(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠隔デバイスへ無線で電力を供給する誘導電源装置であって，
ある動作周波数の信号を発生する１次回路であって，前記信号のデューティサイクルを調整して前記動作周波数で前記遠隔デバイスへ転送される電力量を変化させることができる回路と，
前記１次回路と電気通信するタンク回路であって，前記遠隔デバイスへある量の電力を転送するために，前記１次回路が前記信号を印加するタンク回路と，
前記遠隔デバイスから帰還信号を受信するように構成された前記誘導電源装置と，
前記帰還信号に応答して，前記誘導電源装置と前記遠隔デバイスとの間の電力転送効率を最適化するために，前記信号の前記動作周波数を制御するように構成された前記１次回路と，
前記帰還信号に応答して，前記動作周波数で前記遠隔デバイスへ転送される前記電力量を制御するために前記信号の前記デューティサイクルを制御するように構成された前記１次回路と，
を備える誘導電源装置。
【請求項２】
前記１次回路は，前記信号の前記動作周波数を実質的に共振周波数に維持する請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項３】
前記１次回路は，実質的に共振周波数を維持するために前記動作周波数を連続的に調整し，前記遠隔デバイスへ転送される前記電力量としきい値との比較によって前記デューティサイクルを連続的に調整する請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項４】
前記１次回路は，バッテリ充電曲線及び前記遠隔デバイスの要求のうち少なくとも一つによって，前記信号の前記デューティサイクルを制御する請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項５】
前記１次回路は，
１次制御器と，
前記１次制御器と電気通信する駆動器回路と，
前記駆動器回路と電気通信するスイッチング回路と，
前記遠隔デバイスの反射インピーダンスを感知する感知器であって，前記タンク回路及び前記１次制御器と電気通信する感知器と，
を含む請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング回路は一対のスイッチを含み，
各スイッチは，前記デューティサイクル及び前記動作周波数でＯＮに切り替えられ，互いに位相がずれており，
前記１次制御器は，前記帰還信号に応答して前記スイッチそれぞれの前記動作周波数を制御し，
前記１次制御器は，前記帰還信号に応答して前記スイッチそれぞれの前記デューティサイクルを制御する，
請求項５に記載の誘導電源装置。
【請求項７】
前記１次制御器は，前記感知器からの入力によって，前記信号の前記動作周波数を制御する請求項５に記載の誘導電源装置。
【請求項８】
前記１次回路は，前記遠隔デバイスから前記帰還信号を受信する無線受信器を含む請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項９】
ある動作周波数の信号を発生し，前記信号のデューティサイクルを調整して前記動作周波数で転送される電力量を制御する１次回路と，
前記１次回路と電気通信するタンク回路であって，遠隔デバイスへある量の電力を転送するために，前記１次回路が前記信号を印加するタンク回路と，
を備える誘導電源装置であって，前記遠隔デバイスから帰還信号を受信するように構成された誘導電源装置と，
前記誘導電源装置から電力を受電するための，前記誘導電源装置とは別の前記遠隔デバイスであって，
前記誘導電磁界によって励起される２次コイルと，
前記２次回路と電気通信する負荷と，
前記２次回路と電気通信する感知器と，
前記感知器と電気通信する２次制御器と，
前記誘導電源装置へ前記帰還信号を送信するための，前記２次制御器と電気通信する通信デバイスと，
を含む遠隔デバイスと，
を備えた誘導電力供給システムであって，
前記１次回路は，前記帰還信号に応答して前記誘導電源装置と前記遠隔デバイスとの間の電力転送効率を最適化するために，前記信号の前記動作周波数を制御し，
前記１次回路は，前記帰還信号に応答して，前記動作周波数で前記遠隔デバイスへ転送される前記電力量を制御するために前記信号の前記デューティサイクルを制御する，
誘導電力供給システム。
【請求項１０】
前記１次回路は，前記信号の前記動作周波数を実質的に共振周波数に維持する請求項９に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１１】
前記１次回路は，実質的に共振周波数を維持するために前記動作周波数を連続的に調整し，前記遠隔デバイスへ転送された前記電力量としきい値との比較によって前記デューティサイクルを連続的に調整する請求項９に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１２】
前記１次回路は，バッテリ充電曲線及び前記遠隔デバイスによって前記誘導電源装置に伝送された要求のうち少なくとも一つによって，前記信号の前記デューティサイクルを制御する請求項９に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１３】
前記１次回路は，
１次制御器と，
前記１次制御器と電気通信する駆動器回路と，
前記駆動器回路と電気通信するスイッチング回路と，
前記遠隔デバイスの反射インピーダンスを感知する感知器であって，前記タンク回路及び前記１次制御器と電気通信する感知器と，
を含む請求項９に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１４】
前記スイッチング回路は一対のスイッチを含み，
各スイッチは前記デューティサイクル及び前記動作周波数でＯＮに切り替えられ，互いに位相がずれており，
前記帰還信号に応答して前記１次制御器が前記スイッチそれぞれの前記動作周波数を制御し，
前記帰還信号に応答して前記１次制御器が前記スイッチそれぞれの前記デューティサイクルを制御する，
請求項１３に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１５】
前記１次制御器は，前記感知器からの入力によって，前記信号の前記動作周波数を制御する請求項１３に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１６】
前記１次回路は無線受信器を含み，前記遠隔デバイスは無線送信器を含み，前記無線受信器は前記無線送信器から前記帰還信号を受信する請求項９に記載の誘導電力供給システム。
【請求項１７】
誘導電源装置から遠隔デバイスへ電力を転送する方法であって，
前記誘導電源装置において信号の初期動作周波数を設定するステップと，
前記誘導電源装置において前記信号の初期デューティサイクルを設定して初期電力レベルを設定するステップと，
前記誘導電源装置から遠隔デバイスへある量の電力を転送するために，タンク回路に前記信号を印加するステップと，
前記誘導電源装置において前記遠隔デバイスから帰還信号を受信するステップと，
前記帰還信号に応答して，前記誘導電源装置と前記遠隔デバイスとの間の電力転送効率を最適化するために，前記信号の動作周波数を調整するステップと，
前記帰還信号に応答して，前記遠隔デバイスへ転送される電力量を制御するために，前記信号のデューティサイクルを調整するステップと，
を有する方法。
【請求項１８】
前記のデューティサイクルを調整するステップは，
前記遠隔デバイスへ転送される電力がしきい値を超えたと判定されたとき，前記信号の前記デューティサイクルを減少させるステップと，
前記遠隔デバイスへ転送される電力がしきい値未満であると判定されたとき，前記信号の前記デューティサイクルを増加させるステップと，
を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記の初期動作周波数を設定するステップ及び前記動作周波数を調整するステップのうち少なくとも一つが，
周波数範囲を掃引するステップと，
動作周波数ごとに，前記遠隔デバイスへ転送される電力量を決定するステップと，
前記遠隔デバイスへ転送される電力量が，前記周波数範囲内のほかの周波数と比べて相対的に多い動作周波数を選択するステップと，
を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記の初期動作周波数を設定するステップ及び前記動作周波数を調整するステップのうち少なくとも一つが，
周波数範囲を掃引するステップと，
共振周波数に最も近い動作周波数を選択するステップと，
を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記動作周波数を調整する前記ステップは，実質的に共振周波数を維持するために前記動作周波数を連続的に調整するステップを含み，
前記デューティサイクルを調整する前記ステップは，前記遠隔デバイスへ転送される電力量としきい値との比較によって前記デューティサイクルを連続的に調整するステップを含む，請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記特性を調整する前記ステップは，バッテリ充電曲線及び前記遠隔デバイスの要求のうち少なくとも一つによって，前記デューティサイクルを調整するステップを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
遠隔デバイスのための誘導電源装置であって，
タンク回路と，
前記タンク回路と電気通信する１次回路であって，前記タンク回路に信号を印加するように構成された回路と，
前記遠隔デバイスから情報を受信するように構成された受信器であって，前記１次回路と電気通信する受信器と，
を備え，
前記１次回路は前記タンク回路から前記遠隔デバイスへの電力転送効率を最適化するために，前記情報によって電気信号の動作周波数を選択的に調整するように構成され，
前記１次回路は，前記動作周波数で前記遠隔デバイスへ転送される電力量を制御するために前記情報によって前記信号のデューティサイクルを選択的に調整するように構成され，
前記誘導電源装置は，デューティサイクル調整によって適切な電力レベルを維持しつつ，動作周波数調整によって電力転送効率を維持する誘導電源装置。
【請求項２４】
前記受信器は，前記タンク回路に電気的に接続され，前記タンク回路内の電流を示す信号を供給する電流感知器として更に規定される請求項２３に記載の誘導電源装置。
【請求項２５】
前記受信器は，通信受信器として更に規定される請求項２３に記載の誘導電源装置。
【請求項２６】
遠隔デバイスへ無線で電力を供給する方法であって，
誘導電源装置の十分近傍に遠隔デバイスを配置して，前記遠隔デバイスと前記誘導電源装置との間に誘導結合を確立させるステップと，
前記誘導電源装置において，タンク回路に複数の異なる動作周波数の信号を印加して，前記遠隔デバイスに無線で電力を転送するステップと，
前記遠隔デバイスにおいて，前記異なる動作周波数ごとに，前記誘導電源装置から無線で受電した電力の特性を別個に測定するステップと，
前記の別個の測定によって初期動作周波数を決定するステップと，
前記誘導電源装置において，前記初期動作周波数の信号を前記タンク回路に印加するステップと，
前記誘導電源装置において，前記遠隔デバイスから情報を受信するステップと，
前記情報に応答して，前記誘導電源装置と前記遠隔デバイスとの間の電力転送効率を最適化するために，前記信号の動作周波数を調整するステップと，
前記情報に応答して，前記遠隔デバイスに転送される電力量を制御するために前記信号のデューティサイクルを調整するステップと，
を有する方法。
【請求項２７】
前記の決定ステップは，
前記複数の異なる動作周波数ごとに電力転送効率を示す情報を記憶するステップと，
最大電力転送効率となる動作周波数を前記初期動作周波数に選択するステップと，
を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記の決定ステップは，
最大電力転送効率となる動作周波数を示す情報を記憶するステップと，
最大電力転送効率となる動作周波数を前記初期動作周波数に選択するステップと，
を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記のタンク回路に信号を印加するステップは，前記遠隔デバイスに過給電する危険性がないように十分低く選択された第１電力レベルの信号を印加するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記のタンク回路に信号を印加するステップは，前記遠隔デバイスに過給電する危険性がないように十分低く選択されたデューティサイクルの信号を印加するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記動作周波数を制御する第１制御器と，前記デューティサイクルを制御する第２制御器とを更に含む請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項３２】
複数の遠隔デバイスの動作パラメータに関係する情報を記憶するメモリを更に含む請求項１に記載の誘導電源装置。
【請求項３３】
前記情報は前記遠隔デバイスごとに，該遠隔デバイスの共振周波数と，最大動作周波数と，最小動作周波数と，現在の利用法と，最小デューティサイクルと，最大デューティサイクルと，無線通信プロトコルと，のうち少なくとも一つを含む，請求項３２に記載の誘導電源装置。
【請求項３４】
前記別個の測定に基づいて初期デューティサイクルを決定するステップを更に有する請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
前記遠隔デバイスが過給電されないように，初期デューティサイクルを２０％以下に選択するステップを更に有する請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は誘導電力に関し，より特定すれば無線で電力を供給するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，無線電力供給システムが，従来の有線電力供給システムに対するいくつかの利点のために多くの注目を集めている。より基本的なある無線電力供給システムは，特定のデバイスを充電するように特に設計されており，電力転送効率問題を最小にすることに役立つ。別の無線電力供給システムは，非整列への対処と，種々の遠隔デバイスの充電と，種々の電力量の供給と，を試みている。これらのシステムにおいては，受容可能な電力転送効率を維持することが困難な場合がある。
【０００３】
ある無線電力システムは，遠隔デバイスへ配電される電力量を増加又は減少させるために，タンク回路に印加されるＡＣ信号の動作周波数を共振周波数に近く，又は遠くに調整する。別の無線電力システムは，タンク回路の共振周波数を，動作周波数に近く，又は遠くに調整する。これらのシステムに関する一つの問題は，誘導電源装置と遠隔デバイスとの間の電力転送効率が，動作周波数が共振周波数にどれだけ近いかに依存することである。したがって，動作周波数又は共振周波数を調整することによって，遠隔デバイスに配電される電力量をいくらかは制御できるが，電力転送効率が減少することになる。
【０００４】
別の無線電力供給装置は，固定動作周波数を用い，その代わり，電源（rail）電圧，デューティサイクル又はタンク回路に印加されるＡＣ信号の位相を調整して，遠隔デバイスに配電される電力量を増加又は減少させる。これに関する一つの問題は，電力転送効率が受容可能であるために，誘導電源装置及び遠隔デバイスが正確に整列し，互いに作用するように特に設計しなければならないことである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は，２次回路からの帰還信号によって共振周波数を維持し,デューティサイクルを調整する誘導電源装置を提供する。一つの実施例においては，誘導電源装置は，制御器と，駆動器回路と，タンク回路と，を含む。制御器と，駆動器回路と，スイッチング回路とが協働して，選択された動作周波数及びデューティサイクルのＡＣ信号を発生する。２次回路に給電する誘導電磁界を生成するために，ＡＣ信号がタンク回路に印加される。２次回路は，受電した電力に関する帰還信号を１次制御器に返信する。動作周波数を実質的に共振周波数に維持することによって，電力転送効率が最適化され，デューティサイクルを調整することによって，転送される電力量が制御される。
【０００６】
一つの実施例においては，２次回路は，２次コイルと，整流器と，スイッチと，負荷と，感知器と，２次制御器と，通信手段と，を含む。電圧感知器及び／又は電流感知器は，上記の通信手段を用いて１次制御器に返信される電力に関する特性を検出する。あるいは，過電圧及び過電流保護を提供してもよい。障害状態が検出されたときは，スイッチを用いて負荷が切断される。
【０００７】
一つの実施例においては，実質的に共振周波数を維持し，デューティサイクルを調整することによって，誘導で負荷に給電する過程が提供される。初めに，動作周波数及びデューティサイクルは受容可能な値に設定される。初期動作周波数は，ある範囲の周波数を掃引し，最も高い電力転送効率を提供する動作周波数を選択することによって決定される。初期デューティサイクルは，２０％のような相対的に低い値に設定され，確実に過大な電力が２次コイルへ配電されないようにする。初期値が設定されると，誘導電源装置は，実質的に共振周波数を維持するように動作周波数を調整し，電力量が過大か若しくは過小か，又は温度が高すぎるかどうかによって，デューティサイクルを調整するという，連続過程に入る。
【０００８】
本発明は，高転送効率を維持しつつ，選択された無線電力量を提供する単純で効果的なシステム及び方法を提供する。デューティサイクルを調整することによって，無線電力転送の別のレベルの制御ができ，これは２次コイルに供給される電力量を微調整するために用いることができる。さらに，実質的に共振周波数を維持しつつ転送される電力量を調整できる能力によって，総損失が減少し，指定された電力要求条件を容易に満たすことができる。
【０００９】
本発明のこれらの目的と，利点と，特徴とは，当座の実施例の詳細な説明及び図面を参照することによって容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】誘導電源装置のブロック図である。
【図２】２次回路のブロック図である。
【図３Ａ】誘導電源装置の回路図である。
【図３Ｂ】誘導電源装置の回路図である。
【図３Ｃ】誘導電源装置の回路図である。
【図４】２次回路の回路図である。
【図５】共振周波数を維持し，デューティサイクルを調整する過程のフローチャートである。
【図６】共振周波数を維持するために動作周波数を調整する過程のフローチャートである。
【図７】周波数対転送効率の例示グラフである。
【図８】変化するデューティサイクルを示すタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ｉ．概要
本発明の実施例による誘導電源装置，すなわち１次回路を図１に示し，全体として１００と記す。１次回路１００は，１次制御器１１０と，一対の駆動器１１２，１１４を含む駆動器回路１１１と，一対のスイッチ１１６，１１８を含むスイッチング回路１１５と，タンク回路１２０と，１次感知器１２２と，任意選択の無線受信器１２４と，を含む。１次制御器１１０と，駆動器回路１１１と，スイッチング回路１１５とは，一体となってタンク回路１２０に印加される選択された周波数及び選択されたデューティサイクルのＡＣ信号を発生して，２次回路に無線で電力を転送するために誘導電磁界を生成する。本発明の実施例による２次回路を図２に示し，全体として２００と記す。２次回路２００は，２次コイル２１０と，整流器２１２と，スイッチ２１４と，負荷２１６と，電流感知器２１８又は電圧感知器２２０と，２次制御器２２２と，反射インピーダンスを用いて通信するための信号抵抗器２２４と，任意選択の無線送信器２２６と，を含んでもよい。
【００１２】
デューティサイクルを調整する過程の実施例を図５に示す。初期動作周波数は実質的に共振周波数に設定され（ステップ５０４），初期デューティサイクルは相対的に低い値に設定される（ステップ５０６）。１次制御器は，連続的に動作周波数を調整して（ステップ５０８），実質的に共振周波数を維持し，転送される電力量が過大かどうかを連続的に判定する（ステップ５１０）。過大な電力が供給されたとき，又は温度が所定のしきい値を超えたとき，デューティサイクルを低下させる（ステップ５１４）。供給電力が過小のときは，デューティサイクルを増加させる（ステップ５１２）。種々の条件によって，電力転送を一時的に又は永続的に減少又は停止することがある。
【００１３】
ＩＩ．誘導電源装置
本発明は，広範な誘導電源装置に用いるのに適している。ここで「誘導電源装置」という用語は，無線で電力を供給することができる任意の誘導電源装置を広く包含するものとする。本発明はまた，「適応誘導電源装置」に用いるのにも適している。ここで「適応誘導電源装置」という用語は，複数の異なる周波数の無線で電力を供給することができる任意の誘導電源装置を広く包含するものとする。開示のために，本発明を図３Ａ〜３Ｃに示した特定の適応誘導電源装置に関連して説明する。図示した適応誘導電源装置３１０，３１２，３１４は単に例であり，本発明は本質的に任意の誘導電源装置によって実現してもよく，その誘導電源装置は変化するデューティサイクルで誘導電力を供給するように修正することができる。
【００１４】
図示した実施例において，適応誘導電源装置３１０，３１２，３１４は一般に，１次制御器３１０と，低電圧電源３１２と，メモリ３１４と，駆動器回路３１６と，スイッチング回路３１８と，タンク回路３２０と，電流感知器３２２と，ろ波器３２４と，任意選択で無線受信器３２６と，を含む。１次制御器３１０と，駆動器回路３１６と，スイッチング回路３１８とは，タンク回路３２０に電力を与えて，選択した周波数及び選択したデューティサイクルの電磁誘導電力源を発生させる。
【００１５】
図示した実施例の１次制御器３１０は２個のマイクロコントローラを含み，一つは周波数を制御し，一つはデューティサイクルを制御する。周波数マイクロコントローラは，PIC24FJ32GA002のようなマイクロコントローラであってもよいし，より汎用のマイクロプロセッサであってもよい。デューティサイクルマイクロコントローラは，dsPIC30F2020のようなマイクロコントローラであってもよいし，より汎用のマイクロプロセッサであってもよい。代替の実施例においては，１次制御器３１０を一つのマイクロコンピュータ，FPGA，アナログ回路又はデジタル回路，を用いて実現してもよい。駆動器回路３１６は，図３Ｃに示すように個別部品であってもよいし，１次制御器３１０に組み込んでもよい。発振器（図示していない）は，１次制御器３１０に含めてもよい。
【００１６】
１次回路３１０，３１２，３１４はまた，１次制御器３１０，駆動器回路，及び動作に低電圧電力を必要とする任意のほかの部品に低電圧電力を供給する低電圧電源３１２も含んでよい。図示した実施例において，低電圧電源３１２は入力電圧を３．３ボルトに調整する。代替実施例においては，別の電圧が供給される。
【００１７】
本実施例においては，１次回路の種々の部品３１０，３１２，３１４が集合的に，１次制御器３１０が指示した周波数及びデューティサイクルでタンク回路３２０を駆動する。より詳細に言えば，１次制御器３１０は駆動器回路３１６及びスイッチング回路３１８のタイミングを制御する。タイミングとは，発生される信号の周波数及びデューティサイクル双方を指す。ここで周波数とは，完全な波形の単位時間当たりの反復数を指す。デューティサイクルとは，完全な波形の総時間に対する波形が高レベルである時間の比率を指す。したがって図８に示す矩形波は，周波数及びデューティサイクルで記述してもよい。さらに，同一周波数を維持しつつデューティサイクルを調整してもよく，同一デューティサイクルを維持しつつ周波数を調整してもよい。図示した実施例の駆動器回路３１６は，２個の別個の駆動器を含み，信号を増強し，ろ波する追加回路部品を含んでもよい。例えば本実施例においては，信号は，信号のタイミングに影響することなく２０ボルトに増強される。
【００１８】
スイッチング回路３１８は，２個のスイッチを含む。本実施例においては，スイッチはＭＯＳ電界効果トランジスタで実現される。代替実施例においては，スイッチング回路を実現するために，別の回路部品を用いてもよい。さらに，電力要求条件に応じて，製造時に種々の特性を有するＭＯＳＦＥＴを実装してもよい。いくつかの実施例においては，複数のスイッチの組を回路基板上に備えて，当該応用の特定電力要求条件によって，製造時に一組のスイッチをハンダ付けできるようにしてもよい。
【００１９】
一つの実施例においては，スイッチ回路１１５は２個の別個のスイッチ１１６，１１８を含み，それらは同一周波数でＯＮに切り替えられるが，互いに位相がずれている。図８に，このようなスイッチング回路の一つの実施例のタイミングを示す。図８において，双方のスイッチは同一のデューティサイクルを有するが，互いにスイッチング波形の半周期だけ互いに時間が変位している。代替実施例においては，各スイッチは別々のデューティサイクルを有し，互いに異なる時間，変位していてもよい。すなわち，誘導電源装置から遠隔デバイスへの電力転送効率を向上させるので，各スイッチの半周期分離及び類似デューティサイクルが望ましいが，必須ではない。
【００２０】
タンク回路３２０は一般に，１次コイル及びコンデンサを含む。本実施例の１次コイルは，空芯コイルインダクタである。空間自由度と，総電力監視と，帰還と，について適切な考慮がされれば，有芯インダクタを用いてもよい。コンデンサの電気容量は，予期される動作パラメータで１次コイルのインピーダンスと均衡するように選択してもよい。本実施例においては，３個のタンクコンデンサが示されているが，製造時には必ずしも３個のコンデンサすべてを回路にハンダ付けしなくてもよい。ハンダ付けの際に，ハンダ付け，又はスイッチで切り替えることによって選択した適切な電気容量値を回路に与える誘導電源装置を製造することができる。タンク回路３２０は，（図３Ｃに示す）直列共振タンク回路，又は（図示していない）並列共振タンク回路のいずれかであってよい。本発明は，米国特許第６，８２５，６２０号に記載された適応誘導電源装置に組み込んでもよい。同文献をここに参照する。別の例として本発明は，Ｂａａｒｍａｎの「適応誘導電源装置」と題する，２００４年７月８日公開の米国特許出願公開第US2004/130916A1号明細書（米国一連番号第10/689,499号，２００３年１０月２０日出願）に記載の適応誘導電源装置に組み込んでもよい。同文献もここに参照する。さらに本発明を，Ｂａａｒｍａｎの「通信による適応誘導電源装置」と題する，２００４年７月８日公開の米国特許出願公開第US2004/130915A1号明細書（米国一連番号第10/689,148号，２００３年１０月２０日出願）に記載の適応誘導電源装置のような，遠隔デバイスと無線通信を設定することができる適応誘導電源装置に関連して用いることが望ましい。同文献をここに参照する。さらに本発明を，Ｂａａｒｍａｎほかの「印刷回路基板コイル」と題する，２００７年９月２８日出願の米国一連番号第60/975,953号の発明原理を組み込んだ印刷回路基板のような印刷回路基板コイルと共に用いることが望ましい。同文献全体をここに参照する。別の代替実施例においては，インダクタは複数タップインダクタとして実現し，及び／又はコンデンサを切り替えコンデンサバンクとして実現してもよく，それらを例えば「適応誘導電源装置」と題する，２００７年５月１日に発行されたＢａａｒｍａｎの米国特許第７，２１２，４１４号に記載されたように，使用前又は使用中に１次回路の共振周波数を動的に変化させるために用いてもよい。
【００２１】
ある動作モードにおいては，１次制御器３１０は電流感知器３２２からの入力によって動作周波数を設定してもよい。そして１次制御器３１０は，１次制御器３１０が設定した周波数で駆動器回路３１８を動作させる。駆動器回路３１６は，スイッチング回路３１８を動作させるために必要な信号を供給する。その結果，スイッチング回路３１８はＤＣ（直流）電力源からタンク回路３２０へＡＣ（交流）電力を供給する。代替実施例においては，動作周波数は，本実施例ではＩＲ受信器として実現されている無線受信器３２６のような別個の通信リンクを用いて設定される。
【００２２】
１次制御器３１０はまた，電流感知器３２２からの入力によってデューティサイクルを設定してもよい。２次回路の信号抵抗器の計画的分流（shunting）は，以降より詳細に説明するが，電流感知器３２２で検出された反射インピーダンスを用いて，１次回路へ情報を提供するために用いてもよい。あるいは，本実施例においてはＩＲ受信器として実現されている無線受信器３２６のような別個の通信リンクを用いて，デューティサイクルを設定してもよい。これはまた，近距離通信チャネル又はほかのＲＦ通信チャネルであってもよい。
【００２３】
図示した実施例において，電流感知器３２２は電流変成器であって，タンク回路に接続された１次コイル及び１次制御器３１０に接続された２次コイルを備えている。本実施例において，電流感知器３２２は，１次制御器３１０が受容する範囲に収めるために，電流感知器の出力利得を調整する回路を含む。さらに利得量は，スイッチに信号を印加することによって１次制御器３１０が調整してもよい。誘導電源装置３１０，３１２，３１４は，電流変成器出力が１次制御器３１０に供給される前に，電流変成器出力を調整する調整回路３２４を含んでもよい。本実施例においては，調整回路３２４は，５ｋＨｚの２極ろ波器である。図示した実施例は２次回路，すなわち遠隔デバイスの反射インピーダンスを感知するために電流変成器を含むが，誘導電源装置３１０，３１２，３１４は，２次回路４００からの反射インピーダンスに関する情報を提供することができる本質的に任意の代替種別の感知器を含んでもよい。さらに，図示した実施例の電流感知器３２２はタンク回路に直接接続されているが，電流感知器（又はほかの反射インピーダンス感知器）は，反射インピーダンスを示す示度を提供できる本質的に任意の場所に配置してもよい。
【００２４】
図示した実施例において，誘導電源装置３１０，３１２，３１４は更に，複数の２次回路４００の動作パラメータに関する情報を記憶することができるメモリ３１４を含む。記憶された情報は，誘導電源装置３１０，３１２，３１４が２次回路４００により効率よく給電し，障害状態をより容易に認識できるようにするために用いてもよい。いくつかの応用においては，誘導電源装置３１０，３１２，３１４は２次回路４００の特定の集合と共に用いるようにしてもよい。これらの応用においては，メモリ３１４は各２次回路４００の一意な共振周波数（又は周波数パターン）と，最大最小動作周波数と，現在の利用法と，最小最大デューティサイクルと，のような関連情報の所望の集合と，を含む。しかしメモリ３１４は，２次回路４００を動作させる際に誘導電源装置３１０，３１２，３１４に有用な本質的に任意の情報を含んでもよい。例えば２次回路４００との無線通信を設定することが望まれる応用においては，メモリ３１４は遠隔デバイス４００の無線通信プロトコルに関する情報を含んでもよい。
【００２５】
ＩＩＩ．２次回路
本発明は，広範な遠隔デバイス，すなわち種々の設計及び構造の２次回路と共に用いることを目的とする。これら種々の遠隔デバイスは種々の周波数の電力を必要とし，種々の電力要求条件を有することが予期される。
【００２６】
開示のために，２次回路４００の一つの実施例を図４に示す。図４の実施例において，２次回路４００は一般に，誘導電源装置３１０，３１２，３１４から電力を受電する２次コイル４１０と，整流器４１４（又はＡＣ電力をＤＣに変換するほかの部品）と，受電した電力を縮小して２次制御器４２８を動作させる低電圧電源４１２と，信号のリップルを除去する調整回路４１６，４２６と，電流感知器４１８と，電圧感知器４２２と，スイッチ４２０と，負荷４２４と，２次制御器４２８と，信号抵抗器４３２と，任意選択の無線送信器４３０と，を含む。整流器４１４は，２次コイル４１０で発生されたＡＣ電力を，通常負荷に必要とされるＤＣ電力に変換する。あるいは，別々の位相で電力を受電する複数の２次コイルを用いて，リップル電圧を減少させてもよい。この方法は，Ｂａａｒｍａｎほかの「複数位相誘導電力供給システム」と題する特許出願公開第60/976,137号に開示されており，同出願をここに参照する。このような実施例においては，複数の１次コイルが別々の位相で電力を送電することが望ましい。一つの実施例においては，負荷はバッテリ用の充電回路（図示していない）である。充電回路は周知であり，種々の再充電可能電子デバイスと共に用いられる。所望であれば，充電回路をバッテリ（図示していない）を充電し，及び／又は負荷４２４に給電するように構成してもよい。代替実施例においては，整流器は不必要であり，ＡＣ電力を調整して負荷に給電するために用いてもよい。
【００２７】
電流感知器４１８は受電した電力の電流量を検出して，その情報を２次制御器４２８へ提供する。電圧感知器４２２は受電した電力の電圧量を検出して，その情報を２次制御器４２８へ提供する。図示した実施例は電圧感知器４２２及び電流感知器４１８双方を含むが，一方だけでよい。２次回路の電圧及び／又は電流を感知し，１次回路が供給する電圧及び／又は電流を知ることによって，一次制御器は電力転送効率を計算することができる。ある範囲の動作周波数を掃引し，各周波数における電力転送効率を記録することによって，共振周波数に最も近い動作周波数を判定することができる。これは，最良の電力転送効率となる動作周波数に対応する。さらに電圧感知器４１８及び電流感知器４２２を，障害状態が検出されたとき，負荷４２４を切断するための，２次制御器４２８の保護アルゴリズムと共に用いてもよい。この思想は，Ｂａａｒｍａｎほかの「バッテリを誘導で充電するシステム及び方法」と題する米国特許出願公開第11/855,710号により詳細に記載されている。同文献は前に参照されている。
【００２８】
２次制御器４２８は，本質的に任意の種別のマイクロコントローラであってよい。図示した実施例において，２次制御器４２８はATTINY24V-10MUマイクロコントローラである。２次制御器４２８は一般にアナログ・デジタル変換器を含み，電圧及び／又は電流の示度を処理して，誘導電源装置３１０，３１２，３１４の１次制御器３１０へ送信するようにプログラムされている。このマイクロプロセッサはまた，周波数又はデューティサイクルの制御過程と関係のないほかのコードを含んでもよい。
【００２９】
２次回路内の感知した電圧及び／又は電流の情報は，種々の方法で１次制御器３１０へ送信することができる。図示した実施例において，この情報は信号抵抗器４３２又は無線送信器４３０を用いて送信することができる。
【００３０】
一つの実施例においては，信号抵抗器４３２は１次制御器３１０へ情報を送信するために用いてもよい。２次回路から１次回路への伝送に信号抵抗器４３２を使用することは，Ｂａａｒｍａｎほかの「バッテリを誘導で充電するシステム及び方法」と題する米国特許出願公開第11/855,710号に記載されている。同文献をここに参照する。信号抵抗器４３２は，分流されると，過電流又は過電圧状態を意味する通信信号を送信する。抵抗器が分流されると，１次回路のピーク検出器が過電圧／過電流状態を感知でき，それに従って動作する。本発明の信号抵抗器４３２を組織的に分流して，追加データを１次制御器３１０に伝送するようにしてもよい。例えば，データ流（stream）が感知した電流及び／又は感知した電圧を表してもよい。あるいは，信号抵抗器を前に説明したように過電圧／過電流送信器としてだけ用いてもよいし，全体を除去してもよい。
【００３１】
無線送信器又は送受信器を用いることは，前に参照したＢａａｒｍａｎの「通信による適応誘導電源装置」と題する米国特許出願公開第US2004/130915A1号明細書に記載されている。特に，Wi Fi（登録商標），赤外線，Bluetooth（登録商標）,セルラ，RFID（登録商標）の利用は，遠隔デバイスから誘導電源装置へ無線でデータを送信する方法として以前に検討された。さらに，誘導コイルを用いる通信及び電力線通信プロトコルが検討された。２次回路から１次回路へ所望のデータを転送するために，これらのデータ送信方法のどれを本発明に実装してもよい。
【００３２】
ＩＶ．動作
１次回路１００及び２次回路２００の概略動作を図５を用いて説明する。
【００３３】
この実施例において，１次回路は初期動作周波数を決定して設定する（ステップ５０４）。通常，初期動作周波数設定の目標は，初期動作周波数をできる限り共振周波数に近く設定することであるが，これはなかでも１次回路と２次回路との方向および距離を含む多くの別々の要因によって変わる。本実施例においては，初期動作周波数をどこに設定するか決定するために単純周波数掃引を用いる。特に本実施例においては，有効周波数範囲を掃引して，各周波数における電力転送効率を記録する。各周波数の間隔は異なってもよいが，本実施例においては，７０ｋＨｚと２５０ｋＨｚの間を１００Ｈｚ間隔で周波数を掃引する。周波数範囲全体を掃引したとき，最高電力転送効率となった動作周波数を初期動作周波数として選択する。最高電力転送効率となった動作周波数は，それが共振周波数に最も近い周波数であることを示す。より細かな周波数分解能の更なるステップが，更なる調整を可能にする。代替実施例においては，初期動作周波数を決定するほかの方法を用いてもよい。例えば，既知の１次部品及び２次部品によって，初期動作周波数を選択してもよい。さらに，掃引過程の修正は，電力転送効率に比例する動的間隔調整を含んでもよい。更に別の代替実施例においては，動的に掃引を行って，現在の周波数に対する電力転送効率及び最高電力転送効率となる周波数だけを記憶するようにしてもよい。掃引が進行すると同時に，各値を最高の記憶値と照合して，その値の方が高いときだけ最高の記憶値を置き換える。
【００３４】
図５の実施例において，１次回路は初期デューティサイクルを設定する（ステップ５０６）。このデューティサイクルは，各サイクルで転送される電力量に対応する。デューティサイクルが高いほど，より多くの電力がサイクル当たり転送される。本実施例においては初期デューティサイクルは２０％に設定される。この値は，遠隔デバイスを過給電する危険性がないように十分低く，２次回路に十分な電力が転送されるために十分高いと考えられる。代替実施例においては，応用又はいくつかのほかの要因によって別の初期デューティサイクルを設定してもよい。
【００３５】
動作周波数調整ステップ５０８は複数ステップ過程であって，確実に動作周波数を実質的に共振周波数に維持する。図６にこの過程の一つの実施例をより詳細に示す。示された実施例において，動作周波数は上昇間隔（a step up）と呼ばれる予め選択された量だけ増加される。この調整はシステム内を伝ぱし，電力効率が検査される（ステップ６０４）。電力効率が増加するときは，システムは実質的に共振周波数になく，動作周波数は再度上昇させられる。この過程は，電力効率が減少するか，同一に留まるまで続けられる。そのようになったときは，動作周波数は下降させられる（ステップ６０６）。そして電力効率が検査される（ステップ６０８）。電力効率が増加するときは，電力効率が同一に留まるか，減少するまで動作周波数は再度下降させられる。最後のステップは，動作周波数をピーク電力効率を示す動作周波数に戻すステップ（６１０）である。これは，動作周波数を実質的に共振周波数に維持する過程の一つの実施例に過ぎない。動作周波数を実質的に共振周波数に維持するために，任意のほかの過程を用いてもよい。
【００３６】
動作周波数を上昇及び下降させる一つの理由を，図７に示す動作周波数対電力効率の例示グラフを参照して説明する。図から分かるように，示した動作周波数範囲にいくつかの電力効率のピークがある。周波数の初期掃引は，動作周波数を共振周波数，すなわち図７の最高ピークに設定する。調整を行うたびに，動作周波数は変化しないが，電力効率値はいくつかの要因，なかでも２次回路が動いた結果，変化することがある。通常はグラフ内の変化は単にわずかな移動であり，最適動作周波数はいずれかの方向に２〜３間隔であることを示す。これが，本実施例が上昇，下降を行う理由である。最初の上昇によって電力転送効率が減少したときは，過程は直ちに下降する。下降が更に電力転送効率の現象になるときは，調整が必要なく，動作周波数が既に共振周波数にあることの証拠である。代替実施例においては，システムが共振周波数からどれだけ離れているかを直接判定するためにアナログ回路が用いられ，制御器が直接適切な周波数に反応するようにする。位相比較はこのような回路の一つである。
【００３７】
本実施例においては動作周波数は反復ごとに調整されるが，代替実施例においては動作周波数は頻繁には調整されないか，又は事象が調整が望ましいことを示すときだけ調整してもよい。例えば２次回路の動き検出器が２次回路の動き又は方向変化を示すとき，又は例えば２次回路に提供される電力量に急な減少又は増加があったときである。
【００３８】
次のステップは，２次回路が受電した電力量が過大かどうか判定することである（ステップ５１０）。受電した電力量が過大であるときは，転送される電力のデューティサイクルを減少させる（ステップ５１４）。受電した電力量が過大でないときは，転送される電力のデューティサイクルを増加させる（ステップ５１２）。本実施例において，デューティサイクルは短絡を起こす危険性を減少させるために近似的に４９％を超えないことが望ましい。本実施例において，デューティサイクルに増加又は減少の調整がされた後，動作周波数が再調整される（ステップ５０８）。上述のとおりデューティサイクルとは，「スイッチがＯＮの時間」，すなわち波形全体の総時間に比べて波形が高レベルである時間の割合を指す。デューティサイクルが変化する信号を示す例示グラフを図８に示す。このグラフは，時間対電流のグラフを描いている。実線は，現在のデューティサイクルを有する１次回路が発生した波形を表す。破線は，デューティサイクルを増加させたとき波形がどのように見えるかを表す。一点破線は，デューティサイクルを減少させたとき波形がどのように見えるかを表す。デューティサイクルは対称に増加，減少するので，波形の周波数はデューティサイクルの調整によって変化しないことに注意されたい。いくつかの実施例においては，動作中にデューティサイクル調整を行いながら周波数を調整してはならないことは注意に値する。
【００３９】
デューティサイクルは，予め選択した量だけ増加減少してもよい。本実施例において，増加減少量は一定かつ等しい。しかし代替実施例においては，変化量は動的かつ異なってもよい。例えば，バッテリ充電応用においては，大きな間隔でデューティサイクルを減少させ，小さな間隔でデューティサイクルを増加させると有利である。別個のバッテリは別個の充電アルゴリズムを必要とし，デューティサイクル制御を用いて正しいバッテリ充電曲線を与えることができる。別の例においては，デューティサイクルを２次回路が要求する電力量に比例して増加減少させてもよい。２次回路が要求する電力量は，電流感知器及び／又は電圧感知器を読み取ることによって判定することができる。示度に小さな変化があるときは，デューティサイクルに小さな変化を生じさせ，示度に大きな変化があるときは，デューティサイクルに大きな変化を生じさせてもよい。
【００４０】
一つの実施例においては，動作周波数の変化とデューティサイクルの変化との間には固有の遅延がある。これらの遅延は，動作周波数又はデューティサイクルを変化させる速度のために生じる位相問題の原因となることがある。
【００４１】
この過程は所望するだけ，又は電源がＯＦＦにされるか，２次回路が取り除かれるか，バッテリ充電の場合はバッテリが完全に充電されるまで続けられる。
【００４２】
１次回路は，２次回路の要求に応じてデューティサイクルを調整してもよい。例えば一つの実施例においては，２次回路の電圧又は電流をある量に維持することが一つの目標である。感知した電圧及び／又は電流のような２次回路からの帰還信号を用いて，実質的に共振周波数で確実に動作するようにすることによって，確実に最適電力転送効率になるように動作周波数を調整することができ，所望の目標に合致するように電力を増加又は減少するようにデューティサイクルを調整することができる。
【００４３】
上述の説明は本発明の当座の実施例に関するものである。本発明の精神及びより広い態様から逸脱することなく，種々の修正及び変更を行うことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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