JP2022515589A - 無線電力伝送のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

電力伝送装置は、電力伝送時間間隔およびオブジェクト検出時間間隔を含む反復時間フレームを使用する電磁電力伝送信号を使用して電力伝送を行う電力送信機201または電力受信機205である。電力伝送回路303, 307は、電力伝送時間間隔中に電力伝送信号を受信または生成する電力伝送コイル203, 207を備える。通信機315, 323は、電磁通信信号を介して他の装置と通信する。通信共振回路317, 321は、電磁通信信号を送信または受信するための通信アンテナ319, 325を備える。通信中、通信共振回路317, 321は、通信機315, 323に第1共振周波数での共振を与える。コントローラ333, 335は、オブジェクト検出時間間隔の間、第1共振周波数での共振を通信機に提供しないように通信共振回路を適合させる。このアプローチは、スマートカード（例えばNFCカード）のような共振オブジェクトの改善された検出を提供し得る。

Description

本発明は無線電力伝送に関し、特に、例えば台所用品をサポートするための高電力レベル電力伝送に関する（但しそれに限られない）。

現在のほとんどの電気製品は外部電源から電力を供給するために、専用の電気接点を必要とする。しかしながら、これは、非実用的である傾向があり、ユーザが物理的にコネクタを挿入するか、さもなければ物理的な電気的接触を確立することを必要とする。典型的には、電力要件も大きく異なり、現在のところ、ほとんどの装置には専用の電源が提供されており、その結果、典型的なユーザは、各電源が特定の装置専用である多数の異なる電源を有することになる。しかし、内蔵バッテリの使用は使用中に電源への有線接続の必要性を回避し得るが、これはバッテリがの再充電(または交換)を必要とするため、部分的な解決策を提供するに過ぎない。また、バッテリを使用することは、装置の重量および潜在的なコストおよびサイズを実質的に増大させ得る。

著しく改善されたユーザ体験を提供するために、電力が電力送信装置内の送信機コイルから、個々の装置内の受信機コイルに誘導伝送される無線電源を使用することが提案される。

磁気誘導を介した電力伝送はよく知られた概念であり、大部分は、一次送信機インダクタ/コイルと二次受信機コイルとの間の密結合を有する変圧器に適用される。一次送信機コイルと二次受信機コイルを二つの装置間で分離することにより、これらの間の無線電力伝送が疎結合変圧器の原理に基づいて可能になる。

このような構成は、有線または物理的な電気接続を行う必要なく、装置への無線電力伝送を可能にする。実際、外部から再充電または電力を供給するために、単に、送信機コイルに隣接してまたはその上に装置を配置することができる。例えば、電力送信機は、電力を供給するために装置を単に配置することができる水平面を有するように構成されることができる。

さらに、そのような無線電力伝送構成は、電力送信機がある範囲の電力受信装置と共に使用され得るように有利に設計され得る。特に、Qi規格として知られる無線電力伝送アプローチが定義され、現在さらに開発されている。このアプローチは、Qi規格を満たす電力送信機装置が同じ製造業者からのものである必要も、互いに専用である必要もなく、Qi規格を満たす電力受信機装置と共に使用されることを可能にする。Qi規格は、特定の電力受信装置に動作を適合させることを可能にするためのいくつかの機能をさらに含んでいる(例えば、特定の電力ドレインに依存する)。

Qi規格は、ワイヤレスパワーコンソーシアムによって開発され、より詳細な情報は例えば、それらのウェブサイト(http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html)に見出すことができ、特に、定義された仕様書を見出すことができる。

効率的な無線電力伝送をサポートするために、Qiベースのシステムのような無線電力伝送システムは、電力送信機と電力受信機との間の実質的な通信を利用する。当初、Qiは電力伝送信号の負荷変調を用いた電力受信機から電力送信機への通信のみをサポートした。しかしながら、規格の開発は双方向通信を導入し、多くの機能が電力受信機と電力送信機の間の通信交換によってサポートされている。多くのシステムにおいて、電力送信機から電力受信機への通信は、電力伝送信号を変調することによって達成される。しかし、電力伝送信号に依存せず、変調される搬送波として電力伝送信号を用いない通信機能を用いることも提案されている。例えば、電力送信機と電力受信機との間の通信は、RFID/NFC通信アプローチのような短距離通信システムによって達成され得る。

別個の通信アプローチを使用することは、多くの状況において、改善されたパフォーマンスを提供することができ、例えば、より高い通信信頼性と、進行中の電力伝送に対する影響を低減し、より速い通信を提供することができる。

Qiのような電力伝送システムでは、必要なレベルの電力を電力受信機に伝達するために生成される電磁界がしばしば非常に大きい。このような強い磁場の存在は、多くの状況において、周囲に影響を及ぼし得る。例えば、無線電力伝送に伴う潜在的な問題は、電力が例えば、偶然に電力送信機の近傍にある金属物体に意図せずに伝送される可能性があることである。

そのようなシナリオが生じるリスクを低減するために、電力送信機が異物の存在を検出し、正の検出が発生したときに、送信電力を低減し、および/またはユーザ警報を生成することができる異物検出を導入することが提案されている。例えば、Qiシステムは異物を検出し、異物が検出された場合に電力を低減する機能を含む。具体的には、Qi規格バージョン1.2.1のセクション11には異物を検出する様々な方法が記載されている。

このような異物を検出する1つの方法が、国際公開第2015018868号公報に開示されている。別の例は、未知の電力損失を決定することに基づくアプローチを開示する国際公開第2012127335号公報に提供される。このアプローチでは、電力受信機と電力送信機の両方がそれらの電力を測定し、受信機はその測定された受信電力を電力送信機に通信する。電力送信機が送信機によって送信された電力と受信機によって受信された電力との間の著しい差を検出すると、望ましくない異物が存在する可能性があり、電力伝送は、安全上の理由で低減または中止されることができる。この電力損失方法は、電力送信機と電力受信機とによって実行される同期された正確な電力測定を必要とする。

例えば、Qi電力伝送規格において、電力受信機は、例えば、整流された電圧および電流を測定し、それらを乗算し、電力受信機における内部電力損失（例えば、整流器、受信機コイル、受信機の一部である金属部分などの損失）の推定値を加えることによって、その受信電力を推定する。電力受信機は最小レート、例えば4秒毎に、決定された受信電力を電力送信機に報告する。

電力送信機は例えば、インバータのDC入力電圧及び電流を測定し、それらを乗算し、例えば、インバータ、一次コイル及び電力送信機の一部である金属部分などにおける推定電力損失のような、送信機における内部電力損失の推定値を差し引くことにより、その結果を補正することにより、その送信電力を推定する。

電力送信機は、報告された受信電力を送信電力から減算することにより、電力損失を推定することができる。この差が閾値を超える場合、送信機は過剰な電力が異物で消費されたと仮定し、その後、電力伝送を終了するように進むことができる。

あるいは、一次コイルおよび二次コイルによって形成される共振回路の品質またはQ値を、対応するキャパシタンスおよび抵抗と共に測定することが提案されている。測定されたQ値の減少は、異物が存在することを示すことができる。

実際には、Qi規格書に記載された方法を用いて十分な検出精度を達成することは困難である傾向がある。

特定の問題は、スマートカード及び例えばNFCカードのような類似のアイテムの検出であると識別されている。

非接触スマートカードは、典型的には、リーダの同調アンテナと受信機の共振回路との間の電磁結合を用いた非接触通信用の小型装置である。多くの状況において、スマートカードは、共振回路に誘導された信号によって給電される受動デバイスである。これにより、安価なカードを製造し、様々なリーダと共に使用することが可能になる。しばしば、スマートカードは、非接触認証情報として使用され、クレジットカードサイズである傾向がある。

典型的には、埋め込み集積回路（チップ）は、特に近距離無線通信（NFC）を使用するなど、適切なプロトコル/規格を介して、データを記憶（および時には処理）し、リーダと通信することができる。一般的な使用には、交通チケット、銀行カードおよびパスポートが含まれる。

図1の例によって図示されるように、NFCスマートカード101は、典型的には、アンテナコイルL、同調キャパシタC、整流器103、及びキャパシタC及びコイルLによって形成された共振回路によって抽出された信号によって電力供給されるNFCチップ105を電気的に備えることができる。ほとんどの場合、スマートカードの並列共振は、13.56MHzの共振周波数に同調される。

図1はまた、スマートカードに記憶されたデータを読み取るためのNFCリーダ107の簡略化されたモデルを示す。NFCリーダは、通常、13.56MHzの共振周波数で同調されるNFCリーダ集積回路109およびNFCアンテナ111を備える。スマートカード101がNFCリーダ107の近くに持ち込まれると、アンテナコイルLはNFCリーダ107からの13.56MHz磁場に曝され、NFCチップ105はVccピンを介して電源を投入する。いったん起動すると、スマートカード内のNFCチップ105は、負荷変調によって自身のVccを変調することができ、それによって、データをNFCリーダ107に送り返すことができる。スマートカード内のNFCチップの起動と、NFCリーダへの情報の返送との間の時間は、典型的には約30～50m秒の範囲内である。

このようなカードは、無線電力伝送のための多くの典型的な使用環境（例えば家庭）において非常に普及しており、ほぼ至る所にあるため、そして強い電磁界の存在に対するこのようなカードの感度のために、そのようなカードの検出は、特に重要であることが分かっている。事実、多くのシナリオにおいて、特により高い電力レベルでの伝送のためのような、多くの無線電力伝送システムで採用されている電磁界強度は、潜在的にカードを損傷する可能性があることが見出されている。たとえ、その磁界の周波数が13.56MHzの共振周波数と大きく異なる場合であっても、強いAC磁界に曝されると、スマートカードが損傷する可能性があることが分かっている。例えば、20～200kHzのオーダーの強いAC磁場が、図1のアンテナコイルLに曝される場合、整流された電圧Vccが高すぎて、NFCチップ101を破壊する可能性がある。さらに、カードを損傷するのに必要な時間は（もちろん、スマートカードが曝されるAC磁界のレベルによるが）、30～50m秒よりもはるかに短い可能性がある。これは、スマートカード内部のNFCチップが強いAC磁場によって破壊され得ることを意味する。

同時に、従来の異物検出アプローチを用いてこのようなカードを検出することは、それらが典型的には比較的少量の金属しか含まないので、特に困難であることが見出されている。これにより、十分に高い検出の精度と信頼性を得ることは非常に困難になる。

この問題に対処するために、スマートカードおよび類似のデバイスの存在を検出することを特別に目的とした検出器を導入することが提案されている。これらのスマートカード検出器は、典型的には、スマートカードに対して予想される共振に整合する共振周波数を有する共振回路の存在を検出することに基づいている。

そのような専用の検出は、多くのシナリオにおいてスマートカード検出を可能にする改善された検出性能を提供することが見出されている。しかしながら、実際には、スマートカードの検出の信頼性および正確さは好ましいものよりも低い傾向があり、潜在的に見逃される検出または偽陽性の検出をもたらすことが見出されている。

したがって、改善された電力伝送アプローチは有利であり、特に、増加した柔軟性、減少したコスト、減少した複雑さ、改善された通信、改善された電力伝送動作、改善されたオブジェクト検出性能、より信頼性のあるおよび/または安全な電力伝送動作、特にスマートカードなどの他のオブジェクトに対するリスクの減少、スマートカードなどの異物の検出における改善された精度、信頼性および/または改善された性能が有利である。

したがって、本発明は、好ましくは上記の欠点の1つ以上を単独でまたは任意の組み合わせで軽減、低減または排除しようとするものである。

本発明の一側面によれば、電磁電力伝送信号を用いて電力送信機から電力受信機に無線で電力を伝送する電力伝送装置が提供され、前記電力伝送装置は、前記電力送信機および前記電力受信機の一方であり、前記電力伝送信号は、電力伝送フェイズの間、電力伝送時間間隔と、該電力伝送時間間隔と重ならないオブジェクト検出時間間隔とを有する反復時間フレームを用い、前記電力伝送信号の電力制限値は、前記オブジェクト検出時間間隔の方が前記電力伝送時間間隔よりも小さく、前記電力伝送装置は、前記電力伝送時間間隔において前記電力伝送信号を受信または生成するための電力伝送コイルを含む電力伝送回路と、前記電力受信機および前記電力送信機の他方の機器である補機と電磁通信信号を介して通信するための通信機と、前記電磁通信信号を送信または受信するための通信アンテナを有する通信共振回路であって、通信中に第1共振周波数での共振を前記通信機に与えるように構成される、通信共振回路と、前記オブジェクト検出時間間隔の間、前記第1共振周波数での共振を前記通信機に提供しないように前記通信共振回路を適応させる制御装置を有する。

本発明は、多くの実施形態において改善された動作を可能にすることができ、特に、第1共振周波数に近い周波数における電磁界に対する共振を示すオブジェクトの改善された、より速い、および/または容易な検出を可能にすることができ、検出は、電力伝送装置または相補的な電力伝送装置によって実行されることができる。電力送信機は、第1共振周波数の周囲（例えば、5又は10%以内）の共振を含むオブジェクトの仮定に基づいて、オブジェクト検出を実行することができる。このアプローチはこの検出が改善されることを可能にし、例えば、短い時間間隔で、および/またはより高い精度および信頼性で、検出が実行されることを可能にし得る。

このアプローチは、特に、通信共振周波数/第1共振周波数（に近い周波数または同じ周波数）に対応する共振の仮定に基づく共振ベースのオブジェクト検出機能に通信回路が与える可能性がある干渉を低減する動作を提供し得る。

このアプローチは特に、対応する通信、例えば電力受信機と電力送信機との間のNFC通信を利用する無線電力伝送システムにおいて、NFCスマートカードのような異物のスマートカードの改良された検出を可能にし得る。

多くの実施形態では、オブジェクト検出時間間隔の継続時間は、反復時間フレームの継続時間の5%、10%、または20%以下である。多くの実施形態では、電力伝送間隔の継続時間は、時間フレームの70%、80%、または90%以上である。

多くの実施形態では、反復時間フレームが少なくとも1つの通信時間間隔をさらに含むことができる。通信時間間隔は、電力伝送時間間隔およびオブジェクト検出時間間隔と重複しなくてもよい。通信時間間隔の間、電力伝送信号の電力レベルは、電力伝送時間間隔の間よりも低い最大制限値に従うことができる。多くの実施形態では、電力伝送信号は、通信時間間隔およびオブジェクト検出時間間隔の間は低電力レベルを有し、電力伝送時間間隔の間は高電力レベルを有し得る。

多くの実施形態では、反復時間フレームは、周期的な反復時間フレームであってもよい。多くの実施形態では、各反復時間フレームは、0.5秒、1秒、2秒、または5秒以下の継続時間を有することができる。

オブジェクト検出時間間隔および/または電力伝送時間間隔のタイミングは、電力伝送特性、電力送信機と電力受信機との間のデータ交換、オブジェクト検出、電力要求、および電力伝送要件とは無関係であってもよい。オブジェクト検出時間間隔のタイミングは、反復時間フレーム内で予め決定されてもよく、および/または、連続する反復時間フレーム内で同じであってもよい。反復時間フレーム内のオブジェクト検出時間間隔の相対的タイミングは、連続する反復時間フレーム間で不変であってもよく、固定されていてもよい。反復時間フレーム内のオブジェクト検出時間間隔のタイミングは、（少なくともいくつかの連続する時間フレームについて）一定であってもよい。多くの実施形態では、時間フレームは、少なくとも1つの電力伝送時間間隔および1つのオブジェクト検出時間間隔を含む複数の時間間隔に分割され得る。反復時間フレーム内の（例えば、反復時間フレームの開始または終了時間に対する）時間間隔のタイミングは、連続する時間フレームについて同じであってもよい。

電力受信機は、電力伝送フェイズ全体にわたって存在し、電力を要求することができる。電力受信機は、電力伝送フェイズ全体を通して、（電力送信機によって）存在すると検出/決定されることができる。

多くの実施形態では、コントローラは、通信中に、具体的には通信時間間隔中に第1共振周波数での共振を有し、かつオブジェクト検出時間間隔中に第1共振周波数での共振を有さないように、通信共振回路を制御することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、コントローラは、オブジェクト検出時間間隔の間、通信共振回路を通信機から切り離すように構成される。

本発明の任意選択の特徴によれば、コントローラは、オブジェクト検出時間間隔中に通信共振回路を第1共振周波数から離調させるように構成される。

本発明の任意選択の特徴によれば、コントローラは、オブジェクト検出時間間隔の間に通信共振回路を第2共振周波数へと離調するように構成される。

本発明の任意選択の特徴によれば、この第2周波数は、第1共振周波数の90%から第1共振周波数の110%までの周波数範囲の外である。

本発明の任意選択の特徴によれば、コントローラは、通信の間に対して、オブジェクト検出時間間隔の間に通信共振回路の共振容量を変化させるように構成される。

上記の追加の特徴は、多くの実施形態において、改善された性能および/または容易にされた実装を提供することができる。通信共振回路の離調は、共振回路を変更して異なる周波数で共振するように対応するか、または共振回路を変更して共振を持たなくなるようにすることに対応（共振回路を非アクティブにすることに対応）することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、第1共振周波数は、電磁通信信号のキャリア周波数から5%以下ずれる。

これは、多くの実施形態において改善された性能を提供することができる。典型的な実施形態では、第1共振周波数は電磁通信信号の周波数と実質的に同一であってよく、それによって、最適化された通信が可能になる。しかしながら、実際には、第1共振周波数は、例えば、コンポーネントの変動および公差に起因する不完全なチューニングのために、通信周波数とはわずかに異なることがある。

本発明の任意選択の特徴によれば、電力伝送装置は、電力送信機である。

本発明は、改良された電力送信機を提供することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、電力伝送装置は、第1共振周波数に対応する共振周波数を有する共振回路を有するオブジェクトの存在を検出するためのオブジェクト検出器をさらに有する。

本発明は例えば、NFCカードのような共振回路を含むデバイス/オブジェクトの、電力送信機による、改善された検出を可能にすることができる。オブジェクトは、前記第1共振周波数の5%以内であると仮定される共振周波数を持つ共振回路を有することができる。

多くの実施形態では、電力伝送装置は、オブジェクト検出器によって生成された電磁試験信号の負荷に応じてオブジェクトの存在を検出するオブジェクト検出器を備えることができ、電磁試験信号は第1共振周波数に対応する周波数を有する。電磁試験信号は第1共振周波数に等しい周波数を有してもよく、または典型的には第1共振周波数の2%または5%以内であってもよい。電磁試験信号は、いくつかの実施形態では、通信アンテナとは異なるアンテナ/コイルによって生成されてもよい。電磁試験信号は、いくつかの実施形態では、通信コイルであってもよい通信アンテナによって生成されてもよい。電磁試験信号は、いくつかの実施形態では、電力伝送コイルとは異なるアンテナ/コイルによって生成されてもよい。

多くの実施形態では、電力伝送装置は、第1共振周波数に関して類似性基準を満たす共振周波数を有する共振回路を備えるオブジェクトの存在を検出するためのオブジェクト検出器を備えることができる。

多くの実施形態では、電力伝送装置は、第1共振周波数から例えば1%未満ずれた周波数を有する生成された電磁試験信号の負荷に応じて、オブジェクトの存在を検出するためのオブジェクト検出器を備えることができる。

いくつかの実施形態では、検出は、第1共振周波数に対する相似性基準を満たす電力伝送信号の負荷の共振に依存してもよい。類似性基準は、明示的に評価されてもよく、または、例えば、第1共振周波数を含む或る区間に限定される共振周波数の探索によって暗黙的に評価されてもよい。

類似性基準は、個々の実施形態の選好および要件に依存し得る。類似性基準は、オブジェクトの検出された共振周波数と第1共振周波数とが閾値未満だけ異なるという要件を含むことができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、コントローラは、通信共振回路を通信機から切り離し、オブジェクト検出時間間隔の間にそれをオブジェクト検出器に結合するように構成される。

これは、特に効率的な性能、および特に改善された検出性能を可能にし得る。それは、複雑さ、および、例えば、コンポーネント要件をさらに低減し、それによって、コストなどを低減することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、電力伝送装置は、電力受信機である。

本発明は、改良された電力送信機を提供することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、電力伝送装置は、電力伝送信号のレベル変動にコントローラを同期させるための同期装置を更に含む。

これは、効率的であり、依然として複雑さが低い、性能を提供することができる。

本発明の任意選択の特徴によれば、上述した電力受信機及び電力送信機を含む無線電力伝送システムが提供される。

本発明は、改善された無線電力伝送システムを提供することができる。

本発明の一側面によれば、電磁電力伝送信号を用いて電力送信機から電力受信機に無線で電力を伝送する電力伝送装置の動作方法が提供され、前記電力伝送装置は前記電力送信機および前記電力受信機の一方であり、電力伝送フェイズにおける電力転送信号は、電力伝送時間間隔と、該電力伝送時間間隔と重ならないオブジェクト検出時間間隔とからなる反復時間フレームを用い、前記電力伝送信号の電力制限値は、前記電力伝送時間間隔よりも前記オブジェクト検出時間間隔の方が小さく、前記電力伝送装置は、電磁通信信号を送信または受信するための通信アンテナを有する通信共振回路を有し、当該方法は、電力伝送コイルを有する電力伝送回路が前記電力伝送時間間隔の間に前記電力伝送信号を受信または生成するステップと、前記電力受信機と前記電力送信機のうちの他方の機器である補機と電磁通信信号を介して通信するステップと 通信時に通信機に第1共振周波数の共振を与えるように通信共振回路を制御するステップと、オブジェクト検出時間間隔において前記通信機に前記第1共振周波数の共振を提供しないように前記通信共振回路を適応させるステップと、を有する。

本発明のこれらおよび他の態様、特徴および利点は以下に記載される実施形態から明らかになり、それを参照して説明される。

本発明の実施形態は単なる例として、図面を参照して説明される。
NFCリーダおよびNFCカードの要素の例を示す図。 本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システムの素子の一例を示す図。 本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システムの素子の一例を示す図。 本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システムのための電力伝送信号の反復時間フレームの一例を示す図。 本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システムの要素の一例を示す図。 本発明のある実施形態による電力伝送システム用の電力受信機の要素の一例を示す図。 本発明のある実施形態による電力伝送システム用の電力受信機の要素の一例を示す図。

以下の説明は、Qi規格から知られているような電力伝送アプローチを利用する無線電力伝送システムに適用可能な本発明の実施形態に焦点を当てる。しかしながら、本発明は、この用途に限定されず、多くの他の無線電力伝送システムに適用されてもよいことが理解されるのであろう。

図2は、本発明のいくつかの実施形態による電力伝送システムの一例を示す。電力伝送システムは、送信機コイル/インダクタ203を含む(またはそれに結合される)電力送信機201を含む。システムは、受信機コイル/インダクタ207を含む(またはそれに結合される)電力受信機205をさらに備える。

システムは、電力送信機201から電力受信機205に電力を誘導的に伝送することができる電磁電力伝送信号を提供する。具体的には、電力送信機201が電磁信号を生成し、これは送信機コイルまたはインダクタ203によって磁束として伝搬される。電力伝送信号は、典型的には、約20kHz乃至約500kHzの間の周波数を有してもよく、Qi互換システムに対しては、典型的には、95kHz乃至205kHzの範囲である(または例えば、高出力キッチン用途に対しては周波数は典型的には20kHz乃至80kHzの範囲であってもよい)。送信機コイル203及び受電コイル207は緩く結合されており、従って、受電コイル207は、電力送信機201からの電力伝送信号（の少なくとも一部）をピックアップする。したがって、電力は、送信機コイル203から受電コイル207への無線誘導結合を介して、電力送信機201から電力受信機205に伝送される。電力伝送信号という用語は主に、送信機コイル203と受電コイル207との間の誘導信号/磁界（磁束信号）を指すために使用されるが、同等なものとして、それは送信機コイル203に供給されるか、または受電コイル207によって取り出される電気信号を指すものとしても考えられ、使用され得ることが理解されるであろう。

実施例では、電力受信機205が具体的には受信機コイル207を介して電力を受信する電力受信機である。しかしながら、他の実施形態では、電力受信機205が金属加熱素子のような金属素子を含んでもよく、この場合、電力伝送信号は素子の直接加熱をもたらす渦電流を直接誘導する。

システムは、実質的な電力レベルを伝送するように構成され、具体的には多くの実施形態において、電力送信機は500mW、1W、5W、50W、100Wまたは500Wを超える電力レベルをサポートすることができる。例えば、Qi対応アプリケーションの場合、電力伝送は、典型的には低電力アプリケーション（基本電力プロファイル）の場合は1～5Wの電力範囲、Qi規格バージョン1.2の場合は15Wまで、電動工具、ラップトップ、ドローン、ロボットなどの高電力アプリケーションの場合は100Wまでの範囲、例えばキッチンアプリケーションなどの非常に高電力のアプリケーションの場合は100Wを超え、2400Wを超える範囲とすることができる。

以下では、電力送信機201および電力受信機205の動作が(本明細書で説明される(または結果として生じる)修正および拡張を除いて)一般にQi規格に従うか、または無線電力伝送コンソーシアムによって開発されている高電力キッチン仕様に適した実施形態を特に参照して説明される。特に、電力送信機201および電力受信機205は、Qi規格バージョン1.0、1.1または1.2の要素(本明細書で説明される(または結果として生じる)修正および拡張を除く)に従うか、または実質的に互換性があり得る。

無線電力伝送システムでは、オブジェクト(典型的には電力伝送信号から電力を抽出し、電力送信機201または電力受信機205の一部ではない、すなわち、電力伝送に対する意図しない、望ましくない、および/または干渉要素である導電性要素)の存在は電力伝送中に非常に不利であり得る。このような望ましくないオブジェクトは、この分野において異物として知られる。

異物は、動作に電力損失を付加することによって効率を低下させるだけでなく、電力伝送動作自体を劣化させることもある(例えば、電力伝送効率を妨害することによって、または、例えば、電力伝送ループによって直接制御されない電力を抽出することによって)。さらに、異物に電流(特に異物の金属部分に渦電流)が誘導されると、非常に望ましくない異物の加熱が生じることが多い。

このようなシナリオに対処するために、Qiなどの無線電力伝送システムは、異物検出のための機能を含む。具体的には、電力送信機が、異物が存在するかどうかを検出する機能を備える。異物が存在する場合、電力送信機は、例えば、電力伝送を終了させたり、伝送可能な最大電力量を減少させたりする。

Qi規格によって提案される現在のアプローチは、(送信された電力と報告された受信電力とを比較することによって)電力損失を検出すること、又は電力共振回路の品質Qの劣化を検出することに基づいている。

図3は、図2の電力伝達システムをより詳細に示す。

この例では、電力送信機201は、送信機コイル203を含む電力共振回路303に供給される駆動信号を生成することができるドライバ301を含む。送信機コイル203は、電力受信機205への電力伝送を提供することができる電磁電力伝送信号を生成する。電力伝送信号は、電力伝送フェイズの電力伝送時間間隔中に提供される。

ドライバ301は当業者に周知のように、典型的にはフルブリッジ又はハーフブリッジを駆動することによって形成されるインバータの形の出力回路を備えることができる。

電力送信機201は、所望の動作原理に従って電力送信機201の動作を制御するように構成される電力送信機コントローラ305をさらに有する。具体的には、電力送信機201がQi規格に従って電力制御を実行するために必要な機能の多くを含むことができる。

電力送信機コントローラ305は特に、ドライバ301による駆動信号の生成を制御するように構成され、特に、駆動信号の電力レベル、従って、生成される電力伝送信号のレベルを制御することができる。電力送信機コントローラ305は、電力制御フェイズ中に電力受信機205から受信した電力制御メッセージに応じて電力伝送信号の電力レベルを制御する電力ループコントローラを備える。

受信機コイル207は、受信機コイル207と共振回路を形成する1つ以上のキャパシタを典型的に備えることができる電力受信機回路307の一部である。電力伝送の間、電流が受信機コイル207に誘導され、このようにして電力受信機回路307は電力伝送信号から電力を抽出する。この信号は、抽出された電力を処理し、制御し、これを負荷311に供給するように構成された電力変換器または電力抽出器309に結合される。電力抽出器309は、典型的には、当業者に周知の整流器、電圧又は電流制御器等を含むことができる。電力抽出器309は、受信機コイル207によって抽出された電力を、例えば充電されるバッテリ又は給電される装置のような負荷311に適した供給に変換する電力制御経路を提供することができる。

電力受信機は、電力伝送を実行するために必要とされる様々な電力受信機コントローラ機能、特に、Qi規格に従って電力伝送を実行するために必要とされる機能を含むことができる電力受信機コントローラ313をさらに備える。

電力送信機201および電力受信機205は、互いに通信するための手段をさらに含む。例において、通信は、電力伝送信号を変調及び復調することによって達成されるのではなく（少なくとも、電力伝送信号の変調及び復調のみによって達成されるのではなく）、むしろ別個の短距離通信システムが使用される。短距離通信システムは、典型的には1メートル以下、しばしば50cm以下、さらには20cm以下の通信範囲を有することができる。短距離通信システムは、典型的には、電力伝送信号の周波数より大幅に高く、典型的には電力伝送信号のキャリア周波数よりも少なくとも10倍高いキャリア周波数を使用する。多くの実施形態では、キャリア周波数は少なくとも1MHzであり、しばしば少なくとも10MHzである。

具体例において、電力受信機205および電力送信機201は、NFC通信アプローチを使用して通信する。いくつかの実施形態では、通信のうちのいくつかのみがNFC通信システムを介して行われ、他の通信は、例えば、通信キャリアとして電力伝送信号を使用する他の手段によるものであってもよい。例えば、NFC通信アプローチは、電力制御エラーメッセージなどを通信するために電力伝送信号の負荷変調などを使用する一方で、NFC通信を使用して電力受信機固有のパラメータを読み出すために使用されることができる。

例では、電力送信機201は、電磁通信信号を介して電力受信機205と通信するように構成された第1通信機315を備える。

第1通信機315は、電磁通信信号を生成する第1通信アンテナ319を備える第1通信共振回路317に結合される。第1通信機315は、具体的には、第1通信共振回路317に供給される通信駆動信号を生成することができる。第1通信共振回路317は第1通信機315のための負荷であり、所与の第1共振周波数で共振を提供する。典型的には、第1通信共振回路317は第1通信アンテナ319を含む同調回路を備える。例えば、第1通信アンテナ319は、共振/同調回路を形成するために1つ以上のキャパシタと結合されるコイルであってもよい。

共振回路は、典型的には、電磁通信信号のキャリア周波数に同調され、その結果、第1通信共振回路317は第1通信機315のための非常に効率的なアンテナを提供する。実際には、例えば、部品の公差及び変動、導電性材料の存在等のために、第1共振周波数とキャリア周波数との間に何らかの不一致がある場合がある。しかしながら、典型的には、第1共振周波数をキャリア周波数の5%以内、しばしば1%以内に維持することが可能である。

これに対応して、電力受信機205は、第2通信共振回路321を備え、第2通信共振回路は第2通信機323に結合される。第2通信共振回路321は、第1通信共振回路317と相補的であり、これに対応して（第2通信アンテナ325と呼ばれる）通信アンテナを備える。第2通信アンテナ325は、第2通信アンテナ325に電流が誘導されるという点で、電磁通信信号を受信するように構成される。

第2通信共振回路321は、第2通信機323に結合され、所与の第2共振周波数での共振をインピーダンスに提供する。したがって、第2通信共振回路321は、所与の第2共振周波数で共振する第2通信機323へのインピーダンス/負荷に関するソースを提供する。典型的には、第2通信共振回路321は、第2通信アンテナ325を含む同調回路を備える。例えば、第2通信アンテナ325は、共振/同調回路を形成するために1つ以上のキャパシタと結合されるコイルであってもよい。

共振回路は、典型的には、電磁通信信号のキャリア周波数と、結果として非常に効率的なアンテナを提供する第2通信共振回路321をもたらす第1共振周波数とに同調される。実際には、例えば、部品の公差やばらつき、導電性材料の存在などのために、周波数間に多少の不一致が生じることがある。しかしながら、典型的には、第2共振周波数をキャリア周波数及び/又は第1共振周波数の5%以内、しばしば1%以内に維持することが可能である。

実施例では、短距離通信は、電力受信機205から電力送信機201へ通信するために負荷変調を使用する。第1通信機315は、第1通信共振回路317のための駆動信号を生成し、その結果、電磁通信信号が生成される。第2通信機323は、電力送信機201に通信すべきデータに依存して、第2通信共振回路321の負荷を変化させる。この負荷変動は第1通信機315によって検出されることができる駆動信号の変動（例えば、電流変動）をもたらす。

短距離通信は、具体的には、NFCリーダに対応する機能を実装する第1通信機315/第1通信共振回路317と、NFCカードまたはタグに対応する機能を実装する第2通信機323/第2通信共振回路321とを用いたNFCアプローチを使用することができる。したがって、電力受信機205は、NFCカードを効果的にエミュレートすることができ、それによって、電力送信機201のNFCリーダ機能によって読み取られることができる。

NFCアプローチを使用するものなどの多くの実施形態では、キャリア周波数は（名目上）13.56MHzであり、したがって、第1および第2共振周波数は13.56MHz（の近傍）である。

大きな磁場にさらされることによって加熱される鍵またはコインのような予期しない金属（導電性）要素の存在を検出するために、典型的な電力送信機は特に、生成された電磁界内に望ましくない導電性要素が存在する可能性があるかどうかを検出することを目的とした異物検出機能を含む傾向がある。このような異物検出は、従来、電力共振周波数の品質係数を評価することに基づいているか、または電力伝送信号の電力損失については考慮されていなかった。しかしながら、これは多くのシナリオにおいて、および多くのタイプのオブジェクトについて、許容可能な性能を提供し得るが、スマートカード（例えば、NFCカードまたはRFIDカード）は確実に検出することが困難な少量の金属のみを含む傾向があるので、スマートカードには特定の問題があることが見出されている。

このことは、このようなカードが強い磁場によって損傷を受けやすいため、実際に問題となる傾向がある。例えば、NFCカードは、13.56MHzのキャリア周波数を使用するように構成されているにもかかわらず、20～200kHzの範囲の周波数を有する強い電磁場によって損傷を受ける可能性がある。例えば、強い磁場は、NFCチップを破壊するほど高い整流された電圧Vccをもたらし得る。このような損傷は、磁場への非常に短い暴露後、例えばわずか10～20m秒後であっても起こり得る。

このようなスマートカードが電力送信機によって生成された強力な磁場によって損傷されるのを防止するために、電力送信機がこのようなカードを直接検出することを目的とするいわゆるスマートカード検出（SCD）システムを備えることが提案されている。より一般的には、いくつかの電力送信機は、所与の周波数における（またはそれに近い、すなわち適切な周波数範囲内の）共振回路の存在を検出するように構成された共振装置検出回路を含む。そのような共振検出機能は、特に、所与の共振周波数を有する共振周波数の存在を検出することを目的とするなど、検出される装置の特定のパラメータに基づく検出を実行することができる。共振装置検出回路は特に、予測されるパラメータを有し、特に予測される共振周波数を有する共振回路の存在によって特に影響を受けることになる試験信号を生成するように構成されることができる。

具体例として、公称共振周波数に対応する周波数で試験信号を生成することができる。例えば、公称周波数に対応する周波数を有する試験駆動信号を、公称共振周波数に同調され、かつアンテナとして動作するように配置されたコイルを有する共振回路に供給することができる。公称共振周波数に（またはその近くに）同調された共振回路を有する装置を検出回路の近傍に運ぶと、検出共振回路に強い影響を与え、例えば駆動信号の電流の変化としてこれを検出することができる。

そのようなアプローチは、検出のために比較的多量の金属が存在することを必要とすることに起因して従来の電力損失またはQファクタ異物検出アプローチが有用でない状況においてさえ、そのような共振回路を備える装置の存在の検出を可能にする。例えば、それは、例えば、NFCカードのようなスマートカードの検出を可能にする。

これは、周波数が大きく異なる場合でも、強いAC磁場にさらされるとスマートカードが破損する可能性があるため、実用上大きな影響を与える。これは、特に、例えばやかんまたは鍋に電力を供給することができるキッチンアプリケーションのために開発されているような、より高い電力レベルの無線電力伝送アプリケーションでの問題である。これらのシステムでは、高感度のスマートカードの検出システムが必要となるだろう。

図3の電力送信機201は、（（例えば、共振装置検出器327が検出することを目的とする公称共振周波数を含む所定の周波数範囲内と仮定することができる）公称の/所定の共振周波数を持つ）共振回路の存在、ひいてはそのような共振回路を備える装置の存在を検出するように構成された共振装置検出器327の形のオブジェクト検出器を備える。

実施例では、共振装置検出器327は、公称検出共振周波数に同調される検出共振回路329を備える。本実施例では、共振装置検出器327は、例えばNFCカードを検出するように構成され、それに応じて（約）13.56MHzに同調されたスマートカード検出器である。検出共振回路329は、公称検出共振周波数の周波数を有するキャリア信号を生成するように構成されたドライバ/発振器331に結合される。これにより、この具体例における発振器は、13.56MHzの駆動信号を生成して、検出共振回路329に供給する。

共振装置検出器327は、発振器331に結合された検出プロセッサ332をさらに備える。検出プロセッサ332は、例えば駆動電流などの駆動信号のパラメータを評価するように構成される。駆動パラメータがスマートカードが存在しない場合に期待されたものから外れた場合、検出プロセッサ332は、スマートカードが存在する可能性があると判断する。その場合、この検出結果は、適切な処置を取るように進行する電力送信機制御装置301に供給され、例えば、電力伝送を終了するか、または最大電力レベルを低減することができる。

検出プロセッサ332は、特に、検出共振回路329の共振周波数（および第1通信共振回路317の共振周波数）に対応する共振周波数、すなわち、第1共振周波数に対応する共振周波数を有するオブジェクトの存在を検出するように構成されてもよい。オブジェクト検出器は、同一の共振周波数を有する共振回路（検出共振回路329）のコイル電流を決定することにより、及び/又は同一の共振周波数を有する駆動信号を用いて、第1通信共振回路317の共振周波数に対応する共振周波数を有する共振回路を含むオブジェクトの存在を検出することができる。オブジェクト検出器/共振装置検出器327は、第1共振周波数から閾値よりも小さく逸脱した周波数を有する生成された電磁試験信号の負荷を決定することによって、第1共振周波数に対応する共振周波数を有する共振回路を含むオブジェクトの存在を検出するように構成されてもよい（閾値は、典型的には、第1共振周波数の0.1%、0.5%、1%、5%または10%であってもよい）。典型的には、生成された電磁信号が第1共振周波数と実質的に等しい周波数を有する。図3の例では、発振器331は、電磁（オブジェクト検出）試験信号が生成されるように検出共振回路329のための駆動信号を生成するように構成されている。駆動信号は、特に、第1共振周波数と実質的に等しい周波数を有するように生成される。

改善された検出を提供するために、電力伝送フェイズ中の電力伝送信号は、少なくとも1つの電力伝送時間間隔と、少なくとも1つのオブジェクト検出時間間隔とを含み、これらの時間間隔が重複しない反復時間フレームを採用する。電力伝送時間間隔中、電力送信機201は、必要な電力を電力受信機205に供給するために必要な電力レベルを有する電力伝送信号を生成することによって、電力を電力受信機205に伝送する。具体的には、電力伝送時間間隔中の電力レベルは、電力受信機205から受信された電力制御メッセージに応じて設定される。

反復時間フレームは、典型的には、周期的な反復時間フレームである。多くの実施形態では、各反復時間フレームは、0.5秒、1秒、2秒、または5秒以下の継続時間を有することができる。反復時間フレームは、具体的には0.5秒、1秒、2秒、または5秒以下の周期を有する周期的に反復する時間フレームであってもよい。

オブジェクト検出時間間隔の間、電力レベルは、典型的には、電力伝送時間間隔の間のレベルに対して実質的に減少される。具体的には、オブジェクト検出時間間隔中の最大電力制限値が電力伝送時間間隔中よりも低く、典型的にははるかに低いレベルである。例えば、オブジェクト検出時間間隔の間、最大電力レベルは、0.5W、1W、5W、または10W未満の制限値に制限されてもよい。電力伝送信号中の電力制限値は、通常、少なくとも5、10、50、または100倍高くすることができる。従って、電力伝送信号の電磁界は、電力伝送時間間隔の間、オブジェクト検出時間間隔の間よりも実質的に低い。

多くの実施形態では、電力レベルは、オブジェクト検出時間間隔の間、一定の電力レベルに設定されてもよく、具体的には、いくつかの実施形態では、実質的にゼロに設定されてもよく、すなわち、電力伝送信号がオフにされてもよい。このようなアプローチの利点は、オブジェクト検出時間間隔の間、電力伝送信号の電磁界が非常に低いだけでなく、一定であり、かつ予測可能であることである。

反復時間フレームの例が図4に示されており、電力伝送時間間隔がPTで示され、オブジェクト検出時間間隔がDで示されている。この例では各時間フレームFRMが1つのオブジェクト検出時間間隔および1つの電力伝送時間間隔のみを含み、これら（ならびに時間フレーム自体）は各フレームにおいて同じ継続時間を有する。しかしながら、他の実施形態では、他の時間間隔（例えば、通信間隔など）が時間フレームに含まれてもよく、または複数のオブジェクト検出時間間隔および/または電力伝送時間間隔が各時間フレームに含まれてもよいことが理解されるであろう。さらに、いくつかの実施形態では、それぞれの時間間隔（および実際には時間フレーム自体）の継続時間が動的に変化してもよい。

反復時間フレームは、多くの実施形態において、不変、固定、一定または予め定められた時間フレームであってもよい。多くの実施形態では。各時間フレームの継続時間は、（少なくともいくつかの連続する時間フレームについて）一定であってもよく、時間フレーム内のオブジェクト検出時間間隔のタイミングは不変、固定、一定、または所定であってもよい。図4の例のような多くの実施形態では、個々の時間フレームは同一である。反復時間フレームのタイミング、および典型的には、オブジェクト検出時間間隔および/または電力伝送時間間隔のタイミングは固定されて一定である。

このようにして、このシステムでは、電力送信機は、電力伝送フェイズの時間フレームの電力伝送時間間隔中に電力伝送を実行するように構成される。具体的には、これらの時間間隔の間、電力送信機201及び電力受信機205は。電力制御ループを動作させることができる（電力制御ループは電力伝送時間間隔内の通信に基づいてもよいし、例えば、専用の通信時間間隔のように、電力伝送時間間隔の外の通信に基づいてもよい。例えば、各異物時間間隔が複数の交互の電力伝送時間間隔及び通信時間間隔によって分離される場合がある）。したがって、伝送される電力のレベルを動的に変更することができる。

いくつかの実施形態では、電力受信機205は、また、オブジェクト検出時間間隔の間、電力伝送信号の負荷を低減するように構成されてもよい。例えば、それは、オブジェクト検出時間間隔の間に電力伝送信号から抽出される電力を低減するために、負荷を切断したり、切り離したりすることができる。

このアプローチでは、共振装置検出器327によるオブジェクト検出と電力伝送とが時間領域で分離されるため、電力伝送からオブジェクト/カード検出への交差干渉が低減される。これにより、共振カード/スマートカード検出への電力伝送信号による干渉が低減される。さらに、電力伝送のための動作条件の変動から生じる変動性および不確実性は、オブジェクト検出から隔離することができ、その結果、より信頼性が高く、正確な検出性能が得られる。

しかしながら、本発明者らは、このアプローチにもかかわらず、共振装置の検出は多くのシナリオにおいて所望されるほど正確ではない傾向があることを認識した。彼らはさらに、通信回路の動作を制御することによって、特に、第1通信共振回路317および/または第2通信共振回路321を制御することによって、検出性能を向上させることができることを認識した。図1のシステムでは、電力送信機201および/または電力受信機205は、通信中には第1共振周波数での共振を提供するが、オブジェクト検出時間間隔中には第1共振周波数での共振を提供しないように、それらの通信共振回路を適応させるための手段を備える。

具体的には、電力送信機201は、短距離通信システムが電力受信機205との通信に使用されている時間の間は第1通信共振回路317が第1共振周波数を提供するが、オブジェクト検出時間間隔中には第1通信共振回路317が第1共振周波数を提供しないように、第1通信共振回路317を制御するように構成された第1コントローラ333を備える。

近距離通信システムを用いた通信は、オブジェクト検出時間間隔外で行われる。このように、第1通信機315と第2通信機323とは、オブジェクト検出時間間隔外で通信を行うように構成されている。反復時間フレームのタイミングは、電力送信機コントローラ305によって制御され得、いつ通信が発生するかを制御するためのタイミング信号が第1通信機315に供給されることができる。いくつかの実施形態では、反復時間フレームは、電力伝送時間間隔およびオブジェクト検出時間間隔と重複しない専用の通信時間間隔を含んでもよく、具体的には、電力伝送信号の電力レベルは、そのような通信時間間隔の間に低減されてもよい（オブジェクト検出時間間隔に対するアプローチに対応する）。他の実施形態では、第1通信共振回路317を使用する第1通信機による通信は、電力伝送と同時に、すなわち電力伝送時間間隔中に実行されてもよい。

（特に、電力伝送時間間隔と重複しているか重複していないかにかかわらず、通信時間間隔の間の）第1通信機315による通信中、第1コントローラ333は、第1共振周波数での共振を提供するように第1通信共振回路317を制御し、それにより、最適化された通信を可能にする。しかしながら、オブジェクト検出時間間隔の間、第1コントローラ333は、この共振周波数を与えないように第1通信共振回路317を制御する。これは、さまざまな方法で達成することができる。

いくつかの実施形態では、第1通信共振回路317は、オブジェクト検出時間間隔の間に共振周波数を変化させるように離調されてもよい。したがって、第1コントローラ333は、第1通信共振回路317を制御して、オブジェクト検出時間間隔の間、修正共振周波数と呼ばれる、通信時間間隔の間と異なる共振周波数を有するように、第1通信共振回路317を変化させることができる。

共振周波数は、例えば、共振回路の一部を形成する例えばキャパシタのような付加的な共振成分をスイッチイン（又はスイッチアウト）することによって変化させることができる。例えば、オブジェクト検出時間間隔の間、第1コントローラ333は、共振回路の有効な共振容量を変化させて共振周波数を変化させる追加のキャパシタをスイッチングするように第1通信共振回路317を制御してもよい。

共振周波数は、典型的には、比較的大幅に変更され、ほとんどの実施形態では、修正共振周波数が第1共振周波数と大幅に異なるように変更される。ほとんどの実施形態では、修正共振周波数は、第1共振周波数の90%から第1共振周波数の110%までの範囲の外である。これは、共振装置検出器327によるオブジェクト検出に対する第1通信共振回路317の影響を著しく低減させる傾向にある。いくつかの実施形態では、ずれは20%、50%、またはさらには100%以上であってもよい。

いくつかの実施形態では、第1コントローラ333は、オブジェクト検出時間間隔の間、第1通信共振回路317を制御して、第1通信機315に共振を与えないように構成されてもよい。これは、例えば、第1通信機共振回路317をいかなる共振も有さないように修正することによって、または第1通信機共振回路317を第1通信機器315から切り離す/切断することによって、達成することができる。

前者の場合、第1通信共振回路317は、例えば、共振回路の一部である第1通信アンテナを共振回路の残りの部分から切り離すか、又は例えば共振回路から共振コンデンサを切り離す、スイッチを含むことができる。これは、オブジェクト検出時間間隔の間に共振回路を形成しないように回路を効果的に変更する。そして、スイッチは、第1コントローラ333によって制御されてもよい。

このような実施形態では、第1通信共振回路317は第1共振回路で依然として発振するかもしれないが、第1通信機205から切り離されることになる。多くのそのような実施形態では、電力送信機201はさらに、オブジェクト検出時間間隔の間、電力受信機回路307を共振装置検出器327に結合するように構成されてもよい。

例えば、図5に例示されているように、電力送信機201は、第1通信機共振回路317が第1通信機205に結合されることから共振装置検出器327に結合されること、具体的には、発振器331に結合されることに切り替える追加のスイッチ501を備えてもよい。このスイッチは第1コントローラ333によって制御され、通信中（例えば、反復時間フレームの通信時間間隔中）に、第1通信共振回路317を第1通信機315に結合するように、そして、オブジェクト検出時間間隔中に第1通信共振回路317を共振装置検出器327に結合するように切り替えるように構成される。

このようなアプローチは、非常に異なる機能間で回路を再利用することを可能にするため、特に効率的な動作を提供することができ、それによって、コスト、複雑さ、サイズなどの低減を可能にする。

本発明者らは、共振装置またはカードのためのオブジェクト検出を実行するときに通信機能の共振周波数を修正または除去するアプローチが通信機能と検出機能との間の干渉を除去または低減するので、改善された共振装置検出を提供し得ることを認識した。これは、通信が共振装置検出器327が検出しようとしている共振周波数に対応する周波数を使用する多くの実際の実施形態に対して特に当てはまる。例えば、電力受信機と電力送信機との間の通信にNFCアプローチを使用する無線電力伝送システムにおいてNFCカードを検出しようとする場合、特に有利である。

多くの実施形態において、同調された通信アンテナはオブジェクト検出回路に対して「見えない」ようにすることができ、特に一部の実施形態においては、これは、オブジェクト検出および通信アンテナ/コイルを統合システムに結合することによって達成されることができる。

検出および通信の性能は、これらの機能が異なる時間に実行される時分割アプローチの適用によって改善される。しかしながら、本発明者らは、これ自体では実際には最適な検出性能を達成しないことが多いことに気付いた。彼らは、共振オブジェクト/装置検出時に通信回路の共振周波数を除去することにより、検出性能を大幅に向上させることができることを認識した。

Qiタイプのシステムのための実際の実験は、通信と検出の間の時分割を使用することが、改善された性能を提供するかもしれないが、それは依然として望ましいほど信頼性がないことを示した。十分に信頼性のある検出性能を達成するためには、特に、かなり長い検出間隔を必要とすることがある。多くのそのようなシステムでは、検出時間は実際には30～40m秒のオーダーであり得るが、記載されたアプローチはこれを約0.2～2.0 m秒に低減し得る。これは、電力損失またはQファクタ測定に基づく従来の異物検出などの非共振オブジェクト検出に典型的に必要とされるものと一致する検出時間をもたらすので、多くの実施形態において特に有利であり、重要である。これは特に、これらの動作が同時に実行されることを可能にし、具体的には、オブジェクト検出時間間隔が、共振装置検出と、導電性材料/金属の検出に基づく異物検出との両方のために同時に使用され得ることを意味する。

いくつかの実施形態では、電力送信機201はまた、オブジェクト検出時間間隔の間に異物検出を行うように構成された非共振異物検出器を備えてもよい。この非共振異物検出器は、電力損失および/または品質係数異物検出を実行するように構成されてもよい。異物検出は、金属の存在などの導電性要素の存在の検出であってもよい。

多くの実施形態では、電力受信機205は、代替的に又は追加的に、通信が行われている時に対してオブジェクト検出時間間隔の間に、第2通信共振回路321の共振動作を修正するように構成されてもよい。

電力受信機205は、第2通信共振回路321を制御するように構成された第2コントローラ335を備える。第2通信共振回路321は、第1通信機205と同様に動作することができ、特に第2通信共振回路321を制御して、その共振周波数を変化させるか、またはオブジェクト検出時間間隔の間の共振を完全に防止することができる。

第1通信共振回路317および第1コントローラ333に関して以前に提供されたコメントおよび説明は、第2通信共振回路321および第2コントローラ335に、変更すべきところは変更して、適用される。

従って、第2コントローラ335は、第2通信共振回路321を制御して、直列又は並列の第2コンデンサ等の共振成分を入れたり出したりすることにより、共振周波数を変化させるように構成されることができる。他の実施形態では、第2コントローラ335は、第2通信共振回路321を制御して、第2通信アンテナ325を対応する共振コンデンサから切断し、それによって共振を防止することができる。

電力送信機201が電力伝送信号を生成し、したがって、使用される反復時間フレームのタイミングに関する知識を本質的に有するのに対し、電力受信装置205は、この情報を利用可能でない場合がある。従って、多くの実施形態では、電力受信機205は、第2コントローラ335の動作を電力伝送信号の反復時間フレームに同期させるための機能を備えることができる。

電力受信機コントローラ313は、例えば、第2コントローラ335を電力伝送信号のレベル変動（レベルの変動）に同期させることができる。誘導される信号の電力レベルは、通常、オブジェクト検出時間間隔の間よりも、電力伝送時間間隔の間はるかに高い。したがって、時間間隔の間で電力レベル遷移を検出することができ、これは、ローカル時間基準を電力伝送信号に同期させるために使用されることができ、したがって、第2通信共振回路321のスイッチングを電力伝送信号の反復時間フレームに同期させるために使用されることができる。

いくつかの実施形態では、オブジェクト検出時間間隔の間、電力送信機201は、電力受信機205が実質的に電力を受け取らないレベルまで電力伝送信号の電力を低減する。この場合、電力送信機201によって送信される電力は、主に、電力送信機201の近くにある異物によって吸収されるであろう。これは、電力受信機205に向かって伝送される電力の不確かさが、もはや方程式内にないので、はるかに高い精度で測定されることができる。したがって、改善された非共振ベースの異物検出を達成することができる。加えて、電力伝送信号によって引き起こされる干渉もまた、大幅に異なる共振の周波数（例えば、13.56MHz）において低減されるので、（共振装置検出器327による）改良された共振ベースのオブジェクト検出が達成され得る。また、第2通信共振回路321（及び第1通信共振回路317）の共振を除去することにより、通信回路の干渉が低減される。

一例として、電力受信機205の負荷が、図6に例示されているように、或るバッテリ電圧Ubattを有するバッテリである場合、電力受信機205への電力伝送は、電力送信機201によって生成される電力信号/磁界を低減することによって、効果的に切断されることができる。これは、受信機の整流器の入力における誘導電圧U_Rxがバッテリ電圧Ubattよりも低い場合である。その場合、整流ブリッジのダイオードD1～D4は導通せず、バッテリ（負荷）には電流が流れない。ダイオードは、受動的な切断スイッチのように動作する。電力送信機201は、オブジェクト検出時間間隔の間、伝送される電力を低減しているが、第2通信共振回路321を切り替えるための駆動信号（すなわち、反復時間フレームを表すタイミング信号）は振幅復調によって誘導電圧U_Rxから容易に導出されることができる。

図7に例示されている別の例として、電力受信機205の負荷がバッテリではなく、例えば抵抗負荷である場合、負荷の切断は、電力レベルが減少されることによって自動的に行われない。整流ブリッジのダイオードD1～D4 は、導通モードのままである。スイッチS3により、負荷Rloadを効果的に切断するために、ダイオードD1～D4を非導通モードにすることができる。第2通信共振回路321を切り替えるための駆動信号は再び、振幅復調によって誘導電圧U_Rxから導出されることができる。

多くの実施形態では、第1通信共振回路317及び第2通信共振回路321の動作の切り替えの正確なタイミングは重要ではない。多くの実施形態では、第1コントローラ333および第2コントローラ335は、オブジェクト検出時間間隔の開始前に適切な時間マージンを伴い、オブジェクト検出時間間隔の終了後に適切な時間マージンを伴って、第1周波数での共振を提供しないように、第1通信共振回路317および第2通信共振回路321を切り替えるように構成されてもよい。したがって、第1共振周波数での共振は、オブジェクト検出時間間隔中に存在しない。

同様に、第1コントローラ333及び第2のントローラ335は、第1通信共振回路317/第2通信共振回路321を、任意の通信を開始する前の第1共振周波数へと切り替えて、通信後まで切り替わらないようにしてもよい。

多くの実施形態では、反復時間フレームは、オブジェクト検出時間間隔と通信時間間隔との両方を、それらの間に電力伝送間隔を伴って、含むことができる。このような実施形態では、第1コントローラ333/第2コントローラ335は、原理的に、電力伝送間隔の間、いつでも切り替えを実行することができる。これらは、典型的には、通信時間間隔およびオブジェクト検出時間間隔の両方と比較して非常に長いので、厳密なタイミング要件を提供しない傾向があり、比較的低い精度の同期でさえも十分であることを可能にする。しかしながら、多くの実施形態では、共振回路が第1共振周波数での共振を有する時間を最大にすることが望ましく、したがって、多くの実施形態では、スイッチングは、オブジェクト検出時間間隔の直前（またはオブジェクト検出時間間隔に入る際）およびオブジェクト検出時間間隔の直後（またはオブジェクト検出時間間隔から出る際）に実行されてもよい。これにより、反復時間フレームの大部分の間、電力受信機（例えば第2通信機）のいくつかの機能が通信信号から取り出されるエネルギーによって給電される実施形態において有用であり得る通信キャリアを第1通信機315が提供することが可能になる。

前述の説明はスマートカードの検出に焦点を当ててきたが、他のオブジェクト、特に装置が存在する磁界に対して共振を有する他の共振装置の検出にも使用できることが理解されよう。

多くの実施形態では、電力送信機及び電力受信機の両方が通信共振回路の共振周波数を切り替えるが、いくつかの実施形態では、電力送信機及び電力受信機の一方のみがこのアプローチを適用することができることも理解されよう。これはなお、改善された検出を提供し、通信機能と検出機能との間の干渉を低減し得ることが理解されよう。

明確にするための上記の説明は、異なる機能回路、ユニットおよびプロセッサを参照して本発明の実施形態を説明したことが理解されるであろう。しかしながら、本発明から逸脱することなく、異なる機能回路、ユニットまたはプロセッサ間での機能の任意の適切な分散を使用できることは明らかであろう。例えば、別個のプロセッサまたはコントローラによって実行されることが示されている機能が同じプロセッサまたはコントローラによって実行されてもよい。したがって、特定の機能ユニットまたは回路への言及は、厳密な論理的または物理的構造または編成を示すのではなく、説明された機能を提供するための適切な手段への言及としてのみ見なされるべきである。

本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの任意の組合せを含む任意の適切な形態で実施することができる。本発明は、任意選択で、1つまたは複数のデータプロセッサおよび/またはデジタル信号プロセッサ上で実行されるコンピュータソフトウェアとして少なくとも部分的に実装され得る。本発明の実施形態の要素およびコンポーネントは、任意の適切な方法で物理的、機能的および論理的に実装され得る。実際、機能は、単一のユニットで、複数のユニットで、または他の機能ユニットの一部として、実装され得る。したがって、本発明は、単一のユニットで実施されてもよく、または異なるユニット、回路およびプロセッサの間で物理的および機能的に分散されてもよい。

本発明はいくつかの実施形態に関連して説明されてきたが、本明細書に記載された特定の形態に限定されることは意図されていない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、或る特徴が特定の実施形態に関連して説明されるように見えるかもしれないが、当業者は説明された実施形態の様々な特徴が本発明に従って組み合わされ得ることを認識するであろう。請求項において、「有する(comprising)」という用語は、他の要素又はステップの存在を排除するものではない。

さらに、個別に列挙されているが、複数の手段、素子、回路または方法ステップが、例えば単一の回路、ユニットまたはプロセッサによって実装され得る。さらに、個々の特徴が異なる請求項に含まれている場合があるが、これらは場合によっては有利に組み合わされてもよく、異なる請求項に含まれることは特徴の組み合わせが実現可能ではない及び/又は有利ではないことを意味しない。また、或る特徴を請求項の1つのカテゴリに含めることは、このカテゴリへの限定を意味するものではなく、むしろ、その特徴が必要に応じて他の請求項カテゴリに等しく適用可能であることを示す。さらに、請求項における特徴の順序は、当該特徴が動作しなければならない特定の順序を意味するものではなく、特に、方法の請求項における個々のステップの順序は、当該ステップがこの順序で実行されなければならないことを意味するものではない。むしろ、ステップは任意の適切な順序で実行されることができる。さらに、単数への言及は複数を除外しない。従って、「a」、「an」、「第1」、「第2」等の参照も、複数を排除するものではない。請求項中の参照符号は、単に明確な例として提供されているにすぎず、請求項の範囲を何らかの態様で限定するものと解釈してはならない。

Claims (14)

1. 電磁電力伝送信号を用いた電力送信機から電力受信機への無線電力伝送のための電力伝送装置であって、当該電力伝送装置は前記電力送信機及び前記電力受信機のうちの一方であり、電力伝送フェイズの間の前記電力伝送信号は、電力伝送時間間隔及び当該電力伝送時間間隔と重複しないオブジェクト検出時間間隔を有する反復時間フレームを用い、前記オブジェクト検出時間間隔の間、前記電力伝送信号の電力制限値が前記電力伝送時間間隔の間よりも低く、前記電力伝送装置は、
   前記電力伝送時間間隔の間前記電力伝送信号を受信または生成するための電力伝送コイルを有する電力伝送回路と、
   電磁通信信号を介して前記電力送信機と前記電力受信機のうちの他方の装置である補機と通信するための通信機と、
   前記電力通信信号を送信または受信するための通信アンテナを有する通信共振回路であって、通信の間、第1共振周波数における共振を前記通信機に提供するように構成される通信共振回路と、
   前記オブジェクト検出時間間隔の間前記通信機に前記第1共振周波数での共振を提供しないように前記通信共振回路を適応させるコントローラと、
   を有する電力伝送装置。
2. 前記コントローラが、前記オブジェクト検出時間間隔の間前記通信機から前記通信共振回路を切り離すように構成される、請求項１に記載の電力伝送装置。
3. 前記コントローラが、前記オブジェクト検出時間間隔の間前記第1共振周波数から前記通信共振回路を離調するように構成される、請求項１に記載の電力伝送装置。
4. 前記コントローラが、前記オブジェクト検出時間間隔の間第2共振周波数へと前記通信共振回路を離調するように構成される、請求項３に記載の電力伝送装置。
5. 前記第2共振周波数が、前記第1共振周波数の９０％から前記第1共振周波数の１１０％の周波数範囲の外である、請求項４に記載の電力伝送装置。
6. 前記コントローラが、通信の間に対して前記オブジェクト検出時間間隔の間前記通信共振回路の共振容量を変更するように構成される、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の電力伝送装置。
7. 前記電磁通信信号のキャリア周波数からの前記第1共振周波数の逸脱が５％以下である、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の電力伝送装置。
8. 前記電力伝送装置が前記電力送信機である、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の電力伝送装置。
9. 前記第1共振周波数に対応する共振周波数を有する共振回路を有するオブジェクトの存在を検出するためのオブジェクト検出器をさらに有する、請求項８に記載の電力伝送装置。
10. 前記コントローラが、前記通信機から前記通信共振回路を切り離し、前記オブジェクト検出時間間隔の間それを前記オブジェクト検出器に接続するように構成される、請求項８に記載の電力伝送装置。
11. 前記電力伝送装置が前記電力受信機である、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の電力伝送装置。
12. 前記コントローラによる前記通信共振回路の前記適応を前記電力伝送信号のレベル変動に同期させる同期装置をさらに有する、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電力伝送装置。
13. 請求項８に記載の電力伝送装置と請求項１１に記載の電力伝送装置とを有する無線電力伝送システム。
14. 電磁電力伝送信号を用いた電力送信機から電力受信機への無線電力伝送のための電力伝送装置の動作方法であって、当該電力伝送装置は前記電力送信機及び前記電力受信機のうちの一方であり、電力伝送フェイズの間の前記電力伝送信号は、電力伝送時間間隔及び当該電力伝送時間間隔と重複しないオブジェクト検出時間間隔を有する反復時間フレームを用い、前記オブジェクト検出時間間隔の間、前記電力伝送信号の電力制限値が前記電力伝送時間間隔の間よりも低く、前記電力伝送装置は、電磁通信信号を送信または受信するための通信アンテナを有する通信共振回路を有し、当該方法は、
    電力伝送コイルを有する電力伝送回路が前記電力伝送時間間隔の間に前記電力伝送信号を受信または生成するステップと、
    電磁通信信号を介して前記電力受信機と前記電力送信機のうちの他方の装置である補機と通信するステップと、
    通信時に第1共振周波数における共振を通信機に提供するように前記通信共振回路を制御するステップと、
    前記オブジェクト検出時間間隔において前記通信機に前記第1共振周波数における共振を提供しないように前記通信共振回路を適応させるステップと、を有する方法。

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