JP2018532369A - ３次元フェーズドコイルアレイを介する無線充電プラットフォーム - Google Patents

Abstract

電子デバイスを無線充電するための方法、システム、及びデバイスを開示する。一側面では、無線充電トランスミッタデバイスは、複数のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成し、コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に電磁界を方向付けるように構成されている。無線充電トランスミッタデバイスは、電磁エネルギを電気エネルギに変換する電子デバイスのレシーバコイルに電磁界を供給することによって、電子デバイスに電力を供給して、電子デバイスを無線充電する。【選択図】 図１

Description

優先権主張及び関連特許出願
本出願は、２０１５年９月１１日に出願された米国仮出願第６２／２１７，６６９号、発明の名称「WIRELESS CHARGING PLATFORMS VIA THREE-DIMENSIONAL PHASE COIL ARRAYS」の優先権及び利益を主張して、適切な時点で出願されたものである。

本出願は、無線充電技術を使用するシステム、デバイス、及びプロセスに関する。

無線充電技術は、電磁界を使用して、誘導結合に基づいて、２つ以上のデバイス間でエネルギを伝送する技術である。一方のデバイスは、電磁界を生成し、生成した電磁界の電力を送信する充電ステーション又はプラットフォームである。他方の１又は複数のデバイスは、共振誘導結合によって電磁力を受信し、受信した電磁エネルギを電気エネルギに変換し、これにより、レシーバデバイスが動作し又はその電源が充電される。

スマートフォン等の電子デバイス、及びマイクロボット等のロボットを充電するための無線電力伝送を提供するための技術、システム、及びデバイスを開示する。幾つかの側面では、ここに開示する技術は、トランスミッタデバイスによって、１つ以上のレシーバデバイスを無線充電すると共に、トランスミッタとレシーバとの間の深刻な角度のずれを克服することができる共振誘導無線電力システムを含む。ここに開示する技術は、静止した位置にある又は３次元空間内を移動中の複数のレシーバデバイスを同時に充電できる。

一側面として提供する無線電力システムは、２個以上のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成する無線充電トランスミッタデバイスを含み、コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に電磁界を方向付け、充電領域に３次元コイルアレイから電磁界を受け取るレシーバコイルを含ませることによって、電子デバイスを充電又は電子デバイスに電力供給するように構成されている。

他の側面として提供される方法は、デバイスを無線充電する方法であって、３次元フェーズドコイルアレイに配置された誘導コイルを含み、充電領域に集合的に電磁界を発生させ、少なくとも２つの誘導コイルが互いに垂直であり、互いに垂直又は鋭角の２つの電磁界を生成する充電トランスミッタデバイスを準備することと、３次元フェーズドコイルアレイに接続された調整可能なキャパシタネットワーク回路を動作させ、充電領域内で無線充電される機器の向き又は位置のずれに基づいて、インピーダンスを動的に調整し、３次元フェーズドコイルアレイから無線充電されるデバイスに伝達されるエネルギを増加させることと、を含む。

これらの側面及び他の側面、並びにこれらの実施形態は、図面、説明及び特許請求の範囲により詳細に記述されている。

ここに開示する技術の例示的な共振誘導無線電力システムのブロック図である。 本技術の３次元トランスミッタコイルアレイの例を示す図である。 本技術の３次元トランスミッタコイルアレイの例を示す図である。 本技術の３次元トランスミッタコイルアレイの例を示す図である。 本技術のトランスミッタコイルアレイの他の例を示す図である。 本技術のトランスミッタコイルアレイの他の例を示す図である。 ここに開示する技術の他の例示的な共振誘導無線電力システムのブロック図である。 例示的なデータ処理及び通信ユニットのブロック図である。 ここに開示する技術の共振誘導無線電力システムに結合される動的に調整可能なキャパシタネットワークの例を示す図である。 ここに開示する技術の共振誘導無線電力システムに結合される動的に調整可能なキャパシタネットワークの例を示す図である。 ここに開示する技術の共振誘導無線電力システムに結合される動的に調整可能なキャパシタネットワークの例を示す図である。 ここに開示する技術の携帯型無線充電トランスミッタデバイスの一例のブロック図である。 本技術のトランスミッタコイルアレイの他の例を示す図である。

無線電力伝送は、１８９３年にニコラ・テスラ（Nikola Tesla）が誘導コイルを使用することによって実証した。現在では、１又は複数の高品質Ｑコイルのコイル直径の２倍、３倍又は４倍のミッドレンジの距離範囲に届き、これらの抵抗に対して高い誘導リアクタンスを有し、優れたシステム効率（例えば、８０％超）を達成する誘導コイルに基づく共振誘導技術が開発されている。誘導コイルは、６．７８ＭＨｚ及び１３．５６ＭＨｚ等、産業科学医療用（International, Scientific, and Medical：ＩＳＭ）帯域を含む様々な周波数範囲で人間の組織を含む物体を通過でき、キロワット（ｋＷ）の範囲の電力レベルであっても、比吸収率（ＳＡＲ）及び電場がＦＣＣ規則を下回る電磁界を生成するように設計できる。しかしながら、電力を送信するためのこのような共振誘導技術の様々な具体例は、複数のデバイスを同時に充電することが困難であり、及びトランスミッタデバイスとレシーバデバイスのコイル間の角度のずれに対する感度が望ましくないといった欠点を有する傾向がある。

例えば、一部の無線充電設計では、レシーバデバイス（例えば、無線充電される電子デバイス）とトランスミッタデバイス（例えば、無線充電デバイス）との間の角度がずれると、レシーバデバイスが誘導結合を介して適切に電力を受信できないことがあり、したがって、適切に充電できないか、場合によっては、全く充電できないことがある。更に、共振誘導技術の特定の具体例では、トランスミッタコイルがレシーバコイルより遥かに大きくなければ、複数のデバイスを同時に充電することが困難である。

無線充電におけるこれら及び他の技術的問題のために、共振誘導技術に基づく様々な商用充電製品、例えば、様々な商用誘導性充電パッド製品等は、幾つかの側面で制約がある。既存の誘導充電パッドは、パッド上に置かれた電子デバイスを充電する薄いマット状の物体として構成されている。これらの誘導充電パッドは、殆どの場合、電源コンセントに完全に依存しており、充電距離は、非常に制限され、例えば、通常は、数センチメートルの範囲内である。更に、誘導性充電パッドは、インピーダンスマッチングネットワークを構築することが工学的に困難であるため、通常、非共振製品であり、したがって、電子デバイスの充電距離は、システム効率の著しい低下のために、パッドから最大約５ｃｍまでに制限される。

工学的な課題は、特に、レシーバが動いている間に、負荷全体の電力を最大化するインピーダンスマッチングネットワークを開発することである。このような課題の１つの例は、例えば、無線充電製品に対してスマートフォンが相対的に動く等、トランスミッタに対してレシーバが動き、角度位置又は距離が変化することによって生じるトランスミッタとレシーバの間の結合係数の変化に起因する充電の中断又は失敗を最小化又は排除することである。他の例は、スマートフォン内の充電式リチウムイオンバッテリ等のバッテリが充電されている場合に、異なる容量において発生することがあるレシーバの負荷の抵抗の変化の管理を含む。

多くの誘導充電パッドは、移動範囲が電源コードによって制限され、電源コードの制限のために携帯性を有さない。このような充電パッドは、ある場所から別の場所へ比較的容易に移動させることができるが、電子デバイスの同様な充電の用途を維持するには、限られた角度の平面上で、パッドが製品に接触し又は製品の非常に近くにある必要がある。このため、誘導充電パッドは、用途が非常に限定的で不便であり、様々な充電ニーズに対して実用的ではない。

例えば、モバイル又はウェアラブル通信デバイス（例えば、スマートフォン、タブレット、スマートグラス、スマートウォッチ）及びロボット（例えば、コンパクトサイズのマイクロボット）等の電子デバイスを充電するための無線電力伝送を提供する方法、システム、及びデバイスを開示する。幾つかの側面では、ここに開示する技術は、トランスミッタデバイスによって１つ以上のレシーバデバイスを無線充電すると共に、トランスミッタデバイスとレシーバデバイスとの間の深刻な角度のずれを克服できる共振誘導無線電力システムを提供する。ここに開示する技術は、静止した位置にある又は３次元空間内を移動している複数のレシーバデバイスを同時に充電できる。

幾つかの実施形態では、例えば、本技術に基づく共振誘導無線電力システムは、例えば、充電式バッテリ等の直流（ＤＣ）電源から電力を引き込み、特別なコイルを含むように構成された共振ＬＣタンクに電力を供給する増幅回路を含むトランスミッタデバイスを含む。トランスミッタデバイスのＬＣタンクは、電気信号を電磁波に変換し、これらは１又は複数のレシーバデバイス内の対応する共振ＬＣタンクに送信される。次に、用途がＤＣを必要とする場合、例えば、電子デバイス（例えば、スマートフォン）にＤＣ電力を供給する場合、レシーバは、例えば、ブリッジ整流器を介して、交流（ＡＣ）をＤＣに変換する。

ここに開示する技術の実施形態は、オープン無線充電システム及びクローズド無線充電システムに使用してもよい。例えば、「オープン」誘導充電システムでは、レシーバは、負荷が電力を受け取っている間、トランスミッタの外側であって、トランスミッタからの定義された半径内で、静止していてもよく、自由に動いていてもよい。充電半径は、個々のコイルの構成及び品質係数又はＱ値、共振周波数、電源、及びインピーダンスマッチングネットワークによって変化する。「クローズド」充電システムでは、例えば、レシーバは、負荷が電力を受け取っている間、トランスミッタ充電デバイスの内側で、静止していてもよく、自由に動いていてもよい。幾つかの状況では、「オープン」システム及び「クローズド」のシステムの違いは、トランスミッタコイルアレイとレシーバの位置の構成にある。

特に、「クローズド」システムは、交流（ＡＣ）電源から直接電力を引き出すように設計でき、例示的なシステムは、無線駆動のマイクロボットシステムである。この場合、システムは、電力がトランスミッタの共振ＬＣタンクに供給される前に、電力利得を必要とする場合もあれば、必要としない場合もある。

ここに開示する技術の例示的な実施形態
図１は、ここに開示する技術の例示的な共振誘導無線電力システム１００のブロック図である。システム１００は、無線充電（トランスミッタ）デバイス１１０及び電子（レシーバ）デバイス１２０を含む。レシーバデバイス１２０は、回路１２６に電気的に結合され、受信した電力を回路１２６に供給する１つ以上のレシーバコイル１２２を含む。幾つかの具体例では、例えば、回路１２６は、（例えば、電気エネルギを保存するバッテリ等の）充電回路、又はコイル１２２で電気エネルギに変換された電磁エネルギに基づいて、デバイス１２０に直接電力を供給するレギュレータ回路及び／又は降圧コンバータを含む。例えば、幾つかの具体例では、レシーバデバイス１２０は、コイル１２２で生成されたＡＣ電気エネルギをＤＣ電気エネルギに変換し、充電回路又はレギュレータ回路１２６に電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータを含む。

トランスミッタデバイス１１０は、レシーバデバイス１２０のレシーバコイル１２２に電磁エネルギを誘導的に送信するように構成されている複数の誘導コイルを含む３次元フェーズドコイルアレイ１１２と、これと電気的に接続された電源１１４とを含むことができる。電源１１４は、電源ケーブルによって電源コンセントに接続できるＡＣ電源、又は例えば、デバイス１１０内のバッテリ等のＤＣ電源を含むことができる。例えば、ＤＣ電源を含む具体例では、トランスミッタデバイス１１０は、３次元フェーズドコイルアレイ１１２に設けられ、ＤＣ電気エネルギをＡＣ電気エネルギに変換するＤＣ／ＡＣ変換器を含む。

トランスミッタデバイス１１０内の３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２は、３次元形式で構成された２つ以上の誘導コイルを含むことができる。これらのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状（surface spiral）の空芯コアコイル又はフェライトコアコイルであってもよい。３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２は、様々な幾何学的形状又は整形された形状の立体に構成でき、例えば、直方体又は立方体、球形、楕円又は他の湾曲した立体、螺旋状の立体、又は所望の他の形状に構成できる。３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２は、トランスミッタデバイス１１０全体の形状に統合できる所望の形状及び体積を有するように構成できる。例えば、３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２の構造により、トランスミッタデバイス１１０は、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上の複数の角度から電磁界を提供することによって、例えば、トランスミッタ及び／又はレシーバによる潜在的な位置ずれに起因する１又は複数のレシーバデバイス１２０の電磁誘導の減少を補償できる。トランスミッタデバイス１１０の無線充電動作の間、３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２は、共振誘導システムのための１又は複数のレシーバデバイス１２０の角度柔軟性を高める。３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２は、トランスミッタコイルアレイ１１２内に１又は複数のトランスミッタコイルを有し、各レシーバデバイス１２０における電磁界の強度及び方向を強化し、トランスミッタコイルとレシーバコイルとの間の角度アライメントが、望ましくない誘導結合条件である垂直に近づいても、効率的な無線電力伝送を維持することによって、１又は複数のレシーバデバイス１２０が自由な３６０度の動きを維持できるように設計されている。

ここに開示する技術による無線充電の具体例は、例えば、レーダ等におけるビームフォーミングに相当する。但し、ここに開示する無線充電システム技術では、無線信号の送受信の方向性を制御することに代えて、３次元コイルの位相角及び各トランスミッタコイルの信号の強度によって、共振誘導トランスミッタのための磁界の角度及び強度を制御する。

例えば、トランスミッタデバイスが空芯又はフェライトコアを有する単一の矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状のトランスミッタコイルを使用する場合、磁界の方向は、電子の流れに応じて、コイルに入る方向又はコイルから出る方向である。レシーバコイルは、２つのコイルが結合を開始し、磁界がレシーバに誘導されるように、トランスミッタコイルに十分近接して配置できる。しかしながら、レシーバコイルの向きが、単一のトランスミッタコイルの位置に対して９０度に近づくと、レシーバコイルの電磁誘導が著しく低減されるため、レシーバコイルは、単一のトランスミッタコイルと良好に結合しなくなる。すなわち、特にトランスミッタが静止しており、レシーバの角度位置が動く場合、トランスミッタに対するレシーバの角度位置のために、無線電力伝送プロセスが大幅に抑制される「デッドゾーン」又は領域が存在する。

ここに開示する技術の３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイは、そのコイルの少なくとも１つがトランスミッタとレシーバとの間の潜在的な角度アラインメントのずれを補償し、トランスミッタ及び／又はレシーバの位置に起因する潜在的な「デッドゾーン」の出現を防止する。

「オープン」システムを実現するシステム１００の実施形態では、例えば、３次元コイルアレイ１１２は、連続するコイルがそれぞれ他方の内側に形成されるように構成されている。図２Ａは、その一例を示しており、ここでは、３次元トランスミッタコイルアレイ２１２は、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上で互いに９０度位相をずらして配向されている３つの円形コイル、すなわち、ｘ軸に略垂直な平面内にあるｘ軸コイルと、ｙ軸に略垂直な平面内にあるｙ軸コイルと、ｚ軸に略垂直な平面内にあるｚ軸コイルとを含む。図２Ａに示すように、トランスミッタコイルアレイ２１２の３つの円形空芯コイルは、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上で、互いに垂直になるように配置されている。例えば、幾つかの実施形態では、アレイ内のコイルの数、及び互いの角度位置は、レシーバの角度位置がトランスミッタに対して変化する際にレシーバの電磁誘導を最大にするように変更できる。図２Ａの実施形態では、各コイルは、円形又は略円形のループ（例えば、楕円形のループ）である。図２Ｂは、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上で互いに９０度の位相差で配向され、それぞれが非円形又は楕円形である３つのコイルを含む３次元トランスミッタコイルアレイ２２２の他の例を示している。包括的に言えば、充電用途の特定の要件に基づいて、様々なコイル形状を使用できる。

「オープン」システムのための特別な種類の３次元フェーズドコイルアレイは、面螺旋３次元フェーズドコイルアレイ（surface spiral three-dimensional phased coil array）と呼ばれる。この種のアレイでも、各コイルは、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上で互いに９０度位相がずれているが、巻線が角度付きで巻かれているために、無線周波数における近接効果又は実効抵抗の上昇が実質的に軽減される。

交流電流が巻線等の近くの導体を通って流れる場合、導体内の電流の分布が制約されることがある。この制約効果は、近接効果と呼ばれ、通常、周波数が高くなるにつれて、実効抵抗が高くなり、これは、無線周波数帯のアンテナ設計技術者にとって大きな課題となっている。

３次元フェーズドコイルアレイの各トランスミッタコイルは、様々な適切な形状の金属等の導電材料又は他の適切な導電性材料を含むことができる。例えば、コイルは、コイル内の駆動電流によって所望の電磁界を生成する複数のループを含むことができる。また、コイル用の導体は、様々な形状にすることができる。図２Ｃは、導体材料が螺旋状であり、例えば、図６及び図７に示すような、螺旋状の導体を流れる電流を誘導するコイル駆動回路への接続のために、螺旋の２つの端部が図示のようにギャップによって分離されている螺旋状の導体コイルの一例を示している。誘電体材料又は他の絶縁材料から、螺旋状の導体を支える支持構造を形成してもよく、支持構造は、螺旋形状又は他の何らかの適切な形状であってもよい。幾つかの設計では、導体自体が所望の螺旋形状を維持できる場合、このような支持構造は不要である。このような面螺旋状３次元フェーズドコイルアレイでは、アレイ内の各アンテナの巻線は、導体の各巻線をより多くの電流が流れ、近接効果を減少させるように、互いに所望の角度で巻いてもよい。例えば、図２Ｃでは、巻線は、互いに対して約１２０度の角度を形成する角度で、３回巻かれている。この例では、わずか４０μｍの厚さとわずか６インチの直径で、高周波（ＨＦ）範囲において、ＣＳＴシミュレーションでＱ値が約７００であり、そのサイズとＲＦ帯域を考慮すれば、無線充電用途のための高効率で理想的な共振器が実現されている。アンテナアレイ内の各コイルに面螺旋技術を使用することにより、ここに開示する技術に基づく３次元フェーズドコイルアレイにおけるコイルの磁界のエネルギ強度を増加又は最大化できる。ここに開示する技術を実施するにあたり、上述及び他の面螺旋設計を様々なコイルに適用できる。

「クローズド」システムを実現するシステム１００の実施形態では、例えば、３次元コイルアレイ１１２は、無線充電製品又はトランスミッタデバイス１１０の内部に構築され、この構造の内部で動き又は静止しているレシーバデバイス１２０の電磁誘導を最大にする。３次元トランスミッタコイルアレイ１１２は、トランスミッタデバイス１１０の表面領域がアレイ１１２のトランスミッタコイルで覆われ、又はトランスミッタの所望の部分に対するレシーバの電磁誘導を最大にする３次元位置に配置されるように構成される。例えば、構造内のコイルの形状、位置、及び数は、製品内の領域が、（１又は複数の）レシーバの角度ずれ及び位置ずれを補償する必要があるかに応じて、変更できる。

３次元トランスミッタコイルアレイ１１２の「クローズド」システム構成の一例を示す図３では、５コイル３次元トランスミッタコイルアレイ３１２は、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上で、互いに位置決め及び配置された５個の楕円形空芯コイルを含む。コイルアレイ３１２は、（図３ではｙ軸コイル１として示されている）第１の楕円形空芯コイルがｙ軸平面上でアレイの上部領域に配置され、（図３ではｙ軸コイル２として示されている）第２の楕円形空芯コイルがｙ軸平面上で、アレイの底部領域に、上部領域のコイルと平行に配置されるように構成されている。（図３ではｘ軸コイル１として示されている）第３の楕円形空芯コイルは、ｘ軸平面上でアレイの第１の側部領域に配置され、（図３ではｘ軸コイル２として示されている）第４の楕円形空芯コイルは、ｘ軸平面上でアレイの第２の側部領域に、第１の側部領域のコイルと平行に配置されている。また、（図３では２軸コイルとして示されている）第５の楕円形空芯コイルは、コイルアレイ３１２を水平に横切るように延び、第１及び第２のコイル、並びに第３及び第４のコイルに垂直となるように構成されている。

この実施形態の応用例では、トランスミッタデバイス１１０内に５個の楕円形トランスミッタコイルアレイ３１２が構成され、自動車、飛行機、列車又は他の乗り物等、充電のための所望の場所又は空間の内部に電力を無線で供給でき、これにより、運転者又は乗客のスマートフォン等の１又は複数のレシーバデバイス１２０は、本技術の共振誘導無線充電システムを利用することによって、効率的にデバイスを充電しながら乗り物内を自由に動くことができる。自動車にこの設計を適用する具体例として、５個の楕円形トランスミッタコイルアレイ３１２は、自動車において、第１の楕円形空芯コイルが、前部座席から後部座席までの直径に亘って車両のルーフに配置され、第２の楕円形空芯コイルが略同じ直径距離に亘って車両のフロアに配置され、第３の楕円形空芯コイルが２つのドアのうち右側のドアに亘って配置され、第４の楕円形空芯コイルが左側で略同じ距離に亘って配置され、第５の楕円形空芯コイルは、車両を縦断するように水平に延び、ルーフのコイルとフロアのコイルと垂直になる（例えば、フロントドアとバックドアの間に配置される）ように構成できる。

システム１００の別の具体例では、トランスミッタデバイス１１０の６つの側面の全てに組み込まれた矩形の空芯コイルを含み、マイクロボットが３次元平面上を移動しても、構造の各セクション全体に亘って、マイクロボットを無線充電できる矩形のマイクロボットのための無線充電システムを提供できる。

図４は、３次元トランスミッタコイルアレイ１１２の「クローズド」システム構成の他の例を示しており、ここでは、ｘ、ｙ、ｚ軸平面上に互いに位置決め及び配置された６つの矩形空芯コイルを含む６コイル３次元トランスミッタコイルアレイ４１２が示されている。コイルアレイ４１２は、（図４ではｚ軸コイル２として示されている）第１の矩形空芯コイルがｚ軸（又はｘ−ｙ）平面上でアレイの頂部領域に配置され、（図４ではｚ軸コイル１として示されている）第２の矩形空芯コイルがｚ軸平面上でアレイの底部領域に、上部領域のコイルと平行に配置されるように構成されている。（図４ではｙ軸コイル１として示されている）第３の矩形空芯コイルは、ｙ軸（又はｘ−ｚ）平面上でアレイの第１の側部領域に配置され、（図４のｙ軸コイル２として示されている）第４の矩形空芯コイルは、ｙ軸平面上で、アレイの第２の側部領域に、第１の側部領域コイルと平行に配置されている。第３の側部領域にある（図４ではｘ軸コイル１として示されている）第５の矩形空芯コイルは、ｘ軸（又はｙ−ｚ）平面上で、第１、第２、第３、第４の矩形コイルの交差部において、水平に延びるように、第１、第２、第３及び第４のコイルに垂直に配置されている。第４の側部領域にある（図４ではｘ軸コイル２として示されている）第６の矩形空芯コイルは、第３の側部についてアレイ４１２の反対側において、ｘ軸平面上で、第１、第２、第３、第４の矩形コイルの交差部において、水平に延びるように配置されている。

この実施形態の適用例では、６つの矩形トランスミッタコイルを有するアレイ４１２は、トランスミッタデバイス１１０内に構成され、マイクロボットを無線充電できる。マイクロボットが、動作中に共振誘導充電プラットフォームを利用できる場合、このようなマイクロボットの基礎となる機能性は、大幅に拡大する可能性がある。例えば、一定の無線充電によりマイクロボットに大きな電力を蓄える必要がないことによって、このようなマイクロボットを非常に小さいサイズに維持でき、同時に、３次元プリンタと同様に、トランスミッタ内部で、マイクロボット自体を再利用可能な３次元構造に組み立て及び／又はコンパイルすることができ、この場合、サイズを正確にシミュレートするのみでなく、重量と多色構造をシミュレートすることができ、これにより、より正確で再利用可能なプロットタイピングが可能になる。また、本技術の「クローズド」システムの実施形態のこの例では、無線充電の間、「オープン」システムのようにシステムの外部ではなく、トランスミッタデバイス１１０の内部に位置するレシーバデバイス（例えば、マイクロボット）のために、コイルを異なる配置及び位置でｘ、ｙ、ｚ軸平面上に維持する。

図５Ａは、ここに開示する技術の他の例示的な共振誘導無線電力システム５００のブロック図を示している。システム５００は、それぞれが、トランスミッタデバイス１１０及びレシーバデバイス１２０と同様に構成され、更にデータ処理及び通信ユニットを含む無線充電（トランスミッタ）デバイス５１０及び電子（受信）デバイス５２０を含む。レシーバデバイス５２０は、回路１２６と通信するデータ処理及び通信ユニット５２６を含む。トランスミッタデバイス５１０は、制御回路５１８と通信し、電源１１４から３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２に供給される電力を制御するデータ処理及び通信ユニット５１６を含む。また、制御回路５１８は、３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２に電力が供給される際、トランスミッタデバイス５１０の動作周波数及び／又はマッチングネットワークを制御することもできる。

データ処理及び通信ユニット５１６及び／又は５２６の例示的な実施形態を図５Ｂに示す。データ処理及び通信ユニット５１６、５２６は、データを処理するためのプロセッサ５０１（例えば、中央処理デバイス（ＣＰＵ）又はマイクロコントローラ）と、プロセッサ５０１と通信してデータを格納及び／又はバッファリングするメモリ５０２とを含む。データ処理及び通信ユニット５１６、５２６は、プロセッサ５０１と通信し、コンピュータと他のコンピュータ及びコンピュータシステム、又は外部インタフェース、データ記憶デバイスのソース、又は表示デバイス等との通信のための典型的なデータ通信規格と互換性を有する有線及び／又は無線インタフェースを提供する入出力（Ｉ／Ｏ）ユニット５０３（通信インタフェースとも呼ばれる）を含む。例えば、メモリ５０２は、プロセッサが実行可能なコードを格納することができ、これは、プロセッサ５０１によって実行されると、データ処理及び通信ユニット５１６、５２６を構成して様々な動作を実行させ、これらの動作は、情報、コマンド、及び／又はデータを受信すること、情報及びデータを処理すること、別のエンティティ又はユーザに情報／データを送信又は提供することを含む。例えば、Ｉ／Ｏユニット５０３は、以下に限定されるものではないが、ユニバーサルシリアルバス（Universal Serial Bus：ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ１３９４（Ｆｉｒｅｗｉｒｅ）、ブルートゥース（登録商標）、低電力ブルートゥース（登録商標）（Bluetooth（登録商標） Low Energy：ＢＬＥ）、ジグビー（ZigBee）、ＩＥＥＥ８０２．１１（Ｗｉ−Ｆｉ）、無線ローカルエリアネットワーク（Wireless Local Area Network：ＷＬＡＮ）、無線パーソナルエリアネットワーク（Wireless Personal Area Network：ＷＰＡＮ）、無線ワイドエリアネットワーク（ＷＷＡＮ０、ＷｉＭＡＸ、ＩＥＥＥ８０２．１６（ＷｉＭＡＸ：Worldwide Interoperability for Microwave Access））、３Ｇ／４Ｇ／５Ｇ／ＬＴＥセルラ通信方式、並びにパラレルインタフェース等を含む１又は複数の標準通信インタフェースを使用して、有線又は無線通信を提供するトランシーバを含むことができる。

レシーバの結合係数の変化に対応して動的に調整を行うために、フィードバックシステムを実装することにより、一貫した効率的な無線電力伝送を維持できる。ここに開示する誘導充電技術を実施する際、トランスミッタとレシーバが近づくと、結合係数及びインピーダンスが高まり、トランスミッタへの反射電力が増加し、システム効率が低下する。一方、距離が増加し、インピーダンスがゼロに近づくと、大きな電流が誘導され、クラスＤ又はクラスＥ増幅器構成のトランジスタ等を含む送信回路に損傷が生じる可能性がある。幾つかの具体例では、トランスミッタは、３次元フェーズドコイルアレイにキャパシタネットワークを組み合わせ、共振周波数をシフトさせることなく、３次元空間におけるインピーダンスを動的に変更することによって、負荷に供給される電力を最大にし、ユニットの安全な動作を保証する。これは、アレイ内の個々のコイルが独立したフィードバックシステムを有する場合に特に効果的である。

図６は、変更されるデバイスの位置又は向きに基づいて、キャパシタネットワークを動作させ、無線充電デバイスにおいて所望の調整可能なインピーダンスマッチングを提供するプロセッサ又はマイクロコントローラベースのフィードバック制御の例を示している。この例では、充電デバイスに電力を供給する電源は、電力増幅器を含んでいてもよく、電力増幅器は、方向性結合器又は他の受動波形反射／電流／電圧／電力監視デバイスに接続され、方向性結合器は、制御フィードバックループの一部として、アナログ信号サンプルをアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）ユニットに供給する。キャパシタネットワークは、方向性結合器と、例えば、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４及び図１０の例に示すようなコイルアレイ内の複数のトランスミッタコイルのうちの１つであるトランスミッタコイルとの間に接続される。図６に示すように、トランスミッタコイルは、被充電デバイスのレシーバコイルに電磁結合され、トランスミッタコイルから充電デバイスのＬＣネットワークの負荷である被充電デバイスに導かれる電力の一部は、反射によって戻り、この反射信号の一部は、キャパシタネットワークから方向性結合器への信号によって表すことができ、この信号は、方向性結合器によって制御フィードバックループ内のＡＤＣユニットに供給される。ＡＤＣユニットは、方向性結合器からのアナログ信号サンプルを受信及び処理し、トランスミッタコイルからの反射信号における電力変動の情報を搬送するデジタル監視信号を生成し、この信号は、トランスミッタコイルと、被充電デバイスのレシーバコイルとの間のインピーダンスマッチング条件を表す。この情報は、マイクロコントローラユニット（microcontroller unit：ＭＣＵ）又はマイクロプロセッサに送信され、マイクロコントローラユニット又はマイクロプロセッサは、トランスミッタへの反射電力の潜在的な変化を調整するアルゴリズムに基づいて、ネットワーク内のキャパシタの値を選択する。ＭＣＵは、フィードバック制御信号に基づいて、キャパシタネットワーク内のスイッチを動作させて、所望のインピーダンスを達成するための、キャパシタネットワークへのフィードバック制御信号を生成する。このプロセスは、デバイスの充電動作中に、オンザフライで実行してもよく、リアルタイムで実行してもよい。コストを考慮して、この調整動作のために同じＡＤＣユニットとＭＣＵを共有する複数の独立したサブシステムを使用してもよい。例えば、シフトレジスタを使用してもよく、これにより、ＭＣＵ上でより多くのピンが利用可能になる。

図６に示す例において、キャパシタネットワークは、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）を介して、トランスミッタコイル（Ｌ）への並列及び直列の共振キャパシタンスラインを変更することによって、反射インピーダンスの変化を補償するように構成されている。図７は、キャパシタＣ_１１〜Ｃ_ｘｙを有するキャパシタネットワークの例を示しており、ここで、Ｃ_ｘｙは、ネットワークの最後のキャパシタであり、各キャパシタを並列又は直列のいずれかのラインに配置できる双方向スイッチは、アーチ状の双方向矢印で表されている。このような双方向スイッチの例は、電気機械スイッチ、機械スイッチ、又は純粋な電気スイッチを含む。スイッチは、ネットワーク内の個々のキャパシタの接続を並列又は直列のいずれかに変更し、トランスミッタデバイスのインピーダンスマッチング条件を変更し、充電動作を最適化するように操作される。双方向スイッチを使用して、各キャパシタを２つの構成のうちの１つに配置するので、ネットワーク内のキャパシタの数をＮとして、２^Ｎ個の潜在的に異なる組み合わせがある。例えば、ネットワーク内に７つのキャパシタがある場合、キャパシタンスの可能な組合せ又はステップは、２^７、すなわち、１２８である。

図８は、Ｌと共振するＣ（ｓ）及びＣ（ｐ）ラインを示しており、ここで、Ｃ（ｓ）又は直列ラインは、Ｌと直列であり、Ｃ（ｐ）又は並列ラインは、Ｌと並列である。Ｃ（ｓ）＋Ｃ（ｐ）は一定であるため、Ｌを励起する総合的な共振キャパシタンスは変化しないが、ネットワーク内のキャパシタの独立した組み合わせによって、並列ラインと直列ラインの値のみが変化するため、共振周波数が同じに維持されたまま、トランスミッタのインピーダンスが変化する。

上述のキャパシタネットワークは、共振周波数を一定に維持しながら、トランスミッタのインピーダンスを動的に変更できる。実際的な具体例は、更なる考慮事項に基づいて設計することができる。例えば、ネットワーク内のキャパシタは、増幅回路の後段でＬＣタンク内で共振するため、スイッチ間の電圧が望ましくないスパイクを発生させ（例えば、１００ボルトを超え）、スイッチを通過する電流も、例えば、低電力充電システムの場合には数アンペアである所望の高電流制限を超えてしまうことがある。更に、ネットワークが効果的に動作するためには、スイッチの寄生容量は、小さくなければならず、充電システムが効率的に動作するためには、スイッチの寄生抵抗も低くなければならない。このため、スイッチデバイスの選択は、安全で効率的で効果的な充電システムの設計及び動作のために重要である。

図１に示すレシーバデバイス１２０又は図５に示すレシーバデバイス５２０は、無線充電（トランスミッタ）デバイスによって生成される電磁界を、レシーバデバイス１２０、５２０内の１又は複数のコイルにおいて受信し、この受信は、レシーバからトランスミッタへの位置又は角度距離が様々な異なる位置又は角度距離にあるときに、キャパシタネットワークを調整することによってエネルギ伝達効率を最大化できる。具体的には、レシーバの実施形態は、伝送されるエネルギを搬送するＡＣ信号を受信するＬＣタンクを含むことができ、変換回路、例えば、ブリッジ整流器を使用して、変換を行い、平滑バイパスキャパシタを使用して、変換されたＤＣ信号を更に調整する変換回路によって、受信したＡＣ信号をＤＣ信号に変換するように動作できる。ＬＣタンクとブリッジ整流器との間には、虚数抵抗を除去し、高調波歪みを低減するＬＣ又はＰｉマッチングネットワークが配置される。次に、ＤＣ信号は、電圧レギュレータによって、特定の電圧、例えば、モバイル用途の場合、５ボルトに調整され、電子デバイスに供給される。電圧レギュレータ及びレシーバアンテナのサイズは、用途に応じて変更できる。

「オープン」又は「クローズド」システムの幾つかの具体例では、例えば、トランスミッタデバイス１１０の潜在的に制限されたバッテリ容量を維持するために、同時に動作するレシーバの数が制限されることがある。例えば、バッテリを含む又はＡＣ電源（例えば、壁のコンセント等）に接続されていない「オープン」システムトランスミッタを備えた携帯型無線充電製品では、電源は、トランスミッタに内蔵されている充電式バッテリの現在の容量に制限される。このため、充電デバイスから、過剰な数の被充電デバイスに限られたエネルギを分散させて多数のデバイスを緩やかに充電するのではなく、単一のデバイス又は限られた数のデバイスをより迅速かつ効率的に充電することが望ましい場合がある。例えば、ユーザは、低電力ブルートゥース（登録商標）（Bluetooth（登録商標） Low Energy：ＢＬＥ）等の通信インタフェースを使用し、ユーザインタフェースを介して、どのデバイスを充電するか、及びそのデバイスを充電する期間を制御できる。例えば、モバイルデバイスを充電する場合、モバイルユーザは、モバイルデバイス上のモバイルアプリケーションを使用して、ブルートゥース（登録商標）を介して、どのレシーバデバイスを充電するべきか、及びどのようにキャパシタマトリックスを調整して充電を強化又は最大化するかを充電デバイストランスミッタに通知できる。

例えば、幾つかの具体例では、トランスミッタの近くにある、ユーザが充電を望まないレシーバについては、（制御回路５１８の）機械的スイッチ又は電気的スイッチ、例えば、プロセッサ５０１（例えば、マイクロコントローラ）によって制御されるＮＰＮバイポーラトランジスタによって、開回路を形成でき、これにより、反射インピーダンスが誤って変更されて、インピーダンスマッチングネットワークの変化に影響を与えることがなくなる。

例えば、自動車無線充電システムのような用途では、電気自動車の製造業者は、他の機能のためのバッテリ容量を確保するために、無線充電システムが使用できる電力量に制限を設けることにより高い関心を有する場合がある。例えば、幾つの及びどのような種類のデバイスが同時に動作できるかについて、暗黙的な制約があることがあり、この場合、限られた数のレシーバについて開回路を形成するオプションは、ユーザの好みではなく、必然的に選択される。また、「オープン」システムの場合、マッチングネットワークは、複数のレシーバの動作効率の最低レベルを満たすように最適化できない可能性がある。また、前述のように、トランスミッタコイルがレシーバコイルよりも顕著に大きくない場合、共振誘導技術は、複数のデバイスを同時に充電することが困難であることがある。例えば、「オープン」システムの充電半径内の複数のレシーバの効果的なエネルギ伝送について、トランスミッタに対するこれらの位置のために、マッチングネットワークを最適化できない場合、トランスミッタの領域内のレシーバの数を制限する能力は、その動作にとって不可欠である場合がある。

「オープン」システムは、壁のコンセント、又は内蔵のＤＣ電源の電力よりも大きな電力レベルの電源に接続されたとき、トランスミッタの出力電力及び充電半径が増加することがある。例えば、ここに開示する技術の幾つかの具体例では、「オープン」システムは、無線周波数（ＲＦ）ハーベスティング及び／又は共振誘導充電を介して無線充電可能なように設計でき、この場合、「オープン」無線充電製品は、他の無線充電プラットフォームに対するレシーバとして機能し、無線充電プラットフォームは、例えば、その製品又は共振誘導自転車システム（resonant inductive bicycle systems）用にカスタム設計された誘導充電パッドであってもよい。一例では、共振誘導自転車システムは、自転車に取り付けられた発電機を含むことができ、この発電機は、自転車に乗るユーザの機械エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギは、更に、電気エネルギを電磁波に変換する共振ＬＣタンクに供給する前に増幅してもよい。これは、次に、例えば、携帯型無線充電システム等の「オープン」無線充電製品内の対応するＬＣタンクに送られ、ＤＣ電源を再充電する。ユーザが背負うバックパックの底部は、自転車の荷台の近くに位置する可能性が高いため、共振誘導自転車製品を後輪に取り付け、例えば、ユーザのバックパック内の携帯型無線充電プラットフォームを再充電し、これにより、３次元フェーズドコイルアレイを利用して、自由に動くユーザのデバイスを再充電できる。要約すると、「オープン」システムは、ルータに相当する役割を果たすが、この場合、データではなく電力を送信し、ルータの半径を大きくするように設計でき、並びにそのために設計されている複数のモデムによって充電できる。

トランスミッタデバイスが３次元コイルアレイ、ＤＣ電源、及びプリント回路基板（ＰＣＢ）を含む「オープン」システムの幾つかの具体例では、トランスミッタデバイス（例えば、デバイス１１０、５１０）のパッケージング設計は、携帯式共振誘導充電プロセスの実現のための重要な考慮事項である。例えば、コイルの直径は、共振誘導システムが達成する充電距離に強く相関しているため、トランスミッタとレシーバとの間の有意な距離で、電磁界がレシーバに到達するように、携帯型無線充電プラットフォームのコイルは、十分に大きく構成される。更に、レシーバの角度柔軟性を達成するために、トランスミッタコイルは、ここに開示する技術に基づいて、３次元構造に配置できる。しかしながら、トランスミッタデバイス全体内のトランスミッタ構成要素（例えば、電源及び／又はコンバータ、ＰＣＢを含む制御回路等）の配置、並びにトランスミッタデバイスのフォームファクタが、レシーバデバイスによる共振誘導結合の有効性及び効率に影響を及ぼす可能性がある。本技術の例示的な３次元コイルアレイ構成により、他のトランスミッタ構成要素（例えば、電源及び／又はコンバータ、ＰＣＢを含む制御回路等）は、全体的に又は部分的に３次元コイルアレイの内部に配置することもでき、これにより、トランスミッタデバイスの携帯性が高まる。

例えば、高電力密度充電池をコイルアレイに隣接して配置すると、トランスミッタデバイス製品は、サイズがかなり大きくなる可能性があり、並びに形状が潜在的に異なる及び／又はより制約される可能性がある。携帯型無線充電システムの場合、製品の寸法を最小にすることは、望まれる用途にとって重要な考慮事項である。例えば、トランスミッタが大きすぎて手提げかばん、ブックバッグ、小物入れ等の入れ物に入らない場合、及びポータブル用途で使用するには大きすぎる場合、無線充電製品の意図される用途が狭くなり、利便性が低下する可能性がある。

図９は、ここに開示する技術の携帯型無線充電トランスミッタデバイス９００の一例のブロック図である。トランスミッタデバイス９００は、電源１１４、データ処理及び通信ユニット５１６、及び制御回路５１８を全体的又は部分的に収容する３次元フェーズドトランスミッタコイルアレイ１１２を収納するハウジング９１４を有する。この例示的な実施形態では、トランスミッタ構成要素は、コイルアーキテクチャ内に配置され、製品の寸法が最小化され、したがって、３次元コイルアレイが製品のサイズの主要な決定要因となる。一方、「クローズド」システムでは、コイルアレイ及びＰＣＢをトランスミッタデバイスの内部に直接的に製造することが有利である場合がある。「クローズド」システム用のトランスミッタデバイスのパッケージング設計に関しては、トランスミッタデバイスの内部で、コイルアレイ内にトランスミッタ構成要素が配置されることは重要ではない。

ここに開示する技術の幾つかの特徴は、一例として、以下の１つ以上を含むことができる。システム１００は、アレイ１１２内の各コイルに対して別々の駆動コイル及び共振コイルを有することができる。レシーバデバイス１２０は、単一の共振コイル又はコイルのアレイ、例えば、コイルアレイ１１２を含むことができる。レシーバデバイス１２０は、用途に応じて角度の柔軟性を更に高めるために、２次元又は３次元コイル構造、例えば、３次元ループコイル又は垂直に配置された双極子コイル等を含むことができる。トランスミッタデバイス１１０は、個々のコイル毎に異なる共振周波数を有するコイルアレイを有することができ、レシーバデバイス１２０は、対応する共振周波数を有するコイルアレイを有することができる。

例えば、「オープン」システムの場合、トランスミッタデバイス１１０は、３次元コイルアレイの代わりに、単一の矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコイルと共に、１つのコイルを３次元平面上に移動させるアクチュエータ及び／又は他のモータを有していてもよい。

幾つかの具体例では、トランスミッタデバイス１１０は、コイルアレイ１１２への電力供給及びインピーダンスマッチングネットワークの変更を制御する別個のシステム、例えば、ジャイロスコープ及び加速度計にアクセスすることによってレシーバの位置の変化をトランスミッタに知らせ、方向性結合器等のパワースニッファ（power sniffer）を介して、これらのコイルのインピーダンスマッチングネットワークを変更する低電力ブルートゥース（登録商標）等の様々な無線通信インタフェースを有していてもよい。

本技術の幾つかの実施形態では、３次元フェーズドコイルアレイにおけるコイルの構成は、互いに鋭角を形成するように配置できる。幾つかの実施形態では、例えば、幾つかのコイルは、互いに垂直であってもよく、他のコイルは、鋭角を形成するように構成してもよい。

図１０は、互いに鋭角及び垂直の角度を形成し、互いに交差するように配置された４つの円形空芯コイルを含む本技術の３次元フェーズドコイルアレイ１０００の一例を示している。コイルアレイ１０００は、この図においてｙ−ｚ平面上に配置されている第１のコイル１０１０（ｘ軸コイルとも呼ぶ）と、ｘ−ｙ平面上に配置されている第２のコイル１０２０（ｚ軸コイルとも呼ぶ）とを含む。第１のコイル１０１０と第２のコイル１０２０とは、互いに垂直になるように配置されている。コイルアレイ１０００は、ｘ軸コイル１０１０及びｚ軸コイル１０２０に対して鋭角に配置された、図中では、鋭角コイル１０３１として示されているい第３のコイル１０３０を含む。また、コイルアレイ１０００は、第４のコイルとして、ｘ軸コイル１０１０及びｚ軸コイル１０２０に対して配置された鋭角コイル１０３２を含む。鋭角コイル１０３１及び鋭角コイル１０３２は、互いに鋭角を形成するように配置してもよく、互いに垂直となるように配置してもよい。コイルアレイ１０００は、レシーバデバイスをトランスミッタデバイスから無線充電する共振誘導結合のためのレシーバコイルへの送信電磁界の方向に影響を与える更なるコイルを有していてもよい。幾つかの具体例では、例えば、コイルアレイ１０００は、「オープン」システムトランスミッタデバイス内に実装してもよい。

ここに開示する技術の例示的な応用例
世界のバッテリ充電器市場は、約１２０億ドルと推定されており、そのなかでも主に無線充電の分野の需要が高まっている。この分野は、スマートフォン及び／又はタブレット等の電子機器を無線充電することを意図する全てのソリューションを含み、その市場は、現在、約２０億ドルであるが、今後数年間に約７０億ドルに成長すると期待されている。

現在、どの回路が最も効率的で、充電に便利であるかについては、多くの意見の不一致があり、市場は、分断されている。このため、過去のＶＨＳ対ベータマックスの規格争いと同様に、「Ｑｉ」と「ＡｉｒＦｕｅｌ」（旧称Ａ４ＷＰ）と呼ばれる２つの主要な規格が市場を分断している。主な問題は、各規格が異なる周波数及び集積回路（ＩＣ）を使用し、一方の規格のレシーバを他方の規格の製品と一緒に使用する場合に、互換性がない点である。一方の規格が他方の規格を打ち負かせば、２つの規格が最終的に１つになるという意見もあるが、多くの製品が一方の規格の周波数に高度に調整されているため、多くの企業にとって、他方の規格を採用することは、困難を伴う。したがって、新しい無線充電製品を製造する前に、何らかの規格を選択すること自体が困難であり、市場が鋭く分断され、多くの家電メーカは、特定の基準のみに依存することに消極的である。

既存の誘導充電パッドデバイスは、典型的には、単にパッド上に電子デバイスを置くだけで、スマートフォン及びタブレットを充電する薄いパッド状の物体である。誘導充電パッドデバイスは、レストランや空港等の場所に普遍的に設置できる汎用製品として想定されている。しかしながら、注目すべき点として、これらの既存のデバイスは、複数のデバイスを効果的又は効率的に充電することができず、過熱の問題を抱え、独立しておらず（例えば、略全てがコンセントに完全に依存しているため、可搬性がない）、充電するべき電子デバイスの配置の柔軟性がなく、無線によるユーザの制御及び／又はカスタマイズを提供できないといった問題がある。

ここに開示する技術は、例えば、スマートフォン、及びマイクロボット等のロボット等の電子デバイスを充電するための無線電力伝送を提供し、３次元フェーズドコイルアレイを含むトランスミッタデバイスによって、１つ以上のレシーバデバイスを無線充電できる。ここに開示するトランスミッタデバイスは、トランスミッタデバイスとレシーバデバイスとの間の深刻な角度のずれを克服して、１又は複数のレシーバデバイスを無線充電でき、並びに静止する又は３次元空間内を移動する複数のレシーバデバイスを同時に充電できる。

実施例
以下の実施例は、本技術の幾つかの実施形態を例示するものである。本技術の他の例示的な実施形態は、以下にリストする実施例の前に、又は以下にリストする実施例の後に示す実施形態も含まれる。

本技術の一例（実施例１）では、無線電力システムは、複数のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成する無線充電トランスミッタデバイスを備え、コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に電磁界を方向付け、充電領域に３次元コイルアレイから電磁界を受け取るレシーバコイルを含ませることによって、電子デバイスを充電し又は電子デバイスに電力供給するように構成されている。

実施例２は、実施例１のシステムを含み、３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されている。

実施例３は、実施例１のシステムを含み、３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に電磁界を方向付けるように動作可能である。

実施例４は、実施例１のシステムを含み、３次元コイルアレイは、それぞれｘ軸平面、ｙ軸平面、ｚ軸平面上に互いに位相が９０度ずれて配置されている３つの円形コイルを含むように構成されている。

実施例５は、実施例１のシステムを含み、３次元コイルアレイは、５個の楕円形空芯コイルを含むように構成され、楕円形空芯コイルは、ｙ軸平面上でコイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの底部領域に、第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、ｘ軸平面上でアレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、ｘ軸平面上でアレイの第２の側部領域に、第３のコイルと平行に配置された第４のコイルとを備え、第１及び第２のコイルは、第３及び第４のコイルに対して垂直であり、第５のコイルは、コイルアレイを横切って水平に延び、第１、第２、第３及び第４のコイルに垂直である。

実施例６は、実施例１のシステムを含み、３次元コイルアレイは、６個の矩形空芯コイルを含むように構成され、矩形空芯コイルは、ｚ軸平面上でコイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、ｚ軸平面上でアレイの底部領域に、第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの第２の側部領域に、第３のコイルと平行に配置された第４のコイルと、ｘ軸平面上で第３の側部領域に、第１、第２、第３及び第４のコイルの部分の第１の交差部において、水平に延びるように配置されている第５のコイルと、第３の側部領域に関してアレイの反対側であるｘ軸平面上の第４の側部領域に、第１、第２、第３及び第４のコイルの別の部分の第２の交差部において、水平に延びるように配置されている第６のコイルとを備える。

実施例７は、実施例１のシステムを含み、トランスミッタデバイスは、３次元コイルアレイのコイルの複数の角度から電磁界を送ることによって、トランスミッタデバイス又はレシーバデバイスによる位置シフト中に、レシーバコイルにおいて電磁誘導を生じさせるように動作可能である。

実施例８は、実施例１のシステムを含み、トランスミッタデバイスは、１又は複数のコイルが磁界の強度及び方向を強化することによって、レシーバデバイスの３６０度の自由な動きを許容しながら、レシーバコイルにおいて電磁誘導を生じさせるように動作可能である。

実施例９は、実施例１のシステムを含み、電源は、ＡＣ電源である。

実施例１０は、実施例１のシステムを含み、電源は、ＤＣ電源であり、無線充電トランスミッタデバイスは、更に、ＤＣ電気エネルギを、３次元コイルアレイに供給されるＡＣ電気エネルギに変換するＤＣ／ＡＣ変換器を含む。

本技術の一実施例（実施例１１）では、無線充電トランスミッタデバイスは、電源と、電源に電気的に接続され、２個以上のコイルを含むように構成され、電磁界を生成する３次元コイルアレイであって、コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、電磁界を方向付ける３次元コイルアレイとを備え、電子デバイスのレシーバコイルに電磁界を供給し、電磁エネルギを電気エネルギに変換して電子デバイスに電力を供給することによって電子デバイスを無線充電する。

実施例１２は、実施例１１のデバイスを含み、３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されている。

実施例１３は、実施例１１のデバイスを含み、３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に電磁界を方向付けるように動作可能である。

実施例１４は、実施例１１のデバイスを含み、３次元コイルアレイは、それぞれｘ軸平面、ｙ軸平面、ｚ軸平面上に互いに位相が９０度ずれて配置されている３つの円形コイルを含むように構成されている。

実施例１５は、実施例１１のデバイスを含み、３次元コイルアレイは、５個の楕円形空芯コイルを含むように構成されており、ｙ軸平面上でコイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの底部領域に、第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、ｘ軸平面上でアレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、ｘ軸平面上でアレイの第２の側部領域に、第３のコイルと平行に配置された第４のコイルとを備え、第１及び第２のコイルは、第３及び第４のコイルに対して垂直であり、第５のコイルは、コイルアレイを横切って水平に延び、第１、第２、第３及び第４のコイルに垂直である。

実施例１６は、実施例１１のデバイスを含み、３次元コイルアレイは、６個の矩形空芯コイルを含むように構成されており、ｚ軸平面上でコイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、ｚ軸平面上でアレイの底部領域に、第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、ｙ軸平面上でアレイの第２の側部領域に、第３のコイルと平行に配置された第４のコイルと、ｘ軸平面上で第３の側部領域に、第１、第２、第３及び第４のコイルの部分の第１の交差部において、水平に延びるように配置されている第５のコイルと、第３の側部領域に関してアレイの反対側であるｘ軸平面上の第４の側部領域に、第１、第２、第３及び第４のコイルの別の部分の第２の交差部において、水平に延びるように配置されている第６のコイルとを備える。

実施例１７は、実施例１１のデバイスを含み、電源から３次元コイルアレイに供給される電力を制御する回路を更に備える。

実施例１８は、実施例１７のデバイスを含み、制御回路は、３次元コイルアレイに電力が供給されている間、動作周波数を制御し又はデバイスのマッチングネットワークを提供するように動作可能である。

実施例１９は、実施例１７のデバイスを含み、電源及び回路は、全体的に又は少なくとも部分的に、デバイスの３次元コイルアレイ内に収容されている。

本技術の一例（実施例２０）では、無線電力システムは、２個以上のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成する無線充電トランスミッタデバイスを備え、コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに鋭角を形成し又は垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に電磁界を方向付け、充電領域に３次元コイルアレイから電磁界を受け取るレシーバコイルを含ませることによって、電子デバイスを充電し又は電子デバイスに電力供給するように構成されている。

実施例２１は、実施例２０のシステムを含み、３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されている。

実施例２２は、実施例２０のシステムを含み、３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に電磁界を方向付けるように動作可能である。

本明細書に開示した主題の具体例及び機能的動作、例えば様々なモジュールは、デジタル電子回路で実現してもよく、本明細書に開示した構造及びこれらの構造的な均等物を含むコンピュータソフトウェア、ファームウェア又はハードウェアで実現してもよく、これらの１つ以上の組合せで実現してもよい。ここに開示した主題の具体例は、１つ以上のコンピュータプログラム製品、例えば、実体がある不揮発性の媒体内に符号化され、データ処理ユニットによって実行され、又はデータ処理ユニットの動作を制御するコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュールとして実現することもできる。コンピュータが読取可能な媒体は、機械可読のストレージデバイス、機械可読のストレージ基板、メモリデバイス、機械可読の伝播信号に作用する組成物又はこれらの１つ以上の組合せであってもよい。用語「データ処理ユニット」は、データを処理するための全ての装置、デバイス及び機械を包含し、一例としてプログラミング可能なプロセッサ、コンピュータ、複数のプロセッサ又はコンピュータがこれに含まれる。装置は、ハードウェアに加えて、当該コンピュータプログラムの実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェアを構成するコード、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム又はこれらの１つ以上の組合せを含むことができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト又はコードとも呼ばれる。）は、コンパイラ言語又はインタープリタ言語を含む如何なる形式のプログラミング言語で書いてもよく、例えば、スタンドアロンプログラムとして、若しくはモジュール、コンポーネント、サブルーチン又は演算環境での使用に適する他のユニットとして、如何なる形式で展開してもよい。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応していなくてもよい。プログラムは、他のプログラム又はデータを含むファイル（例えば、マークアップ言語文書内に保存された１つ以上のスクリプト）の一部に保存してもよく、当該プログラムに専用の単一のファイルに保存してもよく、連携する複数のファイル（例えば、モジュール、サブプログラム又はコードの一部を保存する１つ以上のファイル）に保存してもよい。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で実行されるように展開してもよく、１つの場所に設けられた又は複数の場所に亘って分散され、通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で実行されるように展開してもよい。

本明細書に開示したプロセス及びロジックフローは、入力データを処理し、出力を生成することによって機能を実現する１つ以上のコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラミング可能なプロセッサによって実現してもよい。プロセス及びロジックフローは、例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field programmable gate array：ＦＰＧＡ）又は特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit：ＡＳＩＣ）等の専用論理回路等として実現できる装置によって実行してもよい。

コンピュータプログラムの実行に適するプロセッサには、一例として、汎用マイクロプロセッサ及び専用マイクロプロセッサの両方、例えば、デジタルシグナルプロセッサ（digital signal processor：ＤＳＰ）並びにあらゆる種類のデジタルコンピュータの１つ以上のプロセッサのいずれかを含ませてもよい。プロセッサは、通常、読出専用メモリ若しくはランダムアクセスメモリ、又はこれらの両方から命令及びデータを受け取る。コンピュータの基本的な要素は、命令を実行するプロセッサと、命令及びデータを保存する１つ以上のメモリデバイスである。また、コンピュータは、通常、データを保存するための１つ以上の大容量記憶装置、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク又は光ディスクを含み、若しくは、大容量記憶装置からデータを受信し、大容量記憶装置にデータを送信し、又はこの両方の動作を行うように大容量記憶装置に動作的に接続されている。但し、コンピュータは、必ずしもこのような装置を有する必要はない。コンピュータプログラム命令及びデータの格納に適するコンピュータ可読媒体には、一例として挙げれば、半導体記憶デバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュメモリデバイスを含む全ての形式の不揮発性メモリが含まれる。プロセッサ及びメモリは、専用論理回路によって補ってもよく、専用論理回路に組み込んでもよい。

なお、本明細書に記載する実施形態及び具体例は、図面とともに、例示的なものであり、ここで、例示的とは、単なる例を意味する。ここで使用する、不定冠詞及び定冠詞が付された単数名詞は、文脈によって特に指定がない限り、複数も包含するものとする。更に、ここで使用する「又は」は、文脈によって特に指定がない限り、「及び／又は」を含み得るものとする。

本明細書は、多くの詳細事項を含んでいるが、これらの詳細事項は、特許請求している又は特許請求することができる本発明の範囲を限定するものとは解釈されず、本発明の特定の実施形態の特定の特徴の記述として解釈される。本明細書において、別個の実施形態の文脈で開示した幾つかの特徴を組み合わせて、単一の実施形態として実現してもよい。逆に、単一の実施形態の文脈で開示した様々な特徴は、複数の実施形態に別個に具現化してもよく、適切な如何なる部分的組合せとして具現化してもよい。更に、以上では、幾つかの特徴を、ある組合せで機能するものと説明しているが、初期的には、そのように特許請求している場合であっても、特許請求された組合せからの１つ以上の特徴は、幾つかの場合、組合せから除外でき、特許請求された組合せは、部分的組合せ又は部分的な組合せの変形に変更してもよい。

同様に、図面では、動作を特定の順序で示しているが、このような動作は、所望の結果を達成するために、図示した特定の順序又は順次的な順序で行う必要はなく、また、図示した全ての動作を行う必要もない。更に、上述した実施形態における様々なシステムのコンポーネントの分離は、全ての実施形態においてこのような分離が必要であることを意図してはいない。

幾つかの具体例及び実施例のみを開示したが、この特許文献に記述し例示した内容に基づいて、他の具体例、拡張例及び変形例を想到することができる。

Claims (30)

1. 無線電力システムであって、
   複数のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、前記３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成する無線充電トランスミッタデバイスを備え、
   前記コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に前記電磁界を方向付け、前記充電領域に前記３次元コイルアレイから前記電磁界を受け取るレシーバコイルを含ませることによって、前記電子デバイスを充電し又は前記電子デバイスに電力供給するように構成されているシステム。
2. 請求項１において、
   前記３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されているシステム。
3. 請求項１において、
   前記３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、前記コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に前記電磁界を方向付けるように動作可能であるシステム。
4. 請求項１において、
   前記３次元コイルアレイは、それぞれｘ軸平面、ｙ軸平面、ｚ軸平面上に互いに位相が９０度ずれて配置されている３つの円形コイルを含むように構成されているシステム。
5. 請求項１において、
   前記３次元コイルアレイは、一組の楕円形空芯コイルを含むように構成され、
   前記楕円形空芯コイルは、
   前記ｙ軸平面上で前記コイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、
   前記ｙ軸平面上で前記アレイの底部領域に、前記第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、
   前記ｘ軸平面上で前記アレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、
   前記ｘ軸平面上で前記アレイの第２の側部領域に、前記第３のコイルと平行に配置された第４のコイルと、を備え、
   前記第１及び第２のコイルは、前記第３及び第４のコイルに対して垂直であり、第５のコイルは、前記コイルアレイを横切って水平に延び、前記第１、第２、第３及び第４のコイルに垂直であるシステム。
6. 請求項１において、
   前記３次元コイルアレイは、一組の矩形空芯コイルを含むように構成され、
   前記矩形空芯コイルは、
   前記ｚ軸平面上で前記コイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、
   前記ｚ軸平面上で前記アレイの底部領域に、前記第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、
   前記ｙ軸平面上で前記アレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、
   前記ｙ軸平面上で前記アレイの第２の側部領域に、前記第３のコイルと平行に配置された第４のコイルと、
   前記ｘ軸平面上で第３の側部領域に、前記第１、第２、第３及び第４のコイルの部分の第１の交差部において、水平に延びるように配置されている第５のコイルと、
   前記第３の側部領域に関して前記アレイの反対側である前記ｘ軸平面上の第４の側部領域に、前記第１、第２、第３及び第４のコイルの別の部分の第２の交差部において、水平に延びるように配置されている第６のコイルと、
   を備えるシステム。
7. 請求項１において、
   前記トランスミッタデバイスは、前記３次元コイルアレイのコイルの複数の角度から電磁界を送ることによって、前記トランスミッタデバイス又は前記レシーバデバイスによる位置シフト中に、前記レシーバコイルにおいて電磁誘導を生じさせるように動作可能であるシステム。
8. 請求項１において、
   前記トランスミッタデバイスは、前記１又は複数のコイルが磁界の強度及び方向を強化することによって、前記レシーバデバイスの３６０度の自由な動きを許容しながら、前記レシーバコイルにおいて電磁誘導を生じさせるように動作可能であるシステム。
9. 請求項１において、
   前記電源は、ＡＣ電源であるシステム。
10. 請求項１において、
    前記電源は、ＤＣ電源であり、
    前記無線充電トランスミッタデバイスは、更に、ＤＣ電気エネルギを、前記３次元コイルアレイに供給されるＡＣ電気エネルギに変換するＤＣ／ＡＣ変換器を含むシステム。
11. 請求項１において、
    前記電源と前記３次元コイルアレイとの間に接続された調整可能なキャパシタネットワーク回路を更に備え、
    前記調整可能なキャパシタネットワーク回路は、キャパシタ及びスイッチを含み、前記ネットワーク内で同一の総合的なキャパシタンスを維持しながら、前記ネットワーク内の個々のキャパシタの前記スイッチを制御することによって、インピーダンスを調整可能に変化させるシステム。
12. 請求項１１において、
    前記調整可能なキャパシタネットワーク回路に接続され、前記３次元コイルアレイのコイルからの反射信号の変化に応答して、前記スイッチを制御し、前記インピーダンスを調整可能に変化させる制御回路を更に備えるシステム。
13. 請求項１において、
    前記３次元コイルアレイ内のコイルは、螺旋形状を有するシステム。
14. 無線充電トランスミッタデバイスであって、
    電源と、
    前記電源に電気的に接続され、２個以上のコイルを含むように構成され、電磁界を生成する３次元コイルアレイであって、前記コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに垂直であり、前記電磁界を方向付ける３次元コイルアレイと、を備え、
    電子デバイスのレシーバコイルに電磁界を供給し、前記電磁エネルギを電気エネルギに変換して電子デバイスに電力を供給することによって前記電子デバイスを無線充電する無線充電トランスミッタデバイス。
15. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されているデバイス。
16. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、前記コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に前記電磁界を方向付けるように動作可能であるデバイス。
17. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイは、それぞれｘ軸平面、ｙ軸平面、ｚ軸平面上に互いに位相が９０度ずれて配置されている３つの円形コイルを含むように構成されているデバイス。
18. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイは、５個の楕円形空芯コイルを含むように構成されており、前記ｙ軸平面上で前記コイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、前記ｙ軸平面上で前記アレイの底部領域に、前記第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、前記ｘ軸平面上で前記アレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、前記ｘ軸平面上で前記アレイの第２の側部領域に、前記第３のコイルと平行に配置された第４のコイルとを備え、前記第１及び第２のコイルは、前記第３及び第４のコイルに対して垂直であり、第５のコイルは、前記コイルアレイを横切って水平に延び、前記第１、第２、第３及び第４のコイルに垂直であるデバイス。
19. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイは、６個の矩形空芯コイルを含むように構成されており、前記ｚ軸平面上で前記コイルアレイの頂部領域に配置された第１のコイルと、前記ｚ軸平面上で前記アレイの底部領域に、前記第１のコイルと平行に配置された第２のコイルと、前記ｙ軸平面上で前記アレイの第１の側部領域に配置された第３のコイルと、前記ｙ軸平面上で前記アレイの第２の側部領域に、前記第３のコイルと平行に配置された第４のコイルと、前記ｘ軸平面上で第３の側部領域に、前記第１、第２、第３及び第４のコイルの部分の第１の交差部において、水平に延びるように配置されている第５のコイルと、前記第３の側部領域に関して前記アレイの反対側である前記ｘ軸平面上の第４の側部領域に、前記第１、第２、第３及び第４のコイルの別の部分の第２の交差部において、水平に延びるように配置されている第６のコイルとを備えるデバイス。
20. 請求項１４において、
    前記電源から前記３次元コイルアレイに供給される電力を制御する回路を更に備えるデバイス。
21. 請求項２０において、
    前記制御回路は、前記３次元コイルアレイに電力が供給されている間、動作周波数を制御し又はデバイスのマッチングネットワークを提供するように動作可能であるデバイス。
22. 請求項２０において、
    前記電源及び前記回路は、全体的に又は少なくとも部分的に、前記デバイスの３次元コイルアレイ内に収容されているデバイス。
23. 請求項１４において、
    前記３次元コイルアレイ内のコイルは、螺旋形状を有するデバイス。
24. 無線電力システムであって、
    ２個以上のコイルを含むように構成された３次元コイルアレイに電気的に接続された電源を含み、前記３次元コイルアレイから発生される電磁界を生成する無線充電トランスミッタデバイスを備え、
    前記コイルは、少なくとも２つのコイルが互いに鋭角を形成し又は垂直であり、電子デバイスを無線充電できる充電領域に前記電磁界を方向付け、前記充電領域に前記３次元コイルアレイから前記電磁界を受け取るレシーバコイルを含ませることによって、前記電子デバイスを充電し又は前記電子デバイスに電力供給するように構成されているシステム。
25. 請求項２４において、
    前記３次元コイルアレイのコイルは、矩形、楕円形、円形、又は面螺旋状の空芯又はフェライトコアコイルを含むように構成されているシステム。
26. 請求項２４において、
    前記３次元コイルアレイは、コイルを流れる電子の流れに応じて生成される磁界に基づいて、前記コイルアレイのコイルに入る又はコイルから出る方向に前記電磁界を方向付けるように動作可能であるシステム。
27. デバイスを無線充電する方法であって、
    ３次元フェーズドコイルアレイに配置された誘導コイルを含み、充電領域に集合的に電磁界を発生させ、前記少なくとも２つの誘導コイルが互いに垂直であり、互いに垂直又は鋭角の２つの電磁界を生成する充電トランスミッタデバイスを準備することと、
    前記３次元フェーズドコイルアレイに接続された調整可能なキャパシタネットワーク回路を動作させ、前記充電領域内で無線充電される機器の向き又は位置のずれに基づいて、インピーダンスを動的に調整し、前記３次元フェーズドコイルアレイから前記無線充電されるデバイスに伝達されるエネルギを増加させることと、
    を含む方法。
28. 請求項２７において、
    前記調整可能なキャパシタネットワーク回路は、キャパシタと、キャパシタに結合されたスイッチとを含み、
    前記方法は、前記スイッチを制御して、同じ共振周波数を維持しながら、前記ネットワーク内の個々のキャパシタの接続を変更して、前記インピーダンスを動的に調整することを含む方法。
29. 請求項２７において、
    前記誘導コイルと、前記無線充電されるデバイス内のレシーバコイルとの間の電磁結合に関連して、前記３次元フェーズドコイルアレイ内の少なくとも１つの誘導コイルの電力伝送の変化を監視することと、
    前記変化に応答して前記調整可能なキャパシタネットワーク回路のインピーダンスを動的に調整することと、
    を含む方法。
30. 請求項２９において、
    前記インピーダンスは、前記無線充電されるデバイスへの電力伝送を増加させるように調整される方法。

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