(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振周波数を持ち、さらに動作パラメータを持つ、二次側の負荷に誘導結合される一次側のタンク回路、を有する非接触電源であって、前記タンク回路が、AC電源周波数及びデューティサイクルを持つAC電源に結合され、前記AC電源が、レール電圧を持つDC電源に結合された、前記非接触電源を、前記負荷に電力を供給するように作動させる方法であって、
前記一次側のタンク回路における動作パラメータの変化に応じて、前記一次側のタンク回路の共振周波数を変化させ、
前記一次側のタンク回路における動作パラメータの変化に応じて、前記一次側において、前記AC電源周波数、前記AC電源デューティサイクル、及び前記DC電源レール電圧のうち少なくとも１つを変化させる
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記タンク回路が、キャパシタンスを持つ可変コンデンサを持ち、
前記タンク回路の共振周波数を変化させるステップが、前記可変コンデンサの前記キャパシタンスを変化させるステップを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記タンク回路が、インダクタンスを持つ可変インダクタを持ち、
前記タンク回路の共振周波数を変化させるステップが、前記可変インダクタの前記インダクタンスを変化させるステップを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
二次側の負荷に電力を供給するように、タンク回路及び前記タンク回路に電力を供給するインバータを持つ一次側の電源を作動させる方法であって、
前記タンク回路は、コントローラーによって第一の共振周波数又は第二の共振周波数を持つように構成可能であり、また、前記電源が効率的に動作する公称範囲を持つ動作パラメータを持ち、前記負荷に誘導結合され、前記インバータは、第一のインバータ周波数及び第二のインバータ周波数を持ち、
前記一次側のタンク回路を、前記第一の共振周波数を持つように構成し、
前記一次側のインバータを、ほぼ前記第一のインバータ周波数で作動させ、
前記一次側の動作パラメータを検出し、
前記一次側の動作パラメータが前記公称範囲内でない場合には、前記一次側のタンク回路を、前記第二の共振周波数を持つように構成し、
前記一次側の動作パラメータが前記公称範囲内でない場合には、前記一次側のインバータを、ほぼ前記第二のインバータ周波数で作動させる
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記電源がメモリを持ち、
前記タンク回路が前記第一の共振周波数で動作するように構成され、前記インバータが前記第一のインバータ周波数で動作するように構成されるとき、前記動作パラメータを、第一の動作値として、前記メモリ内に格納し、
前記タンク回路が前記第二の共振周波数で動作するように構成され、前記インバータが前記第二のインバータ周波数で動作するように構成されるとき、前記動作パラメータを、第二の動作値として、前記メモリ内に格納する
ステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記公称範囲内でない動作パラメータに応じて、前記インバータが、前記第一のインバータ周波数又は前記第二のインバータ周波数で動作している時、前記第一の動作値、又は前記第二の動作値、のどちらが電源を効率的にするかの決定を行い、
前記決定に基づいて、前記第一の動作値、又は前記第二の動作値、のいずれかを作り出すよう動作するように、前記電源を構成する
ステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第一の動作値が電源を効率的にする場合には、前記第一の動作値を、予想される動作値として、前記メモリ内に格納し、
前記第二の動作値が電源を効率的にする場合には、前記第二の動作値を、前記予想される動作値として、前記メモリ内に格納する
ステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
二次側の負荷のために一次側の誘導電源を作動させる方法であって、
前記誘導電源は前記負荷と誘導結合されたタンク回路を持ち、前記タンク回路は調整可能な共振周波数を持ち、前記誘導電源は動作周波数を持つインバータを持ち、前記誘導電源は前記タンク回路の動作パラメータを検出するためのセンサを持ち、前記動作パラメータは前記電源が効率的に動作する公称範囲を持ち、
前記一次側の誘導電源のタンク回路の動作パラメータが前記公称範囲内であるか否かを定め、
前記一次側の誘導電源のインバータの動作周波数が最大周波数と最小周波数との間にあるか否かを定め、
１）前記インバータの動作周波数が最大周波数と最小周波数との間にあり、かつ２）前記一次側の誘導電源のタンク回路の動作パラメータが前記公称範囲内でない、との決定に応じて、前記一次側の誘導電源のインバータの動作周波数を調整し、
前記インバータの動作周波数が最大周波数と最小周波数との間にない、との決定に応じて、前記一次側の誘導電源のインバータの最小周波数及び最大周波数、並びに、前記一次側の誘導電源のタンク回路の共振周波数を調整する
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記タンク回路が可変コンデンサを持ち、
前記タンク回路の共振周波数を調整するステップが、前記タンク回路の可変コンデンサのキャパシタンスを調整して、前記タンク回路の共振周波数を調整するステップを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記タンク回路が可変インダクタを持ち、
前記タンク回路の共振周波数を調整するステップが、前記タンク回路の可変コンデンサのインダクタンスを調整して、前記タンク回路の共振周波数を調整するステップを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
二次側を規定する遠隔装置に誘導的に電力を供給するための、一次側を規定する非接触電源であって、
可変キャパシタンスを有する可変コンデンサ及び可変インダクタンスを有する可変インダクタのうち少なくとも１つを含む、一次側に配置された共振タンク回路であって、前記可変コンデンサ及び前記可変インダクタのうち少なくとも１つの関数として、調整可能な共振周波数を有し、電力を前記遠隔装置へ伝送するための一次側を有する、前記共振タンク回路、
一次側に配置され、前記タンク回路に電気的に結合されたスイッチング回路であって、調整可能な動作周波数で動作する、前記スイッチング回路、
一次側に配置され、前記共振タンク回路に作動的に結合された回路センサであって、センサ出力を発生する、前記回路センサ、及び
一次側に配置され、前記センサ出力を受信するように前記回路センサに電気的に結合されたコントローラーであって、
（１）前記センサ出力に応じて、前記スイッチング回路の前記調整可能な動作周波数を調整し、
（２）（ｉ）前記タンク回路の前記可変コンデンサのキャパシタンスの変化、及び（ii）前記タンク回路の前記可変インダクタのインダクタンスの変化のうち少なくとも１つによる前記センサ出力に応じて、前記タンク回路の前記調整可能な共振周波数を調整する  ようプログラムされている、前記コントローラー
を含むことを特徴とする非接触電源。
【請求項１２】
前記コントローラーが、電源の特性を示すセンサの出力に応じて、前記調整可能な共振周波数を調整する
ことを特徴とする請求項１１に記載の非接触電源。
【請求項１３】
前記可変コンデンサが、コンデンサのバンクを含み、前記可変コンデンサのキャパシタンスが、前記コントローラー及び前記コンデンサのバンクに作動的に結合されたコンデンサスイッチにより変化する
ことを特徴とする請求項１１に記載の非接触電源。
【請求項１４】
誘導結合の二次側に配置された遠隔装置に誘導的に電力を供給するための、前記誘導結合の一次側に配置された非接触電源であって、
前記誘導結合の一次側に配置されたインバータであって、デューティサイクル及び動作周波数を有する、前記インバータ、
前記インバータと結合された、前記誘導結合の一次側に配置された、共振回路であって、共振周波数を有し、電力を前記遠隔装置へ伝送するための一次側を有する、前記共振回路、
前記インバータと結合された、前記誘導結合の一次側に配置された、電源であって、レール電圧を有する、前記電源、
前記共振回路と作動的に結合された、前記誘導結合の一次側に配置された、センサであって、センサ出力を発生する、前記センサ、
前記センサと電気的に連通する、前記誘導結合の一次側に配置された、コントローラーであって、
（１）前記センサ出力に応じて、前記インバータの動作周波数、前記電源のレール電圧、及び前記インバータのデューティサイクルのうち少なくとも１つを変化させ、
（２）前記センサ出力に応じて、前記共振回路の共振周波数を変化させる
ようプログラムされている、前記コントローラー
を含むことを特徴とする非接触電源。
【請求項１５】
誘導結合の二次側に配置された遠隔装置のために、前記誘導結合の一次側に配置された誘導電源を作動させる方法であって、
前記誘導結合の一次側に配置された誘導電源を、前記遠隔装置に誘導結合させ、
前記誘導結合の一次側に配置された電源において、前記誘導結合を介して反映される誘導結合の二次側に配置された遠隔装置の特性に影響される前記誘導電源の電力の特性を検出し、
前記検出された電力の特性に応じて、（ｉ）共振回路の可変コンデンサのキャパシタンスの調整、及び（ii）共振回路の可変インダクタの可変インダクタンスの変化のうち少なくとも１つにより、前記誘導結合の一次側に配置された前記誘導電源におけるタンク回路の共振周波数を調整し、
前記誘導電源における前記検出された特性の関数として、前記誘導電源の動作周波数、前記誘導電源のデューティサイクル、及び前記誘導電源のレール電圧のうち少なくとも１つを調整する
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記可変コンデンサが、コンデンサのバンクを含み、前記可変コンデンサのキャパシタンスが、前記コンデンサのバンクに作動的に結合されたコンデンサスイッチにより制御可能である
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、非接触電源に関するものであり、特に、誘導結合非接触電源に関するものである。
【０００２】
(関連出願)
本出願は、2003年2月4日に出願された、発明者David W.Baarmanの「適応誘導結合安定回路」という名称の米国仮特許出願第60/444,794号に基づく優先権を主張するものである。先の出願の全開示は、引用により本出願に組み入れられる。本出願は、2000年6月12日に出願された「流体処理システム」という名称の米国特許出願第09/592,194号の一部継続出願である、2002年6月18日に出願された「流体処理システム」という名称の米国特許出願第10/175,095号、の一部継続出願である。米国特許出願第09/592,194号は、1999年6月21日に出願された「誘導結合安定器による水処理システム」という名称の米国仮特許出願第60/140,159号の35 U.S.C. §119(e)、及び、1999年6月21日に出願された「使用の点での水処理システム」という名称の米国仮特許出願第60/140,090号に基づく優先権を主張するものである。
【０００３】
本出願は、本出願と同日に出願され、かつ同一譲受人に譲渡された以下の出願を、参照により引用する：特許出願第10/689148号「通信による適応誘導電源」、特許出願第10/689224号「誘導コイル組み立て」、特許出願第10/689154号「静電荷ストレージ組み立て」、及び、特許出願第10/689375号「アダプタ」。
【背景技術】
【０００４】
非接触エネルギー伝送システム(CEETS)は、何の機械接続もなく、一装置から他の装置へ電気エネルギーを伝送する。全く機械接続がないので、CEETSは、従来のエネルギーシステムよりも多くの利点を持つ。それらは、電源の分離によるスパーク、又は感電の危険が殆ど無いので、一般的にはより安全である。それらはまた、全く接触がないので、消耗されるまでにより長い寿命を持つ傾向がある。これらの利点により、CEETSは、歯ブラシから携帯電話、電車に至るまで、あらゆるものに使用されている。
【０００５】
CEETSは、電源及び遠隔装置から構成される。その遠隔装置は、電池、マイクロコンデンサ、又は任意の他の充電可能なエネルギー源、のように充電可能とすることができるであろう。そのかわりに、CEETSは、装置に直接電力を供給することもできるであろう。
【０００６】
CEETSの一種は、磁気誘導を使用して、エネルギーを伝送する。電源内の一次巻線からのエネルギーは、充電可能装置内の二次巻線に、誘導的に伝送される。二次巻線は、一次巻線から物理的に間隔を置いて配置されるので、大気を通して誘導結合が生じる。
【０００７】
一次巻線と二次巻線との間に物理的な接続がなければ、従来のフィードバック制御は存在しない。従って、CEETSにおける一次巻線から二次巻線へのエネルギー伝送の制御は、困難である。
【０００８】
一つの一般的な解決策は、一形式の装置専用のCEETSを設計することである。例えば、充電可能歯ブラシのためのCEETSは、歯ブラシを充電させるためのみに設計され、その一方で、充電可能電話のためのCEETSは、特定の形式の電話でのみ動作する。この解決策は、CEETSが一つの特定の装置で有効に動作することを可能にする一方で、電源が様々な充電可能装置で動作することを可能にするほど充分に柔軟なものではない。
【０００９】
特定の充電可能装置の各々についてCEETSを作ることは、明らかに、コストがかかり、非効率的である。従って、効率的、かつ多様な装置で使用することのできる非接触エネルギー伝送のためのシステムが、非常に望ましい。
【００１０】
(本発明の要約)
本発明において、前記問題が克服される。
【００１１】
非接触電源は、タンク回路を介して、装置に誘導結合する。電源は、そのタンク回路の共振周波数を動的に調整するための制御装置を持つ。タンク回路は、可変コンデンサ又は可変インダクタのいずれか、又はその両方を持つことができるであろう。一実施形態では、電源はまた、インバータを持つこともできる。インバータに接続された駆動回路は、そのインバータの周波数及びデューティサイクルを制御する。付属メモリを持つ制御装置は、駆動回路を介して、インバータの動作を導く。そのかわりに、インバータはまた、DC電源に接続されることもできる。次に、制御装置は、DC電源のレール電圧を変えることもできるであろう。
【００１２】
タンク回路の共振周波数、インバータの周波数、インバータのデューティサイクル、及び電源のレール電圧を変えることにより、非接触電源は、様々な異なる装置に電圧を加えることができる。電源は、さらに、幾つかの異なる装置に同時に電圧を加えることもできる。多数の異なる装置に電力を供給することのできるこの能力は、前でCEETSと関連付けられた制約の多くを克服する。さらに、電源は、様々な異なる装置に電圧を加えることができるので、様々な小さい電子装置への供給電力ための中央単一源が可能である。
【００１３】
一実施形態では、センサもまた、タンク回路に結合されることができる。それは、タンク回路内の電流の位相のような、タンク回路の様々な動作特性を監視するであろう。これらの動作特性は、電源によって電圧を加えられた総合負荷を示している。電源がその負荷に充分に電力を供給していないことを、その動作特性が示す時、制御装置は、電源に、構成の改良を追求させる。
【００１４】
構成の改良を追求するプロセスは、以下のステップの一又はそれ以上を含むであろう。インバータの周波数、及びインバータのデューティサイクルを変えることにより、電源は、自動的に、補償しようと試みることができるであろう。これが、電源の効率を充分修正する場合には、制御装置は、タンク回路に、その共振周波数を変えさせる。よく知られるように、タンク回路の共振周波数は、実際には、周波数の中心に置かれた範囲である。タンク回路は、ほぼ共振周波数である周波数において、共振するであろう。しかしながら、本出願で説明する適応電源は、実質的に異なる共振周波数を持つように、タンク回路を再構成する。
【００１５】
タンク回路は、可変インダクタ又は可変コンデンサのいずれか、又はその両方、から構成されるであろう。次に、制御装置は、可変インダクタのインダクタンス又は可変コンデンサのキャパシタンス、又はその両方を変化させ、従って、タンク回路に異なる共振周波数を持たせるであろう。
【００１６】
制御装置はまた、DC電源について、新しいレール電圧を確立することもできる。それはまた、インバータについて、新しいインバータ周波数、及び新しいデューティサイクルをセットする。次に、適応電源が、新しい構成で動作する。
【００１７】
適応電源が、なおも効果的に動作していない場合には、その電源は、インバータの周波数及びインバータのデューティサイクルを変えることにより、問題を取り除こうともう一度試みるであろう。問題がなおも修正されない場合には、電源は、タンク回路を再構成し、新しいインバータ周波数をセットし、及び、新しいデューティサイクルをセットするプロセスを繰り返すであろう。
【００１８】
この電源は、装置に電力を配信するために最も効率的な設定を、絶えず追求する。しかしながら、様々な設定のどれも、効率的に装置に電力を配信しない場合には、電源は、前の構成のうちの最も効率的なものを選択し、それらの設定で電源を動作する。
【００１９】
このように、電源は、様々な負荷に、効率的に電力を供給する。さらに、電源は非接触であるので、ユーザは、多数の異なる電源又はコネクタを持つ必要がない。
【００２０】
図面の詳細な説明を参照することにより、本発明のこれら及び他の目的、利点、及び特徴を、より容易に理解し、認識するであろう。
【００２１】
(図面の詳細な説明)
電源回路のインダクタンス及び/又はキャパシタンスが可変であって、広範囲の適応性を提供し、これにより、安定回路が大幅に異なる負荷特性を持つ様々な誘導動力装置に電力を供給することを可能にする適応誘導安定回路を、本発明は提供する。開示の目的のため、共振探索安定回路に絡めて、特に、その全体が引用により本出願に組み入れられる「誘導結合安定回路」という名称の米国特許出願第10/246,155号で説明された誘導安定器に絡めて、本発明を説明する。しかしながら、本発明は、他の誘導安定回路での使用によく適している。
【００２２】
本発明の一実施形態による適応誘導安定器10の一般的な構成を示すブロック図を、図1に示している。示すように、適応誘導安定器10は、一般的には、回路の動作を制御するマイクロプロセッサ12、磁場を生成するための多タップ一次巻線14、一次巻線14に与えられる信号を生成する波形器及び駆動下位回路16、一次巻線14に与えられた信号を監視し、マイクロプロセッサ12に対応するフィードバックを提供する電流感知下位回路18、波形器及び駆動下位回路16のキャパシタンス値を調節するためのキャパシタンススイッチ20、及び、多タップ一次巻線14のインダクタンスを調節するためのインダクタンススイッチ22を含む。マイクロプロセッサは、様々な供給業者製の広く普及した、従来のマイクロプロセッサである。
【００２３】
キャパシタンススイッチ20は、一般的には、コンデンサの2つのバンク、及びトランジスタのような複数のスイッチを含み、それらのスイッチは、マイクロプロセッサにより、その2つのコンデンサバンクの値を制御するように、選択的に作動可能である。各バンク内のコンデンサは、可能なキャパシタンス値の望まれる範囲及び分布に依って、直列又は並列に配置されることができる。コンデンサの第一のバンクは、上記の引用出願に示す既存の共振探索安定器のコンデンサ271と置き換わる。同様に、コンデンサの第二のバンクは、上記の引用特許出願に示す既存の共振探索安定器のコンデンサ272と置き換わる。事実上、キャパシタンススイッチ20は、既存の共振探索安定器のコンデンサ271及び272を、可変コンデンサにし、その値は、マイクロプロセッサ12により制御される。そのかわりに、説明したキャパシタンススイッチ20を、可変キャパシタンスを提供することのできる他の回路で置き換えることもできる。
【００２４】
インダクタンススイッチ22は、一般的には、多タップ一次巻線14、及びトランジスタのような複数のスイッチを含み、それらのスイッチは、マイクロプロセッサ12により、一次巻線14のインダクタンスの値を制御するように、選択的に作動可能である。多タップ一次巻線14は、添付の特許出願に示す既存の共振探索安定器の一次巻線270と置き換わる。事実上、インダクタンススイッチ22は、一次巻線14の巻数を変えることにより、既存の共振探索安定器の一次巻線270を可変インダクタンスコイルにし、その値は、マイクロプロセッサ12によって制御される。そのかわりに、説明したインダクタンススイッチ22を、可変インダクタンスを提供することのできる他の回路で置き換えることもできる。
【００２５】
一般的な動作では、マイクロプロセッサ12は、電流感知下位回路18から入力を受け取るようにプログラムされ、それは、一次巻線14に与えられた電流を示している。マイクロプロセッサ12は、キャパシタンススイッチ20、及びインダクタンススイッチ22を別々に調整して、回路に利用可能なキャパシタンス値及びインダクタンス値の範囲全体を循環するように、プログラムされる。マイクロプロセッサ12は、キャパシタンス及びインダクタンスの値を調整すると同時に、電流感知回路18からの入力を監視し続けて、どの値が、一次巻線14に最適な電流を提供するかを定める。次に、マイクロプロセッサ12は、適応安定器を、最適設定にロックする。
【００２６】
添付の特許出願の共振探索誘導安定器を、適応誘導安定回路10の実施形態に適応させるのに必要な変更の幾つかを、図2の概略図に示す。
【００２７】
既存の共振探索安定器は、米国特許出願第10/246,155号でずっと詳細に説明されるが、これに対して、その回路の全体像は、本発明のより完全な理解に役立つであろう。安定フィードバック回路が点Aにおいて接続され、制御回路が点Bにおいて接続される。発振器144は、駆動146を介して、半ブリッジインバータ148に交流信号を提供する。半ブリッジインバータは、タンク回路150に電力を供給する。電流感知回路218は、発振器144にフィードバックを提供する。フィードバック回路、制御回路、発振器、半ブリッジインバータ、駆動及び電流感知回路218、加えて、他の支持回路を、上記の引用特許出願で、より完全に説明する。
【００２８】
図2で、Eにおいて位相遅延を挿入することができ、それは、遅延線として制御することができるであろう、又はさらに、この信号を遅延させるために、DSP(デジタル信号処理)を使用することもできるであろう。位相を絞り、二次振幅を制御するために、この遅延を使用することができる。Fにおいて、スイッチキャパシタンスは、調整可能な一次インダクタンスに基づいて、共振周波数を調整することができる。キャパシタンスのスイッチを入れる、及び切るために、単純なトランジスタを使用することができる。負荷と整合するように、一次インダクタが変化するとき、キャパシタンスが変わる。Gにおいて、一次インダクタンスを切り替えて、二次回路に必要な電力を調整することができる。その負荷情報を用いて、要求される電力を提供するのに必要とされるように、制御プロセッサは、インダクタンスを調整することができる。マイクロプロセッサによって制御されるトランジスタ、及び一次インダクタの多タップを使って、インダクタンスを切り替えることができる。
【００２９】
適応誘導安定回路の動作シーケンスを、図3と絡めて、より詳細に説明する。動作中、一次巻線14に電力を与える前に、図示されたシステムは、負荷が存在することを確認するまで一時停止する。これは、電力を節約し、各誘導動力装置に、一次巻線に隣接したリードスイッチを作動させる磁気を提供することにより、成されるであろう。そのかわり、誘導動力装置が存在するとき、ユーザが電源に関与することができるように、ユーザ作動スイッチ(示されていない)を提供することもできる。更なる代替として、誘導動力装置が、一次巻線によって、その存在を信号送信するように置かれるとき、それは、スイッチを機械的に作動させるように構成されるであろう。更なる代替として、スイッチング機構を取り除くことができ、安定回路は、負荷の存在に関わらず、一次巻線14に電力を提供することができる。
【００３０】
電源回路が作動されると、回路は、一次巻線に与えられた電流を最適化するように、その周波数を調整する。初期キャパシタンス及びインダクタンス値において、適当な動作周波数が定められた後、マイクロプロセッサは、安定回路をその動作周波数にロックし、次に、多タップ一次巻線によって利用可能なインダクタンス値の範囲全体にわたって循環し始める。インダクタンス値のどの変化の後にも、マイクロプロセッサは、その動作周波数をロック解除し、安定回路が共振を探索して、一次巻線に最適な電流を提供する周波数に落ち着くことを可能にする。どの値が一次巻線に最適な電流を提供するか、を定めるまで、マイクロプロセッサは、利用可能なインダクタンス値全体にわたって循環し続ける。一実施形態では、適切なインダクタンス値を定めるために、順次走査処理を使用する。これは、最低インダクタンス値で走査処理を開始し、インダクタンス値の変化が、一次巻線に与えられた電流の減少という結果になるまで、インダクタンス値を順次増大させることによって、実現される。次に、マイクロプロセッサが、最大電流が実現された一インダクタンス値に、減少し戻す。そのかわりに、走査処理が、最高インダクタンス値で始まり、インダクタンス値の変化が、一次巻線に与えられた電流の減少という結果になるまで、インダクタンス値を順次減少させることもできる。次に、マイクロプロセッサが、最大電流が実現された一インダクタンス値に、増大し戻す。更なる代替として、マイクロプロセッサは、各インダクタンス値全体をステップして、対応する電流を定め、各値全体にわたってステップした後、一次巻線に最大電流を提供したインダクタンス値に戻すこともできる。
【００３１】
適切なインダクタンス値が定められた後、マイクロプロセッサは、回路をその定められたインダクタンス値においてロックし、キャパシタンス値全体にわたって循環し始める。一実施形態では、マイクロプロセッサは、一次巻線に最大電流を提供するキャパシタンスを定めるために、順次走査技術を使用する。その走査処理は、インダクタンス値についての走査処理と絡めて上で説明したように、最低キャパシタンス値から上に向かって、又は最高キャパシタンス値から下に向かって進行することができる。順次走査処理の代替として、マイクロプロセッサは、各キャパシタンス値全体にわたってステップし、対応する電流を定め、各値全体にわたってステップした後、一次巻線に最大電流を提供したキャパシタンス値に戻ることもできる。
【００３２】
この実施形態では、適切なインダクタンス値が定められると、安定回路の周波数は変化することが許されない。そのかわりに、マイクロプロセッサは、キャパシタンス値のどの変化の後も、安定回路が共振を探索することを可能にするように、プログラムされることもできる。
【００３３】
代替の実施形態では、マイクロプロセッサは、電源回路のキャパシタンス値のみ、又はインダクタンス値のみの調整を提供するように、プログラムされることもできる。前者の代替の実施形態では、多タップ一次巻線は、従来の単タップ一次巻線で置き換えることができ、かつ、インダクタンススイッチを取り除くことができる。後者の代替の実施形態では、コンデンサバンクは、コンデンサの単一セットで置き換えることができ、かつキャパシタンススイッチを取り除くことができる。更なる代替の実施形態では、マイクロプロセッサは、インダクタンスを調整する前に、キャパシタンスを調整するようにプログラムされることができる。
【００３４】
上で言及したように、本発明は、共振探索安定器とからめての使用に限定されない。他の応用例では、電流センサを安定器内に組み込んで、一次巻線に与えられた電流を表す入力を、マイクロプロセッサに提供することができる。共振探索安定器のない動作中、マイクロプロセッサは、別々に、様々なキャパシタンス値及びインダクタンス値全体にわたって循環して、一次巻線に最適な電力を提供する値を定めるであろう。
【００３５】
更なる代替の実施形態では、適応誘導安定器10は、その安定器10が位相を絞り、二次振幅を制御することを可能にする位相遅延回路(示されていない)を含むことができる。位相遅延回路は、遅延線、又は、演算増幅器210に続く波形器及び駆動回路16に接続されたデジタル信号プロセッサ(DSP)を含むことができる。
【００３６】
さらに、上で表現した考え及び概念を具現化する、適応非接触エネルギー伝送システムの更なる実施形態を、図4のブロック図に示す。適応非接触エネルギー伝送システムは、適応誘導電源305、及び遠隔装置307から構成される。
【００３７】
よく知られるように、電源310は、インバータ312にDC(直流)電力を提供するDC電源である。インバータ312は、DC電力をAC(交流)電力に変換する。インバータ312は、タンク回路314にAC電力を供給するAC電源として作動する。タンク回路314は、遠隔装置307の二次巻線316に誘導結合される。
【００３８】
遠隔装置307の二次巻線316は、全く鉄心を持たない。線322は、遠隔装置307と適応誘導電源305との間のエアギャップを示している。
【００３９】
遠隔装置307は負荷320を有する。負荷320は、マイクロコンデンサ又は蓄電池のような充電式装置を含むことができるであろう。そのかわりに、負荷320は、電球、無線受信機、又は、遠隔装置307が適応誘導電源305の近くに置かれたときにはいつでも、適応誘導電源305から電力を受け取るようにされた任意の他の電気装置とすることもできるであろう。
【００４０】
回路センサ324は、タンク回路314、及びインバータ312に結合される。回路センサ324はまた、制御装置326にも結合される。回路センサ324は、適応誘導電源305の動作パラメータに関する情報を提供する。例えば、回路センサ324は、タンク回路314内の電流の位相、周波数、及び振幅に関する情報を制御装置326に提供するために使用される電流センサとすることもできるであろう。
【００４１】
制御装置326は、インテル8051、又はモトローラ6811、又はそれらマイクロコントローラーの多くの変形のうちのいずれかのような、以下に説明する機能を実行するようにプログラムされた多数の汎用マイクロコントローラーのうちのいずれか一つとすることができるであろう。制御装置326は、チップ上に、ROM(読み出し専用メモリ)及びRAM(ランダムアクセスメモリ)を持つことができるであろう。制御装置326は、適応誘導電源内の様々な機能を制御するための一連のアナログ及びデジタル出力も持つことができるであろう。
【００４２】
制御装置326は、メモリ327に接続される。制御装置326はまた、駆動回路328にも結合される。駆動回路328は、インバータ312の周波数及びタイミングのような、インバータ312の動作を調整する。駆動回路328は、多数の異なる手法で構成されることができるであろう。例えば、駆動回路328は、トランジスタ、抵抗器、及びコンデンサのような別個の構成部品で構成されることができるであろう、すなわち、それは、インバータを駆動するように設計された個別集積回路とすることができるであろう、又は、制御装置326がマイクロコントローラーである場合には、制御装置326の機能構成部品とすることもできるであろう。
【００４３】
制御装置326はまた、電源310にも結合されるであろう。制御装置326は、電源310のレール電圧を操作することができる。良く知られるように、電源310のレール電圧を変えることにより、インバータ312の出力の振幅もまた変わる。
【００４４】
最後に、制御装置326は、タンク回路314の可変インダクタ330及び可変コンデンサ332に結合される。制御装置326は、8051型マイクロコントローラーのようなマイクロコントローラーとすることができるであろう。そのかわりに、制御装置326は、更なる支持回路を持つマイクロプロセッサとすることもできるであろう。
【００４５】
制御装置326は、可変インダクタ330のインダクタンス、又は可変コンデンサ332のキャパシタンスを変更することができる。例えば、更なるコンデンサ又はインダクタのスイッチを入れる又は切ることによって、或いは、可変インダクタ330又は可変コンデンサ332の物理特性を変えることにより、これを実現することができるであろう。可変インダクタ330のインダクタンス、及び、可変コンデンサ332のキャパシタンスを変更することにより、タンク回路314の共振周波数を変えることができる。
【００４６】
可変インダクタ330のインダクタンス又は可変コンデンサ332のキャパシタンス、あるいはその両方を変更することにより、タンク回路314は、第一共振周波数及び第二共振周波数を持つことができる。タンク回路314はまた、幾つかの共振周波数を持つこともできるであろう。本出願で使用される限り、「共振周波数」という語は、タンク回路314が共振する周波数帯域を参照する。良く知られるように、タンク回路は、共振周波数を持つが、周波数のある範囲内では共振し続けるであろう。
【００４７】
可変インダクタ330は、サイリスタ制御可変インダクタ、圧縮性可変インダクタ、平行積層鉄心可変インダクタ、選択固定インダクタをタンク回路314内に配置することのできる一連のインダクタ及びスイッチ、又は任意の他の制御可能な可変インダクタとすることができるであろう。可変コンデンサ332は、スイッチキャパシタアレイ、選択固定コンデンサをタンク回路314内に配置することのできる一連の固定コンデンサ及びスイッチ、又は、任意の他の制御可能な可変コンデンサとすることができるであろう。
【００４８】
タンク回路314はまた、一次巻線334を含む。一次巻線334及び可変インダクタ330が、別々に示されている。そのかわりに、一次巻線334及び可変インダクタ330が、単一要素に結合されることもできるであろう。
【００４９】
タンク回路314は、直列共振タンク回路として示されている。並列共振タンク回路もまた、使用することができるであろう。
【００５０】
図5A及び5Bは、図4に示す適応非接触エネルギー伝送システムの適応誘導電源305の動作を示すフローチャートを示している。
【００５１】
オンにされると(ステップ400)、制御装置326は、タンク回路314があらかじめ選択された初期共振周波数で動作するように、可変インダクタ330のインダクタンス及び可変コンデンサ332のキャパシタンスをセットすることにより、タンク回路314の共振周波数を初期化する。ステップ402。制御装置326は、駆動回路328を、あらかじめ選択された周波数において、あらかじめ選択された位相オフセットで動作するように初期化する。制御装置326は、電源310を、所定のレール電圧で動作するように初期化する。ステップ402。
【００５２】
電力を節約して使うために、適応誘導電源305は、最初に電圧を加えられた時、非常に低いレベルで電力を供給するように初期化されることができるであろう。そのかわりに、より適度なレベルで電力を供給するように適応誘導電源305を初期化して、幾つかの共通遠隔装置を調整することもできるであろう。
【００５３】
次に、制御装置326は、動作パラメータの公称範囲をセットする。ステップ404。電源の動作パラメータは、システム全体にわたる電流及び電圧の様々な基準である。例えば、ピークピークインバータ電圧、一次巻線を流れるRMS電流、及び一次巻線を流れる電流の位相オフセットが、すべての動作パラメータである。例えば、動作範囲は、インバータ電圧と電圧電流との間の位相オフセットの範囲、電流振幅の範囲、及びインバータ出力電圧の範囲を含むことができるであろう。更なる例として、動作範囲は、20°程度の電流位相オフセット、及び1/2アンペアと1アンペアの間の電流振幅で、5ボルトから5.3ボルトのインバータ電圧とすることもできるであろう。
【００５４】
公称範囲は、動作パラメータについて可能な値の許容範囲である。動作パラメータが公称範囲内でない場合には、電源は効率的に動作していない。
【００５５】
図5に戻ると、次に、システムは停止する。ステップ406。制御装置326は、適応誘導電源305の動作パラメータを絶えず監視する。動作パラメータが公称範囲内にある場合には、回路は停止し続ける。ステップ408。
【００５６】
遠隔装置307が一次巻線334の近くに置かれる時、電力は、適応誘導電源305から引き出される。結果として、動作パラメータが変化する。動作パラメータが公称範囲外にある場合には、制御装置326は、適応誘導電源305を再構成する。
【００５７】
従って、適応誘導電源305が初期低電力設定を有する場合には、適応誘導電源305は、遠隔装置の存在を感知し、電力をより適度なレベルまで自動的に増大させるであろう。
【００５８】
明らかに、適応誘導電源305の再構成は、公称範囲外にある一動作パラメータによって引き起こされることができるであろう、或いは、適応誘導電源305の再構成は、公称範囲外にある動作パラメータの組み合わせによって引き起こされることができるであろう。一次巻線を流れる電流の位相のみを監視することで、充分である。しかしながら、他の動作パラメータを同時に測定及び計量する様々な拡張を、容易に考え付くこともできるであろう。
【００５９】
第一に、制御装置326は、駆動回路328に、インバータ312のデューティサイクルを変えさせる。ステップ410。インバータ312のデューティサイクルが変えられ、その変えられたデューティサイクルがメモリ327内に格納される。
【００６０】
動作パラメータが再び測定される。ステップ412。動作パラメータがまだ公称範囲外である場合には、「既知の最良設定」フラグをチェックする。ステップ414。「既知の最良設定」フラグを、以下に説明する。
【００６１】
「既知の最良設定フラグ」がセットされていない場合には、制御装置326は、タンク回路314内で、インバータ周波数を調整し、さらに共振を維持することができるかどうかを判断する。ステップ418。制御装置326は、第一に、タンク回路314の最高及び最低共振周波数を見つける。
【００６２】
可変インダクタ330及び可変コンデンサ332のどの特定の構成における、タンク回路314の最高及び最低共振周波数も、メモリ327内に格納することができるであろう。代替の実施形態では、タンク回路314の最高及び最低共振周波数を、一次巻線334のインダクタンス、可変インダクタ330のインダクタンス、及び可変コンデンサ332のキャパシタンスから計算することができるであろう。次に、制御装置326は、タンク回路314の最高及び最低周波数を、インバータ312の現在の動作周波数と比較する。
【００６３】
可能な場合には、制御装置326は、駆動回路328に、インバータ周波数を調整させ、その新しいインバータ周波数をメモリ327内に格納する。ステップ420。回路は停止状態に戻る。ステップ406。インバータ周波数を、タンク回路314の現在の構成の共振周波数内で調整することができない場合には、制御装置326が、タンク回路314の構成を変更できるかどうか定める。ステップ422。
【００６４】
それを変更することができる場合には、制御装置326が、現在の周波数、デューティサイクル、レール電圧、タンク回路構成、及び動作パラメータを、メモリ327内に格納する。ステップ424。次に、制御装置326は、タンク回路共振周波数を調整する。ステップ426。タンク回路共振周波数の調整は、可変インダクタ330のインダクタンス、及び可変コンデンサ332のキャパシタンスを変えることにより、遂行される。
【００６５】
次に、レール電圧を変えることができるであろう。ステップ428。タンク回路314の共振周波数が変えられたので、その動作パラメータについての新しい公称範囲が計算される、又はメモリ327から読み込まれる。ステップ430。次に、電源は停止に戻る。ステップ406。
【００６６】
タンク回路314の構成をさらに変更できない場合には、制御装置326は、先の構成の最良のものを探索する。ステップ432。制御装置326は、前に格納された動作パラメータを比較し、最良の構成を選択する。
【００６７】
最良の構成を選択した後、制御装置326は、その構成について、適応誘導電源305の様々な設定をメモリから検索する。ステップ433。次に、制御装置326は、可変インダクタ30のインダクタンス、及び可変コンデンサ32のキャパシタンスをセットすることにより、タンク回路314の構成をセットする。ステップ434。次に、制御装置326は、インバータ312の周波数をセットする。ステップ436。次に、制御装置326は、インバータ312のデューティサイクルをセットする。ステップ438。制御装置326は、電源310のレール電圧をセットする。ステップ440。
【００６８】
次に、制御装置326は、予想された動作パラメータをメモリ327内に格納する。ステップ442。そのかわりに、制御装置326は、メモリ327内の予想動作パラメータにポインタをセットすることもできるであろう。次に、制御装置326は、「既知の最良設定」フラグをセットする。ステップ444。次に、電源は、停止状態に戻る。ステップ406。「既知の最良設定」フラグは、適応誘導電源305によって使用されている現在の設定が最も利用可能であることの、制御装置326への表示である。
【００６９】
「既知の最良設定」フラグがセットされる場合には、たとえ動作パラメータが公称範囲外であっても、システムは、その最良の設定で動作している。従って、インバータ周波数、共振回路周波数、インバータのデューティサイクル、又はレール電圧への更なる変更は、システムの何の改善にもならないという結果になるであろう。「既知の最良設定」フラグがセットされると、システムは、その動作パラメータが予想された動作パラメータとほぼ等しいか否かをチェックする。
【００７０】
従って、既知の最良設定フラグがセットされる(ステップ414参照)場合には、制御装置326は、現在の動作パラメータが予想された動作パラメータとほぼ同じであるかどうかチェックする。ステップ446。その場合には、電源に対する更なる調整は、性能の何の改善にもならないという結果になり、それゆえ、システムはただ単に、停止状態に戻るだけである。ステップ406。
【００７１】
反対に、現在の動作パラメータが、予想された動作パラメータとほぼ等しくない場合には、その既知の最良設定フラグがクリアされる。ステップ448。適応誘導電源305を再構成するプロセスは続行する。ステップ422。
【００７２】
このように、説明した適応非接触エネルギー伝送システムは、様々な異なる装置を動的に取り扱うことができる。適応誘導電源305は、異なる負荷を持つ様々な装置に自動的に適応し、その電源についての最適な動作構成を絶えず定める。
【００７３】
さらに、適応誘導電力305によって、一以上の装置に同時に電力を供給することができる。新たな装置が適応誘導電源305の近くに置かれる時、制御装置326は、効率を維持するように、適応誘導電源305の動作パラメータを絶えず調整する。これは、一つの単一電源が多数の異なる装置に電力を提供するのに備える。その装置を、適応誘導電源305に直接隣接して置く必要はない。それは、適応誘導電源305から、様々な距離をあけて配置することができる。例えば、それにより、シールド光が適応誘導電源305の近くに蓄積され、たとえ適応誘導電源305からの距離が各々の光ごとに異なっていても、どの光も放射されるような電源を構成することが可能である。
【００７４】
上記の説明は、好ましい実施形態に関するものである。添付の本特許請求の範囲で定められる本発明の技術的範囲から外れることなく、様々な代替及び変更を成すことができ、それらは、均等論を含む特許法の原理により解釈されるべきである。例えば、冠詞「a」、「an」、「the」、又は「said」を使った単数形の請求要素への如何なる参照も、その要素を単数に限定するものとして解釈されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態による適応誘導安定器のブロック図である。
【図２】本発明の適応誘導安定器を包含するように変更点を示すように印付けされた、添付された特許出願の共振探索安定器の概略図である。
【図３】適応誘導安定器の動作を示すフローチャートである。
【図４】適応非接触エネルギー伝送システムのブロック図である。
【図５Ａ】適応非接触エネルギー伝送システムの動作を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】適応非接触エネルギー伝送システムの動作を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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