KR20180004296A

KR20180004296A - 로컬 컴퓨팅 환경 내의 무선 전력 이용

Info

Publication number: KR20180004296A
Application number: KR1020177037334A
Authority: KR
Inventors: 피터 엠. 아놀드; 브렛 씨. 빌브레이; 마이클 컬버트; 리차드 더블유. 드발; 데이비드 아이. 사이몬; 무쉬타크 사와르
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2018-01-10
Also published as: CN202565038U; CN202997711U; TWI461720B; US20140054974A1; AU2011332142A1; EP2643916B1; CN102570629A; AU2011332142B2; TW201241462A; KR20140098262A; WO2012071268A2; US20170366045A1; CN105162264A; US20130241308A1; US8598747B2; KR101480658B1; WO2012071268A3; EP2643916A2; CN102570629B; KR20130099181A

Abstract

무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경의 다양한 실시예들이 설명된다. 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경은 적어도 전력을 다수의 적절히 구성된 장치들 중 어느 하나에 무선으로 제공하도록 배열되는 근거리 자기 공명(NFMR) 전원을 포함한다. 기재된 실시예들에서, NFMR 전원으로부터 전력을 무선으로 수신하도록 배열되는 장치들은 NFMR 전원 송신 장치의 특유의 크기의 수배의 거리(D)보다 더 멀게 연장되지 않는 근접장으로서 알려진 영역에 위치되어야 한다. 전형적으로, 거리(D)는 대략 1 미터 정도일 수 있다.

Description

로컬 컴퓨팅 환경 내의 무선 전력 이용{WIRELESS POWER UTILIZATION IN A LOCAL COMPUTING ENVIRONMENT}

기재된 실시예들은 일반적으로 무선 충전에 관한 것으로, 특히 무선 전력 시스템들에 위치될 수 있는 수신기 장치에 전력을 할당하는 것과 관련되는 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.

에너지 또는 전력은 다양하게 공지된 방사(radiative), 또는 원거리장(far-field), 및 비방사, 또는 근접장(near-field) 기술들을 사용하여 무선으로 전송될 수 있다. 예를 들면, Karalis et al. 저 "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", Annals of Physics 323 (2008) pgs. 34 - 38 참조.

설명된 것은 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경 내의 주변 장치들 사이의 효율적 및 사용자 친화적 상호 작용에 대한 방법들, 시스템들, 및 장치이다.

본 서류는 무선 전원으로부터의 전력을 복수의 주변 장치들 중 어느 하나에 무선으로 제공하는 시스템, 방법, 및 장치에 관한 다양한 실시예들을 설명한다.

근거리 자기 공명(NFMR:near field magnetic resonance) 전원은 에너지를 근접장 거리(near field distance)(D) 내의 공진 회로(resonance circuit)들에 전송하기 위해 공진 채널을 사용하도록 배열되고, NFMR 전원의 최외각 범위를 정의하는 거리(D)가 설명된다. NFMR 전원은 적어도 고주파 직교 대역 내 전력을 제공하는 고주파(HF) 전력원, HF 전력원에 결합되는 고주파(HF) 전력을 제공하는 베이스 플레이트, 및 베이스 플레이트로부터 HF 전력을 수신하도록 배열되는 적어도 2개의 "D" 형상 공진기들을 포함한다. 적어도 2개의 D 형상 공진기들은 서로 위상이 180° 다르게 구동되어, 적어도 2개의 D 형상 공진기들에 의해 생성되는 자계들은 대칭 자계를 공진 주파수에서 제공한다.

기재된 실시예들의 일 양태에서, 대칭 자계는 원형 편광된다(circularly polarized). 적어도 2개의 축들에 대해 공간 대칭인 원형 편광 자계는 주변 장치와 NFMR 전원 사이의 공간 관계와 관계없이 주변 장치에서 대칭 전력 수신을 제공한다.

또 다른 양태에서, NFMR 전원의 공진 주파수는 예를 들어 압전 성형 기술(piezoelectric shaping technique)을 사용하여 NFMR의 적어도 하나의 공진기의 형상을 적어도 변경함으로써 임의의 주파수에 동적 동조가능(tunable)하다.

다른 실시예에서, 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경의 공진 주파수를 결정하는 방법이 개시된다. 기재된 실시예에서, 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경은 적어도 공진 채널을 통해 NFMR 전원의 유효 범위(D) 내에 위치되는 적어도 하나의 수신 유닛에 전력을 무선으로 제공하도록 배열되는 동적 동조가능 근거리 자기 공명(NFMR) 전원, 및 NFMR 전원과 적어도 하나의 수신 유닛 사이에 공진 채널과 별개인 통신 채널을 제공하는 통신 메커니즘을 포함한다.

방법은 적어도 이하의 동작들에 의해 수행될 수 있다: NFMR 전원에 의해 자계를 제1 주파수에서 제공하는 단계, NFMR 전원으로부터 공진 채널을 통해 수신 유닛에서 수신되는 무선 전력량의 표시를 통신 채널을 통해 수신하는 단계, 수신된 표시가 최대 전력 미만이면 NFMR 전원을 동적으로 동조함으로써 NFMR 전원의 제1 주파수를 제2 주파수로 갱신하는 단계, 그렇지 않으면, 공진 주파수를 제1 주파수로 설정하는 단계.

또 다른 실시예에서, 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경이 개시된다. 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경은 적어도 제1 대칭 자기 공진기 구조를 포함하는 근거리 자기 공명(NFMR) 전원 및 적어도 하나의 주변 장치를 포함한다. 주변 장치는 차례로 제1 대칭 공진기 구조에 따른 형상을 갖는 제2 대칭 자기 공진 구조를 포함한다. NFMR 전원은 제1 대칭 자기 공진 구조를 사용하여 대칭 자계 및 NFMR 전원과 적어도 하나의 주변 장치를 결합하는 공진 채널을 생성하고, 공진 채널은 제1 대칭 자기 공진기 구조 및 제2 자기 공진기 구조로부터 사용가능 에너지를 전송하기 위해 사용된다. 무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경은 또한 적어도 NFMR 전원과 통신하는 중앙 처리 유닛을 포함하고, 중앙 처리 유닛은 처리 자원들(processing resources)을 NFMR 전원에 제공한다.

본 발명의 다른 양태들 및 장점들은 예로서, 기재된 실시예들의 원리들을 예시하는 첨부 도면들과 함께 해석되는 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.

무선 전력공급되는 로컬 컴퓨팅 환경 내의 주변 장치들 사이의 효율적 및 사용자 친화적 상호 작용에 대한 방법들, 시스템들, 및 장치를 제공한다.

도 1은 전력 송신 유닛 및 타겟 전자 장치를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 예시하는 블록도이고, 전력은 자기파들(magnetic waves)을 이용하여 무선으로 전송된다.
도 2는 무선 전력 전송 시스템의 간략한 개략도를 도시한다.
도 3은 실시예에 따른 송신기의 간략한 블록도이다.
도 4는 예시적 실시예들에 사용되는 안테나가 "루프" 안테나로 구성될 수 있는 것을 도시한다.
도 5는 기재된 실시예들에 따른 원형 편광 자계를 이용하여 전력을 전송하도록 배열되는 무선 전력원을 도시한다.
도 6a - 도 6e는 기재된 실시예들에 따른 무선 시스템의 기본 구성을 예시한다.
도 7은 주변 장치가 무선 전원의 유효 범위(D) 내에서 키보드의 형태로 취하는 실시예를 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 기재된 실시예들에 따른 자기 그라운드 콤(magnetic ground comb)을 도시한다.
도 9는 기재된 실시예들에 따른 프로세스를 열거하는 흐름도를 도시한다.
도 10은 기재된 실시예들에 따른 대표적인 무선 로컬 컴퓨팅 환경을 도시한다.

본 발명에 따른 장치들 및 방법들의 예시적 응용들은 이 단락에서 설명된다. 이 예들은 오직 맥락을 추가하고 본 발명의 이해를 보조하기 위해 제공되고 있다. 따라서, 본 발명은 이 특정 상세의 일부 또는 전부 없이 실시될 수 있는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 공지된 프로세스 단계들은 본 발명의 불필요한 모호함을 회피하기 위해 상세히 설명되지 않았다. 다른 응용들이 가능하여, 이하의 예들은 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다.

이하의 것은 유용한 전력량을 무선 충전 환경 내의 장치들에 무선으로 제공하는 기술들 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 무선 충전 환경은 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 넷북 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등과 유사한 다양한 컴퓨팅 장치들을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 이동 동작을 위한 휴대용 전원을 포함하는 스마트폰(캘리포니아주 쿠퍼니노 소재의 애플 인크(Apple Inc.)에 의해 제조되는 아이폰™과 같음)과 같은 다양한 전자 장치들에 전력을 무선으로 제공하기 위해 무선 전원이 사용될 수 있다. 무선 전원에 의해 제공되는 전력은 전자 장치의 동작, 전자 장치 내의 휴대용 전원의 충전, 또는 그의 임의의 조합에 사용될 수 있다.

Karalis에 요약되어 있는 것과 같이, 효율적 무선 비방사 에너지 전송은 국부적인 슬로우 에버네센트(slowly-evanescent) 필드 패턴들이 공진 결합(resonant coupling)(즉, 2개의 동일한 주파수 공진 대상들은 다른 비공진(off-resonant) 환경 대상들과 약하게 상호 작용하면서, 결합하는 경향이 있음)의 공지된 원리를 사용하는 상태에서, 장수명 발진 공진 전자기 모드(oscillatory resonant electromagnetic mode)들을 사용하여 달성될 수 있다. 더 구체적으로, 및 특히, 공진 결합은 결합 메커니즘이 2개의 대상들의 비방사 근접장들의 중첩을 통해 개재되는 공진 에버네센트 결합이다. 에너지가 초근접장 내의(예를 들어 광 도파관 또는 공동 결합기들(cavity couplers) 및 공진 유도성 전기 변압기들 내의) 결합된 대상들 사이에 무선으로 효율적으로 송신될 수 있는 것이 공지되어 왔을지라도, 현재 기재된 실시예들에서, 에너지는 에너지 전송에 포함되는 양 물체들의 가장 큰 치수보다 수배 큰 중간 범위 거리들(이하 유효 거리(d)로 지칭됨)에 걸쳐 효율적으로 전송된다. 특히, 강한 결합을 설정함으로써, 적은 에너지는 다른 비공진 대상들에 소멸된다. 기재된 실시예들에서, 대상들 사이의 강한 결합은 식(1)에 따라 정의될 수 있다:

식(1)

여기서,

Γ_1,2는 대상들의 고유(흡수, 방사 등) 손실들로 인한 공진 폭들이고,

κ는 결합 계수이다.

그 결과, 효율적 에너지 전송은 에버네센트(비손실) 고정 근접장의 특징인 낮은(즉, 느린) 고유 손실율(Γ)에 대한 높은 Q = ω/2Γ의 공진 모들들을 필요로 한다. 더욱이, 강한(빠른) 결합율(κ)은 대상들의 특유의 크기들보다 큰 거리들에 걸쳐 요구되고, 따라서 유한 크기 공진 대상을 둘러싸는 공기에 대한 근접장의 범위는 전형적으로 파장에 의해 설정되므로, 중간 범위 비방사 결합은 부파장(sub-wavelength) 크기의 공진 대상들, 및 따라서 상당히 더 긴 에버네센트 필드-테일들(tails)을 사용하여 달성될 수 있다. 따라서, 근접장의 전방향이지만 고정(비손실) 본성은 이 메커니즘을 전자 장치들(휴대용 또는 고정), 컴퓨팅 시스템들 등과 같은 이동 무선 수신기들에 적합하게 한다.

따라서, 효율적 무선 전력 전송은 휴대용 응용들에 적절할 수 있다. 휴대성 요건으로서, 대부분의 휴대용 전자 장치들은 결합 배터리 공급에 의해 공급되는 전력으로 동작한다. 이 장치들 내의 전자 회로들에 의해 인출되는 전력량은 배터리 수명을 결정한다. 이것은 이 장치들의 사용, 배터리들을 재충전하는 사용에 즉각적인 제한을 도입하여 종종 장치들을 동작 조건들에 유지시킨다. 이 장치들의 동작 연속성을 위해, 사용자들은 종종 추가 배터리들을 휴대한다. 배터리 재충전 동작은 전형적으로 전기 공급의 가용성, 및 호환성 전력 소켓들의 가용성에 의존한다. 그러나, 이 의존성 및 불편을 제거하기 위해, 배터리들을 무선으로 충전하는데 적어도 부분적으로 사용될 수 있는 무선 전력 전송 시스템이 제공된다. 예를 들어, 설명된 무선 전력 전송 시스템은 자기 공진 장치(magnetic resonant apparatus)를 이용하는 전력 송신 유닛 및/또는 타겟 공진 주파수의 비방사 자계파들과 같은 다른 근접장 전력 전송 기술들을 제공하여, 근접해 있고 비방사 자계들로서 송신되는 전력을 수신할 수 있는 원격 장치들에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 방법으로, 무선 전력 전송 시스템은 배터리 재충전 동작들의 자동 개시를 제공할 수 있으며, 재충전은 현재의 동작들에 대한 중단 없이 발생할 수 있다.

본 실시예의 실시예들은 자기 전력을 사용하는 원격 전력원(스테이션)으로부터 배터리 전력 충전을 원 위치에서(in-situ) 처리한다. 배터리를 원격 장치들에서 재충전하는 이러한 접근법은 전력원과 재충전가능 배터리를 갖는 타겟 장치 사이의 상당히 긴 거리에 적용가능하다. 일부 실시예들에서, 무선 전력 전송은 타겟 장치와 공진 결합되는 전력원들 사이의 고주파 공진 자기 결합을 통해 수행되며, 타겟 장치는 그 내에 포함되는 휴대용 재충전가능 배터리로 동작하는 전자 장치이다. 일반적으로, 전력원 및 타겟 장치는 동일한 주파수에 동조된다. 이것은 전력 전송을 위한 매질로서 공기(또는 그 매터에 대해서는 진공)을 갖는 전력원에 의해 전력을 무선으로 송신하는 타겟 장치 내의 자기 공진을 야기한다.

일 실시예에 따르면, 전력 송신 유닛에 의해 발생되는 자계와 타겟 장치 사이의 자기 결합은 전력 전송을 가능하게 한다. 자계는 자기 발생 코일을 적절히 성형함으로써 타겟 장치를 향해 지향된다. 이 시스템은 변압기 원리로 동작하지만 에어 코일을 사용하여 및 더 큰 거리에 걸쳐 동작할 수 있다. 또한, 이 설정에서, 전력 전송은 타겟 장치와 전력원의 상대적 근접 및 전력 송신 유닛과 타겟 장치 사이의 공통 주파수의 사용으로 인해 RF 전자기 신호들을 사용하는 공진 전력 전송에 비해 상대적으로 중요하다. 예를 들어, 본 실시예의 시스템은 컴퓨팅 장치에 배치되는 하나 이상의 코일들을 사용할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 캘리포니아주 쿠퍼니노 소재의 애플 인크에 의해 각각 제조되는 맥북 프로™과 같은 휴대용 컴퓨터 또는 아이맥™ 데스크톱 컴퓨터와 유사한 데스크톱 컴퓨터의 형태를 취할 수 있다. 신중한 코일 배치에 더하여, 내부 구성 요소들을 지지하기 위해 사용되는 하우징과 같은 금속 구성 요소들은 공진기(들)의 역할을 하도록 구성될 수도 있다는 점이 주목되어야 한다.

예를 들어, 아이맥™ 데스크톱 컴퓨터의 알루미늄 하우징의 적어도 일부는 공진기로 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 아이폰™과 같은 작은 폼 팩터 전자 장치는 그의 적어도 일부가 금속으로 형성되는 하우징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아이폰4™에 구조적 지지를 제공하기 위해 사용되는 금속 밴드는 단일 루프 공진기로 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 금속 밴드는 어느 것이 필요하든, 전자 장치를 동작시키는 것 및 배터리를 충전하는 것 둘 다를 위해 전력을 무선으로 수신할 수 있다. 다른 예에서, 마우스와 같은 주변 장치의 금속 하우징은 마우스의 동작을 위한 전력을 제공하며 및/또는 마우스의 동작을 위한 전력을 저장하는데 사용되는 배터리들을 충전하기 위해 공진기로 사용될 수 있다. 전력원에 의해 생성되는 자기 신호들/자계들은 타겟 장치의 안테나/코일에 의해 수신될 수 있다. 수신된 신호들/자계들은 커패시터들을 다이오드들을 통해 타겟 장치에서 충전한다. 그러한 커패시터들의 어레이는 복수의 다이오드들을 사용하여 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 커패시터들 및 복수의 다이오드들의 어레이는 AC(alternating current) 대 DC(direct current)의 정류를 돕고 DC 전압을 타겟 장치 내의 배터리를 충전하는데 충분한 값으로 증폭할 수 있다.

본 실시예의 양태에 따르면, 공진 전력 무선 송신은 적어도 전력 송신 유닛 및 타겟 장치로부터 통신들을 지원한다. 이 통신들은 전력 충전 또는 다른 정보와 관련되는 정보를 포함할 수 있다. 전력 송신 유닛과 타겟 장치 사이의 강한 무선 결합 때문에, 고속 데이터율 통신들은 이 기술을 사용함으로써 지원될 수 있다. 타겟 장치로부터 전력 송신 유닛으로의 통신들에 대해, 동일한 원리가 이용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 타겟 장치로부터 전력 송신 유닛으로의 통신들은 무선 근거리 통신망(WLAN) 동작들, 예를 들어 IEEE 802.11x, 무선 개인 영역 네트워크 동작들(WPAN) 동작들, 예를 들어 블루투스, 적외선 통신들, 셀룰러 통신들 및/또는 다른 기술들과 같은 다른 무선 기술들에 의해 지원될 수 있다.

일 실시예에서, 무선 전력은 원형 편광 소스 공진기(circularly polarized source resonator)를 갖는 적어도 하나의 무선 전력원에 의해 제공될 수 있다. 적어도 하나의 무선 전력원은 고주파 직교 대역 내 전력 송신기(high frequency, orthogonal in-band power transmitter)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 무선 전력원은 고주파(HF) 전력을 제공하는 베이스 플레이트 및 적어도 2개의 "D" 형상 공진기들을 포함할 수 있다. 적어도 2개의 D 형상 공진기들은 서로 위상이 대략 180° 다르게 구동될 수 있다. 그러므로, 적어도 2개의 D 형상 공진기들에 의해 생성되는 자계들은 원형 편광 자계를 제공할 수 있다. 원형 편광 자계는 대응하는 형상의 베이스 및 공진기 안테나를 갖는 마우스와 같은 주변 장치와 상호 작용할 수 있다. 일 실시예에서, 주변 베이스는 무선 전력원으로부터 무선으로 전송되는 전력을 수신할 수 있는 전자 구성 요소들을 포함한다. 전자 구성 요소들은 무선 전원으로부터 충전 전류를 수신할 수 있는 배터리를 포함할 수 있다. 자계의 편광의 원형 본성으로 인해, 마우스와 무선 전원 사이의 공진 결합은 실질적으로 베이스 플레이트가 지지되는 표면 상에 마우스가 이동될 때 영향을 받지 않을 수 있다. 원형 편광 자계는 적어도 2개의 D 형상 자계들의 배향(orientation)을 수정하거나 타원 형상 자계의 축의 배향을 수정함으로써 "조종"될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 일 구현에서, 타겟 장치는 단일 배향 수신기의 형태를 취할 수 있다.

일 실시예에서, 주변 장치는 무선 전력원으로부터 나오는 원형 편광 자계와 상호 작용하는데 적절한 형상을 갖는 공진기를 형성하는 방법으로 성형될 수 있다. 예를 들어, 키보드는 지지 표면에 대해 인체 공학적으로 사용하기 편한 각도로 키보드를 지지하기 위해 사용되는 금속 스탠드를 가질 수 있다. 금속 스탠드는 적어도 2개의 D 형상 공진기들에 의해 형성되는 원형 편광 자계에 따른 형상을 가질 수 있다. 이러한 방법으로, 금속 스탠드는 무선 전력원으로부터 무선 전력 수신을 지원하기 위해 원형 편광 자계와 상호 작용할 수 있다.

다른 실시예에서, 무선 전원의 공진 주파수는 임의의 주파수에 동조 및 이조(de-tuned)될 수 있다. 공진 주파수의 동조는 적어도 하나의 공진기의 형상을 변경함으로써 동적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 공진기의 형상의 변경은 예를 들어 압전 성형 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공진기를 동조/이조하기 위해 기생 커패시턴스가 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 무선 전력 송신기는 기생 커패시턴스를 보상하기 위해 중심 공진 주파수를 변화시킬 수 있다. 공진기의 식별을 제공하기 위해 동적 동조가 사용될 수 있다. 예를 들어, 공진기가 이조될(또는 동조될) 때, 공진기와 연관되는 공진 임피던스는 전원 내의 프라이머리 공진기와 공진기 사이의 자기 회로로 제거될(또는 추가될) 것이다. 공진 임피던스의 변경은 전원에 의해 검출될 수 있고 따라서 임피던스의 변경과 연관되는 그 공진기는 나중의 사용을 위해 디덕션(deduced) 및 저장될 수 있다.

복수의 수신 장치들 사이에서 전력을 중재하기 위해 동적 동조가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 모드들이 계속하여 동조된 다음에 전력을 특정 주파수에서 수신하는 그의 장치들에 의해 얼마나 많은 전력이 수신되었지에 대한 확인을 요청하는 질의가 이어질 수 있다. 이러한 방법으로, 원래의 중심 주파수와 같지 않은 공진 모드들이 결정될 수 있다. 그러므로, 최대 전력은 결정된 공진 주파수 중 하나에서 전송될 수 있다. 이러한 방법으로, 가장 효율적인 전력 전송은 원래의 중심 주파수에서 발생할 수 있지만, 최대량의 전력이 공진 모드 주파수들 중 하나에서 전송될 수 있다. 공진 모드들은 예를 들어 백채널을 사용하여 특정 수신 장치를 무효화(null out)함으로써 결정될 수 있다. 이러한 방법으로, 무선 전력 송신기가 공진 모드 상에서 브로드캐스트하고 있을 때 무선 전력 송신기는 임피던스의 변경을 찾을 수 있다. 이러한 방법으로, 특정 주파수 대역을 통해 스위프함으로써, 다수의 공진 모드들이 결정될 수 있다. 일부 경우들에서, 연쇄 재공진기들(chained re-resonators)을 형성하기 위해 공진기들이 함께 결합될 수 있다.

다른 실시예에서, 전도성 재료는 도파관 및/또는 자속 집중기로 사용될 수 있다. 특히, 고주파 공진들을 예를 들어 부스팅 결합 계수(boosting coupling coefficient)(κ)에 의해 안내/집중시키기 위해 금속 표면들 및 구조들이 사용될 수 있다. 전도성 표면들(테이블 상단들, 컴퓨터 하우징 등과 같은)은 플럭스 집중기들뿐만 아니라 금속 하우징들로 사용될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 우선적으로 자속을 차단하고 우선적으로 다른 자속이 통과하는 것을 허용하기 위해 그라운드 콤(ground comb)이 사용될 수 있다. 그라운드 콤은 적어도 일부 자속이 틈 간격(interstitial spacing)을 통과하는 것을 허용하기 위해 이격되는 손가락들의 형태인 자기 활성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 적어도 제2 손가락 세트(set of fingers)는 애퍼처들의 형성을 위해 제1 손가락 세트를 가로질러 적용될 수 있다. 애퍼처들은 입사 자계의 단지 선택된 부분들 및 양들이 통과되는 것을 허용하고, 자계들의 나머지 부분들은 차단시킨다.

이들 및 다른 실시예들은 이하 도 1 - 도10을 참조하여 논의된다. 그러나, 당업자들은 이 도면들에 대해 본 명세서에서 주어지는 상세한 설명이 단지 설명을 위한 것이고 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다는 점을 용이하게 이해할 것이다.

도 1은 전력 송신 유닛(103)과 타겟 전자 장치(115)를 포함하는 무선 전력 전송 시스템(100)을 예시하는 블록도이며, 전력은 자기파들을 이용하여 무선으로 전송된다. 전기 전력을 하나 이상의 타겟 장치들에 전송하기 위해 전력 전송 시스템(101)이 사용되고, 타겟 장치들은 동작을 위해 또는 배터리의 재충전을 위해 또는 둘 다를 위해 전송된 전력을 사용한다. 전력 전송 시스템(101)은 전력 송신 유닛(103), 타겟 전자 장치(115), 및 송신되는 전력을 수신할 수 있는 다른 타겟 장치들을 포함한다. 전력 송신 유닛(103)은 전력 송신을 위한 전력을 발생시킬 수 있는 전력원(105) 및 지정된 타겟 공진 주파수의 비방사 자계파들과 같은 자기파들(111)을 이용하여 전력 송신을 할 수 있는 송신 공진 결합 구성 요소(131)를 포함한다. 그것은 또한 전원 관리자(107) 및 타겟 장치 인증자(109)를 포함한다. 전력 송신 유닛(103)은 전력 송신을 타겟 전자 장치(115)와 연관되는 타겟 공진 주파수로 동적으로 동조할 수 있고, 타겟 공진 주파수는 동적으로 지정된다. 전력 송신 유닛은 또한 통신 신호를 자기파들(111)을 통해 및/또는 무선 주파수(RF) 통신들(113)을 통해 타겟 전자 장치(115)에 송신하도록 동작가능한 통신 모듈(110)을 포함한다. RF 통신들(113)은 IEEE 802.11x 통신들과 같은 무선 근거리 통신망(WLAN) 통신들, 블루투스 통신들, 셀룰러 통신들, 사유 인터페이스 통신들과 같은 무선 개인 영역 네트워크(WPAN) 통신들, 또는 다른 RF 통신 기술들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(110)은 유선 통신 링크, 예를 들어 이더넷, 케이블 모뎀과 같은 근거리 통신망(LAN), 광역망(WAN) 및/또는 다른 유선 통신 수단을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 유선 통신 링크는 고속 업링크를 인터넷에 제공할 수 있다.

타겟 전자 장치(115)는 공진 전력 충전 모듈(117), 사용자 인증 모듈(121), 소스 공진 주파수 선택기(123), 통신 모듈(125), 및 타겟 장치 전력 관리자(127)를 포함한다. 공진 전력 충전 모듈(117)은 수신 공진 결합 구성 요소(141), 전력 충전 제어기(119), 및 재충전가능 배터리(129)를 포함한다. 또한 때때로 수신 공진 충전 구성 요소로 지칭되는 수신 공진 결합 구성 요소(141)는 타겟 공진 주파수를 이용하는 전력 송신 유닛(113)에 의해 제공되는 전력 송신들을 수신하기 위해 사용된다. 타겟 전자 장치(115)는 타겟 전자 장치(115)의 동작을 위해 뿐만 아니라 타겟 전자 장치(115) 내의 재충전가능 배터리(129)의 충전을 위해 수신된 전력을 이용한다. 전력 전송 시스템(101)은 전력을 타겟 전자 장치(115)와 같은 타겟 장치들에 전력을 전송하기 위해 이용되는 자계들을 생성하도록 전력 송신 유닛(103)의 송신 공진 결합 구성 요소(113)를 이용한다. 전형적으로, 송신 공진 결합 구성 요소(113)는 그 주위의 공간을 수신 공진 결합 구성 요소(141)를 이용하는 타겟 전자 장치(115)에 의해 수신되는 타겟 공진 주파수에서 발진하는 비방사 자계로 채우는 공진 코일을 포함한다. 타겟 장치는 또한 자기 결합을 통해 및/또는 RF 통신들을 통해 전력 송신 유닛(103)의 통신 모듈(110)과 통신하도록 동작가능한 통신 모듈(125)을 포함한다.

전력원(105)을 포함하는 전력 송신 유닛(103) 및 타겟 전자 장치(115)는 전력원(105)으로부터 타겟 전자 장치(115)로의 공진 전력 전송 동안 서로 통신가능하게 결합된다. 공진 결합은 '무선 필드'(111)를 사용하여 무선으로 달성되며, 무선 필드는 일부 실시예들에서 비방사 자계이다. '무선 필드'(111)는 전력 전송 채널이고 '무선 링크'(113)는 제어 신호 채널이다. 일 실시예에서, 전력 및 제어 신호의 통신은 동일한 주파수를 이용하여, 또는 다시 말하면 동일한 채널, 즉 무선 필드(111) 상에서 수행된다. 다른 실시예에서, 전력 링크(자계와 같은), 제어 신호, 및 정상 통신(즉 정상 기능) 동작은 별개의 채널들에서 발생한다. 예를 들어, 전력 송신 유닛(103)은 이동 전화의 기지국에서 구현되며, 이동 전화(기지국으로부터), 공진 전력 전송, 및 제어 신호 송신을 이용하는 정상 통신 동작들은 상이한 채널들을 이용하는 이동 전화(타겟 전자 장치와 같은)와 기지국 사이에서 모두 수행된다.

전력원(105)은 본질적으로 "무선 수단"(111)을 이용하는 비방사 자기 또는 방사 자기 모드에서 송신되는 요구 전력을 발생시키는 모듈이다. 전력원(105)은 그것을 송신하는 송신 공진 결합 구성 요소(131)에 전력을 제공하며, 예를 들어 비방사 자계를 생성한다. 전원 관리자(107)는 무선 전력 송신을 관리한다.

도 2는 도 1에 대해 설명되는 무선 전력 전송 시스템(100)의 다른 실시예(200)의 간략한 개략도를 도시한다. 무선 전력 시스템(200)은 적어도 차례로 발진기(oscillator)(222), 전력 증폭기(224) 및 필터 및 정합 회로(226)를 포함하는 송신기(204)를 포함할 수 있다. 발진기는 원하는 주파수를 발생시키도록 구성되며, 이 주파수는 조정 신호(223)에 응답하여 조정될 수 있다. 발진기 신호는 제어 신호(225)에 응답하는 증폭량을 갖는 전력 증폭기(224)에 의해 증폭될 수 있다. 필터 및 정합 회로(226)는 고조파 또는 다른 불필요한 주파수들을 필터링하고 송신기(204)의 임피던스를 송신 안테나(214)에 정합하기 위해 포함될 수 있다. 수신기(208)는 도 3에 도시된 바와 같이 배터리(236)를 충전하기 위해 출력되는 DC 전력을 발생시키거나 수신기(도시되지 않음)에 결합되는 장치에 전력을 공급하도록 정합 회로(232) 및 정류기 및 스위칭 회로(234)를 포함할 수 있다. 정합 회로(232)는 수신기(208)의 임피던스를 수신 안테나(218)에 정합하기 위해 포함될 수 있다. 수신기(208) 및 송신기(204)는 별도의 통신 채널(113)(예를 들어, 블루투스, 셀룰러, WiFi 등) 상에서 통신할 수 있다.

도 3에 예시된 바와 같이, 예시적 실시예들에 사용되는 안테나들은 "루프" 안테나(350)로서 구성될 수 있으며, 루프 안테나는 본 명세서에서 "자기" 안테나로 지칭될 수도 있다. 루프 안테나들은 에어 코어 또는 페라이트 코어와 같은 물리적 코어를 포함하도록 구성될 수 있다. 에어 코어 루프 안테나들은 코어에 근접하여 배치되는 관련없는 물리 장치들에 견딜 수 있다. 더욱이, 에어 코어 루프 안테나는 코어 영역 내의 다른 구성 요소의 배치를 허용한다. 송신기(204)와 수신기(208) 사이의 에너지의 효율적 전송은 송신기(204)와 수신기(208) 사이의 정합되거나 거의 정합된 공진 동안 발생한다. 그러나, 송신기(204)와 수신기(208) 사이의 공진이 정합되지 않을 때에도, 에너지는 저효율로 전송될 수 있다. 에너지의 전송은 송신 안테나로부터의 에너지를 자유 공간으로 전파하기 보다는 오히려, 송신 안테나의 근접장으로부터의 에너지를 근접장이 설정되는 이웃에 상주하는 수신 안테나에 결합함으로써 발생한다.

루프 또는 자기 안테나들의 공진 주파수는 인덕턴스 및 커패시턴스에 기초한다. 루프 안테나 내의 인덕턴스는 일반적으로 간단히 루프에 의해 생성되는 인덕턴스인 반면, 커패시턴스는 일반적으로 공진 구조를 바람직한 공진 주파수에서 생성하기 위해 루프 안테나의 인덕턴스에 추가된다. 비제한적 예로서, 커패시터(352) 및 커패시터(354)는 공진 신호(356)를 발생시키는 공진 회로를 생성하기 위해 안테나에 추가될 수 있다. 따라서, 더 큰 직경의 루프 안테나들에 대해, 공진을 유도하는데 필요한 커패시턴스의 크기는 루프의 직경 또는 인덕턴스가 증가함에 따라 감소한다. 더욱이, 루프 또는 자기 안테나의 직경이 증가함에 따라, 근접장의 효율적 에너지 전송 영역이 증가한다. 물론, 다른 공진 회로들이 가능하다. 다른 비제한적 예로서, 커패시터는 루프 안테나의 2개의 단자들 사이에 병렬로 배치될 수 있다. 게다가, 당업자들은 송신 안테나들에 대해 공진 신호(356)가 루프 안테나(350)에 대한 입력일 수 있는 것을 인식할 것이다.

도 4는 송신 회로(402) 및 연관된 송신 안테나(404)의 간략한 블록도이다. 일반적으로, 송신 회로(402)는 송신 안테나(404) 주위에의 근접장 에너지의 발생을 야기하는 발진 신호를 제공함으로써 RF 전력을 송신 안테나(404)에 제공한다. 예로서, 송신 회로(402)는 13.56 MHz ISM 대역에서 동작할 수 있다. 송신 회로(402)는 송신 회로(402)의 임피던스(예를 들어, 50 옴)를 송신 안테나(404)에 정합하는 고정 임피던스 정합 회로(406) 및 고조파 방출들을 수신기들(208)에 결합되는 장치들의 자체 방해(self-jamming)를 방지하는 레벨들로 감소시키도록 구성되는 저역 통과 필터(LPF)(408)를 포함한다. 다른 예시적 실시예들은 특정 주파수들을 감쇠시킴과 동시에 다른 것들을 통과시키는 노치 필터들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 상이한 필터 토폴로지들을 포함할 수 있고, 안테나로의 출력 전력 또는 전력 증폭기에 의해 인출되는 DC 전류와 같은 측정가능 송신 메트릭스(metrics)에 기초하여 변화될 수 있는 적응 임피던스 매칭을 포함할 수 있다. 송신 회로(402)는 발진기(412)에 의해 결정된 RF 신호를 구동하도록 구성되는 전력 증폭기(410)를 더 포함한다. 송신 회로는 별개의 장치들 또는 회로들로 구성될 수 있거나, 대안적으로 집적 어셈블리로 구성될 수 있다. 송신 안테나(404)로부터 출력되는 예시적 RF 전력은 대략 2.5 내지 8.0 와트일 수 있다.

송신 회로(402)는 특정 수신기들에 대해 송신 단계들(또는 듀티 사이클들) 동안 발진기(412)를 인에이블하고, 발진기의 주파수를 조정하며, 그의 부속 수신기들을 통해 이웃하는 장치들과 상호 작용하는 통신 프로토콜을 구현하기 위한 출력 전력 레벨을 조정하는 제어기(414)를 더 포함한다. 송신 회로(402)는 송신 안테나(404)에 의해 발생되는 근접장의 근처에서 활성 수신기들의 존재 또는 부재를 검출하는 부하 감지 회로(416)를 더 포함할 수 있다. 예로서, 부하 감지 회로(416)는 전력 증폭기(410)에 흐르는 전류를 감시하며, 전력 증폭기는 송신 안테나(404)에 의해 발생되는 근접장의 근처에서 활성 수신기들의 존재 또는 부재에 의해 영향을 받는다. 전력 증폭기(410) 상의 부하에 대한 변화의 검출은 발진기(412)가 활성 수신기와 통신하기 위해 에너지를 송신하는지를 판단하는데 사용되는 제어기(414)에 의해 감시된다.

송신 안테나(404)는 저항 손실들을 낮게 유지하기 위해 선택되는 두께, 폭 및 금속 타입을 갖는 안테나 스트립으로 구현될 수 있다. 종래의 구현에서, 송신 안테나(404)는 일반적으로 테이블, 매트, 램프와 같은 더 큰 구조 또는 다른 작은 휴대용 구성과 연관시키기 위해 구성될 수 있다. 따라서, 송신 안테나(404)는 일반적으로 실제 크기가 되기 위해 "턴들(turns)"을 필요로 하지 않을 것이다. 송신 안테나(404)의 예시적 구현은 "전기적으로 작을"(즉, 파장의 일부일) 수 있고 공진 주파수를 정의하기 위해 커패시터들을 사용함으로써 더 낮게 이용가능한 주파수들에서 공진하도록 동조될 수 있다. 송신 안테나(404)의 직경, 또는 측면 길이가 더 클 수 있는 예시적 응용에서, 정사각형 루프(예를 들어, 0.50 미터)가 수신 안테나와 관련되면, 송신 안테나(404)는 반드시 적정한 커패시턴스를 획득하기 위해 다수의 턴들을 요구하는 것은 아닐 것이다. 송신 회로(402)는 송신 회로(402)와 연관될 수 있는 수신기 장치들의 소재 및 상태들에 대한 정보를 수집 및 추적할 수 있다. 따라서, 송신 회로(402)는 제어기(414)(또한 본 명세서에서 프로세서로 지칭됨)에 연결되는 존재 검출기, 밀폐형 검출기, 또는 그의 조합을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 무선 전력은 원형 편광 소스 공진기를 갖는 적어도 하나의 무선 전력원에 의해 제공될 수 있다. 더 구체적으로, 도 5는 기재된 실시예들에 따른 원형 편광 자계를 이용하여 전력을 전송하도록 배열되는 무선 전력원(500)을 도시한다. 무선 전력원(500)은 전원(502)을 포함할 수 있다. 기재된 실시예에서, 전원(502)은 고주파(HF) 전력을 베이스 플레이트(504)에 공급할 수 있는 고주파 직교 대역 내 전력 송신기의 형태를 취할 수 있다. 베이스 플레이트(504)는 차례로 HF 전력을 "D" 형상 공진기들의 형태를 취할 수 있는 공진기들(506)에 제공한다. 이러한 방법으로, D 형상 공진기들(506) 각각은 베이스 플레이트(504)에 제공되는 HF 전력의 적어도 일부를 최종 자계(508)를 형성하기 위해 서로 결합될 수 있는 개별 구성 요소 자계들(B₁ 및 B₂)로 변환할 수 있는 원형 편광 자계 소스 공진기의 역할을 할 수 있다. 특히 유용한 구성에서, 적어도 2개의 D 형상 공진기들(506)은 최종 구성 요소 자계들(B₁ 및 B₂)이 또한 서로 위상이 180° 다르게 되도록 서로 위상이 약 180°도 다르게 베이스 플레이트(504)에 의해 구동될 수 있다. 2개의 위상이 다른 구성 요소 자계들(B₁ 및 B₂)의 결합은 원형 편광되는 최종 자계를 야기할 수 있다. 원형 편광 자계를 이용하여, 편광의 평면이 나선형 패턴으로 회전하여, 각 파장 동안 하나의 완전한 선회를 이룬다는 점이 주목되어야 한다. 이러한 방법으로, 원형 편광파는 수평 및 수직 평면들 및 모든 중간 평면들에 에너지를 방사한다. 회전이 전파의 방향에서 시계방향으로 보면, 의미는 RHC(right-hand-circular)로 칭해진다. 회전이 반시계방향이면, 의미는 LHC(left-hand circular)로 칭해진다. 이러한 방법으로, 최종 원형 편광 자계(508)는 모든 평면들에 전송될 수 있어, 이동 장치(컴퓨터 마우스와 같은)가 이동 장치 및 무선 전원(500)의 상대적 안테나 배향에 관계없이 신뢰성 있는 공진 링크를 설정할 수 있을 가능성이 더 많다.

도 6a 내지 도 6e는 기재된 실시예들에 따라 원형 편광 자계(508)를 방사하도록 배열되는 무선 전원(500)을 포함하는 무선 시스템(600)의 기본 구성을 예시한다. 특히, 도 6a는 공진 채널이 무선 전원(500)과 주변 장치(602) 사이에 형성될 수 있는 것을 도시한다. 주변 장치(602)는 무선 전원(500)의 유효 거리(d) 내의 임의의 위치로 이동될 수 있는 이동 장치로 구성될 수 있다. 유효 거리(d)는 유용한 전력량이 무선 전원(500)으로부터 주변 장치(602)에 의해 수신될 수 있는 무선 전원(500)으로부터의 거리를 나타낼 수 있다. 유효 거리(d)는 수 센티미터 내지 수 미터의 범위일 수 있다. 유효 거리(d)는 공진기들(504)의 크기 및 형상 및 주변 장치(602)에 포함되는 공진기들(604)의 크기 및 형상에 더하여 다수 요인들에 의해 영향을 받을 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 임의의 경우에, 이 논의의 나머지에 대한 추정은 항상 거리(d_max) 미만인 무선 전원(500)으로부터 현재의 거리를 유지함으로써 주변 장치(602)가 무선 전원(500)의 최대 거리(D)(즉, D = d_max) 내에 잔존하는 것이다. 최대 거리(D)는 미리 결정된 최소량의 전력(P_min)이 전원(500)으로부터 주변 장치(602)에 무선으로 수신될 수 있는 전원(500) 주위의 그 영역을 나타낸다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 전력(P_min)은 주변 장치(602)가 완전히 동작가능한 방법으로 동작하도록 주변 장치(602)에 전송될 수 있는 최소량의 전력을 나타내는 20 mW로 설정될 수 있다. 물론, 온보드 전원들(만약 있다면)의 전류 상태들에 따라, 전력(P_min)이 변화됨으로써 전원(500)의 유효 범위(D)를 변경할 수 있다.

최종 자계(508)는 무선 전원(500) 내의 공진기들(504)에 의해 발생되는 구성 요소 자계들(B₁ 및 B₂)을 결합함으로써 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 주변 장치(602)는 컴퓨터 마우스(602)의 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터 마우스(602)는 무선 전원(500)에 포함되는 공진기들(506)과 연관되는 형상 팩터를 각각 갖는 공진기들(604)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 공진기들(604)은 "D" 형상일 수도 있다. 이러한 방법으로, D 형상 공진기들(604)의 상호 작용은 가장 효율적 무선 전력 송신을 위해 최적화될 수 있다. 효율적 무선 전력 전송을 제공하는 것에 더하여, 최종 자계(508)의 원형 편광 특성은 컴퓨터 마우스(602)가 지지 표면 상의 또는 자유 공간 내의 임의의 공간 배향을 유지하고 여전히 무선 전원(500)과 컴퓨터 마우스(602)(아래에 도시된 바와 같은) 사이에 본질적으로 정전력 전송을 유지하는 것을 허용한다.

따라서, 도 6b는 베이스 부분(608)에 결합되는 하우징(606)을 예시하는 AA 선에 따른 주변 장치(602)의 단면을 도시한다. 특히, 하우징(606)은 베이스 부분(608) 내의 배터리(610) 및 동작가능 구성 요소들(612)에 전기적으로 결합되는 공진기들(604)을 둘러쌀 수 있다. 이러한 방법으로, 배터리(610) 및 동작가능 구성 요소들(612)은 공진기들(604)을 통해 무선 전원(500)으로부터 비교적 일정한 전력의 공급을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 배터리(610)는 전력이 무선 전원(500)으로부터 무선으로 수신될 수 있으므로 필요하지 않음으로써, 임의의 온보드 전원에 대한 필요를 제거한다는 점이 주목되어야 한다.

도 6c 내지 도 6e에서 알 수 있는 바와 같이, 자계(508)의 대칭은 전력이 주변 장치(602)의 배향에 관계없이 허용가능 레벨들로 주변 장치(602)에서 무선으로 수신될 수 있는 것을 제공한다. 예를 들어, 도 6c에 도시된 바와 같이, 마우스(602) 형태의 주변 장치(602)는 크기가 실질적으로 같고 서로에 대해 대략 직각인 공진기들(604)을 포함할 수 있다. 이러한 방법으로, 공진기들(604)의 기하학적 구조는 원형 편광 자계(508)의 특성에 동조될 수 있다. 원형 편광 자계(508)와 공진기들(604) 사이의 정합 대칭으로 인해, 전원(500)으로부터의 전력은 전원(500)(및 특히 공진기들(504))에 대해 컴퓨터 마우스(602)의 공간 배향에 관계없이 허용가능 레벨로 또는 허용가능 레벨 위로 수신될 수 있다. 도 6d에 더 예시된 바와 같이, 주변 장치(602)는 도 6c에 도시된 배향으로부터 대략 90도 회전되고 여전히 전원(500) 내의 공진기들(506) 및 컴퓨터 마우스(602) 내의 공진기들(604)에 대한 유리한 배향을 유지할 수 있다.

전원(500)에 의해 제공되는 자계는 실제로 도 6e에 예시된 바와 같이 타원 형상(원이 타원의 특별한 경우임)을 취할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 따라서, 주변 장치(602) 내의 공진기들(604)은 대응하는 타원 형상을 취함으로써 전원(500)으로부터 주변 장치(602)로 전송되는 전력량을 최적화할뿐만 아니라 전력 전송 효율을 최적화할 수도 있다. 원형 편광 자계(508)는 D 형상 공진기들(506)에 의해 발생되는 적어도 2개의 D 형상 자계들의 배향을 수정함으로써, 예를 들어 타원 형상 자계의 축들의 배향을 수정함으로써 "조종"될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 일 구현에서, 타겟 장치(이 표현에서 컴퓨터 마우스의 형태를 취함)는 하나보다 많은 공진기를 사용하는 것으로부터 달성될 수 있는 전력 전송율을 감소시키는 단일 배향 수신기만을 포함할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 이용가능 공간 또는 크기가 중요한 고려사항일 때 적절한 해결법일 수 있다는 점이 주목되어야 한다.

도 7은 주변 장치(602)가 무선 전원(500)의 최대 범위(D) 내에 키보드(700)의 형태를 취하는 실시예를 예시한다. 특히, 도 7은 키보드(700)의 구조의 부분으로서 통합되는 무선 전력 수신기 유닛(702)을 갖는 키보드(700)의 평면도를 도시한다. 예를 들어, 키보드(700)는 알루미늄과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 무선 전력 수신기 유닛(702)은 적어도 하나의 공진기(704)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 공진기(704)는 무선 전원(500) 내의 공진기(504)와 일치하는 D 형상 공진기의 형태를 취할 수 있다. 이러한 방법으로, 키보드(700)는 무선 전원(500)에 대한 키보드(700)의 배향에 관계없이 원형 편광 자계(508)를 통해 전력을 무선으로 수신할 수 있다. 그러나, 일부 상황들에서, 무선 전원(500)은 컴퓨팅 시스템(706)과 같은 다른 장치에 통합될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 이 상황에서, 컴퓨팅 시스템(706)에 대한 키보드(700)의 실제 공간 배향은 상당히 제한된다(컴퓨터 마우스의 형태와 다름). 그러므로, 공진기(704)는 적어도 키보드(700)의 완전한 동작에 충분한 전력량을 수신하는 것으로부터 키보드(700)의 능력에 상당한 악영향 없이 키보드(700)의 부분으로서 제작될 수 있는 단일 D 형상 공진기에 제한될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 도 8a에 도시된 그라운드 콤(800)은 선택적으로 일부 자속을 차단하고 우선적으로 다른 자속이 통과되는 것을 허용하기 위해 사용될 수 있다. 그라운드 콤(800)은 적어도 일부 자속(B)이 틈 간격을 통과하는 것을 허용하기 위해 이격되는 제1 손가락 세트(802)의 형태인 자기 활성 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 적어도 제2 손가락 세트(804)는 애퍼처들(806)의 형성을 위해 제1 손가락 세트(802)를 가로질러 적용될 수 있다. 애퍼처들(806)은 입사 자계(B_inc)의 선택된 부분 및 양만이 자계(B_out)로서 통과되는 것을 허용하도록 구성되고, 입사 자계(B_inc)의 나머지 부분들은 도 8b에 도시된 바와 같이 차단된다.

공진기들의 기하학적 구조를 변경함으로써, 무선 전원의 공진 주파수는 임의의 주파수로 동조되고 이조될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 일 실시예에서, 공진 주파수의 동조는 적어도 하나의 공진기의 형상을 변경함으로써 동적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 공진기의 형상의 변경은 예를 들어 압전 성형 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 공진기를 동조하거나/이조하기 위해 기생 커패시턴스가 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 무선 전력 송신기는 기생 커패시턴스를 보상하기 위해 중심 공진 주파수를 변화시킬 수 있다.

특히, 도 9는 기재된 실시예들에 따른 자기 전력 전송 시스템의 공진 주파수를 결정하는 프로세스(900)를 열거하는 흐름도를 도시한다. 프로세스(900)는 자계를 소정의 주파수에서 제공함으로써 902에서 시작할 수 있다. 기재된 실시예에서, 자계의 주파수는 자기 전력 전송 시스템의 구성 요소의 특유의 크기들에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 예를 들어, 자계 주파수를 결정하기 위해 전력 공진기뿐만 아니라 수신 공진기들 중 어느 하나의 특유의 크기가 사용될 수 있다. 특유의 크기에 더하여, 전송되는 전력량은 더 많은 전력이 더 높은 주파수를 요구할 수 있으므로 주파수에 영향을 미칠 수도 있다. 자계가 상기 주파수에 제공되어 왔으면, 수신기에서 무선으로 수신되는 전력량의 표시는 904에서 획득된다. 표시는 WiFi™, 블루투스 등과 같은 임의의 적절한 방법의 통신을 사용하는 통신 채널(때때로, 백채널로 지칭됨)을 사용하여 획득될 수 있다. 수신된 전력량의 표시가 획득되어 왔으면, 수신된 전력량이 최대 전력을 지시하면 판단이 906에서 이루어진다. 판단은 특정 시스템에 대한 최대 전력으로서 지정되어 왔던 미리 결정된 전력량에 기초할 수 있거나, 판단은 수신된 전력의 이전 표시들의 비교에 기초할 수 있다.

임의의 경우에, 수신된 전력량이 최대가 아닌 것으로 판단되면, 이 때 주파수는 908에서 갱신되고, 제어는 902로 다시 통과된다. 주파수의 갱신은 다수의 방법들로 달성될 수 있다. 예를 들어, 주파수는 공진기들의 기하학적 구조를 변경함으로써 갱신될 수 있다. 이러한 방법으로, 무선 전원의 공진 주파수는 임의의 주파수로 동조되고 이조될 수 있다. 일 실시예에서, 공진 주파수의 동조는 적어도 하나의 공진기의 형상을 변경함으로써 동적으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 공진기의 형상의 변경은 예를 들어 압전 성형 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 공진기를 동조/이조하기 위해 기생 커패시턴스가 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 무선 전력 송신기는 기생 커패시턴스를 보상하기 위해 중심 공진 주파수를 변경할 수 있다. 다른 한편, 수신된 전력이 최대인 것으로 판단되면, 910에서 주파수는 공진 주파수이고 프로세스(900)가 종료한다.

복수의 수신 장치들 사이에서 전력을 중재하기 위해 동적 동조가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 노드들이 계속하여 동조된 다음에 전력을 특정 주파수에서 수신하는 그의 장치들에 의해 얼마나 많은 전력이 수신되었는지에 대한 확인을 요청하는 질의가 이어진다. 이러한 방법으로, 원래의 중심 주파수와 같지 않은 공진 모드들이 결정될 수 있다. 그러므로, 최대 전력은 결정된 공진 주파수 중 하나에서 전송될 수 있다. 이러한 방법으로, 가장 효율적인 전력 전송은 원래의 중심 주파수에서 발생할 수 있지만, 그러나, 최대량의 전력이 다른 공진 모드 주파수들 중 하나에서 전송될 수 있다. 공진 모드들은 예를 들어 백채널을 사용하여 특정 수신 장치를 무효화함으로써 결정될 수 있다. 이러한 방법으로, 무선 전력 송신기가 공진 모드에서 브로드캐스트하고 있을 때 무선 전력 송신기는 임피던스의 변경을 찾을 수 있다. 이러한 방법으로, 특정 주파수 대역을 통해 스위프함으로써, 다수의 공진 모드들이 결정될 수 있다. 일부 경우들에서, 연쇄 재공진기들을 형성하기 위해 공진기들이 함께 결합될 수 있다.

도 10은 기재된 실시예들에 따른 대표적인 가상 충전 영역(1000)을 도시한다. 가상 충전 영역(1000)은 영역(R) 내에 배치되는 적절히 구성된 장치들에 대한 충전의 영역(R)을 제공한다. NFMR 전원은 데스크톱 컴퓨터와 같은 중앙 유닛에 배치될 수 있다. 이러한 방법으로, 데스크톱 컴퓨터는 NFMR 전원에 컴퓨팅 리소스들을 제공할 수 있다. 근거리 자기 공명(NFMR) 전원은 전력원의 공진들과 전력을 전송하는 싱크 사이에 형성되는 공진 채널을 통해 근접장 자기 결합에 의존하는 하이 Q 회로를 포함할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. NFMR 전원은 예를 들어 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등에 포함되는 것과 같은 독립형 유닛일 수 있다. 다른 실시예들에서, NFMR 전원은 데스크톱 컴퓨터와 같은 레거시 장치에 연결될 수 있는 동글과 같은 휴대용 타입 유닛의 형태를 취할 수 있음으로써 장치들을 새로 장착하는(retrofit) 능력을 제공한다. 또 다른 실시예들에 있어서, NFMR 전력원을 둘러싸기 위해 사용되는 하우징 또는 하우징의 일부는 NFMR 전원의 유용한 범위를 연장하는 역할을 할 수 있다.

이러한 방법으로, 적절히 구성된 주변 장치들은 NFMR 전원으로부터 직접 전력 공급될 수 있다. 그렇게 해서, 적절한 주파수에 동조될 때 주변 장치들은 NFMR 전원으로부터 전력을 무선으로 수신할 수 있다. 그렇게 해서, 적절히 동조된 주변 장치는 NFMR 전원을 포함할 수 있는 공진 회로의 일부 및 그렇게 동조된 임의의 다른 주변 장치들인 것으로 간주될 수 있다. 그러한 회로의 일부와 같이, 각 장치는 그것과 NFMR 전원에 의해 감지될 수 있는 대응하는 부하를 연관시켜 왔다. 이와 같이, 공진 회로는 공진 회로로부터 장치들의 추가 또는 삭제에 의해 변경될 수 있는 특유의 부하를 가질 수 있다. 예를 들어, 휴대용 미디어 플레이어와 같은 적절히 구성된 장치가 NFMR 전원의 범위 내에 있게 되면, 이 때 휴대용 미디어 플레이어와 연관되는 로드는 휴대용 미디어 플레이어가 적절히 동조될 때(및 동조되면) NFMR 전원에 의해 감지될 수 있다. 일부 경우들에서, NFMR 전원의 범위에 있게 되는 장치는 WiFi 또는 블루투스와 같은 표준 통신 프로토콜을 사용하여 그의 초기 존재를 통신할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 그러나, 공진 회로로 통합되면, 장치는 상세히 후술되는 통신 백채널을 사용할 수 있다. 따라서, 공진 회로의 특성 부하율의 임의의 변경은 예를 들어 전력 등을 분배함으로써 공진 회로 내의 다양한 장치들을 제어하기 위해 NFMR 전원에 의해 사용될 수 있는 정보를 전달할 수 있다.

일부 실시예들에서, 특정 주변 장치들은 NFMR 전원으로부터 직접 전력을 수신할 수 있는 재공진기 회로를 포함하도록 구성될 수 있다. 그러한 장치들은 수신된 전력의 일부를 다른 주변 장치들에 전송할 수도 있다. 가상 충전 영역(1000)은 NFMR 전원을 포함할 수 있는 중앙 유닛(1002)(데스크톱 컴퓨터), 키보드(1004), 마우스(1006), 및 휴대용 미디어 플레이어(1008)를 포함한다. 일 실시예에서, 키보드(1004)는 마우스(1006) 및 휴대용 미디어 플레이어(1008)가 할 수 있는 것처럼 데스크톱 컴퓨터(1002)에 포함되는 NFMR 전원으로부터 전력을 직접 수신하도록 구성될 수 있다.

일부 경우들에서, 전력을 마우스(1006)에 직접 제공하는 데스크톱 컴퓨터(1002)의 능력은 예를 들어 임의의 수의 요인들로 인하여 감소될 수 있다. 그러한 요인들은 예를 들어 NFMR 전원으로부터 전력을 요구하는 영역(R)으로 다른 장치들의 추가, NFMR과 마우스(1006) 사이에 형성되는 직접 전력 채널을 간섭하는 장애물들 등을 포함할 수 있다. 이 경우에, 키보드(1004)는 NFMR 전원으로부터 키보드(1004)에 전송되는 전력의 일부가 키보드(1004) 내의 재공진기 송신 유닛(도시되지 않음)에 의해 통과될 수 있도록 재공진기의 역할을 할 수 있다. 이러한 방법으로, 마우스(1006)에 의해 경험되는 임의의 전력 손실은 키보드(1004)로부터 수신되는 전력에 의해 개선될 수 있다. 이 장치는 마우스(1006)가 NFMR 전원으로부터 적절한 전력을 직접 수신할 수 없는 한 일시적이거나 지속될 수 있다. 다른 경우들에서, 영역(R) 내의 휴대용 미디어 플레이어(1008)의 위치는 키보드(1004) 및 마우스(1006)가 이용가능한 전력량을 감소시킬 수 있다. 이 경우에, 키보드(1006) 내의 배터리가 완전히 충전되면(또는 추가 충전이 필요하지 않으면), 이 때 키보드(1006)는 여전히 전력을 마우스(1006)에 제공하는 재공진기 회로를 유지하면서 충전 회로를 분리(decouple)할 수 있다.

전도성 재료(1012)는 도파관 및/또는 자속 집중기로서 사용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 특히, 예를 들어 부스팅 결합 계수(κ)에 의해 고주파 공진들을 안내/집중시키기 위해 금속 표면들 및 구조들이 사용될 수 있다. 전도성 표면(테이블 상단들, 컴퓨터 하우징 등과 같은)은 플럭스 집중기뿐만 아니라 금속 하우징들로 사용될 수 있다.

기재된 실시예들의 다양한 양태들, 실시예들, 구현들, 또는 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 기재된 실시예들의 다양한 양태들은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 기재된 실시예들은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체 상에 컴퓨터 판독가능 코드로서 구체화될 수도 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 시스템에 의해 후에 판독될 수 있는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 데이터 저장 장치로서 정의된다. 컴퓨터 판독가능 매체의 예들은 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, CD-ROM들, DVD들, 자기 테이프, 및 광 데이터 저장 장치들을 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 코드가 분산된 방법으로 저장되어 실행되도록 네트워크 결합된 컴퓨터 시스템들을 통해 분산될 수도 있다.

이전의 기재는, 설명을 위해, 기재된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 특정 명명법을 사용했다. 그러나, 특정 상세들은 기재된 실시예들을 실시하기 위해 필요하지 않다는 점이 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 명세서에 설명되는 특정 실시예들의 이전 기재들은 예시 및 설명을 위해 제공된다. 그들은 포괄적이거나 실시예들을 개시된 정확한 형태들에 제한하는 것을 목표로 하지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이 상기 교시들을 고려하여 가능한 것이 당업자에게 명백할 것이다.

기재된 실시예들의 장점들은 다수이다. 상이한 양태들, 실시예들, 또는 구현들은 이하의 장점들 중 하나 이상을 산출할 수 있다. 본 실시예들의 많은 특징들 및 장점들은 기재된 설명으로부터 명백하고, 따라서 본 발명의 모든 그러한 특징들 및 장점들을 커버하도록 첨부된 청구범위에 의해 의도된다. 게다가, 다수의 수정들 및 변화들은 당업자들에게 용이하게 떠오를 것이므로, 실시예들은 예시 및 기재된 바와 같이 정확한 구성 및 동작에 제한되지 않아야 한다. 그러므로, 모든 적절한 수정들 및 균등물들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 재분류될 수 있다.

1000: 가상 충전 영역
1002: 중앙 유닛
1004: 키보드
1006: 마우스
1008: 휴대용 미디어 플레이어
1012: 전도성 재료

Claims

외부 장치에 무선 전력을 공급하도록 구성된 전자 장치로서,
코일;
상기 코일에 결합된 송신 회로 - 상기 송신 회로는 무선 링크를 통해 상기 코일을 이용하여 상기 외부 장치에 상기 무선 전력을 공급하도록 구성됨 -;
상기 코일에 결합된 부하 감지 회로 - 상기 부하 감지 회로는 상기 코일에 인접한 상기 외부 장치의 존재를 나타내는 상기 코일의 부하에 있어서의 변화를 감지하도록 구성됨 -; 및
상기 부하 감지 회로에 결합된 제어기 - 상기 제어기는 상기 외부 장치로부터 무선 전력 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 감지된 상기 코일의 부하에 있어서의 변화 및 상기 수신된 무선 전력 정보에 기초하여 상기 송신 회로를 조정하도록 구성됨 -
를 포함하는 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 코일을 이용하여 상기 무선 링크를 통해 상기 외부 장치로부터 상기 무선 전력 정보를 수신하도록 구성된, 전자 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어기는 상기 외부 장치로부터 수신된 상기 무선 전력 정보에 기초하여 상기 송신 회로에 의해 공급되는 상기 무선 전력의 주파수를 조정하도록 구성된, 전자 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 코일의 부하에 있어서의 상기 변화를 감지하는 것에 응답하여, 상기 송신 회로를 인에이블하여 상기 외부 장치에 상기 무선 전력을 공급하게 하도록 구성된, 전자 장치.
제3항에 있어서,
상기 무선 전력 정보는 상기 송신 회로에 의해 공급되고 상기 외부 장치에서 수신된 상기 무선 전력의 양을 포함하는, 전자 장치.
제5항에 있어서, 상기 제어기는
상기 외부 장치에서 수신된 상기 무선 전력의 양을 임계값과 비교하고,
상기 외부 장치에서 수신된 상기 무선 전력의 양이 상기 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 상기 송신 회로에 의해 공급되는 상기 무선 전력의 상기 주파수를 조정하도록 구성된, 전자 장치.
제3항에 있어서,
상기 부하 감지 회로는 상기 코일과 연관된 전류를 감지하도록 구성된 전류 센서를 포함하고, 상기 제어기는 상기 감지된 전류에 기초하여 상기 송신 회로를 조정하도록 구성된, 전자 장치.
제7항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 감지된 전류에 있어서의 변화를 감지하는 것에 응답하여, 상기 송신 회로를 인에이블하여 상기 외부 장치로 상기 무선 전력을 공급하게 하도록 구성된, 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어기에 결합된 안테나를 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 송신 회로가 제1 주파수 채널에서 상기 무선 전력을 공급하게끔 제어하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 안테나를 이용하여 상기 제1 주파수 채널과 상이한 제2 주파수 채널에서 상기 외부 장치로부터 상기 무선 전력 정보를 수신하도록 구성되는, 전자 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 주파수 채널은 상기 제2 주파수 채널보다 낮은 주파수들을 포함하는, 전자 장치.
무선 링크를 통해 외부 장치에 무선 전력을 공급하도록 구성된 전자 장치로서,
코일;
상기 코일에 결합된 송신 회로;
상기 코일에 결합된 부하 감지 회로 - 상기 부하 감지 회로는 상기 코일에 인접한 상기 외부 장치의 존재를 나타내는 상기 코일의 부하에 있어서의 변화를 감지하도록 구성됨 -; 및
상기 부하 감지 회로에 결합된 제어기 - 상기 제어기는, 상기 부하 감지 회로를 이용하여 상기 코일의 부하에 있어서의 상기 변화를 감지하는 것에 응답하여, 상기 송신 회로를 인에이블하여 상기 무선 링크를 통해 상기 코일을 이용하여 상기 외부 장치로 상기 무선 전력을 송신하게 하도록 구성됨 -
를 포함하는 전자 장치.
제11항에 있어서,
상기 제어기는 상기 외부 장치로부터 무선 전력 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 수신된 무선 전력 정보에 기초하여 상기 송신 회로를 조정하도록 구성된, 전자 장치.
제12항에 있어서,
상기 제어기는 상기 코일을 이용하여 상기 무선 링크를 통해 상기 무선 전력 정보를 수신하도록 구성된, 전자 장치.
제12항에 있어서,
상기 제어기는 상기 외부 장치로부터 수신된 상기 무선 전력 정보에 기초하여 상기 송신 회로에 의해 송신되는 상기 무선 전력의 주파수를 조정하도록 구성된, 전자 장치.
제11항에 있어서,
상기 부하 감지 회로는 상기 송신 회로 내의 전류에 있어서의 변화를 감지하도록 구성된 전류 센서를 포함하고, 상기 제어기는 상기 송신 회로 내의 전류에 있어서의 변화를 감지하는 것에 응답하여 상기 송신 회로를 인에이블하여 상기 외부 장치로 상기 무선 전력을 송신하게 하도록 구성된, 전자 장치.
무선 전력 수신 장치로 무선 전력을 공급하도록 구성된 전자 장치로서,
무선 전력 송신 코일;
상기 무선 전력 송신 코일에 결합된 송신 회로 - 상기 송신 회로는 무선 링크를 통해 상기 무선 전력 송신 코일을 이용하여 상기 무선 전력 수신 장치로 상기 무선 전력을 송신하도록 구성됨 -;
상기 무선 전력 송신 코일에 결합된 전류 센서 - 상기 전류 센서는 상기 무선 전력 송신 코일에 인접한 상기 무선 전력 수신 장치의 존재와 연관된 상기 송신 회로 내의 전류에 있어서의 변화를 감지하도록 구성됨 -; 및
상기 전류 센서에 결합된 제어기 - 상기 제어기는 상기 무선 전력 수신 장치로부터 무선 전력 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 수신된 무선 전력 정보에 기초하여 상기 송신 회로에 의해 송신된 상기 무선 전력의 주파수를 조정하도록 구성됨 -
를 포함하는, 전자 장치.
제16항에 있어서,
상기 제어기는 상기 송신 회로 내의 전류에 있어서의 상기 변화를 감지하는 것에 응답하여 상기 송신 회로를 인에이블하도록 구성된, 전자 장치.
제17항에 있어서,
상기 제어기는 상기 무선 전력 송신 코일을 이용하여 상기 무선 링크를 통해 상기 무선 전력 정보를 수신하도록 구성된, 전자 장치.
제18항에 있어서,
상기 제어기에 결합된 안테나를 더 포함하고, 상기 안테나는 상기 무선 링크와 상이한 무선-주파수 링크를 통해 상기 무선 전력 수신 장치로 무선-주파수 신호들을 송신하도록 구성된, 전자 장치.
제19항에 있어서,
상기 전자 장치는 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터 및 태블릿 컴퓨터로 구성된 그룹으로부터 선택된 컴퓨터를 포함하는, 전자 장치.