KR20080106186A - 무선 링크를 통해 전기 또는 전자 기기에 에너지를 전달하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

무선 주파수 링크를 통해, 예를 들어 충전 가능한 디바이스에 전력을 공급하는 방법 및 장치가 개시된다. 한 형태로, 무선 주파수 링크를 통해 충전 가능한 디바이스에 전력을 제공하는 방법은 실질적으로 미변조된 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 실질적으로 미변조된 신호를 기초로, 실질적으로 미변조된 무선 주파수(RF) 신호를 송신 안테나를 통해 충전 가능한 디바이스에 방사하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 실질적으로 미변조된 RF 신호에 의해 전달되는 전력으로 충전 가능한 디바이스를 충전하거나 전력을 공급하는 단계를 포함한다.

Description

무선 링크를 통해 전기 또는 전자 기기에 에너지를 전달하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DELIVERING ENERGY TO AN ELECTRICAL OR ELECTRONIC DEVICE VIA A WIRELESS LINK}

본 출원은 "무선 링크를 통해 전기 또는 전자 기기에 에너지를 전달하는 방법 및 장치"라는 명칭으로 2007년 1월 17일자 제출된 공동 소유 동시 계속 실용신안출원 11/654,883호에 대한 우선권을 주장하고, 이는 "무선 링크를 통해 전자 기기를 충전하는 방법 및 시스템"이라는 명칭으로 2006년 1월 18일자 제출된 미국 예비 출원 60/760,064호에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 각각 이로써 본원에 참조로 통합된다. 본 출원은 또한 "무선 링크를 통해 전자 기기에 전력을 공급하는 방법 및 시스템"이라는 명칭으로 2006년 4월 21일자 제출된 미국 출원 11/408,793호에 관련되며, 이에 대한 우선권을 주장하고, 이 출원은 본원의 양수인에게 양도되었으며, 본원에 참조로 통합된다.

본 특허 문서의 일부 개시는 저작권 보호를 받는 자료를 포함하고 있다. 특허 문서 또는 특허 개시가 특허청 파일이나 레코드에 나타나기는 때문에 저작권자는 특허 문서 또는 특허 개시의 누군가에 의한 팩시밀리 복제에 이의가 없지만, 그렇지 않더라도 모든 저작권을 소유한다.

본 발명은 일반적으로 에너지 또는 전력 전달 방법 및 장치에 관한 것으로, 한 형태로는 배터리와 같이 전자 기기에 관련된 휴대용 전원의 무선 충전에 관한 것이다.

전력의 무선 전송을 위한 기술 방법 및 시스템이 종래 기술, 예를 들어 "무선 전력 전송"이라는 명칭으로 Tuominen에게 2003년 10월 14일자 등록된 미국 특허 6,633,026호에 공지되어 있으며, 이는 제 1 광원 및 상기 제 1 광원에 의해 방사된 빛을 원하는 방향으로 조사하는 수단을 포함하는 전력 송신기, 및 방사된 빛을 수신하여 전류로 변환하는 제 1 광 검출기를 포함하는 적어도 하나의 전력 수신기를 포함하는 시스템에서의 무선 전력 전송 방법을 개시하고 있다. 전력 송신기에 포함된 제 2 광원은 제 1 광원에 의해 방사된 빛 주위의 실질적으로 평행한 빛을 전달하는데 사용되며, 빛의 세기는 제 1 광원에 의해 방사된 빛의 세기보다 낮다. 전력 수신기에 포함된 제 2 광 검출기는 제 2 광원에 의해 방사된 빛을 검출하고 제 2 광원에 의해 방사된 빛의 성공적인 수신에 응하여 전력 송신기에 제어 신호를 전송하는데 사용된다. 전력 송신기의 제 1 광원은 제 2 광원에 의해 방사된 빛의 수신을 알리는 전력 수신기로부터의 제어 신호 수신에 응답하여 온(on)으로 전환된다.

"출력 전압이 증가한 무선 전력 송신 시스템"이라는 명칭으로 Bartels에게 2003년 12월 16일자 등록된 미국 특허 6,664,770호는 무선 전력 전송을 위한 시스템을 개시하고 있으며, 이는 이러한 목적으로 최적화된 무선 신호를 이용하여 수신기 측에서 상승 전압을 생성함으로써 수신기가 자신의 파워 서플라이를 구비하지 않은 경우에도 수신기의 디지털 반도체 컴포넌트들의 동작을 특별히 가능하게 할 수 있다.

"장치들을 감지하기 위한 데이터 통신 및 전력 송신 시스템"이라는 명칭으로 Kasper 등에게 2006년 2월 14일자 등록된 미국 특허 6,999,857호는 잠수정에서 사용하기 위한 센서들의 전력 공급 및 호출 신호(interrogation)를 제공하는 무선 전력 전송 및 통신 네트워크를 개시한다. 이 발명은 잠수정 선체의 외부를 덮는 유도체를 통한 전자파의 전파를 가능하게 하는 도파관을 이용한다. 유도체 내에는 무선(RF) 디코더 및 트랜시버와 연결된 소자들을 감지하는 미세 전자 기계 시스템(Micro Electronic Mechanical System) 및 도전성 금속 테이프의 스트립들의 N차 어레이가 임베드된다. 마이크로파와 같은 전자파는 유도체를 통해 전파하여 센서 네트워크에 전력을 공급하고 개별 감지 소자를 어드레싱하여 호출 신호를 보낸다. 감지 소자들은 판독을 취한 다음 데이터 결과를 포맷화하고 다시 도파관을 건너 전송되며, 이들은 잠수정 선체 내의 디지털 프로세서에 의해 수신되어 처리된다.

"무선 전력 공급을 위한 방법 및 장치"라는 명칭으로 Vanderelli 등에게 2006년 4월 11일자 등록된 미국 특허 7,027,311호는 주파수 집합에 걸쳐 한 범위의 RF 방사를 수신하는 메커니즘을 포함하는 무선 전력 공급 장치를 개시한다. 이 장치는 주파수 집합에 걸쳐 RF 방사를, 바람직하게는 동시에 DC로 변환하는 메커니즘을 포함한다. 주파수 집합에 걸쳐 한 범위의 RF 방사를 수신하는 단계들을 포함하는 무선 전력 공급 방법이 개시된다. 주파수 집합에 걸쳐 RF 방사를, 바람직하게는 동시에 DC로 변환하는 단계가 있다.

"전자 기기용 원격 전력 재충전"이라는 명칭으로 Parise 등에게 2006년 6월 27일자 등록된 미국 특허 7,068,991호는 전자제품용 무콘덴서(conductorless) 충전 및 전력 시스템과 무선 에너지 전송을 이용하여 전력 수신기에 전력을 전달하는 방법을 개시한다. 원격 충전 시스템은 에너지를 지향성 전력 빔으로서 전송하는 전력 송신 유닛 및 전송된 에너지를 수신하는 전력 수신기 시스템을 포함한다. 전력 수신기 시스템은 바람직하게 전자제품에 통합되고 무선 전력 빔을 수신하여 빔으로부터의 에너지를 전자제품에 포함된 에너지 저장 장치에 전달할 수 있는 에너지 수신 장치(receptor)를 포함한다. 전력 송신 유닛은 전력 수신기 시스템으로부터의 전력 요청 신호를 수신하고 추적하여 에너지 송신 동안 전력 수신기 시스템 위치를 추적한다. 데이터 스트림들이 원격 충전 시스템의 무선 신호에 통합되어, 원격 충전 시스템이 통신 경로뿐 아니라 전력 송신 시스템으로서 기능할 수 있게 할 수도 있다.

"무선 파워 서플라이 및 전력 공급 방법"이라는 명칭으로 2006년 5월 11일자 공개된, Kang 등에 대한 미국 특허 공보 20060097667호는 무선 파워 서플라이 및 전력 케이블 없이 전기 장치에 직접 무선으로 전력을 공급하기 위해 광을 이용하여 무선으로 전력을 공급하는 방법을 개시한다. 무선 파워 서플라이는 인가된 압력에 응답하여 ON/OFF 전환하는 다수의 압력 스위치; 및 다수의 압력 스위치에 각각 접속된 다수의 발광 소자를 포함하며, 다수의 발광 소자는 ON으로 전환되는 압력 스위치들 중 적어도 하나에 응답하여 로드에 전력을 공급하도록 발광한다.

"무선으로 전력을 수신하기 위한 휴대용 전자 기기의 적응"이라는 명칭으로 2006년 9월 14일자 공개된, Beart 등에 대한 미국 특허 공보 20060205381호는 무선으로 전력을 수신할 수 있도록 휴대형 전자 기기로 개조된 무선 전력 수신 장치를 개시한다. 이 장치는 예를 들어 접착제에 의해 디바이스에 부착되고, 또한 전력 수신 엘리먼트 및 송신기가 서로 가까이에 있을 때 전력의 송신기로부터 무선으로 전력을 수신하도록 되어 있는 전력 수신 엘리먼트를 포함한다. 하나 이상의 전력 커넥터가 전력 수신 엘리먼트에 전기적으로 접속되며, 장치가 사용중일 때 휴대용 전자 기기의 하나 이상의 대응하는 전력 커넥터에 접속되어 엘리먼트에 의해 수신된 전력을 기기에 전달하기에 적합하게 된다. 전력 수신 엘리먼트는 스티커 형태일 수도 있고 휴대용 전기 기기의 교체 커버 부분에 통합되거나 그 부분으로 휴대할 수도 있다.

"단거리 무선 전력 송신 및 수신"이라는 명칭으로 2006년 10월 26일자 공개된, Vecchione 등에 대한 미국 특허 공보 20060238365호는 단거리 무선 전력 송수신 시스템 및 방법을 개시한다. 전력은 전기용품 메인 파워 서플라이로부터 전자기 방사를 통해 전기제품으로 전송된다. 전기제품은 전송된 전력을 수신하여 전기로 변환하고, 추후의 사용을 위해 저장할 뿐 아니라 이를 바로 사용하여 전기제품에 전력을 공급할 수 있다.

"무선 전력 송신 시스템"이라는 명칭으로 2006년 11월 30일자 공개된, Baldis 등에 대한 미국 특허 공보 20060266917호는 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 전력 전송 방법을 개시한다. 수신기는 독립적인 전원을 필요로 하지 않으며 송신기로의 광학적 피드백으로 구성되며, 따라서 송신기에 대한 개별 통신 채널을 필요로 하지 않는다. 송신기는 광학적 피드백을 이용하여 수신기의 위치를 알아내고 추적한다. 송신기는 최적의 전력 송신을 위해 수신기에 빔을 조사하는 마이크로 조정기 및 매크로 조정기를 선택적으로 이용할 수 있다. 시스템은 또한 시스템의 안전을 향상시키기 위해 엄격한 루프 빔 검출기를 선택적으로 구비한다. 수신기 및/또는 송신기는 에너지 송신에 관한 데이터를 인코딩하여, 단방향 또는 양방향 데이터 송신이 이루어지게 할 수도 있다.

"통신에 의한 전력 송신 시스템, 장치 및 방법"이라는 명칭으로 2007년 1월 11일자 공개된, Greene 등에 대한 미국 특허 공보 20070010295호는 무선 전력 송신기, 무선 데이터 송신 컴포넌트 및 제 1 무선 데이터 수신 컴포넌트를 구비하는 기지국을 갖는 통신에 의한 전력 송신 시스템을 개시한다. 이 시스템은 전력 송신기로부터의 전력을 직류로 변환하는 전력 하비스터(harvester) 및 전력 하비스터와 통신하여 직류를 저장하는 전력 저장 컴포넌트를 구비하는 원격국을 포함한다. 대안으로, 시스템은 임의의 측대역이 원하는 레벨 또는 그 미만인 주파수로 전력을 전송하는 무선 전력 송신기 및 제 1 무선 데이터 통신 컴포넌트를 구비하는 기지국을 포함한다.

최근의 기술 개발은 제한 없이 랩탑이나 노트북 컴퓨터, 셀폰, PDA(개인 휴대 단말)와 같은 전자 기기들이 각종 멀티미디어 또는 다른 처리 집중(processing-intensive) 애플리케이션을 실행할 수 있게 한다. 그러나 상기 무선 전력 송신 시스템에도, 이러한 새로운 멀티미디어 애플리케이션들은 종종 실행을 위해 상당량의 전력을 필요로 하며, 무선 링크를 통해 충전될 수 없다. 무선 전력 송신 시스템과 관련된 편의성 외에도, 이러한 장치들 중 어떤 것, 예를 들어 셀폰이 전력선에 접속할 필요 없이 적절히 계속 충전될 때 편의성 및 안전에 있어 상당한 이익이 있다. 따라서 무선 링크를 통해 어떤 전자 기기들에 전력을 공급하는 장치 및/또는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

더욱이, 전기 및 전자 기기들(예를 들어, 전자제품, 조명 등)로의 전력 전달은 사용 및 배치와 관련하여 상당한 유동성을 허용하는데, 예를 들어, "무선" 램프는 전선에 걸려 넘어지거나 미관상의 걱정 없이 방안 어디에든 배치될 수 있다.

발명의 제 1 형태로, 무선 링크를 통해 디바이스에 전력을 제공하는 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 상기 장치는 무선 링크를 통해 상기 디바이스에 전력을 제공하도록 동작하는 송신 안테나; 상기 디바이스에 의해 전송된 신호들을 감지하는 감지 안테나; 및 상기 송신 안테나의 동작을 제어하도록 동작하는 제어 유닛 어셈블리를 포함한다. 한 가지 변형으로, 상기 장치의 적어도 일부는 실질적으로 천장 설치 돔 내에 설치된다. 다른 변형으로, 전송된 전력은 미변조된다.

다른 변형으로, 제어 유닛 어셈블리는 적어도 2의 자유도로 송신 안테나의 이동을 제어하도록 동작한다. 적어도 2의 자유도는 실질적으로 방위각 자유도 및 실질적으로 고도각 자유도를 포함한다.

다른 변형으로, 제어 유닛은 시분할 다중 액세스(TDMA) 방식에 따라 무선 링크를 통해 다수의 디바이스를 충전하도록 동작한다.

발명의 제 2 형태로, 무선 링크를 통해 디바이스에 전력을 제공하는 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 상기 방법은 감지 안테나를 이용하여 상기 디바이스에 대한 제 1 방향을 검출하는 단계; 상기 검출 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 송신 안테나가 상기 제 1 방향으로 적어도 일부 전력을 전송할 수 있도록 상기 송신 안테나를 조종(direct)하는 단계; 및 상기 무선 링크를 통해 상기 디바이스에 전력을 전송하는 단계를 포함한다.

발명의 제 3 형태로, 무선 링크를 통해 다수의 디바이스들에 전력을 제공하는 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 전력은 송신 안테나로부터 전송되며, 상기 방법은 상기 다수의 디바이스들에 실질적으로 동시에 전력이 전송될 수 있도록 상기 송신 안테나를 배치하는 단계; 및 상기 송신 안테나로부터의 전력을 다중 액세스 방식에 따라 상기 무선 링크를 통해 상기 다수의 디바이스들에 전송하는 단계를 포함한다.

한 가지 변형으로, 상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 시분할 방식을 포함한다. 다른 변형으로, 상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 주파수 분할 방식을 포함한다. 또 다른 변형으로, 상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 주파수 호핑 방식을 포함한다. 또 다른 변형으로, 상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 코드 분할 방식을 포함한다. 또 다른 대안으로서, 상기 다중 액세스 방식은 감지 방식을 포함하며, 액세스가 허가되기 전에 채널이 샘플링된다.

발명의 제 4 형태로, 무선 링크를 통해 다수의 디바이스들에 전력을 제공하는 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 상기 장치는 전력을 방사하도록 구성된 송신 안테나 - 상기 안테나는 상기 안테나가 상기 다수의 디바이스들에 선택적으로 전력을 전송할 수 있게 하는 장치를 더 포함함 -; 송신을 위해 상기 전력을 생성할 수 있는 전원; 및 상기 안테나 및 전원 중 적어도 하나와 신호에 의해 통신하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 안테나가 다중 액세스 방식에 따라 상기 다수의 디바이스들에 상기 전력을 전송하게 한다.

한 가지 변형으로, 상기 안테나는 실질적으로 지향성이며, 상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 시분할 방식을 포함한다.

발명의 제 5 형태로, 무선 링크를 통해 전력을 수신하는 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 전력은 상기 장치의 하나 이상의 컴포넌트들에 전기 전력을 제공하는데 유용하며, 상기 장치는 송신 안테나로부터 전력을 수신하도록 구성된 수신 안테나; 추후의 사용을 위해 상기 수신된 전력의 적어도 일부를 저장할 수 있는 전원 장치; 및 상기 안테나 및 전원 장치 중 적어도 하나와 신호에 의해 통신하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 안테나를 통한 상기 전력의 선택적 수신을 용이하게 한다. 한 가지 변형으로, 상기 선택적 수신은 다중 액세스 방식에 따른 선택적 수신을 포함하고, 상기 장치 이외의 디바이스들은 상기 전력 수신 장치와 실질적으로 동시에 전력을 수신한다.

발명의 특징, 목적 및 이점들은 도면과 관련하여 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 무선 링크를 통해 전자 기기를 충전하는 시스템의 적어도 하나의 예시적인 실시예를 나타낸다.

도 2는 송신 안테나로부터의 전력을 전달하는 제 1 예시적인 방법을 설명하는 논리 흐름도이다.

도 3은 다수의 모바일 기기 사이에 공유하는 시간의 우선순위를 정하는 제 1 예시적인 방법을 설명하는 논리 흐름도이다.

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도면을 참조하며, 도면 전체에서 동일 부호들은 동일 부분들에 관련된다.

여기서 사용되는 바와 같이, "모바일 장치" 또는 "클라이언트 장치"라는 용어는 이에 한정되는 것은 아니지만, 개인 휴대 단말(PDA), 핸드헬드 컴퓨터, 개인 통신기, J2ME 설비 디바이스, 셀룰러폰, 스마트폰, "SIP" 폰, 데스크탑이든 랩탑이든 또는 다른 종류이든 개인용 컴퓨터(PC) 및 미니컴퓨터, 또는 전기 또는 전자기 전력을 이용할 수 있는 사실상 임의의 다른 디바이스를 포함한다.

여기서 사용되는 바와 같이, "애플리케이션"이라는 용어는 일반적으로 특정 기능 또는 테마를 구현하는 실행 가능한 소프트웨어의 유닛과 관련된다. 애플리케이션의 테마는 (통신, 인스턴트 메시징, 콘텐츠 관리, 전자 상거래, 중개 거래, 홈 엔터테인먼트, 계산기 등과 같은) 임의의 수의 분야 및 기능에 걸쳐 광범위하게 달라지며, 하나의 애플리케이션이 하나 이상의 테마를 가질 수도 있다. 실행 가능한 소프트웨어의 유닛은 일반적으로 미리 결정된 환경에서 실행되는데, 예를 들어 상기 유닛은 Java™ 환경 내에서 실행되는 다운로드 가능한 Java Xlet™을 포함할 수 있다.

여기서 사용되는 바와 같이, "마이크로프로세서" 및 "디지털 프로세서"라는 용어는 일반적으로 이에 한정되는 것은 아니지만 디지털 신호 프로세서(DSP), 감소 명령 세트 컴퓨터(RISC), 범용 (CISC) 프로세서, 마이크로프로세서, 게이트 어레이(예를 들어, FPGA), PLD, 재구성 가능한 연산 패브릭(RCF), 어레이 프로세서 및 주문형 집적 회로(ASIC)를 포함하는 모든 타입의 디지털 처리 장치를 포함하는 것이다. 이러한 디지털 프로세서는 단일 단위 IC 다이에 포함될 수도 있고, 다수의 컴포넌트에 분산될 수도 있다.

여기서 사용되는 바와 같이, "집적 회로(IC)"라는 용어는 (이에 한정되는 것이 아니지만 ULSI, VLSI 및 LSI를 포함하는) 임의의 집적 레벨을 갖고 (이에 한정되는 것은 아니지만 Si, SiGe, CMOS 및 GaAs를 포함하는) 처리 또는 기본 재료와 관계없는 임의의 타입의 디바이스와 관련된다. IC는 예를 들어 메모리 디바이스(예를 들어, DRAM, SRAM, DDRAM, EEPROM/플래시, ROM), 디지털 프로세서, SoC 디바이스, FPGA, ASIC, ADC, DAC, 트랜시버, 메모리 제어기 및 다른 디바이스들뿐 아니라 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

여기서 사용되는 바와 같이, "메모리"라는 용어는 이에 한정되는 것은 아니지만 ROM, PROM, EEPROM, DRAM, SDRAM, DDR/2 SDRAM, EDO/FPMS, RLDRAM, SRAM, "플래시" 메모리(예를 들어, NAND/NOR) 및 PSRAM을 포함하여, 디지털 데이터를 저장하기에 적합한 임의의 타입의 집적 회로 또는 다른 저장 디바이스를 포함한다.

여기서 사용되는 바와 같이, "셀룰러"라는 용어는 셀룰러폰, (Nextel 및 Motorola 사에서 판매되는 것과 같은) "워키토키" 장치, 및 자신의 프로토콜의 일부로서 SIP 또는 다른 통신 세션을 설정 및 해제하는 예시적인 PTT(push-to-talk over cellular)와 같은 소위 PTx("push-to-anything") 디바이스들을 포함하는 임의의 형태의 셀 기반 이동 통신 시스템을 포함한다.

발명의 예시적인 실시예들은 주로 모바일 또는 클라이언트 전자 기기와 관련하여 설명되지만, 본 발명의 다양한 형태는 결코 제한되지 않으며, 사실 다른(예를 들어, 비-모바일 및/또는 비-전자) 디바이스들이 전기 저장 디바이스를 포함하든 그렇지 않든, 이에 한정되는 것은 아니지만 전자제품, 실질적으로 고정된 컴퓨터 시스템, 텔레비전, 조명 등을 포함하여 다른 디바이스들에 적용될 수도 있는 것으로 인식될 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 전력 전달 시스템의 한 예시적인 실시예가 설명된다. 일 실시예에서, (예를 들어, 자동차, 트럭, 항공기 등의) 모바일 애플리케이션들도 고려되지만, 시스템의 송신기(102)는 예를 들어, 천장 설치 돔(103) 또는 이와 같은 다른 설비 내에 존재할 수 있다. 수신기(104)는 전기 또는 전자기 전력 및/또는 무선 충전을 이용할 수 있는 디바이스 내에 존재할 수 있다. 상기 디바이스는 이에 한정되는 것은 아니지만 모바일 또는 셀룰러폰, 개인 휴대 단말(PDA), 휴대용 컴퓨터(예를 들어, 노트북 PC), 미디어 플레이어, 시계, 전자 디스플레이, 또는 예를 들어 재충전 가능한 배터리와 같은 휴대용 전원으로부터의 전자 또는 전자기 전력을 이용하는 임의의 다른 디바이스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

전원이 켜진 모바일 장치는 활성화된 것으로 간주한다. 휴대 전화의 예에서, 휴대 전화는 예를 들어 핸드쉐이킹 신호를 교환함으로써 서비스-가입자의 로컬 셀 타워와 끊임없이 또는 주기적으로 통신하기 때문에 활성화 상태이다. 충전 시스템의 송신기(102)가 모바일 장치의 정확한 또는 대략적인 위치를 알아내고 집중된 충전 빔을 그 수신기(104)에 목표로 하여 배터리를 충전할 수 있게 하는 것이 이 핸드쉐이킹 신호이다.

일 실시예에서, 도 1의 Inset 1(106)에 나타낸 것과 같이, 단일 송신기(102)의 커버리지 내의 다수의 모바일 장치가 동시에 충전될 수 있다. 다른 실시예에서, 도 1의 Inset 2(108)에 나타낸 것과 같이, 빌트인 수신기(104)를 갖는 단일 모바일 장치가 다수의 송신기(102)의 커버리지 내에 위치하여 다수의 송신기(102)에 의해 충전될 수 있다.

상기한 바와 같이, 예시적인 실시예의 송신기(102)는 예를 들어 천장 돔(103) 내에 위치하고, 예를 들어 표준 120 볼트 AC 서플라이에 의해 전력이 공급된다. 송신기(102)는 충전 에너지를 운반하는 신호를 생성한다. 예를 들어 연속파(CW) 단일 주파수 신호, (고조파가 아닌) 정현파 신호를 포함하는 다양한 파형의 신호가 전력을 운반하고 수신기(104)에 전달하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 다수의 주파수 신호가 사용될 수 있다. 또한, 신호는 약 0-40 피트 범위 내의, 바람직하게는 0-20 피트 범위 내의 모바일 장치의 배터리를 충전하기에 충분한 전력을 운반하고 전달하기에 적당한 임의의 주파수 및 전력 레벨일 수 있다. 신호의 일례는 마이크로파 대역에서 선택된 단일 주파수일 수 있다. 일 실시예에 서, 1 ㎓ - 40 ㎓, 바람직하게는 12 ㎓ - 36 ㎓의 주파수를 갖는 신호가 선택될 수 있다. 모바일 장치를 무선으로 충전하기에 충분한 전력의 신호를 생성하는 동시에 송신기(102) 주위의 다른 무선 시스템들과의 간섭과 같이 원치 않는 결과를 피하는 송신기(102)를 선택하는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 송신기(102)는 약 1 내지 50 와트의 전력 레벨의 신호를 생성하도록 선택된다. 예를 들어, 송신기(102)의 전력은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49 또는 50 와트의 전력 레벨의 신호를 송신 안테나(105)로 전달하도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 더 낮은 또는 더 높은 전력의 신호가 사용되어 전력의 전달을 달성할 수도 있다.

송신기(102)로부터의 신호는 송신(TX) 안테나(105)에 공급될 수 있으며, 이 안테나는 전방향성 또는 지향성일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어 0.1 - 20도의 빔 폭 각을 갖는 지향성 안테나로서 TX 안테나(105)를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 빔-폭 각은 약 0.1, 0.2, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20도로 선택될 수 있다. 일 실시예에서, TX 안테나(105)는 빔 폭 각이 약 1도인 신호를 방사하도록 구성되며, 12 ㎓ 내지 36 ㎓ 대역 내 주파수의 신호를 전송하기에 적합하다. TX 안테나(105)의 전력 이득은 약 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 또는 16 데시벨(dB)일 수 있다. 12 데시벨 전력 이득을 이용할 때 TX 안테나(105)는 전송 신호를 약 16배 증폭할 수 있다.

일 실시예에서, 송신기(102)는 또한 TX 안테나(105)와 실질적으로 동일한 방향성으로 선택되는 감지 안테나(107)를 포함한다. 일 실시예에서, 감지 안테나(107)는 모바일 장치에 의해 이미 전송된 신호들, 예를 들어 800 내지 1900 ㎒ 대역 내의 주파수의 신호들을 감지하기에 적합하게 구성된다. 그러나 감지 안테나(107)는 원하는 임의의 주파수 대역의 신호를 수신하고 검출하기에 민감할 수도 있는 것으로 인식된다. 일 실시예에서, TX 안테나(105) 및 감지 안테나(107)는 실질적으로 동일한 방향을 유리하게 지시하게 되며, 방위각(방위) 및 고도각(높이)이 조정 가능하게 구성된 가동 어셈블리(109)에 설치될 것이다. 실질적으로 동일한 방향을 지시함으로써, TX 안테나(105)는 감지 안테나(107)에 의해 감지되는 수신기(104)의 방향으로 지시되며, 이로써 TX 안테나(105)와 RX 안테나(113) 간의 전력 전달 효율을 최적화하는 방식으로 무선 전력 신호를 방사할 수 있다.

다른 실시예에서, TX 안테나(105) 및 감지 안테나(107)는 개별적인 방향으로 동작하도록 설치될 수 있다. 이러한 실시예의 이점은 TX 안테나(105)가 예를 들어 감지 안테나(107)와 독립적으로 동작할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 감지 안테나(107)는 수신기(104)에 의해 방사되는 신호가 최대화되는 최적화된 방향을 다시 포착하고자 끊임없이 시도하는 스캐닝 모드로 유리하게 동작함으로써 제어 유닛(111)에 예를 들어 수신기(104) 위치의 업데이트된 정보를 제공할 수 있다. 한 예시적인 실시예에서, 제어 유닛은 예를 들어 공지된 타입의 제어 로직 또는 컴퓨터 프로그램과 같은, 본원에서 설명된 원리 및 방법에 따른 장치의 효율적인 제어에 사용되는 집적 회로 컴포넌트(예를 들어, 디지털 프로세서, 메모리, 마이크로컨 트롤러 등)를 포함한다. 따라서 제어 유닛(111)이 TX 안테나(105)에 (예를 들어 수신기(104)의 이동 등으로 인해) 원하는 송신 방향이 변경되었음을 알릴 때까지, TX 안테나(105)는 원하는 방향에 대해 고정된 위치를 유지할 수 있는 한편, 감지 안테나(107)는 필드를 스캔한다. 이런 식으로, TX 안테나(105)의 송신 방향이 그대로 유지될 수 있는 한편, 감지 안테나(107)는 송신 방향을 계속해서 최적화한다.

상술한 바와 같이, 방위각/고도각 제어 유닛(111)은 예를 들어 도 2에 나타낸 예시적인 방법(200)을 통하는 등, 검색 패턴 여기저기로 어셈블리(109)를 이동시키도록 구성된다. (예를 들어, 800 - 1900 MHz 범위의 신호를 수신함으로써) 감지 안테나(107)에 의한 활성 모바일 장치 검출시, 단계(202)에서 감지 안테나(107)가 모바일 장치로부터 최대 또는 최대 수신 전력에 가까운 신호를 수신할 때까지 가동 어셈블리(109)의 위치가 미세 조정될 수 있다. 이 타깃화 프로시저로 달성되는 하나의 목표는 TX 안테나(105)가 확실히 모바일 장치(예를 들어, 그 수신(RX) 안테나(113))에 직접 지시하도록 TX 안테나(105)를 정확히 정렬함으로써, 단계(204)에서 최대 송신-수신 전력 포착을 달성하는 것이다. 일 실시예에서, 프로시저(200)는 미리 설정된 타이머 값이 만료한 후 선택적으로 반복될 수 있다. 다른 실시예에서, 프로시저(200)는 단계(202)에서 검출된 모바일 장치로부터 수신된 전력이 미리 결정된 임계치 이상으로 감소하면 선택적으로 반복될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 프로시저(200)는 TX 안테나(105)에 대한 적절한 방향을 계속해서 재평가하도록 선택적으로 끊임없이 반복될 수 있다.

일 실시예에서, 방위각/고도각 제어 유닛(111)이 적외선 신호 대신 감지 안 테나(107)에 의해 수신된 모니터링된 신호(예를 들어, 핸드쉐이킹 신호)에 응답하여 어셈블리(109)를 이동시키도록 구성된다는 점을 제외하고, 제어 유닛(111)은 적외선 추적 보안 카메라와 비슷한 방식으로 동작하도록 선택될 수 있다. 보다 구체적으로, 제어 유닛(111)은 원하는 범위의 주파수(및 전력 레벨) 내의 무선 주파수 신호를 스캔하여 무선 링크(115)를 통한 전력 충전을 작동시킬 타깃 디바이스를 식별할 수 있다. TX 안테나(105) 및 감지 안테나(107)는 세로로 움직일 수도 있고 상술한 방식과 개별적인 방식으로 움직일 수도 있다.

어떤 실시예에서, 송신기(102)는 다수의 수신기(104)를 동시에 충전하기 위한 제어 유닛(111)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 송신기(102)는 다중 액세스 방식(예를 들어, 시분할 다중 액세스(TDMA)) 제어 유닛(111)을 포함한다. TDMA 제어 유닛(111)은 얼마나 많은 활성 모바일 장치가 송신기(102)에 고정되는지를 결정하고, 고정된 모든 모바일 장치 사이에 전력 충전을 공유하는 시간을 조정한다. 그러나 발명에 부합하게 다른 다중 액세스/전력 전달 방식이 사용될 수도 있는 것으로 인식될 것이다. 예를 들어, 한 가지 변형으로, 주파수 분할(예를 들어, FDMA) 시스템이 사용되며, (본래 협대역 또는 광대역일 수 있는) 서로 다른 주파수를 이용하는 서로 다른 디바이스가 제공된다. 마찬가지로, 주파수 호핑 접근이 사용될 수 있으며, 전력이 공급되는 각 디바이스에는 다수의 주파수를 통해 전송되는 전력에 대한 액세스를 위해 호핑 코드가 할당된다.

다른 변형으로, "반송파" 의미와 비슷한 접근(예를 들어, CSMA)이 사용되어 다른 디바이스에 의해 사용되지 않을 때 전력 전달 채널을 효율적으로 "포착"할 수 있지만, (선택적으로 변조가 적용되지 않는 한) 엄밀한 의미로 "반송파" 그 자체는 없는 것으로 인식한다. 또 다른 변형에서, 코드 분할 접근(예를 들어, CDMA)이 사용될 수 있어, 주파수 범위에 걸쳐 전력이 다수의 디바이스로 전송되며, 각 디바이스는 각자의 특별한 확산 코드에 따라 전송된 전력을 수신하도록 구성된다. 이러한 선택적 수신은 예를 들어 선택적 필터링, 특정 주파수들에만 민감한 수신기, 또는 디지털 통신 및 다중 액세스 분야에 공지된 임의의 다른 기술을 이용함으로써 달성될 수 있다. 그러나 디지털 통신 분야와 달리, 본 발명의 장치는 바람직하다면 변조 없이 이용될 수 있는데, 즉 원하지 않는 한 전달되는 전력에 대해 데이터 또는 다른 변조가 인코딩될 필요는 없는 것으로 인식될 것이다.

더욱이, 상기의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 가능한 한 가지 조합으로, 시분할 및 주파수 분할 접근이 조합된다.

도 3을 참조하면, 미리 결정된 알고리즘(300)을 이용하여 고정된 모든 모바일 장치들 사이에 공유되는 시간의 우선순위를 정하는데 유용한 정보를 제공하는 감지 안테나(107)에 의해 정보가 검출될 수 있다. 단계(302)에서, 감지 안테나(107)는 예를 들어 모바일 장치에 의해 전송된 각 신호의 전력 레벨을 기초로 각 모바일 장치의 방향을 검출할 수 있다. 단계(304)에서, 제어 유닛(111)은 다수의 모바일 장치 각각으로부터 수신된 신호들로부터의 우선순위 정보를 분석하게 된다. 예를 들어, 일 실시예에서 감지 안테나(107)는 고정된 모바일 장치들 각각에 대한 충전 레벨을 나타내는 정보를 수신할 수 있다. 제어 유닛(111)은 단계(306)에서 가장 낮은 상대적 충전 레벨을 갖는 고정된 모바일 장치들 사이에 공유되는 시간의 우선순위를 정할 수 있다. 다른 실시예에서, 감지 안테나(107)는 각각의 고정된 모바일 장치에 의한 현재 전력 소비율을 나타내는 정보를 수신할 수 있다. 그러므로 제어 유닛(111)은 고정된 모바일 장치들 사이에 공유되는 시간의 우선순위를 결정하여 현재 가장 많은 양의 상대 전력을 소비하고 있는 모바일 장치들이 시간 공유 방식에서 첫 번째로 우선순위가 정해진다. 효율적인 시간 공유 방식을 제공하도록 이용 가능한 정보를 기초로 임의의 수의 다른 방식들이 개별적으로 또는 서로 관련하여 이용될 수 있다.

수신기(104)는 송신기(102)로부터 신호를 수신하고 공급하여 모바일 장치를 충전하도록 구성된다. 어떤 실시예들에서, 수신기(104)는 모바일 장치에 설치된다. 수신기(104)는 모바일 장치들이 셀 타워와 통신하는데 사용하는 것과 동일한 안테나일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 무선 충전 수신 안테나(113)를 포함한다. 무선 충전 수신 안테나(113)는 송신기(102)로부터 방사된 무선 주파수 에너지를 수집하여 정류기(117)에 전달한다. 정류기(117)는 저 레벨 신호를 수신하는 경우에 정류기(117)의 활성화를 가능하게 하도록 낮은 배리어 또는 임계 전압으로 특성화된 (즉, 저 온-파워 정류기) 게르마늄 기반 정류기일 수 있다. 정류기(117)는 또한 모바일 장치로부터 정류기(117)에 의한 전력 사용을 최소화하기 위해 수동 RF 전력 센서로서 특성화될 수도 있다. 일 실시예에서, 수신기(104)는 또한 모바일 장치의 배터리가 무선 충전 링크(115) 또는 유선 충전 경로에 의해 충전될 수 있게 하는 다수의 다이오드(119)(예를 들어, 2개의 다이오드)를 포함할 수 있다.

정류기(117)는 안테나로부터의 AC 전기 에너지를 모바일 장치의 배터리를 충 전하는데 적합한 전압 신호, 예를 들어, DC 전압 신호로 변환하도록 구성된다. 일 실시예에서, 모바일 장치에 공급되는 전력을 원하는 레벨로 조정하거나 제한하기 위해 정류기에 또는 정류기에 추가로 전압 조정기가 집적될 수도 있다. 전압 조정기는 모바일 장치의 물리적 이동이 RX 안테나(113)에 의해 수신되는 신호의 전력을 변화시킬 때 특별히 동작할 수 있다. 이러한 변화는 송신기(102)에 의해 전송된 신호의 경로에 있어서의 변화에 기인할 수도 있다.

예시적인 무선 충전 시스템(100)은 충전을 위해 수신 안테나(113)에 충분한 에너지가 전송 및 전달되도록 구성된다. 예로서, 통상적인 셀폰 충전기는 약 4.9 볼트 및 450 밀리암페어(㎃)의 최대 레이팅을 가질 수 있다. 따라서 전력 레이팅은 최대 약 2.2 와트, 최적 1 와트이다. 이러한 설명을 위해, 송신기(102)는 예를 들어 1000 제곱피트의 효율적인 충전 면적을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 송신기(102)는 25 와트 전력의 신호를 전송한다. 송신 안테나(105)는 신호를 400 와트 전력(즉, 16 × 25 와트와 동일)으로 증폭하는 12 데시벨 전력 이득이 되도록 설계될 수 있다. 신호가 20 피트 송신 경로를 통해 최대 20 ㏈ 손실을 입을 수 있다고 간주하면, 송신기(102)로부터 20 피트 위치에 있는 모바일 장치는 통상적인 모바일 장치를 충전하기에 충분한 적어도 4 와트의 신호를 수신할 수 있다. 따라서 이러한 실시예는 1000 제곱피트보다 넓은 커버리지 영역을 제공한다.

방법 단계들의 특정 시퀀스와 관련하여 발명의 특정 형태들이 설명되지만, 이러한 설명은 발명의 더 광범위한 방법의 예시일 뿐이며 특정 애플리케이션의 필요에 따라 변형될 수 있는 것으로 인식될 것이다. 특정 단계들은 어떤 상황에서는 불필요할 수도 있고 선택적일 수도 있다. 추가로, 개시된 실시예들에 특정 단계들이나 기능이 추가될 수도 있고 또는 둘 이상의 단계의 수행 순서가 치환될 수도 있다. 이러한 모든 변형은 본원에 개시 및 청구된 발명 내에 포함되는 것으로 간주된다.

상술한 설명은 각종 실시예에 적용되는 발명의 새로운 특징들을 도시, 설명 및 지적하였지만, 발명을 벗어나지 않고 상술한 디바이스 또는 프로세스의 형태 및 항목에 있어 다양한 생략, 치환 및 변경이 당업자들에게 명백한 것으로 이해될 것이다. 상기 설명은 현재 발명을 실행하기 위한 최상의 모드로 간주된다. 이러한 설명은 결코 한정이 아니라 발명의 일반 원리들의 예시로서 취해져야 한다. 발명의 범위는 청구범위를 참조로 결정되어야 한다.

Claims (16)

1. 무선 링크를 통해 디바이스에 전력을 제공하는 장치로서,

   상기 무선 링크를 통해 상기 디바이스에 전력을 제공하도록 동작하는 송신 안테나;

   상기 디바이스에 의해 전송된 신호들을 감지하는 감지 안테나; 및

   상기 송신 안테나의 동작을 제어하도록 동작하는 제어 유닛 어셈블리를 포함하는, 전력 제공 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치는 실질적으로 천장 설치 돔(ceiling-mounted dome) 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 유닛 어셈블리는 적어도 2의 자유도로 상기 송신 안테나의 이동을 제어하도록 동작하며, 상기 적어도 2의 자유도는 실질적으로 방위각 자유도 및 실질적으로 고도각 자유도를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어 유닛은 시분할 다중 액세스(TDMA) 방식에 따라 무선 링크를 통해 다수의 디바이스들을 충전하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 장치.
5. 무선 링크를 통해 디바이스에 전력을 제공하는 방법으로서,

   감지 안테나를 이용하여 상기 디바이스에 대한 제 1 방향을 검출하는 단계;

   상기 검출 단계에 적어도 부분적으로 기초하여 송신 안테나가 상기 제 1 방향으로 적어도 일부 전력을 전송할 수 있도록 상기 송신 안테나를 조종(direct)하는 단계; 및

   상기 무선 링크를 통해 상기 송신 안테나로부터 실질적으로 미변조된 전력을 상기 디바이스로 전송하는 단계를 포함하는, 전력 제공 방법.
6. 송신 안테나로부터 전송되는 전력을 무선 링크를 통해 다수의 디바이스들에 제공하는 방법으로서,

   상기 다수의 디바이스들에 실질적으로 동시에 전력이 전송될 수 있도록 상기 송신 안테나를 배치하는 단계; 및

   상기 송신 안테나로부터의 전력을 다중 액세스 방식에 따라 상기 무선 링크를 통해 상기 다수의 디바이스들에 실질적으로 전송하는 단계를 포함하는, 전력 제공 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 시분할 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 주파수 분할 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 주파수 호핑 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 방법.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 코드 분할 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 방법.
11. 제 6 항에 있어서,

    상기 다중 액세스 방식은 감지 방식을 포함하며, 액세스가 허가되기 전에 채널이 샘플링되는 것을 특징으로 하는 전력 제공 방법.
12. 무선 링크를 통해 다수의 디바이스들에 전력을 제공하는 장치로서,

    전력을 방사하도록 구성된 송신 안테나 - 상기 안테나는 상기 안테나가 상기 다수의 디바이스들에 선택적으로 전력을 전송할 수 있게 하는 장치를 더 포함함 -;

    송신을 위해 상기 전력을 생성할 수 있는 전원; 및

    상기 안테나 및 전원 중 적어도 하나와 신호에 의해 통신하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 안테나가 다중 액세스 방식에 따라 상기 다수의 디바이스들에 상기 전력을 전송하게 하는, 전력 제공 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 안테나는 실질적으로 지향성인 것을 특징으로 하는 전력 제공 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 다중 액세스 방식은 실질적으로 시분할 방식을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 제공 장치.
15. 무선 링크를 통해 전력을 수신하는 장치로서 - 상기 전력은 상기 장치의 하나 이상의 컴포넌트들에 전기 전력을 제공하는데 유용함 -,

    송신 안테나로부터 전력을 수신하도록 구성된 수신 안테나;

    추후의 사용을 위해 상기 수신된 전력의 적어도 일부를 저장할 수 있는 전원 장치; 및

    상기 안테나 및 전원 장치 중 적어도 하나와 신호에 의해 통신하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 안테나를 통한 상기 전력의 선택적 수신을 용이하게 하는, 전력 수신 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 선택적 수신은 다중 액세스 방식에 따른 선택적 수신을 포함하고, 상기 장치 이외의 디바이스들은 상기 전력 수신 장치와 실질적으로 동시에 전력을 수신하는 것을 특징으로 하는 전력 수신 장치.

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