(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次回路および二次回路を含む電力およびデータを伝達するための装置であって、
前記一次回路は、
エネルギー源（１０）と、
少なくとも１対の伝送アーマチュア（１００、１００’）であって、該アーマチュアのうちの第１のもの（１００）は、使用時に、前記アーマチュアのうちの第２のもの（１００’）に対して異なる電位に接続される、少なくとも１対の伝送アーマチュア（１００、１００’）と、
前記エネルギー源（１０）、および前記アーマチュア（１００、１００’）のうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの電力伝送器（１２）と、
前記伝送アーマチュア（１００、１００’）のうちの少なくとも一方に接続され、前記電力伝送器（１２）によって伝送される前記電力とは独立した前記伝送アーマチュア（１００、１００’）を介したデータの受信および／または伝送に適している、少なくとも１つのトランシーバ（２０）と、
前記トランシーバ（２０）のヘッドと前記伝送アーマチュアのうちの一方（１００）との間に配置された少なくとも１つの第１のキャパシタ（５４）と、
前記トランシーバ（２０）の上流に配置され、前記電力伝送器（１２）と前記伝送アーマチュアのちの一方（１００）との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス（５０）、および前記電力伝送器（１２）と前記伝送アーマチュアのうちの他方（１００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンス（５０’）と、を備え、
前記二次回路は、
前記一次回路のそれぞれの伝送アーマチュア（１００、１００’）に近接して各々配置された少なくとも１対の受信アーマチュア（２００、２００’）と、
前記受信アーマチュア（２００、２００’）に接続された負荷（１８）と、
前記伝送アーマチュア（２００、２００’）に接続され、前記電力伝送とは独立した前記受信アーマチュア（２００、２００’）を介したデータの受信および／または伝送時に使用するのに特に適している、トランシーバ（２２）と、
前記トランシーバ（２２）と前記受信アーマチュアのうちの一方（２００）との間に配置された少なくとも一つの第１のキャパシタ（５６）、および前記トランシーバ（２２）と前記受信アーマチュアのうちの他方（２００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のキャパシタ（５６’）と、前記トランシーバ（２０）の下流に配置され、前記負荷（１８）と前記受信アーマチュアのうちの一方（２００）との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス（５２）、および前記負荷（１８）と前記受信アーマチュアのうちの他方（２００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンス（５２’）と、を備える装置。
【請求項２】
前記一次回路が、前記トランシーバ（２０）の他方のヘッドと前記伝送アーマチュアのうちの他方（１００’）との間に配置された第２のキャパシタ（５４’）をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電力伝送器（１２）が、
使用時に前記エネルギー源（１０）に接続される少なくとも１つのインダクタンス（６０）と、
一方の側において前記インダクタンス（６０）に接続され、他方の側において前記エネルギー源（１０）に対してより低い電位に接続された少なくとも１つのキャパシタ（６４）と、
一方の側において前記キャパシタ（６４）と並列に前記インダクタンス（６０）に接続され、他方の側において前記エネルギー源（１０）に対してより低い電位に接続された少なくとも１つのスイッチ（６６）と、をさらに含む、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記電力伝送器（１２）が、１対のスイッチ（６６、６８）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
各トランシーバ（２０、２２）が、
データ受信回路（８４、８４’）およびデータ伝送回路（８６、８６’）を含み、
各データ受信回路（８６、８６’）の出力および、各データ受信回路（８４、８４’）の入力が各第１のキャパシタ（５４、５６）に接続されており、
各第２のキャパシタ（５４’、５６’）が、データ基準電圧に接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記二次回路が、
一方の側において前記第１のインダクタンス（５２）と前記負荷（１８）との間のノードに接続され、別の側においてスイッチ（７１）に接続されているキャパシタ（７０）をさらに備え、
前記スイッチ（７１）が、前記第２のインダクタンス（５２’）と前記負荷（１８）との間の前記ノードに接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記二次回路が、前記負荷に接続された整流段（１０５）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
互いに近接して配置された少なくとも１つの伝送アーマチュア（１００）および少なくとも１つの受信アーマチュア（２００）によって構成されたアーマチュアの各対が単一のモノリシックなキャパシタの構成部分である、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記一次回路が、多層表面の内部に挿入されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記多層表面が、前記１つまたは複数の伝送アーマチュア（１００）を包含する少なくとも１つの層と、
前記装置に、必要な供給電圧、基準電圧およびデータ接続電圧を供給するための使用に特に適した１つまたは複数の層（２１０）と、
以下の構成要素：電力伝送器（１２）、インダクタンス（５０、５０’）、キャパシタ（５４、５４’）およびトランシーバ（２０）のうちの１つまたは複数を包含する１つまたは複数の層と、を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
電力およびデータを伝達するための方法であって、
エネルギー源（１０）と、少なくとも１対の伝送アーマチュア（１００、１００’）と、前記エネルギー源（１０）および前記アーマチュア（１００、１００’）のうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの電力伝送器（１２）と、前記伝送アーマチュア（１００、１００’）のうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つのトランシーバ（２０）と、前記トランシーバ（２０）のヘッドと前記伝送アーマチュアのうちの一方（１００）との間に配置された少なくとも１つの第１のキャパシタ（５４）と、  前記トランシーバ（２０）の上流に配置され、前記電力伝送器（１２）と前記伝送アーマチュアのちの一方（１００）との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス（５０）、および前記電力伝送器（１２）と前記伝送アーマチュアのうちの他方（１００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンス（５０’）と、を備える少なくとも１つの一次回路を準備するステップと、
少なくとも１対の受信アーマチュア（２００、２００’）と、該受信アーマチュア（２００、２００’）のうちの少なくとも一方に接続された負荷（１８）と、前記伝送アーマチュア（２００、２００’）のうちの少なくとも一方に接続されたトランシーバ（２２）と、前記トランシーバ（２２）と前記受信アーマチュアのうちの一方（２００）との間に配置された少なくとも一つの第１のキャパシタ（５６）、および前記トランシーバ（２２）と前記受信アーマチュアのうちの他方（２００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のキャパシタ（５６’）と、前記トランシーバ（２０）の下流に配置され、前記負荷（１８）と前記伝送アーマチュアのうちの一方（２００）との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス（５２）、および前記負荷（１８）と前記受信アーマチュアのうちの他方（２００’）との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンス（５２’）と、を備える少なくとも１つの二次回路を準備するステップと、
前記二次回路の少なくとも１つの受信アーマチュア（２００）を前記一次回路の伝送アーマチュア（１００、１００’）に近接して配置し、前記アーマチュア（１００、２００）の間の容量型結合を規定するステップと、
前記少なくとも１対のアーマチュア（１００、２００）を通じて、前記一次回路の前記トランシーバ（２０）から前記二次回路の前記トランシーバ（２２）へ、および／またはその逆にデータを伝達するステップと、
前記少なくとも１対のアーマチュア（１００、２００）を通じて、前記データ伝達とは独立して、前記一次回路の前記トランシーバ（１２）から前記二次回路の前記負荷（１８）へ電力を伝達するステップと、を含む方法。
【請求項１２】
前記一次回路内において、複数の伝送アーマチュア（１００）、複数の電力伝送器（１２）および複数のトランシーバ（２０）を準備するステップであって、各伝送アーマチュア（１００）はインダクタンス（５０）を介して少なくとも１つのそれぞれの別個の電力伝送器（１２）に接続され、前記アーマチュアのうちの少なくとも１つ（１００）はキャパシタ（５４）を介して少なくとも１つのそれぞれの別個のトランシーバ（２０）に接続された、準備するステップと、
前記受信アーマチュア（２００）に近接して配置された前記伝送アーマチュア（１００）を、前記一次回路の前記それぞれの電力伝送器（１２）およびトランシーバ（２０）を介して励振し、電力およびデータの伝達をそれぞれ可能にするステップと、
前記受信アーマチュア（２００’）に近接して配置された前記伝送アーマチュア（１００）を、前記一次回路の前記それぞれの電力伝送器（１２）およびトランシーバ（２０）を介して励振し、電力およびデータの伝達をそれぞれ可能にするステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記伝送アーマチュア（１００）のうちの１つまたは複数が、経時的に変動する電圧波を用いて選択的に励振され、１つまたは複数の異なる伝送アーマチュア（１００）が、前記第１のものと異なる第２の電圧波を用いて選択的に活性化される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
伝送アーマチュア（１００）に接続された各電力伝送器（１２）の内部において、１対のスイッチ（６６、６８）を準備するステップと、
断続信号を用いて前記スイッチ（６６、６８）を活性化することによって生成された電圧波を用いて、１つまたは複数の異なる伝送アーマチュア（１００）を選択的に活性化するステップと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
伝送アーマチュア（１００）に接続された各電力伝送器（１２）の内部において、エネルギー源（１０）に接続されたインダクタンス（６０）と、一方の側において前記インダクタンス（６０）に接続され、別の側において基準電位に接続されたキャパシタ（６４）と、前記キャパシタ（６４）および前記インダクタンス（６０）のノードに接続されたスイッチ（６６）と、を準備するステップと、
第１の断続信号を用いて第１の受信アーマチュア（２００）に近接して配置された１つまたは複数の伝送アーマチュア（１００）に接続された各電力伝送器（１２）の前記スイッチ（６６）を活性化するステップと、
前記第１の断続信号に対して逆位相の第２の断続信号を用いて第２の受信アーマチュア（２００’）に近接して配置された１つまたは複数の伝送アーマチュア（１００）に接続された各電力伝送器（１２）の前記スイッチ（６６）を活性化するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の信号が、一定の信号、または前記第１の断続信号に対して異なる位相を有する信号である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
各トランシーバ（２０、２２）の内部において、データ受信回路（８４、８４’）およびデータ伝送回路（８６、８６’）を準備するステップと、
波を２つの電圧レベルの間で変調することによってデータ伝送回路（８６）を選択的に活性化し、前記データ電圧を、影響を及ぼすことなく前記電力波上に重畳するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
各トランシーバ（２０、２２）の内部において、データ受信回路（８４、８４’）およびデータ伝送回路（８６、８６’）を準備するステップと、
前記一次回路の各トランシーバ（２０）内、および前記二次回路の各トランシーバ（２２）内において、一次および二次の、異なる供給電圧レベルを用いるステップであって、それにより、前記一次回路の前記受信回路（８４）が、前記二次回路の前記伝送回路（８６’）によって加えられた前記電圧のみを読み取ることによって、前記一次回路の前記伝送回路（８６）によって設定された前記電圧を区別し、前記二次回路の前記受信回路（８４’）が、前記一次回路の前記伝送回路（８６）によって加えられた前記電圧のみを読み取ることによって、前記二次回路の前記伝送回路（８６’）によって加えられた前記電圧を区別する、用いるステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
各トランシーバ（２０、２２）の内部において、データ受信回路（８４、８４’）およびデータ伝送回路（８６、８６’）を準備するステップと、
前記一次回路の各トランシーバ（２０）内、および前記二次回路の各トランシーバ（２２）内において、単一の供給電圧レベルを用いるステップと、
前記一次回路または前記二次回路の前記トランシーバのうちの１つの上のデータ伝送回路（８６、８６’）に給電するステップと、
前記一次回路の前記伝送器（８６）と前記一次回路の前記受信器（８４）との間のインピーダンスを決定するステップと、
前記一次回路の前記伝送器（８６）と前記二次回路の前記受信器（８４’）との間のインピーダンスを決定するステップと、
前記二次回路の前記伝送器（８６’）と前記一次回路の前記受信器（８４）との間のインピーダンスを決定するステップと、
前記一次回路の前記伝送器（８６）と前記二次回路の前記受信器（８４’）との間のインピーダンスを決定するステップと、
前記伝送器（８６、８６’）と受信器（８４、８４’）との間で決定された前記インピーダンスの間の差、および前記二次回路の前記受信回路（８４’）上の前記電圧レベルに基づいて、どちらのデータ伝送回路（８６、８６’）がデータを伝送しているのかを決定するステップと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電力を１つまたは複数の電気負荷へ伝達し、同時に、データを２つ以上のデバイスの間で伝達するための方法および装置に関する。電気負荷もしくは負荷群は、データが相互に伝達されるデバイスの内部に含まれ得るか、あるいはデバイスが機能すること、および／またはデバイスの内蔵電池を充電することを可能にするために給電されることになる任意の他の別個の電気または電子デバイス内に挿入され得る。
【０００２】
データ交換を必要とし、同時に電力供給および／または再充電され得るデバイスの例としては、携帯電話、タブレット、コンピュータ、ハードディスク、ソリッドステート・メモリ、ルータおよびモデム、スイッチ、アクセス・ポイント、トラッキング・デバイス、キーボード、電子ブック、ビデオ・カメラ、カメラ、衛星ナビゲータ、テレビ、マルチメディアもしくはオーディオコンテンツの再生システム、ドッキング・ステーション、オーディオ・ハイファイ設備、ホーム・シアター、マイクロフォンおよびレコーダ、デコーダおよび衛星受信機、ラウドスピーカおよびレコード・プレーヤ、ヘッドフォン、気象ステーション、デジタル・フレーム、スマートウオッチなどのウェラブル・デバイス、ドローン、プリンタ、モニタおよびディスプレイ、スキャナ、ゲーム・コンソールが挙げられる。
【０００３】
データ交換システムおよび電力の伝送を必要とし得るデバイスの他の例は、生物医学分野において見出すことができ、例えば血圧を測定するための、診断システムを有するデバイス、病理の診断および治療のための機器、ペースメーカ、注入器、植込み型除細動器などの植込み型デバイス、その他、多くのものがある。
【０００４】
電力供給および／または再充電されることが必要なデバイスの例としては、照明システム、例えば、ＬＥＤ照明システム、エネルギーの蓄積および貯蔵システム、例えば、パワー・バンク、電池および蓄電デバイス、ブレンダ、台所用器具、コーヒー・メーカ、電子オーブンおよび電気オーブン、スライサ、パンおよびパスタ製造器、ジューサなどの家電デバイス、真空掃除システムおよび住宅掃除用の他のシステム、秤、電動歯ブラシ、かみそり、ひげそり、脱毛デバイスなどの、口腔衛生のための、個人医療用システムが挙げられる。データ接続を通例必要としない最後に挙げたデバイスのカテゴリは、いずれにしても、データを簡単かつ経済的に交換する可能性によって改善され得ることが強調される。
【背景技術】
【０００５】
負荷への電力の伝達が以前から知られており、最も広く用いられている解決策のうちの１つは、例えば、公共配電網によって生成された、交流電流（ＡＣ）を、負荷に電力供給するのに適した平流電圧（ＤＣ）へ変換可能なＡＣ／ＤＣコンバータを用いることである。給電される負荷は、例えば、通常の接続配線を介して、ＡＣ／ＤＣコンバータへ直接接続させることができる。より優れた実用性のために、電力供給を受けるべき負荷とＡＣ／ＤＣコンバータとの間の接続は、適切な形状を有する電気接点の機械的システム、例えば、コンバータに接続されており、負荷に接続された対応する電気接点と接触して配置され得る導電プレート、電気コネクタもしくは接点を用いて行うことができる。この接触システムは通常、接点、および異なる電位に配置された少なくとも２つの地点のガルバニック接続を常に保証し、同時に、障害になる短絡を防止するジオメトリを用いて作られる。
【０００６】
或る電圧から出発し、電力を負荷へ伝達するための別の周知の種類の解決策は、例えば、伝送システムと受信システムとの間の誘導または容量結合に基づく無線エネルギー伝送システムを用いることである。ここで、伝送システムは、充電デバイス上に配置されており、その一方で、受信システムは、充電デバイスとは別個であり、それとは独立した、電力供給／再充電を受けるべきユーザ・デバイス上に配置されている。
【０００７】
誘導結合に基づくシステムの技術分野では、例えば、リールもしくは螺旋形状、または別の好適な形状を有する伝送アンテナ、ならびに電力供給を受けるべきユーザ・デバイス上に配置された受信アンテナが通例用いられる。このように、たとえ、一次回路と二次回路との間のガルバニック接続がなくても、様々な種類の電気デバイスまたは電子デバイスに電力を供給することが可能である。
【０００８】
電力を伝達するための別の周知の種類の解決策は、容量結合に基づくシステムを含む。この場合には、例えば、場合によっては誘電体材料によって環境から絶縁された導電区域で作製され、同様の受信アーマチュアに面し、したがって、少なくとも２つの電気キャパシタンスを構成する、伝送アーマチュアが用いられる。電気キャパシタンスへの入口において電圧波を印加することによって、電力を伝送することができる。電圧波を供給される各電気キャパシタンスは、実際上、インピーダンスと考えることができ、そのため、十分に高い電圧波周波数を用い、且つ／または十分に大きな電気キャパシタンスを用い、且つ／または十分に高い振幅の電圧波を用いることで、これら２つの電気キャパシタンスの出力において、負荷に給電するために十分に高い電圧波を得ることが可能であると有利である。
【０００９】
容量結合の原理に基づく給電および／または無線再充電システムを実現するために、キャパシタンスの各々の第１のアーマチュアが給電対象のユーザ・デバイス（例えば、携帯電話、コンピュータ、テレビまたは同様のもの）上に組み込まれ、キャパシタンスの各々の第２のアーマチュアが給電デバイス上に組み込まれ、その上に好適な給電面を規定することが有利である。このように、ユーザ・デバイスを給電側デバイスに隣接させること、またはその逆によって、それらの各々の上に組み込まれたアーマチュアは電気エネルギーの上述の結合および伝送キャパシタンスを実現する。
【００１０】
アーマチュアがモノリシック構成要素、すなわち、キャパシタに一体化される場合には、システムは、事実上、キャパシタのゆえに二次回路が一次回路からガルバニック絶縁されたＡＣ  ＤＣまたはＤＣ  ＤＣ電圧コンバータとして用いることができる。
【００１１】
以上において述べられたように、静電容量システムを用いて高性能を得るためには、伝送アーマチュアへの印加電圧の電圧を大幅に増大させること、および／またはアーマチュアの面積を増大させること、および／または十分に高い振幅の電圧波をアーマチュアに印加することが一般的に必要である。
【００１２】
アーマチュアの面積は通例、ユーザ・デバイス、および給電デバイスの給電面のジオメトリに制約されるため、あるいはモノリシックなキャパシタの場合には、キャパシタンスは多くの場合、安全性の理由により、任意の偶発的な一時的電圧ピークによって二次回路の絶縁に接続されるよう要求されるため、ならびに電圧の振幅の大きな増大は安全性の問題に影響するとともに、例えば、作用する高電圧のために必要な変圧器のために、システムのサイズおよびコストの増大に影響する。その結果、静電容量システムにおいて高性能を得る最良の方法は、伝送アーマチュアに印加される電圧波の周波数を著しく増大させる方法ということになる。
【００１３】
この結果を得る極めて有利な方法は、回路トポロジおよびパイロット制御システムが、スイッチにおける動的リークを最小限に抑えること、またはほとんど完全に解消することを可能にするので、高いスイッチング周波数且つ低漏洩を可能にする、準共振または完全共振レイアウトに基づいて実現される電気回路の使用に適している。これらの目的を有利に達成する無線回路のカテゴリは、Ｅ、ＦまたはＥ／Ｆ級の増幅器の適当な変更、あるいは、共振または準共振回路の使用に由来する。
【００１４】
例えば、２０１３年１０月１０日に公開された国際特許出願に、この無線給電／再充電システムの一例が記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１５】
伝送、ひいてはデータの交換に関しては、周知の種類の広く用いられている解決策として、到達距離、コスト、消費および通過帯域に関して異なる性能を有する、有線接続（例えば、ＵＳＢ、ＨＤＭＩ（登録商標）、イーサネット（登録商標）、ファイアワイア、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ、など）あるいは無線接続（例えばＷｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＲＦ、ｚｉｇｂｅｅ、ＵＷＢ、またはその他のもの）がある。
【００１６】
実際には、例えば、他のデータを伝達するための、誘導結合に基づく、Ｑｉ無線電池充電器などの、周知の種類の無線エネルギー伝送システムを用いることが可能である。これらのシステムを変更することによって、給電とは別に、単純な情報、すなわち、限られた量のデータ、例えば、充電および／または給電の状態、デバイスおよびチップセットのＩＤ番号、起動情報、一時停止、充電および／または給電の調整に関する情報をも伝達することが可能であるが、これらのシステムは、より複雑なデータ・パッケージを伝送するために用いることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１５０３５２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
これらの周知のシステムの主な欠点のうちの１つは、特に、伝送および／または受信インダクタンスのサイズ設定によって代表される。十分な電力を伝送するために、これらの要素は通例、高い誘導値を有するため、データ伝送は必然的に極めて小さな通過帯域に制限される。
【００１９】
したがって、本発明の目的は、上述の制限を改善すること、ならびに特に、電力の伝達と同時の、且つこれとは独立した、高い通過帯域を有するデータ伝達、特に、双方向交換を可能にする容量性電力の伝達のための方法および装置を実現することである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、複数のデバイスに同時に電力供給することを可能にし、同時に、２つ以上のデバイスの間のデータ伝達を可能にする容量結合を用いたエネルギーの無線伝送のための方法および装置を実現することである。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、データ交換システムを通例必要としないデバイスも、このデバイスの性能および特性を改善するため、ならびに診断、監視および制御に有用なデータを伝達するために、装置および方法を用いることができるような方法で、上述された単純で経済的な方法および装置を実現することである。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、占有する空間量がわずかであり、維持が容易であり、管理が単純であり、製造が経済的である、電力およびデータの伝達のための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した目的を達成するため、本発明の電力およびデータを伝達するための装置は、エネルギー源と、少なくとも１対の伝送アーマチュアであって、これらのアーマチュアのうちの第１のものは使用時にアーマチュアのうちの第２のものに対して異なる電位に接続される、少なくとも１対の伝送アーマチュアと、エネルギー源、およびアーマチュアのうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの電力伝送器と、伝送アーマチュアのうちの少なくとも一方に接続され、電力伝送器によって伝送される電力とは独立した伝送アーマチュアを介したデータの受信および／または伝送時に使用するのに特に適している、少なくとも１つのトランシーバと、を備える一次回路を含む。
【００２４】
この解決策を用いることで、電力伝送器によって生成された電力を伝送し、トランシーバによって生成および／または受信されるデータ信号を同時に独立して伝送および／または受信することが可能である。
【００２５】
本発明のさらなる態様では、装置は、一次回路のそれぞれの伝送アーマチュアに近接して各々配置された少なくとも１対の受信アーマチュアと、これらの受信アーマチュアに接続された負荷と、受信アーマチュアに接続され、電力伝送とは独立した受信アーマチュアを介したデータの受信および／または伝送時に使用するのに特に適している、トランシーバと、を備える二次回路をさらに含む。
【００２６】
この解決策を用いることで、一次回路から二次回路への電力の伝送に対して独立した、同時の、一次回路と二次回路との間のデータ交換を得ることが可能である。
【００２７】
本発明の第１の態様では、一次回路は、トランシーバの上流に位置し、電力伝送器と伝送アーマチュアのうちの一方との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス、および電力伝送器と伝送アーマチュアのうちの他方との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンスと、トランシーバのヘッドと伝送アーマチュアのうちの一方との間に配置された少なくとも１つの第１のキャパシタとを備える。
【００２８】
本発明のさらなる態様では、一次回路は、トランシーバの他方のヘッドと伝送アーマチュアのうちの他方との間に配置された第２のキャパシタをさらに備える。
【００２９】
これらの解決策を用いることで、本発明の装置の一次回路の性能を最適化することができる。
【００３０】
本発明のさらなる態様では、二次回路は、トランシーバの下流に位置し、負荷と受信アーマチュアのうちの一方との間に配置された少なくとも１つの第１のインダクタンス、および負荷と受信アーマチュアのうちの他方との間に配置された少なくとも１つの第２のインダクタンスと、トランシーバと受信アーマチュアのうちの一方との間に配置された少なくとも１つの第１のキャパシタ、およびトランシーバと受信アーマチュアのうちの他方との間に配置された少なくとも１つの第２のキャパシタとを備える。
【００３１】
この解決策を用いることで、電力伝送システムおよびデータ交換システムを、負荷、発生器およびトランシーバのインピーダンス特性と無関係に独立させることができる。
【００３２】
本発明のさらなる態様では、電力トランシーバは、使用時にエネルギー源に接続された少なくとも１つのインダクタンス、一方の側においてインダクタンスに接続され、他方の側においてエネルギー源に対してより低い電位に接続された少なくとも１つのキャパシタ、および一方の側においてキャパシタと並列にインダクタンスに接続され、他方の側においてエネルギー源に対してより低い電位に接続された少なくとも１つのスイッチを含む。
【００３３】
この解決策を用いることで、データ交換システムと電力伝送との間の干渉を防止するシステム・アーキテクチャのおかげで、データ交換システムの消費を無視できるほどに維持することが可能である。
【００３４】
本発明のさらなる態様では、各トランシーバは、データ受信回路およびデータ伝送回路を含み、各データ伝送回路の出力および各データ受信回路の入力は各第１のキャパシタに接続されており、各第２のキャパシタはデータ基準電圧に接続されている。
【００３５】
この解決策を用いることで、本発明の装置を多くの異なる変調システム内に用いることが可能である。
【００３６】
本発明のさらなる態様では、二次回路は、一方の側において第１のインダクタンスと負荷との間のノードに接続され、別の側においてスイッチに接続されているキャパシタを備え、スイッチは第２のインダクタンスと負荷との間のノードに接続されている。
【００３７】
本発明のさらなる態様では、二次回路は、負荷に接続された整流段をさらに備える。
【００３８】
この解決策を用いることで、装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータとして、且つ無線伝送システムとして同時に機能することができる。
【００３９】
本発明のさらなる態様では、互いに近接して配置された少なくとも１つの伝送アーマチュアおよび少なくとも１つの受信アーマチュアによって構成されたアーマチュアの各対は単一のモノリシックなキャパシタの構成部分である。
【００４０】
本発明のさらなる態様では、一次回路は多層表面の内部に挿入されている。
【００４１】
本発明のさらなる態様では、多層表面は、１つまたは複数の伝送アーマチュアを包含する少なくとも１つの層と、装置に、必要な供給電圧、基準電圧およびデータ接続電圧を供給するための使用に特に適した１つまたは複数の層と、以下の構成要素：電力伝送器、インダクタンス、キャパシタおよびトランシーバのうちの１つまたは複数を包含する１つまたは複数の層と、を含む。
【００４２】
この解決策を用いることで、所望に応じて切断することができ、たとえ局部損傷が生じた場合でも、常に機能する、極めて薄い表面内に装置を挿入することができる。
【００４３】
上述の目的を達成することを目的として、本発明の電力およびデータを伝達するための方法は、エネルギー源と、少なくとも１対の伝送アーマチュアと、エネルギー源およびアーマチュアのうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つの電力伝送器と、伝送アーマチュアのうちの少なくとも一方に接続された少なくとも１つのトランシーバと、を備える一次回路を準備するステップと、
少なくとも１対の受信アーマチュアと、これらの受信アーマチュアのうちの少なくとも一方に接続された負荷と、受信アーマチュアのうちの少なくとも一方に接続されたトランシーバと、を備える二次回路を準備するステップと、二次回路の少なくとも１つの受信アーマチュアを一次回路の少なくとも１つの伝送アーマチュアに近接して配置し、アーマチュアの間の容量型結合を規定するステップと、少なくとも１対のアーマチュアを通じて、一次回路のトランシーバから二次回路のトランシーバへ、および／またはその逆にデータを伝達するステップと、少なくとも１対のアーマチュアを通じて、データ伝達とは独立して、一次回路の電力伝送器から二次回路の負荷へ電力を伝達するステップと、を含む。
【００４４】
本発明のさらなる態様は、一次回路内において、複数の伝送アーマチュア、複数の電力伝送器および複数のトランシーバを準備するステップであって、各伝送アーマチュアはインダクタンスを介して少なくとも１つのそれぞれの別個の電力伝送器に接続されており、アーマチュアのうちの少なくとも１つはキャパシタを介して少なくとも１つのそれぞれの別個のトランシーバに接続されている、準備するステップと、受信アーマチュアに近接して配置された伝送アーマチュアを、一次回路のそれぞれの電力伝送器およびトランシーバを介して励振し、電力およびデータの伝達をそれぞれ可能にするステップと、受信アーマチュアに近接して配置された伝送アーマチュアを、一次回路のそれぞれの電力伝送器およびトランシーバを介して励振し、電力およびデータの伝達をそれぞれ可能にするステップと、をさらに含む。
【００４５】
この解決策を用いることで、極めて機能的、経済的で、薄く、高速且つ効率的で、大きな電気負荷にさえも電力供給することができる電力および信号のための無線伝送システムを構成することができる。
【００４６】
本発明のさらなる態様では、伝送アーマチュアのうちの１つまたは複数は、経時的に変動する電圧波を用いて選択的に励振され、１つまたは複数の異なる伝送アーマチュアは、第１のものと異なる第２の電圧波を用いて選択的に活性化される。
【００４７】
この解決策を用いることで、受信アーマチュア全体が、活性表面上の受信デバイスの位置付けに関係なく、容量性無線伝送によって負荷に効果的に電力供給することができる時間変化電圧を受信する。
【００４８】
本発明のさらなる態様は、伝送アーマチュアに接続された、各電力伝送器の内部において、１対のスイッチを準備するステップと、断続信号を用いてスイッチを活性化することによって生成された電圧波を用いて１つまたは複数の異なる伝送アーマチュアを選択的に活性化するステップと、を含む。
【００４９】
本発明のさらなる態様は、伝送アーマチュアに接続された各電力伝送器の内部において、エネルギー源に接続されたインダクタンスと、一方の側においてインダクタンスに接続され、別の側において基準電位に接続されたキャパシタと、キャパシタおよびインダクタンスのノードに接続されたスイッチと、を準備するステップと、第１の断続信号を用いて第１の受信アーマチュアに近接して配置された１つまたは複数の伝送アーマチュアに接続された各電力伝送器のスイッチを活性化するステップと、第１の断続信号に対して逆位相の第２の断続信号を用いて第２の受信アーマチュアに近接して配置された１つまたは複数の伝送アーマチュアに接続された各電力伝送器のスイッチを活性化するステップと、を含む。
【００５０】
本発明のさらなる態様では、第２の信号は、一定の信号、または第１の断続信号に対して異なる位相を有する信号である。
【００５１】
本発明のさらなる態様は、各トランシーバの内部において、データ受信回路およびデータ伝送回路を準備するステップと、波を２つの電圧レベルの間で変調することによってデータ伝送回路を選択的に活性化し、データ電圧を、影響を及ぼすことなく電力波上に重畳するステップと、をさらに含む。
【００５２】
この解決策を用いることで、装置は双方向伝送モードを用いることができる。
【００５３】
本発明のさらなる態様は、各トランシーバの内部において、データ受信回路およびデータ伝送回路を準備するステップと、一次回路の各トランシーバ内、および二次回路の各トランシーバ内において、一次および二次の、異なる供給電圧レベルを用いるステップであって、それにより、一次回路の受信回路が、二次回路の伝送回路によって加えられた電圧のみを読み取ることによって、一次回路の伝送回路によって設定された電圧を区別し、二次回路の受信回路が、一次回路の伝送回路によって加えられた電圧のみを読み取ることによって、二次回路の伝送回路によって加えられた電圧を区別する、用いるステップと、をさらに含む。
【００５４】
この解決策を用いることで、装置は外部デバイスとの全二重データ交換通信を実行し、同時に、電力を外部デバイスへ伝達することができる。
【００５５】
本発明のさらなる態様は、各トランシーバの内部において、データ受信回路およびデータ伝送回路を準備するステップと、一次回路の各トランシーバ内、および二次回路の各トランシーバ内において、単一の供給電圧レベルを用いるステップと、主回路または二次回路のトランシーバのうちの１つの上のデータ伝送回路に給電するステップと、一次回路の伝送器と一次回路の受信器との間のインピーダンスを決定するステップと、一次回路の伝送器と二次回路の受信器との間のインピーダンスを決定するステップと、二次回路の伝送器と一次回路の受信器との間のインピーダンスを決定するステップと、一次回路の伝送器と二次回路の受信器との間のインピーダンスを決定するステップと、伝送器と受信器との間で決定されたインピーダンスの間の差、および二次回路の受信回路上の電圧レベルに基づいて、どちらのデータ伝送回路がデータを伝送しているのかを決定するステップと、を含む。
【００５６】
例として図面の添付の図を参照して行われる以下の説明から、本発明のさらなる特徴および利点がより完全に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る電力およびデータを伝達するための装置の一実施形態の回路レイアウト図である。
【図２】再充電および無線データ交換台座ならびに電子デバイスを有する本発明の可能な一実装形態の概略斜視図である。
【図３】給電され、相互接続されるべき複数のデバイスを含む、本発明の別の実施形態の回路図である。
【図４】本発明の別の実施形態の回路図である。
【図５】電力伝送器を特に参照した図４の実施形態の回路図である。
【図６】トランシーバを特に参照した図５の実施形態の回路図である。
【図７】本発明の別の実施形態の回路図である。
【図８】図７の回路図に係る本発明の可能な一実装形態の概略平面図である。
【図９】電力伝送器を特に参照した図７の実施形態の回路図である。
【図１０】電力伝送器を特に参照した図７の実施形態の回路図である。
【図１１】図７の回路図に適用された図６のトランシーバの部分回路図である。
【図１２】二次回路の別の実施形態の部分回路図である。
【図１３】本発明の可能な一実装形態の部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
図１を特に参照すると、電力およびデータを伝達するための装置は、例えば、ｋＨｚ、ＭＨｚまたはＧＨｚ程度の、高周波数で経時的に変動する電圧を用いて、少なくとも第１の１対の導電伝送アーマチュア１００、１００’を励振することができる電力伝送器１２に接続された、電気エネルギー源１０、例えば、電圧発生器を備える一次回路を含む。
【００５９】
一次回路は、伝送アーマチュア１００、１００’を跨いで配置された、以下においてトランシーバとも呼ばれる、少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）トランシーバ回路２０をさらに備える。トランシーバ２０は、使用時、電力の伝達システムとは独立して、アーマチュア１００および１００’を通過する高周波電気信号を回路内に注入することができる。
【００６０】
装置は、伝送アーマチュア１００、１００’に近接して配置され、全体として少なくとも１対のキャパシタンスを構成する１対の受信アーマチュア２００、２００’を備える二次回路をさらに含み、キャパシタンスを介して、供給電圧、励振周波数、ならびにキャパシタンスの幾何特性および誘電特性の関数として、二次回路の内部に配置された負荷１８への容量結合によって電力を伝送することが可能である。
【００６１】
ここで、および以下において、用語「負荷」または「負荷群」は、その機能を遂行するために電気エネルギーを吸収する任意の電気要素、構成要素、回路、装置、機器またはデバイスを意味するために用いられることが認められる。
【００６２】
二次回路は、受信アーマチュア２００、２００’を跨いで配置された、少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）トランシーバ２２をさらに備える。この構成により、導電伝送アーマチュア１００、１００’とトランシーバ２０とを備える、一次回路と、導電受信アーマチュア２００、２００’とトランシーバ２２とを備える、二次回路との間における、一次回路から二次回路への電力伝送に対して独立した、同時のデータ交換を得ることが可能である。
【００６３】
当然、無線周波数トランシーバ２０、２２への給電は、独立しているか、あるいは一次および／または二次回路とそれぞれ共通していることができる。
【００６４】
さらに、特に有利な特徴によれば、電力伝送器１２および負荷１８は、これらがトランシーバ２０、２２から吸収する電力を最小限に抑えるなどするものでなければならない。すなわち、これらは、信号を一方から別のトランシーバへ伝送するために十分な電力を分配し、信号の過剰なリークおよび弱化を回避するようにサイズ設定されなければならない。
【００６５】
具体的には、電力伝送器１２および負荷１８が、電力回路よりもはるかに高い動作周波数を通例有するトランシーバの信号が電力の伝送および受信回路の構成要素によって吸収されることを防止するローパス・フィルタを構成するのに十分に高い誘導性構成要素を有すると、トランシーバ２０、２２の電力は特に低くなり得る。
【００６６】
キャパシタンスがディスクリート・キャパシタによって構成されている場合には、かように構成された回路は、絶縁電圧コンバータ（例えばステップダウン・バック、ブーストまたはバック・ブースト型のＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＤＣ）の形態を取る。また、データ交換システムは、システムの出力電圧を制御するために有用な逆作用（ｒｅｔｒｏａｃｔｉｏｎ）を保証し、一次回路と二次回路との間のガルバニック絶縁を確実にし、同時に、例えば、光絶縁伝送器、または一次回路と二次回路との間の絶縁を保証する別のフィードバック信号伝送システムなどの、より高価である、より信頼性が低い、またはいずれにせよ、より多数の構成要素を有する、追加のデータ交換システムの必要性を回避するために有利に用いることもできる。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態の内の１つによれば、伝送アーマチュア１００、１００’は、受信アーマチュア２００、２００’に対して物理的に分離したデバイス上に配置されている。この場合には、装置は、一次回路、すなわち、電気エネルギー源１０、導電伝送アーマチュア１００、１００’およびトランシーバ２０を備える給電デバイスと、二次回路、すなわち、受信導電アーマチュア２００、２００’、トランシーバ２２および負荷１８を備えるユーザ・デバイスとを含む。
【００６８】
給電デバイスは、自立型の物体として実現することができる、例えば、専用ケーシングを提供されるか、あるいは、例えば、ライティング・デスク、テーブル、壁、ダッシュボード、グローブ・ボックス、床、および加えて、その他のものなどの、既存の構造物に一体化または適用することができる。
【００６９】
ユーザ・デバイスは、同時のデータ交換を必要とし、給電および／または再充電され得るデバイスのうちの１つ、あるいは本説明への前文において指示されているように、給電および／または再充電されることのみを必要とするデバイスのうちの１つであることができる。
【００７０】
本実施形態では、システムは、１つまたは複数の電気および電子装置の無線および非ガルバニック接続給電のため、ならびに給電のステータスおよび変数に関するサービス情報、デバイスの識別番号、あるいは同時の電力伝送に関する他の情報を伝送するために有用な装置として構成されている。
【００７１】
他方で、システムはまた、電力伝送に対して独立してデータを伝送することもでき、相当量の情報を２つ以上のデバイスの間で双方向に伝達し、同時に、全て無線による、薄く、コンパクトで、安全且つ経済的なシステムを用いた、２つのデバイスのうちの一方の給電を保証するために有用な真正且つ適切なシステムとして構成されている。
【００７２】
本発明の装置は、様々な利点、ならびに具体的には、低コスト、大きな表面上のスケーラビリティ、より薄い厚さ、高いエネルギー効率、および場合によっては、共通誘導アンテナに対して理論的通過帯域制限を有しないことを提供する。キャパシタのインピーダンスは周波数の増大とともに減少するため、容量式で結合された結合デバイス間のデータ交換速度に対する理論的制限は存在しない。同じ容量結合は、同時に、電力伝送器に結合された１つまたは複数のデバイスの無線給電システムとして機能し、高電力が効率的且つ安全に伝送されることを保証する。
【００７３】
図２を特に参照すると、本発明の好ましい実施形態のうちの１つは、例えば、非限定的に、実質的に平坦な、またはいずれにせよ、薄い形状を有する、ハウジング要素、好ましくは、台座３０を備える。台座３０の内部には、以前に図１において説明され、図解されたように、少なくとも１対の伝送アーマチュア１００、１００’、および２つのアーマチュアの間に跨がって位置付けられたトランシーバ２０に接続された、高周波を生成することができる電力伝送器１２が配置されている。台座３０は給電デバイスと機能的に同等である。
【００７４】
使用時には、例えば、電話３２、タブレット、コンピュータまたは別のユーザ・デバイスなどの、様々なデバイスを台座３０上に載置することができる。台座３０は電気エネルギー源１０に接続されており、例えば、台座は、配線によって、低電圧もしくは高電圧、ＡＣもしくはＤＣを用いて給電され得るか、または同様に、無線給電システムによって配線によって給電され得るか、あるいはエネルギー蓄積器を内部に包含することができ、無線を介して、または配線によって、データ伝送システム、例えば、限定するわけではないが、ＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）または同様のものに接続され得る。
【００７５】
使用時には、デバイス３２を台座３０上に載置すること、近接させること、または配置することによって、台座３０の伝送アーマチュア１００、１００’とデバイス３２の受信アーマチュア２００、２００’との間に容量型結合が規定され、それにより、デバイス３２の給電および／または再充電、ならびに同時に、台座３０とデバイス３２との間の高速データ伝達を可能にする。実際には、デバイス３２は、受信アーマチュア２００、２００’、給電を受けるべき少なくとも１つの負荷１８、およびアーマチュア２００、２００’の間を跨いで配置されたトランシーバ２２を内蔵する。
【００７６】
本発明のいくつかの特に有利な特徴によれば、台座３０は、単にデバイス３２を台座３０上に載置するだけで、デバイス３２、例えば、電話、ハードディスク、タブレット、カメラと、ホスト・デバイス、例えば、コンピュータとの間でデータを高速度で無線交換し、同時に、デバイス３２を充電し、且つ／またはこれに給電するための、別のホストのコンピュータに向けたブリッジとして機能することができる。さらに、台座３０はホストになることもでき、マス・メモリ、例えば、ローカル・ハードディスクまたはネットワークＮＡＳ、イーサネット（登録商標）、Ｗｉ−ＦｉまたはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）接続、電話ネットワークおよびＡＤＳＬ、ＧＳＭ（登録商標）、ＧＰＲＳ、ＨＳＰＡ、ＬＴＥ、あるいは台座３０を他の有線または無線ネットワークに接続するためのその他のもののためのブリッジを内蔵することができ、台座３０はまた、移動時にも機能することができるよう、例えば、リチウム電池などの、エネルギー貯蔵システムを内蔵することもできる。
【００７７】
当然、台座は、例えば、コンピュータ、タブレット、電子ブックおよび同様のデバイスなどの、他のデバイスを支持し、これらに給電し、これらを無線接続するために用いることができるよう、異なる形式および寸法を用いて作製することもできる。例えば、台座は、テーブル、ライティング・デスク、家具、床またはその他の表面内に一体化することができ、それにより、任意の表面をインテリジェントな再充電およびデータ交換システムに変容させ、美的外観を変更しないまま残す。
【００７８】
図３に具体的に示されている、本発明のさらなる特に有利な実施形態では、台座３０は、複数のデバイス３２、３２’に同時に給電するために、複数の一次伝送回路を並列に収容することができる。台座３０は、場合によっては台座３０の内部に収容されている、電気エネルギー源１０によって給電され、高周波数（例えば、ｋＨｚ、ＭＨｚまたはＧＨｚ程度のもの）で経時的に変動する電圧を用いて、少なくとも第１の対の導電伝送アーマチュア１００、１００’を各々励振することができる１つまたは複数の電力伝送器１２に接続されている。台座は、電力の伝達システムとは独立して、データを交換するために有用な高周波電気信号を回路内に注入することによって、各々、伝送アーマチュア１００、１００’のうちの２つにそれぞれ接続された２つのトランシーバ２０、２０’をさらに備える。
【００７９】
２つのトランシーバ２０、２０’は、好ましくは、必ずというわけではないが、無線容量結合によって、台座３０上に載置された全てのデバイス３２、３２’を相互接続し、独立した、高速な、無線方式による、デバイスおよび再充電システム間のネットワークを実現するために有用な、トランシーバの単一の管理システム４０に接続され得る。
【００８０】
各デバイスは当然、少なくとも１対の受信アーマチュア２００、２００’、負荷１８および少なくとも１つのトランシーバ２２をそれぞれ備える二次回路を含む。
【００８１】
出願人によって実施された試験は、図１および図３に示される回路の性能をどのように最適化することが可能であるのかを示した。具体的には、負荷１８が、データ伝送システム、例えば、誘導性負荷の機能周波数に対して高いインピーダンスを有し、電力伝送器１２が、データ伝送システムの機能周波数に対して高いインピーダンスを有し、トランシーバ２０、２２が、電力伝送システム１２の機能周波数に対して高いインピーダンスを有する場合に、最良の結果が得られた。
【００８２】
これらの結果に鑑みて、図４に示され、図３の実施形態に同様に拡張可能である本発明の諸実施形態のうちの１つは、図１の回路について先に説明され、その説明が本明細書に組み込まれているものに加えて、また、電力伝送器１２と導電伝送アーマチュア１００、１００’のうちの一方との間に、一次回路内の伝送器１２によって生成される電力潮流に沿って、トランシーバ２０の上流側で各々接続された、１対のインダクタンス５０、５０’をも備える。同様に、二次回路５２、５２’内においては、負荷１８の直前に、負荷１８によって受信される電力潮流に沿ってトランシーバ２２の下流側に、１対のインダクタンスが挿入された。
【００８３】
さらに、一次回路上において、トランシーバ２０と伝送アーマチュア１００、１００’およびトランシーバ２２と受信アーマチュア２００、２００’との間に１対のキャパシタ５４、５４’が介在させられ、二次回路上において、１対のキャパシタ５６、５６’が介在させられており、全て、小さな静電容量、例えば、ｐＦ、数十または数百ｐＦのものである。
【００８４】
この回路レイアウトは著しい利点をもたらし、その中でも、例えば、電力の伝送システム１２の典型的な動作周波数、通例、数百ｋＨｚ〜数百ＭＨｚにおいて、一次回路５２、５２’および二次回路のインダクタンス５０、５０’は、電力伝送システムに対してわずかな影響を与え得るのみであるか、または電力伝送システムの一体部分であることができ、通例、一次回路の伝送アーマチュア１００と二次回路の受信アーマチュア２００とを隣接させることによって形成されたキャパシタンスとともに、または回路の他のリアクタンス構成要素とともに、共振もしくは略共振を作り出す、または促進するという事実をもたらす。
【００８５】
さらに、データ交換トランシーバ２０、２２の典型的な動作周波数、通例、ＧＨｚもしくは数十ＧＨｚ、またはいずれにせよ、電力伝送システムよりもはるかに高い周波数において、一次回路のインダクタンス５０、５０’および二次回路のインダクタンス５２、５２’は開回路を構成し、それゆえ、それぞれ、電力伝送器１２上または負荷１８上へのデータ信号の電力リークを防止する。
【００８６】
さらに、無線電力伝送システムの典型的な動作周波数において、トランシーバ２０、２２を主岐路からそれぞれ分離する小さなキャパシタンス５４、５４’および５６、５６’は、開回路を構成する。すなわち、キャパシタンスを絶縁し、電力伝送器１２から負荷１８へ伝送されている電力がトランシーバ２０、２２上へも散逸させられることを防止する。
【００８７】
最後に、無線データ伝送システムの典型的な動作周波数において、小さなキャパシタンス５４、５４’および５６、５６’は、トランシーバ２０および２２によって伝送されたデータ信号が主伝送アーマチュア１００上、および受信アーマチュア２００上にそれぞれ注入され、反対側のトランシーバに到達することを可能にする、短絡を構成する。
【００８８】
要約すれば、上述の構成は、負荷１８、発生器１２およびトランシーバ２０、２２のインピーダンス特性にかかわらず、電力伝送システムとデータ交換システムとを独立させ、伝送アーマチュア１００、１００’が電力およびデータを、アーマチュア２００、２００’へ、ひいては二次回路全体へ同時に伝送することを可能にし、最後に、エネルギーの漏れを回避し、最小限の消費で最大限の動作速度およびデータ伝達を保証するようトランシーバ２０、２２の寸法を設定することを可能にする。
【００８９】
図５、および説明がすぐに参照できるように本明細書に組み込まれている以前の図に示される要素を特に参照して、次に、データの送受信システムと組み合わせて、無線電力伝送のためにアーマチュアを効果的に励振するための高周波数電圧波を生成するために用いることができる発生器１２が説明される。
【００９０】
全体として、データ送受信システムは、一方は一次回路に、他方は二次回路にそれぞれ接続された少なくとも１対のトランシーバ２０および２２からなる。可能な特に有利な実装形態では、電力伝送器１２は、電気エネルギー源１０から、例えば、電池、場合によっては、整流ＡＣ電圧または電圧発生器から到来する電圧を供給される、給電インダクタ６０を備える回路を備える。使用時に、インダクタ６０は、電力伝送器のその他のもののための電圧発生器として機能し、その理想化にほぼ正確に近づけるために適切に寸法設定することができる。
【００９１】
インダクタ６０には、蓄積キャパシタ６４が、スイッチ６６、例えば、限定するものではないが、ＭＯＳＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、継電器、ソリッド・ステート継電器または別の種類のスイッチと並列に接続されている。キャパシタ６４およびスイッチ６６の他方のヘッドは、より低い電位、例えばグラウンドに接続されている。
【００９２】
キャパシタ６４は、例えば、スイッチ６６の固有寄生容量を利用することによって、省くか、または最小限に抑えることができ、回路は、キャパシタ６４を置換するために適切なリアクタンス値を含むことができ、また、直列のリアクタンスが、回路の性能およびエネルギー効率を改善するためにスイッチ６６とともに含まれ得ることが強調される。
【００９３】
一次電力伝送回路のインダクタンス５０および伝送のアーマチュア１００は、インダクタンス６０、キャパシタ６４およびスイッチ６６を接続するノードに接続されている。一次回路は、第２のインダクタンス５０’に接続された第２の伝送アーマチュア１００’をさらに備え、第２のインダクタンスは、より低い電位、例えば、グラウンドに接続されている。
【００９４】
最後に、トランシーバ２０はキャパシタ５４を介してインダクタンス５０と伝送アーマチュア１００との間のノードに接続されており、キャパシタ５４’によってインダクタンス５０’と伝送アーマチュア１００’との間のノードに接続されている。
【００９５】
ユーザ・デバイス３２は、２つの受信アーマチュア２００、２００’であって、伝送アーマチュア１００および１００’にそれぞれ面し、こうして、電力を一次回路から二次回路へ伝送し、データを一次回路と二次回路との間で双方向に伝送することができる１対のキャパシタンスを構成する、２つの受信アーマチュア２００、２００’と、受信アーマチュア２００および２００’とそれぞれ直列の１対のインダクタンス５２、５２’とを備える二次回路を含む。二次回路内において、トランシーバ２２はキャパシタ５６を介してインダクタンス５２と伝送アーマチュア２００との間のノードに接続されており、キャパシタ５６’を介してインダクタンス５２’と伝送アーマチュア２００’との間のノードに接続されている。
【００９６】
この構成は、電力伝送のために用いられるアーマチュア１００、１００’、２００、２００’を介した、無線電力の伝送システムとは独立した、経時的に連続した双方向データ伝送を可能にし、その一方で、データ交換システムと電力伝送との間の干渉を防止するシステム・アーキテクチャのおかげで、データ交換システムの消費を無視できるほどに維持する。
【００９７】
二次回路は、場合によっては、所定の整流段１０５、および場合によっては、例えば、ＤＣ  ＤＣの、電圧変換段、または電池充電回路を含む、インダクタンス５２に接続された給電対象負荷１８をさらに備える。
【００９８】
インダクタンス５０、５０’、５２、５２’、ならびにキャパシタ６４およびインダクタンス６０の伝送アーマチュア１００、１００’および受信アーマチュア２００、２００’の値を適切にサイズ設定することによって、通例、１つまたは複数の周波数において共振する、電力伝送回路が作り出される。この回路は、例えば、Ｅ、Ｅ／ＦおよびＦ級増幅器において、あるいは通例、例えば、ＭＨｚ、数十ＭＨｚよりも大きい、またはさらに、数百ＭＨｚよりも大きい、極めて高い動作周波数を有するＺＶＳ／ＺＣＳ共振または準共振コンバータにおいて同様に行われるように、無電流条件または無電圧条件におけるスイッチのオンおよびオフの切り替えを保証するよう寸法設定されているため、高いエネルギー効率を有する。このように、伝送および受信アーマチュアの面積の関数としての高い伝送電力密度を依然として達成しつつ、構成要素の寸法を大幅に低減し、実際に、小型化することができる。
【００９９】
インダクタンス５０、５０’、５２、５２’の存在は、トランシーバ２０、２２が高電力を必要とすることなく、アーマチュア１００、２００および１００’、２００’によって形成された伝送キャパシタンスを通じてデータを同時に伝送することをさらに可能にする。これは、インダクタンスが、通例、高周波数において、データ変調が負荷１８または電力伝送器１２によって吸収されるのを防止するブロッキング・ローパス・フィルタとして機能するためである。
【０１００】
同様に、キャパシタンス５４、５４’および５６、５６’は、電力伝送器が、電力をトランシーバへ伝達することによって、トランシーバと干渉するのを防止する。与えられる信号の周波数は電力伝送システムの周波数よりも大きく、例えば、通例、現代の無線通信システムにおいてあるように、数十または数千ＭＨｚまたはＧＨｚであるため、キャパシタンス５４、５４’、５６、５６’は、データ交換システムとの電力伝送器の干渉が生じない電力岐路上におけるデータ伝送を可能にする。
【０１０１】
このように、極めて機能的、経済的で、薄く、高速且つ効率的であり、大きな電気負荷、例えば、スマートフォン、タブレット、コンピュータ、テレビ、ハードディスクなどにさえも給電し、経済的、高速且つ安全である、同時の独立したデータ交換システムを介してこれらを相互接続することができる、電力および信号のための無線伝送システムを確立することができる。
【０１０２】
本発明のさらなる特徴では、電気エネルギー源１０が交流電源、例えば、公共ＡＣ配電網電圧である場合には、装置はまた、電力伝送器１２の上流に電圧の整流段、および場合によっては、安定化段を備えることもでき、ＡＣ／ＤＣコンバータ且つ無線伝送システムとして同時に機能するシステムになる。このように、一次回路と二次回路との間のガルバニック絶縁を保証することができ、個人データ、例えば、写真、ビデオなどの、デバイス上に包含されているユーザ・データ、ならびに例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータの一次回路と二次回路との間の逆作用信号またはその他の信号、例えば、一次回路上におけるスイッチのオンへの切り替えを調整するために有用な二次回路上の電圧信号の伝送を保証するための、デバイスのために有用なデータの両方のための、回路の２つの部分の間の同時データ交換を可能にすることができる。したがって、本発明の装置は、単純性、効率、堅牢性および小型化の観点から、特に有利である。
【０１０３】
さらに、例えば、高圧供給電圧の使用の場合において、有用である場合には、伝送アーマチュア１００、１００’と直列に、さらなるガルバニック絶縁キャパシタンスを含み、したがって、伝送アーマチュア１００、１００’上の電圧を低下させることによって、回路の安全性レベルを高めることが可能である。
【０１０４】
図６を特に参照して、次に、給電デバイスの一次回路内、およびユーザ・デバイスの二次回路内にそれぞれ配置されたトランシーバ２０、２２を特に参照しつつ、本発明のさらなる実施形態のうちの１つについて説明が行われる。明確に認識できるように、図６に示される構成要素の多くは、先行する図に示されている要素に対応する。これらの要素の説明はすぐに参照できるように本明細書に組み込まれ、これらの要素のためには同じ参照符号が用いられている。システムが完全に対称的且つ双方向的であるため、各データ・トランシーバ・システムは一次回路および二次回路上に同じように存在することができることにも留意されたい。
【０１０５】
各データ送受信システムは、例えば、一次回路上に配置されたトランシーバ２０のためのデータ受信回路８４およびデータ伝送回路８６、ならびに二次回路上に配置されたトランシーバ２２のためのデータ受信回路８４’およびデータ伝送回路８６’を備える。一次回路上において、データ伝送回路の出力および受信回路の入力は両方ともキャパシタンス５４に接続されており、その一方で、他方のキャパシタンス５４’は、データ回路を閉じるためのデータ基準電圧に接続されている。具体的には、伝送回路８６および受信回路８４は両方とも、一次データ基準電圧に接続された基準入力８２、および一次データ供給電圧に接続された供給入力８０を含む。二次回路上において、データ伝送回路の出力および受信回路の入力は両方ともキャパシタンス５６に接続されており、その一方で、他方のキャパシタンス５６’は、データ回路を閉じるための二次データ基準電圧に接続されている。同様に、伝送回路８６’および受信回路８４’は両方とも、二次データ基準電圧に接続された基準入力８２’、および二次データ供給電圧に接続された供給入力８０’を含む。受信回路８４、８４’は、例えば、抵抗または別の読み取りインピーダンス、ならびに場合によっては、例えば、コンパレータ、オペアンプ、ｂｊｔ、ｍｏｓｆｅｔ、ＣＭＯＳに基づく、信号の他のバッファ段、比較段、増幅段および状態設定段、あるいは通例、高周波数信号（ＧＨｚ、数十または数百ＧＨｚ）を読み取ることができる他の読み取り段によって構成することができる。読み取り回路の出力が、最大限異なる目的のために利用可能な受信データとなる。
【０１０６】
同様に、伝送回路８６は、通例、高周波数の、任意の発信源からのシステムからのデータ・フローを受信し、これをキャパシタンス５４上へ、ひいては、回路内へ注入する。伝送回路８６は、例えば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、またはデータ伝送システムを実現するために有用な他のインピーダンスと組み合わせた、ＲＦトランジスタ、ＢＪＴ型、ＭＯＳ、ＣＭＯＳペア、または高周波信号を生成することができる別の同等のシステムによって作製することができる。
【０１０７】
二次回路の伝送回路８６’および受信回路８４’は、一次回路の伝送回路８６および受信回路８４と同じ方法で機能する。
【０１０８】
一次および二次のデータ基準電圧、ならびに一次および二次のデータ供給電圧は、互いに、および回路の残りの部分の供給電圧に対して完全に独立している。簡単にするために、これらの電圧は一致することができるが、これは、最大限異なる電圧レベルの統御にとりわけ融通の利く本システムの正しい機能のために必須の要件ではない。
【０１０９】
上述されたように、上述の実施形態は可能な形態のうちの１つにすぎず、ここまで説明されたいくつかまたは全ての構成要素は他の機能的に同等な構成要素によって置換することができる。
【０１１０】
添付の図においてこれまで説明され、図解された装置は、例えば、振幅または周波数がアナログ式、またはデジタル式の、多くの異なる変調システムにおいて用いることができる。伝送回路８６、８６’がオンまたはオフに切り替わるたびに、電力の伝送システムとは独立した、電力岐路上への信号の伝送が生じる。この信号は、インダクタンス５０、５２、５２’、５０’の間に含まれる回路の全ての部分内を伝搬し、したがって、任意の受信器によって、例えば、受信回路８４、８４’によって読み取られ得るが、負荷１８上、および電力伝送器１２上へ伝搬することができない。同様に、二次回路上に配置されたトランシーバによって伝送される信号は、一次回路上に配置されたトランシーバによって読み取られ得るが、負荷１８上、および電力伝送器１２上へ伝搬することができない。
【０１１１】
典型的には、最も一般的な方法およびプロトコルの全てを用いてデータ・パケットを送ることが可能である。負荷および電力伝送器がインダクタンス５０、５０’、５２、５２’によってデータ交換区域に対して絶縁されており、且つ低周波数電力波がトランシーバによってキャパシタンス５４、５４’、５６、５６’を介して絶縁されているがゆえに、必要とされる電力が非常に低いため、トランシーバ・システムは、極めて小型で、高速である読み取り回路および書き込み回路を用いることができる。このように、周波数は極めて高くなることができ、例えば、ＧＨｚ、数十または数百ＧＨｚ程度のものになることができ、それゆえ、数十、または実際には数百Ｇｂｐｓよりも大きな速度におけるデータ交換でさえも可能にする。
【０１１２】
本発明の装置は、半二重方式または全二重方式のいずれかの、双方向伝送モードを用いることができることに注目すべきである。第１のモード、半二重方式では、伝送回路８６または８６’がデータを伝送する場合には、他の伝送回路は全てオフであり、次にデータを伝送するために伝送の終了を待たなければならない。このモダリティの利点は、実装のその単純性、および外乱へのその耐性である。例えば、データが、２つの電圧波の間で、例えば、限定するものではないが、０Ｖと５Ｖとの間で方形波を変調することによって伝送される場合には、論理の「０」を２つのレベルのうちの一方と見なすことができ、論理の「１」は他方のレベルであることができる。データ伝送回路は電力伝送器と独立しているため、与えられた電圧は、電力波によって影響を受けることなく、電力波上に重畳する。
【０１１３】
別の利用可能な方法は、論理の「０」および「１」を、移行、高−低および低−高と見なし、場合によっては、時間依存同期型通信を作り出すためにアクセサリ・クロックを用いること（「０」は、クロック・サイクル内に移行がないこと、またはその逆）に存する。
【０１１４】
以上のことより、データ交換システムの電圧が選択されると、２つの電気的ステータスの間で最大限の距離が得られ、こうして、外乱への最大限の耐性が保証されることが分かる。
【０１１５】
代替的に、例えば、異なる伝送器のために異なる動作周波数を用いる、全二重通信のためのハードウェア・アーキテクチャを利用することが可能である。しかし、この方法は、信号を分離するために有用な適切なデジタルまたはアナログフィルタを提供されなければならない受信回路８４、８４’を著しく複雑にし、データ交換システムにおける不確実性状態を可能にする。
【０１１６】
図示のシステムのハードウェアを複雑にすることなく全二重通信を保証するためのさらなる方法は、トランシーバ２０および２２において、一次および二次の、異なる供給電圧レベルを用い、それにより、受信器が一部をなすデータ・システムの伝送器バス上に入力される電圧が知られていることで、各受信回路８４、８４’が通信バスのステータスを一義的に決定することができるようにすることに存する。例えば、一次回路上に配置された伝送回路８６が０Ｖと１０Ｖとの間で伝送し、二次回路上に配置された伝送回路８６’が０Ｖと５Ｖとの間で伝送する場合には、受信回路８４は、伝送回路８６によって設定された電圧のみを読み取ることによって、伝送回路８６によって設定された電圧を論理的に区別することができる。同様に、受信回路８４’は、伝送回路８６によって設定された電圧、ひいては、データのみを読み取ることによって、伝送回路８６’によって設定された電圧を区別することができ、決定されない状態を生じさせない。
【０１１７】
例えば、データ・システム供給に対する１つの唯一の供給電圧レベル（例えば５Ｖ）を用いることによって、図示の全二重通信システムをさらに単純化することが可能である。明らかに、これは、一次および二次のデータ供給電圧、ならびに一次および二次のデータ基準電圧が引き続き完全に独立し得ず、等しい値のものになり得ることを意味していない。これは、例えば、トランシーバの設計を単純化することを可能にする。さらに、データは引き続き一次回路および二次回路とは独立して生成される。これは、これらの回路が物理的に分離した物体上に配置されているためである。この代替的な解決策は、伝送器２０、例えば、一次回路上の伝送回路８６によって放射された各信号は、同じデータ交換回路上に配置された受信器、例えば、一次回路上の受信回路８４へ直接到達し、その一方で、この信号は、他方のデータ交換システム上に配置された受信器上へ、例えば、二次回路上に配置された受信回路８４’上へ、より大きなインピーダンスを有する経路をたどって到達するという事実を利用する。インピーダンスが異なることは、異なる経路に由来する。実際に、デバイス上の伝送器と他方のデバイスの受信器との間には、キャパシタンス５４、５４’、キャパシタンス５６、５６’、ならびにアーマチュア１００、２００およびアーマチュア１００’、２００’の結合によって構成された２つの伝送キャパシタンスが存在する。これは全て、どちらの伝送回路８６または８６’がデータを伝送しているのかの関数として、受信回路８４または８４’上における異なる電圧レベルを自動的に決定し、それゆえ、単純、効果的、堅牢且つ高速である全二重通信を用いて、電力伝達システムと同時に、且つこれとは独立して伝送されたデータを一義的に明らかにすることを可能にする。
【０１１８】
伝送回路８６、８６’の出力インピーダンスが十分に高い限り、システムは機能する。さもなければ、受信器と近接した伝送器の信号が、他の伝送器から到来する他の全ての信号を相殺する。伝送器８６、８６’の出力インピーダンスは、例えば、適切な値のキャパシタンス、抵抗またはインダクタンスを伝送器８６に導入することによって、適切に校正することができることが強調される。
【０１１９】
例えば、トランシーバ２０の一部である伝送回路８６が０〜５Ｖの移行を行い、独立して、トランシーバ２２の一部である伝送回路８６’も０〜５Ｖの移行を行う場合には、両方の伝送回路８６、８６’の出力インピーダンスが十分に高ければ、各受信回路８４および８４’は、２つの信号の効果の重畳から生じる全体信号を受信することになり、各信号の効果は、各信号の経路の総インピーダンス上で重み付けされているため、互いに区別することができる。例えば、トランシーバ２２上に配置された受信回路８４’を考慮すると、トランシーバ２０上に配置された伝送回路８６から到来する信号は、同じトランシーバ２２上に配置された伝送回路８６’から到来する信号よりも高いインピーダンス経路をたどることになり、その逆もまた同様である。
【０１２０】
具体的には、この結果は、一次回路の伝送器８６と一次回路の受信器８４との間、一次回路の伝送器８６と二次回路の受信器８４’との間、二次回路の伝送器８６’と一次回路の受信器８４との間、および一次回路の伝送器８６と二次回路の受信器８４’との間のインピーダンスをそれぞれ決定することによって、得ることができる。伝送器８６、８６’と受信器８４、８４’との間で決定されたインピーダンスの間の差、および二次回路の受信回路８４’上の電圧レベルに基づいて、どちらのデータ伝送回路８６、８６’がデータを伝送しているのかを決定することが可能である。
【０１２１】
現在までに説明された装置は、一次回路から二次回路への電力の伝達を可能にし、２つの回路の間のデータ交換を、同時に、且つ独立して可能にする。
【０１２２】
具体的には、図３は、実質的に、給電および／または相互接続されるべき各デバイスのための回路を複製することによって、複数のデバイスにどのように同時に給電し、これらを相互接続するのかを説明し、図解している。しかし、この解決策は、寸法が規定され、したがって、あまり融通性がなく、デバイスおよび再充電アーマチュアのジオメトリ、および／またはデバイスの種類に厳格に依存したデータ交換に実質的に制約された、再充電および／またはデータ交換区域を作り出す。例えば、コンピュータは、電話に対してより大きな電力が必要であるがゆえに、より大きな区域を必要とし、コンピュータに適した伝送アーマチュアは電話またはタブレットには適さない。
【０１２３】
本発明の特に有利な特徴によれば、この欠点を取り除くことができ、インテリジェントなデータ交換再充電面、すなわち、デバイスの寸法、電力吸収とは無関係に、且つ、また、相互接続および給電面上におけるデバイスの位置付けおよびデバイスの数とは無関係に、任意のデバイスに給電し、これを相互接続することができるインテリジェントなデータ交換再充電面を作り出すことができる。
【０１２４】
図７を特に参照すると、給電デバイス３０の一次側は複数の伝送アーマチュア１００を備える。キャパシタ５４およびインダクタンス５０が各伝送アーマチュア１００に接続されている。データ・トランシーバ回路２０がキャパシタ５４の他方のヘッドに接続されており、その一方で、電力伝送器１２がインダクタンス５０の他方のヘッドに接続されている。
【０１２５】
全ての電力伝送器１２は、今度は、他方のヘッドにおいて電気エネルギー源１０に接続されている。電気エネルギー源１０と電気エネルギー源１２との間に、ＬＣフィルタが含まれ得る。このＬＣフィルタは、直列のインダクタンス６０’、およびキャパシタンス６４’によって構成されており、電気エネルギー源１０がＡＣ（例えば、通常の配電網電圧）である場合には、電圧の整流段および安定化段が存在することができる。
【０１２６】
一次伝送回路の内部に含まれる複数のアーマチュア１００上に、１つまたは複数のデバイスを配置することができる。これらのデバイスの各々は、電流を吸収することができ、場合によっては、データを受信および伝送することもできる負荷１８、１８’を構成する。
【０１２７】
各デバイスは、多数の伝送アーマチュア１００によって構成された活性表面上に載置され、同様に、少なくとも１対の受信アーマチュア２００、２００’が設けられている。受信アーマチュア２００および２００’は、通例、伝送アーマチュア１００の寸法よりも大きい面積を有するため、多数の伝送アーマチュア１００によって構成された活性表面上にデバイスを無作為に載置することによって、各受信アーマチュア２００は、少なくとも１つの伝送アーマチュア１００に近接して、および典型的には、一群の伝送アーマチュア１００に近接して配置される。
【０１２８】
かように、伝送アーマチュア１００を受信アーマチュア２００、２００’と隣接させることから形成されたキャパシタンスは、一次回路から二次回路への電力の伝達を可能にし、同時に、給電デバイス３０とユーザ・デバイス３２、３２’との間のデータの双方向伝達を可能にする。
【０１２９】
２つのキャパシタンス５６および５６’ならびに２つのインダクタンス５２および５２’が受信アーマチュア２００に接続されている。トランシーバ２２がキャパシタンス５６および５６’の他方のヘッドに接続されており、その一方で、負荷１８がインダクタンス５２、５２’の他方のヘッドに接続されている。二次回路の負荷１８と２つのインダクタンス５２、５２’との間に、電圧または電流適応回路、すなわち、例えば、整流器、安定器、あるいは電圧および／または電流コンバータを備える、整流段１０５が存在することができる。
【０１３０】
伝送可能電力は、第一次近似において、二次アーマチュア２００、２００’の面積に比例することになる。これは、特に、伝送アーマチュア１００が受信アーマチュア２００、２００’に対して小さい面積を有し、それゆえ、受信アーマチュア２００、２００’の利用されない区域を最小限にとどめる場合に生じる。このように、受信アーマチュア２００、２００’の面積は、必要とされる電力の関数などとして、給電および／または橋絡されるべきデバイスの面積に容易に比例させることができる。したがって、コンピュータは、電話よりも広がった受信アーマチュア２００を有することになり、それゆえ、より多数の伝送アーマチュア１００を覆い、より大きな伝送電力を可能にする。
【０１３１】
給電および／または相互接続のためのデバイスの内部における、インダクタンス５２、５２’、または負荷の別の適応ネットワークの存在は、各デバイスのための独立した同調を促進し、負荷ごとの電力の伝達を最適化する。さらに、一次回路上に配置されたインダクタンス５０、５０’は、共振周波数を決定すること、ひいては、システムの同調に寄与し、それゆえ、サイズが重要となり得る、二次回路上に配置されたインダクタンス５２、５２’の値、ひいては、サイズを最小限に抑えることを可能にする。しかし、とりわけ、インダクタンス５０は、電力回路１２および負荷１８が典型的なデータ交換周波数に対して高いインピーダンスを構成するため、トランシーバ２０および２２によって放射された信号が電力回路１２または負荷１８によって吸収されることを防止するなどするためのものである。
【０１３２】
同様に、キャパシタンス５４、５６および５６’は、トランシーバ２０および２２が低い値のものであり、したがって、電力伝達システムの典型的な動作周波数に対して大きなインピーダンスのものであるため、電力波がトランシーバ２０および２２と相互作用することを防止する。図１１に、ここまでに説明された回路に適用されるトランシーバ２０および／または２２の一実施形態が示されている。
【０１３３】
本発明の特に有利な特徴では、一次回路は、伝送アーマチュア１００の数よりも少数のトランシーバ２０を備えることができる。具体的には、複数の伝送アーマチュア１００、複数の電力伝送器１２および複数のトランシーバ２０を備える、一次回路内において、各伝送アーマチュア１００は少なくとも１つのそれぞれの別個の電力伝送器１２に接続されているが、アーマチュア１００のうちの１つ、好ましくは少なくとも１つのみが少なくとも１つのそれぞれの別個のトランシーバ２０に接続されていることが可能である。換言すれば、本発明の目的および利点を得るために、各伝送アーマチュア１００がそれぞれのトランシーバ２０に接続されている必要はない。
【０１３４】
使用時には、説明を簡単にするために、１つのデバイスのみが活性表面上に載置された状態で用いられる上述の装置を参照すると、給電デバイスの電力回路１２は、受信アーマチュア２００または２００’が上に配置された伝送アーマチュア１００のみを選択的に活性化する。具体的には、電力伝送器１２は、経時的に変動する電圧波を用いて、ユーザ・デバイスの二次回路の第１の受信アーマチュア２００の下方に配置された伝送アーマチュア１００のグループを選択的に励振する。同様に、給電デバイスの電力回路１２は、例えば、異なる形状もしくは位相を有する、または一定の電圧、例えば、グラウンドを有する、第１のものとは異なる第２の波を用いて、第２の受信アーマチュア２００’に近接して配置された、伝送アーマチュア１００の第２のグループを選択的に励振する。最後に、上方に受信アーマチュア２００が存在しない伝送アーマチュア１００は、オフのまま維持するか、または一定の電位に接続させることができ、最大限の安全性、エネルギー効率を保証し、電磁放射を最小限に抑える。
【０１３５】
このように、受信アーマチュア２００、２００’全体が、活性表面上の受信デバイス３２の位置付けに関係なく、容量性無線伝送のために負荷１８に効果的に電力供給することができる時間変化電圧を受信する。
【０１３６】
受信アーマチュア２００、２００’によって一部のみ覆われた伝送アーマチュア１００の活性化を回避することによって、放射される電磁放射が最小限に抑えられ、システムの効率が最適化される。受信アーマチュア２００、２００’に対して小さな面積を有する伝送アーマチュア１００は、部分的に覆われた区域を有することを回避するのを助け、同時に、受信アーマチュア２００、２００’の面積の無駄を防止する。
【０１３７】
さらに、第１の受信アーマチュア２００の下方に配置された伝送アーマチュア１００のうちの任意のものに接続された給電デバイスのトランシーバ２０のうちの少なくとも１つが、電圧または周波数変調を用いて、データを伝送し、第２の受信アーマチュア２００’の下方に配置された伝送アーマチュア１００のうちの任意のものに接続されたトランシーバ２０のうちの少なくとも１つが、異なる電位（例えば、データ基準電圧８２）に接続されているか、または第１のアーマチュア２００の下方に配置されたトランシーバ２０に対して逆位相であることで十分であり、それにより、ユーザ・デバイス３２のトランシーバ２２がデータを受信することができるようにする。同様に、トランシーバ２２がデータを伝送する場合には、トランシーバ２０のうちの任意のものがデータを受信することができる。
【０１３８】
各伝送アーマチュア１００がトランシーバ２０に接続されていることは必須でなく、伝送アーマチュア１００には、ユーザ・デバイス３２が伝送アーマチュア１００の活性表面に隣接させられた時に、少なくとも１つのトランシーバ２０が各受信アーマチュア２００および２００’の下方に配置されていることを保証するなどするための、トランシーバ・システム、アーマチュアのサブアセンブリが提供されることで十分であり、それにより、データ伝送システムを単純化し、これをより経済的にすることに留意されたい。
【０１３９】
複数の伝送アーマチュア１００は、給電デバイスの平面上、またはさらには、非平面表面上に、様々な異なる構成で、例えば、マトリックス状に、または大なり小なり規則的な分布で配置することができることに留意されたい。
【０１４０】
図８は、例として、好ましくは形状が平坦であり、上面を含み、この上面に近接して複数の伝送アーマチュア１００が配置されたハウジング要素の内部に、一次回路が配置されている、本発明の可能な一実施形態を示す。図は、例として、２つのデバイス３２、３２’が空間的に無作為の位置に配置され、隣接させられている、伝送アーマチュア１００の表面配置の概略図を与える。電力およびデータの無線伝達を可能にするためには、各デバイス３２、３２’の各受信アーマチュア２００、２００’の下方に少なくとも１つの伝送アーマチュア１００が配置されていることで十分である。
【０１４１】
先と同様に、電力伝送器１２は、多くの異なる実施形態、すなわち、複数の異なる種類の電力伝送回路を有する実施形態に従って実現可能である。実際には、各電力伝送器１２が、十分に高い周波数の電圧波を生成することができることで十分である。したがって、Ａ、Ｂ、ＡＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｅ／Ｆ級などの増幅レイアウト、半ブリッジ、完全Ｈブリッジ、ハード・スイッチングまたは準共振もしくは完全共振ソフト・スイッチング、ゼロ電流スイッチングもしくはゼロ電圧スイッチングと同様の、スイッチング型レイアウトを用いることが可能である。
【０１４２】
概念的なことを含めて、本提案のレイアウトが全ての上述のアーキテクチャからどのように除去されるかに留意されたい。なぜなら、レイアウトは、キャパシタンス、短絡されたキャパシタンスの各々の第２のヘッドに各々接続され、負荷１８に接続された、並列の多数の伝送器として理想化することができるためである。
【０１４３】
図９に示される、本発明に係る好ましい実施形態の別のものでは、電力伝送器１２は、２つのスイッチ６６、６８、例えば、ＭＯＳＦＥＴ  Ｎ、Ｐ型、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ、ＣＭＯＳペア、継電器、ソリッド・ステート継電器、ＭＥＭＳまたは別のスイッチを含む群から選定される、２つのスイッチを備える。好ましくは、必ずというわけではないが、パイロット制御の単純さのため、または伝送アーマチュア１００の巨大なマトリックスをパイロット制御することができる多数の電力伝送器１２を包含するアレイのシリコン上への容易な組み込みのためには、ＣＭＯＳペアの使用が特に有利になり得る。
【０１４４】
アーマチュアをパイロット制御するステップは、スイッチをオンおよびオフに交互に切り替えることができる、電圧波、例えば、限定するわけではないが、方形波の印加に実質的に基づく。高スイッチ６８がオンである時には、低スイッチ６６はオフであり、その逆もまた同様である。このように、多数の伝送アーマチュア１００によって構成された活性表面に隣接させた各デバイス３２、３２’の第１の受信アーマチュア２００に近接して配置された伝送アーマチュア１００に接続された電力伝送器１２の各グループをパイロット制御することが可能である。
【０１４５】
活性表面に隣接させた各デバイス３２の第２のアーマチュア２００’に近接して配置された伝送アーマチュア１００に接続された電力回路１２の第２のグループは、一定の電位、例えば、対応する低スイッチ６６をオンに保つことによって得られる、グラウンド、または対応する高スイッチ６８をオンに保つことによって得られる、供給電圧を維持することによって、パイロット制御することができ、あるいは電力回路の第２のグループは、第１のグループに対して反対の位相で、またはいずれにせよ、アーマチュアの第１のグループとは異なる位相を用いて、励振することができる。
【０１４６】
インダクタンス５０および６０、ならびにキャパシタ６４の注意深いサイズ設定、ならびに回路内へのさらなる適切なリアクタンスの導入は、伝送アーマチュア１００および受信アーマチュア２００、２００’によって形成されたキャパシタンスと共振回路を作り出すことを可能にし、例えば、準共振レイアウト、共振レイアウト、または同様のものにおいて生じるものと同様の方法による、ゼロ電流もしくはゼロ電圧スイッチの移行、またはいずれにせよ、漏れの低い移行を可能にすることに留意されたい。
【０１４７】
負荷の適応ネットワークは、リアクタンス要素を追加、除去または置換することによって、本発明の機能原理が大幅に変更されることなく、変更され得る。
【０１４８】
本発明のさらなる有利な特徴は、多くの小さな伝送アーマチュア１００の使用が、著しく高い動作周波数、例えば、数十または数百ＭＨｚの使用を可能にし、それゆえ、小さな区域を通じた多量の電力の伝送を可能にし、その一方で、同時に、システムの安全性に都合良く、伝送アーマチュア１００上の供給電圧を低く維持することである。
【０１４９】
本発明のさらなる利点は、インダクタンス５０は、電力伝送器１２から伝送アーマチュア１００へ向かう電力の通過を可能にするが、通例、はるかにより高い周波数、例えば、数百ＭＨｚ、ＧＨｚ、数十ＧＨｚまたは数百ＧＨｚを有する、トランシーバ２０および２２から到来するデータ信号の、発生器１２へ向かう通過を許さないことである。
【０１５０】
図１０に、本発明に係る電力伝送器１２のさらなる実施形態が示されている。各電力伝送器１２は、給電回路に接続されたインダクタンス６０、一方の側において他方のインダクタンス・ヘッド６０に接続され、別の側において基準電位、例えば、グラウンドに接続されたキャパシタ６４を含む。Ｎ、Ｐ型のＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＢＪＴを含む群から選択される種類のスイッチ６６が接続されており、スイッチ６６の他方の端子は基準電位、例えばグラウンドに接続されている。インダクタンス６０、キャパシタ６４およびスイッチ６６を結合する同じノードに、インダクタンス５０が接続されており、インダクタンス５０の他方の端子は伝送アーマチュア１００に接続されている。
【０１５１】
かように実現された回路は、インダクタンス６０を、使用時に、第一次近似において一定の電流を電力伝送器１２内へ注入する電流発生器として利用する。スイッチ６６がオンである位相の間に、インダクタンス６０は再充電され、その一方で、スイッチ６６がオフである位相の間に、インダクタンス６０は回路に給電する。
【０１５２】
キャパシタ６４は物理的に存在することができるか、または例えば、ＭＯＳＦＥＴ型の、多くのスイッチが固有寄生静電容量を呈するように、その対応するキャパシタンスが固有に存在することができる。このキャパシタ６４は、リークを最小限に抑えるため、および負荷へ伝達される電力を最大にするための、回路の正確な同調のために有用である。
【０１５３】
システムは、特に、スイッチのパイロット制御周波数に対する１つまたは複数の高調波、例えば、第１、またはより大きな高調波における共振を保証し、したがって、無電流または無電圧の条件においてスイッチ１３４をオンに切り替えること、およびオフに切り替えることができる、共振増幅回路を実現し、したがって、漏れを最小限に抑えるよう、サイズ設定することができる。
【０１５４】
この回路は、Ｅ、Ｆ、Ｅ／Ｆ級または同様のものにおける増幅レイアウトと同様であり、低い漏れを可能にする、数十もしくは数百ＭＨｚ、またはＧＨｚ程度の、非常に高い動作周波数を可能にし、例えば、グラウンド電位を参照する、１つのスイッチ６６のみが存在し、したがって、パイロット制御するのが単純であるため、パイロット制御の単純さおよび低コストを提供する。
【０１５５】
この種の適用に特異的な、この新しい回路レイアウトは、各スイッチ６６を選択的に活性化すること、シリコン上にさえも容易に組み込めること、ならびに再充電面上における給電および相互接続されるべきデバイスの位置付けとは無関係の、容量結合に基づく無線電力およびデータ伝送システムへの完璧な適応性という事実のおかげで、共振増幅器ならびに古典的なＺＣＳおよびＺＶＳ回路に典型的な利点に対して、より大きな融通性を加える。
【０１５６】
使用時、この回路のパイロット制御は、断続信号を用いて各デバイス３２の第１の受信アーマチュア２００に近接して配置された１つまたは複数の伝送アーマチュア１００に接続された各電力伝送器１２のスイッチ６６を活性化することによって行われる。例えば、共振システムでは、５０％のデューティ・サイクル、または別のデューティ・サイクルを有する方形波を通じたパイロット制御が、多くの場合、有利である。同時に、各デバイス３２の第２の受信アーマチュア２００’に近接して配置された伝送アーマチュア１００のスイッチは、スイッチの第１のグループに対して逆位相の断続信号を用いて、または一定の信号の信号を用いてパイロット制御される。同調が、ほぼ共振を保証するか、あるいは共振を回避し、および／または共振を可能でなくすることなどによるものである場合には、スイッチ６６は、５０％から非常に離れたデューティ・サイクルを用いてパイロット制御することさえできる。
【０１５７】
図示されているシステムの全てにおいて、負荷へ伝送される電力の制御は基本的なものであることができる。他のアーキテクチャに関して、本提案のシステムは様々な制御モードのために用いることができ、具体的には以下のことのために用いることができる：
−  例えば、半ブリッジもしくは完全Ｈブリッジ、またはＤ級のスイッチング増幅器回路に基づく他のレイアウト、場合によっては、準共振ソフト・スイッチング型のものの場合において、デューティ・サイクルを調整すること。
−  電気エネルギー源１０から到来する入力供給電圧を調整すること。
−  負荷によって吸収される電力を低減および調整することが可能になるよう、所定のリアクタンス・ネットワークを、一次回路上、または二次回路上に、等しく、負荷に並列に導入し、同調を調整すること。
−  スイッチの活性化サイクルの急増（ｌｅａｐｓ）による調整。このようにして、共振システムを強制振動モードから、負荷によって減衰させられる自由振動へ移行させることができる。
−  伝送アーマチュアの選択的活性化、例えば、負荷へ伝送される電力を調整するために常時活性状態の伝送アーマチュアの数を単純且つ効率的に制限することによる、調整。
−  伝送アーマチュアの異なる活性化による調整。活性化モードを変更することによって、例えば、いくつかの伝送アーマチュアの位相を他のものに対して変更すること、またはこれらを静的に活性化することによって、負荷を調整すること。これは、負荷に無効負荷を並列に追加するため、回路の全体的インピーダンスを変更するためのシステムを構成し、したがって、負荷によって吸収される有効電力を低減するが、特別のハードウェアを追加する必要が全くなく、したがって、著しく有利となり得る。
【０１５８】
本説明において報告されている全ての電力調整システムは、図１、図３、図４、図５、図６の図に適応可能であるだけでなく、次の図７、図９、図１０のマトリックス図にもどちらにも適応可能であることに留意されたい。
【０１５９】
各トランシーバ２０、２２は、アンテナ上で伝えられる代わりに、ユーザ・デバイスの受信アーマチュア２００、２００’に隣接させられた給電デバイスの伝送アーマチュア１００上へ導かれる、非常に高い周波数の信号（通例、ＧＨｚ）の生成に基づく任意のトランシーバ・システムによって実現することができる。
【０１６０】
インダクタンス５０および５２、５２’の存在は、キャパシタンス５４および５６、５６’の存在と同様に、トランシーバが高電力用にサイズ設定されなければならなくなることを防止する。これは、トランシーバ・エネルギーは、トランシーバの典型的な動作周波数において短絡に近似可能になるキャパシタンスを通じて完全に導通されるが、アンテナに基づく通常の無線通信において生じるように、大幅な漏れを伴って放射されることもなく、負荷または電力伝送器１２上で消散させられることもないためであり、回路の小型化、ひいては、コストの低減および動作速度の増大に都合良い。
【０１６１】
以前の図、例えば、図６において提示された同じレイアウトを、データ・トランシーバ２０、２２を実現するために有利に用いることができる。
【０１６２】
各データ送受信回路は、例えば、データ受信回路８４およびデータ伝送回路８６で構成されている。データ伝送回路の出力および受信回路の入力は両方ともキャパシタンス５４に接続されている。双方の伝送回路および受信回路はどちらも、データ基準電圧に接続された基準入力８２、およびデータ供給電圧に接続されたデータ供給入力８０を含む。受信回路８４、８４’は、例えば、抵抗または別の読み取りインピーダンス、ならびに場合によっては、例えば、コンパレータ、オペアンプ、ｂｊｔ、ｍｏｓｆｅｔ、ＣＭＯＳに基づく、信号の他のバッファ段、増幅段および状態設定段、あるいは、高周波数信号（ＧＨｚ、数十または数百ＧＨｚ）を読み取ることができる他の読み取り段によって構成することができる。読み取り回路の出力が、最大限異なる目的のために利用可能な受信データとなる。
【０１６３】
同様に、伝送回路８６は、通例、高周波数の、任意の発信源からのシステムからのデータ・フローを受信し、これをキャパシタンス５４上へ、ひいては、回路内へ注入する。伝送回路８６は、例えば、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、またはデータ伝送システムを実現するために有用な他のインピーダンスと組み合わせた、ＲＦトランジスタ、ＢＪＴ型、ＭＯＳ、ＣＭＯＳペア、または高周波信号を生成することができる別の同等のシステムによって作製することができる。基準電圧８２に接続されたキャパシタンス５４’の同等物が存在しないため、アーマチュアとスイッチとの間に配置されたキャパシタンス５４を基準電位８２に接続するために、受信アーマチュア２００’に隣接させられた伝送アーマチュア１００に接続された任意のトランシーバ２０の伝送回路８６に提供されたスイッチのうちの１つを活性化することで十分である。代替的に、信号を用いて受信アーマチュア２００に近接して配置された伝送アーマチュア１００に接続された伝送回路８６をパイロット制御し、相反信号を用いて受信アーマチュア２００’に近接して配置された伝送アーマチュア１００に接続された伝送回路８６をパイロット制御し、パイロット制御信号、ひいては、差分信号を得ることが可能である。
【０１６４】
上述されたように、上述の実施形態は可能な形態のうちの１つにすぎず、ここまで説明されたいくつかまたは全ての構成要素は他の機能的に同等な構成要素によって置換することができる。
【０１６５】
このように構築されたシステムには、データ回路の様々な供給電圧レベルに基づくものと同様に、場合によっては、一次回路および二次回路の伝送器によって加えられる様々な電圧レベルに基づく、且つ／または経路のインピーダンス差による信号の異なる減衰に基づく、半二重または全二重モードにおける動作のためのモードに関する上述の考察が全て当てはまる。したがって、この回路は、同様に堅牢、経済的、且つ局部損傷に対する抵抗性を有する薄い活性表面にデバイスを隣接させることによって、位置付けに関係ない、電力伝送と同時の無線高速全二重通信を可能にする。
【０１６６】
図示のシステムのさらなる利点はデータの固有安全性である。この無線通信のために必要とされるアンテナが存在しないため、重要でない構成要素の寄生的漏れに起因しない限り、また、いずれにせよ最小限に抑えることが可能である限り、データは環境中へ放射されず、それゆえ、伝送システムの固有安全性を保証する。
【０１６７】
図示のシステムは明らかに、他のネットワークに向けたブリッジとして機能することができる。
【０１６８】
図１２は負荷１８上の電力の可能な調整システムを示す。具体的には、回路は、先行する図、例えば、図１、図３、図４、図５、図６、図７においてすでに示された二次回路と大部分同様であるが、これらに対して、キャパシタ７０または別の所定のリアクタンス・ネットワークを備える。キャパシタ７０の第１のヘッドはインダクタ５２と負荷１８との間のノードに接続されており、場合によっては、負荷の前に電圧の整流段１０５および／または変換段がある。キャパシタ７０の他方のヘッドはスイッチ（例えば、ＭＯＳ、ＢＪＴ、ＣＭＯＳ対、ＩＧＢＴ、継電器、ソリッド・ステート継電器または別のスイッチ）に接続されている。最後に、スイッチの第２のヘッドはインダクタ５２’と負荷１８との間のノードに接続されており、場合によっては、負荷の前に整流段１０５がある。
【０１６９】
スイッチ７１が切れている（ｓｐｅｎｔ）場合には、スイッチ７１の寄生キャパシタンスが、発生器１２から到来する高周波に対して高いインピーダンスを構成するために十分に小さい限り、キャパシタ７０はシステムに影響を及ぼさない。
【０１７０】
逆に、スイッチ７１がオンである時には、キャパシタ７０は、発生器１２から到来する高周波に対して比較的小さいインピーダンスを構成するよう寸法設定されている。スイッチ７１がオンになっている瞬間の間は、したがって、一次回路から到来する電力の一部を、キャパシタ７０によって構成された無効負荷上へ経路変更することによって、負荷１８へ伝達される電力を低減することが可能である。
【０１７１】
例えば、デューティ・サイクルが調整されるＰＷＭを用いて、スイッチ７１のオンの時間を調整することによって、したがって、調整システムが純粋にリアクタンス性であるため、負荷１８へ伝達される電力を効率的に、且つ極めて高速に調整することが可能である。この調整解決策のさらなる利点は、調整システムが完全に二次回路上にあり、したがって、一次回路と二次回路との間の直接の逆作用の必要性をなくすという事実にある。例えば、また、誘導性構成要素を導入することによっても、システムが本明細書において上述されたものと異なることなく、リアクタンス・ネットワークをさらに変更することが可能である。
【０１７２】
本発明のさらなる実施形態では、各伝送アーマチュア１００の任意の励振構成要素、インダクタンス、データ・システム、キャパシタおよび／または電力伝送システム、ならびに場合によっては、限定するわけではないが、さらに電力伝送システムのような、一次回路を、例えば、図１３に示されるものなどの多層の実現を有する、活性表面上に直接実装することができる。
【０１７３】
多層表面は以下のものを含む：
−  少なくとも１つの層、例えば、限定するものではないが、場合によっては、保護のため、または美的目的により、誘電体材料のさらなる層によって覆われた、１つまたは複数の伝送アーマチュア１００を包含する上部層、
−  １つまたは複数の層、例えば、限定するものではないが、全ての装置に、必要な供給電圧、基準電圧、例えば、グラウンドを供給するため、ならびに例えば、構成要素間のバス型の、任意の他のデータ接続のために用いることができる中間層２１０、ならびに
−  １つまたは複数の層、例えば、限定するものではないが、１つまたは複数のシステム２２０を支持する機能を有する下部層であって、各システムは、例えば、電力伝送器１２、インダクタンス５０、キャパシタ６４およびトランシーバ２０を含む、下部層。
【０１７４】
層の間の接続（ビア）が回路の様々な部分の接続を保証する。
【０１７５】
このように、システム２２０および伝送アーマチュア１００によって構成された各「島」は他の島から完全に独立しており、且つ多層システムは、信号の遮断を防止するように設計されているため、所望に応じた形状に作られ、たとえ、局部損傷が生じた場合にも常時機能し得る、典型的には薄い表面が作り出される。具体的には、各島は、バス型の適切な通信層（それゆえ、層内では信号は全ての島によって受信および伝送においてアクセス可能である）を用いて、例えば、伝送アーマチュア１００のパイロット制御を同期させるために、他のものと通信することができるか、あるいは、特に有利な代替例によれば、伝送アーマチュア１００は、トランシーバ２２とデータを交換するとともに、例えば、各伝送アーマチュア１００）をどのようにパイロット制御するかに関する、サービス通信を島の間で交換することもできる、トランシーバ２０によってパイロット制御される、通信チャネルとして利用することもできる。この表面は、例えば、美的に変更のない構造物を作り出すが、各デバイスを単純、効果的且つ経済的に再充電し、相互接続することができるようにするために、テーブル、壁、床、棚またはその他の家具内に一体化することができる。表面を組み込んだ製品  −  テーブル、壁、床、表面またはその他の家具  −  を無線再充電およびデータ相互接続システムへ変容させるためには、表面に給電することで十分である。
【０１７６】
本発明のさらなる特に有利な特徴では、これまで説明されたとおりの、互いに近接して配置された少なくとも１つの伝送アーマチュア１００および少なくとも１つの受信アーマチュア２００によって構成されたアーマチュアの各対は単一のモノリシックなキャパシタの構成部分である。
【０１７７】
全ての細部は他の技術的に同等な要素によって置き換えることができる。同様に、使用される材料、ならびにこれらの形状および寸法は、要求に応じた任意のものであることができ、この理由のために添付の請求項の保護範囲が放棄されることはない。
【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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【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１３】
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