KR102079561B1

KR102079561B1 - 무선 충전 디바이스

Info

Publication number: KR102079561B1
Application number: KR1020147036802A
Authority: KR
Inventors: 아사프 마노바-엘시보니; 오뎃 골란
Original assignee: 휴마복스 엘티디.
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2020-04-09
Also published as: JP2019118257A; AU2013269140A1; WO2013179284A2; US9762081B2; WO2013179284A3; JP2018110524A; EP2856605A2; JP6538912B2; CN104396117B; EP3157129A1; CN104396117A; US20150171658A1; KR20150023527A; NZ702514A; CA2875179C; EP2856605B1; CA2875179A1; HK1208099A1; JP2015521459A; DK2856605T3

Abstract

본 발명은, 안테나 장치를 포함하는 실질적으로 중공형인 하우징에 의해 규정되고, 안테나 장치로부터의 전자기 방사의 전파를 위한 내부 캐비티를 규정하도록 구성된 폐쇄된 공간 내에서 전자 디바이스(들)를 충전하기 위한 디바이스들 및 무선 충전 기술들을 제공한다. 하우징은 내부 캐비티를 둘러싸는 내부 표면을 가지며, 이의 기하구조 및 재료 조성은 안테나 장치로부터 충전 구역을 향한 미리 결정된 전자기 방사에 대한 전반적인 전파 경로를 규정하도록 선택된다. 하우징의 내부 캐비티는 충전 구역으로 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관(waveguide)으로서 동작하며, 충전 구역 내에서 실질적으로 전자기 방사의 최대 강도를 제공한다.

Description

무선 충전 디바이스{WIRELESS CHARGING DEVICE}

본 발명은 다양한 유형들(전형적으로 휴대용) 디바이스들의 충전을 위한 무선 충전 기술들 및 디바이스들에 관한 것이다.

에너지 소스로서 전기를 사용하는 다수의 디바이스들이 존재하지만, 그들의 이동성으로 인하여 이들은 그들의 에너지 공급장치로서 배터리들의 사용을 필요로 한다. 이러한 에너지 소모품들이 다양하며, 이들은 비제한적으로 의료 디바이스들/기기들(예를 들어, 보청 디바이스들), 컴퓨터 주변 디바이스들(예를 들어, 마우스, 키보드, 및 이와 유사한 것), 원격 제어기들(예를 들어, 텔레비전들, 셋-탑 박스들, 에어컨 디바이스들, 및 이와 유사한 것들에 대한), 면도 디바이스들, 및 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 이러한 소모 디바이스들은 전형적으로 때때로 그들의 배터리들을 교체/충전해야 할 필요가 있다.

일반적인 배터리들은 재사용할 수 없으며, 이들의 부적절한 폐기는 오염원이고, 이들의 교체가 성가실 수 있다. 따라서 근래에 다수의 소모 디바이스들이 재충전가능 배터리들을 이용하며, 여기에서 재충전이 배터리를 특정 충전 디바이스에 연결함으로써 이루어지고, 이들은 전형적으로 특정 배터리/디바이스 또는 특정 유형의 배터리/디바이스를 연결하고 충전하기 위한 전용 설계를 갖는다. 이러한 처리방식이 일반적인 비-재사용가능 배터리들의 사용을 감소시키지만, 이는 각각의 재충전가능 소모 디바이스가 그것의 배터리를 충전시키기 위해 특정한 전용 충전기를 필요로 하는 상황을 야기한다.

다양한 재충전가능 소모 디바이스들에 대한 복수의 전용 충전기들에 대한 필요성을 배제하기 위한 하나의 가능한 처리방식은 무성 충전 기술들에 기초한다. 예를 들어, 충전될 전자 디바이스 주위의 이용가능한 RF 방사 에너지(예를 들어, 다른 소스들뿐만 아니라 셀룰러 네트워크들 및 전화기들로부터의 RF)가 일반적으로 전자 디바이스의 소형 배터리를 재충전하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 RF 무선 충전 기술들은 RF 에너지 수확(harvesting)으로도 알려져 있다. 전형적으로, 주변 RF 에너지 수확을 이용하는 경우, 그들의 연속적이고 중단없는 사용을 위해 효과적으로 배터리들을 충전하기 위해 이용가능한 에너지가 충분히 존재하지 않는다.

공지된 다른 처리방식은 예를 들어 다음의 공개문헌들에서 설명된다: US 6,967,462호는 마이크로파 파워 빔에 의한 디바이스들의 충전을 설명한다. 이러한 기술은, 마이크로파 에너지를 이용하여 전자/전기 디바이스들로 파워 및/또는 1차 파워의 무선 충전을 제공하는 것을 목적으로 한다. 마이크로파 에너지는 하나 이상의 적응적-위상화된(adaptively-phased) 마이크로파 어레이 방출기들을 포함하는 파워 송신기들에 의해 충전될 디바이스 상에 포커싱된다. 충전될 디바이스 내의 렉테나(rectenna)들이 마이크로파 에너지를 수신 및 정류하고, 이를 배터리 충전 및/또는 1차 파워를 위해 사용한다. 충전될 디바이스에 의해 생성되는 로케이터(locator) 신호가 마이크로파 어레이 방출기들에 대한 충전될 디바이스의 위치를 결정하기 위해 시스템에 의해 분석되며, 이는 마이크로파 에너지가 충전될 디바이스를 향해 특히 직접적으로 향하도록 허용한다. 후방산란 검출기들이 충전될 디바이스와 마이크로파 어레이 방출기들 사이의 임의의 장애물들에 반사되는 후방산란 에너지에 응답한다. 임의의 장애물에 막힌 마이크로파 어레이 방출기에 대한 파워는 장애물이 제거될 때까지 감소된다. 선택적으로, 데이터가 어레이 방출기에 의해 생성되는 마이크로파 에너지 빔들 상에서 변조되고 디바이스에 의해 복조될 수 있으며, 그럼으로써 파워 송신기로부터 디바이스로의 데이터 통신 수단을 제공한다. 유사하게, 데이터가 로케이터 신호 상에서 변조되고 파워 송신기에서 복조될 수 있으며, 그럼으로써 디바이스로부터 파워 송신기로의 데이터 통신 수단을 제공한다.

US 6,127,799호는 무선 전력공급 및 재충전을 위한 장치 및 방법을 설명한다. 이러한 기술에 따르면, 전하 저장 디바이스를 RF 또는 마이크로파 방사 필드에 위치시킴으로써 전하 저장 디바이스를 충전하기 위한 장치가 제공된다. 방사되는 RF 전자기 필드를 수신하는 하나 이상의 안테나들이 전하 저장 디바이스 상에 위치된다. 안테나들에 연결된 정류기들이 수신되는 RF 전자기 필드를 정류하고, 전하 저장 디바이스를 저장하는데 사용되는 DC 출력 전류를 생성한다. 전하 저장 디바이스는 배터리 또는 커패시터일 수 있으며, 전자 디바이스의 일체형 부분을 형성할 수 있다. 전하 저장 디바이스를 충전하는 동일한 RF 필드가 또한 컴퓨팅 디바이스들과 연관될 수 있는 트랜스폰더(transponder)들로 데이터를 통신하기 위해 이용될 수 있다.

환경으로부터 에너지를 수확할 수 있고 상이한 충전가능 디바이스들의 효율적이고 고속의 충전을 가능하게 하는 무선 충전 기술들에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.

본 발명은, 충전 구역(예를 들어, 실질적으로 평평하거나 또는 곡면인)으로 효율적으로 전자기 방사를 전송함으로써, 동시에 다수의 디바이스들을 충전할 뿐만 아니라, 다양한 설계들을 가지며 다양한 유형들의 배터리들을 사용하는 전자 디바이스들을 충전하도록 구성된 신규한 충전 디바이스를 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "충전 구역(charging zone)"은 그 안에서 충전 프로세스가 발생되고 충전될 디바이스가 위치되는 폐쇄된 하우징 내부의 체적/공간을 지칭한다. 하우징 내에 위치된 방사 방출기 장치로부터의 전자기 방사의 전송은, 하우징 내부의 특정 위치에서, 때때로 이하에서 최대 에너지 체적(maximal energy volume: MEV)라고 지칭되는, 최대 방사 체적, 즉, 전자기 방사기 실질적으로 최대 강도인 체적을 생성하도록 구성된다. 본 발명의 충전 디바이스는, 충전될 디바이스(들)을 위치시키고 그럼으로써 충전 구역에 위치되어 있는 동안 하나 이상의 디바이스들의 효율적이고 고속의 충전을 달성하기 위한, 캐비티 내부의 위치/지점, 예를 들어, 지지 표면에 의해 규정(define)될 수 있는, MEV와 충전 구역 사이의 적어도 부분적인 중첩(overlap)을 제공하도록 구성되고 동작할 수 있다.

본 발명의 발명자들은 무선 충전 프로세스의 효율성 및 안전성이, 폐쇄된 하우징 내부에서 생성되는 충전 전자기 방사를 충전될 디바이스(들)가 위치되는 캐비티 내의 충전 구역으로 보내고 집중시키도록 구성된 캐비티를 규정하는 내부 표면들을 갖는 폐쇄된 구조/하우징(예를 들어, 패러데이 케이지(Faraday cage)와 같은 정전기적으로 차폐된 인클로저(enclosure)) 내부에서 충전 프로세서를 수행함으로써 실질적으로 개선될 수 있다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 발명자들은, 상기 캐비티를 규정하는 실절적으로 중공형의(hollow) 하우징의 내부 표면들의 재료들 및 기하구조(치수 및 또한 가능한 형상)의 적절한 선택 및 그 안에서 생성되고 충전하는데 사용되는 전자기 방사의 하나 이상의 파라미터들(적어도 주파수)의 적절한 선택에 의해 규정된 충전 구역 내에서 전자기 방사의 강도가 최대화될 수 있고 또한 균일하게 분포될 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 캐비티의 파라미터들을 규정하는 하우징의 내부 표면의 파라미터들(폭, 높이, 등)이 사용되도록 의도되는 주파수 대역에 따라 선택되고, 추가로 방사의 실질적으로 최대 강도의 체적이 충전 구역과 적어도 부분적으로 중첩하도록 방사의 주파수가 추가적으로 조정(tune)될 수 있다. 본 출원은, 최대 효율의 충전 프로세스로 동일한 범용 충전 디바이스의 상이한 형상들 및 크기들을 갖는 다양한 디바이스들의 충전을 제공하기 위하여, 충전 디바이스 내부의 희망되는 위치(충전 구역)에 송신되는 전자기파들에 의해 생성되는 최대 에너지 체적(밀도)을 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상의 것들이 하우징의 내부 표면들의 기하구조(치수들 및 또한 가능한 형상) 및 재료 조성을 적절히 선택함으로써 그리고 이를 통해 캐비티를 통해 충전 구역으로 향하는 하우징 내부에서 생성되는 미리 결정된 전자기 방사에 대한 일반적인 전파 경로를 규정함으로써 달성된다. 본 발명에 따르면, 하우징은 충전 구역으로 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관으로서 동작한다. 본 발명의 시스템은, 생성되는 방사의 하나 이상의 파라미터들을 적절히 선택하여(예를 들어, 제어 및 조정하여), MEV의 높이를 변경함으로써, 및/또는 하우징의 횡단 평면(transversal plane)에서 그것을 쉬프팅/회전함으로써, 충전될 디바이스들로의 전자기 에너지의 전달을 최대화하기 위하여, 충전 구역 부근의 하우징 내부의 최대 에너지 체적(MEV)의 위치를 조정하도록 더 구성된다.

본 명세서에서 제공되는 충전 디바이스는, 전자 디바이스가 MEV 내에 위치되어 있는 한, 충전될 디바이스의 임의의 배향에서 전자 디바이스(들)의 효율적인 충전을 가능하게 한다. MEV 내부에 위치된 전자 디바이스의 충전이 최적이며, 충전 프로세스는 충전 디바이스 내에서의(즉, 충전 디바이스의 하우징에 의해 규정되는 캐비티 내부에서의) 전자 디바이스의 배향에 독립적이다.

일부 실시예들에 있어, 하우징 내부의 MEV의 위치가, 충전된 디바이스가 위치되는 하우징 내부에 규정된 충전 구역을 부분적으로 또는 완전히 중첩하기 위하여, 수동적으로(반사기들, 확산기 및/또는 흡수기들을 사용하여) 및/또는 능동적으로(예를 들어, 방사되는 방사의 다양한 파라미터들을 조정함으로써) 조정된다. MEV가 포커싱되거나/에너지가 집중될 때, 이는 충전 구역보다 더 작을 수 있으며, 따라서 충전 구역을 단지 부분적으로 중첩/커버할 것임을 주목해야 한다. 따라서, MEV의 위치의 능동 조정(이동)이 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 기수들 및 장치들은 충전 구역 내에서 에너지 전송이 최대화된다는 것을 보장한다.

본 출원은 또한 수행되는 충전 프로세서와 연관된 표시들을 제공하도록 사용될 수 있는 신규한 센서 유닛을 목적으로 한다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어, 센서 유닛은 충전 프로세서의 효율을 표시하기 위해 사용된다. 본 발명의 발명자들은 또한 센서 유닛이 충전되는 디바이스와 충전 디바이스의 제어 유닛 사이의 통신을 위해 사용될 수 있다는 것을 발견하였다.

본 발명의 일 측면에 있어, 안테나 장치를 포함하는 하우징 내부에서 적어도 하나의 충전가능 디바이스(예를 들어, 전자 디바이스)를 무선으로 충전하기 위한 충전 디바이스가 제공된다. 하우징은, 안테나 장치로부터 하우징 내부의 충전 구역으로 전자기 방사 전파를 위한 캐비티를 규정하도록 구성된다. 하우징은 충전 프로세스 동안 캐비티 내부에서(예를 들어, 충전 구역에서) 적어도 하나의 전자 디바이스를 지지하기 위한 지지 표면을 포함할 수 있다.

하우징 내부에서 충전가능 디바이스를 지지 표면 상에 위치시키도록 구성된 이동가능 실(seal)(즉, 폐쇄 리드(closing lid))이 더 제공된다. 일부 실시예들에 있어, 실은, 그 내부에 충전가능 디바이스를 위치시키기 위해 하우징 내에 제공되는 개구를 통해 하우징의 내부 캐비티에 접근하는 것을 허용하고, 하우징의 외부 환경으로 하우징으로부터의 전자기 방사의 누설을 방지/최소화하기 위해 개구를 실링하며, 충전 디바이스의 충전 기능을 허용하도록 구성된 하우징의 일체형 부분으로서 제공된다.

하우징은 캐비티를 규정하도록 구성된 내부 표면을 포함한다. 하우징의 내부 표면의 재료 조성(예를 들어, 비제한적으로 구리 및 알루미늄과 같은 전기 전도성 재료들) 및 기하구조(치수들 및 형상)가 안테나 장치로부터 방출되는 미리 결정된 전자기 방사(상기 방사의 주파수 대역)에 따라 선택되며, 그 결과 내부 캐비티가 충전 구역으로 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관으로서 동작하고, 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 전자기 방사의 실질적인 최대 강도의 체적을 생성하는 것을 가능하게 하며, 반면 방사가 하우징 외부의 환경으로 하우징을 벗어나는 것을 실질적으로 방지한다. 하우징의 내부 표면의 기하구조 및 구성이 또한 충전 구역 내에서 전자기 방사의 실질적으로 균일한 분포를 제공할 수 있다.

하우징은 바람직하게 전자기적으로 및/또는 정전기적으로 차폐된다. 예를 들어, 하우징은 패러데이 케이지의 형태로 구현될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 하우징의 내부 표면은 미리 결정된 전자기 방사에 대하여 실질적으로 반사성이다. 하우징의 내부 표면은 실질적으로 원통형의 또는 직사각형의 기하구조의 내부 캐비티를 규정(예를 들어, 실질적으로 원형의 또는 다각형 단면을 갖는 구조를 규정함으로써)하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 하우징의 내부 표면은 실질적으로 테이퍼진(tapering) 캐비티 구조를 규정(원뿔형 또는 다면화 피라미드-유사 기하구조를 규정함으로써)하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 실질적으로 원형, 원뿔형 또는 다각형 캐비티를 규정하는 하우징의 내부 표면은 이로부터 내향적으로(방사 전파 경로를 향해) 돌출되는 적어도 하나의 방사 유도 엘러먼트를 더 포함한다. 적어도 하나의 방사 유도 엘러먼트는, 내부 표면으로부터 충전 구역을 향해 방사의 복수의 반사를 추가로 초래하기 위하여, 충전 구역을 향해 전자기 방사를 지향적으로 반사(또는 편향)하거나 및/또는 전자기 방사를 산란시키도록 구성될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 하우징의 내부 표면은 체적측정(volumetric) 충전 구역의 기하구조를 규정하기 위한 표면 릴리프(relief)를 갖는다.

하우징의 실은 하우징 내부에서 방출되는 미리 결정된 방사에 대한 반사기, 확산기 또는 흡수기로서 구성될 수 있다.

안테나 장치는 적어도 하나의 방사 안테나 또는 이러한 안테나들의 어레이를 포함하며, 충전 구역을 향해 전자기 방사를 방출하도록 구성된다. 예를 들어, 안테나 장치는 실질적으로 선형 또는 폐쇄된 루프 경로를 따라 이격된 관계로 배열된 방사 안테나들의 어레이를 포함할 수 있다. 일부 애플리케이션들에 있어, 안테나 장치는 적어도 2개의 다이폴(dipole) 안테나들을 포함한다.

하우징(그것의 내부 표면) 및 안테나 장치는 전파되는 방사의 미리 결정된 간섭 패턴을 생성하고 그럼으로써 충전 구역 내에서 실질적으로 최대 강도를 제공하도록 구성되고 동작할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 안테나 장치는 충전 구역 내에서 실질적으로 최대 강도를 제공하도록 구성된 위상 쉬프트 안테나들을 포함한다. 일부 실시예들에 있어, 안테나 장치는 충전 구역 내에서 실질적으로 최대 강도를 제공하기 위해 안테나들에 의해 방출되는 미리 결정된 위상 패턴의 방사를 생성하도록 동작할 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 충전 구역 내에 실질적으로 최대 강도를 제공하기 위하여, 안테나들이 미리 결정된 시간 패턴에 따라 안테나들을 동작시키며 그럼으로써 안테나들에 의해 방출되는 미리 결정된 위상 패턴의 방사를 제공하도록 구성된 스위칭 유닛과 연관(이에 연결)된다. 예를 들어, 안테나들에 의해 방출되는 방사의 위상들이 일반적인 방사 전파 경로에 실질적으로 수직인 평면에서 적어도 하나의 축을 따라 변화하도록 위상 패턴이 설정될 수 있다. 이에 더하여, 안테나 장치는, 충전 구역 내의 전자기 방사의 주파수의 제어가능한 변경을 가능하게 하는 주파수 제어기와 연관될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 하우징은 센서 유닛 근처의 방사 강도를 측정하고 그럼으로써 충전 구역 내의 방사의 강도 분포를 제어할 수 있도록 구성되고 동작할 수 있는 센서 유닛을 포함한다. 센서 유닛은 충전 구역으로부터 알려진 거리에 위치되고 그럼으로써 충전 구역 내의 방사의 강도 분포를 제어할 수 있게 하기 위한 적어도 하나의 센싱 안테나를 포함할 수 있다. 센서는 또한 그 부근에서 방사의 적어도 하나의 파라미터들의 전하를 검출하고 그럼으로써 충전가능 디바이스로부터의 신호를 식별하며 이를 표시하는 데이터를 생성할 수 있도록 구성되고 동작할 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 센서 유닛은 제어 유틸리티와 통신하고 그럼으로써 다음 중 적어도 하나를 수행하게 안테나 장치의 동작을 인에이블하도록 구성된다: (a) 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나의 선택적인 비활성화, (b) 방사의 주파수의 제어가능 변경, (c) 안테나 장치의 안테나들로 방사되는 파들 사이의 위상 쉬프트의 제어가능 변경.

충전 디바이스는, 하우징 외부에 위치되며, 하우징 내부의 하나 이상의 엘러먼트들과 연결가능하고, 다음 중 하나 이상을 수행하도록 동작할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다: (1) 안테나들 사이의 위상 쉬프트의 제공; (2) 충전 구역에서의 방사의 최적 주파수를 제공하기 위한 상기 방사의 주파수의 제어가능 변경; (3) 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나의 선택적인 비활성화.

본 발명의 다른 측면에 있어, 이상에서 그리고 이하에서 설명되는 실시예들 중 임의의 실시예에 따라 구성된 충전 디바이스를 사용하여 적어도 하나의 충전가능 디바이스를 무선 충전하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 안테나 장치로 하여금 적어도 충전 구역의 위치에 따라 선택된 주파수 및 위상을 갖는 전자기 방사를 생성하게 하고 그럼으로써 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 상기 방사의 최대 강도의 체적을 생성하도록 동작시키는 단계, 및 충전 구역 부근에서의 방사를 모니터링하고 그럼으로써 다음 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함할 수 있다: (1) 안테나 장치의 안테나들 사이의 위상 쉬프트의 제공; (2) 충전 구역에서 방사의 최적 주파수를 제공하기 위한 방사의 주파수의 제어가능 변경; (3) 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나의 선택적인 비활성화.

본 발명의 또 다른 측면에 있어, 하나 이상의 전자 디바이스들의 폐쇄-공간 RF 충전을 위하여 충전 디바이스를 구성하는 방법이 제공된다. 방법은, 폐쇄 중공형 하우징의 내부 표면의 재료 조성 및 기하구조를 선택하는 단계, 및 캐비티 내부에 위치될 안테나 장치의 위치 및 구성을 선택하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 캐비티는, 캐비티 내부의 충전 구역을 향한 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사에 대한 일반적인 전파 경로를 제공하기 위하여, 안테나 장치에 의해 방출되는 특정 전자기 방사에 따라 내부 표면들의 상기 선택된 기하구조 및 재료 조성에 의해 규정된다. 내부 표면들의 재료 조성 및 기하구조는, 충전 구역의 적어도 일 부분 내에서 미리 결정된 전자기 방사의 실질적인 최대 강도를 제공하고 그럼으로써 하우징에 대한 그것의 배향에 독립적으로 전자 디바이스의 효율적인 충전을 허용하기 위하여, 안테나 장치에 의해 방출되는 방사에 따라 선택된다.

또 다른 측면에 있어, 적어도 하나의 전자 디바이스를 무선 충전하기 위한 충전 디바이스가 제공되며, 충전 디바이스는 안테나 장치를 포함하는 하우징을 포함하고, 여기에서 상기 하우징은 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사의 전파를 위한 내부 캐비티를 규정하는 실질적으로 중공형이며, 하우징은 내부 캐비티를 규정하도록 구성된 그것의 내부 표면을 포함하고, 내부 표면의 재료 조성 및 기하구조는 캐비티 내부에서 충전 구역을 향한 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사에 대한 일반적인 전파 경로를 규정하도록 선택되며, 그 결과 내부 캐비티는 충전 구역으로 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하는 도파관으로서 동작하며 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 전자기 방사의 실질적으로 최대의 그리고 균일하게 분포하는 강도의 체적을 생성하고, 그럼으로써 충전 구역에 위치된 전자 디바이스의 효율적인 충전을 가능하게 하며, 효율적인 충전은 하우징에 대한 전자 디바이스의 배향에 독립적이다.

본 명세서에 개시된 주제의 더 양호한 이해를 위하여 그리고 실제 구현될 수 있는 방법을 예시하기 위하여, 이제 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 오로지 비제한적인 예시로서 설명될 것이다. 도면들 내에 도시된 컴포넌트들 및 특징부들의 치수들은 전반적으로 표현의 편의 및 명료성을 위해 선택되었으며, 반드시 축적이 맞추어져 도시되지는 않는다. 제공되는 도면들은 개략적인 예시들의 형태이며, 그 결과, 예시의 명료성을 위하여 특정 엘러먼트들이 크게 간략화되거나 또는 스케일링되지 않는다. 도면들이 제도를 생성하도록 의도되지 않는다.
이하에서 열거되는 도면들 내에서, 동일한 참조부호들은 동일하거나 또는 유사한 엘러먼트들을 나타내기 위해 사용된다.
도 1a 및 도 1b는 가능한 일부 실시예들에 따른 RF 에너지 수확에 기초한 충전 디바이스를 개략적으로 예시하며, 여기에서 도 1a는 충전 디바이스의 가능한 구조 및 내부 배열을 예시하고, 도 1b는 충전을 위해 제자리에 위치된 충전가능 디바이스를 갖는 충전 디바이스의 가능한 구조 및 내부 배열을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 가능한 일부 다른 실시예들에 따른 충전 디바이스를 개략적으로 예시하며, 여기에서 도 2a는 충전 디바이스의 하우징 내부에 위치된 안테나 장치로부터 송신되는 RF 방사의 표준 분포를 표현하며, 도 2b 내지 도 2c는 충전 디바이스 내부에서 미리 결정된 형상 및 위치로 송신되는 RF 방사의 최대 에너지 체적(밀도)을 집중화(centralize)하기 위해 방출되는 방사의 지향성 송신을 보조하기 위해 하우징 내부에서 사용될 수 있는 기계적 엘러먼트의 예를 표현하고, 도 2d는 충전 디바이스 내부의 미리 결정된 위치에 위치된 규정된 최대 에너지 체적(밀도)를 획득하기 위해 충전 디바이스에서 사용되는 도 2b 및 도 2c의 엘러먼트를 갖는 하우징을 표현한다.
도 3a 내지 도 3e는 하우징 내의 희망되는 위치에 최대 에너지 체적(밀도)을 위치시키도록 구성된 충전 디바이스의 다양한 실시예들을 개략적으로 예시하며, 여기에서 도 3a는 하우징 내부에서 횡단 평면에 대해 희망되는 위치에 MEV를 위치시키기 위한 안테나 스위칭 기술들의 사용을 예시하고, 도 3b는 하우징 내부에서 희망되는 높이에 MEV를 위치시키기 위한 주파수 스윕/스캔 기술을 예시하며, 도 3c는 하우징의 체적 내부에서 희망되는 위치에 MEV를 위치시키기 위한 주파수 스캔 및 안테나 스위칭 기술을 조합을 예시하고, 도 3d는 하우징 내부에서 횡단 평면의 희망되는 위치에 MEV를 위치시키기 위한 위상 쉬프트 조정 기술의 사용을 예시하며, 도 3e는 하우징의 체적 내부에서 희망되는 위치에 MEV를 위치시키기 위한 주파수 스캔 및 위상 쉬프트 조정 기술들의 조합을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 일부 실시예들에 따른 충전 디바이스를 개략적으로 예시하며, 여기에서 도 4a는 충전 디바이스 내부의 센서 유닛의 사용을 표현하고, 도 4b는 충전되는 디바이스와 제어 신호들을 통신하기 위해 사용될 수 있는 수확 구조를 표현한다.
도 5는 가능한 일부 실시예들에 따른 충전 세션을 표현하는 순서도이다.
도 6a 및 도 6b는 하우징의 실질적인 원통형 구성의 내부 캐비티에 대해 수행된 시뮬레이션을 도시하며, 여기에서 도 6a는 시뮬레이션 셋업(setup)을 개략적으로 예시하고, 도 6b는 이러한 셋업에 대해 획득된 시뮬레이션 결과들을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 하우징의 실질적인 원뿔형 구성의 내부 캐비티에 대해 수행된 시뮬레이션을 도시하며, 여기에서 도 7a는 시뮬레이션 셋업을 개략적으로 예시하고, 도 7b는 이러한 셋업에 대해 획득된 시뮬레이션 결과들을 도시하는 플롯이다.
도 8a 및 도 8b는 하우징의 실질적인 직사각형 구성의 내부 캐비티에 대해 수행된 시뮬레이션을 도시하며, 여기에서 도 8a는 시뮬레이션 셋업을 개략적으로 예시하고, 도 8b는 이러한 셋업에 대해 획득된 시뮬레이션 결과들을 도시하는 플롯이다.

이상에서 기술된 바와 같이, 바람직하게는 비사용 시간 기간들(즉, 디바이스가 사용되지 않을 때) 동안, RF 에너지 수확 기술들에 기초하여 전자 디바이스의 배터리의 충전 세션들을 가속하기 위한 적절한 해법들에 대한 필요가 존재한다. 이러한 비사용 기간들이 전형적으로 제한되기 때문에, 충전 세션 동안 집중적인 방사로 충전가능 디바이스의 수확 유닛을 조사해야 할 필요가 있다. 이러한 방사의 레벨이 종종 방사의 규제 한도를 초과한다. 따라서, 외부 환경으로 방사의 누설을 최소화/방지하도록 구성된 한정형(confined) 충전 디바이스 설계에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명은 RF 에너지 수확 기술들에 기초하여 충전가능 디바이스(예를 들어, 재충전가능 배터리들로 동작하는)의 무선 충전을 가능하게 하도록 구성된 신규한 충전 디바이스를 제공한다. 충전 디바이스는 폐쇄형 하우징 및 그 안에 위치된 안테나 장치를 포함한다. 하우징은 방사 전파를 위한 내부 캐비티 및 그 안에서 안테나 장치로부터 방출되는 RF 방사의 강도가 최대이고 실질적으로 균일한 하우징 내부의 충전 구역을 규정(define)하도록 구성된다. 따라서 본 발명은 RF 수확 기반 충전가능 디바이스들에 대한 무선 범용 충전 디바이스로서 특히 유용하다. 일반적으로 말하면, 실질적으로 중공형(hollow) 하우징의 내부는, 하우징이 충전 구역을 향해 방출된 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관(waveguide)으로서 동작하고 충전 구역에서 최대 방사를 제공하도록, 안테나 장치와 충전 구역 사이의 방사 전파를 위한 캐비티(cavity)를 규정한다.

하우징은, 하우징으로부터 하우징 외부 환경으로의 RF 방사의 최소 누설을 보장하도록 구성되고(예를 들어, 패러데이 케이지를 구현함으로써), 공명 및 반사 현상을 사용하여 미리 결정된 영역(충전 구역)에 방사된 RF 에너지를 집중시키기 위하여 구성된 정전기 차폐형 하우징(예를 들어, 금속 엔벨로프(envelope))으로서 설계될 수 있다. 또한, 하우징은 충전되는 디바이스(들)을 지지하기 위한 지지 표면(평면의 또는 곡선의)을 규정한다. 이러한 지지 표면은 충전 구역에 가장 가깝게 또는 이 안에 위치된다. RF 방사 소스(안테나 장치)는 충전되는 디바이스(들)에 의한 RF 수확을 위해 적합한 미리 구성된 주파수들 및 강도들로 RF 방사를 방출하도록 구성되고 동작할 수 있다.

본 발명의 충전 디바이스의 일부 비제한적인 특정 예들이 이어진다. 이러한 예들에 있어 충전 디바이스의 하우징이 전반적으로 원통형 형상의 내부 캐비티를 갖는 것으로 도시되지만, 본 발명이 이러한 특정 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 원리들에 따라 폐쇄형-챔버 RF 방사 도파관으로서 구현되는 하우징이 그 내부 캐비티의 상이한 형상들(예를 들어, 원뿔형 형상, 다각형 단면 형상, 및/또는 삼각형, 사각형, 육각형, 및 이와 유사한 것과 같은 3, 4, 5, 6, 또는 그 이상의 면을 가진 피라미드 형상) 및 치수들을 가질 수 있으며, 이들이 전부 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 주의해야 한다.

특별히 도시되지는 않지만, 본 발명의 디바이스가 동일한 하우징 내에서 상이한 형상들 및 크기들 및 배터리 유형들을 갖는 상이한 디바이스들의 효율적인 충전을 위해 구성된다는 것이 또한 이해되어야 한다.

도면들을 참조하여 이하에서 설명되는 예들이 무선 RF 충전 프로세스들을 수행하기 위한 폐쇄형 정전기 차폐형 하우징 구성을 사용하는 충전 디바이스들에 대하여 언급한다. 그러나, 본 발명이 이러한 구성들에 한정되지 않으며, 다른 형태들의 폐쇄형 공간 구조들(예를 들어, 안테나 도파관들과 같은 중공형 도파관 구조들)에 적용가능하다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 용어들, 하우징, 챔버, 및 "폐쇄형 공간"이 다음의 설명에서 상호교환적으로 사용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는, 가능한 일부 실시예들에 따른, 충전가능 디바이스(도 1b의 190)의 가속된 RF 무선 수확 충전 프로세스를 제공하도록 구성된 하우징(100)을 포함하는 충전 디바이스(101)를 개략적으로 예시한다. 디바이스(101)는, 하우징(100) 내부에 위치되며, 하우징(100) 내부에서 RF 방사를 방출하도록 구성되고 동작할 수 있는 안테나 장치(120)(RF 소스/송신기(110)와 연관된)를 포함한다. 송신기(100)는, 전기 파워 소스(미도시)로부터 수신되는 전기 에너지를 안테나 장치(120)를 통해 하우징(100) 내부로 방출되는 RF 방사로 변환하도록 구성되고 동작할 수 있다.

안테나 장치는 일반적으로 단일 안테나 유닛으로 형성될 수 있다. 비제한적인 이러한 특정 예에 있어, 안테나 장치(120)는 안테나들(도면에서 보여지는 바와 같은 이러한 3개의 안테나)의 어레이를 포함하며, 또한 이하에서 추가로 설명될 바와 같은 추가 안테나 유닛(140)을 포함할 수 있다.

하우징(100)은 하우징 내부에 충전 구역(133)을 향해 방출되는 방사의 전파를 위한 내부 캐비티(102)를 규정하도록 구성되며, 여기에서 지지 표면(134)이 거기에 충전될 하나 이상의 디바이스들을 위치시키기 위해 제공된다. 지지 표면은 충전될 디바이스(들)의 체적 홀더를 규정하면서, 평평할 수 있거나 또는 굴곡질 수 있다. 캐비티(102)의 기하구조(예를 들어, 치수들)는 하우징의 내부 표면(136)의 기하구조에 의해 규정된다. 이러한 비제한적인 특정 예에 있어, 하우징의 내부 표면은 전반적으로 원통형/튜브형 형상의 방사 캐비티(102)를 규정한다. 전체적으로 이동가능하거나 또는 이동가능한 부분을 포함하는 실(seal)(107)이 추가로 제공되며, 이는 하우징(100)의 내부로의 접근을 제공한다. 하우징의 다른 부분들뿐만 아니라 실(170)은 금속 재료(들)로 이루어지거나 또는 임의의 다른 적절한 재료(들)로 형성되며, 이는, 예를 들어 안전 요구조건들을 위해 하우징(100) 외부 환경으로 방사되는 RF 에너지를 최소화하기 위한 정전기 차폐(예를 들어, 패러데이 케이지)를 형성하기 위해, 이를 통한 RF 송신을 실질적으로 방지한다.

이러한 예에 있어, 안테나 장치(120)가 하우징(100)의 하단 부분에 위치되며, 충전 구역(133)은 하우징의 상부 부분에 규정된다. 안테나 장치(120)로부터 방출되는 대부분의 RF 방사가 도파관 구성(하우징(100)의 내부 표면(136)의 형상/치수들/재료)에 기인하여 충전 구역(133)을 향해 하우징(100)의 내부 캐비티(102)를 통해 일반적인 방사 전파 경로를 따라 위쪽으로 전파한다.

예를 들어, 하우징(100)의 내부 형상/치수들이 원통형, 또는 다각형의 단면 형상을 형성하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 하우징(100)의 내부 표면의 기하구조(예를 들어, 캐비티(102)의 기하구조)가 테이퍼진 구성을 제공하도록 선택될 수 있으며, 여기에서 하우징(100)의 내부 공간(102)의 단면 면적이 충전 구역(133)이 위치된 하우징의 상단 부분을 향해 점진적으로 감소한다.

안테나에 의해 방출되는 RF 방사의 주파수에 따라 선택된 하우징(100)의 내부 표면(136)의 기하구조(치수들/형상) 및 내부 표면의 반사성 속성에 의해 제공되는 캐비티(102)의 도파관 구성은 방출 안테나 장치(120)로부터 최대량의 에너지가 충전 구역에 도달하게 하며 따라서 디바이스(190)가 충전된다. 최대 에너지 체적(maximal energy volume: MEV)의 위치는 방출되는 방사(주파수 및 위상) 및 도파관 내부 캐비티(102)의 구성에 의해 규정되며, 이는 충전 구역(133)을 완전히 또는 부분적으로 커버(중첩(overlap))하도록 설계된다.

일부 실시예들에 있어, 하우징(100) 내부의 지지 표면(134) 상에 위치된 디바이스(190)의 위치가, MEV(133)에 대하여 충전될 디바이스의 최적 위치결정을 보장하기 위하여, 예를 들어, 표면(134) 상의 희망되는 위치로 디바이스(190)를 보내고/슬라이딩하는 유도 엘러먼트(135)(예를 들어, 적어도 하나의 슬라이드 유도 엘러먼트)를 포함하는 정합(registration)/위치결정 메커니즘에 의해 적절히 조정될 수 있다.

이상에서 기술된 바와 같이, 일부 실시예들에 있어, 안테나 장치는, 방출 안테나 장치(120)에 더하여, 일반적으로 충전될 디바이스의 내부 수신 안테나(수확 안테나)만을 이용하는 수확의 효율성을 증폭시키는데 사용될 수 있는 수신 안테나 유닛(디바이스의 하우징(100) 내에 내장된 하나 이상의 안테나 유닛들(140))을 또한 포함한다. 수신 안테나 장치(140)는, 충전되는 디바이스가 소형 수확 안테나를 포함하고 있는 경우(예를 들어, 예를 들어 보청 디바이스들과 같은 일부 의료 디바이스들의 경우에서와 같이 설계 제한들에 기인하여) 특히 유용해질 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 수신 안테나 장치(140)를 충전되는 디바이스(190)의 내부 수확 수신 안테나와 결합하기 위하여 접촉 엘러먼트(150)가 충전 구역(133)(지지 표면(134) 상의)에 제공될 수 있다. 접촉 엘러먼트(150)는 충전될 디바이스에 제공되는 각각의 연결과 고속 연결을 수립하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 접촉 엘러먼트(150)는 디스크 또는 직선 또는 임의의 다른 적합한 형태일 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 하우징(100) 내로의 특정 충전가능 디바이스의 삽입이 삽입된 충전가능 디바이스를 식별하고 이를 나타내는 데이터를 생성하도록 구성되고 동작할 수 있는 식별 센서(미도시)를 활성화한다. 식별 센서에 의해 생성된 데이터는 충전 세션에 대해 필요한 파라미터들(예를 들어, 가능한 충전 레이트, 충전 파워, 충전 세션들의 시간 지속기간들, 및 이와 유사한 것)을 결정하기 위해 충전 디바이스(101)의 제어 유닛(도 4a의 540)에 의해 수신되고 사용될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 송신기(110)가 충전 디바이스의 제어 유닛(540)으로부터 송신기(110)로 제공되는 사전설정(preset) 파라미터들에 따라 안테나 장치(120)로 RF 파워를 공급한다. 예를 들어, 송신기(110)를 동작시키기 위해 제어 유닛에 의해 정의된 파라미터들이 식별 센서로부터 수신되는 정보에 따라 결정될 수 있다. 상이한 충전가능 디바이스들에 대해 상이할 수 있는 주파수 및 강도와 같은 송신 파라미터들이 식별 센서에 의해 획득된 충전될 디바이스의 식별 데이터에 따라 선택적으로 조정될 수 있다. 선택적으로, 일부 실시예들에 있어, 송신기(110)에 의해 생성되는 안테나 장치(120)로의 RF 파워의 주파수 및 강도가 고정되고 미리 결정될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 충전되는 디바이스가 충전 디바이스(101)와 통신하고, 충전 디바이스로 그것의 충전 특성들(예를 들어, 에너지 레벨)에 대한 정보를 제공하도록 구성되며, 그럼으로써 디바이스를 적절히 충전시키기 위해 요구될 수 있는 충전 세션의 시간 지속기간(및 다른 파라미터들)을 나타내도록 디바이스를 인에이블한다. 대안적으로, 가능한 실시예들에 있어, 충전 세션의 시간 지속기간이 충전되는 디바이스의 유형 및 특성들과 무관하게 고정되고 미리 설정될 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 송신기(110)가 수확 효율성을 증가시키고 충전 세션의 시간 지속기간을 감소시키기 위해 안테나 장치(120)를 몇몇 주파수들로 동시에 공급할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어, 충전되는 디바이스가 충전 세션이 완료되었다는 것을 충전 디바이스(101)로 통지하기 위한 표시들(그것의 내부 안테나를 통해 및/또는 접촉 엘러먼트(150)를 통해)을 생성하도록 구성될 수 있다. 충전 디바이스는 하우징(100) 외부에 대응하는 표시기(미도시)를 포함할 수 있으며, 이는 충전되는 디바이스에 의해 생성된 표시들에 응답하여 청각적/시각적 표시들을 생성하도록 구성되고 동작할 수 있다.

하우징(100)은, 개구(171)를 통해 하우징(100)의 내부로의 접근을 제공하도록 구성된 개구(171) 및 이동가능 실(170)을 갖는 금속 실(160)에 의해 봉입(enclosed)될 수 있다. 이동가능 실(170)은 금속 재료로 제조될 수 있거나, 또는 하우징(100)의 금속 실(160)과 같은 금속 실을 갖는 임의의 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.

금속 실(160) 및 이동가능 실(170)은, 안전 요구조건들을 위하여, 하우징(100) 외부 환경으로 방사되는 RF 에너지를 최소화하기 위한 정전기 차폐(예를 들어, 패러데이 케이지)로서 기여하도록 구성된다. 이동가능 실(170)에 의한 개구(171)의 적절한 폐쇄를 나타내기 위하여 하우징(100)의 내부에 또는 외부 표면 상에 안전 센서(177)가 제공될 수 있다. 안전 센서(177)는, 개구(171)의 폐쇄를 결정/측정하고, 이를 나타내는 데이터를 생성하도록 구성되고 동작할 수 있다. 개구(171)가 밀봉적으로 폐쇄되지 않는 동안 안전 센서에 의해 생성된 데이터가 송신기(110)의 활성화를 방지하는데 사용될 수 있으며, 그럼으로써 하우징(100)의 외부 환경으로 RF 방사가 송신되는 원치않는 상황들을 회피한다. 예를 들어, 안전 센서(177)에 의해 생성된 데이터는 개구(171)의 적절한 폐쇄를 결정하기 위해 그리고 개구(171)가 적절히 폐쇄되었을 때에 한해 RF 송신을 가능하게 하기 위해 제어 유닛(540)에 의해 사용될 수 있다. 가능한 구현예들에 있어, 시각적 및/또는 음성 알람이 하우징(100)이 개방되었다거나 또는 적절히 폐쇄되지 않았음을 나타내기 위해 생성될 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 방사 지향/유도 엘러먼트(180)가 RF 방사를 충전 구역(133)으로 보내고 그럼으로써 충전되는 디바이스의 수신 안테나에 의해 수신되는 RF 에너지를 최대화하기 위해 충전 구역(133) 부근에 위치될 수 있다. 예를 들어, 방사 지향 엘러먼트(180)는 희망되는 충전 구역(133)으로 RF 에너지를 집중시키도록 구성된 일 유형의 유전체 재료일 수 있다.

하우징(100)은, 예를 들어 비제한적으로, 구리 또는 임의의 다른 적절한 금속을 포함하는 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 하우징(100)의 높이 및 그 직경은 하우징 내부에서 방출되는 RF 방사의 주파수에 따라 결정될 수 있다. 하우징(100) 위에 제공되는 실(160)은 하우징의 내부 표면과 동일한 재료로 만들어질 수 있다. 안테나 어레이(120)는, 송신기(110)에 의해 생성된 RF 신호들을 충전 구역(133)으로 송신하도록 구성되고 동작할 수 있는, 하나 이상의 지향성 및/또는 전방위 안테나들을 포함할 수 있거나, 또는 이러한 안테나들의 어레이를 포함할 수 있다.

도 1b는 가능한 일 실시예에 따른, 하우징(100) 내로 삽입된 충전가능 디바이스(190)를 갖는 도 1a에 도시된 충전 디바이스(101)를 개략적으로 예시한다.

도 2a는, 가능한 일부 실시예들에 따른, 충전 디바이스(20)의 하우징(100) 내부에 위치된 안테나 장치(210)으로부터 송신되는 RF 방사 파들(211)의 표준 분포를 나타낸다. 도 2a는 하우징(100) 내부의 MEV(231)의 생성을 추가로 나타낸다. 이러한 구성에서의 MEV(231)의 기하구조, 정확한 위치결정, 및 에너지 밀도가 하우징의 내부 표면의 기하구조 및 재료 조성에 의해 고정적으로(조정가능하지 않게) 결정되며, 그에 따라, 충전이 일어나더라도, 충전 프로세스가 제어되기 힘들고 아마도 대부분 최적이 아닐 것이다. 결과적으로, 충전 구역이 잘 규정되지 않을 수 있다.

도 2b 및 도 2c는 방출되는 방사의 지향성 송신을 보조하도록 구성된 기계적 엘러먼트(200)의 전면도(도 2b) 및 후면도(도 2c)를 개략적으로 예시한다. 기계적 엘러먼트(200)는, 하우징(100) 내부에 희망되는 형상 및 희망되는 위치에 MEV의 형성을 가능하게 하기 위해 충전 디바이스(20)의 하우징(100) 내부에 위치될 때 RF 방사 파들을 라우팅하도록 구성되고 동작할 수 있다(도 2c에 도시됨). 기계적 엘러먼트들(200)의 수 및 하우징(100) 내부에서의 각각의 엘러먼트의 위치결정이 변화할 수 있으며, 기계적 엘러먼트들(200)이 하우징 내부에 위칭됨에 따라 MEV의 위치 및 형상이 또한 그에 따라 변경된다. 이에 더하여, 각각의 기계적 엘러먼트(200)의 크기 및 형상이 또한 변경될 수 있고 이는 생성되는 MEV의 형상 및 크기에 영향을 줄 수 있다.

생성된 MEV의 대부분이, 하우징 내부에서의 그들의 양, 그들의 형태, 및 그들의 위치와 같은, 기계적 엘러먼트들(200)과 연관된 다양한 파라미터들에 따라 변화한다. 예를 들어, 특정 충전 디바이스의 하우징 내에서 파들을 라우팅하기 위한 기계적 엘러먼트들(200)의 수가 증가함에 따라 MEV의 크기가 감소할 것이다. 기계적 엘러먼트들(200)은 규정되고 집중되는 MEV를 형성하기 위해 에너지의 반사를 허용하는 일 유형의 유전체 또는 금속 재료로 제조될 수 있다. 기계적 엘러먼트(200)는, 하우징의 내부 벽 상에 설치되고 하우징(100)의 중심 축(212)을 향해 특정 폭 W로 방사상으로 돌출하도록 설계된 셸프(shelf) 형태로 구성될 수 있다. 안테나 장치(120)에 대한 하우징(100) 내부의 기계적 엘러먼트들의 높이 및 형상은 전반적으로 송신 주파수, 송신 안테나 위치에 비례할 수 있으며, 하우징(100) 내의 희망되는 충전 영역 위치에 비례할 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 기계적 엘러먼트(200)는 유전 계수를 갖는 임의의 재료로 이루어질 수 있다.

이제 가능한 일부 실시예들에 따른, 도 2b 및 도 2c에 도시된 기계적 엘러먼트들의 2개의 유닛들을 포함하는, 신규한 충전 디바이스(20)를 개략적으로 예시하는 도 2d에 대한 참조가 이루어진다. 도시된 바와 같이, 이러한 예에 있어 기계적 엘러먼트들(200)은 안테나 장치(210)로부터 송신되는 RF 방사 파들(211)을 하우징(100)의 상부 부분에 규정된 충전 구역(133)을 향해 보내고, 충전 디바이스(20)의 하우징 내부의 미리 결정된 위치에서 체적(충전 구역)을 커버/중첩하도록 MEV(232)를 성형(shape)하는데 사용된다.

안테나 장치(210)의 송신시, 송신되는 파들(211)이 하우징의 벽들 및 하우징의 벽들의 내부 면 상에 설치된 기계적 엘러먼트들(200) 에 충돌한다. 하우징 내부에서의 그들의 위치 및 기계적 엘러먼트들의 구조/기하구조 및 치수들이 하우징(100) 내부에서 희망되는 형상 및 위치에 MEV(232)를 규정하는 캐비티를 통해 전파하는 방사의 희망되는 간섭 패턴을 제공하도록 조정된다.

충전 디바이스(20)의 하우징(100) 내부의 다른 위치들에 비하여, MEV(232) 내부에서(충전 구역(133)에서) 충전가능 디바이스의 충전 프로세스가 가장 효율적이다. 따라서, MEV 영역(232) 내에 위치되는 임의의 전자 디바이스는, 전자 디바이스의 배향과 무관하게 최대 효율 프로세스로 충전될 것이다. 이에 더하여, 생성된 MEV 영역(232) 내에서, 충전되는 디바이스에 의해 "흡수(uptake)"되는 에너지가 전방위적이며 그 내부에서 충전되는 디바이스의 위치/배향에 의존하지 않는다.

기계적 엘러먼트(200)의 폭 W이, 예를 들어, 하우징 내부에서 송신되는 RF 방사의 파라미터들(예를 들어, 파장), 하우징의 기하구조/치수들, 및 기계적 엘러먼트(200)와 안테나 장치(210) 사이의 거리, 및 충전 구역(133)과 기계적 엘러먼트(200) 사이의 거리와 같은 다양한 파라미터들에 따라 결정될 수 있다. 도 3a는 밀폐형 공간 RF 수확을 위해 구성된 가능한 일부 실시예들에 따른 충전 디바이스(28)를 개략적으로 예시한다. 이러한 예에 있어, 충전 디바이스(28)는, 안테나 스위칭 유닛(21)을 사용하여 충전 디바이스(28)의 하우징(100)의 내부의 횡단 평면(transversal plane)에서(즉, X-Y 평면에서) 희망되는 위치에 MEV(131)를 위치시키는 것을 허용하도록 구성된다. 일부 실시예들에 있어, 충전 디바이스(28)는 적어도 다음의 컴포넌트들을 포함한다: 하우징(100), 서로에 대해 90° 각도로 위치된 안테나들(121 및 122)(예를 들어, 하우징(100)의 수평 평면 상에), 및 안테나 스위칭 유닛(21).

도 3a에 도시된 충전 디바이스(28)의 하우징(100)은 원통형(또는 직사각형) 형상이다. 그러나, 충전 디바이스(28)의 하우징(100)의 다른 기하학적 형상들이 또한 적용가능하며, 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 주목해야 한다. 일부 실시예들에 있어, 사용되는 안테나 장치(120)는 실질적으로 동일한 극성을 가지며 서로에 대해 90° 각도로 위치된(예를 들어, 하우징(100) 내부의 X-Y 평면 상에) 2개의 안테나들(121, 122)을 포함한다. 필수적이지는 않지만 바람직하게, 각각의 안테나는 그 위치 및 배향에 따라 MEV(131i 및 131q)를 생성하는 다이폴(dipole) 안테나이다. 특정 충전 프로세스를 위해 X-Y 평면의 희망되는 위치에 MEV(131)를 제공하기 위하여 RF 방사를 송신하고 동작하도록 2 개중 하나의 안테나를 적절히 선택하도록 안테나 스위칭 유닛(21)을 구성함으로써 2개의 안테나들의 조합에 의해 X-Y 평면(하우징(100)의 단면 면적의)의 커버리지(coverage)가 획득될 수 있다. 따라서, 유닛(21)은 더 양호한 충전 조건들을 제공하는 안테나, 즉, 충전 디바이스(28)로 삽입된 특정 디바이스에 대하여 더 양호한 충전 효율을 제공하는 안테나를 선택하도록 구성될 수 있다. 따라서, 시스템이 더 양호한 안테나를 일단 선택하면, 스위칭 유닛(21)은 충전 세션 동안 추가의 조정이 요구되지 않는 한 비활성화된다.

일부 실시예들에 있어, 안테나 장치(120)는, 안테나 장치의 다른 안테나 엘러먼트들에 대해 그리고 서로에 대해 다양한 방향들 및 각도 배향들로 위치될 수 있는 추가 안테나 유닛들을 포함할 수 있다. 안테나 장치에 더 많은 안테나 엘러먼트들이 부가됨에 따라, 안테나 엘러먼트들의 송신에 의해 생성되는 MEV의 표면이 중심 축(212) 둘레로 360° 확장한다(즉, X-Y 평면에서).

도 3a에 예시된 바와 같이, 안테나 어레이(120)는 안테나 장치(120) 내의 안테나들(121 및 122)을 스위치 온/오프(예를 들어, 안테나들을 도 1에 도시된 바와 같은 송신기 유닛에 연결/분리함으로써)하도록 구성되고 동작할 수 있는 안테나 스위칭 유닛(21)에 기능적으로 연결된다. 이러한 방식으로, 충전 디바이스(20)가 하우징(100) 내부의 X-Y 평면의 희망되는 위치에 MEV(131)를 위치시키기 위해 안테나 장치(120)로부터 미리 결정된, 또는 적응적으로 결정된, 방사 패턴들을 송신하도록 구성될 수 있다.

도 3b는 하우징(100)의 폐쇄형 공간에서 RF 방사 수확을 위해 구성되고 동작할 수 있는, 가능한 일부 실시예들에 따른 충전 디바이스(22)를 개략적으로 예시한다. 이러한 예에 있어, 충전 디바이스(22)는 주파수 제어기(25)(또한 주파수 스윕(sweep) 유닛으로도 지칭되는)를 사용하여 하우징(100) 내의 Z 축 상의 희망되는 위치에(즉, 희망되는 높이로) 생성된 MEV(131)를 위치시키는 것을 허용하도록 구성된다.

도 3a에 도시된 충전 디바이스(28)에서와 같이, 충전 디바이스(22)는 서로에 대해 90° 각도로 위치된(예를 들어, 하우징(100) 내의 수평 평면 상에) 2개의 안테나들(121, 122)을 포함하는 안테나 어레이(120)를 포함한다. 도 3b에 예시된 바와 같이, 충전 디바이스(22)의 주파수 제어기(25)는 안테나 장치(120)에 의해 하우징(100) 내부에서 송신되는 RF 방사의 주파수를 조정하도록 구성되고 동작할 수 있으며, 그럼으로써 하우징(100)의 중심 축(212)(즉, Z 축)에 대하여 희망되는 높이로 MEV(131)를 제어가능하게 위치시킨다. 도 3b는, 송신되는 RF 방사의 주파수를 조정하기 위한 주파수 제어기(25)를 사용함으로써, MEV(131)의 위치를 Z 축을 따라 희망되는 높이(131')로 조정하는 것을 추가로 예시한다.

주파수 제어기(25)는 안테나 장치(120)에 의해 송신되는 RF 방사에 의해 생성된 MEV(131)의 위치(Z 축을 따른)를 제어가능하게 조정할 수 있게 하며, 즉, 이는 하우징(100)(도는 충전 디바이스(22)를 구현하기 위해 사용된 임의의 다른 관련된 폐쇄형 챔버/공간) 내에서 MEV(131)의 높이를 결정하는 것을 가능하게 한다. 가능한 일부 실시예들에 있어, 주파수 제어기(25)는 송신 주파수를 수정하고, 그 결과 송신 안테나 장치(120)로부터의 MEV(131)의 거리를 수정하도록 구성되고 동작할 수 있다.

이제, 하우징(100)의 폐쇄형 공간에서 RF 방사를 수확하도록 구성된, 가능한 일부 실시예들에 따른 충전 디바이스(23)를 개략적으로 예시하는 도 3c에 대한 참조가 이루어진다. 충전 디바이스(23)는 하우징의 내부 체적 내의 희망되는 위치에(즉, X-Y-X 3차원 공간에) MEV(131)를 위치시키도록 구성되고 동작할 수 있다. 이러한 예에 있어, 3차원 공간에서의 MEV의 위치는 안테나 스위칭 및 주파수 제어 유닛(26)을 사용하여 설정된다. 유닛(26)의 안테나 스위칭 기능은 하우징 내의 희망되는 위치에(즉, X-Y 평면에 대하여) MEV(131)의 위치를 가로로 설정하는데 사용되며, 유닛(26)의 주파수 제어 기능은 Z 축에 대하여 하우징(100) 내부에서 MEV(131)의 높이를 설정하는데 사용된다. 안테나 스위칭 및 주파수 제어 유닛(26)의 동작은 도 3a를 참조하여 이상에서 설명된 안테나 스위칭 유닛(21)의 동작 및 도 3b를 참조하여 이상에서 설명된 주파수 제어기의 동작과 실질적으로 유사하며, 따라서 간명함을 위해 더 상세히 설명되지 않을 것이다.

도시된 바와 같이, 충전 디바이스(23)는 하우징(100), 안테나들(121 및 122)을 포함하는 안테나 어레이(120), 및 안테나 스위칭 및 주파수 제어 유닛(26)을 포함한다. 도 3c는 또한, 하우징(100) 내에서 새로운 위치(133)로, MEV(131)의 위치를 Z 축을 따라 위아래로 쉬프팅하고, Z 축에 대해 MEV(131)를 회전시키며, 이를 가로로 쉬프팅, 즉, X-Y 평면에서 이를 횡으로(우측으로 또는 좌측으로) 및/또는 전후로 쉬프팅하기 위해 안테나 스위칭 및 주파수 제어 유닛(26)을 사용하는 것을 예시한다.

이제, 하우징(100)의 폐쇄형 공간에서 RF 방사를 수확하기 위한, 가능한 일부 실시예들에 따른, 충전 디바이스(24)를 개략적으로 예시하는 도 3d에 대한 참조가 이루어진다. 충전 디바이스(24)는, 위상 쉬프트 제어 유닛(27)을 사용하여, 충전 디바이스(24)의 하우징(100) 내의 X-Y 평면의 희망되는 위치에, 안테나 장치(120)의 송신에 의해 생성된 MEV(131)를 위치시키도록 구성된다.

안테나 장치(120)는 서로에 대해 90° 각도로 위치된(예를 들어, 하우징(100)의 수평 평면 상에) 안테나들(121 및 122)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어, 장치(120)의 안테나들(121 및 122) 둘 다가 동일한 주파수로 그렇지만 송신되는 신호들 사이에 위상 쉬프트로 RF 신호들을 송신한다. 안테나 장치(120) 내의 안테나들로부터 송신되는 신호들 사이에 위상 쉬프트를 설정하는 것이, 요구될 수 있는 바와 같이, 하우징(100) 내부에서 MEV(131)의 위치 변경을 가능하게 하며, Z 축에 대하여 이를 시계 방향 및 반시계 방향으로 돌리거나 회전시키고, 이를 우측으로 그리고 좌측으로 쉬프트하는 것을 가능하게 한다.

도 3d에 예시된 실시예가 하우징 내부의 X-Y 평면에서 MEV의 위치를 변경하기 위한 도 3a에 예시된 기술에 대한 변형 해법으로서 사용될 수 있다.

일부 실시예들에 있어, 위상 쉬프트 제어 유닛(27)이 안테나 엘러먼트들로부터 송신되는 신호들 사이의 위상 쉬프트를 변경함으로써 안테나 장치(120)에 의해 방출되는 RF 방사를 회전시키도록 구성되고, 그럼으로써 MEV(131)의 시계 방향 또는 반시계 방향 회전을 초래하며, 예를 들어, 131s에서의 하나의 각도 상태를 131r에서의 다른 각도 상태로, 그리고 131s 내지 131r 사이의 임의의 다른 중간 위치로 하우징(100)의 중심 축(212)(Z 축)에 대해 MEV(131)를 회전시킨다.

도 3e는 RF 방사를 수확하기 위해 구성되고 동작할 수 있는, 가능한 일부 실시예에 따른, 충전 디바이스(29)를 개략적으로 예시한다. 충전 디바이스(29)는 하우징(100), 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 이상에서 설명된 바와 같은, 서로에 대해 수직으로 위치된 한 쌍의 안테나 엘러먼트들(121 및 122)을 포함하는 안테나 장치(120), 및 주파수 및 위상 제어 유닛(36)을 포함한다. 주파수 및 위상 제어 유닛(36)을 사용하여, 충전 디바이스(29)는 안테나 장치(120)의 안테나들로부터 송신되는 신호들의 주파수를 조정함으로써 Z 축을 따라 희망되는 위치로 MEV(131)의 높이를 설정하고, 안테나들로부터 송신되는 신호들 사이의 위상 차이를 변경함으로써 하우징(100) 내부의 X-Y 평면에서의 MEV(131)의 위치를 설정할 수 있으며, 그럼으로써 Z 축에 대하여 하우징(100) 내부에서의 MEV(131)의 회전을 야기할 수 있다.

예를 들어, 안테나들로부터 송신되는 신호들의 주파수 및 송신되는 신호들 사이의 위상 쉬프트를 적절히 조정함으로써, 131에서의 MEV의 높이 및 각도 위치 둘 모두가, MEV가 미리 결정된 각도로 Z 축에 대하여 회전되고 미리 결정된 거리로 Z 축을 따라 쉬프트되는, 새로운 상태(137)로 변경될 수 있다.

이제 도 4a 및 도 4b에 대한 참조가 이루어진다. 도 4a는 가능한 일부 실시예들에 따른, 하우징(100), 센서 유닛(520), 송신 안테나 장치(120), 충전을 위해 하우징(100) 내부에 위치된 디바이스(190), 및 제어 유닛(540)을 포함하는 충전 디바이스(500)를 개략적으로 예시한다. 설명의 간명함을 위하여, MEV를 성형하는 것, MEV를 Z 축을 따라 희망되는 위치에 위치시키는 것 및/또는 하우징(100)의 X-Y 평면에서 이를 가로질러 쉬프팅하는 것, 및/또는 하우징(100) 내부에서 Z 축에 대하여 이를 회전시키는 것을 가능하게 하는, 도 2a 내지 도 2d 및 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 예시되고 이상에서 설명된 엘러먼트들 중 어떤 것도 예시되지 않지만, 이러한 엘러먼트들 중 임의의 엘러먼트가 도 4a에 도시된 충전 디바이스(500)에서 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.

이상에서 설명된 바와 같이, 안테나 장치(120)를 통한 RF 송신이 MEV(미도시)를 생성하며, 에너지가 충전되는 디바이스(190)로 송신된다. 하우징(100) 내부에 위치된 센서 유닛(520)은 RF 방사를 연속적으로/주기적으로 샘플링하고 센서 유닛(520)이 위치된 미리 결정된 위치에서의 하우징(100) 내부의 에너지 레벨을 나타내는 데이터를 생성하도록 구성되고 동작할 수 있다. 센서 유닛(520)에 의해 생성된 데이터는 제어 유닛(540)으로 전달되며, 제어 유닛은 수신된 데이터를 프로세싱 및 분석하고, 이에 기초하여 디바이스(190)의 충전을 위해 수행되는 충전 세션에 대한 다양한 결정들에 도달한다.

제어 유닛(540)은 데이터 저장 및 데이터 프로세싱 능력들을 가진 일 유형의 프로그램가능 제어기(예를 들어, ASIC 또는 FPGA 설계를 사용하는)일 수 있다. 예를 들어, 제어기 유닛(540)은 데이터, 프로그램 코드/모듈들 및 충전 디바이스(500)의 동작을 위해 요구될 수 있는 임의의 다른 정보를 저장하기 위한 메모리(540m), 메모리(540m)에 저장된 프로그램들을 실행하고, 메모리(540m) 및/또는 센서 유닛(520)으로부터 수신된 데이터를 프로세싱하며, 수신된 또는 연산된 데이터를 메모리(540m)에 저장하도록 구성되고 동작할 수 있는 프로세서(CPU)(540p)를 포함할 수 있다. 제어 유닛(540)은 다른 디바이스들과 데이터를 교환(예를 들어, 무선으로 - 블루투스, 적외선, 지그비, 및/또는 직렬/병렬 데이터 유선/버스 - UART, USB 및 이와 유사한 것을 통해), 예를 들어, 센서 유닛(520)으로부터 데이터를 수신하도록 구성되고 동작할 수 있는 데이터 전달 인터페이스(I/F)(540i)를 더 포함할 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 제어 유닛(540)은 안테나들의 다른 송신 파라미터들을 조정할 뿐만 아니라 안테나 장치(120)로부터의 송신의 강도를 증가/감소시키도록 구성되고 동작할 수 있다. 제어 유닛(540)은 충전 디바이스(500)의 하우징(100) 내부의 디바이스(190)의 위치 및 송신 레벨에 따라 하우징(100) 내부에서 생성되는 MEV의 위치를 수정하도록 구성되고 동작할 수 있다. 따라서, 충전되는 디바이스(190)의 위치가 하우징(100) 내부에서 고정된 미리 결정된 위치일 수 있으며, 이를 나타내는 데이타가 메모리(540m)에 저장될 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 제어 유닛(540)은 RF 에너지의 최대 전달 효율이 획득되도록 하기 위해 RF 방사의 파라미터들에 기초하여 하우징(100) 내부에서의 충전될 디바이스(190)의 위치를 결정하도록 구성되고 동작할 수 있다. 예를 들어 그리고 비제한적으로, 하우징(100) 내부에서 디바이스(190)의 위치가 디바이스(190)를 충전하기 위해 가장 효율적으로 RF 에너지가 전달될 수 있도록 방사 RF의 주파수를 결정할 때 계산될 수 있다.

충전 세션 동안, 충전 구역(133)에서의 또는 이 근처에서의 RF 방사의 강도를 나타내는 데이터가 센서 유닛(520)으로부터 획득되며, 제어 유닛(540)에 의해 프로세싱된다. 일반적으로, 센서 유닛(520)으로부터 수신되는 데이터가 충전되는 디바이스(190)이 최대 충전 에너지를 수신한다는 것을 나타내는 한, 제어 유닛(540)이 충전 세션과 연관된 임의의 액션들을 수행할 필요는 없다.

예를 들어, 가능한 실시예들에 있어, 센서 유닛(520)이 충전 구역(133) 위에 위치될 수 있으며(예를 들어, 충전 구역(133)이 센서 유닛(520)과 안테나 장치(120) 사이에 위치되도록), 센서 유닛(520)으로부터 수신되는 데이터가 미리 결정된 최소 방사 강도 값과 연관되는 경우, 제어 유닛은 충전되는 디바이스(190)가 최대 충전 에너지를 수신한다고 결정한다(즉, 송신되는 RF 에너지가 실질적으로 디바이스(190)의 부하를 충전함으로써 거의 소모된다는 것을 나타냄). 센서 유닛(520)으로부터 획득된 데이터가 미리 정의된 최소 값 이상인 방사 강도 레벨들을 나타내는 경우(즉, RF 에너지가 효율적으로 소모되지 않는다는 것을 나타냄)에 있어, 충전되는 디바이스(190)가 최대 충전 에너지를 수신하지 않는다는 것이 제어 유닛(540)에 의해 결정되고, 그에 응답하여, 제어 유닛(540)이 안테나 장치(120)로부터 디바이스(190)의 수확 시스템으로의 RF 에너지의 전송을 개선하기 위해 하우징(100) 내부의 MEV 위치 및/또는 송신 파라미터들을 수정하기 위한 액션들을 수행한다. 제어 유닛(540)은, 안테나 장치(120)로부터 충전되는 디바이스로의 RF 에너지의 전달을 최대화하도록 하우징(100) 내부에서 MEV(131)를 새로운 위치로 이동/회전시키기 위해 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 이상에서 설명된 액션들 중 임의의 하나(또는 조합)를 수행하도록 구성될 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 센서 유닛(520)은 다음을 포함하는 다양한 상이한 기능들을 제공하기 위해 사용된다: 충전 시스템(500)의 교정; 충전되는 디바이스(190) 부근에서의 전자기 방사의 도착/이탈의 최대 강도의 검증; 및 충전되는 디바이스(190)와 제어 유닛(540) 사이의 통신의 수립. 센서 유닛(520)을 통한 충전되는 디바이스(190)와 제어 유닛(540) 사이의 통신을 위한 가능한 구성이 도 4b에 개략적으로 예시된다.

도 4b는, 가능한 일부 실시예들에 따른, 제어 유닛(540)과 제어 신호들을 통신하기 위해 충전되는 디바이스(190) 내부에 포함되는 가능한 구성을 예시하는 블록도이다. 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에 있어, 수신(수확) 안테나(531)는 디바이스(190)의 제어기(537) 및 수확 시스템(535)에 연결된 안테나 컷오프(cutouff) 스위치 회로(533)에 기능적으로 연결된다. 충전 디바이스(500)의 제어 유닛(540)과 디바이스(190) 사이의 신호들의 전달은 안테나 컷오프 스위치 회로(533)를 통해 기능적으로 수행되며, 안테나 컷오프 스위치 회로는 제어 신호들이 제어 유닛(540)과 통신될 때면 언제든지 단속적으로 수신 안테나(531)를 선택적으로 분리하도록 구성되고 동작할 수 있다.

따라서, 수신 안테나(531)의 분리들에 응답하여, 센서 유닛(520)에 의해 획득된 신호들이 수확 안테나(531)의 컷오프들의 시간 지속기간들 및 주파수에 따라 변화/변경되며, 안테나 컷오프 스위치 회로(533)가 수신 안테나(531)를 분리할 때마다 송신되는 에너지가 디바이스(190)에 의해 "잡히지" 않고(충전 부하가 분리됨에 따라), 그에 따라 최대 방사 강도 값들이 송신되는 에너지의 대부분을 수신하는 센서 유닛(520)에 의해 획득된다.

센서 유닛(520)에 의해 인지되는 하우징(100) 내부의 방사의 강도에 있어서의 변화들이 센서 유닛(520)으로부터 제어 유닛(540)으로 송신되는 데이터에 반영된다. 제어 유닛(540)은 제어 신호들을 인코딩하기 위해 디바이스(190)의 제어기(537)에 의해 사용된 방사 강도의 변화들에서의 패턴들의 존재를 결정하기 위해 센서(520)로부터 수신된 데이터를 프로세싱하고 분석한다. 방사 강도에 있어서의 측정된 변화들로 제어기(537)에 의해 제어 신호들이 인코딩되고 있다는 결정에 응답하여, 제어 유닛(540)은 인코딩된 제어 신호들에 기초하여 임의의 필요한 액션들을 수행한다. 예를 들어, 제어 유닛(540)은 충전 세션의 효율성을 개선하기 위하여 센서 유닛으로부터 수신된 데이터에 따라 충전 프로세스를 적응시킬 수 있다.

가능한 일부 실시예들에 있어, 디바이스(190)의 제어기(537)에 의해 적용되는 컷오프들의 수 및 패턴이 미리 정의된다(예를 들어, 펌웨어 또는 충전 디바이스(500) 및 디바이스(190)의 제어기의 소프트웨어 내의 데이터에 기초하여). 예를 들어, 어떤 미리 결정된 매 시간 구간마다 안테나의 한 번의 컷오프가 충전 프로세스가 최적 방식으로 수행되고 있다는 것을 나타낼 수 있다(즉, 최대 충전 에너지가 디바이스(190)의 수확 유닛(535)에 의해 수신된다); 이러한 미리 결정된 시간 기간 내의 수신 안테나(531)의 4번의 연속적인 컷오프들은 디바이스(190)가 완전히 충전됐다는 것을 나타낼 수 있다; 이러한 미리 결정된 시간 기간 내의 수신 안테나(531)의 8번의 연속적인 컷오프들은 송신 레벨을 증가시킬 필요가 있다는 것을 나타낼 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제어 유닛(540)이 상이한 에너지 레벨 판독들을 센서 유닛(520)으로부터 수신할 수 있고, 컷오프들의 수에 따라 디바이스(190)의 충전 세션의 상태 및 그에 응답하여 수행될 액션들을 결정한다.

도 5는 일부 실시예들에 따른 가능한 충전 세션을 예시하는 블록도이다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이러한 애플리케이션의 충전 디바이스의 하우징 내부에 충전가능 디바이스를 위치시킴으로써 단계(50)에서 충전 세션이 개시된다. 전형적으로, 충전가능 디바이스가, 이상에서 설명된 바와 같이, 하우징 내부의 미리 규정된 충전 구역에 위치되거나, 또는 하우징 내에 제공된 유도 수단에 의해 이로 슬라이딩된다. 그 다음, 단계(61)에서, 충전 디바이스가 활성화되며, RF 방사가 충전 디바이스의 안테나 장치로부터 충전 구역을 향해 송신된다. 단계(51)에서 충전될 디바이스는 충전 디바이스에 의해 생성된 RF 방사를 검출하며, 디바이스는 그것의 배터리를 충전하기 위해 그것의 수확 시스템을 활성화하며, 단계(52)에서 충전 프로세스를 시작한다.

단계(62)에서 충전 디바이스는 디바이스의 하우징 내부의 RF 방사를 측정하며, 단계(63)에서 충전 디바이스는 측정된 RF 방사에 기초하여 최대 RF 충전 에너지를 디바이스로 효율적으로 전달하도록 MEV가 하우징 내부에서 적절히 위치되었는지 여부를 결정한다. 단계(63)에서 RF 에너지가 디바이스로 효율적으로 전달되지 않는다고 결정되는 경우, 단계(64)에서 송신 파라미터들이 충전 프로세스를 개선하기 위해 하우징 내부에서 MEV를 이동 및/또는 회전시키기 위해 조정되며, 제어가 다시 단계(61)로 되돌아간다. 단계(61) 내지 단계(64)의 RF 방사 측정 및 조정은, 단계(63)에서 RF 방사 에너지기 충전되는 디바이스에 효율적으로 전달되며 충전 세선의 효율성이 개선되었다고 결정될 때까지 복수회 반복될 수 있다.

충전되는 디바이스는 때때로(또는 주기적으로) 단계(53)에 의해 표현되는 바와 같이 충전 프로세서의 효율성을 결정하도록 구성될 수 있다. 충전 프로세서를 개선하기 위해 조정들이 필요하다고 디바이스에서 결정되는 경우, 하우징 내부의 RF 방사에서의 변화들을 유도함으로써(예를 들어, 안테나 컷오프 회로부(533)를 사용하여) 제어 신호들을 인코딩하도록 제어가 단계(54)로 이동한다. 그렇지 않고 단계(53)에서 충전 프로세스가 적절하다고 결정되는 경우, 제어는 충전 프로세스를 진행하기 위해 다시 단계(52)로 되돌아간다. 단계(55)에서 충전되는 디바이스의 배터리가 완전히 충전되었는지 여부가 결정된다. 추가 충전이 필요한 경우 충전 프로세스를 진행하기 위해 제어가 단계(52)로 되돌아가며, 반면 배터리가 충분히 충전되었다고 결정되는 경우 단계(56)에서 충전 프로세서가 종료될 것임을 충전 디바이스에 표시하기 위해 RF 방사에서의 변화들이 유도됨으로써 개별적인 제어 신호가 인코딩되고, 디바이스가 수확 시스템의 동작을 중단하고 충전을 종료하는 단계(57)로 제어가 이동한다.

단계(63)에서 RF 방사 에너지가 충전되는 디바이스로 효율적으로 전달된다고 결정되는 경우 제어는 단계(65)로 이동하며, 여기에서 충전되는 디바이스의 제어기에 의해 유도될 수 있는 하우징 내부의 RF 방사의 강도의 변화들이 존재하는지 여부가 검사된다. 이러한 변화들이 검출되지 않는 경우 충전 세션을 진행하기 위해 제어가 단계(61)로 이동한다. 단계(65)에서 RF 방사의 변화들이 검출되는 경우, 단계(66)에서 변화들을 유도하는 충전 디바이스에 의해 디코딩된 데이터(예를 들어, 제어 신호들)가 디코딩되고 분석된다. 단계(67)에서 검출된 변화들의 디코딩된 제어 신호들이 RF 방사에서의 조정들이 요구된다는 것을 나타내는지 여부가 결정된다. 이러한 조정들이 요구되는 경우, 제어는 본 명세서에서 이상에서 설명된 바와 같이 충전 프로세스의 효율성을 개선하기 위해 요구되는 임의의 조정들을 수행하도록 단계(64)로 이동한다.

디코딩된 신호들이 조정들이 필요하다는 것을 나타내지 않는 경우에 있어, 단계(68)에서 디코딩된 신호제어가 디바이스가 디바이스로 하여금 충전 세션을 종료하도록 명령한다는 것을 나타내는 경우, 제어가 단계(69)로 이동하며, 여기에서 충전 디바이스는 RF 방사의 방출을 중단하고 충전 세션을 종료한다. 그렇지 않고, 수행될 액션들이 없는 경우(예를 들어, RF 방사의 검출된 변화들이 데이터를 충전 디바이스로 전송하는데 사용되었거나, 또는 디코딩이 유도된 변화들에서 제어 신호들/데이터를 인식하는데 실패했을 때), 제어는 충전 세션을 진행하기 위해 단계(61)로 다시 되돌아간다.

예들

다음에서 충전 디바이스의 하우징의 내부 캐비티의 예시적인 다양한 구성들이 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어(CST 3D 전자기장 시뮬레이션들)를 사용하여 검사되었다. 다음의 예들에서 내부 캐비티의 치수들은 다음과 같다:

예들 1, 2 및 3에서: 길이: 70 내지 100 mm;

폭/직경: 70 내지 90 mm; 및

예 3에서: 높이: 10 내지 30 mm.

모든 예들에 있어, 안테나 장치 평면과 MEV/충전 구역 사이의 거리(캐비티의 주어진 기하구조에 대해 방출되는 방사의 주파수에 따른)는 약 20 ~ 50 mm이다.

예 1 (원통형 내부 캐비티)

이러한 실험은 원통형 형상의 하우징 구조(6h)에서 전달되는 RF 방사의 효율성을 검사하였다. 도 6a는 실험 셋업을 개략적으로 예시하며, 여기에서 하우징(6h) 내부에 위치된 송신 안테나(6-1) 및 수신 안테나(6-2)가 충전 프로세스를 시뮬레이션하는데 사용되었다. 송신 안테나(6-1)에 의해 방출되는 1와트의 RF 방사 파워가 RF 방사의 강도를 측정하도록 구성된 수신 안테나(6-2)에 의해 수신된다. 도 6b에 도시된 결과들은 측정된 RF 방사 파워 및 송신 안테나(6-1)에 의해 송신된 총 RF 송신 파워의 비율을 반영한다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 이러한 실험에서의 파워 손실들이 2.37 내지 2.43 GHz 주파수 범위에서 0 내지 -0.05 dB(90 ~ 100%) 사이이다.

예 2 (원뿔형 하우징)

이러한 실험에서, 테이퍼진 하우징(절두-원뿔형(frusto-conical)) 구성이 검사되었다. 실험 셋업 및 측정된 결과들이 도 7a 및 도 7b에 각기 도시된다. 예 1에서와 같이, 송신 안테나(7-1) 및 수신 안테나(7-2)가 테이퍼진 하우징 구조(7h) 내부의 충전 프로세스를 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 도 7b에서 확인되는 바와 같이, 이러한 실험에서의 파워 손실들이 2.44 내지 2.47 GHz 주파수 범위에서 0 내지 -0.05 dB 사이이다.

예 3 (직사각형 하우징)

이러한 실험에서, 직사각형 하우징 구성이 검사되었다. 실험 셋업 및 측정된 결과들이 각기 도 8a 및 도 8b에 도시된다. 이전의 예들에서와 같이, 송신 안테나(8-1) 및 수신 안테나(8-2)가 직사각형 하우징 구조(8h) 내부에서의 충전 프로세스를 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 도 8b는 송신 안테나(8-1)와 수신 안테나(8-2) 사이의 RF 에너지 송신을 검사하기 위해 획득된 시뮬레이션 결과들을 도시한다.

이러한 상세한 설명에서 기술된 변형예들 및 첨부된 도면들의 설명이 오로지 본 발명의 양호한 이해를 위해서만 기여하며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것이 명백할 것이다. 본 상세한 설명을 읽은 후 당업자가 첨부된 도면들 및 이상에서 설명된 변형예들에 대한 조정들 및 수정들을 만들 수 있다는 것이 또한 명백할 것이며, 이는 여전히 본 발명에 의해 포괄될 것이다.

본 발명의 다양한 특징들이 단일 실시예의 맥락에서 설명될 수 있지만, 특징들이 또한 독립적으로 또는 임의의 적절한 조합으로 제공될 수 있다. 역으로, 본 발명이 본 명세서에서 명료성을 위해 별개의 실시예들의 맥락에서 설명될 수 있지만, 본 발명이 또한 단일 실시예로 구현될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 다양한 방식으로 수행되거나 또는 실현될 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예들이 아닌 실시예들로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 청구범위뿐만 아니라 상세한 설명에서 제시된 설명들, 예들 및 재료들이 제한적으로 이해되지 않아야 하고, 예시적인 것으로 이해되어야 한다.

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
적어도 하나의 전자 디바이스를 무선 충전하기 위한 충전 디바이스로서:
충전 구역; 및
적어도 하나의 방사 안테나를 포함하는 안테나 장치(arrangement)로서, 상기 안테나 장치는 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 전자기 방사의 실질적으로 최대 강도를 제공하기 위해 안테나들에 의해 방출되는 상기 전자기 방사의 미리 결정된 위상 패턴을 생성하도록 동작할 수 있는, 상기 안테나 장치;를 포함하는, 하우징(housing)을 포함하며,
상기 하우징은 실질적으로 중공형이고, 상기 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사의 전파를 위한 내부 캐비티(cavity)를 규정(define)하고;
상기 하우징은 상기 내부 캐비티를 규정하도록 구성된 내부 표면을 포함하며, 상기 내부 캐비티가 상기 충전 구역으로 상기 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관(waveguide)으로서 동작하고 상기 미리 결정된 전자기 방사가 상기 하우징을 이탈하는 것을 실질적으로 방지하면서 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 상기 전자기 방사의 상기 실질적으로 최대 강도의 체적의 생성을 가능하게 하도록, 상기 내부 표면의 재료 조성 및 기하구조가 상기 하우징 내부에서 상기 안테나 장치로부터 상기 충전 구역을 향한 상기 미리 결정된 전자기 방사를 위한 일반적인 전파 경로를 규정하도록 선택되는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 내부 캐비티의 기하구조를 규정하는 상기 하우징의 상기 내부 표면의 상기 기하구조 및 상기 안테나 장치에 의해 방출될 상기 전자기 방사의 주파수 대역은, 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 상기 주파수 대역의 상기 전자기 방사의 실질적으로 최대 강도의 상기 체적을 생성하도록 선택되는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 하우징은 상기 내부 표면으로부터 상기 미리 결정된 전자기 방사를 위한 상기 일반적인 전파 경로를 향해 돌출된 적어도 하나의 방사 지향(directing) 엘러먼트를 포함하며, 상기 적어도 하나의 방사 지향 엘러먼트는 상기 미리 결정된 전자기 방사를 상기 충전 구역을 향해 지향적으로 편향시키도록 구성되는, 충전 디바이스.
청구항 31에 있어서,
상기 적어도 하나의 방사 지향 엘러먼트는, 상기 충전 구역을 향해 상기 내부 표면으로부터의 상기 전자기 방사의 복수의 반사들을 추가로 야기하기 위해 상기 미리 결정된 전자기 방사를 산란시키도록 구성되는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 하우징 내부의 상기 충전 구역은 상기 캐비티 내부에서 충전될 하나 이상의 전자 디바이스를 지지하도록 구성된 지지 표면을 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 안테나 장치 및 상기 캐비티를 규정하는 상기 하우징의 상기 내부 표면은 상기 캐비티를 통해 전파하는 상기 전자기 방사의 미리 결정된 간섭 패턴을 생성하도록 구성되고 동작할 수 있으며, 상기 미리 결정된 간섭 패턴은 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에서 상기 실질적으로 최대 방사 강도를 제공하는, 충전 디바이스.
청구항 34에 있어서,
상기 안테나 장치는 적어도 2개의 다이폴(dipole) 안테나들을 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 안테나 장치는 하나 또는 두개의 축들을 따라 또는 폐쇄된 루프 경로를 따라 이격된 관계로 배열된 방사 안테나들의 어레이를 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 안테나 장치는 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에서 상기 실질적으로 최대 방사 강도를 제공하는 위상 쉬프트형(phase shifted) 안테나들을 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 위상 패턴은, 상기 안테나에 의해 방출되는 상기 전자기 방사의 위상들이 상기 미리 결정된 전자기 방사를 위한 상기 일반적인 전파 경로에 실질적으로 수직인 평면 내에서 적어도 하나의 축을 따라 변화하게 하는 것인, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 하우징은, 센서 유닛 부근에서 방사 강도를 측정하고, 그럼으로써 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내의 방사 강도 분포의 제어를 가능하게 하도록 구성되고 동작할 수 있는 센서 유닛을 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 39에 있어서,
상기 센서 유닛은 상기 충전 구역으로부터 알려진 거리에 위치되며, 그럼으로써 상기 충전 구역 내의 강도 분포의 상기 제어를 가능하게 하는 적어도 하나의 센싱 안테나를 포함하는, 충전 디바이스.
청구항 39에 있어서,
상기 센서는 상기 센서 부근에서 상기 전자기 방사의 하나 이상의 파라미터들의 변화를 검출하고 그럼으로써 충전되는 상기 전자 디바이스로부터의 신호를 식별하고 이를 나타내는 데이터를 생성하도록 구성되고 동작할 수 있는, 충전 디바이스.
청구항 39에 있어서,
상기 센서 유닛은 제어 유틸리티(utility)와 통신하고 그럼으로써: (a) 상기 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나의 선택적인 비활성화, (b) 상기 전자기 방사의 주파수의 제어가능한 변화 및 (c) 상기 안테나 장치의 안테나들로부터 방사되는 파들 사이의 위상 쉬프트의 제어가능한 변화 중 적어도 하나를 수행하기 위해 상기 안테나 장치의 동작을 인에이블(enable)하도록 구성되는, 충전 디바이스.
청구항 29에 있어서,
상기 하우징 외부에 위치되며 상기 하우징 내부의 하나 이상의 엘러먼트들과 연결가능한 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는: (1) 상기 안테나들 사이의 위상 쉬프트를 제공하는 것; (2) 상기 충전 구역 내에 상기 전자기 방사의 최적 주파수를 제공하기 위해 상기 전자기 방사의 주파수를 제어가능하게 변경하는 것; (3) 상기 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나를 선택적으로 비활성화하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되고 동작할 수 있는, 충전 디바이스.
적어도 하나의 전자 디바이스를 무선 충전하기 위한 충전 디바이스로서:
충전 구역; 및
적어도 하나의 방사 안테나를 포함하는 안테나 장치로서, 상기 안테나 장치는 미리 결정된 시간 패턴에 따라 스위칭 유닛에 의해 동작할 수 있고 그럼으로써 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 실질적으로 최대 전자기 강도를 제공하기 위해 안테나들에 의해 방출되는 전자기 방사의 미리 결정된 위상 패턴을 제공하는 상기 안테나들을 포함하는, 상기 안테나 장치;를 포함하는, 하우징을 포함하며,
상기 하우징은 실질적으로 중공형이고, 상기 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사의 전파를 위한 내부 캐비티를 규정하고;
상기 하우징은 상기 내부 캐비티를 규정하도록 구성된 내부 표면을 포함하며, 상기 내부 캐비티가 상기 충전 구역으로 상기 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관으로서 동작하고 상기 미리 결정된 전자기 방사가 상기 하우징을 이탈하는 것을 실질적으로 방지하면서 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 상기 전자기 방사의 상기 실질적으로 최대 강도의 체적의 생성을 가능하게 하도록, 상기 내부 표면의 재료 조성 및 기하구조가 상기 하우징 내부에서 상기 안테나 장치로부터 상기 충전 구역을 향한 상기 미리 결정된 전자기 방사를 위한 일반적인 전파 경로를 규정하도록 선택되는, 충전 디바이스.
적어도 하나의 전자 디바이스를 무선 충전하기 위한 충전 디바이스로서:
충전 구역; 및
적어도 하나의 방사 안테나를 포함하는 안테나 장치로서, 상기 안테나 장치는 전자기 방사의 실질적으로 최대 강도의 체적과 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 사이에 적어도 부분적인 중첩(overlap)을 제공하기 위해 상기 안테나 장치에 의해 방출되는 상기 전자기 방사의 주파수의 제어가능한 변화를 가능하게 하도록 주파수 제어기와 연관되는, 상기 안테나 장치;를 포함하는, 하우징을 포함하며,
상기 하우징은 실질적으로 중공형이고, 상기 안테나 장치로부터의 미리 결정된 전자기 방사의 전파를 위한 내부 캐비티를 규정하고;
상기 하우징은 상기 내부 캐비티를 규정하도록 구성된 내부 표면을 포함하며, 상기 내부 캐비티가 상기 충전 구역으로 상기 미리 결정된 전자기 방사를 지향적으로 유도하기 위한 도파관으로서 동작하고 상기 미리 결정된 전자기 방사가 상기 하우징을 이탈하는 것을 실질적으로 방지하면서 상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 상기 전자기 방사의 상기 실질적으로 최대 강도의 체적의 생성을 가능하게 하도록, 상기 내부 표면의 재료 조성 및 기하구조가 상기 하우징 내부에서 상기 안테나 장치로부터 상기 충전 구역을 향한 상기 미리 결정된 전자기 방사를 위한 일반적인 전파 경로를 규정하도록 선택되는, 충전 디바이스.
적어도 하나의 전자 디바이스를 충전하는데 사용하기 위한 방법으로서:
복수의 안테나들을 갖는 안테나 장치 및 충전 구역을 포함하는 충전 디바이스를 제공하는 단계;
상기 충전 구역의 적어도 일 부분 내에 전자기 방사의 최대 강도의 체적을 생성하도록 선택된 주파수 및 위상을 갖는 상기 전자기 방사를 생성하도록 상기 안테나 장치를 동작시키는 단계;
상기 충전 구역 부근에서 상기 전자기 방사를 모니터링하는 단계; 및
상기 모니터링에 응답하여: (1) 상기 안테나 장치의 안테나들 사이의 위상 쉬프트를 제공하는 것; (2) 상기 충전 구역 내에 상기 전자기 방사의 최적 주파수를 제공하기 위해 상기 전자기 방사의 주파수를 제어가능하게 변경하는 것; (3) 상기 안테나 장치의 적어도 하나의 안테나를 선택적으로 비활성화하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함하는, 방법.