(57)【要約】      （修正有）【課題】壁などの固体障壁を越えるエネルギーの磁気的伝達を可能にするワイヤレス電力ブリッジを提供する。【解決手段】電力は、ＡＣコード９９の近くにある送信電力変換器ユニット１０１の一方の側に印加される。その電力は、送信アンテナ１１０を通して受信アンテナ１２０にワイヤレスに送信される。受信アンテナは、固体物体によって送信アンテナから分離することが可能である。受信アンテナは、電力を受信し、電源出力を標準的なＡＣ本線コンセントを持つ受信電力変換器ユニット１３０に供給する。送信サブシステムは、固体物体を越えて延び、ワイヤレス電力が受信できるローカル電力ホットスポットを生成する。ワイヤレス電力は、そのローカル電力ホットスポットの反対側の受信機によって受信される。【選択図】図１
2015202045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体の壁または固体の窓からなる群からの物体である固体物体の一方の側に送信アンテナを配置することと、
前記固体物体の反対側に受信アンテナを配置することと、
前記送信アンテナの第１の位置を前記受信アンテナの第２の位置と整列させることと、
磁界を生成するために前記送信アンテナを使用することと、前記磁界を受信するため、および前記磁界の前記受信に基づいて電力を含む出力を生成するために前記受信アンテナを使用することと、
を備える方法。
【請求項２】
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナは、それぞれ、実質的な共振のために同調される共振アンテナである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固体物体が透視できず、前記整列を判断するために前記アンテナの一方に関連するインジケータを使用することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＡＣ電源からＡＣ電力を受信し、前記送信アンテナによって磁界として送信されることができる形態に前記電力を変換する送信回路をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記受信アンテナ中に誘導された電力を受信し、前記電力を電気出力に変換し、前記出力を電力出力ジャックに結合する受信回路をさらに備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記電力出力ジャックは、ＡＣ電力を供給する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記電力出力ジャックは、ＤＣ電力を供給する、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記送信回路中の前記電力変換器は、変圧器なしに動作する、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記送信回路は、送電を示す少なくとも１つの検知されたパラメータを検知し、前記検知されたパラメータに基づいて変化することができる少なくとも１つの制御信号を生成する制御システムを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記制御信号は、前記送信回路の少なくとも１つの要素の動作を制御する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの電力変換要素をさらに備え、前記電力変換要素は、前記周波数生成および制御ユニットからの少なくとも１つの周波数によって駆動される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
その近距離場にエネルギーを蓄積するＡＣ磁界を生成するために最適化された送信アンテナと、
前記送信アンテナに結合され、ＡＣ接続から電力を受信するように動作可能であり、前記送信アンテナに結合される出力電力を生成し、実質的に共振状態で前記送信アンテナを駆動する送信回路と、
固体の壁または窓のうちの１つである実質的に固体の物体を越えて前記送信アンテナによって送信された、前記ＡＣ磁界からの電力を受信するために最適化された受信アンテナと、
前記受信アンテナによって受信された電力を受信するため、および前記受信アンテナによる前記受信に基づいて出力電力を生成するために結合された受信回路と、
を備えるシステム。
【請求項１３】
前記受信アンテナおよび／または送信アンテナの少なくとも一方は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の整列を示す情報を検出する検出部を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記送信および受信アンテナの各々は、２００よりも大きいＱ値を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記送信および受信アンテナの各々は、少なくとも１０００Ｖに耐えることが可能な絶縁材をもつ電線を有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記送信回路は、前記送信アンテナに結合される、波形を周波数値を用いて生成するインバータと、前記送信アンテナの前記共振周波数を変化させる同調回路と、を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
少なくとも１つの同調ネットワークをさらに備え、前記同調ネットワークは、前記周波数生成および制御ユニットからの少なくとも１つの制御信号によって駆動される、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
ＡＣ電力を受信し、ＡＣ−ＡＣ電力変換を実行する、送信アンテナを含む送信ユニットと、
前記送信ユニットとは別個であり、前記送信ユニットに結合された共振送信アンテナユニットであって、実質的な共振を達成するために、必要に応じて少なくとも１つのワイヤループと原理キャパシタとから構成される、送信アンテナユニットと、
前記送信ユニットが、前記送信アンテナの共振周波数を同調させるためのアンテナ同調回路を含み、
実質的な共振を達成するために少なくとも１つのワイヤループと別の原理キャパシタとから構成された共振受信アンテナユニットと、
前記受信アンテナユニットとは別個であり、電力変換を収容し、前記受信アンテナの共振周波数を同調させるため、および前記受信電力変換を前記受信アンテナのソースインピーダンスに整合させるためのアンテナ同調および整合回路を有する受信ユニットと、
を備える、ワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項１９】
前記送信ユニットは、前記受信機の特性およびその挙動パターンを刺激して、検知することによって、受信ユニットと送信ユニットとの間の追加の通信を必要とすることなしに電力を制御し、伝達効率を最大にすることが可能である、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２０】
前記受信ユニットは、送信ユニットと受信ユニットとの間の追加の通信を必要とすることなしに、前記送信ユニットから完全に独立して電力を制御し、伝達効率を最大にすることが可能である、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２１】
前記受信ユニットは、電力変換損失を最小限に抑えるために同期整流器を含む、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２２】
前記送信ユニットは、受信機が検出できないか、または前記受信機への結合が指定されたレベルを下回ると、自動的にスタンドバイモードに入り、前記スタンドバイモードの間、前記送信ユニットは、受信機の存在を検出するのに十分な低減された電力レベルで動作する、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２３】
前記送信ユニットは、受信機の特性およびその挙動パターンを刺激して、検知することによって受信機の存在を検出する、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２４】
前記送信ユニットは、ワイヤレス電力伝達に固定周波数を使用し、前記周波数は、前記送信アンテナの実際の共振周波数に適合しない、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２５】
前記アンテナは、二線式電源コードを介して結合される、請求項１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
【請求項２６】
固体の壁または固体の窓からなる群からの物体である、固体物体の第１の側の第１の送電デバイスにＡＣコンセントから電力を印加することと、
前記第１の送電デバイスから磁気信号をワイヤレスに送信することと、
前記固体物体の前記第２の側で前記磁気信号を受信することと、
前記固体物体の前記第２の側で、前記ワイヤレスに送信された電力に基づいて第２の受電デバイスにおいて電力出力を生成することと、
を備える方法。
【請求項２７】
前記第１の送電デバイスの第１の部分と前記第２の受電デバイスの第２の部分とをさらに備え、送電の効率が前記第１の部分と前記第２部分との間の整列に依存する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記固体物体が透視できず、整列を判断するために前記部分の一方に関連するインジケータを使用することをさらに備える、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
壁または窓によって本線給電領域から分離された領域に電力を供給することが、しばしば望ましい。壁または窓がある場合、この電力を供給するために延長コードを使用することは、あまり実際的でなくなる。たとえば、延長コードは、コードが通ることができるように窓またはドアを開けておく必要がある場合がある。
【０００２】
たとえば、コンセントがないバルコニーまたはテラスでラップトップＰＣを使用することが便利な場合がある。たとえば盗難警報機またはテレビジョンモニタに電力供給するために、家屋の外部にセンサを置くことが有用な場合がある。テレビジョンを屋外に持ち出すことが望ましい場合がある。
【０００３】
これを行う１つの方法は、新しい領域に配線すること、たとえば壁に穴を開けることである。しかしながら、この方法は、たとえば賃貸アパートまたはマンションでは許されない場合がある。この方法は、コストが法外に高い、および／または不都合な場合がある。あるいは、ユーザが単にこの方法をとりたくない場合がある。
【発明の概要】
【０００４】
本出願では、固体の阻止要素、たとえば、固体の壁または閉じた窓を通して電力をワイヤレスに導くことを可能にするワイヤレス電力ブリッジについて説明する。
【０００５】
電力は、ＡＣ電力のソースの近くにある要素の一方の側に印加される。その電力は、第１の同調アンテナを通して第２の同調アンテナにワイヤレスに送信される。第２のアンテナは、固体物体によって第１のアンテナから分離することが可能である。第２のアンテナは、電力を受信し、電源出力を供給する。
【０００６】
ワイヤレス電力ブリッジは、ＡＣ電力、またはＤＣ電力のための電源出力を供給することができる。
【０００７】
一実施形態では、送信サブシステムは、固体物体を越えて延び、ワイヤレス電力が受信できるローカル電力ホットスポットを生成する。ワイヤレス電力は、そのローカル電力ホットスポットの反対側の受信機によって受信される。
【０００８】
次に、これらおよび他の態様について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、低電圧ＤＣ出力を使用するシステムの可能な構成を示す。
【図２】図２は、標準的なＡＣ電圧出力（たとえば１１０ＶＡＣ／６０Ｈｚ）を使用するシステムの可能な構成を示す。
【図３】図３は、壁および窓を通した送信を示す。
【図４】図４は、送信サブシステムを示す。
【図５】図５は、受信サブシステムを示す。
【図６】図６は、アンテナの拡大詳細を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、ワイヤレス電力ブリッジの一実施形態を示している。本実施形態では、電力出力は、たとえば標準的な１１０ＶＡＣ／６０Ｈｚの電力を生成するＡＣ電力出力である。
【００１１】
別の実施形態では、異なる電圧出力、たとえば、２０８Ｖまたは他の標準的なＡＣ電圧を生成することができる。
【００１２】
本実施形態では、電線を介して標準的なＡＣ電源に取り付けることによって送信側１００に電力を生成する。電力は、送信アンテナ１１０に結合され、受信アンテナ１２０への磁界結合を介してワイヤレスに送信される。
【００１３】
ワイヤレス電力ブリッジの好ましい実施形態は結合共振に基づく。したがって、送信および受信アンテナは、好ましくは、たとえば、動作周波数の１０％、１５％、または２０％の比帯域幅内の共振周波数で実質的に共振する共振アンテナである。アンテナの動作および構成は、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、２００８年１月２２日に出願された「Wireless Apparatus and Methods」と題する米国特許出願第１２／０１８，０６９号に記載されている。
【００１４】
送信は、好ましくは、５０Ｈｚ以上の実質的に非変調の搬送周波数である。たとえば、好適な周波数は、２０ｋＨｚと１３５ｋＨｚの間とされることができる。
【００１５】
別の実施形態では、はるかに低い周波数を使用することができる。たとえば、６０Ｈｚの標準的なＡＣ電力周波数がワイヤレス伝達に使用されることができる。
【００１６】
一実施形態は、近距離場にエネルギーを磁気的に蓄積する送信機、及び、その近距離場からエネルギーを除去する受信アンテナの領域に、その近距離場を発生させることができる。
【００１７】
図１の実施形態は、本質的に非金属の壁を通した電力伝達を許す。また、アンテナのサイズは、電力が送信されることができる壁の厚さに設定する。たとえば、壁は、数ミリメートル程度に薄くてもよく、または４０ｃｍ（１６インチ）程度に厚くてもよい。
【００１８】
電力伝達の効率および量もアンテナのサイズに依存する。結合共振に基づくシステムでは、アンテナは、共振アンテナであり、一般に、高いＱ値、たとえば２００よりも大きいＱ値を有する。適宜に寸法決定された要素を用いて、および本明細書で説明する技法を使用して、たとえば１００Ｗの出力ソケット１３０またはＤＣジャック２３２を通した電力伝達が得られることができる。
【００１９】
本実施形態は、標準的なＡＣ電力、たとえば１１０ＶＡＣ／６０Ｈｚまたは２２０ＶＡＣ／５０Ｈｚに接続するためにＡＣコード９９を使用する。電力は送信電力変換器１０１に結合される。変換器１０１は、標準的なＡＣ電圧および周波数を別の電圧および別の周波数に変換し、一般に、５０Ｈｚよりも大きい周波数値に周波数をアップコンバートする。このより高い周波数は、磁気結合ワイヤレス送信に使用するのにより適していることができる。
【００２０】
一代替実施形態では、上述のように、５０または６０Ｈｚの標準的なＡＣ電力周波数はワイヤレス送電に使用されることもできる。
【００２１】
送信アンテナ１１０は、好ましくは、変換器ユニット１０１によって生成される動作周波数と実質的に共振するフラットパネルアンテナである。受信アンテナ１２０も、好ましくは、設定された動作周波数で共振を達成するために誘導ループ、たとえば単巻きまたは多巻きインダクタと、キャパシタとを使用するフラットパネルユニットである。エネルギーは共振アンテナ間で伝達される。
【００２２】
受信アンテナからの電力は、第１の実施形態ではＡＣ−ＡＣ周波数変換器を内蔵する受信電力変換器ユニット（１３０）に結合される。これは、５０Ｈｚまたは６０ＨｚのＡＣ電力を生成するように動作する。これはまた、電圧を所望の電圧、たとえば１１０または２２０Ｖ  ＡＣに調整し、安定化することができる。
【００２３】
図２に示す代替実施形態は、その出力において、たとえば１２Ｖ  ＤＣを生成する異なるスタイルの受信電力変換器ユニット２３０を使用する。これは、整流器とＤＣ−ＤＣ変換器だけを使用することができる。
【００２４】
図３（Ａ）は、壁を通して電力を伝達するためにアンテナを使用する構成を示す。図３（Ａ）の壁は、たとえば５ｃｍと４０ｃｍの間（２〜１６インチ）とすることができる。
【００２５】
送信アンテナと受信アンテナとの間の結合係数は、壁の異なる材料および厚さによってかなり異なることがある。したがって、制御システムは、受信側の電力要件を満たし、全体的な伝達効率を最大にするために、自動的に適合させるように使用されることができる。図３（Ｂ）は、たとえば、厚さ５〜４０ｍｍ（０．２〜１．６インチ）である窓を通した送信を示す。
【００２６】
電力伝達効率は、送信アンテナと受信アンテナが同軸に配置されたとき、または互いに平行に配置されたとき、最大にされることができる。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、これらのアンテナが同軸に整列された断面図を示す。しかしながら、実際問題として、この同軸整列は、窓などの透過性の障壁では適度に容易であることができるが、壁などの固体障壁ではより困難であることがある。別の実施形態では、たとえば、不整合および離調の影響を回避するために、アンテナが互いにオフセットされるようにアンテナの相対位置を変化させることが望ましいことがある。
【００２７】
一実施形態は、送信電力変換器ユニット１０１および／または受信電力変換器ユニット１３０または２３０の一部としてインジケータを使用することができる。好ましい一実施形態では、そのインジケータは、受信電力変換器ユニット１３０または２３０の一部とすることができる。インジケータは、図２および図３において１３１として示されている。
【００２８】
インジケータは、受信電力変換器ユニット１３０または２３０に固有のセンサによって与えられる測定値のセットと、知られているシステムパラメータとから、伝達効率を連続的に計算するシステムによって制御される。インジケータが光源である場合、インジケータは、システムがより効率的に動作し、したがってより高い電力を伝達することができるとき、より明るく光り、且つ、伝達効率がより低くなり、したがって電力伝達能力がより低くなると、あまり明るく光らなくなる。これは、インジケータの輝度を高めることによって、受信アンテナの最適位置を確定するのを助けることができる。システムのユーザは、アンテナの一方または他方を移動し、アンテナが移動するにつれて、より明るく光る、またはあまり明るく光らなくなるインジケータを観察することができる。
【００２９】
別の実施形態は、電子的に表示されるバーまたは機械指針および相対数をもつ、数値表示器またはアナログインジケータダイヤルを使用することができる。バーまたは指針は、たとえば、アンテナが同軸に整列されることを示すために移動する。
【００３０】
別の実施形態は、たとえば、アンテナ整列の時間中にオンにされ、アンテナの整列を示すためにピッチおよび／または強度が変化する音を発する可聴音を使用することができる。
【００３１】
図４は、送信電力変換器ユニット１０１を含む送信サブシステムを示す。ＡＣ電力９９は、送信電力変換器ユニット１０を動作させるためにＤＣ電圧を生成する整流器およびフィルタ４００に入力される。ＤＣ−ＤＣ変換器４０５は、電力段、ここではハーフブリッジインバータ４１５および送信電力変換器ユニット１０１の他の部分に給電するための電力を供給する。変換器４０５は、入力電圧よりも低く、電力および効率制御の目的で制御されることができる出力ＤＣ電圧を供給するステップダウン変換器とすることができる。
【００３２】
また、補助ＤＣ−ＤＣ変換器４１０は、周波数生成および制御ユニットなどの制御システムに別の固定ＤＣ電圧を供給するために使用されることができる。単一の固定電圧（たとえば、１２Ｖ）はすべてのシステムに使用されて、単一の変換器４０５のみを使用できるようにすることができる。
【００３３】
別の実施形態は、ＤＣ−ＤＣ変換器４０５を省略することができる。この場合、電力段、ここではハーフブリッジインバータ４１５は、整流器およびフィルタ４００から直接給電されることができる。
【００３４】
本明細書で開示する好ましい実施形態によれば、全システムは、主電力変換が関係する変圧器なしに動作する。変圧器は、存在する磁気ノイズの量を低減するため、および／または重量および／または体積を低減するため、および／または連続的に変化する出力電圧を生成するために、ＡＣ電流センサの一部として使用されることができる。本明細書で説明するように、一実施形態は、すべての原理電力変換を電子スイッチモード電力変換によって実行されることを許し、たとえば、電荷ポンピングなどをも含むことができる。
【００３５】
同調ネットワーク４２０は、可能な最も高い伝達効率を維持するために、動作周波数に整合するように送信アンテナシステムの共振周波数を微調整するために使用されることができる。
【００３６】
アンテナ電流はまた、インターフェースＤにおいて出力を生成する電流センサ４２５によって測定されることができる。この出力は、電力および効率制御のために必要とされることがあるアンテナ電流の大きさおよび位相の両方を表すことができる。
【００３７】
周波数生成および制御サブユニット４３０は、送信電力変換器ユニット１０１の動作の同期をとり、その動作を制御することができる。一実施形態では、図４に示すように、いくつかの異なる機能の一部は周波数制御される。周波数生成および制御サブユニットは、送信電力変換器ユニット１０１のこれらの機能を制御するために、１つまたは複数の周波数を生成することができる。たとえば、それぞれ、整流器／フィルタ４００によって使用される周波数、ＤＣ−ＤＣ変換器４０５によって使用される周波数、およびインバータ４１５によって使用される周波数を制御するために、１つまたは複数の周波数出力が生成されることができる。アンテナ電流測定出力（インターフェースＤ）は、送信アンテナの共振周波数を最適に調整するために周波数生成および制御ユニット４３０によって使用されることができる。
【００３８】
１００Ｗを伝達するように寸法決定されたワイヤレス電力ブリッジの送信電力変換器ユニット１０１は、３インチ×６インチ×１インチの矩形形状ファクタを有することができ、ラップトップコンピュータ用の外部電源と同様に見える。
【００３９】
ワイヤレス送電のために使用される電力搬送波を生成する電力段は、好ましくはハーフブリッジインバータ４１５である。これは、２つの電子電力スイッチ、たとえばプッシュプル構成におけるＦＥＴまたはトランジスタを使用することができる。周波数生成および制御サブユニット４３０は、インターフェースＢを介して駆動スイッチング波形を与え、それによって、ワイヤレス電力伝達に使用される動作周波数ならびにアンテナ電流を設定する。このスイッチング波形は、たとえば、受信サブシステムおよびその挙動パターンの検知された特性に基づいて調整されることができる。
【００４０】
周波数生成および制御サブユニット４３０は、電力段のＤＣ供給電圧と、インバータ４１５のためのスイッチング波形のデューティサイクル／パルス幅とを変化させるためにパラメータを修正することができる。ＤＣ−ＤＣ変換器が使用されない一実施形態では、スイッチング波形のデューティサイクルが、電力および伝達効率を変化させるために使用されることができる。たとえば、標準的なＡＣ電力周波数がワイヤレス送電に使用される一実施形態では、電力段は、周波数生成および制御サブユニット４３０によって制御される位相制御変調器から形成されることができる。
【００４１】
同調ネットワーク４２０は、送信アンテナの共振周波数をワイヤレス電力ブリッジの動作周波数に維持するために使用される。好ましい一実施形態では、この動作周波数は、固定であり、水晶安定化発振器から得られる。本方法は、送信周波数が送信アンテナの共振周波数に適合される解決策とは対照的である。本明細書の本方法は、他のシステムに対する有害な干渉の危険を低減するため、ならびに規制順守を達成するために有利であると考えられる。同調ネットワークはまた、離調影響および構成要素公差（インダクタ、キャパシタ、アンテナフィーダケーブルなど）を補償することができる。離調影響は、離調した受信アンテナ、ならびに送信アンテナに近接する外来物体によって生じることがある。電力段のソースインピーダンスの無効成分もまた離調を引き起こすことがある。構成要素の公差は、構成要素の経年変化ならびに製作公差に起因されることもある。同調ネットワークは、周波数生成および制御サブユニットによってインターフェースＣを介して制御される。
【００４２】
周波数生成および制御サブユニット４３０はまた、電力段、ここではハーフブリッジインバータを駆動するために周波数およびスイッチング波形を生成する。また、電流検知要素４２５によって検知される電流を使用して、送信アンテナ電流を測定または監視することもできる。たとえば、制御ユニット４３０は、事前記憶されたデータ（ルックアップテーブル）をも使用して適切なアルゴリズムを実行するプロセッサまたはマイクロコントローラとすることができる。ルックアップテーブルは、定義された較正ルーチンを使用することによって生成されることができる。このアルゴリズムは、どの結合係数に対しても最大伝達効率で収束し、可能ならば、受信サブシステムのＡＣまたはＤＣ出力において所要の電圧および電力を満たすように設計される。
【００４３】
受信機が検出されないか、または、この受信機への結合が非常に小さい場合、送信サブシステムは、低減された電力レベルで動作するか、または受信機の存在を検出するのに十分なだけの間欠送信で動作する、スタンドバイモードに自動的に入ることができる。受信機の存在検出は、受信機の特性およびその挙動パターンを刺激して、検知することによって達成されることができる。
【００４４】
送信電力変換器ユニット１０１の一部としてのヒューマンインターフェースもまた、たとえば、送信サブシステムを手作業で活動状態／非活動状態にするため、および電力伝達にリミットを設定するために、いくつかのパラメータを手作業で修正するために設けられることができる。
【００４５】
送信アンテナユニット１１０は、送信電力変換器ユニット１０１からフィーダケーブル１０２を介して給電される純受動デバイスである。このフィーダケーブルは、たとえば長さを１ｍとすることができ、標準的な１１０Ｖ／２２０ＶＡＣ電源コードにおいて使用される値と同様の値で電圧および電流を搬送するようにサイズ決定されることができる。送信アンテナ自体は、高電圧キャパシタ４４３と直列の単巻きまたは多巻きループ４４２を含むことができる。これは、送信電力変換器ユニット１０１によって規定される動作周波数に同調される共振システムであるＬＣタンク回路を形成する。
【００４６】
アンテナループは、好ましくは、最悪解析において生じる可能性があるアンテナ電圧に耐えるようにサイズ決定された絶縁材を有する絶縁された銅線から形成される。いくつかの設計では、このアンテナのＲＭＳ電圧は、実際の電力定格および最大送信距離に応じて１０００Ｖを上回ることがある。２０ｋＨｚと１３５ｋＨｚとの間の動作周波数を仮定すると、「リッツ線」とも呼ばれる絶縁されたストランドをもつ撚線が、表皮効果および近接効果などの渦電流によって引き起こされる損失を低減するために使用されることができる。これはまた、送信アンテナの無負荷Ｑ値を最大にすることができる。
【００４７】
同様にして、キャパシタは、システムの実際の電力定格および最大送信距離に応じて１０００Ｖよりも大きいＲＭＳ電圧に耐える必要がある場合がある。
【００４８】
アンテナ実施形態は、図６に示される。高電圧キャパシタ６１０は、スペースを節約し、所与の外部輪郭形状ファクタに対する最大ループサイズを可能にするために、ループの内部に取り付けられることができる。６００として示されるいくつかの同軸および絶縁アンテナループは、アンテナフィーダケーブル１０２によって給電される。高電圧キャパシタ４４３は、高いＱ値での共振から生じる高電圧が、アンテナの内部で維持され、フィーダケーブル１０２上にも送信電力変換器ユニット１０１中にも現れないように、アンテナユニットの一部として内蔵される。これは、設計を単純化し、いくつかの要件を緩和することができる。
【００４９】
送信および受信アンテナユニットは、両方とも、その取付けを簡略化する特殊な固定具を設けることができる。吸着カップ６２０は、一時的な取付けのために設けることができる。６２１として示されるサスペンションハンドルは、たとえば、ほとんど所定の位置のままである部材へのより永続的な取付け、または一時的であるが繰り返される取付けのために設けることができる。
【００５０】
受信サブシステムは、図５に詳細に示される。これは、図４の送信サブシステムに類似した構造を含む。受信アンテナユニット１２０は、単巻きまたは多巻きループ５０２と高電圧キャパシタ５０４とで形成される。受信アンテナユニットからの出力は、受信電力変換器ユニット５１０に給電するアンテナフィーダケーブル１２１を介して結合される。一般に、この変換器ユニットは、アンテナ電流検知デバイス５１０の全体または一部と、同調および整合ネットワーク５３０と、整流器５４０と、ＤＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣ変換器５５０と、補助ＤＣ−ＤＣ変換器５５１と、追加の電流検知および電圧検知構造５６０と、周波数生成および制御サブユニット５７０と、を含む、図４の構造と同様の構造を使用することができる。
【００５１】
同調および整合ネットワーク５３０は、受信アンテナユニット１２０が送信周波数での共振のために調整されることと、整流器５４０の入力インピーダンスが受信アンテナユニットのソースインピーダンス１２０に最適に整合されることと、を確実にするために必要とされる。同調および整合ネットワーク５３０は、インターフェースＣを介して周波数生成および制御サブユニット５７０によって制御される。
【００５２】
整流器５４０は、受信アンテナユニット１２０によって受信されたＡＣ電圧を整流化し、フィルタ処理し、後続の段によって必要とされるＤＣを供給する。整流器５４０は、入力電圧が低い場合、電力損失を最小限に抑えるために、標準的なダイオード回路の代わりに同期整流に基づかれることができる。整流器５４０は、制御インターフェースＡを介して周波数生成および制御サブユニットによって制御されることができる。
【００５３】
ＤＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣ変換器５５０は、それぞれ、ステップダウンまたはステップアップ変換器とすることができ、受信サブシステムに接続された外部負荷の要件を満たす出力電圧および電流を供給する。一般に、ＤＣ−ＤＣまたはＤＣ−ＡＣ変換器５５０によって生成される出力電圧または電流は、可変であり、制御インターフェースＢを介して周波数生成および制御サブユニット５７０によって制御される。別の実施形態では、この変換器５５０は省略されることができる。それは、外部負荷が整流器５４０によって直接給電されることを意味する。
【００５４】
標準的なＡＣ周波数がワイヤレス送電に直接使用された場合、変換器５５０は、位相制御変調器によって置換されることができる。
【００５５】
追加の電圧および電流検知５６０は、指定されたＤＣまたはＡＣ出力電圧を維持するため、および受信電力変換器ユニット５１０の負荷を監視するために、周波数生成および制御サブユニット５７０によって使用される。
【００５６】
周波数生成および制御サブユニット５７０は、外部負荷の電圧および電流要件を満たすため、およびエネルギー伝達効率を最大にするために、受信サブシステムのすべての関係する機能およびパラメータを自動的に制御し、監視し、受信電力変換器ユニット５１０を動作させるために必要な、すべての周波数信号および波形を生成する。必要ならば、それは、外部負荷の要求に応じて標準的なＡＣ周波数を生成し、この周波数を制御インターフェースＢを介してＤＣ−ＡＣ変換器５５０に供給する。さらに、それは、アンテナ電流検知５２０によってアンテナ電流を測定し、電圧および電流検知５６０によって、それぞれ、ＤＣまたはＡＣ出力電圧および電流を測定する。これらの測定に基づいて、それは、外部負荷による電圧および電力需要を満たすため、およびエネルギー伝達効率を最大にするために、受信電力変換器ユニット５１０の関係する動作パラメータおよび構成を計算し、調整する。受信サブシステムは、送信サブシステムから独立して働き、外部負荷による電力需要を満たそうとし、最大伝達効率で収束するように受信側で動作パラメータを最適化する。
【００５７】
一実施形態では、システムは、１００％または９０％に近い結合係数と１％程度に低い最小結合係数との間の様々なレベルの結合係数に適合することができる。これは、これらの結合係数に基づいて回路の一部を自動的に調整することができる。
【００５８】
受信電力変換器ユニット５１０は、パラメータまたは構成を手作業で修正するための、受信電力変換器ユニット５１０を活動状態／非活動状態にするためのヒューマンインターフェースと、すでに上述したように、受信アンテナの最適な位置決めのためのインジケータと、を設けられることができる。
【００５９】
ほんのいくつかの実施形態を上記に詳細に開示したが、他の実施形態が可能であり、本発明者らは、他の実施形態は本明細書内に包含されるものとする。本明細書では、別の方法で達成されることができる、より一般的な目的を達成するための特定の例について説明している。本開示は例示的なものとし、特許請求の範囲は、当業者なら予測可能である、いかなる変更形態または代替形態をもカバーするものとする。
【００６０】
一実施形態では、インバータは省略されることができ、その場合、ハーフブリッジインバータ４２０は、整流器およびフィルタによって直接給電されるだろう。
【００６１】
たとえば、他のアンテナ形態および選択が使用されることができる。本明細書で使用する「電力（power）」という用語は、任意の種類のエネルギー、動力（power）または力の任意のタイプの伝達を指すことができる。
【００６２】
受信ソースは、コンピュータまたは周辺装置、コミュニケータ、自動車、あるいは他のデバイスを含む、蓄積されたエネルギーで動作するいかなるデバイスとすることができる。
【００６３】
また、本発明者らは、「ための手段」という語を使用する請求項のみは米国特許法第１１２条第６項の下で解釈されるべきものとする。さらに、本明細書からの限定は、それらの限定が明白に特許請求の範囲内に含まれない限り、いずれの請求項にも読み込まれないものとする。
【００６４】
本明細書で説明する動作および／またはフローチャートは、コンピュータ上でまたは手作業で実行されることができる。コンピュータ上で実行する場合、コンピュータは、任意の種類のコンピュータでよく、汎用、またはワークステーションなどの何らかの特定目的コンピュータのいずれかとすることができる。コンピュータは、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＸＰまたはＬｉｎｕｘ（登録商標）を実行するＩｎｔｅｌ（たとえば、Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）またはＣｏｒｅ  ２  Ｄｕｏ）またはＡＭＤベースのコンピュータでもよく、またはＭａｃｉｎｔｏｓｈ（登録商標）コンピュータでもよい。コンピュータはまた、ＰＤＡ、携帯電話、またはラップトップなどのハンドヘルドコンピュータとすることができる。さらに、本明細書で説明する方法ステップおよび動作は、これらの機能を実行する専用マシン上で実行されることができる。
【００６５】
プログラムは、ＣまたはＰｙｔｈｏｎ、またはＪａｖａ（登録商標）、Ｂｒｅｗまたは他のプログラミング言語で書かれることができる。プログラムは、たとえば、磁気または光記憶媒体、たとえばコンピュータハードドライブ、メモリスティックまたはＳＤ媒体、有線またはワイヤレスネットワークベースまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ベースのネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）などの取外し可能ディスクまたは媒体、あるいは他の取外し可能媒体または他の取外し可能媒体に常駐できる。プログラムはまた、たとえば、ローカルマシンに信号を送信して、ローカルマシンが本明細書で説明する動作を実行できるようにするサーバまたは他のマシンを用いて、ネットワーク上で実行されることができる。
【００６６】
特定の数値が本明細書で挙げられている場合、何らかの異なる範囲が明記されていない限り、依然として本出願の教示内にとどまりながら、値は２０％増加また減少することができると考えるべきである。指定された論理検知が使用される場合、反対側の論理検知も包含されるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年7月3日(2015.7.3)
【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】
固体の壁または固体の窓からなる群からの物体である固体物体の一方の側に送信アンテナを配置することと、
前記固体物体の反対側に受信アンテナを配置することと、
前記送信アンテナの第１の位置を前記受信アンテナの第２の位置と整列させることと、
磁界を生成するために前記送信アンテナを使用することと、前記磁界を受信するため、および前記磁界の前記受信に基づいて電力を含む出力を生成するために前記受信アンテナを使用することと、
を備える方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
特定の数値が本明細書で挙げられている場合、何らかの異なる範囲が明記されていない限り、依然として本出願の教示内にとどまりながら、値は２０％増加また減少することができると考えるべきである。指定された論理検知が使用される場合、反対側の論理検知も包含されるものとする。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
固体の壁または固体の窓からなる群からの物体である固体物体の一方の側に送信アンテナを配置することと、
前記固体物体の反対側に受信アンテナを配置することと、
前記送信アンテナの第１の位置を前記受信アンテナの第２の位置と整列させることと、
磁界を生成するために前記送信アンテナを使用することと、前記磁界を受信するため、および前記磁界の前記受信に基づいて電力を含む出力を生成するために前記受信アンテナを使用することと、
を備える方法。
［Ｃ２］
前記送信アンテナおよび前記受信アンテナは、それぞれ、実質的な共振のために同調される共振アンテナである、Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ３］
前記固体物体が透視できず、前記整列を判断するために前記アンテナの一方に関連するインジケータを使用することをさらに備える、Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ４］
ＡＣ電源からＡＣ電力を受信し、前記送信アンテナによって磁界として送信されることができる形態に前記電力を変換する送信回路をさらに備える、Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ５］
前記受信アンテナ中に誘導された電力を受信し、前記電力を電気出力に変換し、前記出力を電力出力ジャックに結合する受信回路をさらに備える、Ｃ４に記載の方法。
［Ｃ６］
前記電力出力ジャックは、ＡＣ電力を供給する、Ｃ５に記載の方法。
［Ｃ７］
前記電力出力ジャックは、ＤＣ電力を供給する、Ｃ５に記載の方法。
［Ｃ８］
前記送信回路中の前記電力変換器は、変圧器なしに動作する、Ｃ４に記載の方法。
［Ｃ９］
前記送信回路は、送電を示す少なくとも１つの検知されたパラメータを検知し、前記検知されたパラメータに基づいて変化することができる少なくとも１つの制御信号を生成する制御システムを含む、Ｃ４に記載の方法。
［Ｃ１０］
前記制御信号は、前記送信回路の少なくとも１つの要素の動作を制御する、Ｃ９に記載の方法。
［Ｃ１１］
少なくとも１つの電力変換要素をさらに備え、前記電力変換要素は、前記周波数生成および制御ユニットからの少なくとも１つの周波数によって駆動される、Ｃ９に記載の方法。
［Ｃ１２］
その近距離場にエネルギーを蓄積するＡＣ磁界を生成するために最適化された送信アンテナと、
前記送信アンテナに結合され、ＡＣ接続から電力を受信するように動作可能であり、前記送信アンテナに結合される出力電力を生成し、実質的に共振状態で前記送信アンテナを駆動する送信回路と、
固体の壁または窓のうちの１つである実質的に固体の物体を越えて前記送信アンテナによって送信された、前記ＡＣ磁界からの電力を受信するために最適化された受信アンテナと、
前記受信アンテナによって受信された電力を受信するため、および前記受信アンテナによる前記受信に基づいて出力電力を生成するために結合された受信回路と、
を備えるシステム。
［Ｃ１３］
前記受信アンテナおよび／または送信アンテナの少なくとも一方は、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間の整列を示す情報を検出する検出部を含む、Ｃ１２に記載のシステム。
［Ｃ１４］
前記送信および受信アンテナの各々は、２００よりも大きいＱ値を有する、Ｃ１２に記載のシステム。
［Ｃ１５］
前記送信および受信アンテナの各々は、少なくとも１０００Ｖに耐えることが可能な絶縁材をもつ電線を有する、Ｃ１２に記載のシステム。
［Ｃ１６］
前記送信回路は、前記送信アンテナに結合される、波形を周波数値を用いて生成するインバータと、前記送信アンテナの前記共振周波数を変化させる同調回路と、を含む、Ｃ１２に記載のシステム。
［Ｃ１７］
少なくとも１つの同調ネットワークをさらに備え、前記同調ネットワークは、前記周波数生成および制御ユニットからの少なくとも１つの制御信号によって駆動される、Ｃ９に記載の方法。
［Ｃ１８］
ＡＣ電力を受信し、ＡＣ−ＡＣ電力変換を実行する、送信アンテナを含む送信ユニットと、
前記送信ユニットとは別個であり、前記送信ユニットに結合された共振送信アンテナユニットであって、実質的な共振を達成するために、必要に応じて少なくとも１つのワイヤループと原理キャパシタとから構成される、送信アンテナユニットと、
前記送信ユニットが、前記送信アンテナの共振周波数を同調させるためのアンテナ同調回路を含み、
実質的な共振を達成するために少なくとも１つのワイヤループと別の原理キャパシタとから構成された共振受信アンテナユニットと、
前記受信アンテナユニットとは別個であり、電力変換を収容し、前記受信アンテナの共振周波数を同調させるため、および前記受信電力変換を前記受信アンテナのソースインピーダンスに整合させるためのアンテナ同調および整合回路を有する受信ユニットと、
を備える、ワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ１９］
前記送信ユニットは、前記受信機の特性およびその挙動パターンを刺激して、検知することによって、受信ユニットと送信ユニットとの間の追加の通信を必要とすることなしに電力を制御し、伝達効率を最大にすることが可能である、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２０］
前記受信ユニットは、送信ユニットと受信ユニットとの間の追加の通信を必要とすることなしに、前記送信ユニットから完全に独立して電力を制御し、伝達効率を最大にすることが可能である、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２１］
前記受信ユニットは、電力変換損失を最小限に抑えるために同期整流器を含む、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２２］
前記送信ユニットは、受信機が検出できないか、または前記受信機への結合が指定されたレベルを下回ると、自動的にスタンドバイモードに入り、前記スタンドバイモードの間、前記送信ユニットは、受信機の存在を検出するのに十分な低減された電力レベルで動作する、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２３］
前記送信ユニットは、受信機の特性およびその挙動パターンを刺激して、検知することによって受信機の存在を検出する、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２４］
前記送信ユニットは、ワイヤレス電力伝達に固定周波数を使用し、前記周波数は、前記送信アンテナの実際の共振周波数に適合しない、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２５］
前記アンテナは、二線式電源コードを介して結合される、Ｃ１８に記載のワイヤレス電力ブリッジ。
［Ｃ２６］
固体の壁または固体の窓からなる群からの物体である、固体物体の第１の側の第１の送電デバイスにＡＣコンセントから電力を印加することと、
前記第１の送電デバイスから磁気信号をワイヤレスに送信することと、
前記固体物体の前記第２の側で前記磁気信号を受信することと、
前記固体物体の前記第２の側で、前記ワイヤレスに送信された電力に基づいて第２の受電デバイスにおいて電力出力を生成することと、
を備える方法。
［Ｃ２７］
前記第１の送電デバイスの第１の部分と前記第２の受電デバイスの第２の部分とをさらに備え、送電の効率が前記第１の部分と前記第２部分との間の整列に依存する、Ｃ２６に記載の方法。
［Ｃ２８］
前記固体物体が透視できず、整列を判断するために前記部分の一方に関連するインジケータを使用することをさらに備える、Ｃ２７に記載の方法。
【外国語明細書】
2015202045000001.pdf