(57)【要約】【課題】誘導充電システムまたは誘導電力システムでの可変電力伝達のシステムおよび方法を提供する。【解決手段】このシステムは、交番磁場を生成する一次側を含むパッドまたは類似するベースユニットを含む。レシーバは、パッドからの交番磁場からエネルギを受け取り、これをモバイルデバイス、バッテリ、または他のデバイスに伝達する手段を含む。また、一次コイルおよび／またはレシーバコイルを製造するのに使用される材料の変形、一次側および／またはレシーバ側で使用される変更された回路設計、ならびに、モバイルデバイスまたはバッテリの識別、異なるデバイスまたはバッテリに関する自動電圧セッティングまたは自動電力セッティングなど、特殊化されたタスクを実行する追加の回路およびコンポーネントを含む。【選択図】図１６
2014168380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポータブルデバイスまたはバッテリの誘導電力供給および誘導充電のシステムであって、
非フェライト材料から構成され、平坦な螺旋コイルとして成形された１つまたは複数の一次コイルを含むベースユニットであって、前記一次コイルは、複数のデバイスまたはバッテリに同時に電力を与えるか充電する際に使用される誘導エネルギを生成することができる、ベースユニットと、
非フェライト材料から構成され、平坦な螺旋コイルとして成形されたレシーバコイルを含むレシーバユニットであって、前記レシーバコイルは、ポータブルデバイスまたはバッテリに結合されるかこれに組み込まれ、二次コイルは、前記一次コイルから誘導でエネルギを受け取り、これを、前記ポータブルデバイスまたはバッテリを充電するかこれに電力を与えるのに使用する、レシーバユニットと、
前記ベースユニット上の前記デバイスまたはバッテリのある度合の位置独立性を可能にし、前記１つまたは複数の一次コイルを選択的にアクティブ化する、前記ベースユニット内の手段と、を含み、
前記ベースユニットは、追加二次コイルを用いて追加のポータブルデバイスまたはバッテリを同時に充電するかこれに電力を与えることができる、システム。
【請求項２】
充電器または電源は、複数のコイルを含み、選択的に充電しまたは電力を与える手段は、前記ポータブルデバイスまたはバッテリの付近での前記コイルのオンオフ動作を制御するのに使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記充電器と前記デバイスまたはバッテリ内のレシーバとの両方は、マイクロコントローラユニットを含み、前記充電器内の前記マイクロコントローラユニットは、電流を監視し、前記ポータブルデバイスまたはバッテリ内の前記マイクロコントローラユニットは、充電を制御する際に使用するための前記充電器と前記レシーバとの間の通信を提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
充電器または電源は、デバイスまたはバッテリのアイデンティティまたは許可を検証するために、充電をアクティブ化する前の追加の検証ステップを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
複数のコイルが、パッド様充電器または電源に一体化され、前記コイルは、コイルモザイクと、パッド表面の約９０％以下をカバーする充電または電力の有効面積とを形成するのに使用される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数のコイルのそれぞれは、各コイルに電力を供給し、１つまたは複数のコイルを選択的にアクティブ化するために個々の駆動回路によって駆動される、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
１つまたは複数のコイルは、スイッチコンポーネントを含み、前記マイクロコントローラユニットは、前記スイッチコンポーネントを周期的に開始し、その中の電流を監視し、そのコイルへのレシーバおよびデバイスまたはバッテリの近接を感知するのに前記電流を使用し、そのコイルまたはその領域内のコイルの選択物での充電をアクティブ化する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
コイルの複数の層は、有効面積を作成するため、および前記コイルのうちのいずれか１つまたは選択物への電力供給が、その中心が前記有効面積内にあるレシーバを充電することを可能にするようにするために、互いの上に積層される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
誘導で電力を与えるか充電することのできるモバイルデバイスであって、
バッテリと、
前記デバイスに誘導で電力を与えることまたは前記モバイルデバイス内の前記バッテリを充電することのうちの１つのためのレシーバであって、前記バッテリまたは前記モバイルデバイスに貼り付けられまたは組み込まれるのうちの１つである、レシーバと、を含むモバイルデバイス。
【請求項１０】
コイルまたはワイヤは、少なくとも２つの異なるサイズまたは形状を有するプリント回路基板ＰＣＢ層内に形成される、請求項９に記載のモバイルデバイス。
【請求項１１】
充電器または電源および前記モバイルデバイスは、データを転送するために互いと通信する、請求項９に記載のモバイルデバイス。
【請求項１２】
データ転送は、充電器または電源に隣接する前記モバイルデバイスの存在に関する情報を含み、かつ／あるいは前記充電器または電源は、前記充電器または電源によって充電されるか電力を与えられ得るモバイルデバイスの充電要件または電力要件を格納する、請求項９に記載のモバイルデバイス。
【請求項１３】
モバイルデバイスまたはバッテリを誘導で充電するかこれに電力を与える、前記モバイルデバイスまたはバッテリと共に使用されるシステムであって、
その中に１つまたは複数の一次コイルを含むベースユニットであって、前記一次コイルは、電流が前記一次コイルを通過するときに磁場が前記一次コイルの平面に実質的に垂直な方向で生成されるようにするために全般的に平坦な形状を有する、ベースユニット
を含み、前記垂直な磁場は、モバイルデバイスまたはバッテリを充電するかこれに電力を与えるために、前記ベースユニットの近くに置かれこれと位置合わせされた前記モバイルデバイスまたはバッテリ内の１つまたは複数の一致するレシーバコイル内に誘導で電流を生成する
システム。
【請求項１４】
前記コイルのうちの１つまたは複数は、プリント回路基板上に製造され、低い抵抗を有するように製造される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ベースユニットに結合され、これに電力を与えるバッテリをさらに含み、前記バッテリは、ある時間期間の間に誘導充電器または電源デバイスに電力を与えるのに十分な電荷を維持するために外部電源によって時々充電され得る、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ベースユニット内のバッテリを充電する、前記ベースユニット内の前記バッテリに結合された太陽電池、前記モバイルデバイスとの間でのデータの後続伝送のためにデータをストレージするデータストレージコンポーネント、または装飾的表面もしくはノンスリップ表面を含むベースユニットまたはパッドのカバー表面のうちの１つをさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
複数のモジュラ充電器または電源を、単一のユニットを形成するために相互接続することができる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
充電されるか電力を与えられる前記モバイルデバイスは、ツェナーダイオードとＭＯＳＦＥＴを含むスイッチ手段とを有する充電回路を含み、前記ツェナーダイオードは、前記モバイルデバイスまたはバッテリへの電圧を所定の最大電圧までにクランプし、前記回路は、前記ＭＯＳＦＥＴのソース端子からドレイン端子に並列に接続されたコンデンサを含み、前記一次コイル内の交番するスイッチングは、前記ベースユニットが前記一次コイルの近くに置かれるかこれと位置合わせされたモバイルデバイスまたはバッテリを検出するときに、前記ＭＯＳＦＥＴによって自動的に開始される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
異なる負荷条件または充電ステージ中に高い効率を維持するために、異なる負荷条件の下で前記コイルへの電力を調整し、かつ／または制御するスイッチ手段を含む、電力充電および／または電力供給の制御レギュレーションおよび／または検証を提供する、前記ベースユニット内の手段をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記スイッチ手段は、ゼロ電圧交差またはゼロ電流交差スイッチジオメトリであり、出力電力の制御は、動作の周波数を変更することによって達成される、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には電源、電力源に関し、具体的には、ポータブルデバイスの誘導充電システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、商業応用、ビジネス応用、個人応用、消費者応用、および他の応用での使用のためにポータブルデバイスまたはモバイルデバイスに電力を与える必要がある。そのようなデバイスの例は、セル電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートブックコンピュータ、モバイル電子メールデバイス、Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙデバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ヘッドセット、補聴器、音楽プレイヤ（たとえば、ＭＰ３プレイヤ）、ラジオ、コンパクトディスクプレイヤ、ビデオゲーム機、ディジタルカメラ、ウォーキートーキーまたは他の通信デバイス、ＧＰＳデバイス、ラップトップコンピュータ、電気かみそり、および電気歯ブラシを含む。これらのデバイスのほとんどが、デバイス自体を使用できる前に、外部電源または充電器によってまず充電されなければならない再充電可能内蔵バッテリを含む。電源は、通常、特殊なコネクタを介してデバイスに直流（ＤＣ）電圧を供給する。その後、電源を切断することができ、デバイスは、バッテリが空になるまでの短い時間期間の間に動作し続ける。異なるデバイスの電圧要件および電力要件は、変化し、現在まで、デバイス用の標準化されたコネクタはない。これの結果として、各モバイルデバイスは、必ず、それ自体の充電器と一括で販売されまたは配布される。これらの複数の異なるタイプおよび個数の充電器に関連するコストは、モバイルデバイスについて請求される価格に組み込まれることによって、間接的に消費者によって支払われる。
【０００３】
モバイル製品の総数および種類のすばやい増加は、ほとんどの人が上で述べたデバイスを複数有することを意味してきた。通常の日に、そのユーザは、彼らの複数のデバイスを、各デバイスの充電のためにそれに適する充電器のそれぞれに別々に接続しなければならない。さらに、多くの人は、オフィスおよび自動車など、異なる場所でデバイスを充電する必要があることに気付く。したがって、多くのユーザは、彼らの携帯電話機、ノートブックコンピュータ、および音楽プレイヤをこれらの位置で充電するのに使用するために、オフィス用および自動車用の追加の充電器を購入してきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の状況により、モバイルデバイスを充電するという同一の機能を本質的に提供するが、ユーザがいくつもの種類を保持しなければならないために使用するのが不便である、多数の非互換デバイス（すなわち、電源および充電器）を、通常のユーザは持たなければならないのは明らかであろう。多くの状況で、ユーザは、単純に彼らのデバイスを充電するのを忘れ、あるいは、適当な充電器が使用可能ではない状況で彼らのデバイスを再充電する必要があることに気付く。これは、望まれる時または必要なときにデバイスを使用する能力の消失につながる。
【０００５】
さらに、家から出かけるときに、モバイルユーザは、デバイスのために複数の充電器をパックし、持ち運ぶ必要があるという特定の問題を有する。多くの状況で、これらの充電器は、デバイス自体よりかさばり、より重く、外国でのこれらのデバイスの使用は、扱いにくいアダプタおよび時々電圧変換器を必要とする。これは、これまで以上にモバイルになる消費者にとって高い度合の不便につながる。
【０００６】
さらに、モバイルデバイスの電力コネクタは、しばしば、安く製造され、機械的故障および電気的故障の源である。歯ブラシまたはデバイスが水にさらされ密封されることを必要とする応用例など、多くの応用例では、そのような物理的接続を使用することができない。したがって、これらのタイプのデバイスに電力を与える代替手段を使用しなければならない。
【０００７】
複数の製品が、この状況に対処することを試みてきた。いくつかの会社は、電源ベースユニットと、ベースユニットにはまると同時に異なるデバイスにはまる交換可能なチップとからなる万能充電器の使用を提案している。チップは、特定のデバイスが要求する電圧をセットするカスタマイズされたレギュレータを含む。しかし、ユーザは、彼らが有するさまざまなデバイスのそれぞれについて必要な複数のチップを持ち運ばなければならず、デバイスを電源に接続することによって各デバイスを順番に充電しなければならない。この製品は、ユーザが持ち運ばなければならない充電ツールの総重量を減らすが、ユーザは、それでも、異なるデバイスに接続するためのチップを持ち運び、交換する必要がある。
さらに、複数のデバイスを同時に充電することは、しばしば、可能ではない。
【０００８】
電源が、通常は電圧変換用のトランスを含むことを理解して、もう１つの手法は、トランスを２つの部分に分割することであり、第１部分は、第１巻線およびこの巻線を適当な動作周波数で駆動するエレクトロニクスを含むことができ、第２部分は、巻線からなり、ここで、電力が受け取られ、その後、ＤＣ電圧を得るために整流される。この２つの部分が、互いに物理的に近接するようにされる場合に、電力は、物理的電気的接続を一切伴わずに、第１部分から第２部分へ誘導的にすなわち誘導によって変換される。これは、多くの電気歯ブラシ、かみそり、および濡れた環境で使用されると期待される他の製品で使用される手法である。しかし、そのような誘導ユニットに伴う一般的な問題は、巻線がかさばり、これが、軽量ポータブルデバイスでの巻線の使用を制限することである。さらに、適当な電力伝達を達成するために、巻線が密接に位置合わせされるように、部分を、適切に一緒にはまるように設計しなければならない。これは、通常、デバイスケーシング（たとえば、電気歯ブラシ）およびその充電器／ホルダを、これらが１つの適切な形でのみ一緒にはまるように成形することによって行われる。しかし、成形されたベースおよびポータブルデバイスの形状は、これらを、他のデバイスに電力を与える万能の形で使用することができないことを意味する。
【０００９】
いくつかの会社が、誘導の概念に基づくが、表向きは異なるタイプのデバイスを充電することを可能にするパッド様充電デバイスを提案した。これらのパッドは、通常、電流を伝え、パッドの表面に平行な均一の磁場を生成する、ｘ方向およびｙ方向のワイヤのグリッドを含む。磁気コアの回りに巻かれたレシーバコイルが、パッドの表面に位置し、表面に平行な磁場を感知し、この形で、エネルギを伝達することができる。しかし、これらの方法のそれぞれは、一次側の電力のほとんどがレシーバによって感知されず、したがって、充電器の総合的電力効率が非常に低いという点で、悪い電力伝達に悩む。さらに、一次側およびレシーバに使用される磁気コアは、しばしばかさばり、システムの総コストおよびサイズを増やし、多数のデバイスへの組込みを制限する。
【００１０】
留意すべきもう１つの点は、上記のデバイスのすべてが、ユーザがデバイスを充電することを可能にするが、充電デバイスまたはベースユニットを、電源出力またはＤＣ源などの電力源に電気的に接続することをも必要とすることである。多くの場合に、ユーザは、旅行、キャンプ、電力へのアクセスがない区域での仕事の時など、そのような電力源ヘのアクセスを有しない場合がある。しかし、現在まで、ポータブルであり、異なる電力要件を有する複数のデバイスの誘導充電を可能にし、それ自体を外部電力源または他の手段のいずれかによって間欠的にまたは時折充電できるか、自家動力であるかそれ自体の電力源を含むデバイスは、提供されてこなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
電気デバイス、電子デバイス、バッテリ動作デバイス、モバイルデバイス、および他のデバイスまたは再充電可能バッテリに電力を与えるか充電する際に使用されるポータブル誘導電力源、電源デバイス、またはユニットを、本明細書で開示する。一実施形態によれば、このシステムは、２つの部分を含み、第１部分は、一次側を含むパッドまたは類似するベースユニットであり、この一次側は、交流を巻線、コイル、または任意のタイプの電流担持ワイヤに印加することによって交番する磁場を作成する。このシステムの第２部分は、パッドからの交番する磁場からエネルギを受け取り、これをモバイルデバイス、他のデバイス、または再充電可能バッテリに伝達する手段を含むレシーバである。レシーバは、変化する磁場を感知することができるコイル、巻線、または任意のワイヤを含み、直流（ＤＣ）電圧を作るためにこれを整流することができ、このＤＣ電圧は、デバイスを充電するかデバイスに電力を与えるのに使用される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、レシーバは、電圧および電流をモバイルデバイスまたはそのデバイス内の充電回路によって要求される適当なレベルにセットするか、パッドに情報を通信する電子コンポーネントまたは電子ロジックをも含むことができる。追加の実施形態では、充電システムまたは電力システムは、電子デバイスに格納されたデータまたはデバイスに転送されるデータの通信など、追加の機能性を提供することができる。いくつかの実施形態は、充電器とレシーバとの間、および最終的にモバイルデバイスまたはバッテリへの電力伝達の効率を改善する効率手段をも組み込むことができる。一実施形態によれば、充電器または電源は、自家動力動作用の内蔵バッテリを含む。他の実施形態によれば、充電器または電源は、太陽電池電力源、手回しクランク、または時々の自家動力動作用の電源の他の手段を含むことができる。他の実施形態を、充電キオスク、自動車、列車、飛行機、または他の輸送機関および他の応用例に組み込むことができる。
【００１３】
さまざまな実施形態によれば、追加の特徴をこのシステムに組み込んで、より高い電力伝達効率をもたらし、異なる電力要件を有する応用例のためにこのシステムを簡単に変更することを可能にすることができる。これは、一次コイルおよび／またはレシーバコイルを製造するのに使用される材料の変更、一次側および／または二次側で使用される変更された回路設計、ならびにモバイルデバイス識別などの特殊化されたタスクおよび異なるデバイスのための自動電圧セッティングまたは自動電力セッティングなどを実行する追加の回路およびコンポーネントを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態による複数のトランスミッタコイルまたは充電器コイルを使用するパッドを示す図である。
【図２】一実施形態による回路図を示す図である。
【図３】一実施形態による複数のコイルを使用する充電パッドを示す図である。
【図４】一実施形態による複数のオーバーラップするコイル層を使用する充電パッドを示す図である。
【図５】一実施形態によるオーバーラップするパッド層内の複数のコイルタイプおよびコイルサイズの使用を示す図である。
【図６】一実施形態による一体化されたバッテリを伴うレシーバを示す図である。
【図７】一実施形態による充電されるか電力を与えられるデバイスとのレシーバの結合を示す図である。
【図８】一実施形態によるモジュラ接続性または複数接続性を可能にするパッドを示す図である。
【図９】一実施形態による回路図を示す図である。
【図１０】一実施形態による回路図を示す図である。
【図１１】一実施形態による回路図を示す図である。
【図１２】一実施形態による電力伝達チャートを示す図である。
【図１３】一実施形態によるコイルレイアウトを示す図である。
【図１４】一実施形態によるコイルレイアウトを示す図である。
【図１５】一実施形態による複数のコイルを有する充電パッドを示す図である。
【図１６】一実施形態による、可動コイルを有する充電パッドおよび電力または電荷を受け取る２つのデバイスを示す図である。
【図１７】一実施形態による回路図を示す図である。
【図１８】一実施形態によるコイルを積み重ねる手段を示す図である。
【図１９】一実施形態による識別検証の回路図を示す図である。
【図２０】一実施形態による両方向通信の回路図を示す図である。
【図２１】一実施形態による出力コントローラの回路図を示す図である。
【図２２】一実施形態によるレギュレータを有するレシーバの回路図を示す図である。
【図２３】一実施形態によるＭＣＵレギュレーションの回路図を示す図である。
【図２４】一実施形態による単一方向通信の回路図を示す図である。
【図２５】一実施形態による時間ベースのレギュレーションの回路図を示す図である。
【図２６】一実施形態によるフライバック電源ジオメトリを示す高水準図である。
【図２７】負荷への出力電圧が監視され、負荷条件の変化と共に、チップすなわちマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）が最適動作を達成するためにＦＥＴドライバの周波数またはデューティサイクルを変更する実施形態を示す図である。
【図２８】一次ステージおよびレシーバステージが無線で通信する、一実施形態による充電器の実施態様を示す図である。
【図２９】ゼロ電圧セッティング（ＺＶＳ）を含む実施形態を示す図である。
【図３０】ディジタルフィードバック回路ではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）と光検出器との間の結合に基づくアナログ回路を使用できる実施形態を示す図である。
【図３１】オプトカプラが電圧制御発振器（ＶＣＯ）およびＦＥＴによって置換され、一次側で、信号が最適出力電圧を提供するために周波数コントローラを調整するために送られる、実施形態を示す図である。
【図３２】無線リンクを、アナログまたはディジタルとすることができ、あるいは、デバイス内の既存無線リンクを利用するためにデバイスに一体化することができる実施形態を示す図である。
【図３３】一実施形態による誘導単一コイル充電システムの基本的概略を示す図である。
【図３４】一実施形態による無線電力／充電システムの主要コンポーネントを示す図である。
【図３５】一実施形態による伝達される電力および電力伝達の通常の実験曲線を示す図である。
【図３６】コイルモザイクがパッドの表面積をカバーするのに使用される実施形態を示す図である。
【図３７】電気スイッチまたは電子スイッチを使用することによって駆動（および感知）回路の個数を減らすことができる実施形態を示す図である。
【図３８】３つのコイル層プリント回路基板（ＰＣＢ）が、任意の所与のときに電力を与えられる１つのコイルだけを使用してエリア内の均一電力のためのクラスタを提供するように配置される実施形態を示す図である。
【図３９】クラスタ内のコイルのうちの１つだけに電力を与えることによって、有効面積内の任意の位置に中心がある状態で配置されたすべてのレシーバコイルが、適当な充電器コイルがアクティブ化される場合に指定された電力を受け取ることができる実施形態を示す図である。
【図４０】必要なスイッチの個数が減らされる実施形態を示す図である。
【図４１】複数の充電クラスタを組み込んだ複数充電器パッドの実施形態を示す図である。
【図４２】有効面積を作成するのに３つのコイルの２つの層および中心コイルのクラスタを使用する実施形態を示す図である。
【図４３】各コイルへの中心ポートが円として示された、六角形コイルのモザイクを示す図である。
【図４４】上面図を含むＭＥＭＳパッドの実施形態を示す図である。
【図４５】セグメント化されたＭＥＭＳ充電器パッドを含むＭＥＭＳパッドの実施形態を示す図である。
【図４６】１つまたは複数の調節される電源が充電器パッドに接続される実施形態を示す図である。
【図４７】一実施形態によるパッドの表面上の接点のアレイを示す図である。
【図４８】一実施形態によるＭＥＭＳ伝導充電器パッドを示す側面図である。
【図４９】複数のデバイスを同時に充電することを可能にするために、複数の調節された電源がパッドに電圧を供給する実施形態を示す図である。
【図５０】セグメント化された表面を使用するパッドの代替実施形態を示す図である。
【図５１】製品からの放射を測定するのに使用される産業標準手段を示す図である。
【図５２】銅層を介する吸収を示す実施形態を示す図である。
【図５３】複数の厚さの銅層およびアルミニウム層の減衰値を示す図である。
【図５４】１ＭＨｚでの入射場に関する変化する厚さの銅層およびアルミニウム層を介して伝達される電力を示す図である。
【図５５】充電器のコイルとレシーバのコイルとの間のローカル位置合わせ独立性を入手することを可能にする実施形態を示す図である。
【図５６】コイル磁石をセクションに分割できる実施形態を示す図である。
【図５７】１つまたは複数の位置合わせ磁石を各コイルの背後で使用できる実施形態を示す図である。
【図５８】一実施形態による、自家動力動作用の内蔵バッテリを含む誘導電力充電用のデバイスを示す図である。
【図５９】一実施形態による、自家動力動作用の太陽電池電力源を伴う誘導充電器ユニットを示す図である。
【図６０】一実施形態による、組み込まれた通信ユニットおよび／またはストレージユニットを伴う誘導充電器ユニットを示す図である。
【図６１】一実施形態による誘導充電器ユニットを組み込んだキオスクを示す図である。
【図６２】一実施形態によるいくつかの一般的な通常の（非充電器）携帯電話機ホルダタイプを示す図である。
【図６３】一実施形態による外部再充電可能バッテリパックを含む音楽プレイヤのさまざまな製品を示す図である。
【図６４】一実施形態による、ハードドライブ、再充電可能バッテリ、および無線接続性を含むマルチファンクションデバイスを示す図である。
【図６５】一実施形態による、モバイルデバイスに誘導で電力を与えるか充電するために充電器ケースと共に使用されるシステムを示す図である。
【図６６】一実施形態による複数のレシーバ／エナジャイザ（ｅｎｅｒｇｉｚｅｒ）コイルを使用するパッドを示す図である。
【図６７】一実施形態による、複数のコイルが使用される複数充電器または電源において、そのような高熱伝導率層を、各コイルの周囲で繰り返すことができ、あるいは、これが複数のコイルの間のすべてのエリアをカバーすることができることを示す図である。
【図６８】他の形状およびタイプの巻かれたコイルからの熱除去に使用できる類似する方法を示す図である。
【図６９】連続層ではなく熱伝導率チャネルを提供するために層にパターン形成することができる実施形態を示す図である。
【図７０】一実施形態による、コイルと同一のＰＣＢ上に製造される、ＰＣＢコイル誘導充電器および／または電源あるいは誘導レシーバのエレクトロニクスを示す図である。
【図７１】静止コイルまたは移動する浮動充電器および／もしくは浮動電源コイルとレシーバコイルとの中心に配置された磁石が、コイルの位置合わせの方法を提供できる、この結果を達成するための実施形態を示す図である。
【図７２】コイルの中心をまたがない複数の磁石が使用される実施形態を示す図である。
【図７３】一実施形態による、磁石をどのようにＰＣＢコイルエリアの外に配置できるかを示す図である。
【図７４】円形コイルの周囲の磁気弧形状部品が使用される実施形態を示す図である。
【図７５】一実施形態による、コイル上またはコイルの周囲の棒磁石の使用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
電気的、電子的、バッテリ動作の、モバイルの、再充電可能な、バッテリおよび他のデバイスに電力を与えるかこれを充電する際に使用される、ポータブル誘導電力源、電源デバイス、またはユニットを、本明細書で開示する。一実施形態によれば、このシステムは、２つの部分を含み、第１部分は、一次側を含むパッドまたは類似するベースユニットであり、この一次側は、交流を巻線、コイル、または任意のタイプの電流担持ワイヤに印加することによって交番する磁場を作成する。いくつかの実施形態では、パッドは、さまざまなシグナリング回路網およびスイッチング回路網または通信回路網、あるいは充電されるか電力を与えられるデバイスまたはバッテリの存在を識別する手段をも含むことができる。いくつかの実施形態では、パッドは、さまざまなデバイスを充電するかこれに電力を与え、あるいはパッド上のどこかに配置されるデバイスまたはバッテリの充電または電力供給を可能にする、複数のコイルまたはセクションをも含むことができる。このシステムの第２部分は、パッドからの交番する磁場からエネルギを受け取り、これをモバイルバッテリまたは他のデバイスに伝達する手段を含むレシーバである。レシーバは、変化する磁場を感知することができるコイル、巻線、または任意のワイヤを含み、直流（ＤＣ）電圧を作るためにこれを整流することができ、このＤＣ電圧は、デバイスまたはバッテリを充電するかこれに電力を与えるのに使用される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、レシーバは、電圧および電流をモバイルデバイスまたはバッテリが要求する適当なレベルにセットする電子コンポーネントまたは電子ロジックをも含むことができる。いくつかの実施形態では、レシーバは、充電される電子デバイスまたはバッテリ（バッテリはデバイスの内部にある）の状況あるいはさまざまな他のパラメータを感知し、判定し、この情報をパッドに通信する回路網をも含むことができる。追加の実施形態では、このシステムは、電子デバイスに格納されたデータの通信（たとえば、カメラに格納されたディジタルイメージ、セル電話機内の電話番号、ＭＰ３プレイヤ内の曲）またはデバイス内へのデータの通信など、追加の機能性を提供することができる。
【００１７】
諸実施形態は、充電器または電源とレシーバとの間、および最終的にモバイルデバイスまたはバッテリへの電力伝達の効率を改善する効率手段をも組み込むことができる。一実施形態によれば、充電器または電源は、一次コイルにまたがって交流（ＡＣ）電圧を生成するために適当な周波数で切り替えられ、ＡＣ磁場を生成するスイッチ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴデバイスまたは別のスイッチング機構）を含む。この場は、レシーバ内のコイル内に電圧を生成し、この電圧は、整流され、その後、コンデンサによって平滑化されて、負荷に電力を供給し、その結果は、より高い効率である。
【００１８】
他の実施形態によれば、コイルは、エリアのエッジに配置されたドライバエレクトロニクスに接続され続けながら、パッド内およびそのセグメントのエリア内で横に移動できるように取り付けられる。浮動コイルおよび駆動回路は、垂直移動を制限しながらコイルの横移動を可能にするように働く薄い上側カバー層と下側カバー層との間にサンドイッチされる。レシーバがパッド上に置かれるときに、パッドは、レシーバコイルの位置を感知し、電力伝達を最適化するためにコイルを正しい位置に移動する。磁石を使用して、コイルの方角をよりよく定め、より高い電力伝達効率を改善することができる。
【００１９】
追加の実施形態も、本明細書で説明する。たとえば、一実施形態によれば、充電／電源デバイスは、自家動力動作用の内蔵バッテリを含む。他の実施形態によれば、充電／電源デバイスは、太陽電池電力源、手回しクランク、または時々の自家動力動作用の電源の他の手段を含むことができる。他の実施形態を、充電キオスク、自動車、コンピュータケース、ならびに他の電子デバイスおよび応用例に組み込むことができる。
【００２０】
誘導充電システム
上で述べたテクノロジは、誘導充電のさまざまな態様を説明するが、これらは、消費者および製造業者がそのような製品に望む基本要件に対処しない。これは、次の所望の特徴を含む。
・パッドは、さまざまな電力要件を有する複数のデバイスまたはバッテリを効率的に充電するかこれに電力を与えることができなければならない。通常の個数は、４つ以上の低電力（５Ｗまで）デバイスまたはバッテリを同時に含めて、１から６または１２あるいはより多くのデバイスまたはバッテリとすることができる。複数のデバイスまたはバッテリが充電されているときに、デバイスまたはバッテリの近くのコイルだけにエネルギを与える方法が、好ましい。
・同一のパッドが、５Ｗ以下の電力要件を有する低電力デバイス（携帯電話機、ＰＤＡ、カメラ、ゲーム機など）またはバッテリと、ノートブックコンピュータ（しばしば６０Ｗ以上の電力要件を有する）または大電力バッテリなどの大電力デバイスとに電力を与えることができなければならない。
・一次コイルとレシーバとの間の電力伝達効率は、最大化されなければならない。電力伝達における効率の欠如は、より大きくより重いＡＣ−ＤＣ電源を必要とするはずである。これは、コストを増やし、顧客にとっての製品の魅力を減らす。したがって、パッド全体にエネルギを与える方法は、それほど魅力的ではない。
・レシーバの製造業者およびおそらくは電力要件に関する情報の検証の単純な方法が、製品互換性を保証し、製品登録およびライセンス付与の手段を提供するために、必要に応じてサポートされなければならない。
・このシステムからのＥＭＩ放射は、最小化されなければならず、理想的には、このシステムは、デバイスが存在しない状態でＥＭＩをほとんどまたは全く放射してはならない。充電器は、好ましくは、適当なデバイスまたはバッテリが充電器または電源自体の近くに持ってこられるまで、電力を放出してはならない。この形で、電力は、浪費されず、電磁力は、不必要に放出されない。さらに、クレジットカード、ディスクドライブなどの磁気に敏感なデバイスに対する偶然の影響が、最小化される。
・パッドおよびレシーバは、構成するのが適度に単純であり、コスト効率のよいものでなければなならい。両方の部分を、モバイルデバイスまたはバッテリに一体化することができるので、全体的なサイズ、重量、およびフォームファクタを最小化しなければならない。
【００２１】
本明細書で使用されるときに、用語「充電器」は、モバイルデバイスまたは静止デバイスに、そのバッテリを充電するため、その瞬間にデバイスを動作させるためのいずれかまたは両方のために、電力を供給するデバイスを指すことができる。たとえば、ポータブルコンピュータで一般的であるように、電源は、ポータブルコンピュータを動作させ、あるいはそのバッテリを充電し、あるいは両方のタスクを同時に達成することができる。充電器は、ＡＣ磁場を生成するために適当にコイルを駆動する回路網、電力または電流の感知またはレギュレーションの回路網、マイクロコントローラ、およびレシーバ、バッテリ、またはデバイスと通信する手段を含むことができる。充電器は、デバイスまたはバッテリとデータを通信し、あるいは他の機能を実行することができる場合もある。本明細書で使用されるときに、用語「レシーバ」は、１つまたは複数の誘導コイルおよび受け取られた電流の整流および平滑化の回路、充電器との通信および電力のレギュレーションのための任意の可能な制御回路網または通信回路網、ならびに充電管理回路、燃料ゲージ、電流センサ、電圧センサ、または温度センサなど、充電されるか電力を与えられるバッテリまたはデバイスの充電の管理または状況の測定のための任意の可能な回路を意味する。レシーバには、デバイスまたはバッテリと充電器との間のデータ転送の適当な回路をも組み込むことができる。一実施形態によれば、モバイルデバイスの充電器および／または電源は、平坦なパッドの構成など、任意の適切な構成を有することができる。モバイルデバイスの充電器および／または電源（モバイルデバイス充電器の一次側など）からモバイルデバイスによって受け取られる電力を、図面では負荷によって表される再充電可能バッテリに接続される前に、レシーバ内で整流し、コンデンサによって平滑化することができる。バッテリの正しい充電を保証するために、レギュレータまたは充電管理回路を、整流器／コンデンサステージの出力とバッテリとの間に配置することができる。このレギュレータまたは充電管理回路は、バッテリの適当なパラメータ（電圧、電流、容量）を感知し、レシーバから引き出される電流を適当に調節することができる。バッテリは、レギュレータまたは充電管理回路によって読み出すことができる、その特性に関する情報を有するチップを含むことができる。代替案では、そのような情報を、充電されるモバイルデバイスのレギュレータまたは充電管理回路に格納することができ、適当な充電プロファイルを、レギュレータまたは充電管理回路にプログラムすることもできる。
【００２２】
図１に、一実施形態による複数のレシーバ／エナジャイザコイルを使用するパッドを示す。その最も単純なフォーマットで、モバイルデバイスもしくはバッテリの充電器または電源は、好ましくは、パッド１００の構成など、実質的に平らな構成を有し、複数のコイルまたはワイヤのセット１０４を含む。これらのコイルまたはワイヤは、モバイルデバイスまたはバッテリ内のコイルまたはワイヤと同一サイズまたはそれより大きいものとすることができ、たとえば螺旋形の形状を含めて、類似する形状または異なる形状を有することができる。たとえば、携帯電話機、ＭＰ３プレイヤ、バッテリ、その他など、類似する電力（それぞれ１０Ｗまで）の４つまでのモバイルデバイスを充電するかこれに電力を供給するように設計されたモバイルデバイスの充電器または電源について、４つ以上のコイルまたはワイヤが、理想的には、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器に存在する。
充電器または電源のパッドには、壁のソケットなどの電力源にプラグで接続することによって電力を与えることができ、あるいは、それ自体に誘導によって電力を与えるか充電することができる。パッドは、ラップトップ機のＵＳＢコンセントを介してまたはドッキングステーションとインターフェースするか他のデバイスに電力を与えるためにラップトップ機が底部に有するコネクタによって電力を与えられるパッドなど、別の電子デバイスによって電力を与えることもできる。パッドを、ノートブックコンピュータによって使用できるものなどのドッキングステーションに組み込むか、テーブルまたは他の表面に組み込むこともできる。
【００２３】
一実施形態によれば、モバイルデバイスは、モバイルデバイスの充電器または電源から電力を受け取るために１つまたは複数のコイルまたはワイヤを含むレシーバを含むことができる。下でさらに詳細に説明するように、このレシーバを、モバイルデバイス内のバッテリの一部またはモバイルデバイスのシェルの一部とすることができる。モバイルデバイスシェルの一部であるときに、レシーバを、モバイルデバイスシェルの内側表面の一部またはモバイルデバイスシェルの外側表面の一部とすることができる。レシーバを、モバイルデバイスの電力入力ジャックに接続することができ、あるいは、入力ジャックをバイパスし、モバイルデバイスの内側のバッテリまたは充電管理回路に直接に接続することができる。これらの構成のいずれにおいても、レシーバは、モバイルデバイスの充電器または電源に隣接して配置されたときにモバイルデバイスの充電器または電源から電力を受け取ることができる１つまたは複数の適当なコイルまたはワイヤのジオメトリを含む。一実施形態によれば、モバイルデバイスの充電器もしくは電源のコイルおよび／またはモバイルデバイスもしくはバッテリのコイルを、プリント回路基板（ＰＣＢ）コイルとすることができ、ＰＣＢコイルを、ＰＣＢの１つまたは複数の層に配置することができる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、充電器または電源自体を、モバイルデバイスまたはバッテリに組み込むこともできる。たとえば、ラップトップコンピュータまたは他のポータブルデバイスもしくはモバイルデバイスに、充電器または電源セクションを組み込むことができ、その結果、上で説明したように他のモバイルデバイスを充電するかこれに電力を与えることができるようになる。代替案では、コイルもしくはワイヤの同一のセットまたはコイルもしくはワイヤの別々のセットを使用して、任意のモバイルデバイスまたはバッテリ自体を、他のモバイルデバイスまたはバッテリに電力を与えるかこれに充電する誘導充電器または誘導電源として使用することができる。
【００２５】
一実施形態によれば、モバイルデバイスの充電器／電源またはパッド、およびさまざまなモバイルデバイスまたはバッテリは、データを転送するために互いに通信することができる。一実施形態では、モバイルデバイスの電力供給または充電に使用されるモバイルデバイスの充電器／電源内のコイル、または同一ＰＣＢ層内もしくは別々の層内のコイルの別のセットを、モバイルデバイスの充電器／電源と充電されるか電力を与えられるモバイルデバイスまたはバッテリとの間での直接のデータ転送に使用することができる。ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＲＦＩＤ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ、または他などのラジオ通信およびネットワーク通信に使用される技法を使用することができる。一実施形態では、アンテナ（たとえば、レシーバコイルまたは別々のデータアンテナ）に接続されたチップまたは情報の転送の別の手段を、たとえばモバイルデバイスまたはバッテリの存在、その真正（たとえば、その製造業者コード）、およびデバイスの充電／電力要件（その必要電圧、バッテリ容量、および充電アルゴリズムプロファイルなど）に関する情報を提供するのに使用することができる。
【００２６】
一実施形態によれば、充電器／電源動作に関する通常のシーケンスは、次のとおりである。
・モバイルデバイスの充電器または電源は、正常に低電力状況であり、したがって電力使用量を最小化することができる。
・周期的に、コイルのそれぞれ（または別のＰＣＢ層内の別々のデータコイル）が、ＲＦ  ＩＤタグまたはレシーバコイルに接続された回路網などのレシーバ内の信号レシーバをアクティブ化することのできる短いラジオ周波数（ＲＦ）信号などの短い信号を用いて、順番にパワーアップされる。
・その後、モバイルデバイスの充電器／電源は、近くにある可能性がある任意のモバイルデバイス、バッテリ（または任意のレシーバ）からの戻り信号を識別することを試みる。
・モバイルデバイスまたはバッテリ（またはレシーバ）が検出された後に、モバイルデバイスの充電器または電源およびモバイルデバイスまたはバッテリは、情報を交換することに進む。
・この情報は、充電器または電源およびモバイルデバイスまたはバッテリの真正および製造業者を検証できる一意ＩＤコード、バッテリまたはモバイルデバイスの電圧要件、およびバッテリの容量を含むことができる。セキュリティのためまたは偽造のデバイスもしくはパッドの製造を防ぐために、そのような情報を、一部のＲＦＩＤタグまたは他の検証システムで一般的であるように、暗号化することができる。
【００２７】
さまざまな実施形態によれば、Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＮＦＣ）またはＦｅｌｉｃａなどの他のプロトコルを使用することができ、ここで、ＩＤおよび必要な情報を含む回路網は、モバイルデバイスもしくはバッテリによって、またはモバイルデバイスの充電器もしくは電源によってリモートに、のいずれかで電力を与えられる。特定の実施態様の必要に応じて、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ、および他の情報転送プロセスを使用することができる。バッテリの充電プロファイルに関する追加情報をも交換することができ、これには、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器に格納された事前にプログラムされた充電プロファイルで使用されるパラメータを含めることができる。しかし、交換される情報は、モバイルデバイスまたは再充電可能バッテリが存在することをモバイルデバイス充電器に示す肯定応答信号ほどの単純なものとすることができる。充電器または電源は、充電器または電源上の異なる位置での信号の強度の検出および比較の手段をも含むことができる。この形で、充電器または電源は、充電器または電源上のモバイルデバイスまたはバッテリの位置を判定し、その後、充電または電力供給のために適当な領域のアクティブ化に進むことができる。
【００２８】
より高い単純さを必要とするいくつかの実施形態では、通信の必要は、モバイルデバイスの充電器または電源とモバイルデバイスまたはバッテリとの間で発生しない。いくつかの実施形態では、モバイルデバイスの充電器または電源は、モバイルデバイスまたはバッテリが近くに持ってこられた時のモバイルデバイスの充電器または電源内の共振回路の状態の変化を検出することによって、モバイルデバイスまたはバッテリを感知することができる。他の実施形態では、モバイルデバイスまたはバッテリを、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源内のコイルの近くでのモバイルデバイスまたはバッテリの存在を判定する、容量、重量、磁気、光、または他のセンサなどの複数の近接センサによって感知することができる。モバイルデバイスまたはバッテリが、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の一次コイルまたはセクションの近くで感知された後に、モバイルデバイスの充電器または電源は、一次コイルまたはセクションをアクティブ化して、モバイルデバイスのバッテリ、シェル、レシーバモジュール、バッテリ、またはデバイス自体内のレシーバコイルに電力を供給することができる。
【００２９】
誘導充電回路
各モバイルデバイスおよびそのバッテリは、特定の特性（電圧、容量など）を有する。
単一の万能モバイルデバイス充電器または電源と共にこれらの異なるデバイスまたはバッテリを容易にするために、複数の回路アーキテクチャが可能であり、そのいくつかを、下でさらに詳細に説明する。
【００３０】
図２に、通常の誘導電力伝達システム１１０の主要コンポーネントを示す。図示の回路は、誘導電力伝達の原理を示すのに使用され、一実施形態への限定であることは意図されていない。一実施形態によれば、充電器１１２は、電力源１１８と、一次コイルＬｐ  １１６にまたがってＡＣ電圧を生成し、ＡＣ磁場を生成するために適当な周波数で切り替えられるスイッチＴ  １２６（ＭＯＳＦＥＴまたは他のスイッチング機構とすることができる）とを含む。この場は、レシーバ１１４内のコイル１２０内に電圧を生成し、この電圧は、整流され、その後、コンデンサによって平滑化されて、負荷Ｒｌ  １２４に電力１２２を供給する。使い易さのために、レシーバを、モバイルデバイスの内部に一体化されまたは製造中にモバイルデバイスの表面に取り付けられるなど、モバイルデバイスと一体化して、デバイスがモバイルデバイス充電器から誘導で電力を受け取ることを可能にするか、そのバッテリの中または上に一体化することができる。
【００３１】
一実施形態によれば、図２に示された回路は、電力源からこれに供給されるエネルギを受け取り、そのエネルギをインダクタおよびタイミングコンデンサに交互にたくわえ（タンクが液体をたくわえるように）、その後、連続的な交流（ＡＣ）波として出力を作ることができる。電圧が一次側に印加されるときに、タンク回路は、レシーバにエネルギを供給する。そのような設計の利益の１つは、回路内のタイミングコンデンサを簡単に交換できることである。たとえば、キャパシタンス（いくつかの場合にタイミングキャパシタンスと称する）の比較的高い値が使用される場合に、動作の周波数が下げられる。これは、回路のオン時間を増やし、トランスを介してより長い電力伝達および電流を供給し、したがってより多くの電力を供給する。したがって、より大きい値のキャパシタンスを、大電力応用例に使用することができる。逆に、キャパシタンスの比較的小さい値が使用される場合には、動作の周波数が高められる。これは、オン時間を減らし、トランスを介してより少ない電力伝達および電流を供給し、したがってより少ない電力を供給する。したがって、より小さい値のキャパシタンスを、低電力応用例に使用することができる。タイミングキャパシタンスの交換は、電力要件をマクロレベルで調整するために、すなわち、出力を選択された応用例に適当な範囲にするために、製造中に簡単に扱うことができる。その後、追加の技法を使用して、電圧出力をより正確な基礎でセットすることができる。
【００３２】
モバイルデバイスまたはそのバッテリは、通常、ＡＣ誘導電圧をＤＣ電圧に変更するために追加の整流器（１つまたは複数）およびコンデンサ（１つまたは複数）を含むことができる。次に、このＤＣ電圧は、バッテリおよび／またはモバイルデバイスの適当な情報を含むレギュレータ／充電管理チップに供給される。モバイルデバイス充電器は、電力を供給し、レギュレーションは、モバイルデバイスによって提供される。モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源は、モバイルデバイスまたはバッテリと情報を交換した後に、モバイルデバイスに適当な充電／電力供給条件を判定する。次に、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源は、要求される適当なパラメータを用いるモバイルデバイスへの電力供給に進む。たとえば、モバイルデバイス電圧を要求される正しい値にセットするために、モバイルデバイス充電器への電圧の値をセットすることができる。
代替案では、充電器スイッチング回路のデューティサイクルまたはその周波数を変更して、モバイルデバイスまたはバッテリの電圧を変更することができる。代替案では、上記の２つの手法の組合せに従うことができ、ここで、レギュレーションは、部分的に充電器または電源によって提供され、部分的にレシーバ内の回路網によって提供される。
【００３３】
誘導充電器パッド
モバイルデバイスまたはバッテリの位置に関わりなくモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の動作を可能にするために、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源のエリア全体を、コイルによってまたは磁場を作成する別のワイヤジオメトリによってカバーすることができる。
【００３４】
図３に、一実施形態による複数のコイルを使用する充電パッドを示す。図３に示されているように、一実施形態によれば、パッド１４０は、主に、個々のレシーバコイル１４４によってカバーされる。
【００３５】
図４に、一実施形態による複数のオーバーラップするコイル層を使用する充電パッドを示す。この実施形態は、複数のコイルの間のボイドの問題に対処する。図４に示されているように、コイルの第１セット１５２の間の最小限の磁場を伴うパッド１５０の任意のエリアを、コイルの第２セット１５４によって充てんすることができ、その結果、このコイルアレイの中心が一次セット内のボイドを充てんするように、コイルがタイリングされるようになる。この第２セットは、同一ＰＣＢの異なる層または異なるＰＣＢ内にあるものとすることができる。これらのジオメトリのそれぞれで、感知回路網は、ラスタの形、所定の形、またはランダムな形でコイルの各位置をプローブすることができる。コイルの上または付近のモバイルデバイスまたはバッテリが検出された後に、そのコイルが、適当なデバイスの受取ユニットレシーバに電力を供給するためにアクティブ化される。
【００３６】
上記の例から、ＰＣＢの複数の層にコイルを与えることによって、または異なるジオメトリもしくはサイズのコイルを設けることによって、望み通りの分解能またはカバレッジを入手できることがわかる。
【００３７】
一実施形態によれば、表面内の通常のコイルによって達成可能な最大電力を超える電力要件を有するモバイルデバイスまたはバッテリに電力を与えるために、モバイルデバイスまたはバッテリは、そのハンドシェークおよび検証プロセス中に、その電力／電圧要件をモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源に示すことができる。そうでなければモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の単一の一次コイルから達成可能ではない電力／電圧レベルを達成するための複数のジオメトリが、可能である。
【００３８】
システムジオメトリの一実施形態によれば、モバイルデバイスまたはバッテリの電力受取ユニットは、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の複数の一次コイルまたはワイヤのセットからの電力を追加してより高い総電力を作ることができるように接続された複数のコイルまたは受取ユニットを有する。たとえば、各一次コイルが最大１０ワットを出力できる場合に、６つの一次コイルおよび６つのレシーバコイルを使用することによって、６０ワットの総出力電力を達成することができる。一次コイルおよびレシーバコイルの個数は、同一である必要はなく、６つもしくは他の個数の一次コイルによって作られる磁束の大部分を取り込むことができるより大きいレシーバコイル（受取ユニット）または６つもしくは別の個数のレシーバコイルに電力を供給する大きい一次コイルが、同一の効果を達成することができる。複数の一次コイルおよびレシーバコイルのサイズおよび形状も、同一である必要はない。さらに、一次コイルおよびレシーバコイルのセットのいずれもが、同一平面または同一ＰＣＢ層内にある必要がない。たとえば、上で示した例の一次コイルを、一部があるＰＣＢ平面に横たわり、他が別の平面に横たわるように散乱させることができる。
【００３９】
別のジオメトリによれば、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源のＰＣＢは、複数の層を有し、ここで、あるサイズおよび電力範囲のコイルパターンまたはワイヤパターンを、１つまたは複数の層にプリントすることができ、他の層は、より大きいまたはより小さいサイズおよび電力容量のコイルパターンまたはワイヤパターンを含むことができる。この形で、たとえば、低電力デバイスについて、層のうちの１つからの一次側は、モバイルデバイスまたはバッテリに電力を供給する。より高い電力要件を有するデバイスまたはバッテリがパッドに置かれる場合に、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源は、その電力要件を検出し、より高い電力能力を有するより大きいコイルパターンまたはワイヤパターンまたはより高い電力の回路に接続されたコイルパターンまたはワイヤパターンをアクティブ化することができる。上で説明した異なるプロセスおよびジオメトリの組合せを使用することによって、類似する結果を達成することもできる。
【００４０】
図５に、一実施形態によるオーバーラップするパッド層内の複数のコイルタイプおよびコイルサイズの使用を示す。図５に示されているように、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源またはパッド１６０は、低電力コイルを含む第１層１６２および大電力コイルを含む第２層１６４を有する２つのオーバーラップする層を含むことができる。
【００４１】
誘導充電レシーバ
上で説明したように、誘導充電パッドまたは誘導電源パッドは、レシーバに電力を与えるのに使用され、このレシーバは、ポータブルまたはモバイルのデバイスまたはバッテリに電力を与えるかこれを充電するのに使用される。レシーバの一実施形態によれば、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源からの電力は、すべての予見できるモバイルデバイスまたはバッテリに電力を与えるのに十分な大きさ（小型モバイルデバイスまたはバッテリのための５Ｗまたは１０Ｗなど）で放たれる。各モバイルデバイスまたはバッテリに適当なレシーバは、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源と合わせられるときにモバイルデバイスまたはバッテリにとって十分な電力を受け取ることができる電力受取部分を有する。たとえば、２．５Ｗを要求する携帯電話機のレシーバは、適当な電力の受取を可能にするために、ある直径、巻数、ワイヤ幅などを有するコイルとすることができる。電力は、整流され、フィルタリングされ、その後、バッテリまたはデバイスの電力ジャックに供給される。上で述べたように、レギュレータまたは充電管理回路を、電力がバッテリまたはモバイルデバイスに供給される前に使用することができる。
【００４２】
エネルギを節約するために、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源によって放たれる電力を、調節することができる。充電器または電源が１０Ｗの電力を放っており、レシーバが５Ｗを受け取るように設計される場合に、放たれた電力の残りが浪費されるので、充電器または電源によって放たれる電力を調節することが望ましい。一実施形態では、レシーバまたはモバイルデバイスは、電気的方法（ＲＦなど）、機械的方法、または光学的方法を介して、デバイスまたはバッテリの電圧／電流特性に関して充電器または電源に知らせることができる。その後、上で示した回路図の充電器または電源の一次側を駆動して、レシーバ内で適当な電圧／電流を作成することができる。たとえば、その回路内のスイッチのデューティサイクルを、マイクロプロセッサを用いてプログラムして、レシーバ内で適当なレベルをもたらすように変更することができる。
【００４３】
一実施形態によれば、プログラミングは、マイクロプロセッサに接続されたメモリ位置内のルックアップテーブルによって、またはマイクロプロセッサに事前にプログラムされたアルゴリズムを使用することによって、実行することができる。代替案では、スイッチの周波数を変更して、レシーバ内に適当な電圧を作成するために回路を共振させ、共振からはずすことができる。代替ジオメトリでは、一次側の回路網への電圧を変更して、レシーバから出力される電圧を変更することができる。さらに、モバイルデバイス内の誘導される電圧／電流を感知し、充電器に通信して、閉ループを形成することができ、スイッチのデューティサイクル、周波数、および／または電圧を調整して、モバイルデバイス内の所望の電圧／電流を達成することができる。
【００４４】
一実施形態によれば、レシーバは、モバイルデバイスのバッテリの上にまたはその中に作られる。レシーバは、充電器または電源から電力を受け取る形状にされた１つまたは複数のコイルまたはワイヤを含むことができる。１つまたは複数のコイルまたはワイヤは、１つまたは複数のＰＣＢにプリントされ、または通常のワイヤから形成されるのいずれかとすることができる。上で説明したように、レシーバは、よりクリーンなＤＣ電圧を作るために整流器（１つまたは複数）およびコンデンサ（１つまたは複数）をも含むことができる。この出力は、直接にまたは電流制限抵抗器を介して、バッテリ上の接点のうちの１つに接続される。バッテリの過充電を避けるために、バッテリレギュレータまたは充電管理チップを使用することもできる。この回路は、バッテリのさまざまなパラメータ（電圧、充電の度合、温度など）を測定し、内部プログラムを使用して、回路から引き出される電力を調節して、過充電が発生しないことを保証する。この回路は、レシーバが充電器からの磁場の存在の下にあることを示すためのＬＥＤ、完全充電ＬＥＤ、および／または可聴信号をも含むことができる。
【００４５】
セル電話機、ＰＤＡ、およびＭＰ３プレイやなどの通常の商業応用例およびエンドユーザ応用例では、バッテリを、相手先商標製造会社（ＯＥＭ）によってバッテリパックまたはデバイスに組み込むか、オリジナルバッテリパックと交換できるアフターマーケットのサイズおよび形状が互換のバッテリパックとして組み込むことができる。これらの応用例でのバッテリ区画室は、通常はデバイスの底部にある。ユーザは、バッテリ区画室を開き、従来のバッテリを取り出し、これを一実施形態による変更されたバッテリに交換し、バッテリリッドを元に戻すことができる。その後、モバイルデバイスがモバイルデバイス充電器に隣接して配置されるときに、バッテリを誘導によって充電することができる。
【００４６】
レシーバの電力を受け取る能力を強化するために、充電器の一次コイルとレシーバのコイルまたはワイヤとの間の距離を最小にすることが望ましい可能性がある。これを達成するために、一実施形態によれば、レシーバのコイルまたはワイヤを、バッテリパックの外側に置くことができる。
【００４７】
図６に、一実施形態による一体化されたレシーバを伴うバッテリを示す。図６に示されているように、レシーバ１７０は、充電レシーバの正しい動作に必要な、レシーバコイル１７２、任意の整流器１７４、コンデンサ１７６、およびレギュレータまたは充電管理チップ１８０と一緒に、バッテリ１８２を含む。デバイスのバッテリ区画室リッドが、電力受取発光ダイオード（ＬＥＤ）が見られるのを妨げる場合には、リッド自体を、モバイルデバイスが充電器に隣接して配置されるときにユーザが充電インジケータＬＥＤを見ることを可能にする、透けて見えるリッドまたはライトパイプを有するリッドに交換することができる。
【００４８】
代替実施形態では、レシーババッテリは、最適電力伝達のための充電器のコイルまたはワイヤとモバイルデバイスのコイルまたはワイヤとの位置合わせの機械的方法、磁気的方法、または光学的方法を含むことができる。一実施形態によれば、充電器内の一次側の中心は、充電器表面に平行な極および充電器表面に垂直な磁場を有する円筒、円盤、またはリングなどの磁石を含む。レシーバも、コイルまたはワイヤレシーバの背後または前の類似する形状または異なる形状の磁石または磁気金属部分を含む。モバイルデバイスまたはバッテリが、充電器または電源の上にまたはこれに隣接して配置されるときに、磁石は、この２つの部分を引き付け、２つのコイルまたはワイヤの中心が位置合わせされた位置合わせにする。磁石は、これを能動的に行うために特に強いものである必要はない。より弱い磁石は、ユーザの手に案内を提供し、たいてい所期の結果を達成することができる。代替案では、可聴信号または視覚的信号（たとえば、部分がより近く位置合わせされるときにより明るくなるＬＥＤ）あるいは機械的手段（ディンプル、突起など）を、位置合わせに使用することができる。
【００４９】
もう１つの実施形態によれば、充電器または電源内のコイルまたはワイヤおよび磁石は、モバイルデバイスまたはバッテリが充電器または電源に近く近接するようにされるときにコイルがモバイルデバイスまたはバッテリに対してそれ自体を適当に位置合わせするために移動できるように、充電器または電源の本体に機械的に取り付けられる。この形で、コイルパターンまたはワイヤパターンの自動位置合わせを達成することができる。
【００５０】
もう１つの実施形態では、上で説明したレシーバエレクトロニクスが、好ましくは、曲がった形状に形成され得る柔軟なＰＣＢから作られる。そのようなＰＣＢを、平坦でないバッテリパックまたは曲がった形状を有するバッテリパックを含むバッテリパックの表面に配置することができる。バッテリまたはモバイルデバイスバッテリリッドの背面の曲面を、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の曲がった一次側と一致させ、位置合わせに使用することができる。この実施形態の使用の一例は、たとえば、円形ハンドルを有する懐中電灯とすることができ、バッテリを、円形バッテリの側面にあるコイルまたは円筒バッテリを取り巻くコイルを用いて充電することができる。同様に、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源が、曲がった形状を有することができる。たとえば、充電器または電源の表面を、鉢またはある類似する物体の形状にすることができる。平坦な背面または曲がった背面を有する可能性があるモバイルデバイスまたはバッテリを、鉢の中に配置することができる。鉢の形状は、モバイルデバイスまたはバッテリのコイルが電力を受け取るために一次コイルと位置合わせされることを保証するようになるものにすることができる。
【００５１】
もう１つの実施形態では、一次側を、カップなどの形状に組み込むことができる。モバイルデバイスを、直立するカップの中に配置することができ、レシーバを、モバイルデバイス（携帯電話機など）もしくはバッテリの端に、またはデバイスもしくはバッテリの背面もしくは周囲に組み込むことができる。レシーバは、カップの底面または壁から電力を受け取ることができる。
【００５２】
もう１つの実施形態では、充電器の一次側は、平坦な形状を有することができ、モバイルデバイスまたはバッテリを、電力を受け取るために立たせることができる。レシーバは、この場合にはデバイスまたはバッテリの端に組み込まれ、スタンドまたはある機械的手段が、充電されている間にデバイスまたはバッテリを保持するために組み込まれる。
【００５３】
もう１つの実施形態では、充電器または電源を、スペースを節約するために、垂直にまたはある角度で（自動車の表面上など）壁または類似する表面に取り付けられるようにすることができる。充電器または電源は、充電されるモバイルデバイスの取付けまたは保持を可能にするために、物理的特徴、磁石、留め金具、または類似物を組み込むことができる。充電されまたは電力を与えられるデバイスまたはバッテリは、これらが垂直位置、傾いた位置、またはある他の位置で充電器または電源上に留まることを可能にするために、リテーナ、磁石、または物理的形状をも組み込むことができる。この形で、デバイスまたはバッテリは、一次側の近くまたはその上にある間に一次側によって充電され、または電力を与えられ得る。
【００５４】
バッテリ区画室のリッドまたはモバイルデバイスの底部が金属から作られる応用例では、交換非金属リッドまたは交換非金属バッキングを使用することができる。代替案では、コイルを、金属表面の外側に取り付けることができる。これは、電磁（ＥＭ）場が電力レシーバのコイルまたはワイヤに到達することを可能にする。レシーバの残り（すなわち、回路網）は、レシーバが働くために金属の背後に配置することができる。バッテリが金属部分を有するいくつかの他の応用例では、これらの部分が、ＥＭ場およびレシーバ内のコイルの動作と干渉する場合がある。この場合には、バッテリ内の金属とコイルとの間に距離を設けることが望ましい可能性がある。これは、より厚いＰＣＢまたはバッテリ上部表面を用いて行うことができる。代替案では、追加の免疫をもたらすために、フェライト材料（Ｆｅｒｒｉｓｈｉｅｌｄ  Ｉｎｃ．社が提供するものなど）を、レシーバとバッテリとの間で使用して、ＥＭ場からバッテリまたはデバイスをシールドすることができる。これらの材料は、薄くなるようにすることができ、その後、一体化されるバッテリ／レシーバの構築中に使用することができる。
【００５５】
もう１つの実施形態によれば、バッテリまたはモバイルデバイス内のレシーバは、バッテリ製造業者、必要電圧、容量、電流、充電状況、通し番号、温度などに関する情報を充電器に供給する手段をも含む。単純化された実施形態では、製造業者、必要電圧、および／または通し番号だけが送信される。この情報は、正しい充電条件または電力条件をもたらすために一次側を調整するのに、充電器または電源によって使用される。次に、レシーバ内のレギュレータまたは充電管理チップは、バッテリを正しく充電するために電流および負荷を調節することができ、最後に充電を終えることができる。もう１つの実施形態では、レシーバは、それに供給されるバッテリ状況に関する時間依存情報に完全に依存して充電プロセスを制御することができる。代替案では、充電プロセスを、類似する形で充電器によって制御することができる。上で説明したように、充電器とレシーバとの間の情報交換は、ＲＦリンクまたは光送信器／検出器、ＲＦＩＤ技法、Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＮＦＣ）、Ｆｅｌｉｃａ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、または情報転送のある他の方法を介するものとすることができる。同様に、レシーバは、充電器または電源のどのコイルまたはセクションをアクティブ化すべきかを決定するためにレシーバの位置を判定するために充電器によって使用できる信号を送ることができる。
通信リンクは、データ転送用のアンテナと同一のコイルまたはワイヤを使用することもでき、あるいは、別々のアンテナを使用することができる。いくつかの実施形態では、レシーバは、充電パッドまたは電源パッドと通信するためにモバイルデバイスの実際の能力（たとえば、携帯電話機の組込みＢｌｕｅｔｏｏｔｈ機能またはＮＦＣ機能）を使用することができる。
【００５６】
上で説明したように、いくつかの実施形態によれば、レシーバを、適当とすることができ、外部からのＥＭ放射にさらされ得る位置でデバイスの本体またはバッテリ自体に一体化することができる。レシーバの出力を、内部的にデバイスの内部でバッテリの電極にルーティングすることができ、デバイスの内部の適当な回路が、電力を感知し、調節することができる。デバイスは、充電が行われつつあるか完了したことをユーザに示すか、受け取られた電力（すなわち、充電器内の一次側との位置合わせ）の強さまたはバッテリ充電の度合を示す、ＬＥＤメッセージなどまたは可聴サインを含むことができる。他の実施形態では、レシーバは、充電器に最も近い、モバイルデバイスの一部であるコンポーネントの内側表面もしくは外側表面またはバッテリの外側表面に組み込まれる。これは、オリジナル装備としてまたはアフターマーケットアイテムとして行うことができる。コンポーネントは、バッテリパックのリッドまたはモバイルデバイスの底部カバーとすることができる。さらに他の実施形態では、レシーバを、アフターマーケット応用での使用のために、バッテリ区画室の背面または前面あるいはモバイルデバイスの交換可能シェルに一体化することができる。たとえば、携帯電話機応用例では、背面バッテリカバーまたはシェルを除去し、レシーバを組み込まれた新しいシェルまたはバッテリカバーに交換することができる。
【００５７】
図７に、一実施形態による充電されるか電力を与えられるデバイスとのレシーバの結合を示す。図７に示されているように、オリジナル携帯電話機セットアップ１９０は、シェル１９４および電力ジャック１９６を有するデバイス１９２を含む。アフターマーケット変更２００は、オリジナルシェルを、必要なレシーバコイルおよびバッテリ結合を含む組合せシェル２１０に交換する。この回路網からの接点は、モバイルデバイスの内部のバッテリ電極へまたはモバイルデバイスの内部に接点が存在するか製造中にデバイス製造業者によって提供される場合にそのような接点への直接接続を行うことができる。代替案では、レシーバを、携帯電話機の入力電力ジャックまたはバッテリの電極にプラグで接続されるコネクタを有するコンポーネント（シェルなど）とすることができる。レシーバは、モバイルデバイスまたはバッテリに固定され、またはこれから取り外し可能とすることができる。これは、固定してまたはワイヤによってのいずれかでレシーバ（シェル）に取り付けられるプラグを有することによって達成することができる。代替案では、交換レシーバ（シェル）を、オリジナルシェルより大きく、オリジナルシェルより長く後ろに延び、プラグを含むようにすることができ、その結果、レシーバ（シェル）が取り付けられるときに、同時に、入力電力ジャックへの接触が行われるようになる。代替案では、レシーバ（シェル）は、パススループラグを有することができ、その結果、この入力電力コネクタへの接触が行われている間に、コネクタが、外部の通常の電力供給プラグを代替物としても使用することを可能にするようになる。代替案では、パススルーの代わりに、この部分が、背面の別の位置に電力ジャックを含むことができ、その結果、通常の電源を使用してバッテリを充電できるようになる。デバイスへのコネクタが、デバイスへの通信などの他の機能を実行する場合には、パススルーコネクタは、デバイスへの通信／接続性を可能にすることができる。
【００５８】
もう１つの実施形態によれば、ユニット内の交換レシーバ（すなわち、交換シェル）またはプラグは、電力レシーバのコンポーネントおよび回路網に加えて、モバイルデバイスにさらなる機能性を提供できる追加回路網を含むことができる。これは、たとえば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、ＮＦＣ、Ｆｅｌｉｃａ、ＷｉＭａｘ、ＲＦＩＤ、または別の無線機構もしくは光機構を介してデータを交換する能力を含むことができる。これは、全地球位置測定システム（ＧＰＳ）位置情報、点滅するライト、懐中電灯、または他の装飾機能もしくは電子機能などの拡張された機能性を提供することもできる。上で説明したように、コイルの位置合わせを改善するさまざまな方法、または位置、バッテリ製造業者、もしくはバッテリ条件情報転送のさまざまな方法を、レシーバまたは交換シェルに一体化することもできる。
【００５９】
もう１つの実施形態では、レシーバは、モバイルデバイスもしくはバッテリの入力ジャックに取り付けられるかモバイルデバイスのレシーバ保護スキンに一体化される別々のユニットの形で供給される。携帯電話機、カメラ、およびＭＰ３プレイヤ用の多数の皮カバーまたはプラスチックカバーが、既に存在する。これらのカバーの主目的は、日常使用中の機械的スクラッチ、ショック、および衝撃からデバイスを保護することである。しかし、これらのカバーは、通常、より装飾的な応用またはより宣伝的な応用を有する。一実施形態によれば、レシーバは、電極をその上に形成され、上で説明したシェルに似てデバイスの背後に取り付けられ入力ジャックにプラグで接続されるレシーバコイルまたはレシーバワイヤを有する、薄いＰＣＢから形成される。代替案では、レシーバコイルまたはレシーバワイヤを、入力電力ジャック用のプラグにルーティングされる柔軟なワイヤまたは柔軟な回路基板を介して接続することができる。
【００６０】
もう１つの実施形態によれば、レシーバを、充電中に入力ジャックにプラグで接続され、充電器の上に置かれ、その後、充電が終了した後にプラグを抜くことができる別々の部分とすることができる。
【００６１】
もう１つの実施形態では、レシーバは、モバイルデバイスのプラスチック、皮、シリコン、または布のカバーの内側表面、外側表面、または２つの層の間に組み込まれ、デバイス上の接点にプラグで接続されるかこれと接触する。
【００６２】
ノートブック機およびいくつかの音楽プレイやなどのある種のデバイスが、金属の底面を有することに留意されたい。背面を交換するか一体化されたレシーバと共にモバイルデバイス内のプラグもしくは副スキンを使用する、上で説明した方法は、これらの応用例に特に有用である。前に説明したように、金属表面の影響を、必要な場合に、レシーバのワイヤと金属表面との間の距離を増やすことによって、またはレシーバと金属底面との間にフェライト層を配置することによって、最小化することもできる。
【００６３】
また、上で説明した、位置合わせのためにレシーバを曲げ、または磁石、ＬＥＤ、オーディオ信号もしくはメッセージなどを一体化するなどの方法、あるいは位置、製造業者、もしくは充電条件識別の方法の使用が、上で説明した実施形態のすべての実施形態と共に可能であることに留意されたい。上記の事例のいずれにおいても、充電器または電源は、ライト、ＬＥＤ、ディスプレイ、またはオーディオ信号もしくはメッセージを含んで、ユーザが最大の受取のために一次コイルの上にモバイルデバイスまたはバッテリを置くのを案内し、充電が行われつつあることを示し、デバイスが完全に充電されたことを示すことができる。バッテリがどれほど満たされているかまたは他の情報を示すためのディスプレイをも組み込むことができる。
【００６４】
柔軟な／モジュラ充電パッド
一実施形態によれば、柔軟なモバイルデバイスの充電器または電源が、持ち運びのために折り畳むか巻き上げることのできるパッドの形状で提供される。一実施形態の一実施態様では、充電器または電源のエレクトロニクスが、薄い柔軟なＰＣＢ上に配置され、あるいは、コイルが、巻き上げるか成形できるワイヤから作られる。シリコンチップ、コンデンサ、抵抗器、および類似物から作られるエレクトロニクスコンポーネントは、柔軟ではないが非常に小さいスペースを占める可能性がある。これらの硬いコンポーネントを、柔軟なまたは硬い回路基板に取り付けることができ、エネルギ伝達用のコイルまたはワイヤを含むパッドの主部分を、表面への一致または巻き上げを可能にするために柔軟にすることができる。したがって、パッドは、薄いマウスパッドまたは類似物に似る。
【００６５】
いくつかの場合に、機能性において拡張可能なモバイルデバイスの充電器または電源を有することが、ユーザにとって有利である場合がある。事例は、次を含むがこれらに限定はされない。
・ユーザは、単一の低電力のデバイスまたはバッテリを充電するかこれに電力を与えるためにモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源を購入する場合があるが、後の段階で、より多くのデバイスまたはバッテリに同時に充電するか電力を与えるために能力を拡張することを望む場合がある。
・ユーザは、１つまたは複数の低電力のデバイスまたはバッテリを充電するか電力を供給するためにモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源を購入する場合があるが、より多くの低電力または大電力のデバイスまたはバッテリを充電するか電力を供給することを望む場合がある。
・ユーザは、１つまたは複数の低電力または大電力のデバイスまたはバッテリを充電するか電力を供給することができるモバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源を購入し、その後、通信もしくはローカルストレージ、または再充電可能バッテリ、または太陽電池パネルなどの電力生成の手段、あるいはある他の機能を充電器または電源に追加することを望む場合がある。
【００６６】
上記および他の事例のすべてにおいて、モバイルデバイスまたはバッテリの充電器または電源の機能を拡張するためのモジュラ手法を有することが有用であり得る。
【００６７】
図８に、モジュラ接続性または複数接続性を可能にする一実施形態によるパッド２２０を示す。この場合に、ユーザは、電気コンセント２２４によって電力を与えられる第１ユニット２２２を購入することができる。しかし、電力およびデータ用の相互接続２２６が設けられ、その結果、追加ユニット２２８、２３０が、直接にまたは間接にこの第１ユニットに単純にはまるかプラグで接続でき、顧客の必要が増えるときに機能を拡張することができる。データ通信およびストレージユニット２３４をも、モジュラの形で接続することができる。この手法は、顧客が、低コストエントリポイントでテクノロジを使用し、彼／彼女の能力を経時的に高めることを可能にする。
【００６８】
これらの方法から利益を得ることのできるエレクトロニクスデバイスの一部は、携帯電話機、コードレス電話機、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ポケットベル、ウォーキートーキー、他のモバイル通信デバイス、モバイル電子メールデバイス、Ｂｌａｃｋｂｅｒｒｙ、ＭＰ３プレイヤ、ＣＤプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、ゲーム機、ヘッドセット、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、補聴器、ヘッドマウントディスプレイ、ＧＰＳユニット、懐中電灯、腕時計、カセットプレイヤ、ラップトップ機、電子住所録、ハンドヘルドスキャニングデバイス、玩具、電子書籍、スチールカメラ、ビデオカメラ、フィルムカメラ、ポータブルプリンタ、ポータブル投影システム、ＩＲビューワ、水中カメラまたは任意の防水デバイス、歯ブラシ、かみそり、医療機器、科学機器、歯科機器、軍機器、コーヒーマグ、キッチン器具、料理用深鍋および調理鍋、ランプ、または任意のバッテリ動作デバイス、ＤＣ動作デバイス、もしくはＡＣ動作デバイスを含む。
【００６９】
さらに、誘導電力伝達は、これまでバッテリ動作ではなかったデバイスに電力を供給することができる。たとえば、机またはキッチンテーブルに置かれたパッドの形状のモバイルデバイスの充電器または電源を使用して、ランプまたはキッチン器具に電力を与えることができる。キッチンで使用される一実施形態では、カウンタに置かれるか組み込まれる、パッドなどの平坦な充電器または電源は、料理長が、使用中に誘導によって充電しまたは電力を与えるために充電器または電源の上にデバイスを置き、使用後に単純にこれらを離すことを可能にすることができる。デバイスは、たとえば、ブレンダ、ミキサ、缶切り、またはポット、平鍋、もしくはヒーターとすることさえできる。これは、別々の調理エリアおよび作業エリアの必要をなくすことができる。誘導パッドの近くに金属の平鍋を配置することによって、充電器または電源の表面を冷たく保ちながら平鍋および内容を直接に加熱できることに留意されたい。この理由に起因して、誘導キッチンレンジが商業化され、コイルの抵抗加熱によって働く電気レンジより効率的であることが示された。
【００７０】
もう１つの実施形態では、近接誘導場によって金属の平鍋を直接に加熱するのではなく、調理鍋が、レシーバおよび加熱要素または冷却要素すら含むことができる。充電器に置かれた後に、平鍋は、平鍋および内容の正確な温度制御を可能にする平鍋のダイヤルまたは類似物によって望み通りに加熱しまたは冷却する。
【００７１】
同様に、オフィスまたは作業エリアのセッティングでは、充電器または電源が、モバイルデバイスまたはバッテリを充電するか電力を与えるのにすぐに使用可能である場合に、充電器または電源を、デスクの照明用のランプに電力を与えるのに使用し、あるいはファクシミリ機、ステープラ、コピー機、スキャナ、電話機、およびコンピュータなどのオフィス機器に電力を与えまたは充電するのに使用することもできる。一実施形態では、レシーバを、テーブルランプの底部に組み込むことができ、受け取られた電力は、白熱灯またはＬＥＤランプに電力を与えるのに使用される。
【００７２】
もう１つの実施形態では、マグ、カップ、グラス、または皿などの他の食事器具の底部にレシーバを取り付けることができる。受け取られた電力を使用して、マグなどを加熱コイルを用いて加熱し、したがって、飲み物または食品を望まれる任意の温度に暖かく保つことができる。さらに、一実施形態によれば、熱電気クーラーなどのデバイスの使用によって、内容を望み通りに冷却し、または加熱することができる。
【００７３】
同様に、多くの子供の玩具は、しばしば、長期の使用またはデバイスのスイッチを切ることを単純に忘れることに起因して、バッテリ電力を使い果たす。しばしば、これらのバッテリは、安全のためにスクリュードライバによってあけることしかできないバッテリ区画室の内部に含まれる。玩具または内部のバッテリにレシーバを含めることによって、デバイスバッテリを交換する必要を減らし、はるかに単純な方法を用いる再充電を可能にすることができる。
【００７４】
もう１つの実施態様では、レシーバを、人体に埋め込まれるか挿入される医療デバイスまたはそのバッテリに組み込むことができる。ペースメーカー、人工内耳、補聴器、または他の監視デバイスなどのこれらのデバイスのバッテリは、周期的な充電を必要とする場合があるので、誘導電力伝達は、デバイスの充電および性能のテスト（すなわち、詳しい検査）またはデバイスがログ記録したデータのダウンロードのための理想的な非接触方法を提供することができる。
【００７５】
もう１つの実施形態では、いくつかのアクティブＲＦＩＤタグが、パッケージまたは出荷の状況または位置に関する情報を送出できるバッテリを含む。これらのタグを充電する安価な方法は、各タグと共にレシーバを含めることである。したがって、充電器を使用して、これらのＲＦＩＤタグに電力を与え、または充電することができる。
【００７６】
誘導充電器の有効作動距離が、源の電力および周波数とコイルのサイズおよびジオメトリとに依存することに留意されたい。周波数を数ＭＨｚまたは数十ＭＨｚまで高めることによって、テクノロジの応用に応じて数インチまたは数フィートの作動距離を得ることができる。また、入力電力ジャックを除去する上記実施形態のいずれもが、機械的故障または環境故障の源を除去することによって製品信頼性を高めるので、特に重要であることに留意されたい。さらに、ジャックの除去は、防水応用および余分な安全に不可避である。
【００７７】
コイル回路を介する効率向上
一実施形態によれば、電力効率を最大化し、コイル内の損失を最小にするために、コイルは、できる限り低い抵抗を有するように製造されなければならない。これは、金、銀、その他などのより伝導性の金属の使用によって達成することができる。しかし、これらの材料のコストは、時々ひどく高い。実際には、減らされた抵抗を、より厚い銅被覆ＰＣＢまたはより幅広いトラックを使用することによって得ることができる。ほとんどの一般的なＰＣＢは、１〜２オンス銅ＰＣＢを使用する。いくつかの実施形態によれば、無線充電器に使用されるコイルＰＣＢを、２オンス銅と４オンス銅との間、または６オンス銅さえ有するＰＣＢ被覆から作ることができる。ＰＣＢの製造のプロセスを、より高い導電率を達成するために最適化することもできる。たとえば、スパッタリングされた銅は、ロール加工された銅より高い導電率を有し、通常は、この応用例によりよい。動作中に、コイルおよび回路網は、コイルの設計のパラメータ（たとえば、巻数、コイルの厚さ、幅など）によって決定される周波数で共振を示す。以前の作業は、ＭＯＳＦＥＴを用いて方形波によって駆動される回路に集中した。この手法は、方形波が純シヌソイドではないので、高調波を生じるという不利益を有する。高調波が望ましくないのは、次の理由による。
・ＰＣＢコイルは、特定の周波数で最適の電力伝達効率を生じる。一次信号の高調波は、それほど効率的には伝達されず、全体的なシステム効率を下げる。
・方形波の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジのすばやい電圧変化は、振動を生じ、この振動は、さらなるＥＭＩを生じるさらなる高調波を生じる。
・一次側によって放射される高調波は、より放射的（より高い周波数に起因して）であるＥＭＩに寄与する、より高い周波数の成分を生じる。これらの高調波を回避しなければならないので、システムの他の要件（十分な作動距離、その他など）を維持しながら、全体的なシステムの動作の周波数範囲をできる限り低い周波数に制限することが望ましい。
・スイッチがターンオンし、ターンオフする瞬間に、コイルへの突入電流の変化は、短い時間期間の間のコイルにまたがる膨大な電圧スイングを引き起こす。すべての電力が、これらの短い時間中にレシーバに伝達される。
【００７８】
ＰＣＢコイル一次およびレシーバを用いて９０％転送効率を達成する以前の試みは、回路を駆動するのに研究室電源を使用した。この手法は、コイルの正弦波電圧を用いて達成できるものより高い効率を実証したが、そのような電源は、複雑であり、高コストであり、実用的充電器応用例に使用できるには大きすぎる。一実施形態によれば、コンデンサが、ＭＯＳＦＥＴのドレイン／ソース接点に並列に追加される。
【００７９】
図９に、一実施形態による回路図２４０の図を示す。無線充電器システム内のコイルは、レシーバが存在するときに回路の共振周波数でＦＥＴをスイッチングすることによって駆動される。近くにレシーバがない状態では、回路は、共振から離調され、最小限のＥＭＩを放射する。コンデンサ２４４は、スイッチオフ時間中に放電するエネルギのリザーバとして働き、エネルギ伝達の質を高める。上で説明した例と同様に、キャパシタンスの値を変更することによって、低電力／大電力の基礎で電力レベルおよび効率レベルを調整することが可能になり、追加の特徴および技法を使用して、特定のデバイスの電力出力を微調整することができる。
【００８０】
図２および図９に示された回路設計は、ゼロ交差電源を使用する。短く言うと、ゼロ交差電源では、一次コイルのトランジスタが最初にターンオンされるときに、電流が、一次コイルおよびトランジスタを介してグラウンドに通る。その後、トランジスタがターンオフされるときに、トランジスタでの電圧レベルは、大きくスイングする（たとえば、入力電圧が５Ｖの場合に、電圧レベルは、１０Ｖまたは１００Ｖにさえスイングする場合がある）。非ゼロ交差回路は、サイクルが再開始される前に、電流が０まで低下することを可能にする。その後、順方向モード回路（ｆｏｒｗａｒｄ  ｍｏｄｅ  ｃｉｒｃｕｉｔ）は、負荷と直列のインダクタを使用して、電流を回復し、インダクタを充電すると同時に、ダイオードが、両方の方向での充電を可能にする（全位相（ｆｕｌｌ  ｐｈａｓｅ）ＡＣが使用されるときに）。
【００８１】
伝統的なトランス設計では、ゼロ交差は使用されない。というのは、これが、少なくともより高い電力またはフェライトコアを用いて、非ゼロ設計と比較してより低い効率を必ずもたらすからである。これは、主に、伝統的なフェライトコアが、コンデンサとして働き、エネルギをたくわえ、これが回路効率を下げるからである。上で説明したように、一実施形態によれば、非フェライトコイルのときに、磁束がなく、したがって、効率は、同一の範囲までは影響されない。
【００８２】
さらに、このシステムは、フェライトコアまたは強磁性コアを使用しないので、デバイスの全体的なサイズおよび重さを減らすことができる。いくつかの実施形態によれば、コイルを、重いフェライトコイル、はんだ付け、およびコイルへの配線なしで、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に形成することができる。いくつかの実施形態によれば、レシーバ内の二次側に磁気コアの必要はない。磁気コアは、通常は大きく重いので、これは、かなりのサイズの節約をもたらす。
【００８３】
たとえば、ＦＥＴとしてＩＲＦＲ０２２０チップを使用し、９回巻き１．２５”直径を有する４オンス銅コイルを使用する実施形態によれば、上記図２の回路を、１０オームのＲＬを用いて負荷を与え、１．３ＭＨｚで動作するように調整することができる。レシーバの一次および二次のコイルを一致させ、コンデンサＣを用いずに、クロックおよびＦＥＴドライバ回路を含む回路の総合回路効率は、４８％に達する。ＦＥＴに並列に１６００ｐＦコンデンサを追加すると、総合回路効率は７５％まで高まり（効率における５０％よりよい向上）、それと同時に、ＦＥＴにまたがる電圧および回路内の高調波も減少する。
コンデンサをＦＥＴと並列に配置された状態でのコイルからコイルへの伝達効率は、約９０％になると推定される。この手法の利益は、次を含む。
・高い効率（コイルからコイルへ約９０％）。
・低いリンギング振動およびＥＭＩ。
・単純さおよび低コスト。
・ＦＥＴのより広い選択の使用を可能にする、より低いＦＥＴソース−ドレイン電圧スイング。
【００８４】
多くの応用例では、パッドおよびレシーバが、レシーバが近くにない限りパッドが電力を放出しないように配置されることも望まれる。
【００８５】
図１０および図１１に、一実施形態による回路図を示す。高い効率に加えて、ＥＭＩを最小にし、高い総合効率を維持するのに必要な１つの方法は、近くのレシーバの存在を認識し、その後、適当なときに限ってパッドをオンに切り替える能力である。これのための２つの方法を、下で説明する。
【００８６】
図１０に示されているように、一実施形態によれば、パッド回路２６０には、ＦＥＴドライバ２６８をイネーブルし、またはディスエーブルすることができるマイクロ制御ユニット（ＭＣＵ１）２６６が組み込まれる。ＭＣＵ１は、別のセンサ機構から入力を受け取り、このセンサ機構は、デバイスが近くにあるかどうか、デバイスがどの電圧を要求するかを判断し、かつ／または充電されまたは電力を与えられるデバイスを認証するのにＭＣＵ１が後に使用できる情報を提供する。
【００８７】
この情報に関するセンサ機構の１つは、回路のＲＦＩＤタグを検出することができるＲＦＩＤリーダ２８０とレシーバ（すなわち、充電されるか電力を与えられるデバイスまたはバッテリ）内のアンテナとの使用を介するものである。タグ上の情報を検出して、要求されるレシーバ内の電圧を識別し、回路が純正またはライセンスの下にあることを認証することができる。タグ上の情報を暗号化して、さらなるセキュリティをもたらすことができる。タグを含むデバイスまたはバッテリがパッドの近くに来た後に、ＲＦＩＤリーダをアクティブ化することができ、ＲＦＩＤリーダは、タグメモリ上の情報を読み取り、テーブルと比較して、真正／要求される電圧または他の情報を判定することができる。この情報テーブルも、ＭＣＵ１メモリに常駐することができる。情報が読み取られ、検証された後に、ＭＣＵ１は、ＦＥＴドライバをイネーブルして、パッド上のコイルの駆動を開始し、レシーバにエネルギを与えることができる。
【００８８】
もう１つの実施形態では、ＭＣＵ１は、ＦＥＴドライバを周期的に開始するのにクロック２７０に頼る。ＦＥＴドライバを通る電流が、電流センサ２６４を介して監視される。
たとえば次を含む、複数の方法を、この実施態様と共に実施することができる。
・小さい抵抗器をＦＥＴと直列にグラウンド接点に配置することができる。この抵抗器にまたがる電圧を、Ｌｉｎｅａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｅｎｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ部品番号ＬＴ１７８７などの電流センサチップによって測定することができる。
・その下を走るワイヤから電流を測定する、Ｓｅｎｔｒｏｎ  ＣＳＡ−１Ａなどのホールセンサを、ＰＣＢラインの上でＦＥＴからグラウンドまで配置して、回路への電気接続を一切伴わずに電流を測定することができる。この手法の利益は、回路のこの部分と直列の余分な抵抗器が必要ではなく、インピーダンスが減ることである。
・電流を測定する他の技法を使用することができる。
・ホールセンサまたはリードスイッチが、磁場を感知することができる。小さい磁石がシステムのレシーバユニットの内側に配置される場合に、ホールセンサまたはリードスイッチを、磁石の存在を感知するのに使用することができ、ＦＥＴを開始するための信号として使用することができる。
・他の容量センサ、光センサ、磁気センサ、または重量センサなどを組み込んで、二次またはレシーバの存在を感知し、エネルギ伝達プロセスを開始することができる。
【００８９】
図１１に、一実施形態による回路図２９０の図を示す。一実施形態によれば、ＭＣＵ１は、ＦＥＴドライバを周期的に開始することができる。近くにレシーバがある場合には、そのレシーバが回路に電力を与えることができる。レギュレータ２９６または回路内の別のメモリチップをプログラムすることができ、その結果、パワーアップ時に、これが事前にプログラムされた形で電流を引き出すようになる。例は、ＡＴＭＥＬ  ｅ５５３０または別の安価なマイクロコントローラ（ここではＭＣＵ２  ２９４として図示）など、その後に一次側での電流変調として検出できるレシーバ内の電流をパワーアップ時に変調する、経路内のＲＦＩＤトランスポンダチップの一体化である。以前の例と同様に、ＲＦＩＤアンテナ２９２などの他のセンサを使用して、位置情報および他の情報を提供することもできる。
【００９０】
図１２に、コイルの間のオフセットの関数として伝達される電力を示す、一実施形態による電力伝達チャート３００の図を示す。
【００９１】
コイルレイアウトにおける効率向上
電力伝達効率の重要な態様は、互いに関するコイルの位置合わせに関係する。
【００９２】
図１３および図１４に、一実施形態によるコイルレイアウトの図を示す。位置独立性が要求される場合には、パッドＰＣＢにコイルパターンをパターン形成して、すべてのエリアをカバーすることができる。図１３に、コイルの間の最小限の間隔３１４を有するコイル３１２のレイアウトを含むパッドタイプの充電器または電源３１０を示す。各コイルは、それに関連する中心３１６を有する。一実施形態によれば、レシーバの中心として１．２５”（３１．７５ｍｍ）直径のコイルに関する電力伝達は、一次側の中心からオフセットされる。電力は、２つのコイルがコイル半径だけオフセットされるときに、最大値から２５％低下する。上で説明したように、コイルを位置合わせされた状態によりよく保つために、一次側およびレシーバコイルの上でセンタリングされた磁石の使用は、この２つの部分を位置合わせされた状態にする自動的な方法を提供することができる。
【００９３】
均一な場を作るために、レシーバコイルの周囲の複数のコイルが、通常、場を作るためにオンに切り替えられる必要がある。しかし、そのようなパターンを用いると、レシーバコイルが２つの一次コイルの間に配置される場合に、電圧は、それでも最適化されない。
研究から、均一な場を得るためには、互いに関してオフセットしたコイルパターンの３つの層が必要であることが示された。
【００９４】
図１４に、位置独立磁場パターンを達成するのに必要な３つの層のうちの２つ３２２、３２４を有するパッドタイプ充電器３２０を示す。円の中心に配置されたレシーバについて、近くのすべてのコイル（円３２８の中および周囲）が、所望の位置３２６で均一な場を達成するためにオンに切り替えられる必要がある。この手法は、オフセットの問題を解決し、位置独立性を提供するのに使用することができるが、高い転送効率は生じない。その理由は、１０個以上のコイルが、レシーバ中心付近でオンに切り替えられて、そのエリアで均一な場を作成する必要があり、これが、非効率的な電力伝達につながるからである。
【００９５】
独立コイル移動を介する効率向上
いくつかの実施形態によれば、位置独立性を維持しながら高い転送効率を提供する技法が含まれる。
【００９６】
図１５に、一実施形態による複数のコイルを有する充電パッドの図を示す。パッド３３０のエリアは、壁または物理的バリヤ、あるいは、単純に、物理的な壁を伴わないが他の形でセグメント内への移動を制限する、ある束縛手段によって境界を付けられる３３６複数のセグメント３３２に分割される。コイル３３４は、エリアのエッジに配置された駆動エレクトロニクスに接続され続けながらそのセグメントのエリア内で横に移動または浮動できるように取り付けられる。一実施形態によれば、浮動コイルおよび駆動回路は、垂直移動を制限しながらコイル横移動を許すように働く薄い上側カバー層と薄い下側カバー層との間にサンドイッチされる。レシーバコイルがパッド上に置かれるときに、パッドは、レシーバコイルの位置を感知し、電力伝達を最適化するためにコイルを正しい位置に移動する。
【００９７】
図１６に、一実施形態による、可動コイルを有する充電パッドの図を示す。モバイルデバイス、たとえばセル電話機３４０またはバッテリが、パッド３３０上に置かれるときに、最も近いコイルが、モバイルデバイスまたはバッテリに関してそれ自体の方角をよりよく定めるためにセグメント内で移動する３４２。一実施形態によれば、これを達成するのに使用される方法は、パッド内の各コイルの底中心に磁石を貼り付けることによる。レシーバコイルの中心の一致する磁石は、近くの一次磁石を引き付け、これをレシーバコイルに関して自動的にセンタリングする。
【００９８】
一実施形態によれば、この構成の各コイルを、コイルに電力を搬送するワイヤによってまたは別々のワイヤ／スプリングによってまたは別の機構によって懸架することができ、その結果、各コイルは、パッドの平面内で自由に移動できると同時に、個々のまたは共有される駆動回路から電力を受け取れるようになる。移動を容易にするために、コイルの表面またはベースユニット（コイルがそれに接して移動するエリア）の最上層の下面または両方の層を、低摩擦材料の使用、低摩擦材料の貼付け、または潤滑によって滑らかにすることができる。上で説明したワイヤ／スプリングまたは電流搬送機構を、各コイルの所望の移動セクタの中心の区域内で各コイルをセンタリングするのに使用することもできる。
この形で、近くにレシーバコイルがない状態で、ベースユニット内の各コイルは、そのセクタの中心位置に留まり、デバイスまたはバッテリが近くに持ってこられたときにレシーバコイルと一致するために応答し、移動する。隣接する充電器コイルまたは電源コイルの間の移動のオーバーラップは、コイルへの電流を搬送するワイヤの長さを制限することを介して移動を制限する手段、サスペンションまたはスプリングの配置、分割するセクタの配置、柱、または任意の他の機構によって制御することができる。
【００９９】
もう１つの実施形態では、パッドは、モバイルデバイス、バッテリ／レシーバの存在を検出し、コイルをオンに切り替え、かつ／または適当なパターンを用いてコイルを駆動してレシーバ内に要求された電圧を生成するために適当なアクションを行う方法を含む。これは、ＲＦＩＤ、近接センサ、電流センサなどの組込みを介して達成することができる。
位置独立性および自動的なパッドのオンへの切替を可能にするイベントのシーケンスは、次とすることができる。
・複数の可動コイルが、パッド表面積をカバーするのに使用される。
・パッド内のコイルは、ノーマリオフであり、一次コイルを通る電流を測定することによってレシーバが近くにあるかどうかを感知するために周期的に順次パワーアップされる。代替案では、各セクションの下の近接センサが、磁石の存在または容量もしくは他のパラメータの変化を感知して、デバイスが置かれた場所を知ることができる。各セクションの下の局所化されたアンテナを用いるＲＦＩＤ技法またはそのようなものを使用することもできる。
・デバイスがセクション内に置かれたものとして識別された後に、パッドは、認証するためおよびデバイスの電圧／電力などの要件を理解するための前に説明したプロセスのうちの１つを介してデバイスに問い合わせることができる。
・ＭＣＵ１ユニットは、上で受け取った情報を使用して、レシーバ内に適当な電圧を作るためにＦＥＴ駆動を駆動するのに使用するＰＷＭパターンをセットする。
・基板は、コイルをスキャンするかＲＦＩＤシステムを使用することなどによってパッド上の他のデバイスについて「検索」し続け、その後、適当に他のコイルをオンに切り替える。
・パッドは、最初のモバイルデバイスがパッドから除去されるかどうかおよびその時、または充電の終りに達した時を見つけるために、監視をも使用する。
【０１００】
コイルの位置決めおよびスイッチングにおける効率向上
一実施形態によれば、パッドへのモバイルデバイスの接近を識別できるグローバルＲＦＩＤシステムを使用して、基板を「ウェイクアップ」することができる。これに、上で説明したものに似た形でデバイスが置かれた場所を認識するための個々のコイルの順次ポーリングを続けることができる。他の実施形態を使用して、ベースユニットに置かれた物体の誤充電に対する保護を提供することができる。充電器システムまたは電源システムのベース内の物体など、コイルの上に置かれた金属物体が、電流を一次側に流れさせ、熱として散逸される電力を金属物体に伝達することがわかっている。実際の状況では、これは、ベースユニットにキーおよび他の金属物体が置かれることに、開始をトリガさせ、ベースユニットコイルから不必要に電流を引き出させ、おそらくは過熱に起因する故障につながらせる。この状況を回避するために、上で説明したものなどの実施形態では、コイルへの電圧のスイッチングは、検証可能なＲＦＩＤタグを有する電子デバイスが近くにあり、これによって、オンに切り替わり動作すべき適当なコイルを認識するためのイベントのシーケンスがトリガされるまで、開始されない。代替ジオメトリでは、全体的なシステム電流または個別のコイル電流が監視され、突然の期待されない引き出される電流が認められる場合に、さらに調査するか、適当なコイルを無期限にまたはある時間期間の間にシャットダウンするか、アラームを示すために、処置を講ずる。
【０１０１】
もう１つの実施形態では、モバイルデバイス内またはバッテリ内のレギュレータまたはバッテリ充電回路、あるいはレシーバエレクトロニクス内のレギュレータは、通常、充電プロセスを開始するのに必要な開始電圧（５Ｖなど）を有する。バッテリ充電回路は、この電圧の存在を検出した後に、オンに切り替わり、その後、充電のためにバッテリに供給するために、入力からプリセットレートで電流を引き出すことに進む。バッテリ充電器回路は、開始時の過少電圧または過大電圧がスタートアップを防ぐように動作する。スタートアップが発生した後に、バッテリ充電器出力の電圧は、通常、バッテリの電圧であり、充電の状態に依存するが、たとえば４．４Ｖから３．７Ｖであり、あるいは、リチウムイオンバッテリの場合にはより低い。本明細書で説明するものなどの無線充電システムを用いると、レシーバの電圧は、図５に示された一次コイルおよびレシーバコイルの相対位置に非常に依存する。通常、バッテリ充電器の開始電圧は、指定された電圧の狭い範囲内にあるので、位置ずれまたは他の変動に起因するレシーバコイルの過少電圧または過大電圧は、バッテリ充電器回路のシャットダウンをもたらす。
【０１０２】
コイル電圧クランピングを介する効率向上
図１７に、一実施形態による回路図３５０の図を示す。一実施形態によれば、ツェナーダイオード３５２が、図１７に示されているように、レギュレータまたはバッテリ充電器回路の前にレシーバの出力での最大電圧をクランプするために組み込まれる。ツェナーを使用することによって、デバイスを充電するかこれに電力を与える能力を維持しながら、一次コイルとレシーバコイルとの間の配置に対するより大きい鈍感さが可能になる。たとえば、一次側での駆動パターンを、一次コイルとレシーバコイルとが位置合わせされるときにレシーバの電圧がバッテリ充電器スタートアップの公称電圧を超えるようにセットすることができる。たとえば、５Ｖスタートアップについて、中央での電圧を６Ｖまたは７Ｖのためにセットすることができる。この形で、ツェナーを、適当な電圧（５Ｖ）を有し、コイルがセンタリングされるか位置ずれする間にバッテリ充電器ユニットへの入力で電圧をこの値にクランプするように選択することができる。バッテリ充電器が、入力での適当な電圧の検出の後に動作を開始した後に、バッテリ充電器回路網は、この点での電圧を事前にプログラムされた電圧またはバッテリの電圧にプルする。この形で、ツェナーダイオードの使用は、無線充電器または無線電源の位置および他の動作パラメータに対するより低い感度を可能にし、極端に有用である。
【０１０３】
コイル積み重ねを介する効率向上
図１８に、一実施形態によるコイルを積み重ねる手段の図を示す。一実施形態によれば、より高い束密度を達成するために、コイルは、たとえばプリント回路基板の複数の層を使用することによって、複数の層を用いて構成される。複数層基板を使用して、高い束密度のコイルのコンパクトな製造を可能にすることができる。各層のコイルの寸法（厚さ、幅、および巻数を含む）を変更することと、複数の層を積み重ねることとによって、コイルの抵抗、インダクタンス、束密度、および結合効率を、特定の応用例に最適化されるように調整することができる。
【０１０４】
一実施形態によれば、ある距離だけ分離された２つのＰＣＢコイルを含むトランスは、次を含む、コイルの設計によって定義される多数のパラメータを有する。
Ｒ１は、一次巻線抵抗であり、
Ｒ’２は、一次を参照する二次（レシーバ内）巻線抵抗であり、
ＲＬは、抵抗型負荷であり、
Ｌｌｋ１は、一次リークインダクタンスであり、
Ｌ’ｌｋ２は、一次を参照する二次リークインダクタンスであり、
ＬＭ１は、一次相互インダクタンスであり、
Ｃ１は、一次巻線キャパシタンスであり、
Ｃ’２は、一次を参照する二次巻線内のキャパシタンスであり、
Ｃ１２は、一次巻線と二次巻線との間のキャパシタンスであり、
ｎは、巻数比である。
【０１０５】
図１８に示された実施形態によれば、複数層ＰＣＢコイル３５６が、別々のＰＣＢ層３５７内に作成され、ＰＣＢ層３５７は、その後、連結され３５８、ＰＣＢ製造で使用される一般的な技法を介して、たとえばビアまたは接点の使用によって、一緒に製造される。
その結果得られる全体的なスタックは、コイルの多数の巻きを含む薄い多層ＰＣＢである。この形で、幅広いコイル（低抵抗）を使用できるが、コイルの全体的な幅は、増えない。この技法は、小さいｘ−ｈコイル寸法が望まれる場合に特に有用である可能性があり、より高い束密度およびより効率的な電力伝達をもたらすのに使用することができる。
【０１０６】
コイルの形状および材料を介する効率向上
一実施形態によれば、システムは、一次コイルと二次（レシーバ）コイルとの両方に非フェライト材料を使用することができる。たとえば、コイルを、上で説明したように、プリント回路基板（ＰＣＢ）にスパッタリングされ、堆積され、または形成される銅材料から作ることができる。やはり上で説明したように、コイルを、たとえば平坦または平板状の六角形形状または螺旋を含む、任意の個数の異なる形状で形成することができる。コイルを、コイル、螺旋、および他のさまざまな形状の複数の層で分散させることもできる。
【０１０７】
一次側および二次側（レシーバ）に非フェライト材料または非強磁性材料を使用することの利益の１つは、コイルを、フェライトコイルよりはるかに平らに薄くすることができることである。さらに、非フェライトコイルは、フェライト材料から作られた匹敵するコイルより低いインダクタンスを有するようにすることができる（インダクタンスは、１マイクロヘンリー程度であるが、実際の値は、コイルに印加される電圧の周波数に依存して変化する）。非フェライトの性質は、コイルのヒステリシスを効果的に除去し、システムをすばやく、より少ないエネルギ貯蔵アーティファクト（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ  ａｒｔｉｆａｃｔ）を伴ってオンおよびオフに切り替えることを可能にする。
【０１０８】
コイル回路の変形
いくつかの実施形態によれば、インダクタンス−キャパシタンス（しばしば、ＬＣまたは「タンクコンデンサ」と称する）回路を使用して、所期の応用例に適当に適するために、ある範囲の電力出力を提供することができる。たとえば、回路を、低電力応用例または大電力応用例のいずれかに適するように最適化することができる。
【０１０９】
特定の所期の応用例に応じて、回路設計内のオリジナルのコンデンサ（本明細書では「タイミングコンデンサ」と称する）を、電力出力の異なる全体的レベルを得るために、除去し、かつ／または異なる値のコンデンサに置換することができる。製造の展望からは、これは、比較的単純で安価な手順である。この技法を使用して、パッドコンポーネントの大多数を各パッド設計に共通するように設計でき、主要な差が単一のコンデンサの値になるという点で、異なるエンドユーザ応用例のために異なる充電器またはパッドの実施形態を簡単に製造することができる。この単一のコンデンサを、製造プロセス中に指定するか変更することができる。タイミングコンデンサを使用して、たとえば大電力応用例または低電力応用例のためにシステムを調整することができるが、モバイルデバイスで受け取られる最終電力出力を、下でさらに詳細に説明するものなどの追加の技法および特徴を使用して微調整することができる。
【０１１０】
コイル波形生成
一実施形態によれば、半位相（ｈａｌｆ−ｐｈａｓｅ）電気波形が、タンク回路の充電に、および後にモバイルデバイス内のレシーバコイルに誘導電力を供給するのに使用される。全位相波形とは異なって、半位相波形は、ゼロ交差電源と共に使用することができる。この実施形態によれば、一次コイル内のトランジスタが最初にターンオンされるときに、電流が、一次コイルおよびトランジスタを介してグラウンドに流れる。トランジスタがターンオフされるときに、トランジスタの電圧レベルは大きくスイングする（入力電圧の値の２倍から数倍までのどこか）。これは、インダクタの標準的な振動挙動である。電流がゼロまで下がるときに、トランジスタがもう一度ターンオンされ、このプロセスが繰り返される。
【０１１１】
多くの伝統的なトランス設計は、半位相波形を使用せず、その代わりに、非ゼロ交差設計を使用する。というのは、そのフェライトコアが、コンデンサのように働き、オフ位相中にエネルギをたくわえ、このエネルギが、ゼロ交差が使用される場合に電力効率の大きい損失をもたらすからである。しかし、一実施形態によれば、より低い電力（２Ｗ程度）と結合された非フェライトコイルの使用は、半位相およびゼロ交差回路と共に適切な効率を可能にする。
【０１１２】
さらに、いくつかの実施形態によれば、半位相波形を、より高い周波数の放射が減らされるようにするために、急な形状ではなく指数関数形状または曲がった形状を有するように設計することができる。これらのより高い周波数の放射は、そうでなければ、ポータブルデバイスおよび他のデバイスに関する問題を引き起こすか、消費者電気デバイス内の高周波数放射を禁止する連邦通信規制に抵触する可能性がある。
【０１１３】
自動電圧セッティング
いくつかの実施形態によれば、システムは、モバイルデバイス識別、および異なるデバイスの自動電圧セッティングまたは自動電力セッティングなどの特殊化されたタスクを実行する追加の回路、コンポーネント、特徴、および技法を含むことができる。上で説明したように、タイミングコンデンサを置換して、システムの回路周波数および結果の出力電圧を変更することができるが、これは、消費者が電圧を変更するか、個々のモバイルデバイスの特定の要件に適するように電圧を変更することを可能にする実用的な解決策ではない。実際には、タイミングコンデンサを使用して、特定の範囲の出力電力を供給することができる（すなわち、大電力応用または低電力応用）。その後、追加の技法を使用して、特定のデバイスのために電力を調整することができる。これは、充電器またはパッドが複数の異なるデバイスに同時に電力を与えるか充電するように設計されるときに特に重要である。というのは、これらの異なるデバイスのそれぞれが、異なる電力要件および電圧要件を有する可能性があるからである。さまざまな実施形態によれば、次を含む異なる特徴を使用して、これをサポートすることができる。
・デバイスの電圧要件を考慮に入れ、そのデバイスに正しい電圧を受け取るのに適当な寸法を使用するための、レシーバコイルのハードワイヤリング。しかし、この手法は、そのデバイスのために電圧を調整するように働くが、その性質によって、ハードワイヤードであり、異なるデバイスと異なる充電器または電源との間のインターオペラビリティのために電圧を調整するための多くの柔軟性を提供はしない。
・異なる電圧を得るための動的計画法の使用。この実施形態によれば、タイミングキャパシタンスがわかっている場合に、回路の周波数を、要求された出力電圧を生じるように調整することができる。
・ゼロスイッチング（ｚｅｒｏ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）回路では、クリッピングを使用して電圧を調整することができる。これは、回路をオンに切り替えることと、その後、回路をオフに切り替えることを可能にするが、波形をより早期にクリッピングし、その後、回路をもう一度オンに切り替えることを含むことができる。その後、このプロセスが繰り返される。クリッピングは、クリッピングされないスイッチングより非効率的である場合があるが、電圧を調整するのに使用することができる。
【０１１４】
上のコンデンサベースの技法と共に使用されるときに、タイミングコンデンサの選択を使用して、充電器、電源、またはパッドの全体的な範囲を決定することができる（たとえば、低電力または大電力応用例に最も適するかどうか）。その後、追加の特徴を使用して、周波数および出力電圧を微調整することができる。いくつかの実施形態によれば、追加の特徴を使用して、効率を改善し、機能性を追加することができる。
【０１１５】
上で説明したように、一実施形態によれば、パッド回路２６０は、ＦＥＴドライバ２６８をイネーブルし、またはディスエーブルすることができるマイクロ制御ユニット（ＭＣＵ）２６６を組み込まれる。ＭＣＵは、別のセンサ機構から入力を受け取り、このセンサ機構は、デバイスが近くにあるかどうか、デバイスがどの電圧を要求するかを判断し、かつ／または充電されるデバイスを認証するのにＭＣＵが後に使用できる情報を提供する。
レシーバから一次側へ通信されるフィードバックを、一次側によって使用して、たとえば、上で説明した周波数／出力特性を使用して、周波数を調整し、または他の形でそのレシーバへの出力電圧を変更することができる。いくつかの伝統的なトランス設計は、フィードバックの測定値を提供するのに第３のコイルを使用する。しかし、本明細書で説明するＭＣＵの使用は、そのような余分なコイルフィードバックデバイスの必要を除去する。
【０１１６】
やはり上で説明したように、一実施形態によれば、ツェナーダイオード３５２が、レギュレータまたはバッテリ充電器回路の前にレシーバの出力での最大電圧をクランプするために組み込まれる。上で説明したフィードバック設計のそれぞれで、電圧要件に関するレシーバと一次側との間の実際の通信は、開ループ設計または閉ループ設計の通信とすることができる。開ループ設計では、充電デバイス、パッド、または電力源が、一次側に電力を供給し、この電力は、その後、レシーバおよび充電されるモバイルデバイスまたはバッテリ他のデバイスに誘導によって伝達される。一次側自体は、レシーバでどれほどの電力が受け取られなければならないのかを判定する。スイッチングモード電源など、閉ループ設計では、デバイス／レシーバが、一次側に戻って情報を通信し、その後、一次側は、どれほどの電力をレシーバに送らなければならないのかを判定する。
【０１１７】
デバイスの識別および検証
図１９に、一実施形態による識別検証の回路図４００の図を示す。一実施形態によれば、この回路設計を使用して、デバイスが有効であるすなわち、充電器、電源、またはパッドと共に使用されることを認可されることを保証することができる。この情報を、デバイスの電圧をセットするために開ループ設計または閉ループ設計の一部として使用することもできる。動作中に、一次回路が、まずオンに切り替えられる。初期信号が、この回路がレシーバ内に電力を誘導するときに生成される。この情報は、ＭＣＵに格納された数または値とすばやく比較され、モバイルデバイス（またはそのモバイルデバイスもしくはバッテリに関連するレシーバ）がベースユニット、充電器、電源、または充電パッドと共に動作するために有効であるかどうかを判定するのに使用される。妥当性検査に加えて、この情報を、レシーバ、バッテリ、またはモバイルデバイスの充電電圧をセットするのに、同様に使用することができる。
【０１１８】
図２０に、一実施形態による両方向通信の回路図４２０の図を示す。図２０に示されているように、一実施形態によれば、充電器または電源または一次側は、たとえばラジオ周波数（ＲＦ）または通信の他の手段を含む、レシーバ、バッテリ、またはモバイルデバイスと通信する手段を含むことができる。
【０１１９】
図２１に、一実施形態による出力コントローラの回路図４４０の図を示す。図２１に示されているように、一実施形態によれば、レシーバ内の出力コントローラは、電力が十分になるまで待ち、その後、モバイルデバイスまたはバッテリへの電力をオンに切り替える。
【０１２０】
図２２に、一実施形態によるレギュレータまたは充電管理回路を有するレシーバの回路図４８０の図を示す。図２２に示されているように、一実施形態によれば、レシーバは、電圧を調整するレギュレータを含む。
【０１２１】
図２３に、一実施形態によるＭＣＵレギュレーションの回路図５００の図を示す。図２３に示されているように、一実施形態によれば、ＭＣＵは、電圧レギュレーションを提供することができる。
【０１２２】
図２４に、一実施形態による単一方向通信およびデータ転送の回路図５４０の図を示す。図２４に示されているように、一実施形態によれば、レシーバは、それが結合されるモバイルデバイスにデータを転送する手段を含むことができる。
【０１２３】
図２５に、一実施形態による時間ベースのレギュレーションの回路図５６０の図を示す。
【０１２４】
ゼロ電圧セッティング
いくつかの実施形態によれば、システムは、ゼロ電圧セッティング（ＺＶＳ）などの技法を使用して、より効率的な電力伝達および電源制御を提供することができる。これらの技法は、ＰＣＢ内の螺旋パターン、スタンプされた金属コイル、および少ない巻数の巻かれたワイヤコイルによって作られるものなど、小さい誘導値のコイルの間の電力伝達のためのより効率的なレギュレーションを提供するのにも使用することができる。現在使用されているスイッチングモード電源では、使用される一般的なジオメトリは、ブーストバック（ｂｏｏｓｔ  ｂｕｃｋ）、フライバック、ブースト、またはこれらのタイプの変形である。これらのジオメトリのほとんどで、入力電圧は、ＦＥＴなどのトランジスタによってすばやくスイッチングされ、エネルギは、トランスを介して負荷に伝達される。一実施形態によれば、スイッチング回路のデューティサイクルを調整することによって、伝達される電力のレギュレーションが達成される。
【０１２５】
図２６に、一実施形態によるフライバック電源ジオメトリ５８０の高水準図を示す。ＦＥＴが閉じられている時間中に、一次コイルを通る電流は、このコイルにエネルギをたくわえ、ＦＥＴが開かれている期間中に、このエネルギが、二次（レシーバ）コイルおよび負荷に伝達される。コイルにたくわえられるエネルギは、コイルのインダクタンスに正比例し、数百ヘンリーの値が、数十Ｗまたは数百Ｗの電源電力について典型的である。
【０１２６】
対照的に、プリント回路基板コイル（ＰＣＢＣ）は、通常、硬いまたは柔軟なＰＣＢ材料に印刷されるか銅のシートからスタンプされるか電源内のコイルまたはトランスが主に平坦であり非常に小さいスペースを占める他の方法による、螺旋円形、長方形、または他の形状のコイルである。その間に距離（ＰＣＢ材料の両側面上など）またはエアギャップもしくは材料ギャップ（充電器が充電器から分離できまたは除去できる電子デバイスまたは電気デバイス内のレシーバに電力を送る無線電力応用例など）を伴って配置される２つのこれらのコイルを、図２６に示されたものなどのトランスを形成するのに使用することができる。高周波数（コイルのジオメトリおよびサイズに依存して約１ＭＨｚ）でのこれらのコイルのスイッチングは、エアギャップまたは材料ギャップにまたがって電力を伝達することができ、非常に小さいトランスを有する効率的な電源を開発することができる。
携帯電話機およびＭＰ３プレイヤなどのモバイルデバイスの無線電力供給のためのそのようなコンパクトなコイルの使用が、実証されてきた。しかし、多くの以前の技法は、電源のコンパクトな効率的回路ではなく、シヌソイドまたは類似する電圧を一次コイルに供給し、伝達される電力を研究するのに、研究室電源を使用した。
【０１２７】
ＺＶＳジオメトリ実施形態によれば、コンデンサが回路に追加され、その結果、スイッチＯＦＦ位置で、コンデンサおよびコイルインダクタが、共振回路を作成するようになる。スイッチＯＮ時間中に、電流は、インダクタを通過し、コンデンサにまたがる電圧は、０である。スイッチがオフに切り替えられている期間中に、コンデンサにまたがる電圧は、入力電圧の２倍という最大電圧まで上昇し、その後、０に戻って共振する。このジオメトリの特性は、正確にこの電圧が０に戻って達するときにスイッチが閉じられ（したがって、ゼロ電圧スイッチングという名前である）、これによって、電力使用量が最小化され、高い効率が達成されることである。このジオメトリの利益のいくつかは、高い効率および「ロスレス」遷移、ソフトスイッチングと方形波ではなくシヌソイドの使用とに起因する減らされたＥＭＩ／ＥＭＣ、ピーク電流が方形波スイッチングより多くはない、および相対的に単純な制御およびレギュレーションを含む。さらに、このジオメトリは、低いインダクタンス値を伴って非常に効率的に働くことができ、したがって、ＰＣＢＣ応用例によりよく適する。さまざまな実施形態によれば、このジオメトリを、さまざまなトポロジ、たとえばバック、ブースト、バックブースト、およびフライバックで動作するように構成することができる。
【０１２８】
いくつかの実施形態は、ＰＣＢ内の螺旋パターン、スタンプされた金属コイル、少ない巻数の巻かれたワイヤコイルなどによって作成されるものなどの小さい誘導値のコイルの間の電力伝達に関する、より効率的な電力伝達と、電源の制御およびレギュレーションとをもたらす。さらに、通常、磁気コアは、コイルが高周波数で駆動される場合には使用されない。螺旋コイルについて、コイルのインダクタンスは、次によって与えられる。
【０１２９】
【数１】
2014168380.tif 000003
ただし、
Ｌ＝インダクタンス（Ｈ）
ｒ＝コイルの平均半径（ｍ）
Ｎ＝巻数
ｄ＝コイルの深さ（外側半径−内側半径）（ｍ）
【０１３０】
たとえば、１０回巻き、１５ｍｍの外側半径、および０の内側半径のコイルについて、Ｌ＝１Ｈである。より大きい値を、巻数を増やすか、複数のコイルを垂直に積み重ね、これらを直列に接続することによって得ることができるが、このより大きい誘導は、増えた抵抗、したがってインダクタでの損失を犠牲にして得られる。
【０１３１】
磁気コアを使用せずにＰＣＢにプリントされた螺旋コイルは、高周波数で動作する場合に高い電力伝送効率をもたらすことができる。上の技法に類似する方法が、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）と称する方法である。ＺＣＳは、類似する原理によって動作するが、スイッチングは、ゼロ電流がスイッチを通過する間に行われ、これによって、低いスイッチング損失を達成する。次の議論では、ＺＶＳスイッチングが、一般に述べられるが、ＺＣＳジオメトリを、次に同等に適用することができる。いくつかの実施形態によれば、低い誘導値を有するそのような小さいおよび／または薄いコイルを用いて高い電力伝達を達成し、最適化する方法が、説明され、実世界の電力応用例でのこの電力の制御およびレギュレーションの複数の技法を説明する。このテクノロジは、全般的に、そのようなインダクタを使用するすべてのタイプの電源について説明されるが、特定の実施形態によれば、トランス内の２つのコイルが、分離され、一次側は、誘導充電器内にあり、レシーバは、デバイス、バッテリ、ケーシング、スキン、または電子デバイスもしくは電気デバイスの他の部分に埋め込まれる。この場合に、モバイルの電子デバイス、電気デバイス、またはバッテリを充電しまたはこれに電力を与えるのに特に有用な無線充電器または無線電源を作成することができる。
【０１３２】
ＺＶＳジオメトリ全般、具体的には小さいインダクタンスを有し磁気コアを有しないコイルの使用の利益は、上で説明した。しかし、電源設計のもう１つの重要な態様は、実施される制御およびレギュレーション回路網である。負荷への電力のレギュレーションは、出力ステージのリニアレギュレータまたはスイッチングレギュレータによって達成することができる。しかし、電力のレギュレーションがこの形で達成され、一定の電力が一次コイルから供給される場合に、軽い負荷の条件の下で（バッテリが完全に充電された時またはデバイスがスタンバイ状態である時など）、一次側によって生成され送られる電力は、大部分が浪費され、低効率の電源につながる。よりよい解決策は、異なる負荷条件またはバッテリ充電ステージ中に高い効率を維持するために、異なる負荷条件の下で一次コイルへの電力を調整することによって達成される。
【０１３３】
一実施形態によれば、ＺＶＳ電源での出力電力のそのような制御は、動作の周波数を変更することによって達成することができる。この実施形態では、出力電圧は、動作周波数に反比例し、制御は、適当な制御回路によって達成することができる。
【０１３４】
図２７に、どのようにして負荷への出力電圧が監視され、負荷条件の変化と共に、チップすなわちマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）が、最適動作および変化する負荷に伴って制御される出力電圧を達成するためにＦＥＴドライバの周波数またはデューティサイクルを変更するかを示す。図２７に示されているように、動作に関するディジタル制御６００が示されている。しかし、アナログ動作を達成することもでき、アナログ動作は、より単純であり、負荷変動に対する応答時間においてより高速であり、いくつかの応用例で好ましい場合がある。図示の実施態様では、一次側（制御回路、クロック、ＦＥＴドライバ、ＦＥＴ、一次コイルなど）およびレシーバ（二次コイル、整流器、コンデンサ、他の回路網など）は、ワイヤード接続を介して通信することができる。
【０１３５】
無線通信を伴うスイッチングモード電源
充電器または電源およびレシーバが互いから分離可能である（デバイスへの無線または誘導の充電または電力供給）、充電器または電源を含む実施形態によれば、充電器または電源は、基本的な制御機能およびスイッチング機能を含むことができ、レシーバは、整流器ダイオードおよび出力電圧を平滑化するためのコンデンサと追加回路網とを含む。この実施形態では、この２つの部分が、互いに無線で通信する必要がある。
【０１３６】
図２８に、より洗練された充電器または電源の実施態様を示す。この実施形態によれば、一次ステージおよび二次（レシーバ）ステージが無線で通信する。図２８に示されたジオメトリでは、ディジタル制御方式が実施される。一次側（充電器または電源）６２０は、コイルと直列の電流センサから信号を受け取るマイクロ制御ユニット（ＭＣＵ１）によって制御される。充電器とレシーバ６３０との間の通信は、電力伝達と同一のコイルを介して達成される。しかし、これらの機能を分離することができる。
【０１３７】
図示のジオメトリでは、２次側（レシーバ）は、この部分が一次側によって見られる負荷を変調することを可能にする回路網を含む。一実施形態によれば、これは、レシーバ内のＭＣＵ２によるスイッチＱ２の変調を介して達成される。これは、非常に小さいプログラマブルＩＣ（ＰＩＣ）とすることができ、非常に小さいフォームファクタに簡単に収めることができる。一次充電器または一次電源が二次レシーバに電力を送るときに、レシーバ内の回路が、オンに切り替わる。受け取られた電力は、それぞれ整流器Ｄ１およびコンデンサＣ２によって整流され、フィルタリングされる。ＭＣＵ２は、常に一定の電圧入力を必要とするので、ＭＣＵ２だけに電力を与える小さい低電流レギュレータ（電圧レギュレータ）が組み込まれる。これは、リニアレギュレータまたはスイッチングレギュレータとすることができる。ＭＣＵ２の電力使用量は、非常に少なく、このユニットを、タスクの間にハイバネーションにすることもできるので、このレギュレータの使用は、全体的な効率に大きくは影響しない。整流されたステージの出力は、デバイスに、またはバッテリ充電器構成の場合には充電管理ＩＣに入力される。この充電管理ＩＣは、再充電可能バッテリによって動作するほとんどの相手先商標製造会社（ＯＥＭ）モバイルデバイスに一体化されており、あるいは、バッテリが充電器に近接するときにバッテリを直接に充電するために再充電可能バッテリの中または上に一体化することができる。充電管理ＩＣは、通常、完全に使い果たされたバッテリについて、バッテリが低電圧であるときにすばやい充電を可能にするために、バッテリに最大入力電流を伝える。これは、電源回路に低インピーダンス負荷を提示し、電源が電流を供給している間に電圧を要求された値に維持することを必要とする。充電管理ＩＣは、ＭＣＵ２と通信し、このＭＣＵ２は、出力電圧（Ｖｏｕｔ）をも監視し、このＶｏｕｔを事前にプログラムされた範囲内に維持することを試みる。これは、ＭＣＵ２が、Ｑ２を変調するためにこのスイッチにディジタル信号を送ることによって達成される。この変調は、整流器ステージの前であり、高周波数であり、したがって、整流され平滑化されたＶｏｕｔは影響を受けない。しかし、二次ステージのインピーダンスのこの変調は、一次コイルステージを通る電流に影響し、一次側の電流感知回路によって簡単に検出することができる。
【０１３８】
一実施形態によれば、電流感知回路は、電圧増幅器と並列の小さい抵抗器、ホールセンサなどを含むことができる。電流センサの出力は、ＭＣＵ１に接続され、ディジタルシーケンスが、Ａ／Ｄ変換器によって検出される。ＭＣＵ１内のファームウェアは、出力電圧が高すぎるまたは低すぎるかどうかを判定し、その後、電源の出力を許容できる範囲内にするためにＦＥＴ駆動の周波数を調整するためにクロックに信号を送ることによってそれ相応に調整するために適当なステップを実行する。より高い駆動周波数は、共振ＺＶＳサイクルでの電力の積分の時間を短縮することによってより低い出力電力に対応し、より低い周波数は、より高い出力電力に対応する。
【０１３９】
一実施形態によれば、さまざまな周波数を実施する１つの方法は、その出力周波数がその入力への電圧の変化に伴って変化する可変周波数源を使用することである。プログラマブル抵抗器を使用し、この抵抗器の値をＭＣＵ１からの電圧信号を変更することによって変更することによって、ＦＥＴ  １を駆動する周波数を変更することができる。この変化を達成する他の方法も、可能である。
【０１４０】
制御の方法の例として、通常の応用例で、回路の動作周波数を、１〜２ＭＨｚとすることができ、制御用のデータ送出は、１４．４ｋビット／秒である。出力電力範囲全体が、周波数を１．２〜１．４ＭＨｚで移動することによって達成される場合に、この範囲は、２５６個のステップに分解される。一実施形態では、レシーバは、出力電圧に対応するディジタルコードを送り、ＭＣＵ１は、これを以前の出力電圧値と比較し、周波数を移動する方向およびステップ数に関する判定を行う。その後、周波数は、それ相応に変更される。もう１つの実施態様では、ＭＣＵ２が、電圧ハイ状態または電圧ロウ状態に対応する２つの値のうちの１つを送る。電圧が範囲内にある場合には、ＭＣＵ２は、一次側と通信しない。電圧ハイ信号が受け取られるときに、ＭＣＵ１は、出力電力を下げるためにより高い周波数に向かう事前に決定されたステップを行い、このプロセスは、出力電圧が要求された範囲内になるまで繰り返される。電圧ロウ信号は、反対の効果を有する。これらの基本的方法の多数の変形が、出力電圧のすばやく効率的なロックを可能にするために可能である。比例−積分−微分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）技法などを使用することもできる。ジオメトリに依存して、回路は、負荷と直列のスイッチＱ３をも使用することができる。このオプションのスイッチを、通信中に開いて、よりよい信号対雑音比をもたらすことができる。通信は数ミリ秒で行われるので、Ｑ３をすばやく開き、閉じることは、何時間にもなり得る負荷バッテリの充電時間に対して大きい影響を有しない。
【０１４１】
一実施形態によれば、バッテリが充電され、その端子電圧が上昇するときに、充電管理ＩＣは、入ってくる電流を戻ってスロットリングし、バッテリ端子にまたがる電圧がその最終的な値またはその付近で維持されるモードに切り替わる。電源は、より高い出力インピーダンスを感知し、ＭＣＵ２およびＭＣＵ１は、協調して働いて、充電サイクル全体を通じて出力を範囲内に保つ。充電サイクルの終りに、充電管理ＩＣは、ＭＣＵ２に充電サイクルの終りをシグナリングすることができ、ＭＣＵ２は、事前に決定されるコードをＭＣＵ１に送って充電器をシャットダウンし、ハイバネーションモードに移るか、他の事前に決定されるステップを行う。
【０１４２】
この実施形態では、レシーバ内の電圧レギュレータが、負荷自体への出力電圧を調整しないことに留意することが重要である。レギュレータがこの機能を実行している場合には、本明細書で説明する制御およびレギュレーションが不要になる。しかし、全体的なシステム効率は、はるかにより低く、一定の電力がレシーバに行く状態で、この電力のある分数が、バッテリがフル充電に達する時または負荷がより軽くなりより少ない電力が要求されるときに、浪費される。この浪費されるエネルギは、ジオメトリに応じて、レシーバ、負荷、またはデバイスバッテリを加熱する可能性がある。これらのケースのすべてが、望ましくない。本明細書で説明するジオメトリでは、一次側は、これらの場合に、レシーバにより少ない電力を送るように調整することができ、これによって、負荷条件に関わりなく高い効率を維持する。
【０１４３】
検証およびデータ伝送
一実施形態によれば、本明細書で説明するディジタル伝送プロセスは、両方向であり、正しい種類のデバイスが存在し、充電されようとしていることを保証するため、または充電されるか電力を与えられるデバイスまたはバッテリの電圧／電力要件に関して充電器または電源に知らせるために、充電または電力伝達の始めの検証プロセスに使用することができる。一実施形態によれば、この両方向データ伝達を、デバイスと充電器または電源との間の実際のデータ通信に使用することもできる。たとえば、充電器または電源は、ラップトップ機のＵＳＢコンセントによって電力を与えられると同時に、モバイルデバイスに伝達されるべきデータをラップトップ機から受け取ることができる。モバイルデバイスまたはバッテリが充電器または電源の上にあるときに、これを充電するかこれに電力を与えることができ、そのデータをも、このチャネルを介して同時に同期化することができる。
【０１４４】
他のジオメトリへの拡張
上の議論は、ゼロ電圧スイッチング電源を用いる制御の一実施態様に焦点を合わせたものであるが、制御、検証、およびデータ伝送の基本的概念は、他のジオメトリおよびトポロジに適用可能であり、類似する形で実施することができる。いくつかの実施形態によれば、充電管理回路は、オプションであり、バッテリが負荷に存在するときに限って使用される。たとえば、図２８に示されているように、Ｖｏｕｔが、負荷を直接に動作させるのに使用される場合には、充電管理回路は、使用されず、Ｖｏｕｔは、負荷に直接に接続される。
【０１４５】
無線通信を伴う完全に調節されるスイッチングモード供給
上で説明した図２８に、上述のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）回路用のディジタル制御される無線制御回路の基本構成要素を示す。図２８に示されたジオメトリは、広い範囲を通じて出力電力を調節することができる。しかし、バッテリが充電されるか負荷条件が変化して、非常に低い出力電力を必要とするときに、Ｖｏｕｔの制御に要求される正確さは、多数のより微細なステップを必要とする場合があり、あるいは、図２８のジオメトリだけを用いて可能ではない場合がある。
【０１４６】
図２９に、ＺＶＳ問題に対処するのに使用できる機能強化を含む実施形態を示す。
【０１４７】
図２９に示された完全に調節される電源では、２つ以上の値の間で入力電圧を切り替えることができる電圧レギュレータ（電圧レギュレータ１）が使用される。通常動作では、Ｑ２が閉じられ、電圧レギュレータ１は、そのイネーブルピンによりシャットダウンされる。したがって、入力電圧は、コイルＬ１のために直接に使用可能であり、前に説明したように調節される。しかし、出力が、極端に低い電力を要求し（バッテリの充電ステージの終りなど）、異なる範囲への切替が必要であると充電器が判定する場合には、Ｑ２が開かれ、電圧レギュレータ１は、コイル１への入力をより低い電圧値に変更するためにオンに切り替えられる。レギュレーションは、要求される出力電力を達成するのに適当な周波数にシフトすることによって、この範囲に維持される。たとえば、Ｖｉｎが５Ｖである場合に、このより低い電圧レベルを、３Ｖとすることができる。複数の電圧レベルも可能である。
【０１４８】
ほとんどの場合に、および大電力条件で、Ｑ２は開かれ、電圧レギュレータ１はオフに切り替えられるので、高い全体的なシステム効率を達成することができる。最低電流条件中に限って、入力電圧が、この電圧レギュレータ１をオンに切り替え、このレベルで調節することによって変更される。使用されるレギュレータのタイプに依存して、多少の効率損失が、この管理形態で経験される可能性がある。しかし、これは、非常に低い出力電力レベルでのみ発生する。電圧レギュレータ１は、効率／コストのトレードオフに応じて、高効率スイッチングＤＣ−ＤＣ供給または低周波数でより複雑でなくよりコストの低いリニアレギュレータとすることができる。
【０１４９】
オプトカプラフィードバックを伴う調節されるスイッチングモード電源
上で説明したジオメトリは、一次回路とレシーバ回路との間の情報の伝送にディジタル方法を使用する。しかし、いくつかの場合に、負荷は瞬間的に変化する。例は、ラップトップコンピュータにおいて、スクリーンまたはハードドライブが始動するかシャットダウンする時などである。これらの場合を扱うために、フィードバックループは、深刻ですばやい電圧オーバーシュートおよび電圧アンダーシュートを有することを避けるために、極端に高速でなければならない。これは、大電力応用例について特に重要になる。
【０１５０】
図３０に、ディジタルフィードバック回路ではなく、ＬＥＤと光検出器との間の結合に基づくアナログ回路を使用できる実施形態を示す。
【０１５１】
この場合に、出力電圧Ｖｏｕｔは、基準電圧と連続的に比較され、ダイオードからの光の強度は、電圧値に比例してすばやく変化する。充電器ステージ内の検出器は、ＦＥＴ駆動を制御する電圧値を周波数コントローラに供給する。充電器内のＭＣＵすなわちＭＣＵ１は、このプロセスをも監視し、必要な場合に、一次コイルへのオプションのより低い電圧の入力をオンに切り替えることができる（Ｑ２および電圧レギュレータを介して）。ＭＣＵ１は、充電の終りを感知し、または検証もしくは他のタスクを実行することもできる。
【０１５２】
いくつかの実施形態では、継続的に９０Ｗまでを要求するラップトップ機用の大電力完全無線誘導充電器を、この方式を用いて実施することができる。一実施形態によれば、トランスコイルは、４”（１０１．６ｍｍ）以上の直径を有し、７回の巻きを含み、１マイクロヘンリーの総インダクタンスを有するＰＣＢ螺旋コイルである。アナログ回路のすばやい応答時間は、負荷でのすばやいスイングを有する出力電圧の維持を可能にする。充電器または電源は、充電器または電源の回路網および平坦な螺旋ＰＣＢコイルが一体化されるパッドを含み、レシーバは、ラップトップ機の底部に一体化される回路網および類似するコイルを含む。光学コンポーネントは、トランスミッタからの光が充電器または電源内のレシーバによって検出されるように取り付けられる。
【０１５３】
光学部品を介するディジタル通信は、やはりこの結果を達成するために可能であるが、より高い帯域幅および高速処理を必要とする。
【０１５４】
これらの特徴または本明細書で説明する任意の他のジオメトリを組み合わせて、所望の結果を達成できることは、明白である。たとえば、レギュレーションに関する制御プロセスを、本明細書で説明するオプトカプラフィードバックを介するものとすることができるが、コイルを介する別々のディジタルデータリンクを、データ伝送または充電器、電源の検証のために確立することができ、逆も同様である。
【０１５５】
分離されたトランスフィードバックを伴う調節されるスイッチングモード電源
一実施形態によれば、レギュレーションのためのもう１つのジオメトリは、類似するアナログフィードバック技法を使用し、フィードバック情報は、別々の分離されたトランスを介して伝達される。
【０１５６】
図３１に、オプトカプラが電圧制御発振器（ＶＣＯ）およびＦＥＴによって置換され、一次側で、信号が最適出力電圧を提供するために周波数コントローラを調整するために送られる、実施形態を示す。オプションの電圧レギュレータおよびスイッチＱ２をも使用して、低い出力電力で正確な制御をもたらすことができる。同様に、この通信は、ディジタルに実施され得、すばやい応答を可能にするために高い帯域幅をも必要とする。図３１の回路は、完全に無線であり、光学コンポーネントを必要としないので、充電器または電源またはレシーバで光伝送ウィンドウが可能でない場合があるケースに好ましい可能性がある。
【０１５７】
ＲＦフィードバックレギュレーションを伴う調節されるスイッチングモード電源
もう１つの実施形態によれば、充電器とレシーバとの間の情報を、この２つの部分の無線リンクを介して交換することができる。光学のケースと比較したこの実施形態に関する利益は、この２つの部分が、光学的に透過的である必要がないことである。さらに、前に説明した版（光学およびトランスを介する）と比較して、相対的な位置合わせは、さほど重要ではない。しかし、ほとんどの実用的な応用例では、充電器または電源およびレシーバコイルが、電力伝達のために位置合わせされ、したがって、ある度合の位置合わせが行われ、正しいジオメトリを用いると、トランスまたは光学フィードバックの位置合わせおよびレギュレーションを実施することを可能にすることができる。
【０１５８】
図３２に、無線リンクを、アナログまたはディジタル（より高い帯域幅および複雑さを必要とする）とすることができ、あるいは、デバイス内の既存無線リンク（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ、ＷｉＭａｘなど）を利用するためにデバイスに一体化することができる実施形態を示す。
【０１５９】
図３３に、一実施形態による誘導単一コイル充電システムの基本的概略を示す。この図に示されているように、充電器パッド内のコイルインダクタは、通常はＦＥＴトランジスタであるスイッチＴによってスイッチングされる。このＦＥＴと並列のコンデンサを使用して、性能を改善することができる。右側のレシーバは、類似するコイル、整流ダイオード、およびコンデンサを含んで、負荷ＲlにＤＣ出力を供給する。
【０１６０】
図３４に、より高度な無線電力／充電システムの主要コンポーネントを示す。レシーバ内の充電管理ＩＣは、適当な充電を保証するためにバッテリの充電をも制御する。充電器内のＭＣＵ１および電流感知チップならびにＭＣＵ２は、最適の充電または電力の供給のために、充電器または電源とレシーバとの間の両方向通信を提供することができる。レシーバ内のオプションの電圧レギュレータは、一定の低電流電圧をＭＣＵ２に供給するのに使用され、バッテリへの電力を調節してはいない。レシーバは、モバイルデバイス、電子デバイス、または再充電可能バッテリ内にまたはその上に一体化される。点Ａ、Ｂ、およびＣは、後で説明するが、スイッチング回路を配置するのに使用することができる。Ｑ３は、より高い信号対雑音比のために通信中にバッテリを切断することができるスイッチであり、オプションである。
【０１６１】
システムの一実施形態は、ＦＥＴドライバをイネーブルし、またはディスエーブルすることができるマイクロ制御ユニット（ＭＣＵ１）を組み込まれる。このシステムは、適当な充電プロファイルに従い、バッテリが過充電されないことを保証するためにバッテリの充電を制御する、レシーバ内の充電管理ＩＣをも使用する。ほとんどのモバイルデバイスは、現在、その内蔵バッテリの充電を制御するために、入力電力ジャックとデバイスの再充電可能バッテリとの間の電力回路内に充電管理ＩＣを既に含む。このチップを、レシーバ回路網に組み込んで、図３４に示されているようにバッテリが誘導源から直接に電力を受け取ることを可能にすることができる。
【０１６２】
図３４には、レシーバに組み込まれたツェナーダイオード（Ｚ１）も示されている。このツェナーは、整流器からの出力電圧が事前に決定された値を超えないことを保証するのに使用される。いくつかの例で、レシーバの出力が有限のターンオン時間を有する可能性がある充電管理ＩＣに供給されるので、これが重要である場合がある。充電の始め（デバイスが初めてパッドに置かれる時）に、充電管理ＩＣが、高インピーダンス負荷のように見える場合がある。ツェナーダイオードがないと、そのような負荷は、充電管理回路への電圧入力に、潜在的にその安全動作条件を超える高い値まで増加させる可能性がある。高速ツェナーダイオードは、これまたは他の通常の条件の下で電圧をクランプすることができ、レシーバに組み込まれ得る。アーキテクチャに応じて、そのような条件を回避する他の方法を組み込むことができる。ツェナーダイオードの組込みは、効果的であり、これらの潜在的問題に対処する安価な方法である。
【０１６３】
一実施形態によれば、レシーバには、ＭＣＵ２に一定の電圧（または動作に関して受け入れられる範囲内の電圧）を供給するために、電圧レギュレータをも組み込むことができる。この電圧レギュレータは、このために必要な低電力を供給し、バッテリに進む主電力の経路内にはない。このレギュレータに起因する電力損失は、これが非常に低電力であり、全体的なシステム効率に大きくは影響しないので、小さい。このレギュレータは、主に、充電器または電源との通信が維持されるように、スタートアップまたは他の変化中にＭＣＵをアクティブに保つのに使用される。
【０１６４】
ＭＣＵ１は、デバイスまたはバッテリが近くにあるかどうか、デバイスまたはバッテリが要求する電圧を判断し、かつ／あるいは充電されまたは電力を与えられるデバイスまたはバッテリを認証するのに使用できる情報を供給する別のセンサ機構から入力を受け取る。この情報を供給する機構の複数の例は、次のとおりである。
【０１６５】
ＭＣＵ１は、周期的にＦＥＴドライバを始動する。このＦＥＴを通る電流が、電流感知方法を介して監視される。Ｌ１のインダクタンスは、その磁場に影響する近くの物体の存在に強く依存する。これらの物体は、金属物体またはＬ２などの別の近くのコイルを含む。Ｑ１などの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を介して高周波数（１００ｋＨｚから数ＭＨｚ）でＬ１をスイッチングすることによって、引き出される電流の値が、Ｌ１の値に非常に依存する。このプロパティは、電力を引き出すことができる近くのデバイスまたはバッテリの存在を感知し、また、望まれる場合に両方向通信を使用可能にするのに使用することができる。これのための、次の複数の方法が可能である。
・小さい抵抗器を、グラウンド接点へ、ＦＥＴと直列に配置することができる。この抵抗器にまたがる電圧を、Ｌｉｎｅａｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｅｎｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ部品番号ＬＴ１７８７などの電流センサチップによって測定することができる。
・その下を走るワイヤから電流を測定するＳｅｎｔｒｏｎ  ＣＳＡ−１Ａなどのホールセンサを、ＦＥＴからグラウンドへのＰＣＢ線の上に配置して、回路への電気接続を一切用いずに電流を測定することができる。この手法の利益は、回路のこの部分と直列の余分な抵抗器が不要であり、インピーダンスが減ることである。
・他の技法を使用して電流を測定することができる。
・電流を監視し、これをパワーアップ時および近くにデバイスがない状態で周期的にとられるベースライン測定値と比較することによって、ＭＣＵ１は、デバイスまたはバッテリがコイルの近くにあり、電力を引き出しているかどうかを判定することができる。これは、電力を引き出すことのできる物体が近くにあることの第１レベル検証をもたらす。しかし、任意の電子デバイスまたはバッテリ内の電力を引き出す金属物体またはワイヤに関する誤った第一歩の可能性があり得る。検証の第２レベルが望ましい可能性がある。
【０１６６】
より安全な検証を可能にするために、一実施形態によれば、ＭＣＵ１は、ＦＥＴドライバを周期的に始動することができる。電流が引き出されている場合には、ＭＣＵ１は、Ｑ１を所定の状態にアクティブ化することができる（たとえば、これを低電力状態とすることができる）。これは、レシーバが近くにある可能性があることの第１レベル表示を提供することができる。純正レシーバが近くにある（たとえば、金属物体、電子デバイス、または承認されていないレシーバに対して）場合に、Ｌ１から放たれる電力は、レシーバ回路に電力を与える。この図の充電制御回路またはレシーバ回路内の別のチップを、パワーアップ時に、事前にプログラムされた形で電流を引き出すようにするために事前にプログラムすることができる。これの例は、ＭＣＵ２と、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｉｎｃ．社のチップモデル番号１０Ｆ２２０プログラマブルＩＣまたはパワーアップ時にレシーバ内で引き出される電流を所定のコード（暗号化することができる）で変調する所定のプログラムを実行する別の安価なマイクロコントローラとの一体化である。このレシーバ変調は、図３４の充電器または電源の電流センサによって、Ｌ１を通る電流の電流変調として検出することができる。
【０１６７】
初期ハンドシェークおよび検証の後に、充電器または電源内のＭＣＵ１および電流感知チップならびにＭＣＵ２は、最適の充電または電力の供給のために、充電器または電源とレシーバとの間の両方向通信をもたらすことができる。システムは、過電圧状態が発生しないことを保証するために、充電制御回路で受け取られる電力および電圧をも調節することができる。図３４に示されているように、スイッチＱ３は、より高い信号対雑音比のために通信中にバッテリを切断できるスイッチであり、オプションである。
【０１６８】
充電器または電源とレシーバとの間のハンドシェークおよび検証が成功ではない場合には、ＭＣＵ１は、電力を引き出すデバイスが適当なレシーバではないと仮定し、そのデバイスへの電力供給を打ち切る。このプロセスは、物体が偶然にパッドに置かれることに起因する誤った第一歩を無効化し、偽造レシーバまたは承認されないレシーバに対する保護をも提供する。ＲＦＩＤ、Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＮＦＣ）、または他の無線データ伝送方法リーダは、ＲＦＩＤ、ＮＦＣ、もしくはレシーバ回路およびアンテナ（すなわち、充電されるデバイスまたはバッテリ）と共に含まれる他のタグを検出できる。タグ上の情報を検出して、要求されるレシーバ用の電圧を識別し、回路が純正であるかライセンスの下にあることを認証することができる。
【０１６９】
タグ上の情報を、さらなるセキュリティを実現するために暗号化することができる。タグを含むデバイスが充電器パッドまたは電源パッドの近くに来た後に、タグリーダがアクティブ化され、システムは、タグメモリ上の情報を読み取り、これをテーブルと比較して、真正／要求される電圧または他の情報を判定する。いくつかの実施形態では、この情報テーブルは、ＭＣＵ１メモリに常駐することもできる。情報が読み取られ、検証された後に、ＭＣＵ１は、ＦＥＴドライバをイネーブルして、パッド上のコイルの駆動を開始し、レシーバにエネルギを与えることができる。
ホールセンサまたはリードスイッチは、磁場を感知することができる。小さい磁石がシステムのレシーバユニットの内部に置かれる場合に、ホールセンサまたはリードスイッチを使用して、磁石の存在を感知することができ、ＦＥＴを開始する信号として使用することができる。
他の容量センサ、光センサ、磁気センサ、または重量センサなどを組み込んで、レシーバの存在を感知し、エネルギ伝達プロセスを開始することができる。
【０１７０】
充電器または電源とレシーバとの間の検証および通信の方法は、上では例として、さまざまな実施形態に従って提供される。実際には、上の方法の組合せまたは変形を使用することができる。異なる実施形態が、上で説明したものに加えてまたはその代わりに、異なる検証技法およびそのさまざまな組合せを使用できることも、明白である。
【０１７１】
コイルの間の横オフセットを介する効率向上
図３５に、コイルの中心の間の横オフセットの関数として、円形螺旋コイルの対を介する伝達される電力および電力伝達効率の通常の実験曲線を示す。伝達される電力は、レシーバで整流および他のエレクトロニクスの後で示され、デバイスの充電／電力供給に使用可能なＤＣ電力である。電力伝達効率は、レシーバから出るＤＣ電力を充電器または電源回路へのＤＣ電力によって割ったものと定義され、したがって、ＦＥＴドライバ、ＦＥＴ、整流器ダイオード、および他のエレクトロニクスによって消費されるすべての電力を含む。この効率は、すべての損失（エレクトロニクス、コイル対コイル損失、整流器など）を含み、一般に使用される充電器コイルまたは電源コイルへのＡＣ電力に対するレシーバコイルからのＡＣ電力の比率より実用的な、効率に関する数である。非常に効率的な電力伝達効率を、誘導方法を用いて入手できることがわかる。示された例によれば、コイルは、同一であり、直径において１．２５”（３１．７５ｍｍ）とすることができ、１０回の巻きを含む。
【０１７２】
図３５からわかるように、ここで使用されるコイルジオメトリについて、半径の半分のコイルの中心の間のオフセットで、伝達される電力を最大値の７５％とすることができる。この曲線の平坦さの改善は、コイルの外側エリアの場のより多くにオーバーラップするようにコイルの設計を変更すること、またはハイブリッドコイルを使用することによって可能である場合がある。
【０１７３】
しかし、伝達される電力が、コイルエリアの減らされたオーバーラップに起因してコイル中心間のオフセットに伴って減少するが、電力伝達効率（充電器または電源に入るＤＣ電力に対するレシーバから出るＤＣ電力の比）が、オフセット＜３ｒ／４の範囲内で相対的に一定のままであることに留意することが重要である。これは、効率的なシステムの設計においてよりクリティカルな要因である。コイルオフセットが絶対にｒ／２より大きくならないようにシステムを設計できると仮定する場合に、無線充電システムまたは無線電力伝達システムで、この最大の可能なオフセットで伝達される電力が必要な最大の伝達される電力以上になるようにシステムを設計することができる。
【０１７４】
たとえば、図３５が、特定のコイルのタイプ、サイズ、およびジオメトリとスイッチング回路（ＦＥＴ）および回路設計とを仮定して可能な最大の電力伝達効率を表す場合に、コイルオフセットが必ずｒ／２以下であると仮定すると、コイルの間のオフセットに依存して、３Ｗ以上の電力を伝達することができる。デバイスへの調節された一定の電力が必要である電源応用例について、出力電力のレギュレーションまたは、電力を一定に保つための周波数もしくはデューティサイクルなどを変更するための充電器もしくは電源へのフィードバックの使用は、デバイスへの受け取られる電力がコイルの間のオフセットと独立であることを保証することができる。たとえば、この場合に、レギュレーションを使用すると、３Ｗの最大電力までを、コイルオフセット（ここではｒ／２と仮定される最大許容可能オフセットまで）とは独立に負荷に供給できることを保証することができる。この場合に、３Ｗは、ほとんどのモバイルデバイス（携帯電話機、カメラ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセットなど）に十分である。やはり、システムの全体的な効率が、すべての場合に高いままになることに留意されたい。というのは、オフセット（可能なオフセット値の範囲内）および電力のレギュレーション（デューティサイクルなどを変更することによって充電器または電源で実行される場合）が、効率に対して大きい影響を有しないからである。
【０１７５】
層を使用することによる位置独立性
上の議論から、充電器コイルまたは電源コイルとレシーバコイルとの間のオフセットが必ずｒ／２以下に保たれる方法が見つかる場合に、高い効率および位置独立性という目標を達成することができる。辺＝ｒの六角螺旋の場合に、最大直径は２ｒである（半径ｒを有する円に似る）。したがって、辺＝ｒの所与の六角形について、同一の関係が成り立つ。本明細書で説明するように、これを達成する複数の方法が提案される。
【０１７６】
図３６に、コイルモザイクがパッドの表面積をカバーするのに使用される実施形態を示す。回路網は、電力を供給するために適当なドライバを始動するために、レシーバコイルの存在を感知する手段を含むことができる。駆動回路および感知回路ならびに他のエレクトロニクスは、ここでは、コイルエリアの外辺部内のコンポーネントとして図示されるが、どこにでも配置することができる。近似有効面積も示されている。レシーバコイルの中心が有効面積内のどこかに配置される場合に、レシーバは、充電器または電源内の１つの適当なコイルだけがアクティブ化された状態で、指定された電力を受け取る。
【０１７７】
ここで説明するジオメトリでは、各コイルは、それ自体の駆動回路によって駆動される。感知機構が、充電器コイルまたは電源コイルの上またはその近くのレシーバコイルの存在を感知し、適当なコイルに電力を与えるために駆動回路を始動する。感知機構は、電流感知機構とすることができる。各コイル駆動回路は、適当な周波数でコイルの駆動を周期的に開始することができ、電流感知回路は、レシーバが近くにあり、これによって充電器コイルまたは電源コイルのインダクタンスに影響する時を感知するために、引き出される電流を監視することができる。充電器コイルまたは電源コイルおよびレシーバコイルのインダクタンスならびに負荷のキャパシタンスによって決定される適当な周波数で充電器コイル回路または電源コイル回路を駆動することは、インダクタンスのこの変化に対する非常に高い感度を実現することができる。
【０１７８】
追加の検証を、コイルを介して検証コードを交換することによって、またはパッドと充電されるデバイス（１つまたは複数）との間の第２無線データ通信リンク（ＲＦＩＤ、ＮＦＣ、ＷｉＦｉその他など）を介して情報を交換することによって、得ることができる。
コード交換は、信頼できる充電を達成するための必要な電圧、電力、温度、または他の診断パラメータに関する情報を充電器コイルまたは電源コイルに供給することもできる。
【０１７９】
近似有効面積が、図３６に示されている。図示の有効面積内の任意の点は、その中心がこの面積内にある状態で配置されたレシーバコイルが、必ず、少なくとも１つの充電器コイルまたは電源コイルの中心からある幅以下以内にあるというプロパティを有する。システムが、任意の所与のアクティブ化されたコイルの中心から幅の半分以内でレシーバコイルを移動することが、最低限でも要求された最大出力（すなわち、以前の例では３Ｗ）をもたらすように設計される場合に、有効面積は、その中心がこの面積内のどこかにあるレシーバコイルが、１つの適当な充電器コイルまたは電源コイルをアクティブ化された状態で、必要な最大出力電力以上を受け取ることができるというプロパティを有する。
【０１８０】
３つの層内で辺＝ｒを有する７５個の六角形コイルを含む図３６に示されたジオメトリについて、有効面積は、幅約１２ｒ、高さ約６ｍｒであり、ｍｒは、六角形の最小半径＝√３ｒである。総面積は、約６２ｒである。一実施形態によれば、カバレッジ効率（Ｃｏｖｅｒａｇｅ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ、ＣＥ）は、コイル半径（円形コイルの場合）または辺の長さ（六角形コイルの場合）の単位の有効面積を使用されるコイルの個数で割ったものと定義される。この例では、ＣＥ≒０．８３である。
【０１８１】
一例を考慮するために、十分な出力電力を達成するためのレシーバコイルと充電器コイルまたは電源コイルとの間の最大オフセットを、コイルの幅の半分になる（対称コイルを仮定する）と解釈することができる。異なる幅または半径（円形コイルの場合）または他のジオメトリを有するコイルの使用は、この値を変更する。互いの上に置かれるＰＣＢコイルおよび巻かれたワイヤコイルを有するハイブリッドコイルは充電器コイルオフセットまたは電源コイルオフセットとレシーバコイルオフセットとの間のオフセットの関数としてより平坦な電力伝達効率曲線を有することが示される。本明細書で述べる実施形態の全般的な結果および動作原理は、充電器または電源／レシーバコイルのオフセットに対するより大きい（またはより小さい）鈍感さを可能にするためにどのタイプのコイル、ジオメトリ、またはレギュレーションが使用されるかに関わりなく、有効である。
【０１８２】
この文書の残りの部分について、伝達される電力が所望の最大の伝達される電力値未満になる前の充電器コイルまたは電源コイルとレシーバコイルとの間の最大の許容可能なオフセットとして充電器コイルまたは電源コイルの幅の半分を使用する実施形態を、全般的に説明する。
【０１８３】
図３６に示された構成の感知および制御機構を、部品点数を減らすために複数の駆動回路の間で共有することができ、あるいは、各駆動セクションに一体化することができる。
磁気センサ、光センサ、または容量センサなどの複数の他の感知機構を使用することもできる。
【０１８４】
図３７に、１×Ｎ電気スイッチまたは電子スイッチを使用することによって駆動（および感知）回路の個数を減らすことができる代替実施形態を示す。この実施形態では、複数（Ｎ個）のコイルが、１×Ｎスイッチに接続され、これらのスイッチは、反対側でコイル駆動および感知回路網に接続される。このスイッチは、コイルのそれぞれを、順番にコイル駆動および感知回路網に周期的に切り替える。充電器コイルまたは電源コイルの付近の適当なレシーバコイルが検出された後に、そのコイルに問い合わせて、充電可能デバイスが近くにあることを検証することができ、その後、そのデバイスの充電または電力供給が始まる。
【０１８５】
この方式の１つの欠点は、各駆動エレクトロニクスモジュールが多くとも各セグメント内のＮ個のコイルのうちの１つのコイルだけに接続され得るので、そのセグメント内の２つの異なるコイルの上に置かれた２つのデバイスに同時に電力を与え、または充電することができないことである。実際には、充電される各デバイスは、表面上のある量の面積をカバーするので、パッドを適当にセグメント化することと、充電器コイルまたは電源コイルおよびレシーバコイルのサイズを選択することとによって、この効果の影響を最小にすることができる。
【０１８６】
Ｎ＝ＮＣ（すなわち、パッド内のコイルの個数）という極端な場合について、単一の駆動および感知エレクトロニクスモジュールを使用して、パッド内のすべてのコイルを監視し、これに電力を与えることができ、したがって、アーキテクチャおよび潜在的に充電器または電源のコストを大幅に単純化することができる。しかし、１つのレシーバコイルだけ、したがって１つのデバイスだけが、任意の所与のときにパワーアップされまたは充電され得る。１×Ｎスイッチの望ましい特性は、次のとおりである。
・低いオン抵抗：これは、スイッチでの熱の形で浪費される電力を減らすはずである。
・大電流能力：電力充電（ｐｏｗｅｒ  ｃｈａｒｇｉｎｇ）応用例について、応用例および充電されるデバイスに依存して、０．５Ａおよびそれを超える、数アンペアまでの電流が、オン状態で搬送される場合がある。
・高い信頼性：スイッチの故障は、関連するセグメントを機能不全にするはずである。
幸い、１×Ｎスイッチのスイッチング速度は、この応用例にとってクリティカルではない。たとえば、パッドが１秒の応答時間（パッドがデバイスを感知し、充電を開始するのに要する時間）を有することが望まれる場合に、スイッチは、１／Ｎ秒以内に切断し、新しい接続を確立することができなければならない（感知および制御回路網が働くのに要する時間（極端に高速である可能性がある）を無視して）。一例として、Ｎ＝１０について、このスイッチの切断および接続時間は、１００ｍ秒以内であり、これは、完全に達成可能である。より低いスイッチング側であっても、より長い応答時間について許容可能である。
【０１８７】
一実施形態によれば、１×Ｎスイッチを、電子回路またはＳＰＯＴ  ＩＣスイッチもしくはＤＰＤＴ  ＩＣスイッチ、リレー、ＭＯＳＦＥＴ、あるいは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチによって実施することができる。スイッチングの他の方法を使用することもできる。
【０１８８】
この応用例のＩＣスイッチの例として、８０ｍΩの比較的低いＲdsを有する一連の単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチをこの応用例で使用できる。ＳＰＤＴの例は、クワッド（４つのスイッチ）パックで入手可能であり、ほとんどの低電力応用に十分な５００ｍＡを搬送することができる。より大きい電流搬送能力が望まれる場合には、複数のスイッチを並列に使用することができる。この特定のＩＣは、システムに追加の安全特徴を与える過電流、短絡、および温度の感知回路網をも組み込まれる。１×Ｎスイッチを、複数のそのようなスイッチを接続することによって作成することができる。
【０１８９】
一実施形態によれば、充電パッドの表面は、セグメントに分割され、各セグメント内では、その中で受け取るコイルの中心を配置できる重要な有効面積が作成される。
【０１９０】
図３８に、３つのコイル層ＰＣＢが、任意の所与のときに電力を与えられる１つのコイルだけを使用してエリア内に均一電力のためのクラスタを提供するように配置される場合を示す。この場合に、層１は、合計７つのコイルについて、中央コイルの周囲に配置される６つのコイルを含む。第２層および第３層は、合計６つのコイルを含む。合計で、１９個のコイルが、ＰＣＢの３つの層に存在する。
【０１９１】
図３９に、クラスタ内のコイルのうちの１つだけに電力を与えることによって、有効面積内の任意の位置に中心がある状態で配置されたすべてのレシーバコイル（レシーバ用の）が、適当な充電器コイルまたは電源コイルがアクティブ化される場合に指定された電力を受け取るようにコイルが配置されることを示す。３つの層が一緒に積み重ねられるときに、上からわかるように、構造は、図３９に示されたものになる。上で説明したように、図示の有効面積内のすべての点は、その中心をこの面積内に配置されたレシーバコイルが、必ず、少なくとも１つの充電器コイルまたは電源コイルの中心から半分の幅以内にあるというプロパティを有する。したがって、そのレシーバコイルは、１つの適当な充電器コイルまたは電源コイルだけがアクティブ化された状態で、必要な最小電力以上を受け取ることができる。
【０１９２】
１９個の別個のコイルを有する図３８に示された場合について、上で述べたクワッドＳＰＤＴチップのうちの５つは、単一の駆動および感知回路が各コイルの近くのレシーバコイルの存在または不在を感知することを可能にするために必要なスイッチング能力を提供することができる。一実施形態によれば、シーケンスは、次とすることができる。
・スイッチは、図３８に（１，１）として示された層１内のコイル１が、図３４の左側（すなわち、図３４の充電器または電源）に似たスイッチングおよび感知回路網に接続されるようにするためにセットされる。
・ＭＣＵ１は、コイルのスイッチングを開始するためにＦＥＴドライバにコマンドを与える。デューティサイクルは、すべての潜在的な近くのレシーバコイル内に低い電圧を生成するために、非常に低くセットすることができる。
・レシーバコイルが近くにある場合に、そのレシーバコイルは、充電器コイルまたは電源コイルから電力を引き出し始める。これを、充電器または電源の電流感知回路で通常より高い電流引出として感知することができる。
・さらに、充電器コイルまたは電源コイルおよびレシーバコイルは、適当な回路網を有する有効なデバイスまたはバッテリが近くにあり、検証されることを確認するために、コードを交換することができる。
・この点で、感知回路を通る電流の量が、ＭＣＵ１によってディジタル化され、そのメモリに保存される。
・代替案では、レシーバ回路が、受け取られる電圧または電力の量を記録し、充電器または電源に戻って報告することができる。この情報を、ＭＣＵ２によってレシーバ回路の入力インピーダンスを変調することによって符号化することができる。その後、この情報は、充電器または電源の感知回路網によって感知され、ＭＣＵ１によってディジタル化され、保存される。
・ＦＥＴドライバが、したがってＦＥＴが、ディスエーブルされる。
・スイッチは、駆動および感知回路網を次のコイル（この例ではコイル（１，２））に接続するように構成される。
・コマンド２から８が、すべてのコイルがアクティブ化され、テストされるまで実行される。
・ＭＣＵ１は、感知電流について受け取られた値を比較し、オンに切り替えられたときにどのコイルが最大の感知電流を有するかを判定する。このコイルは、レシーバコイルに最も近い充電器コイルまたは電源コイルである。コードの交換を介する有効なレシーバの確認のための追加回路網が実施される場合には、最も近いコイルは、このテストにも合格しなければならない。
・適当なコイルが、オンに切り替えられ、充電が始まる。追加の検証を、充電の開始の前に実行することができる。
・充電は、充電の終りが達成されるまで、システムアーキテクチャに応じて開ループまたは閉ループで継続する。充電の終りは、ＭＣＵ２によって充電器または電源に示されるか、引き出される電流の量の変化によって充電器または電源の感知回路内で感知されるかのいずれかである。
【０１９３】
望まれる特性およびコスト／性能トレードオフに応じて、クラスタごとに、複数の駆動および感知回路ならびにより少数のスイッチを使用すると判断することができる。
【０１９４】
図４０に、必要なスイッチの個数が、図３９の２０個のコイルのすべてに切り替えるために３つに減らされる、１つの構成を示す。第１のスイッチは、Ｖｃを３つの層のうちの１つのすべてのコイルのポート（螺旋コイルの外側または内側の接点）のうちの一方に接続する。異なる層のコイルのうちの３つのグループの他方のポートは、一緒に接続され、この図に示されているようにスイッチ２およびスイッチ３に入力される。スイッチ２およびスイッチ３の出力は、一緒に接続され、スイッチングのためにＦＥＴに接続される。中央コイル（１，７）は、単独でスイッチの極に接続される。このコイルは、中央なので、しばしば、レシーバコイルが隣接する可能性が最も高いコイルである。図４０を図３４と比較すると、この方式を使用することによって、システム内のコイルのいずれをも、ＦＥＴによって駆動されるようにスイッチによって接続できることが示される。
【０１９５】
用いられるコスト／性能トレードオフに応じて、図４０に示されたものなどの方式によってスイッチの個数を切り詰めることが有利である場合がある。そのような方式を使用して、大きいアレイ内のスイッチの個数を減らすこともできる。たとえば、７５個のコイルを含む図３６のアレイは、１９個のクワッドＳＰＤＴ  ＩＣを実施することを必要とする。しかし、３つの層のうちの１つを選択するのに１つのスイッチを使用し、各層の２５個のコイルのうちの１つを選択するのに７つのスイッチを使用することによって、同一の結果を合計８個のスイッチを用いて達成することができる。
【０１９６】
スイッチング層のさらなるカスケーディングを用いると、この個数をさらに減らすことが可能である。しかし、スイッチング層のカスケーディングが、充電器コイルまたは電源コイルの電流経路に沿った直列抵抗を増やし、これが望ましくないことに留意しなければならない。
【０１９７】
上で与えた例では、スイッチングは、コイルの前に図３４の点Ａについて図示されている。しかし、点Ｂをこの目的に使用することもできる。
【０１９８】
関連するエレクトロニクスが、コイルの外辺部に示されているが、これらを他の位置に配置することができる。
【０１９９】
図４１に、図３９に示されたクラスタのうちの４つを組み込んだ複数充電器パッドまたは複数電源パッドを示す。充電されるか電力を与えられるデバイスは、レシーバコイルの中心がクラスタまたはセグメントのうちの１つの有効面積のうちの１つの中になるように配置されなければならない。一例として、クラスタが、辺長さｒを有する六角形から作られる場合に、５ｒの最大直径を有するクラスタの中心の六角形有効面積が、作成される。
カバレッジ効率＝有効面積（コイル半径単位または辺長さ単位）／コイルの個数＝１を与える１９個のコイルを用いて達成される有効面積約１９ｒ。
【０２００】
ｒ＝０．６２５”（１５．９ｍｍ）辺の通常のコイルについて、これは、３．１２５”（７９．４ｍｍ）の最大直径につながる。そのような、３”（７６．２ｍｍ）を超える直径を有するほとんど円形の有効面積は、充電器パッドまたは電源パッドの表面上でマークされ得、ユーザが、多くの位置合わせおよび労力を伴わずに充電のために正しい位置にカメラ、携帯電話機、バッテリ、ゲームプレイヤ、その他などのモバイルデバイスの内部（またはその上）にレシーバコイルを簡単に配置することを可能にする。図４１に示された構成のクラスタのそれぞれは、それ自体のコイル駆動回路および感知回路を有することができ、あるいは、スイッチを用いる多重化を介してこの回路網を共有することができる。
【０２０１】
この形で、高い電力伝達効率を維持しながら各充電エリア（すなわち、セグメント）内で大きい有効面積を実現する実用的なシステムが、開発される。大きい利益は、やはり、複数デバイスの同時充電を達成できることである。
【０２０２】
充電器コイルまたは電源コイルを、レシーバコイルより大きくなるように設計できることに留意されたい。それを行うことによって、さらにより大きい有効面積およびレシーバコイルの配置に対する鈍感さを得ることができる。有効面積は、３ｒの最大直径を有する。複数のコイルを用いて局所位置独立性を達成するためのコイルパターンの他の組合せを構成することができる。
【０２０３】
図４２に、３ｒの有効面積を作成できる３つのコイルの２つの層および中心コイル（合計７つのコイル）のクラスタを示す。実際には、そのような面積は、多数の応用例に十分である可能性がある。六角形コイルがこれらの図の多くに示されているが、六角形および／または円の組合せ、あるいは他の形状を組み合わせて、最良の効率／位置独立性性能を提供できることに留意されたい。同様に、レシーバのサイズおよび形状を、非六角形とすることができる。
【０２０４】
たとえば、図４２では、中心コイルおよびレシーバコイルを、その代わりに円形（螺旋コイル）とすることができ、中心充電器コイルまたは中心電源コイルは、レシーバコイルがその上にある可能性が最も高い充電器コイルまたは電源コイルである。レシーバコイルが、任意の他の位置に置かれる場合に、六角形コイルは、最も近いコイルであり、電力を与えられる。他の実施形態によれば、図１６の中心コイルを、レシーバコイルより大きくすることができ、この中心コイルは、ありそうな中心エリアのほとんどをカバーすることができる。コイルの残りは、レシーバが極端に外側の位置に置かれる場合に限って使用されるはずである。
【０２０５】
前述の説明が、コイル中心が半径の半分だけオフセットされるときに、送られる電力が許容可能レベルまで低下する状況を説明することに留意されたい。実際には、この値は、異なる可能性があり、コイルのパターンおよびサイズと送られる電力のレギュレーションとの組合せを使用することによって、あるエリアにまたがる均一な電力伝送を維持することができる。
【０２０６】
ＩＣスイッチング要素の使用を上で述べたが、ＭＥＭＳ、リレーその他などの他のスイッチング機構を使用して、この結果を達成することができる。他の実施形態によれば、スイッチングを、スイッチとして働くためにコイル層の下に変形可能な層を作成することによって実施することができる。ここで述べた各螺旋コイルは、コイルが始まる外側直径にある１つおよびコイルが終わる中央にある１つの、２つのポートを有する。
【０２０７】
図４３に、各コイルへの中心ポートが円として示された、六角形コイルのモザイクを示す。一実施形態によれば、３つの層内のコイルのすべてのポートのうちの１つ（この場合には外側ポート）は、ここではＰ１と呼ばれる共通の点に接続される。図４２のモザイクパターン内の各コイルの他方のポート（ここでは中央ポートとして図示）は、ビアを介して多層ＰＣＢの最下部にある共通層まで持ってこられ、ある表面積を有する銅パッドに接続される。上（図４３と同一の側）から見られたそのようなパターンを、図４４に示す。
【０２０８】
図４４に、同一の側から見られた上面図を示す。パッドの側面図は、個々のコイル接触パッドに接触するための一体化されたＭＥＭＳスイッチを有する。
【０２０９】
以前の米国特許出願第１１／６６９１１３号では、誘導充電器または誘導電源のＰＣＢコイルの中央および受信コイルの中央に配置された引き付ける磁石の、この２つの部分を便利に位置合わせし、センタリングするための使用が記載されている。そのような技法は、モバイルデバイスまたはバッテリの位置合わせのために充電器または電源で使用された。
【０２１０】
現在の実施形態によれば、図４４の最上部に示され、すべてが共通の点（ここではＰ２と呼ばれる）に接続されたコイルポートパターンに似た導電パッドを用いてパターン形成された平面の伝導層または伝導トレースが、柔軟な材料フィルムの上に作成される。柔軟なフィルムの材料の例は、マイラ、ポリイミド、Ｋａｐｔｏｎなどの柔軟なＰＣＢ材料、またはプラスチックである。パッドのそれぞれの中心では、小さい磁石または強磁性材料が、フィルムの他方の側に貼り付けられる。代替案では、強磁性材料の層が、堆積され、図４５上部に似たパターンを有するようにパターン形成され、その結果、ＰＣＢポートパッドに似たパターンを有する材料だけが残される。柔軟なフィルムは、フィルムの最上層とＰＣＢの最下部との間の小さいギャップがスペーサによって作成されるように、ＰＣＢに底部に貼り付けられる。ＭＥＭＳ充電器パッドまたはＭＥＭＳ電源パッドの側面図を、図４４に示す。
【０２１１】
図４４の最下部に示されたパッケージ全体が、２つの電気接続点を有する。一方はＰＣＢからであり、Ｐ１と呼ばれ、ＰＣＢの３つの層内のコイルのすべてのポートのうちの一方に接続される（この場合にはエッジポート）。他方の接続は、柔軟なフィルム上の共通パッドへの接続である。これをＰ２と呼ぶ。図３４を見ると、パッケージ全体を、Ｌ１として扱うことができ、パッケージ全体が、Ｐ１をこの回路の点Ａに、Ｐ２を点Ｃに接続する。
【０２１２】
通常、コイル中心ポートのどれもが、柔軟なフィルム上の接触パッドに接続されず、したがって、回路は完成しない。そのＰＣＢコイルの背後に貼り付けられた磁石を有するレシーバコイルと、正しい極性を伴って方向を定められた磁石とが、パッドの近くに持ってこられる場合に、この磁石は、最も近い充電器コイルまたは電源コイルの中心で柔軟なフィルムの最下部でそれ自体に向かって、磁石またはパターン形成された強磁性層を引き付ける。これは、柔軟なフィルム上の最上部伝導層に、適当なコイルの中心ポートと接触させ、回路を閉じさせる。この形で、電流が、適当なコイルだけを通って流れることができ、その後、そのコイルをアクティブ化することができる。
【０２１３】
一実施形態によれば、ＰＣＢの最下部の接触パッドおよび柔軟なフィルムの接点の酸化を避けるために、これらの表面を、銅の上に金または他の材料などの追加の層を堆積することによって保護することができる。そのようなプロセスは、しばしば、露出された接点を保護するためにＰＣＢ製造で使用される。さらに、ＰＣＢパッドパッケージを、接点のほこり汚染を防ぐために密封することができる。さらに、内側の体積を、窒素などの不活性ガスで充てんすることができる。
【０２１４】
接触パッドの表面積ならびに柔軟なフィルムの接触面積および材料組成を最適化することによって、低い接触抵抗を得ることができる。最適化すべき他のパラメータは、磁石または磁性材料の面積および使用される材料のタイプである。
【０２１５】
上の構成は、例として提供される。他の実施形態によれば、コンポーネントを異なる形で接続し、あるいは所望の結果を達成するために異なる構成で外部駆動回路内に配置することが可能である。３層基板が、この手法を実証するのにも使用された。１層もしくは２層を有するより単純な構成または異なる層のコイルが異なる機能もしくはサイズを有し異なる電力レベルを提供する構成も、実施することができる。この手法の利益は、次のとおりである。
１−高い効率：高いコイルオーバーラップのために適当なコイルだけがアクティブ化される。
２−位置独立性：レシーバコイルを、その中心が有効面積内にある状態でどこにでも配置でき、指定された電力伝達を達成することができる。
３−低コスト：パッドは、適当なコイルへの接続にＩＣスイッチング要素を全く使用しない。
上で説明したように、一実施形態によれば、図４４のパッケージ全体が、図３４の回路の点Ａと点Ｃとの間に接続される。このシステムの動作の一例を、ここでより詳細に説明する。
・ＭＣＵ１は、コイルのスイッチングを開始するためにＦＥＴドライバに周期的にコマンドを与える。デューティサイクルは、任意の潜在的に近くのレシーバコイル内に低い電圧を生成するために、非常に低くセットすることができる。
・通常、コイルのどれもが、図３４の点Ｃに接続されない。したがって、電流は、電流感知回路で感知されない。
・レシーバコイルがパッド上に置かれる場合に、そのレシーバコイルは、適当な充電器または電源のコイルの中央ポートに、柔軟なフィルム上のパッドに接触させ、したがって、適当なコイルが図３４の点ＡおよびＣに接触する。
・レシーバコイルは、充電器コイルまたは電源コイルから電力を引き出し始める。これは、充電器または電源の電流感知回路で通常より高い電流引出として感知することができる。
・さらに、充電器コイルまたは電源コイルおよびレシーバコイルは、適当な回路網を有する有効なデバイスまたはバッテリが近くにあり、検証されることを確認するために、コードを交換することができる。
・ＭＣＵ１が、適当なレシーバコイルがパッド上にあり、電力を引き出す準備ができていると判定した後に、ＦＥＴがターンオンされ、充電が始まる。追加の検証を実行することができる。
・充電は、充電の終りが達成されるまで、システムアーキテクチャに応じて開ループまたは閉ループで継続する。充電の終りは、ＭＣＵ２によって充電器または電源に示されるか、引き出される電流の量の変化によって充電器または電源の感知回路内で感知されるかのいずれかである。
【０２１６】
上で与えた説明は、ＭＥＭＳスイッチのアクティブ化が磁気吸引を介して発生するときに何が起きるかを説明するものである。いくつかの実施形態によれば、スイッチを、静的吸引、圧力、温度変化、または他の機構に起因して適当な位置で閉じるように設計することができる。
【０２１７】
上で説明したＭＥＭＳシステムでは、レシーバコイル内の円盤または他の磁石が、柔軟なフィルムの下に貼り付けられるか堆積される磁石またはパターン付き強磁性層を引き付けて、適当な充電器または電源のコイルの下の、ＦＥＴへの接点を閉じる。しかし、他の実施形態では、強磁性層を、レシーバコイルの中央（ＰＣＢの前、その後ろ、またはコイル層とは別々の層）で使用することもでき、永久磁石または柔軟な層フィルムの下で永久的に磁化される堆積またはスパッタなどのパターン付き強磁性層のいずれかを使用する。
この形で、充電器または電源のパッドは、コイルの中心に対応する複数の磁気点を含む。
強磁性材料がパッドの近くに持ってこられたときに、適当なコイルがアクティブ化される。パッドに置かれた金属オブジェクトに関する誤った第一歩を避けるために、いくつかの実施形態では充電器また電源とレシーバコイルとの間でのコードの交換を含む、上で説明した副検証技法を使用することができる。
【０２１８】
使用できる金属の例は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、またはさまざまな一般に使用されている合金である。これらを、スパッタリング、蒸着、電子ビーム、めっき、その他などのさまざまな形で柔軟なフィルムに堆積することができる。
【０２１９】
図４４に示されたシステムは、主に、単一ＦＥＴと共に動作するように設計され、パッド上のどこかの単一のデバイスの充電を可能にする。２つのデバイスがパッドに置かれ、２つのコイルがパッドに接続されている場合には、伝達される電力が、指定された電力全体に達しない場合があり、どのデバイスが充電中に制御信号を送信または受信しているのかが明瞭でない場合がある。
【０２２０】
一実施形態によれば、この問題を克服するために、充電器コイルまたは電源コイルのクラスタが個々の駆動回路および感知回路に貼り付けられ、互いに独立である、セグメント化されたパッドを使用することができる。
【０２２１】
Ｘ−Ｙエリアが、セグメント（このケースでは４つが図示されている）に分割される。
各セクションの１つのコイルを、そのセグメントの適当なＦＥＴおよび感知回路によって駆動することができる。上：ＰＣＢの最下層の接触パッドのパターン。各パッドは、上の３つの層の１つの中のコイルの中央ポートに接続される。ここでは、上面図を示す。下：個々のコイル接触パッドと接触する一体化されたＭＥＭＳスイッチを有するパッドの側面図。セグメントの縁のスペーサおよび壁が、柔軟なフィルムをＰＣＢの最下層から所定の距離に保つ。
【０２２２】
図４５に、一実施形態によるセグメント化されたＭＥＭＳ充電器パッドまたはＭＥＭＳ電源パッドのアーキテクチャを示す。複数のコイルを含む各セグメントは、異なるドライバおよび感知回路の点ＡおよびＣに接続される。したがって、各セグメントの中に置かれたデバイスは、それ自体のドライバを用いて駆動され得、独立である。この形で、複数（このケースでは４つ）のデバイスを同時に充電し、または電力を与えることができる。
【０２２３】
図４５では、追加のスペーサが、セグメントの境界に配置されている。これらのスペーサは、柔軟なフィルム／ＰＣＢギャップを一定に保ち、柔軟なフィルムの動作をＸ方向およびＹ方向に沿って均一に保つのを助けることができる。ＰＣＢと柔軟なフィルム層との間でＸ−Ｙ平面に散在するそのようなスペーサは、パッドが電気的にセグメント化されるか否かに関わりなく使用することができる。
【０２２４】
いくつかの実施形態によれば、本明細書で説明するＭＥＭＳスイッチング方法を、図４１に示されたクラスタジオメトリまたは任意の他のジオメトリに適用することもできる。
【０２２５】
伝導性の複数充電器または複数電源の表面
上で述べたように、いくつかの実施形態によれば、共通の充電器表面または電源表面上の複数のデバイスを充電するかこれに電力を与えるもう１つの方法は、複数のコネクタ点またはストリップをパッドに組み込むことである。ユーザは、パッドまたは類似する物体上の適当なコネクタを用いてデバイスを置き、パッド上の一致する接点を介して電力受け取ることができる。図４６に、この手法の全般的な図を示す。この手法では、１つまたは複数の調節される電源が、充電器パッドまたは電源パッドに接続される。パッドは、露出されたコネクタの接点またはストリップのアレイを含む。
【０２２６】
図４７に、パッドの表面上の接点のアレイを示す。図４７では、各位置が、電圧およびグラウンド接点を含む。この図では、コネクタは、ワッシャに似たくぼんだ円として示され、一方の接点は中央、他方の接点は円の本体または外側にある。他のコネクタジオメトリが可能である。
【０２２７】
その下部またはアフターマーケット応用用のプラグインユニット内に適当な嵌合するコネクタを有するデバイスを、パッド上に置くことができ、デバイスのコネクタは、接点の１つの上に置かれた場合に、パッド接点への適当な接触を行う。一実施形態によれば、充電器パッドまたは電源パッドの表面上のコネクタは、複数のスイッチに接続され、このスイッチは、図４６に示されているようにスイッチアレイを介して図示のように調節される電源および感知回路に接続される。ＭＣＵ１は、調節される電源のうちの１つを周期的にオンに切り替える。スイッチは、パッド内の接点のうちの２つの接点に対して接続が行われるようにセットされる。感知回路は、電流のすべての可能な流れを検出する。電流の流れが検出される場合には、システムは、レシーバ内のＭＣＵ２との接点を介する情報の交換を介して、有効なレシーバの存在を検証することができる。電流が引き出されていないか検証プロセスが失敗する場合には、ＭＣＵ１は、電源を次の接点位置に再接続する。パッド全体を周期的にラスタ処理することによって、充電または電力供給のためにパッド上にある複数のデバイスへの接触を確立することができる。ダイオードＤ１を、逆電圧に対する保護に使用することができ、調節される電源の出力のすべての潜在的な雑音をフィルタリングするためのコンデンサ（Ｃ１）および充電器または電源とレシーバとの間の通信をイネーブルするためのＭＣＵ２が示されている。レシーバには、ＭＣＵ２に一定の電圧（または動作について許容できる範囲内の電圧）を供給するために電圧レギュレータを組み込むこともできる。この電圧レギュレータは、これに必要な低電力を供給するのみであって、バッテリに向かう主電力の経路内にはない。このレギュレータに起因するすべての電力損失は、このレギュレータが非常に低電力であり、全体的なシステム効率に大きくは影響しないので、少ない。このレギュレータは、主に、充電器または電源との通信が維持されるように、スタートアップまたは他の変化の間にＭＣＵをアクティブに保つのに使用される。しかし、これらのコンポーネントは、オプションであり、使用されるアーキテクチャに依存して、存在しない場合がある。本明細書で提供される説明は、動作に関してこれらのコンポーネントの使用に依存しない。
【０２２８】
すべての位置のグラウンド（感知回路を介する）接点が一緒に接続される場合には、スイッチアレイ２を除去することができる。電流感知値を解釈する際に、受け取られた信号の解釈に注意を払わなければならない。というのは、受け取られる信号が、充電されているすべてのデバイスからの電流の合計であるからである。
【０２２９】
誘導の場合について上で述べたスイッチング配置を変更し、このタイプの伝導スイッチングにも使用することができる。さらに、上で示したＭＥＭＳベースの手法が、この応用例に適用可能である。
【０２３０】
伝導を使用する万能充電パッドの実施形態を、図４８に示す。この場合に、各位置の接点のうちの１つ（たとえば、グラウンド接点）は、パッド全体を通じて一緒に接続され、適当な位置（この場合には感知回路を介してグラウンド）に接続される。他の接点は、充電器表面または電源表面を介して表面の最下部に持ってゆかれ、接触パッドが形成される。
【０２３１】
上：コネクタの下の層の接触パッドのパターン。各位置の接点のうちの１つ（たとえば、グラウンド接点）は、パッド全体を通じて一緒に接続され、適当な位置（この場合には感知回路を介してグラウンド）に接続される。下：個々の接点を電源に接触させるための一体化されたＭＥＭＳスイッチを有するパッドの側面図。縁のスペーサが、柔軟なフィルムをＰＣＢの最下層から所定の距離に保つ。
【０２３２】
一実施形態によれば、図４８の上部に示された充電器表面接点パターンまたは電源表面接点パターンに似た、すべてが共通の点（ここではＰ２と呼ぶ）に接続される伝導パッドを有するパターンを作成された平面の伝導層または伝導トレースが、柔軟な金属フィルム上に作成される。柔軟なフィルムの材料の例は、マイラ、ポリイミド、Ｋａｐｔｏｎなどの柔軟なＰＣＢ材料、またはプラスチックである。パッドのそれぞれの中心では、小さい磁石または強磁性材料が、フィルムの他方の側に貼り付けられる。代替案では、強磁性材料の層が、堆積され、図４７の上部に似たパターンを有するようにパターン形成され、その結果、充電器表面パッドパターンまたは電源表面パッドパターンに似たパターンを有する材料だけが残される。柔軟なフィルムは、フィルムの最上層と充電器表面または電源表面の最下部との間の小さいギャップがスペーサによって作成されるように、充電器表面または電源表面の最下部に貼り付けられる。
【０２３３】
図４８に、ＭＥＭＳ伝導充電器パッドまたはＭＥＭＳ伝導電源パッドの側面図を示す。
ＭＥＭＳ伝導充電器パッドまたはＭＥＭＳ伝導電源パッドを使用することによって、スイッチングアレイの必要が除去される。
【０２３４】
一実施形態によれば、図４８の下部に示されたパッケージ全体が、２つの電気接続点を有する。一方は、最上部表面からの、Ｐ１と呼ばれる、充電器表面または電源表面上のコネクタ位置のすべてのコネクタ点のうちの１つ（この場合にはグラウンド）に接続される接続。他方の接続は、柔軟なフィルム上の共通パッドへの接続である。これは、Ｐ２と呼ばれ、回路内の他の位置に接続される。たとえば、本明細書で述べるジオメトリについて、Ｐ１を図４９の点Ｂに接続することができ、Ｐ２を点Ａに接続することができる。図４９は、複数の調節される電源を有する充電器パッドまたは電源パッドの一般化されたブロック図である。
【０２３５】
ここで述べる事例および図４８のパッドは、パッド上に置かれた１つまたは複数のデバイスへの１つの調節された電源の接続を可能にする。しかし、パッド上の複数のデバイスの場合に、デバイスの電圧特性は、第１のデバイスと同一でなければならず、供給から引き出される電力の合計は、電源の最大定格を超えてはならない。異なる電圧／電力を異なるデバイスに供給できる、より一般化された手法を、下でさらに詳細に述べる。
【０２３６】
通常、どのコネクタも、柔軟なフィルム上の接触パッドには接続されず、したがって、回路は完成しない。一実施形態によれば、コネクタの背面または外辺部に磁石を貼り付けられたレシーバと、正しい極性で方向を定められた磁石とが、充電表面の近くに持ってこられる場合に、この磁石は、最も近い接触パッドの中心および柔軟なフィルムの最下部の磁石またはパターン形成された強磁性層をそれ自体に向かって引き付ける。これは、柔軟なフィルム上の最上部伝導層に、充電器表面または電源表面の最下部の適当なコネクタの接触パッドと接触させ、回路を閉じさせる。この形で、電流が、レシーバ回路および充電されるデバイスへの適当なコネクタだけを介して流れることができる。
【０２３７】
上で説明したように、充電器表面または電源表面の最下部の接触パッドおよび柔軟なフィルムの接点の酸化を避けるために、これらの表面を、銅の上の金など、追加層の堆積によって保護することができる。そのようなプロセスは、露出される接点を保護するために一般的である。さらに、パッドパッケージを密封して、接点に対するほこりの汚染を防ぐことができる。さらに、内側の体積を、窒素などの不活性ガスで充てんすることができる。
【０２３８】
接触パッドの表面積ならびに柔軟なフィルムの接触面積および材料組成を最適化することによって、低い接触抵抗を得ることができる。最適化すべき他のパラメータは、磁石または磁性材料の面積および使用される材料のタイプである。
【０２３９】
上：コネクタの下の層の接触パッドのパターン。各位置の接点のうちの１つ（たとえば、グラウンド接点）は、パッド全体を通じて一緒に接続されて、接点Ｐ１を形成する。下：個々の接点を電源に接触させるための一体化されたＭＥＭＳスイッチを有するパッドの側面図。縁のスペーサおよびセグメントエリアの壁が、柔軟なフィルムをＰＣＢの最下層から所定の距離に保つ。柔軟なフィルムの各セグメント内の接触パッドは、一緒に接続されて、各セグメントの接点Ｐ２を形成する。
【０２４０】
図４９に、複数の調節された電源がパッドに電力を供給するもう１つの実施形態を示す。これは、複数のデバイスを同時に充電することを可能にする。
【０２４１】
図５０に、セグメント化された表面を使用する代替実施形態を示す。これの動作は、各セグメントＰ１およびＰ２の最上部および最下部の接点が、図４９のＢおよびＡの適当な位置に接続され、その結果、各調節される電源が、回路が閉じられるときに充電器表面または電源表面内のセグメントのうちの１つに接続されるようになることを除いて、前に説明したものに類似する。この形で、セグメントのそれぞれに置かれたデバイスに、その要求される電圧および電力レベルで、調節された電源によって電力を与えることができる。
【０２４２】
電磁シールド
電磁干渉（ＥＭＩ）は、すべての電子デバイスの性能の重要な態様である。商業的に販売されるすべてのデバイスは、それから放射される電力に関して異なる国または地域の規制を遵守する必要がある。
【０２４３】
複数のコイル、電子スイッチ、および電子制御回路網を含む誘導充電器または誘導電源について、雑音の主な源は、次を含む。
・スイッチングＦＥＴ、ドライバなど、または感知および制御回路網からのすべての潜在的な放射される雑音。この雑音は、コイルの基本的な駆動周波数より高い周波数になる可能性があり、周波数のゆえに充電器または電源から離れて放たれる可能性がある。この雑音は、駆動波形の鋭いエッジおよび関連する雑音を避けるように駆動回路を最適化することによって最小化することができる。
・ａｃ信号を有する銅トレースからの雑音。この雑音は、やはりより高い周波数である可能性があり、充電器または電源から発する。これらの経路の長さを最小にしなければならない。
・スイッチングされるコイルからのＥＭ放射。本明細書で説明される、数百ｋＨｚから数ＭＨｚまでで駆動されるコイルについて、生成される電磁（ＥＭ）場の波長は、数百メートルになり得る。コイル巻線の短い長さ（しばしば１ｍ以下）を考慮すると、使用されるコイルは、ＥＭ場の効率的な遠電界送信器ではなく、生成されるＥＭ場は、一般に、コイル表面の近くに非常に含まれる。ＰＣＢコイルからの磁束パターンは、コイルのエリアに非常に含まれ、コイルから離れて効率的には放たれない。
【０２４４】
電流経路を設計するときに注意を払わなければならず、いくつかの実施形態では、ＦＥＴ、他のＩＣ、または他のエレクトロニクスコンポーネントのシールドが必要になる場合がある。さらに、より高い周波数成分を有する波形を用いるコイルのスイッチングは、より高い周波数での雑音を生じる。説明した上のジオメトリのいずれにおいても、システムでの伝導層および／または強磁性層の組込みは、すべての潜在的な放射場から外部環境をシールドすることができる。伝導層をＰＣＢに組み込んで、追加の別々のシールド層の必要を除去することができる。
【０２４５】
上で提供した例では、３つのコイル層をＰＣＢ層に組み込むことができるが、エレクトロニクスコンポーネントをＰＣＢの最も下の表面に配置して、最上部の平らな表面を可能にし、レシーバコイルを充電器コイルまたは電源コイルにできる限り近くすることを可能にすることができる。ＰＣＢスタック全体の最下部表面でのエレクトロニクスコンポーネントの配置の１つの可能な配置を示す。この場合に、上の層の一部またはすべてで、ＰＣＢ層は、この図で黒で示されたエリアに銅セクションを組み込むことができる。これらのセクションを適当に接地し、エレクトロニクスコンポーネントの下に追加の伝導層および／または磁性層を設けることによって、ＥＭＩを大幅に減らすことができる。
【０２４６】
一実施形態によれば、ＰＣＢ内の銅トレースの影響を最小にするもう１つの方法は、これらをＰＣＢ内の導体の層の間にサンドイッチすることである。複数層ＰＣＢでは、銅トランスならびにすべてのコンポーネントおよびコイルへの接続を、たとえば、中央層内とすることができ、ＩＣまたは他の層への必要な接続を、ビアを介して行うことができる。
磁束がコイルエリア内に非常に含まれることを考慮すると、コイルを含む層またはその上もしくは下の別の層は、ＰＣＢによって生成される束のエリア（コイルの外側リングに非常に近い）を除いてすべてをカバーする銅の実質的に連続する層を含むことができる。信号経路および電流経路のサンドイッチをシールドするために複数の伝導ＰＣＢ層を有することによって、生成される雑音のほとんどを、源の非常に近くにシールドすることができる。ＰＣＢからの雑音は、最小限であり、放射しないので、雑音の残りの源、エレクトロニクス、ＦＥＴなどを、これらのデバイスを有するセクションを金属のカバーまたはシールドでカバーすることによってシールドすることができる。
【０２４７】
上の設計のいずれかでのＰＣＢ層内の接地された銅層の類似するタイプの賢明な組込みは、追加のシールド層を必要とせずにすべての潜在的なＥＭＩ問題を大幅に減らすことができる。
【０２４８】
図５１に、製品からの放射を測定するのに欧州連合内で使用される標準規格を示す。この場合に、製品からの放射は、１０ｍの距離で測定される。この試験（ＥＮ  ５５０２２）は、３０ＭＨｚから１ＧＨｚまでの放射を探す。クラスＡおよびクラスＢ証明の限度を、図に示す。
【０２４９】
図５１は、誘導複数充電器パッドまたは誘導複数電源パッドからの放射の通常のスキャンを示す。上で述べたように、基礎動作周波数（数百ｋＨｚから数ＭＨｚ）での放射は、コイルエリア内に内蔵されるものとすることができる。しかし、より高い周波数（３０ＭＨｚから１ＧＨｚまでの試験範囲など）での雑音を、他の近くの電子デバイスとの干渉を避けるために減らさなければならない。
【０２５０】
金属層および／または強磁性層が、しばしば、ＥＭ放射を減らすために電子デバイスに含まれる。そのような層の例が、米国特許第６８８８４３８号および米国特許第６５０１３６４号に記載されている。これらの例では、ＰＣＢコイルは、ＰＣＢの２つの側面に形成され、強磁性層および銅層が、そのようなトランスを含むパッケージからの放射を制限するためにＰＣＢの各側面に配置される。
【０２５１】
周波数選択的電磁シールド
本明細書で説明する誘導万能充電器パッドまたは誘導万能電源パッドのいくつかの実施形態によれば、ＦＥＴその他などの放射の潜在的な源であるエリアで金属層および／または強磁性層を含めることは、有益である場合がある。しかし、漏れるＥＭ場の可能性を除去するために充電器パッドパッケージまたは電源パッドパッケージを完全にカバーする方法が、利益をもたらす場合がある。
【０２５２】
誘導充電器パッドまたは誘導電源パッドが振動する磁場を生成することによって動作することを考慮すると、そのような手法は、そのような場がレシーバコイルによって感知されるのを阻止するので、実現可能ではないと思われる。
【０２５３】
一実施形態によれば、高周波数ＥＭ場へのシールドをもたらすと同時に、誘導パッドが動作のために効率的にＥＭ波を発することを可能にする方法が、本明細書で説明される。
そのような動作は、導体内の表皮効果を利用することによって達成される。
【０２５４】
表皮効果は、交流（ＡＣ）が導体内でそれ自体を分散させ、その結果、導体の表面近くの電流密度が材料の内側より高くなる傾向である。すなわち、電流は、導体の「表皮」を流れる傾向がある。
【０２５５】
表皮効果は、導体の実効抵抗を電流の周波数に伴って増加させ、ラジオ周波数回路およびマイクロ波回路の設計に実用的結果を及ぼす。
【０２５６】
無限に厚い平面導体の電流密度Ｊは、下に示すように表面からの深さδに伴って指数関数的に減少する。
Ｊ＝ＪSｅ-δ/d
ここで、ｄは、「表皮の厚さ」と呼ばれる定数である。これは、電流密度が表面での電流密度の１／ｅ（約０．３７）まで減衰する、導体の表面から下の深さと定義される。これは、
【０２５７】
【数２】
2014168380.tif 000004
によって与えられ、ここで、
ρ＝導体の抵抗率
ω＝電流の角振動数＝２π×周波数
μ＝導体の絶対透磁率＝μ0・μr、ただし、μ0は自由空間の透磁率であり、μrは導体の相対透磁率である。
ｄが周波数に伴ってすばやく減少することに留意することが重要である。磁場および電場は、導体のシートを介して移動する際に同様に減衰される。銅の導電率の値（５．８×１０7シーメンス／ｍ）を使用して、さまざまな厚さの銅の単一層を通る吸収を計算することができる。
【０２５８】
図５２に、７０μｍおよび７μｍの銅層を介する吸収を示す。７０μｍ層は、当該の領域（３０ＭＨｚから１ＧＨｚまで）で非常に高い減衰をもたらすが、この減衰は、ほとんどの場合に過剰であり、極端に雑音の多い状況でのみ必要である。
【０２５９】
本明細書で説明するように、送られる電力は、非常に薄い伝導層を介すると考えられる。
【０２６０】
図５３に、複数の厚さの銅層およびアルミニウム層（９９．９９％Ａｌの場合に３．７６×１０7の導電率）の減衰値がどれほどであるかを示す。
【０２６１】
これらの計算のために、ＥＭ場の源に関する層の配置を含める必要がある。これらの計算では、源は、層の下０．５ｍｍにあると仮定する。これは、層を本質的に場の源に直接に乗せることに類似する。
【０２６２】
１μ厚さまでの銅およびアルミニウムの非常に薄い層について、１ＭＨｚ超の周波数で非常に高い減衰値が得られることに留意されたい。１０9Ｈｚでの銅およびアルミニウムの１Vｍ層の減衰は、それぞれ３２ｄＢおよび２８ｄＢであり、匹敵する。しかし、１ＭＨｚ以下では、そのような薄い層に関する両方の材料での減衰は、最小限である。いくつかの実施形態によれば、この挙動または特性を活用することができる。
【０２６３】
図５４に、本明細書で説明する誘導万能充電器または誘導万能電源のタイプについて通常の動作周波数である１ＭＨｚでの入射ＥＭ場に関する変化する厚さの銅層およびアルミニウム層を介して伝達されるＥＭ電力を示す。５μｍ未満の厚さでは、伝達される電力は９５％を超える。特にアルミニウムは（そのより低い導電率に起因して）１ＭＨｚ放射が大きい減衰なしで伝達することを可能にする、広い範囲の厚さを有する。
【０２６４】
上で述べたように、本明細書で説明する誘導充電器デバイスまたは誘導電源デバイスのいくつかの実施形態では、充電器または電源の動作周波数（通常は約１ＭＨｚ）で生成されるＥＭ場は、非効率的なＰＣＢコイルアンテナによって生成され、主にコイルのすぐ近くのエリアに閉じこめられる（レシーバコイルによって感知される）。しかし、この基本周波数でコイルを駆動することによって生成されるすべての雑音（コンポーネントの非線形性、非シヌソイド信号に起因して、またはＦＥＴもしくはＦＥＴドライバで）あるいは充電器デバイスもしくは電源デバイスの電流経路もしくはコンポーネントまたはレシーバ内の任意の他の位置で生成されるすべての雑音（レシーバ整流器で生成される雑音を含む）は、周波数においてはるかにより高い成分を有する可能性がある。そのような雑音を可能な範囲まで抑制することが望ましい。
【０２６５】
一実施形態によれば、充電器もしくは電源および／またはレシーバ回路のすべてまたは一部をカバーする導体の非常に薄い層（銅またはＡｌ、有機導体、ナノテック材料、ナノチューブ、または他の材料など）を使用して、より高い周波数の雑音を厳しく減らしながら、所望の低周波数成分（数ＭＨｚ以下）が減衰なしで移動することを可能にすることができる。いくつかの実施形態によれば、充電器もしくは電源および／またはレシーバパッケージ回路の内側表面全体または外側表面全体、あるいはその一部が、デバイスの基本的動作に劇的には影響せずにこの周波数選択的シールドを達成するためにカバーされる。
【０２６６】
一実施形態では、誘導充電器もしくは誘導電源および／またはそのような充電器もしくは電源のレシーバのパッケージの内側全体または外側全体が、導体の薄い層（厚さ１５μｍ以下または好ましくは厚さ５μｍ未満）によってカバーされる。導体は、上で述べたように金属とするか、金属合金、有機、ナノテック材料、ナノチューブなどとすることができる。高周波数で、そのような層は、基本動作周波数電力のほとんど（＞９０％）がその層を通って伝達することを可能にしながら、放たれるＥＭ電力をかなり減らす（２０ｄＢ超または３０ｄＢ超さえ）。伝導層を、部分の真上に堆積することができる。すべてのエレクトロニクスまたはコネクタの短絡を避けるために、接点、誘電体層、ペイント、または他の材料をまず堆積しなければならない。代替案では、伝導部分を、ＥＭシールド伝導層と接触しないようにマスキングすることができる。
【０２６７】
伝導材料の堆積は、異なる材料についてさまざまな形で行うことができる（スパッタリング、蒸着、電気めっき、浸漬を介するコーティング、ラングミュア−ブロジェット、ペイントなど）。最近、室温で金属層または金属合金層を任意の材料にコンフォーマルコーティングする安価な方法（Ｅｃｏｐｌａｔｅ）が開発された。このプロセスでは、制御された温度および速度の溶融金属のスプレーが、基板への入射時に瞬間的に冷却し、部分の全体または一部をカバーするコンフォーマル層を形成する。
ＥＭ伝導シールドを、ポリマ（たとえば、マイラ、ポリイミド、ポリウレタン、プラスチックなど）、ゴムなどの基板上に堆積することもでき、伝導層をコーティングされたポリマは、部分の内側または外側に適用される。静電気防止バッグが、金属化されたポリマ材料の例である。アルミニウムが、この応用例に一般に使用される。
【０２６８】
もう１つの実施形態では、ＰＣＢ基板、エレクトロニクスコンポーネント、ならびに充電器もしくは電源および／またはレシーバ内のコイルが、非伝導層（誘電体、ペイント、その他など）によってカバーされ、その後、基板およびエレクトロニクスに直接に堆積されまたはポリマもしくは類似するバッキングを伴って間接に（上で説明したように）のいずれかで適当な厚さの伝導層によって完全にまたは局所的にカバーされる。
【０２６９】
伝導材料の最適厚さは、その導電率に非常に依存する。材料の組成および厚さを選択することによって、ＥＭ雑音抑制と基本周波数の伝達との所望の組合せを得ることができる。
【０２７０】
伝導層の材料および厚さを組み合わせて、より調整された周波数応答を構成することも可能である。そのような手法は、波長依存フィルタを製造するために光学領域で一般に行われている。
【０２７１】
伝導層が充電器もしくは電源および／またはレシーバのコイルをカバーする実施形態では、充電器コイルまたは電源コイルを用いてＥＭ場を生成し、その後、放たれる場をそのような伝導層を介して通した後に、レシーバコイルおよび整流を介してこれをＤＣ電力に戻すことが望ましい場合がある。伝導層は、周波数依存フィルタなので、このプロセスでは、これが、すべてのより高い周波数の信号を除去するか弱め、レシーバがよりクリーンで、設計に依存してよりシヌソイドの、信号を受け取ることを可能にする。そのような高周波数雑音は、しばしば、ＥＭＩだけではない妨害および充電される電子デバイスの信号対雑音比の欠如に関係する。さらに、より高い周波数の雑音は、レシーバの非最適動作を引き起こし、おそらくはレシーバまたは他のコンポーネントの加熱を引き起こす。生成された雑音を除去することによって、充電器または電源およびレシーバシステムの電気的性能および熱／環境性能を改善することができる。
【０２７２】
電気システムのそのような物理的フィルタリングは、光学信号がレシーバに達する前に波長領域で（光学フィルタ、格子などによって）フィルタリングされることに類似する。
システムのＳＮＲおよび効率は、この形で改善される。
【０２７３】
コイルの位置合わせに関する磁石の使用
図５５に、充電器または電源のコイルとレシーバのコイルとの間のローカル位置合わせ独立性を入手する方法を示す。一実施形態によれば、磁石が互いに引き付けるように、充電器または電源内の各コイルの中心の背後（充電器または電源の表面に面する側面と反対の側面）およびレシーバ内のコイルの背後（充電器または電源の表面に面する側面と反対の側面）で小さい磁石を使用することによって、充電器または電源の表面に物理的特徴および／またはマーキングを設けずに、ユーザが充電器コイルまたは電源コイルが配置される位置を簡単に見つけることのできる充電器システムまたは電源システムを提供することができる。これは、任意のデバイスと共に使用できる充電器または電源が、特殊な位置合わせ特徴またはサイズ特徴の必要なしに充電されることを可能にすることにおいて有である可能性がある。これは、任意のサイズおよび形状のデバイスおよび／またはバッテリの充電を可能にする。図５５に示されたこのジオメトリでは、磁石を、コイルの中心に置かれる薄い平坦なまたは他の形状の磁石とし、充電されるデバイスまたはバッテリを、影響なしに充電器コイルまたは電源コイルの回りで回転することを可能にすることができる。
【０２７４】
上で説明したように、充電器または電源内のコイルが充電器表面または電源表面の平面内で横に（および多少は垂直に）移動することを可能にすることによって、充電器コイルまたは電源コイルとデバイスコイルおよび／またはバッテリコイルとの自動位置合わせを、デバイスおよび／またはバッテリが充電器コイルまたは電源コイルの中心の近くに横方向に持ってこられるときに達成することができる。
【０２７５】
この応用例に使用される磁石が、電気伝導性である場合には、コイルによって生成される場の一部が、磁石内で電流を生成し、磁石を加熱し、システムの効率を下げ、望まれない熱を生成する。この効果は、コイルの場強度がより高い電力のために増やされるときに、特に重要になる。
【０２７６】
いくつかの実施形態によれば、次など、この問題を扱う方法を含めることができる。
・電流は、磁石内で生成される渦電流によって作成されるので、非伝導磁性材料および／または低導電率磁性材料の使用が、この条件を改善することができる。
・磁石を、電流および電力損失を減らすために、層の間の積層物を有する薄い平らな磁石材料から構成することができる。
【０２７７】
図５６に、磁石を、電流循環を避けるためにその間にギャップまたは非伝導材料を有する半円などのセクションに分解または分割できる実施形態を示す。コイルの背後の磁石の各セットを複数のセクションからなるものにさせることによって、電子は、循環ならびに加熱および電力損失につながる強い渦電流の生成を妨害される。この図では、コイルの背後の磁石の各セットが、半円形の磁石から作られる。磁石の極は、充電器または電源の表面に面するＳ極またはＮ極と位置合わせされる。デバイスまたはバッテリ内の磁石は、充電器または電源の磁石とデバイスおよび／またはバッテリの磁石とが引き合うようにするために、反対の極性を有する。コイルの背後の磁石の各セットを複数のセクションからなるものにさせることによって、電子は、循環ならびに加熱および電力損失につながる強い渦電流の生成を妨害される。図５６では、コイルの背後の磁石の各セットが、２つの半円形磁石から作られる。
【０２７８】
図５７に、１つまたは複数の位置合わせ磁石を各コイルの背後で使用できる実施形態を示す。しかし、一実施形態によれば、磁石を、各磁石がコイルの中心を超えて延びるエリアをカバーしないように配置することができる。言い換えると、磁石の表面は、コイルの中心をカバーせず、これによって、円形電流が磁石内で効果的にセットアップされることを可能にしない。この形で、渦電流セットアップは、はるかに弱く、磁石内でのはるかにより小さい電力散逸が発生する。２つのコイルの位置合わせに関する充電器コイルもしくは電源コイルとデバイスコイルおよび／またはバッテリコイルの中心の位置合わせ磁石は、磁石のエリアがコイルの中心を超えて延びない形でコイルの背後に貼り付けられる。この形で、作成される渦電流は、はるかに弱く、はるかにより少ない電力が、磁石に失われる。この図では、２つの磁石が、各コイルの背後ごとに示されている（充電器磁石または電源磁石とレシーバ磁石との対について合計４つ）。しかし、１つから多数までの任意の個数の磁石を使用することができる。
【０２７９】
追加の応用例  自家動力動作を有する充電器／電源
図５８に、一実施形態による、自家動力動作用の内蔵バッテリを含む誘導電力充電用のデバイスの図を示す。図５８に示されているように、誘導パッド９６０などの誘導充電ユニットは、再充電可能バッテリ９６４を含む。このユニットは、通常は、コンセントからまたは標準的な自動車の１２Ｖ  ｄｃコンセントなどのｄｃ源からまたは飛行機もしくは外部ｄｃ源のコンセントからまたはコンピュータもしくは他のデバイスからのＵＳＢコンセントなどの別の電力源からの電力入力を用いて動作し、またはこれに時々結合される。
代替案では、電力を、風車または人力クランクハンドルなどの機械的源に由来するものとすることができる。このユニットは、携帯電話機、ＭＰ３プレイヤ、ラジオ、ｃｄプレイヤ、ＰＤＡ、およびノートブックコンピュータなどのモバイル電子デバイス内のレシーバコイルに電力を伝達するためにエネルギを与えられるコイル９６２を含むことができる。
それと同時に、入力電力は、このユニット自体の内部の再充電可能バッテリを充電する。
このユニットへの外部電力源が切断される時または入力電力が供給されないときに、このユニットは、その動作を充電された内蔵バッテリからに自動的に切り替える。代替案では、このユニットの動作を、ユーザによってスイッチ操作することができる。この形で、ユーザは、外側の電力源なしでユニットでの配置によってデバイスを充電し続けることができる。この使用は、外部電力が復元されるまで、または内蔵バッテリが完全に放電されるまで継続することができる。
【０２８０】
充電を継続する、ユニットの能力は、含まれるバッテリの容量に依存する。したがって、たとえば、１５００ｍＡＨ内蔵バッテリを用いると、ユニットは、変換効率、ユニット内の回路網の動作に起因する損失、および他の損失が５００ｍＡＨまでである場合に、１０００ｍＡＨバッテリを有する携帯電話機を完全に充電することができる。
【０２８１】
一実施形態の他の実施形態では、ユニットに、メタノールまたは他の源から電力を生成する燃料電池などの他の電力源によって電力を与えることができる。ユニットを、コンセントを介して配電網に、自動車もしくは飛行機内のコンセントからの電力などの外部ＤＣ電力源に接続し、または別のユニットによってそれ自体を誘導で充電するかそれ自体に電力を与えることもできる。しかし、外部電力に接続されないときに、ユニットに、燃料電池からその内部発電機によって電力を与えることができ、ユニットは、誘導によってそれに置かれたデバイスを充電することができる。
【０２８２】
図５９に、一実施形態による、自家動力動作用の太陽電池電力源を伴う誘導充電器または誘導電源のユニットまたはパッド９７０の代替実施形態の図を示す。図５９に示されているように、ユニットの表面を、ソーラーパネルまたは太陽電池９７６によってカバーすることができる。通常動作では、ユニットに、電気コンセントまたは外部ＤＣ源への接続によって電力を与え、または充電することができる。しかし、外部電力がない場合に、パネルは、充電器または電源に電力を与えるのに使用される電力を生成し、この充電器または電源は、ユニット内のインダクタを介して、それに置かれたデバイスを充電することができる。いくつかの実施形態では、ユニットは、ユニットが外部電力に接続されるかユニットの表面の太陽電池によって充電されるかのいずれかであるときに充電できる再充電可能バッテリ９７４を含むこともできる。このバッテリは、ユニットが外部電源に接続されず、太陽電池が、夜の動作中など、ユニットを動作させるのに十分な電力を生成していないときに、ユニットを動作させることができる。
【０２８３】
図６０に、一実施形態による、組み込まれた通信ユニットおよび／またはストレージユニットを伴う誘導充電器ユニットまたは誘導電源ユニットの図を示す。図６０に示されているように、いくつかの実施形態によれば、たとえば通常の充電器または電源９８０および太陽電池によって電力を与えられる充電器または電源９８２を含む充電器または電源は、さらに、データの格納および充電されるモバイルデバイスとの間のデータの伝送のためにオプションの通信ユニットおよび／またはストレージユニットを含むことができる。組み込むことのできるコンポーネントの例は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ＮＦＣ）、ＷｉＦｉ、ＷｉＭａｘ、ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ、およびインターネットに接続する手段を含むプロプライエタリ通信機能を含む。
【０２８４】
追加の応用例  誘導充電器の応用例およびキオスク
本明細書で説明するテクノロジを、他の応用例に使用することもできる。いくつかの応用例では、誘導（上で説明した）またはワイヤフリー（ｗｉｒｅ  ｆｒｅｅ）の充電器または電源を、電子デバイスのケース、ブリーフケース、または自動車内のボックス、ホルダ、もしくはコンテナなどの他のキャリア、あるいは他の形に組み込むことが望ましい場合がある。例を、底部または外側表面が一体化された充電器または電源を有する、ブリーフケース、ハンドバッグ、またはバックパックとすることができる。そのような充電器または電源から電力を受け取ることを可能にされるすべてのデバイス（電力を受け取るためのコイルおよび適当なエレクトロニクスを含むデバイスまたはワイヤフリー充電用の適当な接点を有するデバイス）を、そのようなブリーフケースの上または内部に置き、充電することができる。充電回路網に、ブリーフケース、ハンドバッグ、またはバックパックをコンセント電力にプラグで接続することによって、または壁のプラグからの電力を介して充電できる内蔵バッテリを有することによって、あるいは、ブリーフケース、ハンドバッグ、またはバックパックが別の誘導またはワイヤフリーの充電器または電源に置かれるときにそれら自体が誘導充電されることによって、電力を与えることができる。使用を、本質的に別のデバイスを充電するか電力を与えるのに使用できるすべてのバッグ、コンテナ、または物体に適用することができる。この第１物体自体を、ワイヤによって直接にコンセントを介してまたは誘導もしくはワイヤフリーの充電システムを介して無線で、充電するか電力を与えることができる。代替案として、第１物体（充電器または電源）に、太陽電池、燃料電池、機械的方法（手回しクランク、振り子など）によって電力を与えることができる。
【０２８５】
上の事例のすべてで、インダクタまたはワイヤフリーの充電器または電源および充電器または電源の電力源（バッテリ、燃料電池、太陽電池など）の機能を分離することが可能である。さらに、いくつかの場合に、充電器部分または電源部分を、それを動作させるポータブル電力源（再充電可能バッテリなど）から分離することができ、このポータブル電力源に、別の源（電源出力、燃料電池、太陽電池、機械的源など）によって電力を与えるか充電することができる。この３つの部分を、同一エンクロージャまたは同一エリア内、あるいは互いに別々とすることができる。
【０２８６】
追加の例を、パッド上または別のエリア上の太陽電池を含み、ワイヤによってパッドに接続される誘導またはワイヤフリーの充電器または電源またはパッドがモバイルデバイスを充電するのに使用される、自動車用のアフターマーケットの誘導またはワイヤフリーの充電器または電源とすることができる。ダッシュボード、シートの間のトレイ、または特別なコンパートメントに置かれたそのようなデバイスを使用して、電話機、ＭＰ３プレイヤ、カメラ、その他などの複数のデバイスを充電することができる。ＧＰＳナビゲーションシステム、レーダー検出器、その他などのデバイスに、そのようなデバイスから電力を与えることもできる。もう１つの応用例で、レシーバ回路網および中身を加熱するか冷却する手段を有するマグ、カップ、または他のコンテナを、誘導充電器または誘導電源と組み合わせて使用して、中身を暖かくまたは冷たく保つことができる。カップまたはコンテナのダイヤルまたはボタンが、温度をセットすることができる。充電デバイスまたはパッドは、デバイスまたはパッドがエネルギをたくわえ、必要な場合に外部電力なしで動作することを可能にする再充電可能バッテリをも含むことができる。
【０２８７】
このテクノロジの他の応用例は、ユーザがポケットもしくは無線誘導電力が使用可能なエリアまたはその近くに単純にデバイスを置くことによってデバイスに電力を与えるか充電できるように一体化された誘導充電器または誘導電源を有する衣類、ジャケット、ベストなどを含む。ジャケットまたは衣類には、太陽電池、燃料電池、バッテリ、または他の形のエネルギによって電力を与えることができる。ジャケットまたは衣類には、衣類に縫い付けられた太陽電池を介して再充電されるか、衣類アイテムをラックまたは無線もしくは誘導で再充電できる位置に置くか吊るすことによって再充電されるバッテリによって電力を与えることもできる。誘導充電を使用することによって、ユーザは、適当なジャケットポケットの個々のワイヤおよびコネクタにデバイスをプラグで接続する必要がない。
【０２８８】
いくつかの場合に、充電器または電源あるいは二次部分（充電器または電源のレシーバ）を別のデバイスの保護ケースに組み込むことが望ましい場合がある。たとえば、音楽プレイヤ、電話機、ＰＤＡ、またはノートブックコンピュータのスキンまたはケースなどのアフターマーケットアイテムまたはオプションのアイテムである多数の製品が、現在存在する。一実施形態では、ケースまたはスキンは、デバイスを充電し、デバイスが他のデバイスを充電し、あるいはその両方を行うことを可能にするのに必要なエレクトロニクスおよびコイルを含むことができる。充電器または電源に、それが貼り付けられるデバイスによって電力を与えることができ、あるいは、充電器または電源は、充電器または電源と一体化されるか別の位置にあり充電器または電源に電気的に接続される太陽電池、燃料電池、その他などの別々の源から電力を受け取ることができる。たとえば、ブリーフケース内で、充電器または電源がブリーフケースの内部にあり、内部のデバイスを充電することができるが、ブリーフケースの表面は、内部の充電器または電源に電力を与える太陽電池を有することができる。ブリーフケースは、太陽電池によって生成された電力をたくわえ、内部のデバイスを充電するのに必要なときにこれらを使用する、再充電可能バッテリを含むこともできる。同様に、充電器または電源を、ケースの外側表面または内側表面上に作り、その表面の上または付近に置かれたデバイスを充電することができる。
【０２８９】
他の機能をオプションとして後でまたは同時に追加することを可能にするモジュラコンポーネントを充電器または電源に与えることも可能である。一実施形態では、再充電可能バッテリを含む誘導充電パッドは、太陽電池アレイを含み、ユニットの内部のバッテリを外部電力入力なしで充電することを可能にするために充電器パッドまたは電源パッドに同時に電気的に接続される、別々の最上部表面モジュールまたは全周のカバーもしくはスキンを有することができる。通信などの他の機能を提供するためにカバーまたは外側スキンを有するか、パッドがユーザの趣味または装飾になじむようにするために異なる外見またはテクスチャを単純に提供することも可能である。
【０２９０】
図６１に、一実施形態による誘導充電器ユニットまたは誘導電源ユニットを組み込んだキオスクの図を示す。図６１に示されているように、キオスク９９０は、個人が歩み寄り、彼らのモバイルデバイスの時折の充電を購入することを可能にするために、制御スクリーン９９２および誘導充電パッド９９４を含む。現在、通常のモバイルユーザの使用モデルは、夜の間にまたはオフィスもしくは自動車で彼らの欠くことのできないデバイス（電話機、ＭＰ３プレイヤ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセットなど）を充電することからなる。ユーザが、旅行など、長い時間にわたって彼らの環境の外にいる場合に、これは可能ではない。ユーザが料金を支払うことによって公共セッティングで彼らのデバイスを充電することを可能にする、さまざまな公衆モバイルデバイス充電ステーションが現れてきた。
誘導またはワイヤフリーの公衆充電ステーションまたはキオスクは、ユーザが、「イネーブルされた」（すなわち、充電器または電源から電力を受け取ることを可能にする適当なレシーバまたはコンポーネントを有する）モバイルデバイスをワイヤフリーまたは誘導の充電器または電源ステーションの上または中に置き、そのデバイスを充電することを可能にする。顧客は、サービスプロバイダの手法に応じて、そのサービスについて支払うか、サービスを無料で受けることができる。支払いは、現金、クレジットカード、デビットカード、または他の方法とすることができる。
【０２９１】
一実施形態によれば、複数のステーションを有する単一のパッドが、複数のデバイスを同時に充電することができる。ユーザは、デバイスを充電する前にサービスについて支払うように求められるものとすることができ、あるいは、サービスを無料とすることができる。代替案では、各充電ステーションを、コンパートメント内とすることができ、デバイスは、充電が開始されるか支払いが行われるときにデバイス所有者に与えられるコードを介してのみ開くことのできるドアによって保護される。ドアを、ダイヤル錠または物理的な鍵によって保護することもできる。
【０２９２】
代替案では、充電ステーションまたはキオスクは、開かれ、物理的に保護されるのではなく、ユーザがサービスについて支払うときにコードが発行されるものとすることができる。ユーザは、充電されるデバイスを置くことに進むが、充電が終わる時またはユーザがデバイスを取り出すことを望むときに、まずコードを入力しなければならない。コードが入力されない場合には、アラームが鳴らされ、デバイスが非アクティブ化され、あるいは、ある他の警告が発生する。この形で、泥棒または誤ったユーザは、注意を引かずにデバイスを取り外すことができず、これは、抑止力として働くことができる。上の技法の組合せを、公衆充電キオスクを実施する際に使用することができる。
【０２９３】
通常の充電プロセスは、３０分以上を要する可能性があるので、この時間中にデータを同期化し、デバイスに曲、ムービーなどをダウンロードすることも可能である。現在のモバイルデバイスの多くが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ機能またはＷｉＦｉ機能を有する。ＷｉＭａｘなどの他の通信プロトコルは、データレートをさらに高めることができる。充電プロセスと情報転送プロセスとを組み合わせることによって、サービスプロバイダは、追加サービスについて料金を請求することができる。さらに、カメラが充電されつつあり、無線機能を有する場合に、そのカメラは、充電中に、写真またはムービーを指定されたウェブサイトもしくはオンラインストレージエリアにダウンロードするか、指定された電子メールアドレスに電子メールすることができる。この形で、旅行者は、カメラを充電すると同時に、そのメモリの内容をより大きいメモリを有する位置にダウンロードすることができる。これは、旅行者が、カメラまたは他のモバイルデバイス内の限られたメモリスペースを解放することを可能にする。そのようなサービスは、限られたまたは短距離の無線通信機能を有するデバイス（携帯電話機、ＭＰ３プレイヤ、カメラ、その他など）をインターネットに接続し、間接的にデータを送信しまたは受信することを可能にする。充電機能がなければ、中間デバイス（たとえばＢｌｕｅｔｏｏｔｈからインターネットへのゲートウェイ）を介してそのようなダウンロードまたは同期化を行うデバイスは、しばしば、これに要する時間の長さに起因して、電力を使い果たすことを認識することが重要である。この形で、キオスクの充電機能は、より効果的な動作を可能にする。
【０２９４】
追加の応用例  誘導充電器の応用例およびキオスク
モバイルデバイスの高められた機能性と共に、バッテリ寿命を最大化することへの常に高まる焦点がある。現在、電力使用の増加のレートは、新しい改善されたバッテリテクノロジをしのぎ続けている。モバイルデバイスサイズを最小化する望みを与えられて、バッテリ電力制限は、一部のモバイルデバイス製造業者が、複数のバッテリを有するモバイルデバイスおよびこれらのバッテリのすべてを定期的に充電される状態に保つデスクトップ充電器を出荷し始めることを要求した。ユーザは、時々、日中にデバイスを使用している間にデバイスのバッテリを交換することを期待される。そのような状況は、理想的ではなく、複数のバッテリを持ち歩き、これらのバッテリを充電された状態に保つという重荷をユーザに与える。
【０２９５】
モバイルデバイス内のバッテリ寿命を延ばすが、モバイルデバイスのサイズおよび重量を大幅には増やさない方法は、新しい電力を大食いする機能強化されたマルチメディアモバイルデバイスに極端に有用である。たとえば、提案された１つの解決策が、米国特許第６１８４６５４号に記載されている。しかし、そのような技法およびジオメトリは、現在使用されているさまざまなモバイルデバイスおよびコネクタと非互換であり、ユーザが、ホルスタ内部のコネクタにデバイスをプラグで接続すると同時に、これを固定し、しっかり保持することを必要とする。
【０２９６】
本明細書で説明するのは、無線充電器をデバイスのケース、キャリア、またはホルスタに一体化することによってモバイルデバイスのバッテリ寿命を延ばすシステムおよび方法である。このシステムおよび方法は、モバイルデバイスのサイズおよび重量を小さく保ちながら、ユーザが、ケース内に置かれたときにデバイスを自動的に再充電することを可能にし、これによってデバイス動作時間を劇的に延ばすという利益を有する。
【０２９７】
一実施形態では、ケースは、誘導によってモバイルデバイスを再充電し、それ自体を、誘導ベース充電器によって再充電することができる。ケース内のデータストレージおよび通信などの追加の一体化された機能性を含むさまざまな実施形態も、本明細書で説明する。
【０２９８】
図６２に、ベルトホルダ１０００およびケース１００２を含む、いくつかの一般的な通常の（非充電器）携帯電話機ホルダタイプを示す。
【０２９９】
モバイルデバイスおよび誘導充電ケースへの電力供給
モバイルデバイスは、複数の機能およびプロトコルをますます小さくなるパッケージに集め、組み合わせ続ける。モバイルＴＶ、ラジオ、高解像度カメラ、ＧＰＳなどが、多くの携帯電話機の標準になりつつある間に、デバイスの電力使用量は、増え続ける。複数のデバイスに適用されてきた１つの解決策は、外部バッテリパックの使用である。
【０３００】
図６３に、外部再充電可能バッテリパックを含む音楽プレイヤ（たとえば、ｉＰｏｄまたはＭＰ３プレイヤ）のさまざまな製品を示す。
【０３０１】
図示されているように、外部バッテリパックは、音楽デバイスにプラグで接続され、その背面にクリップで留められるときに、バッテリパックの内部のより大容量のバッテリを介して電力を供給することによって、デバイスに余分の動作電力を与える。しかし、このバッテリパックは、常時デバイスに接続されたままになると期待され、デバイスのサイズおよび重量をかなり増やす。これは、顧客の展望からは非常に望ましくなく、モビリティ／使用および採用を妨げる。
【０３０２】
一実施形態の諸実施形態によれば、モバイルデバイスのバッテリ電力は、モバイルデバイス（たとえば、携帯電話機、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、カメラ、ラップトップ機、ＰＤＡ、ＭＰ３プレイヤ、ゲームプレイヤなど）にホルスタ、ケース、ポーチ、バッグ、財布、または同等の保持デバイス、持ち運びデバイス、もしくは保管デバイス（便宜上、本明細書では「ケース」と称する）を提供することによって拡張される。ケースは、１つまたは複数の再充電可能バッテリと、１つまたは複数の誘導充電器または誘導電源を組み込むことができる。モバイルデバイスは、製造業者によって一体化されるレシーバ（コイルその他など）および回路網を設けることによって、または組込みレシーバを有するバッテリによって、または電力を受け取るプラグインユニットによってなど、電力を誘導で受け取ることを「イネーブル」され得る。したがって、適切にイネーブルされたデバイスは、ケース内に置かれたときに電力を受け取ることができる。いくつかの実施形態によれば、ケースは、たとえば、ＲＦＩＤ、Ｆｅｌｉｃａ、ケースのコイルの誘導の変化からのコイルの検出、またはプロプライエタリ技法を使用する検証などによって、自動的にデバイスを認識する手段をも含むことができる。いくつかの実施形態では、システムまたはコイルは、必要に応じて自動的に電源をオンにし、デバイスの充電を開始することをイネーブルされ得る。代替案では、ケースおよび／またはコイルは、磁気スイッチ、機械的スイッチ、または他の形のスイッチを介してデバイスの存在を感知することによって、デバイスがその中に置かれたときに電源をオンにすることができる。代替案では、ケースは、デバイスの充電を開始するためにユーザによって手動でアクティブ化されなければならない機械的スイッチまたは感覚スイッチを含むことができる。
【０３０３】
いくつかの実施形態によれば、ケースは、複数のデバイスに適応することができる。たとえば、ケースは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセットおよび携帯電話機用の位置を含むことができる。これらのデバイスの一方または両方を、ケースの内部に置かれたときにケースによって誘導で充電することができる。これは、ユーザが、両方の部分またはデバイスを一緒に持ち運び、それらがより大きくなることを必要とせずに両方のバッテリ容量を拡張する単純な形を有することを可能にし、したがって、消費者にとって大きい利益を提供する。
【０３０４】
一実施形態によれば、誘導充電器ケースの内部のバッテリ自体を、通常の充電器／電源によってまたは別の誘導充電器もしくは誘導電源を介してのいずれかで充電することができる。たとえば、デスクトップ誘導充電器は、誘導充電器ケースを充電でき、同時にモバイルデバイス（携帯電話機、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈヘッドセット、カメラなど）またはバッテリを充電することができる。代替案では、デスクトップ充電器またはデスクトップ電源またはデスクトップベースを、デバイスがその上に置かれたときに（ケースは存在せずに）直接にモバイルデバイスを充電することもできるように設計することができる。上で説明したように、誘導ケースを、通常の電源／充電器に接続されたときにその内部バッテリおよび内部のデバイスを充電するように設計することもできる。
【０３０５】
ケースのいくつかの実施形態は、データストレージ機能、通信機能、または他の機能（たとえば、ＧＰＳ、ＷｉＦｉなど）を含むことができる。
【０３０６】
図６４に、ハードドライブ、再充電可能バッテリ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、およびＷｉＦｉ接続性を含むマルチファンクションデバイスを示す。
【０３０７】
図６４に示されたものなどの通常のマルチファンクションデバイスは、クレジットカードのサイズおよび約１０ｍｍの厚さを有する。マルチファンクションデバイスは、携帯電話機ユーザが、彼らのディジタルデータ（写真、ムービー、音楽など）の大部分を格納し、彼らのモバイルデバイスでデータを無線で入手可能にすることを可能にする。携帯電話機およびマルチファンクションデバイスは、情報のダウロードまたはアップロードのために、コンピュータまたはラップトップ機に無線で接続することもできる。
【０３０８】
一実施形態によれば、図６４に示されたものなどのマルチファンクションデバイスは、ケースに一体化され得、無線充電器または無線電源を組み込ませることができる。モバイルデバイスが、ケース内または変更されたマルチファンクションデバイス上に置かれた後に、そのモバイルデバイスは、通信を確立することができ、かつ／または同時に充電され得る。通常のマルチファンクションデバイスは、既に、内部再充電可能バッテリを有するので、同一のバッテリを、モバイルデバイスの充電器に電力を与えるのに使用することができる。マルチファンクションデバイスケースを、無線で（誘導充電器パッド、誘導電源パッド、または類似するデバイスを使用して）または従来の手段を介して充電することもできる。
【０３０９】
他の実施形態では、無線充電器ケースまたは無線電源ケースを、ブリーフケース、ハンドバッグ、バックパック、キャリア、衣類、自動車、飛行機、または他の輸送機関車両などのコンパートメントに一体化することができる。これらの応用例のうちのいくつかが、参照によって本明細書に組み込まれている同時係属の米国特許出願第１１／６６９１１３号、名称「ＩＮＤＵＣＴＩＶＥ  ＰＯＷＥＲ  ＳＯＵＲＣＥ  ＡＮＤ  ＣＨＡＲＧＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ」にさらに詳細に記載されている。
【０３１０】
図６５に、モバイルデバイスに誘導で電力を与えるか充電するために充電器ケースまたは電源ケースと共に使用されるシステムを示す。この図に示されているように、誘導充電器または誘導電源のベースまたはパッドは、ケース、ホルスタ、または他の小さいポータブル充電器を充電し、このケース、ホルスタ、または他の小さいポータブル充電器は、それに近接して置かれたモバイルデバイスまたはバッテリを充電するかこれに電力を与えることができる。第２部分（充電器ケース）は、上で説明したマルチファンクションデバイス例の場合と同様に、独立型デバイスとするか、別のデバイスに一体化することができる。他の実施形態では、充電器ケースまたは電源ケースを、従来の有線充電器または有線電源を介して充電し、または電力を与えることができる。一実施形態によれば、このシステムは、次を含む。
【０３１１】
誘導充電器ベースまたは誘導電源ベース：一実施形態によれば、この部分は、コイルを通る電流を周期的にオンおよびオフに切り替える電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含む、独立型の充電器もしくは電源またはデスクトップ充電器もしくはデスクトップ電源とすることができる。一実施形態では、１”（２５．４ｍｍ）直径を有する通常の９回巻きＰＣＢコイルについて、１〜２ＭＨｚの駆動周波数が理想的であり、電力伝達効率は、適当な値のコンデンサがＦＥＴと並列に配置されるときに高まる。この回路が共振周波数で駆動されるときに、ＦＥＴを通る電流の量は、Ｌ１への別のコイル（Ｌ２）の近接によって大きく変化し得る。システムが自動的に動作することを可能にするために、電流感知システムを使用して、二次側（Ｌ２）が一次側（Ｌ１）に非常に近接していることを感知することができる。他の実施形態では、充電されるデバイスが近接していることの肯定識別のための別々の回路を一体化することができる。これは、ＲＦＩＤ、Ｆｅｌｉｃａ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＷｉＦｉ、ＷｉＭａｘその他などの無線識別システムを含むことができる。もう１つの実施形態では、充電器ケースまたは電源ケースのシステムを、充電器ケースまたは電源ケース内のチップ（Ｌ２の近く）が入力電圧を感知し、事前にプログラムされた形でＬ２を通る電流を変調するように設計することができる。これは、電流センサを用いて感知でき、充電器ケースまたは電源ケースを肯定的に識別し、パターンが検証に関する事前に格納されたパターンと一致する場合に電力伝達および動作を開始する、Ｌ１内の電流の変調をもたらす。いくつかの実施形態で、誘導充電器ベースまたは誘導電源ベースは、誘電ケースが収まる成形されたピースの形あるいは誘電ケースおよび／またはモバイルデバイスあるいはその両方の配置のためのパッドを有することができる。
【０３１２】
誘導ケース：一実施形態によれば、ケースは、（充電器ベースまたは電源ベースから）誘導で電力を受け取る手段および誘導で別のデバイス（または複数のデバイス）を充電する手段を有する。代替案では、ケースを、有線の電源／充電器によって直接に充電されまたは電力を与えられることによって動作するように設計することが可能である場合がある。ケースは、１つまたは複数の内部バッテリを充電すると同時に、近くのモバイルデバイスまたはバッテリを充電するために充電器ケースまたは電源ケース内の回路網を動作させることもできる、バッテリ充電器回路に接続されたレシーバ部分を有する。ケースは、内蔵バッテリまたは充電器ベースもしくは電源ベースからの電力によって電力を与えられ得る充電器ベースまたは電源ベースに似た充電器回路網または電源回路網を有する。ケースは、前に説明したように自動的にまたは機械的手段もしくは他の手段を介して近くのモバイルデバイスを認識でき、モバイルデバイスがケース／ホルスタの中または近くに置かれるときに充電を開始することができる。もう１つの実施形態では、充電器ケースまたは電源ケースは、ケース内の複数のデバイス（たとえば、携帯電話機およびヘッドセット）を同時に充電できるようにするために、複数の充電器セクションまたは電源セクションを含むことができる。前に説明したように、本明細書で説明される回路網／機能を、機能性をストレージ、ＷｉＦｉ接続性またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ接続性などに拡張もするデバイスに一体化することができる。一実施形態では、充電器ケースまたは電源ケース内のバッテリは、モバイルデバイス内で使用されるバッテリと同一であり、取り外し可能である。この場合に、ユーザは、緊急時に充電器ケースまたは電源ケースとモバイルデバイス（携帯電話機など）との間でバッテリを交換して、モバイルデバイスの充電が行われるのを待たずにモバイルデバイスのすばやい使用を可能にすることができる。これは、ユーザに追加の望ましい特徴を与えることができる。
【０３１３】
モバイルデバイスレシーバ：一実施形態によれば、モバイルレシーバ部分は、製造業者によってモバイルデバイスに一体化され（すなわち、ＯＥＭ）、モバイルデバイスが誘導で電力を受け取ることを可能にするためにオリジナルバッテリと交換できるバッテリに一体化され、またはデバイスの既存電力ジャックにプラグで接続され、デバイスが誘導で電力を受け取ることを可能にするためにコイルおよび回路網を有するプラグインユニットとして提供されるのいずれかであるものとすることができるコイルおよび回路網を含む。代替案では、デバイスにプラグで接続され、デバイスを「イネーブルされた」状態にすることを可能にするレシーバを、デバイスのジャケットまたはスキンに組み込むことができる。これらの変形が、同時係属の米国特許出願第１１／６６９１１３号、名称「ＩＮＤＵＣＴＩＶＥ  ＰＯＷＥＲ  ＳＯＵＲＣＥ  ＡＮＤ  ＣＨＡＲＧＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ」にさらに詳細に記載されている。上で参照した特許出願は、２つの部分を便利に位置合わせし、センタリングするための、誘導充電器または誘導電源のＰＣＢコイルの中心および受信コイルの中心に置かれた引き付ける磁石の使用をも説明する。そのような技法を、ベース対ケースコイル位置合わせまたはケース対モバイルデバイス位置合わせ、あるいはその両方で使用することができる。さらに、位置合わせを、簡単な位置合わせを可能にするための部分の視覚的または機械的なマーク、くぼみ、または機械的設計を介して達成することができる。
【０３１４】
熱の削減および散逸
誘導充電器および／または誘導電源の磁場を生成するために、ワイヤから作られるかＰＣＢにプリントされるコイルが、通常は使用される。そのようなコイルは、単純な形で、直列の誘導要素および抵抗要素によってモデル化することができる。コイルの抵抗は、ワイヤまたはＰＣＢトレースの寸法、その長さ、および使用される材料（銅など）の抵抗率を使用することによって推定することができる。より高い周波数では、抵抗は、表皮効果に起因して増加し、これによって、電流は、横断面全体ではなくワイヤまたはトレースの表面近くを移動し、これによって、ワイヤまたはトレースの有効断面積が減る。適度な誘導値を得るために、ワイヤまたはＰＣＢトレースの複数の巻きが必要である。
【０３１５】
たとえば、１．２５”（３１．７５ｍｍ）直径のＰＣＢ螺旋コイルでは、約１０回の巻きが、１マイクロヘンリーインダクタンス値のために必要である。高効率誘導電力伝達コイルを設計するために、コイルの抵抗率は、結果の誘導を所望のレベルに保ちながら最小化されなければならない。コイルで生成されるすべての熱が、コイル材料の抵抗率を高め、これがより高い熱生成および温度上昇につながることに留意されたい。この熱生成のポジティブフィードバックを避けるために、誘導コイルでの温度の低下の主な方法は、生成される熱の低下およびコイルからの熱の散乱を含む。
【０３１６】
さらに、電子デバイスは、一般に、レギュレータ要件および安全要件を満足する必要があり、これらの要件は、近くのデバイスの動作に干渉しないという要件を含む。レシーバにエネルギを伝達するために時間変動する磁場を作成する誘導充電器および／または誘導電源について、干渉のレベルを許容される限度未満に保つために注意を払わなければならない。
【０３１７】
一般に、複数巻きの小さいコイル（約１”（２５．４ｍｍ）直径）によって、約１ＭＨｚの電圧によって駆動されるときに作成される磁気は、コイルを超えて数ｍｍを超えては放射せず、近距離場に閉じこめられる。ほとんどのデバイスにとってより大きい懸念である、より高い周波数でのそのような放射（たとえば、Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐｏｗｅｒ（商標）放射デバイスでもたらされる）の影響を減らすために、回路の駆動電圧を、より弱いより高い高調波を有するようにすることができる。
【０３１８】
電磁干渉（ＥＭＩ）の生成に関するもう１つの懸念は、回路に組み込まれる電子回路網およびスイッチング電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。そのようなコンポーネントは、追加の雑音源になり得る。本明細書で説明するのは、上のＥＭＩ源の影響を減らすいくつかの形である。
【０３１９】
誘導充電器／電源の効率的動作におけるもう１つの重要な要因は、充電器／電源コイルと充電され／電力を与えられるデバイス内のレシーバコイルとの位置合わせである。磁石を使用するコイルの位置合わせのさまざまな方法が、前の特許出願で説明されている。さらに、移動するコイルの使用、および複数のコイルまたはコイルのクラスタを使用して効率的な電力伝達のためにコイルの間の位置公差をもたらすことのできる他の方法も、記載されている。
【０３２０】
一実施形態によれば、誘導コイルでの温度上昇を減らすために、複数の方法を使用することができる。
【０３２１】
一実施形態によれば、コイルを、必要な最小の巻数を使用し、これによってコイルの長さおよび抵抗を減らすことによって最適化することができる。ワイヤまたはＰＣＢトレースの直径、厚さ、または幅を最適化して、最適抵抗をもたらすことができる。
【０３２２】
上で述べたＰＣＢコイルなどのコイルについて、作成される磁場は、コイルの内側で強く、コイルの中心までの半径距離がコイルの半径を超えるときに非常にすばやく低下する。この依存性を、電磁モデリング（Ｘｕｎ  Ｌｉｕ；Ｈｕｉ，Ｓ．Ｙ．、Ｏｐｔｉｍａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｗｉｎｄｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｐｌａｎａｒ  Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｐｌａｔｆｏｒｍ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌｕｍｅ  ２３、Ｉｓｓｕｅ  １、２００８年１月、４５５〜４６３頁に記載のものなど）を使用して、および実験手段によっても検証することができる。コイルで生成される熱を、コイル用の高熱伝導率ＰＣＢ基板または材料の使用によってコイルから散乱させることができる。磁場は、コイルの外側のエリアで最小限なので、高導電率金属層の使用は、場に大きくは影響せず、望ましくない渦電流を生じない。したがって、コイルを囲むエリアの表面を、高熱伝導率を有し、生成される熱をすばやく除去する金属または他の材料を有するように設計することができる。
【０３２３】
図６６は、ＰＣＢコイルを囲むエリアがＰＣＢの最上部、最下部、または別の層に金属を有するように設計される配置１０３０のジオメトリを示す図である。図６６に示されているように、ＰＣＢコイルを囲むエリアは、ＰＣＢの最上部、最下部、または別の層に金属を有するように設計される。金属パターンを、コイルと同一の層または別々のＰＣＢ層に組み込むことができる。この金属層は、連続的とすることができ、あるいは、コイルによって生成される磁場に起因して循環する電子に起因する渦電流の生成を避けるために、１エリア内にギャップを有することができる。通常のＰＣＢでは、コイルおよび金属層は、銅から作られる。この形で、コイルで生成されるすべての熱が、横方向にすばやく散乱され、したがって、大きい温度上昇をもたらさない。一実施形態によれば、そのようなＰＣＢ自体を、誘導充電器の最上層とすることができ、この場合に、金属層によって持ち去られるすべての熱を、さらに、周囲の環境に消散させることができる。代替案では、熱を、別のエリアもしくは表面への除去またはフィンもしくはスリットなどの要素の使用によってさらに散乱させることができる。同様に、デバイス、バッテリ、電子デバイスの外側キャリアなどに一体化される、レシーバコイルおよび電力を受け取る回路網は、生成される熱の散乱を可能にするために類似するジオメトリを有することができる。
【０３２４】
一実施形態によれば、ＰＣＢを用いる通常の応用例について、金属層を、ＰＣＢコイル自体の材料に似た銅材料から作ることができ、熱に関する低熱伝導率経路をもたらすために十分な厚さを有することが望ましい。たとえば、数ミクロンの銅層または数十マイクロメートルの銅層さえ使用することができる。
【０３２５】
そのような高熱伝導率層または金属層のすべてが、ＰＣＢコイルの縁でまたはＰＣＢコイルへのギャップを伴って始まることができる。層は、ＰＣＢコイルをカバーしているのではないので、層内の渦電流損失を引き起こさない可能性がある。渦電流が生成される場合には、図６６に示された金属層内のギャップを使用して、循環する電流の効果を減らし、結果の加熱および電力引出を減らすことができる。一実施形態によれば、金属層を、その厚さが少ない場合にコイルの上で使用することができる（薄い非伝導層または誘電体を間において）。たとえば、上で参照した前の特許出願では、ＰＣＢコイルの上の金属の薄い層（数マイクロメートル）の使用が、誘導充電器の低い（約１ＭＨｚ以下）周波数を伝達しながら高周波数についてＥＭＩシールドとして働くために説明された。そのような層を、熱散乱を容易にするためにコイルを囲む金属層に加えて使用することもできる。
【０３２６】
図６７は、複数のコイルが使用される複数充電器または複数電源において、そのような高熱伝導率層１０４０を、各コイルの周囲で繰り返すことができ、あるいは、これが複数のコイルの間のすべてのエリアをカバーすることができることを示す図である。
【０３２７】
図６８は、類似する方法を他の形状およびタイプの巻かれたコイル１０５０、１０５６からの熱除去に使用できることを示す図である。この実施形態のジオメトリによれば、コアの回りの巻かれたコイルとすることのできるコイルからの熱除去を容易にするために、コイルを、高熱伝導率層または金属層に貼り付けることができる。金属層の場合に、そのような層を、コイルの内側で生成される場との干渉を避けるためにコイルの外側を囲むエリア内にあるように設計することができる。同様に、渦電流を避けるために、金属層または巻かれたコイルのコアあるいはその両方が、循環する電流を減らすためにギャップまたは不連続部分を有することができる。
【０３２８】
上の例では、金属層または高熱伝導率層が示された。図６９に、必要な場合に連続層ではなく熱伝導率チャネルを提供するために層にパターン形成することができる実施形態１０６０の図を示す。
【０３２９】
上のジオメトリのいずれかによれば、フィン、ファン、追加の表面、ヒートパイプ、熱グリス、熱伝導エポキシその他の使用などの熱除去の追加手段を組み込んで、熱除去を容易にすることができる。さらに、セラミックなどの熱伝導層を組み込むことが可能であり、あるいは、ポリマを主ＰＣＢの下または上に組み込んで熱除去を助けることができる。
【０３３０】
上の議論では、全般的に、丸い形状のコイルが示される。本明細書で説明される技法が、他の形状のコイルまたは別々のデバイスに電力を与えるか充電するためにクラスタ内にあるもしくは分離された複数のコイルに適用可能であることは明白である。多くの場合に、ＰＣＢコイルの中心での温度の上昇が、最大である。この熱を除去するために、一実施形態によれば、高熱伝導率材料を含む充電器の表面またはコイルの背後の層を、生成された熱を横に散乱するのに使用することができる。そのような層の例が、セラミック材料である。高アルミナセラミックスは、高熱伝導率および低導電率をもたらすことができ、この特性は、この応用例にとって重要である。
【０３３１】
誘導充電器および／または誘導電源からのＥＭＩの削減
上で述べた金属層の利益は、誘導充電器または誘導電源の内部で生成されたすべてのＥＭＩが、外部から大幅にシールドされ、金属層によって充電器デバイスまたは電源デバイスの外部で減衰されることである。
【０３３２】
さらに、上のジオメトリでは、最上層の上の金属層を、充電器および／または電源の側面および／または底面の他の金属層に電気的に接触するようにすることができ、これによって、コイルだけが金属によってカバーされない、ボックスまたは他の囲まれた形状が形成される。そのようなエンクロージャは、スイッチングエレクトロニクスまたは充電器内の他の部分からのＥＭＩを大きく減衰させる。磁場に起因して金属ボックス内で生成される潜在的渦電流の影響を減らすために、いくつかの実施形態では、磁場が存在する可能性があるコイルエリアの真下での金属の使用を除去することが有用である。さらに、金属ボックスまたは類似する外側表面の壁内の渦電流の生成を避けるために、壁を１つまたは複数の位置で切断することができ、その結果、連続的な金属回路または金属リングが生成されなくなり、電子が妨げられずに循環することを可能にしなくなる。このギャップを、剛性をもたらすために非伝導材料で充てんすることができる。
【０３３３】
上で示したジオメトリでは、ＰＣＢを使用することが可能であり、これによって、コイルが、あるエリア内に形成され、エレクトロニクスは、同一ＰＣＢ上にある。一実施形態によれば、上で述べたシールドおよび熱散逸を提供するために、コイルの周囲の金属層を、ＰＣＢの最上部の上の層（外側表面により近い）内とすることができる。たとえば、コイルを、熱散逸層および／またはＥＭＩシールド層と一緒にＰＣＢの最上層上に形成することができ、ＰＣＢ電子コンポーネントを、ＰＣＢの最下層にあるものとすることができる。代替案では、金属層を、中間層またはＰＣＢ電子コンポーネントを有する最下層内の別々の層内とすることができる。しかし、エレクトロニクスコンポーネントからのＥＭＩシールド効果は、金属層がエレクトロニクスエリアを囲み、その真上の電気バリヤを提供しない場合に、減らされる。
【０３３４】
図７０に、さまざまな実施形態１０７０、１０７６による、コイルと同一のＰＣＢ上に製造される、ＰＣＢコイル誘導充電器および／または誘導電源あるいは誘導レシーバのエレクトロニクスの図を示す。この場合のエレクトロニクスは、最下層にあるものとすることができ、コイルおよびコイルを囲む金属層は、最上層にあり、エレクトロニクスによって生成されるすべての電子雑音を外部からシールドする。
【０３３５】
上で述べた形状およびジオメトリのすべてが、充電器コイルおよび／または電源コイルあるいはレシーバコイルへの組込みと、誘導によって充電され／電力を与えられるデバイスならびに充電器／電源自体のコイルからの熱の散乱およびＥＭＩの低減とに同等に適当である。
【０３３６】
コイルの磁気位置合わせ
一実施形態によれば、誘導充電器および／または誘導電源での効率的な電力伝達を可能にするために、充電器および／または電源ならびにレシーバ内のコイルは、一般に、互いに位置合わせされなければならない。
【０３３７】
図７１に、静止コイルまたは移動する浮動充電器コイルおよび／もしくは浮動電源コイルとレシーバコイルとの中心に配置された磁石が、コイルの位置合わせの方法を提供できる、この結果を達成するための実施形態１０８０を示す。
【０３３８】
この方法に関する問題は、磁性材料が導電材料からなるので、コイルが時間変動する磁場を生成するために動作させられるときに、渦電流が生成される可能性があることである。これは、失われる電力を引き起こす可能性があり、また、有益ではない磁石内の加熱を引き起こす可能性がある。
【０３３９】
この問題に対処するために、図７２に、コイルの中心をまたがない複数の磁石が使用される実施形態１０９０を示す。このジオメトリは、作成される渦電流を大幅に減らす。一実施形態によれば、このシステムは、コイルの位置合わせの単純で安価な方法を提供する代替磁石ジオメトリを使用することができる。さらに、この方法は、デバイスを充電器および／または電源の上に置く時のかなりの量の位置合わせ公差を提供する。
【０３４０】
磁場が印加されるときにその中に作成される渦電流に起因して電流を引き出すことのない位置合わせ磁石を提供するために、一実施形態によれば、磁石は、ＰＣＢコイルエリアの外部に置かれる。
【０３４１】
図７３は、磁石をどのようにＰＣＢコイルエリアの外に配置できるかを示す２つの実施形態１０９４、１０９８の図である。図７３に示された磁石は、渦電流生成または渦電流損失に対する影響がほとんど作成されないようにコイルを囲むか各コイルにオーバーラップするリングを含む。渦電流効果が観察される場合には、一実施形態によれば、製造後に切断することまたは製造中に分離を挿入することによって、ギャップを磁石リング内に挿入することができる。この形で、渦電流を、大幅に減らすか除去することができる。図示の場合の磁石は、リングの表面に垂直に磁化される。１つの磁石を充電器コイルおよび／または電源コイルの周囲に貼り付け、反対の極性を有するもう１つの磁石をレシーバコイルに貼り付けることによって、２つのコイルを、ユーザによる最低限の努力で簡単に位置合わせすることができる。
【０３４２】
さらに、リングの使用は、円形に対称の動作を可能にし、その結果、２つのコイルを、充電器／電源の動作または効率に影響せずに互いに関して回転できるようになるという利益を有する。
【０３４３】
充電器／電源の通常のジオメトリは、コイルをＰＣＢの最上部表面上に製造でき、磁石リングが、エレクトロニクスを配置できるＰＣＢの最下部側面に貼り付けられるように、図７３に示されたＰＣＢを含むことができる。類似するレシーバに、反対の極性の磁石を貼り付けることができ、その結果、レシーバが充電器／電源の近くに持ってこられるときに、２つの磁石が、コイルを引き付け、位置合わせに引っ張ることができるようになる。このジオメトリを用いると、コイルの磁場は、コイルがオーバーラップを有する限り、引き付けおよび位置合わせを作成する。
【０３４４】
たとえば、１．２５”（３１．７５ｍｍ）外径のコイルについて、１．２５”（３１．７５ｍｍ）内径のリング磁石を使用すると、コイルの中心が横に１．２５”（３１．７５ｍｍ）未満だけ離れている限り、２つの磁石が、磁場が互いに感知するのに十分に近くに垂直（コイルの平面に垂直な軸での距離）に持ってこられるときに、コイルは、位置合わせ状態にされ得る。したがって、この場合に、ユーザが、レシーバコイルの中心を、充電器／電源コイルの中心から半径１．２５”（３１．７５ｍｍ）の円の中になるようにする場合に、コイルは、引き付け、部品の自動位置合わせをもたらすことができる。
【０３４５】
ほとんどの応用例について、位置合わせ公差のこの量は、十分である。表面上のコイルの位置の概要を示すのにマークを使用することによって、この公差の度合は、ユーザがレシーバコイルを組み込まれたデバイスまたはバッテリを正しい位置に非常に簡単に置くことを可能にする。
【０３４６】
使用できる磁石の例は、ネオジウム鉄ホウ素、サマリウムコバルト、ＡｌＮｉＣｏ、セラミックス、接合磁性材料（ｂｏｎｄｅｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）などのさまざまな磁性材料から製造された磁石を含む。磁気強度を、強すぎず、分離がむずかしくならずに、位置合わせまたは確実な貼り付けをもたらすように設計することができる。
【０３４７】
代替案では、コイルを、磁石およびエレクトロニクスに近い最下部表面に製造することができ、あるいは、その間の別の層に製造することができる。さまざまなジオメトリが可能である。どの場合でも、磁石を、最適動作のための２つのコイルの位置合わせに使用することができる。
【０３４８】
上の説明では、リング形状の磁石を説明した。しかし、多くの場合に、サイズ要件およびスペーシング要件は、異なるジオメトリの使用を必要とする可能性がある。
【０３４９】
図７４に、円形コイルの周囲の磁気弧形状部品が使用される実施形態１１００を示す。
このケースを、図７３と同一の形状またはこれに似たリング形状を有する他のコイル上の一致する磁石と組み合わせることができる。たとえば、一体化された誘導レシーバを有するバッテリが、誘導充電器パッド上に置かれることによって充電されるモバイルバッテリ応用例では、コイルのサイズは、受け取られる電力を決定し、バッテリの幅がレシーバコイルと等しいかこれに類似することを要求する場合がある。位置合わせ磁石の貼り付けを可能にするために、図７４に示された２つの弧を、コイルに貼り付けることができる。この場合に、磁石を、バッテリとコイルＰＣＢとの間に配置して、コイルを最上部表面上に置き、したがって充電器コイルに最も近くすることを可能にすることができる。充電器内の一致する磁石は、位置合わせを容易にするために、リング、弧の類似するセット、または別の形状もしくはサイズとすることができる。リングが、充電器コイルの背後で使用される場合に、２つの部分の間の中心対称が保たれ、２つの部分を、最適動作のための位置合わせを保ちながら互いに関して回転することができる。
【０３５０】
他のジオメトリが可能である。たとえば、図７５に、コイル上またはコイルの周囲の棒磁石の使用を示す実施形態１１２０、１１２６を示す。そのようなジオメトリは、リング磁石によって提供される対称性を有しない。しかし、これは、位置合わせ鈍感さの１つの次元だけが望まれる場合に有用である可能性がある。
【０３５１】
上のジオメトリのいずれにおいても、互いに引き付けるための反対の極性を有する２つの磁石の使用が説明される。しかし、いくつかの実施形態によれば、部分の一方が磁化されないことが好ましい。これは、モバイルデバイスが、誘導充電器／誘導電源によって充電されまたは電力を与えられていないときに金属部分を引き付けることが望まれない場合に有利である可能性がある。例は、電話機が通常使用中に金属物体を引き付けることが望まれない携帯電話機とすることができる。この場合に、充電器および／または電源は、磁化された部分を含むことができ、モバイルデバイス／バッテリ内の他方の一致する部分は、適当な磁性材料から作ることができるが、磁化されない。たとえば、充電器／電源は、上で説明した磁化されたリングを含むことができ、携帯電話機は、磁性材料から作られるが磁化されない、一致するリングまたは弧を有することができる。
【０３５２】
さらに、充電器および／または電源の磁石を電気的にアクティブ化し、通常は磁化されないものとすることが可能である。たとえば、ワイヤ巻きまたはＰＣＢトレースを、電力伝達コイルの外辺部の周囲に置き、電力を与えて、電力伝達／充電のために２つのコイルの位置合わせ用のＤＣ磁場を作成することができる。この形で、２つの位置合わせ部分のいずれもが、通常は磁化される必要がなく、したがって、金属物体の意図されない引き付けまたはクレジットカードその他などの磁気に敏感な部分に対する影響に関する懸念がすべて除去される。生成される磁場は、位置合わせトレースエリアの上または付近で磁化されない磁性材料を使用することによって、さらに強めることができる。
【０３５３】
一例として、主充電器ＰＣＢコイル／電源ＰＣＢコイルの周囲の円形経路に、ＤＣ電流によって周期的にまたはユーザがモバイルデバイスを充電するかこれに電力を与えることを望むときに、電力を与えることができる。これを、ユーザによって行うことができ、あるいは、ＲＦ、光、磁気、または他の方法を介して充電されるか電力を与えられる適当なデバイスの接近を感知するセンサによって自動的にアクティブ化することもできる。磁場（上で説明したリングパターンなど）が生成された後に、その磁場は、モバイルデバイスまたはバッテリ内の適当な形状の磁性金属部分または磁石を引き付け、これを正しい位置合わせおよび配置に位置合わせし、ユーザがモバイルデバイスを正しい位置に置くのを助ける。デバイスが、正しい位置に置かれたならば、ＤＣ磁場は、もはや不要である可能性があり、電力を節約するためにシャットダウンされまたは減らされ得る。したがって、非常に短い期間の間だけ、この位置合わせ磁石が必要になる可能性がある。他の時間中には、充電器および／または電源あるいはモバイルデバイスのいずれをも、その周囲に磁場を有しまたはより弱い磁石を含むことがないように設計することができる。
【０３５４】
上で説明した磁石の使用は、電源および／または充電器と充電されるか電力を与えられるデバイスまたはバッテリとの間の移動が発生し得る場合に特に有用である。一例として、自動車環境では、電話機などのモバイルデバイスを、充電中に移動しないように保つことが望ましい。したがって、上で説明した磁石の使用は、上の利益に加えて、移動する環境での使用を可能にすることができる。さらに、いくつかの場合に、充電器および／または電源を、水平ではない位置に有することが有益である場合がある。たとえば、充電器を水平に設置することができる。この場合に、磁石を、充電プロセスまたは電力供給プロセス中にモバイルデバイスまたはバッテリを定位置で垂直に保持するのに十分に強くなるように設計することができる。
【０３５５】
上のジオメトリのいずれにおいても、追加の渦電流が磁石の存在の結果として生成される場合には、その効果を、低導電率材料またはセラミックスからコイルを製造すること、抵抗率を上げるために磁石を薄いシートに積層すること、エポキシマトリックス内で不織布を使用すること、表面を荒らすこと、電子の円形運動を減らすために材料にギャップを切り込むこと、または抵抗率を上げる他の一般的技法によって最小にすることができる。
磁石を、電子が円形経路に沿って移動できることを防止するために電気的に接続されないセグメントから製造することもできる。たとえば、リング磁石を、完全なリングまたはリングの一部を形成するのに非伝導エポキシを使用して、電気的に互いに接触せず貼り付けられない２つまたは４つのリング弧から製造し、形成し、またはコイルに貼り付けることができる。
【０３５６】
さらに、上で示されたコイルは、全般的に円形である。しかし、上の方法および議論は、任意の形状およびサイズのコイルならびにコイルのアレイまたはクラスタに適用することができ、コイルのすべてのサイズおよびタイプの性能において供給することができる。
【０３５７】
一実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提供されたものである。網羅的であることまたは実施形態を開示された正確な形態に限定することは、意図されていない。
実施形態は、実施形態の原理およびその実用的応用例を最もよく説明し、これによって、当業者がさまざまな実施形態の、企図される特定の使用に適するさまざまな変更を伴う実施形態を理解することを可能にするために選択され、説明されたものである。実施形態の範囲が、添付の特許請求の範囲およびその同等物によって定義されることが、意図されている。
【０３５８】
実施形態のいくつかの態様を、本開示の教示に従ってプログラムされた従来の汎用のまたは特殊化されたディジタルコンピュータ、マイクロプロセッサ、または電子回路網を使用して便利に実施することができる。適当なソフトウェアコーディングを、当業者に明白であるように、本開示の教示に基づいて技術を有するプログラマおよび回路設計者によってたやすく準備することができる。
【０３５９】
いくつかの実施形態で、実施形態は、その上に命令を格納された、実施形態のプロセスのいずれをも実行するためにコンピュータをプログラムするのに使用できる、記憶媒体（１つまたは複数）であるコンピュータプログラム製品を含む。記憶媒体は、フロッピディスク、光ディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、マイクロドライブ、および光磁気ディスクを含むすべてのタイプのディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＶＲＡＭ、フラッシュメモリデバイス、磁気カード、光カード、ナノシステム（分子メモリＩＣを含む）、あるいは命令および／またはデータを格納するのに適するすべてのタイプの媒体またはデバイスを含むことができるが、これらに限定はされない。
【０３６０】
実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提供されたものである。網羅的であることまたは実施形態を開示された正確な形態に限定することは、意図されていない。多数の変更および変形が、当業者に明白であろう。具体的に言うと、上で説明したシステムおよび方法の実施形態は、充電パッドの文脈で説明されるが、このシステムおよび方法を、他のタイプの充電器または電源と共に使用できることは明白である。同様に、上で説明した実施形態は、モバイルデバイスの充電の文脈で説明されるが、他のタイプのデバイスを使用することができる。実施形態は、実施形態の原理およびその実用的応用例を最もよく説明し、これによって、当業者がさまざまな実施形態の、企図される特定の使用に適するさまざまな変更を伴う実施形態を理解することを可能にするために選択され、説明されたものである。実施形態の範囲が、添付の特許請求の範囲およびその同等物によって定義されることが、意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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