(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の充電可能デバイスを充電するための無線充電システムであって、
第1の表面および第2の表面を含む複数の表面を有する容器と、
前記第1の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれていて、第1の平面を画成する形状を有する第1のループアンテナと、
前記第2の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれていて、前記第1の平面とは異なる位置に置かれるか、または異なる方向に向けられた第2の平面を画成する形状を有する第2のループアンテナとを備え、前記第1および第2のループアンテナが、無線によって電力を同時に伝送して、前記第1のループアンテナおよび第2のループアンテナから伝送される電力の組み合わせに基づいて、前記容器内に置かれた第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスを充電するように構成されていて、
更に、前記第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスが受信する総電力量を判定し、前記第1のループアンテナの第1の電力レベルおよび前記第2のループアンテナの第2の電力レベルを変更して、受信する総電力量を増やすように構成されたプロセッサを備えている、
無線充電システム。
【請求項２】
前記第1の平面は、前記第2の平面とは異なる位置に置かれ、かつ前記第2の平面にほぼ平行に向けられる、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項３】
前記第1の平面は、前記第2の平面にほぼ直交するように向けられる、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項４】
前記第1の平面は、前記第2の平面に平行な向きと前記第2の平面に直交する向きとの間に向けられる、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項５】
前記容器の底部が第1の表面を画成し、前記容器の側面が前記第2の表面を画成する、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項６】
前記プロセッサは、前記第1および第2のループアンテナと前記第1の充電可能デバイスの受信アンテナとの間のインピーダンスを検知して、この検知したインピーダンスに基づいて前記第1および第2のループアンテナの電力レベルを変更するように構成されている、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項７】
前記プロセッサは、前記第1の充電可能デバイスが受信した電力の量を示す信号に基づいて前記第1および第2のループアンテナの電力レベルを変更するように構成される、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項８】
前記第1および第2の充電可能デバイスは、それぞれ充電を中断するように構成された切り替え回路を有していて、前記第1および第2のループアンテナは、第1の時間周期に前記第1の充電可能デバイスを充電し、第2の時間周期に第2の充電可能デバイスを充電するように構成される、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項９】
前記第1のループアンテナおよび第2のループアンテナは、直交するように偏向された電磁場を放射するように構成されている、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項１０】
複数のデバイスを無線によって充電するための方法であって、
第1のループアンテナおよび第2のループアンテナを介して無線によって電力を同時に伝送して、前記第1のループアンテナおよび第2のループアンテナから伝送される電力の組み合わせに基づいて、複数の表面を有する容器内に置かれた第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスを充電する段階を含み、前記第1のループアンテナは、容器の第1の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれていて、かつ第1の平面を画成する形状を有し、前記第2のループアンテナは、容器の第2の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれていて、かつ第2の平面を画成する形状を有し、前記第2の平面は、前記第1の平面とは異なる位置に置かれるか、または異なる方向に向けられ、
更に、前記第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスが受信する総電力量を判定する段階と、
前記第1のループアンテナの第1の電力レベルおよび前記第2のループアンテナの第2の電力レベルを変更して、受信する総電力量を増やす段階と
を含む方法。
【請求項１１】
前記第1の平面は、前記第2の平面とは異なる位置に置かれ、かつ前記第2の平面にほぼ平行に向けられる、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記第1の平面は、前記第2の平面にほぼ直交するように向けられる、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記第1の電力レベルおよび第2の電力レベルを変更する段階は、前記第1の充電可能デバイスが受信した電力の量を示す信号に基づく、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1および第2の充電可能デバイスは、それぞれ充電を中断するように構成された切り替え回路を有していて、前記無線によって電力を同時に伝送する段階は、第1の時間周期の間前記第1の充電可能デバイスを充電する段階と、第2の時間周期の間前記第2の充電可能デバイスを充電する段階とを含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１５】
前記無線によって電力を同時に伝送する段階は、総充電時間周期を定める値に正比例しかつ前記第1および第2のループアンテナから電力を受信するように位置する充電可能デバイスの数を定める値に反比例する持続時間を有する時間周期の間、前記第1の充電可能デバイスに電力を伝送する段階を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１６】
前記無線によって電力を同時に伝送する段階は、前記第1の平面と前記第2の平面との間に位置する前記第1の充電可能デバイスに無線によって電力を伝送する段階を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１７】
前記第1および第2のループアンテナから前記第1の充電可能デバイスに無線によって電力を同時に伝送する時間周期の持続時間を変更する段階をさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１８】
複数の充電可能デバイスを充電するための無線充電システムであって、
第1の表面および第2の表面を含む複数の表面を有する容器と、
無線によって電力を伝送して、前記容器内に置かれた第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスを充電する、第1の平面を形成する形状を有していて、前記第1の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれた第1の伝送手段と、
無線によって電力を伝送して、前記第1および第2の充電可能デバイスを充電する、前記第1の平面とは異なる位置に置かれるか、または異なる方向に向けられた第2の平面を形成する形状を有していて、前記第2の表面内に少なくとも部分的に埋め込まれた第2の伝送手段とを備えていて、前記第1および第2の伝送手段は、前記第1および第2の伝送手段から伝送される電力の組み合わせに基づいて、前記第1および第2の充電可能デバイスを充電または電力供給するのに十分なレベルで、無線によって電力を同時に伝送するように構成されていて、
更に、前記第1の充電可能デバイスおよび第2の充電可能デバイスが受信する総電力量を判定する手段と、
前記第1の伝送手段の第1の電力レベルおよび前記第2の伝送手段の第2の電力レベルを調整して、受信する総電力量を増やす手段とを備えている、
無線充電システム。
【請求項１９】
前記第1の平面は、前記第2の平面とは異なる位置に置かれ、かつ前記第2の平面にほぼ平行に向けられる、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２０】
前記第1の平面は、前記第2の平面にほぼ直交するように向けられる、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２１】
前記第1の充電可能デバイスが受信した電力の量を示す信号を受信する手段をさらに備える、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２２】
前記第1および第2の充電可能デバイスは、それぞれ充電を中断するように構成された切り替え回路を有していて、前記第1および第2の伝送手段は、第1の時間周期の間前記第1の充電可能デバイスを充電し、かつ第2の時間周期の間前記第2の充電可能デバイスを充電するように構成されている、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２３】
前記第1および第2の伝送手段は、総充電時間周期を定める値に正比例しかつ前記第1および第2の伝送手段から電力を受信するように位置する充電可能デバイスの数を定める値に反比例する持続時間を有する時間周期の間、前記第1の充電可能デバイスに電力を同時に伝送するように構成されている、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２４】
前記第1および第2の伝送手段は、前記第1の平面と前記第2の平面との間に位置する前記第1の充電可能デバイスに無線によって電力を同時に伝送するように構成されている、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２５】
前記第1および第2の伝送手段から無線によって電力を同時に伝送する時間周期の持続時間を変更する手段をさらに備える、請求項18に記載の無線充電システム。
【請求項２６】
前記第1のループアンテナは、前記第2のループアンテナとは異なるサイズを有している、請求項1に記載の無線充電システム。
【請求項２７】
前記第1の充電可能デバイスは、前記第2の充電可能デバイスとは異なる方向に向けられている、請求項1に記載の無線充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、
2009年2月10日に出願され、開示が引用によって本明細書に全体的に組み込まれる、「MULTI-DIMENSIONAL WIRELESS CHARGING」という名称の米国仮特許出願第61/151,290号、および
2009年9月21日に出願され、開示が引用によって本明細書に全体的に組み込まれる、「MULTI-ANTENNA TRANSMITTER FOR WIRELESS CHARGING」という名称の米国仮特許出願第61/244,391号に対する、米国特許法第119条(e)に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に無線充電に関し、特に、多次元無線充電に関するデバイス、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、各電池駆動デバイスには、通常AC電源コンセントを必要とするデバイス自体の充電器および電源が必要である。このため、多くのデバイスが充電する必要があるときには厄介なことになる。
【０００４】
送信器と充電すべき装置との無線電力伝送を使用する手法が開発されている。これらは一般に、2つの範疇に分類される。一方の範疇は、送信アンテナと充電すべき装置上の放射された電力を収集し、電池を充電できるように整流する受信アンテナとの間の平面波放射(遠距離場放射とも呼ばれる)の結合に基づく範疇である。アンテナは一般に、結合効率を向上させるために共振長を有する。この手法は、電力結合がアンテナ間の距離に応じて急速に低下し、したがって、十分な距離(たとえば、>1m〜2m)にわたる充電が困難になることの影響を受ける。また、システムは平面波を放射するため、意図的でない放射が、フィルタリングによって適切に調整されない場合に他のシステムに干渉する可能性がある。
【０００５】
他の手法は、たとえば「充電」マットまたは表面に埋め込まれた送信アンテナと、充電すべきホスト装置に埋め込まれた受信アンテナおよび整流回路との誘電結合に基づく手法である。この手法は、送信アンテナと受信アンテナとの間隔を非常に短くしなければならない(たとえば数mm)という欠点を有する。この手法は、同じ領域内の複数の装置を同時に充電する能力を有するが、この領域は通常、狭く、したがってユーザが各装置を特定の領域に正確に配置しなければならない。
【０００６】
1つまたは複数の無線充電器内に1つまたは複数のデバイスを配置するとき(たとえば近接場磁気共振、誘導結合など)、受信器と充電器の向きが変動することがある。たとえば、医療デバイスを溶液槽で消毒しながら充電する際や、水中で作業しながら工具を充電する際がそうである。流体の入った容器内にデバイスを落とすと、デバイスが容器の底部に到達する角度は、流体の質量がどのように分布しているかによって決まる。他の非制限的な例として、充電器が箱や鉢の形をしているとき、デバイスを流体中に無造作に投げ込むことは、ユーザにとって非常に好都合ではあるが、そうするとデバイスが最終的にどこに位置するのか分からなくなる。特に無線充電向けに設計された工具収納チェスト、玩具箱、またはエンクロージャのような、多数のデバイスを保持することのできる大型の容器またはキャビネットに充電器を組み込むこともできる。これらのデバイスへの受信器の組込みは、デバイスが異なる形状要因を有し、無線電力送信器に対して異なる配向で配置されうるため、一貫性がないことがある。
【０００７】
無線充電器の既存の設計は、所定の向きで最良の性能を発揮することができ、充電器と受信器の向きが異なる場合に供給する電力レベルが低くなることがある。また、デバイスに無線電力の一部しか供給できない位置に、充電されるデバイスを配置すると、充電回数が増えることがある。解決手段によっては、ユーザが、充電すべきデバイスを、無造作に充電器内に配置する場合よりも不都合な有利な向きに位置させるか、あるいは複数のデバイスを保持できない特殊な受け台またはホルダ内にデバイスを配置することが必要になるように充電器を設計している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願第12/249,816号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、多次元無線充電に関するシステムおよび方法を提供する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】無線電力伝送システムの簡略化されたブロック図である。
【図２】無線電力伝送システムの簡略化された概略図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態で使用されるループアンテナの概略図である。
【図４】送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図５Ａ】本発明の例示的な実施形態による送信アンテナおよび受信アンテナ用のループアンテナの構成を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な実施形態による送信アンテナおよび受信アンテナ用のループアンテナの構成を示す図である。
【図６】図5Aおよび5Bに示されている方形および円形の送信アンテナの様々な周囲サイズに対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図７】図5Aおよび5Bに示されている方形および円形の送信アンテナの様々な表面積に対する送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図８】同一平面配置および同軸配置での結合強度を例示するために送信アンテナに対する受信アンテナの様々な配置点を示す図である。
【図９】送信アンテナと受信アンテナとの間の様々な距離での同軸配置に対する結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明の例示的な実施形態による送信器の簡略化されたブロック図である。
【図１１】本発明の例示的な実施形態による受信器の簡略化されたブロック図である。
【図１２】送信器と受信器との間のメッセージ通信を実行する送信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１３Ａ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１３Ｂ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１３Ｃ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１４Ａ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の他の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１４Ｂ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の他の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１４Ｃ】受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、ある状態の他の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【図１５Ａ】送信器と受信器との間で電力を伝送するビーコン電力モードを示す簡略化されたブロック図である。
【図１５Ｂ】送信器と受信器との間で電力を伝送するビーコン電力モードを示す簡略化されたブロック図である。
【図１５Ｃ】送信器と受信器との間で電力を伝送するビーコン電力モードを示す簡略化されたブロック図である。
【図１５Ｄ】送信器と受信器との間で電力を伝送するビーコン電力モードを示す簡略化されたブロック図である。
【図１６Ａ】大型の送信アンテナと、該送信アンテナと同一平面内にかつ該送信アンテナの周縁内に配置された、該送信アンテナより小さい3つの異なるリピータアンテナとを示す図である。
【図１６Ｂ】大型の送信アンテナと、該送信アンテナに対してオフセット同軸配置およびオフセット同一平面内配置された、該送信アンテナより小型のリピータアンテナとを示す図である。
【図１７】送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１８Ａ】リピータアンテナを有さない送信アンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１８Ｂ】リピータアンテナを有する送信アンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】本発明の1つまたは複数の例示的な実施形態による送信器の簡略化されたブロック図である。
【図２０】本発明の例示的な実施形態による広域無線充電装置の簡略化されたブロック図である。
【図２１】本発明の他の例示的な実施形態による、広域無線充電装置の簡略化されたブロック図である。
【図２２Ａ】本発明の例示的な実施形態による、充電装置に結合されかつ複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む充電システムを示す図である。
【図２２Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、充電装置に結合されかつ複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む充電システムを示す図である。
【図２３Ａ】本発明の例示的な実施形態による、充電可能装置に結合されかつ複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２３Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、充電可能装置に結合されかつ複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２４】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む充電システムを示す図である。
【図２５】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２６】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２７】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２８】本発明の例示的な実施形態による、互いに平行な複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図２９】本発明の例示的な実施形態による、互いにほぼ直交する方向に複数の面を含む連続ループ送信アンテナを示す図である。
【図３０】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図３１】本発明の例示的な実施形態による、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを含む他の充電システムを示す図である。
【図３２】本発明の例示的な実施形態による方法を示すフローチャートである。
【図３３】本発明の例示的な実施形態による他の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
語「例示的な」は、本明細書では、「一例または例示として働くこと」を意味するのに使用されている。本明細書で「例示的な」実施形態として説明する実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましいかあるいは有利であると解釈すべきものではない。
【００１２】
添付の図面に関連して以下に記載された詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態について説明するためのものであり、本発明を実施できる実施形態のみを表すものではない。この説明全体にわたって使用される語「例示的な」は、「一例または例示として働くこと」を意味し、必ずしも他の例示的な実施形態よりも好ましいかあるいは有利であると解釈すべき語ではない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態を完全に理解できるようにするための特定の詳細を含む。当業者には、本発明の例示的な実施形態をこれらの特定の詳細なしで実施できることが明らかであろう。いくつかの例では、本明細書で提示される例示的な実施形態の新規性をあいまいにするのを避けるために公知の構造および装置がブロック図形式で示されている。
【００１３】
語「無線電力」は、本明細書では電場、磁場、電磁場に関連する任意の形態のエネルギー、または物理的な電磁導体を使用せずに送信器から受信器に伝送される他のエネルギーを意味するのに使用される。
【００１４】
図1は、本発明の様々な例示的な実施形態による無線伝送または充電システム100を示している。エネルギー伝達を実現する放射界106を生成する入力電力102が送信器104に供給される。受信器108が、放射界106に結合され、出力電力110に結合されたデバイス(不図示)によって蓄積または消費される出力電力110を生成する。送信器104と受信器108とは距離112だけ離れている。例示的な一実施形態では、送信器104と受信器108は、相互共振関係に従って構成され、受信器108の共振周波数と送信器104の共振周波数がまったく同一であると、送信器104と受信器108との間の伝送損失は、受信器108が放射界106の「近接場」に配置されているときには最小限である。
【００１５】
送信器104は、エネルギー伝達手段を実現する送信アンテナ114をさらに含み、受信器108は、エネルギー受信手段を実現する受信アンテナ118をさらに含む。送信アンテナおよび受信アンテナは、用途および組み合わされるデバイスに応じてサイズを有する。上述のように、電磁波中のエネルギーの大部分を遠距離場に伝搬させるのではなく送信側アンテナの近接場内のエネルギーの大部分を受信側アンテナに結合することによって、効率的なエネルギー伝達が行われる。この近接場では、送信アンテナ114と受信アンテナ118との間に結合モードを確立することができる。この近接場結合を生じさせることができるアンテナ114および118の周りの領域を本明細書では結合モード領域と呼ぶ。
【００１６】
図2は、無線電力伝送システムの簡略化された概略図である。送信器104は、発振器122と、電力増幅器124と、フィルタ整合回路126とを含む。発振器は、調整信号123に応答して調整することのできる所望の周波数を生成するように構成されている。発振器信号は、電力増幅器124によって制御信号125に応じた増幅量だけ増幅することができる。フィルタ整合回路126を含めることによって、高調波または他の不要な周波数を除外し、かつ送信器104のインピーダンスを送信アンテナ114に整合させることができる。
【００１７】
受信器は、整合回路132と、図2に示されているように電池136を充電するDC電力出力を生成するか、あるいは受信器(不図示)に結合されたデバイスに電力を供給する整流器切り替え回路とを含んでよい。整合回路132を含めることによって、受信器108のインピーダンスを受信アンテナ118に整合させることができる。
【００１８】
図3に示されているように、例示的な実施形態で使用されるアンテナは、本明細書では「磁気アンテナ」と呼ばれることもある「ループ」アンテナ150として構成することができる。ループアンテナは、空芯、またはフェライト磁芯のような物理的磁芯を含むように構成することができる。空芯ループアンテナは、磁芯の近傍に配置された外部の物理的デバイスに対してより高い許容度を有することができる。さらに、空芯ループアンテナでは、磁芯領域内に他の構成部材を配置することができる。また、空芯ループは、送信アンテナ114(図2)の結合モード領域がより強力になる送信アンテナ114(図2)の平面内に受信アンテナ118(図2)を配置するのをより容易に可能にすることができる。
【００１９】
前述のように、送信器104と受信器108との間で効率的なエネルギー伝達が行われるのは、送信器104と受信器108との共振が整合しているかあるいはほぼ整合しているときである。しかし、送信器104と受信器108との共振が整合していないときでも、エネルギーをより低い効率で伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信側アンテナからのエネルギーを自由空間中に伝搬するのではなく、送信側アンテナの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立される近傍に存在する受信側アンテナに結合することによって行われる。
【００２０】
ループまたは磁気アンテナの共振周波数はインダクタンスおよびキャパシタンスに基づく周波数である。ループアンテナ内のインダクタンスは一般に、ループによって形成される単なるインダクタンスであり、一方、キャパシタンスは一般に、ループアンテナのインダクタンスに付加されて所望の共振周波数で共振構造を形成する。非制限的な例として、キャパシタ152およびキャパシタ154をアンテナに付加して、共振信号156を生成する共振回路を形成することができる。したがって、より直径の大きなループアンテナでは、共振を誘導するのに必要なキャパシタンスのサイズは、ループの直径またはインダクタンスが大きくなるにつれて小さくなる。さらに、ループまたは磁気アンテナの直径が大きくなるにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達領域が広くなる。もちろん、他の共振回路が可能である。他の非制限的な例として、キャパシタをループアンテナの2つの端子間に並列させることができる。また、当業者には、送信アンテナの場合、共振信号156がループアンテナ150への入力であってよいことが認識されよう。
【００２１】
本発明の例示的な実施形態は、互いに近接場に位置する2つのアンテナ間で電力を結合することを含む。前述のように、近接場は、電磁場が存在するが、アンテナから伝搬することもあるいは放射することもできないアンテナの周囲の領域である。電磁場は通常、アンテナの物理量に近い体積に制限される。本発明の例示的な実施形態では、一巻きループアンテナや多巻きループアンテナなどの磁気式アンテナが送信アンテナシステム(Tx)と受信アンテナシステム(Rx)の両方に使用される。というのは、電気式アンテナ(たとえば、小型ダイポール)の電気近接場と比べて磁気式アンテナの方が磁気近接場振幅が高くなる傾向があるからである。このため、場合によっては送信器と受信器との間の結合力をより強くすることができる。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せも考えられる。
【００２２】
Txアンテナは、前述の遠距離場誘導手法によって許容されるよりも著しく遠い距離に位置する小型Rxアンテナとの良好な結合(たとえば、>-4dB)を実現できるほど低い周波数で、かつ該結合を実現できるほど大きいアンテナサイズで動作させることができる。Txアンテナのサイズが適切である場合、ホストデバイス上のRxアンテナが、駆動されるTxループアンテナの結合モード領域(すなわち、近接場)内に配置されたときに高い結合レベル(たとえば、-2dB〜-4dB)を実現することができる。
【００２３】
図4は、送信アンテナと受信アンテナとの間の結合強度を示すシミュレーション結果を示している。曲線170および172はそれぞれ、送信アンテナおよび受信アンテナによる電力の受け入れ度を示している。言い換えれば、大きい負の数では、インピーダンスの整合度が非常に高く、大部分の電力が受け入れられ、その結果、送信アンテナによって放射される。逆に、小さい負の数は、所与の周波数ではインピーダンスの整合度が高くないため、大部分の電力がアンテナから反射されることを示している。図4では、送信アンテナと受信アンテナは、約13.56MHzの共振周波数を有するように同調される。
【００２４】
曲線170は、様々な周波数で送信アンテナから伝送される電力の量を示している。したがって、約13.528MHzおよび13.593MHzに対応する点1aおよび3aでは、大部分の電力が反射され、送信アンテナから送信されることはない。しかし、13.56MHzに対応する点2aでは、大量の電力が受け入れられ、アンテナから送信されることが分かる。
【００２５】
同様に、曲線172は、様々な周波数で受信アンテナによって受信される電力の量を示している。したがって、約13.528MHzおよび13.593MHzに対応する点1bおよび3bでは、大部分の電力が反射され、受信アンテナを通して受信器に伝達されることはない。しかし、約13.56MHzに対応する点2bでは、大量の電力が受信アンテナによって受け入れられ、受信器内に伝達されることが分かる。
【００２６】
曲線174は、送信アンテナを通して送信器から送信され、受信アンテナを通して受信され受信器に伝達された後、受信器によって受信される電力の量を示している。したがって、約13.528MHzおよび13.593MHzに対応する点1cおよび3cでは、送信器から送信された電力の大部分は受信器では利用できない。これは、(1)送信アンテナが、送信器から受信器に送信された電力の大部分を拒絶し、(2)送信アンテナと受信アンテナとの間の結合が、共振周波数から離れるにつれて非効率的になるためである。しかし、約13.56MHzに対応する点2cでは、送信器から送信される大量の電力を受信器で利用することができ、送信アンテナと受信アンテナとの間の高度の結合が生じることが分かる。
【００２７】
図5Aおよび5Bは、本発明の例示的な実施形態による送信アンテナおよび受信アンテナ用のループアンテナの構成を示している。ループアンテナは、広範囲のサイズを有する単一ループまたは複数ループを含め、多数の異なる方法で構成することができる。また、ループは、一例に過ぎないが円形、楕円形、方形、矩形のようないくつかの異なる形状を有してよい。図5Aは、大型の方形ループアンテナ114Sと、送信アンテナ114Sと同じ平面内にかつ送信アンテナ114Sの中心近くに配置された小型の方形ループ受信アンテナ118とを示している。図5Bは、大型の円形ループ送信アンテナ114Cと、送信アンテナ114Cと同じ平面内にかつ送信アンテナ114Cの中心近くに配置された小型の方形ループ受信アンテナ118'とを示している。方形ループ送信アンテナ114Sは、辺長「a」を有し、一方、円形ループ送信アンテナ114Cは直径「Φ」を有する。方形ループの場合、直径をΦeq = 4a/πと定義することができる等価円形ループがあることが分かる。
【００２８】
図6は、図4Aおよび4Bに示されている方形および円形の送信アンテナの様々な周囲に対する送信アンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示している。したがって、曲線180は、円形ループ送信アンテナ114Cの様々な周囲サイズでの円形ループ送信アンテナ114Cと受信アンテナ118との結合強度を示している。同様に、曲線182は、方形ループ送信アンテナ114Sの様々な等価周囲サイズでの方形ループ送信アンテナ114Sと受信アンテナ118'との結合強度を示している。
【００２９】
図7は、図5Aおよび5Bに示されている方形および円形の送信アンテナの様々な表面積に対する送信アンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示している。したがって、曲線190は、円形ループ送信アンテナ114Cの様々な表面積に対する円形ループ送信アンテナ114Cと受信アンテナ118との結合強度を示している。同様に、曲線192は、方形ループ送信アンテナ114Sの様々な表面積に対する方形ループ送信アンテナ114Sと受信アンテナ118'との結合強度を示している。
【００３０】
図8は、同一平面および同軸配置における結合強度を例示するために送信アンテナに対する受信アンテナの様々な配置点を示している。「同一平面内」は、本明細書で使用されるときは、送信アンテナと受信アンテナが、ほぼ揃えられた(ほとんど同じ方向を指し示す面法線を有する)平面を有し、送信アンテナの平面と受信アンテナの平面との間に距離がない(あるいはわずかな距離を有する)ことを意味する。「同軸」は、本明細書で使用されるときは、送信アンテナと受信アンテナが、ほぼ揃えられた(ほとんど同じ方向を指し示す面法線を有する)平面を有し、2つの平面間の距離がわずかな距離ではなく、さらに送信アンテナと受信アンテナの面法線がほぼ同じベクトルに沿って位置しているかあるいは2つの法線が階層状であることを意味する。
【００３１】
一例として、点p1、p2、p3、およびp7はすべて、送信アンテナに対する受信アンテナのすべての同一平面内配置点である。他の例として、点p5およびp6は送信アンテナに対する受信アンテナの同軸配置点である。以下の表は、図8に示されている様々な配置点(p1〜p7)での結合強度(S21)および結合効率(送信アンテナから伝送された電力のうちで受信アンテナに到達した電力の割合として表される)を示している。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表を見ると分かるように、同一平面内配置点p1、p2、およびp3はすべて比較的高い結合効率を示している。配置点p7も同一平面内配置点を示しているが、送信ループアンテナの外側に位置している。配置点p7は高い結合効率を有さないが、何らかの結合が生じ、かつ結合モード領域が送信ループアンテナの周縁を越えて延びることは明らかである。
【００３４】
配置点p5は、送信アンテナと同軸であり、かなりの結合効率を示す。配置点p5の結合効率は、同一平面内配置点の結合効率ほど高くない。しかし、配置点p5の結合効率は、送信アンテナと同軸配置された受信アンテナとの間でかなりの電力を伝達できるほど高い。
【００３５】
配置点p4は、送信アンテナの周囲の内側であるが、送信アンテナの平面から上方にわずかに離れた位置、すなわち、オフセット同軸配置(すなわち、面法線がほとんど同じ方向であるがそれぞれの異なる位置に配置される)またはオフセット同一平面内(すなわち、面法線がほとんど同じ方向であるが平面が互いにずれている)と呼ぶことのできる位置に配置される。表から、オフセット距離が2.5cmの場合、配置点p4はそれにもかかわらず結合効率が比較的良好であることが分かる。
【００３６】
配置点p6は、送信アンテナの周囲の外側で、送信アンテナの平面から上方にかなり離れた位置の配置点を示す。表を見ると分かるように、配置点p7は、送信アンテナと受信アンテナとの結合効率をほとんど示さない。
【００３７】
図9は、送信アンテナと受信アンテナとの間の様々な距離での同軸配置に対する結合強度を示すシミュレーション結果を示している。図9のシミュレーションは、どちらのアンテナも辺が約1.2メートルであり、送信周波数が10MHzである、同軸配置における方形の送信アンテナおよび受信アンテナに関するシミュレーションである。結合強度は、約0.5メートル未満の距離でもかなり高くかつ一様であることが分かる。
【００３８】
図10は、本発明の例示的な実施形態による送信器の簡略化されたブロック図である。送信器200は、送信回路202と送信アンテナ204とを含む。一般に、送信回路202は、発振信号を発し、それによって送信アンテナ204の周りに近接場エネルギーを生成することによって送信アンテナ204にRF電力を供給する。一例として、送信器200は、13.56MHz ISM帯域で動作することができる。
【００３９】
例示的な送信回路202は、送信回路202(たとえば50Ω)のインピーダンスを送信アンテナ204に整合させる固定インピーダンス整合回路206と、受信器108(図1)に結合されたデバイスの自己ジャミングを防止するレベルに高調波放出量を低下させるように構成されたローパスフィルタ(LPF)208とを含む。他の例示的な実施形態は、特定の周波数を減衰させ、一方、他の周波数を通過させるノッチフィルタを含むがそれに限らない様々なフィルタトポロジーを含んでよく、かつアンテナへの出力電力や電圧増幅器へのDC電流引き込みのような測定可能な送信メトリクスに基づいて変化させることのできる適応的インピーダンス整合を含んでよい。送信回路202は、発振器212によって決定されるようなRF信号を駆動するように構成された電力増幅器210をさらに含む。送信回路は、互いに離散したデバイスまたは回路で構成するか、あるいは一体化された組立体で構成することができる。送信アンテナ204からの例示的なRF電力出力は2.5ワット程度であってよい。
【００４０】
送信回路202は、特定の受信器用の送信フェーズ(またはデューティサイクル)の間発振器212を使用可能にし、発振器の周波数を調整し、取り付けられた受信器を通して近傍のデバイスと対話するための通信プロトコルを実施できるように出力電力レベルを調整するプロセッサ214をさらに含む。
【００４１】
送信回路202は、送信アンテナ204によって生成される近接場の近傍におけるアクティブな受信器の存否を検出する負荷検知回路216をさらに含んでよい。一例として、負荷検知回路216は、送信アンテナ204によって生成される近接場の近傍におけるアクティブな受信器の存否の影響を受ける電力増幅器210まで流れる電流を監視する。電力増幅器210に対する負荷の変化の検出は、プロセッサ214によって監視され、エネルギーを伝達する発振器212がアクティブな受信器と通信するのを可能にするかどうかを判定する際に使用される。
【００４２】
送信アンテナ204は、抵抗損失を低く維持するものとして選択された厚さ、幅、および金属種類を有するアンテナストリップとして実現することができる。従来の実現形態では、送信アンテナ204をテーブル、マット、ランプのようなより大きな構造、またはより可搬性の低い他の構成と組み合わせて構成することができる。したがって、送信アンテナ204は一般に、「巻き」を必要とせずに実用的な寸法を有することができる。送信アンテナ204の例示的な実現形態は、「電気的に小型」(すなわち、波長の一部)であってよく、キャパシタを使用して共振周波数を定めることによってより低い使用可能周波数で共振するように同調させることができる。送信アンテナ204の直径、または方形ループの場合には辺長が、受信アンテナと比べて大きくてよい(たとえば、0.50m)例示的な用途では、送信アンテナ204は、必ずしも多数の巻きを必要とせずにかなりのキャパシタンスを得ることができる。
【００４３】
図11は、本発明の例示的な実施形態による受信器のブロック図である。受信器300は、受信回路302と受信アンテナ304とを含む。受信器300は、受信された電力を供給する先のデバイス350にさらに結合されている。受信器300が、デバイス350の外部に位置するように示されているが、デバイス350に一体化することができることに留意されたい。一般に、エネルギーが無線によって受信アンテナ304に伝搬され、次いで受信回路302を通してデバイス350に結合される。
【００４４】
受信アンテナ304は、送信アンテナ204(図10)と同じ周波数またはほぼ同じ周波数で共振するように同調される。受信アンテナ304は、組み合わされるデバイス350の寸法に基づいて送信アンテナ204と同様の寸法を有するか、あるいは異なるサイズを有することができる。一例として、デバイス350は、送信アンテナ204の直径または長さよりも小さい直径または長さを有する可搬性電子デバイスであってよい。このような例では、受信アンテナ304を多巻きアンテナとして実施して同調キャパシタ(不図示)のキャパシタンス値を小さくし、かつ受信アンテナのインピーダンスを高めることができる。一例として、受信アンテナ304をデバイス350の実質的な周囲に配置して、アンテナ直径を最大にし、かつ受信アンテナのループ巻き(すなわち巻き線)および巻き線間キャパシタンスを低減させることができる。
【００４５】
受信回路302は、受信アンテナ304とのインピーダンス整合を可能にする。受信回路302は、受信されたRFエネルギー源をデバイス350によって使用される充電電力に変換する電力変換回路306を含む。電力変換回路306は、RF-DC変換器308を含んでよく、DC-DC変換器310を含んでもよい。RF-DC変換器308は、受信アンテナ304で受信されたRFエネルギー信号を非交流電力に整流し、一方、DC-DC変換器310は整流されたRFエネルギー信号を、デバイス350に適合するエネルギー電位(たとえば電圧)に変換する。部分整流器および全波整流器、調整器、ブリッジ、ダブラー、ならびにリニアコンバータおよびスイッチングコンバータを含む、様々なRF-DC変換器が考えられる。
【００４６】
受信回路302は、受信アンテナ304を電力変換回路306に接続するか、あるいは電力変換回路306を切り離す切り替え回路312をさらに含んでよい。受信アンテナ304を電力変換回路306から切り離すと、デバイス350の充電が中断されるだけでなく、以下でより詳しく説明するように送信器200(図10)から見た「負荷」が変更される。上記に開示されたように、送信器200は、送信器電力増幅器210に供給されるバイアス電流の変動を検出する負荷検知回路216を含む。したがって、送信器200は、受信器が送信器の近接場に存在するときにそれを判定する機構を有する。
【００４７】
送信器の近接場に複数の受信器300が存在するとき、1つまたは複数の受信器のローディングおよびアンローディングを時間多重化して他の受信器がより効率的に送信器に結合するのを可能にすることが望ましい場合がある。ある受信器をクローキングして、他の近傍の受信器との結合を解除するかあるいは近傍の送信器に対する負荷を低減させることができる。受信器のこの「アンローディング」は本明細書では「クローキング」とも呼ばれる。さらに、受信器300によって制御され送信器200によって検出されるアンローディングとローディングとのこの切り替えは、以下に詳しく説明するように受信器300から送信器200への通信機構を実現する。また、受信器300から送信器200へのメッセージの送信を可能にするプロトコルをこの切り替えに関連付けることができる。一例として、切り替え速度は100μsec程度であってよい。
【００４８】
例示的な実施形態では、送信器と受信器との通信は、従来の2方向通信ではなく、デバイス検知充電制御機構を指す。言い換えれば、送信器は、送信される信号のオン/オフキーイングを使用して、近接場でエネルギーが利用可能になるかどうかを調整する。受信器は、エネルギーにおけるこのような変化を送信器からのメッセージとして解釈する。受信器側からは、受信器は、受信アンテナの同調および離調を使用して、近接場からどれだけの電力を受け入れるかを調整する。送信器は、近接場から使用される電力におけるこの差を検出して、このような変化を受信器からのメッセージとして解釈することができる。
【００４９】
受信回路302は、送信器から受信器への情報信号に相当するものであってよい受信されたエネルギー変動を識別するのに使用される通信検出器ビーコン回路314をさらに含んでよい。さらに、通信ビーコン回路314を使用して、低減されたRF信号エネルギー(すなわち、ビーコン信号)の伝達を検出し、かつ低減されたRF信号エネルギーを公称電力に整流して、受信回路302内の電力が供給されていないかあるいは電力を消耗した回路を作動させる公称電力に変換し、受信回路302を無線充電向けに構成することもできる。
【００５０】
受信回路302は、本明細書で説明する切り替え回路312の制御を含む、本明細書で説明する受信器300の各プロセスの調和を図るプロセッサ316をさらに含む。デバイス350に充電電力を供給する外部有線充電源(たとえば、壁/USB電源)の検出を含む他のイベントが発生したときに受信器300のクローキングを行うこともできる。プロセッサ316は、受信器のクローキングを制御するだけでなく、ビーコン回路314を監視してビーコン状態を判定し、送信器から送信されたメッセージを抽出することができる。プロセッサ316は、DC-DC変換器310の性能を向上させるように調整することもできる。
【００５１】
図12は、送信器と受信器との間のメッセージ通信を実行する送信回路の一部の簡略化された概略図である。本発明のいくつかの例示的な実施形態では、送信器と受信器との間で通信手段を使用可能にすることができる。図12では、電力増幅器210は送信アンテナ204を駆動して放射界を生成する。電力増幅器は、送信アンテナ204の所望の周波数で発振する搬送信号220によって駆動される。送信変調信号224を使用して、電力増幅器210の出力が制御される。
【００５２】
送信回路は、電力増幅器210上でオン/オフキーイングプロセスを使用することによって受信器に信号を送信することができる。言い換えれば、送信変調信号224がアサートされると、電力増幅器210は、送信アンテナ204上で搬送信号220の周波数を出力する。送信変調信号224が否定されたときは、電力増幅器は送信アンテナ204でいかなる周波数も出力しない。
【００５３】
図12の送信回路は、電力増幅器210に電力を供給し、受信信号235出力を生成する負荷検知回路216も含む。負荷検知回路216では、抵抗器Rsの両端間、すなわち信号226の電力と電力増幅器210への電源228との間で電圧降下が生じる。電力増幅器210によって消費される電力が変化すると、電圧降下に変化が生じ、それが差分増幅器230によって増幅される。送信アンテナが受信器(図12には示されていない)内の受信アンテナとの結合モードであるとき、電力増幅器210によって引き込まれる電流の量が変化する。言い換えれば、送信器アンテナ210に関して結合モード共振が存在しない場合、放射界を駆動するのに必要な電力は最初の量になる。結合モード共振が存在する場合、大部分の電力が受信アンテナに結合されるため、電力増幅器210によって消費される電力の量が上昇する。したがって、受信信号235は、送信アンテナ235に結合された受信アンテナの存在を示すことができ、後述のように受信アンテナから送信される信号を検出することもできる。また、受信器電流引き込みの変化は送信器の電力増幅器電流引き込みで観測可能であり、後述のように、この変化を使用して受信アンテナからの信号を検出することができる。
【００５４】
図13A〜13Cは、受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、様々な状態の受信回路の一部の簡略化された概略図である。図13A〜13Cはすべて、様々なスイッチの状態を除いて同じ回路要素を示している。受信アンテナ304は、ノード350を駆動する特性インダクタンスL1を含む。ノード350は、スイッチS1Aを通じてグランドに選択的に結合される。ノード350は、スイッチS1Bを通じてダイオードD1および整流器318にも選択的に結合される。整流器318は、受信デバイス(不図示)にDC電力信号322を供給して、受信デバイスに電力を供給するか、電池を充電するか、あるいはその両方を行う。ダイオードD1は送信信号320に結合され、送信信号320は、キャパシタC3および抵抗器R1によってフィルタリングされて高調波および不要な周波数を除外される。したがって、D1、C3、およびR1の組合せは、上記で図12の送信器を参照して論じた送信変調信号224によって生じる送信変調を模倣する信号を送信信号320上に生成することができる。
【００５５】
本発明の例示的な実施形態は、受信デバイスの電流引き込みの変調および受信アンテナのインピーダンスの変調を含み、逆リンク通信を実現する。図13Aと図12の両方を参照すると、受信デバイスの電力引き込みが変化すると、負荷検知回路216は、送信アンテナ上で結果として生じる電力変化を検出し、このような変化から、受信信号235を生成することができる。
【００５６】
図13A〜13Cの例示的な実施形態では、スイッチS1AおよびS2Aの状態を修正することによって、送信器を通じた電流引き込みを変更することができる。図13Aでは、スイッチS1AとスイッチS2Aはどちらも開いており、「DC開状態」が確立され、基本的に送信アンテナ204から負荷が除去されている。これによって、送信器が見る電流が低減される。
【００５７】
図13Bでは、スイッチS1Aが閉じ、スイッチS2Aが開いており、それによって、受信アンテナ304の「DA短絡状態」が確立されている。したがって、図13Bの状態を使用して、送信器が見る電流を増大させることができる。
【００５８】
図13Cでは、スイッチS1Aが開き、スイッチS2Aが閉じており、それによって、通常受信モード(本明細書では「DC動作状態」とも呼ぶ)が確立されている。すなわち、DC出力信号322によって電力を供給することができ、かつ送信信号320を検出することができる。図13Cに示されている状態では、受信器は通常量の電力を受信し、したがって、送信器アンテナから消費する電力はDC開状態またはDC短絡状態よりも多くなるかあるいは少なくなる。
【００５９】
逆方向リンク通信は、DC動作状態(図13C)とDC短絡状態(図13B)とを切り替えることによって実現することができる。逆方向リンク通信は、DC動作状態(図13C)とDC開状態(図13A)とを切り替えることによって実現することもできる。
【００６０】
図14A〜14Cは、受信器と送信器との間のメッセージ通信を示す、様々な状態の他の受信回路の一部の簡略化された概略図である。
【００６１】
図14A〜14Cはすべて、様々なスイッチの状態を除いて同じ回路要素を示している。受信アンテナ304は、ノード350を駆動する特性インダクタンスL1を含む。ノード350は、キャパシタC1およびスイッチS1Bを通じてグランドに選択的に結合される。ノード350は、キャパシタC2を通じてダイオードD1および整流器318にもAC結合される。ダイオードD1は送信信号320に結合され、送信信号320は、キャパシタC3および抵抗器R1によってフィルタリングされて高調波および不要な周波数を除外される。したがって、D1、C3、およびR1の組合せは、上記で図12の送信器を参照して論じた送信変調信号224によって生じる送信変調を模倣する信号を送信信号320上に生成することができる。
【００６２】
整流器318は、抵抗器R2およびグランドに直列に接続されたスイッチS2Bに接続されている。整流器318はスイッチS3Bにも接続されている。スイッチS3Bの他方の側は、受信デバイス(不図示)にDC電力信号322を供給して、受信デバイスに電力を供給するか、電池を充電するか、あるいはその両方を行う。
【００６３】
図13A〜13Cでは、受信アンテナをスイッチS1Bを通じてグランドに選択的に結合することによって、受信アンテナ304のDCインピーダンスが変更される。これに対して、図14A〜14Cの例示的な実施形態では、受信アンテナ304のACインピーダンスを変更するようにスイッチS1B、S2B、およびS3Bの状態を修正することによって、逆方向リンク通信を生じさせるようにアンテナのインピーダンスを修正することができる。図14A〜14Cでは、受信アンテナ304の共振周波数をキャパシタC2に同調させることができる。したがって、スイッチS1Bを使用してキャパシタC1を通じて受信アンテナ304を選択的に結合し、送信アンテナに最適な状態で結合される範囲に入らない異なる周波数に共振回路を変更することによって、受信アンテナ304のACインピーダンスを変更することができる。受信アンテナ304の共振周波数が送信アンテナの共振周波数に近く、受信アンテナ304が送信アンテナの近接場に位置している場合、受信器が放射界106から顕著な電力を引き込むことのできる結合モードを生じさせることができる。
【００６４】
図14Aでは、スイッチS1Bが閉じており、それによって、アンテナが離調し、「ACクローキング状態」が確立される。すなわち、受信アンテナが送信アンテナの周波数では共振しないため、基本的に受信アンテナ304が送信アンテナ204による検出から「クローキング」される。受信アンテナが結合モードではないため、スイッチS2BおよびS3Bの状態は本明細書の議論では特に重要ではない。
【００６５】
図14Bでは、スイッチS1Bが開き、スイッチS2Bが閉じ、スイッチS3Bが開いており、それによって、受信アンテナ304の「同調ダミー負荷状態」が確立されている。スイッチS1Bが開いているため、キャパシタC1は共振回路に寄与せず、キャパシタC2と組み合わされた受信アンテナ304は、送信アンテナの共振周波数に整合することができる共振周波数を有する。スイッチS3Bが開いているとともにスイッチS2Bが閉じていると、整流器に対して比較的高い電流ダミー負荷が生じ、整流器がより多くの電力を受信アンテナ304を通じて引き込み、これを送信アンテナによって検知することができる。また、受信アンテナが送信アンテナから電力を受信する状態であるため、送信信号320を検出することができる。
【００６６】
図14Cでは、スイッチS1Bが開き、スイッチS2Bが開き、スイッチS3Bが閉じており、それによって、受信アンテナ304の「同調動作状態」が確立されている。スイッチS1Bが開いているため、キャパシタC1は共振回路に寄与せず、キャパシタC2と組み合わされた受信アンテナ304は、送信アンテナの共振周波数に整合することができる共振周波数を有する。スイッチS2Bが開いているとともにスイッチS3Bが閉じていると通常動作状態が確立され、DC出力信号322によって電力を供給することができ、かつ送信信号320を検出することができる。
【００６７】
逆方向リンク通信は、同調動作状態(図14C)とACクローキング状態(図14A)とを切り替えることによって実現することができる。逆方向リンク通信は、同調ダミー負荷状態(図14B)とACクローキング状態(図14A)とを切り替えることによって実現することもできる。逆方向リンク通信は、同調動作状態(図14C)と同調ダミー負荷状態(図14B)とを切り替えることによって実現することもできる。というのは、受信器によって消費される電力の量に差があり、それを送信器内の負荷検知回路によって検出することができるからである。
【００６８】
もちろん、当業者には、スイッチS1B、S2B、およびS3Bの他の組合せを使用してクローキング、逆方向リンク通信、および受信デバイスへの電力の供給を実施できることが認識されよう。また、スイッチS1AおよびS1Bを図14A〜14Cの回路に追加して、クローキング、逆方向リンク通信、および受信デバイスへの電力の供給のための他の可能な組合せを形成することができる。
【００６９】
したがって、結合モードでは、上記で図12を参照して論じたように送信器から受信器に信号を送信することができる。また、結合モードでは、上記で図13A〜13Cおよび14A〜14Cを参照して論じたように受信器から送信器に信号を送信することができる。
【００７０】
図15A〜15Dは、送信器と1つまたは複数の受信器との間で電力を伝送するビーコン電力モードを示す簡略化されたブロック図である。図15Aは、ビーコン結合モード領域510内に受信デバイスがないときの低出力「ビーコン」信号525を有する送信器520を示している。ビーコン信号525は、非制限的な例として、約10mW RFから約20mW RFのような範囲内の信号であってよい。この信号は、充電すべきデバイスが結合モード領域内に配置されているときに該デバイスに初期電力を供給するのに適切である場合がある。
【００７１】
図15Bは、ビーコン信号525を送信する送信器520のビーコン結合モード領域510内に配置された受信デバイス530を示している。受信デバイス530がオンであり、送信器との結合を生じさせる場合、受信デバイス530は、ビーコン信号525から電力を受け入れる受信器に過ぎない逆方向リンク結合535を生じさせる。この追加的な電力を送信器の負荷検知回路216(図12)によって検知することができる。その結果、送信器は高出力モードに入ることができる。
【００７２】
図15Cは、高出力結合モード領域510'を生成する高出力信号525'を生成する送信器520を示している。受信デバイス530が電力を受け入れ、その結果、逆方向リンク結合535を生じさせる限り、送信器は高出力状態のままである。1つの受信デバイス530のみが示されているが、結合モード領域510内に複数の受信デバイス530が存在することができる。複数の受信デバイス530がある場合、受信デバイス530は、それぞれの結合度に基づいて送信器によって伝送される電力の量を共用することになる。たとえば、結合効率は、上記に図8および9を参照して説明したように結合モード領域510内でデバイスが配置されている場所に応じて各受信デバイス530ごとに異なっていてよい。
【００７３】
図15Dは、受信デバイス530がビーコン結合モード領域510内に位置するときでもビーコン信号525を生成する送信器520を示している。この状態が生じるのは、おそらく受信デバイス530がもはや電力を必要としないため受信デバイス530が停止されるかあるいはそれ自体をクローキングするときである。
【００７４】
受信器と送信器は、別個の通信チャネル(たとえば、Bluetooth、zigbeeなど)上で通信することができる。別個の通信チャネルによって、送信器は、ビーコンモードと高出力モードとをいつ切り替えるかを判定するか、あるいは結合モード領域510内の受信デバイスの数および該受信デバイスのそれぞれの電力要件に基づいて、複数の電力レベルを生成することができる。
【００７５】
本発明の例示的な実施形態は、比較的大型の送信アンテナと小型の受信アンテナとの結合を、2つのアンテナ間の近接場電力伝達において、リピータとして働く追加的なアンテナを結合されたアンテナのシステムに導入することによって強化することを含み、送信側アンテナから受信側アンテナに向かう電力の流れを強化する。
【００７６】
例示的な実施形態では、システム内の送信アンテナおよび受信アンテナに結合する1つまたは複数の特別のアンテナが使用される。これらの特別のアンテナは、能動アンテナや受動アンテナなどのリピータアンテナを備える。受動アンテナは、単にアンテナループと、アンテナの共振周波数を同調させる容量性素子とを含んでよい。能動素子は、アンテナループおよび1つまたは複数の同調キャパシタだけでなく、繰り返される近接場放射の強度を高める増幅器を含んでよい。
【００７７】
電力伝達システム内の送信アンテナとリピータアンテナの組合せは、端末負荷、同調構成部材、共振周波数、および送信アンテナに対するリピータアンテナの配置などの因子に基づいて非常に小型の受信アンテナへの電力の結合が強化されるように最適化することができる。
【００７８】
単一の送信アンテナは有限近接場結合モード領域を有する。したがって、送信アンテナの近接場結合モード領域内で受信器を通じて充電するデバイスのユーザには、極めて広いかあるいは少なくとも不都合なほど広いかなりのユーザアクセス空間が必要になることがある。さらに、結合モード領域は、受信アンテナが送信アンテナから離れるにつれて急速に狭くなる。
【００７９】
リピータアンテナは、送信アンテナからの結合モード領域を再集中させて再整形し、受信アンテナにエネルギーを結合するのにより適している場合がある第2の結合モード領域をリピータアンテナの周りに生成する。以下に図16A〜18Bにおいて、リピータアンテナを含む実施形態のいくつかの非制限的な例について論じる。
【００８０】
図16Aは、大型の送信アンテナ610Cと、送信アンテナ610Cと同一平面内にかつ送信アンテナ610Cの周縁内に配置された、送信アンテナ610Cより小さい3つのリピータアンテナ620Cとを示している。送信アンテナ610Cとリピータアンテナ620Cはテーブル640上に形成されている。受信アンテナ630Cを含む様々なデバイスが、送信アンテナ610Cおよびリピータアンテナ620C内の様々な位置に配置されている。図16Aの例示的な実施形態は、送信アンテナ610Cによって生成された結合モード領域を再集中させて各リピータアンテナ620Cの周りにより狭くかつより強力な繰り返し結合モード領域を生成することができてよい。その結果、比較的強力な繰り返し近接場放射を受信アンテナ630Cに利用することができる。いくつかの受信アンテナは、任意のリピータアンテナ620Cの外側に配置されている。結合済みモード領域がアンテナの周縁のいくらか外側に延びてよいことを想起されたい。したがって、受信アンテナ630Cは、送信アンテナ610Cと任意の近傍のリピータアンテナ620Cの近接場放射から電力を受信することができてよい。その結果、任意のリピータアンテナ620Cの外側に配置された受信アンテナはそれにもかかわらず、送信アンテナ610Cと任意の近傍のリピータアンテナ620Cの近接場放射から電力を受信することができる。
【００８１】
図16Bは、大型の送信アンテナ610Dと、送信アンテナ610Dに対してオフセット同軸配置されかつオフセット同一平面内配置された、送信アンテナ610Dより小型のリピータアンテナ620Dとを示している。受信アンテナ630Dを含むデバイスが、1つのリピータアンテナ620Dの周縁内に配置されている。非制限的な例として、送信アンテナ610Dを天井646に配置し、一方、リピータアンテナ620Dをテーブル640上に配置することができる。オフセット同軸配置されたリピータアンテナ620Dは、送信器アンテナ610Dからの近接場放射をリピータアンテナ620Dの周りの繰り返し近接場放射に再整形して強化することができてよい。その結果、比較的強力な繰り返し近接場放射を、リピータアンテナ620Dと同一平面内に配置された受信アンテナ630Dに利用することができる。
【００８２】
図17は、送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示している。送信アンテナ、リピータアンテナ、および受信アンテナは約13.56MHzの共振周波数を有するように同調される。
【００８３】
曲線662は、様々な周波数で送信アンテナに伝送される総電力に対する、送信アンテナから伝送される電力の量の程度を示している。同様に、曲線664は、様々な周波数で受信アンテナの端子の近傍で得られる総電力に対する、リピータアンテナを通じて受信アンテナによって受信される電力の量の程度を示している。最後に、曲線668は、様々な周波数で送信アンテナからリピータアンテナを通じて受信アンテナに実際に結合される電力の量を示している。
【００８４】
約13.56MHzに相当する曲線668のピークによって、送信器から送信される大量の電力を受信器で利用することができ、送信アンテナとリピータアンテナと受信アンテナの組合せが高度に結合されていることが分かる。
【００８５】
図18Aは、送信アンテナと、リピータアンテナを有さない送信アンテナに対して同軸配置された受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示している。送信アンテナと受信アンテナは約10MHzの共振周波数を有するように同調される。このシミュレーションにおける送信アンテナは、一辺が約1.3メートルであり、受信アンテナは一辺が約30mmのマルチループアンテナである。受信アンテナは、送信アンテナの平面から約2メートル離れた位置に配置されている。曲線682Aは、様々な周波数で送信アンテナの端子に送られる総電力に対する、送信アンテナから伝送される電力の量の程度を示している。同様に、曲線684Aは、様々な周波数で受信アンテナの端子の近傍で得られる総電力に対する、受信アンテナによって受信される電力の量の程度を示している。最後に、曲線686Aは、様々な周波数で送信アンテナと受信アンテナとの間で実際に結合される電力の量を示している。
【００８６】
図18Bは、システムにリピータアンテナが含まれるときの図18Aの送信アンテナと受信アンテナとの結合強度を示すシミュレーション結果を示している。送信アンテナと受信アンテナは、図18Aと同じサイズおよび同じ配置である。リピータアンテナは、一辺が約28cmであり、受信アンテナと同一平面内に配置される(すなわち、送信アンテナの平面から約0.1メートル離れた位置に配置される)。図18Bでは、曲線682Bは、様々な周波数で送信アンテナの端子に送られる総電力に対する、送信アンテナから伝送される電力の量の程度を示している。曲線684Bは、様々な周波数で受信アンテナの端子の近傍で得られる総電力に対する、リピータアンテナを通じて受信アンテナによって受信される電力の量の程度を示している。最後に、曲線686Bは、様々な周波数で送信アンテナからリピータアンテナを通じて受信アンテナに実際に結合される電力の量を示している。
【００８７】
図18Aと図18Bの結合済み電力(686Aおよび686B)を比べると、リピータアンテナがない場合、結合済み電力686Aは約-36dBでピークに達することが分かる。一方、リピータアンテナがある場合、結合済み電力686Bは約-5dBでピークに達する。したがって、共振周波数の近くでは、リピータアンテナが含まれているため、受信アンテナが利用できる電力の量が著しく増大する。
【００８８】
本発明の例示的な実施形態は、送信器が単一および複数のデバイスおよびデバイスタイプにどのように放射するかを適切に管理して、送信器が個々のデバイスに充電電力を伝達する効率を最適化する低コストで控えめな方法を含む。
【００８９】
図19は、存在検出器280を含む送信器200の簡略化されたブロック図である。送信器は、図10の送信器と同様であり、したがって、再び説明する必要はない。しかし、図19では、送信器200は、コントローラ214(本明細書ではプロセッサとも呼ぶ)に接続された存在検出器280、および密閉検出器290、またはそれらの組合せを含んでよい。コントローラ214は、存在検出器280および密閉検出器290からの存在信号に応答して増幅器210によって送出される電力の量を調整することができる。送信器は、従来のAC電力を変換するAC-DC変換器(不図示)299を通じて電力を受信することができる。
【００９０】
非制限的な例として、存在検出器280は、送信器の領域に挿入される充電すべきデバイスの初期存在を検知するのに利用される動き検出器であってよい。検出後、送信器が同調され、デバイスによって受信されたRF電力を使用してRxデバイス上のスイッチが所定の方法で切り替えられ、それによって、送信器の駆動点インピーダンスが変更される。
【００９１】
他の非制限的な例として、存在検出器280は、たとえば赤外線検出、動き検出、または他の適切な手段によって人間を検出することのできる検出器であってよい。いくつかの例示的な実施形態では、送信アンテナが特定の周波数で伝送することのできる電力の量を規制する制限があってよい。場合によっては、このような規制は、人間を電磁放射から保護することになる。しかし、送信アンテナが、たとえば、ガレージ、工場、店舗など、人間によって占有されていない領域または人間によって占有されることがめったにない領域に配置される環境がある。これらの環境に人間が存在しない場合、送信アンテナからの電力出力を通常の電力規制値を超えた値まで増大させることが可能である。言い換えれば、コントローラ214は、人間が存在することに応じて送信アンテナ204電力出力を規制値以下に調整し、かつ人間が送信アンテナ204の電磁場からの規制距離の範囲外にいるときに送信アンテナ204の電力出力を規制レベルより高いレベルに調整することができる。
【００９２】
以下の例のうちの多くでは、充電されるゲストデバイスとして示されているデバイスは1つだけである。実際には、各ホストによって生成される近接場から多数のデバイスを充電することができる。
【００９３】
例示的な実施形態では、Tx回路が無限にオンのままでいることのない方法を使用することができる。この場合、Tx回路を、ユーザが決定した時間が経過した後に停止するようにプログラムすることができる。この特徴によって、Tx回路、特に電力増幅器は、その周縁の無線デバイスが完全に充電された後長時間動作するのを妨げられる。このイベントは、リピータまたはRxコイルから送信され、デバイスが完全に充電されたことを示す信号を、回路が検出できないときに生じることがある。他のデバイスがTx回路の周縁に配置された場合にTx回路が自動的に停止するのを防止するために、Tx回路の自動停止機能を作動させるのは、その周縁で動きが検出されない状態で設定された期間が経過した場合だけであってよい。ユーザは、非活動時間間隔を判定し、それを必要に応じて変更することができてよい。非制限的な例として、この時間間隔は、特定の種類の無線デバイスが最初完全に放電されるという仮定の下でこのデバイスを完全に充電するのに必要な時間間隔よりも長くてよい。
【００９４】
本発明の例示的な実施形態は、「ゲスト」と呼ばれるより小型であることが多い他のデバイス、機器、または機械に無線によって電力を伝達するのに必要な送信アンテナおよび他の回路のすべてまたは一部を収納する充電ステーションまたは「ホスト」として表面を使用することを含む。非制限的な例として、このような充電ステーションまたはホストは窓、壁などであってよい。充電システムは、前述の例では少なくとも部分的に埋め込むことができるが、既存の装置に組み込むか、あるいは該装置の初期設計および製造の一部として作ることができる。
【００９５】
電気的に小型のアンテナは、効率が低く、小型アンテナの理論によって説明されるように数パーセントに過ぎないことが多い。アンテナの電気サイズが小さいほどアンテナの効率が低くなる。無線電力伝達は、工業用途、商業用途、および家庭用途における配電網との有線接続に代わる実現可能な技術となることができ、すなわち、そのような電力伝達システムの受信側端部に位置するデバイスまで有意の距離にわたって電力を送信することができる場合にそのような技術となることができる。この距離は用途に依存するが、数十センチメートルから数メートルが大部分の用途に適切な範囲とみなすことができる。一般に、この範囲は、電力の有効周波数を5MHzから100MHzまでの間隔に低下させる。
【００９６】
図20および21は、例示的な実施形態による広域無線充電装置のブロック図の平面図である。前述のように、送信器の近接場結合モード領域内に受信器を配置してこの受信器を無線充電することは、この送信アンテナの近接場結合モード領域内に受信器を正確に位置させる必要があるため非常に厄介である。さらに、固定位置送信アンテナの近接場結合モード領域内に受信器を配置することは、特に、複数の受信器がそれぞれ、複数のユーザがアクセス可能なデバイス(たとえば、ラップトップ、PDA、無線デバイス)に結合されており、ユーザがデバイスに同時並行的に物理的にアクセスする必要がある場合、受信器に結合されたデバイスのユーザにはアクセス不能である場合もある。たとえば、単一の送信アンテナは、有限近接場結合モード領域を有する。したがって、送信アンテナの近接場結合モード領域内で受信器を通じて充電するデバイスのユーザには、極めて広いユーザアクセス空間、または少なくとも、他のデバイスの他のユーザも同じ送信アンテナの近接場結合モード領域内で無線によって充電し、かつ別個のユーザアクセス空間を必要とするため不都合なほど広いかなりのユーザアクセス空間が必要になることがある。たとえば、単一の送信アンテナを有するように構成された会議用テーブルに2人の無線充電可能デバイスユーザが隣り合わせて座った場合、送信器近接場結合モード領域が限局的であり、かつそれぞれのデバイスと対話するのにかなり広いユーザアクセス空間が必要であるため、ユーザのそれぞれのデバイスにアクセスするのは困難または不可能になる。また、特定の無線充電デバイスおよびそのユーザを特定の位置に配置する必要があることも、デバイスのユーザにとって不都合である。
【００９７】
図20を参照すると分かるように、広域無線充電装置700の例示的な実施形態では、隣接して配置された複数の送信アンテナ回路702A〜702Dを、より広い無線充電領域708を形成するように配置することができる。制限ではなく一例として、送信アンテナ回路は、電子デバイス(たとえば無線デバイス、ハンドセット、PDA、ラップトップなど)と組み合わされるかあるいは電子デバイスに嵌め込まれた受信アンテナ(不図示)との一様な結合を実現する、たとえば約30〜40センチメートルの直径または辺寸法を有する送信アンテナ710を含む。送信アンテナ回路702を広域無線充電装置700のユニットまたはセルとみなし、これらの送信アンテナ回路702A〜702Dをほぼ単一の平面704(たとえばテーブル上面)上に積み重ねるかあるいは平面704上で隣接する送信アンテナ回路同士をタイル化することによって、充電領域を広くするかあるいはより広くすることができる。より広い無線充電領域708によって、1つまたは複数のデバイス用の充電領域が広くなる。
【００９８】
広域無線充電装置700は、送信アンテナ710に駆動信号を送信する送信電力増幅器720をさらに含む。一方の送信アンテナ710の近接場結合モード領域が他方の送信アンテナ710の近接場結合モード領域に干渉する構成では、互いに干渉する隣接する送信アンテナ710が「クローキング」され、作動後の送信アンテナ710の無線充電効率が改善される。
【００９９】
広域無線充電装置700内の送信アンテナ710の作動順序付けは、時間領域に基づくシーケンスに従って行うことができる。送信電力増幅器720の出力は、送信器プロセッサからの制御信号724に従って、送信電力増幅器720から各送信アンテナ710への出力信号を時間多重化するマルチプレクサ722に結合される。
【０１００】
電力増幅器720が作動送信アンテナを駆動しているときに隣接する非作動送信アンテナ710で共振を誘導するのを抑制するために、たとえばクローキング回路714を作動させることによって、その送信アンテナの共振周波数を変更することにより非作動アンテナを「クローキング」することができる。一実現形態として、直接隣接するかあるいはほぼ隣接する送信アンテナ回路702を同時並行的に動作させると、同時並行的に作動されかつ互いに物理的に近くに位置するかあるいは隣接する他の送信アンテナ回路702間で干渉効果が生じる。したがって、送信アンテナ回路702は、送信アンテナ710の共振周波数を変更する送信器クローキング回路714をさらに含んでよい。
【０１０１】
送信器クローキング回路は、送信アンテナ710の反応素子、たとえばキャパシタ716を短絡状態にするかあるいはキャパシタ716の値を変更する切り替え手段(たとえばスイッチ)として構成することができる。切り替え手段は、送信器のプロセッサからの制御信号721によって制御することができる。動作時には、一方の送信アンテナ710が作動されて共振し、一方、他方の送信アンテナ710は、共振するのを妨げられ、したがって、隣接する作動した送信アンテナ710に干渉するのが妨げられる。したがって、送信アンテナ710のキャパシタンスを短絡状態にするかあるいは変更することによって、送信アンテナ710の共振周波数が、他方の送信アンテナ710からの共振結合を妨げるように変更される。共振周波数を変更する他の技術も考えられる。
【０１０２】
他の例示的な実施形態では、各送信アンテナ回路702は、それぞれの近接場結合モード領域内の受信器の存否を判定することができ、送信器プロセッサが、受信器が存在し無線充電を受ける準備が整っているときには送信アンテナ回路702を作動させ、受信器が存在しないかあるいはそれぞれの近接場結合モード領域内で無線充電を受ける準備が整っていないときには送信アンテナ回路702を作動させない。存在するかあるいは無線充電を受ける準備の整った受信器の検出は、本明細書で説明する受信器検出通信プロトコルに従って行うか、あるいは動き検知、圧力検知、画像検知のような受信器の物理的な検知、または送信器アンテナの近接場結合モード領域内の受信器が存在することを判定する他の検知技術に従って行うことができる。さらに、複数のアンテナ回路のうちの少なくとも1つにより高い比例デューティサイクルを設定することによって1つまたは複数の送信アンテナ回路を優先的に作動させることも、本発明の範囲内で考えられる。
【０１０３】
図21を参照すると分かるように、広域無線充電装置800の例示的な実施形態では、より広い無線充電領域808を形成する送信アンテナ801の内側に、互いに隣接して配置された複数のリピータアンテナ回路802A〜802Dを配置することができる。送信アンテナ801は、送信電力増幅器820によって駆動されると、各リピータアンテナ810A〜810Dとの共振結合を誘導する。制限ではなく一例として、たとえば約30〜40センチメートルの直径または辺寸法を有するリピータアンテナ810は、電子デバイスと組み合わされるかあるいは電子デバイスに固定された受信アンテナ(不図示)との一様な結合を実現する。リピータアンテナ回路802を広域無線充電装置800のユニットまたはセルとみなし、これらのリピータアンテナ回路802A〜802Dをほぼ単一の平面804(たとえばテーブル上面)上に積み重ねるかあるいは平面804上で隣接する送信アンテナ回路同士をタイル化することによって、充電領域を広くするかあるいはより広くすることができる。より広い無線充電領域808によって、1つまたは複数のデバイス用の充電領域が広くなる。
【０１０４】
広域無線充電装置800は、送信アンテナ801に駆動信号を送信する送信電力増幅器820を含む。一方のリピータアンテナ810の近接場結合モード領域が他方のリピータアンテナ810の近接場結合モード領域に干渉する構成では、互いに干渉する隣接するリピータアンテナ810が「クローキング」され、作動後のリピータアンテナ810の無線充電効率が改善される。
【０１０５】
広域無線充電装置800内のリピータアンテナ810の作動順序付けは、時間領域に基づくシーケンスに従って行うことができる。送信電力増幅器820の出力は、一般に絶えず送信アンテナ801に結合される(本明細書で説明する受信器通信時を除く)。本発明の例示的な実施形態では、リピータアンテナ810は、送信器プロセッサからの制御信号821に従って時間多重化される。一実現形態として、直接隣接するかあるいはほぼ隣接するリピータアンテナ回路802を同時並行的に動作させると、同時並行的に作動されかつ互いに物理的に近くに位置するかあるいは隣接する他のリピータアンテナ回路802間で干渉効果が生じる。したがって、リピータアンテナ回路802は、リピータアンテナ810の共振周波数を変更するリピータクローキング回路814をさらに含んでよい。
【０１０６】
リピータクローキング回路は、リピータアンテナ810の反応素子、たとえばキャパシタ816を短絡状態にするかあるいはキャパシタ816の値を変更する切り替え手段(たとえばスイッチ)として構成することができる。切り替え手段は、送信器のプロセッサからの制御信号821によって制御することができる。動作時には、一方のリピータアンテナ810が作動されて共振し、一方、他方のリピータアンテナ810は、共振するのを妨げられ、したがって、隣接する作動したリピータアンテナ810に干渉するのが妨げられる。したがって、リピータアンテナ810のキャパシタンスを短絡状態にするかあるいは変更することによって、リピータアンテナ810の共振周波数が、他方のリピータアンテナ810からの共振結合を妨げるように変更される。共振周波数を変更する他の技術も考えられる。
【０１０７】
他の例示的な実施形態では、各リピータアンテナ回路802は、それぞれの近接場結合モード領域内の受信器の存否を判定することができ、送信器プロセッサが、受信器が存在し無線充電を受ける準備が整っているときにはリピータアンテナ回路802を作動させ、受信器が存在しないかあるいはそれぞれの近接場結合モード領域内で無線充電を受ける準備が整っていないときにはリピータアンテナ回路802を作動させない。存在するかあるいは無線充電を受ける準備の整った受信器の検出は、本明細書で説明する受信器検出通信プロトコルに従って行うか、あるいは動き検知、圧力検知、画像検知のような受信器の物理的な検知、またはリピータアンテナの近接場結合モード領域内の受信器が存在することを判定する他の検知技術に従って行うことができる。
【０１０８】
広域無線充電装置700および800の様々な例示的な実施形態は、ある受信器の優先充電、それぞれの異なるアンテナの近接場結合モード領域内の様々な数量の受信器、受信器に結合される特定のデバイスの電力要件などの因子とその他の因子に基づいて作動時間周期を送信/リピータアンテナに非対称的に割り当てることに基づいて送信/リピータアンテナ710、810に結合される入力信号の時間領域多重化をさらに含んでよい。
【０１０９】
電気的に小型のアンテナは効率が低く、当業者に公知の小型アンテナの理論で説明されるように数パーセントに過ぎないことが多いことが知られている。一般に、アンテナの電気的サイズが小さいほど効率が低くなる。したがって、無線電力伝達は、工業、商業、および家庭用途において、このような電力伝達システムの受信側に位置するデバイスまで有意の距離にわたって電力を伝送できる場合、配電網との有線接続に代わる実現可能な技術となることができる。この距離は、用途によって決まるが、たとえば数10センチメートルから数メートルが大部分の用途に適切な範囲とみなすことができる。一般に、この範囲では、電力の有効周波数がたとえば5MHzから100MHzの間隔で低減する。
【０１１０】
前述のように、送信器と受信器との間でエネルギー伝達が効率的に行われるのは、送信器と受信器の間で共振が整合しているかあるいはほぼ整合しているときである。しかし、送信器と受信器との共振が整合していないときでも、より低い効率でエネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信側アンテナからのエネルギーを自由空間内に伝搬させるのではなく、送信器側アンテナの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立される近傍に存在する受信側アンテナに結合することによって行われる。
【０１１１】
本発明の例示的な実施形態は、互いに近接場に位置する2つのアンテナの間で電力を結合することを含む。前述のように、近接場とは、電磁場が存在するが、アンテナから伝搬することも放射することもできない、アンテナの周りの領域である。電磁場は通常、アンテナの物理的体積の近くに位置する体積に制限される。本発明の例示的な実施形態では、一巻ループアンテナや多巻ループアンテナなどの磁気式アンテナは、磁気近接場の振幅が、電気式アンテナ(たとえば、小型ダイポール)の電気近接場と比べて磁気式アンテナの方が高い傾向があるため、送信アンテナシステム(Tx)と受信アンテナシステム(Rx)の両方として使用される。このため、一対のアンテナ間で場合によってはより高い結合を生じさせることができる。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールやモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せも考えられる。
【０１１２】
Txアンテナは、前述の遠距離場および誘導手法の場合よりも著しく遠い距離で小型Rxアンテナとの良好な結合(たとえば>-4dB)を実現できるほど低い周波数でかつ該結合を実現するのに十分な大きさのアンテナサイズで動作することができる。Txアンテナのサイズが適切である場合、ホストデバイス上のRxアンテナを、駆動されるTxループアンテナの結合モード領域内(すなわち近接場内)に配置したときに、高結合レベル(たとえば-2dB〜-4dB)を実現することができる。
【０１１３】
図20および21は、ほぼ平面状の充電領域内の複数のループを示している。しかし、本発明の例示的な実施形態はそのように限定されるわけではない。複数のアンテナを有する三次元空間を使用することができる。
【０１１４】
本発明の例示的な実施形態は、ある装置を、それより小型であることが多く「ゲスト」と呼ばれる他のデバイス、機器、または機械に無線によって電力を伝達するのに必要な送信アンテナおよび他の回路のすべてまたは一部を収納する充電ステーションまたは「ホスト」として使用することを含む。このような充電ステーションまたはホストは、複数の表面を有する任意の装置であってよい。非制限的な例として、このような充電ステーションまたはホストは工具箱、バッグ、溶液を保持するように構成された容器、オートクレーブ、キャビネット、チェストなどであってよい。送信アンテナは、前述の例では少なくとも部分的に埋め込むことができるが、既存の装置に組み込むか、あるいは該装置の初期設計および製造の一部として作ることができる。
【０１１５】
図22A〜31は、複数の方向に向けられた送信アンテナを有する装置を含む充電システムの様々な例示的な実施形態を示している。送信アンテナの多次元配向は、送信アンテナの複数の次元に対して様々な向きに位置する1つまたは複数の受信アンテナに供給することのできる電力を増大させることができる。充電システムは、任意の数の送信アンテナを使用して装置内に位置する1つまたは複数の受信アンテナに無線によって一度に電力を伝送できるように構成することができる。以下に示す様々な例示的な実施形態は、3つの平面に配向された送信アンテナ(すなわち三次元無線充電)を例示することがあるが、本発明の実施形態はそのように限定されるわけではない。すなわち、本発明の実施形態は、送信アンテナを任意の数の平面に配向することのできる多次元無線充電に関する。
【０１１６】
本明細書で説明する例示的な実施形態では、上記に図13A〜15Dを参照して説明した技術によって受信器と送信器との間の通信を実行することができる。また、2008年10月10日に出願され、内容が引用によって本明細書に全体的に組み込まれる「SIGNALING CHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT」という名称の米国特許出願第12/249,816号に記載された手段のような、より高度な通信手段を使用することができる。
【０１１７】
図22Aおよび22Bを参照すると、複数の送信アンテナ(すなわち、送信アンテナ912、送信アンテナ914、および送信アンテナ916)が複数の軸に沿って各表面に結合された多次元無線充電装置910が示されている。図22Aは、内部に配置された複数の充電可能デバイス930を示すためにふた911が開かれた装置910を示している。図22Bは、ふた911が閉じられた装置910を示している。送信アンテナ912、送信アンテナ914、および送信アンテナ916のそれぞれを、装置910の材料、装置の内容物、またはそれらの任意の組合せによってアンテナが短絡されるのを防止するように装置910に結合できることに留意されたい。一例として、送信アンテナ912、送信アンテナ914、および送信アンテナ916の各々を絶縁材料で被覆し、装置910の表面に取り付けることができる。さらに、一例に過ぎないが、装置910は非導電材料を備えてよい。
【０１１８】
図22Aおよび22Bのそれぞれに示されているように、無線充電装置910は、3つの側面に結合された送信アンテナを含む。具体的には、第1の向きの送信アンテナ912は装置910の底面に結合されている。第2の向きの送信アンテナ914は装置910の第1の側面に結合され、第3の向きの送信アンテナ916は、装置910の第2の側面に結合され、第1の向きの送信アンテナ912にほぼ直交している。3つの送信アンテナのいずれか1つまたは任意の一対の送信アンテナを使用するかあるいはすべての3つのアンテナを一度に使用して、装置910内に位置しかつ充電可能デバイスに結合された1つまたは複数の受信アンテナに無線によって電力を供給することができる。上記に図20および21に関して論じたような手段を使用して、それぞれ向きが異なる送信アンテナのいずれかを選択し多重化することができる。
【０１１９】
図23Aおよび23Bは、複数の方向に向けられ、互いに向かい合うパネル内に位置する送信アンテナを保持するキャビネット950の例示的な実施形態を示している。図23Aは、ドア951が開かれたキャビネット950を示し、図23Bは、ドア951が閉じられたキャビネット950を示している。送信アンテナ972および974は、キャビネット950の互いに向かい合う側(すなわち、それぞれ左側および右側)に位置している。送信アンテナ962および964は、キャビネット950の互いに向かい合う側(すなわち、それぞれドアおよび背面)に位置している。送信アンテナ982および984は、キャビネット950の互いに向かい合う側(すなわち、それぞれ頂面および底面)に位置している。様々な表面長さを有する装置(たとえば矩形の装置)の場合、当業者によって理解されるように、送信アンテナの様々なサイズをそれぞれの異なるタンクキャパシタを使用することによって補償できることに留意されたい。また、各送信アンテナを装置キャビネット950の材料、装置キャビネット950の内容物、またはそれらの任意の組合せによって短絡されるのを防止するようにキャビネット950に結合できることに留意されたい。一例として、各送信アンテナを絶縁材料で被覆してキャビネット950の表面に取り付けることができる。さらに、一例に過ぎないが、キャビネット950は非導電材料を備えてよい。
【０１２０】
図24は、本発明の例示的な実施形態による充電システム1000を示している。充電システム1000は、複数の方向に向けられた送信アンテナ1012、1014、および1016を有する充電装置1010を含む。上述のように、充電装置1010は、一例に過ぎないが、工具箱、バッグ、キャビネットのような複数の表面を有する任意の装置を備えてよい。図示のように、それぞれの受信アンテナ1022および1026が結合された複数の充電可能デバイス1020および1024は充電装置1010内に位置している。充電システム1000は、充電装置1010に結合された3つの送信アンテナと充電装置内に位置する2つの充電可能デバイスとを含むが、本発明の実施形態はそのように限定されるわけではない。すなわち、任意の数の送信アンテナが結合され、かつ任意の数の充電可能デバイスが内部に位置する充電装置を含む充電システムが本発明の範囲内である。
【０１２１】
本発明の例示的な一実施形態によれば、複数の平面に配向された複数の送信アンテナを有する充電システムを、各送信アンテナから順次電力を伝送するように構成することができる。より具体的には、充電装置内の充電可能デバイスが完全に充電されるかあるいは各充電可能デバイスが充電装置から取り外されるまで、無作為または所定の順序で連続的に順次、各送信アンテナから電力を伝送するように充電システムを構成することができる。一例として、図24を参照すると、送信アンテナ1012から第1の持続時間の間電力を伝送し、送信アンテナ1014から第2の持続時間の間電力を伝送し、送信アンテナ1016から第3の持続時間の間電力を伝送するように充電システム100を構成することができる。充電可能デバイス1020および充電可能デバイス1024のそれぞれが完全に充電されるかあるいは充電可能デバイス1020および充電可能デバイス1024のそれぞれが充電装置1010から取り外されるまで、上記のプロセスを無限に繰り返すことができる。言い換えれば、充電装置1010が少なくとも1つの充電可能デバイスを内部に含み、かつ内部の少なくとも1つの充電可能デバイスが充電を必要とする限り、上記のプロセスを繰り返すことができる。第1の持続時間、第2の持続時間、および第3の持続時間が互いにほぼ等しくても、あるいは各持続時間を任意の適切な形態で互いに異ならせてもよいことに留意されたい。
【０１２２】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、送信アンテナのうちで関連する充電装置内に位置する各充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定するように充電システムを構成することができる。より具体的には、図24に示す例では、受信アンテナ1026および受信アンテナ1022のそれぞれについて、送信アンテナのうちで、受信アンテナおよび関連する充電可能デバイスが最高の電力を受信するのを可能にするのに最適な単一の送信アンテナ(すなわち、送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、または送信アンテナ1016)あるいは送信アンテナの考えられる任意の組合せ(すなわち、送信アンテナ1012と送信アンテナ1014、送信アンテナ1012と送信アンテナ1016、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016、または送信アンテナ1012と送信アンテナ1014と送信アンテナ1016)を定めるように充電システム1000を構成することができる。複数の送信アンテナ(すなわち送信アンテナの組合せ)が充電可能デバイスの最適な充電を実現できるかどうかを判定する際、充電可能デバイスが送信アンテナの組合せから受信する電力の最適な量をさらに求めるように複数の送信アンテナのそれぞれの電力レベルを変更することができる。送信アンテナのうちで充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定する方法を本明細書では「単一デバイス較正プロセス」と呼ぶこともある。
【０１２３】
次に、本発明の例示的な実施形態による、送信アンテナのうちで充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定する方法(すなわち単一デバイス較正プロセス)について説明する。充電可能デバイスに結合されかつ充電装置内に位置する受信アンテナを識別した後、充電装置に結合された各送信アンテナから順次、受信アンテナに電力を伝送するように関連する充電システムを構成することができる。さらに、送信アンテナの考えられる各組合せから順次、受信アンテナに電力を伝送するように充電システムを構成することができる。上記に指摘したように、送信アンテナの組合せから受信アンテナに電力を伝送する間、受信アンテナが送信アンテナの組合せから受信する電力の最適な量をさらに求めるように送信アンテナの電力レベルを変更することができる。
【０１２４】
電力を各送信アンテナから順次、個別に受信アンテナに伝送し、かつ送信アンテナの考えられる各組合せから順次、受信アンテナに伝送した後、受信アンテナに結合された充電可能デバイスに最適な充電を実現できる1つまたは複数の送信アンテナはどれかを判定するように充電システムを構成することができる。充電装置内に位置する受信アンテナおよび関連する充電可能デバイスの較正プロセスの間、該充電装置内に位置する1つまたは複数の他の受信アンテナを「クローキング」して、該1つまたは複数の他の受信アンテナと関連する充電装置に結合されるかあるいは該関連する充電装置内に位置する他の受信または送信アンテナとの結合を防止できることに留意されたい。
【０１２５】
次に、図24を参照して、単一デバイス較正プロセスの一例について説明する。受信アンテナ1022を識別した後、受信アンテナ1026を「クローキング」して受信アンテナ1026と任意の送信アンテナ(すなわち、送信アンテナ1012、1014、または1016)あるいは受信アンテナ1026と受信アンテナ1022との結合を防止することができる。次に、送信アンテナ1012が受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。その後、送信アンテナ1014が受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。続いて、送信アンテナ1016が受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。
【０１２６】
さらに、個々の各送信アンテナが順次、受信アンテナ1022に電力を伝送した後、送信アンテナ1012と送信アンテナ1014が同時に受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。送信アンテナ1012および送信アンテナ1014から電力を伝送する間、受信アンテナ1022が送信アンテナ1012と送信アンテナ1014の組合せから受信する電力の最適な量を求めるように送信アンテナ1012および送信アンテナ1014のそれぞれの電力レベルを変更することができる。次に、送信アンテナ1012と送信アンテナ1016が同時に受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。送信アンテナ1012および送信アンテナ1016から電力を伝送する間、受信アンテナ1022が送信アンテナ1012と送信アンテナ1016の組合せから受信する電力の最適な量を求めるように送信アンテナ1012および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。続いて、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016が同時に受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。送信アンテナ1014および送信アンテナ1016から電力を伝送する間、受信アンテナ1022が送信アンテナ1014と送信アンテナ1016の組合せから受信する電力の最適な量を求めるように送信アンテナ1014および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。
【０１２７】
また、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016と送信アンテナ1012が同時に受信アンテナ1022に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022が受信した電力の量を求めることができる。送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、および送信アンテナ1016のそれぞれから電力を伝送する間、受信アンテナ1022が送信アンテナ1012と送信アンテナ1014と送信アンテナ1016の組合せから受信する電力の最適な量を求めるように送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。受信アンテナ1022が受信した電力の量を任意の公知で適切な方法によって求めることができることに留意されたい。たとえば、例示的な実施形態によれば、1つまたは複数の送信アンテナは、該1つまたは複数の送信器アンテナと受信アンテナ1022との間のインピーダンスを検知することによって、受信アンテナ1022が受信した電力の量を検知することができる。例示的な他の実施形態によれば、1つまたは複数の送信アンテナから電力を受信した後、受信した電力の量を示す信号を該1つまたは複数の送信アンテナに送り返すように受信アンテナ1022を構成することができる。
【０１２８】
各送信アンテナおよび送信アンテナの考えられる各組合せから順次、様々な電力レベルの電力を受信した後、受信アンテナ1022に結合された充電可能デバイス1020に最適な充電を実現できる1つまたは複数の送信アンテナはどれかを判定するように充電システム1000を構成することができる。さらに、上記で指摘したように、装置1010内に位置する識別された各受信アンテナごとにこの較正プロセスを繰り返すことができる。したがって、充電可能デバイス1020に対して較正プロセスを実行した後、別の較正プロセスを実行して、送信アンテナのうちで充電可能デバイス1024に最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定するように充電システム1000を構成することができる。この例では、各向きが互いに平行であるため、送信アンテナ1014が充電可能デバイス1024に最適な充電を実現することができ、送信アンテナ1012が充電可能デバイス1020に最適な充電を実現することができると判定することができる。さらに、充電可能デバイスおよびそれに関連する受信アンテナが充電装置内で位置を変更できるため、受信アンテナおよび関連する充電可能デバイス、またはそれらの任意の組合せが受信する電力の量の変化を検出した後、各充電可能デバイスについて周期的に較正プロセスを繰り返すように充電システム1000を構成することができる。
【０１２９】
送信アンテナのうちで、充電装置1010内に位置する各充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを定めるだけでなく、送信アンテナのうちで、充電装置1010内に位置する複数の充電可能デバイスを同時並行的に充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを定めるように充電システム1000を構成することができる。より具体的には、図24を参照すると、送信アンテナのうちで、受信アンテナ1026および受信アンテナ1022の両方が最高の総電力を受信するのを可能にするのに最適な単一の送信アンテナ(すなわち、送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、または送信アンテナ1016)あるいは送信アンテナの考えられる任意の組合せ(すなわち、送信アンテナ1012と送信アンテナ1014、送信アンテナ1012と送信アンテナ1016、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016、または送信アンテナ1012と送信アンテナ1014と送信アンテナ1016)を定めるように充電システム1000を構成することができる。複数の送信アンテナ(すなわち送信アンテナの組合せ)が複数の充電可能デバイスの最適な充電を実現できるかどうかを判定する際、充電可能デバイスが送信アンテナの組合せから受信する最適な総電力量をさらに求めるように複数の送信アンテナのそれぞれの電力レベルを変更することができる。送信アンテナのうちで複数の充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定する方法を本明細書では「複数デバイス較正プロセス」と呼ぶこともある。
【０１３０】
次に、本発明の例示的な実施形態による、送信アンテナのうちで複数の充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを判定する方法(すなわち複数デバイス較正プロセス)について説明する。それぞれ充電可能デバイスに結合された複数の受信アンテナを識別した後、充電装置に結合された各送信アンテナから順次、受信アンテナに電力を伝送するように関連する充電システムを構成することができる。さらに、送信アンテナの考えられる各組合せごとに順次受信アンテナに電力を伝送するように充電システムを構成することができる。上記に指摘したように、送信アンテナの組合せから複数の受信アンテナに電力を伝送する間、受信アンテナが送信アンテナの組合せから受信する最適な総電力量をさらに求めるように送信アンテナの電力レベルを変更することができる。様々な電力レベルの電力を各送信アンテナから順次、個別に受信アンテナに伝送し、かつ送信アンテナの考えられる各組合せから順次、受信アンテナに伝送した後、それぞれ受信アンテナに結合された複数の充電可能デバイスに最適な充電を実現できる1つまたは複数の送信アンテナはどれかを判定するように充電システムを構成することができる。
【０１３１】
図24を参照して、次に、複数デバイス較正プロセスの一例について説明する。受信アンテナ1022および受信アンテナ1026を識別した後、送信アンテナ1012が受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。その後、送信アンテナ1014が受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。続いて、送信アンテナ1016が受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。
【０１３２】
さらに、個々の各送信アンテナが順次、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送した後、送信アンテナ1012と送信アンテナ1014が同時に受信アンテナ1022と受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。送信アンテナ1012および送信アンテナ1014から電力を伝送する間、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が送信アンテナ1012と送信アンテナ1014の組合せから受信する最適な総電力量を求めるように送信アンテナ1012および送信アンテナ1014のそれぞれの電力レベルを変更することができる。次に、送信アンテナ1012と送信アンテナ1016が同時に受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。送信アンテナ1012および送信アンテナ1016から電力を伝送する間、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が送信アンテナ1012と送信アンテナ1016の組合せから受信する最適な総電力量を求めるように送信アンテナ1012および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。続いて、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016が同時に受信アンテナ1022および受信アンテナ1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。送信アンテナ1014および送信アンテナ1016から電力を伝送する間、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が送信アンテナ1014と送信アンテナ1016の組合せから受信する最適な総電力量を求めるように送信アンテナ1014および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。
【０１３３】
また、送信アンテナ1014と送信アンテナ1016と送信アンテナ1012が同時に受信アンテナ1022および受信器1026に電力を伝送することができ、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を求めることができる。送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、および送信アンテナ1016のから電力を伝送する間、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が送信アンテナ1012と送信アンテナ1014と送信アンテナ1016の組合せから受信する最適な総電力量を求めるように送信アンテナ1012、送信アンテナ1014、および送信アンテナ1016のそれぞれの電力レベルを変更することができる。受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した総電力量を任意の公知で適切な方法によって求めることができることに留意されたい。たとえば、例示的な実施形態によれば、1つまたは複数の送信アンテナは、該1つまたは複数の送信器アンテナと受信アンテナ1022および1026との間のインピーダンスを検知することによって、受信アンテナ1022および受信アンテナ1026が受信した電力の量を検知することができる。例示的な他の実施形態によれば、1つまたは複数の送信アンテナから電力を受信した後、受信した電力の量を示す信号を該1つまたは複数の送信アンテナに送り返すように受信アンテナ1022と受信アンテナ1026を構成することができる。
【０１３４】
各送信アンテナおよび送信アンテナの考えられる各組合せから順次、様々な電力レベルの電力を受信した後、受信アンテナ1022に結合された充電可能デバイス1020および受信アンテナ1026に結合された充電可能デバイス1024に最適な充電を実現できる1つまたは複数の送信アンテナはどれかを判定するように充電システム1000を構成することができる。さらに、充電可能デバイスおよびそれに関連する受信アンテナが充電装置内で位置を変更できるため、受信アンテナおよび関連する充電可能デバイス、またはそれらの任意の組合せが受信する電力の量の変化を検出した後、周期的に較正プロセスを繰り返すように充電システム1000を構成することができる。
【０１３５】
本発明の様々な例示的な実施形態によれば、以下に詳しく説明するように、1つまたは複数の送信アンテナによって1つまたは複数の充電可能デバイスを同時に充電するか、1つまたは複数の充電可能デバイスを1つまたは複数の他の充電可能デバイスとは独立に、割り当てられた時間周期に従って充電するか、あるいはそれらの方法を任意に組み合わせて充電を行うように充電システム1000を構成することができる。
【０１３６】
それぞれの異なる平面に配向された送信アンテナ同士が固有の形態で分離されているため、2つ以上の送信アンテナによって1つまたは複数の充電可能デバイスを同時に充電することが可能である。たとえば、引き続き図24を参照すると、送信アンテナ1014は、送信アンテナ1014にほぼ平行な受信アンテナ1026に電力を伝送することができる。さらに、受信アンテナ1022にほぼ平行であり、かつ送信アンテナ1014にほぼ垂直である送信アンテナ1012が同時に、受信アンテナ1022に電力を伝送することができる。1つまたは複数の送信アンテナ(たとえば、受信アンテナ1022や受信アンテナ1026)が受信する電力の量をさらに最適化するように、1つまたは複数の送信アンテナ(たとえば送信アンテナ1012および/または送信アンテナ1014)から伝送される電力の量を調整できることに留意されたい。たとえば、充電可能デバイス1024に充電可能デバイス1020よりも多くの電力が必要である場合、充電可能デバイス1020と充電可能デバイス1024を同時に充電する間、送信アンテナ1014から伝送される電力の量を増やし、送信アンテナ1012から伝送される電力の量を減らすことができる。
【０１３７】
他の例示的な実施形態によれば、2つ以上の送信アンテナから充電可能デバイスに結合された受信アンテナに同時に電力を伝送するように充電システムを構成することができる。たとえば、図25を参照すると、送信アンテナ1012および送信アンテナ1016のそれぞれから同時に電力を伝送することによって最適な充電を実現できるように、充電可能デバイス1072に結合された受信アンテナ1070を充電装置1010内に配置することができる。また、受信アンテナ(たとえば受信アンテナ1070)が受信する電力の量をさらに最適化するように、1つまたは複数の送信アンテナ(たとえば送信アンテナ1012および/または送信アンテナ1014)から伝送される電力の量を調整することができる。たとえば、送信アンテナ1012が伝送する電力の量を増やし、送信アンテナ1014が伝送する電力の量を減らして、受信アンテナ1070が受信する電力の量を最適化することができる。1つまたは複数の送信アンテナから伝送される電力の量を調整可能にすると、1つまたは複数の送信アンテナと任意に配置された受信アンテナとの偏向の不一致による効率損失を低減できることに留意されたい。
【０１３８】
様々な例示的な実施形態では、動作の周波数が十分に低く、したがって、合理的なサイズを有し互いに隣接する送信アンテナが、互いの近接場内に位置することにさらに留意されたい。このため、アンテナ同士を間隔を置いて配置した場合に可能なよりも高い結合レベル(-1.5dB〜-3dB)を実現することができる。また、ほぼ互いに直交しかつ隣接する送信アンテナによって放射される電磁場を互いに直交するように偏向させることができ、それによって、互いに隣接するアンテナ間の分離を向上させ、したがって、不要な結合によって失われる電力を減らすことができる。
【０１３９】
比較的小型の無線充電装置では、各次元に1つの送信アンテナのみが必要になることがある。一方、比較的大型の無線充電装置は、それぞれ該充電装置に結合された送信アンテナ同士の干渉を防止するのに十分な間隔を置いて配置された互いに平行な表面を含んでよい。この場合、それぞれの平行な表面に送信アンテナを埋め込むことができ、それによって、互いに平行な表面間に適切に揃った状態で位置する1つまたは複数の充電可能デバイスは、両方の送信アンテナから電力を受信することができる。たとえば、図27を参照すると、充電システム1002は、第1の表面1056に埋め込まれた第1の送信アンテナ1054と、第2の表面1060に埋め込まれた第2の送信アンテナ1058とを含む充電装置1050を備え、第2の表面1060は、充電装置に結合された送信アンテナ同士の干渉を回避するように、第1の表面1056にほぼ平行でありかつ第1の表面1056から十分間隔を置いて配置されている。したがって、充電可能デバイス1064に結合された受信アンテナ1062は、送信アンテナ1054および送信アンテナ1058のそれぞれから無線電力を同時に受信することができる。図27は互いに平行な2つのアンテナのみを示しているが、本発明の実施形態はこのように限定されるわけではない。すなわち、充電システムは、互いに平行な任意の数のアンテナを含んでよく、1つまたは複数の充電可能デバイスに電力を同時に伝送するか、1つまたは複数の充電可能デバイスに独立に電力を送信するか、あるいはそれらの方法を任意に組み合わせて実行するように、互いに平行なアンテナを構成することができる。たとえば、図28を参照すると、互いに平行な複数の送信アンテナ1162を有する充電装置1160が示されている。
【０１４０】
さらに、例示的な他の実施形態によれば、1つの送信アンテナから複数の充電可能デバイスに同時に電力を伝送するように充電システムを構成することができる。たとえば、図26を参照すると分かるように、送信アンテナ1014が送信した電力を、それぞれ送信アンテナ1014にほぼ平行な受信アンテナ1080および受信アンテナ1084の各々によって受信することができる。
【０１４１】
さらに、複数の充電可能デバイスが内部に位置する充電装置の場合、充電装置内に位置する各充電可能デバイスに充電の時間周期を割り当てるように関連する充電システムを構成することができる。一例として、再び図24を参照すると、電力を受信する第1の時間周期を受信アンテナ1022に割り当て、かつ電力を受信する第2の時間周期を受信アンテナ1026に割り当てるように、充電システム1000を構成することができる。一例に過ぎないが、充電装置1010内に位置する各デバイスに持続時間1/N*Tの時間周期を割り当てるように充電システム1000を構成することができる。ここで、Nは、充電装置内に位置する充電可能デバイスの数を表し、Tは、総充電周期を表す。定義された各時間周期の持続時間が等しくないことに留意されたい。したがって、他の一例として、各充電可能デバイスに時間周期を割り当て、充電可能デバイスに割り当てられる時間周期の持続時間を、充電可能デバイスを完全に充電するのに必要な電力の量によって決めることができるように、充電システム1000を構成することができる。たとえば、充電可能デバイス1024にデバイス1020より多くの電力が必要である場合、デバイス1020に割り当てられる時間周期より長い持続時間を有する時間周期を充電可能デバイス1024に割り当てることができる。
【０１４２】
1つまたは複数の受信アンテナが、定められた時間周期の間1つまたは複数の送信アンテナから電力を受信できることに留意されたい。たとえば、再び図26を参照すると、例示的な一実施形態によれば、充電可能デバイス1082および充電可能デバイス1086はそれぞれ、共通の時間周期の間電力を受信することができる。例示的な他の実施形態によれば、充電可能デバイス1082および充電可能デバイス1086は、別々の時間周期の間電力を受信することができる。他の一例として、図27を参照すると、充電可能デバイス1064は、第1の時間周期の間送信アンテナ1058および送信アンテナ1054のそれぞれから電力を受信することができ、充電可能デバイス1065は、第2の時間周期の間送信アンテナ1055から電力を受信することができる。
【０１４３】
時間周期持続時間を任意の適切な方法によって決定できることにさらに留意されたい。具体的には、時間周期持続時間は、総充電周期の持続時間、関連する充電装置内に位置する充電可能デバイスの数、関連する充電装置内に位置する各充電可能デバイスの電力レベル、またはそれらの任意の組合せによって少なくとも部分的に決めることができる。また、充電装置内に位置する1つまたは複数の充電可能デバイスを充電する充電時間周期の間、充電装置内に位置する1つまたは複数の他の受信アンテナを「クローキング」して、該1つまたは複数の他の受信アンテナと関連する充電装置に結合されるかあるいは該関連する充電装置内に位置する任意の他の受信または送信アンテナとの結合を防止することができる。
【０１４４】
図29は、ほぼ互いに直交する方向に複数の面を含む連続ループ送信アンテナ920の代替えの構成を示している。図29の例示的な実施形態では、連続ループ送信アンテナ920は、箱913の底部に沿った第1の面922と、箱913の側面に沿った第2の面924と、箱913の背面に沿った第3の面926とを含む。
【０１４５】
図22A〜29は、概ね互いに直交する表面に埋め込まれた送信アンテナを示しているが、本発明の実施形態はそのように限定されるわけではない。すなわち、鋭角によって分離された装置の互いに隣接する表面に送信アンテナを埋め込むことができる。たとえば、図31を参照すると、複数の送信アンテナ1152を有し、各送信アンテナが他のどの送信アンテナにも平行ではなく、また他のどの送信アンテナにも直交しない充電装置1150が示されている。他の一例として、図30を参照すると、複数の送信アンテナを有する充電装置1110が示されている。第1の向きの送信アンテナ1112が充電装置1110の第1の側面1114上に配置され、第2の向きの送信アンテナ1116が充電装置1110の第2の側面1116上に配置され、第1の向きの送信アンテナ1112と第2の向きの送信アンテナ1116は、たとえば45°以上であってよい角度Θだけ分離される。
【０１４６】
図32は、1つまたは複数の例示的な実施形態による方法600を示すフローチャートである。方法600は、複数の平面に配向された複数の送信アンテナのうちの1つまたは複数の送信アンテナから、1つまたは複数の送信アンテナの近接場内に位置する少なくとも1つの受信アンテナに無線によって電力を伝送すること(参照符号602で示されている)を含んでよい。
【０１４７】
図33は、1つまたは複数の例示的な実施形態による他の方法690を示すフローチャートである。方法690は、複数の送信アンテナを複数の平面に配向すること(参照符号692で示されている)を含んでよい。さらに方法690は、複数の送信アンテナのうちの少なくとも1つの送信アンテナから、充電可能デバイスに結合された少なくとも1つの受信アンテナに無線電力を伝送すること(参照符号694で示されている)を含んでよい。
【０１４８】
本明細書に示されたような本発明の様々な例示的な実施形態は、充電装置内に位置しかつ様々な平面に配向された1つまたは複数の充電可能デバイスが、充電装置に結合されかつ複数の平面に配向された1つまたは複数の送信アンテナから電力を受信するのを可能にすることができる。さらに、本発明の様々な例示的な実施形態は、送信アンテナのうちで充電装置内に位置する各充電可能デバイスを充電するのに最適な1つまたは複数の送信アンテナを定めるのを可能にすることができる。また、本発明の様々な例示的な実施形態は充電装置内の複数のデバイスを充電するのに最適な充電方式を定めるのを可能にすることができる。より具体的には、本発明の様々な例示的な実施形態は、1つまたは複数の充電可能デバイスを充電するための時間周期を割り当てて変更することによって最適な充電方式を定めるのを可能にする。また、各送信アンテナの電力レベルを変更することができる。したがって、各充電可能デバイスに供給される電力の量を増やすことができ、また、充電システム全体の効率を向上させることができる。
【０１４９】
当業者には、様々な異なる技術のうちの任意の技術を使用して情報および信号を表すことができることを理解されよう。たとえば、上記の説明全体にわたって参照することのできるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップを電圧、電流、電磁波、磁場または粒子、光場または粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。
【０１５０】
当業者には、本明細書で開示された例示的な実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップを電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組合せとして実現できることがさらに理解されよう。ハードウェアとソフトウェアがこのように相互に交換可能であることを明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、ならびにステップについて、上記では全般的にそれらの機能に関して説明した。このような機能をハードウェアとして実現するかそれともソフトウェアとして実現するかは、システム全体に課される用途および設計上の特定の制約によって決まる。当業者は、前述の機能を各々の特定の用途について様々な方法で実施することができるが、このように実施する際の決定を、本発明の例示的な実施形態の範囲から逸脱させるものと解釈すべきではない。
【０１５１】
本明細書で開示した例示的な実施形態に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)または他のプログラム可能な論理デバイス、離散ゲートまたはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、あるいは本明細書で説明した機能を実施するように構成された上記の要素の組合せによって実施または実行することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態マシンであってもよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連動する1つまたは複数のマイクロプロセッサの組合せ、またはそのような任意の他の構成として実現することもできる。
【０１５２】
本明細書で開示した例示的な実施形態に関連して説明した方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接実現するか、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実現するか、あるいはその2つの方法を組み合わせて実現することもできる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、EPROM(Electrically Programmable ROM)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野で公知の他の形態の記憶媒体に存在することができる。例示的な記憶媒体は、プロセッサが情報を記憶媒体から読み取りかつ記憶媒体に書き込むことができるようにプロセッサに結合される。あるいは、記憶媒体はプロセッサと一体であってよい。プロセッサと記憶媒体はASIC内に存在することができる。ASICは、ユーザ端末内に存在することができる。あるいは、プロセッサと記憶媒体は、離散構成要素としてユーザ端末内に存在することができる。
【０１５３】
1つまたは複数の例示的な実施形態では、前述の機能をハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せで実現することができる。ソフトウェアで実現した場合、各機能を1つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶するかあるいはコンピュータ可読媒体を介して伝送することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体と、コンピュータプログラムのある場所から他の場所への転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスできる利用可能な任意の媒体であってよい。制限ではなく一例として、このようなコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD-ROMまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気ストレージデバイス、あるいは所望のプログラムコードを命令またはデータ構造の形で保持または記憶するのに使用することができ、かつコンピュータによってアクセスすることのできる任意の他の媒体を備えてよい。また、任意の接続をコンピュータ可読媒体と呼ぶのも適切である。たとえば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線(DSL)、または赤外線、無線、マイクロ波などの無線技術を使用してウェブサイト、サーバ、または他のリモート送信元から送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線(DSL)、または赤外線、無線、マイクロ波などの無線技術は媒体の定義に含まれる。ディスク(diskおよびdisc)は、本明細書で使用されるときは、コンパクトディスク(CD)、レーザディスク、光ディスク、デジタルバーサチルディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスク、およびブルーレイディスクを含む。ここで、diskは通常、データを磁気的に再生するものであり、一方、discはデータをレーザによって光学的に再生するものである。上記の媒体の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれる。
【０１５４】
開示した例示的な実施形態についての上記の説明は、当業者が本発明を製造または使用するのを可能にするための説明である。当業者にはこれらの例示的な実施形態に対する様々な修正が容易に明らかになろう。本明細書で定義した一般原則は、本発明の趣旨または範囲から逸脱せずに他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示した例示的な実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示した原則および新規の特徴に整合する最も広い範囲が与えられるべきものである。
【符号の説明】
【０１５５】
100  無線伝送または充電システム
102  入力電力
104  送信器
106  放射界
108  受信器
110  出力電力
112  距離
114  送信アンテナ
114C  円形ループ送信アンテナ
114S  方形ループ送信アンテナ
118  受信アンテナ
118'  方形ループ受信アンテナ
122  発振器
123  調整信号
124  電力増幅器
125  制御信号
126  フィルタ整合回路
132  整合回路
136  電池
150  ループアンテナ
152  キャパシタ
154  キャパシタ
156  共振信号
170  曲線
172  曲線
180  曲線
192  曲線
200  送信器
202  送信回路
204  送信アンテナ
212  発振器
214  プロセッサ
216  負荷検知回路
224  送信変調信号
226  信号
228  電源
230  差分増幅器
235  受信信号
280  存在検出器
290  密閉検出器
299  AC-DC変換器
300  受信器
302  受信回路
304  受信アンテナ
306  電力変換回路
308  RF-DC変換器
310  DC-DC変換器
312  切り替え回路
314  通信ビーコン回路
316  プロセッサ
318  整流器
322  DC電力信号
350  デバイス
510  ビーコン結合モード領域
510'  高出力結合モード領域
525  低出力「ビーコン」信号
525'  高出力信号
530  受信デバイス
535  逆方向リンク結合
610C  送信アンテナ
610D  送信アンテナ
620C  リピータアンテナ
620D  リピータアンテナ
630C  受信アンテナ
630D  受信アンテナ
640  テーブル
646  天井
662  曲線
664  曲線
668  曲線
682A  曲線
682B  曲線
684A  曲線
684B  曲線
686A  曲線
686B  曲線
700  無線充電装置
702A〜702D  送信アンテナ回路
704  単一の平面
708  無線充電領域
710  送信アンテナ
720  送信電力増幅器
722  マルチプレクサ
724  制御信号
800  無線充電装置
801  送信アンテナ
802A〜802D  リピータアンテナ回路
804  単一の平面
808  無線充電領域
810A〜810D  リピータアンテナ
820  送信電力増幅器
821  制御信号
910  多次元無線充電装置
911  ふた
912  送信アンテナ
913  箱
914  送信アンテナ
916  送信アンテナ
920  連続ループ送信アンテナ
922  第1の面
924  第2の面
926  第3の面
950  キャビネット
951  ドア
962、964  送信アンテナ
972、974  送信アンテナ
982、984  送信アンテナ
1000  充電システム
1010  充電装置
1012、1014、1016  送信アンテナ
1020、1024  デバイス
1022、1026  受信アンテナ
1050  充電装置
1054  送信アンテナ
1055  送信アンテナ
1056  第1の表面
1058  第2の送信アンテナ
1060  第2の表面
1062  受信アンテナ
1064  充電可能デバイス
1065  充電可能デバイス
1070  受信アンテナ
1072  充電可能デバイス
1080  受信アンテナ
1082  充電可能デバイス
1084  受信アンテナ
1086  充電可能デバイス
1110  充電装置
1112  第1の向きの送信アンテナ
1114  第1の側面
1116  第2の側面
1150  充電装置
1152  送信アンテナ
C1  キャパシタ
C2  キャパシタ
C3  キャパシタ
D1  ダイオード
L1  特性インダクタンス
R1  抵抗器
S1A  スイッチ
S1B  スイッチ
S2A  スイッチ
S2B  スイッチ
S3B  スイッチ
Rx  受信
Tx  送信
p1〜p7  点
【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５Ａ】
0005759388.tif 000007
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005759388.tif 000012
【図１０】
0005759388.tif 000013
【図１１】
0005759388.tif 000014
【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１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
0005759388.tif 000030
【図１９】
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【図２０】
0005759388.tif 000032
【図２１】
0005759388.tif 000033
【図２２Ａ】
0005759388.tif 000034
【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
0005759388.tif 000036
【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
0005759388.tif 000039
【図２６】
0005759388.tif 000040
【図２７】
0005759388.tif 000041
【図２８】
0005759388.tif 000042
【図２９】
0005759388.tif 000043
【図３０】
0005759388.tif 000044
【図３１】
0005759388.tif 000045
【図３２】
0005759388.tif 000046
【図３３】
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