(57)【要約】      （修正有）【課題】送信及び受信コイル（ＴＲｘコイル）の両方として使用できるコイル設計を最適化する。【解決手段】コイルは、基板上に取り付けられ、コイルの動作を向上させる特性を有する１つ以上の導電トレースのターンを含む巻線を含む。巻線は、それぞれが送信機能及び受信機能を提供する端子に接続された送信コイル及び受信コイルを含む。トレースは、インダクタンス及びコイル抵抗を最適化するために幅及び／又は厚さが変化し、送信機能又は受信機能に影響を与えるようにコイルに接続された制御回路のパラメータを最適化する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線給電用のコイルであって、
基板上に取り付けられ、受信コイル及び送信コイルを形成するように配置された１つ以上の導電トレースのターンを含む巻線を備え、
前記１つ以上のターンは、前記導電トレースの幅又は厚さのうちの１つを変化させて前記コイルの動作を向上させるコイル。
【請求項２】
請求項１において、
前記１つ以上のターンは、それぞれ基板の反対側に形成された上層トレースと下層トレースに形成された外側ターンと内側ターンに分割され、前記外側ターンの上層トレースと下層トレースは、並列に接続され、前記内側ターンの上層トレースと下層トレースは、直列に接続されているコイル。
【請求項３】
請求項１において、
前記巻線の１つ以上のターンは、複数の端子に接続されており、前記１つ以上のターンは、前記送信コイルが前記複数の端子の第１の対の間に形成され、前記受信コイルが前記複数の端子の第２の対の間に形成されるように前記複数の端子と共に配置されているコイル。
【請求項４】
請求項３において、
前記複数の端子は、２つ、３つ、又は４つの端子を含むコイル。
【請求項５】
請求項１において、
前記１つ以上のターンは、外側ターンと内側ターンとに分離され、
前記外側ターンと前記内側ターンとは、空間によって分離され、前記外側ターンは、受信端子に接続されて受信機能を提供し、
前記内側ターンは、送信端子に接続されて送信機能を提供し、前記空間は、前記外側ターンと前記内側ターンとの間に配置された通信コイルを収容するのに十分であるコイル。
【請求項６】
請求項１において、
前記１つ以上のターンの間の基板の未使用部分は、前記ターンに接続された導体で充填されてコイル抵抗を減少させるコイル。
【請求項７】
請求項１において、
前記１つ以上のターンは、外側ターンと内側ターンに分割され、
前記内側ターンの幅は、前記外側ターンの幅よりも狭いコイル。
【請求項８】
請求項１において、
前記巻線は、
内側トレースから外側トレースに向かってトレースの幅が増加し、前記受信コイルの受信機能を実行するように構成されている外側コイルと、
トレースが前記外側コイルのトレースより狭く、前記送信コイルの送信機能を実行するように構成されている内側コイルと、を含むコイル。
【請求項９】
請求項８において、
前記１つ以上のターンを形成するトレースの幅は、前記コイルの長さ方向で段階的に変化するコイル。
【請求項１０】
請求項８において、
前記１つ以上のターンを形成するトレースの幅は、前記コイルの長さ方向で連続的に変化するコイル。
【請求項１１】
請求項８において、
前記送信コイル及び前記受信コイルのトレース幅は、それぞれ、２つ以上の異なる幅を含むコイル。
【請求項１２】
請求項１において、
前記巻線の前記１つ以上のターンは、各ターンにおいて１つ以上のフィンガが形成され、
前記１つ以上のターンのそれぞれにおける１つ以上のフィンガは、コイル抵抗を最適化するように配置されているコイル。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記複数のフィンガは、各ターンのフィンガの幅を調整することによって調整されているコイル。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記複数のフィンガは、各ターンのフィンガの数を変更することによって調整されているコイル。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記フィンガの数は、内側ターンよりも外側ターンの方が多いコイル。
【請求項１６】
請求項１において、
前記基板は、フェライトコアを含み、
前記巻線の内側ターンは、より薄く、
前記巻線の外側ターンは、より厚く、
前記コイルが取り付けられているフェライトコアは、前記巻線の内側ターンの下では、より厚く、前記巻線の外側ターンの下では、より薄いコイル。
【請求項１７】
請求項１において、
前記コイルは、制御回路に電子的に接続され、
前記制御回路は、
送信機能においてコイルを駆動するように接続された送信回路と、
受信機能においてコイルを駆動するように接続された受信回路と、
送信モードと受信モードとを判定し、前記送信モードでは、前記送信回路を起動し、前記受信モードでは、前記受信回路を起動するコントローラと、を含むコイル。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記送信回路は、
送信ドライバと、
前記送信ドライバに接続された送信キャパシタと、を含み、
前記送信回路は、前記複数の端子の送信タブに接続されて前記送信機能に影響を及ぼし、
前記受信回路は、前記複数の端子の受信タブに接続されて前記受信機能に影響を及ぼすコイル。
【請求項１９】
請求項１８において、
前記送信回路と前記受信回路は、１つ以上のキャパシタを共有するコイル。
【請求項２０】
請求項１８において、
送信動作周波数、Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ電圧、及びデッドタイムのうちの１つ以上が効率のために調整されるコイル。
【請求項２１】
無線給電のためにコイル構造を最適化する方法であって、
基板上に取り付けられ、受信コイル及び送信コイルを形成するように配置された１つ以上の導電トレースのターンを含む巻線を形成することと、
前記１つ以上のターンの幅又は厚さのうち１つ以上を変更して、前記無線給電システムの動作を最適化することと、
を含む方法。
【請求項２２】
請求項２１において、さらに、
前記１つ以上のターンは、内側ターン及び外側ターンを含み、前記外側ターンが前記内側ターンよりも広くなるように前記１つ以上のターンの幅を変更することを含む方法。
【請求項２３】
請求項２１において、さらに、
前記送信コイル及び前記受信コイルを端子に接続して送信機能及び受信機能を実現することを含む方法。
【請求項２４】
請求項２１において、さらに、
Ｔｘ動作周波数点を変更することを含む方法。
【請求項２５】
請求項２１において、さらに、
送信モードで使用されるキャパシタと受信モードで使用されるキャパシタとを共有することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本開示は、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｊａｍｅｓ  Ｍｅｈａｓ、Ｔｉａｎｚｅ  Ｋａｎ、Ｃｈａｎ  Ｙｏｕｇ  Ｊｅｏｎｇ、Ｔａｏ  Ｑｉ、及びＡｌｉｓｏｎ  Ｇｕによって２０１８年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／６６４，７９２号、発明の名称「Coil Resistance Optimization」（70107.595PV01, 5286-PR）、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓ、Ｔａｏ  Ｑｉ、及びＸｉｎｙｕｎ  Ｇｕによって２０１８年６月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／６８７，９８１号、発明の名称「Optimizing Transmit Coil Design」（70107.604PV01, 5300-PR）、Ｔａｏ  Ｑｉ、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓ、Ｃｈａｎ  Ｙｏｕｎｇ  Ｊｅｏｎｇ、Ｘｉｎｙｕｎ  Ｇｕ、Ｎｉｃｈｏｌａｕｓ  Ｗａｙｎｅ  Ｓｍｉｔｈによって２０１８年８月１日に出願された米国仮特許出願第６２／７１３，４３２号、発明の名称「Transmit and Receive (TRx) Coil」（70107.609PV01, 5312-PR）、Ｔａｏ  Ｑｉ、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓ、Ｃｈａｎ  Ｙｏｕｎｇ  Ｊｅｏｎｇ、Ｘｉｎｙｕｎ  Ｇｕ、Ｎｉｃｈｏｌａｕｓ  Ｗａｙｎｅ  Ｓｍｉｔｈによって２０１８年８月１日に出願された米国仮特許出願第６２／７１３，４３５号、発明の名称「Coil Resistance Optimization for Finger Design」（70107.610PV01, 5313-PR）、Ｔａｏ  Ｑｉ、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓ、Ｃｈａｎ  Ｙｏｕｎｇ  Ｊｅｏｎｇ、Ｘｉｎｙｕｎ  Ｇｕ、Ｎｉｃｈｏｌａｕｓ  Ｗａｙｎｅ  Ｓｍｉｔｈ、Ａｍｉｔ  Ｄ．Ｂａｖｉｓｉ、Ｄａｒｙｌ  Ｊａｙ  Ｓｕｇａｓａｗａｒａ、及びＡｉｈｕａ  Ｌｅｅによって２０１８年８月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／７６５，３５８号、発明の名称「Methods of Magnetic Flux Improvement for TRx coils」（70107.612PV01, 5320-PR）、Ｔａｏ  Ｑｉ、Ｇｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓ、Ｃｈａｎ  Ｙｏｕｎｇ  Ｊｅｏｎｇ、Ｘｉｎｙｕｎ  Ｇｕ、Ｎｉｃｈｏｌａｕｓ  Ｗａｙｎｅ  Ｓｍｉｔｈ、Ａｍｉｔ  Ｄ．Ｂａｖｉｓｉ、Ｄａｒｙｌ  Ｊａｙ  Ｓｕｇａｓａｗａｒａ、及びＡｉｈｕａ  Ｌｅｅによって、２０１８年８月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／７６５，３５３号、発明の名称「System Optimization Methods of TRx Functioning Coils」（70107.613PV01, 5321-PR）、及びＧｕｓｔａｖｏ  Ｍｅｈａｓによって２０１８年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／７２９，９１４号、発明の名称「Optimizing Transmit Coil Design」（70107.618PV01, 5388-PR）に対する優先権を主張する。これらの文献のそれぞれは、全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本発明の実施形態は、無線給電システムに関し、具体的には、無線給電コイル設計（送信コイル及び受信コイル）及び送信及び受信コイル（ＴＲｘコイル）の両方として使用できるコイル設計の最適化に関する。
【背景技術】
【０００３】
スマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイス等のモバイルデバイスでは、無線電力充電システムの使用が増えている。一般に、無線給電は、送信コイルを駆動する送信機と、送信コイルに近接して配置される受信コイルを有する受信機とを含む。受信コイルは、送信コイルによって生成された無線電力を受信し、その受信電力を使用して負荷を駆動し、例えば、充電器に電力を供給する。
【０００４】
現在使用されている無線給電には、複数の異なる規格がある。一般的な無線給電のための規格は、無線給電のためのアライアンス（Alliance for Wireless Power：Ａ４ＷＰ）規格及び無線給電コンソーシアム規格、Ｑｉ規格を含む。無線給電コンソーシアム、Ｑｉ規格では、誘導結合システムを使用して、受信コイル回路で単一のデバイスが充電される。Ｑｉ規格では、受信デバイスのコイルは、送信コイルの近傍に配置され、Ａ４ＷＰ規格では、受信デバイスのコイルは、潜在的に他の充電デバイスに属する他の受信コイルと共に、送信コイルの近傍に配置される。
【０００５】
典型的には、無線給電システムは、時変磁場（time-varying magnetic field）を生成するように駆動される送信コイルと、受信コイルとを含み、受信コイルは、携帯電話、ＰＤＡ、コンピュータ、又はその他のデバイス等のデバイスの一部とすることができ、時変磁場で送信された電力を受信するように送信コイルに対して配置される。送信コイルと受信コイルは、これらの機能を実行するために異なる構造を有する。これらのコイルの構造は、無線給電の効率に影響する。
【０００６】
したがって、無線給電のためのより優れたコイル技術を開発する必要がある。
【０００７】
本発明の実施形態は、無線給電のためのコイル設計を提供する。幾つかの実施形態では、コイルは、基板上に取り付けられ、コイルの動作を向上させる特性を有する１つ以上の導電トレースのターンを含む巻線を含むことができる。幾つかの実施形態では、巻線は、それぞれが送信機能及び受信機能を提供する端子に接続された送信コイル及び受信コイルを含む。幾つかの実施形態において、トレースは、インダクタンス及びコイル抵抗を最適化するために幅及び／又は厚さが変化している。幾つかの実施形態では、送信機能又は受信機能に影響を与えるようにコイルに接続された制御回路のパラメータを最適化できる。
【０００８】
以下の図を参照して、これらの及びこの他の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】無線給電システムを示す図である。
【図１Ｂ】ＴＲｘコイルに接続された無線給電デバイス制御回路を示す図である。
【図２Ａ】並列接続コイルを示す図である。
【図２Ｂ】並列接続コイルを示す図である。
【図３Ａ】直列接続コイルを示す図である。
【図３Ｂ】直列接続コイルを示す図である。
【図４Ａ】幾つかの実施形態に基づく多端子ＴＲｘコイルを示す図である。
【図４Ｂ】幾つかの実施形態に基づく多端子ＴＲｘコイルを示す図である。
【図５Ａ】ＴＲｘコイルの単一コイルの実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】ＴＲｘコイルの単一コイルの実施形態を示す図である。
【図６Ａ】幾つかの実施形態に基づく別の多端子ＴＲｘコイルを示す図である。
【図６Ｂ】幾つかの実施形態に基づく別の多端子ＴＲｘコイルを示す図である。
【図７Ａ】コイル構造を示す図である。
【図７Ｂ】コイル構造を示す図である。
【図８Ａ】内側コイルターンから外側コイルターンに向けてコイル幅が変化し、コイル抵抗を減らし、未使用部分を利用する幾つかの実施形態に基づくコイルセグメントを示す図である。
【図８Ｂ】内側コイルターンから外側コイルターンに向けてコイル幅が変化し、コイル抵抗を減らし、未使用部分を利用する幾つかの実施形態に基づくコイルセグメントを示す図である。
【図８Ｃ】内側コイルターンから外側コイルターンに向けてコイル幅が変化し、コイル抵抗を減らし、未使用部分を利用する幾つかの実施形態に基づくコイルセグメントを示す図である。
【図９Ａ】フィンガを有するコイルを示す図である。
【図９Ｂ】フィンガを有するコイルを示す図である。
【図９Ｃ】フィンガを有するコイルを示す図である。
【図１０Ａ】本発明の幾つかの実施形態に基づくフィンガを有するコイル構造を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の幾つかの実施形態に基づくフィンガを有するコイル構造を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の幾つかの実施形態に基づくフィンガを有するコイル構造を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の幾つかの実施形態に基づくフィンガによって最適化されたコイル設計であり、図１０Ａに示す部分１００４の平面図である。
【図１１】本発明の幾つかの実施形態に基づく最適化されたコイル設計の例を示す図である。
【図１２】本発明の幾つかの実施形態に基づく最適化されたコイル設計の他の例を示す図である。
【図１３Ａ】幾つかの実施形態に基づくコイル設計の更なる変形例を示す図である。
【図１３Ｂ】幾つかの実施形態に基づくコイル設計の更なる変形例を示す図である。
【図１３Ｃ】幾つかの実施形態に基づくコイル設計の更なる変形例を示す図である。
【図１４Ａ】コイルトレースの厚さを変化させた実施形態を示す図である。
【図１４Ｂ】コイルトレースの厚さを変化させた実施形態を示す図である。
【図１５】本発明の幾つかの実施形態に基づくＴＲｘ制御システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
これらの図については、以下で更に詳しく説明する。
【００１１】
以下の説明では、本発明の幾つかの実施形態を説明するために特定の詳細について記述する。但し、幾つかの実施形態は、これらの具体的な詳細の幾つか又は全てを伴わなくても実施可能であることは、当業者にとって明らかである。本明細書に開示する特定の実施形態は、例示を目的とし、限定を意図しない。当業者は、本明細書に具体的に記載されていなくとも、本開示の範囲及び思想の範囲内にある他の要素を理解できる。
【００１２】
本発明の側面及び実施形態を例示する以下の説明及び添付の図面は、限定的に解釈されず、保護される発明は、特許請求の範囲によって定義される。以下の説明及び特許請求の範囲の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができる。幾つかの例では、本発明を不明瞭にしないために、周知の構造及び技術は、詳細に記述せず又は説明を省略している。
【００１３】
一実施形態を参照して詳細に記述する要素及びこれらの関連する側面は、特段の指示又は記述がなくても、実現可能である限り、他の実施形態に含ませることができる。例えば、一実施形態を参照して詳細に説明するある要素が他の実施形態では説明されていなくても、その要素は、他の実施形態に含まれると主張できる。
【００１４】
本発明の幾つかの実施形態は、用途に応じて、送信コイル又は受信コイルとして構成できる効率的なコイルを提供する。このようなコイルは、送受信（ＴＲｘ）コイルとも呼ばれる。また、幾つかの実施形態は、送信コイル又は受信コイルとしての専用の機能を有するコイルにも適用できる。以下に説明するように、送信コイルと受信コイルの要件は、相反するように異なっている。例えば、送信コイルは、通常、受信コイルより直径が小さい。更に、本発明の実施形態は、コイルターンのトレースの抵抗特性と共にフェライトコアの磁束飽和を考慮する。
【００１５】
幾つかの実施形態では、ＴＲｘコイルは、複数の端子に接続された１つ以上のワイヤのコイルを含むことができる。１つ以上のワイヤのコイルは、複数の端子とともに配置され、送受信システムに送信機能又は受信機能のいずれかを提供する。本発明の幾つかの実施形態によれば、複数のコイル間の未使用部分を利用して、コイル抵抗を低減できる。幾つかの実施形態では、コイル形状に応じてコイル幅を再分布させる。幾つかの実施形態では、コイルインダクタンスに応じてコイル幅を決定する。
【００１６】
コイルは、コイルを形成するように配置されたトレースを含む。幾つかの実施形態では、コイルの内側からコイルの外側へとトレースの幅を変化させる。幾つかの実施形態では、トレースの幅を変化させてコイルの抵抗を最適化する。幾つかの実施形態では、巻線は、円形である。幾つかの実施形態では、コイルは、内側の巻線と外側の巻線とを含み、内側と外側の巻線を形成するトレースの幅を変化させて抵抗を最適化する。
【００１７】
本発明の幾つかの実施形態では、送受信（ＴＲｘ）コイルは、送信機能又は受信機能で動作するように構成された１つ以上のワイヤのコイルを含み、各コイルのトレース幅を最適化する。幾つかの実施形態では、トレース幅は、２つ以上の幅を含む。
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態は、送信コイルを提供する。送信コイルは、内側の巻線上でより薄く、外側の巻線上でより厚い銅コイルを含む。コイルが取り付けられる対応するフェライトコアは、内側の巻線の下でより厚く、外側の巻線の下でより薄くしてもよい。この構成により、コイルの抵抗特性を更に改善し、効率を向上させることができる。
【００１９】
幾つかの実施形態では、コイルを構成する複数のターンのそれぞれは、ターン毎に１つ以上のフィンガを含むことができる。各ターンにおいて複数のフィンガを調整することにより、無線コイルのコイル抵抗が最適化される。幾つかの実施形態では、複数のフィンガは、各ターンの幅を調整することによって調整される。幾つかの実施形態では、内側ターンよりも外側ターンで幅を広くする。幾つかの実施形態では、各ターンのフィンガの数を変更することによって複数のフィンガを調整する。幾つかの実施形態では、フィンガの数は、内側ターンよりも外側ターンの方が多くなるようにする。
【００２０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、送受信コイルは、送信機能及び受信機能で動作するように構成された１つ以上のワイヤのコイルを含むことができ、各コイルのトレース幅が最適化される。幾つかの実施形態では、トレース幅は、２つ以上の幅を含む。幾つかの実施形態では、上側及び下側の内側コイルを直列に配置し、上側及び下側の外側コイルを並列に配置する。動作を最適化する他の手法は、Ｔｘ動作周波数点の最適化、Ｔｘモード及びＲｘモードでのキャパシタの共有、Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ電圧の最適化、デッドタイムの最適化等を含む。幾つかの実施形態では、例えば、電力損失を監視すること、動作パラメータを監視すること、又は制御エラーパケットを監視することによって異物を検出してもよい。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態は、効率的な送受信（ＴＲｘ）コイルを提供する。幾つかの実施形態によれば、ＴＲｘコイルの実施形態は、複数の端子に接続された１つ以上のワイヤのコイルを含み、１つ以上のワイヤのコイルは、使用される端子又はタブに応じて、送信機能と受信機能の両方を向上させるように、複数の端子とともに配置される。本発明の幾つかの実施形態によれば、複数のコイル間の未使用部分を利用して、コイル抵抗を低減できる。幾つかの実施形態では、コイル形状に応じてコイル幅を再分布させる。幾つかの実施形態では、コイルインダクタンスに応じてコイル幅を決定する。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態によれば、コイルは、コイルを形成するように配置された巻線を形成するトレース（ターンとも呼ぶ）を含み、トレースの幅は、コイルの内側からコイルの外側へと変化する。幾つかの実施形態では、コイルの部分の機能に応じてコイルの抵抗が最適化されるようにトレースの幅を変更する。幾つかの実施形態では、巻線は、円形であるが、他の巻線形状を使用してもよい。幾つかの実施形態では、コイルは、内側の巻線と外側の巻線とを含み、内側と外側の巻線を形成するトレースの幅を変化させて抵抗を最適化する。幾つかの実施形態では、トレース幅は、外側のトレースの幅が内側トレースの幅よりも広くなるように、２つ以上の幅を含む。
【００２３】
更に、幾つかの実施形態では、コイルのトレースの厚さを変更してもよい。ＴＲｘコイルは、内側の巻線上でより薄く、外側の巻線上でより厚い銅トレースを有する巻線（ターン）を含むことができる。更に、これらの銅トレースは、コイル巻線が取り付けられているフェライトコア上に形成でき、フェライトコアは、内側の巻線の下でより厚く、外側の巻線の下でより薄くしてもよい。
【００２４】
本発明の幾つかの実施形態によれば、巻線は、１つ以上のフィンガを有するように形成される。複数のフィンガをターン毎に調整することにより、ワイヤレスコイルのコイル抵抗を最適化できる。幾つかの実施形態では、複数のフィンガは、各ターンの幅を調整することによって調整される。幾つかの実施形態では、内側ターンよりも外側ターンで幅を広くする。幾つかの実施形態では、各ターンのフィンガの数を変更することによって複数のフィンガを調整する。幾つかの実施形態では、フィンガの数は、内側ターンよりも外側ターンの方が多くなるようにする。
【００２５】
本発明の幾つかの実施形態によれば、ＴＲｘコイルは、直列に配置された上下の内側コイル（コイルトレースの上層と下層）と、別のセクションにおける、並列に配置された上下の外側コイル（コイルトレースの上層と下層）とを含むことができる。幾つかの実施形態では、Ｔｘ動作周波数点を最適化する。幾つかの実施形態では、駆動回路は、Ｔｘモード及びＲｘモードのための共有キャパシタを含み、Ｏｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ電圧を最適化し、及び／又はデッドタイムを最適化する。幾つかの実施形態では、例えば、電力損失を監視すること、動作パラメータを監視すること、又は制御エラーパケットを監視することによって異物を検出してもよい。
【００２６】
図１Ａは、無線電力送信機１０２を有するデバイス１００と、無線電力受信機１１０を含む第２のデバイス１２０とを含む簡略化された無線給電システムを示している。図１Ａに示すように、無線電力送信機１０２は、電源１０４に接続され、ここから電力を受け取る。無線電力送信機１０２は、送信コイル１０６を駆動して、ある周波数で時変電磁場を生成する。無線電力受信機１１０の受信コイル１０８は、無線電力送信機１０２の送信コイル１０６によって生成された電磁場と結合して、送信された無線電力を受信する。図１Ａに示すように、受信コイル１０８は、無線電力受信機１１０に接続され、無線電力受信機１１０は、受信コイル１０８から電力を受信し、負荷１１２に電力を供給する。無線電力送信機１０２は、無線電力送信機１０２によって送信される無線電力を受信するように構成された無線電力受信機１１０の存在下で時変電磁場を生成するように構成できる。無線電力送信機１０２及び無線電力受信機１１０の要素のサイズ及び形状は、電力要件及び無線給電システム１００の物理的位置に適応するように変更できる。
【００２７】
無線電力受信機１１０は、時変電磁場から電力を回収し、通常、無線電力受信機１１０及び受信コイル１０８を含むデバイスの負荷１１２にＤＣ電力入力を供給する。電力は、このデバイスが無線電力送信機１０２に近接しているときに伝送される。幾つかの場合、負荷１１２は、充電器を含み、デバイスは、電池を含む。
【００２８】
幾つかの場合、電力送信デバイス１００及び電力受信デバイス１２０は、プリント回路基板（printed circuit board：ＰＣＢ）上に形成された構成要素を含む。送信コイル１０６は、無線電力送信機１０２の回路と共に、電力送信機１００のＰＣＢ上に形成できる。同様に、受信コイル１０８及び無線電力受信機１１０の回路は、電力受信機１２０のＰＣＢ上に形成される。送信機１０２及び受信機１２０は、それぞれ単一のチップ上に形成してもよく、これらは、各デバイス内の同じ又は他のプリント回路基板上に搭載される。
【００２９】
図１Ａに示すように、送信機又は受信機を含むデバイスを提供できる。送信デバイス１００は、無線電力送信機１０２と送信コイル１０６とを含む。受信デバイス１２０は、無線電力受信機１１０と受信コイル１０８を含む。しかしながら、幾つかの実施形態では、デバイスが、状況に応じて、無線電力の送信及び受信の両方の能力を有することが有益である。
【００３０】
図１Ｂは、無線電力を送信する機能と無線電力を受信する機能の両方を含むデバイス１５０を示している。図１Ｂに示すように、デバイス１５０は、無線電力送信機１５２及び無線電力受信機１６０を含む。デバイス１５０の幾つかの実施形態は、（図１Ａに示すデバイス１００及びデバイス１２０を単一のデバイスに組み合わせることによって達成されるように）個別の送信コイル及び受信コイルを使用してもよいが、図１Ｂに示す例では、送信コイルと受信コイルの両方として機能する単一の送受信（ＴＲｘ）コイル１６２を使用する。ＴＲｘコイル１６２は、デバイスが送信機として動作しているか、受信機として動作しているかに応じて、スイッチングネットワーク１５８を介して無線電力送信機１５２及び無線電力受信機１６０に接続できる。
【００３１】
更に図１Ｂに示すように、無線電力送信機１５２は、電源１５４に接続され、無線電力受信機は、負荷１６４に接続される。幾つかの実施形態では、電源１５４は、電池であってもよく、負荷１６４は、電源１５４内の電池を充電する充電器を含むことができる。
【００３２】
無線電力送信機１５２、無線電力受信機１６０、及びスイッチングネットワークは、モードコントローラ１５６によって制御できる。モードコントローラ１５６は、デバイス１５０が送信機として動作しているか、受信機として動作しているかを判定し、これに応じて、無線電力送信機１５２、無線電力受信機１６０、及びスイッチング／チューニングネットワーク１５８を調整する。幾つかの実施形態では、無線電力送信機１５２及び無線電力受信機１６０は、構成要素を共有してもよい。
【００３３】
ＴＲｘコイル１６２は、通常、個別のＴｘコイルとＲｘコイルのそれぞれとして動作し、それぞれの機能に対して最適化される２つの異なるシステムに接続するため、ＴＲｘコイル１６２の効率的な設計は、困難である。無線電力受信機１６０及び無線電力送信機１５２の２つのシステムは、異なる磁気形状を有し、この結果、ＴＲｘコイル１６２に対して異なる要求が生じる。無線充電Ｒｘコイルは、通常、受信機の磁気結合を良好にするため及び空間の自由度を高くするために大きく形成される。無線充電Ｔｘコイルは、通常、磁気結合を良好にするために、Ｒｘコイルよりも小さく形成される。これらの機能を単一のコイルであるＴＲｘコイル１６２に組み合わせることにより、結果として得られるコイルの一方又は両方の機能に関して性能が不十分になる可能性がある。現在、単一コイルを共有する送信機と受信機の両方として機能するデバイスをサポートできるシステムソリューション又はコイルは、市場に存在しない。後述するように、本発明の幾つかの実施形態は、送信機能と受信機能の両方を効率的に実現する複合ＴＲｘコイルを提供する。
【００３４】
無線電力送信機回路１５２、無線電力受信機回路１６０、モードコントローラ１５６、スイッチング／チューニングネットワーク１５８、及びＴＲｘコイル１６２を含むデバイス１５０は、無線電力を送信及び受信するように動作する。したがって、ＴＲｘコイル１６２は、無線電力を送信するためのＴｘコイルとしても無線電力を受信するためのＲｘコイルとしても機能する。上述したように、ＴＲｘコイル１６２は、通常は、個別のＴｘコイルとＲｘコイルが動作し、異なる磁気形状を有する２つの異なるシステムに接続されるため、ＴＲｘコイル１６２の設計は、困難である。上述したように、無線充電Ｒｘコイルは、通常、受信機の磁気結合を良好にするため及び空間の自由度のために大きく形成され、一方、無線充電Ｔｘコイルは、通常、磁気結合を良好にするために、Ｒｘコイルよりも小さく形成される。
【００３５】
上述したように、ＴＲｘコイル１６２として使用できるＴＲｘコイルは幾つかの設計上の課題を有している。ＴＲｘコイルがＴｘコイルとして機能する際は、磁束が中心領域に集中し、ＴＲｘコイルに近接する受信機（通常は、時計又は他の携帯電話）のＲｘコイルに良好に結合できるように、小さな半径が望ましい。一方、ＴＲｘコイルがＲｘコイルとして機能する際は、ＴＲｘコイルに最も近い送信コイルからより多くの磁束を拾うことができるように、大きな半径が望ましい。ＴＲｘコイルの半径を小さく設計すると、これに関係して磁束が減少する（換言すれば相互インダクタンスが低下する）ため、Ｒｘ性能が低下する（効率及び空間自由度性能が低下する）。ＴＲｘコイルの半径を大きく設計すると、中央部で発生でき、別のＲｘコイルによって拾うことができる磁束が減少する（換言すれば相互インダクタンスが低下する）ため、Ｔｘ性能が低下する（効率が低下する）。
【００３６】
更に、ＴＲｘコイルの内側半径を小さく、外側半径を大きく設計すると、通常、巻き数が多くなりすぎ、このために以下のような幾つかの問題が生じる。１）コイル抵抗が高くなるため、効率が低下する。２）相互インダクタンス及び自己インダクタンスが不適切になるため、チューニングが困難になる。３）コイル面積が大きくなるため、近距離無線通信（Near Field Communication：ＮＦＣ）又はパワーマターズアライアンス（Power Matters Alliance：ＰＭＡ）等の他のコイルとの互換性が失われる。
【００３７】
本発明の実施形態に基づくＴＲｘコイル１６２の実施形態は、上述した課題の様々な側面に対処するＴＲｘコイルを提供する。更に、スイッチング／チューニングネットワーク１５８は、送信モードと受信モードの両方でＴＲｘコイル１６２と共に使用されるチューニングキャパシタを含む。上述のように、これら２つの機能では、チューニング要件が大きく異なる。２組のコイル（ＴｘコイルとＲｘコイル）と各コイルについて個別のチューニングキャパシタの組を使用すると、システムが非常に複雑になり、ＴＲｘコイル１６２の実施形態の実装よりも多くの回路構成要素が必要になる。幾つかの実施形態では、デバイス１５０のシステム（回路及びコイル）を最適化し、コイル及びチューニングキャパシタを共有して、ＴＲｘコイル１６２を形成できる。例えば、幾つかの実施形態では、スイッチング／チューニングネットワーク１５８は、Ｔｘモードで使用されるゼロ電圧スイッチング（Zero Voltage Switching：ＺＶＳ）キャパシタを含むことによって電磁干渉（Electro-Motive Interference：ＥＭＩ）性能を改善する。このようなキャパシタにより、システムのコストが増加する。幾つかの実施形態では、ＺＶＳキャパシタは、Ｒｘモード通信キャパシタ等の他の機能に使用できる。
【００３８】
Ｔｘモードでは、無線電力送信機１５２は、動作周波数を調整して無線給電を最適化できる。磁束が増加すると、効率又は空間自由度が向上することがある。このような場合、無線電力送信機及びスイッチング／チューニングネットワーク１５８の効率を最適化できる。幾つかの実施形態では、デバイス１５０を最適化できる。異物検出（foreign object detection：ＦＯＤ）、デッドタイム、適切な動作点等の更なる機能も最適化できる。
【００３９】
上述のように、従来のデバイスは、送信機能と受信機能の両方を含む場合、別々のＴｘコイル及びＲｘコイルを含む。多くの場合、これらのデバイスは、単一のＴｘコイルを有する送信デバイスとしてのみ動作するか、単一のＲｘコイルを有する受信デバイスとしてのみ動作する。無線充電機能をサポートするコイルは、Ｔｘコイル又はＲｘコイルであり、Ｔｘコイルは、通常、磁束を中心に集中させるためにＲｘコイルよりも小さく、Ｒｘコイルは、通常、より多くの磁束を拾うために大きい。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂは、Ｔｘコイル又はＲｘコイルのいずれにも使用できる並列コイル構造２００を示しているが、この構造は、Ｒｘコイルとしてより一般的に使用されている。図２Ａに示すように、上層コイル巻線２０８と下層コイル巻線２１０とは、並列接続されている。上層コイル巻線２０８及び下層コイル巻線２１０は、例えば、プリント回路基板（printed circuit board：ＰＣＢ）又はフレキシブルプリント回路基板（flexible printed circuit board：ＦＰＣＢ）である基板２１４の上層及び下層に形成されたコイルトレースを指す。図２Ａに示すように、コイル構造２００は、上記の図１Ａ及び図１Ｂに示す他の電子機器にコイル構造２００を接続するための２つの２０２及び２０４を含む。タップＡ２０２及びタップＢ２０４とコイルとの間の接続は、太線及び黒点で示されている。
【００４１】
更に図２Ａに示すように、上層コイルトレース２０８は、ビア２０６を介して下層コイルトレース２１０に接続されている。図２Ｂは、図２Ａの線Ａ−Ａ’を通る断面図を示している。図２Ｂに示すように、上層コイルトレース２０８及び下層コイルトレース２１０は、それぞれ基板２１４の上層及び下層に配置されている。基板２１４を貫通するビア２０６は、上層コイルトレース２０８の巻線の各ターンを対応する下層コイルトレース２１０に接続している。図示のように、上層コイルトレース２０８及び下層コイルトレース２１０は、開口部２１２の周りに巻回されてコイル構造２００を形成する。更に、上層コイルトレース２０８及び下層コイルトレース２０６は、全体を通して同じ幅を有する。
【００４２】
図２Ａ及び図２Ｂに示す例では、上層及び下層に同じコイルパターンが形成されている。上述のように、ビア２０６は、上層コイルと下層コイルを接続するために使用される。これにより、上層コイルと下層コイルとが並列に接続される。この構成の利点は、上層と下層のコイルが並列に接続されるため、コイル抵抗が低いことである。しかしながら、利用可能な巻数が減少すると、磁気結合が弱くなる。
【００４３】
図３Ａ及び図３Ｂは、上層と下層のコイルトレースが直列接続されたコイル構造３００を示している。コイルは、上層コイル３０８においてタップ３０２からスパイラルに入り、ビア３０６を介して下層コイル３１０に接続され、下層コイル３１２からスパイラルを出て、タップ３０４に接続されている。上層コイル３０８及び下層コイル３１０は、開口部３１２の周りに巻回されている。図３Ａは、コイル構造３００の平面図を示し、図３Ｂは、図３Ａの線Ｂ−Ｂ’を通る断面図を示している。
【００４４】
図３Ａ及び図３Ｂは、アクティブである多数のターンを有するコイル構造を示している。これにより、磁気結合がより強くなる。しかしながら、直列接続によってコイル状ワイヤの長さが遥かに長くなるため、コイル抵抗が高くなる。
【００４５】
本発明によるコイル構造の幾つかの実施形態は、送信コイルと受信コイルの両方、すなわちＴＲｘコイルとしてより効率的に動作できる構造を含む。現在、送信（Ｔｘ）コイルと受信（Ｒｘ）コイルの両方として効率的に機能できるコイルのためのソリューションは知られていない。送信モードで動作するコイルと受信モードで動作するコイルとの相反する幾何学的制約により、設計上の課題が生じる。ＴＲｘコイルがＴｘコイルとして機能する際は、磁束が中心領域に集中し、受信機（通常は、時計又は他の携帯電話）のＲｘコイルに良好に結合できるように、小さな半径が望ましい。一方、ＴＲｘコイルがＲｘコイルとして機能する際は、コイルがより多くの磁束を拾うことができるように、大きな半径が望ましい。ＴＲｘコイルの半径を小さく設計すると、これに関係して磁束が減少する（換言すれば相互インダクタンスが低下する）ため、Ｒｘ性能が低下する（効率及び空間自由度性能が低下する）。ＴＲｘコイルの半径を大きく設計すると、中央部で発生でき、別のＲｘコイルによって拾うことができる磁束が減少する（換言すれば相互インダクタンスが低下する）ため、Ｔｘ性能が低下する（効率が低下する）。
【００４６】
更に、ＴＲｘコイルの内側半径を小さく、外側半径を大きく設計すると、通常、巻き数が多くなりすぎる。巻き数が多くなりすぎることにより、以下のような幾つかの問題が生じる。１）コイル抵抗が高くなるため、効率が低下する。２）相互インダクタンス及び自己インダクタンスが不適切になるため、チューニングが困難になる。３）ＴＲｘコイルによって使用されるコイル面積が大きくなるため、近距離無線通信（Near Field Communication：ＮＦＣ）又はパワーマターズアライアンス（Power Matters Alliance：ＰＭＡ）等の他のコイルとの互換性が失われる。
【００４７】
本発明の幾つかの実施形態は、ＴＲｘコイルが送信に有効な部分と受信に有効な部分とを含む多端子コイル（multiple-terminal coil）を含むことができる。送信コイルと受信コイルは、多端子コイル内で分離できる。第１の設計では、ＴＸコイル部とＲＸコイル部とが分離されている多端子ＴＲｘコイルを提供する。これにより、Ｔｘコイル部とＲｘコイル部の両方の設計の自由度が高まる。この結果、Ｔｘモード又はＲｘモードのいずれでも良好な性能を有するＴＲｘコイル設計を提供できる。
【００４８】
図４Ａは、分離された内側コイルと外側コイルとを有するコイル構造４００を示している。図４Ａに示すように、コイル構造４００は、内側コイル構成４０６と外側コイル構成４０２とを含む。内側コイル構成４０６と外側コイル構成４０２との間の空間には、第３の近接場コイル（near-field coil：ＮＦＣ）４０４を配置できる。内側コイル４０６、外側コイル４０２、及びＮＦＣコイル４０４は、基板（ＰＣＢ）構造の両側に配置できる。タップＡ４０８は、外側コイル４０２の一端に電気的に接続されている。タップＢ４１０は、スパイラル状の外側コイル４０２の反対側と内側コイル４０６の第１の側との両方に接続されている。タップＣ４１２は、内側コイル４０６の他方の側に接続されている。したがって、タップＢ４１０及びタップＣ４１２を介して効率的な送信コイルが形成され、タップＡ４０８及びタップＢ４１０を介して効率的な受信コイルが形成される。ＮＦＣコイル４０４は、タップ１（４１４）とタップ２（４１６）との間に接続できる。幾つかの実施形態では、内側コイル４０６は、直列接続でき、外側コイル４０２は、並列接続できる。これにより、受信に使用される外側コイル４０２のコイル抵抗をより低いレベルに維持しながら、内側コイル４０６の送信の効率を向上させることができる。
【００４９】
図４Ｂは、幾つかの実施形態に基づく他のマルチタップコイル構成４５０を示している。コイル構成４５０も、外側コイル４５２及び内側コイル４５６を含む。ここでも、内側コイル４５６と外側コイル４５２との間の空間にＮＦＣコイル４５４を設けることができる。上述のように、内側コイル４５６、外側コイル４５２、及びＮＦＣコイル４５４は、ＰＣＢ等の基板の両側（上層及び下層）に配置できる。図４Ｂに示すように、コイル構成４５０は、外側コイル４５２の第１の側に電気的に接続されているタップＡ４５８と、外側コイル４５２の反対側に電気的に接続されているタップＢ４６４とを含む。タップＣ４６６は、内側コイル４５６の第１の側に接続され、タップＤは、内側コイル４５６の反対側に接続されている。ＮＦＣコイル４５４は、タップ１（４６０）とタップ２（４６２）の間に接続できる。送信コイルは、タップＣ４６６とタップＤ４６８との間に接続された内側コイル４５６によって形成され、受信コイルは、タップＡ４５８とタップＢ４６４との間に接続された外側コイル４５２によって形成される。この場合も、内側コイル４５６は、直列に接続でき（すなわち、ビアを介して上側トレースを下側トレースに直列接続でき）、外側コイル４５２は、並列に接続できる（すなわち、ビアを介して上側トレースの各ターンを下側トレースの対応するターンに接続できる）。
【００５０】
したがって、図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ多端子ＴＲｘコイル構成４００及び４５０の実施形態を示している。図４Ａは、タップＡ４０８、タップＢ４１０、及びタップＣ４１２の３つのタップを有するＴＲｘコイル４００の実施形態を示している。また、コイル４００は、ＮＦＣコイル４０４に接続され、近距離無線通信（ＮＦＣ）システムを形成するタップ１（４１４）及びタップ２（４１６）を含む。３つの端子により、外側コイル４０２の両端に接続されたタップＡ４０８及びタップＢ４１０を受信コイルとして使用でき、内側コイル４０６の両端に接続されたタップＢ４１０及びタップＣ４１２を送信コイルとして使用できる。
【００５１】
図４Ｂは、タップＡ４５８、タップＢ４６４、タップＣ４６６、及びタップＤ４６８の４つのタップを有するＴＲｘコイル４５０を示している。この場合も、タップ１（４６０）とタップ２（４６２）との間に接続されたＮＦＣコイル４５４は、ＮＦＣ通信コイルを形成する。この図に示すように、タップＡ４５８とタップＢ４６４との間に接続される外側コイル４５２は、Ｒｘコイルとして使用できる。タップＣ４６６とタップＤ４６８との間に接続された内側コイル４５６は、Ｔｘコイルを形成する。同様に、他のタップ構成を適切に接続してＴｘ及びＲｘコイルを形成できる。例えば、タップＡ４５８及びタップＣ４６６を外側コイル４５２に接続してＲｘコイルを形成でき、タップＢ４６４及びタップＤ４６８を内側コイル４５６に接続してＴｘコイルを形成できる。図４Ａ及び図４Ｂに示すような実施形態の利点は、送信コイルと受信コイルが分離され、したがって、送信コイルと受信コイルの両方の設計の自由度が高まる点である。このため、送信コイルと受信コイルの両方は、それぞれの機能のために最適化でき、良好な性能を実現できる。
【００５２】
図５Ａ及び図５Ｂは、ＴＲｘコイルとして使用できる他のコイル構成を示している。図５Ａは、ＴＲｘコイルとして単一のコイルを使用するＴＲｘコイル構成５００を示している。図５Ａの例に示すように、ＴＲｘコイル５００は、単一のコイル５０６に接続された２つのタップ、タップ５０２及び５０４を含む。幾つかの実施形態において、コイル５０６は、プリント回路基板の上層及び下層に形成された上層コイル及び下層コイルを含む。図５Ａに示すように、上層コイルと下層コイルは、ビア５０８によって並列に接続されている。単一コイル５０６は、Ｔｘコイル及びＲｘコイルの両方として機能し、したがって、システム要件は、大幅に軽減される。多くの例では、上層コイルと下層コイルのコイルパターンが同じである。図５Ａに示すように、単一コイル５０６の両端にタップＡ５０２及びタップＢ５０４が接続されている二端子ＴＲｘコイルは、Ｒｘ及びＴｘコイルの両方に使用される。この利点は、１つのコイルがＴｘコイルとＲｘコイルの両方として機能することである。この場合、使用されるドライバは１つのみであり、コイル構成５００をＴｘモードとＲｘモードとの間で切り替えるためのスイッチが不要であるため、回路要件は、大幅に軽減される。以下で更に説明するように、ＴｘモードとＲｘモードとの間で競合する要求に対処するために、内側ターンと外側ターンとの間で、コイル構成５００の個々のターンを形成するトレースの形状を調整する。具体的には、内側のトレースよりも外側のトレースの幅を広く形成する。
【００５３】
図２Ａに示すコイル構成２００の利点は、上層コイルと下層コイルとが並列に接続されているため、コイル抵抗が低いことである。しかしながら、利用可能な巻数が少なくなると、磁気結合が弱くなる。このような構成において、コイルは、巻線のターン毎に同じトレース幅を有することが多い。磁束を中心に集中させてＴｘ性能を向上させるためには、内側半径を小さくする必要があり、これにより、効率が低下し、及び外側の巻線の空間自由度が低下するため、Ｒｘ性能が悪化する可能性がある。以下に説明するように、構成５００は、異なるターンにおいてトレース幅を変化させることにより、コイル構造５００の性能をチューニングしている。更に、以下に説明するように、コイル構造５００は、コイルレイアウトにおいて通常使用されていない部分に更なる導電材料（例えば銅）を設けることにより、コイル抵抗を更に低減している。
【００５４】
コイル構成５００として示すようなＴＲｘコイルは、巻線毎に最適化されたトレース幅を有することができる。各ターンのトレース幅は、磁束を改善するように最適化でき、これにより、相互インダクタンスが改善され、Ｔｘ性能が向上する。内側の巻線のトレース幅をより狭くし、外側の巻線のトレース幅をより広くすることができる。幾つかの実施形態では、コイル巻線について、段階的に２つ以上の個別のトレース幅を使用してもよい。
【００５５】
このような構成は、以下に説明するように、幾つかの利点を有する。このような設計によって、内径を大きくし及び／又は巻き数を削減でき、この結果、Ｒｘ性能を向上させることができる。また、このような設計により、他の因子（外側の巻線幅と内側の巻線幅の比）が導入されるので、適切な自己インダクタンス及び相互インダクタンスを達成できる。これらのパラメータを調整することによって、適切なシステムレベルのチューニングを実現でき、これにより、システムレベル（又は回路レベル）の要件を大幅に簡略化できる。更に、このような設計によって、コイル面積をより小さくでき、この結果、ＴＲｘコイルにＮＦＣ及び／又はＰＭＡコイル等の他のコイルを設けることができる。例として図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、図１１、及び図１２を参照して、多幅ターン（multi-width turns）を有する配置について更に説明する。
【００５６】
図５Ｂは、単一の連続コイルであるＴＲｘコイル５５０を用いた他の実施形態を示している。ＴＲｘコイル５５０は、タップＡ５５２、タップＢ５５４、及びタップＣ５５６の３つのタップに接続されたコイル５５８を含む。タップＡ５５２は、コイル５５８の最も外側ターンに接続され、タップＣ５５６は、コイル５５８の最も内側ターンに接続されている。タップＢ５５４は、コイル５５８の中間ターンに接続されている。したがって、タップＢ５５４とタップＣ５５６との間に送信コイルを形成でき、タップＡ５５２とタップＢ５５４との間に受信コイルを形成できる。上述のように、タップへの接続は、実線と点で示されている。
【００５７】
図６Ａ及び図６Ｂは、幾つかの実施形態に基づく２タップコイル構成６００の別の実施形態を示している。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、コイル構成６００は、外側コイル６１０、内側コイル６１２、及び外側コイル６１０と内側コイル６１２との間の空間に配置されたＮＦＣコイル６１４を含む。更に図６Ａに示すように、タップＡは、外側コイル６１０の一方の側に接続されている。外側コイル６１０の他方の側は、内側コイル６１２の一方の側に接続され、タップＢ６０８は、内側コイル６１２の他方の側に接続されている。図６Ｂは、線Ｃ−Ｃ’に沿ったコイル構成６００の断面図である。この接続は、外側コイル６１０内の外側ターンと内側コイル６１２の内側ターンとの再構成された接続である。更に、図６Ｂに示すように、外側コイル６１０内の上層及び下層コイルは、ビア６１８を介して並列接続されている。更に、内側ターン６１２のための上層コイル及び下層コイルは、ビア６２０を介して直列接続されている。この上層及び下層コイルへの並列接続及び直列接続によって、コイル抵抗を最適化し、Ｔｘ及びＲｘ性能を向上させることができる。更に、Ｔｘコイルにおいて集中して発生する磁束が磁気結合を改善する。大きな外側ターンコイル６１０は、Ｒｘコイルとしての動作でより多くの磁束を拾い、これにより、Ｒｘ性能が向上する。
【００５８】
内側コイル６１２の内側ターンのための上層コイルと下層コイルの直列接続は、Ｔｘコイルに使用できる。Ｔｘコイルとしての動作用の内側ターンは、集中磁束を発生させる。ターンの直径は小さく、内側コイル６１２の上側コイルと内側コイル６１２の下側コイルとが直列接続されているため、より多くのターンがより強い磁場を生成できる。直列接続によるＲｘコイルへのより強い磁気結合（これにより、ターンの数を増やすことができる。）は、Ｔｘ性能にとって重要である。
【００５９】
外側コイル６１０の外側ターンの上層及び下層のターンを並列接続することにより、外側コイル６１０の抵抗をより低くすることができる。外側ターンをより大きくし、抵抗を小さくすることで、対応するＴｘコイルからの磁束の受け取りが改善される。内側ターンと外側ターンの両方でコイル抵抗を最適化することにより、ＴｘとＲｘの性能が向上する。ＴＸコイルとして機能する際に発生する集中磁束により、磁気結合が強くなる。これにより、より多くの磁束を拾う大きな外側ターンがＲＸコイルとして機能でき、ＲＸ性能が向上する。
【００６０】
したがって、幾つかの実施形態は、多端子ＴＲｘコイルを含む。コイル構造のＴｘ部分とＲｘ部分は、分離されているため、ＴｘコイルとＲｘコイルの両方の機能に関する設計の自由度がより高い。これにより、ＴｘコイルとＲｘコイルの両方で良好な性能が得られる。幾つかの実施形態は、２端子ＴＲｘコイルを含むことができる。１つのコイルがＴｘコイルとＲｘコイルの両方として機能するため、システム要件が大幅に軽減される。幾つかの実施形態では、外側ターンと内側ターンとの間の接続を再構成する。外側ターン用の上層コイルと下層コイルを並列に接続することにより、最適化されたＲｘコイルが実現される。内側ターン用の上層コイルと下層コイルを直列に接続することにより、最適化されたＴｘコイルが実現される。外側ターンと内側ターンの間でトレースの幅を変化させることによってコイル抵抗が最適化され、ＴｘとＲｘの性能が向上する。多数の内側の巻線によって形成されたＴｘコイルが発生する集中磁束により、磁気結合が強くなる。トレース幅が広い外側の大きなターンは、Ｒｘコイルとしてより多くの磁束を拾い、これにより、Ｒｘ性能が向上する。
【００６１】
上記のように、多くのシステムにおいて、マルチタップコイルを使用してＴＲｘコイルを形成できる。これは、例えば、図４ＡのＴＲｘコイル４００、図４ＢのＴＲｘコイル４５０、又は図６ＡのＴＲｘコイル６００に示されている。これらは、他の様々なコイルにも適用できる。これらの構成では、スイッチングネットワーク１５８（図１Ｂ）は、モードコントローラ１５６からのモードに応じてタップを切り替えることによってコイル構成のうちの１つを選択するため、複雑になる。
【００６２】
幾つかの場合、例えば、図５Ｂに示すＴＲｘコイル５５０のように、１つのコイルが送信システムと受信システムの両方を駆動するハイブリッドコイルを設計する。ここで、効率的なシステムを達成するためには、ＴＸシステムとＲＸシステムの両方におけるコイルの最適化が重要である。ＴＸコイルとＲＸコイルの両方の性能の動作に影響を与える１つの特定のパラメータは、コイル抵抗である。コイル抵抗が増加すると、電力の送信中及び受信中の両方のコイルの加熱による電力損失が増加する。この動作パラメータは、ＡＣコイル抵抗（AC coil resistance：ＡＣＲ）及びＤＣコイル抵抗（DC coil resistance：ＤＣＲ）の両方で特徴付けることができる。
【００６３】
特に、Ｔｘ及びＲｘコイルは、無線給電システムにおいて電力を伝送する。コイルは、これらが配置されているデバイスの熱性能にも重要な役割を果たしている。送信機及び受信機の両方において、コイル電流は、１〜２アンペア以上になる可能性があり、このコイル電流は、送信コイル及び受信コイルの抵抗に応じて送信コイル及び受信コイルに熱を発生させる。多くの場合バッテリに接続されてバッテリに近接しているＲｘコイルは、例えば、バッテリを充電するために電力が伝送される際、Ｔｘコイルに極めて接近して配置される。したがって、コイルからの熱は、電池に容易に伝達され、充電性能及び電池性能に影響を及ぼし、例えば、充電電流及び電力レベル、並びに電池の寿命を制限する。したがって、コイルからの熱を制御することが重要である。更に、加熱中の電力損失により、送信デバイスと受信デバイスとの間の無線給電の効率が低下する。
【００６４】
図７Ａ及び図７Ｂは、ターン７１０−１〜７１０−Ｎを有する外側コイル７０２を有するコイル構造７００を示しており、Ｎ個のターンのうち、ターン７１０−１は、最も外側のコイルであり、ターン７１０−Ｎは、最も内側のコイルである。また、コイル構造７００は、内側コイル７１２、及び場合によっては、ＮＦＣコイル７１４を含む。図７Ｂは、ターン７１０−１〜７１０−Ｎの断面７０４を示している。図７Ｂに示すように、コイルターン７１０−１〜７１０−Ｎは、全て各巻線ターンで同じトレース幅を有し、外側の巻線では、直径が大きいため、抵抗が高くなる。更に図７Ａに示すように、コイルは、内側及び外側の巻線ターン７１０−１〜７１０−Ｎによって構成されている。これにより、外側ターン７１０−１に無駄な領域７０６が生じ、内側ターン７１０−Ｎに無駄な空間７０８が生じている。この結果、内側の巻線と外側の巻線との間に、無駄な銅領域が存在し、これを利用すればコイル７０２内のコイル抵抗を減少させることができる。
【００６５】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、典型的なコイル設計は、各巻線が同じトレース幅を有する。コイル設計７００は、ＴＲｘコイルとして使用できるが、トレース幅は、性能を改善するように最適化されていない。例えば、外側ターンであるターン７１０−１は、より長く、したがってそのターンでより高い抵抗を生じる。別の典型的なコイル設計では、図７Ａに示すように、内側コイル及び外側コイルについても、スパイラル形状の巻線を使用する。この設計は、より多くの導体を設けるために使用できる領域を無駄にし、他の設計より抵抗が高くなる。更に、磁束を中心に集中させて送信コイルの性能を向上させるために内径を小さくする必要があり、このため、受信機の性能が劣化し、効率及び空間の自由度が低下する。
【００６６】
本発明の幾つかの実施形態では、コイルの各巻線ターンにおけるトレース幅を変化させてコイル性能を最適化する。各ターンのトレース幅は、抵抗と磁束を改善するように最適化でき、これにより、相互インダクタンスを改善してより優れた送信性能を達成できる。内側の巻線のトレース幅をより狭くし、外側の巻線のトレース幅をより広くできる。幾つかの実施形態では、内側の巻線から外側の巻線にかけて、コイル巻線のための２つ又は複数の異なるトレース幅を使用できる。幾つかの実施形態では、トレース幅は、内側コイルと外側コイルとの間で連続的に変化させてもよく、幾つかの実施形態では、トレース幅は、内側コイルと外側コイルとの間で階段関数的に変化させてもよい。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示すコイル構造８００は、このようなコイル設計を例示している。このような構成は幾つかの利点を有することができる。このような設計によって、Ｔｘモードに関与するコイル構造８００の部分の内径をより大きくし、及び／又は巻き数をより少なくでき、この結果、より良好なＲｘ性能が達成される。
【００６７】
これは、図７Ａ及び図７Ｂに示す構造７００並びに図２Ａ及び図２Ｂに示す従来の構造２００等のコイル構造とは、対照的である。上述のように、図２Ａ及び図２Ｂは、上層コイル２０８と下層コイル２１０の並列接続を示しているが、これらのコイルは、単一幅のトレースである。上述のように、上層コイル２０８及び下層コイル２１０は、基板、例えば、プリント回路基板の上層及び下層に形成されたコイルを指す。上層と下層には、同じコイルパターンが形成されている。ビア２０６は、上層コイル２０８と下層コイル２１０とを接続するために使用される。この構成の利点は、上層コイル２０８と下層コイル２１０とが並列に接続されているため、コイル抵抗が低いことである。しかしながら、利用可能な巻数が少なくなると、磁気結合が弱くなる。
【００６８】
図２Ａに示すコイル構造２００は、（内側コイルと外側コイル構造の両方を示す）図７Ａ及び図７Ｂのコイル構造７００によって更に示すように、各巻線で同じトレース幅を有する。磁束を中心に集中させてＴｘ性能を向上させるためには、内径を小さくする必要があり、これにより効率が低下し、空間自由度が低下するため、Ｒｘ性能が劣化する。
【００６９】
本発明の幾つかの実施形態では、コイルは、抵抗を最小化するために最適化されたトレース幅を有するターントレースを有し、これにより、発生する熱を減少させ、給電の効率を高め、送信及び受信性能を改善する。このような設計により、他の因子（外側ターントレース幅と内側ターントレース幅の比）が導入されるので、適切な自己インダクタンス及び相互インダクタンスを達成でき、このため、システムレベル（又は回路レベル）の要件を大幅に簡略化でき、適切なシステムレベルのチューニングを実現できる。更に、このような設計によって、コイル面積をより小さくでき、この結果、ＮＦＣ及び／又はＰＭＡ等の他のコイルとの互換性を実現できる。
【００７０】
本発明の実施形態は、各巻線におけるトレース幅を最適化する。幾つかの実施形態では、ターンは、抵抗（ＤＣＲ／ＡＣＲ）を減少させるように最適化される。幾つかの実施形態では、１０％のＤＣＲ低減を達成できる。幾つかの実施形態では、外側の巻線は、より広い幅を有する。これにより、コイル抵抗が低減される。更に、幾つかの実施形態では、内側及び外側ターンに円形形状の巻線トレースを使用する。余剰の銅領域を利用して、コイル抵抗を更に低減できる。円形の縁部は、ＤＣＲを低減する。幾つかの実施形態では、円形の縁部によってＤＣＲの１〜２％の減少を達成できる。
【００７１】
相互インダクタンスを改善するようにコイル設計を構成することによって性能を改善できる。この一例を図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示す。コイル構成（コイル構造）８００は、タップ８１２とタップ８１４の間に接続された並列接続コイル又は直列接続コイルを表している。コイル構成（コイル構造）８００では、巻線ターン毎にトレース幅を最適化できる。具体的には、内側の巻線のトレース幅を狭く、外側の巻線のトレース幅を広くしている。これにより、上述したような幾つかの利益が得られる。
【００７２】
図８Ａは、本発明の幾つかの実施形態に基づくコイル構造８００を示している。図８Ｂは、外側コイル８０２の断面８０６を示している。図８Ｂに示すように、外側コイル８０２は、トレース８０２−１〜８０２−Ｎを含み、トレース８０２−１は、外側コイル８０２の最も外側のトレースを示し、トレース８０２−Ｎは、外側コイル８０２の最も内側のトレースを示している。図８Ｂに示すように、コイル８０２内のトレース８０２−１〜８０２−Ｎは、抵抗（ＤＣＲ）低減のために幅が最適化されている。図８Ｂの例に示すように、トレース幅は、内側トレースよりも外側トレースでより広い（すなわち、トレース８０２−１は、トレース８０２−Ｎの幅よりも広い幅を有する）。図８Ｂは、断面８０６の内側トレース８０２−Ｎから外側トレース８０２−１までのトレース幅を示している。トレース幅は、巻線トレース８０２−１〜８０２−Ｎ毎に最適化できる。
【００７３】
内側の巻線（例えば、トレース８０２−Ｎに近いトレース）のトレース幅を狭くすることにより、内側の巻線においてより多くのターンが許容され、これにより、Ｔｘコイルとして機能する際に磁束を中央に集中させることができる。更に、相互インダクタンスが向上する。磁束を集中させると、従来の設計と比較して必要な巻数が少なくなるため、Ｎを小さくでき、これにより、コイル抵抗が減少して効率が向上する。また、磁束の集中によって、より大きい内側半径（すなわち内側トレース８０２−Ｎによって決定される半径）が許容され、これにより、Ｒｘ性能が改善され（効率が高まり及び空間自由度が向上し）、他のコイル（ＮＦＣ及びＰＭＡ）との互換性が提供される。他の因子（外側ターントレース幅と内側ターントレース幅の比）が導入されるため、適切な自己インダクタンス及び相互インダクタンスを達成できる。これにより、コイルシステム８００をシステムレベルで適切にチューニングでき、システムレベル（又は回路レベル）要件を大幅に簡略化できる。
【００７４】
図８Ｂは、トレース幅が各トレース８０２−１〜８０２−Ｎで変化する例を示しているが、トレース幅は、コイルトレース８０２の巻線全体に亘って滑らかに変化させてもよく、又はトレース幅を段階的に変化させてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、コイル巻線トレース８０２−１〜８０２−Ｎの間に分布するトレース幅の数は、少数（例えば、２つ以上）であってもよい。上述のように、コイル巻線トレース８０２−１〜８０２−Ｎ毎に異なるトレース幅を使用してもよいが、これによりコイル設計が複雑になる可能性がある。幾つかの実施形態では、簡略化された設計を使用できる。コイル巻線について２つ以上のトレース幅を使用できる。内側の巻線では、１つ以上の狭い幅を使用でき、これにより、ＲｘコイルとＴｘコイルの間の相互インダクタンスが設定される。外側の巻線では、１つ以上のより広い幅を使用でき、これにより、ＴｘコイルとＲｘコイルの間の相互インダクタンスが設定される。幾つかの実施形態では、例えば、トレース８０２−１〜８０２−Ｌは、第１の幅を有し、トレース８０２−（Ｌ＋１）〜８０２−Ｎは、第２のより狭い幅を有する。
【００７５】
この結果、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、巻線毎にトレース幅を最適化できる。内側の巻線のトレース幅は狭くされ、外側の巻線のトレース幅は広くされる。内側の巻線のトレース幅を狭くすると、内側でより多くのターンが可能になり、Ｔｘコイルとして動作する際に磁束が中心に集中する。また、相互インダクタンスが向上する。この方法は、２つ以上のトレース幅を用いて簡略化してもよい。すなわち、内側の巻線用に１つ以上の狭いトレース幅を使用し、及び外側の巻線用に１つ以上の広いトレース幅を使用してもよい。
【００７６】
図８Ｃは、外側コイル８０２の拡大図８０４を示している。更に、セクション８０４によって例示され、図８Ｃに示すように、円形の外側及び内側の縁部により、より効率的な使用及びより多くの銅領域が許容される。図８Ｃに示すように、コイル抵抗（ＡＣＲ）を最適化するために様々なコイル幅を使用できる。図８Ｃは、コイル８０２、特にコイルトレース８０２−１〜８０２−Ｎの断面８０４を示している。コイル８０２は、図８Ａに示すものだけでなく、上述のコイルのうちのいずれであってもよい。図８Ｃは、これらがマルチコイル構造又はシングルコイル構造に含まれるかどうかにかかわらず、任意のコイルの断面８０４を表している。
【００７７】
図８Ｃに示し、図８Ｂに関して上述したように、コイルトレース８０２−１〜８０２−Ｎの幅は、外側コイル（８０２−１）が内側コイル（８０２−Ｎ）よりも広い幅を有するように変化する。図８Ｃに示すように、最も内側のコイルトレース８０２−Ｎの幅は、最も外側のコイルトレース８０２−１の幅よりも狭い。中間コイルトレース（８０２−２〜８０２−（Ｎ−１））の幅は、外側トレース８０２−１に向かって増加する。全てのトレースが同じ幅を有する場合に比べて、この構造により、より長い外側ループ８０２−１の抵抗が低下する。更に、コイル８０２によって占められる空間は、著しく増加しない。上述したように、図８Ｃに示すように幅が変化するコイルトレースを使用して、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂで上述した任意のコイル構造を形成できる。
【００７８】
コイル８０２の抵抗を更に低減するために、図７Ａにおいて無駄な領域７０６及び７０８として示されるコイルトレース８０２−１〜８０２−Ｎのスパイラルの外側の未使用領域は、これらの領域においてコイル幅を更に増加させるために使用できる。図８Ｃは、上述のように、コイルトレース８０２−１〜８０２−Ｎを有するコイル８０２を示し、各コイルトレース８０１−１〜８０２−Ｎの幅は、内側ループでは狭く、外側ループでは広い（例えば、コイルループ８０２−１は、コイルループ８０２−Ｎより広い）。しかしながら、図８Ｃに示すように、例えば、コイル８０２自体が円形領域を形成するために、領域８０８において、コイルループ８０２−２に移行する部分のコイルループ８０２−１の幅は、コイルループ８０２−１の外側の領域を埋めるように更に広げられている。同様に、領域８１０に示すように、最も内側のコイル（８０２−（Ｎ−１））は、円形領域を埋めるためにコイルループ８０２−Ｎの内径まで広げられている。
【００７９】
図８Ｃは、本発明の幾つかの実施形態に基づくコイル設計を示している。導体幅が広げられたこれらの領域により、最も内側及び最も外側の巻線の抵抗を更に低減できる。また、これにより、残りのターン（コイルターン８０２−１〜８０２−Ｎ）を更に低い抵抗特性を有するように更に最適化できる。領域８０８及び８１０は、円形領域を埋める（例えば、領域８０８は、外径に整合するターン８０２−１によって円を埋める）ように示しているが、任意の形状を形成できる。例えば、領域８０８は、正方形又は他の形状を含む任意の形状のシェルを埋めることができる。
【００８０】
したがって、本発明の幾つかの実施形態は、各巻線において最適化されたトレース幅を有するＴＲｘコイルを含む。各ターンのトレース幅は、磁束を改善するように最適化されているため、相互インダクタンスとコイル抵抗を改善してＴｘ性能を向上させることができる。内側の巻線では、より狭いトレース幅を使用し、外側の巻線では、より広いトレース幅を使用できる。幾つかの実施形態では、トレース幅は、内側の巻線トレースと外側の巻線トレースとの間で段階的に変化させてもよい。幾つかの実施形態では、コイル巻線において２つ以上のトレース幅を使用できる。これにより様々な利益が生じる。このような設計によって、内径を大きくでき及び／又は巻き数を少なくでき、この結果、Ｒｘ性能が向上する。このような設計により、他の因子（外側ターントレース幅と内側ターントレース幅の比）が導入されるため、適切な自己インダクタンス及び相互インダクタンスが達成され、これにより、適切なシステムレベルのチューニングを行うことができ、システムレベル（又は回路レベル）の要件が大幅に簡略化される。また、このような設計によって、コイル面積をより小さくでき、この結果、ＮＦＣ及び／又はＰＭＡ等の他のコイルとの互換性が確保される。
【００８１】
このように、コイルの幾つかの実施形態では、巻線毎のトレース幅が最適化される。幾つかの実施形態では、各ターンにおけるトレース幅は、抵抗及び無線電力の受信に関して最適化される。更に、幾つかの実施形態では、円形の内側及び外側の巻線は、コイル被覆率を高めながら抵抗を低減する。幾つかの実施形態では、送信コイル又は受信コイルのいずれかについて、目標の幾何学的形状に基づいて巻き線幅を再分布させてもよい。しかしながら、幾つかの場合、これらの構成によりコイルの抵抗が犠牲になる。典型的には、１４ターンの間隔は、例えば、Ｒ＝２１．０５ｍｍからＲ＝８ｍｍまでである。なお、各セグメント内の巻線幅を最適化するためにコイルをセグメント化してもよい。
【００８２】
幾つかのシステムでは、表皮効果を減少させてコイルの抵抗を低減するために、コイル構造においてフィンガ（finger）設計を使用する。無線充電用途のコイル構造では、フィンガ設計を使用するコイルの利用が増えている。フィンガ設計は、表皮効果を減少させ、コイル抵抗を低減する。図９Ａは、フィンガを含むコイル構造９００を示している。図９Ａに示すように、コイル９００は、スパイラルトレース９０２を含み、タップ９０４は、外側トレース９０８−１に接続され、タップ９０６は、内側トレース９０８−Ｎに接続されている。更に図９Ａに示すように、コイルトレース９０２は、例えば、プリント回路基板である基板９１４上に形成されている。
【００８３】
図９Ｂは、図９Ａに示した部分９１２の平面図である。図９Ｂに示すように、コイル構造９００は、タップ９０４及びタップ９０６を有する２タップコイルである。タップ９０４及びタップ９０６のそれぞれは、複数のフィンガによってトレースに接続されている。図９Ｂに示すように、タップ（タブ）９０４は、フィンガ９１６−１〜９１６−ｍに接続され、タップ９０６は、フィンガ９１８−１〜９１８−ｍに接続されている。この例では、ｍは、４であり、これは、各コイルが４つのフィンガを有することを意味するが、ｍは、任意の値を取ることができる。上述のように、フィンガ９１６−１〜９１６−ｍは、トレース９０８−１に接続され、これにより、トレース９０８−１は、ｍ個のフィンガ９１６−１〜９１６−ｍを含む。更に、フィンガ９１８−１〜９１８−ｍは、トレース９０８−Ｎに接続されており、したがって、トレース９０８−ｍは、ｍ個のトレース９１８−１〜９１８−ｍを含む。
【００８４】
図９Ｃは、図９Ａに示す部分９１０の平面図である。図９Ｃに示すように、トレース９０１−１〜９０８−Ｎは、それぞれｍ個のフィンガを含む。トレース９０８−１は、フィンガ９１６−１〜９１６−ｍによって示されている。トレース９０８−Ｎは、フィンガ９１８−１〜９１８−ｍによって示されている。この図からわかるように、コイルトレース９０２の外側トレース９０８−１から内側トレース９０８−Ｎに向かって、フィンガ９１６−１〜９１６−ｍからフィンガ９１８−１〜９１８−ｍが対応している。図９Ｃに示す例では、図９Ｂと同様に、ｍは４である。
【００８５】
上述したように、コイル設計９００の構造により、表皮効果が減少するため、コイル抵抗が改善される。しかしながら、コイル構造９００では、各巻線９０８−１〜９０８−Ｎは、同数のフィンガｍを含み、各フィンガ９１６−１〜９１６−ｍ（９１８−１〜９１８−ｍとなる）は、同じ幅を有する。したがって、コイル構造９００は、最適な設計ではない。
【００８６】
本発明の実施形態は、コイル抵抗を更に最適化するために、各ターン内のフィンガの数及びコイルのターン内のフィンガ幅のうちの１つ又は複数を変更する。この結果、本発明の幾つかの実施形態は、各フィンガ及び各ターンにおいてコイル抵抗を最適化できる。
【００８７】
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、本発明の幾つかの実施形態に基づき、フィンガによって最適化されたコイル設計１０００を示している。図１０Ａに示すように、コイル１０００は、外側ターン１０１０−１から内側ターン１０１０−Ｎまでの範囲のコイルターン１００２を含む。図示のように、タブ（タップ）１０２０は、外側ターン１０１０−１に接続されている。図８Ａ、図８Ｂ、及び図８Ｃに示すものと同様に、ターン１０１０−１〜１０１０−Ｎの全体の幅は、外側ターンの幅が内側ターンの幅よりも広くなるように、ターン毎に変更できる。ターン１０１０−１〜１０１０−Ｎのそれぞれは、個々のフィンガから構成されている。個々のフィンガの幅は、ターン毎に変更でき、幾つかの実施形態では、ターン毎にフィンガの数を変更してもよい。更に、コイル１０００を埋めるために、未使用空間を追加のフィンガで埋めてもよい。これらの構造は、図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄに更に示されている。このように、ターン毎にフィンガの数及びフィンガの幅を変更して、コイル設計１０００のコイル抵抗を最適化できる。
【００８８】
図１０Ｂは、コイルトレース１００２の部分１００６の平面図である。図１０Ｂに示すように、外側トレース１０１０−１は、フィンガ１０１２−１〜１０１２−ｍを有し、内側トレースは、フィンガ１０１４−１〜１０１４−ｍ’を有する。図１０Ｂに示すように、外側トレースのフィンガ幅は、内側トレースのフィンガ幅より広い。すなわち、フィンガ１０１２−１〜１０１２−ｍは、フィンガ１０１４−１〜１０１４−ｍ’より広い幅を有する。
【００８９】
更に、図１０Ａに示す部分１００８の平面図である図１０Ｃに示すように、ｍは、ｍ’よりも大きな数にしてもよく、これにより、外側ターン１０１０−１は、内側ターン１０１４−１よりも多数の独立したフィンガを有する。図１０Ｃは、フィンガ１０１４−１〜１０１４−ｍ’からフィンガ１０１２−１〜１０１２−ｍへの遷移を示している。これらの遷移は、コイルターン１００２全体に亘って生じてもよく、ターン毎に生じてもよい。更に、各フィンガは、ターン１００２全体を通して複数回個別に分割してもよい。
【００９０】
図１０Ｄは、図１０Ａに示す部分１００４の平面図である。図１０Ｄに示すように、タブ１０２０は、フィンガ１０１２−１〜１０１２−ｍに接続されることにより、トレース１０１０−１の始端に接続されている。更に、ターン１０１０−１は、ターン１０１０−２に遷移する部分で、図８Ｃに関して上述したものと同様に、異なる厚さを有し、図示のようにターン１００２が空の空間を埋めるように配置されたより多くのフィンガ１０１２−１〜１０１２−ｑ（ｍ＜ｑ）を含む。
【００９１】
したがって、コイル構造１０００は、図８Ａから図８Ｃに関して上述したように、各ターンにおいてフィンガの数及び個々のフィンガの幅を変更することによって、コイル抵抗を最適化できる。フィンガの幅及びフィンガの数は、コイル抵抗を最適化するために各ターンの各フィンガに適用できる。図１０Ａ〜図１０Ｄは、コイル抵抗を最適化するための、コイルの外側ターン（トレース１０１０−１）からコイルの内側ターン（トレース１０１０−Ｎ）までの幅の変化を示している。図示のように、外側ターンは長いため、これらのターンには、より広い導体（例えば、銅）幅を適用し、内側ターンは短いため、これらのターンには、より狭い導体幅を適用することによって、ターン幅をターン毎に最適化し、最小の抵抗を実現する。上述のように幅及びフィンガの数を変更することによって、外側ターンの抵抗を低減できる。そして、コイル１０００の全体的な抵抗を最小化できる。
【００９２】
上述したように、より多くの数のフィンガを使用することにより、ターンで使用される導体を増加させながら、各ターンの複数のフィンガの表皮効果を減少させることができる。外側ターンは内側ターンよりも長く、外側ターンのフィンガ数を増やすと、外側ターンの抵抗が減少するため、外側ターンでは、より多くのフィンガを使用できる。内側ターンは短いため、内側ターンで使用するフィンガの数は減らすことができる。この結果、本発明の実施形態では、コイルの全体的な抵抗が最小化される。したがって、このフィンガ設計は、表皮効果を減少させ、コイル全体に使用されるフィンガの幅及び数を変更することによって、全体的な抵抗を最適化できる。
【００９３】
上述のように、抵抗の最適化は、マルチフィンガコイル内の各フィンガに対して実行できる。幾つかの実施形態では、外側ターン（例えば、トレース１０１０−１）のフィンガでは、より広い導体幅を使用し、内側ターン（例えば、トレース１０１０−Ｎ）のフィンガでは、より狭い銅幅を使用する。幾つかの実施形態では、更に、各ターンのフィンガ数を変更することによってコイル抵抗を最適化できる。外側ターンには、内側ターンよりも多くのフィンガを設ける。これにより、コイルの全体的な抵抗を低減できる。
【００９４】
図１１は、２つの部分、コイル部分１１１０及びコイル部分１１１２を含むコイル１１００を示している。コイル部分１１１０及びコイル部分１１１２は、個々のターン１１２０−１〜１１２０−Ｎの幅及び厚さに関して別々に最適化されている。ターン１１２０−１〜１１２０−Ｎは、タブ１１０２と１１０４との間に接続されている。図１１に示すように、セグメント１１１０の外径（outer diameter：ＯＤ）１１０６及びセグメント１１１２のＯＤ１１０８は、セグメント１１１０及び１１１２を画定する。更に図１１に示すように、半径範囲１１１４は、セグメント１１１８の磁束半径に関連し、半径範囲１１１６は、セグメント１１１２の磁束半径に関連する。
【００９５】
図１１に示すように、ターン１１２０−１〜１１２０−Ｎのそれぞれは、各セグメント１１１０及び１１１２を最適化するために様々な幅を有する。更に、コイル１１２０−１は、ＯＤ１１０６まで導体を埋めた部分１１１８を含み、コイル１１２０−Ｎは、コイル巻線１１２０−Ｎによって画定される全内径まで導体を埋めた部分１１２２を含む。
【００９６】
幾つかの実施形態では、セグメント１１１２は、８ｍｍの内径から１４ｍｍの外径（outer radius：ＯＲ１１０８）までのターン１１２０を含むことができる。セグメント１１１０は、内径１４ｍｍ及び外径２１ｍｍ（ＯＤ１１０６）のターン１１２０を含むことができる。セグメント１１１２内のターン１１２０は、セグメント１１１０内のものとは異なる厚さの金属層で形成できる。例えば、セグメント１１１２は、１５μｍの厚さに形成でき、一方、セグメント１１１０は、１１μｍの厚さに形成できる。更に、各セグメントのターン１１２０は、各セグメントの機能を最適化するために様々な幅を有する。
【００９７】
幾つかの実施形態では、例えば、セグメント１１１２は、半径Ｒ＝１３ｍｍ（ＯＤ１１０８は、２６ｍｍ）からＲ＝８ｍｍまでの範囲の５．７５ターンを含むことができ、セグメント１１１８は、Ｒ＝１３ｍｍ（ＯＤ１１０８）からＲ＝２１．０５ｍｍ（４２．１ｍｍのＯＤ１１０６）までの範囲の８．２５ターンを含むことができる。これら２組のコイルは、幅と厚さの両方を変更することによって、これらの断面におけるＡＣＲが最小になるように最適化できる。以下の表Ｉはこのような一例を示している。
【００９８】
表１は、図１１に示すコイル１１００の設計に関して最適化されたコイルの一例を示している。この例は、１４ターンを有する（例えば、Ｎ＝１４）。全体のＯＤ１１０６は、４２．１ｍｍ（Ｒ＝２１．０５ｍｍ）であり、全体のＩＤ、すなわち、最も内側のコイル巻線１１２０−Ｎの直径は、１６ｍｍ（Ｒ＝８ｍｍ）である。分離（例えば、個々のターン間の距離１１２０）は、０．１ｍｍである。コイルは、厚さ５５μｍの銅によって形成されている。動作温度は、２５℃と仮定する。銅の抵抗率は、０．００００１７Ω−ｍｍであり、温度係数は、３．９Ｅ−０３／Ω−Ｃである。以下に表Ｉを示す。
【００９９】
【表１】
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【０１００】
幾つかの実施形態では、図１１及び表Ｉの特定の例に示すように、ターン１１２０−１〜１１２０−Ｎのそれぞれの半径は、これらの幅とともに最適化できる。実際の半径（上記の例では、１３ｍｍ）は、幾何学的な半径（この場合は、１４ｍｍ）とは異なるように選択される。この方法は、セグメント１１１０とセグメント１１１２から形成された２コイルシステムの有効結合を特徴付けることと、最適化された磁束半径（この場合は、１３ｍｍ）を判定することとを含む。これは、想定される磁束半径において、コイル全体（この場合は、１４）の１ターンあたりの電圧値と、当該２つのコイル間（上記の例では、５．７５）の相互インダクタンスとのバランスをとるために行われる。図１１は、特定の設計例を示している。
【０１０１】
利用可能な追加の銅領域を用いてシェルを作成することにより、外側と内側の巻線の抵抗を下げることができる。シェルの外周は、円形、正方形、又は他の形状であってもよく、この形状は、ターゲット無線給電の有効性によってのみ制限される。コイル幅の変動を含む一定／最低ＡＣＲのための最適化にこれを組み合わせて効率的なコイルを製造できる。
【０１０２】
巻線幅は、異なるコイル形状に対して更に最適化できる。巻線の幅は、２つのセグメントに収まるコイルターンの間で変更できる。各セグメントは、異なるコイル磁束／接続特性に対して最適化できる。各セグメントは、上述のようにＡＣＲ等の更なる基準によって更に最適化できる。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、２つ以上の磁気形状に対してコイルの最適な分割を選択する方法を提供する。幾つかの実施形態では、この方法は、システムの磁気抵抗を特徴付けることによって磁束有効半径を特定することを含むことができる。幾つかの実施形態では、この方法は、コイルターンの幾何学的半径の代わりにこの磁束半径に対してコイルを設計することを含むことができる。
【０１０４】
図１２は、本発明の幾つかの実施形態に基づくコイル構成１２００を示している。図１２に示すように、コイル構成１２００は、外側ターン１２０２及び内側ターン１２０４を含む。タブ１２０８は、外側ターン１２０２の最も外側ターンに接続され、タブ１２１０は、内側ターン１２０４の最も内側ターンに接続されている。更に図１２に示すように、外側ターン１２０２では、上層コイル及び下層コイルがビア１２１２によって並列接続されている。内側ターンは、接続部１２１４に直列接続された上層コイル及び下層コイルを有する。更に、図１２に示すように、内側コイル１２０４と外側コイル１２０２との間に他の通信コイル１２０６（ＮＸＰ又は他のコイル）を設けることができる。
【０１０５】
図１２の実施形態例に示すように、内側ターン１２０４と外側ターン１２０２との間の接続は、ＴｘモードとＲｘモードの両方における相互インダクタンスを改善するように再構成できる。図示のように、外側ターン１２０２では上層コイルと下層コイルとを並列接続できる。外側ターン１２０２は、磁束を拾うＲｘコイル動作用である。外側ターンの直径は、大きくすることができる。並列接続とより広いトレース幅により、コイル抵抗を低減でき、これは、Ｒｘ性能にとって重要である。
【０１０６】
更に、図１２に示すように、内側ターン１２０４は、上層コイルと下層コイルの直列接続を含む。内側ターン１２０４は、Ｔｘコイル動作用であり、これは、集中磁束を発生させる。内側ターンの直径は、小さい。直列接続（より多くの巻数が可能である）により、Ｒｘコイルへのより強い磁気結合を達成でき、これは、Ｔｘ性能にとって重要である。
【０１０７】
送信コイルの効率を向上させるためには、ソリューション全体の厚さと巻線抵抗、例えば、ＡＣ抵抗（ＡＣＲ）と、コアの飽和度とのバランスをとる必要があるため、送信コイルの設計は、困難である。コイルアセンブリは、特定の用途に必要とされる特定の容積内に収まる程度の大きさに制限される。但し、ＡＣＲが高くなり、フェライトコアが飽和すると、効率が悪化する。
【０１０８】
図１３Ａは、フェライトコア１３０４上に取り付けられたコイル１３０２を有するコイルアセンブリ１３００を示している。上述のように、コイル１３０２内のトレースの幅は、コイル１３０２の中心からの半径に応じて変化させてもよい。図１３Ａに示す実施形態では、フェライトコア１３０４及びコイル巻線１３０２は、工業的設計の制約によって決まる設定厚さを有する。フェライトコア１３０４の厚さは、コイルアセンブリ１３００の動作条件に基づく飽和計算によって決定できる。上述したように、コイル巻線１３０２の抵抗は、半径の関数としてコイル幅を最適化することによって調整できる。上述のように、経路がより短いコイル１３０２の内側コイルのコイル幅は、経路がより長い外側コイルの幅よりも狭くでき、これにより、コイルの外側ターンのＡＣＲを低減しながら、内側コイルによって生成される磁場を増強する追加のターンを提供できる。
【０１０９】
図１３Ｂ及び図１３Ｃは、送信コイルとして動作するコイル１３０２を示している。これらの図では、フェライト層１３０４における低磁束領域１３０６が高磁束領域１３０８と共に示されている。この結果、低磁束領域１３０６は、無駄なフェライト材料を有する可能性があり、一方、高磁束領域１３０８は、追加的な厚さを必要とする可能性がある。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、磁場は、コイル１３０２の内縁の高磁束領域１３０８においてより強いため、コイルの内縁では、より厚いフェライトを使用でき、磁束密度１３０６がより低い外縁では、より薄いフェライトを使用できる。逆に、外側の巻線の長さに起因してコイル１３０２の外縁の抵抗が最も高くなる。これら２つの設計上の制約は、両端で生じるため、コイルはこれらの制約を有利に適応化できる。
【０１１０】
本発明の幾つかの実施形態では、フェライトコアの厚さは、予想される磁束強度に応じて変更できる。この結果、フェライトコアが薄い領域では、コイルのトレースの厚さを厚くでき、これによってコイルの抵抗を低減できる。図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の幾つかの実施形態に基づくフェライトコア１４０４上のコイル１４０２を示している。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、コイル１４０２は、コイル１４０２の内側ターンでより薄く、コイル１４０２の外側ターンでより厚く形成されたターンを含む。逆に、フェライトコア１４０４は、これに対応してコイル１４０２の内側ターンの下では、より厚く、コイル１４０２の外側ターンの下では、より薄く形成されている。幾つかの実施形態では、コイル１４０２は、全体を通して厚さが変化し、コイルの内側ターンの下のより厚いフェライトコアは、より薄いコイル厚によって補償され、外側ターンのより厚いコイル厚は、外側ターンの下のより薄いフェライトコアによって補償される。
【０１１１】
この結果、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、トレース１４０６の厚さを厚くすることでコイル１４０２の外縁のフェライト厚が薄くなるというトレードオフがあり、飽和リスクを増大させることなくコイルＡＣＲを低減できる。逆に、コイル１４０２の内縁では、巻線の厚さを薄くすることでフェライトを厚くでき、これにより、コイル設計全体を薄くでき又はコイル内の電流（電力）を増加でき、コイル縁部でのフェライト飽和を軽減できる。
【０１１２】
この結果、幾つかの実施形態に基づくコイルは、飽和が問題にならないコイルの縁部又は位置でフェライトの厚さを薄くする。これにより得られる厚さの余裕は、巻線を厚くするために使用できる。巻線を厚くすると、巻線のＡＣＲ／ＤＣＲが減少し、コイル／システムの性能が向上し、ＴＲｘシステムの実装が容易になる（インピーダンスマッチングが向上する）。
【０１１３】
図１５は、上述のようなＴＲｘコイル１５２６の実施形態と共に本発明に基づいて使用できるシステム１５００を示している。図１５に示すように、ＴＲｘコイル１５２６は、タブ構成１５２０に接続されている。タブ構成１５２０は、キャパシタ回路１５１４に接続されている。キャパシタ回路１５１４は、送受信回路１５０８に接続されている。マイクロコントローラ１５３０は、タブ構成１５２０、キャパシタ回路１５１４、及び送受信回路１５０８のそれぞれに接続されている。図１５に示すように、タブ構成１５２０は、Ｔｘタブ構成１５２２及びＲｘタブ構成１５２４を含む。Ｔｘタブ構成１５２２では、Ｔｘコイル構成に対応するＴＲｘコイル１５２６へのタブが接続されている。Ｒｘタブ構成１５２４では、Ｒｘコイル構成に対応するＴＲｘコイル１５２６へのタブが接続されている。幾つかの実施形態では、上述のように、ＴＲｘコイル１５２６は、２つのタブを含み、他の幾つかの実施形態では、２つより多いタブが使用される。
【０１１４】
図１５に更に示すように、キャパシタ回路１５１４は、Ｔｘキャパシタ構成１５１６及びＲｘキャパシタ構成１５１８を含む。Ｔｘモードでは、Ｔｘキャパシタ構成１５１６がＴＲｘコイル１５２６に適切なキャパシタンスを提供する。Ｒｘモードでは、Ｒｘキャパシタ構成１５１８がＴＲｘコイル１５２６に適切なキャパシタンスを提供する。
【０１１５】
更に図１５に示すように、送受信回路１５０８は、Ｔｘドライバ構成１５１０とＲｘ整流器構成１５１２とを含む。Ｔｘモードでは、Ｔｘドライバ構成１５１０が電源１５０２から電力を受け取り、スイッチングネットワークを切り替えてＴＲｘコイル１５２６のＴｘ構成にＡＣ電力を供給する。Ｒｘモードでは、Ｒｘドライバ構成１５１２がＴＲｘコイル１５２６のＲｘ構成から電力を受け取り、整流を行い、負荷１５０６に電力を供給する。
【０１１６】
マイクロコントローラ１５３０は、送受信回路１５０８、キャパシタ回路１５１４、及びタブ構成１５２０に接続されている。マイクロコントローラ１５３０は、プロセッサ、メモリ、及び補助回路を含む。メモリは、システム１５００の機能を実行するためのプロセッサ用のプログラミング命令、パラメータ、及びデータを格納するのに十分な揮発性及び不揮発性メモリの両方を含む。マイクロコントローラ１５３０は、システム１５００の様々なセクションで動作するためのパラメータを設定でき、またシステム１５００をＴｘモードとＲｘモードとの間で切り替えることができる。Ｔｘモードでは、マイクロコントローラ１５３０は、送受信回路をＴｘドライバ構成１５１０に設定し、キャパシタ回路１５１４をＴｘキャパシタ構成１５１６に設定し、タブ回路１５２０をＴｘタブ１５２２に設定する。Ｒｘモードでは、マイクロコントローラ１５３０は、送受信回路をＲｘ整流器構成１５１２に設定し、キャパシタ回路１５１４をＲｘキャパシタ構成１５１８に設定し、タブ回路１５２０をＲｘタブ構成１５２４に設定する。
【０１１７】
更に、ＴＲｘコイル１５２６が通信コイル、例えば、ＮＸＰコイルを含む場合、マイクロコントローラ１５３０は、通信ブロック１５２８に接続できる。そして、通信ブロック１５２８は、ＴＲｘコイル１５２６内の駆動通信コイルに接続される。更に、マイクロコントローラ１５３０は、ＴＲｘコイル１５２６の特性、並びに送受信回路１５０８、キャパシタ回路１５１４、及びタブ回路１５２０において行うことができる利用可能な調整を考慮して、システム１５００を最適に動作させるようにシステム１５００を調整できる。
【０１１８】
幾つかの実施形態では、マイクロコントローラ１５３０は、Ｔｘ動作周波数点が最適化されるようにＴｘドライバ構成を調整できる。Ｔｘドライバ構成１５１０は、通常、ＴＲｘコイル１５２６のＴｘ構成を介して電流を供給するためにドライバ回路によって特定のスイッチング周波数で駆動されるスイッチングトランジスタを含む。Ｔｘモードでは、最も頻繁に使用されるＲｘ充電条件で最高の効率が達成されるように動作周波数点をチューニングできる。無線充電は、通常、システム１５００がＴｘモードであるときにＴＲｘコイル１５２６に近づけられた受信機の定電流モード（constant current mode：ＣＣモード）で行われる。高効率動作は、良好な熱的性能を提供し、これによって無線充電中の過熱状態を回避できる。
【０１１９】
多くの状況下で、Ｔｘモード中の最高効率条件は、通常、許容される最高動作周波数で達成される。より高い動作周波数では、Ｔｘコイル電流は、特定の誘起電圧に対してより低くなる。したがって、より高い動作周波数では、電力損失が少なくなる。最高許容動作周波数が達成されると、システムは、デューティサイクルモードで動作できる。デューティサイクルモードは、ＴＲｘコイル１５２６のＴｘコイル構成に高電圧が印加されるサイクルの期間を指す。サイクルの残りの期間中、ＴＲｘコイル１５２６のＴｘコイル構成は、接地電圧等の低電圧に接続される。デューティサイクルモードでは、周波数を低くしてもよい。幾つかの実施形態では、マイクロコントローラ１５３０は、デューティサイクルを最大にするようにＴｘドライバ構成１５１０をチューニングできる。幾つかの場合、Ｔｘスイッチング周波数は、システム１５００の構成要素及びシステム１５００に近接させた受信機の構成要素を含む共振回路に応じて設定できる。
【０１２０】
ＴＲｘコイル１５２６は、例えば、上記の実施形態のうちのいずれかであってもよい。上述したように、Ｔｘコイルチューニングは、コイル直径、巻線ターン幅、及び巻回厚さを変更することを含む多くの手法で実行できる。Ｔｘコイルは、上述のようにＴＲｘコイル１５２６内のＲｘコイル間で高い相互インダクタンスを有するようにチューニングされているため、無線給電の効率を高めることができる。動作周波数点は、Ｔｘドライバ構成１５１０、Ｔｘキャパシタ構成１５１６、及び場合によっては、Ｔｘタブ構成１５２２を調整することによってチューニングできる。動作周波数は、Ｔｘモードでシステム１５００の動作周波数をチューニングするための以下の因子によってチューニングできる。１）Ｔｘコイルの自己インダクタンス、２）ＴｘコイルとＲｘコイルの相互インダクタンス、３）チューニングキャパシタンス、及び４）入力電圧（例えば、電源１５０２からの電圧）。入力電圧は、通常、システム１５００のシステム設計によって決定される。Ｔｘコイルの自己インダクタンスと相互インダクタンスは、通常、コイルの設計によって決定されるリンクされたパラメータである。上述したようにトレースの幅と厚さを変更することにより、これら２つのパラメータに対する設計の自由度が高まる。
【０１２１】
システム１５００の動作を向上させる他の手法は、キャパシタを共有すること、システム動作点を最適化するためにＯｎ−Ｔｈｅ−Ｇｏ（ＯＴＧ）電圧法を調整すること、及び／又はエネルギ送信のためのデッドタイムを最適化することを含む。システム１５００を最適化するこれらの追加の手法については、後に更に説明する。
【０１２２】
キャパシタ回路１５１４内のＴＲｘコイル及びチューニングキャパシタを共有することによっても、システムの効率を高めることができる。システム１５００がＲｘモードである場合、Ｒｘキャパシタ構成１５１８は、コイル及びチューニングキャパシタを含み、ＴＲＸコイル１５２６のＲｘコイル構成が、近接する送信機の対応するＴｘコイルからより多くの磁束を受け取るために大きい半径を有することを反映する。Ｒｘキャパシタ構成１５１８は、動作周波数範囲におけるＬＣ（コイルインダクタ及びチューニングキャパシタ）インピーダンスが１）誘導性、及び２）低インピーダンスとなるように、Ｒｘモードにおいてシステム１５００をチューニングすることを補助する。これにより、より大きい電力を負荷１５０６に接続できる。
【０１２３】
Ｔｘモードの間のＴｘキャパシタ構成１５１６のコイル及びチューニングキャパシタは、ＴＲｘコイル１５２６のＴｘコイル構成が中央領域で高い磁束（換言すれば、高い相互インダクタンス）を生成することを反映する。相互インダクタンスを改善するためのコイル設計方法は、上述のようにＴＲｘコイル１５２６の設計において実施できる。上述のように、Ｔｘシステムは、動作周波数範囲におけるＬＣインピーダンスが誘導性となり、最良の動作周波数点が達成されるようにチューニングされる。
【０１２４】
ＴＲｘコイル１５２６のＴＲｘコイル構成及びキャパシタ回路１５１４のチューニングキャパシタは、システム１５００のＴｘモードとＲｘモードとの間で共有できる。Ｔｘモードでは、動作周波数点は、以下の因子によってチューニングできる。１）Ｔｘコイルの自己インダクタンス、２）ＴｘコイルとＲＸコイルの相互インダクタンス、３）チューニングキャパシタンス、及び４）入力電圧。入力電圧は、通常システム設計によって決定され、電源１５０２からの入力である。Ｔｘコイルの自己インダクタンスと相互インダクタンスは、通常、関連するパラメータである。トレースの幅と厚さを調整してコイルを最適化することにより、これら２つのパラメータに対する設計の自由度が高まる。上記の要件により、ＴＲｘコイル１５２６及びキャパシタ回路１５１４内のチューニングキャパシタを共有できる。この結果、システム及び回路／チップの要件を大幅に簡略化できる。
【０１２５】
幾つかの実施形態では、Ｔｘモードゼロ電圧スイッチング（zero-voltage switching：ＺＶＳ）キャパシタ及びＲｘモード通信キャパシタを共有できる。ＴｘモードのＺＶＳキャパシタに関しては、ハードスイッチングによってＥＭＩの問題が生じることが多い。スイッチング過渡を遅くし、ＥＭＩ性能を改善するために、ＴｘモードのスイッチングノードにＺＶＳキャパシタを追加している。Ｒｘモード通信キャパシタ（Communication Capacitor）に関しては、通信キャパシタは、通常、ＷＰＣ又はＰＭＡ無線充電規格と共にＲｘモードで使用される。通信キャパシタもスイッチングノードに接続されている。したがって、キャパシタ回路内のキャパシタは、Ｔｘキャパシタ構成１５１６においてはＺＶＳキャパシタとして使用でき、Ｒｘキャパシタ構成１５１８においては通信キャパシタとして使用できる。
【０１２６】
ＴｘモードのＺＶＳキャパシタをＲｘモードの通信キャパシタと共有すると、システムが大幅に簡略化される。Ｔｘモード用のＴｘキャパシタ構成１５１６では、ＺＶＳキャパシタは、スイッチを介して接地されている。Ｒｘモード用のＲｘキャパシタ構成１５１８では、通信キャパシタは、通信変調方法に応じて、接地される場合もあれば、接地されない場合もある。
【０１２７】
更に、ＯＴＧ電圧を使用してシステム動作点を最適化できる。ＯＴＧ電圧は、包括的に言えば、Ｒｘ整流器構成１５１２がアクティブであるときの送受信回路１５０８の電圧出力、換言すれば、負荷１５０６への入力電圧である。上述のように、ＴＲｘコイル１５２６のＴｘコイル構成は、チューニングできる。更に、Ｔｘモードでは、動作周波数点は、以下の因子によってチューニングできる。１）Ｔｘコイルの自己インダクタンス、２）ＴｘコイルとＲｘコイルの相互インダクタンス、３）チューニングキャパシタンス、及び４）入力電圧。ＴＲｘコイル（自己インダクタンスと相互インダクタンスの係数）及びチューニングキャパシタンスに加えて、入力電圧は、システム動作点のチューニングに別の因子を提供する。これにより、ＴＲｘコイルの設計要件とチューニング法を大幅に簡略化できる。
【０１２８】
ＯＴＧ電圧は、インタラクションをチューニングするためにも使用できる。Ｒｘモードでは、Ｒｘ整流器構成１５１２からの無線電力受信機回路出力は、負荷１５０６の電力管理ＩＣ（power management IC：ＰＭＩＣ）ＤＣ入力に接続できる。ＰＭＩＣ  ＤＣ入力は、ＰＭＩＣ  ＯＴＧモードにおける出力端子である。したがって、Ｔｘモードでは、Ｔｘドライバ構成１５１０の無線電力送信機回路の入力は、負荷１５０６からのＰＭＩＣ  ＯＴＧモード出力並びに電源１５０２に自然に接続される。その後、必要な電力が大きいＲｘモードにおいてＯＴＧ電圧を上昇させ、必要な電力が小さいＲｘモードにおいてＯＴＧ電圧を低下させることによって、システム動作点チューニングを行うことができる。したがって、動作周波数が低いときにＯＴＧ電圧を上げることによってチューニングを行うことができる。
【０１２９】
システム１５００の送信モード中のデッドタイムも最適化できる。デッドタイムが短いとハードスイッチングが発生し、これによってＥＭＩ性能が低下し電力損失が発生し、効率が低下する。一方、デッドタイムが長いと、Ｔｘモードでは、（Ｒｘモード中は、同期整流器として動作できる）インバータは、スイッチングが終了したときのデッドタイム中にダイオードモードで機能できる。ダイオードモードでは、電力損失が生じるため、効率が低下する。
【０１３０】
幾つかの実施形態では、デッドタイムをＴｘドライバ構成１５１０によって実施されるスイッチング時間に等しくなるように設定することによってデッドタイムを最適化できる。したがって、スイッチングは（ハードスイッチングではなく）ＺＶＳである。更に、スイッチがダイオードモードに入る時間がなくなる。最適化は、最も頻繁に使用されるＲｘ充電条件（通常、Ｒｘは、定電流モードで動作する）に対して行うことができる。また、最適化は、Ｔｘドライバ構成１５１０において選択されたＺＶＳキャパシタンスに基づいて行うこともできる。
【０１３１】
更に、異物検出（Foreign Object Detection：ＦＯＤ）法において、マイクロコントローラ１５３０の効率を高めることができる。異物は、電力損失、動作パラメータの監視、及び制御エラーパケット（Control Error Packet：ＣＥＰ）監視を使用して検出できる。電力損失法では、マイクロコントローラ１５３０は、電源１５０２からの入力電圧及び入力電流情報から入力電力を算出し、ＷＰＣ通信を介して受信電力パケット（received power packet：ＲＰＰ）情報から受信電力情報を受信し、Ｔｘ入力電力とＲｘ受信電力を比較して、近くに異物があるか否かを判定する。特定の閾値を超える電力損失に基づいて異物の存在を判定できる。
【０１３２】
動作パラメータ法では、ＴＲｘコイル１５２６の様々な電力レベル及び様々なＸ−Ｙ−Ｚ位置での通常動作における動作パラメータを記録する。異常動作パラメータは、近くに異物があることを示唆する。これらの動作パラメータは、１）信号強度、２）動作周波数、３）ＲＰＰ、４）入力電力、又は他のパラメータであってもよい。
【０１３３】
ＣＥＰ法では、入力電圧の低下（例えば、１０％の低下）又は周波数の低下（例えば、１０％の低下）が発生した場合の通常動作時の制御エラーパケット（ＣＥＰ）を記録する。同じ入力電圧降下又は周波数降下を引き起こす異物が近くにあると、ＣＥＰが大きくなる。
【０１３４】
要約すると、本発明の実施形態は、各巻線において最適化されたトレース幅を有するＴＲｘコイルを含む。各ターンのトレース幅は、磁束を改善するように最適化されているため、相互インダクタンスを改善してＴｘ性能を向上させることができる。内側の巻線では、より狭いトレース幅を使用し、外側の巻線では、より広いトレース幅を使用できる。幾つかの実施形態では、コイル巻線に２つ以上のトレース幅を使用できる。これにより様々な利益が生じる。このような設計によって、内径を大きくでき及び／又は巻き数を少なくでき、この結果、Ｒｘ性能が向上する。また、このような設計により、他の因子（外側ターントレース幅と内側ターントレース幅の比）が導入されるため、適切な自己インダクタンス及び相互インダクタンスが達成され、これにより、適切なシステムレベルのチューニングを行うことができ、システムレベル（又は回路レベル）の要件が大幅に簡略化される。また、このような設計によって、コイル面積をより小さくでき、この結果、ＮＦＣ及び／又はＰＭＡ等の他のコイルのコイル設計との互換性が確保される。
【０１３５】
各巻線のトレース幅又は厚さを最適化することに加えて、幾つかの実施形態では、最適化のために外側ターンと内側ターンの接続を再構成できる。更に、実施形態は、Ｔｘ動作周波数点の最適化、ＴＲｘコイルとチューニングキャパシタの共有、ＴｘモードＺＶＳキャパシタとＲｘモード通信キャパシタの共有、システム動作点を最適化するＯＴＧ電圧法、及びデッドタイムの最適化を含むことができる。更に、ＦＯＤ法を実施できる。これらのＦＯＤ法には、電力損失の監視、動作パラメータの監視、及びＣＥＰの監視が含まれる。
【０１３６】
上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を例示するために提供されており、限定することを意図していない。本発明の範囲内で多数の変形及び修正が可能である。本発明は、特許請求の範囲によって定義される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【外国語明細書】
2019198219000001.pdf