JP5450598B2 - 位置が固定された電源部への電力無線供給 - Google Patents

Description

我々の先の出願及び仮出願は、２００８年１月２２日に出願され、 “無線装置及び方法”と表題された米国特許出願番号１２／０１８，０６９を含み、これに限られないが、電力の無線伝送について記載して折り、その開示は参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

これら出願に開示されている送受信アンテナは、好ましくは共鳴する、これらは例えば１０％以内の共鳴、１５％の共鳴、または２０％の共鳴などを生じる共鳴アンテナである。

一実施形態は、電磁進行波の形態でエネルギーを自由空間に伝送するよりもむしろ、送信アンテナに近い位置でエネルギーを蓄積することで２つのアンテナと回路間で十分な電力転送を用いる。この形態は、アンテナの尖鋭度（Ｑ：Quality Factor）を増加させる。これは、放射抵抗（Rr）及び損失抵抗(Rl)を低減させることができる。

一実施形態において、高い尖鋭度を持つ２つのアンテナは、一方のアンテナが他方に電力を生じさせる弱連結変圧器のように２つのアンテナが反応するよう配置される。そのアンテナは１０００より大きいＱを有することが望ましい。

我々の先の特許出願は、例えば、携帯電話やデスクトップのコンピュータ機器といった負荷にこの電力を供給または充電するための用途ということを記載している。しかしながら、発明者は無線電力供給の他の応用も可能であることを気づいた。

発明者は電子基板及び構成がそれらの幾何学な配置によってしばしば制約及び制限を受け、その幾何学的な配置は装置のさまざまな領域に電力を送信及び分配する能力に影響を及ぼすことに注目していた。

例えば、複数の多層膜基板は、十分な電力を伝送するため、また回路基板上の異なる電力が供給された複数の素子を接地するために主要的または部分的に用いられる付加的なレベルを備える。更に、電力の伝送及び接地自体はいろいろな問題を引き起こす。その伝送は、電力が供給される回路内の問題に起因して、いわゆる“グラウンドループ”を引き起こす可能性がある。回路のさまざまな部品は、特に、回路素子がサージ電圧または他の種類の雑音を生じる場合、その回路内の他の部品から分離させる必要がある。

これら問題の認識において、本出願は、無線電力技術を使用する回路構成など、基板上の電子部品への電力伝送について記述する。

第１実施例では、ある距離で電力を無線で伝送する磁気共鳴を使用する。他の実施例は、電力を伝送するための誘導的技術のような他の電力伝送方法を使用する。

本発明者による１つの認識はその電力伝送が、数インチの空間、並びに固定された位置及び距離を越えているということである。我々の係属中の出願に記載される磁気共鳴電力伝送システムは、これら短い距離及び固定された位置の特性以上の非常に良い結合効率を生じる。更に、その複数の素子の位置は常に固定されているので、受信器は送信器にうまく同調させることが出来、このため、非常に優れた結合効率を実現する。例えば、結合効率が６０％以上、あるいはあるシステムでは９０％を超えるであろう。

第１の実施形態は、このシステムを回路基板上の異なる領域に伝送するために適用してもよい。複数のさまざまな領域の各々は、それ自体の電力伝送機構を備えてもよい。各々の電力伝送領域は、電力を受信する他の複数の領域から電気的に分離されており、それぞれは電力を別々に受信してもよい。あるいは、受信する複数の領域は、電気的に互いに接続されていても良いし、これら領域の各々に電力が別々に伝送されてもよい。

別の実施形態では、集積回路（例えば、マイクロプロセッサ、ＶＳＬＩチップ）内で電力を伝送してもよい。これら集積回路の多くは、適切に電力を伝送するため、多くのさまざまな層を使用する。集積回路は典型的には１〜２ｃｍのサイズであるので、無線電力伝送は非常に効率的になり得る。

図面において：
図１は、従来のシステムを示し； 図２は、電力が回路基板の領域に伝送される第１の実施形態を示し；そして 図３は、電力が集積回路内で伝送される第２の実施形態を示す。

詳細な説明

図１は、従来のシステムであり、この種の電子装置で生じるであろう問題を示す。

１００のような多くの回路基板は、互いに関連した様々な電力消費素子１１０、１１５、１２０を含む。図１は単に１つのその装置を示しているが、実際には多くの回路基板が数百の装置を備えていても良い。

電力は１２５に示すように１組の電源ピンから伝送され、アース端子は、接地ピン１３０に接続される。回路基板の全体に渡る異なる箇所に電源線と接地線とが配線されていることがしばしばある。例えば、接地線１３１は、そのアース端子に接続され、電源線１２６は電源ピン１２５に接続される。

その接地電位及び電源を、基板のさまざまな箇所に適切に送るため、多層に渡る配線経路を含む、複雑な基板レイアウト戦略を行うことがしばしば必要とされる。さらに、それら配線に沿って最小の電圧降下となるように接地線及び電源線が十分な寸法であることが重要となる。

電力伝送は、基板レイアウトでもっとも複雑な部分である。

同様な問題が集積回路内の電力伝送によっても生じる。例えば、集積回路１１０自身に、集積回路における複数層内の電力伝送を促進させる層を備えていても良い。

しかし、発明者は電力の無線伝送が多くこれらの問題を回避する優れた方法になり得るであろうことを発見した。例えば、電力が固定形状システム、例えば回路基板に無線で伝送されるとき、コイルやキャパシタを含むさまざまな素子は、回路基板の正確な位置に正確に合わせることができ、非常に高い結合を実現することが出来る。加えて、これは、その装置の全体に渡り延びる電源線や接地線によって生じる複雑さや混乱さを減らすことが出来得る。

更なる特徴は、別々に電力を受信する各々の領域は、その領域自体が本来他の領域から分離されているということである。これは、その回路構成内のさまざまな部品間の隔離を維持する好ましい作用を提供しうる。

図２は、回路基板２０５を示す。電源ピン２００は電力を受信し、接地ピン２０２は接地電位を受ける。その電力及び接地電位は、出願１２／０４０，７８３に記述されたタイプの無線電力送信器を駆動する。

第１実施形態において、送信アンテナの領域は受信アンテナの領域に一致してもよく、またシステム全体が、負荷へ供給する電力の結合効率のため調整されても良い。

多くの受信構成部２１０、２１５は、基板１９９の表面に配置され接続される。その受信構成部の各々は、無線で電力を受信する。異なった２つの構成を示しているが、何百ものさまざまな受信構成部があるであろうことを理解するべきである。２１０のような受信構成部の各々は、例えば、インダクタとキャパシタで形成された一連の共鳴アンテナ２１１を含み、少なくともＱの値を１０００とするために最適化されたＲＣ値を備える。電源回路２１２は、受信回路２１１によって受信した電力を例えば整流する。その出力電圧は、電力供給領域２１３に伝送される。電力供給領域２１３は、その中に集積回路のような１つ以上の駆動素子を備えても良い。例えば、電力供給領域２１３は、２つの集積回路２０１、２０２で示されている。あるいは、各々の集積回路は、それ自身の個別の駆動素子を備えていても良いし、または、駆動素子自体が、集積回路内に組み込まれていても良い。

電力供給領域２１３の集積回路２０２からの信号出力は、アンテナ２１５から別に供給される電力を受ける異なる電力供給領域２１６の信号入力として伝送される。この実施形態では、光学分離器２２０は、電力供給領域２１６で使用される信号と電力供給領域２１３からの信号とを分離してもよい。同様の方法で、出力が直接接続され、または光学的に互いに分離された他の多くの回路があっても良い。

このシステムは、ここに示された多くの利点を備える。上述したように、その１つ利点は、電力供給の単純化によって得られる単純化された配置位置である。

しかし、加えて、さまざまな階層の絶縁は有効であるかもしれない。

更に、このシステムは複雑な固定幾何学的配置を用いているため、送信アンテナの配置、寸法、及び位置は無線電力伝送の効率のため最適に調整され配置される。

加えて、別の位置に、例えば２０６に示す第２の送信アンテナがあっても良い。電磁結合を用いる時、複数のさまざまな送信アンテナは特に有用になり得る。

図３に示す他の実施形態は、集積回路装置内で同様の動作を実行する。その集積回路３００では、信号や電力を受信する多くのさまざまなピンを備えるよう示される。電源ピン３０１、３０２はアンテナ３０６と電力変換モジュール３０７とを含む無線電力送信アンテナ３０５に接続される。これは、チップ内の中心に配置されても良いし、そのチップの固定された位置に電力を伝送するため最適と考えられるチップ内の他のいかなる位置に配置されても良い。この電力送信器は、例えば、領域３１０、領域３１１、及び領域３１２のような、チップ上にある全ての他のさまざまな領域に無線で電力を伝送しても良い。これら領域のそれぞれは、個々に電力を受信するそれら自信のアンテナを備えていても良い。

この電力伝送システムは、例えば、マイクロプロセッサなどのさまざまな種類のチップで利用可能とされる。そのチップにおけるその領域は、とても小さく、そして、これは固定された位置であるため、このシステムでは、非常に高い効率が得られる。他のシステムの場合、必要であれば、これは、ステージ間で光遮断器を使用しても良い。選択肢として、その異なるステーションによって受信された均一の電力の試みで、さまざまな階層が相互に接続されても良い。

例えば、図２に示す基板上の電力送信器や図３に示す集積回路上の電力送信器の様に、開示されたシステムは基板内の電力送信器を示す。しかし、電力送信器はその基板から遠く離れて配置されていても良い。例えば、包括的な電力送信器は多くのさまざまなチップに電力を伝送しても良い。この一例として、図４に示すように、グローバル送信器４００は、送信器４００の周囲にある複数のチップ４０１、４０２、４０３、４０４の各々に無線で電力を伝送する。

いくつかの実施例を上記詳細に示したが、他の実施例も考えられ、発明者はこの明細書内にそれらを包括させることが出来ることを意図している。明細書は、別の手法で遂行されるという、より一般的な目標を達成するために具体的な例を記述している。この開示は、典型的となるように意図しており、請求項は、当業者であれば予測可能であろう変形や変更を包括するように意図している。例えば、電力伝送の他の形式も使用する事が出来る。

また、発明者は、それらクレームが使用する用語“する手段”が、米国特許法１１２条、第６段落の下で解釈されるよう意図している。更に、もしそれらの制限が請求項に明らかに含まれていなければ、明細書から読みとれる制限は、どんな請求項に読み込むべきであるということではない。ここに記載されたコンピュータは、いかなる種類のコンピュータでもよい。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
基板上に複数の電力消費素子を備え、前記電力消費素子は、前記基板上の固定された位置に配置され、少なくとも複数の前記電力消費素子は無線電力受信部を含み、それはそこに送られた電力を無線で受信し、無線で受信した前記電力を使用する無線電力受信部を含み、電力消費素子に電力を供給すること、
少なくとも、前記電力消費素子の１つは、少なくとも前記電力消費素子の他の１つから別に電力を受け、前記電力消費素子の各々は、ほぼ同時に動作し、前記電力消費素子の少なくとも１つは、他の前記電力消費素子に接続される出力端を有している電子システム。
［Ｃ２］
前記基板はプリント基板であるＣ１記載の電子システム。
［Ｃ３］
前記基板は、集積回路基板で作成した基板であるＣ１記載の電子システム。
［Ｃ４］
前記無線電力受信素子は、複数の異なる電力消費素子と結合し、グループを形成し、他の無線電力受信素子は、第２のグループを形成する、異なる電力受信素子と結合されるＣ１記載の電子システム。
［Ｃ５］
更に光学分離器を備え、
前記光学分離器は、異なる電力受信素子間で信号が接続されることを可能とするため動作するＣ１記載の電子システム。
［Ｃ６］
前記無線電力受信素子は磁気共鳴によって電力を受信する素子であるＣ１記載のペン電子システム。
［Ｃ７］
前記電力受信素子は誘導電力結合によって電力を受信する素子であるＣ１記載の電子システム。
［Ｃ８］
更に前記電子システムに付随する無線電力送信部を備えるＣ１記載の電子システム。
［Ｃ９］
前記無線電力送信部は、前記基板上に配置されるＣ８記載の電子システム。
［Ｃ１０］
前記無線電力送信部は、前記基板から離れ、それに隣接するように配置されるＣ８記載の電子システム。
［Ｃ１１］
第１素子へ第１電力を伝送し第２素子へ第２電力の伝送することを含み、基板上の複数の異なる電力消費素子に無線で電力を伝送すること、
前記第１電力は前記第１電力と区別して伝送される方法。
［Ｃ１２］
更に、前記第１素子と前記第２素子との間の光学分離をすることを備えるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１３］
前記基板はプリント基板であるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１４］
前記基板は集積回路で作った基板であるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１５］
前記伝送は、磁気共鳴によって電力を伝送することを
備えるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１６］
前記伝送は、誘導電力結合で電力を伝送することを
備えるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１７］
前記伝送は、基板上に設けられた電力伝送器から電力を伝送すること
を備えるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１８］
前記伝送は、前記基板から離れた場所に位置する電力伝送部から電力を伝送することを 備えるＣ１１記載の方法。
［Ｃ１９］
複数の電力消費素子及び無線電力受信部を含む少なくとも複数の前記電力消費素子を備え、第１の共鳴特性及び少なくとも１０００のＱを備えたＲＣ回路を形成する誘導コイルとキャパシタとを含み、前記電力消費素子に電力を供給するために無線で受信された前記電力を用いる基板を具備し、
前記電力消費素子の少なくとも１つは、少なくとも他の前記電力消費素子とは別に電力を受信し、前記電力消費素子の各々はほぼ同時に動作する電子システム。

Claims (21)

1. 基板と、
   前記基板の表面に結合されていて前記基板上の固定された位置に配置されている複数の電力消費素子とを備え、前記複数の電力消費素子は無線電力受信素子を含み、前記無線電力受信素子は電力を無線で受信し、前記の受信した無線電力を使用して前記複数の電力消費素子に電力を供給し、
   前記電力消費素子の少なくとも１つは、前記無線電力受信素子から無線電力を受けている前記複数の電力消費素子と異なる素子から電力を受け、
   前記電力消費素子の各々はほぼ同時に動作し、前記電力消費素子の少なくとも１つは他の前記電力消費素子に接続される出力端を有している電子システム。
2. 前記基板はプリント基板である請求項１記載の電子システム。
3. 前記基板は、集積回路の基板である請求項１記載の電子システム。
4. 前記無線電力受信素子は複数の異なる電力消費素子と結合してグループを形成し、他の無線電力受信素子は異なる無線電力受信素子と結合して第２のグループを形成する請求項１記載の電子システム。
5. 異なる電力受信素子間で動作してそれらの間で信号が接続されることを可能とする光学分離器をさらに備える請求項１記載の電子システム。
6. 前記無線電力受信素子は磁気共鳴によって電力を受信する素子である請求項１記載の電子システム。
7. 前記無線電力受信素子は誘導電力結合によって電力を受信する素子である請求項１記載の電子システム。
8. 更に前記電子システムに付随する無線電力送信部を備える請求項１記載の電子システム。
9. 前記無線電力送信部は、前記基板上に配置される請求項８記載の電子システム。
10. 前記無線電力送信部は、前記基板から離れて前記基板に隣り合って配置される請求項８記載の電子システム。
11. 基板の表面に結合されていて前記基板上の固定された位置に配置されている複数の電力消費素子に電力を伝送することを備え、前記電力消費素子の各々はほぼ同時に動作し、前記電力消費素子の少なくとも１つは他の前記電力消費素子に接続される出力端を有し、
    前記複数の電力消費素子に電力を伝送することは、第１無線電力受信素子へ第１電力を伝送し第２無線電力受信素子へ第２電力を伝送することを含む、前記複数の電力消費素子のうちの複数の異なる電力消費素子に無線で電力を伝送することを備え、
    前記第１電力は、前記複数の異なる電力消費素子のうちの第１電力消費素子に電力を供給するために使用され、前記第２電力は、前記複数の異なる電力消費素子のうちの第２電力消費素子に電力を供給するために使用される、方法。
12. 前記第１電力消費素子の信号と前記第２電力消費素子の信号とを光学的に分離することを更に備える請求項１１記載の方法。
13. 前記基板はプリント基板である請求項１１記載の方法。
14. 前記基板は集積回路の基板である請求項１１記載の方法。
15. 前記伝送は、磁気共鳴によって電力を伝送することを
    備える請求項１１記載の方法。
16. 前記伝送は、誘導電力結合で電力を伝送することを
    備える請求項１１記載の方法。
17. 前記伝送は、前記基板上に設けられた電力伝送部から電力を伝送すること
    を備える請求項１１記載の方法。
18. 前記伝送は、前記基板から離れて位置する電力伝送部から電力を伝送することを
    備える請求項１１記載の方法。
19. 基板と、
    前記基板上の複数の電力消費素子とを具備し、
    前記複数の電力消費素子の少なくとも第１電力消費素子が無線電力受信素子を含み、
    前記無線電力受信素子が、第１の共鳴特性及び少なくとも１０００のＱを備えたＲＣ回路を形成する誘導コイルとキャパシタとを含み、前記無線電力受信素子が前記電力を用いて少なくとも前記第１電力消費素子に電力を供給し、
    前記電力消費素子の少なくとも１つは、前記第１電力消費素子と異なる素子から電力を受け、前記電力消費素子の各々はほぼ同時に動作する電子システム。
20. 前記異なる素子は、他の無線電力受信素子を具備する、請求項１９記載の電子システム。
21. 前記異なる素子は、他の無線電力受信素子を具備する、請求項１記載の電子システム。

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