(57)【要約】  共振ピックアップ回路を有する誘導結合電力伝達（ＩＣＰＴ）システムの電力ピックアップが提供される。ピックアップ回路の固有周波数は、共振回路の可変反応のコンダクタンスまたはキャパシタンスを制御することによって変化されることが可能である。ピックアップ回路によって供給されている負荷が感知され、可変反応構成要素の実効キャパシタンスまたはインダクタンスは、ピックアップ回路の固有共振周波数を変化させ、それにより、負荷によって必要とされる電力を満たすためにピックアップへの電力の流れを制御するように制御される。
2007501600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路を有するＩＣＰＴピックアップであって、前記負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じて前記ピックアップへの電力の伝達を制御するために、前記ピックアップ回路の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、前記感知手段によって感知された前記負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有するＩＣＰＴピックアップ。
【請求項２】
前記制御手段が、反応要素と、前記反応要素が前記ピックアップ回路に選択的に電気的に接続されることを可能にする切替え手段とを含む、請求項１に記載のピックアップ。
【請求項３】
前記制御手段が、前記反応要素の見かけのキャパシタンスまたはインダクタンスが変化され、それにより前記ピックアップ回路を同調または脱同調させるために、前記切替え手段を制御するように動作可能である、請求項２に記載のピックアップ。
【請求項４】
前記感知手段が、前記負荷によって必要とされる前記電力を感知する、請求項１から３のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項５】
前記共振回路の電圧または電流の位相を感知する位相感知手段を含み、それにより、感知位相に応じて、前記反応要素が電気的に前記共振回路に接続されるか、または前記共振回路から分離されることを可能にするように、前記制御手段が、前記切替え手段を作動させることが可能である、請求項２から４のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項６】
前記反応要素が、インダクタを備え、前記位相感知手段が、前記共振回路の電圧を感知し、スイッチ制御手段が、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記インダクタを電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を切り替えるように動作可能である、請求項５に記載のピックアップ。
【請求項７】
前記共振回路の周波数を感知する周波数感知手段を含み、それにより、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記制御手段が、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項４または５に記載のピックアップ。
【請求項８】
前記位相感知手段が、前記共振回路の周波数を感知し、それにより、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記制御手段が、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項４または５に記載のピックアップ。
【請求項９】
前記制御手段が、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、前記インダクタを前記共振回路に接続するように前記第２切替え手段を作動させ、また、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、前記切替え手段が非活動化されることを可能にするように適合される、請求項６から８のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１０】
前記制御手段が、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項６から９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１１】
前記制御手段が、ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項６から９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１２】
前記インダクタが、前記共振回路の同調キャパシタと平行に接続されている、請求項６から１１のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１３】
前記インダクタが、２つの端子を有し、前記第２切替え手段が、２つの制御可能半導体切替え要素を備え、１つの切替え要素が、各端子と前記共振回路との間において接続される、請求項６から１２のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１４】
各切替え要素が、その両端に接続された反平行ダイオードを有する、請求項１３に記載のピックアップ。
【請求項１５】
前記半導体スイッチ要素が、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＣＴ、ＢＪＴ、または他の半導体デバイスを備える、請求項１３または１４に記載のピックアップ。
【請求項１６】
前記インダクタが、ピックアップ・コイルを備える、請求項３に記載のピックアップ。
【請求項１７】
前記反応要素が、キャパシタを備え、前記位相感知手段が、前記共振回路の電圧を感知し、前記スイッチ制御手段が、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記キャパシタを電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を切り替えるように動作可能である、請求項５に記載のピックアップ。
【請求項１８】
前記共振回路の周波数を感知する周波数感知手段を含み、それにより、前記制御手段が、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項１７に記載のピックアップ。
【請求項１９】
前記位相感知手段が、前記共振回路の周波数を感知し、それにより、前記制御手段が、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項１７に記載のピックアップ。
【請求項２０】
前記制御手段が、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、前記キャパシタを前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を作動させるように適合される、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２１】
前記制御手段が、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２２】
前記キャパシタが、前記共振回路の同調キャパシタと並列に接続される、請求項１７から２２のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２３】
前記キャパシタのキャパシタンスが、前記同調キャパシタのキャパシタンスとほぼ等しい、請求項２３に記載のピックアップ。
【請求項２４】
前記キャパシタが、２つの端子を有し、前記切替え手段が、２つの制御可能半導体切替え要素を備え、１つの切替え要素が、各端子と前記共振回路との間において接続される、請求項１７から２４のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２５】
各切替え要素が、両端に接続された反平行ダイオードを有する、請求項２５に記載のピックアップ。
【請求項２６】
前記半導体スイッチ要素が、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＢＪＴを備える、請求項２５または２６に記載のピックアップ。
【請求項２７】
可変リアクタンスが、前記共振回路の前記同調キャパシタを備える、請求項１７から２１のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２８】
ａ．ＩＣＰＴシステムの１次導電経路に交流を提供する共振変換器を備える電源と、
ｂ．１つまたは複数の２次ピックアップとを含み、
各ピックアップが、負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路と、前記負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じてピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、前記感知手段によって感知される前記負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有する、ＩＣＰＴシステム。
【請求項２９】
前記１次導電経路が、導電材料の１つまたは複数のターンを備える、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３０】
前記１次導電経路が、ほぼ平面の表面の下に設けられる、請求項２９に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３１】
前記１次導電経路が、経路の１つまたは複数の他の周りの領域より磁場の強度が大きい少なくとも１つの領域を含む、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３２】
前記１次導電経路が、１つまたは複数の集中インダクタンス、または１つ若しくは複数の分散されたインダクタンスを含む、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３３】
前記１次導電経路が、望ましい磁束経路を提供するために、アモルファス磁気材料に隣接して取り付けられる、請求項２８から３２のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３４】
前記ピックアップが、望ましい磁束経路を提供するために、前記ピックアップ・コイルに隣接してアモルファス磁気材料を含む、請求項２８から３３のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３５】
前記ピックアップが、電池なしである、請求項２８から３４のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３６】
前記ピックアップが、スーパー・キャパシタを含む、請求項２８から３４のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３７】
ＩＣＰＴピックアップによって引き出される電力を制御する方法であって、前記ピックアップの負荷の状態を感知するステップと、感知した負荷の状態に応じて、前記ピックアップ回路を選択的に同調または脱同調させるステップとを含む方法。
【請求項３８】
前記ピックアップ回路を同調または脱同調させる前記ステップが、前記ピックアップ回路の前記共振周波数を同調状態に向けて、または同調状態から離れるように移動させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記ピックアップ回路を同調または脱同調させる前記ステップが、可変キャパシタまたはインダクタを制御するステップを含む、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記共振回路の電流または電圧の周波数を感知するステップを含む、請求項３７から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
感知周波数を前記共振回路の公称周波数と比較して、感知負荷に応じて、前記公称周波数に向けて、または前記公称周波数から離れるように同調または脱同調させるステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記反応要素の見かけのインダクタンスまたはキャパシタンスを変化させ、それにより、前記共振回路を同調または脱同調させるために、反応要素を前記共振回路の内外に選択的に切り替えるステップを含む、請求項３７から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記共振回路の電圧または電流の位相を感知して、感知位相に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
電圧の前記位相が感知され、前記反応要素が、感知電圧ゼロ交差後所定の時間期間、前記共振回路に電気的に接続される、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記共振回路の周波数を感知して、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するように、切替え手段を作動させることを含む、請求項４２から４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記感知周波数を公称周波数と比較して、前記共振回路を前記公称周波数に向けて、または前記公称周波数から離れるように同調させるために、前記所定の時間期間を変化させることを含む、請求項４２から４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
電圧ゼロ交差が経過したのに続いて前記所定の時間期間後、前記反応要素を前記共振回路に接続するように切替え手段を作動させ、前記電圧がほぼゼロに再び到達するとき、前記第２切替え手段が非活動化されることを可能にすることを含む、請求項４２から４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間の範囲から、所定の時間期間を選択することを含む、請求項４２から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間の範囲から、所定の時間期間を選択することを含む、請求項４２から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
電圧の前記位相を感知して、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記反応要素を前記共振回路から電気的に分離することを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項５１】
前記反応要素が、キャパシタを備え、前記所定の時間期間が、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間の範囲から選択される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述されたピックアップ。
【請求項５３】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述されたＩＣＰＴシステム。
【請求項５４】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述された電力を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導結合電力伝達（ＩＣＰＴ）システムおよびそのようなシステムの電力ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣＰＴ電力システム（無接点電源としても既知である）が、材料処理、照明、および輸送産業などの応用分野において重要な利点を有することが既知である。これらの電源の使用が有利である高電力システムおよび低電力システムの両方において、多くの応用分野が存在する。
【０００３】
ＩＣＰＴシステムは、電源から交流を供給される１次導電路を有する。１つまたは複数の２次デバイス（ピックアップと呼ばれることが可能である）が、１次経路に隣接するが、電気的に絶縁されて提供される。ピックアップは、１次経路に関連付けられた磁場によって電圧が誘起されるピックアップを有し、たとえば電気モータ、ライト、またはセンサなどに負荷を供給する。ピックアップ・コイルは、ピックアップへの電力伝達を増大させるように、同調キャパシタを使用して一般に同調される。
【０００４】
既存のＩＣＰＴシステムに付随する問題は、モータがピックアップによって供給され、制御システムからのコマンドを待機している間、空転するときなど、ピックアップに軽量に負荷がかけられるとき、ピックアップに伝達される電力を制御することである。この制御問題に対する解決法は、必要時にピックアップを分離し、したがって、１次導電路からピックアップへの電力の流れを防止するために、ピックアップ・コイルの両端に短絡スイッチを使用することである。この手法は、オークランド・ユニサービシーズ・リミテッド（Ａｕｃｋｌａｎｄ  ＵｎｉＳｅｒｖｉｃｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）に譲渡された米国特許第５２９３３０８号の明細書に記載されている。しかし、この明細書は、軽度に負荷をかけられたピックアップの制御問題に対処するが、短絡スイッチにより、具体的には軽度の負荷において、大きな導電損失が生じるが、その理由は、短絡スイッチは、軽度負荷状況においてほぼ常に伝導しているからである。
【０００５】
ＩＣＰＴシステムに付随する他の問題は、１次経路における電流の周波数の変化である。周波数ドリフトにより、１次経路の電流は揺らぐことがあり、それにより、ピックアップに伝達される電力の制御に付随する問題が生じる。周波数ドリフトは、ピックアップの同調、特に固定周波数同調を使用するピックアップの同調に著しい影響を与えることがあることがより重要である。これにより、電力を有効に伝達するシステムの能力が低減される。周波数ドリフトは、多くのファクタによって生じることがある。最も明らかなのは、負荷の変化であるが、回路のパラメータの変化も、重要であることがある。
【０００６】
負荷変化によって生じる１次導電路における周波数の変化を補償する１つの手法は、複数の個々のキャパシタを提供し、個々のキャパシタを１次電源回路の内外に切り替えるものである。この手法は、最近発表された米国特許出願ＵＳ２００３／０２１０１０６において呈示されている。これは、高Ｑシステムでは欠点を有するが、その理由は、多くのキャパシタが必要であるからである。また、負荷変化は、システムが有効に機能するように限定されなければならない。
【０００７】
他の手法は、１次導電路について、第３世代（Ｇ３）電源などのより複雑な電源を使用するものである。これは高価であり、そのような電源は、小型化には適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、既存のシステムによって受ける欠点の１つまたは複数を軽減し、または有用な代替案を大衆に少なくとも提供する、ＩＣＰＴ電源を制御する方法または装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、一態様において、本発明は、負荷に供給するために１次導電路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路を有するＩＣＰＴピックアップであって、負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じて、ピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、感知手段によって感知された負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有するＩＣＰＴピックアップを提供する。
【００１０】
制御手段は、反応要素がピックアップ回路に選択的に電気的に接続されることを可能にするために、反応要素および切替え手段を含むことが可能である。制御手段は、反応要素の見かけのキャパシタンスまたはインダクタンスが変化され、それにより、ピックアップ回路を同調または脱同調するために、切替え手段を制御するように動作可能であることが好ましい。
【００１１】
位相感知手段が、共振回路の電圧または電流の位相を感知するために提供されることが可能であり、それにより、制御手段は、感知位相に応じて、反応要素が電気的に共振回路に接続されるか、または共振回路から分離されることを可能にするように、切替え手段を作動させることが可能である。
【００１２】
反応要素は、インダクタを備えることが可能であり、位相感知手段は、共振回路の電圧を感知することができ、スイッチ制御手段は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、インダクタを電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するために、第２切替え手段を切り替えるように動作可能である。
【００１３】
反応要素は、代替としてキャパシタを備えることが可能であり、位相感知手段は、共振回路の電圧を感知することができ、スイッチ制御手段は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、インダクタを電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するために、第２切替え手段を切り替えるように動作可能である。
【００１４】
周波数感知手段が、共振回路の周波数を感知するために提供されることが好ましい。これにより、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離することを可能にするように、制御手段がスイッチ手段を作動させることが可能になる可能性がある。
【００１５】
位相感知手段は、共振回路の周波数を感知することも可能である。
【００１６】
制御手段は、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素が電気的に共振回路に接続されるか、または共振回路から分離されることを可能にするように、スイッチ手段を作動させることが可能である。
【００１７】
反応要素がインダクタを備える場合、制御手段は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、インダクタを共振回路に接続するように第２切替え手段を作動させ、また、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、第２切替え手段が非活動化されることを可能にするように適合される。制御手段は、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間において、最も好ましくはほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間において、所定の時間期間を変化させることができる。
【００１８】
反応要素がキャパシタを備える場合、制御手段は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定に時間期間後、キャパシタを共振回路から分離するために、第２切替え手段を作動させるように適合される。制御手段は、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間において、所定の時間期間を変化させることができる。
【００１９】
他の態様において、本発明は、
ａ．交流をＩＣＰＴシステムの１次導電経路に提供する共振変換器を備える電源と、
ｂ．１つまたは複数の２次ピックアップとを含み、各ピックアップが、負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路と、負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じてピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、感知手段によって感知された負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有する、ＩＣＰＴシステムを提供する。
【００２０】
１次導電経路は、導電材料の１つまたは複数のターンを備え、ほぼ平面の表面の下に設けられることが可能である。
【００２１】
１次導電経路は、経路の１つまたは複数の他の周りの領域より磁場の強度が大きい少なくとも１つの領域を含むことが可能である。経路は、１つまたは複数の集中インダクタンス、または１つ若しくは複数の分散されたインダクタンスを有することによって、これを達成することが可能である。
【００２２】
好ましい実施形態では、１次導電経路は、望ましい磁束経路を提供するように、アモルファス磁気材料に隣接して取り付けられる。
【００２３】
ピックアップは、望ましい磁束経路を提供するように、ピックアップ・コイルに隣接するアモルファス磁気材料を含むことも可能である。
【００２４】
他の態様において、本発明は、ＩＣＰＴピックアップによって引き出される電力を制御する方法を提供し、この方法は、ピックアップの負荷の状態を感知するステップと、感知した負荷の状態に応じて、ピックアップ回路を選択的に同調または脱同調させるステップとを含む。
【００２５】
ピックアップ回路を同調または脱同調させるステップは、ピックアップ回路の共振周波数を同調状態に向けて、または同調状態から離れるように移動させることを含むことが好ましい。これは、可変キャパシタまたはインダクタを制御することによって達成されることが最も好ましい。
【００２６】
本方法は、共振回路の電流または電圧の周波数を感知するステップを含むことが可能である。次いで、感知周波数は、共振回路の公称周波数と比較されて、感知負荷に応じて、公称周波数に向けて、または公称周波数から離れるように同調または脱同調されることが可能である。
【００２７】
反応要素は、反応要素の見かけのインダクタンスまたはキャパシタンスを変化させ、それにより共振回路を同調または脱同調させるために、共振回路の内外に選択的に切り替えられ得ることが可能である。
【００２８】
好ましい実施形態では、本方法は、共振回路の電圧または電流の位相を感知し、感知位相に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離することを含む。反応要素は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、共振回路に電気的に接続されることが可能である。
【００２９】
本方法は、共振回路の周波数を感知して、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するように、切替え手段を作動させることを含むことが可能である。
【００３０】
感知周波数は、共振回路を公称周波数に向けて、または公称周波数から離れるように同調させるために、所定の時間期間の変更を可能にするように、公称周波数と比較されることが可能である。
【００３１】
反応要素がインダクタを備える場合、本方法は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、反応要素を共振回路に接続するように切替え手段を作動させ、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、第２切替え手段が非活動化されることを可能にすることを含むことが可能である。所定の時間期間は、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間の範囲から選択されることが好ましく、ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間の範囲から選択されることが最も好ましい。
【００３２】
反応要素がキャパシタを備える場合、本方法は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、反応要素を共振回路から電気的に分離するように、切替え手段を作動させることを含むことが可能である。所定の時間期間は、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間の範囲から選択されることが好ましい。
【００３３】
本発明は、本明細書において開示される任意の新しい部分、特徴、または要素を備えてもよく、あるいはそのような部分、特徴、または要素の任意の新しい組合せを備えてもよいう。
【００３４】
本発明の一実施形態の１つまたは複数の例について、添付の図面を参照して以下において記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照すると、ＩＣＰＴ電源（無接点電源としても知られている）システムの基本的な構造が示されている。システムは、一般に、２つの電気絶縁部分を備える。第１部分は、電気エネルギー源に接続される入力４）を有する共振変換器２などの電源からなり、この例では、入力４は、５０Ｈｚの主電源に接続されることが可能である。第１部分は、共振変換器２から交流を供給される１次導電経路６をも含む。１次導電経路６は、一般に、細長い「トラック」の形態とされ、それに沿って、１つまたは複数の第２部分が配置される。この例では、変換器の主な機能は、トラック・ループにおいて正弦波の波形を有する４０ｋＨｚで約２０ａｍｐｓ  ｒｍｓの公称一定高周波数ＡＣ電流を供給することである。
【００３６】
第２部分は、１つまたは複数のピックアップ８からなり、それぞれが、コイル１０の形態に通常あるピックアップ伝導要素を含む。ピックアップは、トラック・ループからピックアップへの電力伝達を制御する制御装置１２をも含む。電力は、負荷１４に供給される。この例では、制御装置１２は、以下においてさらに記述されるように、本発明によるピックアップ回路を制御するために、マイクロコンピュータを備える。また、この例では、負荷１４は、迅速移動センサなどのセンサを備えることが可能である。そのようなセンサの一例は、産業環境における制御システムまたはプロセスを実施する情報を提供するために、トラック・ループ６の全長を迅速に移動することを必要とされる可能性があるカメラである。
【００３７】
１次導電経路６と２次ピックアップ・コイル１０との間の相互磁気結合のために、起電力が、ピックアップ・コイル１０において誘導される。次いで、この電圧は、２次電源の源となる。磁気結合は、通常の緊密な結合変圧器と比較して非常にゆるいので、誘導電圧は、直接的な使用には通常不適切である。したがって、負荷１４によって必要とされる形態において電力を規制する制御機構が必要である。図１を参照して議論された迅速移動センサの例では、センサによって必要とされるピックアップの出力は、通常、２４ボルトＤＣである。ＩＣＰＴシステムの動作および設計に関するさらなる情報が、オークランド・ユニサービシーズ・リミテッド（Ａｕｃｋｌａｎｄ  ＵｎｉＳｅｒｖｉｃｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）に譲渡された米国特許第５２９３３０８号（ボーイズ）の明細書において記載されている。
【００３８】
本発明の一実施形態によるピックアップ・トポロジの一例が、図２に示されている。この実施形態は、可変インダクタを含む。図２のトポロジは、平行同調ピックアップである。すなわち、同調キャパシタ２２は、ピックアップ・コイル１０と平行に接続される。可変インダクタ４０も、ピックアップ・コイルおよび同調キャパシタと平行に接続される。代替として、ピックアップ・コイルは、可変インダクタンスを提供するように、本発明により使用することができる。
【００３９】
図２において、脱同調要素は、反応構成要素を流れる電圧または電流を制御するために、２つのスイッチ４２および（４４）および適切なドライバ（図示せず）を有するインダクタンス４０を備える。
【００４０】
本発明者は、可変インダクタンスがピックアップ回路において提供されるような方式でインダクタを制御するために、たとえばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ、またはＢＪＴなどの迅速半導体スイッチを使用することができることを見出した。迅速スイッチは、ＩＣＰＴ電力システムにおいて使用される高周波数（１０〜１００ｋＨｚ）で必要とされる。しかし、これらのスイッチは、一方向の電流の流れ制御のみを有するＤＣスイッチである。交流に対処するために、図２のスイッチ４２および４４によって表される２つのそのようなＤＣスイッチを使用することが可能である。当業者なら、他の実施形態は、２つのスイッチではなく、適切な単一のスイッチを使用することができることを理解するであろう。
【００４１】
スイッチ４２および４４のそれぞれは、関連付けられた反平行ダイオード４６および４８をそれぞれ有し、それにより、交互インダクタ電流が両方向において流れることが可能になる。したがって、インダクタ４０は、負荷の大きさに応じて、回路を選択的に同調または脱同調させるように制御することができる。通常の負荷条件下において、インダクタは、ピックアップ回路が、必要な電力を伝達するために再び同調されるように、スイッチ「オフ」することができる。
【００４２】
スイッチ４２および４４は、インダクタ４０が位相制御されるように、ピックアップ共振回路の電流に応じて制御される。スイッチ４２および４４は、両方ともターン・オンされることによって、当初制御される。これにより、インダクタの電流は、印加電圧の方向に応じて、一方向において徐々に増大することが可能になる。したがって、ゼロ電流切替え（ＺＣＳ）ターン・オンが、本質的に達成される。ターン・オフされるときにゼロ電流切替えを達成するために、インダクタ電流は、環状変流器を使用する検出手段（Ｇｒｅｅｎ  Ａ．およびＢｏｙｓ  Ｊ．Ｔ．、「１０ｋＨｚ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｃｏｎｃｅｐｔ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ」、ＩＥＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｓｐｅｅｄ  Ｄｒｉｖｅｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｐｕｂ３９９、６９４〜６９９ページ、１９９４年、内容は引用によって本明細書に組み込まれている）、または他の高周波数電流センサによって検出され、スイッチは、反平行ダイオードが導電しているとき、ターン「オフ」されるのみである。このようにして、各スイッチ４２または４４は、ゼロ電流においてだけでなく、ほぼゼロの電圧条件（約１ボルトのダイオード電圧降下のみ）においても切り替えられる。したがって、切替え損失は、著しく低減され、位相制御インダクタにおいて導入される伝導損失は、無視可能である。
【００４３】
したがって、同調キャパシタＣｓは、１次導電経路の特定の供給周波数に同調されるピックアップを提供するように選択される。位相制御インダクタ４０の等価インダクタンスは、同調ピックアップ回路の全インダクタンスまたは実効インダクタンスを増大または減少させ、したがって回路の共振周波数を変化させるために、スイッチ４２および４４によって制御することができる。このようにして、ピックアップは、負荷が軽く、高電力がピックアップ回路を経て伝達されることを必要としないとき、共振から離れるように脱同調させることができる（すなわち、トラック周波数において）。同様に、ピックアップは、負荷が増大し、負荷の増大による要求を満たすために高電力伝達が必要とされる際に、トラック周波数に向けて同調させることができる。負荷の変化は、出力電圧Ｖ０を感知することによって簡単に検出することができるが、その理由は、ボーイズ（米国第５２９３３０８号）において開示されているように、十分な電力が供給されない場合、この電圧は降下するからである。Ｃｓの両端の共振ＡＣ電圧の位相も、検出手段４５を使用して検出され、その後、情報は、ゲート駆動制御装置４７に渡される。
【００４４】
本発明者は、適切な範囲の制御が、ピックアップ・コイル１０のインダクタンスの大きさの約５倍であるインダクタを使用する位相制御インダクタ４０で達成されることが可能であることを見出した。
【００４５】
図３ａから３ｃを参照すると、ピックアップ・コイル出力電圧ＶＯに対するインダクタ電流ＩＬの通常の電流波形が示されている。インダクタ電流の大きさは、スイッチ作動位相遅延角度に依存する。電圧源ＶＯの位相は、たとえばゼロ交差検出器を使用することによって検出される。以下の例におけるスイッチ作動の位相遅延角度は、ＶＯゼロ交差の検出から測定される。遅延角度が、図３ａに示されるように、０°と９０°との間にあるとき、電流は連続的であり、したがって、最大電流がインダクタを流れる。遅延角度が９０°と１８０°との間にあるとき、インダクタ電流は不連続である。インダクタを流れる基本電流ＩＬ１の大きさは、遅延角度が増大するにつれ、減少する。これは、遅延角度がそれぞれ１２０°および１３５°の場合である図３ｂおよび３ｃに示されている。基本電流ＩＬ１の大きさは、以下によって決定される。
【００４６】
【数１】
2007501600.tif 000003
上式で、（π／２≦α≦π）である。
【００４７】
高調波成分が無視される場合、位相制御インダクタの等価インダクタンスは、以下のようになる。
【００４８】
【数２】
2007501600.tif 000004
【００４９】
図４を参照すると、実効インダクタンスまたは等価インダクタンス対実際のインダクタンスと遅延角度との関係が示されている。制御インダクタの等価インダクタンスは、遅延角度が９０°のとき、自己インダクタンスに等しい（すなわち、比は１である）。等価インダクタンスは、遅延角度の対応する増大と共に増大する。
【００５０】
理論的には、遅延角度が１８０°以上に増大する場合、インダクタの電流はゼロになる、すなわち、等価インダクタンスは無限になる。この理由は、印加電圧が負であるために、活動スイッチが伝導することができないからである。実際には、遅延角度が１８０°に近づくとき、等価インダクタンスは、非常に急速に増大する。これにより、等価インダクタンスは実際の制御装置の設計に不適切になる。また、大きな遅延角度では、高調波成分は、長い不連続期間のために、基本電流と比較してより大きくなる。その結果、上記の式は、遅延角度が増大する場合の等価インダクタンスの計算について、より不正確になる。
【００５１】
したがって、実際の規制設計では、本発明者は、ほぼ９０°とほぼ１５０°との間において位相遅延角度を制御することによって制御を達成することが可能であることを見出したが、その理由は、１５０°を超える遅延角度が、インダクタをスイッチ・オフすることに本質的に等価であることを認識したからである。位相角度の制御は、各半サイクルにおいて所定の時間期間を提供し、その後、可変インダクタは、回路の残りに電気的に接続される。
【００５２】
したがって図２に示される回路により、可変インダクタは、遅延角度が９０°以下であるとき、インダクタが完全に「オン」であり、システムの周波数が利用可能な範囲の上限にあるように制御される。この理由は、全等価キャパシタンスが減少し、その結果、共振周波数がより高くなるように、インダクタが、同調キャパシタの或るキャパシタンスを消去するからである。対照的に、遅延角度が１８０°に近い、またはそれを超えるとき、インダクタは、システムの動作周波数が利用可能範囲の下限にあるように、有効にスイッチ・オフされる。上記で記述されたように、本発明者は、実際には、遅延角度が１５０°に近い、またはそれを超えるとき、インダクタは、有効にスイッチ・オフされ、したがって、実際の状況では、１５０°の遅延が、動作周波数範囲の他の限界を有効に確定することを見出した。９０°と１８０°との間（実際には９０°から１５０°）の遅延において、インダクタンスは、動作周波数を公称値に安定させることができるように、滑らかに制御される。したがって、負荷（および周波数シフトに影響を与える他のファクタのいずれか）の変化が周波数に影響を与え始める際に、遅延角度を変化させ、したがって共振回路の固有周波数を変化させるように、スイッチＳ１およびＳ２（図２）によって可変インダクタを制御することができる。このようにして、ピックアップは、１次導電経路の周波数に同調させることができ、または、ピックアップへの電力伝達が負荷によって必要とされないときであって、ピックアップへの電力伝達を低減することが必要である場合、その周波数から脱同調させることができる。制御機構は、共振回路電圧のゼロ交差およびそのような交差の方向、あるいは少なくとも電圧波形が正または負の半サイクルにあるかを検出する位相検出ユニット４５（ゼロ交差検出器を備えることが可能である）によって、図２において概略的に示されている。この情報は、スイッチ制御ユニット４７に供給される。ゼロ交差検出は、共振回路の周波数の測定も提供する。代替として、これは、他の手段によって、または別の回路によって測定することが可能である。情報は、ピックアップ共振回路の固有共振周波数をシステムの公称周波数（すなわち、１次導電経路に供給される周波数）に向けて同調させる、またはそれから脱同調させるように、可変インダクタの実効インダクタンスが変化されることを保証するために、可変インダクタＬの両端のスイッチ（図２のＳ１およびＳ２）を制御する制御ユニット４７（マイクロプロセッサを含むことが可能である）に供給される。
【００５３】
この制御戦術は、ピックアップが、単に負荷に応じて同調または脱同調されるように実施されることが可能である（たとえば、出力電圧ＶＯを監視することによって）。したがって、ピックアップは、１次導電経路が動作している周波数に向けて、またはそれから離れるように、動的に同調または脱同調させることができる。これは、１次経路の電流の周波数が、既知のシステムの場合のようには、適切な性能に必須ではないことを意味する。トラック周波数がどのようになるとしても、本発明は、ピックアップへの最大電力伝達（または、任意の所与の時間に負荷によって必要とされる電力伝達）を得ることが必要であれば、その周波数に同調させることができる。
【００５４】
本発明の他の利点は、ボーイズの明細書（米国特許第５２９３３０８号）において開示されている既知のピックアップ回路トポロジの短絡スイッチおよびダイオードが必要ではないことである。
【００５５】
可変インダクタンスを使用するのではなく、可変キャパシタンスを、図５に示されるように使用することが可能である。この図を参照すると、上記で記述された回路要素と同じまたは同様の回路要素が、同じ参照符号を使用して名称付けされている。図からわかるように、図２との相違は、可変インダクタンスではなく、可変キャパシタンス５０が使用されることである。可変インダクタの制御と同様に、可変キャパシタンスは、２つの切替え要素を介して同調キャパシタ２２の両端に接続されたキャパシタを備えることが好ましいが、唯一のスイッチを、簡略化された半波形制御を達成するために使用することが可能である。したがって、スイッチは、可変キャパシタの等価キャパシタンスを制御し、また、図２に関して上記で記述されたピックアップを同調または脱同調させるために制御されることが可能である。繰り返すが、同調キャパシタ２２を、可変キャパシタを提供するために、単独で使用することが可能である。
【００５６】
可変キャパシタンスが同調キャパシタ２２と平行に構成される回路が使用される場合（図５に示されるトポロジなど）、キャパシタ２２は、意図した１次電流周波数において共振を提供するように、負荷変化範囲に応じて、必要なキャパシタンスの約半分、または全キャパシタンスのあらゆる他のパーセンテージであるように選択されることが可能である。可変キャパシタは、同じ大きさ（すなわち、意図した１次電流周波数において共振を提供するために必要なキャパシタンスの半分）のキャパシタを備えることも可能である。これにより、妥当な制御を可能にするように、適切な範囲のキャパシタンスを提供することが可能になる。
【００５７】
図５に示される回路に対する簡略化された等価な回路が、図６に示され、以下の理論的な分析について補助するために使用することが可能である。
【００５８】
図６に示されるような簡略化モデルについて理想的には、定常状態においてシャント・スイッチＳを短絡せずに、出力電圧ＶＯを一定に維持するために、キャパシタは、以下に従って脱同調されるべきである。
【００５９】
【数３】
2007501600.tif 000005
上式で、Ｃｓは元の同調キャパシタンス（２２）、Ｑ（＝Ｒ／ωＬｓ）は負荷の変化を反映する等号ファクタ、ｋは開回路電圧ＶＯＣから出力電圧ＶＯへの実際に必要なブースト・アップ・ファクタである、すなわち、ｋ＝ＶＯ／ＶＯＣである。
【００６０】
式（１）から、負荷変化（Ｑについて）と同調キャパシタ（元の同調キャパシタに関して）との関係が計算され、図７に示されている。
【００６１】
図７から、脱同調条件下において、Ｑは、出力電圧を一定に維持するために、ｋより大きくなければならないことがわかる。負荷がない場合、Ｑは無限である。ｋ（およびしたがって出力電圧ＶＯ）を負荷の変化に対して一定に維持するために、Ｃｅｑは、動的に同調される。最小キャパシタは、以下によって決定される。
【００６２】
【数４】
2007501600.tif 000006
【００６３】
必要な電圧ブースト・ファクタｋが大きくなると、必要とされるキャパシタ同調比は小さくなることが明らかである。この理由は、ブースト・ファクタが大きいとき、負荷変化に対して回路がより鋭敏になるからである。そのような特性は、電力ピックアップ・サイズを最小限に抑えるために望ましいが、その理由は、開回路電圧をより小さくすることができるからである。
【００６４】
図８ａおよび８ｂは、制御可変キャパシタの通常の電圧および電流の波形を示す。図５を参照すると、制御位相角度（スイッチ・オフに関する）がゼロ電気度であるときの状況に対応して、２つのスイッチＳ１およびＳ２が常にオンであるとき、電流は９０電気度であり、図８ａに示されるように、２つのキャパシタの両端の全共振電圧をもたらす。位相角度が０〜９０度の間において制御されるとき、キャパシタＣｖは、ある期間分離される。たとえば、図８ｂは、データ制御信号、Ｃｖの両端の電圧（Ｖｃｖ）、Ｃｓの両端の電圧（Ｖｃｓ）、および位相角度が約３０度であるときの状況についてＣｖを流れる電流（ｉｃｖ）を示す。スイッチがオフであるとき、Ｃｖの両端の電圧は、一定に維持され、電流はゼロである。スイッチがオンであるように制御されるとき、電圧は、全共振電圧に等しく、電流が、キャパシタＣｖを流れる。位相角度は、分離が行われた後の制御可能な所定の時間間隔を提供する。位相角度が９０度に等しい、またはそれを超える場合、キャパシタは、本質的に常時オフである。したがって、位相角度を制御することによって、キャパシタＣｖの伝導期間は、実効キャパシタンスが０と最大値との間において変化するように、制御される。
【００６５】
したがって、可変インダクタに関して上記で記述されたように、可変キャパシタの実効キャパシタンスは、ピックアップ共振回路の固有共振周波数をシステムの公称周波数（すなわち、１次導電回路に供給される周波数）に向けて、またはそれから離れるように同調または脱同調させるように変化されることが可能である。
【００６６】
無接点電源応用分野の動的電力制御回路が、提案されている。これは、可変切替えキャパシタまたはインダクタをＩＣＰＴ電源システムの２次共振回路に導入することによって達成された。
【００６７】
本発明により、改良されたＩＣＰＴ電源システムが可能になるが、その理由は、本発明によるピックアップが、既知の（不十分な周波数規制された）１次電源と共に使用されることが可能であるからである。さらに、本発明は、ピックアップの効率を向上させる。
【００６８】
従来の導電経路が望ましくない環境における、センサを含む様々な負荷への電気エネルギーの送達を含めて、本発明の応用分野は広範である。例には、清浄室環境における生産設備、迅速移動センサなどの移動装置（たとえば、ロボット、光学センサ）、電池の充電または放電、林業（たとえば、センサ）、バイオインプラント、水中（すなわち、耐水性要件）、危険（たとえば、爆発要件）、および鉱業環境（たとえば、照明、センサ）があり、従来の導電要素が安全ではなく、不都合であり、または高価な磨耗を被る場合である。
【００６９】
他の例として、本発明は、モバイルコンピューティングデバイスおよびモバイル通信デバイスなどのデスクトップ機器に無線で給電、充電、または再充電するために使用されることが可能である。本発明による１次導電経路は、マウス・パッドにおいて、あるいはデスクトップまたは作業表面において、もしくはその下において提供することができる。本発明によるピックアップは、マウス、モバイル電話、またはラップトップ・コンピュータに設けることが可能であり、それにより、デバイスを動作するために、および／またはデバイスの電池に充電するために、電力をデバイスに伝達するようにピックアップを使用することができる。複数のデバイス（たとえば、マウスおよびモバイル電話、ならびにおそらくはコンピュータ）を充電するために使用されることが可能である環境において１次導電経路を配置することに付随する問題は、負荷が、給電されるデイバスの数、およびデバイスが導電経路にどの程度近接しているかに非常に大きく依存する可能性があることである。近傍金属物体の配置などの外部の負荷も、著しい負荷変化を創出する可能性がある。本発明は、必要な性能が達成されることを可能にするように、負荷の変化を補償することができる同調ピックアップを提供することを可能にすることによって、これらの問題を克服する。
【００７０】
本発明によるピックアップ・ユニットが、モバイル電話、パーソナル・デジタル・アシスタント、あるいはノートブック・コンピュータまたはラップトップ・コンピュータなど、様々なデバイスに取り付けられるように提供されることが可能である。たとえば、ピックアップ・ユニットが、パーソナル・デジタル・アシスタントと係合する「クレードル」の形態で提供されることが可能であり、クレードルは、パーソナル・デジタル・アシスタントまたは他のコンピュータの上の充電ポートに接続される電気コネクタを有する。同様に、ピックアップが、ラップトップ・コンピュータのベース、またはセルラ電話などの他のデバイスのベースの上に添付され、関連デバイスの充電ポートと接続されるユニットにおいて提供されることが可能である。このようにして、ピックアップ・ユニットは、既存の電気デバイスと共に使用されることが可能である。代替として、ピックアップ・ユニットは、製造中にデバイスに直接組み込まれることが可能である。
【００７１】
各ピックアップ・ユニットのピックアップ・コイルは、アモルファス磁気材料に隣接して提供されることが好ましい。たとえば、一実施形態では、ピックアップ・コイルは、ほぼ平坦なフェライト・コアの回りに巻かれた銅ワイヤなどの導体を備えることが可能である。このようにして、改良された磁束経路が、ピックアップ・コイルの周辺において磁束を誘導して、１次導電経路とピックアップ・コイルとの間の結合を改善するために提供される。代替として、コイルは、たとえばボードに添付されたフェライト・コアなどのアモルファス材料で、印刷回路板上において１つまたは複数のトラックとしてエッチングされることが可能である。コイルとは別に、ピックアップ・システムを実施するために必要な電子構成要素は、非常に小さい空間において提供されることが可能であり、それにより、ピックアップは、上記で記述されたような既存の電子デバイスに組み込まれるように、またはそのようなデバイスに添付されるように、非常に小さいユニットにおいて物理的に限定されることが可能である。
【００７２】
ピックアップの共振またはタンク回路は、選択的に同調または脱同調させることができるので、本発明は、ゆるくまたは緊密に結合されたシステムにおいて実施されることが可能である。さらに、電池なしの負荷に供給することが可能であり、または電池を再充電するために使用されることが可能である。バイオインプラントなどのいくつかの応用分野では、ピックアップが、ピックアップによって充電または給電することができるスーパー・キャパシタを含むことが可能である。
【００７３】
ＩＣＰＴシステムに関して、本発明は、様々な異なる形態を取ることが可能である１次導電経路からエネルギーを受け取るために使用されることが可能である。たとえば、図８を参照すると、ほぼ平面のハウジング６０が示されており、この内部に、導体６２が配置される。この図からわかるように、導体３６は、導電材料のループまたはコイルの形態において提供されることが可能である。最も好ましい実施形態では、導電材料のいくつかのターンが提供され、導体接続ケーブル６４は、以上の実施形態の１つまたは複数において記述された変換器を含む電源に接続されるように、適切な位置においてユニットの外に出される。所望であれば、ケーブル６４は、電源に関連付けられた対応するソケットまたはプラグと電気的に接続されるように、終端にプラグまたはソケットを設けることが可能である。代替として、図示されていないが、変換器は、ハウジング内において提供されることが可能である。したがって、ハウジングは、主交流電源に接続される外部導体を含むことが可能であり、ハウジング内の変換器が、適切なＤＣ源を提供するように、主電源を整流およびろ過することが可能であり、変換器は、次いで、必要なＡＣ電源を導体６２に提供するように、共振回路によってこのＤＣ源を切り替える。
【００７４】
好ましい実施形態では、パッド６０は、マウスなどの「ポイント・アンド・クリック」デバイスに一般的に使用されるパッドを備えることが可能であり、あるいは、デスクトップ表面または同様の表面の一部を備えることができる。たとえば、ハウジング６０は、航空機、列車、バスなどの車両において、フード・トレイまたは作業表面（折りたたみフード・トレイなど）の一部として提供されることが可能である。ハウジング６０は、石台座、壁タイル（加熱に使用される）、またはスパ、サウナ、浴室などのタオル・ラック（乾燥に使用される）の一部とすることもできる。また、うさぎ、ねずみなどの動物の体内に埋め込まれたものに電力を提供するために動物ケージに使用することもできる。ハウジングの本体は、非導電性材料から構築されることが好ましいが、装置の１つまたは複数の部分として、あるいは装置全体として、アモルファス磁気材料３６を含むことが可能である。そのような材料は、適切な磁束経路を提供することができ、それにより、２次装置は、ハウジング６０の周辺に、最も好ましくはハウジングの表面６８上に配置することが可能であり、コイル６２から相互誘導によって給電されることが可能である。ハウジング６０は、水中でも機能することができる。
【００７５】
ハウジング６０と関連して使用される２次ピックアップ・デバイスを含むことが可能である装置としては、１つまたは複数の電池によって通常給電される様々なデバイスが含まれるが、コードレス動作を有することが好都合である他のデバイスも含まれ得る。そのようなデバイスとしては、「ポイント・アンド・クリック」デバイス（たとえば、マウス）、セルラ電話デバイス、ＰＤＡ、ノートブックまたはラップトップ、電気歯ブラシ、電気シェーバなどが含まれる。
【００７６】
これらのデバイスは、ピックアップがコイル６２からピックアップ・コイルにおいて誘導される電力によって充電する充電可能セルまたはセル電池を含むことが可能である。代替として、デバイス（たとえば、マウス）は、そのような電池を必要としないものであることが可能であるが、その理由は、デバイスは、コイル６２の周辺においてのみ使用されるからである。したがって、電源は、電池および電池の装備されていないピックアップに給電するために使用されることが可能である。
【００７７】
さらに、ユニット６０は、代替として、または導体６２の他に、エネルギーが供給されるデバイスを配置するための特定領域を含むことが可能である。たとえば、１つまたは複数の強磁性コアを、上面６８に設けられた電力を受取るデバイスが配置されるべき場所を示す様々なマークと共に、ユニット６０内に設けることが可能である。上面６８は、電力を受取るデバイスを受領または収容するように、（たとえば、適切に成型されることによって）形成または輪郭付けしてもよい。したがって、本発明は、ゆるいおよび緊密な結合システムの両方に適用可能である。本発明によって提供されるピックアップにより、この柔軟性が可能になるが、その理由は、結合強度の結果として生じ、１次導電経路の電源周波数に影響を与える負荷の変化は、各ピックアップによって対応することができるからである。
【００７８】
本発明の使用は、いくつかの異なるデバイスが、コイル６２によって給電されるように、ハウジング６０の上に配置されることが可能であるという利点を有する。これらの複数のデバイスは、電源に対する負荷を増大させ、通常、電源周波数に影響を与える可能性がある。しかし、本発明によって提供される動的タンク回路同調は、複数の負荷または負荷の変化が、システムの性能に影響を与えないことを意味する。
【００７９】
当業者なら、ハウジング６０内の１次導電経路６２が、様々な異なる形態を取ることが可能であることを理解するであろう。具体的には、それに応じて別々のハウジングは必要とされない。いくつかの状況では、必要とされる可能性のあるのは、たとえばデスクトップなどの適切な表面の下面の内において、または下面に付して提供される導体６２だけである。また、コイルとして構成される１次導体を有するのではなく、いくつかの異なる構成が可能である。たとえば、導電経路を、印刷回路板などの適切な基板上においてエッチングまたは印刷することが可能であり、導電経路は、静止または移動することが可能である１つの望ましい磁束経路または複数の望ましい磁束経路を提供するように構成されることが可能である。たとえば、磁束経路は、ピックアップ・デバイスを、導電経路３２に隣接する様々な異なる位置または配向に配置しても、依然として、必要な負荷を供給するのに十分なエネルギーを受け取ることを可能にするために、パッドが「回転する」ように設計することが可能である。
【００８０】
図９を参照すると、ＩＣＰＴ電源の１次導電経路の他の実施形態が示されている。この実施形態では、１次導電経路は、全体的に７０で参照され、電流供給プッシュプル共振変換器などの共振変換器を含むことが可能である電源７２によって供給される。
【００８１】
１次導電経路７０は、導電材料のループを単に備えることが可能である。この材料は、たとえば銅ワイヤなどマルチストランド導電材料であることが好ましい。しかし、図９に示されるように、ピックアップが１次導電経路７０に対して静止している応用分野では、１次導電経路は、それらのピックアップへの電力伝達を最適化するように適合されることが好ましい可能性がある。経路に対して静止しているピックアップに供給するために、１次導電経路を使用する例には、ボート、水泳プールまたは浴槽、建物、あるいは車両におけるＩＣＰＴシステムの使用がある。ボートの例を取ると、１次導電経路は、製造中にボートにおいて提供されることが可能である。このようにして、１次導電経路は、損傷を受けないように物理的かつ電気的に絶縁され、構造の外見を損なわないように隠される。電力は、ボート構造の一体性を損なうことなしに、ボート内またはボート上に取り付けられたピックアップ・デバイスに送達することができる。特に、深度センサまたは速度センサなどの機器を装備するために、外郭を貫通させる必要がない。代替として、１次導電経路を、製造後にボートに組み込まれることが可能である。
【００８２】
ボート上の１次導電経路からピックアップへの電力伝達を容易にするために、１次導電経路を、ボートの構造に関する様々な所定の位置において修正することが可能である。たとえば、ピックアップ７４（たとえば、ナビゲーション・ライトを備えることが可能である）の周辺において、導電経路は、ピックアップ７４への電力伝達を容易にするために、増大された磁場の細長い領域または分散領域を提供するように、位置７６において広げることが可能である。同様に、位置７８において、ピックアップ８０によって給電されることが可能である機器パネルなど、より著しいエネルギー要件を必要とする可能性があるピックアップへのデータ転送を容易にするために、導電材料の１つまたは複数のターンを１次導体に含ませることが可能である（たとえば、１次導体をループにすることによって）。したがって、相対的に強い磁場強度の「ホットスポット」または領域が創出される。同様に、他の「ホットスポット」を、ピックアップ８４および８６などの２つ以上のピックアップに給電するために、１次導電経路の位置８２に設けてもよい。必要であれば、２つ以上の「ホットスポット」を、たとえば電池充電デバイスなどのより重要な電力要件を有するピックアップ９２に給電することができる領域８８および９０によって示されるように、提供してもよい。最後に、より低い電力要件を有する可能性があり、かつ１次導電経路に対して移動することが必要である可能性があるデバイスに供給するために、領域９４など、修正されていない１次導電経路の簡単な細長い領域を使用することができる。たとえば、ピックアップ９６によって供給され、かつボートのマストの上において提供されるナビゲーション・ライトの位置は、時間ごとに変更される必要がある可能性があり、したがって、ボートのマストには１次導体９４をそのまま延ばして提供してもよく、それにより、ピックアップの特性が、マストの関連部分に沿って一様になる。
【００８３】
本発明の他の応用分野には、生物学的研究または医薬品試験のインプラントなどの生物工学的応用分野、耐水性応用分野、耐爆発性応用分野、鉱業（たとえば、照明、センサ）、林業（たとえば、センサ）、移動センサ応用分野（たとえば、ロボット、光学センサ）、加熱システム（たとえば、シート加熱、タオル乾燥）がある。
【００８４】
上記で記述されたように、本発明は、電池を含む、または電池のないピックアップに供給するために使用されることが可能である。さらに、ピックアップは、エネルギー貯蔵デバイスとしてスーパー・キャパシタを含むことが可能であり、これは、非常に迅速に充電／放電することができ、非常に安全で、ほとんど保全を必要せず、長期寿命スパンを有する。
【００８５】
本発明の好ましい特徴は、本発明のすべての態様に適用可能であり、あらゆる可能な組合せにおいて使用されることが可能である。たとえば、当業者なら、制御可変反応要素は、直列同調ピックアップまたは並列同調ピックアップにおいて使用されることが可能であることを理解するであろう。また、可変反応要素は、ピックアップ・コイルまたは同調キャパシタを備えることが可能である。
【００８６】
「備える」、「有する」、または「含む」という用語、あるいは備えるおよび備えているなど、これらの用語の変形が、この文献において使用される場合、これらは、包含的な意味で解釈される。すなわち、文脈が反対のことを明らかに記述するのではない限り、「含むが、限定されない」ことを意味することを意図する。
【００８７】
以上の記述において言及された本発明の特定の構成要素またはユニットが既知の等価物を有する場合、そのような等価物は、本明細書に個々に記述されているものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】既知のＩＣＰＴシステムの基本構造を示す図である。
【図２】ＩＣＰＴ電源の可変インダクタを含むピックアップ回路トポロジを示す図である。
【図３】ａは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。ｂは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。ｃは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。
【図４】図２の制御インダクタについて遅延角度に対する等価インダクタンスの変化のプロットを示す図である。
【図５】ＩＣＰＴ電源の可変キャパシタを含むピックアップ回路トポロジを示す図である。
【図６】図５の回路の簡略化された回路図である。
【図７】図６の回路について、Ｑファクタに対する等価キャパシタンスを示すグラフである。
【図８】aは、図５の制御可変キャパシタに関する電圧および電流の波形を示す図である。ｂは、図５の制御可変キャパシタに関する電圧および電流の波形を示す図である。
【図９】ＩＣＰＴシステムの集中１次導電経路を含むデバイスの透視図である。
【図１０】ＩＣＰＴシステムの１次導電経路の形態を示す図である。
【図１】
2007501600.tif 000007
【図２】
2007501600.tif 000008
【図３ａ】
2007501600.tif 000009
【図３ｂ】
2007501600.tif 000010
【図３ｃ】
2007501600.tif 000011
【図４】
2007501600.tif 000012
【図５】
2007501600.tif 000013
【図６】
2007501600.tif 000014
【図７】
2007501600.tif 000015
【図８ａ】
2007501600.tif 000016
【図８ｂ】
2007501600.tif 000017
【図９】
2007501600.tif 000018
【図１０】
2007501600.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月23日(2005.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路を有するＩＣＰＴピックアップであって、前記負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じて前記ピックアップへの電力の伝達を制御するために、前記ピックアップ回路の前記容量要素または前記誘導要素の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、前記感知手段によって感知された前記負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有するＩＣＰＴピックアップ。
【請求項２】
前記制御手段が、反応要素と、前記反応要素が前記ピックアップ回路に選択的に電気的に接続されることを可能にする切替え手段とを含む、請求項１に記載のピックアップ。
【請求項３】
前記制御手段が、前記反応要素の見かけのキャパシタンスまたはインダクタンスが変化され、それにより前記ピックアップ回路を同調または脱同調させるために、前記切替え手段を制御するように動作可能である、請求項２に記載のピックアップ。
【請求項４】
前記感知手段が、前記負荷によって必要とされる前記電力を感知する、請求項１から３のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項５】
前記共振回路の電圧または電流の位相を感知する位相感知手段を含み、それにより、感知位相に応じて、前記反応要素が電気的に前記共振回路に接続されるか、または前記共振回路から分離されることを可能にするように、前記制御手段が、前記切替え手段を作動させることが可能である、請求項２から４のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項６】
前記反応要素が、インダクタを備え、前記位相感知手段が、前記共振回路の電圧を感知し、スイッチ制御手段が、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記インダクタを電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を切り替えるように動作可能である、請求項５に記載のピックアップ。
【請求項７】
前記共振回路の周波数を感知する周波数感知手段を含み、それにより、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記制御手段が、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項４または５に記載のピックアップ。
【請求項８】
前記位相感知手段が、前記共振回路の周波数を感知し、それにより、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記制御手段が、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項４または５に記載のピックアップ。
【請求項９】
前記制御手段が、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、前記インダクタを前記共振回路に接続するように前記第２切替え手段を作動させ、また、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、前記切替え手段が非活動化されることを可能にするように適合される、請求項６から８のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１０】
前記制御手段が、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項６から９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１１】
前記制御手段が、ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項６から９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１２】
前記インダクタが、前記共振回路の同調キャパシタと平行に接続されている、請求項６から１１のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１３】
前記インダクタが、２つの端子を有し、前記第２切替え手段が、２つの制御可能半導体切替え要素を備え、１つの切替え要素が、各端子と前記共振回路との間において接続される、請求項６から１２のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項１４】
各切替え要素が、その両端に接続された反平行ダイオードを有する、請求項１３に記載のピックアップ。
【請求項１５】
前記半導体スイッチ要素が、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＭＣＴ、ＢＪＴを備える、請求項１３または１４に記載のピックアップ。
【請求項１６】
前記インダクタが、ピックアップ・コイルを備える、請求項３に記載のピックアップ。
【請求項１７】
前記反応要素が、キャパシタを備え、前記位相感知手段が、前記共振回路の電圧を感知し、前記スイッチ制御手段が、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記キャパシタを電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を切り替えるように動作可能である、請求項５に記載のピックアップ。
【請求項１８】
前記共振回路の周波数を感知する周波数感知手段を含み、それにより、前記制御手段が、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項１７に記載のピックアップ。
【請求項１９】
前記位相感知手段が、前記共振回路の周波数を感知し、それにより、前記制御手段が、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを可能にするように、前記スイッチ手段を作動させることが可能である、請求項１７に記載のピックアップ。
【請求項２０】
前記制御手段が、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、前記キャパシタを前記共振回路から分離するために、前記切替え手段を作動させるように適合される、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２１】
前記制御手段が、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間において、前記所定の時間期間を変化させることができる、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２２】
前記キャパシタが、前記共振回路の同調キャパシタと並列に接続される、請求項１７から２１のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２３】
前記キャパシタのキャパシタンスが、前記同調キャパシタのキャパシタンスとほぼ等しい、請求項２２に記載のピックアップ。
【請求項２４】
前記キャパシタが、２つの端子を有し、前記切替え手段が、２つの制御可能半導体切替え要素を備え、１つの切替え要素が、各端子と前記共振回路との間において接続される、請求項１７から２３のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２５】
各切替え要素が、両端に接続された反平行ダイオードを有する、請求項２４に記載のピックアップ。
【請求項２６】
前記半導体スイッチ要素が、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＢＪＴを備える、請求項２４または２５に記載のピックアップ。
【請求項２７】
可変リアクタンスが、前記共振回路の前記同調キャパシタを備える、請求項１７から２１のいずれか一項に記載のピックアップ。
【請求項２８】
ａ．ＩＣＰＴシステムの１次導電経路に交流を提供する共振変換器を備える電源と、
ｂ．１つまたは複数の２次ピックアップとを含み、各ピックアップが、負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路と、前記負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じてピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の容量要素または誘導要素の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、前記感知手段によって感知される前記負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有する、ＩＣＰＴシステム。
【請求項２９】
前記１次導電経路が、導電材料の１つまたは複数のターンを備える、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３０】
前記１次導電経路が、ほぼ平面の表面の下に設けられる、請求項２９に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３１】
前記１次導電経路が、経路の１つまたは複数の他の周りの領域より磁場の強度が大きい少なくとも１つの領域を含む、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３２】
前記１次導電経路が、１つまたは複数の集中インダクタンス、または１つ若しくは複数の分散されたインダクタンスを含む、請求項２８に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３３】
前記１次導電経路が、望ましい磁束経路を提供するために、アモルファス磁気材料に隣接して取り付けられる、請求項２８から３２のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３４】
前記ピックアップが、望ましい磁束経路を提供するために、前記ピックアップ・コイルに隣接してアモルファス磁気材料を含む、請求項２８から３３のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３５】
前記ピックアップが、電池なしである、請求項２８から３４のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３６】
前記ピックアップが、スーパー・キャパシタを含む、請求項２８から３４のいずれか一項に記載のＩＣＰＴシステム。
【請求項３７】
ＩＣＰＴピックアップによって引き出される電力を制御する方法であって、前記ピックアップの負荷の状態を感知するステップと、感知した負荷の状態に応じて、前記ピックアップ回路を選択的に同調または脱同調させるステップとを含む方法。
【請求項３８】
前記ピックアップ回路を同調または脱同調させる前記ステップが、前記ピックアップ回路の前記共振周波数を同調状態に向けて、または同調状態から離れるように移動させることを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記ピックアップ回路を同調または脱同調させる前記ステップが、可変キャパシタまたはインダクタを制御するステップを含む、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記共振回路の電流または電圧の周波数を感知するステップを含む、請求項３７から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
感知周波数を前記共振回路の公称周波数と比較して、感知負荷に応じて、前記公称周波数に向けて、または前記公称周波数から離れるように同調または脱同調させるステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記反応要素の見かけのインダクタンスまたはキャパシタンスを変化させ、それにより、前記共振回路を同調または脱同調させるために、反応要素を前記共振回路の内外に選択的に切り替えるステップを含む、請求項３７から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記共振回路の電圧または電流の位相を感知して、感知位相に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
電圧の前記位相が感知され、前記反応要素が、感知電圧ゼロ交差後所定の時間期間、前記共振回路に電気的に接続される、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記共振回路の周波数を感知して、前記共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、前記反応要素を電気的に前記共振回路に接続するか、または前記共振回路から分離するように、切替え手段を作動させることを含む、請求項４２から４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記感知周波数を公称周波数と比較して、前記共振回路を前記公称周波数に向けて、または前記公称周波数から離れるように同調させるために、前記所定の時間期間を変化させることを含む、請求項４２から４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
電圧ゼロ交差が経過したのに続いて前記所定の時間期間後、前記反応要素を前記共振回路に接続するように切替え手段を作動させ、前記電圧がほぼゼロに再び到達するとき、前記第２切替え手段が非活動化されることを可能にすることを含む、請求項４２から４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間の範囲から、所定の時間期間を選択することを含む、請求項４２から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間の範囲から、所定の時間期間を選択することを含む、請求項４２から４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
電圧の前記位相を感知して、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、前記反応要素を前記共振回路から電気的に分離することを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項５１】
前記反応要素が、キャパシタを備え、前記所定の時間期間が、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間の範囲から選択される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述されたピックアップ。
【請求項５３】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述されたＩＣＰＴシステム。
【請求項５４】
添付の図面に示される実施形態のいずれか１つに関して実質的に本明細書において記述された電力を制御する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導結合電力伝達（ＩＣＰＴ）システムおよびそのようなシステムの電力ピックアップに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣＰＴ電力システム（無接点電源としても既知である）が、材料処理、照明、および輸送産業などの応用分野において重要な利点を有することが既知である。これらの電源の使用が有利である高電力システムおよび低電力システムの両方において、多くの応用分野が存在する。
【０００３】
ＩＣＰＴシステムは、電源から交流を供給される１次導電路を有する。１つまたは複数の２次デバイス（ピックアップと呼ばれることが可能である）が、１次経路に隣接するが、電気的に絶縁されて提供される。ピックアップは、１次経路に関連付けられた磁場によって電圧が誘起されるピックアップを有し、たとえば電気モータ、ライト、またはセンサなどに負荷を供給する。ピックアップ・コイルは、ピックアップへの電力伝達を増大させるように、同調キャパシタを使用して一般に同調される。
【０００４】
既存のＩＣＰＴシステムに付随する問題は、モータがピックアップによって供給され、制御システムからのコマンドを待機している間、空転するときなど、ピックアップに軽量に負荷がかけられるとき、ピックアップに伝達される電力を制御することである。この制御問題に対する解決法は、必要時にピックアップを分離し、したがって、１次導電路からピックアップへの電力の流れを防止するために、ピックアップ・コイルの両端に短絡スイッチを使用することである。この手法は、オークランド・ユニサービシーズ・リミテッド（Ａｕｃｋｌａｎｄ  ＵｎｉＳｅｒｖｉｃｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）に譲渡された米国特許第５２９３３０８号の明細書に記載されている。しかし、この明細書は、軽度に負荷をかけられたピックアップの制御問題に対処するが、短絡スイッチにより、具体的には軽度の負荷において、大きな導電損失が生じるが、その理由は、短絡スイッチは、軽度負荷状況においてほぼ常に伝導しているからである。
【０００５】
ＩＣＰＴシステムに付随する他の問題は、１次経路における電流の周波数の変化である。周波数ドリフトにより、１次経路の電流は揺らぐことがあり、それにより、ピックアップに伝達される電力の制御に付随する問題が生じる。周波数ドリフトは、ピックアップの同調、特に固定周波数同調を使用するピックアップの同調に著しい影響を与えることがあることがより重要である。これにより、電力を有効に伝達するシステムの能力が低減される。周波数ドリフトは、多くのファクタによって生じることがある。最も明らかなのは、負荷の変化であるが、回路のパラメータの変化も、重要であることがある。
【０００６】
負荷変化によって生じる１次導電路における周波数の変化を補償する１つの手法は、複数の個々のキャパシタを提供し、個々のキャパシタを１次電源回路の内外に切り替えるものである。この手法は、最近発表された米国特許出願ＵＳ２００３／０２１０１０６において呈示されている。これは、高Ｑシステムでは欠点を有するが、その理由は、多くのキャパシタが必要であるからである。また、負荷変化は、システムが有効に機能するように限定されなければならない。
【０００７】
他の手法は、１次導電路について、第３世代（Ｇ３）電源などのより複雑な電源を使用するものである。これは高価であり、そのような電源は、小型化には適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、既存のシステムによって受ける欠点の１つまたは複数を軽減し、または有用な代替案を大衆に少なくとも提供する、ＩＣＰＴ電源を制御する方法または装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
したがって、一態様において、本発明は、負荷に供給するために１次導電路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路を有するＩＣＰＴピックアップであって、負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じて、ピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の容量要素または誘導要素の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、感知手段によって感知された負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有するＩＣＰＴピックアップを提供する。
【００１０】
制御手段は、反応要素がピックアップ回路に選択的に電気的に接続されることを可能にするために、反応要素および切替え手段を含むことが可能である。制御手段は、反応要素の見かけのキャパシタンスまたはインダクタンスが変化され、それにより、ピックアップ回路を同調または脱同調するために、切替え手段を制御するように動作可能であることが好ましい。
【００１１】
位相感知手段が、共振回路の電圧または電流の位相を感知するために提供されることが可能であり、それにより、制御手段は、感知位相に応じて、反応要素が電気的に共振回路に接続されるか、または共振回路から分離されることを可能にするように、切替え手段を作動させることが可能である。
【００１２】
反応要素は、インダクタを備えることが可能であり、位相感知手段は、共振回路の電圧を感知することができ、スイッチ制御手段は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、インダクタを電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するために、第２切替え手段を切り替えるように動作可能である。
【００１３】
反応要素は、代替としてキャパシタを備えることが可能であり、位相感知手段は、共振回路の電圧を感知することができ、スイッチ制御手段は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、インダクタを電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するために、第２切替え手段を切り替えるように動作可能である。
【００１４】
周波数感知手段が、共振回路の周波数を感知するために提供されることが好ましい。これにより、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離することを可能にするように、制御手段がスイッチ手段を作動させることが可能になる可能性がある。
【００１５】
位相感知手段は、共振回路の周波数を感知することも可能である。
【００１６】
制御手段は、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素が電気的に共振回路に接続されるか、または共振回路から分離されることを可能にするように、スイッチ手段を作動させることが可能である。
【００１７】
反応要素がインダクタを備える場合、制御手段は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、インダクタを共振回路に接続するように第２切替え手段を作動させ、また、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、第２切替え手段が非活動化されることを可能にするように適合される。制御手段は、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間において、最も好ましくはほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間において、所定の時間期間を変化させることができる。
【００１８】
反応要素がキャパシタを備える場合、制御手段は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定に時間期間後、キャパシタを共振回路から分離するために、第２切替え手段を作動させるように適合される。制御手段は、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間において、所定の時間期間を変化させることができる。
【００１９】
他の態様において、本発明は、
ａ．交流をＩＣＰＴシステムの１次導電経路に提供する共振変換器を備える電源と、
ｂ．１つまたは複数の２次ピックアップとを含み、各ピックアップが、負荷に供給するために、１次導電経路に関連付けられた磁場から電力を受け取るように適合された容量要素および誘導要素を含むピックアップ共振回路と、負荷の状態を感知する感知手段と、感知された負荷の状態に応じてピックアップへの電力の伝達を制御するために、ピックアップ回路の容量要素または誘導要素の実効キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、感知手段によって感知された負荷に応答してピックアップを選択的に同調または脱同調させる制御手段とを有する、ＩＣＰＴシステムを提供する。
【００２０】
１次導電経路は、導電材料の１つまたは複数のターンを備え、ほぼ平面の表面の下に設けられることが可能である。
【００２１】
１次導電経路は、経路の１つまたは複数の他の周りの領域より磁場の強度が大きい少なくとも１つの領域を含むことが可能である。経路は、１つまたは複数の集中インダクタンス、または１つ若しくは複数の分散されたインダクタンスを有することによって、これを達成することが可能である。
【００２２】
好ましい実施形態では、１次導電経路は、望ましい磁束経路を提供するように、アモルファス磁気材料に隣接して取り付けられる。
【００２３】
ピックアップは、望ましい磁束経路を提供するように、ピックアップ・コイルに隣接するアモルファス磁気材料を含むことも可能である。
【００２４】
他の態様において、本発明は、ＩＣＰＴピックアップによって引き出される電力を制御する方法を提供し、この方法は、ピックアップの負荷の状態を感知するステップと、感知した負荷の状態に応じて、ピックアップ回路を選択的に同調または脱同調させるステップとを含む。
【００２５】
ピックアップ回路を同調または脱同調させるステップは、ピックアップ回路の共振周波数を同調状態に向けて、または同調状態から離れるように移動させることを含むことが好ましい。これは、可変キャパシタまたはインダクタを制御することによって達成されることが最も好ましい。
【００２６】
本方法は、共振回路の電流または電圧の周波数を感知するステップを含むことが可能である。次いで、感知周波数は、共振回路の公称周波数と比較されて、感知負荷に応じて、公称周波数に向けて、または公称周波数から離れるように同調または脱同調されることが可能である。
【００２７】
反応要素は、反応要素の見かけのインダクタンスまたはキャパシタンスを変化させ、それにより共振回路を同調または脱同調させるために、共振回路の内外に選択的に切り替えられ得ることが可能である。
【００２８】
好ましい実施形態では、本方法は、共振回路の電圧または電流の位相を感知し、感知位相に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離することを含む。反応要素は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、共振回路に電気的に接続されることが可能である。
【００２９】
本方法は、共振回路の周波数を感知して、共振回路の固有共振周波数を変化させるために、感知周波数に応じて、反応要素を電気的に共振回路に接続するか、または共振回路から分離するように、切替え手段を作動させることを含むことが可能である。
【００３０】
感知周波数は、共振回路を公称周波数に向けて、または公称周波数から離れるように同調させるために、所定の時間期間の変更を可能にするように、公称周波数と比較されることが可能である。
【００３１】
反応要素がインダクタを備える場合、本方法は、電圧ゼロ交差が経過したのに続いて所定の時間期間後、反応要素を共振回路に接続するように切替え手段を作動させ、電圧がほぼゼロに再び到達するとき、第２切替え手段が非活動化されることを可能にすることを含むことが可能である。所定の時間期間は、ほぼ０電気度とほぼ１８０電気度との間の範囲から選択されることが好ましく、ほぼ９０電気度とほぼ１５０電気度との間の範囲から選択されることが最も好ましい。
【００３２】
反応要素がキャパシタを備える場合、本方法は、感知電圧ゼロ交差後の所定の時間期間、反応要素を共振回路から電気的に分離するように、切替え手段を作動させることを含むことが可能である。所定の時間期間は、ほぼ０電気度とほぼ９０電気度との間の範囲から選択されることが好ましい。
【００３３】
本発明は、本明細書において開示される任意の新しい部分、特徴、または要素を備えてもよく、あるいはそのような部分、特徴、または要素の任意の新しい組合せを備えてもよいう。
【００３４】
本発明の一実施形態の１つまたは複数の例について、添付の図面を参照して以下において記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照すると、ＩＣＰＴ電源（無接点電源としても知られている）システムの基本的な構造が示されている。システムは、一般に、２つの電気絶縁部分を備える。第１部分は、電気エネルギー源に接続される入力４）を有する共振変換器２などの電源からなり、この例では、入力４は、５０Ｈｚの主電源に接続されることが可能である。第１部分は、共振変換器２から交流を供給される１次導電経路６をも含む。１次導電経路６は、一般に、細長い「トラック」の形態とされ、それに沿って、１つまたは複数の第２部分が配置される。この例では、変換器の主な機能は、トラック・ループにおいて正弦波の波形を有する４０ｋＨｚで約２０ａｍｐｓ  ｒｍｓの公称一定高周波数ＡＣ電流を供給することである。
【００３６】
第２部分は、１つまたは複数のピックアップ８からなり、それぞれが、コイル１０の形態に通常あるピックアップ伝導要素を含む。ピックアップは、トラック・ループからピックアップへの電力伝達を制御する制御装置１２をも含む。電力は、負荷１４に供給される。この例では、制御装置１２は、以下においてさらに記述されるように、本発明によるピックアップ回路を制御するために、マイクロコンピュータを備える。また、この例では、負荷１４は、迅速移動センサなどのセンサを備えることが可能である。そのようなセンサの一例は、産業環境における制御システムまたはプロセスを実施する情報を提供するために、トラック・ループ６の全長を迅速に移動することを必要とされる可能性があるカメラである。
【００３７】
１次導電経路６と２次ピックアップ・コイル１０との間の相互磁気結合のために、起電力が、ピックアップ・コイル１０において誘導される。次いで、この電圧は、２次電源の源となる。磁気結合は、通常の緊密な結合変圧器と比較して非常にゆるいので、誘導電圧は、直接的な使用には通常不適切である。したがって、負荷１４によって必要とされる形態において電力を規制する制御機構が必要である。図１を参照して議論された迅速移動センサの例では、センサによって必要とされるピックアップの出力は、通常、２４ボルトＤＣである。ＩＣＰＴシステムの動作および設計に関するさらなる情報が、オークランド・ユニサービシーズ・リミテッド（Ａｕｃｋｌａｎｄ  ＵｎｉＳｅｒｖｉｃｅｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ）に譲渡された米国特許第５２９３３０８号（ボーイズ）の明細書において記載されている。
【００３８】
本発明の一実施形態によるピックアップ・トポロジの一例が、図２に示されている。この実施形態は、可変インダクタを含む。図２のトポロジは、平行同調ピックアップである。すなわち、同調キャパシタ２２は、ピックアップ・コイル１０と平行に接続される。可変インダクタ４０も、ピックアップ・コイルおよび同調キャパシタと平行に接続される。代替として、ピックアップ・コイルは、可変インダクタンスを提供するように、本発明により使用することができる。
【００３９】
図２において、脱同調要素は、反応構成要素を流れる電圧または電流を制御するために、２つのスイッチ４２および（４４）および適切なドライバ（図示せず）を有するインダクタンス４０を備える。
【００４０】
本発明者は、可変インダクタンスがピックアップ回路において提供されるような方式でインダクタを制御するために、たとえばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＭＣＴ、またはＢＪＴなどの迅速半導体スイッチを使用することができることを見出した。迅速スイッチは、ＩＣＰＴ電力システムにおいて使用される高周波数（１０〜１００ｋＨｚ）で必要とされる。しかし、これらのスイッチは、一方向の電流の流れ制御のみを有するＤＣスイッチである。交流に対処するために、図２のスイッチ４２および４４によって表される２つのそのようなＤＣスイッチを使用することが可能である。当業者なら、他の実施形態は、２つのスイッチではなく、適切な単一のスイッチを使用することができることを理解するであろう。
【００４１】
スイッチ４２および４４のそれぞれは、関連付けられた反平行ダイオード４６および４８をそれぞれ有し、それにより、交互インダクタ電流が両方向において流れることが可能になる。したがって、インダクタ４０は、負荷の大きさに応じて、回路を選択的に同調または脱同調させるように制御することができる。通常の負荷条件下において、インダクタは、ピックアップ回路が、必要な電力を伝達するために再び同調されるように、スイッチ「オフ」することができる。
【００４２】
スイッチ４２および４４は、インダクタ４０が位相制御されるように、ピックアップ共振回路の電流に応じて制御される。スイッチ４２および４４は、両方ともターン・オンされることによって、当初制御される。これにより、インダクタの電流は、印加電圧の方向に応じて、一方向において徐々に増大することが可能になる。したがって、ゼロ電流切替え（ＺＣＳ）ターン・オンが、本質的に達成される。ターン・オフされるときにゼロ電流切替えを達成するために、インダクタ電流は、環状変流器を使用する検出手段（Ｇｒｅｅｎ  Ａ．およびＢｏｙｓ  Ｊ．Ｔ．、「１０ｋＨｚ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｃｏｎｃｅｐｔ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ」、ＩＥＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｓｐｅｅｄ  Ｄｒｉｖｅｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｐｕｂ３９９、６９４〜６９９ページ、１９９４年、内容は引用によって本明細書に組み込まれている）、または他の高周波数電流センサによって検出され、スイッチは、反平行ダイオードが導電しているとき、ターン「オフ」されるのみである。このようにして、各スイッチ４２または４４は、ゼロ電流においてだけでなく、ほぼゼロの電圧条件（約１ボルトのダイオード電圧降下のみ）においても切り替えられる。したがって、切替え損失は、著しく低減され、位相制御インダクタにおいて導入される伝導損失は、無視可能である。
【００４３】
したがって、同調キャパシタＣｓは、１次導電経路の特定の供給周波数に同調されるピックアップを提供するように選択される。位相制御インダクタ４０の等価インダクタンスは、同調ピックアップ回路の全インダクタンスまたは実効インダクタンスを増大または減少させ、したがって回路の共振周波数を変化させるために、スイッチ４２および４４によって制御することができる。このようにして、ピックアップは、負荷が軽く、高電力がピックアップ回路を経て伝達されることを必要としないとき、共振から離れるように脱同調させることができる（すなわち、トラック周波数において）。同様に、ピックアップは、負荷が増大し、負荷の増大による要求を満たすために高電力伝達が必要とされる際に、トラック周波数に向けて同調させることができる。負荷の変化は、出力電圧Ｖ０を感知することによって簡単に検出することができるが、その理由は、ボーイズ（米国第５２９３３０８号）において開示されているように、十分な電力が供給されない場合、この電圧は降下するからである。Ｃｓの両端の共振ＡＣ電圧の位相も、検出手段４５を使用して検出され、その後、情報は、ゲート駆動制御装置４７に渡される。
【００４４】
本発明者は、適切な範囲の制御が、ピックアップ・コイル１０のインダクタンスの大きさの約５倍であるインダクタを使用する位相制御インダクタ４０で達成されることが可能であることを見出した。
【００４５】
図３ａから３ｃを参照すると、ピックアップ・コイル出力電圧ＶＯに対するインダクタ電流ＩＬの通常の電流波形が示されている。インダクタ電流の大きさは、スイッチ作動位相遅延角度に依存する。電圧源ＶＯの位相は、たとえばゼロ交差検出器を使用することによって検出される。以下の例におけるスイッチ作動の位相遅延角度は、ＶＯゼロ交差の検出から測定される。遅延角度が、図３ａに示されるように、０°と９０°との間にあるとき、電流は連続的であり、したがって、最大電流がインダクタを流れる。遅延角度が９０°と１８０°との間にあるとき、インダクタ電流は不連続である。インダクタを流れる基本電流ＩＬ１の大きさは、遅延角度が増大するにつれ、減少する。これは、遅延角度がそれぞれ１２０°および１３５°の場合である図３ｂおよび３ｃに示されている。基本電流ＩＬ１の大きさは、以下によって決定される。
【００４６】
【数１】
2007501600.tif 000020
上式で、（π／２≦α≦π）である。
【００４７】
高調波成分が無視される場合、位相制御インダクタの等価インダクタンスは、以下のようになる。
【００４８】
【数２】
2007501600.tif 000021
【００４９】
図４を参照すると、実効インダクタンスまたは等価インダクタンス対実際のインダクタンスと遅延角度との関係が示されている。制御インダクタの等価インダクタンスは、遅延角度が９０°のとき、自己インダクタンスに等しい（すなわち、比は１である）。等価インダクタンスは、遅延角度の対応する増大と共に増大する。
【００５０】
理論的には、遅延角度が１８０°以上に増大する場合、インダクタの電流はゼロになる、すなわち、等価インダクタンスは無限になる。この理由は、印加電圧が負であるために、活動スイッチが伝導することができないからである。実際には、遅延角度が１８０°に近づくとき、等価インダクタンスは、非常に急速に増大する。これにより、等価インダクタンスは実際の制御装置の設計に不適切になる。また、大きな遅延角度では、高調波成分は、長い不連続期間のために、基本電流と比較してより大きくなる。その結果、上記の式は、遅延角度が増大する場合の等価インダクタンスの計算について、より不正確になる。
【００５１】
したがって、実際の規制設計では、本発明者は、ほぼ９０°とほぼ１５０°との間において位相遅延角度を制御することによって制御を達成することが可能であることを見出したが、その理由は、１５０°を超える遅延角度が、インダクタをスイッチ・オフすることに本質的に等価であることを認識したからである。位相角度の制御は、各半サイクルにおいて所定の時間期間を提供し、その後、可変インダクタは、回路の残りに電気的に接続される。
【００５２】
したがって図２に示される回路により、可変インダクタは、遅延角度が９０°以下であるとき、インダクタが完全に「オン」であり、システムの周波数が利用可能な範囲の上限にあるように制御される。この理由は、全等価キャパシタンスが減少し、その結果、共振周波数がより高くなるように、インダクタが、同調キャパシタの或るキャパシタンスを消去するからである。対照的に、遅延角度が１８０°に近い、またはそれを超えるとき、インダクタは、システムの動作周波数が利用可能範囲の下限にあるように、有効にスイッチ・オフされる。上記で記述されたように、本発明者は、実際には、遅延角度が１５０°に近い、またはそれを超えるとき、インダクタは、有効にスイッチ・オフされ、したがって、実際の状況では、１５０°の遅延が、動作周波数範囲の他の限界を有効に確定することを見出した。９０°と１８０°との間（実際には９０°から１５０°）の遅延において、インダクタンスは、動作周波数を公称値に安定させることができるように、滑らかに制御される。したがって、負荷（および周波数シフトに影響を与える他のファクタのいずれか）の変化が周波数に影響を与え始める際に、遅延角度を変化させ、したがって共振回路の固有周波数を変化させるように、スイッチＳ１およびＳ２（図２）によって可変インダクタを制御することができる。このようにして、ピックアップは、１次導電経路の周波数に同調させることができ、または、ピックアップへの電力伝達が負荷によって必要とされないときであって、ピックアップへの電力伝達を低減することが必要である場合、その周波数から脱同調させることができる。制御機構は、共振回路電圧のゼロ交差およびそのような交差の方向、あるいは少なくとも電圧波形が正または負の半サイクルにあるかを検出する位相検出ユニット４５（ゼロ交差検出器を備えることが可能である）によって、図２において概略的に示されている。この情報は、スイッチ制御ユニット４７に供給される。ゼロ交差検出は、共振回路の周波数の測定も提供する。代替として、これは、他の手段によって、または別の回路によって測定することが可能である。情報は、ピックアップ共振回路の固有共振周波数をシステムの公称周波数（すなわち、１次導電経路に供給される周波数）に向けて同調させる、またはそれから脱同調させるように、可変インダクタの実効インダクタンスが変化されることを保証するために、可変インダクタＬの両端のスイッチ（図２のＳ１およびＳ２）を制御する制御ユニット４７（マイクロプロセッサを含むことが可能である）に供給される。
【００５３】
この制御戦術は、ピックアップが、単に負荷に応じて同調または脱同調されるように実施されることが可能である（たとえば、出力電圧ＶＯを監視することによって）。したがって、ピックアップは、１次導電経路が動作している周波数に向けて、またはそれから離れるように、動的に同調または脱同調させることができる。これは、１次経路の電流の周波数が、既知のシステムの場合のようには、適切な性能に必須ではないことを意味する。トラック周波数がどのようになるとしても、本発明は、ピックアップへの最大電力伝達（または、任意の所与の時間に負荷によって必要とされる電力伝達）を得ることが必要であれば、その周波数に同調させることができる。
【００５４】
本発明の他の利点は、ボーイズの明細書（米国特許第５２９３３０８号）において開示されている既知のピックアップ回路トポロジの短絡スイッチおよびダイオードが必要ではないことである。
【００５５】
可変インダクタンスを使用するのではなく、可変キャパシタンスを、図５に示されるように使用することが可能である。この図を参照すると、上記で記述された回路要素と同じまたは同様の回路要素が、同じ参照符号を使用して名称付けされている。図からわかるように、図２との相違は、可変インダクタンスではなく、可変キャパシタンス５０が使用されることである。可変インダクタの制御と同様に、可変キャパシタンスは、２つの切替え要素を介して同調キャパシタ２２の両端に接続されたキャパシタを備えることが好ましいが、唯一のスイッチを、簡略化された半波形制御を達成するために使用することが可能である。したがって、スイッチは、可変キャパシタの等価キャパシタンスを制御し、また、図２に関して上記で記述されたピックアップを同調または脱同調させるために制御されることが可能である。繰り返すが、同調キャパシタ２２を、可変キャパシタを提供するために、単独で使用することが可能である。
【００５６】
可変キャパシタンスが同調キャパシタ２２と平行に構成される回路が使用される場合（図５に示されるトポロジなど）、キャパシタ２２は、意図した１次電流周波数において共振を提供するように、負荷変化範囲に応じて、必要なキャパシタンスの約半分、または全キャパシタンスのあらゆる他のパーセンテージであるように選択されることが可能である。可変キャパシタは、同じ大きさ（すなわち、意図した１次電流周波数において共振を提供するために必要なキャパシタンスの半分）のキャパシタを備えることも可能である。これにより、妥当な制御を可能にするように、適切な範囲のキャパシタンスを提供することが可能になる。
【００５７】
図５に示される回路に対する簡略化された等価な回路が、図６に示され、以下の理論的な分析について補助するために使用することが可能である。
【００５８】
図６に示されるような簡略化モデルについて理想的には、定常状態においてシャント・スイッチＳを短絡せずに、出力電圧ＶＯを一定に維持するために、キャパシタは、以下に従って脱同調されるべきである。
【００５９】
【数３】
2007501600.tif 000022
上式で、Ｃｓは元の同調キャパシタンス（２２）、Ｑ（＝Ｒ／ωＬｓ）は負荷の変化を反映する等号ファクタ、ｋは開回路電圧ＶＯＣから出力電圧ＶＯへの実際に必要なブースト・アップ・ファクタである、すなわち、ｋ＝ＶＯ／ＶＯＣである。
【００６０】
式（１）から、負荷変化（Ｑについて）と同調キャパシタ（元の同調キャパシタに関して）との関係が計算され、図７に示されている。
【００６１】
図７から、脱同調条件下において、Ｑは、出力電圧を一定に維持するために、ｋより大きくなければならないことがわかる。負荷がない場合、Ｑは無限である。ｋ（およびしたがって出力電圧ＶＯ）を負荷の変化に対して一定に維持するために、Ｃｅｑは、動的に同調される。最小キャパシタは、以下によって決定される。
【００６２】
【数４】
2007501600.tif 000023
【００６３】
必要な電圧ブースト・ファクタｋが大きくなると、必要とされるキャパシタ同調比は小さくなることが明らかである。この理由は、ブースト・ファクタが大きいとき、負荷変化に対して回路がより鋭敏になるからである。そのような特性は、電力ピックアップ・サイズを最小限に抑えるために望ましいが、その理由は、開回路電圧をより小さくすることができるからである。
【００６４】
図８ａおよび８ｂは、制御可変キャパシタの通常の電圧および電流の波形を示す。図５を参照すると、制御位相角度（スイッチ・オフに関する）がゼロ電気度であるときの状況に対応して、２つのスイッチＳ１およびＳ２が常にオンであるとき、電流は９０電気度であり、図８ａに示されるように、２つのキャパシタの両端の全共振電圧をもたらす。位相角度が０〜９０度の間において制御されるとき、キャパシタＣｖは、ある期間分離される。たとえば、図８ｂは、データ制御信号、Ｃｖの両端の電圧（Ｖｃｖ）、Ｃｓの両端の電圧（Ｖｃｓ）、および位相角度が約３０度であるときの状況についてＣｖを流れる電流（ｉｃｖ）を示す。スイッチがオフであるとき、Ｃｖの両端の電圧は、一定に維持され、電流はゼロである。スイッチがオンであるように制御されるとき、電圧は、全共振電圧に等しく、電流が、キャパシタＣｖを流れる。位相角度は、分離が行われた後の制御可能な所定の時間間隔を提供する。位相角度が９０度に等しい、またはそれを超える場合、キャパシタは、本質的に常時オフである。したがって、位相角度を制御することによって、キャパシタＣｖの伝導期間は、実効キャパシタンスが０と最大値との間において変化するように、制御される。
【００６５】
したがって、可変インダクタに関して上記で記述されたように、可変キャパシタの実効キャパシタンスは、ピックアップ共振回路の固有共振周波数をシステムの公称周波数（すなわち、１次導電回路に供給される周波数）に向けて、またはそれから離れるように同調または脱同調させるように変化されることが可能である。
【００６６】
無接点電源応用分野の動的電力制御回路が、提案されている。これは、可変切替えキャパシタまたはインダクタをＩＣＰＴ電源システムの２次共振回路に導入することによって達成された。
【００６７】
本発明により、改良されたＩＣＰＴ電源システムが可能になるが、その理由は、本発明によるピックアップが、既知の（不十分な周波数規制された）１次電源と共に使用されることが可能であるからである。さらに、本発明は、ピックアップの効率を向上させる。
【００６８】
従来の導電経路が望ましくない環境における、センサを含む様々な負荷への電気エネルギーの送達を含めて、本発明の応用分野は広範である。例には、清浄室環境における生産設備、迅速移動センサなどの移動装置（たとえば、ロボット、光学センサ）、電池の充電または放電、林業（たとえば、センサ）、バイオインプラント、水中（すなわち、耐水性要件）、危険（たとえば、爆発要件）、および鉱業環境（たとえば、照明、センサ）があり、従来の導電要素が安全ではなく、不都合であり、または高価な磨耗を被る場合である。
【００６９】
他の例として、本発明は、モバイルコンピューティングデバイスおよびモバイル通信デバイスなどのデスクトップ機器に無線で給電、充電、または再充電するために使用されることが可能である。本発明による１次導電経路は、マウス・パッドにおいて、あるいはデスクトップまたは作業表面において、もしくはその下において提供することができる。本発明によるピックアップは、マウス、モバイル電話、またはラップトップ・コンピュータに設けることが可能であり、それにより、デバイスを動作するために、および／またはデバイスの電池に充電するために、電力をデバイスに伝達するようにピックアップを使用することができる。複数のデバイス（たとえば、マウスおよびモバイル電話、ならびにおそらくはコンピュータ）を充電するために使用されることが可能である環境において１次導電経路を配置することに付随する問題は、負荷が、給電されるデイバスの数、およびデバイスが導電経路にどの程度近接しているかに非常に大きく依存する可能性があることである。近傍金属物体の配置などの外部の負荷も、著しい負荷変化を創出する可能性がある。本発明は、必要な性能が達成されることを可能にするように、負荷の変化を補償することができる同調ピックアップを提供することを可能にすることによって、これらの問題を克服する。
【００７０】
本発明によるピックアップ・ユニットが、モバイル電話、パーソナル・デジタル・アシスタント、あるいはノートブック・コンピュータまたはラップトップ・コンピュータなど、様々なデバイスに取り付けられるように提供されることが可能である。たとえば、ピックアップ・ユニットが、パーソナル・デジタル・アシスタントと係合する「クレードル」の形態で提供されることが可能であり、クレードルは、パーソナル・デジタル・アシスタントまたは他のコンピュータの上の充電ポートに接続される電気コネクタを有する。同様に、ピックアップが、ラップトップ・コンピュータのベース、またはセルラ電話などの他のデバイスのベースの上に添付され、関連デバイスの充電ポートと接続されるユニットにおいて提供されることが可能である。このようにして、ピックアップ・ユニットは、既存の電気デバイスと共に使用されることが可能である。代替として、ピックアップ・ユニットは、製造中にデバイスに直接組み込まれることが可能である。
【００７１】
各ピックアップ・ユニットのピックアップ・コイルは、アモルファス磁気材料に隣接して提供されることが好ましい。たとえば、一実施形態では、ピックアップ・コイルは、ほぼ平坦なフェライト・コアの回りに巻かれた銅ワイヤなどの導体を備えることが可能である。このようにして、改良された磁束経路が、ピックアップ・コイルの周辺において磁束を誘導して、１次導電経路とピックアップ・コイルとの間の結合を改善するために提供される。代替として、コイルは、たとえばボードに添付されたフェライト・コアなどのアモルファス材料で、印刷回路板上において１つまたは複数のトラックとしてエッチングされることが可能である。コイルとは別に、ピックアップ・システムを実施するために必要な電子構成要素は、非常に小さい空間において提供されることが可能であり、それにより、ピックアップは、上記で記述されたような既存の電子デバイスに組み込まれるように、またはそのようなデバイスに添付されるように、非常に小さいユニットにおいて物理的に限定されることが可能である。
【００７２】
ピックアップの共振またはタンク回路は、選択的に同調または脱同調させることができるので、本発明は、ゆるくまたは緊密に結合されたシステムにおいて実施されることが可能である。さらに、電池なしの負荷に供給することが可能であり、または電池を再充電するために使用されることが可能である。バイオインプラントなどのいくつかの応用分野では、ピックアップが、ピックアップによって充電または給電することができるスーパー・キャパシタを含むことが可能である。
【００７３】
ＩＣＰＴシステムに関して、本発明は、様々な異なる形態を取ることが可能である１次導電経路からエネルギーを受け取るために使用されることが可能である。たとえば、図８を参照すると、ほぼ平面のハウジング６０が示されており、この内部に、導体６２が配置される。この図からわかるように、導体３６は、導電材料のループまたはコイルの形態において提供されることが可能である。最も好ましい実施形態では、導電材料のいくつかのターンが提供され、導体接続ケーブル６４は、以上の実施形態の１つまたは複数において記述された変換器を含む電源に接続されるように、適切な位置においてユニットの外に出される。所望であれば、ケーブル６４は、電源に関連付けられた対応するソケットまたはプラグと電気的に接続されるように、終端にプラグまたはソケットを設けることが可能である。代替として、図示されていないが、変換器は、ハウジング内において提供されることが可能である。したがって、ハウジングは、主交流電源に接続される外部導体を含むことが可能であり、ハウジング内の変換器が、適切なＤＣ源を提供するように、主電源を整流およびろ過することが可能であり、変換器は、次いで、必要なＡＣ電源を導体６２に提供するように、共振回路によってこのＤＣ源を切り替える。
【００７４】
好ましい実施形態では、パッド６０は、マウスなどの「ポイント・アンド・クリック」デバイスに一般的に使用されるパッドを備えることが可能であり、あるいは、デスクトップ表面または同様の表面の一部を備えることができる。たとえば、ハウジング６０は、航空機、列車、バスなどの車両において、フード・トレイまたは作業表面（折りたたみフード・トレイなど）の一部として提供されることが可能である。ハウジング６０は、石台座、壁タイル（加熱に使用される）、またはスパ、サウナ、浴室などのタオル・ラック（乾燥に使用される）の一部とすることもできる。また、うさぎ、ねずみなどの動物の体内に埋め込まれたものに電力を提供するために動物ケージに使用することもできる。ハウジングの本体は、非導電性材料から構築されることが好ましいが、装置の１つまたは複数の部分として、あるいは装置全体として、アモルファス磁気材料３６を含むことが可能である。そのような材料は、適切な磁束経路を提供することができ、それにより、２次装置は、ハウジング６０の周辺に、最も好ましくはハウジングの表面６８上に配置することが可能であり、コイル６２から相互誘導によって給電されることが可能である。ハウジング６０は、水中でも機能することができる。
【００７５】
ハウジング６０と関連して使用される２次ピックアップ・デバイスを含むことが可能である装置としては、１つまたは複数の電池によって通常給電される様々なデバイスが含まれるが、コードレス動作を有することが好都合である他のデバイスも含まれ得る。そのようなデバイスとしては、「ポイント・アンド・クリック」デバイス（たとえば、マウス）、セルラ電話デバイス、ＰＤＡ、ノートブックまたはラップトップ、電気歯ブラシ、電気シェーバなどが含まれる。
【００７６】
これらのデバイスは、ピックアップがコイル６２からピックアップ・コイルにおいて誘導される電力によって充電する充電可能セルまたはセル電池を含むことが可能である。代替として、デバイス（たとえば、マウス）は、そのような電池を必要としないものであることが可能であるが、その理由は、デバイスは、コイル６２の周辺においてのみ使用されるからである。したがって、電源は、電池および電池の装備されていないピックアップに給電するために使用されることが可能である。
【００７７】
さらに、ユニット６０は、代替として、または導体６２の他に、エネルギーが供給されるデバイスを配置するための特定領域を含むことが可能である。たとえば、１つまたは複数の強磁性コアを、上面６８に設けられた電力を受取るデバイスが配置されるべき場所を示す様々なマークと共に、ユニット６０内に設けることが可能である。上面６８は、電力を受取るデバイスを受領または収容するように、（たとえば、適切に成型されることによって）形成または輪郭付けしてもよい。したがって、本発明は、ゆるいおよび緊密な結合システムの両方に適用可能である。本発明によって提供されるピックアップにより、この柔軟性が可能になるが、その理由は、結合強度の結果として生じ、１次導電経路の電源周波数に影響を与える負荷の変化は、各ピックアップによって対応することができるからである。
【００７８】
本発明の使用は、いくつかの異なるデバイスが、コイル６２によって給電されるように、ハウジング６０の上に配置されることが可能であるという利点を有する。これらの複数の装置は、電源に対する負荷を増大させ、通常、電源周波数に影響を与える可能性がある。しかし、本発明によって提供される動的タンク回路同調は、複数の負荷または負荷の変化が、システムの性能に影響を与えないことを意味する。
【００７９】
当業者なら、ハウジング６０内の１次導電経路６２が、様々な異なる形態を取ることが可能であることを理解するであろう。具体的には、それに応じて別々のハウジングは必要とされない。いくつかの状況では、必要とされる可能性のあるのは、たとえばデスクトップなどの適切な表面の下面の内において、または下面に付して提供される導体６２だけである。また、コイルとして構成される１次導体を有するのではなく、いくつかの異なる構成が可能である。たとえば、導電経路を、印刷回路板などの適切な基板上においてエッチングまたは印刷することが可能であり、導電経路は、静止または移動することが可能である１つの望ましい磁束経路または複数の望ましい磁束経路を提供するように構成されることが可能である。たとえば、磁束経路は、ピックアップ・デバイスを、導電経路３２に隣接する様々な異なる位置または配向に配置しても、依然として、必要な負荷を供給するのに十分なエネルギーを受け取ることを可能にするために、パッドが「回転する」ように設計することが可能である。
【００８０】
図９を参照すると、ＩＣＰＴ電源の１次導電経路の他の実施形態が示されている。この実施形態では、１次導電経路は、全体的に７０で参照され、電流供給プッシュプル共振変換器などの共振変換器を含むことが可能である電源７２によって供給される。
【００８１】
１次導電経路７０は、導電材料のループを単に備えることが可能である。この材料は、たとえば銅ワイヤなどマルチストランド導電材料であることが好ましい。しかし、図９に示されるように、ピックアップが１次導電経路７０に対して静止している応用分野では、１次導電経路は、それらのピックアップへの電力伝達を最適化するように適合されることが好ましい可能性がある。経路に対して静止しているピックアップに供給するために、１次導電経路を使用する例には、ボート、水泳プールまたは浴槽、建物、あるいは車両におけるＩＣＰＴシステムの使用がある。ボートの例を取ると、１次導電経路は、製造中にボートにおいて提供されることが可能である。このようにして、１次導電経路は、損傷を受けないように物理的かつ電気的に絶縁され、構造の外見を損なわないように隠される。電力は、ボート構造の一体性を損なうことなしに、ボート内またはボート上に取り付けられたピックアップ・デバイスに送達することができる。特に、深度センサまたは速度センサなどの機器を装備するために、外郭を貫通させる必要がない。代替として、１次導電経路を、製造後にボートに組み込まれることが可能である。
【００８２】
ボート上の１次導電経路からピックアップへの電力伝達を容易にするために、１次導電経路を、ボートの構造に関する様々な所定の位置において修正することが可能である。たとえば、ピックアップ７４（たとえば、ナビゲーション・ライトを備えることが可能である）の周辺において、導電経路は、ピックアップ７４への電力伝達を容易にするために、増大された磁場の細長い領域または分散領域を提供するように、位置７６において広げることが可能である。同様に、位置７８において、ピックアップ８０によって給電されることが可能である機器パネルなど、より著しいエネルギー要件を必要とする可能性があるピックアップへのデータ転送を容易にするために、導電材料の１つまたは複数のターンを１次導体に含ませることが可能である（たとえば、１次導体をループにすることによって）。したがって、相対的に強い磁場強度の「ホットスポット」または領域が創出される。同様に、他の「ホットスポット」を、ピックアップ８４および８６などの２つ以上のピックアップに給電するために、１次導電経路の位置８２に設けてもよい。必要であれば、２つ以上の「ホットスポット」を、たとえば電池充電デバイスなどのより重要な電力要件を有するピックアップ９２に給電することができる領域８８および９０によって示されるように、提供してもよい。最後に、より低い電力要件を有する可能性があり、かつ１次導電経路に対して移動することが必要である可能性があるデバイスに供給するために、領域９４など、修正されていない１次導電経路の簡単な細長い領域を使用することができる。たとえば、ピックアップ９６によって供給され、かつボートのマストの上において提供されるナビゲーション・ライトの位置は、時間ごとに変更される必要がある可能性があり、したがって、ボートのマストには１次導体９４をそのまま延ばして提供してもよく、それにより、ピックアップの特性が、マストの関連部分に沿って一様になる。
【００８３】
本発明の他の応用分野には、生物学的研究または医薬品試験のインプラントなどの生物工学的応用分野、耐水性応用分野、耐爆発性応用分野、鉱業（たとえば、照明、センサ）、林業（たとえば、センサ）、移動センサ応用分野（たとえば、ロボット、光学センサ）、加熱システム（たとえば、シート加熱、タオル乾燥）がある。
【００８４】
上記で記述されたように、本発明は、電池を含む、または電池のないピックアップに供給するために使用されることが可能である。さらに、ピックアップは、エネルギー貯蔵デバイスとしてスーパー・キャパシタを含むことが可能であり、これは、非常に迅速に充電／放電することができ、非常に安全で、ほとんど保全を必要せず、長期寿命スパンを有する。
【００８５】
本発明の好ましい特徴は、本発明のすべての態様に適用可能であり、あらゆる可能な組合せにおいて使用されることが可能である。たとえば、当業者なら、制御可変反応要素は、直列同調ピックアップまたは並列同調ピックアップにおいて使用されることが可能であることを理解するであろう。また、可変反応要素は、ピックアップ・コイルまたは同調キャパシタを備えることが可能である。
【００８６】
「備える」、「有する」、または「含む」という用語、あるいは備えるおよび備えているなど、これらの用語の変形が、この文献において使用される場合、これらは、包含的な意味で解釈される。すなわち、文脈が反対のことを明らかに記述するのではない限り、「含むが、限定されない」ことを意味することを意図する。
【００８７】
以上の記述において言及された本発明の特定の構成要素またはユニットが既知の等価物を有する場合、そのような等価物は、本明細書に個々に記述されているものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】既知のＩＣＰＴシステムの基本構造を示す図である。
【図２】ＩＣＰＴ電源の可変インダクタを含むピックアップ回路トポロジを示す図である。
【図３】ａは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。ｂは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。ｃは、ピックアップ・コイル電圧に関する図２の制御インダクタの電流波形を示す図である。
【図４】図２の制御インダクタについて遅延角度に対する等価インダクタンスの変化のプロットを示す図である。
【図５】ＩＣＰＴ電源の可変キャパシタを含むピックアップ回路トポロジを示す図である。
【図６】図５の回路の簡略化された回路図である。
【図７】図６の回路について、Ｑファクタに対する等価キャパシタンスを示すグラフである。
【図８】aは、図５の制御可変キャパシタに関する電圧および電流の波形を示す図である。ｂは、図５の制御可変キャパシタに関する電圧および電流の波形を示す図である。
【図９】ＩＣＰＴシステムの集中１次導電経路を含むデバイスの透視図である。
【図１０】ＩＣＰＴシステムの１次導電経路の形態を示す図である。
【国際調査報告】
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