(57)【要約】  無線電力システムは、無線送電デバイスを使用して、無線電力を無線受電デバイスに送信することができる。無線送電デバイスは、軸に沿って延在する千鳥状の配置のマイクロ波アンテナを有することができる。千鳥状の配置では、マイクロ波アンテナは、軸の交互の側に配置される。各マイクロ波アンテナは、軸に垂直な次元に沿って細長い。複数のアンテナが無線受電デバイス内の無線受電アンテナに重なってもよい。制御回路は、発振器及び増幅器回路を使用して、無線受電アンテナが重なったアンテナに駆動信号を供給することができる。駆動信号は、送電効率を向上させるために、無線受電デバイスからのフィードバックに基づいて調整され得る。システムは、誘導無線送電コイルを有する無線送電デバイスを有してもよい。
2021502792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電面を介して無線電力を無線受電デバイスに送信するように構成された無線送電デバイスであって、
それぞれのパッチアンテナ共振素子を有する複数の無線送電アンテナであって、前記充電面は長手方向軸によって特徴付けられており、前記パッチアンテナ共振素子は、前記長手方向軸に沿って千鳥状の構成に配置されている、複数の無線送電アンテナと、
前記無線電力を送信するために、前記複数の無線送電アンテナに交流駆動信号を供給するように構成された送信機と、を備える、無線送電デバイス。
【請求項２】
前記送信機は、５００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの周波数で前記交流駆動信号を供給するように構成された発振器を含む、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項３】
前記パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、前記矩形パッチアンテナ共振素子は、前記長手方向軸の対向する第１の側及び第２の側に交互に位置する中心を有する、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項４】
前記パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、各矩形パッチアンテナ共振素子は、前記長手方向軸に垂直な次元に沿って細長い、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項５】
前記パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、各矩形パッチアンテナ共振素子は、前記長手方向軸に垂直な次元に沿って細長く、前記矩形パッチアンテナ共振素子は、前記長手方向軸の対向する第１の側及び第２の側に交互に位置する中心を有し、各矩形パッチアンテナ共振素子は、幅及び前記幅の少なくとも２倍の長さを有する、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項６】
誘導無線充電コイルを更に備える、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項７】
複数のインバータと、
前記インバータのそれぞれ１つにそれぞれ結合された複数の誘導無線送電コイルと、を更に備える、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項８】
複数の誘導無線送電コイルを更に備え、
前記誘導無線送電コイルのそれぞれは、前記パッチアンテナ共振素子のそれぞれの１つを取り囲む、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項９】
誘導無線充電コイルを更に備え、前記パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、前記誘導無線充電コイルのそれぞれ１つの内部にあり、前記パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、少なくとも１つのスロットを含む、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項１０】
前記パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、前記無線受電デバイスがそのパッチアンテナ共振素子と重なっていない場合、５％未満の効率で無線電力を送信するように構成されており、前記無線電力デバイスがそのパッチアンテナと重なっている場合、少なくとも１０％の効率で無線電力を送信するように構成されている、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項１１】
制御回路を更に備え、前記制御回路は、
前記パッチアンテナ共振素子のうちの第１のものに第１の駆動信号を供給し、前記パッチアンテナ共振素子のうちの第２のものに第２の駆動信号を供給するように、
前記無線受電デバイスから無線フィードバック情報を受信するように、かつ、
前記無線フィードバック情報に応答して、前記第１及び第２の駆動信号を調整するように、構成されている、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項１２】
前記第１及び第２の駆動信号は、異なる位相を有し、前記無線フィードバック情報は、前記送信機によって前記無線電力が送信されている間に前記無線受電デバイスで無線受信された電力量に関する情報を含む、請求項１１に記載の無線送電デバイス。
【請求項１３】
前記無線受電デバイスからの無線受信情報に基づいて、前記パッチアンテナ共振素子のうちの第１のもの及び前記パッチアンテナ共振素子のうちの第２のものの、それぞれに印加される駆動信号の位相を調整するように構成された制御回路を更に備える、請求項１に記載の無線送電デバイス。
【請求項１４】
充電面を介して無線電力を無線受電デバイスに送信するように構成された無線送電デバイスであって、
前記充電面に平行に走る軸に沿って延在するマイクロ波アンテナの列であって、各マイクロ波アンテナは、中心を有する対応するパッチアンテナ共振素子を有し、前記軸に沿って延在する前記マイクロ波アンテナは、前記軸の交互の側にそれらのパッチアンテナ共振素子の前記中心を有する、マイクロ波アンテナの列と、
前記マイクロ波アンテナの列に結合された送電回路と、を備える、無線送電デバイス。
【請求項１５】
前記送電回路は、前記無線受電デバイス内の無線受電アンテナ素子が重なった前記マイクロ波アンテナのうちの、第１のものに第１の駆動信号を供給するように構成されており、前記無線受電デバイス内の前記無線受電アンテナ素子が重なった前記マイクロ波アンテナのうちの、第２のものに前記第１の駆動信号とは異なる位相の第２の駆動信号を供給するように構成されている、請求項１４に記載の無線送電デバイス。
【請求項１６】
前記パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、前記軸に垂直な次元に沿って延在する、幅及び前記幅の少なくとも２倍の長さを有する矩形形状を有する、請求項１４に記載の無線送電デバイス。
【請求項１７】
交流信号を供給するように構成されたインバータと、
前記交流信号を受信し、対応する無線電力信号を前記無線受電デバイスに供給する、前記インバータに結合された無線送電コイルと、を更に備える、請求項１４に記載の無線送電デバイス。
【請求項１８】
前記無線パッチアンテナ共振素子の少なくとも１つは、前記交流信号が前記無線送電コイルによって受信されるときに、渦電流を低減するように構成された少なくとも１つのスロットを有する、請求項１７に記載の無線送電デバイス。
【請求項１９】
無線受電デバイス内の無線受電アンテナに無線電力を送信するように構成された無線送電デバイスであって、
前記無線受電アンテナに近傍界結合された第１及び第２のパッチアンテナ共振素子を含むパッチアンテナ共振素子の列と、
前記第１のパッチアンテナ共振素子に結合された第１の増幅器及び前記第２のパッチアンテナ共振素子に結合された第２の増幅器と、
前記第１の増幅器に結合された第１の発振器及び前記第２の増幅器に結合された第２の発振器と、
前記第１の発振器及び前記第１の増幅器を使用して、前記第１のパッチアンテナ共振素子に第１の駆動信号を供給するように構成されており、前記第２の発振器及び前記第２の増幅器を使用して、前記第１の駆動信号とは異なる位相を有する前記第２のパッチアンテナ共振素子に第２の駆動信号を供給するように構成されている制御回路と、を備える、無線送電デバイス。
【請求項２０】
前記パッチアンテナ共振素子は、軸に沿って千鳥状の列で延在しており、各パッチアンテナ共振素子は、前記軸に垂直な次元に沿って細長い、請求項１９に記載の無線送電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概して、電力システムに関し、より具体的には、電子デバイスを充電するための無線電力システムに関する。
本出願は、２０１８年２月２２日付出願の米国特許出願第１５／９０２，８７５号、及び２０１７年１２月２１日付出願の米国仮特許出願第６２／６０９，１３１号に対する優先権を主張するものであり、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
無線充電システムでは、無線送電デバイスは、無線受電デバイスに電力を無線送信する。いくつかの構成では、無線充電マットなどの無線送電デバイスは、様々な異なる無線受電デバイスに電力を無線送信することができる。無線受電デバイスはそれぞれ、無線充電マットから無線交流（alternating-current、ＡＣ）電力を受信するための整流回路を有する。整流回路は、受信したＡＣ電力を直流（direct-current、ＤＣ）電力に変換する際に使用される。
【発明の概要】
【０００３】
無線電力システムは、無線送電デバイスを使用して無線電力を無線受電デバイスに送信することができる。無線送電デバイスは、パッチアンテナなどのアンテナを有する。パッチアンテナは、軸に沿って延在する千鳥状の列に配置される。各パッチアンテナは、軸に垂直な次元に沿って細長い。
【０００４】
複数のアンテナが無線受電デバイス内の無線受電アンテナに結合されてもよい。無線送電デバイス内の制御回路は、発振器及び増幅器回路を使用して、無線受電アンテナが重なったアンテナに駆動信号を供給する。駆動信号は、送電効率を向上させるために、無線受電デバイスからのフィードバックに基づいて調整される。例えば、異なるアンテナに供給される駆動信号は、送電効率を向上させるために、異なる位相及び／又は大きさで供給することができる。
【０００５】
いくつかの構成では、無線送電デバイスは、１つ以上の無線送電コイルを有する誘導充電回路を含む。各コイルは、対応するパッチアンテナ共振素子を取り囲むワイヤのループを有してもよい。誘導無線送電動作中にパッチアンテナ共振素子に誘導され得る渦電流を抑制するために、パッチアンテナ共振素子は、それぞれ１つ以上のスロットを有してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】一実施形態に係る、無線送電デバイス及び無線受電デバイスを含む例示的な無線電力システムの概略図である。
【図２】一実施形態に係る、例示的な無線送電デバイス及び対応する無線受電デバイスの側断面図である。
【図３】一実施形態に係る、例示的な無線送電デバイスパッチアンテナの斜視図である。
【図４】一実施形態による、例示的な無線送電デバイスの平面図である。
【図５】一実施形態に係る、図１に示すタイプの無線電力システムの動作に関与する、例示的な動作のフローチャートである。
【図６】一実施形態による、通信回路と無線電力回路との間でアンテナを共用することを可能にするために、無線受電デバイスに組み込むことができる例示的なマルチプレクサ回路を示す図である。
【図７】一実施形態に係る、図１のシステムで使用できるタイプの例示的な誘導無線電力回路の回路図である。
【図８】一実施形態に係る、マイクロ波アンテナ素子のアレイ及び誘導無線送電コイルのアレイを有する無線送電デバイスの一部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
無線電力システムは、無線充電マットなどの無線送電デバイスを有する。無線送電デバイスは、腕時計、セルラー電話、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、又は他の電子機器などの無線受電デバイスに電力を無線送信する。無線受電デバイスは、デバイスに電力供給し、内蔵バッテリを充電するために、無線送電デバイスからの電力を使用する。
【０００８】
無線送電デバイスは、充電面にわたって配置された無線送電アンテナのアレイを有する。動作中、マイクロ波アンテナなどの無線送電アンテナは、無線受電デバイス内の近傍界結合された無線受電アンテナによって受信される無線電力信号を送信するために使用される。
【０００９】
例示的な無線電力システム（無線充電システム）を、図１に示す。図１に示すように、無線電力システム８は、無線送電デバイス１０などの無線送電デバイスを含み、無線受電デバイス４０などの無線受電デバイスを含む。無線送電デバイス１０は、制御回路１６を含む。無線受電デバイス４０は、制御回路４６を含む。制御回路１６及び制御回路４６などのシステム８内の制御回路は、システム８の動作を制御する際に使用される。この制御回路は、マイクロプロセッサ、電力管理ユニット、ベースバンドプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、及び／又は処理回路を有する特定用途向け集積回路に関連付けられた処理回路を含む。処理回路は、デバイス１０及び４０内に所望の制御及び通信機能を実装する。例えば、処理回路は、送電レベルを判定すること、センサデータを処理すること、ユーザ入力を処理すること、デバイス１０とデバイス４０との間の通信を処理すること（例えば、無線送電動作設定に関連付けられたデータを送受信すること）、無線送電アンテナを選択すること、各送信アンテナに印加される駆動信号の位相及び／又は大きさを調整すること、及びそれ以外の場合は、システム８の動作を制御することに使用されてもよい。
【００１０】
システム８内の制御回路を使用して、電力の使用を受電デバイスに許可し、許可された受電デバイスが最大許容電力消費レベルを超えないことを確実にしてもよい。システム８内の制御回路は、ハードウェア（例えば、専用のハードウェア又は回路）、ファームウェア及び／又はソフトウェアを使用して、システム８内で動作を実行するように構成されてもよい。システム８内で動作を実行するためのソフトウェアコードは、制御回路１６及び／又は４６内の非一時的コンピュータ可読記憶媒体（例えば、有形のコンピュータ可読記憶媒体）に記憶される。ソフトウェアコードは、時に、ソフトウェア、データ、プログラム命令、命令、又はコードと呼ばれることがある。非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）などの不揮発性メモリ、１つ以上のハードドライブ（例えば、磁気ドライブ若しくはソリッドステートドライブ）、１つ以上のリムーバブルフラッシュドライブ、又は他のリムーバブル媒体、などを含むことができる。非一時的コンピュータ可読記憶媒体に記憶されたソフトウェアは、制御回路１６及び／又は４６の処理回路上で実行され得る。処理回路は、処理回路を有する特定用途向け集積回路、１つ以上のマイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、又は他の処理回路を含むことができる。
【００１１】
送電デバイス１０は、スタンドアロン型電源アダプタ（例えば、電源アダプタ回路を含む無線充電マット）であってもよく、電源アダプタ、若しくはケーブルによって他の機器に接続された無線充電マットであってもよく、ポータブルデバイスであってもよく、家具、車両、若しくは他のシステムに組み込まれた機器であってもよく、又は他の無線送電機器であってもよい。無線送電デバイス１０が無線充電マットである例示的な構成は、時に、一例として本明細書で説明されてもよい。
【００１２】
受電デバイス４０は、腕時計、セルラー電話、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、又は他の機器などの、ポータブル電子デバイスであってもよい。送電デバイス１０は、壁コンセント（例えば、交流）に接続されてもよく、電力を供給するためのバッテリを有してもよく、及び／又は別の電源を有してもよい。送電デバイス１０は、壁コンセント又は他の電源からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換するための電力変換器１４などの、ＡＣ−ＤＣ電力変換器を有してもよい。ＤＣ電力を使用して、制御回路１６に電力供給する。動作中、制御回路１６内のコントローラは、送電回路２８を使用して、デバイス４０の受電回路５０に無線電力を送信する。
【００１３】
送電回路２８は、送信機２０などの送信機を有する。送信機２０は、１つ以上の発振器２２などの交流駆動信号を生成する回路を含む。送信機２０が交流駆動信号を供給する周波数は、マイクロ波周波数であってもよい。例えば、送信機２０が交流駆動信号を供給する周波数は、１〜５ＧＨｚ、５００ＭＨｚ〜５ＧＨｚ、約２．４ＧＨｚ、少なくとも０．５ＧＨｚ（５００ＭＨｚ）、少なくとも１ＧＨｚ、少なくとも２ＧＨｚ、３ＧＨｚ未満、１０ＧＨｚ未満、１００ＧＨｚ未満、３００ＧＨｚ未満、又は他の好適な周波数であってもよい。
【００１４】
発振器２２は、調整可能な大きさ及び位相の出力信号を生成することができる。１つ以上の対応する増幅器２４（パワーアンプと呼ばれることもある）などの増幅器回路は、発振器２２によって生成された駆動信号を増幅する。送信機２０の出力は、１つ以上のアンテナ２６に供給される。例示的な実施形態では、送信機２０は、Ｎ個の発振器２２及びＮ個の対応するパワーアンプ２４を有してもよく、パワーアンプのそれぞれは、発振器２２のそれぞれの１つの出力を受信し、発振器のそれぞれは、その出力においてＮ個の駆動信号のうちの対応する１つを供給する。Ｎ個のパワーアンプ２４の出力で供給されるＮ個の駆動信号は、制御回路１６によって独立して調整可能な位相及び大きさの属性を有してもよい。Ｎ個の駆動信号のそれぞれは、Ｎ個のアンテナ２６のそれぞれ１つに供給される。Ｎの値は、少なくとも２、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも１５、少なくとも２０、５０未満、３０未満、２０未満、１３未満、８未満、又は他の好適な数であってもよい。
【００１５】
交流駆動信号をアンテナ２６に供給することにより、アンテナ２６はそれぞれ、対応する電磁出力信号３０（例えば、マイクロ波信号などの高周波電磁信号）を生成する。これらの信号は、デバイス４０内の対応する無線受電構成要素に近傍界結合される。例えば、受電回路５０は、アンテナ５６などの１つ以上のアンテナに結合された整流器５４などの整流回路を有する受信機５２などの受信機を含むことができる。１つの構成では、受信回路５０は、単一アンテナ５６を含む。
【００１６】
デバイス４０がデバイス１０の充電面上に置かれている場合、アンテナ５６は、デバイス１０内のアンテナ２６のうちの１つ以上に近傍界結合される（例えば、アンテナ５６は、アンテナ５６が部分的に又は完全に重なった１つ以上のアンテナ２６に容量結合されてもよい）。アンテナ２６とアンテナ５６との間の電磁結合により、アンテナ２６によって送信される電磁信号３０などの無線電力信号は、アンテナ５６内において対応する交流信号を生成する。整流器５４は、これらの受信された交流信号を整流し、対応する直流（ＤＣ）出力電圧を生成する。
【００１７】
整流器５４によって生成されたＤＣ電圧は、バッテリ４２などのバッテリを充電する際に使用することができ、デバイス４０内の他の構成要素に電力供給する際に使用することができる。例えば、デバイス４０は、ディスプレイ、通信回路、オーディオ構成要素、センサ、ボタン、マイクロフォン、タッチ及び力センサなどのユーザ入力構成要素、並びに他の構成要素などの入出力デバイス４４を含んでもよく、これらの構成要素は、整流器５４によって生成されるＤＣ電圧（及び／又はバッテリ４２によって生成されるＤＣ電圧）によって電力供給されてもよい。
【００１８】
デバイス１０及び／又はデバイス４０は、無線通信してもよい。デバイス１０は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）信号又は他の無線データなどの無線通信信号をアンテナ（例えば、アンテナ２６とは別個の回路１８内のアンテナ）を使用してデバイス４０に無線送信する無線送受信機回路１８を有することができる。無線送受信機回路１８は、アンテナを使用してデバイス４０から送信されたＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）信号又は他の無線データ信号を、無線受信するために使用することができる。
【００１９】
デバイス４０は、アンテナを使用してデバイス１０に無線信号（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）信号）を送信する無線送受信機回路４８を有することができる。無線送受信機４８内の受信機回路は、このアンテナを使用して、デバイス１２から送信された無線通信信号（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）無線データ）を受信することができる。送受信機４８のアンテナは、アンテナ５６から分離されてもよく、又は、アンテナ５６は、送信された無線通信データの受信及び無線電力信号の受信の両方において使用されてもよい。
【００２０】
図２は、無線送電デバイス１０が単一の対応する無線受電デバイス４０に無線電力を送信している例示的な構成におけるシステム８の側断面図である。所望であれば、複数の無線受電デバイス４０がデバイス１０から同時に電力を受信してもよい。
【００２１】
図２に示すように、デバイス１０は、複数の無線送電アンテナ２６を含むことができる。各アンテナ２６は、パッチアンテナ共振素子（例えば、アンテナ２６はパッチアンテナであってもよい）及び共用アンテナ接地８２などのそれぞれのアンテナ共振素子７０から形成することができる。各アンテナ２６は、端子２６Ｔから形成されたフィードを有することができる。各アンテナ２６の端子２６Ｔは、対応する増幅器２４の出力に結合される（図１）。いくつかの構成では、アンテナ２６は、パッチアンテナ以外のアンテナ（例えば、逆Ｆアンテナ、ループアンテナ、スロットアンテナなど）であってもよい。アンテナ共振素子７０（例えば、パッチアンテナ共振素子）は、電極、パッチ、又は金属板と呼ばれることがある。素子７０は、金属箔、プリント回路若しくは誘電体キャリア上の金属トレース、又は他の導電性構造体から形成することができる。
【００２２】
図２のデバイス１０は、筐体７２を含む。筐体７２は、金属などの導電性材料、及び誘電材料（例えば、ポリマー、ガラス、セラミックなど）を含んでもよい。上部７２’（例えば、平面カバー部材）は、アンテナ２６（例えば、共振素子７０）に重なり、充電面７２Ｃを形成する。デバイス４０などの１つ以上のデバイスは、無線送電動作中に充電面７２Ｃ上に置かれる。
【００２３】
筐体１２の部分７２’は、ポリマー、ガラス、又はセラミックなどの誘電体から形成され、信号３０がアンテナ７０から受電アンテナ５６などのデバイス４０内の受電回路５０に通過できるようにする。受電アンテナ５６は、受電アンテナ共振素子５６Ｅ（例えば、パッチアンテナ素子、スロットアンテナ素子、又は他のアンテナ共振素子）を含む。アンテナ共振素子５６Ｅ及び接地５６Ｇは、無線受電アンテナ５６を形成する。動作中、無線信号は、部分７２’を通じてアンテナ５６によって受信される。アンテナ５６で受信された交流信号は、アンテナ端子５６Ｔなどのアンテナフィード端子を介して整流器５４（図１）に供給される。デバイス４０は、筐体８０（例えば、金属、ガラス、ポリマー、及び／又はセラミックなどから形成された筐体）などの筐体を有する。アンテナ５６は、筐体８０の導電性部分から、誘電体基板上の金属トレース（例えば、プリント回路、プラスチックキャリア、ガラス部材、誘電体筐体構造体など）上の金属トレースから、又は他の導電性構造体から形成されてもよい。所望であれば、筐体８０の部分を誘電体から形成して、信号が筐体８０を通過してアンテナ５６に到達できるようにしてもよい。
【００２４】
デバイス１０内のアンテナ共振素子７０は、基板７６などの基板上にパターン化された金属トレースなどの導電性構造体から形成される。一実施形態では、金属トレースは、１組の矩形金属パッチを形成する（例えば、アンテナ共振素子７０はパッチアンテナ共振素子であり、アンテナ５６はパッチアンテナである）。所望であれば、アンテナ共振素子７０に他の構成を使用してもよい。
【００２５】
基板７６は、１つ以上の層（例えば、ポリイミドの層又は他の可撓性ポリマー層などの可撓性のポリマー材料のシートから形成されたフレキシブルプリント回路、ガラス繊維充填エポキシなどの材料から形成されたリジッドプリント回路基板、プラスチックキャリア、ガラス層など）を有する誘電体基板である。接地面８２は、金属トレースの平面層（例えば、アンテナ共振素子７０を形成する金属トレースから高さＨだけ離れているプリント回路７６内の接地面層）から形成される。
【００２６】
アンテナ２６の高さＨの値並びにアンテナ共振素子７０の形状及び寸法などの他の属性は、アンテナ２６の自由空間効率（例えば、デバイス４０及びアンテナ５６が存在しない場合の各アンテナ２６の効率）が、小さな上限閾値Ｅｆｆｍａｘよりも小さくなるように構成される。一例として、アンテナ共振素子７０を細長い形状（例えば、アンテナの接地との漏れ磁場をサポートしない狭い幅を有する細長い矩形形状）に構成することによって、Ｅｆｆｍａｘの値を小さくすることができる。Ｅｆｆｍａｘの値は、１％、２％、５％、０．１〜４％、少なくとも０．３％、少なくとも０．０５％、１０％未満、又は他の好適な低い値であり得る。アンテナ５６のアンテナ共振素子５６Ｅがアンテナ２６のうちの１つ以上（例えば、アンテナ共振素子７０の１つ以上）と重なるようにデバイス４０が充電面７２Ｃ上に位置する場合、重なったアンテナ２６の効率は、著しく増加する（例えば、少なくとも１０％まで、少なくとも２０％まで、少なくとも５０％まで、少なくとも７０％まで、少なくとも８０％まで、少なくとも９０％まで、少なくとも９５％まで、９９．９９％未満、９９％未満、又は他の好適な量）。効率は、アンテナ５６が存在する場合、少なくとも２、少なくとも３、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも３０、又は他の好適な値の倍率で増加する。
【００２７】
結果として、デバイス４０が不在の場合、デバイス１０は、信号３０として著しい無線電力を放射しない。デバイス４０及びアンテナ５６が存在する場合（例えば、アンテナ共振素子５６Ｅが、１つ以上のアンテナ２６の１つ以上の素子７０に重なり、それらの素子に容量結合される場合）、重なったアンテナ２６は、アンテナ５６に近傍界結合され（例えば、容量結合され）、デバイス１０からデバイス４０への無線電力の効率的な送信を可能にする。しかしながら、デバイス４０が存在しない場合、アンテナ２６の効率は、かなりの電力が無線送信されないように、十分に低下する。いくつかの構成では、制御回路１６は、アンテナ２６のそれぞれのインピーダンスを測定し（例えば、アンテナ２６のそれぞれのアンテナ５６への近傍界結合の量）、送信機２０を使用してアンテナ２６に供給される駆動信号を調整する際に、この測定されたインピーダンス情報を使用することができる。一例として、所与のアンテナ２６が任意の受信デバイスアンテナに結合されていない場合、そのアンテナには駆動信号が供給されなくてもよい。制御回路１６はまた、デバイス４０からのフィードバック（例えば、デバイス４０からのフィードバックを使用して収集されるデバイス１０とデバイス４０との間の送電効率に関する情報）に基づいて、各アンテナ２６に印加される駆動信号を調整することができる。フィードバック情報をリアルタイムで使用して、アンテナ２６に供給される信号に調整を行い、送電効率を向上させることができる。
【００２８】
アンテナ２６のための例示的なパッチアンテナ構成の斜視図を図３に示す。図３に示すように、アンテナ共振素子７０は、アンテナ接地８２からの距離（高さ）Ｈに位置する。アンテナ端子２６Ｔは、アンテナ２６用のアンテナフィードを形成する。図３のアンテナ共振素子７０は、長さＬ、幅Ｗを特徴とする矩形形状を有する。所望であれば、パッチアンテナ共振素子を形成するために、他の形状（円形、楕円形、正方形、六角形など）を使用してもよい。長さＬは、幅Ｗよりも少なくとも２倍大きくてもよく、又は幅Ｗよりも少なくとも３、若しくは５倍長くてもよい（例として）。この構成（狭幅配置）は、漏れ磁場の低減に役立ち、したがって、デバイス４０が存在しない場合に無線放射が低くなるように、自由空間アンテナ効率を低減する。例示的な配置では、長さＬは、４０ｍｍ（例えば、少なくとも２５ｍｍ、少なくとも３５ｍｍ、５０ｍｍ未満、６５ｍｍ未満など）であり、幅Ｗは、１２ｍｍ（例えば、少なくとも５ｍｍ、少なくとも８ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、１５ｍｍ未満、１８ｍｍ未満、２５ｍｍ未満など）である。高さＨは、約０．０１〜１０ｍｍ、少なくとも０．０５ｍｍ、少なくとも０．１ｍｍ、少なくとも０．５ｍｍ、６ｍｍ未満、４ｍｍ未満、２ｍｍ未満など）であってもよい。素子７０（Ｌ／Ｗ）のアスペクト比は、約３．３、少なくとも２、少なくとも３、３．５未満、４未満、１．５〜５、又は他の好適な長さ対幅の値である。
【００２９】
充電面７２Ｃ上の様々な無線受電デバイスに対して十分なカバレッジを提供するために、複数のアンテナ共振素子７０（複数のアンテナ２６）を面７２Ｃにわたって形成することができる。図４に示すように、例えば、充電面７２Ｃは、細長い形状（矩形、楕円形、曲線状角部を有する矩形など）を有してもよく、長手方向軸９０によって特徴付けられてもよい。アンテナ共振素子７０は、デバイス１０の長さに沿った列（例えば、単一の千鳥状の列）に配置することができる。所望であれば、素子７０が複数の千鳥状の列に配置される構成（例えば、素子７０のチェッカーボードを形成するため）、又は素子７０が１つ以上の千鳥状ではない列、若しくは他のパターンで配置される構成を、使用することもできる。
【００３０】
図４の構成では、素子７０は、面７２Ｃの長さに沿って（例えば、図４のＸ軸に平行な長手方向軸９０に沿って）等間隔に配置される。使用されるアンテナ２６の数を増加させることなくアンテナ２６の（軸Ｙに沿った）カバレッジを広げるために、軸Ｙに対する素子７０の位置は、千鳥状である。交互の奇数及び偶数共振素子７０は、例えば、それらの中心９２が、面７２Ｃを二分する軸９０の上方又は下方（軸９０の対向する側）にそれぞれ位置するように、配置されてもよい。このように共振素子７０の配置を交互にすることにより、充電面７２Ｃの所与の表面積に使用されるパワーアンプ及び共振素子７０の数を増加させることなく、比較的大きな横方向の（軸Ｙに沿った）カバレッジを達成することができる。図４の共振素子パターンはまた、デバイス１０（素子７０）と様々な異なる無線受電デバイス４０（例えば、タブレット、セルラー電話、腕時計、スタイラスデバイス、イヤホン、イヤホンケース内などのアンテナ）との間の満足の行く近傍界結合を確実にするのに役立つ。
【００３１】
無線送電効率を高めるために、制御回路１６は、（例えば、送信機２０の発振器２２及び／又は増幅器２４を使用して、駆動信号位相及び／又は大きさを調整することによって）アンテナ２６のそれぞれに供給される駆動信号を調整する。制御回路１６は、一例として、無線受電デバイスアンテナに結合された共振素子７０を使用して電力を送信するのみであってもよい。制御回路１６内の測定回路（例えば、各アンテナ２６のインピーダンスが、重なっているアンテナ素子５６Ｅによって摂動されているかどうかを判定するインピーダンス測定回路、アンテナに電力が供給されたときに、所与のアンテナから反射される送信電力の量を測定する反射電力測定回路など）を使用して、デバイス４０からデバイス１０に無線送信されるフィードバックデータを使用して（例えば、送受信機回路４８及び送受信機回路１８を使用して）、デバイス４０（例えば、電磁センサ、光学センサなど）のような、重なっている物体を検出するセンサを使用して、並びに／又は、素子７０と充電面７２Ｃ上の素子５６Ｅとの、それぞれの間の容量結合を測定する他の適切な回路を使用して、結合を測定することができる。いくつかの構成では、デバイス１０とデバイス４０との間の双方向無線通信を使用して、デバイス１０上に存在する受電デバイス４０のタイプ及び無線電力の送信に使用するための、関連付けられた無線送電設定を確立することができる。
【００３２】
第１の例として、無線受電デバイスが、第１の素子７０−１及び第２の素子７０−２の一部と均一に重なる共振素子（共振素子５６Ｅ１）を有するアンテナを有するシナリオを検討する。この状況では、制御回路１６は、重なった素子７０−１及び７０−２を使用して無線電力を送信するが、面７２Ｃ下の残りの素子７０には電力供給されない。このシナリオにおける無線送電効率の向上を助けるために、制御回路１６は、同等の大きさ及び同一の位相Ｐ１（１％、２％、１０％、又は他の小さな閾値変動内）の駆動信号を適用することによって、無線電力を送信することができる。
【００３３】
第２の例として、無線受電デバイスアンテナが、素子７０−３及び７０−４と不均一に重なる共振素子（共振素子５６Ｅ２）を有するシナリオを検討する。素子７０−４は、一例として、素子７０−３よりも重なっていてもよい。無線送電効率の向上を助けるために、送信機２０を用いて素子７０−３及び７０−４に印加される駆動信号の位相及び／又は大きさは、異なっていてもよい。一例として、制御回路１６によって素子７０−３に印加される駆動信号は、第１の位相Ｐ２を有してもよく、制御回路１６によって素子７０−４に印加される駆動信号は、Ｐ２とは異なる第２の位相Ｐ３を有してもよい。
【００３４】
各素子７０に印加される駆動信号（位相及び／又は大きさなど）は、無線送電効率の向上を助けるために、デバイス４０からのフィードバックに基づいてリアルタイムで調整することができる。フィードバック情報を使用して無線送電効率の向上に関与する例示的な動作のフローチャートを図５に示す。
【００３５】
ブロック１００の動作中、送信デバイス１０は、送電回路２６を使用して無線受電デバイス４０に無線電力Ｐｔｘを送信する。無線受電デバイス４０は、無線受電回路５０を用いて対応する電力Ｐｒｘを受信する。所与の送信電力のために受信される電力量は、アンテナ２６及び５６の構成、充電面７２上のデバイス４０の物理的位置、並びにデバイス１０内のアンテナに印加される駆動信号などの要因によって影響される。
【００３６】
ブロック１０２の動作中、デバイス４０の制御回路４６は、送受信機４８（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）送受信機又は他の好適な無線通信回路などの高周波送受信機）などの無線通信回路を使用して、デバイス１０にフィードバックを送信する。具体的には、送受信機４８は、受信電力Ｐｒｘの値でデバイス１０の対応する無線送受信機回路１８に情報を送信する際に使用されてもよい。デバイス１０の制御回路１６は、Ｐｔｘ及びＰｒｘの値を使用して、現在の送電効率Ｐｔｘ／Ｐｒｘを決定する。デバイス１０が複数のアンテナ２６を使用して（例えば、素子５６Ｅに結合された第１及び第２の素子７０を使用して）無線電力を送信している間に、送電効率測定値を収集することができる。結合測定（例えば、制御回路１６で行われたインピーダンス測定）及び／又はデバイス４０からのフィードバックに基づいて、各能動素子７０に印加される駆動信号を選択することができる。
【００３７】
ブロック１０４の動作中、デバイス１０は、制御回路１６を使用して、各素子７０（例えば、素子５６Ｅに結合された各素子７０）に対する駆動信号（例えば、駆動信号の位相及び／又は大きさ）を調整する。駆動信号の調整を行うことにより、無線送電効率を向上させることができる。いくつかの構成では、試験サンプル調整（試験情報を収集するために行われる調整）を駆動信号に行い、デバイス１０が可能な駆動条件の範囲にわたって無線送電効率を評価するのを助けることができる。デバイス１０は、例えば、位相Ｐ２が現在低すぎるか又は高すぎるかを評価するために、位相Ｐ３に対して位相Ｐ２を一時的に増加又は減少させることができる。ブロック１００の動作に、処理がどのようにループバックすることができるかを示す線１０６によって示されるように、デバイス１０内の各アンテナに対する駆動信号を調整し、達成された結果として生じる無線送電効率（Ｐｒｘ／Ｐｔｘ）を評価するプロセスは、無線送電動作中に連続的に実行することができる。
【００３８】
デバイス４０のためのいくつかの構成では、無線電力及び無線通信は、別個のそれぞれのアンテナを使用して処理される。他の構成では、無線受電アンテナの全て又は一部は、無線通信アンテナの全て又は一部と共用することができる。図６の例示的な構成に示すように、例えば、アンテナ５６は、マルチプレクサ回路１２０を使用して通信送受信機４８と無線電力受信機５２との間で共用することができる。
【００３９】
例示的な実施形態では、システム８は、図７に示すような誘導無線電力回路を含む。このタイプの構成では、デバイス１０は、回路１３０などの１つ以上の誘導無線送電回路を有し、誘導無線送電回路のそれぞれは、交流駆動信号を、無線送電コイル１３４及び例示的なコンデンサ１３６などの１つ以上の関連するコンデンサから形成された対応する共振回路に供給するためのインバータ１３２を含む。このことが、任意の重なっている（磁気結合された）誘導無線受電デバイス４０によって受信される交流電磁信号（例えば、磁場）を生成する。コイル１３４から無線電力を受信するデバイス４０は、コンデンサ１４０などの１つ以上のコンデンサを含む共振回路内に、図７のコイル１３８などの対応する無線受電コイルを有する。整流器１４２などの整流回路は、各共振回路（例えば、各無線受電コイル１３８及びコンデンサ１４０）に結合される。動作中、無線電力は、コイル１３４を使用して送信され、誘導無線送電周波数（例えば、５０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、少なくとも１００ｋＨｚ、少なくとも２００ｋＨｚ、１０ＭＨｚ未満、１ＭＨｚ未満、４００ｋＨｚ未満、又は他の好適な誘導無線送電周波数）で、コイル１３８によって受信される。
【００４０】
誘導無線送電コイル１３４及び無線送電アンテナ２６の両方をデバイス１０に組み込むことにより、デバイス１０は、誘導充電のみをサポートする無線受電デバイス、アンテナ２６（例えば、容量結合配置）のみを使用して無線充電をサポートする無線受電デバイス、及び１つ以上のアンテナ５６に加えて１つ以上の受電コイル１３８を含む無線受電デバイスを用いて、無線充電をサポートすることができる。
【００４１】
図８は、誘導無線送電コイル１３４及びアンテナ共振素子７０を有するアンテナ５６の両方がデバイス１０内に組み込まれている、例示的な構成におけるデバイス１０の平面図である。図８に示すように、アンテナ共振素子７０は、各素子７０がコイル１３４のそれぞれ１つの導電ライン（ワイヤ、金属トレースなど）のループによって取り囲まれるように、コイル１３４の中心に配置することができる。誘導無線送電動作中の渦電流の低減を助けるために、アンテナ共振素子７０は、薄い金属（例えば、１マイクロメートル未満、０．５マイクロメートル未満、０．２マイクロメートル未満、０．１マイクロメートル未満、０．０５マイクロメートル未満、少なくとも０．０１マイクロメートル、又は他の好適な厚さを有する金属トレース）から形成することができ、及び／又は素子７０の途中まで若しくは完全に通過するスロット１５０を有する（例えば、素子７０’を参照）ことができる。誘導充電に関連する周波数などのより低い周波数では、スロット１５０は、開回路（高インピーダンス構造）を形成し、スロット１５０の存在は、素子７０’の領域を互いに切断し、それによって渦電流形成を遮断する。アンテナ２６及び５６を使用した無線送電に関連する周波数などのより高い周波数では、スロット１５０に関連する静電容量は短絡であり、スロット１５０を効果的にブリッジし、各素子７０の異なる部分の全てを共に電気的に接続する（例えば、図８の素子７０’の全ての部分は、互いに電気的に短絡されている）。その結果、スロット１５０によって分離された各素子７０の部分は、電気的に接合され、対応するアンテナ２６のための有効なアンテナ共振素子７０を形成する。
【００４２】
一実施形態によれば、充電面を介して無線電力を無線受電デバイスに送信するように構成された無線送電デバイスが提供され、無線送信デバイスは、それぞれのパッチアンテナ共振素子を有する複数の無線送電アンテナであって、充電面は長手方向軸によって特徴付けられており、パッチアンテナ共振素子は、長手方向軸に沿って千鳥状の構成に配置されている、複数の無線送電アンテナと、無線電力を送信するために、複数の無線送電アンテナに交流駆動信号を供給するように構成された送信機と、を含む。
【００４３】
別の実施形態によれば、送信機は、５００ＭＨｚ〜５ＧＨｚの周波数で交流駆動信号を供給するように構成された発振器を含む。
【００４４】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、矩形パッチアンテナ共振素子は、長手方向軸の対向する第１の側及び第２の側に交互に位置する中心を有する。
【００４５】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、各矩形パッチアンテナ共振素子は、長手方向軸に垂直な次元に沿って細長い。
【００４６】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子は、矩形パッチアンテナ共振素子であり、各矩形パッチアンテナ共振素子は、長手方向軸に垂直な次元に沿って細長く、矩形パッチアンテナ共振素子は、長手方向軸の対向する第１の側及び第２の側に交互に位置する中心を有し、各矩形パッチアンテナ共振素子は、幅及び幅の少なくとも２倍の長さを有する。
【００４７】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、誘導無線充電コイルを含む。
【００４８】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、複数のインバータと、インバータのそれぞれ１つにそれぞれ結合された複数の誘導無線送電コイルと、を含む。
【００４９】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、複数の誘導無線送電コイルを含み、誘導無線送電コイルそれぞれは、パッチアンテナ共振素子のそれぞれの１つを取り囲む。
【００５０】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、誘導無線充電コイルを含み、パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、誘導無線充電コイルのそれぞれの１つの内部にあり、パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、少なくとも１つのスロットを含む。
【００５１】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、無線受電デバイスがそのパッチアンテナ共振素子と重なっていない場合、５％未満の効率で無線電力を送信するように構成されており、無線電力デバイスがそのパッチアンテナと重なっている場合、少なくとも１０％の効率で無線電力を送信するように構成されている。
【００５２】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、制御回路を含み、制御回路は、パッチアンテナ共振素子のうちの第１のものに第１の駆動信号を供給し、パッチアンテナ共振素子のうちの第２のものに第２の駆動信号を供給するように、無線受電デバイスから無線フィードバック情報を受信するように、かつ、無線フィードバック情報に応答して、第１及び第２の駆動信号を調整するように構成されている。
【００５３】
別の実施形態によれば、第１及び第２の駆動信号は、異なる位相を有し、無線フィードバック情報は、送信機によって無線電力が送信されている間に無線受電デバイスで無線受信された電力量に関する情報を含む。
【００５４】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、無線受電デバイスからの無線受信情報に基づいて、パッチアンテナ共振素子のうちの第１のもの及びパッチアンテナ共振素子のうちの第２のものの、それぞれに印加される駆動信号の位相を調整するように構成された制御回路を含む。
【００５５】
一実施形態によれば、充電面を介して無線電力を無線受電デバイスに送信するように構成された無線送電デバイスが提供され、無線送電デバイスは、充電面に平行に走る軸に沿って延在するマイクロ波アンテナの列であって、各マイクロ波アンテナは、中心を有する対応するパッチアンテナ共振素子を有し、軸に沿って延在するマイクロ波アンテナは、軸の交互の側にそれらのパッチアンテナ共振素子の中心を有する、マイクロ波アンテナの列と、マイクロ波アンテナの列に結合された送電回路と、を含む。
【００５６】
別の実施形態によれば、送電回路は、無線受電デバイス内の無線受電アンテナ素子が重なったマイクロ波アンテナのうちの、第１のものに第１の駆動信号を供給するように構成されており、無線受電デバイス内の無線受電アンテナ素子が重なったマイクロ波アンテナのうちの、第２のものに第１の駆動信号とは異なる位相の第２の駆動信号を供給するように構成されている。
【００５７】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子のそれぞれは、軸に垂直な次元に沿って延在する、幅及び幅の少なくとも２倍の長さを有する矩形形状を有する。
【００５８】
別の実施形態によれば、無線送電デバイスは、交流信号を供給するように構成されたインバータと、交流信号を受信し、対応する無線電力信号を無線受電デバイスに供給する、インバータに結合された無線送電コイルと、を含む。
【００５９】
別の実施形態によれば、無線パッチアンテナ共振素子の少なくとも１つは、交流信号が無線送電コイルによって受信されるときに、渦電流を低減するように構成された少なくとも１つのスロットを有する。
【００６０】
一実施形態によれば、無線受電デバイス内の無線受電アンテナに無線電力を送信するように構成された無線送電デバイスが提供され、無線受電デバイスは、無線受電アンテナに近傍界結合された第１及び第２のパッチアンテナ共振素子を含むパッチアンテナ共振素子の列と、第１のパッチアンテナ共振素子に結合された第１の増幅器及び第２のパッチアンテナ共振素子に結合された第２の増幅器と、第１の増幅器に結合された第１の発振器及び第２の増幅器に結合された第２の発振器と、第１の発振器及び第１の増幅器を使用して、第１のパッチアンテナ共振素子に第１の駆動信号を供給するように構成されており、第２の発振器及び第２の増幅器を使用して、第１の駆動信号とは異なる位相を有する第２のパッチアンテナ共振素子に第２の駆動信号を供給するように構成されている制御回路と、を含む。
【００６１】
別の実施形態によれば、パッチアンテナ共振素子は、軸に沿って千鳥状の列で延在しており、各パッチアンテナ共振素子は、軸に垂直な次元に沿って細長い。
【００６２】
前述は、単なる例示に過ぎず、説明された実施形態に対して多様な変更を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組み合わせで実施することができる。
【図１】
2021502792.tif 000003
【図２】
2021502792.tif 000004
【図３】
2021502792.tif 000005
【図４】
2021502792.tif 000006
【図５】
2021502792.tif 000007
【図６】
2021502792.tif 000008
【図７】
2021502792.tif 000009
【図８】
2021502792.tif 000010
【国際調査報告】
2021502792.tif 000011
2021502792.tif 000012