JP2016178864A - ワイヤレス充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】リモートコントロールシステム及び他のバッテリ式の電子デバイスに適した、単純かつ効果的なワイヤレス充電システムを提供する。
【解決手段】本発明は電荷蓄積キャパシタ７２を急速に充電するリモートデバイス１４にワイヤレスで電力を供給するワイヤレス電源システム１０を提供する。そしてそのリモートデバイスは、電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力でバッテリ１００を充電する。これにより、リモートデバイスは電荷蓄積キャパシタの急速な充電のために誘導電源１２の近くに位置付けられ、リモートデバイスが誘導電源から離された後でもバッテリの充電を継続できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス電源システムに関し、特に電子デバイスをワイヤレスで充電するシステムに関する。

バッテリ式のポータブル電子デバイスの使用の継続的な増加に伴い、従来の充電器に関連する問題についての関心が高まっている。多くの場合、バッテリ式のポータブル電子デバイスにはバッテリの再充電に使用するために充電器が提供される。従来の多くの充電器は、電子デバイスの電力入力ポートにプラグを差し込む電源コードを含んでいる。電力の仕様及びプラグの構造を含む充電器のデザインは、典型的にはデバイスごとに変わり、その結果、あるデバイスの充電器は、他のデバイスのバッテリを適切に充電するように動作しない可能性がある。従って、多様な電子デバイスを持つ利用者は、様々な異なる充電器をメンテナンス及び保持する必要がある。従来のコードによる充電器のコードは外観が悪く、単独でももつれる傾向があるし、他の充電器のコードとももつれる傾向がある。またコードによる充電器は、利用者がそのデバイスを充電するたびにコードを差し込んだり、抜いたりする必要があるので、比較的不便である。

コードによる充電器に関して、これらの問題及び他の問題を克服するために、ポータブルの電子デバイスのバッテリを充電するためのワイヤレス充電システムを使用する傾向が強くなっている。ワイヤレス充電システムは多数の効果を提供する。例えばワイヤレス充電システムは、充電器のコードの集まりによって生じる外観の悪い乱雑さをなくし、利用者が充電器からそのデバイスにプラグを差し込んだり、抜いたりする必要性をなくす。

ワイヤレス充電システムは有線の充電器を著しく改良し得るが、幾つかの不便さに悩まされ続けている。例えば、バッテリの特質による固有の制限によって、従来の充電器は比較的ゆっくりとした速度で充電する。結果として、バッテリを使い尽くしたデバイスは、さらに使用できるようになるまで比較的長い期間、充電器上にとどめておかなければならない。充電器上にとどめておく長期間の間、デバイスを使用できないことは著しく不便である。

本発明は、誘導電源と、電荷蓄積キャパシタ及び電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力でバッテリを充電するための充電サブ回路をもつ二次電力回路と、を有するワイヤレス充電システムをもつバッテリ式のリモートコントロール装置を提供する。動作中、二次電力回路は、誘導電源からワイヤレスで電力を受け、電荷蓄積キャパシタを急速に充電する。充電サブ回路はバッテリ充電に適した速度により電荷蓄積キャパシタからの電力でバッテリを充電する。電力は電荷蓄積キャパシタに蓄えられているので、リモートコントロール装置が誘導電源から離された後であってもバッテリの充電は継続できる。

一実施形態では、電荷蓄積キャパシタはリモートコントロール装置の電子機器と電気的に接続され、その結果リモートコントロール装置は電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作することができる。電荷蓄積キャパシタは単一のスーパーキャパシタとすることができ、又は例えばスーパーキャパシタが直列もしくは並列に配置された複数のキャパシタのバンクとすることができる。

一実施形態では、充電システムは二次電力回路から誘導電源に充電情報を伝達する通信システムを含む。充電情報は、とりわけ動作パラメータ又は誘導電源が動作パラメータを決定できるようにするデータを含むことができる。例えば二次電力回路は、二次電力回路に供給された電力が電荷蓄積キャパシタの充電に適切な範囲内であるとき、電荷蓄積キャパシタが完全に充電されたとき、又は電荷蓄積キャパシタが追加の充電を必要とするときを指示することができる。

一実施形態では、二次電力回路は電荷蓄積キャパシタ及びバッテリと接続する充電回路を含む。充電回路はバッテリと電荷蓄積キャパシタを接続する電気的なコネクタにすぎないものでもよい。あるいは充電回路は、例えばバッテリが電荷蓄積キャパシタへ電力をリークすることを防ぐ適切なダイオード、又は集積回路に組み込まれた充電制御回路などの、より複雑な充電回路としてもよい。

代替的な実施形態では、本発明は単純なアナログ充電システムに組み込まれる。この実施形態では、二次電力回路は、電荷蓄積キャパシタが所定の電圧に到達するまで電荷蓄積キャパシタに電力を供給する。電荷蓄積キャパシタがその電圧に到達すると、充電スイッチがオープンされ、二次電力回路から電荷蓄積キャパシタへの電流の経路がオープンされる。二次電力回路は、電荷蓄積キャパシタの電圧が再び降下して所定値に属するまで（例えば電荷蓄積キャパシタの十分な電力量がバッテリの充電で使い果たされた後）オープンしたままにする。

他の側面では、本発明はリモートコントロール装置のバッテリを急速に充電するための方法を提供する。その方法は、１）誘導電源で電磁場を生成し、２）二次電力回路内に電力を誘導するために二次電力回路をもつリモートデバイスを電磁場内に配置し、３）誘導された電力で二次電力回路の電荷蓄積キャパシタを急速に充電し、４）電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力でリモートデバイスのバッテリを充電する、概略のステップを含む。

一実施形態では、その方法は、１）二次電力回路から誘導電源へ充電情報を送り、２）二次電力回路から受けた充電情報に基づいて誘導電源の動作を調整するステップを含む。一実施形態では、誘導電源は充電情報に基づいてその動作周波数を調整する。他の実施形態では、誘導電源は充電情報に基づいてデューティサイクルを調整する。他の実施形態では、誘導電源は充電情報に基づいて入力レール電圧を調整する。

本発明は、リモートコントロールシステム及び他のバッテリ式の電子デバイスに適した、単純かつ効果的なワイヤレス充電システムを提供する。電荷蓄積キャパシタは従来の再充電可能なバッテリよりはるかに速く充電するので、電荷蓄積キャパシタはバッテリよりはるかに急速に充電され得る。結果として、本発明により二次電力回路は、電子デバイスを動作させるのに十分な電力をほんの短期間に高速に蓄えることができるようになる。さらに、通信システムにより誘導電源は、効率的な動作を提供するように、例えば動作周波数及び／又はデューティサイクルなどの動作パラメータを適応させることができる。加えて、通信システムは、互換性のあるリモートデバイスがそのデバイス自体を誘導電源に識別させ、誘導による充電を開始することを許可することにより、相互運用性を促進する。

本発明に係る、これらの及び他の物、利点及び特徴は、発明を実施するための形態及び図面を参照することにより、より十分に理解され、評価されるであろう。

本発明の実施形態に従った急速充電システムを組み込むリモートコントロール装置の概略図である。

誘導電源回路の回路図である。 誘導電源回路の回路図である。 誘導電源回路の回路図である。 誘導電源回路の回路図である。 誘導電源回路の回路図である。

二次電力回路の回路図である。 二次電力回路の回路図である。

誘導電源回路の動作方法のフローチャートである。

二次電力回路の動作方法のフローチャートである。

本発明の実施形態における代表的な電力／周波数曲線である。

データを伝送する振幅変調信号を表す図である。

差動二位相符号化を用いて符号化されたデータを表す図である。

データパケットを表す図である。

直列接続のキャパシタのバンクの概略図である。

並列接続のキャパシタのバンクの概略図である。

二次電力回路の代替的な実施形態の概略図である。

他の代替的な実施形態の図である。 他の代替的な実施形態の図である。 他の代替的な実施形態の図である。 他の代替的な実施形態の図である。

二次電力回路の他の実施形態の回路図である。 二次電力回路の他の実施形態の回路図である。

本願は、2008年7月9日に出願された、米国特許仮出願第61/079,301号に対して、優先権を主張し、その内容全体がここに参照として組み込まれる。

１．概要
図１に、本発明に係る実施形態に従った、誘導充電システムを有するリモートコントロールシステム１０が示される。そのシステムは、一般的に誘導電源１２及びバッテリ式のリモートコントロール装置１４を含む。誘導電源１２は、リモートコントロール装置１４へワイヤレスで電力を伝送することができる電磁場を生成する。リモートコントロール装置１４は、適切な電磁場が存在するとき、電力を受け、その電力を使用可能な形で供給する能力を持つ二次電力回路６０を含む。二次回路６０に誘導された電力は電荷蓄積キャパシタ７２に急速に蓄えられる。電荷蓄積キャパシタ７２に蓄えられた電力は、バッテリ充電に適する長期間にわたってバッテリ１００を充電するために用いられる。従って、電力は電荷蓄積キャパシタ７２に急速に蓄えられ、リモートコントロール装置１４が誘導電源１２から離された後でも、バッテリ１００を充電し続けるために用いることができる。幾つかのアプリケーションでは、電荷蓄積キャパシタ７２に蓄えられた電力はリモートコントロール装置１４の短期間の電源を供給するために用いてもよい。例えば幾つかのアプリケーションでは、リモートコントロール装置１４が電荷蓄積キャパシタ７２から電力を直接取り出す能力を持つようにしてもよい。そのような実施形態では、リモートコントロール装置１４は、システムがバッテリ充電だけに頼っているときに要求されるものよりはるかに急速に、機能するのに十分な充電をすることができる。

２．構造
上述の通り、リモートコントロールシステム１０は、例えばリモートコントロール装置１４などの適切なリモートデバイスに電力を誘導することができる電磁場を生成する誘導電源１２を含む。特定の誘導電源１２に関して記述されるが、本発明は必要な電力を伝達する能力を持つ基本的に任意の誘導電源とともに使用するように設定可能である。ここで図１を参照すると、図示した実施形態の誘導電源１２は一般的にコントローラ３２及びタンク回路３４を含む。この実施形態のコントローラ３２は異なる動作周波数でタンク回路３４に電力を供給する能力を持つ。そしてその動作周波数によって、コントローラ３２はリモートコントロール装置１４に供給する電力を変更することができる。代替的な実施形態では、コントローラ３２は動作周波数の代わりに又は動作周波数に加えてデューティサイクルを変更する能力を持つようにしてもよい。この実施形態のタンク回路３４は一次コイル１６及びキャパシタ３８を有する直列共振タンク回路である。あるいはタンク回路３４は、例えば並列共振タンク回路などの他の形の共振及び非共振のタンク回路でもよい。この実施形態の誘導電源１２は外部ＤＣ電源２２から電力を受ける。外部ＤＣ電源２２は、110VのＡＣ入力を受けて19VのＤＣで出力電力を供給する能力を持つ従来のＤＣ電源とすることができる。

図２Ａ−Ｅに本発明に係る実施形態に従った誘導電源１２の回路図が示される。図２Ａ−Ｅには図示されないが、誘導電源１２はＶＩＮにおいて外部ＤＣ電源２２から電力を受ける（図１を参照）。誘導電源１２は、一般的にコントローラ３２、メモリ４０、電源４２、クロック４４、ＩＲＤＡサブ回路４６、ポート４８、ドライブ電子機器５０ａ−ｂ、ＦＥＴ５２ａ−ｂ、一次コイル１６、タンクキャパシタ３８、電流検知変圧サブ回路５４、ＬＥＤ５６及びＬＥＤ電力サブ回路５８を含む。電源４２は、コントローラ３２及び他の回路部品にＤＣ電力を供給するものであり、ＶＩＮを適切なＤＣ電圧、ＶＣＣに変換する従来のＤＣ／ＤＣ電源でもよい。必要なら、電源４２の出力はフィルタキャパシタ配列４３を通してコントローラ３２に供給してもよい。メモリ４０は誘導電源１２の動作プログラム及び動作パラメータを他の情報とともに格納するために使用することができる。メモリ４０は任意の適切なメモリでよいが、図示された実施形態では64kの従来のＥＥＰＲＯＭである。回路は、コントローラ３２に組み込まれた内部のＲＣの一定クロックより向上した精度を提供する外部クロック４４を含んでもよい。外部クロック４２は従来の水晶発振クロックとすることができる。コントローラ３２はスイッチ回路５３のタイミングを制御するドライブ回路５１に制御信号を出力する。ドライブ回路５１はドライブ電子機器５０ａ−ｂを含み、スイッチ回路５３はＦＥＴ５２ａ−ｂを含む。ドライブ電子機器５０ａ−ｂへの制御信号のタイミングはＦＥＴ５２ａ−ｂのタイミングを制御し、結果としてタンク回路３４の動作周波数を制御する。すなわち制御信号は、ＦＥＴ５２ａ−ｂを作動するのに十分な振幅までドライブ電子機器５０ａ−ｂによって増幅される。コントローラ３２は、所望の動作周波数でタンク回路３４を交互にＶＩＮ又はグラウンドに接続するために、ＦＥＴ５２ａ−ｂを交互にオープン及びクローズする制御信号を生成する。コントローラ３２は誘導電源１２の動作周波数及び／又はデューティサイクルを変更するために制御信号のタイミングを変更することができる。

図示された実施形態では、一次コイル１６は例えばリッツ線などの電線コイルである。一次コイル１６の特徴（例えば、電線のサイズ、電線のタイプ、巻き数、コイルの形）は所望の機能性を得るためにアプリケーションごとに変更できる。一次コイル１６は磁場を生成する能力を持つ基本的に任意の部品とすることができる。例えば一次コイル１６は、プリント基板コイル又は型打ちしたコイルに置き換えてもよい。

図示された実施形態のタンクキャパシタ３８は、一次コイル１６と結合したときに動作周波数の期待する範囲又はその近くの共振周波数をタンク回路に供給するキャパシタンスを有するように選択される。必要なら、タンクキャパシタ３８の特性はアプリケーションごとに変更してもよい。

電流検知変圧サブ回路５４は、タンク回路３４と結合され、タンク回路３４内の電流量を示す信号をコントローラ３２に供給する。図示された実施形態では電流検知変圧サブ回路５４は、図２Ａ−Ｅに示されるようにその出力がコントローラ３２に到達する前にさまざまな調節部品及びフィルタ部品を通過する電流検知変圧器５５を含む。コントローラ３２は、（以下でより詳細に記述されるように）電磁場に伝送されるデータ信号を復調するためのほか、例えば過度の電流引き込みなどの故障状態を識別するために電流検知変圧サブ回路５４の出力を用いてもよい。故障状態の場合、コントローラ３２は、例えばシステムを停止又は故障状態を解消する目的でその動作パラメータを変更することにより是正措置を取ってもよい。

図示された実施形態はオプションのＩＲＤＡサブ回路４６及びオプションのプログラムポート４８を含む。ＩＲＤＡサブ回路４６及びポート４８は、コントローラ３２をプログラミングし、アップグレードするための代替手段である。ＩＲＤＡサブ回路４６により、コントローラ３２は従来のＩＲＤＡ通信を用いてプログラミング又はアップグレードが可能となる。一方ポート４８により、コントローラ３２はプラグ接続の通信を介してプログラミング又はアップグレードが可能となる。

リモートコントロール装置１４は、誘導電源１２から電力を受け、その電力を用いて電荷蓄積キャパシタ７２を急速に充電する二次電力回路６０を含むバッテリ式のリモートコントロール装置である。例えば一実施形態では、リモートコントロール装置１４はテレビのチャンネルをワイヤレスで変えるためのテレビのリモートコントロール装置である。二次電力回路６０は、リモートコントロール装置１４のバッテリ１００を適切な期間にわたって充電するために電荷蓄積キャパシタ７２に蓄えられた電力を利用する。図示された実施形態では二次電力回路６０は、一般的に二次コイル６２、整流器６４、充電スイッチ６６、電流検知増幅サブ回路６８、電圧検知サブ回路７０、電荷蓄積キャパシタ７２、ＶＣＣレギュレータサブ回路７４、電圧ブースターサブ回路７６、スイッチドライブサブ回路７８、コントローラ８０、通信サブ回路８２、温度検知サブ回路８４及びＡ／Ｄ電圧参照サブ回路８６を含む。図示された実施形態では二次コイル６２は、一般的に、例えばリッツ線などの従来のセンタータップの電線コイルである。二次コイル６２の特徴（例えば、電線のサイズ、電線のタイプ、巻き数、コイルの形）は所望の機能性を得るためにアプリケーションごとに変更できる。二次コイル６２は、例えば誘導電源１２によって生成される磁場などの磁場の存在下で電圧が誘導される基本的に任意の部品とすることができる。例えば二次コイル６２はプリント基板コイル又は型打ちしたコイルに置き換えてもよい。整流器６４は二次コイル６２に誘導されるＡＣ電力を整流してＤＣ電力を供給する。整流器６４はＡＣ電力をＤＣ電力に変換する能力を持つ基本的に任意の電気回路とすることができるが、図示された実施形態では二つのダイオード８８ａ−ｂを有する全波整流器である。充電スイッチ６６は、整流器６４から電荷蓄積キャパシタ７２へのＤＣ電力の供給を選択的に制御するように動作可能である。充電スイッチ６６は、スイッチドライブサブ回路７８の動作によりオープン及びクローズされるＦＥＴとすることができる。スイッチドライブサブ回路７８は、充電スイッチ６６の動作を制御する能力を持つ基本的に任意のドライバとすることができる。図示された実施形態では、スイッチドライブサブ回路７８は電圧ブースターサブ回路７６と連携して充電スイッチ６６を動作させる。図示された実施形態のスイッチドライブサブ回路７８はコントローラ８０からの制御信号により作動するトランジスタ９０を含む。トランジスタ９０がクローズすると、電圧ブースターサブ回路７６の出力はグラウンドに落ち、それにより充電スイッチ６６がオープンする。図示された実施形態では、電圧ブースターサブ回路７６は二次コイル６２からのＡＣ電圧をより高いＤＣ電圧に変換する従来の電圧ダブラーである。スイッチドライブサブ回路７８は充電スイッチ６６を動作させるために電圧ブースターサブ回路７６の出力を用いる。電流検知増幅サブ回路６８は電荷蓄積キャパシタ７２に与えられる電流を測定する。

二次電力回路６０は電流検知及び電圧検知の電気回路を含む。二次電力回路の一実施形態は図３Ａ−Ｂに示される。これらのサブ回路は様々な動作のための入力を提供するが、主に充電の間に電荷蓄積キャパシタ７２に与えられる電力量を制御するためと、電荷蓄積キャパシタ７２が完全に充電されるときを判定するために用いられる。図示された実施形態の電流検知増幅サブ回路６８は、一般的に抵抗９２を通した電圧降下を実際に測定するオペアンプを有する従来のサブ回路である。電流検知増幅サブ回路６８の出力はコントローラ８０に供給される。電圧検知サブ回路７０は電荷蓄積キャパシタ７２に印加される電圧を測定する。電圧検知サブ回路７０は、キャパシタに印加される電圧を示す出力を提供する能力を持つ任意の電気回路とすることができる。図示された実施形態では電圧検知サブ回路７０は、電荷蓄積キャパシタ７２が充電されていないときに選択的にサブ回路７０を無効にするＦＥＴ９４を含む。これは、電荷蓄積キャパシタ７２が充電されていないときに電荷蓄積キャパシタ７２から電圧検知サブ回路７０を通して余分に電力が流出することを妨げる。電圧検知サブ回路７０は、コントローラ８０への入力に適した範囲に電圧をスケーリングするための分圧器も含む。

電荷蓄積キャパシタ７２は単一のキャパシタ又はキャパシタのバンクとすることができる。例えば、図１０は直列に配列された複数のキャパシタ７２ａ−ｃを示す。他の例として、図１１は並列に配列された複数のキャパシタ７２ａ−ｃを示す。電荷蓄積キャパシタ７２の特性は、大部分において電力の必要性及びパッケージの制限に応じてアプリケーションごとに変更してもよい。図示された実施形態では、電荷蓄積キャパシタ７２はスーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ又は電気二重層キャパシタである。幾つかのアプリケーションでは、電荷蓄積キャパシタ７２は一つ以上の従来の電界コンデンサでもよい。

上述の通り、二次電力回路６０はコントローラ８０及び他の部品を動作させるために適切なレベルでＤＣ電圧を供給するＶＣＣレギュレータサブ回路７４を含む。ＶＣＣレギュレータサブ回路７４は、所望のＤＣ出力を供給する能力を持つ基本的に任意のサブ回路とすることができる。

二次電力回路６０はＡ／Ｄ電圧参照サブ回路８６を含む。このサブ回路８６は、安定した参照電圧を生成する能力を持つ基本的に任意のサブ回路とすることができる。図示された実施形態では、Ａ／Ｄ電圧参照サブ回路８６は参照電圧を生成するためのＩＣ９３を含む。あるいは、ＶＣＣレギュレータサブ回路７４が十分に安定した電圧を供給するように構成されているなら、Ａ／Ｄ電圧参照サブ回路８６は取り除いてもよい。

また二次電力回路６０は、その二次回路内部の温度を監視し、読み込んだ温度をコントローラ８０に提供する温度検知サブ回路８４を含んでもよい。コントローラ８０は、読み込んだ温度が所定の値を超えると二次電力回路６０を無効にすることができる。

二次電力回路６０は充電回路１０２によりバッテリ１００と結合される。使用中、バッテリ１００はリモートコントロール装置１４のリモートコントロール機能に電力を供給する。充電回路１０２は、電荷蓄積キャパシタ７２に蓄えられた電力を用いてバッテリ１００を充電する能力を持つ基本的に任意の回路とすることができる。一実施形態では、充電回路１０２は単にバッテリを電荷蓄積キャパシタ７２とグラウンドとに接続する電気コネクタである。他の実施形態では、充電回路１０２は電荷蓄積キャパシタ７２とバッテリ１００の間に位置するダイオードを含む。さらに他の実施形態では、充電回路１０２はＩＣを充電するバッテリを含んでもよい。ＩＣを充電するさまざまなバッテリは市販されている。例えば、従来のリチウムイオンの充電プロファイルに応じてバッテリ１００を充電するようにＩＣを充電するリチウムイオンが市販されている。

以下でより詳細に記述されるように、通信サブ回路８２は電磁場に伝送されるデータ情報を生成するように設計される。一般に、通信サブ回路８２は、データを表現するパターンで選択的に二次コイルに負荷をかけることにより通信する。図示された実施形態では通信サブ回路８２は、ＦＥＴ９６と、抵抗９８の形をした通信の負荷とを含む。動作中、コントローラ８０は抵抗９８を適用及び除外するように選択的にＦＥＴ９６を作動させる。この負荷の有無は、反射インピーダンスを介して一次回路に伝達され、その結果タンク回路内の電流に影響を与える。例えば、二次回路で増大した負荷は典型的にはタンク回路内の電流の増大をもたらす。通信サブ回路の負荷が十分に大きな影響を与える場合、一次回路はタンク回路内の電流を監視することにより、二次回路内の通信サブ回路の負荷の有無を識別することができる。以下でより詳細に記述されるように、通信回路の負荷の「オン」及び「オフ」のパターンは、一次回路により認識できるバイナリデータのストリームを生成するために用いることができる。図示された実施形態は、電磁場にわたってデータを送信する通信システムを含むが、システム１０は例えば電磁場にわたって通信しない通信システム等の代替的な通信システムを含んでもよい。例えば、そのシステムはブルートゥース、ＷｉＦｉ又は第２の電磁コイルのペア等の外部の通信システムを利用してもよい。

３．動作
図示された実施形態では、誘導電源１２の動作方法は、一般に、１）互換性のあるリモートコントロール装置が存在するときを判定し、２）互換性のあるリモートコントロール装置が存在すると誘導により電力を受け渡し、３）リモートコントロール装置からのフィードバックに応えて動作を調整し、４）リモートコントロール装置が充電されると誘導電力の受け渡しを停止する、ステップを含む。図示された動作方法は、効率の向上又は性能の向上を提供する様々なオプションのステップを含む。動作方法は、オプションのステップの除去を含め、アプリケーションからの要求通りに変更することができる。

図示された実施形態の誘導電源１２の動作方法（２００）が図４に関連してここに記述される。互換性のあるリモートコントロール装置が存在しないときシステム１０によるエネルギーの消費を低減するため、誘導電源１２の動作方法は適切なリモートコントロール装置１４が電磁場に存在するときを判定する「接続確認（pinging）」プロセスを含む。図４に示されるように、誘導電源は比較的少量の電力をタンク回路３４に定期的に与えることにより接続確認状態（２０２）に入る。各接続確認での電力量は、典型的には電磁場内のリモートコントロール装置１４の存在を識別するフィードバック信号を生成するために、枯渇したバッテリ１００をもつリモートコントロール装置１４を有効にするのに十分な量である。あるいは、その接続確認は少量の電力を含み、その電力は時間とともに電荷蓄積キャパシタ７２又はバッテリ１００に蓄積し、最終的にリモートコントロール装置１４にとってその装置自体を誘導電源１２に識別させるのに十分な電力を提供するようにしてもよい。フィードバック信号及び他の情報の特質及び内容については以下でより詳細に論じる。誘導電源１２は、互換性のあるリモートコントロール装置１４が存在するときを判定するため、リモートコントロール装置１４からの情報に関してタンク回路３４内の電流を監視する（２０４）。上記したように、コントローラ３２は電流検知変圧サブ回路５４を介して情報を監視する。

互換性のあるリモートコントロール装置１４の存在を示す通信信号を受信すると、誘導電源１２は特定の開始周波数で誘導電力の受け渡し（２０６）を始める。この開始周波数は誘導電源１２の内部のメモリに格納されてもよいし、又は例えば接続確認パケットに対する応答でリモートコントロール装置１４によって生成されるフィードバック信号内で、リモートコントロール装置１４によって誘導電源１２に伝達されてもよい。

誘導電源１２は開始周波数で特定の周期で誘導電力の受け渡しを続ける。この周期は誘導電源１２の内部のメモリに格納されてもよいし、又はリモートコントロール装置１４によって誘導電源１２に伝達されてもよい。例えばその周期の長さは、接続確認パケットに対する応答でリモートコントロール装置１４によって生成されるフィードバック信号内に組み込まれてもよい。その特定の周期が経過した後、誘導電源１２がリモートコントロール装置１４からフィードバック信号を受信しなくなると、誘導電源１２はリモートコントロール装置１４に供給される電力を増大させるように動作周波数を調整する。図示された実施形態では、誘導電源１２はタンク回路３４の共振周波数より上の周波数で動作する（図６を参照）。従って、図６においてＡ、Ｂ、Ｃ及びＤで次第に周波数を高くして電力レベルを比較することによって理解できるように、周波数の減少によって誘導電源１２はより共振状態に近くなり、リモートコントロール装置１４に供給される電力は増大する。結果として、誘導電源１２は遅延期間の終わりまでにフィードバック信号を受信しなければその動作周波数を減少させる（２１０）。図６に示された電力／周波数曲線において、Ｘ軸の正方向に移動する程Ｘ軸に沿って周波数は増大し、Ｙ軸の正方向に移動する程Ｙ軸に沿って電力は増大する。

他方、フィードバック信号をリモートコントロール装置１４から受信すると、誘導電源１２はフィードバック信号の内容を判定するために、フィードバック信号を解析する。フィードバック信号が誘導電源１２に充電の停止を指示している場合（２１２）、誘導電源１２は誘導電力の受け渡しを停止し（２１４）、接続確認状態（２０２）へ戻る。

そうでない場合、誘導電源１２はフィードバック信号を解析し、その情報に従って誘導電源１２を調整する。図示された実施形態では、システム１０は電荷蓄積キャパシタ７２に一定量の電力を供給しようとする。以下でより詳細に記述されるように、二次回路６０は、電荷蓄積キャパシタ７２に与えられる電力を監視し、誘導電源１２が所望の電力を供給するためにその動作を変更することができるようにフィードバック信号を供給する。この実施形態では、電力が所望のレベルであることを二次回路６０が指示するまで誘導電源１２は電力を増大させる。その後、二次回路６０は電力レベルの増大を停止するように誘導電源に指示するフィードバック信号を供給する。この実施形態では電力レベルを制御する動作周波数を調整するので、フィードバック信号は基本的に誘導電源にその動作周波数の減少を停止するように指示する。誘導電源１２は、その動作周波数を増大させ（２１６）、特定の遅延期間（２１７）の後にステップ２０８に戻る。二次回路６０が、電力が所望の充電レベル以上であること又は電荷蓄積キャパシタ７２が完全に充電されたことを示すフィードバック信号の供給を停止するまで、誘導電源１２はその動作周波数を増大し続ける。調整の間の遅延時間の長さ及び調整のサイズはアプリケーションごとに要求通りに変更してもよい。これらの値は誘導電源１２の内部のメモリに格納されてもよいし、又はリモートコントロール装置１４によって誘導電源１２に伝達されてもよい。例えば遅延時間は、接続確認パケットに対する応答でリモートコントロール装置１４によって生成されるフィードバック信号内に組み込まれてもよい。

理解され得るように、この実施形態においてフィードバック信号は誘導電源１２の動作を駆動する。フィードバック信号を受信しなければ、誘導電源１２は一定期間ごとに繰り返して動作周波数を低減する（例えば、ステップ２０８及び２１０）。フィードバック信号が、充電している電力が所望の値であることを示している場合、誘導電源１２は一定期間ごとに繰り返して動作周波数を増大する（例えば、ステップ２０８及び２１６）。フィードバック信号が、電荷蓄積キャパシタ７２が完全に充電されていることを示している場合、誘導電源１２は、誘導電力の受け渡しを停止し（２１４）、接続確認状態（２０２）に戻る（例えば、ステップ２０８、２１２及び２１４）。このように、誘導電源１２は互換性のあるリモートコントロール装置１４（又は他のリモートデバイス）が現れるまで低電力の接続確認状態にとどまる。その後、誘導電源１２は、キャパシタが完全に充電されるまで、リモートコントロール装置１４からのフィードバックに基づいて比較的一定に電力レベルを維持するようにその動作パラメータを調整しながら、リモートコントロール装置１４へ誘導により電力を供給する。

二次電力回路６０の動作方法（２５０）は主に図５を参照して記述される。一般に、二次電力回路６０は、誘導電源１２から電力を受信し、電荷蓄積キャパシタ７２を充電するためにその電力を利用する。二次電力回路６０は、電荷蓄積キャパシタ７２内の電力をバッテリ１００を充電するために用いており、またそのキャパシタ内の電力をリモートコントロール装置１４の動作に使用可能なようにしてもよい。二次電力回路６０は、充電のプロセスを監視し、誘導電源１２の動作パラメータを制御するために誘導電源１２へフィードバック信号を送信する。

二次電力回路６０は誘導電源１２により送信された接続確認パケットの存在下で「起動する（awakens）」。起動すると、二次電力回路６０は誘導電源１２に識別信号を返送する（２５２）。他の場所で記述されたように、二次電力回路１２は選択的に二次コイル６２に通信の負荷９８をかけることによりフィードバック信号を生成する。コントローラ８０は選択的にＦＥＴ９６をオープン及びクローズして、以下でより詳細に記述される通信プロトコルに従ったデータストリームを電磁場に生成する。図示された実施形態では、データはデータパケットにより誘導電源１２に送信される。データパケットを生成する前に、コントローラ８０は電荷蓄積キャパシタ７２を二次コイル６２から切断する。二次電力回路６０は、スイッチドライブサブ回路７８を通して電荷蓄積キャパシタ７２を切断する。コントローラ８０は、トランジスタ９０をクローズする信号を出力し、それにより電圧ブースターサブ回路７６の出力をグラウンドに落とし、その結果充電スイッチ６６をオープンする。オープンすると、電荷蓄積キャパシタ７２は実質的に二次コイル６２及び通信の負荷９８から絶縁される。充電スイッチ６６はデータパケットを送るのに十分な期間オープンの状態に保持される。データパケットが送られた後、充電スイッチ６６は再びクローズされ、電力が電荷蓄積キャパシタ７２に流れるようにする。上述したように、誘導電源１２は誘導電力の供給を始めることにより識別信号に応答する。

誘導電力の供給が行われている間、二次電力回路６０は、定期的に又は連続的に電荷蓄積キャパシタ７２の電圧を監視し（２５４）、定期的に又は連続的にキャパシタ７２に与えられる電流を監視する（２５６）。さらに具体的に言うと、電圧検知サブ回路７０は電荷蓄積キャパシタ７２の電圧を示す信号をコントローラ８０に供給する。検知された電圧が最大容量以上の場合（２５８）、二次電力回路６０は、電荷蓄積キャパシタ７２が完全に充電されたことを示すデータパケットを誘導電源１２に送り（２６０）、上記のように誘導電源に誘導電力の受け渡しを停止させ、接続確認状態に戻る。充電スイッチ６６は「完全に充電された」ことを示すデータパケットが送られる間オープンされる。検知された電圧が最大容量未満の場合、コントローラ８０は電流検知増幅サブ回路６８及び電圧検知サブ回路７０からの信号に基づいてキャパシタの充電電力を算出する（２６２）。電力が所望の充電電力以上の場合（２６４）、二次電力回路６０は電力が所望の値以上であることを示すデータパケットを誘導電源１２に送る（２６６）。この場合も充電スイッチはそのデータパケットが送られる間オープンされる。「充電電力にある」ことを示すデータパケットは以下で論じる通信方法に従って送られる。上述したように、誘導電源１２は誘導電源１２の動作周波数を増大させることによってこのデータパケットに応答する。これにより誘導電源１２は動作周波数を共振から遠ざけ、二次コイル６２に供給される電力を減少させる。二次電力回路６０は、算出された電力が所定の充電電力以上である限り「充電電力にある」ことを示す信号を定期的に送信し続ける。

充電電力が所望の閾値未満に落ちると、二次電力回路６０は「充電電力にある」ことを示す信号の送信を停止する。この信号がなくなると、誘導電源１２は一定期間ごとに繰り返して動作周波数を低減し始め、それにより再び所望の閾値に到達するまでキャパシタの充電電力を連続的に増大させる。理解され得るように、図示された実施形態の二次電力回路６０は、所望のキャパシタの充電電力を維持するように動作パラメータを調整することと、電荷蓄積キャパシタ７２が完全に充電されると誘導電力の受け渡しを停止することを誘導電源１２に指示するフィードバック信号を生成する。

図示された実施形態では、二次コイルに供給される電力はタンク回路３４へ供給される電力に係る動作周波数を調整することで変更される。必要なら、動作周波数の調整は電力を変更するための他の方法に置き換えてもよく、又は他の方法を加えてもよい。例えば、誘導電源は（動作周波数を変更することの代わりに又はそれに加えて）タンク回路３４に与えられる信号のデューティサイクルを変更することにより電力を制御するように構成されてもよい。周波数が一定の状態に保持される間、入力ＤＣ電圧レールを変更することもできる。

上記のように、図示された実施形態の二次電力回路６０は誘導電源１２の動作のある側面を制御するのに役立つ情報を誘導電源１２へ送る。本発明は、二次電力回路６０から誘導電源１２に情報を提供する能力を持つ基本的に任意の通信システムを用いることができる。図示された実施形態では、情報は電磁場に伝送されるフィードバック信号の形で送信される。これにより二次コイル６２から一次コイル１６に情報が通過できるようになり、それによって通信部品を追加する必要が取り除かれる。電磁場へ情報を組み込む方法はアプリケーションごとに変更してもよいが、図示された実施形態の通信システムは、デジタル二位相符号化（bi-phase encoding）及び後方散乱変調技術を用いる。本願では、データは二次電力回路６０によって後方散乱変調によりＲＦ界へ変調される。これは、通信サブ回路８２を通して二次コイル６２への比較的重い負荷（抵抗９８）の「オン」と「オフ」を変化させることにより実現することができる。この負荷の「オン」と「オフ」を変化させることは二次電力回路６０のインピーダンスの変化をもたらす。そしてその変化は反射インピーダンスにより一次コイル１６に伝えられる。反射インピーダンスにおけるこの変化はタンク回路３４内の電流の変化として誘導電源側で検知される。図７の領域１２０及び１２２により信号の振幅における増大が図示される。タンク回路３４内の電流を監視することにより、誘導電源１２は電磁場に伝送されたデータ信号を復調する。従って、通信サブ回路８２は二次電力回路６０から誘導電源１２へデータを送るために用いることができる振幅変調信号を生成する。

本発明はデータビットを符号化するための基本的に任意の方法を利用することができる。図示された実施形態では、二次電力回路６０はデータビットを生成するために差動二位相符号化技術を用いる。その技術は偏移（transition）に基づいており、全てのクロックエッジにおいてエッジが生じる。クロック周期の中心において偏移が有るか無いかによってデータビットが区別される。クロック周期の中心において偏移が生じるとデータビットは「１」になり、生じないとデータビットは「０」になる。符号化技術は偏移に基づくので「複数の０」及び「複数の１」と関係なく両極性がデータ変調に用いられる。データバイトは、標準の非同期のシリアルフォーマット（１ビットのスタートビット、８ビットのデータビット（ＬＳＢファースト）、１ビットの奇パリティビット、１ビットのストップビット）を用いて形式を合わせることができる。この実施形態では、スタートビットは「０」であり、ストップビットは「１」である。図８は、差動二位相符号化を用いて符号化されたデータの代表例である。図示された実施形態では、データはパケットフォーマットで二次電力回路６０から誘導電源１２へ送られる。パケットは、プリアンブル、ヘッダバイト、ペイロードバイト（オプショナル）及びチェックバイトで構成できる（図９を参照）。図９に示されるように各バイトは１１ビットで構成できる。この実施形態では、プリアンブルを含む完全なパケットの長さは最大３１バイトまでである。プリアンブルにより、誘導電源は入力データを同期させ、データの第１バイトのスタートビットを正確に判定することができる。この実施形態のプリアンブルは少なくとも３ビット（この場合、全て「１」）で構成すればよいが、この実施形態において、標準のＵＡＲＴが通信を駆動し、そのプリアンブルを送ることができる長さである１１ビットとしてもよい。ヘッダはパケットのタイプを定義するシングルバイトである。パケットタイプフィールドはそのパケットの長さを判定するために用いることができる。ペイロードはパケットを用いた通信の主要なデータを含む。パケットタイプはペイロードの内容及びサイズを指示することができる。受信したデータパケットを認証する方法として、パケットにチェックバイトを含むことができる。チェックバイトは、エラー検出を可能にするために全てのパケットの最後に付加することができる。チェックバイトは、ヘッダからペイロードの最後のバイトまでそのバイトを含む全てのバイトの「排他的論理和をとること」により生成することができる。図示された実施形態では、プリアンブルはチェックバイトの算出には含まれない。本発明は特定の通信システムに関して詳細に記述されるが、本発明は二次電力回路６０から誘導電源１２へのデータ通信に適した基本的に任意の通信システムを利用することができる。

幾つかのアプリケーションでは、通信システムは完全に取り除いてもよい。例えば、本発明は単純なアナログ回路で実装してもよい。そしてそのアナログ回路内の充電制御は二次電力回路内部だけで実行される。ここで図１２を参照すると、二次電力回路６０’のアナログ実装は、一般的に二次コイル６２’、ダイオード６４’（整流の目的で）、充電スイッチ６６’、電圧検知サブ回路７０’、電荷蓄積キャパシタ７２’、バッテリ１００’、充電回路１０２’を含むことができる。動作中、二次コイル６２’は誘導電源（図示せず）から誘導により電力を受ける。誘導された電力はダイオード６４’により整流される。整流された電力は充電スイッチ６６’の状態に応じて電荷蓄積キャパシタ７２’に与えることができる。充電スイッチ６６’は、電圧検知サブ回路７０’の動作を通じてオープンされ、クローズされる。電荷蓄積キャパシタ７２’が完全に充電されると、電圧検知サブ回路７０’は、充電スイッチ６６’をオープンして、二次コイル６２’から電荷蓄積キャパシタ７２’を実質的に切断する。電荷蓄積キャパシタ７２’が完全に充電されていなければ、電圧検知サブ回路７０’は充電スイッチ６６’をクローズして、さらなる充電を許可する。電荷蓄積キャパシタ７２’内の電力は充電回路１０２’を介してバッテリ１００’に与えられる。図示された実施形態では、充電回路１０２’は単に電荷蓄積キャパシタ７２’からバッテリ１００’への電気的接続である。

図１４Ａ−Ｂの回路図に二次電力回路の他の例示的実施形態が示される。その電気回路は図３Ａ−Ｂに示された二次電力回路に含まれるものと類似している。その回路の至るところに用いられている部品には幾つかの差異がある。例えば、マイクロプロセッサを用いた異なるＶＣＣレギュレータサブ回路７４’が、図３Ａ−Ｂの実施形態に用いられたＶＣＣレギュレータサブ回路に置き換えられる。さらに、異なるスイッチ部品が、例えば充電スイッチ６６’及びスイッチドライブサブ回路７８’など、回路の至るところで用いられる。幾つかの部品は二次電力回路内部の異なる場所に配置される。例えば、電流検知増幅サブ回路６８’は図１４Ａ−Ｂの実施形態においてウルトラキャパシタの反対側の端子に配置される。図１４Ａ−Ｂの実施形態では、二次電力回路から温度センサが取り除かれる。これらの差異は、大部分は特定のアプリケーションにおける設計上の選択及び最適化の結果である。異なる部品及び回路の配置は他の実施形態において適切なものとすることができる。

リモートコントロール装置１４に関連して記述されているが、本発明はバッテリ駆動の多種多様の電子デバイスに関連した使用によく適している。例えば、本発明はスマートフォン、携帯電話、メディアプレイヤー、携帯情報端末及び他の持ち運び可能な電子デバイスに組み込まれてもよい。また本発明は誘導により充電される植え込み型の医療機器に組み込まれてもよい。例えば、図１３Ａ−Ｄはバッテリ駆動の植え込み型の医療機器に組み込まれた本発明の一実施形態を示す。本発明は、人がバッテリ充電のために静止しなければならない時間の量を劇的に減少することができるので、特に植え込み型の医療機器のアプリケーションにおいて有益である。この実施形態の医療機器システム３００は、一般的に植え込み型の医療機器３０２（この場合、ペースメーカ）、携帯型の誘導電源３０４及び二次電力回路３０６を含む。前述の実施形態の通り、二次電力回路３０６は、二次コイル３０８、電荷蓄積キャパシタ３１０、充電回路（図示せず）及びバッテリ３１４を含んでもよい。二次コイル３０８は、外部の誘導電源から容易に誘導電力を受けることができる、肌の直下に位置することができる。動作中、携帯型のデバイス３０４は、組み込まれた電荷蓄積キャパシタ３１０を急速に充電するように利用者によって二次コイル３０８上に置かれる。電荷蓄積キャパシタ３１０内の電力は、バッテリ３１４を充電するため又は医療機器３０２に直接電力を供給するために用いることができる。必要なら、医療機器システム３００は通信システムを含んでもよい。

上記した記述は、発明の現在受け入れられている実施形態についての記述である。発明の精神及びより広い側面から逸脱することなく、様々な変更及び変化がなされ得る。

Claims (20)

1. ワイヤレス電力を供給する誘導電源と、
   前記誘導電源から分離可能なリモートデバイスと、を備え、
   前記リモートデバイスは、二次電力回路、電荷蓄積キャパシタ、充電サブ回路及びバッテリを有し、
   前記二次電力回路は、前記電荷蓄積キャパシタと電気的に接続され、
   前記二次電力回路は、前記誘導電源からワイヤレス電力を受け、前記電荷蓄積キャパシタを急速に充電するように構成され、
   前記充電サブ回路は、前記電荷蓄積キャパシタ及び前記バッテリと電気的に接続され、 前記充電サブ回路は、前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力で前記バッテリを充電するように構成される、ワイヤレス充電システム。
2. 前記充電サブ回路は、前記二次電力回路が前記誘導電源から離されたとき、前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力で前記バッテリを充電する能力を持つ、請求項１に記載のワイヤレス充電システム。
3. 前記リモートデバイスは、前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作する能力を持つ、請求項１に記載のワイヤレス充電システム。
4. 前記ワイヤレス充電システムは、前記二次電力回路に供給された電力が前記電荷蓄積キャパシタの充電に適切な範囲内であるとき、前記電荷蓄積キャパシタが完全に充電されたとき、及び前記電荷蓄積キャパシタが追加の充電を必要とするときのうちの少なくとも一つを伝達する通信システムを有する、請求項１に記載のワイヤレス充電システム。
5. 前記充電サブ回路は、前記バッテリが前記電荷蓄積キャパシタへ電力をリークすることを防ぐ、請求項１に記載のワイヤレス充電システム。
6. 前記充電サブ回路は、前記電荷蓄積キャパシタが所定の電圧に到達したことに応じて、前記二次電力回路から前記電荷蓄積キャパシタへの電流の経路をオープンするように構成される、請求項１に記載のワイヤレス充電システム。
7. 誘導電源からワイヤレス電力を受けるリモートデバイスであって、
   前記リモートデバイスは、
   ワイヤレス電力を受けるように構成された二次電力回路と、
   前記二次電力回路と電気的に接続される電荷蓄積キャパシタと、
   バッテリと、
   前記電荷蓄積キャパシタ及び前記バッテリと電気的に接続される充電サブ回路と、を備え、
   前記二次電力回路は前記電荷蓄積キャパシタを急速に充電するように構成され、
   前記充電サブ回路は、前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力で前記バッテリを充電するように構成される、リモートデバイス。
8. 前記リモートデバイスは、前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた電力を用いて動作する能力を持つ、請求項７に記載のリモートデバイス。
9. 前記リモートデバイスは、前記二次電力回路に供給された電力が前記電荷蓄積キャパシタの充電に適切な範囲内であるとき、前記電荷蓄積キャパシタが完全に充電されたとき、及び前記電荷蓄積キャパシタが追加の充電を必要とするときのうちの少なくとも一つを伝達する通信システムを有する、請求項７に記載のリモートデバイス。
10. 前記充電サブ回路は、前記バッテリが前記電荷蓄積キャパシタへ電力をリークすることを防ぐ、請求項７に記載のリモートデバイス。
11. 前記充電サブ回路は、前記電荷蓄積キャパシタが所定の電圧に到達したことに応じて、前記二次電力回路から前記電荷蓄積キャパシタへの電流の経路をオープンする充電スイッチを有する、請求項７に記載のリモートデバイス。
12. リモートデバイスのバッテリを急速に充電する方法であって、
    誘導電源で電磁場を生成し、
    二次電力回路内に電力を誘導するために前記二次電力回路をもつリモートデバイスを前記電磁場内に位置付け、
    前記誘導された電力で前記二次電力回路の電荷蓄積キャパシタを急速に充電し、
    前記電荷蓄積キャパシタに蓄えられた前記電力で前記リモートデバイスの前記バッテリを充電することを含む方法。
13. 前記二次電力回路から前記誘導電源へ充電情報を送り、
    前記二次電力回路から受けた前記充電情報に基づいて前記誘導電源の動作を調整することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記誘導電源の動作を調整することは、前記誘導電源の動作周波数、デューティサイクル及び入力レール電圧のうちの少なくとも一つを調整することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電荷蓄積キャパシタの所定の電圧への到達に応じて、前記二次電力回路から前記電荷蓄積キャパシタへの電流の経路をオープンするために充電スイッチをオープンすることを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記リモートデバイスが前記誘導電源から離された後でも、前記リモートデバイスの前記バッテリの充電が継続できる、請求項１２に記載の方法。
17. リモートデバイスのバッテリを急速に充電する方法であって、
    誘導電源からワイヤレスで電力を受け、
    前記誘導電源から受けたワイヤレス電力を用いて、電荷蓄積キャパシタを急速に電力で充電し、
    前記バッテリに適した速度により前記キャパシタに蓄えられた電力で前記リモートデバイスの前記バッテリを充電することを含む方法。
18. 前記リモートデバイスから前記誘導電源へ充電情報を送り、
    前記二次電力回路から受けた前記充電情報に基づいて前記誘導電源の動作を調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記誘導電源の動作を調整することは、前記誘導電源の動作周波数、デューティサイクル及び入力レール電圧のうちの少なくとも一つを調整することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電荷蓄積キャパシタの所定の電圧への到達に応じて、前記二次電力回路から前記電荷蓄積キャパシタへの電流の経路をオープンするために充電スイッチをオープンすることを含む、請求項１７に記載の方法。

Images