(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線電力を受信するように構成された機器であって、
複数のループを備えるコイルであって、磁場を介して無線電力を受信するように構成されているコイルと、
前記コイルに結合されるスイッチであって、共に前記複数のループのうちの最外周のループの少なくとも１つのループ部分を選択的に短絡するように構成されているスイッチと、
バッテリーを充電するまたは前記受信された無線電力を供給するように構成されているコンバータと、
前記コンバータに関連する電圧を監視するように構成されているコントローラであって、前記受信される電力を調整するために前記監視される電力の少なくとも一部に基づいて信号を調節するように構成され、前記信号が前記スイッチの構成を制御する、コントローラと
を備え、
前記コイルが、前記スイッチが閉じた構成にある場合、多重ループのコイルに直列の短絡されたコイルとして動作するようにさらに構成される機器。
【請求項２】
前記スイッチが、前記複数のループのうちの2つ以上のループを短絡するように構成されている、請求項1に記載の機器。
【請求項３】
前記コイルが、前記スイッチが前記閉じた構成にある場合、前記多重ループのコイルに直列の短絡された単一ループのコイルとして動作するように構成されている、請求項1に記載の機器。
【請求項４】
前記コンバータが、整流器を含む、請求項1に記載の機器。
【請求項５】
前記コントローラが、前記整流器の出力での電圧を調節するために前記信号のデューティサイクルを調節するようにさらに構成されている、請求項4に記載の機器。
【請求項６】
前記コンバータが、バックコンバータを含まない、請求項5に記載の機器。
【請求項７】
前記スイッチが、開いた構成および閉じた構成のうちの一方に選択的に切り替わることによって、前記コイルから出力される電力量を制御するようにさらに構成されている、請求項6に記載の機器。
【請求項８】
前記コイルが回路内に素子を備え、前記スイッチが前記回路のインピーダンスを変更するように構成されている、請求項7に記載の機器。
【請求項９】
前記コイルの出力に結合される信号伝達トランジスタをさらに備え、
前記コントローラが、前記信号伝達トランジスタの構成を制御するようにさらになされている、請求項8に記載の機器。
【請求項１０】
無線電力を受信する方法であって、
複数のループを備えるコイルにおいて、磁場を介して無線電力を受信するステップと、
コンバータを介して前記受信された無線電力を用いてバッテリーを充電するステップまたは電力を供給するステップと、
前記コンバータに関連する電圧を監視するステップと、
前記受信される無線電力を調整するために、前記監視される電圧に基づいて信号を調節するステップと、
前記信号に基づいて共に前記複数のループのうちの最外周のループの少なくとも１つのループ部分を選択的に短絡するステップと
を含み、
前記コイルが、前記１つのループが短絡されている場合、多重ループのコイルに直列の短絡されたコイルとして動作するようにさらに構成される方法。
【請求項１１】
前記複数のループのうちの2つ以上のループを短絡するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記コイルが、前記1つのループが短絡されている場合、前記多重ループのコイルに直列の短絡された単一ループのコイルとして動作するように構成されている、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記コンバータが、整流器を備える、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記調節するステップが、前記整流器の出力での電圧を調節するために前記信号のデューティサイクルを調節するステップを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記1つのループを、開いた構成および閉じた構成のうちの一方に選択的に切り替えることによって、前記コイルから出力される電力量を制御するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記コイルが回路内に素子を備え、前記方法が、スイッチを選択的に開きおよび閉じることによって、前記回路のインピーダンスを変更するステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
前記コイルの出力に結合される信号伝達トランジスタの構成を制御するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
無線電力を受信するための装置であって、
磁場を介して無線電力を受信するための手段であって、複数のループを含む受信するための手段と、
前記受信された無線電力を用いてバッテリーを充電するまたは電力を供給するための変換手段と、
共に前記複数のループのうちの最外周のループの少なくとも１つのループ部分を選択的に短絡させるための手段と、
前記変換手段に関連する電圧を監視するための手段と、
前記受信される無線電力を調整するために前記監視される電圧に基づいて信号を調節するための手段であって、前記信号が選択的に短絡するための手段を制御する、手段と、
前記1つのループが短絡されている場合、前記無線電力を受信するための手段を多重ループのコイルに直列の短絡されたコイルとして動作させるための手段と
を備える装置。
【請求項１９】
前記複数のループのうちの2つ以上のループを短絡させるための手段をさらに備える、請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
前記1つのループが短絡されている場合、前記無線電力を受信するための手段を前記多重ループのコイルに直列の短絡された単一ループのコイルとして動作させるための手段をさらに備える、請求項18に記載の装置。
【請求項２１】
前記変換手段が、整流するための手段を備える、請求項18に記載の装置。
【請求項２２】
前記信号を調節するための前記手段が、整流するための前記手段の出力での電圧を調節するために前記信号のデューティサイクルを調節する、請求項21に記載の装置。
【請求項２３】
前記1つのループを開いた構成および閉じた構成のうちの一方に選択的に切り替えるための手段を備える前記無線電力を受信するための手段からの出力電力量を制御するための手段をさらに備える、請求項22に記載の装置。
【請求項２４】
前記無線電力を受信するための手段が回路内に素子を備え、前記装置がスイッチを選択的に開くおよび閉じることによって、前記回路のインピーダンスを変更するための手段をさらに備える、請求項23に記載の装置。
【請求項２５】
前記無線電力を受信するための手段の出力に結合される信号伝達トランジスタの構成を制御するための手段をさらに備える、請求項24に記載の装置。
【請求項２６】
実行した場合、装置に、
複数のループを備えるコイルにおいて、磁場を介して無線電力を受信させ、
コンバータを介して前記受信された無線電力を用いてバッテリーを充電させまたは電力を供給させ、
前記コンバータに関連する電圧を監視させ、
前記監視される電圧に基づいて、前記受信される無線電力を調整するために、信号を調節させ、
前記信号に基づいて共に前記複数のループのうちの最外周のループの少なくとも１つのループ部分を選択的に短絡させ、
前記１つのループが短絡されている場合、多重ループのコイルに直列の短絡されたコイルとして動作させる
コードを備える非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２７】
実行した場合、前記装置に、前記複数のループのうちの2つ以上のループを短絡させるコードをさらに備える、請求項26に記載の媒体。
【請求項２８】
実行した場合、前記装置に、前記1つのループが短絡されている場合、前記コイルが前記多重ループのコイルに直列の短絡された単一ループのコイルとして動作するように構成させるコードをさらに備える、請求項26に記載の媒体。
【請求項２９】
実行した場合、前記装置に、整流器の出力での電圧を調節するために前記信号のデューティサイクルを調節させるコードをさらに備える、請求項26に記載の媒体。
【請求項３０】
実行した場合、前記装置に、前記1つのループを開いた構成および閉じた構成のうちの一方に選択的に切り替えることによって前記コイルからの出力電力量を制御させるコードをさらに備える、請求項29に記載の媒体。
【請求項３１】
前記コイルが回路内に素子を備え、実行した場合、前記装置に、スイッチを選択的に開くおよび閉じることによって前記回路のインピーダンスを変更させるコードを前記媒体がさらに備える、請求項30に記載の媒体。
【請求項３２】
実行した場合、前記装置に、前記コイルの出力に結合される信号伝達トランジスタの構成を制御させるコードをさらに備える、請求項31に記載の媒体。
【請求項３３】
無線電力を受信するように構成された機器であって、
複数のループを備えるコイルであって、磁場を介して無線電力を受信するように構成されたコイルと、
前記コイルに結合され、前記複数のループのうちの少なくとも１つのループを選択的に短絡するように構成されたスイッチであって、前記少なくとも１つのループは、短絡されている時、前記複数のループのうちの１つまたは複数の短絡されていないループによって生成された第２の磁場に対抗する第１の磁場を生成するように構成された、前記スイッチと、
バッテリーを充電するまたは前記受信された無線電力を供給するように構成されているコンバータと、
前記コンバータに関連する電圧を監視するように構成されているコントローラであって、前記受信される電力を調整するために前記監視される電力の少なくとも一部に基づいて信号を調節するようにさらに構成され、前記信号が前記スイッチの構成を制御する、コントローラと
を備え、
前記コイルが、前記スイッチが閉じた構成にある場合、多重ループのコイルに直列の短絡されたコイルとして動作するようにさらに構成される機器。
【請求項３４】
前記コントローラは、整流器の出力での出力電圧を調節するために前記信号のデューティサイクルを調節するようにさらに構成されている、請求項33に記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本開示は、「CLOAKING  AND  POWER  REGULATION  FOR  WIRELESS  POWER  TRANSFER  SYSTEM」という題名の、2010年7月28日に出願した米国仮出願第61/368,584号、および「MULTI-LOOP  WIRELESS  POWER  RECEIVE  COIL」という題名の、2010年12月10日に出願した米国特許出願第12/965,685号の優先権を主張するものであり、これらは両方とも、本出願の譲受人に譲渡されている。これら先願の開示は、本開示の一部と見なされ、参照により、本開示に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に無線電力に関し、より詳細には、無線電力受信器での無線電力の受信に関連するシステム、機器、および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
伝送器と充電されるべき機器との間で無線による電力伝送を用いる手法が開発されつつある。これらは、一般に2つのカテゴリーに分類される。1つは、送信アンテナと、放射された電力を収集してバッテリーを充電するために整流する、充電されるべき機器上の受信アンテナとの間の平面波放射(遠距離場放射とも呼ばれる)の結合に基づくものである。アンテナは、結合効率を改善するために一般に共振長である。この手法は、電力結合がアンテナ間の距離とともに急速に低下するという欠点がある。このため、適度な距離(例えば、1〜2m)を超えると充電が困難になる。さらに、システムが平面波を放射するので、フィルタリングによって適切に制御しない場合、意図しない放射が他のシステムを妨害する可能性がある。
【０００４】
他の手法は、例えば「充電」マットまたは表面に埋め込まれた送信アンテナと、充電されるべきホスト機器に埋め込まれた整流回路を付加した受信アンテナとの間の誘導結合に基づく。この手法には、送受信アンテナ間の間隔が非常に近くなければならない(例えば、数ミリメートル)という不都合がある。この手法には、同一の領域内の複数の機器を同時に充電する能力があるが、この領域は、通常小さく、したがって、ユーザは、機器を特定の領域に配置しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無線電力受信器をクロークするための方法、システムおよび機器に対する必要性が存在する。さらに、無線電力受信器での電力受信を調整するための方法、システムおよび機器に対する必要性が存在する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】無線電力伝達システムの簡略化されたブロック図である。
【図２】無線電力伝達システムの簡略化された概略図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態で使用されるループアンテナの概略図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による伝送器の簡略化されたブロック図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による受信器の簡略化されたブロック図である。
【図６】従来の多重ループコイルを示す図である。
【図７Ａ】本発明の例示的な実施形態による、開いた構成で多重ループコイルに結合されたスイッチング素子を含む多重ループコイルを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、閉じた構成で多重ループコイルに結合されたスイッチング素子を含む多重ループコイルを示す図である。
【図８】本発明の例示的な実施形態による、多重ループ受信コイルに結合されたスイッチング素子を含む多重ループ受信コイルを含む受信器を示す図である。
【図９】本発明の例示的な実施形態による、多重ループ受信コイルのスイッチング素子に結合されたコントローラを示す図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態による方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の説明として意図されており、本発明を実践することができる唯一の実施形態を表わすようには意図されていない。本明細書の全体にわたって使用される「例示的な」という用語は、「例、実例、または例示として役立つ」ことを意味し、必ずしも他の例示的な実施形態に対して、好ましい、または有利であると、解釈されるべきでない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態についての完全な理解を提供する目的で特定の細部を含む。本発明の例示的な実施形態がこれらの特定の細部なしで実践されうることは当業者には明らかであろう。いくつかの実例では、よく知られた構造および機器は、本明細書で提示される例示的な実施形態の新奇性を不明瞭にしないようにするためにブロック図の形態で示される。
【０００８】
「無線電力」という用語は、本明細書では、電場、磁場、電磁場、または物理的導電体を使用することなく伝送器と受信器との間で伝送されるその他の方法に関連づけられたエネルギーの任意の形態を意味するように用いられる。
【０００９】
図1は、本発明の様々な例示的な実施形態による、無線伝送または充電システム100を示す。エネルギー伝達をもたらすための場106を生成するために、入力電力102が伝送器104に供給される。受信器108は、場106と結合し、出力電力110を生成して、この出力電力110に結合した機器(図示せず)によって蓄積または消費される。伝送器104と受信器108の両方は、距離112だけ離れている。例示的な一実施形態では、伝送器104および受信器108は、相互に共振する関係に従って構成され、受信器108の共振周波数および伝送器104の共振周波数が非常に近く、受信器108が場106の「近接場」に配置されるとき、伝送器104と受信器108との間の伝送損失が最小になる。
【００１０】
伝送器104は、エネルギー伝送のための手段を設けるために送信アンテナ114をさらに含み、受信器108は、エネルギー受信のための手段を設けるために受信アンテナ118をさらに含む。これら送信アンテナおよび受信アンテナは、関連する用途および機器によってサイズが調整される。上記のように、電磁波の大部分のエネルギーを遠距離場に伝搬させるのではなく、送信アンテナの近接場のエネルギーの大半を受信アンテナに結合することによって効率的なエネルギー伝達が生じる。この近接場にある場合、送信アンテナ114と受信アンテナ118との間に結合モードが現れうる。この近傍場結合が生じうるアンテナ114および118の周りの領域は、本明細書では結合モード領域と呼ばれる。
【００１１】
図2は、無線の電力伝達システムの簡略化された概略図を示す。送信器104は、発振器122と、電力増幅器124と、フィルタおよび整合回路126とを含む。発振器は、468.75kHz、6.78MHzまたは13.56MHzなどの所望の周波数で生成するように構成され、この周波数は調節信号123に応じて調節されうる。発振器信号は、電力増幅器124によって増幅されえて、増幅量は制御信号125に応じる。フィルタおよび整合回路126は、高調波または他の不要な周波数を除去し、送信器104のインピーダンスを送信アンテナ114に整合させるために含まれてもよい。
【００１２】
受信器108は、図2に示されるように、バッテリー136を充電するために、または受信器に結合される機器(図示せず)に給電するために、DC電力出力を生成するように整合回路132と、整流器およびスイッチング回路134とを含んでもよい。整合回路132は、受信器108のインピーダンスを受信アンテナ118に整合させるために含まれてもよい。受信器108および送信器104は、別個の通信チャネル119(例えばブルートゥース、ジグビー、セルラーなど)で通信してもよい。
【００１３】
図3で示されるように、例示的な実施形態において使用されるアンテナは、「ループ」アンテナ150として構成されえて、このアンテナは、本明細書では「磁気」アンテナとも呼ばれることがある。ループアンテナは、空心またはフェライトコアなどの物理的なコアを含むように構成されてもよい。空心ループアンテナは、コアの近傍に配置される異質の物理的な機器に対する耐性がより高くなりうる。さらに、空心ループアンテナにより、コア領域内部に他の構成要素を配置することができる。加えて、空心ループによって、送信アンテナ114(図2)の結合モード領域がより強力となりうる送信アンテナ114(図2)の平面内に、受信アンテナ118(図2)をより容易に配置できる可能性がある。
【００１４】
上記したように、伝送器104と受信器108との間の効率的なエネルギー伝達が、伝送器104と受信器108との間の整合する(すなわち、周波数が整合する)、またはほぼ整合する共振の期間に起きる。しかし、伝送器104と受信器108との間の共振が整合されてない場合でさえ、効率には影響があるものの、エネルギーは伝達されうる。送信アンテナの近接場からのエネルギーを自由空間に伝搬させるのではなく、むしろこの近接場が確立される近傍に存在する受信アンテナに、送信アンテナの近接場からのエネルギーを結合することによって、エネルギーの伝達が起きる。
【００１５】
ループアンテナすなわち磁気アンテナの共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づく。ループアンテナにおけるインダクタンスは、概して、単にループによって作り出されるインダクタンスであるが、キャパシタンスは、概して、ループアンテナのインダクタンスに付加されて所望の共振周波数で共振する構造を作り出す。非限定的な例として、コンデンサ152およびコンデンサ154がアンテナに付加されて、共振信号156を生成する共振回路を作り出すことができる。したがって、径がより大きなループアンテナについては、共振を誘起するのに必要とされるキャパシタンスのサイズは、ループの径またはインダクタンスが増大するにつれて減少する。さらに、ループすなわち磁気アンテナの径が増大するにつれ、近接場の効率的なエネルギー伝達領域が増大する。もちろん、他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、コンデンサは、ループアンテナの2つの端子間に並列に配置されてもよい。加えて、当業者は、送信アンテナについては、共振信号156がループアンテナ150への入力となりうることを認識するであろう。
【００１６】
図4は、本発明の例示的な実施形態による、伝送器200の簡略化されたブロック図である。伝送器200は、送信回路202および送信アンテナ204を含む。概して、送信回路202は、送信アンテナ204に振動する信号を供給することによって、RF電力を供給し、その結果として送信アンテナ204の周りに近接場エネルギーを生成する。伝送器200が、任意の適切な周波数で動作しうることに留意されたい。一例を挙げると、伝送器200は、13.56MHzのISM帯で動作しうる。
【００１７】
例示的な送信回路202は、送信回路202のインピーダンス(例えば50オーム)を送信アンテナ204に整合させるための固定インピーダンス整合回路206、および高調波放射を受信器108(図1)に結合された機器の自己ジャミングを防止するレベルにまで低減するように構成された低域通過フィルタ(LPF)208を含む。他の例示的な実施形態は、特定の周波数を減衰させる一方で他の周波数を通過させるノッチフィルタを含むが、これに限定されない様々なフィルタトポロジーを含んでもよく、アンテナへの出力電力または電力増幅器が引き込むDC電流などの測定可能な送信メトリクスに基づいて変化させることのできる適応インピーダンス整合を含んでもよい。送信回路202は、発振器212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電力増幅器210をさらに含む。送信回路は、ディスクリートデバイスまたは回路で構成されても、または別法として一体化された組立体で構成されてもよい。送信アンテナ204からの例示的なRF電力出力は、約2.5ワットであってもよいが、この出力は、実質的により高くてもよい。
【００１８】
送信回路202は、送信段階(またはデューティサイクル)中に、発振器212を特定の受信器に対して有効にし、発振器の周波数または位相を調節し、かつ隣接する機器に取り付けられた受信器を介して同機器と相互にやりとりするための通信プロトコルを実施するように出力電力レベルを調節するためのコントローラ214をさらに含む。当技術分野において知られているように、発振器の位相および伝送経路中の関連する回路を調節することにより、特にある周波数から別の周波数に遷移するときの帯域外放射を低減することができる。
【００１９】
送信回路202は、送信アンテナ204によって生成された近接場の近傍における稼動中の受信器の存在または不在を検出するための負荷検知回路216をさらに含むことができる。一例を挙げると、負荷検知回路216は、電力増幅器210に流れる電流を監視し、この電流が、送信アンテナ204によって生成された近接場の近傍における稼動中の受信器の存在または不在によって影響を受ける。電力増幅器21への負荷に対する変化の検出が、エネルギーの伝送のために発振器212を有効にすべきかどうか、また稼動中の受信器と通信すべきかどうかを判定するのに用いるために、コントローラ214によって監視される。
【００２０】
送信アンテナ204は、リッツ線を用いて、または抵抗損失を低く保つように、厚さ、幅および金属のタイプが選択されたアンテナストリップとして実装されてもよい。従来の実施形態では、送信アンテナ204は、概して、テーブル、マット、ランプあるいはそれほどポータブルでない他の構成などの比較的大きな構造との関連で構成されていることがある。したがって、送信アンテナ204は、概して、実際的な寸法であるために「巻き」を必要としないであろう。送信アンテナ204の例示的な実施形態は、「電気的に小さくて」(すなわち、波長の一部で)もよく、共振周波数を規定するためにコンデンサを使用することによって、より低い使用可能な周波数で共振するように調整されてもよい。
【００２１】
伝送器200は、伝送器200に関連づけられる可能性のある受信器機器の所在および状態に関する情報を収集し、追跡することができる。したがって、伝送器回路202は、コントローラ214(本明細書ではプロセッサとも呼ばれる)に接続された、存在検出器280、密閉された検出器260またはそれらの組合せを含んでもよい。コントローラ214は、存在検出器280および密閉された検出器260からの存在信号に応答して増幅器210によって送出される電力量を調節することができる。伝送器は、例えば建屋にある従来のAC電力を変換するAC/DCコンバータ(図示せず)、従来のDC電源を伝送器200にとって適切な電圧に変換するDC/DCコンバータ(図示せず)、または従来のDC電源(図示せず)からの直接的なものなど、数多くの電源を介して電力を受け取ることができる。
【００２２】
非限定的な例として、存在検出器280は、伝送器の有効範囲領域内に挿入された充電されるべき機器の最初の存在を検知するために利用される動き検出器であってもよい。検出の後、伝送器は電源を入れられてよく、機器が受け取ったRF電力は、所定のやり方でRx機器のスイッチをトグルするために使用されえて、結果として伝送器の駆動点インピーダンスが変化することになる。
【００２３】
別の非限定的な例として、存在検出器280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って、人を検出することができる検出器であってもよい。一部の例示的な実施形態では、送信アンテナが特定の周波数で送信することができる電力量を制限する規制が存在することがある。ある場合には、これらの規制は、電磁放射から人を保護することを意味する。しかし、例えばガレージ、作業現場、店などの、人によって占有されてないか、または人によって希にしか占有されない領域に、送信アンテナが配置される環境がありうる。これらの環境に人がいない場合、通常の電力制限規制を超えて送信アンテナの電力出力を増加させることが許容されうる。言いかえれば、コントローラ214は、人の存在に応じて、送信アンテナ204の電力出力を規制レベル以下に調節し、人が送信アンテナ204の電磁場からの規制距離の外部にいる場合は、送信アンテナ204の電力出力を、規制レベルを上回るレベルに調節することができる。
【００２４】
非限定的な例として、密閉された検出器260(本明細書では、密閉された隔室の検出器または密閉された空間の検出器と呼ぶこともある)は、筐体の開閉状態を判定するための検知スイッチなどの機器であってもよい。伝送器が密閉された状態にある筐体内にある場合は、伝送器の電力レベルを増加してもよい。
【００２５】
例示的な実施形態において、伝送器200が無期限にオンのままとならない方法を使用することができる。この場合、伝送器200は、ユーザが決めた時間後に停止するようにプログラムされうる。この特徴は、伝送器200、特に電力増幅器210がその周辺にある無線機器が完全に充電された後も、ずっと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てくる、機器が完全に充電されたという信号を検出する回路の故障に起因する可能性がある。別の機器が周辺に配置された場合に、伝送器200が自動的に停止するのを防止するために、伝送器200では自動停止機能を、その周辺で動きが検出されないある設定期間の後にのみ作動させることができる。ユーザは、非作動の時間間隔を決定し、所望によりそれを変更することができうる。非限定的な例として、この時間間隔は、特定のタイプの無線機器を、この機器が当初は完全に放電されているとの仮定の下で、完全に充電するのに必要とされる時間よりも長くてもよい。
【００２６】
図5は、本発明の例示的な実施形態による、受信器300の簡略化されたブロック図である。受信器300は、受信回路302および受信アンテナ304を含む。受信器300は、受信した電力を供給するための機器350にさらに結合する。受信器300は、機器350の外側にあるとして示されているが、機器350に一体化されてもよいことに留意されたい。概して、エネルギーは、無線で受信アンテナ304に伝搬され、次いで受信回路302を介して機器350に結合される。
【００２７】
受信アンテナ304は、送信アンテナ204(図4)と同一の周波数で、または指定された周波数の範囲内で共振するように調整される。受信アンテナ304は、送信アンテナ204と同様の寸法とされてよく、または関連づけられた機器350の寸法に基づいて、異なるサイズに調整されてもよい。一例を挙げると、機器350は、送信アンテナ204の直径または長さより小さな直径または長さを有する携帯用電子機器であってもよい。そうした例において、受信アンテナ304は、同調コンデンサ(図示せず)の容量値を低減し、受信アンテナのインピーダンスを増加させるために多重巻きアンテナとして実施されてもよい。一例を挙げると、受信アンテナ304は、アンテナ直径を最大化し、かつ受信アンテナのループの巻き数(すなわち巻線)および巻線間キャパシタンスを減らすために、機器350の実質的な周縁部の周りに配置されてもよい。
【００２８】
受信回路302は、受信アンテナ304にインピーダンス整合を提供する。受信回路302は、受信したRFエネルギー源を機器350による使用のために充電電力に変換するための電力変換回路306を含む。電力変換回路306は、RF/DCコンバータ308を含み、DC/DCコンバータ310を含んでもよい。RF/DCコンバータ308は、受信アンテナ304で受信したRFエネルギー信号を非交番電力へと整流し、DC/DCコンバータ310は、整流されたRFエネルギー信号を機器350に適合したエネルギー電位(例えば電圧)に変換する。部分波整流器および全波整流器、レギュレータ、ブリッジ、ダブラー、ならびにリニアコンバータおよびスイッチングコンバータを含む、様々なRF/DCコンバータが考えられる。
【００２９】
受信回路302は、受信アンテナ304を電力変換回路306に接続するための、あるいは電力変換回路306を切断するためのスイッチング回路312をさらに含むことが可能である。受信アンテナ304を電力変換回路306から切断すると機器350の充電が一時停止されるだけでなく、伝送器200(図2)から「見た」「負荷」が変化する。
【００３０】
上記で開示されたように、伝送器200は、伝送器の電力増幅器210に供給されるバイアス電流の変動を検出する負荷検知回路216を含む。したがって、伝送器200は、伝送器の近接場における受信器の存在を判定するための機構を有する。
【００３１】
複数の受信器300が伝送器の近接場に存在する場合、1つまたは複数の受信器のローディングおよびアンローディングを時分割多重して、他の受信器が効率的に伝送器に結合できるようにすることが望ましい場合がある。また、受信器は、他の近くの受信器への結合を排除するために、または近くの伝送器への負荷を低減するためにクロークされてもよい。受信器のこの「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、受信器300によって制御され、伝送器200によって検出される、アンローディングとローディングとの間のこのスイッチングは、以下でより完全に説明されるように、受信器300から伝送器200への通信機構を提供する。さらに、このスイッチングにはプロトコルを関連づけることができ、これによって、受信器300から伝送器200にメッセージを送ることができる。一例を挙げると、スイッチング速度は、約100μ秒とすることができる。
【００３２】
例示的な実施形態において、伝送器と受信器との間の通信は、従来型の双方向通信ではなく、機器検知および充電制御の機構を指す。言いかえれば、伝送器は、エネルギーが近接場において利用可能かどうかを調節するために、伝送された信号のオン/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、伝送器からのメッセージとして解釈する。受信器側からは、受信器は、受信アンテナの同調および離調を用いて、どのくらいの電力を近接場から受け取るかを調節することができる。伝送器は、近接場から使用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からのメッセージとして解釈することができる。他の形態の伝送電力の調節および負荷挙動を利用しうることに留意されたい。
【００３３】
受信回路302は、伝送器から受信器への情報の信号伝達に相当しうる受信エネルギーの変動を識別するために使用される信号伝達検出器およびビーコン回路314をさらに含むことが可能である。さらに、信号伝達およびビーコン回路314は、無線充電用の受信回路302を構成するために、低減されたRF信号エネルギーの伝送(すなわちビーコン信号)を検出して、この低減されたRF信号エネルギーを、受信回路302内の給電されていない、または電力を使い切った回路を呼び起こすための名目上の電力に整流するために使用されてもよい。
【００３４】
受信回路302は、本明細書で説明したスイッチング回路312の制御を含めて、本明細書で説明した受信器300の処理を調整するためのプロセッサ316をさらに含む。受信器300のクローキングは、機器350に充電電力を供給する外部の有線充電電源(例えば壁面/USB電力)の検出を含む他の事象が発生しても起こりうる。プロセッサ316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て、伝送器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314を監視してもよい。プロセッサ316は、性能を改善するためにDC/DCコンバータ310を調節してもよい。
【００３５】
当業者には理解されるように、従来の無線電力受信器は、高電圧および電流スイッチを使用することによってクロークされうるが、これは望ましくない。さらに、受信器をアンローディングすることによって、高いDC電圧が発生するため、整流器およびバックコンバータに損傷をもたらす可能性がある。さらに、伝送器に伝送器電力のレベルを低下させるよう要求することによって、伝搬時間が必要ととなり、したがって、保護回路が最大電圧および電力のハンドリングを必要とする可能性がある。
【００３６】
本明細で説明される本発明の様々な例示的な実施形態は、無線電力受信器をクローキングするためのシステム、機器および方法に関する。さらに、本発明の例示的な実施形態は、無線電力受信器での電力調整のためのシステム、機器および方法に関する。
【００３７】
当業者には理解されるように、レンツの法則によって、外部電源によって励起されたコイルの近傍内部に置かれる同調していない、短絡された寄生コイルはどれも、この同調していない、短絡された寄生コイル内に誘起される電流により対抗磁場を生成しうる。したがって、励起されたコイルによって生成された磁場は、短絡されたコイルによって生成された場によって相殺されて、したがって離調した、短絡されたコイルに近接する領域にゼロ磁場が作り出されうる。
【００３８】
図6は、複数のループ601〜605を含む従来の受信コイル600を示す。また、図7Aは、ループ601〜605を含む受信コイル620を示す。さらに、本発明の例示的な実施形態によると、受信コイル620は、スイッチング素子622を含み、このスイッチング素子622は、任意の適切な既知のスイッチング素子を備えることが可能である。単なる一例を挙げると、スイッチング素子622は、電界効果トランジスタ(FET)を備えてもよい。受信コイル620が5つのループ(すなわち601〜605)を含んでいるが、2つ以上のループを含む受信コイルは、本発明の範囲内にある。図7Aでは、スイッチング素子622は、開いた構成にあるとして示されている。スイッチング素子622が開いた構成にある間、受信コイル620は、スイッチング素子622のない5回巻きの受信コイルと同様に(すなわち受信コイル600と同様に)電気的に機能しうることに留意されたい。スイッチング素子622が受信コイル600の最も外側のまたは最外周のループに結合されているとして示されているが、スイッチング素子622は、受信コイル620の任意のループに結合されてもよいことにさらに留意されたい。例えば、スイッチング素子622は、受信コイル620の最も内側のループに結合されてもよい。
【００３９】
図7Bは、スイッチング素子622が閉じた構成にある受信コイル620を示す。スイッチング素子622が閉じた構成にある間、受信コイル620は、4回巻きの受信コイル(すなわちループ602〜605)に直列の短絡された1回巻きのコイル(すなわちループ601)と機能的に等価となりうることに留意されたい。したがって、短絡された、最も外側のまたは最外周のループ601は、ループ601において誘起される電流により磁場を生成することができ、この磁場は、ループ602〜605によって生成される磁場に対抗する。したがって、スイッチング素子622が閉じた構成にある場合、受信コイル602に近接する領域で生成される磁場がゼロになりうる。さらに、短絡されたコイルが1つのみの巻き(すなわちループ601)を有し、物理的に小さいので、スイッチ622両端間の電圧および電流は比較的小さくなり、5ループのコイルを全て短絡させるのに比べより効率的な代替手段になりうる。2つ以上のループを短絡してもよいが、短絡されたループ両端間の電流および電圧は、より高くなる可能性があることに留意されたい。
【００４０】
本発明の例示的な実施形態は、1つまたは複数のループおよびスイッチング素子を含むことができ、やはり1つまたは複数のループを含むことができる受信コイルを取り囲む、浮遊コイル(すなわち、そのコイルが受信コイルに物理的に接続されていない)を含みうることに留意されたい。したがって、浮遊コイルのループは短絡されえて、そのループにおいて誘起される電流により磁場を生成することができ、この磁場が、受信コイルの1つまたは複数のループによって生成される磁場に対抗する。受信コイル620が回路内に素子を備えてよく、したがって、スイッチング素子622を介して、回路のインダクタンスを変更することができることにさらに留意されたい。
【００４１】
図8は、本発明の例示的な実施形態による、受信器700の一部を示す。受信器700は、スイッチング素子622を含む受信コイル620を含む。以下でより完全に説明されるように、スイッチング素子622は、コントローラ(図8には示されない)を介して制御可能でありうる。受信器700は、負荷(図示せず)に結合しうるバックコンバータ730、電流センサ710、および出力部734をさらに含むことが可能である。電流センサ710は、第1の電流ポート712、第2の電流ポート714および抵抗器732を備えることができる。さらに、受信器700は、整流器電圧ポート706およびバック電圧ポート708を含む。受信器700は、信号伝達トランジスタ720、信号伝達制御部718、順方向リンク受信器704、コンデンサ716、ならびにダイオード724、722およびコンデンサ726を含む整流器をさらに含む。
【００４２】
図9は、コイル620のスイッチング素子622に結合し、スイッチング素子622を制御するように構成されたコントローラ800を示す。より具体的には、コントローラは、1つまたは複数の制御信号を、リンク802を介してスイッチング素子622に送信して、スイッチング素子622を開くまたはスイッチング素子622を閉じるかのいずれかを行うことが可能でありうる。コントローラ800が、受信器700の電力調整能力をさらに向上させるため、信号伝達トランジスタ702の動作を制御するように構成されてもよいことに留意されたい。
【００４３】
当業者には理解されるように、受信器700は、スイッチング素子622を介してクロークされえて、したがって、伝送器の充電領域から物理的に取り除かれない状態で、伝送器には見えない可能性がある。さらに、スイッチング素子622は、受信器700で受信される電力の量を制御するために利用されうる。より具体的には、一例として、スイッチング素子622が十分な速度で切り替えられる場合、整流器の電圧ポート706での電圧が制御されうる。単なる一例を挙げると、整流器の電圧ポート706での電圧が所望の電圧よりも大きい場合、スイッチング素子622のデューティサイクル(すなわちスイッチング素子622が開いた構成にある時間)を増大させることができる。さらに、整流器の電圧ポート706での電圧が所望の電圧よりも小さい場合、スイッチング素子622のデューティサイクル(すなわちスイッチング素子622が開いた構成にある時間)を低減させることができる。さらに、整流器の電圧ポート706の電圧が所望のレベルにある場合、スイッチング素子622のデューティサイクルを維持することができる。本明細書で説明された例示的な実施形態は、電力コンバータ(例えばバックコンバータ)を不要にすることができることに留意されたい。
【００４４】
上記したように、受信コイル620は、回路内に素子を備えることができ、したがって、スイッチング素子622を介して、受信コイル620は、関連する入力部でインピーダンスを変更するように構成されうる。したがって、受信コイル620は、回路のインピーダンスを選択的に調節するためのフィルタとして作用することができる。
【００４５】
本明細書で説明された例示的な実施形態が、単なる例として、車両用バッテリーの充電などの、任意の適切な高電力用途において使用されうることに留意されたい。より具体的には、本明細書で説明された例示的な実施形態は、回路から疎結合の変圧器を取り除くことが望ましい(すなわち、送信コイルに受信コイルを見えなくさせる)いかなる用途においても使用されうる。
【００４６】
図10は、1つまたは複数の例示的な実施形態による、方法910を示すフローチャートである。方法910は、複数のループを含むコイルで信号を受信するステップを含むことが可能である(数字912によって示す)。方法910は、信号の受信中に、複数のループのうち少なくとも1つのループを選択的に短絡するステップをさらに含むことが可能である(数字914によって示す)。
【００４７】
当業者ならば、情報および信号が様々な別々の技術および技法のうちの任意のものを用いて表わされう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うるデータ、指示、命令、情報、信号、ビット、符号およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場、または磁性粒子、光学場または光子、あるいはそれらの任意の組合せによって表わされてもよい。
【００４８】
当業者ならば、本明細書で開示された例示的な実施形態に関連して説明された様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムのステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェアまたは両方の組合せとして実施されうることをさらに理解するであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成部品、ブロック、モジュール、回路およびステップは、それらの機能性に関して上で全体的に説明されてきた。そうした機能性がハードウェアとしてまたはソフトウェアとして実施されるかどうかは、システム全体に課された特定の用途および設計制約条件次第である。当業者は、それぞれの特定の用途に対して説明された機能性を様々なやり方で実施することができるが、そうした実施の決定が、本発明の例示的な実施形態の範囲から逸脱するものと解釈されるべきではない。
【００４９】
本明細書で開示された例示的な実施形態に関連して説明された様々な例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、ディ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)、または本明細書で説明された機能を実行するために設計された、他のプログラマブルロジックデバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア部品あるいはこれらの任意の組合せを用いて実施または実行されうる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代替形態では、プロセッサは任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態機械であってもよい。また、プロセッサは、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コアと連動する1つまたは複数マイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそうした構成といったコンピュータデバイスとして実施されてもよい。
【００５０】
本明細書で開示した例示的な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、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、またはこれら2つの組合せで直接具現化されてもよい。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、読み出し専用メモリ(ROM)、EPROM(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、取外し可能ディスク、CD-ROM、または当技術分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体に存在してもよい。例示的な記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替形態では、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。代替形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末における個別部品として存在してもよい。
【００５１】
1つまたは複数の例示的な実施形態において、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てもよい。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上に記憶され、または伝達されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体と、コンピュータプログラムをある場所から別の場所に伝達するのを促進するあらゆる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が可能なあらゆる利用可能な媒体でもよい。限定的でない一例を挙げると、そうしたコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMまたは他の光学ディスク記憶デバイス、磁気ディスク記憶デバイスもしく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態で携帯または保存するために使用することができ、コンピュータによってアクセスが可能な任意の他の媒体を含むことができる。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、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、ディジタル加入者線(DSL)または赤外線、無線およびマイクロ波などの無線技術を用いて、ソフトウェアがウェブサイト、サーバまたは他の遠隔のソースから伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、DSLまたは赤外線、無線機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磁気ディスク(Disk)および光ディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、ディジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスクおよびブルーレイディスクを含み、磁気ディスクは、通常、データを磁気的に再生し、光ディスクは、レーザを用いてデータを光学的に再生する。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ものとする。
【００５２】
開示された例示的な実施形態の先の説明は、あらゆる当業者が本発明を作製し、または利用することができるように提供されている。これらの例示的な実施形態に対する様々な変更形態は、当業者には容易に明白になるであろうし、本明細書で定義された概括的な原理は、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することができる。したがって、本発明は、本明細書で示された例示的な実施形態に限定されることが意図されておらず、本明細書で開示された原理および新奇な特徴と一致する最も広い範囲を与えられることになっている。
【符号の説明】
【００５３】
100  無線伝送または充電システム
102  入力電力
104  伝送器
106  場
108  受信器
110  出力電力
112  距離
114  送信アンテナ
118  受信アンテナ
119  通信チャネル
122  発信器
123  調節信号
124  電力増幅器
125  制御信号
126  フィルタおよび整合回路
132  整合回路
134  整流器およびスイッチング回路
136  バッテリー
150  ループアンテナ
152  コンデンサ
154  コンデンサ
156  共振信号
200  伝送器
202  送信回路
204  送信アンテナ
206  固定インピーダンス整合回路
208  低域通過フィルタ
210  電力増幅器
212  発信器
214  コントローラ
216  負荷検知回路
260  密閉された検出器
280  存在検出器
300  受信器
302  受信回路
304  受信アンテナ
306  電力変換回路
308  RF/DCコンバータ
310  DC/DCコンバータ
312  スイッチング回路
314  ビーコン回路
316  プロセッサ
350  機器
600  受信コイル
601  ループ
602  ループ
602  ループ
603  ループ
604  ループ
605  ループ
620  受信コイル
622  スイッチング素子
700  受信器
704  順方向リンク受信器
706  電圧ポート
708  電圧ポート
710  電流センサ
712  電流ポート
714  電流ポート
716  コンデンサ
718  信号伝達制御部
720  信号伝達トランジスタ
722  ダイオード
724  ダイオード
726  コンデンサ
730  バックコンバータ
734  出力部
800  コントローラ
802  リンク
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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