(57)【要約】  非接触電源が提供される。非接触電源は、略その間に協働磁束の領域を生成する複数の一次コイルを含む。非接触電源から無線電力を受け取るように、二次コイルを有する携帯型装置をこの磁束の領域の近傍に位置決めすることができる。離隔した一次コイルは、共通軸の周りにおいて交互に変化する方向に巻回すると共に同相状態において駆動することも可能であり、或いは、共通軸の周りにおいて単一の方向に巻回すると共に略１８０度だけ位相がずれた状態において駆動することもできる。非接触電源は、それぞれが異なる２次構成及び電力消費ニーズを有する複数の携帯型装置に対応するべく、調節可能なアレイの形態における複数の一次コイルを含むことができる。
2014512163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのリモート装置に電力を供給する非接触電源であって、
第１時変電流によって駆動された際に電磁束を供給するための第１誘導一次巻線であって、第１中心線軸を規定する第１誘導一次巻線と、
第２時変電流によって駆動された際に電磁束を供給するための第２誘導一次巻線であって、第２中心線軸を規定する第２誘導一次巻線と
該少なくとも１つのリモート装置をその上部に受け入れるための電力転送表面であって、該第１及び第２誘導一次巻線は、該電力転送表面の下方に位置し、且つ、該中心線軸は、該電力転送表面に対して略平行であり、該第１及び第２誘導一次巻線は、略該第１及び第２誘導一次巻線の間の該電力転送表面の領域内に累積磁束を規定するように動作可能である、電力転送表面と、
を有する非接触電源。
【請求項２】
該第１誘導一次巻線は、第１方向を中心として巻回され、且つ、第２誘導一次巻線は、該第１方向とは異なる第２方向を中心として巻回されている、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項３】
該第１及び第２誘導一次巻線は、直列に電気的に結合され、これにより、該第１及び第２時変電流は等しい、請求項２に記載の非接触電源。
【請求項４】
該第１時変電流を生成するべく該第１誘導一次巻線に電気的に結合された第１ドライバと、
該第２時変電流を生成するべく該第２誘導一次巻線に電気的に結合された第２ドライバであって、該第１及び第２時変電流は、実質的に位相がずれている、第２ドライバと、
を更に含む、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項５】
強磁性コア要素を更に含み、該第１及び第２誘導一次巻線は、該強磁性コア要素の周りにおいて巻回される、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項６】
該電力転送表面の反対側に反磁性要素を更に含み、該第１及び第２誘導一次巻線が、その間に位置決めされている、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項７】
第１及び第２チャネルを含むボビンを更に含み、該第１及び第２誘導一次巻線は、それぞれ、該第１及び第２チャネル内において該ボビンの周りに巻回される、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項８】
該ボビンは、実質的に平らである、請求項７に記載の非接触電源。
【請求項９】
該第１及び第２誘導一次巻線に直交している第３及び第４同軸誘導一次巻線を更に含む、請求項１に記載の非接触電源。
【請求項１０】
該少なくとも１つのリモート装置は、該電力転送表面上の複数の場所に沿って位置決め可能であり、且つ、
該少なくとも１つのリモート装置は、該第１及び第２誘導一次巻線に略直交した誘導２次巻線を含む、
請求項１に記載の非接触電源。
【請求項１１】
リモート装置に無線電力を供給する方法であって、
第１軸の周りにおいて巻回された第１の複数の誘導一次巻線を含む非接触電源を提供するステップと、
個別の時変電流によって該第１の複数の誘導一次巻線のうちの第１及び第２誘導一次巻線を駆動し、略該第１及び第２誘導一次巻線の間の領域内において第１累積磁束を該リモート装置に供給するステップと、
を有する方法。
【請求項１２】
該第１及び第２誘導一次巻線内の電流又は電圧を計測するステップと、
該第１及び第２誘導一次巻線を該第１及び第２誘導一次巻線のそれぞれ内の該電流又は電圧が実質的に等しい均衡状態に駆動するステップと、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
該均衡状態に駆動するステップは、該第１及び第２誘導一次巻線のうちのいずれか内の該時変電流の振幅、デューティサイクル、及び周波数のうちの１つを変化させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
該第１及び第２誘導一次巻線内の電流又は電圧を計測するステップと、
該第１及び第２誘導一次巻線を該第１及び第２誘導一次巻線のそれぞれ内の該電流又は電圧が実質的に異なっている不均衡状態に駆動するステップと、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
該不均衡状態に駆動するステップは、該第１及び第２誘導一次巻線のうちのいずれか内の該時変電流の振幅、デューティサイクル、及び周波数のうちの１つを変化させるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
該駆動ステップは、
第１時変電流によって該第１誘導一次巻線を駆動するステップと、
第２時変電流によって該第２誘導一次巻線を駆動するステップと、
該第１及び第２時変電流のうちの少なくともいずれか内の位相を変化させて該リモート装置に供給される該第１累積磁束を制御するステップと、
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
該第１及び第２誘導一次巻線は、該第１軸の周りにおいて同一方向に巻回され、且つ、
該個々の時変電流は、実質的に位相がずれている、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
該第１誘導一次巻線は、該第１軸の周りにおいて第１方向に巻回され、且つ、該第２誘導一次巻線は、該第１軸の周りにおいて第２方向に巻回される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
該第１軸に略垂直の第２軸の周りにおいて巻回された第２の複数の誘導一次巻線を提供するステップと、
個別の時変電流によって該第２の複数の誘導一次巻線のうちの第１及び第２誘導一次巻線を駆動し、該リモート装置によって略占有されている領域内に第２累積磁束を生成するステップと、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
該リモート装置をその上部に受け入れるための電力転送表面を提供するステップを更に含み、該第１及び第２の複数の誘導一次巻線は、該電力転送表面の略下方に位置する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
該個別の時変電流は、第１振幅と、該第１振幅とは異なる第２振幅と、を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
非接触電源を製造する方法であって、
第１及び第２端部部分を有する導電体を提供するステップと、
該導電体を第１方向に巻回して第１誘導一次巻線を形成するステップと、
該導電体を該第１方向とは異なる第２方向に巻回して第２誘導一次巻線を形成するステップであって、該第１及び第２誘導一次巻線は、離隔しており、且つ、実質的に同軸である、ステップと、
該第１及び第２導電体の端部部分を時変電流によって該導電体を駆動するように動作可能である電源に対して電気的に接続するステップと、
を有する方法。
【請求項２３】
該第１及び第２誘導一次巻線は、それぞれ、実質的に同一のインピーダンスを規定する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
該導電体は、第１導電体であり、且つ、
該方法は、
第２導電体を第１方向に巻回して第３誘導一次巻線を形成するステップと、
該第２導電体を第２方向に巻回して第４誘導一次巻線を形成するステップと、
を更に有し、
該第３及び第４誘導一次巻線は、互いに離隔しており、且つ、該第１及び第２誘導一次巻線に対して略直交しており、且つ、
該第３及び第４誘導一次巻線のそれぞれは、該第１及び第２誘導一次巻線の一部分の周囲を取り囲んでいる、
請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
該第２導電体を該電源に電気的に接続するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
非接触電源を製造する方法であって、
第１導電体を巻回して第１及び第２同軸誘導一次巻線を形成するステップと、
第１導電体を該第１及び第２誘導一次巻線の間において切断するステップと、
該第１及び第２誘導一次巻線を時変電流によって該第１及び第２誘導一次巻線を駆動するように動作可能な電源に対して電気的に接続するステップであって、該第１及び第２誘導一次巻線は、その間に累積磁束の領域を規定するように離隔している、ステップと、
を有する方法。
【請求項２７】
該第１及び第２誘導一次巻線のそれぞれは、該電源に電気的に接続された第１及び第２リード線を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
該電源は、第１及び第２ドライバを含み、
該方法は、
該第１誘導一次巻線の該第１及び第２リード線を該第１ドライバに電気的に接続するステップと、
該第２誘導一次巻線の該第１及び第２リード線を該第２ドライバに電気的に接続するステップと、
を更に有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
該電源は、ドライバを含み、
該方法は、
該第１誘導一次巻線の該第１及び第２リード線を該ドライバに電気的に接続するステップと、
該第２誘導一次巻線の該第１及び第２リード線を該ドライバに電気的に接続するステップと、
を更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
該電源は、実質的に同相状態において且つ実質的に位相がずれた状態において該第１及び第２誘導一次巻線を選択的に駆動するスイッチング回路を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
第２導電体を巻回して第３及び第４同軸誘導一次巻線を形成するステップを更に含み、該第３及び第４誘導一次巻線は、該第１及び第２誘導一次巻線の一部分の周囲を取り囲んでおり、且つ、該第１及び第２誘導一次巻線に略直交している、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
非接触電源システムであって、
誘導２次巻線を含むリモート装置と、
該リモート装置をその上部に受け入れるための電力転送表面を含み、且つ、該電力転送表面の下方に第１及び第２同軸誘導一次巻線を含み、且つ、該電力転送表面に対して略平行な中心線軸を規定している非接触電源と、
を有し、該誘導２次巻線は、該第１及び第２誘導一次巻線に直交しており、且つ、該第１及び第２誘導一次巻線は、該直交する誘導２次巻線によって略占有されている該電力転送表面の領域内に累積磁束を生成するように動作可能である、
非接触電源システム。
【請求項３３】
該第１誘導一次巻線は、第１方向を中心として巻回され、且つ、該第２誘導一次巻線は、該第１方向とは異なる第２方向を中心として巻回される、請求項３２に記載の非接触電源システム。
【請求項３４】
該第１及び第２誘導一次巻線は、直列に電気的に結合される、請求項３３に記載の非接触電源システム。
【請求項３５】
該第１時変電流を生成するべく該第１誘導一次巻線に電気的に結合された第１ドライバと、
該第２時変電流を生成するべく該第２誘導一次巻線に電気的に結合された第２ドライバであって、該第１及び第２時変電流は、実質的に位相がずれている、第２ドライバと、
を更に含む、請求項３２に記載の非接触電源システム。
【請求項３６】
強磁性コア要素を更に含み、該第１及び第２誘導一次巻線は、該強磁性コア要素の周りにおいて巻回され、且つ、該強磁性コア要素は、該累積磁束を該誘導２次巻線によって略占有されている該電力転送表面の領域に向かってガイドする、請求項３２に記載の非接触電源システム。
【請求項３７】
該誘導２次巻線によって略占有されている該電力転送表面の領域内の該累積磁束を増大させるために該第１及び第２誘導一次巻線の下方に反磁性要素を更に含む、請求項３２に記載の非接触電源システム。
【請求項３８】
該反磁性要素は、実質的に平らであり、且つ、該電力転送表面と略同一の広がりを有し、該第１及び第２誘導一次巻線は、略該反磁性要素と該電力転送表面の間に位置決めされている、請求項３７に記載の非接触電源システム。
【請求項３９】
実質的に平らなボビンを更に含み、該第１及び第２誘導一次巻線は、前記実質的に平らなボビンの周りにおいて巻回される、請求項３２に記載の非接触電源システム。
【請求項４０】
誘導２次巻線を含むリモート装置に無線電力を供給する方法であって、
第１軸の周りにおいて巻回された第１の複数の離隔した誘導一次巻線を含む第１一次コイルアレイを提供するステップと、
第１方向における電流によって該複数の誘導一次巻線のうちの第１誘導一次巻線を駆動するステップと、
第２方向における電流によって該複数の誘導一次巻線のうちの第２誘導一次巻線を駆動するステップであって、該誘導２次巻線は、該第１及び第２誘導一次巻線に対して略直交しており、且つ、該第１及び第２誘導一次巻線は、該誘導２次巻線に対して累積磁束を供給するべく、該誘導２次巻線と略接線方向においてアライメントされている、ステップと、
を有する方法。
【請求項４１】
該第１軸と略直交している第２軸の周りにおいて巻回された第２の複数の離隔した誘導一次巻線を含む第２一次コイルアレイを提供するステップと、
第１方向における電流によって該第２の複数の誘導一次巻線のうちの第１誘導一次巻線を駆動するステップと、
第２方向における電流によって該第２の複数の誘導一次巻線のうちの第２誘導一次巻線を駆動するステップであって、該第２の複数の誘導一次巻線のうちの該第１及び第２誘導一次巻線は、該誘導２次巻線に対する該累積磁束に寄与するべく、該誘導２次巻線と接線方向においてアライメントされている、ステップと、
を更に有する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
該第１及び第２誘導一次巻線近傍の該誘導２次巻線の存在を検出するべく、該第１及び第２誘導一次巻線内の電力の特性を監視するステップを更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
該電力の特性は、電流、電圧、及び位相のうちの少なくとも１つを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
該第１一次コイルアレイは、強磁性コア要素を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
該第１一次コイルアレイは、実質的に平らなボビンを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
該誘導２次巻線は、該第１の複数の誘導一次巻線に対して実質的に直交している、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
該リモート装置をその上部に着脱自在に受け入れるべく略平らな電力転送表面を提供するステップを更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
非接触電源であって、
少なくとも１つのリモート装置をその上部に受け入れるための電力転送表面と、
該電力転送表面の下方に位置し、且つ、それぞれが該電力転送表面に対して略平行な軸の周りにおいて巻回された複数の離隔した誘導一次巻線を含む第１一次コイルアレイと、
該複数の誘導一次巻線のそれぞれに電気的に接続された電源であって、該複数の誘導一次巻線のうちの第１の２つを選択的に駆動して第１累積電磁束を規定するように動作可能であり、且つ、該複数の誘導一次巻線のうちの第２の２つを選択的に駆動して第２累積電磁束を規定するように動作可能である、電源と、
を有する非接触電源。
【請求項４９】
該電源は、該複数の誘導一次巻線のうちの該第１の２つを実質的に位相がずれた状態において駆動するように動作可能であり、
該電源は、該複数の誘導一次巻線のうちの該第２の２つを実質的に位相がずれた状態において駆動するように動作可能である、
請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５０】
該複数の誘導一次巻線のうちの該第１の２つは、第１距離だけ、分離されており、且つ、
該複数の誘導一次巻線のうちの該第２の２つは、該第１距離とは異なる第２距離だけ、分離されている、
請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５１】
該電源は、該第１一次コイルアレイ近傍のリモート装置の存在を検出するべく該複数の誘導一次巻線内の電力の特性を監視するように動作可能である、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５２】
それぞれが該第１一次コイルアレイに略直交している軸の周りにおいて巻回された複数の離隔した誘導一次巻線を含む該電力転送表面下方の第２一次コイルアレイを更に含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５３】
該電源は、該複数の誘導一次巻線のうちの少なくとも２つを実質的に位相がずれた状態において同時に駆動するドライバ及びスイッチング回路を含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５４】
該電源は、該複数の誘導一次巻線のうちの少なくとも２つを実質的に位相がずれた状態において同時に駆動する第１及び第２ドライバを含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５５】
該第１一次コイルアレイは、強磁性コア要素を含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５６】
該第１一次コイルアレイは、実質的に平らなボビンを含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【請求項５７】
該リモート装置は、該電力転送表面に対して略垂直の中心線軸を規定する誘導２次巻線を含む、請求項４８に記載の非接触電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源に関し、且つ、更に詳しくは、様々な携帯型装置に電力を供給する能力を有する非接触電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触電源は、機械的な接触を伴うことなしに、電気エネルギーを１つ又は複数の携帯型装置に転送する。通常の非接触電源は、一次コイルを通じて時変電流（time-varying current）を駆動し、時変電磁界（time-varying electromagnetic field）を生成している。１つ又は複数の携帯型装置は、それぞれ、二次コイルを含むことができる。二次コイルが時変電磁界の近傍に配置された際に、時変電磁界は、二次コイル内に交流を誘導し、この結果、電力が非接触電源から携帯型装置に転送される。
【０００３】
一般に、非接触電源から携帯型装置への電力の転送を増大させるには、一次コイルと二次コイルとの間の結合係数を増大させることが望ましい。同時に、一次コイルとの関係において複数の位置及び向きにおいて電力を二次コイルに供給することも望ましいであろう。これらの目標は、多くの場合に、矛盾している。即ち、空間的自由度を極大化させれば、結合係数が、且つ、従って、電力の転送が、望ましくないレベルにまで低下する可能性があり、大きな結合係数を実現させれば、携帯型装置が非接触電源上の単一の場所に閉じ込められる可能性がある。
【０００４】
換言すれば、結合電磁界を使用した非接触電源システムが商用用途において益々一般的になっている。誘導結合コイルを通じて電力を転送するシステムの効率は、それらのコイルの中心点プレーン間における空間的な分離に反比例していることが実証されている。但し、トランスミッタ及びレシーバサブシステムのコイル間における効率的なエネルギー転送を維持した状態におけるサブシステムの配置の空間的自由度に対する大きな期待が、この技術の主要な焦点領域となっている。この課題の実現が非接触電源システムの研究の主な話題となっている。何人かの研究者による方式によれば、小さなコイルの選択的な組合せを通じた任意の位置決めという考え方が可能である。この方式は、電力を任意の大きさの領域に供給するために多数のコイル及び対応する制御電子回路を必要とする可能性がある。別の方式は、電力を任意の大きさのエリアに供給するが、非常に大きなＱ係数のインダクタを必要とする可能性がある。更には、このタイプのシステム解決策は、トランスミッタによって生成された電磁界内に位置した任意の装置に対するエネルギー転送において制御が困難である可能性がある。
【０００５】
いくつかの更なる非接触電源は、一次コイルと二次コイルとの間の許容可能な結合係数を維持しつつ、ある程度の空間的自由度を携帯型装置に提供するように試みている。例えば、１つの既知の非接触電源は、互いに平行にアライメントされた状態において垂直に方向付けされた一次コイルのアレイを含む。即ち、これらの一次コイルは、電力転送表面に対して垂直である対応した中心軸と並置された関係において方向付けされている。直交する二次コイルを、電力転送表面に対して平行な中心軸を有するアレイ内の第１及び第２一次コイルの上方において、長手方向に位置決めすることができる。第１一次コイルに対して第１極性によってエネルギー供給することが可能であり、第２一次コイルに対して第２極性によってエネルギー供給することができる。２つの一次コイルは、二次コイルによって占有されている領域内に協働磁束を生成する。携帯型装置が非接触電源に沿って運動した場合にも、１つ又は複数の異なる一次コイルに対してエネルギー供給することにより、反対極性を有する２つの下方の一次コイルを提供することができる。
【０００６】
上述のシステムの利点にも拘らず、このようなアレイは、製造に費用を所要し、且つ、アレイ内のそれぞれの一次コイルの高さに応じて断面の背が高くなる可能性がある。更には、この構成における一次コイルのアレイの巻回及び組立のプロセスは、いくつかの用途においては、許容不能なレベルの費用を所要することになる可能性がある。従って、電力を１つ又は複数の携帯型装置に供給するための改善された非接触電源に対するニーズが依然として存在している。更には、電力転送表面上における複数の位置及び向きにおいて電力を１つ又は複数の携帯型装置に供給する原価の低廉な非接触電源に対するニーズも依然として存在している。
【発明の概要】
【０００７】
協働磁束の領域をその間に生成するべく複数の同軸状態の且つ離隔した一次コイルを有する非接触電源である。この協働磁束の領域の近傍に二次コイルを有する携帯型装置を位置決めすることにより、非接触電源から無線電力を受け取ることができる。離隔した一次コイルは、例えば、共通軸の周りにおいて交互に変化する方向に巻回すると共に同相状態において駆動することが可能であり、或いは、共通軸の周りにおいて単一の方向に巻回すると共に互いに約１８０度だけ位相がずれた状態において駆動することもできる。
【０００８】
一実施形態においては、非接触電源は、単一の逆巻き導電体から巻回された第１及び第２一次コイルを含む。第１一次コイルは、第１方向において１回又は複数回の巻数だけ巻回することが可能であり、且つ、第２一次コイルは、第２方向において１回又は複数回の巻数だけ、巻回することが可能であり、それぞれのコイルは、共通軸の周りにおいて巻回される。第１及び第２一次コイルを互いに離隔させることにより、略その間に電力転送領域を規定することができる。第１及び第２コイルは、時変電流によって駆動された際に、協働し、第１及び第２コイルの間の領域内に累積磁束を供給する。
【０００９】
別の実施形態においては、非接触電源は、略その間に電力転送領域を規定するべく、共通軸の周りにおいて且つ共通方向に巻回された第１及び第２一次コイルを含む。第１及び第２一次コイルは、それぞれ、電源に対して電気的に接続することができる。電源は、第１及び第２一次コイルを互いに略１８０度だけ位相がずれた状態において駆動し、略第１及び第２一次コイルの間の領域内に協働磁束を供給することができる。例えば、第１及び第２一次コイルは、同一のドライバに対して、但し、反対の極性を伴って、接続してもよく、或いは、別個のドライバに対して接続してもよい。
【００１０】
更に別の実施形態においては、非接触電源は、第１の複数の互いに離隔した一次コイルを支持する略平らなボビンを含む。第１の複数の一次コイルのうちの少なくとも２つを互いに略１８０度だけ位相がずれた状態において選択的に駆動し、略一次コイルの間の領域内に累積磁束を供給することができる。又、平らなボビンは、第１の複数の一次コイルに対して略垂直である第２の複数の一次コイルを支持することもできる。必要に応じて、第２の複数の一次コイルのうちの少なくとも２つを互いに略１８０度だけ位相がずれた状態において選択的に駆動し、第１の複数の一次コイルによって供給される磁束と任意選択によって協働する累積磁束の領域をその間に供給することができる。
【００１１】
更に別の実施形態においては、非接触電源を形成する方法が提供される。この方法は、１回又は複数回だけ第１方向において導電性要素を巻回して第１一次コイルを提供するステップと、１回又は複数回にわたって第２方向において導電性要素を巻回して第２一次コイルを提供するステップと、導電性要素の第１及び第２端部部分を電源に対して電気的に接続するステップと、を含む。電源は、時変電流によって導電性要素を駆動し、略逆巻き一次コイルの間の領域内に磁束を生成することができる。
【００１２】
別の実施形態においては、非接触電源を形成する方法が提供される。この方法は、第１及び第２端部部分を有する導電性要素を複数回にわたって巻回するステップと、隣接する巻回の間において導電性要素を切断し、２つの別個の一次コイルを提供するステップと、これらの別個の一次コイルを、１つの電源に対して、但し、反対極性を伴って、接続するか、或いは、互いに１８０度だけ位相がずれた状態において動作する別個の電源に対して接続するステップと、を含む。１つ又は複数の電源は、隣接する一次コイルを通じて反対方向において時変電流を生成し、略それらのコイルの間に協働磁束の領域を生成することができる。
【００１３】
別の実施形態においては、おもちゃ車両用のトラックセグメントが提供される。トラックセグメントは、トラック表面に隣接して配設された第１及び第２離隔一次コイルを含む。第１及び第２一次コイルを反対方向において駆動し、略その間に協働磁束の領域を供給することができる。おもちゃ車両は、第１及び第２一次コイルとの関係において直交している二次コイルを含むことができる。二次コイルは、電力をエネルギー保存装置に供給することが可能であり、この結果、エネルギー保存装置は、電力を内部モータに供給することができる。トラックセグメントを一次コイルと対応した状態においてループさせることにより、トラック上におけるその位置とは無関係に、おもちゃ車両に対して継続的な電力を供給することができる。
【００１４】
更に別の実施形態においては、非接触電源は、複数の一次コイルに対して選択的にエネルギー供給して携帯型装置によって占有されている領域内に磁束を供給するように適合された駆動回路を含む。駆動回路は、エネルギー供給されている一次コイルの間における不均衡な電流状態を検出し、且つ、次いで、エネルギー供給されている一次コイルを実質的に類似した電流値によって駆動するように、更に適合されている。駆動回路は、任意選択により、レール電圧、位相ラグ、デューティサイクル、駆動周波数、及び／又はエネルギー供給されている一次コイルの間のインピーダンスを調節し、エネルギー供給されている一次コイルの間に実質的に類似した電流値を実現することができる。
【００１５】
更に別の実施形態においては、駆動回路は、第１調節可能レール電圧ドライバと、第２調節可能レール電圧ドライバと、を含む。第１ドライバは、時変駆動電流によって第１一次コイルにエネルギー供給することが可能であり、且つ、第２ドライバは、実質的に同一の時変駆動電流によって第２一次コイルにエネルギー供給することができる。駆動回路は、エネルギー供給されている一次コイルの間における電流値の逸脱を検出するべく、第１及び第２電流センサを更に含むことができる。駆動回路は、第１及び第２ドライバのうちのいずれかの出力を比例方式によって増減することにより、検出された電流値の逸脱を補償することができる。
【００１６】
従って、本発明の実施形態は、携帯型装置に電力を供給するための改善された非接触電源を提供する。非接触電源は、一次コイルの間の領域内に累積磁束を生成することにより、携帯型装置に対する改善された電力転送を提供する。又、非接触電源は、空間的な自由度を提供すると共に異なる二次構成を有する携帯型装置に対応するべく、調節可能なアレイを提供することができる。更には、本発明の実施形態は、既存の方法と比べた際に、少ない費用で製造することができる。又、本発明の実施形態は、必要に応じて、電力転送のニーズに応じてサイズ設定することが可能であり、且つ、印刷回路基板及びその他の装置と共に使用されるように、モジュラ型の一次コイルアレイを含むこともできる。
【００１７】
本発明のこれらの及びその他の利点及び特徴については、現時点における実施形態及び図面に関する説明を参照することにより、更に十分に理解すると共に認識することができよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】非接触電源の斜視図である。
【図２】位相がずれた状態において駆動される第１及び第２一次コイルの図である。
【図３Ａ】位相がずれた状態において駆動される第１及び第２一次コイルの図である。
【図３Ｂ】位相がずれた状態において駆動される第１及び第２一次コイルの図である。
【図３Ｃ】位相がずれた状態において駆動される第１及び第２一次コイルの図である。
【図３Ｄ】位相がずれた状態において駆動される第１及び第２一次コイルの図である。
【図４】同相状態において駆動される第１及び第２逆巻き一次コイルの図である。
【図５Ａ】位相がずれた状態において駆動される２つの一次コイル及び同相状態において駆動される１つの逆巻き一次コイルの回路図である。
【図５Ｂ】２つの一次コイル用の単一のインバータを含む回路図である。
【図５Ｃ】２つの一次コイル用の単一のインバータを含む回路図である。
【図６】直交している二次コイル内に電流を集合的に又は個別的に誘導するための複数の一次コイルの図である。
【図７】一次コイルアレイの概略図である。
【図８】直交している一次コイルを有する一次コイルアレイの概略図である。
【図９】図８の一次コイルアレイの概略図である。
【図１０】二次コイルを見出す第１方法を示す一次コイルアレイの概略図である。
【図１１】二次コイルを見出す第２方法を示す一次コイルアレイの概略図である。
【図１２】二次コイルを見出す第３方法を示す一次コイルアレイの概略図である。
【図１３Ａ】磁気コア材料を含む一次コイルアレイの図である。
【図１３Ｂ】磁気コア材料を含む一次コイルアレイの図である。
【図１４】印刷回路基板用のモジュラ型の一次コイルアレイの図である。
【図１５Ａ】反磁性材料を含む一次コイルアレイの図である。
【図１５Ｂ】反磁性材料を含む一次コイルアレイの図である。
【図１６】一次コイルアレイ用のボビンの斜視図である。
【図１７】２コイル一次コイルアレイの斜視図である。
【図１８】図１７の２コイル一次コイルアレイの斜視図である。
【図１９】反磁性層を含む図１７の２コイル一次コイルアレイの斜視図である。
【図２０】３コイル一次コイルアレイの斜視図である。
【図２１】４コイル多軸一次コイルアレイの斜視図である。
【図２２】６コイル多軸一次コイルアレイの斜視図である。
【図２３】複数の一次コイルアレイを含む印刷回路基板の斜視図である。
【図２４】二次コイルと一次コイルアレイの間の結合係数ｋを示す三次元プロットである。
【図２５】エネルギー供給されている一次コイルの間における不均衡な電流状態を補正するように適合された非接触電源を示す回路図である。
【図２６】調節可能なレール電圧、位相、及びデューティサイクルを示す図２５の回路図である。
【図２７】不均衡な電流状態を検出するためのアナログ回路を含む非接触電源を示す回路図である。
【図２８】共通ノードに跨って接続された一次コイルを含む非接触電源の回路図である。
【図２９】単一の調節可能なレール電圧と、共通ノードに跨って接続された一次コイルと、を含む非接触電源の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
現時点における実施形態は、非接触電源用のシステム及び方法に関する。システムは、一般的に、略その間に協働磁束の領域を生成するべく複数の離隔した一次コイルを含む。後述するように、これらの離隔した一次コイルは、例えば、共通軸の周りにおいて交互に変化する方向に巻回すると共に同相状態において駆動することが可能であり、或いは、共通軸の周りにおいて単一の方向に巻回すると共に互いに略１８０度だけ位相がずれた状態において駆動することもできる。
【００２０】
Ｉ．第１実施形態
更に詳しくは、且つ、図１〜図１５を参照すれば、第１実施形態による非接触電源が、示されており、且つ、総合的に１００として表記されている。図１〜図５には、おもちゃ車両用のループしたトラックセグメントに関するものとして示されているが、非接触電源１００は、トラックセグメントに限定されるものではなく、且つ、様々な用途にわたって適合させることができることに留意されたい。例えば、非接触電源１００は、湾曲していてもよく又は平坦であってもよく、且つ、基本的に、例えば、携帯電話機、デジタルカメラ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、又は充電式電池パックを含む二次コイルを有する任意の携帯型装置に対して電力を供給するようにサイズ設定することができる。別の例として、大きな充電領域を形成するように、複数のコイルからなるアレイを構成することもできる。
【００２１】
次に図１〜図５を参照すれば、ループしたトラックセグメント用の非接触電源１００は、電力転送表面１０６に隣接して配設された第１一次コイル１０２及び第２一次コイル１０４を含む。第１及び第２一次コイル１０２、１０４は、離隔しており、且つ、駆動回路１０８に対して電気的に接続されている。更には、第１及び第２一次コイル１０２、１０４は、略同軸状態にある。即ち、第１及び第２一次コイル１０２、１０４は、共通中心軸を略規定するように端と端を接した状態において離隔している。略第１及び第２一次コイル１０２、１０４の間に協働磁束の領域を生成するべく、駆動回路１０８は、第２一次コイル１０４との関係において位相がずれた状態で第１一次コイル１０２を駆動することができる。例えば、且つ、図２に示されているように、駆動回路１０８は、第１方向における電流によって第１一次コイル１０２を、且つ、第１方向とは異なる第２方向における電流によって第２一次コイル１０４を、同時に駆動することができる。この結果、第１及び第２一次コイル１０２、１０４は、協働し、略第１及び第２一次コイル１０２、１０４の間の領域内に累積磁束を供給する。
【００２２】
非接触電源１００は、携帯型装置１１０用の無線電力の供給源を提供することができる。携帯型装置１１０は、無線電力を受け取るように適切に適合された任意の装置を含むことができる。例えば、図１に示されているように、携帯型装置は、ループしたトラックセグメント１１２を周回するように構成されたおもちゃ車両１１０を含むことができる。おもちゃ車両１１０、又はその他の携帯型装置は、第１及び第２一次コイル１０２、１０４に対して略直交している二次コイル１１４を含むことができる。例えば、おもちゃ車両１１０は、第１及び第２一次コイル１０２、１０４の間の領域を通じて少なくとも部分的に延在している軸の周りに巻回された二次コイル１１４を含むことができる。図２〜図４には、第１及び第２一次コイル１０２、１０４に対して略直交するものとして示されているが、二次コイル１１４は、直交成分を少なくとも有する状態において、第１及び第２一次コイル１０２、１０４との関係において傾斜するか又は傾くことができる。いくつかの実施形態においては、二次コイル１１４の一部のみが、第１及び第２一次コイル１０２、１０４の間の領域であり、この場合に、本明細書において使用されている第１及び第２一次コイルの「間」とは、電力転送表面１０６の上方の領域を含む第１及び第２一次コイル１０２、１０４の上方及び下方のエリア並びにこれらによって境界が定められたギャップを含む。例えば、二次コイル１１４は、一次コイル１０２、１０４の間に位置した部分を依然として含みつつ、一次コイル１０２、１０４のうちの１つ又は複数のコイルの上部に少なくとも部分的に位置するように位置決めすることができる。その他の実施形態においては、二次コイル１１４は、図２〜図４に示されているように、一次コイル１０２、１０４の間において少なくとも部分的に直接的に位置決めすることが可能であり、この場合に、一次コイル１０２、１０４は、二次コイル１１４の半径方向の外側に位置している。更には、二次コイル１１４は、第１一次コイル１０２又は第２一次コイル１０４に対して近接するように、又は一次コイル１０２、１０４の前方又は後方の部分に近接するように、第１及び第２一次コイル１０２、１０４の間の中央からオフセットさせることもできる。
【００２３】
第１及び第２一次コイル１０２、１０４内の時変電流が反対方向において駆動された際に、第１及び第２一次コイル１０２、１０４からの累積磁束は、二次コイル１１４内に電流を誘導することができる。例えば、且つ、図２に示されているように、第１一次コイル１０２が増大する時計回りの電流によって駆動されるのに伴って、二次コイルは、増大する直交した時計回り電流を生成することができる。更には、第２一次コイル１０４が増大する反時計回り電流によって駆動されるのに伴って、二次コイルは、更なる増大する直交した時計回り電流を生成することができる。従って、第１及び第２一次コイル１０２、１０４は、協働し、二次コイル１１４内に累積電流を誘導する。この結果、二次コイル１１４は、負荷に対して電力を供給することができる。例えば、負荷は、おもちゃ車両１１０用の原動力を供給するために電気モータを含むことができる。或いは、この代わりに、二次コイル１１４は、電池又はコンデンサなどのエネルギー保存装置に対して電力を供給することも可能であり、その結果、このエネルギー保存装置が電力を負荷に対して供給することもできる。従って、非接触電源１００は、その上部に位置決めされたおもちゃ車両用の駆動表面１０６の実質的に全体に沿って、連続した電力の供給源を提供することができる。
【００２４】
上述のように、非接触電源１００は、時変電流によって第１及び第２一次コイル１０２、１０４を駆動するための駆動回路１０８を含むことができる。駆動回路１０８は、第１及び第２一次コイル１０２、１０４を駆動するための単一のインバータを含むことも可能であり、或いは、第１及び第２一次コイル１０２、１０４を駆動するための複数のインバータを含むこともできる。複数のインバータが利用される場合には、第１インバータ１２２は、第１時変電流を第１一次コイル１０２に対して供給することが可能であり、且つ、第２インバータ１２４は、第２時変電流を第２一次コイル１０４に対して供給することが可能であり、これらは、任意選択により、駆動周波数を共有している。第１及び第２一次コイル１０２、１０４が同一方向に巻回されている場合には、インバータ１２２及び１２４は、位相が略１８０度だけずれた状態において第１及び第２一次コイル１０２、１０４を駆動することができる。第１及び第２一次コイル１０２、１０４が逆巻きされている場合には、インバータ１２６或いはインバータ１２２及び１２４は、第１及び第２一次コイル１０２、１０４を略同相状態において駆動することができる。
【００２５】
専用のインバータ１２２、１２４によって一次コイル１０２、１０４を駆動する代替肢として、駆動回路１０８は、時変電流を第１及び第２逆巻き一次コイル１０２、１０４に対して供給するべく、単一のインバータ１２６を含むこともできる。例えば、逆巻きされた一次コイル１０２、１０４は、図５Ａに示されているように、直列で接続することも可能であり、或いは、逆巻きされた一次コイル１０２、１０４は、並列に、但し、反対極性を伴って、接続することもできる。或いは、この代わりに、図５Ｂ及び図５Ｃに示されているように、非接触電源１００は、同相状態において、且つ、位相がずれた状態において、一次コイル１０２、１０４を駆動する複数のスイッチを含むこともできる。例えば、一次コイル１０２、１０４が逆巻きされていない場合には、これらのコイルは、スイッチ１２１及び１２７が開路状態に留まっている間にスイッチ１２３及び１２５を閉路することにより、位相がずれた状態において駆動することができる。但し、図５Ｂの一次コイル１０２、１０４が逆巻きされている場合には、一次コイル１０２、１０４は、スイッチ１２１及び１２５が開路状態に留まっている間にスイッチ１２３及び１２７を閉路することにより、同相状態において駆動することができる。同様に、図５Ｃの一次コイル１０２、１０４は、残りのスイッチが開路状態に留まっている間にスイッチ１２１、１２３’、１２５’、及び１２７を閉路することにより、位相がずれた状態において駆動することができる。図５Ｃの一次コイル１０２、１０４は、残りのスイッチが開路状態に留まっている間にスイッチ１２１’、１２３、１２５’、及び１２７を閉路することにより、同相状態において駆動することができる。これらのスイッチは、任意選択により、図１０〜図１２との関連において更に詳しく後述するように、１つ又は複数の二次コイル１１４を迅速にサーチするべく、インバータ１２６と関連したマイクロコントローラによって制御することもできる。２つの一次コイル１０２、１０４を有するように示されているが、これらの実施形態は、電力を３つ以上の一次コイルからなるアレイに対して供給する際に使用するのにも適している。例えば、インバータ１２６を使用してｎ個の並列接続された一次コイルに対して選択的にエネルギー供給することにより、（ａ）１つ又は複数の携帯型装置をサーチするか又は見出すことも可能であり、且つ、（ｂ）アレイと１つ又は複数の携帯型装置の間の電力転送の機能を強化することもできる。例えば、更なる一次コイルを＋Ｖａｃ及び−Ｖａｃに跨って電気的に接続することにより、ｎ個の選択的にエネルギー供給される一次コイルのアレイを提供することができる。
【００２６】
II．第２実施形態
次に図６〜図１５を参照すれば、第２実施形態による非接触電源１００は、１つ又は複数の略直交した二次コイル１４０内に電流を誘導するべく、一次コイルアレイ１３０を含む。一次コイルアレイ１３０は、互いに離隔すると共に共通軸の周りにおいて且つその上部にリモート装置を受け入れるための電力転送表面の下方において巻回された複数の一次コイル１３２、１３４、１３６を含むことができる。一次コイル１３２、１３４、１３６を個別に又は集合的に制御することにより、リモート装置と、特に、二次コイル１４０と、によって占有されている領域内に協働磁束を生成することができる。一実施形態においては、中間の一次コイル１３４を任意選択によって短絡させつつ、２つの一次コイル１３２及び１３６を互いに１８０度だけ位相がずれた状態において選択的に駆動し、その間に累積磁束を供給している。１つの中間コイル１３４のみが示されているが、駆動されている一次コイル１３２及び１３６の間には、任意の数の中間コイルを含むことができる。例えば、一次コイルアレイ１３０は、ｎ個の一次コイルを含むことが可能であり、１〜ｎ個の一次コイルを駆動して磁束の領域を供給する。
【００２７】
図７に示されているように、起動される一次コイルは、二次コイル１４０と略接線方向においてアライメントされた一次コイルを含むことができる。例えば、第１の複数の一次コイル１４２を同相状態において駆動し、二次コイル１４０内に電流を誘導することが可能であり、第２の複数の一次コイル１４４を実質的に位相がずれた状態において駆動し、二次コイル１４０内に電流を誘導することができる。例えば、第１及び第２一次コイルは、約１８０度だけ位相がずれた状態において駆動することができる。第１及び第２の複数の一次コイル１４２、１４４は、互いに離隔することが可能であり、且つ、協働し、二次コイル内に時計回り又は反時計回りの電流を誘導することができる。この実施形態においては、一次コイルアレイ１３０の一次コイルと接線方向においてアライメントされている二次コイル１４０の部分と一致するように、磁束が局所化されている。従って、一次コイルアレイ１３０は、電力を複数の異なるサイズの二次コイルに対して供給するように適切に適合されている。更には、一次コイルアレイ１３０は、電力を一次コイルアレイ１３０に沿った複数の位置において複数の２次装置に対して同時に供給することにより、１つ又は複数の空間的な自由度をもたらしている。
【００２８】
単一の軸の周りに巻回された複数の一次コイルを有するものとして上述されているが、一次コイルアレイ１３０は、第１軸に対して略垂直の第２軸の周りにおいて巻回された更なる複数の一次コイルを含むこともできる。図８及び図９に示されているように、一次コイルアレイ１３０は、対応する二次コイル１４０に相対的に緊密に結合するために直交方向において巻回されたコイルを含むことができる。起動される一次コイルは、二次コイル１４０と略接線方向においてアライメントされた一次コイルを含むことができる。例えば、選択された水平一次コイル１４６及び１４７は、二次コイル１４０内に電流を誘導するために反対方向において駆動することが可能であり、且つ、選択された垂直一次コイル１４８及び１４９は、二次コイル１４０内に電流を誘導するために反対方向において駆動することができる。選択された一次コイルは、逆巻きされている場合には、同相状態において、或いは、同一の方向において巻回されている場合には、位相がずれた状態において、駆動することができる。二次コイル１４０と接線方向においてアライメントされている一次コイルのみにエネルギー供給されるため、非接触電源１００は、結合状態が不良な一次コイルからの電力損失を極小化する。又、図９に示されているように、直交方向に巻回された一次コイルは、二次コイル１４０の形状に略対応した閉じ込められた磁束ゾーン１５０に寄与することができる。二次コイル１４０は、ほぼ円形であるものとして示されているが、二次コイル１４０は、基本的に、例えば、湾曲した構成や多角形の構成を含む任意のサイズ及び形状であってもよい。
【００２９】
特定の用途においては、１つ又は複数の携帯型装置の存在を識別すると共に１つ又は複数の携帯型装置内に収容された１つ又は複数の二次コイルと緊密に結合されている一次コイルに対してのみエネルギー供給することが望ましいであろう。これは、一次コイルアレイ１３０が、個別にであるか又は同時にであるかを問わず、異なる形状、サイズ、又は向きをそれぞれが有する様々な二次コイルと共に使用されるように適合されている場合には、特に有用であろう。図１０に示されているように、例えば、一次コイルアレイは、同軸一次コイルからなる第１及び第２カラムを含むことができる。１つ又は複数の二次コイルの場所を識別するために、駆動回路１０８は、隣接する一次コイルのものとは反対の方向においてそれぞれの一次コイルに同時にエネルギー供給することができる。隣接する一次コイルは、逆巻きされている場合には、同相状態において駆動することも可能であり、或いは、同一の方向に巻回されている場合には、位相がずれた状態において駆動することもできる。それぞれの一次コイルの電流、電圧、及び／又は位相を監視することにより、二次コイル１４０と最も緊密にアライメントされている一次コイルを選択することができる。例えば、選択された一次コイルは、閾値電流応答を少なくとも示す一次コイルを含むことができる。これは、２つの隣接する一次コイル、中間の一次コイルによって分離された２つの一次コイル、或いは、これら２つの組合せを含むことができる。図６及び図７との関連において実質的に上述したように、選択された望ましい一次コイルにより、二次コイル１４０に電力供給することができる。
【００３０】
或いは、この代わりに、且つ、図１１に示されているように、第１一次コイル１５２に第１方向においてエネルギー供給することも可能であり、且つ、残りの一次コイルのいくつか又はすべてに反対方向において順番にエネルギー供給することもできる。磁束エリア１５０が徐々に増大するのに伴って、エネルギー供給されている一次コイル内の電流、電圧、及び／又は位相が変化することができる。一次コイルの電流、電圧、又は位相を監視することにより、二次コイル１４０と最も緊密にアライメントされている１つ又は複数の一次コイルを選択することができる。例えば、選択された一次コイルは、閾値電流応答を少なくとも示す一次コイルを含むことができる。識別された一次コイルは、隣接する一次コイル、中間の一次コイルによって分離された一次コイル、又はこれらの組合せを含むことができる。二次コイル１４０を見出す別の方法によれば、一次コイルアレイ１３０は、隣接する一次コイルのものとは反対の方向においてそれぞれの一次コイルを駆動することができる。一次コイルアレイ１３０は、図１２に示されているように、ペアとして一次コイルを駆動することにより、このプロセスを反復する。例えば、交互に変化している一次コイルのペアは、残りの一次コイルのペアが第２方向において駆動されるのに伴って、第１方向において駆動することができる。その電流、電圧、又は位相を監視することにより、二次コイル１４０と最も緊密にアライメントされている一次コイルを選択することができる。例えば、選択される一次コイルは、閾値電流応答を少なくとも示す一次コイルを含むことができる。上述のように、識別された一次コイルは、隣接する一次コイル、中間の一次コイルによって分離された一次コイル、又はこれらの組合せを含むことができる。
【００３１】
又、実施形態は、略エネルギー供給されている一次コイルの間の領域内の磁束を成形又はその他の方式で改善するべく、様々な材料を含むこともできる。図１３及び図１４に示されているように、例えば、一次コイルアレイ１３０は、隣接する一次コイル１０２、１０４のコアを通じて少なくとも部分的に延在する強磁性材料１５２を含むことができる。図１３Ｂに示されているように、強磁性材料１５２は、二次コイル１１０を通じて下方に電流誘導磁束ラインを閉じ込めることが可能であり又はこれをガイドすることができる。強磁性材料１５２は、任意の適切な形状であってもよく、且つ、例えば、円筒形であってもよく、或いは、略平らであってもよい。更には、強磁性材料１５２は、二次コイル１１０と一次コイルアレイ１３０の裏面からの任意の電流取消磁束の間における相互作用を低減するための磁束ガイドとして同時に機能することもできる。即ち、強磁性材料１５２は、一次コイルアレイ１３０の上方の電流誘導磁束と干渉しないように、一次コイルアレイ１３０の裏面からの電流取消磁束を二次コイル１１０から離れるように（且つ、略一次コイル１０２、１０４を通じて）ガイドすることができる。或いは、この代わりに、又はこれに加えて、反磁性コア材料１５２を利用することにより、二次コイル１１０によって占有されている領域内のすべての電流取消磁束を抑制することもできる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示されているように、非接触電源１００は、二次コイル１１０が存在していない領域内に、それぞれ、磁束をガイド又は抑制するべく１つ又は複数の強磁性又は反磁性材料１６０を含むこともできる。強磁性又は反磁性材料の層１６０は、二次コイル１１０とは反対に延在することができる。反磁性材料は、例えば、銅又は鉛を含む主には反磁性特性を示す適切な材料を含むことができる。或いは、この代わりに、反磁性材料１６０は、例えば、アルミニウム、ビスマス熱分解黒鉛、及び超伝導材料を含む交互に変化する電磁界の存在下において反磁性特性を示す導電性材料を含むこともできる。図２３との関連において後述するように、一次コイルアレイ１３０は、回路基板１５４又はその他の表面に結合されるように、モジュラ型のユニットを形成することもできる。
【００３２】
ＩＩＩ．第３実施形態
上述の実施形態に加えて、一次コイルアレイの更なる例が、図１６〜図２３に示されており、且つ、１７０として総合的に表記されている。一次コイルアレイ１７０は、略平らなボビン１７２と、互いに離隔した複数の一次コイル１８２、１８４と、を含むことができる。一次コイルアレイ１７０を形成する方法は、ボビン１７２の離隔した部分の周りにおいて導電要素１７４を巻回するステップを含むことができる。導電性要素１７４は、第２一次コイル１８４から離隔した第１一次コイル１８２を含むことができる。第１及び第２一次コイル１８２、１８４は、逆巻きすることも可能であり、或いは、同一方向に巻回することもできる。逆巻きされている場合に、第１及び第２一次コイル１８２、１８４を実質的に同相状態において駆動し、その間に協働磁束の領域を生成することができる。同一方向に巻回されている場合には、導電性要素１７４を第１及び第２一次コイル１８２、１８４の間において切断することができる。次いで、それぞれの一次コイル１８２、１８４をインバータに接続することが可能であり、且つ、約１８０度だけ位相がずれた状態において駆動することができる。或いは、この代わりに、切断された端部を隣接する一次コイルの自由端に対して接続することもできる。結果的に得られる直接接続された一次コイル１８２、１８４は、実質的に、一次コイル１８２、１８４がまるで逆巻きされているかのように、交流によって駆動することができる。従って、単一の導電性要素１７４から形成された隣接する一次コイル１８２、１８４を分離することにより、一次コイルアレイ１７０の組立を大幅に単純化することができる。ボビン１７２に沿って導電性要素１７４の方向を連続的に反転させるのではなく、それぞれの一次コイル１８２、１８４の切断された端部を様々な構成に応じて駆動回路に対して電気的に接続することができる。
【００３３】
図１６〜図２３を再度参照すれば、ボビン１７２は、個々のチャネル１７７内において隣接する一次コイルをアライメントさせるべく１つ又は複数のガイド１７６を含むことができる。更には、ボビン１７２は、それぞれの一次コイル１８２、１８４、１８６を電源に対して個別に接続するために、複数の留め具１７８と、複数の貫通孔１８０と、を任意選択によって含むこともできる。図１８〜図２０に示されているように、一次コイル１８２、１８４、１８６は、それぞれ、ボビン１７２の対応する貫通孔１８２を通じてガイドされる第１及び第２端部部分１９０、１９２を含むことができる。図１９に示されているように、一次コイルアレイ１７０は、図１５との関連において上述したように、ボビン１７２の間に配設される反磁性材料の層１９４を含むことができる。或いは、この代わりに、又はこれらに加えて、基礎をなす回路基板１９６は、回路基板１９６の下方の領域内の磁束を抑制するべく、それ自体が反磁性材料を含むこともできる。
【００３４】
任意選択により、一次コイルアレイ１７０のそれぞれの一次コイルは、図５Ａ〜図５Ｃとの関連で上述したように、駆動回路１０８に対して電気的に接続することができる。例えば、一次コイルアレイ１７０のそれぞれの一次コイルは、図５Ｂ及び図５Ｃの一次コイル１０２及び１０４との関連において上述したように、実質的に＋Ｖａｃ及び−Ｖａｃに跨って接続することができる。図５Ｂ及び図５Ｃのインバータ１２６を使用して一次コイルに対して選択的にエネルギー供給することにより、１つ又は複数の携帯型装置をサーチすると共に一次コイルアレイ１７０と１つ又は複数の携帯型装置の間における電力転送を改善することができる。又、図２１〜図２３に示されているように、インバータ１２６及びボビン１７２は、第１の複数の一次コイル１８４、１８６、１８８との関係において略直交した第２の複数の一次コイル１９８、２００、２０２を支持するように構成することもできる。第２の複数のコイルのうちの少なくとも２つを反対方向において選択的に駆動し、その間に累積磁束の領域を供給することができる。この磁束の領域は、任意選択により、第１の複数のコイルによって供給される磁束の領域と協働することができる。合成された磁束の領域又はゾーンを上部に位置した二次コイルと一致するように局所化することにより、結合が不良な一次コイルを通じた電力損失を極小化することができる。相対的に大きな電力転送エリアが望ましい場合には、複数の一次コイルアレイ１７０を印刷回路板１９６に対して便利に適用することができる。
【００３５】
ＩＶ．第４実施形態
第４実施形態においては、一次及び二次コイルの間に大きな結合係数を維持しつつ、電力を平らな表面上の任意の位置の二次コイルに転送する磁束を生成する非接触電源及び方法が提供される。後述するように、結合状態にある複数のコイルは、事実上、二次コイルに対する相対的に大きな結合係数を有する運動可能な磁束生成領域を生成することができる。
【００３６】
図２２に示されているように、転送側部磁束生成器の基本構造は、共通ＮｉＺｎフェライトコアの周りに巻回された銅リッツ線の多数のコイル１８２、１８４、１８６、１９８、２００、２０２を含む。コイルは、いずれも、例えば、１ｍｍの類似したゲージのワイヤから構築され、例えば、２０回という類似した巻回数を有し、且つ、同一の方向に巻回されている。フェライトコアは、厚さよりも相当に幅が広く且つ長さが長くなるように構築されており、この場合には、５３ｍｍ×５３ｍｍ×２．５ｍｍである。コイルの下方には、保存エネルギーを低減するように機能する銅の層１９４（図１９に示されている）が位置している。結合状態において動作するコイルのそれぞれのペアは、インダクタンスＬpを有するインダクタとして見なすことができる。合成されたインダクタＬpが、２次インダクタＬsにリンクされた磁束を生成する場合に、結合係数ｋは、次式に従って規定することが可能であり、
【００３７】
【数１】
2014512163.tif 000003
【００３８】
ここで、Ｍは、ＬpとＬsの間の相互インダクタンスである。ｋ＞０．２５は、効率的な電力転送のための十分な結合を提供可能であることを研究が示している。コイルのペアが、十分な結合を有し、且つ、従って、領域上における十分な空間的自由度を有することになり、これにより、アレイがその領域上において空間的な自由度を有することを保証するように、特定の一次コイルのペアに対してエネルギー供給される。
【００３９】
試験対象の送信コイルのペアの上方の特定の場所における受信コイルＬsの位置をマッピングしたコンピュータ制御されたシステムを使用することにより、この自由度を計測した。２つの隣接するコイルが選択された構成、並びに、使用されていないコイルを間に有する状態で２つのコイルが選択された構成を試験することに決定し、これにより、任意の数のコイルを同様に表すことができるようにした。図２４の右側に示されている内部の未使用のコイルのケースにおいては、十分な結合オーバーラップの領域が、２つのコイルの間のギャップを上回っている。図２４の左側に示されている隣接するコイルのケースにおいては、十分な結合の領域がコイルの幅よりも広い。この結果、重ね合わせにより、任意のコイルペアの十分な結合の領域内に存在していない受信コイルＬsの位置が存在しないことを保証することが可能であり、これにより、領域上における十分な空間的自由度が保証される。
【００４０】
Ｖ．第５実施形態
第５実施形態による非接触電源が、図２５〜図２９に示されており、且つ、２００によって総合的に表記されている。非接触電源２００は、駆動回路２１０と、一次コイルアレイ２５０と、を含む。上述の実施形態との関連において説明したように、駆動回路２１０は、一次コイルアレイ２５０の複数の一次コイルに対して選択的にエネルギー供給し、携帯型装置によって占有されている領域内に磁束を供給することができる。更には、駆動回路２１０は、エネルギー供給されている一次コイルの間の電流の逸脱を補償することも可能であると共に／又は、実質的に同一ではない電流によって一次コイルを意図的に駆動することもできる。
【００４１】
具体的には、本実施形態の駆動回路２１０は、エネルギー供給されている一次コイルの間の「不均衡」な電流を検出及び補正するように適合されている。正常動作において、駆動回路２１０は、実質的に同一の時変駆動電流によって複数の一次コイルにエネルギー供給することができる。一次コイルが同一方向に巻回されている例においては、駆動電流は、実質的に１８０度だけ位相がずれた状態にあってもよい。一次コイルが、反対方向に巻回されている、即ち、逆巻きされている場合には、駆動電流は、実質的に同相状態にあってもよい。但し、エネルギー供給されている一次コイル内の電流は、逸脱して非類似の状態になる可能性があり、本明細書においては、一般に、これを不均衡な電流状態と呼ぶ。
【００４２】
不均衡な電流状態は、様々な要因によって発生しうる。例えば、不均衡な電流状態は、携帯型装置が、別のエネルギー供給されている一次コイルよりも、１つのエネルギー供給されている一次コイルに対して相対的に近接していることにより、発生しうる。即ち、携帯型装置は、第１のエネルギー供給されている一次コイルとの関係における第１結合係数と、第２のエネルギー供給されている一次コイルとの関係における第２結合係数と、を有することができる。この結果、それぞれの一次コイル内の反射インピーダンスは、通常、相違することになり、この結果、実質的に同一の電流値から非類似の電流値（例えば、更に小さな又は更に大きな振幅又はＲＭＳ電流）への逸脱が生じる。その他の用途においては、不均衡な電流状態は、例えば、一次コイル及び任意選択のコアを含む一次コイルアレイの構造内における物理的な且つ／又は材料の変動によって生じる可能性がある。更にその他の用途においては、不均衡な電流状態は、望ましいものであってもよく、且つ、駆動回路２１０は、実質的に同一ではない電流により、一次コイルを意図的に駆動することもできる。
【００４３】
本実施形態の駆動回路２１０は、いくつかの方法により、不均衡な電流状態を補正することも可能であり、或いは、不均衡な電流状態に意図的に駆動することもできる。例えば、駆動回路２１０は、レール電圧、位相ラグ、デューティサイクル、駆動周波数、又はエネルギー供給されている一次コイルの間のインピーダンスを調節することができる。次に図２５及び図２６を参照すれば、駆動回路２１０が、示されており、且つ、この回路は、エネルギー供給されている一次コイルの間のレール電圧を調節することにより、不均衡な電流状態を検出及び補正するように全般的に適合されている。駆動回路２１０は、マイクロコントローラ２１２、第１調節可能レール電圧２１４、及び第２調節可能レール電圧２１６を含む。マイクロコントローラ２１２は、レール電圧出力を制御するべく、それぞれのレール電圧２１４、２１６に対して電気的に結合されている。第１レール電圧出力は、第１のマイクロコントローラによって制御されたドライバ２１８に対して電気的に結合されており、且つ、第２レール電圧出力は、第２のマイクロコントローラによって制御されたドライバ２２０に対して電気的に接続されている。第１及び第２ドライバ２１８、２２０は、略１８０度だけ位相がずれた個別の時変駆動電流を生成する。例えば、第１のマイクロコントローラによって制御されたドライバ２１８が所与の周波数の一連の方形波パルスを生成する場合には、第２のマイクロコントローラによって制御されたドライバ２２０は、同一の周波数の、但し、１８０度だけ位相がずれた対応する一連の方形波パルスを生成することができる。第２ドライバ２２０が第２調節可能レール電圧を変調しているため、第２ドライバ出力は、第１ドライバ出力の振幅とは異なる振幅を有することができる。例えば、第２ドライバ出力は、第１ドライバ出力のＲＭＳ電流よりも小さな又は大きいＲＭＳ電流を有することが可能であり、この差は、第１調節可能レール電圧２１４と第２調節可能レール電圧２１６の間の差に比例している。
【００４４】
又、図２５及び図２６に示されているように、第１及び第２ドライバ２１８、２２０の出力は、それぞれ、１つ又は複数のマルチプレクサ２２２、２２４を通じて一次コイルアレイ２５０内の１つ又は複数の一次コイルに対して接続することができる。図示の実施形態においては、第１及び第２マルチプレクサ２２２、２２４は、第１ドライバ２１８及び第２ドライバ２２０の出力を受け取る１つ又は複数の一次コイルを選択するように、マイクロコントローラによって制御されている。例えば、第１マルチプレクサ２２２は、単一の入力（即ち、第１ドライバ２１８の出力）を含み、且つ、一次コイルアレイ２５０内のｎ個の一次コイルに対応したｎ個の出力を含む。同様に、第２マルチプレクサ２２４も、単一の入力（即ち、第２ドライバ２２０の出力）を含み、且つ、一次コイルアレイ２５０内のｎ個の一次コイルに対応したｎ個の出力を含む。それぞれのマルチプレクサ２２２、２２４は、ドライバ２１８、２２０と一次コイルアレイ２５０の間の電流経路を制御するべく、例えば、ＦＥＴなどのｎ個のマイクロコントローラによって制御されたスイッチ２２３、２２５を含む。第１及び第２電流センサ２２８が、それぞれ、第１及び第２ドライバ２１８、２２２と第１及び第２マルチプレクサ２２２、２２４の間において電気的に接続されている。それぞれの電流センサ２２６、２２８の出力は、任意選択によって第１及び第２復調器２３０、２３２を通じて、マイクロコントローラ２１２に対して電気的に接続されている。図示の実施形態においては、一次コイルアレイ２５０内のそれぞれの一次コイルは、直列接続されたコンデンサ２６０を含み、且つ、接地２６２に対して個別に接続されている。更には、一次コイル巻線は、一般に、共通軸の周りにおいて同一の方向に巻回されている。例えば、一次コイル巻線は、図１６〜図２３との関連において上述したように、共通コア１７２の周りにおいて巻回することができる。
【００４５】
動作の際には、駆動回路２１０は、実質的に上述したように一次コイルアレイ２５０を駆動することにより、１つ又は複数の携帯型装置を見出すと共に見出された携帯型装置と緊密に結合されている一次コイルにのみエネルギー供給することが可能であり、且つ、携帯型装置によって占有されている領域内に協働磁束を供給することができる。次いで、第１及び第２電流センサ２２６、２２８は、エネルギー供給されている一次コイルのそれぞれ内の電流を監視することが可能であり、その出力は、マイクロコントローラ２１２に対して供給される。例えば、第１ドライバ２１８によって駆動されているコイル（「第１」一次コイル）が、第２ドライバ２２０によって駆動されているコイル（「第２」一次コイル）よりも十分に少ない電流を伝導しているとマイクロコントローラ２１２が判定した場合には、第１一次コイルを強化された駆動電流によって駆動することにより、この不足を相殺することができる。例えば、マイクロコントローラ２１２は、第１レール電圧２１６を増大させることも可能であり、或いは、マイクロコントローラ２１２は、第２レール電圧２１４を減少させることもできる。このプロセスの全体を通じて、第１ドライバ２１８の駆動周波数は、それぞれのドライバ出力の振幅及び位相のみが互いに相違するように、第２ドライバ２２０に対して結び付けられた状態に留まることができる。駆動回路２１０は、継続的に又は定期的に、エネルギー供給されているコイルの間の電流差を監視し、これにより、任意選択により、この差をメモリ内に保存されている閾値と比較することができる。電流差が閾値を超過するのに伴って、駆動回路２１０は、実質的に上述のように複数の一次コイルのうちの１つの一次コイル内の電流を増減させることにより、この差を相殺することができる。
【００４６】
任意選択により、図２７に示されているように、第１及び第２電流センサ２２６、２２８の出力を、マイクロコントローラ２１２によってではなく、例えば、差動増幅器２３２などのアナログ回路により、評価することもできる。例えば、アナログ増幅器２３２は、その非反転入力として第１電流センサ２２６の出力を含むことが可能であり、且つ、その反転入力として第２電流センサ２２８の出力を含むことができる。増幅器出力は、増幅器利得によって設定される非反転入力と反転入力との間の差に比例することができる。この出力を利用し、第２調節可能レール電圧２１６を制御することができる。例えば、増幅器出力が増大し、これにより、第２電流センサ出力と比べた場合の第１電流センサ出力の顕著な増大が通知されるのに伴って、第２レール電圧２１６が増大することにより、第２一次コイル内における電流の不足を相殺することができる。第２ドライバ２２０は、図２７に示されているように、増幅器２３２の出力に基づいて駆動することも可能であり、或いは、図２５及び図２６に示されているように、マイクロコントローラ２１２によって駆動することもできる。従って、アナログ増幅器２３２又はその他のアナログ回路を利用することにより、エネルギー供給されている一次コイル内の電流を差分比較することができる。更には、アナログ増幅器２３２の出力により、例えば、位相遅延ライン又は不感帯生成器（deadband generator）を制御することもできる。
【００４７】
繰り返しになるが、一次コイルアレイ２５０のそれぞれの一次コイルは、一般に、携帯型装置の近傍に位置した際には、その独自の反射インピーダンスを有することになる。対応するマルチプレクサＦＥＴが閉路された際に、この反射インピーダンスと、対応する駆動電流の変化と、が、レールに対して提示される。それぞれの一次コイルにおける電流は、例えば、駆動周波数及び一次コイルアレイの構造の変動を含むその反射インピーダンスとは別の要因に基づいて変動する場合もある。図２５及び図２６との関連において上述したように、駆動回路２１０は、レール電圧を変調することにより、不均衡な電流状態を補正することができる。レール電圧の変調に加えて、駆動回路２１０は、様々なその他の観点において、不均衡な電流状態を補正することもできる。例えば、駆動回路２１０は、ドライバ２１８、２２０のデューティサイクルを変化させることができる。即ち、第１ドライバ２１８のデューティサイクルの増大は、第１調節可能レール電圧２１４の増大と類似の効果を有することができる。同様に、第２ドライバ２２０のデューティサイクルの増大は、第２調節可能レール電圧の増大と類似の効果を有することができる。又、電源は、ドライバ２１８、２２０の間の位相ラグを変化させることにより、或いは、選択可能なインピーダンス要素のアレイを使用すると共に／又は一次コイルと並列に且つ／又は直列に接続された１つ又は複数のチューニング可能なインピーダンス要素を使用することによってそれぞれの一次コイルのインピーダンスを選択的に変化させることにより、不均衡な電流状態を補正することもできる。
【００４８】
図２８に更に任意選択によって示されているように、一次コイルアレイ２５０は、プッシュ−プルシーケンスにおいて駆動回路２１０によって駆動することも可能であり、エネルギー供給されている一次コイルは、共通ノード２６４を通じて直列に接続されている。この構成においては、電流は、第１及び第２のエネルギー供給されている一次コイルの間において略均衡している。例えば、第１マルチプレクサ２２２は、第１ドライバ出力をコイル２５６に対して導くことが可能であり、且つ、第２マルチプレクサ２２４は、第２ドライバ出力をコイル２５８に対して導くことができる。コイル２５６及び２５８は、共通ノード２６４に跨って接続されているため、時点ｔ0におけるコイル２５６内の電流は、時点ｔ0におけるコイル２５８内の電流と略同一であり、且つ、それぞれの電流センサ２２６、２２８の出力も、略同一となる。電流センサ２２６、２２８は、一般に、電流の不均衡を検出するために利用されず、その代わりに、電流センサ２２６、２２８は、実質的に上述したように、一次コイルアレイ２５０に近接した携帯型装置の読取りとの関連において利用することができる。更には、レール電圧２１４、２１６は、互いに実質的に同一であってもよく、或いは、一方のレール電圧が、しばしば、他方のレール電圧を上回ってもよい。例えば、第１ドライバ２１８は、一連の駆動パルスを生成することが可能であり、且つ、第２ドライバ２２０は、実質的に同一の周波数であるが約１８０だけ位相がずれた反転された一連の駆動パルスを生成することができる。レール電圧２１４、２１６が等しくない例においては、エネルギー供給されている一次コイルを通じた平均電流は、他方の方向におけるよりも一方の方向において上回ることになる。エネルギー供給されているコイル２５６、２５８は、共通コアの周りにおいて共通方向に巻回することにより、その間に協働磁束の領域を供給することができる。任意選択により、１つ又は複数の更なるスイッチにより、マイクロコントローラ２１２の制御下において共通ノード２６４から一次コイルを選択的に隔離することができる。
【００４９】
又、この代わりに、図２９に示されているように、単一のマイクロコントローラによって制御されたドライバ２１８のみにより、一次コイルアレイ２５０を駆動することもできる。この構成においても、一次コイル２５２、２５４、２５６、２５８は、共通ノード２６４に跨って直列に接続されている。第１マルチプレクサ２２２は、時変駆動電流によって第１一次コイルを選択的に駆動するべく、並列接続されたスイッチのアレイ２２３を含む。第２マルチプレクサ２２４は、第２一次コイルを接地に対して選択的に接続するべく、並列接続されたスイッチの対応するアレイ２２５を含む。例えば、第１マルチプレクサ２２２は、ドライバ出力によって第１一次コイル２５２を駆動することが可能であり、且つ、第２マルチプレクサ２２４は、残りの一次コイルを接地から隔離しつつ、第２一次コイル２５４を接地に対して電気的に接続することができる。電流の流路は、ドライバ２１８から由来し、且つ、第１一次コイル２５２及び第２一次コイル２５６を通じて接地にまで継続するものとして示されている。エネルギー供給されているコイル２５２、２５６を共通コアの周りにおいて共通方向に巻回することにより、その間に協働磁束の領域を供給することができる。更には、それぞれの一次コイル２５２、２５６は、直列共振コンデンサ２６０を含むことも可能であり、且つ、いくつかの例においては、一部の一次コイルが直列共振コンデンサ２６０を含むことができる。例えば、図２９には、第１一次コイル２５２のみが直列共振コンデンサ２６０を含むものとして示されている。
【００５０】
以上においては、非接触電源２００は、同時にエネルギー供給されているコイル間の電流を一般的に均衡させるものと説明されている。但し、いくつかの実施形態においては、異なる電流値によって一次コイルを意図的に駆動することが望ましいであろう。例えば、携帯型装置に最も近接したエネルギー供給されている一次コイルが相対的に多くの電流を有するように、一次コイルアレイ２５０を制御することが望ましい場合があろう。これは、実際には、ピーク磁束結合（並びに、従って、結合及び効率）の領域を携帯型装置の場所においてセンタリングされるようにシフトさせることになろう。このケースにおいては、駆動回路２１０は、エネルギー供給されている一次コイルの間において電流を（等しくではなく）比例した方式によって分配するように、図２５〜図２７の第１及び第２ドライバを制御することができる。又、電流センサ出力の間の誤差を使用し、更なる情報を識別することもできる。例えば、電流センサ出力の間の誤差は、寄生物体が別の一次コイルよりも一方の一次コイルに対して相対的に近接している可能性があることを通知することができる。次いで、この情報を使用し、電力転送を停止することも可能であり、或いは、一次コイルの異なるペアへの電力供給に潜在的にシフトすることも可能であり、これにより、寄生物体から離れるように協働磁束の領域を移動させてもよい。コイルが、実際に、図２８及び図２９に示されているように、直列に駆動されている場合には、エネルギー供給されている一次コイルに跨った相対的電圧により、類似の情報を供給することができよう。
【００５１】
上述の説明は、本発明の現時点における実施形態に関するものである。添付の請求項に規定されている本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに、様々な代替及び変更を実施することが可能であり、本発明の精神及び範囲は、均等論を含む特許法の原理に従って解釈することを要する。例えば、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「該（the）」、又は「前記（said）」などの冠詞を使用した単数形における要素のすべての参照は、その要素を単数形に限定するものとして解釈するべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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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１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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