JP6097215B2 - 無線電力送信装置及びそのマルチバンド共振電力送信方法 - Google Patents
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Description
1つの無線電力送信システムは、1つのソース装置を用いて複数のターゲット装置に同時に共振電力を伝達できる。しかし、同一の周波数で共振する複数のターゲット装置へ同時に共振電力を伝達する場合、ターゲット装置の間隔が特定の距離以上に近くなれば、インピーダンス変化によるカップリング(Coupling)の発生によって共振周波数がずれ、共振電力の伝達効率が20〜30%以下に落ちてしまう。
前記ハーモニック共振電力は、前記基本共振電力より低いパワーを有してもよい。
前記マルチバンド共振部は、基本帯域の基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信するループ(Loop)形態の基本共振器と、ハーモニック帯域のハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信するループ形態の少なくとも1つのハーモニック共振器を含んでもよい。
前記ソース部は、前記共振電力を生成するためにエネルギを受信してもよい。
前記ハーモニック共振電力は、前記基本共振電力より低いパワーを有してもよい。
他の一実施形態において、無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法は、前記共振電力を生成するためにエネルギを受信するステップをさらに含んでもよい。
他の一実施形態において、無線電力送信装置は、前記共振電力を増幅する増幅器をさらに備えてもよい。
前記増幅器は、基本共振電力及びハーモニック共振電力を生成してもよい。
前記ハーモニック共振電力は、前記基本共振電力よりも低いパワーを有してもよい。
前記複数の共振器は、基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信する基本共振器及びハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信するハーモニック共振器を備えてもよい。
図1は、例示的な実施形態に係るマルチバンドを用いて共振電力を送信する無線電力送信システムを示す。
以下の説明において、無線電力送信システムによって送信される無線電力は共振電力(resonance power)と称する。
図1に示すように、無線電力送信システムは、ソース装置とターゲット装置で構成されるソース−ターゲット構造である。即ち、無線電力送信システムは、ソース装置に該当する共振電力送信装置110とターゲット装置に該当する共振電力受信装置120を備える。
ここで、ソース共振器115の共振帯域幅は、ターゲット共振器121の共振帯域幅よりも広くか、又は狭く設定される。即ち、ソース共振器115の共振帯域幅がターゲット共振器121の共振帯域幅より広く、又は狭く設定されることによって、ソース共振器のBW−ファクタとターゲット共振器のBW−ファクタは互いに不平衡の(unbalanced)関係を保持する。
(Δf/f0) =(1/Qt)
=(ΓS,D) +(1/BWS) +(1/BWD)
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
整合制御部113は、送信信号の一部が反射して戻ってくる反射波を検出することによって、インピーダンス不整合が発生したと判断し、インピーダンス整合を行うことができる。また、整合制御部113は、反射波の波形分析によって共振ポイントを検出することで共振周波数を変更できる。ここで、整合制御部113は例えば、反射波の波形で振幅が最小である周波数を共振周波数として決定する。
明細書で使用される基本(fundamental)共振電力は基本周波数帯域での共振電力を意味し、ハーモニック共振電力はハーモニック(高調波周波数)帯域での共振電力を意味する。また、マルチバンド(multi−band)は多重周波数帯域(multiple bands)を意味する。
無線電力送信システムによって送信される無線電力は共振電力(resonance power)であるとする。
図2を参照すれば、無線電力送信システムは、ソースとターゲットで構成されるソース−ターゲット構造である。即ち、無線電力送信システムは、ソースに該当する無線電力送信装置200とターゲットに該当する無線電力受信装置210、220を備える。
ソース部202は、エネルギを受信して共振電力を発生させパワー増幅部204に伝達する。
パワー増幅部204は、ソース部202から伝達された共振電力を増幅してマルチバンド共振部206に伝達する。
マルチバンド共振部206は、例えば、互いに異なる共振帯域を用いてターゲット共振器に増幅された共振電力を送信する少なくとも2つの共振器を備える。一例として、各ターゲット共振器に1つの帯域が使用される。
図5と上記図2とを参照すれば、マルチバンド共振部206は、基本帯域の共振電力を第1ターゲット共振器212に送信するループ(Loop)形態の基本共振器510とハーモニック帯域の共振電力を第2ターゲット共振器214に送信するループ形態のハーモニック共振器520を少なくとも1つ含むマルチループ(Multi−Loop)形態に構成されている。図5の例として、基本共振器510、ハーモニック共振器520、第1ターゲット共振器212及び/又は第2ターゲット共振器214は、図8乃至図14の何れかの構造を有し得る。
図6を参照すれば、無線電力送信装置200は、マルチバンド共振部206によって基本帯域の共振電力とハーモニック帯域の共振電力を送信する。これによって、TVなどの大電力の無線電力受信装置210は基本帯域の共振電力の供給を受け、モバイルなどの低電力の無線電力受信装置240は2次又は3次ハーモニック帯域の共振電力の供給を受ける。図6に示すような無線電力送信システムで、無線電力受信装置210と無線電力受信装置240は互いに近接距離に位置しても互いに異なる共振帯域によって共振電力の供給を受けることによって、干渉なしに無線電力が供給される。
ステップ710において、無線電力送信装置200は、エネルギを受信して共振電力を発生させる。
ステップ720において、無線電力送信装置200は、共振電力を増幅する。例えば、無線電力送信装置200は、基本帯域の基本共振電力に共振電力を増幅し、少なくとも1つのハーモニック帯域でのハーモニック共振電力は、前記基本共振電力に共振電力を増幅する際に生成される。
一方、自然界に一般的に存在しないか、人工的に設計された、又は人によって製造された誘電率又は透磁率を有する物質は、ここでメタ物質と呼ぶことにする。メタ物質は、誘電率又は透磁率の符号によってENG(epsilon negative、負のε)物質、MNG(mu negative、負のμ)物質、DNG(double negative、ε、μが共に負)物質、NRI(negative refractive index、負の屈折率)物質、LH(left−handed、左手系)物質などに分類される。
図8は、一実施形態に係る2次元構造の共振器800を示す図である。
図8を参照すれば、一実施形態に係る2次元構造の共振器は、第1信号導体部分811、第2信号導体部分812、及びグラウンド導体部分813を含む送信線路、キャパシタ820、整合器830、並びに導体841及び842を備える。
ここで、前記コネクタはグラウンド導体部分813又は整合器830と接続される。ただし、前記コネクタとグラウンド導体部分813又は整合器830の間には物理的な連結が形成されるか、若しくは、前記コネクタとグラウンド導体部分813又は整合器830の間に物理的な連結なしでカップリングを介して電力が送信される。
図9を参照すれば、一実施形態に係る3次元構造の共振器900は、第1信号導体部分911、第2信号導体部分912、及びグラウンド導体部分913を含む送信線路、並びにキャパシタ920を含む。ここで、キャパシタ920は、送信線路で第1信号導体部分911と第2信号導体部分912との間に位置に直列に挿入され、電界はキャパシタ920に閉じ込められる。
また、図9に示すように、キャパシタ920は、第1信号導体部分911と第2信号導体部分912との間に挿入される。ここで、キャパシタ920は、集中型素子及び分布型素子の何れかの形態を有する。特に、分布型素子の形態を有する分布型キャパシタは、ジグザグ形態の導体ラインとその導体ラインとの間に存在する高い誘電率を有する誘電体を含む。
集中型素子として挿入されたキャパシタ920のキャパシタンスが適切に決定される場合、共振器900はメタ物質の特性を有する。特に、キャパシタ920のキャパシタンスを適切に調整することによって、共振器900は特定の周波数帯域において負の透磁率を有する場合、本発明の一実施形態に係る共振器900はMNG共振器と呼ばれる。
以下の説明で使用される「バルキー型」という用語は、別途の継ぎ目なしで一体型として、2以上の部分(partition)を互いに接続する類型を呼ぶ。
整合器1030は、本明細書で説明される1つ以上の実施形態と類似の構造で提供される。
図11を参照すれば、中空型に設計された無線電力送信のための共振器1100の第1信号導体部分1111、第2信号導体部分1112、グラウンド導体部分1113、導体1141、1142それぞれは内部に空いている空間を含む。
によって決定される。ここで、fは周波数、μは透磁率、σは導体の導電率を表す。特に、第1信号導体部分1111、第2信号導体部分1112、グラウンド導体部分1113、導体1141、1142が銅(copper)からなり、5.8x10^7の導電率σを有する場合、共振周波数が10kHzについては厚さdが約0.6mmとなり、共振周波数が100MHzについては厚さdは0.006mmとなる。
キャパシタ1120及び整合器1130は、本明細書で説明される1つ以上の実施形態と類似の構造で提供される。
図12を参照すれば、パラレルシートが適用された無線電力送信のための共振器に含まれた第1信号導体部分1211、第2信号導体部分1212それぞれの表面にはパラレルシートを適用する。
キャパシタ1220及びグラウンド導体部分1213の上部に位置する整合器1230は、本明細書で説明される1つ以上の実施形態と類似の構造で提供され得る。
図13を参照すれば、無線電力送信のための共振器に含まれるキャパシタ1320は分布型キャパシタである。集中型素子としてのキャパシタは相対的に高い等価直列抵抗(Equivalent Series Resistance、ESR)を有し得る。集中型素子としてのキャパシタが有するESRを減らすための様々な提案があるものの、一実施形態は分布型素子としてのキャパシタ1320を用いることによってESRを低減できる。参考に、ESRによる損失はQファクタ及びカップリング効率を低下する。
図14は整合器830を含む図8に示された2次元共振器の一部を示し、図15は整合器930を含む図9に示された3次元共振器の一部を示す。
図8に示す無線電力送信のための共振器800は図16に示す等価回路にモデリングされる。図16に示す等価回路において、LRは送信線路のインダクタンスを示し、CLは図8に示す送信線路の中央部に集中型素子の形態に挿入されたキャパシタ820を示し、CRは送信線路及び又はグラウンドとの間のキャパシタンスを示す。
コンピュータ読取可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスク及び磁気テープのような磁気媒体、CD−ROM、DVDのような光記録媒体、光ディスクのような光磁気媒体、及びROM、RAM、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。
プログラム命令の例としては、コンパイラによって生成されるような機械語コード(machine code)だけでなく、インタプリタなどを用いてコンピュータによって実行される高級言語コード(higher level code)を含む。上述したハードウェア装置は、本発明の動作を行うために1つ以上のソフトウェアのレイヤで動作するように構成され得る。
従って、本発明の範囲は、開示された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲だけではなく特許請求の範囲と均等なものによって定められる。
110 共振電力送信装置
111 ソース部
113 整合制御部
115 ソース共振器
120 共振電力受信装置
121 ターゲット共振器
123 整合制御部
125 ターゲット部
200 無線電力送信装置
202 ソース部
204 パワー増幅部
206 マルチバンド共振部
210 (TVなどの大電力の)無線電力受信装置
212 第1ターゲット共振器
214 第2ターゲット共振器
240 (モバイルなどの低電力の)無線電力受信装置
310 伝達された共振電力
320 増幅された共振電力
510 基本共振器
520 ハーモニック共振器
800、900、1000、1100、1200、1300 共振器
811、911、1011、1111、1211 第1信号導体部分
812、912、1012、1112、1212 第2信号導体部分
813、913、1013、1113、1213 グラウンド導体部分
820、920、1020、1120、1220、1320 キャパシタ
830、930、1030、1130、1230、1330 整合器
831、832、833、931、932、933 導体
841、941、1041、1141 導体
842、942、1042、1142 導体
940 コネクタ
1050 継ぎ目
1160、1270 共振器の円で囲んだ部分
Claims (15)
- 共振電力を発生させるソース部と、
前記共振電力を増幅するパワー増幅部と、
前記増幅された共振電力を互いに異なる共振帯域を用いてターゲット共振器に送信する少なくとも2つの共振器を含むマルチバンド共振部と、
前記送信された共振電力のうち反射して戻ってくる反射波を検出し、前記反射波の波形を分析して前記波形で振幅が最小である周波数を基本共振周波数として決定し、前記互いに異なる共振帯域を変更する整合制御部と、
を備え、
前記共振器は、グラウンド導体部分と、インピーダンス整合のための導体との2つの導体と、からなる整合器を含み、
前記整合制御部は、前記決定された基本共振周波数に応じて前記整合器の2つの導体間の距離を調整することを特徴とする無線電力送信装置。 - 前記パワー増幅部は、前記共振電力を基本帯域の基本共振電力に増幅し、前記基本共振電力と少なくとも1つのハーモニック帯域で前記増幅するとき発生するハーモニック共振電力を前記マルチバンド共振部に伝達し、
前記マルチバンド共振部は、前記基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信する基本共振器及び、前記ハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信する少なくとも1つのハーモニック共振器を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。 - 前記ハーモニック共振電力は、前記共振電力が非線型素子である前記パワー増幅部を通過するとき発生することを特徴とする請求項2に記載の無線電力送信装置。
- 前記マルチバンド共振部は、基本帯域の基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信するループ(Loop)形態の基本共振器と、ハーモニック帯域のハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信するループ形態の少なくとも1つのハーモニック共振器を含むことを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
- 前記ソース部は、前記共振電力を生成するためにエネルギを受信することを特徴とする請求項1に記載の無線電力送信装置。
- 共振電力を発生させるステップと、
前記共振電力を増幅するステップと、
互いに異なる共振帯域を用いて前記増幅された共振電力をターゲット共振器に送信するステップと、
前記送信された共振電力のうち反射して戻ってくる反射波を検出し、前記反射波の波形を分析して前記波形で振幅が最小である周波数を基本共振周波数として決定し、前記互いに異なる共振帯域を変更するステップと、
を含み、
前記互いに異なる共振帯域を変更するステップは、グラウンド導体部分とインピーダンス整合のための導体との2つの導体を含む共振器と、前記決定された基本共振周波数に応じて前記2つの導体間の距離を調整する整合制御部と、を用いることを特徴とする無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法。 - 前記増幅するステップは、前記共振電力を増幅して基本帯域の基本共振電力を生成し、
少なくとも1つのハーモニック帯域で前記増幅するときハーモニック共振電力を生成し、
前記送信するステップは、基本共振器を用いて前記基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信し、ハーモニック共振器を用いて前記ハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信することを特徴とする請求項6に記載の無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法。 - 前記ハーモニック共振電力は、前記共振電力が非線型素子であるパワー増幅部を通過するとき発生することを特徴とする請求項7に記載の無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法。
- 前記ハーモニック共振電力は、前記基本共振電力より低いパワーを有することを特徴とする請求項7に記載の無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法。
- 前記共振電力を生成するためにエネルギを受信するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の無線電力送信装置でマルチバンドの共振電力を送信する方法。
- 互いに異なる共振帯域を用いて共振電力を複数のターゲット共振器に送信する複数の共振器を備え、
前記複数の共振器は、前記送信された共振電力のうち反射して戻ってくる反射波を検出し、前記反射波の波形を分析して前記波形で振幅が最小である周波数を基本共振周波数として決定し、前記互いに異なる共振帯域を変更する整合制御部を備え、
前記共振器は、グラウンド導体部分と、インピーダンス整合のための導体との2つの導体と、を含み、
前記整合制御部は、前記決定された基本共振周波数に応じて前記2つの導体間の距離を調整することを特徴とする無線電力送信装置。
- 前記共振電力を増幅する増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項11に記載の無線電力送信装置。
- 前記増幅器は、基本共振電力及びハーモニック共振電力を生成することを特徴とする請求項12に記載の無線電力送信装置。
- 前記ハーモニック共振電力は、前記基本共振電力よりも低いパワーを有することを特徴とする請求項2又は13に記載の無線電力送信装置。
- 前記複数の共振器は、基本共振電力を第1ターゲット共振器に送信する基本共振器及びハーモニック共振電力を第2ターゲット共振器に送信するハーモニック共振器を備えることを特徴とする請求項11に記載の無線電力送信装置。
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