(57)【要約】  本開示は一般にワイヤレス充電ステーションのための方法及びシステムに関連する。一実施形態において、本開示は複数のコイルのオーバーラップする(又はタイル状化された)レイアウトを提供する。各コイルは対称又は非対称なターンのレイアウトを有する。本開示は、ワイヤレス充電ステーションの表面上で実質的に一様な電磁場を提供するために、最適なタイル・オーバーラップ距離及び/又はコイル・サイズを決定するように構成される設計最適化技術を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスミッタの充電ステーションであって：
第1共振磁場を提供する第1レイアウト形状を有する第1コイル；
第2共振磁場を提供する第1レイアウト形状を有する第2コイルであって、前記第1及び第2共振磁場の合成が、前記第1及び第2コイルのオーバーラップする平面上で実質的に一様な磁場を提供するように、前記第2コイルは前記第1コイルとオーバーラップする、第2コイル；
を有する送信機の充電ステーション。
【請求項２】
前記第1コイル及び前記第2コイルが、部分的にオーバーラップするタイルとして構成される、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項３】
前記第1コイル及び前記第2コイルが直列に接続される、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項４】
前記第1コイル又は前記第2コイルのうち少なくとも何れかが、非対称な又は均等でないコイル・ターンを規定する、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項５】
第3レイアウト形状を有する第3コイルを有する請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項６】
前記第3コイルは、前記第1及び第2コイルの磁場を拡大するように、前記第2コイルに少なくとも部分的にオーバーラップする、請求項5に記載の充電ステーション。
【請求項７】
前記第2コイルは、前記第1又は第2コイルの何れかの長さの約10-50％の範囲内で前記第1コイルとオーバーラップする、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項８】
前記第1コイルの最も外側のターンは、前記第2コイルの最も内側のターンを越えている、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項９】
前記第1コイルは対称な形状を規定し、前記第2コイルは非対称な形状を規定する、請求項1に記載の充電ステーション。
【請求項１０】
ワイヤレス充電ステーションであって：
第1共振周波数チューナーを有する第1コイル；
第2共振周波数チューナーを有する第2コイル；
前記第1及び第2コイルを接続するキャパシタ；
前記第1コイル及び前記第2コイルに接続される電源；及び
前記第1及び第2コイルの各々から実質的に同様な共振周波数を提供するように、前記第1又は第2共振周波数チューナーのうち少なくとも何れかを設定するコントローラ；
を有するワイヤレス充電ステーション。
【請求項１１】
前記第1コイル又は前記第2コイルのうち少なくとも何れかが、非対称な又は均等でないコイル・ターンを規定する、請求項10に記載のワイヤレス充電ステーション。
【請求項１２】
前記第1及び第2コイルが直列に接続される、請求項10に記載の充電ステーション。
【請求項１３】
前記第1コイルは前記第2コイルとオーバーラップするように配置される、請求項10に記載のワイヤレス充電ステーション。
【請求項１４】
前記第1及び第2コイルのうちの1つ以上とオーバーラップする第3コイルを有する請求項13に記載のワイヤレス充電ステーション。
【請求項１５】
前記第1コイルの最も外側のターンは、前記第2コイルの最も内側のターンを越えている、請求項10に記載のワイヤレス充電ステーション。
【請求項１６】
前記第1コイルは対称な形状を規定し、前記第2コイルは非対称な形状を規定する、請求項10に記載のワイヤレス充電ステーション。
【請求項１７】
パワー伝送ユニット(PTU)において実質的に一様な磁場を提供するための方法であって：
第1共振周波数を提供する第1コイルを形成するステップ；
第2共振周波数を提供する第2コイルを形成するステップ；
実質的に同様な共振周波数を提供するように、前記第1コイル又は前記第2コイルのうちの1つ以上をチューニングするステップ；及び
前記第1及び第2コイル上で実質的に一様な磁場を提供するように、前記第1及び第2コイルをオーバーラップさせるステップ；
を有する方法。
【請求項１８】
前記第1コイルは、少なくとも1つの縁が外側に湾曲している多角形レイアウトを有する、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記第1及び第2コイルを直列に接続するステップを有する請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
前記第1及び第2コイルの間にチューニング・キャパシタを介在させるステップを有する請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
オーバーラップ領域における前記第1コイル及び第2コイルの合成磁場強度の関数として、オーバーラップ距離を決定するステップを有する請求項17に記載の方法。
【請求項２２】
前記第1コイルに関連する少なくとも1つのキャパシタのキャパシタンスをチューニングすることにより、前記第1コイルの前記第1共振周波数をチューニングするステップを有する請求項17に記載の方法。
【請求項２３】
前記チューニング・キャパシタが、第1又は第2キャパシタの何れかと実質的に同じ値を有するように、前記第1コイルに関連する第1キャパシタと前記第2コイルに関連する第2キャパシタとをチューニングするステップを有する請求項20に記載の方法。
【請求項２４】
前記第1キャパシタ、第2キャパシタ及びチューニング・キャパシタを直列に接続するステップを有する請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
パワー受信ユニットが、実質的に一様な磁場に近接してさらされることにより、前記PTUから電磁場充電を受ける、請求項17に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はデバイスを無線で充電するための方法、装置及びシステムに関連する。具体的には、開示される実施形態は、アクティブ充電エリアを増加させる改善された充電ステーションを提供する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤレス充電又は誘導充電は、磁場を利用して2つのデバイス間でエネルギーを伝達する。ワイヤレス充電は、充電ステーションで実行されることが可能である。エネルギーは、誘導結合により、一方のデバイスから他方のデバイスへ送られる。誘導結合は、バッテリーを充電する或いは受信デバイスを動作させるために使用される。A4WP(The  Alliance  for  Wireless  Power)が設立されており、放射型ではない近接場の磁気共鳴により、パワー送信ユニット(PTU)からパワー受信ユニット(PRU)へパワーを届ける工業規格を作成している。
【０００３】
4AWPは、PRU共鳴器から供給される最大パワーによりパラメータ化されるPRUの5つのカテゴリを規定している。カテゴリ1は低電力アプリケーション(例えば、ブルートゥース(登録商標)ヘッドセット)に関連している。カテゴリ2は約3.5Wのパワー出力のデバイスに関連し、カテゴリ3のデバイスは約6.5Wの出力を有する。カテゴリ4及び5は、より高いパワーのアプリケーション(例えば、タブレット、ネットブック及びラップトップ)に関連している。
【０００４】
A4WPのPTUは、誘導コイルを利用して充電ベース・ステーションの中から磁場を生成し、PRU(すなわち、ポータブル・デバイス)の第2誘導コイルがその磁場からパワーを取得し、そのパワーを電流に変換してバッテリーを充電する。このように2つの近接した誘導コイルが、電気トランスフォーマーを形成している。誘導充電システムが磁気共鳴カップリングを利用する場合、送信側及び受信側のコイル同士の間の距離の拡大が達成可能になる。磁気共鳴カップリングは、同じ周波数で共振するように同調される2つのコイル間における電気エネルギーの近接場ワイヤレス伝達である。
【０００５】
ワイヤレス充電は、インプラント可能な医療デバイス等のような限られた充電アクセスしか有しないデバイスにとって特に重要である。アクティブ充電エリアを拡張し且つカップリング及び充電の均一性を改善する改良されたワイヤレス充電システムが必要とされている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これら及び他の本開示の実施形態は以下の例示及び非限定的な記述を参照しながら説明され、図中、同様な要素には同様な番号が付される。
【図１】動作周波数の波長に対するコイル・サイズの関数として放射抵抗(radiation  resistance)を示す図。
【図２】一巻きのコイル2つのカップリング係数と2つのコイルの半径比率との関係を示す図。
【図３】開示される一実施形態によるツーバイワン送信コイル・アレイのタイルを示し(a)、チューニング・キャパシタを含むタイル状構成の回路(a)に対する等価回路(b)を示す図。
【図４】(a)従来のコイル及び(b)本開示の一実施形態によるタイル状コイル構成の間のコイルの比較例を示す図。
【図５】(a)従来のコイル・サイズ、(b)2コイル・タイル状化のサイズ及び(c)受信コイル・サイズの間のコイルの比較例を示す図。
【図６】本開示の一実施形態によるツーバイワン(2×1)アレイ・コイルのうちの1つのコイル要素を示す図。
【図７】本開示の一実施形態による巻き線コイルのブロックを構築する際の8つの自由度を示す図。
【図８ａ】ビオサバールの法則によりz0=2.5cmの場所に生成される最適化され正規化されたz方向磁場を示す図。
【図８ｂ】図8aの最適エリアを示す図。
【図９】コイル表面から2.5cmの高さにおける磁場強度(Hz)を示す図。
【図１０】本開示の一実施形態による2x1タイル状化エリアにおいて小さなコイルがスキャンされた場合に測定された電力伝達を示す図。
【図１１】本開示の一実施形態による例示的な最適化フローチャートを示す図。
【図１２】本開示の一実施形態による第1及び第2コイル間のオーバーラップ例を示す図。
【図１３】本開示の一実施形態によるワンバイフォー(1x4)タイル状コイル・アレイを概略的に示す図。
【図１４】より大きなエリアをカバーするために7つのタイル状コイルを有する2次元設計例を概略的に示す図。
【図１５】本開示の一実施形態によるタイル状コイルの環状パターンを示す図。
【図１６】本開示の一実施形態によるPTUレイアウト例を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
従来のワイヤレス充電システムは、限られたアクティブ充電エリア・カバレッジしか提供しない。(例えば、コーヒー・ショップや空港での充電などのような)ワイヤレス充電システムの広範囲に及ぶ実現性及びインフラストラクチャ配備のために、より大きなアクティブ充電エリアが必要とされる。しかしながら、磁気共鳴に基づくワイヤレス充電システム(A4WP)の充電エリアを拡張することは、2つの根本的な問題に起因して困難になっている。第1に、動作波長に対してコイル・サイズが増加すると、放射損失及びオーミック損失の双方が増えてしまう。
【０００８】
図1は、コイル・サイズ長の関数として、従来の放射抵抗を示す。具体的には、図1は、AC電流の一定の1Aで駆動される場合における4巻きの(4ターンの)螺旋コイル100についての放射損失及び表面損失を、様々なコイル直径でプロットしたものを示す。図1に見受けられるように、コイル・サイズが増えてコイルがより効率的な遠方電磁界放射器を形成するにつれて、放射損失は劇的に増加してしまう。コイル100の表面(オーミック)損失110も、コイル・サイズが増加し且つコイルがパラレル(自己)共振器に類似するにつれて、増加する。コイル・サイズが所定の限度を超えると、双方の損失の仕方は非線形に変化する。大きな損失は、コイルの品質係数(the  quality  factor)を劣化させ、最終的に、システムのパワー伝送を妨げてしまう。
【０００９】
第2に、適切なパワー伝送効率のためには、送信側及び受信側のコイル間のカップリング係数は、可能な限り高くあるべきである。2つの近接して隔てられるコイル間のカップリング係数Kは、送信及び受信コイルのサイズ比率に反比例する。図2は、一巻きのコイル2つのカップリング係数と2つのコイルの半径比率との関係を示す。図2に示されるように、送信コイル及び受信コイルがほぼ同一サイズである場合に、カップリング係数Kはピークを示す。実際には、送信コイルは非常に大きなサイズまで増やされる一方、受信コイルは小さく(例えば、セルフォン)、カップリング及び効率は劇的に落ちる。
【００１０】
これら及び他の問題を克服するため、開示される実施形態は、磁気共鳴(すなわち、4AWP)ワイヤレス充電システムの送信コイル設計のためにタイル状コイル構造を提供する。開示される実施形態は、アクティブ充電エリアを拡大する一方で、大幅に改善される磁場の不均一性、カップリング及びパワー伝送効率を維持する。
【００１１】
所定の実施形態では、ワイヤレス充電送信機のカバレッジ・エリアは、互いに隣接する2つのコイルのアレイを利用することによって、拡張される。2つのコイルは、タイルとしてレイアウトされる。別の実施形態では、2つのコイルは重なるタイルとして配置される。更に別の実施形態では、タイル状化された(複数の)コイルが直列に接続される。一実施形態では、1つ又は複数のコイルが、実質的に同じ共振周波数にそれぞれチューニングされる。
【００１２】
図3(a)は、本開示の一実施形態による2×1送信コイル・アレイのタイル状化を示す。図3(a)では、コイル310がコイル320と部分的に重複(又はオーバーラップ)して配置される。図3(a)に示される実施形態は、2つの小さなコイルのAC抵抗(表面(オーミック)及び放射損失の影響双方の組み合わせ)が、線形に加えられることを可能にする。組み合わせの損失は、組み合わせのサイズによる大きなコイルのAC抵抗よりもかなり小さい。小さなコイルと充電されるデバイスとの間のカップリング係数は、小さなサイズの比率に起因して、高くなる。タイル状のソリューションによる全体的なコイル間の効率(送信及び受信コイル間の効率)は、より高くなる。
【００１３】
図3(b)は、図3(a)のタイル状化されたコイルの等価回路を示す。各コイルは、1つ以上のチューニング・キャパシタを各コイルに加えることで、所望の共振に個々にチューニングされる。チューニング・キャパシタは、互いに直列に加えられる。2つのコイル・タイルは、それらの間に配置されるチューニング・キャパシタを介して接続されてもよい。
【００１４】
一実施形態では、2つのコイルの間に設定されるキャパシタンスは、個々のコイルの何れの端部にも直列に加わるチューニング・キャパシタと、実質的に同様な値であってもよい。この構成は、2つのコイル・タイル間の相互キャパシタンスを最小化することにより、2つのコイル・タイルによる合成コイルのQを最大化してもよい。
【００１５】
タイル状コイルを構成する際の問題は、1つより多いコイルの合成による磁場(H場)の均一性を達成することである。コイル設計を最適化することなく、単にタイル状化した任意のコイルは、不均一なH場をもたらす結果となり、その理由は、各ターン内側の正の磁場と各ターン外側の負の磁場との重ね合わせが、磁場分布の変動(すなわち、谷や山)を生成してしまうからである。
【００１６】
一実施形態では、コイル(及びタイル)は、全体的に一様な磁場をもたらすように、互いに関して設計及び配置される。各コイルの各ターンの磁場の重ね合わせは、一様な磁場を保証するように最適化される。コイルの相対的な位置及び各ターンの形状を制御し、最適化された一様な磁場を生成するために、開示される実施形態による所定の最適化プロシジャが開発された。
【００１７】
例示的な実現手段では、従来の1つの大きなコイル設計の場合と比較して、開示される実施形態(複数のタイル状コイル)の利点を示すために、2組のコイルが設計及び構成された。後述するように、それらを比較すると、小さなパワー受信ユニット(PRU)とのコイルの損失及びカップリングについての大幅な改善が示された。
【００１８】
図4は、(a)従来のコイル及び(b)本開示の一実施形態によるタイル状コイルの間のコイル比較例を示す。より具体的に言えば、図4は同じサイズの2つの送信機コイル・アセンブリを示す。図4(a)に示されるコイルは、従来の単独の欄コイル形状を利用している。図4(b)のコイルは、本開示の一実施形態による2つの螺旋コイルのタイル状化として構成されている。図4(a)は、図4(b)のコイルよりも長いトレース長を有する。双方のコイル設計例は5回巻かれており(5ターン)、同じプロトタイピング法で構成されている。最終的に、双方のコイルは、磁場の均一化のために最適化されている。
【００１９】
表1は図4(a)及び4(b)に示されるコイルについて測定されたAC抵抗を示す。具体的には、表1は、図4(b)のタイル状設計例が、(従来例は、より長いトレース全長を有するにもかかわらず)図4(a)の従来の大きなコイル設計よりも、かなり低いAC損失しかもたらさないことを示す。そのPRUコイルに対して測定されたカップリング係数は、図4(b)の2x1タイル状化されたコイル設計の方が、約10％優れている。
【００２０】
表1-従来のコイル設計と開示される実施形態によるタイル状コイル設計との間のパフォーマンス比較
【００２１】
【表１】
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A4WP対応送信機コイルの主要な検討事項は、ウェアラブル・カテゴリ1・PRUデバイスに対する効率的なカップリングである。後述するように、開示されるタイル状コイル設計は、2つ以上の小さなコイルでアクティブ・エリアをカバーすることにより、カテゴリ1のPRUデバイスに対するカップリング効率を改善する。
【００２２】
図5は、(a)従来のコイル・サイズ、(b)2コイル・タイル状化のサイズ及び(c)受信コイル・サイズの間のコイルの比較例を示す。ここでは、2つの同じサイズのコイルが構成されている。それらのコイルのうちの一方は従来の単独の螺旋コイル形状を利用しており(図5(a))、他方は本開示の実施形態による2つのタイル状化された(2x1)コイルを有する(図5(b))。何れの設計例も5ターンであり、同じプロトタイピング法で構成されている。双方の設計例は磁場の均一化に関して最適化されている。
【００２３】
表2は、図5の異なるコイル同士の間のパフォーマンス比較例をまとめている。表2に示されるように、2つのコイル・タイル状化設計についての測定されたAC抵抗は、従来の螺旋設計に対するものと同様である。しかしながら、タイル状化コイルは、2つの異なるサイズのPRUコイルとの全体的な高いカップリングを提供する(例えば、測定されるカップリング・インピーダンスZ21の結果をもたらす)。重要なことに、2つの設計例は、同じ電話機(Phone)サイズのPRUコイル(図5(c))に対して測定される場合に、同様なカップリング効率を示すが、より小さなウェアラブル・コイルの場合と比較すると、タイル状コイル設計は、かなり大きなコイル・カップリング効率を示す。より高い効率は、より大きな相互カップリングに起因し、その相互カップリングは、図2の実施形態に関連して説明したように、サイズの食い違いが小さいことによる。
【００２４】
表2-タイル状化コイルと従来コイルとのパフォーマンス比較
【００２５】
【表２】
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上記の具体例は、開示される実施形態によるタイル状化コイルにより、同等な又は更に優れたカップリングの一様性が達成されることを示す。
【００２６】
図6は、本開示の一実施形態による(2×1)タイル状コイル・アレイの例示的なユニット・タイルを示す。具体的には、図6は、図4(b)に示されるタイル状化コイルを有する2つのタイルのうちの一方の寸法を示す。図6のタイル状化コイルの構造は、(図4(b)に示されるような)結合される2つのコイル手段が、直列に接続される場合に、結合されたコイル・エリアの中で最大の磁場均一性をもたらすように、最適化されている。
【００２７】
実現手段の一例では、設計の目的は、最大の磁場均一性をもたらすように、タイルに2つのコイルを配置する構造を最適化することである。個々の構成ブロックが、コイルの各ターンを構築するために使用される。構成ブロックは、コイル・ターンの形状を制御する一群の変数を含む。通常の構成ブロックは幾つかの自由度を有する(例えば、四角形のコイルは、長さ、幅及び中心位置という自由度を有する)。構成ブロックは、実質的に一様な磁場を精製する形状をとるようにフレキシブルであってよい。一実施形態では、構成ブロックは、最適化プロセスを簡易化するために、少数の自由度で構成されている。
【００２８】
従って、開示される実施形態は、タイル状化コイル・システムの構成ブロックを形成する単独のコイル・ブロックに関連する。一実施形態では、構成ブロックは、湾曲した側端部(縁)を有する四角形であってもよい。湾曲の仕方は、二次関数に基づいて設定されてもよい。1つの側端部についての二次関数は、2つの頂点と、その中間に延びる(形成される)正又は負のライン(凸状又は凹状のライン)とで規定される。各々のターンは、8つの自由度を有してもよい。
【００２９】
図7は、本開示の一実施形態によるコイル・ターンのブロックを示す。図7のコイルは、外側に湾曲した4つの側端部とともに、8つの自由度を有する。本願で開示されるタイル状レイアウトに関し、他の形状が使用されてもよい。図7の構成ブロック変数は、幅がA+Anであり、長さがB+Bnであり、湾曲の仕方(又は曲率)がC,Cn,D,Dnであり、x方向の中心が(A-An)/2であり、y方向の中心が(B-Bn)/2である四角形を表現する。中心、幅及び長さ以外のこれらの変数に基づいてコイル・ブロックを構成することは、最適化プロセスを簡略化する。開示される一実施形態は、制約の規定の仕方を簡略化し、交差するコイルによるループを禁止する。
【００３０】
表3は、図7に示される各コイル・ターンの寸法を示す。側端部B及びDはそれぞれBn及びDnに等しく、その理由は、コイルはx軸に関して対称だからである。2つのコイルの中心間距離は、x方向に関し、Xdif=15.7cmである。側端部B,D,Bn及びDnの値は、図5に示されるものと同じである。図6では、外側の2つのループが四角形であり、その理由は、最適化の成果として及び最大コイル寸法(すなわち、10cm)で規定される制約を遵守するために、それらのループに関するAn,A,B,Cn,Cが等しいからである。
【００３１】
表3-コイル・ターンの寸法例(cm)
【００３２】
【表３】
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一実施形態では、最適化プロセスは、所望のエリアにわたって磁場の均一性をモニタリングすることを含む。磁場の一様性は、様々な高さで観測されてよい。図8は、開示される一実施形態による最適化プロセス例を示す。具体的には、図8(a)は、ビオサバールの法則(The  Boit-Savart  law)により、コイル表面から2.5cmの高さの場所に生成される最適化され正規化されたHzを示す。図8(b)は、開示される一実施形態による最適化された回路例を示す。図8の例示的な実現手段では、対象のエリアは、コイル平面上の約2.5cmの位置にある。対象のエリアは、2つのタイル状化されたコイル(図8(b))により占められるエリアに実質的に等しい。これに対して、対象エリアの境界(ボーダー)は、コイルの外側境界から約3cm内側にあり、その理由は、コイル表面上の2.5cmの高さでは、コイル・エリアと比較して、磁場強度は弱まっているからである。
【００３３】
水平軸及び垂直軸に沿う設計の対称性に起因して、最適化は、エリアの四分の一にわたって行われる。最適化のエリアは、図8(b)の右隅に示されている。STD(Hz)/MEAN(Hz)として規定される磁場の均一性は、約7.2％という値で観測され；ここで、STDは標準偏差を示す。
【００３４】
図8(b)のタイル状化されたレイアウト設計は、FEM電磁ソフトウェアを利用して、z=2.5cmにおいて確認された。図9は、図8(b)のタイル状コイルにより生成されるシミュレーションによる一様なHz磁場を示す。磁場は、図8(a)に示されるようなビオサバールの法則により生成される磁場に類似している。
【００３５】
図8(a)の送信機のタイル状コイルから、小さな受信機コイル(図示せず)へのパワー伝送効率を測定するために、ベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)が使用された。受信機コイルは、タイル上方約2.5cmの高さにおける2x1タイル状化のエリアにわたってスキャンされる。正規化された測定された効率が収集され、図10に示されている。図10の正規化された磁場は、送信機のタイル状コイル・エリアにわたって実質的に一様な磁場を示している。
【００３６】
所定の実施形態において、本開示は最適化プロセス及び方法に関連している。最適化プロセスは、送信機コイル上で或る距離の位置における磁場に応じて構成されてよい。送信機コイルは、開示される実施形態によりタイル状化されてもよい。磁場は、コイル上の約2.5cmという例示的な距離の位置で測定されてもよい。実現手段の一例では、最適化の目的は、磁場均一性を最大化することである(すなわち、磁場の標準偏差STD(Hz)/Mean(Hz)を最小化することである)。数式(1)のビオサバールの法則が、磁場強度(B)を定量化するために使用されてよい。均一性の計算に関し、磁場(H)及び磁束密度(B)という用語が適宜使用されてよい。
【００３７】
【数１】
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数式(1)では、位置(x0,y0,z0)が観測点であり；rはコイルから観測点へ向かうベクトルであり；r^はr方向の単位ベクトルであり；Iはコイルを流れる電流であり；dlは微小要素に等しい大きさのベクトルであり；μ0は自由空間の透磁率を表す磁気定数である。dlの方向は、電流と同一であると仮定されてよい。積分は、コイルの経路全体にわたって評価される線積分である。
【００３８】
ビオサバールの法則は、任意の電流フィラメント(又は電流要素)によって生成される磁場を算出するために適用される。任意の電流フィラメントは、螺旋状の同心状の電流ループ若しくはその他の適切な形状、又は、それらの形状の組み合わせを含んでよい。ビオサバールの法則は、積分形式のままではコンピュータの計算に相応しくない。そこで、積分形式は、ソフトウェアの計算のために数式(2)に示されるように総和形式に変換されてもよい：
【００３９】
【数２】
2017536796.tif 000007
数式(2)において、rnはセグメントnから観測点に至るベクトルであり、Δl(デルタエル)はセグメントnの長さである。最適化プロセスは、各ターンの寸法に対する任意の初期値からスタートしてもよく、このプロセスは初期設定(initial  population)と言及されてよい。数式(2)におけるビオサバールの法則は、コイル上で必要とされる距離zにおける各位置での磁場を算出するために、例えば、図8(b)に示される例示的なエリアの場合に輪郭線に沿って使用される。コスト関数STD(Bz)/Mean(Bz)が、必要とされるエリアにわたって算出される。コスト関数の下降が止まるまでプロセスを反復するように、一般的なアルゴリズムが使用されてよい。コスト関数の変化が、所定の閾値未満になった場合に、アルゴリズムは終わってもよい。
【００４０】
上述したように、開示される実施形態は、タイル状化されたコイルのレイアウトを有する送信機充電ステーションに関連する。一様な充電フィールドを提供するために、2つ以上のタイルが配置されてよい。各々のタイルは、本開示に合致して設計される対称的な又は非対称なコイル・レイアウトを有してもよい。タイル状化の設計例では、2つのタイル状化されたコイルが形成されている。各タイルは、幅及び長さが約20cmという寸法を有する。トレース抵抗を最小化するように、トレース幅は約4mmであり、ターン同士のキャパシタンスを最小化するために、最小トレース間隔は約4mmであった。各コイルは、5回のターンを有し、上述したものに類似する湾曲した縁を有する実質的には四角形であった。
【００４１】
図6及び図7に関連して議論したように、最適化変数は、A,An,B,C,Cn,Dというコイルの寸法を含む。最適問題を決定するために、各々の最適化変数に対する制約が考察されてもよい。表3に示されるように、最も外側のターンは第1ターンであり、その寸法は、コイル・サイズ20x20cm2を維持するように、分をわきまえて10cmを越えない(すなわち、A1=An1=B1=C1=Cn1=D1≦10cmである)。更に、各々の内側のターンに関し、寸法は、隣の更に大きなターンの寸法を、分をわきまえて越えるべきではない。一実施形態では、トレース幅及び隙間のための間隔を残すために、約8mmの間隔が割り振られる(例えば、At>At-1+8mmである)。従って、最適化問題は、次のような数式(3)により規定される：
【００４２】
【数３】
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図11は、本開示の一実施形態による一般的な最適化プロセスのフローチャートを示す図である。図11のフローチャート又はアルゴリズムは、ステップ1110から始まり、任意の初期設定値が設計者によって選択される。初期設定は、最適化設計を近似するように考えられる変数値を表現する。ステップ1120ないし1140は一般的なアルゴリズムである。磁場のz成分が、所望のエリアにわたって見出される。B値を利用して、コスト関数STD(B)/Mean(B)が算出される。アルゴリズムは、ステップ1120ないし1140を反復することによって、変数値を連続的に変化させる。ステップ1150において、変数値が最小コスト関数をもたらすに至ると、アルゴリズムは終了する。最適な設計が構成されると、設計されたコイルは、整合ネットワークに結合され、ワイヤレス充電送信機モジュールに接続される。整合ネットワークは、1つ以上の動的なチューニング回路を含んでいてもよい。
【００４３】
開示されるコイル技術は、広いアクティブ・エリアをカバーし且つ複数のデバイスを同時にサポートすることが可能なワイヤレス充電送信機ソリューションの配備を可能にする。開示される実施形態は、特に、大きなワイヤレス充電インフラストラクチャの配備に適用されることが可能である。高度に一様な磁場の送信機コイルは、従来のワイヤレス充電ステーションと比較して、かなり優れたパフォーマンスを提供する。
【００４４】
図11に示される最適化アルゴリズムは、所定のオーバーラップ距離を有するタイル状化された(複数の)コイルを設計することに適用されてよい。開示される原理によるそのような設計例の1つは、図12に示されている。図12では、第1コイル1210が第2コイルとオーバーラップしている。オーバーラップ距離はdである。その距離は、第1又は第2コイルのうちの何れかの長さ又は幅の10-50％の間にあってよい。各コイルは、最も内側のターン及び最も外側のターンを有する。第1コイル1210は非対称なレイアウトで示されており、左側がコイルの右側と異なるターン・レイアウトを有する。しかしながら、開示される実施形態は、非対称なレイアウトを有するタイル状コイルに限定されない。本開示から逸脱することなく、対称的なコイルが使用されてよい。第1コイル1210及び第2コイル1220が部分的に(dの分だけ)オーバーラップする場合に、(マルチターン螺旋コイルの場合の)或るタイル状コイルの最も外側のターンは、他のタイル状コイルの最も内側のターンに合致して又はそれを越えて延びるように重なる。
【００４５】
図12のレイアウト例は、2つより多いコイルに適用されてもよい。例えば、タイル状設計例は、一定の距離でオーバーラップする又は(例えば、d1,  d2,  d3...のように)変化する距離でオーバーラップする3つ以上のコイルを含んでもよい。更に、各タイルのコイル設計例は、タイルの他のコイルと同一であってもよいし、或いは、他のコイルと異なっていてもよい。本願で開示される設計要素を変化させることにより、かなりの磁場が、オーバーラップする平面状で生成される。
【００４６】
タイル状レイアウトでの2つ以上のコイルの特定の組み合わせは、高いカップリング及び低い損失の観点から、従来の大きなコイルを上回る明確な利点を示す。タイル状レイアウトは、実質的にかなり一様な広いアクティブ・エリアを充電キャパシティで提供することによって、ラップトップ等のような大きなデバイスについての効率的な充電を可能にする。
【００４７】
図13-15には、タイル状コイル設計を利用する代替的な実施形態が示されている。図13は、4つのチューニングされたコイルを一列に直列的に接続することによって構成されるワンバイフォー(a  one-by-four  (1x4))コイル・アレイを示す。図13の実施形態は、タイル状コイル表面上の距離zの位置で、一様に四角形の領域に及ぶ磁気的な充電フィールドを提供する。
【００４８】
図14は、より大きなエリアをカバーする2次元タイル状コイル設計例を示す。図14では、最適化された設計レイアウトで7つのコイルが、最大の磁場を提供するように、直列に接続され且つタイル状化されている。各コイルは隣接するコイルとともにタイル状化されている。各々のコイル1410，1420，1430，1440，1450，1460及び1470は、7つのコイルの合成磁場が、拡大された充電エリア内で一様になるように、最適化される。
【００４９】
図15は、環状パターンを有する別のタイル状コイル設計例を示す。図15では、6つのコイル1510，1520，1530，1540，1550及び1560が、円形状の設計例を形成するようにタイル状化されている。上述した実施形態と同様に、タイルの各コイルは、一様な合成磁場をもたらすように最適化されている。
【００５０】
図16は、本開示の一実施形態によるPTUレイアウト例を概略的に示す。具体的には、図16は、第1コイル回路1610及び第2コイル回路1620を概略的に示す。第1コイル回路1610又は第2コイル回路1620の各々は、それらの上方で実質的に一様な磁場を提供するように構成される幾何学形状を有する。図16には図示していないが、第1コイル回路1610及び第2コイル回路1620は、オーバーラップ・エリアを共有している。第1コイル回路1610は第1チューナー1615を含む。第1チューナー1615は、第1コイル1610の共振周波数に影響を及ぼす1つ以上のチューニング回路を有する。チューニング回路は、第1コイル回路1610又は第2コイル回路1620の共振周波数をチューニングするように配置される1つ以上のキャパシタを有する。キャパシタ1630は、第1コイル回路1610と第2コイル回路1620との間に配置される。キャパシタ1630は、第1コイル回路1610と第2コイル回路1620とを直列に接続する。キャパシタ1630は、第1チューナー又は第2チューナーに組み込まれてもよい。
【００５１】
実現手段の一例では、第1チューナー1615及び第2チューナー1625はキャパシタ1630とともに、各自の第1及び第2コイル回路1610,1620の共振周波数をチューニングし、コイルの表面上で実質的に一様な磁場を提供するために使用される。直列に接続される第1及び第2チューナーのコンビネーションは、キャパシタ1630の共振に合致するように設計される。これは、結合されたコイルの最大品質係数を達成することを可能にする。
【００５２】
コントローラ1640は、第1キャパシタ1615及び/又は第2キャパシタ1625をチューニングするために選択的に提供される。第1コイル回路1610及び第2コイル回路1620の共振周波数を変更し、第1及び第2コイル回路の各々から実質的に類似する共振周波数を提供するように、コントローラ1640は構成されてもよい。
【００５３】
以下、非限定的な具体例が、本開示の様々な形態を例示するために提供される。具体例1はトランスミッタの充電ステーションに関連し、充電ステーションは：第1共振磁場を提供する第1レイアウト形状を有する第1コイル；第2共振磁場を提供する第1レイアウト形状を有する第2コイルであって、前記第1及び第2共振磁場の合成が、前記第1及び第2コイルのオーバーラップする平面上で実質的に一様な磁場を提供するように、前記第2コイルは前記第1コイルとオーバーラップする、第2コイル；を有する送信機の充電ステーションである。
【００５４】
具体例2は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第1コイル及び前記第2コイルが、部分的にオーバーラップするタイルとして構成されるものである。
【００５５】
具体例3は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第1コイル及び前記第2コイルが直列に接続されるものである。
【００５６】
具体例4は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第1コイル又は前記第2コイルのうち少なくとも何れかが、非対称な又は均等でないコイル・ターンを規定するものである。
【００５７】
具体例5は具体例1の充電ステーションにおいて、第3レイアウト形状を有する第3コイルを有するものである。
【００５８】
具体例6は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第3コイルが、前記第1及び第2コイルの磁場を拡大するように、前記第2コイルに少なくとも部分的にオーバーラップするものである。
【００５９】
具体例7は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第2コイルが、前記第1又は第2コイルの何れかの長さの約10-50％の範囲内で前記第1コイルとオーバーラップするものである。
【００６０】
具体例8は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第1コイルの最も外側のターンが、前記第2コイルの最も内側のターンを越えているものである。
【００６１】
具体例9は具体例1の充電ステーションにおいて、前記第1コイルが対称な形状を規定し、前記第2コイルが非対称な形状を規定するものである。
【００６２】
具体例10は、ワイヤレス充電ステーションに関連し、ワイヤレス充電ステーションは：第1共振周波数チューナーを有する第1コイル；第2共振周波数チューナーを有する第2コイル；前記第1及び第2コイルを接続するキャパシタ；前記第1コイル及び前記第2コイルに接続される電源；及び前記第1及び第2コイルの各々から実質的に同様な共振周波数を提供するように、前記第1又は第2周波数チューナーのうち少なくとも何れかを設定するコントローラ；を有するワイヤレス充電ステーションである。
【００６３】
具体例11は具体例10のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1コイル又は前記第2コイルのうち少なくとも何れかが、非対称な又は均等でないコイル・ターンを規定するものである。
【００６４】
具体例12は具体例10のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1及び第2コイルが直列に接続されるものである。
【００６５】
具体例13は具体例10のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1コイルは前記第2コイルとオーバーラップするように配置されるものである。
【００６６】
具体例14は具体例13のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1及び第2コイルのうちの1つ以上とオーバーラップする第3コイルを有するものである。
【００６７】
具体例15は具体例10のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1コイルの最も外側のターンが、前記第2コイルの最も内側のターンを越えているものである。
【００６８】
具体例16は具体例10のワイヤレス充電ステーションにおいて、前記第1コイルが対称な形状を規定し、前記第2コイルが非対称な形状を規定するものである。
【００６９】
具体例17は、パワー伝送ユニット(PTU)において実質的に一様な磁場を提供するための方法に関連し、本方法は：第1共振周波数を提供する第1コイルを形成するステップ；第2共振周波数を提供する第2コイルを形成するステップ；実質的に同様な共振周波数を提供するように、前記第1コイル又は前記第2コイルのうちの1つ以上をチューニングするステップ；及び前記第1及び第2コイル上で実質的に一様な磁場を提供するように、前記第1及び第2コイルをオーバーラップさせるステップ；を有する方法である。
【００７０】
具体例18は具体例17の方法において、前記第1コイルが、少なくとも1つの縁が外側に湾曲している多角形レイアウト(a  multi-  sided  layout)を有するものである。
【００７１】
具体例19は具体例17の方法において、前記第1及び第2コイルを直列に接続するステップを有するものである。
【００７２】
具体例20は具体例17の方法において、前記第1及び第2コイルの間にチューニング・キャパシタを介在させるステップを含むものである。
【００７３】
具体例21は具体例17の方法において、オーバーラップ領域における前記第1コイル及び第2コイルの合成磁場強度の関数として、オーバーラップ距離を決定するステップを含むものである。
【００７４】
具体例22は具体例17の方法において、前記第1コイルに関連する少なくとも1つのキャパシタのキャパシタンスをチューニングすることにより、前記第1コイルの前記第1共振周波数をチューニングするステップを含むものである。
【００７５】
具体例23は具体例20の方法において、前記チューニング・キャパシタが、前記第1又は第2キャパシタの何れかと実質的に同じ値を有するように、前記第1コイルに関連する第1キャパシタと前記第2コイルに関連する第2キャパシタとをチューニングするステップを有するものである。
【００７６】
具体例24は具体例23の方法において、前記第1キャパシタ、第2キャパシタ及びチューニング・キャパシタを直列に接続するステップを有するものである。
【００７７】
具体例25は具体例17の方法において、パワー受信ユニット(PRU)が、実質的に一様な磁場に近接してさらされることにより、前記PTUから電磁場充電を受けるステップを含むものである。
【００７８】
以上、本開示による原理は、本願で示される例示的な実施形態に関連して説明されてきたが、本開示による原理は、それらに限定されず、それらについての任意の修正、変形又は置換を包含する。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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