(57)【要約】  ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路３１０が、ワイヤレス電力伝送システムの共振素子３０２に並列に接続されたスイッチ３１１と、スイッチ３１１に接続された制御装置３１２とを備え、制御装置３１２が、共振素子３０２を通って流れる信号のゼロ電圧レベル交差を検出し、ゼロ電圧レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたってスイッチ３１１を閉じるように構成され、所定の時間量にわたってスイッチ３１１を閉じることが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加える。
2014529283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路であって、
前記ワイヤレス電力伝送システムの共振素子に並列に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された制御装置とを備え、前記制御装置が、前記共振素子を通って流れる信号のゼロ電圧レベル交差を検出し、前記ゼロ電圧レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたって前記スイッチを閉じ、前記所定の時間量にわたって前記スイッチを閉じることが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加える、共振整合回路。
【請求項２】
前記スイッチが、前記ゼロ電圧レベル交差の直前、又は前記ゼロ電圧レベル交差の直後に閉じられる、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記所定の時間量が、前記電力信号の周波数の期間の半分よりも短い請求項１に記載の回路。
【請求項４】
前記ワイヤレス電力伝送システムが、容量電力伝送システム及び誘導電力伝送システムの何れか一方である、請求項１に記載の回路。
【請求項５】
ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路であって、
前記ワイヤレス電力伝送システムの共振素子に直列に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された制御装置とを備え、前記制御装置が、前記共振素子を通って流れる信号のゼロ電流レベル交差を検出し、前記ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたって前記スイッチを開き、前記所定の時間量にわたって前記スイッチを開くことが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加える、共振整合回路。
【請求項６】
前記スイッチが、前記ゼロ電流レベル交差の直前、又は前記ゼロ電流レベル交差の直後に開かれる、請求項５に記載の回路。
【請求項７】
前記所定の時間量が、前記電力信号の周波数の期間の半分よりも短い、請求項５に記載の回路。
【請求項８】
前記ワイヤレス電力伝送システムが、容量電力伝送システム及び誘導電力伝送システムの何れか一方である、請求項５に記載の回路。
【請求項９】
容量電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路であって、
前記容量電力伝送システムの誘導素子に直列に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された制御装置とを備え、前記制御装置が、前記誘導素子を通って流れる信号のゼロ電流レベル交差を検出し、前記ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたって前記スイッチを開き、前記所定の時間量にわたって前記スイッチを開くことが、誘導値及び容量値の何れか一方を容量電力伝送システムの共振周波数に加え、前記共振周波数が、前記誘導素子と、前記容量電力伝送システムの受信機電極と送信機電極との間で形成される容量インピーダンスと、前記誘導値及び前記容量値の何れか一方の関数である、共振整合回路。
【請求項１０】
前記所定の時間量が、前記電力信号の周波数の期間の半分よりも短い、請求項９に記載の回路。
【請求項１１】
容量電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路であって、
前記容量電力伝送システムの誘導素子に並列に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された制御装置とを備え、前記制御装置が、前記誘導素子を通って流れる信号のゼロ電圧レベル交差を検出し、前記ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたって前記スイッチを閉じ、前記所定の時間量にわたって前記スイッチを閉じることが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加え、前記共振周波数が、前記誘導素子と、前記容量電力伝送システムの受信機電極と送信機電極との間で形成される容量インピーダンスと、前記誘導値及び前記容量値の何れか一方との関数である、共振整合回路。
【請求項１２】
前記所定の時間量が、前記電力信号の周波数の期間の半分よりも短い、請求項１１に記載の回路。
【請求項１３】
前記スイッチの前記切替え操作が、能動整流器によって行われる、請求項１、５、９、及び１１のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１４】
前記ワイヤレス電力伝送システムが、複数の受信機を含み、共振整合回路が、前記複数の受信機の各受信機に、前記受信機の共振周波数に個別に整合するように接続される請求項１、５、９、及び１１のいずれか一項に記載の回路。
【請求項１５】
前記スイッチが、更に、前記電力信号に乗せたデータ信号を変調する請求項１、５、９、及び１１のいずれか一項に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年８月１６日出願の米国仮特許出願第６１／５２３，９４７号、及び２０１２年６月２９日出願の米国仮特許出願第６１／６６６，０４０号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、ワイヤレス電力伝送システムに関し、より詳細には、そのようなシステムの共振周波数を動的に調節するための技法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ワイヤレス電力伝送とは、ワイヤ又は接点を何ら用いずに電力を供給することを表す。従って、電子デバイスの電力供給が、ワイヤレス媒体を介して行われる。ワイヤレス電力伝送に関する１つの普及している用途は、ポータブル電子デバイス、例えば移動電話やラップトップコンピュータなどの充電である。
【０００４】
ワイヤレス電力伝送に関する１つの技法は、誘導電力供給システムによるものである。このようなシステムでは、電源（送信機）とデバイス（受信機）との間の電磁誘導が、非接触電力伝送を可能にする。送信機と受信機とがどちらも電気コイルを装備しており、これらのコイルが物理的に近づけられると、送信機から受信機に電気信号が流れる。
【０００５】
誘導電力供給システムでは、発生される磁場は、コイル内部に集中される。その結果、受信機ピックアップ磁場への電力伝送は、空間内で非常に集中されたものになる。この現象は、システム内にホットスポットを生み出し、これはシステムの効率を制限する。電力伝送の効率を改良するために、各コイルに関する高い品質ファクタが必要とされる。このために、コイルは、最適なインダクタンス／抵抗比で特徴付けられ、低い抵抗を有する材料から構成され、表皮効果を減少させるためにリッツ線プロセスを使用して製造されるべきである。また、コイルは、渦流を回避するために複雑な幾何形状に適合するように設計すべきである。従って、効率的な誘導電力供給システムには高価なコイルが必要とされる。大きな領域にわたって使用される誘導ワイヤレス電力伝送システムに関する設計は、多数の高価なコイルを必要とすることになる。
【０００６】
容量結合は、電力をワイヤレスで伝送するための別の技法である。この技法は、データ伝送及び感知の用途で主に利用される。車の内部のピックアップ要素と共に窓に接着されたカーラジオアンテナが、容量結合の一例である。容量結合技法も、電子デバイスの非接触充電のために利用される。そのような用途では、（容量結合を実施する）充電ユニットは、デバイスの固有共振周波数外の周波数で動作する。
【０００７】
また、容量電力伝送システムは、平坦な構造を有する大きな領域、例えば窓や壁などにわたって電力を伝送するために利用され得る。このような容量電力伝送システムの一例は、図１に示されるシステム１００である。図１に示されるように、このようなシステムの典型的な構成は、負荷１２０及びインダクタ１３０に接続された１対の受信機電極１１１、１１２を含む。また、システム１００は、パワードライバ１５０に接続された１対の送信機電極１４１、１４２と、絶縁層１６０とを含む。
【０００８】
１対の送信機電極１４１、１４２は、絶縁層１６０の一方の側に位置され、受信機電極１１１、１１２は、絶縁層１６０の他方の側に位置される。この構成は、１対の送信機電極１４１、１４２と受信機電極１１１、１１２との間で容量インピーダンスを形成する。
【０００９】
パワードライバ１５０は、負荷１２０に電力供給するために、送信機電極１４１、１４２から受信機電極１１１、１１２にワイヤレスで伝送されることが可能な電力信号を発生する。ワイヤレス電力伝送の効率は、電力信号の周波数がシステム１００の直列共振周波数に整合するときに向上する。システム１００の直列共振周波数は、インダクタ１３０及び／又はインダクタ１３１の誘導値、並びに、１対の送信機電極１４１、１４２と受信機電極１１１、１１２との間の容量インピーダンス（図１におけるＣ１及びＣ２参照）の関数である。容量インピーダンスとインダクタは、共振周波数で互いに打ち消し合い、低抵抗回路を生じる。負荷１２０は、例えばＬＥＤ、ＬＥＤストリング、ランプ、コンピュータ、拡声器などでよい。
【００１０】
システム１００の電気図２００が図２に提供される。最大電力伝送は、電力信号Ｕｇｅｎの周波数が、回路の直列共振に近いときに得られる。回路は、負荷ＲＬと、抵抗ＲＳ（インダクタ抵抗を表す）と、コンデンサＣ１及びＣ２と、インダクタＬＳとから構成される。直列共振は、コンデンサＣ１及びＣ２とインダクタＬＳとの値によって決定される。コンデンサＣ１及びＣ２とインダクタＬＳとの値は、それらが信号Ｕｇｅｎの動作周波数で互いに打ち消し合うように選択される。従って、電極の接続性及びインダクタＲＳの直列共振のみが、電力伝送を制限する。これは、高い振幅及び低い周波数によって特徴付けられるＡＣ信号の伝送を可能にすることを理解すべきである。
【００１１】
容量電力伝送システムと誘導電力伝送システムとの両方に関して、入力ＡＣ電力の周波数が受信機での共振周波数に整合するときに、電力が効率的に伝送される。例えば、図１及び図２に示されるシステムなど誘導素子を含む容量システムでは、インダクタと容量インピーダンスとの共振周波数は、実質的にＡＣ電力信号の周波数に整合すべきである。
【００１２】
受信機の共振周波数を整合させるための１つの手法は、可変共振素子、例えば可変インダクタを使用することである。しかし、そのような手法は、嵩張り、高価であり、ある用途には適用可能でないことがある。別の手法は、パワードライバ１５０の動作周波数を変えることである。しかし、これは、システム内のすべての負荷が同じ共振周波数を有することを保証するように周波数が動的に調節されることが可能でないので、複数の負荷を含むシステムでは実現可能な解決策でないことがある。例えば、第１の負荷の共振周波数に合うように電力信号周波数を変えることが、第２のデバイスをその共振状態からずらすことがある。従って、電力信号の動作周波数を変えずに、また共振デバイスの容量値又は誘導値を変えずに、受信回路の共振を整合させる解決策が望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、システムにおける共振を動的に整合させることによって、最適化された電力伝送を保証するワイヤレス電力伝送システムに関する解決策を提供することが有利となる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本明細書で開示される幾つかの実施形態は、ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路を含む。この回路は、ワイヤレス電力伝送システムの共振素子に並列に接続されたスイッチと、スイッチに接続された制御装置とを備え、制御装置が、共振素子を通って流れる信号のゼロ電圧レベル交差を検出し、ゼロ電圧レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたってスイッチを閉じるように構成され、所定の時間量にわたってスイッチを閉じることが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加える。
【００１５】
また、本明細書で開示される幾つかの実施形態は、ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路を含む。この回路は、ワイヤレス電力伝送システムの共振素子に直列に接続されたスイッチと、スイッチに接続された制御装置とを備え、制御装置が、共振素子を通って流れる信号のゼロ電流レベル交差を検出し、ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたってスイッチを開くように構成され、所定の時間量にわたってスイッチを開くことが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加える。
【００１６】
また、本明細書で開示される幾つかの実施形態は、容量電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路を含む。このシステムは、容量電力伝送システムの誘導素子に直列に接続されたスイッチと、スイッチに接続された制御装置とを備え、制御装置が、誘導素子を通って流れる信号のゼロ電流レベル交差を検出し、ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたってスイッチを開くように構成され、所定の時間量にわたってスイッチを開くことが、誘導値及び容量値の何れか一方を容量電力伝送システムの共振周波数に加え、共振周波数は、誘導素子と、容量電力伝送システムの受信機電極と送信機電極との間で形成される容量インピーダンスと、誘導値及び容量値の何れか一方との関数である。
【００１７】
また、本明細書で開示される幾つかの実施形態は、容量電力伝送システムの共振周波数を電力信号の周波数に整合させるための共振整合回路を含む。この回路は、容量電力伝送システムの誘導素子に並列に接続されたスイッチと、スイッチに接続された制御装置とを備え、制御装置が、誘導素子を通って流れる信号のゼロ電圧レベル交差を検出し、ゼロ電流レベル交差の検出時に、所定の時間量にわたってスイッチを閉じるように構成され、所定の時間量にわたってスイッチを閉じることが、誘導値及び容量値の何れか一方をワイヤレス電力伝送システムの共振周波数に加え、共振周波数は、誘導素子と、容量電力伝送システムの受信機電極と送信機電極との間で形成される容量インピーダンスと、誘導値及び容量値の何れか一方との関数である。
【００１８】
本発明とみなされる主題は、明細書に添付する特許請求の範囲において特に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述及び他の特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】容量電力伝送システムの図である。
【図２】容量電力伝送システムの電気図である。
【図３】一実施形態に従って実装された共振整合回路を備える誘導電力伝送受信機を示す概略図である。
【図４】共振整合回路の動作を示すグラフである。
【図５】別の実施形態に従って実装された共振整合回路を備える誘導電力伝送受信機を示す電気図である。
【図６Ａ】誘導電力伝送受信機における電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路の例示的な接続を示す電気図である。
【図６Ｂ】誘導電力伝送受信機における電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路の例示的な接続を示す電気図である。
【図７Ａ】誘導電力伝送受信機における電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路の例示的な接続を示す電気図である。
【図７Ｂ】誘導電力伝送受信機における電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路の例示的な接続を示す電気図である。
【図８】一実施形態に従って実装された共振整合回路を有する容量電力伝送システムを示す電気図である。
【図９】一実施形態に従って実装された共振整合回路を有する容量電力伝送システムを示す電気図である。
【図１０】一実施形態に従って実装された共振整合回路を有する容量電力伝送システムを示す電気図である。
【図１１】一実施形態による共振整合回路の切替え操作を行うように設計された能動整流器を示す図である。
【図１２Ａ】能動整流器の例示的な切替えパターンを示す図である。
【図１２Ｂ】能動整流器の例示的な切替えパターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
開示される実施形態は、本明細書における新規性のある教示の多くの有利な使用法の幾つかの例に過ぎないことに留意することが重要である。一般に、本出願の明細書において成される説明は、様々な特許請求される発明の任意のものを必ずしも制限しない。更に、幾つかの説明は、幾つかの本発明の特徴に当て嵌まることがあるが、他のものには当て嵌まらないこともある。一般に、特に指示がない限り、一般性を失わずに、単数形で表記された要素は複数でもよく、またその逆も成り立つ。図面中、複数の図を通して、同様の参照番号は同様の部分を表す。
【００２１】
本明細書で開示される様々な実施形態は、ＡＣ電力信号周波数を変えずに、ワイヤレス電力伝送システムの共振周波数をＡＣ電力信号の周波数に動的に整合させるように設計された整合共振回路を含む。上述したように、電力伝送は、システムの共振周波数がＡＣ電力信号の周波数に実質的に整合するときに最適化される。
【００２２】
図３は、受信機３００の例示的な非限定の電気回路図を示し、この受信機３００は、誘導電力伝送システムの受信機である。受信機３００は、一実施形態による共振周波数整合回路３１０を含む。受信機３００は、更に、インダクタ（Ｌ）３０１に並列に接続されたコンデンサ（Ｃｐ）３０２を含む。インダクタ３０１とコンデンサ３０２とが、誘導電力伝送システム内で並列共振周波数を形成する。また、受信機３００は、負荷（ＲＬ）３０３も含む。図３には示されていないが、負荷３０３は、典型的には、電力が送達される能動整流器、平滑コンデンサ、及び電気素子（例えば、ＬＥＤやランプなど）を含む。
【００２３】
送信機側（図示せず）からの交流磁場が、インダクタ３０１で電圧を誘発する。この電圧は、電圧源Ｕｉｎｄ３０４によって表されている。電圧源Ｕｉｎｄの周波数は、動作周波数、即ち送信機側からの発生されたＡＣ信号の周波数に等しい。しかし、インダクタ３０１とコンデンサ３０２との共振周波数は、動作周波数に整合しない。一実施形態では、共振周波数は、動作周波数よりもわずかに高い。
【００２４】
一実施形態によれば、共振整合回路３１０は、コンデンサ３０２及び負荷３０３に並列に接続される。共振整合回路３１０は、スイッチ３１１と、スイッチ３１１の動作を制御する制御装置３１２とを含む。具体的には、一実施形態では、制御装置３１２は、コンデンサ３０２での電圧ゼロ交差、即ち正の電位から負の電位への遷移、又はその逆の遷移を検出する。電圧ゼロ交差が検出されると、制御装置３１２は、所定の期間にわたってスイッチ３１１を閉じる。
【００２５】
制御装置３１２は、パルス発生器に提供される出力を有する１つ又は複数のアナログ比較器を使用して実現され得る。パルス発生器は、ゼロ電圧値との交差時に短いパルスを発生する。それにより、この短いパルスが、電圧ゼロ交差の検出時にスイッチ３１１を開閉する。短いパルスの持続時間は、パルス発生器で調節される。電圧ゼロ交差を検出するための制御装置３１２の他の実装形態は、当業者には明らかであろう。
【００２６】
スイッチ３１１は、閉じられると、負荷３０３の両端間でショートを引き起こす。上述したように、スイッチ３１１は、電圧ゼロ交差の検出時、所定の期間にわたって閉じられる。一実施形態では、所定の期間は、典型的には、動作周波数の期間の半分よりも短い。スイッチ３１１が電圧ゼロ交差の直後に閉じられる場合、短絡回路電流が、仮想容量成分を有する。他方で、電圧ゼロ交差の直前にスイッチを閉じることによって、短絡回路電流は、仮想誘導成分を有する。仮想虚数誘導成分と仮想虚数容量成分はそれぞれ、追加の仮想コンデンサ又は仮想インダクタの効果を有する。仮想虚数誘導成分と仮想虚数容量成分それぞれの値は、スイッチが閉じられる所定の期間の関数であり、この期間は、制御装置３１２によって制御される。従って、スイッチ３１１が閉じられる時間の長さを調節することによって、仮想虚数誘導成分と仮想虚数容量成分それぞれの値は、回路が動作周波数で共振状態になるように設定されることが可能である。
【００２７】
特に、スイッチ３１１が、正の電圧ゼロ交差（即ち、負の電位から正の電位への交差）の直後に閉じられるとき、短い正の電流パルスが発生される。この短い正の電流パルスの周波数成分は、電圧源Ｕｉｎｄ３０４の位相に対して約−９０°の位相シフトを有する。これは、追加の容量電流に対応し、この追加の容量電流は、インダクタ３０１とコンデンサ３０２とからなる共振回路に加えられる。従って、スイッチ３１１は、（上で定義された）容量システムの全体的な共振周波数を減少させる仮想コンデンサとみなされる。短い正の電流パルスの持続時間（即ち、スイッチが閉じられる時間量）は、電流の振幅、従って仮想コンデンサの値を決定する。スイッチ３１１が電圧ゼロ交差の直前に閉じられる場合には、短い電流パルスが逆向きに発生される。従って、電流パルスの基本周波数は、電圧源Ｕｉｎｄ３０４の位相に対して＋９０°の位相シフトを有する。これは、共振周波数を増加する仮想インダクタに対応する。
【００２８】
従って、短いパルスの持続時間（即ち、スイッチ３１１が閉じられている時間）、及びスイッチ３１１を閉じるタイミング（即ち、電圧ゼロ交差の前、又は電圧ゼロ交差の後）を調節することによって、ワイヤレス電力伝送システムの直列共振周波数は、電力信号の動作周波数に整合されることがある。
【００２９】
図４を参照して、直列共振周波数整合回路３１０の動作を更に述べる。図４は、時間領域での共振回路３１０の動作を示す。
【００３０】
インダクタ３０１とコンデンサ３０２とからなる共振回路３１０が自由に振動することができる場合、共振期間は、特定の時間で終了される。最適には、励起サイクルの終了が、各共振サイクルの開始と位置合わせされる。しかし、図４に示される場合には、励起サイクル４１０は、共振サイクル４２０よりもわずかに長い。本明細書で開示される実施形態によれば、共振サイクル４２０は、新たな共振サイクルが新たな励起サイクルと同時に始まるように遅延される。遅延時間後に、遅延が始まる前と全く同様に共振回路が挙動するように、この遅延時間中、共振回路の電流及び電圧の状態は保存されなければならない。上述したように、スイッチ３１１の動作を制御することによって、共振回路の状態は、その遅延時間にわたって「凍結」される。
【００３１】
図４に示されるように、曲線４０１は、誘発された電源電圧Ｕｉｎｄ３０４（図３）の励起期間を表す。図４では、１つの半サイクルが励起サイクル４１０として示されている。曲線４０２は、コンデンサ３０２（図３）の両端間の共振電圧に対応する。コンデンサ共振電圧の半サイクルは、励起サイクル４１０の前に終了する。これは、コンデンサ３０２での電圧電位がゼロ電圧値に達することによって特徴付けられる。この状態で、曲線４０３として示されるインダクタ３０１を通る共振電流は、その最大値に達する。
【００３２】
次の励起サイクルが始まるまでこの状態を「凍結」するために、スイッチ信号４０５によって示されるように、スイッチ３１１が閉じる。スイッチ３１１が閉じられている限り、コンデンサ３０２の両端間の電圧はゼロのままであり、インダクタ３０１を通る電流はその最大値のままである。励起サイクルに達した瞬間に、スイッチ信号４０５をアサートすることによって、スイッチ３１１が再び開かれる。すると、インダクタ３０１とコンデンサ３０２とからなる回路の共振状態が、励起サイクルに再び整合される。
【００３３】
図５は、誘導電力伝送システム内に実装されてよい受信機５００の例示的な非限定の電気回路図を示す。この実施形態によれば、受信機５００は、共振整合回路５１０と、インダクタ５０１と、コンデンサ５０２と、負荷５０３とを含む。図５には示されていないが、負荷５０３は、典型的には、電力が送達される整流器、平滑コンデンサ、及び電気素子（例えば、ＬＥＤやランプなど）を含む。
【００３４】
共振整合回路５１０は、動的並列共振周波数整合を行い、スイッチ５１１と、スイッチ５１１の動作を制御する制御装置５１２とを含む。送信機側（図示せず）からの交流磁場が、インダクタ５０１で電圧を誘発する。この電圧は、電圧源５０４によって表されている。Ｕｉｎｄ５０４信号の周波数は、動作周波数に等しい。インダクタ５０１とコンデンサ５０２との共振周波数は、Ｕｉｎｄ５０４信号の動作周波数に整合しない。
【００３５】
この実施形態によれば、共振整合回路５１０は、コンデンサ５０２及び負荷５０３に直列に接続される。制御装置５１２は、コンデンサ５０２を通って流れる電流がゼロレベル電流に交差する（即ち電流がない）時を検出する。電流がゼロのとき、制御装置５１２は、所定の時間量にわたってスイッチ５１１を開く。スイッチ５１１が開かれているとき、コンデンサ５０２は、最大電圧で充電される。その後、制御装置５１２はスイッチ５１１を閉じ、その結果、コンデンサ５０２は放電されることが可能であり、次の共振サイクルが始まる。スイッチ５１１を開いたままにする時間量は、調節されることが可能である。例示的実施形態では、この期間は、動作周波数の期間の半分よりも短い。
【００３６】
共振サイクルが終了される前にスイッチ５１１を閉じることは、受信機５００の共振周波数を異なる状態にし、この状態は、共振サイクルの最終状態と等しい。従って、スイッチ５１１を閉じることによって、励起サイクルよりも長い共振サイクルが、励起サイクルに整合するように短縮されることがある。
【００３７】
共振整合回路５１０では、電流ゼロ交差時にスイッチ５１１を開閉する操作が、電圧パルスを発生する。この電圧パルスは、共振電圧に加えられ、共振電圧は、電圧パルスが電流ゼロ交差の検出前に発生されたか検出後に発生されたかに応じて、誘導電圧成分又は容量電圧成分を有することがある。追加の誘導電圧又は容量電圧の発生は、追加の可変仮想インダクタ又はコンデンサに対応する。追加の可変仮想インダクタ又はコンデンサは、受信機５００の共振周波数を電力信号の動作周波数に整合させるために使用され得る。制御装置５１２は、１つ又は複数のアナログ比較器を使用して実現され得る。アナログ比較器の出力は、パルス発生器に提供される。
【００３８】
電圧及び電流のゼロ交差の検出に基づく共振整合回路は、図３及び図５に示される構成とは異なる構成で接続されることが可能である。例えば、図６Ａに示されるように、受信機６００は、コンデンサ６０１に並列に、且つ負荷６０２に直列に接続された電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路６１０を含む。図６Ａの構成では、制御装置６１２は、詳細に上述したように、コンデンサ６０１で電圧ゼロ交差を検出し、そのような交差の検出時にスイッチ６１１を切り替える。
【００３９】
図６Ｂに示される別の可能な構成では、受信機６２０は、受信機６２０のインダクタ６２１と誘発電圧源６２２に並列に接続された電圧ゼロ交差ベースの共振整合回路６１０を含む。図６Ｂの構成では、制御装置６１２は、上述したように、インダクタ６２１の両端間の電圧の電圧ゼロ交差を検出し、電圧ゼロ交差時にスイッチ６１１を切り替える。図６Ａ及び図６Ｂに示される構成では、受信機６１０及び６２０は、直列共振回路である。
【００４０】
図７Ａ及び図７Ｂは、共振受信機回路７００（図７Ａ）及び７２０（図７Ｂ）に含まれる電流ゼロ交差ベースの共振整合回路７１０の非限定の構成を示す。
【００４１】
図７Ａで、受信機７００は、コンデンサ７０１に直列に接続された共振整合回路７１０を含む。制御装置７１２は、上述したように、コンデンサ７０１を通る電流の変化を検出し、ゼロレベル電流の付近でスイッチ７１１を切り替える。
【００４２】
図７Ｂに示される構成では、受信機７２０は、インダクタ７２１に直列に接続された共振整合回路７１０を含む。制御装置７１２は、上述したように、インダクタ７２１を通る電流の変化を検出し、ゼロレベル電流の付近でスイッチ７１１を切り替える。
【００４３】
本明細書で論じられる共振整合回路はまた、図１及び図２を参照して上述したシステムなど、容量電力伝送システムでも動作可能であり得る。容量電力伝送システム内に共振整合回路を接続するための様々な実施形態を、図８、図９、及び図１０を参照して以下に述べる。
【００４４】
上述したように、容量電力伝送システムの共振周波数は、送信機と受信機との電極間に形成される容量インピーダンスと、そのようなシステムの誘導素子との関数である。送信機と受信機との電極間の容量インピーダンスは、図８、図９、及び図１０に符号Ｃ１及びＣ２として示されている。
【００４５】
図８に示される例示的な非限定の電気図では、容量電力伝送システム８００の受信機８１０において、共振整合回路８２０は、インダクタ８１１と負荷８１２との間に直列に接続される。共振整合回路８２０は、制御装置８２１と、スイッチ８２２とを含む。整合回路５００の動作と同様に、制御装置８２１は、インダクタ８１１を通って流れる電流のゼロレベル交差を検出する。電流がゼロのとき、制御装置８２１は、スイッチ８２２を開く。
【００４６】
共振整合回路８２０では、ゼロレベル交差電流の検出時にスイッチ８２２を開閉する動作が、スイッチ８２２で電圧パルスを発生する。この電圧パルスは、共振電圧に加えられ、パルスが電流のゼロレベル交差の前に発生するか、後に発生するかに応じた電流の位相に対する位相シフトを有することがある。このようにすると、追加の誘導電圧又は容量電圧が発生され、これは、効果的には、追加の可変仮想インダクタ又はコンデンサである。追加の仮想誘導値又は容量値は、受信機８１０の共振周波数を、パワードライバ８３１によって発生される電力信号の動作周波数に整合させるように実施されることがある。
【００４７】
図９に示される別の実施形態では、容量電力伝送システム９００の受信機９１０内で、共振整合回路９２０が、インダクタ９１１及び負荷９１２に並列に接続される。共振整合回路９２０は、制御装置９２１と、スイッチ９２２とを含む。制御装置９２１は、電圧ゼロ交差を検出するために、インダクタ９１１での電圧レベルを検出する。電圧ゼロ交差の検出時、制御装置９２１は、所定の時間量にわたってスイッチ９２２を閉じる。この時間量は、典型的には、パワードライバ９３１によって発生されるＡＣ電力信号の動作周波数の期間の半分よりも短い。スイッチ９２２が閉じられると、負荷９１２の両端間でショートが引き起こされる。スイッチ閉じ期間がゼロ遷移の直後である場合、短絡回路電流は、仮想容量成分を有する。スイッチ９２２がゼロ遷移の前に閉じられる場合、短絡回路電流は、仮想誘導成分を有する。この仮想虚数成分は、追加の仮想コンデンサ又はインダクタの効果を有し、それにより、受信機９１０の共振周波数をＡＣ電力信号の動作周波数に整合させる。上述したように、短絡回路を生じるパルスの長さを変えることによって、仮想誘導／容量値は、パワードライバ９３１によって発生されるＡＣ電力信号の動作周波数で受信機回路が共振状態になるように設定されることが可能である。
【００４８】
図１０は、受信機１０１０と共振整合回路１０２０とを含む容量電力伝送システム１０００を示す。図１０に示される実施形態では、共振整合回路１０２０は、インダクタ１０１１に並列に接続される。その並列の組合せが、負荷１０１２に直列に接続される。共振整合回路１０２０は、制御装置１０２１と、スイッチ１０２２とを含む。
【００４９】
図１０に示される構成では、共振整合回路１０２０の制御装置１０２１によって電力信号のゼロ電圧レベル交差が検出されたときに、スイッチ１０２２を閉じることによって、追加の仮想誘導値が発生される。電力信号は、パワードライバ１０３１によって発生されるＡＣ信号である。スイッチ１０２２は、典型的にはＡＣ電力信号の動作周波数の期間の半分よりも短い所定の時間量にわたって閉じられる。
【００５０】
本発明の一実施形態では、上述した共振整合回路の任意のものに含まれるスイッチの操作は、能動整流器によって実施され得る。上述したように、ワイヤレス電力伝送システムの負荷は、典型的には、電力が送達される能動整流器、平滑コンデンサ、及び電気素子（例えば、ＬＥＤやランプなど）を含む。典型的には、整流器は、ＡＣ信号をＤＣ信号に変換するために使用され、ダイオードブリッジを使用して実装される。図１１に示される例示的実施形態では、能動整流器１１００は、ダイオードブリッジのダイオードではなく、能動スイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４）を使用して実装される。図１１に示されるように能動スイッチを実装することによって、上述した共振整合回路の任意のもののスイッチ動作は、同時に２つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４）を閉じ、それによりコンデンサＣの両端間のショートを引き起こすことによって実現され得る。
【００５１】
電圧ゼロ交差ベースの操作のための能動整流器１１００のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４）に関する切替えパターンが、図１２Ａに示されている。
【００５２】
電流ゼロ交差ベースの操作のための能動整流器１１００のスイッチ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、及びＳ４）に関する切替えパターンが、図１２Ｂに示されている。
【００５３】
別の実施形態では、例えば、詳細に上に開示された実施形態の任意のもので示されるような共振整合回路のスイッチは、電力信号に乗せたデータ信号の変調を行うために使用され得る。これは、電圧ゼロ交差の付近でスイッチを非対称に切り替えることによって実現され、それにより、電流の追加の実数成分が流れる。この電流成分は、負荷変調信号を発生して、データをワイヤレス電力伝送システムの送信機側に伝送するために使用され得る。
【００５４】
上に詳細に開示された実施形態の任意のものにおける共振整合回路は、複数の受信機を含む容量電力伝送システム又は誘導電力伝送システムに接続されることが可能であることに留意すべきである。従って、各受信機の共振周波数は、その共振整合回路によって制御される。その結果、複数の受信機の共振周波数は、電力信号の動作周波数に個別に整合されることが可能である。
【００５５】
様々な実施形態をかなり詳細に説明してきたが、本発明は、任意のそのような詳細若しくは実施形態、又は任意の特定の実施形態に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲を参照して、従来技術に鑑みてそのような特許請求の範囲の可能な最も広範な解釈を提供し、従って、本発明の所期の範囲を効果的に包含するように解釈すべきである。更に、前述したことは、権能付与的記載が入手可能であった本発明者によって予見された実施形態に関して本発明を述べているが、現在予見されていない本発明の実質的でない修正も本発明の均等物となる。
【図１１】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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