JP5964985B2 - 低損失ワイヤレス電力送信のためのシステムおよび方法 - Google Patents

低損失ワイヤレス電力送信のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、ワイヤレス電力に関する。より詳細には、本開示は低損失ワイヤレス電力送信のための送信コイルを対象とする。
ますます多くの様々な電子デバイスが、充電式バッテリを介して電力を供給される。そのようなデバイスは、モバイルフォン、携帯型音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(たとえば、ブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、補聴器などを含む。バッテリ技術は向上してきたが、バッテリ電源式電子デバイスは、より多くの電力量をますます必要とし、消費する。したがって、これらのデバイスは常に充電する必要がある。
充電式デバイスは、多くの場合に、電源に物理的に接続されるケーブルまたは他の同様のコネクタを通して有線接続によって充電される。ケーブルおよび同様のコネクタは不便な場合があるか、または扱いにくい場合があり、他の欠点を有する場合もある。充電式電子デバイスを充電するか、または電子デバイスに電力を提供するのに用いられることになる電力を自由空間において伝達することができるワイヤレス充電システムは、有線式の充電解決策の欠点の一部を克服する可能性がある。したがって、電子デバイスに電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス電力伝達システムおよび方法が望ましい。
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの種々の実装形態は各々、いくつかの態様を有し、そのうちのどれをとっても、本明細書において記述される望ましい属性に対してそれだけで役割を担うものはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの顕著な特徴が本明細書において説明される。
本明細書において説明される主題の1つまたは複数の実装形態の詳細が、添付の図面および以下の説明において記載される。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、縮尺どおりに描かれていない場合あることに留意されたい。
本開示の一態様は、第1の螺旋コイルおよび第2の螺旋コイルを含むワイヤレス電力を送信するための送信コイルを提供する。第1の螺旋コイルは、複数の巻きを含む。第1の螺旋コイルの中心から第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する。第2の螺旋コイルは、複数の巻きを含む。第2の螺旋コイルの中心から第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定する。第1の断面に沿った第1の螺旋コイルおよび第2の断面に沿った第2の螺旋コイルの部分は、第1の断面および第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%よりも大きい受信コイルに対する相互インダクタンスを有する。第2の螺旋コイルは、第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる。
本開示の別の態様は、ワイヤレス電力を送信するための方法を提供する。本方法は、電流により、複数の巻きを含む第1の螺旋コイルを駆動するステップを含む。第1の螺旋コイルの中心から第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する。本方法はさらに、電流により、複数の巻きを含む第2の螺旋コイルを駆動するステップを含む。第2の螺旋コイルの中心から第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定する。第1の断面に沿った第1の螺旋コイルおよび第2の断面に沿った第2の螺旋コイルの部分は、第1の断面および第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%よりも大きい受信コイルに対する相互インダクタンスを有する。第2の螺旋コイルは、第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる。
例示的な実施形態による、例示的なワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 種々の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用される場合がある例示的な構成要素の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、送信コイルまたは受信コイルを含む、図2の送信回路または受信回路の一部の概略図である。 例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用され得る送信機の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用され得る受信機の機能ブロック図である。 様々な態様による、単一スイッチングデバイス型差動駆動増幅器の概略図である。 様々な態様による、例示的な駆動回路を示す図である。 ワイヤレス送信機およびワイヤレス受信機を含む例示的なワイヤレス電力システムを示す図である。 様々な態様による、平面電圧コロケーションのための例示的な2コイル配列を示す図である。 様々な態様による、平面電圧コロケーションのための例示的な2コイル配列を示す図である。 様々な態様による、例示的なコイルレイアウトを示す図である。 様々な態様による、別の例示的なコイルレイアウトを示す図である。 例示的なコイル配列の断面を示す図である。 例示的なコイル配列の正規化相互インダクタンスと位置とを対比したプロットである。 別の例示的なコイル配列の正規化相互インダクタンスと位置とを対比したプロットである。
図面に示される種々の特徴は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。したがって、種々の特徴の寸法は、明確にするために、任意に拡大または縮小されている場合がある。それに加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを描写していない場合がある。最後に、本明細書および図を通して、同様の特徴を示すため、同様の参照番号が用いられる場合がある。
添付の図面に関する下記の発明を実施するための形態は、本発明の例示的な実施形態を説明することを意図しており、本発明が実践される場合がある唯一の実施形態を表すことは意図していない。本説明全体にわたって用いられる「例示的」という用語は、「例、実例、または例示としての役割を果たす」ことを意味しており、必ずしも、他の例示的な実施態様よりも好ましいか、または有利なものと解釈されるべきではない。発明を辞しするための形態は、本発明の例示的な実施態様を完全に理解してもらうために、具体的な細部を含む。本発明の例示的な実施形態は、これらの具体的な細部を用いることなく実践することができる。場合によっては、本明細書において提示される例示的な実施形態の新規性を曖昧にするのを避けるために、よく知られている構造およびデバイスがブロック図の形式で示されている。
電力をワイヤレスで伝達することは、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連付けられる任意の形のエネルギーを、場合によっては送信機から受信機に伝達することを指す場合がある(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達される場合がある)。電力伝達を達成するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受信されるか、取り込まれるか、または結合される場合がある。
図1は、本発明の例示的な実施形態による、例示的なワイヤレス電力伝達システム100の機能ブロック図である。デバイス(図示せず)の充電またはデバイスへの電力供給に十分な電力レベルでのエネルギー伝達を提供する場105を生成するために、電源(図示せず)から、送信機104に入力電力102を提供することができる。受信機108は場105に結合し、出力電力110に結合されたデバイスによって蓄積または消費するための出力電力110を生成することができる。送信機104と受信機108の両方は互いに距離112だけ離間される。1つの例示的な実施形態では、送信機104および受信機108は、相互共振関係に従って構成される。受信機108の共振周波数および送信機104の共振周波数が、実質的に同じか、または極めて近いとき、送信機104と受信機108との間の伝送損失は最小となる。そのため、コイルが極めて近い(たとえば、数ミリメートル)ことが必要な大型のコイルを必要とする場合がある純粋に誘導性の解決策とは対照的に、より長い距離にわたってワイヤレス電力伝達を提供することができる。したがって、共振誘導性結合技法によれば、効率を改善できるようになり、種々の距離にわたって、かつ種々の誘導コイル構成を用いて電力を伝達できるようになる場合がある。
受信機108は、送信機104によって生成されたエネルギー場105内に位置するときに、電力を受信することができる。場105は、送信機104によって出力されたエネルギーを受信機108によって取り込むことができる領域に対応する。場合によっては、場105は、以下にさらに説明されるように、送信機104の「近接場」に対応する場合がある。送信機104は、エネルギー伝送を出力するための送信コイル114を含む場合がある。さらに、受信機108は、エネルギー伝送からエネルギーを受信するか、または取り込むための受信コイル118も含む。近接場は、送信コイル114から電力を最小限に放出する、送信コイル114内の電流および電荷から生じる強い反応場(reactive field)が存在する領域に相当する場合がある。場合によっては、近接場は、送信コイル114の約1波長(または1波長の数分の一)内にある領域に相当する場合がある。送信コイル114および受信コイル118は、それらに関連付けられる応用形態およびデバイスに応じてサイズを決定される。上記のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波のエネルギーの大部分を遠距離場に伝搬するのではなく、送信コイル114の場105のエネルギーの大部分を受信コイル118に結合することによって行うことができる。場105内に位置決めされるとき、送信コイル114と受信コイル118との間に、「結合モード」を発生させることができる。この結合が生じる場合がある、送信コイル114および受信コイル118の周りのエリアは、本明細書において結合モード領域と呼ばれる。
図2は、本発明の種々の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システム100において用いられる場合がある例示的な構成要素の機能ブロック図である。送信機204は、発振器222と、ドライバ回路224と、フィルタおよび整合回路226とを含む場合がある送信回路206を含むことができる。発振器222は、周波数制御信号223に応答して調整することができる、468.75KHz、6.78MHz、または13.56MHzなどの所望の周波数において信号を生成するように構成することができる。発振器信号は、たとえば送信コイル214の共振周波数において送信コイル214を駆動するように構成されたドライバ回路224に与えることができる。ドライバ回路224は、発振器222から方形波を受信し、正弦波を出力するように構成されるスイッチング増幅器とすることができる。たとえば、ドライバ回路224は、E級増幅器とすることができる。また、フィルタおよび整合回路226は、高調波または他の不要な周波数をフィルタリングして除去し、送信機204のインピーダンスを送信コイル214に整合させるために含まれる場合がある。
受信機208は、図2に示されるように、整合回路232と、バッテリ236を充電するため、または受信機108に結合されたデバイス(図示せず)に電力供給するためにAC電力入力からDC電力出力を生成する整流器およびスイッチング回路234とを含む場合がある受信回路210を含むことができる。整合回路232は、受信回路210のインピーダンスを受信コイル218に整合させるために含まれる場合がある。それに加えて、受信機208および送信機204は、別の通信チャネル219(たとえば、ブルートゥース、zigbee、セルラーなど)上で通信することができる。代替的には、受信機208および送信機204は、ワイヤレス場206の特性を用いて帯域内シグナリングを介して通信することができる。
以下でより完全に説明されるように、選択的に使用不可にすることができる関連付けられる負荷(たとえば、バッテリ236)を最初に有する場合がある受信機208は、送信機204によって送信され、受信機208によって受信される電力量がバッテリ236を充電するのに適しているか否かを判断するように構成することができる。さらに、受信機208は、電力量が適切であると判断すると、負荷(たとえば、バッテリ236)を有効にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、受信機208は、バッテリ236を充電することなく、ワイヤレス電力伝達場から受信された電力を直接利用するように構成することができる。たとえば、近接場通信(NFC)または無線周波数識別デバイス(RFID)などの通信デバイスは、ワイヤレス電力伝達場から電力を受信し、ワイヤレス電力伝達場と相互作用することによって通信するように、および/または送信機204もしくは他のデバイスと通信するために受信電力を利用するように構成することができる。
図3は、本発明の例示的な実施形態による、送信コイルまたは受信コイル352を含む、図2の送信回路206または受信回路210の一部の回路図である。図3に示されるように、例示的な実施形態において用いられる送信または受信回路350は、コイル352を含むことができる。また、コイルは、「ループ」アンテナ352と呼ばれる場合があるか、または「ループ」アンテナ352として構成される場合がある。また、コイル352は、本明細書において、「磁気」アンテナもしくは誘導コイルと呼ばれる場合があるか、または「磁気」アンテナもしくは誘導コイルとして構成される場合がある。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためにエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことを意図している。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ばれる場合もある。コイル352は、空芯、またはフェライトコア(図示せず)などの物理的コアを含むように構成することができる。空芯ループコイルは、外部の物理デバイスがコアの近傍に配置されることに対して、許容性が高い場合がある。さらに、空芯ループコイル352により、他の構成要素をコアエリア内に配置できるようになる。それに加えて、空芯ループによれば、受信コイル218(図2)を、送信コイル214(図2)の結合モード領域がより強力な場合がある送信コイル214(図2)の平面内に、より容易に配置できるようになる場合がある。
上記のように、送信機104と受信機108との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機104と受信機108との間の整合した共振またはほぼ整合した共振中に行われる場合がある。しかしながら、送信機104と受信機108との間の共振が整合しないときであっても、効率が悪影響を及ぼされる場合があるものの、エネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信コイルの場105からのエネルギーを受信コイルに結合することによって行われ、受信コイルは、送信コイルからのエネルギーを自由空間に伝搬させることなく、この場105が確立された近傍内に常駐する。
ループコイルまたは磁気コイルの共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づく。インダクタンスは単にコイル352によって生成されたインダクタンスとすることができるのに対して、キャパシタンスは、所望の共振周波数の共振構造を作り出すために、コイルのインダクタンスに加えられる場合がある。非限定的な例として、共振周波数において信号356を選択する共振回路を作り出すために、送信または受信回路350にキャパシタ352およびキャパシタ354を加えることができる。したがって、より大きい直径のコイルの場合、共振を持続させるのに必要とされるキャパシタンスの大きさは、ループの直径またはインダクタンスが大きくなるにつれて減少する場合がある。さらに、コイルの直径が大きくなるにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達面積が増加する場合がある。他の構成要素を用いて形成される他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、コイル350の2つの端子間に並列にキャパシタを配置することができる。送信コイルの場合、コイル352の共振周波数に実質的に対応する周波数を有する信号358を、コイル352への入力とすることができる。
一実施形態では、送信機104は、送信コイル114の共振周波数に対応する周波数を有する、時変磁場を出力するように構成することができる。受信機が場105内にあるとき、時変磁場は、受信コイル118内に電流を誘導することができる。上記のように、受信コイル118が送信コイル118の周波数において共振するように構成される場合には、エネルギーを効率的に伝達することができる。受信コイル118内に誘導されたAC信号を上記のように整流して、負荷を充電するか、または負荷に電力を供給するために与えることができるDC信号を生成することができる。
図4は、本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムにおいて用いられる場合がある送信機404の機能ブロック図である。送信機404は、送信回路406および送信コイル414を含むことができる。送信コイル414は、図3に示すコイル352とすることができる。送信回路406は、発振信号を与えることにより、送信コイル414にRF電力を与えることができ、その信号の結果として、送信コイル414の周りにエネルギー(たとえば、磁束)が生成される。送信機404は、任意の適切な周波数において動作することができる。例として、送信機404は、13.56MHzのISM帯域において動作することができる。
送信回路406は、送信回路406のインピーダンス(たとえば、50オーム)を送信コイル414に整合させるための固定インピーダンス整合回路409と、高調波放射を、受信機108(図1)に結合されたデバイスの自己ジャミングを防ぐレベルまで低減するように構成されるローパスフィルタ(LPF)408とを含むことができる。他の例示的な実施形態は、限定はしないが、他の周波数を通過させながら特定の周波数を減衰させるノッチフィルタを含む異なるフィルタトポロジを含むことができ、コイル414への出力電力またはドライバ回路424によって引き出されたDC電流などの測定可能な送信指標に基づいて変化することができる適応インピーダンス整合を含むことができる。送信回路406は、発振器423によって決定されるようなRF信号を駆動するように構成されるドライバ回路424をさらに含む。送信回路406は、個別のデバイスまたは回路から構成することができるか、または代替的には、一体型アセンブリから構成することができる。送信コイル414から出力される例示的なRF電力は、2.5ワット程度とすることができる。
送信回路406は、発振器423の周波数または位相を調整し、取り付けられた受信機を通して隣接するデバイスとやりとりするための通信プロトコルを実施するための出力電力レベルを調整するために、特定の受信機に対する送信段階(またはデューティサイクル)中に発振器423を選択的に使用可能にするためのコントローラ415をさらに含むことができる。コントローラ415は、本明細書においてプロセッサ415と呼ばれる場合があることに留意されたい。発振器位相および送信経路内の関連する回路の調整によって、特に、ある周波数から別の周波数に移行する際の帯域外放射を低減できるようになる場合がある。
送信回路406は、送信コイル414によって生成された近接場の近傍において作動中受信機の存否を検出するための負荷検知回路416をさらに含むことができる。例として、負荷検知回路416はドライバ回路424に流れる電流を監視し、以下でさらに説明されるように、その電流は、送信コイル414によって生成された場の近傍における作動中受信機の存否によって影響を及ぼされる場合がある。ドライバ回路424にかかる負荷の変化の検出は、エネルギーを伝送するために発振器423を使用可能にすべきか否か、および作動中受信機と通信すべきか否かを判断する際に用いるために、コントローラ415によって監視される。以下でさらに十分に説明されるように、ドライバ回路424において測定される電流は、送信機404のワイヤレス電力伝達領域内に無効なデバイスが位置決めされた否かを判断するために用いることができる。
送信コイル414は、リッツ線を用いて、または抵抗損を低く保つために選択された厚み、幅、および金属のタイプを有するアンテナストリップとして実装することができる。一実装形態では、送信コイル414は一般に、テーブル、マット、ランプ、または他の可搬性の低い構成などの、より大きい構造と関連付けて構成することができる。したがって、送信コイル414は一般に、実用的な寸法を有するために「巻く」必要がない場合がある。送信コイル414の例示的な実装形態は、「電気的に小型」(すなわち、波長の数分の一)とすることができ、共振周波数を規定するためにキャパシタを使用することにより、より低い使用可能な周波数において共振するように同調することができる。
送信機404は、送信機404に関連付けられる場合がある受信機デバイスの所在および状態についての情報を収集および追跡することができる。したがって、送信回路406は、(本明細書ではプロセッサとも呼ばれる)コントローラ415に接続される、存在検出器480、閉鎖検出器460、またはこれらの組合せを含むことができる。コントローラ415は、存在検出器480および閉鎖検出器460からの存在信号に応答してドライバ回路424によって送達される電力量を調整することができる。送信機404は、たとえば、建物内にある従来のAC電力を変換するためのAC-DCコンバータ(図示せず)、または従来のDC電源を送信機404に適した電圧に変換するためのDC-DCコンバータ(図示せず)などのいくつかの電源を通して、または従来のDC電源(図示せず)から直接電力を受け取ることができる。
非限定的な例として、存在検出器480は、送信機404のカバレッジエリア内に挿入される、充電されるデバイスの初期存在を検知するために利用される運動検出器とすることができる。検出後に、送信機404をオンにすることができ、デバイスによって受信されたRF電力を用いて、所定の方法でRxデバイス上のスイッチを切り替えることができ、それにより、結果として送信機404の駆動点インピーダンスが変化する。
別の非限定的な例として、存在検出器480は、たとえば、赤外線検出手段、運動検出手段、または他の適切な手段によって人を検出することできる検出器とすることができる。いくつかの例示的な実施形態では、送信コイル414が特定の周波数で送信することができる電力量を制限する規制が存在する場合がある。時として、これらの規制は、人を電磁放射から保護することを意図している。しかしながら、送信コイル414が、たとえば、ガレージ、工場の作業場、店舗などの、人によって占有されないか、または人によって占有される頻度が低いエリアに配置される環境が存在する場合もある。これらの環境に人がいない場合、通常の電力制限規制よりも高く、送信コイル414の電力出力を増加させることが許容可能な場合もある。言い換えると、コントローラ415は、人の存在に応答して、送信コイル414の電力出力を規制レベル以下に調整し、人が送信コイル414の電磁場から規制距離の外側にいるとき、送信コイル414の電力出力を、規制レベルを超えるレベルに調整することができる。
非限定的な例として、閉鎖検出器460(本明細書では、閉鎖コンパートメント検出器または閉鎖空間検出器と呼ばれる場合もある)は、筐体が閉じた状態にあるか、開いた状態にあるかを判断するための検知スイッチなどのデバイスとすることができる。送信機が閉じた状態の筐体内にあるとき、送信機の電力レベルを増加させることができる。
例示的な実施形態では、送信機404が無制限にオンのままでない方法を用いることができる。この場合、送信機404は、ユーザが決定した時間後に停止するようにプログラミングすることができる。この特徴は、送信機404、特にドライバ回路424が、送信機404の周囲のワイヤレスデバイスが十分に充電された後に長期間動作するのを防ぐ。このイベントは、リピータまたは受信コイルから送信された、デバイスが十分に充電されたという信号を検出するための回路の故障に起因する場合もある。別のデバイスが送信機404の周囲に置かれた場合に送信機404が自動的に停止するのを防ぐために、送信機404の自動停止機能は、送信機404の周囲で運動が検出されなくなってからある設定時間後にのみ起動することができる。ユーザは、非活動時間間隔を決定し、その時間間隔を所望により変更できる場合がある。非限定的な例として、この時間間隔は、デバイスが最初に十分に放電されているという仮定の下で、特定のタイプのワイヤレスデバイスを十分に充電するのに必要とされる時間間隔よりも長くすることができる。
図5は、本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムにおいて用いられる場合がある受信機508の機能ブロック図である。受信機508は、受信コイル518を含む場合がある受信回路510を含む。受信機508は、それに受信電力を提供するためのデバイス550にさらに結合する。受信機508は、デバイス550の外部にあるものとして示されているが、デバイス550に組み込まれる場合があることに留意されたい。エネルギーは、受信コイル518にワイヤレスに伝搬され、その後、受信回路510の残りの部分を通してデバイス550に結合される場合がある。例として、充電デバイスは、モバイルフォン、携帯型音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(たとえば、ブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、補聴器(および他の医療用デバイス)などのデバイスを含む場合がある。
受信コイル518は、送信コイル414(図4)と同じ周波数において、または規定された周波数範囲内で共振するように同調させることができる。受信コイル518は、送信コイル414と同じような寸法にすることができるか、または関連するデバイス550の寸法に基づいて異なるサイズにすることができる。例として、デバイス550は、送信コイル414の直径または長さよりも小さい直径寸法または長さ寸法を有するポータブル電子デバイスとすることができる。そのような例では、受信コイル518は、同調キャパシタ(図示せず)のキャパシタンス値を下げ、受信コイルのインピーダンスを上げるために多巻コイルとして実装することができる。例として、受信コイル518は、コイル径を最大化し、受信コイル518のループ巻き(すなわち、巻線)数を少なくし、巻線間キャパシタンスを下げるために、デバイス550の実質的な外周の回りに配置することができる。
受信回路510は、受信コイル518に対するインピーダンス整合をもたらすことができる。受信回路510は、受信されたRFエネルギー源をデバイス550によって使用するための充電電力に変換するための電力変換回路506を含む。電力変換回路506は、RF-DC変換器520を含み、DC-DC変換器522を含むこともできる。RF-DC変換器520は、受信コイル518において受信されたRFエネルギー信号を、Vrectによって表される出力電圧を有する非交流電力に整流する。DC-DC変換器522(または他の電力調整器)は、整流されたRFエネルギー信号を、VoutおよびIoutによって表される出力電圧および出力電流を有する、デバイス550に適合するエネルギーポテンシャル(たとえば、電圧)に変換する。部分的および完全な整流器、調整器、ブリッジ、ダブラー、ならびにリニア変換器およびスイッチング変換器を含む、種々のRF-DC変換器が企図される。
受信回路510は、受信コイル518を出力変換回路506に接続するか、または代替的には出力変換回路506を切断するためのスイッチング回路512をさらに含むことができる。電力変換回路506から受信コイル518を切断することにより、デバイス550の充電を中断するだけでなく、送信機404(図2)から「見える」ような「負荷」も変更する。
上記で開示されたように、送信機404は、送信機ドライバ回路424に与えられるバイアス電流の変動を検出することができる負荷検知回路416を含む。したがって、送信機404は、受信機が送信機の近接場内に存在する時点を判断するための機構を有する。
複数の受信機508が送信機の近接場内に存在するとき、他の受信機がより効率的に送信機に結合できるようにするために、1つまたは複数の受信機のローディングおよびアンローディングを時分割多重化することが望ましい場合がある。また、受信機508はまた、他の近くの受信機への結合を解消するか、または近くの送信機へのローディングを弱めるためにクローキングすることができる。受信機のこの「アンローディング」は、本明細書において「クローキング」としても知られる。さらに、受信機508によって制御され、送信機404によって検出される、アンローディングとローディングとの間のこの切替は、以下でさらに十分に説明されるように、受信機508から送信機404への通信機構を提供することができる。さらに、その切替に、受信機508から送信機404にメッセージを送信できるようにするプロトコルを関連付けることができる。例として、切替速度は、100μ秒程度とすることができる。
例示的な実施形態では、送信機404と受信機508との間の通信は、従来の双方向通信(すなわち、結合場を用いる帯域内シグナリング)ではなく、デバイス検知/充電制御機構を指している。言い換えると、送信機404は、エネルギーが近接場で利用可能であるか否かを調整するために送信信号のオン/オフキーイングを用いることができる。受信機は、これらのエネルギー変化を、送信機404からのメッセージとして解釈することができる。受信機側から、受信機508は、場から受け入れている電力量を調整するために受信コイル518の同調および離調を用いることができる。場合によっては、同調および離調は、スイッチング回路512を介して達成することができる。送信機404は、場から使用されるこの電力差を検出し、これらの変化を受信機508からのメッセージとして解釈することができる。送信電力および負荷挙動の他の形態の変調も利用できることに留意されたい。
受信回路510は、送信機から受信機への情報シグナリングに対応することができる、受信エネルギーの変動を識別するために用いられるシグナリング検出器/ビーコン回路514をさらに含むことができる。さらに、シグナリングおよびビーコン回路514を用いて、低減されたRF信号エネルギー(すなわち、ビーコン信号)の送信を検出することもでき、ワイヤレス充電用の受信回路510を構成するために、その低減されたRF信号エネルギーを整流して、受信回路510内の電力を供給されていない回路または電力を使い果たした回路のいずれかを呼び起こすための公称電力を生成することもできる。
受信回路510は、本明細書で説明するスイッチング回路512の制御を含む、本明細書において説明される受信機508のプロセスを協調させるためのプロセッサ516をさらに含む。また、充電電力をデバイス550に与える外部の有線充電源(たとえば、壁/USB電力)の検出を含む他のイベントが発生すると、受信機508のクローキングを行うこともできる。プロセッサ516は、受信機のクローキングを制御することに加えて、ビーコン状態を判断し、送信機404から送信されたメッセージを抽出するためにビーコン回路514を監視することもできる。プロセッサ516は、性能を改善するためにDC-DC変換器522を調整することもできる。
図6は、いくつかの態様による、例示的な単一スイッチングデバイス型差動駆動増幅器624の概略図を示している。いくつかの態様では、差動駆動増幅器624は、図2のドライバ回路224に対応し得る。増幅器624は、供給電圧(+Vcc)に接続される上位RLC(レジスタ/インダクタ/キャパシタ)ネットワーク670および接地に接続される下位RLCネットワーク672を含む。上位ネットワーク670および下位ネットワーク672は、2つのネットワーク間で浮動するスイッチングデバイス671を共有する。スイッチングデバイス671は、スイッチングデバイス671のスイッチング動作を制御することができる制御信号または駆動信号を受信し得る。スイッチングデバイス671はまた、差動出力信号がそれぞれ存在する2つの出力ノードn1およびn2を規定することができる。制御信号または駆動信号により、スイッチングデバイスはその導電性状態を変更し得る。このようにして、実質的に等しく、かつ互いに反対である差動出力信号がノードn1およびノードn2において生成され得る。
ネットワークの構成要素の特性(たとえば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンスなど)が実質的に同一となるように、上位RLCネットワーク670は下位RLCネットワーク672に整合し得る。いくつかの例示的な実施形態によれば、スイッチングデバイス671はインダクタ(巻線またはコイルとも呼ばれる)L1とインダクタL2との間で接続されてよく、L1およびL2は整合し、しっかり結合され得る。インダクタL3およびL4も整合し、しっかり結合され得る。
本明細書で使用するとき、「浮動」という用語は、デバイスが固定電位(たとえば、+Vccまたは接地)に接続されていないことを示すために使用され得る。たとえば、デバイスは、インダクタまたはキャパシタなどの非ゼロインピーダンス構成要素を通じて固定電位に接続されている場合に浮動していてよい。したがって、浮動構成要素の端子における電位は、固定電位に対してふらふらするか、または浮動する傾向があり得る。
スイッチングデバイス671は、トランジスタ(たとえば、電界効果トランジスタなど)として具現化されることがあり、図6に示す方形波のような制御信号または駆動信号に応答してスイッチを開閉することができる。様々な例示的な実施形態によれば、上位ネットワークおよび下位ネットワークにおける電流I1およびI2は、それぞれのネットワークにおいて反対方向にある。スイッチングデバイス671によって実行されたスイッチング動作ならびに電流I1およびI2の結果、ノードn1およびn2において差動出力信号が生成され得る。L3インダクタとL4インダクタとの結合効果により、ノードn1およびn2において生成された差動出力信号は、入力信号に存在する雑音を消去するように相互作用し得る。したがって、負荷RLは、伝導雑音と放射雑音の両方の関連する低減を伴う信号を受信することができる。
上述のように、インダクタL3とインダクタL4との間の結合は、増幅器によってもたらされた雑音の低減を促進することができる。雑音消去を最大化するために、インダクタL3およびL4は、これらのインダクタが強く結合されるようにできるだけ互いに接近して位置決めされ得る。実際には、設計者は、依然として信号の完全な消去を回避しつつ、雑音を完全に消去するという仮定的ケースに近づくことを望み得る。いくつかの例示的な実施形態によれば、Coiltronix DRQ127-470-Rなどの単一のパッケージにまとめられた強く結合されたインダクタのペアが使用されてよく、その結果、インダクタはできるだけ接近して結合される。強い結合の結果として、インダクタの各々における電流は、値がほぼ等しくならざるを得ず、逆向きの信号の生成が促進され得る。インダクタが同じパッケージに含まれていない例示的な実施形態(たとえば、ワイヤレス電力システム)によれば、インダクタL3およびL4は、1つまたは複数の2次コイルにワイヤレス電力を送信するために使用される、相互に巻き付けられたコイルであってよく、インダクタを非常に近接した状態に維持することによって強い結合を利用し得る。
図7は、いくつかの例示的な実施形態による、駆動回路722を示している。いくつかの態様では、駆動回路722は、図2の発振器222に対応し得る。駆動回路722は781において入力信号を受信し、784において駆動信号をスイッチングデバイス771のゲートに提供することができる。784における駆動信号は、ゲート駆動トランスフォーマ782およびhブリッジネットワーク783を介して生成され得る。いくつかの例示的な実施形態によれば、スイッチングデバイス用に784における駆動信号を生成するために、隔離駆動方式がトランスフォーマ782を使用して実装され得る。いくつかの例示的な実施形態によれば、トランスフォーマ782はパルストランスフォーマであり得る。トランスフォーマ782は、その入力端子にわたって電圧差を感知し、その出力端子にわたって同じ電圧を印加することができる。スイッチングデバイス771のゲートおよびソースにわたってトランスフォーマ782の出力端子を接続することによって、ソースおよびドレインがn1とn2との間で浮動していても切替が実行され得る。
いくつかの例示的な実施形態では、スイッチングデバイス771は、急速な速度で切り替わるように設計されてよく、これは、スイッチングデバイスのゲートにおいて急速に変化する駆動信号を必要とし得る。急速に変化する駆動信号を実現するために、hブリッジ回路783が利用され得る。図6を参照すると、hブリッジ回路783は、ダイオードD1およびD2ならびにバイポーラ接合トランジスタ(BJT)B1およびB2を含むことができる。ダイオードならびにキャパシタC1およびC2は、電圧ダブラー回路を形成することができ、この電圧ダブラー回路を使用して、ノードn4およびn2にわたり直流(DC)電圧を生成することができる。このDC電圧を使用してスイッチングデバイス771のゲートを駆動するために、BJTはプッシュプル構成で設定され得る。プッシュプル構成は、BJTのくつかの固有の特性に依存し得る。B1は、PNPトランジスタであってよく、(ノードn4に接続された)コレクターと(ノードngに接続された)エミッタとの間の閉スイッチとして機能し得る一方、(ノードn3に接続された)BJTベース電圧は、エミッタにおける電圧よりも高くてよい。一方、B2は、NPNトランジスタであってよく、(ノードn2に接続された)そのコレクターと(ノードngに接続された)エミッタとの間の閉スイッチとして機能し得る一方、(ノードn3に接続された)そのベース電圧は、エミッタにおける電圧よりも低くてよい。B1とB2の両方は、閉スイッチとして動作していないとき、開スイッチとして機能し得る。
トランスフォーマがノードn3の電圧を強制的にノードn2の電圧よりも高くしたとき、B1は、そのベース端子とエミッタ端子との間の正の電圧を感知することができ、その結果、電流はキャパシタC1からスイッチングデバイス771のゲートに流れる。同様に、B2は、そのベースとそのエミッタとの間のより低い電圧を感知することができ、それにより、スイッチングデバイス771のゲートはノードn2に放電する。結果として、hブリッジ783は、(ソースに対して)スイッチングデバイス771のゲートにおける信号の電圧の速いランプアップおよびランプダウンをもたらし、それにより、急速な切替が可能になる。
図8は、様々な態様による、例示的なワイヤレス電力システム800を示している。図8のワイヤレス電力システムは、ワイヤレス電力送信機804およびワイヤレス電力受信機808を含むことができる。ワイヤレス電力送信機804は、差動駆動増幅器824を含むことができ、この差動駆動増幅器824は、単一のスイッチングデバイス871および駆動回路822を含むことができる。いくつかの態様では、駆動回路822および差動駆動増幅器824は、それぞれ図7および図6の駆動回路722および差動駆動増幅器624に対応し得る。駆動回路822は、入力信号802を受信することができる。ワイヤレス電力送信機804はまた、供給ネットワーク825および1次コイル814を含むことができる。ワイヤレス電力受信機808は、2次コイル818、整流器834、および動的負荷であり得る負荷850を含むことができる。いくつかの例示的な実施形態では、負荷850は、電子デバイスのための充電式バッテリであり得る。
様々な態様によれば、図8のワイヤレス電力システムは、供給ネットワーク825によって提供されたDC電圧を高周波信号に変換するためにスイッチング動作を実装する。差動駆動増幅器824は、上記で説明したように、差動であり、実質的に等しく、反対である2つの高周波出力信号を生成するように動作し得る。差動出力信号は、1次コイル814の結合を通じて雑音消去をもたらすように位置決めされたそれぞれの1次コイルに与えられ得る。1次コイル814は、コイル中の電流が同じ方向に流れるように配向され、それにより、1次コイル814の磁場生成に対する最小限の影響を有しつつも、雑音消去をもたらし得る。電流の方向に起因して、同じ極性を有する磁場が生成され得る。磁場は、ワイヤレス電力受信機の1つまたは複数の2次コイル818における電流を誘導し得る。1つまたは複数の2次コイル818は、誘導交流(AC)信号を受信することができ、次いで、この誘導AC信号は、整流器834を介して整流されて、負荷850に与えられ得る。
いくつかの態様によれば、1次コイル814は、1次コイル814によって画定された平面上の任意のロケーションに、実質的に等しく、かつ反対の電圧をコロケートすることによって雑音消去を促進するように構成され得る。いくつかの例示的な実施形態によれば、1次コイル814は、1次コイルネットワークを囲む3次元空間中の任意のロケーションに、実質的に等しく、かつ反対の電圧をコロケートするように構成され得る。様々な例示的な実施形態によれば、1次コイル814は、上述のように差動出力信号によって駆動され得る。しかしながら、いくつかの例示的な実施形態によれば、本明細書で説明する1次コイル配列および構成は、限定はしないが、本明細書で説明するように単一スイッチングデバイス型差動駆動増幅器を含む任意のタイプの差動駆動増幅器とともに利用され得る。たとえば、1次コイル配列および構成は、複数のスイッチングデバイスおよび/またはトランジスタを含む差動駆動増幅器とともに使用されてよい。
1次コイル814の位置構成に関して、各1次コイルは、幾何平面上に螺旋として巻かれ得る。電圧のコロケーションを促進するために、コイルの各巻きの間の距離は、螺旋構成がエリアの中心に向かうにつれて拡大し得る。したがって、第1のコイルおよび第2のコイルは、共通の平面内に実質的にある螺旋構成を有してよく、これにより、共通の平面上の任意のロケーションに、それぞれ第1のコイルおよび第2のコイルの中の実質的に等しく、かつ反対の電圧のコロケーションをもたらす。いくつかの例示的な実施形態によれば、中心点または中心エリアに螺旋形に進入し(spiral into)、次いで螺旋形に後退する(spiral back out)単一のコイルが利用され得る。したがって、単一コイル実施形態を達成するために、中央ロケーションに接続された2つのコイルのコイル配列が構築され得る。
図9は、様々な態様による、例示的な2コイル配列の透視図を示している。図10は、様々な例示的な態様による、例示的な2コイル配列の平面図を示している。図11は、第1のコイルのみが描かれた、図10の態様の平面図を示しており、図12は、第2のコイルのみが描かれた、図10の態様の平面図を示している。
いくつかの態様では、図8の1次コイル814は、図9および図10の2コイル構造として形成され得る。各コイルは、他方のコイルを駆動する信号に対して実質的に等しく、かつ反対である信号によって駆動され得る。一方のコイルは反時計回りに巻かれてよく、他方のコイルは時計回りに巻かれてよい。一方のコイルは、実質的に他方のコイルの対応物(reflection)であってよく、全体の長さが他方のコイルと同じであってよい。2つのコイルはともに、一方のコイルを他方のコイルの上、下に置くか、または他方のコイルと織り交ぜることによって単一コイル構造を作成するように構成され得る。たとえば、図9および図10の2コイル配列は、コイルが共通の平面上に実質的に位置し、共通の中心を有する単一コイル構造を形成することができる。いくつかの態様では、単一コイル構造は代わりに、1つのコイルまたは3つ以上のコイルを含むことができる。いくつかの態様では、単一コイル構造はさらに、図8の2次コイル818などの受信機コイルとして使用され得る。
単一コイル構造は、いくつかの態様では平面でなくてよく、他の態様ではたわみ性の平面を有する平面であってよい。単一コイル構造は、たとえば長方形または円を含む任意の対称的形状であってよい。単一コイル構造は、様々な可能性のうちでもとりわけ、垂直、水平、および対角上を含む様々な方位に向けられ得る。さらに、単一コイル構造は、様々な可能性のうちでもとりわけ、表面、壁、テープ、および携帯型電子機器を含む様々なアイテムに位置し得る。
いくつかの態様では、各コイルに対する信号の入力に使用される単一コイル構造の部分は、単一コイル構造のエッジに沿った隅以外のロケーションから入れる(feed in)ことができる。たとえば、信号は、図10に示すように上部中心エッジに沿った単一コイル構造の上側に直角に入力され得る。
単一コイル構造の各隅は、最小巻き半径を有し得る。特定の態様では、最小巻き半径は約5mmであり得る。最小巻き半径は、他の態様ではこれよりも大きいことも小さいこともある。
図8の2次コイル818などの受信コイルは、単一コイル構造の周囲または内部エリアの上または下に置かれ得る。受信コイルは、単一コイル構造の1つのコイルからの第1の距離および単一コイル構造の別のコイルからの第2の距離のところにあり得る。いくつかの態様では、第1の距離および第2の距離は、それぞれ、3mmから40mmの範囲内にあり得る。他の態様では、第1の距離および第2の距離は、3mmを下回るか、または40mmを上回ってよい。さらに、いくつかの態様では、単一コイル構造の第1のコイルおよび第2のコイルが接近して位置し、共通の平面上に実質的に位置し得るように、第1の距離は第2の距離に等しくてよい。
図13は、単一コイル構造の中心1302から最外巻き1312(すなわち、第5の巻き)までの単一コイル構造の例示的な断面1300の側面図を示している。単一コイル構造の連続する巻きの間の間隔は、変数として表され、中心1302から最外巻き1312までの単一コイル構造の断面に沿った距離の関数として決定され得る。図示した単一コイル構造は、第1の巻き1304、第2の巻き1306、第3の巻き1308、第4の巻き1310、および最外巻き1312を含む、N巻き(すなわち、5巻き)を含む。中心1302から第iの巻き(たとえば、第3の巻き)までの距離は、diとして示され、中心1302から最外巻き1312の中心までの距離は、D/2として示されている。
いくつかの態様では、単一コイル構造の中心から第iの巻きまでの断面に沿った距離diは、式1の関数によって与えられる。
Figure 0005964985
上式で、
Figure 0005964985
は、中心から最外巻きまでの距離であり、rは、単一コイル構造の巻きの間の間隔に対応する値であり、Nは、単一コイル構造の巻きの総数の合計であり、iは、特定の巻きに対応する数である。いくつかの態様では、式1は追加または代替として、単一コイル構造の1巻きの中心から第iの巻きまでの断面に沿った距離を記述する。さらに、いくつかの態様では、単一コイル構造の中心または単一コイル構造の1巻きの中心から第iの巻きまでの断面に沿った距離は、追加または代替として、距離がDおよびiに比例し、Nに反比例する関数によって与えられる。
例示的な断面線として、図10は、単一コイル構造上に引かれた断面線の平面図を示している。図示のように、単一コイル構造の各コイルは、共通の平面上に実質的に位置する共通の断面線を共有し得る。断面線は、2コイル型単一コイル構造の6巻きを交互にクロスし、2つのコイルの各々の3巻きをクロスする。連続する巻きの間の間隔S1、S2、S3などの間隔は一般に、単一コイル構造の最外巻きから中心に向かって拡大する。
図14は、例示的な単一コイル構造の正規化相互インダクタンスと位置とを対比したプロット1400である。プロット1400における相互インダクタンス値1402は、単一コイル構造の断面1404の、断面よりも10mm上の位置における受信コイルに対する相互インダクタンスを示している。相互インダクタンス値1402は、断面に沿った位置の最大相互インダクタンスによって正規化される。プロット1400を構築するために使用された受信コイルは、相互インダクタンス分布を割り出すために、受信コイルにわたる場が平均化された、有限幅44mmを有する1巻きコイルであった。さらに、位置軸に沿って、単一コイル構造の各巻きの断面1404の例示的な側面図が複数のOとして示され、図示した相互インダクタンス分布をもたらした巻きおよび間隔を把握できるようになっている。
同様に、図15は、例示的な単一コイル構造の正規化相互インダクタンスと位置とを対比したプロット1500である。プロット1500における相互インダクタンス値1502は、単一コイル構造の断面1504の、断面よりも10mm上の位置における受信コイルに対する相互インダクタンスを示している。相互インダクタンス値1502は、断面に沿った位置の最大相互インダクタンスによって正規化される。プロット1500を構築するために使用された受信コイルは、相互インダクタンス分布を割り出すために、受信コイルにわたる場が平均化された、有限幅44mmを有する1巻きコイルであった。さらに、位置軸に沿って、単一コイル構造の各巻きの断面1504の例示的な側面図が複数のOとして示され、図示した相互インダクタンス分布をもたらした巻きおよび間隔を把握できるようになっている。
図14および図15の分布を比較すると、単一コイル構造の巻きの間の変動する間隔が、分布の最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の差異をもたらしていることに気付くことができる。有利なことに、最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の差異が小さいほど、単一コイル構造の断面によって生成される磁場における均一性が高まる。その結果、単一コイル構造の巻きの間の間隔は、最小正規化相互インダクタンスが、1次コイル構造の一部またはすべての断面に沿った最大正規化相互インダクタンスの一定の割合を上回るように設計され得る。たとえば、巻きの間の間隔は、最小正規化相互インダクタンスが、単一コイル構造の一部またはすべての断面に沿った最大正規化相互インダクタンスの50%または65%を上回るように選択され得る。いくつかの態様では、他の最小相互インダクタンスしきい値が使用され得る。さらに、有利なことに、いくつかの態様では、単一コイル構造の様々な断面に最小相互インダクタンスしきい値を適用することによって、単一コイル構造は、単一コイル構造よりも上または下の一定の距離のところに実質的に均一の3次元磁場を作るように形成される。
いくつかの態様では、巻きの間の間隔は、最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の差異が実質的に最小化されるように設計され得る。たとえば、式1におけるrの値は、断面に沿った単一コイル構造の部分が、rの他の値の場合ほど異ならない最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の差を有するように解かれるか、または選択され得る。一態様では、rの値は、約0.67の値が最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の最小差をもたらし得るので、およそ0.65〜0.68の範囲にあり得る。rの値が約0.67であるとき、断面に沿った最大正規化相互インダクタンスと最小正規化相互インダクタンスとの間の割合差は、約21%という低さになり得る。
単一コイル構造の巻きの間の間隔は一般に、単一コイル構造の最外巻きから中心に向かって拡大し得る。間隔のそのような拡大は、単一コイル構造の上または下における実質的に均一の磁場分布の生成を可能にし得る。有利なことに、いくつかの態様では、実質的に均一の磁場は寄生ループを使用せずに構築されて、寄生ループからの追加抵抗に起因する損失が低減され得る。いくつかの態様では、単一コイル構造から実質的に均一の磁場が最も強い場所までの距離は、単一コイル構造よりも上または下の約3mm〜40mmであり得る。さらに、単一コイル構造は、2つ以上のモバイルフォンを同時に充電するのに十分な大きさの磁場をもたらすようにサイズを決定され得る。本開示で論じた例示的な態様を踏まえると、均一の磁場はまた、デバイスが1次コイル構造の外側エッジよりも上であっても電力をワイヤレス受信できるようにし得る。
単一コイル構造の連続する巻きの間の間隔は、部分的には、高周波数における交流抵抗が減少し得るように、単一コイル構造の最外巻きから中心に向かって拡大するように設計され得る。いくつかの態様では、そのような設計は、約6.78MHzの動作周波数における抵抗および対応するエネルギー損失を減らすのに効果的であり得る。
多種多様な技術および技法のうちのいずれかを使用して情報および信号を表すことができる。たとえば、上記の説明全体にわたって参照される場合があるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。
本明細書において開示される実施形態に関して説明された種々の例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、これまで概してそれらの機能に関して説明されてきた。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、特定の応用形態および全体的なシステムに課される設計上の制約による。説明された機能は特定の応用形態ごとに様々な方法で実装される場合があるが、そのような実装形態の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
本明細書において開示される実施形態に関して説明された種々の例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタロジック、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書において説明される機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて、実装または実行することができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサとすることができるが、代替形態では、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械とすることができる。また、プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそのような構成として実装することができる。
本明細書において開示される実施形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムのステップおよび機能は、そのままハードウェアにおいて、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールにおいて、またはその2つの組合せにおいて具現化することができる。ソフトウェアにおいて実装される場合、それらの機能は、1つもしくは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、あるいは非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信される場合がある。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD ROM、または、当技術分野で既知の任意の他の形態の記憶媒体の中に常駐することができる。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替形態では、記憶媒体はプロセッサと一体にすることができる。本明細書において使用されるとき、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスク、およびブルーレイディスクを含み、ディスク(disk)は通常、磁気的にデータを再生し、ディスク(disc)は、レーザで光学的にデータを再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体はASIC中に常駐することができる。ASICはユーザ端末内に常駐することができる。代替形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別構成要素として存在することができる。
本開示を要約するために、本明細書において、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴が説明されてきた。そのような利点の必ずしもすべてが、本発明の任意の特定の実施形態に従って達成されるとは限らない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示または示唆される場合があるような、他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示される1つの利点または一群の利点を達成または最適化するようにして具現化または実行される場合がある。
上記の実施形態の種々の変更形態が容易に明らかになり、本明細書において規定される一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書において示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書において開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
102 入力電力
104 送信機
105 場
222 発振器
224 ドライバ回路
624 単一スイッチングデバイス型差動駆動増幅器、差動駆動増幅器、増幅器
670 上位RLC(レジスタ/インダクタ/キャパシタ)ネットワーク、上位ネットワーク
671 スイッチングデバイス
672 下位RLCネットワーク、下位ネットワーク
722 駆動回路
771 スイッチングデバイス
782 ゲート駆動トランスフォーマ、トランスフォーマ
783 hブリッジネットワーク、hブリッジ回路、hブリッジ
800 ワイヤレス電力システム
802 入力信号
804 ワイヤレス電力送信機
808 ワイヤレス電力受信機
814 1次コイル
818 2次コイル
822 駆動回路
824 差動駆動増幅器
825 供給ネットワーク
834 整流器
850 負荷
871 スイッチングデバイス
1300 断面
1302 中心
1304 第1の巻き
1306 第2の巻き
1308 第3の巻き
1310 第4の巻き
1312 最外巻き
1400 プロット
1402 相互インダクタンス値
1404 断面
1500 プロット
1502 相互インダクタンス値
1504 断面
B1 バイポーラ接合トランジスタ(BJT)
B2 バイポーラ接合トランジスタ(BJT)
C1 キャパシタ
C2 キャパシタ
D1 ダイオード
D2 ダイオード
I1 電流
I2 電流
L1 インダクタ
L2 インダクタ
L3 インダクタ
L4 インダクタ
n1 出力ノード、ノード
n2 出力ノード、ノード
n3 ノード
n4 ノード
ng ノード
RL 負荷
S1 間隔
S2 間隔
S3 間隔

Claims (36)

  1. ワイヤレス電力を送信するための装置であって、
    複数の巻きを含む第1の螺旋コイルであって、前記第1の螺旋コイルの中心から前記第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する、第1の螺旋コイルと、
    複数の巻きを含む第2の螺旋コイルであって、前記第2の螺旋コイルの中心から前記第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定し、前記第2の螺旋コイルが前記第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる、第2の螺旋コイルと
    を含み、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、共通の平面内に実質的にあり、共通の中心を有し、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの巻き距離は、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルが受信コイルに電力をワイヤレス送信するように位置決めされているときに前記共通の平面の上または下に位置する前記受信コイルに対する相互インダクタンスが前記第1の断面および前記第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%より大きくなるように、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの連続する巻きの間の間隔が最外巻きから前記共通の中心に向かって拡大するようになされる、装置。
  2. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルの上または下に位置する、請求項1に記載の装置。
  3. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと織り交ぜられる、請求項1に記載の装置。
  4. 前記第2の螺旋コイルの全体の長さは、前記第1の螺旋コイルの全体の長さと同じ長さであり、前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと実質的に対称をなす、請求項1から3のいずれか一項に記載の装置。
  5. 前記受信コイルをさらに含み、前記受信コイルは、第1の受信コイルおよび第2の受信コイルを含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記第1の断面および前記第2の断面は、共通の平面上に実質的に位置し、
    前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの前記巻き距離は、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記最外巻きまでの距離、前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの巻きの間の間隔に対応する第1の値、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの巻きの総数の合計、ならびに前記特定の巻きに対応する第1の数の関数である、請求項1から5のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、ドライバ回路に電気的に結合されるように構成され、共通の平面上に実質的に位置し、受信機デバイスの充電または受信機デバイスへの電力供給に十分なレベルでの電力をワイヤレス送信するように構成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の装置。
  8. 第1の螺旋コイルおよび第2の螺旋コイルへの入力信号は、6.5メガヘルツ〜7メガヘルツの周波数範囲内になるように構成される、請求項1から7のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの各巻きは、5mmの最小巻き半径よりも大きい巻き半径を有するように構成される、請求項1から8のいずれか一項に記載の装置。
  10. 受信コイルにワイヤレス電力を送信するための方法であって、
    電流により、複数の巻きを含む第1の螺旋コイルを駆動するステップであって、前記第1の螺旋コイルの中心から前記第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する、ステップと、
    電流により、複数の巻きを含む第2の螺旋コイルを駆動するステップであって、前記第2の螺旋コイルの中心から前記第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定し、前記第2の螺旋コイルが前記第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる、ステップとを含み、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、共通の平面内に実質的にあり、共通の中心を有し、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの巻き距離は、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルが受信コイルに電力をワイヤレス送信するように位置決めされているときに前記共通の平面の上または下に位置する前記受信コイルに対する相互インダクタンスが前記第1の断面および前記第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%より大きくなるように、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの連続する巻きの間の間隔が最外巻きから前記共通の中心に向かって拡大するようになされる、方法。
  11. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルの上または下に位置する、請求項10に記載の方法。
  12. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと織り交ぜられる、請求項10に記載の方法。
  13. 前記第2の螺旋コイルの全体の長さは、前記第1の螺旋コイルの全体の長さと同じ長さであり、前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと実質的に対称をなす、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記受信コイルは、第1の受信コイルおよび第2の受信コイルを含む、請求項10から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記第1の断面および前記第2の断面は、共通の平面上に実質的に位置し、
    前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの前記巻き距離は、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記最外巻きまでの距離、前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの巻きの間の間隔に対応する第1の値、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの巻きの総数の合計、ならびに前記特定の巻きに対応する第1の数の関数である、請求項10から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルを前記駆動するステップは、ドライバ回路を使用して電流により前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルを駆動するステップを含み、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、前記ドライバ回路に電気的に結合されるように構成され、共通の平面上に実質的に位置し、受信機デバイスの充電または受信機デバイスへの電力供給に十分なレベルでの電力をワイヤレス送信するように構成される、請求項10から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 第1の螺旋コイルおよび第2の螺旋コイルへの入力信号は、6.5メガヘルツ〜7メガヘルツの周波数範囲内になるように構成される、請求項10から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの各巻きは、5mmの最小巻き半径よりも大きい巻き半径を有するように構成される、請求項10から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. ワイヤレス電力を送信するための装置であって、
    電流により、複数の巻きを含む第1の螺旋コイルを駆動するための手段であって、前記第1の螺旋コイルの中心から前記第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する、手段と、
    電流により、複数の巻きを含む第2の螺旋コイルを駆動するための手段であって、前記第2の螺旋コイルの中心から前記第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定し、前記第2の螺旋コイルが前記第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる、手段とを含み、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、共通の平面内に実質的にあり、共通の中心を有し、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの巻き距離は、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルが受信コイルに電力をワイヤレス送信するように位置決めされているときに前記共通の平面の上または下に位置する前記受信コイルに対する相互インダクタンスが前記第1の断面および前記第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%より大きくなるように、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの連続する巻きの間の間隔が最外巻きから前記共通の中心に向かって拡大するようになされる、装置。
  20. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルの上または下に位置する、請求項19に記載の装置。
  21. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと織り交ぜられる、請求項19に記載の装置。
  22. 前記第2の螺旋コイルの全体の長さは、前記第1の螺旋コイルの全体の長さと同じ長さであり、前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと実質的に対称をなす、請求項19から21のいずれか一項に記載の装置。
  23. 前記受信コイルから電流を受け取るための手段をさらに含み、前記受信コイルは、第1の受信コイルおよび第2の受信コイルを含む、請求項19から22のいずれか一項に記載の装置。
  24. 前記第1の断面および前記第2の断面は、共通の平面上に実質的に位置し、
    前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの前記巻き距離は、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記最外巻きまでの距離、前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの巻きの間の間隔に対応する第1の値、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの巻きの総数の合計、ならびに前記特定の巻きに対応する第1の数の関数である、請求項19から23のいずれか一項に記載の装置。
  25. 前記第1の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルを駆動するための前記手段に電気的に結合され、前記第2の螺旋コイルは、前記第2の螺旋コイルを駆動するための前記手段に電気的に結合され、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、共通の平面上に実質的に位置し、受信機デバイスの充電または受信機デバイスへの電力供給に十分なレベルでの電力をワイヤレス送信するように構成される、請求項19から24のいずれか一項に記載の装置。
  26. 第1の螺旋コイルおよび第2の螺旋コイルへの入力信号は、6.5メガヘルツ〜7メガヘルツの周波数範囲内になるように構成される、請求項19から25のいずれか一項に記載の装置。
  27. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの各巻きは、5mmの最小巻き半径よりも大きい巻き半径を有するように構成される、請求項19から26のいずれか一項に記載の装置。
  28. 非一時的コンピュータストレージであって、
    受信コイルにワイヤレス電力を送信するための装置に、
    電流により、複数の巻きを含む第1の螺旋コイルを駆動するステップであって、前記第1の螺旋コイルの中心から前記第1の螺旋コイルの最外巻きまでが第1の断面を画定する、ステップと、
    電流により、複数の巻きを含む第2の螺旋コイルを駆動するステップであって、前記第2の螺旋コイルの中心から前記第2の螺旋コイルの最外巻きまでが第2の断面を画定し、前記第2の螺旋コイルが前記第1の螺旋コイルに対して逆に巻かれる、ステップとを含むプロセスを実行するように指示する実行可能プログラム命令を記憶しており、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、共通の平面内に実質的にあり、共通の中心を有し、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの巻き距離は、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルが受信コイルに電力をワイヤレス送信するように位置決めされているときに前記共通の平面の上または下に位置する前記受信コイルに対する相互インダクタンスが前記第1の断面および前記第2の断面に沿った最大相互インダクタンスの65%より大きくなるように、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの連続する巻きの間の間隔が最外巻きから前記共通の中心に向かって拡大するようになされる、非一時的コンピュータストレージ。
  29. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルの上または下に位置する、請求項28に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  30. 前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと織り交ぜられる、請求項28に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  31. 前記第2の螺旋コイルの全体の長さは、前記第1の螺旋コイルの全体の長さと同じ長さであり、前記第2の螺旋コイルは、前記第1の螺旋コイルと実質的に対称をなす、請求項28から30のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  32. 前記受信コイルは、第1の受信コイルおよび第2の受信コイルを含む、請求項28から31のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  33. 前記第1の断面および前記第2の断面は、共通の平面上に実質的に位置し、
    前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記第1の断面または前記第2の断面に沿った特定の巻きまでの前記巻き距離は、前記共通の中心から前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの前記最外巻きまでの距離、前記第1の螺旋コイルまたは前記第2の螺旋コイルの巻きの間の間隔に対応する第1の値、前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの巻きの総数の合計、ならびに前記特定の巻きに対応する第1の数の関数である、請求項28から32のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  34. 前記プロセスは、ドライバ回路を使用して電流により前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルを駆動するステップをさらに含み、
    前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルは、前記ドライバ回路に電気的に結合されるように構成され、共通の平面上に実質的に位置し、受信機デバイスの充電または受信機デバイスへの電力供給に十分なレベルでの電力をワイヤレス送信するように構成される、請求項28から33のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  35. 第1の螺旋コイルおよび第2の螺旋コイルへの入力信号は、6.5メガヘルツ〜7メガヘルツの周波数範囲内になるように構成される、請求項28から34のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
  36. 前記第1の螺旋コイルおよび前記第2の螺旋コイルの各巻きは、5mmの最小巻き半径よりも大きい巻き半径を有するように構成される、請求項28から35のいずれか一項に記載の非一時的コンピュータストレージ。
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