(57)【要約】容量性非接触式給電システム（１００）は、システムを共振させるよう負荷（１５０）へ結合される第１のインダクタ（１６０）を通じて負荷へ接続される受信電極（１４１，１４２）の組と、ドライバ（１１０）へ接続される送信電極（１２１，１２２）の組と、互いに反対の位置にある第１の側及び第２の側を有する絶縁層（１３０）とを有する。送信電極の組は、絶縁層の第１の側へ結合され、受信電極の組は、絶縁層の第２の側から分離され、それにより容量性インピーダンスが送信電極の組と受信電極の組との間に形成される。ドライバにより生成される電力信号は、送信電極の組から受信電極の組へ無線により転送されて、電力信号の周波数が第１のインダクタと容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に負荷に給電する。
2014524729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性給電システムであって、
当該給電システムを共振させるよう負荷へ結合される第１のインダクタを通じて前記負荷へ接続される受信電極の組と、
ドライバへ接続される送信電極の組と、
互いに反対の位置にある第１の側及び第２の側を有する絶縁層と
を有し、
前記送信電極の組は、前記絶縁層の前記第１の側へ結合され、前記受信電極の組は、前記絶縁層の前記第２の側から分離され、それにより容量性インピーダンスが前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に形成され、
前記ドライバにより生成される電力信号は、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ無線により転送されて、前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷に給電する、
容量性給電システム。
【請求項２】
当該給電システムは、
前記第１のインダクタのインダクタンスを変更すること、
前記送信電極に対する前記受信電極の位置を変更すること、及び
前記電力信号の周波数を変更すること
の中の少なくとも１つによって、前記直列共振周波数で共振するようチューニングされる、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項３】
夫々受信電極の異なる組へ接続され且つ異なる直列共振周波数で共振する複数の負荷を更に有し、
前記複数の負荷の夫々の負荷は、前記ドライバによって生成されて前記送信電極の組を通じて無線により転送される前記電力信号によって給電される、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項４】
前記複数の負荷の夫々の負荷は、同じ直列共振周波数で共振する、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項５】
前記複数の負荷の少なくとも１つの負荷は、リミッタにより保護され、
前記リミッタは、前記少なくとも１つの負荷へ並列に接続される電圧リミッタ及び前記少なくとも１つの負荷へ直列に接続される電流リミッタの中の１つである、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項６】
前記電圧リミッタは、前記少なくとも１つの負荷での振幅電圧レベルが基準電圧値を上回る場合に前記電力信号をオフする、
請求項５に記載の容量性給電システム。
【請求項７】
前記電流リミッタは、前記少なくとも１つの負荷を流れる電流が基準電流値を上回る場合に前記電力信号をオフする、
請求項５に記載の容量性給電システム。
【請求項８】
前記受信電極の組へ接続される整合回路を更に有し、
前記整合回路は、当該給電システムの損失抵抗に少なくとも等しい固定抵抗へ前記負荷の抵抗を変換する、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項９】
前記整合回路は、前記第１のインダクタによって置換される変圧器を有する少なくとも受動整合回路であり、
前記変圧器の一次コイルと二次コイルとの間の巻数の比は、前記損失抵抗を上回って前記負荷の抵抗を増大させるよう選択される、
請求項８に記載の容量性給電システム。
【請求項１０】
前記整合回路は、電圧整流器、ＤＣ−ＤＣコンバータ、及びコントローラを有する少なくとも能動整合回路であり、
前記コントローラは、前記整流器での電圧レベルを測定し、該測定された電圧レベルに基づき前記ＤＣ−ＤＣコンバータでの充電電圧のデューティサイクルを変更するよう構成され、
前記充電電圧の変更は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力インピーダンスを前記負荷のインピーダンスと整合させる、
請求項８に記載の容量性給電システム。
【請求項１１】
前記複数の負荷の夫々の負荷は、ランプ、ＬＥＤの列、及びＬＥＤランプの中の少なくともいずれか１つである、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項１２】
前記絶縁層は、前記受信電極の部分であり、
前記絶縁層は、紙、木、布、ガラス、及び塗料の中の少なくともいずれか１つの層である、
請求項１１に記載の容量性給電システム。
【請求項１３】
大面積構造において実装されたランプ、ＬＥＤの列、及びＬＥＤランプの中のいずれかの複数個に無線により給電するよう構成される請求項１２に記載の容量性給電システム。
【請求項１４】
容量性非接触式電力伝達の方法であって、
受信電極の組を第１のインダクタを通じて負荷へ接続するステップと、
送信電極の組をドライバへ接続するステップと、
前記送信電極の組を絶縁層の第１の側へ結合し、前記受信電極の組を前記絶縁層の第２の側から分離することで、前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に容量性インピーダンスを形成するステップと、
前記ドライバによって生成される電力信号の周波数を、前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合するようチューニングするステップと、
前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷へ給電するよう、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ前記電力信号を無線により転送するステップと
を有する方法。
【請求項１５】
前記負荷の機能を制御するよう前記直列共振周波数からデチューンするステップ
を更に有する請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、無線電力伝達のための容量性給電システムに関し、特に、大面積にわたる無線電力伝達に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線電力伝達は、如何なる配線又は接触にもよらない電力の供給をいい、それにより電子機器の給電は無線媒体を通じて行われる。非接触式給電のための１つのよく知られた用途は、携帯型電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップコンピュータ、等）の充電のためである。
【０００３】
無線電力伝達のための一実施は、誘導性給電システムによる。そのようなシステムでは、電源（送信機）と装置（受信機）との間の電磁誘導が、非接触の電力伝達を可能にする。送信機及び受信機は両方とも電気コイルを取り付けられており、物理的近接に至らせられる場合に、電気信号が送信機から受信機へ流れる。
【０００４】
誘導性給電システムでは、発生磁界はコイル内に集中する。結果として、受信機側ピックアップ場への電力伝達は空間において極めて集中している。この現象は、システムの効率を制限するシステム内のホットスポットを生じさせる。電力伝達の効率を改善するよう、夫々のコイルのクオリティファクタが必要とされる。これを達成するよう、コイルは、抵抗に対するインダクタンスの最適比により特性化され、低抵抗の材料から構成され、且つ、表皮効果を低減するようリッツ線（Litze-wire）を用いて製造されるべきである。更に、コイルは、渦電流を回避するために複雑な形状を満足するよう設計されるべきである。従って、高価なコイルが、効率的な誘導性給電システムのために必要とされる。大面積のための非接触式電力伝達システムのための設計は、多くの高価なコイルを必要とする。よって、そのような用途のために、誘導性給電システムは実現可能でないことがある。
【０００５】
容量結合は、無線により電力を転送するための他の技術である。この技術は、主に、データの転送及び検知の用途において利用される。自動車内のピックアップ要素とともに窓に接着されたカーラジオアンテナは、容量結合の一例である。容量結合技術はまた、電子機器の非接触式充電のためにも利用される。そのような用途に関し、（容量結合を実施する）充電ユニットは、機器の固有共振周波数の外の周波数で動作する。
【０００６】
関連技術において、ＬＥＤ発光を可能にする容量性電力伝達回路も議論される。この回路は、電源（ドライバ）におけるインダクタに基づく。そのようなものとして、単一の受信機のみが使用され得、送信機は最大電力を転送するようチューニングされるべきである。加えて、そのような回路は、受信機及び送信機が完全に整列されていない場合にそれらからの電力伝達を確かにする画素化電極を必要とする。しかし、画素化電極の数の増加は、電極への接続の数を増加させ、それにより電力損失を増大させる。よって、単一の受信機しか有さず且つ電極サイズが制限される場合に、関連技術において論じられる容量性電力伝達回路は、広い面積（例えば、窓、壁、等）にわたって電力を供給することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、無線式給電用途のために大面積に関し安価で且つ実現可能な解決法を提供することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここで開示される特定の実施形態は、容量性給電システムを有する。システムは、当該システムを共振させるよう負荷へ結合される第１のインダクタを通じて前記負荷へ接続される受信電極の組と、ドライバへ接続される送信電極の組と、互いに反対の位置にある第１の側及び第２の側を有する絶縁層とを有し、前記送信電極の組は、前記絶縁層の前記第１の側へ結合され、前記受信電極の組は、前記絶縁層の前記第２の側から分離され、それにより容量性インピーダンスが前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に形成され、前記ドライバにより生成される電力信号は、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ無線により転送されて、前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷に給電する。
【０００９】
ここで開示される特定の実施形態は、容量性非接触式電力伝達のための方法を更に有する。方法は、受信電極の組を第１のインダクタを通じて負荷へ接続するステップと、送信電極の組をドライバへ接続するステップと、前記送信電極の組を絶縁層の第１の側へ結合し、前記受信電極の組を前記絶縁層の第２の側から分離することで、前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に容量性インピーダンスを形成するステップと、前記ドライバによって生成される電力信号の周波数を、前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合するようチューニングするステップと、前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷へ給電するよう、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ前記電力信号を無線により転送するステップとを有する。
【００１０】
本発明と見なされる対象は、特許請求の範囲において特に指し示され且つ明確に請求される。本発明の上記及び他の特徴及び利点は、添付の図面に関連して考えられる以下の詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に従う容量性給電システムである。
【図２】本発明の実施形態に従って実施される容量性給電システムの回路図である。
【図３】本発明の実施形態に従う、複数の負荷を有する容量性給電システムの図である。
【図４】本発明の実施形態に従う、受動整合回路を備える容量性給電システムの回路図である。
【図５】本発明の実施形態に従う、受動容量性整合回路を備える容量性給電システムの回路図である。
【図６】本発明の実施形態に従う、能動整合回路を備える容量性給電システムの回路図である。
【図７】本発明の実施形態に従う、安全な電位共振回路を備えた容量性給電システムの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態は、ここでは革新的な教示の多くの有利な使用の中の単なる例である点に留意されたい。概して、本願の明細書における記述は、必ずしも、様々な請求される発明のいずれも制限しない。更に、幾つかの記述は、幾つかの発明特徴に当てはまるが他には当てはまらないことがある。概して、別段示されない限り、単数の要素は、一般性を失うことなく複数であってよく、またその逆も同様である。図面において、符号は、複数の図を通して同じ部分を参照するよう意図される。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に従って構成される容量性給電システム１００の概略図を示す。システム１００は、大面積電力送信を可能にする。システム１００は、例えば、規則的な変動が製品、備品、等を照らすために必要とされるバスルームや小売店のような、開放電気接触が望まれないか又は望ましくない場所において設置され得る。システム１００は、広い面積にわたって電力を転送することができ、よって、壁、窓、鏡、床、座席、通路、等に取り付けられた装置に給電するために利用され得る。
【００１４】
システム１００は、絶縁層１３０へ取り付けられている送信電極１２１及び１２２の組へ接続されているドライバ１１０を有する。システム１００は、負荷１５０及びインダクタ１６０へ接続されている受信電極１４１及び１４２の組を更に有する。任意に、システム１００は、ドライバ１１０へ結合されるインダクタ１１２を有してよい。
【００１５】
本発明の実施形態において、送信電極１２１、１２２とドライバ１１０との間の接続は、ガルバニック接触による。他の実施形態では、容量性インカップリングが、ドライバ１１０と電極１２１、１２２との間に適用されてよく、それにより配線接続は必要とされない。この実施形態は、インフラストラクチャの容易な拡張のためのモジュール式インフラストラクチャにおいて有利である。
【００１６】
電力は、受信電極と送信電極との間の直接接触を有することなく送信電極１２１及び１２２に近接して受信電極１４１、１４２を配置することによって、負荷１５０へ供給される。よって、機械的な接触又は電気的な接触は、負荷１５０に給電するために必要とされない。負荷１５０は、発光素子（例えば、ＬＥＤ、ＬＥＤ列、ランプ、等）、ディスプレイ、コンピュータ、充電器、ラウドスピーカ、等であってよいが、これらに限られない。
【００１７】
ドライバ１１０は、直列なキャパシタ及びインダクタ１１２、１６０を有する回路の直列共振周波数としての周波数を有するＡＣ電圧信号を出力する。図１において破線で示されるように、キャパシタＣ１及びＣ２は、送信電極１２１、１２２及び受信電極１４１、１４２の容量性インピーダンスである。キャパシタ及びインダクタ１６０のインピーダンスは、共振周波数で互いを相殺し、低抵抗回路をもたらす。よって、システム１００は、非常に低い電力損失で負荷１５０へ電力を供給することができる。
【００１８】
システム１００の回路図２００が図２において与えられている。電力信号Ｕｇｅｎの周波数が負荷ＲＬ、抵抗ＲＳ（インダクタ抵抗を表す。）、キャパシタＣ１及びＣ２、並びにインダクタＬＳを含む回路の直列共振に近い場合に、最大電力が得られる。直列共振は、キャパシタＣ１、Ｃ２及びインダクタＬＳの値によって決定される。キャパシタＣ１、Ｃ２及びインダクタＬＳの値は、それらが信号Ｕｇｅｎの動作周波数で互いを相殺するように選択される。従って、インダクタＲＳ及び電極の接続の直列共振のみが電力伝達を制限する。当然、これは、低周波信号を有する高い電力によって特性化されるＡＣ信号を伝達することを可能にする。
【００１９】
図１を参照して、ドライバ１１０は、振幅、周波数、及び波形が制御可能であるＡＣ信号を生成する。出力信号は、通常は、数十ボルトの振幅と、数メガヘルツ（ＭＨｚ）以下の周波数とを有する。実施例において、出力信号は、通常、５０Ｖ／４００ｋＨｚである。
【００２０】
ここで記載される一実施形態において、生成される信号と直列共振との間の周波数チューニングは、ドライバ１１０によって出力される信号の周波数、位相、又はデューティサイクルを変更することによって実行され得る。他の実施形態では、周波数チューニングは、ドライバ１１０へ接続されている回路のキャパシタンス又はインダクタンスの値を変更することによって達成され得る。制限されない例として、インダクタ１１２及び１６０のいずれも、調整可能なインダクタ（例えば、ジャイレータタイプのチューニング）であってよい。加えて、システム１００は、キャパシタンスを制御するよう可変なキャパシタ又はスイッチドキャパシタのバンクを有してよい。
【００２１】
ここで記載される実施形態において、ドライバ１１０は、システム１００がチューニングされるかどうかを決定するようその出力部での電圧及び電流の位相を検知する。他の実施形態では、電圧及び電流の位相は、受信電極１４１、１４２において測定される。いずれの実施形態でも、システム１００は、最大電流が負荷１５０を流れる場合にチューニングされる。すなわち、直列共振周波数及び信号周波数は整合しない。検知は、動作周波数及び動作周波数の高調波で行われてよい。
【００２２】
絶縁層１３０は、薄層基板材料であり、例えば、空気、紙、木、布、ガラス、ＤＩウェハ、等を含む如何なる絶縁材料から成ってもよい。一実施形態において、相対誘電率を有する材料が選択される。絶縁層１３０の厚さは、通常、１０ミクロン（例えば、塗料層）から数ミリメートル（例えば、ガラス層）の間である。
【００２３】
送信電極１２１、１２２は、受信電極１４１、１４２に隣接していない絶縁層１３０の一方の側に置かれた導電材料の２つの個体から成る。例えば、図１に表されるように、送信電極１２１、１２２は、絶縁層１３０の底面にある。他の実施形態では、送信電極１２１は、絶縁層１３０の反対の側に配置されてよい。送信電極１２１、１２２は、例えば、長方形、円形、正方形、又はそれらの組み合わせを含む如何なる形状であってもよい。送信電極の夫々の導電材料は、例えば、カーボン、アルミニウム、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、有機材料（例えば、ＰＥＤＯＴ）、銅、銀、導電塗装、又はあらゆる導電材料であってよい。
【００２４】
受信電極１４１，１４２は、送信電極１２１、１２２と同じ導電材料から成っても、又は異なる導電材料から作られてもよい。システム１００の総キャパシタンスは、夫々の送信及び受信電極１２１、１４１及び１２２、１４２の重なり面積と、絶縁層１３０の厚さ及び材料特性とによって形成される。システム１００のキャパシタンスは、図１においてＣ１及びＣ２として表されている。電気共振を可能にするために、システム１００は、誘導素子を更に有するべきである。この素子は、ドライバ１００にわたって分布する送信電極又は受信電極の部分及び負荷（例えば、図２に示されるインダクタ１６０及び１１２）、絶縁層１３０内に組み込まれているインダクタ、又はそれらのいずれかの組み合わせである一以上のインダクタの形をとってよい。一実施形態において、システム１００において利用されるインダクタは、集中コイルの形をとることができる。
【００２５】
負荷１５０は、ＡＣ双方向電流フローを可能にする。実施形態において、負荷１５０は、局所的にＤＣ電圧を生成するようダイオード又はＡＣ／ＤＣコンバータを有してよい。負荷１５０は、ドライバ１１０によって生成される制御信号に基づき負荷１５０の様々な機能を制御又はプログラミングするエレクトロニクスを更に有してよい。これを達成するために、一実施形態において、ドライバ１１０は、ＡＣ電力信号において変調される制御信号を生成する。例えば、負荷１５０がＬＥＤランプである場合は、ドライバ１１０によって出力される制御信号は、ＬＥＤランプの調光又は色設定のために利用されてよい。
【００２６】
負荷１５０として動作するランプの調光及び／又は色設定のための他の実施形態は、送信電極及び受信電極を置き誤ること、すなわち、夫々の電極１２１／１４１及び１２２／１４２が十分に互いに重なり合わない場合、を含む。そのような場合に、電気回路は共振から離れ、それにより、ドライバ１１０からランプ（負荷１５０）へ転送される電力はより小さくなる。回路が共振しない状態はデチューニングとも呼ばれる。
【００２７】
システム１００をデチューニングする他の実施形態は、負荷１５０（例えば、ランプ）において若しくはドライバ１１０からランプへの経路においてキャパシタンス、インダクタンス若しくは抵抗を加えること、インフラストラクチャに若しくはインフラストラクチャの他の場所にランプを置くこと、又はランプによって生成されてドライバ１１０へ送信されるフィードバック信号を用いることを含む。フィードバックは、ドライバにおいて測定される短デチューニングを生成するランプ上のボタンを用いて提供される。ドライバ１１０は、フィードバックに基づき、出力ＡＣ信号の周波数及び／又は電力を変更する。
【００２８】
他の実施形態では、送信電極１２１、１２２に対する受信電極１４１、１４２の正確な配置は、最大電力、又は所定の閾値を上回る電力がドライバ１１０から負荷１５０へ転送される場合にインジケーションを供給するロケーションインジケータを用いて、決定されてよい。ロケーションインジケータは、ドライバ１１０の一部であっても、又は負荷１５０において一体化されてもよい。インジケーションは、例えば、発光したＬＥＤ、音響、メッセージ又は伝達電力の測定を表示する液晶ディスプレイ、等の形をとってよい。更に、ロケーションインジケータは、システム１００において電力ホットスポットを検出するために利用され得る点に留意されたい。
【００２９】
図１に示される容量性給電システム１００は、電力コードの無線拡張として利用され得る。この構成に従って、ドライバ１１０は、送信電極１２１、１２２として動作する少なくとも２つの導電領域を含むステッカー及び有線出力を備えた壁面プラグコネクタにおいて組み込まれる。受信電極１４１、１４２は、少なくとも２つのステッカー、配線、及びコネクタソケットを有する。受信電極１４１、１４２は、電圧レギュレーションのための電気手段を更に有してよい。かかるシステムは、配線目的で穴をあける必要なく隣接する部屋又は戸棚への電力伝達を可能にする。
【００３０】
他の実施形態では、容量性無線電力は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）面に給電するために利用され得る。ＯＬＥＤは、ＬＥＤが平面上に形成される技術である。この実施形態に従って、受信電極及び送信電極は、ＯＬＥＤ面の裏側に配置される。
【００３１】
容量性給電システム１００は、図１に表される例として、ドライバ１１０によって給電される単一の負荷１５０を表す。しかし、ドライバ１１０は複数の負荷に給電可能であり、夫々の負荷は異なる動作周波数でチューニングされてよい点に留意されたい。そのような構成において、ドライバ１１０によって出力される信号の周波数は、どの装置が給電されるのかを決定する。ドライバ１１０は、ＡＣスウィープ信号（周波数が変化する信号）を生成してもよい。十分に高速である場合に、周波数スウィープは、ＡＣ信号の周波数が夫々の負荷共振チューニングと一致する期間の間、装置に給電する。このようにして、異なる周波数へチューニングされる複数の負荷が多重的に給電され得る。スウィープ間にある無電力ギャップを満たすよう、バッテリ及び／又はキャパシタが加えられ得る。
【００３２】
他の実施形態では、負荷のスペクトラム拡散給電が提供される。更に、広帯域の周波数によって特性化されるＡＣ電力信号がドライバ１１０によって生成され、複数の負荷のグループにおける個々の負荷が異なる周波数の範囲内でチューニングされることを可能にする。従って、夫々の個々の負荷は独立して給電されてよい。
【００３３】
複数の負荷を有する容量性給電システムでは、異なる負荷によって消費される電力は互いに異なってよい。ＡＣ信号の電力は、最も高い電力を消費する負荷によって決定される。“高電力負荷”及び“低電力負荷”がシステムにおいて接続される場合に、電力ＡＣ信号は、後者の負荷に損傷を与えることがある。この問題を解決するよう、過負荷保護が必要とされる。
【００３４】
図３は、ドライバ３１０によって生成されるＡＣ信号によって給電される２つの負荷３５１及び３５２を有する容量性給電システム３００の例となる図を示す。システム３００は、先に詳細に論じられた送信電極及び受信電極、絶縁層、並びに誘導素子を有する。夫々の負荷３５１及び３５２を保護するために、リミッタ３６１及び３６２が回路３００に加えられている。
【００３５】
リミッタは、負荷に給電する信号の電流を制限するよう負荷に直列に接続され得る。代替的に、リミッタは、負荷に給電する電圧を制限するよう負荷に並列に接続されてよい。図３に示されるように、リミッタ３６１は、負荷３５１に並列に接続されており、一方、リミッタ３６２は、負荷３５２に直列に接続されている。
【００３６】
一実施形態に従って、電圧リミッタ（例えば、リミッタ３６１）は、負荷３５１の両端に印加される電圧を測定し、その振幅レベルが基準電圧値を上回る場合に信号をオフする。信号は、信号の振幅レベルが基準電圧値を下回る場合にオンされる（すなわち、信号は負荷へ供給される。）。
【００３７】
電流リミッタ（例えば、リミッタ３６２）は、負荷３５２を流れる電流フローを測定し、信号は、測定される電流の値が基準電流値を上回る場合にオンされ、下回る場合にオフされる。電圧及び電流の値は、負荷に負担をかけ過ぎない最大許容電力に従って設定される。代替の実施形態では、リミッタは負荷に組み込まれてよい。
【００３８】
他の実施形態では、負荷の保護は、回路をデチューニングすることによって達成されてよい。先に論じられたように、回路が共振から離れる場合に、ドライバから負荷へ転送される電力はより小さくなる。よって、回路のデチューニングは、負荷における電力を制御し、このプロセスは、負荷における電力を制限するために利用され得る。デチューニングは送信電極及び受信電極を移動させることを含むので、様々な負荷（例えば、負荷３５１及び３５２）は独立に保護され得る。
【００３９】
上述されたように、ここで論じられる容量性給電システムにおける最大電力送信は、負荷の抵抗が回路の損失抵抗と等しいか又はそれより高い場合に達成される。更に、直列損失抵抗に対する負荷抵抗の比は、システムの電力効率を決定する。しかし、これは、負荷の抵抗が与えられており自由に選択可能でないので、システム効率に制約を課すことがある。例えば、ランプ又はＬＥＤ列の抵抗は固定であり、最適化された効率を達成するようシステムの電気特性に追随することができない。
【００４０】
そのような制約を解消するために、本発明の特定の実施形態に従って、容量性給電システムの受信部分は、損失抵抗及びインピーダンスを等価な損失抵抗及びインピーダンスに変換する整合回路を有し、それによりシステムの電力及び全体的な効率を最適化する。
【００４１】
図４は、本発明の実施例に従って設計される受動整合回路４１０を備えた容量性給電システム４００の制限されない例となる回路図を示す。受動整合回路４１０を用いると、負荷４２０の抵抗は、システム４００の損失抵抗と等しいか又はそれより高い固定値によって変換され得る。図４に表される実施形態において、インダクタ（例えば、図１に示されるインダクタ１６０及び図２のＬＳ）は、変圧器として実施される受動整合回路４１０により置換されている。変圧器は、誘導結合されたコンダクタ、すなわち、コイル４１１及び４１２を通じて受信電極４３１、４３２から負荷４２０へＡＣ信号（Ｕｇｅｎ）を運ぶ。
【００４２】
変圧器は、コイル４１１及び４１２の間の浮遊インダクタンスが最小限にされるように構成される。変圧器の一次コイル４１１と二次コイル４１２との間の巻数の比は、抵抗（ＲＬ）がシステム４００の損失抵抗と等しいか又はそれより高いように、選択される。
【００４３】
二次コイル４１２における電圧の大きさは、二次コイル４１２の巻数（Ｔｓ）を一次コイル４１１の巻数（Ｔｐ）によって割ること、すなわち、Ｎ＝Ｔｓ／Ｔｐによって計算される変圧器４１０の巻数比（Ｎ）によって決定される。
【００４４】
二次コイル４１２における電圧（Ｖｓ）は、一次コイル４１１における電圧（Ｖｐ）に巻数比（Ｎ）を乗じたものである。よって、２４０ボルトＡＣの電圧が一次コイル４１１に印加され且つ巻数比が１：１０である場合に、２４ボルトが二次コイル４１２にかかる。例えば、１アンペアの電流が一次コイル４１１によって引き込まれる場合に、理想的には、１０アンペアの電流が、巻数比により二次コイル４１２で利用可能である。よって、等価な損失抵抗は２４０Ｖ／１Ａ＝２４０オームであり、これは等価な出力抵抗２４Ｖ／１０Ａ＝２．４オームに変換され得る。
【００４５】
損失抵抗は抵抗ＲＳ４４０によって表される。これは、容量性給電システム４００の消費電力を整合させることを確かにし、それによりシステム４００の効率を最適化する。本発明の実施形態において、整合回路４１０は、タップ付きインダクタを用いて実施される。
【００４６】
図５は、他の実施例に従って設計される受動整合回路５１０を備える容量性給電システム５００の制限されない例となる回路図を示す。受動整合回路５１０を用いると、負荷５２０の抵抗は、システム５００の損失抵抗と等しいか又はそれより高い固定値によって変換され得る。受動整合回路５１０は、図５に表されるように、負荷５２０へ接続された２つの並列なキャパシタ５１１及び５１２を有する容量性整合回路として実施される。キャパシタの夫々のキャパシタンス値は、変換される損失抵抗の動作周波数がシステム５００の損失抵抗と等しいか又はそれより高いように、選択される。具体的に、負荷抵抗を流れる電流は、並列なキャパシタ５１１及び５１２の間のキャパシタンス比によって増減され得る。損失抵抗は抵抗ＲＳ５４０によって表される。これは、容量性給電システム５００の消費電力を整合させることを確かにし、それによりシステム５００の効率を最適化する。追加のキャパシタ５１１及び５１２は、システム５００の適切な動作のために必要とされる共振条件を満たすために考慮されるべき点に留意されたい。
【００４７】
図６は、他の実施形態に従って設計される能動整合回路６１０を備える容量性給電システム６００の制限されない例となる回路図を示す。能動整合回路６１０を用いると、負荷６２０の抵抗は、システム６００の損失抵抗と等しいか又はそれより高い固定値によって変換され得る。本発明の実施形態において、能動整合回路６１０は、負荷６２０に並列に接続され、電圧整流器６１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１２及びコントローラ６１３を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１２は、例えば、ステップダウンコンバータ又はステップアップコンバータであってよい。
【００４８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６１２は、ＤＣのソースを１つの電圧レベルから他の電圧レベルへ変換する。エネルギは、周期的にインダクタ又は変圧器における磁界に蓄積され該磁界から解放される。充電電圧のデューティサイクルを調整することによって、伝達される電力の量は制御され得、特に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１２のインピーダンス比は設定され得る。一実施形態に従って、コントローラ６１３は、出力電力及び負荷抵抗を決定するよう負荷６２０での電圧及び電流を測定する。コントローラ６１３は、整流器６１１での整流された電圧を測定する。測定された値を用いて、コントローラ６１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１２での充電電圧のデューティサイクルを変更し、それにより、負荷６２０のインピーダンスを整合させるようＤＣ／ＤＣコンバータ６１２の出力インピーダンスを変更する。最適な整合は、負荷抵抗を流れる電流フローが最大であると測定される場合に達成される。これは、容量性給電システム６００の消費電力を整合させることを確かにし、それによりシステム６００の効率を最適化する。
【００４９】
先に論じられた容量性給電システムにおいて、送信電極での電位は、回路が共振している場合に、非常に高くなり得る。上述され且つ例えば図２で表されたように、負荷ＲＬは受信電極の１つへ接続され、そのようなものとして、それは、高交流電位へ接続される。これは、安全上の問題となり得る。加えて、負荷ＲＬは、ドライバの基準電位Ｕｇｅｎに対して高い交流電位にある場合がある。結果として、望まれないコモンモード電流が受信電極へ流れ得る場合に、高い寄生容量性電流が負荷からドライバＵｇｅｎへ流れ込む。
【００５０】
この問題を解決するよう、図７に表される実施形態に従って、共振受信部は２つの対称な部分に分けられる。第１の受信電極はインダクタ７１０（ＬＳ１）へ結合され、第２の受信電極はインダクタ７２０（ＬＳ２）へ結合される。この配置では、高電位の点は受信回路において制限され、負荷７３０（ＲＬ）はドライバ７４０（Ｕｇｅｎ）と同じ電位にある。
【００５１】
加えて、図７に表される配置はＥＭＩを除去する。すなわち、２つのインダクタ７１０及び７２０によれば、負荷７３０とドライバ７４０との間には電位差が存在しない。従って、望まれないコモンモード電流がドライバ７４０と負荷７３０との間に流れない。一実施形態において、２つのインダクタ７１０及び７２０は磁気結合されてよい。その場合に、それらは１つのコアにおいて２つの巻き線として巻き付けられてよく、ただ１つの装置しか必要でない。更に、巻き線が磁気結合により互いを増強するので、より少ない巻数しか必要とされない。巻方向は、点７０１及び７０２によって示されるように、反対でなければならない。
【００５２】
本発明の種々の実施形態の原理は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又はそれらのいずれかの組み合わせとして実施され得る。更に、ソフトウェアは、望ましくは、デジタル回路、アナログ回路、磁気媒体、又はそれらの組み合わせの形をとることができるプログラム記憶ユニット、非一時的なコンピュータ可読媒体、又は非一時的な機械可読記憶媒体において有形に具現されるアプリケーションプログラムとして実施される。アプリケーションプログラムは、如何なる適切なアーキテクチャも有する機械にアップロードされてそれにより実行されてよい。望ましくは、機械は、１以上の中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、及び入出力インターフェースのようなハードウェアを有するコンピュータプラットフォームにおいて実施される。コンピュータプラットフォームは、オペレーティングシステム及びミクロ命令コードを更に有してよい。ここで記載される様々なプロセス及び機能は、アプリケーションプログラムのミクロ命令コード又は部分のいずれかの部分、又はそれらのいずれか組み合わせであってよく、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されようとなかろうと、ＣＰＵによって実行されてよい。加えて、様々な他の周辺ユニットが、追加のデータ記憶ユニット及び印刷ユニットのように、コンピュータプラットフォームへ接続されてよい。
【００５３】
本発明は、幾つかの記載される実施形態に関してある程度の長さである程度の詳細さを有して記載されてきたが、如何なる詳細若しくは実施形態又は如何なる特定の実施形態にも制限されるべきではなく、先行技術を考慮して特許請求の範囲の最も広い可能な解釈を提供するよう、従って本発明の意図される適用範囲を有効に包含するよう特許請求の範囲を参照して解釈されるべきである。更に、上記は、実施可能要件が得られる本発明によって予見される実施形態に関連して本発明を記載する。なお、本発明の実態のない変形は、目下予見されていないとしても、記載される実施形態と同等である。
【００５４】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１１年８月１６日付けで出願された米国特許仮出願第６１／５２３９２２号、第６１／５２３９３２号、第６１／５２３９３５号、第６１／５２３９４１号、及び第６１／５２３９４２号に基づく優先権を主張するものである。
【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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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月18日(2014.2.18)
【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】
容量性給電システムであって、
当該給電システムを共振させるよう負荷に対して構成される第１のインダクタと前記負荷とを直列に挟んで接続された受信電極の組と、
ドライバへ接続される送信電極の組と、
互いに反対の位置にある第１の側及び第２の側を有する絶縁層と
を有し、
前記送信電極の組は、前記絶縁層の前記第１の側へ結合され、前記受信電極の組は、前記絶縁層の前記第２の側から分離され、それにより容量性インピーダンスが前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に形成され、
前記ドライバにより生成される電力信号は、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ無線により転送されて、前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷に給電する、
容量性給電システム。
【請求項２】
当該給電システムは、
前記第１のインダクタのインダクタンスを変更すること、
前記送信電極に対する前記受信電極の位置を変更すること、及び
前記電力信号の周波数を変更すること
の中の少なくとも１つによって、前記直列共振周波数で共振するようチューニングされる、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項３】
夫々受信電極の異なる組へ接続され且つ異なる直列共振周波数で共振する複数の負荷を更に有し、
前記複数の負荷の夫々の負荷は、前記ドライバによって生成されて前記送信電極の組を通じて無線により転送される前記電力信号によって給電される、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項４】
前記複数の負荷の夫々の負荷は、同じ直列共振周波数で共振する、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項５】
前記複数の負荷の少なくとも１つの負荷は、リミッタにより保護され、
前記リミッタは、前記少なくとも１つの負荷へ並列に接続される電圧リミッタ及び前記少なくとも１つの負荷へ直列に接続される電流リミッタの中の１つである、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項６】
前記電圧リミッタは、前記少なくとも１つの負荷での振幅電圧レベルが基準電圧値を上回る場合に前記電力信号をオフする、
請求項５に記載の容量性給電システム。
【請求項７】
前記電流リミッタは、前記少なくとも１つの負荷を流れる電流が基準電流値を上回る場合に前記電力信号をオフする、
請求項５に記載の容量性給電システム。
【請求項８】
前記受信電極の組へ接続される整合回路を更に有し、
前記整合回路は、当該給電システムの損失抵抗に少なくとも等しい固定抵抗へ前記負荷の抵抗を変換する、
請求項１に記載の容量性給電システム。
【請求項９】
前記整合回路は、前記第１のインダクタによって置換される変圧器を有する少なくとも受動整合回路であり、
前記変圧器の一次コイルと二次コイルとの間の巻数の比は、前記損失抵抗を上回って前記負荷の抵抗を増大させるよう選択される、
請求項８に記載の容量性給電システム。
【請求項１０】
前記整合回路は、電圧整流器、ＤＣ−ＤＣコンバータ、及びコントローラを有する少なくとも能動整合回路であり、
前記コントローラは、前記整流器での電圧レベルを測定し、該測定された電圧レベルに基づき前記ＤＣ−ＤＣコンバータでの充電電圧のデューティサイクルを変更するよう構成され、
前記充電電圧の変更は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力インピーダンスを前記負荷のインピーダンスと整合させる、
請求項８に記載の容量性給電システム。
【請求項１１】
前記複数の負荷の夫々の負荷は、ランプ、ＬＥＤの列、及びＬＥＤランプの中の少なくともいずれか１つである、
請求項３に記載の容量性給電システム。
【請求項１２】
前記絶縁層は、前記受信電極の部分であり、
前記絶縁層は、紙、木、布、ガラス、及び塗料の中の少なくともいずれか１つの層である、
請求項１１に記載の容量性給電システム。
【請求項１３】
大面積構造において実装されたランプ、ＬＥＤの列、及びＬＥＤランプの中のいずれかの複数個に無線により給電するよう構成される請求項１２に記載の容量性給電システム。
【請求項１４】
容量性非接触式電力伝達の方法であって、
受信電極の組を、直列に接続された第１のインダクタ及び負荷へ接続するステップと、
送信電極の組をドライバへ接続するステップと、
前記送信電極の組を絶縁層の第１の側へ結合し、前記受信電極の組を前記絶縁層の第２の側から分離することで、前記送信電極の組と前記受信電極の組との間に容量性インピーダンスを形成するステップと、
前記ドライバによって生成される電力信号の周波数を、前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合するようチューニングするステップと、
前記電力信号の周波数が前記第１のインダクタと前記容量性インピーダンスとの直列共振周波数と整合する場合に前記負荷へ給電するよう、前記送信電極の組から前記受信電極の組へ前記電力信号を無線により転送するステップと
を有する方法。
【請求項１５】
前記負荷の機能を制御するよう前記直列共振周波数からデチューンするステップ
を更に有する請求項１５に記載の方法。
【国際調査報告】
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