(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インピーダンスによって特徴付けられた送信回路に電気的に接続されている、効率によって特徴付けられた駆動回路、ならびに
前記駆動回路に電気的に接続され、複素インピーダンス値の範囲にわたって前記駆動回路の前記効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するために、フィルタ回路を制御するための制御信号または動的論理回路を用いずに前記インピーダンスを変更するように構成されているフィルタ回路であって、前記範囲が第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義され、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の比が少なくとも2対1である、フィルタ回路
を備える送信器デバイス。
【請求項２】
前記比が、少なくとも5対1および少なくとも10対1のうちの一方である請求項1に記載の送信器デバイス。
【請求項３】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に8オームからなり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に80オームからなる請求項2に記載の送信器デバイス。
【請求項４】
前記比が第1の比であり、前記範囲が、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義され、前記第1の虚インピーダンス値と前記第2の虚インピーダンス値の間の差の第1の大きさと、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の間の差の第2の大きさとの第2の比が、1対2、2対3、1対1、3対2、および2対1のうちの少なくとも1つに実質的に等しい請求項1に記載の送信器デバイス。
【請求項５】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に4オームであり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に40オームであり、前記第1の虚インピーダンス値が実質的に-4オームであって、前記第2の虚インピーダンス値が実質的に50オームである請求項4に記載の送信器デバイス。
【請求項６】
前記送信回路が、前記フィルタ回路の出力に電気的に接続された送信コイルを備え、前記送信コイルが、受信器デバイスを充電する、または給電するのに、電力を無線で送信するように構成されている請求項1に記載の送信器デバイス。
【請求項７】
前記送信回路が、複数の受信器デバイスを充電する、または給電するのに、電力を無線で送信するように構成されており、前記複数の受信器デバイスのそれぞれが、前記送信回路から電力を無線で受信するように配置されたとき前記インピーダンスの変化をもたらすように構成されている請求項1に記載の送信器デバイス。
【請求項８】
前記駆動回路がスイッチング増幅器回路を備える請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項９】
前記駆動回路がE級増幅器回路を備える請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１０】
前記送信回路の前記インピーダンスは、変更される前には実質的にゼロであるリアクタンスからなる請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１１】
前記変更されたインピーダンスの値が、抵抗値に相当する実部および非ゼロリアクタンス値に相当する虚部を含む複素値からなる請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１２】
前記フィルタ回路が、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはこれらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを備える請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１３】
前記低域通過フィルタが、前記駆動回路の動作周波数の3dB帯域幅を有する3極バターワースフィルタを含む請求項12に記載の送信器デバイス。
【請求項１４】
前記フィルタ回路の遮断周波数が、前記駆動回路の動作周波数より高い、またはより低い請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１５】
前記フィルタ回路が、動作周波数で動作している前記駆動回路によって生成された信号の高調波成分を実質的に除去するようにさらに構成されている請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１６】
前記インピーダンスの抵抗性部分の量が増大するのにつれて、前記送信回路に供給される電力量が増大する請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１７】
前記駆動回路が最大電力量を出力するときの前記インピーダンスの第1の大きさは、前記駆動回路が最高効率になるときの前記インピーダンスの第2の大きさより大きい請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１８】
前記フィルタ回路がリアクタンス回路の梯子形回路網を備え、前記リアクタンス回路のそれぞれがリアクタンス素子の組合せを備える請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項１９】
前記駆動回路と前記フィルタ回路の間にリアクタンス性シフトをもたらすように構成されたインピーダンス調節要素をさらに備える請求項1から7のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項２０】
送信信号をフィルタリングする方法であって、
効率によって特徴付けられた駆動回路を使用して信号を駆動するステップと、
インピーダンスによって特徴付けられた送信回路に前記信号を供給するステップと、
複素インピーダンス値の範囲にわたって前記駆動回路の前記効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するように、フィルタ回路を制御するための制御信号または動的論理回路を用いずに前記インピーダンスを変更するステップであって、前記範囲が第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義され、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の比が少なくとも2対1である、ステップと
を含む、方法。
【請求項２１】
前記比が、少なくとも5対1および少なくとも10対1のうちの一方である請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に8オームからなり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に80オームからなる請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記比が第1の比であり、前記範囲が、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義され、前記第1の虚インピーダンス値と前記第2の虚インピーダンス値の間の差の第1の大きさと、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の間の差の第2の大きさとの第2の比が、1対2、2対3、1対1、3対2、および2対1のうちの少なくとも1つに実質的に等しい請求項20に記載の方法。
【請求項２４】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に4オームであり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に40オームであり、前記第1の虚インピーダンス値が実質的に-4オームであって、前記第2の虚インピーダンス値が実質的に50オームである請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
受信器デバイスを充電するため、または給電するために、前記送信回路を使用して電力を無線で送信するステップをさらに含む請求項20に記載の方法。
【請求項２６】
複数の受信器デバイスを充電するため、または給電するために、前記送信回路を使用して電力を無線で送信するステップであって、前記複数の受信器デバイスのそれぞれが、前記送信回路から電力を無線で受信するように配置されたときに前記インピーダンスの変化をもたらすように構成されている、ステップをさらに含む請求項20に記載の方法。
【請求項２７】
前記駆動回路がE級増幅器を備える請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記駆動回路がスイッチング増幅器を備える請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記送信回路の前記インピーダンスは、変更される前には実質的にゼロであるリアクタンスからなる請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記変更されたインピーダンスの値が、抵抗値に相当する実部および非ゼロリアクタンス値に相当する虚部を含む複素値からなる請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記インピーダンスを変更するステップには、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはこれらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを備えるフィルタ回路を使用して変更するステップが含まれる請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記低域通過フィルタが、前記駆動回路の動作周波数の3dB帯域幅を有する3極バターワースフィルタを含む請求項31に記載の方法。
【請求項３３】
前記フィルタ回路の遮断周波数が、前記駆動回路の動作周波数より高い、またはより低い請求項31に記載の方法。
【請求項３４】
動作周波数で動作している前記駆動回路が生成する前記信号の高調波成分を実質的に除去するステップをさらに含む請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記インピーダンスの抵抗性部分の量が増加するのにつれて、前記送信回路に供給される電力量が増加する請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記駆動回路が最大電力量を出力するときの前記インピーダンスの第1の大きさは、前記駆動回路が最高効率になるときの前記インピーダンスの第2の大きさより大きい請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記インピーダンスを変更するステップは、リアクタンス回路の梯子形回路網を備えるフィルタ回路を使用して変更されるステップを含み、前記リアクタンス回路のそれぞれがリアクタンス素子の組合せを備える請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記インピーダンスを変更するステップには、フィルタ回路が生成した変換されたインピーダンスにリアクタンス性シフトをもたらすように構成されたフィルタ回路およびインピーダンス調節要素を使用して変更するステップが含まれる請求項20から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
インピーダンスによって特徴付けられた送信手段、
前記送信手段に電気的に接続されている、効率によって特徴付けられた駆動手段、および
前記駆動手段に電気的に接続され、複素インピーダンス値の範囲にわたって前記駆動手段の前記効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するために、フィルタ回路を制御するための制御信号または動的論理回路を用いずに前記インピーダンスを変更するように構成されているフィルタリング手段であって、前記範囲が第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義され、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の比が少なくとも2対1である、フィルタリング手段
を備える送信器デバイス。
【請求項４０】
前記比が、少なくとも5対1および少なくとも10対1のうちの一方である請求項39に記載の送信器デバイス。
【請求項４１】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に8オームからなり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に80オームからなる請求項40に記載の送信器デバイス。
【請求項４２】
前記比が第1の比であり、前記範囲が、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義され、前記第1の虚インピーダンス値と前記第2の虚インピーダンス値の間の差である第1の大きさと、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の間の差である第2の大きさとの第2の比が、1対2、2対3、1対1、3対2、および2対1のうちの少なくとも1つに実質的に等しい請求項39に記載の送信器デバイス。
【請求項４３】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に4オームであり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に40オームであり、前記第1の虚インピーダンス値が実質的に-4オームであって、前記第2の虚インピーダンス値が実質的に50オームである請求項42に記載の送信器デバイス。
【請求項４４】
前記送信手段が、前記フィルタリング手段の出力に電気的に接続された送信コイルを備えている送信回路を備え、前記送信コイルが、受信器デバイスを充電する、または給電するのに、電力を無線で送信するように構成されている請求項39に記載の送信器デバイス。
【請求項４５】
前記送信手段が、複数の受信器デバイスを充電する、または給電するのに、電力を無線で送信するように構成されており、前記複数の受信器デバイスのそれぞれが、前記送信手段から電力を無線で受信するように配置されたときに前記インピーダンスに変化をもたらすように構成されている請求項39に記載の送信器デバイス。
【請求項４６】
前記駆動手段がスイッチング増幅器を備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項４７】
前記駆動手段がE級増幅器を備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項４８】
前記送信手段の前記インピーダンスは、変更される前には実質的にゼロであるリアクタンスからなる請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項４９】
前記変更されたインピーダンスの値が、抵抗値に相当する実部および非ゼロリアクタンス値に相当する虚部を含む複素値からなる請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５０】
前記フィルタリング手段が、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはこれらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５１】
前記フィルタリング手段が、前記駆動手段の動作周波数の3dB帯域幅を有する3極バターワースフィルタを備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５２】
前記フィルタリング手段の遮断周波数が、前記駆動手段の動作周波数より高い、またはより低い請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５３】
前記フィルタリング手段が、動作周波数で動作している前記駆動手段によって生成された信号の高調波成分を実質的に除去するようにさらに構成されている請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５４】
前記インピーダンスの抵抗性部分の量が増加するのにつれて、前記送信手段に供給される電力量が増加する請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５５】
前記駆動手段が最大電力量を出力するときの前記インピーダンスの第1の大きさは、前記駆動手段が最高効率になるときの前記インピーダンスの第2の大きさより大きい請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５６】
前記フィルタリング手段がリアクタンス回路の梯子形回路網を備え、前記リアクタンス回路のそれぞれがリアクタンス素子の組合せを備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５７】
前記駆動手段と前記フィルタリング手段の間にリアクタンス性シフトをもたらすように構成されたインピーダンスシフト手段をさらに備える請求項39から45のいずれか一項に記載の送信器デバイス。
【請求項５８】
駆動回路、フィルタ回路、インピーダンスシフト要素、および送信回路を備える電力送信器装置を設計する方法であって、前記駆動回路が、前記インピーダンスシフト要素、前記フィルタ回路、および前記送信回路に電気的に接続され、前記方法が、
前記駆動回路、および前記インピーダンスシフト要素の特性を選択するステップ、ならびに
前記駆動回路が、複素インピーダンス値の範囲にわたって最高効率の20%以内のレベルで動作するように、前記駆動回路および前記インピーダンスシフト要素の前記選択された特性に基づいて、前記フィルタ回路を制御するための制御信号または動的論理回路を用いずに前記送信回路のインピーダンスを変更するための前記フィルタ回路の特性を求めるステップであって、前記範囲が、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義され、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の比が、少なくとも2対1である、ステップ
を含む、電力送信器装置を設計する方法。
【請求項５９】
前記フィルタ回路が、可変数の極を含んでいる梯子形回路網の回路を含む請求項58に記載の方法。
【請求項６０】
前記駆動回路の特性が、駆動回路の周波数および駆動回路のインピーダンスのうちの少なくとも1つを含む請求項58に記載の方法。
【請求項６１】
前記フィルタ回路の特性には、極の数と、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはその組合せから選択されたフィルタ回路のタイプと、特性インピーダンスと、遮断周波数とのうちの少なくとも1つが含まれる請求項58に記載の方法。
【請求項６２】
前記インピーダンスシフト要素の特性が、インピーダンスシフトの量を含む請求項58に記載の方法。
【請求項６３】
前記駆動回路が、少なくともE級増幅器回路を含むタイプのスイッチング増幅器回路を備える請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記インピーダンスシフト要素が、インダクタ、キャパシタ、またはこれらの任意の組合せのうちの少なくとも1つを備える請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記駆動回路が、少なくともE級増幅器回路を含むタイプのスイッチング増幅器回路を備え、フィルタ回路が、前記スイッチング増幅器の直列インダクタと前記スイッチング増幅器回路の直列キャパシタの間に電気的に接続されている請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記インピーダンスシフト要素が、前記駆動回路に固有の直列要素のうちの1つを備える請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記比が、少なくとも5対1および少なくとも10対1のうちの一方である請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に8オームからなり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に80オームからなる請求項67に記載の方法。
【請求項６９】
前記比が第1の比であり、前記範囲が、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義され、前記第1の虚インピーダンス値と前記第2の虚インピーダンス値の間の差である第1の大きさと、前記第1の実インピーダンス値と前記第2の実インピーダンス値の間の差である第2の大きさとの第2の比が、1対2、2対3、1対1、3対2、および2対1のうちの少なくとも1つに実質的に等しい請求項58から62のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
前記第1の実インピーダンス値が実質的に4オームであり、前記第2の実インピーダンス値が実質的に40オームであり、前記第1の虚インピーダンス値が実質的に-4オームであって、前記第2の虚インピーダンス値が実質的に50オームである請求項69に記載の方法。
【請求項７１】
第1のインピーダンスによって特徴づけられた送信回路であって、1つまたは複数の受信器デバイスの各負荷に給電する、または前記各負荷を充電するために、前記1つまたは複数の受信器デバイスに無線で電力を転送するための磁場を生成するように構成される、送信回路と、
前記送信回路に電気的に接続される駆動回路であって、
第1のノードおよび電圧源の間に電気的に接続される第1のチョークインダクタと、
前記第1のノードおよび接地基準の間に電気的に接続されるスイッチと、
前記第1のノードへ電気的に接続され、前記スイッチと並列に電気的に接続される分岐キャパシタと、
前記第1のノードに電気的に接続される第2のインダクタとを含む、駆動回路と、
前記駆動回路および前記送信回路の間に電気的に接続される受動的フィルタ回路であって、選択された固定値を有する1つまたは複数のインダクタまたはキャパシタを含み、前記選択された固定値は、前記送信回路によって前記受動的フィルタ回路に与えられる前記第1のインピーダンスを、前記第1のインピーダンスがインピーダンス値の範囲にわたって変化するにつれて、前記駆動回路に与えられる第2のインピーダンスへ変換し、前記第2のインピーダンスは、複素インピーダンス値を含む範囲内にあるように変換され、前記複素インピーダンス値の範囲は、前記駆動回路の効率が最高効率値の20%以内であるための値に対応する、受動的フィルタ回路と
を含む無線電力送信器装置。
【請求項７２】
前記受動的フィルタ回路が、全て固定値を有する第2および第3のキャパシタの間に並列に電気的に接続される第3のインダクタを含む、請求項71に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７３】
前記駆動回路に与えられる前記複素インピーダンス値の範囲内の複素インピーダンス値が、複素数座標系にプロットした場合に等高線に沿う、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７４】
前記駆動回路に与えられる前記複素インピーダンス値の範囲内の複素インピーダンス値が、複素インピーダンス平面にプロットされる場合に半円に沿う、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７５】
前記フィルタ回路に与えられる前記第1のインピーダンスが、実質的に8オームから実質的に80オームの間である、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７６】
前記フィルタ回路に与えられる前記第1のインピーダンスが、実質的に4オームから実質的に40オームの間である実インピーダンスの範囲と、実質的に-4jオームから50jオームの間である複素インピーダンスの範囲に対応する、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７７】
前記送信回路が、前記受動的フィルタ回路の出力に電気的に接続される送信コイルを含み、前記送信コイルが、前記1つまたは複数の受信器デバイスに給電する、または前記1つまたは複数の受信器デバイスを充電するために、誘導的に電力を送信するように構成される、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７８】
前記1つまたは複数の受信器デバイスが、前記送信回路から電力を無線で受信するように位置するとき、前記インピーダンス値の範囲にわたる前記第1のインピーダンスの変化を引き起こすように構成される、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項７９】
前記第2のインピーダンスの値が、抵抗値に対応する実部、および非ゼロリアクタンス値に対応する虚部を含む複素値を含む、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８０】
前記受動的フィルタ回路が、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを含む、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８１】
前記低域通過フィルタが、前記駆動回路の動作周波数の3dB帯域幅を伴う3極バターワースフィルタである、請求項80に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８２】
前記受動的フィルタ回路の遮断周波数が、前記駆動回路の動作周波数よりも高い、または低い、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８３】
前記受動的フィルタ回路が、動作周波数で動作する前記駆動回路により生成される信号の高調波成分を実質的に除去するようにさらに構成される、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８４】
前記送信回路に供給される電力量が、インピーダンスの抵抗性部分の量が増加するのにつれて増加する、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８５】
前記受動的フィルタ回路が、リアクタンス回路の梯子形回路網を含み、前記リアクタンス回路のそれぞれがリアクタンス素子の組合せを含む、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【請求項８６】
前記駆動回路と前記受動的フィルタ回路の間にリアクタンス性シフトをもたらすように構成されるインピーダンス調節要素をさらに含む、請求項72に記載の無線電力送信器装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に無線電力に関する。より詳細には、本開示は、可変負荷を駆動する送信回路の効率および電力出力の改善を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ますます増加しているさまざまな電子デバイスは、再充電可能バッテリーによって給電される。このようなデバイスには、携帯電話、携帯用音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレット型コンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(例えばブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、および補聴器などが挙げられる。バッテリー技術は改善してきたが、バッテリー式電子デバイスでは、ますます大量の電力が必要とされ、かつ消費されつつある。そのため、これらのデバイスは絶えず再充電する必要がある。再充電可能デバイスは、電源に物理的に接続されるケーブルまたは他の類似のコネクタが必要な有線接続によって充電されることが多い。ケーブルおよび類似のコネクタは、不便で面倒であることがあり、他の難点もあり得る。自由空間で電力を転送して、再充電可能な電子デバイスを充電するのに使用することができる無線充電システムは、有線で充電する解決策の不備のいくつかを克服する可能性がある。そのため、再充電可能な電子デバイスを充電するための、電力を効率的かつ安全に転送する無線充電システムおよび方法が望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Raab、「Effects of Circuit Variations on the class E Tuned Power Amplifier」(IEEE Journal of Solid State Circuits、第SC-13巻、第2号、1978)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
添付の特許請求の範囲の範囲内のシステム、方法およびデバイスのさまざまな実装形態にはそれぞれ、いくつかの態様があり、それらの態様のうちの1つが、本明細書で説明される望ましい属性に単独で関与することはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの卓越した特徴が本明細書で説明される。
【０００５】
本明細書で説明される主題についての1つまたは複数の実装形態の詳細が、添付図面および以下の記述で説明される。他の特徴、態様、および利点が、明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図面の相対的寸法は、縮尺通りでないことがあることに留意されたい。
【０００６】
本開示の一態様は、送信器デバイスを提供する。送信器デバイスは、効率によって特徴付けられた駆動回路を含む。駆動回路は、インピーダンスによって特徴付けられた送信回路に電気的に接続されている。送信器デバイスには、駆動回路に電気的に接続されたフィルタ回路がさらに含まれており、このフィルタ回路は、駆動回路の効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するためにインピーダンスを変更するように構成されている。インピーダンスは、複素インピーダンス値によって特徴付けられる。複素インピーダンス値は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内にある。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。
【０００７】
本開示の別の態様は、送信信号をフィルタリングする方法の一実装形態を提供する。この方法は、効率によって特徴付けられた駆動回路を使用して信号を駆動するステップを含む。この方法は、インピーダンスによって特徴付けられた送信回路に信号を供給するステップをさらに含む。この方法は、駆動回路の効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するようにインピーダンスを変更するステップをさらに含む。インピーダンスは、複素インピーダンス値によって特徴付けられる。複素インピーダンス値は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内にある。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。
【０００８】
本開示のさらに別の態様は、送信器デバイスを提供する。送信器デバイスは、インピーダンスによって特徴付けられた送信手段を含む。送信器デバイスは、効率によって特徴付けられた駆動手段をさらに含む。駆動手段は送信手段に電気的に接続されている。送信器デバイスには、駆動手段に電気的に接続されたフィルタリング手段がさらに含まれており、これは、駆動手段の効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するためにインピーダンスを変更するように構成されている。インピーダンスは、複素インピーダンス値によって特徴付けられる。複素インピーダンス値は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内にある。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。
【０００９】
さらに別の態様は、電力送信器装置を設計する方法の一実装形態を提供する。この方法は、駆動回路、フィルタ回路、およびインピーダンスシフト要素を含む要素の群のうち少なくとも2つの要素の特性を選択するステップを含む。この方法は、少なくとも2つの要素の選択された特性に基づいて、駆動回路が、複素インピーダンス値の範囲にわたって最高効率の20%以内のレベルで動作するように、選択されていない要素の特性を求めるステップをさらに含む。この範囲は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義されている。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的実施形態による例示的無線電力伝達システムの機能ブロック図である。
【図２】本発明の種々の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システムで使用され得る例示的構成要素の機能ブロック図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による送信コイルまたは受信コイルを含んでいる図2の送信回路または受信回路の一部分の概略図である。
【図４】本発明の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システムで使用され得る送信器の機能ブロック図である。
【図５】本発明の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システムで使用され得る受信器の機能ブロック図である。
【図６】本発明の種々の例示的実施形態によって送信器が複数の受信器に無線で給電する図2の例示的無線電力伝達システムの機能ブロック図である。
【図７】本発明の例示的実施形態によって図6の送信器で使用され得る駆動回路の概略図である。
【図８Ａ】無線電力送信器の動作期間中に駆動回路に与えられ得るインピーダンスの例示的範囲を示す図である。
【図８Ｂ】図7の駆動回路の効率および出力電力を駆動回路の負荷の実インピーダンスの関数として示すグラフである。
【図９】図7の駆動回路の効率を、駆動回路に与えられる負荷インピーダンスの実部および虚部の関数として示す等高線図である。
【図１０】図7の駆動回路の電力出力を、駆動回路に与えられる負荷インピーダンスの実部および虚部の関数として示す等高線図である。
【図１１】本発明の例示的実施形態による、フィルタ回路を含む図7の駆動回路の概略図である。
【図１２】図11に示された例示的フィルタ回路を使用している駆動回路の効率の複素インピーダンスのグラフである。
【図１３Ａ】本発明の例示的実施形態による一低域通過フィルタ設計を用いる送信回路のインピーダンスのインピーダンス変換を示す複素インピーダンスのグラフである。
【図１３Ｂ】本発明の例示的実施形態による別の低域通過フィルタ設計を用いる送信回路のインピーダンスのインピーダンス変換を示す複素インピーダンスのグラフである。
【図１３Ｃ】本発明の例示的実施形態によるさらに別の低域通過フィルタ設計を用いる送信回路のインピーダンスのインピーダンス変換を示す複素インピーダンスのグラフである。
【図１４】図11の駆動回路の効率および出力電力を、フィルタ回路を使用していない送信回路の実インピーダンスの関数として示すグラフである。
【図１５】図11の駆動回路の効率および出力電力を、フィルタ回路を使用しているときの送信回路の実インピーダンスの関数として示すグラフである。
【図１６Ａ】一フィルタ回路設計を用いる、負荷の実インピーダンスの関数としての図11の駆動回路の効率および電力出力の負荷のグラフである。
【図１６Ｂ】別のフィルタ回路設計を用いる、負荷の実インピーダンスの関数としての図11の駆動回路の効率および電力出力の負荷のグラフである。
【図１６Ｃ】さらに別のフィルタ回路設計を用いる、負荷の実インピーダンスの関数としての図11の駆動回路の効率および電力出力の負荷のグラフである。
【図１６Ｄ】さらに別のフィルタ回路設計を用いる、負荷の実インピーダンスの関数としての図11の駆動回路の効率および電力出力の負荷のグラフである。
【図１７Ａ】フィルタ回路に与えられた負荷のいくつかの別々のリアクタンスに関する抵抗値の範囲に対してフィルタ回路によって遂行される例示的インピーダンス変換を示すグラフである。
【図１７Ｂ】フィルタ回路に与えられた負荷のいくつかの別々のリアクタンスに関する抵抗値の範囲に対してフィルタ回路によって遂行される例示的インピーダンス変換を示すグラフである。
【図１８】直列インダクタンスを、特定の動作周波数、駆動回路のインピーダンス、およびフィルタのインピーダンスに関するフィルタ遮断周波数の関数として示すグラフである。
【図１９】高効率の送信回路を設計する例示的方法のフローチャートである。
【図２０】送信信号をフィルタリングする例示的方法のフローチャートである。
【図２１】電力送信器装置を設計する例示的方法のフローチャートである。
【図２２】本発明の例示的実施形態による送信器の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
各図面に示された種々の特徴は、原寸に比例していない可能性がある。したがって、種々の特徴の寸法は、明確にするために、自由裁量によって拡大され、または縮小されることがある。それに加えて、いくつかの図面は、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを示しているわけではないことがある。最後に、明細書および図全体を通じて、類似の参照数字は類似の特徴を示すのに用いられ得る。
【００１２】
以下で添付図面に関連して示される詳細な説明は、本発明の例示的実施形態の説明として意図されており、本発明が実施され得る唯一の実施形態を表すようには意図されていない。この説明の全体にわたって用いられる用語「例示的」は、「実例、例、または具体例として役立つ」を意味し、必ずしも他の例示的実施形態より好ましい、または有利であるという意味で解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の例示的実施形態の十分な理解をもたらすために特定の詳細を含んでいる。本発明の例示的実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施されてもよい。いくつかの例では、本明細書で示される例示的実施形態の斬新性が不明瞭にならないようにするために、周知の構造体およびデバイスがブロック図の形で示されている。
【００１３】
無線で電力を転送することは、電場、磁場、電磁場に関連した任意の形態のエネルギーを転送することを指してもよく、そうでなければ、送信器から受信器へ、物理的導電体を使用することなく転送することを指してもよい(例えば、電力が自由空間を通って伝達され得る)。無線フィールド(例えば磁場)に出力された電力は、電力伝達を実現するために、「受信コイル」によって受信され、取得され、または結合されてもよい。
【００１４】
図1は、本発明の例示的実施形態による例示的無線電力伝達システム100の機能ブロック図である。エネルギー伝達をもたらすためのフィールド106を生成するために、電源(図示せず)から入力電力102が送信器104に供給されてもよい。受信器108が、出力電力110に結合されたデバイス(図示せず)による蓄積または消費ために、フィールド106に結合して出力電力110を生成してもよい。送信器104と受信器108は、距離112だけ離れている。例示の一実施形態では、送信器104と受信器108は、相互に共振する関係によって構成されている。受信器108の共振周波数と送信器104の共振周波数が、実質的に同一であるとき、または非常に近いとき、送信器104と受信器108の間の伝送損失が最小限になる。そのため、無線電力伝達は、互いが非常に接近し(例えば数mm)、かつ大きなコイルを必要とする純粋な誘導の手段とは対照的に、より長い距離にわたって提供することもできる。したがって、共振誘導結合の方法により、種々の距離にわたって、さまざまな誘導コイルの構成で、効率および電力伝達の改善が可能になり得る。
【００１５】
送信器104が生成したエネルギーフィールド106に受信器108が配置されているとき、受信器108は電力を受信し得る。フィールド106は、送信器104が出力したエネルギーが受信器106によって取得され得る領域に相当する。場合によっては、フィールド106は送信器104の「近接場」に相当してもよく、このことは以下でさらに説明される。
【００１６】
送信器104は、エネルギー伝送を出力するための送信コイル114を含んでもよい。受信器108は、エネルギー伝送からエネルギーを受信するための、すなわち取得するための受信コイル118をさらに含む。近接場は、送信コイルからの電力放射が最小になる領域であり、かつ送信コイル114の電流および充電に起因する強いリアクタンス性フィールドが存在する領域である。場合によっては、近接場は、送信コイル114の約1波長(またはその小部分)内の領域に相当してもよい。送信コイル114および受信コイル118は、関連する用途およびデバイスによって寸法設定される。前述のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波の大部分のエネルギーを非近接場に伝搬させることなく、送信コイル114のフィールド106のエネルギーの大部分を受信コイル118に結合することによって起こり得る。フィールド106の内部に配置されたとき、送信コイル114と受信コイル118の間に「結合モード」が発達し得る。この結合が生じ得る送信コイル114と受信コイル118の辺りの領域は、本明細書では結合モード領域と称される。
【００１７】
図2は、本発明の種々の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システム100で使用することができる例示的構成要素の機能ブロック図である。送信器204は、発振器222、駆動回路224、ならびにフィルタおよび整合回路226を含み得る送信回路206を含んでもよい。発振器222は、周波数制御信号223に応答して調節され得る468.75kHz、6.78MHzまたは13.56MHzなどの所望の周波数で信号を生成するように構成されてもよい。発振器の信号は、例えば送信コイル214の共振周波数で送信コイル214を駆動するように構成された駆動回路224に供給されてもよい。駆動回路224は、発振器222から矩形波を受信して正弦波を出力するように構成されたスイッチング増幅器でもよい。例えば、駆動回路224はE級増幅器でもよい。高調波または他の望ましくない周波数をフィルタにかけて除去し、送信器204のインピーダンスを送信コイル214に整合させるために、フィルタおよび整合回路226も含まれてもよい。フィルタおよび整合回路226は、送信器204のインピーダンスを送信コイル214に整合させるばかりでなく、さまざまなインピーダンス調節を遂行するように構成されてもよい。
【００１８】
受信器208は、図2に示されるようにバッテリー236を充電するため、または受信器108に結合されたデバイス(図示せず)を給電するために、AC電力入力からDC電力出力を生成するように、整合回路232(またはその他のタイプのインピーダンス調節回路)と、整流器およびスイッチング回路234とを含み得る受信回路210を含んでもよい。受信回路210のインピーダンスを受信コイル218に整合させるために、整合回路232が含まれてもよい。受信器208と送信器204は、別個の通信チャネル219(例えばブルートゥース、ジグビー、セルラーなど)でさらに通信してもよい。受信器208と送信器204は、さらには、無線フィールド206の特性を用いて、帯域内信号伝達によって通信してもよい。
【００１９】
以下でより十分に説明されるように、受信器208は、選択的に無効にすることができる関連付けられた負荷(例えばバッテリー236)を当初は有してもよく、送信器204によって送信されるとともに受信器208により受信される電力量がバッテリー236を充電するのに適切かどうか判断するように構成されてもよい。さらに、受信器208は、電力量が適切であると判断すると直ちに負荷(例えばバッテリー236)を有効にするように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、受信器208は、バッテリー236を充電せずに、無線電力伝達フィールドから受信した電力を直接利用するように構成されてもよい。例えば、近接場通信(NFC)または無線周波数識別装置(RFID)などの通信デバイスは、無線電力伝達フィールドから電力を受信し、対話によって無線電力伝達フィールドと通信するように、かつ/または送信器204もしくは他のデバイスと通信するために受信電力を利用するように構成されてもよい。
【００２０】
図3は、本発明の例示的実施形態による送信コイルまたは受信コイル352を含んでいる図2の送信回路または受信回路の一部分の概略図である。図3に示されるように、例示的実施形態で使用される送信回路350は、コイル352を含んでもよい。このコイルは、「ループ」アンテナ352とも称されてもよく、またはそのように構成されてもよい。コイル352は、本明細書では、「磁気」アンテナまたは誘導コイルと称されてもよく、またはそのように構成されてもよい。用語「コイル」は、別の「コイル」と結合するために無線でエネルギーを出力し得る、または受信し得る構成要素を指すように意図されている。コイルは、電力を無線で出力する、または受信するように構成されているタイプの「アンテナ」と称されてもよい。コイルは、電力を無線で送信する、または受信するように構成されているタイプの無線電力伝達要素と称されてもよい。コイル352は、空芯またはフェライト磁心などの物理的磁心(図示せず)を含むように構成されてもよい。空芯ループコイルは、磁心の近傍に配置された異質の物理的デバイスをより許容することができる。さらに、空芯ループコイル352により、磁心領域の内部に他の構成要素を配置することが可能になる。それに加えて、空芯ループによれば、送信コイル214(図2)の結合モード領域がより強力であり得る送信コイル214(図2)の面内に、受信コイル218(図2)をより容易に配置することが可能になる。
【００２１】
前述のように、送信器104と受信器108の間の効率的なエネルギー伝達は、送信器104と受信器108の間の一致した、またはほぼ一致した共振の間に生じ得る。しかし、送信器104と受信器108の間で共振が一致しないときであっても、効率には影響があるものの、エネルギーは伝達され得る。エネルギーの伝達は、送信コイルからのエネルギーを自由空間へ伝搬させるのではなく、送信コイルのフィールド106からのエネルギーを、このフィールド106が確立される近隣に存在する受信コイルに結合することにより生じる。
【００２２】
ループまたは磁気コイルの共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づくものである。インダクタンスは、単純にコイル352によって形成されるインダクタンスであり得るが、所望の共振周波数で共振する構造体を形成するために、コイルのインダクタンスにキャパシタンスが付加されてもよい。限定的でない実例として、共振周波数において信号358を選択する共振回路を形成するために、キャパシタ354およびキャパシタ356が送信回路350に付加されてもよい。したがって、より大きな直径のコイルについては、共振を維持するために必要とされるキャパシタンスのサイズは、ループの直径またはインダクタンスが増加するのにつれて縮小し得る。さらに、コイルの直径が増加するのにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達領域が拡大し得る。他の構成要素を使用して形成される他の共振回路も可能である。別の限定的でない実例として、コイル352の2つの端子間にキャパシタが並列に配置されてもよい。送信コイルについては、コイル352の共振周波数に実質的に一致する周波数の信号358が、コイル352に対する入力でもよい。
【００２３】
一実施形態では、送信器104(図1)は、送信コイル114の共振周波数に一致する周波数を有する時間変化する磁場を出力するように構成されてもよい。受信器がフィールド106の内部にあるとき、時間変化する磁場により、受信コイル118に電流が誘起され得る。前述のように、受信コイル118が送信コイル114周波数で共振するように構成されていると、エネルギーは効率的に伝達され得る。受信コイル118に誘起されたAC信号は、前述のように、負荷を充電する、または負荷に給電するように供給され得るDC信号を生成するために整流されてもよい。
【００２４】
図4は、本発明の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システムで使用され得る送信器404の機能ブロック図である。送信器404は、送信回路402および送信コイル414を含んでもよい。送信コイル414は、図3に示されたコイル352であってもよい。送信回路402は、発振信号を供給することにより、送信コイル414に対してRF電力を供給してもよく、送信コイル414のまわりにエネルギー(例えば磁束)が生成される。送信器404は、任意の適切な周波数で動作し得る。例として、送信器404は、6.78MHzのISMバンドで動作することができる。
【００２５】
送信回路402は、送信回路402のインピーダンス(例えば50オーム)を送信コイル414に整合させるためのインピーダンス整合回路406、および高調波エミッションを受信器108(図1)に結合されたデバイスの自己妨害を防止するレベルまで低減するように構成された低域通過フィルタ(LPF)408を含んでもよい。他の例示的実施形態は、特定の周波数成分を減衰させる一方で他の周波数成分を通すノッチフィルタを含むがこれに限定されない種々のフィルタトポロジーを含んでもよく、また、コイル414への出力電力または駆動回路424に引き込まれるDC電流などの測定可能な伝達計量に基づいて変化し得る適応型インピーダンス整合を含んでもよい。送信回路402は、発振器422によって決定されるRF信号を駆動するように構成された駆動回路424をさらに含む。送信回路402は、個別のデバイスまたは回路、あるいは一体化された組立体からなり得る。送信コイル414からの例示的RF電力出力は、2.5ワット程度であり得る。
【００２６】
送信回路402は、通信プロトコルを実施して隣接のデバイスに取り付けられている受信器を介して同デバイスと相互作用するために、特定の受信器向けの送信段階(またはデューティサイクル)の期間中に発振器422を選択的に有効し、発振器422の周波数または位相を調節し、出力電力レベルを調節するためのコントローラ410をさらに含んでもよい。コントローラ410は、本明細書ではプロセッサ410とも称され得ることに留意されたい。発振器の位相および伝達路における関連した回路を調節することにより、特に1つの周波数から別の周波数へ移行するときの帯域外放射を低減することが可能になり得る。
【００２７】
送信回路402は、送信コイル414によって生成された近接場の近傍に、活動状態の受信器の有無を検出するための負荷検知回路416をさらに含んでもよい。例として、駆動回路424へ流れる電流は、以下でさらに説明されるように、送信コイル414によって生成される近接場の近傍における活動状態の受信器の有無によって影響を受ける可能性があり、負荷検知回路416によって監視される。駆動回路424に対する負荷の変化の検出は、活動状態の受信器にエネルギーを伝達し、かつこれと通信するための発振器422を有効にするべきかどうかを判断するのに使用されるコントローラ410によって監視される。以下でより十分に説明されるように、送信器404の無線電力伝達領域内に無効デバイスが配置されていないかどうか判断するために、駆動回路424において測定された電流が用いられてもよい。
【００２８】
送信コイル414は、リッツ線または抵抗性損失を低く保つように選択された厚さ、幅および金属タイプを有するアンテナ細長片として実施されてもよい。一実装形態では、送信コイル414は、概して、テーブル、マット、ランプまたはそれほど携帯性のない他の構成などのより大きな構造体との連携用に構成されてもよい。したがって、送信コイル414は、概して、実用的な寸法であるために「巻き」を必要としなくてもよい。送信コイル414の例示的実装形態は、「電気的に小さく」(すなわち波長の一部であってもよく)、共振周波数を定義するために、キャパシタを使用することにより、より低い使用可能な周波数で共振するように調節されてもよい。
【００２９】
送信器404は、送信器404と関連付けられ得る受信器デバイスの状態および所在の情報を収集し、かつ追跡することができる。したがって、送信回路404は、コントローラ410(本明細書ではプロセッサとも称される)に接続された、存在検出器480、密閉検出器460、またはそれらの組合せを含んでもよい。コントローラ410は、存在検出器480および密閉検出器460からの存在信号に応答して、駆動回路424によって送出される電力量を調節することができる。送信器404は、例えば建築物にある通常のAC電力を変換するためのAC/DCコンバータ(図示せず)、通常のDC電源を送信器404用の適切な電圧に変換するためのDC/DCコンバータ(図示せず)などの複数の電源を介して、または従来型のDC電源(図示せず)から直接、電力を受け取ることができる。
【００３０】
限定的でない実例として、存在検出器480は、送信器404のカバレージエリアに挿入された被充電デバイスの初期の存在を検知するのに利用される動き検出器でもよい。検出後に送信器404がオンにされてもよく、デバイスが受け取ったRF電力が、所定のやり方でRxデバイスのスイッチを切り換えるのに用いられ得て、このことが、結果として送信器404の駆動点インピーダンスの変化をもたらす。
【００３１】
別の限定的でない実例として、存在検出器480は、例えば赤外線検出、動き検出、または他の適切な手段により、人間を検出することができる検出器でもよい。いくつかの例示的実施形態では、送信コイル414が特定の周波数で転送することができる電力量を制限する規定が存在することがある。場合によっては、これらの規定は、電磁放射から人間を保護することを意図している。しかし、例えば車庫、作業現場、店などの、人が居ない領域または希にしか人が居ない領域に送信コイル414が配置される環境があり得る。これらの環境に人が居なければ、平常の電力制限規定を上回って送信コイル414の電力出力を増加することが許されてもよい。換言すれば、コントローラ410は、人の存在に応答して送信コイル414の電力出力を規定レベル以下に調節し、人が送信コイル414の電磁場からの規定距離の外へ出たとき、送信コイル414の電力出力を、規定レベルを上回るレベルへ調節することができる。
【００３２】
限定的でない実例として、密閉検出器460(本明細書では密閉隔室検出器または密閉空間検出器とも称されることがある)は、囲壁が閉じた状態であるかまたは開いた状態であるかを判断するための検知スイッチなどのデバイスでもよい。送信器が、密閉された状態の囲壁内にあるとき、送信器の電力レベルが増加されてもよい。
【００３３】
例示的実施形態では、送信器404が無期限にオンのままではない方法が用いられ得る。この場合、送信器404は、ユーザが決めた時間の後に停止するようにプログラムされてもよい。この機能は、送信器404、特に駆動回路424が、その周辺の無線デバイスが完全に充電されたずっと後にも動作するのを防止する。この事象は、中継器または受信コイルのいずれかから送られる、デバイスが完全に充電されたことを示す信号を検出する回路の故障によるものであり得る。送信器404が、その周辺に別のデバイスが配置された場合に自動停止するのを防止するために、送信器404の自動停止機能は、その周辺で動きが検出されない設定時間の後にしか起動することができない。ユーザは、非活動時間間隔を決定し、必要に応じて変化させることができる。限定的でない実例として、その時間間隔は、特定のタイプの無線デバイスが最初は完全放電しているという仮定の下に、同デバイスを完全充電するのに必要な時間より長くてもよい。
【００３４】
図5は、本発明の例示的実施形態によって図1の無線電力伝達システムで使用され得る受信器508の機能ブロック図である。受信器508は、受信コイル518を含み得る受信回路502を含む。受信器508は、受信電力をデバイス550に供給するために、デバイス550にさらに結合される。受信器508は、デバイス550の外部にあるように示されているが、デバイス550に一体化されてもよいことに留意されたい。エネルギーは、受信コイル518へ無線で伝搬されてもよく、次いで受信回路502の残りの部分を通ってデバイス550に結合されてもよい。例として、充電デバイスとしては、携帯電話、携帯用音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレット型コンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(例えばブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、および補聴器(別の医療デバイス)などのデバイスを挙げることができる。
【００３５】
受信コイル518は、送信コイル414(図4)と同一の周波数または指定範囲内の周波数で共振するように調節されてもよい。受信コイル518は、送信コイル414に似た寸法に設定されてもよく、または関連するデバイス550の寸法から異なるサイズに設定されてもよい。例として、デバイス550は、送信コイル414の直径より小さい直径、または送信コイル414の長さより小さい長さの寸法を有する携帯用電子デバイスでもよい。このような実例では、受信コイル518は、同調キャパシタ(図示せず)のキャパシタンス値を低減し、かつ受信コイルのインピーダンスを増加するために、多重巻きコイルとして実施されてもよい。例として、受信コイル518は、コイル直径を最大化し、かつ受信コイル518のループの巻き(すなわち巻線)の数および巻線間キャパシタンスを低減するために、デバイス550の実質的な周囲のまわりに配置されてもよい。
【００３６】
受信回路502は、受信コイル518に対するインピーダンス整合をもたらし得る。受信回路502は、受信したRFエネルギー源をデバイス550用の充電電力に変換するための電力変換回路506を含んでいる。電力変換回路506は、RF/DCコンバータ508を含み、DC/DCコンバータ510も含んでもよい。RF/DCコンバータ508は、受信コイル518で受信したRFエネルギー信号を、Vrectで表される出力電圧を有する非交流電力へと整流する。DC/DCコンバータ510(または他の電力調節器)は、整流されたRFエネルギー信号を、Voutで表される出力電圧およびIoutで表される出力電流を有するエネルギーポテンシャル(例えば電圧)に変換し、これがデバイス550に適合する。半整流器および全整流器、レギュレータ、ブリッジ、ダブラ、ならびに線形コンバータおよびスイッチングコンバータを含む種々のRF/DCコンバータが企図される。
【００３７】
受信回路502は、受信コイル518を電力変換回路506に接続するため、または電力変換回路506を遮断するためのスイッチング回路512をさらに含んでもよい。受信コイル518を電力変換回路506から遮断すると、デバイス550の充電が一時停止するばかりでなく、送信器404(図2)からの「見かけの負荷」も変化する。
【００３８】
上記で開示されたように、送信器404は、送信器の電力駆動回路410に供給されるバイアス電流の変動を検出し得る負荷検知回路416を含んでいる。したがって、送信器404は、受信器が送信器の近接場に存在することを判断するための機構を有する。
【００３９】
送信器の近接場に複数の受信器508が存在するとき、他の受信器がより効率的に送信器に結合することを可能にするために、1つまたは複数の受信器のローディングとアンローディングを時分割するのが望ましいことがある。受信器508は、近くの他の受信器への結合を解消するため、または近くの送信器に対するローディングを低減するためにクローキングされてもよい。この、受信器の「アンローディング」は、本明細書では「クローキング」としても知られている。さらに、この、受信器508によって制御され、送信器404によって検出されるアンローディングとローディングの間のスイッチングは、以下でより十分に説明されるように、受信器508から送信器404への通信機構をもたらし得る。さらに、プロトコルが、受信器508から送信器404へのメッセージ送信を可能にするスイッチングと関連付けられてもよい。例として、スイッチング速度は100μ秒程度でもよい。
【００４０】
例示的実施形態では、送信器404と受信器508の間の通信は、従来の双方向通信(すなわち、結合フィールドを用いる帯域内信号伝達における)ではなく、デバイスの検知および充電の制御機構を意味する。換言すれば、送信器404は、近接場における有効なエネルギーの有無に適合するように、送信される信号のオン/オフキーイングを用いてもよい。受信器は、エネルギーのこれらの変化を送信器404からのメッセージと解釈してもよい。受信器側では、受信器508は、どれだけの電力を近接場から受け取っているかということに合わせて受信コイル518の同調および離調を用いてもよい。場合によっては、同調および離調は、スイッチング回路512によって達成されてもよい。送信器404は、フィールドから消費される電力におけるこの差を検出し、これらの変化を受信器508からのメッセージとして解釈してもよい。送信電力および負荷挙動の調節の他の形態が利用され得ることに留意されたい。
【００４１】
受信回路502は、送信器から受信器への情報の信号伝達に対応し得る受信エネルギーの変動を識別するのに使用される信号伝達検出器およびビーコン回路514をさらに含んでもよい。さらに、信号伝達およびビーコン回路514は、低減されたRF信号エネルギー(すなわちビーコン信号)の伝達を検出するために、また、受信回路502を無線充電用に構成するために、低減されたRF信号エネルギーを、受信回路502の内部の、電力供給されていない、または電力を消耗した回路を喚起するための公称電力へと整流するのに使用されてもよい。
【００４２】
受信回路502は、本明細書で説明された受信器508のプロセスを、本明細書で説明されたスイッチング回路512の制御を含めて調節するためのプロセッサ516をさらに含む。受信器508のクローキングは、デバイス550に充電電力を供給する外部の配線式充電電源(例えば壁面コンセント/USB電力)の検出を含む他の事象が発生したときにも生じることがある。プロセッサ516は、受信器のクローキングの制御に加えて、ビーコンの状態を求め、かつ送信器404から送られたメッセージを抽出するために、ビーコン回路514を監視することもできる。プロセッサ516は、性能を改善するためにDC/DCコンバータ510を調節してもよい。
【００４３】
図6は、本発明の種々の例示的実施形態によって送信器604が複数の受信器608a、608b、および608cに無線で給電する図2の例示的無線電力伝達システム600の機能ブロック図である。図6に示されるように、送信器604は、送信コイル614によってフィールド606を通じて電力を送信してもよい。受信器デバイス608a、608b、および608cは、それぞれの負荷636a、636b、および636cを充電するため、または給電するために、受信コイル618a、618b、および618cを使用してフィールド606からのエネルギーの一部分を結合することにより、無線電力を受信してもよい。さらに、送信器604は、受信コイル618a、618b、および618cで、それぞれ通信リンク619a、619b、および619cを確立してもよい。3つの受信器608a、608b、および608cが示されているが、さらなる受信器(図示せず)が送信器604から電力を受信してもよい。
【００４４】
無線電力伝達システム600では、受信器608a、608b、または608cは、送信器が電力を転送する間に駆動される負荷に相当し得る。そのため、送信器604によって駆動される負荷は、フィールド606から無線で電力を受信している各受信器608a、608b、または608cの機能であり得る。受信器608a、608b、または608cが、フィールド606に入る、フィールドを出る、またはフィールド606から電力を受信する能力を無効にする、もしくは有効にすると、それに応じて送信器604に対する負荷は変わる。送信器604の挙動は、可変負荷の特性に関し変化し得る。例えば、送信器604の負荷が変化すると、送信器604が受信器608a、608b、または608cに電力を供給できる効率が変化する可能性がある。さらに、負荷が変化すると、送信器604が出力する電力量も変化する可能性がある。受信器608a、608b、および608cのそれぞれが、フィールド606を介して電力を受け取っているときには、送信器404の負荷の一部分を形成してもよい。送信コイル614から見た負荷のインピーダンスの合計は、各受信器608a、608b、および608cが送信コイル614に対して示すインピーダンスが直列に結合し得るときの各受信器608a、608b、および608cに起因するインピーダンスの和でもよい。
【００４５】
一態様では、例示的実施形態は、受信器608a、608b、および608cの動的な数の受信器を効率的に充電するのに適切な送信器604を対象とする。1つの受信器608aが電力を受信するように配置されたときより、2つの受信器608aおよび608bが多くの電力を受信することを効率的に可能にするために、送信器604は、好ましくは、最大電力が配送され得る負荷(インピーダンスによって特徴付けられる)が、最大の送信器効率がもたらされ得る負荷より大きくなるように設計されてもよい。さらに、送信器604に対して、可変数の受信器608a、608b、および608cによって、ある範囲の異なる負荷が与えられることになるので、送信器604は、好ましくは負荷値の範囲にわたって高効率で電力を供給するように設計され得る。そうでなければ顕著な電力損失が生じる可能性がある。そのうえ、送信器604は、好ましくは、最大電力を供給される負荷が、複数の受信器608a、608b、608cによって与えられる合計の負荷を上回るように設計されてもよい。この場合、送信器604は、複数のデバイスに同時に給電するのに十分な電力を有し得る。
【００４６】
送信回路は駆動回路によって駆動されてもよい。図7は、本発明の例示的実施形態によって図6の送信器604で使用され得る駆動回路724の概略図である。前述のように、駆動回路(例えば駆動回路424)の電力出力および効率は、負荷の関数として変化する。いくつかの実施形態では、駆動回路724はスイッチング増幅器でもよい。駆動回路724は、矩形波を受信して、送信回路750に供給される正弦波を出力するように構成されてもよい。駆動回路724は、理想的な(すなわち内部の抵抗損失がない)E級増幅器として示されている。駆動回路724は、スイッチングされる分路キャパシタ710および直列インダクタンス708を含む。VDは、直列の調節された負荷に配送され得る最大電力を制御する駆動回路724に与えられるDC電源電圧である。駆動回路724は、スイッチ704への振動する入力信号702によって駆動される。
【００４７】
駆動回路724はE級増幅器として示されているが、本発明による実施形態は、当業者には既知であり得る他のタイプの駆動回路を使用してもよい。駆動回路724は、負荷を効率的に駆動するように使用され得る。負荷は、電力を無線で送信するように構成された送信回路750でもよい。送信回路750は、上記で図3を参照しながら説明されたように、共振回路を形成するための直列のインダクタ714およびキャパシタ716を含んでもよい。負荷は送信回路750として示されているが、本発明による実施形態は他の負荷にも適用可能であり得る。上記で図6を参照しながら説明されたように、送信回路750に与えられる負荷は、無線電力受信器608a、608b、および608cの数によって可変であってもよく、可変抵抗器712によって表され得る。駆動回路724は、発振器222(図2)などの入力信号702によって駆動されてもよい。送信回路750に与えられる負荷が、例えば無線電力受信器638a、638b、および638cの動的な数によって前述のように変化するとき、駆動回路724に対して与えられる負荷も同様に変化し得る。
【００４８】
図8Aは、無線電力送信回路750の動作期間中に駆動回路724に与えられ得るインピーダンスの例示的範囲を示す図である。例示の一実施形態によれば、「通常の」動作モード(動作範囲および負荷軽減範囲によって示される)では、駆動回路724に与えられる実負荷インピーダンス(すなわち抵抗)は、1Ωから40Ωの間に入り得る。さらに、通常の動作モードでは、虚負荷インピーダンス(すなわちリアクタンス)は、5jΩから48.7jΩの間にあってもよい。別の実施形態では、動作範囲において駆動回路724に与えられるインピーダンスは、4Ωから最大40Ωまで、および-4jΩから50jΩの間でもよい。適切な電力を供給するために、駆動回路724は、抵抗が20Ω未満のときには900mAを供給する能力が必要となることがあり得る。抵抗が20Ωを上回るとき、駆動回路724は、40Ωで600mAを供給することができるように直線的に低減してもよい。例えば無線電力受信器の数または他の係数の変化のために、駆動回路724には、図8Aに示されるように、0Ωから80Ωの範囲の抵抗および-165jΩから最大95jΩまでのリアクタンスを有する負荷が与えられる可能性がある。駆動回路724が、この範囲内のいずれの負荷にさらされても被害を受けないことが望ましい。場合によっては、この範囲で動作するために、送信回路750は、負荷に+35jΩのバイアスをかけるために、35jΩのオフ共振(off resonance)に調節されてもよい。リアクタンス変化(例えば平均が-20jΩで-22.8jΩから-17.6jΩの範囲)のために、充電デバイスは、15jΩの前後で成分変動からの変化を受けて充電している可能性がある。種々の設計配慮を前提として、これらのすべての範囲にわたって効率的かつ安全な動作を提供するのが望ましい。
【００４９】
そのため、一態様では、駆動回路724に与えられるインピーダンス値の範囲は、実インピーダンス値および虚インピーダンス値を含む複素インピーダンス値によって定義されてもよい。実インピーダンス値は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の間の比によって定義され、または特徴付けられてもよい。この比は、2対1、5対1、および10対1のうちの1つであり得る。例えば、駆動回路724に与えられる実インピーダンス値の範囲は、8Ωから80Ωの間(10:1の比)にあってもよい。別の実施形態では、この範囲は、4Ωから40Ωの間(やはり10:1の比)にあってもよい。それに加えて、駆動回路724に与えられるインピーダンス値の範囲は、虚インピーダンス値の範囲によってさらに定義されてもよい。虚インピーダンス値の範囲は、虚インピーダンス値(すなわち虚インピーダンス値の最大値と最小値の間の大きさ)の大きさと実インピーダンス値の大きさの比として定義され得る。例えば、実インピーダンス値の大きさは、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値間の差の大きさであり得る。虚インピーダンス値の大きさと実インピーダンス値の大きさの比は、1:2、2:1、1:1、2:3などのうちの少なくとも1つでもよい。例えば実インピーダンスの範囲が8Ωから80Ωの間にある場合には、大きさは72Ωでもよい。そのため、虚インピーダンス値の大きさと実インピーダンス値の大きさの比が2対1であれば、虚インピーダンス値の範囲は144jΩ(すなわち-4jΩから140jΩの範囲)でもよい。いずれにしても、種々の方法によって定義され得る複素インピーダンス値の範囲にわたって、効率的かつ安全な動作を提供することが望ましい。
【００５０】
前述のように、駆動回路724の電力および効率は、駆動回路724が駆動している負荷の関数である。図8Bは、図7の駆動回路724の効率802および出力電力804を、駆動回路724の負荷の実インピーダンス(すなわち負荷抵抗)の関数として示すグラフである。図8に示されるように、単一の実負荷インピーダンス値(例えば図8に示されるような50Ω)における100%(または最大)効率が、理想的なE級増幅器について存在し得る。負荷インピーダンスがいずれかの方向に変化すると、効率802は低下する。図8は、出力電力804の合計が、同様に負荷インピーダンスの関数であり、特定の負荷インピーダンス値(例えば20Ω)で最大になることを示す。類似の結果が、Raab、「Effects of Circuit Variations on the class E Tuned Power Amplifier」(IEEE Journal of Solid State Circuits、第SC-13巻、第2号、1978)に説明されている。
【００５１】
駆動回路724が一定のインピーダンスを有する負荷を駆動するのであれば、駆動回路724は、最高効率で動作するように理想的に設計されてもよい(例えばキャパシタ710およびインダクタ708の値などが選択されてもよい)。例えば、図8Bのグラフの値を用いることにより、駆動回路724が、実質的に50Ωに等しい不変のインピーダンスを有する負荷を駆動するように構成される場合には、駆動回路724は最高効率レベルで負荷を駆動し得る。しかし、駆動回路724の負荷が変化する場合には、駆動回路724によって配送される平均的な効率および電力は、図8に示された最高効率または最大電力より著しく低くなる可能性がある。さらに、負荷インピーダンスが増加するとき、配送される電力は増加しない可能性がある。
【００５２】
図7に示されるように、また前述のように、駆動回路724によって駆動される負荷は無線電力送信回路750でもよい。無線電力受信器608a、608b、608c(図6)の数が変化すると考えると、送信回路750に与えられる負荷により、駆動回路724から見た負荷が変化し得る。この場合、送信回路750に与えられる合計の負荷インピーダンスは、それぞれ、各無線電力受信器608a、608b、608cによって与えられる負荷インピーダンスが直列に結合されたときの和であり得る。理想的には、駆動回路724は、負荷の抵抗が増加するとき電力を直線的に増加させながら、すべての負荷に対して最高効率をもたらすことになる。そのとき、負荷の間で電力が分割されることになる。しかし、図8Bに見られるように、駆動回路724に関する最高効率は単一の実負荷インピーダンス値に対して生じ得る。
【００５３】
例示的実施形態の一態様は、実負荷インピーダンスが変化するときに、負荷抵抗の増加とともに電力も増加させて、駆動回路724の高効率を実現することを対象とする。一態様では、これによって、無線電力受信器608a、608b、および608cの可変数に対して効率的な無線電力伝達が可能になり得る。さまざまな負荷の効率を改善するために、E級増幅器724の効率は、負荷インピーダンスの実成分(すなわち抵抗)と負荷インピーダンスの虚成分(すなわちリアクタンス)の両方の変化に関して解析される。図9は、図7の駆動回路724の効率を、駆動回路724に与えられる負荷インピーダンスの実部および虚部の関数として示す等高線図である。このグラフは、15Vの駆動電圧に対して15Ωの抵抗および0Ωのリアクタンスを有する負荷について最高効率を得るように設計された駆動回路724に対応し得る。図9の複素負荷グラフは、効率の等高線906a、906b、および906cを5%の増分で示す。例えば、等高線906aに沿ったポイントは、E級増幅器の効率が95%になる負荷に相当する抵抗値とリアクタンス値の組合せを表し得る。等高線902は、効率100%に対応する負荷インピーダンス値に相当する。
【００５４】
図9において、リアクタンスをゼロに保ち、抵抗を矢印908で示されるように0Ωから40Ωへ変化させることによって、図8Bに示されるグラフの結果が見られ得る。経路908は、効率が100%になる15Ω+j0Ωの値を有するポイント904を通る。等高線902は、効率が100%になる経路(例えばインピーダンスの範囲)があることを示す。そのため、実インピーダンス値のみに関して効率を解析するばかりではなく、実インピーダンス値および虚インピーダンス値(すなわち抵抗値およびリアクタンス値の範囲)の両方について効率を解析すると、駆動回路724の効率が100%になる複素インピーダンス値の範囲が存在することが示される。
【００５５】
図10は、図7の駆動回路724の電力出力を、駆動回路724に与えられる負荷インピーダンスの実部および虚部の関数として示す等高線図である。図10の複素負荷グラフは、電力等高線1006a、1006b、および1006cを1ワットの増分で示す。例えば、等高線1006bに沿ったポイントは、5ワットの電力が配送され得るインピーダンス値を表す抵抗値とリアクタンス値の組合せを表すことができる。等高線1006cに沿ったポイントは、10ワットの電力が配送され得るインピーダンス値を表す抵抗値とリアクタンス値の組合せを表すことができる。リアクタンスをゼロに保ち、矢印1008で示されるように抵抗を0Ωから40Ωへ変化させることによって、図8Bに示されるグラフの結果が見られ得る。経路1008は、効率が100%(図9の等高線902によって示される)で、配送される電力が6ワットを少し上回るポイント1004を通る。図10のグラフに配置された図9の100%の効率等高線902は、等高線が増加する電力を表すと示されるように、効率が100%であり、電力が連続的に増加する経路902が存在することを示す。図9および図10に示されるように、100%効率の経路902は、j24Ωのインピーダンスから始まって15Ω+j0Ωを通り、-j10Ωへと続く。
【００５６】
例示的実施形態の特定の態様は、駆動回路724に与えられる負荷インピーダンス値が、負荷が変化するとき駆動回路724が高効率になる複素値に相当するように、無線電力送信器604を設計するために、図9および図10の結果を用いることを対象とする。これによって、無線電力受信器608a、608b、および608c(図6)の数が動的であるために駆動回路724に与えられる負荷が変化するとき、無線電力送信器604の駆動回路724が効率的に電力を供給することが可能になり得る。
【００５７】
一実施形態では、送信回路750の負荷インピーダンスを、駆動回路724が高効率になり得る複素負荷値に変換するために、フィルタ回路が使用されてもよい。図11は、本発明の例示的実施形態による、フィルタ回路1126を含む図7の駆動回路1124の概略図である。駆動回路1124の動作周波数が実質的に6.78MHzであるとき、駆動回路1124が6.78MHzの高調波を生成する可能性がある。規制上の要件を満たすことを含む種々の理由で、駆動回路1124によって生成される望ましくない高調波を除去するために、フィルタ回路1126が含まれてもよい。例えば、フィルタ回路1126は、高調波を除去するように構成された3極(C 1134、L 1132、C 1136)低域通過フィルタでもよい。図9および図10などのグラフから導出される情報を用いることにより、フィルタ回路1126は、(高調波を低減することにより)スペクトル放射のマスク要件を満たすように設計することができ、最大電力が配送され得る負荷インピーダンスが、最高効率を実現する負荷を上回ることを保証し、駆動回路1124が高効率になる負荷インピーダンス値の範囲を拡大する。
【００５８】
例えば、フィルタ回路1126は、送信回路1150の(受信器608a、608b、および608cによって)変化するインピーダンスが、フィルタ回路1126によって変換されるように選択されてもよい。変換されたインピーダンス値は、駆動回路1124を高効率で動作させるインピーダンス値(図9および図10に示されたものなど)に相当し得る。フィルタ回路1126の設計パラメータは、送信コイル1150から見た負荷1112のインピーダンスを、図9に示された高効率経路902に沿った値などの高効率をもたらす複素値に可能な限り精密に適合する複素インピーダンスへと変換するインピーダンス変換を遂行するように選択されてもよい。以下でさらに説明されるいくつかの実施形態では、フィルタ回路1126が遂行するインピーダンス変換を、高効率経路902に沿った値などの高効率をもたらす複素値に可能な限り精密に一致させるようにシフトするために、追加のリアクタンス素子(例えば駆動回路1124の直列インダクタンス1108の選択など)が、フィルタ回路1126とともに使用されてもよい。
【００５９】
そのため、例示の一実施形態では、フィルタ回路1126は、駆動回路1124の効率を最高効率が20%以内のレベルに維持するために、フィルタ回路1126に与えられるインピーダンス(例えば受信器608a、608b、および608cの可変数による送信回路1150のインピーダンス)を変更するように構成されてもよい。別の実施形態では、効率が、駆動回路1124の最高効率が10%以下の範囲内のレベルに維持されてもよい。フィルタ回路1126は、インピーダンス変換ネットワークと称されてもよく、またはインピーダンス変換ネットワークとして構成されてもよい。フィルタ回路1126に与えられてフィルタ回路1126によって変換されるインピーダンス値の範囲は、複素インピーダンス値の範囲によって特徴付けられてもよい。複素インピーダンス値の範囲は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内にあってもよく、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の間の比は、少なくとも2対1である。例えば、実インピーダンス値の範囲は、10対1の比を有する8Ωから80Ωの間、または4Ωから80Ωの間に実質的に存在してもよい。第1の実インピーダンス値および第2の実インピーダンス値は、近似の最小実インピーダンス値および最大実インピーダンス値を定義してもよい。
【００６０】
それに加えて、複素インピーダンス値の範囲は、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によって定義された範囲内にあるものとさらに定義されてもよい。第1の虚インピーダンス値および第2の虚インピーダンス値は、近似の最小虚インピーダンス値および最大虚インピーダンス値を定義してもよい。虚インピーダンス値の範囲(すなわち第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値の間の差の大きさ)は、虚インピーダンス値の大きさと実インピーダンス値の大きさの比によって定義されてもよい(例えば第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値間の差の大きさに等しい)。この比は、1:2、2:1、1:1、2:3、3:2などのうちの少なくとも1つでもよい。例えば、実インピーダンス値の大きさが72Ωであって比が2:1であれば、虚インピーダンス値の範囲は144Ω(例えば最小値から最大値の範囲)でもよい。別の実例における一実施形態では、第1の実インピーダンス値は実質的に4Ωでもよく、第2の実インピーダンス値は実質的に40Ωでもよく、第1の虚インピーダンス値は実質的に-4Ωでもよく、第2の虚インピーダンス値は実質的に50Ωでもよい。設計パラメータおよび受信器の可能な数を所与として、広範囲の複素インピーダンス値がフィルタ回路1126に与えられる可能性がある。そのため、本明細書で説明された種々の例示的実施形態によって企図される範囲および比は、本明細書で提供された特定の実例と実質的に異なる可能性がある。
【００６１】
特定の実施形態によれば、図11に示されるような受動的または固定のフィルタ回路1126(すなわち、フィルタ回路1126の実質的にすべての素子が受動回路要素でもよい)が提供され得る。そのため、フィルタ回路1126は、動作期間中に負荷が変動するとき、回路を制御するための、または構成するための制御信号または他の動的論理回路が不要でありうる。これによって、コストおよび複雑さが低減され得て、当業者によって理解されるはずの他の利点が提供され得る。
【００６２】
一実施形態では、フィルタ回路1126は、3dB帯域幅が動作周波数の0.93倍の、3極で15Ωのバターワースフィルタでもよい。図12は、図11に示された例示的フィルタ回路1126を使用している駆動回路1124の効率の複素インピーダンスのグラフであり、フィルタ回路1126は、ここで説明されたバターワースフィルタに相当するものでもよい。点1202は、図9の効率100%の等高線902のリアクタンス値対抵抗値に一致する経路を定義する。点1204は、3極で15Ωのバターワースフィルタであり得るフィルタ回路1126に対する入力で見たリアクタンス値対抵抗値に一致する経路を定義する。図12に示されるように、2つの経路1202と1204はほぼ同一であって、フィルタ回路1126が、送信回路1150の変化するインピーダンスを、駆動回路1124が最高効率に近くなるインピーダンス値に変換し得ることを示している。
【００６３】
図13A、図13B、図13Cは、本発明の例示的実施形態による3つの別々の低域通過フィルタ設計を用いている送信回路1150のインピーダンスのインピーダンス変換を示す複素インピーダンスのグラフである。曲線1302a、1302b、および1302cは、6.78MHzの3dB帯域幅を有する第1のフィルタ設計に対応する。これは、1:1のインピーダンス変換(すなわちインピーダンスの変更なし)をもたらし得る。これは、純粋に抵抗性の負荷に対応してもよく、駆動回路1126の効率は図8に示された結果に対応し得る。経路1304a、1304b、および1304cは、6.78MHzの0.965倍の帯域幅を有する第2のフィルタに対応する。経路1306a、1306b、および1306cは、6.78MHzの0.93倍の帯域幅を有する第3のフィルタに対応する。第2のフィルタおよび第3のフィルタにより、送信回路1150のインピーダンスは、図13A、図13B、および図13Cに示されるように反時計回りに回転する。このインピーダンス変換により、駆動回路1124のインピーダンスは、図9に示された高効率領域の範囲内にとどまったまま、図10に示されるように、負荷の増加につれて電力も増加することが可能になる。
【００６４】
図13Aは、インピーダンスが実部のみであって(すなわちリアクタンス素子がなく)、リアクタンスが0のまま抵抗が5Ωから80Ωへ変化するインピーダンス変換1302aを示す。これらのポイントは、5Ω、10Ω、20Ω、40Ω、および80Ωの抵抗に対応する。2つのフィルタのインピーダンス変換1304aおよび1306aは、図9の効率等高線902の近似を開始する変換をもたらす。図13Bは、送信回路1150に与えられるインピーダンスが純粋な抵抗性ではない可能性がある状況を説明するために、-10jのリアクタンスオフセットを有するインピーダンス変換を示す。図13Cは、+10jのリアクタンスオフセットを有するインピーダンス変換を示す。これらのグラフは、送信回路1150のインピーダンスが変化している間に駆動回路1124の効率を高く保ち得るインピーダンスへとインピーダンスを変換するために、別々のフィルタ設計が用いられ得る様子を示すものである。場合によっては、結果を最適範囲へシフトするために、正のリアクタンスを有する直列インダクタンスを付加してもよい。
【００６５】
上記で説明された結果は、駆動回路1124および低域通過フィルタの損失を考慮に入れない理想的な結果を反映したものであり得る。以下の図14および図15は、これらの損失の一部分を反映し得る駆動回路1124の効率および電力出力を示している。図14は、図11の駆動回路1124の効率1402および出力電力1404を、フィルタ回路1126を使用していない送信回路1150によって与えられる実インピーダンスの関数として示すグラフである。示されるように、駆動回路損失によって、範囲の最高効率が低下するが、依然として図8に示されるような効率の範囲がもたらされる。例えば、図8では、効率が最高効率から10%低下する負荷インピーダンスの範囲は28Ωから100Ωであるが、図14では、この範囲は約20Ωから75Ωである。さらに、図8と同様に、出力電力1404が最大になるインピーダンスが存在し、インピーダンスがいずれの方向に変化しても出力電力1404が低下する。
【００６６】
図15は、図11の駆動回路1124の効率1502aおよび1502bならびに出力電力1504aおよび1504bを、フィルタ回路1126を使用している送信回路1150によって与えられる実インピーダンスの関数として示すグラフである。図15は、上記で駆動回路1124の効率を最大化する、図11を参照しながら説明された設計のフィルタ用の駆動回路1124に関する、測定された効率結果1502aおよびモデル化された効率結果1502bの両方を示す。図15は、測定された電力出力結果1504aおよびモデル化された電力出力結果1504bも示す。図15に示されるように、電力駆動回路1126が最高効率の10%以内にある負荷の範囲は、図14と比較して、約8Ωから80Ω(すなわち10:1)に増大している。効率のよい負荷範囲が増大することに加えて、最大電力ポイント(すなわち最大電力が出力されるインピーダンス)が、約50Ωから110Ωへと増加している。これは、いくつか(例えば4つ)の受信器の電力要求に応じるのに十分であり得る。さらに、図15に示されるように、電力は負荷とともに概して直線的に増大し、駆動回路1124に対する制御電圧を調節することによって30ワットの電力まで供給され得る。
【００６７】
さらなる実例として、図16A、図16B、図16C、および図16Dは、4つの別々のフィルタ回路設計を用いている負荷の実インピーダンスの関数としての図11の駆動回路1124の効率および電力出力の負荷のグラフである。図16Aは、特定の駆動回路構成と、1640pFのキャパシタンスおよび640nHのインダクタンスを有するフィルタ回路1126設計とに関する駆動回路1124の電力および効率を示す。図16Aに示されるように、駆動回路1124は、約10Ωから30Ωで高効率レベルを保ち、この範囲では電力が増大している。図16Bは、特定の駆動回路構成と、710nHのインダクタンスを有するフィルタ回路1126設計とに関する駆動回路1124の電力および効率を示す。図16Bに示されるように、駆動回路1124は、約10Ωから100Ωで少なくとも95%の効率であり、電力は10Ωから100Ωの範囲で増大している。図16Cは、特定の駆動回路構成と、757nHのインダクタンスを有するフィルタ回路1126設計とに関する駆動回路1124の電力および効率を示す。図16Cに示されるように、駆動回路1124は、約10Ωから100Ωで高効率レベルを保ち、10Ωから200Ωの範囲では電力が増大している。図16Dは、特定の駆動回路構成と、757nHのインダクタンスを有するフィルタ回路1126設計とに関する駆動回路1124の電力および効率を示す。図16Dに示されるように、駆動回路1124は、約30Ωから100Ωで高効率レベルを保ち、10Ωから200Ωの範囲では電力が増大している。これらのグラフは、本発明の例示的実施形態により、負荷の範囲にわたって駆動回路1124の効率を最適化するフィルタ回路1126の設計を選択するために行なわれ得る、さまざまな別々の設計上の選択を示す。別々の駆動回路1124の構成に対して別々のフィルタ回路1126の設計が選択されてもよい。
【００６８】
フィルタ回路1126を設計するのに、駆動回路1124が実質的に最高効率で動作するすべての複素インピーダンス値を求めるために、使用される特定の駆動回路1124が試験されてもよい。次いで、負荷における可変インピーダンスを、駆動回路1124が高効率になる値と関連しているインピーダンスへと変換するフィルタ回路1126の設計が、試験およびシミュレーションによって選択される。フィルタ回路1126によって変換されたインピーダンスを、駆動回路1124が高効率になるインピーダンスと整合するようにシフトするために、インピーダンスをシフトする追加の要素(例えば直列インダクタンス)が使用されてもよい。本明細書で説明された特性は単なる例示であり、所望のインピーダンス変換をもたらすさまざまなフィルタ設計があり得ることを理解されたい。
【００６９】
駆動回路1124が広範囲の実インピーダンス値を与えられたとき高効率であるように、駆動回路1124の素子、フィルタ回路1126の素子、およびインピーダンス調節要素(例えば直列インダクタンス1108)を選択するのに、いくつかの設計特性が用いられてもよい。特性の1つには、駆動回路1124の周波数を設定し、各値と使用される素子のインピーダンスの間の関係を決定する動作周波数がある。
【００７０】
高効率を実現するために用いられ得る駆動回路1124の設計特性には、駆動回路の特性インピーダンス、入力電圧、および直列リアクタンスが含まれてもよい。特性インピーダンスにより、上記で説明された高効率ライン902(図9)の半径が線形的に倍率変更され得る。入力電圧によって、出力電力は倍率変更され得るが、高効率ライン902に影響が及ぶ可能性はない。直列リアクタンスが使用されてもよいが、直列リアクタンスは、動作周波数および特性インピーダンスから導出され得る選択可能なパラメータとして使用されるので、場合によっては望ましくないことがある。しかし、駆動回路1124の固有の直列リアクタンスに対して、追加の直列リアクタンスを直列に付加してもよい。使用され得る構成の1つには、合計のリアクタンスが上記のパラメータによって求められる直列のインダクタとキャパシタが含まれる。別の構成では、直列リアクタンスを効率よく除去して、追加の直列リアクタンスに頼ってもよい。所望の高効率曲線902を実現するために、直列キャパシタの位置も選択されてもよい。駆動回路の高効率ライン902の相対的リアクタンスを、フィルタ回路1126のインピーダンス変換に起因する負荷曲線へとシフトするために、動作周波数における追加の直列リアクタンスが使用されてもよい。
【００７１】
加えて、高効率曲線902と関連付けられ得る所望のインピーダンス変換に達するように、フィルタ回路1126のさまざまな特性が選択されてもよい。フィルタ回路1126の特性には、所望の極数、フィルタ回路のタイプ、または積層型フィルタ回路の数が含まれてもよい。フィルタ回路1126は、さまざまな形態をとり得るリアクタンス要素の梯子形回路網でもよい。例えば、梯子形回路網は、それぞれがリアクタンス素子の組合せを含む複数のリアクタンス段(すなわちリアクタンス回路)を備えてもよい。梯子形回路網の単一の値または複数の値のうちのいずれも、所望の応答に基づいて調節されてもよい。選択された特性インピーダンスにかかわらず単純なリアクタンスシフトを生成するフィルタ回路1126などのいくつかのフィルタ回路(例えば、3dBのポイントが動作周波数に設定されている3極バターワースの低域通過フィルタ)は、望ましくないことがある。梯子形回路網は複数のフィルタを含んでもよく、この場合、1つまたは複数のフィルタが共通パラメータを用いて変化されてもよい。
【００７２】
さらに、前述のように、フィルタ回路1126のプロトタイプクラス(prototype class)、フィルタのタイプ、遮断周波数、および特性インピーダンスも、高効率曲線902にマッピングするために用いられ得る所望のインピーダンス応答を実現するように構成されてもよい。プロトタイプクラスは、他のパラメータに基づいて成分値をどのように選択するかを示してもよい。これらのクラスの実例は、バターワースフィルタ、チェビシェフフィルタまたは他のプロトタイプを含んでもよい。フィルタ回路1126のタイプは、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、ノッチフィルタ、またはそれらの組合せでもよい。遮断周波数は、3dBの減衰ポイントでもよいが、プロトタイプクラスに応じて変化されてもよい。特性インピーダンスは、これが単一のインピーダンス回路(例えば50ΩのRF回路)で用いられたならば、フィルタ回路1126の目標の実インピーダンスであり得る。
【００７３】
一実施形態によれば、これらの特性のうちいくつかのものの組をが与えられれば(例えば駆動回路の設計および駆動回路のフィルタの直列リアクタンス1108を選択して)、システムが実負荷インピーダンスの範囲のインピーダンス変換を遂行することを可能にする、選択されていない特性(例えばフィルタ回路1126の設計)を導出することができ、このインピーダンス変換により、実負荷インピーダンスは、駆動回路1124が高効率になる値に変換される。例えば、高効率曲線902は、複素インピーダンス平面上で、図9に示されるように複素軸上に原点を有する半円の形であってもよい。フィルタ回路1126用に使用されるリアクタンス素子の任意の組合せを含むリアクタンスステージの梯子形回路網は、抵抗の変化を、抵抗の変化または複素インピーダンス平面上の複素軸上に原点を有する半円のいずれかにマッピングしてもよい。フィルタ回路1126によって半円にマッピングされる抵抗の変化は、半径が変化する別々の半円上に種々のリアクタンスを対応付けてもよい。駆動回路1124とフィルタ回路1126(例えば梯子形回路網)の間に配置された直列リアクタンスが、2つの原点を位置合わせするための正確なリアクタンスを有するとき、駆動回路1124の所望の応答が実現される。2つの半円を完全に一致させることは不要でもよい。半円の形状をわずかに変更する可能性がある寄生抵抗に配慮するとき、このことが特に当てはまり得る。以下の説明は、これが達成される様子の実例をさらに提供する。
【００７４】
図17Aおよび図17Bは、フィルタ回路に与えられた負荷のいくつかの別々のリアクタンスに関する抵抗値の範囲に対してフィルタ回路1124によって遂行される例示的インピーダンス変換を示すグラフである。図17Aおよび図17Bに示される曲線は、インピーダンス変換が視覚化され得るやり方の実例である。図17Aは、いくつかの例示の個別リアクタンス値に対してフィルタ回路1126に与えられ得る抵抗値の範囲に相当するライン1702a、1704a、1706a、1708a、および1710aを示す。
【００７５】
図17Bは、抵抗値の範囲にわたって、各リアクタンスにおける特定のフィルタ設計に対して対応するインピーダンス変換の実例を示す。例えば、1つの特定の抵抗ライン1702aに対するインピーダンス変換は、直線1702bとして示された実インピーダンス変換曲線に相当するものでもよい(すなわち、変換によって一定のリアクタンスがもたらされる)。他の抵抗ライン1704a、1706a、1708aおよび1710aについては、結果として生じるインピーダンス変換が、虚軸に沿って別々の位置にそれぞれ配置された半円形の曲線1704b、1706b、1708b、および1710bによって表されるインピーダンス変換をもたらしてもよい。半円形の曲線1704b、1706b、1708b、および1710bのそれぞれが、リアクタンスに基づいて別々の半径を有するか、そうでなければ別々に形状でもよいことを理解されたい。各変換は、抵抗ラインのそれぞれが、実際の変換に対応するのではなく、高効率ライン902にマッピングされ得るように変換される様子を示すように意図されていることをさらに理解されたい。例えば、上記の各変換は、単一デバイスの充電器に基づくものでもよく、複数デバイスの充電器は広範囲のリアクタンスを必要とする可能性がある。
【００７６】
インピーダンス変換曲線1704b、1706b、1708b、および1710bのうちの1つが、複素インピーダンス値の範囲に関連付けられてもよく、この範囲向けに特に設計された駆動回路1124は、図9を参照しながら説明された高効率の等高線902のように高効率である。例えば、図17Bに示されるように、駆動回路1124が高効率である複素値の範囲は、特定の半径を有する半円902として表され得る。特定のリアクタンスにおいてフィルタ回路1126によってもたらされる複素インピーダンス値の範囲(例えば曲線1704b、1706b、1708b、および1710bのうちの1つ)は、半円として表され得て、望ましくは曲線902と同一の半径を有してもよい。そのため、フィルタ回路1126のインピーダンス変換によってもたらされるインピーダンスの範囲は、駆動回路1124が高効率であると見出されるインピーダンスの範囲に直接相関付けられて見出され得る。次いで、フィルタ回路1126およびインピーダンス調節要素1108によってもたらされるシフトされたインピーダンスが、駆動回路1124が高効率になるインピーダンスと実質的に等しくなるように、追加のインピーダンス調節要素(例えば駆動回路1124の直列リアクタンス素子1108またはさらに追加された素子など、駆動回路1124に固有の要素)によって追加のリアクタンスシフトがもたらされてもよい。
【００７７】
そのため、設計プロセスを通じて、駆動回路1124の特性は、種々の設計配慮を満たすように選択されてもよい。1つの方法では、所望の半径の半円にマッピングされるリアクタンスは、駆動回路1126の高効率の半円902の半径は何であるか、また、直列リアクタンスは、2つの半円を一致するようにシフトするか、といったことに注目して選択された梯子形回路網に基づいて求められてもよい。これは、所望の曲線が既知であれば、駆動回路1124の同調および直列リアクタンスが解析的に求められ得るという点で有利なことがある。
【００７８】
別の方法は、直列リアクタンスおよび梯子形回路網(すなわちフィルタ回路1126)の高効率曲線902への逆変換を適用して、曲線が十分に垂直なライン(a sufficiently vertical line)に対応するかどうか判断するステップを含んでもよい。この方法は、単純なインピーダンス変換を伴って遂行され得る場合には有利である可能性があり、上記の十分に垂直なライン(the vertically)を単一のフィードバック値として用いると、この方法を、所望の変数の最適化を自動化するためのゼロ検索とともに用いることが可能になる。これは、より効率的な実装形態を提供する可能性がある。
【００７９】
可能な方法の1つによれば、駆動回路1124を(所望の性能パラメータに基づいて)選択し、次いで、何らかの効率の閾値(例えば90%以上の効率)を満たす複素インピーダンス値の範囲を求めるように試験してもよい。一旦この範囲が求められると、フィルタ回路1126が遂行するインピーダンス変換によって、実インピーダンス値の範囲が、駆動回路1124向けに求められた複素インピーダンス値の範囲に直接関連付けられる複素インピーダンス値の範囲へと変換されるように、フィルタ回路1126の特性が選択されてもよい。その後、フィルタ回路1126からの変換されたインピーダンスを、駆動回路1124向けに求められた複素インピーダンス値に実質的に等しくするように(またはいくらかの許容範囲内に入るように)シフトする、追加のインピーダンス調節要素1108の特性が求められてもよい。
【００８０】
あるいは、フィルタ回路1126の特性は、駆動回路1124の設計を選択する前に、種々の設計配慮を満たすように求められてもよい。次いで、フィルタ回路1126が遂行する、結果的に生じるインピーダンス変換が求められてもよい。フィルタ回路1126が遂行するインピーダンス変換に関する情報は、特定の駆動回路1124の設計を選択するのに用いられてもよく、特定の駆動回路1124の、何らかの効率の閾値を満たす複素インピーダンス値の範囲が、フィルタ回路1126によって遂行されるインピーダンス変換に関連付けられる。その後、フィルタ回路1126に起因するインピーダンスを、駆動回路1124向けの複素インピーダンス値に実質的に等しくするように(またはいくらかの許容範囲内に入るように)シフトする、追加のインピーダンス調節要素1108の特性が求められてもよい。この場合、駆動回路1126が高効率になり得る複素インピーダンス値の範囲に直接関連付けられてもよいインピーダンス変換をもたらすことができるフィルタ回路のタイプ(例えば梯子形回路網)を選択する必要性があり得る。さらに、インピーダンス調節要素1108の特性が選択されてから、その後にフィルタ回路1126の特性または駆動回路1124の特性が導出されてもよい。
【００８１】
図18は、直列インダクタンス1108の曲線1802を、特定の動作周波数、駆動回路のインピーダンス、およびフィルタのインピーダンスに関するフィルタ遮断周波数の関数として示すグラフである。例えば、図18に示されるグラフは、15Ωの駆動回路インピーダンスおよび15Ωのフィルタ回路インピーダンスに対して、6.78MHzにおけるフィルタ遮断周波数の関数としての直列インダクタンスのグラフに相当し得る。別々の駆動回路インピーダンス、フィルタ回路インピーダンス、動作周波数などに対して設計するには、別々のグラフを生成することができる。そのため、図18Aは、高効率曲線902をフィルタ回路1126の変換されたインピーダンス曲線に対応付けるために、リアクタンスをシフトするのに、駆動回路1124、フィルタ回路1126、および動作周波数の設計特性の所与の組に対して特定の直列インダクタンスが選択され得る様子を示す。
【００８２】
したがって、前述のように、インピーダンス変換を遂行するためにフィルタ回路1126および直列インピーダンス1108を選択することにより、駆動回路1124に与えられるインピーダンスが、駆動回路1124が最高効率になる複素インピーダンス値の範囲にマッピングされ得る。そのため、駆動回路1124は、ある範囲のインピーダンスに関して、駆動回路1124に与えられるその範囲のインピーダンスには無関係に定電流を供給する理想的な(最小限の実負荷より幾分大きい(above some ratio of)電源インピーダンスを有する)AC電流源として作用し得る。この特定の定電流は、用いられる特性の組合せに基づいて選択されてもよい。そのため、無線電力送信器404は、抵抗(すなわち実インピーダンス)が増加するのにつれて、より多くの電力を調達することができ得る。
【００８３】
図19は、高効率の送信回路を設計する例示的方法のフローチャートである。送信回路は、受信器デバイスを充電するため、または給電するために、電力を無線で出力するように構成されてもよい。ブロック1902では、負荷によって駆動回路1124に与えられた複素インピーダンス値の第1の範囲にわたって効率の閾値で動作するように構成された駆動回路1124が選択されてもよい。ブロック1904では、選択された特性に基づいて、フィルタ回路1126に与えられたインピーダンスを、複素インピーダンス値の第1の範囲に関連付けられる複素インピーダンス値の第2の範囲へと変換するインピーダンス変換を遂行するように構成されたフィルタ回路1126が選択されてもよい。ブロック1906では、駆動回路1124に与えられるインピーダンスが、複素インピーダンス値の第1の範囲のインピーダンス値と実質的に等しくなるように、複素インピーダンス値の第2の範囲をシフトするように構成されたインピーダンス調節要素1108が選択されてもよい。
【００８４】
したがって、例示的実施形態は、送信回路1150から見たインピーダンス値の範囲にわたって駆動回路1124の効率レベルを高効率に維持するように送信回路1150から見たインピーダンスを変更するインピーダンス調節回路を含み得るフィルタ回路1126を対象とする。フィルタ回路1126は、駆動回路1124から見たインピーダンスが、駆動回路1124を最高効率の近くで動作させるインピーダンス値に相当するように、送信回路1150のインピーダンスを変更してもよい。いくつかの実施形態では、フィルタ回路1126は、送信回路1150のインピーダンス値の範囲にわたって、駆動回路1124の効率を、実質的に最高効率レベルの20%の範囲内のレベルに維持するように、送信回路1150から見たインピーダンスを変更してもよい。他の実施形態では、フィルタ回路1126は、送信回路1150のインピーダンス値の範囲にわたって駆動回路1124の効率を実質的に最高効率レベルの10%の範囲内、または20%から10%の間の任意のレベルの範囲内に維持するように、送信回路1150から見たインピーダンスを変更してもよい。本明細書で説明された原理によれば、インピーダンス値の種々の範囲にわたって他の効率レベルを維持することも実現され得る。
【００８５】
フィルタ回路1126が、高効率を維持したまま変換し得る送信回路1150のインピーダンス値の範囲は、少なくとも2対1のインピーダンス値の比によって定義されてもよい。例えば、この範囲は8Ωから100Ωでもよい。インピーダンス値の比は、少なくとも5対1、または少なくとも10対1でもよい。一実施形態では、フィルタ回路1126が高効率を目的として変換し得るインピーダンス値の範囲は、実質的に8Ωから80Ωでもよい。上記の範囲は単なる例示であり、フィルタ回路1150によって高効率が維持され得る他の範囲も本発明の例示的実施形態によって企図される。例えば、インピーダンス値の範囲は、25Ωから100Ω、または50Ωから200Ωであり得る。
【００８６】
フィルタ回路1126は、送信回路1150とは別の他のタイプの負荷向けにインピーダンス値を変換するように構成されてもよく、したがって、種々の実施形態の原理が、多種多様な負荷に対して実践されてもよいこともさらに理解されたい。そのため、本明細書で説明された実施形態は、無線電力を供給することに限定されず、本発明による例示的実施形態は、駆動回路1124がインピーダンス値の範囲を有する何らかのタイプの可変負荷を駆動する可能性がある他の状況に適用されてもよい。いくつかの実施形態では、送信回路1150は、送信回路1150が供給する信号の周波数で共振するように構成された送信コイル(またはループアンテナ)を含んでもよい。送信回路1150は、前述のように受信器608a、608b、および/または608cを充電するため、または給電するために、電力を無線で出力するように構成されてもよい。送信回路1150は、複数の受信器608a、608b、および608cに電力を無線で送信するようにさらに構成されてもよい。送信回路1150が、フィルタ回路1126によって変換される可能性がある広範囲のインピーダンス値を含み得るように、受信器608a、608b、および608cのそれぞれが、送信回路1150から見たインピーダンスを変更してもよい。場合によっては、送信回路1150から見たインピーダンスのリアクタンスは、実質的にゼロでもよい。フィルタ回路1126は、インピーダンス値を、抵抗に相当する実部およびリアクタンスに相当する虚部を有する複素インピーダンス値である非ゼロリアクタンスを有する値になるように変換してもよい。
【００８７】
いくつかの実施形態では、フィルタ回路1126は、受動回路であって、動作するのに論理回路または制御信号の付加が不要でもよい。フィルタ回路1126は低域通過フィルタ回路でもよい。低域通過フィルタは、3極バターワースフィルタでもよい。3極バターワースフィルタは、駆動回路1124の動作周波数の3dB帯域幅を有してもよい。フィルタ回路1126は、前述のように、駆動回路1124が出力した信号の高調波成分を除去するようにさらに構成されてもよい。場合によっては、フィルタ回路1126の遮断周波数は、駆動回路1124の動作周波数より高くても低くてもよい。例示的実施形態によれば、多種多様なフィルタ回路設計が用いられてもよく、図17〜図20を参照しながら上記で説明されたように選択され得ることを理解されたい。
【００８８】
駆動回路1124が供給する電力量が、駆動回路1124から見たインピーダンスの抵抗性部分の量が増加するのにつれて増加するように構成されてもよい。これによって、より多くの無線電力受信器608a、608b、および608cが送信回路1150から電力を受信するとき、効率を維持しながら、より大きい電力を連続的に配送することが可能になる。さらに、フィルタ回路1126によって、供給電力が最大になり得る駆動回路1124から見たインピーダンスの大きさを、駆動回路1124の効率が最高になる駆動回路1124から見たインピーダンスより大きくすることが可能になる。このため、駆動回路1124は、抵抗(すなわち実インピーダンス値)の範囲にわたって定電流源として動作し得る。前述のように、駆動回路1124は、E級増幅器またはスイッチング増幅器などの他の増幅器でもよい。駆動回路1124は、前述のように他のタイプの増幅器を含んでもよい。
【００８９】
フィルタ回路1126として示されているが、本明細書で説明した原理に従って、インピーダンス値の範囲を、駆動回路1124が高率的になる複素値に変換するために前述のようなタイプのインピーダンス変換を遂行するのに、他のタイプの回路、素子、またはモジュールを使用してもよいことをさらに理解されたい。
【００９０】
図20は、駆動回路の信号をフィルタリングする例示的方法のフローチャートである。この方法は、図11の回路によって遂行されうる。ブロック2002で、駆動回路1124は、駆動回路の効率で信号を出力する。ブロック2004で、信号は、インピーダンスによって特徴付けられた送信回路1150に供給される。このインピーダンスは、例えば無線電力受信器608a、608b、および608cの可変数に応答して変化してもよい。ブロック2006で、フィルタ回路は、駆動回路1124の効率を最高効率の20%以内のレベルに維持するようにインピーダンスを変更する。前述のように、他の効率レベルも企図される。このインピーダンスは、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義された範囲内に入る複素インピーダンス値によって特徴付けられ得る。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1でもよい。第1の実インピーダンス値および第2の実インピーダンス値は、実質的に最小インピーダンス値および最大インピーダンス値でもよい。この比は5対1、または10対1でもよい。一実施形態で、インピーダンスの範囲は8Ωから80Ωでもよい。前述のように、他の範囲がさらに企図される。この範囲は、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義されてもよい。第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値間の大きさの差と、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値間の大きさの差との比は、1:2、2:1、1:1、3:2、および2:3などのうちの少なくとも1つでもよい。一実施形態では、第1の実インピーダンス値は実質的に4オームでもよく、第2の実インピーダンス値は実質的に40オームでもよく、第1の虚インピーダンス値は実質的に-4オームでもよく、第2の虚インピーダンス値は実質的に50オームでもよい。
【００９１】
図21は、電力送信器装置を設計する例示的方法のフローチャートである。ブロック2102で、駆動回路1124、フィルタ回路1126、およびインピーダンスシフト要素1108を含む要素の群のうち少なくとも2つの要素の特性が選択されてもよい。ブロック2104で、少なくとも2つの要素の選択された特性に基づいて、駆動回路1124が、複素インピーダンス値の範囲にわたって最高効率の20%以内のレベルで動作するように、選択されていない要素の特性が選択されてもよく、この範囲は、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値によって定義され、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値の比は、少なくとも2対1である。この範囲は、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値によってさらに定義されてもよい。上記でより詳細に説明されたように、第1の実インピーダンス値と第2の実インピーダンス値間の大きさの差と、第1の虚インピーダンス値と第2の虚インピーダンス値間の大きさの差との比は、1:2、2:1、1:1、3:2、2:3などのうちの少なくとも1つでもよい。フィルタ回路1126は、可変数の極を含む梯子形回路網の回路を含んでもよい。駆動回路1124の特性は、駆動回路の周波数および駆動回路のインピーダンスのうちの少なくとも1つを含んでもよい。フィルタ回路の特性には、極の数と、低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、またはその組合せから選択されたフィルタ回路のタイプと、特性インピーダンスと、遮断周波数とのうちの少なくとも1つが含まれてもよい。インピーダンスシフト要素の特性は、インピーダンスシフトの量を含んでもよい。インピーダンスシフト要素は、インダクタ(例えば直列インダクタ1108)を含んでもよい。インピーダンスシフト要素は、キャパシタを含んでもよい。インピーダンスシフト要素は、インダクタおよびキャパシタの両方を含んでもよい。駆動回路1124は、少なくともE級増幅器回路を含むタイプのスイッチング増幅器回路を含んでもよく、スイッチング増幅器の直列インダクタとスイッチング増幅器回路の直列キャパシタの間には、フィルタ回路が電気的に接続されている。インピーダンスシフト要素は、駆動回路1124に固有の直列要素の値を変更してもよい。
【００９２】
図22は、本発明の例示的実施形態による送信器の機能ブロック図である。デバイス2200は、図1〜図21に関して論じられた種々の動作のための電気的に接続され得る手段2202、2204および2206を含む。
【００９３】
上記で説明された方法の種々の操作は、さまざまなハードウェアおよび/またはソフトウェアの構成要素、回路、および/またはモジュールなどの、操作を遂行することができる任意の適切な手段によって遂行されてもよい。概して、各図で示されたいかなる操作も、操作を遂行することができる、対応する機能的手段によって遂行されてもよい。例えば、送信手段は送信回路を含んでもよい。駆動手段は駆動回路を含んでもよい。フィルタリング手段はフィルタ回路を備えてもよい。
【００９４】
当業者なら、情報および信号が、さまざまな別々の技術および技法のうち任意のものを用いて表され得ることを理解するであろう。例えば、上記の説明の全体にわたって参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場または粒子、光場または粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表され得る。
【００９５】
当業者なら、本明細書で開示された例示的実施形態に関連して説明された種々の例示的論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムのステップが、電子的ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたは両者の組合せとして実施され得ることをさらに理解するであろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、概括的にそれらの機能の面から上記で説明されてきた。このような機能が、ハードウェアとして実施されるかソフトウェアとして実施されるかということは、特定の用途および総合的なシステムに課される設計制約次第である。当業者なら、それぞれの特定の用途の説明された機能についてさまざまなやり方で実施することができるが、このような実装形態の決定が本発明の例示的実施形態の範囲からの逸脱をもたらすと解釈されるべきではない。
【００９６】
本明細書に開示された例示的実施形態に関連して説明された種々の例示的論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)あるいは本明細書に説明された機能を遂行するように設計された他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲートまたはトランジスタロジック、個別のハードウェア構成要素、またはそれらの任意の組合せを用いて実施するかまたは遂行されてもよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサでもよいが、別の方法として、プロセッサは、任意の従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたはステートマシンでもよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、例えばDSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと1つまたは複数のマイクロプロセッサの併用、または何らかの他のこのような構成として実施され得る。
【００９７】
本明細書に開示された例示的実施形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接実施されてもよく、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実施されてもよく、またはこの2つの組合せで実施されてもよい。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM (EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM (EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野で既知の記憶媒体の任意の他の形態の中に存在してもよい。例示的記憶媒体は、同記憶媒体に対してプロセッサが情報を読み取り、かつ書き込み得るようにプロセッサに結合される。別の方法として、この記憶媒体はプロセッサに一体化されてもよい。プロセッサおよび記憶媒体はASICの中に存在してもよい。ASICは、ユーザ端末の中に存在してもよい。別の方法として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末の中に個別の構成要素として存在してもよい。
【００９８】
1つまたは複数の例示的実施形態では、説明された機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せで実施され得る。ソフトウェアで実施される場合、これらの機能は、1つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体に記憶されるかまたは伝達され得る。コンピュータ可読媒体は、コンピュータの記憶媒体と、コンピュータプログラムをある場所から別の場所に転送するのを容易にする任意の媒体を含む通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の入手可能な記憶媒体でもよい。限定するものではない例として、このようなコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMまたは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置または他の磁気記憶デバイス、あるいは所望のプログラムコードを命令またはデータ構造の形で搬送するため、または記憶するために用いられ得る、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体を備えることができる。また、いかなる接続も、適切にコンピュータ可読媒体と称される。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り対線、デジタル加入者線(DSL)、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術を用いて、ウェブサイト、サーバ、または他の遠方のソースから伝達される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚り対線、DSL、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用されるディスク(Disk and disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピーディスクおよびブルーレイディスクを含み、磁気ディスクが、通常、データを磁気的に再現するのに対して、光ディスクはレーザを用いてデータを光学的に再現する。上記のものの組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
【００９９】
本明細書で用いられる用語「求める(determining)」は、多種多様な動作を包含する。例えば、「求める」は、計算する、コンピュータ演算する、処理する、導出する、調査する、参照する(例えば、表、データベース、または別のデータ構造を参照する)、確認する、などを含んでもよい。また、「求める」は、受け取る(例えば情報を受け取る)、アクセスする(例えば記憶装置のデータにアクセスする)、なども含んでもよい。また、「求める」は、分解する、選択する、選ぶ、確立する、なども含んでもよい。
【０１００】
本明細書で開示された方法は、説明された方法を実現するための1つまたは複数のステップまたは動作を含む。方法のステップおよび/または動作は、特許請求の範囲から逸脱することなく互いと交換されてもよい。換言すれば、ステップまたは動作の特定の順番が明記されなければ、特定のステップおよび/または動作の順番および/または使用は、特許請求の範囲から逸脱することなく変更されてもよい。
【０１０１】
開示された例示的実施形態の以前の説明は、いかなる当業者も、本発明を作製すること、または用いることができるように提供されたものである。これらの例示的実施形態に対する種々の変更は、当業者には容易に明らかになるはずであり、本明細書に定義された一般的な原理は、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された例示的実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書に開示された原理および新規の機能と一致する最も広い範囲を認められることになっている。
【符号の説明】
【０１０２】
100  無線電力伝達システム
102  入力電力
104  送信器
106  フィールド
108  受信器
110  出力電力
112  距離
114  送信コイル
118  受信コイル
204  送信器
206  送信回路
208  受信器
210  受信回路
214  送信コイル
218  受信コイル
219  通信チャネル
222  発振器
224  駆動回路
226  フィルタおよび整合回路
232  整合回路
234  整流器およびスイッチング回路
236  バッテリー
350  送信回路
352  コイル
354  キャパシタ
356  キャパシタ
358  信号
402  送信回路
404  送信器
406  インピーダンス整合回路
408  低域通過フィルタ
410  コントローラ
414  送信コイル
416  負荷検知回路
422  発振器
424  駆動回路
460  密閉検出器
480  存在検出器
502  受信回路
506  電力変換回路
508  受信器
508  RF/DCコンバータ
510  DC/DCコンバータ
512  スイッチング回路
514  信号伝達検出器およびビーコン回路、信号伝達およびビーコン回路、ビーコン回路
516  プロセッサ
518  受信コイル
550  デバイス
604  送信器
606  フィールド
608a, b, c  受信器、受信器デバイス
614  送信コイル
618a, b, c  受信コイル
619a, b, c  通信リンク
622  発振器
624  電力増幅器
626  フィルタおよび整合回路
632a, b, c  整合回路
634a, b, c  整流器およびスイッチング回路
636a, b, c  負荷
702  入力信号
704  スイッチ
708  直列インダクタンス
710  分路キャパシタ
712  可変抵抗器
714  インダクタ
716  キャパシタ
724  駆動回路
750  送信回路
802  駆動回路724の効率
804  駆動回路724の出力電力
902  等高線
904  効率が100%になるポイント
906a, b, c, d  等高線
908  リアクタンスがゼロの経路
1004  効率が100%で、配送される電力が6ワットを少し上回るポイント
1006a, b, c  等高線
1008  矢印、経路
1108  直列インダクタンス、インピーダンス調節要素、インピーダンスシフト要素
1112  負荷
1124  駆動回路
1126  フィルタ回路
1132  L
1134  C
1136  C
1150  送信回路
1202  ポイント
1204  ポイント
1306a, b, c  フィルタのインピーダンス変換
1402  効率
1404  出力電力
1502a  測定された効率結果
1502b  モデル化された効率結果
1504a  測定された電力出力結果
1504b  モデル化された電力出力結果
2200  デバイス
【図７】
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【図１１】
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【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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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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