JP6503092B2 - 家具用ワイヤレス電力伝送装置および方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は２０１５年７月１５日に出願されたアメリカ特許出願番号１４／７９９，９３１の優先権を主張すると共に、２０１５年５月２２日に出願されたアメリカ仮出願番号６２／１６５，４９０の権利を主張する。上記出願の開示事項は全て、本明細書内に援用される。

本開示は概して、電化機器に電力を供給する手段を備える椅子やソファやその他の家具に関する。より具体的には、本開示は、椅子やソファやその他の家具に内蔵される内蔵型ワイヤレス電力伝送システムを使用して、個人用機器の充電や、読書灯やマッサージ装置や個人用暖房機器への電力供給を可能にする便利なワイヤレス手段を使用者に提供することに関する。

本セクションは、本開示に関連する背景情報を提供するが、これは必ずしも先行技術にはあたらない。

ある人が長い労働の一日の後に単にリラックスしたり、あるいは、時に医学的な理由で座ったままの状態を強いられる場合、いずれにせよ、安楽椅子やソファや電動椅子は特別な個人環境、つまり、休息したり、静養したり、あるいは、良書やお気に入りのテレビ番組を楽しむ場となる。こういった休息時に携帯電話や電子書籍リーダやタブレット型コンピュータの充電が切れると、休息の時間はきっと台無しになるだろう。座ったままで機器の充電が切れた状態になるか、あるいは、立ち上がって充電器を探すか、が基本的な選択肢である。医学的な理由で椅子にいることを強いられている場合、後者の選択肢は不可能であろう。

自然な解決策としては、延長コードを椅子やソファまで引き、充電器を無理なく届く範囲に取り付けることが考えられる。この方法の場合、充電器の変圧器を、その目障りな外観や散在する配線を隠すために、しばしば椅子やソファの下に押し込む必要ある。当然ながら、延長コードが引かれているので、その延長コードを使って、読書灯や温熱パッドや他の個人用機器といった別の電気機器に電力を供給してもよいだろう。

しかしながら、椅子やソファの下に押し込まれた延長コードにどんどん機器のプラグを差し込み続けることは、よい行為とは言えない時が来る。延長コードは有限数の機器には対処できるが、機器が追加される度に、配線の絡み合いがますます目障りになる。

本セクションは、開示の概略を示すものであり、その範囲全体又はその全ての特徴を包括的に開示するものではない。

本開示は、優美で便利かつ有用な方法で上記課題を解決する。延長コードやからまって塊となった多くの配線に代わり、開示される解決策によれば、ワイヤレス電力伝送共振器が便利な位置に設置され、好ましくは椅子やソファや他の家具に内蔵される。電力伝送共振器は、駆動対象のデバイスに電力を伝送する局部的かつ集中的な磁界を生み出す。この電力を受電するには、負荷デバイスが受電共振器を備えていればよく、その共振器はデバイスに取り付けられても内蔵されてもよい。最も効率よく電力を伝送するために、送電共振器と受電共振器は、同一の、明確な高Ｑ共振周波数を共有する。

開示されるワイヤレス電力伝送装置および方法によれば、個人用の携帯機器を容易に充電できると共に、電気温熱パッドや、マッサージ装置や、フットウォーマや毛布やショールといった防寒衣類の高い電力需要をも満たすことができる、相当量の電力を伝送可能である。

従って、一態様によれば、内部フレームとカバー材を備えた家具からなる、ワイヤレス電力伝送装置が開示される。少なくとも一つの送電共振器が、前記フレームによって支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される。この送電共振器は、所定の周波数で共振するように調整される。

前記フレームに支持されると共に、前記少なくとも一つの送電共振器に電気的に接続される高周波電源が、家具外部の電源に接続可能に構成される。この電源は、例えば、ＡＣ壁コンセントであり、ＡＣパワーサプライを別途備えてもよい。高周波電源と送電共振器は、各送電共振器に隣接する近接場で、結合して前記所定の周波数で電力を伝送する局所的な磁界を生成する。

この点に関し、近接場は、送電共振器内を移動する電流によって生成される非放射型の磁界が１／ｒ^２（ｒは共振器からの距離）の割合で小さくなることに基づき、送電共振器からの距離によって定義される。例えば、携帯機器や、携帯電話や、電子書籍リーダや、タブレット型コンピュータ等を充電する目的の、小型電子機器への電力伝送では、カバー材の厚みから最大４から５インチオーダーの範囲の距離（送電共振器と受電共振器間）における近接場で、適当な結果が得られうる。例えば、加熱素子駆動時の高出力の電力伝送では、カバー材の厚みから最大１から２インチオーダーの範囲といった近距離が好ましい。

負荷デバイスに電気的に接続可能な受電共振器が設けられてもよい。受電共振器は、前記所定の周波数で共振するように調整され、前記送電共振器に隣接する近接場に位置する時、前記送電共振器から入力された電力を前記負荷デバイスに送る。負荷デバイスとは、例えば、読書灯や、デバイスチャージャーや、フットウェア、温熱パッド、毛布、ショール等の暖房機器といった様々な異なる機器である。

別の態様によれば、家具をワイヤレス電力伝送可能に装備する方法が開示される。従って、内部フレームとカバー材を備える家具に、前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される、少なくとも１つの送電共振器が設けられる。この送電共振器は、所定の周波数で共振するように調整される。

高周波電源が、フレームに支持され、かつ、送電共振器に電気的に接続するように、適当に搭載される。この高周波電源は、前記家具外部の電源に接続可能に構成される。

前記高周波電源および前記少なくとも一つの送電共振器は、前記家具外部の電源への接続時に、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場において、結合して前記所定の周波数で電力を伝送する磁界を生成するように相互接続される。

さらなる適用可能な範囲は、本明細書の記載から理解されるだろう。この概要における説明および特定の実施例は、説明のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

ここに示される図面は、選択された実施形態の説明のみを目的とするものであり、可能な全ての実施を示すものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものでもない。
例示的なリクライニングチェアの斜視図であり、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、共振器を設置可能ないくつかの位置を示す。 フレームを示すために生地とクッション材を取り除いた、図１の椅子の斜視図である。 図１の線３−３に沿った詳細な断面図であり、送電共振器の搭載方式を示す。 送電共振器と受電共振器の対を示す電子回路図である。 送電共振器と受電共振器がそれらの近傍磁界でどのように結合されるかを示す磁界図である。 共にワイヤレス電力伝送システムから電力が供給される温熱パッドと加熱スリッパを備えたリクライニングチェアの側面図である。 受電共振器が携帯電話や電子書籍リーダや読書灯といった電荷機器のケースにどのように組み込まれるかを示す。 複数の送電共振器が共通の高周波エネルギー源によって駆動される第１実施形態を示す電子回路図である。 複数の送電共振器が各々専用の高周波電源によって駆動される第２実施形態を示す電子回路図である。 第１受電共振器に接続されると共に、第２受電共振器に接続されたパッシブリピータシステムにも接続される駆動送電共振器を示す電子回路図である。 複合型の受動共振器を示すブロック図である。 ツイン供給リード線を備えた複合型の受動共振器の立面図である。 図１２の実施形態の受動共振コイルの斜視図である。 図１３のコイルの上面図である。 図１４の線１３−１３に略沿った、図１３のコイルの断面図である。 図１３のコイルの設置態様を示す、家具フレームの部分断面図である。 図１２のツイン供給リード線を固定するための第１実施形態を示す、家具フレームの部分平面図である。 図１２のツイン供給リード線を固定するための第２実施形態を示す、家具フレームの部分斜視図である。 図１２のツイン供給リード線の、簡略化した分布定数素子等価回路図である。 一対の平面円形螺旋コイルを連結する単一の接続ワイヤを備えた複合型の受動共振器の立面図である。 フレキシブル基板上に配置された一対の平面矩形螺旋コイルを連結する単一の接続ワイヤを備えた複合型の受動共振器の立面図である。 単一の接続ワイヤの別の設置態様を示すと共に、コイルを高周波電源と共振するように調整する際に用いられるディスクリートコンデンサの配置を示す、複合型の受動共振器の立面図である。 二つ以上のコイルを用いて複合型の受動共振器が形成可能であることを示す、複合型の受動共振器の立面図である。 （Ａ）から（Ｄ）は、異なる複合型の受動共振回路を示す電気回路図であり、高周波電源との共振を実現するためにディスクリートコンデンサを追加可能な様々な位置を示す。 例示的な布張りソファのフレームとスプリングの斜視図であり、複合型の受動共振器の第１の設置方法を示す。 例示的なオープンアームチェアのフレームとスプリングの斜視図であり、複合型の受動共振器の第２の設置方法を示す。 アームに隣接した、フレーム上における複合型の受動共振器の設置態様を示す、椅子の斜視図である。 高周波電源および送電共振器の設置態様を示す、手動調整可能なリクライニングチェアの斜視図である。 ワイヤレス電力伝送システムによって電力供給可能な電動の加熱素子および振動素子を包含する、補助クッションまたはスロークッションの平面図である。 図２７の線２８−２８に略沿った、図２７のクッションの断面図である。 いくつかの図面を通じて、対応する参照番号は、対応する部分を示す。

添付の図面を参照して、例示的実施形態をより詳細に説明する。

開示される電力伝送装置および方法によれば、適切に装備されたソファまたは椅子の使用者に、多くの利便性と快適さがもたらされる。さらに十分に説明するならば、椅子やソファ等の布張り家具の内部で発生した電力は、その外部の様々な電気機器に送電可能であり、そのような電気機器としては、携帯機器（例えば、携帯電話、電子書籍リーダ、ｉＰａｄ等）、充電器、温熱パッドや毛布、さらには使用者が身に着けている衣類（例えば、足用防寒ソックスやスリッパ、スラックス、セータ、ジャケット等）、コーヒーマグウォーマ、読書灯や輪郭周辺照明（暗い部屋で家具をより見やすくする照明）といった照明機器、音楽やホワイトノイズを発生して人の入眠を促す音発生装置が挙げられる。

開示される電力伝送装置および方法によれば、ワイヤレス電力伝送原理に基づいて機能し、この原理によれば、電気エネルギーは椅子またはソファ内の所定の場所に配置された共振型の送電共振器に供給され、そのエネルギーは送電共振器の近接場内で集中的な磁界を生み出す。この磁界内であって、椅子またはソファの外部に配置される第２受電共振器が、磁界内のエネルギーの一部を捕えて電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーはその後電気機器の動力に用いられる。椅子やソファといった従来の座るタイプの家具（据付型であっても手動または電動動作可能でもよく、アームが非実または中空でもアームがなくてもよい）に加え、開示される電力伝送装置および方法によれば、伸展型オットマンやスリーパーベッド等の他のタイプの家具でも機能する。

当該装置および方法によれば、単一の送電共振器が実装されるが、多くの用途で複数のこのような送電共振器が好まれる場合もある。図１は例示的なリクライニングチェア２０を図示する。このリクライニングチェアは、２２で示される、送電共振器を配置可能な位置を複数有する。椅子２０は、適当なＡＣコンセント２６に接続可能なパワーサプライ２４を備える。例示的な用途において、パワーサプライ２４は、低圧直流を供給して電力伝送装置の電子回路を駆動し、また、リクライニング機能やリフトチェア機能を自動化するのに用いられる任意の電気モータを駆動する。パワーサプライ２４は、スイッチング電源として実装されてもよい。この設計は、大型の変圧器や平滑コンデンサがなくても、降圧された直流電圧を供給できるという利点を有する。当然ながら、線形の電源供給回路設計が採用されもよい。

図２は、布地と、クッション材と、スプリングが取り外され、その下部のフレーム部２８、３０が露出した椅子２０を示す。関連するスプリング３２は、図２５−２８に示される。図示される椅子の構成において、フレーム部２８は、木材のような非鉄材から成る。フレーム部３０は、スプリング３２同様に鋼から成る。注目すべきは、電力伝送装置および方法が磁力を利用するため、強磁性の（例えば、鉄、鋼、ニッケル、コバルト等）構成要素が所望の磁界に悪影響を与えないようにフレーム部２８、３０およびスプリング３２が構成されている点である。従って、図示される椅子の構成において、フレームやスプリングにおける強磁性の構成要素に送電共振器が強く結合しないように、各送電共振器位置２２が選択され、また、下部のフレームもそれに応じて設計される。この点に関し、物理学の原理によれば、磁界は離間距離の二乗に応じて小さくなる。従って、共振器の配置と強磁性材料の配置間の物理的距離が算出され、共振器と強磁性の構成要素間の近接を最小化するような設計がなされてもよい。強磁性材料の量もファクターの一つである。例えば、共振器の配置は、椅子内に配置される電気モータに近接していることによっても影響を受ける。というのは、電気モータは通常、大量の強磁性材料を有するからである。

図３には、椅子の一方のアームの断面図が示される。同図において、送電共振器３４がフレーム部２８に取り付けられると共に、詰め物３６とカバーファブリック３８の層から従来構成されるカバー材の層で覆われていることが視認できる。フレーム部２８と詰め物３６とファブリック３８は非磁性材料からなるため、送電共振器３４によって生成される磁界に実質的に影響しない。送電共振器の近接場には受電共振器４０が配置される。図示されるように、送電共振器および受電共振器は、電力伝送を行う際、物理的に接触している必要は無い。実際に、送電共振器および受電共振器が数インチ（通常の範囲は３から８インチ）離間していても、受電共振器に取り付けられた負荷４２に相当量の電力を送ることができる。このことは、本実施形態で用いられる磁性カップリングによる電力伝送が、携帯電話や小型のデバイス充電回路で使用されることがある容量性カップリングによる電力伝送に対して有する利点の一つである。従来、容量性カップリングシステムでは、極めて接近した状態（数ミリメータオーダー）が不可欠である。

図３ではなく図２で図示されるが、送電共振器は、磁界を生成する高周波交流電源に接続される。この高周波電源４４は椅子フレームの適当な場所に取り付けられてもよく、パワーサプライ２４からの直流動作電力が供給される。高周波交流は、設計上は約２００ｋＨｚから３０００ＭＨｚの範囲の周波数で機能するよう設定されているが、椅子やソファにおける電力伝送の実施に適した周波数は６．７８ＭＨｚである。この点に関し、このような６．７８ＭＨｚの実施形態を実装するために適切なワイヤレス電力伝送の部品は、ワイトリシティ社から入手可能である。

図４は、磁界の生成および送電共振器と受電共振器間の電力伝送を示す、例示的な電子回路図である。図示されるように、パワーサプライ２４は高周波電源４４に直流電力を供給する。この高周波電源は、所望の周波数（例えば６．７８ＭＨｚ）で発振波形を生成するＤ級またはＥ級アンプといった電子切替回路によって実装可能である。この高周波発振または交流信号は送電共振器３４に印加され、磁界が生成される。電源４４と送電共振器３４間を効率よく接続するために、インピーダンス（Ｚ）整合ネットワーク回路４６が用いられてもよい。Ｚ整合ネットワークは、送電共振器の誘導負荷の大部分を電源４４に効率的に接続可能であるため、共振器３４に送られる電力が最大化し、反射して電源に戻るエネルギーが最小化される。インピーダンス整合ネットワーク回路４６は送電共振器のＱ値を増加させる。送電共振器と受電共振器の対の間に確立したＲＦリンクは、送信側と受信側の通信にも利用可能である。このような通信は、認証や、設定や、電力伝送のモニタリングに使用されてもよい。必要に応じ、こうして確立したＲＦリンクは、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈやＷｉ−Ｆｉといった通信プロトコルをサポートしてもよい。

図４の回路の利点の一つは、負荷が取り付けられていない場合、ほとんど電力を消費しないことである。回路は静止状態で動作し、この静止状態では、パワーサプライを作動させ、また、休止状態にある電源に通電するために必要な少量のエネルギーのみが消費される。電力が大きくなるのは、負荷が磁気回路に接続している場合のみである。このことは、受電共振器４０が送電共振器の磁界内に配置されている場合に起こる。受電共振器は送電共振器と共振的に整合するように構成される。こうしてこれら二つの共振器間の磁性カップリングは調整され、効率が高くなる。

当然ながら、受電共振器に送られた電力は、送電共振器で生成されるのと同じ周波数（例えば６．７８ＭＨｚ）で振動する。大抵の負荷デバイス（温熱パッド、携帯電話、デバイスチャージャー等）はこのような高周波で送られた電力で動作するように設計されていないことから、高周波交流（６．７８ＭＨｚ）をデバイスが必要とする定格電圧（例えば６Ｖや１２Ｖ等）のＤＣ電力に変換するために変換回路が設けられる。このような変換を行うために、高周波／直流（ＲＦ−ＤＣ）整流回路４８が設けられる。インピーダンス整合ネットワーク回路５０はまた、誘導共振器４０と整流回路４８間を効率的に接続するために用いられる。インピーダンス整合ネットワーク回路４６と同様に、インピーダンス整合ネットワーク回路５０は受電共振器のＱ値を増加させることができる。整流回路４８はその後、電力を負荷４２に供給する。

前述したように、電源４４と負荷４２間の電力伝送は、送電共振器３４および受電共振器４０が磁気的に結合した場合にのみ起こる。従って、単に受電共振器４０を送電共振器３４の近接場から取り除くだけで、負荷への電力伝送は停止される。スイッチを入れたり切ったりすることやデバイスのプラグを充電回路に差し込んだり抜いたりすることを、使用者が覚えておく必要がない。使用者がデバイスを使用したい、あるいは、デバイスを充電したい場合、受電共振器４０を送電共振器３４の近くに置くだけで、取り付けられた負荷に自動的に電力が伝送される。

図５は、単純なループ共振器３４に関する磁束線を示す。なお、磁束線はループの中心軸において最高密度に集積される。これらの磁束線は、近接場Ａではほぼ平行である。磁束線は、遠距離場Ｂでは密度が低くなり、より発散する（平行でなくなる）。受電共振器４０Ａが近接場Ａ内に配置されている場合、二つの共振器間の結合は強い。反対に、受電共振器が遠距離場Ｂの４０Ｂに配置されている場合、結合は弱い。十分に遠ざけられると、共振器間の結合は離間距離の二乗に応じて弱まり、急速に無視できる程度になる。

多くの用途において、負荷デバイスが受電共振器や関連の整流回路４８および整合回路５０と一まとめにされていると最も都合がよい。これらの回路は、容易に負荷デバイス自体に埋め込み可能な内蔵型パッケージ内に配置されてもよく、あるいは、負荷デバイスにプラグが差し込み可能に構成されてもよい。例えば、図６では、使用者は温熱パッド６０と一対の足用防寒ソックス６２を装着しているが、これらは共に、一体型の受電共振器４０と、図示されない整流回路と、加熱素子６４とを備えている。これらの加熱素子は、それぞれの磁界を介して結合したエネルギーで作動する。必要に応じ、温熱パッド６０は、椅子２０と連動して使用されない時に従来の電源にプラグが差し込まれて使用可能となるように、取り外し可能な電源コードを別途備えてもよい。必要に応じ、加熱素子は、内部を流れる誘導電流によって直接加熱される薄い金属箔を用いて実装されてもよい。あるいは、電熱線要素が使用されてもよい。

図２９および図３０は、補助クッションまたはスロークッションがワイヤレス電力伝送システムによって作動する加熱機能と振動機能とを備えうることを、より詳細に示す。クッション９８は、一見して加熱機能と振動機能を有するようには見えないように、様々な異なる方法でデザインされてもよい。しかしながら、図３０の断面図から分かるように、加熱素子１００がクッションの詰め物内部に埋め込まれている。同要素はクッションの布製カバーの内側に固定されてもよい。また、クッションの詰め物内部には振動部１０２も埋め込まれている。加熱素子１００と振動部１０２はそれぞれ、切替部１０４を介して電気的に受電共振器４０に接続している。切替部１０４もクッションと共に配置され、クッションの布地から突出、あるいは、その表面のすぐ下に配置される小型のボタン（あるいは一対のボタン）を形成する。ボタンを押すと、加熱デバイスと振動デバイスの選択が連続して繰り返される。例えば、切替部１０４は、以下のような制御シーケンスを実施してもよい。
ボタンＡ一回押し−高温加熱
ボタンＡ二回押し−低温加熱
ボタンＡ三回押し−加熱オフ
ボタンＢ一回押し−振動ＯＮ
ボタンＢ二回押し−振動ＯＦＦ

図７は、動力デバイスの別の例を示す。図示される携帯型コンビニエンス読書灯６６は、受電共振器４０と、そのベースに設置される関連する電力変換回路を備える。同様に、携帯電話６８（あるいは電子書籍リーダやｉＰａｄといった他の携帯機器）が、受電共振器４０と関連する電力変換回路が内蔵された保護ケース７０にはめ込まれている。当然ながら、必要に応じ、携帯電話や他の携帯機器は、受電共振器４０を備えるように製造されてもよい。

図１に示されるように、送電共振器は従来の椅子やソファにおいて複数の位置２２に配置可能である。これら複数の共振器を配置するには、図８から図１０を参照して次に説明されるように幾通りかの方法がある。図８は、複数の共振器が共通の高周波電源４４によって駆動される実施形態を示す。電源４４は、フレーム上の都合のよい位置に搭載されて、椅子やソファ内に配置されてもよい。そして、フィードラインは、複数の送電共振器それぞれに配線される。この点に関し、フィードラインを取り付けるには二つの方法があり、これらは共に図８に図示される。一方のフィードライン技術によれば、各共振器３４は、専用のインピーダンス整合ネットワーク回路４６を介して高周波電源４４に接続される。このようなフィードライン技術の例は８０で示される。別のフィードライン技術によれば、共振器３４ａ、３４ｂ、３４ｃ群が取り付けられ、単一のインピーダンス整合ネットワーク回路４６ａを共有する。このようなフィードライン技術の例は８２で示される。

図９は、送電共振器３４ａ、３４ｂ、３４ｃがそれぞれ専用の高周波電源４４ａ、４４ｂ、４４ｃを有する別の実施形態を示す。図１０は、パッシブリピータ８４が配置されているさらにべつの実施形態を示す。パッシブリピータは、他の送電共振器と同じ周波数で共振し、磁気的に結合する送電共振器の範囲を効率的に広げるように調整される。

必要に応じ、パッシブリピータは送電共振器の範囲を複数の位置に広げるように構成されてもよい。異なる位置に配置可能で、離間しているが相互に連結したいくつかの共振構造を可能にする特別な複合型の受動共振器を構成してもよい。この構想を図示するにあたり、図１１を参照されたい。図示されるように、高周波電源４４は送電共振器３４を駆動する。送電共振器の磁界内には、８４ａで示される第１受動共振器Ａが配置される。この第１受動共振器Ａは、点線Ｔｒで示されるように、送電共振器３４に磁気的に結合する。受動共振器Ａは、少なくとも一つの導線８８、例えば、共振器間の電流の流れをサポートする結線、によって第２受動共振器Ｂ（８４ｂ）に電気的に接続される。第１受動共振器が送電共振器３４の磁界内に入ると、電流フローが受動共振器Ａで誘導され、この電流が受動共振器Ｂに伝送される。こうして、受動放熱器ＡおよびＢは電気的に連結し、複合型の受動放熱器９０を形成する。

複合型の受動放熱器９０は、交互に、あるいは、同時に使用されてもよく、離間した電力伝送先をサポート可能である。図示されるように、第１受電共振器Ａ（４０ａ）が受動共振器Ａの磁界内に配置されると、点線Ａで示されるようにこれら二つが磁気的に結合してもよい。負荷、例えば負荷Ａ（８６ａ）、が電気的に受電共振器Ａに接続している場合、エネルギーは負荷８６ａに送られる。同様に、第２受電共振器Ａ（４０ａ）が受動共振器Ｂの磁界内に配置されると、点線Ｂで示されるようにこれら二つが磁気的に結合してもよい。負荷、例えば負荷Ｂ（８６ｂ）、が電気的に受電共振器Ｂに接続している場合、エネルギーは負荷８６ｂに送られる。

導線８８は、いくつかの別の実施形態において実装可能である。第１実施形態では、受動共振器ＡおよびＢ間のフィードラインないしトランスミッションラインを規定する一対のツイン接続リード線が用いられる。第２実施形態では、共振器ＡおよびＢを連結する単線を用いられる。第３実施形態では、家具のフレームの一部をなす金属構造を用いられる。

共振器４０ａおよび４０ｂをなすコイルは、高周波電源の周波数と共振するように調整される。各コイルをなす導線の長さを選択することによって調整がなされると、これらのコイルが離間した導体を形成することで生じる容量性リアクタンスに整合した誘導性リアクタンスが実現する。必要に応じ、別のディスクリートコンデンサ要素を各コイルの端部間に介在させ、容量性リアクタンスを増大させてもよい。各コイルの巻きの間の間隔を変更することによっても、容量性リアクタンスを精密に調整することができる。

［ツイン供給リード線による受動共振器の接続］
図１２から図１９は、二つのコイルが一対のツイン接続リード線によって相互に連結した、複合型の受動共振器の第１実施形態を示す。図１２に示されるように、受動共振器８４ａおよび８４ｂはツイン供給リード線８８で接続される。ツイン供給リード線８８は、二つの受動共振コイルそれぞれの一端に連結する第１リード線８８ａと、二つの受動共振コイルそれぞれの他端に連結する第２リード線８８ｂを備える。図１３から図１５は、当該実施形態の共振コイルの構成例をさらに詳細に示す。開示される実施形態において、各コイルは空芯である。すなわち、コイル中央のスペースが開放した（すなわち、空気で充填された）状態になるように、適当な接着剤や裏当て材でコイルが貼り合わされている。必要に応じ、中空管等のコア構造に巻きつけてコイルを構成してもよい。空芯コイルは送電共振器の周波数と整合する際に効果的ではあるが、非空芯材で充填されたコイルを構成してもよい。この構成は、コイルのインダクタンスに影響し、その結果、受動共振器の共振周波数に影響する。高周波電源の周波数における共振が必要な場合、リード線８８ａおよび８８ｂが取り付けられるポイントで、ディスクリートコンデンサを各コイルに電気的に接続してもよい。このようなコンデンサは、図を簡略化するために図１２には示されていないが、図２４Ａから図２４Ｄでは、コンデンサ配置に関するいくつかの異なる回路図が示されている。

図１２を再び参照すると、リード線８８ａおよび８８ｂ間の間隔ｄが、好ましくは一定に維持されており、この間隔とリード線８８ａおよび８８ｂの直径により固定インピーダンスが規定される。図１９は、ツイン接続リード線の簡略化した分布回路モデルを示す。図示されるように、配線はそれらの間に分布キャパシタンスを有する。各配線は分布抵抗と分布インダクタンスを有する。なお、図示を簡略化するために分布インダクタンスは示されていないが、分布インダクタンスは分布抵抗に直列に接続される。

好ましくは、配線間隔と配線直径は、フィードラインの静電容量（容量性リアクタンス）が低い、あるいは、少なくとも既知ないし安定した値となるインピーダンスが実現するように選択される。容量性リアクタンスが受動共振器全体の共振に影響しうるため、ツイン接続リード線からなるフィードラインの容量性リアクタンスを最小化ないし制御することは重要である。前述したように、電力伝送を最大化するために、これらの共振器は送電共振器と同じ周波数で共振する必要がある。

一方のコイル、例えばコイル８４ａ、が送電共振器の磁界内に配置されている場合、磁気インダクタンスにより電流が生じ、コイルに流れる。コイル８４ａが閉回路によってフィードライン８８を介してコイル８４ｂに接続されることから、同様の電流がコイル８４ｂに流れることになる。当然ながら、コイルとフィードラインの内部抵抗に起因する、漏れ熱としてのエネルギー損失が多少はある。実際のところ、このようなエネルギーはごく僅かであることが分かっており、受動共振コイルのいずれかによって電力伝送は達成可能である。

前述したように、フィードライン８８の容量性リアクタンスを制御する際、フィードラインの配線８８ａおよび８８ｂの間隔が一定であることが好ましい。間隔を一定にするための第１の方法が図１７に示される。図中、配線８８ａおよび８８ｂは、椅子やソファのフレームの一部をなす木製のレール部材２８にステープル等により適当に取り付けられている。本実施形態において、２本の配線８８ａおよび８８ｂは、片側が開放され、もう片側が木製フレームからなる誘電性媒体に埋め込まれている。配線が木製のフレームの表面に配置されていることから、これら二つの配線間における直線見通しの電気力線は空気中を通る。

それぞれの配線８８ａおよび８８ｂ間の間隔を一定にするための第２の方法が図１８に示される。本実施形態において、配線は、木製のレール部材２８の対向面にステープル等により適当に取り付けられる。本実施形態において、木製のレール部材はこれら二つの配線間の誘電体として機能する。木材は空気より高い比誘電率を有することから（木材＝１．４から２．９；空気＝１．０）、第２実施形態の配線間の静電容量は第１実施形態の静電容量より高い。容量性リアクタンスは静電容量に反比例することから、第２実施形態の容量性リアクタンスは第１実施形態の容量性リアクタンスより低い。

受動共振コイルは、図１６に示されるように、カバー材の詰め物、すなわち、発泡体３６内に埋め込まれることにより、椅子やソファ内に設置される。受動共振器コイルは通常、椅子やソファのフレーム２８に取り付けられた送電共振器３４の上方に配置される。

［単線による受動共振器の接続］
図２０および図２１は、コイルが共振器を連結する単線によって接続される、別の複合型の受動共振器の実施形態を示す。本実施形態において、コイルは、コイル配線が略平面上に広がる平型コイルまたはパンケーキコイル状に巻かれる。図２０は、単一の接続線８８で連結された一対の円形の螺旋コイル８４ａおよび８４ｂを示す。図２１は、単一の接続線８８で連結された一対の四角形の螺旋コイル８４ａおよび８４ｂを示す。他のコイル形状も可能である。

図１２から図１９の複合型の受動放熱器の実施形態では、コイルがツインリード線配線８８ａおよび８８ｂによって閉回路の電気路で接続されるのに対し、図２０および図２１の実施形態では、閉回路の経路は形成されない。その代わり、図２０および図２１の二つのコイル８４ａおよび８４ｂは、配線コネクタ８８が構造の一部をなす共振アンテナ構造を形成する。一方のコイル、例えばコイル８４ａ、が送電共振器３４の磁界内に配置されると、コイル８４ａおよび８４ｂそれぞれのインピーダンスや配線コネクタ８８の長さに応じた定在波の電流分布パターンを形成するコイルに電流が誘導される。複合型の受動共振器構造における電流分布パターンは、電流が各コイル端部９２では０になり、（配線コネクタ８８の長さに応じて）端部間で一つ以上の電流最大値をとる境界条件を示す。

図２１に示される実施形態によれば、コイル８４ａおよび８４ｂと単一の接続線８８が、フレキシブルプラスティック基板９４上に配置されるプリント回路基板配線として形成される。

図２２は、コイル８４ａおよび８４ｂを接続する別の方法を示し、これによれば、配線コネクタ８８は各コイルの最も内側にある端部を連結する。また、図２２は、電気的に各コイル８４ａおよび８４ｂと並列に接続された一対のコンデンサＣを示す。これらのコンデンサによって容量性リアクタンスが増大し、各コイルの誘導性リアクタンスに整合するため、各コイルは高周波電源４４（図１１）の伝送周波数で共振する。必要に応じ、各コイル内の任意の配線の巻きの間隔を変更することによって、全体の容量性リアクタンスを精密に調整可能である。配線間の間隔が大きくなると、静電容量が減少して容量性リアクタンスが増大することになる（静電容量と容量性リアクタンスは反比例する）。

これまで図示された複合型の受動共振器は一対のコイルを特徴としていたが、三つ以上のコイルを有する複合型の受動共振器を構成することも可能である。例として、３コイル複合型の受動共振器を示す図２３を参照されたい。この３コイル複合型の受動共振器は、各コイルが高周波電源と共振するように再調整可能であること以外は、本質的に２コイル複合型の受動共振器と同様に機能する。前述したように、ディスクリートコンデンサを追加したり、配線間間隔や各接続線８８の長さを変更することによって調整がなされる。

［送電共振器および受動共振器の配置］
図１は、例示的なリクライニングチェアにおいて送電共振器および受動共振器が配置可能な場所の例をいくつか示す。当然ながら、前述の通り、開示される電力伝送装置および方法は他の種類の家具でも機能する。例えば、図２５はコンテンポラリーなソファフレームを示し、前述の複合型の受動共振器がどのようにその一部として組み込まれるかを例示する。この例では、単一の配線コネクタが特徴とされる。単線の導線８８は、図示されるように、ソファの背もたれにあるスプリングの裏側を通る。

図２６は、別の導線配置を示し、これによれば、コイルは椅子の背もたれに架け渡される金属フレーム部品９７を介して接続される。受動コイル８４ａおよび８４ｂはそれぞれ配線９２ａおよび９２ｂによってフレーム部品９７に電気的に接続される。なお、図２６の椅子はオープンアーム型である。従って、図示されるように、送電共振器３４とパッシブリピータコイル８４ａおよび８４ｂはストレッチャーレール９６上に配置される。なお、図２６の椅子はオープンアーム型の一例であるが、同様の送電共振器およびパッシブリピータコイルの配置がアームなしの椅子で採用されてもよい。

各実施形態の上記記載は、図解および説明の目的で提供される。この記載は、網羅的または開示事項を限定することを意図しない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、一般にその特定の実施形態に限定されないが、適用可能な場合には、詳細に図示または説明されないとしても選択された実施形態で交換可能であり、使用可能である。同じものが多くの点で変更されてもよい。そのような変更は本開示からの逸脱とはみなされない。そのような変形は全て本開示の範囲内に含まれることが意図される。

Claims (31)

1. ワイヤレス電力伝送装置であって、
   内部フレームとカバー材を備える家具と、
   前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置され、所定の周波数で共振するように調整される少なくとも一つの送電共振器と、
   前記フレームに支持されると共に、前記少なくとも一つの送電共振器に電気的に接続され、さらに前記家具外部の電源に接続可能な高周波電源と、
   前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される、少なくとも一つの複合型の受動共振器と、を備え、
   前記高周波電源と前記少なくとも一つの送電共振器は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場で、結合して前記所定の周波数で電力を伝送する磁界を生成し、
   前記複合型の受動共振器の一部は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場に配置されて、前記少なくとも一つの送電共振器によって生成された磁界を広げるように作用し、
   前記複合型の受動共振器は、単一の導線で接続されてアンテナを規定する少なくとも二つのコイルを備え、該アンテナは前記少なくとも二つのコイル間に直流流路を有さないことを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
2. 請求項１に記載の装置において、負荷デバイスに電気的に接続される受電共振器をさらに備え、前記受電共振器は、前記所定の周波数で共振するように調整され、前記送電共振器に隣接する前記近接場に位置する時、前記送電共振器から送られた電力を前記負荷デバイスに送ることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記少なくとも一つの送電共振器は、前記送電共振器のＱ値を増大させるインピーダンス整合回路を備えることを特徴とする装置。
4. 請求項２に記載の装置において、前記受電共振器は、前記受電共振器のＱ値を増大させるインピーダンス整合回路を備えることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置において、前記家具は、シートと、背もたれと、少なくとも一つのアームとを備える椅子またはソファであり、前記少なくとも一つの送電共振器は、前記シートと、前記背もたれと、前記アームとからなる群から選択される、前記椅子またはソファの一部に配置されることを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載の装置において、前記家具は、シートと、背もたれとを備える椅子またはソファであり、前記少なくとも一つの送電共振器は、前記シートと前記背もたれの少なくとも一方に配置されることを特徴とする装置。
7. 請求項１に記載の装置において、前記家具は、伸展可能なレッグレストを備える椅子またはソファであり、前記少なくとも一つの送電共振器は前記レッグレストに配置されることを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置において、受電共振器と付属加熱素子が内蔵された一対のフットウェアをさらに備え、前記椅子またはソファに座っている人が前記フットウェアを着用した時、前記受電共振器が前記レッグレストに配置される前記少なくとも一つの送電共振器の近接場内に入るように、前記受電共振器が前記フットウェアに配置されることを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載の装置において、受電共振器が内蔵された温熱パッドをさらに備え、前記温熱パッドは前記受電共振器に電気的に接続される加熱素子を備え、前記加熱素子に前記受電共振器を介して前記少なくとも一つの送電共振器から電力が入力されることを特徴とする装置。
10. 請求項１に記載の装置において、受電共振器が内蔵された温熱毛布またはショールをさらに備え、前記温熱毛布またはショールは前記受電共振器に電気的に接続される加熱素子を備え、前記加熱素子に前記受電共振器を介して前記少なくとも一つの送電共振器から電力が入力されることを特徴とする装置。
11. 請求項１に記載の装置において、前記少なくとも二つのコイルの一方は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場内に位置することを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載の装置において、前記少なくとも二つのコイルは、前記フレームの導電性部品によって電気的に接続されることを特徴とする装置。
13. 家具をワイヤレス電力伝送可能に装備する方法であって、
    内部フレームとカバー材を備える家具に、前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される、少なくとも一つの送電共振器を設け、
    所定の周波数で共振するように前記少なくとも一つの送電共振器を調整し、
    高周波電源を前記フレームによって支持させ、前記高周波電源を前記少なくとも一つの送電共振器に電気的に接続し、
    前記高周波電源を、前記家具外部の電源に接続可能に構成し、
    前記高周波電源および前記少なくとも一つの送電共振器を、前記家具外部の電源への接続時に、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場において、結合して前記所定の周波数で電力を伝送する磁界を生成するように構成し、
    前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される、少なくとも一つの複合型の受動共振器をさらに設け、
    前記複合型の受動共振器の一部は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場に配置されて、前記少なくとも一つの送電共振器によって生成された磁界を広げるように作用し、
    前記複合型の受動共振器は、単一の導線で接続されてアンテナを規定する少なくとも二つのコイルを備え、該アンテナは前記少なくとも二つのコイル間に直流流路を有さないことを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    負荷デバイスに電気的に接続可能な受電共振器を設け、
    前記受電共振器を前記所定の周波数で共振するように調整して、前記受電共振器が前記送電共振器に隣接する近接場に位置する時、前記受電共振器が、前記送電共振器から入力された電力を前記負荷デバイスに送るようにすることを特徴とする方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記少なくとも一つの送電共振器に、前記送電共振器のＱ値を増大させるインピーダンス整合回路を取り付けることを特徴とする方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、前記受電共振器に、前記受電共振器のＱ値を増大させるインピーダンス整合回路を取り付けることを特徴とする方法。
17. 請求項１３に記載の方法において、前記家具は、シートと、背もたれと、少なくとも一つのアームとを備える椅子またはソファであり、前記少なくとも一つの送電共振器を、前記シートと、前記背もたれと、前記少なくとも一つのアームとからなる群から選択される、前記椅子またはソファの一部に配置することを特徴とする方法。
18. 請求項１３に記載の方法において、前記家具は、伸展可能なレッグレストを備える椅子またはソファであり、前記少なくとも一つの送電共振器を前記レッグレストに配置することを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法において、
    受電共振器と付属加熱素子が内蔵された一対のフットウェアを設け、
    前記椅子またはソファに座っている人が前記フットウェアを着用した時、前記受電共振器が前記レッグレストに配置される前記少なくとも一つの送電共振器の近接場内に入るように、前記受電共振器を前記フットウェアに配置することを特徴とする方法。
20. 請求項１３に記載の方法において、受電共振器が内蔵されると共に、前記受電共振器に電気的に接続され、前記受電共振器を介して前記少なくとも一つの送電共振器から電力が入力される加熱素子を備える温熱パッドを設けることを特徴とする方法。
21. 請求項１３に記載の方法において、受電共振器が内蔵された温熱毛布またはショールを設け、前記温熱毛布またはショールは前記受電共振器に電気的に接続される加熱素子を備え、前記加熱素子に前記受電共振器を介して前記少なくとも一つの送電共振器から電力が入力されることを特徴とする方法。
22. 請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも二つのコイルの一方は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場内に位置することを特徴とする方法。
23. 請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも二つのコイルは、前記フレームの導電性部品によって電気的に接続されることを特徴とする方法。
24. フレームと、
    前記フレームによって支持されるカバー材と、
    前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置され、所定の周波数で共振するように調整される少なくとも一つの送電共振器と、
    前記フレームに支持されると共に、前記少なくとも一つの送電共振器に電気的に接続され、さらに家具外部の電源にも接続可能な高周波電源と、
    前記フレームに支持されると共に、少なくとも部分的に前記カバー材の下方に配置される、少なくとも一つの複合型の受動共振器と、を備え、
    前記高周波電源と前記少なくとも一つの送電共振器は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場で、結合して前記所定の周波数で電力を伝送する磁界を生成し、
    前記複合型の受動共振器の一部は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場に配置されて、前記少なくとも一つの送電共振器によって生成された磁界を広げるように作用し、
    前記複合型の受動共振器は、単一の導線で接続されてアンテナを規定する少なくとも二つのコイルを備え、該アンテナは前記少なくとも二つのコイル間に直流流路を有さないことを特徴とする家具。
25. 請求項２４に記載の家具において、前記フレームはシートと背もたれを規定し、前記少なくとも一つの送電共振器は、前記シートと前記背もたれの少なくとも一方に配置されることを特徴とする家具。
26. 請求項２５に記載の家具において、前記フレームはさらに少なくとも一つのアームを規定し、前記少なくとも一つの送電共振器は、前記シートと前記背もたれと前記アームの少なくとも一つに配置されることを特徴とする家具。
27. 請求項２６に記載の家具において、前記フレームと前記カバー材はアームを規定し、前記アームは通常はその下方の空間をほぼ囲い、前記少なくとも一つの送電共振器は前記空間の近傍位置で前記フレーム上に配置されることを特徴とする家具。
28. 請求項２４に記載の家具において、前記フレームはさらにシートと背もたれを規定し、前記少なくとも一つの受動放熱器は、前記シートと前記背もたれの少なくとも一方に配置されることを特徴とする家具。
29. 請求項２４に記載の家具において、前記フレームはさらに少なくとも一つのアームを規定し、前記少なくとも一つの受動放熱器は、前記アームに配置されることを特徴とする家具。
30. 請求項２４に記載の家具において、前記複合型の受動共振器は、前記少なくとも一つの送電共振器に隣接する近接場に配置される第１コイルと、前記送電共振器の近接場の外側に配置される第２コイルとを備えることを特徴とする家具。
31. 請求項１８に記載の方法において、
    それぞれ金属箔を含む付属加熱素子が内蔵された一対のフットウェアをさらに設け、
    前記椅子またはソファに座っている人が前記一対のフットウェアを着用した時、前記加熱素子が前記レッグレストに配置される前記少なくとも一つの送電共振器の近接場内に入るように、受電共振器を前記フットウェアに配置することを特徴とする方法。

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