(57)【要約】  容量性電力伝送システム内の負荷に電力を供給するための装置は、第１周波数で動作する電力生成器と、前記装置の送信機部の前記電力生成器の第１端子に接続された複数の第１電極、及び前記電力生成器の第２端子に接続された複数の第２電極を含む送信機と、複数のインダクタとを有し、前記複数のインダクタの各インダクタは前記複数の第１及び第２電極の各第１電極及び第２電極のペアの間に接続され、各インダクタは、第１電極及び第２電極の各ペアの間に形成される寄生コンデンサとともに、第１周波数の共振回路を含み、寄生容量による電流損失を補償する。
2014524727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性電力伝送システム内の負荷に電力を供給するための装置であって、
第１周波数で動作する電力生成器と、
前記装置の送信機部の前記電力生成器の第１端子に接続された複数の第１電極、及び前記電力生成器の第２端子に接続された複数の第２電極を含む送信機と、
複数のインダクタとを有し、前記複数のインダクタの各インダクタは前記複数の第１及び第２電極の各第１電極及び第２電極のペアの間に接続され、各インダクタは、第１電極及び第２電極の各ペアの間に形成される寄生コンデンサとともに、第１周波数の共振回路を含み、寄生容量による電流損失を補償する、装置。
【請求項２】
前記複数のインダクタの各インダクタは可変インダクタであり、前記装置は容量性電力伝送システムである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
容量性電力伝送システム内に接続される負荷に電力を供給するための送信機内のアイドル電流を減少させるための方法であって、
第１端子及び第２端子を有する電力生成器を第１周波数で動作させるステップと、
前記容量性電力伝送システムの送信機部の第１電極を前記電力生成器の前記第１端子に接続するステップと、
前記容量性電力伝送システムの前記送信機部の第２電極を前記電力生成器の前記第２端子に接続するステップと、
前記第１電極と前記第２電極との間にインダクタを接続するステップであって、前記インダクタは、前記第１電極と前記第２電極との間に形成された寄生コンデンサを有する共振回路を構成するインダクタンスを有し、前記共振回路は前記第１周波数で共振する、方法。
【請求項４】
前記インダクタは可変インダクタである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記共振回路を前記第１周波数で共振させるよう前記可変インダクタの可変インダクタンスを調節するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
容量性電力伝送システムの第１送信機電極に接続された第１端子であって、前記第１送信機電極は、グランドに接続された保護接地への第１寄生コンデンサを形成する、第１端子と、
前記容量性電力伝送システムの第２送信機電極に接続された第２端子であって、前記第２送信機電極は、前記保護接地への第２寄生コンデンサを形成する、第２端子とを有する容量性電力伝送システム内のコモンモード電流を減少させるための回路であって、
前記回路は前記第１端子と前記グランドとの間に第１周期電圧信号を生成し、前記回路はさらに前記第２端子と前記グランドとの間に第２周期電圧信号を生成し、前記第１周期電圧信号及び前記第２周期電圧信号のそれぞれの少なくとも振幅は、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる前記コモンモード電流を実質的にオフセットするよう制御される、回路。
【請求項７】
前記第１周期電圧信号は第１期間及び第２期間からなり、前記第１期間の間、前記第１周期電圧信号の電圧レベルは実質的に正であり、前記第２期間の間、前記第１周期電圧信号の電圧レベルは実質的に負であり、また、前記第２周期電圧信号は第１期間及び第２期間からなり、前記第１期間の間、前記第２周期電圧信号の電圧レベルは実質的に負であり、前記第２期間の間、前記第２周期電圧信号の電圧レベルは実質的に正である、請求項６に記載の回路。
【請求項８】
前記第１周期電圧信号の前記第１及び第２期間は、それぞれ前記第２周期電圧信号の前記第１及び第２期間に一致する、請求項７に記載の回路。
【請求項９】
前記第１及び第２送信機電極の近傍の寄生容量は互いに異なり、前記第１送信機電極及び前記第２送信機電極の前記近傍は、前記第１送信機電極及び前記第２送信機電極が機械的に接続される表面を少なくとも含む、請求項８に記載の回路。
【請求項１０】
前記回路は、前記第１周期電圧信号及び前記第２周期電圧信号のそれぞれの幅を、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる前記ＣＭ電流が実質的にオフセットされるまで変更する、請求項６に記載の回路。
【請求項１１】
第１スイッチペア及び第２スイッチペアを含むスイッチングブリッジをさらに含み、
前記第１スイッチペアは２つのスイッチを含み、一方のスイッチは前記第１送信機電極及び電源生成器の第１端子に接続され、他方のスイッチは前記第２送信機電極及び前記電源生成器の第２端子に接続され、
前記第２スイッチペアは２つのスイッチを含み、一方のスイッチは前記第１送信機電極及び前記電源生成器の前記第２電極に接続され、他方のスイッチは前記第２送信機電極及び前記電源生成器の前記第２端子に接続され、前記電源生成器の前記第２端子は、前記グランドへの接続のための前記保護接地に接続され、
前記第１スイッチペア及び前記第２スイッチペアのそれぞれのスイッチングは、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる前記ＣＭ電流を実質的にオフセットするよう制御される、請求項１０に記載の回路。
【請求項１２】
前記ＣＭ電流は、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる電流の和である、請求項１１に記載の回路。
【請求項１３】
前記第１スイッチペア及び前記第２スイッチペアのそれぞれのスイッチングは、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる電流の振幅を、電流の振幅が実質的に互いに相殺し合うまで変更するよう制御される、請求項１１に記載の回路。
【請求項１４】
前記第１スイッチペアの前記スイッチングは、前記第２送信機電極と前記グランドとの間の電圧パルスの幅を変更するよう制御され、前記第２スイッチペアの前記スイッチングは、前記第１送信機電極と前記グランドとの間の電圧パルスの幅を変更するよう制御される、請求項１１に記載の回路。
【請求項１５】
前記第１スイッチペア及び前記第２スイッチペアは、非対称動作で制御され、前記非対称動作は、前記第１スイッチペアのスイッチの制御及び前記第２スイッチペアのスイッチの制御のために異なるデューティサイクルを有する、請求項１１に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、ともに２０１１年８月１６日に出願された米国特許仮出願Ｎｏ．６１／５２３，９４８及び米国特許仮出願Ｎｏ．６１／５２３，９６４、並びに２０１２年７月１６日に出願された米国特許仮出願Ｎｏ．６１／６７１，８５５の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、広義には容量性電力伝送に関連し、より具体的には、容量性電力伝送を用いた配電のために広表面を用いる場合の寄生容量に関連する。
【背景技術】
【０００３】
無線電力伝送は、電線又は接触を有することなく電力を供給することを指し、電子機器への給電は無線媒体を介して行われる。非接触給電の一般的な用途の１つは、携帯電話、ラップトップコンピュータ等の携帯型電子機器を充電することである。
【０００４】
無線電力伝送の一実施例は、誘導給電システムによる。このようなシステムにおいて、電源（送信機）とデバイス（受信機）との間の電磁誘導は非接触電力伝送を可能にする。送信機及び受信機にはともに電気コイルが取り付けられ、物理的に近づけられると、生成された磁場によって送信機から受信機に電気信号が流れる。
【０００５】
誘導給電システムにおいて、生成される磁場はコイル内に集中する。結果として、受信機ピックアップ場への電力伝送は、空間的に非常に集約される。この現象はシステム内にホットスポットを生み出し、システムの効率性を制限する。電力伝送の効率性を向上するためには、各コイルが高Ｑ値を有することが必要である。これを達成するために、コイルは、最適なインダクタンス−抵抗比を有し、低抵抗の材料によって構成され、表皮効果を減少させるためにリッツ線プロセスを用いて作成されるべきである。さらに、渦電流を避けるため、コイルは複雑な幾何学的形状を満たすよう設計されなければならない。したがって、効率的な誘導給電システムのためには高価なコイルが要求される。大面積の非接触電力伝送システムの設計には多数の高価なコイルが必要なため、そのような用途では誘導給電システムは実現不可能な場合がある。
【０００６】
電力を無線で伝送するための他の技術として、容量性カップリングがある。この技術は、主にデータ伝送及びセンシング用途において用いられる。容量性カップリングの一例は、車内にピックアップ素子を有する、車の窓に接着されたカーラジオアンテナである。また、容量性カップリング技術は、電子機器の非接触充電のためにも利用される。このような用途において、充電ユニット（容量性カップリングを実施）は、装置の固有共振周波数外の周波数で動作する。関連分野において、ＬＥＤ照明を可能にする容量性電力伝送回路についても議論されている。回路は、電源（ドライバ）内のインダクタをベースとする。したがって、単一の受信機しか使うことができず、送信機の周波数は、最大電力を送信するように調整されるべきである。また、このような回路は、送信機と受信機とが完全に整列していない場合であっても電力伝送を保証するピクセル化された電極を要求する。しかし、ピクセル化された電極の数を増やすと電極への接続の数が増加し、電力損失が増加する。したがって、単一の受信機及び限定されたサイズの電極を有する場合、関連分野において議論されている容量性電力伝送回路は、窓、壁等の大面積にわたって電力を供給することができない。また、大表面積にかけて電力を供給することはいくつかの課題（挑戦）を課す。例えば、普通のユーザは大表面積上のあらゆる任意の位置から電力を欲する。また、容量性電力伝送のために大表面積が用いられる場合、システムのパフォーマンスに影響を与える様々な寄生容量が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、大表面積にかけての無線電力用途用の、低コスト且つ実現可能な容量性電力伝送システムであって、寄生容量の影響が減少された容量性電力伝送システムを提供することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示するいくつかの実施形態は、容量性電力伝送システムの負荷に電力を供給するための装置を含む。装置は、第１周波数で動作する電力生成器と、前記装置の送信機部の前記電力生成器の第１端子に接続された複数の第１電極、及び前記電力生成器の第２端子に接続された複数の第２電極を含む送信機と、複数のインダクタとを有し、前記複数のインダクタの各インダクタは前記複数の第１及び第２電極のある第１電極及び第２電極のペアの間に接続され、各インダクタは、第１電極及び第２電極の各ペアの間に形成される寄生コンデンサとともに、第１周波数の共振回路を含み、寄生容量による電流損失を補償する。
【０００９】
本明細書が開示するいくつかの実施形態は、容量性電力伝送システム内のコモンモード（ＣＭ）電流を減少させるための回路を含む。回路は、前記容量性電力伝送システムの第１送信機電極に接続された第１端子であって、前記第１送信機電極は、グランドに接続された保護接地への第１寄生コンデンサを形成する、第１端子と、前記容量性電力伝送システムの第２送信機電極に接続された第２端子であって、前記第２送信機電極は、保護接地への第２寄生コンデンサを形成する、第２端子とを有し、前記回路は前記第１端子と前記グランドとの間に第１周期電圧信号を生成し、前記回路はさらに前記第２端子と前記グランドとの間に第２周期電圧信号を生成し、前記第１周期電圧信号及び前記第２周期電圧信号のそれぞれの少なくとも振幅は、前記第１寄生コンデンサ及び前記第２寄生コンデンサを流れる前記コモンモード電流（ＣＭ）を実質的にオフセットするよう制御される。
【００１０】
本発明の主題は、本明細書の最後にある特許請求の範囲に特に示され、明確に記載される。本発明の上記及び他の特徴及び利点は、付属の図面を参照して、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施形態に係る容量性電力伝送システムを示す。
【図２】図２は、一実施形態に基づいて実施される容量性電力伝送システムの電気回路図を示す。
【図３】図３は、負荷を有さず、寄生容量補償を有する容量性電力伝送グリッドの概略図を示す。
【図４】図４は、負荷を有し、寄生容量補償を有する容量性電力伝送グリッドの概略図を示す。
【図５】図５は、一実施形態に係る、コモンモード電流経路を排除するよう設計された電流補償回路を備える容量性電力伝送システムの概略図を示す。
【図６】図６は、図５に示す電流補償回路を備える容量性電力伝送システムの電気回路図を示す。
【図７】図７は、一実施形態に係る、図５に示す電流補償回路のスイッチを制御するためのタイミングダイアグラムを示す。
【図８】図８は、垂直導電性ストライプによって覆われた背面と、導電性ストライプへの細かな電気接続を有する底面セグメントとを有する壁装材を示す。
【図９】図９は、水平導電性ストライプ及び垂直接続線によって覆われた背面を有する壁装材を示す。
【図１０】図１０は、統合された接続及びコネクタを有する複数のセグメントの電気接続を示す。
【図１１】図１１は、図５の電力伝送システム内で用いられる整流器の概略図を示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、一実施形態に係る電流補償回路の動作を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、一実施形態に係る電流補償回路の動作を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、一実施形態に係る電流補償回路の動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書が開示する実施形態は、あくまで本明細書の革新的教示の多くの好適な用途の例にすぎないことに留意されたい。通常、本願の明細書の記載は特許請求の範囲を必ずしも制限しない。また、いくつかの記載は、いくつかの発明的特徴には適用されるが、他の発明的特徴には適用されない可能性がある。通常、特に記載がない場合、要素は複数を除外せず、単数及び複数のいずれの場合でも一般性を失うことはない。図面において、異なる図における同様な参照番号は同様な部品を指す。
【００１３】
図１は、本発明が開示する多様な実施形態を説明するために用いられる容量性電力システム１００の、例示的、非限定的、且つ概略的な図を示す。システム１００は、大面積にかけての電力伝送を可能にする。システム１００は、開接点が好ましくない又は望ましくない場所、例えばバスルームや、製品及び家具等を照らすために規則的な変更が必要な小売店等の場所に設けられ得る。システム１００は、システム１００が壁、窓、鏡、床、椅子、通路等に設けられたデバイスに給電するために用いることができるよう、大面積にかけて電力を伝送可能である。
【００１４】
システム１００は、絶縁層１３０に取り付けられた送信機電極１２１及び１２２のペアに接続されたドライバ１１０を含む。また、システム１００は、負荷１５０及びインダクタ１６０に接続された受信機電極１４１及び１４２のペアを含む。オプションで、システム１００はドライバ１１０に連結されたインダクタ１１２を含み得る。送信機電極１２１、１２２とドライバ１１０との間の接続は、ガルバニック接触又は容量性カップリングによる。
【００１５】
電力信号は、送信機電極１２１及び１２２を直接接触させることがなく、両者を受信機電極１４１及び１４２の近くに配置することによって、負荷１５０に供給される。したがって、負荷１５０に給電するには機械的コネクタも電気的接触も必要ない。負荷１５０は、限定はされないが、照明素子（例えば、ＬＥＤ、ＬＥＤ列、ランプ等）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）表面、ディスプレイ、コンピュータ、充電器、スピーカー、拡声器等であり得る。
【００１６】
ドライバ１１０は、直列のコンデンサ、並びにインダクタ１１２及び１６０からなる回路の直列共振周波数と実質的に一致する周波数を有するＡＣ電圧信号を出力する。図１において点線で示されるコンデンサＣ１及びＣ２は、送信機電極１２１及び１２２、並びに受信機電極１４１及び１４２の容量性インピーダンスである。コンデンサＣ１、Ｃ２、インダクタ１６０、及びオプションでインダクタ１１２のインピーダンスは共振周波数で互いに打ち消し合い、結果として低オーミック回路となる。したがって、システム１００は、非常に小さい電力損失で負荷１５０に電力を送ることができる。
【００１７】
図２は、システム１００の電気回路図２００を示す。最大電力は、電力信号Ｕｇｅｎの周波数が、負荷ＲＬ、抵抗ＲＳ（インダクタ抵抗）、コンデンサＣ１及びＣ２、並びにインダクタＬＳからなる回路の直列共振に近いときに得られる。直列共振は、コンデンサＣ１、Ｃ２及びインダクタＬＳの値によって決定される。コンデンサＣ１、Ｃ２及びインダクタＬＳの値は、信号Ｕｇｅｎの動作周波数で互いに打ち消し合うよう選択される。したがって、インダクタＲＳの直列抵抗及び電極の接続性のみが、電力伝送を制限する。これは、高電力及び低周波数によって特徴づけられるＡＣ信号を伝送することを可能にすると理解されたい。
【００１８】
図１を再び参照して、ドライバ１１０は、振幅、周波数、及び波形が制御されるＡＣ信号を生成する。出力信号は、典型的には数十ボルトの振幅、及び最大で数メガヘルツ（ＭＨｚ）の周波数を有する。生成された信号と直列共振との間での周波数調整は、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行われる。あるいは、周波数調整はドライバ１１０に接続されている回路の容量性又は誘導性値を変更することによって達成される。
【００１９】
絶縁層１３０は薄層基板材料であり、例えば空気、紙、織物、ガラス、脱イオン水等を含む任意の絶縁材料からもなり得る。好ましくは、誘電性の材料が選択される。絶縁層１３０の厚さは、典型的には１０ミクロン（例えば塗装層）と数ミリメートル（例えばガラス層）との間である。
【００２０】
送信機電極１２１及び１２２は、受信機電極１４１及び１４２と隣接しない絶縁層１３０の一方の面上に配置される、導電材料の２つの別個の個体からなる。例えば、図１に示すように、送信機電極１２１及び１２２は、絶縁層１３０の底面にある。他の実施形態において、送信機電極１２１及び１２２は、絶縁層１３０の各面に設けられ得る。送信機電極１２１及び１２２は、例えば長方形、円、四角、又はそれらの組み合わせを含む任意の形状を取り得る。各送信機電極の導電材料は、例えば炭素、アルミニウム、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフエン）（ＰＥＤＯＴ）等の有機材料、銅、銀、導電性塗料、又は他の任意の導電材料であり得る。
【００２１】
受信機電極１４１及び１４２は、送信機電極１２１及び１２２と同じ導電材料からなり得るし、他の導電材料から形成されてもよい。システム１００の全静電容量は、対応する送信機及び受信機電極１２１及び１４１、並びに１２２及び１４２の重複領域と、絶縁層１３０の厚さ及び材料特性とによって形成される。図１において、システム１００の静電容量はＣ１及びＣ２によって表される。電気共振を可能にするために、システム１００は誘電性素子を有するべきである。この素子は、送信機電極又は受信機電極の一部を構成する、ドライバ１１０及び負荷（例えば、図１に示すインダクタ１６０及び１１２）にかけて分配される、絶縁層１３０内に組み込まれた、又はこれらの組み合わせの１つ以上のインダクタの形態を取り得る。一実施形態において、システム１００内で用いられるインダクタは、集中コイル（ｌｕｍｐｅｄ  ｃｏｉｌ）の形態を取り得る。
【００２２】
負荷１５０は、ＡＣ双方向電流フローを許容する。一実施形態において、負荷１５０は局地的にＤＣ電圧を生成するためにダイオード又はＡＣ／ＤＣコンバータを含み得る。負荷１５０は、さらに、ドライバ１１０によって生成された制御信号に基づいて負荷１５０の多様な機能を制御又はプログラミングするための電子機器を含み得る。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電力信号上で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、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することができる。
【００２３】
図１に例示的に示す容量性電力システム１００は、ドライバ１１０によって給電される単一の負荷１５０を表す。ただし、ドライバ１１０は、各々が異なる動作周波数に調整され得る複数の負荷に給電できることに留意されたい。あるいは、複数の負荷を同じ動作周波数に調整してもよい。
【００２４】
図３は、負荷を有さず、寄生容量補償を有する容量性送電グリッド３００の、例示的、非制限的、且つ概略的な図を示す。このような容量性送電グリッドの例示的且つ非限定的実施形態の構造を、図８〜１０を参照しながら以下に説明する。図３において、送信機部は、電力生成器３５０、並びに、図２に示すコンデンサＣ１及びＣ２の送信機側プレートを形成する複数の送信機電極３１０及び３２０を有するように描かれている。ただし、送信機電極３１０及び３２０が大きい場合、送信機電極３１０と３２０との間に寄生容量Ｃｐ３３０が発生する。送信機電極３１０及び３２０は、送信機モジュール３０１の一部である。この寄生容量Ｃｐ３３０は、容量性電力伝送システムのパフォーマンスに影響する。寄生容量Ｃｐ３３０を補償するために、送信機電極３１０及び３２０と並列にインダクタＬｃ３４０が接続される。インダクタＬｃ３４０の値は、インダクタＬｃ３４０が、電力生成器３５０の動作周波数で共振する寄生容量Ｃｐ３３０と並列共振回路を構成するよう選択される。結果として、インダクタ３４０を流れる電流は寄生容量Ｃｐ３３０の容量性電流を打消し（相殺又は補償し）、送信機モジュール外で容量性電流が無視できるようにする。
【００２５】
一実施形態によれば、各送信機モジュール３０１は、例えば２つの電極３１０及び３２０、並びに補償インダクタ３４０を含み、これにより、補償された送信機モジュール３０１は、生成器３５０上に追加の負荷を引き起こさない。当業者は、この実施形態が、他の構成ではこれらの種類の容量性電力伝送システム内に存在するアイドル電流を減らすことを容易に理解するであろう。他の実施形態において、補償インダクタＬｃ３４０は、特定且つ予測不能な寄生容量Ｃｐ３３０を補償するために必要な値に調節することができる、可変インダクタであり得る。
【００２６】
図４は、寄生容量補償及び負荷を有する容量性電力伝送グリッドの例示的且つ非限定的な概略図４００を示す。受信機モジュール４１０は、結合コンデンサＣ１及びＣ２によって表されるように、容量性電力伝送グリッド３００の２つの電極（図３の送信機モジュール３０１）に容量結合される。好ましくは、受信機４１０は、容量性電力伝送グリッド３００の電力生成器３５０の動作周波数で共振する結合容量Ｃ１及びＣ２とともに直列共振回路を形成する整合インダクタ（Ｌｒｅｓ）４１１を有する。上述したように、一実施形態において、補償インダクタＬｃ３４０は、電力生成器のアイドル電流を好適に減少させる。
【００２７】
容量性電力伝送システムは、（上記の送信機電極間の寄生容量とは対照的に）送信機電極からグランドへの寄生容量のために、送信機電極の交流電流（ＡＣ）電位とグランドとの間に誘導されるコモンモード（ＣＭ）電流に由来する不利な効果も被る。下記は送信機電極からグランドへの寄生容量を詳細に説明するが、下記は受信機電極からグランドへの寄生容量にも適用できる。
【００２８】
図５は、ＣＭ電流経路を除去するよう設計された電流補償回路５６０を有する容量性電力伝送システム５００の例示的且つ非限定的な図を示す。また、図５は、送信機電極からグランドへの寄生容量５４２及び５４４を物理的な視点から描く。
【００２９】
電源５１０は電流補償回路５６０に接続され、両者は協力して送信機電極５７２及び５７４に反対方向の交流電圧信号を供給する。受信機電極５７６及び５７８のペアは負荷５７９に接続される。上記のように、負荷５７９は、容量カップリングによって送信機電極５７２及び５７４によって給電される。したがって、送信機電極５７２、５７４と受信機電極５７６、５７８との間には、コンデンサのペア（図５には図示なし）が形成される。
【００３０】
各送信機電極５７２、５７４とグランド５５０との間には、寄生容量５４２及び５４４が存在する。このような寄生容量は、間に誘電性材料を有する２つの有効導電性プレートの間に寄生容量を形成するコンクリート壁若しくは天井内の鉄材、又は導電性床等から生じ得る。
【００３１】
通常、誘電体からグランドへの距離及び特性は予測することができず、よって容量性値も同様である。さらに、寄生容量は送信機電極ごとに異なり得る、すなわち、例えば１つの送信機電極が壁内の補強鉄棒の真上に配置され、他の送信機電極がそうでない場合である。また、送信機電極の形状は異なる可能性があり、これによっても非対称な寄生容量が生じ得る。
【００３２】
グランド５５０に対する交流電圧が送信機電極５７２及び５７４に印加された場合、図５でＩｐ１及びＩｐ２によって示されるように、寄生コンデンサ５４２及び５４４に電流が流れる。これらの電流は、グランド５５０に沿って流れ、例えば電源５１０のコンセントプラグ５１１を通ってコモンモード（ＣＭ）電流（ＩＣＭ）として戻り、グランド５５０に戻る。非限定的な例として、コンセントプラグ５１１は、電源５１０への壁コンセントへのプラグであり得る。しかし、特に接続ケーブル内の電流が望まれない場合、ＣＭ電流は機能不全の原因となる可能性があり、そのため電波障害（ＥＭＩ）規格に従って制限されなければならない。通常、ＣＭ電流の経路をブロックするためには大きなインダクタを有する嵩高且つ高価なＣＭフィルタが用いられる。しかし、フィルタ部品を整合させることは難しく、結果として得られるフィルタはサイズが大きく、損失を生じやすく、そして高価である。
【００３３】
本明細書が開示する多様な実施形態によれば、ＣＭ電流は減少され、上記のように電流補償回路５６０によって実質的にオフセットされる。ＣＭ電流は最小値、すなわち、それ以上ＣＭ電流を減らすことができない、又は無視できる値にオフセットされる。電流補償回路５６０は、送信機電極５７２及び５７４に接続される２つの端子（５６４及び５６３）を含む。ＣＭ電流を最小化するため、正電極（例えば電極５７２）及び負電極（例えば電極５７４）のＣＭ電流が実質的に互いに相殺し合うように、すなわち、両電極を流れるコモンモード電流が最小になるように、又は無視できるように、電極５７２及び５７４はグランドに対して非対称な電圧によって駆動される。このために、一方の端子（５６４）のアース電位に対するＡＣ電圧が減少される。これにより、関連する寄生電流ＩＰ１も減少する。端子（５６３）における反対の電圧は、寄生電流ＩＰ２がＩＰ１と同じ振幅を有するよう増加され、両電流は互いに相殺し合う。コモンモード電流ＩＣＭは、両寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２の和である。どちらの動作モードにおいても両電極５６３と５６４との間の電圧差は同じであり、よって受信機電極に伝送される電力は、コモンモード電流のバランシングによって影響されないことに留意されたい。
【００３４】
図１２Ａは、コモンモード電流相殺のための動作を示す。図１２Ａに示す例において、電源は正弦波電圧信号を生成する。図１２Ａに示す信号は以下の通りである。
ＵＳ１は、第１生成器端子５６４とグランド５５０との間の電圧信号を表す。この電圧信号の振幅（ピークトゥピーク）は、第１寄生電流ＩＰ１の振幅を決定する。ＤＣオフセットは、寄生コンデンサによって打ち消される。
ＵＳ２は、第２生成器端子５６３とグランド５５０との間の電圧信号を表す。この電圧信号の振幅（ピークトゥピーク）は、第２寄生電流ＩＰ２の振幅を決定する。ＤＣオフセットは、寄生コンデンサによって打ち消される。
ＩＰ１は、第１電極５７２からグランド５５０に対して形成されたコンデンサＣＰ１（５４２）を流れる寄生電流を表す。コンデンサＣＰ１（５４２）のため、電圧ＵＳ１に対して位相シフトが存在する。
ＩＰ２は、第２電極５７４からグランド５５０に対して形成されたコンデンサＣＰ２（５４４）を流れる寄生電流を表す。
ＩＣＭは、両寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２の和を表し、これは補償されるべきコモンモード電流である。
Ｕｅｌは、第１端子５６４と第２端子５６３との間の電圧を表す。これは、電圧ＵＳ１と電圧ＵＳ２との差である。Ｕｅｌの振幅は、容量性電力伝送システム内で伝送され得る電力量を決定する。
Ｉｅｌは、送信機電極（５７２、５７４）及び受信機電極（５７６、５７８）を流れる電流を表す。Ｉｅｌ電流は、電圧Ｕｅｌ及び負荷５７９抵抗に依存する。
実線は、最先端技術に係る回路（すなわち、補償回路５６０の効果を除く）の動作を表す。一例として、この動作モードでは電極の非対称性のために寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２は異なると仮定する。点線は、本明細書が開示する教示に係る動作を表す。一方の端子のアース電位に対するＡＣ電圧（ＵＳ１）は減少される。また、これにより関連する寄生電流ＩＰ１も減少する。寄生電流ＩＰ２がＩＰ１と同じ振幅を有するように反対の電圧ＵＳ２が増加され、両電流は互いに相殺し合う。信号Ｕｅｌを表すグラフが示すように、両端子（５６３、５６４）間の電圧差は、どちらの動作モードにおいても同じままである。したがって、電力伝送は、コモンモード電流のバランシングによって影響されない。
【００３５】
一実施形態において、電流補償回路５６０は、整流器５６１（図１１に詳細を示す）、及び４つのスイッチからなるスイッチングブリッジ５６２を含む。電流補償回路５６０により、送信機電極５７２、５７４はグランドに対して対称な電圧によって駆動される。
【００３６】
電流補償回路５６０の動作を図６を参照して説明する。図６において、スイッチングブリッジ５６２はスイッチ５３２、５３４、５３６、及び５３８として示される。説明を容易にするため、図５及び６では同じ参照番号が用いられる。
【００３７】
電源５１０は、電源を駆動する電力を供給するために、典型的には電力グリッド、例えば限定的ではないが、主電源グリッドに接続される。電源５１０は、Ｐによって表される位相リード、及びＮによって表される中性リードを有する。通常、Ｎリードは保護接地（ＰＥ）にも接続される。整流器５６１を介して、電流補償回路のアース電位はＮリード及びＰＥに接続される。
【００３８】
図１１にさらに詳しく示されるように、整流器５６１は、ダイオード１１１１、１１１２、１１１３、及び１１１４、並びに出力に接続されたコンデンサ１１１５を含む。コンデンサ１１１５は、低周波数ではリードＰ及びＮが電力信号周波数では自由に交替できるよう動作し、高周波数では、コンデンサ１１１５は短絡（ショート）として動作する。高周波数は、典型的には電源信号の周波数である。
【００３９】
図６を再び参照し、スイッチングブリッジを介して、送信機電極のアース電位（図６ではＧＮＤ）はＮリード及びＰＥに接続される。したがって、グランド５５０は、送信機グランドＧＮＤと同じ電気ポテンシャルである。上記のように、ＧＮＤに対する交流電圧が送信機電極５７２、５７４に印加される場合、電流（Ｉｐ１及びＩｐ２）が寄生容量（図５ではコンデンサ５４２及び５４４）中を流れる。これらの電流はグランドに沿って流れ、例えば、図５に示すコンセントプラグ５１１を通ってコモンモード（ＣＭ）電流として戻り、送信機回路のＧＮＤに戻る。
【００４０】
電流補償回路５６０を使用することにより、送信機グランドＧＮＤは、電圧信号の正の半周期の間、Ｎリードに直接接続される（例えば整流器５６１を介して）。この場合、整流器５６１のＤＣ供給整流電圧（Ｖｄｃ）は、電源のＰリードに接続される。電圧信号の負の半周期の間、これは逆になり、送信機グランドＧＮＤはＰリードに接続され、ＶｄｃはＮリードに接続される。送信機グランドＧＮＤ及びＶｄｃは整流器のコンデンサ（例えば、図１１に示すコンデンサ１１１５）によって接続される。高周波数（例えば、電力生成器の周波数）において、Ｖｄｃ及びＧＮＤは結合されるよう（一方、低周波数及びＤＣの場合は結合されない）、このコンデンサは実際上は短絡として考えられる。Ｖｄｃ及びＧＮＤのいずれかがダイオードによってＮリードに直接接続されるため、高周波数の場合、両方が常にＮに接続される（ただし高周波数の場合のみ）。
【００４１】
整流器５６１は、力率補正回路（図示なし）を含み得ることに留意されたい。当業者は、整流器５６１が単なる例示的実施形態において用いられ、本発明の範囲から逸脱することなく、ＤＣ及びＡＣ、他の整流器を用い得ることに容易に気付くであろう。このような整流器は、全て共通して、電源を介して電力生成器に戻る経路を見つけ得るコモンモード電流を有する。したがって、本明細書が開示する実施形態は、このコモンモード電流問題に対する解決策を提供する。
【００４２】
他の実施形態において、電流補償回路５６０は、整流器５６１を有さなくともよい。このような実施形態は、例えばＤＣグリッドからのＤＣ電圧が回路５６０に供給され得る場合に用いることができる。ＤＣ電圧が供給されたとしても、ＣＭ電流が存在することに留意されたい。
【００４３】
上記のように、電流補償回路は、電極がグランドに対して対称な電圧によって駆動される、ＣＭ電流を減少させるための解決策を提供する。正及び負電極が等しい場合、電極のグランドに対する寄生容量もまた同等である。この場合、正電極及び負電極の寄生容量を流れる誘導ＣＭ電流は、振幅は等しいが位相は反対である。したがって、両電流は互いに相殺し、合計ＣＭ電流はゼロである。
【００４４】
対称駆動は、図６に示すようにスイッチ５３２、５３４、５３６及び５３８から構成されるスイッチングブリッジ５６２によって達成される。一実施形態において、スイッチングブリッジ５６２は、スイッチのペアを２つ含むフルブリッジとして構成され得る。例えば、第１スイッチペアはスイッチ５３２及び５３８を含み、第２スイッチペアは、スイッチ５３４及び５３６を含み得る。一実施形態において、各スイッチペアは、他方のスイッチペアによって制御され得る。２つのスイッチペアは、図７に例示的且つ非限定的に示すように（実線７１０及び７２０は図６に示すＵＳ１及びＵＳ２に対応する）、両者の出力電圧が互いに反対の位相になるように駆動される。
【００４５】
スイッチ５３２及び５３８を含む第１スイッチペアの出力は正の送信機電極に接続され、スイッチ５３４及び５３６を含む第２スイッチペアの他方の出力は、負の送信機電極に接続される。
【００４６】
ほとんどの実際のケースにおいて、正及び負の送信機電極の近くの寄生容量（例えば、電極５７２及び５７４が機械的に接続される壁）はわずかに異なる。したがって、スイッチペアの出力電圧がちょうど反対の場合、寄生コンデンサ５４２及び５４４を流れる電流は期待通りに互いに相殺し合わず、残留ＣＭ電流が流れ得る。このような寄生容量の非対称を考慮するためには、電流補償（相殺）回路のスイッチングブリッジは、対称ではなく非対称に動作される。
【００４７】
一実施形態において、スイッチペアの非対称動作は２つのスイッチペアのデューティサイクルを異ならせることによって達成される。これは、例示的且つ非限定的な図７において、７１０のデューティサイクルよりデューティサイクルがわずかに大きい点線出力７３０（対称動作では７２０のデューティサイクルに等しい）として示されている。出力電圧のデューティサイクルは、グランドに対するスイッチペア電圧への基本周波数寄与の振幅に影響を与える。デューティサイクルを異ならせることにより、基本周波数振幅を、寄生コンデンサを流れる電流が等しくなり、相殺し合うよう、調節することができる。
【００４８】
正の寄生電流と負の寄生電流との間の位相シフトを避けるために、第１スイッチペアのパルス及び第２スイッチペアのパルスは時間軸において対称に現れる。第１スイッチペアの正パルスの中心は、第２スイッチペアの負パルス（図示なし）の中心と正確に一致する。フルブリッジのデューティサイクルのための共通制御方法は、５０％のデューティサイクルで動作する２つのスイッチペアの間の位相シフト制御であり、各スイッチペアのデューティサイクル制御が行われる。
【００４９】
他の実施形態において、２つのスイッチペアのうちの１つ（又は両方）への供給電圧は、スイッチペアの電圧振幅が供給電圧を変更することによって調節されるよう、変更される。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いることによって行われる。結果として、両スイッチペアのデューティサイクルは、ＣＭ電流の高調波寄与も相殺するよう、ちょうど等しく維持することができる（しかし反対向き）。
【００５０】
図１２Ｂ及び図１２Ｃは、フルブリッジ構成の４つのスイッチからなるスイッチングブリッジ５６２を含む電流相殺回路５６０の動作を示す。図１２Ｂは、信号ＵＳ１、ＵＳ２、ＩＰ１、ＩＰ２、ＩＣＭ、Ｕｅｌ、Ｉｅｌの状態を表し、これらの信号はそれぞれ図１２Ａに関連して説明された。また、図１２ＢはスイッチＳ１ａ（５３４）、Ｓ１ｂ（５３２）、Ｓ２ａ（５３８）、及びＳ２ｂ（５３６）の状態を示し、高信号は閉スイッチを示す。
【００５１】
上記したように、端子（５６４）、（５６３）における電圧信号ＵＳ１、ＵＳ２はパルス状の形状を有する。寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２は、正弦波であり、コモンモード電流ＩＣＭの最も活発な部分を構成する、自身の基本周波数のみによって表される。
【００５２】
実線は、ＣＭ電流相殺を行わない、フルブリッジの「通常」動作を表す。点線は、本明細書が開示する実施形態に係るコモンモード電流相殺を表す。ＩＣＭは、電源の振幅を変更することによって減少されて最小になり、これはＵＳ１及びＵＳ２のパルスの振幅に関係する。結果として、寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２の振幅が相殺し合うように変更される。グラフＩｅｌが示すように、負荷を流れる電流Ｉｅｌは寄生電流の振幅の変化によって影響されない。また、電流Ｉｅｌは自身の基本周波数によっても表されることに留意されたい。これは、受信機が電力信号の動作周波数に合わせられた共振回路であるため有効である。
【００５３】
図１２Ｃは、コモンモード電流が信号ＵＳ１及びＵＳ２のパルス幅を変更することによって減少される、フルブリッジ構成の４つのスイッチからなるスイッチングブリッジ５６２を含む電流相殺回路５６０の一実施形態を示す。図１２Ｃが示す信号の説明は、図１２Ｂに関連して説明されたものと同様である。
【００５４】
実線は、電流相殺を行わない、フルブリッジの「通常」動作を表す。点線は、本明細書が開示する実施形態に係るコモンモード電流相殺を表す。ＩＣＭは、電源信号の幅（したがってデューティサイクル）を変調させることによって減少されて最小化し、これはＵＳ１及びＵＳ２のパルスの振幅に関係する。結果として、寄生電流ＩＰ１及びＩＰ２の振幅が相殺し合うよう変更される。特に、幅広いパルスは関係する寄生電流の基本周波数の振幅を増加させる。したがって、パルス幅を変更することによって、コモンモード電流が相殺されるまで寄生電流を調節できる。
【００５５】
以下に容量性電力伝送グリッドのいくつかの例示的且つ非限定的な実施形態を示す。図８は、垂直な導電性ストライプによって覆われた背面と、導電性ストライプへの細かな電気接続を有する底面部とを有する例示的且つ非限定的な壁装材を示す。壁装材の非限定的な例として、垂直導電性ストライプ８２０によって覆われた背面を有する壁紙８１０を示す。導電性ストライプ８２０は、絶縁層を形成する壁紙材料８１０の背面に配置される。壁紙８１０が表面（図示なし）、例えば壁に配置された場合、導電性ストライプ８２０は表面と壁紙８１０との間にある。壁紙材料８１０は、事実上、上記にて図１を参照して詳細に説明された絶縁層１３０であり、導電性ストライプ８２０は送信機電極１２２及び１２４を形成する。
【００５６】
導電性ストライプ８２０は、例えば導電性インク、導電性塗装材等によって形成される。ストライプは通常の壁紙の背面に印刷又は付加されてもよいし、壁紙８１０の外表面の内側に存在してもよい。ドライバ１１０（図１）への接続は、導電性ストライプ８２０の接続を交互に配置することによって設けられる。すなわち、第１導電性ストライプ８２０は電極１２１（図１）と同様に接続され、よって接続ベースボード８３０の供給ライン８３４に接続され、一方、隣接する導電性ストライプ８２０は電極１２２（図１）と同様に接続され、よって導電性接続８３０の供給ライン８３２に接続され、この配置が接続間ごとに交互に繰り返される。接続８３２及び８３４は、例えば、壁紙８１０とともに動作できるように設計され、ドライバ１１０（図１）の出力を受け入れる接続ベースボード８３０の一部である。
【００５７】
図９は、容量性電力システムの例示的且つ非限定的な伝送グリッドを示す。インフラストラクチャは、水平な導電性ストライプ及び垂直な接続線によって覆われた背面を有する壁装材として設計されている。図９において、壁装材の非限定的な例として壁紙９００Ａ及び９００Ｂが描かれている。２枚の壁紙９００Ａ及び９００Ｂが隣り合わせに示されている。電極９１０及び９２０は、水平方向において互いに反対向きに方向づけられた垂直接続線によって始まり、互いに交互に配置されて、容量性電力送電のための水平ベース壁紙解決策を可能にする所望のパターンを構成する。図８及び図９に示す構造は、オーダーメイドであり得る壁紙を許容し、壁紙の頂部又は底部から接続され、及びオプションで隣接する壁紙シートの隣接する導電性ストライプ間の接続を共有できるよう設計される。さらに、製造された壁紙は所望の長さの壁紙ロールに巻かれてもよい。
【００５８】
壁紙をクランプすることによって、又は紙層を通過するようにピンを突出させることにより、電力を導電性ストライプに直接供給してもよい。ただし、容量的な方法で電力を導電性ストライプに結合することも可能である。これを達成するためには、送信機電極は壁紙上に配置される。電力を壁紙の送信機電極に注入するための送電原理は、例えば、電力が壁紙電極から電力受信機へと送られる方法と同じ原理であり得る。この構成の利点は、壁紙への電力注入の位置が自由に選択でき、カバー層にはダメージが与えられないことである。
【００５９】
図１０は、統合された接続及びコネクタを有する複数のセグメントの電気接続の例示的且つ非限定的な実施形態１０００を示す。複数のセグメント１０５０Ａ、１０５０Ｂ、及び１０５０Ｃは、点１０４０でクロスオーバーするが、交差点１０４０で電気接続を有しない統合された接続線１０２０及び１０３０を有する。接続線１０２０及び１０３０は、セグメントへの電源接続性を提供する。ワイヤー１０２０は、セグメント１０５０Ａに電気的に接続されている。２つのセグメントが互いに隣接して設置されている場合、対応するセグメントは異なる電気接続線に接続されている。
【００６０】
例えば、図１０において、１０１０Ｂの中央のセグメント１０５０Ｂは、セグメント１０５０Ａ及び１０５０Ｃとは異なる接続線に接続されている（すなわち、接続線１０３０及び接続線１０２０）。結果として、セグメントは極性が交替し、図１に関連してより詳細に上記で説明したように異なる電極を提供する。したがって、例えば、セグメント１０５０Ａは図１に示す電極１２１として動作し、セグメント１０５０Ｂは図１に示す電極１２２として動作することを理解されたい。
【００６１】
本発明は、いくつかの実施形態と関連して、相当詳しくいくつかの具体性をもって説明されてきたが、本発明がそのような具体性、実施形態、又は具体的な実施形態に限定されることを意図しない。本発明は、従来技術と照らして特許請求の範囲を可能な限り広く解釈できるよう、したがって、意図された発明の範囲を有効に包囲するよう、特許請求の範囲を参照して理解されるべきである。また、上記は発明者が予見した実施可能な実施形態と関連して本発明を説明するが、現在は予見されない、本発明の実体のない変形例も均等物を表し得る。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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