなど)で通信することができる。

図3に示されるように、例示的実施形態に使用されるアンテナは、「ループ」アンテナ150として構成され得ると共に、本明細書では「磁気」アンテナとも称され得る。ループアンテナは、空気磁心またはフェライト磁心などの物理的磁心を含むように構成され得る。空気磁心ループアンテナは、磁心の近傍に配置された異質の物理的デバイスをより許容することができる。さらに、空気磁心ループアンテナによれば、コア領域の内部に他の構成要素を配置することが可能になる。また、空気磁心ループによれば、送信アンテナ114(図2)の結合モード領域がより強力であり得る送信アンテナ114(図2)の面内に、受信アンテナ118(図2)をより容易に配置することが可能になる。

前述のように、送信器104と受信器108との間の効率的なエネルギー伝達は、送信器104と受信器108との間の一致した、またはほぼ一致した共振の期間中に生じる。しかし、送信器と受信器108との間で共振が一致しないときにさえ、エネルギーは低効率で伝達され得る。エネルギー伝達は、送信アンテナからのエネルギーを自由空間へ伝搬させるのではなく、その送信アンテナの近接場からのエネルギーをこの近接場が確立される近隣に存在する受信アンテナに結合することにより生じる。

ループアンテナまたは磁気アンテナの共振周波数は、インダクタンスとキャパシタンスに基づくものである。一般に、ループアンテナのインダクタンスは、単純にループによって生成されたインダクタンスであるが、キャパシタンスは、所望の共振周波数で共振する構造体を作製するために、一般にループアンテナのインダクタンスに追加される。限定的でない実例として、共振信号156を生成する共振回路を作製するために、コンデンサ152およびコンデンサ154がアンテナに追加され得る。したがって、より大きな直径のループアンテナについては、共振を誘起するために必要とされるキャパシタンスのサイズは、ループの直径またはインダクタンスが増加するのにつれて縮小する。さらに、ループアンテナまたは磁気アンテナの直径が増加するのにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達領域が拡大する。もちろん、他の共振回路が可能である。別の限定的でない実例として、ループアンテナの2つの端子間に並列にコンデンサが配置され得る。また、当業者なら、送信アンテナについては、共振信号156がループアンテナ150に対する入力であり得ることを理解するであろう。

本発明の例示的実施形態は、互いの近接場に存在する2つのアンテナ間の結合電力を含んでいる。前述のように、近接場はアンテナの辺りの領域であり、ここでは、電磁場が存在するがアンテナから離れて伝搬または放射し得ない。近接場は、一般にアンテナの物理的ボリューム（physical volume）に近いボリューム（volume）に制限される。磁気タイプアンテナの場合、磁気近接場の振幅が電気タイプのアンテナ(例えば小さなダイポール)の電気近接場に比べてより大きい傾向があるので、本発明の例示的実施形態では、送信(Tx)アンテナシステムおよび受信(Rx)アンテナシステムのどちらにも単一巻ループアンテナおよび多重巻ループアンテナなどの磁気タイプアンテナが使用される。これによって、この対の間の潜在的により高い結合が可能になる。さらに、「電気」アンテナ(例えばダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せも企図される。

送信アンテナは、以前に言及された非近接場および誘導の手法で可能とされる距離よりかなり大きな距離において、小さな受信アンテナに対して優れた結合(例えば>-4dB)を達成することができるほど十分に低い周波数および十分に大きいアンテナサイズで作動させられ得る。送信アンテナが正確なサイズに作製されれば、駆動された送信ループアンテナの結合モード領域(すなわち近接場)内にホストデバイス上の受信アンテナが配置されるとき、高い結合レベル(例えば-1dBから-4dB)が達成され得る。

図4は、本発明の例示的実施形態による送信器200の簡易ブロック図である。送信器200は、送信回路202および送信アンテナ204を含む。一般に、送信回路202は、周期的に振動している信号を供給することによって送信アンテナ204にRF電力を供給し、結果として送信アンテナ204のまわりに近接場エネルギーが生じることになる。一例として、送信器200は、13.56MHzのISMバンドで作動することができる。

例示的送信回路202は、送信回路202のインピーダンス(例えば50オーム)を送信アンテナ204に整合させるための一定のインピーダンス整合回路206、および高調波の放射を、受信器108(図1)に結合されたデバイスの自己妨害を防止するレベルまで低減するように構成された低域通過フィルタ(LPF)208を含んでいる。他の例示的実施形態は、特定の周波数成分を減衰させる一方で他の周波数成分を通すノッチフィルタ含むがこれに限定されない様々なフィルタトポロジーを含み得ると共に、また、アンテナへの出力電力または電力増幅器によるDC電流引き込みなどの測定可能な伝送メトリクスに基づいて変更され得る適応型インピーダンス整合を含み得る。送信回路202は、発振器212によって決定されるRF信号を駆動するように構成された電力増幅器210をさらに含む。送信回路は、個別のデバイスまたは回路、あるいは一体化された組立体から成り得る。送信アンテナ204からの例示的RF電力出力は、2.5ワットから8.0ワット程度であり得る。

送信回路202は、特定の受信器向けの送信段階(またはデューティサイクル)の期間中発振器212を有効にするため、発振器の周波数を調節するため、出力電力レベルを調節するため、隣接のデバイスに取り付けられている受信器を介して同デバイスと相互作用するために通信プロトコルを実施するためのコントローラ214をさらに含む。

送信回路202は、送信アンテナ204によって生成された近接場の近傍における活動状態の受信器の有無を検出するための負荷検知回路216をさらに含み得る。一例として、負荷検知回路216は、送信アンテナ204によって生成された近接場の近傍における活動状態の受信器の有無によって影響を受ける、電力増幅器210へ流れる電流を監視する。電力増幅器210に対する負荷の変化の検出は、活動状態の受信器と通信するためのエネルギーを伝送するために発振器212を有効にするべきか否かを判断するのに使用されるコントローラ214によって監視される。

送信アンテナ204は、抵抗性の損失を低く保つように選択された厚さ、幅および金属タイプを有するアンテナストリップ（strip：細長片）として実施され得る。従来型の実装形態では、送信アンテナ204は、一般に、テーブル、マット、ランプまたはそれほど携帯性のない他の構成などのより大きな構造体との関連向けに構成され得る。したがって、送信アンテナ204は、一般に、実用的な寸法であるために「巻」を必要としないことになる。送信アンテナ204の例示的実装形態は、「電気的に小さく」(すなわち波長の数分の1)、共振周波数を定義するために、コンデンサを使用することにより、より低い使用可能な周波数で共振するように調整され得る。受信アンテナに比較して、送信アンテナ204の直径がより大きい、あるいは正方形のループの場合には側面の長さがより大きい(例えば0.50メートル)ものであり得る例示的用途では、送信アンテナ204は、適切なキャパシタンスを得るのに必ずしも多くの巻数を必要としないことになる。

送信器200は、送信器200と関連づけられ得る受信器デバイスの状態および所在の情報を収集し、かつ追跡することができる。したがって、送信回路202は、コントローラ214(本明細書ではプロセッサとも称される)に接続された、存在検出器280、密閉検出器290、またはそれらの組合せを含み得る。コントローラ214は、存在検出器280および密閉検出器290からの存在信号に応答して、増幅器210によって送出される電力量を調節することができる。送信器は、例えば建築物にある従来型の交流電力を変換するためのAC/DCコンバータ(図示せず)、従来型の直流電源を送信器200に適切な電圧に変換するためのDC/DCコンバータ(図示せず)などの複数の電源を介して、あるいは従来型の直流電源(図示せず)から直接、電力を受け取ることができる。

限定的でない実例として、存在検出器280は、送信器の有効範囲領域に挿入された充電されるデバイスの初期の存在を検知するのに利用される動き検出器でよい。検出後に送信器がオンにされ得ると共に、デバイスによって受け取られたRF電力が、所定のやり方で受信器デバイスのスイッチを切り換えるのに利用されることができ、このことが、結果として送信器の駆動ポイントインピーダンスの変化をもたらす。

別の限定的でない実例として、存在検出器280は、例えば赤外線検出、動き検出、または他の適切な手段により、人間を検出することができる検出器でよい。いくつかの例示的実施形態では、送信アンテナが特定の周波数で伝送することができる電力量を制限する規定が存在することがある。場合によっては、これらの規定は、電磁放射から人間を保護するように意図されている。しかし、例えば車庫、作業現場、店などの、人に占有されない、または希にしか人に占有されない領域に送信アンテナが配置される環境があり得る。これらの環境に人が居ない場合、平常の電力制限規定を上回って送信アンテナの電力出力を増加することが許され得る。換言すれば、コントローラ214は、人の存在に応じて送信アンテナ204の電力出力を規定レベル以下に調整し、人が送信アンテナ204の電磁場からの規定距離外へ出たとき、送信アンテナ204の電力出力を、規定レベルを上回るレベルへ調節する。

限定的でない実例として、密閉検出器260(本明細書では密閉隔室検出器または密閉空間検出器とも称されることがある)は、囲壁が閉じた状態であるか開いた状態であるかを判断するための検知スイッチなどのデバイスでよい。送信器が、密閉状態の囲壁内にあるとき、送信器の電力レベルが増加され得る。

例示的実施形態では、送信器200が無期限にオンのままではない方法が用いられ得る。この場合、送信器200は、ユーザによって決定された時間の後に停止するようにプログラムされ得る。この機能は、送信器200、特に電力増幅器210が、その周辺の無線デバイスが完全に充電されたずっと後にも動作するのを防止する。周辺の無線デバイスが完全に充電されたずっと後にも送信器200が動作する事象は、中継器または受信コイルのいずれかから送られる、デバイスが完全に充電されたことを示す信号を検出する回路の故障によるものであり得る。送信器200が、その周辺に別のデバイスが配置された場合に自動停止するのを防止するために、送信器200の自動停止機能は、その周辺で動きが検出されない設定時間の後に初めて起動され得る。ユーザは、非活動時間間隔を決定し、必要に応じて変化させることができる。限定的でない実例として、その時間間隔は、特定のタイプの無線デバイスが最初は完全放電しているという仮定の下に、同デバイスを完全充電するのに必要とされる時間より長くしてよい。

図5は、本発明の例示的実施形態による受信器300の簡易ブロック図である。受信器300は、受信回路302および受信アンテナ304を含んでいる。受信器300は、デバイス350へ受信電力を供給するために、デバイス350にさらに結合する。受信器300は、デバイス350の外部にあるように示されているが、デバイス350に一体化されてもよいことに留意されたい。一般に、エネルギーは受信アンテナ304へ無線で伝搬され、次いで受信回路302を介してデバイス350に結合される。

受信アンテナ304は、送信アンテナ204(図4)と、同一周波数で、または同一周波数の近くで共振するように調整される。受信アンテナ304は、送信アンテナ204に似た寸法に設定され得るか、または関連するデバイス350の寸法に基づいて違ったサイズに設定され得る。一例として、デバイス350は、送信アンテナ204の直径または長さより小さい直径または長さを有する携帯用電子デバイスでよい。このような実例では、受信アンテナ304は、同調コンデンサ(図示せず)のキャパシタンス値を低減し、かつ受信アンテナのインピーダンスを増加するために、多重巻アンテナとして実施され得る。一例として、受信アンテナ304は、アンテナ直径を最大化し、かつ受信アンテナのループの巻き(すなわち巻線)の数および巻線間キャパシタンスを低減するためにデバイス350の実質的な周囲のまわりに配置され得る。

受信回路302は、受信アンテナ304にインピーダンス整合をもたらす。受信回路302は、受信したRFエネルギー源をデバイス350用の充電電力に変換するための電力変換回路306を含んでいる。電力変換回路306は、RF/DCコンバータ308を含み、DC/DCコンバータ310も含み得る。RF/DCコンバータ308は、受信アンテナ304で受け取られたRFエネルギー信号を非交番電力へと整流し、DC/DCコンバータ310は、整流されたRFエネルギー信号をデバイス350に適合するエネルギー電位(例えば電圧)に変換する。半波整流器および全波整流器、レギュレータ、ブリッジ、2乗器、ならびに線形コンバータおよびスイッチングコンバータを含む様々なRF/DCコンバータが企図される。

受信回路302は、受信アンテナ304を電力変換回路306に接続するため、あるいは電力変換回路306を切り離すためのスイッチング回路312をさらに含むことができる。電力変換回路306から受信アンテナ304を切り離すことは、デバイス350の充電を一時停止するだけでなく、送信器200(図2)「から見た」「負荷」を変化させる。

上記で開示されたように、送信器200は、送信器の電力増幅器210に供給されるバイアス電流の変化を検出する負荷検知回路216を含んでいる。したがって、送信器200は、いつ受信器が送信器の近接場に存在するのかを判断するための機構を有する。

送信器の近接場に複数の受信器300が存在するとき、他の受信器がより効率的に送信器に結合することを可能にするために1つまたは複数の受信器のローディング（loading：（送信器に）負荷をかけること）とアンローディング（unloading）を時分割するのが望ましいことであり得る。受信器は、近くの他の受信器への結合を解消するか、または近くの送信器に対するローディングを低減するためにクローキング（cloaking：隠すこと）され得る。この、受信器の「アンローディング」は、本明細書では「クローキング」としても知られている。さらに、この、受信器300によって制御され、送信器200によって検出されるアンローディングとローディングとの間のスイッチングは、以下でより十分に説明されるように、受信器300から送信器200への通信機構をもたらす。さらに、プロトコルは、受信器300から送信器200へのメッセージ送信を可能にするスイッチングと関連づけられ得る。一例として、スイッチング速度は100μsec程度でよい。

例示的実施形態では、送信器と受信器との間の通信は、従来型の双方向通信ではなく、デバイスの検知および充電の制御機構を意味する。換言すれば、送信器は、近接場に有効なエネルギーがあるかどうかということに合わせて、送信される信号のオン/オフのキーイングを用いる。受信器は、エネルギーのこれらの変化を送信器からのメッセージとして解釈する。受信器側では、受信器は、どれだけの電力が近接場から受け取られているかということに合わせて受信アンテナの同調および離調を用いる。送信器は、近接場から消費される電力におけるこの差を検出し、これらの変化を受信器からのメッセージとして解釈することができる。

受信回路302は、受信エネルギーの変化を識別するのに使用される信号伝達検出器およびビーコン回路314をさらに含み得ると共に、これは、送信器から受信器への情報の信号伝達に対応することができる。さらに、無線充電向けに受信回路302を構成するために、信号伝達およびビーコンの回路314は、低減されたRF信号エネルギー(すなわちビーコン信号)の伝送を検出するのに、また、低減されたRF信号エネルギーを、受信回路302の内部の電力供給されていない回路または電力が消耗された回路を喚起するための公称電力へと整流するのに、使用され得る。

受信回路302は、本明細書で説明された受信器300のプロセスを、本明細書で説明されたスイッチング回路312の制御を含めて調整するためのプロセッサ316をさらに含む。受信器300のクローキングは、デバイス350に充電電力を供給する外部の配線式充電電源(例えば壁/USB電力)の検出を含む他の事象が発生したときにも生じることがある。プロセッサ316は、受信器のクローキングの制御に加えて、ビーコンの状態を求め、かつ送信器から送られたメッセージを抽出するために、ビーコン回路314を監視することもできる。プロセッサ316は、性能を改善するためにDC/DCコンバータ310を調節することもできる。

いくつかの例示的実施形態では、受信回路302は、例えば所望の電力レベル、最大電力レベル、所望の電流レベル、最大電流レベル、所望の電圧レベル、および最大電圧レベルの形で、以下により詳しく説明するように、送信器に電源条件を信号伝達することができる。これらのレベルおよび送信器から受け取られた実際の電力量に基づいて、プロセッサ316は、DC/DCコンバータ310の動作を調節することができ、その出力を、電流レベルを調節すること、電圧レベルを調節すること、またはそれらの組合せのような形で安定化することができる。

図6は、送信器と受信器との間のメッセージ伝達を実行するための送信回路の一部分の簡易概略図を示す。本発明のいくつかの例示的実施形態では、送信器と受信器との間で通信のための手段が有効にされ得る。図6で、電力増幅器210は、放射場を生成するために送信アンテナ204を駆動する。電力増幅器は、送信アンテナ204用の所望の周波数で周期的に振動しているキャリア信号220によって駆動される。電力増幅器210の出力を制御するために送信変調信号224が利用される。

送信回路は、電力増幅器210に関するオン/オフのキーイングプロセスを用いることにより、受信器へ信号を送ることができる。換言すれば、送信変調信号224がアサートされるとき、電力増幅器210は、送信アンテナ204上に現れるキャリア信号220の周波数を駆動することになる。送信変調信号224が無効にされるとき、電力増幅器は、送信アンテナ204に対していかなる周波数も送り出さないことになる。

図6の送信回路は、電力増幅器210に電力を供給し、受信信号235の出力を生成する負荷検知回路216も含んでいる。負荷検知回路216では、抵抗R_Sの両端の電圧降下が、電力入力信号226と電力増幅器210への電源228との間に生じる。電力増幅器210によって消費される電力のいかなる変化も、差動増幅器230によって増幅される電圧降下に変化をもたらすことになる。送信アンテナが受信器(図6では図示せず)内にある受信アンテナとの結合モードにあるとき、電力増幅器210に引き込まれる電流の量が変化することになる。換言すれば、送信アンテナ204に対して結合モード共振が存在しなければ、放射される電磁場を駆動するのに必要な電力は、第1の量になるはずである。結合モード共振が存在すれば、電力の多くが受信アンテナに結合されるので、電力増幅器210によって消費される電力量は上昇することになる。したがって、受信信号235は、送信アンテナ204に結合された受信アンテナの存在を示すことができ、受信アンテナから送られた信号を検出することもできる。さらに、受信器の電流引き込みの変化は、送信器の電力増幅器の電流引き込みで観測できるはずであり、この変化は、受信アンテナからの信号を検出するのに用いられ得る。

クローキング信号、ビーコン信号、およびこれら信号を生成するための回路のいくつかの例示的実施形態の詳細は、そのすべてが、参照によって全体が本明細書に組み込まれる、2008年10月10日に出願された「REVERSE LINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCE MODULATION」という名称の米国実用特許出願第12/249,873号、および2008年10月10日に出願された「TRANSMIT POWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM」という名称の米国実用特許出願第12/249,861号において見られ得る。

例示の通信のメカニズムおよびプロトコルの詳細は、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる、2008年10月10日に出願された「SIGNALING CHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT」という名称の米国実用特許出願第12/249,866号において見られ得る。

図7は、送信器の電力レベルを調節するための送信回路の一部分の簡易概略図を示す。いくつかの例示的実施形態では、供給された直流入力415に関連して電力入力信号226に送出される電力量を制御するために、コントローラ214が、電圧レギュレータ240、電流リミッタ242、またはそれらの組合せに結合され得る。また、いくつかの例示的実施形態は、電力入力信号226に結合され、電力消費に関するフィードバックをコントローラにもたらすために使用される電流検出器252および電圧検出器250を含み得る。図6の負荷検知回路216は、適切な電流検出器の一例である。

図1、図2、および図4を参照しながら前述されたように、送信アンテナの結合モード領域の近傍に受信器デバイスを配置することにより、充電を必要とする受信器デバイスに、送信回路202および送信アンテナ204を使用して電力が送出され得る。本明細書で論じられる例示的実施形態では、送信器は、電力レベル、時間などに基づいて、充電される受信器デバイスのすべてに対して順次に電力を循環させることができる。受信器デバイスは、デバイスの電力要求および他の情報を送信器に通知することができる。送信器は、この電力要求の情報を用いて、伝送される電力量を調節すること、電力が伝送される時間を調節すること、またはそれらの組合せにより、各受信器デバイスに送出される電力量を調整することができる。

送信器の電力レベルを調節するための適切な回路を実施するために、電圧レギュレータ240および電流リミッタ242の組合せが用いられ得る。可調整電圧レギュレータ回路は、例えば、可調整ポテンショメータ、整流器、場合により平滑回路、および場合によりバンドギャップ基準回路を含むことができる。本発明の実施形態と共に使用するのに適切ないくつかの電圧レギュレータ回路の実例が、図8、図9、および図10を参照しながら以下に説明されて論じられる。

充電を必要とする受信器デバイスは、例えば電流および電圧の単位で、その電力要求の必要性を送信器に信号伝達する。例えば、充電を望む各受信器デバイスがそのピークの電圧および電流のレベルを含むその電力定格を信号伝達するプロトコルが含まれ得る。さらに、推奨される電流および電圧のレベルも信号伝達され得る。さらに、充電される各デバイスの識別子が、同様に信号伝達され得る。

次いで、プロセッサ214は、例えば、電力入力信号226によって電力増幅器210(図6)に送出される電力を制御することができる。

いくつかの例示的実施形態では、電圧検出器250が、例えば図7に示されるように別個に、または電圧レギュレータ240の一部分として、含まれ得る。電圧検出器250は、電力入力信号226の電力レベルを調節するために、コントローラ214に対するフィードバック経路を形成する。したがって、電流の制御に関連して、コントローラ214は、充電されるデバイスに対して最適の充電をもたらすために、電圧レギュレータ240の内部でレベルを指定限界内に調節することができる。したがって、その最適レベルは、電力が電圧と電流の積であるという事実によって決定されるデバイスの電力定格を上回らないように設定され得る。

いくつかの例示的実施形態では、電流検出器252が、例えば図7に示されるように別個に、または電流レギュレータ242の一部分として、含まれ得る。電圧検出器250は、電力入力信号226の電力レベルを調節するために、コントローラ214に対するフィードバック経路を形成する。したがって、電圧の制御に関連して、コントローラ214は、充電されるデバイスに対して最適の充電をもたらすために、電流リミッタ242の内部でレベルを指定限界内に調節することができる。したがって、その最適レベルは、電力が電圧と電流の積であるという事実によって決定されるデバイスの電力定格を上回らないように設定され得る。

各受信器デバイスによって引き込まれる電力は、電流検出器252および電圧検出器250を用いて、電力成分(電圧または電流)のしきい値検出をもたらす電圧検出器および電流検出器に関連して監視され得る。したがって、コントローラ214は、充電プロセスを通じて、充電されている各受信器デバイスに対して電圧および電流を様々なレベルに調節することができる。

受信器デバイスは、上記で論じたように無線充電信号伝達プロトコルを介して電力要求の必要性を信号伝達することができる。また、電力要求を信号伝達するのに個別の通信チャンネル119(例えばブルートゥース、ジグビー、セルラーなど)が使用されてもよい。

本発明の例示的実施形態は、電力増幅器210(図6)を駆動するのに、駆動電圧、駆動電流、またはそれらの組合せの適応制御を利用することによる、動的送信放射電力レベルの制御を対象にする。駆動レベルを変化させると、PAから出力されるRF電力が変化し、その結果、充電されている受信デバイスに伝送される電力が変化する。

電力レベルを定義するのに用いられるいくつかの例示的情報は、以下の項目を含むことができる。

１−デバイスのタイプおよび受信器デバイスにとって望ましい最適のRF電力レベル。

２−充電されているデバイスの現在のバッテリー充電レベル。

３−各デバイスが現在受け取っている送信ソースからのRF電力レベル。

デバイスのタイプおよび充電するためのその好ましいRF電力レベル（項目１）を知ると、送信ソースは、以下でより十分に説明されるように、デバイスが充電されている時間帯を通じて、この好ましいRF電力レベルに調節されることができる。したがって、各デバイスに送出される電力レベルは、他のデバイスのいかなるものにも影響を与えることなく、そのデバイス向けに独立してカスタム化され得る。さらに、充電されているデバイスの現在のバッテリー充電レベル（項目２）についての情報は、放射されるRFレベルがデバイスの現在のバッテリー充電レベルに基づいて最適化されることを可能にする。どちらの技法も、固定された送信電力レベルが実施された場合には通常は浪費されることになる電力を最小化するのに役立つ。

RFの安全問題を扱う際に、各デバイスによって吸収された電力レベル（項目３）を送信器から伝送された電力と比較すると、局部的環境に放射された電力の全体の指標が得られ、これは、換言すれば送信器のSARレベルに比例する。これによって、許容できるSARレベルを依然として維持する一方で、各デバイスの送信器への結合率に基づいて各デバイスに放射される電力を最大化する手段が可能になる。その結果、送信器への結合が弱いデバイスによって規定されたより低い固定電力レベルに制限されるのではなく、各デバイスに個々に送出される電力を改善することができる。最後に、可調整の放射電力によって、充電モードでないときの送信器の交流電力消費を低減し、局所に位置している電子部品に対する干渉も低減する、より低電力のビーコンモードが可能になる。

図8、図9、および図10は、電力増幅器210および他の送信回路202向けに電力レベルを安定化し調節するのに使用され得る例示的回路を示す。図8で、AC/DC電源400は、交流120ボルト405を、例えば送信回路202を作動させるための5ボルト/100mAの補助電力、および送信アンテナ204を駆動する電力増幅器210を作動させるための5〜12ボルト/500mAの主電力など、送信器によって必要とされ得る様々な直流電圧に変換する。

AC/DCコンバータ410は、回路レギュレータ420およびPAレギュレータ450向けの中間直流電圧415(本明細書では「直流入力」とも称される)を生成する。回路レギュレータ420は、送信回路202に対して全体的な電力425を供給し、PAレギュレータは、PA210を駆動するために、電力入力信号226に対して可変電力レベルを提供する。

AC/DCコンバータ410は、低コストを保ちながら、例えばアンダーライターズラボラトリーズ(Underwriter Laboratories：UL)およびカナダ規格協会(Canadian Standards Association：CSA)に認可された電源がシステムの「保証された」部分になることを可能にする従来型の「電源アダプタ」でよい。準安定(例えば約10%)電源アダプタは、廉価であり、多種多様な供給業者から入手可能である。

限定的でない実例として、回路レギュレータ420およびPAレギュレータ450は、バック電圧コンバータとして実施され得る。回路レギュレータ420およびPAレギュレータ450のデュアルバック設計は、追加のスイッチモードコントローラ、電界効果トランジスタ(FET)、コンデンサ、およびコイルを使用して効率を高く保つことができる。

したがって、回路レギュレータ420は、図4に示されたように、コントローラ214および他の回路向けに5ボルトを供給する低電力で固定出力のバックコンバータでよい。PAレギュレータ450は、送信器の電力出力を制御するために電力増幅器に変化する電圧を供給する、より大電力で可変出力のバックコンバータでよい。電力増幅器の電源226は、送信回路202からPAレギュレータ450への制御信号452によって制御可能であり、制御信号452は、送信されるRF電力を例えば約50mWから約5ワットの範囲にわたって変化させる。

図9は、2つのNチャンネルトランジスタを駆動して同期式バックコンバータを構成するパルス幅変調器(PWM)コントローラ460(Linear Technology社製のLTC3851など)として実施されたPAレギュレータ450Aを示す。小さなコイル、ラダー抵抗、および出力コンデンサがトランジスタの出力をフィルタリングしてバックコンバータを完成する。バックコンバータは、直流入力電圧415を直流出力電圧226に変換して調整する。

電力出力は、例えば制御信号452によって制御されるデジタル(プログラマブル)ポテンショメータ465によって制御され得る。制御信号452は、直流出力電圧226が例えば直流の5ボルトから12ボルトまでのいかなる値にも設定され得るように、コントローラ214(図4)によって駆動され得る。PAレギュレータ450Aは、非常に小さなコントローラオーバヘッドを使用し、負荷が急速に変化する状況下において、90%を超える効率でループ安定性を保証するように構成され得る。

あるいは、図10は、マイクロコントローラ470を使用する同期式バックコンバータとしてPAレギュレータ450Bを示す。マイクロコントローラ470は、同期式バックコンバータ機能専用でよい。しかし、いくつかの例示的実施形態では、送信器200(図4)のコントローラ214が、それが遂行している他の機能と同様に同期式バックコンバータ機能に使用されてもよい。バックコンバータは、直流入力電圧415を直流出力電圧226に変換して調整する。

したがって、マイクロコントローラ470は、PチャンネルFETおよびNチャンネルFETを直接駆動することができ、バックコンバータに対するスイッチ制御をもたらす。小さなコイル、ラダー抵抗、および出力コンデンサがトランジスタの出力をフィルタリングしてバックコンバータを完成する。フィードバックは、電圧検知動作として、マイクロコントローラ470のA/D入力に直接入り得る。したがって、制御信号452は、直流出力226の電圧のサンプリングされたバージョンとして実施され得る。マイクロコントローラ470は、直流出力226の実際の出力を所望の出力と比較し、それに応じてPWM信号を補正することができる。周波数が、マイクロコントローラ470の実装形態に対して非常に低い可能性があるので、より大きなコイルが必要とされることがあるが、送信器における大問題ではない。個別のPWMコントローラが必要ではないので、マイクロコントローラ470の実装形態はかなり安価なものであり得る。

前述のように、動的に調整可能な送信電力を可能にすることには、以下の利点がある。

１−個々のデバイスタイプに送出される電力をカスタム化することにより、単一の充電器設計でより多くのデバイスタイプの充電が可能になる。

２−他のデバイスの充電時間に影響を与えないやり方で、現在のバッテリー充電レベルの関数として複数のデバイスに送出される電力レベルを変化させるのを可能にすることにより、放射される電力の浪費が回避される。

３−引き続きSAR要件を満たすやり方で、放射される電力レベルが、個々のデバイスの送信器への結合レベルに基づくことを可能にすることにより、充電時間が改善される。

４−充電器がデバイスを充電していないとき(ビーコンモード)の電力消費が低減され、近くの電子部品への干渉が低減される。

図11は、送信回路202を有するホストデバイス510および送信アンテナ204を示す。受信器デバイス520が、送信アンテナ204の結合モード領域内に配置して示されている。示されていないが、受信器デバイスは、図5に示されるように受信アンテナ304および受信回路302を含むことができる。図11で、ホストデバイス510は充電マットとして示されているが、家具、あるいは壁、天井、および床などの建築部位に一体化され得る。さらに、ホストデバイス510は、例えば送信器が組み込まれた、ハンドバック、バックパック、または書類カバンなどの品目でもよい。あるいは、ホストデバイスは、充電バッグなど、ユーザが運搬して受信器デバイス520を充電するように特別に設計された携帯用送信器でもよい。

本明細書で用いられる「同一平面上の」は、送信アンテナと受信アンテナが実質的に整列した(すなわち、実質的に同一方向を指す表面法線を有する)面を有し、また、送信アンテナの面と受信アンテナの面との間の距離がない(または小さな距離である)ことを意味する。本明細書で用いられる「共軸の」は、送信アンテナと受信アンテナが実質的に整列した(すなわち、実質的に同一方向を指す表面法線を有する)面を有し、また、2つの面の間の距離が自明でなく、さらに、送信アンテナおよび受信アンテナの表面法線が実質的に同一ベクトルに沿って存在するか、または両法線が雁行状である。

同一平面上の配置は、比較的高い結合効率を有することができる。しかし、結合は、送信アンテナに対して受信アンテナがどこに配置されるかということ次第で変化する可能性がある。例えば、送信ループアンテナの外側の同一平面上の配置ポイントは、送信ループの内側の同一平面上の配置ポイントほど効率的に結合し得ない。さらに、送信ループ内の同一平面上の配置ポイントであるが同ループに対して別々の位置は、別々の結合効率を有することがある。

共軸の配置は、より低い結合効率を有する可能性がある。しかし、結合効率は、その出願の内容の全体が参照によって本明細書に組み込まれる、2008年10月10日に出願された「METHOD AND APPARATUS FOR AN ENLARGED WIRELESS CHARGING AREA」という名称の米国実用特許出願第12/249,875号で説明されているような中継アンテナの使用で改善され得る。

図12Aは、上記で論じられた信号伝達技法を用いる、送信器と受信器との間の通信用の例示的メッセージプロトコルを示す簡易タイミング図である。例示の一手法では、送信器から受信器への信号は、本明細書では「順方向リンク」と称され、通常の送電と低電力送電との間の簡単なAM変調を用いる。他の変調技法も企図される。限定的でない実例として、信号の存在は「1」と解釈され得ると共に、信号の非存在は「0」と解釈され得る(すなわちオンオフキーイング（on-off keying：オンオフ変調）)。

逆方向リンクの信号伝達は、受信デバイスによって引き込まれる電力の変調によってもたらされ、送信器の負荷検知回路によって検出され得る。限定的でない実例として、より高い電力の状態が1として解釈され、より低い電力の状態が0として解釈され得る。受信器が逆方向リンクの信号伝達を遂行することができるように、送信器はオンでなければならないことに留意されたい。また、受信器は、順方向リンクの信号伝達の期間中には逆方向リンクの信号伝達を遂行するべきでない。さらに、2つの受信デバイスが逆方向リンクの信号伝達の遂行を同時に試みる場合、衝突が生じる可能性があり、送信器は、適切な逆方向リンクの信号を復号するのが不可能ではないにしても困難であろう。

図12Aは、メッセージプロトコルの簡単な低電力の形態を示す。同期パルス620は、すべての繰返し期間610(例示的実施形態では約1秒)毎に繰り返され、繰返し期間の始めを定義する。限定的でない実例として、同時パルスのオン時間は約40mSでよい。送信器がオンである間、繰返し期間610は、少なくとも同期パルス620を用いて無期限に繰り返され得る。同期パルス620が、パルス期間620の間中安定した周波数であり得るので、「同期パルス」は、いくぶん誤称であることに留意されたい。同期パルス620は、上記で論じられ、「ハッチングされた」パルス620によって示されるようなオンオフキーイングを用いた共振周波数における信号伝達も含み得る。図12Aは、同期パルス620の期間中共振周波数の電力が供給され、電力期間650を通じて送信アンテナがオフである最小限の電力状態を示す。すべての受信器デバイスは、同期パルス620の期間中電力を受け取ることが可能になる。

図12Bは、同期パルス620、逆方向リンク期間630および電力期間650’を伴う繰返し期間610を示しており、電力期間650’では、送信アンテナがオンであり、共振周波数で発振し、いかなる信号伝達も遂行しないことにより、全電力を供給している。以下で説明されるように、電力期間650’は複数の受信器デバイス向けに別々の期間に細分化され得る。図12Bは、3つの別々の受信器デバイス向けの3つの電力セグメントPd1、Pd2、およびPdnを示す。

上記で論じられたオンオフキーイング通信プロトコルは、各受信器デバイスが、上記で論じられたように、充電を要求して所望の電力パラメータを示すのを可能にするために、拡張され得る。また、受信器デバイスは、例えば受信器デバイスを特定のユーザに関連づける通し番号またはタグなどの一意の識別子を用いてそれ自体を識別することができる。要求している受信器デバイスは、デバイスのクラス(例えばカメラ、携帯電話、メディアプレーヤ、携帯情報端末)などのさらなる情報を通知することもできる。

受信器の情報は、一意のデバイス識別子、デバイスのタイプ、交信情報、およびユーザにプログラムされたデバイスに関する情報などの項目を含むことができる。例えば、デバイスは、ユーザ名によって区別された、特定の製造業者からの音楽プレーヤであり得る。別の実例として、デバイスは、ユーザ名によって区別された特定の通し番号を有する、特定の製造業者からの電子ブックであり得る。

受信器と送信器は、上記で論じられたオンオフキーイング通信プロトコルを用いる通信に加えて、個別の通信チャンネル119(例えばブルートゥース、ジグビー、セルラーなど)で通信することができる。個別の通信チャンネルを用いると、繰返し期間はいかなる通信期間も含む必要がなく、全時間が電力期間650’の専用になり得る。送信器は、引き続き各受信器デバイス(個別の通信チャンネルによって通信される)に時間スロットを割り当てることができ、各受信器デバイスは、その割り当てられた電力セグメントPdn向けのバスにのみ繋がる。

前述のように、各受信器デバイスが適切に給電されるように、多くの用途で、給電される各受信器デバイス間で特定の電力の割合を割り当てることができることが重要であり得る。場合によっては、これはすべての受信器デバイス間で電力の均等分割になるであろう。他の場合には、ある受信器デバイスが、恐らく周期的に遂行しなければならないより大電力のタスクのために、より多くの電力を必要とすることがある。さらに別の場合には、ある受信器デバイスが、恐らくバッテリーが十分に充電されていることにより、より少ない電力を必要とすることがある。このような場合、システムが、その受信器デバイスの電力割当てを他のデバイスに分配したくなることがある。

電力共有には複数の手法がある。簡単なやり方の1つに、すべての受信器デバイスが同時に電力を受け取り、したがって無線電力環境で利用可能な電力を共有するものがある。この方法は、簡単で、廉価で、しかも頑健であるが、多くのRF/誘導の充電環境では、ある受信器デバイスが別の受信器デバイスより優れた送信アンテナに結合し得るという欠点を有する可能性がある。その結果、第1の受信器デバイスが大部分の電力を得る可能性がある。もう1つの欠点は、十分に充電されたたバッテリーを有する受信器デバイスへの給電を「抑制する」やり方がないことである。

複数の受信器デバイス間で電力を割り当てる別のやり方には、一度に1つの受信器デバイスが電力を受け取ることができる時分割多重化がある。電力を受け取らないすべての受信器デバイスは、電力受信を抑止され、その結果RF/誘導の環境と相互作用しない。時間分配多重化には、いくつかの給電されるデバイス間の電力配分が可能で、しかも任意選択で電力の不均等割当てを決定することができるコントローラが必要である。限定的でない実例として、送信器は、十分に充電されたデバイスへの電力セグメントの長さを縮小するかまたは解消することができる。同時に電力を受け取るすべての受信器デバイスの結合効率の合計と順次に電力を受け取る各受信器デバイスの効率とが等しくない可能性があるので、時分割多重化は、いくらかの効率を失うという欠点を有することがある。また、オフの受信器デバイスは、次にオンになる期間まで長時間にわたって電力を保存しなければならず、したがって、より大きな/より高くつく電荷蓄積デバイスを必要とする可能性がある。

本開示の例示的実施形態は、ハイブリッド技法を対象にする。本開示の例示的実施形態では、複数の受信器デバイスが無線充電領域を共有する。最初に、すべての受信器デバイスが受信電力を同時に共有し得る。しばらくしてから、受信器デバイスからのフィードバックを含むコントロールシステムが、各受信器デバイスが実際にどれだけの電力を受け取っているかを確認し、必要に応じて、時分割多重手法、電力レベル調節手法、またはそれらの組合せによって電力を調節する。ほとんどの場合、各受信器デバイスがほとんどの時間にわたって電力を受け取ることになる。何らかの時点で、いくつかの受信器デバイスがオフになるかまたは電力受信を抑止され、それらが受け取る電力の合計が低減する。例えば、大部分の電力を受け取るように送信コイル上に配置された受信器デバイスが、他の受信器デバイスがより多くの電力を受け取るように、時間の一部分にわたってオフにされ得る。その結果、様々な受信器デバイスの配置によってもたらされた不平衡が補正され得る。別の実例は、両方とも電力を共有すると共に、最初に両方が100%の時間オンになるように配置された2つの受信器デバイスであり得る。1つのデバイスがそのバッテリーを充電し終えたとき、そのデバイスは、より多くの電力がもう一方のデバイスに到達するのを可能にするために、より大きな割合の時間にわたってオフになるのを開始することができる。あるいは、送信器は、より多くの電力が他方の受信器デバイスに到達するのを可能にするために、ほとんど充電された受信器デバイスに割り当てる時間スロットを、より少なくし始めることができる。

図13A〜図13Cは、送信アンテナ204を有するホストデバイス510を示し、送信アンテナ204に対して別々の位置に配置された受信器デバイス(Dev1およびDev2)を含む。話を簡単にするために、本明細書では2つの受信器デバイスだけが論じられるが、複数のデバイスの使用も本開示の教示の範囲内であるように企図されており、そのようなものに関する変更形態は当業者には明らかであろう。

図13Aは、両方の受信器デバイス(Dev1およびDev2)が送信アンテナの周辺からほぼ同じ距離だけ離れてなど、送信アンテナ204から実質的に等しい量の電力を受け取るように配置されるシナリオを示す。図13Aで、受信器デバイスDev1およびDev2は、両方とも送信アンテナ204の中心の近くに配置されている。

図13Bでは、受信器デバイス(Dev1およびDev2)が互いから離されるが、送信アンテナ204の周辺からほぼ同じ距離に配置される。したがって、受信器デバイスDev1およびDev2は、送信アンテナ204から同一の電力量を受け取るのに、互いに近い位置または給電領域内の同一の地理位置にある必要性がない。図13Aの設定では、送信器からのデバイスの距離に関連して結合効率が変化するために、受信器デバイスDev1およびDev2が送信アンテナ204から受け取る電力は、図4Bの設定のものよりもより小さいことに留意されたい。しかし、それぞれの設定において、一方のデバイスで受け取られる電力量は、他方のデバイスで受け取られる電力量と実質的に等しい。

図13Cは、受信器デバイスDev1とDev2が、送信アンテナ204から不均等の電力量を受け取るように配置されているシナリオを示す。この実例では、受信器デバイスDev1は送信アンテナ204の中心の近くに配置されており、送信アンテナ204により近く配置された受信器デバイスDev2より、受け取る電力が少ないはずである。このシナリオでは、Dev2はDev1より速く充電され、したがってDev1より早く十分に充電されることになる。

図14A〜図14Gは、複数の受信器デバイスに電力を送出するための適応型電源制御を示す簡易タイミング図である。話を簡単にするために、本明細書では2つのデバイスだけが論じられるが、複数のデバイスの使用も本開示の教示の範囲内であるように企図されており、そのようなものに関する変更形態は当業者には明らかであろう。

図14Aで、ケース0のシナリオは、単一の受信器デバイスが送信器アンテナ204の給電領域内に配置されたときを図示する時間ライン700を示す。このシナリオでは、単一の受信器デバイスは、各繰返し期間610を通じて、送信アンテナ204によって供給される電力の実質的にすべてを受け取る。図12Aおよび図12Bを参照しながら上記で論じたように、繰返し期間610の一部分620は、任意選択の信号伝達に消費され得る。

図14Bで、ケース1のシナリオは、受信器デバイスDev1向けの時間ライン711および受信器デバイスDev2向けの時間ライン712を示している。この場合、各受信器デバイスDev1およびDev2が、送信アンテナ204によって供給される電力の約50%を消費している。図14Bのシナリオは、図13Aおよび図13Bなど、2つの受信器デバイスが送信アンテナ204の給電領域内で対称に配置されたときにあり得るものである。したがって、受信器デバイスDev1およびDev2のそれぞれが、垂直軸によって示されるように電力の50%を受け取るなど、繰返し期間610を通じて等量の電力を受け取る。信号伝達期間620は、送信器と受信器との間の通信を可能にするように使用され得ると共に、両デバイスを充電するのに利用可能な時間を短縮し得る。

図14Cで、時間ライン721および722によって示されるケース2のシナリオは、時間多重化を用いる。したがって、受信器デバイスDev1およびDev2のそれぞれが、繰返し期間610を通じて等量の電力を受け取る。しかし、ケース2では、Dev1が繰返し期間610の50%にわたって電力の100%を受け取ることができ、Dev2が繰返し期間610のもう一方の50%にわたって電力の100%を受け取ることができる。信号伝達期間620は、送信器と受信器との間の通信を可能にするように使用され得ると共に、両デバイスを充電するのに利用可能な時間を短縮し得る。

図14Dで、ケース3のシナリオは、受信器デバイスDev1およびDev2の両方が、信号伝達期間610を通じて電力を受け取ることを可能にされ得る時間ライン731および732を示す。たとえ信号伝達が生じているとしても、受信器デバイスDev1およびDev2は引き続き信号から電力を得ることができる。したがって、ケース3では、受信デバイスのそれぞれが、信号伝達期間620を通じて電力を受け取り、したがって信号伝達期間620を通じて電力の約50%を受け取ることができる。繰返し期間610の電力部分(すなわち、繰返し期間610の、信号伝達期間620によって使用されない部分)は、受信器デバイスDev1と受信器デバイスDev2との間の時分割多重化に均等に分割され得る。

図14Eで、ケース4のシナリオは、受信器デバイスDev1向けの時間ライン741および受信器デバイスDev2向けの時間ライン742を示している。ケース4では、(図13Cに示されたように)受信器デバイスDev1が、送信アンテナ204の中心の近くに配置され、送信アンテナ204のより近くに配置された受信器デバイスDev2より受信する電力が少ないなど、受信器デバイスDev1およびDev2が送信アンテナ204から不均等の電力量を受け取るように配置されている。各受信器デバイスDev1およびDev2は、給電領域において2つのデバイス間で電力を配分するために、2つのデバイスの送信アンテナ204に対する結合に依存する。したがって、電力分配が、単に送信アンテナ204に対する位置によって準最適に決定されるので、ケース4では、受信器デバイスDev2などのよりよく配置された受信器デバイスが電力の約75%を受け取る一方で、受信器デバイスDev1は電力の他の25%を受け取る。

図14Fで、ケース5のシナリオは、受信器デバイスDev1向けの時間ライン751および受信器デバイスDev2向けの時間ライン752を示している。ケース5では、受信器デバイスDev1およびDev2は、図14Eのものと似たやり方で送信アンテナから不均等の電力量を受け取るように配置されている。しかし、各受信器デバイスは、電力を配分するのに送信アンテナ204への相対的な結合に部分的には依存しているが、各受信器デバイスは、必要に応じて送信アンテナ204からそれ自体を切り離すこともできる。50%ずつの電力分割が望まれる場合、受信器デバイスDev2が、繰返し期間610のP2部分を通じてそれ自体の電力受信を抑止することができ、一方、Dev1はP2部分の期間中電力の100%を受け取ることを許可され続ける。

P1部分および信号伝達部分620の期間中、受信器デバイスDev1が電力の約25%を受け取り、受信器デバイスDev2が電力の約75%を受け取るように、両受信器デバイスがオンであり続ける。P1部分およびP2部分の時間長は、電力の約50%(または必要に応じて他の配分)が各受信器デバイスDev1およびDev2に割り当てられるように調節され得る。ケース5は、ケース2に類似しているが、オフ時間をより短縮する必要がある。例えばケース5では、受信デバイスDev1は電力受信を抑止されることがなく、P2部分の期間中は受信器デバイスDev2が抑止されるため、より大きな電力を単に受け取る。

図14Gで、ケース6のシナリオは、受信器デバイスDev1向けの時間ライン761および受信器デバイスDev2向けの時間ライン762を示している。送信アンテナ204の電力出力が調節され得るという、図7〜図10に関する上記議論を想起されたい。したがって、図14Gでは、電力出力は、全電力の割合ではなくワット数を単位として示されている。ケース6では、受信器デバイスDev1およびDev2は、送信アンテナ204からおおよそ均等な電力量を受け取るように配置される。したがって、信号伝達期間620を通じて、送信器は約4ワットを送出するように設定され得ると共に、受信器デバイスDev1とDev2のそれぞれが約2ワットを受け取ることができる。P1部分を通じて、受信器デバイスDev1が電力受信を抑止されて送信アンテナの電力出力が約3ワットに設定され、これは主として受信器デバイスDev2によって消費される。P2部分を通じて、受信器デバイスDev2が電力受信を抑止されて送信アンテナの電力出力が約4ワットに設定され、これは主として受信器デバイスDev1によって消費される。

図14A〜図14Gは、いくつかの可能なシナリオの実例として示されている。当業者なら、より多くの受信器デバイスを含む多くの他のシナリオおよび様々な電力出力レベルが本発明の範囲内で企図されることを理解するであろう。

当業者なら、情報および信号が、様々な別々の技術および技法のうち任意のものを用いて表され得ることを理解するであろう。例えば、上記の説明の全体にわたって参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場または粒子、光場または粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表され得る。

当業者なら、本明細書で開示された例示的実施形態に関連して説明された様々な例示の論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムのステップが、電子的ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたは両者の組合せとして実施され得ることをさらに理解するであろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示の構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、一般にそれらの機能の面から上で説明されてきた。このような機能が、ハードウェアとして実施されるかソフトウェアとして実施されるかということは、特定の用途および総合的なシステムに課される設計制約次第である。当業者なら、それぞれの特定の用途の説明された機能について様々なやり方で実施することができるが、このような実装形態の決定が本発明の例示的実施形態の範囲からの逸脱をもたらすと解釈されるべきではない。

本明細書に開示された例示的実施形態に関連して説明された様々な例示的論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)あるいは本明細書に説明された機能を遂行するように設計された他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲートまたはトランジスタロジック、個別のハードウェア構成要素、またはそれらの任意の組合せを用いて実施されるかまたは遂行され得る。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、別の方法として、プロセッサは、任意の従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたはステートマシンであり得る。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、例えばDSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと1つまたは複数のマイクロプロセッサの併用、または何らかの他のこのような構成として実施され得る。

本明細書に開示された例示的実施形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接的に実施され、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実施され、あるいはこの両者の組合せで実施され得る。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野で既知の記憶媒体の他の形態の中に存在し得る。例示的記憶媒体は、同記憶媒体に対してプロセッサが情報を読み取り、かつ書き込むことができるようにプロセッサに結合される。別の方法として、この記憶媒体は、プロセッサに一体化され得る。プロセッサおよび記憶媒体は、ASICの中に存在し得る。ASICは、ユーザ端末の中に存在し得る。別の方法として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末の中に個別の構成要素として存在し得る。

1つまたは複数の例示的実施形態では、説明された機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれの任意の組合せで実施され得る。ソフトウェアで実施される場合、これらの機能は、1つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体に蓄積されるかまたは伝送され得る。コンピュータ可読媒体は、コンピュータの記憶媒体とコンピュータプログラムをある場所から別の場所に転送するのを容易にする任意の媒体を含む通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の入手可能な媒体であり得る。限定するものではない一例として、このようなコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMまたは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶デバイス、あるいは所望のプログラムコードを命令またはデータ構造の形で搬送するかまたは記憶するために用いることができ、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を備えることができる。また、いかなる接続も、適切にコンピュータ可読媒体と称される。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り対線、デジタル加入者線(DSL)、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術を用いて、ウェブサイト、サーバ、または他の遠方のソースから伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り対線、DSL、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用される磁気ディスクおよび光学ディスク(Disk and disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスクおよびブルーレイディスクを含み、磁気ディスクが、通常、データを磁気的に再現するのに対して、光学ディスクはレーザを用いてデータを光学的に再現する。上記のものの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

開示された例示的実施形態の以前の説明は、いかなる当業者も本発明を作製するかまたは用いることを可能にするために提供されている。これらの例示的実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかになるはずであり、本明細書に定義された一般的な原理は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に開示された原理および新規の機能と一致する最も広い範囲を認められるべきである。

100 無線充電システム
102 入力電力
104 送信器
106 放射場
108 受信器
110 出力電力
112 距離
114 送信アンテナ
118 受信アンテナ
119 通信チャンネル
122 発振器
123 調節信号
124 電力増幅器
125 制御信号
126 フィルタおよび整合回路
132 整合回路
134 整流器およびスイッチング回路
136 バッテリー
150 ループアンテナ
152 コンデンサ
154 コンデンサ
156 共振信号
200 送信器
202 送信回路
204 送信アンテナ
206 インピーダンス整合回路
208 低域通過フィルタ
210 電力増幅器
212 発振器
214 コントローラ
216 負荷検知回路
220 キャリア信号
224 送信変調信号
226 電力入力信号
228 電源
230 差動増幅器
235 受信信号
240 電圧レギュレータ
242 電流リミッタ
250 電圧検出器
252 電流検出器
260 密閉検出器
280 存在検出器
300 受信器
302 受信回路
304 受信アンテナ
306 電力変換回路
308 RF/DCコンバータ
310 DC/DCコンバータ
312 スイッチング回路
314 信号伝達検出器およびビーコン回路
316 プロセッサ
350 デバイス
400 AC/DC電源
405 交流120ボルト
410 AC/DCコンバータ
415 中間直流電圧
420 回路レギュレータ
425 全体的な電力
450 PA（電力増幅器）レギュレータ
450A 電力増幅器レギュレータ
450B 電力増幅器レギュレータ
452 制御信号
460 パルス幅変調器コントローラ
465 デジタルポテンショメータ
470 マイクロコントローラ
510 ホストデバイス
520 受信器デバイス
610 繰返し期間
620 同期パルス
630 逆方向リンク期間
650 電力期間
650’ 電力期間
700 時間ライン
711 時間ライン
712 時間ライン
721 時間ライン
722 時間ライン
731 時間ライン
732 時間ライン
741 時間ライン
742 時間ライン
751 時間ライン
752 時間ライン
761 時間ライン
762 時間ライン

Claims

無線電力送信器であって、
複数の受信器デバイスに対して電力を誘導的に伝達するように構成された送信アンテナと、
前記送信アンテナに動作可能に結合されると共に、前記複数の受信器デバイスのうちの第１の受信器デバイスに、前記送信アンテナから前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記第１の受信器デバイスが有効にされている間、残りの前記受信器デバイスのうちの少なくとも一部に、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすように構成されたコントローラと
を備える、無線電力送信器。
前記コントローラが、前記複数の受信器デバイスに送信されたメッセージに基づいて、前記第１の受信器デバイスに、有効にされることをもたらし、残りの前記受信器デバイスのうちの前記少なくとも一部に、無効にされることをもたらすように構成される、請求項１に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、オン／オフキーイング通信プロトコルまたは個別の通信チャンネルによって、前記メッセージを前記複数の受信器デバイスに送信するように更に構成される、請求項２に記載の無線電力送信器。
前記個別の通信チャンネルが、ブルートゥース、ジグビー、またはセルラーネットワークを含む、請求項３に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、前記第１の受信器デバイスの充電レベルに基づいて、前記第１の受信器デバイスが有効にされる時間量を調節するように更に構成される、請求項１に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、前記第１の受信器デバイスが受け取られた前記電力によって実質的に十分に充電された場合に、前記第１の受信器デバイスに、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすように更に構成される、請求項５に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、前記複数の受信器デバイスのうちの第２の受信器デバイスに、前記送信アンテナから前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記第２の受信器デバイスが有効にされている間、残りの前記受信器デバイスのうちの少なくとも一部に、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすように更に構成される、請求項６に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、前記複数の受信器デバイスに、順次に前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記受信器デバイスの各々が有効にされる時間量を実質的に均等に割り当てるように更に構成される、請求項１に記載の無線電力送信器。
前記コントローラが、前記複数の受信器デバイスに、順次に前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記受信器デバイスの各々が有効にされる時間量を実質的に不均等に割り当てるように更に構成される、請求項１に記載の無線電力送信器。
無線電力伝達の方法であって、
複数の受信器デバイスに対して電力を誘導的に伝達することと、
前記複数の受信器デバイスのうちの第１の受信器デバイスに、前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記第１の受信器デバイスが有効にされている間、残りの前記受信器デバイスのうちの少なくとも一部に、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすことと
を含む、方法。
前記複数の受信器デバイスにメッセージを送信することを更に含み、前記もたらすことが、前記メッセージに基づいて実行される、請求項１０に記載の方法。
前記メッセージが、オン／オフキーイング通信プロトコルまたは個別の通信チャンネルによって、前記複数の受信器デバイスに送信されると共に、前記個別の通信チャンネルが、ブルートゥース、ジグビー、またはセルラーネットワークを含む、請求項１１に記載の方法。
前記第１の受信器デバイスの充電レベルに基づいて、前記第１の受信器デバイスが有効にされる時間量を調節することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
前記第１の受信器デバイスが実質的に十分に充電された場合に、前記第１の受信器デバイスに、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすことと、
前記複数の受信器デバイスのうちの第２の受信器デバイスに、送信アンテナから前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらし、前記第２の受信器デバイスが有効にされている間、残りの前記受信器デバイスのうちの前記少なくとも一部に、前記電力を受け取ることを不可能にすることをもたらすことと
を更に含む、請求項１３に記載の方法。
前記複数の受信器デバイスが、順次に有効にされることをもたらされると共に、前記受信器デバイスの各々が有効にされる時間量に関して均等に割り当てられる、請求項１０に記載の方法。
前記複数の受信器デバイスが、順次に有効にされることをもたらされると共に、前記受信器デバイスの各々が有効にされる時間量に関して不均等に割り当てられる、請求項１０に記載の方法。
無線電力受信器であって、
受信アンテナであって、複数の受信器デバイスに対して電力を誘導的に伝達するように構成されると共に、前記受信アンテナから離れて間隔を置いて配置された送信器から、前記電力を誘導的に受信するように構成された受信アンテナと、
前記受信アンテナに動作可能に結合されると共に、前記複数の受信器デバイスの少なくとも一部が前記送信器から前記電力を受け取ることを不可能にされている間、前記受信アンテナに、前記送信器から前記電力を受け取ることを可能にすることをもたらすように構成されたコントローラと
を備える、無線電力受信器。
前記コントローラが、前記送信器から受信されたメッセージに基づいて、前記受信アンテナに、有効にされることをもたらすように構成される、請求項１７に記載の無線電力受信器。
前記受信アンテナが、オン／オフキーイング通信プロトコルまたは個別の通信チャンネルによって、前記メッセージを受信するように構成されると共に、前記個別の通信チャンネルが、ブルートゥース、ジグビー、またはセルラーネットワークを含む、請求項１８に記載の無線電力受信器。
前記コントローラが、前記受信アンテナに、前記無線電力受信器が受け取られた前記電力によって実質的に十分に充電されるまで有効にされることをもたらすように構成される、請求項１７に記載の無線電力受信器。