KR20100067676A

KR20100067676A - 무선 에너지 전송을 위한 송신기 및 수신기

Info

Publication number: KR20100067676A
Application number: KR1020107008433A
Authority: KR
Inventors: 나이젤 피 쿡; 스티븐 도미니악; 루카스 시에베르; 한스페터 비드메르
Original assignee: 퀄컴 인코포레이티드
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-06-21
Also published as: US20110266878A9; CN101828300A; EP2201641A1; US20090079268A1; WO2009039113A1; JP2010539857A; US8378523B2

Abstract

무선 전력 송신을 위한 기술. 안테나는, 플럭스를 증폭시켜 안테나가 실제 사이즈보다 더 큰 효과 사이즈를 갖게 하는 부분을 갖는다.

Description

무선 에너지 전송을 위한 송신기 및 수신기{TRANSMITTERS AND RECEIVERS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER}

본 출원은, 2007 년 9 월 17 일에 출원되고 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합된 가출원 제 60/973,100 호에 대해 우선권을 주장한다.

전자기장을 안내하는 와이어를 이용하지 않고 전기 에너지를 소스로부터 목적지로 전송하는 것이 바람직하다. 종래 시도의 어려움은 부적절한 양의 전달된 전력과 함께 낮은 효율이었다.

2008 년 1 월 22 일 출원되고 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합되었으며 발명의 명칭이 "무선 장치 및 방법 (Wireless Apparatus and Methods)" 인 미국 특허 출원 제 12/018,069 호를 포함하는 (그러나, 이에 한정되지는 않는) 본 출원인의 이전의 출원 및 가출원은 전력의 무선 전송을 개시한다.

이 시스템은, 예를 들어, 공진의 5 %, 10 %, 공진의 15 % 또는 공진의 20 % 이내에서 실질적으로 공진하는 바람직하게는 공진 안테나인 송신 및 수신 안테나를 이용할 수 있다. 안테나(들)은, 안테나를 위한 가용 공간이 제한될 수도 있고, 비용이 팩터가 될 수도 있는 모바일 핸드헬드 디바이스에 피팅될 수 있는 작은 사이즈인 것이 바람직하다. 이동하는 전자기파의 형태로 에너지를 자유 공간으로 전송하는 것보다는 송신 안테나의 근거리 (near field) 에 에너지를 저장함으로써 2 개의 안테나 사이에서 효율적인 전력 전송이 수행될 수도 있다. 고품질 팩터를 갖는 안테나가 이용될 수 있다. 2 개의 하이-Q 안테나는, 느슨하게 커플링된 변압기와 유사하게 동작하도록 배치되어, 하나의 안테나가 다른 하나의 안테나에 전력을 유도한다. 안테나는 1000 보다 큰 Q 를 갖는 것이 바람직하다.

본 출원은 전력 소스로부터 전자기장 커플링을 통해 전력 목적지로 에너지를 전송하는 것을 기술한다. 실시형태들은 에너지 전송을 최대화하는 기술을 설명한다.

이제 첨부한 도면을 참조하여 이러한 양태들 및 다른 양태들을 상세히 기술한다.
도 1 은 무선 전력 시스템의 기본적 블록도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b 는 비-방사형 무선 전송의 거리 제한을 나타내는 블록도를 도시한다.
도 3 은 공진 코일 안테나를 이용한 무선 전송을 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 손실된 부분을 나타내는 공진 주파수에서의 등가 회로를 도시한다.
도 4c 는 상호 인덕턴스의 등가 회로를 도시한다.
도 5a 내지 도 5p 는 솔레노이드 구조를 도시한다.
도 6 은 직사각형 공진 루프를 도시한다.
도 7a 및 도 7b 는 큐트 팩터 연산을 도시한다.
도 8 은 커플링 루프를 도시한다.
도 9 는 전력 전송 대 거리의 그래프를 도시한다.
도 10a 및 도 10b 는 하이 공진기 상에서 손실있는 환경의 효과를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c 는 하이 인덕턴스 대 커패시턴스 비율 공진 회로와 로우 인덕턴스 대 커패시턴스 비율 공진 회로 사이의 차이를 도시한다.
도 12a 내지 도 12c 는 무선 전력의 휴대용 디바이스로의 통합을 도시한다.
도 13a 및 도 13b 는, 안테나가 이러한 디바이스의 패키지에 통합될 수 있는 상이한 방법들을 도시한다.
도 14 는 페라이트 막대 (rod) 내의 자기장 및 다이폴 모멘트를 도시한다.
도 15 는 페라이트 막대의 플럭스 집중 효과를 도시한다.
도 16 은 페라이트 안테나의 회전 자기 영향을 이용하는 방법을 도시한다.
도 17 은 토션 타입의 자기 기계적 시스템의 기본 원리를 도시한다.
도 18 은 낮은 자기장으로부터 전기 에너지를 발생시키기 위해 자기 변형 및 피에조일렉트릭 디바이스를 이용하는 방법을 도시한다.

기본적 실시형태가 도 1 에 도시되어 있다. 전력 송신기 어셈블리 (100) 가, 예를 들어, AC 플러그 (102) 와 같은 소스로부터 전력을 수신한다. 여기서는 공진 안테나인 안테나 (110) 에 에너지를 커플링하기 위해 주파수 발생기 (104) 가 이용된다. 안테나 (110) 는 유도성 루프 (111) 를 포함하며, 유도성 루프는 하이 Q 공진 안테나 부분 (112) 에 유도적으로 커플링된다. 공진 안테나는 N 회의 코일 루프 (113) 를 포함하며, 각각의 루프는 반경 R_A 를 갖는다. 여기서는 가변 커패시터로 도시된 커패시터 (114) 가 코일 (113) 과 직렬접속되어 공진 루프를 형성한다. 이 실시형태에서, 커패시터는 코일로부터 완전히 분리된 구조지만, 특정한 실시형태에서는, 코일을 형성하는 와이어의 자체 커패시턴스가 커패시턴스 (114) 를 형성할 수 있다.

주파수 발생기 (104) 는 바람직하게는 안테나 (110) 에 튜닝될 수 있고, 또한, FCC 컴플라이언스를 위해 선택된다.

이 실시형태는 무지향 (multidirectional) 안테나를 이용한다. 115 는 모든 방향에서의 출력으로서의 에너지를 나타낸다. 안테나 (100) 는, 안테나의 출력 대부분이 전자기 방사 에너지가 아니고, 오히려 더 정적인 자기장인 측면에서, 비-방사형이다. 물론, 안테나로부터의 출력의 일부는 실제로 방사될 것이다.

다른 실시형태에서는 방사 안테나를 이용할 수도 있다.

수신기 (150) 는, 송신 안테나 (110) 로부터 거리 D 만큼 떨어져서 배치된 수신 안테나 (155) 를 포함한다. 유사하게, 수신 안테나는, 유도성 커플링 루프 (152) 에 커플링된, 코일 부분과 커패시터를 갖는 하이 Q 공진 코일 안테나 (151) 이다. 커플링 루프 (152) 의 출력은 정류기 (160) 에서 정류되고, 로드에 인가된다. 그 로드는, 예를 들어, 전구와 같은 저항성 로드, 또는 전기 기기, 컴퓨터, 충전식 배터리, 뮤직 플레이어 또는 자동차와 같은 전자 디바이스와 같이 임의의 타입의 로드일 수 있다.

본 명세서에서는 실시형태로서 주로 자기장 커플링을 기술하고 있지만, 에너지는 전기장 커플링 또는 자기장 커플링을 통해 전송될 수 있다.

전기장 커플링은, 오픈 커패시터 또는 유전체 디스크인 유도적으로 로딩된 전기 다이폴을 제공한다. 외부 물체는 전기장 커플링에 비교적 강한 영향을 줄수도 있다. 자기장 내의 외부 물체는 "빈 (empty)" 공간과 동일한 자기적 특성을 갖기 때문에, 자기장 커플링이 선호될 수도 있다.

이 실시형태는 용량적으로 로딩된 자기 다이폴을 이용하는 자기장 커플링을 기술한다. 이러한 다이폴을, 안테나를 공진 상태로 전기적으로 로딩하는 커패시터와 직렬로, 코일의 적어도 하나의 루프 또는 권선을 형성하는 와이어 루프로 형성된다.

그러나, 무선 에너지 전송은 효율의 분석을 요구한다. 효율 데이터는,

로서 표현될 수 있으며, 여기서, Pr 은 수신 안테나에서 출력된 전력이고, Pt 는 송신 안테나에 입력된 전력이다.

본 발명자는 전기장 커플링 및 자기장 커플링 모두를 고려하였고, 무선 전력 전송에 대해 자기장 커플링이 더 유리하다고 결정하였다. 근접한 전력 송신에서는 전기장 커플링이 더 유리할 수도 있지만, 외부 물체로부터 비교적 강한 영향을 나타낸다는 점이 전기장 커플링의 중요한 문제점이다. 전기장 커플링은, 예를 들어, 오픈 커패시터 또는 유전체 디스크와 같은 유도적으로 로딩된 전기 다이폴을 이용한다.

실시형태들에 이용되는 바와 같은 자기장 커플링은 실시형태들에 기술된 바와 같이 용량적으로 로딩된 자기 다이폴을 이용한다. 이 안테나는 인턱턴스를 통해 부착된 커패시터를 갖는 도전성 단일 루프 또는 일련의 루프를 포함할 수 있다. 자기장 커플링은 외부 물체로부터 비교적 약한 영향의 이점을 가질 수도 있다.

도 2a 및 도 2b 는 비-방사형 에너지 전송에 대한 대표적인 "근거리" 조건을 도시한다. 정보를 송신하는 코일과 정보의 수신기 사이의 거리가 도 2a 에 도시된 구성에 대해 도 2b 에 도시되어 있다. 물론, 이 에너지 전송 특성은, 이용되는 주파수 및 안테나와 수신기의 특성을 포함하는 상이한 파라미터들에 크게 의존한다. 그러나, 도 2a 및 도 2b 에 도시된 특성의 특정 세트에 대해, 3½ m 에서 에너지 전송의 공진가능량을 나타내는, 도 2b 에 도시된 거리 곡선이 획득될 수 있다.

이 기술의 바람직한 특징은, 인덕턴스 코일 (300) 이 커패시턴스 (305) 와 직렬인 공진 코일 안테나를 이용하는 것이다. 도 3 은, 자기장 및 공진 코일 안테나를 이용하여 무선으로 송신된 송신기로부터 전력을 수신하는 수신기 (301) 를 도시한다. 송신기 (299) 는, 커플링 루프 (312) 에 전력 P_t 를 발생시키는 고주파수 발생기 (310) 를 포함한다. 커플링 루프는 이 전력을 메인 안테나 (300) 에 커플링시킨다. 메인 안테나 (300) 는 R_A 의 코일 반경 (302) 및 권선수 N 을 갖는다. 안테나는 커패시턴스 (305) 와 직렬인 코일 부분 (303) 을 포함한다. 코일 및 커패시턴스의 LC 값은, 여기서는 바람직하게는 13.56 MHz 인 구동 주파수로 공진되도록 튜닝된다. 이것은 350 으로 도시된 바와 같이 자기장 H 를 생성한다.

수신 코일 (320) 은, 자기장 영역 내에서 수신 코일과 직렬 접속된 커패시턴스 (321) 를 갖고, 커패시턴스 (321) 는 송신 안테나로부터 전송 거리 d 만큼 이격되어 위치된다. 수신 안테나 (320, 321) 로부터 수신된 에너지는 커플링 루프 (325) 에 커플링되고, 로드 (330) 에 전송된다. 로드는, 예를 들어, 전력 정류 회로를 포함할 수도 있다.

회로 내의 손실 저항은 방사 저항, 와전류 손실, 스킨 및 근접 효과 및 유전체 손실에 의존한다.

도 4a 및 도 4b 는 등가 회로 도면 및 이 도면과 등가인 손실 회로를 도시한다. 도 4a 의 등가 회로는, 도 3a 에서 설명한 회로와 등가인 회로를 도시하고, HF 발생기 (310), 커플링 코일 (312), 메인 코일 (303), 커패시턴스 (305) 뿐만 아니라 수신 커패시턴스 (321), 수신 코일 (320), 수신 커플링 코일 (325) 및 로드 (330) 의 등가 도면을 포함한다. 그러나, 도 4a 는 또한 와전류 손실 등 뿐만 아니라 등가 손실 저항 R_S (400) 를 도시한다. 도 4b 는 방사 저항 (410), 와전류 손실 (420) 및 기타 효과들을 설명한다.

도 4c 는 상호 인덕턴스의 등가 회로가 형성될 수 있는 방법을 도시하며, 상호 전압 인덕턴스는 서로에 대해 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 소스에서 흐르는 전류는 상호 인덕턴스에 따라 서로에 대해 등가가 될 수 있다.

전송 효율은 다음의 수식,

에 따라 유도될 수 있다.

3 개의 특정한 코일의 기하학적 구조의 형태가 도 5a 내지 도 5c 에 도시되어 있다.

도 5a 는 에어 솔레노이드를 도시하며, 여기서, 솔레노이드의 총 두께는 값 I_A 이다. 도 5b 는 루프를 도시하고, 여기서 코일이 권취된 부분들은 서로 매우 근접하다. 이 루프에서, 값 I 는 반경 r_A 보다 훨씬 작다. 마지막으로 도 5c 는 페라이트 막대 안테나의 실시형태를 도시한다.

코일의 특성은 다음과 같다:

따라서, 전송 효율은,

로서 계산될 수 있다.

따라서, 소정의 Q-팩터에 대해, 효율은 더 이상 주파수의 함수가 아니다.

효율은 d⁶ 으로 감소한다.

더블링 송신기의 코일 반경은 sqrt(2) = 41 % 만큼 범위를 증가시킨다.

더블링 송신기 Q-팩터는 효율을 2 배로 한다.

더블링 Q-팩터는 2 의 6 제곱근 (12%) 만큼만 거리를 증가시킨다.

이 특성들에 기초하여, 커플링 팩터는 주로 기하학적 파라미터 및 거리의 함수로 고려될 수 있다. 거리는 제어될 수 없지만, 기하학적 파라미터는 제어될 수 있다. 상호 인덕턴스, 안테나의 전체 손실 저항 및 동작 주파수 또한 효율에 관련될 수도 있다. 더 낮은 주파수는, 더 높은 주파수에서와 동일한 전송 효율을 획득하기 위해 더 낮은 손실 저항 또는 더 높은 상호 인덕턴스를 요구할 수도 있다.

직사각형 루프에 대한 전송 효율은, 도 6 에 도시된 특성을 갖는 루프에 대해 다음과 같다.

권선수의 최적화는 다음과 같이 고려될 수 있다:

길이 ℓ_A, 반경 r_A 및 θ=2c/2b 의 와이어 직경에 대한 피치 비율의 코일에 대해,

최적화 파라미터로서 공진 주파수가 이용되면,

도 7a 및 도 7b 는 몇몇 특정한 수치적 예시를 도시한다. 8.5 cm 의 코일 반경 ra, 8 cm 의 코일 길이 ℓa, 6 mm 의 와이어 직경, 8 의 권선수 N, 및 58 × 10⁶ 의 구리의 와이어 도전율. 도 7a 는 공진에 요구되는 커패시턴스 (700) 및 자체 커패시턴스 바운드 (705) 를 도시한다. 도 7b 는 13.56 MHz 에서의 Q 팩터 (720) 를 도시하고; 또한 자체 커패시턴스 바운드 (725) 를 도시한다.

이 수식들로부터, 주어진 코일 폼 팩터에 대해, Q 팩터가 어느 정도 범위의 권선수에 대해서는 독립적이라는 결론을 도출할 수 있다. 더 두꺼운 와이어 및 더 적은 권선으로 형성된 코일은 더 많은 권선수를 갖는 코일처럼 양호하게 수행할 수도 있다. 그러나, Q 팩터는 주파수에 매우 의존적이다. 낮은 주파수에서, Q 팩터는 f^½ 에 따라 증가한다. 이것은 주로 스킨 효과에 의존한다. 더 높은 주파수에서, 키 팩터는 f^-7/2 에 따라 증가한다. 이것은 방사 저항 플러스 스킨 효과에 의존한다.

Q 가 최대가 되는 최적의 주파수가 존재한다. 임의의 주어진 코일에 대해, 이것은 코일의 폼 팩터에 의존한다. 그러나, 최대의 Q 는 거의 항상 코일의 주파수에 대한 자체 공진 위에서 발생한다. 자체 공진 근처에서, 코일 공진기는 배경에 매우 민감하다.

도 8 은, 결과를 최대화하는 값을 발견하기 위해 유도된 실험을 도시한다. 이것은, 다음의 특성을 갖는 코일을 이용한다.

이것은, 거리에 대해 도 9 에 도시된 결과를 생성하여, 계산된 효율보다 약간 더 높은 효율을 나타낸다.

본 문헌에 따른 자기 전력 송신은 개선된 효율에 대한 하이 Q 에 의존할 수도 있다. 손실있는 환경은 하이 Q 공진기에 대해 악영향을 가질 수 있다. 테이블과 같은 유전체 재료 (1010) 또는 금속 부분 (1000) 과 같은 도전 재료와 같은 손실 있는 재료 근처에서 안테나 (1005) 를 이용하는 것이 도 10a 에 도시되어 있다. 과도 부분은 도 10b 의 등가 회로에서 모델링되어 도시된 바와 같은 외부 물체를 형성한다. 일반적으로, 이것은 자체 공진 주파수 및 시프트를 변경할 것이고, 또는 보상되지 않으면 Q 팩터를 열화시킬 것이다. 일 실시형태에서, 여기서 개시된 임의의 상이한 튜닝 엘리먼트와 같은 튜닝 엘리먼트가 또한 포함되어, 안테나의 Q 에 대한 외부 물체의 효과를 보상할 수 있다

환경의 효과를 감소시키기 위해, 다양한 측정이 행해질 수 있다. 먼저, Q 팩터를 고려한다.

이것은, 3 개의 변수 및 2 개의 수식이어서, 공진기 설계에 대해 1 의 자유도를 남긴다.

낮은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율을 갖는 공진기는, 유전체 손실이 지배적인 환경에서 더 안정적인 경향이 있다. 반대로, 높은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율의 공진기는, 와전류 손실이 지배적인 환경에서 더 안정적인 경향이 있다. 대부분, 유전체 손실이 지배적이고, 따라서, 대부분 낮은 L/C 비율을 갖는 것이 양호하다.

도 11a 는, 높은 L/C 비율의 공진 회로에 대한 등가 회로가 도 11b 에 도시되어 있는 공진기를 도시한다. 이 공진기는 다음과 같이 기술될 수 있다:

손실있는 유전체로부터 강한 영향이 존재함을 유의한다.

도 11c 는 적은 권선수를 가져서, 낮은 L/C 비율을 갖는 루프 공진기를 도시한다. 도 11d 는, 유전체로부터의 감소된 효과가 있는 것을 도시한다.

손실있는 유전체를 갖는 환경에 대한 예시적인 공진기는, 13.56 MHz 플러스 7 의 권선수를 이용하는 커플링 루프, 17 cm 의 코일 직경을 갖는 6 mm 은 도금 구리 와이어 및 10 pF 의 공기 커패시터를 포함할 수 있다. 반대로, 이 주파수에 대한 낮은 L/C 비율의 공진기는 커플링 루프 없이, 3 cm 의 은 도금 구리 튜브, 40 cm 직경의 루프 및 200 pF 의 고전압 진공 커패시터를 이용하여 동작할 수 있다.

낮은 L/C 공진 안테나에 대해, 진공 커패시터는 현저한 이점을 제공할 수도 있다. 이것은, 수 나노패럿의 커패시턴스 값에서 이용될 수도 있고, 매우 낮은 직렬 저항으로 5000 보다 큰 Q 값을 제공할 수도 있다. 또한, 이 커패시터는 RF 전압을 수 킬로볼트까지, RF 전류를 100 A 까지 유지할 수 있다.

전술한 바로부터, 예를 들어, 다중 권선의 루프와 같은 높은 L/C 비율의 공진기 안테나는 손실있는 유전체에 대해 더 민감하다. 예를 들어, 단일 권선의 루프와 같은 낮은 L/C 비율의 공진기 안테나는 손실있는 도체 또는 강자기 환경에 더 민감하다. 그러나, 전술한 안테나의 Q 팩터는 1500 과 2600 사이에서 변화할 수도 있다. 직경이 40 cm 인 단일 권선의 송신 루프는 2000 보다 큰 Q 값을 가질 수도 있다.

무선 전력은 도 12a 내지 도 12c 에 도시된 바와 같은 다수의 상이한 방식으로 휴대용 디바이스에 통합될 수도 있다. 도 12a 는, 부도체 하우징 (120) 이, 케이스의 주변을 둘러싸고 그 주변에 접촉된 루프 안테나 (1205) 를 가질 수도 있는 것을 도시한다. 하우징은, 안테나를 방해하지 않고 배터리를 삽입 및 제거할 수 있는 개구부를 가질 수도 있다. 도 12b 는, 갭 (1221) 에 의해 케이스 자체로부터 분리된 피기백된 절연체 (1222) 가 존재하는 금속 케이스 (1220) 를 도시한다. 안테나 코일 (1224) 은 절연체 (1222) 상에 형성되어 있다. 안테나에 의해 발생된 자기장 (1226) 은 탈출을 위해 갭 (1221) 을 통과한다.

도 12c 는, 금속 케이스 (1240) 가 그 케이스로부터 회전, 슬라이딩 또는 폴딩되는 전개가능한 루프 안테나를 갖는 클램쉘을 이용할 수도 있는 방법을 도시한다.

도 13a 및 도 13b 는, 와전류 효과를 최소화하는 방법으로 케이스에 통합되는 다중 권선의 루프 안테나를 도시한다. 도 13a 에 도시된 금속 케이스 (1300) 는 높은 투자율의 페라이트 시트 (1305) 로 커버될 수도 있다. 루프 안테나 (1310) 는, 도 13a 의 단면도에 도시된 바와 같이 페라이트 시트 (1305) 상에서 직접 수행될 수 있다. 이것은, 페라이트 재료가 현저한 이점을 제공하는 낮은 주파수에서 더 효과적일 수도 있다.

도 13b 는 금속 케이스 내의 높은 투자율의 페라이트 막대 및 그 페라이트 막대를 중심으로 권취된 코일을 이용하는 것을 도시한다. 개방된 슬롯 또는 슬롯된 영역 (1360) 은, 이를 통해 자기장이 수신되는 영역을 제공할 수도 있다.

특정한 수신기 위치에서 특정한 자기장 강도가 주어지면, 동작 주파수에서, 수신 전력은:

로서 표현될 수도 있고, 여기서,

이 수식에 따르면, N 의 값, 즉 권선수는 분자 및 분모 모두에 나타난다 (분자에는 제곱 항으로 나타남).

또한, 전력은 권취의 단면적인 A_w 에 반비례한다. 단면적을 증가시키는 것은 전력 수율을 개선할 수도 있다. 그러나, 이것은, 실제 통합에서 너무 무겁고 거대해질 수도 있다.

값 δ 는 와이어 재료의 전기 전도율을 나타낸다. 이 값을 증가시키는 것은 0.5 내지 1 의 범위인 지수 K 에 의해 δ^K 에 비례하여 전력 수율을 증가시킬 수도 있다. 구리 및 은은 최상의 도전체이고, 은은 구리보다 훨씬 고가이다. 실온의 초전도성이 이 값을 개선할 수 있다.

R_A 는 물리적 또는 등가 반경이다. 그러나, 물리적 반경은, 안테나가 통합될 디바이스의 폼 팩터에 의해 제한된다. 이 타입의 와이어 루프의 등가 반경은, 교번하는 자기 플럭스를 국부적으로 증가시켜 와이어 루프 내의 전동력을 발생시키는 재료 또는 디바이스를 이용하여 증가될 수도 있다. 이 등가 반경을 증가시키는 것은, 수신된 전력이 이 반경의 4 제곱에 비례하기 때문에 매우 효과적인 안테나 파라미터일 수도 있다. 또한, 이 등가 반경을 증가시키는 것은 Q 팩터를 R² 만큼 증가시킨다. 이것은 2 배의 이득을 제공한다.

일 실시형태는, 실제 반경을 증가시키지 않고 와이어 루프 안테나의 등가 반경을 증가시키는 것을 개시한다. 제 1 기술은 페라이트와 같이 강자기 특성을 갖는 재료를 이용한다. 또한, 페라이트의 회전 자기 효과를 이용할 수 있다. 또한, 이를 위해 마그네토 MEMS 시스템을 이용할 수 있다. 이 기술들 각각을 별도로 설명한다.

강자기 특성 (0 보다 큰 감응성 (susceptibility) χ_m) 을 갖는 재료는 코일 내에서 자기 플럭스 밀도를 증폭시킬 수 있다.

여기서, M 은 재료의 자기화도이고, μ_r 은 재료의 상대 투자율이다. 본질적으로 강자기 재료는 기존의 플럭스에 추가적인 자기 플럭스를 추가한다. 이 추가적 플럭스는, 재료의 내부에 있는 미세 마그넷 또는 자기 다이폴로부터 발생한다.

자기 다이폴 모멘트는 원자 내의 전자 스핀 및 오피탈 각 모멘텀으로부터 유발된다. 모멘트는 주로, 부분적으로 채워진 전자 껍질 및 손상되지 않은/보상되지 않은 스핀을 갖는 원자로부터 유발된다. 이 원자들은 유용한 자기 다이폴 모멘트를 나타낼 수도 있다.

외부 자기장이 인가되는 경우, 격자 도메인 내에서 구성되는 자기 다이폴은 외부 필드에 따라 정렬된다. 도 14 참조. 더 높은 자기장은 더 많은 바이스 (Weiss) 도메인이 자기장에 따라 정렬되게 한다. 모든 이러한 도메인이 완전하게 정렬되면, 결과로 얻어진 자기 플럭스는 더 이상 증가될 수 없다. 이 정렬을 포화되었다고 한다.

페라이트 재료는 통상적으로 인가된 자기장, 즉, H 필드와 결과로 얻어진 B 필드 사이에 히스테리시스 효과를 나타낸다. B 필드는 H 필드 뒤에 래그된다. 페라이트 막대를 중심으로 권취된 유도 코일에서, 이 효과는, 인덕터에 대한 AC 전류와 AC 전압 사이에 90 도가 아닌 위상 시프트를 유발한다. 로우-H 필드 강도에서는, 히스테리시스 효과가 감소되어 손실을 감소시킨다.

페라이트 막대의 플럭스 증폭 효과는, 이용된 페라이트 재료의 상대 투자율 (μ_r) 및 예를 들어, 직경 대 길이 비율과 같은 막대의 폼 팩터 모두에 의존한다. 페라이트 막대 및 코일 안테나의 효과는, 통상적으로 μ_r 보다 훨씬 작은 등가적 상대 투자율 μ_e 에 의해 기술될 수도 있다. 무한대인 직경 대 길이 비율에 대해 μ_e 는 μ_r 에 근접한다. 페라이트 막대의 효과는

만큼의 안테나 코일 반경의 증가에 대응한다. 1 MHz 미만의 주파수 및 비율에서 페라이트에 의한 등가 반경의 증가는 3 내지 4 차 정도일 것이다. 그러나, 물리적 사이즈 제한에 따라, 전력 수율이

에 따라 증가함을 고려하면, 페라이트 막대의 이용은 이점이 있을 수도 있다.

도 15 는, 페라이트 막대가 물리적 반경 R_A 를 물리적 반경보다 큰 등가 반경 R_A,e 까지 증가시킬 수 있는 방법을 도시한다. 본질적으로, 와이어 루프 안테나에서 페라이트의 이용은 자기 플럭스를 팩터 μ_e 만큼 증폭시키고, 이것은, 코일 반경을 팩터 sqrt(μ_e) 만큼 증가시키는 것과 동등하다.

코일 반경이 작지 않으면, 페라이트는 μ_e 를 증가시키기 위해 비교적 길 필요가 있을 수도 있다. 페라이트 안테나는 자기 플럭스를 막대 내부로 집중시키고, 이것은 또한 환경에 대한 민감도를 낮출 수도 있다.

페라이트와 같은 특정한 재료의 회전 자기 효과는 또한 자기 플럭스를 증가시키는데 이용될 수 있다. 정적 자기장이 강자기 재료를 포화시키도록 인가되면, 원자의 자기 다이폴 이동은 그 정적 자기장의 방향에 의해 정의된 축을 중심으로 세차를 수행한다. 이것은,

의 각주파수를 갖고, 여기서, 회전 자기 비율은

이고, m 은 자기 다이폴 모멘트의 크기이고, J 는 각 모멘텀의 크기이다.

도 16 은 전류 루프 및 필드를 도시한다. 재료에 인가된 교번하는 자기장은 전자 전류 스핀 루프를 유발할 수 있다.

상대 투자율은 복소 텐서,

로서 기술될 수 있고, 이것은 ω₀ 에서 공진을 나타낸다. 이 회전 자기 공진 효과는, 10,000 만큼 매우 큰 Q 팩터를 갖는 공진기를 형성할 수 있다.

이 회전 자기 재료와 유사한 특성은 MEMS 를 이용하여 형성된 자기기계 시스템에 의해 재생성될 수 있다. 이 시스템은 더 낮은 주파수에서 회전 자기의 높은 Q 공진 효과를 모방하는 잠재력을 가질 수도 있다. 2 개의 상이한 타입의 MEMS 디바이스, 즉, 컴파스 타입의 MEMS 및 토션 타입의 MEMS 가 이용될 수 있다. 컴파스 타입의 MEMS 는, 정적 자기장 H0 를 인가함으로써 포화되는 마이크로-마그넷으로 형성된 매체를 이용한다. 이 시스템은 자기화도 및 마이크로-마그넷의 관성 모멘트에 의해 정의된 특성 주파수에서 공진을 나타낸다.

유사하게, 토션 타입의 MEMS 는, 토션 빔을 따라 이동할 수 있는 마이크로-마그넷으로 형성된다. 이 시스템은 관성 모멘트 및 자기화도뿐만 아니라 스프링 상수에 기초하여 강자기 공진을 나타낸다.

도 17 은 토션 타입의 자기-기계 시스템의 기본 원리를 도시한다. 전력 송신의 관점에서, 이 MEMS 디바이스는, 자기 플럭스, 하이 Q 공진기, 및/또는 송신기에 의해 원격으로 구동되는 발전기를 강조한 페라이트로서 동작할 수도 있다. 발전기 수신기는 원격 위치에서 전기 에너지를 자기 에너지, 운동 에너지 그리고 다시 전기 에너지로 변환할 수도 있다.

도면은, 바 형태의 기계 자기 오실레이터를 도시하지만, 실시형태는 이동성을 개선하기 위해 디스크형 또는 구형 재료를 이용할 수도 있다.

자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 또 다른 가능한 방법은, 리버스 일렉트로스트릭션으로 고려될 수 있는 결합된 마그네토스트릭션 (magnetostriction) 및 피에조일렉트리서티 (piezoelectricity) 이다. 마그네토스트릭션은, 재료가 자기장에 영향받을 경우 재료의 형상이 변경되는 것이다. 이 형상 변경은, 재료 내의 바이스 (Weiss) 도메인의 경계가 이동하는 경우 또는 그 도메인이 외부 필드를 통해 회전하는 경우 발생할 수 있다. 코발트 및 테페놀-D (Terfenol-D) 는 매우 높은 마그네토스트릭션을 갖는다. 스트레인과 인가된 자기장 강도 사이의 관계는 비선형이 된다.

수 센티미터의 길이를 갖는 마그네토스트릭티브 재료의 리본은, 예를 들어, 약 100 kHz 의 저주파수 범위에서 피에조 크리스탈 및 석영과 유사한 공진을 나타낸다. 이 효과는 또한 수동 RFID 시스템에 이용되어, RFID 코일에 의해 검출될 수 있는 공진을 유발한다. 도 18 은 마그네토스트릭티브 및 피에조일렉트릭 재료를 이용하여, 낮은 자기장으로부터 전기 전력을 발생시키는 것을 도시한다.

오직 몇몇 실시형태만을 전술하였지만, 다른 실시형태들이 가능하고, 본 발명자는 이 실시형태들이 본 명세서에 포함되는 것으로 의도한다. 본 명세서는, 다른 방식으로 달성될 수도 있는 더 일반적인 목적을 달성하기 위해 특정한 실시예를 기술한다. 본 문헌은 예시적인 것으로 의도되며, 청구항은, 당업자에게 예측가능한 임의의 변형예 또는 대안예를 커버하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 다른 사이즈, 재료 및 연결관계가 이용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서는 와이어의 단일 루프로서 안테나의 커플링 부분이 도시되었지만, 이 커플링 부분은 다수의 와이어 루프를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 다른 실시형태들은 이 실시형태들과 유사한 원리를 이용할 수도 있고, 정전기 및/또는 일렉트로다이나믹 필드 커플링에도 동일하게 적용될 수 있다. 일반적으로, 주요 커플링 메커니즘으로서 자기장 대신에 전기장이 이용될 수 있다. 실시형태에서는 MEMS 가 기술되었지만, 더 일반적으로, 작은 피쳐를 생성할 수 있는 임의의 구조가 이용될 수 있다.

여기에 개시된 임의의 실시형태들은 임의의 다른 실시형태들과 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 12a 내지 도 12c 의 안테나 형성 실시형태는 플럭스 증폭 실시형태와 함께 이용될 수 있다.

또한, 본 발명자는, 오직 용어 "수단" 을 이용하는 청구항만이 35 USC 112 의 6 단락 하에서 해석되어야 하는 것으로 의도한다. 또한, 청구항에 명확하게 제한이 포함되어 있지 않으면, 본 명세서로부터의 어떠한 제한도 임의의 청구항에서 판독되지 않는 것으로 의도된다.

여기서 특정한 수치값이 언급된 경우, 그 값은 다른 몇몇 범위가 특정하게 언급되지 않는다면, 본 출원의 교시 내에서 20 % 만큼 증가 또는 감소될 수도 있음을 고려해야 한다. 특정한 논리적 측면이 이용되는 경우, 그와 반대되는 논리적 측면 또한 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

전력의 자기 송신 (magnetic transmission) 을 수신하는 시스템으로서,
인덕턴스를 형성하는 적어도 하나의 루프로 형성된 와이어를 갖고 커패시턴스를 갖는 와이어 루프 안테나로서, 제 1 의 특정 주파수의 자기장을 수신하기 위해 튜닝된 LC 값을 갖고, 전기 전력을 포함하는 상기 자기장의 수신에 기초하여 출력을 생성하는 상기 와이어 루프 안테나를 포함하고,
상기 와이어 루프 안테나는, 와이어 루프 안테나의 실제 반경을 증가시키지 않으면서 상기 와이어 루프 안테나의 와이어 루프 부분의 등가 반경을 증가시키는, 상기 와이어 루프 안테나와 연결된 제 1 전기 부분을 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 와이어 루프는 직사각형 루프인, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 직사각형 루프는 라운드형 에지를 갖는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전기 부분은, 상기 와이어 루프가 물리적 반경보다 더 큰 등가 반경을 갖는 것처럼 자기장이 형성되게 하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전기 부분은 페라이트 재료로 형성된 부분을 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전기 부분은, 기존의 플럭스에 추가적 자기 플럭스를 추가하는 재료로 형성된 부분을 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전기 부분은 플럭스 증폭 부분인, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 플럭스 증폭 부분은 상대 투자율을 갖고, 상기 상대 투자율의 제곱근만큼 플럭스 증폭이 증가되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 플럭스 증폭 부분은 막대를 포함하고, 플럭스 증폭의 양은 상기 막대의 길이에 관련되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
모바일 일렉트로닉스를 수용하도록 구성된 하우징을 더 포함하고,
상기 와이어 루프 안테나는 상기 하우징의 적어도 하나의 영역을 둘러싸도록 배향되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 출력을 전달하는, 무선 전력 회로로의 접속부를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 와이어 루프 안테나는 상기 하우징의 최외곽 주변부를 둘러싸는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 하우징은 금속 재료로 형성되고, 상기 와이어 루프 안테나는 상기 금속 재료로부터 분리되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 분리에 의해, 자기장이 탈출할 수 있는 사이즈의 갭이 형성되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 와이어 루프 안테나는 상기 하우징으로부터 분리가능하고, 상기 하우징에 대해 이동가능한, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 하우징에 커플링되고, 상기 하우징으로부터 분리된 상기 와이어 루프 안테나의 적어도 일부를 홀딩하는 페라이트 부분을 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 9 항에 있어서,
모바일 일렉트로닉스를 수용하도록 구성된 하우징을 더 포함하고,
상기 막대는 상기 하우징 내에 있고, 상기 와이어 루프 안테나는 상기 막대를 중심으로 권취되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
하우징 내에 적어도 하나의 개구부를 더 포함하여, 자기장이 상기 개구부를 통과하여 상기 막대와 상호작용할 수 있게 하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 18 항에 있어서,
상기 막대는 페라이트 재료로 형성되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 하우징 내에 슬롯을 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 하우징은 도전 재료로 형성되는, 전력의 자기 송신을 수신하는 시스템.
전력의 자기 송신을 수신하는 방법으로서,
자기장의 주파수로 공진하는 값으로 튜닝된 와이어 루프 안테나에 의해 형성된 LC 비율을 갖는 공진기를 이용하는 단계로서, 상기 공진기는, 인덕턴스를 형성하는 와이어 루프를 갖고 커패시턴스를 갖는, 상기 공진기를 이용하는 단계;
상기 자기장을 수신하고, 상기 자기장에 기초하여 사용가능한 전력을 생성하는 단계; 및
전기 전력을 포함하는 상기 자기장을 수신하는 것에 기초하여, 로드에 전력을 공급하기 위해 상기 로드에 상기 사용가능한 전력을 공급하는 단계를 포함하고,
상기 공진기를 이용하는 단계는, 와이어 루프 안테나의 실제 반경을 증가시키지 않으면서, 상기 와이어 루프 안테나의 와이어 루프 부분의 등가 반경을 증가시키는 단계를 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 와이어 루프는 직사각형 루프인, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 직사각형 루프는 라운드형 에지를 갖는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 증가시키는 단계는, 기존의 플럭스에 추가적 자기 플럭스를 추가하는 단계를 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 공진기에 의해 형성된 플럭스를 증폭시키는 단계를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 23 항에 있어서,
모바일 일렉트로닉스를 수용하도록 구성되는 하우징을 더 포함하고,
상기 하우징의 적어도 하나의 영역을 둘러싸도록 배향되는 상기 와이어 루프 안테나를 이용하는 단계를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 와이어 루프 안테나는 상기 하우징의 최외곽 주변부를 둘러싸는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 하우징은 금속 재료로 형성되고,
상기 금속 재료로부터 분리되는 상기 와이어 루프 안테나를 이용하는 단계를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 29 항에 있어서,
자기장 수신을 회피할 수 있도록, 상기 와이어 루프 안테나와 상기 금속 재료 사이의 갭을 이용하는 단계를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 와이어 루프 안테나는 상기 하우징으로부터 분리가능하고,
상기 와이어 루프 안테나가 상기 하우징에 대해 이동가능하게 이동시키는 단계를 더 포함하는, 전력의 자기 송신을 수신하는 방법.
자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템으로서,
유도 루프 및 커패시터 엘리먼트로 형성되는 공진기; 및
상기 공진기 상의 외부 물체의 효과를 보상하기 위한 제 1 보상 구조를 포함하는, 자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 안테나 시스템은 1500 보다 큰 Q 팩터를 갖는, 자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 안테나 시스템은 2000 보다 큰 Q 팩터를 갖는, 자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템.
제 34 항에 있어서,
상기 안테나 시스템은 단일 루프의 안테나인, 자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 유도 루프는 직사각형 형상을 갖는, 자기 전력 전송을 위한 안테나 시스템.
환경이 유전체 손실을 갖는지 와전류 손실을 갖는지 여부를 결정하는 단계;
상기 결정하는 단계에 기초하여, 와전류 손실이 지배적인 환경에 대해서는, 높은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율의 공진기로 공진기를 선택하는 단계;
상기 결정하는 단계에 기초하여, 유전체 손실이 지배적인 환경에 대해서는, 낮은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율의 공진기를 선택하는 단계; 및
자기 전력 송신으로부터 전기 전력을 회수하기 위해, 선택된 공진기를 시스템의 일부로서 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 낮은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율의 안테나는 2 보다 큰 권선수의 유도 루프를 갖는, 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 높은 인덕턴스 대 커패시턴스 비율의 안테나는 2 이하의 권선수의 유도 루프를 갖는, 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 안테나는 1500 보다 큰 Q 를 갖는, 방법.
무선 전력을 수신하는 시스템으로서,
모바일 일렉트로닉스를 수용하도록 구성된 하우징;
상기 하우징의 적어도 하나의 영역을 둘러싸도록 배향된 루프 안테나 부분; 및
무선 전력 회로로의 접속부를 포함하는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 41 항에 있어서,
상기 루프 안테나의 적어도 하나의 부분은 상기 하우징의 최외곽 주변부를 둘러싸는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 42 항에 있어서,
상기 하우징은 비금속 재료로 형성되고, 상기 루프 안테나는 상기 비금속 재료와 물리적으로 접촉되는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 41 항에 있어서,
상기 하우징은 금속 재료로 형성되고, 상기 루프 안테나는 상기 금속 재료로부터 분리되는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 44 항에 있어서,
상기 분리에 의해, 자기 전류가 탈출할 수 있는 사이즈의 갭이 형성되는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 41 항에 있어서,
상기 루프 안테나는 상기 하우징으로부터 분리가능하고 상기 하우징에 대해 이동가능한, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 41 항에 있어서,
상기 하우징에 커플링되고, 상기 루프 안테나의 적어도 일부를 홀딩하는 페라이트 부분을 더 포함하는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
무선 전력을 수신하는 시스템으로서,
모바일 일렉트로닉스를 수용하도록 구성된 하우징;
상기 하우징의 적어도 제 1 측으로부터 상기 하우징을 통해 상기 하우징의 제 2 측으로 연장되는 코일의 권취부;
상기 권취부를 중심으로 권취된 코일; 및
자기장이 상기 권취부와 상호작용할 수 있게 하는 적어도 하나의 개구부 및 상기 하우징을 포함하는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 48 항에 있어서,
상기 권취부는 페라이트 재료로 형성되는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 48 항에 있어서,
상기 하우징 내에 슬롯을 더 포함하는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 48 항에 있어서,
상기 하우징은 도전 재료로 형성되는, 무선 전력을 수신하는 시스템.
제 48 항에 있어서,
상기 권취부는 원통형 형태인, 무선 전력을 수신하는 시스템.
기계적 스트레인을 전기 에너지로 변환하는 제 1 재료의 제 1 층;
상기 제 1 층과 기계적으로 접촉되며, 인가된 자기장에 민감하고 상기 인가된 자기장에 의해 위치에서의 변경이 유발되는 제 2 재료로 형성되는 제 2 층; 및
상기 제 1 층으로부터 상기 전기 에너지를 수신하도록 접속되는 출력 단자를 포함하는, 시스템.
제 53 항에 있어서,
상기 제 2 층은 전기 전도성의 마그네토스트릭티브 (magnetostrictive) 재료인, 시스템.
제 53 항에 있어서,
상기 제 1 층은 피에조일렉트릭 (piezoelectric) 재료인, 시스템.
제 53 항에 있어서,
상기 출력 단자는 상기 제 2 층에 직접 접속되는, 시스템.
제 56 항에 있어서,
상기 제 1 재료로 형성된 제 3 층이 존재하고, 상기 제 2 층은 상기 제 1 층과 상기 제 3 층 사이에 개재되고, 상기 제 1 재료는 전기 전도성이고, 상기 출력 단자는 상기 제 1 재료의 상기 제 1 층과 상기 제 3 층 사이에 접속되는, 시스템.
제 57 항에 있어서,
상기 제 1 재료는, 변화하는 자기장이 제 2 부분을 압박하도록 배열되는, 시스템.